Phân tích tình trạng ứng dụng hiện tại của pin lithium-ion

Ngành công nghiệp ô tô phát triển nhanh chóng đã mang lại sự tiện lợi cho con người, trong khi khí thải của nó đã trở thành thủ phạm chính gây ô nhiễm không khí đô thị. Mặt khác, với tư cách là nguồn năng lượng không tái tạo, mức tiêu thụ dầu và khí đốt tự nhiên đang dần tăng lên và cuối cùng sẽ cạn kiệt trong tương lai gần. Bảo tồn năng lượng và bảo vệ môi trường đã trở thành những vấn đề xã hội rất nổi bật.

Xe điện (EVS) và xe điện hybrid (HEVS) được phát triển để giảm mức tiêu thụ năng lượng và ô nhiễm do xe chạy bằng nhiên liệu gây ra. Các loại pin năng lượng tiên tiến hiện đang được sử dụng trong xe điện chủ yếu bao gồm pin năng lượng niken hydro và pin năng lượng lithium-ion. Pin lithium-ion có năng lượng riêng cao, tuổi thọ dài và công suất riêng cao. Với việc giảm chi phí, chúng sẽ dần thay thế pin niken hydro hiện tại làm hệ thống lưu trữ năng lượng chính cho xe điện. Tính khả thi về mặt kinh tế của HEV và EV trong cạnh tranh thị trường là một khía cạnh quan trọng. Việc ước tính chính xác và theo thời gian thực trạng thái sạc pin (SOC) có tác động đáng kể đến tính khả thi về mặt kinh tế của xe hybrid.

Vật liệu điện cực dương của pin lithium-ion chủ yếu bao gồm lithium mangan oxit, lithium sắt phosphate và niken coban lithium mangan oxit ba thành phần. So với hai vật liệu điện cực dương khác, vật liệu ba thành phần có điện áp nền tảng, dung lượng riêng và mật độ nén cao hơn, quyết định mật độ năng lượng của pin sử dụng vật liệu điện cực dương này. Nếu hiệu suất an toàn của pin lithium-ion ba thành phần có thể được cải thiện ở một mức độ nhất định, chúng sẽ có không gian ứng dụng tuyệt vời trong xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng điện.

2 Đối tượng thử nghiệm và Nền tảng thử nghiệm

Đối tượng thử nghiệm: pin lithium-ion 18650 hình trụ. Thu thập các đặc điểm cơ bản của nó. Các thông số cơ bản của pin một cell là: dung lượng danh nghĩa 20Ah, điện áp danh nghĩa 37V và khối lượng 41g.

Nền tảng thử nghiệm pin và mô-đun có thể mô phỏng điều kiện vận hành của xe, thu thập dữ liệu thử nghiệm trong quá trình sạc và xả mô-đun, đồng thời xác minh hiệu quả của thiết kế cấu trúc mô-đun và thiết kế BMS.

Nền tảng thử nghiệm được chia thành 5 phần: thiết bị sạc và xả pin, buồng nhiệt độ không đổi , thẻ thu thập dữ liệu pin, máy tính ghi và phân tích dữ liệu pin và điều khiển, và mô-đun pin cần thử nghiệm. Máy tính thu thập và ghi lại thông tin pin (điện áp, nhiệt độ, dòng điện) thông qua tương tác dữ liệu với thẻ thu thập dữ liệu. Phần mềm phân tích dữ liệu được nhúng trong mô hình pin sẽ phân tích trạng thái pin và các phương pháp sạc tương ứng, đồng thời điều khiển đầu ra của động cơ sạc và xả theo đó. Hộp nhiệt độ không đổi cung cấp các điều kiện trường nhiệt độ để thử nghiệm pin, và động cơ sạc và xả cung cấp nguồn điện và tải cho pin.

3 Thử nghiệm điện áp SOC và mạch hở

3.1 Thử nghiệm pin đơn

Điện áp mạch hở của pin (Điện áp mạch hở, OCV có thể được sử dụng để hiệu chuẩn trạng thái sạc của pin, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác của ước tính SOC. Chín pin lithium-ion đơn cell 18650 hình trụ đã được chọn để thử nghiệm SOC và OCV. Quy trình thử nghiệm là: pin lithium-ion được sạc đầy và đặt cố định cho đến khi pin ổn định; xả ở dòng điện không đổi để đảm bảo SOC tương ứng với mỗi lần xả là 0,05 và khoảng thời gian giữa hai lần xả là 1 giờ để đảm bảo pin đạt đến trạng thái ổn định. Đồng thời Ghi lại điện áp mạch hở của bộ pin. Điều này dẫn đến điện áp mạch hở của 21 trạng thái SOC với SOC nằm trong khoảng từ 1, 0,95, 0,90, 0,85, 0,80,…, 0,10, 0,05 và 0.

Có thể thấy từ thí nghiệm rằng mối quan hệ giữa monome 18650 SOC và OCV gần như tuyến tính với tính nhất quán tốt. Do đó, điện áp mạch hở có thể được sử dụng để ước tính trạng thái sạc của pin. Đặc biệt là sau khi xe điện đã đỗ trong một khoảng thời gian, điện áp mạch hở có tác dụng tốt trong việc ước tính trạng thái sạc ban đầu của pin điện.

3.2 Thử nghiệm pack pin

18650 cell được chọn để tạo thành hai nhóm thông qua 5 chuỗi song song 10 để kiểm tra mối quan hệ giữa trạng thái sạc và điện áp mạch hở. Quá trình kiểm tra phù hợp với quá trình kiểm tra pin đơn. Do tính nhất quán tốt của các monome và sự lựa chọn kết hợp, bộ pin cũng có thể duy trì tính nhất quán tốt.

4 Dung lượng của Pin đơn

Do thực tế là xe điện yêu cầu pin điện cung cấp công suất riêng tương đối cao trong quá trình leo dốc, khởi động và tăng tốc, tức là xả đủ dòng điện để cung cấp đủ công suất. Bài viết này đã tiến hành thử nghiệm xả trên pin lithium-ion ở mức 0IC, 0,5C và 1C

Từ kết quả thực nghiệm, có thể thấy rằng khi dòng điện xả của pin tăng, dung lượng xả của pin giảm. Điều này là do khi dòng điện xả tăng, độ phân cực nồng độ bên trong pin tăng, và độ sụt áp do điện trở bên trong vốn có của pin cũng tăng, dẫn đến dung lượng xả của pin giảm tương ứng.

5 Dung lượng pin

Do những thay đổi đáng kể trong điều kiện làm việc của ô tô, bài viết này đã tiến hành thử nghiệm xả trên pin lithium-ion ở nhiệt độ -30, -20, -10, 0, 10, 30, 45 và 55 ℃ ở 0,5 ℃. Từ kết quả thực nghiệm, có thể thấy rằng khi nhiệt độ làm việc của pin tăng lên, khả năng xả tăng đáng kể. Điều này là do tốc độ khuếch tán chậm của các ion lithium trong pin ở nhiệt độ thấp, điều này làm tăng hoạt động của pin khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, khi thời gian cách điện tăng lên, nhiệt độ chung của pin tăng lên, khiến hoạt động của ion dần trở nên hỗn loạn, dẫn đến điện trở trong tăng lên và thay đổi khả năng xả giảm.

6 Kết luận

Bài viết này nghiên cứu mối quan hệ giữa trạng thái sạc và điện áp mạch hở, tốc độ xả và dung lượng, dung lượng và nhiệt độ của pin lithium ba thành phần. Định luật trạng thái sạc và điện áp mạch hở, định luật dung lượng monome dưới các tốc độ xả khác nhau và định luật dung lượng và nhiệt độ được thu được.

1) Độ đồng nhất của các cell pin lithium hình trụ 18650 được thử nghiệm là tốt, trạng thái sạc gần như tuyến tính với điện áp mạch hở. Điện áp mạch hở có thể được sử dụng để ước tính trạng thái sạc. Sử dụng điện áp mạch hở để ước tính trạng thái sạc trong thời gian tắt máy của pin điện và sử dụng các phương pháp ước tính khác trong quá trình sạc và xả có thể cải thiện độ chính xác của ước tính SOC.

2) Khi dòng điện xả tăng, độ phân cực nồng độ bên trong pin tăng, điện trở bên trong vốn có của pin lithium cũng tăng, điện áp giảm do đó, khi tốc độ xả tăng, dung lượng xả của pin giảm.

3) Ở nhiệt độ thấp, tốc độ khuếch tán của các ion lithium bên trong pin chậm hơn và khi nhiệt độ tăng, hoạt động của pin tăng và khả năng xả cũng tăng.