Bạn cắm xe điện vào trụ sạc nhanh, đứng chờ một lúc thì nghe dưới gầm xe có tiếng quạt quay vù vù, to như máy lạnh đang chạy hết công suất. Xe đang đứng yên, máy không nổ, vậy nó làm mát cái gì? Câu trả lời là khối pin, bộ phận đắt nhất trên xe, và nó có hẳn một hệ thống làm mát riêng không kém gì két nước của động cơ xăng.
Bài này giải thích vì sao một cục pin lại cần được "chăm" kỹ đến vậy: nhiệt sinh ra từ đâu, pin thích nhiệt độ bao nhiêu, nóng quá hay lạnh quá thì hỏng thế nào, và các hãng xe giữ nhiệt cho pin ra sao.
Pin đứng yên thì mát, vậy nhiệt từ đâu ra?
Một khối pin xe điện nặng hơn nửa tấn và chứa hàng nghìn viên cell nối với nhau. Mỗi viên cell đều có điện trở trong (internal resistance), giống như một đoạn ống nước hơi hẹp: dòng chảy càng mạnh thì ma sát càng lớn. Với pin, "ma sát" đó biến thành nhiệt. Công suất nhiệt tỉ lệ với bình phương dòng điện, nên khi dòng tăng gấp đôi thì nhiệt sinh ra tăng gấp bốn.
Đó là lý do lúc chạy thong thả trong phố, pin gần như không nóng lên, nhưng khi sạc nhanh DC hay tăng tốc mạnh liên tục thì chuyện khác hẳn. Thử làm một phép tính đơn giản với trụ sạc 250 kW:
| Thông số | Giá trị |
|---|---|
| Công suất sạc | 250 kW |
| Hiệu suất giả định | 95% |
| Phần thất thoát | 5% |
| Nhiệt sinh ra | khoảng 12,5 kW |
Hơn 12 kW nhiệt tương đương sáu cái bếp điện bật cùng lúc, nhét vào một cái hộp kín dưới sàn xe. Nếu không có gì mang lượng nhiệt đó đi, nhiệt độ pin sẽ leo lên rất nhanh trong vài chục phút sạc.
Hiệu suất 95% đã là con số đẹp. Dòng sạc càng lớn, pin càng gần đầy hoặc càng lạnh thì tổn hao càng cao, nên lượng nhiệt thực tế có thể còn nhiều hơn phép tính trên.
Pin lithium thích nhiệt độ "giống con người"
Pin lithium-ion hoạt động tốt nhất trong khoảng 20 đến 40 độ C, gần giống nhiệt độ mà con người thấy dễ chịu. Trong vùng này, ion lithium di chuyển qua chất điện phân giữa hai cực một cách trơn tru. Kết quả là pin làm được cả ba việc cùng lúc: nạp nhanh, xả mạnh và giữ tuổi thọ dài.
Hãy hình dung chất điện phân như con đường, còn ion lithium là dòng xe chạy qua lại. Ở nhiệt độ vừa phải, đường thông thoáng, xe chạy đều. Quá lạnh thì đường như phủ bùn, xe bò chậm. Quá nóng thì mặt đường bắt đầu nứt vỡ, xe chạy nhanh hơn nhưng con đường bị phá hỏng dần.
Nhiều xe điện dùng chính những viên cell hình trụ như trên (loại 18650 hoặc 21700), xếp hàng nghìn viên trong một khối. Có hãng dùng cell dạng túi (pouch) hoặc dạng hộp (prismatic), nhưng nguyên tắc nhiệt độ thì giống nhau: hệ thống quản lý pin luôn cố kéo pin về vùng 20 đến 40 độ.
Nóng quá: pin già nhanh, rồi có thể bốc cháy
Trên 45 độ C: lão hoá tăng tốc
Khi vượt khoảng 45 độ C, chất điện phân bắt đầu phân huỷ chậm. Trên bề mặt cực âm có một lớp màng mỏng gọi là SEI (Solid Electrolyte Interphase, lớp tiếp giáp rắn). Lớp màng này cần thiết để bảo vệ cực âm, nhưng ở nhiệt độ cao nó dày lên liên tục, và mỗi lần dày thêm là nó "nuốt" thêm một ít ion lithium. Ion bị khoá trong lớp màng thì không còn tham gia sạc xả nữa, nên dung lượng pin giảm dần.
Một quy tắc kinh nghiệm hay được kỹ sư pin nhắc tới: cứ nóng thêm 10 độ, tốc độ lão hoá có thể tăng gấp đôi. Đây không phải định luật chính xác cho mọi loại cell, nhưng nó cho thấy vì sao một chiếc xe thường xuyên phơi nắng và sạc nhanh lúc pin nóng sẽ chai pin nhanh hơn hẳn.
Trên khoảng 120 độ C: thoát nhiệt
Đây là kịch bản nguy hiểm nhất. Khi nhiệt độ cell vượt khoảng 120 độ C, chuỗi sự kiện diễn ra như sau:
- Màng ngăn chảy ra: lớp màng nhựa mỏng ngăn hai cực chạm nhau bị co và chảy, gây chập mạch bên trong.
- Cực dương nhả oxy: vật liệu cực dương phân huỷ và giải phóng oxy, tự cung cấp chất duy trì cháy.
- Phản ứng tự sinh nhiệt: nhiệt sinh ra làm phản ứng nhanh hơn, phản ứng nhanh hơn lại sinh thêm nhiệt.
- Lan sang cell bên cạnh: cell nóng đỏ đốt nóng cell kế bên, và cứ thế lan khắp khối pin.
Hiện tượng này gọi là thoát nhiệt (thermal runaway). Vì pin tự có oxy bên trong, dập lửa bằng cách cắt không khí gần như không có tác dụng.
Ảnh trên là một thí nghiệm cố ý phá hỏng cell pin. Pin lithium-ion bị móp, phồng hoặc thủng có thể bốc cháy ngay cả khi không sạc. Pin hư hỏng cần được đưa đến nơi xử lý chuyên dụng.
Lạnh cũng là kẻ thù, chỉ là âm thầm hơn
Nhiều người nghĩ pin chỉ sợ nóng, nhưng lạnh cũng gây hại theo cách khác. Dưới 0 độ C, chất điện phân đặc lại, ion lithium di chuyển chậm, điện trở trong tăng vọt. Hậu quả dễ thấy nhất là quãng đường đi được có thể giảm khoảng 30% vào mùa đông lạnh, một phần vì pin kém hiệu quả, một phần vì xe phải tốn điện để sưởi.
Nguy hiểm hơn là chuyện sạc nhanh khi pin lạnh. Lúc này ion lithium không kịp chui vào cấu trúc của cực âm, chúng đóng lại trên bề mặt thành lithium kim loại. Hiện tượng này gọi là mạ lithium (lithium plating). Lớp lithium kim loại vừa làm mất dung lượng vĩnh viễn, vừa có thể mọc thành những "gai" nhỏ đâm xuyên màng ngăn, gây chập mạch về sau.
Vì vậy xe điện ở xứ lạnh thường tự giới hạn tốc độ sạc khi pin còn lạnh, dù bạn đang cắm vào trụ sạc công suất lớn. Đó không phải xe "yếu", mà là xe đang tự bảo vệ pin.
Không chỉ đúng nhiệt độ, mà còn phải đều
Giữ trung bình khối pin ở 30 độ chưa đủ. Hàng nghìn cell nối với nhau thành chuỗi, và cell yếu nhất quyết định cả khối. Nếu một nhóm cell nằm gần nguồn nhiệt luôn nóng hơn phần còn lại vài độ, nhóm đó sẽ già nhanh hơn, dung lượng tụt trước, và kéo tụt cả khối pin theo, giống một đoàn leo núi buộc chung dây chỉ đi nhanh bằng người chậm nhất.
Vì thế kỹ sư thường thiết kế để chênh lệch nhiệt độ giữa các cell dưới khoảng 5 độ C. Điều này ảnh hưởng đến cách bố trí kênh làm mát, hướng dòng chảy của dung dịch và cả vị trí đặt cảm biến nhiệt.
Vì sao không thổi quạt như máy tính?
Câu hỏi hợp lý: máy tính làm mát CPU bằng quạt được, sao pin xe không làm vậy cho rẻ? Lý do nằm ở vật lý: không khí truyền nhiệt kém, còn chất lỏng mang nhiệt tốt hơn hàng chục lần với cùng thể tích. Khối pin lại xếp rất chặt, gió khó luồn vào giữa các cell, nên cell ở giữa luôn nóng hơn cell ở rìa, phá luôn yêu cầu "nhiệt độ đều" ở trên.
Ví dụ nổi tiếng nhất là Nissan Leaf đời đầu. Khối pin của Leaf chỉ làm mát thụ động bằng không khí, không có hệ thống làm mát chủ động bằng chất lỏng. Ở vùng khí hậu ôn hoà thì không sao, nhưng ở những nơi nắng nóng, nhiều chủ xe Leaf ghi nhận pin chai nhanh hơn hẳn so với kỳ vọng.
| Tiêu chí | Làm mát bằng không khí | Làm mát bằng chất lỏng |
|---|---|---|
| Khả năng mang nhiệt | Thấp | Cao hơn hàng chục lần |
| Độ đồng đều giữa các cell | Khó kiểm soát | Tốt |
| Chịu được sạc nhanh liên tục | Hạn chế | Tốt |
| Chi phí, độ phức tạp | Rẻ, đơn giản | Đắt hơn, nhiều linh kiện |
Nếu sống ở vùng nóng như Việt Nam và hay sạc nhanh, hãy ưu tiên xe có quản lý nhiệt pin chủ động bằng chất lỏng (liquid-cooled battery). Thông tin này thường nằm trong tài liệu kỹ thuật hoặc có thể hỏi trực tiếp đại lý.
Hệ thống làm mát pin hoạt động thế nào?
Tấm làm mát dưới đáy khối pin
Giải pháp phổ biến nhất hiện nay là tấm làm mát (cooling plate) bằng nhôm đặt dưới đáy khối pin, áp sát các module qua một lớp keo hoặc đệm dẫn nhiệt. Bên trong tấm có các rãnh uốn lượn để dung dịch làm mát chảy qua. Dung dịch thường là hỗn hợp nước và glycol, giống nước làm mát động cơ, để không đóng băng khi trời lạnh.
Dòng dung dịch hút nhiệt từ từng module, chảy ra khỏi khối pin, rồi đi tới két tản nhiệt ở đầu xe để thải nhiệt ra không khí. Tiếng quạt vù vù bạn nghe khi sạc nhanh chính là quạt két tản nhiệt đang làm việc.
Chiller: mượn điều hoà để làm lạnh pin
Két tản nhiệt chỉ hạ được dung dịch xuống gần bằng nhiệt độ ngoài trời. Vào ngày 38 độ, dung dịch ra khỏi két vẫn nóng quá để giữ pin dưới 40 độ. Lúc này hệ thống kích hoạt chiller, một bộ trao đổi nhiệt nối với mạch gas của máy nén điều hoà. Gas lạnh hút nhiệt khỏi dung dịch, làm nó lạnh hơn cả nhiệt độ ngoài trời, rồi đưa ngược vào pin.
Nói cách khác, chiếc xe đang "bật máy lạnh cho pin". Đó là lý do có lúc bạn thấy xe tốn điện đáng kể dù chỉ đứng sạc.
Sưởi pin vào mùa đông
Mùa lạnh thì hệ thống làm điều ngược lại: sưởi ấm pin bằng điện trở sưởi (giống ấm siêu tốc) hoặc bằng bơm nhiệt (heat pump), loại tiết kiệm điện hơn vì nó "chuyển" nhiệt từ nơi khác thay vì tạo nhiệt từ điện.
Tính năng đáng giá nhất là làm ấm pin trước khi sạc (battery preconditioning). Khi bạn chọn đích đến là một trạm sạc nhanh trên bản đồ của xe, xe tự tính thời gian và sưởi pin lên nhiệt độ lý tưởng trên đường đi. Vừa cắm sạc là pin đã sẵn sàng nhận công suất cao nhất, không phải chờ.
- [ ]Mùa lạnh, dẫn đường tới trạm sạc bằng bản đồ của xe để kích hoạt làm ấm pin
- [ ]Ngày nắng gắt, đỗ xe trong bóng râm trước khi sạc nhanh
- [ ]Không cần sạc nhanh khi không vội, sạc chậm qua đêm ít sinh nhiệt hơn nhiều
Vì sao pin phải có vòng làm mát riêng?
Xe điện còn những bộ phận khác cũng nóng: mô tơ, bộ biến tần (inverter), bộ sạc trên xe. Vậy sao không gom chung vào một vòng nước cho gọn?
Vấn đề là mỗi bộ phận thích một nhiệt độ khác nhau. Mô tơ và biến tần chịu được dung dịch gần 100 độ C mà vẫn hoạt động tốt, còn pin chỉ muốn quanh 30 độ C. Nếu dùng chung một vòng, bạn phải chọn: giữ dung dịch mát cho pin thì phí công làm lạnh mô tơ, còn để dung dịch nóng cho mô tơ thì pin bị nấu chín.
Giải pháp là tách thành nhiều vòng riêng, mỗi vòng có bơm và van riêng. Các vòng chỉ trao đổi nhiệt với nhau khi có lợi. Ví dụ mùa đông, nhiệt thải từ mô tơ có thể được chuyển sang để sưởi pin thay vì xả bỏ ra ngoài. Các xe đời mới gom những van này thành một cụm điều phối nhiệt thông minh, phần mềm quyết định nhiệt chảy đi đâu tuỳ từng tình huống.
Pin xe điện ít khi chết vì số lần sạc, mà chết vì nhiệt.
Nhờ quản lý nhiệt tốt, nhiều xe điện đã chạy hơn 200.000 km mà pin vẫn còn khoảng 90% dung lượng. Đây là bằng chứng rõ nhất rằng chi phí cho hệ thống làm mát là xứng đáng: nó bảo vệ bộ phận chiếm phần lớn giá trị chiếc xe.
Tóm tắt nhanh
- Pin sinh nhiệt do điện trở trong, nhiệt tăng theo bình phương dòng điện; sạc nhanh 250 kW có thể toả ra hơn 12 kW nhiệt.
- Vùng nhiệt độ lý tưởng của pin lithium là 20 đến 40 độ C; trên 45 độ pin lão hoá nhanh, trên khoảng 120 độ có nguy cơ thoát nhiệt.
- Dưới 0 độ, pin giảm quãng đường và sạc nhanh lúc này gây mạ lithium, hỏng pin vĩnh viễn.
- Làm mát bằng chất lỏng hiệu quả hơn không khí hàng chục lần; Nissan Leaf đời đầu là bài học về pin chỉ làm mát bằng không khí.
- Pin cần vòng làm mát riêng vì nó muốn mát hơn nhiều so với mô tơ; các vòng có bơm, van riêng và chỉ trao đổi nhiệt khi cần.
Câu hỏi thường gặp
Tiếng quạt kêu to khi sạc nhanh có phải xe bị lỗi?
Không. Đó là quạt két tản nhiệt và có thể cả máy nén điều hoà đang làm mát pin. Sạc nhanh sinh nhiều nhiệt nên quạt chạy mạnh là bình thường, nhất là vào ngày nóng.
Vì sao xe sạc chậm hơn công suất ghi trên trụ sạc?
Công suất sạc do xe quyết định, không phải trụ. Nếu pin quá lạnh, quá nóng hoặc đã gần đầy, hệ thống quản lý pin sẽ tự giảm dòng để bảo vệ cell. Làm ấm pin trước khi sạc giúp đạt tốc độ cao hơn vào mùa lạnh.
Ở Việt Nam nóng quanh năm thì có cần lo pin bị lạnh?
Hầu như không. Ở khí hậu nóng, việc quan trọng là xe có làm mát pin chủ động bằng chất lỏng và bạn hạn chế sạc nhanh liên tục khi pin đang nóng sau quãng đường dài dưới trời nắng.
Đỗ xe ngoài nắng cả ngày có hại pin không?
Hệ thống làm mát vẫn có thể hoạt động khi xe đỗ nếu pin quá nóng, nhưng phơi nắng thường xuyên ở mức pin đầy vẫn làm pin già nhanh hơn. Đỗ trong bóng râm hoặc nhà xe là thói quen rẻ nhất để kéo dài tuổi thọ pin.
