Thử nghiệm nhiệt thấp pin Lithium EV
Với sự phát triển liên tục của công nghệ pin điện, pin lithium sắt phosphate được công nhận là nguồn điện điện hóa triển vọng nhất do độ an toàn cao, tuổi thọ chu kỳ dài, mật độ năng lượng cao và nền tảng điện áp cao, và đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xe điện. Pin điện là nguồn năng lượng trực tiếp cho xe điện và là thành phần cốt lõi của xe điện. Trong trường hợp không có đột phá đáng kể nào trong công nghệ pin trong thời gian ngắn, việc khám phá và cải thiện hiệu suất làm việc của pin càng nhiều càng tốt đã trở thành một hướng nghiên cứu chính.
Nhiệt độ pin là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin điện. Pin lithium sắt phosphate có hiệu suất tuyệt vời ở nhiệt độ phòng. Khi pin lithium-ion hoạt động dưới 0 ℃, hiệu suất xả của nó sẽ giảm đáng kể. Khi chu kỳ sạc và xả tiến triển, dung lượng pin sẽ bị suy giảm không thể đảo ngược. Trong nghiên cứu về đặc điểm nhiệt độ thấp và cơ chế của pin lithium-ion, nhiệt độ quá thấp có thể dẫn đến kết tinh chất điện phân lỏng, làm chậm tốc độ di chuyển của các ion lithium giữa các điện cực dương và âm, dẫn đến đặc tính sạc và xả ở nhiệt độ thấp kém hơn của pin lithium-ion.
Về phân tích hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng, bao gồm phân tích nguyên lý đầu tiên, phân tích phổ trở kháng điện hóa và phân tích hiệu suất xả điện tích. Việc thiết lập mô hình nhiệt cho pin lithium sắt phosphate là một phương pháp quan trọng để nghiên cứu các đặc tính nhiệt độ thấp của chúng. Hiện nay, có ba loại mô hình nhiệt chính cho pin lithium-ion, cụ thể là mô hình ghép nối điện nhiệt, mô hình ghép nối nhiệt điện hóa và mô hình lạm dụng nhiệt.
Bài viết này tập trung vào phân tích hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium sắt phosphate và mô phỏng các mô hình nhiệt pin, tập trung vào hiệu suất nhiệt độ thấp của pin điện lithium sắt phosphate. Mục đích là thu được các đặc tính nhiệt độ thấp của pin lithium sắt phosphate một cách có hệ thống và toàn diện, cung cấp cơ sở lý thuyết cho ứng dụng của chúng trong lĩnh vực xe điện.
1 Thử nghiệm nhiệt độ thấp và phân tích đặc tính động
1.1 Thiết kế thử nghiệm hiệu suất nhiệt độ thấp của pin
Các bước thử nghiệm chủ yếu bao gồm hai phần: thử nghiệm công suất chuẩn ở các nhiệt độ khác nhau và thử nghiệm đặc tính động. Các bước thử nghiệm có thể được tóm tắt như sau:
(1) Chọn một cục pin riêng lẻ hoàn toàn mới làm đối tượng thử nghiệm và đặt vào buồng nhiệt độ. Đặt nhiệt độ ở nhiệt độ phòng là 25℃, để yên trong 2 giờ và sử dụng dòng điện không đổi 1 C để xả pin đến điện áp ngắt là 2,5 V
(2) Đặt nhiệt độ của máy ấp ở giá trị nhiệt độ thực nghiệm tương ứng, để yên trong 2 giờ và tiến hành kiểm tra dung lượng chuẩn trên pin. Kiểm tra dung lượng chuẩn bao gồm hai bước: sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi (CCCV, điện áp không đổi dòng điện không đổi, dòng điện không đổi 0,5 C, điện áp không đổi 3,65 V, dòng điện cắt 0,01 C) và xả dòng điện không đổi 1 C với điện áp cắt 2,5 V. Bước này được sử dụng để có được dung lượng sạc và xả của pin ở nhiệt độ môi trường hiện tại;
(3) Đặt nhiệt độ của máy ấp ở nhiệt độ phòng là 25℃, để yên trong 2 giờ và sử dụng phương pháp sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi (CCCV, dòng điện không đổi 0,5C, điện áp không đổi 3,65V, dòng điện cắt 0,01C) để sạc đầy pin.
(4) Để so sánh hiệu suất của pin ở các nhiệt độ khác nhau, các bước thử nghiệm trên được lặp lại lần lượt ở -15, 0, 10, 25 và 40 ℃.
Nền tảng thử nghiệm kiểm tra hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion, cụ thể bao gồm buồng nhiệt độ cao và thấp để kiểm soát nhiệt độ trong môi trường thử nghiệm: hệ thống thử nghiệm pin để thử nghiệm hiệu suất pin; Pin lithium sắt phosphate đơn cell, là đối tượng thử nghiệm; Phần mềm máy tính trên, được sử dụng để lập trình phương pháp thử nghiệm pin tùy chỉnh và ghi dữ liệu thử nghiệm pin. Pin đơn cell được sử dụng trong thử nghiệm là pin lithium sắt phosphate dạng gói mềm có dung lượng danh nghĩa là 40 Ah.
1.2 Đặc tính động lực học ở nhiệt độ thấp
Dựa trên dữ liệu thực nghiệm về hiệu suất nhiệt độ thấp của pin, hãy thu được đường cong sạc và xả của pin lithium sắt phosphate ở các nhiệt độ khác nhau. Sạc pin áp dụng phương pháp sạc dòng điện không đổi và điện áp không đổi. Dòng điện sạc ở giai đoạn dòng điện không đổi là 0,5 C và điện áp sạc ở giai đoạn điện áp không đổi là 3,65 V. Khi dòng điện sạc nhỏ hơn 0,01 C, quá trình sạc sẽ dừng lại; Xả pin áp dụng xả dòng điện không đổi 1 C và dừng lại khi điện áp cực pin giảm xuống 2,50 V. Có thể thấy rằng đặc tính sạc và xả của pin bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ. Nhiệt độ càng thấp, đặc tính sạc và xả của pin càng dốc và khả năng sạc và xả khả dụng của pin càng nhỏ.
Phân tích định lượng các đường cong sạc và xả của pin lithium sắt phosphate để có được phạm vi sạc và xả khả dụng cho pin ở các nhiệt độ khác nhau. Có thể thấy rằng nhiệt độ càng thấp thì phạm vi sạc và xả khả dụng của pin càng nhỏ. Khi pin hoạt động ở nhiệt độ môi trường là -15 ℃, phạm vi sạc và xả khả dụng của pin chỉ chiếm 22,2% dung lượng danh định, không còn có thể đáp ứng được các yêu cầu làm việc bình thường của pin điện. Ngoài ra, khi pin hoạt động ở 40 ℃, giới hạn sạc lại tối đa được đo của pin có thể đạt tới 110%. Điều này là do nhiệt độ càng cao, năng lượng tự do Gibbs của phản ứng điện hóa trong pin càng lớn, công điện thực hiện càng lớn và dung lượng sạc lại tương ứng.
Cần lưu ý rằng SOC là một đại lượng tương đối cần được xác định trước. Bài viết này định nghĩa như sau: sử dụng phương pháp xả dòng điện không đổi 0,01 C, pin được xả đến 2,50 V và trạng thái ở điện áp cắt được xác định là 0% SOC; Sử dụng phương pháp sạc dòng điện không đổi và điện áp không đổi (CCCV, dòng điện không đổi 0,5 C, điện áp không đổi 3,65 V, dòng điện cắt 0,01 C), trạng thái của pin khi được sạc đến dòng điện cắt 0,01 C được xác định là 100% SOC; Các định nghĩa trên đều được tiến hành ở nhiệt độ phòng là 25 ℃.
2 Xác định tham số của mô hình nhiệt
2.1 Xác định các thông số nhiệt vật lý của pin
Dựa trên mô hình pin, xác định các thông số mô hình thông qua các thí nghiệm sạc và xả pin. Trong quá trình thí nghiệm, bằng cách đặt pin trong môi trường 20 ℃, có thể giả định gần đúng rằng chỉ có sự truyền nhiệt đối lưu tự nhiên trên bề mặt pin. Các thí nghiệm sạc và xả được tiến hành ở 1 C, 1,5 C, 2 C và 2,5 C, với điện áp cắt lần lượt là 3,65 và 250 V. Phản ứng sạc của pin là một quá trình thu nhiệt, trong khi phản ứng xả là một quá trình tỏa nhiệt. Vì các giá trị tuyệt đối của nhiệt phản ứng trong quá trình sạc và xả là như nhau, nên chỉ phân tích quá trình xả.
Biểu đồ đường cong nhiệt độ bề mặt pin theo thời gian ở các tốc độ xả khác nhau. Có thể thấy rằng các giá trị đo nhiệt độ có dao động nhỏ, chủ yếu là do độ nhạy cao của máy ảnh nhiệt, nhiều điểm lấy mẫu và ảnh hưởng của ánh sáng xung quanh. Những dao động nhỏ này không ảnh hưởng đến xu hướng chung của những thay đổi nhiệt độ. Bằng cách sử dụng các phương pháp số để tính toán độ dốc của từng đường cong, độ dốc của bốn đường cong có thể được đưa vào một đường thẳng và theo công thức, có thể tính được nhiệt dung riêng của pin C = -0,00333.
2.2 Xác định điện trở bên trong của pin
Do nhiệt Joule gây ra bởi điện trở bên trong của pin là nguồn nhiệt chính, để phân tích sâu nhiệt Joule trong quá trình phản ứng của pin, cần phải xác định các giá trị điện trở bên trong của pin ở các nhiệt độ khác nhau. Thực hiện Kiểm tra đặc tính công suất xung lai (HPPC) trên pin sau mỗi 10% SOC ở nhiệt độ thử nghiệm là -15, 0, 10, 25 và 40 ℃.
Dựa trên dữ liệu thử nghiệm, thuật toán bình phương nhỏ nhất được sử dụng để xác định điện trở bên trong của pin tại mỗi điểm thử nghiệm. Ở các nhiệt độ khác nhau, đường cong quan hệ giữa giá trị điện trở bên trong của pin và SOC đã được xác định. Có thể thấy rằng nhiệt độ môi trường có tác động đáng kể đến điện trở bên trong của pin và nhiệt độ môi trường càng thấp thì điện trở bên trong của pin càng lớn.
3 Mô phỏng mô hình nhiệt
3.1 Thử nghiệm mô hình nhiệt của pin
Để xác minh độ chính xác của mô hình, mô hình đã được xác nhận thông qua các thí nghiệm nhiệt độ dựa trên cấu trúc mô hình nhiệt pin và các thông số mô hình được mô tả ở trên. Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ môi trường là 24,8 ℃. Trong quá trình thí nghiệm, pin được xả ở tốc độ xả là 0,5 C và nhiệt độ ở tâm bề mặt pin được thu thập theo thời gian thực bằng cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim có độ chính xác cao.
Mô hình nhiệt pin có độ chính xác cao và có thể mô phỏng quá trình phản ứng sinh nhiệt thực tế của pin. Khi phản ứng xả pin diễn ra, nhiệt độ ở tâm bề mặt pin tăng dần. Do có sự truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, nhiệt độ ở tâm bề mặt pin dần đạt đến xu hướng ổn định theo thời gian.
3.2 Đặc tính nhiệt vật lý ở nhiệt độ thấp
Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt mô phỏng của pin khi xả ở tốc độ 0,5 C đến điện áp cắt 2,5 V ở các nhiệt độ môi trường khác nhau. Có thể thấy rằng do hiệu ứng tỏa nhiệt trong quá trình phản ứng điện hóa, nhiệt độ bề mặt của pin cao hơn nhiệt độ môi trường và nhiệt độ tối thiểu của bề mặt pin cũng cho thấy sự khác biệt đáng kể ở các nhiệt độ môi trường khác nhau. Nguyên nhân của hiện tượng này là khi nhiệt độ giảm, điện trở trong của pin tăng theo mô hình hàm mũ gần đúng.
Ở nhiệt độ môi trường thấp hơn, điện trở bên trong của pin tăng đáng kể. Khi cùng một tốc độ phản ứng phóng điện xảy ra bên trong pin, hiện tượng sinh nhiệt do điện trở bên trong tăng đáng kể. Do đó, theo điều kiện biên của truyền nhiệt đối lưu trong pin, nhiệt độ bề mặt của pin sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường.
Đồng thời, có thể thấy rằng nhiệt độ ở phần trên của pin, đặc biệt là ở tai cực, đã tăng đáng kể so với các bộ phận khác và có một gradient nhiệt độ đáng kể từ tai cực đến đáy pin. Điều này chủ yếu được xác định bởi các tính chất vật lý nhiệt của vật liệu pin. Cell pin được cấu tạo từ nhiều vật liệu dị hướng khác nhau và các tai điện cực dương và âm của pin lần lượt được làm bằng kim loại nhôm và kim loại niken. Khi dòng điện chạy qua các tai điện cực, diện tích mặt cắt giảm đáng kể và điện trở bên trong tăng mạnh. Hiệu ứng nhiệt của điện trở bên trong tại các tai điện cực cao hơn đáng kể so với lõi pin. Do đó, trong quá trình phản ứng điện hóa của pin, phần lớn nhiệt được tạo ra ở các tai điện cực và nhiệt được truyền từ các tai điện cực đến cell thông qua dẫn nhiệt, tạo thành một gradient nhiệt độ rõ ràng.
4 Kết luận
Bài báo này nghiên cứu các đặc tính nhiệt độ thấp của pin điện lithium sắt phosphate cho xe điện. Đầu tiên, các thí nghiệm về hiệu suất nhiệt độ thấp của pin đã được thiết kế và tiến hành. Kết quả thí nghiệm cho thấy đặc tính sạc và xả của pin bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ. Nhiệt độ càng thấp, đặc tính sạc và xả của pin càng dốc và khả năng sạc và xả khả dụng của pin càng nhỏ. Thứ hai, một mô hình nhiệt và phương pháp xác định thông số nhiệt độ thấp cho pin lithium sắt phosphate đã được thiết lập. Cuối cùng, một nghiên cứu mô phỏng đã được tiến hành trên mô hình nhiệt của pin lithium sắt phosphate.
Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình nhiệt pin được đề xuất trong bài báo này có độ chính xác cao và có thể mô phỏng quá trình phản ứng sinh nhiệt thực tế của pin. Trong quá trình phản ứng điện hóa của pin, phần lớn nhiệt được sinh ra ở các tai điện cực và nhiệt được truyền từ các tai điện cực đến cell pin thông qua dẫn nhiệt, tạo thành một gradient nhiệt độ đáng kể. Khi nhiệt độ môi trường giảm, chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt pin và nhiệt độ môi trường trở nên lớn hơn và gradient nhiệt độ ở phần dưới của bề mặt pin sẽ tăng dần.
