Pin ô tô điện – Lithaco hướng dẫn mẹo kéo dài tuổi thọ
Khám phá những nguyên nhân làm giảm tuổi thọ pin Li-ion và những điều mà người sử dụng có thể làm để kéo dài tuổi thọ pin.
Các nghiên cứu về pin đang tập trung vào vật liệu hóa học chế tạo pin lithium nhiều đến mức người ta có thể tưởng tượng được rằng tương lai của pin chỉ có lithium. Có những nguyên nhân tốt đáng để lạc quan rằng Lithium-ion (ở nhiều khía cạnh) đang ở cấp cao hơn những chất hóa học khác. Những ứng dụng của chúng đang không ngừng nở rộ và lấn sang các thị trường mà trước đó chỉ có loại pin axit chì, như là chế độ chờ và cân bằng tải. Nhiều vệ tinh cũng đang sử dụng Lithium-ion.
Lithium-ion vẫn chưa được khám phá hoàn toàn và vẫn đang không ngừng cải tiến. Những ưu điểm nổi bật được biết đến là tuổi thọ và độ an toàn trong khi dung lượng đang từng bước được nâng cao.
Nguyên nhân làm giảm tuổi thọ pin Lithium-ion
Pin lithium-ion hoạt động dựa trên sự luân chuyển ion giữa cực dương và cực âm của pin. Trên lý thuyết, một cơ chế như vậy sẽ hoạt động mãi mãi, nhưng do chu kỳ xả, nhiệt độ tăng và sự “chai pin”làm giảm hiệu suất theo thời gian. Nhà sản xuất đã thận trọng thông báo và định rõ tuổi thọ của hầu hết các sản phẩm là trong khoảng 300 đến 500 vòng sạc/xả.
Trong năm 2020, các loại pin nhỏ cho thiết bị đeo tay… thường khoảng 300 chu kỳ sạc trong khi điện thoại có chu kỳ sạc yêu cầu là khoảng 800 trở lên. Những tiến bộ lớn nhất được ứng dụng trong pin của xe điện với khẳng định là có tuổi thọ một triệu dặm tương đương 5000 chu kỳ sạc.
Đánh giá tuổi thọ pin dựa trên số chu kỳ sạc không hoàn toàn là đúng vì mức độ sử dụng/xả pin có thể thay đổi và không có một tiêu chuẩn xác định rõ ràng nào về cách xác định một chu kỳ của pin. Thay vì tính số chu kỳ sạc, một vài nhà sản xuất thiết bị khuyến nghị nên thay thế pin theo ngày định sẵn trên tem dán, nhưng cách thức này chưa tính đến việc pin được sử dụng như thế nào. Pin vẫn có thể phát sinh lỗi trong thời hạn sử dụng quy định bởi việc sử dụng ở cường độ cao hay điều kiện nhiệt độ môi trường không thích hợp; tuy nhiên, phần lớn các khối pin có thể được sử dụng lâu hơn giá trị danh định mà nhà sản xuất đề ra.
Hiệu suất của một khối pin được đo đạt dựa trên dung lượng, chỉ số quan trọng nhất để đánh giá tình trạng pin. Nội trở và mức độ tự xả cũng đóng một vai trò quan trọng, nhưng những yếu tố này ít được sử dụng để dự đoán tuổi thọ của dòng pin Li-ion thế hệ mới.
Hình 1 bên dưới cho thấy mức độ suy hao dung lượng của 11 khối pin Li-polymer được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Pin được thí nghiệm có dung lượng 1500 (mAh) thường được sử dụng trong các loại điện thoại di động. Chúng được sạc với dòng điện 1500 (mA) (1C) đến ngưỡng 4.2 V/cell và sau đó dùng dòng sạc bão hòa 0.05C (75mA) đến khi pin được sạc hoàn toàn bão hòa. Sau khi đã sạc đầy, pin được xả với dòng 1500 mA đến khi đạt ngưỡng 3.0 V/cell, và chu kỳ sạc/xả tiếp tục được lập lại như vậy. Dự đoán dung lượng suy hao của pin Li-ion được thí nghiệm đến 250 chu kỳ xả và kết quả đạt được giống với ước lượng.
Hình 1. Dung lượng suy hao theo số chu kỳ sử dụng
Mặc dù một khối pin phải đạt được 100% dung lượng xả trong năm sử dụng đầu tiền, nhưng dung lượng sử dụng thực tế thường thấp hơn và thời hạn sử dụng có thể góp phần vào sự thất thoát này. Ngoài ra, nhà sản xuất có xu hướng đánh giá quá cao về chất lượng pin của họ vì biết rằng rất ít người dùng sẽ kiểm tra kỹ điều đó và khiếu nại nếu dung lượng thấp hơn mặc định. Các cell pin trong một khối thường không khớp với nhau hoàn toàn như khuyến cáo, những cell pin có dung lượng thấp hơn có thể bị rò rỉ thông qua các vết rạn nứt khó phát hiện.
Giống với các thiết bị cơ khí, mức độ chai pin tăng nhanh khi được sử dụng ở cường độ cao, và mức xả sâu (DoD) xác định số chu kỳ xả của pin. Mức độ xả càng nhỏ (low DoD) thì tuổi thọ pin càng lâu. Nếu có thể, hãy nên hạn chế việc xả cạn pin và thay vào đó hãy tăng tần suất sạc pin giữa những lần sử dụng. Việc chỉ sạc một phần hoàn toàn ổn. Việc sạc đầy/xả cạn pin định kỳ để kéo dài tuổi thọ pin là hoàn toàn không cần thiết. Việc đó chỉ cần thiết để giúp các thiết bị điều khiển thông minh có thể xác định chính xác dung lượng của pin.
Bảng số liệu sau đây trình bày mức độ stress liên quan đến suy hao dung lượng trên pin Lithium-ion làm từ Cobalt (NMC). Điện áp của pin Lithium sắt phosphate (LiFePO4) và Lithium Titan có mức độ thấp hơn và không nên áp dụng thông số điện áp được cho sau đây.
Ghi chú: Bảng 2, 3 và 4 cho thấy chiều hướng suy hao của loại pin Li-ion Cobalt thông dụng dựa trên mức xả sâu, nhiệt độ và mức độ sạc. Bảng 6 xem xét thêm về tổn thất dung lượng khi hoạt động trong các cấp xả đã cho. Các bảng không đề cập đến chế độ sạc nhanh và xả ở mức tải cao, điều đó sẽ làm giảm tuổi thọ pin. Không phải tất cả các pin đều biểu hiện giống nhau.
Bảng 2 ước tính số chu kỳ sạc/xả mà pin Li-ion có thể thực hiện ở các cấp DoD khác nhau trước khi dung lượng pin giảm xuống còn 70%. DoD tạo thành một lần sạc đầy sau đó xả đến mức trạng thái sạc (SoC) như trong bảng.
| Mức xả sâu (DoD) |
Số chu kỳ xả | |
| NMC | LiFePO4 | |
| 100% DoD | ~ 300 | ~ 600 |
| 80% DoD | ~ 400 | ~ 900 |
| 60% DoD | ~ 600 | ~ 1500 |
| 40% DoD | ~ 1000 | ~ 3000 |
| 20% DoD | ~ 2000 | ~ 9000 |
| 10% DoD | ~ 6000 | ~ 15000 |
Bảng 2: Số chu kỳ xả theo mức xả sâu (DoD).
Sạc một phần thay vì sạc đầy sẽ giúp pin giảm stress và kéo dài tuổi thọ. Cũng giống như sạc một phần, nhiệt độ cao và dòng xả/sạc lớn cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ pin.
Ghi chú: 100% DoD là một chu kỳ sạc/xả hoàn toàn.
Nhiệt độ của pin được xem là cao khi trên 30OC (86OF) và đối với phần lớn pin Li-ion, mức điện áp trên 4.1 (V/cell) được xem là cao. Giữ pin trong môi trường nhiệt độ cao và dung lượng sạc đầy trong thời gian dài có thể ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ pin. Bảng 3 chứng minh dung lượng bị suy hao theo nhiệt độ.
| Nhiệt độ | Sạc 40% | Sạc 100% |
| 0OC | 98% (sau 1 năm) | 94% (sau 1 năm) |
| 25OC | 96% (sau 1 năm) | 80% (sau 1 năm) |
| 40OC | 85% (sau 1 năm) | 65% (sau 1 năm) |
| 60OC | 75% (sau 1 năm) | 60% (sau 3 tháng) |
Bảng 3. Đánh giá mức độ suy hao của pin khi vận hành 1 năm trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ tăng cao sẽ đẩy nhanh việc suy hao dung lượng vĩnh viễn. Không phải tất cả hệ thống Li-ion đều hoạt động giống như nhau.
Hầu hết pin Li-ion sạc đầy đến 4.2 (V/cell), và cứ mỗi 0.1 (V/cell) điện áp đỉnh giảm xuống sẽ giúp tăng tuổi thọ pin lên gấp đôi. Ví dụ, một cell pin Lithium-ion thông thường sạc đến 4.2 (V/cell) sẽ có tuổi thọ khoảng 300-500 chu kỳ xả; nếu chỉ sạc đến 4.1 (V/cell), tuổi thọ pin có thể kéo dài lên đến 600-1000 chu kỳ xả; 4.0 (V/cell) sẽ là 1200-2000 và 3.9 (V/cell) sẽ là 2400-4000 chu kỳ xả.
Ở mặt khác, giảm điện áp sạc đỉnh cũng đồng nghĩa với việc giảm dung lượng sử dụng pin lưu trữ. Nói một cách đơn giản hơn, cứ 70 (mV) giảm tương đương với giảm bớt 10% dung lượng tổng. Sử dụng điện áp sạc đỉnh (4.2V) trong lần sạc sau sẽ sạc lại đầy dung lượng pin.
Để kéo dài tuổi thọ pin, điện áp sạc tối ưu là 3.92(V/cell). Chuyên gia về pin lưu trữ tin rằng ngưỡng điện áp này loại bỏ tất cả các áp lực do điện áp gây nên; sử dụng mức điện áp dưới ngưỡng này có thể không có thêm được lợi ích nào thêm mà còn gây ra các hiện tượng khác. Bảng 4 thống kê mức dung lượng pin theo các cấp sạc. (Tất cả các giá trị đã được xem xét; Cell pin có mức điện áp ngưỡng cao hơn có thể sẽ khác.)
| Cấp độ sạc*
(V/cell) |
Chu kỳ xả | Dung lượng khả dụng** |
| [4.30] | [150-250] | [110-115%] |
| 4.25 | 200-350 | 105-110% |
| 4.20 | 300-500 | 100% |
| 4.15 | 400-700 | 90-95% |
| 4.10 | 600-1000 | 85-90% |
| 4.05 | 850-1500 | 80-85% |
| 4.00 | 1200-2000 | 70-75% |
| 3.90 | 2400-4000 | 60-65% |
| 3.80 | Xem ghi chú | 35-40% |
| 3.70 | Xem ghi chú | 30% hoặc thấp hơn |
Bảng 4: Chu kỳ xả và dung lượng theo giới hạn cấp điện áp sạc.
Cứ mỗi 0.1 (V) giảm so với mức điện áp sạc đỉnh 4.2 (V/cell) sẽ giúp tăng gấp đôi chu kỳ xả nhưng sẽ giảm dung lượng khả dụng. Tăng điện áp trên mức 4.2 (V/cell) sẽ làm giảm tuổi thọ pin. Các thông số dựa trên loại pin Li-ion thông dụng có mức điện áp ngưỡng 4.2 (V/cell).
Ghi chú: việc sạc một phần phủ định lợi ích của pin Li-ion trong trường hợp mức năng lượng đặc biệt cao.
* Giống với chu kỳ sạc/xả áp dụng cho pin ở các cấp điện áp khác nhau khi sạc đầy.
** So với 100% dung lượng của pin mới khi sạc đầy.
Thí nghiệm: Đại học công nghệ Chalmers Thụy Điển báo cáo rằng giảm cấp điện áp sạc đầy đi 50% giúp tăng tuổi thọ của pin Li-ion lên đến 44-130%.
Phần lớn các thiết bị điều khiển được cài đặt để sạc pin Li-ion đến mức điện áp 4.2 (V/cell). Điều này cho phép sạc dụng lượng lên mức tối đa, vì các khách hàng không muốn gì hơn là tối ưu thời gian sử dụng pin. Mặt khác, trong mảng công nghiệp, người ta thường quan tâm đến vấn đề tuổi thọ của thiết bị và thường chọn giảm mức điện áp sạc đỉnh xuống. Vệ tinh và xe điện là những ví dụ cụ thể.
Vì lý do an toàn, nhiều loại pin Lithium-ion không cho phép sạc quá 4.2 (V/cell). Việc sạc pin lên mức điện áp cao giúp tăng thời lượng sử dụng, đồng thời nó cũng rút ngắn tuổi thọ và làm giảm độ an toàn. Hình 5 chứng minh chu kỳ xả của pin phụ thuộc và mức điện áp sạc đầy. Ở mức 4.35 (V), số chu kỳ xả của loại pin Li-ion thông dụng bị rút đi phân nữa.
Hình 5: ảnh hưởng của mức điện áp sạc đến tuổi thọ pin.
Ngoài việc lựa chọn mức điện áp phù hợp nhất cho mục đích sử dụng pin, pin Li-ion không nên được duy trì ở mức điện áp 4.2 (V/cell) trong thời gian dài.
Hình 6 minh họa các bài kiểm tra dao động áp lực (DST) phản ánh sự suy hao dung lượng khi pin Li-ion được sạc/xả ở các mức khác nhau. Mức suy hao dung lượng cao nhất trong trường hợp xả pin từ mức đầy 100% đến còn 25% dung lượng (Màu đen). Sự suy hao sẽ nhiều hơn nữa nếu ta xả hoàn toàn cạn dung lượng pin. Sạc/xả trong mức 85% đến 25% (Màu xanh) có tuổi thọ pin dài hơn là mức 100% đến 50% (Xanh đậm). Mức suy hao dung lượng thấp nhất đạt được khi sạc/xả trong mức 75% đến 65%. Tuy nhiên, mức sạc này không tận dụng được pin hoàn toàn. Mức điện áp sạc và nhiệt độ cao được đánh giá là ảnh hưởng đến tuổi thọ pin nhiều hơn là sử dụng mức dung lượng xả lớn trong điều kiện bình thường.
Hình 6: Suy hao dung lượng phụ thuộc vào mức độ sạc/xả. *
Trường hợp 1: 75%-65% cho tuổi thọ pin lâu nhất nhưng chỉ sử dụng được 90000 đơn vị năng lượng (EU). Sử dụng 10% dung lượng pin.
Trường hợp 2: 75%-25% cho được 3000 chu kỳ xả (đến 90% tổng dung lượng) và sử dụng được 150000 EU. Sử dụng 50% dung lượng pin.
Trường hợp 3: 85%-25% cho được 2000 chu kỳ xả, 120000 EU. Sử dụng 60% dung lượng pin.
Trường hợp 4: 100%-25%; thời lượng sử dụng lâu với 75% dung lượng pin. Có tuổi thọ ngắn.
* Có sự khác biệt giữa Bảng 2 và Hình 6 về số lượng chu kỳ. Không có giải thích rõ ràng nào khác ngoài giả định có sự khác biệt về chất lượng pin và phương pháp kiểm tra. Sự khác biệt giữa các loại hàng tiêu dùng giá thành thấp với hàng công nghiệp bền lâu cũng có thể đóng một vai trò nào đó. Khả năng duy trì dung lượng sẽ giảm nhanh hơn khi nhiệt độ lớn hớn 20OC.
Tăng mức độ xả sâu cũng đồng thời làm tăng nội trở của pin Li-ion. Hình 7 minh họa sự gia tăng mạnh ở chu kỳ xả 61% dung lượng được đo bằng phương pháp điện trở DC. Sự gia tăng điện trở là vĩnh viễn.
Hình 7: Sự tăng mạnh nội trở với mức độ xả sâu pin Li-ion.
Ghi chú: Phương pháp DC cho kết quả khác với phương pháp AC (khung màu xanh lá). Để có được kết quả tốt nhất, sử dụng phương pháp DC để tính toán.
Hình 8 ngoại suy dữ liệu từ hình 6 để mở rộng ước tính tuổi thọ pin Li-ion bằng một chương trình giả định suy hao tuyến tính dung lượng pin với số chu kỳ tăng dần. Nếu chính xác thì pin Li-ion có chu kỳ xả 75%-25% (xanh dương) sẽ suy hao còn 74% dung lượng sau 14000 chu kỳ. Với chù kỳ xả 85%-25% (xanh lá) sẽ suy hao còn 64% và chu kỳ 100%-25% (màu đen) là 48%. Vì nguyên nhân không rõ, tuổi thọ pin trong thí nghiệm thực tế có xu hướng cho kết quả thấp hơn mô phỏng.
Hình 8: Mô phỏng ước tính tuổi thọ pin bởi phần mềm ngoại suy.
Pin Li-ion được sạc với 3 mức sạc khác nhau. Giới hạn mức sạc của pin giúp kèo dài tuổi thọ nhưng giảm thời lượng khả dụng. Điều này phản ánh đến sự gia tăng trọng lượng và vốn đầu tư ban đầu.
Nhà sản xuất pin thường chỉ định tuổi thọ pin với 80% DoD. Điều này là thực tế bởi pin lưu trữ nên giữ lại một lượng dự trữ trong điều kiện sử dụng bình thường. Số chu kỳ dựa trên DST khác nhau tùy theo loại pin, thời gian sạc, cách thức sử dụng và nhiệt độ vận hành. Số liệu từ các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm thường không được áp dụng hoàn trong thực tế.
Người Sử Dụng Nên Làm Gì?
Không chỉ chu kỳ xả, điều kiện môi trường cũng quyết định tuổi thọ pin. Trường hợp tệ nhất là giữ pin luôn được sạc đầy khi ở nhiệt độ tăng cao. Các khối pin không chết ngay lập tức mà thời lượng sử dụng tối đa sẽ bị rút ngắn khi dung lượng suy hao dần.
Giảm điện áp sạc kéo dài tuổi thọ pin, xe điện và vệ tinh đã tận dụng điều này. Những thiết lập này cũng có thể được áp dụng cho người tiêu dùng thông thường, nhưng điều đó ít khi được thực hiện; thay vào đó là những kế hoạch sử dụng thủ công lỗi thời được sử dụng.
By Đỗ Đăng Khoa – Lithaco
Nguồn: BU-808: How to Prolong Lithium-based Batteries – Battery University
Xem thêm các bài viết về xe điện tại đây
Bài Viết Liên Quan
