65 Theo Tesla những cell pin nhƣ trên hình 3.53 đƣợc nhóm lại với nhau thành một đơn vị cơ khí và điện đƣợc gọi là module pin gồm hơn 400 tế bào pin (hình 3.54). Các module này đƣợc nối lại với nhau tạo thành một bộ pin gồm 16 mudule với hơn 7000 tế bào pin (hình 3.55).
3.3.2.1 Lịch sử phát triển của pin Lithium-ion
Vào năm 1970, M. Stanley Whittingham là nhà hóa học ngƣời Anh, khi làm việc cho Exxon, đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium từ thí nghiệm này khơng thể ứng dụng vào thực tế. Titan disulfua cần phải tổng hợp trong điều kiện chân không. Nếu để thực hiện điều này sẽ rất tốn kém (khoảng 1000USD/ 1kg titan disulfua vào những năm 1970).
Ngoài ra, titan disulfua có thể phản ứng tạo thành các hợp chất hidro sunfua có mùi khó chịu khi tiếp xúc với khơng khí. Chính vì vậy, Exxon đã ngƣng sản xuất pin lithium của Whittingham.
Năm 1980, John Goodenough là giáo sƣ vật lý ngƣời Mỹ đã phát minh ra một loại pin lithium khác. Ông đã tạo ra pin lithium nhờ sự kết hợp giữa lithium coban oxit, có thể di chuyển qua pin từ điện cực này sang điện cực kia dƣới dạng ion Li+.
Đến năm 1983, Akira Yoshino giáo sƣ của Đại học Meijo, Nhật Bản đã chế tạo ra một pin nguyên mẫu có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit nhƣ cathode và polyacetylene làm cực dƣơng. Nguyên mẫu này có vật liệu cực dƣơng không chứa liti và các ion liti di chuyển từ cực âm vào cực dƣơng trong quá trình sạc. Phát minh này của Yoshino là tiền thân trực tiếp của pin Lithium-ion (LIB) thời hiện đại.
Pin lithium ion bắt đầu đƣợc thƣơng mại hóa bởi Sony Energytec năm 1991. Ngày nay lithium đã trở thành loại pin thống trị trên thị trƣờng dành cho các thiết bị di động, thiết bị lƣu trữ điện UPS trên tồn thế giới, đặc biệt là ơ tơ điện [13].
3.3.2.2 Cấu tạo của pin Lithium-ion
Cấu tạo pin Lithium-ion bao gồm: 1 cực dƣơng, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.
66
Hình 3.56: Cấu tạo của pin lithium-ion [13]
Điện cực dƣơng (Cathode)
Vật liệu dùng làm điện cực dƣơng là LiCoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với ngun tử Lithium. Khi có dịng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dƣơng Lithium, Li+
. Điện cực âm (Anode)
Cực âm đƣợc cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lƣu giữ các ion Lithium L+
trong tinh thể. Bộ phân tách
Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện đƣợc làm bằng nhựa PE hoặc PP. Bộ phận này nằm giữa cực dƣơng và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữa cực dƣơng và cực âm. Tuy nhiên, các ion Li+
vẫn đƣợc đi qua. Chất điện phân
Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn. Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung mơi hữu cơ. Dung dịch có chức năng nhƣ vật dẫn các ion Li+ từ. Chất điện phân là môi trƣờng truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin lion là có độ dẫn ion tốt. Cụ thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0o
67
3.3.2.3 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion
Cực âm, cực dƣơng đóng vai trị là ngun liệu trong phản ứng điện hóa ở pin lion. Dung dịch điện phân tạo môi trƣờng dẫn cho ion liti di chuyển giữa 2 điện cực âm và dƣơng. Dịng điện chạy ở mạch ngồi khi pin di chuyển. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả, cụ thể nhƣ sau:
Hình 3.57: Nguyên lý hoạt động của pin lithium-ion [13]
Nguyên lý hoạt động của pin lithium ion thể hiện qua quy trình sạc, xả: Quy trình xả:
Ion lithi (mang điện dƣơng) di chuyển từ cực âm (anode), thƣờng là graphite, C6 trong phản ứng dƣới đây, qua dung dịch điện ly, sang cực dƣơng, tại đây vật liệu dƣơng cực sẽ phản ứng với ion lithi. Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dƣơng (cathode) trong lòng pin, thì ở mạch ngồi, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dƣơng, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực âm sang cực dƣơng (vì hạt mang điện lúc này là các electron mang điện tích âm).
Quy trình sạc:
Quá trình sạc diễn ra ngƣợc lại quá trình xả. Dƣới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dƣơng của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dƣơng di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trị cực dƣơng). Trong q trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều.
68 Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dƣơng bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dƣơng và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến đƣợc cực âm. Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.
Bán phản ứng tại cực dƣơng (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO đƣợc viết nhƣ sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả)
Nhƣ vậy khi sạc, (anode) bị khử thành , bị oxy hóa thành , và ngƣợc lại khi xả.
Về cơ bản các phản ứng ln có giới hạn. Nếu nhƣ xả quá mức (nhét thừa ion lithi) một lithi coban oxit đã bão hịa sẽ dẫn đến hình thành lithi oxit, theo phản ứng một chiều sau:
Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxit, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã đƣợc kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia X[13].
3.3.3 Dung lƣợng pin ô tô điện
Để cung cấp năng lƣợng cần thiết cho một ơ tơ điện, pin EV nhìn chung có dung lƣợn tƣơng đối lớn tƣơng đối lớn. Dung lƣợng của pin EV thƣờng đƣợc đo theo đơn vị KiloWatt giờ (kWh), cho chúng ta biết đƣợc mức năng lƣợng trữ trong pin qua một khoảng thời gian cụ thể.
69 Ví dụ, pin 100kWh trong một chiếc Tesla Model S có khả năng cung cấp mức năng lƣợng tối đa 100 kilowatts trong suốt 1 giờ liên tục. Q trình lái thơng thƣờng mỗi ngày sẽ sử dụng mức năng lƣợng thấp hơn đáng kể so với con số này, do đó pin xe hơi điện sẽ sử dụng đƣợc trong nhiều giờ trƣớc khi cần sạc lại.
Pin giảm dung lƣợng vì chúng đƣợc nạp, xả nhiều lần và cứ sau mỗi chu kỳ nhƣ vậy, lại có những phần lithium bị bỏ lại bên ngồi điện cực, trở thành "pin chết", khơng thể giữ đƣợc khả năng lƣu trữ điện. Để giải quyết việc này, hầu hết các nhà sản xuất chỉ thiết kế để bộ pin để chúng không bao giờ bị nạp tới 100% dung lƣợng, phổ biến nhất dừng lại ở mức 85% để kìm hãm quá trình giảm dung lƣợng của pin lâu nhất có thể.
Mọi chiếc xe điện đều đi kèm với chế độ bảo hành pin lâu dài, những nhà sản xuất thƣờng đảm bảo rằng dung lƣợng pin vẫn ở mức chấp nhận đƣợc sau 7 hoặc 8 năm sử dụng. Phần lớn các hãng xe cam kết pin sẽ giữ đƣợc ít nhất 70% dung lƣợng trong khoảng thời gian đó.
Mặc dù vậy, ngồi thói quen sạc pin thì cách lái xe cũng ảnh hƣởng nhiều tới tuổi thọ của pin. Xe điện có thể đƣợc quảng cáo quá mức về khả năng tăng tốc và đề-pa nƣớc đầu. Tuy nhiên, nếu lạm dụng điều này quá nhiều, pin sẽ nhanh chóng yếu đi. Vì vậy, trƣớc khi định tăng tốc chiếc xe lên 100 km/h trong 2-3 giây, hãy nhớ rằng độ bền và dung lƣợng của pin cũng giảm nhanh chóng [13].
3.3.4 Sạc pin ơ tơ điện
3.3.4.1 Các cấp độ sạc ô tô điện
Hiện tại, ơ tơ điện có 3 cấp độ sạc, đƣợc phân loại dựa trên tốc độ sạc chậm, trung bình và nhanh. Tùy cấp độ sạc, hãng sản xuất và thị trƣờng mà xe điện sử dụng chuẩn kết nối khác nhau.
Cụ thể, cấp độ 1 với tốc độ chậm nhất là hình thức sạc lấy điện trực tiếp từ ổ cắm điện 120V, thông qua cáp sạc theo xe. Kiểu sạc này đơn giản và tiết kiệm chi phí nhƣng có tốc độ chậm, cung cấp thêm cho xe khoảng 8-10 km cự ly vận hành với mỗi giờ sạc. Ví dụ, một chiếc Nissan Leaf 2019 đƣợc trang bị gói pin 62 kWh, có cự ly vận hành 385 km sẽ cần khoảng 38 giờ để sạc đầy pin từ 0% lên 100%. Cấp độ sạc 1 chủ yếu xuất hiện
70 ở các quốc gia và khu vực sử dụng điện áp 110-120V nhƣ Bắc Mỹ, Trung Mỹ, Nam Mỹ hay Nhật Bản.
Cấp độ sạc 2 sử dụng nguồn điện trên 200V (220-240V) – mức điện áp phổ biến ở châu Âu và nhiều nƣớc châu Á, trong đó có Việt Nam. Hình thức sạc này cần có trạm sạc xuất hiện phổ biến tại các điểm sạc cơng cộng ở tịa nhà văn phịng, chung cƣ và bãi đỗ xe. Ngƣời dùng cũng có thể lắp đặt trạm sạc tại gia. Tùy từng mẫu xe và bộ sạc mà cấp độ sạc 2 cho xe thêm khoảng 20-100 km cự ly vận hành với mỗi giờ sạc.
Cấp độ sạc 3 có tốc độ nhanh nhất, sử dụng điện một chiều (DC) thay vì điện xoay chiều (AC), với điện áp 600-800V. Với sạc cấp độ 3, xe điện sẽ có thêm khoảng 80-150 km cự ly vận hành mỗi giờ sạc, thậm chí đạt 80% dung lƣợng pin sau chƣa đầy 30 phút ở điều kiện lý tƣởng [14].
3.3.4.2 Các chuẩn cắm sạc ô tô điện
Tiêu chuẩn các loại phích cắm và cổng kết nối sạc thay đổi theo khu vực địa lý và các mẫu xe. Trong khi có một tranh cãi xung quanh cơng nghệ phích cắm đa năng, thì vẫn có rất hãng ơ tơ tồn cầu hỗ trợ hệ thống sạc kết hợp (Combined Charging System - CCS) ở Bắc Mỹ và Châu Âu, trong khi đó Nhật Bản và những hãng ơ tơ của Nhật lại sử dụng chuẩn sạc CHAdeMO, và Trung Quốc, nơi có thị trƣờng xe điện lớn nhất thế giới lại sử dụng chuẩn GB/T.
71 Tiêu chuẩn phích cắm xe điện ở Bắc M
Ở Bắc Mỹ, mỗi nhà sản xuất xe điện (ngoại trừ Tesla) sử dụng cổng kết nối SAE J1772, còn đƣợc gọi là J-plug cho các loại công suất sạc ở Level 1 (120V) và Level 2 (240V). Tesla cung cấp một cáp chuyển đổi sạc riêng cho mỗi xe ô tô họ bán, cho phép xe ô tơ của họ sử dụng trạm sạc có chuẩn J1772. Điều này có nghĩa là mỗi xe điện đƣợc bán ra ở Bắc Mỹ có thể sử dụng bất kỳ trạm sạc nào mà có chuẩn kết nối J1772.
Tiêu chuẩn cổng sạc nhanh DC ở Bắc Mỹ sẽ phức tạp hơn một chút đối với sạc nhanh DC, nghĩa là sạc nhanh tốc độ cao chỉ khả dụng ở những khu vực công cộng, thƣờng ở dọc theo các xa lộ chính nơi mà thƣờng phải di chuyển đƣờng dài. Sạc nhanh DC không phù hợp cho việc sạc tại nhà, vì các yêu cầu về nguồn điện thƣờng không đáp đứng đƣợc ở các tịa nhà dân cƣ. Ngồi ra, bạn không nên sử dụng các trạm sạc nhanh DC nhiều hơn một hoặc hai lần một tuần, vì tốc độ sạc cao có thể ảnh hƣởng xấu đến tuổi thọ của pin xe điện nếu đƣợc thực hiện quá thƣờng xuyên.
Sạc nhanh DC sử dụng 480V và có thể sạc một chiếc xe điện nhanh hơn bộ sạc tiêu chuẩn của bạn, chỉ trong vịng 20 phút. Do đó cho phép bạn di chuyển quãng đƣờng dài thuận tiện mà không lo hết pin. Tuy nhiên, thay vì chỉ sử dụng 2 đầu cắm khác nhau nhƣ đƣợc sử dụng trong bộ sạc Level 1 và Level 2 (J1772 và Tesla), sạc nhanh DC lại sử dụng 3 kiểu đầu cắm khác nhau [14].
72
CCS Hệ thống sạc kết hợp - Combined Charging System): Đầu
cắm CCS sủ dụng cổng J1772 và bổ xung thêm 2 chân phía dƣới. Nó kết hợp đầu cắm J1772 với các chân sạc tốc độ cao, đó là vì sao nó đƣợc gọi là sạc kết hợp. CCS là chuẩn đƣợc chấp nhận ở Bắc Mỹ, đƣợc phát triển và xác nhận bởi Hiệp hội kỹ sƣ ô tô (SAE). Hầu hết các nhà sản xuất ô tô ngày nay đều chấp nhận sử dụng chuẩn CCS ở Bắc Mỹ, bao gồm: General Motors, Ford, Chrysler, Dodge, Jeep, BMW, Mercedes, Volkswagen, Audi, Porsche, Honda, Kia, Fiat, Hyundai, Volvo, Smart, MINI, Jaguar Land Rover, Bentley, Rolls Royce,...
CHAdeMO: CHAdeMo đƣợc phát triển bởi công ty Tepco, công ty
chuyên cung cấp các tiện ích của Nhật Bản. Đây là tiêu chuẩn chính thức ở Nhật, và hầu nhƣ tất cả các bộ sạc nhanh DC ở Nhật đều sử dụng đầu cắm CHAdeMO. Nó khác với ở Bắc Mỹ, nơi chỉ có duy nhất Nissan và Mitsubishi là sử dụng đầu cắm CHAdeMO. Nissan LEAF và Mitsubishi Outlander PHEV là những chiếc xe điện duy nhất sử dụng đầu cắm CHAdeMO. Vào năm 2018, Kia đã từ bỏ CHAdeMO và giờ chuyển sang chuẩn CCS. Không giống nhƣ CCS, Đầu cắm CHAdeMO không bao gồm đầu vào J1772, do đó chúng yêu cầu một đầu cắm CHAdeMO bổ xung trên ô tô. Điều này yêu cầu một khu vực cổng sạc lớn hơn để có khơng gian cho hai cổng sạc riêng biệt.
Tesla: Tesla sử dụng chung đầu cắm cho cả sạc Level 1, Level 2 và sạc
nhanh DC. Đó là đầu nối độc quyền của Tesla, nó chấp nhận tất cả các mức điện áp, vì vậy khơng cần phải có một đầu cắm riêng cho sạc nhanh DC nhƣ những chuẩn khác. Chỉ những chiếc xe của Tesla mới có thể sử dụng những bộ sạc nhanh của họ, nó đƣợc gọi là sạc siêu nhanh (Superchargers). Tesla đã lắp đặt và bảo dƣỡng các trạm này, và chúng dành riêng cho các khách hàng của Tesla. Kể cả với cáp chuyển đổi thì những xe khơng phải của Tesla cũng khơng thể sạc đƣợc trên các trạm sạc này. Đó là vì có một quy trình xác thực để xác định đúng xe của Tesla trƣớc khi xe đƣợc cấp quyền sạc.
73 Chuẩn cắm ở Châu u
Ở Châu Âu, các kiểu đầu cắm sạc cho xe điện khá giống với ở Bắc Mỹ, nhƣng cũng có một vài điểm khác biệt. Đầu tiên, nguồn điện lƣới trong các hộ gia đình là 230V, gần gấp hai lần điện áp đƣợc sử dụng ở Bắc Mỹ. Do đó sẽ khơng có sạc Level 1 ở Châu Âu. Thứ hai, thay vì sử dụng đầu cắm J1772, thì tiêu chuẩn duco975 sử dụng bởi tất cả các hãng xe ngoại trừ Tesla chi nhánh Châu Âu là IEC 62196 loại 2, đƣợc gọi là đầu cắm Mennekes.
Tuy nhiên, gần đây Tesla đã chuyển từ đầu cắm độc quyền của hộ sang đầu cắm loại 2 cho Model 3. Những chiếc Tesla Model S và Model X đƣợc bán ở Châu Âu thì vẫn sử dụng đầu cắm của Tesla, nhƣng suy đốn cuối cùng thì họ cũng sẽ phải chuyển sang sử dụng đầu cắm loại 2 ở Châu Âu.
Sạc nhanh DC ở Châu Âu cũng tƣơng tự nhƣ ở Bắc Mỹ, nơi mà CCS là chuẩn đƣợc sử dụng bởi hầu hết các nhà sản xuất, ngoại trừ Nissan và Mitsubishi. Đầu cắm CCS ở Châu Âu kết hợp đầu cắm loại 2 với 2 chân cho sạc nhanh DC, tƣơng tự nhƣ cách làm ở Bắc Mỹ với đầu cắm J1772, vì vậy mặc dù nó vẫn đƣợc gọi là CCS nhƣng nó vẫn là một đầu cắm hơi khác. Tesla Model 3 hiện sử dụng hệ thống sạc CCS Châu Âu ở Châu Âu, và Tesla cũng đã trang bị cho các trạm Supercharger của họ đầu cắm CCS [14].
Trạm sạc ở Việt Nam
Sau khi công bố việc ra mắt ba mẫu ô tô điện không lâu thì những trạm sạc điện đầu tiên của VinFast cũng đƣợc tiến hành xây dựng tại một trung tâm thƣơng mại ở Hà Nội.