Khi một chiếc xe đi ở một tốc độ nhất định, theo đó một cơng suất nhất định sẽ được u cầu từ động cơ địi hỏi một cơng suất điện nhất định từ ắc quy. Do vậy cần thiết để mô phỏng hoạt động của ắc quy ở mức năng lượng nhất định, chứ
khơng phải là dịng điện.
Bước đầu tiên là để tìm một phương trình cho dịng điện từ ắc quy khi nó đang hoạt động ở công suất P (W). Chúng ta biết rằng:
67
Trong q trình nạp dịng điện đang đi vào ắc quy nên điện áp hai cực của một ắc quy:
V = E + IR (3.6)
Nếu ta kết hợp phương trình (3.6) với cơng thức cơng suất ta có:
P = V × I = (E + IR) × I = EI + RI 2 (3.7)
Nghiệm cho phương trình bậc hai này là:
I = (3.8)
Có hai nghiệm cho phương trình bậc hai. Đối với nghiệm có giá trị tuyệt đối lớn, có nghĩa là dịng điện rất lớn do đó làm sụt áp lớn dẫn đến cơng suất bị tổn hao lớn do đó ta khơng dùng giá trị nghiệm này, mà ta chỉ dùng nghiệm có giá trị thấp. Giá trị của R, điện trở trong của tế bào, thông thường sẽ khác nhau khi nạp và phóng. Khi chạy một mô phỏng, chúng ta phải nhớ rằng công suất ln dương và
phương trình (3.8) cho dịng điện vào ắc quy.
c. Dung lượng ắc quy
Dung lượng của ắc quy giảm mạnh nếu dịng phóng tăng. Việc phóng với
dịng 1A trong 10 giờ khơng như phóng với dịng 10 A trong 1 giờ.
Hiện tượng này là đặc biệt quan trọng cho xe điện có dịng thường cao, dẫn tới dung lượng có thể ít hơn. Để có thể để dự đốn tác động của dịng điện tới dung
lượng, cả khi thiết kế xe và khi thực hiện đo dung lượng còn lại trong ắc quy, đồng
hồ đo dung lượng còn lại của ắc quy trên xe. Độ sâu phóng của ắc quy (DOD) rất cần thiết cho việc xác định điện áp mạch mở bằng cách sử dụng phương trình (3.1) và (3.2).
Cách tốt nhất để làm điều này là sử dụng mơ hình Peukert. Với mơ hình này tính chính xác khơng cao ở dịng điện thấp, nhưng lại chính xác hơn ở dịng điện cao phù hợp với việc mơ phỏng xe điện có dịng điện lớn.
Điểm khởi đầu của mơ hình này là dung lượng Peukert, là hằng số, và được
cho bởi phương trình:
68
k là một hằng số được gọi là hệ số peukert. Dung lương peukert tương đương với
dung lượng bình thường (Ah) cho một ắc quy ở chế độ dịng phóng 1A. Giả sử một ắc quy có dung lượng danh nghĩa là 40 Ah ở mức 5h. Điều này có nghĩa rằng nó có dung lượng 40Ah nếu xả tại một dịng điện:
I = = 8A (3.10)
Nếu hệ số peukert là 1,2 thì dung lượng peukert là:
Cp = 81,2 × 5 = 60,6 Ah (3.11)
Biến đổi phương trình (3.9) thời gian ắc phóng hết điện tại một dòng bất kỳ là:
T = (3.12)
Từ các phương trình (3.9) và (3.12) nếu một dịng điện I phóng từ ắc quy,
theo quan điểm dung lượng ắc quy, xuất hiện dịng điện phóng của ắc quy là Ik (A).
Với I và k lớn hơn 1.0, thì Ik sẽ lớn hơn I. Chúng ta có thể sử dụng điều này trong một mô phỏng ắc quy thực tế, để quan sát sự thay đổi điện áp của ắc quy trong quá trình nạp. Điều này được thực hiện theo phương thức mơ phỏng step-by-step, tính
tốn lượng nạp ở mỗi bước. Bước thời gian tính tốn là δt. Nếu dòng điện nạp là I
(A), dung lượng nạp trong khoảng thời gian đó là:
δt × Ik (3.13)
Tổng dung lượng nạp tại bước thứ n sẽ là:
= [Ah] (3.14)
Độ sâu xả của ắc quy, tại bước thứ n của một mô phỏng step-by-step là:
(3.15) * Tính tốn hệ số Peukert
Làm thế nào để tìm ra hệ số peukert vì nó hiếm khi xuất hiện trong bảng đặc
điểm kỹ thuật ắc quy. Tuy nhiên chúng ta ln có đầy đủ thơng tin để tính giá trị dung lượng ắc quy ở hai lần xả khác nhau. Phương pháp tìm kiếm hệ số peukert từ hai định mức Ah như sau.
69
Giả sử ta có hai dung lượng khác nhau C1 và C2 với hai dòng điện khác nhau I1 và
I2:
và (3.16)
Chúng ta có hai phương trình cho cơng suất Peukert, như trong phương trình (3.9):
và (3.17)
Tuy nhiên, khi hệ số Peukert là khơng đổi, bên phải của phương trình (3.17) là bằng
nhau, và do đó:
= = Giả ra ta được:
k =
Phương trình này tính ra hệ số peukert k cho ắc quy, ta đã có hai giá trị cho
cơng suất ở hai T lần xả khác nhau. Lấy ví dụ ắc quy danh nghĩa là 42 Ah, phương trình (3.16) trở thành:
= = 4.2 A và = = 33.6 A Từ đây ta có:
k = = 1.107
Tính tốn này có thể được thực hiện với bất kỳ ắc quy nào, theo nguyên tắc chung hệ số peukert càng thấp, ắc quy càng tốt.[1]
3.2 Các phương án mô phỏng
Tiến hành mô phỏng ắc quy Nicad với các thông số sau:
Loại ắc quy Nicad
Số cell 100
70
Hằng số Peukerts k=1.045
Điên trở trong R=0,012 Ω
Nhiệt độ 250 C
+ Khảo sát theo các công suất nạp:
P1[W] P2[W] P3[W] P4[W] P5[W] P6[W] P7[W] P8[W] P9[W]
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
+ Khảo sát theo các dòng nạp:
I1 [A] I2 [A] I3 [A] I4 [A] I5 [A] I6 [A]
5 10 15 20 25 30
3.2.1 Khảo sát theo các công suất nạp
* Tốc độ nạp 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 Thời gian (s) SO C P=500W P=1500W P=2500W P=3500W P=4500W
Hình 3.4: Mối quan hệ giữa SoC và thời gian nạp
Từ đồ thị 3.4 ta thấy nếu tăng cơng suất nạp thì thời gian nạp đầy ắc quy (SOC) = 1 càng nhanh.
71
Tại P=1500W thời gian nạp đầy là 14.150 giây. Tại P=2500W thời gian nạp đầy là 8.230 giây. Tại P=3500W thời gian nạp đầy là 5.740 giây Tại P=4500W thời gian nạp đầy là 4.380 giây.
Hình 3.5: Mối quan hệ giữa cơng suất nạp và thời gian nạp đầy
Với công suất nạp lớn thì thời gian nạp đầy ngắn và ngược lại. Hình 3.5 thể hiện thời gian nạp sẽ giảm tỷ lệ nghịch với công suất nạp theo quy luật Hypecbol
y=45152.x-1.0594.
* Sự biến đổi của điện áp
100 105 110 115 120 125 130 135 140 0 10000 20000 30000 40000 50000 Thời gian (s) Hiệ u đ iệ n t hế (V ) P=500W P=1500W P=2500W P=3500W P=4500W
72
Từ hình 3.6 ta thấy: Sự biến thiên phi tuyến của điện áp tập trung vào giai
đoạn đầu và cuối quá trình nạp. Với cơng suất càng nhỏ thì độ phi tuyến càng giảm và ngược lại. 100 105 110 115 120 125 130 135 140 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 SoC H iệ u đ iệ n t hế (V ) P=500W P=1500W P=2500W P=3500W P=4500W
Hình 3.7: Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và SoC
Từ hình 3.7 ta thấy các đường thể hiện mối quan hệ giữa hiệu điện thế và
SOC gần như song song với nhau. Quy luật giữa V và SOC giống nhau với các P
khác nhau nhưng với công suất nạp càng nhỏ thì có hiệu điện thế càng cao điều này
tốt hơn cho ắc quy do được nạp no hơn. Mặc dù với các cơng suất nạp khác nhau, thì quá trình phi tuyến của điện áp chỉ diễn ra khi SOC < 0,2 và SOC > 0,8.
73
* Hiệu suất năng lượng của ắc quy
Hình 3.8 Mối quan hệ giữa công suất nạp và hiệu suất năng lượng
Trên đồ thị 3.8 ta nhận thấy:
Nếu tăng cơng suất nạp thời gian nạp đầy có thể ngắn lại tuy nhiên hiệu suất
năng lượng lại thấp do ắc quy không được nạp sâu.
Sự suy giảm hiệu suất năng lượng theo công suất nạp tuân theo quy luật hàm bậc nhất y= -0,64x +100.
Từ các nhận xét trên ta thấy rằng, để tăng tốc độ nạp mà vẫn đảm bảo tuổi thọ của ắc quy ta cần nạp nhanh đến 80% SOC (nạp với công suất lớn tới khi đạt
80% SOC). Sau đó nạp với công suất nhỏ. Do vậy vấn đề đặt ra là phương thức xác
định SOC trong quá trình nạp của ắc quy nhanh và hiệu quả nhất.
Vấn đề này sẽđược tiếp tục giải quyết trong phần tiếp theo với việc khảo sát SOC theo giá trị dòng nạp.
3.2.2 Khảo sát theo các dòng nạp
74 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Thời gian (s) SO C
I=5A I=10A I=15A
I=20A I=25A
Hình 3.9: Mối quan hệ giữa SoC và thời gian nạp
Từ đồ thị 3.9 ta thấy nếu tăng dịng nạp thì thời gian nạp đầy ắc quy (SOC = 1) càng nhanh cũng như việc tăng công suất nạp ở trên.
Hình 3.10: Mối quan hệ giữa dịng nạp và thời gian nạp đầy
Với dịng nạp lớn thì thời gian nạp đầy ngắn và ngược lại. Hình 3.10 cho thấy thời gian nạp sẽ giảm tỷ lệ nghịch với cường độ dòng điện nạp theo quy luật Hypecbol
75
* Sự biến đổi của điện áp
100 105 110 115 120 125 130 135 140 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Thời gian (s) H iệ u đ iệ n t h ế ( V )
I=5A I=10A I=15A I=20A I=25A
Hình 3.11: Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và thời gian nạp
100 105 110 115 120 125 130 135 140 0 0.2 0.4 SOC 0.6 0.8 1 H iệ u đ iệ n t hế (V )
I=5A I=10A I=15A
I=20A I=25A
Hình 3.12: Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và SoC
Từ hình 3.11 và 3.12 ta nhận thấy quy luật biến thiên của điện áp với các dòng nạp khác nhau cũng giống như với các công suất nạp khác nhau. Quy luật giữa
76
V và SOC giống nhau với các I khác nhau nhưng với dịng nạp càng nhỏ thì hiệu
điện thế càng cao.
Trên cơ sở này ta hồn tồn có thể xác định được giá trị của SOC bằng việc
đo các thông số điện áp ắc quy V và dịng điện nạp I. Từ đó tạo điều kiện quản lý quá trình điều khiển nạp nhanh.
* Hiệu suất năng lượng của ắc quy
Hình 3.13: Mối quan hệ giữa công suất nạp và hiệu suất năng lượng
Nếu tăng dịng nạp thời gian nạp đầy có thể ngắn lại tuy nhiên hiệu suất năng
lượng lại thấp do ắc quy không được nạp sâu.
Sự suy giảm hiệu suất nạp theo cường độ dòng điện nạp tuân theo quy luật hàm bậc nhất y= -0.8501x +99.963.
77
KẾT LUẬN
Trong khuôn khổ luận văn cao học, đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Nghiên cứu, tìm hiểu một cách tổng quan sự phát triển của ô tô điện trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay. Tổng kết lại một số nghiên cứu đánh giá những ưu và nhược điểm cũng như khả năng ứng dụng ô tô điện trong tương lai.
- Đi sâu nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới q trình nạp ắc quy. Tìm hiểu các thơng số cũng như các chỉ số để đánh giá ắc quy trên xe điện, các quy trình và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nạp điện của một số loại ắc quy.
- Trên cơ sở đó đề tài đã tính tốn và mơ phỏng các yếu tố của q trình nạp
ắc quy Nicad từ đó phân tích sự ảnh hưởng của các phương pháp nạp khác nhau tới
tốc độ nạp, điện áp ắc quy và hiệu suất năng lượng ắc quy và đưa ra các nhận xét
sau:
+ Thời gian nạp sẽ giảm tỷ lệ nghịch với công suất nạp.
+ Mặc dù với các cơng suất nạp khác nhau, thì q trình phi tuyến của điện áp chỉ diễn ra khi SOC <0,2 và SOC>0,8.
+ Đểtăng tốc độ nạp mà vẫn đảm bảo tuổi thọ của ắc quy ta cần nạp nhanh
đến 80% SOC (nạp với công suất lớn tới khi đạt 80% SOC), sau đó nạp với cơng
suất nhỏ hơn.
+ Có thể xác định được giá trị của SOC bằng việc đo các thông số điện áp ắc
quy V và dịng điện nạp I. Từ đó tạo điều kiện quản lý quá trình điều khiển nạp
nhanh.
Q trình thực hiện đề tài có rất nhiều khó khăn, tuy nhiên tác giả đã được sự
giúp đỡ tận tình của thầy TS.Đàm Hồng Phúc cùng tồn thể các thầy cơ trong
Khoa Cơ khí động lực để hồn thành luận văn.
Tuy nhiên, q trình thực hiện đề tài khơng tránh khỏi sai sót, vì vậy tác giả
78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. C. Mi, B. Li, D. Buck, and N. Ota, “Advanced Electro-Thermal Modeling of
Lithium-Ion Battery System for Hybrid Electric Vehicle Application,” 2007, pp.
107-111.
2. H. He, R. Xiong, X. Zang, F. Sun, “State-of-Charge Estimation of the Lithium-
Ion Battery Using an Adaptive Extended Kalman Filter Based on an Improved Thevenin Model” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 60, no. 4, May 2011, pp. 1461-
1469.
3. http://olev.kaist.ac.kr/en/index.php.
4. Maxwell Technology Co., BMOD0063 Ultracapacitor Module Datasheet, http://www.maxwell.com.
5. Joel Schindall, “The Charge of The Ultra-Capacitors”, IEEE Spectrum, November 2007, pp. 42-46.
6. The EV Project. Online: http://www.theevproject.com/.
[1]. James Larminie and John Lowry, “Electric Vehicle Technology Explained”, ISBN 0-470-85163-5, 2003. [2]. http://i.mitsubishicars.com/. [3]. http://olev.kaist.ac.kr/en/index.php [4]. http://www.motorauthority.com/news/1030359_microcar-releases-the-m-go- electric-city-car. [5]. http://www.zapworld.com/.
[6]. Joel Schindall, “The Charge of The Ultra-Capacitors”, IEEE Spectrum, November 2007, pp. 42-46.
[7]. Leon C Rosario, PhD Thesis. “Power and Energy Management of Multiple
Energy Storage Systems in Electronic Vehicle”, June 2007.
[8]. Sandeep Dhameja, Electric Vehicle Battery Systems, 2002.
[9]. Kazuma Kumai, Hajime Miyashiro, Yo Kobayashi, Katsuhito Takei, Rikio Ishikawa, “Gas generation mechanism due to electrolyte decomposition in
commercial lithium-ion cell”, Journal of Power Sources, Volumes 81–82,