NGHIÊN CỨU THÔNG SỐ CỦA PIN SỬ DỤNG TRÊN XE Ô TÔ ĐIỆN

1. Điện áp của cell và pin

Pin được cấu tạo từ các cell có điện áp tương đương nhau. Các cell này được mắc nối tiếp với nhau để tạo ra pin có điện áp cần thiết. ví dụ như pin 6V, 12V hay 24 V. Và những khối pin này lại tiếp tục được nối với nhau để sử dụng trên các xe điện cung cấp năng lượng cho động cơ dẫn động. Thực tế thì điện áp này của pin sẽ thay đổi trong quá trình hoạt động của pin. Khi pin phóng điện thì điện áp này sẽ giảm xuống và ngược lại khi sạc thì điện áp sẽ tăng lên. Mạch điện tương đương của pin được chỉ ra như hình sau:
 

Hình 1. Mạch điện tương đương của pin có 6 cell

Một khối pin bất kỳ có điện áp cố định E, nhưng điện áp giữa hai điện cực lại là V, bởi ắc quy có nội trở R. Vậy nên ta có công thức:

V = E - I.R

Ắc quy có nội trở càng nhỏ thì tương ứng với trạng thái kỹ thuật của nó càng tốt.

2. Dung lượng pin

Trong hệ đo lường quốc tế, đại lượng này có đơn vị là C (Coulomb). Một Coulomb tương ứng với lượng điện tích chạy qua tiết diện dây dẫn có cường độ dòng điện 1 Ampe trong vòng 1 giây. Tuy nhiên đơn vị này quá nhỏ nên sử dụng nó không thuận tiện và người ta sử dụng đơn vị Ampe giờ (Ah) để đặc trưng cho dung lượng của pin. Ah tức là lượng điện tích chạy qua tiết diện dây dẫn có cường độ dòng điện 1 Ampe trong vòng 1 giờ. Nếu một khối pin có dung lượng 10Ah có nghĩa là theo lý thuyết nó có thể cung cấp một dòng điện 1 Ampe trong vòng 10 giờ, hoặc 2 Ampe trong vòng 5 giờ hay 10 Ampe trong vòng 1 giờ. Tuy nhiên trong thực tế thì không phải tất cả các loại pin đều có thể làm việc giống như vậy. Lấy ví dụ nếu một viên pin có thể cung cấp dòng điện 1Ampe trong vòng 10 giờ, thì nếu ta sử dụng nó để cấp dòng điện cho tải là 10 Ampe thì nó sẽ cung cấp được trong khoảng thời gian ít hơn 1 giờ. Như vậy có thể thấy dung lượng của ắc quy có thể bị ảnh hưởng bởi dòng tiêu thụ bởi tải bên ngoài. Hình dưới đây mô tả sự thay đổi dung lượng của pin chì axit có dung lượng lý thuyết là 42Ah.
 

Hình 2. Sự thay đổi dung lượng của ắc quy

Như trên ta thấy nếu thời gian xả điện của pin càng ngắn thì dung lượng thực tế của pin càng thấp, ngược lại nếu thời gian xả càng dài thì dung lượng của ắc quy càng cao. Điều này xảy ra là do xảy ra các phản ứng không mong muốn bên trong viên pin. Nó xảy ra ở tất cả các loại pin, đặc biệt là pin chì axit.

3. Năng lượng tích trữ

Mục đích của pin là tích trữ năng lượng. Lượng năng lượng tích trữ trong pin phụ thuộc vào điện áp và điện tích tích lũy của nó. Theo hệ đo lường quốc tế, đại lượng này có đơn vị là J (Joule), nhưng đơn vị này quá nhỏ nên người ta sử dụng đơn vị Wat.giờ (Wh) để thay thế cho nó. Một Wh là năng lượng mà pin cung cấp 1W trong thời gian 1 giờ. 1Wh tương đương với 3600 J. Công thức chuyển đổi giữa Wh và Ah như sau:

Wh = V x Ah

Ta cũng cần lưu ý, trong công thức này cả 2 đại lượng điện áp pin (V) và dung lượng pin Ah đều thay đổi phụ thuộc vào cách ta dùng pin như thế nào. Cả hai đại lượng này đều giảm nếu dòng xả tăng lên và pin bị xả điện nhanh. Do đó năng lượng tích trữ của pin cũng là đại lượng thay đổi và giảm nếu năng lượng của pin được xả nhanh.

4. Năng lượng riêng

Năng lượng riêng là lượng năng lượng  điện được tích trữ trong mỗi kg pin. Đơn vị của nó là Wh/kg. Khi một khối pin của một xe điện đã biết lượng năng lượng tích trữ của nó (Wh), ta có thể tính ra năng lượng riêng của nó bằng cách chia cho khối lượng của pin. Năng lượng riêng của pin do đó cũng thay đổi và phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ và dòng xả. Điều đó được biểu thị trên hình số 4 dưới đây.
 

Hình 3. Đường đặc tính năng lượng riêng và công suất riêng của pin

5. Mật độ năng lượng

Mật độ năng lượng là lượng năng lượng điện được tích trữ trong mỗi mét khối pin. Đơn vị của nó là Wh/m³. Nó cũng là một thông số quan trọng của pin trong quá trình tính toán năng lượng của pin cho xe điện. Bởi phần không gian dành cho pin sẽ ảnh hưởng đến các kết cấu khác của xe.

6. Công suất riêng

Công suất riêng là lượng công suất đạt được trên mỗi kg pin. Đơn vị của nó là W/kg. Nó là một đại lượng thay đổi nhiều và khá bất thường vì năng lượng do pin cung cấp phụ thuộc nhiều vào tải được kết nối với nó hơn là chính bản thân pin. Mặc dù pin có một công suất tối đa, nhưng sẽ không hợp lý khi vận hành chúng ở gần mức công suất tối đa này trong khoảng thời gian lớn hơn một vài giây, vì chúng sẽ không chịu được lâu và sẽ hoạt động rất không hiệu quả. Mottj số loại pin có năng lượng riêng rất tốt song công suất riêng lại thấp, điều đó có nghĩa là chúng tích lũy được rất nhiều năng lượng song lại chỉ có thể cung cấp cho phụ tải rất chậm. Đối với xe điện, điều này có nghĩa là chúng có thể cung cấp năng lượng để xe chạy rất chậm trên một khoảng cách lớn. Đối với bất kỳ loại pin nào thì công suất riêng cao thường dẫn đến năng lượng riêng thấp. Bởi vì khi ta lấy năng lượng ra nhanh tức là với công suất cao thì sẽ làm giảm lượng năng lượng sẵn có của pin. Sự khác nhau về sự thay đổi của công suất riêng và năng lượng riêng ở mỗi loại pin là rất quan trọng. Nó sẽ rất có ích trong việc so sánh để lựa chọn loại pin cho phù hợp với mục đích sử dụng. Nó thường được sử dụng trong một đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa công suất riêng và năng lượng riêng. Đồ thị đó được gọi là đồ thị Ragone như ở hình 4 phía trên. Trong đồ thị hình 4 người ta sử dụng tỉ lệ Logarits ở các trục, bởi vì công suất cung cấp của pin có thể thay đổi rất nhiều trong từng ứng dụng khác nhau. Dựa vào đồ thị đó ta có thể thấy, đối với cả hai loại pin thì khi tăng công suất riêng thì năng lượng riêng đều giảm. Trong khoảng công suất riêng từ 1 đến 100 W/kg, pin Ni-Cd chỉ thay đổi rất ít. Tuy nhiên khi công suất riêng lớn hơn 100 W/kg thì pin Ni-Cd lại thay đổi rất nhiều so với pin axit chì.

7. Hiệu suất dung lượng.

Xét trong điều kiện lý tưởng, một viên pin sẽ trả lại toàn bộ điện tích đã nạp vào nó, trong trường hợp đó, hiệu suất dung lượng là 100%. Tuy nhiên, không có loại pin nào làm được điều đó; hiệu suất của nó nhỏ hơn 100%. Giá trị chính xác sẽ thay đổi tùy theo từng loại pin, nhiệt độ và tỉ lệ sạc. Nó cũng sẽ thay đổi theo trạng thái sạc (SOC). Lấy ví dụ nếu chúng ta dùng trong khoảng từ 20% đến 80% dung lượng của pin thì hiệu suất của nó xấp xỉ 100%. Nhưng nếu ta dùng trong khoảng 20% dung lượng còn lại thì hiệu suất của nó sẽ giảm rất nhanh.

8. Hiệu suất năng lượng

Hiệu suất năng lượng cũng là một trong các thông số quan trọng của pin. Nó được tính bằng tỉ số giữa lượng năng lượng điện mà pin có thể cung cấp cho tải và lượng năng lượng điện cần thiết để đưa pin về trạng thái ban đầu như trước khi pin xả điện. Như vậy rõ ràng là hiệu suất năng lượng của pin càng cao càng tốt. Và ta cũng cần phải biết rằng hiệu suất năng lượng của pin cũng thay đổi tùy theo cách ta sử dụng pin như thế nào. Lấy ví dụ nếu ta sạc, xả điện của pin nhanh thì hiệu suất năng lượng sẽ giảm đáng kể. Tất nhiên đây cũng là một thông số giúp ta có thể so sánh các loại pin với nhau để lựa chọn ra loại phù hợp nhất với từng mục đích sử dụng.

9. Tỷ lệ tự xả

Hầu hết pin đều xả điện khi không sử dụng và điều này được gọi là tự xả. Đây là thông số quan trọng vì điều này có nghĩa là một số pin không thể để trong thời gian dài mà không cần sạc lại. Tỷ lệ này thay đổi tùy theo loại pin và các yếu tố khác như nhiệt độ; nhiệt độ cao hơn làm tăng khả năng tự xả điện lên rất nhiều.

10. Hình dạng pin

Cell pin có nhiều hình dạng: tròn, chữ nhật, lăng trụ hoặc lục giác. Thông thường chúng được đóng gói thành khối hình chữ nhật. Một số loại pin chỉ có thể được sản xuất với hình dạng cố định. Một số có thể được sản xuất với nhiều biến thể về chiều cao, chiều rộng và chiều dài. Điều này đóng một vai trò rất quan trọng đối với các nhà thiết kế. Bởi lẽ hình dáng pin có thể ảnh hưởng đến việc bố trí pin trên xe từ đó ảnh hưởng đến các đặc tính của xe.

11. Nhiệt độ pin, yêu cầu sưởi ấm và làm mát

Mặc dù hầu hết các loại pin chạy ở nhiệt độ môi trường, song một số loại lại chạy ở nhiệt độ cao hơn và cần sưởi ấm để bắt đầu và sau đó phải làm mát trong quá trình sử dụng. Mặt khác, hiệu suất pin sẽ giảm ở nhiệt độ thấp, đây là điều mà ta không mong muốn, nhưng vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách làm nóng pin. Khi chọn pin, nhà thiết kế cần lưu ý về nhiệt độ pin, nhu cầu sưởi ấm và làm mát, và phải xem xét những nhu cầu này trong quá trình quá trình thiết kế xe.

12. Tuổi thọ pin và số chu kỳ xả sâu

Hầu hết các loại pin có thể sạc lại sẽ chỉ dùng được trong vài trăm chu kỳ xả sâu đến mức 20% dung lượng. Tuy nhiên, con số chính xác phụ thuộc vào loại pin cũng như chi tiết về thiết kế của pin và cách sử dụng pin. Đây là một điều rất quan trọng trong thông số kỹ thuật của pin, vì nó phản ánh tuổi thọ của pin, do đó phản ánh chi phí chạy xe điện. Thông số cụ thể hơn về điều này và tất cả các thông số pin khác sẽ được đề cập trong phần tiếp theo khi nói cụ thể các loại pin.