EnglishMắc song song và mắc nối tiếp pin lithium-ion
Nguyên tắc chung:
Pin được mắc thành khối pin dựa trên nguyên tắc đơn giản:
- Mắc nối tiếp tăng điện áp, mắc song song tăng dung lượng.
- Cân bằng cell: chỉ ráp các cell “cân bằng” vào khối– tức là sử dụng các cell có sự đồng nhất về áp và dung lượng.
Không bao giờ được mắc các loại pin có tính hóa học khác nhau, kích cỡ khác nhau hoặc thông số khác nhau. Càng phải chú ý nguyên tắc này khi khối pin được mắc nối tiếp, vì cả khối pin chỉ có sức mạnh tương tự cell yếu nhất. Các bạn liên tưởng chuyện này với sức mạnh của cả sợi dây xích được quyết định bởi mắt xích yếu nhất.
Ví dụ 1:
Pin laptop thường mắc bởi các cell li-ion 3.6V 2400mAh, với cấu hình 4S2P (4 cell nối tiếp và 2 cell song song) nhằm đạt tới khối pin 14.4V 4800mAh. Người ta dùng các tấm đệm giữa các cell nhằm tránh vỏ pin tiếp xúc nhau gây nên ngắn mạch.
Ví dụ 2:
Một cell yếu có thể không hỏng ngay lập tức nhưng sẽ cạn kiệt nhanh hơn các cell mạnh khi có tải. Khi sạc, cell yếu sẽ đầy trước các cell mạnh vì dung lượng nhỏ và nó sẽ bị áp lực phải hoạt động trong tình trạng overcharge lâu hơn các cell khác. Khi xả, cell yếu sẽ cạn trước và nó phải làm việc quá tải theo áp lực của các cell mạnh khác, vì vậy nó nhanh hỏng hơn.
Mắc nối tiếp.
Nếu bạn cần điện không phổ dụng, chẳng hạn như 9,50 V, hãy kết nối 5 pin axit chì, 8 pin NiMH hoặc NiCd hoặc 3 pin Li-ion nối tiếp. Điện áp khối pin cuối không cần phải chính xác miễn là cao hơn điện áp mà thiết bị cần tiêu thụ. Nguồn cung cấp 12V có thể thay thế cho 9,50V. Hầu hết các thiết bị chạy bằng pin đều có thể chịu được dung sai điện áp; tuy nhiên, hãy tuân thủ thông số điện áp xả cuối .
Pin điện áp cao giữ cho kích thước dây dẫn nhỏ. Máy công cụ cầm tay chạy bằng pin là 12V và 18V; (phiên bản cao cấp hơn sử dụng pin 24V và 36V). Hầu hết xe đạp điện đều có pin Li-ion 36V, một số loại 48V. Ngành công nghiệp ô tô muốn tăng pin khởi động từ 12V (14V) lên 36V, hay còn gọi là 42V, bằng cách lắp 18 cell axit chì nối tiếp.
Một số xe hybrid nhẹ chạy bằng pin Li-ion 48V và sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC thành 12V cho hệ thống điện. Việc khởi động động cơ thường được thực hiện bằng pin axit chì 12V riêng biệt. Những chiếc xe hybrid đời đầu chạy bằng pin 148V; xe điện thường là 450–500V. Loại pin như vậy cần hơn 100 cell Li-ion được kết nối nối tiếp.
Hình 1: áp cao 14.4V không đạt được.
Hình 1 minh họa một bộ pin trong đó “cell 3” chỉ tạo ra 2,8V thay vì mức danh nghĩa đầy đủ là 3,6V. Với điện áp hoạt động bị giảm (13.6V thay vì 14.4V), bộ pin này đạt điểm kết thúc xả sớm hơn một bộ pin thông thường. Điện áp giảm và thiết bị tắt sớm với thông báo “Pin yếu”.
Pin trong máy bay không người lái (Drones) và đồ chơi điều khiển từ xa cần dòng tải cao thường có hiện tượng sụt điện áp bất ngờ nếu một cell trong chuỗi pin bị yếu. Việc kéo dòng điện tối đa sẽ gây căng thẳng cho các cell yếu, dẫn đến khả năng xảy ra sự cố. Đọc điện áp sau khi sạc sẽ không xác định được bất thường này; cần phải kiểm tra điều này bằng cách kiểm tra độ cân bằng pin hoặc kiểm tra dung lượng bằng máy chuyên dụng.
Tapping into a Series String – Kéo áp bất kỳ từ cụm pin có áp cao hơn
Có nên câu áp bất kỳ từ cụm pin có áp cao hơn không?
Câu trả lời đơn giản là không.
Có một cách làm phổ biến là kéo áp từ cụm pin axit chì mắc nối tiếp để có được điện áp thấp hơn. Nhiều thiết bị chạy trên một cụm pin 24V, tuy nhiên các thiết bị phụ trợ của nó chạy nguồn 12V, điện áp này có thể câu được ở điểm giữa.
Không nên làm như vậy vì nó tạo ra sự mất cân bằng cell khi một bên của cụm pin phải làm việc nhiều hơn bên kia. Trừ khi bạn sử dụng một bộ sạc đặc biệt để cân bằng cell, còn không pin sẽ giảm tuổi thọ, lý do như sau:
Khi sạc một cụm pin axit chì không cân bằng bằng bộ sạc thông thường, phần sạc thiếu có xu hướng bị sunfat hóa vì các cell không bao giờ được sạc đầy. Phần điện áp cao của pin không nhận được tải bổ sung có xu hướng bị sạc quá mức và điều này dẫn đến ăn mòn và mất nước do khí hóa. Xin lưu ý rằng bộ sạc thông thường sẽ dựa vào áp trung bình và chấm dứt quá trình sạc cho phù hợp.
Câu áp một phần cũng khá phổ biến đối với pin Li-ion và pin niken ; kết quả tương tự như axit chì: tuổi thọ của pin giảm. Các thiết bị mới hơn sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC để cung cấp điện áp chính xác. Ngược lại, xe điện và xe hybrid sử dụng pin có áp khác nhau cho từng hệ thống.
Mắc song song
Nếu cần dòng điện cao hơn và không có sẵn các cell lớn hơn hoặc không phù hợp với thiết kế, một hoặc nhiều cell có thể được kết nối song song. Hầu hết các hóa chất pin cho phép cấu hình song song mà không gặp trục trặc gì.
Một cell có điện trở cao trong một mạch mắc song song ít gây ra vấn đề hơn so với khi mắc nối tiếp. Tuy vậy nếu một cell hỏng sẽ làm giảm khả năng tải tổng thể của pin. Giống như động cơ chỉ đánh lửa trên ba xi-lanh thay vì trên cả bốn xi-lanh. Ngược lại, chập điện nghiêm trọng hơn vì cell bị lỗi sẽ hút năng lượng từ các cell khác, gây ra nguy cơ hỏa hoạn. Hầu hết các cái gọi là chập điện đều nhẹ và biểu hiện dưới dạng tự xả cao.
Một ngắn mạch tổng thể có thể xảy ra thông qua đảo ngược cực hoặc sự phát triển của các nhánh dendrite. Các khối pin lớn thường trang bị một cầu chì ngắt kết nối cell hỏng khỏi mạch song song nếu nó bị chập. Hình 5 minh họa cấu hình song song với một cell bị lỗi.
H2 Một cell yếu sẽ làm giảm dung lượng cả khối pin.
Một cell bị ngắn mạch có thể gây ra nhiệt độ quá cao và mang mối nguy hiểm cháy nổ.
Mắc nối tiếp và mắc song song
Cấu hình nối tiếp/song song được hiển thị trong Hình 3 cho phép thiết kế linh hoạt và đạt được điện áp và dòng điện mong muốn dựa trên cell pin tiêu chuẩn
Công suất 1 cell pin là 3.6V x 3.4Ah = 12,24Wh.
Vậy tổng khối pin gồm 4 cell có công suất là: 4 x 12,24Wh = 48,96Wh
Vận chuyển pin sạc bằng tàu bay hoặc tàu thủy mà không bị xếp vào hàng hóa nguy hiểm là pin dưới 97,92Wh.
Li-ion thích hợp với cấu hình nối tiếp/song song nhưng các cell cần được giám sát để giữ trong giới hạn điện áp và dòng điện quy định. Các mạch (IC) được gắn vào khối pin thường bán trên thị trường để quản lý tối đa 13 cell Li-ion. Các khối lớn hơn cần IC được thiết kế riêng, và điều này áp dụng cho pin xe đạp điện, xe hybrid và Tesla Model 85, loại pin này mắc hơn 7000 cell 18650 để tạo nên gói 90kWh.
Đọc cấu hình pin như thế nào?
Câu trả lời đơn giản: Đọc số lượng cell nối tiếp trước, sau đó là các cell song song. Ví dụ: 10s5p, 2s2p….
Với Li-ion, người ta tạo các chuỗi song song trước, sau đó mắc nối tiếp các cụm này với nhau. Việc này giúp giảm độ phức tạp và kiểm soát điện áp khi đóng pin.
Với NiCd, người ta thường tạo các chuỗi nối tiếp trước rồi đặt chúng song song, điều này dựa trên cơ chế hóa học của loại pin này.
Các thiết bị bảo vệ trong khối pin
Điện trở nhiệt thuận (Positive Temperature Coefficient Switches PTC) và Thiết bị ngắt sạc (CID) bảo vệ pin khỏi tình trạng quá dòng và quá tải. Mặc dù được khuyến nghị sử dụng để đảm bảo an toàn trong một khối pin 2 hoặc 3 cell, các thiết bị bảo vệ này lại thường bị loại bỏ trong các loại pin nhiều cell lớn hơn, chẳng hạn như pin cho máy công cụ cầm tay. PTC và CID sẽ ngưng hoạt động của các cell có tình trạng quá dòng/ quá tải, tuy nhiên, chúng sẽ đóng lần lượt. Trong khi một số cell bị ngắt, các cell còn lại phải làm việc trong tình trạng quá tải. Tình trạng này có thể gây ra hiện tượng thermal runaway trước khi các biện pháp an toàn khác còn lại được kích hoạt.
Một số cell có PCT và CID tích hợp sẵn; các thiết bị bảo vệ này cũng có thể được thêm vào sau đó. Một kỹ sư thiết kế cần biết nguyên tắc bất kỳ thiết bị an toàn nào cũng có thể thất bại.
Kết luận: Nguyên tắc cơ bản để sử dụng pin sạc lại an toàn trong gia đình:
- Quan sát đúng cực khi sạc pin sạc. Đảo ngược cực có thể gây ra hiện tượng đoản mạch, dẫn đến cháy nổ.
- Rút sạc khi pin đã no. Bộ sạc tiêu dùng trên thị trường có thể không áp dụng đúng mức sạc nhỏ giọt khi sạc đầy (trickle charge) và pin có thể quá nóng.
- Chỉ sạc ở nhiệt độ phòng.
