Tài liệu Thiết kế bộ sạc ắc quy cho ô tô điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà nội, 1-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ SẠC ẮC QUY CHO Ô TÔ ĐIỆN Trưởng bộ môn : Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : Ai muốn nhận file mô phỏng Lớp : hoặc tất cả tài liệu. MSSV : xin mail vào: Giáo viên duyệt : [email protected] Hà nội, 1-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Thiết kế bộ sạc ắc quy cho ô tô điện do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS....... Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày 1 tháng 1 năm 2018 Sinh viên thực hiện MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU .......................................................................... ii DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................... ii LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................... 1 Chương 1 ............................................................................................................. 2 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN......................................................................... 2 1.1. Nhu cầu sử dụng ô tô điện hiện nay ....................................................... 2 1.2. Một số loại ô tô điện trên thị trường trong và ngoài nước .................. 4 1.2.1. Xe ô tô lai giữa điện và động cơ đột trong ...................................... 4 1.2.2. Xe ô tô điện 100% dùng điện ........................................................... 5 1.3. Ắc quy ô tô điện hiện nay ........................................................................ 5 1.4. Vai trò và tương lai của xe ô tô điện ...................................................... 8 Chương 2 ............................................................................................................. 9 ẮC QUY LITHIUM-ION .................................................................................. 9 2.1. Giới thiệu chung....................................................................................... 9 2.2. Cấu tạo của ắc quy/ Pin Li-ion ............................................................. 11 2.2.1. Điện cực dương ................................................................................ 11 2.2.2. Điện cực âm...................................................................................... 12 2.2.3. Chất điện ly ...................................................................................... 12 2.2.4. Dung môi .......................................................................................... 13 2.2.5. Vật cách điện.................................................................................... 13 2.3. Phân loại ................................................................................................. 14 2.4. Nguyên lý hoạt động của ắc quy(Pin) Li-ion ....................................... 14 Chương 3 ........................................................................................................... 17 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO ẮC QUY LI-ION .................................. 17 3.1. Phương pháp sạc dòng điện không đổi, điện áp không đổi ............... 17 3.1.1. Quá trình sạc dòng điện không đổi ................................................ 18 3.1.2. Quá trình sạc với điện áp không đổi.............................................. 18 3.1.3. Vấn đề an toàn trong quá trình sạc ............................................... 19 3.2. Phương pháp sạc với 5 mức dòng điện ................................................ 19 3.3. Phương pháp sạc xung .......................................................................... 21 3.4. Phương pháp sạc tăng áp ...................................................................... 22 Chương 4 ........................................................................................................... 26 BỘ CHỈNH LƯU VÀ BỘ BUCK ................................................................... 26 4.1. Bộ chỉnh lưu ........................................................................................... 26 4.2. Bộ Buck ................................................................................................... 26 Chương 5 ........................................................................................................... 30 THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................... 30 5.1. Thiết kế mạch lực................................................................................... 30 5.1.1. Tính toán điện cảm L của mạch Buck ........................................... 32 5.1.2. Tính toán điện dung tụ đầu ra C ................................................... 34 5.1.3. Tính chọn Mosfet và Diode ............................................................. 35 5.2. Thiết kế hệ thống điều khiển ................................................................ 36 5.2.1. Lưu đồ điều khiển quá trình sạc .................................................... 36 5.2.2. Mô hình hóa bộ biến đổi Buck ....................................................... 37 5.2.3. Bộ điều khiển điện áp ...................................................................... 40 5.2.4. Bộ điều khiển dòng điện.................................................................. 43 Chương 6 ........................................................................................................... 46 MÔ PHỎNG ..................................................................................................... 46 6.1. Mô phỏng mạch lực ............................................................................... 46 6.1.1. Khối Buck......................................................................................... 46 6.1.2. Khối tạo xung ................................................................................... 46 6.1.3. Dòng điện và điện áp ....................................................................... 48 6.2. Mô phỏng khối điều khiển .................................................................... 50 6.2.1. Mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển điện áp.............................. 51 6.2.1. Mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển dòng điện ......................... 51 KẾT LUẬN ....................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 54 PHỤ LỤC .......................................................................................................... 55 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Một số thiên tai nghiêm trọng. ................................................................. 2 Hình 1. 2 Dự báo về doanh số xe điện. .................................................................... 3 Hình 1. 3 Xe ô tô lai điện­động cơ đốt trong. .......................................................... 4 Hình 1. 4 Mẫu Tesla Model S tại trạm sạc Tesla Supercharger ............................... 5 Hình 1. 5 Sơ đồ một chiếc ắc quy. ........................................................................... 6 Hình 1. 6 Một bình ắc quy Lithium-ion. .................................................................. 7 Hình 2. 1 Cấu trúc ắc quy Lithium-ion. ................................................................... 9 Hình 2. 2 Mặt cắt mang một ắc quy Li-ion hình trụ............................................... 14 Hình 2. 3 Mặt cắt ngang một Pin Li-ion lăng trụ. .................................................. 14 Hình 2. 4 Quá trình sạc và xả của ắc quy Lithium-ion........................................... 15 Hình 3. 1 Quá trình sạc CC-CV ............................................................................. 17 Hình 3. 2 Một chiếc ô tô điện bị cháy khi đang sạc ở Anh. ................................... 18 Hình 3. 3 Quá trình sạc với 5 mức dòng điện. ....................................................... 20 Hình 3. 4 Mô hình sạc bằng xung. ......................................................................... 22 Hình 3. 5 Quá trình sạc của những phương pháp khác nhau. ................................ 23 Hình 3. 6 Dung lượng còn lại của ắc quy khi sạcphương pháp khác nhau. ........... 23 Hình 3. 7 Phương pháp nạp tăng áp ....................................................................... 24 Hình 3. 8 Dung lượng ắc quy phụ thuộc vào thời gian sạc. ................................... 24 Hình 3. 9 Sự sụt giảm dung lương ắc quy trong quá trình sử dụng. ...................... 25 Hình 4. 1 Sơ đồ một bộ chỉnh lưu điển hình. ......................................................... 26 Hình 4. 2 Sơ đồ mạch biến đổi kiểu Buck 6 pha. ................................................... 27 Hình 4. 3 Dòng điện qua các cuộn cảm và đầu ra của bộ Buck 3 pha. .................. 28 Hình 4. 4 Độ đập mạch của điện áp trên tụ. ........................................................... 29 Hình 4. 5 Hiệu suất làm việc ứng với số pha. ........................................................ 29 i Danh mục hình vẽ Hình 5. 1 Sơ đồ khối mạch lực. .............................................................................. 30 Hình 5. 2 Đặc tính sạc của Pin Li-ion. ................................................................... 31 Hình 5. 3 Sơ đồ tổng quát của bộ buck .................................................................. 32 Hình 5. 4 Sự biến thiên của dòng điện theo thời gian của bộ buck. ....................... 32 Hình 5. 5 Quá trình nạp điện cho tụ ....................................................................... 34 Hình 5. 6 Sơ đồ thuật toán của bộ sạc .................................................................... 36 Hình 5. 7 Sơ đồ mạch biến đổi kiểu Buck.............................................................. 37 Hình 5. 8 Đồ thị bode của hàm truyền đối tượng. .................................................. 41 Hình 5. 9 Đồ thị bode của hàm truyền hệ hở Ghv(s)................................................. 43 Hình 5. 10 Đồ thị Bode của hàm Gi(s). .................................................................. 44 Hình 5. 11 Đồ thị hàm bode của hàm truyền hệ hở Ghi(s). ...................................... 45 Hình 6. 1 Sơ đồ khối buck. ..................................................................................... 46 Hình 6. 2 Khối tạo xung. ........................................................................................ 47 Hình 6. 3 Hình dạng xung răng cưa. ...................................................................... 47 Hình 6. 4 Hình dạng xung PWM ............................................................................ 48 Hình 6. 5 Dạng dòng điện của 6 pha. ..................................................................... 48 Hình 6. 6 Độ đập mạch dòng điện trước tụ điện. ................................................... 49 Hình 6. 7 Độ đập mạch điện áp trên tụ điện. .......................................................... 49 Hình 6. 8 Sơ đồ điều khiển ..................................................................................... 50 Hình 6. 9 Sơ đồ mạch điều khiển điện áp............................................................... 50 Hình 6. 10 Sơ đồ mạch điều khiển dòng điện. ....................................................... 51 Hình 6. 11 Dạng điện áp đầu ra. ............................................................................. 51 Hình 6. 12 Dạng dòng điện đầu ra.......................................................................... 52 ii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1. 1 Một số mẫu ắc quy sử dụng trên thị trường. ............................................ 7 Bảng 2. 1 Ưu nhược điểm của ắc quy/ Pin Li-ion. ................................................. 10 Bảng 2. 2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương. ................................................. 11 Bảng 2. 3 Đặc trung của các loại carbon. ............................................................... 12 Bảng 3. 1 Các mô hình dòng điện 5 mức khác nhau .............................................. 21 iii Danh mục viết tắt DANH MỤC VIẾT TẮT AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều PWM Pulse-Width Modulation Điều chế độ rộng xung PM Phase Margin Độ dự trữ pha Const Constance Cố định PI Proportional Integral Bộ điều khiển tỉ lệ-tích phân iv Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Môi trường ngày được quan tâm trên thế giới, số lượng thiên tai và sức tàn phá của nó ngày một trở lên báo động. Một trong những tác nhân chính là lượng khí thải cacbonic(Co2) do chúng ta thải vào khí quyền ngày một nhiều. Giảm lượng khí thải cacbonic(Co2) ngày được quan tâm từ chính phủ đến người dân. Một trong những hướng đi đầy hứa hẹn là thay thế dần việc sử dụng động cơ đốt trong thành động cơ điện phục vụ cho di chuyển. Ô tô điện là một ngành công nghiệp rất mới mẻ và gần như chưa có ở Việt Nam. Nhiều khó khăn có thể đưa ra khiến ô tô điện chưa thể phát triển mạnh mẽ như: giá cả chưa hợp lý, khó khăn về thời gian sạc quá lâu... Nhận thấy là một đề tài hay và thiết thực nên em đã chọn : “Thiết kế bộ sạc ắc quy điện cho ô tô điện” Bản đồ án gồm các nội dung sau: 1. Khảo sát các loại ắc quy thường dùng cho ô tô điện 2. Khảo sát các phương pháp nạp ắc quy loại LI-ion 3. Chọn một phương pháp và thiết kế bộ sạc ắc quy theo phương pháp đó. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn tự động hóa công nghiệp đã tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình làm việc, đặc biệt là sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. ...... đã giúp em hoàn thành đồ án này. Hà Nội, ngày 1 tháng 1 năm 2018 Sinh viên thực hiện 1 Chương 1. Tổng quan về ô tô điện Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN 1.1. Nhu cầu sử dụng ô tô điện hiện nay Trước tình hình các nhiên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì nhu cầu sử dụng dạng nhiên liệu mới và sạch thay thế ngày càng bức thiết. Năng lượng điện là một dạng năng lượng rất phù hợp để thay thế cho các loại nhiên liệu hiện đang sử dụng gây ôi nhiễm cho môi trường. Lượng khí thải độc hại thải ra môi trường của các loại phương tiện di chuyển dùng năng lượng điện thấp hơn rất nhiều lần và gần như không đáng kể so với các phương tiện cùng loại sử dụng nhiên liệu khí đốt như xăng, dầu ... a) Sóng thần ở Nhật Bản b) Băng tan ở bắc cực Hình 1. 1 Một số thiên tai nghiêm trọng. Những thiên tai nghiêm trọng thúc đẩy con người phải cắt giảm lượng khí thải cacbonic ra môi trường, và ô tô điện nổi lên là một dự án đầy hứa hẹn. Việc ô tô điện thay thế cho ô tô chạy bằng động cơ đốt trong không phải là bây giờ mới được quan tâm. Những ưu điểm mà động cơ đốt trong mang lại: + Công suất của động cơ lớn. + Việc sử dụng xăng dầu rất phổ biến, dễ dàng, ở đâu cũng có thể mua. 2 Chương 1. Tổng quan về ô tô điện + Có rất nhiều nhà sản xuất ưu tiên hơn rất nhiều cho động cơ đốt trong, chưa mặn mà với ô tô điện. Chính vì những ưu điểm đó đã khiến việc phát triển ô tô điện chậm lại rất nhiều. Bên cạnh đó, chính ô tô điện cũng có những nhược điểm rất lớn, khiến cho việc phát triển ô tô điện gặp nhiều khó khăn: + Trở ngại đầu tiên là giá thành sản phẩm rất đắt, có thể lên tới hơn một trăm ngàn đô la Mỹ tính tới thời điểm 2017. + Việc không thể di chuyển liên tục quãng đường dài được coi là nhược điệm cực kì quan trọng, tuy đã nhiều dự án xây dựng các trạm nạp điện nhưng cũng không thể phổ biến được. + Một lần đổ đầy bình xăng từ 5-10 phút, nhưng đối với ô tô điện là rất lâu. Do những nhược điểm trên thì ở Việt Nam chưa thể phát triển về ô tô điện, ngành sản xuất ô tô điện tập trung phát triển ở những nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, Eu ... Nhưng những thứ nó mang lại lại là một lợi ích về lâu dài, khi mà môi trường là vấn đề hàng đầu. Ô tô điện khi hoạt động sẽ không gây ra tiếng ồn như ô tô chạy động cơ đốt trong, đó là lợi ích đầu tiên mà người ta đã nhìn thấy. Vì không phải tạo ra năng lượng từ đốt nhiên liệu lên nó không hề thải ra môi trường cacbonic (Co2). Ngoài ra cũng vì không sử dụng nhiên liệu nên không phụ thuộc vào biến động giá cả nhiên liệu. Bởi vậy chúng ta không có gì là ngạc nhiên khi mà ô tô điện ra đời và ngày càng phát triển trên thế giới hiện nay. Đi đôi với việc phát triển ô tô điện là mạng lưới sạc ắc quy cho ô tô điện cũng được phát triển, ngày càng tạo nhiều thuận tiện cho việc sử dụng ô tô điện làm phương tiện di chuyển chính. Hình 1. 2 Dự báo về doanh số xe điện. Với cột màu đen là doanh số bán xe điện và màu đỏ là doanh số bán xe chạy bằng xăng. 3 Chương 1. Tổng quan về ô tô điện Từ hình 1.2 ta thấy từ trước năm 2015, doanh số bán xe điện rất thấp, gần như không có, nhưng theo dự đoán tới năm 2040, doanh số bán xe điện chiếm quá nửa tổng doanh số xe bán ra, vượt qua cả lượng bán xe chạy bằng xăng. Hứa hẹn một tương lai rất khả quan cho ngành công nghiệp ô tô điện. 1.2. Một số loại ô tô điện trên thị trường trong và ngoài nước 1.2.1. Xe ô tô lai giữa điện và động cơ đột trong Xe Hybrid thường được gọi là xe lai hay xe lai điện là loại xe sử dụng hai nguồn động lực là động cơ đốt trong và động cơ điện. Động cơ điện lấy nguồn điện từ ắc quy. Hoạt động của xe này là sử kết hợp hoạt động giữa động cơ đốt trong và động cơ điện sao cho tối ưu nhất. Bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động và khi nào động cơ điện hoạt động và khi nào thì cả hai đều hoạt động. Một ví dụ thể hiện lợi ích rõ ràng của dòng xe này là điều kiện đường xá ở Việt Nam khi tắc đường hay gặp đèn đỏ, thì không có động cơ nào hoạt động do đó sẽ không mất mát công suất một cách vô ích, gióp phần giảm khí thải ôi nhiễm ra môi trường. Hình 1. 3 Xe ô tô lai điện­động cơ đốt trong. Một sự nỗ lực đáng kể nhất là sự phát triển và thương mại hóa dòng xe điện lại được tạo ra bởi nhà sản xuất người Nhật. Năm 1997 công ty Toyota đã cho ra mắt đầy ấn tượng dòng xe sedan Prius ở Nhật, cùng lúc đó công ty Honda cũng cho ra mắt thị trường dòng xe Civic và Civic Hybrid. Những chiếc xe điện đó đang và sẽ lưu thông trên toàn thế giới. Những chiếc ô tô điện lai này mang những ưu điểm vượt trội của động cơ đốt trong như phổ biến, tiếp nhiên liệu đơn giản, nhanh và cả ưu điểm của dòng xe điện là thân thiện với môi trường, ít tiếng ồn. Toyota và Honda có một bước đi lịch sử vì đã thương mại hóa những chiếc xe lai điện và động cơ đốt trong, mở ra một kỷ nguyên về đáp ưng tiêu thụ nhiên liệu của xe. 4 Chương 1. Tổng quan về ô tô điện 1.2.2. Xe ô tô điện 100% dùng điện Dòng xe điện 100% dùng điện ngày càng phổ biến khi mà giá nhiên liệu đốt ngày càng tăng, bên cạnh đó công nghệ sạc nhanh cũng cho phép các công ty thương mại hóa sản phẩm của mình một cách hiệu quả, đem lại trải nghiệm người dùng dễ dàng và tiện ích hơn rất nhiều. Việc sử dụng điện làm năng lượng chính để vận hành mà không sử dụng xăng sẽ giảm được gần như hoàn toàn khí thải ôi nhiễm ra môi trường cũng như ôi nhiễm tiếng ồn mà động cơ đốt trong mang lại. Ngày nay việc phát triển các trạm sạc điện cho ô tô điện ngày càng được đầu tư phát triển, những bình ắc quy ngày càng có công suất lớn, thời gian sạc được rút gọn. Những điều đó cho phép chiếc ô tô điện có thể di chuyển xa hơn, bất cứ đâu. Dưới đây là một chiếc ô tô điện đang sạc điện trong trạm sạc điện miễn phí. Hình 1. 4 Mẫu Tesla Model S tại trạm sạc Tesla Supercharger ở bang California (Mỹ). 1.3. Ắc quy ô tô điện hiện nay Việc thiết kế một chiếc ắc quy là quan trọng nhất trong một chiếc ô tô điện, vì nó là trái tim vận hành toàn bộ chiếc ô tô. Bởi vậy nghiên cứu và phát triển ắc quy rất được coi trọng. Ắc quy hay còn gọi là Pin(Battety) là một nguồn điện hóa gồm một hay nhiều tế bào điện(cell) mắc nối tiếp hay song song với nhau. 5 Chương 1. Tổng quan về ô tô điện Hình 1. 5 Sơ đồ một chiếc ắc quy. Các ắc quy chính hiện nay có trên thị trường là ắc quy dùng điện môi và ắc quy Lithium. Ắc quy dùng điện môi đã quá quen thuộc ở thị trường việt nam với các loại ắc quy chì-axit. Nó là công nghệ cũ nên khá rẻ và vận hành an toàn hầu như không có cháy nổ. Tuy nhiên do là công nghệ cũ nên mật độ năng lượng thấp, dẫn đến công suất không lớn. Mặt khác khối lượng và kích thước lại lớn, tuổi thọ sử dụng thấp và khó tái chế. Dòng ắc quy(Pin) Lithium-ion là công nghệ mới mang rất nhiều ưu điểm vượt trội so với dòng ắc quy truyền thống: - Pin Lithium có kích thước và khối lượng nhỏ hơn rất nhiều so với ắc quy dùng điện môi. Một tấm Pin Lithium có trọng lượng 6kg tương đương với ắc quy axit cỡ tầm 20kg. - Pin Lithium cho phép di chuyển quãng đường dài hơn do so với ắc quy điện môi cùng kích thước. - Pin Lithium người dùng có thể sạc bất cứ lúc nào, không nhất thiết hết điện mới sạc như ắc quy điện môi. - Thời gian để sạc đầy Pin Lithium ngắn hơn. - Tuổi thọ cũng cao hơn so với ắc quy điện môi. 6 Chương 1. Tổng quan về ô tô điện Hình 1. 6 Một bình ắc quy Lithium-ion. Thị trường ắc quy dành cho ô tô điện hiên nay đa số là sử dụng công nghệ ắc quy Lithium-ion. Đây là một công nghệ mới, có hiệu suất và khả năng tiết kiệm thời gian sạc vượt trội hoàn toàn sơ với các ắc quy truyền thống. Ngày nay thế giới ngày càng quan tâm đến vấn đề bảo vệ môi trường và hạn chế chất độc hại. Ắc quy Lithium-ion là một sản phẩm công nghệ cao đáp ứng được những tiêu chuẩn về môi trường hiện nay. Ắc quy Lithium-ion đã được ứng dụng rộng dãi trong việc sản xuất Pin cho smartphone tablet, và ngày nay việc ắc quy Lithium-ion được ứng dụng trong công nghệ xe ô tô điện không còn là hiếm nữa. Rất nhiều các công ty trên thế giới đã sử dụng công nghệ ắc quy/Pin Lithium-ion vào sản phẩm của mình, dưới đây là một số hãng và dòng xe tiêu biểu: Công ty Quốc gia Mô hình xe Công nghệ GM Hoa Kỳ Chevy-Volt,Hybrid... Li-ion Ford Hoa Kỳ Tesla Hoa Kỳ Roadster(2009) Li-oin Toyota Nhật Bản Prius,Lexus NiMH Honda Nhật Bản Civic, insight NiMH Mitsubishi Nhật Bản iMiEV(2010) iMiEV(2010) Hyndai Hàn Quốc Sonata Lithium polymer Fusion,MKZ Li-ion, NiMH HEV,PHEV... Bảng 1. 1 Một số mẫu ắc quy sử dụng trên thị trường. 7 Chương 1. Tổng quan về ô tô điện Có những dự báo rất khả quan về tương lại của những chiếc ô tô điện này. 1.4. Vai trò và tương lai của xe ô tô điện Theo một báo cáo gần đây của tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế(OECD) thì nhu cầu sở hữu riêng một chiếc xe và tự lái xe ở các nước phát triển có lẽ sắp bão hòa hoặc kết thúc, do con người ngày càng quan tâm đến chi phí vận hành xe và tác động tiêu cực của nó tới môi trường hiện nay. Việc lưu thông bằng các phương tiện chạy bằng điện nói chung và ô tô điện nói riêng đóng một vai trò quan trọng trong việc hướng tới mục tiêu phát triển giao thông bền vững, góp phần làm giảm lượng khí thải ôi nhiễm ra môi trường do các xe chạy bằng nhiên liệu truyền thống gây ra. Mặc dùng gặp nhiều khó khăn nên việc đưa ô tô điện sử dụng rộng rãi khá chậm. Những khó khăng chủ yếu ở đây là cơ sở hạ tầng phục vụ việc sạc điện vẫn chưa được quan tâm đúng mức, phát triển một cách không hoàn thiện. Nhưng việc phổ biến ô tô điện là điều dự báo được trong tương lai gần. Năm bắt được xu hướng này, các hãng sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới đã tập trung nhiều nguồn lực hơn cho sản xuất xe điện. Bên cạnh đó chính phủ nhiều nước châu âu đang thắt chặt các quy định về khí thải từ các phương tiện cá nhân cũng là nguồn động lực không nhỏ cho các hãng xe đẩy mạnh đầu tư. Trung Quốc là một đất nước có môi trường ôi nhiễm nặng nề. Việc nước này tập trung vào kế hoạch phát triển xe điện như một giải pháp giao thông bền vững và thân thiện với môi trường đã thu được những thành tựu nhất định. Nhiều thành phố lớn của Trung Quốc đã triển khai cả trăm chiếc taxi điện, xe buýt điện. Đi đôi là một mạng lưới trạm sạc điện ngày càng hoàn chỉnh. Trong khi đó, tại London, nước Anh, xe taxi điện đã được đưa vào thử nghiệm và dự kiến giúp thủ đô của nước Anh giảm lượng khí thải cacbonic(Co2) ra môi trường. Tại các thành phố lớn khác của Eu cũng phát triển các loại hình xe điện, mô hình này đang được nhân rộng khắp châu Âu. Việt Nam còn gặp nhiều khó khăn nên các hãng cung cấp ô tô điện chưa xuất hiện trên thị trường, phải mất nhiều năm nữa thì ô tô điện mới có thể phát triển ở Việt Nam. Tuy nhiên những chiếc xe đạp điện hiện rất phát triển ở Việt Nam do giá cả hợp lý và tiện ích mang lại. Hi vọng tương lai không xa việc sở hữu những chiếc ô tô điện ở nước ra sẽ dễ dàng hơn. 8 Chương 2. Ắc quy Lithium-ion Chương 2 ẮC QUY LITHIUM-ION 2.1. Giới thiệu chung Ắc quy Lithium-ion hay còn gọi là Pin Li-ion là loại Pin có thể sạc trong đó các ion Lithium di chuyển giữa các điện âm đến cực dương trong quá trình xả và trở lại trong quá rình sạc. Ắc quy Lithium-ion sử dụng một hợp chất Lithium làm vật liệu điện cực. Ắc quy Lithium thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp. Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương là các hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và Li, như LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực âm là graphite. Dung dịch điện ly của ắc quy cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực này sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Li, tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện. + Điện cực dương(cathode): Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4. Vật liệu trên cơ sở là coban thường có cấu trúc pseudo-tetrahedra cho phép ion liti khuếch tán theo 2 chiều. Đây là những vật liệu lí tưởng có khả năng cung cấp công suất riêng lớn, công suất riêng theo thể tích lớn, hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài. Hạn chế của nó là giá cao do chứa coban là một kim loại hiếm, và kém bền nhiệt. Hình 2. 1 Cấu trúc ắc quy Lithium-ion. + Điện cực âm(anode): Vật liệu âm cực thường dùng là graphite và các vật liệu cacbon khác. Chúng rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion liti xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng trong khi cấu trúc tinh thể có thể phình ra tới 10%. Silicon cũng được dùng như vật liệu âm cực bởi nó cũng có thể chứa ion liti, thậm chí nhiều hơn cacbon, tuy nhiên khi “chứa” ion liti, silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu ắc quy. 9 Chương 2. Ắc quy Lithium-ion Ắc quy Li-ion đã được thương mại hóa và phát triển bởi công ty SONY từ đầu những năm 90 và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu ắc quy thương phẩm. Lợi nhuận thu được khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000. Tới năm 2005 có hơn 1,1 tỷ ắc quy/Pin được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỷ USD. Trong khi giá thành sản phẩm giảm xuống 46% từ năm 1999 đến 2005. Trong tương lai, những sản phẩm giá thành sản phẩm rẻ, tính năng cao, an toàn càng được thị trường quan tâm. Công nghệ này nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chuẩn của thị trường trên một mảng rộng lớn. Tính năng của ắc quy/Pin tiếp tục được cải tiến làm cho nó được ứng dụng ngày một rộng rãi thên thị trường. Thiết kế ngày càng phát triển bao gồm những Pin hình trụ lượn xoắn ốc, Pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm Pin được thết kế phẳng từ cỡ nhỏ(0,1 Ah) đến cỡ lớn(160 Ah). Ắc quy hay còn gọi là Pin Lithium-ion có tốc độ tự phóng điện thấp(2-8% mỗi tháng) và có dải nhiệt độ hoạt động rộng(nạp điện ở nhiệt độ khoảng -200 C đến 600 C, phóng điện được ở nhiệt độ từ -400 C đến 650 C) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng rãi. Điện thế của lin Li-ion có thể đạt được trong khoảng 2,5V đến 4,2V.Pin Li-ion có khả năng phóng điện tốc độ cao, phóng điện với tốc độ liên tục 5c, hoặc ở chế độ xung là 25c. Bên cạnh những ưu điểm vượt trội nêu ra cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định. Những ưu nhược điểm của ắc quy/Pin Li-ion được tóm tắt trong bảng: Ưu điểm Nhược điểm - Ắc quy kín nên không cần bảo trì. - Giá thành cao. - Chu kỳ sống dài. - Giảm hiệu quả ở nhiệt độ cao. - Dải nhiệt độ hoạt động rộng. - Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện. - Thời gian hoạt đọn dài. - Tốc độ tự phóng chậm. - Dung lượng bị giảm hoặc - Có khăng nạp nhanh. nóng lên khi quá tải. - Khả năng phóng điện có tốc độ và công suất cao. - Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao. - Bị thủng và có thể tỏa nhiệt khi bị ép. - Năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao. - Không có hiệu ứng nhớ. Bảng 2. 1 Ưu nhược điểm của ắc quy/ Pin Li-ion. 10