CHÌA KHÓA ĐỂ CÓ ĐƯỢC NHỮNG BỘ PIN HIỆU ĐIỆN THẾ CAO HIỆU QUẢ

Để được đẩy mạnh vào ghế khi đạp “bàn đạp ga” trong một chiếc xe thể thao điện, bộ pin điện áp cao cần cung cấp dòng điện lớn cho động cơ điện. Điều này đòi hỏi pin phải có điện trở thấp – và công nghệ đo lường phù hợp.

Bạn đang tìm kiếm giải pháp tối ưu cho việc đo lường và kiểm tra pin? HIOKI Việt Nam, với sự hỗ trợ từ kho kiến thức chuyên sâu trên website HIOKIJP.VN, mang đến một cái nhìn toàn diện về các công nghệ đo lường hàng đầu, giúp bạn giải quyết các thách thức trong sản xuất và phát triển pin. Hãy cùng khám phá cách những giải pháp này giúp cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của pin.

ĐO CHÍNH XÁC CÁC GIÁ TRỊ ĐIỆN TRỞ THẤP TRONG KIỂM TRA PIN

Như thường lệ, mọi thứ bắt đầu bằng một sự trùng hợp: Vào giữa những năm 80, nhà sản xuất thiết bị đo kiểm Nhật Bản Hioki E.E. Corporation đã phát triển một máy đo điện trở xoay chiều (AC milliohmmeter) cho phép đo điện trở tiếp xúc của công tắc và rơ le được cải thiện so với các máy đo điện trở một chiều (DC milliohmmeters) được sử dụng trước đây. Trong thiết bị mới, HIOKI cũng cách ly điện (galvanically) thiết bị được kiểm tra khỏi mạch đo, giúp cho các phép đo không phụ thuộc vào bất kỳ điện thế nào giữa hai điểm đo.

Cùng thời điểm đó, nhà nghiên cứu người Nhật Bản Akira Yoshino đã đưa bộ tích lũy lithium-cobalt dioxide, do John B. Goodenough phát triển, ra thị trường. Khi đo điện trở của những bộ tích lũy mới này, quy trình đo AC tỏ ra đặc biệt phù hợp, bởi vì các điện thế khác nhau giữa hai cực yêu cầu sự cách ly điện giữa thiết bị được kiểm tra và mạch đo.

Như vậy, “AC mΩ Hi Tester 3225”, ban đầu được phát triển để đo điện trở tiếp xúc, đã trở thành điểm khởi đầu của một câu chuyện thành công cho HIOKI trong lĩnh vực pin lithium-ion, kéo dài hơn 35 năm. Máy đo điện trở ban đầu đã phát triển thành một dòng sản phẩm hoàn chỉnh gồm các thiết bị kiểm tra pin để đo các cell pin, module và bộ pin.

TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐIỆN TRỞ NHỎ TRONG KIỂM TRA PIN

Trong quy trình sản xuất các cell pin hoặc pin lithium-ion, thiết bị kiểm tra pin không được sử dụng cho đến giai đoạn khá muộn. Tuy nhiên, các giá trị điện trở được xác minh sớm hơn nhiều trong quy trình, bởi vì việc đảm bảo rằng các giá trị điện trở càng thấp càng tốt và lý tưởng nhất là luôn giống nhau là rất quan trọng đối với chất lượng của pin. Có hai lý do chính cho điều này.

Một mặt, cần có điện trở tổng thể thấp của hệ thống pin để được đẩy mạnh vào ghế khi đạp bàn đạp ga trong một chiếc xe thể thao điện, chẳng hạn. Điều này là do bộ pin điện áp cao cần có khả năng cung cấp dòng điện lớn cho động cơ điện. Định luật Ohm giải thích khá đơn giản mối liên hệ này với điện trở.

Nếu chúng ta chuyển đổi V=RI thành I=V/R, chúng ta thấy rằng một điện trở nhỏ R ở cùng điện áp V sẽ tạo ra dòng điện lớn I.

Mặt khác, mọi điện trở trong hệ thống pin đều khiến năng lượng điện bị mất dưới dạng năng lượng nhiệt. Đây không phải là một hiện tượng đặc trưng cho pin, mà quay trở lại định luật Joule nói chung – còn được gọi là “định luật thứ nhất của Joule”.

Công suất điện tiêu tán tại điện trở có thể được mô tả theo truyền thống là P= VI. Nếu bạn thay thế điện áp “V” bằng “RI” từ định luật Ohm đã đề cập ở trên, bạn sẽ nhận được P = VI = (RI)I = RI². Bạn có thể thấy công suất tiêu hao P tăng lên khi điện trở R tăng lên.

AC HAY DC?

Khi đo điện trở, đặc biệt là trên pin, có sự phân biệt giữa hai phương pháp đo – đo AC và đo DC. Trong trường hợp này, phép đo điện trở DC không đề cập đến phép đo DC điện trở bên trong của pin, trong đó điện trở bên trong được xác định thông qua sự thay đổi điện áp khi xả pin với tải.

Ở đây, phép đo DC đề cập đến việc đo điện trở bằng phương pháp đo 4 dây và được sử dụng, ví dụ, để đo điện trở tiếp xúc. Phương pháp này được áp dụng trong đồng hồ vạn năng, (DC) đồng hồ đo điện trở hoặc thiết bị kiểm tra cách điện, ví dụ. Phương pháp đo AC, mặt khác, được sử dụng trong thiết bị kiểm tra pin hoặc đồng hồ đo LCR.

KIỂM TRA ĐIỆN CỰC

Nếu bạn xem xét quy trình sản xuất pin lithium-ion theo thứ tự thời gian, một phép đo DC quan trọng của điện trở điện diễn ra khá sớm sau khi các điện cực đã được phủ vật liệu hoạt tính. Trong quy trình này, vật liệu hợp kim lithium được áp dụng cho vật liệu điện cực dưới áp suất và ở nhiệt độ thích hợp.

Đo điện trở sau đó cho phép xác định điện trở điện cụ thể của vật liệu hoạt tính được áp dụng và điện trở tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và điện cực. Tuy nhiên, cho đến vài năm trước, việc xác định riêng hai giá trị này không hề dễ dàng, trong khi đó việc đo điện trở tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và vật liệu điện cực là một thách thức đặc biệt. Điều này đã thay đổi với việc ra mắt thị trường một hệ thống đo điện trở điện cực mới – RM2610 từ HIOKI.

RM2610 từ HIOKI về cơ bản là một máy đo điện trở DC. Tuy nhiên, thay vì phép đo 4 dây truyền thống, RM2610 hoạt động với một đầu dò trong đó tổng cộng 46 tiếp điểm lò xo được sắp xếp trên tổng diện tích 1 mm². Trong quá trình đo, một loạt các phép đo điện trở DC được thực hiện giữa các tiếp điểm. Dựa trên các kết quả đo này, điện trở suất của vật liệu hoạt tính và điện trở tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và điện cực được tính toán với sự trợ giúp của một mô hình toán học và các tham số đã biết.

Các tham số đã biết là các đại lượng có thể được xác định dễ dàng, chẳng hạn như độ dày của vật liệu điện cực, độ dày lớp của vật liệu hoạt tính và độ dẫn điện của vật liệu điện cực. Anốt thường được làm bằng đồng, trong khi catốt thường được làm bằng nhôm. Đồng không thể được sử dụng làm vật liệu catốt, vì nó sẽ bị ăn mòn ở catốt. Ngược lại, nhôm không phù hợp làm vật liệu anốt vì nó phản ứng với lithium.

Mặc dù RM2610 hiện thường được sử dụng như một thiết bị kiểm tra trong quá trình sản xuất các cell lithium-ion, nhưng nó thực sự được thiết kế để sử dụng trong các bộ phận phát triển. Mục đích là để rút ngắn quy trình phát triển các cell có vật liệu mới bằng cách cho phép các nhà phát triển đưa ra tuyên bố về chất lượng dự kiến của cell đã hoàn thành ngay sau khi các điện cực đã được phủ. Điều này độc đáo và là một cải tiến của quy trình đến mức hệ thống đo điện trở điện cực của HIOKI đã được sử dụng bởi hàng chục khách hàng ở Châu Á khi nó vẫn còn ở giai đoạn nguyên mẫu.

ĐIỆN TRỞ CỦA CÁC MỐI HÀN TRONG KIỂM TRA PIN

Khi xác định điện trở tiếp xúc của các mối hàn, phương pháp đo điện trở DC 4 dây truyền thống được sử dụng. Bất kể các mối hàn này có nhằm mục đích gắn các cực điện vào một cell túi hoặc kết nối một cell với một thanh dẫn hay không – điện trở tiếp xúc nên luôn được kiểm tra sau đó để tránh tạo ra các nguồn nhiệt phụ thuộc vào điện trở tại những điểm này.

Các phép đo điện trở DC 4 dây có thể được thực hiện với hầu hết mọi đồng hồ vạn năng kỹ thuật số để sử dụng trong phòng thí nghiệm hoặc sử dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên, khi đo điện trở tiếp xúc trong quá trình sản xuất, có một số lý do quan trọng để thực hiện phép đo bằng một mét điện trở được thiết kế đặc biệt cho mục đích này.

Lý do quan trọng đầu tiên là phạm vi đo cho điện trở. Với một đồng hồ vạn năng kỹ thuật số thông thường và chắc chắn là cao cấp hiển thị 7 chữ số từ một trong những nhà sản xuất nổi tiếng, phạm vi đo điện trở nhỏ nhất là 1 Ω. Điều này nghe có vẻ ấn tượng lúc đầu, nhưng điện trở tiếp xúc của các tiếp điểm hàn cho pin lithium-ion lý tưởng nhất là phải dưới 0,1 mΩ. Đồng hồ đo điện trở RM3545 của HIOKI dễ dàng đáp ứng yêu cầu này với phạm vi đo nhỏ nhất chỉ 10 mΩ với độ phân giải 0,01 μΩ.

TỐC ĐỘ KIỂM TRA CAO CHO SẢN XUẤT

Ngoài phạm vi đo rất nhỏ, RM3545 của HIOKI còn có một chức năng khác rất hữu ích trong môi trường sản xuất, đó là kiểm tra tiếp xúc đầu dò giữa thiết bị đo và thiết bị được kiểm tra trong quá trình đo: Ở đây, nguyên tắc đo 4 dây được sử dụng để theo dõi rằng tất cả 4 tiếp điểm đo vẫn được áp dụng đúng cách cho thiết bị được kiểm tra trong quá trình đo. Chức năng kiểm tra tiếp xúc này ngăn các phép đo được đánh giá là “không đạt” do các tiếp điểm đo được áp dụng không chính xác, và do đó ngăn chặn các sản phẩm hoàn hảo bị loại bỏ một cách sai lầm.

Một lý do rất quan trọng khác để sử dụng một mét điện trở đặc biệt là tốc độ đo: Khi RM3545 được đặt ở cài đặt nhanh nhất, thời gian giữa khi bắt đầu đo và đầu ra của kết quả đo chỉ là 2,2 ms.

Điều này cho phép thực hiện nhiều phép đo tiếp xúc chỉ với một vài thiết bị đo và do đó lý tưởng phù hợp cho nhiều mối hàn cần được đo trong dây chuyền sản xuất pin.

Tại thời điểm này, độc giả có kinh nghiệm sản xuất có quyền phản đối rằng việc vận chuyển cơ học của một thiết bị được kiểm tra mất nhiều thời gian hơn một vài mili giây, điều này rõ ràng đặt lợi thế của tốc độ đo rất cao vào quan điểm trong bối cảnh tổng thể. Để sử dụng hiệu quả tốc độ đo cao cho sản xuất, HIOKI cung cấp RM3545-02 – một biến thể thiết bị có khe cắm cho thẻ ghép kênh.

Bằng cách thêm hai thẻ ghép kênh có sẵn tùy chọn, một đồng hồ đo điện trở duy nhất có thể thực hiện tới 20 phép đo 4 dây khác nhau liên tiếp trong thời gian ngắn nhất có thể khi các thiết bị được kiểm tra được đưa cơ học đến thiết bị đo “theo nhóm”. Nếu số lượng kênh đo này là không đủ, ví dụ, vì tất cả các tiếp điểm hàn của một mô-đun pin hoàn chỉnh nên được đo trong một bước, vẫn không cần phải vận hành nhiều đơn vị RM3545 cạnh nhau, trong khi điều khiển song song của chúng sẽ làm cho tích hợp trở nên phức tạp hơn đáng kể.

Trong trường hợp này, nên sử dụng một hệ thống ghép kênh riêng biệt. HIOKI cung cấp một hệ thống như vậy trong các phiên bản khác nhau và trong một cấu hình được thiết kế cho các phép đo 4 dây, nó cho phép điều khiển tới 132 kênh bằng một thiết bị đo duy nhất như RM3545 (cấu hình: SW1002 + 12 × SW9001). Bộ ghép kênh không giới hạn trong việc sử dụng với đồng hồ đo điện trở, mà còn có thể được sử dụng với thiết bị kiểm tra pin, đồng hồ đo trở kháng hoặc vôn kế của HIOKI – với điều kiện điện áp đo được dưới 60 V.

Nếu bạn tưởng tượng một thiết lập đo với 132 kênh được đề cập ở trên, được sử dụng, ví dụ, để đo các tiếp điểm hàn cho các kết nối đến thanh dẫn trên một mô-đun pin, phương pháp đo 4 dây không chỉ yêu cầu hơn 500 dây dẫn thử nghiệm, mà còn hơn 250 tiếp điểm thử nghiệm cơ học. Từ góc độ công nghệ, điều này là có thể. Tuy nhiên, đặc biệt đối với các cell hình trụ trong một mô-đun, một giải pháp khác được ưu tiên hơn – một thiết bị kiểm tra đầu dò bay với tên gọi có phần khó hiểu FA1240-W800. Các thiết bị này thường được sử dụng để kiểm tra PCB đã lắp ráp và có khả năng thực hiện các phép đo điện trở 4 dây, trong số những thứ khác, nhanh đến 25 ms cho mỗi thử nghiệm. Xét cho cùng, không quan trọng liệu thiết bị được kiểm tra là một PCB đã lắp ráp hay một mô-đun pin nơi các mối hàn được đo.

Việc sử dụng thiết bị kiểm tra đầu dò bay trong ví dụ đo các mối hàn của các mô-đun pin có một ưu điểm khác so với việc sắp xếp với các tiếp điểm thử nghiệm cố định – cho dù là trong biến thể được mô tả ở trên hay thay thế với một “giường đinh”; bởi vì trong khi các vị trí thử nghiệm luôn giống nhau trên PCB đã lắp ráp, chúng luôn sai lệch một chút so với nhau trên các mô-đun pin với hàng trăm cell do dung sai sản xuất. Tuy nhiên, các mối hàn phải được đo chính xác.

Do đó, thiết bị kiểm tra đầu dò bay FA1240 cho phép tải một tệp vị trí cho mỗi mô-đun pin trước. Tệp này có thể được tạo riêng cho từng mô-đun pin với camera phù hợp và phần mềm phân tích phù hợp. Các lỗi đo do dung sai sản xuất cơ học được loại trừ theo cách này.

THIẾT BỊ KIỂM TRA PIN CHO CÁC MỐI HÀN?

Một câu hỏi phổ biến HIOKI thường được hỏi là liệu một thiết bị kiểm tra pin hiện có cũng có thể được sử dụng để đo điện trở tiếp xúc hay không. Có một lý do kỹ thuật ủng hộ điều đó, nhưng cũng có một vài lý do quan trọng hơn chống lại nó.

Một lý do để sử dụng phương pháp đo AC được cung cấp bởi thiết bị kiểm tra pin để đo điện trở tiếp xúc là lực điện động – còn được gọi là điện tích – không đóng vai trò gì trong phương pháp đo này. Nói một cách đơn giản, lực điện động là một độ lệch DC xảy ra khi các kim loại khác nhau tiếp xúc. Tuy nhiên, đối với phép đo AC, độ lệch DC có thể được bỏ qua.

Lực điện động này là một điện áp rất nhỏ không có ảnh hưởng đo được đến phép đo điện trở trong phạm vi ohm. Tuy nhiên, điện trở tiếp xúc chắc chắn nằm trong phạm vi microohm và ở đây ngay cả độ lệch DC nhỏ nhất cũng trở nên phù hợp với kết quả đo. Tại thời điểm này, điều quan trọng cần lưu ý là đồng hồ đo điện trở DC RM3545 được đề cập ở trên có chức năng bù điện áp bù, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của lực điện động.

Một lập luận chống lại việc sử dụng thiết bị kiểm tra pin để đo điện trở tiếp xúc là dòng điện xoáy có thể xảy ra trong các dây dẫn đo trong quá trình đo 4 dây, ngay cả ở tần số đo 1 kHz. Đối với lực điện động, các dòng điện xoáy này không có ý nghĩa gì đối với điện trở lớn hơn – nhưng đối với điện trở tiếp xúc rất thấp, chúng có ảnh hưởng đến kết quả đo.

Khó khăn ở đây là dòng điện xoáy có thể có cường độ khác nhau đối với cùng một thiết bị được kiểm tra, tùy thuộc vào cách bố trí dây dẫn đo. Ví dụ, nếu dây dẫn thử nghiệm được dẫn qua một tấm thép (từ tính) chẳng hạn như vỏ bọc, điều này có thể tạo ra kết quả đo khác so với nếu dây dẫn thử nghiệm được định tuyến theo một cách hơi khác với cùng một thiết bị được thử nghiệm.

Đây là một lý do tại sao có thể khó có được kết quả đo có thể lặp lại hoặc so sánh chính xác khi đo điện trở tiếp xúc bằng thiết bị kiểm tra pin.

Một lý do khác phát sinh khi so sánh độ chính xác của hai phương pháp đo: Một trong những thiết bị kiểm tra pin được sử dụng rộng rãi nhất trong môi trường sản xuất là BT3562A của HIOKI. Độ chính xác cơ bản của thiết bị kiểm tra pin này để đo điện trở là 0,5 %. Đây là một giá trị rất tốt cho đồng hồ đo điện trở AC. Tuy nhiên, một đồng hồ đo điện trở DC như RM3545 có độ chính xác cơ bản là 0,006 %.

KẾT HỢP CÁC CẶP CELL

Ở phần đầu của văn bản này, chúng tôi đã nói rằng không chỉ các giá trị điện trở nhỏ mà còn cả các giá trị điện trở bằng nhau là yếu tố quyết định chất lượng của pin. Các giá trị điện trở bằng nhau đặc biệt liên quan đối với các cell được kết nối với nhau trong các mô-đun và bộ pin.

Khi các cell pin được kết nối nối tiếp, một cell duy nhất có điện trở lớn hơn sẽ là nút thắt cổ chai cho toàn bộ hệ thống. Điện trở lớn hơn sẽ không chỉ gây ra nhiệt độ tăng lên trong mảng, điều này sẽ có tác động tiêu cực đến tuổi thọ. Cell này cũng sẽ được xả nhanh hơn những cell khác. Trong các ứng dụng thông thường, hệ thống quản lý pin đảm bảo rằng những sai lệch giữa các cell này được bù đắp và không đáng chú ý đối với người dùng thông thường.

Tuy nhiên, tình hình sẽ khác nếu pin không chỉ được sử dụng cho một chiếc xe điện thông thường, mà còn cho một chiếc xe đua vô địch, chẳng hạn. Hoặc nếu một pin được thiết kế phù hợp cung cấp toàn bộ nguồn điện cho một chiếc xe thám hiểm. Trong cả hai trường hợp, việc loại bỏ bất kỳ sai lệch tiềm ẩn nào giữa các cell riêng lẻ đang được sử dụng là có lợi.

Điều này có thể đạt được bằng cách kết hợp các cặp cell riêng lẻ. Trở kháng của các cell riêng lẻ được xác định bằng quang phổ trở kháng điện hóa ở các tần số khác nhau. Các giá trị trở kháng, bao gồm điện trở ohmic và điện kháng, được kết hợp để tạo thành một biểu đồ Nyquist cho mỗi cell. Nếu các biểu đồ Nyquist này được đặt chồng lên nhau, các cell có biểu đồ Nyquist khớp nhau nhất có thể được kết hợp để tạo thành một mô-đun hoặc bộ pin.

Đồng hồ đo trở kháng pin BT4560 của HIOKI cũng lý tưởng phù hợp cho các phép đo này, vì sự hình thành của dòng điện xoáy được mô tả ở trên được giảm thiểu trong quá trình đo bằng cách áp dụng phép đo 4 cực-cặp.

KẾT LUẬN

Để tóm tắt, chúng ta có thể chỉ ra rằng công nghệ đo phù hợp là cần thiết đặc biệt để hiện thực hóa pin hiệu suất cao. Mỗi bước sản xuất riêng lẻ đóng một vai trò quan trọng trong kết quả tổng thể của pin.

Đối với HIOKI, sự hợp tác chặt chẽ với các nhà sản xuất pin hàng đầu trong nhiều thập kỷ là một sự đảm bảo để tăng cường thị trường pin với cả công nghệ đo lường đã được thiết lập và mới được phát triển.