CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu pin xe điện [9]
Sự ra đời của pin Lithium-ion đã tạo nên một cuộc cách mạng trong việc lưu trữ năng lượng, tạo tiền đề cho sự phát triển công nghệ từ điện thoại di động, xe điện, các thiết bị số,…; mở ra tiềm năng về một xã hội không dùng nhiên liệu hóa thạch, góp phần giảm thiểu những tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu.
Nhìn lại lịch sử phát triển pin Lithium-ion mới thấy, việc phát minh ra viên pin mang tính cách mạng này không hề dễ chút nào Để có thể tạo ra một viên pin có khả năng hoạt động như hiện tại, việc phát triển pin lithium-ion đã kéo dài trong suốt hàng chục năm, bắt đầu từ thời điểm cách đây hơn 40 năm.
Vào ngày 9/10 vừa qua, ba nhà khoa học John B Goodenough, M Stanley Whittingham và Akira Yoshino đã được vinh danh với giải Nobel Hóa học 2019 vì những công trình nghiên cứu phát triển pin lithium-ion, phần linh kiện không thể thay thế trên những thiết bị điện tử hiện tại
Với nghiên cứu đột phá của ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học 2019, nhân loại đã bước vào một kỷ nguyên mới, thay đổi hoàn toàn cuộc sống của con người hiện đại Với khả năng sạc đi sạc lại hàng trăm lần, viên pin lithium-ion đang đóng vai trò cung cấp năng lượng cho mọi thiết bị điện tử của chúng ta hiện nay, từ điện thoại di động, laptop, máy tính bảng, máy chơi game…cho đến những chiếc xe chạy bằng điện. Tuy nhiên, để có thể tạo ra một viên pin có khả năng hoạt động như hiện tại, việc phát triển pin lithium-ion đã kéo dài trong suốt hàng chục năm, bắt đầu từ thời điểm cách đây hơn 40 năm.
Khối pin xe điện thường thấy trên xe gồm rất nhiều cell pin (pin li-ion) ghép lại, mắc nối tiếp với nhau tạo ra những hiệu điện thế theo nhu cầu như 24V, 36V, 48V, 60V.
Pin lithium ion hay pin Li-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 CobaltOxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm.
- Vật liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbon phủ trên một cực góp điện.
Pin Li-ion đã được thương mại hoá và phát triển đầu tiên bởi công ty SONY (Nhật Bản) từ đầu những năm 90 và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm Lợi nhuận thu được khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000 Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ pin được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỉ USD, trong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46% từ 1999 đến 2005 Trong tương lai, những sản phẩm với giá cả hiệu dụng, tính năng cao, công nghệ an toàn sẽ ngày càng được thị trường quan tâm.
Công nghệ này nhanh chóng trở thành 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 sách tay, mạng điện tử quân đội, trong radio, máy dò mìn và dự đoán pin Li-ion còn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu không gian, vệ tinh
Pin Li-ion cho tốc độ tự phóng điện thấp (2% 8% mỗi tháng) và có dải nhiệt độ hoạt động rộng (nạp điện ở nhiệt độ từ -20 0 C 60 0 C, phóng điện được ở nhiệt độ từ -
40 0 C 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 gần gấp 3 lần so với pin NiCd hay pin NiMH, và cần ít đơn vị cấu tạo hơn cho một pin Pin Li-ion có thể cho khả năng phóng điện tốc độ cao Phóng điện với tốc độ liên tục 5C, hoặc ở chế độ xung là 25C.
Bên cạnh những ưu điểm thì pin Li-ion có những nhược điểm nhất định Những ưu, nhược đểm của pin Li-ion được tóm tắt trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion.[9] Ưu điểm Nhược điểm
-Kín, không cần bảo trì.
-Dải nhiệt độ hoạt động rộng
-Thời gian hoạt động dài
-Tốc độ tự phóng chậm
-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.
-Không có hiệu ứng nhớ.
-Giá trung bình ban đầu cao.
-Giảm khả năng ở nhiệt độ 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 toả nhiệt khi bị ép. -Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ năng lượng thấp hơn NiCd hoặc NiMH.
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 2.1.2 Cấu tạo của pin li-on
Cấu tạo của pin lithium ion 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 2.1 Cấu tạo của pin Lithium-ion
Các vật liệu dùng làm điện cực dương là các oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 trong đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn hay các hợp chất thay thế một phần chonhau giữa các kim loại M Pin Liion đầu tiên được hãng Sony sản xuất và đưa ra thị trường dùng LiCoO2 làm điện cực dương, do Goodenough và Mizushina nghiên cứu và chế tạo Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn2O4 (Spinel) hoặc các vật liệu có dung lượng cao hơn như LiNi1xCoxO2.
Hình 2.2 Cấu tạo pin li-on có điện cực dương là LiCoO2[9]
Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Liion phải thoả mãn những yêu cầu sau:
- Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium.
- Có thể kết hợp được 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 nói chung được thống kê trong bảng 2.2.
Bảng 2.2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.[9]
Loại vật liệu Dung lượng riêng
Thế trung bình (V) Ưu Nhược điểm
LiCoO2 155 3,88 Thông dụng, giá Co đắt.
LiNi0,7Co0,3O2 190 3,70 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 4,00 Mn rẻ, tính độc hại thấp, ít phân li.
Từ bảng ta thấy tùy vào vật liệu làm pin sẽ quyết định dung lượng và thế trung bình của pin.
Loại pin Liion 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, 180mAh/g và bền trong dung dịch propylene thay thế bởi graphitic hoạt động, 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 hoá. 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 2.3.
Bảng 2.3 Đặc trưng của các loại carbon.[9]
Dung lượng Không đảo ngược được (mAh/g)
LQNC Than cốc dạng kim 234 104 45 6,7
Từ bảng ta thấy vật liệu làm điện cực âm sẽ quyết định dung lượng pin.
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 với nguồn 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 nhau của 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
2.2.1 Pin kết nối nối tiếp
Sơ đồ kết nối nối tiếp liên quan đến dây dẫn nối cực dương(+) của nguồn thứ nhất và cực âm(-) thứ hai Tiếp theo, đầu ra tích cực của nguồn năng lượng thứ hai được 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.
Hình 2.7 Kết nối nối tiếp[10]
Mắc nối tiếp pin khi cần tăng gấp đôi mức điện áp theo nhu cầu của hệ thống trong khi vẫn duy trì cùng mức công suất hoặc định mức ampe giờ (Ah) của pin Mắc nối 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 giản kết 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 [9]
2.2.2 Pin kết nối song song
Với kết nối song song, tất cả các lợi thế của nguồn điện phải được kết nối với một điểm Ta kết nối cực dương(+) của pin với cực dương, cực âm(-) với cực âm.
Hình 2.9 Kết nối song song[10]
Khi bạn cần tăng gấp đôi dung lượng pin hoặc định mức ampe giờ (Ah) theo nhu cầu của hệ thống trong khi vẫn duy trì cùng mức điện áp Mắc song song pin xả nhanh 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 có cùng mức điện áp, tức là 12V.(cách ghép pin 18650)
Hình 2.10 Mắc song song pin [11]
2.2.3 Pin kết nối kết hợp nối tiếp song song
Nếu chúng ta kết nối hai cặp pin mắc nối tiếp và sau đó kết nối song song lại với 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 hoặc định 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 lượng 600Ah 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 lượng pin tổng thể sẽ là 600Ah và mức điện áp sẽ là 24V.
Hình 2.11 Mắc nối tiếp-song song của pin[11]
Khung là phần chịu lực quan trọng của xe, nó được thiết kế để chịu tải bao gồm tải trọng bản thân xe, tải trọng các vật liệu xe chở theo, chịu lực quán tính khi xe chuyển động và khi dừng đột ngột Bên cạnh đó nó cũng sẽ quyết định hình dáng, kích thước, độ bền và khả năng cơ động của xe Chính vì những lí do trên nên trong quá trình chế tạo khung xe vấn đề về vật liệu làm khung luôn được quan tâm hàng đầu
Hình 2.12 Hình ảnh bản vẽ thiết kế khung xe
Có rất nhiều vật liệu để làm khung như nhôm, inox, thép Đối với nhôm ta nên sử dụng nhôm cường lực vì nó có khả năng chịu lực, chống biến dạng tốt, bên cạnh đó nó còn nhẹ nhưng độ cứng cơ khí cao Inox cũng đáp ứng tốt về khả năng chịu lực và trọng lượng cũng nhỏ Nhưng nếu sử dụng nhôm và inox trong quá trình làm khung thì có giá thành cao và phức tạp trong quá trình thi công Kết cấu xe điện của nhóm tác giả sử dụng vật liệu thép Đặc điểm khung xe hình ống rỗng là sử dụng nhiều các ống thép cắt hình tròn. Các ống thép này được đặt theo nhiều hướng khác nhau nhằm tạo ra lực cơ học chống lại các ngoại lực tác động từ khắp mọi hướng Chúng được hàn lại với nhau bằng phương pháp hàn điện và tạo thành một khối có cấu trúc định hình và vững chắc. Ưu điểm của khung xe dạng này là rắn chắc từ mọi phía và khung liền thân với trọng lượng tương đương, nhưng lại rất phức tạp, tốn kém và mất nhiều thời gian để chế tạo.
Thông số kỹ thuật của xe:
Chiều dài* chiều rộng* chiều cao: 1700* 800*1120(mm) Đường kính bánh xe: 16 (cm) x 2 Động cơ: 48v-20A-500w, 3 pha, không chổi than
Hình 2.13 Hình ảnh khung xe đang thi công
Lắp đặt pin
Vỏ pin xe đạp điện thông thường được làm bằng nhôm hoặc bằng nhựa, có nắp, được vít lại với nhau Gỡ bỏ lớp vỏ bên ngoài ra thì ta nhận được một khối lõi pin được bọc cẩn thận Lõi pin này đã được bọc lại bằng lớp màng bọc bằng nhựa dẻo và rất dày nhằm mục đích bao bọc để chống nước và chập cháy, đảm bảo sự an toàn cho người sử dụng
Cấu tạo pin bên trong màng bọc: Nếu tiếp tục bóc lớp vỏ này ra ta sẽ thấy có các khối nhỏ xếp lại với nhau Đó chính là các cell pin, ta sẽ gặp cell pin lithium – ion. Tuỳ vào từng loại cell pin mà có dung lượng pin khác nhau, dung lượng pin càng lớn thì xe sẽ đi được quãng đường càng xa hơn.
Hình 2.14 Cấu tạo bên trong pin xe điện
Tác dụng của mạch bảo vệ pin xe đạp điện: Giúp bảo vệ quá tải điện áp, quá tải dòng xả, bảo vệ nhiệt, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ dòng xả và khả năng cân đối điện áp giữa các cell pin với nhau.
Ngoài ra mạch bảo vệ còn có cơ chế phát hiện điện áp quá tải điển hình, bảo vệ quá xả hay phần cứng quá dòng.
Hình 2.15 Mạch bảo vệ pin xe điện Việc bố trí hệ thống pin trên xe phải đảm bảo an toàn, chống cháy nổ, không có sự rò rỉ trong mọi chế độ làm việc của xe Ngoài ra, phải đảm bảo sự chắc chắn tránh gãy vỡ, thuận tiện cho việc bảo dưỡng, kiểm tra
Tính toán, lựa chọn số lượng, thông số pin với dung lượng pin là 24Ah:[12]
- Tính thời gian sử dụng pin: t = A V ƞ P = 24∗60∗0,7 500 = 2,016(giờ)
Trong đó: t: là thời gian sử dụng pin (giờ).
P: công suất tải (W), P = 500W A: dung lượng pin (Ah), A = 24Ah V: điện áp pin (v), V= 60V Ƞ: hệ số sử dụng của pin và thay đổi theo mức xả của pin, Ƞ=0,7
- Tính thời gian nạp đầy pin: thời gian nạp bằng dung lượng ắc quy trên dòng nạp 3A t n $
- Tính số lượng cell dựa vào dung lượng PIN:
Trong đó: A: dung lượng của ắc quy (Ah), A = 24 Ah
K: số cell pin a: dung lượng của 1 viên pin (Ah), a = 2,6 Ah Để có 1 khối pin điện áp 60V với dung lượng 24Ah thì 1 cell pin phải có 16 viên pin mắc nối tiếp và 1 pin có 9 cell pin mắc song song cho ra thời gian sử dụng 2 giờ và thời gian sạc là 8 giờ Vì vậy số lượng pin để đáp ứng đủ các thông số đã chọn là:
Hình 2.16 Hình ảnh khối PIN được trang bị cho xe
Hệ thống làm mát pin
Trong quá trình nghiên cứu, cải tiến pin có những tiến bộ đã được tạo ra trong pin xe điện cho phép chúng cung cấp nhiều năng lượng hơn và ít yêu cầu sạc thường xuyên hơn, nhưng một trong những thách thức lớn nhất đối với sự an toàn của pin là khả năng thiết kế một hệ thống làm mát hiệu quả.
Trong ô tô điện, việc phóng điện của pin sẽ tạo ra nhiệt; bạn xả pin càng nhanh, nó càng tạo ra nhiều nhiệt.
Pin hoạt động dựa trên nguyên tắc chênh lệch điện áp và ở nhiệt độ cao, các electron bên trong trở nên kích thích làm giảm sự chênh lệch điện áp giữa hai mặt của pin Bởi vì pin chỉ được sản xuất để hoạt động giữa các nhiệt độ khắc nghiệt nhất định, chúng sẽ ngừng hoạt động nếu không có hệ thống làm mát để giữ cho nó trong phạm vi hoạt động Hệ thống làm mát cần có khả năng giữ cho bộ pin trong phạm vi nhiệt độ khoảng 15-35 độ C, cũng như giữ cho sự chênh lệch nhiệt độ bên trong bộ pin ở mức tối thiểu (không quá 5 độ C)
Nếu có sự chênh lệch nhiệt độ bên trong lớn, nó có thể dẫn đến tốc độ sạc và xả khác nhau cho mỗi cell và làm giảm hiệu suất của bộ pin.
Các vấn đề về ổn định nhiệt tiềm ẩn, chẳng hạn như suy giảm dung lượng, thoát nhiệt và cháy nổ, có thể xảy ra nếu pin quá nóng hoặc nếu có sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong bộ pin Đối mặt với các vấn đề an toàn đe dọa tính mạng, sự đổi mới liên tục diễn ra trong ngành công nghiệp xe điện để cải thiện hệ thống làm mát pin.[14] Chạy xe liên tục hoặc sạc điện trong thời gian dài khiến cho pin xe điện bị tăng nhiệt cao và có thể dẫn đến các hư hỏng trục trặc hay cháy nổ trong pin.
Chính vì thế mà bộ phận tản nhiệt được ra đời nhằm giúp giảm thiểu lượng nhiệt đó Các bộ phận này sẽ hấp thụ hầu hết lượng nhiệt phát sinh trong quá trình máy vận hành, sau đó phân tán lượng nhiệt này vào môi trường trước khi pin bị quá nhiệt Đặc trưng và phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là hệ thống tản nhiệt khí và hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng hay còn gọi là tản nhiệt nước.
Tuy nhiên, không phải chiếc xe nào cũng sử dụng chung một loại hệ thống làm mát, mà còn tùy thuộc vào thiết kế tổng thể xe, nhu cầu sử dụng và giá thành sản xuất.
2.5.1 Hệ thống làm mát bằng không khí[15] Đây là kiểu làm mát pin cổ điển và có cấu tạo đơn giản nhất, pin xe điện được đặt ở những vị trí mà gió có thể luồng vào trong lúc xe hoạt động Hệ thống làm mát bằng không khí thụ động sử dụng không khí bên ngoài và chuyển động của xe dể làm mát pin Hệ thống làm mát không khí chủ động tăng cường không khí tự nhiên này bằng quạt và máy thổi.
Hình 2.17 Hệ thống quản lý nhiệt pin làm mát không khí được sử dụng trên xe
Prius của Toyota[8] Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, giúp loại bỏ nhu cầu về vòng lặp làm mát và bất kì mối lo ngại nào về chất lỏng rò rỉ vào thiết bị điện tử Cũng tránh được trọng lượng tăng thêm do sử dụng chất lỏng, máy bơm và đường ống.
Nhược điểm: Không phù hợp với các loại động cơ hiệu suất cao Lý do là vì động cơ hiệu suất cao cần sử dụng một lượng điện năng rất lớn, đồng nghĩa với bộ pin cũng sẽ tỏa ra nhiệt độ cao, hiệu quả làm mát từ không khí là không đủ để đáp ứng nhu cầu làm mát cần thiết của pin
Ngoài ra, hệ thống làm mát ô tô điện này cũng không thích hợp để vận hành ở những vùng khí hậu nóng Vì nguồn không khí từ môi trường đã cao sẵn sẽ làm cho hiệu quả làm mát càng bị giảm đi.
Cánh tản nhiệt có kích cỡ lớn khiến hệ thống làm mát cồng kềnh hơn nên không được các nhà sản xuất xe điện lựa chọn sử dụng phổ biến.
2.5.2 Hệ thống làm mát bằng chất lỏng
Hệ thống làm mát pin xe điện bằng chất lỏng được chia thành hai loại: trực tiếp và gián tiếp.
Làm mát pin xe điện điện bằng cách trực tiếp: Ở phương pháp này, bộ pin sẽ được ngâm trực tiếp vào chất lỏng không dẫn điện Chất lỏng này sẽ có nhiệm vụ giảm nhiệt trực tiếp cho bộ pin Hệ thống làm mát trực tiếp cần được đảm bảo chất lỏng là chất không dẫn điện và không bị rò rỉ vào chính bên trong bộ pin.
Làm mát pin xe điện điện bằng cách gián tiếp: Hoạt động bằng cách tuần hoàn nước làm mát qua các đường ống được chạy xung quanh bộ pin Khi xe điện điện hoạt động làm cho pin nóng lên, nước làm mát sẽ được đẩy chạy dọc qua các đường ống,tiếp xúc với bộ pin và giảm nhiệt độ cho thiết bị này Hệ thống này cần đảm bảo chất làm mát có khả năng chịu nhiệt cao và đồng thời không hoạt động như một chất ăn mòn.[15]
Hình 2.18 Bộ pin Chevy Bolt EV được làm mát bằng chất lỏng thông qua một tấm đế bên dưới các ô[8]
- Ưu điểm: Với đặc tính của dung dịch làm mát giúp giải nhiệt tốt hơn thay vì chỉ dựa vào sức gió như hệ thống làm mát bằng không khí, giúp duy trì nhiệt độ ổn định hơn Phù hợp với động cơ sử dụng công suất lớn.
Bơm nước làm mát
Bơm nước có nhiệm vụ làm cho nước trong hệ thống làm mát lưu thông nhanh. Trong động cơ thường dùng bơm nước ly tâm có cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ và năng suất cao.
- Bánh công tác của bơm là một đĩa quay có cánh , khi quay nó sẽ đẩy nước vào các đường dẫn
- Động cơ: là bộ phận có vai trò kết nối, khiến cánh quạt quay
- Phốt bơm: ngăn chặn nước chảy vào động cơ
Khi động cơ làm việc, đĩa bơm quay, tạo ra độ chân không, nước qua ống được hút vào tâm của đĩa và do tác dụng lực ly tâm bị văng ra phía ngoài thành bơm theo hình xoắn ốc, rồi theo ống đặt tiếp tuyến với thân bơm vào làm mát động cơ.
Lưu lượng nước cần thiết để làm mát các bộ phận động cơ do bơm được bơm cung cấp phụ thuộc vào kích thước và cấu tạo cánh bơm, tốc độ bơm được truyền động Lưu lương này thường trong khoảng.
Hình 2.19 Nguyên tắc hoạt động của bơm nướcVới thiết kế chế tạo của hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn kín, không sử dụng nguồn động lực là động cơ Vì thế mà chúng em sử dụng nguồn động lực là điện nên chúng em sử dụng bơm nước điện Ngoài ra, có kích thước nhỏ gọn, nhẹ, dễ sử dụng chỉ cần có nguồn điện là có thể sử dụng
Máy bơm nước mini DC sử dụng động cơ 365DC- Motor 12V là máy bơm nước loại mini motor DC12V được sử dụng phổ biến trong ứng dụng gia dụng, Y tế, chế đồ DIY, bơm nước bình trà, thiết bị bể cá, hệ thống cấp và tuần hoàn nước, Máy bơm nước mini DC sử dụng động cơ 365DC - 12V có công suất tốt, hoạt động bền bỉ, liên lục.
Hinh 2.20 Máy Bơm Nước Sử Dụng Động Cơ 385DC Thông số kỹ thuật Máy bơm nước mini DC sử dụng động cơ 385DC:
- Điện áp hoạt động: 6-12V DC
- Tốc độ dòng chảy: 1.5~2L/phút
- Sức hút tối đa: 2 mét
- Sức đẩy tối đa: 3 mét
- Nhiệt độ nước: tối đa 80 o C
- Đường kính ống trong 6mm
- Đường kính ống ngoài 9mm
Màng Bơm 385 là cho phép thời gian chạy không tải lâu mà không tổn hại về bộ phận cơ học và hao mòn Có chức năng tự mồi nước
Bơm được sử dụng như một máy bơm nước, Bơm tuần hoàn bể cá để trao đổi nước, mô hình thử nghiệm, bể bơi bơm hơi, bơm máy đặt trà, bơm dầu ngũ cốc, cọ rửa xe, đóng hộp nước khoáng v.v! Bơm tuần hoàn nhiệt cho máy tính
Két nước làm mát
Két nước là bộ phận có nhiều lớp lá kim loại sát nhau như mang cá Cấu trúc này giúp tăng tối đa diện tích và không gian cho nước mát chảy qua Về cấu tạo cơ bản của hệ thống làm mát, nước làm mát sau khi tiếp xúc với pin sẽ nhận nhiệt lượng lớn và nóng lên, sau đó theo đường ống chạy về két nước Tại đây, két nước có gió tự nhiên làm mát lượng nước vừa tới và tiếp tục quay trở lại động cơ làm mát tiếp theo một vòng khép kín.
Về cơ bản, két nước ô tô tải thông thường sẽ bao gồm 4 bộ phận chính như sau: + Lõi: Đây là phần chính và lớn nhất trong két nước xe tải Bộ phận này được từ
1 khối kim loại lớn với các cánh tản nhiệt Cho phép chất làm mát có thể thoát nhiệt ra ngoài không khí xung quanh két nước Phần không khí này sẽ được thải và đẩy ra tại vỉ trước xe Hiện nay, két nước làm màt ô tô có nhiều loại lõi khác nhau như két nước 1 lõi, 2 lõi hay 3 lõi.
+ Nắp két nước: Là bộ phận có vai trò chịu áp lực khiến chất làm mát trở nên nóng hơn Bộ phận này sẽ giúp tạo nên áp suất bằng cách dùng lò xo để tạo áp lực lên tới 20 PSI.
Hình 2.21 Cấu tạo két nước ô tô + Ống dẫn nước: Là phần ống dẫn được lắp ở 2 đầu ra – vào của két nước.
+ Khoang chứa: Để chứa chất dung dịch làm mát Hãy lưu ý sử dụng loại nước làm mát xe ô tô đạt chuẩn, chất lượng Để đảm bảo độ bền cho tuổi thọ của két nước, cũng như toàn bộ hệ thống làm mát
Dựa vào cách lưu thông nước trong két nước, được chia là hai loại:
+ Bộ dòng chảy từ trên xuống Thiết kế này được sử dụng chủ yếu trong các phương tiện cũ, trong đó chất làm mát đi vào két nước ở phía trên và chảy xuống dưới, thoát ra khỏi bộ tản nhiệt ở phía dưới.
+ Bộ tản nhiệt dòng chảy chéo Hầu hết các xe ô tô hiện nay sẽ sử dụng thiết kế dòng chảy chéo, trong đó chất làm mát chảy chéo từ một phía của bộ tản nhiệt sang phía đối diện.
Hình 2.22 Hai loại két nước làm mát
Nước làm mát
Nước làm mát ô tô có nhiệm vụ làm mát, giải nhiệt, giúp động cơ duy trì được nhiệt độ làm việc lý tưởng nhất.
Nước làm mát hay dung dịch nước làm mát động cơ không phải là loại nước lọc dùng trong sinh hoạt hàng ngày mà là chất lỏng chuyên dụng Thành phần chính là nước cất (nước tinh khiết) và dung dịch làm mát ethylene glycol có tác dụng truyền dẫn nhiệt nhanh, cùng các chất phụ gia giúp chống bay hơi, ăn mòn động cơ
Nước làm mát có rất nhiều loại với nhiều màu sắc khác nhau như màu hồng, màu xanh lá, màu đỏ, màu cam, màu xanh dương… Thành phần hoá học khác nhau chính là lý giải tại sao nước làm mát lại có nhiều màu đến vậy Tuỳ theo thành phần mà mỗi loại nước làm mát sẽ có nhiệt độ sôi, chỉ số đóng cặn và tuổi thọ sử dụng khác nhau.
- Nước làm mát màu xanh lá và xanh lam thường sử dụng công nghệ phụ gia vô cơIAT – Inorganic Additive Technology Loại chất làm mát này thường chứa Silicat,chất ức chế ăn mòn Phosphat…
- Nước làm mát màu cam, màu đỏ và xanh đậm thường sử dụng công nghệ axit hữu cơ OAT – Organic Acid Technology Loại chất làm mát này không chứa Silicat hay Phosphat nhưng vẫn có chất ức chế ăn mòn tuy nhiên là chất hữu cơ Loại này được đánh giá thân thiện với môi trường và được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.Bên cạnh màu sắc, nước làm mát còn được phân loại Long Life Coller (LLC) vàSupper Long Life Coller (SLLC) Sự khác biệt giữa LLC và SLLC chủ yếu là tỷ lệ thành phần Ethylene Glycol và LLC có thêm Diethylene Glycol trong khi SLLC không có.
Cảm biến nhiệt độ
Mạch điều khiển đóng ngắt nhiệt độ XH-W1209 được sử dụng kết hợp với các vật dụng sinh nhiệt như: bóng đèn dây tóc, quạt, điện trở nhiệt, giúp dễ dàng cài đặt và điều khiển nhiệt độ môi trường ở mức mong muốn cho các ứng dụng: máy ấp trứng mini, điều hòa nhiệt độ, làm mát tự động, trồng cây,
Hình 2.23 Mạch Cảm Biến Và Điều Khiển Nhiệt Độ W1209
- Dòng tiêu thụ: ≤ 3mA khi đo, ≤ 60mA khi đóng relay
- Tầm đo nhiệt độ: -50 ~ 110 độ C
- Đầu dò nhiệt độ: Nhiệt điện trở 10K 0.5m cảm biến không thấm nước.
- Cài đặt nhiệt độ: bằng nút nhấn: Cài đặt(Set) - Tăng(+) - Giảm(-)
- Khống chế nhiệt độ bằng relay.
- Ngõ ra: relay thường hở
Một số hệ thống làm mát các hãng[8]
2.10.1 Hệ thống làm mát của hãng Tesla
Hệ thống quản lý nhiệt của Tesla sử dụng Glycol lỏng làm chất làm mát Hệ thống truyền nhiệt thông qua một chu trình làm lạnh Chất làm mát glycol được phân phối khắp gói để làm mát các tế bào Xem xét rằng Tesla có 7000 tế bào để làm mát, đây là một thách thức.
Tesla có một ứng dụng bằng sáng chế cho hệ thống của họ Nó dựa trên một ống làm mát bằng kim loại hình dải ruy băng mà rắn qua gói
Hình 2.24 Ảnh chụp từ ứng dụng bằng sáng chế
Hình 2.25 Ống làm mát hình dải băng giao với các ô
Hình 2.26 Ruy băng làm mát rắn đi qua các ô
GM sử dụng các pin hình lăng trụ ( hình chữ nhật) Mỗi pin có kích thước gần bằng một cuốn sách thiếu nhi Kệp giữa các tấm pin là một tấm làm mát bằng nhôm
Hình 2.27 Tấm làm mát của GM
Có 5 đường dẫn nước làm mát riêng lẻ đi qua tấm song song không nối tiếp như hệ thống Tesla Mỗi túi pin (tế bào) được đặt trong một “khung” bằng nhựa Các khung có tấm làm mát sau đó được xếp chồng lên nhau theo chiều dọc để tạo thành toàn bộ gói
Hình 2.28 Mô hình tấm làm mát của GM
Thay vì bắn chất làm mát qua các đường và khoang trong hộp pin, XING Mobility thực hiện một cách tiếp cận khác bằng cách nhúng các tế bào của nó vào một chất lỏng không dẫn điện có nhiệt độ sôi cao Chất làm mát là 3M Novec 7200 Engineered Fluid (chất lỏng không dẫn điện được thiết kế cho các ứng dụng truyền nhiệt, chống cháy và làm mát siêu máy tính”.
Hình 2.29 Pn Xing có 4200 tế bào lithium-ion riêng lẻ được bọc trong các gói mô-đun làm mát bằng chất lỏng
Tính toán hệ thống làm mát[13]
2.11.1 Tính hệ thống làm mát bằng không khí
Tính toán hệ thống làm mát bằng không khí bao gồm tính toán các phiến tản nhiệt ở động cơ và xác định lượng tiêu thụ không khí làm mát Khi tính toán phiến tản nhiệt, thường tính với các điều kiện sau đây:
Sự toả nhiệt của phiến tản nhiệt với chiều dày δ= 0.005 m và chiều cao h=0.015m có thể tính tương đương sự toả nhiệt của hai mặt bên của bản có chiều cao tương đương h’: h’= h + δ 2
Hình 2.30 Sơ đồ tính toán cánh tản nhiệt Tốc độ trung bình của không khí ωkk qua khe hở giữa các phiến tản nhiệt: ωkk = 10 m/s Tính lượng nhiệt truyền đi: Trong làm mát bằng không khí có thể tính gần đúng nhiệt lượng do không khí làm mát mang đi theo công thức kinh nghiệm:
Q0 xác định theo công thức:
Q0 = Qh.Gnl = 5*500 = 2500 (J/s) Trong đó: Qh = 5 - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
Gnl = 500W/s - Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một đơn vị thời gian tính bằng s Lượng không khí cần thiết cho làm mát xác định theo công thức sau:
Qkk = ρ Q lm kk C p ∆ t kk = 1,3∗1005∗10425 = 0,03 (m 3 /s) Trong đó: Qlm - Nhiệt lượng do không khí làm mát mang đi (J/s) ρkk = 1,3 (kg/m 3 ) - Khối lượng riêng của không khí (kg/m 3 )
Cp = 1005 (J/kg.độ) - Tỷ nhiệt đẳng áp trung bình của không khí
∆tkk - Chênh lệch của nhiệt độ không khí làm mát trước và sau khi qua cánh tản nhiệt, chọn ∆tkk = 10 o C
2.11.2 Tính hệ thống làm mát bằng nước
Tính toán két nước: Bao gồm việc xác định bề mặt tản nhiệt để truyền nhiệt từ nước ra môi trường không khí xung quanh
Xác định kích thước của mặt tản nhiệt trên cơ sở lý thuyết truyền nhiệt
Truyền nhiệt trong bộ tản nhiệt chủ yếu là đối lưu Két nước tản nhiệt của khối pin có một mặt tiếp xúc với nước nóng và mặt kia tiếp xúc với không khí
Do đó truyền nhiệt từ nước ra không khí là sự truyền nhiệt từ môi chất này đến môi chất khác qua thành mỏng
Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong két nước xác định theo biểu thức sau đây : t n =t nv +t nr
2 = 45 + 2 40 G,5 o C (2.1) Trong đó, nhiệt độ nước vào tnv = 45 o C và nhiệt độ nước ra tnr = 40 o C của két nước có thể lấy bằng nhiệt độ nước vào và nhiệt độ nước ra của khối pin
Nhiệt độ trung bình của không khí làm mát: t kk =t kkv +t kkr
2 = 40+50 2 = 45 o C (2.2) Nhiệt độ không khí vào (tkkv) phía trước bộ tản nhiệt lấy bằng 40 o C Chênh lệch nhiệt độ của không khí qua bộ tản nhiệt ∆tkk lấy bằng 10 o C
Hệ số α1 có thể xác định bằng các công thức thực nghiệm Trị số thí nghiệm của hệ số α1 thay đổi trong khoảng α1= 2326 ÷ 4070 (W/m 2 độ) Chọn α1#26(W/m 2 độ).
Hệ số λ của nhôm: λ = 203,5 (W/m.độ)
Hệ số α2 phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ của không khí: ωkk = 10m/s.
Theo số liệu thí nghiệm, xác định bề mặt làm mát của bộ tản nhiệt, có thể lấy k ≈ α2 và có thể tính gần đúng: α2 = 11,38ω kk 0,8 = 11,38 * 10 0,8 = 71,8 (W/m 2 độ)
Hệ số truyền nhiệt tổng quát của két nước: k 1 1 α 1 +δ λ+ 1 α 2
71,8 = 69,1 (W/m 2 độ) (2.3) Diện tích két làm mát nước: từ kết quả (2.1) (2.2) (2.3) với Qlm= 425 (J/s)
69,1∗(47,5−45)=2,4¿ 2 ) Lượng nước qua két nước
Trong đó : Cn - Tỷ nhiệt của nước làm mát (J/kg.độ )
Nước: Cn = 4187 J/kgđộ (1,0 kcal/kg.độ ) Lượng không khí qua két nước
Gkk = c Q lm kk (t nv −t nr )=¿ 425
1005∗(45−40) = 0,08 (kg/s) Trong đó : Ckk = 1005(J/kg.độ ) -Tỷ nhiệt của không khí (J/kg.độ )
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
Thiết kế, chế tạo vỏ đựng pin
Thiết kế một số hệ thống và chọn các vật liệu có sẵn với phương án này, cần thiết kế bố trí hệ thống làm mát bằng không khí và hệ thống làm mát bằng nước theo các quy định an toàn khi lưu thông trên đường Chọn các vật liệu có sẵn dựa trên các thông số tính toán, kiểm nghiệm lại sau đó tiến hành lắp ráp Ưu điểm: Phù hợp với điều kiện kỹ thuật của xe điện Đảm bảo được an toàn, sự tiện nghi khi sử dụng
Có thể có nhiều phương án bố trí thích hợp
Nhược điểm: Vẫn còn phụ thuộc vào đặc tính của một số phụ kiện có sẵn
Kết luận: Dựa vào những phân tích ở trên ta thấy phương án đảm bảo được tất cả các chỉ tiêu đã đưa ra và đảm bảo với trình độ kỹ thuật và có thể sản xuất được.
Vỏ đựng pin là phần chịu lực quan trọng của hệ thống pin, nó được thiết kế để đảm bảo an toàn bao gồm va đập khi gặp sự cố va chạm, cố định pin ngăn chập mạch điện gây cháy nổ, kết hợp đảm bảo việc lắp đặt và bảo trì linh hoạt và thuận tiện hơn. Bên cạnh đó nó cũng sẽ quyết định hình dáng, kích thước, độ bền và khả năng cơ động của xe Chính vì những lí do trên nên trong quá trình chế tạo vỏ pin xe điện vấn đề về vật liệu luôn được quan tâm hàng đầu.
3.1.2 Chọn vật liệu thi công
Có rất nhiều vật liệu để làm vỏ pin như nhôm, nhựa, thép Nhưng trong các vật liệu trên thì nhôm có khả năng chịu lực, chống biến dạng tốt, bên cạnh đó nó còn nhẹ nhưng độ cứng cơ khí cao Thép cũng đáp ứng tốt về khả năng chịu lực nhưng trọng lượng nặng hơn nhôm
Nhôm là một kim loại nhẹ và có khối lượng riêng rất nhỏ Ngoài ra nhôm còn có khả năng chống ăn mòn và khá là bền do có lớp oxy hóa được phủ bên ngoài Nhôm cũng sẽ không bị nhiễm từ và không dễ cháy khi để ở ngoài không khí trong điều kiện bình thường.
Ngoài ra nhôm rất dễ bị uốn cong, vì vậy mà nhôm được dùng để gia công trên máy móc Các thành phần cấu trúc mà được làm từ nhôm và hợp chất của nó rất quan trọng và mang lại lợi ích khá lớn cho các ngành công nghiệp hiện nay.
Hình 3.1 Nhôm dùng trong gia công cơ khí chi tiết máy
3.1.3 Thiết kế, chế tạo vỏ đựng pin
Với yêu cầu luôn để pin hoạt động trong vùng nhiệt độ tối ưu (20-40 ℃) thì việc thiết kế hộp đựng pin và làm mát là một vấn đề quan trọng.
Kết cấu vỏ pin thiết kế có kích thước tổng thể như sau: chiều dài 360 mm, chiều rộng 144 mm và chiều cao 85 mm Sử dụng vật liệu nhôm, cao 85 mm đối với hộp vỏ pin, nắp pin dày 10 mm và được bố trí dưới khung xe.
Hình 3.2 Hình ảnh bản vẽ thiết kế vỏ đựng pin Đặc điểm vỏ đựng pin hình vuông rỗng là sử dụng để đựng các tế bào pin Vỏ đựng pin sử dụng vật liệu này giúp chống ăn mòn và các ngoại lực tác động từ bên ngoài Vỏ pin được gia công và tạo thành một khối có cấu trúc định hình và vững chắc. Ưu điểm: rắn chắc, nhỏ gọn phù hợp với thiết kế xe điện, có độ bền cao cùng
Hình 3.3 Hình ảnh cắt các tấm nhôm thiết kế vỏ đựng pin
Hình 3.4 Hình ảnh các tấm nhôm sau khi cắt
Thiết kế, chế tạo hệ thống làm mát
3.2.1 Thiết kế hệ thống làm mát bằng không khí
Hệ thống làm mát bằng không khí sử dụng các cánh tản nhiệt để tăng diện tích truyền nhiệt, sử dụng nguyên lý gió thổi qua hộp pin đang hoạt động trong quá trình vận hành.
Hình 3.5 Hình ảnh bản vẽ thiết kế cánh tản nhiệt
3.2.2 Thiết kế hệ thống làm mát bằng nước
Hệ thống làm mát bằng nước sử dụng nước luân chuyển theo đường ống vào hộp pin Ở đây, nhiệt độ pin sẽ được truyền qua nước và giải nhiệt cho pin.
Hình 3.6 Hình ảnh bản vẽ thiết kế hệ thống làm mát bằng nước
Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống làm mát bằng nước
1 Vỏ hộp pin, 2 Bơm nước, 3 Két nước Cảm biến nhiệt độ là dạng cảm biến chủ yếu được sử dụng để đo sự thay đổi nhiệt độ thì các cảm biến đưa ra tín hiệu cho các bộ đọc để quy ra nhiệt độ chính xác dùng đóng mở bơm nước theo nhiệt độ quy định.
Hình 3.8 Sơ đồ đấu tải 12VDC sử dụng đóng mở bơm nước
Sử dụng bo hạ áp đổi nguồn điện chuyển dòng điện từ 48V hoặc 60V về 12V cung cấp điện cho cảm biến nhiệt độ Cục đổi nguồn xe điện có 3 dây:
+ Dây đỏ nguồn điên vào 48V hoặc 60V Thường là lấy từ dây sau khóa
+ Dây đen: là dây âm vào có thể lấy bất kể từ dây âm nào cũng được
+ Dây cam, hoặc vàng: Là dây dương 12V ra cấp cho cảm biến nhiệt độ
Với dây dương 12V này bạn có thể kết hợp với một dây âm bất kỳ để chế hoặc độ món nào đó dùng trên xe điện mà dùng điện 12V.
Hình 3.9 Sơ đồ đấu tải 12VDC cảm biến nhiệt độ
3.2.3 Chế tạo hệ thống làm mát
Chế tạo khung mô hình:
Bằng việc vận dụng môn học nguội - gò hàn đã được học trước đây, nhóm chúng em đã thiết kế và mua nhôm về tiến hành cắt, hàn khung Tiến hành CNC các cánh tản nhiệt hệ thống làm mát bằng không khí bên ngoài vỏ pin.
Hình 3.10 Tiến hành cắt tấm nhôm
Hình 3.11 Tiến hành CNC cánh tản nhiệt các tấm nhôm
Hình 3.12 Tiến hành hàn khung nhôm
Hình 3.13 Taro lỗ và bắt đầu ren nối ống nước
Lắp đặt hộp pin vào khung xe đã gia công
Hình 3.15 Khung xe đã gia công
Hình 3.16 Hàn các thanh đỡ khối pin
Hình 3.17 Tiến hành bố trí vị trí hệ thống làm mát
Hình 3.18 Tiến hành bố trí vị trí máy bơm
Hình 3.19 Cố định hệ thống làm mát trên khung xe
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Kết quả thực hiện đề tài
Hình 4.1 Chạy thực nghiệm trên đường Tiến hành lắp đặt chạy thử trên xe với cùng quãng đường, thời gian chạy và tốc độ như nhau ở các chế độ làm mát khác nhau và điều kiện sử dụng khác nhau để có những đánh giá tổng quát nhất đặc tính làm việc của hệ thống làm mát:
- Nhiệt độ tỏa ra khi không sử dụng hệ thống làm mát, sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí, sử dụng hệ thống làm mát bằng nước và khi kết hợp cả hai.
- Khả năng làm mát ở các chế độ làm mát khác nhau khi chạy.
- Công suất năng lượng khối pin cho ra tốc độ tối đa của động cơ điện.
Trước khi thử nghiệm các chế độ vận hành hệ thống làm mát trên xe cần phải sạc
Quá trình đo thông số nhiệt độ ở các chế độ khác nhau lần 1:
Hình 4.2 Nhiệt độ khi chưa làm mát
Hình 4.3 Nhiệt độ khi làm mát không khí
Hình 4.4 Nhiệt độ khi làm mát bằng nước
Hình 4.5 Nhiệt độ khi làm mát kết hợp không khí và nước
Quá trình đo thông số nhiệt độ ở các chế độ khác nhau lần 2:
Hình 4.6 Nhiệt độ khi chưa làm mát
Hình 4.7 Nhiệt độ khi làm mát không khí
Hình 4.8 Nhiệt độ khi làm mát bằng nước
4.1.2 Đánh giá kết quả thực nghiệm
Bảng 4.1 Kết quả đánh giá thực nghiệm
Chưa làm mát Làm mát bằng không khí
Không khí và nước Nhiệt độ lần 1
Công suất năng lượng khối pin cho ra tốc độ
Xe đạt tốc độ trên 55km/h