Vì sao chuỗi nối tiếp bị lệch, và cân bằng thực sự làm gì

Dùng bốn ô pin có nhãn từ bậc 6 trong giá đỡ bốn ô. Trước hết, hãy đo riêng từng ô **tách khỏi giá đỡ**, khi pin đã nghỉ, đến ba chữ số thập phân, rồi ghi bốn con số này cùng với ngày tháng. Sau đó, đo dung lượng thực tế của từng ô, mỗi lần một ô. Sạc ô đến 4,20 V, để nghỉ ba mươi phút, rồi xả qua điện trở công suất với dòng điện ổn định, và bấm giờ cho đến khi điện áp đạt 3,00 V. Dung lượng tính bằng Ah bằng dòng điện nhân với số giờ. Việc này mất bốn phiên đo và là cách duy nhất để biết bạn thực sự có những gì: con số in trên vỏ là giá trị danh định, không phải kết quả đo, và một ô pin nằm trong ngăn kéo suốt hai năm sẽ không đạt được con số đó. Ghi bốn giá trị dung lượng vào sổ tay dưới dạng bảng. Bảng này là đầu vào cho phép tính ở bước 3, và bạn sẽ đối chiếu với nó vào cuối bước 5. Nếu cả bốn ô có dung lượng chênh nhau trong khoảng vài phần trăm, hãy cố ý làm mất cân bằng chuỗi trước khi tiếp tục: sạc đầy ba ô và để ô thứ tư ở khoảng 60%. Bạn cần một hiệu ứng có thể đo được, và một chuỗi pin được ghép đồng đều sẽ không cho bạn điều đó trong một buổi chiều. Sạc từng ô một trên bộ sạc. Không bao giờ sạc chuỗi nối tiếp mà không giám sát từng ô, đó chính là toàn bộ mục đích của bậc này và lý do bước 5 tồn tại.

Đấu nối tiếp giá đỡ bốn cell và đưa một dây đo mảnh ra từ mỗi điểm nối giữa các cell, đúng như ở bậc 3 bước 5. Những dây đo này là cách bạn theo dõi từng cell riêng lẻ trong khi chuỗi hoạt động. Xả toàn bộ chuỗi qua điện trở công suất với dòng điện ổn định — 1 ampe là đủ và giúp điện trở dễ kiểm soát. Cứ mỗi năm phút, đọc **lần lượt điện áp của cả bốn cell** và tổng điện áp chuỗi, rồi ghi chúng thành một hàng. Dừng ngay khi **bất kỳ cell đơn lẻ nào** đạt 3,00 V. Không phải chuỗi; mà là một cell. Đây chính là mục đích của toàn bộ bài thực hành: tổng điện áp chuỗi vẫn sẽ trông hoàn toàn khỏe mạnh — bốn cell trung bình 3,4 V tương ứng chuỗi 13,6 V, điều mà không bộ ngắt theo tổng điện áp nào phản đối — trong khi một cell bên trong đã chạm mức đáy và đang bị kéo xuống thấp hơn. Bây giờ hãy xem các hàng dữ liệu của bạn. Điện áp của cell yếu tách khỏi các cell khác từ sớm rồi lao xuống; các cell mạnh vẫn còn ở vùng bằng phẳng khi bạn dừng. Hãy tính lượng điện tích chuỗi đã cung cấp và so sánh với dung lượng riêng của cell mạnh nhất từ bước 1. Phần chênh lệch là dung lượng bạn sở hữu nhưng không thể sử dụng. Xả quá mức một cell lithium xuống dưới khoảng 2,5 V sẽ làm hỏng vĩnh viễn và khiến việc sạc lại trở nên nguy hiểm. Theo dõi từng cell thay vì tổng điện áp không phải là sự thận trọng, mà là cách duy nhất đúng để vận hành một chuỗi.

Trước khi lắp một bo mạch thực hiện việc này một cách vô hình, hãy xây dựng một kênh để bạn có thể thấy nó hoạt động ra sao. Bộ cân bằng thụ động thực sự đơn giản đến vậy. Trên một cell, đặt một **điện trở 100 Ω mắc nối tiếp với một MOSFET mức logic**, cực drain nối với cực dương của cell, cực source nối với cực âm của cell. Điều khiển cực gate bằng một bộ so sánh (comparator) sẽ bật khi cell vượt quá điện áp tham chiếu — 4,15 V là ngưỡng hợp lý, được đặt bằng chiết áp và kiểm tra bằng đồng hồ đo. Dùng điện trở 1 W trở lên: bước 3 tính được 0,18 W, và một linh kiện 1/4 W hoạt động ở gần hết công suất định mức trong một pack kín là ý tưởng tồi. Hãy thử trên nguồn bench trước, không có cell nào tham gia: quét nguồn tăng dần qua ngưỡng và xác nhận MOSFET bật lên và điện trở bắt đầu lấy dòng 42 mA. Hãy đo dòng điện thay vì giả định; một MOSFET không bật hoàn toàn chính là một bộ phận tỏa nhiệt. Bây giờ hãy gắn nó lên cell có điện áp cao nhất trong chuỗi và sạc chuỗi từ từ. Cell đó sẽ ngừng tăng trong khi các cell khác bắt kịp. Bạn sẽ cảm thấy điện trở nóng lên, và độ nóng đó chính là năng lượng mà bạn cố ý tiêu hao — cân bằng thụ động không chuyển điện tích từ cell đầy sang cell rỗng, mà đốt phần chênh lệch đi. Bốn bộ như vậy, mỗi cell một bộ, tạo thành một bộ cân bằng thụ động hoàn chỉnh. Gần như chính xác là những gì có trên bo mạch ở bước tiếp theo.

Bo mạch màu xanh lá trong ảnh trên trang này là một hệ thống quản lý pin (BMS) 4S, và nó là phiên bản thương mại của mọi thứ trong bước 2 và 4. Dải đầu cuối của nó nhận **B−, sau đó một dây cho mỗi điểm nối cell, rồi đến B+** — cùng các điểm lấy tín hiệu như đầu nối pin trong bậc 3. Hãy đấu dây cẩn thận và theo đúng thứ tự, từ B− đi lên. Nếu đưa dây cân bằng vào sai điểm nối sẽ làm đảo cực một đầu vào cell, và bo mạch sẽ không chịu được. Đo từng dây so với B− bằng đồng hồ trước khi cắm đầu nối, và xác nhận điện áp tăng dần theo từng cell. Hãy kiểm tra như vậy mỗi lần. Bo mạch thực hiện ba nhiệm vụ: - **Bảo vệ quá sạc** — nó ngắt khi bất kỳ cell nào vượt khoảng 4,25 V. - **Bảo vệ xả quá mức** — nó ngắt khi bất kỳ cell nào xuống dưới khoảng 2,5 V. Đây là chức năng bảo vệ mà bạn đã thực hiện thủ công bằng đồng hồ ở bước 2. - **Cân bằng** — các điện trở nhỏ dọc một cạnh bo mạch, thực hiện điều bạn đã xây dựng ở bước 4. Sạc chuỗi pin khi đã lắp bo mạch và theo dõi bốn điện áp cell hội tụ trong vài giờ. Đặt nhiệt kế hồng ngoại lên các điện trở cân bằng trong lúc hoạt động; chúng sẽ là vật nóng nhất trên bo mạch và điều đó là bình thường. Sau đó lặp lại phép xả ở bước 2 và so sánh số ampe-giờ cung cấp với lần chạy đầu tiên. Sự chênh lệch đó chính là câu trả lời cho câu hỏi mà bậc này đặt ra, được đo trên chính bàn thí nghiệm của bạn. Một BMS bảo vệ các cell. Nó không thể sửa chữa chúng: một cell có dung lượng thực sự suy giảm nghiêm trọng vẫn sẽ giới hạn cả bộ pin, và cân bằng cũng không thể thay đổi điều đó. Thay một cell trong bộ pin cũ bằng cell mới sẽ làm sự chênh lệch tệ hơn, chứ không tốt hơn.

**Ghi nhận nguồn gốc, nêu rõ một cách trung thực.** Không có bằng sáng chế đơn lẻ nào cho việc cân bằng pin và không có bằng sáng chế nào được khẳng định ở đây. Vấn đề là toán học đơn giản — cùng dòng điện, dung lượng khác nhau — và nó đã được nhận ra ngay khi có người ghép pin nối tiếp, tức là vào năm 1800 với cọc Volta. Điều thay đổi với pin lithium-ion là *hệ quả*: một pin niken bị nạp quá mức sẽ xả khí và nóng lên, trong khi một pin lithium bị nạp quá mức có thể gây ra những gì bậc 9 mô tả. Cân bằng không còn là biện pháp nâng cao hiệu suất mà trở thành yêu cầu an toàn. Đó là lý do đầu nối của bộ pin có thêm các cực lấy điện từ từng cell, và vì sao mọi bộ pin lithium được bán hiện nay đều có một bo mạch bảo vệ bên trong, trong khi bộ pin niken-cadmium cùng thời chỉ có các cell và một nhiệt điện trở. **Thụ động so với chủ động.** Mọi nội dung ở đây đều là cân bằng *thụ động*: xả bớt các cell cao và lãng phí phần chênh lệch. Bộ cân bằng *chủ động* chuyển điện tích từ cell cao sang cell thấp thông qua cuộn cảm hoặc biến áp, nên không có gì bị bỏ phí, và tương ứng chúng đắt hơn và phức tạp hơn. Với bộ pin công cụ bốn cell, phiên bản thụ động là phù hợp; đối với bộ pin ô tô với hàng trăm cell nối tiếp thì nó không còn phù hợp, vì năng lượng bị lãng phí tăng theo chuỗi. **Giới hạn trung thực.** Cân bằng thụ động chậm, như bước 3 đã cho thấy: lệch 300 mAh cần bảy giờ để xả. Nó chỉ hiệu quả ở đỉnh của quá trình sạc, nơi đường cong điện áp đủ dốc để phân biệt các cell — trên đoạn bằng phẳng của bậc 4, chênh lệch 50 mV có thể tương ứng với gần như bất kỳ chênh lệch trạng thái nạp nào. Và nó không thể khắc phục sự không đồng đều đang tăng nhanh hơn tốc độ xả, đó chính là điều mà một bộ pin già cuối cùng sẽ trở thành.