CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Theo thống kê của cục đăng kiểm Việt Nam tính từ tháng 8 năm 2022 đến tháng 9 năm 2022, số lượng ô tô xe máy trên cả nước rơi vào khoảng 5 triệu chiếc[1]. Phần lớn nguồn ắc quy trên các phương tiện này đều là loại ắc quy axit chì được sử dụng qua hàng thế kỉ.
Ắc quy axit chì được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày như cung cấp điện năng cho các thiết bị chiếu sáng ở nơi không có nguồn điện. Là nguồn cho các thiết bị mô hình thực tập điện ở các bộ môn ô tô. Ắc quy là bộ phận không thể thiếu trên ô tô, xe máy, việc tiếp xúc, sử dụng ắc quy có thể gây ra những nguy hiểm tiềm tàng, độc hại ảnh hưởng đến môi trường sống, hệ sinh thái và sức khoẻ gia đình. Biểu đồ thống kê số lượng ô tô, xe máy của cục đăng kiểm Việt Nam[1].
Nguyễn Trung Nguyên, phụ trách Trung tâm Chống độc đã chia sẻ:"Việc thu gom bình ắc quy cũ không đảm bảo, dẫn tới trường hợp bị ngấm, thấm xuống đất, phát tán ra môi trường xung quanh dưới dạng bụi có thể sẽ vào nguồn nước, đất gây ô nhiễm, ảnh hưởng đến thức ăn, người dân sống trong khu vực đó sẽ hít phải bụi và dẫn tới bị ngộ độc chì"[2]. Chính vì những hạn chế như trên của ắc quy axit chì, ngày nay các nhà khoa học đã nghiên cứu ra một loại năng lượng mới để thay thế đó là pin Lithium ion. Chính sự ra đời của pin Lithium đã tạo ra cuộc cách mạng hóa trong ngành công nghiệp năng lượng không sử dụng nhiên liệu hóa thạch và rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của con người. Pin Lithium đang ngày càng được sử dụng phổ biến trên các thiết bị điện tử như điện thoại, đồ gia dụng, các loại phương tiện xe máy điện, xe hơi, máy bay, hay các thiết bị điện tử tinh vi hơn trên tàu vũ trụ 1 hay trạm không gian.
Đặc biệt công nghệ pin Lithium thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất ô tô và xe máy điện. Pin Lithium Ion hay còn gọi là pin Li-on, hoặc pin Lithi-on, viết tắt là LIB, thuộc loại pin sạc. Đây là một tổ hợp bao gồm nhiều tế bào, như pin axit-chì và nhiều loại pin khác. Pin sử dụng kim loại Lithium hoặc hợp kim Lithium làm vật liệu điện cực âm và sử dụng dung dịch điện giải không dính.
Ngày nay Pin Lithum ion được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xe điện bởi vì các các ưu điểm của nó như: mật độ năng lượng lớn hơn, chi phí thấp hơn, tốc độ tự xả lâu và vòng đời sử dụng dài hơn. Từ những ưu điểm của pin Lithium-Ion, nhóm quyết định nghiên cứu, tiến hành thực nghiệm, mô phỏng, quản lí pin Lithium ion, từ đó xây dựng bộ nguồn pin Lithium ion 12V tương tự như ắc quy axit chì được xem như là một nguồn năng lượng thay thế an toàn và hiệu quả. Giới hạn đề tài Chỉ là nguồn tích trữ năng lượng thay thế cho ắc quy axit chì để vận hành một số mô hình hệ thống điện trên ô tô, dùng để khởi động xe máy. Chưa khảo sát tính năng khởi động động cơ trên ô tô như ắc quy axit chì.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Xây đựng được khối pin 12V để vận hành một số hệ thống và khởi động xe máy. Ứng dụng được phần mềm Matlab để mô phỏng 1 cell pin, 1 khối pin. Ứng dụng phần mềm Matlab tiến hành tính toán thông số để lựa chọn ghép nối. Phần mềm phải hoạt động tốt và cho ra các thông số đồ thị tương đối chính xác về trạng thái của pin, dung lượng pin, điện áp của pin, để từ đó đánh giá sự thay đổi so với các thông số được đo trên cell pin cũng như khối pin thực tế.
Nội dung nghiên cứu Thu thập thông số cell đơn Lựa chọn ghép nối theo thông số mong muốn Ghép nối bộ nguồn Pin, thiết kế bộ kiểm soát phóng nạp Pin Thực nghiệm xây dựng đặc tuyến phóng nạp Pin Đề xuất các phương án sạc Pin 1. Phương pháp thực hiện Đầu tiên chọn loại pin làm thí nghiệm, sau đó dựa vào pin đã chọn tiến hành thu thập thông số về điện áp, dung lượng, nội trở của pin. Tiến hành xây dựng mạch điện tương đương cho pin Lithium ion bằng phần mềm Matlab dựa vào các thông số đã thu thập. 2 Xây dựng đồ thị biễu diễn sự tương quan giữa các thông số, sau khi đánh giá được sự sai lệch giữa thông số mô phỏng và thông số đo được thực tế thì tiến hành tính toán lựa chọn ghép nối.
Tìm hiểu về mạch bảo vệ cho pin và tiến hành xây dựng bằng phần mềm Altium, sau đó tiến hành in mạch. Tiến hành đóng khối pin bằng các dụng cụ đã chuẩn bị và thực nghiệm xây dựng đặc tuyến phóng nạp pin. Sau cùng đề xuất các phương án sạc pin và nghiệm thu kết quả. Tổng quan về pin li - ion 2.
Khái niệm về Pin Li – ion Pin Lithium ion, hoặc pin Li - ion , là một loại pin có thể sạc lại trong đó các ion Li+ trao đổi giữa các điện cực âm sang dương trong quá trình phóng điện và quay trở lại khi được sạc. Loại pin này được cấu tạo gồm các thành phần cơ bản là chất điện phân đóng vai trò như môi trường di chuyển giữa hai cực âm và dương của pin, qua thời gian dài nghiên cứu và ứng dụng loại pin này đang dần được cải thiện về khả năng tích trữ năng lượng cũng như độ bền theo thời gian. Pin sử dụng các hợp chất Lithium làm vật liệu điện cực: Vật liệu chế tạo điện cực dương là oxit kim loại điển hình như: Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) bao phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm. Vật liệu điện cực âm là Glaphite Cacbon phủ trên bộ thu dòng điện.
Bản chất của quá trình tạo ra dòng điện trong pin là sự chuyển động của các hạt tích điện giữa cực dương và cực âm. Khi pin được xả hết, điện tích chính chứa trong pin sẽ là điện dương và không thể được sử dụng để cấp nguồn cho phần cứng cần thiết trong thiết bị. Sau khi chúng ta cắm nguồn, quá trình sạc diễn ra, pin sẽ được cấp lại phần điện tích âm bị thiếu trong quá trình sử dụng. Khi con số sạc bão hòa có nghĩa là pin đã đầy.
Và như vậy, quá trình sạc và xả của pin. Lý do chính tại sao pin Li – ion thường được sử dụng là mật độ năng lượng nó cao. Một tế cell pin Li-ion nhỏ có thể chứa rất nhiều năng lượng. Hơn thế nữa, pin Li- ion cung cấp thời gian sạc tốt hơn và nhiều chu kỳ xả sạc hơn trước khi hỏng hóc.
Nếu bạn sử dụng Lithium nguyên chất làm điện cực pin, pin sẽ có thể lưu trữ năng lượng lớn hơn nhiều nhưng không thể sạc lại. Vì vậy, nó phụ thuộc vào vật liệu điện cực, có thể tác động mạnh mẽ đến hiệu suất của pin. Mức năng lượng trong pin phụ thuộc vào số lượng ion Li+ và e- có trên một đơn vị diện tích của điện cực. 1 Một loại Pin Lithium NCR18650 của hãng Panasonic 4 2.
Lịch sử Lần lượt vào các năm 1970, 1980, 1983, các nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, giáo sư vật lý người Mỹ John Goodenough, giáo sư Đại học Meijo, Nhật Bản Akira Yoshino đã có những phát hiện nghiên cứu và phát triển nền tảng pin Li - ion. Pin Li - ion sau đó đã được thương mại hoá và phát triển đầu tiên bởi công ty SONY (Nhật Bản) từ đầu những năm 90 và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm đã được bán ra thị trường. Lợi nhuận thu được rơi vào khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000.
Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ viên pin được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỉ USD, trong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46% từ 1999 đến 2005. Ngày nay, Li - ion đã dần trở thành dòng pin thống trị trên thị trường thế giới, pin được sử dụng cho các thiết bị di động, thiết bị lưu trữ điện UPS và đặc biệt là ô tô điện. 2 Lịch sử phát triển pin lithium-ion trải qua sự phát triển của 3 giáo sư [17]. Công nghệ này nhanh chóng ngày càng trở thành nguồn năng lượng tiêu chuẩn của thị trường trên một mảng rộng, từ đó tính năng của pin Li - ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứng dụng ngày ngày rộng rãi trong các phạm vi ứng dụng khác nhau.
Nhằm đáp ứng yêu cầu của thị trường, các thiết kế càng được cải tiến và phát triển, bao gồm những viên pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm được thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah). Hiện nay pin Li - ion được ứng dụng rộng rãi trong các đồ điện tử như pin điện thoại, máy tính xách tay, mạng điện tử quân đội, máy radio, máy dò mìn …. Trong tương lai, pin Li 5 - ion còn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu không gian, vệ tinh…Hiện nay, các công trình nghiên cứu về Pin Li - ion vẫn tiếp tục được tiến hành và dựa trên cơ sở các kết quả thu được có thể chế tạo các điện cực chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp. Ưu, nhược điểm và các ứng dụng Ưu điểm Điệp áp cao: So với các loại pin thông thường khác thì pin lithium có điện áp cao hơn, một cell pin lithium có mức điện áp từ 3,7V – 3,8V.
Về mật độ lưu trữ năng lượng lớn: Mức năng lượng thực tế của pin có thể đạt được là 555Wh/kg. Mức năng lượng này cao hơn từ 3 đến 4 lần so với các loại pin Ni-Cd hay Ni-MH. Vòng đời dài: Thông thường các loại pin có thể đạt được vòng đời hơn 500 lần, thậm chí có thể lên đến mức 1000 lần. Một số loại pin lithium khác có thể đạt được mức vòng đời 2000 lần, đặc biệt là những loại thiết bị xả dòng nhỏ thì tuổi thọ có thể cao hơn nữa.
An toàn khi sử dụng: Pin Lithium được xác nhận an toàn với người sử dụng với việc không gây ô nhiễm hay độc hại đối với môi trường. Quá trình sạc có thể nhanh hơn: một trong những ưu điểm tuyệt vời của loại pin này chính là có tốc độ sạc nhanh.