Ưu điểm và nhược điểm của việc vận hành song song các cụm pin lithium điện áp cao

31 Dec 2025

Trên quy mô lớn hệ thống lưu trữ năng lượng lithium điện áp cao Việc vận hành song song các cụm pin là một kiến trúc phổ biến được sử dụng để đạt được dung lượng cao hơn, khả năng mở rộng công suất và độ tin cậy của hệ thống. EverExceed Kiến trúc này được ứng dụng rộng rãi trong lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện, hệ thống nguồn dự phòng UPS và các giải pháp điện công nghiệp. Tuy nhiên, mặc dù kết nối song song mang lại những lợi thế đáng kể, nó cũng tạo ra những thách thức kỹ thuật cần được quản lý cẩn thận.

Ưu điểm cốt lõi (Ưu điểm)

1. Khả năng mở rộng linh hoạt và thiết kế dạng mô-đun

Mở rộng công suất và năng lượng theo yêu cầu:
Bằng cách tăng hoặc giảm số lượng cụm pin song song, dung lượng và công suất hệ thống có thể được điều chỉnh linh hoạt mà không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống pin. Điều này làm cho kiến trúc song song trở nên lý tưởng cho các ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) và hệ thống nguồn dự phòng (UPS) dạng mô-đun.

Sản xuất theo tiêu chuẩn:
Mỗi cụm pin có thể được thiết kế và sản xuất theo quy trình tiêu chuẩn hóa, sản xuất hàng loạt, giúp giảm chi phí sản xuất đồng thời đảm bảo tính nhất quán và chất lượng sản phẩm.

Dễ bảo trì và thay thế:
Nếu một cụm máy chủ bị lỗi, nó có thể được cách ly về điện, bảo trì hoặc thay thế mà không cần tắt toàn bộ hệ thống, giúp cải thiện đáng kể tính khả dụng và khả năng bảo trì của hệ thống.

2. Tăng cường khả năng dự phòng và độ tin cậy của hệ thống

Độ dự phòng N+1:
Có thể cấu hình thêm một cụm pin dự phòng để ngay cả khi một cụm pin bị lỗi, hệ thống vẫn có thể tiếp tục hoạt động ở công suất định mức, đảm bảo nguồn cung cấp không bị gián đoạn cho các tải trọng quan trọng như trung tâm dữ liệu và các cơ sở công nghiệp.

Khả năng cách ly lỗi:
Các sự cố như đoản mạch bên trong hoặc trục trặc hệ thống quản lý pin (BMS) có thể chỉ xảy ra trong một cụm thiết bị riêng lẻ. Bằng cách sử dụng bộ cách ly DC và công tắc tơ, các sự cố có thể được ngắt kết nối nhanh chóng, giảm thiểu rủi ro cho toàn hệ thống.

3. Nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa hoạt động

Giảm dòng điện trên mỗi cụm:
Việc chia sẻ dòng điện song song làm giảm dòng điện chạy qua mỗi cụm pin, giảm ứng suất điện lên các đầu nối, dây cáp và các cell pin. Điều này làm giảm tổn thất Joule bên trong cụm pin.

$P_{loss} = I^2R$

và có thể cải thiện hiệu quả tổng thể của hệ thống.

Tính linh hoạt trong vận hành thông qua việc lập kế hoạch thông minh:
Trình độ cao Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) Hệ thống có thể điều phối các cụm máy chủ một cách thông minh dựa trên các điều kiện thời gian thực. Ví dụ, các cụm có SOC cao hơn và điện trở nội thấp hơn có thể được ưu tiên, trong khi các cụm quá nóng có thể tạm thời được đưa ra khỏi mạng để làm mát, kéo dài tuổi thọ hệ thống.

Những thách thức và rủi ro chính (Nhược điểm)

1. Dòng điện tuần hoàn (Nhược điểm chính)

Nguyên nhân gốc rễ:
Do sự khác biệt không thể tránh khỏi về điện áp đầu ra giữa các cụm pin—gây ra bởi trạng thái sạc (SOC), nhiệt độ, điện trở trong và sự lão hóa—các cụm pin có điện áp cao hơn có thể sạc cho các cụm pin có điện áp thấp hơn, tạo ra dòng điện tuần hoàn không chảy đến tải ngoài hoặc lưới điện.

Các rủi ro bao gồm:

Sự hao phí năng lượng: Dòng điện tuần hoàn được chuyển hóa trực tiếp thành nhiệt, làm giảm hiệu suất hệ thống.
Lão hóa nhanh: Một số cụm thiết bị trải qua các chu kỳ sạc/xả không cần thiết, làm tăng tốc độ suy giảm dung lượng.
Rủi ro quá dòng: Dòng điện tuần hoàn mạnh có thể vượt quá định mức của cầu chì, công tắc tơ hoặc thiết bị điện, dẫn đến nguy cơ hỏng hóc.

2. Sự không nhất quán gia tăng và độ phức tạp trong kiểm soát

“Hiệu ứng mắt xích yếu nhất”:
Trong các hệ thống song song, tổng dung lượng khả dụng bị giới hạn bởi cụm máy tính đạt đến giới hạn sạc hoặc xả trước tiên. Bất kỳ sự không nhất quán nào cũng trực tiếp làm giảm dung lượng hiệu quả của hệ thống.

Độ phức tạp của hệ thống quản lý pin (BMS) nhiều lớp:
Các hệ thống điện áp cao song song thường yêu cầu... kiến trúc điều khiển ba cấp :
Hệ thống quản lý pin (BMS) cấp tế bào → Hệ thống quản lý pin (BMS) cấp cụm → Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) cấp hệ thống.
Hệ thống EMS phải thực hiện các thuật toán phức tạp để cân bằng dòng điện, cân bằng trạng thái sạc (SOC) và đánh giá trạng thái, điều này làm tăng đáng kể độ phức tạp của phần mềm và truyền thông.

3. Phối hợp bảo vệ và rủi ro an toàn

Dòng điện ngắn mạch cực cao:
Trong trường hợp ngắn mạch phía DC, tất cả các cụm pin song song sẽ đồng thời xả điện vào điểm sự cố, tạo ra dòng ngắn mạch cực cao. Điều này đặt ra những yêu cầu khắt khe đối với các thiết bị ngắt mạch và bảo vệ DC.

Những thách thức về tính chọn lọc trong bảo vệ:
Các ngưỡng bảo vệ và thời gian phản hồi phải được phối hợp chính xác trên tất cả các cấp độ (tế bào, mô-đun, cụm, hệ thống) để đảm bảo chỉ có đơn vị bị lỗi nhỏ nhất được cách ly, ngăn ngừa các sự cố lan truyền.

4. Vốn đầu tư ban đầu và chi phí hệ thống

Các thành phần dự phòng bổ sung:
Mỗi cụm pin cần có hệ thống quản lý pin (BMS), công tắc tơ, cầu chì riêng, và trong một số trường hợp là bộ chuyển đổi DC/DC để cân bằng dòng điện chủ động, làm tăng chi phí phần cứng.

Chi phí tích hợp hệ thống cao hơn:
Thiết kế điện phức tạp, quản lý nhiệt phối hợp và phát triển phần mềm điều khiển tiên tiến làm tăng đáng kể chi phí thiết kế và vận hành.

Các giải pháp kỹ thuật then chốt: Làm thế nào để tối đa hóa lợi ích và giảm thiểu rủi ro

1. Cách ly và điều chỉnh chủ động dựa trên bộ chuyển đổi DC/DC

Mỗi cụm pin đều được trang bị bộ chuyển đổi DC/DC hai chiều ở đầu ra.

Thuận lợi:

Loại bỏ hoàn toàn dòng điện tuần hoàn
Cho phép điều khiển sạc/xả độc lập cho từng cụm.
Tối đa hóa dung lượng sử dụng và sự ổn định của hệ thống.
Đây là giải pháp hiệu quả nhất để quản lý sự không nhất quán.

Sự đánh đổi:

Chi phí và khối lượng hệ thống tăng lên.
Hiệu suất giảm nhẹ (thường vẫn >97%)

2. Cân bằng dòng điện thụ động với quản lý nâng cao

Đối sánh cụm nghiêm ngặt:
Trước khi ghép song song, các cụm được lựa chọn cẩn thận sao cho phù hợp về điện áp, điện trở trong và dung lượng.

Các thuật toán BMS cấp cụm nâng cao:
Việc ước tính chính xác SOC và SOH cho phép EMS tối ưu hóa các chiến lược điều phối và kiểm soát động sự tham gia của cụm.

Các biện pháp trấn áp hiện hành đang được lưu hành:
Sử dụng điện trở giảm chấn hoặc cấu trúc mạch tối ưu để hạn chế cường độ dòng điện tuần hoàn.

Tóm tắt và kết luận

Diện mạo	Thuận lợi	Thách thức
Thiết kế hệ thống	Có tính mô-đun, có khả năng mở rộng, được tiêu chuẩn hóa.	Độ phức tạp của hệ thống và điều khiển cao
Vận hành và bảo trì	Độ tin cậy cao, dễ bảo trì, khả năng dự phòng N+1.	“Hiệu ứng mắt xích yếu nhất” hạn chế dung lượng sử dụng được.
Hiệu suất điện	Giảm ứng suất dòng điện, giảm tổn thất bên trong.	Dòng điện tuần hoàn gây ra tổn hao và lão hóa thêm.
An toàn và bảo vệ	Các lỗi có thể được cô lập, rủi ro được phân tán.	Dòng điện ngắn mạch cực cao, khó phối hợp bảo vệ.

Khuyến nghị cuối cùng

Hoạt động song song của cụm pin lithium điện áp cao là điều cần thiết để mở rộng quy mô hiện đại hệ thống lưu trữ năng lượng Tuy nhiên, việc triển khai thành công phụ thuộc rất nhiều vào:

Ghép tế bào và cụm chính xác
Mạnh mẽ, thông minh, đa cấp BMS và EMS
Thiết kế điện và an toàn nghiêm ngặt, đặc biệt là về phối hợp bảo vệ và triệt tiêu dòng điện tuần hoàn.
Sự đánh đổi giữa chi phí và hiệu suất:
- Dành cho các ứng dụng đòi hỏi cao. hiệu quả và tính nhất quán tối đa Nên sử dụng kiến trúc cách ly DC/DC.
- Đối với các dự án nhạy cảm về chi phí với các cụm dự án phù hợp, các giải pháp quản lý thụ động tiên tiến có thể được áp dụng.

Tại EverExceed Những nguyên tắc này được tích hợp đầy đủ vào thiết kế của chúng tôi. Hệ thống pin lithium điện áp cao dùng cho lưu trữ năng lượng, nguồn dự phòng UPS, trung tâm dữ liệu và các ứng dụng năng lượng công nghiệp. Đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả cao và độ tin cậy lâu dài.

Thẻ :