Kiểm thử bộ sạc pin Li-ion: chế độ CC-CV, dòng cắt và bảo vệ quá áp

Một bộ sạc pin Li-ion chỉ cần lệch điện áp điều chỉnh vài chục milivôn hoặc cắt dòng sớm hơn thiết kế là dung lượng thực của sản phẩm đã khác catalog, còn nếu cắt muộn thì pin bị ứng suất và mất an toàn. Vì vậy kiểm thử bộ sạc pin Li-ion không dừng ở chỗ “đèn báo chuyển xanh”. Kỹ sư cần đo được điện áp ở pha CV, dòng ở pha CC, điểm chuyển giữa các pha, dòng cắt sạc và phản ứng của hệ thống khi điện áp vượt ngưỡng. Bài viết trình bày chế độ CC-CV, các mốc tham chiếu từ datasheet IC sạc và IEC 62133-2, cách dùng giả lập pin thay cho cell thật, và cấu hình thiết bị Keysight tương ứng.

Chế độ CC-CV: ba pha sạc và các thông số cần đo

Datasheet IC sạc TI bq21040 mô tả ba pha điển hình: sạc sơ bộ (pre-charge) để phục hồi pin xả cạn, sạc nhanh dòng không đổi, rồi điều chỉnh điện áp. Ở pha cuối, vòng điện áp nắm quyền và giữ pin ở điện áp điều chỉnh cho tới khi dòng giảm dần xuống ngưỡng kết thúc. Đó chính là chế độ CC-CV: dòng không đổi (CC) cho tới khi pin chạm điện áp đích, sau đó điện áp không đổi (CV) trong khi dòng tự giảm.

Mỗi pha có một thông số đo được và một mốc để so:

• Ngưỡng chuyển sạc sơ bộ sang sạc nhanh: bq21040 ghi 2,4 / 2,5 / 2,6 V (min/typ/max), dòng sạc sơ bộ cố định 20 % dòng sạc nhanh. BQ25895 dùng ngưỡng điển hình 3,0 V (2,8–3,1 V). Hai IC cùng hãng đã khác nhau, nên mốc phải lấy từ datasheet của chính IC trong sản phẩm.
• Dòng pha CC: so với giá trị lập trình và dung sai trong datasheet IC.
• Điện áp điều chỉnh pha CV: Battery University nêu mức 4,20 V/cell với dung sai ±50 mV cho cell phổ thông, và cell dung lượng cao có thể lên 4,30 V/cell hoặc hơn. bq21040 cho 4,16–4,23 V tại danh định 4,2 V (độ chính xác 1 %); BQ25895 đạt ±0,5 % khi thử ở 4,208 V và 4,352 V.
• Ngưỡng sạc lại: bq21040 bắt đầu sạc lại khi điện áp pin tụt xuống V_O(REG) − 120 mV.

Battery University cũng lưu ý Li-ion không dùng sạc duy trì (trickle/float) khi đã đầy và không chịu được quá sạc. Một bộ sạc tiếp tục đẩy dòng nhỏ sau khi đã kết thúc là một lỗi cần bắt được trong phép thử.

Dòng cắt sạc: các mốc tham chiếu và cách đo

Dòng cắt sạc (termination current) là ngưỡng mà tại đó bộ sạc coi pin đã đầy và dừng pha CV. Không có một con số chung cho mọi thiết kế, và ba nguồn tham chiếu dùng ba cách diễn đạt khác nhau:

• bq21040 cố định ngưỡng kết thúc ở 10 % dòng sạc nhanh.
• Battery University coi pin đầy khi dòng giảm còn 3–5 % dung lượng danh định tính theo Ah.
• IEC 62133-2 bản sửa đổi AMD1:2021, mục 7.1.2, khi chuẩn bị mẫu thử cho pin được sạc ở điện áp sạc giới hạn trên và dòng sạc tối đa cho tới khi dòng giảm còn 0,05 I_t A, với I_t A = C₅ Ah / 1 h.

Điểm khó khi đo là dải động. Cùng một phép thử, dòng đi từ vài ampe ở pha CC xuống vài chục miliampe ở điểm cắt. BQ25895 cho phép lập trình dòng kết thúc từ 64 tới 1 024 mA, với độ chính xác ±12 % tại 256 mA, tức là bản thân IC đã có sai lệch đáng kể; thiết bị đo cần tốt hơn thế nhiều lần để phân biệt lỗi thiết kế với dung sai IC. Ví dụ tính: dòng cắt 50 mA đo trên dải thấp 0,1 A của E36731A có sai số đọc 0,035 % + 10 µA, tức khoảng 28 µA, nhỏ hơn ±12 % của 50 mA (6 mA) hơn hai trăm lần.

Cần ghi lại cả dạng sóng dòng theo thời gian, không chỉ một con số cuối. Bộ số hoá bên trong giúp thấy bộ sạc cắt dứt khoát hay dao động quanh ngưỡng, và có tự khởi động lại khi điện áp pin tụt đúng mức sạc lại hay không.

Bảo vệ quá áp: bộ sạc là một lớp, mạch bảo vệ trong pack là lớp khác

IEC 62133-2 quy định yêu cầu và phép thử an toàn cho cell và pin lithium thứ cấp kín dùng cho thiết bị cầm tay. Tiêu chuẩn định nghĩa “điện áp sạc giới hạn trên” (mục 3.19) là điện áp sạc cao nhất trong vùng hoạt động của cell do nhà sản xuất cell quy định. Mục 5.6.2 ghi rõ điện áp sạc danh định không được tính là một biện pháp bảo vệ quá sạc, và khuyến nghị dừng sạc khi bất kỳ cell đơn nào trong pack nối tiếp vượt điện áp giới hạn trên. Mục 5.6.1 cho phép chức năng bảo vệ đó nằm ngoài pin, ví dụ trong bộ sạc hoặc thiết bị đầu cuối.

Bản AMD1:2021 thay các giới hạn trong Bảng 2 (điện áp sạc giới hạn trên, giới hạn trên và dưới của nhiệt độ sạc) bằng cụm “do nhà sản xuất cell quy định”. Nghĩa là kế hoạch kiểm thử phải bám datasheet cell, không dùng một con số chung. Phép thử quá sạc của pin nằm ở mục 7.3.6; AMD1 yêu cầu mạch bảo vệ quá sạc, nếu có trong pin, phải bảo vệ được cell để không cháy nổ.

Lớp bảo vệ thứ hai thường là IC bảo vệ một cell trong pack. TI BQ29700 ngắt quá áp ở 4,275 V với độ trễ 1,25 s; BQ29702 ngắt ở 4,350 V. Độ chính xác ngưỡng là ±10 mV ở 25 °C và ±20 mV trong 0–60 °C. Khoảng cách giữa điện áp điều chỉnh của bộ sạc và ngưỡng của IC bảo vệ chỉ vài chục milivôn, nên phép đo điện áp CV phải có sai số nhỏ hơn khoảng cách đó một bậc.

Giả lập pin: thay cell thật bằng thiết bị hai góc phần tư

Kiểm thử bằng cell thật chậm (mỗi chu kỳ sạc tính bằng giờ), khó lặp lại và rủi ro khi cố tình tạo điều kiện lỗi. Giả lập pin giải quyết cả ba: một nguồn hai góc phần tư vừa hấp thụ dòng sạc như pin, vừa cho phép đặt điện áp khởi đầu tuỳ ý để vào thẳng pha sạc sơ bộ, pha CC hay pha CV.

Datasheet mô-đun SMU Keysight N6781A mô tả khả năng cấp và hấp thụ dòng ổn định “như một cục pin”, với điện trở ra lập trình được để mô phỏng nội trở pin; bảng thông số N6700 ghi dải lập trình −40 mΩ tới +1 Ω. N6781A có sẵn hai chế độ riêng là giả lập pin và bộ sạc pin (chỉ có trên N6781A và N6785A). Bài giả lập pin IoT: mô hình trở kháng trong và kịch bản xả đã trình bày phía xả; ở đây thiết bị làm việc ở chiều ngược lại, nhận dòng từ bộ sạc.

Một lưu ý quan trọng: mô hình pin tĩnh (điện áp cố định cộng nội trở) không đủ để kiểm tra điểm chuyển CC sang CV theo thời gian thực, vì điện áp pin thật tăng dần theo trạng thái sạc. Phần mềm của Keysight E36731A dựng hồ sơ pin tới 200 điểm, mỗi điểm gồm điện áp hở mạch, điện trở nối tiếp và trạng thái sạc, từ việc sạc hoặc xả một cell thật. Khi giả lập, máy cần bốn thông số: dung lượng danh định, giới hạn dòng, trạng thái sạc ban đầu và điều kiện cắt.

Quy trình kiểm thử bộ sạc pin Li-ion trên bàn đo

1. Chuẩn bị mốc: lấy điện áp sạc giới hạn trên, dòng sạc tối đa và dải nhiệt độ sạc từ datasheet cell; lấy ngưỡng pre-charge, dòng CC, điện áp điều chỉnh, dòng cắt và ngưỡng sạc lại từ datasheet IC sạc.
2. Pha sạc sơ bộ: đặt điện áp giả lập dưới ngưỡng pre-charge, xác nhận dòng sạc nhỏ đúng tỉ lệ; tăng điện áp dần để bắt điểm chuyển sang sạc nhanh.
3. Pha CC và điểm chuyển CC-CV: chạy hồ sơ pin theo trạng thái sạc, ghi dòng và áp theo thời gian, đánh dấu thời điểm bộ sạc chuyển sang điều chỉnh điện áp.
4. Điện áp CV: đo bằng đồng hồ vạn năng độc lập tại chân pin (bốn dây nếu có thể), không tin số đọc của chính bộ sạc.
5. Dòng cắt sạc và sạc lại: ghi dạng sóng dòng khi tiến tới ngưỡng; kiểm tra không còn dòng duy trì sau khi kết thúc; hạ điện áp giả lập để xác nhận ngưỡng sạc lại.
6. Điều kiện lỗi: nâng điện áp giả lập vượt điện áp điều chỉnh và tiến tới ngưỡng IC bảo vệ, quan sát bộ sạc ngừng cấp dòng; lặp lại ở biên nhiệt độ sạc do nhà sản xuất cell quy định.

Với phép đo độ chính xác điện áp CV, một ví dụ tính cho thấy vì sao cần đồng hồ vạn năng riêng: ở dải 10 V, Keysight 34465A có chỉ tiêu một năm 0,0030 % số đọc + 0,0004 % dải đo, tức khoảng 0,17 mV tại 4,2 V. Dung sai ±0,5 % của BQ25895 ở cùng điểm là ±21 mV, rộng hơn sai số đo hơn một trăm lần.

Chọn thiết bị Keysight

E36731A gộp nguồn và tải trong một máy: phía nguồn 0–30 V, 0–20 A, 200 W; phía tải hấp thụ tới 60 V, 40 A, 250 W. Trang sản phẩm ghi máy hỗ trợ hoạt động hai góc phần tư trực tiếp (cần firmware mới nhất). Sai số đọc áp 0,025 % + 1,5 mV; dải dòng thấp 0,1 A có sai số đọc 0,035 % + 10 µA và phải bật thủ công. Máy có chức năng dao động ký tích hợp nên không cần shunt ngoài. Phần mềm được datasheet 2024 ghi là BV9210B/BV9211B, còn trang sản phẩm hiện nêu PW9253A; nên xác nhận phiên bản khi đặt hàng.

N6781A hợp với bộ sạc cho thiết bị đeo và IoT: +20 V / 6 V, ±1 A / ±3 A, 20 W, bộ số hoá 18 bit khoảng 200 kHz và tự chuyển dải đo liền mạch, nên một lần ghi thấy được cả dòng ampe ở pha CC lẫn dòng micro-ampe sau khi cắt. Mô-đun lắp trong máy phân tích nguồn DC N6705C (bốn khe, tổng 600 W) để có thêm kênh cấp nguồn đầu vào cho bộ sạc.

34465A (6½ chữ số, 30 ppm DCV cơ bản, dải dòng tới 1 µA) làm chuẩn tham chiếu độc lập cho điện áp CV và dòng rò sau khi cắt.

Kết luận

Kiểm thử bộ sạc pin Li-ion là đo bốn thứ: ngưỡng và dòng từng pha của chế độ CC-CV, điện áp điều chỉnh, dòng cắt sạc và phản ứng khi điện áp vượt ngưỡng. Mốc so sánh phải lấy từ datasheet cell và IC sạc, vì IEC 62133-2 bản sửa đổi 2021 để các giới hạn sạc cho nhà sản xuất cell quy định. Giả lập pin hai góc phần tư rút ngắn mỗi chu kỳ thử từ hàng giờ xuống vài phút và cho phép tạo điều kiện lỗi an toàn. Nếu cần đo thêm nội trở và dung lượng của cell dùng để dựng hồ sơ, xem bài đo nội trở pin và dung lượng.

Khoảng cách giữa điện áp điều chỉnh và ngưỡng bảo vệ chỉ vài chục milivôn, nên sai số của thiết bị đo phải được kiểm soát định kỳ. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn nguồn DC, SMU và đồng hồ vạn năng theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo và lịch hiệu chuẩn.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.

Ở trạm FCT điện thoại, chức năng sạc được kiểm tra với một SMU hút được dòng ngược, xem Keysight N6786A cho kiểm tra chức năng điện thoại.