Pin lithium là một trong những nguồn năng lượng không thể thiếu trong ngành hàng không vũ trụ ngày nay, thường đóng vai trò là nguồn năng lượng dự phòng cho nhiều thiết bị máy bay khởi động, liên lạc và ứng phó khẩn cấp. Chúng là thành phần quan trọng của phương tiện hàng không vũ trụ. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động bình thường, pin lithium rất nhạy cảm với nhiệt độ môi trường và tác động của nhiệt độ rất quan trọng trong quá trình sử dụng pin theo chu kỳ, nhưng lại dễ bị bỏ qua.

Dung lượng pin và đặc tính sạc và xả sẽ thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ cao hay thấp sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin. Do pin lithium axit coban hàng không hoạt động lâu dài trong môi trường bất lợi như điện áp thấp và nhiệt độ thấp, điều này chắc chắn sẽ dẫn đến tuổi thọ chu kỳ của pin lithium bị rút ngắn, có thể dẫn đến tình trạng pin bị loại bỏ hoặc tổn thất không thể đoán trước. Do đó, cần phải nghiên cứu đặc tính nhiệt độ của pin lithium oxit coban hàng không.

Bài viết này sẽ đi sâu vào những thay đổi về dung lượng pin và đặc tính xả điện của pin lithium coban oxit trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Thông qua các thí nghiệm, những thay đổi về dung lượng pin và đặc tính xả điện của pin lithium coban oxit ở các nhiệt độ khác nhau sẽ được xác định, cung cấp cơ sở lý thuyết để ước tính SOC của pin lithium coban oxit ở các nhiệt độ khác nhau.

1 Thử nghiệm

1.1 Đối tượng nghiên cứu và thiết bị thử nghiệm

Đối tượng thử nghiệm là pin ion lithium coban. Pin có dung lượng định danh là 45Ah, điện áp danh định là 3,7V và có thể xả ở nhiệt độ môi trường -20~60℃. Vật liệu catốt của pin là lithium coban. Thiết bị sạc và xả pin. Buồng thử nhiệt độ và độ ẩm DGBELL để đạt được kiểm soát nhiệt độ.

1.2 Các bước thử nghiệm

Kiểm tra dung lượng của pin lithium coban axit hàng không áp dụng phương pháp xả hoàn toàn. Pin lithium coban axit đủ được đặt trong các môi trường nhiệt độ khác nhau để thực hiện các thí nghiệm xả và thảo luận về tác động của sự thay đổi nhiệt độ môi trường đối với dung lượng xả của pin. Các bước cụ thể như sau:

(1) Kích hoạt pin bằng cách sạc và xả pin nhiều lần với dòng điện 0,5C để kích hoạt các ion bên trong pin;

(2) Phương pháp sạc là sạc pin với tốc độ dòng điện không đổi 0,2C. Khi điện áp pin đạt 4,15V, phương pháp sạc được thay đổi thành sạc điện áp không đổi cho đến khi dòng điện sạc giảm xuống 03A và quá trình sạc dừng lại;

(3) Phương pháp xả là để pin ở nhiệt độ môi trường trong 1b, sau đó xả với tốc độ dòng điện không đổi là 0,2C cho đến khi điện áp pin giảm xuống 3V thì dừng xả và tính toán lượng điện mà pin giải phóng;

(4) Thay đổi trạng thái SOC của pin: Tiến hành thí nghiệm sạc và xả, ghi lại sự thay đổi điện áp của pin trong quá trình sạc và xả;

(5) Đặt 7 pin axit khoan lithium cùng loại ở nhiệt độ -20, -10, 0, 10, 20, 30 và 40℃ để sạc và xả, với các bước tương tự như trên;

(6) Ghi lại kết quả thực nghiệm, sắp xếp dữ liệu thực nghiệm và tính toán dung lượng xả của pin;

(7) Tắt nguồn điện sạc sau khi sạc, tắt tải điện tử sau khi xả và vệ sinh thiết bị thí nghiệm;

(8) Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, hãy vẽ đường cong biến thiên của điện áp pin theo SOC ở các nhiệt độ khác nhau trong quá trình sạc và xả.

2 Kết quả thực nghiệm và phân tích

Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến đặc tính sạc và xả

Bằng cách phân tích đường cong biến thiên điện áp, có thể thấy rằng biến thiên điện áp trong khu vực bệ của pin sạc là đáng kể trong môi trường nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ môi trường tăng và cùng một lượng điện tích được áp dụng, xu hướng thay đổi điện áp giảm. Khi pin ở các nhiệt độ khác nhau có cùng điện áp, pin ở nhiệt độ môi trường cao hơn có khối lượng lớn hơn năng lượng. Nếu hệ thống quản lý pin không thiết lập phát hiện nhiệt độ, pin có thể bị xả hoặc sạc quá mức ở nhiệt độ thấp, nhưng không được sạc đầy ở nhiệt độ cao, do đó ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin

Trong giai đoạn đầu của quá trình sạc, sạc dòng điện không đổi được áp dụng và pin hấp thụ nhiệt. Khi quá trình sạc tiến triển, nhiệt độ của pin tăng lên mạnh mẽ. Sau khi đạt đến điện áp sạc tối đa, nó chuyển sang sạc điện áp không đổi và tốc độ tăng trưởng điện áp của pin chậm lại. Nhiệt độ càng thấp, pin càng dễ đạt đến điện áp ngắt sạc

Qua phân tích những thay đổi về đường cong, có thể thấy rằng trong điều kiện xả dòng điện không đổi, sự thay đổi điện áp của pin lithium axit khoan hàng không có thể được chia thành ba giai đoạn:

(1) trong giai đoạn đầu xả, điện áp của pin giảm nhanh chóng;

(2) Sau một thời gian xả nhất định, điện áp của pin giảm dần và đi vào khu vực bệ;

(3) Khi kết thúc quá trình xả (với trạng thái sạc nhỏ hơn 0,2 S0C), điện áp của ắc quy có xu hướng giảm tuyến tính.

Khi pin lithium xả từ điện áp sạc đầy 4,2V đến 3,7V, mất nhiều thời gian, nhưng khi vượt quá 3,7V, điện áp pin giảm nhanh chóng. Điều này là do pin có bệ xả và diện tích bệ có công suất pin đủ mạnh nhất. Ở giai đoạn xả giữa, điện áp của pin lithium coban oxit giảm chậm. Khi giá trị SOC dưới 0,2 và pin tiếp tục xả, điện áp giảm nhanh và sự khác biệt không đáng kể ở các nhiệt độ khác nhau; Khi điện áp pin là 38V, SOC của pin trong môi trường 40 ℃ là khoảng 0,6, trong khi SOC của pin trong môi trường 20 ℃ chỉ khoảng 0,2. Điều này có nghĩa là nhiệt độ càng thấp, pin càng dễ đạt đến trạng thái cắt xả.

Bằng cách vẽ đường cong điện áp ở nhiệt độ 40, 20 ℃ và -10 ℃, có thể thấy. Có sự khác biệt trong đường cong điện áp giữa các quá trình sạc và xả, và đường cong điện áp thu được từ việc xả luôn thấp hơn một chút so với đường cong thu được từ việc sạc. Điều này là do khi pin được sạc đến một giá trị SOC nhất định và bắt đầu đứng yên, điện áp tiếp tục giảm cho đến khi nó dần dần tiến tới giá trị điện áp thực của pin, trong khi khi nó được xả đến cùng một giá trị SOC và bắt đầu đứng yên, điện áp tiếp tục tăng cho đến khi nó dần dần tiến tới cùng một giá trị điện áp thực của pin.

Do quá trình hội tụ chậm và thời gian cần thiết dài, ngay cả khi pin đã đứng yên trong một thời gian đáng kể khi đo điện áp, điện áp thu được trên đường cong xả vẫn thấp hơn điện áp thu được trên đường cong sạc. Và khi nhiệt độ giảm, chênh lệch giữa đường cong sạc và xả dần thu hẹp lại.

3 Kết luận

Bài viết này phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ và đặc tính của pin lithium axit coban hàng không bằng cách kiểm tra sự thay đổi trong đường cong điện áp sạc và xả sạc của pin kali axit coban hàng không ở các nhiệt độ khác nhau. Có thể rút ra các kết luận sau:

(1) Sự thay đổi dung lượng của pin lithium coban oxide hàng không đặc biệt rõ ràng ở nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ môi trường là -20 ℃, dung lượng sạc pin chỉ có thể đạt 62% dung lượng của Nameplate. Khi nhiệt độ tăng, dung lượng pin tăng lên và dung lượng sạc có thể đạt 107% SOC ở nhiệt độ môi trường là 40 ℃. Do đó, nhiệt độ môi trường làm việc của pin nên được giữ trong phạm vi 0 ~ 40 ℃ càng nhiều càng tốt;

(2) Trong quá trình sạc và xả, điện áp của pin thay đổi theo nhiệt độ môi trường thay đổi. Nhiệt độ càng thấp, pin càng dễ đạt đến điện áp ngắt sạc và xả. Khi điện áp của pin giống nhau, nhiệt độ càng thấp, giá trị SOC của pin càng nhỏ;

(3) Điện áp thu được trên đường cong xả nhỏ hơn điện áp thu được trên đường cong sạc và chênh lệch áp suất xuất phát từ điện trở bên trong của pin