Là một thành phần quan trọng của tàu vũ trụ, pin lithium-ion oxit coban cung cấp năng lượng cho hầu hết các hệ thống điện tử. Hiệu suất của pin lithium-ion ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn, độ mượt mà và tính kinh tế của hoạt động tàu vũ trụ. Các yêu cầu về hiệu suất pin trong điều kiện hàng không có thể được chia thành ba điểm: độ ổn định nhiệt độ tốt, năng lượng riêng cao và tuổi thọ chu kỳ dài. So với các loại pin lithium truyền thống khác, pin ion coban có nhiều ưu điểm như hoạt động đáng tin cậy trong môi trường nhiệt độ thấp, điện áp đầu ra ổn định, năng lượng riêng cao và nhiều chu kỳ, đáp ứng các yêu cầu trong điều kiện khắc nghiệt như hàng không vũ trụ.

Kích thước điện trở bên trong của pin quyết định trực tiếp dung lượng của pin, đồng thời điện trở bên trong của pin cũng quyết định hiệu suất làm việc của pin. Trong quá trình sử dụng pin thực tế, điện trở bên trong của pin lithium-ion liên tục thay đổi theo nhiệt độ môi trường và điều kiện SOC khác nhau. Trong nghiên cứu thực tế, kết hợp đường cong biến thiên điện trở bên trong của pin có thể ước tính chính xác hơn SOC thực tế của pin.

Qua thử nghiệm thực nghiệm, người ta thấy rằng khi nhiệt độ giảm, điện trở ômi và điện trở phân cực của pin sắt photphat tăng dần trong quá trình sạc và xả. Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến điện trở bên trong của pin. Nhiệt độ môi trường có tác động đáng kể đến dung lượng của pin lithium sắt photphat. Ở nhiệt độ thấp, dung lượng giảm nhanh, trong khi ở nhiệt độ cao, dung lượng tăng nhanh. Tuy nhiên, tốc độ thay đổi chậm hơn ở nhiệt độ thấp.

Xem xét tính an toàn của pin hàng không vũ trụ đang sử dụng và việc thiếu các nghiên cứu về đặc tính điện trở bên trong của pin lithium-ion oxit coban của các học giả, việc thử nghiệm nhiệt độ của pin lithium-ion hàng không vũ trụ là cần thiết. Bài viết này sử dụng 0-50 ℃ để tiến hành các thử nghiệm điện trở bên trong trên pin lithium-ion oxit coban và sử dụng phương pháp HPPC (Đặc tính công suất xung lai) để thử nghiệm pin 45 Ah ICP 45 ở các nhiệt độ môi trường và trạng thái SOC khác nhau. Những thay đổi về điện trở bên trong của pin lithium-ion oxit coban ở các nhiệt độ môi trường và SOC khác nhau được nghiên cứu chi tiết.

1 Thử nghiệm

1.1 Đối tượng thử nghiệm và thiết bị

Pin thử nghiệm được sử dụng là pin lithium-ion oxit coban ICP 45. Dung lượng định mức của pin là 45 Ah và vật liệu điện cực dương là oxit lithium coban. Thiết bị sạc và xả pin. Hộp nhiệt độ không đổi sử dụng buồng thử độ ẩm nhiệt độ DGBELL.

1.2 Phương pháp tính toán điện trở trong và thử nghiệm HPPC

Có nhiều phương pháp để kiểm tra điện trở bên trong của pin lithium, bao gồm phương pháp đường cong đặc tính volt ampe, phương pháp điện áp mạch hở, phương pháp đặc tính công suất xung hỗn hợp (HPPC) và phương pháp trở kháng AC. Bài viết này sử dụng phương pháp HPPC để kiểm tra điện trở của pin lithium, được ghi lại trong dự án Freedom CAR “Power Assisted Hybrid Vehicle Power Battery Test Manual” tại Hoa Kỳ. So với các phương pháp phát hiện điện trở bên trong khác, phương pháp này có những ưu điểm đáng kể về độ chính xác và hiệu quả phát hiện. Phương pháp HPPC có thể được sử dụng để đo điện trở phân cực và điện trở Ohmic của pin ở nhiều trạng thái khác nhau.

Đầu tiên, một dòng xung xả được áp dụng ở cả hai đầu của pin và điện áp giảm xuống U 1 tại thời điểm tải xung, sau đó xu hướng giảm chậm lại. Sau khi dòng điện tiếp tục trong 10 giây, tải xung bị hủy tại thời điểm t 2 và điện áp ngay lập tức phục hồi về U 3. Sau khi chờ 40 giây, điện áp ổn định ở U 4. Quá trình bước từ U 2 đến U 3 bắt nguồn từ điện trở Ohmic bên trong của pin, trong khi quá trình dần dần từ U 3 đến U 4 là sự suy giảm điện áp ở cả hai phía của điện trở phân cực và điện áp có xu hướng ổn định ở U 4. HPPC tính toán điện trở Ohmic và điện trở phân cực của pin bằng cách kiểm tra các thay đổi điện áp trong giai đoạn đầu của tải dòng điện. Bằng cách đo điện áp trong thí nghiệm xả, hãy tính điện trở bên trong của quá trình sạc và xả ở các trạng thái sạc khác nhau.

1.3 Các bước kiểm tra

Bước 1: Kích hoạt pin lithium coban oxit thông qua các thí nghiệm sạc và xả tuần hoàn. Điện áp giới hạn trên của ICP 45 là 4,15 V và điện áp ngoại tuyến là 3,0 V. Sạc và xả tuần hoàn ba lần, sạc ở tốc độ 0,2 C và xả ở tốc độ 0,1 C. Sau mỗi lần sạc hoặc xả, để yên trong 12 giờ;

Bước 2: Bắt đầu xả 100% SOC ICP 45 pin ở tốc độ 0,5 C và ghi lại thời gian xả. Sau khi xả trong 12 phút (90% SOC còn lại của pin được để yên trong 1 giờ), bắt đầu thử nghiệm đặc tính công suất xung hỗn hợp và ghi lại điện áp mạch hở, dòng điện xả OCV và thời gian;

Bước 3: Lặp lại các bước của bước thứ hai, ghi lại điện áp mạch hở và dòng điện xả của pin ở 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% và 0% ở các SOC khác nhau và tính toán điện trở ômi và điện trở phân cực; Bước 4: Tắt tải điện tử và nguồn sạc, ngắt kết nối rơle và xuất dữ liệu vào bảng tính Excel.

2 Kết quả thử nghiệm và phân tích

2.1 Phân tích đặc tính điện trở nội Ohmic

Điện trở bên trong của pin lithium coban oxit bao gồm Điện trở bên trong Ohmic và Điện trở bên trong phân cực. Thông qua phân tích dữ liệu thực nghiệm, có thể kết luận rằng khi nhiệt độ giảm, điện trở bên trong Ohmic liên tục tăng. Lý do chính là điện trở bên trong Ohmic của pin lithium-ion oxit coban chủ yếu bao gồm chất điện phân, đầu nối điện và điện cực dương và âm. Khi nhiệt độ môi trường thấp, độ hòa tan của các ion lithium trong chất điện phân bên trong pin lithium-ion oxit coban giảm nhanh chóng, khiến các ion lithium kết tủa trong chất điện phân, làm giảm nồng độ các ion lithium trên một đơn vị thể tích, làm chậm tốc độ khuếch tán của các ion lithium trong chất điện phân và làm tăng điện trở bên trong ohmic của pin.

Chúng tôi đã so sánh các đặc điểm biến thiên của điện trở trong Ohmic với SOC ở 0, 10, 20, 30 ℃ và 50 ℃ và thấy rằng SOC của pin lithium-ion oxit coban thay đổi chậm trong phạm vi hoạt động (20%, 100%) ở nhiệt độ môi trường trên 20 ℃. Ví dụ, trong điều kiện 30 ℃, điện trở trong Ohmic của pin lithium-ion oxit coban vẫn ổn định ở mức 0,7 m Ω trong quá trình hoạt động bình thường. Do đó, điện trở trong Ohmic của pin trong phạm vi nhiệt độ này ở SOC (20%, 100%) có thể được coi là một giá trị hằng số.

Điện trở trong Ohmic cực kỳ nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ môi trường và khi nhiệt độ dưới 10 ℃, điện trở trong Ohmic của pin thay đổi đáng kể theo SOC của pin. Khi SOC của pin ở trạng thái cao, chuyển động ion bên trong pin hoạt động mạnh hơn, bù đắp cho sự giảm hoạt động của chất điện phân và có tác động nhỏ hơn đến điện trở Ohmic. Nhưng khi SOC của pin giảm, năng lượng ion bên trong pin cũng giảm, dẫn đến điện trở Ohmic tăng nhanh. Thông qua hai đường cong 10 ℃ và 0 ℃, có thể thấy rằng khi nhiệt độ giảm, điện trở trong Ohmic tăng với tốc độ nhanh hơn khi SOC của pin tăng.

2.2 Phân tích đặc tính điện trở phân cực bên trong và điện trở tổng bên trong

Chúng ta có thể kết luận rằng điện trở phân cực của pin chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, liên quan đến việc làm chậm tốc độ khuếch tán nồng độ ở nhiệt độ thấp. Ở 0 ℃, điện trở phân cực của pin gần gấp ba lần so với 50 ℃ trong cùng điều kiện. Ở cùng nhiệt độ, điện trở phân cực của pin thay đổi rất ít, đặc biệt là khi SOC nằm trong phạm vi (20%, 90%) và điện trở phân cực của pin có thể được coi là một giá trị không đổi.

Điện trở phân cực của pin lithium-ion oxit coban tăng theo sự giảm của SOC pin trong phạm vi (0%, 20%). Điện trở phân cực bên trong của pin lithium-ion oxit coban tăng theo sự giảm nhiệt độ. Điều này là do hoạt động của lithium phân ly ở hạ lưu của pin lithium-ion oxit coban giảm ở nhiệt độ thấp, khiến việc khử xen kẽ ở điện cực âm trở nên khó khăn, dẫn đến điện trở phân cực bên trong của pin tăng. Khi nhiệt độ cao, năng lượng của các ion lithium trong điện cực âm của pin cao, làm tăng tốc độ khuếch tán của các ion

Ở SOC từ 0% đến 20%, điện trở ohmic và điện trở phân cực của pin lithium ion tăng dần khi SOC giảm. Tuy nhiên, sự gia tăng điện trở bên trong Ohmic khi SOC giảm lớn hơn đáng kể so với điện trở bên trong phân cực, cho thấy điện trở bên trong Ohmic nhạy cảm hơn với SOC của pin. Trong cùng trạng thái SOC, cả điện trở phân cực và điện trở Ohmic đều tăng dần khi nhiệt độ giảm. Thông qua phân tích dữ liệu, người ta thấy rằng biên độ của điện trở phân cực tăng khi nhiệt độ giảm lớn hơn đáng kể so với điện trở Ohmic, cho thấy điện trở phân cực nhạy cảm hơn với nhiệt độ thấp.

Khi nhiệt độ thấp, điện trở phân cực bên trong của pin tương đối cao, nhưng chỉ chiếm một phần tư tổng điện trở bên trong của pin, và tác động của nó đối với dung lượng và hiệu suất làm việc của pin tương đối hạn chế. Mặc dù điện trở phân cực của pin tăng hơn gấp đôi ở nhiệt độ thấp so với nhiệt độ phòng, nhưng so với các điện trở khác, đặc biệt là pin lithium sắt phosphate hoặc pin axit chì, điện trở phân cực của pin lithium sắt oxit coban vẫn có độ ổn định nhiệt độ tốt.

Qua phân tích mối quan hệ giữa điện trở trong của pin và SOC, có thể kết luận rằng trong phạm vi SOC (0%, 20%), tổng điện trở trong của pin sẽ tăng khi SOC của pin giảm. Điện trở trong cao sẽ dẫn đến tăng nhiệt lượng tỏa ra của pin và rút ngắn tuổi thọ của pin. Sử dụng không đúng cách sẽ khiến pin xả quá mức và không sử dụng được. Do đó, để kéo dài tuổi thọ của pin, nên giữ pin hoạt động trong phạm vi SOC từ 30% đến 100%.

Qua phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở trong của pin, có thể kết luận rằng điện trở trong của pin sẽ tăng khi nhiệt độ giảm, và điện trở trong của pin tăng sẽ dẫn đến giảm dung lượng pin. Để đảm bảo hiệu suất của pin, nên giữ pin hoạt động trên 10 ℃ càng nhiều càng tốt. Khi nhiệt độ dưới 10 ℃, để tránh tác động của môi trường nhiệt độ thấp đến hiệu suất của pin, cần phải làm nóng bộ pin trước khi khởi động pin. Vì pin sinh nhiệt trong quá trình hoạt động nên không cần phải làm nóng pin trong quá trình hoạt động.

3 Kết luận

Bài viết này tiến hành các thí nghiệm trên pin lithium coban oxit hàng không, phân tích những thay đổi về Điện trở nội Ohmic và Phân cực của pin ở các SOC và nhiệt độ khác nhau, và tóm tắt lý do cho những thay đổi tương ứng. Điện trở phân cực và điện trở ohm của pin lithium ion với axit khoan sẽ tăng khi nhiệt độ giảm. Điện trở phân cực nhạy cảm hơn với nhiệt độ, trong khi điện trở ohm sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và SOC. Đối với đặc điểm là điện trở phân cực của pin lithium coban oxit tăng khi nhiệt độ giảm, cần phải làm nóng bộ pin ở nhiệt độ thấp để cải thiện dung lượng và hiệu suất của pin.