So tay huong dan thiet ke bo pin lithium ion (outline view)

The Handbook of Lithium-Ion
Battery Pack Design


This page intentionally left blank


The handbook of lithium-ion battery pack design

Nội dung
Acronyms List ................................................................................................................................. x
Danh mục các từ viết tắt ................................................................................................................ x
Chapter 1: Introduction ................................................................................................................. 1
Chương 1: Lời mở đầu ................................................................................................................... 1
Factors Influencing Consumer Adoption of Electric Vehicles ................................................... 4
Các yếu tố ảnh hưởng tới sự chấp nhận của người tiêu dùng về xe điện .................................... 4
Evolving Vehicle Technology Needs .......................................................................................... 7
Tiến triển các yêu cầu về công nghệ của phương tiện ................................................................ 7
Purpose of the Book .................................................................................................................... 8
Mục đích của cuốn sách .............................................................................................................. 8
Chapter Outline ......................................................................................................................... 11
Sơ lược về các chương .............................................................................................................. 11
Chapter 2: History of Vehicle Electrification ............................................................................. 15
Chương 2: Lịch sử điện khí hóa phương tiện............................................................................. 15
The History of the Modern Storage Battery .............................................................................. 18
Lịch sử của pin lưu trữ hiện đại ................................................................................................ 18
An Electrical Industry Emerges ................................................................................................ 23
Một ngành công nghiệp điện xuất hiện ..................................................................................... 23
Early Electric Vehicle Development ......................................................................................... 24
Sự phát triển của xe điện thủa sơ khai....................................................................................... 24

Modern Vehicle Electrification ................................................................................................. 27
Điện khí hóa phương tiện hiện đại ............................................................................................ 27
Chapter 3: Basic Terminology ..................................................................................................... 37
Chương 3: Thuật ngữ cơ bản ...................................................................................................... 37
Vehicle and Industry Terms ...................................................................................................... 38
Các thuật ngữ về phương tiện và nghành .................................................................................. 38
Stationary and Grid Terminology ............................................................................................. 44
Thuật ngữ ngành về lưới điện và trạm cố định ......................................................................... 44
Battery Terms ............................................................................................................................ 45
Thuật ngữ về pin ....................................................................................................................... 45
Chapter 4: Battery Pack Design Criterial and Selection ............................................................ 56
Chương 4: Lựa chọn và tiêu chí thiết kế bộ pin ......................................................................... 56
Contents

iv


The handbook of lithium-ion battery pack design
Ohm’s Law and Basic Battery Calculations ............................................................................. 61
Định luật Ohm và các tính tốn pin cơ bản ............................................................................... 61
Converting Customer Requirements into Pack Designs ........................................................... 75
Chuyển đổi các yêu cầu của khách hàng vào trong thiết kế bộ pin........................................... 75
Power to Energy Ratios ............................................................................................................. 77
Tỉ số Công suất/Năng lượng ..................................................................................................... 77
Large Station and Grid Systems ................................................................................................ 79
Các hệ thống trạm cố định và lưới điện lớn .............................................................................. 79
Quick Formula Summary .......................................................................................................... 80
Bản tổng hợp nhanh các công thức ........................................................................................... 80
Chapter 5: Design for Reliability/Design for Service ................................................................. 82
Chương 5: Thiết kế theo độ tin cậy/Thiết kế theo dịch vụ.......................................................... 82

Design for Reliability/Design for Service ................................................................................. 84
Thiết kế theo độ tin cậy/Thiết kế theo dịch vụ .......................................................................... 84
Quality and Reliability .............................................................................................................. 86
Chất lượng và Độ tin cậy .......................................................................................................... 86
Failure Modes Effects Analysic ................................................................................................ 88
Phương pháp phân tích các dạng lỗi và ảnh hưởng ................................................................... 88
Design for Service ..................................................................................................................... 90
Thiết kế theo dịch vụ ................................................................................................................. 90
Chapter Summary ...................................................................................................................... 92
Tổng kết chương ....................................................................................................................... 92
Chapter 6: Computer-Aided Design and Analysis ...................................................................... 95
Chương 6: Thiết kế và Phân tích có sự trợ giúp của máy tính .................................................. 95
Organizations and Analysis Products ........................................................................................ 96
Các tổ chức và các sản phẩm phân tích ..................................................................................... 96
Analysis Tools ......................................................................................................................... 100
Các cơng cụ phân tích ............................................................................................................. 100
Battery Sizing Tools ................................................................................................................ 102
Các cơng cụ định cỡ pin .......................................................................................................... 102
Chapter 7: Lithium-Ion and Other Cell Chemistries ................................................................ 105
Chương 7: Thành phần hóa chất của viên lithium-ion và loại viên khác............................... 105
Lead Acid ................................................................................................................................ 110
Axit chì .................................................................................................................................... 110
Nickel Metal-based Chemistries ............................................................................................. 117
Các hóa chất gốc kim loại Niken ............................................................................................ 117
Sodium-based Chemistries ...................................................................................................... 121
Contents

v

The handbook of lithium-ion battery pack design
Các hóa chất gốc sodium ......................................................................................................... 121
Lithium-ion Cells .................................................................................................................... 124
Viên lithium-ion ...................................................................................................................... 124
Cathode Chemistries ............................................................................................................... 130
Các hóa chất của cathode ........................................................................................................ 130
Anode Chemistries .................................................................................................................. 132
Các hóa chất của anode ........................................................................................................... 132
Separators ................................................................................................................................ 133
Tấm phân tách ......................................................................................................................... 133
Eectrolytes ............................................................................................................................... 134
Chất điện phân ......................................................................................................................... 134
Safety Features ........................................................................................................................ 136
Các tính năng an tồn .............................................................................................................. 136
Lithium-Ion Cell Types and Sizes ........................................................................................... 138
Các kích cỡ và loại viên Lithium-ion ...................................................................................... 138
Lithium-Ion Cell Manufacturers ............................................................................................. 143
Các nhà sản xuất viên Lithium-ion ......................................................................................... 143
Chapter 8: Battery Management System Controls .................................................................... 150
Chương 8: Các kiểm soát của hệ thống quản lý pin................................................................. 150
BMS Typologies ..................................................................................................................... 153
Các loại hình học của BMS ..................................................................................................... 153
BMS Hardware ........................................................................................................................ 155
Phần cứng của BMS ................................................................................................................ 155
Balancing ................................................................................................................................. 157
Cân bằng .................................................................................................................................. 157
Active versus Passive Balancing ............................................................................................. 161
Cân bằng chủ động so với bị động .......................................................................................... 161
Additional BMS Functionality ................................................................................................ 163
Chức năng thêm của BMS ...................................................................................................... 163

Software and Controls ............................................................................................................. 165
Phần mềm và các điều khiển ................................................................................................... 165
Chapter 9: System Control Electronics ..................................................................................... 168
Chương 9: Các thiết bị điện tử điều khiển hệ thống ................................................................ 168
Contactors/Relays.................................................................................................................... 170
Công tắc tơ/Rơ le..................................................................................................................... 170
High-Voltage Interlock Loop .................................................................................................. 173
Vịng lặp khóa liên động điện áp cao ...................................................................................... 173
Fuses ........................................................................................................................................ 174
Contents

vi


The handbook of lithium-ion battery pack design
Cầu chì..................................................................................................................................... 174
Battery Disconnect Unit .......................................................................................................... 176
Bộ ngắt kết nối Pin .................................................................................................................. 176
Connectors............................................................................................................................... 177
Bộ kết nối ................................................................................................................................ 177
Charging .................................................................................................................................. 178
Sạc ........................................................................................................................................... 178
Chapter 10: Thermal Management ........................................................................................... 184
Chương 10: Quản lý nhiệt ......................................................................................................... 184
Why Cooling? ......................................................................................................................... 191
Tại sao phải làm mát? .............................................................................................................. 191
Why Heating? .......................................................................................................................... 197
Tại sao phải làm nóng? ............................................................................................................ 197
Active Thermal Management Systems ................................................................................... 197
Các hệ thống quản lý nhiệt chủ động ...................................................................................... 197

Passive Thermal Management Systems .................................................................................. 204
Các hệ thống quản lý nhiệt bị động ......................................................................................... 204
Temperature-Protection and Insulation ................................................................................... 206
Giữ nhiệt và cách nhiệt ............................................................................................................ 206
Thermocouples and Measurement .......................................................................................... 207
Cặp nhiệt điện và đo lường ..................................................................................................... 207
Chapter 11: Mechanical Packing and Material Selection........................................................ 211
Chương 11: Đóng gói cơ khí và lựa chọn vật liệu .................................................................... 211
Module Designs? ..................................................................................................................... 214
Thiết kế Mô-đun? .................................................................................................................... 214
Use of Metals in Battery Design ............................................................................................. 216
Sử dụng kim loại trong thiết kế pin ......................................................................................... 216
Use of Plastics and Composites in Battery Design ................................................................. 218
Sử dụng nhựa và composite trong thiết kế pin ........................................................................ 218
Sealed Enclosures .................................................................................................................... 220
Lớp vỏ bọc đóng kín ............................................................................................................... 220
Chapter 12: Battery Abuse Tolerance ....................................................................................... 225
Chương 12: Sức chịu đựng quá mức của pin ........................................................................... 225
Failure Modes of Lithium-Ion Batteries.................................................................................. 228
Các dạng lỗi của pin Lithium-ion ............................................................................................ 228
Characterization and Performance Testing ............................................................................. 231
Thử nghiệm đặc tính và hiệu suất ........................................................................................... 231
Contents

vii


The handbook of lithium-ion battery pack design
Safety and Abuse Testing ........................................................................................................ 237
Thử nghiệm an toàn và quá mức ............................................................................................. 237

Certification Testing ................................................................................................................ 241
Thử nghiệm chứng nhận.......................................................................................................... 241
Chapter 13: Industrial Standards and Organizations .............................................................. 248
Chương 13: Các tổ chức và tiêu chuẩn công nghiệp ............................................................... 248
Voluntary Standards ................................................................................................................ 252
Các tiêu chuẩn tự nguyện ........................................................................................................ 252
Research and Development and Trade Groups ....................................................................... 268
Các nhóm nghiên cứu, phát triển và thương mại .................................................................... 268
Mandatory Standards Organizations ....................................................................................... 271
Các tổ chức tiêu chuẩn bắt buộc.............................................................................................. 271
Chinese Standards and Industry Organizations ....................................................................... 273
Các tổ chức nghành và tiêu chuẩn Trung Quốc ...................................................................... 273
European Standards and Industry Organizations .................................................................... 277
Các tổ chức nghành và tiêu chuẩn Châu Âu ........................................................................... 277
Chapter 14: Second Life and Recycling of Lithium-Ion Batteries ........................................... 281
Chương 14: Vòng đời thứ hai và tái chế pin lithium-ion ......................................................... 281
Repairing and Remanufacturing.............................................................................................. 284
Sửa chữa và tái sản xuất .......................................................................................................... 284
Refurbishing, Repurposing, and Second Life ......................................................................... 284
Tân trang, tái sử dụng với mục đích khác và vòng đời thứ hai ............................................... 284
Second Life Partnerships ......................................................................................................... 289
Quan hệ đối tác của vòng đời thứ hai ...................................................................................... 289
Recycling ................................................................................................................................. 291
Tái chế ..................................................................................................................................... 291
Chapter 15: Lithium-Ion Battery Applications ......................................................................... 296
Chương 15: Các ứng dụng của pin lithium-ion ....................................................................... 296
Personal Transportation Applications ..................................................................................... 298
Các ứng dụng phương tiện giao thông cá nhân ....................................................................... 298
Automotive Applications ........................................................................................................ 305
Các ứng dụng ô tô ................................................................................................................... 305

Bus and Public Transportation ................................................................................................ 320
Xe bus và phương tiện giao thông công cộng ......................................................................... 320
HD Truck Applications ........................................................................................................... 324
Ứng dụng xe tải hạng nặng (HD) ............................................................................................ 324
Industrial Applications ............................................................................................................ 325
Contents

viii


The handbook of lithium-ion battery pack design
Ứng dụng công nghiệp ............................................................................................................ 325
Robotics and Autonomous Applications ................................................................................. 327
Ứng dụng rô bốt và tự hành .................................................................................................... 327
Marine and Maritime Applications ......................................................................................... 329
Ứng dụng biển và hàng hải ..................................................................................................... 329
Grid and Stationary Applications ............................................................................................ 330
Ứng dụng trạm cố định và lưới điện ....................................................................................... 330
Aerospace Applications ........................................................................................................... 340
Ứng dụng hàng không vũ trụ................................................................................................... 340
Chapter 16: The future of Lithium-Ion Batteries and Electrification ..................................... 345
Chương 16: Tương lai của pin lithium-ion và điện khí hóa .................................................... 345
Major Trends ........................................................................................................................... 346
Các xu hướng chính ................................................................................................................ 346
Technological Trends .............................................................................................................. 348
Các xu hướng công nghệ ......................................................................................................... 348
Future Trends in Battery Technilogy ...................................................................................... 350
Các xu hướng tương lai về công nghệ pin ............................................................................... 350
Conclusion............................................................................................................................... 353
Kết luận ................................................................................................................................... 353

References ................................................................................................................................... 355
Các tài liệu tham khảo ............................................................................................................... 355
Appendix A: USABC 12-V Stop/Start Battery Pack Goals ....................................................... 362
Phụ lục A: Các mục tiêu cho bộ pin 12 V hệ thống tắt khởi động của USABC ..................... 362
Appendix B: USABC 48-V Stop/Start Battery Pack Goals ....................................................... 364
Phụ lục B: Các mục tiêu cho bộ pin 48 V hệ thống tắt khởi động của USABC ..................... 364
Appendix C: USABC HEV Battery Pack Goals ........................................................................ 366
Phụ lục C: Các mục tiêu cho bộ pin HEV của USABC ........................................................... 366
Appendix D: USABC PHEV Battery Pack Goals ..................................................................... 368
Phụ lục D: Các mục tiêu cho bộ pin PHEV của USABC......................................................... 368
Appendix E: USABC EV Battery Pack Goals ........................................................................... 370
Phụ lục E: Các mục tiêu cho bộ pin EV của USABC .............................................................. 370

Contents

ix


The handbook of lithium-ion battery pack design

Danh mục các từ viết tắt
A
AC
AGM
Ah
AIAG

Ampere/ Ampe, đơn vị đo cường độ dòng điện
Alternating Current/ Dòng điện xoay chiều
Absorbed Glass Mat/ Màng sợi thủy tinh thẩm thấu cao

Ampere hour/ Đơn vị đo điện lượng/dung lượng của pin/Ác quy
The Automotive Industry Action Group/ Nhóm hành động vì ngành cơng nghiệp ơ tơ
(Hoa Kỳ)
ALBAC Advanced Lead Acid Battery Council/ Hội đồng ác quy axit chì tiên tiến ( Hoa kỳ)
ALT
Accelerated Life Testing/ Kiểm tra tuổi thọ được tăng tốc
ANOVA Analysis of Variance/ Phân tích phương sai
ARB
Air Resource Board/ Hội đồng tài ngun khơng khí
ASIC
Application Specific Integrated Circuit/ Mạch tích hợp chuyên dụng
ASQ
American Society for Quality/ Hiệp hội chất lượng Hoa Kỳ
AUV
Autonomous Underwater Vehicle/ Phương tiện tự hành dưới nước
BAS
Belt-Alternator-Starter/ Hệ thống Dây curoa-Máy phát điện xoay chiều -Bộ khởi động
BCI
Battery Council International/ Hội đồng pin quốc tế
BDU
Battery Disconnect Unit/ Bộ ngắt kết nối pin
BEV
Battery Electric Vehicle/ Xe điện chạy bằng pin
BMS
Battery Management System/ Hệ thống quản lý pin
BOL
Beginning of Life/ Bắt đầu vòng đời
CAD
Computer-aided Design/ Thiết kế được hỗ trợ bởi máy tính
CAE

Computer-aided Engineering/ Thiết kế được hỗ trợ bởi máy tính
CAEBAT Computer-aided Engineering for Electric-Drive Vehicle Batteries/ Kỹ thuật có sự trợ
giúp của máy tính dành cho pin xe chạy bằng điện.
CAFE
Corporate Average Fuel Economy/ Tiêu chuẩn tiết kiệm nguyên liệu trung bình của
doanh nghiệp
CARB
California Air Resource Board/ Hội đồng tài ngun khơng khí California (Hoa Kỳ)
CATARC China Automotive Technology and Research Center/ Trung tâm nghiên cứu và công
nghệ ô tô Trung Quốc
CES
Community Energy Storage/ Lưu trữ năng lượng cộng đồng
CFD
Computational Fluid Dynamics/ Tính tốn động lực học chất lưu
CID
Current Interrupt Device/ Thiết bị ngắt mạch/dòng
CSC
Cell Supervision Circuit/ Mạch giám sát viên
DC
Direct Current/ Dòng điện một chiều
DEC
Diethyl Carbonate
DES
Distributed Energy Storage/ Lưu trữ năng lượng phân tán
DFMEA Design Failure Modes Effect Analysis/ Phương pháp phân tích các dạng lỗi và ảnh
hưởng trong thiết kế
DFR
Design for Reliability/ Thiết kế theo độ tin cậy
DFS
Design for Service/ Thiết kế theo dịch vụ

DFSS
Design for Six Sigma/ Thiết kế theo 6-Sigma
DMC
Dimethyl Carbonate
DOD
Depth of Discharge/ Độ sâu của xả hay độ xả sâu
DOE
Design of Experiments/ Thiết kế theo thực nghiệm
DOE
U.S. Department of Energy/ Bộ năng lượng Hoa Kỳ
Acronyms List

x


The handbook of lithium-ion battery pack design
DVP&R
EC
ECSS
EDV
EDTA
EES
EMC
EMC
EMI
eMPG
EMS
EOL
EPA
EREV

ESA
ESS
EUCAR

Design, Validation Plan & Report/ Kế hoạch và báo cáo về Thiết kế và Xác nhận
Ethylene Carbonate
Electrochemical Storage System/ Hệ thống trữ điện hóa
Electric Drive Vehicles/ Xe thuần điện
Electric Drive Transportation Association/ Hiệp hội vận tải truyền động điện
Electrochemical Energy Storage/ Bộ trữ năng lượng điện hóa
Electromagnetic Compatibility/ Tương thích điện từ
Ethylmethyl Carbonate
Electromagnetic Interference/ Nhiễm điện từ
Electric Miles per Gallon/ Số dặm điện đi được trên mỗi gallon nhiên liệu
Energy Management System/ Hệ thống quản lý năng lượng
End of Life/ Kết thúc vòng đời
Environmental Protection Agency/ Cơ quan bảo vệ môi trường
Extended Range Electric Vehicle/ Xe điện có phạm vi mở rộng
Energy Storage Association/ Hiệp hội lưu trữ năng lượng
Energy Storage System/ Hệ thống lưu trữ năng lượng
European Council for Automotive Research and Development/ Hội đồng nghiên cứu
và phát triển ô tô Châu Âu
EV
Electric Vehicle/ Xe điện
EVAA
Electric Vehicle Association of America/ Hiệp hội xe điện Hoa Kỳ
EVSE
Electric Vehicle Supply Equipment/ Thiết bị tiếp liệu xe điện-Trạm sạc
FCEV
Fuel Cell Electric Vehicle/ Xe điện sử dụng pin nhiên liệu

FEA
Finite Element Analysis/ Phân tích phần tử hữu hạn
FMEA
Failure Modes Effect Analysis/ Phương pháp phân tích các dạng lỗi và ảnh hưởng
GEO
Geosynchronous Earth Orbit/ Quỹ đạo địa đồng bộ
GEV
Grid-tied Electric Vehicle/ Xe điện có sạc bằng điện lưới
HC
Hydrocarbon
HD
Heavy Duty/ Hạng nặng, công suất lớn, cỡ lớn
HEO
High Earth Orbit/ Quỹ đạo trái đất tầm cao
HEV
Hybrid Electric Vehicle/ Xe điện hybrid
HIL
Hardware in the Loop/ Mơ phỏng phần cứng trong vịng lặp
HPDC
High Pressure Die Cast/ Đúc khuôn áp lực cao
HPPC
Hybrid Power Pulse Characterization/ Đặc tính xung cơng suất hybrid
HV
High Voltage/ Điện áp cao
HVAC
Heating Ventilation Air Conditioning/ Hộ thống sưởi ấm, thông gió và điều hịa
HVFE
High Voltage Front End/ Thiết bị phía trước điện áp cao
HVIL
High Voltage Interlock Loop/ Mạch khóa liên động điện áp cao

IBESA
International Battery and Energy Storage Alliance/ Liên minh lưu trữ năng lượng và
pin Quốc Tế
ICB
Interconnect Board/ Bo mạch liên kết
ICE
Internal Combustion Engine/ Động cơ đốt trong
IEC
International Electrotechnical Commission/ Ủy ban kỹ thuật điện Quốc tế
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers/ Viện kỹ sư điện và điện tử
INL
Idaho National Laboratory/ Phịng thí nghiệm quốc gia Idaho (Hoa Kỳ)
IP
Ingress Protection/ Mức bảo vệ chống xâm nhập của bụi và nước
IP
International Protection/ Mức bảo vệ chống xâm nhập của bụi và nước
IPVEA
International Photovoltaic Equipment Association/ Hiệp hội thiết bị quang điện Quốc
tế
ISO
International Organization on Standardization/ Tổ chức tiêu chuẩn hóa Quốc tế
kWh
kilo-watt hour/ Ki-lô Oát giờ, đơn vị đo năng lượng điện
LAB
Lead Acid Battery/ Ác quy axit chì
Acronyms List
xi

The handbook of lithium-ion battery pack design
LCO
Lithium-ion Cobalt Oxide
LD
Light Duty/ Hạng nhẹ, công suất nhỏ
LEO
Low Earth Orbit/ Quỹ đạo trái đất tầm thấp
LEV
Light Electric Vehicle/ Xe điện nhẹ
LEV
Low Emissions Vehicle/ Xe phác thải thấp
LEVA
Light Electric Vehicle Association/ Hiệp hội xe điện nhẹ
LFP
Lithium-ion Iron Phosphate
LIB
Lithium-ion Battery/ Pin Lithium-ion
LIP
Lithium-Ion Polymer
LiPo
Lithium-Ion Polymer
LI-Poly
Lithium-Ion Polymer
LMO
Lithium-ion Manganese Oxide
LPG
Liquid Propane Gas/ Khí hóa lỏng
LTO
Lithium-ion Titanate Oxide
LV

Low Voltage/ Điện áp thấp
MEO
Medium Earth Orbit/ Quỹ đạo trái đất tầm trung
MPG
Miles per Gallon/ Số dặm đi được trên mỗi Gallon nhiên liệu
MSD
Manual Service Disconnect/ Bộ ngắt kết nối bằng tay
MT
Manual Transmission/Hộp số sàn
MTBF
Mean Time between Failures/ Thời gian trung bình giữa hai lần hử hỏng
MTTF
Mean Time to Failure/ Thời gian mắc lỗi trung bình
MWh
Mega-watt hour/ Đơn vị năng lượng
MY
Model Year/ Đời xe
NAATBatt National Alliance for Advanced Technology Batteries/ Liên minh quốc gia về pin công
nghệ tiên tiến (Hoa Kỳ)
NCA
Lithium-ion Cobalt Aluminum
NEMA
National Electrical Manufacturers Association/ Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị điện
quốc gia (Hoa Kỳ)
NEV
Neighborhood Electric Vehicle/ Xe điện trong khu dân cư
NEV
New Energy Vehicle (China)/ Xe sử dụng năng lượng mới (Thuật ngữ của Trung
Quốc)
NHTSA National Highway Transportation Safety Administration/ Ủy ban an tồn giao thơng

đường bộ quốc gia (Hoa Kỳ)
NiCd
Nickel Cadmium
NiMh
Nickel Metal Hydride
NMC
Lithium-ion Nickel Manganese Cobalt
NREL
National Renewables Energy Laboratory/ Phịng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc
gia (Hoa Kỳ)
NTC
Negative Thermal Coefficient/ Nghịch nhiệt điện trở
NTCAS National Technical Committee on Automotive Standardization (China)/ Ủy ban kỹ
thuật quốc gia về tiêu chuẩn hóa ơ tơ (Trung Quốc)
OEM
Original Equipment Manufacturer/ Nhà sản xuất phụ tùng gốc
ORNL
Oak Ridge National Laboratory/ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak ridge
OSV
Off-Shore Vessel/ Tàu thăm dị dầu khí ngồi khơi
PbA
Lead Acid/ Axít chì
PCB
Printed Circuit Board/ Bảng/bo mạch in
PCM
Phase Change Material/ Vật liệu chuyển pha
PDU
power distribution unit/ Thiết bị phân phối cơng suất
PE
Polyethylene

PEV
Plug-In Electric Vehicle-Xe điện có bộ cắm sạc ngoài
PFMEA Process Failure Modes Effect Analysis/ Phương pháp phân tích lỗi và ảnh hưởng trong
q trình sản xuất
PHEV
Plug-In Hybrid Electric Vehicle/ Xe điện hybrit có bộ cắm sạc ngoài
Acronyms List
xii


The handbook of lithium-ion battery pack design
PHT
PMS
PNNL
PP
PRBA
PSV
PTC
PV
PVDF
PZEV
REEV
RESS
REX
RFP
RP
RPT
S/S
SAC
SAE

SEI
SIL
SLA
SLI
SNL
SOC
SOH
SOL
SRU
STOV
T&D
THS
TMS
TTF
UAV
UL
UN
UPS
USABC
USCAR
USDOT
UUV
VDA
VOC
VRLA
VTB
VTM

Parallel Hybrid Truck/Xe tải hybrid song song
Power Management System/ Hệ thống quản lý điện năng

Pacific Northwest National Laboratory/ Phịng thí nghiệm quốc gia Tây bắc Thái bình
dương (Hoa Kỳ).
Polypropylene
Portable Rechargeable Battery Association/ Hiệp hội pin di động có thể sạc lại (Hoa
Kỳ)
Platform Supply Vessel/ Tàu cung ứng cơng trình biển
Positive Thermal Coefficient/ Thuận nhiệt điện trở
Photovoltaic/ Quang điện
Polyvinylidene Fluoride
Partial Zero Emissions Vehicle/ Xe điện một phần không phác thải
Range Extended Electric Vehicle/ Xe điện mở rộng phạm vi
Rechargeable Energy Storage System/ Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể sạc lại
Range Extender/ Xe điện có bộ mở rộng phạm vi
Request for proposal/ Đề nghị mời thầu
Recommended Practice/Quy trình kỹ thuật được khuyến nghị
Reference Performance Test /Kiểm tra hiệu suất tham chiếu
Stop/Start/ Hệ thống tắt/khởi động.
Standardization Administration of China/ Cục quản lý tiêu chuẩn hóa Trung Quốc
Society of Automotive Engineers/ Hiệp hội kỹ sư ô tô
Solid Electrolyte Interphase/ Lớp điện li rắn giao thoa
Software in the Loop/ / Mơ phỏng phần mềm trong vịng lặp
Standard Lead Acid/ Axit chì tiêu chuẩn
Starting, Lighting, Ignition/ Khởi động, chiếu sáng và đánh lửa
Sandia National Lab/ Phịng thí nghiệm quốc gia Sandia (Hoa Kỳ)
State of Charge/ Tình trạng sạc hoặc trạng thái sạc
State of Health/ Tình trạng sức khỏe hoặc độ chai
State of Life/ Tình trạng vịng đời
Smallest Replaceable Unit/ Đơn vị nhỏ nhất có thể thay thế
Small Task Oriented Vehicles/ Phương tiện định hướng công việc nhỏ
Transmission & Distribution/ Truyền tải và phân phối

Toyota Hybrid System/ Hệ thống hybrid của Toyota
Thermal Management System/ Hệ thống quản lý nhiệt
Test to Failure/ Thử nghiệm đến khi có lỗi thì thơi
Two-Mode Hybrid System/Hệ thống hybrid hai chế độ
Unmanned Aerial Vehicles/ Phương tiện bay không người lái
Underwriter's Laboratory/ Tổ chức hợp tác giữa các phịng thí nghiệm
United Nations/ Liên hợp quốc
Uninterruptible Power Supply/ Bộ lưu trữ điện dự phòng hay bộ cung cấp cấp nguồn
liên tục
U.S. Advanced Battery Consortium/ Tập đoàn chế tạo ác quy cao cấp Hoa Kỳ
United States Center for Automotive Research/ Hội đồng nghiên cứu ô tô Hoa Kỳ
United States Department of Transport/ Bộ giao thông vận tải Hoa Kỳ
Unmanned Underwater Vehicles/ Phương tiện dưới nước không người lái
Verband der Automobilindustrie/ Hiệp hội nghành công nghiệp ô tô.
Voice of the Customer/ Tiếng nói của khách hàng
Valve Regulated Lead Acid/ Ác quy axit chì được điều khiển bằng van
Voltage, Temperature monitoring Board/ Bảng mạch giám sát nhiệt độ, điện áp
Voltage, Temperature Monitor/ Bộ giám sát nhiệt độ và điện áp

Acronyms List

xiii


The handbook of lithium-ion battery pack design
W
W/kg
W/L
Wh
Wh/kg

Wh/L
ZEV
μHEV

Watt/ Oát - Đơn vị công suất
Watt per kilogram/ Oát trên mỗi ki-lô-gam
Watt per liter/ Oát trên mỗi lít
Watt-hour/ Oát-giờ
Watt-hour per kilogram/ Oát-giờ trên mỗi ki-lơ-gam
Watt-hour per liter/ t-giờ trên mỗi lít
Zero Emissions Vehicle/ Phương tiện không phác thải
Micro Hybrid Electric Vehicle/ Xe điện hybrid vi mô

Acronyms List

xiv


The handbook of lithium-ion battery pack design

Chương 1: Lời mở đầu

Chapter 1

1


The handbook of lithium-ion battery pack design
Today lithium-ion (Li-ion) batteries are everywhere…they power our watches, smart phones,
tablets, laptops, portable appliances, GPS devices, handheld games, and just about everything else

we carry with us today. But they are also beginning to power our neighborhoods, our homes, and
our vehicles, or perhaps when talking about transportation applications, it is more accurate to say
that batteries power our transportation again. And today as these industries continue to experience
rapid growth, many people who have not previously worked with Li-ion batteries now find
themselves in the role of a business professional, technician, or engineer who is moving into the
field of Li-ion batteries and are in need of an introduction to Li-ion battery technology. In that
case, this book is designed specifically for you!
Ngày nay, pin lithium-ion (Li-ion) có ở khắp mọi nơi… chúng cấp nguồn cho đồng hồ,
điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay, dụng cụ di động, thiết bị GPS, trò chơi
cầm tay và tất cả mọi thứ khác mà chúng ta mang theo bên mình ngày nay. Nhưng chúng cũng
đang bắt đầu cấp nguồn cho các khu dân cư, nhà riêng và xe cộ của chúng ta hoặc có lẽ khi nói
về các ứng dụng giao thơng thì chính xác hơn phải nói rằng pin lại lần nữa cấp công suất cho các
phương tiện giao thông của chúng ta. Và ngày nay khi những ngành cơng nghiệp này tiếp tục phát
triển nhanh chóng, thì nhiều người mà trước đây chưa từng làm việc với pin Li-ion giờ đây thấy
mình trong vai trị là một chuyên gia kinh doanh, kỹ thuật viên hoặc kỹ sư đang chuyển sang lĩnh
vực pin Li-ion và đang cần giới thiệu về cơng nghệ pin Li-ion. Trong trường hợp đó thì cuốn sách
này được thiết kế dành riêng cho bạn!
This book is intended to introduce a variety of topics that surround Li-ion batteries and battery
design at a detailed enough level to make batteries understandable for the “layman.” If you are
an engineer, you will swiftly understand these concepts. However, if you are like many of us and
are not an engineer, then this book will help you make sense of the world of Li-ion batteries and
be able to speak intelligently about them. The concepts in this book are focused on vehicle
electrification, but are also relevant to many other applications including stationary energy
storage, marine and offshore vessels, industrial motive, robotics, and other types of electric
applications. In essence, this book is intended to take the mystery out of modern battery
applications. But let me make a disclaimer as we get started, this book is not intended to make
you a battery engineer nor is it intended to replace your battery engineering team. It is instead a
tool to add to your tool kit.
Cuốn sách này nhằm mục đích giới thiệu đủ mọi loại chủ đề xoay quanh pin Li-ion và thiết
kế pin ở mức độ đủ chi tiết để giúp “người khơng có chun mơn” có thể hiểu được về pin. Nếu

bạn là một kỹ sư, bạn sẽ nhanh chóng hiểu được những khái niệm này. Tuy nhiên, nếu bạn giống
như nhiều người trong số chúng ta và khơng phải là kỹ sư, thì cuốn sách này sẽ giúp bạn dễ hiểu
về thế giới pin Li-ion và có thể nói về chúng một cách có hiểu biết. Các khái niệm trong cuốn
sách này tập trung vào điện khí hóa phương tiện, nhưng cũng có liên quan đến nhiều ứng dụng
khác bao gồm lưu trữ năng lượng dạng trạm cố định, tàu biển và tàu dịch vụ ngoài khơi, chuyển
động trong công nghiệp, rô bốt và các loại ứng dụng điện khác. Về bản chất, cuốn sách này nhằm
mục đích khám phá bí ẩn của các ứng dụng pin hiện đại. Nhưng hãy để tôi tuyên bố miễn trừ trách
nhiệm trước khi chúng ta bắt đầu, đó là cuốn sách này không nhằm giúp bạn trở thành kỹ sư pin
và cũng không nhằm để thay thế đội ngũ thiết kế pin của bạn. Thay vào đó, nó chỉ là một công cụ
để thêm vào bộ đồ nghề của bạn.
Batteries are unique in the field of energy storage products as they both create the energy through
chemical processes and then store the energy within the same device. Other energy storage devices
require the energy to be generated in one place and stored in another. For example, in an
automobile, the energy is created through a refining of liquid crude oil, it is then transferred to the
Chapter 1

2


The handbook of lithium-ion battery pack design
service stations, where it is again stored until you purchase it and store it again as a liquid fuel in
the tank, it is finally converted into energy (and work) in the combustion process of the internal
combustion engine.
Pin là độc nhất vô nhị trong lĩnh vực sản phẩm lưu trữ năng lượng vì chúng vừa tạo ra
năng lượng thơng qua các q trình hóa học và sau đó lưu trữ năng lượng trong cùng một thiết bị.
Các thiết bị lưu trữ năng lượng khác yêu cầu năng lượng được tạo ra ở một nơi và được lưu trữ ở
một nơi khác. Ví dụ, trong ơ tơ, năng lượng được tạo ra thơng qua q trình lọc dầu thơ lỏng, sau
đó được chuyển đến các trạm xăng dầu, nơi mà nó lần nữa được tích trữ cho đến khi bạn mua và
lại chứa đựng lần nữa dưới dạng nhiên liệu lỏng trong bình chứa của xe, cuối cùng được chuyển
hóa thành năng lượng (và sinh cơng) trong quá trình đốt cháy của động cơ đốt trong

In a Chapter I wrote for the Handbook of Lithium-ion Battery Applications (Warner, 2014), I
offered a brief look at Li-ion battery design considerations and discussed cells, mechanical,
thermal, and electronic components of Li-ion battery packs. This book will build on that initial
discussion and dig deeper into each of those systems and delve into some of the formulas and
calculations that are used when making battery pack decisions. Additionally, we will take a look
at some of the testing and certification requirements, the growing group of industry organizations
and discuss some of the various applications that are benefitting from the addition of electrical
energy storage technology.
Trong một Chương mà tôi đã viết cho Sổ tay các ứng dụng của pin Lithium-ion (Warner,
2014), tôi đã cung cấp một cái nhìn ngắn gọn về các suy xét cân nhắc của thiết kế pin Li-ion và
đã thảo luận về viên, các thành phần cơ khí, nhiệt và điện tử của bộ pin Li-ion. Cuốn sách này sẽ
xây dựng dựa trên cuộc thảo luận ban đầu đó và đào sâu hơn về từng hệ thống đó cũng như tìm
hiểu sâu vào một số cơng thức và phép tính được sử dụng khi đưa ra các quyết định về bộ pin.
Ngoài ra, chúng ta sẽ xem xét một số yêu cầu về thử nghiệm và chứng nhận, nhóm các tổ chức
cơng nghiệp đang phát triển và thảo luận về một số ứng dụng khác nhau mà đang được hưởng lợi
từ việc thêm vào công nghệ lưu trữ năng lượng điện.
With the recent exposure that has occurred in the media surrounding Li-ion batteries, such as the
Boeing 787 Dreamliner battery failures that caused the delay in launching the new plane and an
intensive investigation and several battery failures in both Tesla and Chevrolet’s electric vehicles
(Klayman, 2013; Lowy, 2011; Santos, 2013), the focus on Li-ion battery design as a system has
become much more important. The perspective that I have taken for some time now is that it is
not the cell that makes the system safe, in fact it is exactly the opposite it is the system that makes
the battery cells safe. What I mean by this is that you can take the highest quality and best
performing Li-ion battery in the world and put it into a poorly designed pack and it will fail, it
could suffer from reduced life, low power, and ultimately safety issues. Conversely, you can take
a relatively poorly designed or manufactured cell and make it operate relatively safely with a good
energy storage System design. Li-ion energy storage system design requires taking a systems level
approach—there is no magic chemistry available that will make a pack safe.
Với sự phơi bày gần đây mà đã xảy ra trên các phương tiện truyền thông xung quanh pin
Li-ion, chẳng hạn như lỗi pin của Boeing 787 Dreamliner đã gây ra sự chậm trễ trong việc ra mắt

máy bay mới và một cuộc điều tra chuyên sâu, và một số lỗi pin trong cả xe điện của Tesla và
Chevrolet (Klayman, 2013; Lowy, 2011; Santos, 2013), việc tập trung vào thiết kế pin Li-ion như
một hệ thống đã trở nên quan trọng hơn nhiều. Quan điểm mà tôi thực hiện trong khoảng thời
gian hiện nay là không phải viên pin làm cho hệ thống an toàn, thực tế hoàn toàn ngược lại chính
hệ thống làm cho viên pin an tồn. Điều tơi muốn nói ở đây đó là bạn có thể lấy pin Li-ion chất
Chapter 1
3


The handbook of lithium-ion battery pack design
lượng cao nhất và hoạt động tốt nhất trên thế giới và đặt nó vào một bộ pin được thiết kế kém và
nó sẽ hỏng, nó có thể bị giảm tuổi thọ, cơng suất thấp và cuối cùng là các vấn đề về an tồn.
Ngược lại, bạn có thể lấy một viên pin được thiết kế hoặc sản xuất tương đối kém và làm cho nó
hoạt động tương đối an tồn với một thiết kế Hệ thống lưu trữ năng lượng tốt. Thiết kế hệ thống
lưu trữ năng lượng li-ion yêu cầu thực hiện phương pháp tiếp cận ở cấp độ hệ thống - khơng có
loại hóa chất thần kỳ nào sẵn có mà sẽ khiến bộ pin an toàn.

Các yếu tố ảnh hưởng tới sự chấp nhận của người tiêu dùng về xe điện
Another question that we should ask as we begin our discussion on Li-ion batteries is, what are
the factors that will drive consumer adoption of Li-ion battery powered vehicles? There are
effectively five factors that need continuous attention by all of the major stakeholders in order to
ensure the successful growth of battery powered vehicles and energy storage systems. These
factors include:
Một câu hỏi khác mà chúng ta nên đặt ra khi bắt đầu thảo luận về pin Li-ion là các yếu tố
nào sẽ thúc đẩy sự chấp thuận của người tiêu dùng về các phương tiện chạy bằng pin Li-ion? Có
năm yếu tố sâu sắc mà cần được tất cả các bên liên quan chính chú ý liên tục để đảm bảo sự phát
triển thành công của các phương tiện chạy bằng pin và các hệ thống lưu trữ năng lượng. Những
yếu tố này bao gồm:
1. Cost—great progress has already been made in reducing battery costs, but there is still much

work to be done to make Li-ion-based battery solutions affordable enough to enable highvolume applications. And when it comes to stationary energy storage systems, there are many
competing technologies, making it even more important for the costs of Li-ion to continue to
drop.
Chi phí—đã đạt được tiến triển lớn trong việc giảm chi phí pin, nhưng vẫn còn nhiều việc phải
làm để khiến cho các giải pháp pin dựa trên Li-ion có giá cả phải chăng đủ để kích hoạt các
ứng dụng có số lượng lớn. Và khi nói đến các hệ thống lưu trữ năng lượng dạng trạm cố định,
có rất nhiều cạnh tranh cơng nghệ khiến cho chi phí của Li-ion tiếp tục giảm thậm chí càng
trở nên quan trọng hơn.

2. Availability—there are more new electrified vehicle applications available to the consumer

every year, but when we look at the more highly electrified plug-in hybrid electric vehicle and
electric vehicles, there are still a relatively limited amount of products available to the
consumer.
Tình trạng sẵn có - có thêm nhiều ứng dụng xe được điện khí hóa mới có thể cung cấp cho
người tiêu dùng hàng năm, nhưng khi chúng ta xem xét xe điện và xe điện hybrid có bộ cắm
sạc ngồi được điện khí hóa cao hơn thì vẫn chỉ có một lượng sản phẩm tương đối hạn chế có
sẵn cho người tiêu dùng.

Chapter 1

4


The handbook of lithium-ion battery pack design
3. Range anxiety—even with more electrified versions of current vehicles available, there is still

an area of customer concern around the electric range that the vehicles can achieve.

Lo lắng về phạm vi hoạt động - ngay cả khi có nhiều phiên bản được điện khí hóa hơn của các

phương tiện có sẵn hiện tại, thì vẫn còn một lĩnh vực mà khách hàng quan tâm xung quanh
phạm vi chạy bằng điện mà các phương tiện đó có thể đạt được.
4. Education—perhaps one of the areas that neither the industry nor the governments have done

a very good job around is in educating the consumer on the differences, similarities, benefits,
and challenges of electrified vehicles. Consumers still consider any level of electrification to
be “high technology” rather than mass market ready. But in all reality, the “conventional”
vehicle is already almost entirely electrified outside of the powertrain.
Giáo dục - có lẽ một trong những lĩnh vực mà cả ngành công nghiệp lẫn chính phủ đều khơng
làm tốt cơng việc này đó là việc giáo dục người tiêu dùng về sự khác nhau, giống nhau, lợi ích
và thách thức của phương tiện được điện khí hóa. Người tiêu dùng vẫn cứ suy nghĩ bất kỳ cấp
độ điện khí hóa nào đều là “công nghệ cao” hơn là sẵn sàng cho thị trường đại chúng. Nhưng
trên thực tế, ngoài hệ thống truyền lực thì chiếc xe “thơng thường” đã được điện khí hóa gần
như hồn tồn.

5. Charging Infrastructure—this factor is somewhat of a chicken and the egg scenario, no one

wants to invest in a charging network that does not get used, but without a charging network
consumer are not likely to purchase vehicles that need to use them.

Cơ sở hạ tầng sạc - yếu tố này hơi giống với tình huống con gà và quả trứng, không ai muốn
đầu tư vào mạng lưới sạc mà khơng được sử dụng, nhưng nếu khơng có mạng lưới sạc thì
người tiêu dùng sẽ khơng đời nào mua phương tiện mà cần sử dụng đến chúng.
These are, in my opinion, the five keys issues that need to be resolved in order to ensure that
electrification technology will get more deeply integrated into the transportation and stationary
base architectures. Some of these, such as cost, are hurdles that will be achieved through increased
volumes in the applications as well as in advancements in technology. But cost and volume are
directly correlated to consumer awareness and having a charging infrastructure that matches
consumer demand, along with having a higher number of available electrified applications.
Theo tơi, đây là năm vấn đề chính cần được giải quyết để đảm bảo rằng cơng nghệ điện

khí hóa sẽ được tích hợp sâu hơn vào trong các cấu trúc cơ sở của phương tiện giao thông và trạm
cố định. Một số trong số này, chẳng hạn như chi phí là những rào cản mà sẽ đạt được thông qua
việc tăng số lượng các ứng dụng cũng như những tiến bộ trong cơng nghệ. Tuy nhiên, chi phí và
số lượng có liên quan trực tiếp đến sự nhận thức của người tiêu dùng và việc có cơ sở hạ tầng sạc
mà phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, cùng với việc có số lượng các ứng dụng được điện
khí hóa sẵn có nhiều hơn.

Chapter 1

5


The handbook of lithium-ion battery pack design
If we think of the typical automotive consumer, we find that we have become much more
dependent on the technology of our vehicles but at the same time our understanding of how that
technology works has declined. In other words, most consumers do not care or even understand
what is under the hood, only that it will get them everywhere they need to go. For the early adopter
consumer, factors such as the “green” factor and the environmental factor tend to be important
purchase factors.
Nếu chúng ta hình dung về người tiêu dùng ơ tơ điển hình, chúng tơi thấy rằng chúng ta
đã trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào công nghệ của phương tiện nhưng đồng thời sự hiểu biết của
chúng ta về cách thức mà công nghệ đó hoạt động như thế nào đã suy giảm. Nói cách khác, hầu
hết người tiêu dùng không quan tâm hoặc thậm chí khơng hiểu cái gì nằm dưới nắp ca-pơ xe, mà
chỉ biết rằng nó sẽ đưa họ đến mọi nơi họ cần đến. Đối với người tiêu dùng là khách hàng thích
nghi nhanh (người chấp nhận đầu tiên), thì các yếu tố như yếu tố “xanh” và yếu tố mơi trường có
xu hướng trở thành yếu tố mua hàng quan trọng.
But for the mass market consumer, these become what I refer to as hygiene factors. The term is
taken from the field of organizational psychology and motivation, where it was first used by
Frederick Herzberg. Herzberg described the phrase hygiene factor in terms of motivation as a
factor that if absent will cause dissatisfaction, but if present by themselves will not cause

satisfaction (Herzberg, Mausner, & Snyderman, 1959). Batteries and battery-powered vehicles
fall into this category for the mainstream consumer.
Nhưng đối với người tiêu dùng của thị trường đại chúng, những điều này trở thành cái mà
tơi gọi là yếu tố hygiene (duy trì). Thuật ngữ này được lấy từ lĩnh vực tâm lý học và động lực của
tổ chức, nơi mà nó được sử dụng lần đầu tiên bởi Frederick Herzberg. Herzberg mô tả cụm từ yếu
tố hygiene trên phương diện động lực học là một yếu tố mà nếu vắng mặt sẽ gây ra sự khơng hài
lịng, nhưng nếu có mặt thì chính chúng sẽ khơng gây ra sự hài lịng (Herzberg, Mausner, &
Snyderman, 1959). Pin và xe chạy bằng pin rơi vào thể loại này đối với người tiêu dùng phổ
thông.
Having an advanced battery will not be a reason for a mass market consumer to purchase, but the
performance improvement as seen in fuel economy will make it more competitive with other
options. In order to make the shift from the early adopter to the mass market user, the technology
needs to be able to offer a financial payback, internal rate of return, or significant improvements
in fuel economy. In other words, the consumer needs to know that the investment will offer them
a financial benefit in reduced fuel costs. In addition to this, the mass market consumer needs to
know that the technology is “bullet proof,” they do not want to invest in early stage technologies
since there is not a lot of proof that it works. The mass market consumer is also not willing to give
up any performance or range of the vehicle. This one is of extreme importance in the growth of
electric vehicles, as mass-market consumers will require a vehicle that can offer them the same
range as the traditional vehicle.
Việc có một loại pin tiên tiến sẽ không phải là lý do để người tiêu dùng thị trường đại
chúng mua hàng, nhưng cải thiện hiệu suất như đã thấy trong tiết kiệm nhiên liệu sẽ giúp nó cạnh
tranh hơn với các tùy chọn khác. Để thực hiện chuyển dịch từ nhóm người chấp nhận đầu tiên
sang nhóm người dùng của thị trường đại chúng, thì cơng nghệ cần phải có thể mang lại khả năng
hồn vốn tài chính, lãi suất hồn vốn nội bộ hoặc cải thiện đáng kể về tiết kiệm nhiên liệu. Nói
cách khác, người tiêu dùng cần biết rằng khoản đầu tư sẽ mang lại cho họ lợi ích tài chính trong
Chapter 1
6

The handbook of lithium-ion battery pack design
việc giảm chi phí nhiên liệu. Ngoài ra, người tiêu dùng của thị trường đại chúng cần biết rằng
công nghệ này là “không thể hỏng hóc”, họ khơng muốn đầu tư vào các cơng nghệ ở giai đoạn
ban đầu vì khơng có nhiều bằng chứng cho thấy rằng nó hoạt động. Người tiêu dùng của thị trường
đại chúng cũng không sẵn sàng từ bỏ bất cứ hiệu suất hoặc phạm vi hoạt động nào đó của chiếc
xe. Điều này cực kỳ quan trọng trong sự phát triển của xe điện, vì người tiêu dùng trên thị trường
đại chúng sẽ yêu cầu một phương tiện mà có thể cung cấp cho họ phạm vi hoạt động tương tự
như ở phương tiện truyền thống.

Tiến triển các yêu cầu về công nghệ của phương tiện
Increasing levels of vehicle electrification such as electric heating, ventilation, air conditioning;
electric power steering; electric oil pumps; electric fuel pumps; and more in-vehicle
electrification, such as GPS, advanced radio, and navigation systems, all require greater levels of
power. Greater levels of vehicle-to-vehicle communications and autonomous vehicles will also
require high levels of electrification. More battery technology also enables greater optimization
of the engine by transferring these parasitic loads from the engine to the battery, which in turn
allows for more engine downsizing.
Tăng mức độ điện khí hóa của phương tiện như sưởi, thơng gió, điều hịa khơng khí điện;
hệ thống lái trợ lực điện; máy bơm dầu chạy điện; máy bơm nhiên liệu chạy điện; và nhiều điện
khí hóa trong xe hơn, chẳng hạn như hệ thống GPS, hệ thống rađiô cao cấp và hệ thống dẫn đường,
tất cả đều yêu cầu mức độ cấp công suất lớn hơn. Cấp độ cao hơn về giao tiếp giữa xe tới xe và
xe tự hành cũng sẽ yêu cầu mức độ điện khí hóa cao. Nhiều cơng nghệ pin hơn cũng cho phép tối
ưu hóa động cơ nhiều hơn bằng cách chuyển các phụ tải ký sinh này từ động cơ sang pin, từ đó
cho phép giảm kích cỡ động cơ nhiều hơn.
Yet today most electrically based vehicles are still based on architectures that were designed for
internal combustion engines. In fact, in most of these vehicles, there is no standard location for a
battery, which is why we see so many different installation locations within different vehicles.
Today, with only minor exceptions, most electrically powered vehicles package their batteries
under the seats, in the trunk, or in the transmission tunnel—in essence, trying to fit the square peg
of a battery into the round hole of the existing vehicle architecture. Future vehicles will be

designed with the battery as one of the design criteria so it will be an integral part of the vehicle
architecture rather than being added as an afterthought.
Tuy nhiên, ngày nay hầu hết các phương tiện chạy bằng điện vẫn dựa trên cấu trúc mà đã
được thiết kế cho động cơ đốt trong. Trên thực tế, trong hầu hết các loại xe này, khơng có vị trí
tiêu chuẩn cho pin, đó là lý do tại sao chúng ta thấy rất nhiều vị trí lắp đặt khác nhau trong các
loại xe khác nhau. Ngày nay, chỉ trừ một số ngoại lệ nhỏ, hầu hết các xe chạy bằng điện kết hợp
pin của chúng dưới ghế ngồi, trong cốp xe hoặc trong đường ống hộp số - về bản chất là cố gắng
lắp cái chốt vng của pin vào lỗ trịn của cấu trúc xe hiện có. Các phương tiện trong tương lai sẽ
được thiết kế với pin là một trong những tiêu chí thiết kế, vì vậy nó sẽ là một phần khơng thể thiếu
trong cấu trúc phương tiện thay vì được thêm vào như một phương án sau.

Chapter 1

7


The handbook of lithium-ion battery pack design

Mục đích của cuốn sách
With all of these challenges in automotive and other energy storage applications, it is becoming
more challenging to find a common means to discuss them. This book is intended to help bridge
that gap by answering questions such as: What is the difference between a power battery and an
energy battery? What is the difference between different Li-ion cell chemistries? Should the pack
be liquid or air-cooled? What is a battery management system (BMS) and what does it do? These
are the types of questions that this book will try to answer. Will this qualify you to be a battery
engineer when you are done? Definitely not, but will it prepare you to ask the right questions and
have a solid understanding of the topic? Absolutely.
Với tất cả những thách thức này trong các ứng dụng ô tơ và các ứng dụng lưu trữ năng
lượng khác, thì việc tìm ra một phương tiện chung để thảo luận về chúng đang trở nên khó khăn
hơn. Cuốn sách này nhằm giúp lấp cái hố ngăn cách đó bằng cách trả lời các câu hỏi như: Sự khác

nhau giữa pin cơng suất và pin năng lượng là gì? Sự khác biệt giữa các hóa chất viên Li-ion khác
nhau là gì? Bộ pin nên được làm mát bằng chất lỏng hay khơng khí? Hệ thống quản lý pin (BMS)
là gì và nó làm gì? Đây là những loại câu hỏi mà cuốn sách này sẽ cố gắng trả lời. Việc này có
chuẩn bị đầy đủ điều kiển để bạn trở thành một kỹ sư pin khi bạn hồn thành khơng? Chắc chắn
là khơng, nhưng liệu nó có chuẩn bị cho bạn để đặt các câu hỏi đúng và có một sự hiểu biết vững
chắc về chủ đề không? Chắc chắn rồi.
Throughout the book I will attempt to use some analogies to correlate the terms and concepts that
are used here to make them more easily understandable. For instance, we may think of the term
energy, usually measured in kilowatt hours (kWh), in terms of being analogous to the size of a
gas tank. So when we are speaking about the energy of a battery, we are talking about how much
energy that battery “tank” holds.
Trong suốt cuốn sách này, tôi sẽ cố gắng sử dụng một số suy luận loại suy để liên hệ các
thuật ngữ và khái niệm được sử dụng ở đây để làm cho chúng dễ hiểu hơn. Ví dụ, chúng ta có thể
hình dung về thuật ngữ năng lượng, thường được đo bằng kilowatt giờ (kWh) tương tự như kích
cỡ của bình xăng. Vì vậy, khi chúng ta đang nói về năng lượng của pin, chúng ta đang nói về
lượng năng lượng mà “bình” pin đó chứa được.
I will use many examples from the automotive field to demonstrate the principles and concepts
discussed here but remember that all of these concepts apply to a much wider variety of uses and
applications. In Chapter 15, Li-ion Battery Applications, we will take a very wide look at the
different examples of Li-ion batteries in a wide variety of applications ranging from e-bikes to
electrified vehicles to forklifts, buses and stationary energy storage.
Tôi sẽ sử dụng rất nhiều ví dụ từ lĩnh vực ơ tơ để chứng minh các nguyên tắc và khái niệm
được thảo luận ở đây nhưng hãy nhớ rằng tất cả các khái niệm này áp dụng cho nhiều mục đích
sử dụng và các ứng dụng đa dạng hơn nhiều. Trong Chương 15, Các ứng dụng của pin Li-ion,
chúng ta sẽ xem xét rất rộng các ví dụ khác nhau về pin Li-ion trong nhiều ứng dụng khác nhau
từ xe đạp điện đến xe được điện khí hóa, tới xe nâng hàng, xe bt và bộ lưu trữ năng lượng dạng
trạm cố định.

Chapter 1

8


The handbook of lithium-ion battery pack design
Li-ion batteries more than many other subsystems in the vehicle, require a “systems”-level
approach to engineering and design. Battery pack engineering begins with the chemistry that
happens at the cell level, then includes the electrical performance of both the cell and the pack,
the electronics for the control system, the thermal management of the cells, the electronics and
software that manage the system, and the mechanical and structural components of the battery. In
other words, the single topic of Li-ion battery pack engineering involves almost every engineering
field.
Pin Li-ion hơn nhiều hệ thống phụ khác ở trong xe, đòi hỏi một phương pháp tiếp cận ở
cấp độ “hệ thống” đối với kỹ thuật và thiết kế. Kỹ thuật của bộ pin bắt đầu với hóa học mà xảy ra
ở cấp độ viên, sau đó bao gồm hiệu suất điện của cả viên và bộ pin, thiết bị điện tử cho hệ thống
điều khiển, quản lý nhiệt của viên, thiết bị điện tử và phần mềm mà quản lý hệ thống, và các thành
phần cơ khí và cấu trúc của pin. Nói cách khác, chủ đề duy nhất của kỹ thuật bộ pin Li-ion liên
quan đến hầu hết mọi lĩnh vực kỹ thuật.
One of the biggest challenges that many people have when thinking about batteries is that they
have a tendency to treat batteries like they are commodities, parts, and components that are easily
substitutable with similar parts from different manufacturers. Unfortunately, Li-ion batteries are
more akin to critical core engineering systems such as engines or transmissions. This commoditybased perspective leads to a narrow perspective for the planning, scope, and cost of the battery
systems. This book will attempt to offer a view into the complexity of the battery system in order
to help the reader understand why the battery is not a commodity in the automotive market today
and is not likely to become one in the near future.
Một trong những thách thức lớn nhất mà nhiều người gặp phải khi nghĩ về pin đó là họ có
xu hướng coi pin như là hàng hóa, bộ phận và linh kiện mà có thể dễ dàng có thể thay thế bằng
các bộ phận tương tự từ các nhà sản xuất khác nhau. Thật không may, pin Li-ion gần giống với
các hệ thống kỹ thuật cốt lõi quan trọng hơn như động cơ hoặc hộp số. Góc nhìn dựa trên khía
cạnh hàng hóa này dẫn đến một quan điểm hạn hẹp về việc lập kế hoạch, phạm vi và chi phí của
hệ thống pin. Cuốn sách này sẽ cố gắng cung cấp một cái nhìn về sự phức tạp của hệ thống pin

nhằm giúp người đọc hiểu tại sao pin không phải là một loại mặt hàng thường dùng trên thị trường
ơ tơ ngày nay và khơng có khả năng trở thành hàng hóa trong tương lai gần.
This leads us to the second goal of this book which is to put these different subcomponents and
their discussions into the perspective of the standard engineering design process. One of the
frequent challenges of engineering battery packs, especially for large and transportationrelated
applications, is that the timing related to these activities is not clearly understood.
Điều này dẫn chúng ta đến mục tiêu thứ hai của cuốn sách này là đưa các thành phần phụ
khác nhau này và các cuộc thảo luận về chúng vào trong góc nhìn của quy trình thiết kế kỹ thuật
tiêu chuẩn. Một trong những thách thức thường xuyên của bộ pin kỹ thuật, đặc biệt đối với các
ứng dụng lớn và liên quan đến phương tiện giao thông là việc tính tốn thời gian liên quan đến
các hoạt động này không được hiểu rõ ràng.
Many people will make comparisons to the portable power industry which uses about a 12- to 18month-design cycle from concept to mass production for a product with a 2- to 3-year life.
However, when we apply the repeating “Design, Build, Test” design process to automotive
applications, it is generally a 2- to 3-year-process from concept to production. This surprises many
people, however, we must remember that the typical automotive design cycle can run up to 4
Chapter 1
9


The handbook of lithium-ion battery pack design
years or longer depending largely on the amount of validation and verification testing that is
needed.
Nhiều người sẽ so sánh với ngành công nghiệp cấp nguồn di động mà sử dụng chu kỳ thiết
kế khoảng 12 đến 18 tháng từ ý tưởng đến sản xuất hàng loạt cho một sản phẩm có tuổi thọ từ 2
đến 3 năm. Tuy nhiên, khi chúng ta áp dụng quy trình thiết kế “Thiết kế, Xây dựng, Thử nghiệm”
lặp đi lặp lại cho các ứng dụng ơ tơ, thì nó thường là một quy trình từ 2 đến 3 năm từ ý tưởng đến
sản xuất. Điều này khiến nhiều người ngạc nhiên, tuy nhiên chúng ta phải nhớ rằng chu kỳ thiết
kế ơ tơ điển hình có thể kéo dài tới 4 năm hoặc lâu hơn tùy thuộc phần lớn vào số lượng thử nhiệm
xác nhận và xác minh cần thiết.
There are several reasons for the long duration of timing, including long testing periods (a battery

“life cycle” test typically runs for a year or longer), long production tooling times (some “hard”
tooling can have lead times of 25–30 weeks or greater), and on top of these long lead time items.
There are some “hard stops” in the process such as needing to complete testing before sourcing
and achieving design freezes before beginning prototype sourcing. Add to these, the need to
complete, on average, two to three design cycles (usually timed to match a vehicle prototype
build) and you end up with a 24- to 36-month-long battery pack design cycle.
Có một vài lý do dẫn đến khoảng thời gian tính tốn dài, bao gồm các giai đoạn thử nghiệm
kéo dài (thử nghiệm “vòng đời” của pin thường kéo dài một năm hoặc lâu hơn), thời gian trang
bị dụng cụ máy móc sản xuất lâu (một số việc trang bị dụng cụ máy móc “cứng” như máy ép
khn có thể có thời gian hồn thành từ 25–30 tuần trở lên), và hơn thế là các mặt hàng có thời
gian sản xuất lâu. Có một số "cữ dừng cố định" trong quy trình, chẳng hạn như cần phải hồn
thành thử nghiệm trước khi tìm nguồn cung ứng và đạt được sự ổn định thiết kế trước khi bắt đầu
tìm nguồn cung ứng ngun mẫu. Thêm vào đó là u cầu hồn thành, trung bình từ hai đến ba
chu kỳ thiết kế (thường được định thời gian để phù hợp với việc chế tạo nguyên mẫu phương tiện)
và kết quả là bạn nhận được một chu kỳ thiết kế bộ pin kéo dài từ 24 đến 36 tháng.
Of course that does not mean that there are not methods that can be used to reduce that timing
largely depending on whether it is a production program, the final intended use, the lifetime
performance duration, the existence of similar products, and the amount of risk that the company
is willing to take. In a typical design project, all phases are completed in series, in other words
one after another. However, there are various reasons that you may be able to overlap some of the
phases and run them in parallel in order to reduce the overall project timing.
Tất nhiên, điều đó khơng có nghĩa là khơng có các phương pháp nào đó mà có thể được
sử dụng để giảm thời gian tính tốn đó, phần lớn phụ thuộc vào nó có phải là chương trình sản
xuất, mục đích sử dụng cuối cùng, khoảng thời gian hoạt động trọn đời, sự tồn tại của các sản
phẩm tương tự hay không và mức độ rủi ro mà công ty sẵn sàng nhận. Trong một dự án thiết kế
điển hình, tất cả các giai đoạn được hồn thành nối tiếp nhau hay nói cách khác là lần lượt. Tuy
nhiên, có nhiều lý do khiến bạn có thể chồng chéo một số giai đoạn và chạy chúng song song để
giảm thiểu thời gian tính tốn tổng thể của dự án.

Chapter 1

10


The handbook of lithium-ion battery pack design

Sơ lược về các chương
Chapter 2 will offer a brief history of both vehicle electrification, the evolution of the modern
battery and the growth of electric infrastructure, discussing where they came from and where they
are today…since this may offer us insights into where the technology could lead in the future.
This chapter will provide the reader with the basic background understanding of how the industry
came to be and the challenges that it has faced throughout its hundred-plus-year growth in an
effort to gain an understanding of how the industry has come to where it is today.
Chương 2 sẽ cung cấp một lược sử về cả sự điện khí hóa phương tiện, sự phát triển của
pin hiện đại và sự lớn mạnh của cơ sở hạ tầng điện, sự thảo luận về nguồn gốc của chúng và vị trí
của chúng ngày nay…vì điều này có thể cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc về nơi mà cơng
nghệ có thể dẫn đầu trong tương lai. Chương này sẽ cung cấp cho người đọc sự hiểu biết kiến
thức cơ bản về cách thức hình thành của ngành cơng nghiệp này và những thách thức mà nó phải
đối mặt trong suốt hơn 100 năm phát triển của mình nhằm nỗ lực hiểu được ngành đã hình thành
như thế nào và vị thế của nó ngày nay.
Chapter 3 will begin introducing the terminology and basic concepts around Li-ion batteries and
vehicle electrification. One of the greatest challenges that people face when they enter a new
industry is having a lack of comprehension of the lingo, terminology, and phrases that are used to
describe different parts of the product. In addition to gaining an understanding of the terminology
used in this industry, the basic forms of electrification will be described in simple terms and their
key components will be identified.
Chương 3 sẽ bắt đầu giới thiệu các thuật ngữ và khái niệm cơ bản xung quanh pin Li-ion
và điện khí hóa phương tiện. Một trong những thách thức lớn nhất mà mọi người gặp phải khi họ
bước vào một ngành mới là không hiểu biệt ngữ, thuật ngữ và các cụm từ mà được sử dụng để
mô tả các bộ phận khác nhau của sản phẩm. Ngoài việc đạt được sự hiểu biết về thuật ngữ được

sử dụng trong ngành này, các hình thức điện khí hóa cơ bản sẽ được mơ tả bằng các thuật ngữ
đơn giản và các thành phần chính của chúng sẽ được nhận biết.
In Chapter 4, we will begin describing the process of selecting and sizing a battery for an
application. This will include offering some simple formulas that can be used to help determine
capacity, power, and voltage for a battery system. This chapter attempts to clearly describe the
“how” of developing a battery pack concept using basic calculations based on Ohms’ Law.
Trong Chương 4, chúng ta sẽ bắt đầu mô tả quá trình lựa chọn và định cỡ pin cho một
ứng dụng. Việc này sẽ bao gồm việc cung cấp một số cơng thức đơn giản mà có thể được sử
dụng để giúp xác định dung lượng, công suất và điện áp cho một hệ thống pin. Chương này cố
gắng mô tả rõ ràng “cách thức” phát triển ý tưởng một bộ pin bằng cách sử dụng các tính tốn
cơ bản dựa trên Định luật Ôm.
Chapters 5 and 6 are intended to offer supporting discussion to the engineering design process.
Chapter 5 reviews the topics of Design for Reliability and Design for Service. As Li-ion
batteries are relatively new in the market place, they need an extra amount of attention when it
comes to reliability and service. In most cases, the Li-ion cells have not actually been in use in
Chapter 1

11