Phát triển nguồn pin tốt hơn cho xe điện EV

Các nhà sản xuất pin đang phải đối mặt với sự cạnh tranh gay gắt để tranh giành thị phần trên thị trường pin dành cho xe điện (EV), thị trường dự kiến tăng trưởng 44,2 tỷ USD¹ trong giai đoạn từ năm 2020 đến 2024.

Mặc dù giá thành trung bình đã giảm 80% trong thập kỷ vừa qua nhờ tiến bộ công nghệ, pin Li-ion vẫn là bộ phận đắt nhất của ô tô điện. Giá pin giảm sẽ đưa ô tô điện tới được tới tay nhiều lái xe hơn.

Thị trường cần cân đối những gì để tạo ra loại pin lý tưởng có giá cả phải chăng? Để trả lời câu hỏi này, cần tìm hiểu điều gì đã tạo ra khoảng cách giữa mục tiêu thiết kế và hiệu năng thực tế.

Thành phần hóa học lý tưởng của một cell pin đòi hỏi sự hiểu biết về nhiều tham số khác nhau tác động đến hiệu năng pin ở các cấp độ cell, mô-đun và bộ pin tùy theo dự kiến sử dụng.

Bà Hwee Yng Yeo, Giám đốc bộ phận Giải pháp Công nghiệp, Ô tô và Năng lượng, Keysight Technologies.

Vấn đề còn trở nên phức tạp hơn khi mỗi cell pin lại thể hiện những các đặc tính khác nhau trong những tình huống ứng dụng khác nhau. Trong quá trình thiết kế và thử nghiệm pin, chuyên gia thiết kế pin cần phải sử dụng các thiết bị đo kiểm sẵn có để đo lường các tham số cần đo khác nhau của các loại pin đang được phát triển.

Trong các loại ô tô điện (EV) và ô tô điện lai (EV hybrid), các tham số quan trọng là thời gian sạc và phạm vi hoạt động của phương tiện, do đó thiết kế pin phải ưu tiên các phép đo để đạt được các mục tiêu về dung lượng, hiệu suất và mật độ năng lượng cao hơn.

Để quản lý và đáp ứng hiệu quả các yêu cầu nói trên, các nhà sản xuất cell pin cần đưa ra những bài đo bắt buộc để áp dụng trong toàn bộ chuỗi phát triển pin.

Hơn nữa, sự phát triển nhanh chóng của thị trường pin dành cho ô tô điện EV cũng thúc đẩy các nhà sản xuất áp dụng các giải pháp thiết kế thân thiện với đo kiểm và sẵn sàng cho tương lai để đảm bảo các giải pháp thiết kế và thử nghiệm của họ có thể mang lại tỷ lệ hoàn vốn đầu tư cao.

Mới đây, ElringKlinger AG², doanh nghiệp hàng đầu thế giới về phát triển hệ thống truyền động ô tô và nhà sản xuất quy mô lớn các loại linh kiện pin, đã quyết định hợp tác với Keysight Technologies để đẩy nhanh hơn nữa việc phát triển pin.

Mục đích của ElringKlinger là cung cấp cho khách hàng của mình hệ thống pin hiệu quả cao và đáng tin cậy một cách nhanh chóng, nhất quán và tiết kiệm.

ElringKlinger sẽ sử dụng giải pháp đo kiểm pin Scienlab Battery Test của Keysight để đo kiểm các loại cell pin do doanh nghiệp này sản xuất để xác định tổ hợp cell hiệu quả nhất đối với các ứng dụng dành cho khách hàng cuối mục tiêu.

Các cell này được sử dụng để tạo ra các mô-đun pin, và các mô-đun này được dùng để phát triển hệ thống pin bao gồm hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống quản lý nhiệt và các cấu kiện cơ khí cần thiết.

Để đạt được mục tiêu này, ElringKlinger đã thành lập một phòng thí nghiệm theo hình thức chìa khóa trao tay và được tùy chỉnh ở mức độ cao, được trang bị đầy đủ các hệ thống đo kiểm pin Scienlab Battery Test của Keysight, bao gồm cả môi trường an toàn để đo kiểm các loại cell, mô-đun và bộ pin.

Phần mềm - Chìa khóa thành công

Đồng thời với việc công nghệ giúp nâng cao mật độ năng lượng và kéo dài tuổi thọ của pin cho ô tô điện EV, quy mô của các phòng thí nghiệm phát triển pin cũng ngày càng được mở rộng.

Nhiều nhà sản xuất pin nhỏ với cơ sở phòng thí nghiệm khiêm tốn hơn vẫn có thể quản lý và điều phối thủ công một số hệ thống đo kiểm bằng các công cụ thô sơ như bảng tính.

Nhưng trong những năm gần đây, các nhà sản xuất pin này đang đối diện với một “nỗi đau ngọt ngào”, khi hoạt động kinh doanh của họ mở rộng nhanh chóng. Tình huống này buộc các nhà quản lý phòng thí nghiệm phải tìm ra phương pháp hiệu quả để quản lý quy trình công việc và điều phối máy móc công cụ đo.

Ngoài các yêu cầu này, chuyên gia quản lý phòng thí nghiệm đo kiểm pin còn phải thực hiện đo kiểm “đồng bộ thời gian” để xác nhận hiệu năng và hiệu năng thiết kế của các thiết bị cần đo kiểm (DUT), trong trường hợp này, các cell, mô-đun và bộ pin.

Một số thông số phổ biến nhưng quan trọng cần đo kiểm bao gồm độ bền, phạm vi và hiệu suất; chức năng, lão hóa, môi trường và hiệu năng; mức độ tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp như ISO, DIN EN và SAE; đáp ứng nhiệt và sức đề kháng cơ học; phân tích điện hóa.

Nhân các thông số này với số lượng DUT của khách hàng, đôi khi ở các cơ sở khác nhau, cho thấy một điều hiển nhiên là các phương pháp theo dõi dữ liệu thủ công không còn đủ để hỗ trợ các chuyên gia quản lý phòng thí nghiệm pin.

Sự ra đời của Cách mạng công nghiệp 4.0 đã đưa công nghệ Dữ liệu lớn vào ứng dụng trong ngành sản xuất đại trà linh kiện điện tử và cả ngành sản xuất pin cho ô tô điện EV.

Trong quá trình mở rộng quy mô hoạt động, các doanh nghiệp sản xuất pin hợp tác các nhà cung cấp giải pháp như Keysight để có thể nhanh chóng đưa vào hoạt động phòng thí nghiệm và triển khai kế hoạch đo kiểm của họ bằng cách sử dụng các công cụ tự động hóa như PathWave Lab Operations for Battery Test, và phần mềm phân tích pin, chẳng hạn như Energy Storage Discover.

Nền tảng này cho phép phòng thí nghiệm dễ dàng quản lý lệnh đo kiểm, lập kế hoạch và tối ưu hóa năng lực và trình tự đo kiểm, đồng thời chia sẻ dữ liệu để nâng cao hiệu quả phân tích.

Keysight Technologies được biết đến là nhà cung cấp giải pháp đo kiểm hàng đầu thế giới giúp cho quá trình phát triển của pin xe điện ngày càng hoàn thiện.

Tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của pin

Ngoài thiết kế tốt, hiệu năng của cell pin còn phụ thuộc vào kết nối trong mô-đun và bộ pin, cũng như phụ thuộc điều kiện vận hành thực tế của ô tô điện. Tình trạng sức khỏe của pin chịu tác động của dải nhiệt độ vận hành, chu kỳ năng lượng (sử dụng) và tốc độ sạc.

Một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến tình trạng pin là khả năng biến đổi nguồn thông suốt qua các giao diện sạc khác nhau, trên xe và cũng như qua thiết bị cấp nguồn bên ngoài cho EV (EVSE).

Đo kiểm toàn diện pin

Công suất của ô tô điện EV phụ thuộc vào phương pháp kết hợp hoạt động của các cell, các mô-đun và bộ pin để cải thiện việc cấp nguồn và mở rộng phạm vi vận hành cho xe. Từ phát triển, sản xuất, đến tích hợp, mọi giai đoạn trong hành trình của một cell pin từ phòng thí nghiệm cho tới khi được lắp đặt và sử dụng trên xe đều liên quan nhiều loại giao diện.

Khả năng thiết kế và thử nghiệm toàn diện trong từng giai đoạn của hành trình này sẽ giúp đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho phương tiện, người điều khiển và hành khách, đồng thời những đặc điểm này sẽ tiếp tục được triển khai trên quy mô lớn để giảm giá thành của pin.

Tầm nhìn này không chỉ hạn chế trong việc mở rộng phạm vi hoạt động của ô tô điện EV. Chung cuộc, pin được thiết kế tốt sẽ là cốt lõi của phong trào toàn cầu hướng tới các nguồn năng lượng thực sự sạch và tái tạo cho hành tinh của chúng ta.

Tài liệu tham khảo

1 - Technavio: Thị trường pin ô tô điện (EV) toàn cầu 2020-2024
2 - Thông cáo báo chí: Keysight và ElringKlinger AG Hợp tác thúc đẩy giao thông điện tử

Theo Tạp chí Điện tử