Pin lithium ion được sử dụng trong cả hàng không dân dụng và vận tải đường bộ, cũng như trong vận tải và thiết bị gia dụng. Tuy nhiên, nó cũng gây ra rủi ro về độ an toàn khi sử dụng thiết bị. Để tìm giải pháp giải quyết vấn đề này, người ta đã nghiên cứu tác động của rung động cơ học đến hiệu suất và sự thoát nhiệt của pin trong điều kiện điện áp thấp. Rung sóc khi điện áp thấp sẽ gây ra gia tăng nhiệt độ thoát nhiệt của pin và thay đổi đáng kể thời gian bật của van an toàn.
Các rung sóc tần số thấp và biên độ lớn đẩy nhanh quá trình ngắn mạch của pin, trong khi các rung động tần số cao làm tăng nhiệt độ đánh lửa và lượng xả của pin lithium. Đối với pin lithium-ion 18650, nhiệt độ van an toàn bật ra trong khoảng 140 ~ 150℃. Khi van an toàn bật, cường độ giải phóng khí tương đối cao và tín hiệu khí có thể là biến số chính để cảnh báo an toàn pin lithium. Sau khi rung điện áp thấp, dung lượng xả của pin nhỏ hơn pin gốc và tốc độ xả nhanh hơn pin gốc
1. Các lỗi của pin lithium-ion
Là “trái tim” của ô tô, pin lithium-ion quyết định quãng đường mà ô tô đã đi được. Hệ thống pin bao gồm bốn thành phần chính: mô-đun pin (loại đơn song song), hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống quản lý nhiệt, các bộ phận điện và cơ khí. Chức năng chính của BM là giám sát điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin theo thời gian thực thông qua các cảm biến vỏ, bộ truyền động, chip điều khiển chính, v.v. Tuy nhiên, do sự lão hóa và phân hủy bên trong của từng pin riêng lẻ trong bộ pin, như Cũng như hiện tượng ăn mòn mạch điện trong quá trình nhóm pin, hoạt động không đúng cách trong quá trình sử dụng có thể dẫn đến các yếu tố bất thường bên ngoài như sạc quá mức và xả pin. Tác động kết hợp của các yếu tố bên trong và bên ngoài này dẫn đến các hỏng hóc bên trong và bên ngoài của pin. Các lỗi bên trong của pin có thể được phân loại thành các loại như sạc quá mức, xả quá mức, ngắn mạch trong và thoát nhiệt.
Các lỗi bên trong là do sự cố của BMS và chính cảm biến, khiến cảm biến không thể hoạt động bình thường. Mặt khác, chúng là do các phản ứng điện hóa và ngắn mạch trong cấu trúc bên trong của pin, dẫn đến hiện tượng dendrite lithium. Tuy nhiên, nguy cơ hỏng hóc bên ngoài của pin thường lớn hơn nguy cơ hỏng hóc bên trong. Các hư hỏng bên ngoài có thể gây ra phản ứng dây chuyền các hư hỏng bên trong, cuối cùng dẫn đến hiện tượng nóng lên không kiểm soát được. Lỗi cảm biến thường dễ bị bỏ qua nhất nhưng điều này có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.
BMS dựa vào các cảm biến để đạt được các chức năng như điều khiển cân bằng, chẩn đoán lỗi và ước tính Trạng thái sạc (SOC). Nếu cảm biến bị lệch, lệch hoặc ngừng hoạt động, nó không thể thu được dữ liệu thời gian thực và đưa ra phán đoán chính xác và hợp lý về trạng thái hiện tại của pin. Điều này không chỉ có thể làm giảm hiệu suất mà còn gây ra những tai nạn lớn về an toàn. Tuy nhiên, do khả năng che giấu cao của cảm biến nên việc chẩn đoán rất khó khăn, đây cũng là trọng tâm và khó khăn của việc nghiên cứu cảm biến hiện nay.
BMS quản lý các bộ pin bao gồm hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn pin riêng lẻ. Do các đặc điểm giống nhau về lỗi pin, lỗi cảm biến và lỗi đầu nối, cũng như thực tế là nhiều lỗi về cơ bản là nhỏ và bị che giấu cao nên rất khó để nhanh chóng xác định chúng. Do đó, BMS đôi khi đưa ra chẩn đoán sai và hoạt động sai. Điều quan trọng đối với sự an toàn của ô tô là phải nhanh chóng phát hiện và chẩn đoán chính xác nhiều lỗi ắc quy. Quá trình chẩn đoán lỗi pin có thể được chia đại khái thành bốn khía cạnh: phát hiện lỗi, phân loại lỗi, định vị lỗi và cách ly lỗi. Xử lý dữ liệu của pin đóng vai trò nền tảng trong chẩn đoán lỗi pin và hiệu quả khử nhiễu có thể được xác minh một cách hiệu quả bằng cách kết hợp các phương pháp lọc hình thái toán học.
2. Các vấn đề về phương pháp chẩn đoán đo điện áp
- - (1) Trong các ứng dụng thực tế, hệ thống quản lý pin chỉ có thể đo điện áp đầu cuối của từng pin trong bộ pin. Để làm cho giá trị đo điện áp bao gồm điện áp tại các đầu nối riêng lẻ và điện áp trên các đầu nối, cần phải thêm các đường đo bổ sung, điều này chắc chắn sẽ làm tăng độ phức tạp của thiết bị. Nếu, khi bắt đầu thiết kế hệ thống quản lý pin, điện áp thu được bao gồm điện áp đầu cực và điện áp trên đầu nối, điều đó sẽ khiến hệ thống quản lý pin không thể lấy chính xác điện áp đầu cuối của pin, và do đó không thể kiểm soát và quản lý hiệu quả việc sạc và xả pin, dễ xảy ra lỗi sạc và xả quá mức
- - (2) Sự thay đổi điện áp do thay đổi điện trở trong của pin cũng tương tự như sự thay đổi điện áp khi xảy ra lỗi kết nối. Cả hai đều có cùng mức độ, do đó các phương pháp chẩn đoán dựa trên tín hiệu điện áp cũng gặp khó khăn trong việc phân biệt giữa lỗi kết nối và lỗi với tăng điện trở trong của pin.
- - (3) Khi xảy ra hiện tượng lỏng lẻo kết nối nhẹ bên trong bộ pin, mức tăng điện trở tiếp xúc là rất nhỏ. Nếu dòng điện làm việc của bộ pin nhỏ thì lỗi kết nối như vậy sẽ không gây ra những thay đổi đáng kể trong tín hiệu điện áp. Do đó, phương pháp chẩn đoán dựa trên tín hiệu điện áp được đề cập ở trên có thể không phát hiện được sớm tình trạng lỏng lẻo kết nối nhẹ.
3. Tác động của rung sóc
Tiến hành các thử nghiệm sạc và xả ở áp suất khí quyển trên pin được xử lý rung điện áp thấp để chứng minh những thay đổi về hiệu suất sạc và xả của pin lithium sau khi vận chuyển hàng không. Kết quả cho thấy sau khi xử lý tần số rung ở mức 60 Hz và 80 Hz trong môi trường điện áp thấp, hiệu quả sạc thấp hơn so với pin ban đầu và việc xử lý ở tần số 60 Hz có tác động đáng kể nhất đến dung lượng của pin lithium;
Các tần số rung khác đều tăng tốc độ sạc và sự thay đổi đáng kể ở tần số 120 Hz. Trong quá trình phóng điện, đường cong của pin xử lý rung 120 Hz có độ lệch lớn nhất, trong khi đường cong ở 200 Hz có độ lệch nhỏ nhất. Các độ lệch còn lại dao động từ nhỏ đến lớn bao gồm 60 Hz, 80 Hz, 180 Hz, 160 Hz, 140 Hz và 100 Hz.
Người ta nhận thấy rằng không có mối tương quan tích cực giữa tần số rung và tình trạng phóng điện, điều này có thể chỉ ra rằng hư hỏng cấu trúc do rung động có liên quan đến khả năng phản ứng của cấu trúc của pin với tần số và biên độ. Một số tần số và biên độ rung có thể gây hư hại lớn hơn đến cấu trúc của pin lithium 18650.
Từ so sánh tổng thể các đường cong sạc và xả, có thể thấy rằng dung lượng xả của tất cả các loại pin đã rung đều nhỏ hơn pin gốc và tốc độ xả nhanh hơn pin gốc. Điều này cũng có thể chỉ ra rằng dung lượng và hiệu suất xả của pin sẽ bị hỏng do rung động cơ học.
Trên thực tế, sau khi chịu rung sóc, mức độ tiếp xúc giữa cực dương và cực âm trong chất điện phân của pin sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi diện tích tiếp xúc giữa điện cực và dung dịch điện phân, cản trở quá trình truyền của các ion lithium đến điện cực âm trong quá trình sạc và xả, và do đó làm giảm lượng lithium nhúng vào điện cực âm.
Tham khảo: Hệ thống thử nghiệm rung sóc DGBell BE-EV-203
Bài viết đưa ra phương pháp chẩn đoán lỗi kết nối bộ pin lithium-ion dựa trên tín hiệu rung cơ học. Sử dụng các tấm gốm áp điện khác nhau để tạo ra kích thích rung, đo phản ứng rung và trích xuất các đặc tính tần số thời gian từ tín hiệu phản hồi có thể đạt được hiệu quả phân loại chế độ lỗi kết nối một điểm và đa điểm. Sau đó, các nhà sản xuất có thể tối ưu hóa cách bố trí các tấm gốm áp điện, thu thập tín hiệu rung từ môi trường xe và làm cho phương pháp này phù hợp để chẩn đoán lỗi kết nối của bộ pin lithium-ion trên xe.
