Điện trở trong của pin là thông số quan trọng dùng để đánh giá hiệu suất hoạt động và tình trạng suy hao của pin. Giá trị điện trở trong càng cao, tổn hao năng lượng và sinh nhiệt trong quá trình phóng nạp càng lớn. Có nhiều phương pháp đo điện trở trong như phương pháp dòng xung, phương pháp AC và đo bằng thiết bị chuyên dụng. Bài viết sẽ giúp bạn hiểu rõ khái niệm, vai trò của điện trở trong và các kỹ thuật đo lường được sử dụng phổ biến hiện nay.
1. Tổng quan về điện trở trong
Điện trở trong (Internal Resistance – IR) là một thông số quan trọng về pin, vì giá trị điện trở trong càng cao báo hiệu pin sắp hết tuổi thọ. Điều này đặc biệt đúng với các loại pin gốc niken.
Điện trở trong không phải là một con số đồng nhất của một loại pin, và giá trị giữa các lô pin có thể chênh lệch với nhau. Do dung sai rất rộng này, phương pháp đo điện trở trong được sử dụng khi so sánh các chỉ số của một cell pin nhất định từ khi ra đời đến khi nó ngừng sử dụng.
Một số quan niệm cho rằng điện trở bên trong liên quan đến dung lượng, nhưng điều này không đúng. Điện trở trong của pin axit chì và pin lithium-ion hiện đại gần như không đổi trong suốt thời gian sử dụng.
Các chất phụ gia điện phân tốt hơn đã giảm thiểu các vấn đề ăn mòn bên trong ảnh hưởng đến điện trở trong. Sự ăn mòn này còn được gọi là phản ứng ký sinh trên chất điện phân và điện cực.
Hình 1 dưới đây cho thấy sự suy giảm dung lượng theo chu kỳ của cell pin Li-ion, còn điện trở trong của cell pin gần như không thay đổi. Điện trở trong không phản ánh tình trạng sức khỏe của pin và thường không thay đổi theo thời gian sử dụng.
Trở kháng là gì? Trước khi tìm hiểu các phương pháp đo điện trở trong của pin, hãy xem xét sự khác biệt giữa điện trở thuần (R) và trở kháng (Z).
R là điện trở thuần và Z bao gồm các thành phần phản kháng như cuộn dây và tụ điện. Cả hai giá trị đều được tính bằng ohm (Ω), một phép đo có nguồn gốc từ nhà vật lý người Đức Georg Simon Ohm (1798 – 1854). Một ohm tạo ra độ sụt áp 1V với dòng điện 1A. Độ dẫn điện được đo bằng Siemens (S), nghịch đảo với giá trị ohm.
Điện trở của tải thuần túy, chẳng hạn như bộ phận gia nhiệt, không có phản kháng. Điện áp và dòng điện chạy đồng bộ và không có trễ pha hoặc sớm pha. Điện trở trong dòng điện một chiều (DC) và dòng điện xoay chiều (AC) giống nhau. Hệ số công suất (PF) là 1, cung cấp khả năng đo lường chính xác nhất về công suất tiêu thụ.
Hầu hết các tải điện đều là tải phản kháng và bao gồm điện dung (tụ điện) và điện cảm (cuộn dây). Điện dung giảm dần theo tần số cao hơn, trong khi điện cảm tăng dần.
Pin có điện trở, điện dung và điện cảm, và thuật ngữ trở kháng bao gồm cả ba thành phần trong một mô hình. Trở kháng có thể được minh họa rõ nhất bằng mô hình Randles (Hình 2) bao gồm các điện trở R1 và R2 cũng như tụ điện C. Độ tự cảm thường bị bỏ qua vì nó đóng vai trò không đáng kể trong pin, đặc biệt là ở tần số thấp.
Điện trở tổng thể của pin bao gồm điện trở, cũng như điện cảm và điện dung. Sơ đồ và giá trị của mỗi loại pin sẽ khác nhau.
Đo điện trở trong của pin bằng tải điện trở đã có từ lâu đời và có một số phương pháp mới được phát triển theo thời gian, tất cả đều vẫn đang được sử dụng.
2. Các phương pháp đo điện trở trong
2.1 Phương pháp tải DC
Để đo điện trở trong pin bằng tải DC, bạn cần sử dụng đồng hồ vạn năng để đo điện áp hở mạch (V1) rồi nối một tải điện (bóng đèn, điện trở,…) vào pin và đo lại điện áp khi có tải (V2), cùng với dòng điện tải (I). Sau đó, áp dụng công thức:
Điện trở trong (R) = (V1 – V2)/I
Các bước thực hiện:
1. Đo điện áp hở mạch (V1):
Sử dụng đồng hồ vạn năng đo điện áp DC ở hai cực của pin khi không có tải kết nối. Ghi lại giá trị này.
2. Kết nối tải và đo điện áp khi có tải (V2):
Kết nối một tải điện (ví dụ như bóng đèn hoặc điện trở có giá trị phù hợp) với pin để tạo ra dòng điện xả ổn định.
Trong khi tải đang kết nối, đo lại điện áp trên hai cực của pin (V2).
3. Đo dòng điện tải (I):
Sử dụng ampe kế để đo dòng điện đang chạy qua tải.
4. Tính toán điện trở trong:
Sử dụng công thức sau để tính điện trở trong pin: R = (V1- V2)/I.
Ưu điểm:
- Dễ thực hiện
- Không cần các thiết bị đo chuyên dụng
Nhược điểm:
- Phương pháp này cho kết quả kém chính xác hơn so với các phương pháp đo AC.
- Dòng điện tải nên đủ lớn để gây ra sự sụt áp đáng kể, nhưng không nên quá lớn làm hỏng pin.
2.2 Phương pháp AC
Để đo điện trở trong pin bằng phương pháp AC, cần sử dụng máy đo chuyên dụng hoặc thiết bị kiểm tra pin, cấp một dòng điện AC tần số cao (thường là 1kHz) lên pin rồi đo điện áp phản hồi để tính toán điện trở trong. Phương pháp này an toàn, không làm ảnh hưởng đến trạng thái pin, cho kết quả nhanh và chính xác, đặc biệt là đối với các ứng dụng cần đo điện trở trong thấp.
Các bước thực hiện:
1. Cấp điện áp AC:
Máy đo sẽ phát ra một tín hiệu điện áp xoay chiều (AC) có tần số thường là 1kHz lên hai cực của pin.
2. Đo điện áp phản hồi:
Đồng thời, vôn kế AC sẽ đo điện áp phản hồi trên hai cực của pin.
3. Tính toán điện trở trong:
Dựa trên tín hiệu AC ban đầu và điện áp phản hồi thu được, thiết bị sẽ tính toán ra giá trị điện trở trong của pin.
Ưu điểm của phương pháp AC
- Nhanh chóng và chính xác:
Đây là phương pháp cho kết quả nhanh và có độ chính xác cao, là tiêu chuẩn trong ngành kiểm tra pin.
- An toàn và không ảnh hưởng đến pin:
Phương pháp sử dụng dòng AC nhỏ, không cần xả mạnh, do đó không ảnh hưởng đến trạng thái pin và an toàn khi sử dụng.
- Khả năng đo điện trở trong thấp:
Kỹ thuật này rất hiệu quả trong việc đo điện trở trong pin thấp, có thể xuống đến vài milliohm.
Thiết bị sử dụng:
- Các thiết bị đo chuyên dụng như các dòng máy kiểm tra pin YR1035, YR1030,…
- Máy đo trở kháng pin của Hioki như BT3562, BT3563, hoặc BT4560,…
2.3 Phương pháp phổ trở kháng điện hóa (EIS)
Để khắc phục những hạn chế của phương pháp đo truyền thống, Phổ Trở kháng Điện hóa (EIS) đã ra đời. EIS là một kỹ thuật đo lường tiên tiến, cho phép thu thập thông tin chi tiết về Trạng thái Sức khỏe của pin lithium-ion bằng cách đo sự thay đổi trở kháng của pin theo tần số.
Phương pháp này dựa trên việc cấp một tín hiệu điện áp xoay chiều có tần số thay đổi vào pin và đo dòng điện phản hồi. Bằng cách phân tích sự thay đổi của trở kháng theo tần số, EIS có thể xác định các thông số quan trọng của pin, bao gồm:
- Điện trở chuyển tải điện tích (Rct): Đại diện cho khả năng của ion lithium di chuyển qua lớp giao diện giữa điện cực và chất điện phân. Giá trị Rct càng cao, khả năng di chuyển của ion lithium càng kém, dẫn đến hiệu suất pin bị suy giảm.
- Điện trở Warburg (Rw): Đại diện cho sự khuếch tán của ion lithium trong chất điện phân. Giá trị Rw càng cao, sự khuếch tán của ion lithium càng khó khăn, ảnh hưởng đến tốc độ sạc và xả của pin.
- Điện dung lớp kép (Cdl): Là một đại lượng đo khả năng tích trữ năng lượng trên lớp giao diện giữa điện cực và chất điện phân. Giá trị Cdl càng thấp, khả năng tích trữ năng lượng của pin càng giảm.
Ưu điểm:
- Đánh giá chính xác Trạng thái Sức khỏe (SoH): EIS cung cấp một cái nhìn toàn diện về Trạng thái Sức khỏe của pin, bao gồm cả các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất như sự suy giảm điện dung, tốc độ sạc/xả, khả năng chịu dòng, và các yếu tố lão hóa khác.
- Phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn: EIS có thể phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn trong pin, bao gồm cả sự suy giảm chất điện phân, sự hình thành lớp thụ động trên điện cực, và sự thay đổi cấu trúc tinh thể của vật liệu cực.
- Dự đoán tuổi thọ của pin: Bằng cách theo dõi sự thay đổi của các thông số quan trọng theo thời gian, EIS có thể giúp dự đoán tuổi thọ của pin và lên kế hoạch bảo trì kịp thời.
Nhược điểm:
Mặc dù mang đến nhiều lợi ích, nhưng EIS cũng có một số nhược điểm:
- Chi phí thiết bị: Thiết bị EIS thường có giá thành cao, có thể là một rào cản đối với nhiều người sử dụng.
- Thời gian đo lường: Quá trình đo EIS thường mất nhiều thời gian hơn so với phương pháp đo điện trở AC đơn giản.
- Kết quả phức tạp: Phân tích dữ liệu EIS đòi hỏi chuyên môn và kỹ năng cao
Trên đây là toàn bộ thông tin về chủ đề điện trở trong của pin và các phương pháp đo điện trở trong mà trung tâm VATC muốn gửi đến bạn. Hy vọng bài viết này sẽ bổ ích và hữu dụng với bạn.
Nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
Xem thêm:
