Cách cải thiện đồng hồ đo nhiên liệu pin

Hầu hết các ngôi nhà ở nông thôn được sưởi ấm bằng cách đốt củi trong một lò sưởi bằng đá đơn giản. Nhiệt mong muốn được kiểm soát bằng cách cho ăn gỗ. Ngày nay, máy tính quản lý hệ thống sưởi ấm trong các tòa nhà lớn và nồi hơi gần như đã trở thành thứ yếu. Một xu hướng tương tự đang phát triển với pin. Càng ngày, pin càng được điều khiển bởi một thiết bị gọi là Hệ thống quản lý pin (BMS) .

BMS đảm bảo an toàn, tuổi thọ cao và cung cấp trạng thái sạc (SoC). Các hệ thống hiện tại thực hiện điều này bằng cách đo điện áp, dòng điện và nhiệt độ của tế bào, một số còn bao gồm cả việc đếm coulomb. Phép đếm Coulomb đo dòng điện vào và ra của pin, một lý thuyết đã có từ 250 năm trước. Độ chính xác của SoC đủ tốt cho các sản phẩm tiêu dùng và nó giảm dần theo thời gian sử dụng. Đến lúc đó, người dùng đã quen với những điều kỳ quặc của thiết bị và không ai bị thương. Quân sự, y tế và các thiết bị quan trọng khác đòi hỏi độ chính xác cao hơn và bài viết này tập trung vào thông tin tình báo chịu trách nhiệm đo SoC của pin.

Thách thức của cái gọi là “pin thông minh” là giữ cho pin điện hóa và pin kỹ thuật số cùng nhau. Pin điện hóa được gọi là bình lưu trữ năng lượng thực tế và pin kỹ thuật số là mạch dự đoán năng lượng còn lại. Hình 1 minh họa sự khác biệt của pin kỹ thuật số với pin điện hóa và cách hiệu chuẩn định kỳ sửa lỗi. Các giá trị được giả định và nhấn mạnh.

Tất cả các loại pin đều bị hao hụt và năng lượng được giải phóng luôn nhỏ hơn năng lượng được nạp vào gói. Sự thiếu hiệu quả trong việc chấp nhận điện tích, đặc biệt là vào cuối điện tích, tổn thất điện trở chuyển thành nhiệt và tổn thất lưu trữ dưới dạng tự phóng điện làm giảm năng lượng có thể cung cấp. Một lỗ hổng phổ biến với thiết kế BMS là cho rằng pin sẽ luôn trẻ và tràn đầy năng lượng. Quá trình lão hóa diễn ra ở nhiều khía cạnh và một số BMS bù đắp bằng cách quan sát mô hình người dùng và điều kiện môi trường để rút ra thuật toán “tìm hiểu” nhằm sửa lỗi theo dõi. Mô hình như vậy hữu ích nhưng có những hạn chế vì không phải lúc nào cũng có thể theo dõi chính xác quá trình lão hóa của pin.

Hiệu chuẩn, còn được gọi là học lại dung lượng, là một phương pháp tốt hơn để sửa lỗi theo dõi của pin thông minh. Hiệu chuẩn thủ công xảy ra bằng cách cố ý hết pin. Điều này có thể được thực hiện trong thiết bị hoặc bên ngoài bằng máy phân tích pin. Với hầu hết các chip đo nhiên liệu, việc xả hết sẽ đặt lại cờ xả và lần nạp tiền tiếp theo đặt cờ phí. Việc thiết lập hai cờ này cho phép tính toán SoC bằng cách theo dõi khoảng cách giữa các cờ. Việc hiệu chuẩn thiết bị được sử dụng liên tục nên được thực hiện ba tháng một lần hoặc sau 40 chu kỳ một phần. Nếu thiết bị tự áp dụng chế độ phóng điện sâu định kỳ, thì không cần hiệu chuẩn bổ sung. Hiệu chuẩn như vậy là thực tế đối với thiết bị di động nhưng không phải là hệ thống truyền động điện hoặc UPS.

Một thiết bị thường gặp vấn đề về hiệu chuẩn là máy khử rung tim. Máy khử rung tim cung cấp điều trị sốc cho bệnh nhân bị ngừng tim. Dụng cụ y tế này hiếm khi đạt đến mức phóng điện đầy đủ cần thiết để tự hiệu chuẩn và chỉ sạc đầy một mình là không đủ. SMBus cũng không giúp được gì. SMBus cung cấp thông tin liên lạc và kết quả chỉ tốt như dữ liệu có sẵn.

Không ở đâu độ chính xác của đồng hồ đo nhiên liệu pin quan trọng hơn trong hệ thống truyền động điện. Các cuộc khảo sát cho thấy lo lắng về phạm vi là một trong những mối quan tâm lớn nhất của người mua xe điện. Một trở ngại ít được biết đến nhưng không kém phần đáng lo ngại là sự thiếu chính xác trong đồng hồ đo nhiên liệu của pin. Trình điều khiển EV đã hết pin trong khi đồng hồ đo nhiên liệu vẫn cho thấy mức dự trữ 25 phần trăm thoải mái. Bị mắc kẹt do đọc sai làm tăng thêm nỗi sợ hãi và hoang tưởng. Các nhận xét mang tính giai thoại của các kỹ sư tại SAE Consortium tiết lộ rằng lỗi SoC của các mô-đun pin EV mới có thể lên tới 15%.

Đồng hồ đo nhiên liệu của động cơ đốt trong không có vấn đề này. Bình chứa giữ nguyên trong suốt vòng đời của xe và việc phân phối nhiên liệu vẫn chính xác. Mặt khác, pin trong xe điện bị co lại và công nghệ đo năng lượng phân phối cần được cải thiện. Mọi người so sánh pin với bình nhiên liệu, nhưng ước tính khả năng lưu trữ và đo năng lượng của pin từ một thiết bị điện hóa phức tạp hơn nhiều so với hệ thống lưu trữ nhiên liệu lỏng.

BMS của hệ thống truyền động điện cũng phải cho biết tổng năng lượng mà pin có thể chứa tại bất kỳ thời điểm nào. Các phép đo công suất chính xác vẫn chưa khả thi và tổn thất hầu như không được người dùng biết. Dung lượng pin có thể đã giảm xuống 80 phần trăm, nhưng BMS vẫn sẽ hiển thị 100 phần trăm SoC sau khi sạc đầy. Công suất thấp hơn làm giảm thời gian chạy và rút ngắn phạm vi lái xe. Pin yếu cũng sạc nhanh hơn vì có ít pin hơn.

Một BMS sẽ hiển thị SoC và SoH. Nhưng ngay cả khi SoH có sẵn, nhiều nhà sản xuất sẽ do dự trong việc hiển thị công suất thấp hơn 100% trong thời gian bảo hành vì sợ khách hàng phàn nàn. SoH của pin trong các sản phẩm tiêu dùng, cũng như hệ thống truyền động điện có thể được cung cấp cho nhân viên dịch vụ thông qua quyền truy cập được mã hóa. Để bù đắp tổn thất và tôn trọng chế độ bảo hành từ 8 đến 10 năm, các nhà sản xuất EV đã tăng dung lượng pin lên 20%. Điều này cho phép lão hóa và cung cấp thêm phạm vi lái xe, đề phòng.

Cải thiện BMS

Chỉ riêng điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin là không đủ để cung cấp các ước tính SoC chính xác, chưa nói đến tình trạng sức khỏe (SoH). Li-ion sớm tương quan với sức đề kháng bên trong tăng lên với SoH. Điều này không còn hoạt động vì hầu hết các pin Li-ion hiện đại duy trì điện trở thấp khi pin già đi.

Khi thiết kế BMS, người ta cũng phải xem xét cách pin phục vụ máy chủ. Ví dụ: trong iPhone và hầu hết EV, pin được "kết hôn" với máy chủ. Điều này cho phép thu thập dữ liệu cho việc học tập. Pin và thiết bị cùng tồn tại theo cách tương tự như đối tác trong một cuộc hôn nhân tốt đẹp. Mặt khác, pin cho radio hai chiều được lấy từ bộ sạc thông thường và đưa trở lại bể để sạc lại sau khi sử dụng. Việc học rất khó và phải sử dụng một phương pháp khác để theo dõi tình trạng của pin.

Cadex điện tử đang đạt được tiến bộ quan trọng trong việc đo SoC pin bằng từ tính. Từ tính lượng tử (Q-Mag™) có thể cung cấp kết quả đọc SoC pin chính xác nhất từng đạt được. Q-Mag™ sử dụng thuộc tính từ tính liên quan đến SoC, thay đổi tới ba lần giữa lần sạc đầy và sạc đầy trên một số hệ thống pin. Một cuộn dây tạo ra một trường AC và một cảm biến đọc độ nhạy từ tính, là tuyến tính đối với SoC.

Có một số lựa chọn cảm biến và vì tính sẵn có và giá thấp cadex tiến hành nghiên cứu với cảm biến GMR (Giant Magnetoresistance). Nó bao gồm các hợp kim sắt từ được kẹp trên một lớp dẫn điện không từ tính siêu mỏng. Áp dụng một từ trường làm giảm điện trở; loại bỏ lực làm tăng nó. Nguyên lý này được gọi là tán xạ điện tử, cũng được sử dụng trên các đầu đọc/ghi của ổ cứng. Hình 2 minh họa chức năng của cảm biến GMR.

Q-Mag™ đã được thử nghiệm thành công với Li-ion-coban, NMC, lithium iron phosphate, cũng như một số loại pin axit chì. Hệ thống miễn nhiễm với hầu hết sự can thiệp từ bên ngoài và không dựa vào điện áp để ước tính SoC. Điều này cho phép đọc SoC trong khi pin đang được sạc hoặc tải. Q-Mag™ hoạt động với các ô hình lăng trụ và hình trụ trong vỏ nhôm và thép không gỉ, nhưng không hoạt động với vật liệu kim loại màu. Độ chính xác trên các hóa chất dựa trên lithium là +/- 5%, axit chì là +/- 7%. Độ chính xác cao này sẽ được giữ lại khi pin già đi. Hiệu chuẩn xảy ra bằng cách áp dụng một khoản phí đầy đủ.

Với tham chiếu điện áp và dòng điện, Q-Mag™ có thể tính toán SoC và SoH. BMS cũng có thể phát hiện các đoạn ngắn siêu nhỏ bằng cách quan sát quá trình tự phóng điện của một tế bào bị lỗi, một tính năng giúp tăng cường độ an toàn của pin. Hơn nữa, Q-Mag™ có thể được sử dụng để cân bằng tải. Điều này giúp loại bỏ hiệu ứng dây cao su làm phức tạp các ước tính SoC thông qua điện áp. Hình 3 cho thấy Q-Mag là người đóng góp chính cho BMS.

Q-Mag có thể được làm nhỏ và kẹp giữa các ô. Pin nhiều ngăn có thể có một cảm biến để đánh giá tổng thể hoặc nhiều cảm biến để cho phép chẩn đoán ở cấp độ tế bào. ASIC chứa Q-Mag™ cũng có thể bao gồm cảm biến nhiệt độ và xử lý kỹ thuật số. Với số lượng lớn, giá thấp sẽ làm cho công nghệ này có sẵn cho các loại pin lớn và nhỏ, bao gồm cả các sản phẩm tiêu dùng. Việc hiển thị dự trữ năng lượng chính xác, khả thi nhất có thể với hệ thống nhiên liệu lỏng, có thể gần hơn chúng ta nghĩ.