Điện áp sạc pin lithium

Trong số tất cả các thông số kỹ thuật của pin lithium, điện áp sạc là một trong những thông số quan trọng nhất — và là thông số không thể chấp nhận được sai số. Điện áp sạc trực tiếp xác định liệu các ion lithium có thể xen kẽ và khử xen kẽ một cách an toàn và hiệu quả trong vật liệu điện cực dương và âm hay không. Nó không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả của mỗi lần sạc mà còn ảnh hưởng căn bản đến tuổi thọ và độ an toàn của pin. Bài viết này giải thích một cách có hệ thống các thông số điện áp lõi của pin lithium - bao gồm điện áp danh định, điện áp làm việc, điện áp cắt sạc và điện áp cắt phóng điện - đồng thời khám phá sâu các đặc tính điện áp của các thành phần hóa học pin khác nhau, quản lý điện áp trong nhiều gói pin cell, nguyên lý làm việc của hệ thống quản lý pin cũng như chẩn đoán và xử lý các hiện tượng bất thường về điện áp, cung cấp cho người đọc nền tảng kiến ​​thức toàn diện và chuyên nghiệp về điện áp pin lithium.

1. Khung khái niệm điện áp lõi cho pin lithium

Hiểu điện áp sạc pin lithium trước tiên đòi hỏi phải làm rõ một số khái niệm điện áp được kết nối với nhau. Những khái niệm này tạo thành nền tảng của khung kiến thức về điện áp pin lithium:

1.1 Điện áp danh định

Điện áp danh định là giá trị tham chiếu tiêu chuẩn được sử dụng để mô tả khả năng phóng điện của pin, biểu thị điện áp trung bình được duy trì trong hầu hết quá trình phóng điện. Đối với các chất hóa học pin lithium thông thường: lithium coban oxit (LCO) và lithium bậc ba có điện áp danh định khoảng 3,6 V–3,7 V; lithium sắt photphat (LFP) là 3,2 V; lithium mangan oxit (LMO) xấp xỉ 3,8 V; và lithium titanate (LTO) xấp xỉ 2,4 V. Điện áp danh định là thông số điện áp được chú ý phổ biến nhất trong thông số kỹ thuật của pin và cũng là giá trị điện áp được sử dụng khi tính toán năng lượng của pin (Wh = Ah × V).

1.2 Điện áp mạch hở (OCV)

Điện áp mạch hở là chênh lệch điện áp giữa cực dương và cực âm khi không có mạch ngoài được kết nối (tức là không có dòng điện chạy qua). OCV có mối quan hệ tương ứng với trạng thái sạc (SOC) của pin và là cơ sở quan trọng để ước tính SOC. Tuy nhiên, mối quan hệ OCV–SOC không tuyến tính và có độ nhạy khác nhau ở các phạm vi SOC khác nhau. Đối với pin lithium iron phosphate, OCV thay đổi cực kỳ chậm trong phạm vi SOC 20%–90%, tạo ra thách thức cho việc ước tính SOC. Ngược lại, lithium bậc ba cho thấy sự biến đổi OCV rõ rệt hơn với SOC.

1.3 Điện áp làm việc

Điện áp làm việc là điện áp đầu cuối thực tế của pin khi có dòng điện chạy qua. Do điện trở trong của pin, điện áp làm việc khi phóng điện thấp hơn OCV (điện áp rơi = dòng điện × điện trở trong), trong khi khi sạc thì cao hơn OCV (điện áp tăng = dòng điện × điện trở trong). Khi pin cũ đi và điện trở trong tăng lên, điện áp làm việc sẽ lệch đáng kể so với OCV.

1.4 Điện áp cắt sạc

Điện áp cắt sạc là điện áp tối đa được phép đạt được trong quá trình sạc, còn được gọi là điện áp điện áp sạc đầy . Việc tiếp tục sạc vượt quá mức điện áp cắt này sẽ dẫn đến tình trạng sạc quá mức, gây ra các rủi ro về an toàn và phân hủy vật liệu. Đây là giới hạn điện áp đơn nghiêm ngặt nhất trong quản lý sạc.

1.5 Điện áp cắt phóng điện

Điện áp cắt phóng điện là điện áp tối thiểu được phép trong quá trình phóng điện, còn được gọi là điện áp điện áp bảo vệ quá xả . Tiếp tục phóng điện dưới mức điện áp cắt này - phóng điện quá mức - làm cho bộ thu dòng đồng ở điện cực âm bị hòa tan và làm hỏng cấu trúc vật liệu của điện cực dương, dẫn đến mất điện dung vĩnh viễn.

Bảng sau đây so sánh một cách có hệ thống năm khái niệm điện áp lõi này:

2. Điện áp sạc chi tiết cho các loại hóa chất pin lithium khác nhau

Các thông số điện áp sạc của pin lithium khác nhau đáng kể tùy thuộc vào vật liệu làm cực âm. Dưới đây là lời giải thích chi tiết về các hệ thống vật liệu pin lithium chính hiện có trên thị trường:

2.1 Lithium Cobalt Oxide (LiCoO₂, LCO) — Đặc sản của Điện tử Tiêu dùng

Lithium coban oxit là vật liệu làm cực âm của pin lithium đầu tiên được thương mại hóa, chủ yếu được sử dụng trong điện thoại thông minh, máy tính bảng và máy tính xách tay. Cấu trúc tinh thể của nó là cấu trúc đá-muối phân lớp, có khả năng thuận nghịch khoảng 140–150 mAh/g. Điện áp cắt sạc cho các ô đơn LCO tiêu chuẩn là 4,20 V , một giá trị được xác nhận qua nhiều năm thực hành kỹ thuật như một sự cân bằng tốt giữa mật độ năng lượng và vòng đời. Trong những năm gần đây, LCO điện áp cao đã đẩy điện áp cắt điện tích lên 4,35 V hoặc thậm chí 4,45 V để cải thiện hơn nữa mật độ năng lượng, nhưng điều này đặt ra những yêu cầu khắt khe hơn đối với chất điện phân và BMS.

2.2 Lithium Iron Phosphate (LiFePO₄, LFP) — An toàn tốt nhất

LFP có vật liệu catốt có cấu trúc olivin. So với các vật liệu có cấu trúc phân lớp, liên kết cộng hóa trị mạnh của nhóm phốt phát (PO₄³⁻) cải thiện đáng kể độ ổn định nhiệt trong điều kiện nhiệt độ cao và quá tải – ngay cả ở nhiệt độ cao, oxy khó có thể thoát ra khỏi mạng tinh thể, về cơ bản làm giảm nguy cơ thoát nhiệt. Điện áp cắt sạc cho LFP là 3,65V - thấp hơn nhiều so với lithium bậc ba và LCO, điều này phản ánh trực tiếp tính an toàn vượt trội của nó. Cao nguyên điện áp cho LFP là khoảng 3,2–3,3 V, điện áp cắt phóng điện là khoảng 2,5 V và khoảng điện áp làm việc là khoảng 1,15 V (2,5 V–3,65 V), hẹp hơn một chút so với lithium ba cực.

2.3 Lithium Ternary (NCM/NCA) — Đại diện cho mật độ năng lượng cao

Lithium bậc ba bao gồm hai phân nhóm chính: niken-coban-mangan (NCM) và niken-coban-nhôm (NCA). Vật liệu catốt cũng là cấu trúc phân lớp, tương tự như LCO, nhưng đạt được sự cân bằng tốt hơn giữa mật độ năng lượng, vòng đời và chi phí thông qua tác động tổng hợp của nhiều kim loại chuyển tiếp. Các tế bào NCM tiêu chuẩn (chẳng hạn như NCM111 và NCM523) thường có điện áp cắt điện tích là 4,20 V , trong khi các phiên bản mật độ năng lượng cao (chẳng hạn như NCM622 và NCM811) có thể đạt tới 4,30–4,35 V. Pin NCA (chủ yếu được sử dụng trong xe điện hiệu suất cao) thường có điện áp cắt điện tích khoảng 4,20 V. Điện áp danh định của lithium bậc ba là 3,6–3,7 V, với điện áp cắt phóng điện thường là 2,75–3,0 V.

2.4 Liti Mangan Oxit (LiMn₂O₄, LMO)

Lithium mangan oxit sử dụng cấu trúc Spinel với các kênh dẫn lithium-ion ba chiều, mang lại khả năng tốc độ tuyệt vời (khả năng sạc/xả dòng điện cao) và chi phí thấp hơn. Điện áp cắt điện tích cho một tế bào LMO là khoảng 4,20 V, với điện áp danh định khoảng 3,8 V và điện áp cắt phóng điện khoảng 3,0 V. Hạn chế chính của LMO là hiệu suất chu kỳ nhiệt độ cao kém (do hòa tan mangan), do đó, các hệ thống LMO thuần túy thường áp đặt các giới hạn chặt chẽ hơn về nhiệt độ vận hành và điện áp cắt điện tích.

2.5 Lithium Titanate (Li₄Ti₅O₁₂, LTO) — Thay thế than chì làm cực dương

Lithium titanate là một hệ thống đặc biệt trong đó lithium titanate thay thế than chì truyền thống làm vật liệu cực dương, kết hợp với các cực âm khác nhau (chẳng hạn như LFP hoặc LMO). Bởi vì thế năng xen kẽ lithium của cực dương LTO là khoảng 1,55 V (so với Li/Li⁺) — cao hơn nhiều so với 0,1 V của than chì — sự hình thành dendrite lithium hoàn toàn tránh được và sự thay đổi thể tích là tối thiểu, cho phép vòng đời lên tới hàng chục nghìn chu kỳ. Điện áp đầu cuối của pin dựa trên LTO thấp hơn: điện áp danh định xấp xỉ 2,4 V và điện áp cắt sạc xấp xỉ 2,85 V.

Bảng sau đây cung cấp sự so sánh toàn diện về các thông số điện áp của năm hệ thống vật liệu pin lithium chính thống:

3. Tính toán điện áp sạc của bộ pin

Trong các ứng dụng thực tế, các tế bào đơn lẻ hiếm khi được sử dụng một mình. Nhiều ô thường được kết nối nối tiếp (hoặc kết hợp nối tiếp song song) để tạo thành một bộ pin. Hiểu cách tính toán điện áp của bộ pin là điều cần thiết để chọn đúng bộ sạc và diễn giải chính xác trạng thái sạc.

Kết nối sê-ri 3.1

Trong kết nối nối tiếp, điện áp của từng ô riêng lẻ được cộng lại với nhau. Tổng điện áp bằng điện áp một ô nhân với số ô nối tiếp (S), trong khi tổng công suất (Ah) không đổi. Ví dụ: 3 pin lithium ba ngôi có điện áp danh định 3,7 V được mắc nối tiếp tạo thành một bộ pin có điện áp danh định là 11,1 V (3S), điện áp cắt sạc là 12,6 V (4,2 V × 3) và điện áp cắt phóng điện khoảng 8,25 V (2,75 V × 3). Cấu hình loạt phổ biến dao động từ 2S (chẳng hạn như trong một số pin máy bay không người lái) đến hàng trăm S (chẳng hạn như trong bộ pin xe điện).

3.2 Kết nối song song

Trong kết nối song song, dung lượng (Ah) của từng ô riêng lẻ được cộng lại với nhau. Tổng công suất bằng công suất một ô nhân với số ô song song (P), trong khi tổng điện áp không đổi. Ví dụ: 2 ô có 3 Ah được kết nối song song tạo thành một bộ pin có tổng dung lượng 6 Ah ở cùng một điện áp. Kết nối song song chủ yếu được sử dụng để tăng công suất và khả năng phóng điện liên tục trong khi vẫn duy trì cùng một điện áp.

3.3 Kết hợp song song nối tiếp

Các bộ pin thực tế thường sử dụng các kết hợp nối tiếp song song (ví dụ: 4S2P), nghĩa là 4 nhóm ô song song được kết nối nối tiếp. Tổng điện áp bằng điện áp một ô × số ô nối tiếp và tổng công suất bằng công suất một ô × số ô song song.

Bảng sau đây hiển thị các thông số điện áp sạc cấu hình dòng pin phổ biến (sử dụng lithium bậc ba với mức cắt một cell 4,20 V làm ví dụ):

4. Ảnh hưởng của điện áp cắt sạc đến tuổi thọ pin

Điện áp cắt sạc không chỉ ảnh hưởng đến dung lượng mỗi lần sạc mà còn ảnh hưởng sâu sắc đến tuổi thọ của pin. Đây là một chủ đề quan trọng đáng để khám phá sâu vì nó liên quan trực tiếp đến cách người dùng có thể cân bằng giữa công suất và tuổi thọ.

Nghiên cứu cho thấy rằng việc giảm điện áp cắt sạc là một trong những cách hiệu quả nhất để kéo dài tuổi thọ của pin lithium. Sử dụng lithium bậc ba (NCM, ngưỡng cắt một cell 4,20 V) làm ví dụ: giảm điện áp cắt điện tích từ 4,20 V xuống 4,10 V giúp giảm công suất khoảng 5%–8%, nhưng kéo dài tuổi thọ chu kỳ khoảng 30%–50%; giảm thêm xuống 4,00 V sẽ giảm công suất khoảng 15% nhưng có thể kéo dài tuổi thọ chu kỳ lên 2–3 lần. Điều này là do ở SOC cao (tức là điện áp cao), nồng độ lithium-ion trong mạng tinh thể của vật liệu catốt là cực kỳ thấp - vật liệu ở trạng thái cực kỳ phân tán, trong đó ứng suất cấu trúc là lớn nhất và các chuyển pha không thể đảo ngược cũng như sự lan truyền vết nứt vi mô có nhiều khả năng xảy ra nhất.

Dựa trên nguyên tắc này, nhiều nhà sản xuất xe điện và người sử dụng chuyên nghiệp đặt giới hạn trên của mức sạc pin là 80%–90% (tương ứng với khoảng 4,0–4,1 V) và giới hạn phóng điện dưới là 20%–30%, giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của bộ pin. Chiến lược này được gọi là Đi xe đạp trạng thái sạc một phần (PSOC) và được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống lưu trữ năng lượng và ứng dụng vận chuyển điện.

Bảng sau đây cho thấy mối quan hệ giữa điện áp cắt sạc, công suất và tuổi thọ của pin lithium bậc ba (NCM):

5. Hệ thống quản lý pin (BMS) và điều khiển điện áp

Hệ thống quản lý pin (BMS) là biện pháp bảo vệ cốt lõi để pin lithium hoạt động an toàn và hiệu quả. Chức năng quản lý điện áp của BMS là một trong những phần quan trọng nhất của toàn bộ hệ thống:

5.1 Giám sát điện áp tế bào riêng lẻ

BMS sử dụng các mạch thu điện áp ô chuyên dụng (Analog Front End, AFE) để giám sát điện áp của từng ô được kết nối nối tiếp riêng lẻ trong thời gian thực. Tần số lấy mẫu thường là 1 Hz–100 Hz, với yêu cầu độ chính xác trong phạm vi ±5 mV (BMS có độ chính xác cao có thể đạt được ±1 mV). Giám sát điện áp tế bào riêng lẻ là nền tảng để thực hiện bảo vệ quá tải, bảo vệ xả quá mức và quản lý cân bằng tế bào.

5.2 Bảo vệ quá áp (OVP)

Khi điện áp của bất kỳ tế bào riêng lẻ nào đạt đến ngưỡng bảo vệ quá áp đã đặt, BMS sẽ ngay lập tức kích hoạt hành động bảo vệ - ngắt kết nối mạch sạc (bằng cách điều khiển MOSFET hoặc rơle sạc) để ngăn việc sạc thêm có thể gây ra tình trạng sạc quá mức. Ngưỡng OVP thường được đặt cao hơn điện áp cắt sạc một chút. Ví dụ: đối với pin lithium ba ngôi bị cắt ở điện áp 4,20 V, OVP có thể được đặt ở mức 4,25–4,30 V, để lại một số giới hạn để tránh kích hoạt sai do dao động điện áp ngắn.

5.3 Bảo vệ thấp áp (UVP)

Tương ứng với bảo vệ quá điện áp, khi điện áp di động giảm xuống ngưỡng bảo vệ điện áp thấp, BMS sẽ ngắt mạch phóng điện để tránh phóng điện quá mức. Đối với lithium bậc ba, ngưỡng UVP thường là 2,80–3,00 V; đối với lithium sắt photphat, nó thường là 2,50–2,80 V.

5.4 Cân bằng tế bào

Trong các bộ pin dòng nhiều cell, sự khác biệt về dung sai sản xuất và tốc độ lão hóa khiến dung lượng và tốc độ tự phóng điện của từng pin dần dần khác nhau. Nếu không cân bằng, cell có công suất nhỏ nhất sẽ là cell đầu tiên đạt đến điện áp cắt sạc (hoặc điện áp cắt phóng điện), hạn chế công suất sử dụng của toàn bộ gói. BMS sử dụng các mạch cân bằng để cân bằng điện áp của từng ô riêng lẻ, chủ yếu thông qua hai phương pháp:

• Cân bằng thụ động: Tiêu tán năng lượng từ các tế bào điện áp cao hơn dưới dạng nhiệt thông qua điện trở.
• Cân bằng chủ động: Truyền năng lượng từ tế bào có điện áp cao hơn sang tế bào có điện áp thấp hơn.

Bảng sau đây so sánh các đặc điểm của cân bằng thụ động và chủ động:

6. Thông số điện áp sạc cho các thiết bị thông dụng

Việc hiểu rõ thông số điện áp sạc của các thiết bị cụ thể giúp người dùng đưa ra phán đoán chính xác khi lựa chọn bộ sạc và diễn giải trạng thái sạc:

6.1 Điện thoại thông minh

Hầu hết điện thoại thông minh đều sử dụng pin lithium coban oxit hoặc pin lithium ternary. Điện áp ngắt sạc pin đơn thường là 4,40–4,45 V (phiên bản tối ưu hóa mật độ năng lượng cao) hoặc 4,20 V tiêu chuẩn. Điện áp đầu ra của bộ sạc điện thoại thông minh thường là 5 V (sạc tiêu chuẩn), 9 V, 12 V hoặc 20 V (sạc nhanh). Tuy nhiên, điện áp đầu ra của bộ sạc được giảm xuống và được điều khiển chính xác bởi IC quản lý sạc bên trong (PMIC) của điện thoại đến mức điện áp mà tế bào yêu cầu (4,20–4,45 V). Điện áp đầu ra của bộ sạc và điện áp sạc pin không cùng giá trị.

6.2 Máy tính xách tay

Máy tính xách tay thường sử dụng bộ pin lithium dòng đa cell. Các cấu hình phổ biến là 2S (danh nghĩa 7,2–7,4 V, sạc đầy 8,4 V), 3S (danh nghĩa 10,8–11,1 V, sạc đầy 12,6 V) hoặc 4S (danh nghĩa 14,4–14,8 V, sạc đầy 16,8 V). Điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi (ví dụ: 19 V) được chuyển đổi thông qua bộ chuyển đổi DC-DC bên trong để phù hợp với điện áp sạc của bộ pin.

6.3 Xe đạp điện

Bộ pin xe đạp điện có điện áp danh định tiêu chuẩn là 24 V, 36 V hoặc 48 V, tương ứng với các cấu hình chuỗi khác nhau của pin LFP hoặc pin lithium bậc ba. Điện áp đầu ra của bộ sạc tương ứng thường là 29,4 V (36 V lithium ba loại), 42 V (36 V LFP), 54,6 V (48 V lithium ba loại) và các giá trị tương tự.

Bảng sau đây tóm tắt thông số điện áp sạc cho các thiết bị thông dụng:

7. Chẩn đoán và xử lý các bất thường về điện áp

Trong việc sử dụng pin lithium hàng ngày, sự bất thường về điện áp là dấu hiệu sức khỏe trực tiếp và quan trọng nhất. Hiểu các loại, nguyên nhân và phương pháp xử lý sự bất thường về điện áp là rất quan trọng để duy trì hiệu suất và an toàn của pin:

7.1 Điện áp thấp (Thấp áp)

Điện áp pin thấp hơn giới hạn dưới của phạm vi danh nghĩa khi ở trạng thái nghỉ có thể do: phóng điện sâu (đặc biệt là lưu trữ lâu dài mà không bổ sung sạc kịp thời); sự hòa tan của bộ thu dòng đồng điện cực âm (thiệt hại không thể khắc phục được do phóng điện quá mức nghiêm trọng); ngắn mạch vi mô bên trong; hoặc dung lượng giảm đáng kể sau khi sử dụng lâu dài. Đối với các tế bào có điện áp giảm xuống dưới điện áp cắt phóng điện, trước tiên hãy thử sạc trước ở dòng điện cực nhỏ (dưới 0,05C). Nếu điện áp có thể phục hồi về mức bình thường trong vòng 30 phút, quá trình sạc có thể được tiến hành bình thường. Nếu không thể phục hồi, tế bào đã bị hư hỏng không thể phục hồi và nên thay thế.

7.2 Điện áp cao (Quá điện áp)

Điện áp pin vượt quá đáng kể điện áp cắt khi sạc đầy sau khi sạc hoặc sau khi nghỉ một thời gian là dấu hiệu cực kỳ nguy hiểm của việc sạc quá mức. Pin sạc quá mức sẽ trải qua một loạt các phản ứng nguy hiểm: phân hủy vật liệu cực âm, oxy hóa chất điện phân và tạo ra nhiều khí, dẫn đến phồng pin hoặc thậm chí tỏa nhiệt. Khi phát hiện tế bào quá điện áp, hãy ngừng sạc ngay lập tức, đặt thiết bị ở không gian mở cách điện, không có vật liệu dễ cháy và liên hệ với kỹ thuật viên chuyên nghiệp để xử lý. Không bao giờ tiếp tục sử dụng thiết bị.

7.3 Mất cân bằng điện áp quá mức giữa các tế bào trong một gói

Trong điều kiện bình thường, chênh lệch điện áp giữa các ô nối nối tiếp không được vượt quá 50 mV khi kết thúc sạc hoặc 100 mV khi kết thúc phóng điện. Nếu sự mất cân bằng vượt quá phạm vi này, điều đó cho thấy sự không nhất quán về công suất đáng kể giữa các ô - khả năng cân bằng của BMS không thể duy trì sự cân bằng hiệu quả nữa và dung lượng sử dụng cũng như tuổi thọ của toàn bộ bộ pin sẽ bị hạn chế. Tình huống này thường yêu cầu kiểm tra chuyên nghiệp bộ pin để đánh giá xem liệu các tế bào có mất cân bằng điện áp quá mức có cần được thay thế hay không.

Bảng sau đây tóm tắt các khuyến nghị chẩn đoán và xử lý các hiện tượng bất thường về điện áp phổ biến:

8. Xu hướng phát triển công nghệ pin lithium điện áp cao

Với nhu cầu liên tục về mật độ năng lượng cao hơn từ thiết bị điện tử tiêu dùng và vận tải điện, công nghệ pin lithium điện áp cao đang trở thành hướng nghiên cứu và phát triển quan trọng trong ngành.

Điện áp cắt sạc cho pin lithium ba loại phổ thông hiện nay là 4,20–4,35 V. Các nhà nghiên cứu đang khám phá các lộ trình kỹ thuật để nâng mức điện áp này lên 4,50 V hoặc cao hơn. Việc tăng điện áp cắt có nghĩa là nhiều ion lithium hơn có thể tách ra khỏi cực âm, về mặt lý thuyết sẽ cải thiện công suất thêm 20%–30%. Tuy nhiên, điện áp cao tạo ra những thách thức nghiêm trọng đối với độ ổn định của chất điện phân - chất điện phân gốc cacbonat thông thường trải qua quá trình phân hủy oxy hóa nhanh chóng trên 4,5 V, tạo ra khí và làm hỏng bề mặt điện cực. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang phát triển:

• Các chất phụ gia điện phân cao áp (chẳng hạn như ete flo và dung môi loại sulfone)
• Lớp phủ bề mặt cực âm điện áp cao (để ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa chất điện phân và cực âm)
• Chất điện phân thể rắn (về cơ bản giải quyết các hạn chế về độ ổn định của chất điện phân lỏng)

Sự giới thiệu của chất điện phân rắn được coi là giải pháp tối ưu để phá vỡ rào cản điện áp cao. Điện áp phân hủy oxy hóa của chất điện phân thể rắn cao hơn nhiều so với điện áp chất điện phân lỏng, về mặt lý thuyết hỗ trợ điện áp cắt điện tích từ 5 V trở lên, đồng thời loại bỏ căn bản các rủi ro an toàn liên quan đến rò rỉ chất điện phân lỏng. Hiện tại, pin lithium thể rắn vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm hàng loạt nhỏ; chi phí sản xuất và độ dẫn ion vẫn là những nút thắt kỹ thuật chính cần khắc phục.

9. Dụng cụ và phương pháp đo điện áp

Đối với người dùng cần đo điện áp pin lithium một cách độc lập (chẳng hạn như khi sửa chữa thiết bị điện tử hoặc kiểm tra tình trạng pin dự phòng), phương pháp đo chính xác cũng quan trọng không kém.

Công cụ đo lường cơ bản nhất là đồng hồ vạn năng kỹ thuật số (DMM) , với độ chính xác điển hình là ±0,5%–±1%, đủ để đánh giá trạng thái điện áp gần đúng của pin. Để đo: đặt đồng hồ vạn năng thành điện áp DC (DC V) ở phạm vi thích hợp (thường chọn phạm vi gần nhất trên điện áp cần đo), nối đầu dò màu đỏ với cực dương của pin và đầu dò màu đen với cực âm và đọc điện áp. Lưu ý rằng đồng hồ vạn năng đo điện áp mạch hở của pin (OCV) - pin phải được nghỉ ít nhất 30 phút (và pin dung lượng lớn trong 1 giờ trở lên) trước khi đo để đảm bảo điện áp đã ổn định gần giá trị cân bằng nhiệt động thực sự của nó.

Đối với người dùng cần đo điện áp riêng lẻ của nhiều ô nối tiếp, một thiết bị chuyên dụng kiểm tra điện áp di động có thể được sử dụng Các thiết bị này có thể đồng thời hiển thị điện áp riêng của từng tế bào, nhanh chóng xác định các tế bào có vấn đề với sự mất cân bằng điện áp quá mức.

10. Tóm tắt: Nguyên tắc cốt lõi của quản lý điện áp sạc pin lithium

Tổng hợp tất cả các nội dung trên, các nguyên tắc cốt lõi của việc quản lý điện áp sạc pin lithium có thể được tóm tắt như sau:

• Tuân thủ nghiêm ngặt điện áp cắt. Không bao giờ vượt quá điện áp cắt khi sạc đầy định mức trong khi sạc. Đây là tiêu chuẩn cơ bản tuyệt đối để sạc an toàn và không bao giờ được phép thỏa hiệp khi muốn có thêm dung lượng.
• Biết hóa chất pin của bạn. Hiểu hệ thống vật liệu được sử dụng trong thiết bị của bạn và các thông số điện áp tương ứng của nó, để bạn có thể đánh giá xem bộ sạc có phù hợp hay không và trạng thái sức khỏe của pin có bình thường hay không.
• Áp dụng trạng thái sạc một phần theo chu kỳ nếu có thể. Đặt giới hạn trên của mức sạc thấp hơn (ví dụ: 80%) và giới hạn dưới mức xả cao hơn (ví dụ: 20%) có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ chu kỳ của pin.
• Tin tưởng vào BMS tích hợp. Luôn cập nhật phần mềm và chương trình cơ sở của thiết bị để đảm bảo BMS luôn chạy trên cấu hình thông số mới nhất, an toàn nhất.
• Hành động kịp thời khi có sự bất thường về điện áp. Nếu phát hiện hành vi điện áp pin bất thường — chẳng hạn như điện áp thấp hơn hoặc cao hơn đáng kể so với dự kiến ​​sau khi sạc đầy — hãy điều tra và giải quyết vấn đề ngay lập tức. Đừng mạo hiểm và tiếp tục sử dụng pin vì rủi ro về an toàn có thể leo thang thành sự cố.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Câu hỏi 1: Tại sao điện áp đầu ra của bộ sạc (ví dụ: 5 V hoặc 9 V) khác với điện áp sạc của pin lithium (ví dụ: 4,2 V)?

Điện áp đầu ra của bộ sạc là đầu ra danh nghĩa của nó ra bên ngoài, dùng để cấp nguồn cho thiết bị thông qua cáp sạc. Bên trong thiết bị có một IC quản lý sạc chuyên dụng (PMIC hoặc IC sạc) giúp giảm điện áp đầu ra của bộ sạc và điều khiển chính xác điện áp đó trong phạm vi mà pin yêu cầu (ví dụ: 4,20 V). Do đó, người dùng không cần lo lắng bộ sạc 5 V hoặc 9 V sẽ làm hỏng pin — miễn là bộ sạc đáp ứng các thông số kỹ thuật của thiết bị, IC điều khiển bên trong sẽ tự động xử lý việc chuyển đổi điện áp và điều khiển sạc. Đối với các pin trần không có IC quản lý sạc bên trong (chẳng hạn như pin mẫu hoặc bộ lưu trữ năng lượng DIY), một IC chuyên dụng sạc pin lithium phải được sử dụng để phù hợp với điện áp cắt điện tích của tế bào.

Câu 2: Tại sao điện áp sạc của pin LFP lại thấp hơn nhiều so với pin lithium bậc ba?

Điều này được xác định bởi thế năng xen kẽ điện hóa khác nhau của hai vật liệu - một đặc tính hóa lý nội tại, không phải là một thông số kỹ thuật tùy ý. Cặp oxi hóa khử Fe²⁺/Fe³⁺ trong LFP tương ứng với điện thế xen kẽ khoảng 3,45 V (so với Li/Li⁺), trong khi LCO và lithium bậc ba có điện thế tương ứng trong khoảng 3,6–3,8 V. Đây là lý do tại sao hai hệ thống này về cơ bản có các cao nguyên điện áp làm việc và điện áp cắt khi sạc đầy khác nhau. Chính khả năng hoạt động thấp hơn này đã làm cho LFP ổn định hơn về mặt nhiệt động ở trạng thái được sạc đầy, đây là một trong những lý do cơ bản cho lợi thế an toàn của nó so với lithium bậc ba.

Câu hỏi 3: Có mối quan hệ trực tiếp giữa việc đo điện áp pin và dung lượng thực tế không?

Có một mối quan hệ nhất định, nhưng nó không phải là một mối quan hệ tuyến tính đơn giản và khác biệt đáng kể về mặt hóa học. Điện áp mạch hở của lithium bậc ba và LCO thay đổi tương đối rõ rệt với SOC (đường cong điện áp-SOC có độ dốc lớn hơn), khiến việc ước tính công suất còn lại từ điện áp trở nên tương đối trực quan. Tuy nhiên, LFP có một "bình nguyên" gần như nằm ngang trong đường cong điện áp–SOC của nó trong phạm vi 20%–90% SOC — nằm trong khoảng 3,2–3,3 V và hầu như không thay đổi — có nghĩa là ngay cả khi điện tích cạn kiệt từ 90% đến 20%, OCV hầu như không thay đổi. Chỉ dựa vào điện áp không thể xác định chính xác công suất còn lại của LFP; các phương pháp như đếm coulomb là cần thiết để ước tính SOC.

Câu hỏi 4: Điện áp bao nhiêu là bình thường khi thiết bị báo sạc 100% (đã sạc đầy)?

Điều này phụ thuộc vào thành phần hóa học của pin được sử dụng trong thiết bị và chiến lược kiểm soát sạc BMS. Đối với lithium ba cực tiêu chuẩn (ngắt 4,20 V), OCV sau khi sạc đầy thường là 4,15–4,20 V. Đối với lithium ba cực điện áp cao (ngắt 4,35 V), OCV nghỉ thường là 4,30–4,35 V. Đối với LFP (ngắt 3,65 V), OCV nghỉ thường là 3,60–3,65 V. Lưu ý rằng tỷ lệ phần trăm được thiết bị hiển thị là kết quả của Tính toán BMS và tối ưu hóa phần mềm và không tương ứng trực tiếp với các giá trị điện áp. So sánh tỷ lệ phần trăm giữa các thiết bị là vô nghĩa; nên sử dụng các thông số bình thường đã nêu của nhà sản xuất làm tham chiếu.

Câu 5: Điện áp pin giảm sau khi nghỉ ngơi có phải là điều bình thường không? Bao nhiêu giọt được coi là bất thường?

Có, việc điện áp của pin lithium giảm đôi chút sau khi sạc xong là điều hoàn toàn bình thường. Sự sụt giảm này có hai thành phần:

• Tiêu tán điện áp phân cực: Sau khi quá trình sạc kết thúc, gradient nồng độ (phân cực nồng độ) và chênh lệch tốc độ phản ứng (phân cực kích hoạt) bên trong tế bào cần thời gian để thư giãn. Sự sụt giảm điện áp này thường hoàn thành trong vòng vài phút đến vài giờ sau khi sạc.
• Tự xả tự nhiên: Sự sụt giảm điện áp chậm, từ từ do khả năng tự phóng điện vốn có của pin. Đây là một hiện tượng kéo dài (vài ngày đến vài tuần).

Nói chung, đối với các tế bào lithium bậc ba nghỉ trong 24 giờ sau khi sạc đầy, mức giảm điện áp không quá 20–30 mV là nằm trong phạm vi bình thường. Nếu điện áp giảm hơn 100 mV trong vòng 24 giờ sau khi nghỉ hoặc điện áp nghỉ thấp hơn đáng kể so với giá trị sạc đầy dự kiến, điều này có thể cho thấy tốc độ tự phóng cao bất thường hoặc ngắn mạch vi mô bên trong và nên kiểm tra chuyên nghiệp.