Quang phổ trở kháng điện hóa (EIS): Một công cụ mạnh mẽ để đánh giá pin 

Pin là thiết bị lưu trữ năng lượng được sử dụng rộng rãi, được phân loại thành loại dùng một lần và loại có thể sạc lại. Pin kiềm, chẳng hạn như 1,5V và 9V, không thể sạc lại được, trong khi pin lithium có thể sạc lại và phổ biến ở hầu hết các thiết bị. Do sự khác nhau trong các tiêu chuẩn sản xuất, việc kiểm tra và đánh giá nhanh chất lượng pin lithium là rất cần thiết.

Excelpoint, nhà phân phối được ủy quyền dựa trên công nghệ, đã tích cực tham gia vào thị trường lưu trữ năng lượng trong nhiều năm. Họ đã xác định được nhu cầu ngày càng tăng về việc kiểm tra và chẩn đoán pin lithium tiên tiến để tối đa hóa hiệu suất đồng thời đảm bảo độ tin cậy khi sử dụng.

Để đáp ứng nhu cầu đó, nhóm kỹ thuật của Excelpoint đã phát triển mô-đun đo Quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) EPSH-EIS5941-V1.0. Mô-đun này có cả chế độ tần số quét và cố định, mang lại khả năng tích hợp cao với chi phí thấp. Nó phù hợp và lý tưởng cho các máy kiểm tra điện trở trong pin cầm tay, nhỏ gọn, cho phép đo nhanh và chính xác các đặc tính điện hóa của pin lithium.

Quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) là gì?

Quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) là một kỹ thuật đo các phản ứng điện hóa và quá trình truyền điện tích trong hệ thống. Bằng cách áp dụng tín hiệu AC và đo phản hồi, nó cung cấp những hiểu biết sâu sắc không phá hủy về động học của pin.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả EIS bao gồm cấu trúc pin, chất điện phân, công suất, vật liệu điện cực và điện trở trong. Dữ liệu thường được trình bày bằng cách sử dụng biểu đồ Nyquist hoặc Bode. Phép đo tần số cố định ở tần số 1 kHz đánh giá điện trở của chất điện phân, tăng theo tuổi thọ, trong khi phép đo tần số quét từ 1 Hz đến 1 kHz tập trung vào điện trở truyền điện tích, làm nổi bật sự thay đổi hiệu suất theo nhiệt độ và trạng thái điện tích (SOC).

Mô-đun đo EIS của Excelpoint (EPSH-EIS5941-V1.0) chủ yếu bao gồm nguồn điện, giao diện, điều hòa và xử lý tín hiệu cảm biến thông qua AD5941 và một số chip chính, bao gồm AD5941, ADG636, AD8694, ADM7155 và ATSAML21 của ADI. Quy trình chuỗi tín hiệu được minh họa trong Hình 1, trong khi các thành phần phần cứng và bo mạch chính được thể hiện trong Hình 2 và 3.

Hình 1: Chuỗi tín hiệu EPSH-EIS5941-V1.0

Hình 2: Mainboard và Test Fixture của EPSH-EIS5941-V1.0

Hình 3: Sơ đồ mạch của Mainboard EPSH-EIS5941-V1.0

Các tính năng cơ bản của Mô-đun đo lường EIS:

• Chế độ hoạt động: Hỗ trợ cả chế độ tần số quét và tần số cố định.
• Chế độ quét tần số: Đo dải tần chính từ 1 Hz đến 1 kHz (AD5941 hỗ trợ dải quét từ 0,015 Hz đến 200 kHz).
• Chế độ tần số cố định: 1 kHz.
• Độ chính xác: Tốt hơn 0,1% (ở tần số cố định 1 kHz).
• Nguồn điện: USB 5V.
• Giao diện truyền thông: USB-PC.

Phần mềm EIS

Phần mềm chính thức khá đơn giản và thân thiện với người dùng. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải cài đặt LabVIEW và visa530full.exe trước khi sử dụng phần mềm EIS. Không làm như vậy có thể dẫn đến thông báo lỗi hoặc sự cố khi mở cổng nối tiếp, như trong Hình 4.

Hình 4: Hiển thị thông báo lỗi – Không thể định vị LabVIEW Runtime Engine. Người ta có thể tải xuống từ trang web National Instruments để giải quyết vấn đề.

Từ phần mềm EIS, cài đặt cổng nối tiếp ở bên trái và các tùy chọn về tần số quét và điểm lấy mẫu ở bên phải. Sau khi định cấu hình mọi thứ, nhấn nút đặt lại K1 để lưu cài đặt của bạn.

Mẹo: Bắt đầu với chế độ tần số cố định để kiểm tra pin, sau đó chuyển sang chế độ tần số quét để có kết quả tối ưu.

Kiểm tra EIS

Pin của các nhãn hiệu, kiểu dáng và dung lượng khác nhau có thể biểu hiện phổ trở kháng điện hóa khác nhau, do đó phải kiểm tra cả hệ số cố định và hệ số thay đổi. Trong thử nghiệm này, chúng tôi sẽ sử dụng các nhãn hiệu khác nhau để kiểm tra trở kháng của pin và sơ đồ Nyquist ở chế độ tần số quét. Các loại pin được thử nghiệm bao gồm Doublepow 18650 (3.7V, 12.580mWh, 3.400mAh), Panasonic 18650 (NCR18650GA, 3.6V, 3.450mAh) và LG 21700 (INR21700M50LT, 3.7V, 5.000mAh).

Hình 5: Ba thương hiệu pin được sử dụng để thử nghiệm

Đo tần số cố định pin lithium Panasonic 18650:

Trở kháng tối đa đo được là 21,884 mΩ, tối thiểu là 21,874 mΩ, trung bình là 21,879 mΩ. Theo bảng dữ liệu, trở kháng AC ở 1 kHz phải nhỏ hơn 38 mΩ, với giá trị điển hình là 25 mΩ. Trở kháng đo được thấp hơn giá trị điển hình cho thấy pin đang ở tình trạng tốt.

Hình 6: Đo tần số cố định pin lithium Panasonic 18650

Đo tần số quét pin Lithium 18650 của Panasonic:

Ở chế độ tần số quét, các phép đo được thực hiện trên phạm vi 1 Hz đến 1 kHz. Như được hiển thị trong Hình 7, nhiều lần quét từ biểu đồ Nyquist cho thấy hiệu suất của pin khá tốt.

Hình 7: Đo tần số quét pin lithium Panasonic 18650

Kết quả đo tần số cố định pin Lithium Doublepow 18650:

Trở kháng tối đa là 23,378 mΩ, tối thiểu là 23,366 mΩ, trung bình là 23,373 mΩ. So với pin lithium Panasonic 18650, dung lượng và trở kháng tương tự nhau (không có bảng dữ liệu cho Doublepow 18650).

Hình 8: Đo tần số cố định pin Lithium Doublepow 18650

Đo tần số quét pin Lithium Doublepow 18650:

Ở chế độ tần số quét, các phép đo được thực hiện từ 1 Hz đến 1 kHz. Như được hiển thị trong Hình 9, nhiều lần quét cho thấy biểu đồ Nyquist cho thấy khả năng lặp lại kém trong dải tần số thấp, cho thấy độ ổn định điện trở truyền điện tích kém hơn so với pin lithium Panasonic 18650.

Hình 9: Đo tần số quét pin Lithium Doublepow 18650

Đo tần số cố định pin lithium LG 21700:

Trở kháng đo được tối đa là 13,918 mΩ, tối thiểu là 13,904 mΩ, trung bình là 13,913 mΩ. Bảng dữ liệu chỉ định trở kháng AC điển hình là 14 mΩ ở 1 kHz, cho biết pin này ở tình trạng tốt.

Điện trở trong thấp hơn trong pin lithium giúp tăng cường sản lượng năng lượng và cải thiện hiệu suất sạc và xả đồng thời giảm sinh nhiệt, giúp kéo dài tuổi thọ pin. Do đó, điện trở trong là yếu tố quan trọng cần xem xét khi lựa chọn pin lithium.

Hình 10: Đo tần số cố định pin Lithium LG 21700

Hình 11 cho thấy pin lithium LG 21700 ở tình trạng tốt dựa trên phép đo tần số quét.

Hình 11: Đo tần số quét pin Lithium LG 21700

Tiếp theo, chúng tôi sẽ thực hiện kiểm tra trở kháng của pin trong điều kiện xả liên tục, lấy pin lithium Panasonic 18650 làm ví dụ. Bắt đầu từ 3,5V, chúng tôi liên tục xả pin bằng mô-đun EIS. Như trong Hình 12, trở kháng tăng dần, tăng từ dưới 22 mΩ lên trên 25 mΩ ở tần số cố định 1 kHz. Thời gian thử nghiệm với mô-đun EIS vượt quá nửa ngày.

Hình 12: Đo tần số cố định Panasonic 18650 trong quá trình phóng điện liên tục

Khi pin Panasonic 18650 rơi vào trạng thái điện áp thấp (dưới 2,8V), dữ liệu trở kháng cho thấy sự dao động đáng kể trong quá trình đo tần số cố định 1 kHz (xem hình bên dưới).

Hình 13: Đo tần số cố định Panasonic 18650 ở trạng thái điện áp thấp 2.8V

Tóm tắt kết luận

Đánh giá này cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về một số thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, bao gồm trở kháng của pin, đặc tính tần số cao và đặc tính tần số thấp. Hơn nữa, việc sử dụng mô-đun đo lường Excelpoint EIS (EPSH-EIS5941-V1.0), sử dụng chip Inc của Analog Devices đã nêu bật các ưu điểm của nó:

• Kích thước nhỏ gọn: EPSH-EIS5941-V1.0 nhỏ hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với các thiết bị đo pin cầm tay thông thường nhưng vẫn mang lại độ chính xác tương tự cho các phép đo tần số cố định 1 kHz.
• Chức năng kép: Nó có cả phép đo tần số cố định và tần số quét, cho phép phát hiện đồng thời điện trở của chất điện phân và điện trở truyền điện tích để đánh giá độ lão hóa và độ hư hỏng của pin.

Mô-đun đo Excelpoint EIS (EPSH-EIS5941-V1.0) lý tưởng cho máy kiểm tra điện trở trong của pin cầm tay nhỏ gọn, hỗ trợ đo nhanh trở kháng của pin lithium và thông tin quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) liên quan.

Để biết thêm chi tiết truy cập: www.excelpoint.com