Tốc độ mà pin có thể được sạc lại được đo bằng cách sử dụng ‘tốc độ C’, trong đó ‘C’ là dung lượng của pin tính bằng mA hoặc A. Với tốc độ 1 C, pin có thể được sạc lại hoàn toàn trong một giờ. Tốc độ của điện tích chủ yếu phụ thuộc vào điện áp.
Ví dụ:
- Đối với pin nhỏ được sử dụng trong các thiết bị điện tử di động, tốc độ sạc C dựa trên điện áp đầu ra của bộ sạc.
- Đối với các bộ pin lớn, chẳng hạn như bộ pin được sử dụng trong xe điện (EV), tốc độ sạc C phụ thuộc vào điện áp đầu vào và đầu ra của bộ sạc.
Hãy cùng xem lại cách sạc Li-ion cơ bản cho các thiết bị di động, xem xét công nghệ USB PD và Qualcomm Quick Charge để sạc nhanh hơn cho các thiết bị di động và thảo luận về các mức sạc EV bao gồm cả công nghệ sạc cực nhanh (XFC).
Li-on
tiêu chuẩn Sạc Li-ion tiêu chuẩn là một quy trình gồm hai bước, bắt đầu với sạc dòng điện không đổi (CC) và kết thúc với sạc điện áp không đổi (CV) ( Hình 1 ). Sạc CC được sử dụng để đưa điện áp trở lại mức cuối quá trình sạc, là định mức điện áp danh định của pin. Tại thời điểm đó, quá trình sạc CV sẽ tiếp tục và dòng điện từ từ giảm.
Khi dòng điện đạt đến mức thấp, phụ thuộc vào hóa học cụ thể của pin, quá trình sạc sẽ dừng lại và điện áp sẽ bị loại bỏ.
Tỷ lệ C tối ưu cho quá trình sạc và điện áp cuối lần sạc khác nhau tùy thuộc vào hóa chất đang được sử dụng và các yếu tố khác, chẳng hạn như nhiệt độ.
Ví dụ:
- Lithium Mangan Oxit: 0,7–1C điển hình, tối đa 3C, điện áp cuối sạc 4,20V
- Lithium Iron Phosphate:0,3 điển hình, tối đa 1C, điện áp cuối sạc 3,65V
- Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxide:0,7 điển hình, tối đa 1C, điện áp cuối sạc 4,20 đến 4,30 V, tùy thuộc vào thiết kế
- Lithium Titanate:1C điển hình, tối đa 5C, điện áp cuối sạc 2,85V
Sạc pin Li-ion ở tốc độ cao hơn sẽ làm giảm tuổi thọ của chu kỳ ( Hình 2 ). Tốc độ sạc chậm từ C / 2, C / 5 trở xuống có thể khiến pin lão hóa chậm hơn và tuổi thọ chu kỳ dài hơn. Các nhà thiết kế phải thỏa hiệp thời gian sạc pin với thời gian có sẵn để sử dụng trong một ứng dụng nhất định.
Ngoài ra, việc giảm mục tiêu điện áp cuối sạc từ 100mV trở lên có thể kéo dài tuổi thọ pin bằng cách đặt ít căng thẳng hơn lên các điện cực – nhưng với chi phí là dung lượng thấp hơn. Dung lượng của pin phụ thuộc trực tiếp vào điện áp cuối lần sạc. Giảm điện áp làm giảm dung lượng pin.
Chế độ
Chế độ thả nổi là một điều cần cân nhắc khác khi sạc các ion Li-ion. Nó sử dụng dòng điện không đổi (thấp) sau khi chế độ CV hoàn thành. Chế độ thả nổi đôi khi được sử dụng với các ứng dụng năng lượng, chẳng hạn như hệ thống lưu trữ năng lượng cho các tấm quang điện. Tuy nhiên, hầu hết pin Li-ion không được thiết kế cho chế độ nổi sau khi đạt trạng thái sạc đầy.
Nếu nó lý tưởng cho một ứng dụng nhất định, pin phải được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ chế độ nổi. Nếu không, dòng điện sạc liên tục có thể dẫn đến việc sạc quá mức, có thể làm hỏng tế bào và có khả năng dẫn đến cháy hoặc nổ.
Nhiệt độ
Nhiệt độ phải được kiểm soát khi sạc các ion Li-on. Các điện cực than chì trong hầu hết các loại pin này có thể bị hỏng khi sạc ở nhiệt độ cao, dẫn đến mất dung lượng vĩnh viễn. Sạc theo tỷ lệ C cao có thể làm tăng hiệu ứng giảm dung lượng vì dòng sạc cao có thể làm tăng nhiệt độ bên trong pin. Nếu pin đồng thời phải chịu điện áp cao và nhiệt độ cao, có thể xảy ra hiện tượng thoát khí trong tế bào, dẫn đến phồng và các hư hỏng khác.
Ngoài ra, ở nhiệt độ thấp hơn, các ion Li-ion tích điện chậm hơn. Ít Li- có thể được sạc dưới 0 ° C. Do tác động tiêu cực của nhiệt độ quá cao, điều quan trọng là phải liên tục theo dõi pin trong quá trình sạc và làm chậm hoặc thậm chí dừng pin nếu nhiệt độ tăng hoặc giảm quá nhiều.
Sạc nhanh
Sạc nhanh hơn yêu cầu điện áp cao hơn. Vì vậy, thách thức ở đây là quản lý sự gia tăng nhiệt độ. Thông số kỹ thuật nguồn USB ban đầu được giới hạn ở 5V và tối đa 3A (tùy thuộc vào việc triển khai) cho tối đa 15W. Thông số kỹ thuật USB PD (phân phối điện) cung cấp nhiều điện áp – 5, 9, 15 và 20 V và lên đến 5A – cho công suất tối đa 100W và sạc pin nhanh hơn.
Công nghệ USB PD PPS (nguồn điện có thể lập trình) xác định trạng thái sạc của pin theo thời gian thực, điều chỉnh điện áp và dòng điện để cung cấp công suất tối đa đồng thời giảm thiểu sự gia tăng nhiệt độ.
Công nghệ Sạc nhanh của Qualcomm đã phát triển với trọng tâm là quản lý nhiệt độ. Quick Charge 2.0 được bổ sung tính năng Dual Charge, sử dụng hai IC quản lý năng lượng (PMIC) trong thiết bị cầm tay để chia dòng sạc thành hai luồng. Điều này làm giảm thiết bị cầm tay và do đó, tăng nhiệt độ pin.
Trong phiên bản 3.0, Quick Charge đã bổ sung tính năng Đàm phán thông minh cho Điện áp tối ưu (INOV), Công nghệ tiết kiệm pin, HVDCP + và Dual Charge +. INOV xác định việc truyền tải điện năng tối ưu để hỗ trợ hiệu quả tối đa. Công nghệ tiết kiệm pin tối ưu hóa việc sạc để duy trì ít nhất 80% dung lượng sạc ban đầu của pin sau 500 chu kỳ sạc.
Quick Charge 3.0 không sử dụng Dual Charge + mát hơn tới 6 ° C, nhanh hơn 16% và hiệu quả hơn 38% so với Quick Charge 2.0 và Quick Charge 3.0 sử dụng Dual Charge + mát hơn tới 8 ° C, nhanh hơn 27% và hơn 45% hiệu quả hơn Quick Charge 2.0 với Dual Charge.
Quick Charge 4 được bổ sung Dual Charge ++ và tương thích với USB-C và USB PD. Các biện pháp an toàn bổ sung đã được đưa vào để bảo vệ chống quá áp, quá dòng, quá nhiệt và phát hiện chất lượng cáp. Quick Charge 4 với Dual Charge ++ mát hơn tới 5 ° C, nhanh hơn 20% và hiệu quả hơn 30% so với Quick Charge 3.0 với Dual Charge +.
Sạc kép ++ là bắt buộc với Quick Charge 4, mặc dù nó là tùy chọn với các phiên bản trước đó. Quick Charge 5 tương thích với USB-PD PPS và có thể sạc pin 4500 mAh trên điện thoại di động lên đến 50% trong năm phút ( Hình 3 ).
Pin ô tô điện
Pin, bộ pin và hệ thống quản lý pin trong EV là khác nhau. Điện áp của các bộ pin EV ngày càng cao – lên đến 800 V. Việc chuyển từ 400 V được sử dụng trong hầu hết các loại EV hiện tại lên 800 V có thể giảm 50% thời gian sạc.
Ví dụ: một số 800 V EV có thể xử lý 200 kW điện sạc và sạc từ 10 đến 80% trong 18 phút. Điện áp tăng gấp đôi có nghĩa là các loại cáp nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ hơn có thể được sử dụng để cung cấp cùng một nguồn điện. Dòng điện thấp hơn cũng dẫn đến ít sinh nhiệt hơn và nhiệt độ tăng thấp hơn.
Ngoài điện áp bộ pin cao hơn, tốc độ sạc EV có liên quan đến điện áp đầu vào của bộ sạc.
Tại Hoa Kỳ, SAE J1772 công nhận ba mức sạc:
- Mức 1sử dụng đầu vào 120 Vac và được giới hạn ở khoảng 1,9 kW, cấp nguồn cho bộ sạc EV trên bo mạch.
- Cấp độ 2được gọi là “sạc nhanh AC” và sử dụng nguồn điện một pha 208/240 Vac để cung cấp lên đến khoảng 19 kW với nguồn 240 VAC. Nó sạc nhanh hơn tới bảy lần so với Cấp độ 1.
- Cấp độ 3là sạc nhanh DC và sử dụng bộ sạc bên ngoài để cung cấp 240 kW sử dụng 600 Vdc và 400 A. Các thiết kế tiên tiến có thể cung cấp 500 kW sử dụng 1.000 Vdc và 500 A.
Ở Châu Âu, IEC 61851-1 xác định bốn chế độ sạc EV ( Hình 4 ):
- Chế độ 1 sạc là nguồn điện thấp và sử dụng cáp đơn giản cắm trực tiếp vào ổ cắm AC.
- Chế độ 2 bổ sung thêm tính năng bảo vệ tích hợp, được gọi là thiết bị bảo vệ và điều khiển trong cáp (IC-CPD). Nó cắm trực tiếp vào ổ cắm AC. IC-CPD tạo ra Chế độ 2, an toàn hơn Chế độ 1, nhưng nó vẫn bị giới hạn ở khoảng 15 kW với nguồn ba pha.
- Chế độ 3 sử dụng một trạm sạc chuyên dụng để cung cấp lên đến 120 kW AC. Tất cả các chế độ 1, 2 và 3 đều sử dụng bộ sạc tích hợp của EV để kiểm soát quá trình sạc pin.
- Chế độ 4 đề cập đến sạc nhanh DC. Có thể cung cấp vài trăm kW với Chế độ 4. Phản hồi năng lượng và kiểm soát sạc có thể thực hiện được ở Chế độ 3, nhưng chúng được yêu cầu ở Chế độ 4. Phiên bản mới nhất của Chế độ 4 là XFC, có thể cung cấp tới 350 kW.
Theo IEC 62196, nhiệt độ tại các điểm tiếp xúc của đầu nối cung cấp nguồn điện sạc cho ô tô không được vượt quá 50 ° C. Nếu nhiệt độ tăng trên mức này, bộ sạc phải làm chậm hoặc dừng quá trình sạc. Cần làm mát tích cực hệ thống cáp và đầu nối trong các hệ thống cung cấp dòng sạc trên 250 A.
Tóm tắt
Tốc độ có thể sạc lại pin hoặc bộ pin phụ thuộc vào điện áp được sử dụng và mức độ hiệu quả của pin có thể được quản lý khi nhiệt độ tăng lên. Hầu hết các loại pin nhỏ trong các thiết bị di động được giới hạn ở mức sạc 1C.
Công nghệ USB PD và Qualcomm Quick Charge sử dụng kết hợp các bước điện áp tốt hơn và theo dõi nhiệt độ nhạy hơn để tăng tốc độ sạc vượt xa 1C. Trong một số trường hợp, họ có thể sạc pin điện thoại di động đến 50% chỉ trong năm phút. Sạc pin EV phức tạp hơn và bao gồm nhiều mức sạc và chế độ sạc để cung cấp mức công suất cao tới 500 kW. Trong một số thiết kế mới hơn, một bộ pin EV có thể được sạc đến 80% trong 18 phút.
