Kiểm tra pin Lithium

Hình 1: Phản ứng động điện hóa [1]

Phản ứng động điện hóa đo lường dòng ion giữa các bản cực dương và cực âm. Một pin mạnh sẽ phục hồi nhanh chóng sau khi bị tấn công, trong khi một bộ pin yếu hơn sẽ hoạt động chậm chạp hơn.

Pin lithium-ion có tốc độ khuếch tán khác nhau. Về mặt phản ứng động điện hóa, polymer Li-ion với chất điện phân dạng gel được phát hiện nhanh hơn Li-ion tiêu chuẩn và cần điều chỉnh các thông số để đạt được độ chính xác. Các vật liệu hoạt tính và phụ gia độc đáo được các nhà sản xuất pin giữ bí mật tuyệt đối làm phức tạp quy trình thử nghiệm.

Cadex đã dành nhiều công sức để thử nghiệm cell pin Li-ion đơn nhỏ trên điện thoại di động. Mục tiêu là thử nghiệm cả cell pin Li-ion lớn hơn trong cấu hình đa cell, trên một dải trạng thái sạc rộng, bao gồm kết hợp thử nghiệm miền thời gian với thử nghiệm miền tần số .

Khi quét pin từ kilohertz xuống milihertz ở chế độ miền tần số, dải tần số cao (gọi là di trú) cho thấy đặc tính điện trở của pin, thể hiện góc nhìn toàn cảnh. Tuy nhiên, đặc điểm riêng biệt của pin Li-ion nằm ở dải tần số trung bình (gọi là truyền điện tích) và dải tần số thấp (gọi là khuếch tán ). Pin có dung lượng giảm dần gặp phải vấn đề truyền điện tích thấp và khuếch tán Li-ion hoạt động chậm.

Việc đánh giá pin ở tần số dưới một hertz sẽ đòi hỏi thời gian thử nghiệm kéo dài. Ví dụ, ở tần số một milihertz, một chu kỳ mất 1.000 giây, tương đương 16 phút, và cần nhiều điểm dữ liệu để hoàn tất quá trình phân tích. Các bài kiểm tra nhanh chỉ nên kéo dài vài giây và không quá 5 phút. Với phần mềm mô phỏng thông minh, thời gian có thể được rút ngắn để đạt được thời gian thử nghiệm ngắn mong muốn.

Trong Hình 2 , một pin tốt và một pin đã chai được quét từ 0,1Hz đến 1kHz. Sự khác biệt về trở kháng (-Imp -Z) mạnh nhất trong khoảng từ 1Hz đến 10Hz. Cần lưu ý rằng việc chỉ ghi lại các giá trị điện trở có giá trị hạn chế vì trạng thái sạc (SoC) và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến đặc điểm và làm nhiễu các tham chiếu SoH. Hơn nữa, các kiến trúc Li-ion khác nhau và cách pin bị chai cũng ảnh hưởng đến kết quả. Quá trình chai tự nhiên tạo ra một đặc điểm khác với quá trình chai nhân tạo, và lý do cho sự khác biệt này vẫn chưa được hiểu rõ.

Hình 2: Tần số quét của pin điện thoại di động tốt và yếu [2]
Biến thiên trở kháng dễ thấy nhất ở tần số dưới 10Hz. Thang ngang được tính theo logarit để cô đọng dải tần số.

Kết quả thử nghiệm được ghi lại trong miền tần số được thể hiện tốt nhất bằng biểu đồ Nyquist . Được phát minh bởi Harry Nyquist (1889–1976) khi còn làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell; biểu đồ Nyquist thể hiện đáp ứng tần số của một hệ thống tuyến tính, hiển thị cả biên độ và góc pha trên một biểu đồ duy nhất sử dụng tần số làm tham số. Trục x nằm ngang của biểu đồ Nyquist thể hiện trở kháng Ohm thực, trong khi trục y thẳng đứng thể hiện trở kháng ảo (Trở kháng được giải thích trong BU-902: Cách đo điện trở trong ).

Hình 3 chia kết quả pin được quét theo biểu đồ Nyquist thành di chuyển, truyền điện tích và khuếch tán. Di chuyển thu được ở tần số cao bên trái cung cấp các đặc tính điện trở của pin; chuyển điện tích cực kỳ quan trọng ở giữa tạo thành một nửa hình tròn biểu diễn động học của pin; và phần tần số thấp bên phải biểu diễn sự khuếch tán.

Hình 3: Biểu đồ Nyquist được chia thành các phần tần số cao, trung bình và thấp [2]
Nửa vòng tròn tần số trung bình thể hiện rõ nhất đặc tính của pin. Pin lớn hơn cần tần số thấp hơn.

Một xét nghiệm nhanh nên kéo dài từ vài giây đến không quá 5 phút, nhưng việc sử dụng tần số cực thấp sẽ kéo dài thời gian. Ví dụ, ở tần số một milihertz (mHz), một chu kỳ mất 1.000 giây, tức 16 phút, và cần nhiều điểm dữ liệu để hoàn tất quá trình phân tích. Thời gian xét nghiệm thường có thể được rút ngắn nhờ phần mềm mô phỏng thông minh.

Pin Li-ion có những điểm tương đồng với pin axit chì; công nghệ Spectro™ được sử dụng để đo dung lượng của pin axit chì cũng có thể sử dụng được với pin Li-ion.

Bản tóm tắt
Không có xét nghiệm nhanh nào có thể đánh giá tất cả các triệu chứng pin và luôn có những trường hợp ngoại lệ vượt quá quy trình kiểm tra. Dự đoán chính xác phải đạt 9/10. QuickSort™ (của Cadex) vượt quá yêu cầu này với hầu hết các pin Li-ion cho điện thoại di động, nhưng công nghệ này chỉ kiểm tra pin đơn có dung lượng lên đến 1.500mAh. Các công nghệ mới đang được phát triển hứa hẹn sẽ kiểm tra được các pin Li-ion lớn hơn, nhưng điều này có thể kéo dài thời gian kiểm tra thêm vài phút để phù hợp với việc lấy mẫu tần số thấp.

Dung lượng là yếu tố then chốt quyết định tình trạng pin, và các công nghệ kiểm tra nhanh với ước tính dung lượng cũng giúp cải thiện hệ thống quản lý pin (BMS) . Các công nghệ kiểm tra nhanh này có thể được tích hợp vào bộ sạc để đánh giá tính toàn vẹn của pin sau mỗi lần sạc bằng cách chỉ bật đèn xanh khi đạt được dung lượng mục tiêu đã đặt; pin dung lượng thấp sẽ được hiển thị ở cửa sau. Điều này giúp kiểm soát chất lượng mà không cần thêm bất kỳ chi phí nào.