NHU CẦU SỬ DỤNG XE ĐIỆN HIỆN NAY
Vì sao lại lựa chọn sử dụng xe điện ?
Trước tình trạng cạn kiệt các nguyên liệu chất đốt và nguồn dầu khí, nhu cầu sử dụng năng lượng mới và sạch cho các phương tiện vận chuyển như xe, tàu, máy bay trở nên cấp thiết Năng lượng điện nổi bật như một giải pháp thay thế hiệu quả cho nguyên liệu hóa thạch, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường Các phương tiện sử dụng năng lượng điện thải ra lượng khí độc hại thấp hơn nhiều so với những phương tiện chạy bằng xăng, dầu và khí đốt.
Hệ thống xe điện đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, với nhiều nhà sản xuất tập trung vào các phương tiện phổ biến như ô tô điện, mô tô điện và xe đạp điện Công nghệ thiết kế bộ điều khiển cho xe điện ngày càng hiện đại, tích hợp nhiều tính năng tiện ích, giúp việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn và phù hợp với nguồn nhiên liệu mới.
Đối tượng sử dụng xe điên
Xe điện đang ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, từ các máy bốc hàng và máy xếp hàng trong công nghiệp cho đến các phương tiện giao thông như ô tô điện và xe máy điện Đặc biệt, xe đạp điện hiện đang phát triển mạnh mẽ và thu hút sự quan tâm của nhiều người.
1.1.2 Ưu Điểm - Nhược Điểm Của Xe Điện
Xe điện mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm tính thân thiện với môi trường, khả năng tiết kiệm năng lượng và chi phí sử dụng thấp hơn so với các loại xe chạy bằng nhiên liệu truyền thống.
Theo bài toán tiết kiệm của HKBIKE, xe đạp điện HKBIKE Zinger Extra phiên bản nâng cấp tiết kiệm đến 47 lần so với xe máy.
HKBIKE Zinger extra phiên bản nâng cấp.
Một lần sạc đầy đi được 90 km Ơ một lần sạc đầy hết hết 0,65 số điện Wh Đổ đầy bình xăng đi được 210 km, 1 bình đầy là 5,5 lít.
Hình 1.1.3: Ưu điểm của xe điện so với xe máy.
Mặc dù xe điện mang lại nhiều lợi ích, nhưng nhược điểm lớn nhất của chúng là phạm vi di chuyển hạn chế sau mỗi lần sạc, với khoảng cách tối đa chỉ khoảng 90 km đối với mẫu xe HKBIKE Zinger Extra Thêm vào đó, thời gian cần thiết để sạc đầy pin có thể kéo dài lên đến 6 giờ.
GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI XE TRÊN THỊ TRƯỜNG
Xe ô tô
a Xe ô tô lai điện động cơ đốt trong
Xe hybrid, hay còn gọi là xe lai hoặc xe lai điện, là phương tiện sử dụng hai nguồn động lực: động cơ đốt trong và động cơ điện Sự kết hợp giữa hai loại động cơ này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của xe, mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải.
Bộ điều khiển trong xe lai quyết định thời điểm hoạt động của động cơ đốt trong và động cơ điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất Một lợi ích nổi bật của xe lai tại Việt Nam là khả năng ngừng hoạt động của cả hai động cơ khi gặp đèn đỏ hoặc trong tình trạng kẹt xe, từ đó giảm thiểu công suất tiêu thụ không cần thiết.
Các nhà sản xuất Nhật Bản đã có những nỗ lực đáng kể trong phát triển và thương mại hóa xe hybrid Năm 1997, Toyota ra mắt dòng sedan Prius tại Nhật, cùng với đó, Honda cũng giới thiệu dòng xe Civic và Civic Hybrid Những mẫu xe này hiện đang được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu và nổi bật với khả năng tiêu thụ nhiên liệu xuất sắc Toyota Prius và các dòng xe của Honda đã tạo nên giá trị lịch sử vì chúng là những chiếc xe hybrid đầu tiên được thương mại hóa trong kỷ nguyên hiện đại, nhằm giải quyết vấn đề tiêu thụ nhiên liệu của ô tô.
Hình 1.2.1.a: Xe ô tô lai điện động cơ đốt trong. b Xe ô tô điện 100 %.
Cadillac ELR là một ví dụ tiêu biểu về xe điện với hệ thống động cơ điện hình chữ T, sử dụng pin lithium ion và bốn động cơ điện Xe hoạt động hoàn toàn bằng điện, không cần xăng và không thải khói Khi pin gần cạn, ELR tự động chuyển sang chế độ mở rộng phạm vi, cho phép người lái di chuyển hàng trăm dặm mà không lo hết năng lượng.
Xe máy điệ n
Hệ thống xe máy điện đang thu hút sự chú ý của các nhà sản xuất như EVINO và BIANCO của Yamaha, với mục tiêu chế tạo các mẫu xe có chức năng tương tự như xe máy chạy bằng xăng Theo nghiên cứu về sự phát triển xe điện tại Việt Nam, thị trường hiện nay chủ yếu có hai mẫu xe máy điện nổi bật là Bianco và Evino, tương đồng với các loại xe máy tay ga hiện hành.
Xe máy điện được thiết kế với nắp bình xăng giả phía sau, tạo vẻ ngoài giống xe chạy bằng xăng, và được trang bị vành đúc cùng hệ thống giảm xóc tương tự như xe gắn máy Với bình ắc quy không quá lớn, xe có một cốp rộng rãi dưới yên Thay vì động cơ, dưới gầm xe là bình ắc quy cung cấp năng lượng, cần khoảng 3 tiếng để sạc đầy, cho phép di chuyển khoảng 80km, phù hợp cho nhu cầu đi lại trong phạm vi hẹp Xe có thể đạt tốc độ khoảng 40km/giờ, nhanh hơn so với xe đạp điện nhờ vào công suất lớn hơn.
Xe máy điện hiện đại không có bàn đạp do thiết kế "nhái" theo kiểu xe ga của các hãng nổi tiếng Về mặt kỹ thuật, xe hoạt động dựa trên nguyên lý truyền động bằng động cơ điện một chiều, sử dụng trục chính và hộp giảm tốc để kéo xe qua xích hoặc bánh răng Nguồn năng lượng được cung cấp từ bình ắc quy khô bên trong thân xe, với điện áp nạp từ 90 đến 204V Các xe điện sản xuất trong nước thường sử dụng ắc quy Nhật Bản, nổi bật với độ trữ lâu và chất lượng ổn định.
Bình ắc quy xe điện nhập từ Trung Quốc thường gặp vấn đề hư hỏng, chảy nước và cháy nổ Để khắc phục nhược điểm này, pin lithium ion đã được sử dụng, mang lại thiết kế bắt mắt cho xe máy điện Một ví dụ điển hình là mẫu xe EVINO của Yamaha, được thiết kế dành cho khách hàng di chuyển trên quãng đường ngắn với mức giá phải chăng EVINO có kích thước tổng thể 1.675 mm dài, 645 mm rộng và 1.005 mm cao, sử dụng pin lithium ion.
Hinh 1.2.2 : xe máy điện EVINO
Xe đạp điện
Trên thị trường hiện nay, xe đạp điện là loại phương tiện điện phổ biến nhất, đặc biệt ở một số nước phát triển tại Châu Á Sự phát triển của hệ thống xe đạp điện dựa trên nhu cầu thực tế của người sử dụng Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của xe điện nói chung là nguồn điện cung cấp cho hoạt động, điều này dẫn đến việc xe mô tô điện và ô tô điện phát triển chậm hơn so với xe đạp điện.
Ngành sản xuất xe đạp điện đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào các yếu tố như nguồn điện cung cấp, quãng đường di chuyển ngắn, phương tiện nhỏ gọn và tốc độ vừa phải Nhiều loại xe đạp điện với tính năng đa dạng và thiết kế thẩm mỹ cao đã ra đời, trong đó nổi bật là các dòng xe sử dụng nguồn nhiên liệu từ ắc quy hoặc pin như NIJIA, XMEN, ZOOMER, GIANT, AIMA và HKBIKE Đặc biệt, xe đạp điện HKBIKE Zinger Extra được thiết kế hiện đại, trẻ trung và tinh tế, kết hợp với công nghệ tiên tiến, tạo nên một chiếc xe hoàn hảo, mang lại cảm giác đam mê và chinh phục mọi giới hạn.
Giới thiệu về các loại xe điện sử dụng pin lithiumion
Theo một báo cáo nghiên cứu thị trường gần đây, công nghệ pin Lithium ion đang trở thành lựa chọn hàng đầu cho tương lai của xe điện nhờ hiệu suất vượt trội và khả năng tiết kiệm Trong bối cảnh ngày càng tăng cường sự quan tâm đến bảo vệ môi trường, pin Lithium ion không chỉ được ứng dụng trong smartphone và tablet mà còn đóng vai trò quan trọng trong ngành xe điện Với mật độ năng lượng cao, pin này cho phép thiết kế nhỏ gọn và nhẹ, giúp xe di chuyển quãng đường lớn Điện áp ổn định của pin cũng bảo vệ động cơ tốt hơn, đồng thời pin Lithium ion thân thiện với môi trường, tạo nên một bước đột phá mới cho xe điện.
Khả năng vận hành của xe đạp điện phụ thuộc vào sức mạnh của nguồn điện từ ắc quy hoặc pin Ắc quy đã được sử dụng lâu dài trên thị trường nhờ chi phí rẻ, nhưng đi kèm với đó là nhiều bất cập Tuổi thọ của ắc quy chỉ khoảng 1-1,5 năm, dẫn đến độ bền giảm sút và các vấn đề như hao mòn sulfat hóa, chảy chì axit, làm tăng nguy cơ cháy nổ, ô nhiễm môi trường và chi phí thay thế cao Hơn nữa, ắc quy có hiệu suất thấp hơn pin, chỉ cho phép quãng đường di chuyển khoảng 20-30 km mỗi lần sạc.
Pin có khả năng di chuyển xa gấp nhiều lần so với ắc quy, nhưng để tăng dung lượng và quãng đường đi được, kích thước của chúng cần phải được điều chỉnh Tuy nhiên, việc tăng kích thước này phải nằm trong giới hạn nhất định để duy trì thiết kế và kiểu dáng của xe điện Những thông tin về quãng đường 60-80 km mỗi lần sạc mà các hãng quảng cáo thường không thực tế, vì nếu muốn đạt được điều đó, kích thước ắc quy sẽ phải rất lớn và nặng nề, dẫn đến thiết kế xe điện trở nên cồng kềnh Hơn nữa, việc sử dụng nhiều ắc quy nặng (18-20 kg mỗi cái) sẽ khiến xe di chuyển chậm chạp và ì ạch hơn.
Pin Lithium ion sở hữu mật độ năng lượng cao gấp nhiều lần so với ắc quy truyền thống, cho phép cung cấp công suất điện vượt trội trong cùng kích thước và khối lượng Nhờ đó, xe sử dụng pin Lithium ion có thể di chuyển quãng đường xa hơn, thậm chí lên đến hàng trăm km, nếu được cải tiến và sản xuất trên dây chuyền hiện đại.
Trên thị trường xe điện Việt Nam hiện nay, chỉ những xe điện sử dụng pin Lithium ion mới có khả năng di chuyển xa hơn Điển hình là xe đạp điện ZINGER extra của HKBike, với quãng đường tối đa lên tới 90km mỗi lần sạc HKBike nổi bật với việc là thương hiệu tiên phong mang công nghệ pin Lithium ion FLiP đến tay người tiêu dùng Pin Lithium ion FLiP được sản xuất khép kín và nghiêm ngặt tại một trong những nhà máy lớn nhất châu Á, đảm bảo chất lượng và hiệu suất cao cho xe điện.
Pin được cấu tạo từ 13 phôi nhỏ, mỗi phôi gồm 50 lá đồng ép mỏng, sau đó được bọc kín bằng thép nguyên khối và hàn khắc bằng laser trong 45 ngày tại nhà máy Lớp bọc bên ngoài được làm từ nhựa ABS và PC, có khả năng chịu nhiệt và chống va đập, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho pin.
Pin xe đạp điện HKBike có tuổi thọ trung bình khoảng 6 năm và quãng đường di chuyển lên đến 90km cho mỗi lần sạc, được công nhận bởi tổ chức Kỷ lục Việt Nam Với trọng lượng chỉ 6 kg, pin nhẹ giúp tăng tính linh động, cho phép người dùng dễ dàng tháo lắp để sạc ở bất kỳ đâu, đồng thời góp phần vào thiết kế tối giản và thanh thoát của xe.
Dài x Rộng x Cao 1640 mm x 600 mm x 1090 mm Chiều cao yên xe 745 ~
900 mm Đường kính bánh xeBánh trước: 18" x 2,125" Bánh sau: 18" x 2,125"
Vận hànhTay ga, Đạp trợ lực Cách thức thao tácTự động
Quãng đường đi được khi pin đầy 90 km Vận tốc tối đa 25 km/h
Loại pinPin Lithium ion Công nghệ Flip Sạc điện tự động ngắt khi đầy Thời gian sạc 6 h Công suất 250 W Điện áp động cơ 48 V Điện áp vào 220 V –50 Hz TRỌNG LƯỢNG
Xe đạp điện ITREND của HKBike có trọng lượng 36 kg và tải trọng tối đa 180 kg Dòng xe này sử dụng pin lithium-ion công nghệ flip tiên tiến, mang lại hiệu suất cao và độ bền lâu dài.
Dài x Rộng x Cao 1650 mm x 670 mm x 1025 mm Chiều cao yên xe 745 ~
900 mm Đường kính bánh xe trước: 18" x 2,5" ; sau: 18" x 2,5"
Quãng đường đi được khi pin đầy 75 km Vận tốc tối đa 25 km/h
Loại pin Pin Lithium ion Công nghệ Flip Sạc điện tự động ngắt khi đầy Thời gian sạc 6 h
Công suất 250 W Điện áp động cơ 48 V Điện áp vào 220 V – 50 Hz TRỌNG LƯỢNG
Trọng lượng xe 40 kg Tải trọng 180 kg c.Xe đạp điện GIANT
Là một ví dụ về dòng xe đạp điện chạy bằng ắc quy hiện có trên thị trường Việt Nam
Thông số sản phẩm: Động cơ xe điện Giant M133S 500W, 3 pha, không chổi than
Cách thức thao tác tự động
Quãng đường đi được khi pin đầy từ 50 - 60km
Vận tốc tối đa 40 –50 km/h cải tiến về tốc độ Ắc quy 48V 20A
Sạc điện tự động ngắt khi Ắc quy đầy
Công suất : 250W Điện áp động cơ 48 V
Khung thép chắc chắn sơn tĩnh điện Điện áp 220v 50Hz
Khả năng chở vật nặng 140kg Bảo vệ sụt áp 41V
Bánh xe trước sau thiết kế lốp đặc không săm, rộng hơn, bám đường hơnGiảm sóc có giảm xóc trước tạo sự mềm mại khi di chuyển
Chắn bùn thiết kế rộng và lớn hơn so với mẫu sản phẩm trước đó
Gương hậu đã thiết kế cải tiến thêm 2 gương chiếu hậu rất an toàn so với mẫu trước đó.
Yên xe được thiết kế rộng và dài, mang lại sự êm ái và thoải mái cho người ngồi Cốp xe có không gian rộng rãi để chứa đồ, đáp ứng nhu cầu vận chuyển Đèn pha trước và sau có khả năng chiếu sáng xa và rộng, đảm bảo an toàn khi di chuyển vào ban đêm.
Tay ga làm việc ở 2 chế độ: thường và Sport (Đi được 60km)
- Tốc độ tối đa: 25 km/h
- Quảng đường đi được khi sạc đầy: 60 90 km.
- Pin: Lithium Ion: 48V/12Ah Công suất: 250 W Thời gian sạc: 2 6 h.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LITHIUMION
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA Pin LiIon
Nguyên tắc hoạt động của pin Li-ion dựa vào việc tách các ion Li+ từ vật liệu điện cực dương và di chuyển vào các "khoảng trống" của vật liệu điện cực âm Các điện cực thường được quét lên bộ góp bằng đồng cho điện cực âm và bằng nhôm cho điện cực dương, tạo thành cấu trúc cần thiết cho pin Để đảm bảo an toàn và ngăn chặn hiện tượng đoản mạch, các cực này được cách điện cẩn thận.
Trong quá trình nạp pin Li-ion, vật liệu điện cực dương hoạt động như chất oxi hóa, trong khi vật liệu điện cực âm là chất khử Tại cực dương, các ion Li+ được tách ra và điền vào các lớp graphite carbon Ngược lại, trong quá trình phóng, ion Li+ tách ra từ cực âm và lấp đầy khoảng trống giữa các lớp oxi trong vật liệu điện cực dương Điều quan trọng là các quá trình nạp và phóng không làm thay đổi cấu trúc của vật liệu điện cực.
2.2.1 Các phản ứng tại các điện cực.
Các phản ứng điện hoá diễn ra tại bề mặt giới hạn giữa điện cực và dung dịch, thuộc loại phản ứng không đồng nhất Động lực của các phản ứng này chủ yếu phụ thuộc vào quá trình tách và điền kẽ các ion thông qua phóng và nạp Mô hình điện hoá trong pin Li-ion được mô tả như sau:
Hình 2.3: Phác hoạ quá trình điện hoá trong Pin Li ion.
2.2.2 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực dung dịch điện phân.
Ion Li+ xâm nhập trong khoảng điện áp 0,2→0,0V, trong khi điện tích tiêu thụ diễn ra từ 0,8→0,2V do sự khử các thành phần điện phân tại bề mặt điện cực Phản ứng này được gọi là lớp chuyển tiếp rắn điện phân, nơi các phản ứng bắt nguồn từ các chất điện phân có trạng thái nhiệt động ổn định Quá trình này tiếp tục cho đến khi bề mặt điện cực hoàn toàn được bao bọc, và độ dày của lớp chuyển tiếp đạt đủ mức để tạo ra hiệu ứng xuyên hầm của các điện tử.
Các điều kiện tạo ra pin quyết định tính chất và độ dày của lớp chuyển tiếp, có thể dao động từ 15 đến 900 Å trên cùng một điện cực Sự hình thành lớp chuyển tiếp ổn định là yếu tố quan trọng cho việc tạo ra pin Bên cạnh đó, quá trình khử chất điện phân tiếp tục diễn ra, làm cho lớp chuyển tiếp trở nên cần thiết cho cấu trúc ổn định của cực âm graphite Nếu không có lớp chuyển tiếp, các phân tử dung môi có thể tham gia vào quá trình điền kẽ, dẫn đến sự phá hủy cấu trúc graphite, gây nguy hiểm Tính chất của lớp chuyển tiếp ảnh hưởng đến các yếu tố quan trọng của pin trong quá trình sử dụng, bao gồm độ an toàn, hiện tượng tự phóng, dung lượng pin, cũng như khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp và cao.
CẤU TẠO PIN Liion
Pin Li ion có cấu tạo gồm 3 thànhphần cơ bản: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân Ngoài ra còn có một số thành phần khác.
Hình 2.3 : Cấu tạo pin li on có điện.
Các vật liệu điện cực dương trong pin lithium-ion chủ yếu là oxit kim loại lithium dạng LiMO2, với M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, và Mn Pin lithium-ion đầu tiên được sản xuất bởi hãng Sony sử dụng LiCoO2 làm điện cực dương, dựa trên nghiên cứu và phát minh của Goodenough và Mizushina.
Các hợp chất được sử dụng trong pin Li-ion bao gồm LiMn2O4 (Spinel) và các vật liệu có dung lượng cao hơn như LiNi1-xCoxO2 Vật liệu dùng làm điện cực dương cần đáp ứng các yêu cầu khắt khe để đảm bảo hiệu suất và độ bền của pin.
- Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium.
- Có thể kết hợp được một lượng lớn Lithium.
- Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li+.
- Hệ số khuếch tán ion Li+ lớn
- Không tan trong dung dịch điện li.
- Giá thành rẻ. Đặc trưng điện áp và dung lượng của vật liệu làm điện cực dương nói chung được thống kê trong bảng sau :
Loại vật liệu Dung lượng riêng
Thể tích trung bình Ưu – nhược điểm
LiNi0,7Co0,3O2 190 3,70 Giá thành trung bình.
LiNi0,8Co0,2O2 205 3,73 Giá thành trung bình.
220 3,76 Có dung lượng riêng cao nhất
LiNiO2 200 3,55 Phân li mạnh nhất
120 4,00 Mn rẻ, tính độc hại thấp, ít phân li
Hình 2.3.1 : Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.
Từ bảng ta thấy tùy vào vật liệu làm pin sẽ quyết định dung lượng và thế trung bình của pin
Pin Li-ion đầu tiên do Sony sản xuất sử dụng than cốc làm điện cực âm, mang lại dung lượng cao khoảng 180mAh/g và độ bền trong dung dịch propylene Vật liệu Mesocarbon Microbead (MCMB) carbon có dung lượng riêng vượt trội lên tới 300 mAh/g và diện tích bề mặt nhỏ, đảm bảo an toàn cao Gần đây, các loại carbon dùng làm điện cực âm đã trở nên đa dạng, trong đó một số pin sử dụng graphite tự nhiên với chi phí thấp, mặc dù carbon cứng có dung lượng cao hơn khi thay thế cho graphite.
Tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon khác nhau được thống kê trong bảng sau:
Dung lượng không đảo ngược được (mAh/g)
LQNC Than cốc dạng kim
Hình 2.3.2 : Đặc trưng của các loại carbon.
Từ bảng ta thấy vật liệu làm điện cực âm sẽ quyết định dung lượng pin
Trong pin Li-ion, có bốn loại chất điện li chính: chất điện li dạng lỏng, chất điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) và chất điện li dạng gốm Chất điện li dạng lỏng bao gồm các muối chứa ion Li+ như LiPF6 và LiClO4, được hòa tan trong dung môi hữu cơ có gốc carbonate như EC và EMC Chất điện li dạng gel được tạo ra bằng cách hòa tan muối và dung môi trong polime có khối lượng phân tử lớn, tạo thành một dạng gel dẫn ion Chất điện li dạng polimer là dung dịch lỏng với pha dẫn ion, hình thành từ việc hòa tan muối Lithium trong vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn Cuối cùng, chất điện li dạng gốm là vật liệu vô cơ ở trạng thái rắn, có khả năng dẫn ion Li+.
Mỗi loại chất điện li đều có những ưu điểm riêng, nhưng chung quy lại, chúng cần có khả năng dẫn ion Li+ hiệu quả, độ ổn định cao và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như độ ẩm và không khí.
Dung môi được sử dụng rộng rãi, bao gồm các hợp chất carbonate, ete và acetate, để thay thế cho chất điện phân khô Hiện nay, các hợp chất carbonate đang trở thành tiêu điểm trong ngành công nghiệp nhờ vào tính bền cao, độ an toàn tốt và khả năng tương thích với các vật liệu điện cực.
Typical pure carbonate solvents exhibit conductivity below 10⁻⁷ S/cm, a dielectric constant greater than 3, and are capable of dissolving high concentrations of lithium salts Common organic solvents used include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), dimethylether (DME), acetonitrile (AN), tetrahydrofuran (THF), and butyrolactone.
Trong pin Li-ion, màng xốp mỏng (10 m - 30 m) được sử dụng làm vật liệu cách điện giữa điện cực âm và dương Hiện nay, các pin thương mại thường sử dụng chất điện li dạng lỏng kết hợp với màng xốp từ vật liệu poliolefin, nhờ vào tính chất cơ học tốt, độ ổn định hóa học cao và chi phí hợp lý.
Các vật liệu Nonwoven cũng được nghiên cứu, song không những sử dụng rộng rãi do khó tạo được các màng có độ dày đồng đều, độ bền cao
Nhìn chung, các vật liệu cách điện dùng trong pin Lithium ion phải đảm bảo một số yêu cầu sau:
- Có độ bền cơ học cao.
- Không bị thay đổi kích thước.
- Không bị đánh thủng bởi các vật liệu làm điện cực
- Kích thước các lỗ xốp nhỏ hơn 1m.
- Dễ bị thấm ướt bởi chất điện phân.
CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LITHIUM ION
SẠC PIN Liion
Sạc pin Li-ion là thiết bị giới hạn điện áp, tương tự như hệ thống axít chì, nhưng có điện thế cao hơn trên mỗi cell và dung sai điện áp chặt chẽ hơn (~1%) Các nhà sản xuất pin Li-ion yêu cầu thiết lập điện áp chính xác, vì Li-ion không thể chấp nhận quá áp Hầu hết pin Li-ion được sạc đến 4.20V/cell với dung sai +/- 50mV/cell Mặc dù điện áp cao có thể tăng công suất, quá trình oxy hóa pin lại làm giảm tuổi thọ pin Quan trọng hơn, việc sạc vượt quá 4.20V/cell có thể dẫn đến nguy cơ mất an toàn cao.
Hình 3.1 : Tín hiệu điện áp và dòng điện của pin Li ion qua các giai đoạn.
Quá trình sạc kết thúc khi dòng sạc giảm xuống dưới 3% so với dòng sạc ban đầu ở giai đoạn 2 Một số bộ sạc sử dụng phương pháp sạc điện áp đỉnh khi điện áp giảm xuống 4.05 V/cell ở giai đoạn 4.
Sạc pin Li ion gồm 2 giai đoạn cơ bản: sạc dòng không đổi (sạc ổn dòng) và sạc bão hòa (sạc ổn áp)
Hình 3.1.A : Mô tả 2 giai đoạn sạc pin Lithium ion tiêu chuẩn gồm: sạc ổn dòng và sạc ổn áp.
3.1.1 Quá trình sạc ổn dòng. Đây là quá trình sạc với dòng không đổi, trong giai đoạn này dung lượng sạc nằm trong khoảng 0,1 0,5C (trong đó, C là dung lượng [Ah] của pin) Tăng dòng sạc không đẩy nhanh trạng thái sạc đầy nhiều Mặc dù pin đạt đến đỉnh điện áp nhanh hơn với sạc nhanh nhưng sạc bão hòa sẽ mất nhiều thời gian cho phù hợp Mức dòng sạc áp dụng chỉ đơn giản là thay đổi thời gian cần thiết cho từng giai đoạn; Giai đoạn 1 sẽ ngắn hơn nhưng giai đoạn bão hòa 2 sẽ mất nhiều thời gian Sạc dòng cao sẽ nhanh chóng đáp ứng pin đến khoảng 70%
Dòng điện sạc lớn có thể làm tăng nhiệt độ pin, do đó cần theo dõi nhiệt độ trong quá trình sạc để tránh nguy cơ cháy nổ Nhiệt độ pin không nên vượt quá 45oC, mặc dù một số pin Li-ion với công nghệ Lithium Ferro Phosphate (LiFePO4) có thể chịu nhiệt độ lên đến 60oC Các bộ sạc nhanh thường cung cấp dòng ổn định, cho phép tăng giới hạn nhiệt độ, từ đó có thể sạc pin nhanh hơn mà vẫn đảm bảo an toàn.
Trong quá trình sạc ổn dòng, điện áp giữa hai cực pin tăng dần cho đến khi đạt sức điện động tối đa của pin Khi đó, bộ sạc sẽ chuyển sang chế độ sạc ổn áp Thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng 1 giờ, tùy thuộc vào dung lượng còn lại của pin Sau khi hoàn tất quá trình này, dung lượng pin được phục hồi khoảng 70%.
Trong nhiều trường hợp, phương pháp "charge and run" cho phép người dùng sạc nhanh, tuy nhiên, điều này có thể làm giảm tuổi thọ của pin Mặc dù việc sạc nhanh giúp tiết kiệm thời gian và đơn giản hóa thiết kế bộ sạc, nhưng để duy trì tuổi thọ pin theo thông số nhà sản xuất, người dùng nên thực hiện giai đoạn sạc ổn áp, mặc dù quá trình này thường tốn nhiều thời gian hơn so với sạc ổn dòng.
3.1.2 Quá trình sạc ổn áp.
Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng
Khi điện áp của pin đạt 4,2V/cell, dung lượng pin phục hồi dần và sức điện động tăng lên, dẫn đến việc dòng điện giảm dần Quá trình sạc ổn áp sẽ kết thúc khi dòng điện giảm xuống dưới 3%.
Khi dung lượng pin đạt khoảng 99%, pin Li-ion không cần duy trì áp sạc sau khi đã đầy, khác với ắc quy acid chì Việc sạc quá mức (over charge) có thể gây nóng pin và thậm chí dẫn đến nổ Các chuyên gia khuyên rằng không nên sạc pin Li-ion vượt quá 100% dung lượng, vì điều này sẽ làm giảm tuổi thọ của pin Thông tin chi tiết sẽ được trình bày ở phần tiếp theo.
Khi pin được sạc đầy, điện áp hở mạch sẽ giảm dần về mức ổn định khoảng 3,6 đến 3,9V/cell sau khi ngừng sạc Ngược lại, nếu chỉ sạc nhanh, điện áp pin sẽ giảm sâu hơn, chỉ còn khoảng 3,3 đến 3,5V Do pin Lithium ion có tính chất tự phóng điện khi không sử dụng, để sạc đầy pin một cách hiệu quả, người ta thường kết hợp quá trình sạc ổn dòng, ổn áp với kỹ thuật sạc xung ngắn.
Khi điện áp pin đạt 4,2V/cell, quá trình sạc sẽ tạm dừng Khi điện áp giảm xuống 4,05V/cell, hệ thống sạc sẽ tự động cấp lại điện áp 4,2V/cell để tiếp tục sạc Quá trình đóng cắt này diễn ra liên tục, giúp duy trì điện áp pin ổn định trong khoảng 4,05 – 4,2V/cell Nhờ đó, pin được nạp sâu hơn, tránh hiện tượng over charging và kéo dài tuổi thọ pin.
3.1.3 Over charging (sạc quá mức) và over discharging (xả quá mức) của pin Li ion.
Pin lithium ion hoạt động an toàn trong điện áp quy định, nhưng trở nên không ổn định khi sạc quá mức, đặc biệt là trên 4.30V Việc sạc kéo dài ở mức này dẫn đến mạ lithium kim loại trên anode, trong khi vật liệu cathode trở thành tác nhân oxy hóa, gây mất ổn định và sản sinh carbon dioxide (CO2) Khi áp lực pin tăng lên, thiết bị ngắt dòng (CID) sẽ ngắt kết nối ở 1,380kPa (200psi) để đảm bảo an toàn Nếu áp lực tiếp tục tăng, có thể xảy ra vụ nổ màng an toàn ở mức 3,450kPa (500psi), dẫn đến nguy cơ cháy nổ của pin.
Không chỉ pin Li-ion mà cả pin chì và pin nickel cũng có nguy cơ an toàn nếu bị quá tải Những loại pin này có thể tan chảy và gây ra hỏa hoạn nếu không được xử lý đúng cách Đặc biệt, pin nickel đã từng bị thu hồi do các vấn đề liên quan đến an toàn Việc sử dụng bộ sạc được thiết kế đúng cách là rất quan trọng cho tất cả các hệ thống pin.
Pin Li-ion không nên xả quá mức, và có các biện pháp bảo vệ để ngăn chặn tình trạng này Thiết bị ngắt sẽ dừng dòng điện khi pin xả đến khoảng 3.0V/cell Nếu pin tiếp tục xả xuống khoảng 2.70V/cell hoặc thấp hơn, mạch bảo vệ sẽ đưa pin vào chế độ ngủ, làm cho việc nạp lại trở nên khó khăn Để tránh tình trạng này, cần thực hiện sạc một phần trước khi lưu trữ lâu dài.
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MẠCH SẠC PIN LITHIUMION
SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG SẠC PIN LithiumIon
Mạch sạc pin Li ion bao gồm mạch động lực, mạch đo lường và mạch điều khiển:
Khối chỉnh lưu cầu chuyển đổi điện áp xoay chiều từ lưới thành điện áp một chiều ổn định Mạch điều áp buck/boost ứng dụng MOSFET giúp điều chỉnh tăng hoặc giảm điện áp cung cấp cho pin hoặc ắc quy trong quá trình sạc.
- Mạch đo lường Đo dòng điện và điện áp sạc cũng như đo nhiệt độ của pin / ắc quy trong quá trình sạc
Mạch điều khiển sạc sử dụng vi điều khiển để điều chỉnh xung PWM cho mạch buck/boost, giúp thay đổi điện áp và dòng điện sạc phù hợp với quy trình sạc Đồng thời, mạch cũng theo dõi nhiệt độ của pin/ắc quy trong quá trình sạc để điều chỉnh điện áp sạc, đưa ra cảnh báo và kiểm soát thời gian sạc hiệu quả.
Hình 5.1: Sơ đồ khối mạch sạc pin Lithium Ion.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
Mạch động lực có nhiệm vụ nhận điện áp xoay chiều từ lưới, chuyển đổi thành điện áp một chiều và điều chỉnh giá trị điện áp này để phù hợp với yêu cầu của pin hoặc ắc quy trong quá trình sạc Sau đó, điện áp đầu ra từ mạch biến đổi DC/DC (buck/boost) sẽ được điều khiển thông qua tín hiệu điều khiển xung từ mạch điều khiển, nhằm thay đổi chu kỳ đóng mở của van bán dẫn công suất, từ đó điều chỉnh đầu ra theo các chế độ tương ứng.
Tiếp theo là phần tính toán và thiết kế mạch động lực cho mô hình pin Lithium ion 12 V 8,800 Ah.
4.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha
Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng cầu KBU1010 có khả năng cho ra dòng điện một chiều tối đa 10 A và chịu được điện áp ngược lên tới 1000V.
Hình 4.2.1.A : Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng cầu KBU1010
Hình 4.2.1.B : Các đặc tính cơ bản của chỉnh lưu cầu 1 pha dùng cầu
4.2.2 Mạch nguồn nuôi vi điều khiển và các IC trong mạch.
Vì bộ điều khiển cần cấp nguồn liên tục nên ta cần có mạch nguồn cung cấp Ngoài ra cũng cấp nguồn cho mạch động lực.
Hình 4.2.2 : Mạch nguồn nuôi cung cấp cho mạch điều khiển và IC.
4.2.3.Mạch nạp theo nguyên lý buck.
Hình 4.2.3A : Sơ đồ mạch DC DC theo nguyên lý buck.
- Do trong ORCAD không có IR2184 nên trong sơ đồ trên IR2184 được nối theo số thứ tự chân.
- Điện áp lưới thay đổi ±10% nên ta có điện áp vào sau bộ chỉnh lưu là 28 34 V và dòng điện cực đại Imax = 10A.
- Mục tiêu thiết kế bộ nạp DC DC buck cho pin Lithium ion 12V 8,8Ah.
Hình 4.2.3.B :Bảng thông số các đại lượng cần thiết để thiết kế bộ nạp
DC DC. a Tính toán hệ số duty cycle (D).
Ta có phương trình đối với mạch Buck:
=> 0.22 < D < 0.45 b tính chọn giá trị cuộn cảm (L).
= 2.65 × 10 −3 ( F) = 2650 (uF) Chọn tụ 3300 uF – 50V d Tính chọn van MOSFET.
Chọn MOSFET dựa trên 2 thông số chủ yếu: o Điện áp đánh thủng lớn nhất Vbr o Dòng điện đỉnh Ipm.
Tại thời điểm MOSFET chuyển từ ON sang OFF dòng qua van lớn nhất:
VMOSFET = 130% 34 = 44,2 V (chọn hệ số dự trữ 30%).
Chọn MOSFET IRF540 có I = 23 A , V = 100 V e Tính chọn Diode.
Cũng tương tự như tính chọn MOSFET chọn diode dựa trên điện áp đánh thủng và dòngđiện đỉnh.
Dùng 4 Diode FR307 mắc song song.Thông số FR307: I = 3 A, V = 35 V. f Chọn IC điều khiển MOSFET. Điều khiển MOSFET cao theo nguyên lý boostrap nên ta chọn IC
IR2184 là một bộ điều khiển được thiết kế để hoạt động với điện áp nguồn lên đến +600 V, cho phép đóng mở MOSFET ở tần số cao Nó cung cấp điện áp cho cực cổng MOSFET (VGS) trong khoảng từ 10 V đến 20 V.
Là IC chống trùng dẫn tốt với tín hiệu logic điều khiển từ 3.3 V đến 5 V.
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mạch điều khiển (Hình 5.3) có nhiệm vụ quan trọng trong việc đọc tín hiệu ADC từ ba kênh: dòng điện sạc, điện áp sạc và nhiệt độ của pin/ắc quy Nó thực hiện tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển trong các chế độ nạp khác nhau, đồng thời kiểm soát việc đóng cắt sạc pin và bảo vệ pin khỏi tình trạng quá tải Vi điều khiển PIC 16F877A được chọn làm trung tâm cho mạch điều khiển, với các kênh ADC đầu vào được kết nối từ bốn chân RA0, RA1, RA2 để đo các đại lượng điện áp, dòng điện và nhiệt độ Ngoài ra, chân RC2/CCP1 và RC1/CCP2 (PWM) được sử dụng để tạo ra tín hiệu đóng mở van, phục vụ cho bộ sạc nhanh pin Lithium ion ứng dụng vi điều khiển.
Hình 5.3 : Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng PIC16F877A.
T ÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐO LƯỜNG
4.4.1 Đo dòng điện sạc Để đo dòng ta dùng IC Hall cảm biến dòng chuyên dụng ASC712.
Hình 5.4.1 : IC Hall cảm biến dòng chuyên dụng ASC712.
Tóm tắt về các đặc tính cơ bản của IC đo dòng ACS712 như sau: Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp.
Băng thông của thiết bị được thiết định thông qua chân FILTER mới.
Thời gian tăng của ngừ ra để đỏp ứng với dũng ngừ vào là 5às.
Tổng lỗi ngỏ ra tại nhiệt độ 25°C là 1.5%, với dạng đóng gói SOIC8 có các chân nhỏ Điện trở dây dẫn đo được là 1.2mΩ, trong khi điện áp cách điện tối thiểu giữa chân 1-4 và chân 5-8 đạt 2.1kV RMS.
Nguồn vận hành đơn 5V với độ nhạy ngõ ra từ 96 đến 104mV/A, cung cấp điện áp ngõ ra ổn định cho cả dòng DC và AC Điện áp offset ngõ ra được duy trì ở mức cực kỳ ổn định.
Sự trễ từ gần bằng zero.
Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp.
Tính toán sai số phép đo:
Ta dùng bộ chuyển đổi ADC 10 bit của pic 16f877a nên ta có:
Với độ nhạy của ASC712 là từ 96 mV/A đến 104 mV/A ta lấy trung bình là
100 mV/A Ta có sai số phép đo:
4.4.2 Đo điện áp. Để đo điện áp ta dùng cầu phân áp bằng điện trở độ chính xác 1% Ta có công thức tính điện trở phân áp để lấy điện áp về đưa vào đầu vào ADC của vi điều khiển từ điện áp ra của mạch DC/DC cấp cho pin/ắc quy khi sạc:
Điện áp một chiều DC đầu vào cực đại từ chỉnh lưu là VINmax 35,2 V, trong khi điện áp cực đại của ADC là VDD = 5 V Do đó, tỷ lệ điện trở cầu áp được xác định dựa trên hai giá trị điện áp này.
Chọn R1 = 60 kΩ và R2 = 10 kΩ để đảm bảo dòng điện trong mạch đo rất nhỏ (cỡ 32,5V/110 kΩ = 0,503 mA ) ta có: Vđo = V*0,14286 hay V Vđo*7.
Hình 5.4.2Mạch phân áp để đo điện áp sạc. Điện áp đo có sai số 4,883 mV từ bộ ADC nên sai số của điện áp cần đo V là:
∆U = 4.883.7 = 34.181 mVPin Li ion có dung sai yêu cầu ±50 mV > 34,181 mV nên phép đo trên đạt yêu cầu về độ sai lệch điện áp
4.4.3 Đo nhiệt độ Để đo nhiệt độ ta dùng IC cảm biến nhiệt độ sử dụng các phần tử bán dẫn LM35 IC này có đầu ra trực tiếp là điện áp tỉ lệ với nhiệt độ cần đo với độ nhạy 10mV/oC Dải nhiệt độ từ 55oC đến 150oC với sai số 0,5oC.
Hình 5.4.3 Hình dáng và sơ đồ chân của IC bán dẫn đo nhiệt độ LM35.
Kết luận, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sạc nhanh pin Lithium ion ứng dụng vi điều khiển” đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, tạo ra một bộ sạc nhanh giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng và rút ngắn thời gian sạc Sản phẩm này đáp ứng tốt nhu cầu của các thiết bị và người dùng, mang lại tiện ích đáng kể trong việc sử dụng pin Lithium ion.
Mạch động lực có khả năng tăng áp hoặc giảm áp (buck/boost), giúp sạc nhiều loại pin và ắc quy với điện áp và dung lượng đa dạng.
Phản hồi dòng điện, điện áp sạc và nhiệt độ của pin/ắc quy là yếu tố quan trọng để điều khiển quá trình sạc Việc này giúp ổn định dòng điện và điện áp, đảm bảo chất lượng cao, phù hợp với yêu cầu khắt khe của quá trình sạc pin Li-ion.
Quá trình sạc được điều khiển bởi vi điều khiển, chương trình có thể lập trình được nên rất linh hoạt.
Mạch hiện tại còn cồng kềnh và cuộn cảm chưa được tối ưu Chúng tôi dự định thay thế vi điều khiển PIC16F877A để thiết kế mạch nhỏ gọn và hoàn chỉnh hơn Đồng thời, chúng tôi sẽ cải thiện chương trình điều khiển nhằm tăng tính linh hoạt, từ đó có thể thay thế mạch sạc trên thị trường hiện nay.
Xin chân thành cảm ơn thầy TS Đinh Thế Nam cùng toàn thể các thầy cô trong khoa đã hỗ trợ và tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Hải Phòng , ngày tháng năm
