Cấu trúc 1 viên pin sạc
Mạch bảo vệ pin là gì?
Một viên pin có mạch bảo vệ (hi vọng là thế) gồm những thành phần bảo vệ như sau:
- PTC, bảo vệ chống quá nhiệt, gián tiếp bảo vệ chống quá dòng và sẽ tự động reset.
- CID hay còn gọi là van nén (pressure valve) sẽ vô hiệu hóa phoi pin vĩnh viễn nếu nó bị vượt ngưỡng quá cao (ví dụ như bị sạc nhồi quá ngưỡng)
- PCB sẽ bảo vệ viên pin khỏi xả cạn quá ngưỡng, sạc quá ngưỡng, dòng xả quá cao, phụ thuộc vào thiết kế mà PCB sẽ tự động reset lại hoặc reset lại khi đặt pin vào bộ sạc.
Pin không có mạch bảo vệ thì sao?
Pin không có mạch bảo vệ sẽ không có thành phần PCB, nhưng thường sẽ vẫn có PTC và CID. Mạch PCB được khuyến cáo nên có cho một số pin Li-Ion như Li-CoO2. Ở ảnh dưới, tôi mô tả cách mà PCB lắp vào phoi pin.
Tôi vẽ ở trên mô tả cách mà phoi pin được xây dựng. Kết cấu này được áp dụng cho mọi loại pin Li-Ion, tôi đã “mổ” bung viên pin AW 18650 và Soshine để xem mạch bảo vệ bên trong. PTC và CID không nhìn thấy được vì nó là một phần của phoi pin, nhưng tất cả các phần khác của mạch bảo vệ đều có thể thấy được.
Nếu van nén CID bên trong viên pin kích hoạt, nó sẽ ngắt kết nối bên trong ra bên ngoài viên pin. Vì thế nó còn được gọi là CID – Current Interrupt Device
Kích thước của viên pin 18650 có mạch bảo vệ
Viên pin 18650, với ý nghĩa tên gọi là đường kính 18mm, và chiều dài 65mm. Kích thước này không đúng trong thực tế lắm. Thực ra viên pin có thể dài hơn vài mm và đường kính có thể rộng hơn chút xíu, vì chúng được gắn thêm mạch bảo vệ.
Cái lỗ trên đầu cực dương là chỗ thoát khí thải của van nén, cái này có thể bắt gặp trên nhiều kiểu pin. Ẩn bên dưới là một cầu chì nhiệt độ (PTC resistor), nhưng ta không nhìn thấy nó. Với pin đầu phẳng, cái lỗ này cũng có ở cực dương.
Chú ý: Tiêu chuẩn có PTC và CID là đủ để một số nhà sản xuất gọi pin của họ là có bảo vệ: Battery Protected, nhưng khái niệm này chưa chắc đảm bảo pin có mạch bảo vệ “PCB protection” hoặc “IC protection”.
Hãy nhìn vào ảnh trên, chú ý đến chi tiết “lồi lõm” trên thân pin và ở đầu pin dưới lớp vỏ bọc. Cả hai đều là chỉ dấu cho thấy viên pin có mạch điện trên pin, và thường là mạch bảo vệ. Đối với pin hoạt động độc lập (standalone) Li-Ion Li-CoO2 thì mạch điện này rất quan trọng. Với những pack nhiều pin Li-Ion ghép lại, thường mạch bảo vệ không gắn riêng lẻ với từng viên pin, mà gắn cho cả cụm.
Một viên pin với cực âm bằng đồng và có khắc một số ký tự cũng là dấu hiệu cho thấy đây là pin có mạch bảo vệ, nhưng nó cũng chỉ ra rằng viên pin thiếu tấm thép gia cố, chống sốc.
Tiến hành tháo viên pin
Chú ý: Cell là một viên pin với chỉ một viên pin trong đó. Một viên pin có thể là dạng ghép của nhiều cell pin ( ví dụ pin laptop) hoặc chỉ có một cell pin ( ví dụ pin 18650).
Trong những ảnh trên, tôi đã bỏ lớp vỏ quanh viên pin. Mạch ở đáy pin có thể nhìn thấy rõ, cùng với dây dẫn điện bên cạnh viên pin.
Dây dẫn kết nối cực dương và cực âm của pin. Bạn cũng có thể thấy rõ hơn dây điện nối thẳng vào van nén và lỗ thông hơi bên trong.
Trong cell pin này, cực dương được cậy ra. Phần nắp cực dương được cho thêm vào để tạo đội “lồi” – button top cho cục dương của cell.
Ở cục âm, dây điện được hàn vào đáy (cực âm) viên pin và mạch (phần internal). Phần dây còn lại (external) hàn từ mạch đi lên cực dương của pin. Có một mảnh giấy (màu đen) dùng để bảo vệ mạch, ngăn tiếp xúc vào cực âm.
Pin của Shoshine sử dụng thêm một mảnh nhựa (màu đỏ) và ít giấy (màu đen) để bảo vệ 2 đầu viên pin.
Trong ảnh trên, tôi đã sưu tầm tất cả các phần của viên pin, bản thân cell 18650 là cái lõi gói trong vỏ thép. Phần vỏ pin (wrapper) sẽ đóng gói tất cả lại.
Như vậy ta có, cell (phoi, lõi) pin, wrapper (giấy đóng gói pin), dây dẫn, bảng mạch. Cell pin kích thước chính xác đường kính 18mm, dài chính xác 64.7mm đáp ứng đúng tiêu chí kỹ thuật về kích thước.
Các ảnh ở đây, tôi muốn chỉ ra sự khác nhau về mạch bảo vệ, riêng các mạch cuối cùng, kích thước nhỏ hơn (tôi phóng to lên nên các bạn thấy chúng to bằng nhau).
Các mạch này sẽ bảo vệ pin khỏi bị dùng quá cạn (over discharge) hoặc dòng xả quá lớn (Ví dụ bị ngắn mạch)
Mạch bảo vệ nhìn từ phía sau, thực ra đây chính là cực âm của pin. Một tấm kim loại lớn sẽ giúp cực âm của pin bền hơn.
Mạch bảo vệ có hai thành phần quan trọng. Màu xanh là con chíp điều khiển (controller) và màu đỏ là công tắc đóng mở (connect/disconnect) viên pin.
Đo thử mạch bảo vệ
Mạch thứ nhất
- Dòng điện rò 4.5uA, nó sẽ làm cạn viên pin 2000mAh sau 50 năm.
- Chống xả pin quá cạn ở ngưỡng 2.5V, nhưng nó chỉ đóng mạch lại nếu bản thân viên pin có điện áp trên 3V.
- Chống sạc quá đầy ở ngưỡng 4.26V (sẽ tự ngắt mạch) và đóng mạch khi pin được rút ra khỏi bộ sạc.
- Điện áp rơi (drop) trong mạch tại 1A và 2.9V là: 25mV
Mạch thứ hai:
- Dòng điện rò 4.2uA
- Chống xả pin quá cạn ở ngưỡng 2.5V, nhưng nó chỉ đóng mạch lại nếu có điện áp ngoài (ví dụ đặt pin vào bộ sạc).
- Chống sạc quá đầy ở ngưỡng 4.26V (sẽ tự ngắt mạch) và đóng mạch khi pin được rút ra khỏi bộ sạc.
- Điện áp rơi (drop) trong mạch tại 1A và 2.9V là: 30mV
Đối với bảng mạch nhỏ thứ ba:
- Dòng điện rò 3.9uA
- Chống xả pin quá cạn ở ngưỡng 2.5V. Tuy nhiên nó chỉ đóng mạch lại nếu có điện áp ngoài (ví dụ đặt pin vào bộ sạc).
- Chống sạc quá đầy ở ngưỡng 4.26V (sẽ tự ngắt mạch). Đóng mạch khi pin được rút ra khỏi bộ sạc.
- Điện áp rơi (drop) trong mạch tại 1A và 2.9V là: 60mV
Những gì tôi đo lường trên ba bảng mạch trên chỉ đúng với chúng mà thôi. Tuy vậy nó cũng là thông số tham khảo mà các bảng mạch bảo vệ pin sạc Li-Ion khác nên tuân theo.
