[100daysTIL] Day 5 - Lithium-ion Batteries Charging : An Overview

Yo! Lại là mình Hoàng Anh đây. Hôm nay mọi người có khỏe không, có đúc kết được gì cho một ngày của mình chưa? Ngày hôm nay của mình tuy không thật thú vị nhưng mà mình cũng đã hiểu ra được một số vấn đề. Và vấn đề mình muốn nhắc tới ngày hôm nay chính là Pin Lithium-ion, cùng theo dõi với mình nhé =)))

Hình được lấy từ trang web https://www.batteryjunction.com/panasonic-ncr18650b-3400.html

Lithium-ion là loại pin có thể sạc đi sạc lại rất nhiều lần, nó được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tử điển hình nhất phải kể đến là điện thoại và các dòng máy tính đời đầu. Sở dĩ được ứng dụng rộng rãi như vậy là vì kích thước nhỏ, gọn, dung lượng pin lớn và giá thành phải chăng. Nhưng nó cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro khi sử dụng như dễ chập cháy, tuổi thọ pin không cao. Đối với những sinh viên ngành điện tử, không có nhiều kinh phí như mình thì dòng pin này là thích hợp nhất rồi. 

Điện áp của pin bị ảnh hưởng bởi dung lượng của nó, nên chúng ta có thể kiểm tra dung lượng của pin một cách tương đối thông qua điện áp nằm giữa 2 cực của nó. Ví dụ như hình ở trên điện áp bình thường của Pin là 3.7V. Khi sử dụng thì dung lượng pin bị giảm theo thời gian, nên mức điện áp lúc này sẽ nhỏ hơn giá trị 3.7V, nếu giá trị điện áp nhỏ hơn ngưỡng 2,5V thì sẽ không thể sạc được nữa và lúc này pin rơi vào trạng thái over-discharge.

Tổng quan về quá trình sạc pin Lithium

Sạc pin gồm có 3 quá trình chính là: Sạc trước, sạc ổn dòng và sạc ổn áp.

Hình được lấy từ Datasheet của IC sạc MC32BC3770 của hãng NXP Semiconductors

1. Pre-Charge (Sạc trước)
   
   Chế độ sạc trước được bật khi điện áp của pin ở ngưỡng điện áp thấp. Lúc này IC sẽ tiến hành sạc chậm để điện áp của pin đạt ngưỡng ~3.5V,  trong giai đoạn này dòng sạc được giữ ổn định. (Trong sơ đồ là 150 - 450mA)
2. Sạc ổn dòng
   
   Sạc ổn dòng diễn ra ở đầu chu trình sạc, lúc này điện áp sẽ tăng dần theo thời gian và dòng điện được dữ không đổi ở mức 0.1C đến 0.5C (Trong đó C là dung lượng của pin - Ví dụ trong hình là 100 - 2000mA). Dòng điện càng lớn thì thời gian sạc ổn dòng càng ngắn, pin sẽ nhanh nóng hơn, và thời gian sạc ổn áp được kéo dài lâu hơn. Kết thúc quá trình sạc ổn dòng, dung lượng pin rơi vào khoảng 70%. (Trong sơ đồ là kết thúc quá trình Fast Charge)
3. Sạc ổn áp
   
   Trong giai đoạn này điện áp pin được giữ ổn định ở mức 4.2V, và dòng sạc bắt đầu giảm dần. Khi giảm về giá trị nhỏ hơn 3%C, thì chế độ sạc ổn áp chính thức kết thúc (Trong hình trên giá trị kết thúc là 100mA), lúc này IC sẽ tự động ngưng sạc. 

Ngoài ra, IC còn hỗ chợ chế độ Recharge, tức là tái kích hoạt quá trình sạc sau khi điện áp của pin giảm xuống dưới ngưỡng VRCH . Nhờ vậy điện áp pin được giữ ở mức ổn định, tránh được hiện tượng over-charge và giúp kéo dài tuổi thọ của pin.

Tổng quan về Multi-cell và nguyên lý cân bằng pin

Trong các ứng dụng lớn, các pin sẽ không hoạt động tách rời mà thường được ghép song song hoặc nối tiếp với nhau. Và ở đây chúng ta lại phát sinh ra một vấn đề mới đó là cân bằng pin (cell-ballancing technique). Vậy câu hỏi đặt ra là, tại sao lại cần cân bằng pin? Sau đây là một số nguyên nhân dẫn tới vấn đề này như: Thông số các pin do nhà sản xuất cung cấp có sai số nhất định; trong quá trình hoạt động, nhiệt độ ảnh hưởng lên mỗi pin không đều nhau dẫn đến tuổi thọ của các pin không đồng đều, thêm vào đó một số pin sẽ có điện áp cao hơn, và một số thì thấp hơn nên các pin không cân bằng về mặt điện áp.

Điều này sẽ làm nảy sinh vấn đều, pin có điện áp cao hơn sẽ đầy trước trong khi một số pin còn lại chưa đầy. Nếu vẫn tiếp tục sạc, pin đó sẽ bị over-charge khiến nhiệt độ và áp suất tăng cao, làm giảm tuổi thọ của pin, thậm chí phá hỏng pin đó. Ngược lại, trong quá trình xả, pin có điện áp thấp hơn sẽ bị sụt áp nhanh hơn, nếu vẫn tiếp tục xả sâu thì pin đó sẽ bị over-discharge, làm giảm tuổi thọ của pin. Khi một pin bị hỏng, cả bộ pin đó cũng ảnh hưởng theo và phải thay thế hoàn toàn bằng một bộ pin mới.

Để giải quyết vấn đề đó, kỹ thuật cân bằng pin ra đời. Dưới đây là sơ đồ mô tả mạch điện của kỹ thuật cân bằng pin:

Hình được lấy từ bài viết Lithium Cell Charging and Battery Management của tác giả Rod Elliott

Có hai kiểu cân bằng là chủ động và thụ động, trên hình vẽ mô tả cân bằng thụ động. Hệ thống này, khá đơn giản, hoạt động ổn định nhưng bù lại không tối ưu về mặt năng lượng. Thích hợp với các ứng dụng có từ (2 - 5 pin), tuy nhiên lại không thích hợp với các ứng dụng lớn như xe đạp điện và ô tô vì sẽ dẫn tới chi phí cao hơn cho mỗi lần sạc. 

1. Hệ thống hiển thị trong Hình A sử dụng tín hiệu điều khiển tới các IC sạc để giảm dòng điện ngay sau khi pin đầu tiên trong gói đạt đến điện áp tối đa. Điện trở như được hiển thị có thể cho dòng điện tối đa 75mA đi qua ở mức 4.2V, và bộ sạc không được cung cấp nhiều hơn mức này. Mỗi điện trở sẽ chỉ tiêu tán 315mW, nhưng điều này tăng lên nhanh chóng cho một bộ pin rất lớn và đó là nơi hoạt động cân bằng pin trở nên cực kỳ quan trọng.
2. Cách thiết kế trong Hình B rất đơn giản, nhưng cũng khá hữu dụng. Ba biến trở 20k được điều chỉnh để cung cấp chính xác 4.2V trên mỗi pin. Khi cân bằng có hiệu lực (ở cuối chu trình sạc), dòng điện từ bộ sạc phải nhỏ hơn 50mA, hoặc các bộ điều chỉnh shunt sẽ không thể giới hạn điện áp pin ở mức 4.2V được nữa.
   Có một hạn chế quan trọng đối với loại cân bằng này - nếu một pin bị "hỏng" (điện áp thấp hoặc bị chập), các pin còn lại sẽ bị quá tải nghiêm trọng!

Trên đây là một số thông tin mình đã tìm hiểu được liên quan tới pin Lithium. Hy vọng nó sẽ hữu ích cho các bạn, và chắc chắn là sẽ hữu ích cho mình rồi. Lời cuối cùng xin cảm ơn các bạn đã đón đọc số hôm nay của mình ^^