Trong những năm gần đây, các nhà sản xuất ô tô lớn liên tục tung ra các loại xe hybrid và xe điện thuần túy. Pin lithium ion được sử dụng rộng rãi làm pin điện do những ưu điểm như công suất đầu ra cao, mật độ năng lượng cao, tuổi thọ chu kỳ dài và không có hiệu ứng nhớ. Tuy nhiên, ô tô là phương tiện được sử dụng trong mọi môi trường thời tiết, với điều kiện sử dụng phức tạp và điều kiện lái xe thay đổi. Pin lithium ion thường được sạc và xả ở các nhiệt độ và tốc độ môi trường khác nhau.

Do đó, để nghiên cứu quản lý nhiệt của pin điện, cần phải nghiên cứu tác động của nhiệt độ môi trường đến hiệu suất của pin. Do đó, bài viết này lấy một cell pin lithium sắt phosphate 50Ah làm đối tượng nghiên cứu và tiến hành các thí nghiệm sạc và xả trong phạm vi từ -40 ℃ đến 40 ℃ do hộp nhiệt độ không đổi cung cấp để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến điện áp xả, điện trở trong và hiệu suất nhiệt độ của pin.

1 Chuẩn bị kiểm tra

Thiết bị sạc và xả pin có điện áp sạc và xả 0-100V, dòng điện sạc và xả 0-200A và độ chính xác thử nghiệm là ± 0,2%. Nhiệt độ môi trường được duy trì không đổi bằng buồng thử nhiệt độ và độ ẩm không đổi . Phạm vi kiểm soát nhiệt độ của thiết bị này là -55 ℃ -150 ℃, với khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác và sai số nhỏ. Sự thay đổi nhiệt độ của pin trong quá trình sạc và xả được đo bằng hệ thống thu thập nhiệt độ tại các điểm đo khác nhau của pin. Pin thử nghiệm là pin lithium sắt phosphate cân bằng năng lượng và công suất 50Ah đóng gói cứng.

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp xả của pin

Để nghiên cứu hiệu suất của pin lithium-ion ở các nhiệt độ môi trường khác nhau, sạc dòng điện không đổi được thực hiện ở nhiệt độ phòng cho đến khi đạt được điện áp cắt. Tốc độ trong quá trình sạc là 0,3C và điện áp cắt được chỉ định là 365V. Sạc với điện áp không đổi 3,65V cho đến khi dòng điện sạc nhỏ hơn 1A và quá trình sạc kết thúc. Sau đó đặt pin vào lò nhiệt độ không đổi và để yên trong 3 giờ. Cuối cùng, thực hiện xả dòng điện không đổi ở một tốc độ nhất định cho đến khi điện áp cắt là 25V. Thực hiện xả dòng điện không đổi ở 0,5C và 1C trong môi trường lần lượt là -40 ℃, -20 ℃, 0 ℃, 20 ℃ và 40 ℃.

Qua so sánh dữ liệu, có thể thấy rằng khi điều kiện tốc độ xả của pin giống nhau, nhiệt độ giảm dần sẽ dẫn đến điện áp giảm dần trong quá trình xả. Và có thể thấy rằng trong phạm vi nhiệt độ từ 0 ℃ đến 40 ℃, xu hướng điện áp trong quá trình xả là nhẹ nhàng và chậm, trong khi dưới 0 ℃, điện áp xả giảm đáng kể và ở -40 ℃, pin không còn có thể hoạt động bình thường. Khi pin được xả ở 1C trong môi trường -20 ℃, một hình dạng bước kép rõ ràng xuất hiện trên đường cong xả và điện áp xả cực đại đạt được ở 20 ℃.

3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở trong AC của pin

Khi đo điện trở trong AC của pin, một điện áp hoặc dòng điện nhỏ có tần số nhất định được áp dụng cho các cực dương và cực âm của pin và giá trị điện trở trong thu được dựa trên phản ứng của điện áp hoặc dòng điện này. Trong quá trình thử nghiệm, điện áp của tín hiệu đo được là 5mV, tần số là 1kHz và thời gian đo là 6 giờ. Từ dữ liệu, có thể thấy rằng trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, điện trở trong của pin lh ban đầu được sạc đầy tăng nhanh theo thời gian và sau đó giá trị điện trở về cơ bản vẫn ổn định. Do đó, việc pin đơn trong thí nghiệm đạt trạng thái ổn định khi để trong lò nhiệt độ không đổi trong 2 giờ trở lên được coi là phù hợp.

4 Đặc tính tăng nhiệt độ của pin đơn

Để nghiên cứu sự gia tăng nhiệt độ của pin một cell trong các điều kiện hoạt động khác nhau, các thí nghiệm xả đã được tiến hành bằng ba phương pháp: 0,5C, 1C và 2C. Sạc pin ở tốc độ dòng điện không đổi là 0,3C trong môi trường 25 ℃. Khi điện áp đạt đến điện áp cắt trên là 3,65 V, hãy sạc pin ở điện áp không đổi là 3,65 V cho đến khi dòng điện sạc nhỏ hơn 1A và quá trình sạc kết thúc. Sau đó, đặt pin vào lò nhiệt độ không đổi và để yên trong 3 giờ. Sau đó, tiến hành xả dòng điện không đổi ở tốc độ 0,5C, 1C và 2C và tóm tắt đường cong thay đổi nhiệt độ của một trong các điểm đo ở tốc độ xả 0,5C, 1C và 2C.

Khi tốc độ xả tăng, tốc độ tăng nhiệt độ trên bề mặt pin tăng, thời gian xả giảm và độ ổn định của quá trình xả giảm dần. Nếu có sự khác biệt nhỏ về hiệu suất của các pin riêng lẻ khác nhau trong bộ pin, sự mất cân bằng phân phối nhiệt trong mô-đun chắc chắn sẽ tăng lên. Vào cuối quá trình xả trong thí nghiệm này, nhiệt độ của điểm 3 ở tốc độ xả 0,5C, 1C và 2C lần lượt là 39,40 ℃, 42,39 ℃ và 53,84 ℃.

5 Kết luận

Bài viết này thiết lập một nền tảng thử nghiệm sạc và xả pin lithium-ion đơn lẻ, và tiến hành các điều kiện sạc dòng điện không đổi, sau đó là điều kiện sạc điện áp không đổi và các điều kiện xả dòng điện không đổi ở các nhiệt độ và tốc độ khác nhau. Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhiệt độ môi trường khác nhau đến điện áp xả, điện trở trong và đặc tính tăng nhiệt độ của pin.

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện áp sạc và xả của pin. Trong cùng điều kiện tốc độ xả, điện áp xả về cơ bản giảm khi nhiệt độ giảm. Đối với pin lithium-ion, nhiệt độ thích hợp có thể thúc đẩy phản ứng hóa học, tăng tốc độ phản ứng hóa học của pin và thúc đẩy tốc độ bay hơi của chất điện phân.

Trong môi trường nhiệt độ thấp, hiệu suất sạc và xả của pin lithium-ion tiếp tục giảm. Xu hướng tăng nhiệt độ thay đổi theo các tốc độ xả khác nhau và khi tốc độ xả tăng, nhiệt lượng sinh ra và tốc độ của pin cũng tăng. Khi dòng điện xả tăng, phản ứng điện hóa bên trong pin tăng cường, khiến nhiệt độ bên trong và chênh lệch nhiệt độ cục bộ trên bề mặt pin tăng dần, dẫn đến thời gian xả ngắn hơn và độ ổn định xả giảm dần