Thiết kế pin xe điện - Kéo dài phạm vi hoạt động và tuổi thọ

Chia sẻ thông tin cùng tạp chí Điện tử và Ứng dụng, Giám đốc Tiếp thị ngành nghề & giải pháp Keysight Technologies, Hwee Yng YEO cho biết, dự kiến, trong tương lai, nhu cầu pin lithium-ion của ngành ô tô sẽ tăng khoảng 33% mỗi năm lên đến 4.700 GWh vào cuối thập kỷ này.

Pin xe điện (EV) giá cả phải chăng sẽ sớm giúp hạ giá thành xe điện ngang với giá thành xe động cơ đốt trong. Tuy nhiên, kiểm soát giá thành pin luôn là một thách thức vì sự gia tăng chi phí của nguyên liệu, chuỗi cung ứng và năng lượng, đồng thời quá trình sản xuất các tế bào pin tiêu thụ rất nhiều năng lượng.

Đổi mới sáng tạo công nghệ sẽ góp phần vào củng cố mối quan hệ nghịch đảo giữa giá thành và nhu cầu đối với pin EV. Cùng với giảm chi phí, một động lực khác thúc đẩy sự phát triển công nghệ pin là khả năng hỗ trợ hệ sinh thái giao thông vận tải điện năng động.

Vai trò ngày càng quan trọng của pin EV

Hình 1 minh họa tổng quan về hệ sinh thái giao thông vận tải điện và mức độ ảnh hưởng của pin khi hệ sinh thái thay đổi.

Một mặt, như được minh họa bên phải hình, cả nhà sản xuất ô tô và nhà phát triển pin phải tạo ra pin EV đáp ứng kỳ vọng của người tiêu dùng về phạm vi vận hành lớn hơn. Ở cấp độ vĩ mô, pin có công suất và tuổi thọ cao hơn sẽ hỗ trợ quá trình tích hợp điện khí hóa xe hơi vào các ứng dụng thực tế, tạo ra nền kinh tế pin tuần hoàn để giảm chất thải và ô nhiễm.

Mặt khác, nửa bên trái hình này cho chúng ta cái nhìn tổng quan về sự thay đổi của lưới điện thông minh, có khả năng biến pin xe điện từ một "bể điện" đơn chiều, lấy năng lượng từ các trạm sạc thành một nguồn năng lượng hỗ trợ kết nối với lưới điện qua giao diện xe nối lưới một hoặc hai chiều (V2G).

Thiết kế nâng cao hiệu pin ở các cấp độ cell, mô-đun và gói pin

Các tế bào pin EV có hình dạng khác nhau: hình trụ, hình túi và hình lăng trụ. Về cơ bản, các giai đoạn phát triển ban đầu của chúng giống nhau. Các nhà phát triển cell (tế bào) pin phải mô tả, lựa chọn và tối ưu hóa các loại hóa chất và vật liệu tế bào trong khi nghiên cứu & phát triển.

Thành phần hóa học của pin chính là điểm khởi đầu trong hành trình đáp ứng kỳ vọng về phạm vi hoạt động lớn hơn, tốc độ sạc nhanh hơn và khả năng V2G sẵn sàng cho tương lai. Tùy thuộc vào thông số kỹ thuật hiệu năng pin, các nhà phát triển tế bào pin cần phân tích hiệu năng của từng loại hỗn hợp điện hóa (xem ví dụ trong Hình 2).

Hình 2: Thành phần hóa học khác nhau của pin tạo ra các tính chất và hiệu năng pin khác nhau.

Phòng thí nghiệm đo kiểm pin hiện đại phải xử lý cùng lúc hàng ngàn tế bào pin cần đo và đo chính xác hiệu năng thực tế của các thiết kế tế bào khác nhau để xác định mức độ đáp ứng các mục tiêu thiết kế (xem Hình 3).

Hình 3. Khi phát triển một loại tế bào pin mới, cần xem xét các đặc tính tế bào khác nhau, vì đặc tính tế bào pin còn phụ thuộc vào ứng dụng.

Trong quá trình thiết kế và đo kiểm pin, nhà quản lý thiết kế pin cần linh hoạt sử dụng các tham số đo kiểm khác nhau cho các ứng dụng khác nhau khi các tế bào được lắp ráp thành các mô-đun và gói pin để cấp nguồn cho xe. Các ứng dụng có thể bao gồm xe máy hai bánh đến xe sedans, xe SUV và phương tiện vận tải hạng nặng. Yêu cầu thiết kế và thiết lập đo kiểm pin phụ thuộc vào nhu cầu của phân khúc người dùng cuối. Do đó, môi trường đo kiểm phải hỗ trợ được các yêu cầu về điện áp, kênh và an toàn cần thiết (xem Hình 4).

Cần thực hiện các phép đo dưới đây để xác minh hiệu năng pin ở các cấp độ cell, mô-đun và gói:

• Ghi lại các giá trị nhiệt độ để nghiên cứu tương tác điện nhiệt của tế bào pin.
• Kiểm tra kết nối cơ học và hiệu năng của mô-đun.
• Giao tiếp với hệ thống quản lý pin trên xe.

Hình 4. Mỗi giai đoạn của chu kỳ phát triển cần môi trường đo kiểm có thể giúp xác nhận hiệu năng pin.

Tăng cường vai trò của quản lý tự động trong phòng thí nghiệm đo kiểm pin

Hình 5 minh họa đơn giản về các vai trò và nhiệm vụ khác nhau trong phòng thí nghiệm đo kiểm pin. Khi số thiết bị cần đo nhiều, các nhà quản lý phòng thí nghiệm không thể sử dụng bảng tính và theo dõi thủ công để quản lý phòng thí nghiệm đo kiểm pin hiện đại.

Tự động hóa vận hành phòng thí nghiệm là yếu tố cần thiết không chỉ để bảo đảm quản lý hiệu quả thời gian và nguồn lực, mà còn cho phép theo dõi và truy nguyên, cũng như cải thiện thông lượng đo kiểm. Khi có các cơ sở lớn đặt tại nhiều địa điểm, các công cụ quản lý vận hành phòng thí nghiệm ứng dụng công nghệ đám mây cho phép hiển thị giám sát và tiếp cận có kiểm soát tới trạng thái các hoạt động đo kiểm pin. Có thể sử dụng dữ liệu đo kiểm thu thập được từ các thiết bị cần đo để cải thiện thiết kế.

Hình 5: Luồng và quản lý dữ liệu là các yếu tố cần thiết trong phòng thí nghiệm đo kiểm pin hiện đại có nhu cầu giám sát đồng thời hàng ngàn thiết bị cần đo kiểm.

Đảm bảo chất lượng từ thiết kế đến sản xuất

Quy trình sản xuất pin hàng loạt sau khi có thiết kế mới đang thay đổi rất nhanh chóng. Theo một báo cáo của McKinsey, nếu nhu cầu về tế bào pin tiếp tục tăng ở mức 30% mỗi năm, thị trường toàn cầu sẽ cần thêm 90 nhà máy sản xuất siêu lớn theo tiêu chí công suất sản xuất hiện nay, để hỗ trợ điện khí hóa phương tiện giao thông trong thập kỷ tới.

Trong cuộc chạy đua Trung Quốc và Hàn Quốc để đưa hoạt động sản xuất pin xe điện tới gần hơn với thị trường cuối, châu Âu và châu Mỹ đã đổ hàng tỷ USD vào đẩy mạnh sản xuất trong các siêu nhà máy, một quá trình phức tạp như minh họa trong Hình 6.

Hình 6: Chu kỳ và quá trình lão hóa tế bào pin là những bước tốn thời gian nhất của quá trình sản xuất pin phức tạp.

Việc thiết lập một siêu nhà máy phải đối mặt với rất nhiều khó khăn thách thức, bao gồm vị trí, ngân sách, khả năng tiếp cận nguyên liệu thô, hệ thống sản xuất và nguồn nhân lực. Tuy nhiên, hãy tập trung vào những phức tạp của việc chế tạo các loại pin tốt hơn từ cấp tế bào.

Trong mọi môi trường sản xuất khối lượng lớn, thông lượng là một thước đo năng suất thiết yếu. Trong quá trình sản xuất pin lithium-ion, thời gian hình thành và lão hóa tế bào là các giai đoạn tốn nhiều thời gian nhất. Trong quá trình lão hóa tế bào, các nhà sản xuất phải đo tốc độ tự xả của tế bào ngay cả khi không kết nối với thiết bị. Mục đích là để sàng lọc các tế bào pin lỗi có hiện tượng tự xả bất thường hoặc quá mức, vì các tế bào “xấu” này ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu năng của các mô-đun và các gói.

Có thể mất vài ngày, vài tuần hoặc vài tháng để một tế bào thể hiện các đặc điểm tự xả. Tuy nhiên, trong môi trường sản xuất nhạy cảm về thời gian và chi phí, theo dõi tự xả truyền thống theo thời gian là không phải phương pháp thực tế.

Thay vào đó, một số nhà sản xuất hiện sử dụng phương pháp đo potentiostatic tương đối mới để đo trực tiếp dòng tự xả bên trong tế bào. Thời gian đo của phương pháp này không quá một vài giờ, so với thời gian nhiều ngày hoặc nhiều tuần theo phương pháp truyền thống để ghi lại hiệu suất tự xả của tế bào, nhờ đó tiết kiệm thời gian và không gian dành để thực hiện phép đo chất lượng quan trọng này.

Công nghệ mới tạo ra các tế bào pin mạnh hơn, sạc nhanh hơn. Các tế bào này cần trải qua chu kỳ nạp xả, trong đó các mẫu tế bào được kiểm tra để xác định vòng đời của tế bào và ảnh hưởng của tốc độ sạc đến vòng đời của tế bào. Khi dung lượng tế bào pin tăng nhanh, các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất cần dòng source and sink lớn hơn.

Để tránh tiêu thụ điện năng, các máy đo chu kỳ pin hiện đại sử dụng điện tái sinh, trong đó điện tạo ra khi xả pin được đưa trở lại lưới điện, nhờ đó giảm mức tiêu thụ năng lượng ròng để bạn hạ thấp chi phí vận hành. Quá trình này cũng tạo ra ít nhiệt hơn trong các thiết bị điện tử, giảm nhu cầu tản nhiệt của cơ sở sản xuất.

Công nghệ đo kiểm pin sẵn sàng cho tương lai

Khi tiếp tục quá trình điện khí hóa phương tiện vận chuyển, các nhà phát triển và nhà sản xuất cần dự đoán trước các yêu cầu mới về năng lực đo kiểm pin. Các yêu cầu này bao gồm yêu cầu về các loại máy đo có thể xử lý pin dung lượng pin và dòng source/sink lớn hơn, và năng lực tái sinh điện để giảm chi phí vận hành.

Một số nhà sản xuất cũng đang áp dụng các loại phòng thử nghiệm di động "superchamber" dạng mô đun, có thể triển khai mọi nơi để giảm thời gian và chi phí đầu tư đo kiểm pin, đồng thời cho phép mở rộng quy mô để triển khai nhanh theo nhu cầu.

Những đổi mới sáng tạo đầy hứng thú này chắc chắn sẽ giúp mở rộng hơn nữa quy mô phát triển và sản xuất pin, thúc đẩy quá trình ứng dụng phương tiện vận tải chạy điện.