Một bộ pin ô tô điện chứa từ vài trăm đến vài nghìn cell, và nhà sản xuất cố gắng để chúng giống nhau nhất có thể. Nhưng chỉ cần một cell yếu hơn phần còn lại, cả chiếc xe chạy được ít đi, sạc không đầy, nóng hơn và trong trường hợp xấu nhất còn có nguy cơ cháy. Bài này giải thích vì sao một cell nhỏ lại có tiếng nói lớn đến vậy, hệ thống quản lý pin (BMS) xoay xở ra sao, và chủ xe nên để ý những dấu hiệu nào.
Bên trong bộ pin: hàng nghìn cell xếp thành từng nhóm
Một cell lithium-ion đơn lẻ chỉ có điện áp danh định khoảng 3,6–3,7 V và dung lượng vài ampe giờ. Để có một bộ pin vài trăm vôn, vài chục kWh, nhà sản xuất ghép cell theo hai kiểu:
- Song song (P): nhiều cell nối chung cực dương và cực âm thành một nhóm. Điện áp nhóm vẫn bằng một cell, nhưng dung lượng và khả năng chịu dòng được cộng lại.
- Nối tiếp (S): các nhóm nối đuôi nhau. Dung lượng giữ nguyên, nhưng điện áp được cộng dồn.
Cách đặt tên quen thuộc là "xSyP". Chẳng hạn Nissan Leaf đời đầu (24 kWh) dùng 192 cell xếp 96S2P, còn Tesla Model S 85 kWh dùng hơn 7.000 cell hình trụ cỡ nhỏ chia thành 96 nhóm nối tiếp, mỗi nhóm 74 cell song song. Với 96 nhóm nối tiếp, điện áp danh định khoảng 96 × 3,7 ≈ 355 V, và khi sạc đầy (4,2 V mỗi cell) lên tới khoảng 400 V. Đó là lý do bạn hay nghe gọi "kiến trúc 400 V".
Vì sao nối tiếp thì "toa yếu" quyết định
Trong mạch nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mọi nhóm. Không nhóm nào được xả nhiều hơn hay ít hơn nhóm khác. Hãy hình dung một đoàn tàu: các toa nối cứng với nhau, nên toa nào phanh thì cả đoàn phải dừng. Bộ pin cũng vậy, và đó là gốc rễ của mọi chuyện phía sau.
Trong một nhóm song song thì ngược lại: các cell bị ép phải có cùng điện áp, nên chúng tự chia dòng cho nhau. Một cell hơi yếu trong nhóm song song sẽ được các "hàng xóm" gánh bớt, tác hại bị pha loãng. Nhóm càng nhiều cell song song, một cell yếu càng ít ảnh hưởng.
Cell yếu là gì và vì sao lại có cell yếu
"Yếu" có hai nghĩa chính, thường đi cùng nhau:
- Dung lượng thấp hơn: cell chứa ít ampe giờ hơn các cell khác. Ví dụ mọi cell chứa 5 Ah, riêng một cell chỉ còn 4 Ah.
- Điện trở trong cao hơn: dòng điện đi qua cell khó khăn hơn, nên điện áp sụt nhiều hơn khi tải nặng và cell sinh nhiều nhiệt hơn.
Nguyên nhân thường gặp:
- Sai lệch sản xuất: dù cùng một lô, các cell vẫn chênh nhau chút ít về dung lượng và điện trở. Nhà sản xuất phân loại (grading) để ghép cell gần nhau, nhưng không thể giống hệt.
- Lão hoá không đều: cell nằm giữa khối pin khó tản nhiệt hơn cell ở rìa, cell gần nguồn nhiệt (motor, sưởi) nóng hơn. Nhiệt độ chênh vài độ trong nhiều năm đủ khiến tốc độ lão hoá khác nhau rõ rệt.
- Lỗi ẩn: tạp chất kim loại, mép điện cực bị gấp, mối hàn kém. Những lỗi này có thể nằm im nhiều năm rồi mới lộ ra.
Cell yếu "kẹp" bộ pin ở cả hai đầu
Đây là phần quan trọng nhất. Mỗi cell lithium-ion có hai ngưỡng điện áp an toàn: ngưỡng dưới khi xả (thường khoảng 2,5–3,0 V tuỳ loại hoá học) và ngưỡng trên khi sạc (khoảng 4,2 V với pin NMC, khoảng 3,65 V với pin LFP). BMS phải đảm bảo không nhóm nào vượt ra ngoài hai ngưỡng này.
Khi xả: cell 4 Ah cạn trước. Điện áp của nhóm chứa nó tụt xuống ngưỡng dưới, BMS buộc phải cắt công suất, dù các nhóm khác vẫn còn khoảng 20% năng lượng.
Khi sạc: cũng chính cell đó đầy trước, chạm ngưỡng trên, bộ sạc phải dừng hoặc giảm dòng, trong khi các nhóm khác chưa đầy.
Kết quả là dung lượng dùng được của cả bộ pin chỉ bằng nhóm yếu nhất:
| Tình huống | Nhóm khoẻ | Nhóm yếu | Cả bộ pin dùng được |
|---|---|---|---|
| Mọi nhóm như nhau | 5 Ah | 5 Ah | 5 Ah (100%) |
| Một nhóm mất 20% | 5 Ah | 4 Ah | 4 Ah (khoảng 80%) |
| Một nhóm mất 30% | 5 Ah | 3,5 Ah | 3,5 Ah (khoảng 70%) |
Một nhóm trong số 96 mất 20% dung lượng, cả xe mất gần 20% quãng đường, dù 95 nhóm kia hoàn toàn khoẻ mạnh. Năng lượng vẫn nằm trong các cell khoẻ, chỉ là không lấy ra được.
Có hai kiểu chênh lệch. Lệch mức sạc (các cell cùng dung lượng nhưng cell này đang 60%, cell kia 55%) thì BMS sửa được bằng cân bằng. Lệch dung lượng (cell này chứa 4 Ah, cell kia 5 Ah) thì không cân bằng nào lấy lại được phần đã mất.
Điện trở trong cao: sụt áp, nóng lên và vòng luẩn quẩn
Nếu cell yếu có điện trở trong cao, mỗi lần đạp ga mạnh, dòng điện hàng trăm ampe chạy qua cả chuỗi khiến điện áp của nó sụt sâu hơn các cell khác (độ sụt bằng dòng nhân điện trở). Khi pin còn ít, cú sụt này có thể chạm ngưỡng dưới sớm, BMS phải giới hạn công suất. Người lái cảm thấy xe "đuối" hẳn khi pin dưới khoảng 20–30%.
Nhiệt sinh ra trong cell tỉ lệ với bình phương dòng điện nhân điện trở trong, nên cell có điện trở cao hơn sẽ nóng hơn hàng xóm ở mọi lần tăng tốc hay sạc nhanh. Và đây là chỗ bắt đầu vòng luẩn quẩn:
- Cell yếu nóng hơn.
- Nhiệt độ cao đẩy nhanh các phản ứng phụ bên trong (lớp SEI dày lên, chất điện phân phân huỷ), khiến cell lão hoá nhanh hơn.
- Lão hoá làm dung lượng giảm và điện trở trong tăng thêm.
- Điện trở cao hơn lại sinh nhiệt nhiều hơn, quay về bước 1.
Vì thế khoảng cách giữa cell yếu và cell khoẻ không đứng yên mà lớn dần theo thời gian. Một chênh lệch nhỏ lúc xuất xưởng có thể thành vấn đề rõ rệt sau vài năm, nhất là với xe hay sạc nhanh hoặc chạy ở vùng khí hậu nóng.
Bộ pin làm mát bằng chất lỏng giữ nhiệt độ các cell đều nhau hơn hẳn pin làm mát bằng không khí. Khi chọn xe điện cũ, đây là tiêu chí đáng hỏi, đặc biệt nếu bạn sống ở nơi nắng nóng.
Khi cell yếu trở nên nguy hiểm
Phần lớn thời gian, cell yếu chỉ gây phiền: mất quãng đường, sạc không đầy. Nhưng nếu BMS đo sai, hoặc cell bị đẩy ra ngoài ngưỡng, hậu quả nghiêm trọng hơn nhiều.
Xả quá sâu: khi điện áp cell tụt quá thấp, lá đồng làm cực góp ở cực âm có thể bị hoà tan vào chất điện phân. Lần sạc sau, đồng bám lại không đều, tạo thành những gai kim loại.
Sạc quá đầy hoặc sạc khi quá lạnh: lithium không kịp chui vào cực âm mà bám lên bề mặt thành kim loại (hiện tượng lithium plating), dần mọc thành các nhánh hình cây gọi là dendrite.
Những nhánh kim loại này có thể đâm xuyên màng ngăn giữa hai cực, gây chập trong. Chập trong sinh nhiệt cục bộ, nếu đủ lớn sẽ kích hoạt thoát nhiệt (thermal runaway) và có thể lan sang cell bên cạnh.
Nhóm song song, vốn là "lưới an toàn" cho cell yếu, lúc này lại thành điểm yếu: nếu một cell bị chập trong, các cell song song với nó sẽ đổ dòng vào nó vì chúng đang ở điện áp cao hơn. Đó là lý do nhiều thiết kế dùng dây nối cell mảnh đóng vai trò cầu chì, để tự đứt và cô lập cell hỏng.
Năm 2021, GM triệu hồi toàn bộ Chevrolet Bolt EV đã bán ra do lỗi sản xuất ở cell (tab cực âm bị rách và màng ngăn bị gấp) có thể gây cháy. Đây là ví dụ cho thấy một lỗi nhỏ ở cấp cell có thể ảnh hưởng tới cả một dòng xe.
Hệ thống quản lý pin cân bằng cell như thế nào
BMS đo điện áp của từng nhóm nối tiếp, cùng với nhiệt độ ở nhiều điểm và dòng tổng. Từ đó nó ước tính mức sạc của từng nhóm và tìm cách đưa chúng về cùng mức. Có hai cách chính:
| Cân bằng thụ động | Cân bằng chủ động | |
|---|---|---|
| Cách làm | Đốt phần năng lượng dư của nhóm cao nhất qua điện trở thành nhiệt | Chuyển năng lượng từ nhóm cao sang nhóm thấp qua tụ, cuộn cảm hoặc mạch DC-DC |
| Hiệu quả năng lượng | Lãng phí phần bị đốt | Ít lãng phí hơn |
| Độ phức tạp, giá | Đơn giản, rẻ | Phức tạp, đắt hơn |
| Mức phổ biến | Rất phổ biến trên xe điện | Ít gặp hơn |
Giới hạn quan trọng: dòng cân bằng rất nhỏ, với kiểu thụ động thường chỉ vài chục đến vài trăm miliampe, trong khi dòng sạc và xả là hàng chục đến hàng trăm ampe. Vì vậy cân bằng chủ yếu diễn ra chậm rãi khi xe đang sạc hoặc đang đỗ.
Cân bằng sửa được lệch mức sạc, nhưng không tạo thêm dung lượng cho cell đã lão hoá. Một cell 4 Ah vẫn chỉ chứa 4 Ah dù BMS cân bằng kỹ đến đâu. Còn nếu cell đã hỏng thật (chập trong, tự xả nhanh), cân bằng gần như bó tay: BMS sẽ báo lỗi và giới hạn công suất để bảo vệ.
BMS giỏi nhất cũng chỉ giúp mọi cell đi cùng nhịp, chứ không biến cell yếu thành cell khoẻ.
Dấu hiệu nhận biết và nên làm gì
Những dấu hiệu gợi ý bộ pin có nhóm cell yếu:
- [ ]Quãng đường giảm đột ngột trong thời gian ngắn, không phải giảm từ từ theo năm.
- [ ]Phần trăm pin tụt rất nhanh ở đoạn cuối (ví dụ từ 15% về 0% nhanh bất thường), hoặc xe giới hạn công suất khi pin còn khá nhiều.
- [ ]Sạc dừng sớm, không lên được 100% dù đã chọn sạc đầy.
- [ ]Xe báo lỗi liên quan đến chênh lệch điện áp cell hoặc cảnh báo hệ thống pin.
Nếu gặp các dấu hiệu này, hãy mang xe tới đại lý hoặc xưởng có thiết bị chẩn đoán để đọc điện áp từng nhóm. Tin tốt là phần lớn bộ pin được chia thành module, nên thường chỉ cần thay module chứa cell yếu, chi phí thấp hơn nhiều so với thay cả bộ pin. Trong thời hạn bảo hành pin, việc này thường do hãng xử lý.
Thói quen giúp các cell lão hoá chậm và đều hơn:
- Sạc hằng ngày trong khoảng 20–80%, chỉ sạc đầy trước chuyến đi xa (với pin LFP, hãng thường khuyên thỉnh thoảng sạc đầy để BMS hiệu chỉnh, hãy theo hướng dẫn của hãng).
- Tránh để xe cạn kiệt pin rồi đỗ lâu ngày.
- Hạn chế sạc nhanh liên tục khi pin đang rất nóng hoặc rất lạnh.
- Đỗ xe trong bóng râm khi trời nắng gắt.
Tóm tắt nhanh
- Bộ pin xe điện gồm các nhóm cell song song mắc nối tiếp; cùng một dòng chạy qua mọi nhóm, nên nhóm yếu nhất quyết định cả bộ.
- Cell yếu cạn trước khi xả và đầy trước khi sạc, khiến dung lượng dùng được của cả bộ pin chỉ bằng nhóm yếu nhất.
- Điện trở trong cao làm cell yếu nóng hơn, lão hoá nhanh hơn, tạo vòng luẩn quẩn làm chênh lệch lớn dần.
- Xả quá sâu hoặc sạc quá đầy có thể gây dendrite, chập trong và cháy.
- BMS cân bằng được mức sạc nhưng không lấy lại được dung lượng; cell hỏng thường xử lý bằng thay module.
Câu hỏi thường gặp
Một cell yếu có làm hỏng các cell khoẻ không?
Không trực tiếp. Các cell khoẻ chỉ bị "nhốt" lại một phần năng lượng không dùng được. Tuy nhiên nhiệt từ cell yếu có thể làm cell kế bên lão hoá nhanh hơn, và cell chập trong trong nhóm song song sẽ hút dòng từ hàng xóm.
Tự cân bằng bằng cách sạc đầy 100% có giúp được không?
Với lệch mức sạc thì có: nhiều BMS cân bằng ở gần đầu sạc, nên thỉnh thoảng sạc đầy và để xe cắm sạc thêm một lúc giúp BMS làm việc. Nhưng nó không phục hồi được dung lượng đã mất của cell lão hoá.
Thay một module có làm bộ pin lệch thêm không?
Module mới khoẻ hơn module cũ, nên vẫn có chênh lệch. Xưởng thường chọn module có mức sạc tương đương và BMS sẽ cân bằng dần. Bộ pin sau đó vẫn bị giới hạn bởi nhóm yếu nhất còn lại, nhưng thường tốt hơn hẳn trước khi thay.
Pin LFP có bị ảnh hưởng bởi cell yếu không?
Có, nguyên lý nối tiếp là như nhau. Pin LFP bền hơn và an toàn nhiệt hơn, nhưng đường điện áp rất phẳng nên BMS khó ước tính mức sạc từng cell, vì vậy hãng thường khuyên thỉnh thoảng sạc đầy để hiệu chỉnh.
