EnglishNguyên tắc thiết kế và đóng pin li-ion
Lựa chọn cell pin khi thiết kế pin sạc.
Việc đóng khối pin Li-ion bắt đầu bằng việc đáp ứng các yêu cầu về điện áp và thời gian chạy, sau đó tính đến các giới hạn về tải, môi trường, kích thước và trọng lượng. Các thiết kế di động cho các sản phẩm tiêu dùng muốn có kiểu dáng mỏng và thường lựa chọn cell hình lăng trụ hoặc dạng túi. Nếu không gian cho phép, pin hình trụ như 18650 thường mang lại chi phí thấp nhất và hiệu suất tốt nhất về mặt năng lượng riêng, độ an toàn và độ bền.
Hầu hết các khối pin cho thiết bị y tế, dụng cụ điện, xe đạp điện và thậm chí cả hệ thống truyền động cho ô tô điện (EV) đều dựa trên cell 18650. Điều này có vẻ không thực tế nhưng pin nhỏ hoạt động tốt vì đây là một trong những định dạng Li-ion hoàn thiện nhất hiện có, được sản xuất với số lượng lớn và có chi phí trên mỗi Wh thấp.
Cell hình trụ không lý tưởng vì nó để lại các khoảng trống trong cấu hình nhiều ô. Nhược điểm này trở thành một lợi thế khi xem xét tính linh hoạt và làm mát. Tesla S85 EV sử dụng hơn 7.000 cell. Nếu một cell trong dãy nối tiếp mở thì lượng tổn thất điện năng là tối thiểu; nếu một cell trong mạch song song bị ngắn mạch, bảo vệ cầu chì sẽ loại bỏ tế bào này khỏi mạch điện. Do đó, các cell hỏng có thể được loại bỏ mà không làm hỏng hoàn toàn khối pin.
Các nhà sản xuất xe điện không thống nhất về việc lựa chọn định dạng pin, nhưng có xu hướng sử dụng các định dạng lớn hơn để giảm bớt các thiết bị điện tử hỗ trợ – vốn sẽ làm tăng khối pin thêm 20–25%. Tuy nhiên, với cell lớn, các linh kiện điện tử sẽ đắt hơn do khả năng xử lý dòng điện cao hơn. Theo báo cáo năm 2015, Tesla S 85 có chi phí trên mỗi kWh thấp nhất khi sử dụng 18650. Các xe điện khác có pin hình lăng trụ lớn hơn với chi phí kWh cao hơn.
Bảng 1 so sánh chi phí kWh. Sản xuất hàng loạt giúp việc sử dụng cell 18650 tiết kiệm chi phí nhất.
Pin phải được thiết kế để cho phép hỏng hóc mà không gây ra sự cố nghiêm trọng. Cần phải hiểu tất cả các nguồn năng lượng cuối cùng sẽ chết và pin cũng không ngoại lệ. Tesla đã gia cố pin EV bằng cách bổ sung một tấm thép khổ lớn ở phía dưới để tăng cường bảo vệ khỏi các vật lạ bắn lên từ đường.
Pin lớn cho các ứng dụng năng lượng được làm mát. Một số sử dụng hệ thống thanh truyền để đưa nhiệt ra bên ngoài, một số khác sử dụng không khí hoăc chất lỏng để làm mát. Làm mát bằng chất lỏng vượt trội hơn và mặc dù đắt hơn nhưng pin EV vẫn hướng tới hình thức làm mát này.
Các quy định quốc tế về an toàn pin đối với nhà sản xuất
Việc lấy chứng nhận an toàn là bắt buộc đối với các hãng sản xuất pin.
Câu hỏi thường gặp là “Tại sao khối pin lại phải làm test một lần nữa trong khi các cell đã có chứng chỉ được duyệt?” Câu trả lời đơn giản là các cơ quan chức năng đánh giá trách nhiệm pháp lý dựa trên thành phẩm chứ không trên thành phần của chúng. Khối Pin hoàn chỉnh phải được kiểm tra và đăng ký để đảm bảo lắp ráp chính xác và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn.
Các nhà sản xuất pin uy tín không cung cấp cell Li-ion cho các nhà lắp ráp pin không có chứng chỉ. Điều này là dễ hiểu vì cell Li-ion có thể được sạc và xả vượt quá giới hạn an toàn nếu không có mạch bảo vệ thích hợp.
Việc làm đủ chứng chỉ để pin lưu hành trên thị trường thương mại và vận tải bằng máy bay có thể tốn từ 10.000 đến 20.000 USD. Mức giá này là rất cao khi thị trường nhiều biến động và các nhà máy sản xuất cell có ý định đổi sang model cell cao hơn. Khối pin mới vẫn cần làm chứng nhận lại ngay cả khi xác nhận là thay thế trực tiếp.
Là một phần của yêu cầu kiểm tra, pin thành phẩm phải trải qua quá trình đánh giá về điện và cơ để đáp ứng Khuyến nghị về Vận chuyển Hàng hóa Nguy hiểm đối với pin lithium-ion khi vận chuyển bằng đường hàng không, các quy tắc do Liên hợp quốc (LHQ) đặt ra. Thử nghiệm Vận tải của Liên Hợp Quốc (UN/DOT 38.3) hoạt động cùng với Cục Hàng không Liên bang (FAA), Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ (US DOT) và Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế (IATA)*. Chứng nhận áp dụng cho pin lithium sơ cấp và thứ cấp.
Bài test UN 38.3 bao gồm:
T1 – Altitude Simulation- Mô phỏng độ cao : Áp suất thấp mô phỏng hầm hàng không có áp suất ở độ cao 15.000 mét.
T2 – Thermal test – Kiểm tra nhiệt : Nhiệt độ cực cao bằng cách giữ pin trong 6 giờ ở -40°C và sau đó +75°C.
T3 – Vibration: Mô phỏng độ rung trong quá trình vận chuyển ở tần số 7Hz đến 200Hz trong tối đa 3 giờ.
T4 – Shock: Mô phỏng độ rung trong quá trình vận chuyển ở lực G nhất định dựa theo kích thước pin.
T5 – Đoản mạch ngoài : Đoản mạch <0,1Ω ở 50°C. Mức kiểm tra không vượt quá 170°C.
T6 – Va đập : Các cell hình trụ >20mm đã được thử nghiệm va đập; Các cell <20 mm đã được thử nghiệm nghiền nát.
T7 – Sạc quá mức : Sạc với tốc độ gấp đôi dòng điện khuyến nghị trong 24 giờ (chỉ dành cho pin sạc)
T8 – Xả cưỡng bức : Tương tự như T7, phóng điện cưỡng bức với pin sơ cấp và thứ cấp.
Pin thử nghiệm phải vượt qua các thử nghiệm mà không gặp vấn đề gì. Các bài kiểm tra này hoàn toàn nhằm mục đích an toàn. Phòng thí nghiệm được ủy quyền cần 24 mẫu pin gồm 12 gói mới và 12 mẫu đã được sạc xả 50 lần. IATA muốn đảm bảo rằng pin được đề cập có thể vận chuyển được và có tính nguyên vẹn khi hoạt động; việc sạc xả 50 lần trước khi thử nghiệm đáp ứng yêu cầu này.
Kết luận: Chi phí chứng nhận cao không khuyến khích các nhà sản xuất nhỏ sử dụng Li-ion cho các sản phẩm có khối lượng thấp và thay vào đó, có thể chọn loại pin gốc niken. Pin này không cần phải được kiểm tra ở cấp độ của các sản phẩm dựa trên lithium để vận chuyển hàng không.
* IATA (Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế)
