Pin lithium ion gây ra rủi ro an toàn trong cả hàng không dân dụng và vận tải đường bộ, cũng như trong vận tải và thiết bị gia dụng. Để tìm ra giải pháp cho những vấn đề này, tác động của rung động cơ học đến hiệu suất và sự mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion trong điều kiện điện áp thấp đã được nghiên cứu. Trong điều kiện điện áp thấp, rung động cơ học gây ra sự gia tăng nhiệt độ mất kiểm soát nhiệt của pin lithium-ion và thay đổi đáng kể thời gian bật của van an toàn.

Rung động cơ học tần số thấp và biên độ lớn đẩy nhanh quá trình đoản mạch pin, trong khi rung động tần số cao làm tăng nhiệt độ đánh lửa và thể tích xả của pin lithium. Đối với pin lithium-ion 18650, nhiệt độ mà van an toàn bật ra là từ 140 ~ 150 ℃. Khi van an toàn bật ra, cường độ giải phóng khí tương đối cao và tín hiệu khí có thể là biến số chính để cảnh báo an toàn pin lithium. Sau rung động điện áp thấp, dung lượng xả của pin lithium-ion nhỏ hơn pin gốc và tốc độ xả nhanh hơn pin gốc

1. Loại hỏng pin lithium-ion

Là “trái tim” của ô tô, pin lithium-ion quyết định quãng đường mà ô tô di chuyển. Hệ thống pin lithium-ion bao gồm bốn thành phần chính: mô-đun pin (cell đơn nối tiếp song song), hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống quản lý nhiệt và các thành phần điện và cơ khí. Chức năng chính của BM là theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin theo thời gian thực thông qua các cảm biến vỏ, bộ truyền động, chip điều khiển chính, v.v. Tuy nhiên, do quá trình lão hóa và phân hủy bên trong của từng pin riêng lẻ trong cụm pin, cũng như sự ăn mòn của mạch trong quá trình nhóm pin, hoạt động không đúng cách trong quá trình sử dụng có thể dẫn đến các yếu tố bên ngoài bất thường như sạc quá mức và xả quá mức. Tác động kết hợp của các yếu tố bên trong và bên ngoài này dẫn đến hỏng hóc bên trong và bên ngoài của pin. Các lỗi bên trong của pin lithium-ion có thể được phân loại thành các loại như sạc quá mức, xả quá mức, ngắn mạch bên trong và mất kiểm soát nhiệt.

Lỗi bên trong là do BMS và chính cảm biến bị trục trặc, khiến cảm biến không hoạt động bình thường. Mặt khác, lỗi này là do phản ứng điện hóa và đoản mạch bên trong cấu trúc bên trong của pin, dẫn đến hiện tượng dendrite lithium. Tuy nhiên, nguy cơ hỏng hóc bên ngoài trong pin lithium-ion thường lớn hơn hỏng hóc bên trong. Hỏng hóc bên ngoài có thể gây ra phản ứng dây chuyền hỏng hóc bên trong, cuối cùng dẫn đến tình trạng nóng không kiểm soát. Hỏng hóc cảm biến thường là lỗi dễ bị bỏ qua nhất, nhưng điều này có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

BMS dựa vào các cảm biến để đạt được các chức năng như điều khiển cân bằng, chẩn đoán lỗi và ước tính Trạng thái sạc (SOC). Nếu cảm biến gặp phải độ lệch, trôi hoặc ngừng hoạt động, nó không thể lấy dữ liệu thời gian thực và đưa ra các phán đoán chính xác và hợp lý về trạng thái hiện tại của pin. Điều này không chỉ có thể làm giảm hiệu suất mà còn gây ra các tai nạn an toàn lớn. Tuy nhiên, do các cảm biến được che giấu nhiều nên việc chẩn đoán rất khó khăn, đây cũng là trọng tâm và khó khăn của nghiên cứu cảm biến hiện tại.

BMS quản lý các bộ pin được tạo thành từ hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn pin riêng lẻ. Do các đặc điểm tương tự của lỗi cell pin, lỗi cảm biến và lỗi đầu nối, cũng như thực tế là nhiều lỗi về cơ bản là nhỏ và rất khó phát hiện, nên rất khó để nhanh chóng xác định chúng. Do đó, BMS đôi khi gây ra chẩn đoán sai và vận hành sai. Điều quan trọng đối với sự an toàn của ô tô là phát hiện nhanh chóng và chẩn đoán chính xác nhiều lỗi pin. Quá trình chẩn đoán lỗi pin có thể được chia thành bốn khía cạnh: phát hiện lỗi, phân loại lỗi, định vị lỗi và cô lập lỗi. Xử lý dữ liệu của pin đóng vai trò nền tảng trong chẩn đoán lỗi pin và hiệu quả của việc khử nhiễu có thể được xác minh hiệu quả bằng cách kết hợp các phương pháp lọc hình thái toán học.

2. Vấn đề với phương pháp chẩn đoán đo điện áp

(1) Trong các ứng dụng thực tế, hệ thống quản lý pin chỉ có thể đo điện áp đầu cuối của từng pin riêng lẻ trong bộ pin. Để giá trị đo điện áp bao gồm điện áp tại các đầu cuối riêng lẻ và điện áp trên các đầu nối, cần phải thêm các đường đo bổ sung, điều này chắc chắn làm tăng độ phức tạp của thiết bị. Nếu khi bắt đầu thiết kế hệ thống quản lý pin, điện áp thu thập được bao gồm điện áp đầu cuối và điện áp trên đầu nối, điều này sẽ khiến hệ thống quản lý pin không thể lấy chính xác điện áp đầu cuối của pin và do đó không thể kiểm soát và quản lý hiệu quả việc sạc và xả pin, dễ xảy ra lỗi sạc quá mức và xả quá mức

(2) Những thay đổi điện áp do thay đổi điện trở bên trong của pin tương tự như những thay đổi điện áp trong quá trình lỗi kết nối. Cả hai đều có cùng cấp độ, do đó, các phương pháp chẩn đoán dựa trên tín hiệu điện áp cũng phải đối mặt với thách thức là phân biệt giữa lỗi kết nối và lỗi có điện trở bên trong của pin tăng lên.

(3) Khi xảy ra sự lỏng lẻo kết nối nhẹ trong bộ pin, sự gia tăng điện trở tiếp xúc rất nhỏ. Nếu dòng điện làm việc của bộ pin nhỏ, lỗi kết nối như vậy sẽ không gây ra những thay đổi đáng kể trong tín hiệu điện áp. Do đó, phương pháp chẩn đoán dựa trên tín hiệu điện áp được đề cập ở trên có thể không phát hiện được sự lỏng lẻo kết nối nhẹ sớm.

3. Tác động của rung

Tiến hành thử nghiệm sạc và xả áp suất khí quyển trên pin được xử lý rung điện áp thấp, để chứng minh những thay đổi về hiệu suất sạc và xả của pin lithium sau khi vận chuyển bằng máy bay. Kết quả cho thấy sau khi xử lý tần số rung ở 60 Hz và 80 Hz trong môi trường điện áp thấp, hiệu ứng sạc thấp hơn pin ban đầu và xử lý 60 Hz có tác động đáng kể nhất đến dung lượng của pin lithium;

Các tần số rung động khác đều làm tăng tốc độ sạc, và sự thay đổi đáng kể ở tần số 120 Hz. Trong quá trình xả, đường cong pin lithium-ion với xử lý rung động 120 Hz có độ lệch lớn nhất, trong khi đường cong với 200 Hz có độ lệch nhỏ nhất. Các độ lệch còn lại dao động từ nhỏ đến lớn, bao gồm 60 Hz, 80 Hz, 180 Hz, 160 Hz, 140 Hz và 100 Hz.

Người ta thấy rằng không có mối tương quan tích cực giữa tần số rung và tình trạng phóng điện, điều này có thể chỉ ra rằng thiệt hại cho cấu trúc do rung động gây ra có liên quan đến khả năng phản ứng của cấu trúc pin đối với tần số và biên độ. Một số tần số và biên độ rung động có thiệt hại lớn hơn đối với cấu trúc của pin lithium 18650.

Từ so sánh tổng thể của đường cong sạc và xả, có thể thấy rằng dung lượng xả của tất cả các loại pin đã rung đều nhỏ hơn pin gốc và tốc độ xả nhanh hơn pin gốc. Điều này có thể chỉ ra rằng dung lượng và hiệu suất xả của pin sẽ bị hỏng do rung động cơ học.

Trên thực tế, sau khi chịu tác động rung động cơ học, mức độ tiếp xúc giữa điện cực dương và điện cực âm trong chất điện phân của pin lithium-ion sẽ thay đổi, dẫn đến diện tích tiếp xúc giữa điện cực và dung dịch điện phân thay đổi, cản trở quá trình truyền ion lithium sang điện cực âm trong quá trình sạc và xả, do đó làm giảm lượng lithium được nhúng trong điện cực âm.

4. Kết luận

Bài viết này đề xuất một phương pháp chẩn đoán lỗi cho các kết nối bộ pin lithium-ion dựa trên các tín hiệu rung động cơ học và thu được các kết luận sau. Sử dụng các tấm gốm áp điện khác nhau để tạo ra sự kích thích rung động, đo phản ứng rung động và trích xuất các đặc điểm thời gian-tần số từ tín hiệu phản hồi có thể đạt được hiệu quả phân loại các chế độ lỗi kết nối điểm đơn và đa điểm. Công việc trong tương lai sẽ tối ưu hóa bố cục của các tấm gốm áp điện, thu thập các tín hiệu rung động từ môi trường xe và làm cho phương pháp này phù hợp để chẩn đoán lỗi kết nối của bộ pin lithium-ion trong xe.