Bài Giảng Học Phần Ô Tô Điện Và Xe Tự Lái.pdf

TS PHAN VĂN DƯ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN Ô TÔ ĐIỆN 42

3.1.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều 44

3.1.2 Đặc tính cơ động cơ một chiều 46

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN VÀ XE HYBRID 62 4.1 Cấu hình truyền động ô tô điện và xe hybrid 62

5.3.2 Bản địa hóa 100

MỞ ĐẦU

Các kỹ sư ô tô thuộc nhiều lĩnh vực hợp tác để tạo ra những công nghệ phức tạp và hấp dẫn của một chiếc xe Bản thân phương tiện này đóng vai trò là một hệ thống tuyệt vời và thú vị để giáo dục học sinh, sinh viên về kỹ thuật điện, cơ khí và hóa học Mục đích của cuốn bài giảng này là mô tả và trình bày chiếc xe từ góc độ kỹ thuật hệ thống trong bối cảnh ô tô điện hiện đại và xe hybrid Trong thập kỷ qua, công nghệ vận tải đường bộ chạy bằng điện đã có những tiến bộ đáng kể khiến việc đưa thêm nhiều công nghệ đang phát triển và các yếu tố thiết kế các bộ phận của hệ thống truyền động điện trở nên cần thiết

Bài giảng này sẽ cung cấp tài liệu đào tạo về ô tô điện, xe hybrid, và xe tự lái cho sinh viên sử dụng và cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho việc thiết kế và phát triển xe điện và xe hybrid và các thành phần của chúng cho một kỹ sư đang làm việc Thảo luận về hầu hết các chủ đề chỉ giới hạn ở các nguyên tắc cơ bản, xem xét nhiều khía cạnh kỹ thuật liên quan đến ô tô điện và hệ thống xe hybrid Mục đích của cuốn sách là cung cấp cho sinh viên và kỹ sư những kiến thức nền tảng cần thiết để bắt đầu quá trình thiết kế và đánh giá các công nghệ có liên quan Xe tự lái là một công nghệ mới nổi khác sẽ trở thành một phần không thể thiếu của các phương tiện hiện đại được trang bị động cơ đốt trong hoặc điện Một chương về kiến trúc hệ thống xe tự lái bao gồm phần cứng và phần mềm đã được đưa vào bài giảng

Bài giảng được bố cục thành 5 chương, bắt đầu bằng phần giới thiệu ở cấp độ hệ thống về ô tô điện, xe hybrid, và xe tự lái cùng với bối cảnh lịch sử của các loại xe này trong Chương 1.Chương 2 thảo luận về các nguồn năng lượng và hệ thống lưu trữ năng lượng cho ô tô điện và xe hybrid Nguyên tắc cơ bản về điện hóa của các thiết bị lưu trữ năng lượng như pin, siêu tụ điện được trình bày trong chương này Chương 3 đề cập đến các bộ phận điện của hệ thống truyền động Nguyên lý hoạt động, đặc tính cơ, và điều khiển truyền động máy điện một chiều và cảm ứng được thảo luận trong chương này Chương 4 đề cập đến hệ thống truyền động của ô tô điện và xe hybrid cùng với các thành phần cơ khí Cuối cùng, Xe tự lái với nguyên tắc hoạt động, các thành phần phần cứng và phần mềm của nó được trình bày trong Chương 5

Trong quá trình biên soạn, tác giả đã cố gắng thể hiện nội dung mang tính cơ bản, tính hệ thống và tính hiện đại Song vì kinh nghiệm còn ít, điều kiện làm việc và thời gian còn nhiều hạn chế nên chắc chắn còn có nhiều thiếu sót Tác giả mong nhận được ý kiến góp ý của bạn đọc để tập bài giảng ngày càng được hoàn thiện hơn

Nghệ An, tháng 01 năm 2024 TÁC GIẢ

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN, HYBRID, VÀ XE TỰ LÁI 1.1 LỊCH SỬ Ô TÔ ĐIỆN

Ô tô điện không phải là một khái niệm mới mà trên thực tế đã có lịch sử lâu đời Từ đầu thế kỷ 19, xe chạy bằng nguồn năng lượng điện đã có vị thế cạnh tranh tương đương với xe chạy bằng động cơ hơi nước

Vào khoảng những năm 1832 - 1839, Robert Anderson người Scotland đã phát minh ra loại ô tô điện chuyên chở đầu tiên

Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ là Thomas Davenport và Scotsmen Robert Davidson trở thành những người đầu tiên đưa pin vào sử dụng cho ô tô điện Đến những năm 1865, Camille Faure đã thành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong pin, giúp cho ô tô điện có thể di chuyển một quãng đường dài hơn Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 19

Hình 1.1 Ô tô điện thời kỳ đầu: a) Chiếc xe đua La Jamais Contente (1899) b) Edison và chiếc xe Detroit (1914)

b Suy yếu và biến mất

Đến đầu thế kỷ 20, ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong do những nguyên nhân chính sau:

Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới dẫn đến việc hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên toàn cầu Vấn đề nhiên liệu cho xe chạy động cơ đốt trong trở nên đơn giản

Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750 USD, trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650 USD

Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô có những tiến bộ vượt bậc: Charles Kettering đã phát minh ra bộ khởi động cho xe chạy xăng, Henry Ford đã phát minh ra các động cơ đốt trong có giá thành hạ, v.v

Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh tranh được với xe chạy động cơ đốt trong

c Sự trở lại và phát triển

Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ 20, thế giới phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu:

Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được Các phương tiện giao thông sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng này (xăng, dầu) chắc chắn sẽ không tồn tại trong tương lai Trong khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển, v.v Do vậy, các phương tiện sử dụng điện là phương tiện của tương lai

Vấn đề môi trường: không khó để nhận ra rằng môi trường hiện nay đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, mà một trong những nguyên nhân chính là khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô Ô tô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này do nó hoàn toàn không có khí thải

Như vậy, ta thấy rằng ô tô điện là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn, đó là lý do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây, và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thế giới

1.2 HỆ THỐNG Ô TÔ ĐIỆN 1.2.1 Sơ đồ cấu trúc ô tô điện

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của ô tô điện chạy pin (EV) rất đơn giản và được thể hiện trong hình 1.2 Chiếc xe bao gồm một pin điện để lưu trữ năng lượng, một động cơ điện và bộ điều khiển Pin thường được sạc lại từ nguồn điện lưới thông qua một phích cắm và bộ sạc pin có thể được mang theo hoặc cắm vào các điểm sạc Bộ điều khiển thông thường sẽ điều khiển nguồn điện cung cấp cho động cơ và do đó điều khiển tốc độ của xe, tiến và lùi Bộ điều khiển kiều này được gọi là ‘bộ điều khiển hai phần tư’ gồm tiến và lùi Người ta thường mong muốn sử dụng phanh tái tạo vừa để thu hồi năng lượng vừa là một hình thức phanh không ma sát thuận tiện Ngoài ra khi nào bộ điều khiển cho phép phanh tái tạo theo hướng tiến và lùi, nó được biết đến như một ‘bộ điều khiển bốn góc phần tư’ Hiện nay trên thị trường có nhiều loại ô tô điện loại này

Hình 1.2 Cấu trúc ô tô điện

Hệ thống phân phối năng lượng trong ô tô điện được mô tả như hình 1.3 Từ năng lượng dự trữ của pin, thông qua các bộ chuyển đổi (converter hoặc inverter) cung cấp điện áp và dòng điện phù hợp cho các hệ thống con như là động cơ, tải áp thấp, hệ thống điều hòa, và hệ thống lái, v.v

Hình 1.3 Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng 1.2.2 Các thành phần của một ô tô điện

So với các loại ô tô sử dụng động cơ đốt trong, ô tô điện có các bộ phận chuyển động ít hơn đến 90.2% Về cấu tạo của ô tô điện bao gồm 8 bộ phận chính được mô tả như hình 1.4

Hình 1.4 Cấu tạo tổng quát ô tô điện

1) Động cơ điện (Electric motor): Mô-tơ điện là thành phần chính của ô tô điện Nó sử dụng năng lượng từ bộ nguồn ắc qui, motor này dẫn động các bánh xe Vài phương tiện còn sử dụng tổ hợp động cơ – máy phát (motor generators) thực hiện cả 2 chức năng truyền động và tái sinh/hồi phục năng lượng

Điều rất quan trọng là chọn đúng loại động cơ công suất phù hợp Việc lựa chọn mô-tơ điện sẽ không chính xác nếu chỉ đơn giản đề cập đến động cơ 101 kW hoặc động cơ 15 mã lực Vì mã lực thay đổi theo điện áp, dòng điện và công suất đỉnh cao hơn nhiều so với công suất làm việc liên tục Cũng dễ gây nhầm lẫn khi so sánh mô-tơ điện với động cơ đốt trong, vì mô-tơ điện được đánh giá liên tục khi có tải và động cơ đốt trong được đánh giá ở công suất cực đại trong điều kiện không tải Để xác định chính xác, mô-tơ điện phải được nhận dạng bằng tên hoặc số kiểu máy Sau đây là các mô-tơ điện thường được sử dụng trên ô tô điện

Mô-tơ điện một chiều (DC) Series Wound Brushed là loại mô-tơ điện tốt nhất cho ô tô điện chạy đường trường hiện nay Vì chúng có mô-men xoắn cao, giá thành thấp hơn so

so với các loại khác

Mô-tơ điện xoay chiều (AC) chỉ hoạt động ở vòng tua máy thấp, đắt tiền và yêu cầu cơ chế điều khiển tốc độ phức tạp

Mô-tơ điện một chiều không chổi than yêu cầu bộ điều khiển đắt tiền nhưng ít bảo dưỡng

Mô-tơ điện nam châm vĩnh cửu chỉ hoạt động ở dải vòng tua rất hẹp và nhanh chóng mất hiệu quả ở các tốc độ khác nhau

2) Bộ điều khiển điện tử công suất (Power electronics controller): Bộ phận này quản lý dòng năng lượng điện được cung cấp bởi ắc quy, điều khiển tốc độ của motor điện và momen xoắn mà nó tạo ra

3) Bộ chuyển đổi DC/DC: Thiết bị này chuyển đổi nguồn DC áp cao từ ắc quy thành nguồn DC áp thấp cần thiết để các thiết bị trên xe hoạt động & sạc lại cho ắc quy phụ

4) Hệ thống tản nhiệt (Cooling System): Hệ thống này duy trì một phạm vi nhiệt độ hoạt động thích hợp của động cơ/motor điện & các bộ phận khác

5) Ắc quy phụ (Battery-auxiliary): Trong một chiếc xe truyền động điện, nguồn pin phụ cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên xe hoạt động

6) Bộ sạc tích hợp (Onboard charger): Lấy nguồn điện AC được cung cấp qua cổng sạc và biến đổi chúng thành nguồn DC để sạc cho ắc quy Bộ phận này theo dõi các thông số của ắc quy như điện áp, dòng, nhiệt độ và trạng thái sạc

7) Truyền động (điện) – Transmission (electric): Truyền động

8) Cổng sạc: Cổng sạc cho phép phương tiện kết nối với nguồn điện bên ngoài để sạc ắc-quy

9) Pin: Lưu trữ điện để cung cấp cho motor Với dòng xe ô tô điện, pin chính là “linh hồn”, là công nghệ lõi của thiết kế ô tô điện, chiếm tỷ trọng lớn trong giá bán xe ô tô điện cũng như đòi hỏi trình độ khoa học - công nghệ cao Pin trên ô tô điện là loại pin sạc (hay còn gọi là ắc quy hay pin thứ cấp), là các loại pin có thể lặp đi lặp lại chu trình sạc bằng cách cắm pin và bộ sạc vào nguồn điện

Cấu tạo pin ô tô điện gồm nhiều ngăn chứa các tế bào pin được lắp nối tiếp nhau, gồm điện cực dương (ca-tốt) và điện cực âm (a-nốt) cùng dung dịch điện ly Bộ pin gồm các thành phần như hình 1.5

Hình 1.5 Bộ pin:

1-Bu lông; 2-Đai ốc; 3-Thanh cân bằng điện áp; 4-Ống làm mát; 5-Pin cao áp; 6-Miếng đệm; 7-Pin bộ phận kiểm soát pin; 8-Bu lông; 9-Đai ốc khoá; 10-Bu lông khoá

Ngoài các bộ phận chính trên, thành phần trên ô tô điện còn có các hệ thống dây dẫn bao gồm thành phần điện áp cao và thấp

 Thành phần điện áp cao

Các thành phần chính của điện áp cao (còn được gọi là năng lượng cao) như hình 1.6 thường được phân loại là: Cáp cao (luôn có màu cam); Khoang động cơ-mô tơ điện; Bộ phận quản lý pin; Biến tần; Bộ sạc; Trợ lực lái động cơ; Bộ sưởi điện; Bơm điều hòa

Các điểm an toàn chung cần lưu ý với loại này khi làm việc: - Bụi và chất độc có hại cho sức khỏe

- Không bao giờ hoạt động trên pin điện áp cao bị đoản mạch - Nguy cơ bỏng do nóng cao thế ắc quy

- Mang găng tay bảo vệ

- Hệ thống làm mát có áp suất cao khi động cơ nóng - Nguy cơ bỏng da và các bộ phận cơ thể

Máy nén AC trên ô tô điện được điều khiển bởi một động cơ điện áp cao Tất cả các công việc tháo và thay thế điện áp cao sẽ bắt đầu với quá trình xả năng lượng và sau khi hoàn thành, tái cung cấp năng lượng Thông tin của nhà sản xuất là cần thiết cho bất kỳ công việc sửa chữa và thay thế nào liên quan đến điện cao thế Hướng dẫn chung cho bất kỳ thành phần nào sẽ giống như sau đây:

- Xả năng lượng hệ thống

- Xả nước làm mát nếu thích hợp (nhiều thành phần điện áp cao yêu cầu làm mát) - Loại bỏ bất kỳ nắp hoặc lớp phủ nào

- Tháo kết nối cáp điện áp cao

- Tháo bu lông / đai ốc bảo vệ nếu cần - Loại bỏ thành phần chính

 Các thành phần điện áp thấp

Ngoài điện áp cao, hầu hết các thành phần làm việc điện áp thấp Điện áp thấp là một thuật ngữ tương đối, định nghĩa thay đổi theo ngữ cảnh Đối với dòng xe hybrid điện áp thấp có nghĩa là hệ thống 12 hoặc 24V Điện áp thấp hệ thống sẽ bao gồm: Bộ phận điều khiển/hộp cầu chì; Thành phần năng lượng thấp được liên kết với sưởi ấm nội thất; Pin; Động cơ khởi động như hình 1.7; Máy phát điện; Công tắc; Chiếu sáng; Thành phần năng lượng thấp liên kết với không khí điều hòa; Báo động / cố định; Khóa trung tâm; Cửa sổ điện / hệ thống gạt nước-rửa

Hình 1.7 Động cơ khởi động 12 V tiêu chuẩn

1.3 NHỮNG LỢI THẾ CỦA Ô TÔ ĐIỆN

Ô tô điện thường gắn liền với lợi ích môi trường và tiết kiệm năng lượng Những lợi ích này bao gồm giảm ô nhiễm cục bộ từ chính các phương tiện giao thông, giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và các nhiên liệu hóa thạch khác cũng như giảm lượng khí thải carbon Khi xem xét việc giới thiệu ô tô điện, cần thiết có sự hiểu biết thấu đáo về tác động tới môi trường

1.3.1 Tiết kiệm năng lượng và giảm tổng lượng khí thải carbon

Khi việc sử dụng ô tô điện thay thế nguồn năng lượng kém hiệu quả hơn về vận chuyển có thể tích lũy được khoản tiết kiệm năng lượng đáng kể Một ví dụ điển hình là việc thay thế du lịch hàng không bằng vận tải tàu điện Khuyến khích người sử dụng xe hơi đi tàu điện ngầm sẽ là một ví dụ khác Thay thế ô tô chạy động cơ đốt trong (internal combustion engine: ICE) bằng ô tô điện giúp tiết kiệm năng lượng, với điều kiện nguồn điện được sản xuất bởi hệ thống lưới điện hiệu quả của các nhà máy điện hiện đại Nó cũng sẽ tiếp tục giảm lượng khí thải carbon khi một phần điện năng được tạo ra từ năng lượng hạt nhân hoặc nguồn năng lượng thay thế không thải ra carbon Ở Anh năng lượng hạt nhân cung cấp khoảng 20% điện năng và 10% nữa được tạo ra từ năng lượng thay thế như gió và thủy điện Ở Pháp, 90% sản lượng điện không thải ra carbon Ví dụ, năm 2003, khoảng 75% điện năng của Pháp được tạo ra từ năng lượng hạt nhân điện và 15% nữa là thủy điện Chỉ 10% được tạo ra bởi các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch

1.3.2 Giảm ô nhiễm địa phương

Ngày càng có nhiều lo ngại về ô nhiễm từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ở các thị trấn và các thành phố, ô tô điện có thể và thực sự làm cho các thị trấn và thành phố trở nên dễ sống hơn Những phương tiện này làm giảm lượng khí thải carbon dioxide và cả lượng khí thải ở địa phương

Các vấn đề môi trường có thể là yếu tố quyết định việc sử dụng ô tô điện để sử dụng cho thị trấn và thành phố Xăng pha chì đã bị cấm và đã có nhiều nỗ lực ở một số thành phố để buộc phải sử dụng các phương tiện không phát thải Tiểu bang California đã khuyến khích các nhà sản xuất xe cơ giới sản xuất ô tô điện với chi phí thấp với Chương trình phương tiện phát thải thấp Tính chất khá phức tạp của các quy định ở bang này đã đã dẫn đến những phát triển rất thú vị về pin nhiên liệu, pin và ô tô điện hybrid Ô tô điện được sạc từ hệ thống lưới điện hiện đại không chỉ làm giảm tổng thể lượng năng lượng được sử dụng mà còn loại bỏ lượng khí thải từ ống xả từ ô tô động cơ đốt trong Phần lớn vấn đề phát thải được chuyển tới các nhà máy điện, nơi nó có thể được xử lý một cách có trách nhiệm

1.3.3 Giảm sựphụ thuộc vào dầu mỏ

Dầu là một nguồn tài nguyên hữu hạn và việc sản xuất ngày càng trở nên đắt đỏ hơn Nhiều giếng dầu chính dùng lấy dầu đã gần cạn kiệt và chúng ta sẽ cần phải lấy dầu từ những giếng khó khai thác hơn và do đó tốn kém hơn hoặc chúng ta sẽ cần sản xuất dầu từ nhiên liệu hóa thạch khác như than đá, đá phiến Những yếu tố này sẽ đáng kể ảnh hưởng đến chi phí xăng và dầu diesel và đây có thể là một yếu tố quan trọng trong việc sử dụng rộng rãi hơn các loại ô tô điện

Ngoài ra, những ưu và nhược điểm của ô tô điện có thể được đưa ra như bảng 1.1 Bảng 1.1 Ưu và nhược của ô tô điện

1.4 THỊ TRƯỜNG CỦA Ô TÔ ĐIỆN a) Trên thế giới

Với những lợi thế của ô tô điện, doanh số bán hàng ngày càng tăng đã đẩy tổng số ô tô điện trên thế giới lên 26 triệu, tăng 60% so với năm 2021 Trong đó, khoảng 70% doanh số toàn cầu của ô tô điện năm 2022 là ô tô thuần điện (BEV) Năm 2021 có thể được giải thích là do thị trường EV bắt kịp sau đại dịch coronavirus (Covid-19) So với những năm gần đây, tốc độ tăng trưởng hàng năm đối với doanh số bán ô tô điện năm 2022 tương đương với mức trung bình trong giai đoạn 2015-2018 Thị trường ô tô điện toàn cầu từ 2010 – 2022, được thể hiện như hình 1.8

Hình 1.8 Thị trường ô tô điện một số vùng trên thế giới b) Tại Việt Nam

Số lượng ô tô điện tại nước ta gia tăng nhanh chóng trong những năm gần đây Hiện tại trong nước có hai doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô điện là VinFast và Công ty CP ô tô TMT Một số công ty, tập đoàn cũng đã giới thiệu một số mẫu xe ô tô điện để tìm hiểu thị trường và tiến tới sản xuất lắp ráp trong nước thời gian tới như: Geleximco hay Thái Hưng Trong đó, Vinfast đã xuất lô đầu tiên gồm 999 chiếc EV đến Hoa Kỳ vào ngày 25 tháng 11 năm 2022 Ngoài ra, xe buýt điện được vận hành bởi công ty VinBus với 239 phương tiện, tại Hà Nội với 09 tuyến (không tính các tuyến nội bộ), 167 xe; tại TP Hồ Chí Minh với 01 tuyến, 21 xe và tại đảo Phú Quốc (Kiên Giang) với 03 tuyến, 51 xe Loại hình “Taxi điện” xuất hiện tại thị trường Việt Nam sau thời điểm các dòng xe ô tô điện trong nước của VinFast được ra mắt Đến tháng 7 năm 2023 có khoảng 2.700 taxi điện đang hoạt động trên toàn quốc

1.5 GIỚI THIỆU XE HYBRID

Thuật ngữ xe điện hybrid và xe hybrid thường dùng để chỉ các loại xe sử dụng động cơ đốt trong (IC) kết hợp với một hoặc nhiều máy điện để tạo lực đẩy Phương tiện giao thông đường bộ hybrid là một loại trong đó năng lượng đẩy cho các nhiệm vụ vận hành cụ thể có sẵn từ hai hoặc nhiều hơn các loại năng lượng dự trữ, nguồn hoặc bộ chuyển đổi năng lượng, trong đó ít nhất một bộ dự trữ hoặc bộ chuyển đổi năng lượng phải ở trên xe Định nghĩa về phương tiện giao thông đường bộ hybrid được đề xuất bởi Ban kỹ thuật số 69 của Xe điện đường bộ của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Định nghĩa về xe hybrid có thể được mở rộng cho các loại xe có động cơ khác với động cơ IC Phương tiện sử dụng năng lượng từ pin nhiên liệu và bộ pin để cung cấp sức đẩy thông qua động cơ điện cũng là một loại xe hybrid Về cơ bản pin nhiên liệu là một động cơ trong đó năng lượng hóa học được lưu trữ trong nhiên liệu được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện không có sự tham

gia của bất kỳ quá trình đốt cháy nào Xe lai ba (triple) cũng có thể sử dụng động cơ nhiên liệu (fuel cell), máy điện và động cơ IC đều được sử dụng để cung cấp năng lượng đẩy Lực kéo động cơ điện có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp với động cơ IC để cung cấp năng lượng cho các bánh xe của xe tùy thuộc vào loại kết cấu xe Ô tô điện (Electric Vehicle-EV) hiện nay có thể phân thành 4 loại gồm: BEV (Battery Electric Vehicle), PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), HEV (Hybrid Electric Vehicle) và Fuel cell Vehicle (FCV) như hình 1.9

Hình 1.9 Ô tô điện và hybrid

a Battery Electric Vehicle (BEV):

Battery Electric Vehicle (BEV) như hình 1.10 thường được gọi với cái tên EV (Electric Vehicle) là loại xe sử dụng hoàn toàn động cơ điện với bộ pin có thể nạp lại được và không dùng động cơ xăng Xe BEV tích điện trong các bộ pin có dung lượng lớn và được dùng để chạy motor điện hay các bộ phận sử dụng điện khác Xe BEV không thải ra khí gây ô nhiễm môi trường như động cơ truyền thống Xe BEV được nạp điện bằng các nguồn bên ngoài Bộ nạp này được phân loại dựa trên tốc độ nạp đầy pin trên mỗi xe BEV Có những mức phân loại bộ nạp sau đây: Level 1, Level 2, Level 3 (Nạp nhanh DC)  Bộ nạp Level 1 sử dụng nguồn điện có đầu ra tiêu chuẩn của hộ gia đình là 120V và mất hơn 8 giờ để nạp cho quãng đường xấp xỉ 75-80 dặm Bộ nạp Level 1 có thể nạp được ở nhà hoặc chỗ làm và gần như tất cả xe EV trên thị trường hiện nay đều có thể sử dụng bộ nạp này

 Bộ nạp Level 2 yêu cầu những trạm đặc biệt có thể cung cấp nguồn điện 240V Bộ nạp 240V được lắp đặt ở các công sở hoặc các trạm nạp công cộng và mất hơn 4 giờ để nạp cho quãng đường khoảng 75-80 dặm

 Bộ nạp Level 3 hay bộ nạp nhanh DC là giải pháp tối ưu nhất cho tốc độ nạp của xe EV trên thị trường hiện nay Bộ nạp này được trang bị ở các trạm chuyên biệt và có thể nạp cho quãng đường 90 dặm chỉ trong 30 phút

Một số xe BEV có thể nạp bằng bộ nạp DC: Tesla Model 3, BMW i3, Chevy Bolt, Nissan LEAF, Ford Focus Electric, …

Hình 1.10 Xe BEV nạp bằng bộ nạp DC b Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV):

Plug-in Hybrid Electric Vehicle hay PHEV là xe Hybrid sạc ngoài có thể nạp lại pin bằng phanh tái sinh hoặc bằng cách cắm vào nguồn điện bên ngoài Xe Hybrid sạc ngoài (PHEV) cũng là loại xe lai giữa xe ô tô điện và ô tô dùng xăng dầu thông thường, trong đó động cơ điện là động cơ chính, còn động cơ xăng là phụ.Trong khi các xe hybrid bình thường có thể di chuyển 2-4 dặm trước khi động cơ xăng được sử dụng thì xe PHEV có thể đi quãng đường 10-40 dặm trước khi có sự hỗ trợ của động cơ xăng

Một số mẫu xe PHEV: Ford C-Max Energi, Ford Fusion Energi, Mercedes C350e, Mini Cooper SE Countryman, Audi A3 E-tron, …

c Hybrid Electric Vehicle (HEV):

Xe HEV được vận hành bởi cả động cơ điện và động cơ xăng truyền thống Nguồn năng lượng điện được sản sinh ra bởi chính hệ thống phanh của xe để nạp lại pin Hệ thống phanh này được gọi là phanh tái sinh, một quá trình mà trong đó motor điện giúp giảm tốc độ xe và chuyển một phần năng lượng thành nhiệt bằng hệ thống phanh

Xe HEV sử dụng motor điện để khởi động sau đó động cơ xăng sẽ ngắt khi tải trọng hoặc tốc độ tăng

Cả hai motor được điều khiển bởi máy tính trên xe để đảm bảo xe sẽ tiết kiệm nhiên liệu nhất trong từng điều kiện

Một số mẫu xe HEV: Toyota Prius Hybrid, Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid, …

c Fuel Cell Vehicle (FCV):

FCV là viết tắt (Fuel Cell Vehicle) – Xe ô tô điện chạy nhiên liệu khí Hydro hóa lỏng

điện hoạt động Pin của FCV có thể lưu trữ dòng điện tái sinh khi xe hoạt động

FCV cũng là xe ô tô điện nên về đặc điểm cấu tạo, cấu trúc hoạt động giống như xe EV Chỉ khác cách tạo năng lượng điện từ Hydro

So sánh giữa ô tô thuần điện với các loại khác được đưa ra như bảng 1.2 Bảng 1.2 So sánh ô tô thuần điện với các loại ô tô điện khác

1.6 SƠ LƯỢC VỀ XE TỰ LÁI 1.6.1 Khái niệm

Xe tự lái (self-driving car, driverless, autonomous, robotic car) là một phương tiện có khả năng tự cảm nhận môi trường xung quanh đưa ra các quyết định xử lý mà không cần đến sự điều khiển của con người Xe tự lái có thể nhận biết các điều kiện môi trường xung quanh bằng nhiều chi tiết kỹ thuật như các sensor cảm biến, GPS, radar, lidar, và các camera

quanh được minh họa như hình 1.11

Hình 1.11 Các bộ phận giúp xe tự lái ‘cảm nhận’ được môi trường xung quanh Các công nghệ tự lái khác nhau đã được phát triển bởi Google, Uber, Tesla, Nissan và các nhà sản xuất ô tô, nhà nghiên cứu và công ty công nghệ lớn Mặc dù chi tiết thiết kế của từng hãng xe ô tô là khác nhau, tuy nhiên hầu hết các hệ thống tự lái sẽ tự tái tạo (xây dựng) và duy trì bản đồ của môi trường xung quanh, dựa trên một loạt các cảm biến, như radar

Ví dụ như các nguyên mẫu tự lái của Uber trong quá trình nghiên cứu hiện đang sử dụng 64 chùm tia laser, cùng với các cảm biến khác, để xây dựng bản đồ bên trong hệ thống tự lái Đối với các nghiên cứu của Google, ở các giai đoạn khác nhau, mẫu xe nghiên cứu đã sử dụng laser, radar, sonar, và máy ảnh công suất cao

1.6.2 Hoạt động của xe tự lái

Toàn bộ các chi tiết kỹ thuật trên là các bộ phận quan trọng để xe có thể cảm nhận

nhất, được gọi là bộ não của xe tự lái, chính là các hệ thống điều khiển của xe Hệ thống này thường sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để xử lý các thông tin do các cảm biến truyền về, từ đó đưa ra các đáp ứng điều khiển trạng thái của phương tiện một cách chính xác nhất Sẽ có những quy tắc được quy định sẵn như các thuật toán tránh chướng ngại vật, các yêu cầu chính xác về luật giao thông

Cụ thể hệ thống điều khiển xử lý các thông tin về bản đồ, biển báo, chướng ngại vật, thời tiết, và các tình huống cụ thể trên đường, từ đó sẽ phân tích và đưa ra đường dẫn đến đích mong muốn, cũng như đưa ra các xử lý tức thời trong quá trình di chuyển trên đường Bộ xử lý sẽ điều khiển trực tiếp đến các bộ phận truyền động của xe, điều khiển tốc độ phanh và bánh lái Bên cạnh đó, các hệ thống xử lý thông minh cũng sẽ được kết nối trực tuyến với lưu trữ đám mây, nhằm lưu giữ thông tin và hỗ trợ xử lý tối ưu và linh hoạt hơn

Các hệ thống điều khiển trên xe tự lái như hình 1.12 phần lớn xử lý 2 vấn đề chính:  Phát hiện làn đường, biển báo: Các hệ thống phát hiện làn đường hiện nay đã được ứng dụng rất nhiều Như một số các dòng xe hiện đại đã có hệ thống phát hiện làn đường để cảnh báo, hỗ trợ người lái xe trong quá trình tham gia giao thông, hay đã có thể tự động dừng, đỗ xe vào các vị trí có vạch kẻ quy định sẵn

 Nhận diện các đối tượng trên đường: Gần đây, các công nghệ nhận diện đối tượng trên đường đã có các tiến bộ vượt bậc, không chỉ nhận diện, các hệ thống AI đã có thể phân biệt được các vật thể di chuyển trên đường như người đi bộ, xe đạp, ô tô, cũng như vân tốc của các đối tượng để đưa ra cách xử lý hợp lý nhất

Hình 1.12 Hệ thống điều khiển trên xe tự lái

CHƯƠNG 2

NGUỒN NĂNG LƯỢNG: PIN VÀ SIÊU TỤ ĐIỆN 2.1 NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN VỀ PIN

Pin được làm từ các tế bào đơn vị chứa năng lượng hóa học có thể chuyển đổi thành năng lượng điện Một hoặc nhiều tế bào điện phân này được nối nối tiếp để tạo thành một pin Nhóm các tế bào (grouped cells) được đặt trong một vỏ để tạo thành một mô-đun pin (battery module) Bộ pin (Pack) là tập hợp của những mô-đun pin riêng rẽ được kết nối thành chuỗi và kết hợp song song để cung cấp điện áp và năng lượng mong muốn đến hệ thống truyền động điện tử công suất

Năng lượng dự trữ trong pin là sự chênh lệch năng lượng tự do giữa các thành phần hóa học trong trạng thái nạp điện và xả điện Năng lượng hóa học có sẵn này trong tế bào được chuyển đổi thành điện năng theo yêu cầu, sử dụng các thành phần cơ bản của một đơn vị tế bào, đó là cực dương và cực âm điện cực, chất phân tách và chất điện phân Thành phần hoạt tính điện hóa của cực dương hoặc điện cực âm được gọi là vật liệu tích cực Quá trình oxy hóa, khử hóa học diễn ra ở hai điện cực, từ đó liên kết và giải phóng các electron tương ứng Các điện cực phải dẫn điện được và được đặt tại các vị trí khác nhau, cách nhau bằng dải phân cách, như trong hình 2.1

Hình 2.1 Các thành phần của tế bào pin a) ký hiệu điện của tế bào, b) mặt cắt tế bào pin

Trong quá trình hoạt động của pin, các phản ứng hóa học ở mỗi điện cực làm cho các electron di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác; tuy nhiên, dòng điện tử trong tế bào chỉ bền vững nếu điện tử được tạo ra trong phản ứng hóa học có thể chạy qua một mạch điện bên ngoài kết nối hai điện cực Các điểm kết nối giữa các điện cực và mạch ngoài được gọi là đầu cuối của pin (battery terminals) Mạch ngoài đảm bảo rằng hầu hết năng lượng hóa học được lưu trữ chỉ được giải phóng theo yêu cầu và được sử dụng làm năng lượng điện Chú ý rằng chỉ có một cục pin lý tưởng mới làm được điều đó, khi mà dòng điện chỉ chạy khi mạch giữa các điện cực được hoàn thành bên ngoài Thật không may, nhiều pin cho phép tự xả chậm do hiệu ứng khuếch tán, đó là lý do tại sao chúng không đặc biệt tốt để lưu trữ năng lượng lâu dài Việc phóng điện chậm với các cực mạch hở này được gọi là hiện tượng tự xả, cũng được dùng để mô tả chất lượng pin

Các thành phần của pin được mô tả như sau:

1 Điện cực dương: Điện cực dương là oxit hoặc sunfua hoặc một số hợp chất khác có khả năng bị giảm đi trong quá trình phóng điện của tế bào Điện cực này tiêu thụ electron từ mạch ngoài trong quá trình phóng điện của tế bào Ví dụ về các điện cực dương là oxit

2 Điện cực âm: Điện cực âm là kim loại hoặc hợp kim có khả năng bị oxy hóa trong quá trình phóng điện của tế bào Điện cực này tạo ra các electron ở mạch ngoài trong quá trình hoạt động của tế bào phóng điện Ví dụ về điện cực âm là chì (Pb) và cadmium (Cd) Điện cực âm vật liệu cũng ở trạng thái rắn bên trong pin

3 Chất điện phân: Chất điện phân là môi trường cho phép dẫn ion giữa điện cực dương và âm của tế bào Chất điện phân phải có độ dẫn điện cao và chọn lọc đối với các ion tham gia phản ứng điện cực, nhưng nó phải là chất không dẫn điện cho các điện tử (electron) để tránh tự xả pin Chất điện phân có thể là chất lỏng, gel hoặc chất rắn Ngoài ra, chất điện phân có thể có tính axit hoặc kiềm, tùy thuộc vào loại pin Các loại pin truyền thống như axit chì và niken-cadmium sử dụng chất điện phân lỏng Trong pin axit-chì, chất

đối với ô tô điện, chẳng hạn như pin axit chì kín, nickel-metal-hydride (NiMH) và pin lithium-ion, sử dụng chất điện phân là gel, bột nhão hoặc nhựa Pin lithium-polymer sử dụng chất điện phân rắn

4 Lớp phân cách: là lớp vật liệu cách điện có tác dụng ngăn cách vật lý các điện cực có cực tính trái dấu Các thiết bị phân tách phải có khả năng thấm các ion của chất điện

phân và có thể còn có chức năng dự trữ hoặc cố định chất điện phân Những dải phân cách ngày nay được tạo ra từ polyme tổng hợp

Có hai loại pin cơ bản: pin sơ cấp và pin thứ cấp Pin không thể được sạc lại và được thiết kế để xả một lần được gọi là pin sơ cấp Ví dụ về những điều này là pin lithium được sử dụng trong đồng hồ, máy tính, máy ảnh, v.v và pin mangan dioxide dùng để cấp điện cho đồ chơi, radio, đèn pin, v.v Pin có thể được sạc lại bằng dòng điện chạy theo hướng ngược lại với hướng quá trình phóng điện được gọi là pin thứ cấp Quá trình phản ứng hóa học trong hoạt động tích điện của tế bào (khi năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng hóa học) là ngược lại với quá trình xả Pin cần thiết và sử dụng cho ô tô điện đều là pin thứ cấp, vì chúng được sạc lại trong chu kỳ tái tạo khi xe vận hành hoặc trong quá trình chu kỳ sạc pin ở trạng thái dừng bằng bộ sạc Tất cả các loại pin sẽ được thảo luận sau đây

Loại pin (ắc quy) axit chì có lịch sử phát triển lâu nhất trong tất cả các công nghệ ắc quy, đặc biệt là cho nhu cầu và sử dụng nhiều trong ô tô điện công nghiệp, chẳng hạn như xe chơi gôn trong thể thao, xe khách trong sân bay, và xe nâng hàng tại các kho chứa hàng và siêu thị Động lực nghiên cứu và phát triển pin được chọn sau sự quan tâm trở lại đối với ô tô điện vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970

1980, với mật độ năng lượng và điện năng cao, nhưng những khó khăn về an toàn và sản xuất đã dẫn đến việc từ bỏ công nghệ này Sự phát triển của công nghệ pin cho các ứng dụng tiêu thụ ít năng lượng như điện thoại di động và máy tính đã mở ra khả năng mở rộng

quy mô năng lượng và công suất của pin loại niken-cadmium và lithium-ion cho ô tô điện và các ứng dụng HEV

Sự phát triển của pin hướng tới việc khắc phục những vấn đề quan trọng về thực tế và những khó khăn về sản xuất Các dự đoán lý thuyết khó có thể phù hợp với các sản phẩm được sản xuất do những hạn chế thực tiễn So sánh năng lượng riêng lý thuyết và thực tế của một số loại pin được cho trong Bảng 2.1

Đặc điểm của một số công nghệ pin quan trọng được đề cập ở trên sẽ được trình bày

mô tả ngắn hơn về các loại công nghệ pin đầy hứa hẹn khác Bảng 2.1 Năng lượng riêng của các loại pin

2.2.1 Pin axit chì (Lead Acid)

Pin axit chì là lựa chọn phổ biến nhất cho pin ô tô điện Pin axit chì có thể được thiết kế để có công suất cao và không tốn kém, an toàn và đáng tin cậy Cơ sở hạ tầng tái chế đang được xây dựng dành cho loại pin này Tuy nhiên, năng lượng riêng thấp, hiệu suất nhiệt độ lạnh kém và chu trình và vòng đời ngắn là một trong những trở ngại cho việc sử dụng chúng trong ô tô điện và xe HEV

Pin axit chì có lịch sử từ giữa thế kỷ 19 và hiện nay nó vẫn là một loại pin phổ biến với công nghệ hoàn thiện Pin axit chì đầu tiên được sản xuất vào đầu năm 1859 Đầu những

năm 1980, hơn 100.000.000 pin axit chì được sản xuất mỗi năm Sự tồn tại lâu dài của pin axit chì là do nguyên nhân sau:

• Chi phí tương đối thấp

• Dễ dàng có được nguyên liệu thô (chì, lưu huỳnh) • Dễ sản xuất

Hoạt động của tế bào pin bao gồm hoạt động phóng điện của tế bào, khi năng lượng được cung cấp từ pin đến động cơ điện để phát triển lực đẩy và hoạt động sạc pin khi hết năng lượng được cung cấp từ nguồn bên ngoài để lưu trữ năng lượng trong pin

a) Hoạt động xả

Trong hoạt động phóng điện của tế bào (Hình 2.2), các electron được tiêu thụ ở điện cực dương, nguồn cung cấp đến từ điện cực âm Do đó dòng điện chạy ra khỏi điện cực dương vào tải động cơ, với pin đóng vai trò là nguồn

Hình 2.2 Hoạt động xả của pin axit-chì Phương trình điện cực dương được cho bởi:

Cấu trúc có độ xốp cao được sử dụng cho điện cực dương để tăng sự tiếp xúc giữa

diễn ra, điện trở nội của tế bào tăng lên do sự hình thành PbSO4 và làm giảm độ dẫn điện

ở dạng hạt mịn dày đặc có thể dẫn đến quá trình sunfat hóa Phản ứng phóng điện phần lớn

thuyết

Phương trình điện cực âm trong quá trình phóng điện của tế bào là:

Các electron được giải phóng ở điện cực âm trong quá trình phóng điện Sự tạo thành

hơn

Phản ứng hóa học tổng thể trong quá trình xả pin là:

b) Hoạt động sạc

Hoạt động sạc pin (Hình 2.3) ngược lại với hoạt động xả pin Trong quá trình tế bào tích điện, chì sunfat được chuyển trở lại trạng thái phản ứng của chì và oxit chì Các electron là được tiêu thụ từ nguồn bên ngoài ở điện cực âm, trong khi điện cực dương giải phóng electron Dòng điện chạy vào điện cực dương từ nguồn bên ngoài, từ đó cung cấp năng

Phản ứng hóa học ở điện cực dương trong quá trình sạc pin là:

Phản ứng hóa học ở cực âm trong quá trình sạc pin là:

Phản ứng hóa học tổng thể trong quá trình sạc pin là:

Thông thường, pin axit chì là loại pin điện phân ngập nước, trong đó axit tự do bao phủ tất cả các tấm Điều này đặt ra hạn chế trong việc duy trì vị trí thẳng đứng của pin, điều này rất khó khăn trong một số tình huống di động nhất định Những nỗ lực phát triển pin

kín (sealed batteries) phải đối mặt với vấn đề sự tích tụ của hỗn hợp nổ hydro và oxy khi đạt đến mức nạp điện cao nhất hoặc tình trạng quá tải trong quá trình sạc pin Vấn đề được giải quyết trong pin chì-axit có van điều tiết (VRLA) bằng cách cung cấp đường dẫn cho oxy, được giải phóng ở điện cực dương, tiếp cận điện cực âm, nơi nó kết hợp lại để tạo thành chì-sulfat

Hình 2.3 Hoạt động sạc của pin axit-chì 2.2.2 Pin Niken (Nickel-Based Batteries)

Pin niken-cadmium (NiCd) và nickel-metal-hydride (NiMH) là những ví dụ về pin kiềm với năng lượng điện được tạo ra từ phản ứng hóa học của kim loại với oxy trong môi trường điện phân kiềm Năng lượng riêng của pin kiềm bị hạ thấp do có thêm trọng lượng của kim loại mang

a) Pin Nickel-cadmium

Pin NiCd sử dụng điện cực dương là niken oxit và điện cực âm là cadmium Phản ứng thực sự xảy ra trong chất điện phân kali hydroxit (KOH) là:

Điện áp thực tế của tế bào là 1,2 đến 1,3 V và khối lượng nguyên tử của cadmium là 112 Năng lượng riêng của pin NiCd là 30 đến 50 Wh/kg, tương tự như pin axit-chì Ưu điểm của Pin NiCd là có hiệu suất hoạt động ở nhiệt độ thấp vượt trội so với pin axit chì, xả phẳng điện áp, tuổi thọ và độ tin cậy cao Yêu cầu bảo trì của pin cũng thấp Hạn chế lớn nhất của pin NiCd là giá thành cao và độc tính chứa trong cadmium Những lo ngại về

môi trường có thể được khắc phục về lâu dài thông qua việc tái chế hiệu quả, nhưng nguồn điện do pin NiCd cung cấp không đủ là một lý do quan trọng khác để không xem xét những pin này cho các ứng dụng ô tô điện và HEV Những hạn chế của pin NiCd đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng phát triển pin NiMH, được coi là phù hợp hơn cho các ứng dụng ô tô điện và HEV

b Pin Nickel-metal-hydride (NiMH)

Pin NiMH là sản phẩm kế thừa của pin niken-hydro và đã được sử dụng cho sản xuất HEV Trong pin NiMH, điện cực dương là oxit niken tương tự như điện cực được sử dụng trong pin NiCd, trong khi điện cực âm là metal hydride nơi hydro được lưu trữ Khái niệm của Pin NiMH dựa trên thực tế là các hạt mịn của hợp kim kim loại nhất định khi tiếp xúc với hydro ở áp suất và nhiệt độ nhất định sẽ hấp thụ một lượng lớn khí để tạo thành các hợp chất metal-hydride Hơn nữa, các metal-hydride có khả năng hấp thụ và giải phóng hydro nhiều lần mà không bị hư hỏng Hai phản ứng hóa học điện cực trong pin NiMH là:

Ở điện cực dương,

Ở điện cực âm,

M là viết tắt của hợp kim kim loại, hợp kim này hấp thụ hydro ở nhiệt độ môi trường

hoạt động của NiMH gần giống như NiCd, đặc tính phóng điện phẳng Công suất của NiMH cao hơn đáng kể so với NiCd, với năng lượng riêng dao động từ 60 đến 80 Wh/kg Các công suất riêng của pin NiMH có thể lên tới 250 W/kg Pin NiMH đã thâm nhập thị trường trong những năm gần đây với tốc độ vượt trội Ô tô tải nhỏ chạy điện “Epic” Chrysler sử dụng bộ pin NiMH, cho phạm vi hoạt động 150 km Tại Nhật Bản, NiMH bộ pin do

Panasonic EV Energy sản xuất đang được sử dụng trên ô tô Toyota EV RAV-EV và Toyota HEV Prius Các thành phần của NiMH có thể tái chế được nhưng vẫn chưa có nơi tái chế Pin NiMH có vòng đời dài hơn nhiều so với pin axit chì cũng như an toàn và có khả năng chịu đựng tốt hơn

Nhược điểm của pin NiMH là giá thành tương đối cao, tốc độ tự xả cao hơn so với pin NiCd, dung lượng sạc kém ở nhiệt độ cao và hiệu suất pin thấp NiMH là có khả năng tồn tại như loại pin sạc hàng đầu trong tương lai cho các ứng dụng lực kéo, với khả năng hoạt động mạnh mẽ thách thức chỉ đến từ pin lithium-ion

2.2.3 Pin Lithium-ion

Kim loại lithium có khả năng khử điện hóa cao (3,045V) và khối lượng nguyên tử thấp nhất (6.94), cho thấy hứa hẹn về pin có điện thế tế bào 3V khi kết hợp với cực dương thích hợp Sự quan tâm đến pin lithium thứ cấp tăng vọt ngay sau sự ra đời của pin lithium sơ cấp ở những năm 1970, nhưng khó khăn lớn nhất là tính chất phản ứng mạnh của kim loại lithium với độ ẩm, hạn chế sử dụng chất điện phân lỏng Vào cuối những năm 1970, khám phá của các nhà nghiên cứu tại Đại học Oxford rằng lithium có thể xen kẽ (được hấp

cho sự phát triển của pin Li-ion Việc sử dụng lithium được bỏ qua trong pin Li-ion bằng

làm điện cực âm, cùng với các oxit kim loại lithium làm điện cực dương Than chì có khả

oxit coban (cobalt oxide), đắt tiền nhưng được chứng minh là tốt nhất Điện cực dương thay

hại hơn

hình 2.4

Trong lúc phóng điện của tế bào, các ion lithium (Li+) được giải phóng khỏi điện cực âm di chuyển qua một chất điện phân hữu cơ về phía điện cực dương Ở điện cực dương, các ion lithium nhanh chóng bị được tích hợp vào vật liệu hợp chất lithium Quá trình này hoàn toàn có thể đảo ngược Hóa chất phản ứng xảy ra ở các điện cực như sau:

Ở cực âm,

xLi+ +6C + xe− → LixC6

Ở điện cực dương,

Hình 2.4 Pin lithium-ion

Trong quá trình sạc pin, các ion lithium di chuyển theo hướng ngược lại từ cực dương sang điện cực âm Điện áp danh định của pin Li-ion là 3,6 V, tương đương với ba pin NiMH hoặc NiCd Pin lithium-ion có năng lượng riêng cao, công suất riêng cao, hiệu suất năng lượng cao, hiệu suất nhiệt độ cao, và khả năng tự phóng điện thấp Các thành phần của pin Li-ion cũng có thể tái chế Những đặc điểm này làm cho pin Li-ion rất phù hợp cho ô tô điện và HEV cũng như các loại xe khác sử dụng pin sạc

2.2.4 Pin Li-Polymer

Lithium-polymer được tiến hóa từ sự phát triển của chất điện phân ở trạng thái rắn, tức là chất rắn có khả năng dẫn ion nhưng đó là chất cách điện Các chất điện phân ở trạng thái rắn là kết quả của nghiên cứu ở những năm 1970 về sự dẫn ion trong polyme Những loại pin này được coi là pin thể rắn, bởi vì chất điện phân của chúng là chất rắn Chất điện phân polyme phổ biến nhất là hỗn hợp polyetylen oxit bằng muối điện phân thích hợp

Vật liệu điện cực dương hứa hẹn nhất cho pin Li-poly là vanadium oxit V6O13 Oxit này xen kẽ tối đa tám nguyên tử lithium trên mỗi phân tử oxit với điện cực dương sau phản ứng:

Pin Li-poly có tiềm năng năng lượng và công suất riêng cao nhất Các polyme rắn thay thế chất điện phân lỏng dễ cháy hơn trong các loại pin khác, có thể dẫn ion ở tốc độ nhiệt độ trên 60°C Việc sử dụng polyme rắn cũng có lợi thế an toàn lớn trong trường hợp ô tô điện và HEV tai nạn Vì lithium được xen vào các điện cực carbon nên lithium ở dạng ion và ít phản ứng hơn kim loại lithium nguyên chất Tế bào Li-poly mỏng mang lại thêm lợi thế cho việc hình thành pin có kích thước hoặc hình dạng bất kỳ để phù hợp với không gian sẵn có trong khung xe EV hoặc HEV

Nhược điểm chính của pin Li-poly là cần phải vận hành pin ở nhiệt độ khoảng 80 đến 120°C Pin Li-poly có năng lượng riêng cao, ban đầu được phát triển cho các ứng dụng ô tô điện, cũng có tiềm năng cung cấp năng lượng riêng cao cho các ứng dụng HEV Các đặc điểm quan trọng khác của Li-poly có chu kỳ và tuổi thọ cao

2.3 THÔNG SỐ CỦA PIN 2.3.1 Dung lượng pin

Lượng điện tích tự do được tạo ra bởi vật liệu hoạt động ở điện cực âm và được tiêu thụ bởi điện cực dương được gọi là dung lượng pin Công suất được đo bằng Ah (1 Ah=3600 C, hoặc coulomb, trong đó 1 C là điện tích được truyền trong 1 s bởi dòng điện 1 A trong đơn vị điện tích SI)

Dung lượng lý thuyết của pin (tính bằng C) là:

(2.1) Trong đó x là số mol chất giới hạn phản ứng liên quan đến việc phóng điện hoàn toàn của

Dung lượng lý thuyết theo Ah là:

(2.2)

của chất phản ứng giới hạn (tính bằng gam/mol)

Các cell trong pin thường được mắc nối tiếp (Hình 2.5) và dung lượng của pin là

Hình 2.5 Cell pin nối kiểu nối tiếp 2.3.2 Tốc độ xả pin

Tốc độ xả là dòng điện mà pin được xả trong điều kiện dòng điện không đổi Tốc độ

Ví dụ: Gọi dung lượng của ắc quy là 100 Ah Vì thế, Tốc độ C/5 hoặc tốc độ 0,2C là 100 Ah/5 h = 20 A và Tốc độ 2C là 100 Ah/0.5 h = 200 A

Thông thường, dung lượng danh nghĩa của pin được cho ở mức 1C và giảm dần khi tăng tỷ lệ C

2.2.3 Trạng thái sạc (State of charge: SoC)

Trạng thái sạc (SoC) thể hiện dung lượng hiện tại của pin Đó là lượng công suất còn lại sau khi xả từ trạng thái sạc đầy Dòng điện là tốc độ thay đổi của nạp được đưa ra bởi

i(t) = dq/dt

trong đó q là điện tích chuyển động trong mạch Trạng thái tích điện tức thời theo lý thuyết

dSoCT = −dq = −i(t)dt

Tích phân từ thời điểm ban đầu đến thời điểm t cuối cùng, biểu thức cho trạng thái tích điện tức thời thu được là:

(2.3) Trạng thái sạc thường được biểu thị bằng phần trăm dung lượng của pin như sau:

Trạng thái sạc sẽ tăng lên khi pin đang được sạc Nếu trạng thái điện tích bằng 0 ban đầu tại t = 0, trạng thái điện tích tại thời điểm t biểu thị dưới dạng phần trăm được cho bởi

2.2.3 Trạng thái xả (State of discharge: SoD)

Trạng thái phóng điện (SoD) là thước đo lượng điện tích được rút ra từ pin trong quá trình phóng điện Về mặt toán học, trạng thái phóng điện được đưa ra là

(2.4) 2.2.4 Công suất pin

Công suất tức thời của pin

(2.6) Thay (2.6) vào (2.5) ta được

(2.7)

Hình 2.6 a) Mạch tương đương của pin ở trạng thái xác lập, b) Điện áp đầu cuối Đặc tính công suất và dòng điện được thể hiện trong Hình 2.7 Công suất cực đại đạt được là

(2.8)

Hình 2.7 Đặc tính công suất của pin

suất cực đại đạt được của pin

Áp dụng công thức (2.8), công suất cực đại đạt được là:

Pin và các tế bào điện hóa khác có thể được mô hình hóa ở nhiều cấp độ khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng của mô hình Các mô hình pin rất hữu ích cho việc thiết kế pin, đánh giá hiệu suất và hệ thống mô phỏng ở cấp độ ứng dụng Mô hình hóa hỗ trợ nghiên cứu về thiết kế, kết cấu và vật liệu thiết bị thông qua việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi năng lượng Mô hình cũng giúp nghiên cứu về hiệu suất của thiết bị trong một ứng dụng, có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế và sử dụng tốt hơn

Hình 2.8 Mô hình mạch điện tương đương của pin

Chúng ta hãy bắt đầu với một mô hình mạch điện tương đương đơn giản kết hợp các nguyên tắc cơ bản nhưng vẫn đủ đơn giản để mô tả đặc tính dựa trên dữ liệu phóng điện của tế bào được trình bày trong hình 2.8 Một trong những động lực quan trọng cần được mô hình hóa là quá trình khuếch tán Do đó, ảnh hưởng lên điện áp đầu cực do điện tích khuếch tán sẽ được biểu thị bằng theo phương trình vi phân bậc nhất

Các phần tử mạch RC bổ sung có thể được thêm vào để thể hiện điện tích khuếch tán, nhưng chúng ta sẽ giữ nó như một hằng số thời gian RC duy nhất cho mô hình đơn giản được minh họa trong hình 2.8

Một động lực quan trọng khác của tế bào cần được mô hình hóa là ảnh hưởng của trạng thái điện tích đến thiết bị đầu cuối điện áp của tế bào Hình 2.6b cho thấy điện áp đầu cực của pin giảm như thế nào khi pin đang xả Ở giữa đường đặc tính, mức giảm điện áp

điện, điện áp trên tụ điện sẽ tăng hoặc giảm tương ứng Ngoài ra, điện tích của tế bào điện hóa bị tổn thất trong khi nó ở phần còn lại Một điện trở có thể được thêm song song vào tụ điện để bù đắp cho sự mất điện này

cho tụ điện lưu trữ và điện trở tự phóng điện được thể hiện trên hình 2.8 nối tiếp với bộ thông số khuếch tán Biểu diễn toán học của đoạn này của mô hình mạch liên quan đến dòng điện đầu cuối là

Hai thông số còn lại cần bổ sung để hoàn thiện pin điện hóa tương đương mạch là một nguồn điện áp mắc nối tiếp với một điện trở biểu thị sự sụt giảm điện trở ohmic Nguồn

hiện trong Hình 2.8 nối tiếp với bộ thông số lưu trữ và khuếch tán Điều này hoàn thành mô hình mạch tương đương đơn giản của một tế bào điện hóa Giá trị của các phần tử mạch này có thể được xác định bằng thực nghiệm bằng cách áp dụng sự thay đổi từng bước của pin hiện hành Quy trình lấy các tham số của cell này được đưa ra trong ví dụ dưới đây Ví dụ:

Dòng điện phóng điện dạng bước 15 A được áp dụng cho pin 3 cell để tính toán các thông số của nó cho mô hình được thể hiện trong hình 2.8 Dữ liệu thu thập được từ thí nghiệm được hiển thị bằng đồ thị bên dưới Dòng phóng điện không đổi được bắt đầu ở 3.150 giây và kết thúc ở 4.370 giây Sau khi phóng điện, điện áp đầu cực của pin ổn định ở mức điện áp thấp hơn là 5,873 V so với điện áp không tải ban đầu do trạng thái tích điện

được kết quả các thông số khuếch tán, lưu trữ và điện trở nối tiếp tương ứng Thời gian để

điện tương đương của pin

Bài làm:

Trước tiên chúng ta hãy tính điện trở nối tiếp tương đương của pin Độ sụt áp của dãy điện trở xuất hiện trong đặc tính điện áp đầu ra khi tăng hoặc giảm tức thời của điện áp đầu cực do sự thay đổi từng bước của dòng điện Điện áp tăng do bước 15 A sự thay đổi

có thể được tính như

2.5.1 Khái niệm

Tụ điện là các thiết bị lưu trữ năng lượng bằng cách tách tĩnh điện cực dương và âm Cấu trúc cơ bản của một tụ điện bao gồm hai dây dẫn, được gọi là các tấm được phân tách bằng một điện môi, đó là một chất cách điện như hình 2.9 Mật độ công suất của các tụ điện

[10] Những tụ điện thông thường này, thường được gọi là ‘tụ điện điện phân’, được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện làm trung gian các yếu tố lưu trữ năng lượng cho các hằng số thời gian, nó nhỏ hơn nhiều so với các thiết bị lưu trữ năng lượng đóng vai trò là năng lượng chính nguồn cho ô tô điện

Siêu tụ điện là dẫn xuất của các tụ điện thông thường, nơi mà mật độ năng lượng đã được tăng lên để làm cho các thiết bị hoạt động giống như một pin Một siêu tụ điện còn được gọi là tụ điện dung lượng cao hoặc tụ điện hai lớp có thể lưu trữ một lượng lớn năng

lượng gấp gần 10 đến 100 lần năng lượng so với các tụ điện thông thường Nó được ưa chuộng rộng rãi hơn pin vì khả năng sạc nhanh hơn và cung cấp năng lượng nhanh hơn Các thuật ngữ Ultracapacitors và Supercapacitors thường được sử dụng thay thế cho nhau Có hai loại siêu tụ điện: đối xứng và không đối xứng Trong các siêu tụ điện đối xứng, không có phản ứng điện hóa và quá trình này hoàn toàn không phải là cảm ứng điện Những siêu tụ này sử dụng hai điện cực carbon phân cực giống hệt nhau và được thiết kế đối xứng Siêu tụ điện không đối xứng được thiết kế cho cả hai quá trình cảm ứng điện và không cảm ứng diễn ra đồng thời, giúp cải thiện mật độ năng lượng của thiết bị Hình ảnh thực tế siêu tụ điện như hình 2.10

Hình 2.9 Cấu trúc của tụ điện

Hình 2.10 Siêu tụ điện 2.5.2 Nguyên lý siêu tụ điện

Tương tự như một tụ điện bình thường, siêu tụ điện cũng có hai bản song song với diện tích lớn hơn Nhưng sự khác biệt là, khoảng cách giữa các tấm là nhỏ Các tấm được