Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp xe năng lượng mới của Trung Quốc đã cho thấy sự tăng trưởng bùng nổ, thu hút nhiều sự chú ý đến hệ thống pin điện được sử dụng trong xe năng lượng mới. Là một trong những thành phần chính của xe điện, tuổi thọ của hệ thống pin điện ảnh hưởng trực tiếp đến việc sử dụng chung của xe. Trước đây, nghiên cứu về vòng đời của pin điện thường chỉ giới hạn ở từng cell hoặc mô-đun pin riêng lẻ và có rất ít báo cáo về nghiên cứu hệ thống pin điện.

Do hiệu ứng bo mạch ngắn, hiệu suất của hệ thống pin thường được xác định bởi các cell riêng lẻ kém nhất bên trong, do đó, sự không nhất quán của các cell riêng lẻ có thể dẫn đến giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống pin, đặc biệt là tuổi thọ của hệ thống pin sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều. Do đó, việc cố gắng xác định mô hình suy giảm tuổi thọ của hệ thống pin, thiết lập phương pháp đánh giá tuổi thọ và mô hình tuổi thọ cho hệ thống pin điện, cung cấp cơ sở để thiết lập các phương pháp kiểm tra và đánh giá tuổi thọ nhanh cho pin điện, có ý nghĩa rất lớn đối với việc sử dụng hợp lý hệ thống pin trong toàn bộ xe.

1 Đối tượng thử nghiệm và thiết bị

Đối tượng nghiên cứu: Thí nghiệm này sử dụng hệ thống pin năng lượng cao 310,8 V, 37 Ah cho xe hybrid làm đối tượng nghiên cứu. Hệ thống pin năng lượng bao gồm 7 mô-đun nối tiếp, mỗi mô-đun pin năng lượng bao gồm 12 cell pin năng lượng nối tiếp. Hình thức kết hợp của toàn bộ hệ thống pin năng lượng là 1 kết nối song song và 84 kết nối nối tiếp.

Thiết bị thử nghiệm: Hệ thống pin điện sử dụng bộ mô phỏng pin điện để tiến hành các thử nghiệm về tuổi thọ chu kỳ và điện trở bên trong của pin. Sử dụng bộ làm mát bằng nước để làm mát hệ thống pin trong chu kỳ và tiến hành thử nghiệm tuổi thọ chu kỳ của hệ thống pin điện lithium-ion. Bộ pin điện được thử nghiệm tuổi thọ chu kỳ bằng bộ mô phỏng pin điện và buồng môi trường , và một trạm làm việc điện hóa được sử dụng để thử nghiệm trở kháng AC.

2 Phương pháp thử nghiệm

2.1 Phương pháp thử chu kỳ cell đơn cho pin điện

Để đảm bảo khả năng so sánh của kết quả thực nghiệm, các monome pin có độ đồng nhất tốt đã được chọn từ cùng một lô mẫu và các thí nghiệm so sánh đã được tiến hành ở các độ sâu xả khác nhau (phạm vi DOD) ở các nhiệt độ khác nhau. Phương pháp thử nghiệm tuần hoàn đối với monome pin điện như sau

(1) Độ sâu sạc và xả 100% (DOD 100%): Kiểm tra chu kỳ pin được tiến hành ở nhiệt độ phòng và 40 ℃. Pin được sạc ở dòng điện không đổi 1 C cho đến khi điện áp cell đạt 4,24 V, sau đó chuyển sang sạc điện áp không đổi cho đến khi dòng điện nhỏ hơn hoặc bằng 1,85 A và dừng sạc. Để yên trong 30 phút và xả ở dòng điện không đổi 1 C cho đến khi điện áp cell đạt 3,00 V. Để yên trong 30 phút và lặp lại các bước trên để kiểm tra chu kỳ; Thực hiện hiệu chuẩn dung lượng và kiểm tra trở kháng AC sau mỗi 100 chu kỳ.

(2) Độ sâu sạc và xả 80% (80% DOD): Kiểm tra chu kỳ pin được tiến hành ở nhiệt độ phòng và môi trường 40 ℃. Sử dụng dòng điện không đổi 1 C để sạc pin đến điện áp 4,24 V và để yên trong 30 phút. Sử dụng dòng điện không đổi 1 C để xả pin đến điện áp 3,00 V và để yên trong 30 phút. Lặp lại các bước trên cho kiểm tra chu kỳ và hiệu chuẩn dung lượng và kiểm tra trở kháng AC sau mỗi 100 chu kỳ.

2.2 Phương pháp kiểm tra chu kỳ cho hệ thống pin điện

(1) Độ sâu xả sạc 100% (DOD 100%). Để tránh tác động của nhiệt độ không đồng đều bên trong hệ thống pin thỏ đến tuổi thọ chu kỳ của nó, thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng (25 ± 5) ℃, với nhiệt độ chất làm mát là 25 ℃ và lưu lượng là 8 L/phút. Sạc với 1 C cho đến khi điện áp tổng đạt 352,8 V, sau đó chuyển sang sạc điện áp không đổi cho đến khi dòng điện nhỏ hơn hoặc bằng 1,85 A và dừng sạc (CC-CV), để yên trong 30 phút: xả với dòng điện không đổi 1 C cho đến khi điện áp riêng lẻ đạt 3,00 V, để yên trong 30 phút; Tổng cộng đã tiến hành 170 chu kỳ.

(2) Độ sâu sạc và xả 80% (80% DOD): Thử nghiệm chu kỳ hệ thống pin được tiến hành ở nhiệt độ phòng, với nhiệt độ chất làm mát là 25 ℃ và lưu lượng là 8 L/phút. Sạc bằng dòng điện không đổi 1 C cho đến khi tổng điện áp đạt 348,6 V và để yên trong 30 phút, sau đó xả bằng dòng điện không đổi 1 C cho đến khi tổng điện áp đạt 290,8 V và để yên trong 30 phút; Tổng cộng đã tiến hành 2500 chu kỳ. Thực hiện hiệu chuẩn dung lượng sau mỗi 200 hoặc 100 chu kỳ và tiến hành thử nghiệm điện trở DC (DCR) ở dòng điện sạc và xả cố định theo SOC.

Hiệu chuẩn dung lượng bao gồm việc tiến hành 3 lần thử nghiệm sạc và xả DOD 100% trên hệ thống pin; Đầu tiên, thử nghiệm DCR yêu cầu hệ thống pin 1 C phải được sạc đến tổng điện áp là 311,56 V (CC-CV, dòng điện cắt là 1,85 A), để yên trong 30 phút, sau đó sạc 20 A và xả 20 A trong 10 giây, sạc 120 A và xả 120 A trong 10 giây, xả 1 C đến điện áp cắt duy nhất là 3,00 V, sau đó tính toán các giá trị điện trở DC dưới mỗi dòng điện xung

3 Phân tích dữ liệu thử nghiệm chu kỳ tế bào đơn

3.1 Khả năng xả của cell đơn và số chu kỳ

Các cell pin điện được thử nghiệm tuổi thọ 500 chu kỳ ở nhiệt độ phòng (25 ± 5) ℃ với 80% DOD và 100% DOD: sạc và xả 100% DOD được thực hiện sau mỗi 200 hoặc 100 chu kỳ để hiệu chỉnh dung lượng.

Dung lượng xả ban đầu của chu kỳ pin là 38,00 Ah. Sau 200 chu kỳ, tỷ lệ duy trì dung lượng là 100,63%, lớn hơn tỷ lệ duy trì dung lượng là 99,46% sau 170 chu kỳ DOD 100% trong hệ thống pin;

Sau 500 chu kỳ, dung lượng xả là 37,57 Ah và tỷ lệ duy trì dung lượng là 98,87%.

Dung lượng xả ban đầu của chu kỳ 80% DOD là 38,73 Ah.

Sau 200 chu kỳ, dung lượng là 38,36 Ah và tỷ lệ duy trì dung lượng là 99,04%.

Sau 500 chu kỳ, dung lượng xả là 36,66 Ah và tỷ lệ duy trì dung lượng là 94,66%. Sau 400 chu kỳ DOD 80% trong hệ thống pin, tỷ lệ duy trì dung lượng là 96,72% và sau 600 chu kỳ, tỷ lệ duy trì dung lượng là 91,76%.

Đường cong điện áp dung lượng của các cell pin điện ở nhiệt độ phòng. Có thể thấy rằng nền tảng điện áp xả của pin hệ thống ba thành phần NCM nằm trong khoảng 4,15 – 3,30 V và nền tảng điện áp sạc nằm trong khoảng 3,50 – 4,20 V. Đường cong điện áp dung lượng của 80% DOD sau 0-500 chu kỳ cho thấy khả năng xả giảm đáng kể sau mỗi 200 hoặc 100 chu kỳ ở độ sâu sạc và xả này. Sau 0-500 chu kỳ, đường cong điện áp dung lượng của 100% DOD không cho thấy khả năng xả giảm đáng kể.

Pin điện đã trải qua 500 lần thử nghiệm tuổi thọ chu kỳ ở 80% DOD và 100% DOD trong môi trường (40 ± 5) ℃. Dung lượng xả ban đầu của chu kỳ tuổi thọ 80% DOD của pin là 40,19 Ah và tỷ lệ duy trì dung lượng xả sau 200 chu kỳ là 94,65%; Sau 500 chu kỳ, dung lượng xả là Ah và tỷ lệ duy trì dung lượng là 91,22% DOD. Dung lượng xả ban đầu là sau chu kỳ tuổi thọ và tỷ lệ duy trì dung lượng là 95,82%;

Sau 500 chu kỳ, ở nhiệt độ phòng và 40 ° C, tỷ lệ duy trì khả năng xả tuần hoàn lớn hơn 80% tỷ lệ duy trì khả năng xả tuần hoàn DOD (khả năng xả đầy đủ sau khi kết thúc chu kỳ/khả năng xả đầy đủ ban đầu)

Tốc độ suy giảm dung lượng trong quá trình sạc pin ở 40℃ lớn hơn so với nhiệt độ phòng, cho thấy nhiệt độ cao sẽ đẩy nhanh quá trình suy giảm dung lượng pin và làm giảm tuổi thọ sạc pin.

Ở 40 ° C, khả năng xả của một pin đơn năng giảm nhanh chóng giữa 0-300 chu kỳ ở 80% DOD và nhanh chóng giữa 100-200 chu kỳ ở 100% DOD

3.2 Trở kháng AC của cell đơn

Phổ trở kháng AC của các cell pin điện trước và sau 80% chu kỳ DOD ở nhiệt độ phòng và 40 ℃. Trở kháng pin của pin lithium-ion bao gồm trở kháng của chất điện phân, trở kháng truyền khối và điện tích tại giao diện chất điện phân điện cực và trở kháng khuếch tán của các ion lithium gần điện cực và giao diện của nó.

Phổ trở kháng của điện cực bao gồm một nửa hình tròn ở vùng tần số cao và một đường chéo ở vùng tần số thấp. Trở kháng của chất điện phân tăng đáng kể trước và sau 500 chu kỳ ở nhiệt độ phòng và 40 ℃ đối với một pin DOD 80% duy nhất, từ 0,9 m Ω và 1,0 m Ω trước khi chu kỳ lên 2,0 m Ω và 2,4 m Ω sau khi chu kỳ.