Pin xe điện được làm mát ra sao, và vì sao cần làm ấm trước khi sạc nhanh?

Phổ biến nhất là vòng tuần hoàn chất làm mát. Bơm đưa dung dịch qua các ống hoặc tấm kim loại áp sát cụm pin, lấy nhiệt từ các cell rồi chuyển tới két tản nhiệt; khi cần làm mát mạnh hơn, bộ trao đổi nhiệt có thể kết nối với điều hòa của xe. Cách bố trí và đường đi của dung dịch khác nhau giữa các hãng, nhưng mục tiêu chung là giữ nhiệt độ các phần trong bộ pin không chênh lệch quá xa.

Dữ liệu đội xe cho thấy mức suy giảm pin trung bình khác nhau giữa các nhóm sạc: 1,5% mỗi năm ở nhóm dùng sạc DC dưới 12% tổng phiên sạc, 2,2% ở nhóm dùng sạc DC thường xuyên nhưng ít phiên vượt 100 kW, và 3,0% ở nhóm vừa dùng DC thường xuyên vừa có tỷ lệ sạc trên 100 kW cao. Các nhóm có tiêu chí khác nhau, nên đây là so sánh quan sát chứ không phải phép thử cô lập riêng tác động của hệ thống làm mát.

Số liệu: Geotab

Khả năng kiểm soát đồng đều quan trọng không kém việc hạ nhiệt độ trung bình. Nếu một số cell nóng hơn phần còn lại, chúng có thể lão hóa nhanh hơn và khiến toàn bộ bộ pin vận hành kém ổn định. Một tổng quan nghiên cứu đăng trên tạp chí Energies cho biết chênh lệch nhiệt độ hơn 5°C trong cell có thể làm tốc độ lão hóa tăng 25%; con số này là kết quả nghiên cứu được trích dẫn, không phải mức áp dụng giống hệt cho mọi loại pin và mọi mẫu xe.

Làm mát bằng không khí có cấu tạo đơn giản hơn nhưng khó lấy nhiệt hiệu quả đồng đều ở bộ pin lớn. Hệ thống chất lỏng cần ít năng lượng hơn khoảng 2–3 lần so với làm mát bằng không khí để giữ bộ pin ở cùng nhiệt độ, theo tổng quan nghiên cứu đăng trên tạp chí Energies. Đó là lợi thế đáng kể khi xe phải điều tiết nhiệt liên tục mà vẫn cần dành điện cho việc di chuyển.

Các hãng cũng chọn cấu trúc khác nhau. BMW i3 từng dùng môi chất lạnh từ điều hòa để quản lý nhiệt pin thay vì một vòng dung dịch riêng. Một số thiết kế thử nghiệm hoặc xe hiệu năng cao còn đưa cell vào môi trường chất lỏng cách điện; mô phỏng được tổng quan nghiên cứu trên Energies nêu cho thấy làm mát ngâm có thể truyền nhiệt tốt hơn tấm làm mát, nhưng điều đó không đồng nghĩa đây là lựa chọn phổ biến trên xe thương mại.

Sạc DC công suất cao đưa dòng lớn vào bộ pin trong thời gian ngắn, đồng thời tạo thêm nhiệt. Hệ thống quản lý nhiệt phải đưa phần nhiệt dư ra ngoài để tránh một vùng pin nóng hơn rõ rệt so với vùng khác. Geotab phân tích dữ liệu của hơn 22.700 xe thuộc 21 mẫu xe và ghi nhận mức suy giảm dung lượng trung bình 2,3% mỗi năm trong nhóm nghiên cứu.

Trong phân nhóm của Geotab, xe có hơn 12% phiên sạc là sạc nhanh DC và trên 40% số phiên DC vượt 100 kW có mức suy giảm trung bình 3,0% mỗi năm. Nhóm dùng sạc DC ít hơn 12% số phiên ghi nhận 1,5% mỗi năm. Đây là mối liên hệ trong dữ liệu đội xe, không phải lời khẳng định rằng một lần sạc nhanh sẽ làm hỏng pin; cách sử dụng, thiết kế pin, hóa học cell và phần mềm quản lý đều ảnh hưởng kết quả.

Trời lạnh tạo ra vấn đề ngược lại. Điện trở bên trong pin tăng khi nhiệt độ thấp, khiến xe thường giới hạn công suất sạc để bảo vệ cell. Sạc nhanh khi pin quá lạnh còn có thể thúc đẩy hiện tượng mạ liti: lithium kim loại tích tụ trên điện cực, điều không mong muốn đối với tuổi thọ và khả năng vận hành của pin. Một số nhà sản xuất giải quyết tình huống này bằng cách chuẩn bị nhiệt độ pin trước khi tới trạm sạc.

Đây là lúc battery preconditioning phát huy tác dụng. Trước khi tới trạm, xe có thể dùng năng lượng từ hệ thống nhiệt để đưa pin về vùng nhiệt độ phù hợp. Một số mẫu tự kích hoạt khi người lái chọn trạm sạc làm điểm đến trên hệ thống dẫn đường; hướng dẫn của Tesla được Engadget dẫn lại khuyến nghị bắt đầu quá trình này trước khoảng 30–45 phút. Tùy mẫu xe và điều kiện, thời gian chuẩn bị có thể khác nhau.

Hệ thống nhiệt không nhất thiết chỉ chuyển nhiệt từ pin ra môi trường. Khi cabin hoặc pin cần ấm lên, xe có thể chuyển nhiệt thải từ động cơ điện, bộ điện tử công suất hay chính bộ pin sang nơi cần dùng. Tesla Model Y sử dụng cụm van đa kênh Octovalve để điều phối chất làm mát giữa cabin, pin và hệ truyền động, thay vì để mỗi phần hoạt động hoàn toàn tách biệt.

General Motors cho biết bơm nhiệt Ultium thu hồi nhiệt từ pin, điện tử công suất và một phần nhiệt trong cabin để sưởi; hãng nêu mức tăng tầm hoạt động khoảng 10%. Dữ liệu của Recurrent trên hơn 30.000 xe điện tại Mỹ cũng cho thấy xe giữ trung bình 78% tầm hoạt động ở 0°C và khoảng 70% ở -7°C; nghiên cứu này cho biết bơm nhiệt cải thiện tầm hoạt động khoảng 10% ở 0°C. Hai con số phụ thuộc điều kiện và tập xe được khảo sát, không nên hiểu là mức cộng cố định cho mọi xe.

Những thiết kế như Octovalve hay bơm nhiệt cho thấy hiệu quả không chỉ đến từ việc lắp thêm bộ tản nhiệt lớn. Điều phối dòng nhiệt giữa pin, cabin và hệ truyền động giúp xe tái sử dụng năng lượng vốn sẽ thất thoát, đặc biệt trong mùa lạnh khi sưởi cabin cũng rút điện từ pin.

Ở Việt Nam, người dùng ít phải xử lý tình huống pin lạnh như các tài xế ở vùng có mùa đông sâu, nhưng nhiệt độ cao kéo dài lại đặt hệ thống làm mát vào vai trò thường xuyên hơn. Geotab ghi nhận xe hoạt động tại nhóm khí hậu có hơn 35% số ngày trên 25°C suy giảm pin nhanh hơn trung bình 0,4 điểm phần trăm mỗi năm so với nhóm khí hậu ôn hòa. Đây là khác biệt giữa các nhóm xe trong nghiên cứu, không thể dùng để dự báo chính xác tuổi thọ của một chiếc xe cụ thể tại Việt Nam.

Người dùng nên tuân thủ lịch kiểm tra và thay dung dịch làm mát theo tài liệu của hãng, đồng thời để ý cảnh báo nhiệt độ pin hoặc hệ thống điều hòa bất thường. Không nên tự châm thêm dung dịch bất kỳ hay can thiệp vào đường ống cao áp: loại dung dịch, quy trình xả khí và cấu trúc làm mát thay đổi theo xe, còn thao tác sai có thể ảnh hưởng cả hệ thống điện áp cao.

Với xe có tính năng chuẩn bị pin trước khi sạc, hãy chọn trạm sạc làm điểm đến trên màn hình dẫn đường khi xe hướng dẫn cách này. Tại nơi nóng, đỗ xe ở chỗ râm mát khi thuận tiện và không bỏ qua thông báo bảo dưỡng. Đây là các bước thực tế hơn việc cố áp dụng một con số nhiệt độ hay quy tắc sạc chung cho mọi dòng xe.

Nguồn tham khảo: Engadget, Geotab, Recurrent Auto