Được sự tài trợ của Dự án nghiên cứu nâng cao về Năng lượng, viết tắt là ARPA-E, một liên minh của hai công ty đang hướng tới mục tiêu thiết kế các cảm biến nhỏ hơn, nhẹ hơn, có thể làm cho pin lithium-ion nhỏ hơn, rẻ hơn, và an t]oàn hơn. Các thiết bị này được chế tạo bằng sợi quang học hoặc vật liệu màng mỏng, có thể được tích hợp bên pin, cho phép phát hiện sự thay đổi nhiệt độ (tránh tình trạng quá nóng, gây cháy, nổ…) và ước lượng chính xác dung lượng hiện thời của pin.
Tại sao cần phải thực hiện hệ thống cảm biến trong từng tế bào pin? Trong các xe điện hoặc xe lai hiện nay có chứa hàng trăm tế bào pin đơn nối với nhau, cùng với một loạt các thiết bị điều khiển. Các cảm biến, như nhiệt độ, điện áp, … hiện tại đặt bên ngoài, thu thập dữ liệu và chuyển tới thiết bị điều khiển. Nhưng điều đó tiết lộ chính xác mọi thứ đang diễn ra bên trong các tế bào pin. Chuyện gì xảy ra nếu các tế bào pin trở lên nóng bất thường?
Việc thêm các thành phần điều khiển bên ngoài có thể làm tăng đáng kể kích thước của gói pin. Đồng thời cũng không đáp ứng được nhu cầu về tối ưu hiệu suất hệ thống. Nếu việc giám sát được thực hiện tại mỗi tế bào trong một gói pin, nó giúp tối ưu kích thước và hiệu suất của pin, cắt giảm trọng lượng và chi phí, …
Đương nhiên việc này cũng hoàn toàn không dễ dàng. Việc đo đạc bên trong pin là rất khó, do môi trường điện, ăn mòn và nhiệt đố. Hệ thống cần xây dựng phải nhỏ, rẻ, và miễn dịch với hiện tượng phóng tính điên. Điều đó gợi ý các nhà nghiên cứu của PARC chuyển sang cảm biến sợi quang.
Cảm biến sợi quang cho phép phát hiện sự thay đổi của môi trường thông qua những thay đổi của bước sóng, từ đó xác định sự biến đổi kích thước, nhiệt độ… Một máy dò cho phép phát hiện sự thay đổi kích thước ¼ bước sóng được thiết kế. Vì sự hạn chế trong môi trường đo, nên máy dò này có chi phí rẻ hơn rất nhiều, chỉ vài trăm Đô, so với máy dò thông thường giá thành 10.000 Đô, sử dụng tia laser và mảng thiết bị tích điện kép. Các máy dò mới bao gồm một bộ lọc quang học có thể chuyển đổi sự thay đổi bước sóng để một sự thay đổi ở vị trí chùm ánh sáng chiếu trên một mảng diode tách sóng quang nhỏ. Các cảm biến sợi quang có thể đọc những thay đổi bước sóng nhỏ như 50 femtometers. Điều này có nghĩa là họ có thể phát hiện được những thay đổi tinh tế về mặt môi trường thông qua sự thay đổi bước sóng.
Một trong những mục tiêu đặt ra là tập trung vào các cảm biến trong pin, tức là cho một môi trường cụ thể. Các nhà nghiên cứu cũng xây dựng các thuật toán xử lý dữ liệu thô từ các cảm biến và xử lý trung tâm. Khi có thông tin, ví dụ tế bào 5 nóng bất thường, hệ thống xử lý trung tâm sẽ ra lệnh giảm tải hoặc tắt tế bào 5, và tiến hành thay đổi cấu trúc cung cấp năng lượng trong gói pin. Trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu, các kết quả trên sẽ được tiến hành thử nghiệm trên một số sản phẩm của LG Electronics.
Một hệ thống khác cũng đang được GE Global Research phát triển với nguồn tài trợ 3 triệu USD từ ARPA-E. GE đã bán cảm biến nhiệt độ cho pin xe hơi, nhưng cảm biến màng mỏng đang là hướng nghiên cứu thay thế của họ. Hiện tại, các cảm biến nhiệt độ nằm ở mép pin, và như thế kết quả thu được sẽ không đủ tin cậy. Các cảm biến mới, đủ mỏng để nằm giữa các tế bào pin, cho phép đọc nhiệt độ và áp suất bề mặt của tế bào pin.
Dữ liệu cảm biến thu được sẽ được kết hợp với mô hình phần mềm cho phép dự toán tình trạng và tuổi thọ của tế bào pin. Đồng thời cũng xác định số lượng cảm biến cần thiết cho một pin, hay mô hình phân bố năng lượng và vị trí của tế bào trong gói pin.
Tại thời điểm này, các nghiên cứu đang được tiến hành. Sản phẩm thực tế có lẽ sẽ phải chờ từ 2 đến 3 năm nữa. Khi được áp dụng, các nghiên cứu trên có thể tạo ra sự thay đổi trong xu hướng sử dụng thiết bị di chuyển, từ nhiên liệu hóa thạch sang điện, khi năng lượng được phân phối hợp lý hơn, kích thước nhỏ hơn và thời gian sử dụng lâu hơn.
(theo: TC Tự động hóa ngày nay)
