Pin khởi động–dừng ô tô ion natri là gì?

Natri-ion ô tô là gì hệ thống khởi động-dừng Pin?

Hầu hết xe du lịch hiện đại được bán ngày nay đều được trang bị một dạng hệ thống khởi động-dừng. Khi xe dừng tại đèn giao thông, động cơ tắt thay vì chạy không tải. Khi nhả phanh, động cơ khởi động lại. Lượng nhiên liệu tiết kiệm và giảm phát thải nhờ hệ thống này mỗi chu kỳ là nhỏ, nhưng tích lũy suốt vòng đời xe thì đạt con số đáng kể.

Pin đặt dưới nắp ca-pô phải đảm bảo vận hành hệ thống này. Pin phải khởi động động cơ hàng trăm nghìn lần trong suốt thời gian sử dụng, tiếp nhận dòng sạc nạp đầu vào lớn từ máy phát điện mỗi khi xe di chuyển, đồng thời tiếp tục cung cấp điện cho các thiết bị khoang lái, đèn pha, hệ thống giải trí và hàng chục ECU khi động cơ đang tắt.

Một pin chì-axit ngập nước tiêu chuẩn, được thiết kế cho chu kỳ làm việc một lần khởi động mỗi chuyến đi, có thể suy giảm nhanh chóng khi vận hành trong điều kiện khởi động-dừng. Vì lý do này, các nhà sản xuất ô tô đã chuyển sang sử dụng trước tiên các loại pin EFB (pin ngập nước nâng cao) và pin AGM (màng thủy tinh hấp thụ) cho các phương tiện trang bị hệ thống khởi động-dừng. Hiện nay, pin ion natri đang được đánh giá như một hướng phát triển hóa học thứ ba dành cho ứng dụng này. Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan nền tảng: hệ thống khởi động-dừng là gì, yêu cầu đối với pin khởi động-dừng, những lợi ích mà hóa học ion natri mang lại cho chu kỳ làm việc này, so sánh hiệu năng của pin ion natri với pin chì-axit, pin EFB và pin AGM, cũng như những yếu tố mà người mua B2B cần xác minh trước khi đặt hàng.

_______________________________________________________________________

Hệ thống khởi động-dừng trên ô tô là gì?

Hệ thống khởi động-dừng —đôi khi còn được gọi là hệ thống dừng-khởi động, hệ thống ngắt máy không tải hoặc vi-hybrid —tự động tắt động cơ đốt trong khi xe dừng hoàn toàn và khởi động lại khi người lái muốn di chuyển tiếp. Hệ thống này thường được kích hoạt trong phần lớn thời gian khi lái xe trong thành phố: tại đèn giao thông, trong tình trạng giao thông ùn tắc từng đoạn, tại các đường ngang, hoặc khi xếp hàng tại các quầy phục vụ xe chạy qua (drive-through).

Mục đích rất rõ ràng. Một động cơ đang chạy không tải sẽ tiêu thụ nhiên liệu mà không tạo ra chuyển động hữu ích nào. Việc loại bỏ thời gian chạy không tải này giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải từ ống xả. Mức độ giảm phụ thuộc vào loại xe, chu kỳ lái, và tần suất hệ thống được kích hoạt; tuy nhiên, hầu hết các ước tính công bố đều cho thấy mức tiết kiệm nhiên liệu nằm trong khoảng 5–10% đối với điều kiện lái xe đô thị điển hình.

Có nhiều cấp độ tinh vi khác nhau đối với hệ thống khởi động–dừng. Các hệ thống cơ bản nhất sẽ tắt động cơ khi xe đã dừng hẳn và khởi động lại khi người lái nhả phanh. Các hệ thống nâng cao hơn có thể tắt động cơ trong lúc xe đang trượt về điểm dừng, hoặc thậm chí trong một khoảng thời gian ngắn khi xe vẫn còn lăn bánh. Phanh tái sinh —nơi bộ phát điện xoay chiều được đảo chiều để hoạt động như một máy phát điện trong quá trình giảm tốc — thường được kết hợp với hệ thống khởi động-dừng, và ắc-quy phải tiếp nhận năng lượng tái tạo này mỗi khi xe giảm tốc. Tất cả những điều này đặt ra các yêu cầu bất thường đối với ắc-quy, những yêu cầu không tồn tại trong chu kỳ làm việc cũ dành cho ắc-quy khởi động: dòng điện cao nhiều lần trong mỗi chuyến đi, khả năng tiếp nhận sạc dòng điện cao không đều, thời gian dài ở trạng thái nạp một phần, và dải nhiệt độ trong khoang động cơ giống như ắc-quy chì-axit mà nó thay thế.

_______________________________________________________________________

Ắc-quy khởi động-dừng phải thực hiện những nhiệm vụ gì?

Ắc-quy khởi động-dừng có ba nhiệm vụ cốt lõi, và ba nhiệm vụ này chồng lấn nhau trong suốt mỗi chuyến đi.

Nó phải khởi động động cơ. Dòng điện khởi động là dòng điện cao nhất mà ắc-quy cung cấp trong quá trình vận hành. —một xung kéo dài từ một phần nhỏ giây đến vài giây, hút hàng trăm ampe từ ắc-quy để quay mô-tơ khởi động. Điện áp phải duy trì trên ngưỡng điện áp mà mô-tơ khởi động yêu cầu trong suốt xung đó.

Pin phải cung cấp năng lượng cho hệ thống điện khi động cơ tắt. Đèn pha, quạt điều hòa không khí, hệ thống giải trí và thông tin, cụm đồng hồ, mô-đun điều khiển thân xe và danh sách dài các ECU nhỏ hơn tiếp tục tiêu thụ dòng điện ngay cả khi động cơ đã tắt. Đây đôi khi được gọi là tải nghỉ hoặc tải phụ kiện, và ở xe hiện đại, giá trị này dễ dàng vượt quá vài ampe.

Pin phải nhận dòng sạc từ máy phát điện (và từ phanh tái sinh) khi động cơ đang hoạt động. Xe sử dụng công nghệ khởi động–dừng tạo ra nhiều sự kiện sạc không đều. Mỗi lần động cơ khởi động lại và mỗi lần nhả phanh, máy phát điện đều đẩy dòng điện trở lại vào pin, theo các chu kỳ sạc hoàn toàn khác biệt so với kiểu sạc bổ sung chậm và ổn định trên xe không có chức năng khởi động–dừng.

Ba công việc này cộng lại tạo thành một chu kỳ vận hành khắc nghiệt hơn nhiều so với thiết kế của pin ô tô thông thường. Pin ô tô thông thường được kỳ vọng chỉ khởi động động cơ vài trăm lần trong suốt vòng đời và luôn duy trì mức sạc gần đầy hầu hết thời gian. Trong khi đó, pin hệ thống khởi động-dừng (start-stop) được kỳ vọng phải khởi động động cơ hàng nghìn hoặc hàng chục nghìn lần, hoạt động ở mức sạc một phần và hấp thụ các xung sạc dòng cao không đều mà không bị hư hại. Các hệ thống khởi động-dừng hiện đại còn giám sát liên tục trạng thái sạc (state of charge), trạng thái sức khỏe (state of health) và nhiệt độ. —vô hiệu hóa chức năng khởi động-dừng khi mức sạc thấp hơn ngưỡng quy định và làm nóng trước pin vào mùa đông —để bảo vệ pin khỏi việc phải khởi động động cơ khi không thể thực hiện thao tác này một cách đáng tin cậy.

_______________________________________________________________________

Pin khởi động–dừng ô tô ion natri là gì?

Một pin khởi động-dừng ô tô sử dụng ion natri về cơ bản là một pin phụ trợ ô tô 12 vôn (hoặc trong một số nền tảng là 24 vôn), trong đó các tế bào sử dụng hóa học ion natri thay vì chì-axit, AGM, EFB, lithium-ion hoặc bất kỳ hóa học nào khác. Về mặt bên ngoài, pin này có cùng chức năng với mọi pin khởi động-dừng khác: khởi động động cơ, cung cấp điện cho hệ thống điện khi động cơ tắt và nhận điện tích từ máy phát điện.

Điều thay đổi là hóa học bên trong. Các tế bào ion natri sử dụng sự di chuyển của ion natri giữa cực dương và cực âm thông qua chất điện phân dẫn ion natri, với các bộ thu dòng điện bằng nhôm ở cả hai phía. Đối với một sản phẩm khởi động-dừng ô tô, điều quan trọng là những gì hóa học này mang lại trong chu kỳ vận hành này: nguồn nguyên liệu natri dồi dào, bộ thu dòng điện bằng nhôm ở cả hai phía (điểm khác biệt so với hầu hết các hóa học thương mại hiện nay) và khả năng phóng điện ở nhiệt độ thấp đã được chứng minh. —tất cả những đặc điểm trên đều phù hợp khá tốt với chu kỳ vận hành khởi động-dừng.

Loại hóa học natri-ion hiện nay chưa đạt được mật độ năng lượng tương đương với các tế bào lithium-ion có năng lượng cao. Mật độ năng lượng ở cấp độ tế bào natri-ion thấp hơn lithium-ion phổ biến, dù vẫn hoàn toàn đủ cho pin phụ 12 vôn mà không cần lưu trữ năng lượng từ cụm pin truyền động. Ngoài ra, natri-ion cũng đang ở giai đoạn trưởng thành thương mại sớm hơn lithium-ion trong ứng dụng ô tô, điều này đặt ra những yêu cầu riêng đối với việc thẩm định kỹ lưỡng của người mua.

_______________________________________________________________________

Lý do vì sao hóa học natri-ion đang được đưa vào các chương trình đánh giá cho hệ thống khởi động-dừng

Một số yếu tố thực tiễn đang thúc đẩy việc áp dụng hóa học natri-ion vào các chương trình đánh giá hệ thống khởi động-dừng.

•Tính sẵn có nguồn nguyên liệu. Natri là một trong những nguyên tố phong phú nhất trong vỏ Trái Đất và trong nước muối công nghiệp. Việc cung cấp nguyên liệu thô natri không chịu rủi ro tập trung cao như nguồn cung lithium, coban hay niken về dài hạn.

• Thời tiết lạnh khởi động động cơ. Hóa học natri-ion đã thể hiện khả năng xả hiệu quả ở nhiệt độ thấp. Việc khởi động động cơ ở nhiệt độ dưới mức đóng băng chính là lúc điện trở trong của pin quan trọng nhất, và một loại hóa học duy trì điện trở trong thấp hơn ở nhiệt độ thấp sẽ có lợi thế thực tế rõ rệt.

• Xu hướng chi phí nguyên vật liệu. Pin natri-ion sử dụng nhôm ở cả hai phía và tránh sử dụng coban cũng như niken trong phần lớn các họ cathode. Việc những lựa chọn này có thực sự dẫn đến chi phí tế bào thấp hơn trong thực tế hay không còn phụ thuộc vào nhà sản xuất, định dạng tế bào, khối lượng sản xuất và họ cathode —nhưng lý do về chi phí cấu trúc thuận lợi hơn so với các loại hóa học dựa trên các nguyên liệu khan hiếm và biến động mạnh hơn.

• Đa dạng hóa chuỗi cung ứng. Nhiều Nhà sản xuất ô tô (OEM) và nhà cung cấp cấp một (Tier-1) đang giảm sự phụ thuộc vào một loại hóa học duy nhất. Natri-ion mang đến cho các chương trình khởi động-dừng (start-stop) — vốn trước đây chỉ giới hạn ở ắc quy AGM hoặc EFB — một lựa chọn hóa học thứ ba.

• Sự phù hợp về độ trưởng thành với chu kỳ làm việc. Hóa học natri-ion đã đạt đến mức độ trưởng thành phù hợp cho chu kỳ làm việc của pin phụ. Nó không cần phải đạt mật độ năng lượng tương đương với cụm pin truyền động để cung cấp hiệu suất hữu ích trong pin phụ 12 V hoặc 24 V.

Những yếu tố này không khiến natri-ion trở thành giải pháp đúng đắn cho mọi chương trình khởi động-dừng. Tuy nhiên, chúng làm cho natri-ion trở thành một ứng cử viên khả thi, và ngày càng nhiều nhà mua ô tô đang xem xét nghiêm túc giải pháp này.

_______________________________________________________________________

So sánh pin khởi động-dừng natri-ion với pin chì-axit, AGM và EFB

Pin chì-axit, AGM và EFB là những hóa học hiện hành trong dịch vụ khởi động-dừng ô tô. Natri-ion đứng ngang hàng với chúng như một lựa chọn thứ tư, với một tập hợp khác biệt các điểm đánh đổi.

Pin chì-axit kiểu ngập (flooded) là lựa chọn truyền thống —rẻ tiền, sẵn có rộng rãi, dễ hiểu, nhưng chúng bị suy giảm nhanh trong chu kỳ khởi động-dừng khi ở mức sạc một phần. Pin EFB là pin dạng ngập nước với các cải tiến (thường là lớp lưới polyester, vật liệu hoạt tính được nâng cao, khả năng tiếp nhận sạc động cao hơn) nhằm phục vụ cho các xe khởi động-dừng cấp nhập môn. Pin AGM là loại tiêu chuẩn cao cấp hiện hành: chất điện phân được giữ trong tấm tách bằng sợi thủy tinh, điện trở trong thấp hơn, tuổi thọ chu kỳ và khả năng tiếp nhận sạc động cao hơn —là trang bị tiêu chuẩn trên nhiều mẫu xe khởi động-dừng tầm trung và cao cấp, nhưng đắt hơn pin ngập nước hoặc pin EFB.

Pin natri-ion nằm giữa pin EFB và pin AGM về hầu hết các thông số hiệu năng trong dữ liệu đã công bố. Pin này thể hiện khả năng xả tốt ở nhiệt độ thấp, đường cong tuổi thọ chu kỳ phẳng hơn khi vận hành ở trạng thái sạc một phần (partial state-of-charge) đối với một số loại hóa chất, và không yêu cầu bảo dưỡng bổ sung nước. Mặt khác, pin natri-ion là công nghệ ô tô chưa trưởng thành bằng, có ít chương trình triển khai thực tế được xác minh hơn và cơ sở cung ứng nhỏ hơn.

Cách tiếp cận đúng là lựa chọn phù hợp với từng chương trình cụ thể, chứ không phải ưu tiên chung cho toàn bộ công nghệ. Một đội xe hoạt động ở vùng khí hậu lạnh, coi trọng việc đa dạng hóa chuỗi cung ứng và sẵn sàng cam kết mua sắm dài hạn nhiều năm có thể thấy pin natri-ion phù hợp hơn pin AGM. Một đội xe ưu tiên chi phí đơn vị thấp nhất ngay lúc này, vận hành ở vùng khí hậu ôn hòa và muốn mạng lưới dịch vụ rộng nhất có thể lại thấy pin AGM phù hợp hơn. Quyết định về loại hóa chất thuộc về chương trình, chứ không thuộc về công nghệ.

_______________________________________________________________________

Những trường hợp nên – và không nên – sử dụng pin khởi động-dừng natri-ion

Công nghệ pin natri-ion rất phù hợp với một số ứng dụng ô tô nhất định, nhưng lại ít phù hợp hơn với những ứng dụng khác.

• Xe chở khách hoạt động ở vùng khí hậu lạnh có chức năng khởi động-dừng. khởi động-dừng. Hành vi xả ở nhiệt độ thấp của hóa học pin natri-ion về mặt cấu trúc rất phù hợp với các thị trường mà khả năng khởi động vào mùa đông là điểm yếu của bộ hóa học pin hiện hành.

• Dịch vụ pin phụ trợ 12 V và 24 V. pin phụ trợ. Yêu cầu lưu trữ năng lượng ở mức vừa phải, yêu cầu dòng khởi động nằm hoàn toàn trong khả năng của pin natri-ion, và lợi thế xả trong thời tiết lạnh rất hữu ích tại nhiều thị trường.

•Chiến lược mua hàng đề cao sự đa dạng hóa về hóa học pin. Các đội xe và chương trình của nhà sản xuất ô tô (OEM) muốn giảm sự phụ thuộc vào duy nhất một loại hóa học pin—tránh xa chuỗi cung ứng tập trung vào coban, niken và liti—có thể sử dụng pin natri-ion như một lựa chọn thứ ba đáng tin cậy bên cạnh pin AGM và pin EFB.

• Các chương trình có thể hỗ trợ cam kết khối lượng trong nhiều năm. Các công nghệ hóa học ở giai đoạn đầu phát triển năng lực sản xuất nhanh hơn khi người mua cam kết mua khối lượng trong nhiều năm. Pin natri-ion phù hợp với các chương trình được xây dựng dựa trên quan hệ đối tác cung ứng thực sự, chứ không phải các chương trình chỉ tìm kiếm giao dịch mua duy nhất với giá thấp nhất.

Pin natri-ion ít phù hợp hơn với các chương trình cần phạm vi bao phủ mạng lưới dịch vụ rộng nhất hiện nay—nơi cơ sở hạ tầng ắc-quy chì-axit và AGM đã được thiết lập vững chắc—cũng như các chương trình yêu cầu hồ sơ vận hành thực tế được kiểm chứng kỹ lưỡng trong nhiều năm trên kiến trúc xe cụ thể của họ. Các chương trình ô tô sử dụng pin natri-ion đã được triển khai, nhưng độ sâu của hồ sơ vận hành thực tế vẫn chưa bằng độ sâu của hồ sơ vận hành thực tế đối với ắc-quy AGM. Những giới hạn này không loại trừ pin natri-ion khỏi việc sử dụng trong chức năng start-stop. Chúng chỉ xác định những lĩnh vực mà công nghệ này hiện có độ tin cậy cao nhất khi được xem xét cho mục đích mua sắm.

_______________________________________________________________________

Những điều người mua cần xác minh trước khi mua hàng

Đối với đội ngũ mua sắm B2B đang đánh giá pin start-stop ô tô sử dụng công nghệ natri-ion, một số kiểm tra sau đây cần được đưa vào quy trình thẩm định nhà cung cấp.

• Xác nhận hóa học và định dạng pin. Các họ cathode khác nhau dựa trên ion natri, các vật liệu anode khác nhau, các định dạng pin khác nhau và các thiết kế cụm pin khác nhau dẫn đến hiệu suất khác nhau. Người mua cần biết rõ họ cathode nào đang được cung cấp, định dạng pin nào đang được sử dụng và nhà sản xuất pin là ai. Nhãn ‘ion natri’ giống nhau có thể che giấu những sản phẩm thực sự khác biệt.

•Xác minh hiệu suất khởi động tại nhiệt độ triển khai. Dòng khởi động (CA), dòng khởi động khi lạnh (CCA) và đặc tuyến điện áp trong suốt xung khởi động cần được kiểm tra ở các nhiệt độ mà xe thực tế sẽ gặp phải trong quá trình vận hành. Các con số quảng cáo từ phòng thử nghiệm ở 25 °C °C không thể thay thế cho việc xác nhận hiệu năng trong điều kiện thời tiết lạnh.

• Xác minh tuổi thọ chu kỳ dưới chế độ tải thực tế. Các con số về tuổi thọ chu kỳ do nhà sản xuất cung cấp cần được làm rõ kèm theo các yếu tố như độ sâu xả, nhiệt độ, tốc độ sạc và tiêu chí kết thúc vòng đời. Cùng một loại hóa chất từ hai nhà cung cấp khác nhau có thể cho kết quả khác nhau trong cùng một bài kiểm tra thực tế, và ngay cả một nhà cung cấp duy nhất cũng có thể công bố các con số khác nhau giữa tài liệu tiếp thị và kết quả kiểm tra của bên thứ ba.

•Xác minh trạng thái chứng nhận dành cho ô tô. Chứng nhận ECE R100 hoặc chứng nhận tương đương theo khu vực, kiểm tra vận chuyển UN 38.3, hệ thống quản lý chất lượng IATF 16949 áp dụng cho nhà cung cấp pin tế bào và cụm pin, cũng như các chương trình xác thực riêng theo yêu cầu khách hàng — tất cả đều có ý nghĩa quan trọng. Hóa chất natri-ion hiện đang ở giai đoạn sớm hơn về mức độ bao phủ chứng nhận so với hóa chất lithium-ion; người mua cần lập bản đồ để xác định rõ chứng nhận nào mà sản phẩm cụ thể đang sở hữu, và chứng nhận nào do nhà cung cấp nắm giữ, trước khi cam kết đặt hàng.

•Xác minh tính ổn định thương mại và cơ sở hạ tầng hỗ trợ. Các công nghệ hóa học ở giai đoạn đầu đòi hỏi mức độ kiểm tra nhà cung cấp chủ động cao hơn so với các công nghệ hóa học đã trưởng thành. Sự ổn định tài chính, cam kết năng lực sản xuất trong nhiều năm, quy trình bảo hành, đội ngũ hỗ trợ kỹ thuật và hồ sơ tài liệu đều cần được đưa vào đánh giá.

• Đánh giá phương án nguồn cung thứ hai. Tiêu chuẩn hóa định dạng pin natri-ion vẫn đang trong quá trình hình thành, do đó việc chỉ chọn duy nhất một nhà cung cấp pin sẽ tạo ra rủi ro về nguồn cung lớn hơn so với việc chỉ chọn duy nhất một nhà cung cấp pin trong một công nghệ hóa học đã trưởng thành. Người mua cần cân nhắc phương án cung ứng dự phòng, xác định kế hoạch dự phòng nào là khả thi và chi phí phát sinh từ phương án dự phòng đó là bao nhiêu.

Một người mua bước vào quá trình mua bán pin natri-ion theo mô hình khởi động – tạm dừng với nhận thức đầy đủ về những điểm kiểm chứng này — và thiết lập mối quan hệ với nhà cung cấp sao cho giải quyết được các điểm này —đang ở vị trí mạnh hơn nhiều so với người mua bước vào cửa hàng với kỳ vọng rằng pin natri-ion sẽ hoạt động giống hệt như nguồn cung pin AGM đã trưởng thành. Là nhà cung cấp pin và hệ thống lưu trữ năng lượng phục vụ các nhà nhập khẩu pin ô tô, nhà phân phối, đại lý bán buôn, đại lý bán lẻ cũng như khách hàng OEM và ODM, PITTAR hợp tác với các chương trình pin natri-ion phù hợp cho chế độ khởi động-dừng và nhiệm vụ phụ trợ. Khi loại hóa chất này phù hợp với một chiến lược tìm nguồn cụ thể —độ tin cậy trong điều kiện khí hậu lạnh, đa dạng hóa chuỗi cung ứng, cam kết khối lượng trong nhiều năm —cuộc trao đổi này xứng đáng được thực hiện. Còn khi loại hóa chất này chưa phù hợp, lựa chọn đúng đắn là tiếp tục sử dụng giải pháp hiện hành cho đến khi sự phù hợp thay đổi.

_______________________________________________________________________

Các câu hỏi thường gặp

Gì là sự khác biệt giữa một bình ắc-quy thông thường và a khởi động-Tắt pin?

Pin ô tô thông thường được thiết kế cho chu kỳ hoạt động đơn giản: khởi động động cơ, nhận dòng sạc bổ sung chậm và cung cấp điện cho các thiết bị phụ trợ khi động cơ tắt. Pin start-stop được thiết kế cho chu kỳ hoạt động khắc nghiệt hơn nhiều: hàng nghìn lần khởi động, thời gian dài ở trạng thái sạc một phần, các xung sạc dòng cao không đều và vẫn phải cung cấp điện cho thiết bị phụ trợ khi động cơ tắt. Pin start-stop sử dụng thành phần hóa học được gia cố —EFB, AGM hoặc natri-ion —để đáp ứng những yêu cầu đó.

Có thể một pin ô tô thông thường be được sử dụng i trong xe start-stop?

Pin này có thể vận hành trong thời gian ngắn trên các hệ thống start-stop cấp nhập môn, nhưng sẽ suy giảm nhanh chóng dưới chu kỳ hoạt động thực tế. Phần lớn nhà sản xuất ô tô quy định sử dụng EFB, AGM hoặc (trong các chương trình mới hơn) natri-ion, bởi vì pin truyền thống dạng ngập nước không được thiết kế cho mô hình chu kỳ hoạt động khắc nghiệt hơn.