So với các ứng dụng như máy tính xách tay, điện thoại di động và các mục đích cố định như lưu trữ năng lượng và nguồn điện dự phòng, môi trường sử dụng pin lithium-ion cho xe điện phức tạp hơn, đa dạng hơn và đòi hỏi khắt khe hơn. Ví dụ, pin cần phải tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ rộng để hoạt động, bộ pin cần phải chịu được rung động kéo dài trong quá trình vận hành xe và yêu cầu sạc và xả tốc độ cao. Trong số đó, sạc và xả tốc độ cao có thể dẫn đến tăng nhiệt sinh ra bên trong pin. Nếu hệ thống quản lý nhiệt không thể làm nóng pin kịp thời, nhiệt độ cao có thể gây ra nhiều phản ứng phụ khác nhau bên trong pin, chẳng hạn như phân hủy màng SEI, phản ứng điện cực âm và chất điện phân, phân hủy chất điện phân, v.v. và cuối cùng dẫn đến mất kiểm soát nhiệt.

Một khi pin bước vào giai đoạn mất kiểm soát nhiệt, nó sẽ phải đối mặt với nguy cơ cháy nổ trong thời gian ngắn. Ngoài ra, không giống như pin được sử dụng trong thiết bị điện tử tiêu dùng, pin điện được sử dụng trong xe điện có khả năng chịu lỗi thấp hơn. Lấy pin 18650 làm ví dụ, xác suất hỏng hóc tự phát bên trong (còn gọi là hỏng hóc tại chỗ) có thể được kiểm soát trong khoảng từ 1 trên 40 triệu đến 1 trên 10 triệu, tương đối đáng tin cậy đối với các sản phẩm điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, khi sử dụng trong xe điện, do số lượng cell pin trong cụm pin thường là hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn, nên ngay cả xác suất hỏng hóc tự phát thấp như vậy cũng cần được chú ý đầy đủ.

Tóm lại, là một trong những thành phần cốt lõi của xe điện, việc cải thiện tính an toàn của pin điện là vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của ngành công nghiệp xe điện. Do đó, việc tiến hành hiệu quả thử nghiệm và đánh giá an toàn pin điện là đặc biệt cấp thiết. Bài viết này kết hợp hệ thống tiêu chuẩn hiện hành và các kết quả nghiên cứu liên quan để phân tích và tóm tắt các phương pháp đánh giá an toàn hiện hành đối với pin điện, hy vọng sẽ cung cấp tài liệu tham khảo và hướng dẫn hữu ích để thiết lập các phương pháp thử nghiệm và đánh giá định lượng khoa học hơn.

1 Kiểm tra an toàn của từng loại pin điện

1.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm

Khả năng xảy ra cháy nổ, v.v. khi sử dụng đúng cách pin điện có mức kiểm soát cao là cực kỳ nhỏ. Chỉ khi pin vượt quá ranh giới trạng thái trong quá trình sử dụng thực tế, chẳng hạn như sạc quá mức, đoản mạch hoặc quá nhiệt, thì mới có thể gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin.

Mặc dù sự mất kiểm soát nhiệt của pin là một tình huống bất thường, nhưng trạng thái làm việc và môi trường sử dụng thực tế của pin điện trong xe rất phức tạp và thay đổi, vì vậy nghiên cứu về hành vi mất kiểm soát nhiệt của pin không thể bị bỏ qua. Bằng cách nghiên cứu hành vi mất kiểm soát nhiệt của pin, chúng ta không chỉ có thể hiểu được các đặc điểm của quá trình mất kiểm soát nhiệt của pin, phát hiện sớm các mối nguy hiểm về an toàn trong quá trình sử dụng thực tế, giảm thiểu rủi ro về an toàn mà còn có thể thực hiện các biện pháp hiệu quả để ngăn ngừa tai nạn tiếp tục mở rộng khi pin bị mất kiểm soát nhiệt, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật mạnh mẽ cho các nỗ lực cứu hộ

1.2 Kiểm tra độ ổn định nhiệt

Độ an toàn của cell pin điện có thể được chia thành độ an toàn nội tại (độ ổn định nhiệt) và độ an toàn kích hoạt (bao gồm cả sự mất kiểm soát nhiệt do các yếu tố bên ngoài như quá tải, quá nhiệt, thủng, ngắn mạch , v.v.) dựa trên lượng năng lượng được đưa vào hoặc các yếu tố ảnh hưởng. Đối với độ an toàn nội tại, nhiệt lượng kế đoạn nhiệt tăng tốc là một phương pháp đặc tính hiệu quả. Đường cong nhiệt độ và tốc độ thay đổi nhiệt độ trong quá trình tiến hóa độ ổn định nhiệt của một số sản phẩm pin lithium-ion trên thị trường (với các mẫu A, C và D là pin hệ thống cacbon ba thành phần và mẫu B là pin hệ thống cacbon lithium sắt phosphate). Các đặc tính mất kiểm soát nhiệt nội tại của pin điện chủ yếu bao gồm sáu giai đoạn điển hình, cụ thể là suy giảm dung lượng, nhiệt tự sinh, tan chảy màng, ngắn mạch bên trong, tăng nhiệt độ bên trong nhanh chóng và phản ứng dư.

Ngoài ra, đối với pin lithium-ion có hệ thống vật liệu khác nhau, thời gian ủ cần thiết cho hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của pin lithium sắt phosphate (mẫu B) là dài nhất và nhiệt độ điểm uốn cho hiện tượng mất kiểm soát nhiệt nghiêm trọng là cao nhất (sử dụng 10 ° phút làm tiêu chuẩn cho hiện tượng mất kiểm soát nhiệt nghiêm trọng)

So với pin mới, phân tích độ ổn định nhiệt của pin trong suốt vòng đời của chúng cũng quan trọng không kém. So sánh các đường cong tiến hóa độ ổn định nhiệt của một loại pin lithium-ion nhất định tại các thời điểm chu kỳ khác nhau. Từ tình hình chung, có sự khác biệt đáng kể về các nút nhiệt độ trên các đường cong nhiệt độ mất kiểm soát đối với các chu kỳ khác nhau. Khi số chu kỳ tăng lên, nhiệt độ phân hủy của màng SEI giảm dần và thời gian nhiệt độ mất kiểm soát của pin tăng lên, khiến pin ngày càng dễ bị nhiệt độ mất kiểm soát. Điều này đòi hỏi việc thiết kế và sử dụng hệ thống pin điện phải xem xét đầy đủ tình hình thực tế của pin trong giai đoạn sau của vòng đời, để tránh các mối nguy hiểm về an toàn như hỏng pin sau một thời gian sử dụng pin.

1.3 Kiểm tra sự thoát nhiệt

Nghiên cứu về phương pháp kích hoạt hiện tượng mất kiểm soát nhiệt trong pin điện như đã đề cập trước đó. Pin điện sẽ phải đối mặt với nhiều môi trường và điều kiện làm việc khác nhau trong quá trình sử dụng thực tế, vì vậy cần phải nghiên cứu và xác minh tính an toàn của việc kích hoạt chúng. Hiện nay, các phương pháp kích hoạt hiện tượng mất kiểm soát nhiệt thường được sử dụng trong ngành chủ yếu bao gồm quá tải, gia nhiệt và châm kim. So sánh các đặc điểm của ba phương pháp kích hoạt hiện tượng mất kiểm soát nhiệt điển hình. Các phương pháp kích hoạt khác vẫn đang trong giai đoạn thăm dò bao gồm ngắn mạch bên trong, chủ yếu dựa vào việc nhúng kim loại nhớ, vật liệu thay đổi pha, v.v. bên trong pin để đạt được kích hoạt có thể kiểm soát được các mạch ngắn bên trong pin. Xác suất kích hoạt, khả năng lặp lại và tự do vị trí của phương pháp này tương đối cao, nhưng do thực tế là nó chỉ có thể được nhà máy pin sửa đổi trong quá trình vận hành thực tế nên việc triển khai phương pháp này gặp nhiều khó khăn và hạn chế về mặt ứng dụng.

Bằng cách lựa chọn hơn mười sản phẩm tiêu biểu thường thấy trên thị trường và tiến hành nghiên cứu thử nghiệm về ba phương pháp kích hoạt tiêu biểu được đề cập ở trên, người ta thấy rằng có một số khác biệt nhất định về xác suất kích hoạt hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của mẫu giữa ba phương pháp kích hoạt. Nghĩa là, phương pháp gia nhiệt có thể kích hoạt hiện tượng mất kiểm soát nhiệt ở tất cả các mẫu, châm cứu hầu như có thể kích hoạt hiện tượng mất kiểm soát nhiệt ở tất cả các mẫu và sạc quá mức chỉ có thể kích hoạt hiện tượng mất kiểm soát nhiệt ở 46% các mẫu. Lý do chính cho điều này là do cấu trúc của pin vuông và pin hình trụ. Sạc quá mức có thể kích hoạt các cơ chế bảo vệ bên trong để ngăn ngừa hiện tượng mất kiểm soát nhiệt.

1.4 Sự thoát nhiệt của toàn bộ vòng đời của pin điện

Khi số chu kỳ pin tăng lên, có thể có hiện tượng hư hỏng như thay đổi màng SEI, sự phát triển của dendrite lithium và các lỗ màng nhỏ bên trong pin, có thể dẫn đến giảm độ an toàn của pin. Do đó, việc nghiên cứu các đặc điểm tiến hóa về độ an toàn của pin điện trong toàn bộ vòng đời của chúng có ý nghĩa chỉ đạo to lớn đối với việc ứng dụng sản phẩm an toàn và đáng tin cậy. Định luật tiến hóa về độ an toàn ngắn mạch của một loại pin lithium-ion nhất định theo số chu kỳ cho thấy khi số chu kỳ đạt 1000, độ an toàn của pin sẽ giảm mạnh.

Nhìn chung, thông qua phân tích thống kê về độ an toàn của một số lượng lớn mẫu trong các chu kỳ đâm thủng, gia nhiệt và sạc quá mức khác nhau, người ta thấy rằng sự tiến triển về độ an toàn của một số loại pin lithium-ion cho thấy một mô hình rõ ràng, tức là độ an toàn sẽ đột ngột giảm sau khi đạt đến một trạng thái lão hóa nhất định. Đồng thời, một số ít mẫu thể hiện tính đặc hiệu và độ an toàn của chúng không giảm đáng kể khi thời gian chu kỳ tăng lên. Do đó, cần tiến hành đánh giá đối với các đối tượng cụ thể với hệ thống vật liệu và thiết kế cấu trúc cụ thể, để cung cấp hướng dẫn cần thiết cho việc thiết kế hệ thống quản lý pin và các biện pháp bảo vệ an toàn trong toàn bộ vòng đời.

2 Kiểm tra an toàn hệ thống ắc quy điện

2.1 Tiêu chuẩn thử nghiệm

Mục đích của thử nghiệm an toàn là để xác minh tính an toàn của hệ thống pin điện trong trường hợp lạm dụng và quan trọng nhất là để xác minh khả năng của hệ thống pin điện trong việc bảo vệ hành khách trong các tình huống nguy hiểm. Điều này chủ yếu bao gồm mô phỏng cơ học và môi trường của các điều kiện khác nhau và để xác minh độ tin cậy của hệ thống pin trong rung động, mô phỏng cơ học của va chạm, rơi, ép và các tình huống khác

Kiểm tra an toàn môi trường là quá trình mô phỏng các điều kiện môi trường khác nhau để xác minh tính an toàn của hệ thống pin trong các môi trường như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, độ ẩm cao, thay đổi nhiệt độ đột ngột, hơi muối, hỏa hoạn và ngâm nước.

Độ tin cậy bảo vệ là xác minh chức năng bảo vệ của hệ thống pin bằng cách mô phỏng các tình huống bất ngờ có thể xảy ra trong quá trình sử dụng xe, bao gồm bảo vệ quá tải, bảo vệ quá xả, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ quá dòng, bảo vệ ngắn mạch và các khía cạnh khác. Trong thử nghiệm độ tin cậy của bảo vệ, hệ thống quản lý pin hoặc thiết bị bảo vệ là điều kiện đủ điều kiện duy nhất để nó hoạt động. Các nhà sản xuất có thể được phân loại thành các cấp độ khác nhau về điều kiện bảo vệ. Lấy tình trạng quá tải làm ví dụ, có thể chỉ định các mức ngưỡng điện áp khác nhau để tương ứng với các hành động khác nhau – nhắc nhở, báo động, ngắt kết nối rơle, v.v.

2.2 Thử nghiệm khuếch tán nhiệt

Đối với thử nghiệm an toàn hệ thống pin, một khía cạnh quan trọng hơn là thử nghiệm khuếch tán nhiệt. Nguyên tắc chính của nó là đảm bảo thoát hiểm an toàn cho người lái xe và hành khách, và để xác minh cách đảm bảo an toàn cá nhân cho hành khách trong xe khi hệ thống pin điện bị mất kiểm soát nhiệt.

Trọng tâm nghiên cứu về an toàn khuếch tán nhiệt của hệ thống pin điện chủ yếu bao gồm việc lựa chọn các phương pháp kích hoạt mất kiểm soát nhiệt cho các đối tượng kích hoạt mất kiểm soát nhiệt (bao gồm tính tương đương của các phương pháp kích hoạt khác nhau và khả năng so sánh kết quả thử nghiệm cho các đối tượng khác nhau sử dụng cùng một phương pháp kích hoạt) và xác định các điều kiện phán đoán. Đồng thời, tập trung vào các đặc điểm và cơ chế lan truyền của hành vi khuếch tán nhiệt trong hệ thống pin điện, nhằm cung cấp dữ liệu thực nghiệm và hỗ trợ kỹ thuật cho thiết kế an toàn của hệ thống pin điện.

Ở cấp độ ứng dụng xe, cũng cần phải kiểm tra các điều kiện an toàn và phán đoán trong điều kiện vận hành xe. Nếu phân tích hiện tượng mất kiểm soát nhiệt và khuếch tán nhiệt xảy ra khi lắp pin vào xe buýt, kết quả thực nghiệm cho thấy sau khoảng 5 phút mất kiểm soát nhiệt, đám cháy bắt đầu lan rộng và xâm nhập vào xe. Đồng thời, để xác định thời gian thoát hiểm của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt đột ngột của pin khi chở đầy tải, những người ở các nhóm tuổi khác nhau đã được chọn làm đối tượng thử nghiệm cho các bài kiểm tra thoát hiểm của người, với thời gian dài nhất là 51 giây. Dựa trên thời gian xe phát hiện báo động và dừng khẩn cấp, cùng với thời gian ngưỡng an toàn nhất định, thời gian thoát hiểm sơ bộ của người là 5 phút đã được xác định, đóng vai trò là yêu cầu tối thiểu để sơ tán toàn bộ xe.

3 Kết luận

Bài viết này tóm tắt và phân tích hệ thống tiêu chuẩn thử nghiệm hiện tại và các phương pháp đánh giá về độ an toàn của pin điện. Ở cấp độ cell pin, các phương pháp đặc trưng về độ ổn định nhiệt và tình trạng hiện tại cũng như xu hướng của hệ thống tiêu chuẩn thử nghiệm và đánh giá về độ an toàn khi kích hoạt chủ yếu được phân tích. Ở cấp độ hệ thống, trọng tâm là thảo luận về hệ thống tiêu chuẩn để thử nghiệm độ an toàn của hệ thống pin và phương pháp đánh giá để thử nghiệm khuếch tán nhiệt.

Với việc thúc đẩy và ứng dụng các loại xe năng lượng mới và số lượng xe ngày càng tăng, nhiều xe đã chạy được nhiều năm hoặc hàng chục nghìn km, và đã có một số vụ tai nạn an toàn của xe điện trong thời gian gần đây. Việc nắm vững quy luật tiến hóa về tính an toàn của pin điện trong toàn bộ vòng đời của chúng, cũng như phát hiện và quản lý hiệu quả tính an toàn của pin trong toàn bộ vòng đời của chúng, có ý nghĩa rất lớn đối với việc sử dụng tuần tự các loại pin an toàn cho xe điện. Cụ thể, việc thiết lập một hệ thống thử nghiệm và đánh giá pin điện từ cá nhân đến hệ thống, bao gồm toàn bộ vòng đời và xem xét thêm các điều kiện ứng dụng thực tế của xe, để hình thành một hệ thống thử nghiệm và đánh giá toàn diện về tính an toàn của pin điện, sẽ có lợi cho việc nâng cao mức độ an toàn của ngành pin điện.