Cách đo trạng thái sạc trên pin

Phương pháp điện áp

Việc đo trạng thái sạc bằng điện áp rất đơn giản, nhưng có thể không chính xác do vật liệu cell và nhiệt độ ảnh hưởng đến điện áp. Lỗi rõ ràng nhất của SoC dựa trên điện áp xảy ra khi pin bị nhiễu loạn do sạc hoặc xả. Sự nhiễu loạn này làm sai lệch điện áp và không còn thể hiện tham chiếu chính xác của SoC. Để có được kết quả đo chính xác, pin cần được đặt ở trạng thái mạch hở ít nhất bốn giờ; nhà sản xuất pin khuyến nghị 24 giờ đối với pin axit chì. Điều này khiến phương pháp SoC dựa trên điện áp trở nên không thực tế đối với pin đang hoạt động.

Mỗi loại hóa chất pin đều có đặc tính xả riêng. Mặc dù SoC dựa trên điện áp hoạt động khá tốt đối với pin axit chì đã nghỉ, nhưng đường cong xả phẳng của pin niken và lithium khiến phương pháp điện áp trở nên bất khả thi.

Đường cong điện áp xả của Li-mangan, Li-phosphate và NMC rất phẳng, và 80% năng lượng được lưu trữ vẫn nằm trong biên dạng điện áp phẳng. Mặc dù đặc tính này là mong muốn cho một nguồn năng lượng, nhưng nó lại đặt ra một thách thức cho việc đo lường nhiên liệu dựa trên điện áp vì nó chỉ biểu thị mức sạc đầy và mức sạc thấp; phần giữa quan trọng không thể ước tính chính xác. Hình 1 cho thấy biên dạng điện áp phẳng của pin Li-phosphate (LiFePO4).

Hình 1: Điện áp xả của lithium sắt phosphate
Li-phosphate có cấu hình phóng điện rất phẳng, khiến cho việc ước tính điện áp để ước tính SoC trở nên khó khăn.

Axit chì đi kèm với các thành phần tấm khác nhau, cần được xem xét khi đo SoC theo điện áp. Canxi , một chất phụ gia giúp pin không cần bảo dưỡng, làm tăng điện áp thêm 5–8%. Ngoài ra, nhiệt độ cao làm tăng điện áp, trong khi nhiệt độ thấp làm giảm điện áp. Điện tích bề mặt còn làm sai lệch ước tính SoC bằng cách hiển thị điện áp cao ngay sau khi sạc; việc xả điện ngắn trước khi đo sẽ bù trừ sai số này. Cuối cùng, pin AGM tạo ra điện áp cao hơn một chút so với pin ngập nước tương đương.

Khi đo SoC bằng điện áp mạch hở (OCV), điện áp ắc quy phải ở trạng thái "trôi nổi" khi không có tải. Điều này không đúng với các xe hiện đại. Các tải phụ trợ cho chức năng quản lý sẽ đưa ắc quy vào trạng thái điện áp mạch kín (CCV).

Mặc dù có độ chính xác không cao, hầu hết các phép đo SoC đều dựa một phần hoặc hoàn toàn vào điện áp do tính đơn giản của nó. SoC dựa trên điện áp phổ biến trên xe lăn, xe tay ga và xe golf. Một số hệ thống quản lý pin (BMS) tiên tiến sử dụng các khoảng thời gian nghỉ để điều chỉnh các chỉ số SoC như một phần của chức năng "học". Hình 2 minh họa dải điện áp của khối đơn ắc quy chì-axit 12V từ trạng thái xả hoàn toàn đến trạng thái sạc đầy.

Hình 2: Dải điện áp của khối axit chì 12V từ trạng thái xả hoàn toàn đến trạng thái sạc đầy [1]

Tỷ trọng kế

Tỷ trọng kế là một giải pháp thay thế cho việc đo SoC của ắc quy axit chì ngập nước. Nguyên lý hoạt động như sau: Khi ắc quy axit chì nhận điện tích, axit sunfuric trở nên nặng hơn, khiến trọng lượng riêng (SG) tăng lên. Khi SoC giảm do xả, axit sunfuric tự tách khỏi dung dịch điện phân và liên kết với bản cực, tạo thành chì sunfat. Khối lượng riêng của dung dịch điện phân trở nên nhẹ hơn và giống nước hơn, và trọng lượng riêng giảm xuống. Bảng 3 cung cấp chỉ số BCI của ắc quy khởi động.

Bảng 3: Tiêu chuẩn BCI để ước tính SoC của ắc quy khởi động có antimon.
Các số liệu được thực hiện ở nhiệt độ 26°C (78°F) sau 24 giờ nghỉ.
Trong khi BCI (Hội đồng Pin Quốc tế) quy định trọng lượng riêng của ắc quy khởi động được sạc đầy là 1,265, các nhà sản xuất pin có thể đặt ở mức 1,280 hoặc cao hơn. Việc tăng trọng lượng riêng sẽ làm tăng giá trị đọc của SoC trên bảng tra cứu. Trọng lượng riêng cao hơn sẽ cải thiện hiệu suất ắc quy nhưng lại rút ngắn tuổi thọ ắc quy do hoạt động ăn mòn tăng lên.

Bên cạnh mức sạc và mật độ axit, mức chất lỏng thấp cũng sẽ làm thay đổi SG. Khi nước bốc hơi, chỉ số SG tăng do nồng độ cao hơn. Ắc quy cũng có thể bị đổ quá đầy, làm giảm chỉ số SG. Khi thêm nước, hãy chờ thời gian để hòa tan trước khi đo SG.

Trọng lượng riêng thay đổi tùy theo ứng dụng của pin. Pin chu kỳ sâu sử dụng chất điện phân đặc với SG lên đến 1,330 để đạt được năng lượng riêng tối đa; pin hàng không có SG khoảng 1,285; pin kéo cho xe nâng thường ở mức 1,280; pin khởi động ở mức 1,265; và pin tĩnh có trọng lượng riêng thấp ở mức 1,225. Điều này làm giảm sự ăn mòn và kéo dài tuổi thọ nhưng lại làm giảm năng lượng riêng, hay dung lượng.

Không có gì trong thế giới pin là tuyệt đối. Trọng lượng riêng của pin chu kỳ sâu được sạc đầy cùng model có thể dao động từ 1,270 đến 1,305; khi xả hoàn toàn, những loại pin này có thể dao động từ 1,097 đến 1,201. Nhiệt độ là một biến số khác làm thay đổi giá trị trọng lượng riêng. Nhiệt độ càng lạnh, giá trị SG càng cao (đặc hơn). Bảng 4 minh họa trọng lượng riêng của pin chu kỳ sâu ở các nhiệt độ khác nhau.

Độ chính xác của chỉ số SG cũng có thể bị ảnh hưởng nếu pin bị phân tầng, nghĩa là nồng độ thấp ở phía trên và cao ở phía dưới (Xem BU-804c: Mất nước, Phân tầng Axit và Điện tích Bề mặt ). Nồng độ axit cao làm tăng điện áp mạch hở một cách giả tạo, có thể đánh lừa ước tính của SoC bằng cách chỉ báo sai điện áp và SG. Dung dịch điện phân cần ổn định sau khi sạc và xả trước khi đo chỉ số SG.

Đếm Coulomb

Máy tính xách tay, thiết bị y tế và các thiết bị di động chuyên nghiệp khác sử dụng phép đếm Coulomb để ước tính SoC bằng cách đo dòng điện vào và ra. Ampe-giây (As) được sử dụng cho cả sạc và xả. Tên gọi "Coulomb" được đặt để vinh danh Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806), người được biết đến nhiều nhất với việc phát triển định luật Coulomb (Xem BU-601: Pin thông minh hoạt động như thế nào? )

Mặc dù đây là một giải pháp tinh tế cho một vấn đề đầy thách thức, nhưng tổn thất làm giảm tổng năng lượng được cung cấp, và lượng năng lượng khả dụng cuối cùng luôn ít hơn lượng năng lượng đã được đưa vào. Tuy nhiên, phương pháp đếm coulomb vẫn hoạt động tốt, đặc biệt là với pin Li-ion có hiệu suất coulomb cao và độ tự xả thấp. Các cải tiến đã được thực hiện bằng cách xem xét cả quá trình lão hóa và tự xả dựa trên nhiệt độ, nhưng việc hiệu chuẩn định kỳ vẫn được khuyến nghị để đưa "pin kỹ thuật số" vào trạng thái hài hòa với "pin hóa học". (Xem BU-603: Cách hiệu chuẩn pin "thông minh" )

Để khắc phục tình trạng hiệu chuẩn, các đồng hồ đo nhiên liệu hiện đại sử dụng chức năng "học" để ước tính lượng năng lượng mà ắc quy đã cung cấp trong lần xả trước. Một số hệ thống còn theo dõi thời gian sạc vì ắc quy yếu sẽ sạc nhanh hơn ắc quy tốt.

Các nhà sản xuất BMS tiên tiến tuyên bố độ chính xác cao, nhưng thực tế thường cho thấy điều ngược lại. Phần lớn sự cường điệu được che giấu đằng sau những con số hiển thị hào nhoáng. Điện thoại thông minh có thể hiển thị mức sạc 100% trong khi pin chỉ mới sạc được 90%. Các kỹ sư thiết kế cho biết chỉ số SoC trên pin xe điện mới có thể chênh lệch 15%. Có những trường hợp tài xế xe điện hết pin mà vẫn thấy chỉ số SoC 25% trên đồng hồ đo nhiên liệu.

Phổ trở kháng

Trạng thái sạc pin cũng có thể được ước tính bằng phương pháp quang phổ trở kháng sử dụng phương pháp mô hình phức hợp Spectro™. Phương pháp này cho phép đo các giá trị SoC với tải ký sinh ổn định 30A. Phân cực điện áp và điện tích bề mặt không ảnh hưởng đến giá trị đo vì SoC được đo độc lập với điện áp. Điều này mở ra các ứng dụng trong sản xuất ô tô, nơi một số loại pin xả lâu hơn những loại khác trong quá trình thử nghiệm và gỡ lỗi, và cần được sạc trước khi vận chuyển. Việc đo SoC bằng quang phổ trở kháng cũng có thể được sử dụng cho các hệ thống cân bằng tải, trong đó pin liên tục được sạc và xả.

Việc đo SoC độc lập với điện áp cũng hỗ trợ việc cập bến và trưng bày xe. Việc mở cửa xe sẽ tạo ra một dòng điện phụ khoảng 20A, làm rung động ắc quy và làm sai lệch phép đo SoC dựa trên điện áp. Phương pháp Spectro™ giúp phân biệt ắc quy yếu điện với ắc quy lỗi.

Việc đo SoC bằng phương pháp quang phổ trở kháng chỉ giới hạn ở pin mới có dung lượng tốt đã biết; dung lượng phải được xác định chắc chắn và có giá trị không thay đổi. Mặc dù có thể đo SoC với tải ổn định, pin không được sạc trong quá trình thử nghiệm.

Hình 5 minh họa kết quả thử nghiệm phổ trở kháng sau khi dòng điện ký sinh 50A được loại bỏ khỏi pin. Đúng như dự đoán, điện áp đầu cực hở tăng lên trong quá trình phục hồi nhưng các chỉ số Spectro™ vẫn ổn định. Kết quả SoC ổn định cũng được quan sát thấy sau khi loại bỏ điện tích trong quá trình điện áp trở về bình thường do quá trình phân cực.

Hình 5: Mối quan hệ giữa điện áp và phép đo được thực hiện bằng phương pháp quang phổ trở kháng sau khi loại bỏ tải
Pin đang phục hồi sau khi ngắt tải. Chỉ số Spectro SoC vẫn ổn định khi điện áp tăng.