Power Electronics và Battery (Pin)

Battery là thành phần không thể thiếu trong việc phát triển xe điện. Khối pin chính cung cấp năng lượng cho xe, thường gọi là battery pack hay là propulsion battery, được ghép song song và nối tiếp lại với nhau từ hàng ngàn viên pin nhỏ, mỗi viên pin nhỏ này gọi là 1 cell.

Trong khi việc sản xuất ra một cell pin là công việc của các kỹ sư hóa học và vật liệu, thì việc ghép hàng ngàn viên pin này nối tiếp, song song với nhau thành 1 battery pack, đảm bảo cho chúng vận hành an toàn, hiệu quả và chính xác lại nằm trong khả năng của một kỹ sư Power Electronics.

Vậy power electronics làm được gì trong việc sản xuất battery pack cho xe điện.

Hai hệ thống mà mình có thể đề cập đến đó là BATTERY MANAGERMENT SYSTEM (BMS) và BATTERY TESTING SYSTEM (BTS).

Trong khi BMS đã rất quen thuộc, luôn được gắn liền trên tất cả các dạng của battery pack, có chức năng chính là để cân bằng dòng điện, điện áp giữa các cell trong hàng ngàn cell được ghép nối tiếp và song song xuyên suốt quá trình sạc và xả của pin, trong nhiều trường hợp BMS có tích hợp giám sát nhiệt độ, bảo vệ, và các chức năng IOT.

Nếu như BMS là một mạch điện tử công suất nhỏ dùng cho việc điều khiển cân bằng, bảo vệ và giám sát, thì BTS lại có công suất lớn hơn rất nhiều, nó không được gắn trực tiếp lên battery pack mà nằm ngoài tại khâu sản xuất, tham gia vào quá trình test xạc xả của battery pack tại nhà máy lắp ráp trước khi battery pack được đưa đến tay người dùng.

Các bộ converter dùng cho BTS được thiết kế với yêu cầu kỹ thuật rất cao, nó phải có khả năng làm việc với một dãi điện áp pin rất rộng, đôi khi phải sạc cho pin ở mức từ 0V cho đến hàng ngàn Volts. Dòng điện sạc xả lên tới vài trăm Amperes. Chưa hết, vì tốc độ xạc xả của pin là rất nhanh do đó dynamic response của dòng điện được yêu cầu là rất nhanh. Chính vì vậy, việc lựa chọn topology, thiết kế phần cứng, điều khiển cho một bộ BTS là rất khó khăn.

Dưới đây là dự án mà nhóm nghiên cứu của mình từng làm cho một công ty Hàn Quốc vào cuối năm 2020.

Yêu cầu kỹ thuật rất gắt do nhà sản xuất muốn test battery pack lên đến 2000V (có thể là battery của xe tải, tàu thủy hoặc máy khai thác...). Công suất 60kW. Mạch phải có khả năng đáp ứng dòng ngõ ra tăng từ 0A lên 200A trong 25ms, và khả năng sạc pin tại điện áp 0V với dòng 200A (nhiều bạn sẽ ngạc nhiên). Bên cạnh đó, khả năng dẫn công suất theo cả 2 chiều là bắt buộc (xạc và xả), nghĩa là bidirectional.

Ở dự án có dãi điện áp rộng như thế này thì 3-stage là lựa chọn khó tránh khỏi. Stage đầu tiên là mạch active front-end nối lưới, có chức năng PFC và điều khiển điện áp dc-link lên 750V. Sau đó là một solid state transformer có chức năng cách ly và nâng áp dc-link từ 750V lên 2000V. Cuối cùng là stage thứ 3, dùng để giao tiếp với battery. Mình tham gia trực tiếp vào việc thiết kế solid stage transformer (stage 2), tạo ra điện áp 2000Vdc.

Với mức điện áp và công suất cao như thế này thì khó khăn đầu tiên nhóm mình gặp phải đó là lựa chọn topology. Tại thời điểm đó, 1700V SiC mosfet là linh kiện có mức điện áp cao nhất mình có thể dùng ở dãi công suất cao thế này. Do đó, để đáp ứng áp ra tới 2000V, mình đã phải sử dụng topology với kỹ thuật ghép song song ngõ vào và nối tiếp ngõ ra (Input parallel output series), dựa trên mạch LLC resonant converter với tần số resonant khoảng 50kHz.

Khó khăn thứ 2 là việc thiết kế gate driver cho các mosfet, khi common-mode, EMI noises là rất lớn khi đóng cắt ở 2000V. Nhóm mình đã thất bại ở lần thiết kế đầu khi xử dụng các loại gatedriver thông thường. Thật may mắn khi ở version thứ 2 với sự giúp đỡ của công ty tài trợ, một mạch gate driver sử dụng công nghệ khử nhiễu khá mới đối với mình tại thời điểm đó gọi là DIFFERENTIAL PWM đã giải quyết được vấn đề.

Một khó khăn khác đối với mạch này là thiết kế transformer khi điện áp và công suất quá cao thì cách ly và nhiệt độ cần phải được lưu ý vì quá trình sạc xả có thể diễn ra liên tục hàng giờ đồng hồ (nhóm đã phải thiết kế lại transformer 2 lần để pass được aging test và dielectric test).

Trên đây là bài viết khái quát về vai trò của power electronics trong việc sản xuất pin xe điện dựa trên một chút kinh nghiệm thực tế của mình. Sẽ còn rất nhiều thứ khác liên quan mà có thể mình chưa từng làm qua. Hy vọng qua đây mọi người đặc biệt là các bạn sinh viên trẻ biết thêm được các ứng dụng khác nhau của power electronics, nâng cao niềm hứng thú và đam mê nghiên cứu môn học này. Mình tin rằng power electronics sẽ là chìa khóa cho mọi sự đổi mới phần cứng trong tương lai gần.

Để làm chủ được công nghệ, các nước phát triển bỏ ra rất rất nhiều tiền cho việc R&D, từ những cái nhỏ nhất. Các nước hùng mạch thì tập trung vào phần cứng thứ đòi hỏi rất nhiều thời gian và tiền của và đặc biệt là kinh nghiệm kiến thức. Đổi lại, khi đã làm chủ được công nghệ phần cứng cốt lõi, họ tha hồ đổi mới sản phẩm thu lợi nhuận lâu dài.

Rằm tháng Giêng, 2023.

Một năm mới bình an.

Thân!

Trần Ngọc Hải.