Mô hình hóa và điều khiển hế độ phóng nạp ủa siêu tụ điện, ứng dụng ho ô tô điện

Sau khi những chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong được đưa vào sử dụng phổ biến ở các nước công nghiệp phát triển, đến những năm 30 của thế kỉ XIX, những chiễc xe điện đầu tiên do nhà kho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐỨC THỌ

MÔ HÌNH HOÁ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ PHÓNG NẠP CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN, ỨNG DỤNG CHO Ô TÔ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ Ỹ K THUẬT

Hà N ội – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐỨC THỌ

MÔ HÌNH HOÁ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ PHÓNG NẠP CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN, ỨNG DỤNG CHO Ô TÔ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ Ỹ K THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS: TẠ CAO MINH

Hà N 14 ội – 20

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Mô hình hóa và điề u khi n ch ể ế

độ phóng n p c a siêu t n , ng d ạ ủ ụ điệ ứ ụng cho ô tô điệ n” do tôi tự ự th c hiện dưới

s ự hướng d n c a th y giáoẫ ủ ầ PGS TS T Cao Minh ạ Để hoàn thành luận văn này, tôi ch s d ng nh ng tài liỉ ử ụ ữ ệu được ghi trong danh m c tài li u tham kh o và không ụ ệ ảsao chép hay s d ng b t k tài li u nào khác N u phát hi n có s sao chép tôi xin ử ụ ấ ỳ ệ ế ệ ựhoàn toàn ch u trách nhiị ệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên thực hiện

L I C Ờ ẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn tới Viện đào tạo sau đạ ọi h c, B môn T ng hoá ộ ự độXNCN thuộc trường Đạ ọi h c Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều ki n thu n l i cho ệ ậ ợtôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Tạ Cao Minh, người đã định hướng và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn thạc sĩ này Cuối cùng tôi xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ ạ, t o mọi điều ki n thu n l i nh t cho tôi trong su t quá trình tôi h c t p, ệ ậ ợ ấ ố ọ ậnghiên c u và làm vi ứ ệc

Hà nội , ngày tháng năm 2014

Nguyễn Đức Th ọ

M C L C Ụ Ụ

LỜI CAM ĐOAN

M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY SỬ DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 3

1.1 L ch s hình thành và phát triị ử ển xe điện 3

1.2 Tình hình và xu hướ ng phát triể ủa xe điện c n trên thế giới và Việt Nam 5

1.3 c quy s dẮ ử ụng trong ô tô điện 7

1.3.1 Định nghĩa ắc quy 7

1.3.2 M t s thông s ộ ố ố cơ bản của ắc quy 8

1.3.3 T ng quan các loổ ại ắc quy thông dụng 10

1.4 Cấ u tạo và các đặc tính phóng nạ p ắc quy chì axit 12

1.4.1 C u t o 12 ấ ạ 1.4.2 Quá trình phóng n p cạ ủa ắc quy chì axit 13 –

1.5 Phương pháp sạc cho c quy 18 ắ 1.5.1 Phương pháp sạc dòng không đổi 18

1.5.2 Phương pháp sạc áp không đổi 19

1.6 Phân tích mô hình c a c quy chì axitủ ắ 19

1.6.1 Các gi ảthiết đố ới v i mô hình của ắc quy 20

1.6.2 Phương trình động học của ắc quy chì axit 21

1.6.3 Trạng thái n p 22 ạ 1.6.4 Mô hình và k t qu ế ảmô phỏng c quy 23 ắ CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ ĐIỆN 25

2.1 T ng quan v siêu tổ ề ụ 25

2.1.1 L ch s phát tri n 25 ị ử ể 2.1.2 Nguyên lý cơ bản 26

2.1.3 Phân lo i siêu t ạ ụ điện 28

2.1.4 Cơ chế lưu trữ năng lượng c a t ủ ụ điệ ớn l p kép EDLC 29

2.1.5 Gi ả điện dung Pseudo capacitance 32 –

2.2 Mô hình hóa siêu t nụ điệ 34

2.2.1 Mạch tương đương phổ ế bi n 34

2.2.2 Mô hình ba nhánh 36

2.2.3 Mô hình đường dây truy n t i 39 ề ả 2.3 Mô ph ng mô hình siêu t nỏ ụ điệ 41

CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC – DC 45

3.1 S d ng siêu t ử ụ ụ trong ô tô điện 45

3.2 Mô hình hóa b ộ biế n đ ổi DC DC hai chi u BUCK BOOST– ề – 47

3.2.1 Phân tích mô hình b biộ ến đổi BOOST 47

3.2.2 Phân tích mô hình b biộ ến đổi BUCK 49

3.2.3 B biộ ến đổi hai chi u DC ề –DC 50

3.3 Tính toán thông s mô phố ỏ ng bộ biến đổi DC – DC hai chi uề 55

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC – DC 58

4.1 Mô t h ả ệ thố ng đi ề u khiể 58 n 4.2 Thi t k b u khi n cho ch buckế ế ộ điề ể ế độ 59

4.2.1 Thi t k ế ế vòng điều khiển dòng điện ở chế độ buck 60

4.2.2 Thi t k vòng ế ế điều khiển điện áp bên ngoài cho ch buck 64 ế độ 4.3 Thi t k b u khi n cho ch boostế ế ộ điề ể ế độ 66

4.3.1 Thi t k ế ế vòng điều khiển dòng điện ở chế độ boost 66

4.3.2 Thi t k ế ế vòng điều khiển điện áp bên ngoài ởchế độ boost 70

4.4 Phân tích điề u khi n b bi n đ i hai chi u DC DC nhi u đ u vào 71 ể ộ ế ổ ề – ề ầ 4.4.1 Ch hoế độ ạt động Boost 71

4.4.2 Ch buck 74 ế độ 4.5 K t qu mô phế ả ỏng 75

4.5.1 K t qu mô ph ng b biế ả ỏ ộ ến đổi DC – DC trong ch boost 75 ế độ 4.5.2 K t qu mô ph ng ch BUCK 79 ế ả ỏ ế độ KẾ T LUẬN VÀ KIẾ N NGHỊ 82 TÀI LIỆU THAM KH O 82 Ả

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số ẫu xe điện giai đoạ m n 1890 - 1930 3

Hình 1.2 Một số ẫu xe điện giai đoạ ừ m n t 1930 1990 4 –

Hình 1.3 Một số ẫu xe điệ m n hiện đại 6

Hình 1.4 C u t o c quy 12 ấ ạ ắ Hình 1.5 Phả ứn ng mô t quá trình phónả g điện trong c quy 13 ắ Hình 1.6 Phả ứn ng mô t quá trình nả ạp điện cho c quy 14 ắ Hình 1.7 Phả ứn ng mô t quá trình no trong ả ắc quy 15

Hình 1.8 Đặc tính phóng điện của một ngăn ắc quy 16

Hình 1.9 Đặc tính nạ ắc quyp 17

Hình 1.10 Mạch tương đương của ắc quy 21

Hình 1.11 Mô hình ắc quy 23

Hình 1.12 Quá trình nạp x c quy chì axit 23 ả ắ Hình 1.13 Dung lượng c quy trong quá trình xả 24 ắ Hình 2.1 C u trúc c a mấ ủ ột tụ điện thông thường 27

Hình 2.2 Phân lo i siêu t ạ ụ điện 28

Hình 2.3 Mô hình lưu trữ năng lượng l p kép 29 ớ Hình 2.4 Sơ đồ tương ứng mô hình EDLC 32

Hình 2.5 Đặc tính dòng điện điện áp 33

Hình 2.6 Mạch tương đương phổ ế bi n c a EDLC 35 ủ Hình 2.7 Mạch kiểm tra của Spyker để đo Rs 36

Hình 2.8 So sánh mô hình ph ổbiến và các d u th c 37 ữliệ ự Hình 2.9 Mô hình ba nhánh 37

Hình 2.10 Mô tả điệ ực xốn c p gi ng mố ột đường truyền năm thành phần 40

Hình 2.11 Đáp ứng bước điện th c a mô hình đư ng truy n 40 ế ủ ờ ề Hình 2.12 Đáp ứng điện thế đối với đầu vào hình sin khi chiều sâu lỗ xốp thay đổi 41

Hình 2.13 Mô hình đường truy n có tr kháng phề ở ức tạp 41

Hình 2.14 Mạch tương đương phổ ế bi n 42

Hình 2.15 Mô hình mô phỏng siêu t ụ điện 43

Hình 2.16 Quá trình nạp siêu t ụ điện 43 Hình 2.17 Quá trình xả siêu t ụ điện 44 Hình 3.1 Cấu hình điều khi n hãm tái sinh dùng siêu t 46 ể ụHình 3.2 B biộ ến đổi DC – DC ki u BOOST 47 ểHình 3.3 Tín hiệu điều khi n b biể ộ ến đổi BOOST 48 Hình 3.4 B biộ ến đổi DC – DC ki u BOOST 49 ểHình 3.5 Tín hiệu điều khi n b biể ộ ến đổi BUCK 50 Hình 3.6 B biộ ến đổi DC – DC hai chi u 51 ềHình 3.7 (a) Hai tr ng thái ch ạ ế độ BUCK; (b) Chu i xung chuy n mỗ ể ạch ở

chế độ BUCK 52 Hình 3.8 (a) Hai tr ng thái ạ ởchế độ BOOST; (b) Chu i xung chuyỗ ển mạch ở

chế độ BOOST 54 Hình 3.9 Mô hình mô phỏng b biộ ến đổi DC DC hai chi u 56 – ềHình 4.1 Mô hình đềsuất điều khiển ô tô điện s d ng siêu t và c quy 58 ử ụ ụ ắHình 4.2 Sơ đồ điều khi n b biể ộ ến đổi DC –DC hai chi u 59 ềHình 4.3 Chế độ buck của bộ ến đổi DC – bi DC hai chi u 60 ềHình 4.4 Vòng điều khiển dòng điện 62 Hình 4.5 Mô hình mô phỏng mạch vòng dòng điện 63 Hình 4.6 Đáp ứng dòng điện ch buck 64 ế độHình 4.7 Vòng điều khi n bên trong và bên ngoài 64 ểHình 4.8 Mô hình mô phỏng mạch vòng điện áp 65 Hình 4.9 Đáp ứng điện áp đầu ra ch buck 65 ở ế độHình 4.10 Chế độ boost của bộ ến đổi DC – bi DC hai chi u 66 ềHình 4.11 Mô hình mô phỏng mạch vòng dòng điện 69 Hình 4.12 Đáp ứng dòng điện ch boost 69 ế độHình 4.13 Mô hình mô phỏng mạch vòng điện áp 70 Hình 4.14 Đáp ứng điện áp ch boost 70 ế độHình 4.15 B biộ ến đổi hai chiều DC DC nhi– ều đầu vào 71

Hình 4.16 B biộ ến đổi hai chi u DC DC nhiề – ều đầu vào hoạt động trong ch ế

độ boost 71 Hình 4.17 Tính toán tỷ ố s chu k hai van ỳ S 1A và S 2 A 72 Hình 4.18 Tính toán hệ ố s truy n 73 ềHình 4.19 Chu kỳ chuy n mể ạch của chế độ boost 74 Hình 4.20 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào hoạt động trong chế độ buck 75 Hình 4.21 Mô hình mô ph ng bỏ ộ biến đổi DC DC hai chi u trong ch– ề ế độ boost 76 Hình 4.22 Nguồn năng lượng m t chi u 76 ộ ềHình 4.23 Điện áp đầu vào b biộ ến đổi hai chiều DC DC trong ch boost 77 – ế độHình 4.24 Điện áp đầu ra b biộ ến đổi hai chiều DC DC trong ch boost 77 – ế độHình 4.25 Dòng điện ch y qua cu n c m iL 78 ả ộ ảHình 4.26 Dòng điện ch y qua t i Iload 78 ả ảHình 4.27 Dung lượng c a ắủ c quy và siêu t trong ch boost 79 ụ ế độHình 4.28 Mô hình mô phỏng b ộDC – DC hai chi u ở chế độề buck 80 Hình 4.29 Điện áp u ra ch Buck 80 đầ ở ế độHình 4.30 Điện áp trên siêu t ụ điện 81 Hình 4.31 Dung lượng c a siêu t ủ ụ điện 81

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Ô tô điện ra đời và phát triển trên thế giới từ hàng trăm năm Từ đầu thế kỷ

19 ô tô chạy bằng nguồn năng lượng điện đã cạnh tranh tương đương với ô tô chạy bằng động cơ hơi nước Đến đầu thế kỷ 20 ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong do những nguyên nhân như nguồn dầu mỏ lớn giá thành hạ ,

về kỹ thuật công nghệ chế tạo động cơ đốt trong có những tiến bộ vượt bậc Tuy nhiên gần đây ô tô điện mới thực sự phát triển mạnh mẽ xuất phát từ nhu cầu giải quyết các vấn đề về cạn kiệt nguồn năng lượng, ô nhiễm môi trường do ô tô chạy bằng động cơ đốt trong gây ra

Nguồn năng lượng được coi là vấn đề lớn nhất trong ô tô điện, nó được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong cả giới hàn lâm và giới công nghiệp Khi ô tô điện trở thành một sản phẩm thương mại thì những vấn đề liên quan đến nguồn năng lượng cũng là mối quan tâm hàng đầu của người tiêu dùng Trước kia ô tô điện chỉ có thể đi với quãng đường ngắn và tốc độ chậm là do nguồn cấp cho nó có dung lượng nhỏ Nếu muốn đi xa hơn nữa thì nó cần phải có nhiều nguồn lớn hơn do đó khối lượng của xe cũng tăng lên ảnh hưởng đến sự làm việc và chi phí sản xuất Tụ điện là linh kiện có thể phóng hoặc nạp điện trong thời gian ngắn, tuy nhiên những người làm trong lĩnh vực điện và điện tử thường quen thuộc với những tụ điện có đơn vị pico , nano và micro Fara hẳn sẽ rất ngạc nhiên khi nghe nói đến những tụ điện có điện dung lên tới hàng nghìn Fara, tụ điện đó gọi là siêu tụ điện Vì có điện dung lớn tới hàng nghìn Fara nên siêu tụ tích trữ một lượng điện năng lớn, điều này cho phép siêu tụ có thể hoạt động như một nguồn chứa năng lượng cho ô tô điện Với những thành tựu đã thu được , ô tô điện có thể thay thế hoàn toàn ô tô chạy xăng dầu trong tương lại

Trong thời gian làm luận văn , được sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS

Tạ Cao Minh, tôi đã thực hiện đề tài “Mô hình hóa và điều khiển chế độ phóng

nạp của siêu tụ điện , ứng dụng cho ô tô điện ” Đây là đề tài mới, đề xuất các

phương án liên kết pin (ắc quy) với siêu tụ đồng thời tối ưu hóa nguồn năng lượng

đó để cấp cho ô tô trong quá trình tăng tốc, hoạt động bình thường và hãm tái sinh

Đề tài được hoàn thành do nỗ lực phấn đấu của bản thân , dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy PGS.TS Tạ Cao Minh Bên cạnh đó , sự góp ý của các thầy cô

bộ môn đã giúp đỡ tôi rất nhiều để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Tạ Cao Minh và các thầy cô trong bộ môn tự động hóa xí nghiệp đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

C u trúc luấ ận văn gồm có 4 chương:

M c dù bặ ản thân đã nỗ ự ấ l c r t nhiều nhưng do thời gian và trình độ còn hạn chế đồ ng thời đây cũng là lĩnh vực khó , khối lượng ki n th c l n nên không tránh ế ứ ớ

kh i nh ng thi u sót Vì v y tôi r t mong nhỏ ữ ế ậ ấ ận được nh ng ý kiữ ến đóng góp của thầy cô để ận văn đượ lu c hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Đức Thọ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY SỬ DỤNG

TRONG Ô TÔ ĐIỆN

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển xe điện

Hình 1.1 Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 - 1930

a- Wood’s Electric Phaeton (1902)b- Mẫu xe đua La Jamais Contente (1899)

Xe điện là loại phương tiện có lịch sử hình thành và phát triển tương đối lâu đời Sau khi những chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong được đưa vào sử dụng phổ biến ở các nước công nghiệp phát triển, đến những năm 30 của thế kỉ XIX, những chiễc xe điện đầu tiên do nhà khoa học người Scotland Robert Anderson phát minh mới xuất hiện Cũng trong khoảng thời gian đó, năm 1835 giáo sư Stratingh cùng trợ lý Christopher Becker cũng cho ra đời mẫu thiết kế xe điện cơ nhỏ Tuy nhiên những thiết kế ban đầu còn nhiều hạn chế so với xe chạy xăng như không đủ năng lượng để chạy quãng đường dài nên không thể sử dụng rộng rãi Phải tới năm 1865, sau thành công của Camille Faure trong việc nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng của pin thì những thiết kế này mới có thể thực hiện được những hành trình dài hơn

và mở ra tương lai cho lĩnh vực phát triển xe điện

Về ứng dụng thực tế, hai quốc gia Anh và Pháp là những nước tiên phong khi

đã bắt đầu ứng dụng xe điện vào hệ thống giao thông từ cuối thế kỉ XIX Trong khi

đó Bỉ cũng đã chế tạo thành công mẫu xe đua chạy điện đầu tiên “La Jamais Contente” vào năm 1899 bởi Cammelle Jénatzy với vận tốc tối đa lên đến 102km/h

Trong thời kỳ đầu cuối thế kỉ XIX, xe điện khá được ưa chuộng vì khắc phục được những nhược điểm như chạy rung, ồn, ô nhiễm và giá nguyên liệu hóa thạch còn đắt của các loại xe đương thời (xe chạy bằng động cơ đốt xăng hoặc động cơ hơi nước) Tuy nhiên, đến đầu thế kỉ XX, hàng loạt những sự kiện quan trọng đã đánh dấu sự lép vế hoàn toàn của xe điện so với xe chạy xăng (việc phát hiện dầu thô ở Texas giúp hạ nhiệt giá dầu thế giới, Henry Ford phát minh ra động cơ đốt trong giá rẻ, …) Cụ thể đến những năm 1920, chi phí cho mỗi chiếc xe điện lên đên 1750USD so với giá bán của một chiếc xe chạy xăng chỉ khoảng 650USD Điều này

đã dẫn đến sự biến mất hoàn toàn của xe điện trên thị trường

Đến th p niên 70, th gi i ch ng ki n cu c kh ng hoậ ế ớ ứ ế ộ ủ ảng năng lượng t i t ồ ệ

nh t trong lích s cùng v i nh ng c nh báo v nh ng vấ ử ớ ữ ả ề ữ ấn đề ô nhiễm môi trường như ô nhiễm không khí, s nóng lên cự ủa trái đất… Điều này thôi thúc các nhà s n ả

xuất nghĩ đến vi c quay tr lệ ở ại với xe điện

Hình 1.2 Một số mẫu xe điện giai đoạn từ 1930 – 1990

a- Battronic (1971) b- Elcar (1975)Nhờ những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực truyền động và công nghệ pin, khả năng hoạt động của xe điện đã có những bước tiến rõ rệt Bên cạnh đó tính thời trang và gọn nhẹ cũng đã được các nhà sản xuất lưu tâm với nhiều mẫu mã sang

trọng, bắt mắt bên cạnh tính năng vận hành cao để có thể cạnh tranh với các loại xe

sử dụng động cơ đốt trong truyền thống

Công nghệ phát triển xe điện hiện nay vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện

và chứng kiến sự cạnh tranh khốc liệt giữa những nhà sản xuất Bên cạnh việc được coi là một trong những sản phẩm chiến lược của các hãng xe trong tương lai gần, xe điện cũng nhận được sự ủng hộ của chính phủ các quốc gia nhằm thay thế cho các loại phương tiện gây ô nhiễm hiện hành

Việc sử dụng động cơ điện để phát động thay thế cho động cơ đốt trong trên

xe điện đem lại rất nhiều ưu điểm cho với các loại xe khác:

• Hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng

• Có thể điều khiển nhanh và chính xác mômen

• Bằng cách điều khiển độc lập bánh xe, có thể loại bỏ bộ truyền cơ khí, giảm bớt kích thước và trọng lượng xe

• Không phát sinh khí thải

• Chủ động nâng cao chất lượng chuyển động bằng cải tiến điều khiển động cơ,…

Nhờ đó, Xe điện có một vai trò vô cùng quan trọng như là loại phương tiện thay thế những xe sử dụng năng lượng hóa thạch gây ô nhiễm và khói bụi hiện nay

Nhận biết được xu hướng này, trên các hãng ô tô lớn trên thế giới đang ra sức cạnh tranh nhau với sự ra đời của hàng loạt những mẫu xe mới chất lượng cao, thiết kế sang trọng với giá thành hạ để thu hút người tiêu dùng

Phong trào chuyển sang sử dụng các mẫu “xe xanh” cũng nhận được sự ủng

hộ tại các quốc gia Tại Mỹ, quốc gia tiêu thụ ô tô nhiều nhất thế giới, tổng thống Obama đã phê duyệt dự án đầu tư 25 tỷ USD cho việc nghiên cứu và phát triển xe điện và các loại xe hybrid Số tiền này sẽ được đầu từ cho các viện nghiên cứu và cho các nhà sản xuất ô tô tiên phong trong lĩnh vực xe điện như GM, Ford, Nissan

và Tesla vay để phát triển và mở rộng sản xuất, hạ giá thành các loại xe tiết kiệm nhiên liệu

(a) (b)

Hình 1.3 Một số mẫu xe điện hiện đại

a- Nissan Leafb- Chevrolet Volt 2011 c- Ford TH!NK d- Tesla Roadster 2010Tại châu Âu, Pháp đã chi 550 triệu USD cho việc xây dựng và phát triển các phương tiện không cacbon năm 2008; còn chính phủ Tây Ban Nha tuyên bố rằng sẽ

có khoảng 1 triệu xe chạy điện trên đường năm 2014 bằng việc trợ giá từ 15-20% Gần đây nhất, thủ tướng Đức cũng vừa công bố tham vọng trở thành một trong những quốc gia đi đầu trong lĩnh vực sản xuất xe điện với những nhà sản xuất hàng

Trung Quốc quốc gia đông dân nhất thế giới cũng đang có tham vọng phát - triển ô tô điện, cụ thể như việc dành 1,5 tỷ USD đảm bảo cho việc đổi mới công

nghệ trong sản xuất “xe xanh” Chính quyền địa phương và các công ty taxi sẽ nhận được 8.800USD hỗ trợ nếu họ mua ô tô điện Vừa qua, hãng xe lớn nhất Trung Quốc Geely cũng đã bày tỏ tham vọng của mình thông qua màn ra mắt mẫu concept giá rẻ IG nhằm cạnh tranh với thế giới

Trong khi đó, tại Việt Nam, việc phát triển xe điện để giảm ô nhiễm môi trường cũng đã được đề cập từ khá lâu Tuy nhiên do còn nhiều khó khăn về công nghệ cũng như chưa nhận được sự quan tâm đầu tư đúng mức của chính phủ và ngành công nghiệp ô tô trong nước, nên xe điện Việt Nam vẫn chưa đạt được những thành tựu đáng kể Tại Hội chợ triển lãm cơ khí, điện, điện tử, luyện kim ngày tháng

03 năm 2004, những chiếc ô tô điện đầu tiên của Việt Nam đã được trưng bày và thu hút đông đảo người xem Rất nhiều ý kiến phản hồi về vấn đề này như cần phải kéo dài quãng đường chạy được trên một lần sạc, giảm thời gian sạc đầy…Rõ ràng

để làm được điều này cần phải có sự đầu tư đúng mức từ phía các cơ quan chức năng cũng như sự ủng hộ nhiệt tình của người dân

Hiện tại ở khu du lịch Sầm Sơn và trung tâm Hà Nội có khá nhiều xe điện được đưa vào sử dụng nhằm phục vụ khách du lịch Đây là loại xe được phát động bởi một động cơ một chiều, vô lăng điều khiển hướng và cần gạt hộp số để thay đổi tốc độ Đa phần những chiếc xe này tốc độ thấp và có nguồn gốc từ Trung Quốc

1.3 Ắc quy s dử ụng trong ô tô điện

Trong ô tô điện, vấn đề dự trữ và quản lý dòng năng lượng luôn là vấn đề phức tạp, gây hạn chế các tính năng của xe Các nghiên cứu trên thế giới đặt ra mục tiêu đối với hệ thống nguồn là tăng khả năng lưu trữ năng lượng, giảm kích thước

và trọng lượng đồng thời phải có sự linh hoạt trong khả năng quản lý, phân phối và điều khiển dòng năng lượng cho các chế độ hoạt động của xe Trên thực tế, nguồn năng lượng là vấn đề được quan tâm hàng đầu, cũng là lĩnh vực được đầu tư lớn nhất trong những nghiên cứu về ô tô điện hiện nay Năng lượng trong ô tô điện chủ yếu được cung cấp bằng ắc quy

1.3.1 Định nghĩa ắc quy

Acquy là nguồn điện hóa, hoạt động trên cơ sở 2 điện cực có điện thế khác

nhau, dùng để tích trữ điện năng, cung cấp dòng một chiều cho các thiết bị dân dụng

và các thiết bị trong công nghiệp

Ắc quy bao gồm hai hay nhiều ngăn nối với nhau, mỗi ngăn có chức năng biến đổi hóa năng thành năng lượng điện Mỗi ngăn đó bao gồm các điện cực dương

và điện cực âm được đặt trong dung môi Phản ứng hóa hóa học giữa cực dương và cực âm với dung môi sẽ tạo ra năng lượng điện Trong quá trình sạc năng lượng điện sẽ phục hồi hóa năng trong ắc quy

Ắc quy chì axit là lo i c quy r t ph bi– ạ ắ ấ ổ ến và đượ ức ng d ng r ng rãi tuy ụ ộnhiên ngoài loại ắc quy đó ra cũng còn rất nhi u loề ại khác đang chứng t nhỏ ững ưu

vi t cệ ủa mình và được ứng d ng trong m t s ụ ộ ố trường h p c ợ ụ thể như Niken– ắs t, Niken–Cadimi, Niken hydrat kim lo i, và nhi u lo i khác – ạ ề ạ

1.3.2 Một số thông số cơ bản của ắc quy

a Ngăn ắc quy

Ắc quy g m nhiồ ều ngăn nối với nhau để ạo ra điệ t n áp mong mu n M i ố ỗngăn ắc quy có một điện áp chu n c nh tùy thu c lo i c quy ẩ ố đị ộ ạ ắ

b Dung lượng ắc quy

Dung lượng c quy là m t thông s h t s c quan tr ng Trong h SI th ắ ộ ố ế ứ ọ ệ ứnguyên của dung lượng là Culong, tuy nhiên đơn vị này r t nh bi u di n dung ấ ỏ để ể ễlượng c quy và l i không tr c quan Vì v y trong th c t ta hay s d ng loắ ạ ự ậ ự ế ử ụ ại đơn vịampe gi ờ (Ah) để ể bi u di n dễ ung lượng ắc quy Khi đó một ắc quy có dung lượng

10 Ah t c nó có th cung c p dòng 1 A trong 10 h, hoứ ể ấ ặc dòng 2 A trong 5 h… Tuy nhiên th c t s ự ế ẽ có hơi khác một chút, với ắc quy 10 Ah n u ta s dòng 10 A thì ế ử ắc quy s ẽ không duy trì được trong 1 h Nhưng nế ắu c quy x v i dòng r t nh , ch ng ả ớ ấ ỏ ẳ

h n trong 20 h thì thạ ậm chí dung lượng c quy còn có th ắ ể cao hơn 10 Ah Điều này

di n ra là v nh ng ph n ng không mong mu n trong c quy và m t th i gian cễ ỉ ữ ả ứ ố ắ ộ ờ ần thiế ể cân băng tỉ ọt đ tr ng c a ắc quy ủ

c Năng lượng dự trữ trong ắc quy.

Ắc quy là thi t b d tr ế ị để ự ữ năng lượng Năng lượng d tr trong c quy ph ự ữ ắ ụthuộc điện áp và dung lượng

E = V C (1.1)

d Năng lượng riêng

Đó là năng lượng d tr ự ữ được trong m t khộ ối lượng c quy ( Wh.kgắ -1 )

e Mật độ năng lượng

Đó là năng lượng trong một đơn vị thể tích ắc quy( Wh m-3 )

f Công suất riêng

Đó là công suất huy động được trên một đơn vị khối lượng ắc quy Đây là một thông số bất thường vì công suất huy động của ắc quy còn phụ thuộc vào tải tuy nhiên với mỗi loại ắc quy có một công suất huy động tối đa khác nhau và không thể làm việc dài hạn xung quanh chế độ này

Thứ nguyên của công suất riêng là W.kg-1 Một số loại ắc quy có năng lượng riêng rất tốt nhưng lại có công suất riêng nhỏ, điều này có nghĩa loại ắc quy này có thể dự trữ năng lượng lớn nhưng khả năng huy động công suất không cao Công suất riêng lớn thường kéo theo năng lượng riêng nhỏ

g Hiệu suất sạc

Lý tưởng hóa m t c quy s nh n và có th tr toàn b ộ ắ ẽ ậ ể ả ộ dung lượng đưa tới

nó Tuy nhiên trong th c t ự ế điều này không bao gi x y ra Hi u su t luôn nh ờ ả ệ ấ ỏ hơn

100 % và tùy thu c vào loộ ại ắc quy, nhiệt độ và ch ế độ ạs c Ch ng h n khi s c t ẳ ạ ạ ừkho ng 20% tả ới 80 % dung lượng hi u su t gệ ấ ần như 100 %, nhưng sau đó hiệu suất

giảm rất nhanh

h Tốc độ tự xả của ắc quy

Khi c quy không s dắ ử ụng dung lượng c quy v n b gi m d n, ch này ắ ẫ ị ả ầ ế độ

g i là s t x c quy và tọ ự ự ả ắ ốc độ ự ả t x ph thu c vào m t s thông s ụ ộ ộ ố ố như loại ắc quy, nhiệt độ Nhiệ ột đ càng cao tốc độ ự ả càng nhanh t x

i Nhiệt độ hoạt động của ắc quy

H u h t các loầ ế ại ắc quy hoạt động nhiở ệt độ môi trường, m t s ộ ốhoạt động ởnhiệt độ cao hơn, mộ ố ần đốt s c t nóng khi khởi động rồi sau đó làm lạnh khi s ử

d ng Không nh ng th các loụ ữ ế ại ắc quy thường tr lên kém hoở ạt động nhiở ệt độ

thấp Chính vì v y l a ch n c quy trong quá trình thiậ ự ọ ắ ết k là mế ột vi c khá cầệ n thi ết

j Tuổi thọ ắc quy và số lần có thể sạc lại

H u h t các loầ ế ại ắc quy ch ỉ chịu đựng được khoảng vài trăm lần x sâu ả(20% dung lượng) Con s chính xác còn ph thu c vào t ng lo i c quy và ch ố ụ ộ ừ ạ ắ ế

Mỗi ngăn ắc quy chì axit có c c âm làm t chì có ho t tinh cao là chì xự ừ ạ ốp, trong khi đó cực dương được làm t lo i v t li u ho t tính c a chì dioxit Hai b n ừ ạ ậ ệ ạ ủ ả

cực này được đặt trong dung dịch điện phân axit sunphuric Chì và chì dioxit kết

h p v i axit sunphuric tợ ớ ạo ra chì sunphat và nước Đó chính là phản ứng khi phóng điện

Ắc quy chì axit có ưu điểm r ti n d ch t o nên r t d mua và thay thẻ ề ễ ế ạ ấ ễ ế Hơn

n a loữ ại ắc quy này lại có điện áp trên m t nộ găn lớn, điện tr trong nh , tu i th ở ỏ ổ ọcao, r t phù h p cho các ng d ng ph m vi nh ấ ợ ứ ụ ạ ỏ (do năng lượng riêng c a loủ ại ắc quy này tương đối nh ) ỏ

b Ắc quy dùng kim loại Niken

M t lo t nh ng s n phộ ạ ữ ả ẩm ắc quy thương mại s d ng Niken làm cử ụ ực dương

đã được phát tri n b i Edison t th k 19 Nh ng lo i c quy này bao g m c quy ể ở ừ ế ỷ ữ ạ ắ ồ ắNiken– ắs t, Nike k m, Niken Cadimi và Niken hydrat kim lo i Ắ– ẽ – – ạ c quy Niken-k m ẽ

có nhiều ưu điểm song do b gi i h n v s lị ớ ạ ề ố ần phóng điện sâu nên không được phát triể Ắn c quy niken s t r t hi m s n xu t và s d ng nên tính ng dắ ấ ế ả ấ ử ụ ứ ụng cũng không cao Ta s chẽ ỉ nói v hai lo i ề ạ ắc quy còn l ại

Loại ắc quy này s d ng Niken oxy hydroxit làm cử ụ ực dương và kim loại Cadimi làm c c âm Ph n ự ả ứng khi phóng điện

Cd + 2NiOOH + 2H2O ↔Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 (1.3) Loại ắc quy này có nhiều ưu điểm như khả năng huy động công su t l n, tu i ấ ớ ổthọ cao, đi n tr trong nh , d i nhi t đ làm vi c rộng (-40 ệ ở ỏ ả ệ ộ ệ oC – 80 oC )

Nhược điểm c a lo i ủ ạ ắc quy này là điện áp trên một ngăn tương đối nh so ỏ

với ắc quy chì axit, giá thành c a loủ ại ắc quy này cao g p kho ng 3 l n so vấ ả ầ ới ắc quy chì axit M t khác khi thay th – ặ ế thả ỏ loại ắi b c quy này s ẽ gây hai đến môi trường v Cadimi là ch t có hại cho môi trườỉ ấ ng và có kh ả năng gây ung thư

Ắc quy Niken–hydrat kim loại

Được đưa vào thương mại hóa vào những thập niên cuối thế kỷ 20 Loại ắc quy này có những ưu điểm giống như ắc quy Niken – Cadimi, chỉ khác cực âm của ngăn ắc quy sử dụng hydro hấp thụ trong hydrat kim loại Điều này dẫn đến chúng

ta không cần sử dụng Cadimi, một loại vật liệu có hại cho môi trường

Phả ứng phóng điện n trong ắc quy như sau:

MH + NiOOH ↔M+ Ni(OH)2 (1.4)

c Ắc quy kiềm

Vào kho ng nhả ững năm 1980, trên thị trường xu t hi n m t loấ ệ ộ ại ắc quy m i ớ

là ắc quy ki m Lo ắề ại c quy này r t khác v i các lo i ắc quy trước đó vì nó hoạấ ớ ạ t

động nhiở ệt độ cao Một điểm đặc bi t khác c a lo i c quy này là nó có th s ệ ủ ạ ắ ể ử

d ng nhi u loụ ề ại điện c c khác nhau t ki m nóng ch y và b n c c c ng t g m Vì ự ừ ề ả ả ự ứ ừ ố

lý do hoạt động nhiở ệt độ cao và có không nhi u công ty cung c p nên loề ấ ại ắc quy này cũng không có khả năng ứng d ng trong công ngh ụ ệ xe lăn

d Ắc quy Lithium

Vào cu i nhố ững năm 80, trên thị trường xu t hi n loấ ệ ại ắc quy Lithium có th ể

s c l i Tuy có giá thành cao song ạ ạ nó có ưu điểm là có mật độ năng lượng l n nên ớđượ ức ng d ng r t r ng rãi trong các thi t b công ngh cao, yêu c u c quy có kích ụ ấ ộ ế ị ệ ầ ắthước nh gỏ ọn như các laptop hay điện thoại di động

Loại ắc quy này s d ng metan kim lo i làm cử ụ ạ ực dương và oxit kim loại làm

c c âm Ph n ự ả ứng phóng điện:

xLi +MyOz ↔LixMyOz 5) (1

Khi sạc phả ứn ng s di n ra theo chiẽ ễ ều ngượ ạc l i, phụ ồi trạc h ng thái ắc quy.Tuy có r t nhiấ ều ưu điểm song do giá thành tương đối cao, m t khác th ặ ịtrường l i ch ph bi n các lo i c quy c nhạ ỉ ổ ế ạ ắ ỡ ỏ, dung lượng th p dùng trong các thi t ấ ế

b t ti n c m tay hay trong các máy tính laptop nên loị đắ ề ầ ại ắc quy này cũng không phù hợp đểcung cấp năng lượng cho xe lăn điện

1.4 Cấu tạo và các đặc tính phóng nạp ắc quy chì axit

Hình 1.4 Cấu tạo ắc quy

- Bình acquy được chia thành nhi u ng n, thông th ng là 6 ề ă ườ ngăn M i ỗ

- Phần n p c a quy ắ ủ ac để che kín những b ph n bên trong bình, ngăn ộ ậ

ngừa ụb i và c v t kh t bên ngoài r vào bên ong bình, ng th i gi chcá ậ ác ừ ơi tr đồ ờ ữ o dung dịch đ ệ i n phân không b tr ngoài ị àn ra

- Dung dịch điện phân là axit sunfuric H2SO4 được pha ch t axit nguyên ế ừ

chất và nướ ấ ớ ồng độc c t v i n tùy thu c vào th i tiộ ờ ết và điều ki n khí h u Nệ ậ ồng độaxit có ảnh hưởng lớn đến su t điấ ện động c a ac quy ủ

1.4.2 Quá trình phóng nạp của ắc quy chì axit –

a Quá trình phóng

N i hai b n c c c a acquy ã ố ả ự ủ đ được n p i n v i m t ph t i ạ đ ệ ớ ộ ụ ả thì năng l n ượ g tích tr ữ trong ac qu y s phóng qua t i D g i n c a quy s i theo iẽ ả òn đ ệ ủ ac ẽ đ ch ều: ự C c

d ng c a ươ ủ acquy → ả → ự t i c c âm c acquy ủa

Quá ình phóng tr điện c a ac quy, ph n ng hoá h c x y ra ong ac quy ủ ả ứ ọ ả tr

d ch giị ảm dần và suất đ ện đội ng c a ac quy cũng giảm theo ủ

Quá trình này diễn ra trong ắc quy được mô t ả như sau

Hình 1.5 Ph n ng mô t ả ứ ả quá trình phóng điện trong c quy ắ

b Quá trình nạp

Đem n i ngu n i n m t iố ồ đ ệ ộ ch u o hai ề và đầu c c c a quy dòng ự ủ ac thì đ ệi n m t ộ

chi u ề được khép kín qua m ch acquy và dòng i n ạ đ ệ đi theo chiều: c c ự dương c a ủ

ngu n m t ồ ộ chiề → cực dương của ắu c quy → dung d ch i n phân ị đ ệ → ực c âm c a ủacquy → cực âm c a ngu n m t ủ ồ ộ chiều

Dòng đ ệi n m t iộ ch u s làm ề ẽ cho dung dịch điện phân phân ly:

H2SO4 → 2H+ + SO42- (1.8) Cation H+ theo dòng i n v ía b n c c n i v i âm ngu n i n và đ ệ đi ề ph ả ự ố ớ ồ đ ệ

t o thành ph n ng t i ạ ả ứ ạ đó:

2H+ + PbSO4 → H2SO4 + Pb (1.9) Các cation SO42- ch y v phía chùm b n c c n i v i d ng ngu n i n vàạ ề ả ự ố ớ ươ ồ đ ệcũng t o ạ thành ph n ng t i ó:ả ứ ạ đ

PbSO4 + 2H2O + SO42- → PbO2 + 2H2SO4 (1.10)

K t qu là b n c c n i v i d ng ngu n i n ế ả ở ả ự ố ớ ươ ồ đ ệ có Pb 2 (chì dioxit) và O

ở chùm bản c c kia có chì ự Pb, như ậ ở v y hai chùm b n c c ã có s khác nhau v ả ự đ ự ề

cực nh.Quá trình này được mô tả như sau:tí

Hình 1.6 Ph n ng mô t quá trình nả ứ ả ạp điện cho ắc quy

c Các quá trình khác

Ngoài nh ng ph n ng tữ ả ứ ạo ra năng lượng và n p lạ ại như đã mô tả ở trên, trong ắc quy chì axit còn di n ra m t s ạễ ộ ố lo i ph n ng khác dả ứ ẫn đến hiện tượng t ựphóng điện trong ắc quy Điều này x y ra là vì h c quy chì axit là m t h không ả ệ ắ ộ ệ

b n và di n ra nh ng ph n ng dù r t chề ễ ữ ả ứ ấ ậm tại các bả ực.n c

Tại bả ực dươngn c

Tại bả ực âm n c

Pb + H2SO4 ↔PbSO4 + H2 (1.12) Những ph n ng tả ứ ạo ra khí oxi và hydro này cũng đồng th i x y ra trong quá ờ ảtrình phóng điện c a c quy và tùy thu c vào trủ ắ ộ ạng thái phóng điện c a c quy Nó ủ ắ

s di n ra càng nhanh n u ẽ ễ ế ắc quy phóng càng nhanh Đó cũng chính là nguyên nhân gây lên t n th t s c trong ổ ấ ạ ắc quy Năng lượng đưa vào ắc quy không được chuyển hóa hết thành năng lượng đầu ra

Một điểm cần lưu ý khác là tốc đ phóng điệộ n di n ra không hoàn toàn giễ ống nhau mở ọi ngăn trong ắc quy Điều này có nghĩa là có những ngăn bị ả sâu hơn x

những ngăn khác Như vậy trong quá trình sạc để đả m b o t t c ả ấ ả các ngăn trong ắc quy đều đầy thì m t s c quy c n ph i s c quá no(over-ộ ố ắ ầ ả ạ charged) Khí được thoát ra

do nước b ị điện phân khi trên các b n c c không còn ả ự chì sunphat để cho hay nh n ậelectron Nó sảy ra khi c quy đã đ y hoắ ầ ặc gần đầy

Hình 1.7 Ph n ng mô t quá trình no trong ả ứ ả ắc quyKhi ph n ng trên diả ứ ễn ra, làm cho nước trong c quy b ắ ị chuyển thành oxy

và hydro Đố ới v i các c quy h trư c kia khí b thoát ra và làm thắ ở ớ ị ất thoát nước c a ủdung môi c quy và chúng ta c n có biắ ầ ện pháp để ổ sung nướ b c trong quá trình s ử

d ng Tuy nhiên hi n nay v i các c quy khô ho c các ụ ệ ớ ắ ặ ắc quy được đóng kín, khí thoát ra trong quá trình sạc được gi l i trong ữ ạ ắc quy và dưới những điều ki n nào ệ

đó nó sẽ được tái t o tr lạ ở ại thành nước M c dù vặ ậy ta cũng cần h n ch tạ ế ốc độ khí thoát ra trong khi sử ụ d ng

Như vậ ắc quy kín đã khắy c phục được một nhược điểm l n c a c quy chì ớ ủ ắaxit và giúp c quy chì axit có tu i th ắ ổ ọ cao hơn Tuy nhiên v n còn m t vẫ ộ ấn đề ồn t

tại ảnh hưởng đến tu i th ổ ọ ắc quy Đó là hiện tượng sunfat hóa di n ra khi c quy ễ ắphóng điện trong thời gian dài hay để quá lâu mà không phóng hay n p lạ ại Như ta thấy ph n ả ứng sinh năng lượng trong c quy, hay ph n ứắ ả ng t x y ra t i các b n c c ự ả ạ ả ựkhi 2 đầ ắc quy để ở ạu h t o ra chì sunfat trên các b n c c Các tinh th chì sunfat này ả ự ể

k t h p vế ợ ới nhau thành nhưng lớp đóng trên bề ặ m t các b n cả ực, ngăn cản s ựtiếp xúc c a các b n c c vủ ả ự ới dung môi Hơn nữa nh ng l p tinh th này l i rữ ớ ể ạ ất khó để

biến đổi trở ạ l i thành chì hay chì dioxit

Đặc tính phóng điện c a c ủ ắ quy là đồ ị ể ệ th th hi n m i quan h gi a suố ệ ữ ất điện

động c quyắ , điện áp trên 2 c c c a c quy và nự ủ ắ ồng độ dung dịch điện phân theo

th i gian ờ phóng với dòng điện phóng không đổ i

Hình 1.8 Đặc tính phóng điệ ủn c a một ngăn ắc quy

- Thời gian t ừ t = 0 đến t = tgh: khoảng thời gian phóng điệ ổn địn nh

Trong thời gian phóng điệ ổn địn nh, suất điện động, điện áp và nồng độ dung

dịch chất điện phân giảm vớ ội đ dốc nhỏ

- Thời gian sau t = tgh : kho ng ngh ả ỉ

Trong kho ng th i gian này, n u ti p tả ờ ế ế ục cho acquy phóng điện thì suất điện động và điện áp acquy gi m rả ất nhanh Đồng th i trong quá trình này x y ra các ờ ả

biến đổi hóa h c bên trong dung d ch chọ ị ất điện phân làm h i acquy N u ng t ac ạ ế ắquy ra kh i m ch, các giá tr ỏ ạ ị E, U tăng lên Đây chính là giai đoạn phuc h i cồ ủa acquy

- t = tgh: được gọi là thời gian phóng điện giới hạ ủa Acn c quy

Đặc tính nạp điện c a Ac ủ quy là đồ th th hi n m i quan h gi a suị ể ệ ố ệ ữ ất điện

động Ac quy, điện áp trên 2 c c c a Ac quy và nự ủ ồng độ dung dịch điện phân theo

thời gian n p vạ ới dòng điện nạp không đổi

Hình 1.9 Đặc tính n p c quy ạ ắThời gian t ừ t = 0 đến t =ts: Khoảng th i gian nờ ạp điện hi u d ng ệ ụ

Trong thời gian nạp điện ổn định, suất điện động, điện áp và nồng độ dung dịch chất điện phân tăng dần

- t = ts: Thời điểm sôi

Tại thời điểm này, các bọt khí xuất hiện trên mặt các bản cực do hiện tượng điện phân nước trong quá trình nạp Lúc này suất điện động trên mỗi ngăn acquy vào khoảng 2.4 V

- Sau thời điểm t = ts : Thời gian nạp no

Suất điện động tăng nhanh tới giá trị 2.7V sau đó ổn định ở giá trị này Thời gian nạp no thường kéo dài trong khoảng 2 3h để tăng dung lượng cho acquy.-

- Sau th i gian n p no : Kho ng ngh ờ ạ ả ỉ

Suất điện động của acquy giảm xuống tới giá trị ổn định, khoảng 2.11V Đồng thời nồng độ dung dịch chất điện phân cũng giảm xuống giá trị ổn định

- Trị ố s dòng n p ạ ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tu i th c a Acquy ổ ọ ủDòng điện nạp định mức đối với acquy là In = 10% C10

Trong đó : C10là dung lượng phóng định mức 10h

1.5 Phương pháp sạc cho ắc quy

Đây là phương pháp sạ ắc quyc mà trong quá trình s c ta gi ạ ữ ổn định dòng

n p 1 giá tr ạ ở ị không đổi

Điều ki n s c : ệ ạ các ắc quy mắc nối tiếp nhau và thỏa mãn :

2.7

n aq

Trong đó : Un điện áp s c (V) ạ

Naq là số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch nạp

Phải có biến trở R để duy trì dòng sạc không đổi, do trong quá trình sạc suất điện động của acquy thay đổi

2

n aq n

Nhận xét :

Ưu điểm : N p no ac ạ quy, đảm b o tu i th acquy ả ổ ọ

Nhược điểm : Th i gian n p kéo dài ờ ạ

1.5.2 Phương pháp sạc áp không đổi

Đây là phương pháp sạc trong đó ta giữ điện áp 2 đầ ắ quy không đổu c i trong suốt quá trình sạc

Điều ki n s c: ệ ạ các acquy đơn mắc song song với nhau, hiệu điện thế trên mỗi ngăn không đổi khoảng (2.3 2.5)V với sai số 3%-

Dòng điện sạc thay đổi, lúc đầu dòng khá lớn sau đó giảm d n : ầ

n n n

aq

I R

Ưu điểm : N p nhanh ạ

Nhược điểm : Nạp không no, thường ch ỉ dùng để ạ n p b ổsung

Phương pháp sạc theo dòng áp kh c phắ ục được các nhược điểm c a 2 ủphương pháp trên, chế độ ạp bám theo đường đặ n c tính có tác d ng n p no, th i ụ ạ ờgian n p ng n Tuy nhiên vạ ắ ẫn chưa phải là phương pháp tối ưu cho việc nạp ắc quy chì axit

1.6 Phân tích mô hình của ắc quy chì axit

Ắc quy được sử dụng trong phân tích này là ắc quy chì axit 12V được cung cấp bởi hãng Sonnenshein Thông số của ắc quy được đề xuất ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Thông số của ắc quy

Đối với mô hình của ắc quy có nhiều thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của

ắc quy, nhưng quan trọng nhất là các hệ số sau

- Trạng thái nạp SOC

- Dung lượng lưu trữ của ắc quy

- Tốc độ nạp/xả

- Nhiệt độ

- Tuổi thộ của ắc quy

1.6.1 Các giả thiết đối với mô hình của ắc quy

Để đơn giản trong việc mô hình hóa ắc quy các giả thiết sau được đưa ra

- Trở kháng nội được giả thiết là không đổi trong suốt quá trình nạp/xả và không thay đổi theo biên độ của dòng điện

- Các thông số được suy ra từ đặc tính xả và được giả sử là giống với các thông số được suy ra từ đặc tính nạp

- Dung lượng ắc quy không thay đổi theo biên độ của dòng điện

- Mô hình không đưa ra được nhiệt độ cũng như tuổi thọ của ắc quy

Mô hình của một ắc quy chì axit sẽ được thành lập trên Matlab/Simulink Mạch tương đương của ắc quy được trình bày như hình 1.10

Hình 1.10 Mạch tương đương của ắc quy Việc kiểm soát được thực hiện bằng cách đo dòng điện chảy qua điện trở nội Dòng điện này được lọc để đo được giá trị trung bình Khả năng chiết suất của

ắc quy được tính toán bằng cách tích phân dòng điện đo được Vì vậy để thực hiện việc kiểm soát thì các biến thu được được đưa đến hai phương trình động học khác nhau để kiểm soát điện áp đầu ra của ắc quy Một mạch chuyển đổi để lựa chọn phương trình cần thiết cho mô hình hoạt động của ắc quy đối với quá trình nạp xả của chúng

1.6.2 Phương trình động học của ắc quy chì axit

Các phương trình động học dưới đây được đề xuất sử dụng để mô hình hóa

ắc quy chì axit

Trong chế độ nạp, dòng điện lọc được xem như có giá trị dương *

0

i  và thực nghiệm đã đưa ra phương trình sau

Mặt khác khi ắc quy ở trong chế độ xả thì dòng điện nạp mang giá trị âm i*  0

E là điện áp không đổi (V)

K là điện trở phân cực (Ohms)

Q là dung lượng cực đại của ắc quy (Ah)

( )

i t là dòng điện của ắc quy (A)

*

i là dòng điện qua lọc tần số thấp (A)

it là dung lượng phát ra (Ah)

năng lượng mà chúng được nạp đầy SOC định nghĩa năng lượng đầy là 100% còn không có năng lượng là 0% Để tính toán được trạng thái nạp SOC thì phương trình (1.22) được đưa ra

0 ( )

100 1

t

i t dt SOC

1.6.4 Mô hình và kết quả mô phỏng ắc quy

Dựa vào các phương trình được thành lập ở trên, mô hình của một ắc quy chì – axit được mô phỏng trên Matlab/Simulink như hình 1.11

Hình 1.11 Mô hình ắc quy Kết quả mô phỏng quá trình nạp xả của ắc quy chì axit được đưa ra ở hình 1.12

Hình 1.12 Quá trình nạp xả ắc quy chì axit

Dung lượng của ắc quy trong quá trình xả được đưa ra ở hình 1.13

Hình 1.13 Dung lượng ắc quy trong quá trình xả

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ ĐIỆN

Biến đổi khí h u và các h n ch v nhiên li u hóa thậ ạ ế ề ệ ạch đã ảnh hưởng r t ấnhiều đến kinh t ế thế ớ gi i và sinh thái Cùng v i m t th ớ ộ ị trường đang phát triển nhanh cho các thi t b ế ị điệ ử di động và xe điện t n, nhu c u v m t nguầ ề ộ ồn năng lượng cao thân thi n vệ ới môi trường Siêu t ụ điện đã thu hút được s ự chú ý đáng kể là ngu n cung c p cho các thi t b ồ ấ ế ị xung điện vì siêu t ụ điện có vòng đời dài, nguyên lý đơn g ản, đội ng học cao đố ới v i quá trình n p x V i kh ạ ả ớ ả năng lưu trữ công su t cao ấ

và mật độ công suất tương đố ới l n so v i các t ớ ụ điện thông thường, các siêu t ụ điện cung c p m t cách ti p cấ ộ ế ận đầy h a hứ ẹn để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng của h thệ ống lưu trữ năng lượng trong th k 21 Hi n nay các siêu t ế ỷ ệ ụ điện được s d ng r ng rãi trong các thiử ụ ộ ết điệ ửn t tiêu dùng, b nh h th ng back up ộ ớ ệ ố –

và điện công nghi p, quệ ản lý năng lượng M t ng d ng gộ ứ ụ ần đây nhất là vi c s ệ ử

d ng các siêu t ụ ụ điện trong c a kh n c p trên máy bay Airbus A380, làm n i bử ẩ ấ ổ ật

hi u suệ ất an toàn và đáng tin cậy c a máy bay M t trong nh ng ng d ng h a h n ủ ộ ữ ứ ụ ứ ẹ

nh t là ng d ng siêu t ấ ứ ụ ụ điện trong các xe điện và xe điện lai nh m giằ ảm lượng khí thải Trong trường h p này, các siêu t ợ ụ điệ đượn c k t h p v i các c quy ho c pin ế ợ ớ ắ ặnăng lượng l n ph c v ớ ụ ụ như một thi t b ế ị lưu trữ năng lượng công su t l n trong th i ấ ớ ờgian ng n khi x y ra quá trình phanh, hãm Siêu t ắ ả ụ điện trong tương lai sẽ có một vai trò quan trọng tương đương vớ ệi h thống pin trong việc lưu trữ năng lượng 2.1 T ng quan v siêu t ổ ề ụ

2.1.1 L ch s phát tri n ị ử ể

Việc lưu trữ năng lượng b ng t m kim lo i và dung dằ ấ ạ ịch điện phân đã được thực hi n b i các nhà hóa h c t u th k XIX Tuy nhiên vi c s d ng t ệ ở ọ ừ đầ ế ỷ ệ ử ụ ụ điện chỉ ự ự đượ ử ụ th c s c s d ng để lưu trữ năng lượng t ừ năm 1957, khi một b ng sáng ằchế được đưa ra bởi hãng General Electric cho m t t ộ ụ điện s dử ụng các điện c c ựcacbon x p Tuy th a nh n b ng sáng chố ừ ậ ằ ế, nhưng người ta không biết rõ được cơ chế mà thi t b ế ị này lưu trữ năng lượng, người ta tin rằng năng lượng đã được lưu trữ

ở các l m ng tinh th ỗ ạ ể cacbon và điều này giúp cho t ụ điện có một điện dung c c k ự ỳcao Sau đó, vào năm 1966, công ty Standard Oil, Cleveland, Ohio (SOHIO), đã cấp

b ng sáng ch cho m t thi t b ằ ế ộ ế ị năng lượng giao di n l p kép T i thệ ớ ạ ời điểm này SOHIO th a nh n r ng giao di n c a l p kép hoừ ậ ằ ệ ủ ớ ạt động như mộ ụ điện có điện t t dung tương đối cao SOHIO ti p t c c p m t b ng sáng ch cho t ế ụ ấ ộ ằ ế ụ điện hình đĩa vào năm 1970 sử ụ d ng m t thanh cacbon dán ngâm vào m t chộ ộ ất điện phân Tuy nhiên vào năm 1971, SOHIO đã phát triển thành công công ngh ệ NEC NEC đã đi vào sản

xuất thương mạ ầi đ u tiên thành công với tụ ớp kép hay còn được gọ l i là siêu t Các ụthiế ị này có điệt b n áp th p và tr kháng n i cao lên ch y u s d ng trong vi c sao ấ ở ộ ủ ế ử ụ ệlưu d ữ liệu Vào năm 1987 ELNA đã bắt đầu s n xu t t l p kép mang tên ả ấ ụ ớDynacap Các tụ ớ l p kép công su t lấ ớn được phát tri n b i PRI Các siêu t PRI ể ở ụđược phát tri n t nhể ừ ững năm 1982 kế ợt h p với các điện c c kim loự ại oxit và được

ứng d ng cho các thi t b quân s ụ ế ị ự như vũ khí laze và hệ th ng dố ẫn hướng c a tên ủ

l a Mử ới đây siêu tụ điện được b ộ năng lượng M (DOE) nghiên c u s d ng cho ỹ ứ ử ụ

xe điện lai, vào năm 1992 chương trình phát triển siêu t ụ điện đã được ti n hành ếtrong phòng thí nghiệm Maxwell

2.1.2 Nguyê n lý cơ bả n

Siêu t ụ điện được coi là thi t b ế ị lưu trữ năng lượng d a trên hi u bi t v các ự ể ế ềquá trình v t lý di n ra trên b mậ ễ ề ặt các điện c c T ự ụ điện hóa hoạt động tương tựnhư tụ ện thông thườ đi ng ngo i tr m t lạ ừ ộ ớp điện phân luôn t n t i l p kép M t t ồ ạ ở ớ ộ ụthông thường lưu trữ năng lượng dướ ạng điệi d n tích và m t t ộ ụ điện thông thường điển hình g m hai b n d n cách nhau b i chồ ả ẫ ở ất điện môi được th hiể ện như hình 2.1

T ụ điện là m t linh kiộ ện điệ ửn t thụ độ ng t o b i hai b m t dạ ở ề ặ ẫn điện được ngăn cách bởi điện môi Khi có chêch lệch điện th t i hai b m t, t i các b m t s ế ạ ề ặ ạ ề ặ ẽ

xuất hiện điện tích cùng cường độ nhưng trái dấu

S tích t ự ụ điện tích trên hai b m t t o ra kh ề ặ ạ ả năng tích trữ năng lượng điện trường c a t ủ ụ điện Khi chêch lệch điện th trên hai b mế ề ặt là điện th xoay chi u, ế ề

s ự tích lũy điện tích b ị chậm pha so với điện áp, t o lên tr kháng c a t ạ ở ủ ụ điện trong

mạch điện xoay chi u ề

V mề ặt lưu trữ năng lượng, t ụ điện có ph n gi ng vầ ố ới ắc quy M c dù cách ặ

hoạt động của chúng hoàn toàn khác nhau nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điệ Ắn c quy có hai c c, bên trong x y ra ph n ng hóa h c đ t o ra electron ự ả ả ứ ọ ể ạ

ở ự c c này và chuy n sang c c kia T ể ự ụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể ạ t o electron, nó chỉ lưu trữ chúng T ụ điện có kh ả năng nạp x r t nhanh ả ấ Đây là ưu thế

của nó so với ắc quy

Hình 2.1 Cấu trúc c a m t tụ điện thông thườủ ộ ng Điện dung là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng tích điện giữa hai bả ụn t điện, điện dung c a t ủ ụ điện ph thu c vào di n tích b n c c, v t li u làm chụ ộ ệ ả ự ậ ệ ất đ ệi n môi và khoảng cách gi a hai bả ựữ n c c

CV

=

(2.2)Trong đó

C là điện dung c a t đi n ủ ụ ệ

 là hằng s ố điện môi của lớp cách điện

W là năng lượng lưu trữ

2.1.3 Phân lo i siêu t n ạ ụ điệ

Nói chung trên cơ sở cơ chế lưu trữ năng lượng, siêu t ụ điện có th phân ểthành hai lo i Th ạ ứ nhất là lo i t ạ ụ điện l p kép EDLC, ớ ở đó thành phần điện dung được xu t phát t ấ ừ điện tích tích điện thu n túy t các b mầ ừ ề ặt điện/điện do đó nó phụthuộ ấc r t nhi u vào di n tích b m t c a v t liề ệ ề ặ ủ ậ ệu điện cực lưu giữ điện tích Th hai ứ

là lo i gi t ạ ả ụ điện (pseudo – capacitor) trong đó các quá trình cảm ứng điện di n ra ễnhanh và cơ chế ph c hụ ồi Hai cơ chế có th hoể ạt động đồng th i tùy theo tính ch t ờ ấ

c a v t liủ ậ ệu điện c c Tiự ến độ phát tri n c a siêu t ể ủ ụ được thừa hưởng b i công ngh ở ệnano Hình 2.2 trình bày cách phân lo i siêu t ạ ụ điện

Hình 2.2 Phân loại siêu t ụ điện

2.1.4 Cơ chế lưu trữ năng lượ ng c a t n l p kép EDLC ủ ụ điệ ớ

T ụ điện thông thường lưu trữ được ít năng ợlư ng do khu vực lưu trữ ạ h n ch ế

và kho ng cách gi i h n gi a hai t m s c Tuy nhiên, các siêu t ả ớ ạ ữ ấ ạ ụ điện dựa trên cơ chế EDL có th ể lưu trữ được nhiều năng lượng hơn do bề mặt lưu trữ ộ r ng l n và ớkho ng cách gi a hai t m s c có kích c nguyên t Khái ni m v ả ữ ấ ạ ỡ ử ệ ề EDL được mô t ả

đầu tiên b i Von Helmholtz vào th k 19, khi ông nghiên c u v s phân b các v ở ế ỷ ứ ề ự ố ịtrí lưu trữ điện tích trên các h t keo Mô hình tr ng thái l p kép Helmholtz có hai ạ ạ ớ

l p v ớ ị trí lưu trữ ở ề ặt điện/điện và được ngăn cách bở b m i kho ng cách nguyên tả ử

Mô hình này tương tự như tụ điện có hai t m dấ ẫn thông thường Mô hình Helmholtz đơn giản hơn nữa được sửa đổ ởi b i Gouy và Chapman, xem xét các phân b liên t c ố ụ

của các ion điện phân (bao g m c cation và anion) trong dung dồ ả ịch điện phân, do chuyển động nhiệt được gọi là lớp khuy ch tán ế

Hình 2.3 Mô hình lưu trữ năng lượng l p kép a) Mô hình Helmholtz; ớ

b) Mô hình Gouy Chapman; c) Mô hình Stern –

IHP định nghĩa khoảng cách mà ion ch c ch n b h p th (thư ng là anion) ắ ắ ị ấ ụ ờ

và OHP định nghĩa khoảng cách mà các ion không ch c ch n b h p thắ ắ ị ấ ụ OHP cũng

là nơi mà lớp khuy ch tán bế ắt đầu, d là kho ng cách gi a hai lả ữ ớp được mô t b i mô ả ởhình Helmholtz  , 0 là các điện th t i b mế ạ ề ặt điện c c và b mự ề ặt điện/điện tương

ứng Tuy nhiên mô hình Gouy Chapman d n ra m t k t qu – ẫ ộ ế ả điện dung quá lớn đối

với mô hình EDL Điện dung c a hai b n t t l ngh ch v i kho ng cách giủ ả ụ ỷ ệ ị ớ ả ữa chúng, do v y mậ ột điện dung r t l n s ấ ớ ẽ đượ ạo ra khi các điểm lưu trữc t ion gở ần

b mề ặt điện Sau đó, Stern kết h p mô hình Helmholtz v i mô hình Gouy ợ ớ –Chapman để đưa ra hai khu vực phân ph i ion rõ ràng bên trong lố ớp đặc hay l p ớStern và l p khuy ch tán Trong lớ ế ớp đặc ion được h p th m nh m ấ ụ ạ ẽ lên được g i là ọ

l p c Ngoài ra lớ đặ ớp đặc bao g m l p ch c ch n h p th ion và l p không chồ ớ ắ ắ ấ ụ ớ ắc chắn h p th ion M t bên trong Helmholtz (IHP) và m t bên ngoài Helmholtz ấ ụ ặ ặ(OHP) được s dử ụng để phân bi t hai lo i ion h p th Khu v c khuyệ ạ ấ ụ ự ếch tán cũng

giống như những gì mô hình Gouy – Chapman đã định nghĩa Điện dung trong EDL (C dl) có th ể được coi là m t s k t h p c a các t t hai khu vộ ự ế ợ ủ ụ ừ ực, điện dung Stern

c a khu v c lủ ự ớp đặc (C H ) và điện dung l p khuy ch tán (ớ ế C diff ) Do đó C dl được

x p v i di n tích b m t l n, tr ng thái EDL t i các khe b m t cố ớ ệ ề ặ ớ ạ ạ ề ặ ủa điện c c xự ốp

ph c tứ ạp hơn nhiều so với ở trên m t m t phộ ặ ẳng Hình 2.4 là sơ đồ minh h a mọ ột EDLC điện c c cacbon làm b ng x p Viự ằ ố ệc ước lượng điện dung c a siêu t ủ ụ điện được tính như đố ớ ụ điệi v i t n có hai tấm song song thông thường