- 1. Hệ thống làm mát trên xe điện là gì?
- 2. Phân loại hệ thống làm mát pin xe điện
- 2.1. Làm mát pin xe điện bằng vật liệu chuyển pha (PCM)
- 2.2. Làm mát pin xe điện bằng cánh tản nhiệt
- 2.3. Làm mát pin xe điện bằng không khí
- 2.4. Làm mát pin xe điện bằng nhiệt điện (Thermoelectric Energy Conversion - TEC)
- 2.5. Làm mát pin xe điện bằng chất lỏng - dung dịch làm mát chuyên dụng
1. Hệ thống làm mát trên xe điện là gì? #
Năng lượng của ô tô điện được lưu trữ trong pin và truyền trực tiếp đến động cơ khi vận hành. Vì vậy, pin được xem là “trái tim” của xe điện, là công nghệ mang giá trị cốt lõi của dòng xe xanh này.
Trong quá trình nghiên cứu, cải tiến pin, việc duy trì nhiệt độ làm việc lý tưởng trong khoảng từ 20 – 40 độ C luôn là mục tiêu hàng đầu của các nhà sản xuất. Chức năng của hệ thống làm mát là duy trì nhiệt độ pin trong một phạm vi cho phép, giúp cho nhiệt độ của pin không tăng quá cao, ảnh hưởng đến tính chất điện và tuổi thọ của pin, ngăn cản hiện tượng quá nhiệt – yếu tố dẫn đến cháy nổ, đồng thời giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến hoạt động của pin.
Theo đó, nếu ở mức nhiệt dưới 0 độ C sẽ làm độ nhớt và sức căng của dung dịch chất điện phân tăng lên, làm chậm quá trình khuếch tán và di chuyển của các ion Li+ ở cả điện cực âm và điện cực dương. Quá trình này sẽ làm tăng điện trở trong pin, ảnh hưởng tới khả năng hoạt động của pin do gây mất công suất. Phần lớn năng lượng của pin khi ấy sẽ mất đi để tạo ra nhiệt lượng nhằm làm giảm nội trở của pin. Tuy nhiên, các phản ứng hóa học chậm hơn ở nhiệt độ thấp có thể kéo dài tuổi thọ hữu ích của pin bằng cách làm chậm quá trình thoái hóa của việc sử dụng thông thường theo thời gian. Do đó, khi trời lạnh nhanh, xe không thể tăng tốc, khả năng pin bị hư hỏng trong quá trình sạc cao hơn.
Tuy nhiên, pin cũng nhanh xuống cấp khi phải hoạt động ở nhiệt độ trên 45 độ C. Khi nhiệt độ của pin tăng lên, các phản ứng hóa học bên trong pin cũng diễn ra nhanh hơn. Ở nhiệt độ cao hơn, một trong những tác động đối với pin lithium-ion là hiệu năng cao hơn và dung lượng lưu trữ của pin tăng lên.
Một nghiên cứu của Scientific Reports cho thấy rằng việc tăng nhiệt độ từ 25 độ C lên 45 độ C dẫn đến khả năng lưu trữ tối đa của pin tăng 20%. Tuy nhiên, có một tác dụng phụ đối với hiệu suất tăng lên này, đó là vòng đời của pin bị giảm theo thời gian.
Cũng trong nghiên cứu đó, người ta phát hiện ra rằng khi pin được sạc ở 45 độ C thì sự xuống cấp trong vòng đời đáng kể hơn nhiều so với sạc ở 25 độ C. Trong 200 chu kỳ đầu tiên, hiệu suất của pin chỉ giảm 3,3% ở 25 độ C; ở 45 độ C hiệu suất giảm 6,7%.
Điều đó có nghĩa là ở 45 độ C, pin bị thoái hóa nhanh gấp đôi so với ở nhiệt độ phòng. Dựa trên sự thoái hóa nhanh ở nhiệt độ cao, vòng đời của pin có thể bị giảm sút nghiêm trọng. Mặc dù việc tiếp xúc với nhiệt tạm thời có thể làm tăng dung lượng pin, nhưng thiệt hại mà nhiệt độ cao gây ra đối với vòng đời của pin là rất lớn.
Khi nhiệt độ càng cao, pin càng tiêu hao càng nhiều năng lượng điện, động cơ càng dễ rơi vào tình trạng quá nhiệt dẫn đến xe có thể bốc cháy rất nguy hiểm. Lúc này, hệ thống làm mát xe điện có vai trò giúp pin hoạt động trong khoảng nhiệt độ lý tưởng nhất.
Hệ thống làm mát xe điện giúp pin hoạt động trong khoảng nhiệt độ lý tưởng nhất (hình: sưu tầm)
2. Phân loại hệ thống làm mát pin xe điện #
Các hệ thống làm mát xe điện được chia thành hai loại chính là thụ động và chủ động. Hệ thống làm mát thụ động gồm các phương pháp như dùng vật liệu chuyển pha (Phase change material – PCM), ống dẫn nhiệt hoặc chất hóa học có tác dụng làm mát hydrogel. Làm mát thụ động trên xe điện không tiêu tốn năng lượng từ pin nhưng khó kiểm soát quá trình làm mát.
Hệ thống làm mát chủ động dựa trên nguyên lý hoạt động của cánh tản nhiệt, không khí hoặc chất làm mát chuyên dụng. Với những phương pháp này, hiệu quả làm mát được cải thiện nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường bên ngoài trong một số trường hợp nhất định.
Hệ thống làm mát được phân loại đa dạng. Mỗi loại đều sở hữu những ưu, nhược điểm riêng biệt:
2.1. Làm mát pin xe điện bằng vật liệu chuyển pha (PCM) #
Vật liệu chuyển pha (PCM) là chất làm mát đặc biệt có thành phần gồm carbon hoặc muối hydrat. Khi pin xe điện tỏa lượng nhiệt lớn, vật liệu chuyển pha sẽ hấp thụ năng lượng nhiệt bằng cách thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng. Trong khi thay đổi pha, vật liệu có thể hấp thụ một lượng nhiệt lớn với ít thay đổi nhiệt độ.
Tuy nhiên vật liệu chuyển pha PCM có phạm vi hoạt động nhỏ, sự thay đổi thể tích xảy ra trong quá trình thay đổi pha sẽ hạn chế ứng dụng của nó. Hệ thống làm mát vật liệu chuyển pha có thể đáp ứng các yêu cầu làm mát của bộ pin, nhưng chỉ có thể hấp thụ nhiệt sinh ra tại vị trí của pin chứ không truyền đi, điều đó có nghĩa là nó sẽ không thể giảm nhiệt độ tổng thể như các hệ thống khác.
Vì thế, PCM không được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất xe ô tô điện. Hiện nay, vật liệu chuyển pha phát huy với vai trò “chống nóng” cho các tòa cao ốc trong đô thị bằng cách giảm dao động nhiệt độ bên trong và giảm tải làm mát cực đại.
2.2. Làm mát pin xe điện bằng cánh tản nhiệt #
Làm mát bằng cánh tản nhiệt cũng là phương pháp được áp dụng trên các dòng xe điện. Cánh tản nhiệt làm tăng diện tích bề mặt để tăng tốc độ truyền nhiệt. Nhiệt được truyền từ bộ pin đến cánh tản nhiệt thông qua quá trình dẫn nhiệt và từ cánh tản nhiệt đến không khí thông qua đối lưu. Cánh tản nhiệt tạo ra lượng không khí lớn, trung hòa nhiệt độ do pin sinh ra khi vận hành.
Hạn chế của cánh tản nhiệt là kích cỡ lớn khiến hệ thống làm mát cồng kềnh hơn, hiệu suất kém nên không được các nhà sản xuất xe điện lựa chọn sử dụng phổ biến. Hiện nay, làm mát bằng cánh tản nhiệt được ứng dụng phổ biến trong sản xuất thiết bị điện tử như máy tính, laptop.
2.3. Làm mát pin xe điện bằng không khí #
Đây là một trong những hệ thống làm mát pin ô tô điện đầu tiên được các nhà sản xuất ô tô điện sử dụng. Làm mát pin ô tô điện bằng không khí hoạt động dựa trên nguyên lý đối lưu đơn giản như một cách truyền nhiệt ra khỏi bộ pin. Khi ô tô điện di chuyển, quạt hoặc máy thổi sẽ thổi không khí qua bề mặt pin nóng, giúp nhiệt lượng được truyền ra bên ngoài.
Ưu điểm của phương pháp này là hoạt động đơn giản, dễ dàng kiểm soát. Tuy nhiên phương pháp làm mát pin ô tô điện bằng không khí có thể tạo ra tiếng ồn và độ rung, không hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cao hoặc đối với pin năng lượng cao. Lý do là vì pin năng lượng cao sẽ tỏa ra một lượng nhiệt lớn hơn, hiệu quả làm mát từ không khí là không đủ để đáp ứng nhu cầu làm mát cần thiết của pin.
Ngoài ra, hệ thống làm mát ô tô điện này cũng không thích hợp để vận hành ở những vùng khí hậu nóng. Vì nhiệt độ không khí từ môi trường đã cao sẵn sẽ làm cho hiệu quả làm mát bị giảm đi.
2.4. Làm mát pin xe điện bằng nhiệt điện (Thermoelectric Energy Conversion – TEC) #
Hệ thống làm mát bằng nhiệt điện TEC hiện đang được nhiều nhà sản xuất đánh giá cao khi sở hữu thiết kế hiện đại, khả năng giảm nhiệt pin hiệu quả.
Hệ thống TEC sử dụng mô-đun điều hành tổng gồm hai cực âm-dương gắn trực tiếp vào pin. Khi vận hành, nhiệt độ pin tăng lên tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn. Lúc này, nhiệt năng sẽ được mô-đun chuyển hóa thành điện năng giúp pin luôn hoạt động trong khoảng từ 31 – 34 độ C. Công nghệ TEC cũng tạo ra một phương pháp làm mát mới, được gọi là làm mát cục bộ, giúp các ô tô trong tương lai sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả hơn.
Một trong những khó khăn lớn của việc áp dụng công nghệ TEC là hiệu suất chuyển đổi năng lượng tương đối thấp. Các nghiên cứu về vật liệu mới có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi hơn của công nghệ này.
2.5. Làm mát pin xe điện bằng chất lỏng – dung dịch làm mát chuyên dụng #
Làm mát bằng chất lỏng: chất làm mát dạng lỏng được luân chuyển tuần hoàn giữa bộ pin và bộ tản nhiệt thông qua bơm. Các tế bào pin không tiếp xúc trực tiếp với chất làm mát nhưng được liên kết với mạch chất làm mát thông qua vật liệu dẫn nhiệt tốt (ví dụ: nhôm). Để tăng hiệu quả làm lạnh, có thể sử dụng kết hợp với quạt làm mát. Tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh và yêu cầu hệ thống điện, bộ tản nhiệt có thể là dạng đơn giản hoặc tích hợp vào chu trình chất làm lạnh.
Để tăng hiệu quả làm mát và tạo ra mức nhiệt đồng đều giữa các tế bào pin, các ống dẫn nhiệt được bố trí không chỉ xen giữa các mô-đun mà còn tiếp xúc trực tiếp với từng tế bào
Ưu điểm lớn nhất của làm mát bằng chất lỏng là có công suất cao hơn đáng kể và nhiệt dung cao, cho phép thiết kế rất nhỏ gọn. Mức công suất và khả năng kiểm soát nhiệt tốt cũng đáp ứng cho sạc nhanh hoặc sử dụng trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt
Nhược điểm của hệ thống làm mát bằng chất lỏng là cách bố trí phức tạp hơn dẫn đến khối lượng hệ thống cao hơn. Do có thêm các thành phần và đường ống, những hệ thống đó cũng có thể dễ xảy ra lỗi và tốn nhiều chi phí bảo dưỡng hơn so với hệ thống làm mát bằng không khí thông thường. Một lưu ý nữa là nguy cơ rò rỉ, đặc biệt là trong trường hợp xảy ra tai nạn.
Làm mát bằng chất làm lạnh: Dòng chất làm lạnh được tạo ra từ máy nén, qua giàn ngưng, khi qua giàn bay hơi sẽ tạo ra hiệu quả làm mát cho bộ pin. Cấu trúc bộ pin liên kết nhiệt với giàn bay hơi trực tiếp giúp giảm khối lượng và có thiết kế nhỏ gọn hơn hệ thống làm mát bằng chất lỏng thông thường. Ưu điểm của hệ thống này là mức nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ bề mặt làm mát. Nhược điểm là việc kết hợp nhiều thiết bị bay hơi thành một mạch chất làm lạnh duy nhất đòi hỏi phải thiết kế rất cẩn thận các bộ phận của hệ thống và điều khiển phức tạp. Máy nén khí trên xe có tầm quan trọng đáng kể, vừa đáp ứng một tính năng đơn thuần là tiện nghi, vừa đáp ứng một yêu cầu an toàn, đặc biệt là đối với xe BEV có sử dụng sạc nhanh.
Chất làm lạnh được sử dụng trong công nghệ làm mát pin đều tương thích với các loại phổ biến cho ô tô hiện nay như R134a, R744, và R1234yf. Nhưng do R134a đã bị Liên minh châu Âu cấm sử dụng đối với ô tô sản xuất mới và R1234yf rất dễ bắt lửa, nên R744 sẽ trở thành tiêu chuẩn hướng tới trong tương lai. Một khía cạnh khác thúc đẩy sự phát triển này là R744 cũng có thể được vận hành ở chế độ bơm nhiệt để làm nóng bộ pin
Hiện nay một số xe sử dụng công nghệ làm mát kết hợp cả chất lỏng và chất làm lạnh. Trong đó, chất lỏng qua bộ tản nhiệt bên trong bộ pin có nhiệm vụ làm mát, còn chất làm lạnh trong chu trình có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ chất lỏng thông qua bộ làm lạnh gọi là Chiller.
Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc gia (Mỹ) và Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Mạng lưới Phân phối Hoạt động Quốc gia (Trung Quốc) đã thực hiện nghiên cứu nhằm so sánh hiệu quả của bốn hệ thống làm mát xe điện. Kết quả cho thấy, làm mát bằng dung dịch chuyên dụng mang lại hiệu suất cao nhất. Thực tế, dung dịch chuyên dụng là phương pháp làm mát được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong ngành sản xuất xe điện.
Ngoài những công nghệ ở trên, các hãng sản xuất xe điện cũng không ngừng cải tiến và nghiên cứu để cho ra đời loại pin có tính năng tự quản lý nhiệt chủ động mà không cần sự tham gia của các chất hóa học. Nếu được triển khai vào thực tế, loại pin này có thể tự duy trì phạm vi nhiệt độ ổn định. Từ đó giúp tăng tuổi thọ của pin và không gây hại cho môi trường.
Bên cạnh hệ thống làm mát xe điện thì thói quen sử dụng của người dùng cũng góp phần “giải nhiệt”, tăng tuổi thọ cho pin. Theo các kỹ sư đến từ trường Đại học California, người dùng chỉ nên sử dụng bộ sạc nhanh trong trường hợp khẩn cấp để tránh tình trạng pin bị nứt, rò rỉ và mất dần khả năng lưu trữ điện. Không sạc pin quá mức hay cố gắng lái xe trong tình trạng pin cạn kiệt cũng là cách hiệu quả để tăng tuổi thọ cho pin.
Nguồn tham khảo
https://vinfastauto.com/vn_vi/phan-loai-he-thong-lam-mat-xe-dien
https://vinfastauto.com/vn_vi/he-thong-lam-mat-o-to-la-gi
Đặng Việt Hà, Tạp chí Khoa học công nghệ, số 1+2/2022, tr 94-98
Đến khi pin chịu được phạm vi nhiệt độ thật lớn thì rất tuyệt vời vì xe hoạt động an toàn hơn, nhẹ hơn, xạc nhanh hơn, không cần hệ thống làm mát pin nữa, v.v.
Bạn cần đăng nhập để tương tác với nội dung này:
Đăng nhập.