Dòng điện tuần hoàn trong các chuỗi pin mắc song song: Nguyên nhân và cách kiến trúc BMS ngăn chặn | JKESS

Tình huống mở rộng diễn ra sai lệch

Hãy xem xét một ví dụ mở rộng trong lĩnh vực thương mại và công nghiệp (C&I): một nhà máy lắp đặt hệ thống pin 128kWh vào năm 2024 và cần nâng lên 256kWh vào năm 2026 do tải tăng. Bộ phận mua hàng đề xuất mua thêm một hệ thống giống hệt và kết nối song song. Ba tháng sau, đội vận hành phát hiện dòng điện không cân bằng kéo dài và mức SOC giảm nhanh hơn ở một chuỗi pin. Các mã mô hình trùng khớp, nhưng các pin này không còn chung lịch sử vận hành.

Dòng điện tuần hoàn là một trong những nguyên nhân có thể, bên cạnh việc chia tải không đều, chênh lệch nhiệt độ, điện trở nối, sai số cảm biến hoặc lỗi tế bào. Các chuỗi pin mới và đã qua sử dụng có thể có dung lượng và điện trở trong khác nhau, nên đặc tuyến điện áp trong và SOC của chúng sẽ phân kỳ trong quá trình vận hành — ngay cả khi giá trị SOC ban đầu đo được là như nhau. Khi đó, điện áp nguồn cao hơn có thể đẩy dòng điện vào chuỗi pin kia. Hãy kiểm tra dòng điện nhánh có dấu và dữ liệu tế bào trước khi xác định nguyên nhân.

Việc truyền tải nội bộ không kiểm soát được gây ra tổn thất điện trở và làm tăng mức tiêu thụ pin. Điều này có thể làm gia tăng căng thẳng nhiệt và chu kỳ, khiến điện áp tế bào đạt tới giới hạn và kích hoạt cơ chế bảo vệ của hệ thống quản lý pin (BMS); dòng điện đủ lớn có thể làm nổ cầu chì hoặc nhảy át-tô-mát. Một số vấn đề xuất hiện ngay lúc kết nối, trong khi những vấn đề khác chỉ rõ ràng hơn sau vài tuần thu thập dữ liệu vận hành. Hướng dẫn này giải thích nguyên lý vật lý, ba biện pháp kỹ thuật khắc phục và vai trò của phần cứng chủ – phụ JKESS trong thiết kế ghép nối song song đã được tính toán kỹ lưỡng.

Nguyên lý vật lý: Vì sao dòng tuần hoàn xảy ra

Dòng tuần hoàn không tự thân chứng minh chất lượng pin kém. Hiện tượng này tuân theo các định luật mạch điện khi các nguồn mắc song song có điện áp nội khác nhau. Một ước tính sơ bộ hữu ích cho hai chuỗi ở trạng thái không tải bên ngoài là:

I_circulating = ΔV / R_loop

Sau khi được kết nối, các chuỗi chia sẻ chung một điện áp thanh cái, ngoại trừ các sụt áp trên các điểm nối. Sự chênh lệch gây ra dòng điện chủ yếu nằm giữa các nguồn tương đương của chúng, chứ không phải giữa hai điện áp khác nhau tại cùng một nút thanh cái lý tưởng. Dưới tải bên ngoài, dòng điện trên mỗi nhánh bao gồm cả việc chia tải lẫn ảnh hưởng của sự chênh lệch điện áp. Ước tính dựa trên điện trở này không mô phỏng các hiện tượng quá độ khi kết nối, cảm kháng hoặc quá trình thư giãn điện hóa.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

Tài liệu tham khảo kỹ thuật: Weng et al., nghiên cứu về sự mất cân bằng dòng điện trong các pin nối song song không đồng nhất , phát triển mô hình mạch tương đương và phân tích cách chênh lệch dung lượng và điện trở ảnh hưởng đến dòng điện, SOC và quá trình lão hóa. Ví dụ số học nêu trên là một phép tính mạch minh họa, không phải kết quả kiểm tra sản phẩm.

Nối song song không được bảo vệ so với bảo vệ từng dãy độc lập

Bảo vệ từng nhánh độc lập giúp việc phát hiện và cô lập sự cố dễ dàng hơn. Phương pháp này phải đi kèm với cảm biến riêng cho từng dãy và phản ứng điều khiển phối hợp; riêng thiết bị bảo vệ không loại bỏ được dòng tuần hoàn.

Nếu một dây chuyền ngắt kết nối, các dây chuyền còn lại có thể nhận thêm dòng điện. Hệ thống quản lý năng lượng (EMS)/bộ chuyển đổi nguồn (PCS) phải giảm công suất hoặc dừng hoạt động khi cần thiết nhằm ngăn ngừa tình trạng tắt máy dây chuyền. Việc bảo vệ độc lập KHÔNG đồng nghĩa với việc cho phép thực hiện bảo trì trên hệ thống đang vận hành.

Ba biện pháp kỹ thuật đối phó

1. Trang bị bộ ngắt mạch và cầu chì độc lập cho mỗi dây chuyền

   Mục đích của việc bảo vệ nhánh là cách ly sự cố một cách có chọn lọc. Chỉ định bộ ngắt mạch và cầu chì được đánh giá cho dòng điện một chiều (DC) cho từng chuỗi, cùng với các công tắc tiếp điểm điều khiển bởi BMS hoặc cơ chế ngắt tự động phù hợp. Dòng điện tuần hoàn ở mức trung bình có thể duy trì dưới ngưỡng ngắt do quá dòng, do đó cầu chì không thể thay thế cho việc cách ly có kiểm soát.

   Các ưu tiên lựa chọn: điều phối định mức dòng điện liên tục, đường cong thời gian - dòng điện, định mức điện áp một chiều (DC), dòng sự cố sẵn có, khả năng cắt, bảo vệ dây dẫn và các đỉnh vận hành cho phép. Đánh giá đóng góp sự cố từ mọi chuỗi được kết nối. Việc ngắt có chọn lọc và vận hành liên tục phải được xác minh ở cấp độ hệ thống.

   Vị trí lắp đặt: sử dụng sơ đồ một dây và bố trí nối đất đã được phê duyệt để xác định các dây dẫn cần được bảo vệ và cách ly. Không tồn tại quy tắc chung nào cho rằng cầu dao phải đặt trên dây dẫn dương và cầu chì phải đặt trên dây dẫn âm. Xác nhận trình tự nạp trước (pre-charge) và kết nối đối với thiết bị được giao; mạch nạp trước liên kết một chiều (DC-link pre-charge circuit) không tự động có xếp hạng phù hợp để cân bằng các chuỗi pin không đồng nhất.

2. Giám sát từng chuỗi trong quá trình sạc, xả và chờ (standby)

   Đặt một kênh cảm biến dòng điện hai chiều độc lập trên mỗi chuỗi song song và giữ nguyên dấu đại số của giá trị đo. Một hệ thống chỉ có cảm biến dòng tổng không thể phát hiện sự chuyển dịch nội bộ bị che khuất bởi phép cộng tổng. Ví dụ, khi xả theo chiều dương, +40 A trên một chuỗi và −40 A trên chuỗi khác sẽ cho giá trị khoảng 0 A tại điểm kết nối bên ngoài.

   Ghi lại dòng điện hiện tại cùng với điện áp từng ô pin, điện áp chuỗi, nhiệt độ, SOC, trạng thái tiếp điểm và chế độ vận hành. Cấu hình các ngưỡng và độ trễ thời gian dựa trên độ chính xác của cảm biến, việc chia tải dự kiến, định mức chuỗi và chiến lược điều khiển đã được phê duyệt. Phản hồi bằng cảnh báo, ngăn chặn kết nối, giới hạn công suất hoặc cách ly khi phù hợp; việc đặt công suất bên ngoài về không có thể không dừng dòng điện nội bộ.

   Đối với so sánh hai chuỗi với dòng điện cùng chiều và cao hơn ngưỡng đo tối thiểu, một chỉ số mất cân bằng mô tả là:

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   Gần chế độ chờ, sử dụng ampe có dấu và ngưỡng tuyệt đối. Tỷ lệ phần trăm trở nên không ổn định gần giá trị không. Các hướng dòng điện ngược nhau đòi hỏi đánh giá riêng biệt, và các chuỗi có dung lượng khác nhau có thể hợp lý mang dòng điện khác nhau; hãy so sánh từng nhánh với phân bổ dự kiến và giới hạn của nó.

3. Sử dụng giám sát cấp chủ để giới hạn sự chênh lệch SOC và điện áp

   Sự chênh lệch SOC là một trong những nguyên nhân gây ra dòng điện tuần hoàn, nhưng phản ứng điện áp cũng phụ thuộc vào điện trở, nhiệt độ, tình trạng tế bào và chế độ vận hành gần đây. Các bộ điều khiển chuỗi (string masters) và bộ giám sát hệ thống (system supervisor) cần trao đổi các phép đo và giới hạn đã được xác thực thông qua giao thức CAN/RS485 được phê duyệt, sau đó áp dụng các tiêu chí khớp điện áp và khớp SOC trước khi kết nối một nhánh.

   Trong quá trình vận hành, điều khiển giám sát có thể xem xét các sai lệch, giảm công suất hệ thống, ngăn chặn việc tái kết nối hoặc cách ly một nhánh không phù hợp. Một sai lệch SOC 5 điểm phần trăm chỉ có thể được dùng làm ngưỡng kích hoạt xem xét minh họa — nếu được dự án chấp nhận; đây không phải là ngưỡng kết nối chung cho mọi trường hợp. Trên một thanh cái DC được ghép nối trực tiếp, phần mềm BMS không thể tự thiết lập dòng điện liên tục riêng biệt cho từng chuỗi mà không có phần cứng cấp nguồn thích hợp, ví dụ như một tầng DC/DC riêng cho từng chuỗi.

   JKESS mô tả việc quản lý chuỗi nối tiếp (daisy-chain) của 4–16 hộp phụ (slave box) trên mỗi hộp chủ (master). Kết hợp phần cứng quản lý mô-đun phù hợp với kênh bảo vệ và cảm biến được xác định rõ cho từng chuỗi song song, đồng thời xác nhận các chức năng giám sát chéo giữa các chuỗi (cross-string) đối với firmware và thiết kế hệ thống đã chọn. Cân bằng chủ động ở cấp tế bào (cell-level) hỗ trợ tính nhất quán trong các mô-đun; chức năng này không thay thế việc điều khiển dòng điện giữa các chuỗi.

Tài liệu tham khảo kiến trúc: Ghi chú ứng dụng cho cấu hình chuỗi song song: các yếu tố cần xem xét về bảo vệ và bố trí (định dạng PDF) tài liệu tham khảo kỹ thuật bên ngoài này thảo luận về việc giám sát độc lập từng chuỗi, cách ly tự động và các điểm đánh đổi liên quan đến bố trí (topology); tài liệu này không chứng minh tính năng sản phẩm hay tuyên bố tương thích của JKESS.

Kiến trúc hệ thống lưu trữ năng lượng pin cao áp (HV BESS) của JKESS quản lý các chuỗi song song như thế nào

Một hộp chủ, các BMU tớ và bộ điều khiển cấp hệ thống đảm nhiệm các vai trò khác nhau. Nền tảng chủ và tớ JKESS cung cấp các khối cơ bản: đo lường mô-đun, truyền thông và bảo vệ. Một dự án chuỗi song song cũng phải xác định việc cảm biến, cách ly và điều khiển giám sát cho mỗi chuỗi hoàn chỉnh.

Cấu hình rất quan trọng. Trang sản phẩm chính công bố hai dải cell nối tiếp, do đó hướng dẫn này không coi chúng là có thể thay thế cho nhau. Dung lượng năng lượng được xác định bởi các cell đã chọn và cấu hình điện, không chỉ bởi số lượng hộp. Hãy khớp thông số mua hàng với phần cứng chính xác, firmware và bản vẽ hệ thống đã được phê duyệt.

Danh sách kiểm tra trước khi mở rộng: 8 mục cần kiểm tra trước khi ghép song song một chuỗi mới

1. Xác minh sự phù hợp về điện. Xác nhận hóa chất đã được phê duyệt giống nhau và số lượng tế bào nối tiếp, dải điện áp tương thích, cũng như cực tính chính xác. Đo điện áp mạch hở (OCV) của từng chuỗi sau khi nghỉ và sử dụng giới hạn kết nối do nhà sản xuất phê duyệt; ≤2 V không an toàn một cách phổ quát trong một mạch vòng có điện trở thấp.
2. Kiểm tra các tế bào và tình trạng của chúng. So sánh mô hình, hồ sơ lô sản xuất, dung lượng, điện trở trong, tuổi thọ, trạng thái sức khỏe (SOH) và độ chênh lệch điện áp giữa các tế bào. Nhãn sản phẩm trùng khớp hoặc giá trị SOC ban đầu không đảm bảo tính tương thích.
3. Xác nhận bảo vệ độc lập cho từng nhánh. Kiểm tra bộ ngắt mạch, cầu chì, đường cách ly điều khiển được, phối hợp dòng sự cố và bố trí sạc trước/kết nối đã được phê duyệt cho từng chuỗi.
4. Kiểm chứng cảm biến dòng điện. Xác nhận cảm biến hai chiều độc lập cho từng chuỗi, bao gồm cực tính cảm biến, sai lệch tại điểm zero, độ chính xác, khả năng ghi dữ liệu và khả năng đo ở chế độ chờ.
5. Kiểm chứng chiến lược giám sát. Xác nhận các giới hạn chấp nhận SOC và điện áp, quyền kết nối, giới hạn dòng điện, phản ứng khi mất liên lạc và giảm công suất sau khi một chuỗi bị ngắt kết nối.
6. Kiểm tra điều kiện nhiệt. So sánh nhiệt độ tế bào và nhiệt độ môi trường xung quanh, đồng thời kiểm tra hiệu suất luồng khí hoặc làm mát bằng chất lỏng. Chênh lệch nhiệt độ ≤3°C có thể là mục tiêu dự án, chứ không phải ngưỡng vượt qua/thất bại chung; hãy sử dụng các tiêu chí nhiệt đã được phê duyệt.
7. Hoàn tất các kiểm tra cách điện theo quy định. Nhân sự đủ trình độ phải sử dụng quy trình cách ly được phê duyệt cho thiết bị, điện áp thử nghiệm và điện trở chấp nhận. Tiêu chí như ≥1 MΩ tại 1.000 VDC chỉ áp dụng khi được nêu rõ ràng; không thực hiện phép thử cách điện điện áp cao trên các thiết bị điện tử đang kết nối trừ khi quy trình cho phép.
8. Lập kế hoạch vận hành ban đầu và giám sát theo dõi sau đó. Thiết lập cảnh báo trước khi kết nối, xác minh trình tự cấp điện đã được phê duyệt và ghi lại dòng điện nhánh, SOC, điện áp tế bào và nhiệt độ trong giai đoạn quan sát ban đầu kéo dài 72 giờ. Tiếp tục giám sát xu hướng sau đó.

5 Sai lầm phổ biến khi đấu song song các dãy pin

1. 1. Đấu song song trực tiếp các dãy ở các mức SOC khác nhau

   Một dãy pin mới hoàn toàn và một dãy pin hiện hữu ở mức SOC 80% có thể trao đổi dòng điện đáng kể ngay khi kết nối. Cân bằng điện áp và SOC theo quy trình đã được phê duyệt, đồng thời kiểm tra cả giới hạn tế bào lẫn điện áp cụm. Không sử dụng công tắc chính để cân bằng sự chênh lệch chưa được phê duyệt.

2. 2. Bảo vệ toàn bộ nhóm chỉ bằng một cầu dao duy nhất

   Một cầu dao chung không thể cung cấp khả năng cô lập chọn lọc cho từng nhánh. Cần chỉ định các cầu dao và cầu chì riêng biệt cho từng dãy, kèm theo cơ chế ngắt kết nối được điều khiển. Dòng điện nội bộ ở mức trung bình có thể không bao giờ đạt ngưỡng hoạt động của cầu chì.

3. 3. Chỉ giám sát dòng điện tổng của pin

   Tổng dòng điện có thể trông bình thường trong khi một chuỗi xả vào chuỗi khác. Cung cấp phép đo hai chiều cho từng chuỗi và kiểm tra hướng dòng điện, độ lớn tuyệt đối và sự chia tải dự kiến ở mọi chế độ vận hành.

4. 4. Bỏ qua sự khác biệt về nhiệt độ

   Làm mát không đồng đều làm thay đổi điện trở, dung lượng khả dụng và hành vi SOC. Kiểm tra nhiệt độ tế bào được đo thực tế và xu hướng nhiệt, chứ không chỉ nhiệt độ phòng. Giữ việc lắp đặt trong giới hạn đồng nhất nhiệt đã được phê duyệt; 3°C không phải là quy tắc chấp nhận phổ quát.

5. 5. Bỏ qua giai đoạn đánh giá xu hướng đầu tiên kéo dài 72 giờ

   Một bài kiểm tra khởi động ngắn có thể bỏ sót các hiện tượng xuất hiện ở mức SOC, tải hoặc nhiệt độ khác. Đánh giá dòng điện nhánh có dấu và các cảnh báo liên quan trong khoảng thời gian quan sát ban đầu 72 giờ, sau đó tiếp tục giám sát dài hạn. Việc kết nối lần đầu tiên hoặc 72 giờ không có cảnh báo đều không chứng minh được khả năng tương thích suốt đời.

Các câu hỏi thường gặp