Chương 2 : HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN XE RENAULT ZOE
2.4 Hệ thống quản lý nhiệt ắc quy cao áp Renault ZOE 2020 (BTMS)
2.4.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền và hoạt động của ắc quy Li-ion
Xe điện sử dụng một bộ ắc quy lớn để lưu trữ năng lượng. Năng lượng chảy vào bộ ắc quy khi nó được sạc từ phanh tái sinh hoặc từ lưới điện và được xả ra khỏi bộ ắc quy để cung cấp năng lượng cho xe và các phụ kiện của nó được đo bằng dịng điện và điện áp.
Dịng điện gây ra hiện tượng nóng trong các cell của ắc quy và hệ thống kết nối của chúng, nhiệt sinh ra tỷ lệ với bình phương của dòng điện chạy qua nhân với điện trở bên trong của các cell và hệ thống kết nối. Dịng điện càng cao thì hiệu ứng làm nóng càng nhiều: Q=I2Rt
Hình 2.31: Sự phát sinh nhiệt bên trong cell pin
Quản lý nhiệt của hệ thống ắc quy trong xe điện là rất quan trọng để duy trì khả năng lưu trữ năng lượng, phạm vi lái xe, tuổi thọ của các cell và sự an toàn. Những nghiên cứu trước đây đã chỉ ra, hiệu suất của ắc quy phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ môi trường làm việc.
Hiệu suất của các cell của ắc quy Lithium-ion bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ của chúng, chúng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Goldilocks. Ắc quy có yêu cầu cao hơn trong nhiệt độ mơi trường làm việc tăng cao. Ví dụ: Trạng thái sức khỏe của ắc quy SOH
40 bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ một cách đáng kể. Tuổi thọ của ắc quy có thể giảm 2/3 ở điều kiện khí hậu nóng khi lái xe q nhanh và không được làm mát.
Nếu ắc quy Lithium-ion hoạt động ở nhiệt độ môi trường thấp hơn trong thời gian dài, các “Đi gai” Lithium có diện tích bề mặt riêng cao sẽ hình thành trên cực dương của cell, dẫn đến SOH của ắc quy giảm nhanh chóng. Với nhiệt độ ắc quy vượt quá điểm ổn định, các phản ứng tỏa nhiệt nghiêm trọng xảy ra và khơng kiểm sốt được. Ngồi ra, nếu ắc quy tiếp cận hiện tượng thoát nhiệt, chỉ 12% tổng lượng nhiệt tỏa ra trong ắc quy là đủ để kích hoạt q trình thốt nhiệt ở các ắc quy liền kề. Đây là rủi ro lớn nhất trong quá trình sử dụng hệ thống ắc quy lithium-ion.
Hình 2.32: Mối liên hệ giữa nhiệt độ và độ bền của ắc quy Lithium - Ion
Ắc quy làm việc ở mơi trường có nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến hiện tượng phồng thể tích, và sự phân bố nhiệt độ khơng đồng đều có ảnh hưởng đến ứng suất nhiệt và sức căng của chúng, làm cho ắc quy phồng theo nhiều hình dạng khác nhau. Tất cả chúng đều rất quan trọng đối với sự an toàn và tuổi thọ của ắc quy. Điều tồi tệ hơn, ngắn mạch và quá nhiệt rất có thể gây ra hiện tượng thốt nhiệt. Khi đường băng nhiệt xảy ra, phản ứng tỏa nhiệt nghiêm trọng sẽ xảy ra lần lượt. Phân hủy lớp điện, phản ứng điện cực âm, phân hủy chất điện ly và phản ứng điện cực dương.
Ví dụ: Lớp bảo vệ bị phân hủy ở 100℃, chất phân tách tan chảy và co lại ở
41 nổ, oxy tạo ra do phản ứng điện phân có thể làm tình trạng thêm trầm trọng. Ngồi ra, với việc giải phóng nhanh một lượng lớn năng lượng và khí độc sẽ đe dọa đến an tồn cho ắc quy và khu vực hành khách bên trong xe.
Do đó, ngồi việc làm mát, cũng có thể u cầu sưởi ấm các cell của ắc quy cao áp ở nhiệt độ môi trường thấp hơn để ngăn ngừa hư hỏng trong quá trình sạc nhanh khi các cell quá lạnh, điều này là do nội trở của cell tăng lên khi chúng lạnh đi. Do đó việc cần thiết là bổ sung các thành phần kiểm soát nhiệt để cung cấp điều kiện làm việc phù hợp cho ắc quy cao áp, được gọi là hệ thống quản lý nhiệt ắc quy BTMS.
BTMS là thành phần cần thiết của hệ thống ắc quy lithium-ion, đặc biệt là ở nhiệt độ mơi trường cao. Có hai chức năng chính của BTMS:
1. Giữ cho ắc quy hoạt động trong các điều kiện thích hợp và cải thiện hiệu suất điện cũng như tuổi thọ của ắc quy
2. Ngăn chặn sự thoát nhiệt xảy ra và cải thiện độ an tồn.
Hình 2.33: Khoảng nhiệt độ làm việc của ắc quy Lithium-Ion
Hầu hết các cell của ắc quy Lithium không thể sạc nhanh khi chúng dưới 5oC và hồn tồn khơng thể sạc được khi chúng ở dưới 0oC. Các cell của ắc quy Lithium-ion
42 cũng bắt đầu xuống cấp nhanh chóng khi nhiệt độ của chúng trên 45oC. Chúng sẽ hoạt động hoàn hảo ở khoảng nhiệt độ từ 15 -35oC.
Do đó, nhằm đảm bảo ắc quy cao áp hoạt động trong phạm vi nhiệt độ mong muốn để có hiệu suất và tuổi thọ làm việc tối ưu, để giảm sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong các cell trong một bộ ắc quy cao áp phải đáp ứng các điều kiện sau:
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động là 15-35°C. - Chênh lệch nhiệt độ nên nhỏ hơn 3-4°C.