Báo cáo môn học năng lượng mới trên ô tô chủ Đề 8 nguồn năng lượng dự dữ trên ô tô

biết được phạm vi hoạt động, tuy nhiên con số trên thực tế sẽ sự chênh lệch nhẹ.- Quãng đường di chuyển thực tế của ô tô điện sẽ phụ thuộc vào các yếu tố chủ quannhư cách sử dụng xe, hay

BÁO CÁO MÔN HỌC NĂNG LƯỢNG MỚI TRÊN Ô TÔ

CHỦ ĐỀ 8: NGUỒN NĂNG LƯỢNG DỰ DỮ TRÊN Ô TÔ

5 Lê Văn Quốc Điền

6 Nguyễn Minh Khang

7 Đinh Vĩ Khang

8 Lê Văn Pho

VĨNH LONG, THÁNG 09 NĂM 2023

Giảng Viên Hướng Dẫn: TS Phan Văn Đức

ĐIỂM:

NHẬN XÉT CỦA THẦY:

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ Ô TÔ LAI 5

I Ô Tô Điện – Xe Điện 5

II Xe Lai 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGUỒN NĂNG LƯỢNG DỰ TRỮ TRÊN XE ĐIỆN VÀ XE LAI 27

2.1 Pin axit-chì 30

2.2 Pin Nickle-Metal-Hydrite (NiMH) 35

2.3 Pin Nickel-Cadmium (NiCd) 41

2.4 Pin Lithium-Ion (Li-ion hay còn gọi là LIB) 47

2.5 Pin Lithium Polymer LFP 58

2.6 Pin NMC/NCA 61

2.7 Pin Sodium-ion (Pin Natri-ion) 63

2.8 Pin Nhiên Liệu (Hydro) 67

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

khắp nơi trên thế giới đã tìm cách cải tiến và thay thế các công nghệ trên xe hơi.Mục đích của các nghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát thải ônhiễm và giảm sự tiêu hao hoặc thay thế nhiên liệu truyền thống Đã có một vàicông nghệ hiện đại và tối ưu hơn được áp dụng cho xe hơi, trong số đó thì côngnghệ Xe điện và xe lai đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạoôtô Với những ưu điểm và hiệu quả của nó, công nghệ xe điện và xe lai đang làmột lựa chọn phù hợp cho các nhà sản xuất xe hơi trong hiện tại và tương lai.

Có rất nhiều mẫu xe hơi của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khi tung

ra thị trường như: Toyota Prius, Honda Insight Với những thành công và sựcần thiết của công nghệ xe điện và xe lai như đã nêu trên, do đó chúng em đãmạnh dạn chọn đề tài “Nguồn năng lượng dự trữ trên ô tô (xe điện và xe lai)”làm đề tài báo cáo Với sự nỗ lực và cố gắng của tất cả các thành viên trongnhóm!

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn ĐứcCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ Ô TÔ LAI

I Ô TÔ ĐIỆN – XE ĐIỆN

1 Ô Tô Điện Là Gì?

- Loại xe ô tô sử dụng động cơ điện để vận hành, thay vì sử dụng động cơ đốt trongchạy bằng xăng hoặc dầu diesel Ô tô điện có nhiều ưu điểm như không gây ra khí thảigây ô nhiễm, tiết kiệm chi phí nhiên liệu, êm ái và dễ vận hành Tuy nhiên, ô tô điệncũng có một số nhược điểm như phạm vi hoạt động hạn chế, thời gian sạc pin lâu vàchi phí mua ban đầu cao

Hình 1: Giới thiệu về xe ô tô điện - phương tiện được cung cấp năng lượng bởi động

biết được phạm vi hoạt động, tuy nhiên con số trên thực tế sẽ sự chênh lệch nhẹ.

- Quãng đường di chuyển thực tế của ô tô điện sẽ phụ thuộc vào các yếu tố chủ quannhư cách sử dụng xe, hay các yếu tố khách quan như nhiệt độ môi trường Chủ xe cầnbiết ước lượng quãng đường di chuyển của xe dựa trên cả thông số từ nhà sản xuất vàcác yếu tố trên

- Trước tiên, người dùng cần hiểu về khái niệm kilowatt giờ (KWh) Đây là nănglượng mà pin sẽ cung cấp cho động cơ điện mà người dùng có thể độc trong bảngthông số của xe Từ đó, người dùng sẽ hiểu khái niệm dung lượng pin tính bằng kWh.Hiện nay, pin của ô tô điện có mức dung lượng trong khoảng 20kWh - 100kWh

- Trong điều kiện lý tưởng nhất, động cơ có thể chạy hết công suất trên bảng thông số,

ví dụ, chiếc ô tô có công suất 100kW với pin 10kWh thì trong thời gian 1 giờ sẽ chạyhết công suất này

- Vì các điều kiện chủ quan và khách quan đã đề cập trên, công suất thực tế ít hơn đôichút vì pin có thể giảm hiệu suất, đồng thời pin còn được sử dụng để cung cấp nănglượng cho những thiết bị khác trên ô tô

- Một khái niệm người dùng cần nắm là mức tiêu thụ trung bình được hiển thị theokWh/100km Mức tiêu thụ này có thể thay đổi dựa trên điều kiện của đường xá vàphong cách lái của chủ xe

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Phạm vi hoạt động của xe ô tô điện được tính theo công thức sau:

(Dung lượng của pin / Mức tiêu thụ trung bình) x 100

- Kết quả giúp chủ xe ước lượng được số km mà xe chạy được khi pin sạc đầy Con sốnày sẽ có sự thay đổi chút ít, vì vậy chủ xe cần ghi chép hay lưu lại phạm vi hoạt độngcủa xe trong những chuyến đi gần nhất để tránh trường hợp xe độ nhiên hết nhiên liệu

4 So Sánh Giữa Xe Ô Tô Chạy Bằng Điện Và Xe Ô Tô Chạy Xăng

 Về giá thành: Với công nghệ ngày càng cải tiến, chi phí xe điện ngày càng hợp

lý do quy trình sản xuất ngày càng được tối ưu hóa Hiện nay, giá một chiếc xe

ô tô điện không còn quá cao so với các loại xe ô tô chạy nhiên liệu khác Thậmchí, ở nhiều quốc gia, giá xe điện còn thấp hơn xe xăng nhờ vào chính sách hỗtrợ của chính phủ

 Về chi phí vận hành: Vì xe điện có kết cấu đơn giản, không có nhiều bộ phận

trung gian nên việc bảo dưỡng động cơ sẽ không mất nhiều chi phí Đồng thời,với giá nhiên liệu xăng dầu ngày càng tăng cao, xe điện chạy bằng pin sạc sẽgiúp tiết kiệm chi phí cho chủ sở hữu xe

 Về tốc độ chạy: Xe ô tô điện chạy nhanh hơn xe xăng cùng công suất vì

100% mô-men xoắn động cơ sinh ra được dùng để dẫn động và không bị thấtthoát năng lượng Xe điện có thể tăng tốc ngay khi đạp chân ga Trong khi đó,

xe ô tô xăng sử dụng động cơ đốt trong cần thời gian để truyền năng lượng phát

ra từ động cơ tới bánh xe và để đạt mô-men xoắn cực đại Bên cạnh đó, trongquá trình này, xe xăng cũng sẽ tiêu hao nhiều năng lượng qua các bộ phậntruyền động khác, làm giảm khả năng bứt tốc

5 Xe Ô Tô Điện Tại Việt Nam

- Xe điện đang trở thành xu hướng phương tiện trên thế giới, và Việt Nam cũng khôngngoại lệ Thị trường ô tô điện tại Việt Nam được các chuyên gia nhận định là thịtrường tiềm năng Xu thế giao thông xanh đang ngày càng được khuyến khích mởrộng trên khắp các tỉnh thành và được nhiều người đón nhận

- Sau khi đã nắm được những thông tin giới thiệu về xe ô tô điện, vậy người quan tâmđến phương tiện này có thể dễ dàng mua xe điện tại Việt Nam không? Trong xu thếgiao thông xanh ngày càng được đón nhận, VinFast - Hãng xe ô tô điện tiên phong tạiViệt Nam, đã cho ra mắt các dòng xe ô tô điện hiện đại, được trang bị hệ thống động

cơ, pin có khả năng vận hành vượt trội, với thiết kế sang trọng, đẳng cấp

- Bên cạnh đó, VinFast cũng nỗ lực hoàn thiện hệ thống trạm sạc trên 63 tỉnh thành,đáp ứng tối đa nhu cầu nạp nhiên liệu của khách hàng Để đáp ứng nhu cầu của từngphân khúc người dùng, VinFast xe điện hiện đang có 5 mẫu xe:

 VinFast VF e34 - SUV hạng C

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

thêm nhiều tính năng ưu việt như chế độ tự động lái, hệ thống phanh thông minh Cácmẫu xe trên đã và đang thu hút nhiều sự chú ý của khách hàng, hứa hẹn trở thành sựlựa chọn hàng đầu của người dùng ô tô trong tương lai

Hình 2: VinFast VF e34 mẫu ô tô điện Vinfast đầu tiên được mở bán tại Việt Nam.

II XE LAI

- Xe hybrid (còn gọi là xe lai điện hay xe lai) là loại xe ô tô sử dụng song song hainguồn động cơ là động cơ đốt trong và động cơ điện, tức là xe vừa chạy xăng, vừa

Hình 3: Xe hybrid là loại xe ô tô sử dụng song song hai nguồn động cơ là động

cơ đốt trong và động cơ điện.

Hình 4: Xe Hybrid là xe sử dụng kết hợp động cơ xăng và điện.

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

- Chiếc xe hybrid đầu tiên ra mắt vào năm 1899, được chế tạo bởi Pieper, Liège của Bỉ

và công ty truyền tải điện Vendovelli và Priestly của Pháp Trải qua quá trình dàinghiên cứu và phát triển, đến thập niên 90, khái niệm xe lai điện mới thật sự trở nênhấp dẫn

- Các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản có công rất lớn trong việc thương mại hoá dòng xenày Năm 1997, hãng Toyota ra mắt mẫu xe sedan Hybrid Toyota Prius Cùng thờigian, hãng Honda cũng trình làng mẫu xe Honda Civic và Honda Civic Hybrid.Đây được xem là những chiếc ô tô đầu tiên đánh dấu việc dòng xe hybrid chính thứcđược thương mại hoá trong kỷ nguyên hiện đại

1 Xe Hybrid Gồm Những Loại Nào?

1.1 Cách phân loại thứ nhất (hiện nay đã không còn phổ biến):

- Cách này dựa trên loại hệ thống hybrid (Full Hybrid, Mild Hybrid, Plug-in Hybrid, Range Extender), thường được gọi là "Phân loại theo loại hệ thống hybrid." Nó tập trung vào cách mà hệ thống hybrid hoạt động và cung cấp thông tin về mức độ tích hợp của động cơ điện và động cơ xăng hoặc dầu trong xe

Full hybrid

Xe full hybrid (còn gọi là parallel hybrid) là loại xe hybrid có động cơ điện vàđộng cơ đốt trong có thể hoạt động riêng lẻ hoặc kết hợp với nhau tuỳ từng điều kiệnvận hành Pin động cơ điện có thể tự sạc bằng năng lượng cung cấp từ động cơ đốttrong

động cơ điện sẽ làm việc một mình Khi xe bắt đầu di chuyển, tuỳ theo cách thức lái

xe mà bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào cho động cơ đốt trong hoạt động, khi nàocho động cơ điện hoạt động hay khi nào cho cả hai hoạt động cùng lúc

Nếu di chuyển ở tốc độ thấp, đạp ga nhẹ nhàng thì động cơ điện thường vẫn làmviệc đơn lẻ Nếu đạp ga sâu thì bộ điều khiển sẽ kích hoạt động cơ đốt trong để xetăng tốc nhanh theo ý muốn người lái Nếu tốc độ đã ổn định, ví dụ như duy trì đềuđặn ở dải tốc trung bình 50 – 60 km/h thì động cơ đốt trong sẽ tự ngắt, chỉ có động cơđiện hoạt động

Nhìn chung, với xe full hybrid, động cơ điện gần như làm việc trong suốt quátrình xe vận hành Còn động cơ xăng sẽ tham gia trong các tình huống xe cần lực kéolớn như khi tăng tốc hay chạy tốc độ cao

Các dòng xe hybrid của Toyota như Toyota Pirus, Toyota Corolla hybrid,

Toyota Camry hybrid, Toyota Corolla Cross hybrid, Toyota RAV4 hybrid …đều là thuộc dòng full hybrid này

Mild hybrid

Mild hybrid electric vehicle – MHEV (xe lai nhẹ) là loại xe hybrid có động cơđiện và động cơ đốt nhưng động cơ điện không thể hoạt động riêng lẻ Ở loại xe này,động cơ điện chỉ đóng vai trò hỗ trợ cho động cơ đốt trong, không thể vận hành độclập như full hybrid

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Hình 6: Mild hybrid là loại xe hybrid có động cơ điện và động cơ đốt nhưng động cơ

điện không thể hoạt động riêng lẻ

Nhiệm vụ chính của động cơ điện là cho phép động cơ đốt trong tắt khi xe đanglao dốc, phanh gấp, tạm dừng… và nhanh chóng khởi động lại sau đó Bên cạnh đó,động cơ điện cũng tạo ra công suất để tăng lực kéo cho động cơ đốt trong Pin củađộng cơ điện sẽ được nạp năng lượng thông qua quá trình phanh xe

So với hệ thống full hybrid, hệ thống mild hybrid thường có giá thành thấp hơn

do kết cấu đơn giản hơn, chi phí sản xuất ít tốn kém hơn Tuy nhiên, vì động cơ điệnchỉ đóng vai trò phụ nên hiệu quả trong việc tối ưu công suất cũng như khả năng khảnăng tiết kiệm nhiên liệu của xe mild hybrid sẽ không bằng xe full hybrid Nhưngthực tế thì mild hybrid vẫn giúp tiết kiệm 10 – 15% nhiên liệu Trong đó, cải thiện khánhiều là khi xe chạy ở tốc độ thấp (thời điểm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải cao)

Hệ thống mild hybrid thường được nhiều hãng xe sang như BMW,

Mercedes-Benz Audi Volvo, , … ứng dụng trên các mẫu xe của mình

Hình 7: Plug-in hybridlà loại xe hybrid có động cơ điện và động cơ đốt trong, trong

đó pin động cơ điện phải sạc từ nguồn điện bên ngoài.

Xe plug-in hybrid hoạt động tương tự như xe full hybrid Tuy nhiên quãngđường di chuyển của động cơ điện sẽ dài hơn do dung lượng pin lớn hơn Xe plug-inhybrid có thể hoạt động hoàn toàn bằng điện mà không cần dùng đến động cơ đốttrong

Bởi trên lý thuyết nếu chỉ di chuyển trong phố thì người dùng hiếm khi vượt quágiới hạn quãng đường chạy bằng điện cho 1 lần sạc Trong trường hợp hết pin, động

cơ đốt trong có thể truyền động như xe full hybrid

So với các loại xe hybrid khác, xe PHEV có khả năng tiết kiệm nhiên liệu vàgiảm lượng khí thải tốt hơn Tuy nhiên có một khảo sát cho thấy rằng, nhiều người sửdụng xe plug-in hybrid không tận dụng tốt ưu thế này Họ hiếm khi sạc pin mà chỉdùng xe PHEV như một chiếc xe hơi thông thường Cách dùng này gây “tốn kém”hơn một chiếc xe ô tô truyền thống Bởi xe PHEV sẽ nặng hơn (do có hệ thốnghybrid) nên sẽ hao nhiên liệu hơn

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Một số mẫu xe thươg mại áp dụng hệ thống plug-in hybrid có thể kểđến: Mistubishi Outlander Audi Q7 E-Tron, …

Range extender hybrid

Range extender hybrid – REX là loại xe hybrid có động cơ điện và động cơ đốttrong, nhưng động cơ đốt trong không chịu trách nhiệm truyền động cho các bánh xe

mà chỉ dùng để sạc pin cho động cơ điện Do đó loại xe hybrid này có thể chạy liêntục mà không cần phải dừng lại để sạc điện

Tuy nhiên nhược điểm của xe range extender hybrid là việc có thêm động cơ đốttrong khiến xe nặng hơn nên ảnh hưởng đến hiệu suất xe Đồng thời hiệu quả tiết kiệmnhiên liệu đem lại cũng không quá ấn tượng

Trên thị trường hiện nay không còn các mẫu xe sử dụng hệ thống REX Tuynhiên trước đây có một số mẫu xe REX từng được mở bán như BMW i3 REX,

Chevrolet Volt…

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Tóm lại:

1 Full Hybrid (HEV): Đây là loại xe hybrid thông thường, có khả năng sử dụng

cả động cơ xăng và điện Xe HEV có thể tự sạc pin điện qua hệ thống phục hồi năng lượng khi phanh hoặc lúc động cơ xăng hoạt động Toyota Prius là một

ví dụ phổ biến của xe Full Hybrid.

2 Mild Hybrid (MHEV): Xe MHEV cũng sử dụng cả động cơ xăng và điện, nhưng động cơ điện thường không đủ mạnh để lái xe một cách độc lập Chúng

hỗ trợ động cơ xăng để tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu Ví dụ có thể là các mẫu xe của Kia và Hyundai.

3 Plug-in Hybrid (PHEV): Xe PHEV có khả năng sạc điện từ nguồn ngoài thông qua cổng sạc Điều này cho phép chạy một khoảng cách xa chỉ bằng điện trước khi chuyển sang động cơ xăng hoặc dầu Các mẫu xe PHEV như Chevrolet Volt cho phép bạn sạc pin từ ổ cắm điện tại nhà.

4 Range Extender (REX): Xe REX sử dụng động cơ xăng như một máy phát điện để sạc pin và gia tăng phạm vi lái xe Tuy nhiên, như bạn đã đề cập, loại

xe này đã ít phổ biến hơn do tiến bộ của công nghệ xe điện trực tiếp.

1.2 Cách phân loại thứ 2 (phổ biến ở hiện nay):

Cách phân loại này chia xe thành 4 loại chính dựa trên nguồn năng lượng sử dụng:

1 HEV (Hybrid Electric Vehicle): Loại xe hybrid, như đã nêu ở trên, kết hợp

động cơ xăng hoặc dầu với động cơ điện để tăng hiệu suất nhiên liệu

2 PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle): Cũng là loại xe hybrid, nhưng có

khả năng sạc điện từ nguồn ngoài thông qua cổng sạc, cho phép chạy một

FCEV) thường được coi là cách phân loại tiêu chuẩn và rõ ràng hơn Lý do là nó tập trung vào nguồn năng lượng chính mà xe sử dụng để hoạt động, giúp người tiêu dùng

và ngành công nghiệp ô tô hiểu rõ hơn về tính chất của xe

- Cách phân loại này còn được ưa chuộng hơn bởi vì nó phản ánh sự phát triển và tiến

bộ trong công nghệ ô tô hướng đến sử dụng nguồn năng lượng thân thiện với môi trường và tiết kiệm nhiên liệu Nó cũng giúp người mua xe dễ dàng xác định loại xe dựa trên nguồn năng lượng mà họ quan tâm

- Vì vậy, trong hầu hết các trường hợp, cách phân loại HEV, PHEV, BEV, FCEV dựa trên nguồn năng lượng sử dụng là cách phân loại được chấp nhận và sử dụng rộng rãi trong ngành ô tô

Có thể hiểu như sau:

1 Hybrid (HEV – xăng lai điện)

2 Plug-in Hybrid (PHEV – Xe hybrid có cắm sạc)

3 BEV (xe thuần điện chạy pin)

4 FCEV (xe điện sử dụng pin nhiên liệu Hydro)

1.3 Phân loại Theo thời điểm phối hợp công suất:

- Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm:

Khi ôtô bắt đầu khởi hành, motor điện sẽ hoạt đô •ng cung cấp công suất giúp xechuyển đô •ng và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h) trước khi

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

động ngay lập tức mới có thể cung cấp công suất tối đa Ngoài ra, motor điện và động

cơ xăng cũng hỗ trợ cho nhau khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như khi leodốc, leo núi hoặc vượt qua xe khác Do motor điện được sử dụng nhiều ở tốc độ thấp,nên loại này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đường phố hơn là khi đi trênđường cao tốc Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai dòng điển hình thuộc loạinày

- Phối hợp khi cần công suất cao:

Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất,như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xe khác,còn trong điều kiện bình thường xe vẫn chạy bằng động cơ xăng Do đó, những chiếchybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đường cao tốc vì đó là khi động cơxăng ít bị gánh nặng nhất Điển hình là Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộcloại thứ hai

Cả hai loại này đều lấy công suất từ ắc-quy khi motor điện được sử dụng vàđương nhiên nó sẽ làm yếu công suất của ắc-quy Tuy nhiên, một chiếc xe hybridkhông cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc

1.4 Phân loại theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện

- Kiểu nối tiếp:

Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất củađộng cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc-quy hoặccung cấp cho động cơ điện

Hình 9: Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp.

Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên

giảm được ô nhiễm môi trường, Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối

ưu, phù hợp với các loại ôtô Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạyđường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy Sơ đồ này có thể không cầnhộp số

Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm

như: Kích thước và dung tích ắc-quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơđốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quy nên dễ

bị quá tải



- Kiểu song song:

Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song Cả động cơ nhiệt vàmotor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điềukiện hoạt động khác nhau Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn nănglượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặcvượt dốc

Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giaohoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc-quy trong các chế độ hoạt động

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi độngđộng cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy

Hình 10: Hệ thống hybrid song song.

Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng,

mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc-quynhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗnhợp

Nhược điểm: Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor điện có kết cấu

phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nốitiếp Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao

Hình 11: Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song.

- Kiểu hỗn hợp

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đacác lợi ích được sinh ra Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe hybrid

Hình 12: Hệ thống hybrid hỗn hợp.

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Hình 13: Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp.

2 Cấu Tạo Xe Hybrid

Cấu tạo xe hybrid tương tự như xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường.Động cơ kết nối với hệ thống truyền động để dẫn động các bánh xe Tuy nhiên xehybrid có thêm một động cơ điện chia sẻ nhiệm vụ dẫn động hoặc hỗ trợ động cơ đốttrong

Để cơ cấu này phối hợp nhuần nhuyễn và vận hành trơn tru cần có thêm một số

bộ phận hỗ trợ khác như pin và bộ chuyển đổi công suất Pin (hay ắc quy điện áp cao)

là thiết bị giúp tích trữ và cung cấp năng lượng cho động cơ điện Bộ chuyển đổi côngsuất giúp chuyển đổi nguồn động lực của động cơ thành nhiều phần phục vụ các mụcđích sử dụng khác nhau như dẫn động xe và nạp điện cho pin

Hình 14: Cấu tạo xe hybrid gồm động cơ đốt trong và động cơ điện.

Cấu tạo xe hybrid

Xe hybrid bao gồm các bộ phận chính sau:

 Ắc quy (chính): Tích trữ, dự phòng nguồn điện cho động cơ điện sử dụng.

 Ắc quy (phụ): Cung cấp điện để khởi động xe trong trường hợp hệ thống

hybrid chưa sẵn sàng được kích hoạt phục vụ cho các phụ kiện như hệ thống

âm thanh, thiết bị điện tử,

 Bộ biến đổi DC-DC: Thiết bị này giúp chuyển đổi nguồn điện một chiều có

điện áp cao hơn từ bộ ắc quy chính thành nguồn điện một chiều có điện áp thấphơn để duy trì hoạt động của các phụ kiện trên xe và sạc đầy ắc quy phụ

 Máy phát điện: Tạo ra điện từ sự di chuyển của các bánh xe trong khi phanh

và chuyển năng lượng đó cho pin hybrid Một số phương tiện sử dụng máyphát điện để thực hiện cả chức năng truyền động và cung cấp năng lượng chođộng cơ điện

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

 Động cơ điện: Sử dụng năng lượng từ pin hybrid, động cơ này có chức năng

truyền động các bánh xe Một số phương tiện sử dụng động cơ điện để thựchiện cả chức năng truyền động và cung cấp năng lượng cho động cơ điện

 Hệ thống khí xả: Dẫn khí thải từ động cơ ra ngoài qua ống xả Hệ thống ống

xả sẽ được trang bị một bộ xử lý khí thải ba tác dụng nhằm giảm lượng khí thải

từ động cơ

 Hệ thống nhiên liệu: Vòi dẫn từ bộ phân phối nhiên liệu được gắn vào thùng

chứa trên xe để cung cấp nhiên liệu

 Thùng nhiên liệu: Chứa xăng, sử dụng cho động cơ đốt trong

 Động cơ đốt trong: Nhiên liệu được phun vào buồng đốt kết hợp với không

khí sẽ tạo ra hỗn hợp không khí/nhiên liệu được đánh lửa bằng tia lửa từ bugi

 Bộ điều khiển: Quản lý dòng năng lượng điện được cung cấp bởi ắc quy, kiểmsoát tốc độ của động cơ điện và mô-men xoắn mà nó tạo ra

 Hệ thống nhiệt (làm mát): Hệ thống này giúp duy trì nhiệt độ hoạt động của

động cơ, động cơ điện và các bộ phận khác ở phạm vi thích hợp

 Hộp số: Chuyển công suất cơ học từ động cơ hoặc động cơ điện để dẫn động

các bánh xe

3 Kết cấu động cơ hybrid của Toyota

- Minh họa: Mô hình tổng quát của ôtô hybrid kiểu hỗn hợp

Hình 15: Sơ đồ ôtô hybrid kiểu hỗn hợp.

Hình 16: Một dạng ôtô hybrid kiểu hỗn hợp.

Ghi chú:

1 Engine: Động cơ đốt trong

2 ECM: Electric Control Module - Bộ phận điều khiển điện tử cho động cơ.

3 HV ECU: Hybrid Vehicle ECU- ECU điều khiển kết hợp trên ôtô hybrid.

4 Shift Postion Sensor: Cảm biến vị trí tay số.

5 Brake ECU: ECU điều khiển phanh.

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

7 Inverter with Converter: Bộ chuyển đổi điện.

8 Hybrid Transaxle: Hộp số kết hợp với bộ phân phối công suất.

9 Acceleration Pedal Position Sensor: Cảm biến vị trí bàn đạp ga.

toàn thế giới.

Hình 17: Số lượng xe điện toàn cầu (thống kê của IEA.

Hình 17 biểu diễn số lượng xe điện toàn cầu trong giai đoạn 10 năm gần nhất, thống

kê phân loại theo các xe thuần điện (BEV-Battery electric vehicle) và các xe lai điện(PHEV-Plug hybrid electric vehicle), các thị trường lớn là Trung Quốc, châu Âu, Mỹ

và các khu vực còn lại Số lượng xe điện năm 2021 gấp ba lần so với năm 2018 đã nóilên tốc độ tăng trưởng rất nhanh chóng của thị trường xe điện

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Sự thành công này của xe điện được thúc đẩy bởi nhiều yếu tố: chính sách củacác quốc gia trong việc ưu tiên giảm thải ô nhiễm môi trường và sự phát triển ngàycao của công nghệ ô tô điện, trong đó công nghệ pin giữ một vai trò quan trọng Bàibáo trình bày nghiên cứu về các công nghệ pin điển hình sử dụng trong xe điện, các

mô hình mô phỏng pin và thực hiện mô phỏng tính toán cho một cấu hình xe thực tếvới các trường hợp pin khác nhau

Hình 18: Pin lưu trữ năng lượng được sử dụng phổ biến trong sản xuất xe điện.

Trong tiến trình phát triển của xe điện, pin luôn giữ vai trò thiết yếu trong cácứng dụng xe điện từ giai đoạn mở đầu cho tới các ứng dụng hiện nay Pin được cấu

Hình 19: Các giải pháp lưu trữ năng lượng trên ô tô điện.

Trả lời cho câu hỏi : Tại sao cần lưu trữ năng lượng trên ô tô điện?:

Lưu trữ năng lượng trên ô tô điện là vấn đề quan trọng hàng đầu được các nhàsản xuất và người tiêu dùng quan tâm khi bắt đầu thích nghi với một dạng phương tiệnhoàn toàn mới So với các nguồn năng lượng sơ cấp (như khí đốt và dầu) điện khó cókhả năng lưu trữ hơn Bởi vậy, các nhà nghiên cứu đã phát triển công nghệ lưu trữthông qua hệ thống pin và động cơ trên ô tô điện góp phần tái sinh, lưu trữ lượngnhiên liệu dư thừa cho các vòng vận hành kế tiếp Điều này góp phần tăng tuổi thọcho pin và mở rộng phạm vi vận hành của xe điện, mang lại trải nghiệm hoàn hảo chocuộc hành trình

II.1 Pin axit-chì:

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Pin axit-chì là loại pin được sử dụng trong thời kỳ đầu của kỷ nguyên xe điện.nguyên lý hoạt động của pin là sử dụng điện cực chì và axit kết hợp để tạo ra điện Ưuđiểm của pin là giá thành rẻ tuy nhiên pin có nhược điểm lớn là trọng lượng nặng,không thân thiện với môi trường và mật độ năng lượng riêng thấp, thường trongkhoảng 20-40 W/kg Nghiên cứu chỉ ra rằng để cung cấp cho cùng một mẫu xe vậnhành cùng một quãng đường nếu cần 150 kg trọng lượng Li-ion thì sẽ cần hơn 500 kgnếu sử dụng pin axit-chì Tuổi thọ của pin axit-chì cũng là một nhược điểm khi ngắnhơn so với các loại pin khác như pin nickel metal hydride hay pin li-ion tuy nhiên, ưuđiểm lớn của pin là giá thành rẻ nên hiện nay loại pin này vẫn có thể được sử dụngcho các phương tiện vận tải nhỏ, yêu cầu hiệu suất thấp

Với các nhược điểm cốt yếu như vậy, pin axit-chì dần được thay thế bằng pin dựa trên nickel, điển hình như NiMH và NiCd

II.1.1 Tổng quan về pin axit chì:

Pin axit chì, hay còn gọi là pin axit chì-ít (lead-acid battery), là một loại pin sửdụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm trong ô tô điện Pin axit chì thường được sửdụng vì chúng có khả năng cung cấp năng lượng ổn định và có chi phí thấp Dưới đây

là cấu tạo cơ bản của pin axit chì:

Dung dịch axit sulfuric: Pin axit chì chứa hai bản chất chính là chì (Pb) và axitsulfuric (H2SO4) Dung dịch axit sulfuric chủ yếu chứa nước (H2O) và axit sulfuric(H2SO4), và nó hoạt động như điện giải để tạo ra dòng điện trong pin

Bộ nắp và vỏ ngoài: Pin axit chì thường có vỏ ngoài bằng nhựa cứng và bộ nắpbảo vệ Vỏ ngoài giữ các thành phần bên trong an toàn và cung cấp cách cách ly điệngiữa các tế bào pin

Tách chân không (separator): Tách chân không nằm giữa các plat âm và platdương để ngăn cản chúng tiếp xúc trực tiếp và ngăn ngừa ngắn mạch.

Khi pin hoạt động, phản ứng điện hóa xảy ra giữa plat âm và plat dương trongmỗi tế bào pin, tạo ra điện áp và dòng điện Khi pin được sạc lại, phản ứng ngược lạixảy ra để tái tạo dung dịch axit sulfuric ban đầu

Lưu ý rằng các loại pin axit chì có thể khác nhau về kích thước, thiết kế và dunglượng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, bao gồm cả trong ô tô điện

Hình 20: Pin axit-chì.

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức II.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin axit chì trên ô tô:

Pin axit chì, thường được gọi là pin ắc quy, là một thành phần quan trọng trong

hệ thống điện của ô tô Nguyên lý hoạt động của pin axit chì trên ô tô dựa trên các phản ứng điện hóa giữa các chất hoá học trong pin để tạo ra dòng điện

Cấu trúc của pin ắc quy: Pin axit chì trên ô tô thường có hai điện cực - một điện cực dương (anode) và một điện cực âm (cathode) Các điện cực này chứa các tấm chì

và chì-oxit

Chất điện giữa (Electrolyte): Electrolyte trong pin là dung dịch axit sulfuric (H2SO4) loãng Electrolyte này cung cấp các ion để tham gia vào các phản ứng điện hóa

Phản ứng tạo điện áp: Khi pin được sạc, điện áp được tạo ra giữa hai điện cực Trong quá trình sạc, chì-oxit ở điện cực dương bị chuyển thành sắt chì (Pb), còn ở điện cực âm, chì bị chuyển thành chì-oxit Đây là phản ứng redox (oxi hóa - khử) và tạo ra dòng điện

Phản ứng tại điện cực dương (anode):

PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e- -> PbSO4 + 2H2O

Phản ứng tại điện cực âm (cathode):

Pb + H2SO4 -> PbSO4 + 2H+ + Phản ứng tái nạp: Khi ô tô hoạt động và sử dụng điện năng từ pin, phản ứng ngược lại xảy ra, tức là chì-oxit ở điện cực dương bị tạo lại từ chì ở điện cực âm Điềunày làm cho pin có thể cung cấp điện năng liên tục

2e-Hình 21: Quá trình xảy ra trong pin chì – axit khi pin được nạp điện.

II.1.3 Kết Luận :

 Ưu điểm của pin axit-chì:

Ắc quy chì – axít là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được

sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn (do hầu như không có nguy cơcháy nổ)

 Nhược điểm của pin axit-chì:

Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém(thường là 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn), nạp chậm và khó tái chế.Hơn nữa, chì là một chất có hại đối với sức khỏe nên sau khi hết thời hạn sử dụng, nếukhông được thu gom đúng cách và tái chế thì ắc quy chì có thể trở thành một thảm họamôi trường Mặc dù ắc quy chì – axít còn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nó vẫnchiếm đến 79% thị phần ắc quy trong năm 2008 vì giá thành rẻ, sử dụng đơn giản vàquen thuộc

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Hình 22: Ắc quy axit-chì có tuổi thọ thấp và hiệu suất hoạt động kém nên hiện tại ít

được dùng trong sản xuất xe điện.

II.1.4 Các thông số đánh giá của pin axit-chì:

Bảng 1 Thông số của pin chì axit

Năng lượng riêng 20 - 35 Wh/kg Phụ thuộc vào cách dùng

Mật độ năng lượng 54 - 95 Wh/L

Công suất riêng » 250 W/kg

Điện áp danh nghĩa của cell 2 V

Thời gian sạc 8 giờ 1 giờ có thể sạc được 90%

Hình 23: Ắc quy axit chì vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô.

II.2 Pin Nickle-Metal-Hydrite (NiMH)

II.2.1 Tổng quan về pin nickle-metal-hydrite

Trung tâm Nghiên cứu Battelle-Geneva đã bắt tay vào phát triển pin Ni-MH từnăm 1967 Dự án phát triển này đã được hai hãng xe là Daimler-Benz và Volkswagentài trợ trong gần 2 thập kỷ Đến thập niên '70, pin Ni-MH bắt đầu được dùng cho cácthiết bị vệ tinh Từ năm 1989, pin Ni-MH mới được bán cho người tiêu dùng.Đến năm 1997, Toyota Prius - mẫu xe có công cách mạng hóa mảng xe hybridthế giới - ra mắt tại Nhật Bản và dùng pin Ni-MH 9 năm sau đó, hơn 2 triệu chiếc xehybrid được sản xuất trên toàn cầu đều dùng loại pin này

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Pin nickle-metal-hydrite (NiMH) là một trong hai loại pin được sử dụng phổbiến cho ứng dụng xe điện hiện nay cùng với pin lithium ion Pin có mật độ nănglượng cao hơn nhiều, vòng đời dài hơn và trọng lượng nhẹ hơn so với pin axit-chì.Tuy nhiên, pin dựa trên nickel có nhược điểm là hiệu suất sạc/xả kém và tốc độ tự xảcao Tuổi thọ của pin sẽ bị giảm đáng kể nếu nó bị xả nhanh lặp đi lặp lại nhiều lầnnhằm tạo năng lượng nhanh cho xe điện Vì vậy, pin NiMH phù hợp hơn khi sử dụngtrong các ứng dụng xe lai điện, điển hình như sử dụng trong xe Toyota Prius, khinguồn của xe được bổ sung song song bằng một động cơ đốt trong

Một loạt các loại pin thương mại sử dụng Niken trong điện cực dương đã được phát triển kể từ công trình nghiên cứu của Edison vào cuối thế kỷ 19 Những loại pin này bao gồm sắt niken, niken kẽm, niken cadimi và pin niken hyđrua kim loại (NiMH) Hai trong số các loại pin này sẽ được nêu rõ dưới đây Pin niken hyđrua kim loại cho thấy nhiều hứa hẹn nhất Pin Niken kẽm có hiệu suất hợp lý nhưng nó có tuổi thọ rất hạn chế là 300 chu kỳ sâu xả sâu Pin niken sắt cũng hiếm khi được sử dụng.

Pin NiMH đã được thương mại hóa vào thập kỷ cuối của thế kỷ 20 Nó có hiệusuất tương tự như pin NiCad, sự khác biệt chính là trong pin NiMH, điện cực âm sửdụng hydro, được hấp thụ trong một hydrua kim loại, giúp nó không chứa cadmium,một lợi thế đáng kể Một tính năng độc đáo của loại pin này là điện cực âm hoạt độnggiống hệt như pin nhiên liệu Phản ứng ở điện cực dương cũng giống như đối với pinNiCad; niken oxyhydroxit trở thành niken hydroxit trong quá trình phóng điện Ở điệncực âm, H được giải phóng khỏi kim loại mà nó đã được gắn tạm thời, phản ứng tạo2

ra nước và các điện tử Các phản ứng ở mỗi điện cực được thể hiện trên hình 24 Cáckim loại được sử dụng để giữ hydro là hợp kim, mà công thức của chúng thường là

Hình 24: Các phản ứng xảy ra khi pin NiMH phóng điện.

Phản ứng hóa học tổng quát xảy ra trong pin NiMH như sau:

MH + NiOOH « M + Ni(OH)2Xét về mật độ năng lượng và mật độ công suất, pin NiMH có phần tốt hơn so vớipin NiCad Pin NiMH có năng lượng riêng danh định khoảng 65Wh/kg và mật độnăng lượng danh định là 150 Wh/L và công suất riêng tối đa khoảng 200W/kg Bảng 2cung cấp thông các thông số của pin NiMH Về hầu hết các khía cạnh, hiệu suất của

nó tương tự hoặc tốt hơn một chút so với pin NiCad Điện áp danh định của tế bào là1,2 V Một khía cạnh mà NiMH tốt hơn NiCad là có thể sạc pin nhanh hơn một chút

do đó nó cần phải được làm mát

Môn học: Năng Lượng Mới Trên Ô Tô GVHD: TS Phan Văn Đức

Hình 25: Một cụm pin Ni-MH dùng cho xe hybrid của Toyota

Cùng với lượng nhiệt được tạo ra do nội trở của pin, phản ứng H2 liên kết vớikim loại tiếp giáp với điện cực âm tỏa nhiệt khá mạnh Ngoại trừ những pin cỡ nhỏ sửdụng trên các loại xe máy, hệ thống làm mát là một đặc tính quan trọng của hệ thốngpin NiMH Pin NiMH có khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn một chút so với hệthống NiCad và cũng đắt hơn một chút Có một khía cạnh mà hiệu suất của nó kémhơn đáng kể so với pin NiCa đó là đặc tính tự xả của nó Các phân tử H2 rất nhỏ, vàchúng có thể dễ dàng khuếch tán qua chất điện phân đến điện cực dương, nơi nó sẽphản ứng:

H2 + NiOOH → Ni(OH)2Kết quả là H2 bị mất từ cực âm và niken hydroxit được hình thành ở cực dương