Các nguyên tắc và phương pháp kiểm tra cơ bản đối với pin điện là gì?

Các nguyên tắc và phương pháp kiểm tra cơ bản đối với pin điện là gì?

Nguyên tắc cơ bản và phương pháp kiểm tra pin điện

Các đặc tính điện hóa cơ bản của nguồn năng lượng hóa học bao gồm công suất, điện áp, điện trở trong, khả năng tự xả, hiệu suất lưu trữ, hiệu suất ở nhiệt độ cao và thấp, v.v. Là một nguồn năng lượng hóa học thứ cấp điển hình, pin điện cũng bao gồm hiệu suất sạc và xả, hiệu suất chu kỳ, áp suất bên trong, v.v. Do đó, nội dung kiểm tra hiệu suất chính cho một pin nguồn bao gồm: kiểm tra hiệu suất sạc và xả, kiểm tra hiệu suất phóng điện, kiểm tra hiệu suất tốc độ và công suất phóng điện, kiểm tra hiệu suất nhiệt độ cao và thấp, kiểm tra năng lượng và năng lượng cụ thể, kiểm tra công suất và năng lượng cụ thể, hiệu suất lưu trữ và thử nghiệm tự phóng điện, thử nghiệm tuổi thọ, thử nghiệm điện trở bên trong, thử nghiệm áp suất bên trong và thử nghiệm an toàn, v.v.

Từ góc độ ứng dụng thực tế của xe, một loạt các thử nghiệm phù hợp cho việc sử dụng xe được thực hiện với đối tượng thử nghiệm là bộ pin điện áp cho xe điện, như: phát hiện công suất tĩnh, phát hiện công suất động, kiểm tra tĩnh, kiểm tra công suất khởi động, kiểm tra khả năng sạc nhanh, kiểm tra vòng đời, kiểm tra an toàn, kiểm tra độ rung của pin, phát hiện công suất cực đại, phát hiện phóng điện một phần, kiểm tra công suất gradient tối đa, kiểm tra hiệu suất nhiệt, v.v.

(1) Phát hiện công suất tĩnh Mục đích chính của thử nghiệm này là để xác định xem bộ pin có đủ điện tích và năng lượng khi xe được sử dụng thực tế và có thể hoạt động bình thường ở các mức nhiệt độ và tốc độ xả được xác định trước khác nhau hay không. Phương pháp thử nghiệm chính là thử nghiệm phóng điện chậm trong điều kiện nhiệt độ không đổi và quá trình phóng điện kết thúc khi điện áp của bộ pin nguồn giảm xuống giá trị cài đặt hoặc tính nhất quán của các ô đơn lẻ trong bộ pin nguồn (chênh lệch điện áp) đạt đến giá trị cài đặt.

(2) Phát hiện công suất độngTrong quá trình vận hành xe điện, nhiệt độ vận hành và tốc độ phóng điện của ắc quy điện là động. Thử nghiệm này chủ yếu phát hiện khả năng của bộ pin trong điều kiện phóng điện động, điều này chủ yếu được phản ánh qua năng lượng và công suất ở các nhiệt độ và tốc độ xả khác nhau. Phương pháp thử nghiệm chính là thực hiện kiểm tra hiệu suất phóng điện của bộ pin điện bằng cách sử dụng cấu hình dòng điện được xác định trước hoặc cấu hình dòng điện thực tế được thu thập từ ứng dụng của xe. Điều kiện kết thúc thử nghiệm được điều chỉnh theo điều kiện thử nghiệm và đặc tính của nguồn điện, nhưng về cơ bản tuân theo tiêu chuẩn điện áp giảm đến một giá trị nhất định. Phương pháp này có thể phản ánh trực tiếp và chính xác hơn nhu cầu ứng dụng thực tế của xe điện.

(3) Kiểm tra không hoạt độngMục đích của thử nghiệm này là để phát hiện tình trạng mất công suất của bộ pin khi không sử dụng trong một khoảng thời gian. Thử nghiệm này được dùng để mô phỏng tình huống xe điện không được lái trong một khoảng thời gian và pin để hở mạch. Kiểm tra hoạt động còn được gọi là kiểm tra hiệu suất tự xả và lưu trữ, đề cập đến khả năng duy trì mức sạc dự trữ của pin trong các điều kiện môi trường nhất định khi pin ở trạng thái mạch hở.

(4) Kiểm tra công suất khởi động Vì công suất khởi động của ô tô tương đối lớn nên để thích ứng với việc ô tô khởi động trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau, các thử nghiệm công suất khởi động được tiến hành trên bộ ắc quy điện ở nhiệt độ thấp ($−18\\text{ độ }$) và nhiệt độ cao ($50\\text{ độ }$). Thử nghiệm này, ngoài việc được đo ở nhiệt độ phòng, thường còn được đặt giá trị SOC để xác định khả năng phóng điện của pin ở các trạng thái sạc khác nhau. Các thử nghiệm phổ biến là các thử nghiệm sức mạnh được thực hiện ở mức $90\\%$, $50\\%$ và $20\\%$ SOC.

(5) Kiểm tra khả năng sạc nhanhMục đích của thử nghiệm này là kiểm tra khả năng sạc nhanh của pin bằng cách thực hiện các thử nghiệm sạc tốc độ cao trên bộ pin nguồn và kiểm tra hiệu suất, khả năng sinh nhiệt cũng như tác động của pin lên các đặc tính khác. Để sạc nhanh, tiêu chuẩn USABC đặt mục tiêu giúp SOC của pin phục hồi từ $40\\%$ lên $80\\%$ trong vòng $15\\text{min}$. Hiện tại, tiêu chuẩn do hiệp hội CHAdeMO của Nhật Bản đặt ra yêu cầu rằng việc sạc bộ pin cho xe điện với giá khoảng $10\\text{min}$ có thể đảm bảo xe đi được $50\\text{km}$; tính phí hơn $30\\text{min}$ có thể đảm bảo xe đi được $100\\text{km}$.

(6) Kiểm tra vòng đờiTuổi thọ của pin ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế của việc sử dụng pin. Khi dung lượng thực tế của pin thấp hơn $80\\%$ so với dung lượng ban đầu hoặc dung lượng định mức, pin nguồn được coi là đã hết tuổi thọ. Phương pháp chính được sử dụng trong thử nghiệm này là thực hiện các chu kỳ sạc và phóng điện trong những điều kiện nhất định, sử dụng số chu kỳ làm chỉ số tuổi thọ của nó. Vì thời gian thử nghiệm tuổi thọ pin tương đối dài nên quá trình thử nghiệm thường kéo dài vài tháng hoặc thậm chí một năm. Do đó, trong hoạt động thực tế, các phương pháp xác định số chu kỳ kiểm tra, đo mức suy giảm công suất và sau đó thực hiện phép ngoại suy tuyến tính dựa trên dữ liệu này thường được sử dụng để kiểm tra. Trong lĩnh vực nghiên cứu, để rút ngắn thời gian kiểm tra tuổi thọ của pin, các nghiên cứu cũng đang được tiến hành nhằm đẩy nhanh quá trình lão hóa của pin bằng cách tăng nhiệt độ thử nghiệm và tốc độ sạc/xả để kiểm tra tuổi thọ của pin điện và bộ pin điện.

(7) Kiểm tra an toànHiệu suất an toàn của pin đề cập đến việc đánh giá tác hại tiềm tàng đối với con người và thiết bị có thể do việc lưu trữ và sử dụng pin lưu trữ gây ra. Đặc biệt khi pin bị lạm dụng, năng lượng cụ thể đầu vào sẽ khiến các vật liệu cấu thành bên trong của pin trải qua các phản ứng vật lý hoặc hóa học tạo ra một lượng nhiệt lớn. Nếu nhiệt không được tản đi kịp thời có thể dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt của pin. Sự thoát nhiệt có thể khiến pin bị phồng lên, sinh ra khí dễ cháy, vỡ, nứt và kèm theo cháy nổ, gây tai nạn mất an toàn. Trong số nhiều nguồn năng lượng hóa học, sự an toàn của pin lithium{4}}ion là đặc biệt quan trọng. Các mục kiểm tra an toàn chung cho pin điện được trình bày trong Bảng 6-1.

Bảng 6-1 Các hạng mục kiểm tra an toàn chung cho pin điện

(8) Kiểm tra độ rung của pinMục đích của thử nghiệm này là để phát hiện tác động của các rung động và chấn động thường xuyên do đường gây ra đối với hiệu suất và tuổi thọ của pin điện và bộ pin điện. Kiểm tra độ rung của pin chủ yếu kiểm tra độ bền rung của pin điện (gói) và sử dụng thông tin này làm cơ sở để hướng dẫn cải tiến thiết kế cấu trúc của pin điện (gói). Có hai loại rung trong thử nghiệm rung: rung hình sin hoặc rung ngẫu nhiên. Do bộ pin điện chủ yếu được sử dụng trong xe cộ nên rung động ngẫu nhiên thường được áp dụng để mô phỏng tốt hơn các điều kiện hoạt động thực tế của pin.

Trên đây chỉ là một số yêu cầu chung để kiểm tra pin nguồn (gói). Các thông số và yêu cầu cụ thể của bài kiểm tra sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại pin nguồn. Bảng 6-2 trình bày các yêu cầu về hiệu suất an toàn và phương pháp thử nghiệm đối với hệ thống và bộ pin lithium-ion dùng trong xe điện.

Bảng 6-2 Yêu cầu về hiệu suất an toàn và phương pháp thử nghiệm đối với hệ thống và bộ pin lithium-ion trong xe điện

Lưu ý: Bảng 6-2 chủ yếu tham chiếu GB/T 31467.3-2015, GB/T 2423.43-2008, GB/T 2423.56-2018 và GB/T 28046.1-2011.