Đọc hiểu thông số pin

 

Pin là thiết bị biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện và ngược lại. Cái này tóm tắt cung cấp phần giới thiệu về thuật ngữ được sử dụng để mô tả, phân loại và so sánh pin. Nó cung cấp một nền tảng cơ bản, xác định các biến được sử dụng để mô tả các điều kiện hoạt động của pin và mô tả nhà sản xuất thông số kỹ thuật được sử dụng để mô tả đặc điểm danh nghĩa và tối đa của pin.

Thông số kỹ thuật của pin

Khái niệm cơ bản về pin

Cell, modules, and packs – Tế bào, mô-đun và bộ pin

Xe hybrid và xe điện có pin điện áp cao gói bao gồm các mô-đun và ô riêng lẻ được sắp xếp theo chuỗi và song song. Một tế bào là dạng nhỏ nhất, được đóng gói mà pin có thể sử dụng và thường ở dạng từ một đến sáu vôn. Một mô-đun bao gồm một số ô thường được kết nối theo chuỗi hoặc song song. MỘT bộ pin sau đó được lắp ráp bằng cách kết nối các mô-đun lại với nhau, nối tiếp hoặc song song.

Phân loại pin

Không phải tất cả các loại pin đều được tạo ra như nhau, ngay cả những loại pin giống nhau hoá học. Sự đánh đổi chính trong phát triển pin là giữa  năng lượng và năng lượng: pin có thể là công suất cao hoặc năng lượng cao, nhưng không phải cả hai. Thường các nhà sản xuất sẽ phân loại pin bằng cách sử dụng các loại này. Các phân loại phổ biến khác là Độ bền cao, có nghĩa là chất hóa học đã được sửa đổi để mang lại tuổi thọ pin cao hơn với chi phí của sức mạnh và năng lượng.

C-rate and E-rates – Tỷ lệ C và E

Khi mô tả pin, dòng xả thường được biểu thị bằng tỷ lệ C để bình thường hóa theo dung lượng pin, thường rất khác nhau giữa pin. Tỷ lệ C là thước đo tốc độ xả pin so với công suất tối đa.

Tỷ lệ 1C có nghĩa là dòng xả sẽ xả toàn bộ pin trong 1 giờ. Đối với pin có công suất 100 Ampe-giờ (Ah), điều này tương đương với việc xả dòng điện 100 Ampe (A). Tốc độ 5C cho loại pin này sẽ là 500(A) và tốc độ C/2 sẽ là là 50 (A). Tương tự, tỷ lệ E mô tả công suất xả. Tỷ lệ 1E là xả năng lượng để xả toàn bộ pin trong 1 giờ. Nhưng thường ít khi dùng E-rate mà dùng luôn C-rate.

Xem thêm về hệ số C hay tỷ lê C, C-rate.

C-rate pin – dòng xả pin có ý nghĩa gì?

Secondary and Primary Cells – Cell pin thứ cấp và sơ cấp

Pin sơ cấp là pin có thể không được sạc lại hay pin dùng một lần. Pin thứ cấp là loại có thể sạc lại được. Khái niệm sơ cấp thứ cấp thì Việt Nam mình ít dùng, nhưng khi tìm hiểu các tài liệu Tiếng Anh thì họ sẽ dùng khái niệm này khá thường xuyên.

Tình trạng pin

Phần này mô tả một số biến được sử dụng để mô tả tình trạng hiện tại của pin.

State of Charge (SOC)(%) – Trạng thái sạc (SOC)(%) hoặc Trạng thái điện tích

Biểu thức thể hiện dung lượng pin hiện tại dưới dạng tỷ lệ phần trăm của năng lượng tối đa. SOC thường được tính bằng cách sử dụng tích hợp hiện tại để xác định sự thay đổi dung lượng pin theo thời gian. 0% = trống; 100% = đầy.

Depth of Discharge – Độ sâu xả (DOD) (%)

Phần trăm dung lượng pin đã được xả thể hiện dưới dạng phần trăm công suất tối đa. Xả ít nhất 80% DOD được gọi là xả sâu. Ngược lại với SOC, DOD: 100% = trống; 0% = đầy

Terminal Voltage – Điện áp đầu cuối (V)

Điện áp giữa các đầu cực của ắc quy với tải được áp dụng. Điện áp đầu cuối thay đổi theo SOC và dòng phóng điện/sạc.

Open-circuit voltage (OCV) – Điện áp hở mạch (V)

Điện áp giữa các cực của ắc quy khi không tải áp dụng. Điện áp hở mạch phụ thuộc vào trạng thái sạc của ắc quy, tăng theo SOC.

Internal Resistance – Nội trở

Nội trở bên trong pin, thường khác nhau khi sạc và xả, cũng phụ thuộc vào trạng thái sạc pin. Là điện trở trong tăng, hiệu suất pin giảm và độ ổn định nhiệt giảm khi càng nhiều năng lượng sạc được chuyển thành nhiệt.

Tính nội trở pin bằng công thức sau:

r = (V-Vt)/Vt.Rt

Trong đó, r là nội trở pin, V là điện áp ban đầu, Vt là điện áp khi có tải, Rt là điện trở của tải.

Thông Số Kỹ Thuật Pin

Phần này giải thích các thông số kỹ thuật mà bạn có thể thấy trên bảng thông số kỹ thuật của pin
được sử dụng để mô tả các tế bào pin, mô-đun và gói.

Nominal Voltage – Điện áp danh định (V)

Điện áp được báo cáo hoặc tham chiếu của pin, đôi khi cũng được coi là điện áp “bình thường” của pin.

Cut-off Voltage – Điện áp cắt

Điện áp tối thiểu cho phép. Chính điện áp này thường xác định trạng thái “rỗng” của pin.

Capacity or Nominal Capacity – Dung lượng hoặc Dung lượng danh nghĩa (Ah cho một C-rate cụ thể)

Điện lượng công suất, tổng số Ampe giờ khả dụng khi pin được xả ở một mức nhất định dòng xả (được chỉ định là tỷ lệ C) từ trạng thái sạc 100 phần trăm đến điểm giới hạn Vôn. Công suất được tính bằng cách nhân dòng xả (tính bằng Ampe) với thời gian xả (tính bằng giờ) và giảm khi tăng tỷ lệ C.

Energy or Nominal Energy  – Năng lượng hoặc Năng lượng Danh nghĩa (Wh (đối với C-rate cụ thể))

“Năng lượng cung cấp” của pin, tổng Wh (hoặc kWh)  khả dụng khi pin được xả ở một mức nhất định dòng xả (được chỉ định là tỷ lệ C) từ trạng thái sạc 100 phần trăm đến điểm Điện áp cắt. Năng lượng được tính bằng cách nhân công suất xả (tính bằng Watts) với
thời gian xả (tính bằng giờ). Giống như dung lượng, năng lượng giảm khi tăng C-rate.

Khác nhau giữa Dung lượng (Ah) và Năng lượng (Wh)

Năng lượng (Wh) = Dung lượng (Ah) x Điệp áp (V)

Ví dụ: Xe máy điện có khối pin Dung lượng định danh 40 Ah và nó dùng dòng 72V, nó sẽ có khả năng cung cấp năng lượng 2880 Wh. Nhưng nếu khối pin khác cũng có 40 Ah nhưng chỉ dùng dòng 48V do dùng mô tơ công suất yếu hơn, thì năng lượng cung cấp của nó sẽ 1920 Wh. Giả định cho C-rate xả là 1C.

Cycle Life (number for a specific DOD) – Vòng đời hay Chu kỳ sạc – xả (số cho một DOD cụ thể)

Số chu kỳ xả-phí pin có thể gặp vấn đề trước khi không đáp ứng các tiêu chí hiệu suất cụ thể. Vòng đời là ước tính cho các điều kiện sạc và xả cụ  thể. Tuổi thọ hoạt động thực tế của pin bị ảnh hưởng bởi tốc độ và độ sâu của chu kỳ,  bởi các điều kiện khác như Nhiệt độ và độ ẩm. Độ xả sâu (DOD) càng cao, vòng đời càng thấp.

Specific Energy – Năng lượng riêng (Wh/kg)

Thường áp dụng trong mảng xe điện. Năng lượng danh nghĩa của pin trên một đơn vị khối lượng, đôi khi được gọi là mật độ năng lượng tính theo trọng lượng. Năng lượng riêng là đặc trưng của hóa học pin và bộ pin. Cùng với mức tiêu thụ năng lượng của chiếc xe, nó xác định trọng lượng pin cần thiết để đạt được một phạm vi điện nhất định.

Specific Power – Công suất riêng (W/kg)

Cũng trong mảng xe điện. Công suất khả dụng tối đa trên một đơn vị khối lượng. Sức mạnh cụ thể là một đặc tính của hóa học pin và bộ pin. Nó xác định trọng lượng pin cần thiết để đạt được một mục tiêu hoạt động nhất định.

Energy Density – Mật độ năng lượng (Wh/L – Watts giờ/lít)

Năng lượng danh nghĩa của pin trên một đơn vị thể tích, đôi khi gọi là mật độ năng lượng thể tích, đơn vị Lít hoặc đêximét khối (dm3). Năng lượng riêng là đặc trưng của hóa học pin và đóng gói. Cùng với mức tiêu thụ năng lượng của chiếc xe, nó xác định kích thước pin cần thiết để đạt được một phạm vi điện nhất định.

Power Density – Mật độ công suất (W/L)

Công suất khả dụng tối đa trên mỗi đơn vị âm lượng. sức mạnh cụ thể là một đặc tính của hóa học pin và bao bì. Nó xác định kích thước pin cần thiết để đạt được một mục tiêu hoạt động nhất định.

Maximum Continuous Discharge Current (CDR) – Dòng xả liên tục tối đa

Dòng điện tối đa mà tại đó pin có thể được xả liên tục. Giới hạn này thường được xác định bởi pin nhà sản xuất để tránh tốc độ xả quá mức có thể làm hỏng pin hoặc giảm công suất của nó. Cùng với công suất liên tục tối đa của động cơ, điều này xác định tốc độ và gia tốc bền vững hàng đầu của xe.

Maximum 30-sec Discharge Pulse Current – Dòng xung xả tối đa trong 30 giây (A)

Dòng điện tối đa mà tại đó pin có thể được xả trong các xung tối đa 30 giây. Giới hạn này thường được xác định bởi nhà sản xuất pin để ngăn tốc độ xả quá mức có thể làm hỏng pin hoặc giảm dung lượng của nó. Đơn vị là Ampe (A)

Cùng với công suất cực đại của động cơ điện, điều này xác định hiệu suất tăng tốc (thời gian 0-60 dặm/giờ) của xe điện.

Burst Discharge Rate – Dòng xả tức thời trong vài giây (A)

Dòng xả tức thời trong vài giây – Burst Discharge Rate là chỉ số thể hiện khả năng phóng điện của pin trong một khoảng thời gian ngắn, thường là dưới 10 giây. Thông thường, Burst Discharge Rate bằng với hai lần Continuous Discharge Rate (CDR), tức là dòng điện phóng liên tục của pin. Điều này có nghĩa là pin có thể cung cấp dòng điện gấp đôi nhưng chỉ trong vài giây. Đơn vị là Ampe (A)

Dòng xả tức thời được tính bằng cách nhân dung lượng của pin (mAh) với hệ số C (C rating) của Burst Discharge Rate. Burst Discharge Rate là một yếu tố quan trọng khi chọn pin cho các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị bay như máy bay không người lái hay trực thăng. Các thiết bị bay chủ yếu dùng pin Li-Po. Burst Discharge Rate ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin. Nếu sử dụng pin với Burst Discharge Rate quá cao hoặc quá thường xuyên, pin sẽ bị hỏng nhanh hơn.

Ví dụ, một pin có dung lượng 5000mAh và Burst Discharge Rate là 5C có nghĩa là pin có thể cung cấp dòng điện 5 x 5000mA = 25000mA (25A) trong vài giây. Ví dụ này không áp dụng cho tất cả loại pin, cũng phải phụ thuộc vào nhà sản xuất.

Charge Voltage – Điện áp sạc

Điện áp mà pin được sạc khi được sạc đầy dung lượng. Sơ đồ sạc thường bao gồm sạc dòng điện không đổi cho đến khi điện áp pin đạt đến điện áp sạc, sau đó sạc điện áp không đổi, cho phép sạc dòng điện để giảm dần cho đến khi nó rất nhỏ.

Float Voltage – Điện áp thả nổi

Điện áp mà pin được duy trì sau khi được sạc đến 100% SOC để duy trì dung lượng đó bằng cách bù cho việc tự xả pin.

(Recommended) Charge Current – (Khuyên dùng) Dòng sạc

Dòng điện lý tưởng ban đầu của pin được sạc (đến khoảng 70% SOC) theo sơ đồ sạc liên tục trước khi chuyển đổi vào sạc điện áp không đổi.

(Maximum) Internal Resistance – Nội trở

Nội trở của pin là khả năng cản trở dòng điện phóng của pin do các yếu tố bên trong như vật liệu, cấu trúc, phản ứng hóa học và nhiệt độ. Nội trở của pin ảnh hưởng đến hiệu suất, dung lượng và tuổi thọ của pin. Nội trở của pin thường được ký hiệu là R và đơn vị là ohm (Ω).

Điện trở bên trong pin hay nội trở của pin có thể được tính bằng cách chia sự chênh lệch điện áp giữa điện áp không tải và điện áp có tải cho dòng điện phóng.

Nội trở của pin thường thay đổi theo loại pin, kích thước, điện áp, dung lượng, nhiệt độ và trạng thái sạc. Nội trở của pin thường tăng theo thời gian sử dụng do quá trình oxy hóa và ăn mòn bên trong các điện cực.

Ví dụ đọc thông số một số mẫu pin phổ biến

Pin Panasonic NCR18650B

• Dung lượng đã đánh giá: 3200 mAh
• Dung lượng tối thiểu: 3250 mAh
• Dung lượng tiêu biểu: 3350 mAh
• Điện áp định danh: 3.6V
• Dòng sạc: 1625 mA
• Điện áp sạc: 4.2V
• Khối lượng: 48.5g
• Mật độ năng lượng theo thế tích: 676 Wh/l
• Mật độ năng lượng khối lượng: 243 Wh/kg
• Vòng đời theo chu kỳ sạc – xả: 500 vòng
• Điện áp cắt: 2.5V
• Pin có thể xả được 2C. Nhìn biển đồ dưới – phải.

Datasheet pin Lishen kích thước 18650 mã LR1865BE

Đọc một số thông số pin liên quan trạng thái pin và sạc – xả:

• Hiệu suất xả:
  • 1C: Khả năng xả 100%, năng lượng trên 4,8 Wh
  • 5A: Khả năng xả 96%, năng lượng trên 4,6 Wh
  • 10A: Khả năng xả 94%, năng lượng trên 4,4 Wh
  • 15A: Khả năng xả 92%, năng lượng trên 4,2 Wh
  • 20A: Khả năng xả 90%, năng lượng trên 4,0 Wh
• Vòng đời – chu kỳ sạc – xả, phương pháp là sạc dòng 1C, xả dòng 10A, sạc xong nghỉ 10 phút, sau đó xả xong nghỉ 45 phút và lặp lại.
  • Sau 100 vòng còn khả năng sạc trên 85%
  • Sau 200 vòng còn khả năng sạc trên 75%
  • Sau 250 vòng còn khả năng sạc trên 70%
  • Tương tự nhưng xả tới 15A thì 150 vòng đã còn hơn 60%, mức này coi như gần chai pin.
• Trạng thái sạc (điện tích) SOC (%), ở đây cách thức là sạc đầy 100%, sau số ngày, xả ra đo %, sạc lại đo % sạc, dùng dòng 1C.
  • Sạc đây 100%, sau 28 ngày lưu trữ: xả được trên 80%, sạc lại trên 85%.
  • Sạc đây 100%, sau 7 ngày lưu trữ: xả được trên 80%, sạc lại trên 85%
• Thông số an toàn, cái này tùy hãng có làm bài đánh giá không, pin Lishen này thì có:
  • Kiểm tra sạc dòng 1C, điện áp đến 5v: Không cháy, không nổ.
  • Nung nóng 130 độ trong 1 giờ: Không cháy, không nổ.
  • Ngắn mạch – nối cực âm và dương ở 60 độ: Không cháy, không nổ.
  • Đập theo tiêu chuẩn UL 1642: Không cháy, không nổ.
  • Tác động theo tiêu chuẩn UL 1642: Không cháy, không nổ.

 

Bài viết có sử dùng một số thông tin từ nguồn tham khảo: A Guide to Understanding Battery Specifications – MIT Electric Vehicle Team – https://web.mit.edu