Nghiên cứu và phát triển sạc nhanh cho xe điện

Tổng quan về sự phát triển của xe điện

Quá trình phát triển của xe điện

Bắt nguồn từ việc chế tạo xe điện để thay thế cho sức kéo của ngựa, năm

Năm 1881, kỹ sư người Pháp Gustave Trouve đã chế tạo chiếc xe điện ba bánh đầu tiên trên thế giới, trang bị động cơ điện và sử dụng ắc quy chì – axit để sạc điện Tuy nhiên, sự kiện này không thu hút nhiều sự chú ý do tính bất tiện của xe, với vận tốc tối đa chỉ đạt 15km/h và quãng đường di chuyển chỉ 16km cho mỗi lần sạc.

Năm 1884, nhà khoa học người Anh Thomas Parker đã phát minh ra chiếc xe điện đầu tiên, sau này được biết đến là Ford Model T Đến năm 1897, xe điện đã được ứng dụng thương mại lần đầu tiên tại New York với thiết kế Electrobat II, bao gồm 12 chiếc taxi và một chiếc xe buýt Sản lượng xe điện đạt đỉnh vào năm 1912, đánh dấu sự thành công của các nhà sản xuất xe điện.

Vào đầu thế kỷ 20, xe điện dần mất vị thế do sự phát triển của động cơ đốt trong, không còn khả năng cạnh tranh về chi phí sản xuất và thời gian nạp năng lượng.

Năm 1912, một chiếc xe điện có giá 1.750 USD, trong khi xe chạy bằng xăng chỉ khoảng 650 USD Các mẫu xe chạy xăng mới được cải tiến với khả năng khởi động bằng điện, giúp việc khởi động và vận hành dễ dàng hơn Đến năm 1935, xe điện gần như biến mất khỏi thị trường.

Vào những năm 1970, do lo ngại về ô nhiễm môi trường và chi phí xăng dầu tăng cao, các nhà sản xuất bắt đầu nghiên cứu và phát triển xe điện trở lại Năm 1976, Quốc hội Mỹ đã thông qua Đạo luật nghiên cứu và phát triển xe điện, xe lai Trong giai đoạn này, Sebring-Vanguard nổi lên như một công ty tiên phong trong thị trường xe điện, sản xuất hơn 2.000 chiếc xe điện CitiCar Những chiếc xe này có tốc độ tối đa 71 km/h, tốc độ hành trình 61,2 km/h và quãng đường đi được khoảng 80 - 97 km, trở thành dòng xe bán chạy nhất tại Mỹ cho đến nay.

Vào năm 2011, bên cạnh hãng Sebring-Vanguard, Elcar Corporation cũng đã giới thiệu mẫu xe Elcar với tốc độ tối đa 72 km/h và phạm vi hoạt động 97 km Đến đầu những năm 1990, Ủy ban Tài nguyên Hàng không California (CARB) đã thúc đẩy sự phát triển của các phương tiện tiết kiệm nhiên liệu, với mục tiêu chuyển đổi sang xe không thải khí CO2, như xe điện Để đáp ứng yêu cầu này, nhiều hãng xe nổi tiếng như Ford, Honda, Nissan và Toyota đã phát triển các mẫu xe điện Một trong những mẫu xe điện nổi bật cuối thế kỷ 20 là General Motors EV 1.

Năm 2004, Tesla Motors được thành lập và đến năm 2008, sản phẩm đầu tiên của họ được giao cho khách hàng Năm 2006, công ty công bố kế hoạch sản xuất pin cho xe điện với quãng đường mỗi lần sạc lên tới 322 km Năm 2011, Tesla ra mắt mẫu Roadster với phạm vi 386 km mỗi lần sạc, nhưng có giá lên đến 100.000 USD Trong khi đó, Nissan Leaf chỉ có quãng đường 160 km mỗi lần sạc và giá khoảng 30.000 USD.

Xe điện đã trải qua nhiều thăng trầm từ cuối thế kỷ 19 đến nay Tuy nhiên, với những thách thức về môi trường, xe điện đang dần khẳng định vị thế của mình và sẽ trở thành tương lai của ngành vận tải.

Nhu cầu sử dụng ô tô điện hiện nay

Trong vài thập kỷ qua, đã có sự chuyển dịch mạnh mẽ từ việc sử dụng xăng dầu sang điện năng trong nhiều lĩnh vực tiêu thụ năng lượng nhằm giải quyết tình trạng cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và ô nhiễm môi trường Dự báo, xu hướng này sẽ gia tăng đáng kể, đặc biệt là trong lĩnh vực xe điện (EVs) Theo Cơ quan Quản lý Năng lượng Hoa Kỳ, nguồn dầu thô toàn cầu chỉ đủ sử dụng đến năm 2050, vì vậy việc phát triển và sử dụng xe điện trở nên ưu tiên hàng đầu để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Thống kê từ Market Research cho thấy, đến năm 2025, thị trường xe điện toàn cầu sẽ đạt giá trị trên 22 tỷ USD với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm là 7.3%.

Kể từ năm 2008, sự phát triển của công nghệ pin đã thúc đẩy sự phục hưng trong ngành sản xuất xe điện, với Tesla và Nissan dẫn đầu về doanh số Đến tháng 9 năm 2017, Tesla đã bán được hơn 250.000 xe, trong khi liên minh Renault Nissan Mitsubishi đạt mốc nửa triệu xe vào tháng 10 cùng năm Năm 2019, Tesla công bố doanh số 367.500 xe, với mẫu Model S là xe bán chạy nhất Tính đến cuối năm 2018, Nissan Leaf đã tiêu thụ hơn 380.000 xe trên toàn cầu, và theo S&P Global Platts, tổng số xe điện đang sử dụng trên thế giới đạt khoảng 5,3 triệu chiếc.

Năm 2020, mặc dù chịu ảnh hưởng của Covid-19, các nhà phân tích phố Wall dự báo Tesla sẽ bán được khoảng 463.000 xe điện Nhận thấy sự cấp thiết và lợi ích to lớn từ việc phát triển ô tô điện, nhiều quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, Hà Lan và các nước trong Liên minh Châu Âu đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của xe điện Do đó, việc xe điện chiếm ưu thế trong thị trường vận tải trong tương lai là điều khó tránh khỏi.

Tổng quan về hệ thống pin lithium trên xe điện

Giới thiệu chung về hệ thống pin Lithium ion trên xe điện

Với mật độ năng lượng cao, pin Lithium ngày càng được sử dụng phổ biến trong hệ thống pin của xe điện Công nghệ pin Lithium được nghiên cứu lần đầu tiên vào những năm 1970 bởi nhà hóa học Michael Stanley người Mỹ.

Whittingham đã sử dụng titan sunfide và kim loại Liti thuần làm điện cực, nhưng do tính chất hóa học của Liti là kim loại hoạt động mạnh, nó gây ra phản ứng khi tiếp xúc với không khí, dẫn đến nguy cơ mất an toàn Vì vậy, mô hình sử dụng Liti làm cực dương không được chấp thuận Đến năm 1979, các nhà khoa học John Goodenough và Koichi Mizushima đã chế tạo LiCoO2 làm cực dương và Liti thuần làm cực âm tại Mỹ Sau nhiều năm nghiên cứu và cải thiện tính an toàn cho pin Lithium ion, vào năm 1991, pin Lithium ion đã được thương mại hóa bởi tập đoàn Sony Tính đến năm 2019, theo thống kê của Benchmark Mineral Intelligence, tập đoàn LG của Hàn Quốc dẫn đầu trong sản xuất pin Lithium ion với sản lượng 50GWh.

Hiện nay, trên thị trường có hai dạng xe điện chủ yếu:

Xe lai giữa điện và động cơ đốt trong (HEV) là loại xe sử dụng cả động cơ điện và động cơ đốt trong, nhưng chủ yếu dựa vào động cơ đốt trong Động cơ điện chỉ hoạt động khi xe thay đổi vận tốc Hai mẫu xe tiêu biểu của loại này là Toyota Prius và Honda Civic.

Xe chạy hoàn toàn bằng điện (EV) là loại xe có hệ truyền động chỉ sử dụng động cơ điện Một trong những sản phẩm tiêu biểu của loại xe này là Tesla Model S.

Hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe điện hiện nay chủ yếu sử dụng ắc quy chì-axit, pin Lithium và pin Nickel-Metal Hydride Ắc quy chì-axit được ưa chuộng vì chi phí thấp và tính an toàn, nhưng lại có mật độ năng lượng thấp và tuổi thọ ngắn Vì lý do này, pin Lithium ion và pin Nickel-Metal Hydride đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ để thay thế ắc quy chì-axit Đặc biệt, pin Lithium ion nổi bật với mật độ công suất cao, hiệu suất làm việc tốt ở nhiệt độ cao, khả năng tự phóng điện gần như không có và có thể tái chế.

Hệ thống pin trên xe bao gồm nhiều cell pin được kết nối thành các pack Mỗi pack riêng lẻ được kết nối theo hai phương thức: nối tiếp hoặc song song, tạo thành các module tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng.

Hình 1.1 Hai kiểu ghép nối trong hệ thống pin

Cấu tạo của pin Lithium ion

Pin Li-ion được cấu tạo từ ba thành phần chính: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân, cùng với một số thành phần khác Điện cực dương thường được làm từ các oxit kim loại của Lithium như LiFeO2, LiCoO2 và LiNiO2, bên cạnh đó còn có hợp chất LiMn2O4 hoặc các vật liệu có dung lượng cao hơn như LiNi1-xCoxO2 Các vật liệu này cần đáp ứng các tiêu chuẩn nhất định để đảm bảo hiệu suất của pin.

- Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li +

- Hệ số khuếch tán ion Li + lớn

- Không tan trong dung dịch chất điện phân

Một số hợp chất được sử dụng làm cực dương của pin Lihitum, những ứng dụng và ưu điểm của những hợp chất đó được đưa ra như bảng 1.1

Bảng 1.1 Vật liệu làm cực dương của pin Lithium ion

Hợp chất Công ty Ứng dụng Ưu điểm

Xe điện, dụng cụ điện, grid energy storage

Năng lượng riêng và mật độ năng lượng riêng cao

LG Chem, NEC, Samsung, Nissan

Xe điện hybrid, điện thoại, laptop

Giá rẻ, bền, năng lượng riêng cao Liti Sắt Phosphate

Phostech Lithium Inc, Valence Technology

Dụng cụ điện, sản phẩm hàng không, HEV, PHEV

Mật độ năng lượng ở mức trung bình, an toàn, bền nhiệt

Sony Nhiều lĩnh vực Năng lượng riêng cao

Xe điện với năng lượng riêng cao và vòng đời dài sử dụng điện cực âm thường làm từ carbon Một số pin sử dụng graphite tự nhiên, có giá thành rất thấp, mặc dù việc thay thế carbon cứng bằng vật liệu graphite cho dung lượng cao hơn.

Một số hợp chất được sử dụng làm cực âm của pin Lihitum, những ứng dụng và đặc điểm của những hợp chất đó được đưa ra như bảng 1.2

Bảng 1.2 Vật liệu làm cực âm của pin Lithium ion

Hợp chất Công ty Ứng dụng Đặc điểm

Graphite Là vật liệu chính cho cực âm trong hầu hết các LIB

Giá rẻ Tốc độ sạc phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, kích thước hình dạng của từng lớp graphene

Toshiba, Altairnano Ô tô, điện lưới dự trữ an toàn, bền nhiệt, có thể chạy trong khoảng

Hard Carbon Energ2 Dụng cụ điện gia đình

Hợp kim thiếc coban (CoSnx)

Sony Dụng cụ điện Dung lượng lớn hơn pin graphite

Silicon/Carbon Amprius Smartphones, với công suất 5000 mAh

Cần có cấu trúc nano với hàm lượng silicon

Dung dịch điện ly là môi trường truyền ion Liti giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả pin, với yêu cầu độ dẫn ion Liti đạt mức 10^-2 S/cm ở nhiệt độ phòng Để đảm bảo phản ứng trong pin và ngăn ngừa đoản mạch, dung dịch điện ly cần có độ dẫn electron không vượt quá 10^-8 S/cm Dung dịch điện ly lỏng cho pin Li-ion thường chứa muối liti như LiPF6, LiBF4 hoặc LiClO4 hòa tan trong các dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat và dietyl cacbonat Để giảm thiểu rò rỉ và tăng tính an toàn, các nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào phát triển dung môi gel, polymer và các chất điện ly dạng rắn từ ceramic.

Sử dụng chất điện ly dạng rắn trong pin li-ion giúp loại bỏ lớp màng ngăn, từ đó đơn giản hóa quy trình lắp ráp và nâng cao độ an toàn cho pin.

Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

Quá trình sạc và xả pin liên quan đến sự di chuyển của các ion Li+ giữa hai cực âm và dương thông qua chất điện ly Khi pin hoạt động, dòng điện sẽ chạy trong mạch ngoài của pin.

Khi xả, ion liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (anode) là graphite, qua dung dịch điện ly, đến cực dương, nơi vật liệu dương cực phản ứng với ion liti Quá trình này giúp cân bằng điện tích giữa hai cực.

Mỗi khi một ion lithium (Li) di chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong pin, một electron cũng di chuyển từ cực âm sang cực dương trong mạch ngoài, tạo ra dòng điện chảy từ cực dương về cực âm.

Trong quá trình sạc pin, electron di chuyển từ điện cực dương (nay trở thành cực âm) về điện cực âm (nay đóng vai trò cực dương), đồng thời ion Li tách khỏi cực dương và di chuyển về cực âm Do đó, pin sẽ đảo chiều giữa quá trình sạc và xả Việc xác định tên gọi điện cực dương hay âm phụ thuộc vào bản chất và quá trình phản ứng đang diễn ra Trong hầu hết các bài viết khoa học, cực âm (anode) và cực dương (cathode) được định nghĩa theo trạng thái xả của pin.

Quá trình sạc và xả của pin Lithium được mô tả qua các phản ứng hóa học giữa cực dương là Liti Coban Oxit (LiCoO2) và cực âm là Graphite (C6) Điều này giúp dễ dàng viết các phương trình hóa học liên quan đến hoạt động của pin Lithium.

Bán phản ứng tại cực dương (cathode) được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

Các phản ứng hóa học thường có giới hạn nhất định Khi nạp quá mức ion liti vào liti coban oxit đã bão hòa, sẽ xảy ra hiện tượng hình thành liti oxit, theo phản ứng một chiều.

Mặc dù pin Lithium ion có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại pin khác, nhưng chúng chứa dung dịch điện ly dễ cháy và được nén dưới áp suất cao, điều này làm tăng nguy cơ nếu hoạt động ngoài dải an toàn Việc sạc pin quá nhanh có thể dẫn đến hiện tượng đoản mạch, gây ra cháy nổ Do đó, cần cẩn trọng trong việc sử dụng và sạc pin để đảm bảo an toàn.

Các qui chuẩn kiểm tra pin Lithium hiện nay nghiêm ngặt hơn rất nhiều so với các loại pin dung dịch điện ly axit Một trong những sự cố nổi bật liên quan đến pin Lithium là vụ việc của Samsung Galaxy Note 7, khiến các hãng hàng không quốc tế cấm hành khách mang theo sản phẩm này lên máy bay.

Chương 1 đã trình bày tổng quan về sự phát triển của xe điện, nhu cầu sử dụng xe điện hiện nay, cấu trúc chung về hệ thống pin Lihtium ion trên xe điện, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

Trong chương 2, mô hình hóa sử dụng mạch tương đương và mô hình nhiệt của pin Lithium ion sẽ được khảo sát

MÔ HÌNH HÓA PIN LITHIUM ION

Mô hình hóa pin Lithium sử dụng mạch tương đương

Mô hình động học của pin được mô tả bằng cách sử dụng một mô hình mạch tương đương được đưa ra như hình 2.1

Uocv là điện áp hở mạch

R0 là nội trở của pin

Rd1, Rd2, …, Rdn là các điện trở phân cực trong các mạng tụ điện trở

Cd1, Cd2, …, Cdn là các tụ điện phân cực trong các mạng tụ điện trở

Ud1, Ud2, …, Udn là điện áp phân cực rơi trên mạng tụ điện trở

Ub là điện áp trên hai cực của Pin

Hình 2.1 Mô hình tương đương của pin

Mạng tụ điện trở RC mô phỏng sự thay đổi điện áp trên hai cực pin khi dòng điện biến đổi, giúp phản ánh chính xác hơn đặc tính động học của pin Việc tăng số lượng mạng tụ điện trở trong mô hình sẽ làm cho mô hình gần gũi với thực tế hơn, nhưng cũng đồng nghĩa với khối lượng tính toán lớn hơn Để đơn giản hóa, một mô hình tương đương rút gọn của pin đã được đề xuất, như thể hiện trong hình 2.2 [4].

- Điện áp hở mạch Uocv(t)

- Một mạng tụ điện trở R1 và C1 tương ứng là điện trở phân cực và tụ điện phân cực

- i(t) là dòng tải Dòng điện i(t) di chuyển trong pin có chiều dòng điện như trên hình, trong điều kiện sạc thì i(t)>0, trong điều kiện xả thì i(t) 0, Mosfet S4 mở ra, cho phép dòng điện từ cuộn cảm L chảy qua van S2 và Diode ngược trên Mosfet S3, tích trữ năng lượng trong cuộn cảm Sau khi van S4 đóng lại, dòng điện sẽ tiếp tục chảy qua cuộn cảm L và Diode ngược trong van S1 để cung cấp năng lượng cho tải, đồng thời nạp cho tụ điện C, trước khi quay lại nguồn qua Diode ngược trên Mosfet S3 Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi U vào < 0.

Hình 4.8 Quá trình hoạt động của mạch khi U vào 0, nhưng Mosfet S1 và Mosfet S2 sẽ thay thế vai trò cho Mosfet S3 và S4

Mosfet S1 sẽ mở, cho phép dòng điện từ cuộn cảm L chảy qua van S1 và diodes ngược trên Mosfet S2, trở về nguồn Năng lượng được tích trữ trong cuộn cảm L Sau đó, van S1 sẽ đóng lại, dòng điện sẽ chảy qua cuộn cảm L và diodes ngược trong van S2 để cung cấp năng lượng cho tải và nạp cho tụ điện C, trước khi trở về nguồn qua diodes ngược trong van S4 Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi điện áp đầu vào Uvào lớn hơn 0 trong chu kỳ điện áp mới.

4.3.2 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi DC-DC

Trong chu kỳ hoạt động của bộ biến đổi DC-DC, có tổng cộng 8 trạng thái, chủ yếu là các trạng thái cộng hưởng giữa bên sơ cấp và bên thứ cấp của máy biến áp Bên cạnh đó, các khoảng thời gian chết (dead time) được sử dụng để tạo ra chuyển mạch mềm trong mạng cộng hưởng.

Hình 4.9 Trạng thái 1 của chu kỳ bộ biến đổi DC-DC

Khi van S1 và S4 mở, năng lượng từ bên sơ cấp sẽ được truyền sang bên thứ cấp của máy biến áp thông qua các diode S5 và S8 Điện cảm L, song song với máy biến áp và bị giữ bởi điện áp sơ cấp, không tham gia vào quá trình cộng hưởng Dòng điện qua cuộn cảm L tăng chậm hơn so với dòng điện cộng hưởng.

Trạng thái 1 kết thúc khi dòng điện qua cuộn cảm từ hóa bằng dòng điện cộng hưởng (i Lm =i L1 )

Cuối trạng thái 1, dòng điện qua cuộn dây Lm bằng dòng điện qua cuộn dây L1, dẫn đến dòng điện qua phía thứ cấp bằng không (iL2 = 0) Khi dòng điện giảm về 0, các diode S5 và S8 sẽ tắt, đạt trạng thái tắt dòng điện không có điện áp (ZCS) Trong trạng thái này, không có năng lượng được truyền từ bên sơ cấp sang bên thứ cấp.

Trạng thái này gây ra thời gian chết, với mục tiêu đưa điện áp qua van S2 và S3 về mức không trước khi mở Trong trạng thái, hai van S1 và S4 dẫn điện, khiến tụ điện ký sinh C DS xả hoàn toàn.

Tại thời điểm t2, khi đóng van S1 và S4, dòng điện qua cuộn cảm i vẫn tiếp tục chạy theo chiều cũ ở L1, nạp tụ ký sinh của van S1 và S4, đồng thời xả tụ điện ký sinh của van S2 và S3 Thời gian này ngắn hơn nhiều so với chu kỳ biến đổi, do tụ điện ký sinh có giá trị nhỏ hơn nhiều so với tụ điện của mạch cộng hưởng.

Tại thời điểm t3, tụ điện ký sinh của van S1 và S4 đã được nạp đầy, trong khi tụ điện của van S2 và S3 đã được xả hết Dòng cộng hưởng ngay lập tức chạy qua diode của van S2 và S3, đảm bảo các van chuyển mạch ở trạng thái không có điện áp qua Khoảng thời gian này ngắn hơn nhiều so với chu kỳ biến đổi.

Cuối trạng thái 4, van S2 và S3 mở ở điện áp qua không (ZVS) Điện áp đặt lên van S1, S4 bằng điện áp nguồn DC đầu vào

Khi dòng điện chạy qua van S2 và S3, nó khép vòng với bên thứ cấp, tạo thành mạch cộng hưởng Tuy nhiên, chiều dòng điện ngược lại với trạng thái 1, dẫn đến dòng qua cuộn cảm i giảm dần và tăng theo chiều âm Dòng qua cuộn cảm L1 cũng giảm và tăng theo chiều âm, nhưng do bị giữ bởi điện áp sơ cấp, nên giảm chậm hơn và không tham gia vào quá trình cộng hưởng.

Cuối trạng thái 5, dòng điện i Lm bằng i L1, dẫn đến dòng điện qua phía thứ cấp i L2 bằng 0 Khi dòng điện giảm về 0, các diode S6 và S7 sẽ tắt, tạo ra điều kiện tắt dòng điện không tải (ZCS) Trong trạng thái này, không có năng lượng được truyền từ bên sơ cấp sang bên thứ cấp.

Trạng thái 7 và 8 tương tự trạng thái 3 và 4, các trạng thái này tạo thời gian chết nhằm đạt chuyển mạch mềm

Dạng dòng điện, điện áp của các trạng thái trong 1 chu kỳ bộ biến đổi DC-

Hình 4.15 Dạng dòng điện, điện áp của các trạng thái trong 1 chu kỳ bộ biến đổi DC-

Mô hình hóa bộ biến đổi

4.4.1 Mô hình hóa bộ biến đổi AC-DC

Xây dựng các phương trình Kickoff mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng trong bộ biến đổi a) Định nghĩa hàm các chuyển đổi trạng thái

• Hàm chuyển đổi trạng khi đóng/mở Mosfet:

( ) 0 t ( 1) sw on sw on sw sw u t k t k t t k t

- t on : thời gian Mosfet mở

- t sw : chu kỳ đóng cắt Mosfet

• Hàm chuyển trạng thái điện áp vào đảo dấu

T: là chu kỳ của điện áp đầu vào (T=1/50 =0.02s) b) Các phương trình khi điện áp vào V in >0

• Khi k.t

Định dạng
Số trang	116
Dung lượng	4,79 MB