Một pack pin có thể trông bình thường từ bên ngoài trong khi một cell bên trong đã tiến gần vấn đề. Tổng điện áp pack vẫn có vẻ chấp nhận được, nhưng một cell có thể gần giới hạn điện áp trên hơn hoặc nóng hơn các cell lân cận. Đó là cấp độ mà BMS trở nên thiết yếu. Công việc của nó không chỉ là bật và tắt pin, và gọi nó là “bộ não” của cả hệ thống lưu trữ là trao cho nó quá nhiều vai trò. BMS theo dõi pin sát sao, ước tính các trạng thái pin mà cảm biến không thể báo trực tiếp, và truyền thông hoặc thực thi các giới hạn trong đó pin nên vận hành.

Trong hệ thống lưu trữ điện áp cao, các nhiệm vụ này có thể được phân tán trên nhiều phần cứng. Thiết kế tham chiếu BESS 1500 V của NXP, chẳng hạn, sử dụng các đơn vị giám sát cell để đo điện áp từng cell và nhiệt độ môi trường, trong khi đơn vị quản lý pin xử lý dữ liệu và điều khiển các hành động cấp cao hơn. Cùng thiết kế cũng bao gồm cảm biến cấp pack và giao diện contactor. Lý do nhìn xuống dưới con số tổng của pack rất trực tiếp: pack được tạo từ nhiều cell, và một cell tiến gần ranh giới điện hoặc nhiệt có thể quan trọng trước khi số đọc tổng thể của pack trông bất thường. (nxp.com)

Từ số đọc cell đến giới hạn vận hành

BMS làm nhiều hơn việc thu thập số đo. Điện áp, dòng điện và nhiệt độ là đầu vào cảm biến; SOC và SOH là các trạng thái được tính toán hoặc ước tính từ số đo pin và thuật toán của BMS. Infineon liệt kê ước tính SOC/SOH cùng phát hiện lỗi, cân bằng và truyền thông là các chức năng cốt lõi của BMS cho lưu trữ năng lượng bằng pin. Với người không chuyên, khác biệt hữu ích là trạng thái pin hiển thị không phải một kênh cảm biến thô khác. Nó là ước tính làm việc của BMS về một điều kiện không thể đo bằng một cảm biến duy nhất. (infineon.com)

Các số đo và ước tính đó trở nên hữu ích khi BMS chuyển chúng thành giới hạn vận hành. Một pin đang nóng lên hoặc tiến gần ranh giới điện áp cell không phải lúc nào cũng nhảy thẳng từ vận hành bình thường sang tắt hoàn toàn. Trong các hệ thống được quản lý, BMS có thể yêu cầu thiết bị kết nối giảm mức khai thác từ pin. Victron đưa ra ví dụ cụ thể: một BMS thông minh dùng CAN-bus có thể gửi giới hạn điện áp sạc, giới hạn dòng sạc và giới hạn dòng xả đến bộ điều khiển hệ thống, sau đó bộ điều khiển chuyển các ràng buộc đó đến biến tần/bộ sạc và bộ sạc được kết nối. Các giới hạn này cũng có thể thay đổi động khi điện áp cell, SOC hoặc nhiệt độ thay đổi, nên liên kết BMS-tới-bộ điều khiển quan trọng trong vận hành bình thường cũng như khi có lỗi. Nếu một cell đang tiến gần giới hạn trên trong lúc sạc, giảm mức sạc cho phép có thể giữ pin tránh khỏi ranh giới đó trước khi cần ngắt cứng. (victronenergy.com)

Bảo vệ cũng có thể trở thành hành động vật lý. Trong các hệ thống pin điện áp cao, contactor kết nối và ngắt pin khỏi mạch công suất chính. Đơn vị quản lý pin BESS của NXP bao gồm giám sát interlock và điều khiển contactor, cho kiến trúc BMS một cách cô lập pin khi bảo vệ đòi hỏi nhiều hơn một giới hạn được truyền thông. Đây là loại hành động khác với điều tiết công suất thông thường: một bên quản lý mức độ pin đang được sử dụng, còn bên kia có thể cắt hẳn kết nối điện. (nxp.com)

Vì sao một cell có thể giới hạn cả pack

Cân bằng dễ hiểu hơn khi pack được nhìn theo từng cell. Các cell trong cùng pack tương tự nhau, nhưng khác biệt nhỏ về dung lượng và điều kiện nhiệt có thể khiến chúng lệch nhau theo thời gian. Texas Instruments lưu ý trong một bài viết thiết kế BESS rằng sự không đồng nhất giữa cell và điều kiện làm mát khác nhau có thể tạo mất cân bằng, trong khi mất cân bằng giữa các pack có thể làm giảm năng lượng khả dụng tối đa của ESS. Ở cấp cell, hệ quả thực tế là một cell có thể chạm giới hạn sớm hơn các cell lân cận, để lại một phần năng lượng tiềm năng của pack chưa được sử dụng dù các cell khác vẫn có thể tiếp tục. (ti.com)

Cân bằng là chức năng BMS cố gắng ngăn những khác biệt đó tăng quá lớn. Nó không làm mọi cell giống hệt nhau, và không thể khôi phục dung lượng đã mất trong cell lão hóa hoặc hư hỏng. Điều nó có thể làm là giảm sai lệch để một cell ít có khả năng trở thành giới hạn sớm lặp đi lặp lại của pack. Hướng dẫn cân bằng cell của Texas Instruments minh họa cùng nguyên tắc: khi mất cân bằng cao, cell có điện áp cao nhất có thể kết thúc sạc sớm hoặc cell có điện áp thấp nhất có thể kết thúc xả sớm, khiến dung lượng ở các cell khác không được dùng. Đó là lý do cân bằng nằm cạnh đo lường và bảo vệ: BMS không chỉ quan sát khoảnh khắc một ranh giới bị vượt qua, mà còn quản lý các điều kiện ảnh hưởng đến mức độ đồng đều mà cell tiến gần ranh giới đó. (ti.com)

Truyền thông hoàn thiện bức tranh. BMS có thể đưa trạng thái pin, cảnh báo và giới hạn vận hành ra thiết bị bên ngoài, và BMU BESS của NXP bao gồm giao diện Ethernet, CAN FD và RS485 để kết nối với EMS. Nhưng BMS không thực hiện chuyển đổi công suất AC/DC của PCS, cũng không cần đưa ra mọi quyết định cấp địa điểm. Bộ điều khiển cấp cao hơn có thể quyết định khi nào hệ thống nên sạc hoặc xả; BMS cung cấp thông tin và giới hạn phía pin để các quyết định đó an toàn cho pack. (nxp.com)

Một cách hữu ích để hiểu BMS là đi theo chuỗi từ quan sát đến hành động. Nó theo dõi cell và điều kiện pack, chuyển số đo thành ước tính trạng thái pin, kiểm tra các điều kiện đó với giới hạn vận hành, cân bằng các cell đang lệch nhau và truyền thông hoặc thực thi hạn chế khi cần. Nó không thể ngăn pin lão hóa, sửa cell yếu hoặc thay thế các bộ điều khiển khác trong hệ thống lưu trữ năng lượng. Điều nó cung cấp là ranh giới vận hành của pin: thông tin và bảo vệ cho phép phần còn lại của hệ thống dùng pack mà không coi nó như một chiếc hộp đơn giản với điện áp ở hai cực. Mô tả này ít kịch tính hơn “bộ não”, nhưng gần hơn nhiều với điều BMS thực sự làm.