Nghiên cứu công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng trên xe điện

Nhờ ứng dụng vật liệu mớicho các điện cực và sử dụng chất điện phân thể rắn, khả năng lưu trữ của pin nềnLithium có thể tăng gấp đôi trong thập niên tới với giá thành thấp.. Ký hiệu Thứ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NẠP VÀ LƯU TRỮ

NĂNG LƯỢNG TRÊN XE ĐIỆN

Người hướng dẫn:

ThS Bùi Văn Hùng

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Duy Thành-1811504210335-18DL3 Bùi Gia Lễ-1811504210315-18DL3

Đà Nẵng, 6/2022

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng trên xe điện Nhóm sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp:

đề tài “Nghiên cứu công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng trên xe điện”

Dựa trên nền tảng lượng kiến thức đã được học, cả nhóm bắt tay vào tìm hiểunâng cao trong việc tìm ra những giải pháp mới trong quá trình nạp và lưu trữ nănglượng pin Qua đó góp phần nâng cao hiệu suất sử dụng cũng như phát triển nền ô tôđiện trong tương lai

Kết quả dự kiến đạt được là đã nghiên cứu thành công những giải pháp làmgiảm thời gian sạc và nâng cao khả năng lưu trữ của pin ô tô điện

KHOA CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Nguyễn Duy Thành 1811504210335 18DL3 Công nghệ kỹ thuật Ô tô

1 Tên đề tài đồ án:

Nghiên cứu công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng trên xe điện

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Lý thuyết ô tô, thiết kế ô tô, hệ thống điện – điện tử trên ô tô

3 Yêu cầu:

- Nghiên cứu về công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng trên xe điện

- Tính toán những thông số về hệ thống pin của mô hình để đưa ra những nhượcđiểm còn tồn đọng và khắc phục trong tương lai gần

4 Nội dung chính của đồ án:

- Tìm tài liệu liên quan

- Gia công chế tạo xe bán tải điện

- Tính toán năng lượng trên xe bán tải điện

LỜI NÓI ĐẦU

Mật độ năng lượng của pin thấp và thời gian nạp điện kéo dài là rào cản quantrọng làm hạn chế việc áp dụng rộng rãi xe điện hiện nay Nhờ ứng dụng vật liệu mớicho các điện cực và sử dụng chất điện phân thể rắn, khả năng lưu trữ của pin nềnLithium có thể tăng gấp đôi trong thập niên tới với giá thành thấp Việc nạp điện nhanhcũng rất hiện thực nhờ kết hợp chặt chẽ giữa lựa chọn vật liệu thích hợp cho điện cựcpin, điều chỉnh nhiệt độ nạp tối ưu và nâng cao công suất của các trạm nạp điện mộtchiều Khi pin thế hệ mới chưa được phổ biến và hệ thống nạp điện nhanh còn hạn chếthì công nghệ pin hoán đổi phù hợp với xe điện Việc quản lý hệ thống pin hoán đổi cóthể thực hiện tự động hoàn toàn với công nghệ IoT Nhờ những tiến bộ đó, xe điện làứng viên rất tiềm năng thay thế xe gắn máy sử dụng động cơ đốt trong trong tương laigần.

2 Lời cảm ơn

Đầu tiên, nhóm sinh viên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TrườngĐại học Sư phạm Kỹ thuật - Đà Nẵng đã đưa môn học “ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỘNGLỰC” vào khung chương trình giảng dạy Cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện về cơ

sở vật chất và môi trường học năng động để sinh viên theo học Đây chắc chắn sẽ làlần trải nghiệm nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình có thể áp dụng vào đời sống thực

tế Đồng thời, đây cũng là những kiến thức quý báu, là hành trang để nhóm sinh viênchúng em vững bước trong nghề nghiệp sau này

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn – ThS Bùi Văn Hùng đã hướng dẫn nhóm sinh viên chúng em thực hiện đồ án tốt nghiệp Nhờ

thầy truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu, chế tạo quý báu chochúng em đã hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp đúng thời hạn quy định của nhà trường.Trong suốt quá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏi sai sót do kiến thực còn hạn chế,chúng em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để chúng em có thể hoànthành sản phẩm của mình tốt hơn

Nhóm chúng em xin trân trọng cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện “ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỘNG LỰC” xin cam đoan:

Đề tài “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NẠP VÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯƠNG TRÊN

XE ĐIỆN” dựa trên sự cố gắng, nỗ lực của cả nhóm, giúp đỡ từ phía nhà trường và

dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy ThS Bùi Văn Hùng.

Mọi thông số kỹ thuật, số liệu phân tích, viết báo cáo, xây dựng mô hình đều donhóm sinh viên chúng em tự tìm hiểu, phân tích kỹ càng một cách khách quan, uy tín,trung thực, có nguồn gốc rõ ràng Nhóm chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu

có sự không trung thực trong quá trình nghiên cứu đề tài này

Đà Nẵng, ngày 21 tháng 6 năm 2022

Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Duy Thành Bùi Gia Lễ

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH v

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2

1.1 Xu hướng phát triển 2

1.2 Vấn đề về môi trường và năng lượng trong tương lai 2

1.3 Thách thức đối với ngành công nghệ ô tô, xe máy 3

1.3.1 Tác hại đối với môi trường và con người 3

1.3.2 Thách thức đối với ngành công nghiệp ô tô, xe máy 4

1.4 Mục đích, ý nghĩa của đề tài 5

1.5 Tính cấp thiết của đề tài 5

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Các loại Accu xe điện phổ biến 7

2.1.1 Accu acid-chì 7

2.1.2 Accu Nickel Metal Hydride (Ni-MH) 7

2.1.3 Accu Lithium-ion (Li-Ion) 8

2.1.4 Accu Nikel Cadmium (Ni-Cd) 8

2.2 Khả năng chịu nhiệt của pin xe ô tô điện [4] 9

2.3 Mức độ an toàn của pin Lithium xe điện [5] 10

2.4 Sơ đồ mạch điện pin xe điện 13

2.4.2 Pin kết nối song song 15

2.4.3 Pin kết nối kết hợp nối tiếp song song 16

2.5 Dự báo phát triển ô tô điện Việt Nam 16

2.6 Các công nghệ pin mới trong tương lai 17

2.6.1 Pin thể rắn –  hội tụ các yếu tố giúp người dùng sạc pin đầy chỉ sau 20 phút .17 2.6.2 Siêu tụ điện: Giải pháp thay thế pin Lithium-ion trên xe điện trong tương lai .18 Chương 3: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NẠP VÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRÊN XE ĐIỆN 22

3.1 Nghiên cứu công nghệ nạp 22

3.1.1 Các yếu tố quyết định tốc độ nạp pin xe điện 22

3.1.3 Các chuẩn sạc xe điện 32

3.1.4 Giải pháp hoán đổi accu xe điện 38

3.2 Nghiên cứu công nghệ lưu trữ pin trên xe điện 39

3.2.1 Tuổi thọ của các loại pin xe điện 39

3.2.2 Khả năng lưu trữ năng lượng pin Lithium-Ion 43

Chương 4: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PIN XE ĐIỆN 45

4.1 TÓM TẮT 45

4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 45

4.3 TÍNH TOÁN 47

4.3.1 Chọn các thông số chung của ô tô điện 47

4.3.2 Tính toán các thông số của pin Accu 51

4.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56

4.4.1 Kết quả 56

4.4.2 Thảo luận 56

KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 1.1 Ô nhiễm môi trường từ quá trình công nghiệp hóa 2

Hình 1.2 Ô nhiễm không khí do khí thải từ phương tiện giao thông 3

Hình 1 3 Ô nhiễm gây bệnh cho con người 4

Hình 2 1 Accu Acid-chì (6-DZF-12) 7

Hình 2 2 Pin NiMH 6.5A 8

Hình 2 3 Pin Lithium B-LFP12-100-LT 12V 100Ah 8

Hình 2 4 Pin Ni-Cd (AA 700mAh 1.2V) 9

Hình 2 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến pin Lithium xe điện 11

Hình 2 6 Chất điện phân trong quá trình sạc/xả pin Lithium xe điện 12

Hình 2 7 Kết nối nối tiếp [6] 14

Hình 2 8 Mắc nối tiếp pin [7] 14

Hình 2 9 Kết nối song song [6] 15

Hình 2 10 Mắc song song pin [8] 15

Hình 2 11 Mắc nối tiếp - song song của pin [8] 16

Hình 2 12 So sánh lợi thế sản xuất ô tô điện và ô tô truyền thống trong nước 17

Hình 2 13 Pin ô tô điện thể rắn ra đời nhằm giải quyết vấn đề pin thể lỏng gặp phải 18 Hình 2 14 Siêu tụ điện 19

Hình 3 1 Các yếu tố quyết định tốc độ nạp pin xe điện 22

Hình 3 2 Ba loại trạm sạc phổ biến hiện nay được phân loại theo tốc độ sạc 23

Hình 3 3 Ảnh hưởng nhiệt độ sạc điện đến hiệu suất của pin Lithium-ion chuẩn 25°C [15] 26

Hình 3 4 Các giai đoạn nạp điện Accu Lithium-Ion 27

Hình 3 5 Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của pin Accu acid-chì 28

Hình 3 6 Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của pin NiMH [20] 28

Hình 3 7 Thời gian sạc cho ô tô điện dùng accu 60 kWh khi sạc thường và sạc nhanh [29] 32

Hình 3 8 Các loại cổng sạc của xe ô tô điện 33

Hình 3 9 Sạc Level 1 33

Hình 3 10 Sạc Level 2 34

Hình 3 11 Sạc Level 3 35

Hình 3 13 Cổng sạc J1772 trên chiếc Nissan Leaf dành cho thị trường Mỹ 36

Hình 3 14 Cổng sạc chuẩn CHAdeMO trên Nissan Leaf thị trường Nhật Bản 36

Hình 3 15 Chân sạc trên VF e34 tiêu chuẩn châu Âu CCS 2 với cổng DC và Type 2 với cổng AC 37

Hình 3 16 Trạm sạc độc quyền dành riêng cho xe Tesla 37

Hình 3 17 Công nghệ hoán đổi accu ô tô điện 38

Hình 3 18 Công nghệ hoán đổi accu xe máy điện 38

Hình 3 19 Tuổi thọ các loại pin xe điện 40

Hình 3 20 Mật độ năng lượng của các loại accu 43

Hình 3 21 Dự báo khả năng lưu trữ và giá thành accu nền Lithium đến năm 2030 [45-4] 44

Hình 4 1 Các lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp tổng quát 49

Hình 4 2 Mô hình hệ thống pin xe điện 51

Hình 4 3 Pin acid-chì hãng XUPAI 51

Hình 4 4 Biểu đồ biểu diễn sự tiêu hao năng lượng pin trong một lần sử dụng (2h) 53

Hình 4 5 Biểu đồ biểu diễn quãng đường đi được của pin sau thời gian sử dụng 54

Hình 4 6 Biểu đồ so sánh thời gian sạc giữa pin XUPAI 6-DZF -12 & BSLBATT B-LFB12-100 LT 55

Bảng 2 1 So sánh hiệu suất giữa siêu tụ điện và Lithium-Ion 20

Bảng 3 1 Giới hạn điện áp khuyến nghị khi sạc và duy trì pin Accu acid-chì 29

Bảng 3 2 Giới hạn nhiệt độ cho phép đối với các loại pin khác nhau 29

Bảng 4 1 Thông số thiết kế xe 45

Bảng 4 2 Hệ số cản lăn của ô tô và máy kéo 47

Bảng 4 3 Hệ số cản K, diện tích cản chính diện F và nhân tố W 48

Bảng 4 4 Hệ số bám .48

Bảng 4 5 Thông số của 6-DZF 12 52

Bảng 4 6 So sánh các thông số của pin XUPAI 6 DZF -12 & BSLBATT B-LFB12-100 LT 58

Bảng 4 7 Sự đối lập các điểm chính của pin XUPAI 6 DZF -12 & BSLBATT B-LFB12-100 LT 59

Ký hiệu Thứ nguyên Diễn giải

EURO VI Bộ tiêu chuẩn khí thải châu Âu

EV (Electric Vehicle) Xe ô tô điện

IoT (Internet of Things) Mạng lưới vạn vật kết nối Internet

BMS (Building Management System) Hệ thống quản lý pin lưu trữ XFC (eXtreme Fast Charging) Công nghệ pin sạc siêu nhanh

IEEE (Institule of Electrical and Electronics Engineers) Bộ tiêu chuẩn về

thiết bị điện Off-Grid Hệ thống lưu trữ năng lượng điện độc lập

UPS (Uninterruptible Power Supply) Hệ thống lưu trữ điện dự phòng CCS (Combined Charging System) Hệ thống sạc điện kết hợp

SAE J1772 Cổng sạc xe điện theo tiêu chuẩn Bắc Mĩ

CHAdeMO Cổng sạc xe điện theo tiêu chuẩn Nhật Bản

DOD (Depth of Discharge) Độ xả sâu

MCU (Micro Controller Unit) Bộ điều khiển trung tâm

I pre [A] Dòng điện nạp trước

I fc [A] Dòng điện không đổi

I term [A] Dòng điện nạp nhanh

l bc [M] Chiều dài của accu

P [W] Công suất động cơ

ƞ Hệ số sử dụng của accu và thay đổi mức xả accu

t [h] Thời gian sử dụng sau khi sạc đầy

Z 1, Z 2 [N] Lực cản pháp tuyến của đường tác dụng lên hai bánh xe

N k [W] Công suất của cản của ô tô điện

N kdc [W] Công suất động cơ điện

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu đề tài:

Nghiên cứu các giải pháp công nghệ nhằm tối ưu công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng trên xe điện.

2 Đối tượng nghiên cứu:

Các công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng đang hiện hành trên các mẫu xe điện.

3 Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài chủ yếu nghiên cứu tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết đã có sẵn trong các giáo trình Nội dung chính là nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý của các công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng Khảo sát, tính toán các thông số thực tế trên xe bán tải điện Đưa ra một số giải pháp tối ưu cho ngành công nghiệp năng lượng trên xe điện trong tương lai.

4 Cấu trúc đồ án tốt nghiệp:

Đồ án gồm các nội dung như sau:

- Tổng quan đề tài

- Cơ sở lý thuyết

- Nghiên cứu công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng trên xe điện.

- Tính toán hệ thống pin xe điện

- Kết luận

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Xu hướng phát triển

Tốc độ phát triển của xã hội hiện đại đến chóng mặt đã làm thay đổi rất nhiềuthứ trên thế giới Con người với khối óc sáng tạo không ngừng đã phát minh ra những

cổ máy tối tân mà khi lịch sử nhìn lại không khỏi ngỡ ngàng Phát minh ra điện cũng

là một trong các phát minh đáng nể phục của còn người

1.2 Vấn đề về môi trường và năng lượng trong tương lai

1.2.1 Vấn đề môi trường toàn cầu

Hiện nay, chúng ta đang sống trong một thế giới có nhiều biến đổi lớn về môitrường: khí hậu biến đổi, nhiệt độ trái đất đang nóng lên, mực nước biển đang dânglên, sự xâm nhập của các loài ngoại lai ngày càng nhiều, các hệ sinh thái như rừng, đấtngập nước đang bị co hẹp lại và phân cách nhau, tốc độ mất mát các loài ngày cànggia tăng, ô nhiễm môi trường ngày càng nặng nề, dân số tăng nhanh, sức ép của côngnghiệp hóa và thương mại toàn cầu ngày càng lớn

Hình 1.1 Ô nhiễm môi trường từ quá trình công nghiệp hóa

Hậu quả của sự nóng lên toàn cầu:

Mực nước biển dâng cao từ 25 đến 140cm, băng tan sẽ nhấn chìm một vùng đấtliền rộng lớn, theo dự báo nếu tình trạng như hiện nay thì đến giữa thế kỷ này biển sẽtiến vào đất liền từ 5-7m độ cao Thời tiết thay đổi dẫn đến gia tăng tần suất thiên tainhư gió, bão, hỏa hoạn và lũ lụt

Kết luận: Với những tác động nhãn tiền của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạchtrong sinh hoạt, sản xuất và đặc biệt là phục vụ nhu cầu đi lại, con người đã buộc phảitìm kiếm các nguồn năng lượng mới xanh, sạch hơn Năng lượng sạch đem lại rấtnhiều lợi ích cho cuộc sống và nó đang dần dần thay thế cho nguồn năng lượng hóathạch Tương lai, các nguồn năng lượng sạch sử dụng tạo ra năng lượng điện sẽ lànguồn năng lượng được thế giới ưu tiên và phát triển Và để có thể lưu trữ nguồn nănglượng dồi dào đó thì pin đó là vật liệu không thể thiếu trong việc lưu trữ năng lượngđiện

Tuy nhiên lại có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin điện Điều này là

do nhiệt gây tổn hại cho chất hóa học Lithium-ion hoặc phản ứng hóa học xảy ra bêntrong pin

1.3 Thách thức đối với ngành công nghệ ô tô, xe máy

1.3.1 Tác hại đối với môi trường và con người

Môi trường của con người đang bị hủy hoại nghiêm trọng từ các nguồn ô nhiễmkhác nhau Một trong những nguồn ô nhiễm chủ yếu là khí thải của động cơ đốt trong,thiết bị cung cấp tới 80% tổng số năng lượng tiêu thụ trên thế giới Đây là nguồn gây ônhiễm lớn đối với không khí đặc biệt ở khu đô thị và khu đông dân cư Các quá trìnhtạo ra các khí gây ô nhiễm là quá trình đốt nhiên liệu động cơ: CO, CO2, SO2, NOX,

Pb, CH4, khói đen, chì, cát bụi đất đá và các dạng hạt khác cuốn theo trong quá trình

di chuyển

Hình 1.2 Ô nhiễm không khí do khí thải từ phương tiện giao thông

Các chất ô nhiễm nêu trên có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người Nhữngnghiên cứu về ô nhiễm không khí và sức khỏe tại các châu lục trên thế giới đã chỉ rõcác chất ô nhiễm khác nhau có ảnh hưởng khác nhau

 Oxit Cacbon : Có ảnh hưởng lớn đến tim và hệ tuần hoàn

 Ôzôn : Có ảnh hưởng phổi, hệ hô hấp và làm tăng bệnh hen

 Chì : Có ảnh hưởng đến não và hệ thần kinh

 Bụi : Có ảnh hưởng đến phổi và có thể đến tim

 Diezel : Các khí độc có thể gây ung thư ảnh hưởng đến hệ hô hấp

Hình 1 3 Ô nhiễm gây bệnh cho con người

1.3.2 Thách thức đối với ngành công nghiệp ô tô, xe máy

Chính vì vậy, việc đẩy mạnh các hoạt động nghiên cứu phát triển ô tô điện, xemáy điện sử dụng pin để vận hành là thực sự cần thiết để phục vụ cho nhu cầu đi lạitrong tương lai Bên cạnh đó nên có các chính sách hỗ trợ nhằm khuyến khích cácdoanh nghiệp đầu tư trong lĩnh vực này Xe điện thực sự mang lại những lợi ích to lớn,

vừa giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch Đó là tất cảnhững gì mà các nhà sản xuất xe ô tô, xe máy cũng như các nước thế giới đang hướngđến Nhưng nhiệt độ là một vấn đề lớn đối với xe điện, tương tự như động cơ đốttrong Nếu nhiệt độ làm việc của pin quá cao sẽ ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc vàquá trình vận hành của hệ thống pin, gây giảm tuổi thọ, gây hư hại cho các thiết bị bêntrong xe thậm chí có thể gây cháy nổ Đó là những vấn đề mà hệ thống pin xe điện gặpphải hiện nay Để quản lý nhiệt thoát ra từ pin Lithium-ion, cần có một hệ thống làmmát khắc phục những nhược điểm trên Đó là tất cả những gì mà các nhà sản xuất xe ô

tô điện, xe máy điện cũng như các nước thế giới đang hướng đến

1.4 Mục đích, ý nghĩa của đề tài

Hiện nay, xu thế chuyển dịch sang sử dụng xe điện thay thế các loại xe dùngnhiên liệu hóa thạch đang phát triển Với dòng xe điện, pin chính là “linh hồn”, là côngnghệ lõi của thiết kế xe điện, nó chiếm tỉ trọng lớn trong giá bán cũng như đòi hỏi trình

độ khoa học- công nghệ cao Theo thống kê từ các vụ cháy nỏ trên xe điện, nguyênnhân chủ yếu bắt nguồn từ pin của xe Do đó, sự đảm bảo chất lượng và tính năng antoàn của pin là một vấn đề quan trọng được đặt ra cho các nhà sản xuất

Do đó trọng tâm của đề tài ‘‘NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NẠP VÀ LƯUTRỮ NĂNG LƯỢNG TRÊN XE ĐIỆN” là nghiên cứu tổng quan hệ thống nạp, lưutrữ năng lượng, đặc tính, tính toán các chỉ tiêu quan trọng liên quan đến pin Để từ đó

so sánh, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng một cách

có hiệu quả cho pin trên xe điện và các phương tiện giao thông chạy bằng điện sử dụngpin Tìm ra một giải pháp cho vấn đề giảm thời gian sạc và tăng khả năng lưu trữ trongquá trình sử dụng pin của xe ô tô điện tránh các tác nhân hư hỏng, khó khăn trong quátrình sử dụng và lưu trữ pin

Hiểu được vấn đề này, nhóm sinh viên chúng em đã tập trung nghiên cứu côngnghệ nạp và lưu trữ năng lượng cho pin dùng cho xe điện với mong muốn rằng cảithiện hệ thống pin hoạt động ổn định, hiệu suất cao, kéo dài tuổi thọ, giảm chi phí sửachữa do pin gây ra Việc tận dụng ứng dụng công nghệ nạp và lưu trữ năng lượng chopin trong sản xuất sẽ giúp cho người dân tiết kiệm được kinh phí, làm giảm giá thànhsản phẩm, tăng thu nhập cho nguời dân, góp phần đẩy mạnh công cuộc hiện đại hóa,đảm bảo sự phát triển bền vững của đất nước

1.5 Tính cấp thiết của đề tài

Xe điện có nhiều ưu điểm: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, không tạo rakhí thải khi hoạt động, khả năng tăng tốc tốt, giá thành vận hành thấp Tuy nhiên, xe

điện hiện đang phải đối mặt với những thách thức đáng kể như khả năng lưu trữ nănglượng thấp, thời gian sạc điện kéo dài, giá thành xe điện cao khiến cho người tiêu dùngcân nhắc "Lo lắng về phạm vi hoạt động" cũng là rào cản làm hạn chế sự phát triểncủa xe điện Vì tầm hoạt động của xe điện thấp hơn so với các phương tiện thôngthường và việc sạc pin mất nhiều thời gian, người tiêu dùng lo sợ xe hết điện giữachừng Vấn đề này trở nên trầm trọng hơn do cơ sở hạ tầng sạc điện chưa được phổbiến Tuy nhiên, với những thành quả nghiên cứu về accu cùng với các chính sáchkhuyến khích của chính phủ nhiều nước trên thế giới, những rào cản này có thể đượctháo gỡ trong tương lai không xa Vấn đề đáng lo ngại nhất là sự chấp nhận của xã hộiđối với xe điện, thay đổi thói quen sử dụng ô tô truyền thống đã thấm sâu hàng trămnăm qua Đây là rào cản cuối cùng trước khi xe điện có thể thâm nhập thị trường ở bất

kỳ mức độ nào [ 1]

Là một sinh viên được theo học ngành công nghệ kỹ thuật ô tô Qua tìm hiểu,nghiên cứu và khảo sát thị trường cho thấy rằng nhu cầu sử dụng xe điện ngày càngtăng Do đó, đòi hỏi tính an toàn trên xe điện là điều cần thiết, vì nó ảnh hưởng đếntính mạng của người ngồi trên xe Nên chúng em đứa ra giải pháp cho quá trình nạp vàlưu trữ năng lượng trên xe điện một cách hiệu quả nhất Với đề tài “Nghiên cứu côngnghệ nạp và lưu trữ năng lượng trên xe điện” giúp giảm thiểu thời gian trong quá trìnhnạp và nâng cao thời gian lưu trữ góp phần tăng tuổi thọ cho pin Bên cạnh đó đề tàinày cũng phục vụ cho công tác học tập Đồng thời có thể áp dụng những kiến thức đãđược học từ nhà trường vào thực tế

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các loại Accu xe điện phổ biến

2.1.1 Accu acid-chì

Hình 2 1 Accu Acid-chì (6-DZF-12)

Accu này lâu đời nhất, mật độ năng lượng thấp, thường từ 20 đến 40 Wh/kg Xeđiện có tầm hoạt động 200 km cần khoảng 150 kg pin Lithium-ion nhưng cần hơn 500

kg pin acid-chì [1] Ngoài ra, accu acid-chì còn có nhược điểm là tuổi thọ của nó ngắn

so với các loại accu khác Hơn nữa, khả năng cải tiến để nâng cao mật độ năng lượngcủa accu acid-chì rất thấp, không có triển vọng sử dụng trên xe điện trong tương lai.Tuy nhiên, ưu điểm của accu chì là giá thành thấp (khoảng 100 USD/kWh) nên nóthích hợp để sử dụng trên các xe điện không đòi hỏi tính năng cao, tầm hoạt động thấp.[1]

2.1.2 Accu Nickel Metal Hydride (Ni-MH)

Công nghệ này gần đây đã được sử dụng trong các phương tiện hybrid (chẳnghạn như Toyota Prius) Giá thành khoảng 700-800 USD/kWh [1] Công nghệ pin Ni-

MH được coi là đã đạt được mức độ hoàn thiện cao, có tỉ lệ chất lượng/giá thành tốtnhất Tuy nhiên mật đô năng lượng của chúng còn thấp, khoảng 60 đến 80 Wh/kg(hình 3.20) và không có nhiều kỳ vọng và khả năng cải thiện tính năng của accu

Hình 2 2 Pin NiMH 6.5A

2.1.3 Accu Lithium-ion (Li-Ion)

Hình 2 3 Pin Lithium B-LFP12-100-LT 12V 100AhAccu này được đánh giá là hứa hẹn nhất cho tương lai gần Chúng có mật độnăng lượng lớn, thế năng điện hóa cao, hiệu suất cao và tuổi thọ dài Tiềm năng cảithiện tính năng của chúng được coi là còn rất cao [1] Tuy nhiên, loại accu này đắt(hơn 700 USD/kWh), chúng có thể gây ra các vấn đề về an toàn khi sử dụng (sạc quámức có thể gây cháy và nổ accu) [1] Ngoài ra, nguyên liệu dùng để sản xuất accucũng là mối quan tâm Có rất nhiều loại accu trên nềm Lithium với các đặc điểm vàmức độ phát triển khác nhau Tính năng của accu Lithium-ion và tương lai phát triểncủa nó được thảo luận chi tiết trong [2-3]

2.1.4 Accu Nikel Cadmium (Ni-Cd)

Pin Ni-Cd có một số điểm khác biệt quan trọng so với các loại pin kiềm điểnhình, bao gồm:

Hình 2 4 Pin Ni-Cd (AA 700mAh 1.2V)Trên đây là các loại accu đã được minh chứng và sử dụng trong thực tế hiệnnay Ngoài ra còn rất nhiều loại accu khác đang được triển khai nghiên cứu Chínhphủ các nước phát triển như Châu Âu, Nhật Bản và Hoa Kỳ đã và đang đầu tư lớn chocác nghiên cứu phát triển accu Trong ngắn hạn, các nghiên cứu thiên về việc sử dụngcác loại vật liệu mới trong chế tạo accu.

2.2 Khả năng chịu nhiệt của pin xe ô tô điện [4]

Nhiều năm trở lại đây, các nhà sản xuất xe hơi toàn cầu đặc biệt quan tâm đếnviệc lựa chọn loại pin để sản xuất các loại xe điện Trong đó, pin Lithium-ion có khảnăng chịu nhiệt vượt trội và được ứng dụng phổ biến hơn cả

Pin Lithium-ion cung cấp năng lượng cho xe ô tô điện rất nhạy cảm với nhiệt

độ Nếu ở môi trường nhiệt độ dưới 40°C (~4°C) và trên 115°C (~46°C), pin sẽ khôngmang lại hiệu quả cao Mức nhiệt độ lý tưởng để pin hoạt động tốt là từ 60 - 80°C (~15

- 27°C)

Khi nhiệt độ giảm xuống, chất lỏng điện phân bên trong các tế bào pin xe ô tôđiện sẽ trở nên chậm chạp hơn Do đó, xe sẽ phục hồi ít năng lượng hơn và người láikhông thể điều khiển xe Việc sạc pin, đặc biệt là sạc nhanh cũng sẽ bị hạn chế để bảo

vệ pin

Có một số cách để giải quyết vấn đề này Trước tiên, đừng để pin xe ô tô điệnquá yếu - hãy đảm bảo rằng pin luôn được sạc 20% hoặc lâu hơn Nếu bạn muốn khởiđộng trong điều kiện nhiệt độ thấp, xe cần có nguồn năng lượng dự trữ để làm ấm pin

Các nhà nghiên cứu gợi ý rằng, pin có thể xả một phần năng lượng quý giá của

nó khi trời lạnh để giữ ấm cho chính nó Về lâu dài, các nhà khoa học đang phát triểnloại pin ở trạng thái rắn không có chất lỏng bên trong và sẽ không quá nhạy với nhiệt

độ môi trường

Mặt khác, khí hậu quá nóng cũng không phải là môi trường thích hợp để pin xe

ô tô điện có thể đảm bảo được chất lượng Nhiệt độ cao gây tổn hại cho chất hóa họcLithium-ion bên trong pin, khiến pin cạn kiệt nhanh và tuổi thọ pin bị rút ngắn

Đối với dòng pin hydride nickel - kim loại sử dụng phổ biến trong các dòng xelai điện, nhiệt độ môi trường cũng gây ảnh hưởng không nhỏ Khi ở điều kiện thời tiết-20°C, lượng điện pin xả ra đạt khoảng 85% so với khi ở nhiệt độ thông thường, đủ đểlàm ấm pin Tuy nhiên, việc tự xả này trở nên trầm trọng hơn khi pin ở môi trường cónhiệt độ từ 40°C trở lên, khiến hiệu năng của pin bị giảm đi đáng kể Theo các chuyêngia, khoảng nhiệt độ từ 0-30°C là mức nhiệt lý tưởng để pin nickel-kim loại đạt đượchiệu suất.

2.3 Mức độ an toàn của pin Lithium xe điện [5]

Pin Lithium xe điện có hiệu suất tuyệt vời và tuổi thọ bền vững được ứng dụngrộng rãi Đảm bảo những yếu tố an toàn của pin đồng thời bảo vệ xe điện và hànhkhách trong quá trình vận hành xe

Pin Lithium-ion (pin Lithium) là loại pin được trang bị trên xe ô tô điện có khảnăng lưu trữ năng lượng hiệu quả và thân thiện với môi trường Ngoài việc đóng vaitrò quan trọng trong vận hành xe điện, pin Lithium xe điện còn ảnh hưởng đến mức độ

an toàn của xe

Pin Lithium ngày nay được xem là thiết bị lưu trữ năng lượng quan trọng vì cócông suất cao và thân thiện với môi trường Hiện nay, pin Lithium không chỉ được sửdụng trong các thiết bị điện cầm tay như máy tính, điện thoại di động, mà ngày càngchiếm ưu thế trong ngành điện khí hóa ô tô

So với những thiết bị điện tiêu dùng, pin Lithium xe điện được điều khiển bởi

hệ thống pin năng lượng cao và chứa một lượng lớn các tế bào được kết nối theo chuỗisong song Do đó, vấn đề đảm bảo an toàn khi sử dụng pin Lithium xe điện cũng trởnên quan trọng và phức tạp hơn

Chính vì vậy, pin Lithium xe điện trước khi được lắp ráp trên xe ô tô điện cầnphải vượt qua quá trình kiểm tra xác minh an toàn nghiêm ngặt Một loạt các thửnghiệm được tiến hành như thử nghiệm va chạm, chống nước, cháy nổ… kiểm tra độ

an toàn của pin trong các điều kiện, tình huống khác nhau

2.3.1 Yếu tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn pin Lithium xe điện

Với bất kỳ chiếc ô tô điện nào trước khi được bán ra thị trường, các nhà sảnxuất đều phải tuân thủ những quy định về tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt Dưới đây làmột số yếu tố ảnh hưởng đến mức độ an toàn của pin Lithium trên xe ô tô điện đượccác nhà sản xuất khuyến nghị Người dùng cần lưu ý sử dụng đúng cách để tránh khỏinhững rủi ro ngoài ý muốn

2.3.1.1 Phạm vi nhiệt độ hoạt động của pin ô tô điện

Công nghệ chế tạo pin xe điện đã có nhiều cải tiến trong việc nâng cao khảnăng thích ứng với nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau của pin Lithium. 

Pin Lithium xe điện có phạm vi hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 15°C đến45°C Trên những dòng xe tiêu chuẩn hiện đại pin được thiết kế hoạt động tốt trongđiều kiện nhiệt độ từ -30°C đến trên 50°C

Hình 2 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến pin Lithium xe điện

2.3.1.2 Sự thoát nhiệt của pin Lithium xe điện

Quá trình thoát nhiệt diễn ra khi pin hoạt động liên tục trong thời gian dài, đặcbiệt trong những ngày nắng nóng nhiệt độ của pin sẽ khiến các phản ứng không mongmuốn khác bị kích hoạt, pin khó kiểm soát được quá trình sinh nhiệt. 

Trong những trường hợp như sốc nhiệt, hư hỏng bộ pin, quá tải điện, hiệntượng thoát nhiệt sẽ xảy ra nhanh hơn Khi xảy ra hiện tượng thoát nhiệt, chất điệnphân lỏng dễ cháy và áp suất sẽ tăng lên theo tốc độ thoát nhiệt. 

Sự thoát nhiệt là phản ứng dây chuyền khó có thể ngăn cản gây ra những đámcháy có nhiệt độ từ 60°C trở lên Do đó, các nhà sản xuất pin Lithium xe điện đangnghiên cứu và thiết kế ra các giải pháp nhằm ngăn ngừa và giảm ảnh hưởng của sựthoát nhiệt trong ô tô điện

2.3.1.3 Chất điện phân pin Lithium xe điện

Trong điều kiện điện áp và nhiệt độ bình thường sẽ sinh ra chất điện phân trongcác chu kỳ sạc/xả của cực âm và cực dương Khi pin Lithium xe điện hoạt động trongđiều kiện nhiệt độ và điện áp cao, những phản ứng xảy ra trong quá trình sạc/xả sẽ trở

nên phức tạp hơn, bao gồm sự phân hủy chất điện phân rắn, giải phóng oxy ở cực âm

và xảy ra các phản ứng rò rỉ điện Những phản ứng bề mặt sẽ khiến nhiệt độ tăng cao,dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt pin Lithium có thể gây vỡ và nổ pin

Hình 2 6 Chất điện phân trong quá trình sạc/xả pin Lithium xe điện

2.3.1.4 Va chạm giao thông tác động đến pin xe ô tô điện

Trong một số trường hợp, độ an toàn của pin Lithium xe điện có thể ảnh hưởng

do va chạm giao thông Khi xảy ra những phản ứng va chạm, pin sẽ giải phóng mộtlượng nhiệt đáng kể, dễ gây nên hiện tượng thoát nhiệt Do đó, rủi ro có thể cao hơn. 

Tác động của ngoại lực có thể gây hư hỏng cho các tế bào bên trong pinLithium Nghiêm trọng hơn, va chạm mạnh tác động đến quá trình tăng nhiệt của pin,

có thể dẫn tới cháy nổ

Tuy nhiên, những nghiên cứu thiết kế cấu trúc tích hợp của pin hiện nay đã cảithiện đáng kể độ an toàn của pin Lithium khi xảy ra va chạm giao thông Thực tế đãchứng minh các trường hợp tai nạn do va chạm xe điện có mức độ rủi ro thấp hơnnhiều so với các phương tiện động cơ đốt trong

2.3.1.5 Sạc xe không đúng quy định và khuyến cáo của nhà sản xuất

Nếu pin Lithium xe điện được sạc quá mức hoặc không đúng theo khuyến cáocủa nhà sản xuất sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch và những phản ứng điện hóa khôngmong muốn Ngoài ra, hiện tượng đoản mạch có thể làm giảm tuổi thọ của pin

2.3.2 Dấu hiệu nhận biết pin mất an toàn

Hệ thống quản lý pin xe điện thường phát cảnh báo cho chủ xe về những dấuhiệu bất thường của pin Dưới đây là một vài lưu ý quan sát dấu hiệu nhận biết pinthiếu an toàn như:

+ Đèn pha bị mờ: Pin ô tô bị hỏng sẽ không thể cung cấp đủ năng lượng chocác bộ phận của xe điện (bao gồm cả đèn pha) hoạt động bình thường Nếu thấy đènpha có vẻ mờ và yếu hơn bình thường, chủ xe cần kiểm tra lại tình trạng pin Lithium

2.4 Sơ đồ mạch điện pin xe điện

Một số thiết bị tự cấp nguồn yêu cầu giá trị hiện tại và điện áp khó cung cấp vớinguồn cung cấp điện chuẩn tiêu chuẩn có sẵn

Theo quy định, đây là như cầu về dòng điện đầu ra mạnh hơn, tăng giá trị điện

áp hoặc điện dung Để giải quyết các vấn đề này, cần phải tạo các cấu hình khác nhaucủa các kết nối nguồn hiện tại, mỗi kết nối có các đặc điểm riêng

Có ba sơ đồ kết nối pin cơ bản:

 Nối tiếp

 Song song

 Kết hợp nối tiếp song song

2.4.1 Pin kết nối nối tiếp

Hình 2 7 Kết nối nối tiếp [6]

Sơ đồ kết nối nối tiếp liên quan đến dây dẫn nối cực dương(+) của nguồn thứnhất và cực âm(-) thứ hai Tiếp theo, đầu ra tích cực của nguồn năng lượng thứ haiđược kết nối với âm của thứ ba và cứ thế Các cực lắp ráp là cực âm của pin đầu tiên

và cực dương trong mạch

Mắc nối tiếp pin khi cần tăng gấp đôi mức điện áp theo nhu cầu của hệ thốngtrong khi vẫn duy trì cùng mức công suất hoặc định mức ampe giờ (Ah) của pin Mắcnối tiếp pin xả chậm hơn mắc song song

Ví dụ: Nếu có hai pin 12V, 200Ah, bạn cần hệ thống 24V để lắp đặt Đơn giảnkết nối cả 2 pin nối tiếp bạn sẽ nhận được 24V và dung lượng ampe giống nhau là200Ah

Hình 2 8 Mắc nối tiếp pin [7]

2.4.2 Pin kết nối song song

Với kết nối song song, tất cả các lợi thế của nguồn điện phải được kết nối vớimột điểm Ta kết nối cực dương(+) của pin với cực dương, cực âm(-) với cực âm

Hình 2 9 Kết nối song song [6]

Khi bạn cần tăng gấp đôi dung lượng pin hoặc định mức ampe giờ (Ah) theonhu cầu của hệ thống trong khi vẫn duy trì cùng mức điện áp Mắc song song pin xảnhanh hơn pin mắc nối tiếp

Ví dụ: Nếu bạn có hai pin 12V, 200Ah giờ và bạn cần hệ thống 12V để lắp đặt.Đơn giản, hãy kết nối song song cả hai loại pin với tổng dung lượng pin là 400Ah cócùng mức điện áp, tức là 12V (cách ghép pin 18650)

Hình 2 10 Mắc song song pin [8]

2.4.3 Pin kết nối kết hợp nối tiếp song song

Hình 2 11 Mắc nối tiếp - song song của pin [8]

Nếu chúng ta kết nối hai cặp pin mắc nối tiếp và sau đó kết nối song song lạivới nhau, thì cấu hình pin này sẽ được gọi là mắc song song-nổi tiếp của pin

Mắc nối tiếp - Song song của Pin là khi cần tăng gấp đôi dung lượng pin hoặcđịnh mức ampe giờ (Ah) cũng như điện áp pin theo nhu cầu hệ thống

Ví dụ: Nếu bạn có 6 pin mỗi loại 12V, 200Ah giờ và bạn cần dung lượng600Ah và hệ thống 24V để lắp đặt Bây giờ bạn có hai bộ ba pin, chỉ cần kết nối hai bộ

ba pin nối tiếp và sau đó kết nối hai bộ song song (như hình trên) trong đô dung lượngpin tổng thể sẽ là 600Ah và mức điện áp sẽ là 24V

2.5 Dự báo phát triển ô tô điện Việt Nam

Nghiên cứu trên đây cho thấy những điều kiện hỗ trợ cho sự phát triển của xeđiện accu trong tương lai rất hiện thực, đó là mật độ lưu trữ năng lượng của các accuthế hệ mới sẽ gia tăng, công nghệ sạc điện nhanh sẽ phát triển mạnh và giá thành xe sẽgiảm xuống thấp hơn ô tô truyền thống cùng kích cỡ Những yếu tố này giúp cho việc

sử dụng xe điện gần giống như sử dụng xe xăng dầu, giải quyết vấn đề kỹ thuật và tâm

lý thuyết phục người tiêu dùng chuyển sang sử dụng xe điện Chính vì vậy nhiều nướcphát triển đã đặt ra mục tiêu loại bỏ ô tô truyền thống chạy bằng động cơ đốt trongtrước năm 2040 Đối với các nước đang phát triển, lộ trình này có thể chậm trễ hơn tuynhiên có một điều thấy rõ là khoảng nửa sau của thế kỷ này, động cơ đốt trong sẽkhông còn là nguồn động lực chính cho ô tô, xe máy Thay vào đó là ô tô điện chạybằng accu hay bằng pin nhiên liệu hydrogen

Hình 2 12 So sánh lợi thế sản xuất ô tô điện và ô tô truyền thống trong nướcHình 2.12 so sánh ô tô điện và ô tô truyền thống trong thập niên tới dựa trênphân tích phát triển công nghệ Có thể dự báo khi nước ta chuyển sang áp dụng tiêuchuẩn phát thải EURO VI thì đầu tư công nghệ sản xuất ô tô điện sẽ có nhiều lợi thếtrong khi sản xuất ô tô truyền thống trong nước sẽ giảm tính cạnh tranh Đây là địnhhướng có ý nghĩa thiết thực đối với ngành công nghiệp ô tô nước ta trong tương laigần Việc áp dụng xe điện ở nước ta có nhiều thuận lợi Điều kiện khí hậu nước ta rấtthuận tiện cho công nghệ nạp điện nhanh cho xe Đó cũng là một yếu tố hỗ trợ cho sựphát triển của xe điện Sự kết hợp chặt chẽ giữa ngành giao thông vận tải và ngành sảnxuất năng lượng sẽ giúp nước ta nhanh chóng thực hiện được các mục tiêu của nềnkinh tế carbon thấp, đảm bảo phát triển bền vững

2.6 Các công nghệ pin mới trong tương lai

2.6.1 Pin thể rắn –  hội tụ các yếu tố giúp người dùng sạc pin đầy chỉ sau 20 phút

Pin được sử dụng trên xe điện hiện nay phần lớn là pin Lithium, hay còn gọi làpin 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 cựcdương và theo chiều ngược lại khi xả nên thời gian nạp kéo dài Ngoài ra, việc tăngdung 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 đềxuất và hướng tới Theo đó, pin thể rắn sử dụng chất điện phân rắn, hai điện cực vàchất điện phân xếp thành ba lớp chồng lên nhau Vì thế,  pin thể rắn có kích thước nhỏgọn nhưng dung lượng chứa cao hơn hẳn pin Lithium

Hình 2 13 Pin ô tô điện thể rắn ra đời nhằm giải quyết vấn đề pin thể lỏng gặp phảiNgoài ra, tốc độ di chuyển từ cực âm sang dương của các ion trong thiết kế pinthể rắn nhanh nên thời gian sạc pin nhanh hơn Các chuyên gia tính toán pin thể rắn códung lượng chứa cao hơn từ 2-5 lần, thời gian sạc nhanh hơn từ 6-10 lần so với pin thểlỏng có kích cỡ tương đương Như vậy, người dùng chỉ mất khoảng 20 phút sạc là cóthể di chuyển được quãng đường trên 500km.

Pin thể rắn được kỳ vọng sẽ xóa bỏ định kiến xe điện chỉ phù hợp với quãngđường đi ngắn, thời gian sạc lâu Hiện nhiều hãng sản xuất xe điện đã đầu tư phát triểnpin thể rắn, trong đó có VinFast Năm 2021, VinFast đã ký kết biên bản ghi nhớ vềviệc hợp tác chiến lược với Công ty ProLogium (Đài Loan) để sản xuất pin thể rắn.Đây là tiền đề để VinFast tạo những chiếc xe điện thông minh với thời gian sạc xe điệnnhanh đầy chỉ vài chục phút nhưng có thể di chuyển đi được cả nghìn km trong tươnglai

2.6.2 Siêu tụ điện: Giải pháp thay thế pin Lithium-ion trên xe điện trong tương lai

Xe điện đang là xu hướng của tương lai để thay thế sự ô nhiễm môi trường của

xe sử dụng động cơ đốt trong Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của xe điện đó là khả nănglưu trữ và thời gian sạc Khi hầu hết các mẫu xe điện hiện nay đều sử dụng pinLithium- ion và có thời gian sạc lâu hơn nhiều so với cách đổ nhiên liệu truyền thống.Điều này là một rào cản lớn để người dùng thay đổi thói quen từ sử dụng xe xăng qua

sử dụng xe điện

Hình 2 14 Siêu tụ điệnMới đây, nhiều hãng công nghệ chuyên nghiên cứu về pin và các giải pháp lưutrữ năng lượng đã bắt đầu nghiên cứu một công nghệ mới có tên là Siêu tụ điện(Supercapacitor), với nhiều ưu thế và đây có thể là một giải pháp kết hợp hoặc thay thếpin Lithium-ion trong tương lai.

2.6.2.1 Siêu tụ điện là gì?

Siêu tụ điện là loại tụ điện có dung lượng lớn Chúng có điện dung cao hơn vàgiới hạn điện áp thấp hơn so với các loại tụ điện khác Về mặt chức năng, chúng nằm ởđâu đó giữa các tụ điện điện phân và pin Lithium-ion

So sánh nhanh thì chúng:

 Sạc nhanh hơn nhiều so với pin Lithium

 Có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với tụ điện

 Có tuổi thọ (được đo bằng chu kỳ sạc/xả) ở đâu đó giữa hai loại (nhiều hơnpin có thể sạc lại và ít hơn tụ điện)

Để so sánh tuổi thọ, thì pin Lithium-ion trung bình từ 500 đến 10.000 chu kỳ.Còn siêu tụ điện có tuổi thọ dao động từ 100.000 đến một triệu chu kỳ

Bảng 2 1 So sánh hiệu suất giữa siêu tụ điện và Lithium-Ion

Chi phí mỗi Wh $20 (typical) $0.50-1.00 (hệ thống

lớn)

Nhiệt độ sạc 40 đến 65 (-40 đến℃

149 )℉ 113 )0 đến 45℉ ℃ (32 đếnNhiệt độ xả 40 đến 65℃ (-40 đến

149 )℉ 140 )20 đến 60℉ ℃ (-4 đến

2.6.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của siêu tụ điện

Các lợi ích của siêu tụ điện bao gồm:

Cân bằng lưu trữ năng lượng với thời gian sạc và xả: Mặc dù siêu tụ điện khôngthể lưu trữ nhiều năng lượng như pin Lithium-ion có cùng kích thước, nhưng siêu tụđiện có thể bù đắp điều đó bằng tốc độ sạc Trong một số trường hợp, chúng sạc nhanhhơn gần 1.000 lần so với thời gian sạc của pin có dung lượng tương tự Với tốc độ sạcnày, gần như có thể sạc ngay lập tức cho một chiếc xe điện Trong thực tế, công tyNawa Technologies đang tìm cách thực hiện ý tưởng đó trên ô tô điện thực sự Hãytưởng tượng những chiếc ô tô điện chạy bằng siêu tụ điện (thay vì pin sạc) có thể sạcđầy trong thời gian ngắn hơn thời gian cần thiết để đổ đầy xăng vào động cơ nhiên liệuhóa thạch, thay vì số giờ sạc mà ô tô chạy bằng pin bình thường

Nhiệt độ hoạt động trên phạm vi rộng: Siêu tụ điện có nhiệt độ hoạt động hiệuquả rộng hơn nhiều (từ khoảng -40°F đến +150°F)

Ngoài những ưu điểm đó, thì siêu tụ điện cũng còn nhiều vấn đề cần được giảiquyết trước khi có thể áp dụng lên ô tô điện như:

Tỷ lệ tự phóng điện: Siêu tụ điện không thích hợp để lưu trữ năng lượng lâu dài.Tốc độ phóng điện của siêu tụ điện cao hơn đáng kể so với pin Lithium-ion; Chúng cóthể tự xả tự do từ 10 - 20% năng lượng mỗi ngày

Mất điện áp dần dần: Trong khi pin cho điện áp đầu ra gần như không đổi chođến khi sử dụng hết, thì điện áp đầu ra của tụ điện giảm tuyến tính với điện tích củachúng.

2.6.2.3 Siêu tụ điện có thể được ứng dụng ở đâu?

Các siêu tụ điện cực kỳ phù hợp với bất kỳ ứng dụng nào đòi hỏi chu kỳ sạc và

xả thường xuyên, nhiệt độ hoạt động khắc nghiệt hoặc xả nhanh lượng năng lượngcao

Dưới đây có thể là một số ứng dụng trong tương lai của siêu tụ điện:

Giao thông công cộng: Xe buýt và các phương tiện giao thông nội đô có thểđược hưởng lợi từ khoảng nhiệt độ hoạt động rộng của siêu tụ điện Phù hợp với điềuđiện làm việc khắc nhiệt, dừng đỗ, tắc xe trong nội thành Tại Trung Quốc, một số xebuýt hybrid đã sử dụng siêu tụ điện để tăng tốc và siêu tụ điện giúp xe điện đi từ điểmdừng này đến điểm dừng tiếp theo, sạc lại tại các trạm

Siêu tụ điện - pin lai: Siêu tụ điện và pin Lithium có thể kết hợp điểm mạnh củanhau, khi mà siêu tụ điện cho khả năng tiêu thụ năng lượng nhanh chóng và khả nănglưu trữ lâu dài của pin để tạo nên một khối “pin lai” Việc hợp nhất thành công cáccông nghệ này sẽ nâng cao sự cân bằng giữa phạm vi hoạt động và thời gian sạc Vàđây cũng sẽ là giải pháp cải thiện hiệu quả phanh tái tạo của xe điện

Chương 3: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NẠP VÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG

TRÊN XE ĐIỆN

3.1 Nghiên cứu công nghệ nạp

Việc giảm thời gian nạp điện cho pin là một thử thách rất lớn đối với các nhànghiên cứu [9] Các nhà khoa học đang nỗ lực tăng tốc độ nạp điện từ 1C lên 6C tươngứng với rút giảm thời gian từ sạc từ 60 phút xuống còn 10 phút [10] Điều này liênquan đến 3 vấn đề kỹ thuật cần phải xử lý, đó là nhiệt độ pin, vật liệu làm điện cực vàcông suất trạm nạp điện

Khi lựa chọn, sử dụng xe điện, pin vẫn luôn là lo ngại lớn nhất của người tiêudùng Pin xe điện cũng là “nút thắt” lớn nhất trong tiến trình phát triển của dòng xe

“xanh” hiện nay  Vì thế, các hãng sản xuất không ngừng cải tiến công nghệ pin mangđến cho người dùng những trải nghiệm tốt nhất khi sử dụng xe điện

Nhờ nỗ lực của các nhà sản xuất ô tô điện, thời gian nạp điện cho pin của xengày càng được rút ngắn Ngưỡng thời gian nạp điện 10 phút là rất khả thi trong thậpniên tới Điều này khẳng định tính hiện thực của công nghệ nạp điện nhanh cho xeđiện [11] Dòng điện nạp tỉ lệ với dung lượng của pin để đảm bảo cùng thời gian nạpđầy bình Ví dụ, đối với pin ô tô điện 150 Ah, trạm sạc nhanh sẽ phải cung cấp dòngđiện 900 A trong 10 phút, đối với pin xe máy điện 25 Ah, để nạp đầy bình trong 10phút chỉ cần dòng điện nạp là 150 A

3.1.1 Các yếu tố quyết định tốc độ nạp pin xe điện

Thời gian sạc xe điện có thể kéo dài tới 12 tiếng nhưng cũng có khi chỉ 20 phút.Theo đó, việc sạc xe điện nhanh đầy phụ thuộc chủ yếu vào dung lượng của pin và tốc

độ nguồn của trạm sạc. 

3.1.1.1 Dung lượng pin của xe điện

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

Khi xả pin liên tục và sạc đầy trở lại ở mức 100%, hiệu năng pin yếu đi, dunglượng 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%đến 85% và chỉ sạc đầy khi có nhu cầu tận dụng tối đa phạm vi vận hành của xe Điềunày giúp bảo vệ pin và rút ngắn thời gian sạc Việc sử dụng dưới mức 20% dẫn tớihiện tượng chai pin, giảm tuổi thọ của pin

3.1.1.2 Nguồn của trạm sạc xe điện

Trạm sạc xe điện tập hợp từ hai điểm sạc trở lên Trong đó, công suất trạm sạc

là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian nạp điện cho xe Hiện nay, có ba loại sạcphổ biến là sạc chậm, nhanh và siêu tốc

Hình 3 2 Ba loại trạm sạc phổ biến hiện nay được phân loại theo tốc độ sạc

Trong đó, sạc chậm và sạc nhanh thường được lắp đặt  tại nhà hoặc các điểmsạc công cộng Sạc siêu tốc chỉ xuất hiện ở những điểm sạc chuyên dụng hoặc cáctrung tâm dịch vụ.

Với sạc chậm, công suất dao động từ 3-7kW, tương đương thời gian từ 18-24tiếng để pin đầy Trong khi đó, ở trạm sạc xe điện nhanh, thời gian được rút ngắn chỉcòn 8-10 tiếng nhờ công suất sạc cao hơn từ 7-22kW

Đúng như tên gọi, điểm sạc siêu tốc có thể giúp người dùng sạc đầy xe điện chỉsau 20 phút Công suất của loại sạc này dao động từ 43-150kW, dùng được cho cả 2dòng điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC)

Hiện nay, một số quốc gia trên thế giới đã có trạm sạc công suất 250kW nhưngkhông phải dòng xe nào cũng dung nạp được nguồn điện cao này Trong tương lai, cácnhà sản xuất xe điện sẽ đổi mới công nghệ để thích ứng với những trạm sạc công suấtcao nhằm sạc xe điện nhanh đầy trong thời gian ngắn nhất

Quy hoạch cho từng địa điểm sạc

Các loại trụ sạc điện:

 Trụ sạc xe máy

Công dụng: Để sạc pin cho các dòng xe máy điện của VinFast, nổi bật xe điệnTheon bán chạy hàng đầu hiện nay Mỗi trạm sạc sẽ có nhiều cụm sạc, thời gian sạctiêu chuẩn khoảng 4 tiếng

Bảng thông tin: Điện áp vào 1 pha 220V AC, công suất ≥ 1.2kW/cổng, tần số50Hz, số lượng đầu ra 2 hoặc 4 cổng/ 1 trụ

+ Trụ sạc ô tô loại sạc nhanh DC 30kW

Công dụng: Là loại sạc nhanh để sử dụng cho xe ô tô ở các điểm dừng nghỉ, bãi

đỗ xe công cộng trong thời gian ngắn 40 đến 120 phút cho đầy 80% dung lượng pin

Bảng thông tin: Điện áp vào 3 pha 304  - 456V AC, công suất >= 30kW/cổng,tần số 50Hz, số lượng đầu ra 1 cổng/trụ

+ Trụ sạc ô tô loại sạc nhanh DC 60kW

Công dụng: Dùng để sạc nhanh cho xe ô tô trong thời gian 30 - 90 phút sạc đầyđược khoảng 80% dung lượng pin

Bảng thông tin: Điện áp vào 3 pha 304  - 456V AC, công suất ≥ 60kW/cổng, tần

số 50Hz, số lượng đầu ra 2 cổng/tủ sạc

3.1.1.3 Nhiệt độ nạp

 Nhiệt độ nạp pin Lithium-Ion

Nhiệt độ của pin trong quá trình nạp là rào cản của quá trình nạp nhanh [12].Khi nhiệt độ giảm, tốc độ sạc và điện áp tối đa phải giảm để cải thiện độ an toàn vàhiệu suất, đồng thời tránh hiện tượng mạ Lithium trên điện cực dương [12] Ngưỡngnhiệt độ tối thiểu diễn ra quá trình mạ điện cực Lithium phụ thuộc vào thông số củapin và tốc độ sạc điện C-rate Thông thường ngưỡng nhiệt độ này là 25°C, nhưng cũng

có thể cao hơn khi tốc độ nạp C-rate cao hoặc pin có mật độ năng lượng lớn [13].Ngoài ra, nhiệt độ cũng ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả của bộ sạc nhanh Với bộ sạc

50 kW, hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt 93% ở nhiệt độ 25°C nhưng giảm xuốngcòn 39% ở nhiệt độ -25°C [14]

Ngoài tác hại làm giảm công suất accu và phát sinh nguy cơ mất an toàn, sạcđiện trong điều kiện nhiệt độ thấp còn làm giảm đáng kể hiệu suất của accu Lithium-ion Khi sạc với tốc độ 1C ở 5°C, accu Lithium-ion mất 75% dung lượng trong 50 chu

kỳ trong khi đó dung lượng ổn định đến 4.000 chu kỳ với cùng tốc độ sạc ở 25°C [12]

Hình 3.2 giới thiệu ảnh hưởng của nhiệt độ sạc điện đến hiệu suất của pin (lấyhiệu suất ở 25°C làm chuẩn) Có thể nhận thấy, hiệu suất pin sụt giảm nhanh chóngtheo nhiệt độ Ở nhiệt độ 10°C, hiệu suất của pin chỉ còn khoảng một nửa so với hiệusuất ở 25°C [15]