Các loại PIN trên ô tô điện

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành Phồ Hồ Chí Minh
Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ Án Tốt Nghiệp
Đề tài : Các loại pin trên ô tô điện
GVHD: GVC.ThS. ĐỖ QUỐC ẤM

SVTH : TỪ TRUNG KIÊN
MSSV: 13145130
SVTH : TRẦN LÂM TÚ
MSSV: 13145313

1


Lý do chọn đề tài

−

Xe điện và xe hybrid với các tín năng ưu việt được coi như một giải pháp hữu ích cho bài tốn mơi trường, thay thế các
phương tiện dùng xăng truyền thống.

−

Tuy nhiên, hiện nay, có thể nói xe chạy điện vẫn chưa hoàn toàn chiếm được sự tin tưởng của người dùng bởi các giới
hạn về pin.

−

Trong tương lai, cơng nghệ sản xuất pin chính là chìa khố mà bất cứ hãng xe nào cũng muốn sở hữu để có thể chinh

phục thị trường xe năng lượng sạch.

2


Đối tượng phạm vi nghiên cứu

−

Đối tượng nghiên cứu: Các loại pin thông dụng dùng trên xe điện .

−

Phạm vi nghiên cứu:



Lịch sử và sự phát triển của xe điện.



Cấu tạo, hệ thống truyền động các loại xe điện.



Lịch sử và sự phát triển của Pin điện.



Tầm quan trọng của pin và ắc quy trang bị trên xe ôtô.



Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính các loại pin ,ắc quy trang bị trên ôtô.

3


Nội dung
1.

Lịch sử ô tô điện

2.

Sự hạn chế của xe điện trong quá khứ

3.

Ưu điểm của xe điện

4.

Xe ô tô điện 100% - EV

5.

Xe lai: HEV và Phev

6.

CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô ĐIỆN

4


1. Lịch sử ô tô điện



Chiếc xe ôtô điện đầu tiên đã được phát minh vào năm 1834 bởi Davenport.



Cùng với thời gian, một số mẫu xe điện (EV) cũng được một vài hãng xe phát triển, ví dụ như chiếc Peugeot VLV
vào năm 1941, chiếc Ford Transit vào năm 1970, v.v…

Thomas Davenport (1802-1851)

Peugeot VLV 1941

Ford Transit 1970

5


2. Sự hạn chế của xe điện trong quá khứ

−

Trong giai đoạn đầu, xăng dầu lúc ấy vẫn có giá rất rẻ, các vấn đề về ô nhiễm môi trường vẫn cịn bị
xem nhẹ.

−

Giai đoạn này, chưa có sự đột phá trong công nghệ pin và ắc quy.

6


3. Ưu điểm của xe điện

−

Tích cực bảo vệ mơi trường

−

Không gây ô nhiễm tiếng ồn

−

Tiết kiệm năng lượng

−

Kết cấu đơn giản, tiện lợi bảo dưỡng sửa chữa

7

4. Xe ơ tơ điện 100% - EV
Các
Khái cấu
qthình truyền động của xe EV

−

Đây là loại xe không bao gồm động cơ xăng hay diesel mà chạy hoàn toàn bằng
nguồn năng lượng được cung cấp từ pin.

−

Ví dụ như chiếc Nissan Leaf, mẫu xe chạy hoàn toàn bằng điện của
hãng xe đến từ Nhật Bản.

Mẫu xe Nissan Leaf

mộtđộng
độngcơ
cơđiện
điện
Hệ thống truyền động của EV có hai
8


5. Xe lai: HEV và Phev
Các cấu hình truyền động chính
Khái qt

−

HEV và PHEV là dịng xe bao gồm động cơ đốt trong, động cơ điện, nguồn
năng lượng được cung cấp bởi bộ pin và bình xăng.

−

Cấu tạo của hệ thống truyền động của dòng xe này phức tạp hơn so với EV hay
thậm chí là xe động cơ đốt trong.

−

Mẫu xe PHEV nổi bật của Toyota: Toyota Prius.

Toyota Prius

Serie Full
Serie/Parallel
Hybrid
Parallel
FullHybrid
Hybrid

9


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Ắc quy axit chì

Khái qt

−

Ắc quy axít chì : được ra đời vào năm 1859, có thể coi đây là kỹ thuật pin lâu đời
nhất được dùng cho tới tận ngày nay.

−

Về ngun lý hoạt động cơ bản, nó khơng khác nhiều so với mẫu pin đầu tiên được
phát minh bởi Volta vào năm 1800.

10


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Ắc quy axit chì
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo ắc quy axit chì

11


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Ắc quy axit chì
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

―

Quá trình phóng/xả điện phản ứng hóa học xảy ra như sau:

Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2
Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2
Phản ứng tồn bình: Pb+PbO 2+2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

―

Q trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toàn chuyển thành PbSO 4.

Quá trình sạc/nạp điện:
2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2H2SO4.

―

Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dương gồm: PbO 2, cực âm là Pb.

Phản ứng hóa học xả/nạp ắc quy axit-chì
12


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Ắc quy axit chì

Ưu và nhược điểm

−

Pin axít chì được sử dụng rộng rãi vào thế kỷ 20 bởi giá thành rẻ, có tuổi thọ
lâu, cơng suất lớn.

−

Tuy nhiên, pin chì ngày nay, do những giới hạn của nó, khơng đáp ứng được
những đòi hỏi cao về năng lượng và cơng suất cho hoạt động của xe ơ tơ nói
chung và ơ tơ điện nói riêng

13


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin Niken-Catmi
Cấu tạo và ngun lý hoạt động

―

Q trình phóng điện: diễn ra khi có một thiết bị tiêu thụ điện nối vào cực dương và cực âm của ắc quy.

―

Phản ứng hóa học xảy ra theo hướng ở cực dương niken hydroxit hóa trị 3 sẽ bị giảm xuống niken
hydroxit hóa trị đến mức 2 và ở cực âm thì catmi hình thành nên catmi hydroxit.

―

Quá trình nạp điện: Xảy ra theo hướng ngược lại q trình phóng cho đến khi điện áp bình tăng đến mức
mà hydro bốc ra ở cực âm và oxy bốc ra ở cực dương

―

Dung dịch điện phân chỉ được dùng để truyền dẫn các ion và không bị thay đổi hay lão hóa tính chất hóa
học trong suốt quá trình nạp/xả.

Cấu tạo của pin Ni-Cd
14


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin Niken-Catmi
Ưu và nhược điểm

―

Có rất ít sự thay đổi về tỷ trọng của dung dịch điện phân trong suốt q trình nạp/xả. Điều
này cho phép ta có thể lưu trữ một lượng dung dịch lớn trong bình ắc quy mà khơng có vấn
đề bất tiện gì về các phản ứng điện hóa học.

―

So với pin axít chì thì pin Ni-Cd có hiệu năng tốt hơn do đó đã bước đầu được áp dụng trong
ngành công nghiệp ôtô. Cụ thể, pin được trang bị trên 1 số mẫu xe như : Peugeot 106,
Renault Kangoo, Citroen Saxo.

15


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin Niken-Catmi
Ưu và nhược điểm

−

Dung tích của pin Ni-Cd chưa đủ lớn, chỉ cho phép xe chạy xấp xỉ 100km sau 1 lần sạc.

−

Pin Ni-Cd rất dễ bị “chai”: nếu người dùng thực hiện quy trình sạc-xả liên tục trong khoảng 20-80%
dung lượng thực của pin thì sau 1 thời gian, pin sẽ bị mất vĩnh viễn dung tích trong khoảng 0-20% và
80-100%, người dùng sẽ chỉ có thể sử dụng được 60% dung lượng thực của pin.

−

Kim loại catmi là kim loại nặng, có ảnh hưởng khơng tốt đến sức khỏe của con người cũng như môi
trường.

16


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion
Khái quát

−
−
−
−
−
−

Li-ion, một loại pin sạc.
Mật độ năng lượng cao.
Điện áp khá cao.

Tuổi thọ khá cao.
Không bị hiệu ứng nhớ.
Suất tự xả thấp.

Pin li-ion phổ biến trên điện thoại di động, máy ảnh

17


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion
Khái quát

−
−
−
−

1970, Stanley Whittingham đã chế tạo pin liti và cải tiến thành pin li-ion.
Dạng trụ và dạng khối chữ nhật.
Nhiều hợp chất và phổ biến nhất là pin liti coban oxit (LiCoO 2), ngồi ra cịn có LiMn2O4,
LiNiMnCoO2 (NMC), LiFePO4, LiNiCoAlO2.
Trong ngành công nghiệp ô tô, pin NMC là một lựa chọn lý tưởng để làm nguồn năng lượng

Hai dạng pin phổ biến của Li-ion.

cho ô tô điện.

Bộ pin của xe Tesla Model S

18


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion
CẤU TẠO
Điện cực dương

−
−
−
−
−
−

LiCoO2 , cấu trúc dạng lớp giúp ion Li+ dễ dàng rời khỏi hoặc xâm nhập vào các mạng tinh thể.
Ưu diểm: pin có cơng suất riêng lớn, hạn chế hiện tượng tự xả, điện áp cao và vòng đời khá dài.
Nhược điểm: giá thành cao và kém bền nhiệt.
So với LiCoO2 , LiMn2O4 có hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn và giá thành rẻ hơn.
Nhược điểm: điện cực kém bền.
Ngồi ra cịn có:NMC, LiNiCoAlO 2, LiFePO4.

Cấu tạo dạng lớp của LiCoO2.

Hệ tinh thể lập phương của LiMn2O4
19


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion

CẤU TẠO
Điện cực âm

−

Graphite  C6 (than chì) : giá thành rất rẻ, có độ dẫn điện cao và có cấu trúc cho phép ion Li + xen
kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng nhờ cấu trúc tinh thể
có thể phình ra tới 10%.

−

Silicon đang là vật liệu có xu hướng thay thế carbon. Ngồi ra cịn có liti titanat Li 4Ti5O12 , hợp
kim thiếc coban v.v...

Cấu trúc mạng tinh thể của graphite.

Cấu trúc tinh thể của silicon
20


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion
CẤU TẠO
Chất điện phân
Dung dịch chứa muối liti như: LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ: etylen
cacbonat, dimetyl cacbonat và dietyl cacbonat.

−
−
−

Pin Sanyo Li-ion dùng muối LiPF6 trong dung môi hữu cơ etylene cacbonat.
Dung môi gel, polymer và ceramic

Màng ngăn
Polyethylene và polypropylene được dùng khá phổ biến.

Kích thước pin li-ion được thu gọn

Ảnh cắt lát màng ngăn gồm 3 lớp PP/PE/PP

21


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion
 NGUYÊN

LÍ HOẠT ĐỘNG

Khi sạc
Cực dương: LiCoO2 CoO2 + Li+ + e
Cực âm: C6 + Li+ + e  LiC6
Phản ứng chung: C6 + LiCoO2  LiC6 + CoO2

+
Chiều của dòng electron và Li khi pin đang sạc

22

6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion
 NGUYÊN

LÍ HOẠT ĐỘNG

Khi xả
Cực dương: CoO2 + Li+ + e LiCoO2
Cực âm: LiC6 C6 + Li+ + e 
Phản ứng chung: LiC6 + CoO2 C6 + LiCoO2 

+
Chiều của dòng electron và Li khi pin đang xả

23


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion

ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NẠP

Đường đặc tính nạp tiêu biểu của pin Sanyo li-ion

24


6. CÁC LOẠI PIN, ắc QUY dùng cho ô tô điện
Pin lithium-ion

ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NẠP

Q trình nạp phụ thuộc vào cường độ dòng điện.

25