Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống pin cho ô tô điện công suất nhỏ.Điều này bao gồm việc nghiên cứu các loại pin hiện có trên thị trường, như pin lithium-ion, lithium sắt
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Ô tô điện có một lịch sử lâu dài, nhưng chỉ trong 20 năm qua, chúng mới phát triển mạnh mẽ để giải quyết hai vấn đề lớn: cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường từ ô tô chạy xăng dầu Ô tô điện lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1834 và trong nửa sau thế kỷ 19, nhiều công ty ở Hoa Kỳ, Anh và Pháp đã sản xuất chúng Tuy nhiên, do công nghệ ắc quy hạn chế và sự phát triển mạnh mẽ của động cơ đốt trong, ô tô điện đã dần bị thay thế và gần như biến mất từ những năm 1930.
Vào những năm đầu thập kỷ 70 thế kỷ XX, ô nhiễm môi trường do khí thải và an ninh năng lượng từ nguồn năng lượng hóa thạch trở thành hai vấn đề cấp bách Sự quan tâm đến ô tô điện như một giải pháp hiệu quả cho những thách thức này đã gia tăng Ban đầu, ô tô điện chỉ là đối tượng nghiên cứu và thường là phiên bản chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong Tuy nhiên, hiện nay, các nhà sản xuất ô tô lớn đã phát triển những mẫu xe điện mới, được thiết kế và chế tạo với công nghệ chuyên biệt, khác biệt hoàn toàn so với những sản phẩm hoán cải trước đây.
Các phương tiện giao thông đường bộ là nguồn gây ô nhiễm không khí lớn, với 18% hạt lơ lửng, 27% hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, 28% chì, 32% oxit nitơ và 62% carbon monoxide tại Mỹ Chúng cũng thải ra 25% CO2 liên quan đến năng lượng, góp phần vào hiện tượng khí nhà kính Sự gia tăng ô nhiễm toàn cầu đang diễn ra nhanh chóng khi ngày càng nhiều người tiếp cận phương tiện giao thông công cộng và cá nhân Điện khí hóa và sự phát triển của giao thông ô tô là hai cuộc cách mạng công nghệ quan trọng của thế kỷ XX, phản ánh sự thay đổi lớn trong lối sống do nguồn cung cấp năng lượng hóa thạch Từ năm 1900, sản xuất điện đã chiếm 34% mức tiêu thụ năng lượng chính ở Mỹ, trong khi giao thông vận tải tiêu thụ 27% Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch tăng cao đã thúc đẩy sự mở rộng năng lượng, với than và khí đốt tự nhiên cung cấp hơn 65% năng lượng cho sản xuất điện, trong khi dầu thô tinh chế cung cấp nhiên liệu cho hầu hết 250 triệu phương tiện đang hoạt động trên đường.
Kỳ Tuy nhiên, năng lượng tái tạo cung cấp ít hơn 2% năng lượng được sử dụng ở cả hai thị trường.
Cuộc cách mạng năng lượng điện và giao thông vận tải vào những năm 1900 đã tạo ra những tác động sâu rộng đến nhiều thị trường khác nhau Mặc dù điện được sử dụng rộng rãi trong thương mại, công nghiệp và dân cư, nhưng nó hầu như không đóng góp gì cho năng lượng giao thông vận tải, trong khi dầu chỉ chiếm 3% năng lượng đầu vào cho điện Sử dụng dầu trong vận tải ngày càng gia tăng, với hơn hai phần ba lượng dầu tiêu thụ ở Hoa Kỳ được sử dụng cho ô tô, xe tải và xe buýt, trong đó máy bay chiếm 14% và tàu, đầu máy xe lửa chiếm 5% Kể từ năm 1986, việc sử dụng dầu cho giao thông vận tải đã vượt qua tổng sản lượng dầu trong nước hàng năm của Hoa Kỳ do sự phụ thuộc vào nhập khẩu dầu.
Tốc độ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch hiện nay nhanh hơn 100.000 lần so với tốc độ tái tạo tự nhiên của chúng, dẫn đến việc nguồn nhiên liệu này trở nên tốn kém và khó khai thác hơn Để phát triển hệ thống năng lượng bền vững dựa trên tài nguyên tái tạo, cần tìm kiếm giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch Mặc dù có ít tiến bộ trong việc sử dụng điện từ lưới điện cho giao thông, nhưng vào năm 1900, số lượng ô tô điện đã vượt xa xe chạy bằng xăng gần gấp đôi Những chiếc xe điện không chỉ ít gây ô nhiễm hơn mà còn mang lại nhiều lợi ích cho môi trường.
Vào năm 1900, xe điện (EV) trở thành lựa chọn ưa thích của giới thượng lưu đô thị nhờ vào sự im lặng và không cần khởi động tay quay khó khăn Tuy nhiên, trọng lượng nặng, thời gian sạc lâu và độ bền kém của pin đã hạn chế khả năng tồn tại lâu dài của xe điện trên thị trường Một pound xăng chứa năng lượng tương đương với 100 pound pin Pb-axit, trong khi việc tiếp nhiên liệu bằng xăng chỉ mất vài phút và có nguồn cung dồi dào Điều này đã dẫn đến sự suy giảm dần của xe điện vào năm 1920.
1.1 Tổng quan về ô tô điện Ô tô điện (EV - Electric Vehicle)
Ô tô điện (EV) là phương tiện hoạt động hoàn toàn bằng điện, không phát thải khí CO2, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của xe động cơ đốt trong lên môi trường Sự phát triển của ô tô điện phản ánh nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụng năng lượng tái tạo và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Hiện nay, ô tô điện đang trở thành xu hướng toàn cầu nhờ vào sự đầu tư mạnh mẽ từ các nhà sản xuất lớn, các chính sách khuyến khích từ chính phủ, và nhận thức ngày càng cao về bảo vệ môi trường.
Ô tô điện, như mẫu xe VFe 34 của VINFAST, mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm hiệu quả sử dụng năng lượng cao, vận hành êm ái, bảo vệ môi trường và giảm tiếng ồn Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ pin, quãng đường di chuyển của ô tô điện ngày càng được mở rộng, đáp ứng nhu cầu di chuyển hàng ngày của người dân Ngoài ra, ô tô điện còn giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành giao thông.
Xe điện công suất nhỏ, với động cơ điện từ 10-20kW, là lựa chọn lý tưởng cho các phương tiện nhẹ như xe máy điện, xe tay ga điện và ô tô cỡ nhỏ trong đô thị Chúng thường sử dụng động cơ điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC) với công suất tối đa 15-20kW, đi kèm với pin lithium-ion cho khả năng sạc nhanh và lưu trữ năng lượng cao Dung lượng pin dao động từ 5kWh đến 20kWh, cho phép tốc độ tối đa đạt 60-80 km/h, phù hợp cho di chuyển trong thành phố Tầm hoạt động của xe điện công suất nhỏ thường từ 80-200 km mỗi lần sạc, tùy thuộc vào dung lượng pin và điều kiện vận hành.
Hình 1 2 Mẫu xe điện Matrix 01, công suất 15Kw
Tổng quan về xe điện công suất nhỏ chia ra làm 2 phần ưu điểm và hạn chế sau:
• Tiết kiệm năng lượng: Xe điện công suất nhỏ tiêu thụ ít năng lượng hơn so với xe ô tô điện lớn hoặc xe chạy bằng xăng.
Chi phí vận hành của xe điện rất thấp, với chi phí sạc pin thấp hơn nhiều so với nhiên liệu xăng hoặc diesel Hơn nữa, xe điện có ít bộ phận chuyển động hơn, giúp giảm thiểu chi phí bảo dưỡng.
• Không gây ô nhiễm môi trường: Xe điện không tạo ra khí thải trực tiếp, góp phần giảm ô nhiễm không khí.
• Phù hợp với đô thị: Kích thước nhỏ gọn, thuận tiện cho việc di chuyển trong các thành phố đông đúc.
• Tầm hoạt động hạn chế: Phù hợp với các chuyến đi ngắn, nhưng sẽ gặp khó khăn khi di chuyển đường dài nếu không có đủ trạm sạc.
• Thời gian sạc: Mặc dù pin lithium-ion có thể sạc nhanh, nhưng vẫn mất thời gian so với việc đổ xăng trong vài phút.
• Giá thành: Dù chi phí vận hành thấp, giá thành ban đầu của xe điện thường cao hơn so với các loại xe sử dụng động cơ đốt trong.
* Ứng dụng của xe điện công suất nhỏ
Xe máy điện và xe tay ga điện là lựa chọn lý tưởng cho di chuyển cá nhân trong đô thị Chúng có ưu điểm nổi bật là nhỏ gọn, dễ sử dụng và tiết kiệm nhiên liệu, giúp người dùng thuận tiện hơn trong việc di chuyển hàng ngày.
Xe ô tô cỡ nhỏ, bao gồm ô tô mini chạy điện, thường được trang bị động cơ có công suất từ 10-20 kW, phù hợp cho việc di chuyển trong thành phố Những loại xe này không chỉ đáp ứng nhu cầu di chuyển với tốc độ vừa phải mà còn thân thiện với môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm không khí.
Xe ba bánh hoặc bốn bánh nhẹ: Được sử dụng trong các khu vực nghỉ dưỡng, khu du lịch hoặc sân golf.
Xe điện công suất nhỏ đang ngày càng được ưa chuộng do nhu cầu về phương tiện xanh và tiết kiệm năng lượng tăng cao Những chiếc ô tô điện này nổi bật với chi phí sản xuất và vận hành thấp, phù hợp cho việc di chuyển ngắn hạn trong đô thị và khu vực đông đúc Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là dung lượng pin và khả năng tính toán hợp lý để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và giảm chi phí.
1.2 Cấu trúc chung của ô tô điện Ô tô điện có cấu trúc khá đơn giản so với xe động cơ đốt trong, bao gồm các bộ phận chính sau:
Hình 1 3 Cấu trúc chung của ô tô điện
Pin lithium-ion là nguồn năng lượng chính cho ô tô điện, quyết định quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc Hiệu suất cao và khả năng lưu trữ lớn của pin ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí và hiệu suất hoạt động của xe.
Động cơ điện là một giải pháp thay thế cho động cơ đốt trong, có chức năng chuyển đổi năng lượng điện từ pin thành động năng để vận hành xe Với thiết kế đơn giản, hiệu suất cao và yêu cầu bảo trì thấp, động cơ điện đang trở thành lựa chọn ưu việt cho các phương tiện giao thông hiện đại.
CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ, SỬ DỤNG PIN CHO Ô TÔ ĐIỆN
Nguồn tài nguyên hóa thạch đang dần suy kiệt, cùng với sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải từ ô tô, đã thúc đẩy cuộc đua tìm kiếm năng lượng sạch Pin lithium-ion (Li-ion) hiện đang được ưu tiên phát triển cho ngành ô tô điện nhờ vào hiệu suất và mật độ năng lượng vượt trội so với pin truyền thống Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao, cho phép lưu trữ nhiều năng lượng hơn trên mỗi đơn vị khối lượng, giúp xe điện di chuyển quãng đường xa hơn mà không làm tăng kích thước hay trọng lượng của pin.
Pin Li-ion không chỉ có khả năng sạc nhanh mà còn đảm bảo hiệu suất xả điện ổn định, phù hợp với nhu cầu sử dụng liên tục trong ngành giao thông Tuổi thọ dài và yêu cầu bảo trì thấp của pin giúp giảm chi phí sử dụng và thay thế Thêm vào đó, khả năng quản lý nhiệt của pin Li-ion giúp tránh quá nhiệt và duy trì hiệu suất tối ưu ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.
Pin Li-ion ít độc hại và dễ tái chế, giảm thiểu tác động đến môi trường so với các loại pin chứa kim loại nặng như pin axit chì Nhờ những đặc điểm này, pin Li-ion đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong ngành ô tô điện, giúp xe đạt hiệu suất cao, tuổi thọ dài và thân thiện với môi trường.
2.1 Cấu tạo và Nguyên lý làm việc Pin Lithium-ion sử dụng trên xe điện
Vào năm 1970, nhà hóa học M Stanley Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi làm điện cực khi làm việc cho Exxon Mặc dù thí nghiệm này dẫn đến việc phát triển pin sạc lithium, nhưng sản phẩm không thể ứng dụng thực tế do yêu cầu tổng hợp titan disulfua trong điều kiện chân không, gây tốn kém khoảng 1000 USD cho mỗi kg vào thời điểm đó.
Titan disulfua có thể tạo ra hợp chất hidro sunfua có mùi khó chịu khi tiếp xúc với không khí, dẫn đến việc Exxon ngưng sản xuất pin lithium của Whittingham Năm 1980, giáo sư vật lý John Goodenough đã phát minh ra một loại pin lithium mới bằng cách kết hợp lithium coban oxit, cho phép ion Li+ di chuyển giữa các điện cực.
Vào năm 1983, giáo sư Akira Yoshino từ Đại học Meijo, Nhật Bản, đã phát triển một pin nguyên mẫu có thể sạc, sử dụng lithium cobalt oxit làm cực âm và polyacetylene làm cực dương Nguyên mẫu này có đặc điểm là không chứa liti ở cực dương, với các ion liti di chuyển từ cực âm sang cực dương trong quá trình sạc Phát minh của Yoshino chính là nền tảng cho sự ra đời của pin Lithium-ion (LIB) hiện đại.
Pin lithium-ion được thương mại hóa lần đầu bởi Sony Energytec vào năm 1991 và hiện nay đã trở thành loại pin chủ đạo trên thị trường cho các thiết bị di động, hệ thống lưu trữ điện UPS toàn cầu, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô điện.
Pin có 4 hình dạng là: Hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình phẳng (dạng túi) và hình lăng trụ; Với các loại pin lithium-ion là:
*Lithium-Cobalt Oxide: Hay còn gọi là pin LCO, là một trong những loại pin
Pin lithium-ion là loại pin phổ biến trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại di động, máy tính xách tay và máy ảnh kỹ thuật số Với khả năng lưu trữ năng lượng hiệu quả và công suất cao, loại pin này đã trở thành lựa chọn hàng đầu Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số nhược điểm liên quan đến an toàn và tuổi thọ.
Pin lithium titanate đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây nhờ vào mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài và nguy cơ thoát nhiệt thấp Là giải pháp an toàn hơn cho pin lithium-ion, chúng được ứng dụng rộng rãi trong xe điện, lưu trữ năng lượng tái tạo và ổn định lưới điện, thường được sử dụng cho ô tô điện, xe đạp, xe tay ga và mô tô.
*Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide: Pin Lithium Nickel Mangan Cobalt
Pin lithium-ion Oxide (NMC) là loại pin sử dụng hợp chất ba nguyên tố nickel, mangan và cobalt, mang lại sự cân bằng lý tưởng giữa mật độ năng lượng, tuổi thọ và độ an toàn Nhờ vào những đặc điểm này, NMC trở thành một trong những loại pin lithium-ion phổ biến và đa dụng nhất, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực từ điện tử tiêu dùng cho đến xe ô tô điện và hệ thống lưu trữ năng lượng.
Pin Lithium Mangan Oxit (LMO) sử dụng oxit mangan lithium làm vật liệu cực âm, với cấu trúc ba chiều giúp cải thiện hiệu quả di chuyển của ion và giảm điện trở bên trong Nhờ đó, pin LMO có khả năng xử lý dòng điện tốt hơn và cung cấp hiệu suất cao Loại pin này thường được ứng dụng trong các thiết bị y tế và dụng cụ điện cầm tay không dây, cũng như trong một số xe hybrid và xe điện.
Pin Lithium-Iron Phosphate (LFP) là loại pin lithium-ion sử dụng lithium iron phosphate làm vật liệu cực dương, nổi bật với độ bền cao, an toàn và tuổi thọ lâu dài Nhờ những ưu điểm này, LFP đã trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Pin LFP được sử dụng rộng rãi trong xe ô tô điện, hệ thống lưu trữ năng lượng gia đình và thiết bị điện tử tiêu dùng nhờ vào độ bền cao và tính an toàn Đặc biệt, pin LFP là lựa chọn hàng đầu cho xe ô tô điện, xe bus điện và hệ thống lưu trữ năng lượng cố định Với ba yếu tố nổi bật: an toàn, tuổi thọ lâu dài và thân thiện với môi trường, pin LFP ngày càng trở nên phổ biến trong ngành sản xuất xe điện.
2.1.1 Cấu tạo của Pin Lithium-ion (Li-ion)
Hình 2 2 Cấu tạo pin lithium-ion (Li-ion)
Pin Lithium-ion được cấu tạo từ nhiều thành phần chính, tạo nên một hệ thống lưu trữ và giải phóng năng lượng hiệu quả Các thành phần cơ bản của pin bao gồm:
Cực dương (Cathode) được chế tạo từ các hợp chất lithium, chủ yếu là Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2) hoặc Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) Đây là vị trí lưu trữ ion lithium trong quá trình xả của pin.
