BÀI báo cáo CHUYÊN đề XE ô tô điện đề tài PIN (ắc QUY)

WPS Presentation TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VĨNH LONG KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ XE Ô TÔ ĐIỆN ĐỀ TÀI PIN (ẮC QUY) GVHD Nguyễn Đỗ Hoài Phong SVTH Nhóm 5 Khóa 44 5 2 CÁC LOẠI PIN 5.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VĨNH LONG

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI BÁO CÁO

CHUYÊN ĐỀ: XE Ô TÔ ĐIỆN

ĐỀ TÀI: PIN (ẮC QUY)

GVHD: Nguyễn Đỗ Hoài Phong SVTH: Nhóm 5

Khóa: 44

5.2 CÁC LOẠI PIN

5.1 TỔNG QUAN

Bộ pin cho ChevroletSpark (Nguồn: General Motors)

Pin lithium-ion dùng cho ô tô điện có

dung lượng từ 6kWh đến 100kWh Thế

nhưng, hầu hết các mẫu xe hơi điện

ngày nay đều sử dụng pin có dung

lượng lớn, khoảng từ 35kWh đến 100

kWh Với mức dung lượng này, xe có

thể đi được quãng đường từ 200km đến

500km cho mỗi lần sạc đầy

5.1.1 Phạm vi pin

- Phạm vi cũng bị ảnh hưởng bởi thời tiết cũng như việc sử dụng điều hòa nhiệt độ (sưởi ấm hoặc làm mát) và các hạng mục khác (chẳng hạn như đèn) Điều này là do các hệ thống này sử dụng năng lượng pin

- Một điểm cộng là EV không cần khởi động giống như nhiều phương tiện ICE thông thường trong mùa đông

- Các nhà sản xuất thường coi là hết tuổi thọ cho pin là khi dung lượng pin giảm xuống 80% công suất định mức của nó Điều này có nghĩa là rằng nếu pin gốc có phạm vi 100 km kể từ một lần sạc đầy, sau 8–10 năm sử dụng phạm vi có thể giảm xuống 80 km Tuy nhiên, pin vẫn có thể cung cấp năng lượng sử dụng được bên dưới 80% dung lượng sạc Một số phương tiện các nhà sản xuất đã thiết kế pin để cuối cùng của cuộc đời của chiếc xe.

- Tất cả các nhà cung cấp pin phải tuân thủ ‘ Quy định về ắc quy và ắc quy thải năm

2009 ’ Đây là một yêu cầu bắt buộc, có nghĩa là các nhà sản xuất lấy lại pin từ khách hàng được tái sử dụng, tái chế hoặc xử lý của một cách thích hợp

5.1.2 Tuổi thọ và tái chế pin

5.2 Các loại pin

5.2.1 Ắc quy axit-chì (Pb – Pb02)

Cấu tạo của ắc quy chì axit

• Ắc quy chì axit gồm có các bản cực bằng chì có cấu trúc phẳng và ô xít chì làm bằng hợp kim chì antimon nhồi các hạt hóa chất tích điện ngâm trong dung dịch axit sunfuric.

• Các bản cực được liên kết với nhau thông qua những thanh chì, cực dương nối với cực dương, cực âm nối với cực âm Dung lượng của bình ắc quy sẽ được xác định thông qua số lượng, chiều ngang, chiều dài và chiều dày các bản cực.

• Bản cực âm thường nhiều hơn bản cực dương vì các bản cực âm được bố trí dày đặc ở phía ngoài Do bản cực âm có diện tích tiếp xúc ít hơn bản cực dương nên cấu tạo của chúng thường mỏng hơn

• Bình ắc quy sử dụng dung dich axit sunfuric để ngâm các bản cực Nồng độ của dung dịch axit sunfuric phụ thuộc vào tình trạng phóng nạp bình ắc quy cũng như loại ắc quy Dung lượng của bình ắc quy tính bằng Ah Tuỳ vào nhiệt độ chất điện phân, dòng điện phóng, điện thế cuối cùng sau khi phóng và tỷ trọng của dung dịch mà dung lượng của bình ắc quy có thể thay đổi.

Ắc quy chì axit

5.2.1 Ắc quy axit-chì (Pb – Pb02)

Quá trình xả và sạc của acquy (từ trái qua phải).

Đã sạc đầy ; xả sạc ; sạc và nạp khí

5.2.1 Ắc quy axit-chì (Pb – Pb02)

5.2.2 Ắc quy kiềm (Ni-Cad, Ni-Fe và Ni-MH)

Thành phần chính của Pin niken-cadmium (Ni-Cad hoặc NiCad)

+ Bản cực dương – nickel hydrate (NiOOH) + Bản cực âm – cadmium (Cd)

+ Chất điện phân – kali hyđrôxit (KOH) và nước (H2O) Quá trình tích điện liên quan đến việc oxy di chuyển từ bản cực âm sang bản cực dương và ngược lại khi phóng điện Khi được sạc đầy, bản cực âm trở thành cadmium tinh khiết và bản cực dương trở thành niken hydrat

Phương trình hóa học đại diện:

2NiOOH + Cd + 2H2O +KOH 2Ni(OH)2 + CdO2 + KOH  

▪ Lưu ý:

Pin NiCad không được sạc quá mức vì một khi oxit cadmium đã chuyển thành cadimi thì không thể xảy ra phản ứng nào nữa.

Pin niken-kim loại hyđrua (Ni – MH hoặc

NiMH) được một số xe điện sử dụng và đã

tỏ ra rất hiệu quả

Các thành phần của pin NiMH bao gồm:

+ cực âm bằng niken-hydroxit,

+ cực dương bằng hợp kim hấp thụ hydro

+ chất điện phân kali-hydroxit (KOH)

Mật độ năng lượng của NiMH cao hơn gấp

đôi so với pin axit chì nhưng ít hơn so với

pin lithium-ion

Pin NiMH được một số xe điện sử dụng

và đã được chứng minh là rất hiệu quả

5.2.2 Ắc quy kiềm (Ni-Cad, Ni-Fe và Ni-MH)

5.2.3 Natri-niken clorua (Na-NiCl ) ₂)

• Pin NaNiCl chứa kim loại Na làm cực âm , còn cực dương là NiCl2/FeCl2 Một thiết bị cách điện bằng sứ được sử dụng để tách biệt anot và catot Chất điện phân thứ hai là NaAlCl4 được sử dụng

để vận chuyển ion Na+ giữa hai điện cực Pin hoạt động ở nhiệt độ khoảng 300oC nhằm làm tăng

hệ số khuếch tán giữa các chất phản ứng và tăng độ dẫn điện của các chất điện phân

• Khuyết điểm: Pin chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao Chi phí sản xuất pin cao (chiếm 50-60% tổng chi phí sản xuất) Năng lượng tích trữ được nhanh hết, 2 ngày nạp pin mỗi lần.

5.2.4 Natri – lưu huỳnh (Na – S)

• Nửa phản ứng ở catot (có dấu +) là: Li1 − xCoO2 + xLi + + xe- ←→ LiCoO2

• Nửa phản ứng ở anot (có dấu -) là: xLiC6 ←→ xLi + + xe− + xC6

• Một vấn đề với loại pin này là điều kiện lạnh, chuyển động của các ion liti chậm hơn trong quá trình sạc.

• Cũng thế, sử dụng dòng sạc quá cao sẽ tạo ra nguyên tố liti.

• Điều này có thể được gửi vào đỉnh của cực dương bao phủ bề mặt, có thể niêm phong lối đi, đây được gọi là liti mạ.

• Nghiên cứu đang diễn ra và có thể giải pháp có thể là làm ấm pin trước khi sạc.

• Lưu ý: Chuyển động của Lithium-ion chậm hơn trongquá trình sạc nếu pin nguội

5.2.5 Lithium-ion (Li-ion)

Công nghệ Lithium-ion đang trở thành pin công nghệ của

sự lựa chọn, loại pin này sử dụng điện cực - được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp Khi pin đang trong trạng thái sạc và xả, thì các ion Li sẽ xâm nhập, điền đầy khoảng trống giữa các lớp này Chính vì thế mà phản ứng hóa học xảy ra và cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động

Cực dương được làm bằng hợp chất ô xít kim loại

chuyển tiếp và Li (như LiMnO2, LiCoO2,… còn cực âm được làm bằng graphite Ngoài ra, dung dịch điện ly của pin (nghĩa là môi trường cho phép các ion Li chuyển dịch

từ điện cực này sang điện cực kia) phải có độ dẫn ion tốt cũng là chất cách điện tốt

5.2.5 Lithium-ion (Li-ion)

Trong quá trình xả, (gọi là quá trình sử dụng) các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm

Trong quá trình sạc, các ion Li chuyển

động từ cực âm sang cực dương

5.2.5 Lithium-ion (Li-ion)

Sau khi so sánh về các yếu tố giữa pin Lithium và ắc quy chì, chúng ta thấy rằng việc sử dụng pin Lithium có nhiều ưu điểm và dĩ nhiên độ bền của loại pin này cao hơn ắc quy chì rất nhiều Lithium mang lại hiệu suất hoạt động trên 90%, cho tốc độ sạc nhanh và giảm tải cho bộ

phận nạp điện của thiết bị điện khi sử dụng Độ bền của pin Lithium có thể kéo dài đến 4 - 5 năm, trong khi ắc quy chì chỉ khoảng 1 năm

Ưu điểm của pin:

+ Điệp áp cao

+ Sạc nhanh

+ Mức nhiệt độ làm việc phù hợp

Sau đây mời Thầy cùng các bạn xem một đoạn video ngắn giới thiệu về pin Lithium-ion ứng dụng trên xe TESLA

5.2.6: Pin nhiên liệu

• Năng lượng của quá trình oxy hóa của nhiên liệu thông thường, thường được biểu hiện dưới dạng nhiệt, có thể trong quá trình tích điện, các ion Lithium di chuyển về phía điện cực âm

• Chúng lưu trữ các electron từ nguồn năng lượng bên ngoài Trong quá trình phóng điện, Lithium mất các electron ở điện cực âm Các điện tử này dẫn động một tải bên ngoài Xả phí =>Cực âm =>Dấu phân cách =>Cực dương =>Điện cực dương

• Cực âm chứa oxit kim loại liti, dấu phân cách (thấm ion), điện cực âm (cực dương) chứa than chì

• Cực âm chứa oxit kim loại liti, dấu phân cách (thấm ion), điện cực âm (cực dương) chứa than chì

• Người ta đã phát hiện ra rằng nhiên liệu hydro khi kết hợp với oxy được chứng minh

là thiết kế hiệu quả Pin nhiên liệu rất đáng tin cậy và hoạt động im lặng, nhưng khá tốn kém chi phí sản xuất

• Hoạt động của pin nhiên liệu chẳng hạn như hydro được đi qua một điện cực (cực dương), được phủ bởi một chất xúc tác, hydro khuếch tán vào chất điện phân Điều này làm cho các electronbị loại bỏ các nguyên tử hydro

• Lưu ý: Năng lượng của quá trình oxy hóa thông thường nhiên liệu có thể được chuyển đổi trực tiếp thanh điện trong pin nhiên liệu Ở catot, các electron và tích điện dương các ion hydro kết hợp với oxy để tạo thành nước, chảy ra khỏi ổ

• Tất cả các quá trình oxy hóa đều liên quan đến sự chuyển electron giữa nhiên liệu và chất oxy hóa, và đây là được sử dụng trong pin nhiên liệu để chuyển đổi năng lượng trực tiếp thành điện năng

• Tất cả các tế bào pin liên quan đến một sự khử oxit ở cực dương và một quá trình oxy hóa ở âm trong một số phầncủa quá trình hóa học của chúng Để đạt đượctách các phản ứng này trong pin nhiên liệu, cần có cực dương, cực âm và bình điện phân Chất điện phân được nạp trực tiếp với nhiên liệu

5.2.6: Pin nhiên liệu

1 Nhiên liệu hydro được dẫn qua các tấm dòng chảy điện trường để cực dương ở một bên của pin nhiên liệu, trong khi chất oxy hóa (oxy hoặc không khí) được dẫn đến cực âm ở mặt kia mặt bên của ô

3 Chất điện phân polyme màng (PEM)

cho phép chỉ tách cực các ion tích điện để vượt qua nó đến cực âm.Tích điện âm các electron phải di chuyển dọc theo một

mạch bên ngoài đến cực âm, tạo ra một dòng điện.

4 Ở cực âm các electron và tích điện

dương các ion hydro kết hợp với oxy để tạo thành nước,chảy ra khỏi ô.

2 Ở cực dương, chất xúc tác bạch kim gây

ra hydro chia thành cực ion hydro (proton)

và tích điện âm các electron

5.2.6: Pin nhiên liệu

5.2.7 Siêu tụ điện

Một siêu tụ điện còn được gọi là tụ điện dung lượng cao hoặc tụ điện hai lớp có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng gấp gần 10 đến 100 lần năng lượng so với các tụ điện thông thường Nó được ưa chuộng rộng rãi hơn pin vì khả năng sạc nhanh hơn và cung cấp năng lượng nhanh hơn.

Nó có nhiều chu kỳ sạc và xả hơn pin sạc Chúng được phát triển trong thời hiện đại vì lợi ích công nghiệp và kinh tế

Điện dung của tụ điện này cũng được đo bằng Fara (F) Ưu điểm chính của tụ điện này là hiệu quả và khả năng lưu trữ năng lượng cao

5.2.7 Siêu tụ điện

Nguyên lý siêu tụ điện

• Tương tự như một tụ điện bình thường, siêu tụ điện cũng có hai bản song song với diện tích lớn hơn Nhưng

sự khác biệt là, khoảng cách giữa các tấm là nhỏ Các tấm được tạo thành từ kim loại và ngâm trong chất điện phân Các tấm được ngăn cách bởi một lớp mỏng gọi là chất cách điện

• Khi các điện tích trái dấu được hình thành ở cả hai phía của chất cách điện, một lớp điện kép được hình thành và các tấm được tích điện Do đó chúng được tích điện và

có điện dung cao hơn Những tụ điện này được sử dụng

để cung cấp năng lượng cao và cho phép dòng tải cao với điện trở thấp Chi phí của siêu tụ điện cao vì điện dung sạc và xả cao

5.2.7 Siêu tụ điện

Để sạc một siêu tụ điện, kết nối cực dương của nguồn điện áp với cực dương của siêu tụ điện và cực âm của nguồn điện áp được nối với cực âm của chúng

Nếu siêu tụ điện được kết nối với nguồn điện

áp 15V, thì nó sẽ sạc tới 15V Khi điện áp được tăng lên quá điện áp ngưỡng, thì chúng có thể bị hỏng Vì vậy, điện trở được kết nối nối tiếp với nguồn điện áp và tụ điện để giảm dòng điện chạy qua tụ điện và nó không bị hỏng

* So sánh siêu tụ điện với pin:

Pin được sử dụng rộng rãi với dung lượng cụ thể, cũng có mật độ năng lượng tốt hơn Các siêu tụ điện

là các tụ điện dung lượng cao với mật độ năng lượng cao Khi so sánh với pin, siêu tụ điện có khả năng sạc nhanh, có thể xử lý nhiệt độ thấp, độ tin cậy cao và trở kháng thấp

Chi phí của pin thấp trong khi chi phí của siêu tụ điện cao

Pin có các dạng như pin axit-chì, Ni-MH, Li-Po, Li-ion, LMP, … Các siêu tụ điện có sẵn với chất điện phân hữu cơ, chất điện phân nước, chất lỏng ion,… Pin được sử dụng để lưu trữ một lượng lớn năng lượng và siêu tụ điện được sử dụng để cung cấp mật độ năng lượng cao

 Hiệu quả rất cao.

 Khả năng sạc nhanh

 Siêu tụ điện có tuổi thọ cao hơn pin 10 đến 15 năm

 Siêu tụ điện có thể chịu được mọi nhiệt độ

trong khoảng từ -30 đến 65 độ trong khi pin có thể chịu được từ 10 đến 40 độ C

* Nhược điểm của siêu tụ điện

– Các siêu tụ điện có năng lượng riêng rất thấp

– Rất khó để tạo ra siêu tụ điện có công suất điện áp cao ở thời điểm hiện tại, đó là lý do tại sao hầu hết các siêu tụ điện 2.7V đều có sẵn trên thị trường

– Thuộc tính điện áp phóng tuyến tính của chúng là một bất lợi Đặc tính điện áp phóng tuyến tính có nghĩa là khi siêu tụ phóng 50% tổng năng lượng dự trữ, điện áp cũng giảm một nửa

Có nghĩa là nếu điện áp đầy của chúng là 2,7V thì điện áp sẽ giảm xuống còn 1,3V Nhưng trong trường hợp pin, điện áp sẽ gần với điện áp đầy thậm chí khi pin xả 50% năng lượng

– Giá của siêu tụ điện cao hơn pin Li-ion cùng dung lượng

– Siêu tụ điện xả nhanh hơn pin khi không được kết nối với tải hoặc nói cách khác, đặc tính

tự xả của siêu tụ là một bất lợi nữa

* Một số ứng dụng đáng chú ý của siêu tụ điện mà chúng ta có thể thấy như:

– Các siêu tụ chủ yếu được sử dụng ở những nơi cần sạc và xả rất nhanh

– Chúng được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số để nhấp nháy ánh sáng

– Chúng được sử dụng trong xe điện và cơ cấu hãm tái sinh được sử dụng để sạc siêu tụ điện Phanh tái tạo giúp sạc trong thời gian rất ngắn Để khởi động điện trong hệ thống start-stop

5.2.8 Bánh đà

Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng bánh đà:

- Năng lượng được tích trữ vào bánh đà được tính theo công thức: E=1/2 J* ω2

- Năng lượng này tỷ lệ với bình phương tốc độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lượng nhiều hơn Do đó một bánh đà được sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng phải được quay với tốc độ rất cao và phải đặt trong môi trường chân không để giảm lực cản gió

- Hiện nay trên thế giới có 2 hãng sản xuất bánh đà siêu tốc dựa trên công nghệ

KERS (Kinetic Energy Recovery System) lần đầu tiên được áp dụng trên xe đua F1 đó

là hãng Flybrid và Williams Hybrid Power

Dòng Flybrid KERS trên Volvo S60 Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi

phanh bằng bánh đà

5.2.8 Bánh đà

Ngược lại với Flybird, hệ thống của

Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng

điện để tích hoặc rút điện năng khỏi bánh

đà, lợi dụng composite từ tính (MLC) để đạt

hiệu suất chuyển đổi rất cao Do có giá

thành cao hơn, hệ thống này được ứng dụng

cho xe cao cấp Chiếc xe đua 918 RS R

Hybrid của Porsche sử dụng hệ thống của

WHP, và nó hoạt động thông qua các mô-tơ

điện đặt ở bánh trước

Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept.

5.2.8 Bánh đà

Theo nghiên cứu mới đây nhất thì bánh đà

bằng sợi carbon KERS của hãng Volvo

được trang bị cho cầu sau Nó chỉ nặng 6

kg và đường kính 20 cm, có khả năng

quay với tốc độ 60.000 vòng/phút Với

công suất tăng thêm 80 mã lực, xe này có

thể tăng tốc lên 100 km/h chỉ trong 5.5

giây

Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo

5.2.8 Bánh đà

Tóm lại: Bánh đà thường được sử dụng

để cung cấp năng lượng liên tục cho

những nơi mà động lực được cung cấp bị ngắt quãng Khi phanh xe, bánh đà có tác dụng thu hồi năng lượng, sau đó “góp” động năng cùng với động cơ khi xe tăng tốc, điều này có thể làm giảm tiêu hao 25% nhiên liệu

5.2.8 Bánh đà