Sản xuất pin lithium-ion: Cân bằng cell pin: mục đích và nguyên tắc (B1)

Nhà sản xuất cell pin không thể dự đoán được dung lượng khi pin ra khỏi dây chuyền sản xuất, điều này đăc biệt đúng đối với pin axit chì và các pin khác có tích hợp công đoạn làm thủ công. Thậm chí các dây chuyền hoàn toàn tự động hóa trong phòng sạch cũng cho ra các cell khác nhau. Việc phân loại cell thành “grade’ (loại) được coi là một phần của quá trình kiểm soát chất lượng sản xuất. Những cell có dung lượng cao sẽ được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt, bán giá cao. Các cell “tầm trung” sẽ được sử dụng trong ứng dụng công nghiệp và thương mại, dự án. Các cell có dung lượng thấp hơn sẽ được bán ra trong hàng tiêu dùng.  Không có phương pháp nào cải thiện được dung lượng pin như nhiều người vẫn đồn thổi. Khi mua pin, bạn nên nhận ra sự khác biệt về dung lượng / chất lượng, điều này thường biểu hiện rõ ràng bằng tuổi thọ pin.

Việc sản xuất pin bằng cách ghép các cell nhỏ hơn thành khối lớn thì cân bằng pin là một thao tác quan trọng, đặc biệt đối với pin công nghiệp, và không có việc ghép nào là hoàn hảo. Nếu hơi lệch, các cell gốc niken sẽ thích ứng với nhau sau một vài chu kỳ sạc/xả tương tự như các cầu thủ trong một đội chơi thể thao sẽ có sức chơi tương đương nhau sau một thời gian tương tác. Các cell chất lượng cao tiếp tục hoạt động lâu hơn so với các cell chất lượng thấp và sự phai dung lượng diễn ra đều hơn và được kiểm soát. Mặt khác, các cell grade thấp hơn sẽ có sự “chia rẽ” rõ rệt và nhanh hơn theo thời gian và quá trình sử dụng, và các lỗi do cell lệch áp cũng phổ biến hơn. Cell không cân bằng là nguyên nhân phổ biến gây ra lỗi ở pin công nghiệp. Các nhà sản xuất dụng cụ điện chuyên nghiệp và thiết bị y tế rất cẩn thận khi lựa chọn cell để đạt được độ tin cậy tốt và tuổi thọ cao của pin.

Tại sao phải cân bằng cell pin?

Chúng ta hãy xem điều gì xảy ra với một cell yếu được cho vào làm việc với các cell mạnh hơn trong một khối nhé. Khi xả, cell yếu có dung lượng thấp hơn và xả nhanh hơn so với các cell mạnh. Việc cạn kiệt trước tiên khiến các cell mạnh bắt chúng tiếp tục làm việc đến mức tải cao có thể đẩy cell yếu vào đảo cực. Niken-cadmium có thể chịu được điện áp ngược là -0,2V ở một vài miliampe, nhưng vượt quá mức này sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch điện vĩnh viễn. Khi sạc, cell yếu đạt mức sạc đầy trước, sau đó chuyển sang trạng thái sạc quá tải sinh nhiệt, trong khi các cell mạnh vẫn tiếp tục chấp nhận sạc và giữ mát. Cell yếu gặp bất lợi về cả sạc và xả; nó tiếp tục yếu đi cho đến khi từ bỏ “cuộc chơi”.

Dung sai dung lượng giữa các cell trong pin công nghiệp phải là +/– 2,5 %. Các khối điện áp cao được thiết kế cho tải nặng và phạm vi nhiệt độ rộng phải giảm dung sai dung lượng hơn nữa. Có mối tương quan mạnh mẽ giữa sự cân bằng của cell và tuổi thọ.

Hình 1 minh họa đồ thị hoạt động theo số chu kỳ của 05 khối pin Li-ion cũ biến thiên cùng sự cân bằng của các cell. Khối pin là 4S2P 14.8V 10Ah. Sự lệch dung lượng là 5, 6, 7 và 12 %. Qua các chu kỳ, tất cả các pin đều cho thấy mức mất dung lượng lớn trong 18 chu kỳ, nhưng mức giảm lớn nhất xảy ra với khối pin có độ lệch dung lượng 12%.

 

 

Hình 1: Sự cân bằng cell ảnh hưởng tới biểu hiện của pin qua các chu kỳ.
Các pin có các cell cân bằng hoạt động tốt hơn cell có độ lệch dung lượng trong chuỗi mắc nối tiếp.

Các cell Li-ion chất lượng có dung lượng đồng đều và hệ số tự xả thấp khi mới. Việc thêm động tác cân bằng cell là có lợi, đặc biệt là khi pin cũ đi và hiệu suất của mỗi cell giảm theo tốc độ riêng của nó. Một vấn đề phát sinh khi một cell trong chuỗi pin mất dung lượng hoặc phát triển khả năng tự xả cao. Điều này giải thích cho hiện tượng có một số điểm nóng cục bộ trong các khối pin lớn. Các cell chất lượng thấp cũng có thể dễ bị lão hóa không đều. Pin sắt LFP có hệ số tự xả cao hơn các loại Li-ion khác và điều này làm phức tạp quá trình cân bằng cell (Xem thêm: Tự xả cao ảnh hưởng tới hoạt động của pin )

Một chuyên gia về pin đã từng nói: “Tôi chưa thấy mạch cân bằng cell nào hiệu quả”. Đối với các bộ pin nhiều cell, ông đề xuất sử dụng các cell Li-ion chất lượng đã được phân loại tại nhà máy theo dung lượng và điện áp. Điều này hiệu quả đối với các bộ pin Li-ion lên đến 24V; các bộ pin trên 24V phải có cân bằng. Hầu hết cân bằng là thụ động; cân bằng chủ động phức tạp và chỉ được sử dụng trong các hệ thống rất lớn.

Cân bằng thụ động xả các cell điện áp cao trên một điện trở trong quá trình sạc ở đường cong SoC 70–80 %; cân bằng chủ động đưa điện tích bổ sung từ các cell điện áp cao hơn trong quá trình xả sang các cell có điện áp thấp hơn. Cân bằng chủ động là phương pháp được ưa chuộng đối với pin EV, nhưng nó yêu cầu bộ chuyển đổi DC-DC. Dòng điện đã hiệu chỉnh chỉ nằm trong phạm vi mA nhất định. Áp dụng tải nặng trong quá trình tăng tốc, sau đó sạc nhanh với phanh tái tạo đòi hỏi các cell có độ cân bằng tốt trong pin điện áp cao để đạt được tuổi thọ dự kiến. Vì lý do chi phí, pin EV chủ yếu sử dụng cân bằng thụ động.

Các ứng dụng cell đơn trong điện thoại di động và máy tính bảng không cần cân bằng cell. Dung lượng giữa các cell có thể thay đổi và mỗi cell được phép già đi theo cách riêng của nó mà không gây hại, ngoại trừ việc thời gian chạy ngắn hơn. Người tiêu dùng chấp nhận điều này như một phần của việc phải lên kế hoạch thay pin định kỳ.

Tất cả các cell Li-ion đều cần một mạch bảo vệ đảm bảo rằng các cell được kết nối nối tiếp không vượt quá 4,25V/cell (hầu hết là Li-ion) khi sạc và ngắt kết nối khi cell yếu nhất giảm xuống 2,80V/cell hoặc thấp hơn. Việc ngắt kết nối khi xả ngăn không cho các cell mạnh hơn đẩy cell cạn kiệt và đảo cực. Mạch bảo vệ hoạt động như một thiên thần hộ mệnh bảo vệ những cell yếu hơn khỏi bị những cell mạnh hơn bắt nạt. Điều này có thể giải thích tại sao các bộ pin Li-ion cho dụng cụ điện có tuổi thọ cao hơn pin gốc niken không có mạch bảo vệ. Mạch bảo vệ cũng bảo vệ pin khỏi dòng điện tải quá mức (Xem  Mạch bảo vệ )

Theo thời gian và quá trình sử dụng, các cell pin trở nên không đồng bộ, và điều này cũng áp dụng cho axit chì. Các cell phát triển mức tự xả cao sẽ dẫn đến mất cân bằng và hỏng hóc sau đó. Các nhà sản xuất xe golf, giàn làm việc trên không, máy chà sàn và các loại xe chạy bằng pin khác khuyến nghị nên sạc cân bằng nếu chênh lệch điện áp giữa các cell lớn hơn +/– 0,10V hoặc nếu trọng lượng riêng (specific gravity SG) thay đổi hơn 10 điểm (0,010 trên thang SG).

Sạc cân bằng là sạc trên một lần sạc để đưa tất cả các cell pin đến trạng thái bão hòa sạc đầy. Dịch vụ này phải được thực hiện cẩn thận vì sạc quá mức có thể gây hại cho pin (Xem Sạc cân bằng ) Sự chênh lệch trọng lượng riêng 40 điểm gây ra vấn đề về hiệu suất và cell pin được coi là lỗi. (Sự chênh lệch 40 điểm có nghĩa là một cell có SG là 1.200 và một cell khác là 1.240.) Sạc có thể tạm thời bù đắp cho sự thiếu hụt, nhưng lỗi có thể sẽ tái phát sau vài giờ do cell pin bị lỗi tự xả cao.