Rủi ro và biện pháp an toàn về sạc quá mức pin lithium

Hãy tưởng tượng sự thất vọng khi phát hiện ra rằng hệ thống điện RV được thiết kế cẩn thận của bạn hoặc thiết lập năng lượng mặt trời của cabin từ xa đã bị xâm phạm do sự cố sạc quá mức của pin. Pin lithium, nền tảng của các giải pháp năng lượng hiện đại, có những lo ngại về an toàn vẫn là ưu tiên hàng đầu của người dùng. Sạc quá mức, một trong những rủi ro tiềm ẩn liên quan đến pin lithium, có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng nếu không được quản lý đúng cách.

Mặc dù có những tiến bộ trong công nghệ pin lithium, việc sạc quá mức vẫn là một mối quan tâm thực sự. Không giống như pin axit-chì truyền thống, việc sạc quá mức pin lithium không chỉ làm giảm hiệu suất—nó có thể gây ra những hậu quả thảm khốc. Về lý thuyết, các bộ pin lithium được trang bị Hệ thống Quản lý Pin (BMS) mạnh mẽ sẽ ngăn chặn hiệu quả việc sạc quá mức. Tuy nhiên, thị trường vẫn còn chứa đựng các bộ pin giá rẻ, lỗi thời hoặc tự chế thiếu sự bảo vệ của BMS, khiến chúng dễ bị sạc quá mức. Kết quả dao động từ hư hỏng pin đến các mối nguy hiểm về hỏa hoạn.

Pin lithium có nhiều loại hóa học khác nhau, bao gồm Lithium Iron Phosphate (LiFePO₄) và Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC). Pin LiFePO₄, được biết đến với độ ổn định, được sử dụng rộng rãi trong RV, các ứng dụng hàng hải và các hệ thống ngoài lưới. Mặt khác, pin NMC cung cấp mật độ năng lượng cao hơn nhưng dễ bị hiện tượng thoát nhiệt hơn khi bị sạc quá mức. Bất kể hóa học nào, BMS là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho pin lithium.

Khi pin lithium (đặc biệt là pin không có BMS) bị sạc quá mức, điện áp của các tế bào riêng lẻ vượt quá giới hạn an toàn, kích hoạt "thoát nhiệt". Quá trình diễn ra như sau:

1. Điện áp vượt quá giới hạn: Sạc quá mức buộc các ion lithium dư thừa vào các điện cực, vượt quá dung lượng an toàn của chúng.
2. Gia nhiệt bên trong: Sự phân hủy hóa học tạo ra nhiệt dữ dội.
3. Giãn nở khí: Chất điện phân bị phân hủy, tạo ra khí gây sưng hoặc vỡ.
4. Thoát nhiệt tăng tốc: Nhiệt tích tụ, làm tan chảy bộ phận phân tách và gây ra đoản mạch bên trong.
5. Cháy hoặc nổ: Chất điện phân hoặc khí dễ cháy bắt lửa, có khả năng dẫn đến hỏa hoạn hoặc nổ.

Nguy cơ hỏa hoạn do sạc quá mức khác nhau tùy theo hóa học của pin:

• Pin NMC và các pin dựa trên coban khác (LCO, NCA): Dễ bắt lửa hơn khi bị sạc quá mức do mật độ năng lượng cao hơn và độ ổn định thấp hơn.
• LiFePO₄: Ổn định hơn. Mặc dù việc sạc quá mức vẫn có thể gây hư hỏng (sưng, thông hơi hoặc hỏng), nhưng những pin này ít có xu hướng bị thoát nhiệt hoặc cháy hơn do hóa học không dễ cháy và khả năng chịu nhiệt của chúng.

Tuy nhiên, bất kỳ pin lithium nào cũng có thể trở nên nguy hiểm nếu bị sử dụng sai hoặc không được bảo vệ. Do đó, BMS là không thể thiếu bất kể hóa học nào.

Hệ thống Quản lý Pin (BMS) là tuyến phòng thủ đầu tiên. Nó theo dõi điện áp và nhiệt độ của tế bào trong thời gian thực, cắt dòng sạc nếu bất kỳ tế bào nào tiếp cận các ngưỡng nguy hiểm. Pin được trang bị BMS chất lượng cao sẽ loại bỏ các mối lo ngại về sạc quá mức.

Tuy nhiên, BMS không nên đóng vai trò là cơ chế kiểm soát sạc chính. Các phương pháp thực hành tốt nhất bao gồm việc cấu hình các hệ thống sạc để phù hợp với thông số kỹ thuật về điện áp và dòng điện của pin. Điều này đảm bảo BMS chỉ can thiệp trong những trường hợp khẩn cấp hiếm gặp thay vì thường xuyên tắt pin.

Việc quá phụ thuộc vào BMS để ngăn ngừa sạc quá mức có thể làm căng các linh kiện điện tử và rút ngắn tuổi thọ của BMS. Cài đặt hệ thống thích hợp bảo vệ cả pin và BMS.

Nếu BMS bị trục trặc, có thể xảy ra hai kết quả:

• An toàn khi hỏng hóc: Hệ thống tắt hoặc ngắt kết nối để ngăn ngừa các mối nguy hiểm như hỏa hoạn hoặc rò rỉ hóa chất. Pin có thể ngừng hoạt động nhưng không gây ra bất kỳ rủi ro an toàn nào.
• Không an toàn khi hỏng hóc: Hệ thống bảo vệ bị lỗi, khiến pin dễ bị sạc quá mức, quá nóng hoặc đoản mạch không kiểm soát. Điều này làm tăng đáng kể nguy cơ hỏa hoạn, nổ hoặc phát thải độc hại.

Quá trình sạc pin lithium là một quá trình đa giai đoạn, chính xác. Không giống như pin axit-chì, pin lithium không yêu cầu hấp thụ kéo dài hoặc sạc nổi.

Hầu hết pin lithium sạc trong hai giai đoạn:

1. Dòng điện không đổi (Số lượng lớn): Bộ sạc cung cấp dòng điện tối đa cho đến khi pin đạt đến giới hạn điện áp của nó.
2. Điện áp không đổi (Hấp thụ/Nổi): Bộ sạc duy trì một điện áp đặt trong khi dần dần giảm dòng điện khi pin đến gần dung lượng đầy.

Luôn đảm bảo điện áp sạc phù hợp với thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.

Luôn tham khảo hướng dẫn sử dụng hoặc bảng dữ liệu của nhà sản xuất.

Các nguyên nhân phổ biến nhất là do BMS bị lỗi và bộ sạc không tương thích:

• Bộ sạc không tương thích: Bộ sạc axit-chì hoặc những bộ sạc không có cài đặt lithium có thể cung cấp điện áp quá mức.
• Cài đặt không chính xác: Sạc ở điện áp hoặc dòng điện sai sẽ gây căng thẳng cho các tế bào.
• Thiếu BMS hoặc Bộ cân bằng: Các gói tự chế thường thiếu sự đồng bộ hóa, dẫn đến mất cân bằng tế bào.
• BMS bị lỗi: BMS chất lượng kém có thể bị lỗi bất ngờ. Pin được chứng nhận UL trải qua quá trình thử nghiệm nghiêm ngặt để ngăn chặn điều này.

Sạc quá mức có thể gây ra hư hỏng tức thì và lâu dài:

• Tích tụ nhiệt: Nhiệt quá mức dẫn đến sưng, phân hủy hóa học hoặc thoát nhiệt.
• Hư hỏng tế bào: Giảm dung lượng và tuổi thọ vĩnh viễn.
• Mất cân bằng: Các gói đa tế bào không có BMS bị chênh lệch điện áp.

Chỉ báo vật lý:

• Sưng hoặc phồng
• Quá nóng sau khi sạc
• Mùi ngọt, hóa chất hoặc mùi khét
• Rò rỉ, thông hơi hoặc tiếng rít
• Dao động điện áp hoặc tự xả nhanh

Nếu được quan sát, hãy ngừng sử dụng ngay lập tức và tìm kiếm sự hỗ trợ chuyên nghiệp.

1. Sử dụng bộ sạc tương thích với lithium với các cài đặt cụ thể cho hóa học.
2. Xác minh giới hạn điện áp và dòng điện khớp với thông số kỹ thuật của pin.
3. Sạc trong môi trường kiểm soát nhiệt độ.
4. Theo dõi việc sạc thông qua bộ theo dõi pin (nếu có).
5. Dựa vào BMS chất lượng cao để bảo vệ.
6. Tránh các bộ sạc "ngu ngốc" không có tính năng tự động tắt.
7. Không bao giờ vận hành pin lithium mà không có BMS.

Sạc quá mức gây ra những nguy hiểm độc đáo cho pin lithium không được bảo vệ:

• Cháy: Thoát nhiệt có thể gây nổ hoặc khói độc.
• Tiếp xúc hóa chất: Khí thoát ra có thể nguy hiểm—thông gió và tránh tiếp xúc.
• Chấn thương vật lý: Pin bị vỡ có thể gây bỏng hoặc các mối nguy hiểm do đạn.

Mặc dù đáng báo động, những rủi ro này áp dụng cho tất cả các loại pin khi bị lạm dụng. Pin lithium được trang bị BMS được thiết kế đúng cách an toàn hơn nhiều so với các lựa chọn thay thế không được bảo vệ.

Đối với người dùng RV, hàng hải hoặc ngoài lưới, việc sạc quá mức là một mối quan tâm chính đáng. Pin lithium cao cấp tích hợp công nghệ BMS tiên tiến để theo dõi các tế bào và ngắt kết nối sạc trong khi có lỗi. Điều này đảm bảo năng lượng đáng tin cậy, không phải lo lắng mà không ảnh hưởng đến sự an toàn.

Hỏi: Pin lithium cao cấp có thể bị sạc quá mức không?
Đáp: Không. Pin chất lượng cao có tính năng bảo vệ BMS sẽ ngắt kết nối sạc nếu điện áp vượt quá giới hạn an toàn.

Hỏi: Tất cả pin lithium có bảo vệ quá tải không?
Đáp: Không. Các gói giá rẻ hoặc tự chế có thể thiếu BMS. Luôn xác minh các hệ thống bảo vệ trước khi mua.

Hỏi: Việc sạc lithium khác với axit-chì như thế nào?
Đáp: Pin lithium yêu cầu kiểm soát điện áp chính xác và bỏ qua các giai đoạn nổi/cân bằng. Sử dụng bộ sạc axit-chì có nguy cơ sạc quá mức.

Hỏi: Các dấu hiệu của việc sạc quá mức pin lithium là gì?
Đáp: Sưng, quá nóng, mùi hóa chất, rò rỉ hoặc điện áp thất thường cho thấy việc sạc quá mức. Ngừng sử dụng ngay lập tức.

Hỏi: Làm thế nào để tôi sạc pin lithium một cách an toàn?
Đáp: Sử dụng bộ sạc cụ thể cho hóa học, tuân thủ giới hạn điện áp/dòng điện, tránh nhiệt độ khắc nghiệt và chọn pin được trang bị BMS.