So với các ứng dụng như máy tính xách tay, điện thoại di động và các mục đích cố định như lưu trữ năng lượng và nguồn điện dự phòng, môi trường sử dụng pin lithium-ion cho xe điện phức tạp, đa dạng và khắt khe hơn. Ví dụ, pin cần phải tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ rộng để hoạt động, bộ pin cần chịu được rung động kéo dài trong quá trình vận hành xe và yêu cầu sạc và xả tốc độ cao. Trong số đó, việc sạc và xả tốc độ cao có thể dẫn đến sự gia tăng nhiệt sinh ra bên trong pin. Nếu hệ thống quản lý nhiệt không thể làm nóng pin kịp thời, nhiệt độ cao có thể gây ra nhiều phản ứng phụ khác nhau bên trong pin, chẳng hạn như phân hủy màng SEI, phản ứng điện cực âm và chất điện phân, phân hủy chất điện phân, v.v., và cuối cùng dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt .
Một khi pin bước vào giai đoạn thoát nhiệt sẽ phải đối mặt với nguy cơ cháy nổ trong thời gian ngắn. Ngoài ra, không giống như pin dùng trong thiết bị điện tử tiêu dùng, pin điện dùng trong xe điện có khả năng chịu lỗi thấp hơn. Lấy pin 18650 làm ví dụ, xác suất hỏng tự phát bên trong (còn gọi là hỏng trường) có thể được kiểm soát trong khoảng từ 1 trên 40 triệu đến 1 trên 10 triệu, tỷ lệ này tương đối đáng tin cậy đối với các sản phẩm điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, khi sử dụng trên xe điện, do số lượng cell pin trong bộ pin thường lên tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn nên ngay cả khả năng xảy ra hỏng hóc tự phát thấp như vậy cũng cần được quan tâm đầy đủ.
Tóm lại, là một trong những thành phần cốt lõi của xe điện, việc nâng cao độ an toàn của pin điện là vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của ngành công nghiệp xe điện. Vì vậy, việc thực hiện hiệu quả việc thử nghiệm và đánh giá độ an toàn của pin điện là đặc biệt cấp bách. Bài viết này kết hợp hệ thống tiêu chuẩn hiện hành và các kết quả nghiên cứu liên quan để phân tích và tổng hợp các phương pháp đánh giá an toàn hiện nay đối với pin điện, hy vọng cung cấp tài liệu tham khảo và hướng dẫn hữu ích để thiết lập các phương pháp đánh giá và thử nghiệm khoa học hơn.
1. Thử nghiệm an toàn từng loại pin điện
1.1. Tiêu chuẩn thử nghiệm
Khả năng xảy ra cháy, nổ… khi sử dụng pin điện đúng cách với mức độ kiểm soát cao là cực kỳ nhỏ. Chỉ khi pin vượt quá ranh giới trạng thái trong sử dụng thực tế, chẳng hạn như sạc quá mức, đoản mạch hoặc quá nóng, nó mới có thể gây ra hiện tượng thoát nhiệt của pin.
Mặc dù sự thoát nhiệt của pin là một tình huống bất thường, nhưng trạng thái hoạt động và môi trường sử dụng thực tế của pin điện trên xe rất phức tạp và hay thay đổi, vì vậy không thể bỏ qua nghiên cứu về hiện tượng thoát nhiệt của pin. Bằng cách nghiên cứu hành vi thoát nhiệt của pin, chúng ta không chỉ có thể hiểu được đặc điểm của quá trình thoát nhiệt của pin, phát hiện sớm các mối nguy hiểm về an toàn trong quá trình sử dụng thực tế, giảm thiểu rủi ro về an toàn mà còn thực hiện các biện pháp hiệu quả để ngăn ngừa tai nạn lan rộng hơn khi pin gặp sự cố. sự thoát nhiệt, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật mạnh mẽ cho nỗ lực cứu hộ
1.2. Thử nghiệm độ ổn định nhiệt
Sự an toàn của pin điện có thể được chia thành an toàn nội tại (ổn định nhiệt) và an toàn kích hoạt (bao gồm thoát nhiệt do các yếu tố bên ngoài như sạc quá mức, nóng, thủng, đoản mạch , v.v.) dựa trên lượng năng lượng được đưa vào hoặc ảnh hưởng các nhân tố. Trước đây, nhiệt lượng kế đoạn nhiệt tăng tốc là một phương pháp mô tả đặc tính hiệu quả. Đường cong tốc độ thay đổi nhiệt độ và nhiệt độ trong quá trình phát triển độ ổn định nhiệt của một số sản phẩm pin lithium-ion trên thị trường (với mẫu A, C và D là pin hệ thống carbon ba và mẫu B là pin hệ thống carbon lithium sắt photphat). Các đặc tính thoát nhiệt nội tại của pin điện chủ yếu bao gồm sáu giai đoạn điển hình, đó là suy giảm công suất, nhiệt tự tạo, nóng chảy màng, đoản mạch bên trong, tăng nhiệt độ bên trong nhanh và phản ứng dư.
Ngoài ra, đối với pin lithium-ion có hệ thống vật liệu khác nhau, thời gian ủ cần thiết cho quá trình thoát nhiệt của pin lithium iron phosphate (mẫu B) là dài nhất và nhiệt độ điểm uốn đối với quá trình thoát nhiệt nghiêm trọng là cao nhất (sử dụng 10 ° phút). là tiêu chí cho sự thoát nhiệt nghiêm trọng)
So với pin mới, việc phân tích độ ổn định nhiệt của pin trong suốt vòng đời của chúng cũng quan trọng không kém. So sánh các đường cong tiến triển độ ổn định nhiệt của một loại pin lithium-ion nhất định ở các thời điểm chu kỳ khác nhau. Từ tình hình tổng thể, có sự khác biệt đáng kể về các nút nhiệt độ trên đường cong thoát nhiệt đối với các chu kỳ chu kỳ khác nhau. Khi số chu kỳ tăng lên, nhiệt độ phân hủy của màng SEI giảm dần và thời gian thoát nhiệt của pin tăng lên, khiến pin ngày càng dễ bị thoát nhiệt. Điều này đòi hỏi việc thiết kế và sử dụng hệ thống nguồn điện ắc quy phải xem xét đầy đủ tình trạng thực tế của ắc quy ở giai đoạn sau của vòng đời, để tránh những mối nguy hiểm về an toàn như hỏng ắc quy sau một thời gian sử dụng ắc quy.
1.3. Thử nghiệm thoát nhiệt
Nghiên cứu về phương pháp kích hoạt hiện tượng thoát nhiệt trong pin điện đã được đề cập ở trên. Pin điện sẽ phải đối mặt với nhiều môi trường và điều kiện làm việc khác nhau trong quá trình sử dụng thực tế, vì vậy cần nghiên cứu và kiểm chứng độ an toàn khi kích hoạt chúng. Hiện nay, các phương pháp kích hoạt chạy trốn nhiệt thường được sử dụng trong ngành chủ yếu bao gồm sạc quá mức, sưởi ấm và châm kim. Các đặc điểm của ba phương pháp kích hoạt thoát nhiệt điển hình được so sánh. Các phương pháp kích hoạt khác vẫn đang trong giai đoạn thăm dò bao gồm đoản mạch bên trong, chủ yếu dựa vào việc nhúng kim loại bộ nhớ, vật liệu thay đổi pha, v.v. bên trong pin để đạt được khả năng kích hoạt đoản mạch bên trong pin có thể kiểm soát được. bên trong pin để đạt được khả năng kích hoạt có thể kiểm soát được các mạch ngắn bên trong. Xác suất kích hoạt, độ lặp lại và sự tự do về vị trí của phương pháp này tương đối cao, nhưng do nhà máy sản xuất pin chỉ có thể sửa đổi nó trong hoạt động thực tế nên việc triển khai nó rất khó khăn và bị hạn chế từ góc độ ứng dụng.
Bằng cách chọn hơn mười sản phẩm điển hình thường thấy trên thị trường và tiến hành nghiên cứu thử nghiệm về ba phương pháp kích hoạt điển hình nêu trên, người ta nhận thấy rằng có sự khác biệt nhất định về xác suất kích hoạt thoát nhiệt mẫu giữa ba phương pháp kích hoạt. Nghĩa là, phương pháp làm nóng có thể kích hoạt sự thoát nhiệt ở tất cả các mẫu, châm cứu gần như có thể kích hoạt sự thoát nhiệt ở tất cả các mẫu và việc sạc quá mức chỉ có thể kích hoạt sự thoát nhiệt ở 46% mẫu. Nguyên nhân chính dẫn đến điều này là do cấu tạo của pin hình vuông và hình trụ. Việc sạc quá mức có thể kích hoạt các cơ chế bảo vệ bên trong để ngăn chặn sự thoát nhiệt.
1.4. Sự thoát nhiệt của pin điện trong toàn bộ vòng đời
Khi số chu kỳ pin tăng lên, có thể xuất hiện các hiện tượng hư hỏng như thay đổi màng SEI, phát triển dendrite lithium và các vi lỗ màng bên trong pin, điều này có thể dẫn đến giảm độ an toàn của pin. Do đó, việc nghiên cứu các đặc điểm tiến hóa về độ an toàn của pin điện trong toàn bộ vòng đời của chúng có ý nghĩa định hướng to lớn đối với việc ứng dụng sản phẩm an toàn và đáng tin cậy. Định luật tiến hóa về an toàn ngắn mạch của một loại pin lithium-ion nhất định với số chu kỳ cho thấy khi số chu kỳ lên tới 1000 thì độ an toàn của pin sẽ giảm sút nghiêm trọng.
Nhìn chung, thông qua phân tích thống kê về độ an toàn của một số lượng lớn mẫu trong các chu kỳ đâm thủng, đốt nóng và sạc quá mức khác nhau, người ta nhận thấy rằng sự tiến triển về an toàn của một số pin năng lượng lithium-ion cho thấy một mô hình rõ ràng, nghĩa là độ an toàn sẽ đột nhiên xấu đi sau khi đạt đến một trạng thái lão hóa nhất định. Đồng thời, một số lượng nhỏ mẫu thể hiện tính đặc hiệu và độ an toàn của chúng không giảm đi đáng kể khi tăng thời gian chu kỳ. Vì vậy, cần tiến hành đánh giá cho các đối tượng cụ thể với hệ thống vật liệu và thiết kế kết cấu cụ thể, nhằm đưa ra hướng dẫn cần thiết cho việc thiết kế hệ thống quản lý pin và các biện pháp bảo vệ an toàn trong toàn bộ vòng đời.
2. Thử nghiệm an toàn hệ thống ắc quy điện
2.1. Tiêu chuẩn thử nghiệm
Mục đích của việc thử nghiệm an toàn là để xác minh tính an toàn của hệ thống pin điện trong trường hợp lạm dụng và quan trọng nhất là xác minh khả năng của hệ thống pin điện trong việc bảo vệ hành khách trong các tình huống nguy hiểm. Điều này chủ yếu bao gồm mô phỏng cơ học và môi trường trong các điều kiện khác nhau và để xác minh độ tin cậy của hệ thống pin khi rung, mô phỏng cơ học về va chạm, rơi, ép và các tình huống khác
Thử nghiệm an toàn môi trường là quá trình mô phỏng các điều kiện môi trường khác nhau để xác minh độ an toàn của hệ thống pin trong các môi trường như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, độ ẩm cao, nhiệt độ thay đổi đột ngột, phun muối, cháy và ngâm nước.
Độ tin cậy bảo vệ là để xác minh chức năng bảo vệ của hệ thống pin bằng cách mô phỏng các tình huống bất ngờ có thể xảy ra trong quá trình sử dụng xe, bao gồm bảo vệ quá tải, bảo vệ quá mức, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ quá dòng, bảo vệ ngắn mạch và các khía cạnh khác. Trong quá trình thử nghiệm độ tin cậy của khả năng bảo vệ, hệ thống quản lý pin hoặc thiết bị bảo vệ là điều kiện đủ điều kiện duy nhất để hệ thống này hoạt động. Các nhà sản xuất có thể được phân loại thành các cấp độ khác nhau về điều kiện bảo vệ. Lấy việc sạc quá mức làm ví dụ, các mức ngưỡng điện áp khác nhau có thể được chỉ định để tương ứng với các hành động khác nhau – lời nhắc, cảnh báo, ngắt kết nối rơle, v.v.
2.2. Thử nghiệm khuếch tán nhiệt
Đối với việc kiểm tra độ an toàn của hệ thống pin, một khía cạnh quan trọng hơn là kiểm tra khả năng khuếch tán nhiệt. Nguyên tắc chính của nó là đảm bảo người lái xe và hành khách thoát thân an toàn, đồng thời xác minh cách đảm bảo an toàn cá nhân cho hành khách trên xe khi hệ thống ắc quy điện gặp hiện tượng thoát nhiệt.
Trọng tâm nghiên cứu về an toàn khuếch tán nhiệt của hệ thống pin điện chủ yếu bao gồm việc lựa chọn phương pháp kích hoạt thoát nhiệt cho các đối tượng kích hoạt thoát nhiệt (bao gồm sự tương đương của các phương pháp kích hoạt khác nhau và khả năng so sánh kết quả thử nghiệm đối với các đối tượng khác nhau sử dụng cùng một phương pháp kích hoạt) và việc xác định các điều kiện xét xử. Đồng thời, tập trung nghiên cứu đặc điểm và cơ chế lan truyền hành vi khuếch tán nhiệt trong hệ thống ắc quy điện, nhằm cung cấp số liệu thực nghiệm và hỗ trợ kỹ thuật cho việc thiết kế an toàn hệ thống ắc quy điện.
Ở cấp độ ứng dụng phương tiện, cũng cần phải kiểm tra các điều kiện an toàn và phán đoán trong điều kiện vận hành phương tiện. Nếu phân tích hiện tượng thoát nhiệt và khuếch tán nhiệt xảy ra khi lắp ắc quy trên xe buýt thì kết quả thực nghiệm cho thấy sau khoảng 5 phút thoát nhiệt, ngọn lửa bắt đầu lan rộng và xâm nhập vào ô tô. Đồng thời, để xác định thời gian thoát nhiệt đột ngột của pin khi nạp đầy, các nhân viên thuộc các nhóm tuổi khác nhau được chọn làm đối tượng thử nghiệm cho các thử nghiệm thoát nhiệt nhân sự, với thời gian dài nhất là 51 giây. Dựa trên thời gian để phương tiện phát hiện cảnh báo và dừng khẩn cấp, cùng với thời gian ngưỡng an toàn nhất định, thời gian thoát hiểm sơ bộ là 5 phút cho nhân viên đã được xác định, đây là yêu cầu tối thiểu để sơ tán người. toàn bộ chiếc xe.
3. Kết luận
Bài viết tổng hợp, phân tích hệ thống tiêu chuẩn thử nghiệm và phương pháp đánh giá độ an toàn của ắc quy điện hiện nay. Ở cấp độ tế bào pin, các phương pháp mô tả đặc tính ổn định nhiệt cũng như hiện trạng và xu hướng của hệ thống tiêu chuẩn thử nghiệm và đánh giá về kích hoạt an toàn chủ yếu được phân tích. Ở cấp độ hệ thống, trọng tâm là thảo luận về hệ thống tiêu chuẩn để kiểm tra độ an toàn của hệ thống pin và phương pháp đánh giá để kiểm tra khuếch tán nhiệt.
Với việc thúc đẩy và ứng dụng các phương tiện sử dụng năng lượng mới cũng như số lượng phương tiện ngày càng tăng, nhiều phương tiện đã đi được vài năm hoặc hàng chục nghìn km và gần đây đã xảy ra một số vụ tai nạn về an toàn đối với xe điện. Việc nắm vững quy luật tiến hóa về sự an toàn của pin điện trong toàn bộ vòng đời của chúng, cũng như phát hiện và quản lý hiệu quả sự an toàn của pin trong suốt vòng đời của chúng, có ý nghĩa rất lớn đối với việc sử dụng theo tầng pin an toàn cho xe điện. Cụ thể, việc thiết lập một hệ thống thử nghiệm và đánh giá pin điện từ cá nhân đến hệ thống, bao trùm toàn bộ vòng đời và xem xét sâu hơn các điều kiện ứng dụng thực tế của phương tiện, nhằm hình thành hệ thống thử nghiệm và đánh giá toàn diện về độ an toàn của pin điện, sẽ là điều cần thiết. có lợi cho việc nâng cấp mức độ an toàn của ngành công nghiệp pin điện.
