Sử dụng giá trị đặt tối ưu (15) trong mô phỏng với chu trình chuẩn ECE và dòng điện tải yêu cầu itract, kết quả thu được về dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ, và điện áp siêu tụ lần lượt được trình bày trên hình 19, hình 20 và hình 21.
Trên hình 19 cho thấy hoàn toàn không có dòng nạp cho ắc quy. Như vậy, sự ảnh hưởng của số lần nạp xả ắc quy ảnh hưởng đến tuổi thọ đã được giảm thiểu.
Trên hình 20 cho thấy siêu tụ là thiết bị phụ trách quá trình thu hồi năng lượng khi xe giảm tốc (hãm tái sinh) và cũng trợ giúp ắc quy trong quá trình huy động công suất để tăng tốc bằng cách phát huy công suất ngắn hạn rất tốt. Trên hình 21 cho thấy điện áp ban đầu và điện áp cuối của siêu tụ đạt yêu cầu đặt ra.
Hình 19. Dòng điện ắc quy.
Dung lượng được xác định lượng lớn nhất quá trình sạc mà ắc quy có thể lưu trữ. Trạng thái điện lượng SOC được xác định bằng tỉ lệ giữa giá trị điện lượng trên dung lượng ban đầu. Điện lượng theo dòng phóng DOC được xác định qua tỷ số điện lượng ắc quy trên dung lượng có ích, bởi vì dung lượng có ích giảm khi dòng điện phóng tăng. Dung lượng của ắc quy tính bằng tích phân đơn giản theo dòng điện.
Trong đó: Qe là nhiệt thoát ra trong quá trình nạp; Im là dòng điện nhánh chính; τ là biến thời gian lấy tích; t là thời gian mô phỏng.
Điện lượng theo dòng phóng DOC, SOC tính theo tỷ số của điện lượng có ích còn lại, điện lượng này được cho bởi cường độ dòng điện phóng trung bình. Cường độ dòng phóng lớn hơn làm điện lượng của ắc quy hao hụt nhanh hơn, vì vậy DOC luôn nhỏ hơn hoặc bằng SOC.
Hình 20. Dòng điện siêu tụ.
Mô hình siêu tụ điện được thực hiện trong SPS dựa trên mô hình Stern, kết hợp giữa mô hình Helmholtz và Gouy-Chapman [28]. Điện dung của một tế bào EDLC được biểu thị bằng:
Theo phân tích, các xung điện động tuy có biên độ rất lớn nhưng thời gian xuất hiện rất ngắn. Vì vậy, để lưu trữ năng lượng từ các xung điện động này cần có một bộ lưu trữ năng lượng có khả năng nạp, xả rất nhanh đủ để đáp ứng quá trình phóng nạp của các xung điện động. Ở đây, nghiên cứu lựa chọn một hệ siêu tụ điện làm một nguồn thứ cấp để lưu trữ năng lượng dạng điện cảm từ các cuộn cảm trên hệ thống điện ô tô. Một mô hình đơn giản cho hệ tụ điện hai lớp có thể được biểu diễn bằng điện dung tương đương (Cdl), điện trở song song tương đương (Rlk) và điện trở nối tiếp tương đương (Resr) như hình.
Hình 21. Điện áp trên siêu tụ.
Hiện có hai phương pháp để nạp và xả hệ siêu tụ: một là nạp-xả hệ siêu tụ với điện áp không đổi theo thời gian, cách còn lại là nạp-xả hệ siêu tụ với cường độ dòng điện không đổi theo thời gian. Phương pháp nạp và xả hệ siêu tụ dùng điện áp không đổi được chú trọng và triển khai trong đề tài.
Đối với mô-đun siêu tụ điện gồm N ô trong nối tiếp và Np tế bào song song, tổng điện dung được cho bởi:
Như vậy các điều kiện của phương pháp quy hoạch động đều được đảm bảo, nên kết quả là đáng tin cậy.Tổn thất trên ắc quy cho một chu trình lái trong mô phỏng cho kết quả cụ thể là: Eloss DP BAT = 0.0248 (Wh)
Hình 22. Đường cong sản lượng điện.
Điện áp đầu ra của tế bào, xem xét tổn thất do động học phản ứng (tổn thất kích hoạt) và vận chuyển điện tích (tổn hao điện trở và khuếch tán) được đưa ra bởi:
Trên đường cong mô tả quyền hạn nhiên liệu, pin, một siêu tụ điện. Trong khoảng thời gian đầu các nhiên liệu tủ một mình quân nhu các sức mạnh theo đến các trọng tải nhu cầu. Vì vậy nó được coi là nguồn chính của hệ thống. Ở trong giai đoạn sau tải trọng nhu cầu được chia sẻ bởi siêu tụ điện và hệ thống phụ pin. Ba nguồn cung cấp chung sức mạnh để đáp ứng nhu cầu.
Hình 23. Điện áp, dòng điện và mức tiêu thụ pin nhiên liệu. Các phương trình chính cho loại pin Li-ion được đưa ra như sau: Điện áp của pin được biểu thị bằng:
Các nhiên liệu tủ đồ thị mô tả xung quanh các số lượng của nhiên liệu tiêu thụ thời gian xếp hàng 3 và 4, điện áp và hiện hành xếp hạng của pin nhiên liệu.
Hình 24. Các đường cong điện áp, dòng điện và SOC của pin.
Mối quan hệ này thường là gần tuyến tính nhưng với các loại pin khác nhau thì mối quan hệ này sẽ khác nhau bởi nó phụ thuộc vào dung lượng và vật liệu điện cực của pin. Pin axit chì có mối quan hệ SOC và OCV tuyến tính, trong khi pin lithium-ion không có mối quan hệ này. Phương pháp OCV là một phương pháp đơn giản và có độ chính xác cao. Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là phải mất thời gian nghỉ đủ dài để đạt được điều kiện cân bằng cho OCV. Do đó, phương pháp này chỉ áp dụng khi các phương tiện được đặt trong bãi đỗ xe thay vì vận hành trên đường giao thông. Không những thế, hình 1 thể hiện đặc tính trễ của pin dẫn đến giá trị OCV cao hơn khi được sạc và thấp đi khi xả, do đó cần phải đo đạc cẩn thận trong trường hợp xả và sạc.
Hình 25. Điện áp của pin nhiên liệu và pin chuyển đổi.
Hình 26. Dòng điện và điện áp của siêu tụ điện.
Khi hệ siêu tụ được tích điện, hai bản cực của hệ tụ điện tích điện trái dấu nên hình thành một điện trường hướng từ bản cực dương sang bản cực âm của hệ siêu tụ. Điện trường này có khả năng sinh ra năng lượng dạng thế năng. Mặt khác, các siêu tụ gồm n siêu tụ được mắc nối tiếp với nhau tạo thành một hệ siêu tụ có dung lượng tổng cộng Ctotal. Biểu thức biểu thị năng lượng điện trường (Wcap) của hệ siêu tụ với dung lượng (Ctotal) và điện áp trên tụ (U).
Trong đó điện áp � được sử dụng ở mức giá trị 24V để phù hợp với các thiết lập của thực nghiệm trên mô hình phun xăng đánh lửa và cải thiện tính đáp ứng của kim phun. Nhằm quản lý hiệu quả nguồn năng lượng trên hệ siêu tụ, cần biết được mức năng lượng tối đa mà một hệ siêu tụ có thể chứa đựng, qua đó tính toán thời gian nạp đầy của hệ siêu tụ dựa vào mức năng lượng từ các xung điện cảm. Năng lượng từ các xung điện cảm được thu hồi từ quá trình chuyển mạch của các bobine.
Hình 27. Điện áp dòng và dòng phát tải.
Cường độ dòng điện trong một mạch kín phụ thuộc vào tải (ở đây là giá trị cảm kháng của cuộn), người nghiên cứu tiến hành việc mô hình toán hệ siêu tụ với phụ tải điện dạng điện cảm với mục đích xác định được cường độ dòng điện khi phóng qua tải điện. Một mạch kín gồm hai thành phần cơ bản là điện dung (C) và độ tự cảm (L). Quá trình hệ siêu tụ cấp điện đến phụ tải được mô tả bằng một sơ đồ mạch tương đương:
Tại thời điểm t = 0, trước khi hệ siêu tụ phóng điện, dung lượng, điện áp và cường độ dòng điện ban đầu của tụ ở trạng thái nạp đầy là Ctotal = C/n và U = U0. Khi tụ bắt đầu phóng, cường độ dòng điện xuất hiện trong mạch được xác định như hình trên.