Giảm dung lượng pin - thách thức không nhỏ của xe điện

Trạm sạc xe điện tại siêu thị Lidl, London. (Ảnh: Hương Giang/TTXVN)

Công ty cung cấp giải pháp, phần mềm quản lý xe Geotab đã theo dõi hơn 22.700 chiếc xe điện để thực hiện một nghiên cứu và nhận thấy trung bình mỗi năm, pin bị suy giảm 2,3% dung lượng thiết kế. Những chiếc xe ở vùng khí hậu nóng bị suy giảm nhiều hơn khoảng 0,4% mỗi năm so với xe ở vùng có khí hậu ôn hòa.

Ngoài ra, những chiếc xe thường xuyên sử dụng bộ sạc nhanh với công suất trên 100 kW bị suy giảm dung lượng 3% mỗi năm, trong khi con số này chỉ là 1,5% đối với những xe hiếm khi sử dụng sạc nhanh.

Với tốc độ suy giảm trung bình như vậy, sau một thập kỷ, pin vẫn còn khoảng 77% dung lượng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu cho thấy pin xe điện có thể bền hơn nhiều so với dự đoán ban đầu của các chuyên gia. Trong quá trình sạc nhanh - khi dòng điện từ 300 ampe trở lên được truyền vào bộ pin - một lượng lớn nhiệt thừa sẽ được sinh ra và cần phải được loại bỏ.

Một bài đánh giá trên tạp chí Energies năm 2021 cho thấy, nếu có sự chênh lệch nhiệt độ hơn 5 độ C giữa các tế bào pin (cell), tốc độ lão hóa của pin có thể tăng thêm 25%. Điều này có nghĩa là một hệ thống làm mát hiệu quả không chỉ cần duy trì nhiệt độ ổn định mà còn phải đảm bảo sự cân bằng nhiệt trên toàn bộ khối pin. Khi pin ở nhiệt độ thấp, điện trở trong sẽ tăng lên.

Việc sạc nhanh trong điều kiện này có thể dẫn đến hiện tượng "lắng đọng lithium" - sự tích tụ kim loại lithium trên các điện cực của pin - và tình trạng này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi nhiệt độ giảm sâu.

Theo nghiên cứu của Recurrent trên hơn 30.000 xe điện tại Mỹ, phạm vi hoạt động của pin trong điều kiện nhiệt độ đóng băng chỉ còn trung bình 78% so với mức lý tưởng, và giảm xuống còn khoảng 70% ở mức nhiệt -7 độ C. Trong đó, hệ thống sưởi khoang cabin chiếm khoảng hai phần ba lượng năng lượng tiêu hao tăng thêm của xe điện khi thời tiết lạnh.

Mẫu xe Nissan Leaf đời đầu (năm 2010) sử dụng cơ chế làm mát bằng không khí thụ động cho bộ pin 24 kWh, trong khi các doanh nghiệp như Tesla, GM và Ford lại chọn hệ thống làm mát bằng chất lỏng.

Năm 2012, tạp chí MIT Technology Review đưa tin rằng các chủ sở hữu xe Nissan Leaf đời 2011 và 2012 tại Phoenix (Mỹ) đã ghi nhận tình trạng sụt giảm phạm vi hoạt động; phía Nissan cho biết vấn đề này chỉ ảnh hưởng đến chưa đầy 0,3% số xe tại Mỹ. Đến năm 2025, Nissan đã giới thiệu thế hệ thứ ba của dòng Leaf, trong đó bộ pin 75 kWh cuối cùng đã được chuyển sang sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng.

Theo tạp chí Energies, ưu điểm của phương pháp này là tiêu tốn ít năng lượng hơn từ 2 lần đến 3 lần so với làm mát bằng không khí để duy trì cùng một mức nhiệt độ cho bộ pin; nhờ đó, hầu hết các mẫu xe điện hiện nay đều áp dụng công nghệ này.

Các kỹ sư phát triển mẫu xe BMW i3 đã quyết định loại bỏ hoàn toàn vòng tuần hoàn chất làm mát thông thường, thay vào đó dẫn trực tiếp môi chất lạnh từ hệ thống điều hòa không khí (AC) vào bộ pin.

Hãng xe McLaren của Vương quốc Anh thậm chí còn tiến xa hơn với mẫu Speedtail bằng cách ngâm toàn bộ các cell pin trong một loại dầu cách điện - một giải pháp được cho là lần đầu tiên xuất hiện trên một mẫu xe thương mại. Các mô phỏng được trích dẫn trong bài đánh giá trên tạp chí Energies cho thấy, phương pháp làm mát bằng cách ngâm (immersion cooling) có hiệu quả tản nhiệt cao gấp ba lần so với việc sử dụng các tấm làm mát thông thường.

Thông thường, vòng tuần hoàn chất làm mát của pin sẽ được kết nối với một bộ tản nhiệt để xử lý các mức tải nhiệt thấp. Đối với các tác vụ đòi hỏi khả năng tản nhiệt lớn hơn - chẳng hạn như khi sạc nhanh - hệ thống này sẽ kết nối thông qua một bộ trao đổi nhiệt với hệ thống điều hòa không khí của xe. Một ví dụ điển hình là hệ thống quản lý nhiệt của Nissan.

Hệ thống này có thể chuyển đổi giữa hai chế độ, đồng thời dẫn nhiệt từ bộ sạc vào pin trong quá trình sạc tại nhà = một tính năng được mẫu xe Leaf đời mới sử dụng để làm ấm pin.

Trong khi đó, mẫu xe Model Y của Tesla sử dụng một loại van có biệt danh là "van tám cửa" (Octovalve) để luân chuyển chất làm mát giữa các động cơ, bộ pin và hệ thống điện tử; thông tin này được trang Jalopnik phát hiện sau khi thực hiện phân tích kỹ thuật chi tiết. Tesla cũng đang nghiên cứu một bằng sáng chế về việc cố tình vận hành động cơ truyền động ở trạng thái kém hiệu quả, nhằm tận dụng nhiệt lượng tỏa ra để làm ấm bộ pin.

General Motors cho biết hệ thống bơm nhiệt Ultium của doanh nghiệp này có khả năng thu thập nhiệt dư thừa từ bộ pin, các thiết bị điện tử công suất và thậm chí cả từ cơ thể hành khách để làm ấm khoang cabin, giúp tăng phạm vi hoạt động của xe thêm khoảng 10%.

Gần đây, Trung Quốc đã ban hành các quy định mới, yêu cầu các mẫu xe điện phải đảm bảo bộ pin không bốc cháy hoặc phát nổ khi một cell pin rơi vào trạng thái "thoát nhiệt." Để đáp ứng yêu cầu này, hệ thống làm mát và cách nhiệt của bộ pin phải ngăn chặn được sự lan truyền nhiệt sang các cell pin khác./.