Thiết kế bộ sạc ắc quy cho ô tô điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hà nội, 1-2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ SẠC ẮC QUY CHO Ô TÔ ĐIỆN
Trưởng bộ môn

:

Giáo viên hướng dẫn

:

Sinh viên thực hiện

: Ai muốn nhận file mô phỏng

Lớp

: hoặc tất cả tài liệu.

MSSV

: xin mail vào:

Giáo viên duyệt

:

Hà nội, 1-2018


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Thiết kế bộ sạc ắc quy cho ô tô điện do
em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS....... Các số liệu và kết quả là hoàn
toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 1 tháng 1 năm 2018
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU .......................................................................... ii
DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................... ii

LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................... 1
Chương 1 ............................................................................................................. 2
TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN......................................................................... 2
1.1. Nhu cầu sử dụng ô tô điện hiện nay ....................................................... 2
1.2. Một số loại ô tô điện trên thị trường trong và ngoài nước .................. 4
1.2.1. Xe ô tô lai giữa điện và động cơ đột trong ...................................... 4
1.2.2. Xe ô tô điện 100% dùng điện ........................................................... 5
1.3. Ắc quy ô tô điện hiện nay ........................................................................ 5
1.4. Vai trò và tương lai của xe ô tô điện ...................................................... 8
Chương 2 ............................................................................................................. 9
ẮC QUY LITHIUM-ION .................................................................................. 9
2.1. Giới thiệu chung....................................................................................... 9
2.2. Cấu tạo của ắc quy/ Pin Li-ion ............................................................. 11
2.2.1. Điện cực dương ................................................................................ 11
2.2.2. Điện cực âm...................................................................................... 12
2.2.3. Chất điện ly ...................................................................................... 12
2.2.4. Dung môi .......................................................................................... 13
2.2.5. Vật cách điện.................................................................................... 13
2.3. Phân loại ................................................................................................. 14
2.4. Nguyên lý hoạt động của ắc quy(Pin) Li-ion ....................................... 14
Chương 3 ........................................................................................................... 17
CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO ẮC QUY LI-ION .................................. 17


3.1. Phương pháp sạc dòng điện không đổi, điện áp không đổi ............... 17
3.1.1. Quá trình sạc dòng điện không đổi ................................................ 18
3.1.2. Quá trình sạc với điện áp không đổi.............................................. 18
3.1.3. Vấn đề an toàn trong quá trình sạc ............................................... 19
3.2. Phương pháp sạc với 5 mức dòng điện ................................................ 19
3.3. Phương pháp sạc xung .......................................................................... 21

3.4. Phương pháp sạc tăng áp ...................................................................... 22
Chương 4 ........................................................................................................... 26
BỘ CHỈNH LƯU VÀ BỘ BUCK ................................................................... 26
4.1. Bộ chỉnh lưu ........................................................................................... 26
4.2. Bộ Buck ................................................................................................... 26
Chương 5 ........................................................................................................... 30
THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................... 30
5.1. Thiết kế mạch lực................................................................................... 30
5.1.1. Tính toán điện cảm L của mạch Buck ........................................... 32
5.1.2. Tính toán điện dung tụ đầu ra C ................................................... 34
5.1.3. Tính chọn Mosfet và Diode ............................................................. 35
5.2. Thiết kế hệ thống điều khiển ................................................................ 36
5.2.1. Lưu đồ điều khiển quá trình sạc .................................................... 36
5.2.2. Mô hình hóa bộ biến đổi Buck ....................................................... 37
5.2.3. Bộ điều khiển điện áp ...................................................................... 40
5.2.4. Bộ điều khiển dòng điện.................................................................. 43
Chương 6 ........................................................................................................... 46
MÔ PHỎNG ..................................................................................................... 46
6.1. Mô phỏng mạch lực ............................................................................... 46
6.1.1. Khối Buck......................................................................................... 46
6.1.2. Khối tạo xung ................................................................................... 46


6.1.3. Dòng điện và điện áp ....................................................................... 48
6.2. Mô phỏng khối điều khiển .................................................................... 50
6.2.1. Mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển điện áp.............................. 51
6.2.1. Mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển dòng điện ......................... 51
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 54
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 55

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Một số thiên tai nghiêm trọng. ................................................................. 2
Hình 1. 2 Dự báo về doanh số xe điện. .................................................................... 3
Hình 1. 3 Xe ô tô lai điện­động cơ đốt trong. .......................................................... 4
Hình 1. 4 Mẫu Tesla Model S tại trạm sạc Tesla Supercharger ............................... 5
Hình 1. 5 Sơ đồ một chiếc ắc quy. ........................................................................... 6
Hình 1. 6 Một bình ắc quy Lithium-ion. .................................................................. 7
Hình 2. 1 Cấu trúc ắc quy Lithium-ion. ................................................................... 9
Hình 2. 2 Mặt cắt mang một ắc quy Li-ion hình trụ............................................... 14
Hình 2. 3 Mặt cắt ngang một Pin Li-ion lăng trụ. .................................................. 14
Hình 2. 4 Quá trình sạc và xả của ắc quy Lithium-ion........................................... 15
Hình 3. 1 Quá trình sạc CC-CV ............................................................................. 17
Hình 3. 2 Một chiếc ô tô điện bị cháy khi đang sạc ở Anh. ................................... 18
Hình 3. 3 Quá trình sạc với 5 mức dòng điện. ....................................................... 20
Hình 3. 4 Mô hình sạc bằng xung. ......................................................................... 22
Hình 3. 5 Quá trình sạc của những phương pháp khác nhau. ................................ 23
Hình 3. 6 Dung lượng còn lại của ắc quy khi sạcphương pháp khác nhau. ........... 23
Hình 3. 7 Phương pháp nạp tăng áp ....................................................................... 24
Hình 3. 8 Dung lượng ắc quy phụ thuộc vào thời gian sạc. ................................... 24
Hình 3. 9 Sự sụt giảm dung lương ắc quy trong quá trình sử dụng. ...................... 25
Hình 4. 1 Sơ đồ một bộ chỉnh lưu điển hình. ......................................................... 26
Hình 4. 2 Sơ đồ mạch biến đổi kiểu Buck 6 pha. ................................................... 27
Hình 4. 3 Dòng điện qua các cuộn cảm và đầu ra của bộ Buck 3 pha. .................. 28
Hình 4. 4 Độ đập mạch của điện áp trên tụ. ........................................................... 29
Hình 4. 5 Hiệu suất làm việc ứng với số pha. ........................................................ 29

i


Danh mục hình vẽ

Hình 5. 1 Sơ đồ khối mạch lực. .............................................................................. 30
Hình 5. 2 Đặc tính sạc của Pin Li-ion. ................................................................... 31
Hình 5. 3 Sơ đồ tổng quát của bộ buck .................................................................. 32
Hình 5. 4 Sự biến thiên của dòng điện theo thời gian của bộ buck. ....................... 32
Hình 5. 5 Quá trình nạp điện cho tụ ....................................................................... 34
Hình 5. 6 Sơ đồ thuật toán của bộ sạc .................................................................... 36
Hình 5. 7 Sơ đồ mạch biến đổi kiểu Buck.............................................................. 37
Hình 5. 8 Đồ thị bode của hàm truyền đối tượng. .................................................. 41
Hình 5. 9 Đồ thị bode của hàm truyền hệ hở Ghv(s)................................................. 43
Hình 5. 10 Đồ thị Bode của hàm Gi(s). .................................................................. 44
Hình 5. 11 Đồ thị hàm bode của hàm truyền hệ hở Ghi(s). ...................................... 45
Hình 6. 1 Sơ đồ khối buck. ..................................................................................... 46
Hình 6. 2 Khối tạo xung. ........................................................................................ 47
Hình 6. 3 Hình dạng xung răng cưa. ...................................................................... 47
Hình 6. 4 Hình dạng xung PWM ............................................................................ 48
Hình 6. 5 Dạng dòng điện của 6 pha. ..................................................................... 48
Hình 6. 6 Độ đập mạch dòng điện trước tụ điện. ................................................... 49
Hình 6. 7 Độ đập mạch điện áp trên tụ điện. .......................................................... 49
Hình 6. 8 Sơ đồ điều khiển ..................................................................................... 50
Hình 6. 9 Sơ đồ mạch điều khiển điện áp............................................................... 50
Hình 6. 10 Sơ đồ mạch điều khiển dòng điện. ....................................................... 51
Hình 6. 11 Dạng điện áp đầu ra. ............................................................................. 51
Hình 6. 12 Dạng dòng điện đầu ra.......................................................................... 52

ii

Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1. 1 Một số mẫu ắc quy sử dụng trên thị trường. ............................................ 7
Bảng 2. 1 Ưu nhược điểm của ắc quy/ Pin Li-ion. ................................................. 10
Bảng 2. 2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương. ................................................. 11
Bảng 2. 3 Đặc trung của các loại carbon. ............................................................... 12
Bảng 3. 1 Các mô hình dòng điện 5 mức khác nhau .............................................. 21

iii


Danh mục viết tắt

DANH MỤC VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

PWM

Pulse-Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

PM

Phase Margin

Độ dự trữ pha

Const

Constance

Cố định

PI

Proportional Integral

Bộ điều khiển tỉ lệ-tích phân

iv


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Môi trường ngày được quan tâm trên thế giới, số lượng thiên tai và sức tàn phá của

nó ngày một trở lên báo động. Một trong những tác nhân chính là lượng khí thải
cacbonic(Co2) do chúng ta thải vào khí quyền ngày một nhiều.
Giảm lượng khí thải cacbonic(Co2) ngày được quan tâm từ chính phủ đến người
dân. Một trong những hướng đi đầy hứa hẹn là thay thế dần việc sử dụng động cơ đốt trong
thành động cơ điện phục vụ cho di chuyển. Ô tô điện là một ngành công nghiệp rất mới mẻ
và gần như chưa có ở Việt Nam. Nhiều khó khăn có thể đưa ra khiến ô tô điện chưa thể
phát triển mạnh mẽ như: giá cả chưa hợp lý, khó khăn về thời gian sạc quá lâu...
Nhận thấy là một đề tài hay và thiết thực nên em đã chọn :
“Thiết kế bộ sạc ắc quy điện cho ô tô điện”
Bản đồ án gồm các nội dung sau:
1. Khảo sát các loại ắc quy thường dùng cho ô tô điện
2. Khảo sát các phương pháp nạp ắc quy loại LI-ion
3. Chọn một phương pháp và thiết kế bộ sạc ắc quy theo phương pháp đó.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn tự động hóa công nghiệp đã
tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình làm việc, đặc biệt là sự chỉ bảo và hướng dẫn tận
tình của thầy giáo TS. ...... đã giúp em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, ngày 1 tháng 1 năm 2018
Sinh viên thực hiện

1


Chương 1. Tổng quan về ô tô điện

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
1.1. Nhu cầu sử dụng ô tô điện hiện nay
Trước tình hình các nhiên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì
nhu cầu sử dụng dạng nhiên liệu mới và sạch thay thế ngày càng bức thiết. Năng lượng điện là
một dạng năng lượng rất phù hợp để thay thế cho các loại nhiên liệu hiện đang sử dụng gây ôi

nhiễm cho môi trường. Lượng khí thải độc hại thải ra môi trường của các loại phương tiện di
chuyển dùng năng lượng điện thấp hơn rất nhiều lần và gần như không đáng kể so với các
phương tiện cùng loại sử dụng nhiên liệu khí đốt như xăng, dầu ...

a) Sóng thần ở Nhật Bản

b) Băng tan ở bắc cực

Hình 1. 1 Một số thiên tai nghiêm trọng.
Những thiên tai nghiêm trọng thúc đẩy con người phải cắt giảm lượng khí thải cacbonic
ra môi trường, và ô tô điện nổi lên là một dự án đầy hứa hẹn.
Việc ô tô điện thay thế cho ô tô chạy bằng động cơ đốt trong không phải là bây giờ mới
được quan tâm. Những ưu điểm mà động cơ đốt trong mang lại:
+ Công suất của động cơ lớn.
+ Việc sử dụng xăng dầu rất phổ biến, dễ dàng, ở đâu cũng có thể mua.

2


Chương 1. Tổng quan về ô tô điện

+ Có rất nhiều nhà sản xuất ưu tiên hơn rất nhiều cho động cơ đốt trong, chưa mặn mà
với ô tô điện.
Chính vì những ưu điểm đó đã khiến việc phát triển ô tô điện chậm lại rất nhiều.
Bên cạnh đó, chính ô tô điện cũng có những nhược điểm rất lớn, khiến cho việc phát
triển ô tô điện gặp nhiều khó khăn:
+ Trở ngại đầu tiên là giá thành sản phẩm rất đắt, có thể lên tới hơn một trăm ngàn đô la
Mỹ tính tới thời điểm 2017.
+ Việc không thể di chuyển liên tục quãng đường dài được coi là nhược điệm cực kì
quan trọng, tuy đã nhiều dự án xây dựng các trạm nạp điện nhưng cũng không thể phổ biến

được.
+ Một lần đổ đầy bình xăng từ 5-10 phút, nhưng đối với ô tô điện là rất lâu.
Do những nhược điểm trên thì ở Việt Nam chưa thể phát triển về ô tô điện, ngành sản
xuất ô tô điện tập trung phát triển ở những nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, Eu ...
Nhưng những thứ nó mang lại lại là một lợi ích về lâu dài, khi mà môi trường là vấn đề
hàng đầu. Ô tô điện khi hoạt động sẽ không gây ra tiếng ồn như ô tô chạy động cơ đốt trong, đó
là lợi ích đầu tiên mà người ta đã nhìn thấy. Vì không phải tạo ra năng lượng từ đốt nhiên liệu
lên nó không hề thải ra môi trường cacbonic (Co2). Ngoài ra cũng vì không sử dụng nhiên liệu
nên không phụ thuộc vào biến động giá cả nhiên liệu.
Bởi vậy chúng ta không có gì là ngạc nhiên khi mà ô tô điện ra đời và ngày càng phát
triển trên thế giới hiện nay. Đi đôi với việc phát triển ô tô điện là mạng lưới sạc ắc quy cho ô tô
điện cũng được phát triển, ngày càng tạo nhiều thuận tiện cho việc sử dụng ô tô điện làm phương
tiện di chuyển chính.

Hình 1. 2 Dự báo về doanh số xe điện.
Với cột màu đen là doanh số bán xe điện và màu đỏ là doanh số bán xe chạy bằng xăng.

3


Chương 1. Tổng quan về ô tô điện

Từ hình 1.2 ta thấy từ trước năm 2015, doanh số bán xe điện rất thấp, gần như không có,
nhưng theo dự đoán tới năm 2040, doanh số bán xe điện chiếm quá nửa tổng doanh số xe bán
ra, vượt qua cả lượng bán xe chạy bằng xăng. Hứa hẹn một tương lai rất khả quan cho ngành
công nghiệp ô tô điện.

1.2. Một số loại ô tô điện trên thị trường trong và ngoài nước
1.2.1. Xe ô tô lai giữa điện và động cơ đột trong
Xe Hybrid thường được gọi là xe lai hay xe lai điện là loại xe sử dụng hai nguồn động

lực là động cơ đốt trong và động cơ điện. Động cơ điện lấy nguồn điện từ ắc quy. Hoạt động
của xe này là sử kết hợp hoạt động giữa động cơ đốt trong và động cơ điện sao cho tối ưu nhất.
Bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động và khi nào động cơ
điện hoạt động và khi nào thì cả hai đều hoạt động.
Một ví dụ thể hiện lợi ích rõ ràng của dòng xe này là điều kiện đường xá ở Việt Nam khi
tắc đường hay gặp đèn đỏ, thì không có động cơ nào hoạt động do đó sẽ không mất mát công
suất một cách vô ích, gióp phần giảm khí thải ôi nhiễm ra môi trường.

Hình 1. 3 Xe ô tô lai điện­động cơ đốt trong.
Một sự nỗ lực đáng kể nhất là sự phát triển và thương mại hóa dòng xe điện lại được tạo
ra bởi nhà sản xuất người Nhật. Năm 1997 công ty Toyota đã cho ra mắt đầy ấn tượng dòng xe
sedan Prius ở Nhật, cùng lúc đó công ty Honda cũng cho ra mắt thị trường dòng xe Civic và
Civic Hybrid. Những chiếc xe điện đó đang và sẽ lưu thông trên toàn thế giới. Những chiếc ô
tô điện lai này mang những ưu điểm vượt trội của động cơ đốt trong như phổ biến, tiếp nhiên
liệu đơn giản, nhanh và cả ưu điểm của dòng xe điện là thân thiện với môi trường, ít tiếng ồn.
Toyota và Honda có một bước đi lịch sử vì đã thương mại hóa những chiếc xe lai điện và động
cơ đốt trong, mở ra một kỷ nguyên về đáp ưng tiêu thụ nhiên liệu của xe.
4


Chương 1. Tổng quan về ô tô điện

1.2.2. Xe ô tô điện 100% dùng điện
Dòng xe điện 100% dùng điện ngày càng phổ biến khi mà giá nhiên liệu đốt ngày càng
tăng, bên cạnh đó công nghệ sạc nhanh cũng cho phép các công ty thương mại hóa sản phẩm
của mình một cách hiệu quả, đem lại trải nghiệm người dùng dễ dàng và tiện ích hơn rất nhiều.
Việc sử dụng điện làm năng lượng chính để vận hành mà không sử dụng xăng sẽ giảm
được gần như hoàn toàn khí thải ôi nhiễm ra môi trường cũng như ôi nhiễm tiếng ồn mà động
cơ đốt trong mang lại. Ngày nay việc phát triển các trạm sạc điện cho ô tô điện ngày càng được
đầu tư phát triển, những bình ắc quy ngày càng có công suất lớn, thời gian sạc được rút gọn.

Những điều đó cho phép chiếc ô tô điện có thể di chuyển xa hơn, bất cứ đâu. Dưới đây là một
chiếc ô tô điện đang sạc điện trong trạm sạc điện miễn phí.

Hình 1. 4 Mẫu Tesla Model S tại trạm sạc Tesla Supercharger
ở bang California (Mỹ).

1.3. Ắc quy ô tô điện hiện nay
Việc thiết kế một chiếc ắc quy là quan trọng nhất trong một chiếc ô tô điện, vì nó là trái
tim vận hành toàn bộ chiếc ô tô. Bởi vậy nghiên cứu và phát triển ắc quy rất được coi trọng. Ắc
quy hay còn gọi là Pin(Battety) là một nguồn điện hóa gồm một hay nhiều tế bào điện(cell) mắc
nối tiếp hay song song với nhau.

5


Chương 1. Tổng quan về ô tô điện

Hình 1. 5 Sơ đồ một chiếc ắc quy.
Các ắc quy chính hiện nay có trên thị trường là ắc quy dùng điện môi và ắc quy Lithium.
Ắc quy dùng điện môi đã quá quen thuộc ở thị trường việt nam với các loại ắc quy chì-axit. Nó
là công nghệ cũ nên khá rẻ và vận hành an toàn hầu như không có cháy nổ. Tuy nhiên do là
công nghệ cũ nên mật độ năng lượng thấp, dẫn đến công suất không lớn. Mặt khác khối lượng
và kích thước lại lớn, tuổi thọ sử dụng thấp và khó tái chế.
Dòng ắc quy(Pin) Lithium-ion là công nghệ mới mang rất nhiều ưu điểm vượt trội so với
dòng ắc quy truyền thống:
-

Pin Lithium có kích thước và khối lượng nhỏ hơn rất nhiều so với ắc quy dùng
điện môi. Một tấm Pin Lithium có trọng lượng 6kg tương đương với ắc quy axit
cỡ tầm 20kg.

-

Pin Lithium cho phép di chuyển quãng đường dài hơn do so với ắc quy điện môi
cùng kích thước.

-

Pin Lithium người dùng có thể sạc bất cứ lúc nào, không nhất thiết hết điện mới
sạc như ắc quy điện môi.

-

Thời gian để sạc đầy Pin Lithium ngắn hơn.

-

Tuổi thọ cũng cao hơn so với ắc quy điện môi.

6


Chương 1. Tổng quan về ô tô điện

Hình 1. 6 Một bình ắc quy Lithium-ion.
Thị trường ắc quy dành cho ô tô điện hiên nay đa số là sử dụng công nghệ ắc quy
Lithium-ion. Đây là một công nghệ mới, có hiệu suất và khả năng tiết kiệm thời gian sạc vượt
trội hoàn toàn sơ với các ắc quy truyền thống.
Ngày nay thế giới ngày càng quan tâm đến vấn đề bảo vệ môi trường và hạn chế chất
độc hại. Ắc quy Lithium-ion là một sản phẩm công nghệ cao đáp ứng được những tiêu chuẩn

về môi trường hiện nay. Ắc quy Lithium-ion đã được ứng dụng rộng dãi trong việc sản xuất Pin
cho smartphone tablet, và ngày nay việc ắc quy Lithium-ion được ứng dụng trong công nghệ xe
ô tô điện không còn là hiếm nữa. Rất nhiều các công ty trên thế giới đã sử dụng công nghệ ắc
quy/Pin Lithium-ion vào sản phẩm của mình, dưới đây là một số hãng và dòng xe tiêu biểu:
Công ty

Quốc gia

Mô hình xe

Công nghệ

GM

Hoa Kỳ

Chevy-Volt,Hybrid...

Li-ion

Ford

Hoa Kỳ

Tesla

Hoa Kỳ

Roadster(2009)

Li-oin

Toyota

Nhật Bản

Prius,Lexus

NiMH

Honda

Nhật Bản

Civic, insight

NiMH

Mitsubishi

Nhật Bản

iMiEV(2010)

iMiEV(2010)

Hyndai

Hàn Quốc

Sonata

Lithium polymer

Fusion,MKZ

Li-ion, NiMH

HEV,PHEV...

Bảng 1. 1 Một số mẫu ắc quy sử dụng trên thị trường.
7


Chương 1. Tổng quan về ô tô điện

Có những dự báo rất khả quan về tương lại của những chiếc ô tô điện này.

1.4. Vai trò và tương lai của xe ô tô điện
Theo một báo cáo gần đây của tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế(OECD) thì nhu cầu
sở hữu riêng một chiếc xe và tự lái xe ở các nước phát triển có lẽ sắp bão hòa hoặc kết thúc, do
con người ngày càng quan tâm đến chi phí vận hành xe và tác động tiêu cực của nó tới môi
trường hiện nay. Việc lưu thông bằng các phương tiện chạy bằng điện nói chung và ô tô điện
nói riêng đóng một vai trò quan trọng trong việc hướng tới mục tiêu phát triển giao thông bền
vững, góp phần làm giảm lượng khí thải ôi nhiễm ra môi trường do các xe chạy bằng nhiên liệu
truyền thống gây ra. Mặc dùng gặp nhiều khó khăn nên việc đưa ô tô điện sử dụng rộng rãi khá
chậm. Những khó khăng chủ yếu ở đây là cơ sở hạ tầng phục vụ việc sạc điện vẫn chưa được
quan tâm đúng mức, phát triển một cách không hoàn thiện. Nhưng việc phổ biến ô tô điện là
điều dự báo được trong tương lai gần.
Năm bắt được xu hướng này, các hãng sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới đã tập trung

nhiều nguồn lực hơn cho sản xuất xe điện. Bên cạnh đó chính phủ nhiều nước châu âu đang thắt
chặt các quy định về khí thải từ các phương tiện cá nhân cũng là nguồn động lực không nhỏ cho
các hãng xe đẩy mạnh đầu tư.
Trung Quốc là một đất nước có môi trường ôi nhiễm nặng nề. Việc nước này tập trung
vào kế hoạch phát triển xe điện như một giải pháp giao thông bền vững và thân thiện với môi
trường đã thu được những thành tựu nhất định. Nhiều thành phố lớn của Trung Quốc đã triển
khai cả trăm chiếc taxi điện, xe buýt điện. Đi đôi là một mạng lưới trạm sạc điện ngày càng
hoàn chỉnh. Trong khi đó, tại London, nước Anh, xe taxi điện đã được đưa vào thử nghiệm và
dự kiến giúp thủ đô của nước Anh giảm lượng khí thải cacbonic(Co2) ra môi trường. Tại các
thành phố lớn khác của Eu cũng phát triển các loại hình xe điện, mô hình này đang được nhân
rộng khắp châu Âu.
Việt Nam còn gặp nhiều khó khăn nên các hãng cung cấp ô tô điện chưa xuất hiện trên
thị trường, phải mất nhiều năm nữa thì ô tô điện mới có thể phát triển ở Việt Nam. Tuy nhiên
những chiếc xe đạp điện hiện rất phát triển ở Việt Nam do giá cả hợp lý và tiện ích mang lại.
Hi vọng tương lai không xa việc sở hữu những chiếc ô tô điện ở nước ra sẽ dễ dàng hơn.

8


Chương 2. Ắc quy Lithium-ion

Chương 2
ẮC QUY LITHIUM-ION
2.1. Giới thiệu chung
Ắc quy Lithium-ion hay còn gọi là Pin Li-ion là loại Pin có thể sạc trong đó các ion
Lithium di chuyển giữa các điện âm đến cực dương trong quá trình xả và trở lại trong quá rình
sạc. Ắc quy Lithium-ion sử dụng một hợp chất Lithium làm vật liệu điện cực. Ắc quy Lithium
thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp. Các vật
liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương là các hợp chất ô
xít kim loại chuyển tiếp và Li, như LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực âm là graphite.

Dung dịch điện ly của ắc quy cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực này sang cực kia nghĩa là
có khả năng dẫn ion Li, tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện.
+ Điện cực dương(cathode): Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và
LiMnO4. Vật liệu trên cơ sở là coban thường có cấu trúc pseudo-tetrahedra cho phép ion
liti khuếch tán theo 2 chiều. Đây là những vật liệu lí tưởng có khả năng cung cấp công suất
riêng lớn, công suất riêng theo thể tích lớn, hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng
đời dài. Hạn chế của nó là giá cao do chứa coban là một kim loại hiếm, và kém bền nhiệt.

Hình 2. 1 Cấu trúc ắc quy Lithium-ion.
+ Điện cực âm(anode): Vật liệu âm cực thường dùng là graphite và các vật
liệu cacbon khác. Chúng rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép
ion liti xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng trong khi
cấu trúc tinh thể có thể phình ra tới 10%. Silicon cũng được dùng như vật liệu âm cực bởi nó
cũng có thể chứa ion liti, thậm chí nhiều hơn cacbon, tuy nhiên khi “chứa” ion liti, silicon có
thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu ắc quy.

9


Chương 2. Ắc quy Lithium-ion

Ắc quy Li-ion đã được thương mại hóa và phát triển bởi công ty SONY từ đầu những
năm 90 và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu ắc quy thương phẩm. Lợi nhuận thu được khoảng
1,86 tỷ USD trong năm 2000. Tới năm 2005 có hơn 1,1 tỷ ắc quy/Pin được đưa ra thị trường
với giá trị hơn 4 tỷ USD. Trong khi giá thành sản phẩm giảm xuống 46% từ năm 1999 đến
2005. Trong tương lai, những sản phẩm giá thành sản phẩm rẻ, tính năng cao, an toàn càng được
thị trường quan tâm. Công nghệ này nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chuẩn của thị
trường trên một mảng rộng lớn. Tính năng của ắc quy/Pin tiếp tục được cải tiến làm cho nó
được ứng dụng ngày một rộng rãi thên thị trường. Thiết kế ngày càng phát triển bao gồm những
Pin hình trụ lượn xoắn ốc, Pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm Pin được thết kế phẳng từ

cỡ nhỏ(0,1 Ah) đến cỡ lớn(160 Ah).
Ắc quy hay còn gọi là Pin Lithium-ion có tốc độ tự phóng điện thấp(2-8% mỗi tháng)
và có dải nhiệt độ hoạt động rộng(nạp điện ở nhiệt độ khoảng -200 C đến 600 C, phóng điện
được ở nhiệt độ từ -400 C đến 650 C) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng
rãi. Điện thế của lin Li-ion có thể đạt được trong khoảng 2,5V đến 4,2V.Pin Li-ion có khả năng
phóng điện tốc độ cao, phóng điện với tốc độ liên tục 5c, hoặc ở chế độ xung là 25c. Bên cạnh
những ưu điểm vượt trội nêu ra cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định. Những ưu nhược
điểm của ắc quy/Pin Li-ion được tóm tắt trong bảng:
Ưu điểm

Nhược điểm

- Ắc quy kín nên không cần bảo trì.

- Giá thành cao.

- Chu kỳ sống dài.

- Giảm hiệu quả ở nhiệt độ
cao.

- Dải nhiệt độ hoạt động rộng.

- Cần phải bảo vệ hệ thống
mạch điện.

- Thời gian hoạt đọn dài.
- Tốc độ tự phóng chậm.

- Dung lượng bị giảm hoặc

- Có khăng nạp nhanh.

nóng lên khi quá tải.

- Khả năng phóng điện có tốc độ và công suất cao.
- Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao.

- Bị thủng và có thể tỏa
nhiệt khi bị ép.

- Năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao.
- Không có hiệu ứng nhớ.
Bảng 2. 1 Ưu nhược điểm của ắc quy/ Pin Li-ion.

10


Chương 2. Ắc quy Lithium-ion

2.2. Cấu tạo của ắc quy/ Pin Li-ion
Ắc quy hay còn gọi là Pin Li-ion có cấu tạo gồm 3 thành phần cơ bản là: điện cực dương,
điện cực âm và chất điện phân. Ngoài ra còn một số thành thần khác.
2.2.1. Điện cực dương
Các vật liệu dùng làm điện cực dương là oxit kim loại của Lithium dạng LiMO2 trong đó
M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn... hoặc các hợp chất thay thế khác. Pin Li-ion
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 LiNI1-xCoxO2. Các vật liệu dùng
làm điện cực dương cho Pin Li-ion phải thỏa mãn điều kiện sau:

- Năng lượng tự do cao trong các phản ứng với Lithium.
- Có thể kết hợp được với 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 và giá thành rẻ.
- Không tan trong dung dịch điện li.
Đặc trung điện áp và dung lương của vật liệu làm điện cực dương được thông kê trong
bảng 2.2:
Dung lượng riêng
Loại vật liêu

Điện thế trung
bình

(mAh/g)

Ưu- nhược điểm

(V)

LiCoO2

155

3,88

Thông dụng nhưng giá
Co lại khá đắt.

LiNi0,7Co0,3O2

190

3,70

Giá thành trung bình.

LiNiO2

200

3,55

Phân li mạnh nhất.

LiMn2O4

120

4,00

Mn khá rẻ, tính độc hại
thấp, ít phân li.

Bảng 2. 2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.
11


Chương 2. Ắc quy Lithium-ion

Từ bảng ta thấy tùy vào vật liệu làm ắc quy/Pin sẽ quyết định dung lượng và điện thế
trung bình của ắc quy.
2.2.2. Điện cực âm
Loại Pin Li­ion 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. 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:

Carbon

Loại

Dung

Dung lượng

lượng
riêng

không đảo
ngược

(mAh/)

(mAh/g)

Kích thước
phân tử
(D50 )

Diện tích bề
mặt
(m2/g)

KS6

Graphite tổng hợp

316

60

6

22

KS15

Graphite tổng hợp

350

190

15

14

KS44

Graphite tổng hợp

345

45

44

10

XP30

Peteoleum coke

220

55

45

N/A

Grasker

Sợi carbon

363

35

23

11

Bảng 2. 3 Đặc trung của các loại carbon.
Từ bảng ta thấy vật liệu làm điện cực âm sẽ quyết định dung lượng ắc quy/Pin.

2.2.3. Chất điện ly
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).
12


Chương 2. Ắc quy Lithium-ion

+ 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 …
2.2.4. 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), ethyl methyl carbonate(EMC), diethyl carbonate(DEC) ...
2.2.5. Vật cách điện
Trong các Pin Li-ion, vật liệu cách điện thường dùng là những màng xốp mỏng 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.



Phù hợp và ổn định khi tiếp xúc với chất điện phân và các điện cực.

13


Chương 2. Ắc quy Lithium-ion

2.3. Phân loại
Ắc quy(Pin) Li-ion được chế tạo theo các định dạng khác nhau, thường có hai hình dạng
cơ bản là dạng hình trụ và dạng hình lăng trụ.

Hình 2. 2 Mặt cắt mang một ắc quy Li-ion hình trụ.

Cấu tạo của mặt cắt những tấm Pin lăng trụ phẳng cũng tương tự phiên bản hình trụ, chỉ
khác là trục tâm phẳng thay thế cho trục tâm trụ.

Hình 2. 3 Mặt cắt ngang một Pin Li-ion lăng trụ.
2.4. Nguyên lý hoạt động của ắc quy(Pin) Li-ion
Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở Pin liti-ion là nguyên liệu điện cực âm và
dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch chuyển giữa 2 điện cực.
14

Chương 2. Ắc quy Lithium-ion

Dòng điện chạy ở mạch ngoài Pin khi Pin chạy. Các ion Li+ từ vật liệu điện cực dương sẽ đêìn
vào các khoảng trống ở vật liệu 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
tiếp xúc dẫn đến hiện tượng ngắn mạch.
Khi xả, ion liti(mang điện dương) di chuyển từ cực âm(anode), thường là graphite,
C6 trong phản ứng dưới đây, qua dung dịch điện ly, sang cực dương, tại đây vật liệu dương cực
sẽ phản ứng với ion liti. Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm
sang cực dương(cathode) trong lòng Pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực
âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Khi sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực
dương của Pin (nay trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực
âm của Pin(lúc này đã đóng vai trò cực dương). Như vậy, Pin đảo chiều trong quá trình sạc và
xả. Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá
trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo dõi. Trong đồ án này(và trong đa phần các bài báo khoa
học), cực âm(anode) và cực dương(cathode) của Pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái xả.

Hình 2. 4 Quá trình sạc và xả của ắc quy Lithium-ion.

+ Các phản ứng sảy ra như sau:
Tại cực dương(cathode) :


 CoO2  Li   e 
LiCoO2 


Tại cực âm(anode):

15