Hai phòng thí nghiệm đo cùng một cell lithium-ion và ra hai con số nội trở chênh nhau ba lần — chuyện này xảy ra thường xuyên, và thường không ai sai cả. Lý do là đo nội trở pin có ít nhất hai phương pháp cho ra hai đại lượng vật lý khác nhau: nội trở xoay chiều (AC-IR) đo ở 1 kHz và nội trở một chiều (DC-IR) đo bằng xung dòng. Nếu không ghi rõ phương pháp cùng với con số, kết quả không dùng được để so sánh.
Bài viết trình bày nguyên lý của cả hai phương pháp theo IEC 61960, cách đo dung lượng đi kèm, các nguồn sai số phải kiểm soát và cách chọn thiết bị cho từng cỡ cell.
Nội trở pin là gì và vì sao có hai con số
Một cell không phải là điện trở thuần. Khi có dòng chạy qua, điện áp đầu cực sụt xuống vì ba cơ chế nối tiếp nhau về mặt thời gian: sụt áp ohm trên vật liệu điện cực, màng ngăn và tiếp xúc (xảy ra gần như tức thời); phân cực chuyển điện tích tại bề mặt điện cực (hàng mili-giây tới giây); và khuếch tán ion trong chất điện phân (hàng giây tới phút).
Phương pháp đo quyết định bạn nhìn thấy bao nhiêu trong ba cơ chế đó. Đo ở tần số cao chỉ “kịp” thấy thành phần ohm. Đo bằng xung dòng kéo dài vài giây thì thấy cả ohm lẫn phân cực chuyển điện tích. Vì vậy DC-IR gần như luôn lớn hơn AC-IR trên cùng một cell — đó là kết quả đúng, không phải sai số.
Phương pháp AC 1 kHz: đo thành phần ohm
IEC 61960 mô tả phép đo nội trở xoay chiều: bơm vào cell một dòng xoay chiều đơn tần, thường là 1 kHz với biên độ cỡ 100 mA, rồi đo đáp ứng điện áp. Nội trở là thương của biên độ điện áp và biên độ dòng ở tần số đó.
Vì sao lại 1 kHz? Ở tần số này, các quá trình điện hoá chậm gần như không kịp phản ứng nên đóng góp của chúng vào kết quả là không đáng kể — phép đo cô lập được thành phần ohm. Một hệ quả thực tế rất có giá trị: giá trị đo ở 1 kHz ít phụ thuộc vào trạng thái nạp (SOC) và nhiệt độ hơn nhiều so với đo ở tần số thấp. Điều đó khiến AC-IR trở thành chỉ tiêu tốt để phân loại cell trên dây chuyền và để theo dõi lão hoá.
Về thiết bị, phép đo này thuộc về máy phân tích trở kháng. Keysight E4990A quét từ 20 Hz tới 10/20/30/50/120 MHz tuỳ chọn, với độ chính xác trở kháng cơ bản ±0,08%. Vì tần số quét được, máy không chỉ cho một điểm 1 kHz mà dựng được cả phổ trở kháng (EIS) — 1 kHz khi đó chỉ là một điểm trên đường cong Nyquist, còn phần tần số thấp mới hé lộ cơ chế phân cực và khuếch tán. Máy cũng có chức năng phân tích mạch tương đương để quy phổ đo được về mô hình R–C.
Giới hạn cần biết trước: dải trở kháng đạt độ chính xác 10% của E4990A bắt đầu từ 25 mΩ. Cell cúc áo và cell trụ nhỏ nằm gọn trong dải này; nhưng cell công suất lớn dùng cho xe điện thường có nội trở dưới 1 mΩ, nằm ngoài vùng làm việc tối ưu và cần thiết bị đo trở kháng pin chuyên dụng. Đừng ép một phép đo ra ngoài dải của máy rồi tin vào chữ số cuối.
Phương pháp DC xung theo IEC 61960
Phép đo DC-IR trong IEC 61960 dùng hai bậc dòng nối tiếp nhau. Cell được xả ở dòng 0,2 C trong 10 giây, ghi lại cặp giá trị điện áp và dòng thứ nhất; ngay sau đó xả ở dòng 1 C trong 1 giây, ghi cặp thứ hai. Nội trở một chiều là tỉ số giữa hiệu điện áp và hiệu dòng của hai bậc:
RDC = (V1 − V2) / (I2 − I1) — trong đó chỉ số 1 ứng với bậc 0,2 C kéo dài 10 s và chỉ số 2 ứng với bậc 1 C kéo dài 1 s.
Cách viết theo hiệu số này rất quan trọng: nó khử được thế hở mạch của cell. Đây cũng chính là lý do không thể dùng chức năng đo điện trở của một đồng hồ vạn năng để đo nội trở cell. Ohm kế giả định vật cần đo là thụ động; một cell có sức điện động riêng nên phép đo sẽ trả về con số vô nghĩa. Đồng hồ vạn năng vẫn cần thiết, nhưng vai trò của nó là đo điện áp thật chính xác trong quy trình xung — Keysight 34465A với 6½ chữ số phù hợp cho vai trò này.
Thiết bị chủ lực của phép đo DC xung là nguồn có khả năng số hoá đồng thời dòng và áp ở tốc độ đủ cao. Keysight N6705C tích hợp bốn công cụ trong một khung — nguồn DC, DMM, hiện sóng và bộ ghi dữ liệu — số hoá điện áp và dòng tới 200 kHz với 512 kpts và độ phân giải tới 18 bit, độ chính xác ampe kế tới 0,025% + 8 nA. Băng thông số hoá là yếu tố quyết định: bậc dòng 1 giây cần được lấy mẫu đủ dày để bạn đọc đúng giá trị điện áp tại thời điểm quy định, chứ không phải giá trị trung bình của cả bậc.
Đo dung lượng: cố định điều kiện trước khi tin con số
Dung lượng không phải hằng số của cell mà là hàm của điều kiện đo. IEC 61960 quy định dung lượng danh định được xác định bằng cách xả ở dòng 0,2 It A tới điện áp kết thúc, ở nhiệt độ 20 °C, sau một chu trình nạp chuẩn. Ba biến số này — dòng xả, nhiệt độ, trạng thái nạp ban đầu — phải được ghi kèm kết quả, nếu không con số ampe-giờ không có ý nghĩa so sánh.
Trong thực hành, hai bẫy hay gặp: đo ngay sau khi nạp mà không để cell nghỉ ổn định điện áp, và đo ở nhiệt độ phòng không kiểm soát. Chênh vài độ C đủ làm dung lượng đo được lệch vài phần trăm.
Bốn nguồn sai số phải kiểm soát khi đo nội trở pin
1. Điện trở tiếp xúc và dây dẫn. Ở mức mili-ohm, vài chục mili-ohm điện trở tiếp xúc sẽ nuốt chửng phép đo. Bắt buộc dùng kết nối bốn cực (Kelvin): hai cực cấp dòng và hai cực đo áp tách rời. E4990A dùng cấu hình bốn cực kép với bốn đầu nối Hcur/Hpot/Lpot/Lcur ngay trên mặt máy — hãy nối đúng, đừng chập chúng lại.
2. Diện tích vòng dây đo. Cặp dây đo áp tạo thành một vòng; vòng đó bắt từ trường do chính dòng xả sinh ra và cộng vào kết quả một thành phần cảm kháng. Xoắn cặp dây đo áp và giữ diện tích vòng nhỏ nhất có thể.
3. Nhiệt độ và thời gian nghỉ. Cả AC-IR lẫn DC-IR đều phụ thuộc nhiệt độ. Ghi nhiệt độ cell tại thời điểm đo, và để cell nghỉ đủ lâu sau chu kỳ trước để điện áp ổn định.
4. Trạng thái nạp. DC-IR biến thiên mạnh theo SOC, đặc biệt ở hai đầu dải. Muốn so sánh giữa các cell, phải đo ở cùng một mức SOC — thường chọn 50%.
Chọn thiết bị Keysight theo cỡ cell và mục tiêu
Với phép đo AC-IR và phổ trở kháng trên cell nhỏ và trung bình, E4990A là lựa chọn trực tiếp: dải tần rộng, phân cực DC tới ±40 V và ±100 mA cho phép đo linh kiện và cell dưới điều kiện làm việc thật.
Với phép đo DC xung, đo dung lượng và chạy hồ sơ xả dài ngày, N6705C cho cả nguồn lẫn hệ ghi đo trên cùng một khung 600 W, bốn khe module.
Khi đã có mô hình cell rồi và cần đưa mô hình đó vào bàn thử thiết bị đầu cuối, Keysight E36731A là thiết bị lập hồ sơ và mô phỏng pin: nó dựng hồ sơ pin từ dòng tiêu thụ thực của thiết bị, rồi phát lại bất kỳ trạng thái nạp nào. Đây là bước tiếp theo sau khi đo, và được trình bày chi tiết trong bài giả lập pin IoT: mô hình trở kháng trong và kịch bản xả.
Kết luận
Một con số nội trở không kèm phương pháp là một con số vô dụng. Khi đo nội trở pin, hãy ghi rõ: AC hay DC, tần số hay hồ sơ xung, SOC, nhiệt độ và kiểu kết nối. AC-IR ở 1 kHz cho thành phần ohm ổn định, hợp cho phân loại và theo dõi lão hoá; DC-IR theo IEC 61960 cho con số phản ánh đúng điều kiện tải thực, hợp cho tính toán sụt áp và toả nhiệt trong ứng dụng.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, có phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho thiết bị đo điện và nguồn. Để được tư vấn cấu hình bàn đo pin hoặc lên lịch hiệu chuẩn, liên hệ hotline 0908 173 345.
