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

Pin Li-ion nói chung không nên và không ???c phép x? quá sâu, hay còn g?i là over-discharge. Khi ?i?n áp c?a pin gi?m xu?ng d??i 3,0V/cell, thì t?t nh?t là ng?t pin ra kh?i m?ch ngay l?p t?c. N?u pin ?? ?i?n áp gi?m xu?ng d??i 2,7V/cell, h? th?ng b?o v? bên trong pin s? t? ??ng ??a pin vào ch? ?? “sleep” (ng?). Lúc này, pin không th? s?c l?i b?ng cách thông th??ng, mà c?n ph?i s? d?ng m?t chu trình s?c 4 giai ?o?n theo s? ?? nh? hình 2.3.

Trong chu trình s?c 4 giai ?o?n, ngoài hai giai ?o?n s?c ?n ??nh và s?c ?n áp nh? quá trình s?c pin Li-ion thông th??ng, hai giai ?o?n “Pre-charge” và “Activation” ???c thêm vào ?? khôi ph?c l?i ho?t ??ng c?a pin.

Trong giai ?o?n Pre-charge ban ??u, pin s? ???c cung c?p dòng ?i?n nh?, th??ng trong kho?ng 5-15% dung l??ng pin. ?i?n áp c?a pin ???c theo dõi trong th?i gian xác ??nh (testing time). N?u sau th?i gian này, ?i?n áp c?a pin không t?ng lên ho?c t?ng lên quá ch?m, thì pin ???c coi là không th? ph?c h?i n?a. Ng??c l?i, n?u ?i?n áp t?ng lên trên 2,8V, pin v?n còn trong tình tr?ng t?t và có th? ti?p t?c quá trình s?c. Khi ?i?u này x?y ra, b? s?c chuy?n sang ch? ?? Activation ?? kích ho?t l?i ho?t ??ng c?a pin.

Trong giai ?o?n Activation, dòng ?i?n 5-15% dung l??ng v?n ???c duy trì cho ??n khi ?i?n áp pin t?ng lên trên 3V. Khi ?i?n áp pin ??t m?c này, b? s?c chuy?n sang ho?t ??ng ? ch? ?? s?c ?n ??nh và s?c ?n áp nh? bình th??ng.

Khi nhà s?n xu?t phân ph?i pin, thông th??ng, pin ???c s?c ??n kho?ng 40% dung l??ng. Tuy nhiên, sau m?t th?i gian s? d?ng, do t? x? t? phóng c?a pin, dung l??ng pin gi?m d?n, ??ng ngh?a v?i vi?c ?i?n áp pin c?ng gi?m. ?? tránh tình tr?ng over-discharge, vi?c b?o d??ng pin thông qua vi?c s?c l?i sau m?t th?i gian không s? d?ng là quan tr?ng.

M?i cell pin Li-ion th??ng có ?i?n áp m? m?ch kho?ng 3,5V. Trong các h? th?ng nh? xe ?i?n, nhi?u cell th??ng ???c k?t n?i n?i ti?p ?? cung c?p ?i?n cho ??ng c? chính và các thi?t b? ?i?n khác. Tuy nhiên, v?n ?? cân b?ng cell (cell balancing) có th? x?y ra.

Các nguyên nhân gây ra tình tr?ng m?t cân b?ng cell bao g?m sai s? trong thông s? c?a các cell do nhà s?n xu?t cung c?p, tác ??ng c?a nhi?t ?? khác nhau lên m?i cell, và s? thay ??i v? tu?i th? c?a các cell, d?n ??n tính ch?t không ??ng ??u. Có nh?ng cell có ?i?n áp cao h?n m?t chút, và có nh?ng cell có ?i?n áp th?p h?n m?t chút so v?i các cell khác, t?o ra tình tr?ng m?t cân b?ng gi?a chúng.

Trong quá trình s?c, cell có ?i?n áp cao h?n s? ??y tr??c, trong khi nh?ng cell còn l?i v?n ch?a ??y. N?u vi?c s?c ti?p t?c, cell ??y s? b? overcharge, t?o nhi?t ?? và áp su?t t?ng lên (nh? ?ã th?o lu?n ? trên), gây ra s? gi?m tu?i th? c?a pin ho?c th?m chí h?ng hóc cell ?ó. Ng??c l?i, trong quá trình x?, cell có ?i?n áp th?p h?n s? chóng c?n h?n. N?u vi?c x? ti?p t?c, cell ?ó có th? b? over-discharge, gây ra gi?m tu?i th? c?a pin. Khi m?t cell b? h?ng, th??ng ph?i thay toàn b? h? th?ng pin, b?i vì n?u ch? thay cell b? h?ng, thì cell m?i ?ó v?n có tính ch?t khác so v?i các cell còn l?i, t?o ra nguy c? m?t cân b?ng (unbalance).

Càng nhi?u cell ???c k?t n?i n?i ti?p, càng cao nguy c? m?t cân b?ng và ?? tin c?y gi?m. Các nghiên c?u ?ã ch? ra r?ng, n?u h? th?ng pin ???c ghép n?i b?i n cell, xác su?t x?y ra tình tr?ng m?t cân b?ng t?ng lên n l?n so v?i vi?c ch? s? d?ng 1 cell ho?t ??ng ??c l?p.

?? gi?m thi?u v?n ?? này, m?t s? bi?n pháp có th? ???c xem xét. Tr??c h?t, c? g?ng ch?n các cell có thông s? t??ng ??i ??ng ??u ?? ghép n?i v?i nhau ban ??u. Sau ?ó, các cell có th? ???c n?i song song và n?i ti?p ?? giúp cân b?ng các cell v?i nhau (self-balancing). Trong quá trình s? d?ng, nhi?t ?? ph?i ???c giám sát ch?t ch? ?? ??m b?o phân b? ??u gi?a các cell.

Tuy nhiên, ?? gi?i quy?t tri?t h?n v?n ?? m?t cân b?ng áp pin Li-ion, trong các xe ?i?n, h? th?ng qu?n lý pin (Battery Management System – BMS) c?n theo dõi sát tr?ng thái c?a m?i cell (State of Charge – SOC). N?u phát hi?n m?t cân b?ng, h? th?ng BMS c?n th?c hi?n các bi?n pháp nh?t ??nh ?? ??a các cell v? tr?ng thái cân b?ng v?i nhau. Có hai cách ?? th?c hi?n vi?c này là cân b?ng ch? ??ng và cân b?ng th? ??ng.

Ph??ng pháp cân b?ng ch? ??ng nh?m chuy?n dòng ?i?n t? các cell có dung l??ng cao h?n ??n các cell có dung l??ng th?p h?n. Ph??ng pháp này có l?i ?i?m là giúp cân b?ng áp gi?a các cell mà không gây t?n hao n?ng l??ng do chúng ???c trao ??i l?n nhau. Tuy nhiên, vi?c thi?t k? m?t ngu?n s?c ??c l?p cho m?i cell không th?c t?. Do ?ó, cân b?ng áp th??ng ???c th?c hi?n tu?n t? cho t?ng cell ho?c nhóm cell. K?t qu? là vi?c s?c ??y toàn b? b? pin có th? m?t th?i gian ?áng k?.

Ph??ng pháp cân b?ng th? ??ng ??n gi?n h?n ph??ng pháp cân b?ng ch? ??ng, nh?ng có th? gây ra t?n hao trên ?i?n tr?. Trong ph??ng pháp này, b? s?c c?n ng?ng s?c ngay khi m?t cell nào ?ó ??t ??y. Sau ?ó, cell ?ã ??y s? ???c x? qua m?t ?i?n tr? cho ??n khi có ?i?n áp b?ng v?i cell th?p h?n. Sau ?ó, b? s?c ti?p t?c s?c l?i cell ?ã ??y. Quá trình này ???c l?p l?i cho ??n khi t?t c? các cell ??u ??t ??y.

Do ?ó, trong quá trình s?c, bên c?nh vi?c tuân th? quy trình s?c, b? s?c c?n ph?i h?p ch?t ch? v?i h? th?ng qu?n lý pin (Battery Management System – BMS) ?? th?c hi?n các k? thu?t cân b?ng cell. ?i?u này giúp ?i?n ??y t?ng cell, ng?n ch?n s? m?t cân b?ng gi?a các cell, và t? ?ó kéo dài tu?i th? c?a c? b? pin.

S? ?nh h??ng c?a nhi?t ?? ??n quá trình s?c pin Lithium ion

Ho?t ??ng n?p và x? pin ?c quy ph? thu?c l?n vào nhi?t ?? môi tr??ng. T?t c? lo?i pin ??u có m?t d?i nhi?t ?? mà chúng có th? ho?t ??ng m?t cách ?n ??nh. ??i v?i pin Li-ion, d?i nhi?t ?? th??ng n?m trong kho?ng t? 0°C ??n 45°C trong quá trình s?c và t? 0°C ??n 60°C trong quá trình x?. M?t s? pin m?i h?n d?a trên Lithium nh? Lithium-Ferro-Phosphate (LiFePO4) ho?c pin Lithium-Polymer (Li-Po) có th? ho?t ??ng ? m?t d?i nhi?t ?? r?ng h?n m?t chút. Trong kho?ng nhi?t ?? này, tính ch?t c?a pin th??ng ?n ??nh, cho hi?u su?t s? d?ng n?ng l??ng t?t nh?t. Tuy nhiên, ? nhi?t ?? ngoài kho?ng này, ??c bi?t là ? nhi?t ?? r?t th?p ho?c r?t cao, ho?t ??ng c?a pin b? ?nh h??ng nghiêm tr?ng. Các ph?n ?ng hóa h?c bên trong pin di?n ra ch?m h?n, và do ?ó, dòng ?i?n do pin t?o ra ho?c h?p thu gi?m ?i ?áng k? so v?i khi pin ho?t ??ng trong kho?ng nhi?t ?? lý t??ng.

??i v?i pin Li-ion nói chung, nghiên c?u ?ã ch?ng minh r?ng d?i nhi?t ?? t? 5°C ??n 45°C là d?i nhi?t ?? ho?t ??ng t?i ?u. D??i 5°C, dòng s?c c?n ph?i gi?m xu?ng, và khi nhi?t ?? gi?m xu?ng d??i 0°C (nhi?t ?? ?óng b?ng), quá trình s?c c?n ph?i ng?ng ngay l?p t?c ?? tránh gây h?i cho pin.

Ng??c l?i, ? nhi?t ?? cao h?n 45°C, ho?t ??ng c?a pin tr? nên m?nh m? h?n, có th? phóng ho?c h?p thu dòng ?i?n l?n h?n dòng danh ??nh (C). Tuy nhiên, ? c? hai tr??ng h?p (nhi?t ?? quá th?p và nhi?t ?? quá cao), n?i tr? c?a pin t?ng lên, và n?u ti?p t?c s?c ho?c x? pin ? nh?ng ?i?u ki?n này, có th? làm gi?m tu?i th? c?a pin.

Các yêu c?u khi s? d?ng pin lithium ion

Khi s? d?ng pin lithium ion, có m?t s? yêu c?u quan tr?ng mà ng??i dùng c?n tuân th? ?? ??m b?o an toàn và kéo dài tu?i th? c?a pin:

• T?t t?t c? các thi?t b? nuôi b?i pin c?n s?c: Tr??c khi b?t ??u quá trình s?c, hãy ??m b?o t?t ho?c ng?t k?t n?i t?t c? các thi?t b? ?ang s? d?ng pin c?n s?c. ?i?u này giúp h? th?ng ?o dòng và áp s?c ho?t ??ng chính xác h?n và ph?n ánh ?úng các thông s? quá trình s?c.
• Nhi?t ?? môi tr??ng: Không nên s?c pin ? nhi?t ?? môi tr??ng quá th?p ho?c quá cao. D?i nhi?t ?? ho?t ??ng t?i ?u c?a pin Li-ion th??ng n?m trong kho?ng t? 0°C ??n 45°C. N?u s?c ? nhi?t ?? ngoài kho?ng này, có th? gây h?i cho pin.
• D?ng s?c khi b? nhi?t ?? pin t?ng cao b?t th??ng: N?u b?n phát hi?n r?ng b? nhi?t ?? pin t?ng cao m?t cách không bình th??ng trong quá trình s?c, hãy ng?ng s?c ngay l?p t?c. T?ng nhi?t ?? quá m?c có th? gây h?i cho pin và an toàn c?a ng??i s? d?ng.
• D?ng s?c khi dung l??ng pin ??t kho?ng 90 – 99%: Thay vì s?c ??n 100% ho?c h?n, nên ng?ng s?c khi dung l??ng pin ??t kho?ng 90 – 99%. Thông th??ng, các b? s?c hi?n ??i có tính n?ng c?t s?c khi dung l??ng ??t m?c này. ?i?u này giúp kéo dài tu?i th? c?a pin và tránh tình tr?ng s?c quá ??.
• L?u tr? pin không s? d?ng: N?u b?n c?n l?u tr? pin trong m?t th?i gian dài, hãy s?c nó tr??c ?? ??t kho?ng 40-50% dung l??ng. ?i?u này giúp tránh tình tr?ng over-discharge do pin t? x?. Pin không nên b? over-discharge trong th?i gian dài ?? tránh hao mòn và gi?m tu?i th? c?a nó.
• Không s?c pin b? over-discharge b?ng b? s?c thông th??ng: N?u pin có s?c ?i?n ??ng d??i 2,7V/cell (?ã b? over-discharge), b?n c?n s? d?ng các b? s?c chuyên d?ng h? tr? ??y ?? c? 4 ch? ??: Pre-charge, Activation, Constant Current, Constant Voltage. Vi?c này giúp ph?c h?i ho?t ??ng c?a pin m?t cách an toàn.