Tại sao xe Tesla lại sử dụng nhiều những viên pin Lion nhỏ? Tại sao họ không dùng những viên pin lớn hơn?
https://qr.ae/pN2Fcl
A: Lance Pickup, Lái xe điện đã hơn 8 năm
Lý do chính đó là khi Tesla lần đầu lựa chọn pin, họ đã chọn cell pin có thiết kế phổ thông (*consumer form factor) (chủ yếu là những cell 18650) bởi giá thành và vì chúng sẵn có trên thị trường, tôi nghĩ lúc đó họ không định sản xuất cell giống như những hãng xe điện tiên phong như Nissan. Vậy là họ phải sử dụng thứ có sẵn.
Sự lựa chọn này mang lại kết quả tốt cho họ, thiết kế dạng trụ tròn tạo ra những khoảng hở giữa những cell pin, giúp chúng được tản nhiệt hiệu quả. Điều này có nghĩa là thiết kế lốc pin của họ cũng đơn giản hơn so với những hãng sản xuất xe điện khác.
Khi họ chuyển sang Model 3 (cả Model S và Model X drivetrain nữa), họ đã đổi sang loại cell khác lớn hơn một chút (cell 2170), nhưng vẫn giữ thiết kế hình trụ tròn.
Để tôi giải thích một chút về thiết kế của pin và cell.
Mỗi cell Lithium Ion là một phần tử tích trữ năng lượng. Một cục pin (*a battery) gồm nhiều cell (một cục pin đơn giản có thể chỉ gồm một cell duy nhất).
Một cell Li-ion có điện áp khoảng 4 Volt. Bạn hoàn toàn có thể tạo ra cell pin to hơn và có dung lượng lớn hơn (đo bằng Watt-giờ, hay nói cho đúng kỹ thuật hơn là Amp-giờ), nhưng điện áp của nó thì vẫn chỉ có 4 Volt mà thôi. Đó không phải con số lý tưởng để điều khiển một chiếc xe điện. Chiếc xe cần phải có công suất 100 kW (hoặc hơn) để gia tốc. Như vậy pin sẽ cần phải tạo ra dòng điện 25,000 Amp để cung cấp cho động cơ.
Thay vì như vậy, bạn có thể sử dụng lốc pin có điện áp 400V (và chỉ cần 250 Amp). Thiết kế này trở thành kiểu mẫu cho những chiếc xe điện thế hệ đầu, mặc dù những phiên bản mới hơn sử dụng lốc pin 400V.
Vậy làm thế nào để biến điện áp 4V thành 400V? Có một cách đó là mắc nối tiếp 100 cell. Đây là chiêu mà Nissan đã sử dụng (Xe LEAF có 96 cell trong lốc pin). Vậy là bạn đã có được nguồn 400V, mỗi cell trong đó chỉ cần tạo ra 250 Amp.
Nhưng nếu mắc song song nhiều cell thì mỗi cell sẽ không cần phải tạo ra dòng xả cao như vậy. Ví dụ như Model S85 có 7104 cell trong lốc pin, xếp 96 nối tiếp, 74 song song. Nghĩa là 96 cell được mắc nối tiếp thành một “chuỗi”, 74 chuỗi như vậy lại được mắc song song. Như vậy tổng dòng 250A sẽ được chia cho 74 chuỗi, mỗi chuỗi giờ đây chỉ cần phải tạo ra 3.38 Amp. Mặt khác, việc xếp những cell pin cũng cho phép chúng ta sạc lốc pin nhanh hơn với điện áp và dòng sạc cao (miễn là bộ sạc đủ công suất đáp ứng).
Về cơ bản, chế tạo cell Li-on cũng giống như xếp sandwich 3 lớp, gồm những nguyên liệu: lớp cathode, lớp anode và lớp màng ngăn (giữa các lớp trên còn có lớp chất điện li). Để tạo ra một cell pin, bạn xếp chồng 3 lớp này lên nhau, dung lượng của cell pin sẽ bằng với diện tích của sandwich hình chữ nhật này. Sau đó bạn đóng gói sandwich này.
Để tạo ra những cell pin hình trụ tròn, đơn giản là cuộn hình chữ nhật đó và bọc nó trong một lớp vỏ.
Nếu bạn muốn tạo ra cell có dung lượng cao hơn, có hai lựa chọn: Bạn tạo ra hình chữ nhật lớn hơn, hoặc chồng nhiều hình chữ nhật lên nhau. Nhưng với cell hình trụ tròn thì bạn không nhất thiết phải làm như vậy, thay vào đó bạn chỉ cần tạo ra hình chữ nhật thật dài và cuộn nó thành nhiều vòng.
Bạn thấy đấy, bạn có thể quyết định dùng bao nhiêu cell cũng được. dung lượng của pin được quyết định bởi diện tích của cathode và anode. Việc giảm số lượng cell cũng mang lại một số lợi ích. Xe điện Tesla sử dụng 7104 cell riêng biệt, điều đó làm gia tăng vật liệu và chi phí sản xuất nếu so với 96 cell của Nissan. Nhưng bù lại, lốc pin sử dụng nhiều cell có lợi thế hơn về tản nhiệt và công suất. Tất cả phụ thuộc vào những thông số mà chiếc xe chú trọng tới. Nhà sản xuất có thể chấp nhận đánh đổi giá thành để có được chất lượng lắp ráp hoàn thiện hơn.
—————-
Trans: Trong bài có nói về các kiểu mắc cell nối tiếp và song song (giả sử tất cả cell đều giống nhau). Đơn giản là vầy: Khi mắc nối tiếp, điện áp bằng tổng điện áp từng từng cell, dung lượng và dòng xả tối đa không đổi. Khi mắc song song, điện áp không đổi, dung lượng và dòng xả tối đa bằng tổng từng cell.
Về dòng xả và dòng sạc (hay gây nhầm lẫn) thì đơn giản như vầy: Ví dụ nguồn có dòng xả tối đa 20A, mình dùng nguồn này cấp cho các tải sau:
– Tải cần dòng 10A: Nguồn sẽ tạo ra dòng 10A, mọi thứ hoạt động bình thường
– Tải cần dòng 30A: Nguồn không đủ công suất đáp ứng, dẫn đến sụt áp và tạch nguồn, tải không làm sao.
=> Miễn là dòng tải không lớn hơn dòng xả tối đa của nguồn thì tải lấy bao nhiêu, nguồn cho bấy nhiêu.
Tương tự cũng như sạc, dòng sạc của bộ sạc càng cao thì sạc càng nhanh, yên tâm đi không hỏng sạc hay hỏng pin đâu. Chỉ khi nào dòng sạc của bộ sạc nhỏ quá thì sạc lâu và có khả năng tạch bộ sạc thôi.
Đó là dòng, còn điện áp thì đơn giản là nếu điện áp nguồn cao hơn (nhiều) so với điện áp tải thì tải tạch, nguồn vẫn bình thường. Chung quy cũng từ định luật Ohm trong Vật lý lớp 9 cả.
