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.