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 tụđiện 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 tụđiện (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 tụđiện, 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 nhưắc quy hay fuel tế bào. Nó chỉđược 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 Li-Ion.
Lead Acid Nickel metal hydride
(NiMH) Li-Ion
Năng lượng riêng 20-30 Wh/kg ~65 Wh/kg 180Wh/kg
Mật độ năng lượng 54-95 Wh/l ~150 Wh/l 153 Wh/l
Công suất riêng ~250 W/kg 200 W/kg 300 W/kg
Điện áp danh định/ tế
bào 2V 1.2V 3.5V
Năng suất Amphour ~80% (phụ thuộc
nhiệt độ) >80% >80%
Điện trở trong ~0.022 ohm /tế bào @ 1Ah/tế bào
~0.06 ohm/ tế bào @
1Ah/tế bào Rất thấp
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) Số chu kỳ sống ~800 ~1000 >1200
Thời gian nạp 8h (90% / 1 giờ) 1 giờ với nạp nhanh 2-3h
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 ởắc 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 từđộng 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 thểđi 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 chếđộ sạc ổn dòng để rút ngắn thời gian sạc.
2.1. Các thông số ắc quy: + Thông số hệ thống 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: Ip, In
Điện áp của hệ thống ắc quy: Vbs
Điện áp từng phần của hệ thống ắc quy: Vbn
Nhiệt độ của hệ thống ắc quy: Tbs
+ Mật độ năng lượng (SEbatt)
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 sựước 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]
SEbatt = = [Wh/kg] (2.1)
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 SPbatt
Mật độ công suất của hệ thống ắc quy là thông số cho phép xác định độ lớn của công suất có thểđạt 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.
SPbatt = [W/kg] (2.2)
Hình 2.2. Quan hệ giữa công suất và năng lượng của các loại ắc quy + Dung lượng ắc quy
Dung lượng hệ thống ắc quy là tổng lượng điện tích tự do sinh ra bởi các chất hoạt động tại điện cực âm và được hấp thụ tại điện cực dương. Đơn vị
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 = 0.5C10. Nếu một ắc quy 20Ah phóng tại dòng 4A, thì có thể nói nó được phóng tại 0.2C
hoặc tại C/5.
+ Sự tự phóng
Khi không được sử dụng, ắc quy thể hiện các mức độ tự phóng khác nhau theo thời gian. Đặc điểm này khiến cho năng lượng tích lũy trong ắc quy bị tiêu hao. Tỉ lệ tự phóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, phần lớn là nhiệt độ, nhiệt độ ắc quy càng cao thì tỉ lệ tự phóng càng lớn. Năng lượng tổn thất bởi sự tự phóng của ắc quy
ESDđược thể hiện trong tỉ lệ mỗi 24h:
ESD = αSD.EbNorm (2.4)
Với: αSDlà hệ số tự phóng trong 24h.
EbNorm 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 Vb tương ứng.
e
Hình 2.3. Mạch đo điện trở trong RiDC
Tương ứng , điện trở trong của ắc quy được xác định.
RiDC = [Ω] (2.5)
+ 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 thểđạt được của một hệ thống ắc quy cụ thể.
ηAh = (2.6)
+ 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 tf, ắc quy xả năng lượng
Ediscó thểđược diễn tả theo công thức của điện áp hở mạch Voc, điện trở trong Ri và một dòng điện xả không đổi Ib:
Nạp ắc quy với cùng khoảng thời gian tf và dòng điện nạp Ibsẽ cung cấp năng lượng Echg: |Echg | = | | = tf (Voc + | | ) | | (2.8) Do đó, hiệu suất ắc quy được biểu diễn bởi hàm của dòng điện Ib ηbatt = E = | | | | (2.9)
+ 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.
SoCbatt = ă
ă 100% (2.10)
Việc xác định chính xác thông số này rất quan trọng cho việc quản lý năng lượng cũng như cung cấp thông tin đánh giá tổng năng lượng có ích trong hệ thống
ắc quy. Nhiều công nghệ khác nhau đã được sử dụng để ước lượng SOC như
phương pháp điều khiển mờ, sử dụng phương trình Peukert và sử dụng các bảng tra kinh nghiệm.
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 Cn từ t0 đến t1 với dòng điện phóng Ib
mang ắc quy đến trạng thái nạp t1
SoCbatt(t1) = SoCbatt(t0) +
Trong ứng dụng điều khiển thời gian thực, SOC có thể được tính toán trong các bước rời rạc.
SoCbatt (k+1) = SoCbatt (k) + .
. (2.12)
Với ΔT là chu kì trích mẫu và đủ nhỏđể 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 × Vocv – 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 thểđượcthể hiện như sau:
SOC = f1 (Vocv) + f2(I ×f1 (Vocv)) + f3 (ΔT) (2.14)
f1là hàm của Vocv, f2là hàm của dòng điện phóng, f3là 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 thọắc quy dài.
• Hiệu suất ắc quy tốt hơn. • Cải thiện độ tin cậy hệ thống điện. • Giảm yêu cầu điện.