Nghiên cứu quá trình nạp tái sinh năng lượng của ắc qui trên ô tô điện

Suy yếu và biến mất 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 chính sau: - Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ d

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Đàm Hoàng Phúc

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày 14 tháng 11 năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn TS.Đàm Hoàng Phúc, sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy giáo trong Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, của Viện cơ khí động lực, cùng sự hỗ trợ của các bạn đồng nghiệp, tác giả đã được thực hiện và hoàn thành được các nội dung nghiên cứu chính của đề tài

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các giáo viên hướng dẫn, tới tập thể các thầy giáo, các cán bộ trong Bộ môn và Viện chuyên nghành, cảm ơn sự giúp đỡ của các bạn đồng nghiệp, trong thời gian thực hiện luận án đã hết sức nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện để luận án đạt được những kết quả nhất định

Do thời gian hạn chế, nội dung nghiên cứu trải rộng trên nhiều lĩnh vực khác nhau nên không tránh khỏi các thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, các anh chị đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo

Hà Nội, 14/11/2016 Người thực hiện

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 5

DANH MỤC CÁC BẢNG THÔNG SỐ TRONG LUẬN VĂN 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN 8

LỜI NÓI ĐẦU 10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 11

1.1 Giới thiệu về ô tô điện 11

1.1.1 Sơ lược về lịch sử ô tô điện 11

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện 12

1.1.3 Ưu, nhược điểm khi sử dụng ô tô điện 24

1.2 Vấn đề nguồn năng lượng cho ô tô điện 26

1.2.1 Một số loại nguồn sử dụng cho ô tô điện 26

CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM VÀ QUÁ TRÌNH NẠP CỦA ẮC QUY 31

2.1 Các thông số ắc quy: 32

2.2 Các vấn đề khi nạp ắc quy 40

2.2.1 Sạc ắc quy VLRA đơn 40

2.2.2 Sạc ắc quy NiMH 41

2.2.3 Sạc ắc quy Lithium-ion 46

CHƯƠNG III MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NẠP ẮC QUY TRÊN Ô TÔ ĐIỆN 56

3.1 Mô hình hệ thống truyền động học xe điện 57

3.1.1 Mô hình xe 58

3.1.1.1 Lực cản lăn 58

3.1.1.2 Lực cản không khí 59

3.1.1.3 Lực cản quán tính 59

3.1.1.4 Lực phanh 60

3.1.2 Mô hình động cơ điện 61

3.1.2.1 Xây dựng đường đặc tính ngoài 61

3.1.2.2 Xây dựng thuật toán mô men đầu ra 63

3.1.3 Mô hình mô phỏng ắc quy chì - axit 64

3.1.3.1 Điện áp nhánh chính 65

3.1.3.2 Điện trở đầu cực R 0 66

3.1.3.3 Điện trở nhánh chính R1 67

3.1.3.4 Dòng điện ký sinh 67

3.1.3.5 Điện lượng và dung lượng 68

3.1.3.6 Mô hình nhiệt 71

3.1.3.7 Khối tính toán mạch 72

3.1.4 Mô hình điều khiển động cơ điện 73

3.1.5 Mô hình truyền động xe điện 74

3.2Chạy mô hình, phân tích kết quả 74

3.2.1 Khảo sát phanh dạng “Step” 77

3.2.1.1 Khảo sát theo hành trình chân phanh và vận tốc của xe dạng “Step” 77

3.2.1.2 Khảo sát theo gia tốc xe khi phanh dạng “Step” 79

3.2.1.3 Khảo sát theo SOC khi phanh dạng “Step” 81

3.2.2 Khảo sát phanh theo dạng “Ramp” : 81

3.2.2.1 Khảo sát theo hành trình chân phanh và vận tốc của xe dạng “Ramp” 81 3.2.2.2 Khảo sát theo gia tốc xe khi phanh dạng “Ramp” 83

3.2.2.3 Khảo sát theo SOC khi phanh dạng “Ramp” 84

3.2.3 So sánh giữa hai kiểu phanh “Step” và “Ramp” 85

3.3 Kết luận chương 3 86

KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

 

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

1 BMS Battery Management System (Hệ thống quản lý ắc quy)

3 US DOE Bộ năng lượng Mỹ

4 USABC Hội liên hiệp Ắc quy tiên tiến

7 ICV Ô tô trang bị động cơ đốt trong

15 ESD Năng lượng tổn thất bởi sự tự phóng của ắc quy Wh

16 αSD Hệ số tự phóng trong 24h

19 η batt Hiệu suất của ắc quy

20 E chg Hiệu suất năng lượng nạp ắc quy

21 E dis Hiệu suất năng lượng phóng ắc quy

30 C Dung lượng Ahr

DANH MỤC CÁC BẢNG THÔNG SỐ TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1 So sánh thuộc tính của các loại ắc quy 29

Bảng 2.1 Vùng nhiệt độ làm việc của một số loại ắc quy 54

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật xe 57

Bảng 3.2 Tham số mô phỏng truyền động xe 75

Bảng 3.3 Bảng thông số khảo sát cách thức phanh 77

Bảng 3.4 Mối liên quan giữa hành trình chân phanh và thời gian phanh xe dạng “Step” 78

Bảng 3.5 Mối liên hệ giữa gia tốc phanh và vị trí chân phanh dạng “Step” 80

Bảng 3.6 Mối liên quan giữa hành trình chân phanh và thời gian phanh xe dạng “Ramp” 82

Bảng 3.7 Mối liên quan giữa gia tốc phanh và tỉ suất phanh xe dạng “Ramp” 84

Bảng 3.8 Mối liên hệ giữa gia tốc trung bình aavg và SOC theo dạng “Step” 85

Bảng 3.9 Mối liên hệ giữa gia tốc trung bình aavg và SOC theo dạng “Ramp” 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1 Ô tô điện thời kỳ đầu 11

Hình 1.2 Mức độ phát thải khí CO2 tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện 13

Hình 1.3 Hiệu suất năng lượng tương đương của các loaị động cơ đốt trong 14

và điện 14

Hình 1.4 Mức độ phát thải tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện 14

Hình 1.5 Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳtừ năm 2009 15 Hình 1.6 Cấu hình cơ bản hệ truyền động cho xe điện 15

Hình 1.7 Minh họa hệ thống năng lượng phân phối trong xe điện 16

Hình 1.8 Cấu hình xe plug-in hybrid 17

Hình 1.9 Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi Motors 18

Hình 1.10 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường 18

Hình 1.11 Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST 19

Hình 1.12 Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải 19

Hình 1.13 Chỉ số sử dụng năng lượng của xe ô tô động cơ xăng và điện 20

Hình 1.14 Xe điện mui hở 23

Hình 1.15 Xe điện chạy trong thành phố ở Nga 23

Hình 1.16 Xe-M.GO ra mắt tại triển lãm ô tô Paris 2008 24

Hình 1.17 Xe Zap 24

Hình 1.18 Nguyên lý hóa học của tế bào niheen liệu Fuel Cell 27

Hình 1.19 Minh họa hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên xe ô tô điện 27

Hình 1.20 Cấu tạo siêu tụ điện 28

Hình 1.21 Sản phẩm siêu tụ điện của Maxwell Technology và module tụlớn nhất trên thị trường 29

Hình 2.1 Phân loại ắc quy theo mật độ năng lượng 32

Hình 2.2 Quan hệ giữa công suất và năng lượng của các loại ắc quy 33

Hình 2.3 Mạch đo điện trở trong RiDC 35

Hình 2.4 So sánh SOC bình thường và SOC điều chỉnh 38

Hình 2.5 So sánh công suất ắc quy ở mức 50% SOC 38

Hình 2.6 Các giai đoạn nạp của một chuỗi ắc quy VRLA 40

Hình 2.7 Biến đổi của áp suất ắc quy trong quá trình nạp 43

Hình 2.8 Cấu hình nhiệt độ nạp thấp cho các ắc quy NiMH 44

Hình 2.9 Giới hạn gia tăng nhiệt độ cho ắc quy NiMH 44

Hình 2.10 Cấu hình nạp để tăng nhiệt độ 2°C/phút 45

Hình 2.11 Hệ thống ắc quy Li-ion trong ô tô điện 47

Hình 2.12 Quy trình sạc ắc quy Li-ion 47

Hình 2.13 Các giai đoạn nạp của ắc quy lithium-ion 49

Hình 2.14 Các vùng làm việc của ắc quy 50

Hình 2.15 Bốn giai đoạn sạc ắc quy bị Over-discharge 51

Hình 2.16 Hệ thống cân bằng áp thụ động 53

Hình 3.1 Xe ô tô điện XD-BB 56

Hình 3.2 Sơ đồ truyền động xe điện 57

Hình 3.3 Mô hình chuyển động thân xe 58

Hình 3.4 Mô hình mô phỏng chuyển động thân xe 60

Hình 3.5 Đặc tính công suất, mô men động cơ điện một chiều 62

Hình 3.6 Sơ đồ thuật toán xây dựng đường đặc tính động cơ điện 62

Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán lựa chọn mô men đầu ra 63

Hình 3.8 Mô hình động cơ điện một chiều không chổi than 64

Hình 3.9 Mạch tương đương ắc quy 65

Hình 3.10 Mô hình mô phỏng điện áp nhánh chính 66

Hình 3.11 Mô hình mô phỏng điện trở đầu cực 66

Hình 3.12 Mô hình mô phỏng điện trở nhánh chính khi phóng 67

Hình 3.13 Mô hình mô phỏng dòng điện ký sinh 68

Hình 3.14 Mô hình dung lượng ắc quy 71

Hình 3.15 Mô hình nhiệt ắc quy 72

Hình 3.16 Mô hình khối tính toán mạch 72

Hình 3.17 Mô hình mô phỏng ắc quy chì - axit 73

Hình 3.18 Mô hình điều khiển động cơ điện 73

Hình 3.19 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền động xe điện 74

Hình 3.20 Mô hình khảo sát cách thức tăng tốc xe điện 76

Hình 3.21a Cách thức đạp phanh dạng “Step” 76

Hình 3.21b Cách thức đạp phanh dạng “Ramp” 77

Hình 3.22a Đồ thị khảo sát hành trình chân phanh dạng “Step” 77

Hình 3.22b Đồ thị khảo sát vận tốc của xe dạng “Step” 78

Hình 3.23 Đồ thị khảo sát gia tốc xe khi phanh dạng “Step” 79

Hình 3.24 Đồ thị khảo sát momen động cơ xe khi phanh dạng “Step” 79

Hình 3.25 Đồ thị khảo sát SOC khi phanh dạng “Step” 81

Hình 3.26a Đồ thị khảo sát theo hành trình chân phanh dạng “Ramp” 81

Hình 3.26b Đồ thị khảo sát theo vận tốc của xe dạng “Ramp” 82

Hình 3.27 Đồ thị khảo sát gia tốc xe khi phanh dạng “Ramp” 83

Hình 3.28 Đồ thị khảo sát SOC khi phanh dạng “Ramp” 84

Hình 3.29 Đồ thị liên hệ giữa gia tốc trung bình a avg và SOC 85

LỜI NÓI ĐẦU

Tiếp theo sự phát triển ô tô hybrid, ô tô điện đang được nhiều hãng ô tô nghiên cứu phát triển nhằm khắc phục các yếu điểm của nhiên liệu hóa thạch về ô nhiễm môi trường và tình hình cạn kiệt nguồn nhiên liệu

Tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách, nên chưa có nhiều nghiên cứu về ô tô điện

Ô tô điện nhằm cải thiện ô nhiễm môi trường, nhưng gặp phải khó khăn về vấn đề cung cấp năng lượng điện để hoạt động Ô tô điện có hai nhược điểm quan trọng là năng lượng dữ trữ thấp và giá thành cao hơn Các vấn đề cần cải thiện ở ô

tô điện là khả năng tăng tốc, bán kính sử dụng, vấn đề về nạp và thay mới nguồn năng lượng điện

Việc đặt các động cơ trong bánh xe cho phép ta điều khiển các bánh xe một cách độc lập từ đó dẫn tới khả năng điều khiển lực kéo và điều khiển chuyển động của xe một cách linh hoạt hơn Quá trình chuyển động của xe sẽ được điều khiển thông qua việc điều khiển công suất của các động cơ điện Mặt khác, khi bố trí động

cơ điện trong bánh xe ta sẽ rút gọn được hệ thống truyền lực, giảm được khối lượng của xe, tăng thời gian làm việc của pin Do vậy, đồ án đã lựa chọn hướng nghiên cứu này để tìm hiểu, khảo sát và mô phỏng về hệ truyền động trên ô tô điện Vấn đề này đã được nhiều hãng xe trên thế giới nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm như Volkswagen, Mercedes, Ford Vấn đề tối ưu hóa hệ truyền động trên xe có ý nghĩa lớn trong việc tiết kiệm năng lượng trên ô tô điện Nếu xe hoạt động với hiệu suất cao, đồng nghĩa với việc năng lượng sinh ra được tận dụng triệt để, giúp tiết kiệm năng lượng ở pin hoặc ắc quy, làm tăng quãng đường đi được trên một lần nạp pin

Đối tượng đồ án nghiên cứu là nghiên cứu quá trình nạp tái sinh năng lượng của ắc qui trên ô tô điện

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về ô tô điện

1.1.1 Sơ lược về lịch sử ô tô điện

a Thời kỳ đầu

Ô tô điện không phải một khái niệm mới mà trên thực tế đã có lịch sử lâu đời Từ đầu thế kỷ 19, xe chạy bằng nguồn năng lượng điện đã có vị thế cạnh tranh tương đương với xe chạy bằng động cơ hơi nước

Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson người Scotland đã phát minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên Năm 1842, hai nhà phát minh người

Mỹ là Thomas Davenport Và Scotsmen Robert Davidson trở thành những người đầu tiên đưa ắc quy vào sử dụng cho ô tô điện Đến những năm 1865, Camille Faure

đã thành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong ắc quy, giúp cho xe điện có thể di chuyển một quãng đường dài hơn Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 18 [1]

Chiếc xe đua sử dụng động cơ điện

La Jamais Contente (1899)

Edison và chiếc xe Detroit (1914)

Hình 1.1 Ô tô điện thời kỳ đầu

b Suy yếu và biến mất

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 chính sau:

- Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới dẫn đến việc hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên toàn cầu Vấn đề nhiên liệu cho xe chạy động cơ đốt trong trở nên đơn giản

- Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750USD, trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650USD [1]

- Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô

có những tiến bộ vượt bậc: Charlé Kettering đã phát minh ra bộ khởi động cho xe chạy xăng, Henry Ford đã phát minh ra các động cơ đốt trong có giá thành hạ,… Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh tra được với xe chạy động cơ đốt trong [1]

- Vấn đề môi trường: không khó để nhận ra rằng môi trường hiện nay đang bị

ô nhiễm nghiêm trọng, mà một trong những nguyên nhân chính là khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô Ô tô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này

do nó hoàn toàn không có khí thải

Như vậy, ta thấy rằng ô tô điện là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn, đó

là lý do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỷ 20 trở lại đây và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thế giới

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện

a Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện trên thế giới

Emission Vehicle Program) Những quy định pháp lý (tiêu chuẩn khí thải…) cùng hàng loạt ưu đãi với người sử dụng các loại xe ít ô nhiễm tại Bang California (ưu đãi thuế, vay vốn, đường ưu tiên tránh tắc đường…) đã khiến cho các nhà sản xuất

xe tập trung phát triển các xe ô tô điện

Tất nhiên các xe ô tô điện sẽ được nạp điện từ lưới điện quốc gia sử dụng phần lớn là các nhà máy nhiệt điện Các nhà máy nhiệt điện này cũng sử dụng nhiên liệu hóa thạch (khí, than đá, dầu mỏ) để phát điện Như vậy là về bản chất năng lượng điện để nạp cho xe điện cũng không phải là sạch Đã có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành để so sánh tương đương độ phát thải và hiệu suất sử dụng năng lượng giữa các động cơ với nhau Điển hình là nghiên cứu của Bauen and Hart in

Hoogers đã sử dụng khái niệm hiệu suất “từ giếng dầu tới bánh xe” (well to wheel)

[1] để so sánh năng lượng giữa các xe được trang bị động cơ với nhau Một số kết quả và phân tích của tác giả được trình bày trong hình 1.2, 1.3 và 1.4

Hình 1.2 Mức độ phát thải khí CO 2 tương đương của các loại động cơ đốt

trong và điện

Hình 1.3 Hiệu suất năng lượng tương đương của các loaị động cơ đốt trong

và điện

Hình 1.4 Mức độ phát thải tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện

Từ các kết quả thể hiện trên các đồ thị hình 1.2, 1.3 và 1.4 ta dễ dàng nhận thấy: tất cả các dạng xe điện đều cho hiệu quả nhiên liệu cũng như sự phát thải tốt hơn nhiều sơ với tất cả các dòng xe được trang bị động cơ đốt trong

Trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Ô tô điện Edison tại California năm 2009, tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama đã công bố một khoản đầu

tư 2,4 tỷ Đô-la Mỹ cho việc thúc đẩy nghiên cứu ô tô điện Khoản đầu tư này được phân bố như hình 1.5

Hình 1.5 Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ

Hình 1.7 Minh họa hệ thống năng lượng phân phối trong xe điện

Đây là những chìa khóa công nghệ chính của xe điện trong tương lai Tuy nhiên, một vấn đề vô cùng quan trọng khác là mô phỏng hoạt động của xe Từ đó đưa ra hệ thống chuẩn đoán và báo lỗi trên ô tô điện, giúp xe hoạt động an toàn và

ổn định như xe động cơ đốt trong Ngoài ra, xe sẽ được tiết kiệm tối đa năng lượng trong các quá trình tăng tốc, giảm tốc,…

* Châu Âu

Tại Châu Âu, xe plug-in hybrid và các bộ biến đổi điện tử công suất là những vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu Ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) là loại xe sử dụng hỗn hợp cả năng lượng xăng và điện như tên gọi

“hybrid” Thuật ngữ “plug-in” cho biết rằng xe có bộ nạp tích hợp sẵn, người dùng chỉ cần cắm điện vào nguồn lưới dân dụng mà không cần một bộ nạp bên ngoài Một số dòng xe hybrid đã được lưu hành tại Việt Nam như Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Honda Civic Hybrid, …

Hình 1.8 Cấu hình xe plug-in hybrid

* Nhật Bản

Tại Nhật Bản, các hãng ô tô lớn đang lần lượt đưa các mẫu xe thuần điện (pure Evs) ra thị trường Nissan “trống dong cờ mở” với Nissan Leaf, tuy vậy

Mitsubishi mới là hãng đầu tiên tung ra xe điện thương phẩm với MiEV Xe MiEV đã được giới thiệu ở Việt Nam tại triển lãm Ô tô Vietnam Motor Show 2010

i-Để có thể đưa ra thị trường mẫu xe ô tô điện i-MiEV, hãng Mitsubishi Motors đã mất hơn 40 năm nghiên cứu Từ khi ấp ủ những ý tưởng đầu tiên về xe ô

tô điện, chính thức bắt đầu nghiên cứu từ năm 1966, cho đến nay, hãng Mitsubishi

Motors đã chế tạo ra 10 mẫu xe concept với hơn 500.000km chạy thử nghiệm trên

toàn cầu Lộ trình nghiên cứu được cho trong hình sau [2]:

Hình 1.9 Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi Motors

Hình 1.10 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường

Trong giới nghiên cứu, các trường đại học lớn ở Nhật Bản đều có những phòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu về ô tô điện

* Hàn Quốc và Trung Quốc

Công nghệ truyền tải điện không dây ứng dụng trong xe điện được khai thác mạnh mẽ bởi các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghẹ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) với dự án chế tạo xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quá trình hoạt động (OnLine Electric Vehicle-OLEV) Các sản phẩm xe bus điện thuộc

dự án này đang chạy thử nghiệm rất tốt trong khuôn viên của KAIST và Công viên Grand Seoul [4]

Hình 1.11 Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST

Trung Quốc không chỉ đầu tư sản xuất ô tô mà cả xe điện và họ đã thành công Rất nhiều tỉnh thành của quốc gia này đã sử dụng xe điện làm phương tiện vận tải công cộng mang lại hiệu quả kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường Đồng thời

xe điện cũng được sử dụng làm phương tiện vận tải trong các công viên, khu du lịch, khu thể thao Ngoài ra xe điện còn được xuất khẩu sang các nước trong khu vực

Tại thành phố Thượng Hải, xe bus điện sử dụng siêu tụ của hãng SINAUTEC đang gây tiếng vang mạnh mẽ Siêu tụ được nạp nhanh chóng tại mỗi điểm dừng của xe bus

Hình 1.12 Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải

* Các nước trong khu vực

Trong số 11 nước ASEAN, chỉ có các nước sau đây phát triển ngành công nghiệp ô tô của mình: Thailan, Indonexia, Malayxia, Philipin và Việt Nam Trước khủng hoảng tài chính khu vực, sản lượng ô tô thời hoàng kim của Thailan là 559.000 chiếc/năm; Indonexia là 788.876 chiếc/năm; Malayxia là 380.000 chiếc/năm; Philipin là 162.000 chiếc/năm Sản lượng lắp ráp ô tô Việt Nam năm

2005 là 44.555 chiếc/năm Tuy nhiên không một quốc gia nào trong số các nước trong khu vực đầu tư sản xuất xe điện

b Tình hình ở Việt Nam

Ở Việt Nam, do tình trạng kỹ thuật kém của các phương tiện giao thông, ngành giao thông đường bộ đang là một trong những ngành tiêu thụ nhiều năng lượng và gây ô nhiễm lớn hiện nay Do trữ lượng dầu thô của nước ta có hạn, sản lượng khai thác giảm dần từ mức cao nhất là 20 triệu tấn năm 2005 xuống còn 13-

15 triệu tấn những năm gần đây Theo tính toán của Viện Năng lượng, Bộ Công thương, từ năm 2015 trở đi Việt Nam sẽ phải nhập khẩu dầu thô (IE2007) Điều này tạo ra áp lực ngày càng cao lên an ninh cung cấp năng lượng cho giao thông vận tải

Hình 1.13 Chỉ số sử dụng năng lượng của xe ô tô động cơ xăng và điện

Bên cạnh đó, như trên hình 1.13 vấn đề sử dụng động cơ đốt trong sẽ đặc biệt nghiêm trọng khi xe chuyển động ở vận tốc thấp, lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ tăng mạnh dẫn đến lượng khí thải cũng tăng theo và lãng phí nhiên liệu Do vậy ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, khi tốc độ trung bình trong giờ cao

điểm thường dưới 20km/h, vấn đề môi trường và tiêu thụ nhiên liệu do các phương

tiện giao thông gây ra đã trở nên đặc biệt nghiêm trọng

Như vậy ô tô điện là giải pháp tối ưu để bảo vệ môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia Trên thế giới đã có những bước tiến lớn trong nghiên cứu chế tạo ô tô điện - loại “phương tiện sạch của tương lai” Do vậy để thu hẹp khoảng cách công nghệ và bảo vệ môi trường cũng như đảm bảo an ninh năng lượng cho Việt Nam chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu các công nghệ tiên tiến của ô tô điện và nhanh chóng có được sản phẩm ban đầu phù hợp với điều kiện giao thông Việt Nam Việc nghiên cứu sản xuất ô tô điện là cơ hội cho chúng ta tiếp cận trực tiếp với xu thế mới, cũng như góp phần bảo vệ môi trường của thế giới

Hiện nay, nhu cầu về xe điện là nhu cầu có thật tại Việt Nam Các nhà sản xuất ô tô điện nước ngoài cũng đang xây dựng lộ trình để đưa sản phẩm của họ vào Việt Nam Một trong những ví dụ là hãng Mitsubishi-Nhật Bản Nhà sản xuất này

đã giới thiệu xe chạy điện nổi tiếng của mình có tên i-MiEV tại triển lãm Việt Nam Motor Show 2010 Xe i-MiEV sử dụng ắc quy lithium-ion và động cơ điện đồng bộ

nam châm vĩnh cửu công suất 47kW Xe có thể chở 4 người, tốc độ tối da 130km/h

Theo công bố thì giá bán xe trước thuế tại Nhật Bản là 47.544 USD

* Nghiên cứu ô tô điện ở Việt Nam

Trong khi làn sóng nghiên cứu ô tô điện đang nổi lên mạnh mẽ trên thế giới thì tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhà khoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách Qua khảo sát tình hình những năm vừa qua, có thể khẳng định rằng ở Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào thực sự bài bản, khoa học và mang tính hệ thống về ô tô điện Mục này của bản thuyết minh sẽ lần lượt khảo sát những sản phẩm xe điện được nghiên cứu trong những năm vừa qua

Trong vài năm trở lại đây, một số sản phẩm xe điện mang tính thử nghiệm đã được nghiên cứu chế tạo bởi các nhà khoa học và các nhà sáng chế không chuyên Việt Nam Năm 2004, ông Đặng Thế Minh với sự hỗ trợ của UBND tỉnh Lào Cai đã mua 10 chiếc Minibus của Trung Quốc và cho ra đời 5 chiếc Minibus Việt Nam với

tốc độ 50km/h, chạy được 100km mỗi lần nạp, xe chở được 11 người Sản phẩm này

mang tính sao chép đơn thuần, chế tác lại về mẫu mã và sau đó cũng không tiếp tục

phát triển Năm 2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi - TP Hồ Chí Minh đã tự

nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chở 3 người, tốc độ 35km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V-800W, 4 ắc quy 12V/50Ah, chạy 40km nạp một lần Đây là

thành công đáng khích lệ đối với một nhà sáng chế nghiệp dư, tuy nhiên những chỉ tiêu chất lượng của xe còn thấp, không thể sản xuất hàng loạt

Bên cạnh những chế tác nghiệp dư cũng có những xe điện là sản phẩm từ công trình nghiên cứu khoa học của sinh viên và giảng viên một số trường đại học Năm 2005, nhóm sinh viên K29 khoa Cơ khí trường Đại học Cần Thơ đã chế tạo

một xe điện chạy bằng ắc quy năng lượng mặt trời Xe có tải trọng 120kg, tốc độ 25km/h, sử dụng 2 động cơ một chiều 250W, nguồn gồm 2 ắc quy nối với tấm ắc

quy mặt trời Việc sử dụng năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy là một hướng đi đáng ghi nhận, tuy vậy nó chưa thể sử dụng cho ô tô điện

Năm 2009, một xe điện tải trọng 2 tấn, tốc độ 10km/h sử dụng 2 động cơ một

chiều được chế tạo bởi nhóm giảng viên Học viện Kỹ thuật Quân sự Xe này có tốc

độ rất thấp, không phù hợp cho ứng dụng giao thông

Như vậy, trong khi thế giới đã có những bước tiến lớn trong công nghệ chế tạo ô tô điện, Việt Nam đến nay vẫn đứng ngoài dòng chảy của xu thế tất yếu này Nếu không nhanh chóng triển khai nghiên cứu, nước ta sẽ lại tiếp tục bị lệ thuộc vào nước ngoài

Một tín hiệu đáng mừng là năm 2008 ô tô điện đã được đưa vào danh mục sản phẩm công nghệ cao của Bộ Khoa học và Công nghệ trình chính phủ

Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và Sáng tạo công nghệ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là đơn vị tiên phong trong việc nghiên cứu bài bản về ô tô điện với đề tài KC03-08 Đây là một đề tài khoa học được nghiên cứu trong trường đại học và nội dung thực hiện được giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế chế tạo những thành phần chính và cơ bản của ô tô điện là hệ truyền động và hệ điều khiển cho ô tô điện Các nghiên cứu và sản phẩm của đề tài bao gồm: biến tần, hệ truyền động động cơ điện, bộ biến đổi DC/DC và bộ điều khiển trung tâm cho ô tô điện (đều chưa được nghiên cứu trước đây tại Việt Nam) Các kết quả nghiên cứu này sẽ không chỉ được ứng dụng cho ô tô điện mà còn có thể mở rộng cho các ứng dụng trong công nghiệp và năng lượng tái tạo

c Một số loại ô tô điện đang được sử dụng

* Tại Việt Nam

Ô tô điện đang được sử dụng ở các khu du lịch, các khu vui chơi giải trí, các bệnh viện

Hình 1.14 Xe điện mui hở

* Tại Liên Bang Nga

Hình 1.15 Xe điện chạy trong thành phố ở Nga

* Những mẫu ô tô điện mới

Đây là một xe chạy hoàn toàn bằng điện, về kích thước thì nằm cùng phân khúc với Toyota iQ và Smart ForTwo Chỉ mất chưa đến 4 tiếng để sạc đầy điện cho

xe Trong quá trình phát triển xe M.GO, hãng Microcar của Pháp tập trung vào trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ nhằm tăng quãng đường xe chạy sau mỗi lần sạc đầy điện mất chưa đầy 4 tiếng [5]

Tùy theo tốc độ và cách sử dụng, xe M.GO có thể chạy quãng đường

80-140km sau mỗi lần sạc đầy điện Tốc độ tối đa 45km/h chỉ phù hợp với nhu cầu di

chuyển trong đô thị

Hình 1.16 Xe-M.GO ra mắt tại triển lãm ô tô Paris 2008

Tên công ty Zap là viết tắt từ Zero Air Pollution, tức không ô nhiễm khí Zap

tuyên bố sẽ sản xuất mẫu xe Zap-X với tốc độ tối đa đạt xấp xỉ 250km/h và có thể chạy hơn 560km mới cần sạc điện [6]

Hình 1.17 Xe Zap 1.1.3 Ưu, nhược điểm khi sử dụng ô tô điện

a Ưu điểm khi sử dụng ô tô điện

+ Ô tô điện sẽ làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch

+ Làm giảm chi phí năng lượng đến 90%

+ Nâng hiệu suất sử dụng năng lượng lên 70% (bằng cách nạp lại điện năng) so với hiệu suất 15% (kể cả hệ thống truyền lực) trong các ứng dụng động cơ đốt trong + Tạo ra mô men xoắn cao hơn và đường đặc tính mô men xoắn không đổi, giúp xe

có khả năng tăng tốc nhanh hơn

+ Giảm bớt hiệu ứng nhà kính và tình trạng nóng lên của trái đất

+ Ít gây ồn so với động cơ đốt trong

+ Không thải ra khí xả độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người

+Hoàn toàn có thể đáp ứng tầm hoạt động dưới 500km, bằng loại ắc quy

+ Ngoại trừ ắc quy, chi phí sản xuất các bộ phận khác rẻ hơn sơ với sử dụng động

cơ đốt trong vì số chi tiết rời ít hơn và không đòi hỏi gia công chính xác

+ Chi phí tái nạp rẻ hơn nhiều so với xăng và dầu

+ Chi phí bảo dưỡng như thay dầu nhớt, làm mát, bảo dưỡng, kiểm duyệt khí thải được giảm bớt hoặc loại bỏ hoàn toàn

+ Có thể cung cấp điện trở lại cho một số thiết bị điện dân dụng nếu cần

+ Ngay cả khi nguồn điện dung để nạp ắc quy được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện dùng nhiên liệu hóa thạch thì hiệu quả sử dụng năng lượng của chúng vẫn cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong

+ Giảm thiểu quan ngại về cháy nổ

+ Ô tô điện có triển vọng hơn cả xe sử dụng Hidro lỏng vì sự phổ dụng và chi phí phân phối rất thấp, không cần đầu tư một hệ thống trạm nhiên liệu quy mô lớn và cực kỳ đắt tiền Ngoài ra, hiệu quả chuyển đổi năng lượng của xe còn cao hơn ắc quy nhiên liệu hidro lỏng

+ Điện có thể tạo ra từ các nguồn thủy điện, địa nhiệt, gió, hidro, mặt trời hoặc hạt nhân… là các nguồn năng lượng không phát thải khí độc hại gốc cacbon

b Nhược điểm khi sử dụng ô tô điện

+ Bị giới hạn về thời gian hoạt động và thời gian nạp lại đầy điện

+ Giá thành sản xuất cho ắc quy điện còn quá đắt, nằm trong khoảng từ 1500USD/xe (ắc quy chì-axit) cho đến 20000USD/xe (ắc quy Lithium-ion)

+ Khối lượng vận chuyển bị hạn chế, tốc độ thấp

+ Một số loại ắc quy hoạt động kém hiệu quả khi gặp thời tiết lạnh giá Các trạm điện công cộng chưa phổ biến

+ Người sử dụng phải đối mặt với nguy cơ bị điện giật, nhiễm điện từ

1.2 Vấn đề nguồn năng lượng cho ô tô điện

1.2.1 Một số loại nguồn sử dụng cho ô tô điện

a Ắc quy chì – axít

Ắc quy chì – axít là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được

sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn (do hầu như không có nguy

cơ cháy nổ) Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém (thường là 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn), nạp chậm

và khó tái chế Hơn nữa, chì là một chất có hại đối với sức khỏe nên sau khi hết thời hạn sử dụng, nếu không được thu gom đúng cách và tái chế thì ắc quy chì có thể trở thành một thảm họa môi trường Mặc dù ắc quy chì - axít còn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nó vẫn chiếm đến 79% thị phần ắc quy trong năm 2008 vì giá thành rẻ, sử dụng đơn giản và quen thuộc

b Ắc quy Lithium – ion

Ắc quy Lithium – Ion là dòng ắc quy đang được sử dụng phổ biến trong các loại

ô tô điện đang và sắp được thương mại hóa vì nó có mật độ năng lượng cao nhất trong các loại ắc quy, khả năng nạp nhanh tốt (30 phút có thể nạp được 80%), tuổi thọ cao (có thể lên tới 10 năm) Cho đến nay, đây là loại ắc quy được sử dụng phổ biến nhất cho ô tô điện trong nghiên cứu và trong công nghiệp Như đã đề cập ở phần trước, những nghiên cứu về công nghệ vật liệu đang khiến loại ắc quy này ngày càng trở nên hấp dẫn với mật độ công suất ngày càng lớn Tuy nhiên, giá thành cao là một trong những vấn đề không nhỏ của ắc quy Lithium Nguyên nhân của giá thành cao là do công nghệ chế tạo phức tạp và sự khan hiếm nguyên liệu Ta biết rằng, Lithium là một kim loại hiếm, và nó là nguồn tài nguyên có hạn Do vậy,

về lâu dài, ắc quy Lithium cũng không phải là nguồn năng lượng tối ưu cho ô tô điện Trước mắt nó vẫn là nguồn năng lượng chính, nhưng trong tương lai xa sẽ bị thay thế

c Tế bào nhiên liệu – Fuel Cell

Ở chương trình hóa học phổ thông, ta đã quen với phản ứng điện phân: dòng điện làm điện phân nước thành oxy và hydro Trên phương diện hóa học, tế bào nhiên liệu Fuel Cell được cấu tạo dựa nguyên lý ngược lại: oxy và hydro phản ứng tạo ra nước và giải phóng điện năng Hình 1.18 minh họa quá trình hóa học này

Hình 1.18 Nguyên lý hóa học của tế bào nhiên liệu Fuel Cell

(nguồn: Wikipedia)

Theo đánh giá, tế bào nhiên liệu Fuel Cell là loại nguồn có mật độ năng lượng cao nhất có thể sử dụng cho ô tô điện Hình 1.19 minh họa một hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên ô tô điện Với nhiều ưu điểm về mật độ năng lượng và sử dụng nguyên liệu là nguồn khí tự nhiên vô tận (oxy và hydro), tế bào nhiên liệu Fuel Cell rất được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm nay Tuy vậy, công nghệ này đến giờ vẫn chưa thực sự chín muồi để đưa vào các sản phẩm thương mại Một trong những vấn đề quan trọng là tính an toàn Rõ ràng là cần phải đặt câu hỏi về tính an toàn cho việc chở trên xe một bình khí hydro lớn, phản ứng với oxy tạo ra điện Nếu xảy ra sự cố, nó sẽ nổ không khác gì một quả bom thực sự

Hình 1.19 Minh họa hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên xe ô tô điện

 

d Siêu tụ điện – Ultra-Capacitor

Những người làm trong lĩnh vực điện và điện tử thường quen thuộc với những

tụ điện có đơn vị pico (một phần một nghìn tỷ), nano (một phần tỷ) và micro (một phần triệu) Fara hẳn sẽ rất ngạc nhiên khi nghe nói đến những tụ điện có điện dung lên tới hàng nghìn Fara Đó là những tụ điện được chế tạo theo công nghệ lớp kép (Double Layer), được gọi là Siêu tụ điện (Ultra-Capacitor hay Super-Capacitor)

Hình 1.20 Cấu tạo siêu tụ điện

Tụ điện tích trữ điện năng không phải bằng phản ứng hóa học như ắc quy mà bằng các tương tác vật lý giữa các điện cực và điện tích Bởi vậy, tụ điện có khả năng phóng và nạp điện rất nhanh so với ắc quy Siêu tụ, bản chất là tụ điện, vẫn giữ được đặc tính này, do đó siêu tụ có mật độ công suất rất lớn Bên cạnh đó, điện dung lớn tới hàng nghìn Fara cho phép 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 trong khi các tụ điện thông thường chỉ có vai trò là phần tử phóng - nạp trong quá trình trao đổi năng lượng

Tuy nhiên, các siêu tụ có điện dung hàng nghìn Fara trên thị trường hiện nay chỉ

có mức điện áp khoảng vài volt, lý do là các lớp cách điện trong siêu tụ không chịu được điện áp cao Khi muốn sử dụng với điện áp cao, chẳng hạn như vài trăm volt như trong ô tô điện, thì siêu tụ phải được mắc nối tiếp thành các module Ta biết rằng khi mắc nối tiếp, điện dung của siêu tụ nhỏ đi Với công nghệ tại thời điểm hiện tại,

siêu tụ điện chưa đủ khả năng cung cấp nguồn cho ô tô điện chạy trên một quãng

đường dài như ắc quy hay fuel tế bào Nó chỉ được dùng như một nguồn phụ, đặc biệt

hữu dụng trong quá trình hãm tái sinh năng lượng do có khả năng nạp rất nhanh

Hình 1.21 Sản phẩm siêu tụ điện của Maxwell Technology và module tụ

lớn nhất trên thị trường

Mặc dù còn tồn tại những vấn đề về mật độ năng lượng và giá thành cao, siêu tụ

điện vẫn là loại nguồn hứa hẹn nhất cho ô tô điện

So sánh các đặc điểm chính của ba loại ắc quy gồm ắc quy chì axit, NiMH và

Nhiệt độ hoạt động Môi trường (poor

extreme cold)

Môi trường (~25deg

C)

Môi trường (~25deg C)

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

Bảng 1.1 So sánh thuộc tính của các loại ắc quy

Thương mại hóa từ sau những năm 1980, ắc quy Li-Ion đã có nhiều ưu thế, với mật độ năng lượng và điện áp danh định trên một đơn vị cao nhất, điện trở trong rất thấp và tỷ lệ tự xả nhỏ Với chu kì sống cao nhất ở ắc quy Li-Ion, hơn 1200 lần trước khi đạt đến 80% điện dung, trong khi ở ắc quy chì axit và ắc quy NiMH chỉ có

800 và 1000 lần

CHƯƠNG II ĐẶC ĐIỂM VÀ QUÁ TRÌNH NẠP CỦA ẮC QUY

Hệ thống nguồn năng lượng cho xe điện, thông thường bắt buộc phải có ắc quy, bất kể là xe hybrid hay xe thuần điện Ắc quy ngoài việc hấp thụ năng lượng hãm tái sinh còn có chức năng cung cấp năng lượng bổ sung cho động cơ trong quá trình gia tốc Từ những năm 1990 của thế kỷ trước, Bộ năng lượng Mỹ (US DOE)

đã thành lập Hội liên hiệp Ắc quy tiên tiến (U.S Advanced Battery Consortium viết tắt là USABC) để đẩy mạnh việc phát triển các hệ thống ắc quy tiên tiến cho xe điện USABC, có sự tham gia của nhiều hãng sản xuất ôtô lớn trên thế giới như Daimler – Chrysler, Ford, General Motor, đã thiết lập các chuẩn mực chất lượng ắc quy để xe EV có thể cạnh tranh được với ICV về giá cả, chất lượng và quãng đường Họ đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng các hệ thống ắc quy acid chì cải tiến,

ắc quy NiMH, ắc quy Li-ion và ắc quy Li-Polimer cho xe điện Daimler - Chrysler, Ford và General Motor ban đầu đã sử dụng ắc quy Chì – Acid trong khi Honda và Toyota sử dụng ắc quy NiMH còn Nissan và Mitsubishilại dùng ắc quy Li-ion cho

xe điện của mình Tuy các loại ắc quy đưa vào sử dụng khác nhau nhưng tựu trung lại, chúng đều phải thỏa mãn các đặc điểm sau:

- Mật độ năng lượng phải cao để xe có thể tăng tốc và phanh hãm trong thời gian ngắn Do trong quá trình tăng tốc, động cơ điện cần tiêu thụ một dòng điện lớn

để sinh ra gia tốc cho xe; ngược lại, trong quá trình phanh hãm, động cơ điện hoạt động như một máy phát, do đó, ắc quy cần có khả năng nhận dòng điện lớn từ động

cơ phát ra để quá trình phanh hãm được nhanh Ngoài ra, mật độ năng lượng lớn cũng đồng nghĩa với việc thời gian sạc sẽ ngắn đi rất nhiều

- Dung lượng phải lớn để xe có thể đi được quãng đường dài sau mỗi lần sạc đầy

Do các đặc điểm trên, các hệ thống sạc cần phải có công suất lớn tương ứng

để vừa phải cung cấp điện áp phù hợp để sạc, vừa phải cung cấp dòng điện lớn cho chế độ sạc ổn dòng để rút ngắn thời gian sạc

2.1 Các thông số ắc 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)

Tổng năng lượng trên một đơn vị khối lượng được gọi là mật độ năng lượng của ắc quy Mặc dù thông số này chỉ dùng như một sự ước lượng xấp xỉ của năng lượng phân bố trong ắc quy nhưng nó thường dùng để phân loại các công nghệ ắc

quy Đơn vị (Wh/kg), đại diện cho quãng đường xe có thể đi được trong 1 lần

sạc.[7]

SE batt = = [Wh/kg] (2.1)

Hình 2.1 Phân loại ắc quy theo mật độ năng lượng

Theo công thức (2.1), tùy theo năng lượng phóng thay đổi, mật độ năng lượng của ắc quy cũng thay đổi Hình 2.1 thể hiện ắc quy Lithium Polymer có mật

độ năng lượng theo thể tích cũng như khối lượng lớn nhất trong tất cả các loại ắc quy

+ Mật độ công suất SP batt

Mật độ công suất của hệ thống ắc quy là thông số cho phép xác định độ lớn của công suất có thể đạt được trên một đơn vị khối lượng Đơn vị (W/kg), thông số này cũng cho phép ước lượng mức công suất cho phép của hệ thống ắc quy Mật độ công suất của ắc quy đại diện cho khả năng tăng tốc của xe

Coulombs (C) hay Ah, 1Ah = 3600C Trong các hệ thống ắc quy thực tế, dung lượng phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện phóng Ví dụ, một ắc quy 20Ah có thể hoạt động với dòng 1A trong 20h nhưng không thể hoạt động với dòng 20A trong

1h Sự khác biệt này là do sự phụ thuộc vào các phản ứng hóa học ở bên trong ắc

quy Để thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện phóng và dung lượng của ắc quy, người ta đưa ra công thức

I = kC (2.3)

Với: I là dòng điện nạp hoặc dòng điện phóng

C là dung lượng ắc quy

k là hệ số của C

Ví dụ, nếu một ắc quy 30Ah được phóng trong 10h tại dòng 15A, thì I = 0.5C 10

Nếu một ắc quy 20Ah phóng tại dòng 4A, thì có thể nói nó được phóng tại 0.2C hoặc tại C/5

E bNorm là năng lượng danh định của ắc quy Wh

+ Điện trở trong của ắc quy

Điện trở trong của ắc quy có thể xác định được qua thực nghiệm bằng việc

sử dụng mạch test hình (2.3) Sự thay đổi tải đầu ra sẽ sinh ra một sự thay đổi điện

áp V tương ứng

Hình 2.3 Mạch đo điện trở trong Ri DC

Tương ứng , điện trở trong của ắc quy được xác định

+ Hiệu suất Faraday

Hiệu suất Faraday hay còn gọi là hiệu suất nạp của ắc quy xác định bởi tỉ lệ

dung lượng phóng (Ah) và dung lượng nạp (Ah) Thông số này cho phép ước lượng

hiệu suất nạp có thể đạt được của một hệ thống ắc quy cụ thể

+ Hiệu suất năng lượng ắc quy

Hiệu suất năng lượng ắc quy được định nghĩa là tỉ lệ giữa năng lượng giải phóng của một ắc quy từ một trạng thái xác định và năng lượng cần thiết để nạp cho

ắc quy trở về trạng thái đó Mặc dù hiệu suất ắc quy không phải là thông số tuyến tính để xác định công suất của ắc quy, nhưng nó cho phép so sánh ước lượng 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 bsẽ cung cấp năng lượng

+ Trạng thái nạp của ắc quy (SOC)

Trạng thái nạp của ắc quy là một thông số không thứ nguyên thể hiện dung lượng hiện tại so với điện dung của ắc quy Khi ắc quy được phóng và nạp, SOC chỉ

ra tỉ lệ giữa tổng năng lượng đã bị tiêu hao hoặc đã được nạp vào ắc quy

Trong hầu hết các phương pháp xác định SOC, dòng điện ắc quy được lấy tích phân trên toàn bộ thời gian và tỷ lệ với dung lượng Tuy nhiên, phương pháp tích phân dòng điện thiên về tích phân sai số gây ra bởi sự sai lệch lâu dài trong 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

SoC batt (t 1 ) = SoC batt (t 0 ) +

Trong ứng dụng điều khiển thời gian thực, SOC có thể được tính toán trong các bước rời rạc

SoC batt (k+1) = SoC batt (k) + .

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:

SOC = 84 × V ocv – 984 (2.13)

Tuy nhiên việc xác định SOC trong điều kiện lái xe khó khăn do OCV của ắc

quy biến động theo trạng thái hoạt động của ắc quy Do vậy phương trình xác định

SOC thực tế thể đượcthể hiện như sau:

SOC = f 1 (V ocv ) + f 2 (I ×f 1 (V ocv )) + f 3 (ΔT) (2.14)

f 1 là hàm của V ocv , f 2 là hàm của dòng điện phóng, f 3là hàm của nhiệt độ

Nếu tính toán chính xác được SOC trong suốt quá trình sử dụng của xe điện

sẽ mang lại các lợi thế sau:

• Kéo tuổi thọ ắc quy dài

• Hiệu suất ắc quy tốt hơn

• Cải thiện độ tin cậy hệ thống điện

• Giảm yêu cầu điện

• Ắc quy nhỏ hơn/nhẹ hơn

• Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu (xe HEV)

• Cảnh báo trước được các hư hỏng của gói ắc quy

• Giảm các chi phí bảo hành

Việc tính toán SOC có thể được hiển thị dung lượng ắc quy hữu ích, công

suất của các gói ắc quy Các tính toán tối ưu hóa việc nạp lại mà không tổn hại đến

tuổi thọ ắc quy SOC ngăn ngừa các ắc quy khi sạc đầy quá mức và ngăn ngừa sả

ngẫu nhiên Giống như một thiết bị cảnh báo thay thế ắc quy, SOC có thể cảnh báo

người dùng khi dung lượng ắc quy ở ngưỡng của nó đòi hỏi nạp và điều khiển hệ thống làm mát ắc quy để đảm bảo ắc quy vận hành tối ưu

Bằng việc kiểm soát và điều khiển theo SOC sẽ cải thiện khoảng 5% tuổi thọ

ắc quy Hình 2.4 so sánh tỷ lệ tái nạp của ắc quy có điều khiển theo SOC và không

có điều khiển SOC theo thời gian Ngoài ra, dung lượng của ắc quy cũng được cải

thiện như thể hiện trong Hình 2.5

Hình 2.4 So sánh SOC bình thường và SOC điều chỉnh

Hình 2.5 So sánh công suất ắc quy ở mức 50% SOC

*Thuật toán Tính toán SOC thực tế

SOC của ắc quy trong thực tế được ước tính mỗi khoảng thời gian một cách

lặp đi lặp lại Giá trị điện áp trung bình V ave trong 1 khoảng thời gian ∆t được thể

hiện như:

Với: V 0 là điện áp ban đầu của khoảng thời gian đo lường SOC

V 1 là điện áp tại thời điểm t 0 +∆t

Ước tính trở kháng R int của ắc quy bằng cách nội suy trong SOC với bảng trở kháng ắc quy.Tính toán trở kháng ắc quy trung bình (R ave) cho khoảng thời

gian Trở kháng ắc quy R ave trung bình được tính bằng:

R ave = ½( R 0 + R 1 ) (2.16)

R 0 là trở kháng ắc quy lúc bắt đầu khoảng thời gian đo lường SOC

Tính toán dòng điện ắc quy bằng cách sử dụng phương trình sau đây:

r = [V avg / (2R avg )] 2 - P batt / R avg (2.17)

Nếu r lớn hơn không, I được tính bằng phương trình sau:

Lặp lại tính toán các bước từ 1 đến 6, như trên, cho đến khi sự khác biệtgiữa

SOC 0 và SOC hội tụ mới được tính toán trong0,01% của SOC

2.2 Các vấn đề khi nạp ắc quy

2.2.1 Sạc ắc quy VLRA đơn

Phương pháp dùng dòng điện không đổi- điện áp không đổi (CI-CV) là

phương pháp sạc thường dùng cho ắc quy VRLA 12V Phương pháp này được áp dụng cho mỗi ắc quy với tổng 20 - 30 chu kỳ xả nạp ắc quy

Giá trị của dòng điện nạp (I c) phụ thuộc vào công suất đầu racủa bộ sạc ắc

quy, giá trị tối đa và tối thiểu của I c, các giá trị tương ứng của các điện áp trên cực

ắc quy (V c ), vàthời gian cần thiết để sạc 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 đã giảm đến 0,80 % dung lượng ắc quy phóng

trong chế độ 3 tiếng (C/3) Ví dụ, một ắc quy VRLA có dung lượng 95 Ah với điều

kiện phóng trong 3 tiếng đã được nạp đầy khi dòng điện nạp đã giảm xuống còn: