So sánh các phương pháp đo tình trạng sạc của acquy (SoC)

Có nhiều phương pháp để xác định tình trạng sạc (SoC : state of charge ) của acquy và ước tính dung lượng còn lại của nó. Tuy nhiên, không có phương pháp nào là hoàn hảo và chính xác 100%. Việc lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và mức độ chính xác mong muốn của người dùng. Chúng ta cùng www.dailyacquy.com cùng tìm hiểu các phương pháp đó nhé :

1. Phương pháp đo điện áp: Phương pháp này dựa trên quan hệ tuyến tính giữa điện áp và dung lượng của acquy. Thông thường, khi acquy sạc đầy, điện áp sẽ ở mức cao nhất và khi nó hoàn toàn cạn, điện áp sẽ ở mức thấp nhất. Tuy nhiên, đây là phương pháp chỉ mang tính tương đối và chưa thực sự chính xác.

Đo trạng thái sạc bằng điện áp rất đơn giản nhưng không chính xác vì vật liệu và nhiệt độ của tế bào ảnh hưởng đến điện áp. Lỗi rõ ràng nhất của SoC dựa trên điện áp xảy ra khi làm xáo trộn pin khi sạc hoặc xả. Kết quả là sự kích động làm biến dạng điện áp và nó không còn đại diện cho tham chiếu SoC chính xác nữa. Để có được kết quả chính xác, pin cần được đặt ở trạng thái mở mạch trong ít nhất bốn giờ; các nhà sản xuất pin khuyên dùng 24 giờ đối với axit chì. Điều này làm cho phương pháp SoC dựa trên điện áp không thực tế đối với pin đang hoạt động.

Mỗi chất hóa học của pin mang lại dấu hiệu phóng điện độc đáo của riêng nó. Mặc dù SoC dựa trên điện áp hoạt động khá tốt đối với pin axit chì đã nghỉ ngơi, nhưng đường cong phóng điện phẳng của pin dựa trên niken và lithium khiến phương pháp điện áp trở nên không khả thi.

Đường cong điện áp phóng điện của Li-mangan, Li-photphat và NMC rất phẳng và 80 phần trăm năng lượng dự trữ vẫn nằm trong cấu hình điện áp phẳng. Mặc dù đặc tính này được mong muốn như một nguồn năng lượng, nhưng nó đặt ra một thách thức đối với việc đo nhiên liệu dựa trên điện áp vì nó chỉ biểu thị mức sạc đầy và mức sạc thấp; phần giữa quan trọng không thể được ước tính chính xác. Hình 1 cho thấy cấu hình điện áp phẳng của pin Li-photphat (LiFePO).

Li-photphat có cấu hình phóng điện rất phẳng, khiến việc ước tính điện áp cho ước tính SoC trở nên khó khăn.

Axit chì đi kèm với các thành phần tấm khác nhau phải được xem xét khi đo SoC theo điện áp. Canxi , một chất phụ gia giúp pin không cần bảo trì, làm tăng điện áp lên 5–8 phần trăm. Ngoài ra, nhiệt làm tăng điện áp trong khi lạnh làm giảm điện áp. Sạc bề mặt tiếp tục đánh lừa các ước tính của SoC bằng cách hiển thị điện áp cao ngay sau khi sạc; một lần phóng điện ngắn trước khi đo sẽ loại bỏ lỗi. Cuối cùng, pin AGM tạo ra điện áp cao hơn một chút so với điện áp tương đương bị ngập nước.

Khi đo SoC bằng điện áp mạch hở (OCV), điện áp pin phải ở mức “thả nổi” mà không kèm theo tải. Đây không phải là trường hợp với các phương tiện hiện đại. Tải ký sinh cho các chức năng vệ sinh đặt pin vào tình trạng điện áp mạch gần như kín (CCV).

Mặc dù không chính xác, hầu hết các phép đo SoC dựa một phần hoặc hoàn toàn vào điện áp vì tính đơn giản. SoC dựa trên điện áp phổ biến trên xe lăn, xe tay ga và xe chơi gôn. Một số BMS cải tiến (hệ thống quản lý pin) sử dụng các khoảng thời gian nghỉ để điều chỉnh các chỉ số SoC như một phần của chức năng “tìm hiểu”. 

Hình 2 minh họa dải điện áp của khối đơn khối axit chì 12V từ khi được xả hết cho đến khi được sạc đầy.

Phương pháp sử dụng tỷ trọng kế :

Tỷ trọng kế cung cấp một giải pháp thay thế để đo SoC của ắc quy axit chì bị ngập nước. Đây là cách nó hoạt động: Khi ắc quy axit chì nhận điện tích, axit sunfuric sẽ nặng hơn, làm cho trọng lượng riêng (SG) tăng lên. Khi SoC giảm khi phóng điện, axit sunfuric tự loại bỏ khỏi chất điện phân và liên kết với bản cực, tạo thành chì sunfat. Mật độ của chất điện phân trở nên nhẹ hơn và giống nước hơn, đồng thời trọng lượng riêng thấp hơn. Bảng 3 cung cấp chỉ số BCI của ắc quy khởi động

trạng thái sạc gần đúng	Trọng lượng riêng trung bình	điện áp mạch mở
2V	6V	8V	12V
100%	1.265	2.10	6.32	8,43	12,65
75%	1.225	2.08	6,22	8h30	12h45
50%	1.190	2.04	6.12	8.16	12.24
25%	1.155	2.01	6.03	8.04	12.06
0%	1.120	1,98	5,95	7,72	11,89

Bảng 3: Tiêu chuẩn BCI để ước tính SoC của pin khởi động có antimon
Các chỉ số được thực hiện ở 26°C (78°F) sau 24 giờ nghỉ ngơi.

Trong khi BCI (Hội đồng pin quốc tế) chỉ định trọng lượng riêng của pin khởi động được sạc đầy ở mức 1,265, các nhà sản xuất pin có thể sử dụng mức 1,280 trở lên. Việc tăng trọng lượng riêng sẽ di chuyển số đọc SoC lên trên bảng tra cứu. SG cao hơn sẽ cải thiện hiệu suất của pin nhưng rút ngắn tuổi thọ của pin do hoạt động ăn mòn tăng lên.

Bên cạnh mức điện tích và mật độ axit, mức chất lỏng thấp cũng sẽ thay đổi SG. Khi nước bay hơi, chỉ số SG tăng lên do nồng độ cao hơn. Pin cũng có thể được lấp đầy, làm giảm số lượng. Khi thêm nước, hãy đợi thời gian trộn trước khi đo SG.

Trọng lượng riêng thay đổi theo các ứng dụng pin. Pin chu kỳ sâu sử dụng chất điện phân dày đặc với SG lên tới 1,330 để có năng lượng riêng tối đa; pin hàng không có SG khoảng 1,285; ắc quy kéo cho xe nâng hàng thường ở mức 1,280; pin khởi động ở mức 1,265; và pin cố định có trọng lượng riêng thấp là 1,225. Điều này làm giảm sự ăn mòn và kéo dài tuổi thọ nhưng lại làm giảm năng lượng hoặc công suất cụ thể.

Không có gì trong thế giới pin là tuyệt đối. Trọng lượng riêng của pin chu kỳ sâu được sạc đầy của cùng một kiểu máy có thể nằm trong khoảng từ 1,270 đến 1,305; xả hết, các pin này có thể khác nhau giữa 1,097 và 1,201. Nhiệt độ là một biến số khác làm thay đổi cách đọc trọng lượng riêng. Nhiệt độ càng lạnh, giá trị SG càng cao (đậm đặc hơn). Bảng 4 minh họa lực hấp dẫn SG của pin chu kỳ sâu ở các nhiệt độ khác nhau.

nhiệt độ điện phân	Trọng lực ở mức sạc đầy
40°C	104°F	1.266
30°C	86°F	1.273
20°C	68°F	1.280
10°C	50°F	1.287
0°C	32°F	1.294

Bảng 4: Mối quan hệ giữa trọng lượng riêng và nhiệt độ của pin chu kỳ sâu
Nhiệt độ lạnh hơn cho kết quả về trọng lượng riêng cao hơn.

Việc đọc SG không chính xác cũng có thể xảy ra nếu pin bị phân tầng, nghĩa là nồng độ nhẹ ở trên và nặng ở dưới Nồng độ axit cao làm tăng điện áp mạch hở một cách giả tạo, có thể đánh lừa các ước tính SoC thông qua chỉ báo sai SG và điện áp. Chất điện phân cần ổn định sau khi sạc và xả trước khi đọc chỉ số SG.

Phương pháp dếm 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 quá trình nạp và xả. ( “coulomb” được đặt để vinh danh Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806), người nổi tiếng với việc phát triển định luật Coulomb )

Mặc dù đây là một giải pháp hiệu quả cho một vấn đề đầy thách thức, nhưng tổn thất làm giảm tổng năng lượng được cung cấp và năng lượng có sẵn ở cuối luôn ít hơn năng lượng đã được đưa vào. Mặc dù vậy, việc đếm coulomb vẫn hoạt động tốt, đặc biệt là với Li-ion cung cấp hiệu quả coulumbinc cao và tự xả thấp. Các cải tiến đã được thực hiện bằng cách xem xét quá trình lão hóa và tự phóng điện dựa trên nhiệt độ nhưng vẫn nên hiệu chuẩn định kỳ để mang lại sự hài hòa cho “pin kỹ thuật số” với “pin hóa học”.

Để khắc phục hiệu chuẩn, đồng hồ đo nhiên liệu hiện đại sử dụng chức năng “tìm hiểu” ước tính lượng năng lượng mà pin cung cấp trong lần xả trước. Một số hệ thống cũng quan sát thời gian sạc vì pin bị phai màu sạc nhanh hơn pin tốt.

Các nhà sản xuất BMS tiên tiến khẳng định độ chính xác cao nhưng thực tế cuộc sống thường cho thấy điều ngược lại. Phần lớn điều giả tạo được ẩn sau một bài đọc lạ mắt. Điện thoại thông minh có thể hiển thị mức sạc 100 phần trăm khi pin chỉ được sạc 90 phần trăm. Các kỹ sư thiết kế nói rằng chỉ số SoC trên pin EV mới có thể bị giảm 15%. Có những trường hợp được báo cáo trong đó trình điều khiển EV hết điện với chỉ số SoC 25% vẫn còn trên đồng hồ đo nhiên liệu.

Quang phổ trở kháng

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

Đo lường SoC độc lập với điện áp cũng hỗ trợ các điểm đến và phòng trưng bày. Mở cửa xe áp dụng tải ký sinh khoảng 20A làm kích động pin và làm sai lệch phép đo SoC dựa trên điện áp. Phương pháp Spectro™ giúp xác định pin sạc yếu với pin bị lỗi chính hãng.

Phép đo SoC bằng quang phổ trở kháng được giới hạn ở một loại pin mới có dung lượng tốt đã biết; công suất phải được đóng đinh và có giá trị không thay đổi. Mặc dù có thể đọc SoC với tải ổn định, nhưng không thể sạc pin trong quá trình thử nghiệm.

Hình 5 thể hiện kết quả kiểm tra quang phổ trở kháng sau khi tải ký sinh 50A được lấy ra khỏi pin. Đúng như dự kiến, điện áp đầu cực mở tăng lên như một phần của quá trình phục hồi nhưng số đọc Spectro™ vẫn ổn định. Kết quả SoC ổn định cũng được quan sát thấy sau khi loại bỏ điện tích trong khi điện áp chuẩn hóa như một phần của quá trình phân cực.

Pin đang phục hồi sau khi loại bỏ tải. Các chỉ số SoC của Spectro vẫn ổn định khi điện áp tăng.