Lý thuyết sạc và xả pin lithium

Lý thuyết sạc và xả pin lithium

1.1 Trạng thái tính phí (SOC)

Trạng thái sạc có thể được định nghĩa là trạng thái năng lượng điện có sẵn trong pin, thường được biểu thị bằng phần trăm. Do năng lượng điện khả dụng thay đổi tùy thuộc vào dòng sạc và xả, nhiệt độ và hiện tượng lão hóa nên định nghĩa trạng thái sạc cũng được chia thành hai loại: Trạng thái sạc tuyệt đối (ASOC) và Trạng thái sạc tương đối (RSOC). Phạm vi trạng thái sạc tương đối thường là 0% -100%, trong khi pin là 100% khi được sạc đầy và 0% khi xả hết. Trạng thái sạc tuyệt đối là giá trị tham chiếu được tính toán dựa trên giá trị dung lượng cố định được thiết kế khi pin được sản xuất. Trạng thái sạc tuyệt đối của pin mới được sạc đầy là 100%; Ngay cả khi pin cũ đã được sạc đầy, nó cũng không thể đạt 100% trong các điều kiện sạc và xả khác nhau.

Hình dưới đây cho thấy mối quan hệ giữa điện áp và dung lượng pin ở các mức xả khác nhau. Tốc độ xả càng cao thì dung lượng pin càng thấp. Khi nhiệt độ xuống thấp, dung lượng pin cũng sẽ giảm.

                          Hình 1. Mối quan hệ giữa điện áp và công suất ở các tốc độ phóng điện và nhiệt độ khác nhau

Điện áp sạc tối đa 1,2

Điện áp sạc cao nhất có liên quan đến thành phần hóa học và đặc tính của pin. Điện áp sạc của pin lithium thường là 4,2V và 4,35V, và các giá trị điện áp có thể thay đổi tùy thuộc vào vật liệu cực âm và cực dương.

1.3 Đã sạc đầy

Khi chênh lệch giữa điện áp pin và điện áp sạc cao nhất nhỏ hơn 100mV và dòng sạc giảm xuống C/10 thì pin có thể được coi là đã sạc đầy. Đặc điểm của pin khác nhau và điều kiện để sạc đầy cũng khác nhau.

Hình dưới đây cho thấy đường cong đặc tính sạc pin lithium điển hình. Khi điện áp ắc quy bằng điện áp sạc cao nhất và dòng sạc giảm xuống C/10 thì ắc quy được coi là đã sạc đầy.

                             Hình 2. Đường cong đặc tính sạc pin lithium

1.4 Điện áp phóng điện tối thiểu

Điện áp phóng điện tối thiểu có thể được định nghĩa là điện áp phóng điện cắt, thường là điện áp ở trạng thái sạc 0%. Giá trị điện áp này không phải là giá trị cố định mà thay đổi theo tải, nhiệt độ, mức độ lão hóa hoặc các yếu tố khác.

1.5 Xả đầy đủ

Khi điện áp của pin nhỏ hơn hoặc bằng điện áp phóng tối thiểu thì có thể gọi là phóng điện hoàn toàn.

1.6 Tốc độ xả điện tích (C-Rate)

Tốc độ xả sạc là biểu thị của dòng xả sạc so với dung lượng pin. Ví dụ: nếu sử dụng 1C để xả trong một giờ thì lý tưởng nhất là pin sẽ xả hết. Tốc độ sạc và xả khác nhau sẽ dẫn đến dung lượng khả dụng khác nhau. Thông thường, tốc độ xả phí càng cao thì dung lượng khả dụng càng nhỏ.

1.7 Vòng đời

Số chu kỳ là số lần pin đã sạc và xả hoàn toàn, có thể ước tính từ công suất xả thực tế và công suất thiết kế. Bất cứ khi nào công suất xả tích lũy bằng công suất thiết kế thì số chu kỳ là một. Thông thường, sau 500 chu kỳ sạc và xả, dung lượng của pin được sạc đầy sẽ giảm từ 10% đến 20%.

                          Hình 3. Mối quan hệ giữa thời gian chu kỳ và dung lượng pin

1.8 Tự Xả

Khả năng tự xả của tất cả các loại pin sẽ tăng lên khi nhiệt độ ngày càng tăng. Tự xả về cơ bản không phải là lỗi sản xuất mà là một đặc tính của bản thân pin. Tuy nhiên, việc xử lý không đúng cách trong quá trình sản xuất cũng có thể dẫn đến tăng khả năng tự phóng điện. Thông thường, cứ tăng nhiệt độ pin lên 10°C thì tốc độ tự xả sẽ tăng gấp đôi. Pin lithium ion có công suất tự xả hàng tháng khoảng 1-2%, trong khi các loại pin niken khác nhau có công suất tự xả hàng tháng là 10-15%.

                             Hình 4. Hiệu suất tốc độ tự xả của pin lithium ở các nhiệt độ khác nhau