Trong những năm gần đây, xe điện đã phát triển nhanh chóng, và là một thành phần quan trọng của xe điện, pin điện cũng đã trải qua sự phát triển công nghệ nhanh chóng. Hiệu suất và tuổi thọ của pin điện quyết định trực tiếp đến hiệu suất và chi phí của xe truyền động 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 pin 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 những ưu điểm của chúng như công suất riêng cao, mật độ năng lượng lớn, tuổi thọ cao, tỷ lệ tự phóng điện thấp, thời gian lưu trữ lâu và không gây ô nhiễm.

Pin điện được sử dụng trong xe điện bao gồm nhiều cell pin được sắp xếp theo chuỗi và song song để tạo thành một cụm pin. Các cell pin được sắp xếp chặt chẽ với nhau và trong quá trình sạc và xả, mỗi cell tạo ra một lượng nhiệt lớn. Nhiệt do các cell pin tạo ra sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Nếu tản nhiệt không đều, sẽ khiến nhiệt độ cục bộ của cụm pin tăng nhanh, làm giảm độ đồng nhất của pin và rút ngắn đáng kể tuổi thọ của pin. Trong trường hợp nghiêm trọng, sẽ xảy ra hiện tượng mất nhiệt của một số pin đơn lẻ, dẫn đến tai nạn tương đối nghiêm trọng.

Đồng thời, khi pin điện ở trong môi trường nhiệt độ thấp, hiệu suất sạc và xả của pin lithium-ion sẽ giảm đáng kể. Các nhà sản xuất và chuyên gia về pin lithium-ion đã thực hiện rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này. Hiện nay, người ta thường cho rằng hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lithium-ion là do màng SEI, trở kháng truyền điện tích bề mặt, sự khuếch tán ion lithium trong điện cực và các lý do khác, nhưng các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt độ thấp của pin vẫn chưa được xác định, Trong quá trình sạc và xả pin ở nhiệt độ thấp, nhiệt cũng được tạo ra. Liệu nhiệt này có thể giúp khôi phục hiệu suất của pin hay không vẫn chưa được nghiên cứu trong các tài liệu có liên quan. Do đó, cần phải tiến hành nghiên cứu có liên quan về các đặc tính nhiệt của pin.

1 Sạc và xả pin ở nhiệt độ phòng

Phần này nghiên cứu đặc điểm sinh nhiệt của pin lithium mangan oxit 35Ah trong quá trình sạc và xả trong điều kiện tản nhiệt tự nhiên. Các cell pin được treo trong không gian không có tản nhiệt cưỡng bức, trong điều kiện tản nhiệt tự nhiên. Trong quá trình sạc và xả pin, hệ thống đo nhiệt độ 16 kênh được sử dụng để đo nhiệt độ pin.

1.1 Đặc điểm sinh nhiệt của quá trình xả pin

Trong môi trường tản nhiệt tự nhiên, xả pin ở tốc độ 0,3C, 0,5C, 1C, 2C, 3C và 4C. Trước tiên, treo pin trong môi trường không có tản nhiệt cưỡng bức ở nhiệt độ phòng. Trước khi xả, sạc pin ở tốc độ dòng điện không đổi đến điện áp không đổi là 1C/3 và để yên trong 2 giờ sau khi sạc đầy; Sau đó thực hiện xả dòng điện không đổi ở tốc độ nhất định, với điện áp cắt là 3V. Do thực tế là thí nghiệm được tiến hành trong môi trường tản nhiệt tự nhiên nên nhiệt độ phòng thay đổi đôi chút ở các khoảng thời gian khác nhau. Để dễ so sánh, nhiệt độ ban đầu của pin được đặt đồng đều ở mức 20 ℃ trong quá trình rút.

Từ kết quả thực nghiệm, có thể thấy rằng trong quá trình xả, nhiệt độ của tai dương của pin cao hơn một chút so với tai âm, và xu hướng này rõ ràng hơn trong quá trình xả tốc độ cao. Khi tốc độ xả của pin tăng lên, nhiệt độ của tai dương và tai âm của pin tăng nhanh. Khi xả ở 0,3C, nhiệt độ của tai dương của pin tăng từ 20℃ lên 21,9℃, chỉ tăng 95%;

Khi xả ở 1 độ C, nhiệt độ của cực dương của pin tăng từ 20 độ C lên 24,3 độ C, tăng 21,5%; Khi xả ở 2 độ C, nhiệt độ của cực dương của pin tăng 48% từ 20 độ C lên 29,6 độ C; Khi xả ở 4 độ C, nhiệt độ của cực dương của pin tăng từ 20 độ C lên 36,96 độ C, tăng 84,8%. Do đó, trong môi trường nhiệt độ cao, khi pin xả với tốc độ lớn, phải có biện pháp tản nhiệt tương ứng, nếu không pin sẽ bị quá nhiệt, dẫn đến hiệu suất giảm sút, tuổi thọ ngắn hơn, thậm chí là trạng thái nguy hiểm của Nhiệt độ thoát ra ngoài.

Ở các tốc độ xả khác nhau, xu hướng tăng nhiệt độ của thân pin cũng giống như xu hướng tăng nhiệt độ của hai đầu điện cực dương và âm: nhiệt độ tăng nhanh hơn ở giai đoạn đầu xả, chậm lại ở giai đoạn giữa và tăng nhanh trở lại ở giai đoạn xả sau.

1.2 Đặc điểm sinh nhiệt của quá trình sạc pin

Tương tự như thí nghiệm tăng nhiệt độ xả, trong thí nghiệm tăng nhiệt độ sạc, pin được treo trong môi trường không có tản nhiệt cưỡng bức. Đầu tiên, pin được xả ở tốc độ dòng điện không đổi là 1C/3, với điện áp cắt là 3V. Sau khi xả xong, để yên trong 2 giờ.

Sau đó, tiến hành sạc điện áp không đổi dòng điện không đổi với tốc độ lần lượt là 0,3C, 0,5C, 1C, 2C, 3C và 4C. Chênh lệch nhiệt độ giữa hai cực dương và âm của pin trong quá trình sạc nhỏ hơn khi xả ở cùng tốc độ. Trong quá trình sạc dòng điện không đổi, nhiệt độ của hai cực dương và âm của pin tăng nhanh; Trong giai đoạn sạc điện áp không đổi, nhiệt độ của hai cực pin bắt đầu giảm, chủ yếu là do dòng điện sạc liên tục giảm và tốc độ sinh nhiệt của pin giảm. Do đó, trong quá trình sạc dòng điện không đổi và sạc điện áp không đổi của pin, quá trình sạc dòng điện không đổi là giai đoạn quan trọng của quá trình tích tụ nhiệt bên trong pin.

Nhiệt độ của mặt trước và mặt sau gần như bằng nhau, xu hướng tăng nhiệt độ của thân pin cũng giống như xu hướng tăng nhiệt độ của tai dương và tai âm. Qua các thí nghiệm trên về quá trình sinh nhiệt khi sạc và xả pin trong môi trường nhiệt độ phòng mà không có tản nhiệt cưỡng bức, có thể thấy rằng trong quá trình sạc và xả tốc độ cao, nhiệt độ của pin tăng nhanh, dễ gây hư hỏng pin và thậm chí là điều kiện làm việc nguy hiểm. Do đó, xe điện phải được trang bị hệ thống tản nhiệt để tản nhiệt từ pin, nhằm kiểm soát nhiệt độ pin trong phạm vi hợp lý.

2 Xả pin ở nhiệt độ thấp

Do thử nghiệm sạc và xả ở nhiệt độ thấp được tiến hành trong buồng thử nhiệt độ nên không thể phân tích quá trình tỏa nhiệt của pin bằng cách đo trực tiếp nhiệt độ bề mặt của pin mà chỉ có thể phân tích dựa trên đường cong sạc và xả của pin.

Pin gần như không thể sạc bằng dòng điện cao ở nhiệt độ thấp. Trong thí nghiệm, dòng điện không đổi 35A và 70A đã được sử dụng để sạc pin. Dưới 0 ℃, điện áp phía sau của pin ngay lập tức tăng lên 4,2V, sau đó chuyển sang giai đoạn sạc điện áp không đổi. Lúc này, dòng điện sạc của pin tương đối nhỏ, do đó không có hiện tượng nóng lên rõ ràng. Pin có thể trải qua quá trình xả dòng điện cao trong thời gian ngắn ở nhiệt độ thấp, do đó có thể tiến hành nghiên cứu sâu về quá trình sinh nhiệt trong quá trình xả pin nhiệt độ thấp.

Để nghiên cứu quá trình sinh nhiệt của pin ở nhiệt độ thấp, pin được đặt trong môi trường nhiệt độ thấp và chịu sự phóng điện liên tục ở cùng tốc độ. Đầu tiên, pin được sạc ở tốc độ dòng điện liên tục đến điện áp không đổi là 1C/3C ở nhiệt độ phòng, sạc đầy, sau đó để trong buồng nhiệt độ trong 5 giờ.

Sau đó, 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 10A, 35A, 70A và 140A. Để so sánh với xả ở nhiệt độ phòng, tình hình xả của pin ở 20 ℃ được thể hiện trong hình và phương pháp tương tự sẽ được sử dụng cho xử lý tiếp theo.

Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng:

(1) Khi xả ở dòng điện thấp, nhiệt lượng tỏa ra của pin không đáng kể và không có sự dao động đáng kể nào trong đường cong xả của pin ở các nhiệt độ thấp khác nhau.

(2) Khi xả ở nhiệt độ thấp và dòng điện cao, pin tỏa ra nhiệt đáng kể vì đường cong xả của pin biểu hiện trạng thái phi tuyến tính với hình dạng thung lũng và đỉnh rõ ràng, điện áp xả dao động rất lớn.

Lấy ví dụ về xả dòng điện không đổi 70A, khi xả ở 20 ℃ và 0 ℃, đường cong xả tương đối bình thường mà không có bất kỳ đỉnh thung lũng nào. Khi nhiệt độ môi trường là -10 ℃, đường cong xả cho thấy các thung lũng rõ ràng. Khi nhiệt độ môi trường là -20 ℃, đường cong xả cho thấy các đỉnh thung lũng rõ ràng. Điện áp ở cả hai đầu của pin giảm từ 4,15V trước khi xả xuống 3,07V, với mức giảm điện áp là 108V. Sau đó, điện áp bắt đầu tăng, đạt mức tối đa là 3,35V, và sau đó bắt đầu giảm. Điều này chỉ ra rằng trong quá trình xả dòng điện cao ở nhiệt độ thấp, trong giai đoạn xả ban đầu, do nhiệt độ của pin thấp, các chất hoạt động trong pin không thể được sử dụng đầy đủ, phân cực điện cực nghiêm trọng và điện trở trong của pin cao.

Do đó, điện áp xả của pin giảm nhanh trong giai đoạn xả ban đầu. 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 của 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 ℃, nhiệt độ của pin giảm và điện áp xả của pin cũng giảm.

(3) Trong môi trường nhiệt độ thấp, khi dòng điện xả tăng lên, hiệu suất của pin được cải thiện đáng kể hơn sau khi được làm nóng. Do đó, có thể thấy rằng ở nhiệt độ thấp, nếu pin điện được làm nóng trước, dựa vào nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của pin có thể duy trì hoàn toàn hiệu suất của pin.

3 Kết luận

Khi dòng điện sạc và xả tăng, nhiệt độ của pin tăng nhanh. Do đó, tốc độ xả của pin điện cần được kiểm soát ở một mức độ nhất định và không nên xả tốc độ cao trong thời gian dài. Ở nhiệt độ môi trường cao hoặc tốc độ xả cao, cần sử dụng tản nhiệt tương ứng. Do đó, xe điện cần lắp đặt hệ thống tản nhiệt pin để kiểm soát nhiệt độ pin trong phạm vi hợp lý.

Trong môi trường nhiệt độ thấp, nhiệt sinh ra trong quá trình xả pin có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất nhiệt độ thấp của pin. Khi thiết kế hệ thống sưởi ấm pin, tính năng này có thể được sử dụng chỉ bằng cách cân nhắc làm nóng pin trước.