nghiên cứu ứng dụng pin lithium ion thay thế cho ắc quy axit chì trên ô tô

Từ đó đã dẫn đến cuộc đua khóc liệt tìm nguồn năng lượng mới của các ngành công nghiệp cũng như các tập đoàn công nghệ về năng lượng gió, năng lượng mặt trời,...Tuy nhiên để sản xuất ra

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

SKC008630

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI ÂN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2024

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PIN LITHIUM-ION THAY THẾ CHO ẮC QUY AXIT CHÌ TRÊN Ô TÔ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI ÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PIN LITHIUM-ION THAY THẾ CHO ẮC QUY AXIT CHÌ TRÊN Ô TÔ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 Hướng dẫn khoa học:

TS LÊ THANH PHÚC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2024

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I SƠ LƯỢC LÝ LỊCH:

Họ và tên: Nguyễn Hoài Ân Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/05/1990 Nơi sinh: Cần Thơ Quê quán: Xã Thạnh Tiến, Huyện Vĩnh Thạnh, TP Cần Thơ Dân tộc: Kinh Chỗ ở hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp Phụng Phụng, Xã Thạnh Tiến, Huyện Vĩnh Thạnh, TP Cần Thơ

Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0386168627

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1 Đại học:

Hệ đào tạo: Vừa học vừa làm Thời gian đào tạo từ 2012 đến 2014

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Công Nghệ Kỷ Thuật Ô Tô

Tiểu luận tốt nghiệp: Người hướng dẫn:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

10/2013 - 06/2014 CT CP Ô Tô Thành Công

12/2014 - 10/2016

Chi Nhánh CT CP Vận Tải Biển Quốc Tế Trường Sa Cần Thơ

Nhân Viên

11/2016 - 03/2017 CT TNHH MTV Hoàng

04/2017 - 12/2018 CN Tây Đô CT Ô Tô

Trường Hải Cần Thơ Kỹ Sư Dịch Vụ 01/2019 – 02/2022 CN Tây Đô CT Ô Tô

Trường Hải Cần Thơ

Kỹ Thuật Viên Máy Gầm Điện

03/2022 – 01/2024 CT TNHH MTV Ô Tô Trường Hải Cần Thơ

Kỹ Thuật Viên Máy Gầm Điện

02/2024 – đến nay CT TNHH MTV Ô Tô

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 01 năm 2024 (Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hoài Ân

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng pin Lithium thay thế cho ắc quy axit chì trên ô tô” cũng đã đạt được những kết quả nhất định Tuy nhiên vẫn không thể

tránh được những hạn chế cũng như những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của Trường và thầy cô cũng như bạn bè để đề tài được tốt hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 01 năm 2024

Học viên nghiên cứu

Nguyễn Hoài Ân

TÓM TẮT

Ngày nay, vấn đề khủng hoảng năng lượng từ nguồn hóa thạch trở nên đáng

báo động, điều này không chỉ gây ra những ảnh hưởng tiêu cực cho sự thay đổi của khí hậu cũng như môi trường sống của chúng ta việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch hơn là sự cần thiết Từ đó đã dẫn đến cuộc đua khóc liệt tìm nguồn năng lượng mới của các ngành công nghiệp cũng như các tập đoàn công nghệ về năng lượng gió, năng lượng mặt trời, Tuy nhiên để sản xuất ra các loại năng lượng này cần khoản chi phí rất cao Điều này đã tạo cơ hội phát triển cho ngành công nhiệp lưu trữ và tiêu thụ năng lượng, mà cụ thể hơn đó là ngành công nghiệp Pin Lithium-ion Trong đó có ngành công nghiệp sản xuất ô tô do chi phí sản xuất cao, cũng như sự phát triển các ngành công nghiệp phụ trợ cho ngành sản xuất ô tô vẫn còn những hạn chế nhất định

Từ những khó khăn thách thức đó đòi hỏi ngành công nhiệp năng lượng sạch đã không ngừng nghiên cứu và cải tiến và đã đạt được những thành tựu, mà cụ thể hơn là công trình nghiên cứu của Stanley[1] đã tìm ra một loại vật liệu có tên titanium sulphide Vật liệu này kết hợp với kim loại liti thuần được dùng để chế tạo cực âm, cực dương sử dụng trong pin lithium

Ngày nay việc sử dụng Pin lithium-ion để cung cấp cũng như lưu trữ năng

lượng đã được sử dụng trong ngành sản xuất xe điện Ngoài ra trong ngành công nghiệp xử lý vật liệu, ngành công nghiệp sản xuất,… Pin Li-Ion trở nên phổ biến Vì vậy ngành công nghiệp sản xuất bằng pin Li-Ion có những lợi thế nhất định khi so với việc sản xuất ắc quy Axít-chì truyền thống

Từ những thành tựu và những khả năng tích trữ nguồn năng lượng điện có

trong pin Lithium-ion đề tài “Nghiên cứu ứng dụng pin Lithium thay thế cho ắc quy axit chì trên ô tô” là giải pháp nhằm đảm bảo các vấn đề về hiệu suất, tính an

toàn, tuổi thọ của bộ tích trữ năng lượng cũng như khả năng cung cấp nguồn điện cho ô tô một cách hiệu quả nhất

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính nạp và phóng điện của ắc quy axit chì cũng như pin lithium ion

- Hiểu rõ các vần đề về hệ thống cung cấp và lưu trữ điện trên ô tô

- Chế tạo thành công bộ pin lithium ion thay thế cho ắc quy axit chì trên ô tô 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: hệ thống cung cấp và lưu trữ năng lượng điện trên ô tô, ắc quy axit chì, pin lithium ion

- Phạm vi nghiên cứu: Tập chung nghiên cứu các vấn đề về nguồn năng lượng hóa thạch, nguồn năng lượng mới, vấn đề ô nhiễm khí hậu do ô tô thải ra, pin lithium ion, chế tạo thành công bộ pin lithium ion thay thế cho ắc quy axit chì trên ô tô

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập phân tích dữ liệu - Cơ sở lý thuyết

- Thiết kế chế tạo bộ pin - Thực nghiệm

- Đánh giá kết quả thực nghiệm - Kết luận đựa trên thực nghiệm

5 Bố cục đề tài

- Lời cảm ơn - Tớm tắt - Mục lục

- Danh mục từ viết tắt - Danh mục hình - Danh mục bảng - Nội dung chính đề tài + Chương 1: Tổng quan

So sánh ắc quy axit chì và pin lithium ion Cơ sở lý thuyết về hệ thống nạp (sạc) trên ô tô Cơ sở lý thuyết về hệ thống khởi động trên ô tô Quản lý nhiệt

Sạc điện nhanh

+ Chương 3: Tính toán thiết kế

Yêu cầu hệ thống quản lý Pin Lithium-ion (4 Cells) Nghiên cứu thiết kế mạch cân bằng pin

Tổng quan về hệ thống quản lý pin lithium (4 Cells) Hộp chứa pin

Bố trí lắp đặt trên xe + Chương 4: Thực nghiệm

Quy trình thực hiện

Cách Sử Dụng Máy Kiểm Tra Ắc Quy Hình Ảnh Thực Tế Của Bộ Pin

Các dụng cụ đo

Thực nghiệm trên bộ pin + Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Kết luận Hạn chế đề tài Kiến nghị - Tài liệu tham khảo

ABSTRACT

Today, the alarming crisis of energy from fossil fuels not only negatively impacts climate change but also our living environment, making the transition to cleaner energy sources essential This has led to a fierce race in finding new energy sources within industries and technology conglomerates, particularly in wind and solar energy However, the production costs of these energy types are high, creating opportunities for the development of the energy storage and consumption industry, specifically the Lithium-ion Battery industry The automotive sector, due to high production costs, faces challenges, as do the supporting industries

Facing these challenges, the clean energy industry has continuously researched and improved, achieving notable milestones, such as Stanley's research on titanium sulphide, a material used in lithium-ion battery electrodes Today, lithium-ion batteries are widely used in electric vehicle manufacturing, as well as in material processing and various manufacturing industries Consequently, the Lithium-ion battery industry holds certain advantages over traditional lead-acid battery production

Building upon these achievements and the energy storage capabilities of Lithium-ion batteries, the research topic "Investigating the application of Lithium batteries as a replacement for lead-acid batteries in automobiles" offers a solution to ensure efficiency, safety, and longevity of energy storage systems, as well as the effective provision of power for vehicles

1 Reason for choosing the topic

- Research documents on power supply and storage systems in cars - Research issues about lead acid batteries and lithium ion batteries - Research issues about new energy sources and fossil energy

- Successfully researched and manufactured a lithium ion battery pack to replace lead-acid batteries in cars

3 Research scope object

- Research objects: electric energy supply and storage systems in cars, lead-acid batteries, lithium ion batteries

- Scope of research: Focusing on researching issues of fossil energy sources, new energy sources, climate pollution issues emitted by cars, lithium ion batteries, successfully manufacturing replacement lithium ion batteries replacement for lead-acid batteries in cars

- Main content of the topic

+ Chapter 1: Overview

Reason for choosing the topic

Overview of research on lithium ion batteries The urgency of the subject

Research objective of the topic

Research Methods

Object and scope of the study + Chapter 2: Theoretical basis

Lithium batteries Lead acid battery

Compare lead acid batteries and lithium ion batteries Theoretical basis of car charging system

Theoretical basis of car starting system Heat management

Fast charging

+ Chapter 3: Design calculations

Lithium-ion Battery Management System Requirements (4 Cells) Research on battery balancing circuit design

Overview of lithium battery management system (4 Cells) Battery box

Arrange installation on the vehicle + Chapter 4: Experiment

Implementation process How to Use a Battery Tester Actual Images of the Battery Pack Measuring tools

Experiment on the battery pack

+ Chapter 5: Conclusion and recommendations Conclude

Limit topics Request - References

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH i BIÊN BẢN CHẤM LUẬN VĂN ii PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN iii LÝ LỊCH KHOA HỌC viii LỜI CAM ĐOAN x LỜI CẢM ƠN xi TƠM TẮT xii ABSTRACT xvi MỤC LỤC xx DANH TỪ VIẾT TẮT xxii DANH MỤC HÌNH xxiii DANH MỤC BẢNG xxv

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 11.2.Tổng quan các nghiên cứu về pin Lithium -ion 21.3 Tính cấp thiết của đề tài 31.4 Mục tiêu đề tài 41.5 Phương pháp nghiên cứu 41.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Pin Lithium- ion 52.2 Ắc quy axit chì 182.3 So sánh ắc quy Axit chì và pin lithium-ion 282.4 Cơ sở lý thuyết hệ thống nạp trên ô tô 292.5 Cơ sở lý thuyết về hệ thống khởi động trên ô tô 342.6 Quản lý nhiệt của bộ pin 392.7 Sạc điện nhanh 40

Chương 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 41

3.1.Yêu cầu hệ thống quản lý Pin Lithium-ion (4 Cells) 413.2.Nghiên cứu thiết kế mạch cân bằng pin 423.3.Tổng quan về hệ thống quản lý pin lithium (4 Cells) 423.4.Hộp chứa pin 453.5.Bố trí lắp đặt trên xe 46

Chương 4 THỰC NGHIỆM 47

4.1.Quy trình thực hiện 474.2.Cách sử dụng máy kiểm tra ắc quy 484.3.Hình ảnh thực tế của bộ pin 534.4.Các dụng cụ đo 534.5.Thực nghiệm trên bộ pin 55

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

5.1 Kết luận 645.2 Hạn chế của đề tài 645.3 Kiến nghị 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

CNC : Computer Numerical Control

DC : Direct Current EV : Electric Vehicle

I/O : Input/Output IC : Intergrated Circuit

IGBT : Insulated Gate Bipolar Transitor LIB : Lithium-ion Battery

NTC : Negative Temperature Coefficient Opamp : Operational Amplifier

PCB : Printed Circuit Board

PTC : Positive Temperature Coefficient PWM : Pulse-width modulation

SOC : State of Charge VĐK : Vi điều khiển

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Các loại pin Lithium ion[1] 6Hình 2.2: Biểu đồ Ragone của các công nghệ pin khác nhau với đặc điểm kỹ thuật ở cấp độ tế bào cho các ứng dụng ô tô không có lithium – lưu huỳnh và pin kim loại7Hình 2.3 Quá trình nạp và xả của pin lithium-ion[8] 10Hình 2.4 Cấu tạo pin Lithium-ion[1] 11Hình 2.5 Đặc tính nạp, xả của pin lithium-ion[1] 13Hình 2.6 Biểu đồ điện áp pin Lithium[1] 15Hình 2.7 Biểu đồ nhiệt độ ảnh hưởng đến điện áp pin Lithium[1] 17Hình 2.9 Cấu tạo của ắc quy axit chì [9] 20Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của ắc quy axit chì khi nạp và phóng diện [9] 21Hình 2.11 Cấu tạo các ngăn của ắc quy axit chì [9] 22Hình 2.12 Điện áp khi không phát dòng [9] 22Hình 2.13 Phân loại ắc quy[10] 25Hình 2.14: Quá trình nạp xã của ắc quy axit chì[9] 27Hình 2.15: Cấu tạo của hệ thống nạp trên ô tô[11] 29Hình 2.16: Khoá điện ở vị trí mở[11] 30Hình 2.17: Chức năng của máy phát điện xoay chiều 31Hình 2.18: Dòng điện xoay chiều 3 pha[12] 31Hình 2.19: Điện áp điểm trung hoà[12] 32Hình 2.20 Điều chỉnh dòng điện phát ra[12] 32Hình 2.21: Tự điều khiển đối với dòng điện ra cực đại 33Hình 2.22: Hệ thống nạp trên xe Kia Sedona 2020 động cơ xăng 3.3GDI[13] 34Hình 2.23 Cấu tạo máy khởi động[14] 35Hình 2.29: Sơ đồ kết nối các cell pin, mạch nạp & mạch cân bằng 39Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cân bằng pin 42Hình 3.2 Mạch can bằng pin 4S-2P[16] 44Hình 3.3 Kích thước của 1 viên pin Lifepo4 45

Hình 3.4 Hộp chứa pin 45Hình 3.5 Vị trí lắp đặt trên xe 46Hình 4.1 Quy trình kiểm tra ắc quy 47Hình 4.2 Hướng dẫn kết nối máy kiểm tra ắc quy 48Hình 4.3: Các hình ảnh hoàn thiện của bộ bin 53Hình 4.5: Đồng hồ đo dòng 1760 PA/AC- DC 53Hình 4.4: Máy kiểm tra ắc quy Midtronics 600 53Hình 4.7: Đồng hồ VOM điện tử 1009 54Hình 4.6: Đồng hồ VOM cơ 1109S 54Hình 4.8: Các biểu đồ thể hiện các thong số của ắc quy axit chì khi kiểm tra bằng đồng hồ VOM vặn năng và ampe kìm 56Hình 4.9 Biểu đồ thể hiện các trị số thực nghiệm ắc quy axit chì bằng đồng hồ VOM vặn năng và ampe kìm 58Hình 4.10: Kiểm tra thực tế hoạt động của bộ pin Bằng máy kiểm tra ắc quy Midtronics 600 60Hình 4.11: Thực nghiệm hoạt động của bộ pin bằng đồng hồ VOM vặn năng và ampe kìm 62

DANH MỤC BIỂU BẢNG

Bảng 2.1: Điện áp di động và chi phí hiện tại của các công nghệ pin 8Bảng 2.2: Dung lượng ắc quy khi không mang tải[9] 23Bảng 2.3: Dung lượng ắc quy phụ thuộc vào cường độ phóng điện[9] 24Bảng 3.1: Các yêu cầu đối với hệ thống pin: 41Bảng 4.2: Kiểm tra thực tế hoạt động của ắc quy lắp trên xe bằng đồng hồ VOM vặn năng và ampe kìm 57Bảng 4.3 Kiểm tra thực tế hoạt động của bộ pin Bằng máy kiểm tra ắc quy Midtronics 600 59Bảng 4.4: Kiểm tra thực tế hoạt động của bộ pin bằng đồng hồ VOM vặn năng và ampe kìm 61

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Khi động cơ đốt trong ra đời đã mở ra một thời kỳ mới cho sự phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật của loài người, tuy nhiên nó cũng gây ra không ít tác động tiêu cực đến sức khoẻ con người và môi trường sống bởi khí thải độc hại Mức độ ô nhiễm do khí thải từ động cơ đốt trong ngày càng nghiêm trọng và đã trở thành vấn đề nan giải cho các nhà sản xuất xe, bởi các quy định nghiêm ngặt về tiêu chuẩn khí thải Chính điều này đã tạo động lực cho việc nghiên cứu phát triển các dòng xe sử dụng nguồn năng lượng sạch ít tác động đến môi trường hơn, tiết kiệm hơn và đó cũng là một trong những giải pháp tối ưu nhất khi giải quyết cả vấn đề ô nhiễm môi trường và vấn đề về nhiên liệu hóa thạch đang cạn dần

Theo xu hướng sử dụng chung của các quốc gia trên thế giới và Việt Nam chúng ta thì đa số người dân sử dụng ô tô lắp động cơ đốt trong để làm phương tiện đi lại là chính Ngoài ra hiện nay cũng có số nước cũng khuyết khích người dân sử dụng xe Điện (EV) hoặc xe Hybrid như: Mĩ, Anh, Trung Quốc,Việt Nam, Hàn Quốc, thì việc thay thế dần sang xe điện sẽ góp phần giảm thiểu đáng kể lượng khí thải ô nhiễm ra môi trường Đây cũng là xu hướng trong tương lai của đa số các quốc gia

Với sự phát triển không ngừng của nghành công nghiệp năng lượng và nghành điện tử, các nhà sản xuất xe đã đang tận dụng hiệu quả việc sử dụng nguồn năng lượng điện từ để thay thế cho động cơ đốt trong Mà cụ thể hơn đó là các dòng ô tô điện (EV), xe hybrid (HEV),… Đặt biệt hơn các nhà sản xuất ô tô có xu hướng cải tiến bộ tích trữ năng lượng của ô tô, từ đó pin Lithium-Ion với rất nhiều ưu điểm vượt trội như: Tuổi thọ pin cao, khả năng tích trữ năng lượng, thời gian sạc ngắn hơn so với ắc-quy truyền thống,…Tuy nhiên để tối đa hóa các ưu điểm này thì các nhà sản xuất phải nghiên cứu và chế tạo hệ thống kiểm soát được nguồn năng lượng này một cách kỹ lưỡng để đảm bảo tính kỹ thuật và an toàn cho con người

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về pin Lithium -ion 1.2.1 Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay đề tài về công nghệ pin và các tùy chọn của nó trong tương lai sẽ không quá xa lạ Vì pin là một trong những trọng tâm chính của sự phát triển ô tô trong những năm qua Các công nghệ mới trên pin lithium-ion đang là sự thay thế hoàn hảo nhất vì nó có rất nhiều ưu điểm hơn so với ắc quy axit chì Sự đa dạng của các loại xe đã tăng lên cùng với sự ra đời của các loại xe hybrid và xe điện, và đối với mỗi loại, loại pin phù hợp đang được sử dụng hoặc đang được phát triển Cần có các thiết kế hệ thống pin và chiến lược sạc phù hợp Công nghệ pin có thể được phân loại theo mật độ năng lượng của chúng, đặc điểm sạc và xả của chúng, tích hợp hệ thống và chi phí Các liên quan khác cho mỗi các thông số về hình thức là thời gian tồn tại của chu kỳ, hiệu suất nhiệt độ thấp và cao và sự an toàn Với kết quả trên thì trong tương lai ngành sản xuất pin sẽ có một vị thế quan trọng trong sự phát triển kinh tế của quốc gia và cũng là xu hướng của sự phát triển của các ngành khoa học kỷ thuật

Ở nước ta với sự gia tăng nhanh chóng về mật độ phương tiện giao thông, cũng như tình hình chung về nguồn năng lượng hóa thạch ngày một cạn dần và các vấn đề ô nhiểm khí hậu Từ đó các nghiên cứu về xe điện, xe hybrid và nguồn năng lượng mới thay thế cho bình ắc quy là một điều thật sự cần thiết trong đó Việt Nam đang có sẵn một số lợi thế về nguồn tài nguyên Với kết quả “Nghiên cứu tổng hợp đánh giá về Pin xe điện công nghệ các mô hình và mô phỏng tính toán các hiệu suất pin trên xe GM EV1” [2] đã chứng minh rằng pin NiMH và pin Li-ion có những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và mật độ năng lượng, do đó rất thích hợp để sử dụng để cung cấp nguồn điện cho các lọai xe điện hiện nay

Ngoài những nghiên cứu cải tiến để pin Lithium –ion được áp dụng rộng rãi hơn thì các công trình nghiên cứu cải tiến hệ thống sạc nhanh cho pin nói chung và ô tô điện nói riêng cũng phát triển mạnh trong thời gian qua Công nghệ sạc nhanh nhằm rút ngắn thời gian sạc so với các cách sạc truyền thống ở chỗ là tăng điện áp sạc cũng như cường độ để quá trình sạc nhanh hơn Đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế bộ

sạc pin nhanh cho xe ô tô điện” [3] đã dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode kết hợp với bộ chuyển đổi DC/DC có cấu trúc toàn cầu đôi chủ động để dùng làm bộ sạc pin nhanh cho ô tô điện Bộ sạc pin này có khả năng truyền tải công suất lớn để cung cấp năng lượng cho ô tô điện trong khoảng thời gian ngắn Các phần tử được tính toán thiết kế đảm bảo hiệu suất hoạt động cao, cách ly an toàn giữa lưới và pin của xe ô tô thông qua máy biến áp cao tần, hạn chế sử dụng các phần tử thụ động để giảm kích thước Quá trình tính toán, lựa chọn phần tử và mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matcad và Matlab-Simulink cho thấy hiệu suất của bộ sạc xung quanh giá trị 90% với thời gian sạc đầy 80% dung lượng của pin trong vòng 25 phút, cấu trúc điều khiển phù hợp với đặc tính sạc của pin

1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Phải trải qua một giai đoạn rất dài để nghiên cứu và thử nghiệm đến năm 1997 khi Toyota Prius xuất hiện trên thị trường với tư cách là chiếc xe điện hybrid được sản xuất hàng loạt với hơn 100.000 xe Đó cũng là kết quả không ngừng nghiên cứu và sự nổ lực không ngừng nghỉ của J Lohner và F Porsche[4], Thực tế đã cho ta thấy xe hybrid đã được thị trường chấp nhận nó cũng sẽ là tiền đề để ngành sản xuất pin lithium phát triển rộng rãi trong tương lại.

Hiện tại pin lithium-ion đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong một số ứng dụng ô tô chở khách, ô tô du lịch, và xe nâng Pin Lithiun đóng vai trò cung cấp và lưu chữ nguồn năng lượng được lắp trên ô tô Lithium là một lựa chọn tốt cho một tế bào điện hóa do thế điện cực tiêu chuẩn lớn (3,04 V) dẫn đến điện áp hoạt động cao giúp tạo ra cả công suất và năng lượng và thực tế nó là kim loại có mật độ thấp nhất làm giảm trọng lượng

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Từ những tổng quan trên cho ta thấy sự bùn nổ về công nghệ, cũng như sự khắc khe ngày càng cao của các tiêu chuẩn khí thải nhằm mục đích cải thiện và bảo bệ môi trường sống Từ đó đòi hỏi các hãng sản xuất ô tô phải chạy đua trong việc

cải tiến công nghệ, nâng cao tính tiện nghi, sự an toàn,… Do vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng pin Lithium thay thế cho ắc quy axit chì trên ô tô” là thật sự cần

thiết để gớp phần hướng tới một thế giới “Sạch” để tránh được các tác hại đến nguồng tài nguyên sống vô cùng quý giá mà chúng ta đang có

1.4 Mục tiêu đề tài

- Tính toán, thiết kế mạch nguồn

- Chọn lọc loại pin thay thế cho ắc quy axit chì trên ô tô - Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định và an toàn của bộ pin

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Từ nội dung của đề tài sẽ thực hiện 4 phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng quan

- Phương pháp thu thập tài liệu, chọn lọc và nghiên cứu kiến thức - Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp phân tích, so sánh và đánh giá kết quả

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu

- Pin Lithium-Ion - Ắc quy axit chì - Điện tử cơ bản

- Hệ thống cung cấp nguồn đang áp dụng cho ô tô - Hệ thống cung cấp nguồn đang áp dụng cho ô tô

b Phạm vi nghiên cứu

- Đánh giá nguyên lý hoạt động và đặc tính nạp, xả của bộ pin lithium-ion

- Đánh giá được tuổi thọ, cũng như khả năng tích trữ năng lượng khi sử dụng bộ

pin Lithium thay thế cho ắc quy axit chì khi lắp đặt trên ô tô

LIB thường được dùng trên các thiết bị điện di động và dùng cho pin sạc cho các thiết bị điện tử cầm tay LIB có mật độ năng lượng lớn, hiệu ứng nhớ thấp, và tỉ lệ tự xả thấp Hiện nay LIB đang được sự quan tâm phát triển trong hầu như các lãnh vực, vì những ưu điểm mà nó đạt được khi so sánh với ắc quy axit chì Chính vì vậy trong tương lai nó có thể thay thế cho ắc-quy chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện

Các nhà sản xuất dựa vào các yếu tố như: hiệu năng, giá thành và độ an toàn để quyết định sử dụng loại LIB nào cho phù hợp với sản phẩm Các thiết bị điện cầm tay hiện nay đa số sử dụng lithium coban oxit (LiCoO2) làm cực dương Chất này có mật độ năng lượng cao nhưng kém an toàn đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rò rỉ Ngoài ra có thể lựa chọn Lithium sắt phosphate (LiFePO4), lithium mangan oxit (LiMn2O4, Li2MnO3) hay lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2) là các vật liệu phổ biến khác, tuy nhiên các loại này có mật độ năng lượng thấp hơn LCO,

nhưng lại có độ bền cao và an toàn hơn Những pin vật liệu này thường được sử dụng trong các thiết bị điện y tế, nhưng hiện nay là ưu tiên hàng đầu cho pin ứng dụng trong xe chạy điện Liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2) và liti titanat (Li4Ti5O12) được sử dụng trong những mục đích đặc biệt Gần đây các nhà khoa học đã nghiên cứu thành công một loại pin mới có hiệu năng cao nhưng khối lượng nhỏ (Pin liti-lưu huỳnh) hứa hẹn nhiều triển vọng cho ngành công nghệ sản xuất pin

Pin liti-ion là một loại pin chứa dung dịch điện phân được tạo thành khi được nén dưới áp lực cao, chính vì thế nó dể cháy và nguy hại khi có sự cố sảy ra Trong quá trình sạc nếu một viên pin được sạc quá nhanh nó có cũng thể gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ Do vậy các quy trình kiểm định dành cho LIB khắc khe hơn áp dụng cho ắc quy axit chì

Các ngành nghề nghiên cứu về LIB như: tăng thời gian sử dụng, năng lượng lưu trữ, khả năng an toàn và tiết kiệm chi phí cho pin

Hình 2.1: Các loại pin Lithium ion[1]

Các thông số quan trọng nhất của pin:

1 Mật độ năng lượng trọng lực (hay còn gọi là spe- mật độ công suất cụ thể) và

công suất thể tích sity là một trong những tham số quan trọng nhất cho xe hybrid Giá trị cao thường ngụ ý giá trị thấp kháng điện, dẫn đến tổn thất năng lượng thấp và khả năng năng lượng cao

2 Mật độ năng lượng trọng trường (còn được gọi là mật độ năng lượng riêng) và

mật độ năng lượng thể tích cũng quan trọng Tụ điện chắc chắn có thể cung cấp công suất cao, nhưng họ có thể làm như vậy chỉ trong một thời gian ngắn, trong khi mật độ năng lượng của pin cao hơn Hình 1.3 cho tổng quan về sức mạnh trọng trường cụ thể và mật độ năng lượng của pin Lý thuyết mật độ năng lượng trọng trường có thể được tính toán từ phản ứng điện hóa chính Thực tế giá trị của cấp độ ô thường là 25–50% của- giá trị quặng

Hình 2.2: Biểu đồ Ragone của các công nghệ pin khác nhau với đặc điểm kỹ thuật

ở cấp độ tế bào cho các ứng dụng ô tô không có lithium – lưu huỳnh và pin kim loại

3 Hiệu suất năng lượng Là tỉ số giữa phần năng lượng đã phóng ra và phần được

tích điện năng lượng Tổn thất năng lượng là chuyển hóa thành nhiệt và phải được loại bỏ tránh quá nhiệt của pin

4 Tuổi thọ của pin Mô tả thời lượng pin cho đến khi hỏng miễn là pin không được

sử dụng Nhiệt độ cao hơn đẩy nhanh quá trình lão hóa Nhiều pin hiệu suất cao trong tiêu chuẩn vehi- cles có thể sẽ chết vì lão hóa theo chu kỳ hơn là vì vòng quay công suất

5 Vòng đời của chu kỳ Mô tả pin có thể thực hiện bao nhiêu chu kỳ cho đến khi

không thành công Thời gian tồn tại của chu kỳ phụ thuộc vào độ sâu chu kỳ, tỷ giá hiện tại và SOC trung bình Công suất lần lượt- hơn được đo trong các chu kỳ tương đương đầy đủ

6 Chi phí Bên cạnh các khía cạnh kỹ thuật, các chi phí liên quan đến lựa chọn một

hệ thống pin Các chi phí hiện tại là được xác định trong Bảng 1 Tuy nhiên, chi phí phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể và độ hết pin Các công nghệ pin khác nhau được trình bày trong fol- hạ thấp Tổng quan về công nghệ pin và thiết bị- cation cho xe điện đã được đưa ra bởi Bo¨cker et al[5] (chỉ bằng tiếng Đức) Tổng quan chung về pin cho các phương tiện hybrid đã được Koehler[6] đưa ra

Bảng 2.1: Điện áp di động và chi phí hiện tại của các công nghệ pin

Bảng 2.1: Điện áp di động và chi phí hiện tại của các công nghệ pin khác nhau ở cấp độ tế bào (đặc biệt, pin ở cấp thấp hơn của thang giá có thể không đáp ứng tất cả các yêu cầu khác của nhà sản xuất xe hơi như hiệu suất nhiệt độ sâu, lịch tuổi thọ, chu kỳ sống hoặc độ an toàn) (dựa trên các quan sát thị trường và các quan sát của Pavlov[7], Bergveld et al[5] và Wenzl[6]

2.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Lithium-ion được phát triển vào những năm 70, bởi M Stanley Whittingham ông đã phát hiện ra loại vật liệu có tên Titanium Sulphide kết hợp với liti làm cực dương, tuy nhiên vào giai đoạn này phát minh Whittingham của không được chấp thuận do đặc tính của kim loại liti có thể dẫn đến cháy nổ khi tiếp xúc trượt tiếp với không khí

Từ cơ sở là những phát hiện trước đó của M Stanley Whittingham, John B Goodenough và cộng sự của mình là Koichi Mizushima đã tạo ra Liti Cobalt Oxit (LiCoO2) một loại nguyên mẫu pin sử dụng kim loại liti với công xuất dòng ra khoản 4V

Bước ngoặc chỉ thực sự đến vào 15 năm sau khi Akira Yoshino một nhà hóa học lỏi lạc thuộc Tập đoàn Asahi Kasei bắt đầu thành công trong việc thương mại hóa những mẫu pin lithium đầu tiên tạo thành tiền đề vững chắc để lithium-ion trở thành một mãnh ghép không thể thiếu của khoa học kỹ thuật thế kỷ 21

2.1.3 Nguyên tắc hoạt động

Thành phần tham gia trong phản ứng điện hóa của LIB là vật liệu điện cực âm và dương, chất dẫn điện đảm bảo sự thuận lợi cho quá trình truyền tải điện tích giữa 2 điện cực Ion liti tham gia quá trình phản ứng tại cả hai điện cực, thành phần hiện nay của điện cực là các vật liệu cho phép ion lithium xâm nhập và giữa các kết cấu tinh thể mà không gây nhiễu loạn hoặc ít làm thay đổi vị trí của các nguyên tử khác trong mạng tinh thể trong quá trình xâm nhập của ion liti di chuyển ở trong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng và ngược lại ion liti thoat khỏi cấu trúc mạng tinh thể[9]

Quá trình xả ion mang điện tích dương sẽ đi từ cực âm (anode) thường là graphite sang cực dương (cathode), tại đây điện cực dương sẽ phản ứng với ion liti Để cân bằng điện tích giữa 2 điện cực, cứ mỗi ion dịch chuyển từ cực âm sang cực dương bên trong pin, thì ở mạch ngoài lại có 1 electron di chuyển từ cực âm sang cực dương, kết quả là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm

Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá tình xả electron chạy từ cực dương sang cực âm của pin Như vậy pin đảo chiều trong quá trình sạc và xả

Hình 2.3 Quá trình nạp và xả của pin lithium-ion[8]

Công Thức hóa học trong phản ứng tại cực dương (cathode) được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

LiCoO2 ↔ CoO2 + Li+ + e- (1)

Công Thức hóa học trong phản ứng tại cực âm (anode) được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

C6 + Li+ + e- ↔ LiC6 (2) Công Thức hóa học phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

C6 + LiCoO2 ↔ LiC6 + CoO2 (3)

Như vậy khi sạc, C6 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+ , và ngược lại khi xả

Nếu như xả sâu thì một liti coban oxit đã bão hòa sẽ hình thành một lớp liti oxit, theo phản ứng một chiều sau:

LiCoO2 + Li+ + e- → Li2O + CoO (4)

Ngược lại nếu quá trình sạc với cường độ lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxit, theo phản ứng một chiều sau

LiCoO2 → Li+ +e- + CoO2 (5)

2.1.4 Cấu tạo pin Lithium-ion

Pin Lithium-ion có cấu tạo gồm 4 phần chính: Điện cực âm, điện cực dương,

màng ngăn cách điện và chất điện phân

Hình 2.4 Cấu tạo pin Lithium-ion[1]

a Điện cực dương (Cathode)

Nguyên liệu sử dụng cho cực dương của pin thường được tạo ra từ LiCoO2 và LiMnO4 Các nguyên liệu dựa trên coban thường có cấu trúc không đồng nhất, tạo điều kiện cho việc khuếch tán ion liti qua lại Vì thế nó có khả năng cung cấp công suất riêng lớn hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và bền hơn so với ắc quy axit chì Tuy nhiên nó có nhược điểm của chúng là giá thành cao do chứa coban

Ngược lại nguyên liệu dựa trên mangan có cấu trúc tinh thể lập phương Nó cho phép ion liti khuếch tán theo cả ba chiều và có ưu điểm là giá thành thấp và phổ biến hơn so với coban, đồng thời có hiệu suất cao và tuổi thọ dài hơn Nhưng nhược điểm là khả năng hòa tan trong dung dịch điện ly và giảm công suất của pin

Chính vì thế với sự ra đời của pin LiFePO4 sẽ đáp ứng được các yêu cầu về công xuất cũng như giá thành thấp Nhưng nó cũng có nhược điểm là khả năng dẫn điện kém nên yêu cầu sử dụng chất phụ gia làm chát dẫn điện carbon.

b Điện cực âm (anode)

Các vật liệu làm cực âm có cấu trúc dạng lưới của graphite cho phép các ion liti xen kẻ vào giữa những lớp cacbon Ưu điểm của loại này là phổ biến, giá thành rất rẻ và độ dẫn điện tốt

Ngoài ra vật liệu Silicon cũng được dùng làm cực âm bởi nó cũng có thể chứa ion liti, thậm chí nhiều hơn Cacbon Nhưng lại có nhược điểm là khi chứa các ion Liti Silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu

pin

c Dung dịch điện ly (electrolyte)

Dung dịch điện ly hoặc chất điện ly đề cập đến môi trường truyền ion Li trong quá trình sạc và xả pin Điều quan trọng là đối với pin Li-ion, dung dịch điện ly cần có khả năng dẫn ion tốt, đặc biệt là độ dẫn ion liti ở mức 10−2 S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng khoảng 30-40% ở 40°C và giảm nhẹ khi nhiệt độ giảm xuống 0°C Trong quá trình sạc và xả pin, khi ion liti di chuyển trong pin, sự chênh lệch điện thế tạo ra dòng điện, đảm bảo phản ứng xảy ra trong pin mà không làm đoản mạch Để đạt được điều này, dung dịch điện ly cần là chất cách điện tốt, với độ dẫn electron dưới mức 10−8 S/cm để tránh đoản mạch

Dung dịch điện phân dùng trong pin Li-ion như, như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như: etylen cacbonat, dimetyl cacbonat, và dietyl cacbonat Do các dung môi này có thể dễ phân hủy ở cực âm trong quá trình sạc Trong quá trình sạc sẽ tạo ra lớp oxi hóa trên bề mặt ở bảng cực âm làm giảm độ dẫn điện của cực âm

Để giảm sự rò rỉ và tăng tính an toàn cũng như giảm thiểu khả năng cháy nổ thì các nghiên cứu đang tập chung vào phát triển dung môi gel, polymer, hay các chất cách điện dạng rắn từ ceramic có thể sẻ loại bỏ lớp màng cách điện

2.1.5 Cơ chế nạp và xả

Quy trình sạc của Pin Li-ion cũng khác biệt với các loại pin khác hay ắc quy Quá trình điều chỉnh sạc/xả của một cell lắp nối tiếp nhau hoặt pin Li-ion và một hệ pin tổng thành đòi hỏi phải được theo dõi bằng các mạch điện tử

Đối với một tế bào pin Lithium-ion bao gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn sạc ổn dòng: dòng điện nạp vào không thay đổi thường được thiết lặp C/2-C (C là dung lượng [Ah] của pin) Đối với quá trình này, dòng điện lớn sẽ làm tăng nhiệt độ của pin Dù quá trình sạc ổn dòng ngắn hơn với dòng điện lớn, giai đoạn sạc ổn áp sẽ kéo dài Tổng thời gian sạc ở cả hai giai đoạn thường không vượt quá 3 giờ Trong quá trình sạc, việc theo dõi nhiệt độ là quan trọng vì nhiệt độ cao có thể gây cháy hoặc nổ pin

Thường thì nhiệt độ không nên vượt quá 450C nhưng pin Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độ khi sạc lên đến 600C Với những yêu cầu về thời gian sạc ngày càng ngắn thì môt giải pháp đưa ra đó là tăng dòng điện khi sạc đồng nghia là nhiệt độ pin sẽ tang cao Từ đó hệ thống sach nhanh ra đời và có những yêu cầu nhất định để bảo vệ bộ pin

Hình 2.5 Đặc tính nạp, xả của pin lithium-ion[1]

Giai đoạn sạc ổn áp: Điện áp sạc sẽ được duy trì ổn định ở mức 4,2V/cell Khi dung lượng của pin phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm cho dòng điện giảm dần Khi dòng điện giảm xuống dưới 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc đồng thơi dung lượng pin đạt khoảng 99% Trong giai đoạn sạc ổn dòng, điện áp ở các cực ắc quy tăng dần Khi điện áp bằng sức điện động của pin lúc đầy, bộ sạc sẽ chuyển qua giai đoạn sạc ổn áp thường kéo dài tối đa khoảng 1h Khi dung lượng pin đã phục hồi được khoảng 70% thì quá trình sạc ổn dòng kết thúc

Khi pin sạc đầy điện áp khoảng 3,6 – 3,9V/cell, nếu áp dụng sạc nhanh (sạc ổn dòng) điện áp pin khoảng 3,3 – 3,5V Pin Lithium-ion cũng có tính chất tự xã khi không sử dụng nên người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn ngoài việc sử dụng quá trình ổn dòng, ổn áp Nghĩa là khi áp ắc quy đạt 4,05V/cell cell hệ thống sạc lại tiếp tục đóng áp sạc 4,2V/cell vào để tiếp tục quá trình sạc áp Nhờ việc đóng ngắt như vậy được diễn ra liên tục điện áp pin được giữ ổn định trong