Bạn mua một chiếc xe máy điện, pin ghi rõ dung lượng, nhưng sau một hai năm xe đi được ngày càng ít dù đồng hồ vẫn báo sạc đầy 100%. Rất nhiều trường hợp như vậy không phải do cả khối pin đã già, mà do các cell bên trong không còn đi cùng nhịp. Thứ giữ cho chúng đồng đều có tên là cell balancing, tức cân bằng cell. Bài này giải thích từ gốc: khối pin được ghép thế nào, vì sao cell lệch nhau, lệch thì mất gì, và mạch cân bằng làm việc ra sao.
Khối pin không phải một cục pin, mà là hàng chục cell nối tiếp
Mỗi cell lithium-ion chỉ cho điện áp danh định khoảng 3,6–3,7 V (loại LiFePO4 khoảng 3,2 V). Muốn có điện áp đủ cao để chạy động cơ, nhà sản xuất phải nối tiếp nhiều cell lại với nhau. Ví dụ pin xe máy điện 72 V thường gồm khoảng 20 cell lithium nối tiếp, mỗi cell khoảng 3,6 V. Pin ô tô điện còn lớn hơn nhiều: hàng chục đến hàng trăm nhóm cell nối tiếp, mỗi nhóm lại gồm nhiều cell mắc song song để tăng dung lượng.
Điểm mấu chốt của mạch nối tiếp: cùng một dòng điện chạy qua tất cả các cell cùng lúc. Khi sạc, cell nào cũng nhận cùng số ampe; khi xả, cell nào cũng cấp cùng số ampe. Nếu mọi cell giống hệt nhau thì không có gì phải bàn. Vấn đề là chúng không bao giờ giống hệt nhau.
Các cell mắc song song tự cân bằng điện áp với nhau, vì chúng nối chung hai cực. Còn các nhóm mắc nối tiếp thì không có đường nào để tự san điện áp. Vì vậy khi nói "cân bằng cell", người ta đang nói tới các nhóm nối tiếp trong khối pin.
Vì sao không có hai cell nào giống nhau
Ngay từ dây chuyền sản xuất, mỗi cell đã có sai số riêng: dung lượng lệch nhau vài phần trăm, điện trở trong cũng khác. Nhà sản xuất tốt sẽ đo và phân loại (grading) để ghép những cell gần giống nhau vào một khối, nhưng chỉ thu hẹp được khoảng lệch chứ không xoá được.
Sau khi lắp vào khối, các cell còn sống trong điều kiện khác nhau:
- Nhiệt độ: cell nằm giữa khối khó tản nhiệt, nóng hơn cell ở rìa. Nhiệt độ cao làm cell lão hoá nhanh hơn.
- Tự xả: mỗi cell tự mất một ít điện khi để yên, và tốc độ tự xả mỗi cell một khác.
- Điện trở trong: cell có điện trở cao hơn sinh nhiệt nhiều hơn khi chạy dòng lớn, lại càng nóng và càng già nhanh.
Một chênh lệch nhỏ ở lần sạc đầu tiên không đáng kể. Nhưng sau hàng trăm chu kỳ sạc xả, nó cộng dồn. Có cell đã đầy 90% trong khi cell bên cạnh mới 80%. Khối pin lúc này giống đội chèo thuyền mỗi người chèo một tốc độ: ai cũng cố, nhưng thuyền đi chậm và lệch hướng.
Cell yếu nhất quyết định dung lượng cả khối
Để bảo vệ cell lithium, mạch quản lý pin (BMS, Battery Management System) theo dõi điện áp từng cell và có hai ngưỡng cứng. Với cell lithium-ion thông thường, ngưỡng trên khoảng 4,2 V và ngưỡng dưới khoảng 2,5–3,0 V tuỳ hoá học và nhà sản xuất.
Khi sạc: cell nào đầy trước sẽ chạm 4,2 V trước. BMS buộc phải ngắt sạc cả khối ngay lúc đó, vì nếu sạc tiếp, cell đã đầy sẽ bị quá áp. Các cell còn lại chưa đầy cũng đành dừng. Phần dung lượng chưa nạp vào là phần bị bỏ phí.
Khi xả: điều ngược lại xảy ra. Cell yếu nhất (dung lượng thấp nhất hoặc đang ít điện nhất) cạn trước, tụt xuống ngưỡng dưới. BMS lại ngắt điện, xe báo hết pin, trong khi các cell khác vẫn còn năng lượng.
Hãy hình dung khối pin 20 cell, trong đó một cell lệch 10% so với phần còn lại:
| Tình huống | Điều gì xảy ra | Hệ quả |
|---|---|---|
| Cell lệch đang có nhiều điện hơn | Chạm ngưỡng 4,2 V sớm khi sạc | 19 cell còn lại không được nạp đầy |
| Cell lệch đang có ít điện hơn | Chạm ngưỡng dưới sớm khi xả | Xe báo hết pin khi 19 cell vẫn còn điện |
| Cell lệch có dung lượng nhỏ hơn | Vừa đầy sớm vừa cạn sớm | Dung lượng dùng được của cả khối bằng dung lượng của cell nhỏ nhất |
Vì vậy mới có câu: khối pin chỉ mạnh bằng cell yếu nhất của nó. Đồng hồ trên xe vẫn báo 100% vì BMS coi khối đã đầy khi cell cao nhất chạm ngưỡng, nhưng con số km thực tế thì giảm rõ.
Không cân bằng thì nguy hiểm tới đâu
Mất dung lượng mới chỉ là phần nhẹ. Với một BMS kém hoặc không có BMS, khi cell lệch mà không có gì can thiệp:
- Cell đầy trước bị sạc quá áp. Ở điện áp quá cao, lithium có thể kết tủa thành kim loại trên bề mặt cực âm (lithium plating), làm mất dung lượng vĩnh viễn và có thể mọc thành tinh thể nhọn xuyên qua lớp màng ngăn.
- Cell cạn trước bị xả quá sâu. Điện áp quá thấp làm hỏng cấu trúc điện cực, có thể hoà tan đồng ở lá góp cực âm. Cell sau đó sạc lại sẽ yếu hẳn, thậm chí chập trong.
- Cell sinh khí, phồng lên, nóng dần. Trường hợp xấu nhất là đoản mạch bên trong, dẫn tới thoát nhiệt (thermal runaway): cháy và có thể lan sang cả khối.
Xe báo đầy nhưng đi được ít hơn hẳn trước đây, phần trăm pin tụt rất nhanh ở đoạn cuối, xe đang chạy bỗng tắt khi pin còn khá nhiều, hoặc vỏ pin nóng bất thường, phồng, có mùi lạ. Gặp các dấu hiệu này nên mang đi kiểm tra điện áp từng cell, đừng cố dùng tiếp.
Lệch cell còn là một vòng xoáy: cell yếu bị đẩy tới ngưỡng thường xuyên nhất, nên chịu nhiều căng thẳng nhất, nên càng yếu nhanh hơn, khiến khoảng lệch càng lớn.
Cell balancing làm gì
Cell balancing là kỹ thuật đưa điện áp (hay chính xác hơn là mức điện, SOC) của mọi cell về cùng một mức. Quy trình chung gồm ba bước lặp liên tục:
- Đo: BMS đo điện áp từng nhóm cell nối tiếp, thường kèm nhiệt độ ở vài điểm trong khối.
- Tìm cell lệch: so sánh để biết cell nào đang cao hơn hoặc thấp hơn phần còn lại quá một ngưỡng cho phép.
- Can thiệp: xả bớt cell cao, hoặc chuyển năng lượng sang cell thấp, để cả khối đi cùng nhịp.
Có hai trường phái làm bước 3: cân bằng thụ động và cân bằng chủ động.
Cân bằng thụ động: đốt bớt phần dư thành nhiệt
Đây là cách phổ biến nhất. Mỗi nhóm cell có một điện trở nhỏ mắc song song qua một công tắc bán dẫn (MOSFET). Khi BMS thấy một cell cao hơn các cell khác, nó đóng công tắc cho cell đó, dòng điện chảy qua điện trở và phần năng lượng dư biến thành nhiệt. Cell cao hạ dần xuống bằng các cell khác.
Ưu điểm rõ ràng: rẻ, ít linh kiện, dễ làm, ít hỏng. Vì thế cân bằng thụ động có mặt trong hầu hết xe máy điện, xe đạp điện, pin dự phòng và cả nhiều ô tô điện.
Nhược điểm cũng rõ:
- Dòng cân bằng nhỏ, thường chỉ khoảng vài chục đến một trăm mili ampe. Muốn san một khoảng lệch lớn trên cell dung lượng hàng chục Ah có thể mất nhiều giờ, thậm chí nhiều lần sạc.
- Phí năng lượng: phần dư bị đốt bỏ thành nhiệt chứ không dùng được.
- Chỉ "kéo xuống" được: nó hạ cell cao chứ không nâng được cell thấp. Nếu một cell có dung lượng nhỏ hơn, cân bằng thụ động không giúp lấy thêm km khi xả.
Năng lượng dư biến thành nhiệt ngay trên bo mạch. Dòng càng lớn thì điện trở càng nóng, mà bo BMS thường nằm sát khối pin, nơi nhiệt độ vốn đã là kẻ thù. Nhà thiết kế buộc phải giữ dòng nhỏ để tản nhiệt an toàn.
Cân bằng chủ động: chia lại năng lượng thay vì đốt bỏ
Cân bằng chủ động không đốt năng lượng mà chuyển nó từ cell cao sang cell thấp. Có ba cách phổ biến:
- Tụ điện chuyển mạch (switched capacitor): một tụ điện lần lượt nối vào cell cao để nạp, rồi nối sang cell thấp để xả. Đơn giản nhất trong nhóm chủ động, nhưng chạy chậm khi chênh lệch điện áp nhỏ.
- Cuộn cảm (inductor): dùng cuộn cảm làm "xô múc" năng lượng giữa các cell liền kề, dòng lớn hơn và hiệu quả hơn.
- Biến áp (transformer): chuyển năng lượng từ cell cao về cả khối hoặc từ cả khối về cell thấp, linh hoạt nhất nhưng phức tạp và đắt nhất.
So sánh nhanh hai cách:
| Tiêu chí | Thụ động | Chủ động |
|---|---|---|
| Nguyên lý | Đốt phần dư thành nhiệt | Chuyển năng lượng giữa các cell |
| Dòng cân bằng | Khoảng vài chục đến 100 mA | Có thể tới vài ampe |
| Hiệu suất | Năng lượng dư bị mất | Có thể trên 90% |
| Nâng được cell thấp | Không | Có |
| Chi phí, độ phức tạp | Thấp | Cao |
| Thường gặp ở | Xe máy điện, pin dự phòng, nhiều ô tô | Ô tô điện cao cấp, hệ thống lưu trữ lớn, bo cân bằng gắn thêm |
Với khối pin nhỏ, khoảng lệch thường nhỏ, cân bằng thụ động là đủ. Với khối pin lớn như hệ thống lưu trữ năng lượng nhiều trăm kWh, mỗi phần trăm năng lượng tiết kiệm được đáng giá hơn, và khoảng lệch dễ lớn hơn, nên cân bằng chủ động mới đáng đồng tiền.
Người dùng nên làm gì để mạch cân bằng làm tốt việc của nó
Một chi tiết ít người biết: phần lớn BMS chỉ cân bằng khi pin gần đầy. Lý do là ở vùng gần đầy, điện áp mỗi cell phản ánh mức điện khá rõ, nên BMS so sánh chính xác hơn. Riêng pin LiFePO4 có đường điện áp rất phẳng ở giữa, gần như chỉ phân biệt được cell cao thấp ở vùng sát đầy.
Hệ quả thực tế: nếu bạn luôn sạc tới 80% rồi rút, mạch cân bằng có thể không bao giờ có cơ hội làm việc. Lâu dần các cell trôi lệch nhau.
Thỉnh thoảng (ví dụ vài tuần một lần, hoặc theo khuyến nghị của hãng) hãy sạc đầy 100% rồi để sạc thêm một lúc sau khi đèn báo đầy, cho mạch có thời gian san đều các cell. Sau đó đi luôn, đừng để pin ở 100% nhiều ngày liền.
Checklist cho người dùng xe điện và pin tự ráp:
- [ ]Sạc đúng sạc của hãng, đúng điện áp khối pin
- [ ]Định kỳ sạc đầy và để thêm một lúc cho BMS cân bằng
- [ ]Tránh để pin cạn kiệt rồi bỏ lâu ngày, vì tự xả có thể đẩy cell yếu xuống dưới ngưỡng an toàn
- [ ]Để xe và pin nơi thoáng mát, tránh nắng gắt
- [ ]Pin tự ráp: chọn cell cùng lô, cùng loại, đo dung lượng và nội trở trước khi ghép; dùng BMS có chức năng cân bằng
Khi các cell được cân bằng, khối pin dùng được trọn dung lượng thiết kế, xe đi xa hơn trên mỗi lần sạc. Không cell nào bị đẩy tới ngưỡng thường xuyên hơn các cell khác, nên cả khối già đều nhau và tuổi thọ kéo dài hơn.
Khối pin chỉ mạnh bằng cell yếu nhất của nó. Cell balancing chính là nhạc trưởng giữ cho cả dàn đồng đều.
Tóm tắt nhanh
- Khối pin gồm nhiều cell nối tiếp, cùng dòng điện chạy qua nhưng mỗi cell có dung lượng, nội trở và nhiệt độ khác nhau, nên lệch dần theo thời gian.
- BMS ngắt sạc khi cell cao nhất đầy và ngắt xả khi cell thấp nhất cạn, nên cell yếu nhất quyết định dung lượng dùng được của cả khối.
- Không cân bằng thì vừa mất dung lượng, vừa có nguy cơ quá áp, xả sâu, phồng và cháy.
- Cân bằng thụ động đốt phần dư thành nhiệt: rẻ, phổ biến, nhưng chậm. Cân bằng chủ động chuyển năng lượng giữa các cell: nhanh, hiệu quả, nhưng đắt.
- Phần lớn BMS cân bằng ở vùng gần đầy, nên thỉnh thoảng hãy sạc đầy và để thêm một lúc.
Câu hỏi thường gặp
Pin điện thoại có cần cân bằng cell không?
Đa số pin điện thoại chỉ có một cell (hoặc vài cell mắc song song), nên không có chuyện lệch giữa các cell nối tiếp. Cân bằng cell là vấn đề của pin nhiều cell nối tiếp: laptop, xe điện, pin dự phòng dung lượng lớn, hệ thống lưu trữ.
Sạc đầy 100% thường xuyên có hại pin không?
Để pin ở 100% trong thời gian dài làm cell lão hoá nhanh hơn, nên không cần ngày nào cũng sạc đầy. Nhưng thỉnh thoảng sạc đầy để BMS cân bằng là có lợi. Cách hợp lý: dùng hằng ngày ở mức vừa phải, định kỳ sạc đầy rồi dùng ngay.
Cân bằng cell có cứu được một cell đã hỏng không?
Không. Cân bằng chỉ san đều mức điện giữa các cell. Một cell đã mất nhiều dung lượng, nội trở tăng cao hoặc bị phồng thì vẫn là điểm yếu của khối, và cách xử lý đúng là thay cell hoặc thay cả khối.
Pin tự ráp có nên gắn thêm bo cân bằng chủ động?
Với khối pin lớn hoặc ghép từ cell cũ có độ lệch cao, bo cân bằng chủ động gắn thêm giúp san cell nhanh hơn hẳn. Với cell mới cùng lô đã đo và ghép kỹ, BMS có cân bằng thụ động thường là đủ.
