Trong bài này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu pin là gì, cấu tạo và cách phân loại pin, các chỉ số quan trọng ghi trên pin, ảnh hưởng của nội trở, và cách đo dung lượng pin bằng phương pháp xả dòng không đổi. Đây là kiến thức bắt buộc khi các bạn làm thiết bị chạy pin như đồng hồ thông minh, cảm biến IoT, xe điều khiển hay sạc dự phòng nhé.
Bài này nằm trong Serie Tổng hợp kiến thức về điện tử cơ bản cho người mới bắt đầu
Pin là gì?
Pin là một thiết bị điện hóa có khả năng lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng nó dưới dạng điện năng khi cần. Cấu tạo cơ bản của pin gồm:
- Điện cực dương (Cathode): nơi xảy ra phản ứng khử khi pin xả điện.
- Điện cực âm (Anode): nơi xảy ra phản ứng oxy hóa khi pin xả điện.
- Chất điện phân: môi trường dẫn ion giữa hai điện cực, có thể ở dạng lỏng, gel hoặc rắn.
- Vỏ bảo vệ: chứa và cách ly các thành phần bên trong, bảo đảm an toàn cơ học và điện.
Ví dụ đời thường nhé: pin giống như một bể nước đặt trên cao. Dung lượng là lượng nước trong bể, điện áp là độ cao của bể, còn nội trở giống như độ hẹp của đường ống. Bể to mà ống hẹp thì muốn xả nhanh cũng không được.
Tham khảo thêm: Pin điện trên Wikipedia.
Nguyên lý hoạt động
Khi pin được nối vào một mạch điện ngoài, phản ứng hóa học xảy ra tại các điện cực tạo ra chênh lệch điện thế. Các electron di chuyển qua mạch ngoài từ cực âm sang cực dương, tạo thành dòng điện cấp cho thiết bị.
Với pin sơ cấp (primary cell), phản ứng này không đảo ngược được, phản ứng kết thúc là pin hết điện và không sạc lại được. Với pin thứ cấp (secondary cell), phản ứng có thể đảo ngược bằng cách cấp dòng điện theo chiều ngược lại, đó chính là quá trình sạc.
Phân loại pin
Theo khả năng sạc:
- Pin sơ cấp: chỉ dùng một lần, ví dụ pin kiềm, pin than kẽm.
- Pin thứ cấp: sạc lại được nhiều lần, ví dụ pin Li-ion, pin NiMH, ắc quy chì axit.
Theo hóa chất bên trong:
- Pin kiềm (Alkaline): điện cực kẽm và mangan dioxide, chất điện phân kiềm KOH.
- Pin than kẽm (Zinc Carbon): giá rẻ, dung lượng thấp hơn pin kiềm.
- Pin bạc oxit (Silver Oxide): điện áp ổn định, dùng trong đồng hồ, thiết bị y tế.
- Pin lithium sơ cấp: các loại Li-MnO2, Li-FeS2, điện áp cao, mật độ năng lượng lớn, ví dụ pin cúc áo CR2032.
- Pin Li-ion: sạc được, phổ biến nhất trong thiết bị điện tử.
- Pin Li-Po (lithium polymer): dạng túi dẹt, linh hoạt về hình dạng.
- Pin NiCd: bền, chịu dòng xả lớn nhưng chứa cadmium độc hại.
- Pin NiMH: dung lượng cao hơn NiCd, ít độc hại hơn.
- Ắc quy chì axit (Lead Acid): dòng xả lớn, dùng trong ô tô, bộ lưu điện UPS.
Theo hình dạng:
- Pin hình trụ: phổ biến nhất, như AA, AAA, 18650.
- Pin dẹt (prismatic): dùng trong điện thoại, laptop.
- Pin dạng túi (pouch cell): nhẹ, dễ tạo hình.
- Pin nút (coin cell): nhỏ gọn, dùng trong đồng hồ, remote, cảm biến.
Các thông số quan trọng của pin
Điện áp danh định (Nominal Voltage)
Là điện áp trung bình đặc trưng của pin trong quá trình xả, do nhà sản xuất quy ước. Ví dụ Li-ion là 3.6V hoặc 3.7V, NiMH là 1.2V, chì axit là 2.0V mỗi cell. Thông số này giúp xác định cần ghép bao nhiêu cell để đạt điện áp hệ thống mong muốn.
Điện áp thực tế thay đổi theo mức pin. Một cell Li-ion khi đầy là 4.2V, khi cạn khoảng 3.0V.
Dung lượng (Capacity)
Là khả năng lưu trữ điện tích của pin, đơn vị mAh hoặc Ah. Pin 2000mAh về lý thuyết cấp được dòng 2000mA trong 1 giờ, hoặc 200mA trong 10 giờ. Dung lượng càng lớn thì pin dùng càng lâu với cùng một tải.
Nội trở (Internal Resistance)
Là điện trở bên trong pin, quyết định khả năng cấp dòng lớn. Nội trở cao thì điện áp sụt mạnh khi tải nặng và pin nóng lên. Nội trở tăng dần theo tuổi pin và số lần sạc xả.
Dòng xả tối đa (Max Discharge Current)
Là dòng lớn nhất pin cấp được một cách an toàn, thường ghi dưới dạng C-rate. Ví dụ pin 2000mAh, 2C nghĩa là xả được tối đa 2 x 2000mA = 4A. Vượt quá giá trị này pin sẽ nóng, giảm tuổi thọ hoặc hỏng.
Các thông số khác
- Chu kỳ sạc xả (Cycle Life): số lần sạc xả cho tới khi dung lượng còn khoảng 80% ban đầu. Li-ion khoảng 500 – 1000 chu kỳ, chì axit khoảng 300 – 500 chu kỳ.
- Hiệu suất nạp xả: tỷ lệ năng lượng lấy ra được so với năng lượng đã nạp, pin hiện đại đạt 85 – 95%.
- Tự xả (Self-Discharge): tốc độ mất dung lượng khi để không. NiMH tự xả nhanh hơn Li-ion khá nhiều.
- Nhiệt độ hoạt động: Li-ion thường xả được từ -20°C tới 60°C, nhưng chỉ nên sạc trong khoảng 0°C tới 45°C.
Trong các thông số trên, dung lượng và nội trở là 2 chỉ số quan trọng nhất để đánh giá chất lượng một viên pin.
Lưu ý: Dung lượng in trên vỏ pin không phải lúc nào cũng đúng. Rất nhiều pin 18650 trôi nổi ghi 9800mAh, trong khi pin 18650 tốt nhất hiện nay cũng chỉ khoảng 3500mAh. Khi làm sản phẩm, hãy tự đo lại dung lượng thật trước khi tính thời gian sử dụng của thiết bị.
Ảnh hưởng của nội trở trong hoạt động của pin
Xét mạch điện gồm pin có suất điện động E, nội trở r, nối với tải:
Điện áp đo được ở 2 cực pin khi có tải là:
U = E − I × r
Trong đó:
- U: điện áp đầu cực (Terminal Voltage) khi pin đang cấp dòng cho tải.
- E: suất điện động, hay điện áp hở mạch (Open Circuit Voltage – OCV).
- I: dòng điện cấp cho tải.
- r: nội trở của pin.
Ý nghĩa của công thức:
- Khi không tải (I = 0) thì U = E, đo được đúng điện áp hở mạch.
- Khi có tải (I > 0) thì U < E, vì bị trừ đi phần sụt áp I × r trên nội trở.
- Dòng tải càng lớn hoặc nội trở càng cao thì điện áp đầu cực sụt càng nhiều, năng lượng bị đốt thành nhiệt ngay trong pin.
- Nếu I × r quá lớn, U có thể tụt dưới mức tối thiểu của thiết bị, làm thiết bị tắt sớm dù pin vẫn còn dung lượng.
Ví dụ một viên pin Li-ion có E = 3.7V, nội trở r = 0.1 ohm. Khi cấp dòng 2A, điện áp đầu cực chỉ còn 3.7 − 2 x 0.1 = 3.5V. Cùng viên pin đó đã cũ, nội trở lên 0.5 ohm, điện áp chỉ còn 3.7 − 2 x 0.5 = 2.7V, đủ để mạch báo hết pin.
Đây là lý do điện thoại cũ hay tắt nguồn đột ngột khi mở camera hoặc chơi game, dù vẫn báo còn 20% pin.
Phương pháp đo dung lượng pin CC
Công thức tính dung lượng pin
Nguồn: GeeksforGeeks – Battery Capacity
Trong đó:
- Q: dung lượng pin (Ah hoặc mAh). Trên máy đo thường hiển thị là Cap (Capacity).
- I: dòng xả (A).
- t: thời gian xả (giờ).
Nếu giữ dòng xả I cố định trong suốt quá trình, dung lượng Q tỷ lệ thuận với thời gian t. Vì vậy chỉ cần duy trì một dòng không đổi (Constant Current – CC) và đo thời gian từ lúc pin đầy tới khi điện áp xuống ngưỡng cắt là tính được dung lượng.
Quy trình đo CC
- Sạc đầy pin, ví dụ Li-ion sạc tới 4.2V.
- Thiết lập dòng xả cố định I, ví dụ 0.5A.
- Bắt đầu xả và ghi lại thời gian t cho tới khi điện áp xuống ngưỡng cắt, ví dụ 3.0V với Li-ion.
- Tính dung lượng: Q = I x t. Xả 0.5A trong 4 giờ thì Q = 2Ah = 2000mAh.
Làm sao giữ dòng xả không đổi?
Theo định luật Ohm I = U / R. Khi pin xả, điện áp U giảm dần, muốn giữ I không đổi thì điện trở tải tương đương R phải giảm theo.
Trong thực tế điện trở công suất có giá trị cố định. Vì vậy mạch tải điện tử dùng MOSFET đóng cắt bằng PWM, thay đổi độ rộng xung để điều chỉnh điện trở tương đương mà pin “nhìn thấy”.
Dòng trung bình được tính theo công thức:
Trong đó:
- D: duty cycle, tỷ lệ thời gian MOSFET dẫn trong một chu kỳ.
- Ion: dòng khi MOSFET dẫn hoàn toàn.
Vi điều khiển đo điện áp pin bằng ADC, khi điện áp giảm thì tăng duty cycle để dòng trung bình luôn bằng giá trị đặt. Cách tạo PWM trên vi điều khiển các bạn xem bài STM32 Timer chế độ PWM nhiều kênh, còn nguyên lý MOSFET xem bài Mosfet là gì? Công dụng và cách kiểm tra mosfet.
Mạch đo dung lượng pin đơn giản như sau:
Lưu ý: Tuyệt đối không xả pin Li-ion xuống dưới ngưỡng cắt 2.5 – 3.0V. Xả quá sâu làm pin hỏng vĩnh viễn, phồng hoặc nguy hiểm khi sạc lại. Mạch đo phải có chức năng tự ngắt tải khi điện áp chạm ngưỡng, không được để xả qua đêm mà không giám sát.
Kết
Hiểu đúng các chỉ số của pin giúp các bạn chọn được pin phù hợp, tính chính xác thời gian sử dụng và tránh được những lỗi khó hiểu như thiết bị tắt đột ngột khi tải nặng. Hai chỉ số cần nhớ nhất là dung lượng và nội trở.
Bước tiếp theo, các bạn có thể tự làm một mạch đo dung lượng pin bằng vi điều khiển, kết hợp ADC đo điện áp và PWM điều khiển MOSFET. Nếu thấy bài viết có ích, hãy chia sẻ cho bạn bè cùng học điện tử nhé!
