ID 24410 JD11A
Voltage 12V
Capacity 50Ah
Size 207 (L) x 175 (W) x 190 (H) mm
Brand NISSAN – RENAULT
MODE Nissan Leaf – Renault ZOE
Col Cranking Amp (CCA) 420
Battery Type PbA (Lead – Acid)
Weight 13.3 Kg
Warranty 3 Years
2.1.2 Hệ thống sạc ắc quy 12V
Hệ thống điện 12V trên xe điện liên tục tiêu hao khi xe hoạt động. Do đó, trạng thái nạp điện cho ắc quy 12V phải được duy trì. Trên một chiếc ô tô chạy xăng hoặc diesel, điều này được thực hiện bởi máy phát điện được dẫn động bằng động cơ, bộ chỉnh lưu điện áp và tiết chế để giữ cho ắc quy 12V trên xe ln hoạt động bình thường.
Tuy nhiên trong một chiếc xe điện như Renault ZOE, một máy phát điện độc lập bên ngồi sẽ khơng cịn nữa, thay vào đó việc nạp lại ắc quy 12V được thực hiện nhờ hai cách sau đây:
1.Sạc bằng nguồn điện trong xe (điện cao áp) : Sạc từ nguồn ắc quy cao áp 400V.
2.Sạc bằng nguồn điện bên ngoài xe: Khi sạc ắc quy cao áp lúc này ắc quy 12V
cũng đồng thời được sạc thơng qua một bộ chuyển đổi trung gian. Ngồi ra khi ắc quy cao áp vẫn còn dung lượng, tuy nhiên lúc này ắc quy 12V đã hết thì ắc quy 12V vẫn có thể sạc từ nguồn điện bên ngồi (máy sạc) như ắc quy 12V của xe thơng thường.
10 Đối với sạc từ ắc quy cao, một bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng. Bộ chuyển đổi này lấy một dãy điện áp DC ở một bên và tạo ra điện áp ổn định ở phía đầu ra. Bộ chuyển đổi DC-DC có thể cho nhiều loại điện áp đầu vào, điện áp đầu ra và công suất cũng như cường độ dòng điện khác nhau.
Đối với xe Renault ZOE 2020, bộ chuyển đổi DC–DC có đầu vào là điện áp 400V từ ắc quy cao áp, đầu ra là 12V cho các thiết bị điện phụ trợ trên xe và 14,7V cho việc sạc lại cho ắc quy 12V. Lúc này, một cảm biến nhiệt độ và cảm biến dòng sẽ được thêm vào hệ thống để đảm bảo việc sạc ắc quy 12V diễn ra an toàn và hoạt động một cách bình thường.
Ngồi ra, bộ chuyển đổi DC-DC trong trường hợp này cũng phải hoạt động như một bộ điều khiển sạc. Điều này có nghĩa là nó phải ngắt dịng điện sạc nếu ắc quy 12V đã được sạc đầy.
Hình 2.2: Sơ đồ khối sạc cho ắc quy 12V từ ắc quy cao áp
Đối với sạc từ nguồn điện bên ngồi, chương này chỉ giải thích việc sạc liên thơng từ việc sạc ắc quy cao áp, nguồn điện lúc này sẽ được chuyển đổi vào bên trong bộ xử lý trung tâm “Battery Charger Unit” sau đó được xử lý và đi qua hai bộ trung gian là “Electric Vehicle Computer” và “Protected Positive Battery”. Nhờ đó, điện áp đã được giảm xuống khoảng 14,2 đến 14,7V để có thể sạc lại cho ắc quy 12V. Lúc này,
11 tương tự như việc sạc lại từ nguồn ắc quy cao áp, cảm biến dòng và nhiệt độ sẽ đảm bảo chức năng sạc được xảy ra và đảm bảo an toàn, cũng như ngắt khi ắc quy 12V đã sạc đầy.
Hình 2.3: Sơ đồ khối sạc liên thông từ sạc ắc quy cao áp cho ắc quy 12V
2.1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC
Hầu hết các dịng xe điện điều có 2 hệ thống điện trên xe:
- Điện cao áp cung cấp năng lượng cho động cơ điện và máy nén, ngồi ra cịn một số thiết bị khác sử dụng điện áp cao trên xe.
- Điện 12V dùng để cung cấp cho các hệ thống phụ trợ trên xe như radio, đèn chiếu hậu, đèn đầu hay gạt mưa…
Mặc dù điện 12V có thể được cung cấp từ ắc quy 12V được trang bị trên xe, tuy nhiên do khơng có máy phát như xe động cơ đốt trong (như đã đề cập ở mục 2.1.2) do đó khi xe di chuyển với một quãng đường dài thì năng lượng của ắc quy 12V sẽ khơng cịn đủ hết duy trì hoạt động cho các thiết bị phụ trợ trên xe, do đó một bộ chuyển đổi DC-DC từ điện áp cao của ắc quy cao áp sang điện áp thấp vừa có thể sạc cho ắc quy 12V vừa có thể hổ trợ cung cấp năng lượng cho các thiết bị của xe, bộ chuyển đổi DC-DC này là cầu nối giữa nguồn điện áp cao và nguồn điện 12V trên xe.
12
Hình 2.4:Mơ hình hệ thống hai nguồn điện trên xeBộ chuyển đổi DC-DC được cấu tạo từ 3 bộ phận chính: Bộ chuyển đổi DC-DC được cấu tạo từ 3 bộ phận chính:
- Một mạch tạo dao động (Oscillator). - Một máy biến áp (Step down transformer). - Một mạch chỉnh lưu (Rectifier).
13 Trong mơ hình này mạch tạo dao động có chức năng như một vịng tuần hồn kín dùng để bật - tắt bóng bán dẫn thường là loại BJT hoặc MOSFET loại công suất lớn để có thể đóng ngắt từ vài trăm đến vài nghìn lần trên một giây. Bộ tạo giao động biến đổi dòng một chiều DC thành dạng xoay chiều AC một cách hiệu quả. Đầu ra của bộ tạo dao động là một sóng vng.
Hình 2.6:Mơ hình mạch tạo dao động và dạng sóng đầu ra
Tiếp theo là máy biến áp, máy biến áp dùng để tăng hoặc giảm mức điện áp đi qua nó trong trường hợp này là giảm mức điện áp xuống, máy biến áp chỉ làm việc với dòng dạng điện xoay chiều AC, đầu vào của máy biến áp gọi là cuộn dây sơ cấp đầu ra của nó là cuộn dây thứ cấp, khi dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp của máy biến áp liên tục đổi chiều làm cho từ trường xung quanh của lõi không ngừng nở ra và co lại, các đường sức từ chuyển động và tạo ra dòng điện bên cuộn thứ cấp.
14 Trong máy biến áp để có thể giảm mức điện áp này cuộn dây bên cuộn sơ cấp sẽ có số vịng dây nhiều hơn cuộn thứ cấp (cụ thể gấp 33 lần) để có thể giảm mức điện áp xuống. Tuy nhiên lúc này cường độ dòng điện sẽ tăng lên. Đầu ra của máy biến áp là dịng AC có dạng sóng hình Sin.
Sau đó dịng điện sẽ đi qua bộ chỉnh lưu được thiết kế với 4 Diode, để biến đổi dòng điện xoay chiều AC về lại thành dòng điện DC để sử dụng.
Hình 2.8: Mơ hình mạch điện và cách hoạt động của chỉnh lưu
Khi cuộn dây thứ cấp được kết nối với 2 trong 4 diode như (Hình 2.8a) , lúc này tại chân D2 xuất hiện dòng điện dương và đầu D3 là dịng điện âm do đó diode D2 và D3 cho phép dịng điện đi qua (phân cực thuận), trong lúc đó D1 và D4 bị khóa hay khơng cho dịng điện đi qua (phân cực ngược), tương tự khi chiều dòng điện trên cuộn dây thứ cấp thay đổi như (Hình 2.8b) lúc này D1 và D4 hoạt động và D2, D3 không hoạt động.
Sau khi dòng điện xoay chiều đã được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều, thường sẽ xuất hiện một chút dao động điện áp nhỏ, những dao động điện áp nhỏ này
15 được gọi dịng điện xốy, dịng điện này có thể làm cản trở hoạt động của một số mạch điện tử và cũng sẽ có ảnh hưởng đến đài AM và FM cho nên cần được giảm thiếu bằng cách đặt một tụ nhỏ giữa các cực đầu ra âm và dương của bộ chỉnh lưu.
Hình 2.9:a) Dịng điện chưa qua tụ, b) Dòng điện đã qua tụ, c) Dòng điện lý thuyết
2.2 Ắc quy cao áp trên Renault ZOE 2020
2.2.1 Đặc điểm ắc quy cao áp
Ắc quy cao áp là một trong những thiết bị lưu trữ năng lượng ở dạng hóa học. Khi được kết nối với một mạch điện, năng lượng bên trong nó được biến đổi thành năng lượng điện và thực hiện những công việc khác nhau.
Các hãng xe thường lắp đặt ắc quy cao áp ở những vị trí khác nhau. Tuỳ vào mục đích sử dụng và hình dạng, kích thước và chiều cao của ắc quy cao áp mà có thể lắp đặt:
- Bên dưới gầm xe ở vị trí trung tâm - Bên dưới gầm xe gần phía đi xe - Bên dưới gầm xe dọc theo khung xe
Đối với Renault ZOE 2020 ắc quy cao áp nằm bên dưới khu vực gầm xe (bên dưới ghế hành khách) khu vực trung tâm, giúp cân bằng trọng lượng giữa phía trước và phía sau của xe và duy trì khối lượng trọng tâm thấp. Điều này tạo điều kiện tối ưu cho việc bám đường và mang lại cho xe một sự ổn định tuyệt vời.
16
Hình 2.10: Vị trí lắp đặt của ắc quy cao áp
Ắc quy cao áp cung cấp năng lượng điện chủ yếu cho động cơ điện của một chiếc xe điện hoặc xe lai. Những loại ắc quy này thường có nhiều loại tuy nhiên phải là ắc quy sạc lại được và thường là ắc quy Lithium-ion. Những loại ắc quy này được thiết kế đặc biệt để có dung lượng (Ah) hay cơng suất (KWh) cao.
Ắc quy cao áp trên xe điện khác với ắc quy khởi động trên xe động cơ đốt trong dùng cho chiếu sáng và đánh lửa vì chúng được thiết kế để cung cấp năng lượng trong thời gian dài và là loại ắc quy chu kỳ sâu. Ắc quy cao áp cho xe điện được đặc trưng bởi tỷ lệ công suất trên trọng lượng, mật độ năng lượng riêng và năng lượng tương đối cao, mong muốn sử dụng loại ắc quy nhỏ hơn, nhẹ hơn vì chúng giảm trọng lượng của xe và do đó cải thiện hiệu suất của nó. Tuy nhiên so với nhiên liệu lỏng như xăng dầu, hầu hết các công nghệ ắc quy cao áp hiện tại có mật độ năng lượng cịn thấp hơn nhiều nên điều này thường ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động toàn điện tối đa của xe.
Loại ắc quy cao áp phổ biến nhất trong các loại xe điện hiện đại là Lithium-ion và Lithium polymer, vì mật độ năng lượng cao so với trọng lượng của chúng. Các loại ắc quy có thể sạc lại khác được sử dụng trong xe điện bao gồm axit-chì (axit-chì "ngập nước", chu kỳ sâu và được điều chỉnh bằng van), niken-cadmium, niken-hydrua kim loại và ít phổ biến hơn là kẽm-không khí và ắc quy niken natri clorua). Lượng điện (tức là
17 điện tích) được lưu trữ trong ắc quy được đo bằng Ampe-giờ(Ah) hoặc bằng coulombs (C) với tổng năng lượng thường được đo bằng KWh.
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của các dòng ắc quy dùng làm ắc quy cao áp
Type of Battery Lead – Acid Nickel – cadmium Nickel – metal hydride Sodium- nickel (Zebra) Lithium-ion Meterial of the negative electrode
Lead Cadium Metal hydride Sodium Graphites, nitrides and lithium alloys Meterial of the positive electrode Lead oxide Nickel hydroxide Nickel hydroxide Nickel Lithium cobatl oxide, vanadium oxide… Electrolyte Sulphuric acid Potassium hydroxide Potassium hydroxide Sodium – nickel - chloride Organic solvent + Lithium salt Energy/Weight (Wh/kg) 30-50 48-80 60-120 120 110-160 Voltage per element (V) 2 1.25 1.25 2.6 3.70 Duration (charge/discharge cycles) 1000 500 1000 1000-2000 4000 Charging time (h) 8-16 10-14 2-4 - 2-4 Self – discharge per month (% of total) 5 30 20 - 25 Charge efficiency 82.5 72.5 70 92.5 90
18
2.2.2 Đặc điểm của pin Lithium Nickel Mangan Coban Oxit – NMC
Một trong những hệ thống Lithium-ion thành công nhất là sự kết hợp cực âm của niken-mangan-coban (NMC). Tương tự như Li-mangan, các hệ thống này có thể được điều chỉnh để phục vụ như tế bào năng lượng.
Ví dụ: Pin NMC trong dạng trụ 18650 cho điều kiện tải vừa phải và có dung
lượng khoảng 2.800mAh và có thể cung cấp từ 4A đến 5A. Pin NMC trong cùng một cell được tối ưu hóa cho nguồn điện cụ thể có dung lượng chỉ khoảng 2.000mAh nhưng mang lại dòng xả liên tục là 20A. Một cực dương làm từ silicon sẽ lên đến 4.000mAh và cao hơn nhưng khả năng tải sẽ bị giảm và vòng đời cũng ngắn hơn. Silicon được thêm vào graphite có nhược điểm là làm cho cực dương phát triển và co lại khi tích điện và phóng điện, làm cho tế bào khơng ổn định về mặt cơ học.
Bí mật của Pin NMC nằm ở việc kết hợp niken và mangan. Một ví dụ tương tự của nó là muối ăn. Trong đó các thành phần chính, natri và clorua, ở trạng thái độc lập thì chúng độc hại nhưng việc trộn chúng lại dùng làm gia vị và có thể bảo quản thực phẩm. Niken được biết đến với năng lượng riêng cao nhưng tính ổn định kém, cịn Mangan thì có lợi trong việc hình thành cấu trúc “Spinel”. Kết hợp các kim loại này lại với nhau nhằm nâng cao sức mạnh của chúng.
Pin NMC là loại pin được lựa chọn cho các công cụ điện, xe điện và các hệ thống truyền động bằng điện khác. Sự kết hợp của cực âm thường là một phần ba niken, một phần ba mangan và một phần ba coban, cịn được gọi là tỉ lệ 1-1-1. Coban có giá thành đắt đỏ và nguồn cung cấp hạn chế. Do đó các nhà sản xuất pin đang giảm hàm lượng coban có trong pin của mình.
Một sự kết hợp thành công là NCM532 với 5 phần niken, 3 phần coban và 2 phần mangan. Các kết hợp khác là NMC622, NMC712 và tương lai là NMC811 do LG Chem sản xuất. Lượng coban được ổn định và niken một vật liệu hoạt động năng lượng cao. Các chất điện phân và phụ gia mới cho phép sạc đến 4,4V / cell và cao hơn để tăng cơng suất. (Hình 2.11) thể hiện các đặc điểm của Pin NMC.
19
Hình 2.11: Đặc tính của pin NMC so với những loại khác
Pin NMC có hiệu suất tổng thể tốt và vượt trội về năng lượng. Nhờ đó, loại pin này là ứng cử viên ưu tiên cho xe điện và có tỷ lệ nóng lên thấp nhất.
20
Bảng 2.4: Bảng tóm tắc thơng số kỹ thuật của pin NMC
Lithium Nickel Mangan Coban Oxit:
LiNiMNnCoO2: Cực âm, cực dương bằng than chì
Ký hiệu: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN tương tự với các kết hợp kim loại khác nhau) kể từ năm 2018
Điện áp 3.60V (thực tế), 3.70V (danh định)
Dãy điện áp điển hình 3.0 - 4.2V/cell hoặc cao hơn. Năng lượng cụ thể
(công suất) 150 – 220 Wh/kg
Sạc (C-rate) 0.7-1C, sạc đến 4.20V, một số loại đến 4.30V, sạc điển hỉnh khoảng 3h. Dòng sạc trên 1C có thể làm giảm tuổi thọ pin. Xả (C-rate) 1C, 2C/cell, tới khi cell còn khoảng 2.50V.
Chu kỳ 1000-2000 ( liên quan đến độ xả sâu, nhiệt độ). Nhiệt độ giới hạn 210 0C (410 0F)
Bảng 2.5: Bảng giá trị C- rate của pin
C – Rate Time 5C 12 min 2C 30 min 1C 1 Hr 0.5C or C/2 2 Hr 0.2C or C/5 5 Hr 0.1C or C/10 10 Hr 0.05C or C/20 20 Hr
Bản chất nguyên lý hoạt động của loại pin này cũng tương tự như pin Lithium-ion thông thường chỉ khác nhau ở cực âm. Sự dịch chuyển điện tích giữa 2 đầu cực âm và cực dương. Khi viên pin được xả điện hay được hiểu là những lúc sử dụng pin thì điện tích của viên pin là điện tích dương, lúc này viên pin sẽ cạn dần năng lượng và không đủ để cung cấp cho các hoạt động của thiết bị. Sau khi tiến hành cắm điện để sạc pin thì viên
21 pin sẽ được cung cấp lại các điện tích âm thiếu hụt trong quá trình đã sử dụng. Khi số lượng ion này bão hịa thì viên pin sẽ đầy. Ngun lý này hoạt động lặp đi lặp lại khi bạn xả pin và nạp đầy pin trở lại.
Theo lý thuyết thì tuổi thọ pin Lithium-ion sẽ kéo dài mãi mãi nếu pin được xả và nạp lại điện, đồng thời tuổi thọ của pin cũng sẽ phụ thuộc vào dung lượng của viên pin. Tuy nhiên, thực tế sử dụng thì theo thời gian hoạt động viên pin Lithium-ion sẽ có dấu hiệu bị chai và giảm chất lượng cũng như tuổi thọ cho mỗi 1 lần sạc đầy.
Hình 2.12: Sơ đồ diễn ta quá trình sạc và xả của pin Lithium-ion
2.2.3 Cấu tạo ắc quy cao áp Renault ZOE 2020
Đối với xe điện Renault ZOE 2020 xe được trang bị ắc quy ZE50 hoàn toàn khác