Các phương pháp sạc pin và ắc quy cơ bản có nhiều kiểu khác nhau, nhưng chúng không đi riêng lẻ mà thường là kết hợp ít nhất 3 phương pháp trở lên tùy vào giai đoạn, loại pin hay ắc quy, các yêu cầu kỹ thuật khác nhau, có thể kể đến như:
- Sạc ổn dòng (CC)
- Sạc ổn áp (CV)
- Sạc ổn dòng – ổn áp (CC CV)
- Sạc ổn định công suất – ổn áp (CP CV:Constant Power – Constant Voltage)
- Sạc xung – Pusle, Sạc Taper – V Taper Current
- Sạc nhỏ giọt – Trickle Charging
- Burp Charging
- Sạc pin 3 giai đoạn
- Sạc pin 4 giai đoạn
- Sạc nhiều giai đoạn (MCC)
- Sạc xung PWM – PWM charge controller
- Sạc theo dõi điểm công suất cực đại – Maximum Power Point Tracker (MPPT)
Mục lục
- 1 Phương pháp sạc pin là gì?
- 2 Các phương pháp sạc pin và ắc quy cơ bản
- 2.1 Sạc ổn dòng (CC) – Sạc chậm
- 2.2 Sạc ổn áp (CV) – Sạc nhanh
- 2.3 Sạc ổn dòng – ổn áp (CC CV)
- 2.4 Sạc ổn định công suất – ổn áp (CP CV:Constant Power – Constant Voltage)
- 2.5 Sạc xung – Pulse Charging
- 2.6 Sạc Taper – Taper Current
- 2.7 Sạc nhỏ giọt – Trickle Charging
- 2.8 Sạc “ợ hơi” – Burp Charging
- 2.9 Sạc IUI
- 2.10 Sạc IUoU
- 2.11 Sạc pin 3 giai đoạn
- 2.12 Sạc pin 4 giai đoạn
- 2.13 Sạc pin nhiều giai đoạn (MCC)
- 2.14 Sạc xung PWM – PWM charge controller
- 2.15 Sạc theo dõi điểm công suất cực đại – Maximum Power Point Tracker (MPPT)
- 2.16 Sạc pin thông minh nhiều giai đoạn – Smart charging
Phương pháp sạc pin là gì?
Phương pháp sạc đề cập đến cách sạc pin, là quá trình đưa năng lượng điện để phục hồi dung lượng của nó đối với các loại pin – ắc quy có khả năng sạc lại (pin thứ cấp). Sạc pin yêu cầu một nguồn điện cung cấp dòng điện hoặc điện áp phù hợp với loại pin được sạc. Sạc pin có nhiều gia đoạn và cách thức kiểm soát dòng điện, điện áp, năng lượng để phù hợp cho từng loại pin hình thành nên nhiều phương pháp sạc khác nhau.
Có nhiều phương pháp sạc pin khác nhau, tùy thuộc vào đặc tính và ứng dụng của pin. Cơ cản nhất có: sạc ổn dòng (CC), sạc ổn áp (CV), sạc ổn dòng – ổn áp (CC CV), sạc ổn định công suất – ổn áp (CP CV).
Các phương pháp sạc pin và ắc quy cơ bản
Sạc ổn dòng (CC) – Sạc chậm
Sạc ổn dòng (CC) là sạc với dòng điện không đổi, một hình thức sạc pin đơn giản, với mức hiện tại được đặt ở mức xấp xỉ 10% mức định mức tối đa của pin. Thời gian sạc tương đối lâu với nhược điểm là pin có thể bị nóng nếu sạc quá mức dẫn đến phải thay pin sớm.
Tốc độ dòng sạc là yếu tố quan trọng nhất và nó có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của pin. Vì lý do này, thách thức chính của sạc CC là thiết lập giá trị dòng sạc phù hợp sẽ đáp ứng cả thời gian sạc và mức sử dụng dung lượng. Dòng sạc cao giúp sạc nhanh nhưng cũng ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình lão hóa của pin. Dòng sạc thấp mang lại khả năng sử dụng công suất cao nhưng cũng tạo ra quá trình sạc rất chậm, điều này gây bất tiện cho các ứng dụng như xe điện.
Phương pháp này phù hợp với loại pin Ni-MH. Pin phải được ngắt kết nối hoặc chức năng hẹn giờ được sử dụng sau khi được sạc.
Sạc ổn áp (CV) – Sạc nhanh
Sạc ổn áp (CV) là sạc với điện áp không đổi cho phép dòng điện đầy đủ của bộ sạc chạy vào pin cho đến khi nguồn điện đạt đến điện áp đặt trước. Sau đó, dòng điện sẽ giảm dần xuống giá trị tối thiểu khi đạt đến mức điện áp đó. Pin có thể được kết nối với bộ sạc cho đến khi sẵn sàng sử dụng và sẽ duy trì ở “điện áp thả nổi” hay gọi là sạc nhỏ giọt để bù cho hiện tượng tự xả pin thông thường.
Ưu điểm chính của nó là tránh được tình trạng quá điện áp và các phản ứng phụ không thể đảo ngược, do đó kéo dài tuổi thọ của pin. Vì điện áp không đổi nên dòng sạc giảm khi pin sạc. Cần có giá trị dòng điện cao để cung cấp điện áp đầu cuối không đổi ở giai đoạn gần nhất của quá trình sạc.
Dòng sạc cao từ 15 % đến 80 % SOC cung cấp khả năng sạc nhanh, nhưng dòng điện cao sẽ gây áp lực cho pin và có thể gây ra hiện tượng sập lưới pin và gãy cực. Thách thức chính đối với sạc CV là chọn giá trị điện áp phù hợp sẽ cân bằng tốc độ sạc, phân hủy chất điện phân, và sử dụng công suất.
Nói chung, phương pháp sạc CV hiệu quả để sạc nhanh, nhưng nó làm hỏng dung lượng pin. Tác động tiêu cực là do dòng điện sạc tăng lên ở SOC pin yếu (khi bắt đầu quá trình sạc), trong đó giá trị hiện tại cao hơn đáng kể so với dòng điện danh nghĩa của pin. Dòng pin cao làm cho khung lưới pin bị sụp đổ và góp phần làm tan chất cực pin đang hoạt động.
Sạc ổn dòng – ổn áp (CC CV)
Sạc ổn dòng – ổn áp là sạc với Điện áp không đổi – dòng điện không đổi (CV CC) là sự kết hợp của hai phương pháp trên. Bộ sạc giới hạn cường độ dòng điện ở mức đặt trước cho đến khi pin đạt đến mức điện áp đặt trước. Dòng điện sau đó giảm khi pin được sạc đầy.
Ắc quy axit chì sử dụng phương pháp sạc điện áp dòng điện không đổi (CC CV). Dòng điện được điều chỉnh làm tăng điện áp đầu cực cho đến khi đạt đến giới hạn điện áp nạp trên, tại thời điểm đó dòng điện giảm xuống do bão hòa.
Nó sử dụng sạc CC trong giai đoạn sạc đầu tiên và khi điện áp đạt đến giá trị ngưỡng an toàn tối đa, quá trình sạc sẽ chuyển sang phương thức sạc CV. Quá trình sạc hoàn tất khi mức hiện tại tắt hoặc khi đạt đến dung lượng đầy của pin.
Thời gian sạc chủ yếu được xác định bởi giá trị dòng điện không đổi (chế độ CC), trong khi việc sử dụng công suất chủ yếu bị ảnh hưởng bởi giá trị điện áp không đổi (chế độ CV). Sạc CC-CV ban đầu được sử dụng để sạc pin axit-chì và sau đó, để sạc pin Li-ion.
Pin Li-ion yêu cầu chế độ CC lâu hơn nhiều. Phương pháp sạc CC-CV hiệu quả hơn phương pháp CC hoặc CV riêng lẻ và do đó, phương pháp này được sử dụng làm tài liệu tham khảo để so sánh với các phương pháp sạc mới nhất.
Xem thêm chi tiết về Sạc ổn dòng – ổn áp (CC CV) là gì?
Sạc ổn định công suất – ổn áp (CP CV:Constant Power – Constant Voltage)
Trong giai đoạn sạc ban đầu khi điện áp pin thấp, quá trình sạc được thực hiện ở công suất không đổi (CP) và khi pin gần được sạc đầy, hoạt động sẽ chuyển sang sạc CV để tránh tình trạng quá áp. Dòng điện sạc sẽ giảm dần cho đến khi pin được sạc đầy hoặc dưới một ngưỡng nhất định.
Không giống như sạc CC, sạc CP có thể được thực hiện ở dòng điện cao hơn để phù hợp với nguồn điện, tăng hiệu quả sạc.
Phương pháp CP CV còn dùng trong xả pin, để ổn định công suất hoạt động như đối với các xe điện. Pin sẽ luôn duy trì ổn định một công suất tối đa đã định trước (CP), khi pin gần hết sẽ sang CV (chế độ ổn áp) để ngăn pin bị xả quá sâu gây ảnh hưởng tới pin, trường hợp này sẽ có công suất thấp hơn. Cho đến một khi được sạc lại hoặc ngắt khi đến điện áp cuối (cut-off).
Sạc xung – Pulse Charging
Phương pháp sạc ngăn chặn quá trình sunfat hóa bằng cách áp dụng các xung nhỏ (tần số) cho dòng sạc.
Khi sử dụng ắc quy axit-chì, một phần của chất điện phân được gọi là “sunfat hóa” trở thành chì kết tinh không dẫn điện và tích tụ ở phía điện cực âm.
Nếu điều này xảy ra, hiệu quả sẽ giảm do giảm dung lượng lưu trữ và tăng điện trở trong. Trong những trường hợp như vậy, sạc xung có hiệu quả vì nó có thể phá vỡ thành công các chất rắn kết tinh này.
Sạc Taper – Taper Current
Sạc Taper hay V Taper là một phương pháp sạc pin tương tự như hệ thống điều khiển điện áp. Khi đạt đến một mức điện áp nhất định, dòng sạc nhanh sẽ giảm dần bằng cách giảm điện áp nguồn, sau đó chuyển sang sạc giọt – Trickle Charging.
Phương pháp này thích hợp cho pin SLA, cho phép đạt được mức sạc cao hơn một cách an toàn.
Sạc nhỏ giọt – Trickle Charging
Một phương pháp sạc pin liên tục với dòng điện nhỏ. Tên của nó bắt nguồn từ dòng nước nhỏ giọt. Tuy nhiên sạc nhỏ giọt thường nằm ở giai đoạn sau khi pin đầy hơn 80% chứ không phải cả quá trình luôn duy trì một dòng nhỏ.
Mặc dù thời gian sạc lâu hơn nhưng ưu điểm là pin không bị ảnh hưởng ngay cả khi dòng điện nhỏ tiếp tục chạy trong trạng thái được sạc đầy.
Điều này khiến chúng trở nên Lý tưởng để sạc lại ắc quy axit-chì, loại có tốc độ phóng điện tự nhiên cao, cũng như ắc quy cho thiết bị dự phòng khẩn cấp không được sử dụng liên tục.
Sạc “ợ hơi” – Burp Charging
Còn được gọi là Sạc phản xạ hoặc Sạc xung tiêu cực chỉ áp dụng đối với ắc quy, được sử dụng cùng với sạc xung, nó áp dụng một xung xả rất ngắn, thường gấp 2 đến 3 lần dòng sạc trong 5 mili giây, trong khoảng thời gian nghỉ sạc để khử cực tế bào. Các xung này đánh bật mọi bong bóng khí tích tụ trên các điện cực của ắc quy trong quá trình sạc nhanh, đẩy nhanh quá trình ổn định và do đó đẩy nhanh quá trình sạc tổng thể.
Việc giải phóng và khuếch tán các bong bóng khí được gọi là “ợ hơi”. Các tuyên bố gây tranh cãi đã được đưa ra về những cải tiến cả về tốc độ sạc ắc quy và tuổi thọ của ắc quy cũng như việc loại bỏ các sợi nhánh có thể thực hiện được bằng kỹ thuật này. Điều ít nhất có thể nói là “nó không làm hỏng ắc quy”.
Sạc IUI
Đây là cấu hình sạc được phát triển gần đây được sử dụng để sạc nhanh ắc quy axit chì bị ngập tiêu chuẩn của các nhà sản xuất cụ thể. Nó không phù hợp với tất cả các loại pin axit chì.
- Ban đầu, pin được sạc với dòng điện (I) không đổi cho đến khi điện áp của tế bào đạt đến giá trị đặt trước – thông thường là điện áp gần với điện áp xảy ra hiện tượng thoát khí. Phần đầu tiên của chu kỳ sạc này được gọi là giai đoạn sạc hàng loạt.
- Khi đạt đến điện áp đặt trước, bộ sạc sẽ chuyển sang pha điện áp không đổi (U) và dòng điện do pin rút ra sẽ giảm dần cho đến khi đạt đến một mức đặt trước khác. Phần thứ hai này của chu kỳ hoàn thành quá trình sạc bình thường của pin với tốc độ giảm dần.
- Cuối cùng, bộ sạc lại chuyển sang chế độ dòng điện không đổi (I) và điện áp tiếp tục tăng lên đến giới hạn đặt trước cao hơn mới khi tắt bộ sạc. Giai đoạn cuối cùng này được sử dụng để cân bằng điện tích trên các ô riêng lẻ trong pin để tối đa hóa tuổi thọ của pin.
Sạc IUI tương đồng với sạc 4 giai đoạn nhưng không có giai đoạn 3 là Sạc thả nổi.
Sạc IUoU
IUoU là ký hiệu trong tiêu chuẩn DIN (DIN 41773) cho quy trình sạc pin axit-chì còn được gọi là sạc 3 giai đoạn, sạc 3 pha hoặc sạc 3 bước. Nó bao gồm ba giai đoạn (hoặc giai đoạn), được thực hiện bởi bộ sạc pin.
Ba pha đó là:
- Pha I (dòng điện không đổi),
- Pha Uo (quá điện áp không đổi)
- Pha U (điện áp không đổi).
Mục đích là để sạc đầy pin trong thời gian tương đối ngắn mà không làm giảm tuổi thọ của pin và giữ cho pin được sạc vô thời hạn miễn là bộ sạc được kết nối.
Về bản chất sạc IUoU là sạc 3 giai đoạn: Sạc nhanh (Buik charging), sạc hấp thụ (Absorption charging), sạc thả nổi (Float charging).
Sạc pin 3 giai đoạn
Sạc pin 3 giai đoạn là phương pháp sạc pin thông minh bao gồm 3 giai đoạn: Sạc nhanh (Buik charging), sạc hấp thụ (Absorption charging), sạc thả nổi (Float charging). Các giai đoạn được điều chính bằng mạch sạc thông minh, với sự kiểm soát của IC chức năng có chứa thuật toán kiểm soát.
Xem thêm bài viết chi tiết: Sạc pin 3 giai đoạn – 4 giai đoạn là gì?
Sạc pin 4 giai đoạn
Sạc pin 4 giai đoạn tương tự 3 giai đoạn, nhưng giai đoạn thứ 4 là giai đoạn Làm mới, có thể dùng cách sạc xung, sạc cân bằng hoặc sạc nhỏ giọt. Thường để sạc các ắc quy lưu trữ lâu dài, làm mới các cực trong tế bào ắc quy tránh bị “sunfat hóa”.
Xem thêm bài viết chi tiết: Sạc pin 3 giai đoạn – 4 giai đoạn là gì?
Sạc pin nhiều giai đoạn (MCC)
Phương pháp sạc MCC bao gồm một số giai đoạn dòng điện không đổi, trong đó dòng điện giảm dần khi điện áp đầu cuối đạt đến ngưỡng điện áp mặc định. Quá trình sạc tiếp tục cho đến khi pin đạt đến các điều kiện cuối. Phương pháp MCC được thể hiện trong Hình
Phương pháp MCC phù hợp để sạc các loại pin sau: pin chì-axit, NiMH và Li-ion. Với các giá trị hiện tại ban đầu bằng nhau, quá trình sạc MCC mất nhiều thời gian hơn một chút so với phương pháp sạc CC-CV.
Sạc xung PWM – PWM charge controller
Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời PWM (Pulse Width Modulation – Điều chế độ rộng xung) là thiết bị điện tử được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời để bảo vệ pin.
Các thiết bị này kết nối các tấm pin mặt trời với pin để ngăn pin sạc quá mức và xả quá mức.
Khi bộ điều khiển sạc PWM được kết nối với pin, nó sẽ giới hạn dòng điện được cung cấp cho pin bởi các tấm pin mặt trời hoặc được tải từ pin.
Ngoài ra, vào ban đêm khi điện áp của pin cao hơn điện áp của các tấm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc PWM sẽ ngăn các tấm pin mặt trời làm cạn kiệt pin.
Sạc theo dõi điểm công suất cực đại – Maximum Power Point Tracker (MPPT)
Sạc MPPT là một thiết bị điện tử dùng trong các hệ thống năng lượng mặt trời để tối ưu hóa công suất thu được từ tấm pin mặt trời . Thiết bị này kết nối tấm pin mặt trời với pin để điều chỉnh điện áp và dòng điện phù hợp với điều kiện ánh sáng và nhiệt độ của tấm pin.
Khi một sạc MPPT được kết nối với pin, nó sẽ theo dõi điểm công suất cực đại (MPP) của tấm pin, tức là điểm có tích số của điện áp và dòng điện là lớn nhất. Nó sẽ thay đổi đặc tính tải để giữ cho tấm pin hoạt động ở MPP và chuyển đổi công suất thu được cho pin.
Sạc MPPT hoạt động bằng cách lấy mẫu đầu ra của tấm pin mặt trời và áp dụng tải kháng thích hợp để có được công suất cực đại trong mọi điều kiện môi trường . Sạc MPPT thường được tích hợp vào các bộ biến tần năng lượng mặt trời để chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC và có thể kết hợp MPPT. Các bộ biến tần như vậy lấy mẫu công suất đầu ra (đường cong I-V) từ các modul năng lượng mặt trời và áp dụng tải điện trở thích hợp để đạt được công suất cực đại.
Sạc pin thông minh nhiều giai đoạn – Smart charging
Có nhiều bộ sạc pin hay máy sạc ắc quy với những chức năng sạc phức tạp hơn nhằm đáp ứng các nhu cầu đặc thù riêng. Bên trong các bộ sạc có các bộ vi xử lý để nhận biết các thông số pin và nguồn sạc để cung cấp một phương án sạc hiệu quả nhất, có thế sạc nhanh, sạc chậm, sạc dành cho ắc quy lưu trữ….
Có thế có từ 6 đến 8 giai đoạn khác nhau tùy thuộc vào hãng sản xuất máy sạc ắc quy hay máy sạc pin. Mỗi giai đoạn sẽ có phường án xử lý điện áp và dòng điện theo điều kiện cụ thể. Nhưng cũng xoay quanh các phương pháp sạc cơ bản đã trình bày ở trên.
Để hiều thêm một số máy sạc ắc quy 8 giai đoạn là gì? hay Sạc ắc quy 7 giai đoạn hoạt động ra sao? Thêm ví dụ cụ thể về Sạc 7 giai đoạn của bộ sạc PACO như sau:
- Khử lưu huỳnh: loại bỏ cặn sunfat có hại trước khi sạc
- Khởi động mềm: sạc sơ bộ, tối đa 12V.
- Sạc nhanh Buik: sạc nhanh, pin được sạc tới 80%, lên tới 14,4V.
- Hấp thụ: sạc xong, xe của bạn có thể khởi động sau bước này.
- Kiểm tra pin: phân tích mức pin trong 4 giờ.
- Phục hồi: khôi phục tình trạng pin cho pin đã xả sâu bằng cách cân bằng các ô.
- Thả nổi: duy trì trạng thái sẵn sàng sử dụng.
Nguồn tham khảo:
- https://www.epectec.com
- https://mpoweruk.com
- engineering.com
- https://www.ijert.org/research/an-overview-of-battery-charging-methods-charge-controllers-and-design-of-mppt-controller-based-on-adruino-nano-for-solar-renewable-storage-energy-system-IJERTV9IS110214.pdf
