Pin lithium ion có triển vọng ứng dụng lớn do mật độ năng lượng cao và khả năng tự xả thấp. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, lượng nhiệt sinh ra rất lớn và nhiệt độ bên trong pin sẽ tăng nhanh. Các tai nạn đặc trưng bởi sự mất kiểm soát nhiệt thường xảy ra, dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Do đó, việc nghiên cứu về an toàn nhiệt của pin là rất cần thiết.

Các học giả trong và ngoài nước đã tiến hành một loạt các nghiên cứu về tính an toàn của pin. Bao gồm nhưng không giới hạn ở:

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thử nghiệm an toàn pin.

Đường cong đặc tính tăng nhiệt độ và điện áp làm việc của pin lithium-ion đã được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm.

Một loạt các quá trình tiến hóa của các vụ tai nạn pin điện đã được phân tích thống kê và đưa ra đề xuất rằng vấn đề cốt lõi của các vụ tai nạn pin là sự mất kiểm soát nhiệt.

Đề xuất các công nghệ phát triển rất tiên tiến cho pin điện, bao gồm chất điện phân không thể bay hơi hoặc rò rỉ, và đóng gói pin bằng vật liệu chắc chắn.

Dựa trên phân tích các vụ cháy pin điển hình trong và ngoài nước, một số phương pháp kiểm soát khả thi được đề xuất, bao gồm cải thiện độ ổn định nhiệt của vật liệu pin, sử dụng chất điện phân an toàn và thiết kế hệ thống chữa cháy mới.

Đặc tính hoạt động của pin lithium-ion và ảnh hưởng của các yếu tố như tốc độ xả sạc và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất pin đã được phân tích thông qua các thí nghiệm.

Phân tích quá trình sinh nhiệt của pin, bao gồm sự phân hủy của màng SEI, chất điện phân và điện cực dương, cũng như phản ứng giữa điện cực âm và chất điện phân, điện cực âm và chất kết dính.

Việc kiểm soát nhiệt độ pin bằng phương pháp lưu trữ nhiệt vật liệu thay đổi pha đã được nghiên cứu thông qua phương pháp tính toán thực nghiệm và số.

Thông qua phân tích dữ liệu thực nghiệm, tác động của tốc độ sạc và xả, nhiệt độ môi trường và trạng thái sạc đến đặc tính nhiệt của pin đã được thảo luận. Tác động của tốc độ sạc và xả cao hơn, điều kiện môi trường thấp hơn và trạng thái sạc cao hơn đến sự gia tăng nhiệt độ của pin. Đồng thời, tỷ lệ điện trở trong ohmic và điện trở trong phân cực trong quá trình sạc và xả của pin điện lithium-ion đã được phân tích.

1 Thử nghiệm

Hệ thống thử nghiệm phản ứng gia nhiệt bằng điện của quá trình sạc và xả pin điện chủ yếu bao gồm pin, buồng nhiệt độ không đổi , thiết bị sạc và xả, cặp nhiệt điện, thiết bị thu thập dữ liệu, máy tính, v.v. Pin sử dụng pin điện lithium sắt phosphate hình vuông (130 mm x 70 mm x 22 mm), có dung lượng danh định là 20 Ah cho từng pin.

Thiết bị kiểm tra tự động được sử dụng để sạc và xả để đạt được dòng điện sạc và xả không đổi. Sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu để thu thập nhiệt độ bề mặt của pin, trong đó cặp nhiệt điện là loại K. Cặp nhiệt điện được bố trí ở giữa các điện cực dương và âm của pin, cũng như mặt trước và mặt bên của pin. Khởi động được điều khiển bằng máy tính và ghi dữ liệu đồng bộ.

Các thí nghiệm mô phỏng pin điện một cell đã được tiến hành, với việc sạc và xả dòng điện không đổi ở 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C và 1 C, để kiểm tra những thay đổi về nhiệt độ bề mặt của pin trong quá trình sạc và xả trong điều kiện tản nhiệt môi trường tự nhiên. Sạc đến 3,6 V và xả đến 2,0 V để hoàn tất thí nghiệm.

2 Kết quả và Phân tích

Biến thiên nhiệt độ và điện trở bên trong của pin theo thời gian tại các điểm đo khác nhau khi sạc ở dòng điện không đổi 1 C. Có thể thấy rằng mẫu tăng nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt pin là tương tự nhau. Nhiệt độ tăng tương đối nhẹ trước quá trình sạc trong 2500 giây, nhưng sau 2500 giây, nhiệt độ tại các điểm khác nhau trên bề mặt pin tăng mạnh. Phân tích cho thấy khi kết thúc quá trình sạc, độ phân cực của pin trở nên rõ ràng và điện trở bên trong phân cực tăng lên, dẫn đến tốc độ gia nhiệt của pin tăng mạnh.

So sánh nhiệt độ ở các vị trí khác nhau, nhiệt độ pin không được hiệu chuẩn đồng đều. Khi kết thúc quá trình sạc, chênh lệch nhiệt độ tối đa có thể đạt tới 10℃.

Tóm tắt định luật biến thiên tổng điện trở trong của pin theo thời gian trong quá trình sạc dòng điện không đổi 1 C. Có thể thấy tổng điện trở trong của pin không thay đổi nhiều trong quá trình sạc. Chỉ ở giai đoạn sạc muộn, độ phân cực của pin tăng mạnh, và sự gia tăng điện trở trong phân cực dẫn đến tổng điện trở tăng.

Khi kết thúc quá trình sạc pin đơn năng, nhiệt độ tăng của pin thay đổi theo dòng điện sạc. Nhiệt độ tăng tương ứng khi sạc ở 0,25 độ C, 0,5 độ C, 0,75 độ C và 1 độ C lần lượt là 11,9 độ C, 14,5 độ C, 28,5 độ C và 38,6 độ C. Có thể thấy rằng tốc độ sạc càng cao thì công suất làm nóng của pin càng lớn. Trong điều kiện truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, nhiệt độ tăng trên bề mặt pin càng lớn.

Quá trình xả pin đơn cell ở dòng điện không đổi 1 C: nhiệt độ thay đổi tại các điểm khác nhau trên bề mặt pin theo thời gian. Có thể thấy rằng mô hình tăng nhiệt độ ở các vị trí khác nhau là tương tự nhau: trong quá trình xả rơle, nhiệt độ tăng khoảng 25,2 ℃.

Khi kết thúc quá trình xả của một pin đơn năng, nhiệt độ tăng của pin thay đổi theo dòng điện sạc. Nhiệt độ tăng tương ứng khi sạc ở 0,25 độ C, 0,5 độ C, 0,75 độ C và 1 độ C lần lượt là 7,4 độ C, 15,8 độ C, 23,8 độ C và 25,2 độ C. Có thể thấy rằng tốc độ xả càng cao, nhiệt độ tăng trên bề mặt pin càng lớn.

3 Kết luận

Tiến hành quá trình sạc và xả trên một ắc quy đơn 20 Ah và đo nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt ắc quy, một loạt các mẫu đã thu được. Quá trình sạc dòng điện không đổi của một ắc quy đơn năng dẫn đến nhiệt độ ắc quy tăng đột ngột vào cuối chu kỳ sạc. Phân bố nhiệt độ của từng ắc quy không đồng đều, nhiệt độ của điện cực dương và âm của ắc quy cao hơn các khu vực khác.

Với sự phát triển liên tục của công nghệ pin điện, pin lithium sắt phosphate được công nhận là nguồn điện điện hóa triển vọng nhất do độ an toàn cao, tuổi thọ chu kỳ dài, mật độ năng lượng cao và nền tảng điện áp cao, và đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xe điện. Pin điện là nguồn năng lượng trực tiếp cho xe điện và là thành phần cốt lõi của xe điện. Trong trường hợp không có đột phá đáng kể nào trong công nghệ pin trong thời gian ngắn, việc khám phá và cải thiện hiệu suất làm việc của pin càng nhiều càng tốt đã trở thành một hướng nghiên cứu chính.

Nhiệt độ pin là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin điện. Pin lithium sắt phosphate có hiệu suất tuyệt vời ở nhiệt độ phòng. Khi pin lithium-ion hoạt động dưới 0 ℃, hiệu suất xả của nó sẽ giảm đáng kể. Khi chu kỳ sạc và xả tiến triển, dung lượng pin sẽ bị suy giảm không thể đảo ngược. Trong nghiên cứu về đặc điểm nhiệt độ thấp và cơ chế của pin lithium-ion, nhiệt độ quá thấp có thể dẫn đến kết tinh chất điện phân lỏng, làm chậm tốc độ di chuyển của các ion lithium giữa các điện cực dương và âm, dẫn đến đặc tính sạc và xả ở nhiệt độ thấp kém hơn của pin lithium-ion.

Về phân tích hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng, bao gồm phân tích nguyên lý đầu tiên, phân tích phổ trở kháng điện hóa và phân tích hiệu suất xả điện tích. Việc thiết lập mô hình nhiệt cho pin lithium sắt phosphate là một phương pháp quan trọng để nghiên cứu các đặc tính nhiệt độ thấp của chúng. Hiện nay, có ba loại mô hình nhiệt chính cho pin lithium-ion, cụ thể là mô hình ghép nối điện nhiệt, mô hình ghép nối nhiệt điện hóa và mô hình lạm dụng nhiệt.

Bài viết này tập trung vào phân tích hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium sắt phosphate và mô phỏng các mô hình nhiệt pin, tập trung vào hiệu suất nhiệt độ thấp của pin điện lithium sắt phosphate. Mục đích là thu được các đặc tính nhiệt độ thấp của pin lithium sắt phosphate một cách có hệ thống và toàn diện, cung cấp cơ sở lý thuyết cho ứng dụng của chúng trong lĩnh vực xe điện.

1 Thử nghiệm nhiệt độ thấp và phân tích đặc tính động

1.1 Thiết kế thử nghiệm hiệu suất nhiệt độ thấp của pin

Các bước thử nghiệm chủ yếu bao gồm hai phần: thử nghiệm công suất chuẩn ở các nhiệt độ khác nhau và thử nghiệm đặc tính động. Các bước thử nghiệm có thể được tóm tắt như sau:

(1) Chọn một cục pin riêng lẻ hoàn toàn mới làm đối tượng thử nghiệm và đặt vào buồng nhiệt độ. Đặt nhiệt độ ở nhiệt độ phòng là 25℃, để yên trong 2 giờ và sử dụng dòng điện không đổi 1 C để xả pin đến điện áp ngắt là 2,5 V

(2) Đặt nhiệt độ của máy ấp ở giá trị nhiệt độ thực nghiệm tương ứng, để yên trong 2 giờ và tiến hành kiểm tra dung lượng chuẩn trên pin. Kiểm tra dung lượng chuẩn bao gồm hai bước: sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi (CCCV, điện áp không đổi dòng điện không đổi, dòng điện không đổi 0,5 C, điện áp không đổi 3,65 V, dòng điện cắt 0,01 C) và xả dòng điện không đổi 1 C với điện áp cắt 2,5 V. Bước này được sử dụng để có được dung lượng sạc và xả của pin ở nhiệt độ môi trường hiện tại;

(3) Đặt nhiệt độ của máy ấp ở nhiệt độ phòng là 25℃, để yên trong 2 giờ và sử dụng phương pháp sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi (CCCV, dòng điện không đổi 0,5C, điện áp không đổi 3,65V, dòng điện cắt 0,01C) để sạc đầy pin.

(4) Để so sánh hiệu suất của pin ở các nhiệt độ khác nhau, các bước thử nghiệm trên được lặp lại lần lượt ở -15, 0, 10, 25 và 40 ℃.

Nền tảng thử nghiệm kiểm tra hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion, cụ thể bao gồm buồng nhiệt độ cao và thấp để kiểm soát nhiệt độ trong môi trường thử nghiệm: hệ thống thử nghiệm pin để thử nghiệm hiệu suất pin; Pin lithium sắt phosphate đơn cell, là đối tượng thử nghiệm; Phần mềm máy tính trên, được sử dụng để lập trình phương pháp thử nghiệm pin tùy chỉnh và ghi dữ liệu thử nghiệm pin. Pin đơn cell được sử dụng trong thử nghiệm là pin lithium sắt phosphate dạng gói mềm có dung lượng danh nghĩa là 40 Ah.

1.2 Đặc tính động lực học ở nhiệt độ thấp

Dựa trên dữ liệu thực nghiệm về hiệu suất nhiệt độ thấp của pin, hãy thu được đường cong sạc và xả của pin lithium sắt phosphate ở các nhiệt độ khác nhau. Sạc pin áp dụng phương pháp sạc dòng điện không đổi và điện áp không đổi. Dòng điện sạc ở giai đoạn dòng điện không đổi là 0,5 C và điện áp sạc ở giai đoạn điện áp không đổi là 3,65 V. Khi dòng điện sạc nhỏ hơn 0,01 C, quá trình sạc sẽ dừng lại; Xả pin áp dụng xả dòng điện không đổi 1 C và dừng lại khi điện áp cực pin giảm xuống 2,50 V. Có thể thấy rằng đặc tính sạc và xả của pin bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ. Nhiệt độ càng thấp, đặc tính sạc và xả của pin càng dốc và khả năng sạc và xả khả dụng của pin càng nhỏ.

Phân tích định lượng các đường cong sạc và xả của pin lithium sắt phosphate để có được phạm vi sạc và xả khả dụng cho pin ở các nhiệt độ khác nhau. Có thể thấy rằng nhiệt độ càng thấp thì phạm vi sạc và xả khả dụng của pin càng nhỏ. Khi pin hoạt động ở nhiệt độ môi trường là -15 ℃, phạm vi sạc và xả khả dụng của pin chỉ chiếm 22,2% dung lượng danh định, không còn có thể đáp ứng được các yêu cầu làm việc bình thường của pin điện. Ngoài ra, khi pin hoạt động ở 40 ℃, giới hạn sạc lại tối đa được đo của pin có thể đạt tới 110%. Điều này là do nhiệt độ càng cao, năng lượng tự do Gibbs của phản ứng điện hóa trong pin càng lớn, công điện thực hiện càng lớn và dung lượng sạc lại tương ứng.

Cần lưu ý rằng SOC là một đại lượng tương đối cần được xác định trước. Bài viết này định nghĩa như sau: sử dụng phương pháp xả dòng điện không đổi 0,01 C, pin được xả đến 2,50 V và trạng thái ở điện áp cắt được xác định là 0% SOC; Sử dụng phương pháp sạc dòng điện không đổi và điện áp không đổi (CCCV, dòng điện không đổi 0,5 C, điện áp không đổi 3,65 V, dòng điện cắt 0,01 C), trạng thái của pin khi được sạc đến dòng điện cắt 0,01 C được xác định là 100% SOC; Các định nghĩa trên đều được tiến hành ở nhiệt độ phòng là 25 ℃.

2 Xác định tham số của mô hình nhiệt

2.1 Xác định các thông số nhiệt vật lý của pin

Dựa trên mô hình pin, xác định các thông số mô hình thông qua các thí nghiệm sạc và xả pin. Trong quá trình thí nghiệm, bằng cách đặt pin trong môi trường 20 ℃, có thể giả định gần đúng rằng chỉ có sự truyền nhiệt đối lưu tự nhiên trên bề mặt pin. Các thí nghiệm sạc và xả được tiến hành ở 1 C, 1,5 C, 2 C và 2,5 C, với điện áp cắt lần lượt là 3,65 và 250 V. Phản ứng sạc của pin là một quá trình thu nhiệt, trong khi phản ứng xả là một quá trình tỏa nhiệt. Vì các giá trị tuyệt đối của nhiệt phản ứng trong quá trình sạc và xả là như nhau, nên chỉ phân tích quá trình xả.

Biểu đồ đường cong nhiệt độ bề mặt pin theo thời gian ở các tốc độ xả khác nhau. Có thể thấy rằng các giá trị đo nhiệt độ có dao động nhỏ, chủ yếu là do độ nhạy cao của máy ảnh nhiệt, nhiều điểm lấy mẫu và ảnh hưởng của ánh sáng xung quanh. Những dao động nhỏ này không ảnh hưởng đến xu hướng chung của những thay đổi nhiệt độ. Bằng cách sử dụng các phương pháp số để tính toán độ dốc của từng đường cong, độ dốc của bốn đường cong có thể được đưa vào một đường thẳng và theo công thức, có thể tính được nhiệt dung riêng của pin C = -0,00333.

2.2 Xác định điện trở bên trong của pin

Do nhiệt Joule gây ra bởi điện trở bên trong của pin là nguồn nhiệt chính, để phân tích sâu nhiệt Joule trong quá trình phản ứng của pin, cần phải xác định các giá trị điện trở bên trong của pin ở các nhiệt độ khác nhau. Thực hiện Kiểm tra đặc tính công suất xung lai (HPPC) trên pin sau mỗi 10% SOC ở nhiệt độ thử nghiệm là -15, 0, 10, 25 và 40 ℃.

Dựa trên dữ liệu thử nghiệm, thuật toán bình phương nhỏ nhất được sử dụng để xác định điện trở bên trong của pin tại mỗi điểm thử nghiệm. Ở các nhiệt độ khác nhau, đường cong quan hệ giữa giá trị điện trở bên trong của pin và SOC đã được xác định. Có thể thấy rằng nhiệt độ môi trường có tác động đáng kể đến điện trở bên trong của pin và nhiệt độ môi trường càng thấp thì điện trở bên trong của pin càng lớn.

3 Mô phỏng mô hình nhiệt

3.1 Thử nghiệm mô hình nhiệt của pin

Để xác minh độ chính xác của mô hình, mô hình đã được xác nhận thông qua các thí nghiệm nhiệt độ dựa trên cấu trúc mô hình nhiệt pin và các thông số mô hình được mô tả ở trên. Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ môi trường là 24,8 ℃. Trong quá trình thí nghiệm, pin được xả ở tốc độ xả là 0,5 C và nhiệt độ ở tâm bề mặt pin được thu thập theo thời gian thực bằng cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim có độ chính xác cao.

Mô hình nhiệt pin có độ chính xác cao và có thể mô phỏng quá trình phản ứng sinh nhiệt thực tế của pin. Khi phản ứng xả pin diễn ra, nhiệt độ ở tâm bề mặt pin tăng dần. Do có sự truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, nhiệt độ ở tâm bề mặt pin dần đạt đến xu hướng ổn định theo thời gian.

3.2 Đặc tính nhiệt vật lý ở nhiệt độ thấp

Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt mô phỏng của pin khi xả ở tốc độ 0,5 C đến điện áp cắt 2,5 V ở các nhiệt độ môi trường khác nhau. Có thể thấy rằng do hiệu ứng tỏa nhiệt trong quá trình phản ứng điện hóa, nhiệt độ bề mặt của pin cao hơn nhiệt độ môi trường và nhiệt độ tối thiểu của bề mặt pin cũng cho thấy sự khác biệt đáng kể ở các nhiệt độ môi trường khác nhau. Nguyên nhân của hiện tượng này là khi nhiệt độ giảm, điện trở trong của pin tăng theo mô hình hàm mũ gần đúng.

Ở nhiệt độ môi trường thấp hơn, điện trở bên trong của pin tăng đáng kể. Khi cùng một tốc độ phản ứng phóng điện xảy ra bên trong pin, hiện tượng sinh nhiệt do điện trở bên trong tăng đáng kể. Do đó, theo điều kiện biên của truyền nhiệt đối lưu trong pin, nhiệt độ bề mặt của pin sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường.

Đồng thời, có thể thấy rằng nhiệt độ ở phần trên của pin, đặc biệt là ở tai cực, đã tăng đáng kể so với các bộ phận khác và có một gradient nhiệt độ đáng kể từ tai cực đến đáy pin. Điều này chủ yếu được xác định bởi các tính chất vật lý nhiệt của vật liệu pin. Cell pin được cấu tạo từ nhiều vật liệu dị hướng khác nhau và các tai điện cực dương và âm của pin lần lượt được làm bằng kim loại nhôm và kim loại niken. Khi dòng điện chạy qua các tai điện cực, diện tích mặt cắt giảm đáng kể và điện trở bên trong tăng mạnh. Hiệu ứng nhiệt của điện trở bên trong tại các tai điện cực cao hơn đáng kể so với lõi pin. Do đó, trong quá trình phản ứng điện hóa của pin, phần lớn nhiệt được tạo ra ở các tai điện cực và nhiệt được truyền từ các tai điện cực đến cell thông qua dẫn nhiệt, tạo thành một gradient nhiệt độ rõ ràng.

4 Kết luận

Bài báo này nghiên cứu các đặc tính nhiệt độ thấp của pin điện lithium sắt phosphate cho xe điện. Đầu tiên, các thí nghiệm về hiệu suất nhiệt độ thấp của pin đã được thiết kế và tiến hành. Kết quả thí nghiệm cho thấy đặc tính sạc và xả của pin bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ. Nhiệt độ càng thấp, đặc tính sạc và xả của pin càng dốc và khả năng sạc và xả khả dụng của pin càng nhỏ. Thứ hai, một mô hình nhiệt và phương pháp xác định thông số nhiệt độ thấp cho pin lithium sắt phosphate đã được thiết lập. Cuối cùng, một nghiên cứu mô phỏng đã được tiến hành trên mô hình nhiệt của pin lithium sắt phosphate.

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình nhiệt pin được đề xuất trong bài báo này có độ chính xác cao và có thể mô phỏng quá trình phản ứng sinh nhiệt thực tế của pin. Trong quá trình phản ứng điện hóa của pin, phần lớn nhiệt được sinh ra ở các tai điện cực và nhiệt được truyền từ các tai điện cực đến cell pin thông qua dẫn nhiệt, tạo thành một gradient nhiệt độ đáng kể. Khi nhiệt độ môi trường giảm, chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt pin và nhiệt độ môi trường trở nên lớn hơn và gradient nhiệt độ ở phần dưới của bề mặt pin sẽ tăng dần.

Là một thành phần quan trọng của tàu vũ trụ, pin lithium-ion oxit coban cung cấp năng lượng cho hầu hết các hệ thống điện tử. Hiệu suất của pin lithium-ion ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn, độ mượt mà và tính kinh tế của hoạt động tàu vũ trụ. Các yêu cầu về hiệu suất pin trong điều kiện hàng không có thể được chia thành ba điểm: độ ổn định nhiệt độ tốt, năng lượng riêng cao và tuổi thọ chu kỳ dài. So với các loại pin lithium truyền thống khác, pin ion coban có nhiều ưu điểm như hoạt động đáng tin cậy trong môi trường nhiệt độ thấp, điện áp đầu ra ổn định, năng lượng riêng cao và nhiều chu kỳ, đáp ứng các yêu cầu trong điều kiện khắc nghiệt như hàng không vũ trụ.

Kích thước điện trở bên trong của pin quyết định trực tiếp dung lượng của pin, đồng thời điện trở bên trong của pin cũng quyết định hiệu suất làm việc của pin. Trong quá trình sử dụng pin thực tế, điện trở bên trong của pin lithium-ion liên tục thay đổi theo nhiệt độ môi trường và điều kiện SOC khác nhau. Trong nghiên cứu thực tế, kết hợp đường cong biến thiên điện trở bên trong của pin có thể ước tính chính xác hơn SOC thực tế của pin.

Qua thử nghiệm thực nghiệm, người ta thấy rằng khi nhiệt độ giảm, điện trở ômi và điện trở phân cực của pin sắt photphat tăng dần trong quá trình sạc và xả. Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở bên trong của pin. Nhiệt độ môi trường có tác động đáng kể đến dung lượng của pin lithium sắt photphat. Ở nhiệt độ thấp, dung lượng giảm nhanh, trong khi ở nhiệt độ cao, dung lượng tăng nhanh. Tuy nhiên, tốc độ thay đổi chậm hơn ở nhiệt độ thấp.

Xem xét tính an toàn của pin hàng không vũ trụ đang sử dụng và việc thiếu các nghiên cứu về đặc tính điện trở bên trong của pin lithium-ion oxit coban của các học giả, việc thử nghiệm nhiệt độ của pin lithium-ion hàng không vũ trụ là cần thiết. Bài viết này sử dụng 0-50 ℃ để tiến hành các thử nghiệm điện trở bên trong trên pin lithium-ion oxit coban và sử dụng phương pháp HPPC (Đặc tính công suất xung lai) để thử nghiệm pin 45 Ah ICP 45 ở các nhiệt độ môi trường và trạng thái SOC khác nhau. Những thay đổi về điện trở bên trong của pin lithium-ion oxit coban ở các nhiệt độ môi trường và SOC khác nhau được nghiên cứu chi tiết.

1 Thử nghiệm

1.1 Đối tượng thử nghiệm và thiết bị

Pin thử nghiệm được sử dụng là pin lithium-ion oxit coban ICP 45. Dung lượng định mức của pin là 45 Ah và vật liệu điện cực dương là oxit lithium coban. Thiết bị sạc và xả pin. Hộp nhiệt độ không đổi sử dụng buồng thử độ ẩm nhiệt độ DGBELL.

1.2 Phương pháp tính toán điện trở trong và thử nghiệm HPPC

Có nhiều phương pháp để kiểm tra điện trở bên trong của pin lithium, bao gồm phương pháp đường cong đặc tính volt ampe, phương pháp điện áp mạch hở, phương pháp đặc tính công suất xung hỗn hợp (HPPC) và phương pháp trở kháng AC. Bài viết này sử dụng phương pháp HPPC để kiểm tra điện trở của pin lithium, được ghi lại trong dự án Freedom CAR “Power Assisted Hybrid Vehicle Power Battery Test Manual” tại Hoa Kỳ. So với các phương pháp phát hiện điện trở bên trong khác, phương pháp này có những ưu điểm đáng kể về độ chính xác và hiệu quả phát hiện. Phương pháp HPPC có thể được sử dụng để đo điện trở phân cực và điện trở Ohmic của pin ở nhiều trạng thái khác nhau.

Đầu tiên, một dòng xung xả được áp dụng ở cả hai đầu của pin và điện áp giảm xuống U 1 tại thời điểm tải xung, sau đó xu hướng giảm chậm lại. Sau khi dòng điện tiếp tục trong 10 giây, tải xung bị hủy tại thời điểm t 2 và điện áp ngay lập tức phục hồi về U 3. Sau khi chờ 40 giây, điện áp ổn định ở U 4. Quá trình bước từ U 2 đến U 3 bắt nguồn từ điện trở Ohmic bên trong của pin, trong khi quá trình dần dần từ U 3 đến U 4 là sự suy giảm điện áp ở cả hai phía của điện trở phân cực và điện áp có xu hướng ổn định ở U 4. HPPC tính toán điện trở Ohmic và điện trở phân cực của pin bằng cách kiểm tra các thay đổi điện áp trong giai đoạn đầu của tải dòng điện. Bằng cách đo điện áp trong thí nghiệm xả, hãy tính điện trở bên trong của quá trình sạc và xả ở các trạng thái sạc khác nhau.

1.3 Các bước kiểm tra

Bước 1: Kích hoạt pin lithium coban oxit thông qua các thí nghiệm sạc và xả tuần hoàn. Điện áp giới hạn trên của ICP 45 là 4,15 V và điện áp ngoại tuyến là 3,0 V. Sạc và xả tuần hoàn ba lần, sạc ở tốc độ 0,2 C và xả ở tốc độ 0,1 C. Sau mỗi lần sạc hoặc xả, để yên trong 12 giờ;

Bước 2: Bắt đầu xả 100% SOC ICP 45 pin ở tốc độ 0,5 C và ghi lại thời gian xả. Sau khi xả trong 12 phút (90% SOC còn lại của pin được để yên trong 1 giờ), bắt đầu thử nghiệm đặc tính công suất xung hỗn hợp và ghi lại điện áp mạch hở, dòng điện xả OCV và thời gian;

Bước 3: Lặp lại các bước của bước thứ hai, ghi lại điện áp mạch hở và dòng điện xả của pin ở 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% và 0% ở các SOC khác nhau và tính toán điện trở ômi và điện trở phân cực; Bước 4: Tắt tải điện tử và nguồn sạc, ngắt kết nối rơle và xuất dữ liệu vào bảng tính Excel.

2 Kết quả thử nghiệm và phân tích

2.1 Phân tích đặc tính điện trở nội Ohmic

Điện trở bên trong của pin lithium coban oxit bao gồm Điện trở bên trong Ohmic và Điện trở bên trong phân cực. Thông qua phân tích dữ liệu thực nghiệm, có thể kết luận rằng khi nhiệt độ giảm, điện trở bên trong Ohmic liên tục tăng. Lý do chính là điện trở bên trong Ohmic của pin lithium-ion oxit coban chủ yếu bao gồm chất điện phân, đầu nối điện và điện cực dương và âm. Khi nhiệt độ môi trường thấp, độ hòa tan của các ion lithium trong chất điện phân bên trong pin lithium-ion oxit coban giảm nhanh chóng, khiến các ion lithium kết tủa trong chất điện phân, làm giảm nồng độ các ion lithium trên một đơn vị thể tích, làm chậm tốc độ khuếch tán của các ion lithium trong chất điện phân và làm tăng điện trở bên trong ohmic của pin.

Chúng tôi đã so sánh các đặc điểm biến thiên của điện trở trong Ohmic với SOC ở 0, 10, 20, 30 ℃ và 50 ℃ và thấy rằng SOC của pin lithium-ion oxit coban thay đổi chậm trong phạm vi hoạt động (20%, 100%) ở nhiệt độ môi trường trên 20 ℃. Ví dụ, trong điều kiện 30 ℃, điện trở trong Ohmic của pin lithium-ion oxit coban vẫn ổn định ở mức 0,7 m Ω trong quá trình hoạt động bình thường. Do đó, điện trở trong Ohmic của pin trong phạm vi nhiệt độ này ở SOC (20%, 100%) có thể được coi là một giá trị hằng số.

Điện trở trong Ohmic cực kỳ nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ môi trường và khi nhiệt độ dưới 10 ℃, điện trở trong Ohmic của pin thay đổi đáng kể theo SOC của pin. Khi SOC của pin ở trạng thái cao, chuyển động ion bên trong pin hoạt động mạnh hơn, bù đắp cho sự giảm hoạt động của chất điện phân và có tác động nhỏ hơn đến điện trở Ohmic. Nhưng khi SOC của pin giảm, năng lượng ion bên trong pin cũng giảm, dẫn đến điện trở Ohmic tăng nhanh. Thông qua hai đường cong 10 ℃ và 0 ℃, có thể thấy rằng khi nhiệt độ giảm, điện trở trong Ohmic tăng với tốc độ nhanh hơn khi SOC của pin tăng.

2.2 Phân tích đặc tính điện trở phân cực bên trong và điện trở tổng bên trong

Chúng ta có thể kết luận rằng điện trở phân cực của pin chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, liên quan đến việc làm chậm tốc độ khuếch tán nồng độ ở nhiệt độ thấp. Ở 0 ℃, điện trở phân cực của pin gần gấp ba lần so với 50 ℃ trong cùng điều kiện. Ở cùng nhiệt độ, điện trở phân cực của pin thay đổi rất ít, đặc biệt là khi SOC nằm trong phạm vi (20%, 90%) và điện trở phân cực của pin có thể được coi là một giá trị không đổi.

Điện trở phân cực của pin lithium-ion oxit coban tăng theo sự giảm của SOC pin trong phạm vi (0%, 20%). Điện trở phân cực bên trong của pin lithium-ion oxit coban tăng theo sự giảm nhiệt độ. Điều này là do hoạt động của lithium phân ly ở hạ lưu của pin lithium-ion oxit coban giảm ở nhiệt độ thấp, khiến việc khử xen kẽ ở điện cực âm trở nên khó khăn, dẫn đến điện trở phân cực bên trong của pin tăng. Khi nhiệt độ cao, năng lượng của các ion lithium trong điện cực âm của pin cao, làm tăng tốc độ khuếch tán của các ion

Ở SOC từ 0% đến 20%, điện trở ohmic và điện trở phân cực của pin lithium ion tăng dần khi SOC giảm. Tuy nhiên, sự gia tăng điện trở bên trong Ohmic khi SOC giảm lớn hơn đáng kể so với điện trở bên trong phân cực, cho thấy điện trở bên trong Ohmic nhạy cảm hơn với SOC của pin. Trong cùng trạng thái SOC, cả điện trở phân cực và điện trở Ohmic đều tăng dần khi nhiệt độ giảm. Thông qua phân tích dữ liệu, người ta thấy rằng biên độ của điện trở phân cực tăng khi nhiệt độ giảm lớn hơn đáng kể so với điện trở Ohmic, cho thấy điện trở phân cực nhạy cảm hơn với nhiệt độ thấp.

Khi nhiệt độ thấp, điện trở phân cực bên trong của pin tương đối cao, nhưng chỉ chiếm một phần tư tổng điện trở bên trong của pin, và tác động của nó đối với dung lượng và hiệu suất làm việc của pin tương đối hạn chế. Mặc dù điện trở phân cực của pin tăng hơn gấp đôi ở nhiệt độ thấp so với nhiệt độ phòng, nhưng so với các điện trở khác, đặc biệt là pin lithium sắt phosphate hoặc pin axit chì, điện trở phân cực của pin lithium sắt oxit coban vẫn có độ ổn định nhiệt độ tốt.

Qua phân tích mối quan hệ giữa điện trở trong của pin và SOC, có thể kết luận rằng trong phạm vi SOC (0%, 20%), tổng điện trở trong của pin sẽ tăng khi SOC của pin giảm. Điện trở trong cao sẽ dẫn đến tăng nhiệt lượng tỏa ra của pin và rút ngắn tuổi thọ của pin. Sử dụng không đúng cách sẽ khiến pin xả quá mức và không sử dụng được. Do đó, để kéo dài tuổi thọ của pin, nên giữ pin hoạt động trong phạm vi SOC từ 30% đến 100%.

Qua phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở trong của pin, có thể kết luận rằng điện trở trong của pin sẽ tăng khi nhiệt độ giảm, và điện trở trong của pin tăng sẽ dẫn đến giảm dung lượng pin. Để đảm bảo hiệu suất của pin, nên giữ pin hoạt động trên 10 ℃ càng nhiều càng tốt. Khi nhiệt độ dưới 10 ℃, để tránh tác động của môi trường nhiệt độ thấp đến hiệu suất của pin, cần phải làm nóng bộ pin trước khi khởi động pin. Vì pin sinh nhiệt trong quá trình hoạt động nên không cần phải làm nóng pin trong quá trình hoạt động.

3 Kết luận

Bài viết này tiến hành các thí nghiệm trên pin lithium coban oxit hàng không, phân tích những thay đổi về Điện trở nội Ohmic và Phân cực của pin ở các SOC và nhiệt độ khác nhau, và tóm tắt lý do cho những thay đổi tương ứng. Điện trở phân cực và điện trở ohm của pin lithium ion với axit khoan sẽ tăng khi nhiệt độ giảm. Điện trở phân cực nhạy cảm hơn với nhiệt độ, trong khi điện trở ohm sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và SOC. Đối với đặc điểm là điện trở phân cực của pin lithium coban oxit tăng khi nhiệt độ giảm, cần phải làm nóng bộ pin ở nhiệt độ thấp để cải thiện dung lượng và hiệu suất của pin.