Nguyên lý hoạt động và quá trình sạc xả pin lithium ion

Pin Li-ion nói chung không nên và không được phép xả quá sâu, hay còn gọi là over-discharge. Khi điện áp của pin giảm xuống dưới 3,0V/cell, thì tốt nhất là ngắt pin ra khỏi mạch ngay lập tức. Nếu pin để điện áp giảm xuống dưới 2,7V/cell, hệ thống bảo vệ bên trong pin sẽ tự động đưa pin vào chế độ “sleep” (ngủ). Lúc này, pin không thể sạc lại bằng cách thông thường, mà cần phải sử dụng một chu trình sạc 4 giai đoạn theo sơ đồ như hình 2.3.

Trong chu trình sạc 4 giai đoạn, ngoài hai giai đoạn sạc ổn định và sạc ổn áp như quá trình sạc pin Li-ion thông thường, hai giai đoạn “Pre-charge” và “Activation” được thêm vào để khôi phục lại hoạt động của pin.

Trong giai đoạn Pre-charge ban đầu, pin sẽ được cung cấp dòng điện nhỏ, thường trong khoảng 5-15% dung lượng pin. Điện áp của pin được theo dõi trong thời gian xác định (testing time). Nếu sau thời gian này, điện áp của pin không tăng lên hoặc tăng lên quá chậm, thì pin được coi là không thể phục hồi nữa. Ngược lại, nếu điện áp tăng lên trên 2,8V, pin vẫn còn trong tình trạng tốt và có thể tiếp tục quá trình sạc. Khi điều này xảy ra, bộ sạc chuyển sang chế độ Activation để kích hoạt lại hoạt động của pin.

Trong giai đoạn Activation, dòng điện 5-15% dung lượng vẫn được duy trì cho đến khi điện áp pin tăng lên trên 3V. Khi điện áp pin đạt mức này, bộ sạc chuyển sang hoạt động ở chế độ sạc ổn định và sạc ổn áp như bình thường.

Khi nhà sản xuất phân phối pin, thông thường, pin được sạc đến khoảng 40% dung lượng. Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng, do tự xả tự phóng của pin, dung lượng pin giảm dần, đồng nghĩa với việc điện áp pin cũng giảm. Để tránh tình trạng over-discharge, việc bảo dưỡng pin thông qua việc sạc lại sau một thời gian không sử dụng là quan trọng.

Mỗi cell pin Li-ion thường có điện áp mở mạch khoảng 3,5V. Trong các hệ thống như xe điện, nhiều cell thường được kết nối nối tiếp để cung cấp điện cho động cơ chính và các thiết bị điện khác. Tuy nhiên, vấn đề cân bằng cell (cell balancing) có thể xảy ra.

Các nguyên nhân gây ra tình trạng mất cân bằng cell bao gồm sai số trong thông số của các cell do nhà sản xuất cung cấp, tác động của nhiệt độ khác nhau lên mỗi cell, và sự thay đổi về tuổi thọ của các cell, dẫn đến tính chất không đồng đều. Có những cell có điện áp cao hơn một chút, và có những cell có điện áp thấp hơn một chút so với các cell khác, tạo ra tình trạng mất cân bằng giữa chúng.

Trong quá trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ đầy trước, trong khi những cell còn lại vẫn chưa đầy. Nếu việc sạc tiếp tục, cell đầy sẽ bị overcharge, tạo nhiệt độ và áp suất tăng lên (như đã thảo luận ở trên), gây ra sự giảm tuổi thọ của pin hoặc thậm chí hỏng hóc cell đó. Ngược lại, trong quá trình xả, cell có điện áp thấp hơn sẽ chóng cạn hơn. Nếu việc xả tiếp tục, cell đó có thể bị over-discharge, gây ra giảm tuổi thọ của pin. Khi một cell bị hỏng, thường phải thay toàn bộ hệ thống pin, bởi vì nếu chỉ thay cell bị hỏng, thì cell mới đó vẫn có tính chất khác so với các cell còn lại, tạo ra nguy cơ mất cân bằng (unbalance).

Càng nhiều cell được kết nối nối tiếp, càng cao nguy cơ mất cân bằng và độ tin cậy giảm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu hệ thống pin được ghép nối bởi n cell, xác suất xảy ra tình trạng mất cân bằng tăng lên n lần so với việc chỉ sử dụng 1 cell hoạt động độc lập.

Để giảm thiểu vấn đề này, một số biện pháp có thể được xem xét. Trước hết, cố gắng chọn các cell có thông số tương đối đồng đều để ghép nối với nhau ban đầu. Sau đó, các cell có thể được nối song song và nối tiếp để giúp cân bằng các cell với nhau (self-balancing). Trong quá trình sử dụng, nhiệt độ phải được giám sát chặt chẽ để đảm bảo phân bố đều giữa các cell.

Tuy nhiên, để giải quyết triệt hơn vấn đề mất cân bằng áp pin Li-ion, trong các xe điện, hệ thống quản lý pin (Battery Management System – BMS) cần theo dõi sát trạng thái của mỗi cell (State of Charge – SOC). Nếu phát hiện mất cân bằng, hệ thống BMS cần thực hiện các biện pháp nhất định để đưa các cell về trạng thái cân bằng với nhau. Có hai cách để thực hiện việc này là cân bằng chủ động và cân bằng thụ động.

Phương pháp cân bằng chủ động nhằm chuyển dòng điện từ các cell có dung lượng cao hơn đến các cell có dung lượng thấp hơn. Phương pháp này có lợi điểm là giúp cân bằng áp giữa các cell mà không gây tổn hao năng lượng do chúng được trao đổi lẫn nhau. Tuy nhiên, việc thiết kế một nguồn sạc độc lập cho mỗi cell không thực tế. Do đó, cân bằng áp thường được thực hiện tuần tự cho từng cell hoặc nhóm cell. Kết quả là việc sạc đầy toàn bộ bộ pin có thể mất thời gian đáng kể.

Phương pháp cân bằng thụ động đơn giản hơn phương pháp cân bằng chủ động, nhưng có thể gây ra tổn hao trên điện trở. Trong phương pháp này, bộ sạc cần ngừng sạc ngay khi một cell nào đó đạt đầy. Sau đó, cell đã đầy sẽ được xả qua một điện trở cho đến khi có điện áp bằng với cell thấp hơn. Sau đó, bộ sạc tiếp tục sạc lại cell đã đầy. Quá trình này được lặp lại cho đến khi tất cả các cell đều đạt đầy.

Do đó, trong quá trình sạc, bên cạnh việc tuân thủ quy trình sạc, bộ sạc cần phối hợp chặt chẽ với hệ thống quản lý pin (Battery Management System – BMS) để thực hiện các kỹ thuật cân bằng cell. Điều này giúp điền đầy từng cell, ngăn chặn sự mất cân bằng giữa các cell, và từ đó kéo dài tuổi thọ của cả bộ pin.

Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc pin Lithium ion

Hoạt động nạp và xả pin ắc quy phụ thuộc lớn vào nhiệt độ môi trường. Tất cả loại pin đều có một dải nhiệt độ mà chúng có thể hoạt động một cách ổn định. Đối với pin Li-ion, dải nhiệt độ thường nằm trong khoảng từ 0°C đến 45°C trong quá trình sạc và từ 0°C đến 60°C trong quá trình xả. Một số pin mới hơn dựa trên Lithium như Lithium-Ferro-Phosphate (LiFePO4) hoặc pin Lithium-Polymer (Li-Po) có thể hoạt động ở một dải nhiệt độ rộng hơn một chút. Trong khoảng nhiệt độ này, tính chất của pin thường ổn định, cho hiệu suất sử dụng năng lượng tốt nhất. Tuy nhiên, ở nhiệt độ ngoài khoảng này, đặc biệt là ở nhiệt độ rất thấp hoặc rất cao, hoạt động của pin bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Các phản ứng hóa học bên trong pin diễn ra chậm hơn, và do đó, dòng điện do pin tạo ra hoặc hấp thu giảm đi đáng kể so với khi pin hoạt động trong khoảng nhiệt độ lý tưởng.

Đối với pin Li-ion nói chung, nghiên cứu đã chứng minh rằng dải nhiệt độ từ 5°C đến 45°C là dải nhiệt độ hoạt động tối ưu. Dưới 5°C, dòng sạc cần phải giảm xuống, và khi nhiệt độ giảm xuống dưới 0°C (nhiệt độ đóng băng), quá trình sạc cần phải ngừng ngay lập tức để tránh gây hại cho pin.

Ngược lại, ở nhiệt độ cao hơn 45°C, hoạt động của pin trở nên mạnh mẽ hơn, có thể phóng hoặc hấp thu dòng điện lớn hơn dòng danh định (C). Tuy nhiên, ở cả hai trường hợp (nhiệt độ quá thấp và nhiệt độ quá cao), nội trở của pin tăng lên, và nếu tiếp tục sạc hoặc xả pin ở những điều kiện này, có thể làm giảm tuổi thọ của pin.

Các yêu cầu khi sử dụng pin lithium ion

Khi sử dụng pin lithium ion, có một số yêu cầu quan trọng mà người dùng cần tuân thủ để đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của pin:

• Tắt tất cả các thiết bị nuôi bởi pin cần sạc: Trước khi bắt đầu quá trình sạc, hãy đảm bảo tắt hoặc ngắt kết nối tất cả các thiết bị đang sử dụng pin cần sạc. Điều này giúp hệ thống đo dòng và áp sạc hoạt động chính xác hơn và phản ánh đúng các thông số quá trình sạc.
• Nhiệt độ môi trường: Không nên sạc pin ở nhiệt độ môi trường quá thấp hoặc quá cao. Dải nhiệt độ hoạt động tối ưu của pin Li-ion thường nằm trong khoảng từ 0°C đến 45°C. Nếu sạc ở nhiệt độ ngoài khoảng này, có thể gây hại cho pin.
• Dừng sạc khi bộ nhiệt độ pin tăng cao bất thường: Nếu bạn phát hiện rằng bộ nhiệt độ pin tăng cao một cách không bình thường trong quá trình sạc, hãy ngưng sạc ngay lập tức. Tăng nhiệt độ quá mức có thể gây hại cho pin và an toàn của người sử dụng.
• Dừng sạc khi dung lượng pin đạt khoảng 90 – 99%: Thay vì sạc đến 100% hoặc hơn, nên ngừng sạc khi dung lượng pin đạt khoảng 90 – 99%. Thông thường, các bộ sạc hiện đại có tính năng cắt sạc khi dung lượng đạt mức này. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của pin và tránh tình trạng sạc quá độ.
• Lưu trữ pin không sử dụng: Nếu bạn cần lưu trữ pin trong một thời gian dài, hãy sạc nó trước để đạt khoảng 40-50% dung lượng. Điều này giúp tránh tình trạng over-discharge do pin tự xả. Pin không nên bị over-discharge trong thời gian dài để tránh hao mòn và giảm tuổi thọ của nó.
• Không sạc pin bị over-discharge bằng bộ sạc thông thường: Nếu pin có sức điện động dưới 2,7V/cell (đã bị over-discharge), bạn cần sử dụng các bộ sạc chuyên dụng hỗ trợ đầy đủ cả 4 chế độ: Pre-charge, Activation, Constant Current, Constant Voltage. Việc này giúp phục hồi hoạt động của pin một cách an toàn.