Quy trình nạp và những lưu ý khí nạp Ắc quy Lithium-Ion

Abstract: Ắc quy Lithium-ion là loại ắc quy được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị như điện thoại di động, máy tính xách tay, xe điện, … Khác với ắc quy acid chì, ắc quy Li-ion đắt tiền hơn nhưng bù lại, nó có tuổi thọ dài hơn, khối lượng nhẹ hơn, thể tích nhỏ hơn và cho phép nạp với tốc độ nhanh hơn rất nhiều. Do bản chất hóa học đặc biệt nên ắc quy Li-ion có quy trình sạc riêng, không giống các loại ắc quy khác. Bài báo này sẽ đi sâu phân tích quy trình sạc và các vấn đề cần lưu ý khi sạc ắc quy Li-ion
1. Tổng quan về quá trình nạp ( sạc) ắc quy Lithium-ion
Hình 1 mô tả 2 giai đoạn sạc ắc quy Lithium-ion tiêu chuẩn gồm: Sạc ổn dòng, sạc ổn áp. Trong quá trình sạc ổn dòng, dòng điện được giữ không đổi, thông thường bằng C/2-C (trong đó, C là dung lượng [Ah] của ắc quy). Dòng điện sạc càng lớn, quá trình sạc ổn dòng càng ngắn nhưng quá trình sạc ổn áp sẽ càng dài; tuy vậy, tổng thời gian sạc cả 2 giai đoạn thường không quá 3h. Đồng thời, dòng điện lớn sẽ làm tăng nhiệt độ ắc quy. Trong quá trình sạc cần theo dõi nhiệt độ sát sao vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể làm cho ắc quy bốc cháy hoặc phát nổ. Thông thường, nhiệt độ không nên vượt quá 450C. Một số ắc quy Li-ion sử dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độ khi sạc lên đến 600C. Một số bộ sạc nhanh (quick charge) chỉ thực hiện bơm dòng ổn định vào ắc quy (sạc ổn dòng) do đó, giới hạn về nhiệt độ lớn hơn đồng nghĩa với việc dòng điện sạc lớn hơn hay thời gian sạc nhanh sẽ ngắn hơn.

 
Hình 1. Quy trình sạc ắc quy Li-ion

Trong quá trình sạc ổn dòng, điện áp trên 2 đầu cực ắc quy tăng dần. Khi điện áp đạt bằng sức điện động của ắc quy lúc đầy, bộ sạc kết thúc quá trình sạc ổn dòng và chuyển sạc chế độ sạc ổn áp. Toàn bộ thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng còn lại ban đầu của ắc quy). Kết thúc quá trình sạc ổn dòng, dung lượng ắc quy đã phục hồi được khoảng 70%. Trong nhiều trường hợp (quick-charge) người ta có thể đem sử dụng ngay (phương pháp “charge-and-run”). Điều này mặc dù làm giảm bớt thời gian sạc đồng thời làm cho thiết kế của bộ sạc đơn giản hơn rất nhiều nhưng mặt khác sẽ làm giảm tuổi thọ ắc quy. Để đảm bảo tuổi thọ của ắc quy theo đúng thông số nhà sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành cả giai đoạn sạc ổn áp - thường mất thời gian hơn rất nhiều so với giai đoạn sạc ổn dòng.
Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng 4,2V/cell. Do dung lượng của ắc quy phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm cho dòng điện giảm dần. Khi dòng điện giảm về nhỏ hơn 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc. Lúc này, dung lượng ắc quy đạt khoảng 99%.
Khác với Bình ắc quy acid-chì, ắc quy Li-ion không cần và không được phép duy trì áp sạc sau khi ắc quy đã đầy (dòng điện sạc giảm nhỏ hơn 3%C) vì tính chất của ắc quy Lithium-ion không cho phép over-charge; nếu vẫn cố over-charge có thể sẽ làm nóng ắc quy và gây ra nổ. Ngoài ra, theo các chuyên gia, không nên sạc ắc quy Li-ion vượt quá 100% dung lượng vì như vậy sẽ làm giảm tuổi thọ của ắc quy. Vấn đề này sẽ được làm rõ ở phần tiếp theo.
Nếu ắc quy được sạc đầy, sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của ắc quy sẽ giảm dần về mức ổn định khoảng 3,6 - 3,9V/cell. Trái lại, nếu chỉ sạc nhanh (sạc ổn dòng) thì sau khi ngừng sạc, áp ắc quy sẽ giảm sâu hơn về khoảng 3,3 - 3,5V.
Do Bình ắc quy Lithium-ion cũng có tính chất tự phóng điện khi không sử dụng (self-discharge) nên trong một số trường hợp, để điền đầy ắc quy, ngoài việc sử dụng quá trình ổn dòng, ổn áp, người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn. Chẳng hạn, khi áp ắc quy đạt 4,2V/cell, quá trình sạc sẽ dừng ngay. Lúc này, điện áp pin sẽ giảm dần; khi điện áp ắc quy giảm còn 4,05V/cell hệ thống sạc lại tiếp tục đóng áp sạc 4,2V/cell vào để tiếp tục quá trình sạc áp. Việc đóng cắt như vậy sẽ được diễn ra liên tục. Nhờ vậy, điện áp ắc quy được giữ ổn định trong khoảng 4,05 – 4,2V/cell, do đó, làm ắc quy được nạp sâu hơn, tránh được hiện tượng over-charging và kéo dài tuổi thọ ắc quy.
2. Vấn đề Over-charging ắc quy Lithium-ion
Thông thường, ắc quy Li-ion chỉ nên hoạt động (sạc/xả) ở vùng điện áp được thiết kế (dưới 4,2V/cell). Tuy nhiên, trong một số trường hợp, khi ắc quy đã đầy mà vẫn bơm dòng điện vào, điện áp ắc quy sẽ dâng lên cao hơn 4,3V. Lúc này, ắc quy gọi là bị over-charging.
Khi ở điện áp ắc quy nằm ngoài vùng làm việc an toàn (trên 4,2V/cell hoặc dưới 2,5V/cell) hoạt động của nó trở nên không ổn định. Các lớp Lithium Metallic sẽ hình thành trên cực dương trong khi cực âm sẽ bị oxi hóa mạnh làm giảm tính ổn định và sản sinh ra khí CO2 bên trong ắc quy làm áp suất trên trong ắc quy sẽ tăng lên. Thông thường, để an toàn, bộ sạc cần phải ngừng sạc ngay khi áp suất trong cell đạt 200psi.
Nếu bộ sạc không có chức năng theo dõi và bảo vệ áp suất lớn, do khí CO2 không ngừng sinh ra, áp suất ắc quy sẽ tiếp tục tăng, đồng thời nhiệt độ ắc quy cũng tăng nhanh. Khi áp suất đạt khoảng 500psi, lúc này nhiệt độ ắc quy đạt khoảng 1300C - 1500C, lớp màng an toàn ngăn cách các cell sẽ bị đánh thủng và ắc quy sẽ bắt đầu bốc cháy thậm chí gây nổ.
Vì vậy, trong quá trình sạc, cần tuyệt đối tuân thủ các yêu cầu về nhiệt độ và điện áp trên các cell.

 
Hình 2. Các vùng làm việc của ắc quy

3. Sạc ắc quy Li-ion bị over-discharge
Ắc quy Li-ion nói chung không nên và không được phép xả quá sâu (over-discharge). Khi điện áp pin giảm xuống dưới 3,0V/cell, tốt nhất nên cắt ắc quy khỏi mạch. Nếu để điện áp ắc quy giảm xuống dưới 2,7V/cell hệ thống mạch bảo vệ của bản thân ắc quy sẽ tự động chuyển ắc quy sang chế độ sleep. Lúc này, ắc quy không thể sạc lại được theo cách thông thường mà cần phải sử dụng chu trình sạc 4 giai đoạn theo sơ đồ hình 2.
Trong chu trình sạc 4 giai đoạn, ngoài 2 giai đoạn sạc ổn dòng, ổn áp giống như quy trình sạc ắc quy Li-ion thường, 2 giai đoạn Pre-charge và Activation được thêm vào để khôi phục lại hoạt động của ắc quy.
Trước tiên, trong giai đoạn Pre-charge, ắc quy sẽ được bơm vào một dòng điện nhỏ (5-15%C) sau đó điện áp ắc quy được giám sát. Nếu sau một khoảng thời gian xác định (testing time), điện áp ắc quy không tăng hoặc tăng quá chậm thì ắc quy coi như không thể phục hồi được nữa. Trái lại nếu điện áp tăng lên trên 2,8V khi đó ắc quy gọi là còn tốt và có thể tiếp tục sạc được. Lúc này, bộ sạc chuyển sang sạc ắc quy trong chế độ Activation để kích hoạt trở lại hoạt động của ắc quy.
Trong chế độ Activation, dòng điện 5-15%C tiếp tục được duy trì cho đến khi điện áp ắc quy tăng lên trên 3V. Lúc này bộ sạc lại chuyển sang hoạt động ở chế độ sạc ổn dòng và ổn áp như bình thường.
Khi các nhà sản xuất bán ắc quy, họ thường sạc sẵn ắc quy đến 40% dung lượng. Tuy nhiên, sau một thời gian, do hiện thượng tự xả (self-discharge) dung lượng ắc quy giảm dần, đồng nghĩa với việc điện áp ắc quy giảm. Vì vậy, để tránh hiện tượng over-discharge, ắc quy nên được bảo trì định kỳ bằng cách sạc lại sau khi để không dùng trong một thời gian dài.

 
Hình 3. Bốn giai đoạn sạc ắc quy bị Over-discharge

4. Vấn đề cân bằng cell (cell balancing)
Mỗi cell ắc quy Li-ion thường có điện áp hở mạch khoảng 3,5V (danh định). Trong các hệ thống như xe điện, để cấp điện cho động cơ truyền lực chính và các thiết bị điện khác trong xe, các cell thường được mắc song song nối tiếp cho đến khi đạt được điện áp DC-Bus khoảng 200VDC trở lên.
Những nguyên nhân như thông số các cell do nhà sản xuất cung cấp có sai số nhất định; trong quá trình hoạt động, nhiệt độ ảnh hưởng lên mỗi cell cũng không đều nhau hay ảnh hưởng của tuổi thọ khiến tính chất của các cell không đồng đều. Có cell có điện áp cao hơn một chút, có cell có điện áp thấp hơn một chút so với các cell khác, hay nói cách khác, các cell không cân bằng với nhau.
Trong quá trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ đầy trước trong khi một số cell còn lại chưa đầy. Nếu vẫn tiếp tục sạc, cell đó sẽ bị overcharge khiến nhiệt độ và áp suất tăng cao (như đã phân tích ở trên) làm giảm tuổi thọ của cả ắc quy thậm chí phá hỏng cell đó. Ngược lại, trong quá trình xả, cell có điện áp thấp hơn sẽ chóng cạn hơn. Nếu vẫn tiếp tục xả sâu, cell đó sẽ bị over-discharge, làm giảm tuổi thọ ắc quy. Khi một cell bị hỏng, thông thường ta phải thay thế toàn bộ cả hệ thống ắc quy, bởi lẽ, nếu chỉ thay cell bị hỏng (có thể được trong một số trường hợp) thì cell mới đó vẫn có tính chất khác so với các cell còn lại, nghĩa là nguy cơ mất cân bằng (unbalance) vẫn có thể xảy ra.
Càng nhiều cell mắc nối tiếp, nguy cơ xảy ra mất cân bằng càng cao và độ tin cậy càng giảm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu hệ thống ắc quy được ghép nối bởi n cell, xác suất xảy ra mất cân bằng tăng lên gấp n lần so với chỉ 1 cell hoạt động độc lập.
Để hạn chế vấn đề này, có một số cách có thể xem xét. Trước tiên, người ta sẽ cố gắng chọn các cell có thông số tương đối đồng đều để ghép nối với nhau. Các cell sau đó sẽ được ghép nối song song nối tiếp với nhau thay vì chỉ ghép nối tiếp vì như vậy, dòng vòng chạy giữa các cell sẽ giúp cân bằng các cell với nhau (self-balacing). Sau đó, trong quá trình sử dụng, nhiệt độ phải được giám sát chặt chẽ để đảm bảo phân bố đều trên các cell.
Tuy vậy, để giải quyết triệt để việc mất cân bằng áp ắc quy Li-ion, trong các xe điện, hệ thống quản lý ắc quy (Battery Management System - BMS) cần giám sát chặt chẽ dung lượng của mỗi cell (State of Charge - SOC). Nếu phát hiện có sự mất cân bằng, hệ thống BMS cần thực hiện các biện pháp nhất định nhằm đưa các cell về trạng thái cân bằng với nhau. Có hai cách để thực hiện việc này là cân bằng chủ động và cân bằng thụ động.
Phương pháp cân bằng chủ động sẽ chuyển bớt năng lượng từ các cell có dung lượng cao hơn vào các cell có dung lượng thấp hơn. Phương pháp này có ưu điểm giúp hệ thống cân bằng về áp và không có tổn hao do năng lượng được luân chuyển lẫn nhau giữa các cell. Tuy nhiên, thiết kế cho mỗi cell một nguồn sạc độc lập là không thực tế. Việc cân bằng áp được thực hiện tuần tự cho một hoặc một nhóm cell. Do đó, để sạc đầy cả bộ ắc quy cần thời gian khá lớn.
Phương pháp cân bằng thụ động đơn giản hơn phương pháp cân bằng chủ động nhưng gây ra tổn hao trên điện trở. Bộ sạc cần ngắt sạc ngay khi một cell nào đó đã đầy. Sau đó, cell đã đầy sẽ được xả qua điện trở cho đến khi bằng cell thấp hơn. Sau đó, bộ sạc được tiếp tục đóng điện trở lại và chu trình lại được lặp lại cho đến khi tất cả các cell đã đầy.
Như vậy, trong quá trình sạc, ngoài việc tuân thủ đúng các quy trình sạc, bộ sạc cần phối hợp chặt chẽ với hệ thống BMS để thực hiện các kỹ thuật cell balancing nhằm điền đầy các cell, chống sự mất cân bằng giữa các cell, qua đó kéo dài tuổi thọ của cả bộ ắc quy.
 
Hình 4. Hệ thống cân bằng áp thụ động

5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc ắc quy
Như đã nói ở mục trên, hoạt động nạp xả của ắc quy phụ thuộc lớn vào nhiệt độ. Nói chung, tất cả các loại ắc quy đều có thể hoạt động trong một dải nhiệt độ khá rộng. Đối với ắc quy Li-ion, dải nhiệt độ này là từ 00C - 450C trong chế độ sạc và 00C - 600C trong chế độ xả. Một số ắc quy dựa trên Lithium đời mới hơn như Lithi-Ferro - Phophat (LiFePO4) hoặc Li-Polimer cho phép mở rộng vùng nhiệt độ làm việc hơn một chút. Trong vùng này, tính chất của ắc quy hầu như ổn định, hiệu suất sử dụng năng lượng cao. Nhưng ngoài vùng nhiệt độ đó, ở những nhiệt độ rất thấp hoặc rất cao, hoạt động của ắc quy bị ảnh hưởng mạnh, các phản ứng hóa học bên trong ắc quy diễn ra chậm lại, đồng nghĩa với dòng điện do ắc quy sinh ra hoặc hấp thu sẽ giảm đi so với khi hoạt động trong
Đối với ắc quy Li-ion nói chung, người ta đã chứng minh được rằng dải nhiệt độ từ 50C - 450C là dải nhiệt độ hoạt động tối ưu. Dưới 50C dòng sạc cần phải được giảm xuống và khi nhiệt độ giảm xuống dưới 00C (nhiệt độ đóng băng) cần dừng ngay quá trình sạc.
Ngược lại, ở nhiệt độ cao hơn 450C hoạt động của ắc quy trở nên mạnh mẽ hơn, nghĩa là có có thể phóng hoặc nạp dòng điện lớn hơn dòng danh định (C). Tuy nhiên, cả 2 trường hợp (nhiệt độ quá thấp cũng như nhiệt độ quá cao) đều làm tăng nội trở ắc quy, do đó, nếu vẫn cố gắng sạc thì sẽ làm giảm tuổi thọ ắc quy.
Vùng nhiệt độ an toàn. Bảng 1 mô tả vùng làm việc an toàn của một số loại ắc quy.

 
Bảng 1. Vùng nhiệt độ làm việc của một số loại ắc quy
6. Các yêu cầu khi sử dụng ắc quy Li-ion
Từ các nhận xét trên, ta có thể rút ra một số yêu cầu cần chú ý khi sạc ắc quy Li-ion:
i) Tắt tất cả các thiết bị nuôi bởi ắc quy cần sạc. Khi đó, hệ thống đo dòng, áp sạc sẽ cho kết quả chính xác, phản ánh đúng các thông số quá trình sạc.
ii) Không nên sạc khi nhiệt độ môi trường quá thấp hoặc quá cao.
iii) Dừng sạc ngay khi bộ nhiệt độ ắc quy tăng cao bất thường
iv) Dừng sạc ngay khi dung lượng ắc quy đạt khoảng 90 - 99%. Như vậy sẽ tốt cho ắc quy hơn là sạc đến 100% hoặc hơn. Thông thường, các bộ sạc có đèn báo dung lượng và tự cắt khi dung lượng đạt mức 90 - 99%. Nếu không, người dùng cần theo dõi để cắt sạc. Điều này sẽ làm tăng tuổi thọ ắc quy.
v) Trước khi lưu trữ ắc quy không sử dụng trong một thời gian dài, nên sạc trước cho nó đến khoảng 40-50% dung lượng để tránh hiện tượng over-discharge vì ắc quy bị self-dischage.
vi) Không nên cố sạc ắc quy có sức điện động dưới 2,7V/cell (đã bị over-discharge) bằng các bộ sạc thông thường (chỉ có chế độ ổn dòng và ổn áp) mà phải dùng các bộ sạc chuyên dụng (hỗ trợ đầy đủ cả 4 chế độ: Pre-charge, Activation, Constant Current, Constant Voltage). q
Nguyễn Duy Đỉnh Bộ môn Tự động hóa, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội