TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ô nhiễm không khí được coi là một "kẻ giết người thầm lặng" bởi các chuyên gia môi trường Khí thải từ động cơ diesel của xe tải, tàu thuyền và thiết bị nông nghiệp đang gây ra những tác động nghiêm trọng đến sức khỏe con người, theo thông tin từ Hiệp hội Phổi.
Mỗi năm, bụi từ động cơ diesel gây ra khoảng 15.000 ca tử vong ở trẻ em trước tuổi trưởng thành tại Mỹ Để đối phó với ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu, xe điện và xe hybrid trở thành giải pháp hiệu quả, nhờ vào việc không thải khói bụi và giảm tiếng ồn Sự chuyển đổi từ phương tiện chạy bằng xăng truyền thống sang xe điện (EV) và xe hybrid (HEV) đang ngày càng trở nên phổ biến.
Mặc dù xe điện đang ngày càng phổ biến, nhưng vẫn chưa hoàn toàn chiếm được lòng tin của người tiêu dùng do hạn chế về thời gian sạc Một chiếc xe điện cần khoảng 7-8 giờ để sạc đầy, cho phép di chuyển từ 200-400 km, nhưng quãng đường này có thể giảm do điều kiện thời tiết và cách lái xe Ngược lại, xe chạy xăng chỉ mất 5-7 phút để đổ xăng và có thể di chuyển gần 1000 km Dù một số hãng như Tesla và Nissan đã áp dụng công nghệ sạc nhanh, người dùng vẫn phải mất 20-30 phút để sạc đạt 80-90% dung lượng pin.
Trong tương lai, công nghệ sản xuất pin sẽ là yếu tố quyết định mà các hãng xe cần sở hữu để chiếm lĩnh thị trường xe năng lượng sạch Điều này cho thấy vai trò ngày càng quan trọng của pin trong ngành công nghiệp ô tô Chính vì vậy, chúng tôi đã chọn nghiên cứu đề tài “Các loại pin trên ô tô điện” nhằm đóng góp vào nền tảng kiến thức chuyên ngành ô tô tại Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Lịch sử và sự phát triển của ô tô điện.
Cấu tạo, hệ thống truyền động, công nghệ pin của các dòng ô tô điện.
Lịch sử, sự phát triển, công dụng của pin và ắc quy trên ô tô điện.
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính các loại pin, ắc quy trên ô tô điện.
Mục tiêu và nhiêm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu và xây dựng kiến thức về các loại pin, ắc quy trang bị trên ô tô điện. Nhiệm vụ:
Làm tài liệu tham khảo
Góp phần vào nền tảng kiến thức chuyên môn về ô tô điện
Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành đề tài, chúng em đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu, chủ yếu là tham khảo tài liệu và thu thập thông tin từ internet Chúng em cũng đã tham khảo kiến thức từ thầy cô và những người có kinh nghiệm chuyên môn Dựa trên những thông tin thu thập được, chúng em đã hình thành đề cương và hoàn thành đề tài.
Kế hoạch thực hiện
Thu thập tài liệu từ internet, sách tham khảo, thư viện v.v
Phân tích nghiên cứu tài liệu dựa trên yêu cầu của đề tài
Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn
Chọn lọc sắp xếp kiến thức
Viết thuyết minh và soạn bài trình chiếu
Hướng dẫn, chỉnh sửa của giáo viên hướng dẫn
Ô TÔ ĐIỆN VÀ CÔNG NGHỆ PIN TRÊN Ô TÔ ĐIỆN
Ô tô điện
2.1.1 Lịch sử ô tô điện – sự trở lại của ô tô điện Đầu tiên không phải đến gần đây, thế giới mới ghi nhận sự ra đời của các loại xe ôtô chạy năng lượng điện – EV Chiếc xe ô tô điện đầu tiên đã được phát minh vào năm
Hình 2.1 EV của Thomas Davenport (1834)
Mặc dù xe điện (EV) đã xuất hiện từ sớm với những mẫu như Peugeot VLV năm 1941 và Ford Transit năm 1970, nhưng phải đến gần đây, EV mới thực sự quay trở lại thị trường ô tô và thu hút sự chú ý của công chúng Điều này có thể được giải thích bởi nhiều yếu tố khác nhau.
Trong giai đoạn đầu của sự ra đời của xe điện (EV), giá xăng dầu rất thấp và các vấn đề ô nhiễm môi trường chưa được chú trọng, dẫn đến việc xe ô tô sử dụng động cơ truyền thống chiếm ưu thế lớn so với EV.
Thêm vào đó, giai đoạn này, chưa có sự đột phá trong công nghệ pin và ắc quy.
Các loại xe điện (EV) hiện nay chủ yếu sử dụng ắc quy axit chì, dẫn đến hiệu năng hạn chế, dung lượng kém và quãng đường di chuyển ngắn hơn so với xe truyền thống Hơn nữa, ắc quy axit chì còn gặp nhiều vấn đề về sự xuống cấp, ảnh hưởng đến hiệu suất của xe.
Tất cả các ý trên dẫn đến sự biến mất của EV trong giai đoạn 1921-1990 Từ năm
Từ năm 1990, sự phát triển công nghệ sản xuất pin, đặc biệt là pin li-ion, cùng với sự gia tăng tình trạng nóng lên toàn cầu và ô nhiễm môi trường đã khiến việc giảm lượng khí thải từ phương tiện giao thông trở nên cấp thiết Sự trở lại của các dòng xe điện (EV) đã trở thành một bước phát triển bắt buộc để đối phó với những thách thức này.
Sự giảm sút lượng dự trữ dầu và sự bất ổn của giá dầu đã thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô chuyển mình để thích ứng với tình hình mới Gần đây, chúng ta đã quen thuộc hơn với các khái niệm như xe điện (EV), xe lai (HEV), xe lai cắm điện (PHEV), mẫu xe Range Extender với bình xăng bổ sung, và xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV).
Hình 2.2 Bản đồ phát triển dòng EV
Bước vào những năm 2000, thế giới chứng kiến sự bùng nổ của dòng xe năng lượng sạch như EV, HEV, và FCV Mặc dù hiện tại vẫn chiếm thị phần nhỏ hơn so với xe xăng và diesel truyền thống, nhưng sự chuyển đổi sang xe năng lượng sạch là điều tất yếu Trong tương lai gần, những mẫu xe này sẽ thay thế hoàn toàn các loại xe truyền thống.
2.1.2 Ưu điểm của ô tô điện
2.1.2.1 Tích cực bảo vệ nguồn năng lượng- giảm thiểu biến đổi khí hậu
Hiện nay, nhân loại đối mặt với viễn cảnh u ám của trái đất do ô nhiễm môi trường gia tăng, hiện tượng nóng lên toàn cầu và tình trạng cạn kiệt nhanh chóng của nhiên liệu hóa thạch.
Ô nhiễm không khí do khí thải từ xe cơ giới là một trong những nguồn ô nhiễm lớn nhất và nguy hại nhất, đặc biệt tại các khu vực đô thị Các chất ô nhiễm như CO, HC, NOx, SOx, Pb và bụi mịn đều phát sinh từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ, chủ yếu là động cơ xăng và diesel.
Xe điện thuần túy gần như không gây ô nhiễm không khí và hoàn toàn không thải ra khí độc hại cho môi trường Mặc dù tiêu thụ điện năng từ các nhà máy điện, nhưng lượng khí thải từ xe điện vẫn thấp hơn so với ô tô truyền thống do hiệu suất chuyển đổi năng lượng của nhà máy phát điện cao hơn Do đó, nghiên cứu và phát triển động cơ điện là một bước tiến quan trọng trong nỗ lực bảo vệ "hành tinh xanh".
2.1.2.2 Không gây ô nhiễm tiếng ồn
Tiếng ồn và chấn động khi di chuyển của xe điện (EV) thấp hơn so với các động cơ đốt trong, mang lại sự thoải mái cao hơn khi lái xe, đặc biệt ở tốc độ thấp và chế độ nghỉ Khi xe chạy nhanh hơn, âm thanh từ lốp và gió trở thành nguyên nhân chính gây tiếng ồn Đặc điểm này của xe EV góp phần quan trọng vào việc giảm ô nhiễm tiếng ồn.
Xe điện tiêu thụ 15-20 kWh cho mỗi 100 km, tương đương với 7 kg than sau khi tính tổn thất từ nhà máy điện và động cơ Trong khi đó, xe truyền thống tiêu thụ khoảng 10L nhiên liệu cho cùng quãng đường, tương đương với 10 kg năng lượng Đặc biệt, trong môi trường đô thị, lợi thế tiết kiệm năng lượng của xe ô tô điện ngày càng được đánh giá cao và mở rộng.
Hình 2.3 Nạp năng lượng cho EV 2.1.2.4 Kết cấu đơn giản, tiện lợi bảo dưỡng sửa chữa
Khi so sánh khung gầm và động lực của xe ô tô điện với xe truyền thống, ta nhận thấy rằng kết cấu của xe ô tô điện đơn giản hơn nhiều Xe ô tô điện không cần các cấu trúc phức tạp và không gian cho hệ thống khí thải lớn, giúp việc bảo trì trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn Điều này cũng đồng nghĩa với việc không gian bên trong xe được mở rộng, đồng thời xe ô tô điện có khả năng dễ dàng tích hợp hệ thống chuyển động bốn bánh.
Hình 2.4 Kết cấu chung của EV
2.1.3.1 Khái quát Đây là loại xe không bao gồm động cơ xăng hay diesel mà chạy hoàn toàn bằng nguồn năng lượng được cung cấp từ pin Ví dụ như chiếc Nissan Leaf, mẫu xe chạy hoàn toàn bằng điện của hãng xe đến từ Nhật Bản.
Hình 2.5 Mẫu xe Nissan Leaf 2.1.3.2 Các cấu hình truyền động chính của EV
Có hai cấu hình truyền động trên EV hiện nay Đầu tiêng là loại EV có một động cơ điện.
Hình 2.6 Hệ thống truyền động của EV có một động cơ điện
Trong hình 2.6, ta có thể thấy được cấu tạo hệ truyền động của phần lớn EV trên thị trường hiện nay.
So sánh với loại có hai động cơ điện nằm ở hai bánh xe chủ động là hình 2.7
Hình 2.7 Hệ thống truyền động của EV có hai động cơ điện
Trong hình 2.6, chúng ta có thể thấy.
Động cơ điện (EM) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động cho bánh xe thông qua bộ vi sai Có hai loại động cơ điện chính là động cơ đồng bộ 3 pha và động cơ không đồng bộ 3 pha Bộ điện tử công suất có chức năng chuyển đổi dòng điện DC thành AC để điều khiển hoạt động của động cơ điện.
Nguồn cung cấp năng lương cho EV, là trái tim của EV mà trong trường hợp này là bộ pin Pin có thể là loại Li-ion, NiMH, v.v
Bộ điện tử công suất giúp biến chuyển dòng điện AC/DC cho việc sạc pin.
Công nghệ pin trên ô tô điện
2.2.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của pin
Vào năm 1800, nhà bác học người Ý Alessandro Volta đã sáng chế ra viên pin đầu tiên, được cấu tạo từ các cặp cực hình tròn làm từ đồng (Cu) và kẽm (Zn), xen kẽ bởi một lớp vải tẩm axit xitric.
Hình 2.20 Allessandro Volta và miêu tả sơ đồ pin do ông chế tạo vào năm 1800
Sau 60 năm, Gaston Plante đã phát minh ra ắc quy điện đầu tiên có khả năng sạc Mẫu sáng chế của ông bao gồm hai lá đồng được ngăn cách bởi một lớp vải lanh ngâm trong dung dịch axit sulfuric (H2SO4).
Hình 2.21 Gaston Planté và mẫu pin có thể sạc do ông sáng chế vào năm 1860
Vào năm 1880, Camille Faure đã phát minh ra việc phủ một lớp oxit đồng lên các cực của pin, tạo ra loại pin có nhiều điểm tương đồng với pin hiện đại Đồng thời, Henri Tudor, một thương nhân người Luxembourg, là người đầu tiên phát triển kinh doanh trong lĩnh vực năng lượng này.
Sự phát triển của ắc quy axit chì đã mang lại giải pháp hiệu quả cho ngành công nghiệp ô tô trong việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện trên xe như hệ thống sưởi và đèn, mà không cần phải phụ thuộc vào động cơ.
Với những hạn chế về kỹ thuật, ắc quy chì không còn là lựa chọn phù hợp cho sự chuyển mình của ngành công nghiệp ô tô sang công nghệ điện tiên tiến Để đáp ứng nhu cầu cấp bách này, nhiều dự án nghiên cứu và phát triển công nghệ pin mới đã được triển khai, mở ra cơ hội cho sự ra đời của các dòng xe không ô nhiễm như xe hybrid và xe điện (EV).
Trước khi công nghệ pin Li-ion trở thành tiêu chuẩn hiện nay, nhiều loại pin khác đã đóng góp quan trọng, như pin của Honda EV Plus và chiếc Lunar Rover của NASA.
Hình 2.22 Chiếc Lunar Rover dùng để di chuyển trên mặt trăng trong nhiệm vụ Apollo
2.2.1.2 Công dụng của ắc quy, pin trên ô tô điện
Ắc quy axít chì vẫn là loại ắc quy phổ biến nhất trên ô tô, thường có điện áp 12V/14V và được lắp đặt dưới nắp capô Chức năng chính của ắc quy này là cung cấp năng lượng khởi động cho động cơ thông qua một động cơ điện.
Bình ắc quy không chỉ cung cấp năng lượng cho hệ thống điện và điện tử trên xe, mà còn duy trì hoạt động của các thiết bị ở chế độ chờ khi xe dừng Ắc quy axit chì được sử dụng phổ biến trên hầu hết các loại xe nhờ vào giá thành thấp và quy trình sản xuất đơn giản.
Tuy ắc quy chì đã được sử dụng rộng rãi, nhưng hiệu năng hạn chế của nó khiến tính ứng dụng không cao, không đáp ứng được yêu cầu của các thế hệ xe mới Ắc quy chì chỉ phù hợp với xe lai cấp độ micro, hỗ trợ động cơ xăng trong những tình huống tăng tốc hoặc hấp thụ năng lượng khi phanh Để nâng cao hiệu suất cho xe lai và xe điện (EV), các kỹ sư đang chuyển sang kết hợp ắc quy chì với ắc quy Li-ion hoặc hoàn toàn chuyển sang sử dụng ắc quy Li-ion.
Pin Li-ion nguyên khối 400V là trái tim của xe ô tô điện, đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành Với nguồn pin dồi dào, xe có khả năng di chuyển xa hơn và cải thiện tính năng vận hành, mang lại cảm giác thoải mái cho người lái.
Trong tương lai, công nghệ sản xuất pin sẽ trở thành yếu tố quyết định cho các hãng xe muốn chiếm lĩnh thị trường xe năng lượng sạch Điều này cho thấy vai trò ngày càng quan trọng của pin trong ngành công nghiệp ôtô.
Năng lượng tiêu thụ trung bình của xe điện nặng 1 tấn là khoảng 15-20 kWh cho 100 km, trong khi chi phí lưu trữ 1 kWh trong pin Li-ion dao động từ 500-1000 euros, cao hơn nhiều so với 1 lít xăng Vấn đề lớn nhất cản trở doanh số xe điện hiện nay là thời gian sạc pin lâu và quãng đường di chuyển ngắn so với xe chạy xăng, điều này cũng lý giải cho sự biến mất của xe điện trên đường phố từ những năm 1920 đến 1960.
Một chiếc xe điện cần khoảng 6-8 giờ để sạc đầy pin hoặc chỉ 30 phút tại trạm sạc nhanh Tùy thuộc vào loại xe, một lần sạc có thể cho phép di chuyển từ 120-300 km, con số này khá khiêm tốn so với thời gian 5 phút để đổ đầy bình xăng.
Việc cải thiện khả năng của pin là rất quan trọng để thu hẹp khoảng cách giữa xe điện và xe xăng Các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang đầu tư vào việc tìm kiếm giải pháp và kỹ thuật mới trong sản xuất pin, nhằm phát triển loại pin đáp ứng yêu cầu của kỷ nguyên năng lượng sạch.
2.2.2.1 Khái quát Ắc quy axít chì : được ra đời vào năm 1859, có thể coi đây là kỹ thuật pin lâu đời nhất được dùng cho tới tận ngày nay Về nguyên lý hoạt động cơ bản, nó không khác nhiều so với mẫu pin đầu tiên được phát minh bởi Volta vào năm 1800.