Pin còn sống được trong bao lâu thì phải thay thế? Chỉ số RUL của trạm pin lithium-ion lớn

Định nghĩa RUL

Tuổi thọ hữu ích còn lại- Remaining Useful Life (RUL) – là thời gian pin còn phục vụ được trong nhiệm vụ của mình trước khi bị buộc nghỉ hưu.

RUL có mối quan hệ mật thiết với chỉ số State of health  SoH – tình trạng sức khỏe. Vì vậy, ước đoán chính xác SoH sẽ ra được chỉ số RUL.

Pin hiếm khi hỏng đột ngột; hầu hết dung lượng phai tiệm cận theo đường SoH và có thể dự đoán được khi nào pin chết. Đôi khi có bất thường xảy ra; thường do quá trình lạm dụng quá mức dẫn đến tăng nội trở hoặc đoản mạch.

Thiết lập RUL dựa vào định mức Yêu cầu hoạt động tối thiểu (Minimum Viable Performance MVP) của trạm pin. Đây là mức mà dưới mức đó pin không còn khả năng phục vụ cho ứng dụng cụ thể đang làm việc. Thông thường người ta cài đặt MVP ở ngưỡng dung lượng 80%. (Thay vì dịch vụ 10 giờ khi dung lượng 100%, thì mức 80% sẽ chỉ cung cấp thời gian chạy 8 giờ).

Ắc quy khởi động là ngoại lệ, MVP thường đặt ở 40% do chúng có khả năng chịu đựng tốt hơn và vẫn có thể khởi động ở mức dung lượng 30% hoặc thấp hơn. Đạt kết quả kiểm tra dung lượng trên 40% sẽ được gia hạn một năm, có giá trị cho lần bảo dưỡng tiếp theo.

Hình 1 minh họa mức giảm dung lượng của ắc quy khởi động khi hết tuổi thọ ở mức 30%.

Hình 1: RUL của ắc quy khởi động ước tính là 1 năm khi MVP = 40%. Trong hầu hết các loại pin khác, MVP thường đặt là 80%.

Có thể ước tính RUL chính xác hơn bằng cách theo dõi SoH của pin bằng phân tích đám mây. Điều này có thể thực hiện được bằng cách lưu trữ dữ liệu hiệu suất nhận được từ bộ sạc, máy phân tích, máy monitor và máy kiểm tra nhanh theo thời gian.

Các ngành công nghiệp có phân tích đám mây là y tế, an toàn giao thông, quốc phòng, hậu cần, máy bay không người lái drones và vận hành rô-bốt bằng cách theo dõi tình trạng mất dung lượng theo thời gian và ước tính thời gian giảm xuống đường màu đỏ MVP biểu thị kết thúc vòng đời. Đường màu đỏ sẽ được thiết lập bởi target Selector tích hợp sẵn.

Pin sau một ca làm việc phải còn 20% dung lượng. Nếu lượng pin còn lại này liên tục ở mức thấp, MVP phải được đặt cao hơn để đảm bảo đủ dung lượng cho các sự kiện bất ngờ. Tuy nhiên, với SoC dồi dào, ngưỡng MVP có thể được hạ xuống để pin làm việc lâu hơn. Việc quan sát lượng điện còn lại giống như phi công máy bay mang đủ nhiên liệu để hạ cánh an toàn khi có gió ngược.

Phương pháp kiểm tra RUL 

Đánh giá chẩn đoán và thử nghiệm pin khác nhau tùy theo hệ thống và ứng dụng pin. Để ước tính RUL, phải theo dõi các chỉ số dung lượng theo thời gian và đây là một thách thức đối với các hệ thống pin lớn. Hầu hết các Hệ thống quản lý pin (BMS) đều đo điện áp, nội trở và nhiệt độ. Các thông số này không thể dùng để tính toán dung lượng; tuy nhiên, với dữ liệu lịch sử và MVP đã biết, có thể dự đoán RUL theo thời gian. Các phương pháp thử nghiệm pin phổ biến nhất là:

1. Phân tích dữ liệu lớn với Artificial Neural Networking (ANN). Dấu ngày, thói quen tải và môi trường hoạt động được thêm vào dữ liệu ANN. Phương pháp này không kiểm tra pin bằng bằng dấu hiệu điện hóa mà dùng dữ liệu ngoại vi của hệ thống lưu trữ pin (BSS).
2. Đánh giá pin bằng phương pháp quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) với quét tần số và phân tích biểu đồ Nyquist bằng trí tuệ nhân tạo. EIS có thể đánh giá SoH của từng mô-đun pin bằng ma trận có nguồn gốc từ pin có SoH đa dạng.
3. Trích xuất dữ liệu SoH từ BMS . RUL từ BMS thông thường dựa trên số chu kỳ, độ sâu xả và đếm coulomb nếu có chu kỳ sâu. BMS sẽ tìm thấy các bất thường nhưng đánh giá RUL không tốt do không biết dung lượng khả dụng của pin.
4. Đọc Dung lượng sạc đầy (Full charge capacity -FCC) của pin SMBus. FCC biểu thị dung lượng kỹ thuật số dựa trên phép đếm coulomb trong quá trình sạc và xả tại hiện trường. Dữ liệu có sẵn nhưng có thể xảy ra sai sót khi sử dụng ngẫu nhiên với những lần sử dụng ngẫu nhiên và có thể hiệu chỉnh bằng hiệu chuẩn.
5. Áp dụng chu kỳ đầy đủ với máy phân tích pin, máy này phù hợp với pin nhỏ gọn trong các ứng dụng cầm tay. Máy phân tích pin hiện đại hiệu chuẩn smart battery, chuẩn bị cho khối pin sẵn sàng sau khi lưu kho, chuẩn bị để pin có thể vận chuyển bằng máy bay, và kiểm tra dung lượng hóa học trước quyết định thay thế.

Phân tích đám mây

Bộ sạc hiện đại bao gồm các tính năng chẩn đoán đánh giá dung lượng bằng cách đọc FCC của pin SMBus.

Pin thông thường sử dụng công nghệ phân tích  Parser bằng cách thiết lập trạng thái sạc còn lại (SoC) với bộ lọc thông minh và sau đó đếm coulomb để sạc đầy bộ pin. SoC cộng với điện tích sạc sẽ cho ra dung lượng khả dụng. Bộ phân tích cú pháp cần một “đường băng” dài để đo dung lượng; chỉ riêng điện tích đỉnh không thể đưa ra kết quả đọc đáng tin cậy.

Hình 3: Bộ phân tích cú pháp đo dung lượng của pin Li-ion bằng cách đọc điện tích còn lại bằng Bộ lọc Kalman mở rộng và đếm coulomb để sạc đầy.
Điện tích còn lại cộng với năng lượng được thêm vào cho thấy dung lượng có thể sử dụng.

 

Phần kết luận

Kết nối đám mây mở đường cho Hệ thống bảo trì đảm bảo độ tin cậy (RAMS) trong việc làm cho pin trở nên minh bạch với người dùng và người giám sát hoạt động của ứng dụng. Chẩn đoán pin đã tụt hậu so với các dịch vụ khác, chẳng hạn như RCM (Bảo trì tập trung vào độ tin cậy) dự đoán tình trạng hao mòn cơ học. Đã xa rồi thời pin được lắp đặt rồi quên lãng. Biết RUL cho phép thay thế theo lịch trình trước khi xảy ra lỗi. Các hệ thống chẩn đoán tiên tiến giúp quản lý rủi ro trong pin.