Chương 1: TỔNG QUAN 1. Lý 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 không cao và thải ra môi 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 thông 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.
Xe máy điện sử dụng điện thay thế cho xăng dầu, vì vậy xe máy điện hoàn toàn không 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. Vì ngành công nghiệp pin tiên tiến đang phát triển liền kề với các ngành công nghiệp lớn khác như xe điện và lưu trữ năng lượng, nên pin phải được trang bị để hoạt động hiệu quả trong môi trường năng động. 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 hết ưu điểm trong quá trình sử dụng hoặc đảm bảo an toàn và theo dõi trạng thái của pin cần có 1 hệ thống quản lý pin BMS để thực hiện những vấn đề trên.
Việc sử dụng phần mềm cho hệ thống quản lý pin BMS là vô cùng cấp thiết. Nó giúp người dùng có thể theo dõi và đánh giá pin 1 cách trực quan và chính xác hơn. Phần mềm được ứng dụng riêng cho bộ pin khi bộ pin bị hư hỏng và cần đo đạc, kiểm tra. Giới hạn đề tài - Chỉ thực hiện trên hệ thống quản lý pin tối đa 10 cell pin 1 - Không can thiệp vào khả năng điều khiển, kiểm soát các trạng thái của pin - Sử dụng cell pin đã qua sử dụng nên pin không đạt hiệu quả tối đa 1.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - Ứng dụng phần mềm arduino để giao tiếp với hệ thống quản lý pin. - Ứng dụng phần mềm LabVIEW để thiết kế phần mềm cho hệ thống. - Phần mềm phải hoạt động chính xác và có thể đánh giá toàn diện về pin. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát các loại Pin hiện nay trên xe điện - Tìm hiểu đặc điểm cấu tạo của cell pin Lithium-Ion và cấu trúc của bộ pin - Hiểu rõ nguyên ký hoạt động của hệ thống quản lý pin (BMS) - Mô phỏng quá trình sạc, xả pin - Viết, xây dựng phần mềm cho hệ thống quản lý pin BMS cho bộ pin 36V-13Ah 1.
Phương pháp thực hiện - Hiểu rõ tính chất, nắm vững kiến thức nguyên lý hoạt động của cell pin thông qua việc nghiên cứu các tài liệu về pin và các tài liệu liên quan. Thông qua đó xây dựng các sơ đồ khối tổng quát cho phần cứng và phần mềm cho hệ thống để dễ dàng cho quá trình thực hiện. - Dựa vào việc nắm rõ kiến thức và các sơ đồ khối hỗ trợ ta sẽ thiết kế lập trình code trên các phần mềm máy tính và xây dựng phần cứng hoàn thiện. Nhờ đó, cuối cùng ta mô phỏng hiển thị nội dung cần muốn trên phần mềm máy tính (trên phần mềm LabVIEW).
Cell pin Lithium- ion và battery pack 2. Cell pin Lithium-ion 2. Giới thiệu chung, lịch sử và sự phát triển của pin lithium-ion: a) Giới thiệu chung: - Pin lithium-ion hay còn gọi là pin Li-ion hoặc được 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 quá 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 LiCoO2, LiMnO2, 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 không được dẫn điện. - 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 không. Nó được kì vọng sẽ thay thế cho ắc-quy chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện. Hơn nữa, việc thay thế cho ắc- quy chì còn hứa hẹn việc đảm bảo môi 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 toàn, đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rò rỉ. Lithium 6 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 3 cực phổ biến khác, tuy nhiên chúng có mật độ năng lượng thấp hơn LCO, nhưng lại có vòng 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 titanate Oxide (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. b) 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 không hoàn toàn. Điều này là cực kỳ tốn kém (~1000 USD cho mỗi kilogram titan disulfua trong những năm 1970). Khi tiếp xúc với không 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 toàn vì lithium là một chất phản ứng mạnh, nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong không 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 7 chấp nhận và giải phóng các ion lithium. Pin Li-ion lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991.
Ngày nay, LIB đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động pin Lithium-ion a) Cấu tạo: Loại pin này sử dụng điện cực - được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp. Khi pin đang trong trạng thái sạc và xả, thì các ion Li sẽ xâm nhập, điền đầy khoảng trống giữa các lớp này. Chính vì thế mà phản ứng hóa học xảy ra và cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động.
* Điện cực dương (cathode): - Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4. Vật liệu trên cơ sở là coban mở rộng cấu trúc pseudo-tetrahedral (tứ diện giả), cho phép khuếch tán ion lithium theo 2 chiều. Đây là những vật liệu lí tưởng do nhiệt dung riêng cao, dung tích lớn, khả năng tự xả thấp, có điện thế xả cao và hiệu suất chu trình tốt. 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, vòng 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.