Chìa khóa rút ra:
- Bộ pin lithium-ion là các tổ hợp phức tạp bao gồm các tế bào, hệ thống quản lý pin (BMS), các bộ phận thụ động, vỏ và hệ thống quản lý nhiệt. Chúng cung cấp năng lượng cho hàng loạt ứng dụng, từ thiết bị điện tử tiêu dùng đến xe điện và yêu cầu kỹ thuật cẩn thận để đảm bảo an toàn, hiệu quả và độ tin cậy.
MỘT pin lithium-ion gói là tập hợp các tế bào lithium-ion, hệ thống quản lý pin và các bộ phận hỗ trợ khác nhau, tất cả đều được chứa trong một vỏ bọc. Nó cung cấp năng lượng và lưu trữ năng lượng có thể sạc lại cho vô số thiết bị điện tử tiêu dùng, xe điện, hệ thống lưu trữ lưới và các ứng dụng công nghiệp khác.
Trong khi pin lithium-ion cung cấp công suất điện cơ bản thì các thành phần tích hợp khác cũng quan trọng không kém trong việc đảm bảo chức năng an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn các khía cạnh kỹ thuật của từng thành phần lõi của bộ pin lithium-ion.
Tổng quan về các thành phần chính
Bộ pin lithium-ion bao gồm các thành phần chính sau:
- Tế bào lithium-ion – Đơn vị điện hóa cơ bản cung cấp khả năng lưu trữ điện. Nhiều tế bào được kết hợp để đạt được điện áp và công suất mong muốn.
- Hệ thống quản lý pin (BMS) – “Bộ não” giám sát tình trạng tế bào và kiểm soát sự an toàn cũng như hiệu suất.
- thành phần thụ động – Cung cấp cấu trúc, kết nối, cách nhiệt và làm mát.
- Bao vây – Bao bọc và bảo vệ tất cả các bộ phận bên trong.
- Hệ thống quản lý nhiệt – Duy trì nhiệt độ tế bào tối ưu cho hoạt động.
- Thiết bị điện tử bổ sung – Đã thêm các tính năng nâng cao chức năng và tích hợp.
Tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá từng thành phần này một cách chi tiết hơn về mặt kỹ thuật.
Pin Lithium-Ion: Nguồn năng lượng điện hóa
Các tế bào lithium-ion sử dụng hóa học xen kẽ ion lithium để lưu trữ năng lượng điện có thể đảo ngược về mặt điện hóa. Bên trong tế bào, các ion lithium tích điện dương di chuyển giữa cực dương than chì và cực âm oxit kim loại được gắn đá khi tế bào tích điện và phóng điện. Chất điện phân hữu cơ cho phép vận chuyển ion trong khi thiết bị phân tách xốp ngăn chặn sự tiếp xúc điện giữa các điện cực.
Các tế bào có nhiều kích cỡ tiêu chuẩn và dạng thức khác nhau:
- Hình trụ (ví dụ: 18650, 21700, 4680): các lớp điện cực/tách cách được quấn xoắn ốc trong một hộp kim loại hình trụ. Mật độ năng lượng cao hơn nhưng mật độ năng lượng thấp hơn so với tế bào túi. Các định dạng phổ biến:
- 18650 – Đường kính 18mm, cao 65mm, công suất điển hình 1,5–3Ah
- 21700 – Đường kính 21mm, cao 70mm, công suất lên tới 5Ah
- 4680 – Đường kính 46mm, cao 80mm, dung lượng 10-50Ah
- lăng trụ – các lớp cực âm, cực dương và dải phân cách xen kẽ được xếp chồng lên nhau và gấp lại thành vỏ nhôm hình lăng trụ. Tối đa hóa mật độ năng lượng thể tích nhưng mật độ năng lượng thấp hơn. Các định dạng phổ biến:
- Công suất 10Ah và 30Ah ở tốc độ C thấp
- Kích thước khoảng 100x200x10mm
- túi – các điện cực và thiết bị phân tách được niêm phong trong một túi nhựa tráng kim loại. Còn được gọi là tế bào polymer. Linh hoạt và nhẹ. Chi phí hiệu quả nhưng vỏ kém bền. Xếp hạng công suất điển hình từ 1Ah đến hơn 300Ah.
Pin lithium-ion cũng sử dụng các chất hóa học cực âm khác nhau, tác động đến điện áp, công suất và độ an toàn:
- Lithium coban oxit (LCO) – điện áp danh định 3,6V, mật độ năng lượng cao nhưng lo ngại về an toàn ở nhiệt độ cao
- Lithium mangan oxit (LMO) – 3.7V, vòng đời an toàn hơn và dài hơn nhưng công suất thấp hơn
- Liti sắt photphat (LFP) – 3.2V, rất an toàn và bền bỉ nhưng mật độ năng lượng thấp hơn
- Oxit coban mangan lithium niken (NMC) – 3,6/3,7V, công suất và mật độ năng lượng cao nhưng chế tạo phức tạp hơn
- Nhôm coban lithium niken (NCA) – 3.6V, công suất và mật độ năng lượng cao nhưng tuổi thọ pin ngắn hơn
Khi chọn pin, các kỹ sư sẽ đánh giá các thông số như điện áp danh định, công suất, tốc độ C, vòng đời, hệ số dạng, độ an toàn, chi phí và tính khả dụng để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng. Các hóa chất NMC và NCA công suất cao đã trở nên phổ biến cho các ứng dụng hiệu suất cao.
Hệ thống quản lý pin (BMS)
Các hệ thống quản lý pin đóng vai trò là “bộ não” điều khiển hoạt động chung của bộ pin. BMS giám sát tình trạng của tế bào, kiểm soát các cơ chế an toàn, cân bằng tế bào và cung cấp giao diện truyền thông. Độ phức tạp của BMS phụ thuộc vào kích thước và chức năng của gói. BMS dành cho người tiêu dùng nhỏ có thể chỉ bao gồm:
- Theo dõi điện áp và nhiệt độ tế bào
- Ngăn ngừa quá tải và xả quá mức
- Cân bằng điện áp di động
Trong khi gói lực kéo EV lớn BMS cung cấp chức năng mở rộng:
- Giám sát độ chính xác cao về điện áp (±15mV), dòng điện (±1-2%) và nhiệt độ (±1°C) cho từng tế bào
- Cân bằng tế bào hoạt động thông qua máy biến áp shunt hoặc nhiều cuộn dây
- Kiểm soát công tắc tơ và cầu chì để cách ly điện
- Thuật toán ước tính tình trạng và trạng thái phức tạp
- Quản lý nhiệt thông qua điều khiển hệ thống làm mát
- Phát hiện lỗi nghiêm trọng tốc độ cao – hở mạch/ngắn mạch, quá nhiệt
- Hàng trăm đầu vào cảm biến và đầu ra điều khiển
- Giao diện truyền thông xe – CAN, LIN, FlexRay, Ethernet ô tô
- Xác thực an toàn, chống giả mạo, cập nhật chương trình cơ sở qua mạng
- Ghi dữ liệu chi tiết để chẩn đoán và đếm chu kỳ
nguồn: Cổng nghiên cứu
Phần cứng BMS thường bao gồm IC giao diện cảm biến, ADC, bộ vi điều khiển và mạch quản lý nguồn được gắn trên bảng mạch in. Cách điện điện áp cao và kết nối chắc chắn là rất quan trọng cho sự an toàn và độ tin cậy.
Linh kiện thụ động
Ngoài tế bào và BMS, bộ pin lithium-ion còn bao gồm nhiều thành phần thụ động khác nhau:
- Thanh cái – Cung cấp các kết nối điện trở thấp giữa các tế bào và thiết bị đầu cuối. Yêu cầu công suất hiện tại cao – lên tới 1000A trong gói EV. Thanh cái bằng đồng hoặc nhôm có thể ở dạng trần, mạ hoặc tráng. Thiết kế thanh cái giảm thiểu độ tự cảm trong khi vẫn duy trì sự cách ly.
- Vật liệu giao diện nhiệt – Được sử dụng giữa các tế bào và tường bao hoặc các kênh làm mát. Chất đàn hồi silicon, băng dẫn nhiệt và miếng đệm lấp đầy khoảng trống tối đa hóa khả năng truyền nhiệt. Vật liệu thay đổi pha có điện dung nhiệt cao.
- Chất kết dính và băng keo – Cung cấp khả năng cách điện và chống rung. Vật liệu bao gồm polyurethane, chất kết dính acrylic và silicone. Băng keo dẫn nhiệt hai mặt là phổ biến. Xếp hạng dễ cháy UL94 V-0 nghiêm ngặt.
- Cầu chì và công tắc tơ – Bảo vệ khỏi sự cố quá dòng. Cũng cho phép cách ly điện an toàn. Yêu cầu xếp hạng điện áp và dòng điện cao. Cầu chì có thể được tích hợp vào BMS. Mạch sạc trước hạn chế dòng điện khởi động.
- Kết nối tế bào – Nối các đầu cuối tế bào thành chuỗi. Phải xử lý mật độ dòng điện cao. Sử dụng hàn siêu âm, laser và điện trở.
Việc lựa chọn cẩn thận các thành phần thụ động này đảm bảo tính toàn vẹn về điện, nhiệt và cơ học của bộ pin trong các điều kiện khắt khe.
Vỏ bọc pin
Vỏ hoặc vỏ hộp pin cung cấp:
- Sự bảo vệ – Bảo vệ tế bào khỏi bị lạm dụng cơ học, va đập, bụi, chất lỏng. Chỉ cho phép kết nối điện thích hợp. Cung cấp xếp hạng IP dựa trên ứng dụng.
- Hỗ trợ kết cấu – Cung cấp độ cứng cần thiết cho việc xếp và lắp tế bào. Giao diện với khung ứng dụng và dấu ngoặc.
- Kênh làm mát – Cho phép luồng không khí hoặc chất lỏng làm mát lưu thông qua các tế bào và BMS. Có thể bao gồm các cánh tản nhiệt tích hợp.
- cách nhiệt – Cách ly điện các thành phần điện áp cao như thanh cái và thiết bị đầu cuối.
- Bịt kín môi trường - Ngăn chặn sự xâm nhập của độ ẩm. Cần thiết cho hóa học lithium-ion.
Các vật liệu vỏ bọc phổ biến bao gồm các kim loại như nhôm có đặc tính cách nhiệt tuyệt vời và hỗn hợp nhựa kỹ thuật để có trọng lượng nhẹ hơn và khả năng chống ăn mòn. Nhựa gia cố bằng kim loại và sợi carbon mang lại độ cứng và khả năng che chắn cho cấu trúc.
Vỏ bọc thường có bảng truy cập có thể tháo rời để bảo trì và thiết kế gói mô-đun để lắp đặt linh hoạt. Chất kết dính kết cấu, miếng đệm và màng cách điện giữ cho các bộ phận được gắn và cách ly chắc chắn.
Hệ thống quản lý nhiệt
Duy trì nhiệt độ tế bào thích hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất an toàn và tối ưu của bộ pin lithium-ion. Mặc dù pin lithium-ion hoạt động tốt ở khoảng 15-35°C, hoạt động ngoài phạm vi này sẽ làm giảm hiệu suất và tuổi thọ:
- Khả năng xả giảm dưới mức đóng băng. Sức đề kháng bên trong tăng lên.
- Trên ~50°C công suất bị phai màu và lão hóa nhanh chóng.
- Trên ~60°C nguy cơ thoát nhiệt tăng cao.
Do đó, hệ thống quản lý nhiệt phải làm mát các tế bào trong quá trình vận hành và làm nóng chúng khi tĩnh trong điều kiện môi trường lạnh. Các phương pháp làm mát điển hình bao gồm:
- Không khí thụ động – Làm mát thông qua vây và kênh. Được sử dụng trong các gói nhỏ hơn với lượng nhiệt tỏa ra thấp hơn.
- Không khí cưỡng bức – Quạt hướng trục hoặc ly tâm cải thiện tốc độ luồng không khí và truyền nhiệt. Ống dẫn tối ưu hóa phân phối dòng chảy.
- Làm mát bằng chất lỏng – Áo khoác, tấm hoặc vi mạch lưu thông hỗn hợp nước/glycol hoặc chất lỏng điện môi. Rất hiệu quả cho các gói năng lượng cao >5kW.
- Vật liệu chuyển pha – Vật liệu giống như sáp hấp thụ nhiệt khi chúng tan chảy. Được sử dụng trong thùng hoặc làm miếng đệm nhiệt.
- Nhiệt điện - Thiết bị Peltier tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ khi được cấp nguồn. Làm mát trạng thái rắn nhỏ gọn.
Hệ thống sưởi cũng rất quan trọng đối với hoạt động ở vùng khí hậu lạnh. Các phương pháp sưởi ấm bao gồm:
- Máy sưởi điện – Máy sưởi điện trở gắn vào vỏ gói.
- Máy bơm nhiệt – Đảo ngược các thiết bị nhiệt điện hoặc vòng làm lạnh nhỏ gọn.
- Nhiệt thải – Đo tổn thất điện trở từ quá trình sạc và xả.
BMS giám sát nhiệt độ tế bào và điều khiển làm mát hoặc sưởi ấm phù hợp dựa trên các thuật toán điều khiển độc quyền. Các bộ pin lớn có thể chia thành các vùng nhiệt có khả năng điều chỉnh nhiệt độ độc lập.
Thành phần bổ sung
Tùy thuộc vào chi phí, kiểu dáng và yêu cầu ứng dụng, bộ pin lithium-ion có thể bao gồm các thành phần bổ sung:
- Mạch đánh thức – Đánh thức BMS đang ngủ khi bắt đầu sạc/xả. Cải thiện dòng điện chờ.
- Cân bằng tế bào mạch điện – Cân bằng chủ động mang lại độ chính xác cao hơn so với cân bằng thụ động đơn thuần. Yêu cầu thêm sự phức tạp.
- Mạch nạp trước – Hạn chế dòng điện khởi động khi kết nối gói. Sử dụng điện trở hoặc chuyển mạch tích cực. Bảo vệ BMS và contactor.
- Bộ sạc – Thiết bị điện tử điều khiển sạc trên bo mạch để sạc nhanh DC. Loại bỏ sự cần thiết của một bộ sạc bên ngoài.
- Truyền thông – Ngoài giao diện BMS cơ bản, các gói có thể bao gồm các mô-đun không dây hoặc Giao tiếp đường dây điện (PLC) để điều khiển và chẩn đoán từ xa.
- Máy sưởi – Cung cấp hệ thống sưởi có kiểm soát để vận hành trong thời tiết lạnh. Giúp đạt được nhiệt độ tế bào tối ưu.
- Chuyển đổi tế bào – Bật/tắt các nhóm tế bào để quản lý và cân bằng nhiệt. Yêu cầu nhiều công tắc bổ sung và logic điều khiển phức tạp.
- Đèn LED trạng thái – Hiển thị trực quan trạng thái gói cơ bản cho người dùng – sạc, lỗi, chế độ chờ, vv
Ứng dụng bộ pin lithium-ion
Bây giờ chúng ta đã khám phá các thành phần bên trong, hãy xem xét cách ứng dụng các bộ pin lithium-ion trong các ngành và ứng dụng chính:
- Xe điện – Cung cấp năng lượng đẩy cho xe chạy hoàn toàn bằng điện và xe hybrid. Yêu cầu công suất rất cao (50-100kWh), mật độ điện năng, độ an toàn và tuổi thọ. Thiết kế làm mát bằng chất lỏng phức tạp.
- Điện tử tiêu dùng - Điện thoại di động, máy tính xách tay, dụng cụ điện và các thiết bị cầm tay khác. Tập trung vào chi phí, kích thước nhỏ gọn và nhẹ. Túi làm mát bằng không khí hoặc tế bào hình lăng trụ trong vỏ nhựa. Dải công suất 1-100Wh.
- Hàng không vũ trụ – Được sử dụng trong máy bay để cung cấp năng lượng khẩn cấp và khởi động động cơ. Thiết kế bền bỉ chịu được rung động. An toàn và độ tin cậy là rất quan trọng.
- Lưu trữ cố định – Lưu trữ năng lượng lưới, nguồn điện dự phòng, hệ thống năng lượng mặt trời/gió ngoài lưới. Tập trung vào chi phí thấp, vòng đời dài. Làm mát bằng không khí/chất lỏng trong giá đỡ hoặc thùng chứa.
- Thiết bị y tế - Thiết bị y tế có thể cấy ghép và đeo được. Cần có pin rất nhỏ gọn, an toàn và bền. Tế bào linh hoạt siêu mỏng dày tới 100 micron.
Phần tổng quan này minh họa nhiều thiết kế bộ pin lithium-ion được thiết kế riêng để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng rất khác nhau trong các ngành công nghiệp.
An toàn pin Lithium-Ion
Làm việc với bộ pin lithium-ion đòi hỏi phải có biện pháp phòng ngừa an toàn thích hợp. Mặc dù nói chung là an toàn nếu được thiết kế và xử lý đúng cách, nhưng các tế bào bị lỗi hoặc bị hư hỏng có thể nhanh chóng bị quá nhiệt và bốc cháy. Những rủi ro chính bao gồm:
- Ngắn mạch bên ngoài – nhanh chóng dẫn đến dòng điện cao và nóng lên.
- Ngắn mạch bên trong – do tổn thương tế bào gây ra. Chế độ thất bại nguy hiểm nhất.
- Thoát nhiệt – tự làm nóng cho đến khi tế bào thoát hơi hoặc cháy. Có thể lan truyền giữa các tế bào.
- Quá tải – điện áp di động vượt quá giới hạn gây ra sự cố điện giải.
- Đè bẹp/tác động – nghiền nát dải phân cách cho phép đoản mạch bên trong.
- Lắp ráp không chính xác – các bộ phận lỏng lẻo và các điểm điện trở cao tạo ra nhiệt cục bộ.
BMS và các mạch bảo vệ khác được thiết kế để giảm thiểu những rủi ro này trong quá trình hoạt động bình thường và khi xảy ra lỗi. Tuy nhiên, người lao động nên thận trọng khi vận chuyển, lắp đặt, bảo trì hoặc thải bỏ bộ pin lithium-ion:
- Mặc PPE thích hợp – bảo vệ mắt, găng tay, quần áo chống cháy. Tránh trang sức bằng kim loại.
- Sử dụng các dụng cụ cách điện được đánh dấu để sử dụng cho bộ pin đang hoạt động.
- Tránh đoản mạch các thiết bị đầu cuối hoặc thanh cái.
- Tuân thủ nghiêm ngặt vận chuyển và quy định xử lý đối với pin lithium.
- Xả pin đã qua sử dụng để tiết kiệm điện áp trước khi thải bỏ.
- Lưu trữ và sạc trên các bề mặt không bắt lửa, cách xa các chất dễ cháy.
- Có sẵn bình chữa cháy trong trường hợp khẩn cấp về hỏa hoạn.
Việc tuân theo các hướng dẫn thực hành tốt nhất để xử lý an toàn là điều cần thiết khi làm việc với bộ pin lithium-ion.
Phần kết luận
Bộ pin lithium-ion có nhiều thành phần, bao gồm tế bào, thiết bị điện tử BMS, quản lý nhiệt và thiết kế vỏ. Các kỹ sư phải cân bằng giữa chi phí, hiệu suất, độ an toàn và khả năng sản xuất khi thiết kế bộ pin.
Những cải tiến công nghệ liên tục sẽ cho phép các gói lithium-ion an toàn hơn, rẻ hơn, nhỏ hơn và mạnh hơn. Các công ty phải luôn cập nhật những tiến bộ mới nhất để duy trì tính cạnh tranh.
Những bài viết liên quan:
