Tăng hiệu suất của hệ thống Pin trong Xe điện (EVs)/ Xe tích hợp điện & xăng (HEVs) với Busbar
EVs và HEVs hoạt động tốt hay không phụ thuộc nhiều vào độ mạnh mẽ của mô-tơ điện, khả năng lưu trữ năng lượng lớn từ hệ thống pack pin, và sự chuyển đổi điện năng hiệu quả của hệ thống inverter/ converter. Cụ thể về vấn đề cung cấp điện năng cho các bộ phận hoạt động của xe điện, SỰ KẾT NỐI, bao gồm cả hệ thống “dây” dẫn điện đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Hệ thống “dây” dẫn điện này tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, đó có thể là dây điện, là dây cáp, và đặc biệt là busbar (được biết đến nhiều dưới dạng thanh đồng trong các trạm biến áp). Để có thể thiết lập nên một hệ thống điện trơn tru bền bỉ cho xe điện, việc hiểu và ứng dụng các cách kết nối điện khác nhau là cần thiết cho các kỹ sư ở kỷ nguyen của xe điện này.
Mối nối của cell pin cũng như pack pin là các bộ phận quan trọng của hệ thống xe điện, giúp đem đến một hiệu suất cao, độ ổn định về nhiệt và cả bảo vệ hệ thống điện của xe. Ngày nay, các pack pin hiện đại thường được cấu tạo từ vô số cell pin (7000+ cell pin đối với một pack pin của Tesla). Vậy phải làm sao để liên kết các cell pin này đạt hiệu quả nhất về cả độ bền cơ khí lẫn khả năng dẫn điện?
Các cách kết nối cell pin truyền thống (như hàn hoặc dung ổ cắm các dây dẫn điện) rất dễ bị ảnh hưởng khi chỉ cần một rung động nhỏ của cell pin trong quá trình xe vận hanh. Đây là nguyen nhân chính dẫn đến sự ra đời của các công nghệ kết nối giữa các cell pin, trong đó có busbar – Phương pháp kết nối điện cho các cell pin, đặc biệt là cell pin dạng trụ.
Xét về khả năng dẫn điện, mối nối phải chịu được dòng điện với hiệu điện thế cao giữa các cell pin, có thể lên đến 5.0V một cell trong tương lai. Vì vậy, sự tác động của độ hở và khoảng cách dão dẫn đến sự cách điện là tương đối nghiêm trọng.
Xét về vấn đề cơ khí, busbar cũng là một lựa chọn hoan hảo cho một hệ thống pack pin ổn định, bền bỉ do có thể chịu được những va đập, rung lắc mạnh để bảo vệ các mô-đun pin, đồng thời vẫn đảm bảo tính đàn hồi, linh hoạt để chống lại độ dãn nở và lực G.
Để đánh giá hiệu suất của mối nối điện, còn cần phải đánh giá loại hợp chất sử dụng để tạo thành busbar. Hợp chất này có thể là các chất dẫn điện tốt như đồng hoặc bạc, ở nhiều độ dày khác nhau: độ dày tiêu chuẩn sẽ khoảng từ 0.5 đến 2.5 mm đối với đồng và từ 1.0 đến 2.0 mm đối với bạc (ứng dụng của cell pin). Busbar được sử dụng để nối các mô-đun pin với nhau (đối với nhiều trường hợp là nối một tập hợp các cell pin với nhau) thì được làm bởi vật liệu dày hơn để chịu được điện thế cao hơn. Đồng được biết đến khả năng dẫn nhiệt tốt hơn bạc (401 W/mK cho đồng và 237 W/mK cho bạc), và dãn nở vì nhiệt ít hơn (16.5 ppm/K cho đồng và 23.1 ppm/K cho bạc).
Các busbar được làm từ bạc sẽ lý tưởng hơn trong các ứng dụng cho cell pin nhờ vào khả năng dẫn điện ổn định trong khi đảm bảo trọng lượng nhẹ lên đến 50% so với đồng. Tuy nhiên, nếu xét về khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện, đồng lại là sự lựa chọn tốt hơn khi 1mm đồng có thể thay thế cho 2mm bạc. Busbar đồng đem đến giải pháp tối ưu cho các khu vực có diện tích hạn chế, trong khi busbar bạc có thể phân bổ năng lượng hiệu quả hơn với trọng lượng thấp hơn so với đồng. Và bạc cũng hiệu quả về mặt chi phí hơn so với đồng.
Một vấn đề cần lưu ý nữa đó là khả năng quản trị nhiệt, loại busbar nào có thể hỗ trợ trong việc quản trị lượng nhiệt khổng lồ được tạo ra trong quá trình pin hoạt động? Đặc biệt là cho các cell pin hình trụ khi một mô-đun pin có thể được hình thành từ hang tram cell pin nối với nhau. Đối với cell pin dạng trụ, nhà sản xuất có thể liên kết cực âm và cực dương ở cả phía dưới và phía trên, hoặc chỉ mình phía trên. Nhược điểm của thiết kế kết nối cả dưới và trên là nó có thể làm ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ thống làm mát (bằng khí hoặc chất lỏng) được sử dụng để tản nhiệt cho cả hệ thống. Đây là lý do chính dẫn đến việc rất nhiều nhà sản xuất xe hơi chỉ sử dụng liên kết ở phía trên của các cell, bù lại, cấu trúc của busbar sẽ phức tạp hơn. Trong trường hợp này, busbar sẽ chứa hai chất dẫn điện (thường được mạ niken để tránh bị oxi hóa) được cách điện bởi một lớp cách điện mỏng. Lớp cách điện này cũng được sử dụng phủ phía ngoài busbar thành một cấu trúc thống nhất.
Tiếp theo, cần phải cân nhắc về kết nối giữa busbar và các cell pin. Cần phải lựa chọn để độ tiêu hao điện năng là thấp nhất để tránh lượng nhiệt trên các điểm nối dọc busbar. Trong một số trường hợp, có thể sử dụng them mối hàn để giảm lượng điện năng thất thoát và lượng nhiệt không đáng có sinh ra. Một Phương pháp khác được các chuyên gia khuyên dung là hàn bằng laze một nhóm cell pin với busbar để tạo thành pack pin lớn hơn cho EVs/ HEVs. Khâu hàn laze này có thể được tích hợp ngay vào trong hệ thống tự động hóa sử dụng cho sản lượng lớn.
Xét tổng thể, hình dạng của busbar sẽ phụ thuộc vào loại cell pin được sử dụng trong pack pin. Loại busbar cho cell pin dạng trụ thường là loại dẹt rộng chất dẫn điện riêng hoặc được ép mỏng dán vào busbar thành một khối cấu trục thống nhất. Trong khi đó, busbar được sử dụng cho cell dạng khối chữ nhật thường là dạng tích hợp: bên cạnh chất dẫn điện còn có các mạch thích hợp để kiểm soát tín hiệu từ dòng điện hoặc cảm biến nhiệt độ nối với hệ thống điều khiển pin BMS trong pack pin.
Cell dạng khối chữ nhật cũng có thể sử dụng một busbar với thiết kế đơn giản trong trường hợp mỗi một cell pin được kết nối với nhau bằng cơ khí như ốc vít, chốt cắm theo thiết kế ban đầu của cell pin. Busbar sẽ kết nối các cell độc lập, và mang nhiều các chốt cắm, dây nối nhằm liên kết với BMS.
Mối nối cơ khí của cell dạng dẹt có thể được hình thành có hoặc không có busbar. Một số nhà sản xuất cell pin đang sử dụng một vài loại busbar khá phức tạp với các chốt cắm nhỏ và dây nối với BMS và vỏ pin. Giải pháp này yêu cầu vị trí chính xác cao của busbar và cell, vì vậy khó đạt được. Vì vậy, thường busbar sẽ bị loại bỏ giữa các cell, thay vào đó, khoảng 4 cell pin dẹt sẽ được ối với nhau bằng Phương pháp hàn truyền thống (ultrasonic hoặc laze). Một khi hàn xong, các cell pin tạm thời sẽ được đặt vào một hộp lớn để tạo thành các mô-đun pin. Các mô-đun pin này được xem như một cell pin dạng hộp chữ nhật và kết nối bằng busbar như bình thường để tạo thành các pack pin.
Tóm lại, khâu nối điện cho các cell là một bước quan trọng trong việc thiết kế pack pin và việc lựa chọn một loại busbar phù hợp là không đơn giản.
