Sạc nhanh và nạp quá tải ắc quy
Cả hai thành phần điện quá áp và các thành phần điện phải đủ thấp để cho phép sạc ắc quy nhanh chóng trong khi chỉ tạo ra một lượng nhiệt nhỏ. Nói cách
khác, ắc quy có thể được thúc đẩy nạp hoặc xả một cách dễ dàng, và điện trở của các dây dẫn và các giắc kết nối có thể dễ dàng vượt qua. Vì vậy, việc sạc quá mức của ắc quy trong quá trình nạp nhanh nên tránh. Một lượng nhiệt lớn được tạo ra
trong quá trình này sẽ gây thiệt hại ắc quy vĩnh viễn hoặc phá hủy gói ắc quy trong một thời gian rất ngắn.
Trong quá trình sạc nhanh của một ắc quy 90 Ahr, sạc tại một tỷ lệ từ 5 đến 8C (450 - 720) A dưới điều kiện hạn chế của bộ sạc. Trong quá trình áp dụng sạc này ắc quy nhận được 50% dung lượng của nó trong 10 phút đầu tiên. Ngay sau khi chấp nhận sạc giảm xuống dưới 450 A, bộ sạc bắt đầu giảm dòng điện. Đạt 75% dung lượng trong 5 phút tiếp theo (15phút), đạt được 90% dung lượng trong 7 phút
tiếp theo (17 phút), đạt được 95% dung lượng trong 12 phút tiếp theo (22 phút) và sạc đầy ắc quy trong 25 phút tiếp theo (35 phút).
61
cùng của nạp nhanh gói ắc quy. Trong q trình sạc xe điện, khơng nhất thiết và không cần chờ đợi nạp 5, 10, hoặc thậm chí 15% dung lượng cuối cùng của ắc
quy. Điều này là tương tự như chờ đợi một thời gian dài để điền vào một hoặc hai gallon xăng. Khi nạp như vậy một khuyến khích nạp cân bằng các gói ắc quy một lần trong khoảng 20 đến 30 chu kỳ nạp xả. Trong trường hợp này, một mức nạp
chậm được áp dụng để nạp cân bằng.
Nạp quá tải của ắc quy khơng chỉ lãng phí, mà cịn khá xấu đối với các gói ắc quy, nó là yếu tố quan trọng nhất dẫn đến giảm tuổi thọ ắc quy.
Nạp quá cần kéo dài chu kỳ cân bằng. Chu kỳ cân bằng mang đến cho tất cả các tế bào trong một gói ắc quy cân bằng. Năng lượng quá tải dẫn đến ắc quy bị điện phân sinh ra khí và tăng nhiệt độ trong ắc quy. Trong trường hợp mô-đun ắc quy thông hơi, quá tải gây nên tổn thất nhiệt và nước. Trong q trình sạc nhanh,
khí kết hợp lại, nếu tỷ lệ tái tổ hợp là không đủ, các tế bào quá nóng và nổ, do đó nạp q tải gây nóng.
Trong q trình thiết kế bộ sạc nhanh, điều quan trọng là tạo một thiết bị cảm nhận nhiệt độ trong buồng ắc quy. Cần hai cảm biến đo nhiệt độ, trong trường hợp cảm biến nhiệt độ đầu tiên hỏng, cảm biến thứ hai có thể tiếp tục theo dõi nhiệt độ
ắc quy để bảo vệ nhiệt. Trong trường hợp khơng có cảm biến thứ hai trong thiết kế ắc quy, quá tải có thể dẫn đến sự hỏng ắc quy.
Sạc nhanh và sự suy thoái ắc quy
Trong trường hợp không thường xuyên sạc ắc quy, ắc quy động lực cần một khả năng sạc ắc quy nhanh. Khi sạc nhanh sẽ có phản ứng điện hóa ngược lại phụ thuộc vào tính chất hóa học và hình dạng ắc quy. Một dòng điện cao gây ra một
phản ứng sạc nhanh, kết quả dẫn đến giảm hiệu quả quá trình sạc ắc quy và tạo ra quá nhiệt. Duy trì một dịng điện nạp cao cũng có thể dẫn đến chất điện phân bị rò rỉ và sự hình thành tinh thể.
Trong q trình xả, dịng điện đi từ ắc quy được xác định bởi tốc độ truyền
điện tích từ việc giảm q trình oxy hóa (phản ứng oxi hóa khử) tại các tấm ắc quy.
62
cực. Trong q trình sạc, dịng điện đi vào ắc quy được điều khiển bởi hệ thống sạc
ắc quy và có thể vượt quá năng lực phản ứng khử oxy hóa của các điện cực ắc quy.
Kết quả dòng điện nạp quá mức điện phân dung dịch nước và không sạc ắc quy. Với ắc quy VRLA, điện phân này giải phóng khí hydro và oxy hịa tan hydro và các ion oxy. Khi bong bóng khí tiếp xúc với bề mặt điện cực, chúng ngăn chặn sự tiếp cận của các ion điện bề mặt. Điều này làm giảm diện tích bề mặt điện cực và làm giảm khả năng xử lý dòng điện của ắc quy trong quá trình sạc.
Khi khí tích tụ chiếm thể tích lớn hơn dung dịch chất lỏng, một phản ứng điện hóa làm tăng áp suất và nhiệt độ các tế bào bên trong tế bào ắc quy kín. Khi áp
suất tạo lên bên trong các tế bào vượt ra ngoài ắc quy VRLA dẫn đến sự rị rỉ khí hydro, khí oxy và có thể cả dung dịch chất điện phân. Việc thơng hơi để giảm áp suất khí của ắc quy làm giảm khối lượng chất điện phân, giảm diện tích của điện cực/bề mặt điện phân. Chất lỏng mất từ ắc quy làm giảm việc xử lý lưu lượng dòng điện của ắc quy và là nguyên nhân chính làm ắc quy hỏng.
Sạc quá mức của ắc quy VRLA có thể dẫn đến sự phát triển của tinh thể. Nó được bắt đầu bằng một quá trình nạp sau khi xả một phần của ắc quy, sạc quá của tế bào ắc quy và kéo dài q trình nạp dịng điện thấp "nhỏ giọt".
Một ít tinh thể nằm trên các tấm tế bào. Phân bốđồng nhất của các tinh thể mới được hình thành trên tấm làm kết tụ lại của các tinh thể mới với các tinh thể đã có trên tấm. Kết quả là quá trình kết tụ lại thành các tinh thể lớn hơn. Trong q trình phóng điện, các tinh thể khơng hịa tan hồn tồn do tỷ lệ thể tích bề mặt nhỏ.
Trong trường hợp các tinh thể khơng hịa tan trong một số ắc quy dẫn đến dòng điện nạp đầy lưu lượng của tế bào sẽ giảm xuống. Hiệu ứng này làm các tinh thể phát triển lớn hơn và có diện tích lớn hơn. Độ sâu xả (DOD) đã ảnh hưởng đến việc duy trì khả năng nạp hiệu quả của ắc quy.
Trong ắc quy VRLA, quá trình sạc ắc quy là một phản ứng giảm biến đổi các ion hòa tan trong chất điện phân vào tinh thể kẽm. Quá trình lý tưởng này xảy ra trên bề mặt của điện cực kẽm hoặc trong các lỗ của nó. Sạc quá mức của ắc quy
63
Nạp gián tiếp là phương pháp phổ biến nhất để nâng cao hiệu quả của quá trình sạc và cũng tránh sạc quá mức. Dòng điện nạp (A) là quá thấp để duy trì quá
trình khuếch tán. Các ion không khuếch tán qua bề mặt điện cực lấy ở trên bề mặt. Quá trình này, qua một khoảng thời gian, tạo lên các tinh thể dẫn đến ngăn cản sự khuếch tán vào các lỗ.
Khoảng thời gian dài dẫn đến tăng trưởng các tinh thể thông qua một phân
cách cách điện. Điều này dẫn đến nối các điện cực tế bào bằng tinh thể. Vì vậy, ắc
quy này cần phải được lưu trữ trong một trạng thái xả. ắc quy xả với dịng điện tối
đa khơng dẫn đến thốt khí q mức hoặc tạo nhiệt lớn. Nạp được tiếp tục cho đến
64
CHƯƠNGIII: TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNGQ TRÌNH NẠP ẮC QUY.
3.1 Mơ phỏng ắc quy
Việc mơ phỏng một hệ thống kỹ thuật luôn luôn là quan trọng và hữu ích, nó cho phép tìm hiểu được ảnh hưởng của các tham số cũng như điều kiện làm việc tới sự hoạt động của hệ thống. Ví dụ, chúng ta có thể xây dựng một mơ hình ắc quy cho phép dự đoán ảnh hưởng của thay đổi độ dày của lớp oxit chì của các điện cực âm của một ắc quy axít chì kín. Các mơ hình này sử dụng các quan hệ vật lý và hóa học kết hợp với sức mạnh của máy tính cho phép các mơ hình như vậy được thực hiện với khả năng đoán trước rất tốt.
Một số loại khác được xây dựng để mô phỏng sự làm việc của ắc quy trong
các điều kiện làm việc khác nhau. Loại mơ hình này sẽ được sử dụng để dự đốn tính năng làm việc của ắc quy trong toàn bộ hệ thống điên trên xe điện. Loại mơ
hình này dựa trên sự phân tích các dữ liệu hoạt động thực tế khác với các mơ hình dựa trên các quan hệ vật lý và hóa học. Trong phần này chúng ta chỉ quan tâm tới mơ hình có khả năng mơ phỏng được tính năng hoạt động của ắc quy trong hệ thống
điện trên xe điện. Tuy nhiên việc xây dựng các mơ hình của ắc quy là rất phức tạp
và khó khăn, độ tin cậy không cao. Sự làm việc của ắc quy phụ thuộc vào số liệu đo lường được, ví dụ như nhiệt độ, điện áp, SOC… Tuy nhiên, nó cũng phụ thuộc trên các thơng số khó xác định một cách chính xác, như tuổi tác và cách ắc quy được sử dụng trước đó. Sai số trong sản xuất và sự chênh lệch giữa các tế bào khác nhau trong một ắc quy cũng có thể tác động lớn về tính năng sử dụng của ắc quy. Những vấn đề này là nhiệm vụ của việc mơ phỏng và mơ hình hóa ắc quy.
a. Mô phỏngắc quy mở mạch
Nhiệm vụ đầu tiên trong việc mô phỏng sự làm việc của ắc quy là xây dựng một mạch tương đương. Hình 3-1 là một mạch tương đương rất đơn giản cho ắc
quy. Một hạn chế của loại hình này của mạch là nó khơng giải thích các q trình
65
(thấp hơn) giá trị mới. Trong thực tế, điều này là khơng đúng do điện áp cần có thời
gian để xuống một giá trị mới.