Hệ thống pin điện là một hệ thống con quan trọng của xe điện, và hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến công suất, tính kinh tế và sự an toàn của xe điện. Việc sạc và xả liên tục trong quá trình sử dụng pin điện có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ của pin, và nhiệt độ pin cao hay thấp có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, tuổi thọ và sự an toàn của hệ thống pin. Do đó, khả năng thích ứng của pin lithium-ion với nhiệt độ đã trở thành một trong những yếu tố chính hạn chế ứng dụng của chúng trong xe điện và quản lý nhiệt pin đã trở thành một công nghệ quan trọng để đảm bảo hiệu suất, tuổi thọ và sự an toàn của pin.

Nhiệt độ hoạt động tối ưu cho pin điện là 15 ℃ C-45 ℃ và phạm vi nhiệt độ hoạt động thực tế là -30 ℃ -60 ℃. Trong quá trình vận hành vào mùa đông, xe điện thường bị giảm phạm vi hoạt động. Nguyên nhân của tình trạng này là do khả năng xả của chính hệ thống pin điện vào mùa đông thấp hơn so với nhiệt độ phòng. Nếu bật điều hòa ô tô cùng lúc, phạm vi hoạt động của xe điện sẽ không đủ nghiêm trọng trong quá trình vận hành vào mùa đông. Ở nhiệt độ thấp, hoạt động của chính ion lithium tương đối thấp và chất điện phân chủ yếu ở trạng thái rắn hoặc bán rắn. Khi ion lithium di chuyển, điện trở cao, hoạt động kém dẫn đến hiệu suất xả kém.

Bài viết này chủ yếu nghiên cứu tác động của nhiệt độ môi trường và tốc độ xả đến hiệu suất điện và nhiệt của pin lithium. Bài viết phân tích nền tảng điện áp, nhiệt độ, thay đổi dung lượng của pin lithium ở các nhiệt độ môi trường và tốc độ xả khác nhau, cũng như sự thay đổi hiệu suất pin trong điều kiện xả của các mô-đun pin do một nhà cung cấp nào đó cung cấp.

Nhiệt độ hoạt động tối ưu của pin điện là 15℃ -45℃, và phạm vi nhiệt độ hoạt động thực tế là -30℃ -60℃. Trong quá trình vận hành vào mùa đông, xe điện thường bị giảm phạm vi hoạt động. Nguyên nhân của tình trạng này là do khả năng xả của chính hệ thống pin điện vào mùa đông thấp hơn so với nhiệt độ phòng. Nếu bật điều hòa ô tô cùng lúc, phạm vi hoạt động của xe điện vào mùa đông sẽ không đủ nghiêm trọng.

Ở nhiệt độ thấp, hoạt động của các ion lithium trong hệ thống pin điện tương đối thấp và chất điện phân chủ yếu ở trạng thái rắn hoặc bán rắn. Khi các ion lithium di chuyển, điện trở cao và hoạt động kém dẫn đến hiệu suất xả kém. Bài viết này chủ yếu nghiên cứu tác động của nhiệt độ môi trường và tốc độ xả đến hiệu suất điện và nhiệt của pin lithium và phân tích nền tảng điện áp, nhiệt độ và Thay đổi dung lượng và thay đổi hiệu suất pin trong điều kiện xả của các mô-đun pin do một nhà cung cấp nhất định cung cấp.

1 Thử nghiệm nhiệt độ thấp

Đối tượng thử nghiệm: Mô-đun pin, 43,8V, 37,0Ah

Thiết bị thử nghiệm: Buồng nhiệt độ và độ ẩm không đổi DGBELL , thiết bị sạc và xả

Phương pháp thử nghiệm là chọn năm điểm nhiệt độ với nhiệt độ môi trường là 25 ℃, 10 ℃, 0 ℃, 10 ℃ và -20 ℃ và tiến hành thử nghiệm xả với tốc độ xả tương ứng là 1C, 0,3C và 0,5C. Dựa trên phổ đường điều kiện làm việc thực tế thu được từ thử nghiệm xe, nó được chuyển đổi thành dòng điện điều kiện làm việc và chịu các thử nghiệm xả ở nhiệt độ môi trường là 25 ℃, 0 ℃ và -20 ℃. Ghi lại nhiệt độ, dung lượng, năng lượng, điện áp, dòng điện và các dữ liệu khác của các thử nghiệm trên.

2 Kết quả thử nghiệm

2.1 Nền tảng xả

Ở nhiệt độ môi trường khác nhau, nền tảng xả của pin giảm theo nhiệt độ môi trường giảm. Ở -20 ℃, nền tảng xả sẽ giảm nhanh trong giai đoạn xả ban đầu, đạt đến giai đoạn “máng”. Điều này là do ở nhiệt độ thấp, chất điện phân ở trạng thái đông đặc hoặc bán đông đặc và độ dẫn điện của chất điện phân giảm, dẫn đến nền tảng xả giảm nhanh.

Khi quá trình xả diễn ra, nền tảng xả từ từ tăng lên đến giai đoạn ổn định. Trong giai đoạn này, khi quá trình xả diễn ra, nhiệt được tạo ra bên trong pin, làm tan chảy chất điện phân, tăng độ dẫn điện, giảm điện trở dòng electron và nâng nền tảng xả. Sau khi đạt đến nền tảng xả bình thường, xu hướng xả giống như ở nhiệt độ phòng. Mặc dù xu hướng của nền tảng xả pin là giống nhau, nhưng khi nhiệt độ môi trường giảm, nền tảng điện áp cũng giảm.

Nhiệt độ môi trường càng thấp, “máng” của nền điện áp càng thấp. So sánh ba tốc độ xả, có thể thấy rằng có rất ít sự khác biệt ở mức xả trên 0 ℃, trong khi mức xả dưới 0 ℃ giảm nhiều hơn. Và so với các nhiệt độ môi trường khác nhau, nhiệt độ môi trường càng thấp, thời gian xả càng ngắn.

2.2 Nhiệt độ bề mặt pin

Sự thay đổi nhiệt độ khác nhau theo các tốc độ xả khác nhau và nhiệt độ môi trường đã được so sánh. Ở cùng một tốc độ xả, nhiệt độ môi trường càng thấp thì nhiệt độ tăng càng lớn. Ví dụ, ở nhiệt độ môi trường là -20 ℃, nhiệt độ tăng trung bình trên bề mặt của pin xả 1C là 35 ℃; Ở nhiệt độ môi trường là 25 ℃, nhiệt độ tăng trung bình trên bề mặt của pin xả 1C là 12 ℃. Điều này cũng chỉ ra rằng ở nhiệt độ thấp, nhiều năng lượng hơn được sử dụng để làm nóng pin, dẫn đến năng lượng đầu ra nhỏ hơn.

Ở cùng nhiệt độ môi trường, tốc độ xả càng thấp thì nhiệt độ tăng trên bề mặt pin càng nhỏ. Ví dụ, ở nhiệt độ môi trường -20 ℃, nhiệt độ tăng trung bình trên bề mặt pin xả 0,5C là 26 ℃; ở nhiệt độ môi trường 20 ℃, nhiệt độ tăng trung bình trên bề mặt pin xả 0,3C là 21 ℃. Điều này cho thấy khi nhiệt độ môi trường thấp, nên sử dụng dòng điện nhỏ hơn để xả. Hiệu ứng đầu tiên là đảm bảo hiệu suất đầu ra của năng lượng pin; Hiệu ứng thứ hai là đảm bảo tuổi thọ của pin.

2.3 Khả năng xả

Từ kết quả thử nghiệm, có thể thấy rằng trong cùng một tốc độ xả, khả năng xả giảm dần khi nhiệt độ môi trường giảm. Ở nhiệt độ môi trường -20 ℃, năng lượng giải phóng trong quá trình xả ở 0,3C là thấp nhất, bằng 86% so với ở 25 ℃. Tốc độ xả càng nhỏ, nhiệt độ môi trường càng thấp và lượng điện thải ra càng nhỏ. Ở nhiệt độ môi trường 25 ℃, khả năng xả ở 0,3C cao hơn một chút, trong khi ở các điểm nhiệt độ khác, khả năng xả ở 1C cao hơn.

4 Kết luận

Trong môi trường nhiệt độ thấp, hoạt động của các ion lithium trong pin tương đối thấp, lực dòng điện phân lớn, độ dẫn điện giảm và khả năng xả giảm, ảnh hưởng đến hoạt động của xe điện thuần túy. Dựa trên thử nghiệm thực nghiệm, nền tảng xả thực tế và nhiệt độ bề mặt thay đổi của pin ở các nhiệt độ môi trường, tốc độ xả và điều kiện vận hành khác nhau đã thu được. Các kết luận sau đây đã được rút ra:

(1) Nền tảng xả sẽ giảm theo nhiệt độ môi trường giảm, và sẽ có một “máng” khi nhiệt độ môi trường dưới 0 ℃. Sau “máng”, nền tảng xả sẽ từ từ tăng lên, và khi nó tăng đến một mức độ nhất định, xu hướng của nền tảng xả phù hợp với xu hướng của nền tảng xả ở nhiệt độ phòng.

(2) Khi nhiệt độ môi trường giảm, thời gian phóng điện càng ngắn thì lượng điện giải phóng càng nhỏ. Ở cùng một nhiệt độ, dung lượng 1C > dung lượng 0,5C > dung lượng phóng điện 0,3C.

(3) Khi nhiệt độ môi trường giảm, nhiệt độ tăng lên. Ở nhiệt độ môi trường -20 ℃, trong giai đoạn xả 1C, nhiệt độ pin tăng 35 ℃, với nhiều năng lượng hơn được sử dụng để làm nóng pin. Giảm khả năng xả.

(4) Trong số các điểm nhiệt độ được thử nghiệm, khả năng xả thấp nhất ở nhiệt độ môi trường là -20 ℃ và 0,3C. Khả năng xả là 86% ở 25 ℃.

(5) Trong quá trình xả trong điều kiện vận hành, khi nhiệt độ môi trường là -20℃, pin được sử dụng dưới 0℃. Điều kiện vận hành này có tác động đáng kể đến tuổi thọ của pin. Nên xử lý hệ thống pin bằng cách cách điện, sưởi ấm và các biện pháp khác ở nhiệt độ thấp.