Thách thức nhiệt độ của pin ion-lithium trong ô tô điện vào mùa hè

Khác với bình nhiên liệu truyền thống, pin của ô tô điện hoạt động như một lò phản ứng điện hóa. Hiệu suất và tuổi thọ của pin đóng vai trò quan trọng, chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ môi trường và nhiệt lượng phát sinh trong quá trình vận hành. Theo các nghiên cứu, một cell pin ion-lithium hoạt động tốt nhất ở khoảng nhiệt độ từ 15 đến 35 °C.

Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, hiệu năng pin sẽ suy giảm do nhiều nguyên nhân. Nhiệt độ cao làm tăng tốc quá trình lão hóa hóa học và giảm dung lượng pin một cách không thể phục hồi do nhiều phản ứng phụ diễn ra bên trong. Các nghiên cứu ở pin thương mại chỉ ra rằng việc lưu trữ ở nhiệt độ 45 °C làm mất dung lượng gấp đôi so với mức 25 °C.

Trong điều kiện nhiệt độ cực đoan từ 46 đến 50 °C, việc sử dụng xe sẽ tiêu hao năng lượng nhiều hơn tới 28,4%, dẫn đến giảm phạm vi hoạt động của xe đến 16%. Ngược lại, khi nhiệt độ thấp, điện trở nội bộ của điện giải tăng lên. Nếu sạc nhanh ở nhiệt độ thấp mà không có biện pháp làm ấm trước, nguy cơ hình thành lớp lithium kim loại trên cực âm có thể gây hư hại vĩnh viễn cho pin.

Theo bộ phận kỹ thuật của Nissan, nhiệt lượng tích tụ trong cụm pin xuất phát từ hai nguồn chính: nhiệt độ môi trường bên ngoài và điện trở nội bộ của pin. Nhiệt phát sinh nội bộ tuân theo định luật Joule, khi công suất nhiệt tỏa ra tỷ lệ với bình phương của dòng điện chạy qua pin.

Ví dụ, khi dòng sạc tăng từ 250 A ở thế hệ hai của Nissan LEAF lên 400 A ở thế hệ ba, dòng điện tăng 1,6 lần, khiến nhiệt lượng sinh ra trong cùng thể tích gấp 2,5 lần nếu giữ nguyên điện trở nội bộ.

Thiết kế pin cũng ảnh hưởng đến tản nhiệt. Các cell có mật độ năng lượng cao hơn tích trữ năng lượng dày đặc hơn trong không gian nhỏ khiến bề mặt để thoát nhiệt giảm. Hơn nữa, tính chất dẫn nhiệt của pin ion-lithium kém hơn khoảng 100 lần theo chiều vuông góc so với chiều dọc các lớp bên trong, làm khó cho việc tản nhiệt về bề mặt làm mát.

Ở cấp độ module, sự nối kết các cell cũng làm tăng điện trở, phát sinh nhiệt nhiều hơn. Nghiên cứu của NREL năm 2024 cho thấy một module pin kết nối chịu nhiệt lượng cao hơn khoảng 20% mỗi cell so với cell riêng lẻ.

Việc thiết kế hệ thống làm mát cần cân bằng giữa hiệu quả tản nhiệt và trọng lượng cũng như tiêu thụ năng lượng thêm. Một hệ thống quá lớn có thể tỏa nhiệt đến 15 kW nhưng lại khiến trọng lượng pin tăng khoảng 5%.

Nissan áp dụng hệ thống làm mát thông minh với quạt gió khi yêu cầu làm mát vừa phải, kết hợp bộ trao đổi nhiệt với dung dịch làm mát khi điều kiện nhiệt độ cao hoặc tải lớn. Hệ thống này còn có chức năng điều chỉnh trước nhiệt độ pin khi người lái đặt điểm sạc nhanh qua bản đồ định vị trên xe.

Bên cạnh đó, cụm pin được thiết kế có buồng không khí riêng biệt giữa lớp bảo vệ phía dưới và các cell pin, tạo lớp cách nhiệt chống nhiệt từ mặt đường.

Những lưu ý trên giúp duy trì hiệu suất và tuổi thọ cho pin ô tô điện trong điều kiện nhiệt độ cao, tăng tính bền bỉ và an toàn khi vận hành.