Độ tin cậy và an toàn của pin phần 1

Độ tin cậy pin

Độ tin cậy pin là khả năng của pin để cung cấp năng lượng ổn định và đáng tin cậy trong suốt quá trình sử dụng của nó. Điều này bao gồm khả năng duy trì điện áp và hiệu suất ổn định qua thời gian, đảm bảo rằng pin có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau mà nó được sử dụng. Độ tin cậy của pin cũng liên quan đến tuổi thọ của nó – tức là thời gian mà pin có thể hoạt động với hiệu suất tốt trước khi cần phải được thay thế. Pin có độ tin cậy cao thường có tuổi thọ dài và ít gặp sự suy giảm hiệu suất trong quá trình sử dụng. Ngoài ra, yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến độ tin cậy của pin bao gồm điều kiện môi trường, cách sử dụng, cách bảo quản và các yếu tố thiết kế như vật liệu, cấu trúc và công nghệ sản xuất. Độ tin cậy của pin rất quan trọng trong các ứng dụng nơi mà mất điện có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, như trong thiết bị y tế, thiết bị di động và các hệ thống an ninh.

Độ tin cậy pin không chỉ đơn giản là một con số, mà thực ra là xác suất mà pin sẽ cung cấp năng lượng và duy trì mức năng lượng được xác định trong một loạt các điều kiện cụ thể. Hiệu suất của một pin, tức khả năng cung cấp năng lượng và duy trì mức năng lượng nhất định, không thể coi là một hằng số. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cách mà pin hoạt động.

Môi trường mà pin hoạt động là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Nhiệt độ và độ rung hoặc sốc cơ học là những yếu tố quan trọng đối với nhiều loại pin. Áp suất (cao và thấp) và độ ẩm cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của một số loại pin. Pin được thiết kế và chất liệu của chúng được lựa chọn để hoạt động tốt trong nhiều điều kiện khác nhau, phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, pin lithium–mangan dioxide (Li/MnO2) có thể được sử dụng trong đồng hồ đeo tay và hoạt động chủ yếu ở nhiệt độ phòng, khoảng 21°C (70°F).

Tuy nhiên, trong các ứng dụng khác như cung cấp nguồn cho cảm biến áp suất lốp trong ô tô, pin lithium–mangan dioxide có thể phải hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt hơn, với nhiệt độ dao động từ –40°C (–40°F) đến +120°C (+250°F) hoặc thậm chí cao hơn. Ngoài ra, pin này cũng phải chịu đựng sốc và rung lắc mạnh có thể xảy ra khi ô tô đi qua địa hình gồ ghề hoặc va vào chướng ngại vật. Để đảm bảo độ tin cậy của pin, các nhà sản xuất phải cung cấp các loại pin khác nhau cho các ứng dụng khác nhau hoặc thiết kế pin của họ để có thể hoạt động đáng tin cậy trong nhiều điều kiện khác nhau nhất có thể.

Thời gian cũng là một yếu tố quan trọng. Một số loại pin có thể cần được bảo quản không sử dụng trong thời gian dài trước khi được sử dụng, và sau đó phải hoạt động ngay khi cần. Pin thường mất một phần năng lượng khi để không sử dụng trong thời gian dài. Ngoài ra, tự phóng điện cũng có thể làm giảm năng lượng đầu ra của pin do các phản ứng hóa học ký sinh, làm cạn kiệt vật liệu hoạt động hoặc tăng điện trở trong pin, giảm công suất đầu ra của chúng.

Đo lường sự biến thiên

Kích thước vật lý, hiệu suất phóng điện, điện trở trong và tất cả các đặc tính quan trọng khác của một loại pin có phần khác nhau tùy theo từng tế bào và từng pin. Những biến thể này là kết quả tích lũy của tất cả các biến thể liên quan đến tất cả các thành phần tế bào riêng lẻ. Không chỉ vậy, mỗi bước trong số nhiều bước quy trình sản xuất cần thiết để lắp ráp pin đều có thể có những biến đổi riêng ảnh hưởng đến sự biến đổi tổng thể của pin.

Các nhà sản xuất pin cố gắng giảm thiểu các nguồn biến đổi của các thành phần pin và quy trình sản xuất, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn sự biến đổi. Các thông số kỹ thuật về nguyên liệu thô, thành phần và pin được viết dựa trên thực tế này bằng cách bao gồm dung sai—một phạm vi biến đổi có thể chấp nhận được cho từng bộ phận thành phần và cho chính pin. Các nhà sản xuất pin cũng thực hiện nhiều loại thử nghiệm đảm bảo chất lượng đối với nguyên liệu thô đầu vào và các bộ phận được mua, cũng như pin hoàn chỉnh trong và sau khi sản xuất để xác minh rằng chúng đáp ứng các thông số kỹ thuật trong phạm vi dung sai quy định. Có sự khác biệt trong thiết bị được sử dụng để kiểm tra pin mà có thể ảnh hưởng dù chỉ một chút đến hiệu suất đầu ra đo được của chúng.

Pin có thể được vận chuyển đến và lưu trữ trong kho hoặc các cơ sở lưu trữ khác sau khi sản xuất. Chúng được chuyển đến khách hàng, người có thể lưu trữ pin trong khoảng thời gian không thể đoán trước. Trong quá trình bảo quản và vận chuyển, pin có thể tiếp xúc với các điều kiện môi trường khác nhau, đặc biệt là nhiệt độ cao, có thể làm suy giảm hiệu suất ở mức độ đáng kể. Cuối cùng, chỉ khoảng thời gian trôi qua giữa quá trình sản xuất và sử dụng cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của pin. Người dùng cuối cân bằng giá mua với các tuyên bố về hiệu suất của pin từ nhà sản xuất mong muốn pin đáp ứng các thông số kỹ thuật. Vì vậy, việc đo lường và hiểu rõ sự biến thiên là điều quan trọng để nhà sản xuất đánh giá chất lượng pin trong quá trình sản xuất và dự đoán độ tin cậy của pin khi hoạt động theo thông số kỹ thuật trong các điều kiện sử dụng khác nhau.

Đối với một số thuộc tính, như kích thước hoặc trọng lượng vật lý, nhà sản xuất pin có thể dễ dàng đo lường các thuộc tính này và cung cấp phạm vi chỉ định cho các thông số này cho từng loại pin. Chúng thậm chí có thể được tiêu chuẩn hóa cho một số loại và kích cỡ pin. Pin AA kiềm-mangan dioxide có cùng kích thước với pin AA hydrua kim loại niken.  Độ tin cậy của hiệu suất pin và dự đoán lỗi không dễ dàng như vậy. Đối với một số ứng dụng, điều này có thể liên quan đến việc dự đoán đặc tính hoạt động của pin trong nhiều năm chỉ bằng cách sử dụng dữ liệu kiểm tra pin ngắn hạn.

Việc tính toán xác suất pin đáp ứng các thông số kỹ thuật hoặc nói cách khác là xác suất xảy ra lỗi pin nào đó là rất quan trọng đối với các nhà sản xuất để họ có thể thiết lập những kỳ vọng phù hợp cho khách hàng thông qua các tuyên bố về hiệu suất hoặc thông số kỹ thuật. Ngược lại, khách hàng có thể yêu cầu thông tin này để giúp đánh giá các đặc tính hoạt động và độ tin cậy của thiết bị hoặc thiết bị của họ đối với khách hàng.

Loại thông tin này cũng được các nhà sản xuất pin sử dụng để cải thiện pin và giảm tỷ lệ hỏng hóc.

Một ưu đãi khác là giảm thiểu chi phí bảo hành trả cho khách hàng đối với pin hoạt động kém. Nếu nhà sản xuất pin dự đoán tỷ lệ không đạt được công suất xả pin dự kiến ​​là 0,1%, họ có thể dự kiến ​​chi phí thanh toán yêu cầu bảo hành cho một pin trong số 1.000 pin được bán ra. Điều này sau đó có thể được sử dụng để giúp đặt giá và đưa vào ước tính lợi nhuận. Nếu tính toán của họ sai và thay vào đó, tỷ lệ thất bại là 0,3% thì họ sẽ phải trả gấp ba lần ước tính ban đầu trong yêu cầu bảo hành.

Vì những lý do vừa nêu, các nhà sản xuất pin dành nguồn lực đáng kể để đo lường, giám sát và đánh giá chất lượng cũng như độ tin cậy của pin trong tất cả các giai đoạn thiết kế, phát triển và sản xuất pin. Sự biến đổi của bất cứ thứ gì có thể được hiểu bằng cách xem xét sự phân bố của một đại lượng đo được. Giống như các cá thể được nhóm lại với nhau thành một quần thể và đo lường các đặc điểm của chúng. Giả sử chúng tôi là nhà sản xuất pin và chúng tôi muốn hiểu các đặc điểm biến đổi của pin lithium ion 18650 của mình. Chúng tôi biết từ kinh nghiệm thử nghiệm trước đây rằng pin của chúng tôi có công suất trung bình là 2,2 Ah khi được xả bằng dòng điện không đổi 1,1 A ở nhiệt độ phòng (21°C) sau khi sạc đầy theo quy trình sạc được khuyến nghị.

Thời gian phóng điện tính bằng giờ bằng công suất tính bằng amp-giờ chia cho dòng điện tính bằng ampe, do đó dự kiến ​​pin sẽ tồn tại được 2 giờ khi được xả trong các điều kiện này. Chúng tôi có thể không biết tất cả các cách sử dụng khác nhau của pin, nhưng chúng tôi đã phát hiện ra rằng tốc độ xả 1,1 A ở 21°C mô phỏng hợp lý cách khách hàng sử dụng pin của chúng tôi. Chúng tôi lấy mẫu gồm 100 ô từ một lô sản xuất lớn và kiểm tra chúng như vừa mô tả. Đây chỉ là một mẫu và chúng tôi hy vọng rằng những gì chúng tôi tìm hiểu được về đặc tính hiệu suất của những loại pin này sẽ thể hiện chính xác cách thức hoạt động của những loại pin còn lại trong tay người dùng. Đường cong điện áp có thể trông giống như đường cong của năm tế bào trong Hình 1. Không phải tất cả các tế bào đều hoàn thành quá trình phóng điện cùng một lúc. Một số kéo dài hơn hai giờ, và một số ít hơn.

Biểu đồ về thời gian xả khác nhau được thể hiện trong Hình 2. Thời gian phóng điện dao động từ 1,90 giờ đến 2,09 giờ, nhưng thời gian xả trung bình hoặc trung bình là 2,00 giờ.

Vẽ đồ thị phân bố thời gian xả có nhiều thông tin hơn. Trước tiên, chúng tôi thực hiện việc này bằng cách chia toàn bộ phạm vi thời gian xả thành các nhóm có khoảng thời gian xả cách đều nhau hoặc các nhóm như cách gọi thông thường của chúng. Phần mềm bảng tính hoặc thống kê của bạn có thể cung cấp cách thực hiện việc này một cách tự động.

Trong ví dụ của chúng tôi, chúng tôi muốn sử dụng khoảng tăng thời gian là 0,02 giờ, do đó, các thùng là 1,88 đến 1,90 giờ, 1,90 đến 1,92 giờ, v.v. lên đến 2,1 giờ. Các ô đã hoàn thành quá trình phóng điện trong một khoảng thời gian cụ thể sẽ được gộp lại với nhau vào một ngăn thời gian và số lượng ô trong mỗi ngăn sẽ được đếm. Biểu đồ về số lượng pin (hoặc phần trăm của tổng số pin) trong mỗi thùng được hiển thị trong Hình 3.

Hình 3 Trên cùng: Phân bố thời gian xả pin đo được cho 100 tế bào lithium ion 18650 được sạc theo quy trình khuyến nghị của nhà sản xuất và sau đó phóng điện với dòng điện không đổi 1,1 A. Dưới cùng: Sự phân bố thời gian xả giống nhau với đường cong phân phối chuẩn được xếp chồng lên nhau. Chữ viết tắt “sd” là viết tắt của độ lệch chuẩn.

Có một số loại phân phối khác nhau, nhưng nhiều loại có thể phù hợp với cái được gọi là phân phối “bình thường”. Đường cong phân phối chuẩn mô tả xác suất của các cá thể trong quần thể sẽ có một giá trị nhất định. Đỉnh của đường cong xảy ra ở giá trị trung bình của tất cả các cá thể. Đường cong giảm dần từ đỉnh và thuôn dần về 0 ở mỗi đầu (được gọi là “đuôi” của phân phối).

Sử dụng phân phối chuẩn như trong Hình 3, chúng ta cũng có thể tính toán các tham số thống kê khác nhau, như độ lệch chuẩn, là thước đo độ biến thiên. (Tham khảo bất kỳ cuốn sách thống kê nào để có được công thức toán học về độ lệch chuẩn.) Ở đây, độ lệch chuẩn cho thời gian phóng điện là 0,03 giờ. Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn (viết tắt là sd trong Hình 3) được viết như sau: trung bình ± một độ lệch chuẩn, hoặc trong trường hợp này là 2,00 ± 0,03 giờ.

Nếu 100 mẫu thử nghiệm này đại diện đủ cho số pin còn lại trong lô sản xuất thì có 50% xác suất rằng bất kỳ một pin nào cũng sẽ có thời gian phóng điện nhỏ hơn giá trị trung bình (trong ví dụ của chúng tôi là 2,00 giờ) trong cùng một thử nghiệm điều kiện. Xác suất để một trong các cục pin của chúng tôi có thời gian xả nằm trong một độ lệch chuẩn của giá trị trung bình, trong khoảng từ 1,97 đến 2,03 giờ, là khoảng 68% – xác suất 34% để lớn hơn thời gian xả trung bình và xác suất 34% nhỏ hơn thời gian phóng điện trung bình.

Chúng ta có thể thực sự chỉ quan tâm đến những loại pin cung cấp ít hơn thời gian xả trung bình nếu chúng ta không quan tâm đến việc một số tế bào có thể chạy lâu hơn thời gian trung bình. Trong trường hợp này, chúng ta có thể nói có 84% xác suất một pin được xả trong cùng điều kiện thử nghiệm sẽ mang lại thời gian xả bằng hoặc lớn hơn 1,97 giờ (giá trị trung bình trừ đi một độ lệch chuẩn). Nói cách khác, có khoảng 16% khả năng thời gian xả pin sẽ dưới 1,97 giờ, hoặc nhiều hơn 1/6 khả năng một chút.

Xác suất pin có thời gian xả ít hơn hai độ lệch chuẩn so với giá trị trung bình hoặc 1,94 giờ là 2,3% và nhỏ hơn ba độ lệch chuẩn (1,91 giờ) là 0,13%.

Vì vậy, giả sử chúng tôi muốn cung cấp dịch vụ bảo hành và chúng tôi dự trù tỷ lệ chi trả bảo hành là 1 trên 1.000 pin. Chúng ta có thể sử dụng đường cong phân phối chuẩn để tính thời gian xả là 1,90 giờ, dưới đó có 0,1% xác suất pin sẽ cung cấp ít hơn 1,90 giờ và không đáp ứng được mong đợi của khách hàng. Vì vậy, chúng tôi có thể đặt thông số kỹ thuật tối thiểu là 1,90 giờ khi pin của chúng tôi được xả với dòng điện không đổi 1,1 A ở 21°C.

Đây là một ví dụ đơn giản về cách người ta có thể chỉ định hiệu suất của pin. Tuy nhiên, nó có thể không dễ dàng như vậy. Sự phân phối có thể không bình thường. Có lẽ nó bị lệch sang bên này hay bên kia. Hoặc có thể có nhiều hơn một bản phân phối được xếp chồng lên nhau. Ngoài ra, có thể khó so sánh hiệu suất của pin được xả trong môi trường thử nghiệm được kiểm soát với pin được sử dụng trong thiết bị thực tế. Hơn nữa, chúng tôi chưa xem xét bất kỳ yếu tố nào trong số nhiều yếu tố khác góp phần gây ra lỗi sớm của pin mà chỉ xem xét sự thay đổi giữa các tế bào trong hiệu suất xả trong một tập hợp điều kiện nghiêm ngặt và hạn chế. Lỗi pin hoàn toàn có thể khiến người dùng lo lắng hơn là thiếu thông số dung lượng vài phần trăm.

Xem tiếp phần 2

Hoàng Thu

Live your dream

Xem bài khác