Trong thế giới công nghệ ngày nay, pin Lithium-ions LiFePO4 đang thu hút sự quan tâm của nhiều người. Với hiệu suất cao, tuổi thọ lâu và khả năng an toàn, pin Lithium-ions LiFePO4 đã trở thành một giải pháp lưu trữ năng lượng đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về pin Lithium-ions LiFePO4, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng và các yếu tố quan trọng khác liên quan đến loại pin này. Hãy cùng khám phá nhé!
Pin Lithium-ions LiFePO4 là gì?
Pin Lithium-ions LiFePO4 là một dạng của Lithium-ions battery.
Lithium-ions battery là tên gọi chung của tất cả các loại pin lưu trữ. Sử dụng Lithium ion làm phần tử truyền dẫn điện.
Pin LiFePo4 hay còn gọi là lithium-iron-phosphate (lithium sắt phốt phát) với thành phần hóa học bản cực dương bao gồm Lithium (Li) Sắt (Fe) Phốt phát (PO4).
Pin Lithium-ions LiFePO4 là một loại pin có công nghệ tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau. Nó có cấu trúc và nguyên tắc hoạt động đặc biệt, cung cấp năng lượng một cách hiệu quả và an toàn.
Cấu tạo Pin Lithium-ions LiFePO4
Pin Lithium-ions LiFePO4 bao gồm các thành phần chính như cực âm là sắt-lit và fosfat, cực dương là cacbon và chất trung gian dẫn điện. Với cấu trúc này, pin LiFePO4 có khả năng lưu trữ và giải phóng điện năng một cách ổn định và hiệu quả.
Pin LiFePO4 trong sử dụng thực tế được tạo thành từ tổ hợp nhiều cell pin và đi kèm với BMS (Battery Management System) với nhiều mức điện áp khác nhau tùy nhu cầu sử dụng. Mỗi cell pin có điện áp danh định 3.2V, với nhiều mức dung lượng và hình dạng khác nhau. Đơn vị dung lượng của cell pin tính bằng Ah (Ampe Hour), và được ký hiệu là C.
Vậy BMS là gì? Cùng tìm hiểu thêm nhé!
BMS (Battery Management System)
BMS là thành phần cực kỳ quan trong bộ pin Lithium LiFePo4. BMS có nhiệm vụ bảo vệ quá điện áp, bảo vệ thấp điện áp (bảo vệ cho cả hệ, cũng như sự quá áp/thấp áp của từng cell pin). Bảo vệ quá dòng sạc xả, bảo vệ quá nhiệt, câng bằng đều các cell pin trong dãy pin. Không nên sử dụng pin Lithium LiFePo4 mà không có bộ BMS tương thích.
Ngoài ra đối với các pin lithium có giao tiếp với inverter, thì BMS sẽ hoạt động đồng bộ với inverter. Giúp nâng cao tính ổn định và tuổi thọ của hệ thống
Nguyên lý hoạt động Pin Lithium-ions LiFePO4
Pin LiFePO4 hoạt động dựa trên quá trình di chuyển ion lithium giữa các điện cực.
- Khi pin được sạc, ion lithium di chuyển từ cực âm đến cực dương. Khi toàn bộ lithium-iron di chuyển hết là pin được sạc đầy, các electron thì di chuyển ngược lại.
- Trong quá trình xả, ion lithium di chuyển ngược lại từ cực dương đến cực âm. Khi toàn bộ lithium-iron di chuyển hết là pin xả cạn
Điện áp xả, dòng điện xả Pin Lithium-ions LiFePO4
Đối với các bộ pin và hybrid inverter hybrid có hỗ trợ giao tiếp với nhau (Ví dụ như pin Gigabox 5S và Inverter hybrid Megarevo 6kw R6KL1). Người dùng không cần cài đặt dòng xả và điện áp xả, hệ thống sẽ tự nhận diện để hoạt động, người dùng chỉ cần cài mức DoD xả, tức độ xả sâu % mong muốn.
Còn với inverter và pin không hỗ trợ giao tiếp nhau, thì ta cài như thông số sau:
Thường pin Lithium LiFePo4 cho phép dòng xả đến 1C hoặc hơn. Tuy nhiên để ổn định ta nên giới hạn dòng xả ở 0.5C và pin bền và ít tổn hao nhất ở là ở 0.25C.
Điện áp xả: cell pin Lithium LiFePo4 cạn hẳn 0% ở mức điện áp 2.6V, và ở 10% là 3V. Để pin không bị xả cạn gây giảm tuổi thọ, ta nên cài điện áp ngưng xả ở tầm 3.1V, tức khoảng 49.x Vđến 50.x V với hệ 16cells. Tuy nhiên khi inverter đang xả dòng, điện áp xuống thấp hơn bình thường hở mạch. Do đó có thể inverter ngưng xả trong khi pin vẫn còn ở mức dung lượng cao hơn mức cần ngắt. Do đó điện áp ngắt xả này cũng mang tính tương đối, và chúng ta phải chấp nhận với điều đó. Vì thế, Inverter hybrid và Lithium LiFePo4 có hỗ trợ giao tiếp vẫn là lựa chọn hàng đầu cho một hệ lưu trữnăng lượng điện mặt trời.
Chất lượng Pin Lithium-ions LiFePO4
Pin Lithium LiFePO4 được đánh giá cao về chất lượng. Nó có tuổi thọ dài, khả năng chịu tải cao, và khả năng chịu nhiệt tốt. Pin LiFePO4 cũng có khả năng chống quá nhiệt, quá tải và chống chập điện. Đảm bảo an toàn cho hệ thống và thiết bị sử dụng pin.
Pin LiFePo4 là loại pin có tính ổn định và an toàn nhất trong các dạng pin Lithium-ion khác, rất ít nguy cơ tự cháy nổ. Tuy nhiên không có nghĩa là pin LiFePo4 an toàn tuyệt đối khi gặp phải những hư hại, vẫn cần sự lắp đặt cấu hình cài đặt bởi người có kinh kiệm và đào tạo
Ứng dụng Pin Lithium-ions LiFePO4
Pin LiFePO4 được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
- Xe điện và công nghệ di động: pin LiFePO4 cung cấp hiệu suất cao, tuổi thọ lâu và an toàn cho các loại xe điện, xe đạp điện và các thiết bị di động.
- Hệ thống lưu trữ năng lượng dân dụng và công nghiệp: pin LiFePO4 được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng từ nguồn mặt trời và gió, cũng như nguồn năng lượng dự phòng.
- Các ứng dụng năng lượng tái tạo khác: pin LiFePO4 được tích hợp vào hệ thống điện thông minh và sử dụng để lưu trữ năng lượng từ nguồn mặt trời và gió.
Sạc Pin Lithium LiFePo4 thế nào?
Quá trình sạc pin LiFePO4 đòi hỏi các thông số cụ thể để đạt hiệu quả và tuổi thọ tối ưu. Dòng sạc và điện áp sạc là hai yếu tố quan trọng cần xem xét.
Đối với các loại pin thương mại có BMS tương thích giao tiếp với inverter
Ví dụ như pin Gigabox 5S: thì khi kết nối, giữa pin và inverter tự cập nhật điện áp sạc, dòng điện sạc xả từ BMS mà người dùng không cần can thiệp gì thêm. BMS đã được canh chỉnh thông số chuẩn theo đặc tính cell pin của hãng.
Đối với các loại pin Lithium LiFePo4 không có giao tiếp, thì tham khảo theo thông số chung như dưới đây.
- Nếu bộ pin của bạn có khuyến cáo điện áp sạc thì nên tham khảo hướng dẫn sử dụng. Hoặc thông số trên tem, nhãn. Nếu không có thì cài theo hướng dẫn bên dưới đây.
- Đa số các loại điều khiển sạc, inverter hiện hành đều có thể sạc tốt cho pin LiFePo4 với mức cài đặt phù hợp.
- Để dễ hình dung, các lý giải, ví dụ dưới đây quy theo hệ điện áp 48V danh định (DC 51.2V 16ells pin LiFePo4). Các hệ khác như 24V danh định (25.6V 8cell), 12V danh định (12.8V 4 cell) , … thì quy đổi tương ứng.
Dòng sạc pin Lithium LiFePO4
Dòng sạc pin LiFePO4 thường được xác định dựa trên dung lượng của pin. Tuy nhiên, việc sử dụng dòng sạc quá cao có thể làm giảm tuổi thọ của pin, trong khi dòng sạc quá thấp có thể kéo dài thời gian sạc. Vì vậy, việc chọn dòng sạc phù hợp là quan trọng để đạt hiệu quả tối đa.
Pin Lithium LiFePo4 nên cài dòng sạc giới hạn ở 0.5C, và pin bền nhất ở khi sạc ở mức 0.25C.
Điện áp sạc pin Lithium LiFePO4
Điện áp sạc pin LiFePO4 cần được điều chỉnh chính xác để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của pin. Điện áp sạc thường được kiểm soát thông qua BMS hoặc bộ sạc pin chuyên dụng. Việc tuân thủ đúng điện áp sạc được khuyến nghị là cần thiết để tránh các vấn đề tiềm ẩn.
- Điện áp sạc cưỡng bức: Nên cài điện áp sạc pin ở mức điện áp khoảng 3.55V/cell, tương ứng với 56.8V ở hệ 16cell. (có thể thay đổi ở khoảng 56.5-57.6V)
- Sạc thả nổi: Pin Lithium LiFePo4 không cần chế độ sạc thả nổi. Do đó nếu inverter hay điều khiển sạc không thể tắt được chế độ sạc thả nổi thì nên cài điện áp này thấp hơn áp sạc một chút. Để sạc thả nổi không sảy ra, VD cài ở mức 3.5V/cell hay 56V ở hệ 16cell.
- Sạc cân bằng: Pin Lithium LiFePo4 không cần chế độ sạc cân bằng. Do đó nếu inverter hay điều khiển sạc không thể tắt được chế độ sạc cân bằng. Thì nên cài điện áp này cao hơn một chút so với điện áp sạc. VD cài ở mức 3.6V/cell hay 57.6V ở hệ 16cell.
- Bảo vệ quá điện áp: Nên cài mức bảo vệ quá đện áp ở mức 3.65V/cell, tức khoảng 58.4V ở hệ 16cell.
- Nhiệt độ hoạt động: Pin Lithium LiFePo4 hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ môi trường dưới 30 độ C. Nên đặt pin ở không gian nhiệt độ thấp có thể, nơi thông thoáng để giải nhiệt tốt. Pin Lithium LiFePo4 không hoạt động ở nhiệt độ âm. Do đó ở xứ lạnh có nhiệt độ thấp thì không thể sử dụng pin Lithium LiFePo4
Phân loại chất lượng của pin Lithium LiFePo4
Pin Lithium LiFePo4 được sản xuất ra và ứng dụng trong rất nhiều mục đích khách nhau.
- Pin Lithium LiFePo4 có chất lượng cao nhất được sử dụng cho xe điện. Yêu cầu dòng sạc dòng xả đáp ứng rất cao. Cả BMS cũng yêu cầu rất cao.
- Pin Lithium LiFePo4 có chất lượng thấp hơn được dùng cho năng lượng tái tạo. Sạc xả mỗi ngày, và không đòi dòng sạc và xả quá cao. BMS cũng được cấu hình phù hợp nhu cầu cho năng lượng tái tạo. Và được cấu hình chuẩn để hoạt động đồng bộ với các dòng inverter hybrid thông dụng.
- Pin Lithium LiFePo4 có chất lượng thấp hơn nữa thì dùng cho nhu cầu dự phòng điện năng như UPS hay dự phòng cho trạm viễn thông BTS. Nhu cầu xả với tần xuất ít nên không cần đồi hỏi chất lượng cell quá cao. BMS cũng giới hạn dòng sạc giúp pin có chất lượng thấp này hoạt động tốt cho nhu cầu dự phòng. Nếu mang dòng pin này sử dụng cho năng lượng tái tạo sẽ không tốt như pin chuyên dụng cho năng lượng tái tạo. Tuy nhiên vẫn có thể tốt hơn ắc quy acid chì thông thường.
Các công thức quy đổi
Trong việc sử dụng pin LiFePO4, có một số công thức quy đổi quan trọng mà người dùng cần biết để tính toán dung lượng, công suất và các thông số khác của pin.
Cách quy đổi dung lượng của pin từ Ah sang Wh
- Ví dụ Đối với cell lẻ 100Ah: Dung lượng Wh = C x V =100Ah x 3.2V = 320Wh = 0.32kWh
- Ví dụ đối với pack Gigabox5S 51.2V-100Ah (ghép tổ hợp dạng 16S (16 cells mỗi cell 3.2V))
=> Dung lượng Wh = C x V =100Ah x 51.2V = 5120Wh = 5.12kWh (gọi thông thường là 5.12 số điện)
Nghĩa là khi ta có tải tiêu thụ 1kw thì cục pin 51.2V-100Ah sẽ xả được thời gian 5.12kwh : 1kw= 5.12h (danh định), thì pin sẽ cạn hết
Trong thực tế thì sẽ không xả đến cạn, mà chỉ thường chỉ xả đến 80%, hoặc cố xả thì 90%. Khuyến cáo không nên xả thường xuyên pin xuống 90% trừ khi có những tình huống đặc biệt.
Dòng sạc xả của pin LiFePO4: Dòng xả của pin được tính bằng đơn vị A (ampe) và thường được ký hiệu là %C (phần trăm dung lượng), 1C là 100% dung lượng, 0.2C là 20% dung lượng….
- Ví dụ 1 bộ Pin 51.2V-100Ah sạc hay xả ở 0.25C = 0.25 x 100=25A
- Ví dụ ghép song song 2 cục Pin Gigabox5S 51.2V-100Ah thành hệ 51.2V-200Ah
- Thì 0.25C = 0.25 x 200 = 50A.
Pin LiFePO4 có thể xả ở 1C, nhưng chỉ ở khi có những tình huống đặc biệt. Thông thường nên xả ở 0.5C, và tối ưu nhất ở 0.2-0.25C.
Cách quy đổi công suất sạc xả sang dòng điện (tính tương đối)
- Công suất sạc/xả = dòng sạc/xả (A) x điện áp (danh định)
VD pin 51.2V-100Ah thì nếu xả dòng 0.25C thì Công suất = 0.25×100(Ah) x 51.2(V) = 1280W = 1.28kW
- Dòng sạc/xả (A) = Công suất sạc/xả : điện áp (danh định)
VD pin 51.2V-100Ah thì nếu sạc hay xả công suất 1.5kW(1500W) thì dòng sạc/xả (A) = 1500W : 51.2V = 29.3A
Tính toán dung lượng pin thế nào trong hệ thống lưu trữ
Dựa vào các tính toán dung lượng, dòng sạc xả như trên. Thì tùy thuộc và lượng điện (số kWh) cần lưu trữ và công suất sạc xả thông thường của hệ thống mà tính toán dung lượng phù hợp.
VD: tải cần sài công suất cao nhất 3kw. Tổng lượng điện cần cùng hàng ngày là 11kwh (11 số điện) thì tính như sau.
Ta nên dùng dùng inverter 5 hoặc 6kw (vì chỉ nên sử dụng tải liên tục ở khoảng 70% công suất inverter trở lại, và chọn hệ pin là 51.2V (hệ 48V) cho dễ mua.
-
Ta tính hệ này như sau:
Dung lượng tối thiểu cần thiết là: 11000Wh : 51.2V = 215Ah
Tuy nhiên trừ đi dung lượng không xả cạn, và hiệu suất chuyển đổi điện năng thì ta tính hệ số lưu trữ hữu ích là 75%, vậy dung lượng pin thực cần dùng là 215Ah : 0.75 = 280Ah.
Vậy ta có thể chọn tổ pin 300Ah, ghép từ 3 bộ 51.2V – 100Ah
Dòng xả yêu cầu là: tải 3000W : 51.2V = 59A. vẫn dưới dòng xả liên tục tối ưu của hệ pin 300Ah, bộ pin xả liên tục tối ưu ở 0.25C = 0.25 x 300Ah = 75A.
Tổng kết lại với tải 3kw và sử dụng 11kwh mỗi ngày, ta nên dùng inverter 5-6kw, hệ pin 51.2V-300Ah.
-
Hoặc ta tính đơn giản như sau:
Lượng lưu trữ cần dùng là: 11kwh : 0.75 = 14.6kwh (0.75 là hệ số sử dụng 75% sau khi trừ đi hiệu suất chuyển đổi và lượng điện không xả cạn, tức là phải cộng thêm 25% lượng cần thực tế)
Với 14.6kw cần thì mình dùng 3 cục pin 5.12kWh (51.2V-100Ah), hoặc 6 cục pin 2.5kwh (51.2V-50Ah)
Lưu ý: tính toán trên mang tính tương đối, chưa tính đến hệ số dự phòng khi pin không được nạp sau khi xả. Ví dụ như mất điện lưới nhiều ngày (khi sạc bằng lưới) hoặc không có nắng vài ngày (khi nạp bằng solar).
Nếu khi dùng hệ inverter hybrid có điện lưới, có thể dùng lưu trữ 1 phần. Dùng lưới một phần thì giảm được lưu trữ tương ứng.
Hy vọng rằng thông tin về pin Lithium-ions LiFePO4 trên đây có thể giúp bạn hiểu rõ hơn về loại pin này và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau. Với hiệu suất ấn tượng, tuổi thọ lâu và khả năng an toàn, pin LiFePO4 đã chứng tỏ sự hấp dẫn và tiềm năng lớn trong việc lưu trữ và sử dụng năng lượng. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hay cần thêm thông tin, đừng ngần ngại liên hệ với chúng tôi.