CHƯƠNG 7 TÍCH CHỮ NĂNG LƯỢNG, ĐH CÔNG NGHỆ GTVT

CHƯƠNG 7: TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG “Energy storages” định nghĩa sách thiết bị tích trữ lượng vừa phân phối lượng (phóng), vừa hấp thu lượng từ bên (nạp) Có nhiều loại thiết bị tích trữ lượng đề xuất ứng dụng xe điện (EV) xe lai điện (HEV) Các thiết bị tích trữ lượng gồm: ắc quy hóa học, siêu tụ bánh đà tốc độ cao Pin nhiên liệu thiết bị chuyển đổi lượng thảo luận Chương Có nhiều yêu cầu cho thiết bị tích trữ lượng ứng dụng ô tô như: số lượng riêng, công suất riêng, hiệu suất, yêu cầu bảo dưỡng, bảo quản, giá cả, thích ứng thân thiện với môi trường, an toàn Đối với thiết bị tích trữ lượng EV số lượng riêng điều quan tâm giới hạn pham vi hoạt động xe Mặt khác, HEV số lượng riêng quan trọng số công suất riêng quan tâm Bởi tất lượng xuất phát từ nguồn lượng (động pin nhiên liệu) nên việc tạo đủ công suất cần thiết để đảm bảo cho tính hoạt động xe, đặc biệt suốt trình tăng tốc, leo dốc, phanh tái sinh Tất nhiên, yêu cầu khác đề cập phần phát triển hệ thống truyền lực xe 7.1 Ắc quy, công nghệ ắc quy: 7.2 SIÊU TỤ Do EV HEV hoạt động chế độ chạy – ngừng thường xuyên biên dạng phóng nạp thiết bị tích trữ ắc quy biến thiên lớn Công suất trung bình yêu cầu từ thiết bị tích trữ lượng thấp nhiều công suất cực đại yêu cầu thời gian tương đối ngắn tăng tốc leo dốc Tỉ số công suất cực đại với công suất trung bình 7:1 (đề cập Chương 2) Thật lượng dùng để tăng tốc giảm tốc thời gian ngắn ngủi xấp xỉ 2/3 tổng lượng toàn chu kỳ hoạt động xe thành phố (Chương Chương 9) Trong thiết kế HEV, khả công suất cực đại thiết bị tích trữ lượng quan trọng khả năng lượng riêng chi phối giảm kích thước ắc quy Với công nghệ ắc quy nay, thiết kế ắc quy phải hòa hợp hai số lượng riêng công suất riêng chu kỳ vòng đời Để tương thích giá trị đạt giá trị cao thật khó, nên có vài đề xuất rằng: sử dụng hệ thống tích trữ lượng cho EV HEV kết hợp từ hai nguồn: nguồn lượng, nguồn công suất Nguồn lượng ắc quy pin nhiên liệu có lượng riêng cao, nguồn công suất có công suất riêng cao Nguồn công suất nạp từ nguồn lượng suốt trình dẫn động phanh nạp Nguồn công suất nhận quan tâm rộng rãi siêu tụ 7.2.1 Đặc điểm siêu tụ Siêu tụ có đặc tính công suất riêng cao nhiều so với ắc quy hóa học, có lượng riêng thấp Năng lượng riêng nằm phạm vi vài Wh/kg Tuy nhiên công suất riêng đạt kW/kg cao nhiều so với loại ắc quy Do mật độ lượng riêng thấp phụ thuộc điện áp vào SOC nên thật khó cho siêu tụ hoạt động thiết bị tích trữ lượng cho EVs HEVs Tuy nhiên, siêu tụ có nhiều ưu điểm để làm nguồn công suất phụ trợ Một ứng dụng đầy hứa hẹn gọi nguồn lượng ắc quy-siêu tụ cho EVs HEVs Yêu cầu lượng riêng công suất riêng độc lập với nhau, có thêm hội để thiết kế ắc quy có lượng riêng tương đối, với vòng đời dài mà không cần quan tâm nhiều đến công suất riêng Do mức độ tải trọng ảnh hưởng đến siêu tụ nên dòng phóng cao từ ắc quy dòng nạp đến ắc quy trình phanh tái sinh đạt cực tiểu, lượng tích trữ lâu, độ bền tuổi thọ ắc quy tăng lên đáng kể 7.2.2 Nguyên lý hoạt động siêu tụ Công nghệ tụ hai lớp mấu chốt để hiểu khái niệm siêu tụ Nguyên lý tụ hai lớp minh họa Hình 7.8 Khi hai carbon nhúng vào dung dịch axit sulfuric loãng, ngăn cách với nạp với điện áp tăng từ - 1,5V, tượng xảy điện áp lên đến 1V Khi điện áp 1.2V thấy xuất bọt khí nhỏ hai cực Các bọt khí phân ly nước Dưới điện áp phân ly không hình thành dòng điện, “lớp lưỡng cực điện” sau hình thành biên giới cực chất điện phân Các electron trao đổi qua lớp lưỡng cực điện hình thành tụ điện Một lớp lưỡng cực điện làm việc lớp cách điện điện áp thấp điện áp phân ly Năng lượng tích trữ, Ecap thể sau: E = CV (7.22) 2 cap Trong C điện dung (F) V điện hiệu dụng (V) Phương trình cho thấy mức điện áp V cao mong muốn cho giảm lượng riêng công suất riêng xe Gần đây, có phương pháp đề suất thay giảm độ dày totor đến biên biên rotor làm dày Vì vậy, vùng phía vành bánh đà (một cầu chảy khí ảo) vỡ trước rotor gặp phải hư hỏng Do sử dụng cầu chảy khí nên có vành bánh đà giải phóng phân tán vào vỏ bánh đà (tùy theo hư hỏng) Nhiều công ty tổ chức nghiên cứu có liên kết việc phát triển công nghệ siêu tụ dùng thiết bị tích trữ lượng EV HEV, công ty: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in the U.S., Ashman Technology, AVCON, Northrop Grumman, Power R&D, Rocketdyne/Rockwell Trinity Flywheel US Flywheel Systems, Power Center at UT Austin, v.v Tuy nhiên, công nghệ hệ thống bánh đà siêu tốc non nớt Một hệ thống bánh đà siêu tốc tiêu biểu đạt lượng riêng từ 7-155 Wh/kg công suất riêng từ 2-7 kW LLIL chế tạo phiên mẫu bánh đà siêu tốc (đường kính 20 cm cao 30 cm) đạt đến số vòng quay 60000 rpm, kWh 70 kW 7.4 CÁC THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG KẾT HỢP Các thiết bị tích trữ lượng kết hợp từ hai nhiều hai thiết bị tích trữ lượng lại với để tận dụng ưu điểm khắc phục nhược điểm chúng Ví dụ, kết hợp ắc quy hóa học với siêu tụ khắc phục nhiều vấn đề công suất riêng thấp ắc quy điện hóa lượng riêng thấp siêu tụ, đạt công suất riêng lượng riêng cao Cơ bản, thiết bị tích trữ lượng kết hợp gồm hai thiết bị tích trữ lượng: với lượng riêng cao với công suất riêng cao Hoạt động hệ thống miêu tả Hình 7.18 Trong lúc yêu cầu hoạt động với công suất cao tăng tốc leo dốc hai thiết bị tích trữ lượng cung cấp công suất cho tải Hình 7.18(a) Mặt khác, lúc hoạt động với yêu cầu công suất thấp xe chạy với tốc độ không đổi, thiết bị có lượng riêng cao phân phối công suất đến cho tải nạp cho nguồn công suất riêng cao để phục hồi lại mát suốt trình yêu cầu công suất cao Hình 7.18(b) Trong chế độ hoạt động phanh tái sinh, công suất cực đại hấp thụ nguồn công suất riêng cực đại có phần hấp thụ nguồn lượng riêng cao Theo phương pháp hệ thống nhỏ gọn nhẹ sử dụng thiết bị tích trữ lượng Dựa công nghệ sẵn có thiết bị tích trữ lượng khác có nhiều dự áp kết hợp dùng cho EV HEV, tiêu biểu như: ắc quy kết hợp với ắc quy, ắc quy kết hợp với siêu tụ Mô hình sau dùng nhiều siêu tụ cung cấp công suất cao nhiều so với ắc quy, kết hợp với nhiều loại ắc quy khác để tạo nên hệ thống ắc quy-siêu tụ Khi kết hợp, cách đơn giản nối siêu tụ với ắc quy cách trực kiểu song song, minh họa Hình 7.19 Trong cấu trúc này, siêu tụ đơn giản hoạt động tụ lọc dòng Nó làm ổn định dòng dao động ắc quy giảm điện áp rơi ắc quy Hình 7.20 Hình 7.21 Các nhược điểm cấu trúc dòng công suất không điều khiển linh động lượng siêu tụ sử dụng hết Hình 7.22 cho thấy cấu trúc chuyển đổi chân DC/DC đặt ắc quy siêu tụ Thiết kế cho phép ắc quy siêu tụ có điện áp hoạt động khác nhau, dòng công suất chúng điều khiển linh hoạt lượng siêu tụ sử dụng hết Về lâu dài, bánh đà siêu tụ thay thiết bị tích trữ lượng lai ắc quy để tạo thu hệ thống tích trữ lượng cho EV HEV có hiệu cao, gọn gàng tuổi thọ lâu [...]... Hỡnh 7. 9 in th cc ca mt siờu t sut quỏ trỡnh phúng cú th c th hin nh sau: V = V - iR (7. 23) t C s in th ca t cú th c th hin nh sau: dV ổi+i ử = -ỗ (7. 24) ữ dt ố C ứ C L Trong ú C l in dung ca siờu t Mt khỏc, dũng in rũ iL cú th c biu din nh sau: V i = (7. 25) R C L L Thay (7. 25) vo (7. 24), ta thu c: dVC V i =- c dt CRL C (7. 26) in ỏp cc ca siờu t c th hin bi th nh Hỡnh 7. 7 Gii phng trỡnh vi phõn (7. 26)... ) I t hd = = VC I C VC ( I t + I L ) (7. 28) VC ( I t - I L ) VC I C hc = = Vt I t (VC + I t RS ) I t (7. 29) Np in: Trong ú Vt l in ỏp cc v It l dũng in vo hoc ra t cc Trong hot ng thc t, dũng rũ IL thng rt nh (vi mA) v cú th b qua Vỡ vy phng trỡnh (7. 28) v (7. 29) cú th c vit li nh sau: Phúng in: hd = VC - RS I t Vt = VC VC (7. 30) hc = VC V = C VC + RS I t Vt (7. 31) Np in: Cỏc phng trỡnh trờn cho thy... c lit kờ trong Bng 7. 3 Bng 7. 3 Thụng s k thut ca cỏc siờu t ca 5 Maxwell v cỏc cm modul tớch hp BCAP0 07 BMOD0115BMOD01 in dung (F, -20%/+20%) 2600 in tr ni tip cc i ESR 0 .7 o ti 25 C (m) 145 7 in ỏp (V), (giỏ tr cc i) 2.5(2.8) Cụng sut riờng mc in 4300 42(50) 2900 ỏp cc i (W/kg) Nng lng riờng mc in 4.3 2.22 ỏp cc i (Wh/kg) Dũng in cc i (A) 600 600 Kớch thc (mm) (hỡnh dng) 60ì 172 195ì165ì415 (tr)... dng thp hn nng lng np y ca nú, nng lng np y c th hin nh sau: 1 E = C (V - V ) (7. 33) 2 u 2 CR 2 Cb Trong ú VCR l in ỏp cc i ca siờu t Ti in ỏp ngng ca siờu t thỡ SOC c vit nh sau: 0.5CV V SOC = = (7. 34) 0.5CV V 2 Cb 2 CR 2 Cb 2 CR Vớ d; khi in ỏp ri t 40% in ỏp cc i thỡ 64% tng nng lng cú giỏ tr s dng, minh ha trờn Hỡnh 7. 13 7. 2.4 Cỏc cụng ngh siờu t Theo cỏc mc tiờu c ra ca t chc nng lng ca Hoa K cho... ting vi 2 70 0-3000 m /g Vi din tớch b mt ú, cỏc ion c hp th v kt qu dn n to ra 50 2 2 2 2 F/g (70 0 m /g ì5 F/cm 70 00 cm /m =50 F/g) Gi s cng thờm mt khi lng cht in phõn nh vy na thỡ thu c 25 F/g l mt giỏ tr mt nng lng khỏ ln Tuy nhiờn mt nng lng ca cỏc t ny thua xa cỏc c quy th cp; Cỏc siờu t tiờu biu hin nay cú nng lng riờng khong 2 Wh/kg ch bng 1/20 ca 40 Wh/kg giỏ tr ca c quy axit-chỡ 7. 2.3 c... i =- c dt CRL C (7. 26) in ỏp cc ca siờu t c th hin bi th nh Hỡnh 7. 7 Gii phng trỡnh vi phõn (7. 26) thu c: i ộ ự (7. 27) V = ờV ũ e dt ỳ e C ở ỷ t C t / CRL t / CRL C0 0 Trong ú i l dũng phúng l hm ca thi gian khi hot ng thc Cỏc c tuyn phúng ca siờu t Maxwell 2600 F c minh ha trờn Hỡnh 7. 11 Ti cỏc mc dũng in khỏc nhau, in ỏp gim tuyn tớnh vi thi gian Ti mc dũng phúng ln, in ỏp gim nhanh hn nhiu mc... ngn thp nh minh ha trờn Hỡnh 7. 12 Vỡ vy, trong hot ng thc t siờu t s c duy trỡ trong phm vi in ỏp cao hn 60% in ỏp cc i Nng lng d tr trong mt siờu t cú th thu c thụng qua nng lng np cn thit n mt mc in ỏp c nh ú l: 1 E = ũ V I dt = ũ CV dV = CV (7. 32) 2 u t C 0 C C 0 C C 2 C Trong ú VC l in ỏp ngn (V) Ti mc in ỏp cc i ca nú, nng lng d tr trong siờu t t n cc i Phng trỡnh (7. 31)cho thy rng s tng in ỏp... in cc i (A) 600 600 Kớch thc (mm) (hỡnh dng) 60ì 172 195ì165ì415 (tr) (hp) (hp) Khi lng (kg) 0.525 16 6.5 Th tớch (l) 0.42 22 7. 5 a o -35 - +65-35 - +65 o -35 - +65-35 - +65 Nhit hot ng ( C) Nhit bo qun ( C) o Dũng rũ (mA) 12 h, 25 C a 5 trong trng hp nhit n nh 7. 3 BNH SIấU TC 7 S dng bỏnh tớch tr nng lng di dng c hc khụng phi l mt khỏi nim mi m Cỏch õy hn 25 nm, cụng ty Oerlikon Engineering Switzerland... khong 70 0 rpm Ngc li, cỏc bỏnh ci tin ch l cỏc rotor nh khong vi chc kg v cú th quay vi tc 70 00 rpm Chỳng c gi l bỏnh siờu tc Khỏi nim bỏnh siờu tc xut hin nh mt phng tin tha món cỏc yờu cu nghiờm ngt cho mt thit b tớch tr nng lng cho EV v HEV, c bit n nh nng lng riờng cao, cụng sut riờng cao, chu k di, hiu sut nng lng cao, np nhanh, khụng cn bo dng, giỏ thnh phự hp v thõn thin vi mụi trng Bng 7. 4... 7. 4 Cỏc vt liu composite dựng lm bỏnh 6 siờu tc riờng Bn kộo T s Nng lng 3 s (MPa) (kg/m )/ (Wh/kg) 1 379 1900 Graphite epoxy 1586 294 1500 E-glass 202 S-glass 303 2069 1900 Kevlar epoxy 383 1930 1400 7. 3.1 Nguyờn lý hot ng ca bỏnh siờu tc Mt bỏnh quay tớch tr nng lng di dng ng nng: 1 E = J w (7. 35) 2 f f 2 f ... sau: V i = (7. 25) R C L L Thay (7. 25) vo (7. 24), ta thu c: dVC V i =- c dt CRL C (7. 26) in ỏp cc ca siờu t c th hin bi th nh Hỡnh 7. 7 Gii phng trỡnh vi phõn (7. 26) thu c: i ộ ự (7. 27) V = ờV ũ... gian tng tc cho trc, t, cụng sut cc i ca mỏy in cú th c tớnh t (7. 46): J (7. 47) P = w - 2w w + w ) ( 2t f m b b max Phng trỡnh (7. 47) cho thy rng cụng sut ca mỏy in t cc tiu bng cỏch thit k tc... cụng ngh c lit kờ Bng 7. 3 Bng 7. 3 Thụng s k thut ca cỏc siờu t ca Maxwell v cỏc cm modul tớch hp BCAP0 07 BMOD0115BMOD01 in dung (F, -20%/+20%) 2600 in tr ni tip cc i ESR 0 .7 o ti 25 C (m) 145