Tùy thuộc vào trạng thái của các công tắc S1, S2 và S3, các mức điện áp khác nhau sẽ xuất hiện ở “Tiếp điểm dẫn”. Điều này có thể được sử dụng như một đại diện của các giai đoạn sạc khác nhau, điện có thể bắt đầu một chu kỳ sạc như sau:
Trước khi cắm cáp sạc, công tắc S2 và S3 tắt và S1 được kết nối với nguồn 12V DC. Trong trường hợp này, điện áp mà EVSE đo được tại tiếp điểm dẫn là 12V DC (EVSE nhận ra rằng xe điện chưa được kết nối).
Sau khi cáp sạc được kết nối với cả xe điện và EVSE, bộ điều khiển ở phía xe điện có thể bật S3 để giảm điện áp của tiếp điểm dẫn xuống khoảng 9V. Điều này thông báo cho EVSE rằng cáp được kết nối với cả xe điện và EVSE. Hơn nữa, tín hiệu 9V DC tại điểm dẫn cho xe điện biết rằng EVSE vẫn chưa sẵn sàng sạc.
Khi EVSE đã sẵn sàng để sạc xe điện, nó sẽ kết nối S1 với bộ dao động. Tín hiệu PWM tại điểm tiếp xúc sẽ cho xe điện biết rằng EVSE đã sẵn sàng.
35 Sau đó, xe điện bật S2 để tạo ra điện áp khoảng 6V tại tiếp điểm dẫn để cho biết rằng nó cũng đã sẵn sàng. Điện áp được tạo ra trong giai đoạn này phụ thuộc vào giá trị của điện trở R3. Giá trị của điện trở này xác định xem có cần thơng gió trong khu vực sạc này hay không. Với R3 = 1.3 kΩ, điện áp tiếp điểm dẫn là vào khoảng 6V. Điều này
tương ứng với các khu vực sạc khơng cần thơng gió. Đối với các khu vực cần thơng gió, R3 = 270 Ω được sử dụng, cung cấp điện áp dẫn khoảng 3V.
Khi xe đang sạc hoặc muốn hủy chu kỳ sạc vì bất kỳ lý do gì, nó có thể tắt S2. Điều này thay đổi mức điện áp dương của PWM thành 9V và thông báo cho EVSE rằng xe điện không sẵn sàng để được sạc nữa.
2.3.4 DC fast charger – Sạc nhanh điện 1 chiều (50KW)
Đây là chế độ sạc duy nhất kết hợp bộ sạc ngồi bo mạch với đầu ra là dịng điện DC. Dòng điện một chiều được truyền trực tiếp đến ắc quy, lúc này bộ sạc trên xe được bỏ qua. Chế độ này có thể cung cấp điện áp lên tới 600V DC với một dòng điện tối đa 400A. Mức công suất cao của chế độ này yêu cầu các mức giao tiếp cao hơn và các tính năng an tồn cũng cần nghiêm ngặt hơn.
Hình 2.26: Chế độ sạc nhanh dòng điện DC
Đối với chế độ này, có hai tiêu chuẩn, một tiêu chuẩn Nhật Bản và một tiêu chuẩn châu Âu được gọi tương ứng là CHAdeMO và CCS Combo. Đối với Renault ZOE sử dụng tiêu chuẩn CCS combo. Với đầu nối dây sạc này 2 chân phía dưới là dùng cho chế
36 độ sạc nhanh dòng một chiều. Chế độ này chỉ cho phép kết nối cáp C, nơi cáp sạc được kết nối cố định với trạm sạc một chiều.
Hình 2.27: Thời gian sạc của chế độ sạc nhanh dòng điện DC Thời gian sạc của xe điện về cơ bản phụ thuộc vào hai yếu tố: Thời gian sạc của xe điện về cơ bản phụ thuộc vào hai yếu tố:
- Thông số kỹ thuật của ắc quy cao áp. - Loại trạm sạc được sử dụng.
Về loại thứ hai, có sự khác biệt giữa các trạm sạc “thơng thường” (với cơng suất từ 3 đến 30kW sử dụng dịng điện xoay chiều - AC) và các trạm sạc nhanh (từ 30 đến hơn 60kW sử dụng dòng điện một chiều - DC).
Ngồi ra do khơng cịn hạn chế bởi không gian nên bộ sạc ngồi xe có thể tăng thêm kích thước, cơng suất và giải nhiệt tốt hơn do đó thời gian được giảm đáng kể.
Nhưng hiệu suất của ắc quy của xe cũng ảnh hưởng đến tốc độ sạc. Cụ thể, công suất mà bộ sạc của ơ tơ có thể chịu được là yếu tố then chốt trong khả năng sạc nhanh. Về mặt này, công nghệ Caméléon được tích hợp trên xe điện Renault là một ưu điểm. Bộ sạc thơng minh này tương thích với thơng số kỹ thuật của trạm sạc DC để đạt được công suất tối đa. Renault ZOE 2020, đi kèm với ắc quy ZE50 do đó ln giữ ngôi vị là chiếc xe điện có thời gian sạc nhanh nhất trên các trạm sạc công cộng tiêu chuẩn ở châu Âu.
37
Hình 2.28: Đầu nối dây sạc trên trạm sạc và trên xe Renault ZOE theo tiểu chuẩn CCS
Tuy nhiên lại có một lý do khác để khơng lạm dụng việc sạc nhanh. Đó là có rất nhiều năng lượng chảy từ bộ sạc nhanh DC và việc quản lý nó sẽ gây thêm áp lực cho ắc quy cao áp. Sử dụng bộ sạc DC mọi lúc có thể làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của ắc quy cao áp, vì vậy tốt nhất chỉ nên sử dụng một bộ sạc khi thực sự cần.
38 Với bộ sạc nhanh DC, tốt nhất nên rút phích cắm khi ắc quy đạt khoảng 80%. Đó là khi quá trình sạc chậm lại đáng kể, lúc này thời gian để sạc đầy 20% dung lượng cuối cùng bằng thời gian lúc đầu đạt đến mức 80%. Việc rút phích cắm khi sạc đến 80% không chỉ hiệu quả hơn đối với ắc quy mà cịn quan tâm đến các trình điều khiển xe điện khác và giúp đảm bảo rằng càng nhiều người càng tốt có thể sử dụng các trạm sạc nhanh.
2.3.5 Bộ chuyển đổi AC- DC
Bộ chuyển đổi AC-DC là bộ chuyển đổi biến đổi điện áp đầu vào là điện xoay chiều AC và đầu ra là điện một chiều DC, bộ chuyển đổi này thường được đặt trong một bộ xử lý gọi là On-Board Changer hay Renault còn gọi là BCB dùng để biến đổi dòng điện sạc từ bên ngồi vào và cung cấp dịng một chiều cho ắc quy cao áp (các chế độ sạc 1,2,3). Có nhiều dạng mạch của bộ chuyển đổi AC-DC nhưng dạng phổ biến nhất và đơn giản đó là giống như bộ chuyển đổi DC-DC (như đã trình bày ở mục 2.1.3).
Hình 2.30:Mơ hình bộ chuyển đổi AC-DC
Tuy nhiên khác với bộ chuyển đổi DC-DC phía trên bộ chuyển đổi này dùng một máy biến áp tăng mức điện áp, vì đa số dịng điện sạc vào là từ lưới điện có thể là 110V hoặc 220V mà bộ ắc quy cao áp lại cần lớn 400V do đó cần được “Boosted” lên sao cho phù hợp để có thể sạc lại được cho ắc quy cao áp.
39
2.4 Hệ thống quản lý nhiệt ắc quy cao áp Renault ZOE 2020 (BTMS)
2.4.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền và hoạt động của ắc quy Li-ion
Xe điện sử dụng một bộ ắc quy lớn để lưu trữ năng lượng. Năng lượng chảy vào bộ ắc quy khi nó được sạc từ phanh tái sinh hoặc từ lưới điện và được xả ra khỏi bộ ắc quy để cung cấp năng lượng cho xe và các phụ kiện của nó được đo bằng dịng điện và điện áp.
Dịng điện gây ra hiện tượng nóng trong các cell của ắc quy và hệ thống kết nối của chúng, nhiệt sinh ra tỷ lệ với bình phương của dòng điện chạy qua nhân với điện trở bên trong của các cell và hệ thống kết nối. Dòng điện càng cao thì hiệu ứng làm nóng càng nhiều: Q=I2Rt
Hình 2.31: Sự phát sinh nhiệt bên trong cell pin
Quản lý nhiệt của hệ thống ắc quy trong xe điện là rất quan trọng để duy trì khả năng lưu trữ năng lượng, phạm vi lái xe, tuổi thọ của các cell và sự an toàn. Những nghiên cứu trước đây đã chỉ ra, hiệu suất của ắc quy phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ môi trường làm việc.
Hiệu suất của các cell của ắc quy Lithium-ion bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ của chúng, chúng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Goldilocks. Ắc quy có yêu cầu cao hơn trong nhiệt độ mơi trường làm việc tăng cao. Ví dụ: Trạng thái sức khỏe của ắc quy SOH
40 bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ một cách đáng kể. Tuổi thọ của ắc quy có thể giảm 2/3 ở điều kiện khí hậu nóng khi lái xe q nhanh và khơng được làm mát.
Nếu ắc quy Lithium-ion hoạt động ở nhiệt độ môi trường thấp hơn trong thời gian dài, các “Đi gai” Lithium có diện tích bề mặt riêng cao sẽ hình thành trên cực dương của cell, dẫn đến SOH của ắc quy giảm nhanh chóng. Với nhiệt độ ắc quy vượt quá điểm ổn định, các phản ứng tỏa nhiệt nghiêm trọng xảy ra và khơng kiểm sốt được. Ngồi ra, nếu ắc quy tiếp cận hiện tượng thoát nhiệt, chỉ 12% tổng lượng nhiệt tỏa ra trong ắc quy là đủ để kích hoạt q trình thốt nhiệt ở các ắc quy liền kề. Đây là rủi ro lớn nhất trong quá trình sử dụng hệ thống ắc quy lithium-ion.
Hình 2.32: Mối liên hệ giữa nhiệt độ và độ bền của ắc quy Lithium - Ion
Ắc quy làm việc ở mơi trường có nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến hiện tượng phồng thể tích, và sự phân bố nhiệt độ khơng đồng đều có ảnh hưởng đến ứng suất nhiệt và sức căng của chúng, làm cho ắc quy phồng theo nhiều hình dạng khác nhau. Tất cả chúng đều rất quan trọng đối với sự an toàn và tuổi thọ của ắc quy. Điều tồi tệ hơn, ngắn mạch và quá nhiệt rất có thể gây ra hiện tượng thốt nhiệt. Khi đường băng nhiệt xảy ra, phản ứng tỏa nhiệt nghiêm trọng sẽ xảy ra lần lượt. Phân hủy lớp điện, phản ứng điện cực âm, phân hủy chất điện ly và phản ứng điện cực dương.
Ví dụ: Lớp bảo vệ bị phân hủy ở 100℃, chất phân tách tan chảy và co lại ở
41 nổ, oxy tạo ra do phản ứng điện phân có thể làm tình trạng thêm trầm trọng. Ngồi ra, với việc giải phóng nhanh một lượng lớn năng lượng và khí độc sẽ đe dọa đến an tồn cho ắc quy và khu vực hành khách bên trong xe.
Do đó, ngồi việc làm mát, cũng có thể u cầu sưởi ấm các cell của ắc quy cao áp ở nhiệt độ môi trường thấp hơn để ngăn ngừa hư hỏng trong quá trình sạc nhanh khi các cell quá lạnh, điều này là do nội trở của cell tăng lên khi chúng lạnh đi. Do đó việc cần thiết là bổ sung các thành phần kiểm soát nhiệt để cung cấp điều kiện làm việc phù hợp cho ắc quy cao áp, được gọi là hệ thống quản lý nhiệt ắc quy BTMS.
BTMS là thành phần cần thiết của hệ thống ắc quy lithium-ion, đặc biệt là ở nhiệt độ mơi trường cao. Có hai chức năng chính của BTMS:
1. Giữ cho ắc quy hoạt động trong các điều kiện thích hợp và cải thiện hiệu suất điện cũng như tuổi thọ của ắc quy
2. Ngăn chặn sự thoát nhiệt xảy ra và cải thiện độ an tồn.
Hình 2.33: Khoảng nhiệt độ làm việc của ắc quy Lithium-Ion
Hầu hết các cell của ắc quy Lithium không thể sạc nhanh khi chúng dưới 5oC và hồn tồn khơng thể sạc được khi chúng ở dưới 0oC. Các cell của ắc quy Lithium-ion
42 cũng bắt đầu xuống cấp nhanh chóng khi nhiệt độ của chúng trên 45oC. Chúng sẽ hoạt động hoàn hảo ở khoảng nhiệt độ từ 15 -35oC.
Do đó, nhằm đảm bảo ắc quy cao áp hoạt động trong phạm vi nhiệt độ mong muốn để có hiệu suất và tuổi thọ làm việc tối ưu, để giảm sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong các cell trong một bộ ắc quy cao áp phải đáp ứng các điều kiện sau:
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động là 15-35°C. - Chênh lệch nhiệt độ nên nhỏ hơn 3-4°C.
2.4.2 Hệ thống quản lý nhiệt ắc quy của Renault ZOE 2020
Hệ thống BTMS có thể quản lý nhiệt độ trung bình, nhiệt độ đầu vào, nhiệt độ đầu ra chất làm mát hoặc nhiệt độ của các cell riêng lẻ. Hệ thống có thể là thụ động hoặc chủ động và mơi chất làm mát có thể là khơng khí, chất lỏng hoặc một số dạng thay đổi pha.
Khác với các phương pháp làm mát khác, làm mát bằng khơng khí có thể đảm bảo ắc quy hoạt động ở nhiệt độ môi trường thoải mái khi nhiệt độ môi trường gần 0°C. Ngồi ra, luồng khơng khí bên trong có thể bị ảnh hưởng bởi luồng khơng khí bên ngồi khi ơ tơ đang lái, do đó cần xem xét vị trí thích hợp của luồng khơng khí vào và ra để tránh những cản trở của luồng khơng khí bên ngồi.
Trên thị trường xe điện đã có rất nhiều cơng trình và ý tưởng thiết kế cho việc làm mát bằng khơng khí, tuy nhiên về mặt thương mại, Nissan Leaf sử dụng hệ thống ắc quy làm mát bằng khơng khí thụ động, Nissan e-NV200 (xe tải thương mại) sử dụng hệ thống ắc quy làm mát bằng khơng khí bán chủ động.
Đối với Renault ZOE 2020 sử dụng hệ thống làm mát ắc quy bằng khơng khí hồn tồn chủ động, Renault ZOE sử dụng hệ thống tuần hồn khí giúp cho khơng khí ln sạch và kiểm sốt được nhiệt độ ổn định gồm 1 đầu khí vào và 2 đầu khí ra giúp hiệu suất làm mát được cải thiện đáng kể, với các đường khí được thiết kế để đến mỗi modules của ắc quy cao áp giúp nó thực hiện được cả 2 chức năng là sưởi ấm cho hệ thống ắc quy đảm bảo ắc quy ln làm việc trên 15oC ở các nước khí hậu lạnh hoặc thời tiết lạnh giá vào
43 buổi sáng và luôn đảm bảo ắc quy không vượt quá 40oC khi môi trường bên ngoài và nhiệt độ trong xe ảnh hưởng.
Hình 2.34: Mơ hình hệ thống làm mát bằng khơng khí trên xe điện
Hình 2.35: Hệ thống làm mát khơng khí chủ động của Renault ZOE 2020
Dịng điện chạy vào và ra khỏi cell thông qua các bộ thu dòng điện, được nối với các cực dương và cực âm của các cell, hay còn gọi là 'tab'. Bộ thu dòng điện được làm từ kim loại dẫn nhiệt một cách dễ dàng. Nhưng nhiệt truyền chậm giữa các lớp của cell, bởi
44 vì các điện cực, chất điện phân và chất phân tách là những chất cách nhiệt. Nói cách khác, truyền nhiệt song song đến các lớp nhanh hơn truyền nhiệt qua chúng
Hình 2.36: Bề mặt và hướng tản nhiệt cho Cell pin của ắc quy cao áp
Tuy nhiên nhược điểm chính của hệ thống làm mát bằng khơng khí của Renault ZOE là hiệu quả kém dù đã cải tiến hơn so với Nissan Leaf, hiệu suất làm mát vẫn thua kém hơn bằng chất lỏng. Phải sử dụng một lượng lớn điện năng để vận hành cơ chế làm mát, nhiều hơn so với làm mát bằng khơng khí bị động. Làm mát bằng khơng khí khơng phù hợp với hầu hết các ứng dụng hiệu suất cao mới do mật độ điện năng yêu cầu và khơng có khả năng đối phó với nhiều khoảng nhiệt độ môi trường xung quanh. Đơn giản là không thể loại bỏ đủ nhiệt từ bên trong ắc quy chỉ bằng hệ thống làm mát khơng khí, một số q trình làm mát khơng khí thường xảy ra trên ắc quy được đặt ở mặt dưới của xe do luồng khơng khí trong q trình lái xe nhưng điều này khơng đủ để đáp ứng đầy đủ nhu cầu làm mát của ắc quy cao áp.
Tuy nhiên ưu điểm lớn nhất của hệ thống làm mát Renault ZOE là sự đơn giản, không lo sợ q trình rị rỉ mơi chất làm mát tránh hiện tượng chập mạch dẫn đến nguy hiểm, đồng thời giúp tiết kiệm khơng gian và chi phí khi sửa chữa và thay thế.
45
Hình 2.37: Sơ đồ mạch điện điều khiển quạt làm mát ắc quy cao áp
Trong q trình sạc nhanh, một dịng điện lớn được đưa vào bên trong ắc quy để hồn thành q trình sạc một cách nhanh chóng. Khi đèn báo sạc ở cổng sạc được sáng lên, lúc này một dòng điện lớn được đưa vào bên trong ắc quy, điều này làm cho nhiệt độ trong ắc quy dễ dàng tăng lên một cách đáng kể. Vì lý do này, BMS điều khiển một quạt