Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe năng lượng mới, pin điện của xe điện dễ bị mất kiểm soát nhiệt do đặc điểm riêng và môi trường sử dụng của nó. Mất kiểm soát nhiệt sẽ gây ra thiệt hại nhiệt cho pin điện, dẫn đến tự động đánh lửa và thậm chí là nổ. Do đó, việc phân tích nguyên nhân gây mất kiểm soát nhiệt của pin điện xe điện và đề xuất các biện pháp phòng ngừa có ý nghĩa rất lớn. Hiện nay, những lý do chính gây mất kiểm soát nhiệt của pin điện xe điện như sau:

1) sạc quá mức, xả quá mức và quá tải;

2) Chập mạch ngoài, chập mạch trong;

3) Giảm khả năng cách nhiệt;

4) Sự mất kiểm soát nhiệt của lõi điện.

Trong đó, đoản mạch bên trong và thoát nhiệt của cell pin là những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng thoát nhiệt của pin điện xe điện. Để giảm hiện tượng thoát nhiệt của pin điện xe điện, bài báo này phân tích từ bốn khía cạnh: quá tải, quá xả, quá tải, đoản mạch bên ngoài và thoát nhiệt của cell pin, đồng thời đề xuất các giải pháp tương ứng cho bốn khía cạnh này.

1 Sạc quá ngưỡng, Xả quá ngưỡng, Quá tải

Pin điện sẽ sinh ra rất nhiều nhiệt trong quá trình sạc, xả và đỗ xe, và sự tích tụ nhiệt sẽ dẫn đến Nhiệt độ tăng cao. Do đó, cần phải thực hiện tốt công tác quản lý pin điện để tránh tình trạng sạc quá mức, xả quá mức và quá tải.

Sạc quá mức: Trong quá trình sử dụng ắc quy xe điện, nếu dòng điện hoặc điện áp sạc quá cao trong thời gian dài, áp suất bên trong ắc quy sẽ quá lớn. Khi áp suất đạt đến một mức nhất định, nhiệt độ bên trong ắc quy sẽ tăng lên, cuối cùng nhiệt độ sẽ không thể kiểm soát được. Vì vậy, cần phải kiểm soát chặt chẽ dòng điện và điện áp sạc để tránh vượt quá phạm vi an toàn.

Vì vậy, cần phải kiểm soát chặt chẽ thời gian sử dụng ắc quy xe điện, tránh tình trạng xả điện quá mức trong thời gian dài.

Quá tải: nếu pin điện của xe điện bị quá tải trong thời gian dài khi sử dụng cũng sẽ gây ra hiện tượng nhiệt độ tăng cao.

2 Ngắn mạch ngoài , Ngắn mạch trong

Nhìn chung có một số loại lỗi ngắn mạch trong bình ắc quy của xe điện:

Hiện tượng đoản mạch giữa cực dương và cực âm của pin thường là do sạc quá mức và xả quá mức. Trong quá trình sạc quá mức hoặc xả pin, nếu không sạc kịp thời, điện trở bên trong của pin sẽ tăng lên, khiến nhiệt độ bên trong pin tăng cao.

Khi nhiệt độ tăng đến một mức độ nhất định, chất điện phân sẽ phân hủy thành khí, gây ra sự giãn nở và nổ khí. Khi pin điện bị đoản mạch, một lượng nhiệt lớn sẽ được sinh ra, dẫn đến nhiệt độ bên trong pin tăng nhanh, do đó gây ra sự mất kiểm soát nhiệt.

Lỗi đoản mạch của một pin đơn trong bộ pin không gây ra hiện tượng mất nhiệt của toàn bộ bộ pin. Trong công việc thực tế, đôi khi hiện tượng mất nhiệt toàn bộ bộ pin có thể do đoản mạch cục bộ. Khi có hiện tượng đoản mạch bên ngoài trong một pin đơn, nó có thể ảnh hưởng đến các pin đơn khác bên trong pin; Khi xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong bộ pin, nó có thể ảnh hưởng đến sự an toàn của toàn bộ bộ pin; Khi xảy ra hiện tượng đoản mạch bên ngoài trong bộ pin, nó có thể khiến toàn bộ bộ pin bắt lửa và cháy.

3 Sự suy thoái cách điện

Hiệu suất cách điện là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá độ an toàn của ắc quy xe điện. Sự suy giảm hiệu suất cách điện là do mất khả năng cách điện Galvanic của vật liệu cách điện khỏi môi trường xung quanh do hư hỏng cơ học. Sự suy giảm hiệu suất cách điện dẫn đến hiện tượng đoản mạch trong ắc quy xe điện, tạo ra nhiệt. Khi nhiệt độ đạt đến một mức nhất định, nhiệt sẽ lan truyền dọc theo đường dây ra bên ngoài, cuối cùng dẫn đến hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của ắc quy.

Sau khi ắc quy bị mất nhiệt, nếu độ cách điện của ắc quy giảm xuống một mức độ nhất định, tia lửa điện do ngắn mạch bên ngoài tạo ra có thể xuyên qua vật liệu cách điện bên trong, khiến ắc quy phát nổ. Do đó, để ngăn ngừa ắc quy phát nổ và cháy sau khi mất nhiệt, cần phải cách điện ắc quy để ngăn ngừa đoản mạch bên trong. Phương pháp thường dùng hiện nay là chèn một miếng đệm cao su dẫn điện giữa cực dương và cực âm của ắc quy để xử lý cách điện.

4 Cell thoát nhiệt

Sự thoát nhiệt của cell pin là sự cố ngắn mạch của cell pin, khiến cell pin nóng lên và bốc cháy. Sự thoát nhiệt của lõi điện có thể được chia thành hai loại, một là sự thoát nhiệt của lõi điện do sự cố ngắn mạch bên ngoài và loại còn lại là sự thoát nhiệt của lõi điện do sự cố ngắn mạch bên trong của lõi điện bên trong.

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều sản phẩm được sử dụng cho hệ thống làm mát ắc quy điện. Như thể hiện trong Hình 8, các sản phẩm này thường sử dụng hệ thống làm mát bên ngoài. Đối với xe điện, các sản phẩm này không thể làm mát hiệu quả ắc quy điện, do đó, các sản phẩm này khó có thể làm mát hiệu quả ắc quy điện trong trường hợp ắc quy điện của xe điện bị mất nhiệt.

5 Kết luận

(1) Hiện tượng thoát nhiệt của ắc quy xe điện là do nhiệt sinh ra bên trong ắc quy không kịp tản ra ngoài, khiến nhiệt độ bên trong tăng vượt quá nhiệt độ chịu đựng của ắc quy, gây ra hiện tượng thoát nhiệt. Vấn đề thoát nhiệt của ắc quy xe điện cần được xem xét trong giai đoạn thiết kế ắc quy xe điện.

(2) Theo nguyên nhân gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của ắc quy xe điện, có thể áp dụng các biện pháp phòng ngừa ngay từ khâu thiết kế và khâu sản xuất, tức là theo đặc tính làm việc và điều kiện sử dụng của ắc quy, trong quá trình thiết kế phải thiết kế hệ thống bảo vệ an toàn cho ắc quy xe điện, đồng thời xây dựng các tiêu chuẩn quản lý trong khâu sản xuất, nhằm phòng ngừa hiệu quả hiện tượng mất kiểm soát nhiệt của ắc quy.

(3) Các phương pháp được mô tả trong bài báo này có thể ngăn ngừa hiệu quả các vụ tai nạn giao thông và hỏa hoạn do sự mất kiểm soát nhiệt của ắc quy xe điện, do đó bảo vệ an toàn tính mạng và tài sản của con người.

Với sự phát triển nhanh chóng của xe điện, các vụ tai nạn an toàn do nhiệt độ của pin điện xe điện tăng dần. Nhiệt độ của pin điện không chỉ đe dọa đến sự an toàn của người lái xe điện, hành khách và tài sản mà còn đe dọa đến tính mạng của những người xung quanh xe điện. Do đó, trong trường hợp nhiệt độ của pin điện tăng dần, để ngăn ngừa các vụ tai nạn an toàn do nhiệt độ của pin điện tăng dần và bảo vệ tính mạng và tài sản của mọi người, cần phải có biện pháp ngăn ngừa nhiệt độ của pin điện tăng dần càng sớm càng tốt. Ngoài ra, người sử dụng xe năng lượng mới nên cố gắng hết sức tránh đỗ xe trong không gian kín trong thời gian dài, để tránh nhiệt độ bên trong xe tăng đột biến do đỗ xe trong không gian kín trong thời gian dài.

Trong những năm gần đây, xe điện đã đạt được sự phát triển chưa từng có và các quốc gia đang tích cực thực hiện công tác nghiên cứu liên quan. Trong các loại xe dân dụng, các nhà sản xuất ô tô lớn tiếp tục giới thiệu các loại xe điện hybrid tiên tiến về mặt công nghệ và xe điện thuần túy. Về xe quân sự, nhiều quốc gia cũng đã thực hiện rất nhiều công tác nghiên cứu. So với xe truyền động cơ học, xe điện quân sự có những ưu điểm sau: bố trí hệ thống điện thuận tiện; Xe dễ khởi động và tăng tốc; Có thể lái xe im lặng với khả năng ngụy trang tốt; Có thể cung cấp nguồn điện công suất cao cho các hệ thống vũ khí gắn trên xe; Có thể hấp thụ năng lượng phanh tái tạo, v.v.

Hoa Kỳ, Đức, Anh và các nước khác đã lần lượt cho ra mắt các loại xe điện quân sự như xe bọc thép điện và xe chiến đấu bộ binh. Trong sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện, một số vấn đề cũng trở nên nổi bật, trong đó tiếng ồn lớn của bong bóng điện đặc biệt đáng kể. Hiệu suất và tuổi thọ của pin điện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và giá thành của xe điện. Hiện nay, các loại pin điện chính được sử dụng trong xe điện là pin axit chì, pin niken-cadmi, pin niken-kim loại hydride, pin lithium ion và siêu tụ điện.

Pin điện lithium ion đã dần thay thế pin axit chì, pin niken-cadmi và pin niken-kim loại hydride làm pin điện chính cho xe điện vì công suất riêng cao, mật độ năng lượng lớn, tuổi thọ cao, tỷ lệ tự xả thấp, thời gian lưu trữ lâu và không gây ô nhiễm. Xe quân sự thường phải hoạt động ở vùng lạnh và chúng được yêu cầu hoạt động bình thường ở nhiệt độ -40 ℃. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp, hiệu suất sạc và xả pin đã giảm đáng kể. Bài viết này sẽ tiến hành thử nghiệm ở nhiệt độ thấp trên pin lithium-ion 35A • h.

1 Kiểm tra pin lithium ion

Thiết bị sạc và xả pin, với điện áp tối đa là 5V và độ chính xác thử nghiệm là 0,1 mV; Trong quá trình thử nghiệm, pin được thử nghiệm được đặt trong buồng nhiệt độ để duy trì nhiệt độ môi trường cần thiết để thử nghiệm. Pin thử nghiệm là một gói mềm (30cmx16,8cmx1,5cm) 35 Ah pin lithium mangan cân bằng năng lượng và công suất, với lớp màng nhựa nhôm làm vỏ ngoài.

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến điện áp pin

2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến điện áp xả của pin

Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến hiệu suất xả của pin, đầu tiên pin được sạc ở tốc độ dòng điện không đổi đến điện áp không đổi là 1/3 C ở nhiệt độ phòng, sạc đầy, sau đó để trong buồng nhiệt độ trong 5 giờ. Sau đó, pin được xả ở tốc độ dòng điện không đổi với điện áp cắt là 3V. Trong phạm vi nhiệt độ từ 0-40 ℃, xả ở dòng điện không đổi lần lượt là 10, 35, 70 và 140A.

Kết quả thực nghiệm cho thấy ở cùng một tốc độ xả, điện áp xả của pin giảm khi nhiệt độ giảm. Lấy ví dụ về xả dòng điện không đổi 10A, so với 20℃ ở 40℃, điện áp xả trung bình của pin giảm 1V, tức là 27% điện áp danh định. Khi nhiệt độ giảm, dòng điện tối đa mà pin có thể xả giảm dần. Ở -10℃, pin có thể xả ở dòng điện không đổi 140A, ở 0℃, có thể xả ở dòng điện không đổi 70A, ở -30℃, chỉ có thể xả ở dòng điện 35A, và ở -40℃, chỉ có thể xả ở dòng điện nhỏ 10A.

Khi xả ở nhiệt độ thấp và dòng điện cao, đường cong xả cho thấy trạng thái phi tuyến tính với hình dạng thung lũng và đỉnh rõ ràng, và điện áp xả dao động mạnh. Lấy dòng điện không đổi 70A làm ví dụ, ở 20 ℃ và 0 ℃, đường cong xả tương đối bình thường mà không có thung lũng hoặc đỉnh.

Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống -10℃, đường cong xả cho thấy hình dạng thung lũng và đỉnh rõ ràng. Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống -20℃, đường cong xả cho thấy hình dạng thung lũng và đỉnh rõ ràng, Điện áp ở cả hai đầu của pin giảm từ 4,15 trước khi xả xuống 3,07V và điện áp giảm đạt 1,08V.

Sau đó, điện áp bắt đầu tăng lên, đạt mức tối đa là 3,35V, sau đó bắt đầu giảm. Điều này cho thấy trong quá trình xả dòng điện cao ở nhiệt độ thấp, các chất hoạt động trong pin không thể được sử dụng đầy đủ do nhiệt độ của pin thấp, dẫn đến phân cực điện cực nghiêm trọng và điện trở trong của pin cao. Do đó, trong giai đoạn xả sớm, điện áp xả của pin giảm nhanh chóng.

Khi quá trình xả diễn ra, do điện trở trong của pin cao, một lượng nhiệt lớn được sinh ra bên trong pin, khiến nhiệt độ của pin tăng nhanh, kích hoạt phần vật liệu hoạt động của pin. Do đó, điện áp xả của pin bắt đầu tăng. Khi nhiệt độ pin tăng, điện trở trong của pin bắt đầu giảm và nhiệt sinh ra giảm. Khi nhiệt độ môi trường duy trì ở mức -20 ℃ C, nhiệt độ của pin giảm và điện áp xả của pin cũng giảm.

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến điện áp sạc pin

Để nghiên cứu tác động của nhiệt độ thấp đến hiệu suất sạc pin, pin được đặt ở các nhiệt độ môi trường khác nhau và được sạc ở dòng điện và điện áp không đổi với cùng tốc độ. Đầu tiên, pin được xả bằng dòng điện không đổi ở tốc độ 1/3 C ở nhiệt độ phòng, với điện áp ngắt là 3V. Sau khi xả, pin được để trong buồng nhiệt độ trong 5 giờ. Sau đó, pin được sạc ở một tốc độ nhất định ở các nhiệt độ khác nhau, với dòng điện ngắt là 1A đối với sạc 10A và 3A đối với sạc 35 và 70A.

Từ các đường cong sạc ở các nhiệt độ khác nhau, có thể thấy rằng so với đặc tính xả của pin nhiệt độ thấp, hiệu suất sạc của pin giảm đáng kể hơn. Dưới 0 ℃, pin không còn có thể sạc bình thường. Với cùng một dòng điện sạc, khi nhiệt độ giảm, điện áp sạc liên tục tăng trong giai đoạn sạc dòng điện không đổi, đặc biệt là trong quá trình sạc dòng điện cao. Dưới 0 ℃, không có quá trình sạc dòng điện không đổi nào cả. Tại thời điểm tải dòng điện sạc, điện áp cực của pin tăng nhanh đến điện áp cắt 4,2V, trực tiếp vào giai đoạn sạc điện áp không đổi.

3 Nhiệt độ thấp trên điện dung sạc và xả của pin

3.1 Tác động của nhiệt độ thấp đến khả năng xả pin

Để so sánh mức độ suy giảm của dung lượng xả pin ở các nhiệt độ khác nhau, tỷ lệ dung lượng khả dụng được sử dụng ở đây. Tỷ lệ dung lượng khả dụng đề cập đến tỷ lệ giữa dung lượng xả pin với dung lượng ghi trên nhãn.

Ở cùng một tốc độ xả, khi nhiệt độ môi trường giảm, tỷ lệ dung lượng khả dụng giảm nhanh chóng; Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống -20 ℃, pin không thể xả ở 4C; Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống 30 ℃, tỷ lệ dung lượng khả dụng để xả dòng điện không đổi ở 10 A giảm xuống 60,33% và pin không thể xả ở 2C trở lên; Khi nhiệt độ giảm xuống -40 ℃, tỷ lệ dung lượng khả dụng để xả dòng điện không đổi ở 10 A chỉ là 22,31% và không thể xả ở 1 C trở lên.

3.2 Tác động của nhiệt độ thấp đến khả năng sạc pin

Ở cùng một tốc độ sạc, khi nhiệt độ môi trường giảm, khả năng sạc dòng điện không đổi của pin giảm nhanh và sự suy giảm nghiêm trọng hơn so với khả năng xả có sẵn; Khi nhiệt độ giảm xuống 0 ℃, sạc ở tốc độ 1C và khả năng sạc dòng điện không đổi chỉ bằng 52,05% dung lượng Bảng tên; Khả năng sạc dòng điện không đổi chỉ bằng 42,55% dung lượng Bảng tên khi sạc ở 2C; Khi nhiệt độ giảm xuống -10 ℃, chỉ có 60,23% dung lượng Bảng tên có thể được sạc ở dòng điện không đổi 10A và không thể sạc ở 1C và 2C lần; Khi nhiệt độ dưới -30 ℃, pin không thể thực hiện sạc dòng điện không đổi.

4 Kết luận

(1) Trong môi trường nhiệt độ thấp , dưới cùng một tốc độ xả, điện áp xả và dung lượng xả của pin điện lithium-ion giảm đáng kể. So với xả, hiệu suất sạc của pin giảm đáng kể hơn, điện áp sạc dòng điện không đổi của pin tăng đáng kể, trong khi dung lượng sạc giảm đáng kể.

(2) Khi nhiệt độ giảm, điện trở bên trong của pin trong quá trình sạc và xả tăng lên, đặc biệt là khi nhiệt độ dưới -20℃.

(3) Qua phân tích phạm vi điện áp xả của bốn loại pin, người ta thấy rằng ở nhiệt độ phòng, độ đặc của pin khi kết thúc quá trình xả giảm dần, trong khi khi nhiệt độ giảm, độ đặc của pin trong toàn bộ quá trình xả cũng giảm dần.

(4) Trong thực tế sử dụng, ở môi trường nhiệt độ thấp, phải sử dụng hệ thống sưởi ấm để làm nóng bộ pin điện nhằm cải thiện hiệu suất của nó.

Trong những năm gần đây, xe điện đã phát triển nhanh chóng, và là một thành phần quan trọng của xe điện, pin điện cũng đã trải qua sự phát triển công nghệ nhanh chóng. Hiệu suất và tuổi thọ của pin điện quyết định trực tiếp đến hiệu suất và chi phí của xe truyền động điện. Hiện nay, các loại pin điện chính được sử dụng trong xe điện là pin axit chì, pin niken-cadmi, pin niken-kim loại hydride, pin lithium ion và pin siêu tụ điện. Pin điện lithium ion đã dần thay thế pin axit chì, pin niken-cadmi và pin niken-kim loại hydride làm pin điện chính cho xe điện vì những ưu điểm của chúng như công suất riêng cao, mật độ năng lượng lớn, tuổi thọ cao, tỷ lệ tự phóng điện thấp, thời gian lưu trữ lâu và không gây ô nhiễm.

Pin điện được sử dụng trong xe điện bao gồm nhiều cell pin được sắp xếp theo chuỗi và song song để tạo thành một cụm pin. Các cell pin được sắp xếp chặt chẽ với nhau và trong quá trình sạc và xả, mỗi cell tạo ra một lượng nhiệt lớn. Nhiệt do các cell pin tạo ra sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Nếu tản nhiệt không đều, sẽ khiến nhiệt độ cục bộ của cụm pin tăng nhanh, làm giảm độ đồng nhất của pin và rút ngắn đáng kể tuổi thọ của pin. Trong trường hợp nghiêm trọng, sẽ xảy ra hiện tượng mất nhiệt của một số pin đơn lẻ, dẫn đến tai nạn tương đối nghiêm trọng.

Đồng thời, khi pin điện ở trong môi trường nhiệt độ thấp, hiệu suất sạc và xả của pin lithium-ion sẽ giảm đáng kể. Các nhà sản xuất và chuyên gia về pin lithium-ion đã thực hiện rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này. Hiện nay, người ta thường cho rằng hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion là do màng SEI, trở kháng truyền điện tích bề mặt, sự khuếch tán ion lithium trong điện cực và các lý do khác, nhưng các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt độ thấp của pin vẫn chưa được xác định, Trong quá trình sạc và xả pin ở nhiệt độ thấp, nhiệt cũng được tạo ra. Liệu nhiệt này có thể giúp khôi phục hiệu suất của pin hay không vẫn chưa được nghiên cứu trong các tài liệu có liên quan. Do đó, cần phải tiến hành nghiên cứu có liên quan về các đặc tính nhiệt của pin.

1 Sạc và xả pin ở nhiệt độ phòng

Phần này nghiên cứu đặc điểm sinh nhiệt của pin lithium mangan oxit 35Ah trong quá trình sạc và xả trong điều kiện tản nhiệt tự nhiên. Các cell pin được treo trong không gian không có tản nhiệt cưỡng bức, trong điều kiện tản nhiệt tự nhiên. Trong quá trình sạc và xả pin, hệ thống đo nhiệt độ 16 kênh được sử dụng để đo nhiệt độ pin.

1.1 Đặc điểm sinh nhiệt của quá trình xả pin

Trong môi trường tản nhiệt tự nhiên, xả pin ở tốc độ 0,3C, 0,5C, 1C, 2C, 3C và 4C. Trước tiên, treo pin trong môi trường không có tản nhiệt cưỡng bức ở nhiệt độ phòng. Trước khi xả, sạc pin ở tốc độ dòng điện không đổi đến điện áp không đổi là 1C/3 và để yên trong 2 giờ sau khi sạc đầy; Sau đó thực hiện xả dòng điện không đổi ở tốc độ nhất định, với điện áp cắt là 3V. Do thực tế là thí nghiệm được tiến hành trong môi trường tản nhiệt tự nhiên nên nhiệt độ phòng thay đổi đôi chút ở các khoảng thời gian khác nhau. Để dễ so sánh, nhiệt độ ban đầu của pin được đặt đồng đều ở mức 20 ℃ trong quá trình rút.

Từ kết quả thực nghiệm, có thể thấy rằng trong quá trình xả, nhiệt độ của tai dương của pin cao hơn một chút so với tai âm, và xu hướng này rõ ràng hơn trong quá trình xả tốc độ cao. Khi tốc độ xả của pin tăng lên, nhiệt độ của tai dương và tai âm của pin tăng nhanh. Khi xả ở 0,3C, nhiệt độ của tai dương của pin tăng từ 20℃ lên 21,9℃, chỉ tăng 95%;

Khi xả ở 1 độ C, nhiệt độ của cực dương của pin tăng từ 20 độ C lên 24,3 độ C, tăng 21,5%; Khi xả ở 2 độ C, nhiệt độ của cực dương của pin tăng 48% từ 20 độ C lên 29,6 độ C; Khi xả ở 4 độ C, nhiệt độ của cực dương của pin tăng từ 20 độ C lên 36,96 độ C, tăng 84,8%. Do đó, trong môi trường nhiệt độ cao, khi pin xả với tốc độ lớn, phải có biện pháp tản nhiệt tương ứng, nếu không pin sẽ bị quá nhiệt, dẫn đến hiệu suất giảm sút, tuổi thọ ngắn hơn, thậm chí là trạng thái nguy hiểm của Nhiệt độ thoát ra ngoài.

Ở các tốc độ xả khác nhau, xu hướng tăng nhiệt độ của thân pin cũng giống như xu hướng tăng nhiệt độ của hai đầu điện cực dương và âm: nhiệt độ tăng nhanh hơn ở giai đoạn đầu xả, chậm lại ở giai đoạn giữa và tăng nhanh trở lại ở giai đoạn xả sau.

1.2 Đặc điểm sinh nhiệt của quá trình sạc pin

Tương tự như thí nghiệm tăng nhiệt độ xả, trong thí nghiệm tăng nhiệt độ sạc, pin được treo trong môi trường không có tản nhiệt cưỡng bức. Đầu tiên, pin được xả ở tốc độ dòng điện không đổi là 1C/3, với điện áp cắt là 3V. Sau khi xả xong, để yên trong 2 giờ.

Sau đó, tiến hành sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi với tốc độ lần lượt là 0,3C, 0,5C, 1C, 2C, 3C và 4C. Chênh lệch nhiệt độ giữa hai cực dương và âm của pin trong quá trình sạc nhỏ hơn khi xả ở cùng tốc độ. Trong quá trình sạc dòng điện không đổi, nhiệt độ của hai cực dương và âm của pin tăng nhanh; Trong giai đoạn sạc điện áp không đổi, nhiệt độ của hai cực pin bắt đầu giảm, chủ yếu là do dòng điện sạc liên tục giảm và tốc độ sinh nhiệt của pin giảm. Do đó, trong quá trình sạc dòng điện không đổi và sạc điện áp không đổi của pin, quá trình sạc dòng điện không đổi là giai đoạn quan trọng của quá trình tích tụ nhiệt bên trong pin.

Nhiệt độ của mặt trước và mặt sau gần như bằng nhau, xu hướng tăng nhiệt độ của thân pin cũng giống như xu hướng tăng nhiệt độ của tai dương và tai âm. Qua các thí nghiệm trên về quá trình sinh nhiệt khi sạc và xả pin trong môi trường nhiệt độ phòng mà không có tản nhiệt cưỡng bức, có thể thấy rằng trong quá trình sạc và xả tốc độ cao, nhiệt độ của pin tăng nhanh, dễ gây hư hỏng pin và thậm chí là điều kiện làm việc nguy hiểm. Do đó, xe điện phải được trang bị hệ thống tản nhiệt để tản nhiệt từ pin, nhằm kiểm soát nhiệt độ pin trong phạm vi hợp lý.

2 Xả pin ở nhiệt độ thấp

Do thử nghiệm sạc và xả ở nhiệt độ thấp được tiến hành trong buồng thử nhiệt độ nên không thể phân tích quá trình tỏa nhiệt của pin bằng cách đo trực tiếp nhiệt độ bề mặt của pin mà chỉ có thể phân tích dựa trên đường cong sạc và xả của pin.

Pin gần như không thể sạc bằng dòng điện cao ở nhiệt độ thấp. Trong thí nghiệm, dòng điện không đổi 35A và 70A đã được sử dụng để sạc pin. Dưới 0 ℃, điện áp phía sau của pin ngay lập tức tăng lên 4,2V, sau đó chuyển sang giai đoạn sạc điện áp không đổi. Lúc này, dòng điện sạc của pin tương đối nhỏ, do đó không có hiện tượng nóng lên rõ ràng. Pin có thể trải qua quá trình xả dòng điện cao trong thời gian ngắn ở nhiệt độ thấp, do đó có thể tiến hành nghiên cứu sâu về quá trình sinh nhiệt trong quá trình xả pin nhiệt độ thấp.

Để nghiên cứu quá trình sinh nhiệt của pin ở nhiệt độ thấp, pin được đặt trong môi trường nhiệt độ thấp và chịu sự phóng điện liên tục ở cùng tốc độ. Đầu tiên, pin được sạc ở tốc độ dòng điện liên tục đến điện áp không đổi là 1C/3C ở nhiệt độ phòng, sạc đầy, sau đó để trong buồng nhiệt độ trong 5 giờ.

Sau đó, xả ở tốc độ dòng điện không đổi với điện áp cắt là 3V. Trong phạm vi nhiệt độ từ 0 ℃ ~ -40 ℃, xả ở dòng điện không đổi lần lượt là 10A, 35A, 70A và 140A. Để so sánh với xả ở nhiệt độ phòng, tình hình xả của pin ở 20 ℃ được thể hiện trong hình và phương pháp tương tự sẽ được sử dụng cho xử lý tiếp theo.

Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng:

(1) Khi xả ở dòng điện thấp, nhiệt lượng tỏa ra của pin không đáng kể và không có sự dao động đáng kể nào trong đường cong xả của pin ở các nhiệt độ thấp khác nhau.

(2) Khi xả ở nhiệt độ thấp và dòng điện cao, pin tỏa ra nhiệt đáng kể vì đường cong xả của pin biểu hiện trạng thái phi tuyến tính với hình dạng thung lũng và đỉnh rõ ràng, điện áp xả dao động rất lớn.

Lấy ví dụ về xả dòng điện không đổi 70A, khi xả ở 20 ℃ và 0 ℃, đường cong xả tương đối bình thường mà không có bất kỳ đỉnh thung lũng nào. Khi nhiệt độ môi trường là -10 ℃, đường cong xả cho thấy các thung lũng rõ ràng. Khi nhiệt độ môi trường là -20 ℃, đường cong xả cho thấy các đỉnh thung lũng rõ ràng. Điện áp ở cả hai đầu của pin giảm từ 4,15V trước khi xả xuống 3,07V, với mức giảm điện áp là 108V. Sau đó, điện áp bắt đầu tăng, đạt mức tối đa là 3,35V, và sau đó bắt đầu giảm. Điều này chỉ ra rằng trong quá trình xả dòng điện cao ở nhiệt độ thấp, trong giai đoạn xả ban đầu, do nhiệt độ của pin thấp, các chất hoạt động trong pin không thể được sử dụng đầy đủ, phân cực điện cực nghiêm trọng và điện trở trong của pin cao.

Do đó, điện áp xả của pin giảm nhanh trong giai đoạn xả ban đầu. Khi quá trình xả diễn ra, do điện trở trong của pin cao, một lượng nhiệt lớn được sinh ra bên trong pin, khiến nhiệt độ của pin tăng nhanh, kích hoạt phần vật liệu hoạt động của pin. Do đó, điện áp xả của pin bắt đầu tăng. Khi nhiệt độ của pin tăng, điện trở trong của pin bắt đầu giảm và nhiệt sinh ra giảm. Khi nhiệt độ môi trường duy trì ở mức -20 ℃, nhiệt độ của pin giảm và điện áp xả của pin cũng giảm.

(3) Trong môi trường nhiệt độ thấp, khi dòng điện xả tăng lên, hiệu suất của pin được cải thiện đáng kể hơn sau khi được làm nóng. Do đó, có thể thấy rằng ở nhiệt độ thấp, nếu pin điện được làm nóng trước, dựa vào nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của pin có thể duy trì hoàn toàn hiệu suất của pin.

3 Kết luận

Khi dòng điện sạc và xả tăng, nhiệt độ của pin tăng nhanh. Do đó, tốc độ xả của pin điện cần được kiểm soát ở một mức độ nhất định và không nên xả tốc độ cao trong thời gian dài. Ở nhiệt độ môi trường cao hoặc tốc độ xả cao, cần sử dụng tản nhiệt tương ứng. Do đó, xe điện cần lắp đặt hệ thống tản nhiệt pin để kiểm soát nhiệt độ pin trong phạm vi hợp lý.

Trong môi trường nhiệt độ thấp, nhiệt sinh ra trong quá trình xả pin có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin. Khi thiết kế hệ thống sưởi ấm pin, tính năng này có thể được sử dụng chỉ bằng cách cân nhắc làm nóng pin trước.

Năng lượng và môi trường là hai vấn đề cơ bản đối mặt với sự phát triển bền vững trên thế giới ngày nay. Xe điện hybrid, với tư cách là phương tiện giao thông xanh và hiệu quả, đã ngày càng được thúc đẩy trên toàn thế giới. Với công nghệ chế tạo pin ngày càng hoàn thiện, pin điện Lithium sắt phosphate, với tư cách là một bộ phận quan trọng của hệ thống truyền động xe điện hybrid, có tác động đáng kể đến công suất, tính kinh tế và sự an toàn của xe. Do mật độ năng lượng cao, tuổi thọ cao, hiệu suất sạc và xả cao, phạm vi nhiệt độ áp dụng rộng, tự xả thấp, điện trở bên trong thấp, không có hiệu ứng nhớ, sạc nhanh, độ an toàn cao, độ tin cậy cao, chi phí thấp và khả năng tái sử dụng, nó được công nhận là pin điện cho xe có triển vọng nhất.

Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng thực tế của pin điện, vật liệu Lithium sắt phosphate có trở kháng cao, ảnh hưởng trực tiếp đến việc thúc đẩy và ứng dụng pin điện Lithium sắt phosphate. Để giải quyết vấn đề trở kháng pin cao và cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin Lithium sắt phosphate, pin điện Lithium sắt phosphate đã được chế tạo bằng cách thay thế một phần carbon dẫn điện bằng ống nano carbon có độ dẫn điện tuyệt vời. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nano Pin điện Lithium sắt phosphate đã được phân tích và nghiên cứu từ dung lượng pin, nền tảng điện áp và đường cong xả ở các nhiệt độ môi trường khác nhau.

1 Thử nghiệm

1.1 Thiết bị và đối tượng thử nghiệm

Buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp DGBELL , Pin điện lithium sắt phosphate (cell đơn 3,2V, 10Ah)

1.2 Các bước thử nghiệm

(1) Đặt nhiệt độ môi trường bên trong buồng nhiệt độ cao và thấp ở mức -40, -20, -100, 25, 40, 55 và 60 ℃, với độ ẩm tương đối là 40%.

(2) Phát triển phương pháp sạc và xả: Phương pháp sạc là sạc pin ở dòng điện không đổi 0,2C (2A) đến 3,65V ở (20 ± 5) ℃, chuyển sang sạc điện áp không đổi cho đến khi dòng điện giảm xuống còn 200mA và dừng sạc. Phương pháp xả là để yên trong IH ở các nhiệt độ môi trường khác nhau, sau đó xả ở dòng điện không đổi 1C cho đến khi điện áp giảm xuống điện áp cắt là 2V và tính dung lượng xả.

(3) Lập sơ đồ thực nghiệm: thí nghiệm này lấy 25℃ làm điểm tham chiếu để kiểm tra nhiệt độ. Đầu tiên, tiến hành kiểm tra hiệu suất ở nhiệt độ thấp. Từ 25℃ đến -40℃, lần lượt lấy 0, -10, 20 và -40℃ làm điểm quan sát. Tốc độ thay đổi nhiệt độ là 1℃/phút. Tại mỗi điểm kiểm tra nhiệt độ, đặt pin để kiểm tra trong 24 giờ, sau đó tiến hành kiểm tra hiệu suất nhiệt độ tại điểm nhiệt độ này; Sau đó, tiến hành kiểm tra hiệu suất ở nhiệt độ cao của pin. Để loại bỏ tác động của thử nghiệm ở nhiệt độ thấp, trước tiên khôi phục nhiệt độ của buồng thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp về 25℃ và sử dụng dữ liệu đo được ở nhiệt độ này làm điểm tham chiếu để kiểm tra nhiệt độ cao. Sau đó, tiến hành kiểm tra hiệu suất ở nhiệt độ cao của pin, bắt đầu từ 25℃ đến 60℃ và nghiên cứu khả năng xả 1C của các loại pin lithium-ion khác nhau.

(4) Khi buồng nhiệt độ cao và thấp ổn định ở điều kiện nhiệt độ cài đặt, đặt pin lithium ion đơn có điện áp tiêu chuẩn 3,2V sau khi để yên trong 1 ngày vào buồng thử nghiệm trong 1 giờ để pin đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.

(5) Khi pin xả đến điện áp ngắt 2,0V, hãy dừng xả, phân tích và xử lý dữ liệu có liên quan.

2 Kết quả và thảo luận

Có thể thấy từ dữ liệu rằng dung lượng xả của pin nano Lithium sắt phosphate ở giai đoạn nhiệt độ thấp giảm dần khi nhiệt độ môi trường giảm, vì trong điều kiện nhiệt độ thấp, nồng độ chất điện phân của pin trở nên lớn hơn và tốc độ ion lithium tách khỏi vật liệu điện cực âm trở nên chậm hơn.

Ngoài ra, do điện trở trong của pin lớn hơn, đường cong dung lượng xả giảm và điện áp ngắt xả của pin năng lượng lithium ion đạt được trước, dung lượng xả giảm, hiệu suất xả giảm. Ở nhiệt độ trên 0 ℃, dung lượng xả về cơ bản có thể duy trì trên 93% dung lượng bình thường, trong khi ở nhiệt độ dưới 0 ℃, tốc độ giảm dung lượng xả của pin năng lượng lithium-ion tăng theo nhiệt độ giảm.

Đối với pin nano Lithium sắt phosphate, dung lượng là 88% ở -10 ℃, 75,3% ở 20 ℃ và chỉ 47,1% ở -40 ℃; Ở 25-10 ℃, tỷ lệ suy giảm dung lượng là khoảng 9,5%; Ở -10 ~ -20 ℃, tỷ lệ suy giảm dung lượng là khoảng -12,8%, nhưng tỷ lệ suy giảm dung lượng tăng mạnh từ -20 ℃ đến -40 ℃, đạt khoảng 28,2%. Do đó, -20 ℃ có thể được coi là một nút nhiệt độ thấp của pin Lithium sắt phosphate.

Khi nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ phòng (25 ℃), do hoạt động vật liệu được tăng cường bên trong pin lithium-ion, tốc độ khuếch tán của các ion lithium tăng lên và khả năng xả của nó tăng lên. Ở giai đoạn nhiệt độ cao, sự thay đổi dung lượng của pin không đáng kể và sự thay đổi dung lượng tối đa chỉ tăng khoảng 3% so với chuẩn.

Sau 55℃, đường cong dung lượng về cơ bản không thay đổi, và ở 60℃, dung lượng ở cùng mức với điểm tham chiếu. Tuy nhiên, trong điều kiện nhiệt độ cao, các đặc tính vật lý của vật liệu điện cực của pin lithium sẽ bị suy giảm không thể đảo ngược và cường độ phản ứng của vật liệu điện cực sẽ yếu đi, do đó khả năng xả và hiệu suất xả của nó sẽ giảm. Từ điểm này, có thể thấy rằng việc sử dụng pin trong môi trường trên 50℃ trong thời gian dài nên tránh càng nhiều càng tốt.

Nhiệt độ hoạt động lý tưởng của pin lithium-ion nên nằm trong khoảng 18~50℃ để đảm bảo hiệu suất xả trên 80% và đáp ứng yêu cầu công suất của toàn bộ xe. Từ một số tài liệu tham khảo và hướng dẫn kỹ thuật, có thể thấy rằng để đảm bảo tuổi thọ của chính pin, nhiệt độ hoạt động nên được kiểm soát trong khoảng từ 20 đến 50℃.

Ở -20℃, khả năng xả của hai loại pin lithium khác nhau là 75,01% khả năng của Nameplate, và hiệu suất của pin nano Lithium sắt phosphate tốt hơn pin Lithium sắt phosphate; Ở -40℃, hiệu suất xả của pin nano Lithium sắt phosphate tuyệt vời hơn, và khả năng xả là 47,1% khả năng của Nameplate, trong khi pin Lithium sắt phosphate chỉ là 37,5%. Do đó, việc sử dụng ống nano carbon có độ dẫn điện tuyệt vời để thay thế một phần carbon dẫn điện để làm tấm cực dương Lithium sắt phosphate đã cải thiện đáng kể hiệu suất sạc và xả của pin Lithium sắt phosphate.

3 Kết luận

Đã nghiên cứu hiệu suất nhiệt độ của pin lithium sắt phosphate nano và pin lithium sắt phosphate carbon dẫn điện thông thường. Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ môi trường có tác động lớn đến dung lượng của pin lithium sắt phosphate.

Dung lượng giảm nhanh ở nhiệt độ thấp, dung lượng xanh tăng nhanh ở nhiệt độ cao, nhưng tốc độ thay đổi thấp hơn ở nhiệt độ thấp. Ngoài ra, ống nano cacbon có độ dẫn điện tuyệt vời được sử dụng để thay thế một số cacbon dẫn điện để tạo thành các tấm cực dương Lithium sắt phosphate. Hiệu suất sạc và xả của pin Lithium sắt phosphate được cải thiện đáng kể.

Dung lượng xả của pin nano Lithium sắt phosphate ở -40 ℃ là 47,1% dung lượng ở 25 ℃, dung lượng xả của pin Lithium sắt phosphate thông thường chỉ bằng 37,5% dung lượng ở 25 ℃. Hiệu suất điện hóa tuyệt vời của pin chủ yếu là do cải thiện độ dẫn điện của toàn bộ pin.

Để đảm bảo tuổi thọ của pin, nhiệt độ hoạt động phải được kiểm soát trong khoảng 20~50℃. Đặc điểm nhiệt độ của pin Lithium sắt phosphate được làm rõ, có ý nghĩa to lớn đối với việc thiết kế hệ thống quản lý nhiệt pin.