Pack pin là thành phần quan trọng nhất của xe điện, cung cấp năng lượng cho hoạt động của xe và hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc của xe điện. Có hiệu suất an toàn đáng tin cậy là yêu cầu cơ bản đối với pin điện được sử dụng trong xe điện. Trong quá trình sạc và xả pin, các ứng suất khác nhau được tạo ra do các phản ứng điện hóa kèm theo một lượng nhiệt lớn. Đặc biệt là khi dòng điện sạc và xả quá lớn, dễ tạo ra hiệu ứng phân cực, khiến điện áp pin cao một cách giả tạo, đồng thời, nhiệt lượng tỏa ra sẽ tăng lên đáng kể và hiệu ứng nhiệt sẽ được tăng cường. Nhiệt lượng bên trong pin tăng nhanh sẽ gây ra thiệt hại không thể phục hồi cho các ion hoạt chất bên trong pin, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của pin và làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin. Do đó, việc phân tích các đặc tính nhiệt của pack pin có ích cho việc sử dụng an toàn của xe điện.

1 Mô phỏng pack pin

Điện trở trong của một pack pin lithium sắt phosphate đơn cho xe điện là 7 mΩ, dung lượng của pin là 10 A • h, điện áp ngắt sạc là 4,23 V và chiều dài, chiều rộng và chiều cao của pin đơn có khối lượng 0,27 kg lần lượt là 65 mm, 22 mm và 104 mm; Bán kính của cực là 2,25 mm và chiều cao là 6,00 mm. Pack pin gồm bốn pin song song và mười hai pin nối tiếp. Tổng dòng điện xả ở tốc độ 1 C là 40 A và dòng điện thực tế qua một pin đơn là 10 A. Thiết lập mô hình nhiệt của pack pin bằng ANSYS.

1.1 Điều kiện biên của trường dòng nhiệt trong buồng pin

Trường dòng nhiệt bên trong buồng pin được giải quyết bằng cách sử dụng trường liên kết nhiệt chất lỏng. Các điều kiện truyền nhiệt đối lưu có thể được sử dụng trực tiếp trong trường dòng, mà không cần phải thiết lập các điều kiện biên cho trường nhiệt. Các điều kiện biên nhập và xuất bao gồm nhiệt độ, vận tốc không khí và áp suất không khí. Đặt nhiệt độ đầu vào ở nhiệt độ môi trường là 20 ℃ và áp suất đầu ra ở 0. Tốc độ dòng khí là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự tản nhiệt của buồng pin. Bài viết này sẽ nghiên cứu tác động của thông gió tự nhiên và thông gió cưỡng bức đến các đặc tính nhiệt của pin. Do chênh lệch nhiệt độ nhỏ giữa buồng và bên ngoài và trao đổi nhiệt nhỏ với bên ngoài, nên điều kiện biên thành được đặt là ranh giới đoạn nhiệt nhiệt độ không đổi.

1.2 Phân tích đặc tính nhiệt của pack pin lithium sắt phosphate

1) Trong điều kiện xả dòng điện liên tục ở tốc độ 1 C ở nhiệt độ môi trường 20 ℃, nhiệt độ tối đa của pack pin là 32 ℃, nhiệt độ tối thiểu là 26 ℃ và chênh lệch nhiệt độ là 6 ℃. Nhiệt độ thấp nhất xảy ra ở rìa của pack pin. Những vị trí này thường được thông gió tốt, cho phép truyền nhiệt đối lưu đủ hơn; Nhiệt độ cao nhất xảy ra ở vị trí lõi bên trong từng pin. Do không có kết nối trực tiếp với thế giới bên ngoài, dẫn nhiệt chỉ có thể dựa vào polyme và chất điện phân bên trong pin, dễ gây tích tụ nhiệt. Do đó, nhiệt độ ở vị trí lõi cao hơn một chút so với vị trí cạnh

2) Khi xả ở tốc độ dòng điện không đổi 2 C trong điều kiện nhiệt độ môi trường là 20 ℃, nhiệt độ tối đa của pack pin là 43 ℃, nhiệt độ tối thiểu là 31 ℃ và chênh lệch nhiệt độ là 12 ℃. Nhiệt độ thấp nhất xảy ra ở rìa của pack pin, trong khi nhiệt độ cao nhất xảy ra ở lõi bên trong của từng pin. Do chênh lệch nhiệt độ tổng thể bên trong pack pin vượt quá chênh lệch nhiệt độ tiêu chuẩn được thiết kế (10 ℃). Nếu sử dụng tốc độ xả 2 C trong thời gian dài để khởi động, leo dốc, tăng tốc, v.v., sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin.

2 Thử nghiệm nhiệt

Thí nghiệm thực địa nhiệt độ của pin lithium sắt phosphate cho xe điện có thể đo được sự chênh lệch nhiệt độ tại các điểm điển hình của cụm pin. Chúng ta không chỉ có thể hiểu được sự phân bố nhiệt độ thực tế và sự gia tăng nhiệt độ của pin lithium sắt phosphate. Đồng thời, độ chính xác của kết quả tính toán mô phỏng cũng có thể được xác minh dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Cung cấp cơ sở đáng tin cậy cho thiết kế quản lý nhiệt của cụm pin.

Để đo chính xác nhiệt độ bề mặt thực tế của pack pin trong khoang pin ở các tốc độ xả khác nhau. Đầu của cảm biến nhiệt độ cần được dán chặt vào bề mặt bên của pack pin. Để giảm thiểu tối đa lỗi đọc nhiệt độ mà không ảnh hưởng đến luồng không khí bên trong khoang pin.

Đặt một cảm biến nhiệt độ tại điểm trung tâm A ở bên hông của pack pin. Đặt một cảm biến nhiệt độ tại cạnh B ở bên hông của pack pin. Tiến hành các thử nghiệm xả ở tốc độ xả 1 C và 2 C tương ứng. Để đảm bảo độ chính xác của thí nghiệm, 5 thử nghiệm đã được tiến hành ở các tốc độ xả khác nhau và nhiệt độ cao nhất trung bình cùng lúc được lấy cho 5 thử nghiệm.

Qua so sánh và phân tích kết quả thực nghiệm và mô phỏng, có thể thấy sai số giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm nằm trong phạm vi 8%, cho thấy mô hình mô phỏng pin lithium được thiết lập trong bài báo này là chính xác và thực tế, có thể sử dụng để cải thiện khả năng quản lý nhiệt của pack pin.

3 Cải thiện quản lý nhiệt

Xe điện cần xả dòng điện cao của pin trong quá trình tăng tốc, leo dốc và các điều kiện làm việc khác. Lúc này, dòng điện bên trong pack pin tăng theo cấp số nhân và trường nhiệt độ bên trong pack pin cũng sẽ thay đổi đáng kể. Do đó, cần phải cải thiện khả năng tản nhiệt của pack pin hiện có.

Hệ thống quản lý nhiệt sử dụng không khí làm môi trường có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và quy trình sản xuất đơn giản hơn so với hệ thống quản lý nhiệt sử dụng chất lỏng làm môi trường. Hơn nữa, các khí độc hại phát sinh do nhiều lý do khác nhau có thể được thải ra kịp thời, mang lại sự an toàn hơn. Do đó, bài viết này áp dụng thông gió cưỡng bức để tản nhiệt trong hệ thống. Để đảm bảo tản nhiệt tốt, tốc độ tại cửa gió vào của hệ thống làm mát được đặt ở mức 30 m/s. Thông qua tính toán mô phỏng ANSYS, phân bố trường nhiệt độ của pack pin cải tiến đã thu được.

Sau khi cải thiện quản lý nhiệt của pack pin, chênh lệch nhiệt độ và nhiệt độ tối đa trong quá trình xả ở các tốc độ xả khác nhau đã được giảm xuống. Và tất cả đều nằm trong phạm vi cho phép. Khi pack pin được xả ở tốc độ 1 C, nhiệt độ tối đa của pin giảm 1 ℃ mà không có bất kỳ thay đổi nào về chênh lệch nhiệt độ;

Khi pin xả ở mức 2℃, nhiệt độ tối đa của pin giảm 8℃ và chênh lệch nhiệt độ giảm xuống còn 8,5℃;

Khi pin được xả ở mức 3 độ C, nhiệt độ tối đa của pin giảm xuống mức cho phép và chênh lệch nhiệt độ cũng giảm xuống mức cho phép.

Khi so sánh, có thể thấy nhiệt độ tối đa và chênh lệch nhiệt độ của pack pin cải tiến nằm trong phạm vi cho phép. Kế hoạch cải tiến là khả thi và hiệu quả.

4 Kết luận

Bài viết này lấy một loại pin lithium sắt phosphate của xe điện làm đối tượng nghiên cứu, thiết lập mô hình mô phỏng của nó bằng phần mềm ANSYS và tiến hành phân tích mô phỏng. Kết quả cho thấy nhiệt độ xả cao nhất của pin ở tốc độ 2C là 43℃, với chênh lệch nhiệt độ là 12℃, vượt quá chênh lệch nhiệt độ cho phép là 10℃.

Sử dụng lâu dài có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin. Phương pháp quản lý nhiệt của pack pin đã được cải thiện và nhiệt độ tối đa và chênh lệch nhiệt độ của pack pin trong quá trình xả ở độ phóng đại 2 C và 3 C đã được giảm xuống, đáp ứng các yêu cầu tản nhiệt của pack pin trong quá trình khởi động, leo dốc và tăng tốc của xe điện.