Hệ thống nạp điện trên ô tô

2.2.1. Khái quát

2.2.1.1. Chức năng của hệ thống cung cấp điện

Xe được trang bị rất nhiều thiết bị điện để lái xe được an toàn và thuận tiện. Xe cần sử dụng điện không chỉ khi đang chạy mà cả khi dừng. Vì vậy, xe có Acquy để cung cấp điện và hệ thống nạp để tạo ra nguồn cung cấp điện khi động cơ đang nổ máy. Hệ thống nạp cung cấp điện cho tất cả các thiết bị điện và để nạp điện cho Acquy. [4]

Hình 2. 10: Hệ thống cung cấp điện trên ô tô

2.2.1.2. Cấu trúc của hệ thống cung cấp điện

 Máy phát điện

 Bộ điều áp

 Acquy

 Đèn báo nạp

15

Hình 2. 11: Sơ đồ hệ thống nạp trên ô tô

Khi bật công tắc máy, dòng điện sẽ đi từ bình Acquy đến cuộn dây rotor trong máy phát điện. Dòng điện này làm rotor trở thành nam châm điện. Khi động cơ hoạt động, nam châm điện này quay làm biến thiên từ thông qua cuộn dây trên stator. Từ thông biến thiên sinh ra sức điện động trên cuộn dây stator. Dòng điện do máy phát sinh ra sẽ được nạp cho bình Acquy và cung cấp cho các phụ tải điện. Đèn báo nạp nằm trên bảng đồng hồ của người lái để báo máy phát không phát điện hoặc có sự cố trong hệ thống nạp.

2.2.1.3. Chức năng của máy phát điện xoay chiều

Máy phát điện thực hiện một số chức năng. Trên các máy phát đời cũ, thành phần của máy phát gồm bộ phận phát điện và chỉnh lưu. Chức năng ổn định điện áp được thực hiện bằng một tiết chế lắp rời thông thường là loại rung hoặc bán dẫn. Ngày nay, các máy phát bao gồm 3 bộ phận: phát điện, chỉnh lưu và hiệu chỉnh điện áp. Tiết chế vi mạch nhỏ gọn được lắp liền trên máy phát, ngoài chức năng điều áp nó còn báo một số hư hỏng bằng cách điều khiển đèn báo nạp.

a) Phát điện:

Động cơ quay, truyền chuyển động quay đến máy phát điện thông qua dây đai hình chữ V. Rotor của máy phát điện là một nam châm điện. Từ trường tạo ra sẽ tương tác lên dây quấn trong stator làm phát sinh ra điện.

16 Dòng điện xoay chiều tạo ra trong máy phát điện không thể sử dụng trực tiếp cho các thiết bị điện mà được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều. Bộ chỉnh lưu sẽ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

c) Hiệu chỉnh điện áp:

Tiết chế điều chỉnh điện áp sinh ra. Nó đảm bảo hiệu điện thế của dòng điện đi đến các thiết bị là hằng số ngay cả khi tốc độ máy phát điện thay đổi.

Hình 2. 12: Cấu tạo máy phát

2.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện 2.2.2.1. Dòng điện xoay chiều 3 pha 2.2.2.1. Dòng điện xoay chiều 3 pha

Khi nam châm quay trong một cuộn dây, điện áp sẽ được tạo ra giữa hai đầu của cuộn dây. Điều này sẽ làm xuất hiện dòng điện xoay chiều.

Mối quan hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châm được chỉ ra ở hình vẽ. Cường độ dòng điện lớn nhất được tạo ra khi các cực nam (S) và cực bắc (N) của nam châm gần cuộn dây nhất. Tuy nhiên chiều của dòng điện trong mạch thay đổi ngược chiều nhau sau mỗi nửa vòng quay của nam châm. Dòng điện hình sin được tạo ra theo cách này gọi là “dòng điện xoay chiều một pha”. Một chu kỳ ở đây là 3600 và số chu kỳ trong một giây được gọi là tần số.

17 Để phát điện được hiệu quả hơn, người ta bố trí 3 cuộn dây trong máy phát như hình vẽ. Mỗi cuộn dây A, B và C được bố trí cách nhau 1200 và độc lập với nhau. Khi nam châm quay trong các cuộn dây sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều trong mỗi cuộn dây. Hình vẽ dưới đây cho thấy mối quan hệ giữa 3 dòng điện xoay chiều và nam châm dòng điện được tạo ở đây là dòng điện xoay chiều 3 pha. Tất cả các xe hiện đại ngày nay đều sử dụng máy phát xoay chiều 3 pha.

Hình 2. 13: Nguyên lý dòng điện xoay chiều

2.2.2.2. Bộ chỉnh lưu

a) Cấu tạo:

Máy phát điện xoay chiều trong thực tế có trang bị mạch chỉnh lưu như hình 1 để nắn dòng điện xoay chiều 3 pha. Mạch này có 6 điốt và được đặt trong giá đỡ của bộ chỉnh lưu như hình vẽ:

18

Hình 2. 14: Cấu tạo bộ chỉnh lưu máy phát

Hình 2. 15: Dòng điện xoay chiều 3 pha b) Chức năng:

Dòng điện này chạy vào tải qua điốt 3 và sau đó trở về cuộn dây II qua điốt 5. ở thời điểm này cường độ dòng điện ở cuộn dây I bằng 0. Vì vậy không có dòng điện chạy trong cuộn dây I. Khi rôto quay một vòng, trong các cuộn dây Stato dòng điện được sinh ra trong mỗi cuộn dây này được chỉ ra từ (a) tới (f) trong hình 3. ở vị trí (a), dòng điện có chiều dương được tạo ra ở cuộn dây III và dòng điện có chiều âm được tạo ra ở cuộn dây II. Vì vậy dòng điện chạy theo hướng từ cuộn dây II tới cuộn dây III

Bằng cách giải thích tương tự từ các vị trí (b) tới (f) dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu bằng cách cho qua 2 điốt và dòng điện tới các phụ tải được duy trì ở một giá trị không đổi.

19

2.2.2.3. Bộ tiết chế

a) Cấu tạo của bộ điều áp IC: Gồm IC lai, cánh tản nhiệt và giắc nối. b) Các loại bộ điều áp IC

 Loại nhận biết Acquy: Nhận biết ắc-qui nhờ cực S và điều chỉnh điện áp ra theo giá trị qui định.

 Loại nhận biết máy phát: Xác định điện áp bên trong của máy phát và điều chỉnh điện áp ra theo giá trị quy định.

c) Chức năng của bộ điều áp IC

 Điều chỉnh điện áp.

 Cảnh báo khi máy phát không phát điện và tình trạng nạp không bình thường.

 Một số cảnh báo để xác định sự cố:

- Đứt mạch hoặc ngắn mạch các cuộn dây roto. - Cực S bị ngắt.

- Cực B bị ngắt.

- Điện áp tăng vọt quá lớn (điện áp ắc-qui tang do ngắn mạch giữa cực F và cực E).

d) Các đặc tính của bộ điều áp IC

Hình 2. 16: Đường đặc tính bộ điều áp IC

Đặc tính tải của Acquy:

 Điện áp ra không đổi hoặc ít thay đổi (nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 tới 0,2 V) khi tốc độ máy phát thay đổi.

20

 Đặc tính phụ tải bên ngoài: Điện áp ra nhỏ đi khi dòng điện phụ tải tăng lên. Sự thay đổi điện áp, thậm chí ở tải định mức hoặc dòng điện ra cực đại của máy phát vào khoảng giữa 0,5 tới 1 V. Nếu tải vượt quá khả năng của máy phát thì điện áp ra sẽ sụt đột ngột.

 Đặc tính nhiệt độ: Nhìn chung điện áp ra sẽ giảm đi khi nhiệt độ tăng lên.

Vì điện áp ra sụt ở nhiệt độ cao (Ví dụ về mùa hè tăng lên ở nhiệt độ cao, về mùa đông thì giảm xuống). Việc nạp đầy đủ phù hợp với Acquy được thực hiện ở mọi thời điểm.

21

2.3. Hệ thống quản lý Acquy

2.3.1. Khái quát về hệ thống quản lý Acquy

Ngày nay, trên các dòng xe điện và xe Hybrid, bên cạnh hệ thống Acquy (pin, cell battery) hiện đại với dung lượng lớn và độ an toàn cao, tuy nhiên không thể thiếu một hệ thống quản lý đi kèm nhằm tối ưu hiệu suất của hệ thống cung cấp năng lượng trên các dòng xe này.

Acquy phải đảm bảo luôn được quản lý vì đây là hệ thống nguồn, có vai trò cung cấp điện năng mà nó tích được cho hệ thống nguồn để đảm bảo duy trì toàn bộ tải đều được cung cấp mà không bị gián đoạn. Acquy thường được tổ hợp lại với nhau để tạo thành hệ thống nguồn lớn hơn. Tuy nhiên, việc yếu kém hay hư hỏng một phần tử sẽ gây ảnh hưởng đến toàn bộ các phần tử còn lại do gánh nặng điện, vì thế việc sớm phát hiện ra phần tử yếu hay hư hỏng cũng vô cùng quan trọng. Ngoài ra, Acquy còn là một sản phẩm độc hại và tiềm ẩn khả năng cháy nổ nguy hiểm, việc giám sát, quản lý cũng để giảm bớt những rủi ro này.

Hệ thống quản lý Acquy là một hệ thống điện tử, sử dụng các công nghệ hiện đại nhằm giám sát các Acquy nạp (quản lý từng cell của Acquy hay quản lý một hệ các bình Acquy), giữ cho Acquy luôn hoạt động trong vùng an toàn và cho phép. Đây là một hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm tính kinh tế, an toàn và đáng tin cậy cho Acquy. [5]

Một số lợi ích của hệ thống quản lý Acquy:

 Tăng tuổi thọ của Acquy: việc quản lý và giám sát thường xuyên được các nguy cơ do đó làm giảm đáng kể các sự cố có thể xảy ra trong hệ thống, giúp đánh giá tình trạng của hệ thống một cách chính xác và từ đó tránh các hư hỏng và giữ cho Acquy luôn hoạt động ở trạng thái tốt nhất.

 Tăng độ ổn định cho hệ thống: đảm bảo hệ thống nguồn luôn trong trạng thái sẵn sàng và hoạt động theo mong muốn.

 An toàn cho người sử dụng và các thiết bị xung quanh: việc giảm các sự cố cháy nổ Acquy làm tăng tính an toàn con người cũng như cho các hệ thống khác trên xe.

22

Hình 2. 17: Hệ thống quản lý Acquy trên các dòng xe điện và Hybrid

2.3.2. Một số chức năng cụ thể của hệ thống quản lý Acquy 2.3.2.1. Quản lý các thông số tính toán trên hệ thống Acquy 2.3.2.1. Quản lý các thông số tính toán trên hệ thống Acquy

Hệ thống quản lý Acquy sẽ bao gồm các mạch điện tử có chức năng đo và giám sát các thông số tính toán của Acquy như:

 Điện áp: giám sát các mức điện áp tối đa và tối thiểu cho phép của hệ thống các Acquy để tính toán trạng thái nạp và độ sâu xả của hệ thống.

 Dòng điện: giám sát dòng điện nạp tối đa cho phép cũng như dòng điện xả tối đa cho phép của hệ thống Acquy.

 Năng lượng tiêu hao (kWh) ở lần xả gần nhất hoặc của một chu kỳ sạc Acquy.

 Trở kháng của Acquy: nhằm phục vụ việc tính toán điện áp mạch hở của Acquy.

 Nhiệt độ: giám sát mức nhiệt độ của từng Acquy hay nhiệt độ trung bình của toàn hệ thống. Ngoài ra, hệ thống còn tính toán được nhiệt độ đầu vào và đầu ra của dung dịch làm mát Acquy.

 Tính toán chu kỳ tuổi thọ, tình trạng sức khỏe của Acquy (State of Health – SOH).

Từ các thông số như trên, hệ thống quản lý Acquy sẽ luôn đánh giá và đảm bảo Acquy hoạt động tốt trong suốt chu kỳ tuổi thọ của mình.

23

Hình 2. 18: Một số chức năng của hệ thống quản lý Acquy

2.3.2.2. Quản lý trạng thái nạp của Acquy

Trạng thái nạp (State of charge – SOC) của Acquy là thông số thể hiện mức dung lượng đã được nạp của Acquy, trạng thái nạp có đơn vị là %, tương ứng với 0% SOC khi Acquy cạn kiệt năng lượng và 100% SOC khi Acquy được nạp đầy. Trên các dòng xe điện hoặc xe Hybrid, thông số trạng thái nạp của Acquy tương tự với thông số mức xăng, dầu hiện tại của các dòng xe sử dụng động cơ đốt trong.

Từ các mạch điện tử tính toán các thông số của Acquy như điện áp và dòng điện, có thể tính toán được trạng thái nạp của Acquy hiện tại, từ đó sẽ có những điều chỉnh nhất định để đảm bảo Acquy luôn hoạt động trong vùng cho phép. Trong trường hợp xe

Hybrid, thông số trạng thái nạp có thể được sử dụng để đánh giá mức năng lượng còn lại của hệ thống Acquy để tiến hành việc nạp lại bằng một động cơ đốt trong.

Tuy nhiên, thông số trạng thái nạp của Acquy trên các dòng xe sẽ không thực sự đánh giá chính xác mức năng lượng thực tế của Acquy vì lý do bảo vệ cho Acquy. Lấy ví dụ trên dòng xe Plug-in Hybrid Mitsubishi Outlander, trạng thái nạp 0% hiển thị với tài xế sẽ tương đương với mức trạng thái nạp 20 – 22% thực tế còn lại trong hệ thống Acquy.

24 Trái ngược với thông số trạng thái nạp, độ sâu xả (Depth of discharge – DOD) là thông số hiển thị mức dung lượng đã được sử dụng của Acquy. Đây là thông số thay thế để hiện thị mức dung lượng của Acquy như thông số trạng thái nạp (SOC), tương ứng với 100% DOD khi Acquy cạn kiệt dung lượng và 0% DOD khi Acquy được nạp đầy. Ngoài ra, thông số này còn có thể tính toán bằng đơn vị Ah (ampere-hour), lấy ví dụ một bình Acquy 50Ah thì 0Ah DOD tương ứng với Acquy được nạp đầy và 50Ah DOD tương ứng với Acquy hết dung lượng.

Hình 2. 19: Mối quan hệ giữa Trạng thái nạp và Độ sâu xả

Hệ thống quản lý Acquy có thể dựa vào thông số độ sâu xả để đánh giá mức dung lượng của Acquy để đảm bảo Acquy luôn hoạt động tốt tương tự như trạng thái nạp. Đối với Acquy chì axit, chỉ số DOD thường là khoảng 50%, trong khi Acquy Lithium-ion có thể đạt tới chỉ số DOD là 80%, thậm chí 90% đối với Acquy LiFePO4. Nếu dung lượng Acquy được sử dụng với chỉ số DOD lớn hơn mức cho phép nhiều lần sẽ làm giảm chu kỳ và tuổi thọ của Acquy.

25

2.3.2.4.Cân bằng dung lượng của hệ thống Acquy

Đối với hệ thống nguồn sử dụng các Acquy mắc nối tiếp nhau để cung cấp năng lượng cho hệ thống, sự chênh lệch về trạng thái nạp các bình Acquy (hoặc của các phần tử cell bên trong bình Acquy), hoặc sự mất cân bằng về dung lượng mỗi Acquy, hay sự chênh lệch giữa trở kháng các phần tử cell (hoặc Acquy) sẽ gây ra sự mất cân bằng về điện áp của các cell. Sự mất cân bằng này có thể do nhà sản xuất, do các Acquy được sản xuất hoặc sử dụng ở những thời điểm khác nhau, hoặc do tuổi thọ của mỗi Acquy và môi trường, nhiệt độ xung quanh mỗi Acquy là khác nhau.

Tuy nhiên, sự mất cân bằng về trạng thái nạp này sẽ ảnh hưởng không tốt đến tình trạng sức khỏe của hệ thống Acquy. Ví dụ như, khi nạp hệ thống các Acquy, do sự chênh lệch về trạng thái nạp nên một số Acquy (hoặc phần tử cell) sẽ vượt quá điện áp nạp tối đa cho phép trong khi các Acquy (hoặc phần tử cell) còn lại vẫn chưa đạt tới mức đó. Ngược lại, khi xả hệ thống Acquy, một số Acquy (hoặc phần tử cell) sẽ bị xả xuống dưới mức cho phép trong khi các phần tử còn lại vẫn hoạt động ổn định. Cả hai trường hợp trên đều gây hư hỏng cho Acquy như làm sôi Acquy hoặc khiến Acquy không còn nạp lại được nữa.

Chính vì thế, hệ thống quản lý Acquy phải luôn giám sát sự chênh lệch này và tiến hành các phương pháp lượng của Acquy hoặc các phần tử cell. Thông thường, khác nhau để cân bằng dung có 2 cách để tiến hành cân bằng dung lượng Acquy, đó là sử dụng phương pháp cân bằng bị động (passive balance) hoặc cân bằng chủ động (active balance):

 Đối với phương pháp cân bằng bị động, năng lượng từ Acquy (hoặc cell) có điện áp lớn sẽ được xả bớt và tiêu hao dưới dạng nhiệt lượng, thông thường được xả qua các điện trở hoặc transistor, từ đó làm cân bằng điện áp và trạng thái nạp các Acquy. Phương pháp cân bằng bị động được sử dụng nhiều bởi tính đơn giản, đáng tin cậy và chi phí thấp. Tuy nhiên, nó có một nhược điểm lớn là gây lãng phí năng lượng của Acquy và nhiệt lượng tỏa ra là khá lớn.

 Đối với phương pháp cân bằng chủ động, năng lượng từ Acquy (hoặc cell) có điện áp (hoặc trạng thái nạp) lớn hơn sẽ được chuyển sang các Acquy (hoặc cell) có điện

26 áp (hoặc trạng thái nạp) thấp hơn thông qua các hệ thống tụ điện, cuộn cảm hay bộ chuyển đổi DC-DC. Ưu điểm của phương pháp cân bằng chủ động là tận dụng được tối đa năng lượng của Acquy và lượng hao phí tuy có nhưng thấp, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là hệ thống mạch điện rất phức tạp và chi phí cao. Chính vì thế, tùy vào mục đích ứng dụng mà ta có thể áp dụng một trong hai phương pháp