TIỂU LUẬN môn ỨNG DỤNG máy TÍNH (KHUNG gầm) đề tài BATTERY MODELING và BMS TRÊN XE TESLA MODEL 3 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TIỂU LUẬN MƠN
ỨNG DỤNG MÁY TÍNH (KHUNG GẦM)
ĐỀ TÀI: BATTERY MODELING VÀ BMS TRÊN XE
TESLA MODEL 3 2018
SVTH: TRẦN NHẬT ĐẠI
MSSV: 18145329
SVTH:LÊ ĐỨC MINH NHÂN
MSSV: 18145411
SVTH: HỒ THANH HIẾU
MSSV: 18145388
SVTH: NGUYỄN VĂN ĐÔNG
MSSV: 18145341
GVHD: THS.NGUYỄN TRUNG HIẾU

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2021
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

download by :


KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2021

NHIỆM VỤ
Họ tên sinh viên: SVTH: Trần Nhật Đại
MSSV: 18145329
SVTH: Lê Đức Minh Nhân
MSSV: 18145411
SVTH: Hồ Thanh Hiếu
MSSV: 18145388
SVTH: Nguyễn Văn Đông
MSSV: 18145341
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Mã ngành đào tạo: 7510205D

Hệ đào tạo:

Mã hệ đào tạo:

Chính quy

1. Tên đề tài : BATTERY MODELING VÀ BMS TRÊN XE TESLA MODEL 3
2018
2. Nhiệm vụ đề tài : Tìm hiểu hệ thống quản lý pin xe trên xe “Tesla Model 3”
3. Sản phẩm của đề tài : Mơ phỏng điện áp, dịng điện , dung lượng pin trong quá
trình sạc pin và chạy tải
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài :10/10/2020
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 13/01/2021
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

download by :

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
I. NHẬNXÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không):
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

download by :


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
XÁC NHẬN HỒN THÀNH
Tên đề tài: BATTERY MODELING VÀ BMS TRÊN XE TESLA MODEL 3
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên
phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo về. Đồ án tốt nghiệp đã được

hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:
Giảng viên hướng dẫn:
Giảng viên phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2021

download by :


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
Nguyễn Trung Hiếu, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình viết Báo cáo
Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học khơng chỉ là nền tảng
cho q trình nghiên cứu khóa luận mà cịn là hành trang q báu để em bước vào
đời một cách vững chắc và tự tin.
Cuối cùng em kính chúc quý thầy dồi dào sức khỏe và thành cơng trong sự
nghiệp cao q.
Vì thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên bài báo cáo khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót, rất mong sự góp ý của thầy và các bạn, để em rút kinh nghiệm và
hoàn thành tốt hơn. Em xin chân thành cám ơn!

download by :


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH...............................................................................................1
DANH MỤC BẢNG........................................................................................................2
DANH MỤC VIẾT TẮT.................................................................................................3
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................... 4

CHƯƠNG 1. MODELING BATTERY.........................................................................5
1.1

Cấu tạo pin Lithium ion:......................................................................................5

1.2

Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion............................................................6

CHƯƠNG 2. BATTERY MANAGEMENT SYSTEM (BMS)....................................7
2.1

Khái niệm hệ thống quản lý pin...........................................................................7

2.2

Các tính năng của hệ thống quản lý pin...............................................................7

2.2.1

Đo đạc...........................................................................................................7

2.2.2

Hệ thống xe điện: phục hồi năng lượng.........................................................7

2.2.3

Sự quản lý.....................................................................................................7

2.2.4

Đánh giá........................................................................................................7

2.2.5

Giao tiếp........................................................................................................8

2.2.6

Bảo vệ...........................................................................................................8

2.2.7

Kết nối pin với mạch tải................................................................................8

2.2.8

Tối ưu hóa.....................................................................................................9

2.3

Hoạt động đối với pin Lithium...........................................................................10

2.3.1

Bảo vệ điện áp trên/dưới.............................................................................10

2.3.2

Bảo vệ khỏi nhiệt độ khắc nghiệt................................................................11

2.3.3

Cân bân bằng mỗi Cell................................................................................11

2.3.4

Bảo vệ khỏi quá dòng và ngắn mạch...........................................................11

2.4

Giao diện BMS..................................................................................................12

2.4.1

Đầu vào BMS..............................................................................................12

2.4.2

Đầu ra BMS................................................................................................13

2.4.3

Cấu trúc BMS và các thơng số kỹ thuật của module:..................................14

CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG BATTERY TRÊN SIMULINK.....................................19

download by :

3.1. Mơ phỏng pin Lithium trên xe điện:.....................................................................19
3.1.1

Mơ tả:..........................................................................................................19

3.1.2

Phương trình hiệu ứng nhiệt........................................................................21

3.1.3

Phương trình hiệu ứng tuổi pin:...................................................................23

3.1.4

Đặc tính nạp và xả:......................................................................................25

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BMS (BATTERY MANAGEMENT
SYSTEM) 27
4.1

Mơ phỏng hệ thống BMS...................................................................................27

4.2

Đồ thị đặc tính...................................................................................................28

CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM.....................................................................................30
5.1

Các linh kiện......................................................................................................30

5.2

Ưu điểm.............................................................................................................30

5.3

Cách mắc dây cho mạch sạc pin........................................................................30

5.4

Nguyên lý hoạt động:.........................................................................................31

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................33

download by :


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cấu tạo và ngun lý pin Lithium ion chỉ bao gồm 3 thành phần cơ bản 5
Hình 2.1. Bộ điều khiển chính BMS.......................................................................9
Hình 2.2. Hệ thống quản lý pin phân tán................................................................10
Hình 2.3. Giao diện trạng thái chính......................................................................14
Hình 3.1. Hệ thống pin Lithium trên ơ tơ...............................................................19
Hình 3.2. Mơ hình 1 pack pin.................................................................................19
Hình 3.3. Mơ hình 16 pack pin...............................................................................19
Hình 3.4. Sơ đồ khối 1 khối pin trong simulink.....................................................20
Hình 3.5. Đồ thị đặc tính xả của hệ thống..............................................................25

Hình 3.6. Đồ thị đặc tính sạc của hệ thống.............................................................26
Hình 4.1. Mơ phỏng hệ BMS-ClosedLoop.............................................................27
Hình 4.2. Mơ phỏng bộ điều khiển controller........................................................27
Hình 4.3. Sơ đồ đặc tính của hệ thống với 3 trạng thái làm việc............................28
Hình 5.1.Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................31

1

download by :


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Dữ liệu đầu vào BMS.............................................................................12
Bảng 2.2. Dữ liệu đầu ra BMS...............................................................................13
Bảng 2.3. Dữ liệu đầu vào state flow.....................................................................14
Bảng 2.4. Dữ liệu đầu ra state flow........................................................................15
Bảng 2.5. Dữ liệu đầu vào để tính tốn dịng điện.................................................16
Bảng 2.6. Dữ liệu đầu ra.........................................................................................16
Bảng 2.7. Dữ liệu đầu vào để tính SOC.................................................................17
Bảng 2.8. Dữ liệu đầu ra.........................................................................................17
Bảng 2.9.. Dữ liệu đầu vào để tính tốn cân bằng cell...........................................18
Bảng 2.10. Dữ liệu đầu ra.......................................................................................18

2

download by :


DANH MỤC VIẾT TẮT

BMS: Battery Management System (Hệ thống quản lí pin)
SOC: State Of Charge
SOH; State Of Health

3

download by :


MỞ ĐẦU
Nhóm em nhận đề tài “Battery modelling và BMS (Battery Managament System )
”. Từ đề tài này nhóm em nghiên cứu về hệ thống quản lý pin cụ thể đối tượng nghiên
cứu là hệ thống BMS trên xe “Tesla model 3”. Nhóm em thực hiện mơ phỏng trạng thái
nạp - xả của pin trên Simulink và ứng dụng một nguồn pin trong Simulink vào một hệ
thống pin để có thế xuất ra được các biểu đồ cho thấy sự hoạt động của pin trong một hệ
thống. Và nhóm em tìm hiểu về hệ thống quản lý pin, vì sao hệ thống này cần cần thiết
cho việc quản lý hệ thống pin trên xe điện? Hệ thống này có cơng dụng gì với hệ thống
quản lý pin trên xe và ứng dụng của nó.

4

download by :


CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về xe “Tesla Model 3 2018”
Tesla Model 3 là một trong những chiếc xe thuần điện đầu tiên trên thế giới

được công ty Tesla sản xuất. Với bản tiêu chuẩn, xe có thể di chuyển 354km cho 1
lần sạc đầy, bản cao cấp hơn có thể di chuyển quãng đường hơn 500km cho 1 lần
sạc. Do đó, để sạc đầy pin cho chiếc xe này chúng ta mất khoảng 7 tiếng nếu sử
dụng điện áp 220V, nhưng nếu sử dụng cơng nghệ Supercharger thì chỉ mất
khoảng 30 phút.
Để đạt được như vậy, chiếc xe cần có một hệ thống pin siêu khủng và một
hệ thống quản lí hệ thống pin đó.
1.2 Giới thiệu về hệ thống pin trên xe “Tesla Model 3 2018”
1.2.1 Tổng quan hệ thống pin trên xe “Tesla Model 3 2018”

Hệ thống gồm các thành phần chính sau: 1-Pin HV, 2-Bộ sạc chính 10 kW (tùy
chọn), 3-Cổng sạc, 4-Hộp nối hai mạch điện, 5-Bộ sạc chính trên bo mạch 10 kW, 6-Bộ
chuyển đổi DC / DC

5

download by :


1.2.1.1 Sơ đồ hệ thống điện

Model S được điều khiển bởi động cơ điện, chạy bằng pin điện áp cao High Voltage
(HV). Pin HV có trên thị trường trên các dòng với dung lượng sau:
40 kwh; 60 kwh; 85 kwh.
Model S được trang bị tiêu chuẩn với đầu nối di động và bộ điều hợp có thể cắm vào các
nguồn sau:




Ổ cắm trên tường 240 volt
Ổ cắm điện tiêu chuẩn 110 volt
Trạm sạc công cộng

1.2.1.2 Cấu tạo hệ thống. Pin điện áp cao High Voltage (HV)

Pin HV được đặt bên dưới thân xe, mang lại cho gầm xe một mặt phẳng và thấp.
điều này có ích về cấu trúc cũng như khí động học. Các dịng pin Model S (40 kWh, 60
kWh và 85 kWh) sự thay đổi phần tử trong pin để tạo ra công suất khác nhau. Pin 85
kWh bao gồm 16 mô-đun: mỗi mô-đun chứa 6 viên lớn, với mỗi viên chứa 74 cell. Pin
6

download by :


60 kWh chứa 66 cell trong mỗi viên lớn và pin 40 kWh thì có 49 cell trong mỗi viên lớn.
Mỗi lần sạc xe có thể chạy đến 970 km/lần sạc với tổng thời gian di chuyển là 32 giờ.

Pin cũng có các tiếp điểm B + và B-, điểm đo kiểm và cầu chì 630 amp.
Mục đích của Pin HV là cung cấp năng lượng để lái xe và chạy tất cả các hệ thống phụ
kiện. Đây là nguồn năng lượng chính cho chiếc xe. Nó cung cấp dịng điện trực tiếp cho
biến tần truyền động cho động cơ làm việc và bộ chuyển đổi DC-DC để hỗ trợ hệ thống
điện 12V. Bộ chuyển đổi DC-DC cũng có chức năng như một khối tiếp giáp điện áp cao,
phân phối dòng điện từ Pin HV đến máy nén A / C, bộ làm mát và bộ sưởi cabin.
1.2.1.3 Bộ sạc và hộp nối

1-Bộ sạc chính; 2-Hộp nối cao áp; 3-Bộ sạc phụ 10 kW

7

download by :


1.2.1.3.1

Bộ sạc chính

Bộ sạc được đặt dưới hàng ghế sau. Nếu bộ sạc phụ bị hỏng, tùy thuộc vào bản chất của
sự cố, Pin vẫn có thể được sạc. Nếu bộ sạc chính bị hỏng, thì chắc chắn khơng thể sạc.
Bộ sạc trên bo mạch chính 10kW tương thích với các phạm vi đầu vào sau:





85 – 265 V
45 – 65 Hz
1 – 40 A
Hiệu suất sạc cao nhất 92%

Bộ sạc đơi 20 kW có thể tăng cơng suất đầu ra lên 80A giúp quá trình sạc nhanh hơn.
Trong khi sạc từ nguồn AC ngoài, bộ sạc trên bo mạch sẽ chuyển đổi AC thành DC và
điều khiển dòng điện sạc vào Pin HV tùy theo điều kiện hiện có, để đảm bảo Pin HV
được sạc ở tốc độ phù hợp và đúng tiêu chuẩn SOC.
1.2.1.3.2

Hộp nối cao áp (HVJB – High voltage junction box )

Hộp nối điện áp cao (HVJB) được đặt bên dưới tấm che hàng ghế sau. Nó nằm
giữa hai bộ sạc (nếu bộ sạc phụ) hoặc bên trái bộ sạc nếu chỉ có một bộ sạc.

8

download by :


1-Pin điện áp cao; 2-tiếp điểm B-; 3-tiếp điểm B +; 4-Thanh dẫn dịng cao; 5Cầu chì 2 x 50 Ampe; 6-Cổng sạc; 7-Bộ chuyển đổi DC /DC; 8-Bộ sạc chính 10
kW; 9-Cầu chì 100 Ampe; 10-Thanh dẫn dịng thấp; 11-Bộ lọc nhiẽu; 12-Biến
tần.

HVJB cho phép dòng điện chạy giữa Pin HV, biến tần, bộ chuyển đổi DC-DC,
bộ sạc và cổng sạc. HVJB chứa các công tắc sạc nhanh, được điều khiển bởi bộ
sạc chính, đóng để tạo liên kết trực tiếp giữa cổng sạc và HV. HVJB có 3 cầu
chì: cầu chì 50A trên đầu ra dương DC từ mỗi bộ sạc và một cầu chì 100A trên
mạch cung cấp DC dương đi đến bộ chuyển đổi DC-DC.
1.2.1.3.3

Pin 12V

Pin 12 volt được đặt dưới mui xe ở phía bên tay phải. Mục đích là cung cấp
nguồn năng lượng cho hệ thống điện 12V khi hệ thống HV không hoạt động.
Trong trường hợp hệ thống HV hoặc bộ chuyển đổi DC-DC bị hỏng, nó hoạt
9

download by :


động như một nguồn dự trữ năng lượng cho toàn bộ hệ thống 12V, nhưng quan
trọng nhất là hệ thống an toàn và điều khiển phương tiện quan trọng.
Đây là pin axit chì khơng cần bảo trì và được sạc bằng nguồn điện từ Pin HV,

thông qua bộ chuyển đổi DC-DC.
1.2.1.3.4

Bộ chuyển đổi DC / DC

Bộ chuyển đổi điện áp cao Pin (350- 400VDC) thành 12-13 VDC để cung cấp
năng lượng cho tất cả các điện áp thấp của xe và để duy trì việc sạc pin 12 V. Nó
cũng đóng vai trị là hộp nối HV để phân phối dòng điện HV đến máy nén A/C,
bộ làm mát và bộ làm nóng PTC. Nếu điện áp ắc quy 12V giảm xuống dưới
12.3V, BMS đóng các cơng tắc và cung cấp dòng điện từ bộ bộ chuyển đội DCDC trên hệ thống sạc điện xe Tesla, từ đó duy trì pin 12V trong phạm vi SOC
tiêu chuẩn.

1.3 Giới thiệu tổng quan về hệ thống BMS trên xe điện
1.3.1 Khái niệm
Battery Management System (BMS) là định nghĩa tiếng anh của Hệ thống
quản lý pin
Hệ thống quản lý pin (BMS) là một thành phần thông minh của bộ pin chịu trách
nhiệm giám sát và quản lý nâng cao. Nó là bộ não đằng sau pin và đóng một vai trị cực
kỳ quan trọng. Hệ thống quản lý pin (BMS) là các mạch điều khiển điện tử giám sát và
điều chỉnh việc sạc và xả pin. Các đặc tính của pin cần theo dõi bao gồm phát hiện loại
pin, điện áp, nhiệt độ, dung lượng, trạng thái sạc, mức tiêu thụ điện, thời gian hoạt động
còn lại, chu kỳ sạc và một số đặc điểm khác.
10

download by :


1.3.2: Chức năng của hệ thống quản lý pin thông minh (BMS) trên xe ơ tơ điện

 Kiểm sốt xả: Chức năng chính của BMS là duy trì các cell lithium trong vùng

hoạt động an tồn. Ví dụ: Một Cell Lithium 18650 điển hình sẽ có định mức điện
áp dưới khoảng 3V. BMS có trách nhiệm đảm bảo rằng khơng có cell nào trong
bộ được phóng điện dưới 3V.
 Kiểm sốt sạc: Ngồi việc xả, q trình sạc cũng phải được BMS giám sát. Hầu
hết pin có xu hướng bị hỏng hoặc giảm tuổi thọ khi sạc không đúng cách. Đối với
bộ sạc pin lithium, bộ sạc 2 giai đoạn được sử dụng. Giai đoạn đầu tiên được gọi
là Dòng điện khơng đổi (CC), trong đó bộ sạc tạo ra dịng điện khơng đổi để sạc
pin. Khi pin gần đầy, giai đoạn thứ hai được gọi là giai đoạn Điện áp khơng đổi
(CV) được sử dụng trong đó điện áp khơng đổi được cung cấp cho pin ở dịng
điện rất thấp. BMS phải đảm bảo cả điện áp và dòng điện trong q trình sạc
khơng vượt q giới hạn cho phép để không sạc quá mức hoặc sạc nhanh cho
pin. Có thể tìm thấy điện áp sạc và dịng sạc tối đa cho phép trong bảng dữ liệu
của pin.
 Xác định phần trăm pin đã sạc (SOC): Bạn có thể coi SOC là chỉ số nhiên liệu của
xe điện. Nó thực sự cho chúng ta biết dung lượng pin theo phần trăm. Giống
như cái hiện lên trong điện thoại di động báo phần trăm pin còn lại của chúng ta.
Nhưng nó khơng phải là dễ dàng như ta tưởng. Điện áp và dịng sạc / xả của bộ
pin phải ln được theo dõi để dự đoán dung lượng của pin. Sau khi đo điện áp
và dịng điện, có rất nhiều thuật tốn có thể được sử dụng để tính SOC của bộ
pin. Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp đếm coulomb.
Đo lường các giá trị và tính tốn SOC cũng là trách nhiệm của BMS.
 Xác định tình trạng pin so với ban đầu(SOH): Dung lượng của pin khơng chỉ phụ
thuộc vào cấu hình điện áp và dòng điện mà còn phụ thuộc vào tuổi và nhiệt độ
hoạt động của nó. Phép đo SOH cho chúng ta biết về tuổi và vòng đời dự kiến
của pin dựa trên lịch sử sử dụng của nó. Bằng cách này, chúng ta có thể biết
quãng đường (quãng đường đi được sau khi sạc đầy) của xe điện giảm bao nhiêu
khi pin già đi và chúng ta cũng có thể biết khi nào nên thay bộ pin. SOH cũng
được BMS tính tốn và theo dõi.

11

download by :


 Cân bằng cell pin: Một chức năng quan trọng khác của BMS là duy trì sự cân
bằng cell. Ví dụ: trong một bộ pin gồm 4 cells mắc nối tiếp, điện áp của cả bốn
cells phải luôn bằng nhau. Nếu một cell có điện áp thấp hơn hoặc cao hơn cell
kia, nó sẽ ảnh hưởng đến tồn bộ bộ pin, giả sử nếu một ô ở 3,5V trong khi ba
cell cịn lại ở 4V. Trong q trình sạc, ba cell này sẽ đạt được 4,2V trong khi cell
còn lại chỉ đạt đến 3,7V, tương tự như vậy cell này sẽ là đầu tiên xả xuống 3V
trước ba cell kia. Bằng cách này, bởi vì cell đơn này, tất cả các cell khác trong bộ
không thể được sử dụng hết tiềm năng của nó, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả.
Để giải quyết vấn đề này, BMS đã thực hiện một thứ gọi là cân bằng cell. Có
nhiều loại kỹ thuật cân bằng cell, nhưng những kỹ thuật thường được sử dụng là
kỹ thuật cân bằng cell loại chủ động và thụ động. Trong cân bằng thụ động, ý
tưởng là các cell có điện áp dư thừa sẽ bị phóng điện cưỡng bức qua một tải như
điện trở để đạt đến giá trị điện áp của các cell khác. Trong khi cân bằng tích cực,
các cell mạnh hơn sẽ được sử dụng để sạc các cell yếu hơn để cân bằng điện thế
của chúng.
 Kiểm soát nhiệt: Tuổi thọ và hiệu quả của bộ pin Lithium phụ thuộc rất nhiều
vào nhiệt độ hoạt động. Pin có xu hướng xả nhanh hơn trong điều kiện khí hậu
nóng so với nhiệt độ phịng bình thường. Thêm vào đó, việc tiêu thụ dịng điện
cao sẽ làm tăng nhiệt độ hơn nữa. Điều này đòi hỏi một hệ thống Nhiệt (chủ yếu
là dầu) trong một bộ pin. Hệ thống nhiệt này chỉ có thể giảm nhiệt độ nhưng
cũng có thể tăng nhiệt độ ở những vùng có khí hậu lạnh nếu cần. BMS chịu trách
nhiệm đo nhiệt độ từng cell và điều khiển hệ thống nhiệt phù hợp để duy trì
nhiệt độ chung của bộ pin.
1.3.3 Đặc điểm
 Được cấp nguồn từ chính Pin: Nguồn năng lượng duy nhất có sẵn trong xe điện
là chính pin. Vì vậy, một BMS được cung cấp năng lượng bởi cùng một loại pin

mà nó được cho là để bảo vệ và duy trì.
 Cơng suất lý tưởng ít hơn: BMS phải hoạt động và chạy ngay cả khi xe đang chạy
hoặc đang sạc hoặc ở chế độ lý tưởng. Điều này làm cho mạch BMS được cung
cấp năng lượng liên tục và do đó bắt buộc BMS phải tiêu thụ một lượng điện
năng rất ít để khơng làm hao pin nhiều. Khi xe điện không được sạc trong nhiều
tuần hoặc nhiều tháng, BMS và các mạch điện khác có xu hướng tự tiêu hao pin
và cuối cùng yêu cầu phải được sạc lại hoặc sạc trước khi sử dụng tiếp theo. Vấn
đề này vẫn còn phổ biến với chiếc xe Tesla mà ta nghiên cứu.
 Truyền thông tin : BMS đóng vai trị là cầu nối giữa bộ Pin và ECU của xe. Tất cả
thông tin được BMS thu thập phải được gửi đến ECU để hiển thị trên cụm đồng
hồ hoặc trên bảng điều khiển. Vì vậy, BMS và ECU nên liên tục giao tiếp thông
qua giao thức chuẩn như giao tiếp CAN hoặc bus LIN.
12

download by :


 Ghi dữ liệu: Điều quan trọng đối với BMS là phải có một ngân hàng bộ nhớ lớn vì
nó phải lưu trữ rất nhiều dữ liệu. Chỉ có thể tính tốn các giá trị như Sate-ofhealth SOH nếu lịch sử sạc của pin được biết. Vì vậy BMS phải theo dõi các chu
kỳ sạc và thời gian sạc của bộ pin kể từ ngày lắp đặt và ngắt các dữ liệu này khi
được yêu cầu. Điều này cũng hỗ trợ trong việc cung cấp dịch vụ sau bán hàng
hoặc phân tích vấn đề với xe điện cho các kỹ sư.
 Độ chính xác: Khi một cell đang được sạc hoặc phóng điện, điện áp trên nó tăng
hoặc giảm dần. Thật khơng may, đường cong phóng điện (Điện áp so với thời
gian) của pin lithium có các vùng phẳng do đó sự thay đổi điện áp là rất ít. Sự
thay đổi này phải được đo chính xác để tính giá trị của SOC hoặc sử dụng nó để
cân bằng tế bào. Một BMS được thiết kế tốt có thể có độ chính xác cao đến ±
0,2mV nhưng nó phải có độ chính xác tối thiểu là 1mV-2mV. Thơng thường ADC
16 bit được sử dụng trong quá trình này.
 Tốc độ xử lý: BMS của xe điện phải thực hiện rất nhiều thao tác xử lý số để tính

giá trị của SOC, SOH, v.v. Ngồi ra, nó cịn phải đo điện áp cell trên hàng trăm cell
và nhận thấy những thay đổi tinh vi gần như ngay lập tức.

CHƯƠNG 2.

BATTERY MANAGEMENT SYSTEM (BMS)

2.1 Khái niệm hệ thống quản lý pin
Hệ thống quản lý pin (BMS) là một thành phần thông minh của bộ pin chịu trách
nhiệm giám sát và quản lý nâng cao. Nó là bộ não đằng sau pin và đóng một vai trị quan
trọng trong mức độ an tồn, hiệu suất, tốc độ sạc và tốc độ cuả nó.
2.2 Các tính năng của hệ thống quản lý pin
Hệ thống quản lý pin có chức năng quản lý thời gian thực kiểm sốt từng ơ pin,
giao tiếp với các thiết bị bên ngồi, quản lý tính tốn SOC, đo nhiệt độ và điện áp, v.v.  
2.2.1 Đo đạc


Điện áp di động



Nhiệt độ tế bào



Đo dòng điện bằng cảm biến hiệu ứng shunt và Hall
13

download by :

2.2.2 Hệ thống xe điện: phục hồi năng lượng 
BMS cũng sẽ kiểm soát việc sạc lại pin bằng cách chuyển hướng năng lượng đã
phục hồi (tức là từ phanh tái tạo ) trở lại bộ pin (thường bao gồm một số mô-đun
pin, mỗi mô-đun bao gồm một số tế bào).
2.2.3 Sự quản lý


Hàng trăm cho các mô-đun pin nối tiếp / song song



Bảo vệ tế bào



Quản lý nhiệt



Cân bằng thụ động hoặc chủ động



Phân phối lại (cân bằng hoạt động)



Hệ thống nạp trước

2.2.4 Đánh giá


Trạng thái Phí chính xác (SOC)



Tình trạng sức khỏe chính xác (SOH)



Độ sâu xả (DOD)



Kháng cự bên trong



Dung lượng dư

2.2.5 Giao tiếp 
Bộ điều khiển trung tâm của BMS giao tiếp bên trong với phần cứng của nó
hoạt động ở cấp độ tế bào hoặc bên ngoài với phần cứng cấp cao như máy tính xách
tay.
Giao tiếp bên ngồi cấp cao rất đơn giản và sử dụng một số phương pháp: 
Các kiểu truyền thông nối tiếp khác nhau .
 Giao tiếp bus CAN , thường được sử dụng trong môi trường ô tô.




Các loại truyền thơng khơng dây khác nhau .

2.2.6 Bảo vệ
- BMS có thể bảo vệ pin của nó bằng cách ngăn khơng cho nó hoạt động bên ngoài khu
vực hoạt động an toàn , chẳng hạn như:
14

download by :


Q dịng (có thể khác nhau ở chế độ sạc và xả)
 Quá áp (trong sạc), đặc biệt quan trọng đối với axit chì và Li-ion tế bào
 Dưới điện áp (trong quá trình phóng điện)
 Quá nhiệt độ
 Dưới nhiệt độ
 Quá áp ( pin NiMH )
 Phát hiện lỗi nối đất hoặc dòng điện rò rỉ (hệ thống giám sát rằng pin điện áp cao
có bị ngắt kết nối điện khỏi bất kỳ vật dẫn điện nào có thể chạm vào để sử dụng
như thân xe)


- BMS có thể ngăn cản hoạt động bên ngoài vùng hoạt động an toàn của pin bằng cách:
Bao gồm một công tắc bên trong (chẳng hạn như rơ le hoặc thiết bị trạng thái
rắn ) được mở nếu pin được vận hành bên ngoài khu vực hoạt động an tồn của nó
 u cầu các thiết bị được kết nối với pin để giảm hoặc thậm chí ngừng sử dụng
pin.
 Chủ động kiểm sốt mơi trường, chẳng hạn như thơng qua lị sưởi, quạt, điều hịa
khơng khí hoặc làm mát bằng chất lỏng



2.2.7 Kết nối pin với mạch tải
BMS cũng có thể có hệ thống sạc trước cho phép một cách an toàn để kết nối pin
với các tải khác nhau và loại bỏ dòng khởi động quá mức tới các tụ điện tải.
Kết nối với tải thường được điều khiển thông qua rơ le điện từ được gọi là cơng tắc
tơ. Mạch sạc trước có thể là điện trở nguồn mắc nối tiếp với tải cho đến khi tụ điện
được sạc. Ngoài ra, nguồn điện ở chế độ chuyển mạch được kết nối song song với
các tải có thể được sử dụng để sạc điện áp của mạch tải lên đến mức đủ gần với
điện áp của pin để cho phép đóng các bộ tiếp điểm giữa pin và mạch tải. BMS có

15

download by :


thể có một mạch có thể kiểm tra xem một rơ le đã được đóng trước khi sạc trước (ví
dụ như do hàn) để ngăn dòng điện khởi động xảy ra hay khơng.

2.2.8 Tối ưu hóa
Để tối đa hóa dung lượng của pin và để tránh sạc thiếu hoặc sạc quá mức cục bộ,
BMS có thể chủ động đảm bảo rằng tất cả các ô tạo nên pin được giữ ở cùng một điện áp
hoặc Trạng thái sạc, thông qua việc cân bằng. BMS có thể cân bằng các tế bào bằng
cách:


Lãng phí năng lượng từ các tế bào được tích điện nhiều nhất bằng cách kết nối
chúng với tải (chẳng hạn như thông qua bộ điều chỉnh thụ động )



Trộn năng lượng từ các ơ tích điện nhiều nhất sang ơ tích điện ít nhất ( bộ cân
bằng )



Sạc mơ-đun

Hình 2.1. Bộ điều khiển chính BMS

16

download
byHệ: thống

Hình 2.2.
quản lý pin phân tán


2.3 Hoạt động đối với pin Lithium
Pin Lithium-ion cần có BMS vì chúng khơng phải là loại pin hồn hảo. Chúng dễ
bị hư hỏng khi tiếp xúc với các điều kiện khắc nghiệt như điện áp cao, nhiệt độ khắc
nghiệt, dòng điện cao và bất kỳ điều kiện nào khác. Do đó, BMS dùng để bảo vệ pin và
đảm bảo rằng chúng thường hoạt động ngay cả khi ở trong những điều kiện như vậy.
2.3.1 Bảo vệ điện áp trên/dưới
Pin Lithium-ion hoạt động trong phạm vi điện áp an toàn với các tế bào pin thơng
thường lên đến 3.0V. Các chất hóa học được sử dụng trong việc chế tạo công nghệ pin
này có chứa các hợp chất phản ứng mạnh, và điều này khiến chúng nhạy cảm với điện áp
cực lớn. Khi tiếp xúc với điện áp cao trong một thời gian dài, hiệu suất của pin giảm
đáng kể do lớp mạ trên các nút của tế bào. Vật liệu được sử dụng trên cực âm cũng có xu

hướng bị oxy hóa và do đó, trở nên kém ổn định hơn, tạo ra các khí có thể tạo ra áp suất
trong tế bào.
BMS được lắp vào các pin này giới hạn từng tế bào và pin ở mức lớn đến điện áp
tối đa. Mặt khác, điện áp thấp cũng là một mối quan tâm trong BMS vì khi các tế bào
phóng điện dưới điện áp cắt, nó có thể dẫn đến sự cố tự phát của vật liệu trong các điện
cực. Pin Lithium-ion có điện áp hoạt động tối thiểu được khuyến nghị cụ thể mà người
dùng khơng nên xả ở mức dưới đây vì nó có thể gây hại cho pin. Do đó, BMS đóng vai
trị như một phương tiện dự phịng có xu hướng ngắt kết nối pin khỏi mạch điện nếu nó
nhận thấy bất kỳ tế bào nào giảm xuống dưới điện áp cắt.
2.3.2 Bảo vệ khỏi nhiệt độ khắc nghiệt
Không giống như pin axit-chì, pin lithium-ion có thể hoạt động an tồn ở phạm vi
nhiệt độ cao hơn nhiều. Tuy nhiên, khi bất kỳ loại pin nào phải chịu nhiệt độ quá cao, vật
liệu điện cực sẽ bị thối hóa dần dần cho đến cuối cùng, các tế bào bị trục trặc. BMS
được lắp đặt trong các ô này sử dụng các nhiệt điện trở nhúng để theo dõi sự thay đổi
nhiệt độ trong quá trình hoạt động của chúng một cách chủ động và do đó, các hành
động liên quan hướng tới một giải pháp phù hợp. BMS ngắt kết nối pin đó khỏi các mạch
khi nhiệt độ cao và do đó ngăn các tế bào đi qua q trình thốt nhiệt và cuối cùng bùng
phát thành ngọn lửa.
2.3.3 Cân bân bằng mỗi Cell
Có một sự khác biệt đáng kể trong việc cân bằng điện áp trong mỗi tế bào trong quá trình
sạc giữa pin axit-chì và pin lithium-ion. Do những khác biệt nhỏ về sản xuất hoặc các
điều kiện hoạt động khác nhau, mọi tế bào trong pin có xu hướng sạc với tốc độ hơi khác
so với các tế bào còn lại.

17

download by :


Khơng giống như pin axit-chì, có các tế bào tự cân bằng trong q trình sạc, điện áp pin

lithium-ion có xu hướng tăng thêm khi sạc đầy. Nếu quá trình sạc của tồn bộ pin bị
dừng lại khi chỉ có một ơ được sạc đầy, thì các ơ cịn lại sẽ khơng thể sạc đầy, do đó
buộc pin phải hoạt động dưới mức cơng suất tối đa của nó. Một BMS tốt đảm bảo rằng
mỗi tế bào sẽ sạc đầy dung lượng một cách an toàn và hiệu quả trước khi quá trình sạc bị
dừng.
2.3.4 Bảo vệ khỏi q dịng và ngắn mạch
Mỗi pin đều có giới hạn quy định tối đa cho dịng điện trong các hoạt động an tồn. Nếu
một tải được đặt lên pin và nó tạo ra dịng điện cao hơn giới hạn đã đặt, nó có thể làm
cho pin quá nóng. Một BMS được thiết kế tốt đóng vai trị như một vật cản chống lại các
tình huống q dòng bằng cách ngắt kết nối pin khỏi mạch ngay lập tức trước khi các tế
bào bị hư hại thêm.
Ngắn mạch có xu hướng là dạng nghiêm trọng nhất của tình trạng q dịng và có
thể làm hỏng các tế bào trong khi điện giật người dùng đang xử lý gói. BMS phát hiện
hiện tượng đoản mạch và ngay lập tức tắt pin để bảo vệ cho đến khi tình trạng được xử
lý.

2.4 Giao diện BMS
2.4.1 Đầu vào BMS

Tên
StateRequest
Cell_Voltages
Cell_Temperatures
Pack_Voltage
Pack_Current
Vout_Chgr
Vout_Invtr

Kiểu dữ liệu
enum

single
single
single
single
single
single

Đơn vị
/
V
K
V
A
V
V

Từ
CAN
Sensors
Sensors
Sensors
Sensors
Sensors
Sensors

- Cell_Voltages: BMS sẽ đo điện áp trên từng khối tế bào (các ô nối tếp) ở tốc độ mẫu
10Hz.
- Cell_Temperatures: BMS sẽ đo nhiệt độ của tế bào pin.
18

Bảng 2.1. Dữ liệu đầu vào BMS

download by :