CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.5. VẤN ĐỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO Ô TÔ ĐIỆN
1.5.1. Một số loại nguồn sử dụng cho ô tô điện.
1.5.1.1. Ắc quy chì – axít.
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 tồn (do hầu như khơng có nguy cơ cháy nổ). 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, nếu không được thu gom đúng cách và tái chế thì ắc quy chì có thể trở thành một thảm họa mơi
trường. Mặc dù ắc quy chì - axít cịn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nó vẫn chiếm đến 79% thị phần ắc quy trong năm 2008 vì giá thành rẻ, sử dụng đơn giản và quen thuộc.
1.5.1.2. Ắc quy Lithium – ion.
Ắc quy Lithium – Ion là dòng ắc quy đang được sử dụng phổ biến trong các loại ô tô điện đang và sắp được thương mại hóa vì nó có mật độ năng lượng cao nhất trong các loại ắc quy, khả năng nạp nhanh tốt (30 phút có thể nạp được 80%), tuổi thọ cao (có thể lên tới 10 năm). Cho đến nay, đây là loại ắc quy được sử dụng phổ biến nhất cho ô tô điện trong nghiên cứu và trong công nghiệp. Như đã đề cập ở phần trước, những nghiên cứu về công nghệ vật liệu đang khiến loại ắc quy này ngày càng trở nên hấp dẫn với mật độ công suất ngày càng lớn. Tuy nhiên, giá thành cao là một trong những vấn đề không nhỏ của ắc quy Lithium. Nguyên nhân của giá thành cao là do công nghệ chế tạo phức tạp và sự khan hiếm nguyên liệu. Ta biết rằng, Lithium là một kim loại hiếm, và nó là nguồn tài nguyên có hạn. Do vậy, về lâu dài, ắc quy Lithium cũng không phải là nguồn năng lượng tối ưu cho ô tô điện. Trước mắt nó vẫn là nguồn năng lượng chính, nhưng trong tương lai xa sẽ bị thay thế.
1.5.1.3. Tế bào nhiên liệu – Fuel Cell.
Ở chương trình hóa học phổ thơng, ta đã quen với phản ứng điện phân: dịng điện làm điện phân nước thành oxy và hydro. Trên phương diện hóa học, tế bào nhiên liệu Fuel Cell được cấu tạo dựa nguyên lý ngược lại: oxy và hydro phản ứng tạo ra nước và giải phóng điện năng. Hình 1.13 minh họa q trình hóa học này.
Theo đánh giá, tế bào nhiên liệu Fuel Cell là loại nguồn có mật độ năng lượng cao nhất có thể sử dụng cho ơ tơ điện. Hình 1.14 minh họa một hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên ô tô điện. Với nhiều ưu điểm về mật độ năng lượng và sử dụng nguyên liệu là nguồn khí tự nhiên vô tận (oxy và hydro), tế bào nhiên liệu Fuel Cell rất được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm nay. Tuy vậy, công nghệ này đến giờ vẫn chưa thực sự chín muồi để đưa vào các sản phẩm thương mại. Một trong những vấn đề quan trọng là tính an tồn. Rõ ràng là cần phải đặt câu hỏi về tính an tồn cho việc chở trên xe một bình khí hydro lớn, phản ứng với oxy tạo ra điện. Nếu xảy ra sự cố, nó sẽ nổ khơng khác gì một quả bom thực sự [5].
Hình 1.14. Minh họa hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên xe ô tô điện
1.5.1.4. Siêu tụ điện – Ultra-Capacitor.
Những người làm trong lĩnh vực điện và điện tử thường quen thuộc với những tụ điện có đơn vị pico (một phần một nghìn tỷ), nano (một phần tỷ) và micro (một phần triệu) Fara hẳn sẽ rất ngạc nhiên khi nghe nói đến những tụ điện có điện dung lên tới hàng nghìn Fara. Đó là những tụ điện được chế tạo theo công nghệ lớp kép (Double Layer), được gọi là Siêu tụ điện (Ultra-Capacitor hay Super-Capacitor).
Hình 1.15. Cấu tạo siêu tụ điện .
Tụ điện tích trữ điện năng khơng phải bằng phản ứng hóa học như ắc quy mà bằng các tương tác vật lý giữa các điện cực và điện tích. Bởi vậy, tụ điện có khả năng phóng và nạp điện rất nhanh so với ắc quy. Siêu tụ, bản chất là tụ điện, vẫn giữ được đặc tính này, do đó siêu tụ có mật độ cơng suất rất lớn. Bên cạnh đó, điện dung lớn tới hàng nghìn Fara cho phép siêu tụ tích trữ một lượng điện năng lớn, điều này cho phép siêu tụ có thể hoạt động như một nguồn chứa năng lượng trong khi các tụ điện thông thường chỉ có vai trị là phần tử phóng - nạp trong quá trình trao đổi năng lượng.
Tuy nhiên, các siêu tụ có điện dung hàng nghìn Fara trên thị trường hiện nay chỉ có mức điện áp khoảng vài volt, lý do là các lớp cách điện trong siêu tụ không chịu được điện áp cao. Khi muốn sử dụng với điện áp cao, chẳng hạn như vài trăm volt như trong ơ tơ điện, thì siêu tụ phải được mắc nối tiếp thành các module. Ta biết rằng khi mắc nối tiếp, điện dung của siêu tụ nhỏ đi. Với công nghệ tại thời điểm hiện tại, siêu tụ điện chưa đủ khả năng cung cấp nguồn cho ô tô điện chạy trên một quãng đường dài như ắc quy
hay fuel tế bào. Nó chỉ được dùng như một nguồn phụ, đặc biệt hữu dụng trong q trình hãm tái sinh năng lượng do có khả năng nạp rất nhanh.
Hình 1.16. Sản phẩm siêu tụ điện của Maxwell Technology và module tụ lớn nhất trên thị trường.
Mặc dù còn tồn tại những vấn đề về mật độ năng lượng và giá thành cao, siêu tụ điện vẫn là loại nguồn hứa hẹn nhất cho ô tô điện.
So sánh các đặc điểm chính của ba loại ắc quy gồm ắc quy chì axit, NiMH và Li- Ion.
Lead Acid Nickel metal hydride
(NiMH) Li-Ion
Năng lượng
riêng 20-30 Wh/kg ~65 Wh/kg 180Wh/kg Mật độ năng
lượng 54-95 Wh/l ~150 Wh/l 153 Wh/l
Công suất riêng ~250 W/kg 200 W/kg 300 W/kg
Điện áp danh
định/ tế bào 2V 1.2V 3.5V
Amphour nhiệt độ)
Điện trở trong ~0.022 ohm per tế
bào @ 1Ah/tế bào
~0.06 ohm per tế bào
@ 1Ah/tế bào Rất thấp
Nhiệt độ hoạt
động
Môi trường (poor extreme cold)
Môi trường (~25deg C)
Môi trường (~25deg C)
Tự xả
~2% mỗi ngày ~5% mỗi ngày Rất thấp (~10%
mỗi tháng)
Số chu kỳ sống ~800 ~1000 >1200
Thời gian nạp 8h (90% / 1 giờ) 1 giờ với nạp nhanh 2-3h
Bảng 1.1. So sánh thuộc tính của các loại ắc quy.
Thương mại hóa từ sau những năm 1980, ắc quy Li-Ion đã có nhiều ưu thế, với mật độ năng lượng và điện áp danh định trên một đơn vị cao nhất, điện trở trong rất thấp và tỷ lệ tự xả nhỏ. Với chu kì sống cao nhất ở ắc quy Li-Ion, hơn 1200 lần trước khi đạt đến 80% điện dung, trong khi ở ắc quy chì axit và ắc quy NiMH chỉ có 800 và 1000 lần.