Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian phóng điện của ắc quy ô tô điện

Bài báo này nghiên cứu tới sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian phóng điện của ắc quy chì axit trên ô tô điện. Mô hình một ngăn ắc quy được cấu thành từ 2 nhánh. Mời các bạn cùng tham khảo!

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN THỜI GIAN PHÓNG ĐIỆN CỦA ẮC QUY Ô TÔ ĐIỆN THE EFFECTS OF TEMPERATURE ON DISCHARGE TIME OF ELECTRIC CAR BATTERY PHẠM VĂN SANG*, ĐÀM HỒNG PHÚC, TRẦN MINH CƠNG, LÊ VĂN TÀI, ĐỖ ĐÌNH QUANG ANH Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: sang.pv171673@sis.hust.edu.vn Tóm tắt Đặt vấn đề Nhằm tăng quãng đường di chuyển ô tô điện, giới tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, dòng điện, điện áp Bài báo nghiên cứu tới ảnh hưởng nhiệt độ đến thời gian phóng điện ắc quy chì axit tơ điện Mơ hình ngăn ắc quy cấu thành từ nhánh Nhánh mơ tả cho hoạt động ắc quy, nhánh kí sinh mơ tả phản ứng ắc quy thời điểm điện ắc quy cao Mơ hình mơ đánh giá quan hệ nhiệt độ, dòng điện phóng, dung lượng ắc quy, điện áp Kết mô cho thấy mối quan hệ nhiệt độ dịng điện phóng với thời gian phóng điện, khoảng nhiệt độ mà thời gian phóng ắc quy đạt giá trị cao khoảng 40-50⁰C Nhằm tăng quãng đường cho xe ô tô điện, nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng nhiệt độ điện áp đến thời gian phóng điện ắc quy xu hướng nghiên cứu trên giới Đã có nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến dung lượng điện áp phóng ắc quy chì axit nhóm tác giả S W Arsri, báo giá trị mà nhiệt độ mà ắc quy bị suy giảm mạnh dung lượng từ 63,31⁰C [1] Để xác định rõ ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu phóng điện ắc quy Trong báo thực nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến thời gian phóng điện ắc quy chì axit Nghiên cứu thực mơ phần mềm Matlab Simulink Dựa tính tốn từ xe điện nhỏ phịng thí nghiệm trường Đại học Bách khoa Hà Nội Từ khóa: Ơ tơ điện, ắc quy, thời gian phóng Mơ hình ắc quy Abstract Mạch tương đương thiết lập theo kinh nghiệm gần với hoạt động ắc quy Cấu trúc bao gồm nhánh: Nhánh mơ tả cho hoạt động ắc quy, nhánh kí sinh mô tả phản ứng ắc quy thời điểm điện ắc quy cao [2, 3] To increase the distance run of electric cars, the world's study focuses on the influence of temperature, current, and voltage This paper studies the influence of temperature on the discharge time of lead-acid batteries in electric cars The model of a battery cell is composed of two branches The main branch describes the main operation of the battery, the parasitic branch describes the reaction of the battery at the time of high battery voltage Simulation model will evaluate the relationship between temperature, discharge current, battery capacity, voltage The simulation results show the relationship of the temperature and battery currents with the discharge time, indicating that the temperature range of the battery’s discharge time reached the highest value of 40-50⁰C Keywords: Electric car, battery, discharge time SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Mạch tương đương pin đại diện cho cell pin mô tả Hình Điện áp đầu nhân với sáu, số lượng cell nối tiếp, để tạo mô hình cho pin ắc quy Hình Mơ hình mạch tương đương [5] 377 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Mỗi phần tử mạch tương đương dựa phương trình phi tuyến Các phương trình phi tuyến bao gồm tham số trạng thái Các tham số phương trình phụ thuộc vào số xác định theo thực nghiệm Massimo Ceraolo[4] mô ắc quy Các trạng thái bao gồm nhiệt độ chất điện phân, điện tích lưu trữ, điện áp dòng điện nút mạch Các phương trình sau: * Điện áp nhánh chính: Phương trình (1) tính tốn sức điện động (Em) hay điện áp mạch hở cell pin Giá trị suất điện động đo hai đầu cực chưa có phụ tải Do đó, suất điện động phụ thuộc vào nhiệt độ trạng thái nạp SOC ắc quy: Em = Emo - K E (273 + q )(1 - SOC ) (1) Ip - Dòng điện tổn hao nhánh ký sinh, (A); VPN - Điện áp nhánh ký sinh, (V); GP0 - Hằng số, (s); * Điện lượng dung lượng θ - Nhiệt độ dung dịch điện phân, (oC); SOC - Trạng thái nạp ắc quy * Điện trở đầu cực: Phương trình (2) tính tốn điện trở đầu cực Đây điện trở xương cực hợp kim chì Điện trở phụ thuộc theo hàm bậc trạng thái nạp SOC Ro = Roo [1 + Ao (1 - SOC )] (2) Dung lượng xác định lượng lớn trình sạc mà ắc quy lưu trữ Trạng thái điện lượng SOC xác định tỷ lệ giá trị điện lượng dung lượng ban đầu Điện lượng theo dịng phóng DOC xác định qua tỉ số điện lượng ắc quy dung lượng có ích, dung lượng có ích giảm dịng điện phóng tăng Các phương trình theo dõi dung lượng SOC DOC sau: * Dung lượng phóng Ro - Điện trở đầu cực, (Ω); Phương trình (5) tính theo điện lượng q trình ắc quy hoạt động Dung lượng ắc quy tính tích phân đơn giản theo dòng điện Roo - Giá trị Ro SOC =1; Ao - Hằng số : Phương trình (3) tính tốn điện trở nhánh ắc quy Điện trở vật liệu hoạt tính nằm khung xương cực Giá trị điện trở phụ thuộc vào điện lượng lại theo dòng điện phóng DOC thơng số điều chỉnh điện lượng ắc quy cho dịng phóng Điện trở tăng theo hàm mũ ắc quy q trình phóng điện (3) R1 - Điện trở nhánh chính, (Ω); R10 - Hằng số, (Ω); DOC - Điện lượng lại theo dịng phóng * Dịng điện ký sinh Phương trình (4) tính tốn dịng điện ký sinh tổn 378 Trong đó: θf - Nhiệt đóng băng dung dịch bình, (°C) KE - Hằng số, (V/oC); R1 = -R10 ln( DOC) (4) Ap - Hằng số; Emo - Điện mạch hở sạc đầy, (V); Trong đó: ÷ ÷ ø VP0 - Hằng số, (V); Em - Điện mạch hở, (V); * Điện trở nhánh ỉ VPN ç ÷ ỉ t ps +1 ç ÷ A ç1 - q I p = VPN G po exp ỗ V po ữ p ỗ q f ỗỗ ữữ ố è ø τp - Hằng số thời gian, (s); Trong đó: Trong đó: hao ắc quy sạc Dịng điện phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch ắc quy điện nhánh kí sinh Dịng điện nhỏ hầu hết điều kiện, ngoại trừ trường hợp ắc quy trạng thái nạp SOC cao t Qe t = ò0 - I m (t ) dt (5) Trong đó: Im - Dịng điện nhánh chính, (A) * Tổng dung lượng C Phương trình (6) tính tốn dung lượng ắc quy dựa dịng điện phóng nhiệt dung dịch bình ắc quy Tuy nhiên phụ thuộc dung lượng phụ thuộc vào dòng điện q trình phóng Trong q trình nạp, dịng điện phóng thiết lập khơng phương trình (6) cho kết tính tốn tổng dung lượng Các kết thí nghiệm tồn phạm vi kiểm tra dòng cho thấy dung lượng ắc quy bắt đầu giảm nhiệt độ khoảng 60°C Bảng tra cứu (LUT) biến số Kt phương trình (6) sử dụng để SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 thực nghiệm mơ hình phụ thuộc nhiệt độ dung lượng ắc quy C (I ,q ) = K cCo*K t *d + ( K c - 1)( I / I ) , K t = LUT (q ) * Cường độ dịng điện trung bình ước lượng: Trong q trình q độ cường độ dịng điện trung bình dự tính công thức (8) (6) Im (t1s + 1) I avg = Trong đó: Kc - Hằng số; Trong đóng: τ1 - Hằng số thời gian, (s) Co* - Dung lượng khơng tải 0°C, (As); Mơ hình nhiệt: Phương trình (9) mơ hình hóa để đánh giá nhiệt độ dung dịch bình ắc quy, tổn thất điện trở nhiệt tỏa môi trường Mô hình nhiệt bao gồm phép tốn vi phân, tham số điện trở nhiệt dung ắc quy Kt - Hằng số phụ thuộc nhiệt độ; I - Cường độ dòng điện, (A); I* - Cường độ dòng điện danh nghĩa, (A); Δ - Hằng số * Trạng thái điện lượng SOC, điện lượng theo dịng phóng DOC: Phương trình (7) tính tốn SOC DOC tỉ số biến điện lượng tổng dung lượng ắc quy Trạng thái điện lượng SOC xác định tỉ số điện lượng lại Điện lượng theo dòng phóng DOC tính theo tỉ số điện lượng có ích lại, điện lượng cho cường độ dịng điện phóng trung bình Cường độ dịng phóng lớn làm điện lượng ắc quy hao hụt nhanh hơn, DOC ln nhỏ SOC SOC = - Qe Qe , DOC = C (0, q ) C ( I avg , q ) (8) (7) Trong đó: ỉ q - qa çç Ps R0 tè q t = q init + ị0 C ÷÷ ødt (9) q Trong đó: θa - Nhiệt độ môi trường, (°C); θinit - Nhiệt độ ban đầu bình ắc quy, (°C), giả thiết nhiệt độ môi trường xung quanh; Ps - Năng lương tổn hao R0 R2, (W); Rθ - Hệ số truyền nhiệt đối lưu, (°C/W); Cθ - Nhiệt dung nhiệt, (J/°C) * Khối tính tốn mạch: Khối sử dụng kết tính tốn phần tử mạch, kết hợp cơng thức mạch điện để đưa tín hiệu điện áp, cường độ dịng điện, cơng suất cần thiết C - Dung lượng ắc quy, (As); Iavg - Cường độ dịng phóng trung bình, (A) VPN = Em - (I + I p )R1 V = VPN - I R0 (10) (11) Hình Sơ đồ khối mơ SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 379 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Ps = I Ro * Điều kiện khảo sát: (12) Sơ đồ khối mô Hình xây dựng khối cấu thành nên mơ hình ắc quy, miêu tả hoạt động hoàn chỉnh ắc quy, đầu vào bao gồm nhiệt độ mơi trường (Ambient Tempt), dịng điện (require current) Đầu điện áp, nhiệt độ ắc quy, DOC SOC ắc quy Trong gồm khối chính: Khối “Thermal Model”: Mơ tả trạng thái nhiệt độ ắc quy Khối “Charge and Capacity”: Mô tả trạng thái điện lượng dung lượng ắc quy Khối “Data”: Bao gồm phương trình miêu tả cấu tạo cực ắc quy, dòng điện nhánh kí sinh điện áp nhanh Khối “Battery Circuit Equation”: Đảm nhiệm tính tốn điện áp đầu hoạt động nhánh ký sinh Khảo sát đánh giá * Mục đích: Đánh giá mức độ ảnh hưởng nhiệt độ ắc quy thay đổi đến thời gian phóng ắc quy chì axit Qua nghiên cứu khảo sát nhiệt độ trung bình Việt Nam tiến hành khảo sát nhiệt độ môi trường trung bình Việt Nam 15⁰C, 25⁰C, 30⁰C Tiến hành khảo sát dịng điện phóng ắc quy 10, 50, 100(A) riêng nhiệt độ môi trường 25⁰C coi nhiệt độ bình nhiệt độ mơi trường, theo thời gian phóng Cho kết thể mối quan hệ dịng điện phóng, điện áp, nhiệt độ thời gian phóng ắc quy Hình Sự sụt giảm điện áp ắc quy theo thời gian phóng lớn dịng điện phóng cao Nhiệt độ ắc quy tăng lên giá trị cực đại sau có xu hướng giảm dần, cường độ dịng điện phóng cao nhiệt độ bình ắc quy tăng lên nhanh Để kiểm chứng rõ ràng mối tương quan cường độ dòng điện phóng nhiệt độ tiếp tục tiến hành khảo sát riêng biệt mối quan hệ dịng điện phóng nhiệt độ ắc quy nhiệt độ môi trường 15⁰C, 25⁰C, 30⁰C kết nhận Hình Nhiệt độ[⁰C] 15°C 25°C 30°C 45 40 35y = 0.2851x - 0.8777x + 30.827 30 25 y = 0.2851x2 - 0.8777x + 25.827 20 15 y = 0.285x2 - 0.8757x + 15.83 10 10 20 30 50 60 80 100 Cường độ dòng điện[A] ệ ữa dòng điệ ố 15°C 25°C ệt độ ắ 30°C Hình Đồ thị quan hệ dịng điện phóng, điện áp, nhiệt độ thời gian phóng Thời gian phóng [s] t*10^3 40 35 30 25 20 15 10 10 20 30 50 60 80 100 Dịng điện phóng [A] Hình Mối quan hệ dịng điện phóng thời gian phóng ắc quy 380 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Khi dịng điện phóng tăng dần ba nhiệt độ mơi trường khảo sát nhiệt độ bình ắc quy tăng theo dạng đường bậc hai Giá trị dịng điện phóng cao nhiệt độ bình ắc quy tăng cao Do kết luận dịng điện phóng ngun nhân gây nên gia tăng nhiệt độ bình ắc quy trình hoạt động Sau khảo sát mối tương quan cường độ dịng điện phóng nhiệt độ bình ắc quy, khảo sát mối quan hệ dịng điện phóng thời gian phóng điện ắc quy ba nhiệt độ môi trường 15⁰C, 25⁰C, 30⁰C cho kết đồ thị Hình Từ đồ thị thấy dịng điện phóng tăng lên thời gian phóng ắc quy giảm nhiệt độ khác thời gian phóng điện khác có ảnh hưởng nhiệt độ tới thời gian phóng điện ắc quy Như nhiệt độ dòng điện phóng có ảnh hưởng đến thời gian phóng điện ắc quy Từ tiếp tục tiến hành khảo sát để tìm vùng nhiệt độ tối ưu mà thời gian phóng điện ắc quy hiệu cao Khảo sát cường độ dịng điện phóng phạm vi 10-100(A), lúc ắc quy làm mát đưa đến nhiệt độ cố định không đổi cho kết biểu diễn đồ thị Hình Tại nhiệt độ ắc quy khác dịng điện phóng cao thời gian phóng vùng nhiệt độ mà thời gian phóng điện ắc quy hiệu 40-50⁰C Thời gian phóng [s] t*10^3 30A 70A 40A 100A 50A 20 15 10 dịng điện phóng; tmax - Thời gian phóng lớn dịng điện phóng; tmin - Thời gian phóng nhỏ dịng điện phóng Tiến hành so sánh thời gian phóng vùng nhiệt độ hiệu vùng nhiệt độ khác Sau tính tốn so sánh cho thấy mức độ chênh lệch dao động xung quanh giá trị 25% Từ thấy tác động nhiệt độ đến thời gian phóng điện tương đối cao Là tiền đề cho trình nghiên cứu để cải thiện hiệu cho hệ thống cung cấp điện cho ô tô điện Bảng Mức độ chênh lệch thời gian phóng điện I(A) H(%) 30 16130 10775 33.2 40 12415 8930 28.1 50 10129 7639 24.6 70 7456 5405 27.5 100 5385 3801 29.4 Kết luận Việc sử dụng mơ hình mơ q trình đánh giá kiểm nghiệm tiết kiệm nhiều chi phí thời gian Đã kết luận ảnh hưởng nhiệt độ đến thời gian phóng điện ắc quy: vùng nhiệt độ mà ắc quy đạt hiệu thời gian phóng cao 40-50⁰C Ứng với dịng điện phóng khác mức độ hao hụt thời gian phóng vùng nhiệt độ 40-50⁰C vùng khác lên tới 24%35% Đây chênh lệch lớn thời gian sử dụng Từ dẫn đến nghiên cứu tới tập trung vào vấn đề để tăng hiệu sử dụng ắc quy chì axit ô tô điện TÀI LIỆU THAM KHẢO 0 20 40 60 80 100 Nhiệt độ [°C] Hình Mối quan hệ nhiệt độ thời gian dòng điện dịng điện phóng khác * Mức độ chênh lệch thời gian phóng: H = tmax - tmin tmax (13) Trong đó: H - Mức độ chênh lệch thời gian phóng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [1] S.W.Arsri and Miftahul Anwar, Analytical study of temperature effect on current and voltage of battery at charging and condition on electric vehicle April 2020_AIP Conference Proceedings 2217(1) [2] Robyn A.Jckey A Simple, Effective Lead-Acid Battery Modeling Process for Electrical System Component Selection Published 2007, The Math Works, Inc., Natick [3] Boonyang Plangklang, Mathematical Model and experiment of Temperature Effect on Discharge of 381 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Lead-Acid Battery for PV systems in Tropical Area, Energy and Power Engineering 05(01), January 2013 [4] Massimo Ceraolo, Dynamical Models of LeadAcid Batteries: Implementation Issues, IEEE Transactions on energy conversion, Vol 17, No.1, March 2002 [5] The MathWorks, Inc retains all copyrights in the figures and excerpts of code provided in this article These figures and excerpts of code are used with permission from The MathWorks, Inc All rights reserved [6] D Linden and T B Reddy, Handbook of Batteries, 3rd edition, McGraw-Hill, New York, NY, 2001 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 382 30/6/2021 14/8/2021 20/8/2021 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... thời gian phóng ắc quy giảm nhiệt độ khác thời gian phóng điện khác có ảnh hưởng nhiệt độ tới thời gian phóng điện ắc quy Như nhiệt độ dịng điện phóng có ảnh hưởng đến thời gian phóng điện ắc quy. .. phí thời gian Đã kết luận ảnh hưởng nhiệt độ đến thời gian phóng điện ắc quy: vùng nhiệt độ mà ắc quy đạt hiệu thời gian phóng cao 40-50⁰C Ứng với dịng điện phóng khác mức độ hao hụt thời gian phóng. .. Tại nhiệt độ ắc quy khác dịng điện phóng cao thời gian phóng vùng nhiệt độ mà thời gian phóng điện ắc quy hiệu 40-50⁰C Thời gian phóng [s] t*10^3 30A 70A 40A 100A 50A 20 15 10 dòng điện phóng;