“Trái tim” của xe điện (EV) chính là hệ thống pin, nơi “tích trữ” và “xả” năng lượng để xe “bon bon”. Tuy nhiên, để pin “chạy ngon” và “sống thọ”, thì phải “giải nhiệt” cho pin bằng các phương pháp làm mát.
Pin là “nguồn sống” của EV, cung cấp năng lượng để xe chạy. Khi pin sạc và xả, nó sẽ “nóng” lên, nên cần có một hệ thống làm mát “xịn sò”. Nhiệt độ pin tăng cao có thể khiến pin nhanh “già” và thậm chí “mất an toàn”.
Hệ thống Quản lý Nhiệt Pin (Battery Thermal Management System – BTMS) sẽ “quản” nhiệt độ giữa các bộ phận khác nhau của xe như pin, hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí), động cơ điện và bộ biến tần (inverter). Ví dụ, khi động cơ nóng lên, một phần nhiệt đó có thể được “tận dụng” để sưởi ấm cabin hoặc sạc pin, “vắt” tối đa năng lượng.
Áp dụng các “bí kíp” sạc pin xe điện tốt nhất sẽ “ăn khớp” với cách quản lý nhiệt độ toàn diện này. Bằng cách hiểu rõ mối quan hệ giữa nhiệt độ pin, chu kỳ sạc và tản nhiệt, chủ xe EV có thể tối đa hóa tuổi thọ của pin và duy trì hiệu suất tối ưu trong suốt “vòng đời” của xe.
Làm mát Pin xe điện (EV Battery Cooling) – “Bí kíp” là gì?
“Trái tim” của xe điện (EV) chính là hệ thống pin, nơi “tích trữ” và “xả” năng lượng để xe “bon bon”. Tuy nhiên, để pin “chạy ngon” và “sống thọ”, thì phải “giải nhiệt” cho pin bằng các phương pháp làm mát.
Pin là “nguồn sống” của EV, cung cấp năng lượng để xe chạy. Khi pin sạc và xả, nó sẽ “nóng” lên, nên cần có một hệ thống làm mát “xịn sò”. Nhiệt độ pin tăng cao có thể khiến pin nhanh “già” và thậm chí “mất an toàn”.
Hệ thống Quản lý Nhiệt Pin (Battery Thermal Management System – BTMS) sẽ “quản” nhiệt độ giữa các bộ phận khác nhau của xe như pin, hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí), động cơ điện và bộ biến tần (inverter). Ví dụ, khi động cơ nóng lên, một phần nhiệt đó có thể được “tận dụng” để sưởi ấm cabin hoặc sạc pin, “vắt” tối đa năng lượng.
Áp dụng các “bí kíp” sạc pin xe điện tốt nhất sẽ “ăn khớp” với cách quản lý nhiệt độ toàn diện này. Bằng cách hiểu rõ mối quan hệ giữa nhiệt độ pin, chu kỳ sạc và tản nhiệt, chủ xe EV có thể tối đa hóa tuổi thọ của pin và duy trì hiệu suất tối ưu trong suốt “vòng đời” của xe.
Các Phương pháp Làm mát Pin xe điện
Làm mát pin xe điện chủ yếu dựa vào hai “chiêu” chính: làm mát bằng không khí và làm mát bằng chất lỏng.
Làm mát bằng Không khí
Làm mát bằng không khí là cách kiểm soát nhiệt độ của pin bằng cách sử dụng không khí xung quanh. Có hai loại: thụ động và chủ động.
- Làm mát bằng không khí thụ động (Passive air cooling): Sử dụng không khí tự nhiên từ bên ngoài hoặc bên trong xe để làm mát hoặc sưởi ấm pin. Cách này đơn giản, nhưng có hạn chế và chỉ “xử” được một lượng nhiệt nhỏ.
- Làm mát bằng không khí chủ động (Active air cooling): Lấy không khí từ máy lạnh, có bộ làm mát và bộ sưởi để điều chỉnh nhiệt độ không khí. Cách này phức tạp hơn và có thể “cân” được công suất làm mát lớn hơn, khoảng 1 kW. Làm mát bằng không khí chủ động không chỉ làm mát pin mà còn có thể sưởi ấm khoang cabin.
Làm mát chủ động “xịn” hơn trong việc “hạ nhiệt” cho pin, giúp cải thiện khả năng lái và sạc của xe. Nhưng nó tốn kém hơn và cần nhiều năng lượng hơn để hoạt động. Sự khác biệt giữa làm mát chủ động và thụ động là làm mát chủ động cần thêm các bộ phận như quạt, tản nhiệt (heat sinks) và chất lỏng làm mát, trong khi làm mát thụ động chỉ sử dụng không khí thông thường xung quanh.
Hiểu rõ các phương pháp làm mát này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin xe điện, đảm bảo chúng được sạc tối ưu và hiệu quả, mà không bị quá nóng. Điều này cũng có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn ampe bộ sạc pin ô tô (car battery charger amps) tương thích với các hệ thống làm mát cụ thể, “ăn khớp” quá trình sạc với các cơ chế làm mát hiện có.
Làm mát bằng Chất lỏng
Làm mát bằng chất lỏng là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để giữ cho pin xe điện “mát mẻ”. Nó sử dụng chất làm mát dạng lỏng, như nước hoặc ethylene glycol, để giảm nhiệt độ. Chất lỏng này chảy qua các ống hoặc tấm xung quanh các cell pin (battery cells), mang nhiệt đến một nơi khác, chẳng hạn như bộ tản nhiệt (radiator). Chất lỏng đảm bảo các cell pin không tiếp xúc trực tiếp với chất làm mát.
Làm mát bằng chất lỏng chủ động (Active liquid cooling) sử dụng máy bơm, quạt và các thiết bị khác để chủ động hút và chuyển hướng nhiệt. Đôi khi, các chất tiếp xúc trực tiếp (direct-contact mediums) như dầu được sử dụng, chạm trực tiếp vào các cell pin. Nhưng điều này phổ biến hơn ở các loại xe điện không phải xe tiêu dùng, vì nó không an toàn bằng và không bảo vệ các cell tốt bằng.
Các phương pháp làm mát qua thời gian
Ngày nay, phần lớn pin được làm mát bằng chất lỏng sử dụng phương pháp làm mát chủ động, giúp cải thiện việc quản lý nhiệt độ. Vì chất lỏng có hiệu quả truyền nhiệt cao hơn hàng trăm lần so với không khí, nên việc quản lý nhiệt độ trở nên dễ dàng hơn nhiều.
Khi xe điện mới bắt đầu phổ biến, việc sản xuất pin đắt đỏ hơn. Các nhà sản xuất đã áp dụng phương pháp làm mát bằng không khí thụ động để giảm chi phí. Tuy nhiên, giá pin đã giảm đáng kể trong những năm gần đây, và sạc nhanh – đòi hỏi khả năng làm mát vượt trội – đã trở nên phổ biến. Điều này đã làm giảm sự phổ biến của làm mát bằng không khí thụ động.
Ví dụ, khoảng mười năm trước, bạn có thể chọn giữa một chiếc Chevy Volt với hệ thống làm mát bằng chất lỏng, phạm vi hoạt động ít hơn một chút, nhưng pin “trâu” hơn, hoặc một chiếc Nissan Leaf với hệ thống làm mát bằng không khí và pin có phạm vi hoạt động lớn hơn. Hồi đó, việc sản xuất một viên pin “khỏe” với phạm vi hoạt động dài và làm mát chủ động là quá tốn kém.
Làm mát chủ động đắt hơn vì nó cần thêm các bộ phận như bơm nhiệt (heat pump), bộ trao đổi nhiệt (heat exchanger), bơm, van và cảm biến nhiệt độ (temperature sensors). Tuy nhiên, nó đáng tin cậy hơn nhiều trong việc giữ cho pin “mát mẻ”.
Tại sao Pin xe điện cần được “Hạ nhiệt”?
Pin xe điện cần được làm mát chủ yếu để duy trì phạm vi nhiệt độ hoạt động tối ưu và đảm bảo hiệu suất an toàn và hiệu quả. Những loại pin này được thiết kế để hoạt động tốt nhất trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, thường là từ 20°C đến 25°C (68°F đến 77°F). Khi pin được sử dụng, chúng tự nhiên sinh nhiệt do các phản ứng hóa học xảy ra bên trong các cell pin. Nếu nhiệt này không được quản lý đúng cách, một số vấn đề có thể phát sinh.
Trong khi hoạt động, những loại pin này có thể chịu được nhiệt độ từ -30°C đến 60°C (-22°F đến 140°F). Trong quá trình sạc lại, phạm vi nhiệt độ chấp nhận được là từ 0°C đến 50°C (32°F đến 122°F). Điều quan trọng là phải quản lý nhiệt của pin trong quá trình sử dụng và đảm bảo nó nằm trong các phạm vi này. Khi nhiệt độ tăng lên mức cao, thường là từ 70°C đến 100°C (158°F đến 212°F), có nguy cơ xảy ra hiện tượng thoát nhiệt (thermal runaway) – một phản ứng dây chuyền nguy hiểm có thể dẫn đến phá hủy bộ pin.
Đôi khi, pin cũng cần được sưởi ấm, đặc biệt là khi nhiệt độ xuống quá thấp hoặc khi cần hiệu suất tối ưu. Ví dụ, các cell pin không thể được sạc nếu nhiệt độ dưới 0°C (32°F). Một số nhà sản xuất ô tô, chẳng hạn như Tesla, thậm chí còn cung cấp tính năng sưởi ấm pin trước (battery preheating) ở một số mẫu xe để tăng hiệu suất. Tính năng này có thể cho phép tăng tốc nhanh chóng, đẩy xe từ 0 lên 96 km/h (60 mph) trong vòng chưa đầy 2 giây.
Khám phá khái niệm tái chế pin xe điện (recycling EV car batteries) là bắt buộc trong việc theo đuổi các giải pháp di chuyển bền vững. Các quy trình tái chế nhằm mục đích tái sử dụng pin EV đã qua sử dụng có thể giúp giảm tác động đến môi trường, bảo tồn các nguồn tài nguyên quý giá và góp phần vào cách tiếp cận giao thông thân thiện với môi trường hơn.
Những Thách thức trong Quản lý Nhiệt
Trong khi cả hệ thống làm mát bằng chất lỏng và không khí đều đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ pin, mỗi phương pháp đều có những thách thức riêng. Hãy cùng đi sâu vào một số thách thức quản lý nhiệt này và cách chúng khác nhau giữa hệ thống làm mát bằng chất lỏng và không khí.
Thách thức của Làm mát bằng Chất lỏng
- Rò rỉ (Leaks): Hệ thống làm mát bằng chất lỏng có nguy cơ rò rỉ theo thời gian, đặc biệt là khi pin “già” đi. Các kết nối ống và vòng đệm (seals) có thể bị xuống cấp, có khả năng ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của hệ thống. Rò rỉ không chỉ làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin mà còn có thể gây nguy hiểm về an toàn nếu độ ẩm xâm nhập vào các bộ phận điện của pin.
- Ăn mòn (Corrosion): Hệ thống làm mát bằng chất lỏng sử dụng chất làm mát như glycol, có thể dẫn đến ăn mòn các tấm làm mát (cold plates) khi chất làm mát bị lão hóa. Ngăn ngừa ăn mòn đòi hỏi phải thay thế chất làm mát thường xuyên như một phần của quy trình bảo trì xe, làm tăng thêm chi phí sở hữu và độ phức tạp của việc bảo trì.
- Tắc nghẽn (Clogging): Vô số kênh nhỏ mà chất lỏng di chuyển bên trong pin tạo ra nguy cơ tắc nghẽn theo thời gian. Tắc nghẽn có thể cản trở sự lưu thông chất làm mát thích hợp, dẫn đến làm mát không đều và có khả năng gây ra các điểm nóng (hotspots) trong pin.
Thách thức của Làm mát bằng Không khí
- Sự thay đổi của Khí hậu (Climate Variability): Các vùng khí hậu khác nhau trên toàn thế giới đặt ra những thách thức khác nhau cho pin được làm mát bằng không khí. Nhiệt độ khắc nghiệt, dù là nóng như thiêu đốt hay lạnh cóng, đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu năng của pin. Để giải quyết vấn đề này, các hệ thống làm mát bằng không khí cần quản lý sự dao động nhiệt độ một cách hiệu quả để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy.
- Làm mát Ổn định (Consistent Cooling): Không giống như hệ thống làm mát bằng chất lỏng, có thể chủ động điều chỉnh nhiệt độ ngay cả khi xe đang đỗ, làm mát bằng không khí dựa vào luồng không khí bên ngoài. Đảm bảo làm mát ổn định trong các tình huống lái xe và đỗ xe khác nhau, đặc biệt là trong thời gian dài không hoạt động, có thể là một thách thức.
Thách thức Chung
- Lão hóa (Aging): Khi pin “già” đi, việc quản lý nhiệt trở nên phức tạp hơn. Pin cũ hơn có thể bị tăng sinh nhiệt và hao hụt năng lượng do xuống cấp. Hệ thống quản lý nhiệt cần tính đến những thay đổi này để duy trì hoạt động an toàn và hiệu quả của pin theo thời gian.
Ví dụ về các Hệ thống Quản lý Nhiệt Pin
Một số nhà sản xuất ô tô đã tiên phong trong các hệ thống quản lý nhiệt pin sáng tạo để giải quyết những thách thức này.
Tesla
Xe của Tesla tích hợp một hệ thống làm mát bằng chất lỏng sử dụng mạng lưới các ống chứa đầy chất làm mát (coolant-filled tubes) để duy trì nhiệt độ pin ổn định. Cách tiếp cận này cho phép làm mát và sưởi ấm bộ pin hiệu quả, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ tối ưu.
Chevrolet Volt
Chevrolet Volt cũng “chơi” hệ thống làm mát bằng chất lỏng, “na ná” như Tesla, để “quản” nhiệt độ pin. Điều này giúp duy trì điều kiện hoạt động ổn định và đảm bảo hiệu suất và độ bền của pin.
Nissan
Nissan LEAF thì “trung thành” với hệ thống làm mát bằng không khí, và đã được “nâng cấp” qua thời gian để “xịn” hơn. Phiên bản LEAF mới nhất sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí “xịn sò” hơn để “xử lý” các vấn đề nhiệt có thể xảy ra.
EV-lectron
