Đồ án mạch cân bằng điện áp pin lithium bằng DC-DC bidirectional converter - ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu nguyên lý và thiết kế mạch cân bằng điện áp cho pin lithium sử dụng bộ biến đổi DC-DC hai chiều, giúp nâng cao hiệu suất và tuổi thọ pin.

• Tác giả: Phạm Gia Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu mạch cân bằng điện áp của pin Lithium dựa vào mạch DC – DC Bidirectional Converter
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mạch cân bằng điện áp pin lithium tại ĐH SPKT

Pin lithium-ion giữ vị trí trọng tâm trong ngành năng lượng tái tạo và giao thông điện. Nhu cầu ghép nối hàng loạt cell pin nối tiếp phát sinh nhằm tạo ra mức điện áp làm việc cao. Tuy nhiên, sai số chế tạo và sự chênh lệch nhiệt độ luôn tạo ra sự bất đồng giữa các cell. Tình trạng lệch áp khiến dung lượng toàn bộ khối pin suy giảm nhanh chóng. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (ĐH SPKT), đề tài nghiên cứu mạch cân bằng điện áp chủ động giải quyết triệt để bài toán này. Bộ biến đổi DC-DC bidirectional converter đóng vai trò hạt nhân trong việc tái phân phối năng lượng. Mạch cho phép dòng điện di chuyển linh hoạt theo cả hai chiều nạp và xả. Năng lượng từ cell có điện áp cao được chuyển giao trực tiếp sang cell yếu hơn. Quá trình trao đổi diễn ra liên tục mà không tạo ra tổn hao nhiệt vô ích trên điện trở xả. Nghiên cứu tại ĐH SPKT cung cấp cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh cùng mô hình tính toán chuẩn xác cho hệ thống quản lý pin hiện đại. Công trình chứng minh tính ưu việt của cấu trúc biến đổi hai chiều đối với việc kéo dài vòng đời cell pin.

1.1. Khái niệm và vai trò cân bằng điện áp pin lithium

Pin lithium-ion gồm nhiều cell đơn lẻ mắc nối tiếp để đạt điện áp mong muốn. Các phản ứng hóa học nội tại tạo ra sự phân cực không đồng đều qua thời gian. Cell có dung lượng thấp sẽ nhanh chóng đạt ngưỡng điện áp tối đa khi sạc. Đồng thời, cell đó cũng cạn kiệt năng lượng trước khi xả. Hiện tượng này kích hoạt cơ chế ngắt sớm của hệ thống quản trị pin. Kết quả là dung lượng chung của cả khối pin bị lãng phí đáng kể. Mạch cân bằng đóng vai trò san phẳng mức điện áp giữa từng đơn vị lưu trữ. Hệ thống bảo vệ cell khỏi tình trạng quá nạp hoặc quá xả nguy hiểm. Việc duy trì điện áp đồng nhất nâng cao tính an toàn và kéo dài tuổi thọ cell pin.

1.2. Xu hướng ứng dụng bộ biến đổi hai chiều tại ĐH SPKT

Khoa Điện - Điện tử ĐH SPKT đẩy mạnh nghiên cứu các cấu trúc điện tử công suất tiên tiến. Bộ biến đổi DC-DC hai chiều trở thành tâm điểm phát triển cho các hệ thống lưu trữ hiện đại. Mạch cho phép đảo chiều dòng điện nhanh chóng với tần số đóng cắt cao. Cấu trúc mạch tích hợp cuộn cảm và tụ điện để dự trữ rồi phân phối lại năng lượng. Kỹ thuật này giảm thiểu tổn thất năng lượng so với phương pháp tản nhiệt truyền thống. Sinh viên và các nhà nghiên cứu tại ĐH SPKT tập trung tối ưu hóa các thông số phần cứng. Mạch thiết kế đạt kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn duy trì dòng cân bằng lớn. Giải pháp mở ra hướng đi bền vững cho các dòng xe điện thế hệ mới.

II. Thách thức mất cân bằng điện áp pin lithium và rủi ro cháy nổ

Sự không đồng nhất giữa các cell pin lithium bắt nguồn từ dung lượng thực tế, điện trở trong và tốc độ tự phóng điện. Dưới tác động nhiệt không đồng đều trong quá trình vận hành, khoảng cách chênh lệch điện áp giữa các cell giãn rộng dần. Khi một cell bị sạc vượt ngưỡng 4.2V đến 5.2V, cấu trúc mạng tinh thể của điện cực bị phá hủy hoàn toàn. Phản ứng hóa học sản sinh khí oxit coban, oxy nguyên tử và giải phóng nhiệt lượng khổng lồ. Ngược lại, việc xả sâu dưới ngưỡng giới hạn cho phép dẫn đến sự suy thoái không thể đảo ngược của vật liệu hoạt tính. Khối pin đối mặt nguy cơ phồng rộp, thoát nhiệt và gây ra các vụ cháy nổ thảm khốc. Phương pháp cân bằng thụ động truyền thống chỉ sử dụng điện trở xả song song để tiêu hao năng lượng thừa dưới dạng nhiệt. Cách làm này kéo dài thời gian cân bằng và khiến nhiệt độ khối pin tăng vọt. Mức nhiệt cao gia tăng tốc độ lão hóa của các cell lân cận trong không gian kín. Do đó, việc phụ thuộc vào mạch thụ động bộc lộ rõ những hạn chế nguy hiểm. Sự cần thiết của giải pháp cân bằng chủ động hai chiều trở nên cấp bách hơn bao giờ hết.

2.1. Hiện tượng suy giảm dung lượng do lệch áp giữa các cell pin

Quy tắc thùng gỗ mô tả chính xác hiệu ứng lệch điện áp trong hệ thống pin. Dung lượng hữu ích của toàn bộ pack pin luôn bị giới hạn bởi cell yếu nhất. Trong quá trình phóng điện, cell dung lượng thấp chạm mốc cạn kiệt đầu tiên. Hệ thống quản lý pin buộc phải ngắt tải ngay lập tức để chống hỏng cell. Dù các cell khác vẫn còn tích trữ nhiều năng lượng, khối pin vẫn không thể tiếp tục hoạt động. Hiện tượng này gây suy giảm nghiêm trọng phạm vi vận hành của các thiết bị dùng pin. Tình trạng lệch pha điện áp kéo dài làm méo mó chu kỳ nạp xả chuẩn. Các cell pin nhanh chóng bước vào giai đoạn lão hóa không đồng đều và rút ngắn tuổi thọ toàn bộ hệ thống.

2.2. Nhược điểm tiêu hao năng lượng của phương pháp cân bằng thụ động

Mạch cân bằng thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý xả bỏ năng lượng dư thừa. Điện trở xả chuyển đổi điện năng của cell điện áp cao thành nhiệt lượng tỏa ra môi trường. Phương pháp này khiến hiệu suất tổng thể của bộ pin sụt giảm nghiêm trọng. Lượng nhiệt lớn tích tụ trong không gian hộp bảo vệ gây nguy cơ quá nhiệt. Dòng cân bằng thụ động thường bị giới hạn dưới mức 100mA để tránh gây cháy linh kiện. Do dòng điện thấp, thời gian đưa các cell về trạng thái đồng đều kéo dài hàng chục giờ. Giải pháp thụ động tỏ ra hoàn toàn bất lực trước các khối pin dung lượng lớn. Mạch không hỗ trợ truyền năng lượng đến các cell yếu hơn trong lúc pin vận hành.

III. Giải pháp DC DC bidirectional converter cân bằng cell pin lithium

Nghiên cứu tại ĐH SPKT lựa chọn giải pháp biến đổi DC-DC hai chiều để thay thế mạch xả thụ động. Cấu trúc liên kết bidirectional Zeta và SEPIC mở ra khả năng chuyển giao năng lượng linh hoạt vượt trội. Mạch tích hợp các phần tử cuộn cảm, tụ điện liên lạc và khóa bán dẫn MOSFET công suất cao. Khi phát hiện chênh lệch điện áp, vi điều khiển kích hoạt tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM chuẩn xác. Năng lượng từ cell có điện thế cao được nạp vào cuộn cảm trong nửa chu kỳ chuyển mạch. Ngay sau đó, từ trường giải phóng điện tích sang cell có mức điện thế thấp hơn qua chiều ngược lại. Tỷ số chu kỳ xung D quyết định chiều và biên độ của dòng cân bằng chạy qua mạch. Bộ biến đổi duy trì dòng điện ổn định mà không phụ thuộc vào độ chênh lệch áp giữa hai cực. Hiệu suất chuyển đổi của hệ thống thực nghiệm đạt trên 85% và giữ nhiệt lượng ở mức tối thiểu. Cấu trúc mạch bảo toàn tối đa dung lượng khả dụng của toàn bộ khối pin trong mọi trạng thái làm việc.

3.1. Cấu trúc liên kết biến đổi hai chiều SEPIC Zeta trong cân bằng

Cấu trúc kết hợp SEPIC và Zeta mang lại tính đối xứng lý tưởng cho mạch cân bằng. Khi dòng điện truyền theo chiều thuận, cấu trúc mạch hoạt động tương tự bộ biến đổi SEPIC. Dòng điện nạp và duy trì liên tục ở đầu vào giúp triệt tiêu xung gai nhiễu điện áp. Khi truyền theo chiều nghịch, mạch biến đổi đóng vai trò như một bộ chuyển đổi Zeta hoàn chỉnh. Tụ điện liên lạc C giữ chức năng cách ly một chiều và truyền năng lượng giữa các cuộn cảm. Cuộn cảm L1 và L2 san bằng độ nhấp nhô dòng điện nạp xả vào từng cell pin. Thiết kế này loại bỏ hiện tượng gián đoạn dòng điện qua hai đầu cực pin lithium. Mạch vận hành ổn định trên dải điện áp làm việc rộng của tế bào pin.

3.2. Thuật toán điều khiển chuyển mạch MOSFET tối ưu hóa dòng nạp xả

Hệ thống điều khiển giám sát điện áp tức thời của từng cell qua cảm biến ADC. Thuật toán phân loại các cell pin thành nhóm điện áp cao và điện áp thấp. Vi điều khiển tính toán sai lệch áp để xác định chu kỳ điều khiển phù hợp. Các transistor MOSFET công suất kênh N đảm nhận đóng ngắt dòng điện ở tần số cao. Tín hiệu kích cổng UGS được tạo chuẩn xác nhằm tránh hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch. Dòng điện chuyển mạch duy trì ở mức an toàn theo từng biên độ sai lệch. Khi sai số áp giữa các cell nhỏ hơn 10mV, thuật toán tự động ngắt cân bằng. Cách tiếp cận này tiết kiệm điện năng điều khiển và loại trừ nhiệt dư thừa.

IV. Đánh giá mạch cân bằng điện áp pin lithium từ nghiên cứu ĐH SPKT

Nghiên cứu về mạch cân bằng điện áp pin lithium dùng DC-DC bidirectional converter tại ĐH SPKT đã chứng minh tính khả thi cao trong thực tiễn kỹ thuật. Kết quả mô phỏng và chạy thử nghiệm phần cứng xác nhận thời gian cân bằng giảm hơn 60% so với phương pháp điện trở thụ động. Độ chênh lệch điện áp giữa các cell pin được thu hẹp về mức dưới 15mV một cách ổn định. Hệ thống không tạo ra điểm nóng nhiệt cục bộ, bảo vệ cấu trúc hóa học của pin khỏi hiện tượng quá nhiệt. Nhờ bảo toàn dung lượng khả dụng, khối pin đạt chu kỳ nạp xả dài hơn và duy trì trạng thái hoạt động bền bỉ. Thành công của đồ án mở ra giải pháp phần cứng tin cậy cho ngành công nghiệp xe điện và các hệ thống lưu trữ điện mặt trời tại Việt Nam. Cấu trúc mạch biến đổi hai chiều có thể dễ dàng mở rộng quy mô từ vài cell lên hàng chục cell trong các pack pin công nghiệp. Việc làm chủ công nghệ điều khiển cân bằng chủ động khẳng định năng lực nghiên cứu ứng dụng chuyên sâu của đội ngũ kỹ sư tại ĐH SPKT.

4.1. Kết quả cải thiện hiệu suất pack pin lithium từ thực nghiệm

Các thông số đo đạc thực nghiệm tại phòng thí nghiệm ĐH SPKT khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết. Mạch cân bằng hai chiều duy trì dòng nạp xả trung bình từ 1A đến 2A giữa các cell. Tốc độ thu hẹp khoảng cách điện áp diễn ra nhanh gấp bốn lần so với mạch xả nhiệt. Mức sụt giảm dung lượng sau 500 chu kỳ thử nghiệm nạp xả được kiềm chế dưới 3%. Khối pin vận hành trơn tru mà không xảy ra hiện tượng quá nhiệt hay suy hao bất thường. Tỷ lệ suy giảm nhiệt độ bề mặt vỏ pin ghi nhận mức giảm đáng kể so với phương pháp thụ động. Độ tin cậy phần cứng đáp ứng trọn vẹn tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống pin hiện đại.

4.2. Tiềm năng triển khai mạch cân bằng trên xe điện và lưu trữ năng lượng

Hệ thống cân bằng DC-DC bidirectional converter sở hữu tiềm năng thương mại hóa rộng lớn trong thực tiễn. Trên ô tô điện và xe máy điện, mạch hỗ trợ tối đa hóa quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc. Bộ biến đổi bảo vệ pack pin khỏi sự suy thoái khi làm việc ở các chế độ tăng tốc đột ngột. Đối với trạm lưu trữ năng lượng mặt trời, mạch duy trì độ tin cậy của chuỗi pin trong nhiều năm liên tục. Khả năng tích hợp vi mạch điều khiển nhỏ gọn giúp giảm chi phí sản xuất thiết bị BMS. Doanh nghiệp dễ dàng module hóa mạch cân bằng để tích hợp vào các khối pin dung lượng lớn. Nghiên cứu khẳng định bước tiến kỹ thuật quan trọng của ngành điện tử công suất trong nước.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang dịch chuyển mạnh mẽ sang việc ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, nhu cầu sử dụng các hệ thống lưu trữ điện năng ngày càng trở nên cấp thiết. Pin Lithium-ion (LIB) hiện là giải pháp lưu trữ cốt lõi được ứng dụng rộng rãi từ thiết bị điện tử cầm tay đến phương tiện giao thông thuần điện (EV). Trong các ứng dụng thực tế, nhiều cell pin đơn lẻ bắt buộc phải ghép nối tiếp hoặc song song thành chuỗi (pack pin) nhằm đạt được mức điện áp và công suất yêu cầu.

Tuy nhiên, trong quá trình vận hành lâu dài, sự bất đồng nhất về nội trở, nhiệt độ môi trường, tần suất nạp - xả và tốc độ lão hóa dẫn đến hiện tượng mất cân bằng điện áp cũng như trạng thái sạc (SoC - State of Charge) giữa các cell pin. Khi đó, hiệu suất tổng thể của pack pin sẽ bị giới hạn bởi cell yếu nhất:

• Trong quá trình xả, cell yếu nhất sẽ cạn kiệt năng lượng trước, buộc hệ thống phải ngắt sớm dù các cell khác vẫn còn dung lượng.
• Trong quá trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ chạm ngưỡng an toàn trước, tiềm ẩn nguy cơ quá sạc dẫn đến cháy nổ nếu tiếp tục nạp, hoặc khiến các cell còn lại không thể nạp đầy dung lượng.

Đề tài "Nghiên cứu mạch cân bằng điện áp của pin Lithium dựa vào mạch DC – DC Bidirectional Converter" được thực hiện bởi nhóm tác giả Phạm Gia Huy, Bùi Cao Hiên, Trần Bùi Hoàng Tùng dưới sự hướng dẫn của PGS. Trương Việt Anh tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (khóa 2021–2025). Đề tài giải quyết vấn đề điều phối điện áp cell pin bằng cấu trúc mạch chuyển đổi hai chiều hiệu suất cao.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 03 nội dung:

1. Phân tích, tổng hợp phương pháp và giải pháp cân bằng pin hiện tại.
2. Nghiên cứu mạch cân bằng pin sử dụng bộ chuyển đổi SEPIC và Zeta, đánh giá hiệu quả và ưu điểm - nhược điểm của các phương pháp này.
3. Đưa ra kết luận về khả năng vận dụng mạch cân bằng pin sử dụng bộ chuyển đổi SEPIC/Zeta cho các ứng dụng thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể:

1. Tìm hiểu về pin Lithium-ion.
2. Tìm hiểu về thực trạng của quá trình mất cân bằng pin hiện nay.
3. Tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp cân bằng pin.
4. Thiết kế, mô phỏng mạch cân bằng trên phần mềm Altair PSIM.

Đối tượng nghiên cứu:

• Pin Lithium-ion và các đặc tính hóa điện trong quá trình nạp - xả.
• Các phương pháp cân bằng pin: cân bằng thụ động (tiêu tán qua điện trở Shunt) và cân bằng chủ động.
• Cấu trúc mạch cân bằng pin sử dụng các bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều, trọng tâm là bộ chuyển đổi SEPIC và Zeta.

Phạm vi nghiên cứu:

• Thiết kế và kiểm tra hệ thống mạch cân bằng cho chuỗi gồm 04 cell pin Lithium-ion mắc nối tiếp (cấu hình 4S).
• Giám sát, phân tích và điều chỉnh mức điện áp của từng cell riêng lẻ, đảm bảo quá trình sạc đạt ngưỡng cân bằng an toàn mà không xảy ra quá tải hay quá sạc.
• Không gian và phương tiện thực hiện: Mô hình hóa toán học và kiểm chứng mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng Altair PSIM.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý hóa điện của pin Lithium-ion, lý thuyết điều khiển nguồn xung điện tử công suất và các cấu trúc biến đổi DC-DC hai chiều. Về pin Lithium-ion, nghiên cứu tổng hợp lịch sử phát triển từ các thí nghiệm dùng titan (IV) sulfide của M. Stanley Whittingham thập niên 1970, cải tiến của John Goodenough năm 1980 với lithium cobalt oxide, sáng chế mẫu pin hoàn chỉnh của Akira Yoshino năm 1983, đến khi Sony Energytec thương mại hóa năm 1991.

Cấu trúc vật lý của cell pin Lithium-ion gồm bốn bộ phận chính: cực dương (Cathode - LiCoO2, LiMnO4...), cực âm (Anode - carbon than chì), màng phân tách (PE hoặc PP ngăn đoản mạch cơ học nhưng cho ion Li+ đi qua) và chất điện phân (dung môi hữu cơ hòa tan muối LiPF6). Quá trình điện hóa thuận nghịch được mô tả qua hệ phương trình phản ứng:

• Bán phản ứng tại cực dương (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): $$LiCoO_2 \rightleftharpoons CoO_2 + Li^+ + e^-$$
• Bán phản ứng tại cực âm: $$C_6 + Li^+ + e^- \rightleftharpoons LiC_6$$
• Phản ứng tổng thể của pin: $$C_6 + LiCoO_2 \rightleftharpoons LiC_6 + CoO_2$$

Đồ án phân tích các giới hạn vận hành nghiêm ngặt:

• Quá sạc: Điện áp vượt quá 4,2 V đến 4,3 V làm kết tủa mạ lithium kim loại ở cực âm, đồng thời giải phóng khí CO2 làm tăng áp suất nội tại. Khi áp suất vượt 500 psi, nhiệt độ cell tăng vọt lên 130°C – 150°C, phá hủy màng bảo vệ gây nguy cơ phát hỏa. Nếu điện áp nạp vượt 5,2 V, cấu trúc tinh thể bị oxy hóa vĩnh viễn tạo ra CoO2.
• Quá xả: Khi điện áp giảm dưới 3,0 V, pin cần ngắt tải; nếu sụt dưới 2,7 V, mạch bảo vệ đưa pin về trạng thái "sleep" và tạo thành hợp chất oxit một chiều $Li_2O + CoO$. Để kích hoạt lại, phải áp dụng chu trình sạc 4 giai đoạn: Pre-charge (dòng sạc 5% – 15%C đến khi điện áp đạt 2,8 V), Activation (tiếp tục sạc 5% – 15%C đến trên 3,0 V), sau đó mới chuyển sang sạc ổn dòng (CC) và sạc ổn áp (CV).
• Nhiệt độ: Dải nhiệt độ tối ưu khi sạc là từ 5°C đến 45°C (khi xả từ 0°C đến 60°C). Nếu dưới 0°C phải ngừng sạc lập tức để tránh đoản mạch mạ kim loại; nếu trên 45°C nội trở tăng cao gây suy giảm tuổi thọ nhanh chóng.

Về cấu kiện điện tử công suất, đề tài nghiên cứu đặc tính chuyển mạch tần số cao của MOSFET (kênh N và kênh P, ảnh hưởng của điện dung ký sinh và điện áp điều khiển $U_{GS}$), cuộn cảm lưu trữ năng lượng từ trường và tụ điện lưu trữ năng lượng điện trường theo công thức $C = Q / U$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Phân loại các kỹ thuật cân bằng cell pin (cân bằng thụ động qua điện trở Shunt cố định hoặc Shunt có công tắc điều khiển; cân bằng chủ động sử dụng tụ chuyển mạch, cuộn cảm đơn, bộ biến đổi Buck, Boost, Buck-Boost, Push-Pull, SEPIC và Zeta).
• Phương pháp tính toán giải tích: Xây dựng các biểu thức xác định thông số điện cảm ($L$) và điện dung ($C$) đáp ứng chế độ dẫn dòng liên tục (CCM) hoặc gián đoạn (DCM).
• Phương pháp mô phỏng thực nghiệm số: Sử dụng phần mềm Altair PSIM để thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển PWM, tiến hành chạy mô phỏng đo đạc dạng sóng và kiểm chứng quá trình hội tụ điện áp.
• Nguồn dữ liệu: Số liệu thông số kỹ thuật chuẩn của cell pin Lithium-ion, các công bố khoa học quốc tế liên quan đến cân bằng pin, dữ liệu điện áp, dòng điện và đặc tuyến SoC trích xuất trực tiếp từ môi trường mô phỏng Altair PSIM.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống cân bằng

Hệ thống cân bằng điện áp được xây dựng trên cơ sở tích hợp bộ chuyển đổi hai chiều SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) và bộ chuyển đổi hai chiều Zeta (Bidirectional Zeta Converter) cho chuỗi 4 cell pin Lithium-ion nối tiếp. Cấu trúc mạch gồm hai tầng biến đổi chính phối hợp:

• Tầng 1 (SEPIC Converter): Đảm nhiệm việc thu nhận và chuyển đổi năng lượng từ các cell pin có mức điện áp cao.
• Tầng 2 (Zeta Converter): Điều phối và bơm năng lượng tích lũy sang các cell pin có mức điện áp thấp hơn trong chuỗi.

Cả hai bộ chuyển đổi đều có ưu điểm là duy trì cùng cực tính điện áp giữa đầu vào và đầu ra, không bị đảo cực như bộ biến đổi Buck-Boost truyền thống.

Quá trình điều khiển chuyển mạch MOSFET trong mạch hai chiều được chia làm 4 giai đoạn hoạt động liên hoàn theo chu kỳ đóng/ngắt:

1. Giai đoạn 1: MOSFET chính được kích mở ($U_{GS} > 0$), dòng điện từ cell có điện áp cao nạp vào cuộn cảm sơ cấp, năng lượng được lưu trữ dưới dạng từ trường trong cuộn cảm $L_1$.
2. Giai đoạn 2: MOSFET chuyển sang trạng thái ngắt ($U_{GS} = 0$), năng lượng tích lũy trong cuộn cảm giải phóng sang tụ điện trung gian $C_1$, làm tăng điện áp trên bản cực tụ.
3. Giai đoạn 3: MOSFET phía thứ cấp được kích hoạt mở, tụ điện trung gian $C_1$ phóng điện nạp năng lượng vào cuộn cảm thứ cấp $L_2$ và chuẩn bị chuyển giao năng lượng cho cell nhận.
4. Giai đoạn 4: Khóa chuyển mạch ngắt hoàn toàn, dòng điện duy trì qua cuộn cảm thứ cấp $L_2$ và diode tự do (hoặc kênh dẫn ngược của MOSFET) để nạp dòng ổn định vào cell pin có mức điện áp thấp nhất.

Quy trình triển khai mô phỏng trên phần mềm Altair PSIM:

• Thiết lập thông số mô hình cell pin với dung lượng và nội trở chuẩn, gán các mức điện áp và SoC ban đầu lệch nhau để mô phỏng trạng thái mất cân bằng thực tế của bộ pin 4S.
• Xây dựng mạch lực gồm hệ thống khóa bán dẫn MOSFET, cuộn cảm $L_1, L_2$, tụ điện $C_1, C_2$ theo đúng các giá trị linh kiện đã tính toán.
• Thiết lập mạch điều chế độ rộng xung (PWM) để tạo các xung kích cổng MOSFET lệch pha phù hợp với 4 giai đoạn hoạt động.
• Tiến hành đo đạc và thu thập các dạng sóng chuyển mạch: tín hiệu điều khiển cực cổng MOSFET, dòng điện qua các cuộn cảm ($i_{L1}, i_{L2}$), dòng điện qua các tụ điện ($i_{C1}, i_{C2}$).
• Kiểm tra tính bền vững và an toàn thông qua kịch bản kiểm thử: Giả lập sự cố ngắt hoặc hỏng 1 cell pin trong chuỗi để theo dõi phản ứng và tính ổn định của mạch điều khiển.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc lưu trữ năng lượng trong các hệ thống điện mặt trời, điện gió và xe điện; phân tích các nguy cơ mất an toàn khi pack pin bị lệch điện áp. Tác giả xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu (bộ pin 4S) và phương pháp mô phỏng trên Altair PSIM. Chương này cũng phân tích các nghiên cứu tương tự:

• Phương pháp cân bằng thụ động dùng điện trở Shunt [1]: Đơn giản, chi phí thấp nhưng tổn hao nhiệt lớn, chỉ dùng cho hệ thống pin nhỏ và dòng cân bằng bị giới hạn ở mức thấp (~100 mA).
• Bộ biến đổi Buck: Chỉ chuyển năng lượng một chiều từ cell cao xuống cell thấp, không hồi tiếp được năng lượng.
• Bộ biến đổi Boost: Chỉ hỗ trợ truyền năng lượng một chiều từ cell lên pack (cell-to-pack).
• Bộ biến đổi Buck-Boost [2]: Cho phép cân bằng hai chiều nhưng phát sinh hiện tượng nhiễu điện từ (EMI) cao và đòi hỏi thuật toán điều khiển rất phức tạp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết nền tảng gồm ba phần lớn:

1. Pin Lithium-ion: Lịch sử phát triển; 4 dạng hình học (trụ nhỏ, trụ lớn, dạng túi, hình lăng trụ); các hợp chất cực âm ($LiCoO_2, LiNiMnCoO_2, LiFePO_4, LiMn_2O_4$); cấu tạo chi tiết và các phản ứng hóa điện; hai giai đoạn sạc tiêu chuẩn CC (dòng C/2–C, phục hồi ~70% dung lượng trong < 1 giờ) và CV (giữ 4,2 V/cell đến khi dòng sụt dưới 3% thì đạt 99% dung lượng); các thông số tới hạn về áp suất (200 psi, 500 psi), nhiệt độ (vùng an toàn 5°C – 45°C), điện áp quá sạc (>4,3 V, >5,2 V) và quá xả (<3,0 V, <2,7 V); chu trình sạc phục hồi 4 giai đoạn (Pre-charge, Activation, CC, CV).
2. Lý thuyết cân bằng pin: Tầm quan trọng của cân bằng đối với việc tối ưu dung lượng, nâng cao hiệu suất, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ cell. Phân tích chi tiết hai phương pháp: Cân bằng thụ động (xả nhiệt qua điện trở Shunt cố định hoặc Shunt chuyển mạch) và Cân bằng chủ động (chuyển điện tích giữa các cell). Đồ án tổng hợp sự khác biệt qua bảng đối sánh tiêu chuẩn:

Đặc trưng so sánh	Cân bằng thụ động	Cân bằng chủ động
Nguyên tắc làm việc	Tiêu thụ năng lượng dư thừa thông qua các điện trở	Cân bằng năng lượng pin thông qua truyền năng lượng
Tổn thất năng lượng	Năng lượng lãng phí lớn dưới dạng nhiệt	Chuyển đổi năng lượng hiệu quả cao
Độ phức tạp mạch	Đơn giản, công nghệ thấp	Yêu cầu thiết kế mạch cao, phức tạp
Hiệu quả chuyển giao	Thấp, mất nhiệt	Cao, hầu như không mất năng lượng
Tính ổn định nhiệt	Có thể gặp sự cố do quá nhiệt nếu không kiểm soát tốt	Đảm bảo tính ổn định và hiệu quả lâu dài
Phạm vi áp dụng	Bộ pin nhỏ hoặc ứng dụng chi phí thấp	Bộ pin lớn hoặc ứng dụng hiệu suất cao

3. Linh kiện điện tử công suất: Khái niệm, phân loại và nguyên lý phóng nạp của tụ điện (tụ hóa 0,47 $\mu$F – 4700 $\mu$F và tụ không phân cực); cấu tạo và cảm kháng tần số của cuộn cảm ($L$); cấu trúc và cơ chế dẫn dòng của MOSFET kênh N ($U_{GS} > 0$) và MOSFET kênh P ($U_{GS} < 0$).

Chương 3: Lý thuyết về mạch SEPIC - Zeta

Chương 3 đi sâu vào nguyên lý điện tử công suất của hai cấu hình biến đổi:

• Bộ chuyển đổi SEPIC: Phân tích cấu trúc mạch gồm MOSFET, 2 cuộn cảm ($L_1, L_2$), tụ ghép xoay chiều ($C_1$), diode và tụ lọc đầu ra ($C_2$). Trình bày trạng thái mạch khi MOSFET đóng (ON) và ngắt (OFF). Ưu điểm của SEPIC là điện áp đầu ra cùng cực tính với đầu vào, có khả năng tăng hoặc giảm áp linh hoạt, cách ly dòng DC bằng tụ điện trung gian, giảm sóng hài dòng điện đầu vào.
• Bộ chuyển đổi Zeta: Phân tích sơ đồ mạch gồm MOSFET chuyển mạch phía đầu vào, 2 cuộn cảm ($L_1, L_2$), tụ chuyển dịch năng lượng ($C_1$), diode và tụ lọc ($C_2$). Thuyết minh hoạt động qua 4 chế độ chuyển mạch của MOSFET, dạng sóng điện áp và dòng điện. Ưu điểm nổi bật của Zeta là dòng điện đầu ra có độ nhấp nhô rất thấp do cuộn cảm $L_2$ mắc nối tiếp trực tiếp với tải, giúp dòng sạc đi vào cell pin luôn phẳng và ổn định.

Chương 4: Phân tích, tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống mạch cân bằng pin

Chương 4 là phần đóng góp kỹ thuật trọng tâm của đồ án:

• Trình bày sơ đồ Bidirectional Zeta Converter và cấu trúc hệ thống cân bằng tích hợp SEPIC - Zeta cho chuỗi 4 cell pin nối tiếp.
• Mô tả chi tiết 4 giai đoạn hoạt động của mạch cân bằng theo nguyên lý Zeta và 4 giai đoạn hoạt động theo nguyên lý SEPIC khi luân chuyển năng lượng.
• Tiến hành phân tích so sánh kỹ thuật với 4 giải pháp cân bằng tương tự đã có: Mạch tiêu tán nhiệt Cell-to-heat; Mạch cân bằng hai chiều dùng một cuộn cảm (Single Inductor Bidirectional); Mạch cân bằng dùng tụ chuyển mạch nâng cao (Advanced Switched-Capacitor Equaliser); Mạch cân bằng dựa trên bộ biến đổi Push-Pull (Push-Pull Converter-Based).
• Thiết lập hệ thống công thức tính toán giải tích để xác định giá trị các linh kiện $L_1, L_2, C_1, C_2$ và tần số đóng cắt của MOSFET.
• Xây dựng sơ đồ mô phỏng hoàn chỉnh trên Altair PSIM. Kết quả mô phỏng ghi nhận:
  • Dạng sóng dòng điện của các linh kiện tại Tầng 1 (SEPIC Converter).
  • Dạng sóng dòng điện của các linh kiện tại Tầng 2 (Zeta Converter).
  • Dạng sóng tín hiệu dòng điện $i_{C2}$, dòng cuộn cảm $i_{L1}, i_{L2}$.
  • Kết quả cân bằng: Điện áp của cả 4 cell pin từ các giá trị chênh lệch ban đầu đã hội tụ đồng đều tại mức chính xác 4,0 V.
  • Đặc tuyến SoC của 4 cell pin cùng tiến về một giá trị cân bằng ổn định.
  • Thử nghiệm đặc biệt: Khi giả lập ngắt/hỏng 1 cell pin trong chuỗi, hệ thống mạch cân bằng vẫn tiếp tục vận hành ổn định và cân bằng thành công cho các cell còn lại.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, khẳng định việc ứng dụng kết hợp bộ biến đổi hai chiều SEPIC và Zeta đã giải quyết được bài toán cân bằng điện áp cho pack pin Lithium-ion 4S. Đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo để nâng cao tính ứng dụng thực tiễn của đề tài.

---

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật và đóng góp cụ thể:

Kết quả kỹ thuật có trong văn bản

• Thiết kế thành công mô hình hệ thống mạch cân bằng điện áp hai chiều kết hợp nguyên lý SEPIC và Zeta trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng Altair PSIM.
• Kết quả mô phỏng kiểm chứng cho thấy mạch đã kéo điện áp của cả 04 cell pin mắc nối tiếp từ trạng thái lệch ban đầu về trạng thái cân bằng tuyệt đối tại mức điện áp $4,0\text{ V}$.
• Đặc tuyến trạng thái sạc (SoC) của cả 4 cell pin phân kỳ ban đầu đã hội tụ đồng đều về cùng một đường đặc tính chung khi kết thúc chu kỳ cân bằng.
• Trích xuất thành công các biểu đồ dạng sóng đáp ứng động học: Dòng điện qua các linh kiện ở tầng 1 (SEPIC), dòng điện qua linh kiện tầng 2 (Zeta), dòng điện qua tụ $i_{C2}$ và các cuộn cảm $i_{L1}, i_{L2}$, chứng minh mạch hoạt động đúng các chu kỳ đóng ngắt lý thuyết mà không bị vọt lố hay mất ổn định.
• Xác nhận độ tin cậy vận hành: Mạch vẫn duy trì hoạt động cân bằng bình thường đối với các cell còn lại ngay cả khi có 1 cell pin trong chuỗi gặp sự cố hư hỏng.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

• Đề xuất giải pháp mạch cân bằng chủ động hai chiều phân tầng: Tầng 1 dùng cấu trúc SEPIC để trích xuất năng lượng từ cell cao áp, tầng 2 dùng cấu trúc Zeta để tái nạp dòng phẳng vào cell thấp áp.
• Sử dụng phương pháp điều khiển chuyển mạch MOSFET qua 4 giai đoạn hoạt động luân phiên nhằm kiểm soát chính xác dòng chuyển giao năng lượng.
• Ứng dụng các biểu thức toán học xác định giá trị linh kiện điện kháng ($L, C$) giúp tối ưu hóa kích thước mạch và đảm bảo chế độ dòng dẫn ổn định.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

Đồ án đã phân tích và khắc phục các nhược điểm của những cấu hình cân bằng hiện hành:

Cấu hình nghiên cứu trước	Nhược điểm được đồ án chỉ ra	Giải pháp khắc phục của đồ án
Cân bằng thụ động (Điện trở Shunt [1])	Tiêu tán năng lượng thừa thành nhiệt, nguy cơ quá nhiệt cao; dòng cân bằng rất thấp (~100 mA), thời gian cân bằng kéo dài.	Dùng cân bằng chủ động SEPIC - Zeta tái phân phối năng lượng trực tiếp, hiệu suất cao, không sinh nhiệt lãng phí.
Mạch Buck hoặc Boost đơn lẻ	Chỉ truyền năng lượng theo một chiều cố định (Buck: hạ áp từ cell cao xuống thấp; Boost: tăng áp cell-to-pack), không có khả năng hồi tiếp linh hoạt.	Cấu trúc biến đổi hai chiều (Bidirectional) cho phép luân chuyển năng lượng hai chiều linh hoạt giữa các cell.
Mạch Buck-Boost hai chiều [2]	Đảo cực tính điện áp; thuật toán điều khiển phức tạp; dễ gây ra hiện tượng nhiễu điện từ (EMI) làm suy giảm hiệu suất cân bằng.	Cấu hình SEPIC - Zeta duy trì cùng cực tính điện áp đầu vào/đầu ra, giảm thiểu hiện tượng EMI và cho dòng ra cuộn cảm phẳng.
Cân bằng tụ chuyển mạch (Switched-Capacitor)	Tốc độ cân bằng phụ thuộc độ chênh lệch điện áp nhỏ giữa các cell liền kề, thời gian cân bằng chậm khi áp cell gần bằng nhau.	Năng lượng được tích trữ trung gian qua từ trường cuộn cảm và điện trường tụ điện với khả năng đẩy dòng chủ động qua điều chế xung PWM.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu trong văn bản):

• Đề tài mới dừng lại ở mức độ phân tích lý thuyết, thiết lập công thức tính toán và kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phần mềm Altair PSIM; chưa tiến hành chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm vật lý để đo đạc và đánh giá các thông số thực tế (nhiệt độ phát sinh trên linh kiện, tổn hao chuyển mạch thực tế của MOSFET, sai số linh kiện).
• Quy mô đối tượng nghiên cứu giới hạn ở chuỗi 04 cell pin mắc nối tiếp (4S), chưa khảo sát thực nghiệm trên các hệ thống pack pin quy mô công nghiệp có số lượng cell lớn (hàng chục đến hàng trăm cell).
• Số lượng linh kiện bán dẫn và linh kiện thụ động ($L, C$) trong cấu trúc hai chiều kết hợp SEPIC - Zeta tương đối nhiều, làm tăng độ phức tạp trong chế tạo mạch in (PCB) so với các mạch cân bằng cơ bản.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả định hướng trong Chương 5:

• Nghiên cứu chế tạo phần cứng thực tế mạch cân bằng pin hai chiều SEPIC - Zeta để kiểm chứng và so sánh với kết quả mô phỏng trên phần mềm Altair PSIM.
• Nghiên cứu mở rộng thuật toán điều khiển và tối ưu hóa cấu trúc mạch để áp dụng cho các bộ pin có dung lượng lớn và số lượng cell pin nhiều hơn, hướng tới ứng dụng trên xe máy điện, ô tô điện và các trạm lưu trữ năng lượng tái tạo.
• Tối ưu hóa tần số chuyển mạch PWM nhằm thu nhỏ kích thước hình học của các cuộn cảm và tụ điện trên bo mạch thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực hành cho các nhóm đối tượng:

• Sinh viên và học viên cao học: Ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, và Kỹ thuật Ô tô (chuyên sâu về xe điện - EV).
• Kỹ sư thiết kế hệ thống quản lý pin (BMS): Kỹ sư nghiên cứu phát triển các khối mạch cân bằng chủ động hiệu suất cao trong các bộ lưu trữ năng lượng (BESS) và xe điện.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong đồ án gồm:

• Chương 2: Bản tổng hợp chi tiết và hệ thống hóa về các ngưỡng an toàn hóa điện của pin Lithium-ion, cơ chế suy thoái vật liệu, nguyên nhân phát sinh khí CO2 gây nổ ở áp suất 500 psi và quy trình phục hồi sạc 4 giai đoạn (Pre-charge, Activation, CC, CV) cho pin bị xả sâu dưới 2,7 V.
• Chương 3 & Chương 4: Các sơ đồ phân tích trạng thái chuyển mạch 4 giai đoạn của hai bộ biến đổi SEPIC và Zeta; hệ thống phương trình tính toán linh kiện điện cảm và điện dung; mô hình mô phỏng chi tiết trên phần mềm Altair PSIM cho thấy khả năng duy trì cân bằng ngay cả khi hỏng 1 cell pin.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp cân bằng thụ động dùng điện trở Shunt không phù hợp cho các bộ pack pin dung lượng lớn? Theo Chương 1 và Chương 2 của đồ án, phương pháp cân bằng thụ động hoạt động bằng cách tiêu tán toàn bộ năng lượng dư thừa của cell có điện áp cao dưới dạng nhiệt qua điện trở. Điều này gây lãng phí năng lượng lớn, làm tăng nhiệt độ bên trong pack pin, dẫn đến nguy cơ quá nhiệt. Đồng thời, dòng cân bằng qua trở Shunt bị giới hạn ở mức rất thấp (khoảng 100 mA), khiến thời gian để cân bằng các bộ pin có dung lượng lớn trở nên kéo dài và kém hiệu quả.

2. Chu trình sạc phục hồi 4 giai đoạn được áp dụng trong trường hợp nào và diễn ra ra sao? Chu trình này được áp dụng khi cell pin bị quá xả xuống dưới mức điện áp nguy hiểm 2,7 V, khiến mạch bảo vệ kích hoạt chế độ "sleep" làm pin không thể sạc theo cách thông thường. Quy trình 4 giai đoạn gồm:

• Pre-charge: Sạc bằng dòng nhỏ 5% – 15%C cho đến khi điện áp tăng vượt mức 2,8 V.
• Activation: Tiếp tục duy trì sạc dòng nhỏ 5% – 15%C đến khi điện áp đạt trên 3,0 V.
• Giai đoạn ổn dòng (CC): Sạc dòng không đổi ở mức C/2 đến C cho đến khi đạt ngưỡng điện áp tối đa, khôi phục khoảng 70% dung lượng.
• Giai đoạn ổn áp (CV): Duy trì điện áp 4,2 V/cell đến khi dòng sạc giảm xuống dưới 3% thì hoàn tất chu trình (dung lượng đạt ~99%).

3. Hiện tượng nguy hiểm gì xảy ra bên trong cell pin Lithium-ion khi bị sạc quá mức (over-charging)? Theo Chương 2, khi sạc vượt quá giới hạn an toàn 4,2 V đến 4,3 V/cell, quá trình oxy hóa mạnh làm kết tủa một lớp kim loại lithium ở cực âm, đồng thời giải phóng khí CO2 làm gia tăng áp suất bên trong vỏ cell. Nếu áp suất vượt quá 500 psi, nhiệt độ bên trong pin sẽ tăng rất nhanh, có thể đạt ngưỡng 130°C – 150°C. Ở nhiệt độ này, lớp bảo vệ an toàn của cell bị phá hủy, dẫn đến nguy cơ cháy nổ nghiêm trọng. Nếu sạc vượt quá 5,2 V, cấu trúc tinh thể bị phá hủy vĩnh viễn tạo thành cobalt IV oxide ($CoO_2$).

4. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn cấu hình kết hợp SEPIC - Zeta thay vì bộ chuyển đổi Buck-Boost hai chiều thông thường? Văn bản chỉ rõ ở Chương 1 và Chương 3 rằng: Mặc dù bộ chuyển đổi Buck-Boost cho phép truyền năng lượng hai chiều, nhưng cấu hình này làm đảo cực tính điện áp, đòi hỏi giải thuật điều khiển phức tạp và đặc biệt dễ phát sinh hiện tượng nhiễu điện từ (EMI) gây suy giảm hiệu suất cân bằng. Ngược lại, bộ chuyển đổi SEPIC và Zeta giữ nguyên cực tính điện áp giữa đầu vào và đầu ra; cấu trúc Zeta có cuộn cảm ở đầu ra giúp dòng điện nạp vào cell pin có độ nhấp nhô rất thấp và ổn định.

5. Mạch cân bằng thiết kế trong đồ án phản ứng như thế nào khi có một cell pin trong chuỗi 4S bị hỏng? Kết quả mô phỏng trên phần mềm Altair PSIM tại Chương 4 đã chứng minh rằng khi xảy ra tình huống giả lập hỏng hoặc ngắt 01 cell pin trong chuỗi 4 cell nối tiếp, hệ thống mạch cân bằng hai chiều SEPIC - Zeta vẫn tiếp tục vận hành ổn định, tự động duy trì quá trình cân bằng điện áp bình thường cho các cell pin còn lại mà không gây sụp đổ hệ thống điều khiển.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu mạch cân bằng điện áp của pin Lithium dựa vào mạch DC – DC Bidirectional Converter" đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và thiết kế hệ thống cân bằng điện áp chủ động cho chuỗi 4 cell pin Lithium-ion nối tiếp. Bằng việc kết hợp hai cấu hình chuyển đổi hai chiều SEPIC và Zeta, đề tài đã khắc phục triệt để nhược điểm tiêu tán nhiệt của phương pháp thụ động và giảm thiểu hiện tượng nhiễu điện từ so với mạch Buck-Boost kinh điển. Kết quả kiểm chứng mô phỏng trên phần mềm Altair PSIM xác nhận khả năng đưa điện áp các cell pin về mức cân bằng chính xác 4,0 V, đồng nhất đặc tuyến SoC và bảo đảm tính bền vững vận hành ngay cả trong kịch bản hư hỏng một cell pin. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị học thuật cao, cung cấp cơ sở tính toán và mô hình hóa rõ ràng cho các nghiên cứu phát triển hệ thống quản lý pin (BMS) trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh Chương 3: Lý thuyết về mạch SEPIC - Zeta Chương 4: Nghiên cứu, phân tính, tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống mạch cân bằng pin. Chương 5: Kết luận và kiến nghị 1. Các đề tài nghiên cứu tương tự Trong bài báo “ Passive Balancing of Battery Lithium Polymer using Shunt Resistor Circuit Method ” [1]. Tác giả thiết kế mạch cân bằng pin thông qua điện trở shunt bởi tính đơn giản và chi phí thấp nhưng nó chỉ phù hợp với các hệ thống pin có dung lượng nhỏ bởi rủi ro sinh nhiệt của điện trở khá cao, phương pháp trên không tận dụng triệt để nguồn năng lượng do sự chuyển đổi năng lượng thành nhiệt ở các cell có điện áp cao.

Ngoài ra, mạch cân bằng pin dùng các mạch DC-DC Converter như mạch Buck, Boost, Buck-Boost,… cũng được ứng dụng rộng rãi trong các mạch cân bằng pin với các ưu và khuyết điểm khác nhau: - Buck là bộ biến đổi hạ áp có chức năng chuyển năng lượng từ cell có điện áp cao về cell có điện áp thấp. Nhìn chung, mạch khá đơn giản và ít linh kiện nhưng nó chỉ chuyển đổi năng lượng một chiều không hồi năng lượng ngược lại. - Boost là bộ biến đổi tăng áp có chức năng hỗ trợ cân bằng cell-pack. Mạch cũng giống với mạch Buck chỉ chuyển năng lượng được một chiều.

- Buck-Boost cho phép mạch cân bằng hai chiều giữa các cell qua một giai đoạn converter, tuy nhiên mạch cần thuật toán phức tạp để điều khiển. Trong bài “A Novel Active Balancing Strategy for Series - Connected Lithium-Ion Battery Packs Based on Buck-Boost Converter” [2], sử dụng phương pháp cân bằng chủ động cho các cell pin nối tiếp, sử dụng bộ chuyển đổi Buck-Boost hai chiều để truyền năng lượng thừa từ các cell có điện áp cao sang các cell có điện áp thấp, nhưng phương pháp này có thể gây ra hiện tượng EMI ảnh hưởng đến hiệu suất cân bằng pin. 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tìm hiểu pin Lithium-ion 2.

Lịch sử hình thành và phát triển của pin lithium-ion Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970, đã sử dụng titan (IV) sulfide và kim loại lithi làm điện cực. Dù vậy, do một số hạn chế nên pin sạc lithium không thể đưa ra thực tế. Titan disulfide không phải là một lựa chọn tốt, vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện chân không.

Điều này là cực kỳ tốn kém (~ 1000 USD cho mỗi kilogram titan disulfide ở thời điểm đó). Mặc khác, khi tiếp xúc với không khí, titan disulfide phản ứng tạo thành các hợp chất hydro sulfide có mùi khó chịu. Vì vậy, Exxon đã ngưng sản xuất pin titan disulfide - lithium này của Whittingham. Đến năm 1980, giáo sư vật lý người Mỹ - John Goodenough đã tạo ra một loại pin lithium mới.

Loại pin này được tạo ra nhờ vào sự kết hợp giữa lithium cobalt oxide, cho phép các ion Li+ di chuyển từ cực này sang cực kia. Vào năm 1983, giáo sư Akira Yoshino của Đại học Meijo (Nhật Bản) đã phát minh ra một mẫu pin có thể sạc, sử dụng lithium cobalt oxide làm cực dương và polyacetylene làm cực âm. Mẫu pin này không chứa lithium ở cực dương mà dùng các ion lithium để chuyển từ cực âm sang cực dương khi sạc. Phát minh của Yoshino được xem là bước tiền đề cho pin Lithium-ion (LIB) hiện đại ngày nay.

Pin lithium-ion chính thức được thương mại hóa bởi công ty Sony Energytec vào năm 1991. Hiện tại, loại pin này đã trở nên rất phổ biến trên thị trường, đặc biệt trong các thiết bị di động, hệ thống lưu trữ điện và xe ô tô điện. Pin lithium-ion có 4 dạng chính: hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, dạng túi (phẳng) và hình lăng trụ. Trong đó có 1 số loại phổ biến như: - Lithium - Cobalt Oxide (LiCoO2 ).

- Lithium - Nickel Mangan Cobalt Oxide (LiNiMnO2 ). - Lithium - Iron Phosphate (LiFePO4 ). - Lithium - Mangan Oxit (LiMn2 O4 ). Pin Lithium-ion là gì 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh Hình 2.

Pin Lithium-ion Pin Li-ion hay pin lithium-ion (viết tắt là LIB), là một loại pin sạc rất phổ biến hiện nay. Trong chế độ sạc, các ion lithium sẽ di chuyển từ cực dương sang cực âm, còn khi xả (tức là khi sử dụng năng lượng), chúng sẽ đi ngược lại. Điểm đặc biệt của Pin Li-ion là dùng các vật liệu có cấu trúc tinh thể dạng lớp cho điện cực, thường là các hợp chất oxide kim loại như LiCoO2 , LiMnO2 ,. Khi pin hoạt động, các ion lithium sẽ chèn vào các khoảng trống giữa các lớp tinh thể này nhờ phản ứng hóa học.

Cực dương thường là graphite – một dạng carbon có khả năng lưu trữ và giải phóng ion lithium hiệu quả. Ngoài ra, pin còn có dung dịch điện ly giúp dẫn truyền ion giữa hai cực, dù bản thân dung dịch này không dẫn điện. Chúng được ứng dụng rất phổ biến, đặc biệt trong các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động, laptop, máy ảnh kỹ thuật số. vì loại pin này có mật độ năng lượng cao, nhẹ, kích thước nhỏ và ít bị tự xả.

Nhờ ưu điểm về hiệu suất và khả năng tái sạc nhiều lần, pin lithium-ion được kỳ vọng sẽ dần thay thế các loại pin cũ như pin chì-axit, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn và giảm lượng chất thải độc hại. Đồng thời, việc cải tiến pin Li-ion cũng là một việc quan trọng để tăng độ an toàn, nâng cao tuổi thọ pin và mở ra nhiều ứng dụng hơn trong cuộc sống hiện đại. Thành phần hóa học, hiệu suất hoạt động, chi phí và độ an toàn là những yếu tố chính để phân loại các loại pin lithium-ion. Trong các thiết bị cầm tay như điện thoại hay laptop, loại pin được sử dụng phổ biến nhất là lithium cobalt oxide (LiCoO2 ), do nó có mật độ năng lượng cao.

Tuy nhiên, loại này có nhược điểm là độ an toàn thấp, đặc biệt dễ gây nguy hiểm nếu pin bị rò rỉ. Ngoài LiCoO2 , còn có nhiều loại vật liệu khác được dùng cho cực âm như lithium sắt phosphate (LiFePO4 ), lithium mangan oxide (LiMn2 O4 , Li2 MnO3 ), hay lithium nickel mangan cobalt oxide (LiNiMnCoO4 ). Mặc dù mật độ năng lượng thấp hơn LiCoO2 , 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh nhưng chúng bền hơn và an toàn hơn, nên thường được dùng trong thiết bị y tế hoặc những ứng dụng cần pin có tuổi thọ cao. Đặc biệt, LiNiMnCoO4 hiện nay rất được ưa chuộng trong các dòng xe điện.

Tuy nhiên, pin lithium-ion vẫn tiềm ẩn nguy hiểm vì chứa dung dịch điện ly dễ cháy. Khi pin được sạc hoặc xả với dòng lớn, áp suất trong cell có thể tăng nhanh, dẫn đến cháy nổ nếu không kiểm soát tốt. Vì vậy, pin Li-ion cần được kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt hơn nhiều so với các loại pin sử dụng dung dịch điện ly acid khác. Hiện nay, các nghiên cứu về pin lithium-ion chủ yếu tập trung vào việc kéo dài tuổi thọ pin, nâng cao mật độ năng lượng, tăng độ an toàn và giảm chi phí sản xuất.

Cấu tạo của Pin Lithium-ion Pin lithium-ion được cấu tạo từ các thành phần chính gồm: một cực dương, một cực âm, lớp phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện. Pin lithium-ion được cấu tạo gồm nhiều thành phần chính, mỗi phần có một vai trò khác nhau. Cấu tạo pin li-ion Cực dương (Cathode): thường làm từ các hợp chất như LiCoO2 hay LiMnO4. Các vật liệu này có cấu trúc từ các nguyên tử cobalt oxide liên kết với nguyên tử lithium.

Khi pin hoạt động, nguyên tử lithium sẽ tách ra khỏi cấu trúc này và tạo thành ion Li⁺, tham gia vào quá trình dẫn điện. Cực âm (Anode): thường được làm từ vật liệu carbon, phổ biến nhất là than chì hoặc một số loại carbon khác. Chúng có khả năng giữ lại các ion Li⁺ trong cấu trúc của mình khi pin sạc. 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh Bộ phân tách: là lớp màng mỏng được làm từ nhựa như PE hoặc PP.

Nó nằm giữa cực âm và cực dương, có chức năng ngăn cách hai cực để tránh chập mạch, đồng thời cho phép ion Li⁺ đi qua nhờ các lỗ nhỏ li ti trên màng. Chất điện phân: là dung dịch lỏng nằm giữa hai điện cực và màng ngăn, có vai trò dẫn truyền ion. Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ. Nguyên tắc hoạt động của pin Lithium-ion Trong pin lithium-ion, quá trình điện hóa diễn ra nhờ vào sự phản ứng giữa các chất ở cực âm và cực dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion lithi dịch chuyển giữa 2 điện cực.

Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy. Khi pin xả (cung cấp điện cho thiết bị), các ion Li⁺ từ cực âm (anode – thường là graphite) di chuyển qua dung dịch điện phân đến cực dương (cathode), nơi các vật liệu ở đó sẽ "nhận" ion lithium. Để cân bằng điện tích trong quá trình này, mỗi ion Li⁺ di chuyển bên trong pin sẽ kéo theo một electron di chuyển trong mạch ngoài từ cực âm sang cực dương. Chính sự di chuyển của các electron này tạo ra dòng điện mà thiết bị tiêu thụ.

Khi sạc pin, quá trình sẽ diễn ra ngược lại so với khi xả. Dưới tác động của dòng điện sạc, electron buộc chạy từ cực dương (lúc này trở thành cực âm) sang cực âm (giờ trở thành cực dương). Đồng thời, các ion Li⁺ sẽ rời khỏi cực dương và quay trở lại cực âm. Nói cách khác, pin hoạt động theo hai chiều – một chiều khi xả và một chiều khi sạc.

Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LiCoO2 được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): LiCoO2 ⇌ CoO2 + Li+ + e− Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): C6 + Li+ + e− ⇌ LiC6 Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả) C6 + LiCoO2 ⇌ LiC6 + CoO2 Như vậy khi sạc, C6 0 (anode) bị khử thành C61− , C0 3+ bị oxy hóa thành C0 4+ , và ngược lại khi xả. Về bản chất, các phản ứng trong pin đều có giới hạn.