Bạn ghé trạm sạc nhanh trên cao tốc, cắm súng vào lúc pin còn 10%. Màn hình nhảy số vèo vèo, chưa uống hết ly cà phê đã lên 80%. Thế rồi mọi thứ chững lại: con số kW tụt dần, phần trăm nhích từng chút một, và 20% cuối có khi lâu ngang cả đoạn trước cộng lại. Trụ không hỏng, xe cũng không lỗi. Bài này giải thích vì sao pin càng gần đầy càng sạc chậm, chuyện gì đang diễn ra bên trong từng cell, và bạn nên tận dụng điều đó thế nào khi đi xa lẫn khi sạc hằng ngày.
Đường cong sạc trông như thế nào?
Nếu ghi lại công suất sạc theo thời gian rồi vẽ thành biểu đồ, bạn sẽ không thấy một đường thẳng nằm ngang. Bạn sẽ thấy một đường cong sạc (charging curve) có hình dạng khá lạ:
- Lên đỉnh rất nhanh: vài chục giây sau khi cắm, công suất vọt lên mức cao nhất xe cho phép, ví dụ 150 kW.
- Giữ đỉnh một lúc: thường ở vùng pin thấp đến trung bình.
- Tụt dần: càng gần đầy công suất càng giảm, tới cuối chỉ còn vài chục kW, thậm chí thấp hơn.
Để thấy rõ chênh lệch, thử làm một phép tính với một chiếc xe giả định có pin 80 kWh. Từ 10% lên 80% là nạp 56 kWh. Nếu mất khoảng 25 phút, công suất trung bình rơi vào khoảng 134 kW. Còn từ 80% lên 100% chỉ nạp thêm 16 kWh, nhưng nếu mất 35 phút thì công suất trung bình chỉ còn khoảng 27 kW, tức chưa bằng một phần tư đoạn đầu.
Mỗi mẫu xe có đường cong sạc riêng, phụ thuộc hoá học pin, hệ thống làm mát, điện áp hệ thống và phần mềm của hãng. Hình dạng chung "lên nhanh, giữ đỉnh, tụt dần" thì gần như xe nào cũng có.
Điều quan trọng cần nhớ: trụ sạc DC không tự đẩy điện vào xe. Chính BMS (Battery Management System, hệ thống quản lý pin) liên tục đo pin rồi "đặt hàng" cho trụ cấp bao nhiêu dòng, bao nhiêu áp. Vì vậy đường cong này là do xe quyết định, chứ không phải trụ. Nếu bạn từng thắc mắc vì sao trụ ghi 350 kW mà xe chỉ nhận 100 kW, bài Tại sao trụ sạc 350 kW nhưng xe điện chỉ sạc được 100 kW có giải thích chi tiết phần này.
Bên trong cell: một bãi đỗ xe cho ion lithium
Pin xe điện không phải một khối duy nhất. Nó gồm hàng trăm đến hàng nghìn cell (tế bào pin) nhỏ ghép lại. Mỗi cell có hai điện cực: cực dương (cathode) làm từ oxit kim loại như NMC hoặc LFP, và cực âm (anode) thường làm bằng than chì (graphite), ngăn cách bởi một lớp màng mỏng và ngâm trong chất điện phân.
Sạc pin thực chất là đẩy ion lithium rời cực dương, đi qua chất điện phân, rồi chen vào giữa các lớp than chì ở cực âm. Quá trình chen vào giữa các lớp này gọi là intercalation (xen kẽ). Khi xe chạy, dòng ion đi theo chiều ngược lại.
Cách dễ hình dung nhất là coi cực âm như một bãi đỗ xe:
- Lúc pin cạn, bãi gần như trống trơn. Ion tới đâu cũng có chỗ, cứ thế lao vào. Sạc nhanh hết cỡ được.
- Càng về sau, chỗ trống càng ít. Ion phải chạy vòng tìm chỗ, xếp hàng chờ tới lượt.
- Gần đầy, mỗi chỗ trống còn lại đều nằm sâu và khó vào. Nếu vẫn ép cả đoàn xe lao vào cùng lúc, sẽ có xe phải đậu đại ngoài lề đường.
Hình ảnh "đậu ngoài lề đường" đó không phải nói cho vui. Nó chính là hiện tượng nguy hiểm nhất mà toàn bộ chiến lược sạc được thiết kế để tránh, sẽ nói ở phần sau.
Hai chế độ sạc: dòng không đổi rồi điện áp không đổi
Hầu hết pin lithium-ion được sạc theo một quy trình hai giai đoạn gọi là CC-CV.
Giai đoạn 1: CC (Constant Current, dòng không đổi)
Bộ sạc bơm một dòng điện lớn và ổn định. Trong lúc đó, điện áp mỗi cell tăng dần, từ khoảng 3,5 V lên tới mức trần, với pin NMC thường là 4,2 V. Vì công suất bằng điện áp nhân dòng điện, dòng giữ nguyên còn áp tăng nên công suất ở giai đoạn này cao và khá ổn định. Đây là đoạn "vèo vèo" bạn thấy trên màn hình.
Giai đoạn 2: CV (Constant Voltage, điện áp không đổi)
Khi cell chạm 4,2 V, bộ sạc chuyển sang giữ chặt điện áp ở mức đó. Lúc này dòng điện tự giảm dần theo mức độ "lấp đầy" của cell, có khi chỉ còn một phần mười so với lúc đầu. Điện áp đứng yên, dòng giảm, nên công suất giảm theo. Đây chính là lúc sạc chậm lại.
| Giai đoạn CC | Giai đoạn CV | |
|---|---|---|
| Đại lượng được giữ cố định | Dòng điện | Điện áp (mức trần) |
| Đại lượng thay đổi | Điện áp tăng dần | Dòng điện giảm dần |
| Công suất sạc | Cao, ổn định | Giảm dần |
| Vùng pin thường gặp | Pin thấp đến trung bình | Gần đầy |
| Cảm nhận khi sạc | Phần trăm tăng nhanh | Phần trăm nhích từng chút |
Trên xe điện thật, BMS còn chia nhỏ hơn: thay vì một bậc CC duy nhất, nhiều xe hạ dòng theo từng nấc khi mức pin và nhiệt độ thay đổi. Đó là lý do đường cong sạc ngoài đời thường trông như những bậc thang đổ xuống, chứ không mượt như sách giáo khoa.
Vì sao không ép điện áp cao hơn cho nhanh?
Câu hỏi tự nhiên là: nếu muốn sạc nhanh ở cuối, cứ đẩy điện áp vượt 4,2 V là xong? Câu trả lời là không được, vì hai lý do.
Thứ nhất, hoá chất bên trong không chịu nổi. Vượt ngưỡng điện áp trần, chất điện phân bắt đầu bị phân huỷ, cấu trúc cực dương mất ổn định, sinh khí và sinh nhiệt ngay bên trong cell. Mỗi lần như vậy pin mất đi một ít dung lượng vĩnh viễn, lâu dần cell phồng và chai.
Thứ hai, và nguy hiểm hơn, là mạ lithium (lithium plating). Quay lại bãi đỗ xe: khi ion tới quá nhanh mà cực âm gần đầy không kịp nhận, chúng không chen được vào giữa các lớp than chì nữa. Thay vào đó, chúng đọng lại thành một lớp lithium kim loại trên bề mặt cực âm. Lớp kim loại này có thể mọc dần thành những nhánh nhọn gọi là dendrite (tinh thể hình cây).
Gai dendrite có thể đâm xuyên lớp màng ngăn giữa hai cực, gây đoản mạch bên trong cell. Nhẹ thì pin mất dung lượng vĩnh viễn. Nặng thì cell nóng lên mất kiểm soát và có thể bốc cháy. Mạ lithium dễ xảy ra nhất khi sạc dòng lớn lúc pin gần đầy hoặc khi pin đang lạnh.
Vì vậy việc giảm dòng ở cuối không phải hãng "làm biếng". Đó là cách duy nhất để vừa nạp thêm được năng lượng, vừa không để ion "đậu ngoài lề đường".
Sạc chậm ở cuối không phải lỗi, mà là cách chiếc xe bảo vệ pin của bạn.
Hai chiếc phanh khác của BMS: nhiệt độ và cân bằng cell
Ngoài giới hạn điện áp, còn hai yếu tố nữa khiến BMS chủ động hạ công suất.
Nhiệt độ
Dòng điện lớn đi qua pin sinh nhiệt rất nhiều. Khi nhiệt độ pin vượt khoảng 45 °C, BMS sẽ chủ động hạ công suất để bảo vệ cell. Ở chiều ngược lại, pin quá lạnh cũng bị giới hạn công suất, vì ion di chuyển chậm hơn và nguy cơ mạ lithium tăng lên. Nhiều xe hiện nay có tính năng làm ấm pin trước khi sạc (preconditioning), tự kích hoạt khi bạn chọn trạm sạc làm điểm đến trên bản đồ của xe, để pin tới trạm ở nhiệt độ lý tưởng.
Cân bằng cell
Hàng nghìn cell trong một bộ pin không bao giờ giống hệt nhau. Có cell dung lượng nhỉnh hơn, có cell nằm ở vị trí nóng hơn. Khi sạc, chúng đầy không đều.
Vấn đề là chỉ cần một cell chạm mức điện áp trần, cả chuỗi phải dừng hoặc giảm dòng, dù các cell khác chưa đầy. Vì vậy ở gần mức đầy, BMS còn phải làm thêm việc cân bằng cell (cell balancing): cell nào đầy trước sẽ được xả bớt qua điện trở hoặc phải chờ, để các cell còn lại đuổi kịp. Việc này diễn ra với dòng rất nhỏ nên rất chậm, và đó là một phần lý do vài phần trăm cuối cùng lâu đến khó chịu.
Áp dụng vào thực tế: đi xa và sạc hằng ngày
Hiểu cơ chế rồi thì cách dùng xe hợp lý cũng hiện ra khá rõ.
Khi đi đường dài: sạc tới khoảng 80% rồi đi tiếp
Thực tế, nhiều xe điện chỉ cần khoảng 25 phút để sạc từ 10% lên 80%, nhưng 20% cuối có thể mất thêm 30 đến 40 phút. Nghĩa là bạn dành hơn nửa thời gian ở trạm chỉ để lấy một phần nhỏ quãng đường.
Mẹo hay nhất là sạc tới khoảng 80% rồi đi tiếp, và tới trạm kế tiếp khi pin còn thấp (10–20%) để luôn sạc trong vùng nhanh nhất. Dừng nhiều lần ngắn thường về đích nhanh hơn một lần cắm sạc đầy. Chỉ nên sạc tới 100% ở trạm nhanh khi đoạn đường phía trước không có trạm nào.
- [ ]Chọn trạm sạc làm điểm đến trên bản đồ của xe để pin được làm ấm trước
- [ ]Tới trạm khi pin còn khoảng 10–20%
- [ ]Rút sạc ở khoảng 80% nếu trạm tiếp theo nằm trong tầm với
- [ ]Chỉ sạc đầy khi chặng sau thiếu trạm
Khi sạc hằng ngày ở nhà
Các hãng xe thường khuyên chỉ nên sạc tới 80 hoặc 90% cho nhu cầu hằng ngày. Lý do: pin nằm lâu ở điện áp cao sẽ chai nhanh hơn, vì chính những phản ứng phụ ở vùng điện áp gần trần mà ta đã nói ở trên. Sạc tới 80–90% vẫn đủ cho quãng đường đi làm của đa số người dùng, mà pin "dễ thở" hơn nhiều.
Pin LFP (lithium sắt phốt phát) có đường điện áp gần như phẳng trong phần lớn dải dung lượng, nên BMS khó đoán chính xác mức pin. Các hãng thường khuyên sạc đầy pin LFP khoảng mỗi tuần một lần để BMS hiệu chỉnh lại. Hãy xem sách hướng dẫn của xe để biết pin của bạn là loại nào và hãng khuyên mức sạc bao nhiêu.
Tóm tắt nhanh
- Đường cong sạc xe điện luôn có dạng "lên nhanh, giữ đỉnh, tụt dần", do BMS của xe quyết định chứ không phải trụ.
- Pin sạc theo hai giai đoạn: CC (dòng không đổi, nhanh) rồi CV (giữ điện áp trần, dòng giảm dần, chậm).
- Không thể ép điện áp cao hơn vì sẽ phân huỷ chất điện phân và gây mạ lithium, sinh dendrite có thể làm đoản mạch cell.
- Nhiệt độ cao hoặc thấp và việc cân bằng hàng nghìn cell cũng khiến những phần trăm cuối cùng sạc rất chậm.
- Đi xa nên sạc tới khoảng 80% rồi đi tiếp; hằng ngày sạc 80–90%, riêng pin LFP nên sạc đầy định kỳ theo khuyến nghị của hãng.
Câu hỏi thường gặp
Sạc chậm ở cuối có phải pin xe tôi đã bị chai?
Không. Đây là hành vi bình thường của mọi pin lithium-ion, xe mới tinh cũng vậy. Chỉ đáng lo khi xe của bạn sạc chậm hơn hẳn so với trước đây ở cùng mức pin, cùng nhiệt độ và cùng loại trụ.
Dùng trụ sạc công suất lớn hơn có giúp 20% cuối nhanh hơn không?
Hầu như không. Ở giai đoạn cuối, giới hạn nằm ở pin và BMS chứ không ở trụ. Trụ mạnh hơn chỉ có ích ở đoạn đầu, khi xe đang nhận công suất cao nhất.
Sạc tới 100% có hại pin không?
Thỉnh thoảng sạc đầy trước chuyến đi xa không sao. Điều nên tránh là để pin nằm lâu ở mức 100%. Với pin LFP, sạc đầy định kỳ còn được hãng khuyến khích để hiệu chỉnh.
Vì sao mùa lạnh xe sạc chậm hơn?
Pin lạnh khiến ion di chuyển chậm và dễ bị mạ lithium, nên BMS giới hạn dòng sạc để bảo vệ cell. Bật làm ấm pin trước khi tới trạm (nếu xe có) sẽ cải thiện đáng kể.
