+ 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.
• 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 thếắc 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 đểđảm 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.
*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 Vave trong 1 khoảng thời gian ∆t được thể
hiện như:
Vave = ½(V0 + V1) (2.15)
Với: V0 là điện áp ban đầu của khoảng thời gian đo lường SOC.
V1 là điện áp tại thời điểm t0+∆t.
Ước tính trở kháng Rint của ắc quy bằng cách nội suy trong SOC với bảng trở
kháng ắc quy.Tính toán trở kháng ắc quy trung bình (Rave) cho khoảng thời gian. Trở kháng ắc quy Rave trung bình được tính bằng:
Rave = ½( R0 + R1) (2.16)
R0 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 = [Vavg / (2Ravg)] 2 - Pbatt / Ravg (2.17) Nếu r lớn hơn không, Iđược tính bằng phương trình sau:
I = Vavg / (2Ravg) - √ (2.18)
Điều chỉnh điện áp ắc quy bằng cách sử dụng phương trình:
V = vavg – (I ×Ravg) (2.19)
SOC còn lại sử dụng phương trình:
SOC1 = SOC0 - P∆t / 3600 × C × V (2.20)
Trong đó P là công suất bắt nguồn từắc quy và C là dung lượng Ahr của ắc quy.Số 3600 xuất hiện trong số chia vì khoảng thời gian ∆t được thể hiện tính bằng giây.
Lặp lại tính toán các bước từ 1 đến 6, như trên, cho đến khi sự khác biệtgiữa
2.2. Các vấn đề khi nạp ắc quy 2.2.1. Sạc ắc quy VLRA đơn