CHƯƠNG 1 PHẢN MỞ ĐÃU 1. Tổng quan về nhu cầu sử dụng xe điện và sạc nhanh cho pin Giao thông vận tải là một yêu cầu cơ bản và đặc biệt thiết yếu trong cuộc sống hiện đại, tuy nhiên động cơ đốt trong truyền thống được sử dụng đang nhanh chóng trở nên lỗi thời do các nhược điểm của nó. Các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm cao đang nhanh chóng được thay thế bằng các phương tiện chạy hoàn toàn bằng điện. Xe điện có thế tác động trực tiếp vào việc hạn chế phát thải khí nhà kính, đặc biệt là khí thải độc hại như NOx, SOx, CƠ2 và PM2., 2018), cải thiện chất lượng không khí và làm giảm tiếng ồn đô thị.
Do đó chính phủ các nước đang ra sức hỗ trợ, thúc đẩy và đưa ra những mục tiêu cho trong việc phát triển, phổ biến xe điện trong đời sống. Ngoài những ý nghĩa tích cực về mặt môi trường, động cơ của các phương tiện sử dụng điện có những ưu điểm vượt trội hơn so với động cơ truyền thống. Chúng có momen lớn và khả năng tăng tốc tốt hơn. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn từ 2 đến 5 lần so với động cơ đốt trong, cộng với việc chi phí điện trên mỗi kilomet thấp hơn nhiều so với xăng.
Chi phí bảo dưỡng cũng thấp hơn do có ít các thành phần chuyển động trên xe. Điều đó cho thấy vận hành một chiếc xe điện mang lại rất nhiều lợi ích cũng như tiết kiệm nhiều khoản chi phí khác nhau. Đứng trước xu hướng này, các doanh nghiệp trong ngàng đang ra sức đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện công nghệ cho xe, kết quả là hàng trám mẫu xe đã được ra mắt kể từ 2010 đến nay, từ những dòng xe lai giữa điện và nhiên liệu hóa thạch đến các dòng xe sử dụng hoàn toàn bằng điện. Đi cùng với nhu cầu bảo vệ môi trường và giảm thiều sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng cao, vì thế năng lượng tái tạo đang dần trở nên phổ biến trong đời sống.
Nỗ lực hiện nay là tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng sạch càng nhiều càng tốt. vấn đề chính với nguồn nhiên liệu này là sự thiếu ổn định, đặc điểm này làm tăng tầm quan trọng của phương tiện lưu trữ đế cung cấp điện khi nhu cầu sử dụng tăng cao. Pin là một hệ thống điện hóa có thể lưu trữ năng lượng hiệu quả và cung cấp khi cần thiết, pin sạc gần đây là điểm thu hút chính của các ứng dụng lưu trữ năng lượng cho các thiết bị, hệ thống di động, trong đó có xe điện. Do đó, nhu cầu về pin sạc tăng cao, pin lithium ion (Li-ion) có 1 Đế tài nghiên cứu khoa học cấp trường CNDT: Hồ Công Trình điện áp hoạt động cao, năng lượng lưu trữ lớn, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, tuổi thọ cao hơn hẳn các công nghệ pin khác.
Với đặc điểm đặc biệt này, pin Li-ion đã trở thành một trong những nguồn năng lượng hứa hẹn nhất cho xe điện, xe hybrid, thiết bị điện tử di động và hệ thống lưu trữ năng lượng. Bất chấp sự quan tâm như vậy nhiều người vẫn e ngại trước sự chuyển đổi này, một trong những lý do đó là phạm vi hoạt động hạn chế và cần nhiều thời gian để sạc pin điện hon so với các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Công nghệ sạc nhanh trở nên cần thiết trong lĩnh vực công nghệ sạc pin lithium-ion. Trong lĩnh vực thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính xách tay, một số kỹ thuật sạc nhanh đã được giới thiệu nhưng công nghệ sạc nhanh trong lĩnh vực xe điện, xe đạp và xe máy điện vẫn đang được phát triển.
Đối với thị trường đầy hứa hẹn này, công nghệ sạc nhanh đã nhận được sự quan tâm cao từ cả nhà sản xuất và giới học thuật. Vì lý do này, đề tài hiện tại tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế một mô hình có khả năng sạc nhanh cho xe điện sử dụng pin Lithium - lon, tối ưu thời gian sạc cho các thiết bị di động, khai thác tối đa các lợi ích của pin điện và các thiết bị sử dụng nguồn năng lượng từ pin, làm tiền để để phát triển các bộ sạc nhanh cho pin Li - lon sau này. Mục tiêu của đề tài 1. Mục tiêu chính Phát triển mô hình sạc pin nhanh cho xe điện, giúp giảm thời gian sạc mà không làm giảm tuổi thọ của pin Li-Ion nhằm khai thác hiệu quả các phương tiện và các thiết bị sử dụng nguồn năng lượng này.
Từ đó, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về những trạm sạc với công suất cao hơn, trạm sạc không dây, khai thác các nguồn năng lượng từ lưới điện 3 pha, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng sinh hóa. 2 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường CNDT: Hồ Công Trình 1. Mục tiêu cụ thễ Xây dựng bộ sạc nhanh, khai thác nguồn năng lượng từ lưới điện 1 pha. Cải thiện 135% tốc độ sạc so với bộ sạc thông thường.
Có khả năng sạc nhanh cho xe điện sử dụng pin Lithium - Ion 36V với công suất < 150W, hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên đến 85%. Hệ số công suất đầu vào được duy trì coscp >0.9 Mô hình hoạt động ổn định, độ tin cậy cao, đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành. Phương pháp nghiên cứu Đe tài sử dụng các phương pháp thu thập dữ liệu, tham khảo các mô hình, mô phỏng, tính toán thiết kế và thực nghiệm. - Nghiên cứu về các bộ chuyển đổi công suất AC - DC, DC - DC ứng dụng cho sạc pin: Tham khảo tài liệu, thu thập dữ liệu thứ cấp.
Lựa chọn cấu hình phù hợp cho bộ chuyển đổi sử dụng trong mô hình. Xây dựng sơ đồ nguyên lý - Tính toán thiết kế: Tính toán thiết kế tối ưu cho mô hình. - Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Psim mô phỏng kết quả tính toán cho mạch. So sánh, đánh giá, lấy kết quả phân tích và hiệu chỉnh.
- Thực nghiệm: xây dựng mô hình phần cứng thực tế, thu thập dữ liệu sơ cấp, phân tích và đánh giá hiệu quả của mô hình. Ý nghĩa Một vài trong những mối quan tâm, trở ngại của người dùng khi quyết định chuyển từ phương tiện truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang xe điện là cơ sở hạ tầng trạm sạc, phạm vi hoạt động của xe và thời gian nạp lại nhiên liệu quá lâu. Do đó việc xây dựng các cơ sở hạ tầng trạm sạc công cộng, trạm sạc cá nhân, đặc biệt tối ưu tốc độ sạc là giải pháp hữu hiệu trong việc áp dụng- nhanh chóng các phương tiện sử dụng điện vào đời sống. Vì lý do đó, trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào phân tích, nghiên cứu hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe điện, cụ thế là pin 3 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường CNDT: Hồ Công Trình CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU 2.
Tại sao lại là pin Li-ion Vào những năm 1970, pin Lithium-ion lần đầu tiên được giới thiệu bởi nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham và được Sony Energitech thương mại hóa lần đầu vào năm 1991 [1]. Trải qua nhiều lần thay đổi và cải tiến, đến nay nó đã trở thành đã cách mạng hóa cách chúng ta cung cấp năng lượng cho các thiết bị và phương tiện của mình. Chúng đã trở thành giải pháp lưu trữ năng lượng cho nhiều ứng dụng, từ điện thoại thông minh và máy tính xách tay đến ô tô điện và hệ thống năng lượng tái tạo.
Sự phát triển của pin lithium-ion là kết quả công việc của các nhà khoa học và kỹ sư, gần đây nhất là đóng góp của ba nhà khoa học John B. Stanley Whittingham và Akira Yoshino trong việc phát triển các vật liệu xen kẽ cần thiết đế sản xuất pin Li-ion và giành được giải Nobel hóa học 2019 [2]. Một trong những ưu điểm chính của pin lithium-ion là mật độ năng lượng cao. Điều này có nghĩa là chúng có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng trong một không gian nhỏ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị di động và xe điện, giúp các thiết bị hoạt động trong thời gian lâu hơn, hiệu quả hơn.
Một ưu điểm khác của pin lithium-ion là tuổi thọ dài. Không giống như các loại pin truyền thống cần được thay thế thường xuyên, pin lithium-ion có thể tồn tại trong vài năm mà không cần sạc trong thời gian dài. Điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn hiệu quả về chi phí để lưu trữ năng lượng lâu dài. An toàn cũng là một cân nhắc quan trọng khi nói đến pin.
Pin Lithium-ion được coi là loại pin tương đối an toàn và ồn định, ít có nguy cơ rò rỉ hoặc cháy nổ. Điều này là do chúng được thiết kế để ngăn chặn sự tích tụ nhiệt và áp suất, có thể gây cháy hoặc nổ. Mặc dù có những ưu điểm này, song để giành chiến thắng trong cuộc cạnh tranh với các dòng xe sử dụng nhiên liệu truyền thống, các phương tiện sử dụng điện cần có hệ thống quản lý pin tối ưu, bảo đảm an toàn và các kỹ thuật sạc nhanh cần thiết hạn chế nhược điểm của loại phương tiện này. 5 Đề tà nghiên cứu kho a học cấp trường CNDT: Hồ Công Trình 2.
Cấu tạo của pin Li-ion [3] Pin Li-ion bao gồm 4 thành phần chính: điện cực âm (cathode), điện cực dư ong (anode), chắt điện phân và dải phân cách. Chất điện phân Mối trưòng giúp các ion chuyển động Hình 2-1 4 thành phần của của Pin lithium-lon 22. Điện cực âm (cathode): Xác định dunglưọiìg và điện áp của pin Pin Lithium-ion tạo ra điện thông qua các phản ứng hóa học của lithium. Tuy nhiên vì liti không ổn (finh ở dạng nguyên tố nên sự kết họp giữa liti và oxy, oxit li ti được sử dụng làm cực âm.
Vật liệu can thiệp vào phản ứng điện cực của pin thực tế giống như Oxit lithium, được gọi là chắt tác động. Nói cách khác, ở điện cực âm cua pin Li-ion, lithium oxit được sử dụng làm chắt tác động. ổ Đe tài nghiên cứu khoa học cấp trường CNDT: HỒ Công Trình Hình 2-2 Cấu tạo đện cực âm của Pin 2. Điện cực dương (anode): gửi các electron qua dây dẫn Giống như cực âm, chất nền cực dương cũng được phủ bằng vật liệu hoạt tính.
Hoạt chất của cực dương thực hiện vai trò cho phép dòng đỉện chạy qua mạch ngoài đồng thời cho phép hấp thụ/phát xạ thuận nghịch các ion liti giải phóng từ cực âm.