LỜI CẢM ƠN
Lời cảm ơn đầu tiên em xin dành cho gia đình, những người đã ln bên cạnh em
trong thời gian qua, luôn tạo điều kiện về mặt vật chất và động viên về mặt tinh thần giúp
em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Trần Công Binh đã hướng dẫn em hoàn thành
tốt luận văn tốt nghiệp. Nhờ những sự định hướng đúng đắn, sự giúp đỡ nhiệt tình và đặc
biệt hơn là cung cấp cho em những kiến thức quan trọng và q báu giúp em có cái nhìn
tổng quan hơn về ngành học cũng như cách làm việc.
Em cũng xin cảm ơn các quý thầy, cô trường Đại học Bách khoa nói chung, khoa Điện
– Điện tử, bộ mơn Thiết bị Điện nói riêng đã trang bị những kiến thức quý báu để làm hành
trang cho em tự tin hơn khi vào đời.
Và cuối cùng, cảm ơn những người bạn đã luôn động viên và giúp đỡ trong suốt thời
gian vừa qua.
Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, có nhiều thách thức về linh kiện và
kiến thức tưởng như khó có thể hồn thành được luận văn tốt nghiệp. Nhưng nhờ những lời
khuyên, những sự giúp đỡ của thầy cô và những sự động viên từ gia đình, bạn bè thì đến
bây giờ, em đã hồn thành cơ bản mục tiêu đề ra của luận văn tốt nghiệp. Vì vậy, em vơ
cùng trân trọng và biết ơn về những điều đó.
Mặc dù đã có gắng rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài, tuy nhiên sẽ khơng tránh
khỏi những sai sót, khuyết điểm do những hạn chế về kiến thức, thời gian, vật chất. Ngoài
ra, do làm việc cá nhân nên những giải pháp trên cịn mang tính chủ quan. Em rất mong
nhận được những lời đóng góp và phê bình của q thầy, cơ.
Người thực hiện

Lê Tiến Dũng
i


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Nhu cầu sử dụng pin tích điện ngày càng tăng với sự phát triển chung của các thiết bị
điện tử. Với ưu điểm có năng lượng và mật độ dòng điện cao, pin Lithium được sử dụng

rất nhiều trong đời sống như pin điện thoại, pin dự phịng,…. Tuy nhiên, pin Lithium-ion
có thể nguy hiểm nếu khơng được vận hành trong khu vực hoạt động an toàn của chúng.
Nhận thấy những khó khăn đó, đề tài đề xuất một mơ hình giám sát pin Lithium-ion qua
Internet. Mơ hình bao gồm thiết bị đầu cuối để đo, giám sát thông số của pin qua Internet
và thiết lập một database để lưu trữ và tìm kiếm dữ liệu. Ngồi ra, đề tài còn thực hiện phần
mềm cho điện thoại thơng minh có chức năng theo dõi thơng số của pin thông qua phương
thức truyền thông không dây và internet. Sau khi hồn thành mơ hình do chính bản thân bỏ
công sức ra, việc cần làm là tiến hành chạy thực nghiệm rồi so sánh và đánh giá các thông
số đo của mơ hình với các thiết bị đo chun dụng có độ chính xác cao hơn. Từ đó, đưa ra
các giải pháp cải thiện cho mơ hình.
Luận văn bao gồm 7 chương:
Chương 1: Tổng quan về mơ hình giám sát pin tích điện
Chương 2: Phân tích và lựa chọn giải pháp
Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng
Chương 4: Lập trình điều khiển mạch giám sát và mạch BMS
Chương 5: Lập trình Webserver và App Android
Chương 6: Kết quả thực hiện
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................................ii
MỤC LỤC..................................................................................................................... iii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ......................................................................................... viii
DANH SÁCH BẢNG ...................................................................................................xii
DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................ xiii
1. TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÁM SÁT PIN ........................................................ 1

1.1. Tìm hiểu pin Lithium-ion......................................................................................... 1
1.1.1. Pin Lithium-ion và đặc tính kỹ thuật .................................................................... 1
1.1.2. Một số thơng số của pin Lithium-ion.................................................................... 4
1.1.2. Đặc tính nạp – xả .................................................................................................. 5
1.1.3. Những thách thức của pin Lithium-ion ................................................................. 7
1.1.4. Đánh giá ưu, nhược điểm của pin Lithium-ion ..................................................... 9
1.1.5. Kết luận ............................................................................................................... 10
1.2. Tìm hiểu tính năng kỹ thuật bộ quản lý pin (BMS) ............................................... 10
1.2.1. Giới thiệu về bộ quản lý pin................................................................................ 10
1.2.2. Mục tiêu của bộ quản lý pin ................................................................................ 11
1.2.3. Các chức năng của BMS ..................................................................................... 11
1.2.4. Nhận xét các chức năng của BMS ...................................................................... 13
1.3. Những cấu trúc cơ bản của hệ thống giám sát pin ................................................. 13
1.3.1. Cấu trúc quản lý từng cell ................................................................................... 13
1.3.2. Cấu trúc quản lý module ..................................................................................... 15
iii


1.3.3. Cấu trúc quản lý tập trung ................................................................................... 16
1.3.4. Nhận xét .............................................................................................................. 17
1.4. Sơ lược về mục tiêu đề tài...................................................................................... 17
1.5. Tổng kết chương .................................................................................................... 18
2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ............................................................ 19
2.1. Sơ đồ khối tổng quan ............................................................................................. 19
2.2. Bộ quản lý pin (BMS) ............................................................................................ 20
2.2.1. Một số loại BMS ................................................................................................. 21
2.2.2. Đánh giá .............................................................................................................. 25
2.2.3. Lựa chọn giải pháp mạch BMS .......................................................................... 25
2.2.4. Nhận xét lựa chọn BMS ...................................................................................... 25
2.3. Chuẩn truyền giữa mạch giám sát và các BMS ..................................................... 25

2.3.1. Các chuẩn truyền thông ...................................................................................... 26
2.3.2. So sánh các chuẩn truyền .................................................................................... 28
2.3.3. Đánh giá và lựa chọn chuẩn truyền..................................................................... 28
2.4. Phương thức truyền thông không dây giữa mạch giám sát và điện thoại .............. 29
2.4.1. Các phương thức truyền thông ............................................................................ 29
2.4.2. So sánh các giao thức .......................................................................................... 29
2.4.4. Đánh giá và lựa chọn phương thức truyền thông không dây .............................. 30
2.5. Phương thức truyền thông Internet ........................................................................ 30
2.5.1. Các phương thức truyền thông internet .............................................................. 30
2.5.2. Đánh giá và lựa chọn phương thức truyền thông Internet. ................................. 32
2.6. Vi điều khiển .......................................................................................................... 32

iv


2.6.1. Cấu trúc vi điều khiển ......................................................................................... 33
2.6.2. Một số loại vi điều khiển .................................................................................... 34
2.6.3. Lựa chọn vi điều khiển cho đề tài ....................................................................... 36
2.7. Kết luận về lựa chọn giải pháp cho mơ hình giám sát pin ..................................... 36
3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG ............................................................. 37
3.1. Sơ đồ khối tổng quát .............................................................................................. 37
3.2. Thiết kế mạch quản lý pin ...................................................................................... 38
3.2.1. Sơ đồ khối mạch quản lý pin (BMS) .................................................................. 38
3.2.2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý từng khối .................................................................... 39
3.2.3. Sơ đồ nguyên lý mạch BMS ............................................................................... 46
3.2.4. Nhận xét mạch BMS sau thiết kế ........................................................................ 47
3.3. Thiết kế mạch giám sát .......................................................................................... 48
3.3.1. Sơ đồ khối mạch giám sát ................................................................................... 48
3.3.2. Thiết kế sơ đồ sơ đồ nguyên lý các khối mạch giám sát .................................... 49
3.3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch giám sát .......................................................................... 58

3.3.4. Nhận xét mạch giám sát sau thiết kế ................................................................... 59
3.4. Thi công mạch BMS .............................................................................................. 60
3.4.1. Mạch layout PCB ................................................................................................ 60
3.4.2. Mạch thực tế........................................................................................................ 61
3.4.3. Đánh giá mạch BMS sau thi công ...................................................................... 62
3.5. Mạch giám sát ........................................................................................................ 62
3.5.1. Mạch layout PCB ................................................................................................ 62
3.5.2. Mạch thực tế........................................................................................................ 63

v


3.5.3. Đánh giá mạch giám sát sau thi công ................................................................. 64
3.6. Nhận xét về mạch BMS và mạch giám sát ............................................................ 64
4. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO MẠCH GIÁM SÁT VÀ MẠCH BMS .............. 65
4.1. Tính năng của mơ hình ......................................................................................... 65
4.1.1. Giám sát thông số pin ......................................................................................... 65
4.1.2. Sơ đồ khối chức năng tổng quát.......................................................................... 65
4.1.3. Giao thức truyền thơng ....................................................................................... 66
4.2. Lập trình điều khiển cho mạch BMS ..................................................................... 70
4.2.1. Lưu đồ giải thuật cho mạch BMS ....................................................................... 71
4.2.2. Thử nghiệm chương trình ................................................................................... 72
4.2.3. Nhận xét và đánh giá........................................................................................... 72
4.3. Lập trình điều khiển cho mạch giám sát ................................................................ 73
4.3.1 Lưu đồ giải thuật cho mạch giám sát ................................................................... 73
4.3.2. Thử nghiệm chương trình ................................................................................... 74
4.2.3. Nhận xét và đánh giá........................................................................................... 75
4.3. Tổng kết chương .................................................................................................... 75
5. LẬP TRÌNH WEB SERVER VÀ APP ANDROID ................................................. 76
5.1. Lập trình Webserver giám sát pin .......................................................................... 76

5.1.1. Thiết kế Back-end ............................................................................................... 76
5.1.2. Giao tiếp Webserver với mơ hình ....................................................................... 76
5.1.3. Thiết kế Front-end............................................................................................... 78
5.1.4. Giao diện sau thiết kế .......................................................................................... 79
5.1.5. Thử nghiệm Web ................................................................................................ 81

vi


5.1.6. Nhận xét Webserver sau thiết kế ........................................................................ 81
5.2. Lập trình App Android giám sát pin ...................................................................... 81
5.2.1 Các cơng cụ lập trình App mobile ....................................................................... 82
5.2.2. Lựa chọn cơng cụ và lập trình App Android ...................................................... 85
5.2.3. Thử nghiệm app Android .................................................................................... 86
5.2.4. Nhận xét: ............................................................................................................. 88
5.3. Tổng kết chương .................................................................................................... 88
6. KẾT QUẢ THỰC HIỆN .......................................................................................... 89
6.1. Tổng thể mơ hình phần cứng ................................................................................. 89
6.2. Bảng thơng số pin .................................................................................................. 90
6.3. Webserver .............................................................................................................. 91
6.3. App Android .......................................................................................................... 92
6.4. Tổng kết chương .................................................................................................... 94
7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 95
7.1. Kết quả thực hiện ................................................................................................... 95
7.2. Hạn chế .................................................................................................................. 95
7.3. Hướng phát triển .................................................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 97

vii



DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Một số pin Lithium-ion ................................................................................... 1
Hình 1.2: Q trình điện hóa của pin Lithium-ion ......................................................... 2
Hình 1.3: Đặc tính nạp và dung lượng nạp của pin Lithium-ion .................................... 6
Hình 1.4: Vùng điện áp và nhiệt độ của pin Lithium-ion ............................................... 7
Hình 1.5: Vùng dịng điện và nhiệt độ của pin Lithium-ion ........................................... 8
Hình 1.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tuổi thọ pin ......................................................... 9
Hình 1.7: Cấu trúc quản lý từng cell ............................................................................. 14
Hình 1.8: Cấu trúc quản lý module ............................................................................... 15
Hình 1.9: Cấu trúc quản lý tập trung............................................................................. 16
Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát ..................................................................................... 19
Hình 2.2: Kit RAJ240090/240100 ................................................................................ 21
Hình 2.3: Module HX-3S-F25A ................................................................................... 22
Hình 2.4: Module HX-3S-01 ........................................................................................ 23
Hình 2.5: Module XY-L10A......................................................................................... 24
Hình 2.6: PIC16F628A ................................................................................................. 34
Hình 2.7: STM32F407VET6 ........................................................................................ 35
Hình 2.8: STM32F103C8T6 ......................................................................................... 35
Hình 2.9: STM8S003F3F6............................................................................................ 35
Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát ..................................................................................... 37
Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch quản lý pin (BMS) ............................................................ 38
Hình 3.3: Module STM32F103C8T6 ........................................................................... 39
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển .............................................................. 40
viii


Hình 3.5: Cảm biến nhiệt độ LM35 .............................................................................. 41
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhiệt ........................................................... 41
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối bảo vệ và sạc.............................................................. 42

Hình 3.8: Cảm biến dịng ACS712 ............................................................................... 43
Hình 3.9: Sơ đồ ngun lý khối cảm biến dịng ........................................................... 43
Hình 3.10: Sơ đồ chân MAX485 .................................................................................. 44
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp RS-485 ...................................................... 45
Hình 3.12: IC LM7805 ................................................................................................. 45
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn BMS.............................................................. 46
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch BMS ....................................................................... 47
Hình 3.15: Sơ đồ khối mạch giám sát ........................................................................... 48
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển trung tâm ............................................ 49
Hình 3.17: Module Bluetooth HC-06 ........................................................................... 50
Hình 3.18: Sơ đồ ngun lý khối truyền thơng Bluetooth ............................................ 51
Hình 3.19: Module Wifi ESP8266-12E ........................................................................ 52
Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thơng Wifi .................................................... 53
Hình 3.21: Sơ đồ ngun lý khối màn hình hiển thị ..................................................... 54
Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý khối RS-485 ..................................................................... 55
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực ........................................................... 56
Hình 3.24: IC DS1307 ................................................................................................. 56
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ....................................................................... 57
Hình 3.26: IC LM2596 ................................................................................................. 57
Hình 3.27: IC AMS1117 ............................................................................................... 58

ix


Hình 3.28: Sơ đồ nguyên lý mạch Monitor .................................................................. 59
Hình 3.29: Layout PCB mạch BMS ............................................................................. 60
Hình 3.30: Mặt trên của mạch BMS ............................................................................. 61
Hình 3.31: Mặt dưới của mạch BMS ............................................................................ 61
Hình 3.32: Layout PCB mạch giám sát ........................................................................ 62
Hình 3.33: Mặt trên của mạch giám sát ........................................................................ 63

Hình 3.34: Mặt dưới của mạch giám sát ....................................................................... 63
Hình 4.1: Sơ đồ khối chức năng tổng quát ................................................................... 65
Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật của mạch BMS ................................................................. 71
Hình 4.3: Thử nghiệm mạch BMS bằng debug trong IAR ........................................... 72
Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật mạch giám sát ................................................................... 73
Hình 4.5: Thử nghiệm mạch giám sát bằng debug trong IAR ...................................... 74
Hình 5.1: Cấu trúc URL ................................................................................................ 77
Hình 5.2: Màn hình Login vào hệ thống ....................................................................... 78
Hình 5.3: Đồ thị dịng điện của pin trên Webserver ..................................................... 79
Hình 5.4: Giao diện Home trên Webserver .................................................................. 80
Hình 5.5: Giao diện Chart nhiệt độ trên Webserver ..................................................... 80
Hình 5.6: Thử nghiệm kết nối Web với mơ hình qua Internet ..................................... 81
Hình 5.7: React Native .................................................................................................. 82
Hình 5.8: Cơng cụ MIT App Inventor ......................................................................... 84
Hình 5.9: Cơng cụ Thunkable ....................................................................................... 85
Hình 5.10: Layout app Android thiết kế ....................................................................... 86
Hình 5.11: Thử nghiệm kết nối app Android với mơ hình qua Bluetooth.................... 87

x


Hình 5.12: Thử nghiệm kết nối app Android với Web qua Internet............................. 87
Hình 6.1: Tổng thể mơ hình phần cứng ........................................................................ 89
Hình 6.2: Giao diện Webserver .................................................................................... 91
Hình 6.3: App giám sát pin Lithium trên Smartphone ................................................. 92
Hình 6.4: Kết quả khi chạy mơ hình thực tế ................................................................. 93

xi



DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1: Đánh giá ưu, nhược điểm của pin Lithium-ion ............................................ 10
Bảng 2.1: So sánh các chuẩn truyền có dây .................................................................. 28
Bảng 2.2: So sánh các chuẩn truyền không dây ........................................................... 29
Bảng 3.1: So sánh các loại cảm biến nhiệt độ .............................................................. 40
Bảng 3.2: So sánh các loại cảm biến dòng điện DC ..................................................... 42
Bảng 3.3: So sánh các loại module Bluetooth .............................................................. 50
Bảng 6.1: Bảng so sánh thông số điện áp của pin......................................................... 90
Bảng 6.2: Bảng so sánh thơng số dịng điện của pin .................................................... 90

xii


DANH MỤC VIẾT TẮT
BMS (Battery Managament System): là thiết bị quản lý và bảo vệ pin.
DC (Direct current): là nguồn điện một chiều.
SoC (State of charge): trạng thái sạc của pin.
SoH (State of health): trạng thái sức khỏe của pin.
CSMA/CD (Carrier Sensor Multiple Access with Collision Detect): đa truy cập nhận biết
sóng mang phát hiện xung đột.
CPU (Central Processing Unit): bộ xử lý trung tâm.

xiii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÁM SÁT PIN
Ngày nay, nhu cầu sử dụng pin tích điện ngày càng tăng. Với ưu điểm có năng lượng
và mật độ dịng điện cao, pin Lithium được sử dụng rất nhiều trong đời sống như pin điện
thoại, pin dự phòng, … . Tuy nhiên, pin Lithium-ion có thể nguy hiểm nếu khơng được vận
hành trong khu vực hoạt động an toàn của chúng. Các thông số quan trọng cần được chú ý

bao gồm: điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sạc (SoC) của pin tích điện. Do đó, một
hệ thống giám sát các thông số của pin Lithium-ion qua Internet thực sự cần thiết.
Để giải quyết vấn đề trên, trước mắt cần tìm hiểu tổng quan các thành phần cơ bản
nhất của một mơ hình giám sát pin qua Internet như: pin tích điện, bộ quản lý pin, cấu trúc
quản lý. Từ đó, đưa ra các lựa chọn thích hợp cho đề tài để phù hợp với nhu cầu người sử
dụng.
1.1. Tìm hiểu pin Lithium-ion
1.1.1. Pin Lithium-ion và đặc tính kỹ thuật

Hình 1.1: Một số pin Lithium-ion

1


Lithium là kim loại nhẹ nhất có điện hóa và mật độ năng lượng riêng lớn nhất trong
tất cả các kim loại được tìm thấy trong tự nhiên. Sử dụng Lithium để làm pin sạc có thể cải
thiện chất lượng so với acquy chì-axit truyền thống về điện áp, cơng suất và khối lượng trên
cùng 1 đơn vị dung lượng tương đương.
Tuy nhiên, Lithium vốn không ổn đinh , đặc biệt là trong q trình sạc. Do đó, các ion
Lithium được sử dụng để thay thế Lithium kim loại trong nhiều ứng dụng vì an tồn hơn
dù mật độ năng lượng thấp hơn một chút. Do đó, một số biện pháp bảo vệ và cảnh báo nên
được sử dụng trong quá trình sac-xả. Năm 1991, pin Lithium-ion lần được thương mại hóa
bởi tập đồn Sony, từ đó trở nên phổ biến và vẫn là lựa chọn tốt nhất cho pin sạc.
Cấu tạo của pin Lithium-ion gồm hai bản cực: cực dương là oxit của Liti như LiMnO2,
cực âm là Graphite hoặc hợp chất của Cacbon. Các electron di chuyển qua lại giữa hai bản
cực tạo thành dòng điện ứng với từng quá trình nạp và xả của pin.

Hình 1.2: Quá trình điện hóa của pin Lithium-ion
Q trình sạc – xả được biểu diễn bằng phương trình hóa học như sau:
2



Tại cực dương:
nap

LiMO 2 phong Li1-x MO 2 +xLi + +xe

.

Tại cực âm
nap

C+xLi +xe phong Li x C


.
+

-

Phương trình tổng hợp q trình phản ứng hóa học của pin Lithium-ion:
L iM O 2 + C

ap
 n

L i x C + L i 1 -x M O 2
phong
  
.


Năng lượng riêng (Ah/kg) của pin Lithium-ion lớn hơn rất nhiều acquy chì-axit. Do
đó, cùng một lượng năng lượng dự trữ acquy lithium-ion nhỏ gọn và nhẹ hơn. Với lợi thế
đó, pin Lithium-ion được ứng dụng rất nhiều trong quân đội, thiết bị di động và đặc biệt áp
dụng cho phương tiện giao thơng chạy điện. Bên cạnh đó, pin Lithium-ion có thể chịu được
dòng nạp cao nên tiết kiệm thời gian hơn đáng kể so với một acquy chì-axit cùng dung
lượng, điện áp. Đặc biệt, hiệu suất dòng xả của pin Lithium-ion cũng lớn hơn so với acquy
chì-axit. Pin Lithium-ion có thể phóng được 5C khi liên tục, ở chế độ xung có thể lên tới
25C. Pin Lithium-ion có độ tự phóng điện thấp (2-8%/tháng).
 Nhận xét
Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng pin Lithium-ion cũng có những nhược điểm nhất
định. Các ion Lithium kém bền và dễ bị phá hủy. Để duy trì hoạt động an tồn, pin Lithiumion địi hỏi phải có thiết bị bảo vệ được tích hợp vào mỗi khối. Thiết bị này còn được gọi
là bộ quản lý pin (BMS) với chức năng giới hạn điện áp cực đại của từng tế bào trong quá
trình sạc và ngăn điện áp giảm xuống dưới ngưỡng trong khi xả. BMS cũng kiểm sốt dịng
sạc và xả tối đa cùng với đó là theo dõi nhiệt độ của tế bào pin.
Để hiểu rõ hơn về pin Lithium-ion ta sẽ tìm hiểu về các thơng số thơng dụng của pin
Lithium-ion.
3


1.1.2. Một số thông số của pin Lithium-ion
Các thông số thông dụng nhất của pin Lithium- ion như dung lượng, điện áp, dịng
điện, nhiệt độ, trạng thái sạc (SoC), tình trạng sức khỏe (SoH).
 Dung lượng pin
Dung lượng pin là đại lượng thể hiện cho khả năng tích trữ điện của pin, thường được
tính bằng đơn vị miliampe giờ (mAh) hoặc ampe giờ (Ah).
 Dòng điện của pin
Dòng điện của pin là dòng đo được khi pin đang trong quá trình hoạt động, thơng
thường được tính bằng đơn vị ampe ( A). Pin tích điện thường có 3 trạng thái gồm: sạc, xả
và nghỉ. Dịng điện sẽ có giá trị ngược dấu giữa trạng thái sạc và xả. Khi pin ở trạng thái

nghỉ, dòng điện của pin là 0A.
 Hiệu điện thế pin
Hiệu điện thế của pin là điện áp giữa hai đầu cực của pin, thường được tính bằng Volt
(V). Điện áp cũng một phần nào thể hiện cho người dùng biết pin còn dùng được bao lâu
tới khi cần sạc.
Thơng thường, pin tích điện sẽ bị sụt áp khi ở trạng thái xả. Do đó, cần một khoảng
thời gian nhất định để pin hồi lại điện áp mới tiến hành đo. Điều này hết sức quan trọng để
kết quả đo điện áp được chính xác.
 Nhiệt độ pin
Nhiệt độ của pin Lithium-ion cũng là thông số quan trọng. Nếu nhiệt độ nằm ngoài
vùng nhiệt an toàn, pin sẽ bị giảm khả năng làm việc. Ngoài ra, nếu làm việc trong điều
kiện quá nhiệt trong một thời gian nhất định, pin có thể gây cháy hoặc phát nổ. Trên thực
tế, đã có rất nhiều vụ cháy nổ do pin Lithium-ion gây ra.

 Trạng thái sạc (SoC)

4


SoC là đại lượng để đánh giá trạng thái sạc của pin. Đơn vị của SoC là phần trăm (%).
Trong 1 chu kỳ sạc pin đầy có nghĩa SoC = 100% và cạn kiệt thì SoC = 0%. SoC được xác
định trong một chu kỳ sạc của pin.
SoC giúp người dùng đánh giá được thời gian sử dụng của pin trong bao lâu tới khi
cần sạc. Đây thực sự là một yếu tố hết sức cần thiết cho một bộ quản lý pin.
 Tình trạng sức khỏe (SoH)
SoH là đại lượng đưa ra nhằm đánh giá tình trạng sức khỏe của pin. Tương tự như
SoC, đơn vị đo của SoH là phần trăm (%). SoH được xác định bằng cách so sánh dung
lượng hiện tại so với dung lượng định danh.
Sau khi sử dụng một thời gian, pin sẽ bị “già” đi, làm giảm khả năng tích trữ cũng
như làm việc.

SoH thường được áp dụng trong các hệ thống pin lớn, hoặc những thiết bị sử dụng
pin có giá trị cao.
 Nhận xét
Nhìn chung, các thơng số được trình bày trên rất quan trọng và cần thiết cho mục đích
giám sát pin sạc nhằm phòng tránh rủi ro cũng như đưa ra phương án giải quyết khi có sự
cố. Tuy nhiên, trong đề tài sẽ thực hiện các thông số để giám sát gồm: Điện áp, dòng điện,
nhiệt độ và trạng thái sạc (SoC) của pin.
1.1.2. Đặc tính nạp – xả
Với pin Lithium-ion, việc tìm hiểu về đặc tính nạp – xả chính là cách để hiểu được cơ
chế hoạt động của pin trong các thiết bị điện. Hai chế độ làm việc là nạp và xả được thực
hiện trong nhiều chu kỳ lặp đi lặp lại trong suốt vòng đời của pin.
Đối với từng cell pin Lithium-ion, cơ chế sạc – xả bao gồm 2 giai đoạn là giai đoạn
ổn dòng (CC) và giai đoạn ổn áp (CV). Đối với 1 hệ thống pin Lithium-ion, cơ chế sạc –
xả bao gồm 3 giai đoạn là: giai đoạn ổn dòng, cân bằng và giai đoạn ổn áp.

5


Hình 1.3: Đặc tính nạp và dung lượng nạp của pin Lithium-ion

Dựa vào đặc tuyến trên, ta thấy đối với từng cell pin có 2 q trình là:
-

Giai đoạn ổn dòng: ở giai đoạn này, pin được nạp vào dòng điện lớn và cố định
bằng một lượng điện áp tăng đến khi đạt giá trị giới hạn. Khi này, pin được nạp
bằng giai đoạn ổn áp.

-

Giai đoạn ổn áp: khi điện áp nạp trên pin đạt tới hạn, giá trị điện áp này được giữ

cố định và giảm dần giá trị dịng điện nạp về 0.

Ngồi ra, khi nạp cho khối pin cịn có thêm giai đoạn cân bằng ở giữa hai giai đoạn
CC và CV. Khối pin được nạp dần với dòng và áp nhỏ để cân bằng điện áp cũng như dung
lượng trên hệ thống pin. Giảm khả năng xung đột điện áp cho toàn hệ pin.
Dung lượng pin Lithium-ion sẽ đạt được ~65-70% cho quá trình sạc ổn dòng với dòng
nạp 1C trong ~40 phút.Đây là giai đoạn pin đạt được năng lượng nhanh nhất trong cả q
trình.Tuy nhiên, dịng nạp cao đi cùng là nhiệt độ pin cũng tăng theo gây ảnh hưởng đến
pin. Do đó, cần giám sát đặc biệt đối với nhiệt độ của pin Lithium-ion. Với các loại pin
6


Lithium-ion phổ biến hiện nay, nhiệt độ giới hạn ~45°C. Ngồi ra, có một số loại pin
Lithium-ion theo cơng nghệ mới có thể chịu được nhiệt độ lên đến 60℃.
1.1.3. Những thách thức của pin Lithium-ion
Nhiệt độ và điện áp hoạt động là các thông số quan trọng nhất quyết định hiệu suất
của các tế bào Lithium-ion. Pin Lithium-ion phải được duy trì trạng thái trong khu vực an
tồn. Tế bào có thể bị hỏng vĩnh viễn nếu phải vận hành bên ngoài vùng an toàn. Nếu pin
hoạt động vượt quá giới hạn trên được đề xuất là 4.2V trong q trình sạc, dịng điện q
mức sẽ gây hiện tượng quá nhiệt cho pin. Mặc khác, việc xả quá nhiều tế bào pin hoặc lưu
trữ tế bào trong một thời gian dài sẽ khiến điện áp tế bào giảm xuống dưới giới hạn dưới,
thường sẽ là 2.5V. Việc này có thể phá vỡ dẫn điện cực của pin Lithium-ion.

Điện áp (V)

Vùng nguy hiểm

4.2
Vùng an tồn
2.5


-5

45
Nhiệt độ (˚C)

Hình 1.4: Vùng điện áp và nhiệt độ của pin Lithium-ion

7


Dịng điện (C)

Vùng nguy hiểm

1
Vùng an tồn

-5

45
Nhiệt độ (˚C)

Hình 1.5: Vùng dịng điện và nhiệt độ của pin Lithium-ion
Hình 1.4 và 1.5 là đồ thị biểu diễn các vùng làm việc của pin Lithium-ion. Vùng màu
xanh lá là vùng an toàn, pin Lithium-ion hoạt động đảm bảo hiệu quả, năng suất và an toàn.
Ngược lại, màu đỏ biểu diễn cho nguy hiểm. Khi pin Lithium-ion làm việc trong vùng này
sẽ giảm năng suất, khơng hiệu quả và thậm chí gây cháy nổ do tế bào pin bị tổn hại.
Nhiệt độ hoạt động của các tế bào Lithium-ion phải được kiểm sốt cẩn thận vì nhiệt
độ q cao hoặc q thấp có thể làm hổng tế bào. Thiệt hại liên quan đến nhiệt độ có thể

chia làm ba nhóm nguyên nhân: vận hành ở nhiệt độ thấp, vận hành ở nhiệt độ cao và thoát
nhiệt. Mặc dù, ảnh hưởng của nhiệt độ và điện áp đến sự cố tế bào là rõ ràng và ngay lập
tức, nhưng ảnh hưởng của chúng đến tuổi thọ của tế bào pin là không rõ ràng. Tuy nhiên,
việc tích lũy các vấn đề trên sẽ gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của các tế bào Lithium-ion.

8


Tuổi thọ (chu kỳ)

1000
750
500

250

-20

-10

0

10

20

30

40


50

60

Nhiệt độ (˚C)

Hình 1.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tuổi thọ pin
Dựa vào hình 1.6 ta thấy, vòng đời của tế bào sẽ bị giảm nếu nhiệt độ hoạt động giảm
xuống dưới khoảng 10˚C. Tương tự, vòng đời của tế bào cũng bị giảm nếu được vận hành
trong điều kiện nhiệt độ trên 45˚C. Đặc biệt, sự thoát nhiệt sẽ xảy ra khi nhiệt độ tế bào đạt
đến 60˚C. Do đó, quản lý nhiệt là một phần thiết yếu và cực kỳ quan trọng bộ quản lý pin
(BMS), phải được thiết kế để giữ cho các tế bào pin hoạt động trong vùng an toàn mọi lúc.
 Nhận xét
Các thông số về điện áp và nhiệt độ thật sự quan trọng đối với tuổi thọ của pin. Do
đó, khi xây dựng mơ hình cần chú trọng tới các thông số này.
1.1.4. Đánh giá ưu, nhược điểm của pin Lithium-ion
Ưu, nhược điểm của pin Lithium-ion được thống kê dưới bảng sau:

9


Bảng 1.1: Đánh giá ưu, nhược điểm của pin Lithium-ion
Ưu điểm

Nhược điểm

- Kín, khơng cần bảo trì

-


Giá cả cao.

- Tuổi thọ cao.

-

Giảm khả năng làm việc đáng kể ở

-

Nhiệt độ hoạt động trên dải rộng.

-

Thời gian hoạt động dài.

-

Tốc độ tự phóng chậm.

-

Khả năng nạp nhanh.

-

Khả năng phóng điện có tốc độ và
công suất cao.

-


Điện lượng và hiệu năng cao.

-

Năng lượng riêng và mật độ năng

ngoài dải nhiệt độ.
-

Bắt buộc phải có mạch bảo vệ cho hệ
thống.

-

Dung lượng bị giảm và nóng lên khi
bị quá tải.

-

Bị thủng và có thể tỏa nhiệt khi bị ép.

lượng cao.
-

Khơng có hiệu ứng nhớ.

1.1.5. Kết luận
Mặc dù được sử dụng phổ biến nhờ những ưu điểm về hiệu năng, tuổi thọ, năng lượng
cao. Tuy nhiên, pin Lithium-ion lại có những khuyết điểm về an toàn.

Từ những thách thức, nhược điểm của pin Lithium-ion cho ta thấy được rằng rõ ràng
rằng mục tiêu của BMS là giữ cho các tế bào hoạt động trong vùng an tồn của chúng, việc
này có thể đạt được bằng cách sử dụng các thiết bị an toàn như mạch bảo vệ, mạch quản lý
nhiệt.
Trong phần tiếp theo sẽ đi tìm hiểu về bộ quản lý pin (BMS) – giải pháp để giải quyết
vấn đề cho những thách thức mà pin Lithium-ion đang gặp.
1.2. Tìm hiểu tính năng kỹ thuật bộ quản lý pin (BMS)
1.2.1. Giới thiệu về bộ quản lý pin
10


Bộ quản lý pin có mục đích chính là phịng tránh các sự cố pin. Những bộ quản lý pin
phổ biến nhất là hệ thống giám sát pin ghi lại các thơng số vận hành chính như điện áp,
dịng điện và nhiệt độ bên trong của pin cùng nhiệt độ mơi trường trong q trình sạc và
xả. Hệ thống cung cấp đầu vào cho các thiết bị bảo vệ để các mạch giám sát có thể tạo ra
các báo động và thậm chí ngắt kết nối pin khỏi tải hoặc bộ sạc nếu bất kỳ tham số nào vượt
quá các giá trị được đặt trong vùng an toàn.
Với các thiết bị di động, phương tiện chạy điện hay các bộ nguồn điện độc lập hoặc
dự phịng thì pin là nguồn năng lượng chính. Do đó, BMS trong loại ứng dụng này nên bao
gồm các hệ thống giám sát và bảo vệ pin, một hệ thống giúp pin sẵn sàng cung cấp năng
lượng đầy đủ khi cần thiết và một hệ thống có thể kéo dài tuổi thọ pin. BMS nên bao gồm
các hệ thống kiểm soát chế độ sạc và các hệ thống quản lý các vấn đề của pin. Đặc biệt là
vấn đề về nhiệt.
Mặc dù định nghĩa về BMS có thể khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng, nhiệm vụ cơ
bản của BMS có thể được xác định như sau:
-

Đảm bảo năng lượng của pin được tối ưu hóa để cung cấp năng lượng cho sản
phẩm.


-

Đảm bảo rằng rủi ro gây hại cho pin luôn nằm ở mức tối thiểu.

-

Theo dõi và kiểm sốt các q trình sạc và xả của pin.

1.2.2. Mục tiêu của bộ quản lý pin
Giống như định nghĩa đã nêu, các nhiệm vụ cơ bản của BMS cũng như vậy. Mặc dù
có rất nhiều loại BMS khác nhau trên thị trường. Tuy nhiên, BMS vẫn tuân theo 3 mục tiêu:
-

Bảo vệ các tế bào pin khỏi lạm dụng và hư hỏng.

-

Kéo dài tuổi thọ của pin.

-

Đảm bảo rằng pin luôn sẵn sàng để sử dụng.

Sau khi hiểu hơn về mục tiêu của BMS ta sẽ tìm hiểu các chức năng của BMS.
1.2.3. Các chức năng của BMS

11


Các chức năng chính của một bộ BMS gồm: Kiểm soát xả, kiểm soát sạc, xác định

SoC, xác định SoH, cân bằng các cell pin của khối pin, và chức năng truyền thơng. Để hiểu
rõ hơn, ta sẽ đi tìm hiểu chi tiết các chức năng trên.
 Kiểm soát xả
Mục tiêu chính của BMS là giữ cho pin khơng hoạt động ngoài vùng an toàn. BMS
phải bảo vệ tế bào khỏi mọi tình huống trong q trình xả. Nếu khơng, các tế bào pin có thể
hoạt động ngồi các giới hạn an tồn.
 Kiểm sốt sạc
Pin thường xun bị hỏng do sạc không phù hợp hơn với bất cứ nguyên nhân nào
khác. Do đó, kiểm sốt sạc là tính năng thiết yếu của BMS.
 Xác định SoC
Một tính năng của BMS là theo dõi trạng thái sạc (SoC) của pin. SoC có thể giúp
người dùng xác định được thời điểm nên sạc hoặc xả. Có ba phương pháp xác định SoC là:
-

Đo trực tiếp: sử dụng một vơn kế vì điện áp pin giảm ít nhiều tuyến tính trong
chu kỳ xả của pin.

-

Đếm Coulomb: phương pháp này dựa trên dòng điện đi vào và đi ra khỏi pin
được tích hợp vào để tạo ra giá trị tương đối của điện tích.

-

Phương pháp kết hợp: là phương pháp kết hợp đo trực tiếp và đếm Coulomb để
xác định SoC chính xác hơn. Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp.

 Xác định SoH
Trạng thái sức khỏe của pin (SoH) là phép đo phản ánh tình trạng chung của pin và
khả năng cung cấp hiệu suất được chỉ định so với pin mới. Bất cứ tham số nào như trở

kháng của tế bào hoặc độ dẫn thay đổi đáng kể theo tuổi có thể được sử dụng để chỉ ra SoH
của pin. Trong thực tế, SoH có thể được ước tính từ một phép đo duy nhất về trở kháng tế
bào hoặc độ dẫn của tế bào.
 Cân bằng pin

12