Điện áp nổi là gì?

Điện áp nổi là mức điện áp áp dụng cho pin đã sạc đầy để duy trì mức sạc bằng cách bù đắp cho việc tự xả. Điện áp bảo trì này ngăn ngừa tình trạng sạc dưới mức và sạc quá mức, giữ cho pin luôn sẵn sàng để sử dụng ngay trong hệ thống điện dự phòng, thiết bị khẩn cấp và lắp đặt năng lượng tái tạo.

Pin không được sạc vô thời hạn. Ngay cả khi ngắt kết nối khỏi bất kỳ tải nào, tất cả pin đều tự-xả-mất điện dần do phản ứng hóa học bên trong. Pin axit chì{4}}mất khoảng 3-5% công suất hàng tháng ở nhiệt độ phòng, trong khi một số hóa chất lithium mất 1-3%.

Sạc thả nổi giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng điện áp thấp, ổn định để bổ sung chính xác lượng pin bị mất do-tự phóng điện. Bộ sạc và pin hoạt động song song, bộ sạc cung cấp dòng điện vừa đủ để giữ cho pin hoạt động hết công suất mà không tạo ra dòng điện quá mức có thể làm hỏng tế bào.

Khái niệm này trở nên quan trọng trong các ứng dụng dự phòng. Nguồn cung cấp điện liên tục cho trung tâm dữ liệu cần pin đạt 100% công suất khi lưới điện gặp sự cố. Hệ thống chiếu sáng khẩn cấp phải kích hoạt ngay lập tức khi mất điện. Những trường hợp này yêu cầu pin không hoạt động trong nhiều tháng nhưng vẫn được sạc đầy-chính xác như điện áp thả nổi mang lại.

Float Voltage

Các loại pin khác nhau yêu cầu điện áp thả nổi khác nhau rõ rệt và việc sử dụng sai điện áp có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin hoặc gây ra các mối nguy hiểm về an toàn.

Pin axit chì-, bao gồm cả các biến thể ngập nước, AGM và gel, có phạm vi điện áp thả nổi được xác định rõ ràng. Ở 25 độ (77 độ F), tiêu chuẩn là khoảng 2,25 đến 2,30 volt trên mỗi tế bào. Đối với pin 12V thông thường có sáu ô, giá trị này có nghĩa là 13,5-13,8V.

Pin axit chì{0}}bị ngập thường có điện áp 13,4V (2,23V mỗi cell), thấp hơn một chút so với các biến thể kín để giảm thiểu tình trạng mất nước do thoát khí điện phân. Pin AGM hoạt động thoải mái ở mức 13,5-13,6V, trong khi pin gel thích 13,1-13,3V do chúng nhạy cảm với điện áp quá tải.

Những giá trị này không phải là tùy ý. Ở điện áp thả nổi, pin chấp nhận dòng điện tối thiểu-thường dưới 1% công suất amp-giờ của pin. Pin 100Ah có thể chỉ tiêu thụ 0,5-1 amp trong quá trình sạc thả nổi, vừa đủ để chống lại hiện tượng tự phóng điện mà không gây căng thẳng về mặt hóa học của pin.

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến điện áp phao tối ưu. Các phản ứng điện hóa trong pin axit chì-tăng tốc khi có nhiệt và chậm khi lạnh. Mức bù nhiệt độ tiêu chuẩn công nghiệp là khoảng -3,9mV mỗi độ cho mỗi tế bào. Đối với pin 12V, đó là khoảng -23mV mỗi độ cho toàn bộ gói.

Hãy xem xét một ví dụ thực tế: Một bình ắc quy 12V bị ngập nước có điện áp nổi 13,4V ở 25 độ. Nếu nhiệt độ môi trường tăng lên 35 độ (tăng 10 độ), điện áp phao bù sẽ trở thành 13,17V. Nếu không có sự điều chỉnh này, điện áp cao hơn ở nhiệt độ cao sẽ gây ra hiện tượng thoát khí và mất nước quá mức. Ngược lại, ở 15 độ, điện áp phao phải tăng lên 13,63V để tránh sạc quá mức trong điều kiện mát hơn.

Pin lithium thể hiện một bức tranh phức tạp hơn. Mặc dù pin axit chì-được thiết kế với mục đích sạc phao, nhưng các chất hóa học lithium-đặc biệt là lithium-ion-cần được xem xét cẩn thận trước khi áp dụng điện áp thả nổi không đổi.

Pin LiFePO4 (Lithium Iron Phosphate) có thể chịu được sạc thả nổi khi được cấu hình đúng cách. Điện áp phao được khuyến nghị nằm trong khoảng từ 3,35 đến 3,45V trên mỗi ô (13,4-13,8V đối với gói 12V). Tuy nhiên, ngay cả tế bào LiFePO4 cũng bị lão hóa nhanh hơn khi được giữ ở điện áp tối đa trong thời gian dài.

Pin lithium{0}}ion tiêu chuẩn (các nhà hóa học NMC, NCA) phải đối mặt với rủi ro lớn hơn. Những tế bào này thường sạc tới 4,2V mỗi tế bào, nhưng việc duy trì chúng ở mức điện áp này liên tục sẽ gây ra áp lực lên vật liệu điện cực. Cực âm trải qua những thay đổi về cấu trúc, lớp mạ lithium có thể xảy ra trên cực dương và các phản ứng phụ đẩy nhanh quá trình phân hủy chất điện phân.

Đây là nơisạc pin lithium ionthiết kế trở nên quan trọng. Bộ sạc pin lithium ion chất lượng thường không sử dụng sạc phao thực sự. Thay vào đó, họ sử dụng chiến lược "điện áp lưu trữ"-sạc đến khoảng 3,9-4,0V mỗi ô rồi ngắt kết nối, chỉ kết nối lại khi điện áp giảm xuống dưới ngưỡng. Điều này ngăn chặn áp lực điện áp không đổi của sạc phao truyền thống.

Hệ thống quản lý pin (BMS) trong pin lithium giám sát điện áp tế bào liên tục. Khi thử sạc phao, BMS phải đảm bảo các tế bào được cân bằng hoàn hảo và kiểm soát điện áp chính xác. Thậm chí vượt quá 50-100mV so với điện áp khuyến nghị cũng có thể gây ra sự xuống cấp nhanh chóng.

Ý nghĩa thực tế: hầu hết các nhà sản xuất bộ sạc pin lithium ion đều đặc biệt khuyến cáo không nên sạc thả nổi liên tục cho pin lithium{0}}ion. Thay vào đó, họ khuyên bạn nên sạc hoặc lưu trữ "nạp{2}}" định kỳ ở trạng thái sạc 80-90% cho các ứng dụng ở chế độ chờ dài hạn.

Float Voltage

Điện áp nổi không tồn tại riêng biệt-đây là giai đoạn cuối cùng của quy trình sạc ba-pha mà hầu hết các bộ sạc pin hiện đại sử dụng cho axit chì-và một số hóa chất lithium.

Giai đoạn lớn cung cấp dòng điện tối đa để nhanh chóng khôi phục dung lượng pin. Khi pin cạn kiệt đáng kể-chẳng hạn như dưới 80% công suất-nó có thể chấp nhận tốc độ dòng điện cao. Bộ sạc có kích thước phù hợp sẽ cung cấp 15-25% dung lượng pin tính bằng ampe. Pin 100Ah có thể nhận được 15-25 amps trong quá trình sạc số lượng lớn.

Điện áp tăng đều đặn trong quá trình sạc số lượng lớn khi trạng thái sạc của pin tăng lên. Đối với pin axit chì-12V, điện áp có thể tăng từ 11,5V khi phóng điện sâu lên khoảng 14,4V khi kết thúc giai đoạn lớn. Bộ sạc duy trì dòng điện không đổi trong khi điện áp tuân theo sự chấp nhận của pin.

Khoảng 80% dung lượng của pin được phục hồi trong quá trình sạc số lượng lớn. Giai đoạn này diễn ra tương đối nhanh-pin 100Ah đã xả hết có thể hoàn tất quá trình sạc hàng loạt trong 3-5 giờ bằng bộ sạc 20 amp.

Khi pin đạt đến mức 80-90% dung lượng, khả năng tiếp nhận dòng điện của pin sẽ giảm đi. Bộ sạc chuyển sang chế độ hấp thụ, giữ điện áp không đổi (thường là 14,4-14,8V đối với axit chì 12V) trong khi dòng điện giảm dần một cách tự nhiên.

Trong quá trình hấp thụ, dòng sạc có thể giảm từ 15 amps xuống 5 amps, sau đó xuống 2 amps khi pin gần hết công suất. Các phản ứng hóa học trong các tấm pin làm chậm lại-các vị trí chứa vật liệu hoạt động bị chiếm giữ và điện trở trong tăng nhẹ.

Giai đoạn này mất nhiều thời gian hơn so với giai đoạn lớn mặc dù chỉ khôi phục được 10-20% công suất. Pin 100Ah tương tự có thể sử dụng 3-4 giờ ở chế độ hấp thụ. Bộ sạc thường theo dõi dòng điện, chờ cho đến khi nó giảm xuống dưới ngưỡng - có thể là C/50 (2 amps cho pin 100Ah) - trước khi chuyển sang chế độ thả nổi.

Sau khi quá trình hấp thụ hoàn tất, bộ sạc sẽ giảm điện áp xuống mức phao. Đối với ví dụ về axit chì-12V của chúng tôi, điện áp giảm từ 14,4V xuống 13,5V. Dòng điện ngay lập tức giảm xuống mức tối thiểu-thường dưới 1 amp.

Về cơ bản, pin hiện đang "nghỉ" khi sạc đầy. Điện áp thả nổi thấp ngăn cản việc sạc dòng điện-cao có thể gây ra hiện tượng xả khí trong pin bị ngập nước hoặc gây căng thẳng cho pin kín. Dòng điện tối thiểu chỉ thay thế lượng điện năng bị mất đi do pin-tự xả.

Bộ sạc ba giai đoạn-hiện đại có thể duy trì ở chế độ thả nổi vô thời hạn. Pin được kết nối với bộ sạc phao thích hợp có thể hoạt động trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm, luôn sẵn sàng cung cấp hết công suất khi cần. Điều này làm cho việc sạc phao trở nên lý tưởng cho pin dự phòng trong hệ thống UPS, hệ thống chiếu sáng khẩn cấp và hệ thống báo động.

Các trung tâm dữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào việc quản lý điện áp thả nổi thích hợp. Một hệ thống UPS thông thường có thể bao gồm hàng chục pin 12V mắc nối tiếp để tạo ra điện áp bus DC 480V hoặc cao hơn. Những viên pin này trôi nổi liên tục, đôi khi trong nhiều năm giữa các lần phóng điện.

Bộ sạc pin của UPS thường duy trì pin ở-điện áp thả nổi do nhà sản xuất chỉ định-thường là 2,27V mỗi cell đối với pin VRLA (van-chì-axit được điều chỉnh. Cảm biến nhiệt độ điều chỉnh điện áp này liên tục. Một UPS 480V có 20 pin 12{9} vôn mắc nối tiếp yêu cầu điều chỉnh điện áp chính xác trên tất cả 240 ô.

Thách thức ngày càng tăng với sự lão hóa của pin. Khi pin cũ đi, tốc độ-tự xả của pin có thể tăng lên, yêu cầu điện áp thả nổi hơi khác nhau. Các hệ thống UPS tiên tiến sử dụng tính năng giám sát điện áp theo-mỗi chuỗi để phát hiện pin đã xuống cấp tiêu thụ dòng điện nổi quá mức-dấu hiệu của việc chập mạch hoặc-các tế bào bị khô.

-Việc lắp đặt năng lượng mặt trời ngoài lưới đặt ra những thách thức độc đáo về sạc phao. Pin dành nhiều ngày hoặc nhiều tuần để sạc đầy trong thời gian trời nắng, sau đó xả pin khi thời tiết nhiều mây kéo dài.

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán thả nổi phức tạp. Vào ban ngày, khi pin đã được sạc đầy, bộ điều khiển sẽ giảm điện áp bảng xuống mức nổi. Điều này ngăn cản việc sạc quá mức trong khi cho phép các tấm pin cấp điện trực tiếp cho các thiết bị trong gia đình. Vào ban đêm, khi các tấm pin không tạo ra điện, quá trình sạc phao rõ ràng sẽ dừng lại và pin bắt đầu xả.

Sự khác biệt chính so với các ứng dụng của UPS là chu kỳ hoạt động. Pin năng lượng mặt trời có thể hoạt động trong 8-12 giờ mỗi ngày, xả qua đêm và sạc lại vào ngày hôm sau. Kiểu này yêu cầu bù nhiệt độ mạnh hơn vì nhiệt độ pin có thể dao động đáng kể giữa ngày và đêm.

Ắc quy xe có một kịch bản sạc phao khác. Khi động cơ chạy, máy phát điện sẽ sạc ở mức điện áp lớn (14,2-14,4V). Tuy nhiên, các máy phát điện hiện đại kết hợp bộ điều chỉnh thông minh giúp giảm điện áp khi pin gần được sạc đầy, về cơ bản cung cấp khả năng sạc phao khi lái xe.

Hệ thống ắc quy hàng hải thường tách biệt ắc quy gia dụng (cho đèn và thiết bị điện tử) khỏi ắc quy khởi động. Pin trong nhà có thể vẫn được sạc bằng phao từ nguồn điện trên bờ hoặc các tấm pin mặt trời trong khi thuyền neo đậu. Bộ sạc pin hàng hải chất lượng cung cấp tính năng sạc đa-nhiều ngân hàng, với cài đặt điện áp thả nổi độc lập cho các ngân hàng pin khác nhau.

Để có được điện áp thả nổi phù hợp đòi hỏi phải chú ý đến một số yếu tố ngoài thông số điện áp cơ bản.

Nếu không bù nhiệt độ, pin sẽ bị ảnh hưởng. Pin trong phòng thiết bị 40 độ nhận được 13,8V sẽ chịu áp lực tương tự như pin ở 25 độ nhận được 14,2V-cả hai đều cao hơn nhiều so với điện áp thả nổi an toàn đối với nhiệt độ thực tế.

Bộ sạc pin chất lượng bao gồm cảm biến nhiệt độ. Cảm biến có thể ở bên trong (nếu bộ sạc dùng chung vỏ với pin) hoặc từ xa (đầu dò được đặt trên hoặc gần pin). Bộ vi điều khiển của bộ sạc tự động điều chỉnh điện áp đầu ra dựa trên chỉ số nhiệt độ.

Việc tính toán bù rất đơn giản: Đối với pin axit chì-12V có 6 ô và điện áp cơ sở là 13,5V ở 25 độ , hãy sử dụng -3,9mV/ độ × 6 ô=-23.4mV/ độ . Nếu nhiệt độ pin là 30 độ, hãy điều chỉnh điện áp theo (30-25) × -0,0234V=-0.117V, thu được 13,38V.

Dòng điện nổi tiết lộ tình trạng pin. Pin khỏe ở chế độ thả nổi sẽ tiêu thụ ít hơn 1% xếp hạng Ah của nó tính bằng ampe. Dòng điện cao hơn đáng kể cho thấy có vấn đề: đoản mạch bên trong,-các tế bào trong pin bị ngập bị khô hoặc sunfat hóa do sạc quá ít trước đó.

Hệ thống giám sát pin tiên tiến theo dõi xu hướng dòng điện trôi nổi theo thời gian. Việc tăng dần thường xảy ra trước khi pin bị hỏng hàng tháng, đưa ra cảnh báo về lịch thay thế trong thời gian bảo trì thay vì gặp phải các sự cố bất ngờ.

Một số cạm bẫy thường xuyên xảy ra với hệ thống sạc phao. Sử dụng bộ sạc được thiết kế để hóa học giữa pin này với pin khác có lẽ là cách phổ biến nhất. Pin gel trên bộ sạc pin bị ngập nước nhận 13,8V thay vì 13,2V cần thiết sẽ quá nóng và hỏng sớm.

Một lỗi thường gặp khác là bỏ qua việc bù nhiệt độ trong môi trường có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể. Bộ pin trong tủ viễn thông ngoài trời có thể chịu nhiệt độ từ -10 độ đến 50 độ mỗi năm. Nếu không được bồi thường, pin sẽ thường xuyên bị sạc quá mức vào mùa hè và sạc quá mức vào mùa đông, làm giảm đáng kể tuổi thọ.

Thiếu quá trình chuyển đổi từ hấp thụ sang nổi cũng gây ra vấn đề. Một số bộ sạc chất lượng thấp không bao giờ thực sự giảm điện áp xuống mức thả nổi thích hợp, thay vào đó giữ pin ở điện áp hấp thụ vô thời hạn. Điều này hoạt động trong nhiều giờ hoặc thậm chí nhiều ngày nhưng gây ra thiệt hại tích lũy qua nhiều tuần và nhiều tháng kết nối liên tục.

Float Voltage

Nghiên cứu liên tục cho thấy rằng sạc phao thích hợp có thể kéo dài tuổi thọ pin một cách đáng kể. Pin axit chì{1}}được duy trì ở điện áp thả nổi chính xác có bù nhiệt độ có thể đạt được thời gian sử dụng 8-10 năm trong các ứng dụng ở chế độ chờ, so với 4-5 năm khi điện áp thả nổi được quản lý kém.

Cơ chế này rất đơn giản: sạc quá mức gây ra sự ăn mòn lưới điện trong pin axit-chì và đẩy nhanh quá trình bong tróc vật liệu hoạt động. Việc nạp quá ít cho phép các tinh thể chì sunfat sunfat-phát triển lớn và cứng, làm giảm công suất vĩnh viễn. Điện áp nổi đạt đến điểm ngọt ngào mà không có hiện tượng nào chiếm ưu thế.

Đối với pin lithium, lợi ích về tuổi thọ đến từ việc tránh điện áp cao không đổi. Việc lưu trữ pin ion lithium- ở mức 4,2V so với 3,9V có thể làm giảm tuổi thọ của chu trình từ 30-40%. Bộ sạc pin lithium ion chất lượng kết hợp kiến thức này, tránh hoàn toàn việc sạc thả nổi hoặc thực hiện giới hạn điện áp thấp hơn nhiều so với điện áp sạc tối đa.

Thông số kỹ thuật của nhà sản xuất pin phải luôn được ưu tiên. Mặc dù các hướng dẫn chung cung cấp điểm khởi đầu, nhưng các loại pin cụ thể thường có các yêu cầu riêng dựa trên cấu trúc bên trong, vật liệu điện cực và ứng dụng dự định của chúng.

Sạc nổi không phải là cách duy nhất để duy trì pin, mặc dù đây là cách phổ biến nhất cho các ứng dụng cố định.

Sạc nhỏ giọt áp dụng dòng điện thấp không đổi thay vì điện áp không đổi. Phương pháp cũ hơn này thiếu tính thông minh của việc sạc phao và có thể sạc pin quá mức nếu dòng điện nhỏ giọt vượt quá dòng điện tự xả. Bộ sạc ba giai đoạn hiện đại-đã thay thế phần lớn bộ sạc nhỏ giọt đơn giản vì lý do chính đáng.

Sạc xung sử dụng xung dòng điện gián đoạn thay vì điện áp liên tục. Một số nhà sản xuất tuyên bố rằng sạc xung làm giảm quá trình sunfat hóa trong pin axit chì-, mặc dù có nhiều bằng chứng khác nhau. Sạc xung ít phổ biến hơn trong các ứng dụng chính thống.

Đối với pin lithium, việc sạc "chế độ lưu trữ" đã được ưa chuộng. Bộ sạc kiểm tra điện áp định kỳ và cung cấp-khoản sạc bổ sung nếu điện áp giảm xuống dưới ngưỡng, sau đó ngắt kết nối. Điều này tránh việc kết nối liên tục với sạc phao truyền thống trong khi vẫn giữ pin sẵn sàng để sử dụng.

Điện áp thả nổi đại diện cho một khía cạnh cơ bản của việc bảo trì pin hiện đại, đặc biệt đối với các ứng dụng nguồn điện dự phòng. Pin axit chì-với đặc tính-đặc trưng và tốc độ tự xả-cao được thiết kế thực tế để sạc phao. Điện áp đủ thấp để tránh hư hỏng nhưng cũng đủ cao để duy trì sạc đầy vô thời hạn.

Pin lithium đòi hỏi những cách tiếp cận đa sắc thái hơn. Việc sử dụng bộ sạc pin lithium ion ngày càng tăng trong các ứng dụng nguồn điện dự phòng đòi hỏi phải hiểu rằng sạc phao truyền thống có thể không áp dụng được. Nhiều pin lithium hoạt động tốt hơn khi sạc-nạp pin định kỳ thay vì sử dụng điện áp liên tục.

Vai trò của nhiệt độ không thể được phóng đại. Điện hóa của pin phản ứng mạnh mẽ với các điều kiện nhiệt, khiến việc bù nhiệt độ trở nên cần thiết đối với bất kỳ hệ thống sạc phao nào tiếp xúc với các môi trường khác nhau.

Sạc phao phù hợp, kết hợp với bộ sạc chất lượng và khả năng giám sát phù hợp, sẽ biến pin từ vật tư tiêu hao cần thay thế thường xuyên thành tài sản dài hạn đáng tin cậy. Khoản đầu tư khiêm tốn vào thiết bị sạc tốt sẽ mang lại lợi ích thông qua thời lượng pin kéo dài và nguồn điện dự phòng đáng tin cậy khi điều đó quan trọng nhất.