nghiên cứu thiết kế bộ nguồn sạc pin lithium ion với hiệu suất cao

Trong đó: Ud là điện áp phân cực, Rd là nội trở phân cực Sau khi gián đoạn hóa, ta được phương trình thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và dòng điện sạc được thể hiện trong PT 1.9 Tk là

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP _

NGUYỄN TRUNG THÀNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Tên tôi là: Nguyễn Trung Thành

Sinh ngày: 23 tháng 02 năm 1981

Học viên lớp cao học khoá 24 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Công ty TNHH MTV Cơ điện và Vật liệu nổ 31

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn sạc pin Lithium-ion với hiệu suất cao” do thầy giáo TS Ngô Minh Đức hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Thái Nguyên, ngày19 tháng 6 năm 2023

Học viên

Nguyễn Trung Thành

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình

giúp đỡ của thầy giáo TS Ngô Minh Đức, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn sạc pin Lithium-ion với hiệu suất cao ” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn TS Ngô Minh Đức đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả

hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 19 tháng 6 năm 2023

Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Thành

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN XE ĐẠP ĐİỆN, XE MÁY ĐİỆN, Ô TÔ ĐİỆN, CÔNG NGHỆ

SẠC VÀ PIN LITHIUM-ION 11

I TỔNG QUAN XE ĐẠP ĐIỆN, XE MÁY ĐIỆN, Ô TÔ ĐIỆN 11

1.1 NHU CẦU SỬ DỤNG XE ĐIỆN HIỆN NAY 11

1.1.1 Vì sao lại lựa chọn sử dụng xe điện ? 11

1.1.2 Đối tượng sử dụng xe điên 11

1.1.3 Ưu Điểm - Nhược Điểm Của Xe Điện 12

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI XE TRÊN THỊ TRƯỜNG 12

1.2.4 Giới thiệu về các loại xe điện sử dụng pin lithium-ion 14

a Xe đạp điện ZINGER extra của HKBike 15

b.Xe đạp điện ITREND của HKBike 16

c Xe đạp điện GIANT 16

1.3 Nguyên tắc hoạt động của Pin Lithium-ion 17

1.3.1 Các phản ứng tại các điện cực 17

1.3.2 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực - dung dịch điện phân 18

1.4 Cấu tạo Pin Lithium-ion 18

1.4.6 Mô hình hóa Pin Lithium-ion 21

1.4.6.1 Mô hình hóa pin Lithium sử dụng mạch tương đương 21

1.4.6.2 Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt của pin Lithium ion 23

1.5 Phân loại Pin Lithium-ion 23

1.5.1 Pin li-on dạng trụ 23

1.5.2 Pin Li­ion lăng trụ phẳng 24

II CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LITHIUM-ION 24

2.1 Sạc pin Lithium-ion 24

2.1.1 Tổng quan về các phương pháp sạc 24

2.1.2 Tiêu chuẩn sạc và các giới hạn về sạc pin cho xe điện 25

a Tiêu chuẩn sạc pin cho xe điện 25

b Các giới hạn sạc pin cho xe điện 26

2.1.3 Phương pháp sạc dòng điện không đổi, điện áp không đổi 27

2.1.3.1 Quá trình sạc pin Lithium ion theo phương pháp dòng điện không đổi điện áp không đổi 27

2.1.3.2 Những vấn đề tồn tại và thách thức của phương pháp dòng điện không đổi, điện áp không đổi 28

2.1.4 Phương sạc nhiều mức dòng điện 28

2.1.4.1 Quá trình sạc pin Lithium-ion theo phương pháp sạc nhiều mức dòng điện 28

2.1.4.2 Những vấn đề tồn tại và thách thức của phương pháp sạc nhiều mức dòng điện 30

2.1.5 Phương pháp sạc xung 30

2.1.5.1 Sạc xung với dòng điện không đổi tần số không đổi 30

2.1.5.2 Sạc xung với dòng điện không đổi tần số thay đổi 31

2.1.6 Sạc xung với dòng điện thay đổi tần số không đổi 32

2.1.7 Phương pháp sạc tăng cường 33

2.1.7.1 Quá trình sạc pin Lithium-Ion bằng phương pháp sạc tăng cường 33 2.1.7.2 Những vấn đề tồn tại và thách thức trong phương pháp sạc bằng phương pháp sạc tăng cường 35

2.1.8 Phương pháp sạc nhanh được đề xuất 35

2.2 Một số nguyên tắc cơ bản khi sạc pin 36

2.2.1 Tốc độ sạc và xả của pin 37

2.2.2 Chế độ sạc nhanh pin Li-ion 38

2.2.3 Phân loại các chế độ sạc pin 38

2.2.4 Điều kiện để sạc nhanh pin Li-ion 39

2.2.5 Ảnh hưởng của sạc nhanh đến tuổi thọ của pin 39

2.3 Kết luận chương 39

CHƯƠNG 2: THİẾT KẾ BỘ ĐİỀU KHİỂN MPC CHO TỐİ ƯU SẠC NHANH VÀ MẠCH ĐİỀU KHİỂN 41

2.1 Sơ đồ khối hệ thống sạc Pin Lithium-ion 41

2.1.1 Mô tả chiến lược MPC được đề xuất 41

2.1.1.1 Mô hình hóa pin 41

2.1.1.2 Biểu diễn không gian trạng thái của mô hình mạch tương đương pin

b Phân tích sóng hài bậc nhất bộ chuyển đổi cộng hưởng 46

c Phân tích sơ đồ mạch biến đổi DC/AC lý tưởng 47

d Phân tích bộ chỉnh lưu và mạch lọc một chiều 48

e Mạng mạch cộng hưởng 49

f Hệ số biến đổi điện áp đầu ra/đầu vào 50

2.2.4 Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC cầu 1 pha 51

2.2.5 Nguyên lý 3 chế độ hoạt động khác nhau của bộ chuyển đổi LLC 55

2.2.5.1 Chế độ vận hành toàn cầu 55

2.2.5.2 Chế độ vận hành nửa cầu 56

2.2.5.3 Chế độ vận hành nhân đôi tần số 57

2.2.6 Mô hình hóa bộ biến đổi cộng hưởng LLC sử dụng xác suất cơ bản 58

2.2.7 Đặc điểm của chức năng tăng điện áp 60

2.2.8 Phạm vi hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 62

b Cuộn cảm trong mạch cộng hưởng 66

2.2.11 Tính toán tổn hao trên mạch động lực 67

a Tổn hao trên van bán dẫn 67

b Tổn hao trên máy biến áp 69

c Tổn hao trên mạch cộng hưởng LLC 70

d Tổn thất trên bộ biến đổi cộng hưởng 71

2.3 Thiết kế mạch điều khiển và chọn phương pháp điều khiển 71

2.3.1 Các khối mạch điều khiển 73

2.3.1.1 Khối điều khiển (MCU) 73

2.3.1.2 Khối đo cường độ dòng điện 73

2.3.1.3 Khối đo điện áp một chiều 74

2.3.1.4 Khối đo điện áp xoay chiều 75

2.3.1.5 Khối giải mã xung 76

2.3.2 Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) 76

2.3.2.1 Khái niệm 76

2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động 77

2.3.2.3 Các loại PWM 81

2.3.3 Cấu trúc điều khiển mạch vòng kín 82

2.3.4 Phương pháp điều khiển PID 83

3.1.2 Sơ đồ mô phỏng Bộ biến đổi DC/DC toàn cầu 1 pha LLC mạch kín 92

3.1.3 Mô phỏng Bộ biến đổi DC/DC toàn cầu 1 pha LLC 92

3.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm 94

3.2.1 Xây dựng mạch điều khiển 94

a KIT phát triển LAUNCHXL-F28379D C2000 95

MỤC LỤC ẢNH

Hình 1 1: Phác họa quá trình điện hóa trong Pin Lithium-ion 17

Hình 1 2: Cấu tạo Pin Lithium-ion 18

Hình 1 3: Mô hình tương đương của Pin 21

Hình 1 4: Mô hình tương đương rút gọn của Pin 22

Hình 1 5: Mặt cắt ngang pin Lithium-ion 24

Hình 1 6: Phần đầu và các điện cực của Pin Li-io trụ phẳng 7Ah 24

Hình 1 7:Bộ sạc 50KW Tera 54 dp ABB sản xuất 26

Hình 1 8: Dạng dòng điện, điện áp tế bào Pin trong phương pháp sạc CC-CV 28

Hình 1 9: Dạng dòng điện, điện áp tế bào pin trong phương pháp sạc nhiều mức dòng điện dự trên áp ngưỡng; Dạng dòng điện, điện áp tế bào pin trong phương pháp sạc nhiều dòng điện dựa trên SÓC 29

Hình 1 10: Dạng dòng điện trong phương pháp CCF-PC 30

Hình 1 11: Dạng dòng điện và điện áp pin trong cả quá trình sạc pin theo phương pháp CCCF-PC 31

Hình 1 12: Dạng dòng điện, điện áp trong toàn bộ quá trình sạc theo phương pháp CCVF-PC 32

Hình 1 13: Dạng dòng điện, điện áp pin trong quá trình sạc tăng cường 34

Hình 1 14: So sánh dung lượng pin của hai phương pháp CCCV thông thường và sạc tăng cường 34

Hình 1 15: Dạng nhiệt độ sạc trong quá trình sạc theo phương pháp 36

Hình 1 16: Dạng dòng điện sạc theo phương pháp sạc điều khiển nhiệt độ 36

Hình 1 17: Các đường cong tốc độ phóng điện của pin 38

Hình 1 18: Biểu diễn chu kỳ náp và xả của pin Li-ion ở mức 1C, 2C và 3C 39

Hình 2 1: Mô hình mạch tương đương Thevein được sử dụng 41

Hình 2 2: Sơ đồ khối của bộ sạc điều khiển dự đoán mô hình (MPC) 45

Hình 2 3: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 43

Hình 2 4: Cấu trúc chung của bộ chuyển đổi DC/DC cộng hưởng 46

Hình 2 5: Sơ đồ tổng quát các bộ chuyển đổi cộng hưởng 46

Hình 2 6: Sơ đồ mạch DC/AC lý tưởng 47

Hình 2 7: Dạng xung điện áp đầu ra bộ chuyển đổi DC/AC lý tưởng 47

Hình 2 8: Dạng dòng 1 chiều đầu vò bộ biến đổi DC/AC 48

Hình 2 9: Mạch chỉnh lưu và lọc 1 chiều đầu ra 48

Hình 2 10: Dạng xung điện áp, dòng điện cảu bộ chỉnh lưu, lọc lý tưởng 49

Hình 2 11: Mạng mạch cổng hưởng tuyến tính 50

Hình 2 12: Ghép nối các khâu trong mô hình gần đúng 50

Hình 2 13: Bộ biến đổi nửa cầu cộng hưởng nối tiếp 51

Hình 2 14: Các cấu trúc khối nghịch lưu 53

Hình 2 15: Sơ đồ mạch điện biến đổi máy biến áp tương đương 54

Hình 2 16: Chế độ vận hành toàn cầu 55

Hình 2 17: Dạng sóng vận hành điển hình cho chế độ vận hành toàn cầu 55

Hình 2 18: Tín hiệu công cho chế độ vận hành toàn cầu 56

Hình 2 19: Dạng sóng vạn hành điển hình cho chế độ vận hành nửa cầu 56

Hình 2 20: Tín hiệu cổng cho chế độ hoạt động nhân đôi tần số 57

Hình 2 21: Dạng sóng hoạt động điển hình cho chế dộ hoạt động nhân dôi tần số 57

Hình 2 22: Macjk biến đổi cộng hưởng LLC bao gồm điện cảm rò rỉ phía thử cấp 58

Hình 2 23: Mạch tương đương cho điện trở tải phản xạ phía thứ cấp 58

Hình 2 24: Mạch tương đương bao gồm phản xạ phía thứ cấp sang phía sơ cấp 59

Hình 2 25: Điện cảm tương đương Lr và Lp được đo từ phía sơ cấp với cuộn thứ cấp a) ngắn mạch b) hở mạch 59

Hình 2 26: Mô phỏng các giá trị của K 61

Hình 2 27: Vùng hoạt động củ bộ biến đổi LLC 62

Hình 2 28: Sơ đồ mạch chỉnh lưu với biến áp có điểm trung tính 63

Hình 2 29: So đồ mạch chỉnh lưu cầu 64

Hình 2 30: Sơ đồ chỉnh lưu nhân đôi điện áp 64

Hình 2 31: Sơ đồ nguyê lý Biến áp tần số cao 64

Hình 2 32: Sơ đồ dạng sóng cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp 65

Hình 2 33: Dòng điện trên cuộn cảm và Diode 66

Hình 2 34: Tổn thất chuyển mạch trên Diode và IGBT 67

Hình 2 35: Khối điều khiển (MCU) 73

Hình 2 36: Khối đo dòng điện 73

Hình 2 37: Khối đo điện áp một chiều 74

Hình 2 38: Khối đo điện áp xoay chiều 75

Hình 2 39: Khối giải mã xung 76

Hình 2 40: Từ thông trong cuộn cảm điều chế xung 77

Hình 2 41: Biểu đồ điện áp xung tín hiệu 78

Hình 2 42: Chu kỳ nhiệm vụ của PMW 79

Hình 2 43: Giá trị trung bình của dạng sóng 80

Hình 2 44: Các loại PMW 81

Hình 2 45: Sơ đồ điều khiển vòng kín 82

Hình 2 46: Sơ đò nguyên lý bộ điều khiển PID 83

Hình 2 47: Đồ thị PV theo thời gian với 3 giá trị củ KP (Ki và Kd giữ nguyên) 85

Hình 2 48: Đồ thị PV theo thời gian với 3 giá trị Ki (giữ nguyên Kp và Kd) 87

Hình 2 49: Đồ thị PV theo thời gian với 3 giá trị PV (giữ nguyên Ki và Kd) 87

Hình 2 50: IC Hall cảm biến dòng chuyên dụng ASC712 89

Hình 2 51: Mạch phân áp để đ o điện áp sạc 90

Hình 2 52: Hình dáng và sơ đồ của chân IC bán dẫn đo nhiệt độ LM35 90

Hình 3 1: Mo phỏng khố biến đổi DC/DC cộng hưởng LLC cách ly 92

Hình 3 2: Điện áp cuộn sơ cấp (Vpri) 93

Hình 3 3: Điện áp cuộn thứ cấp (Vsec) 93

Hình 3 4: Điện áp sau chỉnh lưu 94

Hình 3 5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín 94

Hình 3 6: Kit phát triển LAUNCH XL-F23879D C2000 {9} 95

Hình 3 7: Khối nguồn trên mạch thực 96

Hình 3 8: Sơ đồ khối MCU mạch thực 96

Hình 3 9: Khối PMW trên mạch thực 96

Hình 3 10: Khối đo điện áp AC trên mạch thực 97

Hình 3 11: Khối đo điện áp ĐC trên mạch thực 97

Hình 3 12: Khối đo cường độ dòng điện trên mạch thực 97

Hình 3 13: Hệ thống thực nghiệm bộ sạc pin 98

Hình 3 14: Van bán dẫn gồm 4 IGBT 98

Hình 3 15: Biến áp lõi Ferrite TDK-PC40 UU101x115x25 98

Hình 3 16: Mạch cộng hưởng LLC 99

Hình 3 17: Sơ đồ mạch hoàn chỉnh với tải điện trở 99

Hình 3 18: Sơ đồ hoàn chỉnh với tải Pin Lithium-ion 99

Hình 3 19: Dòng điện xạc trong quá trình sạc 01 Cell pin 100

Hình 3 20: Điện áp sạc trên 01 Cell pin 100

Hình 3 21: Trạng thái SoC trong quá trình sạc 01 Cell pin 100

Hình 3 22: Nhiệt độ của Pin trong quá trình sạc 01 Cell pin 101

Hình 3 23: Dòng điện sạc với 30 Cell pin mắc nối tiếp 101

Hình 3 24: Dạng điện áp sạc với 30 Cell pin mắc nối tiếp 101

Hình 3 25: Trạng thái SoC trong quá trình sạc 30 Cell pin 102

Hình 3 26: Nhiệt độ của Pin trong quá trình sạc 30Cell pin 102

Hình 3 27 Sung mở van IGBT 103

Hình 3 28: Điện áp cộng hưởng tại đầu ra cuộn thứ cấp 103

LỜI MỞ ĐẦU

Kính gửi Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa Điện, Bộ môn Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa và các Thầy/Cô hướng dẫn,

Em xin trân trọng được trình bày bản luận văn "Nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn sạc Pin Lithium-ion với hiệu suất cao," trong khuôn khổ luận văn của chương trình đào tạo Cao học, chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Em xin cảm ơn Ban giám hiệu và các Thầy/Cô đã dành sự quan tâm và hỗ trợ tận tâm trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Trong thời đại công nghệ ngày càng phát triển như hiện nay, nguồn điện đóng vai trò cốt lõi và thiết yếu trong cuộc sống hằng ngày, từ thiết bị di động cho đến công nghiệp và y tế Trong số các loại pin hiện có, pin Lithium đã nhanh chóng trở thành sự lựa chọn ưu tiên nhờ vào khả năng lưu trữ năng lượng cao và tuổi thọ dài Tuy nhiên, việc phát triển các bộ nguồn sạc pin Lithium với hiệu suất cao vẫn đang gặp nhiều thách thức

Mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một Bộ nguồn sạc Pin Lithium tiên tiến, tập trung vào tối ưu hóa hiệu suất sạc và nâng cao tuổi thọ của pin Qua quá trình nghiên cứu, em đã thực hiện khảo sát và phân tích kỹ lưỡng về các nguyên liệu, linh kiện và công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo bộ nguồn sạc pin Lithium Từ đó, em đã tiến hành thử nghiệm và so sánh hiệu suất của các mô hình được đề xuất, từ đó lựa chọn và cải tiến các giải pháp tối ưu nhất

Luận văn này không chỉ tập trung vào các khía cạnh công nghệ, mà còn tiếp cận một cách toàn diện đến khả năng bền vững và ứng dụng thực tiễn của bộ nguồn sạc Việc nghiên cứu này nhằm thúc đẩy sự phát triển của các loại xe điện, và trong tương lại có thể ứng dụng vào lưu trữ năng lượng tại các hộ gia đình và doanh nghiệp Những tiến bộ trong lĩnh vực này không chỉ giúp cải thiện cuộc sống hàng ngày mà còn đóng góp quan trọng vào bảo vệ môi trường và tiến tới xây dựng một xã hội bền vững hơn

Em tin rằng kết quả nghiên cứu trong luận văn này sẽ là nguồn tài liệu cho cộng đồng nghiên cứu và đóng góp vào sự phát triển khoa học và công nghệ của lĩnh vực

này Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của thầy giáo Tiến sĩ Ngô Minh Đức, thày giáo Tiến sỹ Đỗ Đức Tuấn và các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật điều khiển và

tự động hóa đã hướng dẫn, đóng góp ý kiến và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện luận văn này

CHƯƠNG I TỔNG QUAN XE ĐẠP ĐİỆN, XE MÁY ĐİỆN, Ô TÔ ĐİỆN, CÔNG NGHỆ SẠC VÀ PIN LITHIUM-ION

I TỔNG QUAN XE ĐẠP ĐİỆN, XE MÁY ĐİỆN, Ô TÔ ĐİỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng xe điện hiện nay

1.1.1 Vì sao lại lựa chọn sử dụng xe điện ?

Trước tình hình các nguyên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì nhu cầu sử dụng nguồn và dạng nhiên liệu mới và sạch thay thế những nguồn nhiên liệu đang sử dụng hiện thời trong việc vận hành các loại phương tiện vận chuyển (xe, tàu, máy bay…) là một nhu cầu cấp thiết Năng lượng điện nổi lên như là một dạng năng lượng phù hợp để thay thế cho các loại nguyên liệu hóa thạch đang gây ra nhiều vấn đề xấu cho môi trường hiện nay Ví dụ như lượng khí thải độc hại thải ra môi trường của các loại phương tiện vận chuyển dùng năng lượng điện thấp hơn nhiều, gần như không đáng kể, so với do các loại phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng, dầu, khí đốt gây ra

Chúng ta sẽ không có gì ngạc nhiên khi hệ thống xe điện ra đời và ngày càng phát triển trên thế giới hiện nay Hầu hết các nhà sản xuất tập trung phát triển hệ thống xe điện là những phương tiện phổ biến như: xe ô tô điện, xe mô tô điện, xe đạp điện, … Công nghệ ngày càng phát triển và hiện đại trong lĩnh vực thiết kế bộ điều khiển với nhiều tính năng cho xe điện, tạo nhiều thuận tiện cho việc điều khiển cũng như thích ứng với phương tiện sử dụng nguồn nhiên liệu mới này

Xe điện có thể được sạc ở nhà hoặc các điểm sạc công cộng, không cần đến các trạm xăng Điều này mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm thời gian cho người dùng Ngoài ra, chi phí vận hành xe điện thường thấp hơn so với xe động cơ đốt trong, do giá trị nhiên liệu thấp và chi phí bảo dưỡng thấp

Mặt khác, nhiều quốc gia và các tổ chức đã đưa ra các chính sách khuyến khích sử dụng xe điện Các biện pháp ưu đãi thuế, giảm giá mua xe, hỗ trợ tài chính cho hạ tầng sạc, và các phần thưởng khác đã tạo điều kiện thuận lợi và hấp dẫn hơn để chuyển đổi sang sử dụng xe điện

1.1.2 Đối tượng sử dụng xe điên

Cá nhân: Người dùng cá nhân là một đối tượng chính trong việc sử dụng xe điện, sử dụng nó cho mục đích cá nhân, đi lại hàng ngày hoặc trong các chuyến đi dài Người dùng cá nhân thường đánh giá cao các lợi ích môi trường và tiết kiệm năng lượng của xe điện

Doanh nghiệp và tổ chức: Ngày càng có nhiều doanh nghiệp và tổ chức chọn sử dụng xe điện để đáp ứng nhu cầu di chuyển của nhân viên hoặc trong hoạt động kinh doanh Các công ty giao hàng, dịch vụ taxi, dịch vụ chăm sóc sức khỏe các doanh nghiệp cũng đang chuyển đổi sang xe điện để giảm chi phí nhiên liệu, quảng cáo hình ảnh thân thiện với môi trường và tuân thủ các quy định về khí thải Hiện tịa, tại Việt Nam hãng Vinfast cũng đã thành lập hang tãi xe điện, cụ thể ngày 14.4, Công ty CP Di

chuyển xanh và thông minh GSM (Green - Smart - Mobility) đã chính thức đưa dịch vụ taxi thuần điện đầu tiên tại VN vào hoạt động, với sự kiện này đã đánh dấu kỷ nguyên xe điện chạy dịch vụ bắt đầu

Công cộng và giao thông công cộng: Xe điện cũng được sử dụng trong các phương tiện giao thông công cộng như xe buýt, xe điện đô thị và xe điện trên các tuyến đường sắt

1.1.3 Ưu Điểm - Nhược Điểm Của Xe Điện

Xe điện có nhiều ưu điểm nổi bật như là thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và tiền bạc khi sử dụng nó so với các loại xe chạy bằng nhiên liệu khác…

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI XE TRÊN THỊ TRƯỜNG 1.2.1 Xe ô tô

a Xe ô tô lai điện­động cơ đốt trong

Xe hybrid, thường được gọi là xe lai hay xe lai điện, là loại xe sử dụng hai nguồn động lực: Động cơ đốt trong và động cơ điện Hoạt động của xe này là sự kết hợp hoạt động giữa động cơ đốt trong và động cơ điện sao cho tối ưu nhất

Một bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động, khi nào động cơ điện hoạt động và khi nào cả hai cùng hoạt động Ví dụ một lợi ích rõ ràng của xe lai ở điều kiện đường xá Việt Nam là: khi gặp đèn đỏ, hay khi kẹt xe thì trên xe lai, không có động cơ nào hoạt động do đó không mất mát công suất vô ích

Sự nỗ lực đáng kể nhất trong sự phát triển và thương mại hóa xe lai điện được tạo ra bởi các nhà sản xuất người Nhật Năm 1997 Toyota đã cho ra mắt dòng sedan Prius ở Nhật, Honda cũng cho ra dòng xe Civic và Civic Hybrid Những chiếc xe trên hiện đang lưu thông trên toàn thế giới Chúng có thể đạt đến tính năng tiêu thụ nhiên liệu tuyệt hảo Điển hình:

Toyota: Toyota là một trong những nhà sản xuất hàng đầu của xe xăng lai điện Các mẫu xe nổi tiếng của họ bao gồm Toyota Prius (hybrid), Toyota Camry Hybrid và Toyota RAV4 Hybrid

Honda: Honda cung cấp các mẫu xe xăng lai điện như Honda Accord Hybrid, Honda Insight và Honda CR-V Hybrid

Ford: Ford cung cấp các mẫu xe xăng lai điện như Ford Fusion Hybrid và Ford Escape Hybrid Họ cũng đã giới thiệu mẫu xe điện tự sạc Ford Escape Plug-in Hybrid

Hyundai/Kia: Hyundai và Kia cung cấp các mẫu xe xăng lai điện như Hyundai Ioniq Hybrid và Kia Niro Hybrid Họ cũng có các mẫu xe điện tự sạc như Hyundai Ioniq Plug-in Hybrid và Kia Niro Plug-in Hybrid

Chevrolet: Chevrolet cung cấp mẫu xe xăng lai điện Chevrolet Malibu Hybrid và Chevrolet Volt, một mẫu xe điện tự sạc

Lexus: Lexus, thương hiệu cao cấp của Toyota, có nhiều mẫu xe xăng lai điện trong danh mục sản phẩm của họ, bao gồm Lexus ES Hybrid, Lexus RX Hybrid và Lexus NX Hybrid

BMW: BMW cung cấp các mẫu xe xăng lai điện như BMW 3 Series Hybrid và BMW 5 Series Hybrid Họ cũng có mẫu xe điện tự sạc BMW 330e và BMW 530e

b Xe ô tô điện 100 %

Chúng ta có thể thấy ở đây một ví dụ với dòng xe Cadillac ELR, với một hệ thống động cơ điện hình chữ T với pin lithium ion và bốn động cơ điện Nó sử dụng điện như là nguồn năng lượng chính để vận hành mà không sử dụng xăng hoặc sản xuất khói xe Khi năng lượng của pin thấp, ELR liên tục chuyển sang chế độ mở rộng phạm vi cho phép lái xe hàng trăm dặm

1.2.2 Xe máy điện

Ngoài hệ thống ô tô điện thì hệ thống xe máy điện cũng được các nhà sản xuất quan tâm như nhà sản xuất EVINO hay BIANCO của Yamaha Họ đã bắt tay vào việc chế tạo các loại xe máy chạy bằng điện có những chức năng tương tự như xe máy chạy bằng xăng Theo một số tài liệu được nghiên cứu về tình hình phát triển hiện nay của xe điện tại Việt Nam ta thấy: “ Những chiếc xe máy điện trên thị trường được thết kế chủ yếu theo 2 mẫu xe của Yamaha là Bianco và Evino, một số giống loại xe máy tay ga hiện hành

Tuy chạy bằng điện nhưng nhà sản xuất vẫn để một nắp bình xăng giả phía sau cho giống với xe chạy bằng xăng Xe cũng được lắp vành đúc và giảm xóc như xe gắn máy Do bình ắc-quy không quá lớn nên các xe đều có một cốp xe rất rộng dưới yên Dưới gầm xe, thay vào chỗ của động cơ là một bình ắc­quy dùng để tạo năng lượng Mỗi ắc-quy này cần chừng ít nhất 3 tiếng đồng hồ để nạp đầy, đủ để chạy một quãng đường chừng 80km, thích hợp với một người có nhu cầu đi lại ở phạm vi hẹp Xe có thể đạt vận tốc khoảng 40km/ giờ So với xe đạp điện, xe máy điện khác ở chỗ có công suất lớn hơn, do đó có tốc độ cao hơn

Tuy nhiên, do dáng xe “nhái” theo kiểu xe ga của các hãng nổi tiếng, nên không có bàn đạp Về mặt kỹ thuật, xe máy điện được vận hành theo nguyên lý truyền động, dạng động cơ điện một chiều truyền động bằng trục chính của động cơ qua hộp giảm tốc để kéo xe thông qua xích hoặc bánh răng với năng lượng lấy từ bình ắc-quy khô được đặt bên trong thân xe Bình ắc­quy dùng cho xe điện được nạp bằng nguồn điện từ 90 đến 204V Với xe điện sản xuất trong nước, bình ắc­quy được sử dụng thường là hàng của Nhật, có độ trữ lâu, chất lượng ổn định

Ngược lại bình ắc­quy xe điện nhập từ Trung Quốc hay bị hư, chảy nước vàcháy Nay người ta thay thế acquy bằng pin lithium ion khắc phục được nhược điểm trên và có kiểu dáng rất bắt mắt: Mẫu xe máy điện mang tên EVINO được Yamaha mô tả là chiếc xe dành cho khách hàng thường xuyên phải di chuyển trên các quãng đường ngắn, mong muốn một chiếc xe máy điện có giá cả 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

1.2.3 Xe đạp điện

Trên thị trường hiện nay loại phương tiện xe điện phổ biến nhất là xe đạp điện, một số nước phát triển ở Châu Á cũng đã và đang phát triển mạnh loại phương tiện

như xe đạp điện và xe mô tô điện … Việc phát triển hệ thống xe đạp điện dựa trên cơ sở nhu cầu thực tế của người sử dụng Một xe điện nói chung thì nhược điểm lớn nhất chính là nguồn điện cung cấp cho xe hoạt động, chính vì vậy việc phát triển các loại xe mô tô điện hay xe ô tô điện lại kém phát triển hơn xe đạp điện

Chính vì các yếu tố về nguồn điện cung cấp, quãng đường di chuyển ngắn, phương tiện nhỏ gọn và tốc độ vừa phải là ưu điểm lớn để ngành sản xuất xe đạp điện ngày càng phát triển Nhiều loại xe đạp điện ra đời với nhiều tính năng và có tính thẩm mỹ cao Các nhà sản xuất dã cho ra đời nhiều dòng xe đạp điện khác nhau với nguồn nhiên liệu được cung cấp bởi ác quy hoặc pin như là NIJIA, XMEN, ZOOMER, GIANT, AIMA, HKBIKE…trong đó nổi trội lên có dòng xe đạp điện sử dụng pin Lithium-ion của AIMA và HKBIKE Kiêu hãnh và lộng lẫy là các mĩ từ chính xác nhất để miêu tả chiếc xe đạp điện HKBIKE zinger extra Xe được thiết kế theo phong cách hiện đại trẻ trung và tinh tế Hòa trộn với yếu tố thẩm mỹ chiếc xe đạp zinger extra còn được trang bị những công nghệ tân tiến nhất tạo nên một chiếc xe hoàn hảo, đầy đam mê và chinh phục không giới hạn

1.2.4 Giới thiệu về các loại xe điện sử dụng pin lithium-ion

Theo một báo cáo nghiên cứu thị trường gần đây, tương lai của xe điện thuộc về công nghệ pin Lithium­ion Đây là công nghệ đáng mơ ước bởi hiệu suất vượt trội và khả năng tiết kiệm lý tưởng Thế giới ngày càng quan tâm đến vấn đề bảo vệ môi trường, hạn chế các chất độc hại Pin Lithium-ion là pin công nghệ cao, hiện đại, được ứng dụng trong những lĩnh vực sản xuất pin cho smartphone và tablet, và ngành xe điện cũng không phải ngoại lệ Trên xe điện, pin Lithium-ion có nhiều ưu điểm mật độ năng lượng cao cho phép pin kích thước nhỏ và nhẹ mà xe vẫn đi được quãng đường lớn ; điện áp ổn định giúp bảo vệ động cơ tốt Ngoài ra về mặt môi trường, pin sạch và thân thiện hơn Công nghệ pin Lithium­ion ra đời tạo một bước đột phá mới cho loại hình xe điện

Cũng như điện thoại hay laptop, khả năng vận hành của xe đạp điện phụ thuộc hoàn toàn vào sức mạnh của nguồn điện được tạo ra từ ắc quy hoặc pin Trong đó, ắc quy đã được ứng dụng từ rất lâu trên thị trường và tồn tại tới ngày nay một phần do chi phí rẻ Tuy nhiên những bất cập đi liền với sự lỗi thời của ắc quy khiến khách hàng không khỏi lo ngại Chỉ với tuổi thọ 1­1,5 năm, độ bền của ắc quy theo đó giảm sút đáng kể gây ra các vấn đề như hao mòn sulfat hóa hay chảy chì axit làm tăng nguy cơ cháy nổ, ô nhiễm môi trường và tốn kém chi phí thay thế Trong quá trình sử dụng ắc quy đạt hiệu suất thấp hơn nhiều so với pin, quãng đường di chuyển rất ngắn, chỉ tầm 20-30km/lần sạc

Trong khi đó, pin đi được gấp nhiều lần ắc quy Nguyên tắc lưu trữ năng lượng của pin và ắc quy là muốn dung lượng nhiều, tương đương quãng đường đi được nhiều, thì phải tăng kích thước Tuy nhiên, để giữ thiết kế và kiểu dáng cho xe điện, việc tăng kích thước phải trong giới hạn nhất định Những thông tin ắc quy trên xe điện đi tới 60-80 km/lần sạc chỉ là lời quảng cáo của các hãng Vì để làm được điều đó thì kích thước ắc quy sẽ rất to, nặng, và thiết kế xe điện sẽ cồng kềnh quá mức Chưa

kể, việc phải tải thêm trọng lượng bình ắc quy quá lớn (18-20 kg) khiến xe càng đi chậm chạp và ì ạch hơn Cần rất nhiều bình ắc quy nặng từ 18-20 kg để xe điện có thể đi xa hơn

Pin Lithium­ion có ưu điểm là mật độ năng lượng cao gấp nhiều lần so với ắc quy Do vậy, cú ng một kích thước và khối lượng, pin có thể cung cấp được công suất điện cao hơn rất nhiều ắc quy Tức là, quãng đường đi được của xe cũng xa hơn rất nhiều, thậm chí đến hàng trăm Kilomet nếu có những cải tiến đột phá và được sản xuất trên dây chuyền hiện đại

Như vậy, có thể khẳng định, trên thị trường xe điện Việt Nam hiện nay, chỉ xe điện nào áp dụng pin Lithium-ion mới có thể đi được xa hơn:

a Xe đạp điện ZINGER extra của HKBike

Đây là dòng xe điện có khả năng nâng cấp quãng đường đi được lên tới 90km/lần sạc như xe điện Zinger Extra của HKBike Hãng xe điện HKBike được biết đến là thương hiệu đầu tiên mang pin Lithium-ion - công nghệ FLiP cải tiến đến với người tiêu dùng Cấu tạo bên trong pin Lithium-ion - công nghệ FLiP trên xe điện HKBike Pin Lithium-ion công nghệ FLiP được sản xuất khép kín, nghiêm ngặt tại một trong những nhà máy sản xuất pin Lithium-ion lớn nhất châu Á

Cấu tạo bên trong của pin chứa 13 phôi pin nhỏ gồm 50 lá đồng ép mỏng, sau đó bọc kín bằng thép nguyên khối, hàn khắc bằng laser trong 45 ngày tại nhà máy sản xuất Bọc bên ngoài là lớp nhựa ABS và PC có khả năng chịu nhiệt, chống va đập đảm bảo tuyệt đối cho pin

Chính vì vậy, pin xe đạp điện của hãng hoạt động rất bền bỉ, tuổi thọ trung bình khoảng 6 năm Quãng đường 90km/lần sạc của xe điện HKBike Zinger Extra cũng được tổ chức Kỷ lục Việt Nam cấp bằng xác nhận ky lục Trọng lượng của pin trên xe HKBike chỉ 6 kg, nhẹ hơn rất nhiều Lợi thế này không chỉ tăng tính linh động giúp người dùng có thể tháo lắp pin ra sạc ở bất cứ đâu mà còn đóng góp lớn vào thiết kế xe nói chung Nhờ vậy, thiết kế tối giản và thanh thoát đi khá nhiều

Thông số sản phẩm: - Kích thước:

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" - Thông tin chung:

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 - PIN:

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 Trọng lượng xe 36 kg và tải trọng 180 kg

b.Xe đạp điện ITREND của HKBike

Đây cũng là dòng xe của HKBike sử dụng pin lithium-on công nghệ flip rất tiên

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 - PIN:

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 Xe GIANT M133 ­ S đời 2014

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

Thời gian sạc : 8 10 giờ

Bánh xe trước sau thiết kế lốp đặc không săm, rộng hơn, bám đường hơn Giảm 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 thiết kế rộng và dài, rất êm ái và thoải mái khi ngồi Cốp xe thiết kế rộng rãi để đồ

Đèn pha trước và sau soi xa và rộng hơn

Tay ga làm việc ở 2 chế độ: thường và Sport (Đi được 60km)

Kết luận:

Xe đạp điện:

- Công suất: 200-240 W - Tốc độ tối đa: 25 km/h - Tải trọng: 75-180 kg

- 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

1.3 Nguyên tắc hoạt động của Pin Lithium-ion

Hình 1 1: Phác họa quá trình điện hóa trong Pin Lithium-ion

Nguyên tắc hoạt động của pin Li-ion dựa vào sự tách các ion Li+ từ vật liệu điện cực dương điền kẽ vào các "khoảng trống" ở vật liệu điện cực âm Các vật liệu dùng làm điện cực thường được quét lên bộ góp bằng đồng (với vật liệu điện cực âm) hoặc bằng nhôm (với vật liệu điện cực dương) tạo thành các điện cực cho pin Li-ion, các cực này được đặt cách điện để đảm bảo an toàn và tránh bị tiếp xúc dẫn đến hiện tượng đoản mạch

Trong quá trình nạp, vật liệu điện cực dương đóng vai trò là chất oxi hoá còn vật liệu điện cực âm đóng vai trò là chất khử, tại cực dương, các ion Li+ được tách ra và điền kẽ vào giữa các lớp graphite carbon Trong quá trình nạp, vật liệu điện cực dương đóng vai trò là chất oxi hoá còn vật liệu điện cực âm đóng vai trò là chất khử, tại cực dương, các ion Li+ được tách ra và điền kẽ vào giữa các lớp graphite carbon Trong quá trình phóng thì quá trình xảy ra ngược lại, ion Li+ tách ra từ cực âm và điền kẽ vào khoảng trống giữa các lớp oxi trong vật liệu điện cực dương Các quá trình phóng và nạp của pin Li-ion không làm thay đổi cấu trúc của các vật liệu dùng làm điện cực

1.3.1 Các phản ứng tại các điện cực

Các phản ứng điện hoá bao gồm sự dịch chuyển tại một bề mặt danh giới điện cực - dung dịch, chúng thuộc loại phản ứng được coi là các quá trình không đồng nhất Động lực của các phản ứng không đồng nhất này thường được quy định bởi sự tách và

điền kẽ các ion thông qua quá trình phóng và quá trình nạp Mô hình của quá trình điện hoá trong một pin Li­ion được phác hoạ như sau:

1.3.2 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực - dung dịch điện phân

Sự xen vào của ion Li+ xảy ra trong khoảng 0,2→0,0V, điện tích tiêu thụ trong khoảng 0,8→0,2V (phụ thuộc Li/Li+) là do sự khử của các thành phần điện phân tại bề mặt điện cực Phản ứng này được gọi là lớp chuyển tiếp rắn ­ điện phân (lớp chuyển tiếp không gian) và các phản ứng xảy ra từ các chất điện phân có trạng thái nhiệt động ổn định Quá trình đó diễn ra liên tục cho đến khi bề mặt điện cực được bao bọc hoàn toàn và độ dày lớp chuyển tiếp xuất hiện ít nhất đủ để tạo ra hiệu ứng xuyên hầm của các điện tử

Các điều kiện mà từ đó pin được tạo thành quyết định các tính chất và độ dày của lớp chuyển tiếp, độ dày của lớp chuyển tiếp có thể thay đổi (15→900A0) trên cùng một điện cực Sự tạo thành lớp chuyển tiếp ổn định là điều kiện quyết định tới sự tạo thành Pin Mặt khác, sự khử chất điện phân tiếp tục xảy ra, lớp chuyển tiếp cũng rất quan trọng để có cấu trúc ổn định

của cực âm graphite Nếu không có lớp chuyển tiếp, sẽ rất nguy hiểm bởi các phân tử dung môi cũng tham gia vào quá trình điền kẽ và dẫn tới sự phá huỷ cấu trúc graphite Tính chất của lớp chuyển tiếp ảnh hưởng đến một số yếu tố quan trọng của pin trong quá trình sử dụng: độ an toàn, hiện tượng tự phóng, dung lượng Pin và việc sử dụng pin ở nhiệt độ thấp cũng như nhiệt độ cao

1.4 Cấu tạo Pin Lithium-ion

Pin Li-ion có cấu tạo gồm 3 thành phần cơ bản: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân Ngoài ra còn có một số thành phần khác

Hình 1 2: Cấu tạo Pin Lithium-ion

1.4.1 Điện cực dương

Các vật liệu dùng làm điện cực dương là các oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 trong đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn hay các hợp chất thay thế một phần cho nhau giữa các kim loại M Pin Li­ion đầu tiên được hãng Sony sản

xuất và đưa ra thị trường dùng LiCoO2 làm điện cực dương, do Goodenough và Mizushina nghiên cứu và chế tạo

Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn2O4 (Spinel) hoặc các vật liệu có dung lượng cao hơn như LiNi1­xCoxO2 Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thoả mãn những yêu cầu sau:

- 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

- Dẫn điện tốt

- 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

(mAh/g) Thể tích trung bình Ưu – nhược điểm

đắt

Loại pin Li-ion đầu tiên do hãng Sony sản xuất dùng than cốc làm điện cực âm Vật liệu nền than cốc cho dung lượng tương đối cao, 180mAh/g và bền trong dung dịch propylene thay thế bởi graphitic hoạt động, đặc biệt là Mesocarbon Microbead (MCMB) carbon MCMB carbon cho dung lượng riêng cao hơn 300 mAh/g và diện tích bề mặt nhỏ, vì vậy việc làm thấp dung lượng là không thể và tính an toàn cao Mới đây, các loại hình carbon được sử dụng làm điện cực âm đã được đa dạng hoá Một số pin dùng graphite tự nhiên, khả dụng với giá thành rất thấp, mặc dù việc thay thế carbon cứng cho dung lượng cao hơn với vật liệu graphite

Tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon khác nhau được thống kê trong bảng sau:

Bảng 1 2: Đặc trưng của các loại carbon

Từ bảng ta thấy vật liệu làm điện cực âm sẽ quyết định dung lượng pin

1.4.3 Chất điện li

Có bốn loại chất điện li được sử dụng trong pin Li-ion: chất điện li dạng lỏng, các chất điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) và chất điện li dạng gốm

- Chất điện li dạng lỏng: là những muối chứa ion Li+ (LiPF6, LiClO4) được hoà tan và các dung môi hữu cơ có gốc carbonate (EC, EMC)

- Chất điện li dạng gel: là loại vật liệu dẫn ion được tạo ra bằng cách hoà tan muối và dung môi trong polime với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel

- Chất điện li dạng polimer: là dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion được hình thành thông qua sự hoà tan muối Lithium trong vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn

- Chất điện li dạng gốm: là vật liệu vô cơ ở trong trạng thái rắn có khả năng dẫn ion Li+

- Mỗi loại chất điện li có các ưu điểm khác nhau Nhưng nói chung, các chất điện li này phải có khả năng dẫn ion Li+ tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như độ ẩm, không khí …

1.4.4 Dung môi

Dung môi được sử dụng rất đa dạng, bao gồm các hợp chất carbonate, ete và hợp chất acetate, chúng được dùng thay thế cho chất điện phân khô Tiêu điểm hiện nay của ngành

công nghiệp là các hợp chất carbonate, chúng có tính bền cao, tính an toàn tốt và có tính tương thích với các vật liệu làm điện cực

Các dung môi carbonate nguyên chất điển hình có độ dẫn thực chất dưới 10-7S/cm, hằng số điện môi lớn hơn 3, và dung hợp các muối Lithium cao Một số dung môi hữu cơ được dung như: ethylene carbonate(EC), plopylene carbonate(PC),

dimethyl carbonate(DMC), ethylmethyl carbonate(EMC), diethyl carbonate(DEC), dimethyletherDME), acetonitrile(AN), tetrahydrofuran(THF), Butyrolacton

1.4.5 Vật cách điện

Trong các pin Li-ion, vật liệu cách điện thường dùng là những màng xốp mỏng (10 m 30 m) để ngăn cách giữa điện cực âm và điện cực dương Ngày nay, các loại pin thương phẩm dùng chất điện li dạng lỏng thường dùng các màng xốp chế tạo từ vật liệu poliolefin vì loại vật liệu này có tính chất cơ học rất tốt, độ ổn định hoá học tốt và giá cả chấp nhận được

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

1.4.6 Mô hình hóa Pin Lithium-ion

Pin lithium ion là một đối tượng vật lý mà hoạt động phụ thuộc nhiều vào các

phương trình điện hóa, các điều kiện môi trường Những quá trình này không thể quan sát và đo lường một cách trực tiếp Do đó, mô hình hóa pin Lithium ion cần được xây dựng, để có thể diễn tả mối quan hệ giữa những đại lượng không thể đo lường được bằng những đại lượng có thể đo lường được Dựa trên mô hình hóa của pin Lithium, mô hình nhiệt diễn tả quá trình trao đổi nhiệt của pin được xây dựng

1.4.6.1 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

Trong đó:

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 I là dòng tải

Hình 1 3: Mô hình tương đương của Pin

Mạng tụ điện trở RC thể hiện tính chất quá độ của điện áp trên hai cực pin khi dòng điện qua pin thay đổi Trên lý thuyết, đặc tính động học của mô hình pin sẽ càng giống đặc tính động học trên thực tế khi càng nhiều mạng tụ điện trở được mô tả Tuy nhiên, việc mô tả càng nhiều mạng tụ điện trở sẽ dẫn đến khối lượng tính toán càng nhiều

Để đơn giản hóa mô hình pin, mô hình tương đương rút gọn của pin được đưa ra như hình 1.4 Mô hình này gồm:

Điện áp hở mạch Uocv(t) Nội trở R0(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

Hình 1 4: Mô hình tương đương rút gọn của Pin

Sử dụng định luật Thevenin cho mô hình tương đương rút gọn của pin được mô

1.4.6.2 Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt của pin Lithium ion

Nhiệt độ là một biến trạng thái thay đổi một cách khó khảo sát đặc tính, trên thực tế, nhiệt độ của pin là không đồng đều trên từng mặt của pin Tuy nhiên, để đơn giản hóa quá trình, nhiệt độ bề mặt của pin được coi như trải đều như nhau

Như trong tài liệu đã trình bày, Quá trình trao đổi nhiệt của pin được diễn tả

m là khối lượng của pin,

C là nhiệt dung riêng của pin, T là nhiệt độ của pin, Q0 là năng lượng thất thoát, Q là nhiệt lượng trao đổi

Phương trình trao đổi nhiệt được diễn tả như phương trình PT.7

h là hệ số trao đổi nhiệt,

A là diện tích bề mặt của pin, Tamb là nhiệt độ môi trường

Điện áp của pin bao gồm điện áp phân cực, điện áp ohmic và điện áp hở mạch Việc mất năng lượng của pin là do thất thoát trên điện trở phân cực và nội trở của pin Do đó thì năng lượng thất thoát của pin có thể được diễn tả theo phương trình PT.8

Trong đó: Ud là điện áp phân cực, Rd là nội trở phân cực

Sau khi gián đoạn hóa, ta được phương trình thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và dòng điện sạc được thể hiện trong PT 1.9

Tk là nhiệt độ tại thời điểm k Tk-1 là nhiệt độ tại thời điểm k-1 Q0,k là năng lượng thất thoát tại thời điểm k

1.5 Phân loại Pin Lithium-ion

Pin Li-ion được chế tạo theo các định dạng khác nhau, thường có 2 nhóm là: dạng hình trụ và dạng hình lăng trụ

1.5.1 Pin li-on dạng trụ

Mặt cắt ngang của một pin Li-ion dạng trụ được mô tả trong hình sau:

Hình 1 5: Mặt cắt ngang pin Lithium-ion

1.5.2 Pin Li­ion lăng trụ phẳng

Cấu tạo mặt cắt của những pin lăng trụ phẳng cũng tương tự như phiên bản trụ,

chỉ khác là trục tâm phẳng được sử dụng thay cho trục tâm

Hình 1 6: Phần đầu và các điện cực của Pin Li-io trụ phẳng 7Ah (vỏ là điện cực âm), 40Ah

II CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LITHIUM-ION 2.1 Sạc pin Lithium-ion

Phần này sẽ trình bày tổng quan các phương pháp sạc nhanh hiện nay đang được sử dụng trong xe điện và khảo sát các tiêu chuẩn quốc tế về bộ sạc pin cho xe điện, các giới hạn của việc sạc pin Lithium Bên cạnh đó, các vấn đề và thách thức của việc sạc pin cũng sẽ được đề cập Cuối cùng chương này sẽ trình bày về phương pháp sạc nhanh được đề xuất

2.1.1 Tổng quan về các phương pháp sạc

Để đảm bảo pin lithium ion hoạt động ổn định, cần các phương pháp sạc phù

hợp Các phương pháp sạc phải đảm bảo các yêu cầu như: giảm thời gian sạc, kéo dài tuổi thọ pin, nâng cao hiệu suất sạc pin

Những phương pháp sạc đơn giản như sạc ổn dòng (CC) hoặc sạc ổn áp (CV) đều không hiệu quả và cho đến nay đã không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng khắt khe của ngành công nghiệp xe điện Việc nghiên cứu để sạc nhanh, tăng hiệu suất sạc hoặc tăng tuổi thọ của pin được phát được thực hiện một cách mạnh mẽ trong những năm gần đây Hiện nay, pin Li – ion được sạc một cách phổ biến với dòng sạc C/3 theo phương pháp ổn dòng - ổn áp (CC-CV) Tuy nhiên, quá trình sạc này diễn ra chậm để có thể sạc đầy được pin Vì vậy, việc nghiên cứu để cải thiện hiệu suất sạc từ việc phân tích cơ chế phản ứng điện hóa trong pin và các thuật toán điều khiển sạc được thực hiện Tuy nhiên, các thông số đều rất khó đo lường và khó có tính hứa hẹn trong ứng dụng thực tế Nhằm đáp ứng các yêu cầu trên, các phương pháp sạc nhanh ra đời nhằm giảm thiểu tối đa thời gian sạc, nhưng vẫn đảm bảo tuổi thọ pin Các phương pháp sạc nhanh tiêu biểu như: sạc nhiều mức dòng điện, sạc xung, sạc tăng cường

2.1.2 Tiêu chuẩn sạc và các giới hạn về sạc pin cho xe điện

a Tiêu chuẩn sạc pin cho xe điện

Hiện nay, có hai tiêu chuẩn sạc pin cho xe điện, đó là tiêu chuẩn SAE và tiêu chuẩn IEC Tiêu chuẩn SAE là tiêu chuẩn của Hiệp hội kỹ sư ô tô (Society of Automotive Engineers) xây dựng Còn lại, tiêu chuẩn IEC (International Electrotechnical Commission) – là tiêu chuẩn do Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế xây dựng Mục tiêu của IEC là thúc đẩy sự hợp tác quốc tế về tiêu chuẩn hoá trong lĩnh vực điện - điện tử và các vấn đề có liên quan Tiêu chuẩn SAE được sử dụng phổ biến tại Mỹ và tiêu chuẩn IEC được sử dụng phổ biến tại các nước thuộc liên minh châu Âu EU

Các mức sạc pin theo tiêu chuẩn SAE được thể hiện như trong bảng 1.3 Trong đó thời gian sạc theo từng mức và các loại phương tiện phù hợp với từng mức sạc được đưa ra một cách cụ thể Trong khi đó, tiêu chuẩn IEC có hơn 6500 tiêu chuẩn về thiết kế và lắp đặt hệ thống điện, trong đó, tiêu chuẩn IEC 61851-1 là tiêu chuẩn cho các bộ sạc pin của xe điện Một cách cụ thể, IEC 61851-21- 1:2017 quy định những tiêu chuẩn cho bộ sạc “on-board” và IEC 61851-21-2:2018 quy định những tiêu chuẩn cho bộ sạc “off-board” Bảng 1.4 mô tả một cách cụ thể các mức sạc cũng như dòng điện và điện áp cực đại trong từng mức sạc

Mức sạc Mô tả Dòng điện, điện áp cực đại

Mức 1

Kết nối giữa nguồn AC và xe điện không có giao tiếp hay những tính năng an toàn bổ xung

16A và 250Vac, 1 pha 16V và 480Vac, 3 pha

Mức 2

Kết nối giữa nguồn AC và xe điện có giao tiếp hay những tính năng an toàn bổ xung

32A và 250Vac, 1 pha 32A và 480Vac, 3 pha

Mức 3

Kết nối giữa nguồn AC và bộ sạc EV được kết nối một cách cố định và có những tính năng an toàn bổ xung

70A và 250Vac, 1 pha 63A và

Bảng 1 4: Các mức sạc pin theo tiêu chuẩn IEC

Hình 1 7:Bộ sạc 50KW Tera 54 dp ABB sản xuất

Hiện nay, có nhiều hãng công nghệ nghiên cứu và sản xuất các bộ sạc cho xe điện Trong đó, có thể kể đến như Tesla, Porsche, ABB Tập đoàn ABB nghiên cứu bộ sạc có công suất 180kW, điển hình là họ các sản phẩm Terra 24 và Terra184 Tuy nhiên, sản phẩm bán chạy nhất ở Châu Âu và Bắc Mỹ là dòng Terra 54 với công suất

50kW DC như (hình 1.7)

b Các giới hạn sạc pin cho xe điện

Cấu tạo chung của Pin Lithium ion bao gồm một lớp graphite ở cực anode, một lớp hợp kim Lihium ở cực cathode được sắp xếp theo dạng lớp, một dung dịch chất điện môi chứa hỗn hợp cacbonat hữu cơ, muối và các chất phụ gia và một lớp polyme xốp Khi pin Lithium được sạc, các ion di chuyển từ cực cathode thông qua chất điện phân và đến cực anode Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ dịch chuyển của các ion như chất liệu điện cực, dung dịch điện phân, hay những yếu tố từ bên ngoài như dòng sạc, nhiệt độ môi trưởng Với một loại pin nhất định và trong một môi trường nhất định thì vật liệu điện cực và chất điện môi là không thể thay đổi

Các nghiên cứu về các phương pháp sạc nhằm mục đích cải thiện thời gian sạc, tăng hiệu suất và giữ được tuổi thọ lâu dài của Pin Một số giới hạn của quá trình sạc pin Lithium –ion có thể kể đến như: lớp mạ Lithium trên cực anode và sự oxy hóa

dung dịch chất điện phân ở cực cathode Điện áp sạc pin bị giới hạn bởi quá trình oxy hóa các dung môi điện phân Việc quá áp trên tế bào pin thúc đẩy quá trình sinh nhiệt và gây ra sự phá vỡ cấu trúc của cực cathode Do các chất điện phân của pin Lithium – ion rất dễ cháy, điều này có thể dẫn đến hỏa hoạn do sự cháy nổ của tế bào pin Do đó, việc nghiên cứu bất kỳ quá trình sạc nào cho pin Lithium – ion đều cần xem xét những hạn chế cơ bản này để có thể đạt được sự an toàn trong hoạt động và đảm bảo được tuổi thọ của pin

Gần đây, các nghiên cứu đã tập trung phát triển bộ sạc có công suất lớn Tesla lần đầu tiên phát triển bộ sạc có công suất sạc 120kW Vào năm 2017, hãng xe Porsche của Đức đã cho ra mắt bộ sạc có công suất 350kW ghép nối hai bộ CCS tại Berlin, Đức Những pack pin cho EVs hiện nay chủ yếu đạt mức điện áp 400VDC, những bộ sạc có công suất lớn hơn 350kW yêu cầu mức điện áp lớn hơn để tránh dòng điện quá lớn dẫn đến sinh nhiệt và gây mất an toàn trong việc sạc pin Vào tháng 12 năm 2018, Porsche đã thử nghiệm thành công bộ sạc 450kW với mức điện áp 800VDC trên hai mẫu xe được nghiên cứu của hãng tại Bavaria, Đức

Tuy nhiên, ngoài sự ảnh hưởng của công suất bộ sạc thì thời gian sạc còn chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, thời gian sạc sẽ giảm mạnh khi sạc ở nhiệt độ môi trường thấp Các phần dưới đây sẽ trình bày các phương pháp sạc khác nhau cho pin Lithium – ion và đặc điểm cụ thể của từng phương pháp

2.1.3 Phương pháp sạc dòng điện không đổi, điện áp không đổi

2.1.3.1 Quá trình sạc pin Lithium ion theo phương pháp dòng điện không đổi điện áp không đổi

Phương pháp sạc dòng điện không đổi dựa trên sự chính xác của việc ước lượng trạng thái sạc (SOC) của pin, phương pháp sạc điện áp không đổi đã không đạt được những yêu cầu của sạc xe điện Để tận dụng được những ưu điểm và hạn chế những nhược điểm của phương pháp sạc CC và phương pháp sạc CV, phương pháp sạc dòng điện không đổi – điện áp không đổi được nghiên cứu và phát triển Đây là phương pháp sạc phổ biến nhất hiện nay để sạc pin Li – ion cho xe điện ngày nay Có rất nhiều phương pháp sạc được phát triển dựa trên nền tảng của phương pháp CC- CV

Phương pháp này cơ bản gồm 2 giai đoạn: giai đoạn sạc dòng điện không đổi và giai đoạn sạc điện áp không đổi Giai đoạn đầu tiên, tế bào pin được sạc với dòng điện cố định Ich (thường là C/3) cho đến khi điện áp đạt tới điện áp sạc Vch Sau đó điện áp tế bào pin được giữ ở mức cố định ở Vch, và dòng điện sạc giảm dần Quá trình này kết thúc khi dòng điện sạc đạt mức quy định Iend hoặc thời gian sạc đạt mức Tmax Thời gian sạc chủ yếu được quyết định bởi dòng điện sạc Ich, dung lượng sử dụng được xác định bởi Vch và Iend

Hình dạng dòng điện và điện áp trong quá trình sạc CC và quá trình sạc CV của phương pháp sạc CC-CV thông thường như hình 1.8 Quá trình sạc CC chiếm phần lớn thời gian của toàn bộ quá trình sạc CC-CV, chiếm khoảng 85% dung lượng định mức của Pin Lithium – ion

Hình 1 8: Dạng dòng điện, điện áp tế bào Pin trong phương pháp sạc CC-CV

2.1.3.2 Những vấn đề tồn tại và thách thức của phương pháp dòng điện không đổi, điện áp không đổi

Phương pháp sạc ổn dòng – ổn áp có ưu điểm là phương pháp sạc đơn giản, dễ nắm bắt Nhưng cũng có nhiều vấn đề cần được giải quyết, có thể kể đến như: sự lão hóa của pin làm dung lượng của pin bị giảm xuống kéo theo thời gian sạc pin giảm xuống Giai đoạn sạc CV mất nhiều thời gian không đáp ứng được nhu cầu sạc nhanh hiện nay

Hạn chế lớn nhất của phương pháp ổn dòng – ổn áp là thời gian sạc còn dài Để cải thiện thời gian sạc, cần tăng mức dòng điện ở quá trình sạc ổn dòng, nhưng khi tăng dòng điện trong một thời gian dài sẽ làm nhiệt độ pin tăng cao, cùng các phản ứng phụ trong các lớp tinh thể của bề mặt hai cực pin làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới tuổi thọ pin Bên cạnh đó giai đoạn sạc ổn áp mất nhiều thời gian trong qúa trình sạc

Thách thức đối với sạc ổn dòng – ổn áp là xác định giá trị dòng điện cố định, điện áp cố định và thời gian phù hợp với từng giai đoạn sạc Giá trị phù hợp sẽ giúp cân bằng giữa tốc độ sạc, hiệu suất sạc và nhiệt độ của pin

2.1.4 Phương sạc nhiều mức dòng điện

Từ những hạn chế của giai đoạn sạc ổn áp trong phương pháp sạc CC – CV, phương pháp sạc nhiều mức dòng điện được nghiên cứu mạnh mẽ trong những năm gần đây để thay thế giai đoạn CV Để giảm được thời gian sạc thì cần phải có dòng điện sạc lớn, đó là lý do làm cho điện áp trên đầu cực chạm đến điện áp ngưỡng trong một khoảng thời gian ngắn trong khi không đạt được công suất dự kiến Phương pháp sạc MSCC hoàn toàn có thể giải quyết được vấn đề đó

2.1.4.1 Quá trình sạc pin Lithium-ion theo phương pháp sạc nhiều mức dòng điện

Quá trình sạc theo phương pháp MSCC theo những giai đoạn như được thể hiện

như hình Pin sẽ được sạc với dòng điện sạc ban đầu được xác định từ trước cho đến khi điện áp trên pin đạt điện áp ngưỡng, quá trình sạc sẽ được chuyển sang giai đoạn tiếp theo với dòng điện sạc nhỏ hơn dòng điện sạc của giai đoạn trước để ngăn cho điện áp của pin đạt đến điện áp ngưỡng quá nhanh

Hình 1 9: Dạng dòng điện, điện áp tế bào pin trong phương pháp sạc nhiều mức dòng điện dự trên áp ngưỡng; Dạng dòng điện, điện áp tế bào pin trong phương pháp sạc nhiều dòng điện dựa trên SoC

Nghiên cứu [23] đã đưa ra thực nghiệm về sạc pin Lithium – ion 5 mức dòng điện (2.1C, 1.7C, 1.5C, 1.3C và 1.0C), và kết quả là phương pháp này có thể sạc pin tới khoảng 70% dung lượng định mức (930mAh) trong vòng 30 phút Việc xác định dòng điện sạc trong từng giai đoạn là rất quan trọng trong phương pháp này, nghiên cứu [24] đã đưa ra phương pháp Taguchi để thực hiện được điều đó [23] đã sử dụng thuật toán tối ưu đàn kiến (ant colony system algorithm - ACS) kết hợp với phương pháp Taguchi để xác định dòng sạc tối ưu (1.45C, 1.05C, 1.00C, 0.7C và 0.1C) Từ đó có thể sạc pin dung lượng 650mAh trên 95% Nếu so với phương pháp sạc CC – CV thông thường với dòng sạc 1.45C thì phương pháp này giảm thời gian sạc 11.2%, chu kỳ tuổi thọ của pin được kéo dài thêm 57% Ngoài việc sử dụng thuật toán ACS để tìm được dòng điện tối ưu, còn có nhiều phương pháp khác để thực hiện điều đó, như phương pháp tối ưu bày đàn (particle swarm optimization – PSO)

Ngoài việc chuyển giai đoạn nhờ xác định thời điểm điện áp đạt điện áp ngưỡng thì có thể dựa trên giới hạn của trạng thái sạc (SOC) Nghiên cứu đã đề xuất sạc MSCC 4 giai đoạn, quá trình chuyển giai đoạn được quyết định bởi trạng thái sạc SOC như trên hình 1.5 Dòng điện sạc được xác định là 1.8C, 1.3C, 0.9C và 0.5C ứng với mỗi 25% SOC Việc tìm dòng điện tối ưu cho từng giai đoạn được thực hiện

bằng ACS hoặc PSO Việc ước lượng SOC ở trong phương pháp này là rất quan trọng, nó quyết định việc chuyển trạng thái Do đó phương pháp sạc nhiều mức với chuyển trạng thái dựa vào SOC cần phải ước lượng SOC một ách chính xác

2.1.4.2 Những vấn đề tồn tại và thách thức của phương pháp sạc nhiều mức dòng điện

Phương pháp sạc nhiều mức dòng điện giúp quá trình sạc diễn ra nhanh hơn Tuy nhiên, dòng điện lớn ở những giai đoạn đầu làm nhiệt độ pin tăng cao, dẫn đến giảm tuổi thọ của pin

Việc xác định điện áp ngưỡng của từng giai đoạn sạc, hay ước lượng SOC cũng là một thách thức lớn Yêu cầu xác định chuẩn xác để đảm bảo thuật toán sạc hoạt động tối ưu Cùng đó là xác định dòng điện tối ưu trong từng giai đoạn, nhằm tối ưu thời gian sạc và đảm bảo nhiệt độ pin ở mức cho phép

2.1.5 Phương pháp sạc xung

Sạc xung ban đầu được nghiên cứu và phát triển để sạc nhanh cho pin chì axit, sau đó được phát triển để sạc nhanh cho pin Lithium – ion Phương pháp sạc xung là phương sạc pin là sử các xung dòng điện để sạc cho pin và có thể coi sạc xung là phương pháp sạc ổn dòng (CC) ở dạng không liên tục

2.1.5.1 Sạc xung với dòng điện không đổi tần số không đổi

Phương pháp sạc xung với dòng điện không đổi tần số không đổi là phương pháp sạc xung đơn giản để thực hiện nhất Phương pháp yêu cầu cung cấp một xung dòng điện không đổi về biên độ và tần số trong suốt quá trình sạc Hình 1.7 thể hiện chi tiết dạng dòng điện sạc trong phương pháp CCCF-PC và hình 1.8 thể hiện dạng dòng điện và điện áp pin trong cả quá trình sạc

Hình 1 10: Dạng dòng điện trong phương pháp CCF-PC

Thời gian sạc phụ thuộc vào Duty cycle và điện áp ngưỡng Trong đó Duty

cycle được tính theo phương trình PT.1:

D = t pulse

T

Trong đó:

tpulse là thời gian phát xung

T là tổng thời gian trong một chu kỳ

Hình 1 11: Dạng dòng điện và điện áp pin trong cả quá trình sạc pin theo phương pháp CCCF-PC

Biên độ của xung dòng điện, giá trị độ rộng của xung dòng điện và tần số của các xung được tối ưu cho kiểu sạc xung khác nhau Biên độ dòng điện thường từ 0-1C Theo như một số nghiên cứu, với kiểu sạc này thì chỉ tương đương việc sử dụng phương pháp sạc ổn dòng CC mà không có đặc điểm gì nổi bật hơn

2.1.5.2 Sạc xung với dòng điện không đổi tần số thay đổi

Phương pháp này được nghiên cứu để có thể kết hợp phương pháp dòng điện không đổi điện áp không đổi và phương pháp sạc xung Phương pháp sạc xung với dòng điện không đổi tần số thay đổi được thực hiện nhằm thay thế giai đoạn sạc CV của phương pháp CC – CV

Ban đầu, cell pin Lithium – ion được sạc với một dòng điện sạc cố định cho đến khi điện áp pin đạt được mức điện áp ngưỡng thì chuyển sang giai đoạn sạc PC Ở giai đoạn sạc xung, dòng điện sạc vẫn được giữ biên độ như ở giai đoạn sạc ổn dòng, nhưng thời gian sạc được gián đoạn chứ không liên tục như ở giai đoạn ổn dòng Sau mỗi xung thì điện áp pin, dung lượng pin sẽ tăng lên và SOC cũng tăng lên, do đó độ rộng của xung sau sẽ nhỏ hơn độ rộng của xung trước Quá trình sạc sẽ kết thúc khi thời gian dừng phát xung lớn hơn thời gian dừng định mức cho trước Phương pháp này không cần điều khiển dòng điện, chỉ cần điều khiển thời gian ngừng cũng như thời gian phát xung Hình 3.7 thể hiện dạng dòng điện, điện áp pin trong toàn bộ quá trình sạc và hình 3.8 thể hiện dạng dòng điện sạc trong một khoảng thời gian dựa theo phương pháp sạc xung với dòng điện không đổi tần số thay đổi

(1.11)

Hình 1 12: Dạng dòng điện, điện áp trong toàn bộ quá trình sạc theo phương pháp CCVF-PC

Hình 1.11: Dạng dòng điện trong phương pháp CCVF-PC

2.1.6 Sạc xung với dòng điện thay đổi tần số không đổi

Để giải quyết vấn đề tìm tần số thay đổi liên tục thích hợp ở phương pháp sạc xung với dòng điện không đổi tần số thay đổi, và vấn đề cần giảm dòng điện giai đoạn cuối quá trình sạc mà phương pháp sạc xung với dòng điện không đổi tần số không đổi gặp phải, thì phương pháp sạc xung với dòng điện thay đổi tần số không đổi được nghiên cứu

Hình 1.12: Dạng dòng điện trong phương pháp CCVF-PC

Phương pháp sạc này có đặc điểm khá tương đồng so với phương pháp sạc nhiều mức dòng điện, khi mà dòng điện trung bình trong mỗi giai đoạn sạc sẽ giống với mức dòng điện đặt trong phương pháp sạc nhiều mức

2.1.7 Phương pháp sạc tăng cường

2.1.7.1 Quá trình sạc pin Lithium-Ion bằng phương pháp sạc tăng cường

Với những ứng dụng cần sạc gấp thì việc sạc nhanh khi pin ở trạng thái SOC thấp là hết sức quan trọng Sạc tăng áp lần đầu tiên được biết đến bởi Notten Với phương pháp này Pin có thể được sạc tới mức 1/3 dung lượng chỉ trong 5 phút đầu tiên

Phương pháp sạc tăng cường là phương pháp dựa trên phương pháp CCCV và có thêm giai đoạn sạc dòng điện không đổi ở đầu qua trình sạc trong khoảng thời gian ngắn với SOC thấp và sau đó chuyển sang quá trình CCCV [28] Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi sạc điện áp pin cao hơn điện áp định mức 100mV thì sẽ hầu như không ảnh hưởng đến tuổi thọ của Pin Dạng dòng điện, điện áp pin trong quá trình sạc theo phương pháp sạc tăng cường được mô tả như trong Hình 1.13

Ban đầu pin được sạc với dòng điện 4C tới khi điện áp đạt tới điện áp đặt, trong giai đoạn hai thì pin được sạc với dòng điện 1C Do giai đoạn hai có dòng điện sạc nhỏ hơn dòng điện sạc của giai đoạn 1 nên điện áp pin sẽ giảm xuống Giai đoạn CC2 và CV, pin được sạc theo phương pháp sạc CC – CV thông thường Tuy nhiên, dòng sạc ở giai đoạn CC1, dòng điện sạc 4C là rất lớn nên giai đoạn này thường diễn ra trong khoảng 5 phút để có thể không làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin

Hình 1 13: Dạng dòng điện, điện áp pin trong quá trình sạc tăng cường

Hình 1 14: So sánh dung lượng pin của hai phương pháp CCCV thông thường và sạc tăng cường

Sự so sánh về thời gian sạc pin khi sử dụng hai phương pháp CC – CV thông thường và sạc tăng cường được thể hiện trong hình 1.14, từ đó có thể thấy với phương pháp sạc tăng cường, pin được sạc 60% chỉ mất 10 phút và sạc đầy trong vòng chưa đến 30 phút, trong khi đó, với phương pháp sạc CC- CV thông thường thì việc sạc

60% dung lượng cần 35 phút và việc sạc đầy cần tới 65 phút Với sạc tăng cường, thời gian sạc để đạt 60% pin được rút ngắn xuống hơn 3 lần Hiện nay, trong phương pháp sạc CC – CV, bộ điều khiển PI được dùng một cách phổ biến để điều khiển dòng điện và điều khiển điện áp Tuy nhiên, việc tìm được thời gian sạc, dòng điện sạc tối ưu cho từng giai đoạn trở nên rất khó khăn Trong những năm gần đây, phương pháp thuật toán di truyền (GA) hay thuật toán tối ưu bày đàn (PSO) được sử dụng để có thể giải quyết được vấn đề đó

Theo cách này sạc tăng cường sẽ không gây ra hiệu ứng suy giảm tiêu cực nào cho Pin Phương pháp này được sử dụng cho các loại pin Lithium – ion được chế tạo bởi các hợp chất hóa học khác nhau Tuy nhiên, phương pháp sạc này không nên sử dụng cho các loại Pin nhạy cảm về điện áp, đặc biệt là pin chì axit

2.1.7.2 Những vấn đề tồn tại và thách thức trong phương pháp sạc bằng phương pháp sạc tăng cường

Phương pháp sạc tăng cường là một phương pháp tiềm năng trong quá trình phát triển các thuật toán sạc pin, khi phương pháp này nhằm tối ưu hóa một phương pháp sạc nhanh khá phổ biến hiện nay là phương pháp sạc ổn dòng, ổn áp (CC- CV) Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần khắc phục như:

Trong quá trình sạc tăng cương giai đoạn đầu, việc kiểm soát điện áp sạc cho pin phải vô cùng chính xác vì nếu để xảy ra hiện tượng điện áp tăng lên quá cao pin sẽ xảy sự cố như phát nóng nhanh, cháy, nổ gây nguy hiểm cao

Phải liên tục xác định các giá trị điện áp sạc tăng cường, cũng như thời gian sạc cho pin trong từng giai đoạn sử dụng khác nhau Vì số một số chu kỳ sạc nhất định, tính chất hóa học của pin bắt đầu thay đổi nên các thông số ban đầu của pin đã không còn chính xác nữa, để tối ưu thời gian sạc và hiệu suất sạc thì giá trị phải được tính toán lại liên tục

Cũng như phương pháp sạc CC-CV thì phương pháp sạc tăng cường cũng cần một thuật toán ước lượng dung lượng pin (SOC) một cách chính xác để chuyển giữa các quá trình sạc với nhau Thuật toán Taguchi được đề xuất nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết

2.1.8 Phương pháp sạc nhanh được đề xuất

Pin Lithium là một loại pin nhạy cảm với nhiệt độ, do đó để có thể cải thiện được hiệu suất, đảm bảo tuổi thọ của pin cũng như tăng độ an toàn cho việc sạc pin thì nhiệt độ pin trong toàn bộ quá trình sạc cần được điểu khiển

Để giữ được nhiệt độ ở giá trị yêu cầu, phương pháp sạc dựa trên điều khiển nhiệt độ không đổi được để xuất Nếu nhiệt lượng được xả ra lớn hơn nhiệt lượng thu vào thì pin sẽ được làm mát, từ đó có thể cải thiện được sự tăng nhiệt độ một cách đáng kể Hơn nữa, để giảm thời gian sạc thì dòng điện sạc cần phải tăng, kéo theo đó là nhiệt độ pin sẽ tăng Trong quá trình sạc thì điện áp pin không được vượt ngưỡng điện áp ngưỡng trên của pin Với dòng sạc tăng, điện áp sạc sẽ nhanh chóng đạt được điện áp ngưỡng trên, dẫn đến pin không được sạc đầy hoàn toàn Để giải quyết vấn đề đó thì phương pháp sạc dựa trên điều khiển nhiệt độ được đề xuất

Phương pháp này gồm có hai quá trình chính là quá trình quá độ và quá trình ổn

định nhiệt độ, ngoài ra còn có quá trình tỏa nhiệt khi đã hoàn thành việc sạc pin Trong giai đoạn quá độ, khi nhiệt độ của pin chưa đạt tới mức nhiệt độ đặt, dòng điện sạc sẽ được huy động cao nhất có thể của bộ sạc Khi đó, nhiệt độ của pin sẽ tăng nhanh và pin cũng sẽ được sạc một cách nhanh chóng Hết giai đoạn quá độ, nhiệt độ của pin đã đạt giá trị đặt Khi đó, dòng điện sạc sẽ được giảm xuống dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và dòng điện sạc Trong giai đoạn này, do việc sinh nhiệt và tỏa nhiệt cùng xảy ra đồng thời nên có những thời điểm nhiệt lượng pin sinh ra lớn hơn nhiệt độ tỏa ra môi trường, khi đó, dòng điện sạc sẽ được điều khiển giảm xuống để đảm bảo nhiệt độ pin ổn định Ngược lại, có những thời điểm nhiệt lượng pin sinh ra ít hơn nhiệt độ tỏa ra môi trường, khi đó, dòng điện sạc sẽ được điều khiển tăng lên, vừa để giữ nhiệt độ không đổi vừa để cải thiện thời gian sạc Sau khi kết thúc giai đoạn ổn định nhiệt độ, pin đã được sạc đầy Khi đó, dòng điện sạc sẽ trở về không, và quá trình tỏa nhiệt được bắt đầu Trong quá trình này, pin không sinh thêm nhiệt độ mà chỉ có quá trình tỏa nhiệt ra môi trường Quá trình tỏa nhiệt kết thúc khi nhiệt độ trên pin bằng với nhiệt độ môi trường Nhiệt độ sạc lớn nhất cho pin Lithium ion là 45°C-50°C, do đó, trong luận văn này, nhiệt độ đặt lớn nhất cho bộ điều khiển nhiệt độ được đặt ở mức 47°C Hình dạng nhiệt độ trên pin và hình dạng đòng điện sạc trong toàn bộ quá trình sạc được thể hiện như hình 1.15 và 1.16

Hình 1 15: Dạng nhiệt độ sạc trong quá trình sạc theo phương pháp điều khiển nhiệt độ

Hình 1 16: Dạng dòng điện sạc theo phương pháp sạc điều khiển nhiệt độ

2.2 Một số nguyên tắc cơ bản khi sạc pin

Thiết bị sử dụng nên được tắt khi sạc Điều này cho phép pin đạt được điện áp ngưỡng mà không bị cản trở và phản hồi dòng bão hòa chính xác để kết thúc quá trình

sạc

- Một tải phụ sẽ làm rối quá trình sạc - Sạc ở nhiệt độ vừa phải

- Không sạc thấp dưới điểm đông (00C – 450C)

- Lithium-ion không cần phải được sạc đầy; chỉ câǹ Ngừng sử dụng bộ sạc pin nếupin bị quá nóng

- Sạc một phần là tốt hơn

- Trước khi bảo quản lâu dài, nên sạc 50% pin

2.2.1 Tốc độ sạc và xả của pin

Trong cuối những năm 1700, Charles­Augustin de Coulomb cho rằng một pin mà nhận được doǹ g sac một ampere (1A) mỗi giây thì nhận 1 cu-lông (1C) Trong 10 giây thì 10 cu­lông đi vào pin và cứ như vậy, đối với quá trình xả thì ngược lại Ngày nay, ngành công nghiệp pin sử dụng C-rate theo tỷ lệ dòng sạc và xả của pin

Hầu hết pin di động ở mức 1C, có nghĩa là một pin 1000mAh được xả với tỷ lệ 1C nên trong điều kiện lý tưởng cung cấp được dòng 1000mA trong một giờ Xả pin tương tự ở 0.5C sẽ cung cấp dòng 500mA trong hai giờ, và tại 2C, pin 1000mAh sẽ cung cấp dòng 2000mA trong 30 phút 1C cũng được hiểu như xả một giờ, 0.5C là hai giờ và 2C là xả nửa giờ

Dung lượng pin, hoặc lượng năng lượng pin có thể nắm giữ, có thể được đo bằng một máy phân tích pin Các phân tích phóng điện pin ở doǹ g điện tiêu chuẩn khi đo thời gian bao lâu để đạt đến giới hạn điện áp của quátriǹ h phóng điện Một dụng cụ hiển thị các kết quả về đánh giá công suât́ của pin sẽ hiển thị 100 phần trăm nếu một pin 1000mAh có thể cung cấp 1000mA trong một giờ Nếu quá trình phóng điện kéo dài trong 30 phút trước khi đạt giới hạn điện áp ngắt của quá trình phóng điện thìpin có công suất 50 phần trăm

Khi xả pin bằng bộ phân tích pin có khả năng áp dụng tốc độ khác nhau thì tốc độ cao hơn sẽ đem lại số ghi công suất thấp hơn và ngược lại Bởi vậy xả pin 1000mAh tại 2C hay 2000mA là nhanh hơn, pin tốt nhất nên cung cấp đầy đủ công suât́ trong 30 phút Trong thực tế, điện trở trong của pin chuyển hóa một số năng lượng thành nhiệt và làm giảm khả năng dẫn đến khoảng 95 phần trăm hoặc ít hơn Xả pin cùng một lúc 0.5C hay 500mA hơn hai giờ có thể sẽ tăng công suất lên trên 100 phần trăm

Để đạt được công suất tốt, các nhà sản xuất thường đánh giá theo axít chì tại 0.05C hay xả 20 giờ Ngay cả ở tốc độ xả chậm này, pin ít khi đạt công suất 100 phần trăm Các nhà sản xuất cung cấp hiệu suất để điều chỉnh cho sự khác biệt trong khả năng nếu thải ra với tốc độ cao hơn so với quy định Hình

3.2 minh họa lần xả pin axít chì ở tải khác nhau như được thể hiện trong C-rate

Hình 1 17: Các đường cong tốc độ phóng điện của pin

Trong khi pin chì và nickel-based có thể được phóng điện với tốc độ cao, pin Li- ion có thiết kế mạch an toàn với cathodes cobalt ngăn chặn phóng điện trên 1C Mangan và phosphate có thể chịu đựng được mức xả lên đến 10C và ngưỡng dòng được đặt cao hơn cho phù hợp

2.2.2 Chế độ sạc nhanh pin Li-ion

Sạc nhanh đang là một nhu cầu rất lớn đối với những chiếc xe điện và bộ sạc nhanh đã có trong nhiều năm gần đây Hầu hết các loại pin NiCd và những loại sản phẩm đặc biệt của pin Li-ion, có thể được sạc ở tốc độ rất cao lên đến 70% state- of-charge (SoC-dung lượng pin)

Tại một tỷ lệ 10C hoặc 10 lần doǹg định mưć, một pin 1Ah về mặt lý thuyết được sạc trong sáu phút, nhưng có giới hạn

2.2.3 Phân loại các chế độ sạc pin

Các chế độ sạc được phân loại dựa theo tốc độ sạc Gồm có 4 loại như sau:

Chế độ sạc Loại pin C rate Thời gian sạc Nhiệt độ