Nghiên cứu thiết bị lưu trữ và công nghệ sạc cho ô tô điện

Sau khi hoàn thành khoảng thời gian học tập tại trường ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH dưới sự giảng dạy và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giúp chúng em được tiếp thu thêm nhiều kiến thức cũng như nhiều kinh nghiệm bổ ích cho bản thân. Những bài học của thầy cô hôm nay sẽ là hành trang quý báu cho em sau này khi bước qua ngưỡng cửa đại học. Xin gửi đến quý thầy cô lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc của em vì đã tạo mọi điều kiện trong quá trình học tập, rèn luyện, tích luỹ kinh nghiệm, kiến thức cũng như kỹ năng để em thực hiện khoá luận này.

Tổng quan về thị trường ô tô điện

Nhu cầu sử dụng xe điện hiện nay

1.1.1 Giới thiệu chung Ô tô điện là một chiếc ô tô cắm điện với lực đẩy có được từ một hoặc nhiều động cơ điện, sử dụng năng lượng thường được lưu trữ trong pin sạc cho ô tô

Kể từ năm 2008, sự phực hưng trong sản xuất xe ô tô điện đã xảy ra do những tiến bộ về pin, sự lo ngại về việc tăng giá dầu và mong muốn giảm phát khí thải nhà kính Một số quốc gia đã trợ cấp để thúc đẩy việc giới thiệu và áp dụng trên thị trường các loại xe điện mới So với xe chạy bằng động cơ đốt trong, xe điện êm hơn và không có khí thải ra đuôi xe, và thường tạo ra lượng khí thải thấp hơn nói chung

1.1.2 Lịch sử phát triển của ô tô điện

Xe điện bắt đầu vào những năm 1820, khi xe ngựa trở nên phổ biến và thế giới đang tìm giải pháp để thay thế điều đó Vào thế kỷ 20, ô tô điện đã trở nên phổ biến Trên thực tế, gần một phần ba tổng số ô tô trên đường là xe EV đời đầu Mãi cho đến khi sản xuất hàng loạt Ford Model T chạy bằng xăng, xe điện mới rơi vào tình thế phải nhường chỗ cho các loại xe sử dụng động cơ đốt trong (ICEV) Vào đầu những năm

1930, hầu như không còn xe điện nào trên đường

Công nghệ EV đã bị suy yếu cho đến những năm 1970, khi giá xăng tăng cao kỷ lục và các nhà sản xuất ô tô hàng đầu bắt đầu khám phá các phương pháp năng lượng thay thế Nhưng chi phí cao, thiếu phạm vi hoạt động và cơ sở hạ tầng sạc còn bị hạn chế của xe điện nên đã hạn chế sự quan tâm của người tiêu dùng

Năm 2003, Martin Eberhard và Marc Tarpenning thành lập công ty tên là Testla Motors, Inc Trong vòng một thập kỉ kể từ khi thành lập, Tesla đã cách mạng hóa thị trường xe điện, kiểm soát 60% thị trường xe điện

Những tiến bộ trong công nghệ xe điện đang dần được hoàn thiện:

+ Công nghệ pin – các hệ thống để giữ cho xe điện hoạt động và an toàn và hiệu suất về động cơ điện là những yếu tố hạn chế chống lại quá trình sản xuất xe điện trong thế kỷ 20 Những đổi mới liên tục trong từng công nghệ này, chẳng hạn như là

2 sự phát minh ra pin lithium-ion đã mở đường cho sự phát triển mạnh mẽ trong sản xuất xe điện và sự chấp nhận của người tiêu dùng

+ Tính khả dụng của các trạm sạc – các cơ sở hạ tầng về các trạm sạc điện liên tục được phát triển Các tối ưu hóa công nghệ khác như bảo vệ dòng điện cao áp, cách ly tín hiệu và công nghệ quản lý pin liên tục thúc đẩy hiệu suất của ô tô điện

1.1.3 Vì sao lựa chọn sử dụng xe điện?

Trước tình hình các nguyên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì nhu cầu sử dụng nguồn nhiên liệu mới và sạch để thay thế những nguồn nhiên liệu đang sử dụng hiện thời trong việc vận hành các loại phương tiện vận chuyển là một nhu cầu cấp thiết Năng lượng điện nổi lên như một dạng năng lượng phù hợp để thay thế cho các loại nguyên liệu hóa thạch đang gây ra nhiều vấn để xấu cho môi trường hiện nay Ví dụ như lượng khí thải độc hại thải ra môi trường của các loại phương tiện vận chuyển dùng năng lượng điện thấp hơn rất nhiều, gần như không đáng kể so với các loại phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng, dầu, khí đốt gây ra

Vì vậy xe hệ thống điện ra đời và ngày càng phát triển trên thế giới hiện nay Hầu hết các nhà sản xuất tập trung phát triển hệ thống xe điện là những phương tiện phổ biến như: xe ô tô điện, xe mô tô điện, xe đạp điện Công nghệ ngày càng phát triển và hiện đại trong lĩnh vực thiết kế bộ điều khiển với nhiều tính năng cho xe điện, tạo nhiều thuận tiện cho việc điều khiển cũng như thích ứng với phương tiện sử dụng nguồn nhiên liệu mới này

1.1.4 Đối tượng sử dụng xe điện

Xe điện được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như các máy bốc hàng, máy xếp dỡ hàng trong phương tiện giao thông đi lại như ô tô điện, xe máy điện

+ Xe ô tô điện: xe ô tô điện sử dụng nguồn điện ắc quy, pin, dùng năng lượng mặt trời Các loại xe này ứng dụng trên các ô tô cá nhân, ô tô tải

+ Xe máy điện và xe đạp điện: Là phương tiện được nhiều người ưa thích và được phát triển mạnh mẽ thời gian gần đây

- Các phương tiện công cộng:

+ Tàu điện cao tốc: Tàu điện được ứng dụng từ rất lâu là loại phương tiện dùng chở khách trong thành phố và nó khá phổ biến ở các nước phát triển trên thế giới

+ Xe buýt điện: Được ứng dụng để chuyên chở hành khách trong nội thành, tiết kiệm được chi phí vận hành

- Các phương tiện dùng trong các lĩnh vực vui chơi giải trí, thể thao và du lịch: + Xe điện dùng trong công viên, khu vui chơi giải trí là loại xe điện chuyên dùng chở hành khách Các loại tàu điện cao tốc

+ Loại xe điện dùng trong thể thao: phục vụ các mục đích khác nhau như trong lĩnh vực bóng đá, golf

- Các loại phương tiện phục vụ trong y tế: Xe điện sẽ được sử dụng trong các bệnh viện để vận chuyển nhanh chóng bệnh nhân vũng như các y tá bác sĩ để kịp thời cứu chữa bệnh nhân.

Giới thiệu các loại xe ô tô trên thị trường

1.2.1 Xe ô tô chạy bằng động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học dưới dạng moment xoắn Bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ, chính vì vậy tiếng ồn tạo ra từ động cơ xăng là khá cao

Hiện nay, động cơ đốt trong đang được sử dụng rất rộng rãi, nhưng bởi vì một số nhược điểm như nguồn nhiên liệu, ảnh hưởng xấu đến môt trường, tiếng ồn đã dẫn đến việc ô tô chạy bằng động cơ đốt trong đang dần bị thay thế bởi các loại ô tô có nguồn nhiên liệu sạch ít có hại cho môi trường, hoặc là ô tô chạy bằng điện

1.2.2 Xe ô tô hybrid (lai điện – động cơ đốt trong) Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thông thường (xăng, diesel ) với động cơ điện lấy năng lượng từ một ắc quy cao áp Điểm đặc biệt là ắc quy được nạp điện với cơ chế nạp thông minh như khi phanh xe, xuống dốc , gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng Nhờ vậy mà ô tô có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết

Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ô tô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như một giải pháp hiệu quả về kinh tế và môi trường Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khóa mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái

Với xu hướng là từng bước cải tiến, chế tạo ra ô tô có mức ô nhiễm thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu, ô tô hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và phát triển ở nhiều hãng ô tô trên thế giới Ngày càng có nhiều mẫu xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng loại ô tô này

BEV (battery electric vehicle) là một trong những chiếc xe ra đời sớm nhất, có hiệu suất năng lượng hơn động cơ đốt trong, fuel cell và các loại ô tô khác BEV không nhả khói, không ồn và ít gây ô nhiễm môi trường BEV được sử dụng trên ô tô tải nhẹ, mô tô, xe máy điện

Từ đầu thế kỷ 20 đến nay, ô tô điện vẫn liên tục phát triển nhưng do sự phát triển vượt bậc của ô tô sử dụng động cơ đốt trong nên ô tô điện không được sử dụng rộng rãi

Ngày nay, do sự khan hiếm nhiên liệu dầu mỏ và yêu cầu cắt giảm ô nhiễm môi trường cộng với sự phát triển vượt bậc của ngành kỹ thuật điện, điện tử, người ta đã có

5 thể chế tạo ra các loại ô tô điện tốc độ cao, quãng đường hoạt động dài nên ô tô điện sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai

 So sánh ô tô điện và ô tô sử dụng động cơ đốt trong

- Về mức độ gây ô nhiễm môi trường:

+ Ô tô điện ít gây ồn hơn ô tô sử dụng động cơ đốt trong

+ Ô tô điện ít phát sinh các chất gây ô nhiễm môi trường như: CO, HC, bồ hóng và các chất độc hại khác hơn ô tô sử dụng động cơ đốt trong

+ Ít thải ra chất CO2 gây hiệu ứng nhà kính

- Về hiệu quả sử dụng năng lượng:

+ Hiệu suất biến đổi năng lượng của động cơ điện rất cao khoảng 90% (động cơ đốt trong khoảng 30 - 40%)

+ Ô tô điện có thể thu lại được một phần năng lượng khi phanh

+ Chi phí sử dụng năng lượng của ô tô điện thấp hơn chi phí sử dụng năng lượng của ô tô sử dụng động cơ nhiệt (ô tô điện có thể chỉ tốn chi phí bằng 1.5 lít xăng cho 100km đường chạy)

+ Điều khiển tốc độ của ô tô điện dễ dàng và chính xác

+ Mômen của động cơ điện rất lớn, đặc biệt là ở tốc độ thấp Nên khả năng tăng tốc của ô tô điện tốt, điều này rất có lợi cho động cơ lắp trên ô tô

+ Kết cấu của ô tô điện đơn giản

+ Chi phí bão dưỡng thường xuyên của ô tô điện thấp

+ Ô tô điện ít bị rung động hơn ô tô sử dụng động cơ nhiệt nên tuổi thọ của các thiết bị lắp trên ô tô bền hơn

 Hiện nay ô tô điện có những nhược điểm quan trọng sau:

+ Năng lượng dự trữ thấp, thời gian nạp điện lâu, nên quãng đường hoạt động của ô tô điện ngắn hơn ô tô sử dụng động cơ nhiệt

+ Giá thành ban đầu cao hơn: cao hơn 30 - 40% so với ô tô dùng động cơ nhiệt

+ Tuy ô tô điện ít phát sinh ra các chất gây ô nhiễm môi trường nhưng các nhà máy sản xuất điện năng thì có thể gây ra ô nhiễm môi trường

1.2.4 Vai trò và tương lai của xe điện

Việc lưu thông bằng các phương tiện chạy bằng điện đóng một vai trò quan trọng trong việc hướng tới mục tiêu giao thông bền vững, góp phần làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính CO2 Mặc dù việc đưa xe các loại xe điện vẫn còn diễn ra khá chậm do cơ sở hạ tầng phục vụ việc sạc vẫn chưa hoàn thiện, nhưng ô tô điện sẽ xuất hiện ngày càng nhiều trong tương lai

Nắm bắt được xe hướng ngày nay, các hãng sản xuất ô tô hàng đầu thế giới cũng đã tập trung nhiều nguồn nhân lực hơn cho xe điện Bên cạnh đó, chính phủ nhiều nước Châu Âu đang thắt chặt các quy định về khí thải từ các phương tiện giao thông

Do đó, xe điện đang dần thay thế xe sử dụng động cơ đốt trong Đối diện với ô nhiễm môi trường, nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt thì ô tô sạch không gây ô nhiễm là mục tiêu hướng tới của các nhà nguyên cứu và chế tạo ô tô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung vào việc hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như LPG, khí thiên nhiên, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô hybrid Xu hướng phát triển ô tô sạch được tổng hợp như sau:

- Hoàn thiện động cơ diesel

Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt tính năng của nó bao gồm hệ thống common rail điều khiển điện tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp

- Ô tô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế

Công nghệ lưu trữ năng lượng

Pin điện hóa

Pin axit-chì được sử dụng làm ví dụ để giải thích lý thuyết nguyên tắc hoạt động của pin điện hóa Một pin axit-chì sử dụng dung dịch axit sunfuric làm chất điện phân Các điện cực được làm bằng chì (Pb, anot, nhiễm điện âm) và oxit chì (PbO2 , catot, nhiễm điện dương) Các quá trình phóng điện được thể hiện trong hình 2.1 (a), nơi chì được tiêu thụ và chì sunfat được hình thành Phản ứng hóa học trên cực dương được viết là:

𝑃𝑏 + 𝑆𝑂 4 −2 → 𝑃𝑏𝑆𝑂 4 + 2𝑒 − Phản ứng này giải phóng hai electron và do đó làm phát sinh dư thừa một điện tích âm trên điện cực Ở điện cực dương, chì của PbO2 cũng được chuyển thành PbSO4 và đồng thời, nước cũng được tạo thành Phản ứng được biểu thị bằng:

𝑃𝑏𝑂 2 + 4𝐻 + + 𝑆𝑂 4 −2 + 2𝑒 − → 𝑃𝑏𝑆𝑂 4 + 2𝐻 2 𝑂 Trong quá trình sạc, các phản ứng trên cực dương và âm được đảo ngược như trong hình 2.1(b):

Hình 2.1: Các quá trình điện hóa trong quá trình phóng điện và sạc pin

Năng lượng riêng được định nghĩa là dung lượng của năng lượng trên một đơn vị trọng lượng pin (Wh/kg) Năng lượng riêng theo lý thuyết là năng lượng tối đa có thể tạo ra trên một đơn vị tổng khối lượng của chất phản ứng tế bào

Hydro, lithium hoặc natri sẽ là lựa chọn tốt nhất cho các chất phản ứng âm, và các halogen nhẹ hơn, oxy hoặc lưu huỳnh sẽ là lựa chọn tốt nhất cho phản ứng dương Để ghép các cặp đôi như vậy lại với nhau trong một pin, cần có thiết kế điện cực để sử dụng hiệu quả các vật liệu hoạt động có sẵn, cũng như các chất điện cực có độ dẫn điện cao tương thích với vật liệu trong cả hai điện cực Những hạn chế này dẫn đến việc oxy và lưu huỳnh được sử dụng trong một số hệ thống dưới dạng oxit và sulfua hơn là bản thân các nguyên tố Đối với hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh, chất điện phân dạng nước có lợi vì độ dẫn điện cao của chúng Ở đây, các kim loại nhóm kiềm không thể được sử dụng làm điện cực vì các nguyên tố này phản ứng với nước Cần chọn các kim loại khác có độ nhạy điện hợp lý như kẽm, sắt, nhôm Khi xem xét các cặp điện cực, tốt hơn nên loại trừ những nguyên tố có hàm lượng thấp trong vỏ trái đất, đắt tiền đối với công việc hoặc không thể chấp nhận được theo quan điểm sức khỏe hoặc môi trường

(a) Quá trình xả (b) Quá trình sạc

Công suất riêng được định nghĩa là công suất tối đa của mỗi đơn vị trọng lượng pin mà pin có thể tạo ra trong một khoảng thời gian ngắn Công suất riêng rất quan trọng trong việc giảm trọng lượng pin, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi năng lượng cao Công suất riêng của pin hóa học phụ thuộc chủ yếu vào điện trở bên trong của pin Công suất tối đa mà pin có thể cung cấp cho tải là

Rint là điện trở bên trong do phản ứng hóa học gây ra Sự sụt giảm điện áp ∆V bao gồm hai thành phần: một là do hoạt động phản ứng, và thành phần còn lại là do nồng độ chất điện phân Biểu thức chung của ∆VA và ∆VC là

𝐼 𝐿 ) Trong đó a, b là hằng số, R là hằng số khí 8.314 J/K mol, T là nhiệt độ tuyệt đối, n là số electron chuyển trong phản ứng, F là hằng số faraday, IL là dòng điện Rất khó xác định chính xác điện trở của pin hoặc độ sụt điện áp bằng phân tích và thường thu được bằng phép đo Sự sụt giảm điện áp tăng khi tăng dòng phóng điện, làm giảm năng lượng tích trữ trong nó

Năng lượng hoặc điện năng tổn thất trong quá trình xả và sạc pin xuất hiện dưới dạng tổn thất điện áp Do đó, hiệu suất của pin trong quá trình xả và sạc có thể được xác định bằng tỷ sổ giữa điện áp hoạt động của pin với điện áp nhiệt động:

𝑉 Điện áp ở cực như một chức năng của dòng điện và năng lượng được lưu trữ trong pin hoặc trạng thái sạc (SOC), phóng điện thấp hơn và sạc cao hơn so với điện thế được tạo ra bởi phản ứng hóa học Hình 2.2 cho thấy hiệu suất của pin axit-chì trong quá trình xả và sạc Pin có hiệu suất xả cao với SOC cao và hiệu suất sạc cao với

SOC thấp Hiệu suất chu kỳ ròng đạt mức tối đa trong khoảng giữa của SOC Do đó, bộ phận điều khiển hoạt động của pin của HEV nên kiểm soát SOC của pin ở phạm vi trung bình của nó để nâng cao hiệu suất hoạt động và giảm nhiệt độ tăng do mất năng lượng Nhiệt độ cao sẽ làm hỏng pin

Hình 2.2: Hiệu suất sạc và xả của pin

Các loại pin EV và HEV bao gồm pin axit-chì, pin niken như niken-sắt, niken- cadmium và pin niken-kim loại hyđrua và các loại pin dựa trên lithium như pin lithium polymer và lithium-ion Trong tương lai gần, có vẻ như ắc quy axit-chì vẫn sẽ là loại chính do nhiều ưu điểm của nó Tuy nhiên, pin lithium đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ

Bảng 2.1: Thông số của pin Axit-chì

Năng lượng riêng 35-40 Wh/kg

Mật độ năng lượng 80-90 Wh/L

Tỷ lệ tự xả 3% - 20% / tháng

13 Độ bền chu kỳ < 350 chu kì

Pin axit-chì đã là một sản phẩm thương mại thành công trong hơn một thế kỷ qua và vẫn được sử dụng rộng rãi làm bộ lưu trữ năng lượng điện trong lĩnh vực ô tô và các ứng dụng khác Ưu điểm của nó là chi phí thấp, công nghệ hoàn thiện, công suất tương đối cao và chu kỳ tốt Các vật liệu liên quan (chì, oxit chì, axit sulfuric) có chi phí khá thấp khi so sánh với các chất liệu cao cấp hơn của chúng Ắc quy axit-chì cũng có một số nhược điểm Mật độ năng lượng của pin axit-chì thấp, chủ yếu là do trọng lượng phân tử của chì cao Các đặc tính nhiệt độ kém Dưới 10 0 C, công suất riêng và năng lượng riêng của nó bị giảm đáng kể Khía cạnh này hạn chế nghiêm trọng việc ứng dụng ắc quy axit-chì cho sức kéo của các phương tiện vận hành ở vùng có khí hậu lạnh

Pin axit-chì trong ứng dụng xe ô tô điện cũng trở nên phổ biến, chúng có năng lượng riêng thấp hơn đáng kể so với nhiên liệu dầu mỏ khoảng 30-50 Wh/kg Hiệu suất 70-75% và khả năng lưu trữ của pin axit-chì giảm khi nhiệt độ thấp hơn và việc chuyển hướng nguồn điện để chạy cuộn dây nóng làm giảm hiệu suất và phạm vi hoạt động lên tới 40% Quá trình sạc và hoạt động của pin thường dẫn đến việc thải hydro, oxy và lưu huỳnh, những chất này sinh ra tự nhiên và thường vô hại nếu được thông gió đúng cách Chiếc xe điện hiện đại đầu tiên sử dụng pin axit-chì là GM impact

Cấu tạo cơ bản của pin axit-chì 12V bao gồm 6 tế bào mắc nối tiếp Mỗi tế bào, tạo ra khoảng 2V, được đặt trong một ngăn riêng lẻ bên trong một hộp polypropylene hoặc tương tự Vật liệu hoạt tính được giữ trong các lưới để tạo thành các bản cực âm và dương Tuy nhiên, ngay cả những loại pin hiện đại kín vẫn có một lỗ thông hơi nhỏ để ngăn chặn sự tích tụ áp suất do lượng khí rất nhỏ Một yêu cầu khác của pin là kiểm soát chính xác điện áp sạc Trong quá trình sử dụng, pin chỉ cần chú ý những điều sau: + Làm sạch ăn mòn ở các điểm tiếp xúc với các cực bằng nước nóng

+ Các đồi nối phải được bôi trơn bằng mỡ bôi trơn hoặc vaseline, không được dầu mở thông thường

+ Các cực của pin phải sạch và khô

+ Nếu không được đậy kín, các tế bào phải được phủ nước cất lên 3 mm

2.1.4.2 Pin Nickel–metal hydride (NiMH)

Bảng 2.2: Thông số của pin NiMH

Năng lượng riêng 60-120 Wh/kg

Mật độ năng lượng 140–300 Wh/L

Tỷ lệ tự xả 13,9% - 70,6% ở nhiệt độ phòng

36,4% - 97,8% ở 45 0 C Độ bền chu kỳ 180 - 2000 chu kì

Công việc chế tạo pin NiMH bắt đầu vào năm 1967 được coi là một công nghệ tương đối trưởng thành Mặc dù sạc và xả kém hiệu quả hơn 60 -70% so với axit-chì, nhưng chúng có năng lượng riêng là 60 – 120 Wh/kg, cao hơn so với axit-chì Khi được sử dụng đúng cách, pin NiMH có thể có tuổi thọ đặc biệt dài, như đã được chứng minh trong việc sử dụng chúng trên ô tô hybrid và trong những chiếc Toyoto RAV4

Siêu tụ điện sử dụng trong ô tô điện

Do hoạt động dừng, chạy thường xuyên của ô tô điện, cấu hình xả và sạc của bộ lưu trữ năng lượng rất khác nhau Công suất trung bình yêu cầu từ bộ lưu trữ năng lượng thấp hơn nhiều so với công suất cực đại trong thời gian tương đối ngắn cần thiết để tăng tốc và leo dốc

Trên thực tế, năng lượng liên quan đến quá trình tăng tốc và giảm tốc bằng khoảng 2/3 tổng năng lượng trên toàn bộ nhiệm vụ của xe khi lái xe trong đô thị Trong thiết kế HEV, công suất điện cực đại của bộ lưu trữ năng lượng quan trọng hơn công suất năng lượng của nó và thường hạn chế về việc giảm kích thước của nó Dựa trên công nghệ pin hiện tại, thiết kế pin phải thực hiện sự cân bằng giữa năng lượng riêng, công suất riêng và tuổi thọ chu kỳ Khó khăn trong việc đồng thời thu được các giá trị cao của năng lượng riêng, công suất riêng và tuổi thọ đã dẫn đến một số đề xuất rằng hệ thống lưu trữ năng lượng của EV và HEV nên là sự kết hợp giữa nguồn năng lượng và nguồn điện Nguồn năng lượng, chủ yếu là pin và pin nhiên liệu, có năng lượng riêng cao trong khi nguồn điện có công suất riêng cao Các nguồn năng lượng có thể được sạc lại từ nguồn năng lượng trong quá trình lái xe hoặc phanh phục hồi ít đòi hỏi hơn Nguồn điện nhận được sự quan tâm rộng rãi là siêu tụ điện

2.2.1 Lịch sử phát triển siêu tụ điện

Siêu tụ điện là tụ điện có dung lượng cao có giá trị điện dung cao hơn nhiều so với các tụ điện khác, nhưng với giới hạn điện áp thấp hơn, giúp thu hẹp khoảng cách giữa tụ điện và pin Nó thường được lưu trữ năng lượng gấp 10 đến 100 lần trên một đơn vị thể tích hoặc khối lượng so với tụ điện, có thể chấp nhận và cung cấp điện tích nhanh hơn nhiều so với pin và chịu được nhiều chu kỳ sạc và xả hơn so với pin thông thường

Việc lưu trữ điện tích trong bề mặt phân cách kim loại và dung dịch điện phân đã được các nhà hóa học nghiên cứu từ thế kỷ XIX, nhưng việc sử dụng thực tế của tụ điện chỉ bắt đầu vào năm 1957, tụ điện sử dụng điện cực cacbon xốp (hình 2.3) Sau đó, vào năm 1966, các nhà nghiên cứu tại SOHIO đã phát triển một bản khác của thành phần này là thiết bị lưu trữ năng lượng điện (hình 2.4), đồng thời nghiên cứu thiết kế pin nhiên liệu thử nghiệm Năm 1970, tụ điện hóa học được cấp bằng sáng chế là tụ điện hóa học với các điện cực than hoạt tính

Hình 2.3: Tụ điện sử dụng điện cực cacbon xốp

Hình 2.4: Thiết bị lưu trữ năng lượng điện

Tuy nhiên, đến năm 1971, sự thiếu hụt doanh số bán hàng sau đó đã khiến

SOHIO từ bỏ việc phát triển thêm và cấp phép công nghệ cho NEC NEC đã tiếp tục

Chất dẫn điện Chất dẫn điện Điện cực than chì Điện cực than chì

19 sản xuất các tụ điện hai lớp thành công về mặt thương mại đầu tiên với tên gọi là siêu tụ điện Các thiết bị điện áp này có điện trở bên trong cao và do đó chủ yếu được thiết kế cho các ứng dụng sao lưu bộ nhớ Các tụ điện hai lớp công suất cao đầu tiên được phát triển bới PRI “PRI Ultracapacitor”, được phát triển từ năm 1982, tích hợp các điện cực oxit kim loại và được thiết kế cho các ứng dụng quân sự như vũ khí laser và hệ thống dẫn đường cho tên lửa Tin tức về các thiết bị này đã kích hoạt một hoạt động nghiên cứu của Bộ năng lượng Hoa Kỳ (DoE) trong bối cảnh xe điện hybrid, và đến năm 1992, chương trình phát triển siêu tụ điện DoE được tiến hành

2.2.1.2 Các hoạt động thương mại hóa

Một số công ty trên thế giới đang sản xuất tụ điện hai lớp (EDLC) với công suất cao NEC và Panasonic ở Nhật Bản đã sản xuất các thành phần EDLC từ những năm

1980 Tại US, Epcos, ELNA, AVX và Cooper sản xuất linh kiện, trong khi Evans và Maxwell sản xuất các mô-đun tích hợp bao gồm mạch cân bằng điện áp Kold Ban International tiếp thị mô-đun siêu tụ điện được thiết kế đặc biệt để khởi động động cơ đốt trong khi thời tiết lạnh Cap-XX ở Úc cung cấp nhiều loại linh kiện cũng như Ness Capacitor Co ở Hàn Quốc Tại Canada, Tavrima sản xuất một loạt các mô-đun

ESMA ở Nga bán nhiều loại mô-đun EDLC cho các ứng dụng về chất lượng điện, xe điện, và khởi động động cơ đốt trong

Dưới đây là bảng tóm tắt về các sản phẩm hiện có từ các nhà máy sản xuất hiện tại:

Bảng 2 5: Bảng tóm tắt về các sản phẩm hiện có từ các nhà máy sản xuất

Tên công ty Quốc gia Tên thiết bị Khoảng điện dung (F)

2.2.1.3 Những nổ lực nghiên cứu hiện nay

Nghiên cứu hiện đang được tiến hành tại một số tổ chức vì lợi ích cải thiện cả mật độ năng lượng và công suất của công nghệ EDLC Cacbon hoạt hóa là vật liệu điện cực được sử dụng phổ biến nhất trong các siêu tụ điện hiện nay và rất nhiều nghiên cứu quan tâm đến việc xác định yếu tố góp phần vào điện dung riêng và điện trở nối tiếp trong các vật liệu đó

Cacbon dạng ống nano đã được khám phá gần đây và một số cơ sở học thuật đã chế tạo các điện cực chứng minh điện dung riêng cao hơn mức có thể đạt được bằng cacbon hoạt hóa Các nghiên cứu tại Học viện khoa học Trung Quốc đã tiến thêm một bước nữa và chỉ ra rằng nano than hoạt tính có điện dung riêng cao hơn 10 lần so với nano cacbon bình thường Mối quan tâm đáng kể cũng đã được thể hiện trong việc dẫn điện bằng vật liệu polyme và nghiên cứu cho thấy rằng nên đạt được điện dung riêng cao

Oxit kim loại luôn là vật liệu điện cực hấp dẫn do điện trở thấp và điện dung riêng cao, nhưng chi phí quá cao của chúng nói chung đã loại chúng như một lựa chọn khả thi về mặt thương mại Theo truyền thống axit sunfuric mạnh được sử dụng làm chất điện phân với các điện cực oxit kim loại để tăng độ linh động của ion và tốc độ tích điện, phóng điện Tuy nhiên, điều này hạn chế sự lựa chọn vật liệu điện cực vì hầu hết trở nên không ổn định và bị ăn mòn trong chất có tính axit mạnh Do đó, Nghiên cứu tại đại học Texas, US, đã tập trung vào khả năng sử dụng chất điện phân nước nhẹ hơn, kaliclorua để sử dụng với các oxit kim loại Nghiên cứu cho thấy rằng việc thay thế thực sự là có thể và nên mở rộng sự sẵn có của các vật liệu điện cực có thể có

Các kết quả hứa hẹn nhất dường như nằm ở việc sử dụng các cấu hình lai, bao gồm các cacbon hoạt hóa và các polyme dẫn hoặc các oxit kim loại Các nghiên cứu tại Ý đã cho ra kết quả là một siêu tụ điện có điện cực than hoạt tính dương và điện

21 cực polyme âm hoạt động tốt hơn các cấu hình chỉ sử dụng than hoạt tính Nghiên cứu tại Đài Loan chỉ ra rằng điện dung riêng cao có thể đạt được bằng cách lắng đọng các polyme dẫn điện lên than hoạt tính Frackowiak và cộng sự đã chứng minh được sự gia tăng điện dung riêng của các ông nano cacbon được phủ một lớp polyme

2.2.1.4 Nghiên cứu trong tương lai

Cacbon hoạt hóa hiện đang thống trị thị trường làm vật liệu điện cực, nhưng tiến bộ trong quá trình phát triển polyme dẫn và oxit kim loại đang tiếp tục với tốc độ ổn định Việc khai thác các hiệu ứng giả tụ điện để nâng cao điện dung hai lớp dường như là một mục tiêu phổ biến của các nhà nghiên cứu hiện nay, và mang lại cơ hội tốt để phát triển thế hệ tiếp theo của siêu tụ điện năng lượng cao

2.2.2 Tính năng của siêu tụ điện

Siêu tụ điện có đặc trưng là công suất riêng cao hơn nhiều, nhưng năng lượng riêng thấp hơn nhiều so với pin hóa học Năng lượng riêng của nó nằm trong khoảng vài kW/h Tuy nhiên, công suất riêng của nó có thể lên tới 3 kW / kg, cao hơn nhiều so với bất kỳ loại pin nào Do mật độ năng lượng riêng thấp và sự phụ thuộc của điện áp vào SOC, rất khó để sử dụng một mình siêu tụ điện làm bộ lưu trữ năng lượng cho EV và HEV Tuy nhiên, có một số lợi thế có thể có được khi sử dụng siêu tụ điện làm nguồn điện phụ Một ứng dụng đầy hứa hẹn là cái gọi là hệ thống lưu trữ năng lượng hỗn hợp pin và siêu tụ điện cho EV và HEV Các yêu cầu về năng lượng riêng và công suất riêng có thể được tách rời, do đó tạo cơ hội để thiết kế một loại pin được tối ưu hóa cho năng lượng và tuổi thọ chu kỳ cụ thể mà ít chú ý đến công suất cụ thể Do hiệu ứng cân bằng tải của siêu tụ điện, dòng điện cao phóng ra từ pin và dòng điện cao sạc vào pin bằng cách hãm tái sinh được tối thiểu hóa để năng lượng sẵn có, độ bền và tuổi thọ của pin có thể đáng kể tăng

Lựa chọn vật liệu dẫn điện đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính điện của siêu tụ điện Các đặc điểm bề mặt của điện cực ảnh hưởng rất nhiều đến điện dung của tụ Cacbon là vật liệu điện cực được sử dụng rỗng rãi nhất, nhưng nghiên cứu đáng kể đang được tiến hành thành các oxit kim loại và polyme

Bánh đà siêu tốc

Việc sử dụng bánh đà để lưu trữ năng lượng ở dạng cơ học đã được phát triển hơn 25 năm trước Công ty kỹ thuật oerlikon ở Thụy Sĩ đã chế tạo chiếc xe buýt chở khách đầu tiên chỉ chạy bằng một bánh đà lớn Bánh đà này nặng 1500 kg và hoạt động ở tốc độ 3000 vòng/phút, được sạc lại bằng điện ở mỗi trạm xe buýt Tuy nhiên, với sự phát triển bánh đà chỉ nhẹ hàng chục kg và có thể quay 10000 vòng/phút

Bánh đà siêu tốc dường như là một phương tiện khả thi để đáp ứng các yêu cầu lưu trữ năng lượng cho các ứng dụng ô tô điện, cụ thể là năng lượng cao, sạc nhanh chóng, các đặc tính không cần bảo trì, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường

Bánh đà quay tích trữ năng lượng ở dạng động năng có công thức là:

2𝐽 𝑓 𝜔 𝑓′ 2 Trong đó 𝐽 𝑓 là mômen quán tính của bánh đà (kgm 2 /s) và 𝜔 𝑓 là vận tốc góc của bánh đà (rad/s) Phương trình chỉ ra rằng tăng vận tốc góc của bánh đà là phương pháp chủ yếu để tăng năng lượng và giảm trọng lượng và thể tích của bánh đà Với công nghệ hiện nay, khó có thể sử dụng trực tiếp năng lượng cơ học được tích trữ trong bánh đà để đẩy xe, do cần phải có hộp số biến thiên (CVT) với dải biến thiên tỷ số truyền rộng Phương pháp thường được sử dụng là ghép một động cơ điện với bánh đà một cách trực tiếp hoặc thông qua một bộ truyền động để tạo thành một cái gọi là pin cơ học Động cơ điện hoạt động như một cổng vào và ra năng lượng, biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại Năng lượng tích trữ trong một bánh đà tỷ lệ với mômen quán tính của bánh đà và tốc độ quay của bánh đà được bình phương Bánh đà phải được thiết kế để đạt được mômen quán tính trên một đơn vị khối lượng và trên một đơn vị thể tích bằng cách thiết kế đúng hình dạng hình học của nó Mômen quán tính của bánh đà có thể được tính bằng:

Hình 2.13: Cấu trúc cơ bản của hệ thống bánh đà siêu tốc

2.3.2 Công suất của hệ thống bánh đà siêu tốc

Công suất mà bánh đà cung cấp hoặc thu được được xác định bằng công thức:

𝑑𝑡 = 𝜔 𝑓 𝑇 𝑓 ′ Trong đó 𝑇 𝑓 là mômen quay của máy phát điện tác dụng lên bánh đà Khi bánh đà phóng điện, động cơ điện đóng vai trò như máy phát điện và biến cơ năng của bánh đà thành điện năng Mặt khác, khi bánh đà sạc, động cơ điện biến năng lượng điện thành cơ năng tích trữ trong bánh đà Động cơ điện thường có các đặc điểm như hình 2.14, có hai vùng hoạt động rõ rệt là mômen không đổi và vùng công suất không đổi Trong vùng mômen không đổi, điện áp của động cơ điện tỷ lệ với vận tốc góc của nó và mômen không đổi Tuy nhiên, trong vùng công suất không đổi, điện áp không đổi và mômen bị suy yếu khi vận tốc góc của động cơ tăng dần

Công suất của động cơ điện có thể được giảm thiểu bằng cách thiết kế tốc độ góc hoặc tốc độ cơ bản của nó ωb, bằng tốc ban đầu của bánh đà ω0 Điều này cho thấy rằng dải tốc độ hoạt động hiệu quả của bánh đà phải trùng với vùng tốc độ không đổi của động cơ điện Công suất của máy điện có thể được giảm thiểu sau:

Bánh đà Động cơ điện

Một ưu điểm khác đạt được khi trùng dải tốc độ hoạt động của bánh đà với dải tốc độ công suất không đổi là điện áp của máy điện luôn không đổi, do đó đơn giản hóa đáng kể hệ thống quản lý điện, chẳng hạn như bộ chuyển đổi DC / DC

Hình 2.14: Mômen xoắn và cấu hình điện áp so với tốc độ quay

Mặc dù tốc độ quay cao hơn có thể làm tăng đáng kể năng lượng tích trữ, nhưng có một giới hạn mà độ bền kéo σ của vật liệu cấu thành bánh đà không thể chịu được ứng suất do lực ly tâm gây ra Ứng suất lớn nhất tác động lên bánh đà phụ thuộc vào dạng hình học, khối lượng riêng ρ và tốc độ quay của nó Lợi ích tối đa có thể đạt được bằng cách sử dụng vật liệu bánh đà có tỷ lệ tối đa là σ / ρ Chú ý rằng nếu tốc độ của bánh đà bị giới hạn bởi độ bền của vật liệu, thì năng lượng riêng theo lý thuyết tỷ lệ với tỷ số σ / ρ Bảng dưới sẽ tóm tắt các đặc tính của một số vật liệu composite cho bánh đà tốc độ cực cao:

Bảng 2 6: các đặc tính của một số vật liệu composite Độ kéo dài s (MPa)

Mômen xoắn không đổi, điện áp tăng và từ thông không đổi

Công suất không đổi, điện áp không đổi và từ trường suy yếu

Nguyên lý ứng suất không đổi có thể được sử dụng để thiết kế bánh đà siêu tốc Để đạt được mức tích trữ năng lượng tối đa, mọi phần tử trong rôto phải được ứng suất như nhau đến giới hạn tối đa của nó Điều này dẫn đến một hình dạng có độ dày giảm dần khi tiến gần đến 0 khi bán kính tiến tới vô cùng, như trong Hình 2.15

Hình 2 15: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống bánh đà

Do tốc độ quay cực cao và để giảm tổn thất khí động học và tổn thất ma sát, vỏ bên trong bánh đà khi quay luôn được hút chân không cao và sử dụng các ổ trục từ tính không tiếp xúc Động cơ điện là một trong những thành phần quan trọng nhất trong hệ thống bánh đà, vì nó có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất của hệ thống Hiện tại, động cơ điện một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu (PM) thường được sử dụng trong hệ thống bánh đà Ngoài việc sở hữu mật độ công suất cao và hiệu suất cao, động cơ

DC không chổi than PM có một ưu điểm duy nhất là không có nhiệt được tạo ra bên trong rôto PM, điều này đặc biệt cần thiết cho rôto làm việc trong môi trường chân không để giảm thiểu thất thoát gió

Trái ngược với việc áp dụng bánh đà tốc độ cực cao để lưu trữ năng lượng trong các nhà máy, ứng dụng của nó cho ô tô điện gặp phải hai vấn đề chính Đầu tiên, lực

Bánh đà Ổ trục từ tính Chân không Ổ trục từ tính

Rotor của động cơ điện

Stator của động cơ điện

36 quay vòng xảy ra bất cứ khi nào một chiếc xe khởi hành, chẳng hạn như khi quay đầu và lên hoặc xuống dốc Các lực này về cơ bản làm giảm khả năng cơ động của xe Thứ hai, nếu bánh đà bị hỏng, năng lượng tích trữ của nó ở dạng cơ học sẽ được giải phóng trong một khoảng thời gian rất ngắn Công suất tương ứng được giải phóng sẽ rất cao, có thể gây hư hỏng nặng cho xe Ví dụ, nếu một bánh đà 1 kWh bị vỡ ra trong vòng 1 đến 5 giây, nó sẽ tạo ra công suất cực lớn từ 720 đến 3600 kW Do đó, ngăn chặn trong trường hợp hỏng hóc hiện là trở ngại đáng kể nhất để thực hiện bánh đà tốc độ cực cao trong ô tô điện

Cách đơn giản nhất để giảm lực quay vòng là sử dụng nhiều bánh đà nhỏ hơn Bằng cách vận hành chúng theo cặp (một nửa quay theo hướng này và nửa quay theo hướng ngược lại Thực tế, nó vẫn còn một số vấn đề liên quan đến việc phân phối và phối hợp các bánh đà Ngoài ra, năng lượng và công suất của tất cả các bánh đà có thể nhỏ hơn một bánh đà Tương tự, cách đơn giản nhất để giảm thiểu thiệt hại do gãy bánh đà tốc độ cao là áp dụng nhiều mô-đun nhỏ, nhưng điều này có nghĩa là hiệu suất của xe bị giảm năng lượng và công suất Gần đây, một biện pháp ngăn chặn mới đã được đề xuất Thay vì giảm độ dày của vành rôto về 0 dựa trên nguyên lý ứng suất tối đa, độ dày vành được mở rộng có chủ đích Do đó, vùng cổ ngay trước vành (gần như là cầu chì cơ học) sẽ bị đứt trước ngay khi rôto bị hỏng Do việc sử dụng cầu chì cơ học này, chỉ năng lượng cơ học được lưu trữ trong vành cần được giải phóng hoặc tiêu tán trong vỏ khi hỏng hóc

Nhiều công ty và cơ quan nghiên cứu đã tham gia vào việc phát triển bánh đà siêu tốc làm kho lưu trữ năng lượng của ô tô điện Tuy nhiên, công nghệ bánh đà siêu tốc vẫn còn sơ khai Thông thường, toàn bộ hệ thống bánh đà siêu tốc có thể đạt được năng lượng riêng từ 10 đến 150 Wh / kg và công suất riêng từ 2 đến 10 kW Công ty LLIL đã chế tạo một nguyên mẫu (đường kính 20 cm và cao 30 cm) có thể đạt tốc độ 60.000 vòng / phút, 1 kWh và 100 kW.

Kết hợp giữa các công nghệ lưu trữ năng lượng

Kết hợp các công nghệ lưu trữ năng lượng là kết hợp hai hay nhiều công nghệ tích trữ năng lượng với nhau để phát huy hết ưu điểm của từng loại và có thể bù đắp được nhược điểm của từng loại Ví dụ, việc kết hợp giữa pin hóa học với siêu tụ điện có thể khắc phục các vấn đề như công suất riêng thấp của pin điện hóa và năng lượng

37 riêng thấp của siêu tụ điện, do đó đạt được năng lượng riêng cao và công suất riêng cao

Về cơ bản, kết hợp giữa các nguồn năng lượng bao gồm hai bộ lưu trữ năng lượng cơ bản: một loại có năng lượng riêng cao và một loại có công suất riêng cao Hoạt động cơ bản của hệ thống này được minh họa trong hình 2.16 Trong các hoạt động đòi hỏi năng lượng cao, chẳng hạn như tăng tốc và leo dốc, cả hai bộ tích trữ năng lượng cơ bản đều cung cấp năng lượng của chúng cho tải như thể hiện trong hình 2.16 (a) Mặt khác, trong hoạt động có nhu cầu điện năng thấp, bộ lưu trữ năng lượng riêng cao sẽ cung cấp năng lượng của nó cho tải và sạc bộ lưu trữ công suất riêng cao để phục hồi điện tích bị mất trong quá trình vận hành nhu cầu điện năng cao, như được minh họa trong hình 2.16 (b) Trong hoạt động phanh tái tạo, công suất cực đại sẽ được hấp thụ bởi bộ lưu trữ năng lượng riêng cao và chỉ một phần được hấp thụ bởi bộ lưu trữ năng lượng cụ thể cao Bằng cách này, toàn bộ hệ thống sẽ có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn nhiều so với nếu chỉ một trong số chúng là nơi lưu trữ năng lượng

Hình 2.16: Hoạt động của kết hợp các nguồn lưu trữ năng lượng Dựa trên các công nghệ sẵn có của các công nghệ lưu trữ năng lượng khác nhau, có một số phương án kết hợp khả thi cho ô tô điện, điển hình là kết hợp giữa pin và acquy, kết hợp giữa pin và siêu tụ điện Loại thứ hai khả dụng hơn vì siêu tụ điện có thể cung cấp năng lượng cao hơn nhiều so với pin, và nó kết hợp với nhiều loại pin khác nhau để tạo thành sự kết hợp giữa pin và siêu tụ điện Nhược điểm chính của cấu hình này là không thể chủ động kiểm soát dòng điện và không thể sử dụng hết năng lượng của siêu tụ điện Trong tương lai, bánh đà siêu tốc sẽ thay thế pin trong bộ kết hợp lưu trữ năng lượng để có được hệ thống lưu trữ hiệu quả cao, nhỏ gọn và tuổi thọ cao cho ô tô điện

Nhu cầu điện năng cao

Nhu cầu điện năng thấp

Lưu trữ năng lượng riêng cao

Lưu trữ năng lượng riêng cao

Lưu trữ năng lượng riêng cao

Lưu trữ công suất riêng cao

Lưu trữ công suất riêng cao

Lưu trữ công suất riêng cao

Bộ chuyển đổi năng lượng

Bộ chuyển đổi năng lượng

Bộ chuyển đổi năng lượng

Dòng điện sơ cấp Dòng điện thứ cấp Năng lượng tái tạo

Công nghệ sạc ô tô điện

Sơ lược chung về sạc xe ô tô điện

3.1.1 Phân loại các cấp độ sạc

Mức sạc xe điện được chia thành 3 cấp độ, dựa trên tốc độ và công suất Mức sạc cấp độ 1, 2 và 3 là ba thuật ngữ chung đề cập đến tốc độ sạc pin cho xe điện

Hình 3.1: Chỉ số của các cấp độ sạc

Mỗi xe ô tô điện đều được đính kèm với một cáp sạc cấp độ 1 Nó tương thích với các trạm sạc ô tô điện trên toàn cầu, không tốn chi phí lắp đặt và có thể cắm vào bất kì ổ cắm điện 120V nối đất tiêu chuẩn

Công suất của bộ sạc L1 đạt mức 2,4 kW, khôi phục thời gian sạc lên đến 8 km/h, khoảng 65 km/8h Điểm yếu của bộ sạc này là tốc độ sạc chậm

Bộ sạc cấp độ 2 chạy ở điện áp đầu vào cao hơn 240V và thường được nối dây cố định với mạch 240V chuyên dụng để trong nhà xe

CÁC CẤP ĐỘ SẠC Điện áp

Bộ sạc cấp 2 nhanh hơn cấp 1 với điện áp tăng gấp đôi Những bộ sạc L2 phổ biến ở các trạm sạc công cộng Nhiều nhà sản xuất ô tô đề nghị chủ xe lắp bộ sạc L2 trong nhà hoặc garage nếu có thể

Các trạm sạc L2 công suất ở mức 12 kW, có thể sạc được cho xe điện chạy được quãng đường 20 km/h, khoảng 160 km/8h Tuy nhiên nếu muốn thực hiện một chuyến đi dài hơn phạm vi hoạt động của xe điện, thì cần có kế hoạch sạc hợp lý

+ Mức sạc cấp độ 3 (L3) – điện một chiều DC

Bộ sạc cấp 3 là bộ sạc xe điện nhanh nhất hiện nay Chúng thường sử dụng với điện áp 480V hoặc 1000V, dòng điện hơn 100A và thường không được trang bị tại nhà Tùy thuộc vào nguồn điện sẵn có mà có thể sạc đầy xe điện trong vòng 20 – 30 phút Chúng phù hợp với các khu vực có mật độ giao thông cao

Bộ sạc L3 hiện nay vẫn chưa được phổ biến Hiện tại, ba loại chính là

Supperchargers của Tesla, SAE CSS hoạt động với một số xe điện châu Âu còn

CHAdeMO hoạt động với một số xe điện châu Á

Tiêu chuẩn bộ sạc CHAdeMO lên đến 400 kW và đang phát triển lên phiên bản

900 kW Tesla Supperchargers thường sạc ở mức công suất 72 kW – 250 kW Có công suất cao như vậy là vì bộ sạc L3 bỏ qua cáp sạc mà sạc trực tiếp cho pin

Sạc tốc độ cao chỉ có thể sạc lên tới 80% dung lượng Sau 80% hệ thống quản lý pin sẽ tự điều chỉnh tốc độ sạc thấp nhất có thể để bảo vệ pin

Hình 3.2: Đồ thị về tốc độ sạc nhanh của ô tô điện

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sạc

- Dung lượng pin của xe điện

Dung lượng pin xe điện được tính bằng KWh Nếu dung lượng pin càng lớn thì năng lượng trữ được càng nhiều, tương đương với thời gian sạc lâu

Khi xả pin liên tục và sạc đầy lại ở mức 100%, hiệu năng pin yếu đi, dung lượng pin suy giảm nhanh chóng Vì thế, các nhà sản xuất thiết kế để pin chỉ nạp 85% thay vì nạp tới mức 100% dung lượng

Trong quá trình sử dụng pin ô tô điện, người dùng nên duy trì mức pin từ 20% - 85% và chỉ sạc đầy khi có nhu cầu tận dụng tối đa phạm vi vận hành của xe Điều này giúp bảo vệ pin và rút ngắn thời gian sạc Việc sử dụng dưới mức 20% dẫn tới hiện tượng chai pin, giảm tuổi thọ của pin

- Tốc độ nguồn của trạm sạc điện

Công suất trạm sạc là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian nạp điện cho xe Hiện nay, có 3 loại sạc phổ biến là sạc chậm, sạc nhanh và sạc siêu tốc Trong đó, sạc nhanh và sạc chậm thường lắp đặt tại nhà hoặc các điểm sạc công cộng Sạc siêu tốc chỉ xuất hiện ở những điểm sạc chuyên dụng hoặc các trung tâm dịch vụ

Tốc độ sạc (in kW)

Pin được sử dụng trên xe hiện nay phần lớn là pin lithium, hay còn gọi là pin thể lỏng Loại pin này có hai điện cực bằng kim loại đặt vào trong chất điện phân là muối lithium lỏng Khi sạc pin, các hạt ion di chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương và theo chiều ngược lại khi xả nên thời gian nạp kéo dài Ngoài ra, việc tăng dung lượng pin thể lỏng cũng đòi hỏi chi phí đắt đỏ Để giải quyết những hạn chế của pin lithium, công nghệ pin thể rắn được đề xuất và hướng tới Theo đó, pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn, hai điện cực và chất điện phân xếp thành ba lớp chồng lên nhau Vì thế, pin thể rắn có kích thước nhỏ gọn nhưng dung lượng chứa cao hơn hẳn pin lithium

Ngoài ra, tốc độ di chuyển từ cực âm sang dương của các ion trong thiết kế pin thể rắn nhanh nên thời gian sạc pin nhanh hơn Các chuyên gia tính toán pin thể rắn có dung lượng chứa cao hơn từ 2-5 lần, thời gian sạc nhanh hơn từ 6-10 lần so với pin thể lỏng có kích cỡ tương đương Như vậy, người dùng chỉ mất khoảng 20 phút sạc là có thể di chuyển được quãng đường trên 500km.

Quá trình sạc dòng AC

Sạc dòng AC cho phép ô ô điện được sạc bằng cách cung cấp nguồn AC trực tiếp từ lưới điện tới ô tô Sạc AC có thể là một pha hoặc ba pha, các mức độ điện áp và tần số lưới điện có thể khác nhau giữa các quốc gia Sạc AC sử dụng bo mạch để có thể chuyển đổi nguồn điện xoay chiều từ lưới điện thành dòng điện một chiều hoặc nguồn

Cổng kết nối với trạm sạc Đầu cáp sạc kết nối với trạm sạc

43 điện một chiều để sạc pin Ô tô có cổng sạc được tiêu chuẩn hóa và cáp sạc được sử dụng để kết nối cổng sạc của xe với cổng sạc của trạm sạc AC Bộ sạc trên bo mạch cần nhẹ (thường dưới 5 kg) và nhỏ gọn do giới hạn về tải trọng cho phép và không gian trong ô tô Hạn chế của bộ sạc này là hạn chế về công suất đầu ra vì hạn chế về kích thước và trọng lượng

3.2.2 Hoạt động của bộ sạc dòng AC

Khi trạm sạc và ô tô điện được kết nối với nhau, bộ điều khiển sạc trong trạm sẽ giao tiếp với ô tô điện Thông tin liên quan đến kết nối, tình trạng lỗi và giới hạn dòng điện được trao đổi giữa bộ sạc và ô tô điện

Khi nguồn AC được cung cấp cho xe, bộ sạc trên bo mạch có bộ chỉnh lưu chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC Sau đó, bộ điều khiển nguồn sẽ điều chỉnh thích hợp điện áp và dòng điện của bộ chuyển đổi DC/DC để điều khiển nguồn sạc được cung cấp cho pin

Bộ điều khiển điện lần lượt nhận được đầu vào từ hệ thống quản lý pin (BMS) để kiểm soát sạc pin BMS theo dõi các thông số pin như nhiệt độ dòng điện áp, sau đó nó cung cấp đầu vào cho bộ điều khiển điện để kiểm soát công suất sạc được cung cấp bởi bộ chuyển đổi DC / DC

Ngoài ra, có một mạch bảo vệ bên trong bo mạch của bộ sạc BMS kích hoạt các mạch bảo vệ nếu vượt quá giới hạn hoạt động của pin và cô lập pin nếu cần thiết cho sự an toàn

3.2.3 Các loại đầu nối của sạc dòng AC

Mạch an toàn Ô tô điện

AC Bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ điều khiển năng lượng

Giám sát pin Điều khiển

Hình 3.4: Sơ đồ hoạt động của bộ sạc dòng AC

Ngành công nghiệp ô tô điện chưa thống nhất về một đầu nối AC cụ thể, vì vậy tùy thuộc vào thương hiệu xe hơi và quốc gia, đầu nói khác nhau về hình dạng, kích thước và cấu hình chân cắm Một trong những lý do chính là sự khác biệt về điện áp xoay chiều và tần số Nói chung, đầu nối AC có hai hoặc nhiều chân lớn để truyền tải điện năng và một số chân nhỏ hơn để giao tiếp Các loại đầu nối AC được sử dụng rộng rãi trên thế giới, đó là:

- Đầu nối loại 1, hầu hết được sử dụng ở Hoa Kỳ và Nhật Bản

Nó được sử dụng để sạc với dòng AC một pha Bao gồm 5 chân: hai chân AC, chân mass và hai hân tín hiệu Hai chân tín hiệu là chân phát hiện khoảng cách được sử dụng để đảm bảo kết nối giữa ô tô điện và bộ sạc, chân còn lại là chân cắm điều khiển để kiểm soát quá trình sạc Có điện áp 120V hoặc 240V và dòng điện tối đa lên đến 80A

- Đầu nối loại 2, hầu hết được sử dụng ở Châu Âu, bao gồm cả đầu nối của xe Tesla

Hình 3.6: Đầu nối loại 2 Đầu nối loại 2 gồm 2 chân tín hiệu để điều khiển và thí điểm gần và năm chân lớn, kết hợp cả sạc AC và DC trong một đầu nối duy nhất Năm chân nguồn được sử dụng cho các pha trung tính (N), các đường dây (L1, L2, L3) và chân nối mass (PE)

Do đó, đầu nối có thể được sử dụng cho cả sạc AC một pha và ba pha Điện áp một pha 230V và dòng điện tối đa lên đến 80A, điện áp ba pha 400V và dòng điện tối đa lên đến 63A

- Đầu nối loại 3, được sử dụng ở Châu Âu nhưng ngày càng bị loại bỏ bởi các đầu nối loại 2

- Đầu nối độc quyền được Tesla sử dụng cho ô tô của mình ở Hoa Kỳ

Hình 3.7: Đầu nối Tesla sử dụng ở US Đầu nối Tesla bao gồm hai chân tín hiệu nhỏ để điều khiển và ba chân nguồn lớn hơn, kết hợp cả sạc AC và DC trong một đầu nối duy nhất Ba chân nguồn được sử dụng là Trung tính (N) và pha dòng (L1) và mass (PE) Đầu nối chỉ có thể sử dụng để sạc AC một pha Công suất sạc tối đa 17,2 kW khi kết nối với ổ cắm AC 240V Đầu nối loại 1 và loại 2 có hai chân tín hiệu phổ biến là điều khiển và thí điện gần

+ Thí điểm gần kiểm tra xem đầu nối của xe có được kết nối đúng cách với đầu vào của xe hay không Nếu kết nối không được thiết lập đúng cách, Thí điểm gần sẽ phát hiện ra và toàn bộ quá trình sẽ bị vô hiệu hóa để đảm bảo an toàn

+ Chân đặc biệt thứ hai là chân điều khiển và nó được sử dụng để điều khiển dòng sạc Chân điều khiển liên tục gửi tín hiệu biến thiên độ rộng xung tới xe Bằng cách này, nó cho xe biết dòng điện tối đa có thể được rút ra từ trạm sạc Imax Sau đó, chiếc xe có thể điều chỉnh dòng điện mong muốn Iac, miễn là giá trị này nhỏ hơn Imax

Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển của hai chân tín hiệu

Sạc AC thường cần một bộ chuyển đổi nguồn AC / DC Tuy nhiên, motor và bộ biến tần điều khiển động cơ chuyển đổi nguồn DC từ pin thành nguồn AC cho động cơ cũng có thể được sử dụng làm bộ sạc tích hợp cho pin để chuyển đổi AC / DC Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của bộ chuyển đổi nguồn AC / DC riêng cho bộ sạc tích hợp Vì bộ chuyển đổi công suất hệ thống truyền động thường có công suất cao > 100kW, điều này cũng có nghĩa là ô tô điện có thể đạt tốc độ khá cao > 22kW Thách thức là thiết kế bộ truyền động động cơ và bộ điều khiển của nó để cung cấp chức năng kép là sạc ô tô điện khi đứng yên và khi chuyển động

Một ví dụ của việc triển khai này là Renault ZOE EV cung cấp sạc nhanh AC tích hợp 43kW Renault đã sử dụng một hộp nối giúp điều chỉnh hoạt động của động cơ và các bộ phận truyền động động cơ để được sử dụng làm bộ sạc EV trên bo mạch

Giám sát kết nối giữa EV và trạm sạc

Chân điều khiển Dòng điện tối đa Imax

Dòng điện hiện tại Iac

Hình 3.9: Động cơ Renault ZOE

3.2.5 Tính toán công suất và thời gian sạc dòng AC

Quá trình sạc dòng DC

Bộ sạc nhanh DC thay thế các trạm sạc cấp 1 và cấp 2 và được thiết kế để sạc xe điện một cách nhanh chóng với công suất điện dao động trong khoảng 50 kW – 350 kW Với hoạt động công suất cao, bộ chuyển đổi AC / DC, bộ chuyển đổi DC / DC và các mạch điều khiển công suất trở nên lớn hơn và đắt hơn Đó là lý do tại sao bộ sạc

DC được thực hiện như một bộ sạc tách rời thay vì như bộ sạc tích hợp để nó không chiếm dung lượng bên trong xe và bộ sạc nhanh có thể được dùng chung cho nhiều người dùng

3.3.2 Hoạt động của bộ sạc dòng DC

Trong bước đầu tiên, dòng điện xoay chiều do lưới điện xoay chiều cung cấp được chuyển đổi thành dòng điện một chiều bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu bên trong trạm sạc DC

Sau đó, bộ điều khiển nguồn sẽ điều chỉnh thích hợp điện áp và dòng điện của bộ chuyển đổi DC / DC bên trong trạm sạc để điều khiển nguồn DC được cung cấp để sạc pin

Trạm sạc DC Bộ điều khiển sạc

Bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ điều khiển năng lượng

Giám sát pin Điều khiển

Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động của bộ sạc dòng DC

Có các mạch bảo vệ và khóa an toàn được sử dụng để ngắt nguồn điện đầu nối

EV và dừng quá trình sạc bất cứ khi nào có tình trạng lỗi hoặc kết nối không đúng giữa ô tô điện và bộ sạc

Hệ thống quản lý pin (BMS) đóng vai trò chính là giao tiếp với trạm sạc để kiểm soát điện áp và dòng điện cung cấp cho pin và vận hành các mạch bảo vệ trong trường hợp không an toàn

3.3.3 Các đầu nối của sạc dòng DC

Có năm loại đầu nối sạc DC được sử dụng trên toàn cầu:

- CCS-combo 1, được sử dụng chủ yếu ở Hoa Kỳ

Hình 3.12: Đầu nối CSS-combo 1

- CCS-combo 2, được sử dụng chủ yếu ở Châu Âu

Hình 3.13: Đầu nối CSS-combo 2

50 Đầu cáp sạc vào xe của combo 1 và combo 2 nằm ở bên trái và đầu vào xe ở bên phải Đầu cáp sạc của combo 1 và 2 được lấy từ đầu nối AC loại 1 và loại 2, tương ứng và giữ lại chân mass và hai chân tín hiệu cụ thể là chân điều khiển và thí điểm gần Ngoài ra, hai chân cắm nguồn DC được bổ sung để sạc nhanh Trên đầu vào của xe, cấu hình chân cắm ở phần trên giống với phần đầu nối AC loại 1 và loại 2 để sạc

AC trong khi hai chân dưới cùng được sử dụng để sạc DC

Nói chung, bộ sạc CCS có thể cung cấp lên đến 350A ở điện áp từ 200 – 1000V cho công suất đầu ra tối đa là 350 kW Các giá trị này liên tục được cập nhật để đáp ứng các yêu cầu về điện áp và công suất của ô tô điện mới

- Đầu nối Chademo, được sử dụng trên toàn cầu cho các dòng xe do Nhật bản chế tạo

Hình 3.14: Đầu nối Chademo Đầu nối Chademo là đầu nối EV loại 4 và có 3 chân nguồn và 6 chân tín hiệu như trong hình Chademo sử dụng mạng vùng điều khiển hoặc giao thức CAN trong các chân giao tiếp để truyền tín hiệu Tính đến thời điểm hiện tại, các mức điện áp, dòng điện và công suất của chademo là 50 – 500V, tối đa 400A nên cho công suất đỉnh là 200kW Trong tương lai, dự kiến sẽ tạo điều kiện cho việc sạc ô tô điện lên đến 1000V và 400kW

- Đầu nối Tesla, cũng được sử dụng để sạc dòng AC

Hình 3.16: : Đầu nối Tesla sử dụng ở US

Bộ sạc tesla DC giống như bộ sạc dòng AC có hai chân tín hiệu, hai chân nguồn

DC và một chân nối mass Tesla hiện cung cấp sạc điện một chiều lên tới 120kW và con số này dự kiến sẽ tăng lên trong tương lai

- Trung Quốc có đầu nối riêng của họ, dựa trên tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc

Hình 3.17: Đầu nối tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc Đầu nối này có 5 chân nguồn: 2 cho nguồn DC, 2 cho nguồn phụ điện áp thấp và một cho mass Có 4 chân tín hiệu: hai chân dành cho thí điểm gần và hai chân dành cho giao tiếp CAN Hiện nay, bộ sạc này có thể cung cấp lên tới 750 – 1000V và dòng điện lên đến 250A

3.3.4 Hạn chế của sạc dòng DC

Tính năng sạc dòng DC khá hấp dẫn bởi vì sạc được năng lượng cao với thời gian sạc ngắn Nhưng năng lượng sạc nhanh không thể tăng lên vô hạn Đó là do hạn chế về kỹ thuật:

- Dòng sạc cao hơn dẫn đến tổn thất tổng thể cao hơn cả trong bộ sạc và pin Khi dòng sạc tăng lên, dung lượng hiệu dụng của pin cũng giảm theo

- Tốc độ sạc của pin tăng lên khi sạc nhanh và điều này làm giảm tuổi thọ pin do nhiệt sinh ra và tăng suy giảm do nhiệt độ cao hơn

- Khi sạc dòng DC, trạng thái điện tích của pin chỉ có thể đạt đến 70 – 80% Điều này là do sạc nhanh tạo ra độ trễ giữa điện áp và trạng thái sạc và hiện tượng này tăng lên khi pin đang được sạc nhanh hơn Do đó sạc nhanh thường được thực hiện ở vùng dòng điện không đổi của quá trình sạc pin và sau đó, năng lượng sạc bị giảm ở điện áp không đổi

- Đối với bất kỳ bộ sạc EV nào, điều quan trọng là cáp phải linh hoạt và nhẹ để mọi người sử dụng và kết nối nó với ô tô Với công suất sạc cao hơn, cần phải có cáp dày hơn để cho phép dòng sạc nhiều hơn, nếu không nó sẽ nóng lên do mất mát Trong tương lai với dòng điện trên 250V, cáp sạc sẽ trở nên nặng và kém linh hoạt hơn khi sử dụng Giải pháp sẽ là sử dụng cáp mỏng hơn với tính năng làm mát và quản lý nhiệt để đảm bảo rằng cáp không bị nóng lên Tất nhiên, điều này phức tạp và tốn kém hơn so với việc sử dụng cáp mà không làm mát.

Sạc pin li-ion

Sạc pin li-ion là một thiết bị giới hạn điện áp tương tự như hệ thống axit chì Sự khác biệt nằm ở chỗ: điện thế cao hơn trên mỗi cell, dung sai điện áp chặt chẽ hơn (~1%) Trong khi axit chì cung cấp sự linh hoạt trong điều kiện áp bị cắt thì các nhà sản xuất pin li-ion rất nghiêm ngặt về việc thiết lập chính xác bời vì li-ion không thể chấp nhận quá áp Hầu hết các pin li-ion sạc đến 4.20 V/cell với dung sai +/- 50m V/cell) (~1,2%) Điện áp cao có thể làm tăng công suất, nhưng quá trình oxy hóa pin là nguyên nhân sẽ làm giảm tuổi thọ pin Quan trọng hơn là nếu sạc ngoài 4.20 V/cell thì nguy cơ mất an toàn rất cao

Hình 3.18: Tín hiệu điện áp và dòng điện của pin li-ion qua các giai đoạn

Từ hình ta thấy quá trình sạc kết thúc khi dòng sạc giảm xuống dưới 3% so với dòng sạc ban đầu ở giai đoạn 2

Sạc pin li-ion gồm 2 giai đoạn: sạc dòng không đổi (sạc ổn dòng) và sạc bão hòa (sạc ổn áp)

Hình 3.19: Hai giai đoạn sạc pin li-ion gồm: sạc ổn dòng và sạc ổn áp Điện áp Dòng điện sạc

Giai đoạn 1 Điện áp tăng tại dòng điện không đổi

Giai đoạn 2 Điện áp đạt đỉnh, Dòng điện giảm

Dung lượng sạc Điện áp không đổi Điện áp sạc

Dòng điện sạc (%) Điện áp pin (V)

3.4.1 Quá trình sạc ổn dòng Đây là quá trình sạc với dòng không đổi, trong giai đoạn này dung lượng nằm trong khoảng 0,1 – 0,5C ( C là dung lượng [Ah] của pin) Tăng dòng sạc không đẩy nhanh trạng thái sạc đầy nhiều Mặc dù pin đạt đến đỉnh điện áp nhanh hơn với sạc nhanh nhưng sạc bão hòa sẽ mất nhiều thời gian cho phù hợp Mức dòng sạc áp dụng chỉ đơn giản là thay đổi thời gian cần thiết cho từng giai đoạn: Giai đoạn 1 sẽ ngắn hơn nhưng giai đoạn bão hòa 2 sẽ mất nhiều thời gian Sạc dòng cao sẽ nhanh chóng đáp ứng pin đến khoảng 70%

Dòng điện càng lớn thì sẽ làm tăng nhiệt độ pin Trong quá trình sạc cần theo dõi nhiệt độ sát sao vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể làm cho pin bốc cháy hoặc phát nổ

Thông thường nhiệt độ không nên vượt quá 45 0 C Một số pin li-ion sự dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độ khi sạc lên đến 60 0 C Một số bộ sạc nhanh chỉ thực hiện bơm dòng ổn định vào pin ( sạc ổn dòng) Do đó, giới hạn về nhiệt độ lớn hơn đồng nghĩa với việc dòng điện sạc lớn hơn hay thời gian sạc sẽ ngắn hơn

Trong quá trình sạc ổn dòng, điện áp trên 2 đầu cực pin tăng dần Khi điện áp đạt bằng sức điện động của pin lúc đầy, bộ sạc kết thúc quá trình sạc ổn dòng và chuyển sang sạc chế độ sạc ổn áp Toàn bộ thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng

1 giờ ( tùy thuộc vào dung lượng còn lại ban đầu của pin) Kết thúc quá trình sạc ổn dòng, dung lượng pin đã phục hồi lại được khoảng 70%

Trong nhiều trường hợp sạc nhanh người ta có thể đem sử dụng ngay Điều này mặc dù làm giảm bớt thời gian sạc đồng thời làm cho thiết kế của bộ sạc đơn giản hơn rất nhiều nhưng mặt khác sẽ làm giảm tuổi thọ pin Để đảm bảo tuổi thọ pin theo đúng thông số nhà sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành cả giai đoạn 2: sạc ổn áp – thường mất thời gian hơn rất nhiều so với giai đoạn sạc ổn dòng

3.4.2 Quá trình sạc ổn áp

Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng 4,2 V/cell

Do dung lượng của pin phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm cho dòng điện giảm dần Khi dòng điện giảm về nhỏ hơn 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc

Lúc này dung lượng pin đạt khoảng 99% Khác với ắc quy acid-chì, pin li-ion không cần và không được phép duy trì sạc sau khi pin đã đầy vì tính chất của pin lithium-ion không cho phép sạc quá mức Nếu vẫn cố sạc quá mức có thể sẽ làm nóng pin và gây ra nổ Ngoài ra, theo các chuyên gia, không nên sạc pin li-ion vượt quá 100% dung lượng vì vậy sẽ làm giảm tuổi thọ của pin

Nếu pin được sạc đầy, sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của pin sẽ giảm dần về mức ổn định khoảng 3,6 – 3,9 V/cell Trái lại, nếu chỉ sạc nhanh (sạc ổn dòng) thì sau khi ngừng sạc, áp pin sẽ giảm sâu hơn về khoảng 3,3 – 3,5 V/cell Do pin lithium- ion cũng có tính chất tự phóng điện khi không sử dụng nên trong một số trường hợp, để sạc đầy pin, ngoài việc sử dụng quá trình ổn dòng, ổn áp, người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn

Chẳng hạn khi điện áp pin đạt 4,2 V/cell, quá trình sạc sẽ dừng ngay Lúc này, điện áp pin sẽ giảm dần, khi điện áp pin giảm còn 4,05 V/cell hệ thống sạc lại tiếp tục đóng áp sạc 4,2 V/cell để tiếp túc quá trình sạc áp Việc đóng ngắt như vật diễn ra liên tục Nhờ vậy, điện áp pin được giữ ổn định trong khoảng 4,05 – 4,2 V/cell, do đó làm pin được nạp lâu hơn, tránh được hiện tượng sạc quá mức và kéo dài tuổi thọ pin

3.4.3 Over-charging (sạc quá mức) và over-discharging (xả quá mức)

Pin lithium-ion hoạt động an toàn trong điện thế vận hành được chỉ định Tuy nhiên, pin trở nên không ổn định nếu vô tình sạc vào một điện áp cao hơn so với quy định Sạc kéo dài trên 4,3 V hình thành quá trình mạ của kim loại trên anode, khi các vật liệu cathode trở thành một tác nhân oxy hóa, mất ổn định và tạo ta carbon dioxide (CO2) Áp lực pin tăng lên và nếu sạc vẫn được tiếp tục, thiết bị ngắt dòng sẽ chịu trách nhiệm về an toàn pin ngắt kết nối dòng ở 1.380 kPa (200psi) Nếu áp lực tăng cao hơn nữa khoảng 3.45 kPa (500psi) có thể xảy ra nổ và cháy pin

Pin lithium-ion không được xả quá thấp và có một số biện pháp bảo vệ để ngăn chặn điều này xảy ra Thiết bị ngắt sẽ dừng dòng điện khi pin xả đến khoảng 3,0

V/cell Nếu quá trình vẫn tiếp tục xả đến khoảng 2,7 V/cell hoặc thấp hơn, mạch bảo vệ của pin đặt pin vào một chế độ ngủ Điều này làm cho các bộ phận pin không bền vững và nạp lại hầu hết các bộ sạc là không thể Để ngăn chạn pin rơi vào trạng thái ngủ người ta áp dụng sạc một phần trước thời gian lưu trữ lâu dài

Một số nguyên tắc khi sạc pin lithium-ion

Thiết bị sử dụng nên được tắt khi sạc Điều này cho phép pin đạt được điện áp ngưỡng mà không bị cản trở và phản hồi dòng bão hòa chĩnh xác để kết thúc quá trình sạc

+ Một tải phụ sẽ làm rối quá trình sạc

+ Sạc ở nhiệt độ vừa phải

+ Pin lithium-ion không cần được sạc đầy, chỉ cần ngừng sử dụng bộ sạc khi pin quá nóng

+ Không sạc thấp dưới điểm đông

+ Trước khi bảo quản lâu dài, nên sạc 50% pin

3.5.1 Tốc độ sạc và xả của pin

Ngày nay, ngành công nghiệp pin sử dụng C-rate theo tỷ lệ dòng sạc và xả của pin Hầu hết pin di động ở mức 1C, có nghĩa là một pin 1000mAh được xả với tỷ lệ 1C nên trong điều kiện lý tưởng cung cấp được dòng 1000mAh trong 1 giờ Xả pin tương tự ở 0,5C sẽ cung cấp dòng 500mA trong 2 giờ, và tại 2C, pin 1000mAh sẽ cung cấp dòng 2000mAh trong 30 phút 1C cũng được hiểu như xả 1 giờ, 0,5C là 2 giờ và 2C là xả nửa giờ

Dung lượng pin, hoặc lượng năng lượng pin có thể nắm giữ, có thể được đo bằng một máy phân tích pin Các phân tích phóng điện ở dòng điện tiêu chuẩn khi đo thời gian bao lâu để đạt đến giới hạn điện áp của quá trình phóng điện Một dụng cụ hiện thị các kết quả về đánh giá công suất của pin sẽ hiện thị 100% nếu pin 1000mAh có thể cung cấp 1000mAh trong 1 giờ Nếu quá trình phóng điện kéo dài trong 30 phút trước khi đạt giới hạn điện áp ngắt của quá trình phóng điện thì pin có công suất 50%

Khi xả pin bằng bộ phân tích pin có khả năng áp dụng tốc độ khác nhau thì tốc độ cao hơn sẽ đem lại số ghi công suất thấp hơn và ngược lại Bởi vậy xả pin

1000mAh tại 2C hay 2000mAh là nhanh hơn, pin tốt nhất nên cung cấp đầy đủ công suất trong 30 phút Trong thực tế, điện trở trong pin chuyển hóa một số năng lượng thành nhiệt và làm giảm khả năng dẫn đến khoảng 95% hoặc ít hơn Xả pin cùng một lúc 0,5C hay 500mAh hơn 2 giờ có thể sẽ tăng công suất lên trên 100%

57 Để đạt được công suất tốt, các nhà sản xuất thường đánh giá theo axit chì tại 0,05C hay xả 20 giờ Ngay cả ở tốc độ xả chậm này, pin ít khi đạt công suất 100% Các nhà sản xuất cung cấp hiệu suất để điều chỉnh cho sự khác biệt trong khả năng nếu thải ra với tốc độ cao hơn so với quy định Hình dưới minh họa lần xả pin axit chì ở tải khác nhau được thể hiện trong C-rate

Hình 3.20: Các đường cong tốc độ phóng điện của pin

Trong khi pin chì và nickel-based có thể được phóng điện với tốc độ cao, pin li0ion có thể thiết kế mạch an toàn với cathodes cobalt ngăn chặn phóng điện trên 10C và ngưỡng dòng được đặt cao hơn cho phù hợp

3.5.2 Chế độ sạc nhanh pin li-ion

Sạc nhanh đang là một nhu cầu rất lớn đối với những chiếc xe điện và bộ sạc nhanh đã có trong nhiều năm gần đây Hầu hết các loại pin NiCd và những sản phẩm đặc biệt của pin li-ion, có thể được sạc ở tốc độ rất cao lên đến 70% trạng thái sạc

Tại một tỷ lệ 10C hoặc 10 lần dòng định mức, một pin 1Ah về mặt lý thuyết được sạc trong 6 phút, nhưng có giới hạn

3.5.3 Phân loại các chế độ sạc pin

Các chế độ sạc pin được phân loại theo tốc độ sạc Gồm có 4 loại như sau:

Bảng 3.1: Phân loại theo chế độ sạc

Chế đố sạc Loại pin C-rate Thời gian sạc Nhiệt độ

Thời gian xả (giờ) Điện áp pin (V)

3.5.4 Điều kiện để sạc nhanh pin li-ion Để áp dụng được sạc nhanh, các điều kiện sau đây phải được tuân thủ:

- Pin phải được thiết kế để chấp nhận được sạc nhanh Kiểu pin có nhiều khối bị gặp giới hạn về khả năng chịu dòng điện Sạc nhanh chỉ áp dụng trong giai đoạn sạc đầu tiên Dòng sạc hạ xuống khi đã hoàn thành 70% dung lượng ngưỡng sạc Tất cả các cell trong hộp pin phải được ổn định và trong tình trạng tốt Pin cũ với điện trở trong cao sẽ nóng lên: chúng không còn phù hợp để sạc nhanh

- Sạc nhanh chỉ có thể được thực hiện dưới nhiệt độ vừa phải.Nhiệt độ thấp làm chậm quá trình phản ứng hóa học và năng lượng không được hấp thụ dẫn tới nơi tích tụ nhiệt Bộ sạc phải hạn chế sự tăng nhiệt độ và có các quy định an toàn khác để ngắt sạc nếu pin quá áp suất

- Nếu không chú ý đến những điều kiện này có thể gây ra hư hỏng nhanh chóng và có thể gây cháy nổ pin

3.5.5 Ảnh hưởng của sạc nhanh đến tuổi thọ của pin

Hình 3.21 so sánh chu kỳ tuổi thọ của pin lithium-ion khi sạc và xả tại 1C, 2C và 3C Chu kỳ sạc và xả 1C gây ra một sự sụt giảm dung lượng từ 650mAh xuống

550mAh sau 500 chu kỳ, phản ánh sự sụt giảm còn 84% Chu kỳ sạc và xả 2C thì dung lượng mất dần còn 310mAh, tức là giảm đến còn 47% và với 3C pin hỏng chỉ sau 360 chu kỳ với dung lượng còn lại 26%

Hình 3.21: Chu kỳ nạp và xả của pin li-ion ở mức 1C, 2C và 3C

Sạc và xả pin Li-ion trên 1C làm giảm tuổi thọ pin Các nhà sản xuất khuyến cáo nên sử dụng sạc và xả chậm hơn nếu có thể và điều này áp dụng cho hầu hết các pin Mặc dù pin vận hành tốt với tốc độ sạc chậm của 1C và ít hơn, chúng ta phải ghi nhớ rằng một số ứng dụng đòi hỏi tốc độ sạc và xả cao và người dùng buộc phải chấp nhận tuổi thọ pin giảm

Lưu ý 3 thông số ảnh hưởng đến pin lithium-ion khi thiết kế bộ sạc pin như sau: + Điện áp của pin: 48V, đảm bảo sai số không quá 1% (+/- 50mV/cell)

+ Dòng sạc: ~1C (chế độ sạc nhanh)

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin Lithium-ion

Giới thiệu chung

Pin lithium-ion là loại pin có thể sạc lại trong đó các ion lithium di chuyển từ điện cực âm đến cực dương trong quá trình xả, và trở lại khi sạc Pin li-ion sử dụng một hợp chất lithium làm vật liệu điện cực:

+ Vật liệu làm điện cực dương là oxit kim loại điển hình như: Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), phủ trên một cực điện góp bằng lá nhôm

+ Vật liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbon phủ trên một cực điện góp

Công nghệ này trở này nguồn năng lượng chuẩn của thị trường trên một mảng rộng và tính năng của pin Li-ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các phạm vi ứng dụng khác nhau Nhằm đáp ứng yêu cầu của thị trường, các thiết kế ngày càng được cải tiến và phát triển, bao gồm những pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm pin được thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah) Hiện nay pin Li-ion được ứng dụng rộng rãi trong các đồ điện tử như pin điện thoại, máy tính xách tay, mạng điện tử quân đội, trong radio, máy dò mìn và dự đoán pin li-ion còn được ứng dụng trong kinh khí cầu, tầu không gian, vệ tinh

Pin li-ion cho tốc độ tự phóng điện thấp và có dải nhiệt độ hoạt động rộng (nạp điện ở nhiệt độ từ -20 0 C đến 60 0 C, phóng điện được ở nhiệt độ từ -40 0 C đến 65 0 C) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng rãi Điện thế của pin li-ion có thể đạt trong khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gấp 3 lần so với pin NiCd hay pin NiMH Pin li-ion có thể cho khả năng phóng điện tốc độ cao

Bên cạnh những ưu điểm thì pin li-ion có những ưu điểm nhất định:

Bảng 4.1: Ưu điểm và nhược điểm của pin Li-ion Ưu điểm Nhược điểm

- Giải nhiệt độ hoạt động rộng

- Tốc độ tự phóng chậm

- Giá trung bình ban đầu cao

- Giảm khả năng khi nhiệt độ cao

- Khả năng phóng điện có tốc độ và công suất cao

- Hiệu quả năng lượng điện lượng cao

- Năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao

- Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện

- Dung lượng bị giảm hoặc nóng lên khi bị quá tải

- Bị thủng và có thể bị tỏa nhiệt khi ép

Hiện nay các công trình nghiên cứu về pin li-ion vẫn tiếp tục được tiến hành và trên cơ sở các kết quả thu được có thể chế tạo các điện cực chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp.

Cấu tạo pin li-ion

Pin li-ion có cấu tạo gồm 3 thành phần cơ bản: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân Ngoài ra còn có một số thành phần khác

Hình 4.1: Cấu tạo pin li-ion

Các vật liệu dùng làm điện cực dương là các oxit kim loại Lithium dạng LiMO2 trong đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn hay các hợp chất thay thế một phần cho nhau giữa các kim loại M Pin Li-ion đầu tiên được hãng Sony sản xuất và đưa ra thị trường dùng LiCoO2 làm điện cực dương

Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn2O4 (Spinel) hoặc các vật có dung lượng cao hơn như LiNi1-xCoxO2 Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

+ Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium

+ Có thể kết hợp một lượng lớn Lithium

+ Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li+

+ Hệ số khuếch tán ion Li+ lớn

+ Không tan trong dung dịch điện li

+ Giá thành rẻ Đặc trưng điện áp và dung lượng của vật liệu làm điện cực dương được thống kê trong bảng sau:

Bảng 4.2: Đặc trưng điện áp và dung lượng của vật liệu làm điện cực dương

Loại vật liệu Dung lượng riêng

Thể tích trung bình Ưu – nhược điểm

LiCoO2 155 3,88 Thông dụng, giá cả đắt

LiNi0,7Co0,3O2 190 3,7 Giá thành trung bình

LiNi0,8Co0,2O2 205 3,73 Giá thành trung bình

LiNi0,9Co0,1O2 220 3,76 Có dung lượng riêng cao nhất

LiNiO2 200 3,55 Phân li mạnh nhất

LiMn2O4 120 4,0 Mn rẻ, tính độc hại thấp, ít phân li

Từ bảng trên ta thấy tùy vào vật liệu làm pin sẽ quyết định dung lượng và thể tích trung bình của pin

Loại pin Li-ion đầu tiên do hãng Sony sản xuất dùng than cốc làm điện cực âm Vật liệu nền than cốc cho dung lượng tương đối cao 180 mAh/g và bền trong dung dịch propylene thay thế bởi graphitic, đặc biệt là mesocarbon microbead (MCMB) carbon MCMB carbon cho dung lượng riêng cao hơn 300 mAh/g và diện tích bề mặt nhỏ, vì vậy việc làm thấp dung lượng là không thể và tính an toàn cao Mới đây, các loại hình carbon được sử dụng làm điện cực âm đã được đa dạng hóa Một số pin dùng graphite tự nhiên, khả dụng với giá thành rất thấp, mặc dù việc thay thế carbon cứng cho dung lượng cao hơn với vật liệu graphite

Tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon khác nhau được thống kê trong bảng sau:

Bảng 4.3: Tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon

Dung lượng không đảo ngược được

Từ bảng trên ta thấy vật liệu làm điện cực âm sẽ quyết định dung lượng pin

Chất điện phân phải được lựa chọn cẩn thận để chịu được môi trường oxy hóa khử ở cả phía cực âm và cực dương mà không bị phân hủy hoặc suy giảm Ngoài ra, chất điện phân phải ổn định trong khoảng nhiệt độ chấp nhận được Có bốn loại chất điện phân được sử dụng trong pin Li-ion: chất điện phân dạng lỏng, chất điện phân dạng gel, chất điện phân cao phân tử (polyme) và chất điện phân dạng gốm

+ Chất điện phân dạng lỏng: là những muối chứa ion Li+ (LiPF6, LiClO4) được hòa tan và các dung môi hữu cơ có gốc carbonate (EC, EMC) Thông thường chất điện phân lỏng là dung dịch của các muối lithium trong dung môi hữu cơ Tuy nhiên, hiện chất điện phân lỏng hữu cơ có thể có khả năng bắt lửa trong các điều kiện chạy bằng nhiệt hoặc đoản mạch do tính chất dễ bay hơi và dễ cháy của dung môi có độc tính cao Chất điện phân cũng phải lành tính với môi trường và có thể được sản xuất với chi phí thấp

+ Chất điện phân dạng gel: là loại vật liệu dẫn ion được tạo ra bằng cách hòa tan muối và dung môi trong polyme với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel Có thể tránh được vấn đề rò rỉ và độ dẫn ion của chất điện phân gel có thể tăng lên đáng kể so với độ dẫn điện của chất điện phân polyme Trong việc chuẩn bị chất điện phân gel, người ta có thể tăng độ nhớt bằng cách thêm các polyme hòa tan Ngoài ra, người ta có thể ngâm chất nền polyme microporous vào chất điện phân

+ Chất điện phân dạng polymer: là dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion được hình thành thông qua sự hòa tan muối lithium trong vật liệu polyme có khổi lượng phân tử lớn Những ưu điểm của chất điện phân polyme so với chất điện phân lỏng là các đặc tính an toàn được cải thiện do độ bay hơi thấp, tính linh hoạt trong thiết kế và tiềm năng loại bỏ các dải phân cách Các quy trình đơn giản hóa có thể giảm chi phí đáng kể Tương tự như các chất điện phân khác, chất điện phân polymer phải ổn định trong các điều kiện hoạt động của pin Li-ion từ các khía cạnh điện hóa, nhiệt và cơ học Để duy trì độ ổn định cơ học tốt, độ dẫn ion sẽ bị giảm

+ Chất điện phân dạng gốm: Là vật liệu vô cơ ở trong trạng thái rắn có khả năng dẫn ion Li+ Ưu điểm khi sử dụng chất điện phân gốm là an toàn chẳng hạn như không cần thêm dung môi hữu cơ dễ cháy Những loại pin có chất điện phân gốm này có thể được ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao Một ưu điểm thú vị khác khi sử dụng chất điện phân gốm cho các ứng dụng nhiệt độ cao là độ dẫn ion của chất điện phân gốm tăng khi nhiệt độ tăng Điều này là do sự tạo ra và di chuyển của các ion Chất điện phân gốm sẽ được sử dụng trong pin Li-ion thế hệ tiếp theo trên xe điện vì hiệu suất an toàn tuyệt vời có thể nâng cao sự tin tưởng và chấp nhận của khách hàng

Mỗi loại chất điện phân có các ưu điểm khác nhau Nhưng nói chung, các chất điện phân này phải có khả năng dẫn ion li+ tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như độ ẩm, không khí

Dung môi được sử dụng rất đa dạng, bao gồm các hợp chất carbonate, ete và hợp chất acetate, chúng được dùng thay thế cho chất điện phân khô Tiêu điểm hiện này của ngành công nghiệp là các hợp chất carbonate, chúng có tính bền cao, tính an toàn tốt và có tính tương thích với các vật liệu làm điện cực

Các dung môi carbonate nguyên chất điển hình có độ dẫn thực chất dưới 10- 7S/cm, hằng số điện môi lớn hơn 3 và dung hợp các muối Lithium cao Một số dung môi hữu cơ được dung như: ethylene carbonate (EC), plopylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), dimethylether (DME), acetonitrile (AN), tetrahydrofuran (THF), butyrolacton

Bộ phân tách là thành phần thiết yếu của pin Li-ion Trên thực tế, bộ phân cách được sử dụng phổ biến trong hầu hết các hệ thống điện hóa chất lỏng, bao gồm pin nhiên liệu, tụ điện và các loại pin khác nhau Bộ phân tách trong pin Li-ion đóng vai trò quan trọng để tránh tiếp xúc vật lý trực tiếp giữa cực âm và cực dương, và ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch xảy ra Đồng thời, bộ phân tách cho phép các ion liti trong chất điện phân đi qua nó Các thiết bị phân tách phải ổn định về mặt hóa học khi tiếp xúc với cả chất điện phân và điện cực Đồng thời, nó được yêu cầu về cơ học chắc chắn để chịu được sức căng và sự đâm thủng của vật liệu điện cực Mặc dù nhiều bộ phân tách khác nhau, bao gồm màng polyme microporous, thảm vải không dệt và màng vô cơ, nhưng màng polyme dựa trên vật liệu polyolefin vi sợi vẫn được sử dụng chủ yếu trong pin Li-ion thương mại với chất điện phân lỏng

Các màng polyme microporous có thể được làm rất mỏng (thường khoảng ~ 25 μm) và có độ xốp cao (thường là 40%) để giảm điện trở và tăng cường độ dẫn ion Đồng thời, màng polyme vẫn có thể bền về mặt cơ học Các thông số khác phải được xem xét khi lựa chọn màng polyme microporous là năng suất hoặc độ co ngót thấp, tính thấm, khả năng thấm ướt và chi phí Một lợi thế khác khi sử dụng màng polyme

67 microporous làm bộ phân tách là với vật liệu tổng hợp nhiều lớp được thiết kế phù hợp, bộ phân tách có thể đóng pin trong trường hợp đoản mạch hoặc chạy quá nhiệt, hoạt động tương tự như cầu chì nhiệt Yêu cầu phải có ít nhất hai bộ phận chức năng trong bộ phân tách: một bộ phận sẽ nóng chảy để đóng các lỗ và bộ phận còn lại cung cấp độ bền cơ học để tiếp tục cách ly cực dương và cực âm

Nhìn chung, các bộ phân tách dùng trong pin Lithium ion phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

+ Có độ bền cơ học cao

+ Không bị thay đổi kích thước

+ Không bị đánh thủng bởi các vật liệu làm điện cực

+ Kích thước các lỗ xốp nhỏ hơn 1m

+ Dễ bị thấm ướt bởi chất điện phân.

Phân loại pin li-ion

Pin Li-ion được chế tạo theo các định dạng khác nhau, thường có 2 nhóm là: dạng hình trụ và dạng hình lăng trụ

4.3.1 Pin li-ion dạng trụ

Pin Li-ion dạng trụ được chế tạo bằng cách cuộn các dải dài của tấm catot, tấm ngăn cách và tấm anot lại với nhau và chèn vào một vỏ hộp bằng thép không gỉ hoặc nhôm cứng Vỏ hộp chứa đầy chất điện phân lỏng, các lỗ an toàn được lắp vào phía trên và các điện cực được hàn vào các cực bên ngoài của pin.Mặt cắt ngang của một pin Li-ion dạng trụ được mô tả trong hình sau:

Hình 4.2: Mặt cắt ngang một pin Li-ion dạng trụ

4.3.2 Pin li-ion dạng lăng trụ phẳng

Pin lăng trụ có cấu tạo giống pin dạng trụ, sử dụng vỏ hình chữ nhật phẳng để giảm độ dày tổng thể của pin Cụm điện cực và bộ phân tách có thể được cuộn lại, như với các ô hình trụ, hoặc nó có thể là một chồng hình chữ nhật gồm các điện cực riêng lẻ Các cực pin có thể được đặt làm miếng đệm tiếp xúc ở phía trên hoặc bên cạnh của vỏ

Hình 4 3: Mặt cắt của một pin Li-ion dạng lăng trụ

Nguyên tắc hoạt động của pin li-ion

Nguyên tắc hoạt động của pin li-ion dựa vào sự tách các ion Li+ từ vật liệu điện cực dương đi vào các khoảng trống ở vật liệu điện cực âm Các vật liệu dùng làm điện cực thường được quét lên bộ góp bằng đồng (với vật liệu điện cực âm) hoặc bằng nhôm (với vật liệu điện cực dương) tạo thành các điện cực cho pin li-ion, các cực này được đặt cách điện để đảm bảo an toàn và tránh bị tiếp xúc dẫn đến hiện tượng đoản mạch

Trong quá trình nạp, vật liệu điện cực dương đóng vai trò là chất oxi hóa còn vật liệu điện cực âm đóng vai trò là chất khử, tại cực dương, các ion Li+ được tách ra và đi vào giữa các lớp graphite carbon Trong quá trình phóng thì quá trình xảy ra ngược lại, ion Li+ tách ra từ cực âm và đi vào những khoảng trống giữa các lớp oxi trong vật liệu điện cực dương Các quá trình phóng và nạp của pin li-ion không làm thay đổi cấu trúc của các vật liệu dùng làm điện cực

4.4.1 Các phản ứng tại các điện cực

Các phản ứng điện hóa bao gồm sự dịch chuyển tại một bề mặt ranh giới điện cực – dung dịch, chúng thuộc loại phản ứng được coi là quá trình không đồng nhất Động lực của các phản ứng không đồng nhất này thường được quy định bởi sự tách và thêm các ion thông qua quá trình phóng và quá trình nạp Mô hình của quá trình điện hóa trong một pin Li-ion được phác họa như sau:

Hình 4.4: Phác họa quá trình điện hóa trong Pin Li-ion

4.4.2 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực – dung dịch điện phân

Sự xen vào của ion Li+ xảy ra trong khoảng 0,2V – 0V, điện tích tiêu thụ trong khoảng 0,8V – 0,2V là do sự khử của các thành phần điện phân (lớp chuyển tiếp không gian) và các phản ứng xảy ra từ các chất điện phân có trạng thái nhiệt động ổn định Quá trình đó diễn ra liên tục cho đến khi bề mặt điện cực được bao bọc hoàn toàn và độ dày lớp chuyển tiếp xuất hiện ít nhất đủ để tạo ra hiệu ứng xuyên hầm của các điện tử

Các điều kiện mà từ đó pin được thành quyết định các tính chất và độ dày của lớp chuyển tiếp, độ dày của lớp chuyển tiếp có thể thay đổi trên cùng một điện cực Sự tạo thành lớp ổn định là điều kiện quyết định tới sự tạo thành pin Mặt khác, sự khử chất điện phân tiếp tục xảy ra, lớp chuyển tiếp cũng rất quan trọng để có cấu trúc ổn định của cực âm graphite Nếu không có lớp chuyển tiếp, sẽ rất nguy hiểm bởi các phân tử dung môi và dẫn tới sự phá hủy cấu trúc graphite Tính chất của lớp chuyển tiếp ảnh hưởng đến một số yếu tố quan trọng của pin trong quá trình sử dụng: độ an toàn, hiện tượng tự phóng, dung lượng pin và việc sử dụng pin ở nhiệt độ thấp cũng như nhiệt độ cao

Quá trình nạp Quá trình phóng

Những thách thức của pin lithium-ion

Công nghệ này được coi là tương đối hoàn thiện dựa trên hóa học pin hiện tại Pin Li-ion đã được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị điện tử di động Pin Li-ion cũng sẽ được xem xét trong lưới năng lượng bền vững để lưu trữ năng lượng bền vững được tạo ra từ các nguồn tái tạo Nhu cầu lưu trữ năng lượng ngày càng tăng đòi hỏi những cải tiến hơn nữa trong pin Li-ion hiện có và sự phát triển của pin Li-ion thế hệ tiếp theo, đặc biệt là để giảm giá thành của pin Li-ion Việc phát triển hóa học pin mới để thay thế công nghệ pin Li-ion hiện tại vẫn còn rất nhiều thách thức Để tăng mật độ năng lượng pin li-ion, cần tìm các cặp điện cực có cả dung lượng riêng cao và điện áp tế bào hoạt động cao Có một số chất có thể làm tăng đáng kể công suất riêng, đặc biệt với cực dương có gốc Si- và Sn- Tuy nhiên, việc điều chế Si trên quy mô lớn với chi phí thấp vẫn còn nhiều thách thức, Sn gặp phải vấn đề về hiệu suất chu kỳ kém do quá trình nghiền nát bột Ngược lại với cực dương, cực âm chủ yếu bị hạn chế bởi công suất thấp Vật liệu làm cực âm hiện có của LiCoO2 rất đắt và có độc tính cao, LiFePO4 có dung lượng thấp Các vật liệu làm cực âm trong tương lai nên có gắng tránh sử dụng Co và Ni hoặc các nguyên tố độc hại khác, tránh gây ô nhiễm môi trường Các cực âm hỗn hợp với hai hoặc ba kim loại rất có triển vọng Để đảm bảo sự mở rộng thị trường xe chạy bằng pin Li-ion, các nhà sản xuất ô tô nên đầu tư vào hệ thống quản lý pin nhằm nâng cao tính an toàn của pin Ngoài ra, nên phát triển các loại pin Li-ion không cháy, bao gồm các loại pin Li-ion dựa trên chất điện phân dạng nước hoặc chất điện phân gốm, và các loại pin hoàn toàn ở trạng thái rắn Do đó, cần phải nghiên cứu chuyên sâu để hiểu rõ hơn về các vật liệu điện cực đó về độ ổn định và tương tác với chất điện phân, cũng cần phải ngày càng chú trọng đến tính an toàn của pin Các quy trình kiểm tra an toàn được tiêu chuẩn hóa nên được áp dụng rộng rãi

Tìm hiểu thực tế trên xe Tesla Model 3

Hình 5.1: Xe ô tô điện tesla model 3 2017 Bảng 5.1:Thông số kỹ thuật: Ô tô điện tesla model 3 2017 Động cơ Động cơ điện xoay chiều

Vị trí đặt động cơ Phía sau (dẫn động cầu sau)

Tesla model 3 là một chiếc sedan được vận hành bằng pin do hãng Tesla sản xuất , việc sản xuất model 3 bắt đầu vào năm 2017 Mẫu xe model 3 này sử dụng pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng và vận hành với thông số pin:

Loại pin Lithium-ion Đường kính 21 mm

Mật độ năng lượng 150 Wh/kg

Hình 5.2: Mô phỏng chung của xe tesla model 3

- Các thành phần bên trong bộ điều khiển động cơ của xe tesla model 3:

Hình 5.3: Tụ điện trên tesla model 3

Model 3 sử dụng tụ điện liên kết với hai mục đích chính : nó duy trì điện áp một chiều ở trạng thái ổn định và đóng vai trò như một thiết bị lưu trữ năng lượng để cung cấp chênh lệch công suất thực giữa tải và nguồn trong quá trình quá độ Ở trạng thái ổn định, công suất thực do nguồn cung cấp phải bằng nhu cầu công suất thực của tải cộng với một số công suất nhỏ khác Do đó, điện áp liên kết DC có thể được duy trì ở giá trị tham chiếu ban đầu Tuy nhiên, khi điều kiện tải thay đổi, cân bằng công suất thực giữa nguồn điện và tải sẽ bị xáo trộn Sự chênh lệch công suất thực này sẽ được bù bằng tụ điện liên kết DC, điều này làm thay đổi điện áp liên kết

DC khác với giá trị ban đầu Do đó, giá trị của dòng điện nguồn có thể đạt được bằng cách điều chỉnh điện áp trung bình của tụ điện liên kết Điện áp liên kết DC nhỏ hơn điện áp tham chiếu có nghĩa là công suất thực do nguồn cung cấp không đủ để cung cấp cho nhu cầu tải Do đó dòng nguồn (tức là công suất thực lấy từ nguồn) cần phải được tăng lên Trong khi điện áp liên kết DC lớn hơn điện áp tham chiếu sẽ cố gắng giảm dòng điện nguồn tham chiếu

Hình 5.4:Bộ biến tần trên tesla model 3

Biến tần trong ô tô điện dùng để chuyển đổi năng lượng một chiều từ pin cao áp thành dòng điện xoay chiều nhiều pha để truyền chuyển động cho động cơ kéo

Biến tần sử dụng các transistors làm công tắc đóng mở điện áp một chiều để tạo ra điện áp đầu ra AC Đầu ra của biến tần trong ô tô điện có dạng sóng hình sin và nó không chỉ tạo ra một đầu ra AC mà nó tạo ra ba Tốc độ chu kỳ điện áp từ dương sang âm và ngược lại có thể bị thay đổi để kiểm soát tốc độ quay của động cơ Bằng cách thay đổi tần số AC, sóng hình sin này sẽ tăng tốc hoặc chậm lại và dẫn đến động cơ thay đổi tốc độ điều này giúp cho động cơ điện có thể tạo ra mômen kéo hữu ích trên phạm vi tốc độ rất rộng

75 Đồng thời, khi giảm tốc độ, động cơ lúc này sẽ trở thành một máy phát điện để sạc lại cho pin Điều này giúp cải thiện phạm vi hoạt động trên đường - và kéo dài tuổi thọ của các bộ phận Vì vậy, khi động cơ hoạt động như một máy phát điện, nó tạo ra ba pha của nguồn điện xoay chiều hình sin Biến tần phải lấy những thứ này và chuyển đổi chúng thành một đầu ra DC duy nhất có điện áp cao hơn pin, để sạc chúng

+ Bộ chuyển đổi DC/DC:

Hình 5.5: Bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ chuyển đổi DC/DC chia làm 2 nhiệm vụ chính: chuyển đổi nguồn AC từ động cơ trong quá trình phanh sau khi nó đã được chỉnh lưu thành DC và là một thiết bị để chuyển đổi nguồn DC ở điện áp cao thành nguồn DC ở điện áp thấp để chạy các thiết bị điện trên xe

Do điện áp trên pin có thể không phù hợp với các thiết bị khác nhau đang được sử dụng trên xe, chính vì thế chúng ta cần 1 bộ chuyển đổi nguồn điện để có thể sử dụng được các thiết bị đó Pin của xe điện thường tạo ra vài trăm vôn DC Tuy nhiên, các thành phần điện bên trong xe khác nhau về yêu cầu điện áp của chúng, với hầu hết chạy ở điện áp thấp hơn nhiều Với các thiết bị bao gồm radio, bảng điều khiển, máy lạnh, máy tính và màn hình tích hợp sẵn Trong các loại xe điện sử dụng động cơ DC, trên thực tế, động cơ chạy có thể sử dụng điện áp gấp ba lần điện áp do pin cung cấp Với sự trợ giúp của bộ chuyển đổi phù hợp, chúng có thể thu hẹp khoảng cách này mà không cần phải sử dụng đến pin lớn hơn Ngoài ra, hầu như tất cả các bộ chuyển đổi DC-DC đều tiêu tán công suất dưới dạng nhiệt Nhiệt này phải được quản lý đúng cách để bộ chuyển đổi duy trì hoạt động trong giới hạn nhiệt độ khuyến nghị nhằm nâng cao độ tin cậy và ngăn ngừa hỏng hóc sớm

Chỉnh lưu trong ô tô điện có tác dụng chuyển đổi nguồn điện AC từ trạm sạc thành dòng điện DC để sạc vào pin trên ô tô Chức năng bình thường của nó là sạc pin và giữ chúng ở điều kiện tối ưu đồng thời cung cấp nguồn DC cho các tải khác Nó hoạt động tự động và liên tục đánh giá trạng thái và nhiệt độ của pin và các thông số hệ thống khác để đảm bảo điện áp ổn định và độ gợn sóng thấp

Giả sử cuộn cảm không có năng lượng dự trữ ban đầu Khi công tắc đóng, điện áp nguồn sẽ xuất hiện trên cuộn cảm và sẽ cố gắng truyền dòng điện đột ngột qua cuộn cảm Dòng điện sẽ tăng dần trừ khi nó đạt đến giá trị cuối cùng của dòng điện Đồng thời, điện áp trên cuộn cảm sẽ giảm trừ khi nó về không Khi cuộn cảm trên đã tích điện và đã ngắt khỏi nguồn điện áp Năng lượng được tích trữ sẽ được thải ra tải điện trở và sẽ bị tiêu tán trong điện trở Dòng điện sẽ tiếp tục chạy cùng chiều và sẽ giảm dần về không cũng như hiệu điện thế trên cuộn cảm Nhưng nếu cuộn cảm bị ngắt kết nối và không được kết nối với bất kỳ tải nào, do đó dòng điện sẽ dừng đột ngột do không có đường dẫn đóng

Tesla model 3 có phạm vi hoạt động là 350 km với khả năng tăng tốc từ 0 – 100 km/h trong 5,3s Và quá trình sạc dòng AV (240V) với 47,5 km trong 1 giờ và quá trình sạc dòng DC (sạc nhanh) có thể lên tới 209 km trong 30 phút Đồng thời model 3 cũng mang cho mình khả năng tự lái Vì vậy, Tesla model 3 là xe ô tô điện bán chạy nhất trong lịch sử v

Giải pháp lưu trữ năng lượng được coi là hiện đại và phổ biến nhất hiện nay là nằm ở các trang bị động cơ trên xe và hệ thống pin có khả năng lưu trữ năng lượng tốt Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, nhiều loại pin có hiệu suất cao hơn vẫn đang được nghiên cứu nhằm đưa vào sử dụng phổ biến Trong đó, pin Lithium-ion là lựa chọn lý tưởng nhất của các hãng xe cho đến thời điểm hiện tại Nhưng bên cạnh đó còn có các giải pháp lý tưởng khác như là siêu tụ điện và hệ thống bánh đà siêu tốc cũng đang được nghiên cứu và áp dụng

Với những đặc tính nổi trội trên, đây là loại pin được ưu tiên ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là sản xuất pin cho ô tô điện Đối với năng lượng của xe điện từ pin, trong quá trình xe hoạt động hoàn toàn không diễn ra quá trình đốt cháy, nhờ vậy có thể loại bỏ được tối đa nguy cơ gây cháy nổ Siêu tụ điện có thể cung cấp điện tích nhanh hơn nhiều so với pin và lưu trữ điện tích nhiều hơn so với tụ điện, tính trên một đơn vị thể tích Đó là lý do tại sao siêu tụ điện được coi là lai giữa pin và tụ điện Bánh đà siêu tốc dường như là một phương tiện khả thi để đáp ứng các yêu cầu lưu trữ năng lượng cho các ứng dụng ô tô điện, cụ thể là năng lượng cao, sạc nhanh chóng, các đặc tính không cần bảo trì, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường

Về hạn chế: Mặc dù ô tô điện là một giải pháp tốt để bảo vệ môi trường nhưng các nhà máy sản xuất về các thiết bị lưu trữ lại có thể gây ra ô nhiễm nếu không được xử lý đúng cách và về chi phí sản xuất pin cũng còn khá cao

Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Ts Nguyễn Văn Giao và các thầy cô trong viện cơ khí đã tạo điều kiện giúp đỡ em để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tp.HCM, tháng 11 năm 2022 Sinh viên thực hiện Trần Tiến Đạt vi