Bạn biết bao nhiêu về pin xe điện? Tất cả có hết ở đây!

[Khánh Phạm]

Sử dụng chức năng

1. Mục lục Xem nhanh
2. Nút xem thêm với bài dài

Hãy cùng khám phá một số điểm chính về hệ thống ắc quy của xe điện.

Xe điện (EV) là một giải pháp năng lượng xanh trở thành phổ biến và được chấp nhận thay thế cho phương tiện chạy bằng động cơ đốt trong (ICE). Việc sử dụng ô tô điện ngày càng tăng do nhận thức ngày càng tăng về lượng khí thải carbon, bảo vệ môi trường. Theo Triển vọng xe điện năm 2019 của Bloomberg NEF (BNEF), xe điện sẽ chiếm 55% tổng số ô tô chở khách mới trên toàn thế giới vào năm 2040. Ngoài ra, so với xe ICE, động cơ xe điện hoạt động hiệu quả hơn và phản ứng nhanh với mô-men xoắn cao. Chúng cũng tiết kiệm chi phí vì chi phí nhiên liệu và bảo trì thấp hơn. Ngày nay, có nhiều mẫu xe điện thành công về mặt thương mại khác nhau, từ mẫu giá rẻ đến mẫu thể thao mạnh mẽ.

Hiệu suất của xe điện có liên quan chặt chẽ đến thiết kế của bộ pin cung cấp năng lượng cho động cơ xe và phải có khả năng cung cấp đủ dòng điện cho động cơ trong thời gian dài. Vì một ô pin cung cấp điện áp và công suất khá thấp nên trong xe điện, hàng trăm ô được kết nối nối tiếp và song song để cung cấp điện áp và số giờ amp cần thiết (Ah). Ví dụ, một chiếc xe điện mạnh mẽ như Tesla Model S có 7.104 cell pin. Ai cũng biết rằng pin lithium-ion (Li-Ion) là loại pin được sử dụng phổ biến nhất trong xe điện. Tuy nhiên, một số loại pin khác nhau cũng đã được sử dụng trong xe điện. Bài viết này sẽ trình bày các công nghệ pin khác nhau được sử dụng trong xe điện và khám phá những ưu điểm và nhược điểm của chúng.

Thông số pin quan trọng​

Có thông tin cụ thể về từng loại pin, nhưng hai xếp hạng phổ biến là điện áp và dung lượng pin Ah. Điện áp danh định của pin axit chì là 2V hoặc 12V, trong khi pin Li-Ion có thể nằm trong khoảng 3,3-3,7V. Pin niken-kim loại hydrua (NiMH) có điện áp danh định là 1,2V.

Xếp hạng dung lượng danh nghĩa (Ah) biểu thị giá trị hiện tại mà pin có thể cung cấp trong một giờ. Điều này cho biết lượng năng lượng được lưu trữ trong pin. Thông tin quan trọng bổ sung là loại pin và số lượng ô trong chuỗi pin. Để chọn loại pin phù hợp nhất cho ứng dụng EV, cần xem xét các thông số pin sau:

• Tuổi thọ - Vòng đời của pin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, chẳng hạn như mục đích sử dụng pin, điều kiện hoạt động và mức độ xả pin, nhưng nhìn chung bạn có thể ước tính tuổi thọ của pin EV là 8 năm hoặc 160.000 km (100.000 dặm).
• An toàn - Cần rất nhiều năng lượng để lái xe điện, điều này phải được quản lý đúng cách. Hoạt động an toàn được đảm bảo bởi hệ thống quản lý pin (BMS) được thiết kế cẩn thận.
• Chi phí - Đây là một vấn đề lớn đối với xe điện (so với xe ICE) vì hệ thống pin của xe điện có giá tương đương với một chiếc xe ICE nhỏ.
• Hiệu suất - Điều này phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ hoạt động của pin. Nhiệt độ cao làm giảm tuổi thọ của pin, trong khi nhiệt độ thấp làm giảm hiệu suất của pin.
• Năng lượng riêng - Mật độ năng lượng biểu thị dung lượng pin tính theo trọng lượng (Wh/kg) và lượng năng lượng được lưu trữ trên một đơn vị khối lượng (hoặc theo thể tích). Vì hệ thống pin là một phần quan trọng trong trọng lượng của xe điện nên giá trị năng lượng cụ thể là một trong những thông số quan trọng nhất đối với pin xe điện. Năng lượng riêng cao được yêu cầu trong các ứng dụng yêu cầu thời gian chạy dài ở mức tải vừa phải.
• Công suất riêng - Mật độ công suất thể hiện khả năng tải. Xe điện có mô-men xoắn tốt hơn nhiều so với xe ICE và do đó có khả năng tăng tốc tốt hơn.

Các loại pin được sử dụng trong xe điện​

Xe điện chạy bằng pin sạc. Loại pin này cung cấp phản ứng hóa học thuận nghịch, cho phép cả quá trình xả và sạc. Trong quá trình xả pin, dòng điện chạy từ cực âm (+) sang cực dương (-), còn quá trình ngược lại xảy ra trong quá trình sạc.

Cấu hình pin​

Vì không có loại pin phổ thông lý tưởng nên các loại pin khác nhau sẽ phù hợp cho các ứng dụng khác nhau. Các loại pin sạc chính là axit chì (ắc quy), nikencadmium (NiCd), niken-hydrua kim loại (NiMH) và Li-Ion. Pin NiCd đang được thay thế bằng pin hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn như NiMH và Li-Ion. Mặc dù pin NiCd bền bỉ, ít bị hư hỏng và có tuổi thọ cao hơn nhưng chúng là công nghệ lỗi thời và có tính độc hại cao.

Pin axit chì​

Công nghệ pin axit chì đã phát triển và đáng tin cậy nhưng bị coi là lỗi thời. Hai loại ắc quy axit chì phổ biến là ắc quy khởi động động cơ và ắc quy chu kỳ sâu được sử dụng trong xe điện (ngày nay được dùng trong xe nâng hoặc xe chơi gôn). Loại pin này yêu cầu kiểm tra mức điện phân và có tuổi thọ ngắn, khoảng ba năm. Những loại pin này có suất năng lượng riêng kém (34 Wh/kg).

Vì chúng nặng (hãy nhớ rằng nó được làm từ chì) để cung cấp đủ năng lượng nên trong ứng dụng xe điện, những cục pin này có thể chiếm 25 đến 50% tổng khối lượng của xe. Chúng cũng có tác động tiêu cực đến môi trường, tạo ra khí độc hại, độc hại và chứa axit sulfuric đậm đặc. Loại pin này đã được sử dụng trong những chiếc xe điện đời đầu (ví dụ: General Motors EV1). Cân nhắc tất cả những nhược điểm đã đề cập và những phát triển mới có sẵn ở các loại pin khác, pin axit chì không được sử dụng trong bất kỳ thiết kế xe điện mới nào.

Pin NiMH​

Xét về năng lượng riêng, pin NiMH vượt trội hơn pin axit chì ở chỗ chúng có giá trị gấp đôi là 68 Wh/kg (trong khoảng từ 60 đến 120 Wh/kg). Tính năng này cho phép giảm trọng lượng pin và giảm không gian cần thiết để lưu trữ pin. Tuy nhiên, con số này vẫn thấp hơn đáng kể so với pin Li-Ion, loại pin có giá trị năng lượng riêng cao hơn 40%.

Ưu điểm chính của pin NiMH là độ bền. Pin niken đã được chứng minh tốt để sử dụng trong xe điện. Nhiều ô tô sử dụng loại pin này đã đi được hơn 100.000 dặm và hoạt động thành công trong hơn 7 năm. Về cơ bản, đây là loại pin duy nhất được chứng minh là có tuổi thọ cao (pin Li-Ion hứa hẹn có tuổi thọ cao, nhưng chúng ta sẽ phải xem liệu điều đó có đúng như vậy không sau khi chúng đã được sử dụng thực tế trong nhiều năm).

Xét về việc sử dụng chúng với xe điện, nhược điểm của pin NiMH bao gồm hiệu suất sạc thấp, khả năng tự xả (lên tới 12,5% mỗi ngày ở nhiệt độ phòng và hiệu suất kém hơn ở nhiệt độ cao hơn). Ưu điểm của loại pin này là chúng chứa ít chất độc hại và có thể tái chế được. Một nhược điểm khác của pin NiMH là tốc độ sinh nhiệt trong quá trình sạc và xả nhanh. Điều này đòi hỏi một hệ thống làm mát, do đó làm tăng trọng lượng của pin, tăng chi phí và hạn chế số lượng pin có thể sử dụng. Một số tranh chấp pháp lý (rào cản bằng sáng chế) đã hạn chế việc sử dụng pin NiMH trong xe điện, chuyển trọng tâm sang công nghệ Li-ion.

Pin Li-Ion​

Ngày nay, pin Li-Ion là loại pin được sử dụng phổ biến nhất trong xe điện. Theo Financial Times, pin Li-Ion sẽ chiếm tới 90% thị phần pin EV vào năm 2025. Cực âm của pin Li-Ion truyền thống được làm từ oxit lithium coban và cực dương làm từ than chì. Công nghệ này mang lại những đặc tính khắc phục một số nhược điểm của các loại pin khác. Pin Li-Ion nhẹ, có tốc độ chu kỳ sạc tốt (có nghĩa là chúng có khả năng sạc lại nhiều lần), mật độ năng lượng cao hơn, điện áp di động cao hơn và tốc độ tự xả tốt hơn (chỉ 5% mỗi tháng). Tỷ lệ năng lượng riêng đáng kinh ngạc trên 140 Wh/kg chắc chắn là ưu điểm chính của pin Li-Ion. Mật độ năng lượng cao cho phép trọng lượng pin nhẹ hơn, giúp tăng phạm vi hoạt động và hiệu suất của xe điện.

So với pin axit chì, Li-Ion có trọng lượng bằng 1/3, mạnh hơn gấp ba lần và có tuổi thọ gấp ba lần. Pin Li-Ion có giá cao, đây là nhược điểm lớn nhất của chúng. Chi phí sản xuất của chúng có thể cao hơn 40% so với pin niken. Tuy nhiên, việc nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ Li-ion đã giúp giá thành sản xuất giảm xuống. Theo McKinsey, từ năm 2010 đến năm 2016, giá thành pin Li-Ion đã giảm 80%. Tuy nhiên, an toàn vẫn là mối quan tâm lớn đối với những loại pin này vì sự thoát nhiệt có thể khiến xe điện bắt lửa hoặc phát nổ nếu pin sạc quá mức và nhiệt không được tản ra.

Ngoài ra, việc sạc pin dao động có thể nguy hiểm. Vì điều này, cần có một hệ thống quản lý pin tiên tiến (BMS), có chức năng giám sát điện áp và nhiệt độ của từng tế bào, trạng thái sạc (SoC) và tình trạng sức khỏe (SoH), giúp đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy, cân bằng tế bào cho tuổi thọ pin dài và hiệu suất EV được tối ưu hóa.

Bộ pin Li-Ion cho Tesla Model S​

Hiện có nhiều loại pin Li, chẳng hạn như lithium niken coban oxit nhôm (NCA), lithiummangan oxit (LMO), lithiumnickel mangan coban (NMC), lithium titanate (LTO) và lithium-iron phosphate (LFP).

Sự phổ biến ngày càng tăng của xe điện đã khiến công nghệ pin được chú trọng. Có rất nhiều nghiên cứu về các loại pin tiên tiến mới. Các nhà thiết kế pin EV gần đây đang tập trung vào việc cung cấp các tính năng như chống cháy, thân thiện với môi trường, sạc nhanh và tuổi thọ dài. Đôi khi, các yêu cầu cạnh tranh đã hy sinh các đặc tính năng lượng và công suất cụ thể.

Bất chấp nhận thức của công chúng, các kim loại trong pin Li-Ion: coban, đồng, niken và sắt vẫn được coi là an toàn cho các bãi chôn lấp hoặc lò đốt rác. Vật liệu trong pin không độc hại, bao gồm lithium cacbonat (ví dụ: được sử dụng trong lò nướng), oxit coban (ví dụ: được sử dụng trong men gốm), than chì không độc hại (được sử dụng trong bút chì) và màng polymer (nhựa).

Các bộ phận độc hại của pin là chất điện phân và oxit lithium coban, đang được thay thế bằng các hợp chất lành tính hơn. Theo Kate Krebs thuộc Liên minh Tái chế Quốc gia Hoa Kỳ, “Pin Lithium Ion được chính phủ liên bang (Hoa Kỳ) phân loại là chất thải không độc hại và an toàn khi thải bỏ vào dòng rác thải đô thị thông thường”.

Công nghệ tái chế pin Li-Ion không ngừng được phát triển. Vì vật liệu pin sẵn có có hạn nên việc tái chế không chỉ có ý nghĩa về mặt môi trường mà còn về mặt kinh tế. Như đã đề cập trước đó, xe điện chủ yếu sử dụng pin Li-Ion nhưng các loại pin khác cũng được sử dụng. Các loại pin của một số mẫu xe điện phổ biến được trình bày tại đây:

Pin của xe điện plug-in hybrid (PHEV) có thể được sạc bằng cách sử dụng nguồn điện bên ngoài cũng như bằng động cơ trên xe:

• PHEV Toyota Prius sử dụng pin Li-Ion 4,4 kWh, cho phép đi được 18 km với thời gian sạc là 3 giờ (115VAC 15A) và 1,5 giờ (230VAC 15A).
• Chevy Volt sử dụng pin Li-mangan/NMC 16 kWh, nặng 400 lb và cung cấp quãng đường lái xe 40 dặm với thời gian sạc là 10 giờ (115VAC 15A) và 4 giờ (230VAC 15A).

Xe điện thuần túy bao gồm:

• Nissan Leaf có pin Li- Mangan 30 kWh với 192 cell và nặng 600 lb, với phạm vi lái xe 256 dặm và thời gian sạc 8 giờ ở 230VAC, 15A và 4h 30A.
• BMW i3 sử dụng pin 42 kWh LMO/NMC nặng 595 lb, cho phạm vi di chuyển lên tới 215 dặm và thời gian sạc là 4 giờ với bộ sạc AC 11kW trên bo mạch và 30 phút với bộ sạc DC 50kW.
• Tesla Model S sử dụng pin 75kWh, có phạm vi hoạt động 310 dặm, với thời gian sạc 9 giờ với bộ sạc 10kW và 30 phút với bộ siêu nạp 120kW.

Thông số kỹ thuật các loại pin phổ biến sử dụng trên xe điện:

Loại pin	Tuổi thọ (chu kỳ)	Điện áp danh định (V)	Năng lượng riêng (Wh/kg)	Công suất sạc (Wh/kg)	Hiệu suất sạc	Tỉ lệ tự xả (%/tháng)	An toàn
Li-ion	600-3.000	3.2-3.7	100-270	250-680	80-90	3-10	An toàn
Ắc quy	200-300	2.0	30-50	180	50-95	5	Rủi ro (tạo ra khí độc hại)
NiCd	1000	1.2	50-80	150	70-90	20	Rủi ro (độc hại cao)
NiMH	300-600	1.2	60-120	250-1.000	65	30	An toàn

Nguồn: Springer.com/ Engineering.com
Hệ thống pin là một bộ phận quan trọng và quan trọng của xe điện. Các loại pin Li-Ion khác nhau hiện là loại pin chiếm ưu thế nhất được sử dụng trong xe điện. Do nhu cầu ngày càng tăng nên yêu cầu về hiệu suất của pin tốt hơn về trọng lượng giảm, khả năng đạp xe tốt hơn, sử dụng vật liệu có thể tái chế, hiệu suất chung của pin và phạm vi lái xe tốt hơn.

Thế hệ pin EV tiếp theo sẽ là pin thể rắn trong đó chất điện phân lỏng được thay thế bằng vật liệu rắn, dẫn điện. Công nghệ này cung cấp mức năng lượng riêng cao, mang lại sự cải tiến so với pin Li-ion ngày nay. BMW và Solid Power đã hợp tác để phát triển loại pin thể rắn mới cho xe điện. Ngoài ra, Nexeon đang nghiên cứu các vật liệu mới dựa trên silicon để thay thế carbon ở cực dương, có thể tăng gấp đôi phạm vi hoạt động của xe điện. Sự kết hợp giữa silicon và chất kết dính làm tăng đáng kể mật độ năng lượng của pin. #pinxeđiệncầnbiết