TỔ NG QUAN V Ề ĐỀ TÀI
NĂNG LƯỢ NG CHO XE ĐIỆ N
1.3.1 Một số loại nguồn sử dụng cho ô tô điện
Ắc quy chì – axít là một trong những loại ắc quy đầu tiên và phổ biến nhất trên thế giới, nhờ vào giá thành rẻ và tính an toàn cao, với nguy cơ cháy nổ gần như không có Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp, nặng nề, tuổi thọ ngắn (thường chỉ khoảng 3 năm) và thời gian nạp điện lâu, đồng thời cũng khó tái chế Hơn nữa, chì là một chất độc hại, nên nếu không được thu gom và tái chế đúng cách sau khi hết hạn sử dụng, ắc quy chì có thể gây ra những vấn đề môi trường nghiêm trọng Mặc dù còn nhiều nhược điểm, ắc quy chì – axít vẫn chiếm 79% thị phần ắc quy vào năm 2008 nhờ vào giá cả phải chăng và tính quen thuộc trong sử dụng.
Ắc quy Ni-hydrua kim loại đã xuất hiện trên thị trường từ năm 1992 Khi ắc quy phóng điện, hydrua kim loại ở bản cực âm bị oxy hóa để tạo thành hợp kim, trong khi NiOOH ở bản cực dương chuyển đổi thành Ni(OH)2 Ngược lại, trong quá trình nạp điện, các phản ứng này diễn ra theo chiều ngược lại.
Ắc quy Ni-MH hiện nay có điện áp danh nghĩa 1.2V, với năng lượng riêng đạt 65 Wh/kg và công suất riêng là 200 W/kg Một yếu tố quan trọng trong ắc quy Ni-MH là hợp kim được sử dụng để làm bình chứa hydrogen, và các vật liệu này đang được thử nghiệm nhằm tìm ra những loại có độ bền cao và tuổi thọ dài.
Ắc quy Ni-MH, từ khi được phát triển, đã nổi bật với nhiều ưu điểm như năng lượng riêng cao (70-95 Wh/kg) và công suất riêng lớn (200-400 W/kg), đồng thời thân thiện với môi trường do không chứa Cd Nó còn có đặc tuyến phóng phẳng, điện áp rơi thấp và khả năng nạp lại nhanh chóng Mặc dù giá thành ban đầu cao, ắc quy Ni-MH đang trở thành lựa chọn quan trọng cho xe điện (EV) và xe hybrid (HEV) Nhiều nhà sản xuất như GM Ovonic, GP, GS, Panasonic, SAFT, VARTA và YUASA đã hợp tác để phát triển công nghệ này, đặc biệt là trong ứng dụng cho EV và HEV.
Ắc quy Lithium-ion là loại ắc quy phổ biến nhất hiện nay trong các ô tô điện nhờ vào mật độ năng lượng cao, khả năng nạp nhanh (80% trong 30 phút) và tuổi thọ lên tới 10 năm Mặc dù nó đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, giá thành cao do công nghệ chế tạo phức tạp và sự khan hiếm nguyên liệu như Lithium, một kim loại hiếm, là một thách thức lớn Dù ắc quy Lithium vẫn là nguồn năng lượng chính cho ô tô điện hiện tại, nhưng trong tương lai, nó có thể sẽ bị thay thế bởi các công nghệ khác.
Tế bào nhiên liệu hoạt động dựa trên nguyên lý phản ứng ngược với quá trình điện phân nước Trong khi điện phân sử dụng dòng điện để tách nước thành oxy và hydro, tế bào nhiên liệu kết hợp oxy và hydro để tạo ra nước và giải phóng điện năng.
Tế bào nhiên liệu được đánh giá là nguồn năng lượng có mật độ cao nhất cho ô tô điện, với ưu điểm sử dụng nguyên liệu từ khí tự nhiên vô tận như oxy và hydro Mặc dù đã được nghiên cứu trong nhiều năm, công nghệ này vẫn chưa đủ chín muồi cho sản phẩm thương mại, đặc biệt là vấn đề an toàn Việc chở một bình khí hydro lớn trên xe, phản ứng với oxy để tạo ra điện, đặt ra câu hỏi nghiêm túc về tính an toàn, vì nếu xảy ra sự cố, nó có thể gây nổ như một quả bom.
Hình 1.15 Nguyên lý hóa h ọc của tế bào nhiên li ệu
Hình 1.16 Minh h ọa hệ thống tế bào nhiên li ệu trên xe ô tô điện
Trong lĩnh vực điện và điện tử, nhiều người đã quen thuộc với các tụ điện có đơn vị pico, nano và micro Farad Tuy nhiên, họ sẽ bất ngờ khi biết đến các tụ điện có điện dung lên tới hàng nghìn Farad Những tụ điện này được sản xuất theo công nghệ lớp kép (Double Layer) và được gọi là Siêu tụ điện (Ultra-Capacitor hay Super-Capacitor).
Hình 1.17 C ấu tạo siêu tụ điện
Tụ điện lưu trữ điện năng thông qua các tương tác vật lý giữa các điện cực và điện tích, không giống như ắc quy sử dụng phản ứng hóa học, cho phép tụ điện nạp và phóng điện nhanh chóng Siêu tụ, với bản chất là tụ điện, vẫn duy trì khả năng này và có mật độ công suất rất lớn Với điện dung lên tới hàng nghìn Fara, siêu tụ có khả năng lưu trữ một lượng điện năng lớn, hoạt động như một nguồn chứa năng lượng, trong khi các tụ điện thông thường chỉ đóng vai trò là phần tử trong quá trình trao đổi năng lượng.
Các siêu tụ hiện nay có điện dung hàng nghìn Fara nhưng chỉ chịu được điện áp vài volt do các lớp cách điện không đáp ứng được điện áp cao Để sử dụng với điện áp cao như trong ô tô điện, siêu tụ phải được mắc nối tiếp, dẫn đến giảm điện dung Với công nghệ hiện tại, siêu tụ không đủ khả năng cung cấp nguồn cho ô tô điện chạy quãng đường dài như ắc quy hay tế bào nhiên liệu, mà chỉ có thể được sử dụng như nguồn phụ, đặc biệt hiệu quả trong quá trình hãm tái sinh năng lượng nhờ khả năng nạp nhanh.
Hình 1.18 S ản phẩm siêu tụ điện của Maxwell Technology và module tụ lớn nh ất trên thị trường
Mặc dù siêu tụ điện gặp phải một số thách thức như mật độ năng lượng thấp và chi phí cao, nhưng chúng vẫn được coi là nguồn năng lượng hứa hẹn nhất cho ô tô điện trong tương lai.
* So sánh các đặc điểm chính của ba loại ắc quy gồm ắc quy chì axit, NiMH và Li-Ion
Lead Acid Nickel metal hydride (NiMH) Li-Ion Năng lượng riêng 20-30 Wh/kg ~65 Wh/kg 180Wh/kg
Mật độnăng lượng 54-95 Wh/l ~150 Wh/l 153 Wh/l
Công suất riêng ~250 W/kg 200 W/kg 300 W/kg Điện áp danh định/ tế bào 2V 1.2V 3.5V
~80% (phụ thuộc nhiệt độ) >80% >80% Điện trở trong ~0.022 ohm/1 tế bào
~0.06 ohm/1 tế bào Tại 1Ah/tế bào Rất thấp
Môi trường (poor extreme cold)
Tự xả ~2% mỗi ngày ~5% mỗi ngày Rất thấp (~10% mỗi tháng)
Thời gian nạp 8h (90% / 1 giờ) 1 giờ với nạp nhanh 2-3h
Ắc quy Li-Ion, được thương mại hóa từ sau những năm 1980, nổi bật với nhiều ưu điểm như mật độ năng lượng và điện áp danh định cao nhất trên một đơn vị Bên cạnh đó, ắc quy này còn có điện trở trong rất thấp và tỷ lệ tự xả nhỏ, đồng thời sở hữu chu kỳ sống cao nhất trong các loại ắc quy hiện có.
1200 lần trước khi đạt đến 80% dung lượng, trong khi ở ắc quy chì axit và ắc quy NiMH chỉ có 800 và 1000 lần
1.3.2 Vấn đề nạp đối với ắc quy
Xe điện mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn gặp phải một số hạn chế như trọng lượng nặng, thời gian sạc lâu và độ bền chưa cao Một pound xăng chứa năng lượng hóa học tương đương với 100 kg ắc quy Pb-axit Việc tiếp nhiên liệu cho xe xăng chỉ mất vài phút, nguồn cung xăng dầu dường như vô tận, và khoảng cách vận chuyển hàng hóa và hành khách đã trở nên dễ dàng và tiết kiệm chi phí.
Thời gian nạp ắc quy là mối quan tâm lớn của các nhà khoa học, nhà sản xuất và người sử dụng ô tô điện Ắc quy Lithium, phổ biến trong ô tô điện, cũng được sử dụng cho laptop và điện thoại Trong khi thời gian sạc đầy cho điện thoại hay laptop chỉ mất từ 30 phút đến hơn một tiếng, thì ô tô điện lại mất trung bình 8 giờ để nạp đầy So với thời gian đổ đầy bình xăng chỉ khoảng ba phút, điều này cho thấy thời gian nạp ắc quy là một điểm yếu lớn cần được cải thiện trong công nghệ ô tô điện.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sạc là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và giảm thời gian nạp Bài viết sẽ trình bày về quá trình nạp nhanh ắc quy cho xe ô tô điện và hybrid trong các chương tiếp theo.
ĐẶC ĐIỂM VÀ QUÁ TRÌNH NẠP CỦA ẮC QUY
CÁC THÔNG S Ố Ắ C QUY
+ Thông số hệ thống ắc quy: Điện áp hệ thống: V
Năng lượng tích lũy max: kW
+ Thông số cần đo lường
Dòng điện phóng/nạp của hệ thống ắc quy: I p , I n Điện áp của hệ thống ắc quy: V bs Điện áp từng phần của hệ thống ắc quy: V bn
Nhiệt độ của hệ thống ắc quy: T bs
+ Mật độ năng lượng (SE batt )
Mật độ năng lượng của ắc quy, được định nghĩa là tổng năng lượng trên một đơn vị khối lượng, thường được sử dụng để phân loại các công nghệ ắc quy Mặc dù chỉ là một ước lượng xấp xỉ về năng lượng phân bố, thông số này được đo bằng đơn vị Wh/kg, cho thấy quãng đường mà xe có thể di chuyển trong một lần sạc.
Hình 2.1 Phân lo ại ắc quy theo mật độ năng lượng
Theo công thức (2.1), mật độ năng lượng của ắc quy thay đổi tùy thuộc vào năng lượng phóng Ắc quy Lithium Polymer được thể hiện trong Hình 2.1, nổi bật với mật độ năng lượng theo thể tích và khối lượng cao nhất so với các loại ắc quy khác.
+ Mật độ công suất SP batt
Mật độ công suất của hệ thống ắc quy, được đo bằng đơn vị W/kg, là chỉ số quan trọng giúp xác định công suất tối đa có thể đạt được trên mỗi đơn vị khối lượng Thông số này không chỉ ước lượng mức công suất cho phép của hệ thống ắc quy mà còn phản ánh khả năng tăng tốc của xe.
Hình 2.2 Quan h ệ giữa công suất và năng lượng của các loại ắc quy
Dung lượng hệ thống ắc quy phản ánh tổng lượng điện tích tự do được tạo ra bởi các chất hoạt động ở điện cực âm và được hấp thụ tại điện cực dương Đơn vị đo lường dung lượng này là rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của ắc quy.
Coulombs (C) và Ah là đơn vị đo dung lượng ắc quy, trong đó 1Ah tương đương với 3600C Dung lượng của ắc quy thực tế phụ thuộc vào cường độ dòng điện phóng Ví dụ, một ắc quy có dung lượng 20Ah có thể cung cấp dòng 1A trong 20 giờ, nhưng không thể hoạt động hiệu quả với dòng 20A.
Sự khác biệt này xuất phát từ sự phụ thuộc vào các phản ứng hóa học bên trong ắc quy Để minh họa mối quan hệ giữa dòng điện phóng và dung lượng của ắc quy, người ta đã phát triển một công thức.
Với: I là dòng điện nạp hoặc dòng điện phóng
C là dung lượng ắc quy k là hệ số của C
Khi một ắc quy 30Ah được phóng ở dòng 15A trong 10 giờ, thì dòng phóng tương ứng là 0.5C Tương tự, nếu một ắc quy 20Ah được phóng ở dòng 4A, thì dòng phóng của nó là 0.2C, hay còn gọi là C/5.
Khi không sử dụng, ắc quy sẽ tự phóng điện với các mức độ khác nhau theo thời gian, dẫn đến việc năng lượng tích lũy trong ắc quy bị hao hụt.
Tỉ lệ tự phóng của ắc quy chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất; khi nhiệt độ ắc quy tăng, tỉ lệ tự phóng cũng tăng theo Năng lượng bị tổn thất do hiện tượng tự phóng của ắc quy có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của nó.
E SD được thể hiện trong tỉ lệ mỗi 24h:
E SD = α SD E bNorm (2.4) Với: α SD là hệ số tự phóng trong 24h
E bNorm là năng lượng danh định của ắc quy Wh
Điện trở trong của ắc quy có thể được xác định thực nghiệm thông qua mạch test Khi thay đổi tải đầu ra, điện áp V b sẽ có sự biến đổi tương ứng, giúp đánh giá hiệu suất của ắc quy.
Hình 2.3 M ạch đo điện trở trong Ri DC
Tương ứng , điện trở trong của ắc quy được xác định
Hiệu suất Faraday, hay còn gọi là hiệu suất nạp của ắc quy, được xác định bằng tỉ lệ giữa dung lượng phóng (Ah) và dung lượng nạp (Ah) Thông số này giúp ước lượng hiệu suất nạp tối đa mà một hệ thống ắc quy cụ thể có thể đạt được.
+ Hiệu suất năng lượng ắc quy
Hiệu suất năng lượng của ắc quy là tỷ lệ giữa năng lượng giải phóng và năng lượng cần thiết để nạp lại Mặc dù không phải là thông số tuyến tính để xác định công suất, hiệu suất này giúp so sánh ước lượng giữa các nguồn công suất khác nhau.
Nhìn chung, hiệu suất ắc quy có thể được thể hiện theo dòng điện thử nghiệm (Peukert’s Test) như sau Trong thời gian phóng t f , ắc quy xả năng lượng
E dis có thể được diễn tả theo công thức của điện áp hở mạch V oc , điện trở trong R i và một dòng điện xả không đổi I b :
E dis = = t f (V oc - I b R i )I b (2.7) Nạp ắc quy với cùng khoảng thời gian t f và dòng điện nạp I b sẽ cung cấp năng lượng E chg:
Do đó, hiệu suất ắc quy được biểu diễn bởi hàm của dòng điện Ib η batt = = (2.9)
+ Trạng thái nạp của ắc quy (SOC)
Trạng thái nạp (SOC) của ắc quy là một chỉ số không thứ nguyên, thể hiện dung lượng hiện tại so với điện dung tối đa của ắc quy Khi ắc quy trải qua quá trình phóng và nạp, SOC phản ánh tỷ lệ giữa tổng năng lượng đã tiêu hao và năng lượng đã được nạp vào ắc quy.
Việc xác định chính xác thông số SOC (State of Charge) là rất quan trọng trong quản lý năng lượng và đánh giá tổng năng lượng hữu ích trong hệ thống ắc quy Nhiều công nghệ khác nhau đã được áp dụng để ước lượng giá trị SOC này.
32 phương pháp điều khiển mờ, sử dụng phương trình Peukert và sử dụng các bảng tra kinh nghiệm
Trong nhiều phương pháp xác định trạng thái sạc (SOC), dòng điện của ắc quy được tích phân theo thời gian và tỷ lệ với dung lượng Tuy nhiên, phương pháp tích phân dòng điện thường gặp vấn đề về sai số do sự chênh lệch lâu dài trong quá trình tính toán.
Sự phóng một hệ thống ắc quy tại C n từ t 0 đến t 1 với dòng điện phóng I b mang ắc quy đến trạng thái nạp t 1
Trong ứng dụng điều khiển thời gian thực, SOC có thể được tính toán trong các bước rời rạc
Với ΔT là chu kì trích mẫu và đủ nhỏ để giả thiết rằng dòng điện ắc quy giữ nguyên không đổi
Qua thực nghiệm, mối quan hệ giữa điện áp hở mạch (OCV) và SOC tại nhiệt độ phòng cho ắc quy VRLA thể hiện theo phương trình sau:
CÁC V Ấ N ĐỀ KHI N Ạ P Ắ C QUY
2.2.1: Sạc ắc quy VLRA đơn
Phương pháp sạc dòng điện không đổi - điện áp không đổi (CI-CV) là kỹ thuật phổ biến để sạc ắc quy VRLA 12V Phương pháp này thường được áp dụng cho mỗi ắc quy trong khoảng 20 - 30 chu kỳ xả nạp.
Giá trị dòng điện nạp (I c) chịu ảnh hưởng bởi công suất đầu ra của bộ sạc ắc quy, cùng với giá trị tối đa và tối thiểu của I c, các điện áp trên cực ắc quy (V c) và thời gian cần thiết để sạc lại ắc quy đã xả hết 80% (DOD).
Quá trình sạc ắc quy VRLA bằng phương pháp CI-CV kết thúc khi dòng điện trong giai đoạn điện áp không đổi giảm xuống 0,80% dung lượng ắc quy phóng trong chế độ 3 tiếng (C/3) Cụ thể, một ắc quy VRLA có dung lượng 95 Ah sẽ được coi là đã nạp đầy khi dòng điện nạp giảm xuống mức tương ứng.
Hình 2.6 : Các giai đoạn nạp của một chuỗi ắc quy VRLA
Trong quá trình sạc, nhiệt độ của ắc quy VRLA tăng lên, gây ảnh hưởng tiêu cực đến các tế bào của ắc quy Sự gia tăng này dẫn đến hiện tượng thoát khí, làm giảm điện áp trên cực ắc quy (V c) Cụ thể, nếu nhiệt độ môi trường xung quanh trên 77 °F, V c cần được giảm 0,01 V cho mỗi °F trên mức đó Ngược lại, nếu nhiệt độ môi trường dưới 77 °F, V c cần được tăng lên 0,01 V cho mỗi °F dưới mức này.
Sạc quá mức của các ắc quy VRLA
Khi sử dụng phương pháp nạp CI-CV, ắc quy VRLA cần được nạp quá mức từ 3-5% để đảm bảo đầy đủ dung lượng Chẳng hạn, với một ắc quy có dung lượng 50 Ahr sau khi đã phóng hết điện (SOC=0), dung lượng cần nạp lại sẽ là 50 × 1,03 = 51,5 Ahr để đạt SOC 0% Đối với ắc quy cũ, mức nạp quá cần thiết là từ 7-8%.
% Một ắc quy còn tốt là khi dòng điện nạp bằng 0,8% dung lượng của ắc quy trong giai đoạn quá nạp khoảng 3%
Các bước thuật toán để sạc một chuỗi ắc quy VRLA
Phương pháp nạp tốt nhất với một ắc quy VLRA có điện áp danh nghĩa 12V theo các bước sau:
Để nạp cho chuỗi ắc quy VRLA, bước đầu tiên là áp dụng một dòng điện không đổi cho đến khi ắc quy đầu tiên đạt điện áp 15,5V hoặc ắc quy cuối cùng đạt 14,5V Sau khi đạt được mức điện áp này, dòng điện cần giảm khoảng 50% so với giá trị ban đầu nhằm ngăn ngừa hiện tượng mất nước do thoát khí.
Dòng điện sẽ tiếp tục giảm cho đến khi ắc quy đầu tiên đạt điện áp 15,5V hoặc ắc quy cuối cùng trong chuỗi đạt điện áp 14,5V Khi đạt được mức điện áp này, dòng điện áp dụng cho chuỗi sẽ giảm khoảng 50% so với mức dòng điện ban đầu ở Bước 2.
Khi thực hiện bước 3, dòng điện sẽ tiếp tục giảm một nửa như ở các bước 1 và 2, cho đến khi dòng điện nạp cho ắc quy đầu tiên trong gói ắc quy đạt mức 1% công suất của ắc quy Cụ thể, với ắc quy có dung lượng 90Ahr, dòng điện 1% tương đương khoảng 0,90A (khoảng 1A).
Cuối cùng, dòng điện không đổi được áp dụng cho đến khi tất cả các ắc quy có điện áp tăng ít hơn 0,01 V trong khoảng thời gian 15 phút Thời gian nạp cân bằng này rất quan trọng vì nó giúp tất cả các ắc quy trong gói đạt được một phạm vi điện áp đồng nhất (5-10%) so với ắc quy đầu tiên trong bước 3 Cần lưu ý rằng bước này không được kéo dài quá 6 giờ để tránh tình trạng thoát khí của ắc quy, dẫn đến mất nước.
Khi sạc ắc quy NiMH, nhiệt độ bên trong tăng nhanh do phản ứng tỏa nhiệt, mặc dù các tế bào bắt đầu ở nhiệt độ phòng Trong quá trình này, nước trong chất điện phân bị phân hủy thành các nguyên tử hydro, và các nguyên tử này được hấp thụ vào hợp kim cực âm.
Tại cực dương, phản ứng nạp được dựa trên quá trình oxy hóa của hydroxide niken
Các phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình sạc làm gia tăng nhiệt độ tế bào một cách nhanh chóng Điều này dẫn đến việc phân hủy chất điện phân diễn ra dễ dàng hơn so với quá trình nạp ắc quy.
Phương pháp sạc cho ắc quy NIMH
Nguyên tắc bịt kín của ắc quy NiMH cho thấy rằng dung lượng của điện cực hydro âm lớn hơn điện cực dương, dẫn đến việc điện cực âm chưa được sạc đầy khi điện cực dương đã hoàn tất Sự tạo ra oxy tại điện cực dương trong quá trình sạc và nạp quá chủ yếu là do phản ứng hóa học ở điện cực âm, gây áp suất trong ắc quy Khi sạc nhanh, áp lực nội bộ gia tăng nhanh chóng, làm cho áp suất hơi thoát ra ngoài qua lỗ thông hơi, kéo theo chất điện phân, từ đó giảm điện áp và tuổi thọ của ắc quy.
Sự tăng áp thường gia tăng khi dòng nạp cao hơn, đặc biệt là khi dòng nạp thấp dưới 300 mA, khả năng điện cực âm tạo ra hydro chỉ đạt 0% ở SOC Tuy nhiên, khi dòng nạp tăng lên trên 1.000 mA, khả năng này bắt đầu xuất hiện ngay từ mức SOC%.
Phương pháp đầu tiên là nạp qua đêm, thường là nạp chậm, với dòng điện không đổi tối đa ở mức C/3 (A) Quy trình sạc này được chia thành hai bước chính.
Hình 2.7: Bi ến đổi của áp suất ắc quy trong quá trình nạp
1 Bước đầu tiên tại một dòng điện cao hơn, I 1 (kết thúc bước đầu tiên là xác định tiêu chí, C 1 )
2 Bước thứ hai tại dòng điện thấp hơn, I 2 (kết thúc bước thứ hai này được xác định bởi tiêu chí, C 2 )
Giới hạn C 1 (T) là một hàm của nhiệt độ ắc quy thực tế và được thể hiện trong hình 2.8
Khi đạt tiêu chí C1, bước đầu tiên là ngừng nạp lại và công suất đầu tiên được tính là Ah1 Không cần thời gian nghỉ giữa các bước, dòng điện I2 thứ hai sẽ bắt đầu ngay sau đó Kết thúc quá trình nạp giới hạn C2 đạt được khi khả năng tích điện Ah2 trong bước thứ hai được xác định.
Ah 2 = mAh 1 + b trong đó m và b là giá trị không đổi
Hình 2.8: C ấu hình nhiệt độ nạp thấp cho các ắc quy NiMH
Hình 2.9: Gi ới hạn gia tăng nhiệt độ cho ắc quy NiMH
S Ạ C NHANH XE ĐIỆ N
Bộ sạc điều chỉnh mức nạp liên tục, phù hợp với khả năng của ắc quy, giúp tránh nguy cơ sạc quá mức Các mô-đun ắc quy có thể được nạp trong thời gian từ 20 đến 30 phút, góp phần tăng cường tuổi thọ và nâng cao hiệu suất của ắc quy.
Một ắc quy ở mức 0% SOC có thể nhận dòng điện sạc ban đầu cao nhất, trong khi ắc quy đã sạc đầy ở mức 100% SOC không cần nạp thêm điện.
Khi ắc quy gần đạt trạng thái sạc đầy, khả năng chuyển đổi từ xả sang nạp trong khối điện cực giảm dần, dẫn đến khả năng chấp nhận sạc cũng giảm theo Đường cong mô tả khả năng chấp nhận sạc và tỷ lệ nạp tối đa của ắc quy, phản ánh năng lượng điện được lưu trữ Mọi giá trị vượt quá mức nạp tối đa đều có thể gây ra tình trạng quá tải, khiến ắc quy dễ rơi vào trạng thái quá tải khi dòng điện nạp vượt quá giới hạn cho phép.
Sạc ắc quy 85 Ahr trong khoảng thời gian từ 5 đến 15 phút yêu cầu dòng sạc vượt quá 40C, tương đương với dòng điện 85A trong một giờ để đạt được mức sạc đầy.
Một tỷ lệ nạp cao quá 40°C có thể gây hại nghiêm trọng cho ắc quy do các phản ứng hóa học bổ sung xảy ra khi nhiệt độ tăng Nhiệt độ cao tạo ra oxy, làm gia tăng áp suất trong tế bào ắc quy, dẫn đến mất nước và giảm tuổi thọ của ắc quy Để đảm bảo quá trình sạc nhanh an toàn, cần phải giám sát tình trạng điện hóa của các tế bào trong suốt quá trình nạp, và điều chỉnh các sóng nạp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất sạc.
Bộ sạc nhanh chóng kiểm tra tính toàn vẹn và phản ứng của ắc quy, cho phép sạc với tốc độ cao và điều khiển quá trình nạp ắc quy một cách hiệu quả Nó nhận diện ranh giới quá tải dựa trên tiềm năng điện hóa học và điều chỉnh liên tục dòng điện để phù hợp với khả năng chấp nhận sạc của ắc quy Các thuật toán sạc nhanh cũng thực hiện chẩn đoán ắc quy bằng cách phát hiện khả năng điện hóa liên tục, dựa trên hợp chất hóa học và mật độ dòng điện Nhờ đó, bộ sạc nhanh chóng cung cấp dòng điện có mật độ cao, thúc đẩy phản ứng điện hóa mà không làm ắc quy bị quá tải.
Hình 2.17: C ấu hình nạp nhanh cho ắc quy động lực
Các chiến lược sạc nhanh:
Có nhiều phương pháp sạc ắc quy Một trong những phương pháp thường dùng là dòng điện - điện áp không đổi (CC-CV) trong khoảng thời gian
Sử dụng phương pháp CC-CV chọn trước dòng nạp cố định và 2 lựa chọn đối với điện áp ở mức cao V H và mức thấp V L
Sạc với dòng điện không đổi giới hạn cao, I limit, và hai sự lựa chọn của CV giúp xác định đường cong dòng điện để sạc một giới hạn điện áp thấp V L Phương pháp này đảm bảo an toàn và hiệu quả mà không tạo ra khí đáng kể, đặc biệt khi ắc quy đã bị xả sâu hoặc sunfat hóa nhiều Trong điều kiện này, dòng nạp ban đầu sẽ thấp hơn dòng điện giới hạn do một phần đáng kể của quá điện áp (V app) xuất hiện, ít ảnh hưởng đến phản ứng chuyển đổi điện Điện áp sẽ tăng nhanh từ điện áp mở mạch ban đầu (OCV) Nếu IR đủ lớn, V APP sẽ nhanh chóng đạt giá trị thấp của giới hạn điện áp chọn, V L, và dòng điện sẽ tiếp tục tăng cho đến khi đạt dòng điện giới hạn Ở dòng điện không đổi, điện áp có thể giảm và vượt qua một giới hạn tối thiểu tùy thuộc vào giá trị của I LIMIT.
Hình 2.18: C ấu hình nạp nhanh điện áp/dòng điện cho ắc quy VRLA
Khi điện áp được nâng lên mức cao V H, thời gian mà ắc quy chấp nhận dòng điện tối đa sẽ kéo dài hơn Tuy nhiên, khi dòng điện giảm, các phản ứng thoát khí vẫn đáng kể, ảnh hưởng đến dòng điện không hạn chế Ở mức điện áp thấp V L, hiệu quả sạc rất cao nhưng thời gian nạp lại có thể kéo dài do dòng điện thấp Hiện tượng này thể hiện rõ khi dòng điện giảm xuống khoảng 80% SOC Ở điện áp cao, dòng điện vẫn duy trì ở mức cao, dẫn đến tỷ lệ sạc nhanh hơn nhưng kém hiệu quả hơn, với sự thoát khí phản ứng gia tăng, đặc biệt sau 80% SOC Đạt 80% SOC có thể đủ để điều chỉnh điện áp áp dụng cho V L mà không cần 100% SOC Để tối ưu hóa quá trình nạp, điện áp được theo dõi bằng trí thông minh nhân tạo, trong khi máy tính thuật toán xác định SOC cho nạp tự động theo yêu cầu của người dùng.
56 điện áp và dòng điện giới hạn
Các cấu hình sạc nhanh:
Bộ sạc nhanh cho ắc quy có khả năng sạc trong thời gian từ 5 đến 30 phút, yêu cầu cung cấp điện áp 450 V và dòng điện lên đến 500 A Đặc điểm sạc "envelope" được xác định bởi điện áp và dòng điện tối đa, cho phép công suất cực đại đạt 225 kW Nhờ đó, một chiếc xe điện nhỏ gọn có thể được sạc trong khoảng 6 đến 10 phút, trong khi một chiếc xe điện cỡ trung có thể được sạc trong khoảng 25 đến 30 phút, tùy thuộc vào chất lượng của ắc quy.
Hình 2.19: Đặc tính máy sạc điện áp không đổi
Thay đổi đặc tính của máy nạp có thể giới hạn công suất tối đa xuống 120 kW, trong khi vẫn giữ nguyên dòng điện tối đa và điện áp tối đa Điều này được thể hiện qua "envelope" của dòng điện và điện áp tối đa, như minh họa trong hình 2.20.
Sử dụng “envelope" nạp mới, xe điện kích thước nhỏ gọn sẽ yêu cầu 10 đến
12 phút để sạc Điện áp tối đa, điện năng tối đa đặc tính cấu hình dòng điện có những ưu điểm:
+ Công suất máy nạp thấp hơn (quyết định kích thước của lưới điện ắc quy)
+ Có khả năng nạp được nhiều loại xe điện có sự khác nhau về điện áp và dung lượng ắc quy
Vì bộ sạc này được thiết kế trên cơ sở cung cấp cùng một lượng năng lượng trong cùng một thời gian
Hình 2.20: C ấu hình nạp điện áp tối đa – công suất tối đa – dòng điện tối đa
Bộ sạc nhanh cho xe điện được sử dụng tại các trạm sạc, với các tính năng nổi bật dựa trên bộ sạc ắc quy, bao gồm cả phần điện và phần điều khiển.
Phần điện của bộ sạc ắc quy cung cấp nguồn điện DC với điện áp phù hợp để nạp nhiều loại xe điện khác nhau Bộ điều khiển của bộ sạc được thiết kế riêng biệt và được lắp đặt trên bảng điều khiển cùng với các gói ắc quy của xe điện.
Các tín hiệu điều khiển kết nối là yếu tố quan trọng để quản lý quá trình sạc các gói ắc quy Để tự động hóa hoạt động, cần có dây bổ sung để gửi tín hiệu về chế độ hoạt động, nhiệt độ và dữ liệu ắc quy, được theo dõi bởi module ắc quy Hệ thống này bao gồm dây và cáp điện cùng với các cặp điều khiển, tạo thành giao diện sạc ắc quy Ngoài ra, điện áp cao tiêu chuẩn kết nối các trạm sạc với ổ cắm sạc ắc quy xe điện.
Hầu hết các xe điện hiện nay đều được trang bị ổ cắm nạp tiêu chuẩn, cho phép nạp pin một cách thủ công Người sử dụng có thể điều chỉnh điện áp và mức độ dòng điện theo đặc tính “envelope” của ắc quy Bên cạnh đó, họ cũng có thể nhập thời gian sạc và tổng số Ahr cung cấp cho ắc quy Phương pháp này giúp kiểm soát dòng điện và điện áp đầu ra của các gói ắc quy, cho phép nạp pin bằng dòng điện và điện áp không đổi.
Trong trường hợp các giá trị dòng điện nạp và điện áp nạp không có sẵn, người sử dụng nên tham khảo ý kiến các kỹ thuật nhà sản xuất
Bộ sạc ắc quy nhanh cho xe điện bao gồm các thành phần chính như giao diện trạm sạc với kết nối điện cung cấp điện lưới lên tới vài trăm amperes Ngoài ra, nó còn có một mô-đun chỉnh lưu để chuyển đổi điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC) và một mô-đun biến tần để điều chỉnh điện áp DC cho quá trình nạp ắc quy.