NGHIÊN cứu, THIẾT kế hệ THỐNG KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG CHO XE máy điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ
HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG
CHO XE MÁY ĐIỆN
SVTH: GIÁP THANH LƯƠNG
MSSV: 15145286
SVTH: LÊ VĂN MINH
MSSV: 15145291
GVHD: TS. LÊ THANH PHÚC
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019


LỜI CẢM ƠN
Được sự phân công của thầy cô khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kĩ
thuật Tp. Hồ Chí Minh, sau hơn ba tháng thực hiện đề tài nhóm đã hồn thành Đồ án tốt
nghiệp “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng cho xe máy điện”.
Để hoàn thành nhiệm vụ được giao, ngồi sự nỗ lực học hỏi của bản thân cịn có sự
hướng dẫn tận tình của thầy cơ, bạn bè.
Chúng tôi chân thành cảm ơn Thầy – TS. Lê Thanh Phúc, người đã hướng dẫn cho chúng
tôi trong suốt thời gian thực tập. Mặc dù Thầy rất bận nhưng không ngần ngại dành thời
gian để chỉ dẫn chúng tôi, định hướng đi cho chúng tơi, để chúng tơi hồn thành tốt
nhiệm vụ. Một lần nữa nhóm thực hiện chân thành cảm ơn Thầy và chúc Thầy luôn dồi
dào sức khoẻ.
Xin cảm ơn tất cả các bạn bè, thư viện, internet đã hỗ trợ chúng tôi trong suốt thời gian
qua. Tất cả các mọi người đều nhiệt tình giúp đỡ, đặc biệt là bạn bè. Tuy nhiên vì kiến
thức chun mơn còn hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội

dung của báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tơi rất mong nhận sự góp ý,
chỉ bảo thêm của q Thầy Cơ.
Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô, bạn bè và người thân đã luôn bên cạnh,
đồng hành cùng chúng tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài.

TP.HCM, tháng 07 năm
2019


TÓM TẮT
Khi sử dụng pin lithium-ion, đặc biệt là cho xe điện thì pin cần phải có một hệ thống để
giám sát các thơng số như điện áp, dịng điện, nhiệt độ, dung lượng,… để đảm bảo các
vấn đề về hiệu suất và an toàn của loại pin này.
Sau hơn ba tháng thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm sốt năng lượng
cho xe điện”, nhóm đã nghiên cứu và thiết kế hệ thống bao gồm mạch dùng để giám sát
điện áp của bộ pin lithium-ion 60 cell mắc nối tiếp với điện áp cao xấp xỉ 220V và dung
lượng 3200mAh, đảm bảo pin không xảy ra các vấn đề quá nạp và quá xả, hệ thống cũng
đã điều chỉnh được dòng điện cho bộ pin tuy nhiên dịng điện chưa được ổn định. Nhóm
cũng đã thiết kế hộp nhôm dùng để chứa 60 cell pin, đảm bảo pin được chứa trong hộp an
tồn, khơng bị ảnh hưởng khi xe rung lắc. Bên cạnh đó, đề tài cũng chỉ ra nhiều vấn đề
cần được khắc phục và cải thiện trong tương lai như vấn đề cân bằng cell, kiểm sốt dịng
điện ổn định trong các q trình sạc và xả của pin.


ABSTRACT
When using lithium-ion batteries, especially for electric vehicles, the battery needs a
system to monitor parameters such as voltage, current, temperature, capacity, etc… to
ensure performance issues and safety of this battery.
After more than three months of implementing the project "Research and design the
battery management system for the electric motorbike", the group has studied and

designed the system including circuit used to monitor the voltage of the lithium-ion
battery pack 60. The cell connected in series with high voltage is approximately 220V
and 3200mAh capacity, ensuring that the battery does not have overcharge and over
discharge problems, the system has also adjusted the current for the battery but the
current is not stable determined. The group also designed the aluminum box to hold 60
cell batteries, making sure the battery is contained in a safe box, unaffected when the car
vibrates. In addition, the topic also points out many issues that need to be overcome and
improved in the future such as cell balance, control of current flow in battery charging
and discharging processes.
MỤC LỤ


LỜI CẢM ƠN...................................................................................................................i
TÓM TẮT........................................................................................................................ ii
ABSTRACT.................................................................................................................... iii
MỤC LỤC....................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU...................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH...............................................................................................ix
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................xii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN.............................................................................................1
1.1 Lí do chọn đề tài......................................................................................................1
1.2

Mục đích đề tài.....................................................................................................1

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.........................................................................2

1.4

Phương pháp nghiên cứu......................................................................................2

1.5

Các kết quả nghiên cứu.........................................................................................2

1.6

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài.......................................................3

1.7

Kết quả dự kiến đạt được......................................................................................4

1.8

Bố cục của đề tài...................................................................................................4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................5
2.1

Pin Lithium-Ion....................................................................................................5

2.1.1

Giới thiệu chung.............................................................................................5

2.1.2

Lịch sử và sự phát triển của pin lithium-ion...................................................6

2.1.3

Nguyên tắc hoạt động....................................................................................7

2.1.4

Cấu tạo pin lithium-ion..................................................................................9

2.1.5

Ưu và nhược điểm của pin lithium-ion.........................................................10

2.1.6

Cơ chế sạc và xả...........................................................................................11

2.1.7

Vấn đề Over-charging (quá nạp) của Pin Lithium-ion.................................14


2.1.8

Vấn đề cân bằng cell (cell balancing)...........................................................15

2.1.9

Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc pin Lithium ion.....................16

2.1.10 Các yêu cầu khi sử dụng pin Li-ion..............................................................17
2.2. Giới thiệu về vi điều khiển Atmega 328P...........................................................17
2.2.1

Thông số kĩ thuật.........................................................................................17

2.2.2

Cấu trúc chung của vi điều khiển Atmega 328P...........................................19

2.2.3

Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) bằng

Timer/Counter0 trên VĐK Atmega 328P.................................................................21
2.2.4

Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC – Analog to Digital

Converter) trên Atmega 328P...................................................................................24
2.3

Một số linh kiện bán dẫn khác............................................................................26

2.3.1

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)....................................................26

2.3.2

Photocoupler (Opto quang)..........................................................................28

2.3.3

Điện trở........................................................................................................29

2.4

Diode và mạch chỉnh lưu....................................................................................31

2.4.1

Các loại diode.............................................................................................31

2.4.2

Mạch chỉnh lưu............................................................................................32

CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG.................................................33
3.1

Sơ đồ hệ thống mạch sạc Pin Lithium-ion ( 60 Cells).........................................33

3.2

Tính tốn thiết kế mạch nạp................................................................................33

3.3

Tính tốn thiết kế mạch nguồn ni vi điều khiển..............................................35

3.4

Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển....................................................................38

3.5

Sơ đồ tồn mạch.................................................................................................44

3.6

Tính tốn, thiết kế bộ pin 60 cells Lithium-ion...................................................46

3.6.1

Thiết kế và gia công giá cố định pin.............................................................46

3.6.2

Thiết kế và gia công hộp đựng pin...............................................................49


3.6.3

Bố trí gắn hộp pin lên xe..............................................................................55

3.6.4

Ưu, nhược điểm và hướng cải tiến...............................................................55

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM.....................................................................................57
4.1

Thực nghiệm cho 4 cell pin lithum-ion mắc nối tiếp..........................................57

4.2

Thực nghiệm cho 60 cell pin lithum-ion mắc nối tiếp........................................58

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................59
5.1

Kết luận..............................................................................................................59

5.2 Hạn chế của đề tài................................................................................................59
5.3

Kiến nghị............................................................................................................59


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
ADC: Analog to Digital Converter
BMS: Battery Management System
CC: Constant Current
CNC: Computer Numerical Control
CTC: Clear Timer on Time Compare Match
CV: Current Voltage
EV: Electric Vehicle
GND: Ground

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
LCO: Lithium coban oxit
LFP: Lithium sắt phosphate LiFePO4
LIB: Pin Li-ion hay pin lithium-ion
LMO: Lithium mangan oxit LiMn2O4, Li2MnO3
LTO: Liti titanat Li4Ti5O12
NCA: Liti niken coban nhôm oxit LiNiCoAlO2
NMC: Lithium niken mangan coban oxit LiNiMnCoO2
POE: Poly oxyethylene
PWM: Pulse Width Modulation
SOC: State of Charge
VAC: Volts Alternating Current
VDC: Volts Direct Current
VĐK: Vi điều khiển


Các đơn vị được dùng trong nghiên cứu Bảng đơn vị hệ đo lường quốc tế SI
Đại lượng

Đơn vị

Tên đầy đủ

Chiều dài

mm

Mili-mét

Khối lượng

kg

Kilogram

Thời gian

s,h

Giây, giờ

Cường độ dòng điện

A

Ampe

Điện áp

V

Volt

Nhiệt độ

0

C

Celsius

Áp suất

PSI

Pound per square inch

Tần số

MHz

Mega hertz

Điện dung

µF

Micro Fara


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Q trình xả và sạc của pin li-ion....................................................................8
Hình 2.2 Đặc tính sạc, xả của pin lithium-ion..............................................................12
Hình 2.3 Atmega 328P...................................................................................................18
Hình 2.4 Sơ đồ khối vi điều khiển Atmega 328P..........................................................19
Hình 2.5 Các chân trên Atmega 328P..........................................................................20
Hình 2.6 Đồ thị dạng xung điều chế PWM...................................................................21
Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ timer/counter0 trên Atmega 328P.........................................22
Hình 2.8 Chế độ Fast PWM...........................................................................................24
Hình 2.9 Cấu tạo của IGBT kênh N..............................................................................27

Hình 2.10 Nguyên lí hoạt động của Opto quang..........................................................29
Hình 2.11 Cấu tạo diode bán dẫn..................................................................................31
Hình 2.12 Cấu tạo diode zenner....................................................................................31
Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu nửa sóng.............................................................................32
Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu tồn sóng............................................................................32
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống.................................................................................33
Hình 3.2 Cầu diode KBL610.........................................................................................34
Hình 3.3 Đặc tính của cầu diode KBL610....................................................................34
Hình 3.4 Mạch cầu chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều...............35
Hình 3.5 IC LM7805......................................................................................................36
Hình 3.6 Tụ hóa 25V-1000uF........................................................................................36
Hình 3.7 Tụ gốm 104......................................................................................................37
Hình 3.8 Thạch anh SMD 16Mhz.................................................................................37
Hình 3.9 Tụ gốm 22pF...................................................................................................37
Hình 3.10 Mạch nguồn sử dụng để ni VĐK.............................................................37
Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán mạch điều khiển...............................................................39


Hình 3.12 Các thơng số kĩ thuật IGBT 25N120..........................................................40
Hình 3.13 PC 817............................................................................................................41
Hình 3.14 Diode zenner 1N4740A.................................................................................41
Hình 3.15 Điện trở..........................................................................................................42
Hình 3.16 Mạch điều khiển............................................................................................42
Hình 3.17 Sơ đồ ngun lý tồn mạch..........................................................................44
Hình 3.18 Mạch sau khi thiết kế...................................................................................45
Hình 3.19 Mạch sau khi đưa vào hộp nhơm.................................................................45
Hình 3.20 Ảnh 3D từ phần mềm Inventor-Giá đỡ pin................................................46
Hình 3.21 Bản vẽ kích thước giá đỡ pin(mm)..............................................................47
Hình 3.22 Tấm lót bảo vệ chống phóng điện giữa các điện cực khi hàn nối với nha 47
Hình 3.23 Bản vẽ kích thước của tấm lót(mm)............................................................47

Hình 3.24 Gắn vào 2 pin mơ phỏng..............................................................................48
Hình 3.25 Hình thực tế 1 cụm 10 pin............................................................................48
Hình 3.26 Hộp pin thử nghiệm bằng mica...................................................................49
Hình 3.27 Vách nhỏ (số lượng 2)...................................................................................50
Hình 3.28 Bản vẽ kích thước vách nhỏ(mm)................................................................50
Hình 3.29 Vách lớn phay rãnh CNC (số lượng 2)........................................................50
Hình 3.30 Bản vẽ kích thước vách lớn phay rãnh CNC(mm).....................................51
Hình 3.31 Đế (số lượng 1)..............................................................................................51
Hình 3.32 Bản vẽ kích thước đế(mm)...........................................................................51
Hình 3.33 Tai hộp (số lượng 2)......................................................................................52
Hình 3.34 Bản vẽ kích thước tai hộp (mm)..................................................................52
Hình 3.35 Nắp hộp (số lượng 1).....................................................................................52
Hình 3.36 Bản vẽ kích thước nắp hộp(mm).................................................................53
Hình 3.37 Hộp pin dự kiến để gia công CNC...............................................................53


Hình 3.38 Bản vẽ kích thước hộp nhơm.......................................................................54
Hình 3.39 Hộp pin sau khi đã thiết kế xong.................................................................54
Hình 3.40 Vị trí hộp pin được gắn trên xe....................................................................55


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của vi điều khiển Atmega 328P.......................................18
Bảng 2.2 Giá trị điện trở theo vịng màu......................................................................30
Bảng 3.1 Các thơng số cơ bản của pin Lithium-ion.....................................................46
Bảng 4.1 Kết quả sạc 4 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 12V, ngắt sạc khi đạt 16V. .57
Bảng 4.2 Kết quả xả 4 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 16V, ngắt xả khi còn 12V....57
Bảng 4.3 Kết quả sạc 60 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 210V, ngắt khi đạt 220V. .58

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Lí do chọn đề tài
Hầu hết các phương tiện giao thông hiện nay đang sử dụng động cơ đốt trong với nhiên
liệu hóa thạch, các động cơ này có hiệu suất khơng cao và thải ra mơi trường gần một
phần ba lượng khí gây hiệu ứng nhà kính. Kết quả nghiên cứu 6 tháng đầu năm 2017, khí
thải của phương tiện giao thơng tạo ra 55% khí NOx, 56% khí CO, 6% khí SO2. Chính
điều này đã tạo động lực cho các nghiên cứu xoay quanh việc phát triển các dòng xe sử
dụng nguồn năng lượng mới sạch hơn và tiết kiệm hơn, trong đó xe điện (EV - Electric
Vehicle) là một bước tiến lớn khi giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường và vấn đề
nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn dần[1].
Xe máy điện sử dụng điện thay thế cho xăng dầu, vì vậy xe máy điện hồn tồn khơng có
khí thải ra môi trường khi hoạt động. Việc sử dụng xe điện đang là xu thế chung tại các
quốc gia phát triển trên thế giới như một biện pháp bảo vệ môi trường.
Với sự phát triển không ngừng của ngành điện tử, công nghệ thông tin cùng với xu thế sử
dụng xe điện để thay thế các dòng xe truyền thống sử dụng động cơ đốt trong trên Thế
Giới hiện nay, các nhà sản xuất xe máy điện lớn nhất trên Thế Giới như Tesla, Toyota,
Yamaha, Honda hay VinFast (Việt Nam) đã và đang áp dụng nguồn năng lượng cho các
dòng xe điện của họ là pin Lithium-Ion với rất nhiều ưu điểm mà loại pin này mang lại
như: Giúp giảm khối lượng xe, tuổi thọ của pin cao, quãng đường di chuyển xa, thời gian
sạc ngắn hơn so với ắc-quy,… Tuy nhiên để phát huy được hết các ưu điểm này của Pin
Lithium-ion, các nhà sản xuất phải nghiên cứu và chế tạo được hệ thống để kiểm soát các
quá trình nạp và xả của pin một cách kĩ lưỡng để đảm bảo tính an tồn và hiệu quả cho
người sử dụng.
1.2

Mục đích đề tài
 Nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết của pin lithium-ion 18650.
 Tính tốn, thiết kế và xây dựng mạch quản lí năng lượng cho xe máy điện được sử
dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 220V-1.5kWh.

 Tính tốn, thiết kế và chế tạo hộp chứa các pin lithium-ion 18650.
 Tiến hành thử nghiệm để đánh giá sự ổn định, an toàn và tính khả thi của mạch hệ
thống. Qua đó thống kê được các số liệu và tính kinh tế để làm tiền đề và cải thiện
cho các nghiên cứu trong tương lai.
1


1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu
 Pin lithium-ion 18650.
 Vi điều khiển Atmega 328P.
 Điện tử cơ bản.
 Phần mềm CodeVisionAVR, Proteus, Inventor.
Phạm vi nghiên cứu
 Tìm hiểu về ngun lí, đặc tính sạc và xả của pin lithium-ion 18650.
 Sử dụng vi điều khiển để kiểm sốt các q trình q sạc và q xả cho bộ pin
lithium-ion gồm 60 cells mắc nối tiếp.
 Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế và chế tạo hộp chứa 60 cells pin lithiumion mắc nối tiếp.
1.4

Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu tài liệu, thu thập các thông tin liên quan đến đề tài, học
hỏi kiến thức và kinh nghiệm từ Thầy (Cô), bạn bè.
 Phương pháp thực nghiệm.
 Phương pháp tính tốn, phân tích và so sánh các kết quả đạt được.

1.5

Các kết quả nghiên cứu

Trong nước
Bài báo “Nghiên cứu tối ưu tính năng làm việc của pin Lithium-ion sử dụng cho xe gắn
máy tích hợp truyền động lai” của nhóm tác giả Nguyễn Văn Trạng, Phạm Tuấn Anh,
Nguyễn Duy Tấn được đăng trên tạp chí Phát triển Khoa học và Cơng nghệ, tập 20, số
K6 – 2017[1] . Nhóm tác giả đã tính tốn thử nghiệm, chế tạo mạch quản lí các chế độ
hoạt động của pin lithium-ion và đã thu được các kết quả sau:
 Tính tốn và chọn lựa một bộ nguồn pin Li-ion 48V-33Ah phù hợp cho xe gắn
máy Honda Lead 110cc tích hợp truyền động lai được kết nối từ 04 bộ pin 12,6V33Ah.
 Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mạch BMS cho bộ pin Li-ion.

2


 Với những kết quả tin cậy từ mô phỏng và thực nghiệm, bộ pin Li-ion cần được
lắp đặt và thử nghiệm trên thực tế để đánh giá tổng thể tính năng và chi phí vận
hành của xe lai sau cải tạo.
Ngồi nước
Hầu hết các cơng ty sản xuất xe điện lớn nhất trên Thế Giới hiện nay như Tesla, Nissan,
Honda,… đều đã và đang nghiên cứu, sử dụng và cải tiến hệ thống năng lượng vào các
sản phẩm của họ bằng việc sử dụng pin Lithium-ion bởi vì nhiều ưu điểm mà nó mang
lại. Bên cạnh đó cũng có rất nhiều trường đại học trên Thế Giới đã nghiên cứu về việc sử
dụng pin lithium-ion cho xe điện.
Đề tài nghiên cứu “Batteries and Battery Management Systems for Electric Vehicles [2]”
được thực hiện bởi M. Brandl, H. Gall đã nghiên cứu về hệ thống quản lý năng lượng cho
xe điện sử dụng pin lithium-ion bằng việc ứng dụng vi điều khiển vào kiểm sốt điện áp,
dịng điện và nhiệt độ của pin.
Bài báo nghiên cứu “A Novel Electric Bicycle Battery Monitoring System Based on

Android Client” do Chuanxue Song, Yulong Shao, Shixin Song, Silun Peng và FengXiao
thuộc trường đại học Jilin, Trung Quốc thực hiện vào năm 2017 [3] đã có nhiều kết quả khả
thi. Cụ thể, dự án này đã thiết kế một hệ thống giám sát pin dựa trên máy khách Android
và bộ vi điều khiển ARM cho xe điện, khơng chỉ có thể đáp ứng các u cầu của các
chức năng giám sát pin thông thường, nhưng cũng dễ dàng theo dõi trạng thái của pin. Hệ
thống giám sát pin với hệ thống máy khách Android đã được áp dụng thành công trong
xe đạp điện, và các phương án thử nghiệm trong bài viết này đã được tìm thấy là khả thi
và có thể nhân rộng.
1.6

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Hệ thống quản lý năng lượng được xem là phần quan trọng nhất của một phương tiện
giao thông sử dụng năng lượng điện để di chuyển vì thế việc nghiên cứu và chế tạo hệ
thống này có ý nghĩa rất lớn khơng chỉ phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu mà
còn là một bước quan trọng trong việc hiện thực hóa một chiếc xe điện.

1.7

Kết quả dự kiến đạt được
3


Kiểm soát được điện áp của bộ pin lithium-ion 60 cells nối tiếp, bảo vệ pin khơng xảy ra
tình trạng Over-charging (quá nạp) và Over-discharging (quá xả).
1.8

Bố cục của đề tài

Chương 1

Tổng Quan

Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Chương 3

Tính tốn, thiết kế hệ thống

Chương 4

Thử nghiệm mơ hình

Chương 5

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo
Phụ lục

4


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Pin Lithium-Ion

2.1.1 Giới thiệu chung
Pin Li-ion hay pin lithium-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc. Trong quá trình
sạc, các ion Liti chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả
(quá trình sử dụng). LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể
của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong q trình sạc và xả,
các ion Liti sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng
hóa học xảy ra. Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho
cực dương là các hợp chất oxit kim loại chuyển tiếp và Liti, như LiCoO 2, LiMnO2,
v.v….; dùng cho điện cực âm là graphite. Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Liti
chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Liti, tuy nhiên yêu cầu
là dung dịch này khơng được dẫn điện[4].
Khi xả (q trình sử dụng), pin phóng điện qua mạch ngồi electron từ anode (cực âm) di
chuyển sang cathode (cực dương). Ion liti di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực
dương. Khi sạc dưới điện áp sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực
dương), để cân bằng điện trong lòng pin ion liti di chuyển từ cathode (lúc này trở thành
cực âm) sang anode.
LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, phổ biến nhất là pin sạc cho các
thiết bị điện tử cầm tay. LIB có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ, và ít bị tự
xả. Hiện nay ở các nước phát triển, LIB đang được chú trọng phát triển trong quân đội,
ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện và kĩ thuật hàng khơng. Nó được kì
vọng sẽ thay thế cho ắc-quy chì trong ơ tơ, xe máy và các loại xe điện. Hơn nữa, việc
thay thế cho ắc-quy chì cịn hứa hẹn việc đảm bảo mơi trường sạch, nâng cao an toàn sử
dụng do tránh được việc sử dụng dung dịch điện ly chứa axit và hạn chế phát thải kim
loại nặng ra môi trường, trong khi pin Li-ion vẫn đảm bảo một điện thế ngang với ắc-quy.
Thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn là các yếu tố cơ bản quy định các
loại LIB khác nhau. Các thiết bị điện cầm tay (như điện thoại di động, laptop) hiện nay
hầu như sử dụng LiCoO2 (viết tắt LCO) lithium coban oxit làm cực dương. Chất này có
mật độ năng lượng cao, nhưng kém an tồn, đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rị rỉ. Lithium
5

sắt phosphate (LiFePO4, hay LFP), lithium mangan oxit (LiMn2O4, Li2MnO3, hay gọi
chung là LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2, hay NMC) là các vật
liệu dương cực phổ biến khác, tuy nhiên chúng có mật độ năng lượng thấp hơn LCO,
nhưng lại có vịng đời lâu hơn và an toàn hơn. Những pin dùng các vật liệu này thường
được dùng trong các thiết bị điện y tế. Đặc biệt NMC hiện nay là ứng viên hàng đầu cho
pin ứng dụng trong xe chạy điện. Liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2 hay NCA) và
liti titanat (Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng trong những mục đích đặc biệt. Pin litilưu huỳnh hay pin liti-sunfua là loại pin mới được phát triển, mang nhiều triển vọng nhờ
hiệu năng cao và khối lượng nhỏ.
Do pin liti-ion chứa dung dịch điện ly dễ cháy được nén dưới áp suất cao, nên nó trở nên
đặc biệt nguy hiểm. Nếu như một viên pin được sạc quá nhanh, nó có thể gây đoản mạch
dẫn đến cháy nổ. Do nguy cơ này, các quy chuẩn kiểm tra dành cho LIB nghiêm ngặt hơn
cho các loại pin dung dịch điện ly axit rất nhiều. Một ví dụ về lỗi pin gây ra những thiệt
hại nghiêm trọng là sự cố về pin của Samsung Galaxy Note 7 năm 2016.
Các lĩnh vực nghiên cứu về LIB bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an
toàn và giảm chi phí cho pin.
2.1.2 Lịch sử và sự phát triển của pin lithium-ion
Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, hiện tại dạy cho
Đại học Binghamton, khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970. Whittingham đã
sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại liti làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium này
không bao giờ có thể đưa ra thực tế. Titan disulfua là một lựa chọn tồi, vì nó phải được
tổng hợp trong điều kiện chân khơng hồn tồn. Điều này là cực kỳ tốn kém (~ 1000
USD cho mỗi kilogram titan disulfua trong những năm 1970). Khi tiếp xúc với khơng
khí, titan disulfua phản ứng tạo thành các hợp chất hydro sulfua có mùi khó chịu. Vì lý
do này và các lý do khác, Exxon đã ngưng sản xuất pin titan disulfua-lithium này của
Whittingham. Pin có điện cực lithium kim loại đã cho thấy các vấn đề về an tồn vì
lithium là một chất phản ứng mạnh, nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có
nước và oxy trong khơng khí. Do vậy việc nghiên cứu đã chuyển qua phát triển pin
không sử dụng kim loại lithi, mà sử dụng các hợp chất hóa học của lithium, với khả năng

6


chấp nhận và giải phóng các ion lithium. Pin Li-ion lần đầu được thương mại hóa nhờ
Sony Energitech năm 1991[4].
Ngày nay, LIB đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên
thế giới.
2.1.3 Nguyên tắc hoạt động
Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở LIB 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. Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy. Ion liti di chuyển ở trong cả hai điện
cực trong quá trình phản ứng. Đa phần các nguyên liệu điện cực hiện nay là các vật liệu
cho phép ion liti xâm nhập và giữa mạng tinh thể, mà khơng hoặc ít làm xáo trộn vị trí
các ngun tử cịn lại trong mạng trong quá trình xâm nhập của ion liti và ngược lại ion
liti rời khỏi mạng tinh thể.
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 Liti dịch
chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lịng 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 Liti tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện
cực âm của pin (nay đã đóng vai trị 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 bài viết 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.

7

Hình 2.1 Quá trình xả và sạc của pin li-ion[5]
Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau
(chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
LiCoO2

↔

CoO2 + Li+ + e-

Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc,
chiều nghịch là xả):
C6 + Li+ + e-

↔

LiC6

Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
C6 + LiCoO2

↔

LiC6 + CoO2

Như vậy khi sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+ , và ngược lại
khi xả.
Về cơ bản các phản ứng ln có giới hạn. Nếu như xả q mức (nhét thừa ion liti) một liti
coban oxit đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành liti oxit, theo phản ứng một chiều sau:

LiCoO2 + Li+ + e-

→

Li2O + CoO

8


2.1.4 Cấu tạo pin lithium-ion
Điện cực dương (cathode)
Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO 2 và LiMnO4. Vật liệu trên cơ sở là
coban thường có cấu trúc pseudo-tetrahedral (giả tứ diện), 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 vịng đời
dài. Hạn chế của nó là giá cao do chứa Coban là một kim loại hiếm và kém bền nhiệt. Vật
liệu cơ sở là Mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion liti khuếch tán theo cả ba
chiều. Vật liệu này đang được quan tâm bởi Mangan rẻ và phổ biến hơn Coban, có hiệu
năng cao hơn, vịng đời dài hơn, nếu như một vài hạn chế khác của nó được khắc phục.
Những hạn chế này bao gồm khả năng hòa tan vật liệu Mangan trong dung dịch điện ly,
làm điện cực kém bền và giảm công suất pin. Vật liệu cực dương chứa Coban là loại phổ
biến nhất, tuy nhiên những vật liệu khác hiện đang được đầu tư nghiên cứu nhằm hạ giá
thành và tăng công suất pin. Đến năm 2017, LiFePO4 được kì vọng đem lại ứng dụng cao
cho pin kích thước lớn như các pin dùng cho xe điện nhờ giá rẻ, công suất cao, dù vật
liệu này kém dẫn điện và việc dùng chất phụ gia dẫn điện cacbon là bắt buộc.
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 các ion Liti, Silicon có thể phình
ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu pin.
Silicon có thể dùng làm điện âm cực tuy nhiên phản ứng của nó với liti có thể gây nứt
gãy vật liệu. Vết nứt này làm những lớp Si bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện
ly nên có thể bị phân hủy hình thành lớp điện ly rắn giao pha Solid Electrolyte Interphase
(SEI) trên bề mặt Si mới hình thành. Lớp SEI này có thể dày lên ngăn chặn quá trình
khuếch tán của Li+ và làm giảm dung lượng của điện cực cũng như công suất pin và giảm
độ bền của âm cực. Nhiều nỗ lực được thực hiện nhằm giảm thiểu sự biến đổi cấu trúc do

9


nứt gãy của Si, như tổng hợp Si dưới dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạt
nano, các cấu trúc xốp nano.
Dung dịch điện ly (electrolyte)
Dung dịch điện ly hay chất điện ly là môi trường truyền ion Liti giữa các điện cực trong
quá trình sạc và xả pin. Chính vì thế, ngun tắc cơ bản của dung dịch điện ly cho pin Liion là phải có độ dẫn ion tốt, cụ thể là độ dẫn ion liti ở mức 10 −2 S/cm ở nhiệt độ phòng,
tăng tầm 30-40% khi lên 40oC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 oC. Trong quá trình sạc
và xả pin, khi ion liti di chuyển trong lòng pin, dẫn đến chênh lệch điện thế, pin sinh ra
dịng điện ở mạch ngồi nơi electron truyền từ cực âm sang dương (luôn cùng chiều với
ion liti), để đảm bảo phản ứng xảy ra trong pin và pin không bị đoản mạch, dung dịch
điện ly cần thiết là chất cách điện tốt, nghĩa là độ dẫn electron của dung dịch này phải
bằng hoặc dưới mức 10−8 S/cm. Dung dịch điện ly lỏng dùng trong pin Li-ion chứa muối
liti, như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl
cacbonat, và dietyl cacbonat. Do các dung môi hữu cơ thường dễ phân hủy ở cực âm
trong quá trình sạc, nên trong lần sạc đầu tiên, thường ở cực âm sẽ hình thành lớp điện ly
rắn giao pha (solid electrolyte interphase, SEI), có thể giảm độ dẫn của âm cực. Lớp giao
pha này có thể ngăn chặn sự phân hủy của dung dịch điện ly, và từ đó hình thành một lớp
giao diện bền. Dung dịch điện ly composit dựa trên nền polymer hữu cơ POE
(poly(oxyethylene)) cũng có thể là một lớp giao diện bền. Nó có thể dùng để phủ lên bề

mặt điện cực để bảo vệ trong pin Li-polyme, hay trong những pin li-ion bình thường
khác.
Để hạn chế sự rị rỉ của dung dịch điện ly với dung môi hữu cơ, và tăng tính an tồn cũng
như giảm thiểu khả năng bắt cháy khi dung mơi này gặp khơng khí, dung môi gel,
polymer, hay các chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được chú trọng phát triển.
Khi sử dụng chất điện ly dạng rắn (solid electrolyte), ta thu được một pin lithium-ion
dạng rắn, khi đó, có thể loại bỏ lớp màng ngăn, đơn giản hóa q trình lắp ráp, tăng tính
an tồn cho pin.
2.1.5 Ưu và nhược điểm của pin lithium-ion
Ưu điểm
 Chi phí sản xuất thấp vì vậy pin lithium-ion đang rất được ưu chuộng.
10


 Lưu trữ được nhiều năng lượng hơn các dòng pin thế hệ trước (Ni – Cd và Ni –
MH).
 Chu kỳ sạc xả 400-500 lần theo qui định chuẩn nhưng có thể hơn tùy theo quy
chuẩn hóa của các hãng và người sử dụng.
Nhược điểm
 Suy giảm chất lượng dù bạn có sử dụng hay khơng.
 Pin có thể hỏng nếu bạn để điện áp kiệt dưới mức cho phép trong thời gian dài
hoặc sẽ gây phù pin nếu điện áp vượt quá mức 4.2V/cell.
 Cấu tạo của pin ln là hình khối hạn chế trong việc tạo hình các sản phẩm và có
trọng lượng nặng hơn so với dịng pin li-po cùng dung lượng.
 Pin dễ bị kích ứng và cháy nổ khi sử dụng không đúng cách.
2.1.6 Cơ chế sạc và xả
Do bản chất hóa học đặc biệt nên pin Li-ion có quy trình sạc riêng, khơng giống các loại
ắc quy hay pin nikel khác. Quá trình điều tiết sạc/xả một tế bào pin Li-ion và một hệ pin
Li-ion hoàn chỉnh, bao gồm nhiều tế bào pin lắp nối tiếp, tương đối khác biệt.
Đối với một tế bào pin Lithium-ion bao gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn sạc ổn dịng: Trong q trình sạc ổn dịng, dịng điện được giữ khơng đổi,
thơng thường bằng C/2-C (trong đó, C là dung lượng [Ah] của pin). Dòng điện sạc càng
lớn, q trình sạc ổn dịng càng ngắn nhưng q trình sạc ổn áp sẽ càng dài, tuy vậy tổng
thời gian sạc cả 2 giai đoạn thường không quá 3h. Đồng thời, dòng điện lớn sẽ làm tăng
nhiệt độ của pin. Trong quá trình sạc cần theo dõi nhiệt độ liên tục vì nhiệt độ q cao có
thể làm cho pin bốc cháy hoặc phát nổ.
Thông thường, nhiệt độ không nên vượt quá 450C. Một số pin Li-ion sử dụng công nghệ
Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độ khi sạc lên đến 60 0C. Nếu sử dụng
bộ sạc nhanh (quick charge) chỉ thực hiện bơm dòng ổn định vào pin (sạc ổn dịng) do đó,
giới hạn về nhiệt độ lớn hơn đồng nghĩa với việc dòng điện sạc lớn hơn hay thời gian sạc
nhanh sẽ ngắn hơn.

11


Hình 2.2 Đặc tính sạc, xả của pin lithium-ion[5]
Giai đoạn sạc ổn áp: Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi
bằng 4,2V/cell. Do dung lượng của pin phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm
cho dịng điện giảm dần. Khi dịng điện giảm về nhỏ hơn 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc.
Lúc này, dung lượng pin đạt khoảng 99%. Trong q trình sạc ổn dịng, điện áp trên 2
đầu cực ắc quy tăng dần. Khi điện áp đạt bằng sức điện động của pin lúc đầy, bộ sạc kết
thúc q trình sạc ổn dịng và chuyển sạc chế độ sạc ổn áp. Tồn bộ thời gian sạc ổn dịng
thường kéo dài tối đa khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng cịn lại ban đầu của pin). Kết
thúc q trình sạc ổn dòng, dung lượng pin đã phục hồi được khoảng 70%.
Trong nhiều trường hợp (quick-charge) người ta có thể đem sử dụng ngay (phương pháp
“charge-and-run”). Điều này mặc dù làm giảm bớt thời gian sạc đồng thời làm cho thiết
kế của bộ sạc đơn giản hơn rất nhiều nhưng mặt khác sẽ làm giảm tuổi thọ pin. Để đảm
bảo tuổi thọ của pin theo đúng thông số nhà sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến
hành cả giai đoạn sạc ổn áp – thường mất thời gian hơn rất nhiều so với giai đoạn sạc ổn
dòng.

Khác với pin nikel hoặc acid-chì, pin Li-ion khơng cần và khơng được phép duy trì áp sạc
sau khi pin đã đầy (dịng điện sạc giảm nhỏ hơn 3%C) vì tính chất của Lithium-ion khơng
cho phép over-charge; nếu vẫn cố over-charge có thể sẽ làm nóng ắc quy và gây ra nổ.

12