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.