Quan niệm thông thường cho rằng hóa chất pin mới hơn luôn thay thế loại cũ; thế nhưng hàng triệu xe full hybrid vẫn lăn bánh khỏi dây chuyền với pack kéo bằng nickel-kim loại hydrua (NiMH). Toyota, nhà sản xuất hybrid giàu kinh nghiệm nhất thế giới, tiếp tục trang bị NiMH cho một phần lớn dòng hybrid, hai thập kỷ rưỡi sau khi công nghệ ra mắt. Đây không phải sự bảo thủ — mà là kinh tế kỹ thuật. Chu trình làm việc, yêu cầu an toàn và mục tiêu chi phí của một chiếc hybrid tình cờ gần như khớp hoàn hảo với những gì NiMH làm tốt nhất. Bài viết này mở pack hybrid và giải thích vì sao loại hóa chất này tiếp tục thắng thế ở xe hybrid hỗ trợ điện.

Cấu trúc của một pack hybrid NiMH

Một chiếc full hybrid dẫn động cầu trước điển hình dùng pack NiMH điện áp cao được tạo từ các cell nhỏ 1,2 V nhóm thành module. Cấu hình Prius Gen-2/Gen-3 kinh điển là đại diện của ngành:

• Cell và module — sáu cell 1,2 V được niêm phong thành một module 7,2 V, và 28 module như vậy mắc nối tiếp cho điện áp danh định khoảng 201,6 V (tổng 168 cell). Các nền tảng khác phóng to/thu nhỏ cùng những khối này — ví dụ, hybrid nhỏ hơn dùng pack 144 V.
• Kết cấu khối lăng trụ — NiMH ô tô dùng các module khối lăng trụ phẳng xếp chồng thay vì cell hình trụ rời, tối đa hóa hiệu suất thể tích của pack và tạo cấu trúc cứng, chống rung bên trong vỏ kim loại dập.
• Phần cứng tích hợp — thanh cái module, dây lấy mẫu điện áp, cảm biến nhiệt độ, rơ le an toàn, cầu dao bảo dưỡng và contactor cách ly va chạm đều nằm trong hoặc cạnh vỏ pack kín, thường gắn sau hàng ghế sau hoặc dưới sàn khoang hành lý.

Chất điện phân — dung dịch kiềm kali/natri hydroxit — được hấp thụ vào các điện cực và màng ngăn, nên module không bị tràn ở bất kỳ hướng nào, một đặc tính quan trọng cho an toàn va chạm.

Vì sao chu trình làm việc của hybrid hợp hoàn hảo với NiMH

Xe điện rút cạn pin đều đặn và sạc chậm; hybrid thì ngược lại. Động cơ, phanh tái tạo và mô tơ điện xáo trộn năng lượng vào ra pack mỗi vài giây, nên pin sống trong dải trạng thái sạc (SOC) hẹp, cố ý nông — thường giữ quanh 40–60 %, với mục tiêu kiểm soát gần 55–60 %, không bao giờ đầy và không bao giờ cạn sâu.

• Chu trình nông là điểm mạnh của NiMH — nickel-kim loại hydrua chịu hàng trăm nghìn dao động sạc/xả nhỏ tốt hơn nhiều so với chu trình sâu, và vận hành nông giảm thiểu ứng suất điện cực, nhiệt và suy giảm.
• Chấp nhận xung hai chiều — NiMH chấp nhận xung sạc rất cao khi phanh tái tạo dễ dàng như xung xả để hỗ trợ khởi hành, đúng vai trò «công suất chứ không phải năng lượng» của pack hybrid.
• Không cần cắm sạc — vì động cơ duy trì SOC liên tục, pack không bao giờ gặp phải tình trạng xả sâu, kéo dài trừng phạt các hóa chất kém hơn.

Quản lý nhiệt: giữ hàng trăm cell đồng đều

Các chuỗi mắc nối tiếp dài sống hay chết tùy độ đồng đều nhiệt độ, và pack hybrid NiMH giải quyết điều này với sự đơn giản tinh tế. Hầu hết dùng làm mát bằng không khí thụ động hoặc cưỡng bức: không khí cabin được dẫn qua các khe hở giữa module bằng một quạt nhỏ điều khiển tốc độ, dẫn dắt bởi các nhiệt điện trở ở nhiều vị trí trên khối. Không có vòng lặp làm mát chất lỏng, không có bộ làm lạnh và không có ống góp phức tạp — việc NiMH sinh nhiệt thấp hơn dưới chu trình nông và hành vi hỏng hóc lành tính khiến làm mát bằng không khí là đủ. Khoảng cách module, vỏ dẫn nhiệt và đường dẫn không khí đối xứng giữ độ chênh nhiệt giữa các cell chặt chẽ, bởi một module nóng duy nhất lão hóa nhanh hơn và trở thành mắt xích yếu giới hạn cả chuỗi.

An toàn và khả năng chịu lạm dụng ở quy mô ô tô

Xe cộ khiến pin tiếp xúc với rung động, dải nhiệt độ rộng, tải va chạm và hàng chục năm phục vụ, nơi một sự cố nhiệt là không thể chấp nhận. Hóa chất NiMH đáp lại bằng các lợi thế an toàn cấu trúc:

• Chất điện phân nước — chất điện phân KOH gốc nước không bắt lửa, không giống dung môi hữu cơ của lithium-ion, nên không có nhiên liệu cho một thermal runaway lan rộng.
• Module kín có van xả — mỗi cell tái kết hợp khí sạc quá mức bên trong; van cơ học là lối thoát áp lực cuối cùng, và module được thiết kế để xả khí theo các đường định sẵn thay vì vỡ.
• Biện pháp bảo vệ điện — rơ le, cầu chì, cầu dao bảo dưỡng thủ công và giám sát điện áp/nhiệt độ liên tục cách ly bus điện áp cao khi va chạm.

NiMH vs lithium cho nhiệm vụ hybrid

Lithium-ion vượt trội NiMH về mật độ năng lượng theo khối lượng, đó là lý do nó thống trị xe điện thuần và xe plug-in cần tầm xa chạy điện. Tuy nhiên, với một hybrid «hỗ trợ điện» thông thường, sự so sánh nghiêng trở lại về NiMH:

• Chi phí mỗi pack — NiMH không dùng coban và dựa vào nickel, thép dồi dào; sản xuất trưởng thành, sản lượng lớn giữ chi phí pack thấp cho một bộ phận chỉ trữ một lượng năng lượng nhỏ.
• Tuổi thọ chu trình nông — trong dải SOC hẹp mà hybrid thực sự dùng, NiMH thường đáp ứng 10–15+ năm và hàng trăm nghìn km phục vụ thực tế.
• Hành vi thời tiết lạnh — NiMH giữ khả năng chấp nhận xung mạnh ở nhiệt độ thấp, không có rủi ro mạ lithium khi sạc tái tạo.
• Biên độ an toàn — hồ sơ hỏng hóc lành tính giảm gánh nặng kỹ thuật về ngăn chặn và bảo vệ.

Bài học cho mọi nhà thiết kế pack

Thành công của ngành hybrid với NiMH chuyển trực tiếp sang thiết kế pack tĩnh và công nghiệp: khai thác chu trình nông thay vì dung lượng toàn dải; phân loại và ghép cell chặt chẽ cho chuỗi nối tiếp dài; thiết kế luồng không khí đồng đều trước khi thêm điện tử; định mức cell cho dòng xung mà chu trình thực sự đòi hỏi; và để một hóa chất dễ tính giảm độ phức tạp bảo vệ mà sản phẩm cần.

Weijiang Power: NiMH chuẩn ô tô cho các pack khắt khe

Weijiang Power sản xuất cell NiMH được ghép và pack tùy chỉnh theo đúng những nguyên tắc mà ngành hybrid dựa vào: phân loại dung lượng và điện trở trong chặt chẽ, chất lượng điện cực nhất quán, cụm mắc nối tiếp hàn và tài liệu tuân thủ đầy đủ. Dù ứng dụng của bạn cần dòng xung cao, sức bền dải nhiệt rộng hay vận hành chu trình nông tuổi thọ cao, các kỹ sư của chúng tôi có thể chỉ định cấp cell và kiến trúc pack mang lại độ tin cậy kiểu ô tô ở quy mô công nghiệp. Gửi cho chúng tôi chu trình làm việc và kích thước pack — chúng tôi sẽ thiết kế giải pháp.