TỔNG QUAN
Tình hình ô nhiễm không khí do phương tiện giao thông ở Việt Nam
Ô nhiễm giao thông đang trở thành một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn, theo Bộ Tài nguyên và Môi trường Sự gia tăng mật độ phương tiện giao thông ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và môi trường sống Các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ là nguồn phát thải ô nhiễm lớn nhất, với thống kê từ Hiệp hội Các nhà sản xuất xe máy Việt Nam cho thấy, năm 2017 có khoảng 3,3 triệu xe máy được bán ra, tăng gần 5% so với năm trước Tại Hà Nội, mỗi năm có gần 22.000 xe máy mới đăng ký, cho thấy sự gia tăng này vẫn tiếp diễn, khiến xe máy trở thành nguồn ô nhiễm chính hiện nay.
Các chuyên gia môi trường cho rằng, hoạt động giao thông vận tải đóng góp quan trọng vào phát triển kinh tế-xã hội, nhưng cũng gây ra nhiều vấn đề ô nhiễm không khí Các phương tiện giao thông thải ra lượng lớn bụi, CO, NOx, SOx, hơi xăng dầu và các chất độc hại khác, làm tăng ô nhiễm không khí hàng năm Chỉ cần một nửa số phương tiện hoạt động cũng đã thải ra lượng khí độc hại lớn, góp phần gây hiệu ứng nhà kính và các bệnh như viêm nhiễm đường hô hấp, hen suyễn, viêm phế quản mạn tính và viêm mũi.
Báo cáo cho thấy sự phát thải từ phương tiện cơ giới đường bộ phụ thuộc vào chất lượng xe Các phương tiện như ô tô và xe máy có chất lượng thấp sau nhiều năm sử dụng gây ô nhiễm nghiêm trọng do hiệu quả sử dụng nhiên liệu kém và nồng độ chất độc hại cao trong khí xả Đặc biệt, xe máy là nguồn chính phát thải các khí ô nhiễm như CO và VOC, trong khi xe tải và xe khách phát thải nhiều NO2.
Việt Nam đang đối mặt với áp lực ngày càng tăng về nguồn năng lượng từ tài nguyên hóa thạch, khi trữ lượng ngày càng suy giảm trong bối cảnh nhu cầu sử dụng gia tăng Việc khai thác hiện tại có thể khiến dầu mỏ chỉ đủ dùng trong khoảng 34 năm, khí thiên nhiên 63 năm và than đá chỉ còn 4 năm Hơn nữa, việc tiêu thụ năng lượng hóa thạch đang gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặt ra thách thức lớn cho nền kinh tế Việt Nam.
Chúng ta cần khẩn trương đưa ra các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên hóa thạch, nhằm bảo vệ và cải thiện môi trường sống, hướng tới một tương lai xanh và sạch hơn.
Một số biện pháp giải quyết vấn đề về môi trường
Việt Nam đang đối mặt với thách thức ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm không khí do hoạt động giao thông vận tải Giảm khí thải từ phương tiện giao thông là mục tiêu nghiên cứu của các nhà sản xuất ô tô và xe máy Để giảm ô nhiễm không khí, cần thắt chặt tiêu chuẩn khí thải đối với xe nhập khẩu và xe lưu hành, kiểm soát khí thải lưu động và mở rộng cơ sở kiểm định khí thải Đồng thời, cần tìm nguồn năng lượng mới thay thế nhiên liệu hóa thạch và cải tiến động cơ để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng Nhiều nghiên cứu cải tiến đã được thực hiện trong những năm gần đây.
+ Nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy của động cơ Diesel
Hệ thống đánh lửa đã được cải tiến từ kiểu truyền thống sang kiểu điều khiển bằng điện tử, cùng với việc nâng cấp từ chế hòa khí sang phun xăng điều khiển điện tử, nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
+ Nghiên cứu sử dụng nhiều loại nhiên liệu thay thế như: LPG (Liquidfied Petroleum Gas), methanol, ethanol, fuel cell, biodiesel, khí thiên nhiên, điện và năng lượng mặt trời
+ Nghiên cứu sử dụng nguồn động lực lai (Hybrid)
Các giải pháp hiện tại đều gặp khó khăn trong việc ứng dụng rộng rãi Xu hướng trang bị động lực lai (Hybrid) cho phương tiện giao thông đường bộ đang nổi bật, đặc biệt phù hợp với nước ta, nơi có nhiều xe gắn máy Việc sử dụng động cơ lai không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu khí thải ô nhiễm nhờ vào năng lượng thay thế xăng dầu, từ đó góp phần đảm bảo an ninh năng lượng Chính vì lý do này, công nghệ xe lai (Hybrid) đang được các hãng sản xuất ô tô trên toàn thế giới chú trọng nghiên cứu.
Các nghiên cứu liên quan
Trước thực trạng nhiên liệu và môi trường hiện nay, nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã được thực hiện liên quan đến xe gắn máy lai Những nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp chung cho loại phương tiện này, góp phần giải quyết vấn đề môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng.
1.3.1 Các nghiên cứu về xe gắn máy lai Đề tài “Thiết kế xe gắn máy Hybrid” [3] do GS.TSKH Bùi Văn Ga (Đại học Đà Nẵng) và ThS Nguyễn Quân (Cao đẳng Công nghiệp Huế) thực hiện được đăng tải trên tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 4/2009 Đề tài được xác định là thiết kế xe gắn máy Hybrid điện-gas với hai động cơ là động cơ điện công suất tổng cộng 1.500W và động cơ nhiệt 50cc chạy bằng LPG có tính năng vận hành phù hợp với điều kiện đường sá Việt Nam Xe không phát ô nhiễm khi chạy bằng điện và khi chạy bằng LPG, mức độ phát thải ô nhiễm của xe tối đa bằng 20% mức độ phát thải của xe gắn máy chạy bằng xăng cùng kích cỡ Việc đầu tư sản xuất loại xe này sẽ tạo ra sản phẩm công nghiệp đặc thù của Việt Nam và hứa hẹn một thị trường tiêu thụ rộng lớn trên thế giới
Theo nghiên cứu của Đào Trọng Cường và Lê Thanh Phúc đăng trên tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, nhóm tác giả đã cải tạo một chiếc xe tay ga Attila cũ bằng cách lắp thêm hệ thống truyền động từ động cơ điện 400W kết hợp với động cơ xăng Kết quả thực nghiệm cho thấy cả hai động cơ đều truyền moment quay đến trục bánh xe sau, tạo ra hiệu suất hoạt động tốt hơn cho xe gắn máy lai.
Xe sau khi lắp đặt hệ thống truyền động điện hoạt động ổn định và an toàn, giúp giảm phát thải và tiết kiệm khoảng 20% nhiên liệu so với xe chỉ sử dụng động cơ xăng Hệ thống truyền động của động cơ điện được thiết kế dưới dạng cụm chi tiết rời, dễ dàng lắp ráp vào xe máy Sau khi lắp thêm hệ thống này, trọng lượng xe tăng thêm 23 kg so với nguyên bản.
Luận văn thạc sĩ của tác giả Huỳnh Thịnh nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực cho xe máy lai xăng-điện, được cải tạo từ xe Honda Lead 110cc Xe được trang bị động cơ điện không chổi than ở bánh trước, trong khi bánh sau sử dụng hệ dẫn động nguyên bản Cả hai bánh có khả năng cung cấp công suất độc lập hoặc đồng thời, cho phép xe hoạt động hiệu quả trên đường Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink với thuật toán điều khiển phân phối công suất Rule-Based Control cho thấy xe lai có động lực học tương đương xe cơ sở, với mức tiêu thụ nhiên liệu chỉ tăng thêm 0,15l/100 km Khi xe hoạt động không có chế độ sạc, từ khi nạp accu đầy đến khi còn một nửa, xe tiêu thụ trung bình 2,38l/100 km trên quãng đường 84,8 km, thấp hơn 0,31l so với xe cơ sở.
Trong cuốn sách “Design and implementation of a novel hybrid electric motorcycle transmission”, tác giả Kuen-Bao Sheu và Tsung-Hua Hsu đã nghiên cứu một hệ thống truyền động cho xe gắn máy lai với bốn chế độ hoạt động: động cơ điện, động cơ xăng, tái sinh năng lượng, và chế độ điện năng Hệ thống này bao gồm động cơ điện kết hợp với máy phát và cơ chế chuyển đổi chế độ hoạt động thông qua bộ ly hợp cơ khí Tác giả Sheu đã thực hiện phân tích và mô phỏng hệ thống truyền động lai cùng hệ thống lưu trữ năng lượng bằng Mathlab-Simulink, nhằm tối ưu hóa khả năng phân phối năng lượng giữa các nguồn lực.
Trong bài báo nghiên cứu của Chris Mi (University of Michigan–Dearborn, USA),
M Abul Masrur (University of Detroit Mercy, USA) và David Wenzhong Gao (University of Denver, USA) lại đưa ra mẫu thiết kế ứng dụng chế độ “Master-Slave” cho xe Hybrid (HEV- Hybrid Electric Vehicle) [7] Mô hình sử dụng là xe gắn máy 50cc để thiết kế phù hợp với dòng xe 100cc Một motor phụ DC được sử dụng để theo dõi tốc độ quay của bánh
5 sau đồng thời cung cấp thêm moment xoắn thông qua bộ hợp lực cho bánh sau do đó công suất được gia tăng
Kuen-Bao Sheu đã thực hiện một nghiên cứu về "Phân tích và đánh giá hệ thống truyền tải cho xe scooter lai", trong đó ông phân tích hệ thống truyền động lai mới nhất kết hợp giữa động cơ điện và động cơ xăng Mục tiêu của nghiên cứu là giảm thiểu khí thải và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái sinh trong các chế độ hoạt động và hãm tái sinh Hệ thống này có ưu điểm là chỉ sử dụng một động cơ điện-máy phát điện kết hợp với cơ cấu bánh răng hành tinh, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ ly hợp truyền động phanh.
1.3.2 Các nghiên cứu về pin lithium-ion Đến thời điểm hiện tại, việc nghiên cứu và ứng dụng pin Li-ion thay thế cho accu không còn là một vấn đề mới nữa Từ khi pin Li-ion xuất hiện và phát triển thì đã có nhiều công ty, hãng xe đã nghiên cứu và ứng dụng nó làm bộ nguồn thay thế cho accu của nhiều loại xe lai Nhiều dòng xe điện, xe hybrid sử dụng bộ nguồn là pin Li-ion đã có mặt trên thị trường và tương lai sẽ còn phát triển mạnh hơn nữa
According to Peter Miller's article "Automotive Lithium-ion Batteries: State of the Art and Future Developments in Lithium-ion Battery Packs for Passenger Car Applications," published on January 10, 2015, specific statistics highlight the benefits of using lithium-ion batteries in hybrid and electric vehicles, as well as their future development potential The report outlines the various applications for automobiles and summarizes the distinct requirements for each type It demonstrates that lithium-ion batteries can serve as a significant power source for passenger vehicles, being particularly well-suited for Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEVs) and Electric Vehicles (EVs).
Động lực của đề tài
Hiện nay, ô nhiễm không khí và nóng lên toàn cầu đang là những vấn đề môi trường nghiêm trọng, với nguyên nhân chính đến từ chất thải của các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch Sự phát triển công nghiệp dẫn đến sự gia tăng đáng kể số lượng phương tiện giao thông chạy bằng động cơ đốt trong, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Việc bảo vệ môi trường và tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế là rất cần thiết, trong đó hai giải pháp hàng đầu hiện nay là xe sử dụng pin nhiên liệu (Fuel Cell Vehicle) và ô tô lai điện-nhiệt (Hybrid) Trong tương lai, nghiên cứu và phát triển các phương tiện dựa trên năng lượng tái tạo và sạch sẽ là hướng đi lý tưởng và bền vững Xe hybrid kết hợp ưu điểm của động cơ điện và động cơ nhiệt, mang lại hiệu suất cao và giảm thiểu ô nhiễm Công nghệ lai đang trở thành tiêu chí hàng đầu cho các nhà sản xuất toàn cầu Tại Việt Nam, xe gắn máy là phương tiện giao thông chủ yếu, nhưng lượng khí thải từ chúng đang ở mức cao Mặc dù giá cả hợp lý và tính cơ động, xe gắn máy vẫn cần được thay thế bằng xe máy lai để đáp ứng nhu cầu người dân, bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên nhiên liệu.
Nguồn điện cho xe máy hybrid hiện nay chủ yếu là accu chì-axit, một loại nguồn truyền thống với chi phí thấp Tuy nhiên, với sự phát triển công nghệ, pin lithium-ion đã xuất hiện và mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Qua nhiều năm nghiên cứu, pin Li-ion cho thấy mật độ năng lượng cao, khả năng hồi phục tốt, tuổi thọ chu kỳ dài và độ an toàn cao hơn so với accu chì-axit Do đó, việc thay thế accu chì-axit bằng pin lithium-ion trên xe hybrid hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích hơn.
Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.5.1 Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu, ứng dụng pin Li-ion thay thế cho accu chì-axit trên xe gắn máy lai
- Đánh giá tính khả thi của pin Li-ion khi thay thế accu chì-axit
1.5.2 Nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu về xe hybrid, các chế độ hoạt động của xe hybrid
- Tìm hiểu về accu chì-axit và pin lithium-ion
- Phân tích và chọn phương pháp bố trí, lắp đặt
- Tính toán và đánh giá kết quả
XE GẮN MÁY LAI VÀ CÁC BỘ NGUỒN CHO XE LAI
Tổng quan về xe hybrid
2.1.1 Khái niệm về xe hybrid
Xe hybrid là phương tiện sử dụng động cơ kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, mang lại nhiều lợi ích từ cả hai loại Nhờ sự kết hợp này, xe hybrid sở hữu ưu điểm của xe chạy bằng động cơ đốt trong và xe điện Hệ thống truyền lực của xe hybrid có thể được thiết kế theo các kiểu như nối tiếp, song song và phức hợp, tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Xe hybrid hoạt động bằng cách điều khiển các động cơ thông qua nhiều chế độ làm việc khác nhau, tùy thuộc vào tốc độ, tải trọng và gia tốc của xe Điều này mang lại nhiều lợi ích như giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu.
Hybrid vehicles can be categorized into four main types: Micro Hybrid, which utilizes a small electric motor; Mild Hybrid, featuring a more powerful electric motor that assists the combustion engine; Full Hybrid, capable of operating on electric power alone or in combination with the engine; and Plug-in Hybrid Electric, which allows for external charging of the battery to enhance electric-only driving range.
Xe lai bộ phận (Micro Hybrid) là những phương tiện sử dụng hệ thống khởi động để tự động tắt động cơ khi không hoạt động Tuy nhiên, Micro Hybrid không phải là xe lai thực sự vì chúng không sử dụng hai nguồn năng lượng khác nhau.
Xe lai bán phần (Mild Hybrid) là loại xe có động cơ đốt trong kết hợp với một máy điện, cho phép tắt động cơ khi xe đang xuống dốc, phanh hoặc dừng, nhưng có khả năng khởi động lại nhanh chóng Xe này sử dụng phanh tái sinh và cung cấp năng lượng hỗ trợ cho động cơ đốt trong, tuy nhiên, động cơ điện không thể tự vận hành xe mà không có sự hỗ trợ từ động cơ đốt trong.
Xe lai toàn phần (Full Hybrid) là loại xe có khả năng vận hành bằng động cơ đốt trong, động cơ điện, hoặc kết hợp cả hai Loại xe này có tính năng tự động tắt động cơ khi xuống dốc, phanh hoặc dừng, đồng thời khởi động nhanh và hỗ trợ tăng tốc Ngoài ra, Full Hybrid còn trang bị công nghệ phanh tái tạo năng lượng, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải.
Xe Plug-in Hybrid Electric (PHEV) là loại xe điện lai sử dụng pin có thể sạc lại từ nguồn điện bên ngoài, kết hợp với động cơ và máy phát điện Mặc dù phần lớn PHEV được thiết kế cho xe chở khách, nhưng cũng tồn tại các phiên bản PHEV cho xe thương mại, xe tải tiện ích, xe buýt, xe lửa, xe máy, xe tay ga và xe quân sự.
Hình 2.1: Phân loại các loại xe theo sử dụng năng lượng [9]
2 1.2 Hệ thống động lực xe hybrid điện
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống động lực xe hybrid điện
Ô tô hybrid thường sử dụng hai nguồn động lực chính để tối ưu hóa hiệu suất Hệ thống động lực của xe hybrid được thiết kế với bộ chuyển đổi động lực hai chiều nhằm thu hồi năng lượng phanh và năng lượng thất thoát dưới dạng nhiệt Hình 2.2 minh họa sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid, cho thấy mối quan hệ giữa năng lượng từ động cơ đốt trong và năng lượng từ động cơ điện.
Xe hybrid sử dụng hai nguồn động lực khác nhau, mang lại nhiều phương án phối hợp công suất linh hoạt để đáp ứng yêu cầu tải Sự đa dạng trong chế độ hoạt động giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm phát thải, vượt trội hơn so với xe chỉ sử dụng một loại nguồn động lực Để đạt được hiệu quả tối ưu, cần có cấu hình và hệ thống điều khiển phù hợp, đồng thời xem xét các yếu tố như vật liệu, đặc tính hiệu quả của hệ thống động lực và đặc tính tải.
Các phương án phối hợp công suất với nguồn năng lượng là động cơ đốt trong và động cơ điện sử dụng accu:
1 Chỉ một động cơ đốt trong cung cấp năng lượng cho tải
2 Chỉ một động cơ điện cung cấp năng lượng cho tải
3 Cả động cơ đốt trong và động cơ điện cùng chuyền năng lượng đến tải cùng lúc: sử dụng khi cần nguồn năng lượng lớn, như tăng tốc đột ngột, xe lên dốc,…
4 Động cơ điện hoạt động như máy phát điện nhận năng lượng từ tải: chế độ phanh tái sinh, năng lượng điện phục hồi được sẽ được nạp trở lại accu
5 Động cơ điện hoạt động như một máy điện nhận năng lượng từ động cơ đốt trong: chế độ này khi xe dừng hoặc dốc có độ nghiêng thấp thì tải không nhận cũng không phát ra năng lượng, động cơ đốt trong sẽ nạp điện cho accu
6 Động cơ điện hoạt động như một máy điện nhận năng lượng từ động cơ đốt trong lẫn tải cùng một lúc: ở chế độ này thì cả năng lượng từ phanh tái sinh và từ động cơ đốt trong cùng nạp điện cho accu
7 Động cơ đốt trong vừa chuyển năng lượng tới tải để tải vừa cung cấp năng lượng cho accu
8 Động cơ đốt trong chuyển năng lượng đến accu và động cơ điện chuyển năng lượng đến tải
9 Động cơ đốt trong chuyển năng lượng tới tải, và tải truyền năng lượng lại nạp cho accu: chế độ này động cơ đốt trong nạp điện cho accu thông qua khối lượng xe Tiêu biểu cho chế độ này là hai nguồn năng lượng sẽ được lắp đặt riêng lẽ trên trục trước và trục sau của xe
2.1.3 Các kiểu hệ thống truyền lực xe hybrid
2.1.3.1 Truyền lực kiểu nối tiếp Ý tưởng về hệ thống truyền động kiểu nối tiếp trên xe ô tô hybrid được phát triển dựa trên cơ sở hệ thống động lực ô tô điện Ô tô điện so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong có ưu điểm về khả năng hoạt động êm dịu, tính bảo vệ môi trường, nguồn năng lượng điện là nguồn năng lượng sạch, có thể tái tạo Nhưng bên cạnh đó cũng có những nhược điểm như quãng đường hoạt động hạn chế do mật độ năng lượng dữ trữ của accu thấp, hạn chế về thiết kế không gian xe do accu cồng kềnh và nặng, thời gian nạp điện kéo dài,…Do đó, hệ thống hybrid truyền động kiểu nối tiếp được tạo ra với mục đích ban đầu là mở rộng phạm vi hoạt động của xe bằng cách dùng một động cơ nhiệt để làm máy phát điện nạp điện cho accu
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống trruyền lực kiểu nối tiếp
Khái quát về accu chì-axit
Accu chì-axit là một thiết bị điện hóa, còn được gọi là nguồn điện thứ cấp, có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học khi được nạp, và ngược lại, chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện khi phóng.
Accu chì-axit bao gồm các bản cực làm bằng chì và ô xít chì, được ngâm trong dung dịch axit sunfuric Nồng độ của dung dịch này được biểu thị bằng tỉ trọng, là tỷ số giữa khối lượng riêng của dung dịch và khối lượng riêng của nước.
19 đối chứng, thường là nước Trị số tỉ trọng này sẽ tuỳ thuộc vào loại bình accu và tình trạng phóng nạp của từng bình
2.2.2 Cấu tạo và nguyên lí làm việc của accu
Bình accu thường có 6 ngăn, mỗi ngăn cung cấp điện áp đầu ra 2V Khi kết nối tiếp cả 6 ngăn, ta tạo ra một bộ nguồn accu với điện áp tổng là 12V.
Vỏ bình accu được làm từ vật liệu cứng, có khả năng chịu axit và nhiệt, thường được đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite Bên trong vỏ bình có các vách ngăn tạo thành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn gọi là một accu đơn Đáy bình được thiết kế với hai yên đỡ, gọi là yên đỡ bản cực, nhằm hỗ trợ các bản cực và ngăn ngừa hiện tượng ngắn mạch do cặn bẩn lắng đọng.
Các bản cực trong ắc quy thường có cấu trúc phẳng, dẹp, làm bằng hợp kim Pb-Sb (Chì- Antimon) và được nhồi các hạt hóa chất tích cực Để tăng độ cứng vững và tạo ô cho chất hoạt tính bám, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang Bản cực dương được phủ bằng đioxit chì, trong khi bản cực âm sử dụng chì xốp Khi ắc quy hoạt động, chất hoạt tính tham gia vào các phản ứng hóa học, do đó, để tăng bề mặt tiếp xúc với dung dịch điện phân, chất hoạt tính được chế tạo với độ xốp cao và các tấm cực cùng loại được ghép song song thành chùm cực trong mỗi ngăn của ắc quy.
Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được bố trí xen kẽ, và giữa hai bản cực khác tên có một tấm cách điện Tấm cách này được làm từ các chất liệu như nhựa xốp, thủy tinh hoặc gỗ để đảm bảo cách điện hiệu quả giữa hai bản cực.
Nắp của ắc quy có chức năng bảo vệ các bộ phận bên trong, ngăn bụi và vật thể bên ngoài xâm nhập, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bị tràn ra ngoài Trên nắp có các lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân, được bịt kín bằng các nút có lỗ thông hơi nhỏ Một số loại ắc quy có thể có lỗ thông hơi được chế tạo riêng biệt.
Để đảm bảo độ kín cho bình accu, người ta thường sử dụng nhựa chuyên dụng để trát xung quanh mép nắp và các lỗ cực đầu ra Dung dịch điện phân trong accu thường là hỗn hợp axit sunfuric H2SO4 được pha chế theo tỷ lệ nhất định với nước cất.
2.2.2.2 Nguyên lí làm việc và điện hóa học
Khi lắp ráp xong ắc quy, chúng ta cho dung dịch axit sulfuric H2SO4 vào các ngăn của bình, dẫn đến việc hình thành lớp mỏng chì sulfat PbSO4 trên các bản cực Quá trình này xảy ra do phản ứng giữa chì và axit.
Khi nguồn điện một chiều được kết nối vào hai đầu cực của ắc quy, dòng điện sẽ khép kín qua mạch và di chuyển từ cực dương của nguồn đến dung dịch điện phân, rồi qua cực âm của nguồn Dòng điện một chiều này sẽ làm cho dung dịch điện phân, có nồng độ từ 1.22 đến 1.27 g/cm³ hoặc từ 1.29 đến 1.31 g/cm³ trong điều kiện khí hậu lạnh, phân ly theo phản ứng hóa học PbO + H2SO4 → PbSO4 + H2O.
Cation H + theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo thành phản ứng tại đó:
2H + + PbSO4 → H2SO4 + Pb (2.3) Các anion SO 2- 4 chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn điện và cũng tạo thành phản ứng tại đó:
Phản ứng hóa học PbSO4 + H2O + SO4^2- → PbO2 + 2H2SO4 dẫn đến sự hình thành chì đioxit PbO2 ở bản cực dương và chì Pb ở bản cực âm Như vậy, giữa hai bản cực có sự khác biệt rõ rệt về cực tính.
Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng axit sunfuaric
H2SO4 được bổ sung vào dung dịch điện phân, trong khi quá trình nạp điện, dòng điện phân tích ra khí hydro (H2) và oxy (O2) trong dung dịch Lượng khí này tạo thành bọt và thoát ra ngoài, dẫn đến việc nồng độ dung dịch điện phân tăng lên trong suốt quá trình nạp điện.
Accu được coi là đã nạp đầy khi xuất hiện hiện tượng sủi bọt đều, hay còn gọi là hiện tượng sôi Khi đó, người dùng có thể ngắt nguồn nạp và xác nhận quá trình nạp điện đã hoàn tất Tỉ trọng của bình accu khi nạp đầy được quy định ở nhiệt độ 25⁰C (77⁰F) và được thể hiện trong bảng dưới đây.
Bảng 2.1: Giới thiệu một số loại accu và tỉ trọng khi được nạp đầy ở 25⁰C [15]
Quá trình phóng điện của accu:
Trong quá trình phóng điện, hai cực Pb và PbO2 chuyển hóa thành PbSO4, đồng thời axit sunfuric được hấp thụ để tạo ra PbSO4, dẫn đến việc nước được sinh ra và làm loãng axit sunfuric Cực dương nhận thêm electron trong khi cực âm thiếu electron Khi hai cực được kết nối với tải điện, dòng electron tự do di chuyển từ cực dương qua dây dẫn tới cực âm, tạo ra dòng điện ngược chiều với hướng chuyển động của các electron tự do.
Khi nối hai cực của accu đã được nạp điện với một bóng đèn, năng lượng trong accu sẽ truyền qua tải, làm cho bóng đèn sáng Dòng điện từ accu sẽ di chuyển từ cực dương đến bóng đèn, sau đó trở về cực âm của accu, tiếp tục qua dung dịch điện phân và quay lại cực dương.
Quá trình phóng điện của accu, phản ứng hoá học xảy ra trong accu như sau:
Loại bình accu Tỉ trọng chất điện phân (g/cm3)
Bình accu làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện công nghiệp lớn 1,275
Bình accu dùng cho xe ôtô, phi cơ 1,260
Bình accu dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu sáng tàu điện, hoặc khởi động các động cơ lớn… 1,245
Bình accu tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng 1,215
PbO2 + 2H + + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O (2.5) Tại cực âm:
Khái quát về bộ nguồn lithium-ion
Pin lithium-ion (Li-ion) là loại pin sạc được phát triển từ những năm 1970 và bắt đầu sản xuất thương mại từ năm 1991 Pin LIB sử dụng các điện cực là hợp chất lithium dạng lớp và chất điện ly, cho phép các ion lithium di chuyển giữa các cực mà không cho electron đi qua Trong quá trình sạc, ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả, xâm nhập vào khoảng trống giữa các lớp điện cực Các vật liệu điện cực thường dùng cho cực dương bao gồm các hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và lithium như LiCoO2, LiMnO2, trong khi cực âm thường là than chì và các vật liệu carbon khác Sự kết hợp của các vật liệu điện cực khác nhau tạo ra các loại LIB với đặc tính hóa học, hiệu suất, chi phí và độ an toàn khác nhau.
Pin lithium-ion (LIB) đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các thiết bị điện tử cầm tay nhờ vào ưu điểm như mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ thấp và khả năng tự xả ít Hiện nay, LIB cũng đang được phát triển cho quân đội, phương tiện giao thông điện và kỹ thuật hàng không vũ trụ Trong lĩnh vực giao thông điện, việc thay thế pin lithium-ion cho ắc quy chì-axit trong xe điện không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn nâng cao độ bền, tuổi thọ và tính an toàn, đồng thời vẫn đảm bảo điện thế tương đương với ắc quy truyền thống.
2.3.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo pin
Pin lithium-ion bao gồm ba phần cơ bản: hai điện cực và chất điện phân Các điện cực được làm từ vật liệu cho phép ion liti di chuyển vào hoặc ra mà không làm thay đổi vị trí các nguyên tử Hiện nay, có nhiều loại vật liệu khác nhau có thể được sử dụng để tạo ra điện cực dương, âm và chất điện dẫn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Việc lựa chọn vật liệu cho pin lithium-ion phụ thuộc vào đặc tính, mức độ an toàn, chi phí sản xuất và ứng dụng khác nhau Điện cực dương thường sử dụng oxit kim loại như LiCoO2 và LiMnO4 Vật liệu coban phát triển cấu trúc tứ diện giả, cho phép khuếch tán ion lithium hai chiều, mang lại công suất riêng lớn, điện áp phóng điện cao và tuổi thọ dài, nhưng có nhược điểm là giá cao và kém bền nhiệt Ngược lại, vật liệu mangan với hệ thống mạng tinh thể khối cho phép khuếch tán ion ba chiều, được ưa chuộng hơn do giá thành rẻ và tiềm năng cải thiện hiệu suất pin, mặc dù vẫn gặp vấn đề về khả năng hòa tan trong dung dịch điện ly Hiện tại, điện cực dương từ coban vẫn chiếm ưu thế, trong khi các vật liệu khác đang được nghiên cứu nhằm giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu suất.
Hiện nay, nhiều công ty sản xuất các loại điện cực dương cho thị trường, trong đó có Lithium Nickel Coban Oxit nhôm (NCA, LiNiCoAlO2) được Panasonic và Saft Groupe SA phát triển cho xe điện Lithium Coban Oxit (LiCoO2) là sản phẩm thương mại đầu tiên do Sony sản xuất Lithium Iron Phosphate (LFP, LiFePO4) được ứng dụng trong dụng cụ điện, hàng không và ô tô hybrid Lithium Mangan Oxit (LMO, LiMn2O4) được sử dụng cho xe điện lai, điện thoại di động và laptop Cuối cùng, Lithium Nickel Mangan Oxit Coban (NMC, LiNixMnyCozO2) có ứng dụng rộng rãi trong xe điện, dụng cụ điện và lưu trữ năng lượng mới.
Vật liệu điện cực âm phổ biến thường được sử dụng là than chì và các vật liệu cacbon khác, nhờ vào giá thành rẻ và khả năng dẫn điện tốt Những vật liệu này có khả năng xen kẽ ion lithium để lưu trữ điện tích, đồng thời thể tích chỉ giãn nở khoảng 10%, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong ứng dụng lưu trữ năng lượng.
Mặc dù có 26 loại vật liệu khác nhau có thể được sử dụng làm điện cực âm, than chì vẫn là lựa chọn hàng đầu nhờ vào điện áp thấp và hiệu suất vượt trội Các vật liệu khác thường có điện áp cao hơn nhưng mật độ năng lượng lại thấp Sự thay đổi thể tích khi nhận và thải ion lithium tại điện cực âm cũng là yếu tố quan trọng trong việc chọn lựa vật liệu cho pin lithium-ion Chẳng hạn, silicon có khả năng chứa nhiều ion lithium hơn carbon, nhưng khi tiếp nhận ion lithium, silicon có thể phình ra gấp 4 lần thể tích ban đầu, dẫn đến việc phá vỡ cấu trúc của pin.
Đến nay, nhiều loại điện cực âm đã được sản xuất và ứng dụng, trong đó than chì nổi bật với chi phí thấp và mật độ năng lượng cao Lithium Titanate (LTO, Li4Ti5O12) do Toshiba và Altairnano sản xuất từ năm 2008 đã được áp dụng cho ô tô và xe buýt Cacbon cứng và hợp kim thiếc/coban được sử dụng cho điện tự gia dụng, trong khi silicon/cacbon được ứng dụng trong điện thoại thông minh.
Chất điện ly là môi trường cho phép ion lithium di chuyển giữa hai điện cực trong quá trình sạc và xả pin, vì vậy yêu cầu quan trọng nhất là khả năng dẫn ion liti tốt, với độ dẫn tối thiểu là 10 mS/cm ở nhiệt độ phòng Trong quá trình này, sự di chuyển của ion liti tạo ra chênh lệch điện thế, dẫn đến dòng electron di chuyển trong mạch ngoài pin, tạo ra dòng điện Để đảm bảo hoạt động hiệu quả và tránh ngắn mạch, chất điện ly cần có tính cách điện tốt, ngăn cản electron di chuyển, với độ dẫn electron không vượt quá 10 -8 S/cm Các dung dịch điện ly lỏng thường sử dụng trong pin Li-ion bao gồm muối liti như LiPF6, LiBF4 và LiClO4 hòa tan trong các dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat và dietyl cacbonat.
Hiện nay, các loại dung môi gel, polymer và chất điện phân rắn đang được phát triển mạnh mẽ nhờ vào những lợi ích vượt trội so với chất điện phân lỏng Những ưu điểm này bao gồm việc hạn chế rò rỉ dung dịch điện ly, tăng cường tính an toàn và giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.
Chất điện phân rắn hứa hẹn nhất hiện nay là gốm sứ, bao gồm các oxit kim loại lithium, cho phép ion liti di chuyển dễ dàng Chất điện phân gốm được chia thành hai loại chính: gốm và thủy tinh Gốm có cấu trúc tinh thể với các kênh dẫn ion, trong khi thủy tinh có cấu trúc nguyên tử vô định hình, mang lại độ dẫn ion cao hơn nhờ vào các đường biên giữa các hạt Để tăng cường tính dẫn ion liti, có thể thay thế oxy bằng lưu huỳnh, do lưu huỳnh có bán kính lớn hơn và khả năng phân cực cao hơn, từ đó cải thiện độ dẫn ion.
2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động và điện hóa học
Pin lithium-ion hoạt động thông qua các phản ứng điện hóa học giữa điện cực dương và điện cực âm Chất điện ly đóng vai trò là môi trường cho phép ion lithium di chuyển giữa các cực Khi ion lithium di chuyển từ cực này sang cực kia bên trong pin, các electron cũng sẽ di chuyển theo hướng tương tự trong mạch ngoài pin.
Khi xả, ion liti di chuyển từ điện cực âm (than chì C6) tới điện cực dương qua chất điện phân, tạo thành hợp chất lithium tại cực dương Để cân bằng điện tích, khi ion liti di chuyển, một electron cũng di chuyển từ cực âm sang cực dương, tạo ra dòng điện Ngược lại, trong quá trình sạc, dưới điện áp, electron di chuyển từ cực dương về cực âm, đồng thời ion liti tách khỏi cực dương và quay về cực âm của pin.
Phản ứng điện hóa học trong pin lithium-ion là:
Một nửa phản ứng (chiều thuận là xả, chiều nghịch là sạc) tại điện cực dương với chất liệu là LiCoO2 là:
CoO2 + Li + + e - ⇌ LiCoO2 (2.7) Một nửa phản ứng (chiều thuận là xả, chiều nghịch là sạc) tại điện cực âm với chất liệu là than chì là :
Phản ứng đầy đủ ( chiều thuận là xả, chiều nghịch là sạc) :
Phản ứng LiC6 + CoO2 ⇌ C6 + LiCoO2 có giới hạn nhất định Việc xả quá mức lithium coban oxit (LiCoO2) sẽ làm tăng phản ứng một chiều, dẫn đến sự sản xuất oxit lithium không mong muốn.
Khi sạc pin lithium-ion, phản ứng giữa lithium và lithium cobalt oxide (LiCoO2) tạo ra lithium oxide (Li2O) và cobalt oxide (CoO) Tuy nhiên, nếu quá trình sạc vượt quá 5,2 V, sẽ xảy ra phản ứng một chiều dẫn đến sự hình thành cobalt oxide (CoO2) Điều này đã được xác nhận thông qua công nghệ nhiễu xạ tia X.
Tiềm năng thay thế của pin lithium-ion cho Accu chì-axit
Pin lithium-ion đang phát triển mạnh mẽ và mang lại nhiều lợi ích đáng kể Giá thành của pin Li-ion ngày càng hợp lý, giúp nó được áp dụng rộng rãi hơn Theo một báo cáo nghiên cứu thị trường gần đây, công nghệ pin lithium-ion sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai của xe điện nhờ hiệu suất vượt trội và khả năng tiết kiệm lý tưởng Pin Li-ion có nhiều ưu điểm hơn so với accu cũ, hứa hẹn mang lại lợi ích lớn cho kinh tế, năng lượng và môi trường khi thay thế cho accu truyền thống.
Bảng 2.2: So sánh accu chì-axit và pin lithium-ion
2.4.1 Kích thước và trọng lượng đối với năng lượng
Hình 2.11: Biểu đồ thể hiện mật độ năng lượng của accu chì-axit và pin lithium-ion [29]
Thông báo Accu chì-axit Pin lithium-ion Điện áp bình thường mỗi cell 2 V
(3V-4,2V) Mật độ năng lượng khối lượng
Mật độ năng lượng thể tích (Wh/l) 70 250-600 Điện trở trong (mΩ)