(News.otohui-com) – Trong hai thập kỷ qua, nhiều loại xe điện khác nhau, chẳng hạn như xe điện BEV, xe điện hybrid hay xe PHEV, đã được phát triển và triển khai rộng khắp nơi nhằm thay thế các phương tiện truyền thống như xe chạy bằng động cơ đốt trong. Pin năng lượng là một chi tiết ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ an toàn và tính kinh tế của những chiếc xe điện điện này. Các nhà thiết kế luôn mong muốn duy trì nhiệt độ của bộ pin cách ổn định. Vậy nếu nó không ổn đinh, ảnh hưởng của nhiệt độ đến pin xe điện ra sao?

Có rất nhiều lý do liên quan đến nhau để kiểm soát nhiệt độ của bộ pin xe điện. Độ an toàn, tuổi thọ sử dụng, dung lượng lưu trữ và tốc độ sạc của bộ pin lithium-ion, đều phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy các nhà thiết kế thực sự mong muốn giữ cho các tế bào của nó hoạt động trong phạm vi chặt chẽ từ khoảng 20 đến 40 độ C. 

1. Điều gì sẽ xảy ra khi pin quá nóng?

Cháy nổ là mối nguy hiểm hàng đầu khi pin năng lượng quá nóng. Khi pin của xe đang được sạc bộ pin sẽ nóng nên khi liên tục phóng điện ở tốc độ cao. Để một tế bào pin (Cell pin) tích tụ nhiệt là rất nguy hiểm. Mặc dù nhiệt độ ngưỡng có phần khác nhau giữa các tế bào lithium-ion khác nhau vào khoảng 140 độ C.

Một quá trình được gọi là “Sự trao đổi nhiệt” xảy ra. “Sự trao đổi nhiệt” có nghĩa là tế bào pin nóng hơn sẽ tác động nhiệt đến tế bào pin có nhiệt độ thấp hơn. Bộ pin năng lượng ngày càng nóng hơn và rất khó để ngăn chặn hay loại bỏ quá trình này. Điều này có thể dẫn đến việc tế bào bắt lửa hoặc bùng cháy.

Điều đó thật sự là thảm họa! Đó là lý do tại sao các bộ pin xe điện kết hợp các cảm biến và phần mềm thành một hệ thống quản lý phức tạp để liên tục theo dõi nhiệt độ và các thông số hoạt động quan trọng khác. Nó được gọi là hệ thống quản lý pin trên ô tô điện. 

• Chúng ta có thể tìm hiểu về hệ thống qua bài viết Tại Sao Chúng Ta Cần Hệ thống Quản lý Pin (BMS) Cho Ôtô Điện?

Có những lý do khác khiến pin nóng không mong muốn. Quá trình lão hóa tế bào pin – ‘chai pin’ làm nhiệt độ tăng nhanh hơn. Do đó, kiểm soát nhiệt độ là yếu tố then chốt để đảm bảo bộ pin có tuổi thọ hữu ích lâu nhất có thể.

Nhiệt độ bộ pin cũng ảnh hưởng đến tốc độ sạc. Hãy nhớ rằng các tế bào trong gói sẽ nóng lên khi chúng được sạc. Bộ pin có thể tạo ra một lượng nhiệt tăng nhanh và khó kiểm soát khi sạc nhanh DC. Nếu không có hệ thống làm mát để mang lượng nhiệt này đi, cách duy nhất để bảo vệ bộ pin là giảm tốc độ sạc; đó cũng là lý do tại sao ô tô sẽ điều chỉnh tốc độ sạc tùy thuộc vào nhiệt độ và trạng thái sạc (SOC).

2. Khởi động lạnh vô cùng quan trọng với ô tô điện

Trong khi làm mát là rất quan trọng, thì việc làm ấm bộ pin năng lượng cũng quan trọng không kèm. Hiệu suất của pin Li-ion bị suy giảm nghiêm trọng bởi khí hậu lạnh. Pin Li-ion với cực dương cacbon, hiện là loại pin chiếm ưu thế của pin năng lượng thường được biết đến với hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp.

Điều này xảy ra do mật độ dẫn điện của chất điện phân tăng và làm tăng điện trở tại mặt phân cách giữa các điểm cực. Hậu quả xảy ra nếu pin quá lạnh, sẽ làm giảm đáng kể lượng năng lượng mà một tế bào lithium-ion có thể lưu trữ. Điều này có nghĩa là thời gian sạc có thể lâu hơn và quãng đường xe chạy sẽ giảm đi rất nhiều.

Việc lựa chọn phương pháp gia nhiệt thích hợp cần được ưu tiên đối với hiệu suất tổng thể của xe ô tô chạy điện thông dụng. Các chiến lược làm nóng truyền thống thường thường được sử dụng như làm nóng bên ngoài hoặc bên trong. Có hai chiến lược chính.

• Tận dụng hệ thống quản lý nhiệt được thiết kế đặc biệt để truyền nhiệt sinh ra bởi nguồn nhiệt bên ngoài, thông qua môi trường truyền nhiệt có thể là chất rắn hoặc chất lỏng đến bộ pin. 
• Tạo dòng điện vào pin và do điện trở bên trong pin, tạo ra nhiệt bên trong để làm nóng pin.

Mỗi chiến lược đều có những hạn chế. Đối với chiến lược thứ nhất, thời gian khởi động lạnh sẽ tương đối dài, tiêu thụ nhiều năng lượng. Độ đồng đều khi gia nhiệt giữa các tế bào pin ở nhiệt độ thấp là những mối quan tâm chính do tổn thất nhiệt và hiệu quả truyền nhiệt còn hạn chế. Đối với chiến lược thứ hai, các cấu hình hệ thống quản lý pin hiện tại vẫn cần đảm bảo sự cân bằng giữa việc giảm thời gian làm nóng và duy trì tuổi thọ của pin. 

Hiện nay có rất nhiều ý tưởng sáng tạo, chẳng hạn như kết hợp nhiều vật liệu dẫn nhiệt hơn vào hệ thống quản lý pin (BMS) hay một cấu trúc pin mới là pin lithium-ion tự làm nóng (Self-heating lithium-ion battery) đã tạo ra một cột mốc mang tính đột phá cho sự cân bằng giữa thời gian đáp ứng, mức tiêu thụ năng lượng và tuổi thọ của pin.

Quản lý nhiệt là một vấn đề lớn đối với ngành công nghiệp xe điện. Những kỹ sư luôn cố gắng giữ cho bộ pin trong vùng tối ưu nhiệt của nó và đã có nhiều cách khác nhau để đảm bảo các tế bào pin duy trì trong phạm vi vừa phải, giữa quá nóng và quá lạnh. Các nhà sản xuất vẫn đang liên tục cải tiến và phát triển hệ thống của mình. Nhưng còn có những lý do xã hội lớn hơn như công nghệ vật liệu và chi phí sản xuất, cũng là những rào cản ảnh hưởng đến quá trình sản xuất của họ.

---

Bài viết liên quan:

• Những điều cần biết về sạc nhanh và sạc siêu nhanh của ô tô điện?
• Tìm hiểu về bộ chuyển đổi DC-DC trên ô tô điện
• Pin ôtô điện dựng dọc giúp chạy được xa hơn