Pin cao áp (HV Battery)

Mục lục:

Hệ thống Pin
Pin nickel-hydride kim loại (NiMH)
Pin Lithium Ion
Quá trình nạp điện và phạm vi làm việc
Làm mát

Hệ thống Pin

Hiện nay, pin sử dụng cho xe truyền động hybrid và xe vận hành bằng điện là pin nickel-hydride kim loại hay pin ion lithium. Các tính chất và đặc điểm của hai hệ thống này được thể hiện trong bảng dưới

Bên cạnh Pin điện áp cao, xe truyền động hybrid còn sử dụng bình ắc quy 12V thông thường để cung cấp điện cho hệ thống điện trong xe.

Pin nickel-hydride kim loại (NiMH)

Mỗi đơn vị của pin nickel-hydride kim loại có nhiều tế bào, mỗi tế bào bao gồm một tấm dương cực, một tấm âm cực và chất điện phân (dung dịch kiềm).

Cấu tạo:

Tấm dương cực (MH) làm bằng hợp kim có hàm lượng cao các thành phần “đất hiếm” (còn được gọi là kim loại đất hiếm), chẳng hạn như lanthan, ceri và neodymi. Tấm dương cực có thể lưu trữ hydro trong mạng tinh thể của kim loại, do đó tạo thành một hydride kim loại.

“Đất hiếm” phải qua một quá trình phức tạp mới khai thác được. Bởi vì nó có phần độc hại, nên việc khai thác liên quan nhiều đến rủi ro môi trường.

Sự kết hợp của kim loại với hydro được gọi là hydride kim loại. Trong quá trình này, các phân tử hydro đầu tiên được hấp thụ bởi bề mặt của kim loại, và sau đó được sáp nhập như nguyên tố hydro trong mạng tinh thể kim loại.

Các tấm âm cực được làm bằng nickel-oxide- hydroxide (NiO(OH)), có kích thước lớn hơn so với điện cực dương.

Cấu tạo hệ thống

Một hệ thống pin NiMH điển hình bao gồm 28 mô đun, mỗi mô đun với 6 đơn vị (cell pin) 1,2 V (tổng cộng 201,6 V). Công suất điện của hệ thống là 27 kW. Nó còn có một bộ điều khiển, thiết bị làm mát với quạt gió và hệ thống an toàn bằng rơle.

Chỉ dẫn cơ xưởng

Bảo dưỡng

Trong khuôn khổ kiểm tra xe, dung lượng và khác biệt về dung lượng giữa các mô đun của pin phải được kiểm tra. Sự khác biệt quá lớn giữa các mô đun của pin có thể được cân bằng lại nhờ một thiết bị bảo dưỡng đặc biệt.

Phải thay nước làm mát cho hệ thống làm mát của bộ inverter theo định kỳ.

Biện pháp an toàn

Mạch điện áp cao của hệ thống hybrid hoặc xe điện có thể gây ra các vết thương nặng hoặc chết người nếu xử lý không đúng cách.

Khi làm việc với xe truyền động hybrid hoặc xe điện, phải tuyệt đối tuân theo chỉ dẫn của hãng sản xuất!

Chức năng của mạch an toàn

Khi xe khởi động, rơle an toàn hoặc bảo vệ an toàn (rơle 1-3) trong hệ thống pin được bật lên thông qua bộ điều khiển

Để bảo vệ điện tử công suất (Power Electronic) trước dòng điện cao khi bật lên, đầu tiên bộ điều khiển đóng các rơle 2 và 3 lại để dòng điện phía cực dương chạy qua điện trở hạn dòng. Sau đó, rơle 1 được đóng lại và dòng điện chạy trực tiếp đến bộ đảo điện, không qua các điện trở nữa. Sau đó, rơle 2 được ngắt điện. Như vậy, hệ thống pin được kết nối với hệ thống truyền động điện hoặc bộ đảo điện (inverter) mà không qua điện trở hạn dòng.

Khi hệ thống hybrid bị tắt hay khi có tai nạn, bộ điều khiển cắt nối kết phía cực dương và phía dây mass.

Chỉ dẫn cơ xưởng

Rơle hoặc các chức năng bảo vệ trong hệ thống pin là các thành phần an toàn quan trọng. Chúng không được loại bỏ khỏi khối rơle. Khi rút giắc cắm dịch vụ (Công tắc chính ngắt hệ thống cao áp), thì hệ thống phải được ngắt điện, thí dụ trong khuôn khổ bảo dưỡng hay sửa chữa.

Tuân thủ các chỉ dẫn của hãng sản xuất để ngắt điện.

Pin Lithium Ion

Cấu tạo

Các điện cực dương được làm bằng nhôm và được phủ một lớp oxide kim loại (thí dụ như coban). Điện cực âm được phủ một lớp than chì. Trong các lớp của điện cực có chứa lithium.

Vì thế, ở điện cực dương sẽ hình thành lithium cobalt dioxide (LiCoO₂), ở điện cực âm là than chì lithium.

Chất điện phân không chứa nước và thường là từ cồn carbonat với lithium hexafluorophosphate (LiPF₆). Giữa các điện cực có dải phân cách làm bằng polyme hoặc gốm.

Chu trình nạp xả

Pin được xạc đầy: Các nguyên tử lithium nằm tại điện cực âm.

Quá trình phóng điện: Các nguyên tử lithium phóng thích các điện tử. Các điện tử này di chuyển qua mạch điện tiêu thụ đến điện cực dương. Các ion lithium có điện tích dương di chuyển qua chất điện phân đến điện cực dương và được trữ tại đó. Các điện tử được thu nhận bởi chất gọi là ion kim loại chuyển tiếp.

Pin hết điện: Các ion lithium được trữ ở điện cực dương. Các điện tử liên kết với các ion kim loại chuyển tiếp.

Quá trình sạc điện: Các điện tử tách ra khỏi các ion kim loại chuyển tiếp, di chuyển qua chất điện phân và đến điện cực âm. Các điện tử và ion lithium kết hợp với nhau và trở thành các nguyên tử lithium.

Do mật độ năng lượng và mật độ công suất của pin ion lithium cao nên các hư hại cơ học có thể dẫn đến cháy hay nổ.

Lưu ý an toàn

Khi chất điện phân lithihexafluorophosphate (LiPF%) của pin ion lithium tiếp xúc với nước sẽ trở thành acid flohydric (HF), là một chất độc mạnh khi tiếp xúc.

Khi Pin ion lithium cháy không được dập tắt bằng nước!

Pin lithium-polyme

Là một loại pin ion lithium.

Giống như pin ion lithium, các điện cực âm làm bằng than chì, các điện cực dương là lithium oxide kim loại. Tuy nhiên, pin lithium-polyme không có chất điện phân lỏng. Chất điện phân cơ bản được làm từ polyme, và có dạng phiến mỏng ở thể rắn hay nhão. Tất cả các bộ phận của ắc quy (đường dẫn điện, điện cực âm, chất điện phân, điện cực dương) đều được chế tạo như những lớp phim mỏng có độ dày nhỏ hơn 100 micrômét. Như vậy, hình dạng thiết kế của ắc quy lithium – polyme không bị hạn chế.

Pin NiMH	Pin Lithium Ion
– Trọng lượng nặng hơn – Chi phí sản xuất thấp hơn – Yêu cầu thấp hơn đối với hệ thống quản lý pin, làm mát và bảo vệ cơ học – Trong trường hợp hư hỏng, có thể thay thế từng cell pin	– Mật độ năng lượng và công suất cao hơn – Hiệu năng sử dụng năng lượng cao hơn – Hiện tượng tự xả điện thấp hơn – Nhảy cảm hơn với nhiệt độ thấp, với việc sạc quá dòng, xả điện sâu và các tác động vật lý

So sánh đặc tính của pin NiMH và pin Lithium Ion

Quá trình nạp điện và phạm vi làm việc

Dung lượng sạc của từng tế bào pin trên thực tế không giống nhau. Vì lẽ đó pin NiMH thường được sạc quá dòng với cường độ dòng điện thấp và dưới giới hạn sản sinh hơi axít. Các tế bào pin đã nạp đầy sẽ biến đổi điện tích thừa thành nhiệt. Sau mức nạp quá dòng có chủ đích này, các đơn vị pin lại có cùng một mức dung lượng.

Khác với Pin NiMH, Pin Li-ion sẽ bị phá hủy nếu bị sạc quá tải nên hệ thống quản lý pin sẽ giám sát từng tế bào pin và mỗi tế bào sẽ có khả năng tự xả điện riêng. Nhờ vậy, tất cả các tế bào pin có thể được đưa đến cùng một mức dung lượng như nhau (SOC/mức nạp).

Phạm vi hoạt động tối ưu của pin nằm trong khoảng SOC 50 % đến 80 %.

Hệ thống quản lý pin đảm bảo để giới hạn này không bị vượt quá hay thấp hơn mức nói trên. Điều này có nghĩa rằng pin thường có kích thước lớn hơn để đảm bảo giới hạn phạm vi hoạt động không bị vượt quá.

Phạm vi giới hạn trên không được vượt quá giúp pin có thể tiếp tục nạp năng lượng khi xe xuống một dốc dài. Tuy nhiên, khi có nguy cơ quá tải, hệ thống quản lý pin tự động dừng quá trình sạc.

Bên cạnh đó, pin không được xả điện quá giới hạn dưới để bảo đảm việc tăng tốc của xe khi cần thiết (chức năng tăng cường).

Làm mát

Tuổi thọ và công suất của pin phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ hoạt động của nó. Nhiệt độ cao làm hư hại các tế bào pin, còn ở nhiệt độ thấp các phản ứng điện hóa diễn ra chậm chạp. Nhiệt độ hoạt động tối ưu là khoảng 20 °C.

Nhiệt độ pin không nên vượt quá khoảng nhiệt độ vận hành (từ 45 °C đến 60 °C)

Pin có thể được làm mát, thí dụ bằng quạt gió với không khí bên trong xe. Không khí được dẫn thông qua một ống dẫn dưới ghế ngồi phía sau từ bên trong xe đến pin trong khoang hành lý

Ngoài ra, pin có thể được làm mát bằng các phương pháp khác như nước làm mát từ mạch làm mát riêng hay làm mát bằng hệ thống điều hòa không khí của xe.

Xem thêm: