Hệ thống làm mát pin (Battery Thermal Management System – BTMS) là yếu tố cốt lõi trong xe điện (EV), đảm bảo pin lithium-ion hoạt động trong khoảng nhiệt độ lý tưởng 15-45°C để tối ưu hóa hiệu suất, tuổi thọ và an toàn. Pin EV sinh nhiệt lớn từ phản ứng hóa học, điện trở nội và dòng điện cao trong quá trình sạc/xả. Nếu không kiểm soát, nhiệt độ cao có thể dẫn đến suy giảm dung lượng (degradation), giảm phạm vi di chuyển, hoặc thậm chí cháy nổ (thermal runaway). Theo nghiên cứu từ ScienceDirect (2024), nhiệt độ vượt 50°C có thể làm giảm tuổi thọ pin xuống 50% sau 1000 chu kỳ sạc. Hệ thống này không chỉ làm mát mà còn sưởi ấm pin ở môi trường lạnh, nơi nhiệt độ dưới 0°C làm giảm hiệu suất sạc lên đến 30%. Trong bối cảnh năm 2025, với sự phát triển của pin trạng thái rắn và sạc siêu nhanh (ultra-fast charging), BTMS ngày càng phức tạp, tích hợp AI để dự đoán và điều chỉnh nhiệt độ thời gian thực.
1 Cấu trúc cơ bản
Một hệ thống làm mát pin điển hình được thiết kế như một vòng lặp kín (closed-loop) để tránh ô nhiễm và đảm bảo hiệu quả.
Các thành phần chính bao gồm:
1.1 Tấm làm mát (Cooling Plate / Cold Plate): Đây là các tấm kim loại (thường nhôm hoặc composite) nằm dưới, giữa hoặc xung quanh các module pin. Chúng có kênh dẫn (micro-channels) để chất làm mát chảy qua, hấp thụ nhiệt trực tiếp từ tế bào pin qua dẫn nhiệt. Thiết kế serpentine (hình rắn) hoặc parallel flow giúp phân bố nhiệt đồng đều, giảm gradient nhiệt độ giữa các cell xuống dưới 5°C. Theo Dober (2025), cold plate chiếm 40% hiệu quả hệ thống.
1.2 Ống dẫn chất làm mát (Coolant Lines): Các ống cao su hoặc nhựa chịu nhiệt cao, dẫn dung dịch glycol-water (50/50 ethylene glycol và nước) hoặc dầu điện môi (dielectric fluid). Ống phải chống ăn mòn, chịu áp suất lên đến 5 bar, và có lớp cách điện để tránh ngắn mạch. Trong các hệ thống hiện đại, ống dẫn tích hợp cảm biến lưu lượng (flow sensors) để giám sát.
1.3 Bơm tuần hoàn (Coolant Pump): Bơm điện biến tần (variable speed pump) duy trì lưu lượng chất làm mát từ 5-20 L/phút, tùy thuộc vào tải. Bơm thường là loại ly tâm hoặc peristaltic, tiêu thụ dưới 100W để tiết kiệm năng lượng. ECU (Electronic Control Unit) điều chỉnh tốc độ bơm dựa trên dữ liệu nhiệt độ từ cảm biến NTC (Negative Temperature Coefficient).
1.4 Bộ trao đổi nhiệt (Radiator / Chiller): Radiator tản nhiệt ra không khí qua quạt (fan-assisted), hoặc chiller kết nối với hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) để trao đổi nhiệt với chất lạnh (refrigerant như R134a hoặc R1234yf). Chiller hiệu quả hơn ở khí hậu nóng, giảm nhiệt độ coolant xuống 10-15°C. Theo XD Thermal (2025), radiator tích hợp có thể thải 10-20 kW nhiệt.
1.5 Van điều khiển nhiệt (Thermal Valve): Các van điện từ (solenoid valves) hoặc van ba chiều (3-way valves) điều chỉnh hướng dòng chảy, ví dụ chuyển từ làm mát sang sưởi ấm. Chúng tích hợp với bơm nhiệt (heat pump) để tái sử dụng nhiệt thải từ motor hoặc inverter.
Ngoài ra, hệ thống còn có bình chứa coolant (reservoir) để bù đắp hao hụt, và bộ lọc để loại bỏ tạp chất. Cấu trúc này thường tích hợp với BMS (Battery Management System) để giám sát và bảo vệ.
Ví dụ thực tế: Trong Tesla Model Y (2025), cấu trúc sử dụng cold plate tích hợp với 4680 cells, kết nối qua ống dẫn glycol đến chiller HVAC, giúp pin duy trì 25-35°C khi sạc 250kW, tăng phạm vi di chuyển 10% so với model cũ. Ngược lại, Ford Mustang Mach-E sử dụng radiator lớn ở mũi xe, kết hợp van điều khiển để tối ưu hóa ở địa hình off-road.
2 Nguyên lý hoạt động
Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt đối lưu và dẫn nhiệt, với mục tiêu duy trì nhiệt độ pin đồng đều. Quy trình bao gồm bốn giai đoạn: hấp thụ nhiệt, lưu thông, trao đổi nhiệt, và điều khiển.
Hệ thống có thể hoạt động theo hai chế độ chính:
2.1 Làm mát chủ động (Active Cooling): Khi nhiệt độ pin vượt ngưỡng (ví dụ 40°C), BMS kích hoạt bơm. Chất làm mát hấp thụ nhiệt từ cold plate (qua đối lưu cưỡng bức), chảy qua ống dẫn đến radiator/chiller để thải nhiệt ra môi trường hoặc HVAC. Lưu lượng coolant được điều chỉnh theo công thức Q = m * Cp * ΔT, nơi Q là nhiệt lượng, m là khối lượng coolant, Cp là nhiệt dung riêng, ΔT là chênh lệch nhiệt độ. Theo Cyberswitching (2024), chế độ này có thể giảm nhiệt pin 1-2°C/phút. Trong sạc nhanh, hệ thống tăng lưu lượng để xử lý nhiệt sinh ra lên đến 50kW.
2.2 Sưởi ấm (Heating Mode):
Khi nhiệt độ thấp (dưới 10°C), chất làm mát được làm ấm bằng bộ gia nhiệt điện PTC (Positive Temperature Coefficient) hoặc bơm nhiệt đảo chiều, lấy nhiệt từ môi trường hoặc nhiệt thải từ cabin. Coolant chảy ngược để truyền nhiệt vào pin, tránh lithium plating (lớp lithium lắng đọng) làm giảm dung lượng. Chế độ này đặc biệt quan trọng ở khí hậu lạnh, nơi pin cần ấm lên 20°C để sạc hiệu quả.
Điều khiển thông minh sử dụng AI và cảm biến (thermistors, thermocouples) để dự đoán nhiệt dựa trên dữ liệu lái xe, thời tiết và lịch sử sạc. Từ năm 2025, theo GreyB (2025), hệ thống tích hợp vacuum generator để loại bỏ bọt khí, tăng hiệu quả 15%.
Ví dụ thực tế: Chevrolet Bolt EUV (2025) sử dụng active cooling với chiller HVAC, giảm nhiệt pin từ 45°C xuống 30°C trong 10 phút khi lái tốc độ cao. Trong Rivian R2, heating mode sử dụng nhiệt từ motor để ấm pin ở -20°C, tiết kiệm 20% năng lượng so với PTC heater.
3 Các phương pháp làm mát pin
Các phương pháp làm mát được chọn dựa trên loại pin, chi phí và yêu cầu hiệu suất. Từ WJRR (2025), các phương pháp chính bao gồm air cooling, liquid cooling và refrigerant direct cooling.
3.1 Làm mát bằng không khí
Phương pháp sử dụng không khí cưỡng bức (forced air) qua quạt và kênh thông gió. Không khí từ cabin hoặc ngoài trời được thổi qua khoảng trống giữa các cell pin, hấp thụ nhiệt và thải ra. Cấu trúc đơn giản: chỉ cần quạt, vây tản nhiệt (fins) và bộ lọc bụi. Chi phí thấp (dưới 10% tổng hệ thống), trọng lượng nhẹ.
Ưu điểm: Dễ bảo dưỡng, không rò rỉ chất lỏng. Nhược điểm: Hiệu suất thấp (hệ số truyền nhiệt chỉ 10-50 W/m²K), khó kiểm soát nhiệt đồng đều (gradient lên đến 10°C), kém hiệu quả ở khí hậu nóng hoặc sạc nhanh.
Ví dụ thực tế: Nissan Leaf (trước 2020) sử dụng air cooling thụ động, dẫn đến suy giảm pin 20-30% ở Arizona. Đến 2025, một số xe hybrid như Toyota Prius vẫn dùng phương pháp này cho pin nhỏ, nhưng kết hợp quạt biến tần để cải thiện.
3.2 Làm mát bằng chất lỏng
Sử dụng glycol-water làm coolant, chảy qua cold plate gián tiếp (indirect liquid cooling). Hiệu quả cao (hệ số truyền nhiệt 100-500 W/m²K), kiểm soát tốt nhiệt độ đồng đều. Phức tạp hơn với bơm, ống dẫn và radiator.
Ưu điểm: Linh hoạt, tích hợp dễ với HVAC, giảm nhiệt nhanh. Nhược điểm: Chi phí cao, nguy cơ rò rỉ (cần sealant cao cấp), bảo dưỡng định kỳ thay coolant sau 100.000km.
Theo EV-Lectron (2025), liquid cooling là lựa chọn chính cho EV cao cấp.
Ví dụ thực tế: BMW iX (2025) sử dụng glycol-water với cold plate serpentine, duy trì pin dưới 40°C khi sạc 200kW. Hyundai Ioniq 6 kết hợp liquid cooling với PCM (Phase Change Material) để hấp thụ nhiệt đột ngột.
3.3 Làm mát trực tiếp bằng điện môi
Pin ngập trong dầu điện môi (dielectric fluid như mineral oil hoặc fluorocarbon), hấp thụ nhiệt trực tiếp (immersion cooling). Hiệu suất cao nhất (hệ số truyền nhiệt >1000 W/m²K), an toàn điện vì fluid không dẫn điện.
Ưu điểm: Đồng đều nhiệt, chống cháy nổ tốt, phù hợp pin mật độ cao. Nhược điểm: Chi phí cao (fluid đắt), yêu cầu bảo dưỡng đặc biệt (lọc fluid), trọng lượng tăng 10-20%.
Theo Laserax (2022, cập nhật 2025), immersion đang phổ biến cho EV hiệu suất cao.
Ví dụ thực tế: Xpeng G9 (2025) áp dụng immersion cooling cho pin 800V, cho phép sạc 480kW mà pin chỉ tăng 5°C. Startup Carrar (Israel) phát triển hệ thống với vacuum để tăng hiệu quả sôi (boiling cooling).
Hệ thống làm mát pin đang phát triển nhanh chóng vào năm 2025 với trọng tâm vào hiệu quả năng lượng và tích hợp bơm nhiệt. Sinh viên nên mô phỏng trên phần mềm như ANSYS để phân tích dòng chảy và nhiệt.
