Tầm quan trọng của quản lý nhiệt trong việc tối ưu hóa hiệu suất pin
Cùng COMIT Corporation đi tìm hiểu về tầm quan trọng của quản lý nhiệt trong việc tối ưu hóa hiệu suất pin nhé!
Số lượng vụ cháy xe đạp điện (e-bike) và xe tay ga điện (e-scooter) đã tăng vọt gần 150% trong năm vừa qua; vào năm 2022, chỉ riêng Đội Cứu Hỏa London đã phải xử lý 87 vụ cháy xe đạp điện và 29 vụ cháy xe tay ga điện. Điều này đã khiến Hiệp Hội Tiêu Chuẩn Thương Mại của Vương Quốc Anh phải đưa ra cảnh báo, khuyến khích người tiêu dùng chỉ mua các thiết bị từ các cửa hàng có uy tín. Nhiều vụ cháy này đã được cho là do pin lithium-ion không tuân thủ chuẩn, hoặc hệ thống cơ sở hạ tầng sạc không tương thích. Trong khi nhiều vụ việc không gây ra hậu quả nghiêm trọng, thì đã có báo cáo về các vụ cháy nghiêm trọng, thương tích và tử vong, chứng minh tác động tàn khốc của một hệ thống quản lý pin không hiệu quả.
E-scooter là gì? E-scooter (viết tắt của Electric Scooter) là một loại phương tiện di chuyển cá nhân có động cơ điện, thường có hình dáng tương tự với xe đạp cổ điển nhưng được trang bị động cơ điện để thúc đẩy hoặc hỗ trợ người điều khiển trong quá trình di chuyển. E-scooter thường được thiết kế với một bánh xe hoặc hai bánh xe, một vùng ngồi hoặc đứng và một bộ pin để cung cấp năng lượng cho động cơ điện.
Những nhà sản xuất đang phải duy trì việc tuân thủ các quy định về an toàn một cách nghiêm ngặt để đảm bảo rằng tính an toàn và sự ổn định của những viên pin này không bị bất kỳ yếu tố nào làm ảnh hưởng. Trong quá trình phát triển và kiểm thử, một yếu tố cần phải được cân nhắc kỹ lưỡng là tác động của nhiệt độ đối với hóa học của pin.
Khi chịu tiếp xúc với nhiệt độ thấp trong thời gian dài, nhiều chất điện giải được sử dụng trong cấu trúc pin trở nên ngưng tụ, dẫn đến việc giảm dần hiệu suất của pin cho đến khi các chất điện giải bắt đầu đóng băng, làm mất hoàn toàn khả năng hoạt động của pin – một sự thay đổi vật lý không thể đảo ngược.
Ngay cả sự tiếp xúc ngắn hạn với nhiệt độ trung bình đến cao cũng có thể khiến tuổi thọ của những viên pin có thể sạc lại bị giảm, tuy nhiên tác động này thường không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của chúng. Trái lại, những hậu quả nghiêm trọng hơn sẽ xảy ra nếu nhiệt độ của pin tăng lên mức cực cao, đủ để kích hoạt quá trình phân hủy của các điện cực, làm tan chảy lớp tách, gây ra sự phân hủy của cực hay thậm chí gây ra hiện tượng rung nhiệt cực độ.
Nhờ việc thực hiện các thử nghiệm nhiệt độ một cách kỹ lưỡng, các vùng chính của hoạt động pin có thể được xác định cho các môi trường và ứng dụng khác nhau. Điều này cho phép các nhà sản xuất thực hiện các biện pháp phù hợp để đảm bảo an toàn cho người dùng, có thể thông qua việc hạn chế hiệu suất của pin để giới hạn sự phát nhiệt, hoặc tích hợp các hệ thống quản lý nhiệt để làm nguội pin trong quá trình sử dụng.
Phân tích đặc điểm về hành vi nhiệt
Nhiệt được tạo ra từ viên pin cách ly có thể nhanh chóng được phân tán vào môi trường xung quanh mà có thể không dẫn đến sự tăng đáng kể trong nhiệt độ. Tuy nhiên, điều này không nhất thiết áp dụng cho cùng một viên pin khi nó được kết hợp vào một module hoặc gói pin. Khi viên pin được bao quanh bởi các viên pin tương tự khác cũng đang tạo ra nhiệt, lượng nhiệt ít có thể thoát ra khỏi hệ thống, từ đó làm tăng nhiệt độ bên trong.
“Module” là gì? “Module” là một khái niệm thường được sử dụng trong lĩnh vực công nghệ, kỹ thuật, và sản xuất. Module để chỉ một phần tử độc lập hoặc một phần của một hệ thống lớn hơn có thể hoạt động một cách độc lập nhưng cũng có thể được kết hợp để tạo thành hệ thống hoàn chỉnh.
Để hiểu rõ hơn về hành vi nhiệt của pin, việc xác định tốc độ tạo nhiệt hoặc công suất trong quá trình sử dụng dưới nhiều điều kiện khác nhau là vô cùng quan trọng. Mặc dù có thể tính toán công suất từ các đo đạc nhiệt độ, chẳng hạn bằng cách sử dụng cặp nhiệt cặp hoặc nhiệt biến, kết quả của phương pháp này phụ thuộc vào việc sử dụng một mô hình nhiệt phù hợp và độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào tính chính xác của mô hình và các thông số đã xác định.
Để có cái nhìn trực tiếp hơn về công suất hoặc dấu vết nhiệt năng lượng mà một viên pin phát ra, ta có thể sử dụng các thiết bị đo lường nhiệt độ phù hợp được gọi là “calorimeters” cho pin. Những thiết bị này cho phép đo lường trực tiếp lượng nhiệt được sản sinh hoặc hồi phát trong quá trình hoạt động của viên pin.
Nhìn chung, việc nắm vững các đặc điểm về hành vi nhiệt của pin trong các điều kiện khác nhau là một phần quan trọng trong việc thiết kế và quản lý hiệu suất của các hệ thống pin và module pin lớn hơn.
Kiểm tra hiệu suất
Kiểm tra hiệu suất là gì? Kiểm tra hiệu suất là quá trình đánh giá và đo lường khả năng hoạt động, chất lượng và hiệu quả của một sản phẩm, hệ thống hoặc quy trình. Mục tiêu chính của việc kiểm tra hiệu suất là xác định xem một sản phẩm hoặc hệ thống có hoạt động theo cách mong đợi hay không, cũng như xác định các yếu điểm, vấn đề hoặc cải tiến có thể được áp dụng.
Trong quá trình thiết kế và phát triển, việc mở rộng các vùng lý tưởng và an toàn (như được biểu thị bằng các mũi tên màu xanh và vàng) đối với hoạt động pin tạo ra những viên pin đa năng, linh hoạt. Có hai loại phép đo nhiệt lượng mà ta có thể sử dụng để đánh giá các đặc điểm về hiệu suất của một viên pin – đó là phép đo cách nhiệt và phép đo cách nhiệt đẳng nguyên. Cả hai phép đo này đều là các kỹ thuật không gây hại cho pin, trong đó pin được kết nối với một thiết bị tuần hoàn để đánh giá hiệu suất dưới nhiều điều kiện hoạt động.
Trong thử nghiệm cách nhiệt, pin đang được kiểm tra được duy trì ở một nhiệt độ setpoint không đổi và điều này rất quan trọng để đảm bảo kết quả đo đạc chính xác. Bằng cách đo lượng công suất được sử dụng bởi các thiết bị sưởi để duy trì nhiệt độ, ta có thể tính toán được lượng nhiệt được tạo ra hoặc tiêu thụ bởi pin dưới các điều kiện thử nghiệm khác nhau.
- Phép đo cách nhiệt thường cho phép kiểm soát tích hợp phần mềm và thu thập dữ liệu cho các mô hình thông dụng của máy đo pin. Điều này giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình đặc điểm hóa hành vi nhiệt, vì các dữ liệu đo đạc có thể được tổng hợp với các kiểm tra tiêu chuẩn. Tích hợp phần mềm với máy đo pin giúp mô phỏng việc sử dụng bình thường và các trường hợp sử dụng không bình thường, từ đó xác định tác động của việc thay đổi tốc độ sạc/xả và tuần hoàn lặp lại.
- Trong thử nghiệm cách nhiệt đẳng nguyên, môi trường thử nghiệm của pin được duy trì ở một nhiệt độ cố định, cho phép nhiệt độ của pin chính nó trải qua biến đổi nhỏ trong quá trình đo lường. Khi pin nóng lên, lưu lượng nhiệt chảy vào hệ thống làm mát sẽ tăng. Khi pin nguội đi, nhiệt sẽ được hấp thụ, làm giảm lưu lượng nhiệt. Sau khi giao thức sạc/xả hoàn tất, pin và hệ thống sẽ trở lại trạng thái cân bằng nhiệt. Điều quan trọng là, càng lớn khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa pin và giá trị setpoint, thì pin sẽ mất hoặc nhận nhiệt nhanh chóng hơn.
Kết luận
Hiểu biết không đủ về hành vi nhiệt của pin có thể dẫn đến việc tích hợp những viên pin không an toàn vào các thiết bị mà thiếu các biện pháp an toàn đủ đáng để đảm bảo. Hoặc ngược lại, các nhà sản xuất quá thận trọng có thể sản xuất ra các viên pin có các giới hạn về hiệu suất, môi trường hoạt động và các vùng an toàn tối ưu mà có thể tránh được. Điều này đồng nghĩa với việc họ phải chịu thêm chi phí phát triển và nguyên liệu do việc bao gồm các hệ thống quản lý nhiệt của pin không cần thiết và phức tạp.
Hồi phát nhiệt của một viên pin phụ thuộc vào tốc độ sạc, trạng thái sạc, nhiệt độ thiết bị và tuổi của viên pin, và tác động của những yếu tố này có thể được nghiên cứu bằng các kỹ thuật đo lường nhiệt lượng. Dữ liệu thu thập thông qua phép đo nhiệt lượng của pin có thể được sử dụng để xác định yêu cầu quản lý nhiệt, điều kiện sử dụng tối ưu, các vùng hoạt động an toàn và tối đa hóa hiệu suất sản phẩm. Việc hiểu rõ về lượng nhiệt được tạo ra bởi viên pin là điều cần thiết để đảm bảo các biện pháp an toàn và đề xuất sử dụng phù hợp được áp dụng, và để giảm thiểu các rủi ro liên quan đến hiện tượng chạy nhiệt và cháy nổ.
Khi pin ngày càng trở nên phổ biến trong các xe điện và xe đạp điện, điều cần thiết là các nhà sản xuất tiếp tục nghiên cứu và phát triển các viên pin hiệu suất và an toàn, phù hợp cho mọi môi trường và ứng dụng.
