TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Hơn một thế kỷ kể từ khi chiếc xe ô tô đầu tiên ra đời, công nghệ ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, với động cơ đốt trong (ICE) sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng và dầu trở thành tiêu chuẩn Mặc dù động cơ đốt trong đã mang lại nhiều lợi ích to lớn cho xã hội, nhưng nó cũng là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường Do đó, việc tuân thủ các quy định về khí thải và tập trung vào tiết kiệm nhiên liệu, năng lượng là yêu cầu cấp thiết cho các quốc gia và ngành công nghiệp ô tô toàn cầu.
Công nghệ ắc quy và năng lượng đang phát triển mạnh mẽ, khiến xe ô tô điện (EV) trở thành lựa chọn khả thi để thay thế xe động cơ đốt trong (ICE) Mặc dù xe điện đã gặp nhiều thách thức về dung lượng, quãng đường đi và thời gian sạc trong quá khứ, nhưng với những ưu điểm như không phát thải khí độc, ít tiếng ồn và khả năng tăng tốc tốt, EV đang dần chiếm ưu thế trong việc giảm ô nhiễm môi trường Hơn nữa, dự kiến giá thành của xe điện sẽ thấp hơn so với xe động cơ đốt trong trong tương lai, khẳng định sự ưu việt của EV đã được nhiều hãng xe chứng minh từ lâu.
Tại Việt Nam, nghiên cứu về xe điện vẫn còn hạn chế và chưa được khai thác sâu rộng Với những vấn đề cấp thiết liên quan đến chủ đề này, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài nghiên cứu về xe điện.
“ Chuyên đề về xe điện – Renault ZOE 2020” làm nội dung nghiên cứu
Mục Tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu tổng quan về xe điện, đặc biệt là các hệ thống ắc quy, động cơ điện và bộ chuyển đổi inverter Nghiên cứu hệ thống CAN và các phương pháp chẩn đoán CAN Bus được áp dụng trên mẫu xe Renault ZOE để hiểu rõ cách thức hoạt động của xe điện.
Đối tượng nghiên cứu
Xe điện Renault ZOE 2020 của Pháp được trang bị hệ thống ắc quy tiên tiến và động cơ điện hiệu suất cao Nó sử dụng các bộ chuyển đổi Inverter để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Phương thức giao tiếp giữa CAN và OBD II cho phép theo dõi và chẩn đoán tình trạng xe một cách chính xác Các cách chẩn đoán qua CAN Bus giúp người dùng dễ dàng phát hiện và xử lý sự cố, nâng cao trải nghiệm lái xe.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Hệ thống ắc quy là một phần quan trọng trong xe điện, bao gồm cấu tạo, đặc điểm và công nghệ hiện đại Việc hiểu rõ về các phương pháp sạc lại ắc quy giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng Bên cạnh đó, hệ thống làm mát cũng đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì nhiệt độ ổn định, đảm bảo ắc quy hoạt động hiệu quả và bền bỉ.
- Hệ thống động cơ: Tìm hiểu chung về thành phần, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phương pháp điều khiển và hệ thống làm mát của động cơ
- Hệ thống Inveter: Tìm hiểu chung về thành phần, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phương pháp điều khiển và hệ thống làm mát inverter
- Phanh tái sinh trên xe điện: Tìm hiểu về hệ thống phanh tái sinh và công nghệ
“One pedal – B mode” của Renault ZOE
- Chẩn đoán CAN bus: Tìm hiểu chung về công nghệ CAN trên xe điện, chẩn đoán CAN bus trên dòng xe Renault ZOE.
Phạm vi nghiên cứu
Khám phá các hệ thống ắc quy, động cơ điện và bộ chuyển đổi Inverter, cũng như giao tiếp giữa OBD II và CAN trong mẫu xe Renault ZOE 2020 Tìm hiểu các phương pháp chẩn đoán CAN Bus được áp dụng để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành đề tài, chúng em đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm tham khảo tài liệu, thu thập thông tin từ internet, nghiên cứu các bài khoa học, và học hỏi từ thầy cô cùng những chuyên gia có kinh nghiệm.
- Nghiên cứu và biên dịch tài liệu các báo cáo về xe điện
- Sưu tầm các tài liệu liên quan đến xe Renault ZOE
- Nghiên cứu lý thuyết chẩn đoán
Chúng em thực hành trực tiếp trên xe Renault ZOE tại Khoa Cơ khí Động Lực, từ đó hình thành đề cương và hoàn thành đề tài nghiên cứu.
Giới thiệu về xe điện Renault ZOE 2020
Xe ô tô chạy bằng năng lượng điện đang phát triển mạnh mẽ và dần chiếm lĩnh thị trường ô tô, hứa hẹn sẽ thay đổi ngành công nghiệp ô tô để giải quyết vấn đề môi trường và thiếu hụt nguồn nhiên liệu thô Các hãng xe như Nissan, Chevrolet, Audi, và BMW đang tìm kiếm những con đường khác nhau để thích ứng với sự thay đổi này, trong khi Toyota đã từ lâu thống trị phân khúc xe lai với mẫu xe huyền thoại Prius.
Renault cam kết đầu tư mạnh mẽ vào xe 100% điện, tập trung vào nghiên cứu và phát triển các công nghệ tiên tiến để tối ưu hóa dòng xe của mình, trong đó nổi bật là mẫu xe Renault ZOE.
Vào tháng 6 năm 2019, Renault đã giới thiệu mẫu xe ZOE mới, trang bị ắc quy 52 kWh, giúp tăng phạm vi hoạt động lên 395 km (245 mile) theo tiêu chuẩn WLTP Mẫu xe này được trang bị động cơ điện R110 với công suất 80 kW và hỗ trợ sạc nhanh DC 50 kW, cho phép thời gian sạc chỉ khoảng 30 phút.
Hình 1.1: Renault ZOE phiên bản ZE50 2020
Cấu tạo của Renault ZOE 2020 (ZE50)
Bảng 1.1: Các thành phần chủ yếu trên xe điện Renault ZOE 2020
Tên chi tiết Vị trí/miêu tả Chức năng
1 Thiết bị ngắt kết nối ắc quy cao áp
Bên phải dưới hàng ghế sau
Có thiết kế hình vuông và màu cam
Ngắt kết nối ắc quy cao áp ra khỏi hệ thống điện cao áp
Bên dưới sàn xe, ắc quy Lithium-ion (NMC 712)
Thiết bị lưu trữ điện năng dùng cho động cơ điện
3 Ắc quy 12V Nằm bên phải trong khoang động cơ, ắc quy axit-chì
Cung cấp điện năng cho các thiết bị phụ trợ trên xe
4 Bộ sạc trên bo mạch (BCB)
Nằm trong khoang động cơ, bộ điện tử công suất bên trái tích hợp cả kết nối cho điện áp cao và điện áp thấp.
Thiết bị nhận điện AC từ cổng sạc và chuyển đổi thành nguồn điện DC để sạc ắc quy cao áp Nó cũng tương tác với thiết bị sạc, theo dõi các thông số của ắc quy như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái hoạt động.
5 Động cơ điện Nằm tại vị trí trung tâm trong khoang động cơ, là loại động cơ đồng bộ kích từ bằng điện
Động cơ này sử dụng năng lượng từ ắc quy cao áp để truyền động cho các bánh xe của xe, đồng thời hoạt động như một máy phát điện trong quá trình phanh tái sinh.
6 Cổng sạc Nằm phía trước đầu xe, tại vị trí logo của Renault
Cổng sạc cho phép xe kết nối với nguồn điện bên ngoài để sạc ắc quy cao áp
Tích hợp trong khoang động cơ, bộ điện tử công suất bên trái động cơ điện bao gồm cả kết nối cho điện áp cao và điện áp thấp.
Thiết bị này chuyển đổi nguồn
DC chuyển đổi từ điện áp cao 400V của ắc quy cao áp sang điện áp thấp 12V, cần thiết cho việc vận hành các thiết bị phụ trợ của xe và sạc lại ắc quy phụ.
8 Bộ điều khiển điện tử công suất
Nằm phía bên trái động cơ diện, trong khoang động cơ, được tích hợp nhiều chi tiết bao gồm drive điều khiển động cơ và các bộ chuyển đổi
Bộ phận này chịu trách nhiệm quản lý dòng năng lượng điện từ ắc quy cao áp, điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện.
9 Hộp số đơn cấp Nằm chung với động cơ phía bên phải động cơ, có tỉ số truyền là 9.3
Truyền lực, truyền cơ năng từ động cơ điện kéo để truyền động các bánh xe
10 Hệ thống quản lý nhiệt (làm mát)
Nằm bên trên động cơ và phía trước động cơ, bao gồm làm mát bằng không khí và dung dịch, làm mát ắc quy
Hệ thống này giúp duy trì phạm vi nhiệt độ hoạt động thích hợp của ắc quy cao áp, động cơ điện, thiết bị điện tử công suất
6 cao áp bằng không khí chủ động
11 Hộp quản lí ắc quy cao áp
Nằm tích hợp bên trong bộ ắc quy cao áp, là bộ điều khiển quan trọng trong ắc quy cao áp
Hệ thống này giám sát hoạt động của ắc quy trong quá trình xả và sạc, đồng thời theo dõi nhiệt độ, dòng điện và điện áp của ắc quy cao áp.
12 Hộp điều khiển xe (EVC)
Nằm sau lưng động cơ, trong khoang động cơ, là bộ điều khiển chính của toàn bộ xe
Module điều khiển xe điện là một module điều khiển điện áp thấp
Nó chịu trách nhiệm cho hầu hết các quy trình liên quan đến các khía cạnh chức năng của xe điện
Hình 1.2: Các thành phần Trên xe điện Renault ZOE 2020
Bộ điện tử công suất Động cơ điện
Thiết bị ngắt nguồn ắc quy cao áp Ắc quy cao áp
HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN XE RENAULT ZOE
Ắc quy 12V Trên Renault ZOE 2020
2.1.1 Đặc điểm của ắc quy 12V
Khi nói về hệ thống điện của xe điện, nhiều người thường nghĩ đến điện áp cao (400V) và nhầm rằng không có ắc quy 12V như trên xe sử dụng động cơ đốt trong Tuy nhiên, các xe điện hiện nay vẫn sử dụng ắc quy 12V, tương tự như các xe động cơ đốt trong, chỉ khác về cường độ dòng điện Đối với xe điện Renault ZOE, việc trang bị ắc quy 12V có hai lý do chính.
Chi phí là yếu tố đầu tiên cần xem xét khi mua xe điện Giống như các loại ô tô khác, xe điện cũng cần trang bị đèn pha, đèn báo, đèn phanh, cần gạt nước kính chắn gió, hệ thống âm thanh và các thiết bị điện khác, tất cả đều sử dụng nguồn điện 12V Nhờ vào ắc quy 12V, xe điện có thể sử dụng linh kiện sản xuất hàng loạt tương tự như những chiếc ô tô sử dụng động cơ đốt trong.
Lý do an toàn là rất quan trọng khi sử dụng xe điện, vì ắc quy cao áp cung cấp năng lượng cho động cơ điện và thường chứa lượng điện lớn (400V), có thể gây ra cú sốc nguy hiểm Do đó, khi xe điện bị tắt, cần cách ly bộ ắc quy cao áp để đảm bảo an toàn, trong khi ắc quy 12V sẽ tiếp tục cấp nguồn cho các hộp ECU trên xe.
Hình 2.1: Ắc quy 12V trên xe Renault ZOE 2020 được trang bị bên phải động cơ
Công tắc cấp nguồn điện, hay còn gọi là relay, có nhiệm vụ ngắt và kết nối lại bộ ắc quy cao áp khi xe điện được tắt và khởi động, yêu cầu nguồn điện từ ắc quy 12V Khi ắc quy 12V của xe điện hết, xe sẽ không thể khởi động do thiếu nguồn điện cao áp cho động cơ Đối với xe Renault ZOE, loại ắc quy được trang bị là Axit-chì, trong khi các hãng xe khác có thể sử dụng ắc quy Lithium-ion hoặc không trang bị ắc quy.
Dưới đây là danh sách các hãng xe điện sử dụng ắc quy 12V
Bảng 2.1: Danh sách ắc quy 12V trên các dòng xe điện
Brand Mode Vehicle Type Battery Location
Toyota Vitz CVT 4 EV Li-Ion -
Tesla Roadster v1.5 EV No 12V Battery -
PHEV PbA Rear cargo area
Hyundai Ioniq electric EV PbA Rear cargo area
Nissan Laef EV PbA Front hood
Smart ED ED EV PbA -
Toyota All hybrids HEV/PHEV PbA -
Volkswagen Egolf EV PbA Front hood
BWM i3 EV PbA Rear cargo area Ắc quy Axit – chì trang bị trên Renault ZOE 2020 các ưu điểm như sau:
- Chi phí ắc quy Axit-chì thấp hơn nhiều so với ắc quy Lithium-ion
- Dễ dàng thay thế cho ắc quy 12V khi hư hỏng
Ắc quy Lithium-ion nhẹ hơn so với ắc quy Axit-chì, nhưng sự khác biệt về trọng lượng không đáng kể đối với loại ắc quy nhỏ Điều này không ảnh hưởng nhiều đến tổng khối lượng của chiếc xe.
Bảng 2.2: Thông số của ắc quy 12V trên xe Renault ZOE 2020
MODE Nissan Leaf – Renault ZOE
Battery Type PbA (Lead – Acid)
2.1.2 Hệ thống sạc ắc quy 12V
Hệ thống điện 12V trên xe điện tiêu hao năng lượng liên tục khi hoạt động, do đó cần duy trì trạng thái nạp điện cho ắc quy 12V Trên ô tô chạy xăng hoặc diesel, quá trình này được thực hiện bởi máy phát điện dẫn động bằng động cơ, kết hợp với bộ chỉnh lưu điện áp và thiết bị tiết chế, nhằm đảm bảo ắc quy 12V luôn hoạt động ổn định.
Trong chiếc xe điện Renault ZOE, không còn máy phát điện độc lập bên ngoài, mà việc nạp lại ắc quy 12V được thực hiện thông qua hai phương pháp khác nhau.
1 Sạc bằng nguồn điện trong xe (điện cao áp) : Sạc từ nguồn ắc quy cao áp 400V
2 Sạc bằng nguồn điện bên ngoài xe: Khi sạc ắc quy cao áp lúc này ắc quy 12V cũng đồng thời được sạc thông qua một bộ chuyển đổi trung gian Ngoài ra khi ắc quy cao áp vẫn còn dung lượng, tuy nhiên lúc này ắc quy 12V đã hết thì ắc quy 12V vẫn có thể sạc từ nguồn điện bên ngoài (máy sạc) như ắc quy 12V của xe thông thường
Bộ chuyển đổi DC-DC là thiết bị quan trọng trong hệ thống sạc từ ắc quy cao, giúp chuyển đổi điện áp DC từ 400V xuống 12V cho các thiết bị phụ trợ và 14,7V để sạc lại ắc quy 12V trên xe Renault ZOE 2020 Nó có khả năng xử lý nhiều loại điện áp đầu vào và đầu ra khác nhau, cùng với công suất và cường độ dòng điện linh hoạt Để đảm bảo quá trình sạc ắc quy 12V diễn ra an toàn, hệ thống còn được trang bị cảm biến nhiệt độ và cảm biến dòng.
Bộ chuyển đổi DC-DC trong trường hợp này cần hoạt động như một bộ điều khiển sạc, có khả năng ngắt dòng điện sạc khi ắc quy 12V đã được sạc đầy.
Hình 2.2 mô tả sơ đồ khối sạc cho ắc quy 12V từ ắc quy cao áp Chương này tập trung vào việc sạc liên thông từ nguồn điện bên ngoài, trong đó nguồn điện được chuyển đổi vào bộ xử lý trung tâm "Battery Charger Unit" Sau đó, điện năng sẽ được xử lý và truyền qua hai bộ trung gian.
“Electric Vehicle Computer” và “Protected Positive Battery” Nhờ đó, điện áp đã được giảm xuống khoảng 14,2 đến 14,7V để có thể sạc lại cho ắc quy 12V Lúc này,
Việc sạc lại từ nguồn ắc quy cao áp được hỗ trợ bởi cảm biến dòng và nhiệt độ, đảm bảo chức năng sạc diễn ra an toàn và tự động ngắt khi ắc quy 12V đã được sạc đầy.
Hình 2.3: Sơ đồ khối sạc liên thông từ sạc ắc quy cao áp cho ắc quy 12V
2.1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC
Hầu hết các dòng xe điện điều có 2 hệ thống điện trên xe:
- Điện cao áp cung cấp năng lượng cho động cơ điện và máy nén, ngoài ra còn một số thiết bị khác sử dụng điện áp cao trên xe
- Điện 12V dùng để cung cấp cho các hệ thống phụ trợ trên xe như radio, đèn chiếu hậu, đèn đầu hay gạt mưa…
Mặc dù xe điện sử dụng ắc quy 12V, nhưng khi di chuyển xa, năng lượng của ắc quy này có thể không đủ để duy trì hoạt động của các thiết bị phụ trợ Do đó, cần có bộ chuyển đổi DC-DC để chuyển đổi điện áp cao từ ắc quy cao áp sang điện áp thấp, vừa có thể sạc cho ắc quy 12V vừa cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên xe Bộ chuyển đổi DC-DC này đóng vai trò cầu nối quan trọng giữa nguồn điện áp cao và nguồn điện 12V.
Hình 2.4: Mô hình hệ thống hai nguồn điện trên xe
Bộ chuyển đổi DC-DC được cấu tạo từ 3 bộ phận chính:
- Một mạch tạo dao động (Oscillator)
- Một máy biến áp (Step down transformer)
- Một mạch chỉnh lưu (Rectifier)
Hình 2.5: Cấu tạo của bộ chuyển đổi DC-DC
Mạch tạo dao động hoạt động như một vòng tuần hoàn kín, có nhiệm vụ bật - tắt bóng bán dẫn, thường là BJT hoặc MOSFET công suất lớn, cho phép đóng ngắt từ vài trăm đến vài nghìn lần mỗi giây Bộ tạo dao động này chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dạng xoay chiều (AC) một cách hiệu quả, với đầu ra là sóng vuông.
Hình 2.6: Mô hình mạch tạo dao động và dạng sóng đầu ra
Máy biến áp là thiết bị dùng để điều chỉnh mức điện áp, chủ yếu là giảm điện áp trong hệ thống điện Thiết bị này hoạt động với dòng điện xoay chiều (AC), trong đó cuộn dây sơ cấp là đầu vào và cuộn dây thứ cấp là đầu ra Khi dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra từ trường thay đổi liên tục, dẫn đến việc các đường sức từ di chuyển và sinh ra dòng điện ở cuộn thứ cấp.
Hình 2.7: Ký hiệu và nguyên lí hoạt động của máy biến áp
Ắc quy cao áp trên Renault ZOE 2020
2.2.1 Đặc điểm ắc quy cao áp Ắc quy cao áp là một trong những thiết bị lưu trữ năng lượng ở dạng hóa học Khi được kết nối với một mạch điện, năng lượng bên trong nó được biến đổi thành năng lượng điện và thực hiện những công việc khác nhau
Các hãng xe thường lắp đặt ắc quy cao áp ở nhiều vị trí khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng, hình dạng, kích thước và chiều cao của ắc quy.
- Bên dưới gầm xe ở vị trí trung tâm
- Bên dưới gầm xe gần phía đuôi xe
Renault ZOE 2020 được thiết kế với ắc quy cao áp đặt dưới gầm xe, cụ thể là bên dưới ghế hành khách ở khu vực trung tâm Vị trí này giúp cân bằng trọng lượng giữa phía trước và phía sau, duy trì khối lượng trọng tâm thấp, từ đó tối ưu hóa khả năng bám đường và mang lại sự ổn định tuyệt vời cho xe.
Ắc quy cao áp là nguồn cung cấp năng lượng chính cho động cơ điện của xe điện và xe lai, thường là ắc quy Lithium-ion có khả năng sạc lại, với dung lượng và công suất cao Khác với ắc quy khởi động của xe động cơ đốt trong, ắc quy cao áp được thiết kế để cung cấp năng lượng lâu dài và thuộc loại ắc quy chu kỳ sâu Đặc điểm nổi bật của ắc quy cao áp là tỷ lệ công suất trên trọng lượng và mật độ năng lượng cao, giúp giảm trọng lượng xe và cải thiện hiệu suất Tuy nhiên, so với nhiên liệu lỏng như xăng dầu, mật độ năng lượng của các công nghệ ắc quy cao áp hiện tại vẫn còn thấp, ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động toàn điện tối đa của xe.
Các loại ắc quy cao áp phổ biến nhất trong xe điện hiện đại là Lithium-ion và Lithium polymer, nhờ vào mật độ năng lượng cao và trọng lượng nhẹ Ngoài ra, xe điện còn sử dụng các loại ắc quy có thể sạc lại khác như axit-chì (bao gồm axit-chì "ngập nước", chu kỳ sâu và được điều chỉnh bằng van), niken-cadmium, niken-hydrua kim loại, cùng với các loại ít phổ biến hơn như kẽm-không khí và ắc quy niken natri clorua.
17 điện tích) được lưu trữ trong ắc quy được đo bằng Ampe-giờ(Ah) hoặc bằng coulombs (C) với tổng năng lượng thường được đo bằng KWh
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của các dòng ắc quy dùng làm ắc quy cao áp
Meterial of the negative electrode
Sodium Graphites, nitrides and lithium alloys Meterial of the positive electrode
Nickel Lithium cobatl oxide, vanadium oxide… Electrolyte Sulphuric acid
Organic solvent + Lithium salt Energy/Weight
Self – discharge per month (% of total)
2.2.2 Đặc điểm của pin Lithium Nickel Mangan Coban Oxit – NMC
Hệ thống Lithium-ion nổi bật nhất hiện nay là sự kết hợp giữa niken, mangan và coban (NMC) Giống như Li-mangan, các hệ thống này có thể được tùy chỉnh để hoạt động như tế bào năng lượng.
Pin NMC dạng trụ 18650 có dung lượng khoảng 2.800mAh, cung cấp dòng tải từ 4A đến 5A, trong khi pin NMC tối ưu hóa cho nguồn điện cụ thể chỉ có dung lượng 2.000mAh nhưng cho dòng xả liên tục lên tới 20A Cực dương làm từ silicon có thể đạt dung lượng 4.000mAh, tuy nhiên khả năng tải giảm và tuổi thọ ngắn hơn Việc thêm silicon vào graphite gây ra sự phát triển và co lại của cực dương trong quá trình sạc và xả, dẫn đến sự không ổn định về mặt cơ học của tế bào.
Bí mật của pin NMC nằm ở sự kết hợp giữa niken và mangan, tương tự như muối ăn với hai thành phần natri và clorua Niken có năng lượng riêng cao nhưng tính ổn định kém, trong khi mangan hỗ trợ trong việc hình thành cấu trúc "Spinel" Sự kết hợp này giúp nâng cao sức mạnh và hiệu suất của pin.
Pin NMC là lựa chọn phổ biến cho công cụ điện, xe điện và các hệ thống truyền động điện khác, với cấu trúc cực âm gồm một phần ba niken, một phần ba mangan và một phần ba coban, được gọi là tỉ lệ 1-1-1 Tuy nhiên, do coban có giá thành cao và nguồn cung hạn chế, các nhà sản xuất pin đang nỗ lực giảm hàm lượng coban trong sản phẩm của mình.
Sự kết hợp NCM532 với tỷ lệ 5 phần niken, 3 phần coban và 2 phần mangan đã chứng minh thành công trong việc phát triển pin lithium-ion Ngoài ra, các kết hợp như NMC622, NMC712 và tiềm năng NMC811 cũng được sản xuất bởi LG Chem Lượng coban trong các hợp chất này được duy trì ổn định, trong khi niken đóng vai trò là vật liệu hoạt động năng lượng cao Việc áp dụng các chất điện phân và phụ gia mới cho phép pin sạc lên đến 4,4V/cell hoặc cao hơn, từ đó nâng cao công suất của pin NMC.
Hình 2.11: Đặc tính của pin NMC so với những loại khác
Pin NMC nổi bật với hiệu suất tổng thể và khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội, khiến chúng trở thành lựa chọn hàng đầu cho xe điện Đặc biệt, loại pin này có tỷ lệ nóng lên thấp nhất, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.
Hình 2.12: So sánh thành phần bên trong các loại pin NMC
Bảng 2.4: Bảng tóm tắc thông số kỹ thuật của pin NMC
Lithium Nickel Mangan Coban Oxit:
LiNiMNnCoO 2 : Cực âm, cực dương bằng than chì
Ký hiệu: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN tương tự với các kết hợp kim loại khác nhau) kể từ năm 2018 Điện áp 3.60V (thực tế), 3.70V (danh định)
Dãy điện áp điển hình 3.0 - 4.2V/cell hoặc cao hơn
Sạc (C-rate) 0.7-1C, sạc đến 4.20V, một số loại đến 4.30V, sạc điển hỉnh khoảng 3h Dòng sạc trên 1C có thể làm giảm tuổi thọ pin
Xả (C-rate) 1C, 2C/cell, tới khi cell còn khoảng 2.50V
Chu kỳ 1000-2000 ( liên quan đến độ xả sâu, nhiệt độ)
Bảng 2.5: Bảng giá trị C- rate của pin
Pin này hoạt động tương tự như pin Lithium-ion thông thường, với điểm khác biệt nằm ở cực âm Quá trình diễn ra giữa cực âm và cực dương liên quan đến sự dịch chuyển điện tích Khi pin được sử dụng, điện tích sẽ giảm dần và dẫn đến việc pin không còn đủ năng lượng để hoạt động Khi kết nối với nguồn điện để sạc, pin sẽ được phục hồi năng lượng.
Pin sẽ cung cấp lại các điện tích âm thiếu hụt sau quá trình sử dụng Khi số lượng ion đạt đến mức bão hòa, viên pin sẽ được sạc đầy Nguyên lý này diễn ra lặp đi lặp lại trong quá trình xả và nạp pin.
Theo lý thuyết, tuổi thọ của pin Lithium-ion có thể kéo dài vô hạn nếu được xả và nạp điện đúng cách, và cũng phụ thuộc vào dung lượng của pin Tuy nhiên, trong thực tế, theo thời gian sử dụng, pin Lithium-ion sẽ xuất hiện dấu hiệu chai, dẫn đến giảm chất lượng và tuổi thọ sau mỗi lần sạc đầy.
Hình 2.12: Sơ đồ diễn ta quá trình sạc và xả của pin Lithium-ion
2.2.3 Cấu tạo ắc quy cao áp Renault ZOE 2020 Đối với xe điện Renault ZOE 2020 xe được trang bị ắc quy ZE50 hoàn toàn khác so với thế hệ ZOE với trước đây là loại ắc quy 43KWh (9/2016) do Imecar Elektronik Turkey và Renault Turkey cùng sản xuất, việc thay đổi các ô định dạng 18650 dạng cell hình trụ được sử dụng là những cell pin màu xanh lá cây phổ biến do Panasonic sản xuất, loại NCR18650 (3,400 mAh) Chúng ta đang nói về hơn 3.400 cell được sử dụng trong bộ ắc quy cao áp Nếu chúng ta xem xét rằng bộ ắc quy có dung lượng 43.000 Wh và mỗi cell có 12,41Wh (3.65 V x 3.4 Ah), thì nó cần 3,465 cell, hay thế hệ ZE40 (6/2018) có cell dạng tấm và chất hóa học cực âm là NCM622
Các chế độ sạc ắc quy cao áp của Renault ZOE 2020
Hệ thống điện cao áp trên xe điện tiêu hao năng lượng liên tục khi xe hoạt động, yêu cầu ắc quy cao áp phải được sạc lại sau mỗi chuyến đi dài hoặc khi không sử dụng trong thời gian dài Việc sạc ắc quy cao áp có nhiều phương thức, nhưng chủ yếu được chia thành hai loại chính.
- Sạc do phanh tái sinh
- Sạc bằng nguồn điện bên ngoài xe Ở chương này chỉ đề cập đến việc sạc bằng nguồn điện bên ngoài xe theo tiểu chuẩn thế giới
Chúng ta sẽ khám phá các chế độ sạc điện được IEC chỉ định trong tiêu chuẩn IEC 61851-1, liên quan đến hệ thống sạc dẫn điện cho xe điện Tiêu chuẩn này mô tả bốn chế độ sạc: chế độ 1, 2, 3 và 4, mặc dù một số chế độ có thể bị cấm ở một số quốc gia.
IEC đã phát triển nhiều tiêu chuẩn liên quan đến công nghệ sạc điện, bao gồm IEC 62196, đề cập đến phích cắm, ổ cắm và đầu nối xe, và IEC 61980, tập trung vào sạc không dây (WPT) cho xe điện Đặc biệt, tiêu chuẩn sạc bằng nguồn điện bên ngoài xe cũng được quy định cho mẫu xe Renault ZOE.
Năm 2020, Renault ZOE được phân loại thành 4 chế độ sạc khác nhau: Ổ cắm gia đình (Domestic Socket), Bộ sạc tường tại nhà (Home Wallbox), Sạc công cộng (Public Charger) và Sạc nhanh DC (DC Fast Charger) Mặc dù có tên gọi khác nhau, tất cả các chế độ này đều tuân theo tiêu chuẩn của IEC.
Thời gian hiển thị trong các chế độ sạc của Renault ZOE bản ZE50 (2020) chỉ mang tính chất hướng dẫn, vì xe hiếm khi cần sạc từ 0% Thời gian sạc có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, thiết bị phụ tải trong xe, và các hạn chế về mức sạc để bảo vệ ắc quy khỏi hư hỏng, cũng như tốc độ sạc sẽ chậm lại khi đạt mức tối đa.
Hình 2.18: Các chế độ sạc của xe điện
2.3.1 Domestic Soket: 3-pin plug socket (max 3kW) - Chế độ sạc tại nhà
Có thể sạc ô tô điện tại nhà bằng cách sử dụng điểm sạc chuyên dụng, giúp đảm bảo hiệu quả và an toàn Sử dụng phích cắm 3 chân tiêu chuẩn chỉ nên được xem là phương án cuối cùng.
Sạc xe điện có thể thực hiện giống như sạc điện thoại di động, bằng cách cắm qua đêm Tuy nhiên, nên hạn chế việc sạc qua đêm để đảm bảo khả năng xử lý các tình huống khẩn cấp kịp thời.
Cáp sạc 3 chân thường được coi là lựa chọn sạc tạm thời, tuy nhiên chúng không được thiết kế để chịu tải sạc cần thiết và không nên sử dụng trong thời gian dài.
Sạc ba chân thường chỉ được khuyến nghị là phương án cuối cùng bởi vì một số ổ cắm không thích hợp cho việc sử dụng lâu dài, đặc biệt là với cáp kéo dài Bộ sạc này nên được sử dụng như một lựa chọn khẩn cấp hoặc khi bạn đến những nơi không có bộ sạc riêng Đối với sạc ổ cắm gia đình, nó có thể áp dụng cho hai nguồn điện áp là 110V (tại các nước Châu Âu) và 220V (tại Việt Nam).
Hình 2.19: Mô hình chế độ sạc tại nhà
30 Đây là tốc độ sạc chậm nhất có thể - ắc quy dung lượng lớn như trên Renault ZOE sẽ mất hơn 30 giờ để sạc đầy từ khi cạn
Hình 2.20: Thời gian sạc bằng chế độ tại nhà của Renault ZOE 2020
2.3.2 Home Wallbox (3kW – 22kW) – Hộp treo tường
Home Wallbox là trạm sạc cho xe điện, được thiết kế dưới dạng hộp cố định gắn vào tường Thiết bị này có thể được lắp đặt trong nhà để xe của cá nhân, chung cư hoặc doanh nghiệp, mang lại sự tiện lợi cho việc sạc xe điện.
Hộp âm tường gia đình là thiết bị kết nối trực tiếp với nguồn điện trong nhà, thường được lắp đặt bởi các công ty chuyên cung cấp hoặc các thợ điện có chứng chỉ.
Hình 2.21: Hộp âm tường của hãng Chargemaster
Các hộp âm tường gia đình cơ bản nhất có thể sạc ở mức 3kW, tương đương với ổ cắm điện thông thường
Hầu hết các ngôi nhà sử dụng kết nối một pha, trong khi một số cơ sở kinh doanh hiện đại có kết nối ba pha Kết nối ba pha có khả năng hỗ trợ các hộp treo tường với công suất lên đến 11kW hoặc 22kW, tuy nhiên, điều này rất hiếm gặp ở các hộ gia đình bình thường.
Để xác định xem nhà có nguồn điện ba pha hay không, bạn có thể kiểm tra số lượng cầu chì 100A trong hộp cầu chì Nếu chỉ có một cầu chì, nghĩa là nguồn điện đang sử dụng là một pha; ngược lại, nếu có ba cầu chì, điều đó cho thấy nhà đang sử dụng nguồn điện ba pha.
Hộp treo tường có hai loại: có dây kèm theo và không dây kèm theo Loại có dây kèm theo có dây được gắn cố định trong thiết bị, trong khi loại không dây chỉ có ổ cắm sạc và sử dụng cáp sạc của xe Mặc dù hộp không có dây kèm theo giúp tiết kiệm không gian khi treo trên tường, người dùng cần phải mang theo cáp sạc trong xe.
Chế độ sạc này có tốc độ nhanh hơn so với chế độ sạc từ ổ cắm gia đình, tuy nhiên vẫn chậm Đối với ắc quy dung lượng lớn của Renault ZOE, thời gian sạc để đạt 80% từ mức cạn vẫn mất hơn 7 giờ.
Hình 2.22: Thời gian sạc chế độ hộp âm tường của Renault ZOE 2020
Có rất nhiều lợi ích cho chủ sở hữu của xe điện đã chọn một hộp Wallbox tại nhà, ví dụ như:
Hệ thống quản lý nhiệt ắc quy cao áp Renault ZOE 2020 (BTMS)
2.4.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền và hoạt động của ắc quy Li-ion
Xe điện sử dụng một bộ ắc quy lớn để lưu trữ năng lượng, cho phép nạp năng lượng từ phanh tái sinh hoặc lưới điện Năng lượng này được xả ra để cung cấp điện cho xe và các phụ kiện, với thông số được đo bằng dòng điện và điện áp.
Dòng điện trong các cell ắc quy và hệ thống kết nối gây ra hiện tượng nóng, với nhiệt độ sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện và điện trở bên trong Khi dòng điện tăng cao, hiệu ứng làm nóng cũng gia tăng, được mô tả bởi công thức Q=I²Rt.
Hình 2.31: Sự phát sinh nhiệt bên trong cell pin
Quản lý nhiệt của hệ thống ắc quy trong xe điện đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì khả năng lưu trữ năng lượng, phạm vi lái xe, tuổi thọ của các cell và đảm bảo an toàn Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất của ắc quy chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ môi trường làm việc.
Hiệu suất của các cell ắc quy Lithium-ion chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ, đặc biệt là do hiệu ứng Goldilocks Khi nhiệt độ môi trường làm việc tăng cao, ắc quy sẽ gặp khó khăn hơn trong việc duy trì trạng thái sức khỏe (SOH) tối ưu.
Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của ắc quy, có thể giảm đến 2/3 trong điều kiện khí hậu nóng nếu lái xe quá nhanh mà không được làm mát hợp lý.
Khi ắc quy Lithium-ion hoạt động ở nhiệt độ môi trường thấp trong thời gian dài, sẽ hình thành các “Đuôi gai” Lithium trên cực dương, dẫn đến giảm nhanh chóng SOH của ắc quy Nếu nhiệt độ vượt quá điểm ổn định, các phản ứng tỏa nhiệt nghiêm trọng có thể xảy ra không kiểm soát Đặc biệt, khi ắc quy gặp hiện tượng thoát nhiệt, chỉ cần 12% tổng lượng nhiệt tỏa ra cũng đủ kích hoạt quá trình thoát nhiệt ở các ắc quy liền kề, tạo ra rủi ro lớn trong quá trình sử dụng hệ thống ắc quy lithium-ion.
Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến độ bền của ắc quy Lithium-Ion; môi trường quá nóng có thể gây phồng thể tích và phân bố nhiệt độ không đồng đều, dẫn đến ứng suất nhiệt và sức căng không ổn định Những hiện tượng này đều ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ của ắc quy Hơn nữa, ngắn mạch và quá nhiệt có thể gây thoát nhiệt, dẫn đến phản ứng tỏa nhiệt nghiêm trọng, bao gồm phân hủy lớp điện, phản ứng ở điện cực âm, phân hủy chất điện ly và phản ứng ở điện cực dương.
Lớp bảo vệ sẽ bị phân hủy khi nhiệt độ đạt 100℃, trong khi chất phân tách sẽ tan chảy và co lại ở khoảng 143℃ Sự thoát nhiệt bắt đầu diễn ra khi nhiệt độ vượt quá 180℃ Nếu gặp lửa, tình trạng này có thể trở nên nghiêm trọng hơn.
Quá trình điện phân có thể tạo ra oxy và gây ra tình trạng nổ, làm gia tăng mức độ nguy hiểm Việc giải phóng nhanh chóng một lượng lớn năng lượng cùng với khí độc không chỉ đe dọa an toàn của ắc quy mà còn ảnh hưởng đến khu vực hành khách trong xe.
Để ngăn ngừa hư hỏng cho ắc quy cao áp trong quá trình sạc nhanh ở nhiệt độ môi trường thấp, cần thiết phải sưởi ấm các cell, vì nội trở của cell tăng lên khi nhiệt độ giảm Việc bổ sung các thành phần kiểm soát nhiệt là quan trọng để tạo ra điều kiện làm việc tối ưu cho ắc quy cao áp, và hệ thống quản lý nhiệt ắc quy (BTMS) đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
BTMS là thành phần cần thiết của hệ thống ắc quy lithium-ion, đặc biệt là ở nhiệt độ môi trường cao Có hai chức năng chính của BTMS:
1 Giữ cho ắc quy hoạt động trong các điều kiện thích hợp và cải thiện hiệu suất điện cũng như tuổi thọ của ắc quy
2 Ngăn chặn sự thoát nhiệt xảy ra và cải thiện độ an toàn
Hình 2.33: Khoảng nhiệt độ làm việc của ắc quy Lithium-Ion
Các cell của ắc quy Lithium không thể sạc nhanh khi nhiệt độ dưới 5 độ C và hoàn toàn không thể sạc khi nhiệt độ xuống dưới 0 độ C.
42 cũng bắt đầu xuống cấp nhanh chóng khi nhiệt độ của chúng trên 45 o C Chúng sẽ hoạt động hoàn hảo ở khoảng nhiệt độ từ 15 -35 o C
Để đảm bảo ắc quy cao áp hoạt động hiệu quả và bền bỉ, cần duy trì nhiệt độ trong phạm vi mong muốn và giảm thiểu sự phân bố nhiệt độ không đồng đều giữa các cell.
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động là 15-35°C
- Chênh lệch nhiệt độ nên nhỏ hơn 3-4°C
2.4.2 Hệ thống quản lý nhiệt ắc quy của Renault ZOE 2020
Hệ thống BTMS có khả năng quản lý nhiệt độ trung bình, nhiệt độ đầu vào, nhiệt độ đầu ra của chất làm mát và nhiệt độ của từng cell riêng lẻ Hệ thống này có thể hoạt động theo cách thụ động hoặc chủ động, với môi chất làm mát có thể là không khí, chất lỏng hoặc các dạng thay đổi pha khác.
Khác với các phương pháp làm mát khác, làm mát bằng không khí giúp ắc quy hoạt động ở nhiệt độ môi trường thoải mái, ngay cả khi nhiệt độ gần 0°C Hơn nữa, luồng không khí bên trong có thể bị ảnh hưởng bởi luồng không khí bên ngoài khi ô tô di chuyển, vì vậy cần xem xét vị trí thích hợp cho luồng không khí vào và ra để tránh cản trở từ môi trường bên ngoài.
Trên thị trường xe điện, nhiều thiết kế làm mát bằng không khí đã được phát triển, trong đó Nissan Leaf sử dụng hệ thống ắc quy làm mát bằng không khí thụ động, trong khi Nissan e-NV200 áp dụng hệ thống bán chủ động Đặc biệt, Renault ZOE 2020 sử dụng hệ thống làm mát ắc quy hoàn toàn chủ động với công nghệ tuần hoàn khí, giúp duy trì không khí sạch và ổn định nhiệt độ Hệ thống này bao gồm một đầu khí vào và hai đầu khí ra, cải thiện hiệu suất làm mát đáng kể, đồng thời thiết kế đường khí đến từng module ắc quy cao áp để thực hiện chức năng sưởi ấm, đảm bảo ắc quy luôn hoạt động trên 15°C trong điều kiện khí hậu lạnh.
43 buổi sáng và luôn đảm bảo ắc quy không vượt quá 40 o C khi môi trường bên ngoài và nhiệt độ trong xe ảnh hưởng
Hình 2.34: Mô hình hệ thống làm mát bằng không khí trên xe điện
Hình 2.35: Hệ thống làm mát không khí chủ động của Renault ZOE 2020
