Tổng điện áp của bộ pin phụ thuộc vào điện áp của từng ô riêng lẻ và số lượng ô được mắc nối tiếp. Mặc dù không có giới hạn trên về mặt lý thuyết, nhưng trong các ứng dụng thực tế, điện áp thường dao động từ vài chục vôn đến vài trăm vôn. Phân tích chi tiết như sau:
Tính tổng điện áp của bộ pin nguồn
Tổng điện áp của bộ pin nguồn tuân theo nguyên tắc cộng điện áp trong mạch nối tiếp. Công thức là: Điện áp tổng=Điện áp của một ô riêng lẻ × Số lượng ô trong chuỗi. Ví dụ: nếu một ô riêng lẻ có điện áp 3,7V và 100 ô như vậy được mắc nối tiếp thì tổng điện áp sẽ là 370V.
Dải điện áp điển hình cho từng ô riêng lẻ
Điện áp của từng tế bào thay đổi đáng kể tùy thuộc vào thành phần hóa học của nó, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến giới hạn trên của tổng điện áp gói:
Pin axit chì: Thường có điện áp danh định là 2V mỗi cell; thường được sử dụng trong xe điện tốc độ thấp hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng.
Pin niken-cadmium (NiCd) / Niken-metal hydrua (NiMH): Có điện áp danh định là 1,2V mỗi cell. Chúng đã được sử dụng trong các loại xe điện hybrid đời đầu nhưng phần lớn đã bị loại bỏ do lo ngại về môi trường.
Pin lithium-ion:
Lithium sắt photphat (LFP): 3,2V mỗi tế bào; được biết đến với độ an toàn cao và thường được sử dụng trên các phương tiện thương mại.
Oxit mangan coban lithium niken (NCM) / Oxit nhôm coban lithium niken (NCA): 3,6–3,7V mỗi tế bào; cung cấp mật độ năng lượng cao và được sử dụng rộng rãi trong các phương tiện chở khách.
Lithium titanate (LTO): 2,4V mỗi tế bào; có khả năng sạc nhanh tuyệt vời nhưng có giá cao hơn.
Phạm vi thực tế cho số lượng tế bào trong chuỗi
Số lượng tế bào được kết nối nối tiếp được xác định bởi yêu cầu năng lượng của xe và thiết kế của Hệ thống quản lý pin (BMS). Các cấu hình phổ biến bao gồm:
Xe chở khách:
Bộ pin LFP: Chuỗi khoảng 100–120 cell, tạo ra tổng điện áp là 320–384V.
Bộ pin NCM/NCA (lithium bậc ba): Khoảng 90–100 ô nối tiếp, tạo ra tổng điện áp là 324–370V.
Các mẫu xe cao cấp (ví dụ: Tesla Model S): Sử dụng kiến trúc 400V; một số kiểu máy tăng mức điện áp này lên hơn 450V bằng cách kết nối số lượng ô lớn hơn thành chuỗi. Xe thương mại:
Xe buýt điện: Do yêu cầu về khả năng tải trọng và phạm vi lái xe, những loại xe này thường sử dụng kiến trúc điện áp cao 600–800V, với số lượng pin nối tiếp đạt 200–300 chiếc.
Xe tải hạng nặng: Một số mẫu xe có tổng điện áp hệ thống vượt quá 800V để hỗ trợ động cơ điện công suất cao.
Ứng dụng chuyên biệt:
Pin điện cấp hàng không: Để giảm thiểu trọng lượng, chúng sử dụng thiết kế điện áp cao (ví dụ: trên 1000V), đòi hỏi phải có giải pháp cho những thách thức về cách điện và quản lý nhiệt.
Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS): Tùy thuộc vào yêu cầu của lưới điện, tổng điện áp hệ thống có thể tăng lên tới 1500V hoặc thậm chí cao hơn.
Các yếu tố hạn chế đối với tổng điện áp hệ thống
Mặc dù không có giới hạn trên về mặt lý thuyết đối với tổng điện áp hệ thống, nhưng các ứng dụng thực tế bị hạn chế bởi các yếu tố sau:
An toàn pin: Điện áp cao làm tăng nguy cơ hỏng hóc điện và cách điện, đòi hỏi phải tăng cường giám sát Hệ thống quản lý pin (BMS) và cách ly điện mạnh mẽ.
Dung sai điện áp của vật liệu: Vỏ pin, đầu nối và bộ dây phải có khả năng chịu được điện áp cao, điều này làm tăng cả chi phí và trọng lượng.
Khả năng tương thích cơ sở hạ tầng sạc: Các tiêu chuẩn sạc nhanh hiện tại (chẳng hạn như CCS và CHAdeMO) chủ yếu hỗ trợ phạm vi 400–800V; hệ thống điện áp siêu cao yêu cầu các trạm sạc chuyên dụng, tương thích.
Hiệu suất của bộ điều khiển động cơ: Điện áp cao hơn cho phép dòng điện thấp hơn, do đó giảm tổn thất truyền tải; tuy nhiên, điều này đòi hỏi phải sử dụng các linh kiện điện tử công suất có điện áp cao (ví dụ: MOSFET SiC).
Xu hướng của ngành: Sự thay đổi theo hướng điện áp cao hơn và tiêu chuẩn hóa
Để cải thiện phạm vi lái xe và hiệu quả sạc, có xu hướng rõ ràng về tổng điện áp cao hơn trong bộ pin:
Cấu trúc 400V: Hiện tại là tiêu chuẩn phổ biến, bao gồm phần lớn các phương tiện chở khách và thương mại.
Nền tảng điện áp cao 800V: Được triển khai trên các mẫu xe được sản xuất hàng loạt như Porsche Taycan và Hyundai IONIQ 5, cho phép sạc điện lên tới 350kW - đủ để tăng thêm phạm vi hoạt động 300 km chỉ trong 10 phút.
Thăm dò điện áp cực cao: Một số công ty đang nghiên cứu các hệ thống vượt quá 1200V, mặc dù điều này đòi hỏi phải khắc phục những trở ngại đáng kể trong khoa học và an toàn vật liệu.
Đồng thời, ngành công nghiệp đang nỗ lực hướng tới việc tiêu chuẩn hóa hệ thống điện áp cao để giảm chi phí nghiên cứu, phát triển và sản xuất. Ví dụ: "Thông số kỹ thuật cho phương tiện chở khách chạy bằng pin" do Hiệp hội kỹ sư ô tô Trung Quốc ban hành, quy định rằng hệ thống điện áp cao trong các mẫu xe mới ra mắt sau năm 2025 phải tương thích với kiến trúc 800V.
Bản tóm tắt
Tổng điện áp của bộ pin kéo được xác định bởi điện áp của từng ô riêng lẻ và số lượng ô mắc nối tiếp; trong các ứng dụng thực tế, cần phải đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và độ an toàn. Khi công nghệ tiến bộ, việc chuyển sang điện áp cao hơn đã trở thành xu hướng rõ ràng; tuy nhiên, các mức điện áp cụ thể phải được xác định thông qua thiết kế toàn diện, có tính đến định vị thị trường của phương tiện, các kịch bản sử dụng dự định và khả năng của chuỗi cung ứng.
