Pin lithium ion được sử dụng rộng rãi vì năng lượng riêng cao, điện áp làm việc cao, tỷ lệ tự xả thấp và tuổi thọ dài. Cho dù được sử dụng làm nguồn điện cho các sản phẩm điện tử hay làm nguồn điện lưu trữ năng lượng cho vệ tinh, tất cả đều gặp phải vấn đề về lưu trữ pin trong quá trình sử dụng thực tế. Do tự xả trong quá trình lưu trữ, pin lithium-ion sẽ làm giảm hiệu suất của pin.

Hiệu suất lưu trữ của pin liên quan đến các yếu tố như trạng thái sạc (SOC), thời gian lưu trữ và nhiệt độ lưu trữ. Theo các báo cáo tài liệu, việc lưu trữ pin ở điện áp mạch hở 3,8-3,9V có hiệu suất tổng thể tuyệt vời, nhưng nhiệt độ lưu trữ được nghiên cứu là nhiệt độ phòng và thời gian lưu trữ chỉ là 3 tháng. Bài viết này nghiên cứu hiệu suất của pin lithium-ion được lưu trữ ở hai trạng thái sạc và nhiệt độ lưu trữ khác nhau, cung cấp tài liệu tham khảo lý thuyết về các điều kiện lưu trữ của pin lithium-ion.

1 Thử nghiệm

Xả pin thử nghiệm xuống 2,75V, sau đó sạc pin đến các trạng thái sạc khác nhau (50% và 80%) và bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau. Pin được bảo dưỡng 6 tháng một lần trong quá trình bảo quản. Năm pin mẫu được sử dụng cho các thí nghiệm song song trong mỗi điều kiện thử nghiệm và kết quả được tính trung bình. Sử dụng buồng thử nghiệm pin và các thiết bị khác để kiểm tra dung lượng có thể phục hồi, tỷ lệ tự xả và hiệu suất chu kỳ của pin.

2 Kết quả thử nghiệm

Bảo quản pin có mức sạc 50% và 80% ở nhiệt độ khác nhau trong 18 tháng.

2.1 Khả năng phục hồi

Qua thử nghiệm, có thể thấy rằng cả 50% SOC và 80% SOC của pin đều giảm dung lượng có thể phục hồi khi kéo dài thời gian lưu trữ; Và ở cùng nhiệt độ, chênh lệch giữa dung lượng có thể phục hồi của pin thời kỳ lưu trữ thứ hai và dung lượng có thể phục hồi của pin thời kỳ lưu trữ thứ nhất phải nhỏ hơn chênh lệch giữa dung lượng có thể phục hồi của pin thời kỳ lưu trữ thứ nhất và dung lượng của pin trước khi lưu trữ; Chênh lệch giữa dung lượng có thể phục hồi của pin thời kỳ lưu trữ thứ ba và dung lượng có thể phục hồi của pin thời kỳ lưu trữ thứ hai phải nhỏ hơn chênh lệch giữa dung lượng có thể phục hồi của pin thời kỳ lưu trữ thứ hai và dung lượng có thể phục hồi của pin thời kỳ lưu trữ thứ nhất.

Điều này cho thấy rằng tổn thất dung lượng không thể phục hồi của pin tương đối lớn ở giai đoạn đầu và giảm dần ở giai đoạn sau. Pin được lưu trữ ở 10, 0 và -10 ℃, với pin SOC 50% có dung lượng có thể phục hồi trên 98% và pin SOC 80% có dung lượng có thể phục hồi trên 97%; Trong cùng một trạng thái sạc, khi được lưu trữ ở 0 và -10 ℃, dung lượng có thể phục hồi của pin về cơ bản là như nhau, cao hơn một chút so với lưu trữ ở 10 ℃. Dựa trên phân tích trên, có thể kết luận rằng khi pin được lưu trữ ở 0 và -10 ℃, pin SOC 50% có dung lượng có thể phục hồi cao hơn, cả hai đều trên 98%.

2.2 Tỷ lệ tự xả của pin

Khả năng tự xả của pin giảm đáng kể ở giai đoạn đầu và giảm ở giai đoạn sau khi thời gian lưu trữ kéo dài. Từ Hình 3 và Hình 4, có thể thấy rằng tỷ lệ tự xả của pin cao ở giai đoạn đầu, nhưng giảm và có xu hướng ổn định ở giai đoạn sau. Bất kể trạng thái sạc của pin, tỷ lệ tự xả của pin đều dưới 8% và khi thời gian lưu trữ tăng lên, tỷ lệ tự xả của pin gần như giảm xuống dưới 2%, cho thấy tỷ lệ tự xả của pin giảm đáng kể sau 12 tháng lưu trữ.

Trong cùng trạng thái sạc, tốc độ tự xả của pin được lưu trữ ở 0 và -10 ℃ thấp hơn tốc độ lưu trữ ở 10 ℃. Điều này là do tốc độ phản ứng phụ của pin sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng và tốc độ tự xả cũng sẽ tăng theo nhiệt độ tăng. Nhiệt độ môi trường thấp sẽ ức chế phản ứng phụ của pin, do đó làm giảm tốc độ tự xả. Do đó, nhiệt độ thấp hơn trong quá trình lưu trữ pin có lợi hơn cho việc lưu trữ pin.

Qua so sánh dữ liệu, thấy rằng ở cùng nhiệt độ, tỷ lệ tự xả của pin SOC 50% thấp hơn pin SOC 80%, cho thấy pin SOC 50% có khả năng duy trì hiệu suất pin cao hơn. Tóm lại, có thể thấy rằng pin SOC 50% có lợi hơn cho việc duy trì hiệu suất pin trong điều kiện bảo quản 0 và -10 ℃.

2.3 Hiệu suất chu kỳ pin sau khi lưu trữ

Kiểm tra hiệu suất chu kỳ được tiến hành trên pin được lưu trữ trong 18 tháng. Hệ thống sạc và xả chu kỳ pin như sau: Sạc dòng điện không đổi 0,5C đến 4,1V, sạc điện áp không đổi đến dòng điện giảm xuống 0,01C và sau khi đứng yên, xả 0,5C đến 2,75V.

Xu hướng suy giảm dung lượng của pin không được lưu trữ về cơ bản giống với pin được lưu trữ. Sau 400 chu kỳ, tỷ lệ duy trì dung lượng của pin mới, pin SOC 50% và pin SOC 80% lần lượt là 90,1%, 89,0% và 86,3%. Có thể thấy rằng dung lượng của pin được lưu trữ đã giảm so với pin không được lưu trữ và tỷ lệ duy trì dung lượng của pin SOC 50% cao hơn pin SOC 80%.

3 Kết luận

Bằng cách thử nghiệm dung lượng có thể phục hồi và tốc độ tự xả của pin lithium-ion trong các trạng thái sạc và nhiệt độ lưu trữ khác nhau, người ta thấy rằng nhiệt độ lưu trữ và trạng thái sạc là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Nhiệt độ môi trường lưu trữ càng cao, trạng thái sạc càng cao, dung lượng có thể phục hồi của pin càng nhỏ và tốc độ tự xả của pin càng cao; Sự suy giảm dung lượng của pin trong quá trình lưu trữ chủ yếu xảy ra trong 6 tháng đầu tiên và sau đó, sự suy giảm dung lượng theo thời gian lưu trữ là tối thiểu. Pin được lưu trữ ở 50% SOC và được lưu trữ ở 0 và -10 ℃, duy trì hiệu suất tốt. Do đó, khi pin lithium-ion yêu cầu lưu trữ lâu dài, chúng nên được lưu trữ ở trạng thái bán sạc và ở nhiệt độ thấp.

Với việc ứng dụng ngày càng tăng của các bộ pin lithium-ion lớn trong lưới điện, an toàn cháy nổ dựa trên các hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion đang ngày càng trở nên quan trọng. Dựa trên thí nghiệm về sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion, một lượng nhỏ rò rỉ khí dễ cháy đã được quan sát thấy. Bằng cách phân tích thành phần của khí rò rỉ, hàm lượng CO và nhiệt độ hệ thống có thể được sử dụng làm cơ sở chính để cảnh báo hệ thống và có thể thiết lập cơ chế bảo vệ sự mất kiểm soát nhiệt cho pin lithium-ion.

Đã thêm phán đoán cảnh báo nhiệt độ thoát ra của pin lithium-ion vào hệ thống lưu trữ năng lượng và kết hợp với cơ chế bảo vệ nhiều cấp và công nghệ liên kết an toàn, đã thiết kế được khuôn khổ tổng thể của hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy dựa trên hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion. Các thành phần, thông tin liên lạc và an toàn cho nhân viên trong hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy đã được xây dựng. Hệ thống này có thể theo dõi chính xác trạng thái nhiệt độ thoát ra của pin lithium-ion và có thể liên kết nhanh các thiết bị an toàn phòng cháy chữa cháy, cải thiện đáng kể tính an toàn và ổn định của hệ thống lưu trữ năng lượng pin trong quá trình vận hành.

1 Nghiên cứu phương pháp nhận dạng sự thoát nhiệt

Nghiên cứu về hệ thống an toàn cháy nổ của hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion dựa trên việc xác định đặc tính nhiệt độ chạy trốn của pin lithium-ion. Hiện nay, các phương pháp xác định nhiệt độ chạy trốn sớm chủ yếu trong và ngoài nước bao gồm:

① Thu thập dữ liệu quan trọng như nhiệt độ, điện áp và dòng điện của pin thông qua hệ thống quản lý pin BMS để đưa ra phán đoán và nghiên cứu

② Phương pháp đo áp suất trên mô-đun pin bằng cảm biến đo ứng suất;

③ Phương pháp xác định nhiệt độ tăng đột ngột để phát hiện giá trị điện trở bên trong của pin;

③ Phương pháp xác định sự mất kiểm soát nhiệt bằng cách thu thập khí rò rỉ từ pin và phân tích thành phần và hàm lượng khí.

Phương pháp ①: Dựa vào hệ thống quản lý pin, một khi nó bị treo, nó sẽ mất khả năng xác định sự mất kiểm soát nhiệt. Do tầm quan trọng của phòng cháy chữa cháy, nên thiết lập một hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy độc lập càng nhiều càng tốt; So với phương pháp ② và ③, phát hiện khí là phương pháp cảnh báo sớm hiệu quả nhất đối với sự mất kiểm soát nhiệt của pin, có thể cung cấp cảnh báo kịp thời và nhanh chóng khi một pin đơn lẻ gặp phải sự mất kiểm soát nhiệt. Do đó, phương pháp được ưa chuộng để phân tích và xác định các loại khí mất kiểm soát nhiệt là phát hiện khí.

Phân tích và nghiên cứu khí thoát nhiệt

Sự rò rỉ khí dễ cháy và phản ứng hóa học đi kèm với toàn bộ quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin. Môi trường mà pin trong hệ thống lưu trữ năng lượng được đặt tương đối ổn định trong những trường hợp bình thường, nhưng một khi pin tạo ra sự mất kiểm soát nhiệt, các thông số bất thường như nhiệt độ, khí và cường độ ánh sáng trong hệ thống lưu trữ năng lượng chắc chắn sẽ xảy ra.

Vấn đề then chốt trong cơ chế an toàn của hiện tượng pin nhiệt độ cao là làm thế nào để trích xuất chính xác các giá trị khí trong giai đoạn đầu của hiện tượng pin nhiệt độ cao. Các thông số khí có thể hiển thị chính xác trạng thái pin nhiệt độ cao và tránh hiệu quả sự đánh giá sai lầm do môi trường làm việc của chính pin gây ra. Phương pháp cảnh báo sớm hiệu quả đối với hiện tượng pin nhiệt độ cao là theo dõi khí và việc lựa chọn máy dò khí là trọng tâm của nghiên cứu.

2 Thí nghiệm chiết xuất khí thoát nhiệt

(1) Việc đun nóng dẫn đến thí nghiệm chiết xuất khí thoát ra do nhiệt.

1) Thiết kế sơ đồ.

Sử dụng một cặp miếng đệm sưởi ấm 400W để làm nóng pin lithium 150Ah, trong quá trình làm nóng, để ngăn ngừa sự giãn nở và biến dạng của vỏ pin lithium gây ra sự tiếp xúc không đủ giữa miếng đệm sưởi ấm và vỏ pin, dẫn đến mất nhiệt của miếng đệm sưởi ấm và nhiệt độ của pin không thể đạt đến tiêu chuẩn nhiệt độ mất kiểm soát, ảnh hưởng đến hiệu ứng thực nghiệm, cần sử dụng đồ gá để làm cho pin và miếng đệm sưởi ấm vừa khít với nhau trong toàn bộ quá trình thực nghiệm; Sử dụng cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ thời gian thực của bộ phận làm nóng và pin, và bố trí thiết bị theo dõi nhiệt độ mất kiểm soát của pin xung quanh và trên đỉnh hộp thử nghiệm để theo dõi và lưu trữ các thông số chính như khí, khói và nhiệt độ theo thời gian thực trong hộp thử nghiệm; Để có thể hiểu trực quan về trạng thái mất kiểm soát nhiệt độ của pin trong toàn bộ quá trình thử nghiệm và để kiểm soát quá trình thử nghiệm, một camera siêu nhỏ đã được sử dụng để ghi lại quá trình thử nghiệm. Khi quan sát thấy van chống nổ của pin mở do nhiệt độ cao, quá trình gia nhiệt đã dừng ngay lập tức; Sử dụng máy bơm lấy mẫu để xả đủ khí vào khu vực an toàn và sau khi khí nguội và ổn định, hãy thu thập và niêm phong khí.

2) Kết quả thực nghiệm.

Từ dữ liệu nồng độ khí trong thí nghiệm, có thể thấy rằng trong giai đoạn đầu của quá trình làm nóng pin, do nhiệt độ không đạt đến ngưỡng của van giảm áp pin lithium, nồng độ khí tăng đều đã được phát hiện; Khi nhiệt độ của pin lithium đạt đến ngưỡng của van giảm áp, nồng độ khí tăng mạnh. Thông qua phân tích, có thể xác định rằng một loại giá trị nồng độ khí nhất định có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái sớm của sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium. Loại khí được chọn cần đáp ứng các yêu cầu sau: tỷ lệ thấp trong không khí, chi phí phát hiện định lượng thấp và khả năng phát hiện những thay đổi đáng kể về nồng độ của loại khí này sau khi xảy ra sự mất kiểm soát nhiệt của pin.

(2) Sạc quá mức dẫn đến thí nghiệm trích xuất khí mất kiểm soát nhiệt.

Kế hoạch thử nghiệm. Thí nghiệm này đã sạc quá mức pin lithium 150A • h bằng thiết bị sạc dòng điện không đổi. Sử dụng thiết bị thu thập khí được hiển thị =, khí được tạo ra ở các khoảng thời gian 10 ℃ giữa 60 ~ 100 ℃ đã được lấy mẫu và thu thập, và những thay đổi về nhiệt độ và trạng thái của pin đã được ghi lại chi tiết.

(3) Kết luận thực nghiệm

Tất cả các mẫu khí thu thập được trong chương này của thí nghiệm đều được phân tích thành phần khí. Từ dữ liệu, có thể thấy rằng giá trị của nitơ và oxy không thay đổi đáng kể trong quá trình thí nghiệm. Carbon dioxide là một trong những khí thành phần chính trong khí quyển, vì vậy ba loại khí này không có giá trị tham chiếu đáng kể. Chi phí phân tích và giám sát khí olefin tương đối cao và không phù hợp để quảng bá. Do đó, khí carbon monoxide, có sự thay đổi đáng kể về hàm lượng trước và sau thí nghiệm và dễ theo dõi và phân tích, phù hợp để cảnh báo sớm về giám sát mất kiểm soát nhiệt trong pin lithium-ion. Để cải thiện độ chính xác của cảnh báo và tránh các kết quả dương tính giả và bỏ sót của hệ thống, dữ liệu về hàm lượng carbon monoxide và nhiệt độ được xem xét kết hợp.

3 Thiết kế ứng dụng hệ thống phòng cháy chữa cháy

3.1 Cơ chế bảo vệ đa cấp

Bảo vệ đa cấp là phương pháp phát hiện và bảo vệ phân vùng cho các bộ phận khác nhau của pin, cụ thể là từ phần bên trong của pin, cụm pin kín và ngăn chứa pin, với mục đích cảnh báo kịp thời và nhanh chóng trong trường hợp mất kiểm soát nhiệt của một pin duy nhất. Khi pin lithium-ion bị mất kiểm soát nhiệt, nó có thể đi kèm với rò rỉ chất điện phân, có thể dẫn đến điện áp cao, hỏng cách điện, điện giật gián tiếp, hỏa hoạn và các mối nguy hiểm khác trong thiết bị lưới điện.

Việc giám sát bên trong từng cụm pin có thể báo động sớm nhất có thể trong trường hợp pin có tình trạng bất thường như rò rỉ chất điện phân và mất kiểm soát nhiệt, đồng thời có thể kiểm soát các tình huống nguy hiểm kịp thời trước khi xảy ra hiện tượng khuếch tán nhiệt, cải thiện hiệu suất phòng ngừa và cảnh báo của hệ thống. Khi một cụm pin đơn lẻ bị mất kiểm soát nhiệt, có thể lắp đặt máy dò bên trong cụm pin trong hệ thống chữa cháy nơi khuếch tán nhiệt không tạo thành liên kết. Đối với pin lithium sắt phosphate, đám cháy đơn lẻ ban đầu rất dễ dập tắt hoặc dập tắt. Việc lắp đặt và sử dụng bộ điều khiển phát hiện trong cụm pin đặc biệt quan trọng đối với các trạm lưu trữ năng lượng lithium-ion. Hệ thống phòng cháy chữa cháy của các nhà máy điện lưu trữ năng lượng cần triển khai cơ chế cảnh báo theo thứ bậc, áp dụng kiểm soát xử lý cháy nhiều cấp, giảm nguy cơ hỏa hoạn trên diện rộng trong hệ thống lưu trữ năng lượng và đảm bảo an toàn cho hệ thống lưu trữ năng lượng một cách hiệu quả.

3.2 Ngưỡng tham chiếu của máy dò

Máy dò khí cháy chọn hai thông số: đồng hồ đo pin và nồng độ carbon monoxide bên trong pin để phát hiện tổng hợp, để đưa ra phán đoán toàn diện về tình trạng mất nhiệt và cháy của pin lithium, và để tránh báo động sai và bỏ sót hệ thống. Khi nhiệt độ bề mặt của pin đạt 60 ℃, cảm biến khí phát hiện khí carbon monoxide và nồng độ tăng dần, khiến pin bị phồng nhẹ. Phát hiện khí có thể cân bằng nồng độ khí và tốc độ tăng nồng độ, cải thiện độ chính xác phát hiện.

3.3 Các thành phần chính của hệ thống phòng cháy chữa cháy

(1) Kiểm soát máy chủ. Máy chủ kiểm soát là một trong những thành phần cốt lõi của hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy, chịu trách nhiệm liên kết hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy, phân tích và xử lý dữ liệu thu thập được theo thời gian thực; Cung cấp ít nhất bốn loại giao diện truyền thông: Ethernet, mạng khu vực điều khiển (CAN), mạng truyền thông RS485 và tiếp điểm khô.

(2) Cảm biến. Cảm biến có trách nhiệm thu thập các thông số như nhiệt độ pin, nồng độ khí carbon monoxide và nồng độ khói, và truyền dữ liệu đến máy chủ để đưa ra phán đoán toàn diện về tình trạng mất kiểm soát nhiệt và cháy của pin lithium.

(3) Thiết bị báo động. Khi có sự cố mất nhiệt của pin hoặc thậm chí là nguy cơ hỏa hoạn, máy chủ có thể cảnh báo kịp thời cho công nhân thông qua báo động âm thanh và ánh sáng và đèn báo phun khí được triển khai bên trong và bên ngoài trạm.

(4) Công tắc do người dùng vận hành. Công tắc do người dùng vận hành bao gồm công tắc khởi động/dừng khẩn cấp và công tắc chuyển trạng thái thủ công tự động.

3.4 Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc phòng cháy chữa cháy

Thiết kế đường truyền thông bao gồm các khía cạnh sau:

① Phải có đường dây giữa hệ thống phòng cháy chữa cháy và BMS để có thể liên lạc khi có hỏa hoạn;

② Có đường truyền thông tin giữa thiết bị phát hiện và hệ thống hiển thị phía sau để hiển thị dữ liệu thu thập được cho nhân viên;

③ Có đường truyền thông tin giữa máy điều hòa của trạm và BMS để đảm bảo máy điều hòa đã tắt khi thiết bị chữa cháy được kích hoạt.

3.5 Các biện pháp bảo vệ an toàn cho nhân viên

(1) Chế độ tự động thủ công. Hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy có thể lựa chọn chế độ thủ công hoặc tự động một cách độc lập. Khi hệ thống ở chế độ tự động, dữ liệu thu được từ máy chủ sẽ quyết định có nên khởi động thiết bị chữa cháy hay không; Khi hệ thống ở chế độ thủ công, thiết bị chữa cháy được nhân viên điều khiển để đảm bảo an toàn cho nhân viên bảo trì trong trạm.

(2) Chế độ khởi động chậm của thiết bị chữa cháy. Khi các thiết bị chữa cháy được kích hoạt, công việc trì hoãn sẽ được điều chỉnh phù hợp dựa trên tình hình tại chỗ, cung cấp thời gian cần thiết để sơ tán nhân viên.

4 Kết luận

Trên cơ sở phân tích các thông số đặc trưng của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion, bài báo này đề xuất một thiết bị phát hiện và cảnh báo khí dựa trên hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion và thiết kế một hệ thống liên kết cảnh báo và bảo vệ đa cấp để đảm bảo rằng trong khi phát hiện nhanh chóng và chính xác trạng thái mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion, nó có thể được liên kết với thiết bị chữa cháy, cải thiện đáng kể tính an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng pin.

2.2 Thử nghiệm hiệu suất tuần hoàn của mẫu

Ở nhiệt độ môi trường (25 ± 2) ℃, các mẫu mô-đun pin đã trải qua thử nghiệm chu kỳ sạc và xả 0,5 C bằng hệ thống sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi (CC-CV) và hệ thống xả dòng điện không đổi. Bộ pin đã trải qua thử nghiệm chu kỳ trên máy thử đa kênh.

Phương pháp thử nghiệm đối với mẫu A và B: Đầu tiên, sạc ở dòng điện không đổi từ 1,5 A đến 4,2 V (một trong các monome có điện áp lớn hơn 4,2 V), sau đó sạc ở điện áp không đổi 4,2 V cho đến khi dòng điện nhỏ hơn 2,12 A và để yên trong 5 phút. Xả ở dòng điện không đổi 1,5 A một lần nữa cho đến khi điện áp kết thúc là 2,8 V (điện áp của một cell nhỏ hơn 2,8 V), và sạc và xả trong chu kỳ này trong 200 lần.

Phương pháp thử nghiệm đối với mẫu C: Đầu tiên, sạc ở dòng điện không đổi 1,5 A đến 16,769 V, sau đó sạc ở điện áp không đổi 17,769 V cho đến khi dòng điện nhỏ hơn 3,47 A và giữ nguyên trong 5 phút. Xả ở dòng điện không đổi 1,5 A một lần nữa cho đến khi điện áp kết thúc là 2,5 V (điện áp của một cell nhỏ hơn 2,5 V), và sạc và xả trong chu kỳ này trong 200 lần.

Phương pháp thử nghiệm đối với mẫu D: Đầu tiên, sạc ở dòng điện không đổi 1,5 A đến 14,616 V, sau đó sạc ở điện áp không đổi 14,616 V cho đến khi dòng điện nhỏ hơn 4,3 A và để yên trong 5 phút. Xả ở dòng điện không đổi 1,5 A một lần nữa cho đến khi điện áp kết thúc là 2,5 V (điện áp của một cell nhỏ hơn 2,5 V), và sạc và xả trong chu kỳ này trong 200 lần.

2.3 Thử nghiệm độ bền rung của mẫu

Ở nhiệt độ môi trường (25 ± 2) ℃, hiệu suất chống rung của mẫu mô-đun pin được kiểm tra. Kiểm tra chống rung của pin được tiến hành trên băng ghế thử rung và quy trình kiểm tra như sau:

(1) Ở nhiệt độ môi trường (20 ± 5) ℃, mô-đun pin được xả ở dòng điện không đổi 1,5 A đến điều kiện ngắt xả do nhà sản xuất chỉ định. Ở nhiệt độ môi trường (20+5) ℃, mô-đun pin được sạc ở 1,5 A cho đến khi điện áp đầu cuối đạt đến điều kiện ngắt sạc do nhà sản xuất chỉ định và quá trình sạc dừng lại.

(2) Cố định mô-đun pin vào băng ghế thử nghiệm rung và tiến hành thử nghiệm rung tần số quét tuyến tính theo các điều kiện sau: dòng điện xả: 1 A; Hướng rung: rung đơn lên và xuống; Tần số rung: 10~55Hz; Gia tốc tối đa: 30m/s; Chu kỳ quét: 10 lần; Thời gian rung: 2 giờ.

Trong quá trình thử nghiệm rung, không được phép xảy ra hiện tượng dòng điện xả thay đổi đột ngột, điện áp bất thường, vỏ ắc quy biến dạng, tràn chất điện phân, v.v. Kết nối phải đáng tin cậy và cấu trúc phải nguyên vẹn. Không được phép nới lỏng lắp đặt.

(3) SBM (Máy kiểm tra điện trở bên trong AC) kiểm tra điện trở bên trong.

(4) Lặp lại các bước (1), (2) và (3) tổng cộng 4 lần.

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Kết quả và thảo luận về thử nghiệm vòng đời

Điện áp sạc và xả của mẫu A, B và C là 2,8~4,1V, trong khi điện áp sạc và xả của mẫu D là 2,5~3,65 V. Cả bốn mẫu đều thể hiện hiệu suất tuần hoàn tốt.

Dung lượng xả ban đầu của mẫu A là 40,562 Ah. Sau 100 chu kỳ, dung lượng xả là 39,759 Ah với tỷ lệ duy trì dung lượng là 98,02%, cho thấy hiệu suất chu kỳ tốt. Sau 200 chu kỳ, dung lượng xả vẫn cao tới 39,309 Ah với tỷ lệ duy trì dung lượng là 96,91%, cho thấy hiệu suất chu kỳ tốt.

Dung lượng xả ban đầu của mẫu B là 68,838 Ah. Sau 100 chu kỳ, dung lượng xả là 68,402 Ah với tỷ lệ duy trì dung lượng là 99,37%, cho thấy hiệu suất tuần hoàn tốt. Sau 200 chu kỳ, dung lượng xả vẫn cao tới 67,789 Ah với tỷ lệ duy trì dung lượng là 98,48%, cho thấy hiệu suất tuần hoàn tốt.

Dung lượng xả ban đầu của mẫu C là 2,013 Ah. Sau 100 chu kỳ, dung lượng xả là 1,946 Ah với tỷ lệ duy trì dung lượng là 96,67%, cho thấy hiệu suất tuần hoàn tốt. Sau 200 chu kỳ, dung lượng xả vẫn cao tới 1,862 Ah với tỷ lệ duy trì dung lượng là 92,50%, cho thấy hiệu suất tuần hoàn tốt.

Dung lượng xả ban đầu của mẫu D là 82,601Ah. Sau 100 chu kỳ, dung lượng xả vẫn đạt 81,575Ah với tỷ lệ duy trì dung lượng là 98,76%, cho thấy hiệu suất tuần hoàn tốt. Sau 200 chu kỳ, dung lượng xả vẫn đạt 80,716Ah với tỷ lệ duy trì dung lượng là 97,72%, cho thấy hiệu suất tuần hoàn tốt.

Qua so sánh, có thể thấy sau 200 chu kỳ, mẫu B có tỷ lệ duy trì dung lượng cao nhất là 98,48%. Tiếp theo là mẫu D và mẫu A. Mẫu C có tỷ lệ duy trì dung lượng thấp nhất, chỉ đạt 92,50%.

3.2 Kết quả thử nghiệm khả năng chống rung và thảo luận

Điện trở trong ban đầu của bốn mẫu lần lượt là 2,324, 1,53, 66 và 1,9 mΩ.

Khi số lần rung động tăng lên, điện trở trong của mẫu A đầu tiên giảm dần rồi tăng dần, trong khi điện trở trong của mẫu B tăng dần. Sự thay đổi điện trở trong của mẫu C không rõ ràng lắm, trong khi điện trở trong của mẫu D đầu tiên giảm dần rồi tăng dần.

Có thể thấy rằng sau chu kỳ sạc và xả, điện trở trong của pin sẽ giảm nhẹ. Điều này là do rung động không chỉ khiến bộ phận kết nối của pin bị lỏng mà còn làm tăng điện trở phân cực của pin. Sau lần rung động thứ năm, độ tin cậy kết nối của mẫu D là kém nhất, tiếp theo là mẫu A và độ tin cậy kết nối của mẫu B và C tốt hơn. Mẫu B và C là các cell hình trụ có dung lượng nhỏ. Mặc dù phương pháp nhóm phức tạp hơn, nhưng nếu quy trình hàn đáng tin cậy thì độ tin cậy kết nối cũng sẽ được đảm bảo.

4 Kết luận

Thông qua phân tích lý thuyết về pin điện lithium-ion hình trụ dung lượng nhỏ, người ta xác định rằng chúng có đặc tính tốt. Bốn mẫu mô-đun pin điện lithium-ion đã được chọn và hiệu suất chu kỳ và khả năng chống rung của chúng đã được thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm cho thấy sau 200 chu kỳ sạc và xả, dung lượng xả của mẫu B là 67,789 Ah và tỷ lệ duy trì dung lượng là 98,48%. Độ tin cậy kết nối giữa mẫu B và C là tốt. Pin điện lithium-ion hình trụ dung lượng nhỏ có hiệu suất chu kỳ tốt và độ tin cậy kết nối cao, có thể áp dụng cho các phương tiện hậu cần chạy bằng điện thuần túy.

Những năm gần đây, ngành hậu cần ô tô và thị trường cung cầu đã phát triển ổn định, nhìn chung toàn ngành đã bước vào giai đoạn phát triển ổn định và nhanh chóng, phát triển xe điện là xu hướng quốc gia, xe điện được coi là hướng đi chính cho sự chuyển đổi và phát triển của hệ thống năng lượng và điện ô tô trong tương lai.

Pin chính được trang bị cho xe hậu cần chạy hoàn toàn bằng điện hiện nay chủ yếu là pin vuông dung lượng lớn, quy trình sản xuất phức tạp, chi phí sản xuất cao. Pin hình trụ dung lượng nhỏ có sản lượng lớn, ứng dụng rộng rãi hơn. Chi phí sản xuất và thay thế tương đối thấp.

Xét đến những ưu điểm mạnh mẽ như quy trình sản xuất đơn giản, hiệu suất ổn định, năng suất cao và chi phí thấp, pin hình trụ dung lượng nhỏ sẽ là lựa chọn tốt hơn. Tuy nhiên, do hạn chế của pin hình trụ dung lượng nhỏ, có dung lượng riêng nhỏ (1,5-2,5 Ah), để đáp ứng nhu cầu năng lượng và điện áp của xe hậu cần chạy hoàn toàn bằng điện, cần phải kết hợp nhiều cell pin theo kiểu nối tiếp và song song, dẫn đến các vấn đề liên quan đến tính nhất quán của pin và độ tin cậy của kết nối. Bài viết này chủ yếu tiến hành nghiên cứu lý thuyết về việc nhóm pin điện lithium-ion hình trụ dung lượng nhỏ quy mô lớn và kiểm tra hiệu suất tuần hoàn và khả năng chống rung của các mẫu mô-đun pin.

1 Nghiên cứu lý thuyết về pin năng lượng lithium-ion

1.1 Nghiên cứu lý thuyết về tính nhất quán của pin

Sự không nhất quán của pin là sự khác biệt về các thông số như điện áp, dung lượng và tốc độ tự xả điện trở bên trong giữa các loại pin có cùng thông số kỹ thuật và kiểu máy. Sự không nhất quán chủ yếu xảy ra trong quá trình sản xuất sản phẩm.

Do các vấn đề về quy trình và vật liệu không đồng đều, bên trong pin có những khác biệt rất nhỏ. Sự không nhất quán này trong cấu trúc bên trong và vật liệu của pin có thể khiến dung lượng, điện trở bên trong và các yếu tố khác của cùng một lô pin cùng loại không thể hoàn toàn nhất quán.

Những tác động tiêu cực của việc tăng tính không đồng nhất của cụm pin đối với hiệu suất của pin điện như sau:

(1) Giảm dung lượng sử dụng của bộ pin

Do điện áp hoặc dung lượng của bộ pin không đồng nhất và do hiệu ứng bo mạch ngắn, trong quá trình sạc và xả, một số cell riêng lẻ trước tiên đáp ứng các điều kiện ngắt, trong khi các pin khác không đáp ứng các điều kiện ngắt. Để ngăn ngừa tình trạng sạc quá mức hoặc xả pin, hệ thống quản lý pin sẽ can thiệp, dẫn đến giảm dung lượng sử dụng thực tế của bộ pin.

(2) Giảm tuổi thọ chu kỳ của bộ pin

Theo hiệu ứng thùng, tuổi thọ của một bộ pin được xác định bởi tuổi thọ của mô-đun có tuổi thọ ngắn nhất.

Đối với xe hậu cần chạy hoàn toàn bằng điện, do pin lithium-ion hình trụ nhỏ có năng lượng thấp nên toàn bộ hệ thống pin đòi hỏi phải kết nối nhiều pin riêng lẻ theo kiểu nối tiếp hoặc song song, với số lượng hơn 3000 pin, điều này tất yếu khiến tính đồng nhất của pin khó kiểm soát.

Tính nhất quán của bộ pin là tương đối, trong khi tính không nhất quán là tuyệt đối. Tính không nhất quán của pin đã xảy ra trong giai đoạn sản xuất và trong quá trình ứng dụng, cần phải thực hiện một số biện pháp nhất định để giảm xu hướng hoặc tốc độ mở rộng tính không nhất quán của pin. Dựa trên kinh nghiệm ứng dụng và nghiên cứu thực nghiệm về pin điện, sáu biện pháp sau đây thường được áp dụng để đảm bảo rằng tuổi thọ của bộ pin dần dần tiếp cận với tuổi thọ của từng loại pin.

1) Nâng cao trình độ công nghệ sản xuất pin, đảm bảo chất lượng pin trước khi xuất xưởng, đặc biệt là tính nhất quán của điện áp ban đầu. Trước khi xuất xưởng đối với cùng một lô pin, tiến hành phân tích tương quan thông số dựa trên điện áp, điện trở trong và dữ liệu hình thành pin để lựa chọn pin có tương quan tốt, nhằm đảm bảo hiệu suất của cùng một lô pin nhất quán nhất có thể.

2) Khi lắp ráp pin nguồn, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng bộ pin có cùng loại, thông số kỹ thuật và kiểu máy.

3) Trong quá trình sử dụng bộ pin, hãy phát hiện các thông số của pin đơn, đặc biệt là phân bố điện áp trong điều kiện động và tĩnh (khi xe điện dừng hoặc đang chạy), nắm bắt quy luật phát triển của sự không nhất quán của pin đơn trong bộ pin và điều chỉnh hoặc thay thế pin có thông số cực đại kịp thời để đảm bảo rằng sự không nhất quán của các thông số của bộ pin không tăng theo thời gian sử dụng.

4) Thực hiện sạc bảo trì dòng điện thấp cho bộ pin theo định kỳ để thúc đẩy sự cân bằng và phục hồi hiệu suất của chính bộ pin.

5) Đảm bảo môi trường sử dụng tốt cho bộ pin, cố gắng đảm bảo trường nhiệt độ của bộ pin đồng đều, giảm độ rung và tránh nước, bụi và các chất gây ô nhiễm khác vào cực pin.

6) Áp dụng hệ thống cân bằng pin để quản lý thông minh quá trình sạc và xả pin.

1.2 Nghiên cứu về lý thuyết nhất quán kết nối

Đối với xe hậu cần chạy hoàn toàn bằng điện, thường phải kết nối hơn 3000 cell pin theo kiểu nối tiếp, song song hoặc lai để đáp ứng nhu cầu về điện áp cao và dung lượng lớn, điều này tất yếu làm tăng số điểm hàn và dẫn đến các vấn đề về tính nhất quán của kết nối. Nếu có hiện tượng tách rời hoặc hàn sai, sẽ làm tăng điện trở bên trong của kết nối.

Một mặt, nó sẽ ảnh hưởng đến quá trình sạc và xả của hệ thống pin. Mặt khác, trong quá trình vận hành xe, nó sẽ gây ra hiện tượng nóng lên tại điểm kết nối, trong trường hợp nghiêm trọng sẽ dẫn đến các vấn đề về an toàn. Do đó, về mặt lý thuyết, càng ít điểm hàn thì tính nhất quán của kết nối hệ thống càng cao.

1.3 Nghiên cứu về lý thuyết tản nhiệt

Sự trao đổi nhiệt giữa pin và thế giới bên ngoài được thực hiện thông qua bề mặt pin. Pin càng lớn, tỷ lệ diện tích bề mặt càng nhỏ và nhiệt sinh ra bên trong pin càng khó tản ra bên ngoài. Hơn nữa, pin càng lớn, năng lượng chứa trong pin càng nhiều và nguy cơ giải phóng tức thời càng lớn.

Do đó, vì sự an toàn của pin, khi thiết kế pin, cần xác định thể tích tối đa, tỷ lệ diện tích bề mặt riêng tối thiểu và hình dạng pin phù hợp của loại pin này dựa trên các thông số nhiệt của vật liệu đã chọn.

Ví dụ, đối với pin hình trụ, khi sử dụng làm pin nguồn, khi đường kính vượt quá một giá trị nhất định (khoảng 30mm), sự phân bổ dòng điện, phân bổ nhiệt độ, truyền nhiệt, v.v. bên trong pin sẽ bị hạn chế rất nhiều, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của pin và gây ra các vấn đề về an toàn trong các ứng dụng dòng điện cao.

Một mặt, việc sử dụng pin dung lượng nhỏ song song sẽ cải thiện được độ dẫn điện của cụm pin, vì sử dụng pin nhỏ song song sẽ làm tăng diện tích dẫn điện của mối nối dẫn điện một cách vô hình.