Những công nghệ mới của Pin xe điện (P1)

Phát triển ý tưởng Pin nhẹ với chi phí thấp.

Hiện tại, dù hàng triệu chiếc xe điện và xe lai điện đã được sản xuất nhưng chúng vẫn chưa có tiêu chuẩn chung cho vật liệu của phụ tùng. Hiện nay, các nhà sản xuất chú trọng vào việc tăng cường phạm vi hoạt động của xe điện thông qua việc cải thiện dung lượng lưu trữ của pin và thu hồi năng lượng một cách hiệu quả.

Cách thứ hai là giảm trọng lượng của các phụ tùng nhằm giảm năng lượng cần tiêu tốn để vượt qua lực cản của xe. Mức độ hiệu quả của việc giảm trọng lượng phụ thuộc vào từng loại xe điện (FCEV, BEV, PHEV, HEV, MHEV).

Một hiệp hội bao gồm các công ty Lorenz Kunststofftechnik, Forward Engineering, Evonik, LION Smart, Vestaro và Minth đã phát triển một giải pháp đầy hứa hẹn và hiệu quả để giúp nâng cao hiệu quả bằng các kết cấu siêu nhẹ.

Vào cuối năm 2019, nhóm này bắt đầu tiến hành thiết kế vỏ pin giá rẻ với nhiều kích cỡ khác nhau cho xe điện. Kết quả cho ra một bộ pin với trọng lượng nhẹ hơn 10% mà các đặc tính cơ học không bị ảnh hưởng. Ngoài ra, hợp chất nhựa epoxy SMC được gia cố bằng sợi thuỷ tinh cũng được sử dụng cho vỏ pin, đáp ứng các yêu cầu về khả năng chống cháy và dễ thi công ngay cả những hình dạng phức tạp. Toàn bộ ý tưởng được thực nghiệm trong các điều kiện khắc nghiệt nhất cũng cho thấy sự phù hợp và an toàn để sản xuất hàng loạt.

So với lịch sử phát triển lâu đời của động cơ đốt trong, e-mobility (electro mobility - thuật ngữ chỉ hệ thống truyền động điện) vẫn còn rất mới mẻ. Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất trên thế giới đã và đang tung ra thị trường rất nhiều loại xe khác nhau về thiết kế, trang thiết bị, cấu trúc và công nghệ. Chính vì sự đa dạng của các vật liệu và phụ tùng như vậy nên thị trường rất cần một tiêu chuẩn chung – thứ vốn đang còn thiếu.

"Đối với vỏ pin, chúng tôi đã sử dụng chất làm cứng epoxy của Evonik’s VESTALITES để phát triển một hỗn hợp SMC mới với mật độ từ 1.5 đến 1.7 g/cm3" – Peter Ooms – COO của công ty Lorenz Kunststofftechnik cho biết. "Nó có các đặc tính nổi bật, như độ bền uốn > 350 MPa, mô-đun uốn đàn hồi > 18,500 MPa và khả năng chống va đập > 150 kJ/m2. Bằng cách sử dụng nhựa epoxy thay vì nhựa polyester thông thường, các vấn đề phát sinh khi làm việc với vật liệu SMC được gia cố bằng sợi thủy tinh không còn nữa. Với VESTALITES Epoxy Lorenz SMC, vật liệu đúc có thể được gia công thành các dạng hình học phức tạp mà không dính vào khuôn". Sản phẩm tạo ra có các đặc tính cơ học tốt hơn các vật liệu SMC thông thường và có tính năng tạo sợi rất tốt trong quá trình đúc. Hơn nữa, Lorenz đã thiết lập một quy trình tái chế vật liệu SMC được gia cố bằng sợi thủy tinh, một quy trình quan trọng được xem xét dựa trên các yêu cầu về tính bền vững trong ngành công nghiệp ô tô.

Nhôm được chọn làm vật liệu cho kết cấu hỗ trợ vỏ pin vì nó giúp giảm trọng lượng và chi phí sản xuất pin. "Bề mặt dưới cùng là nền tảng cho toàn bộ cấu trúc của pin nơi các mô-đun pin được gắn vào. Hệ thống quản lý pin cũng được gắn vào đế nhôm" – Philipp Taschner – Kỹ sư Dự án của VESTARO cho biết. Hai đặc tính biến dạng của nhôm giúp bảo vệ xe trước những cú va chạm ngang hông nhờ khả năng hấp thụ lực. Bố cục các mô-đun pin giúp tách rời 2 điện cực của pin, góp phần làm tăng độ an toàn khi xe gặp sự cố và giúp pin được làm mát dễ hơn.

Ý tưởng supercell (ngăn pin) của LION Smart đã được sử dụng. Taschner giải thích: "Thiết kế ngăn pin với lượng thành phần thấp nhằm mục đích sản xuất tự động, tiết kiệm chi phí. Ngoài ra, các ngăn pin riêng lẻ được bao bọc trong chất làm mát điện môi không bắt lửa thì đặc biệt an toàn. Điều này còn đảm bảo pin luôn giữ được nhiệt độ trung bình thấp, giúp kéo dài tuổi thọ pin. Thiết kế kết nối chuỗi mô-đun pin tạo ra sự linh hoạt về số lượng mô-đun, với chiều cao tổng thể rất thấp là 90 mm".

"Để xác minh tính an toàn và khả thi của ý tưởng trên trong thực tế, Bộ phận hỗ trợ kỹ thuật máy tính (CAE) thuộc công ty Forward Engineering đã thực hiện mô phỏng kết cấu tổng thể và độ an toàn. Thử nghiệm đã kiểm tra độ xoắn và độ uốn của pin, khả năng chịu tác động lên đến 350 kN của mỗi cực và khả năng chịu áp suất cao. Pin đã vượt qua thử nghiệm này".

Ooms nói thêm rằng: "Vật liệu của chúng tôi có thể chịu được nhiệt độ 800 °C trong 10 phút mà không bị cháy và đặc tính cách điện của nó có thể bảo vệ các phụ tùng xung quanh ở nhiệt độ trên 300 °C". Trước đây, vật liệu SMC được gia cố bằng sợi thủy tinh rất khó gia công vì vậy phải được kiểm tra kỹ lưỡng. Lorenz đã thực hiện nhiều cuộc thí nghiệm phức tạp để xem xét tính phù hợp của vật liệu này và quy trình sản xuất.

Taschner bộc bạch: "Hiện tại, chúng tôi cung cấp ba giải pháp năng lượng có tính cạnh tranh và vượt trội hơn so với các mẫu pin hiện tại trên thị trường về mật độ năng lượng, độ an toàn và chi phí. Với trọng lượng tổng thể là 412.1 kg (công suất 65 kWh), 527.3 kg (công suất 85 kWh) và 789.2 kg - 800 V (công suất 120 kWh), sản phẩm của chúng tôi chính là đối thủ đáng gờm với các nhà phân phối khác".