Thay đổi đặc tính máy nạp với điện áp tối đa, cơng suất tối đa và dịng điện
tối đa có thể hạn chế cơng suất đến 120 kW, trong khi dòng điện tối đa và điện áp tối đa vẫn giống như "envelope" dòng điện tối đa điện áp tối đa, như thể hiện trong hình 2.20.
57
Sử dụng “envelope" nạp mới, xe điện kích thước nhỏ gọn sẽ yêu cầu 10 đến
12 phút để sạc. Điện áp tối đa, điện năng tối đa đặc tính cấu hình dịng điện có
những ưu điểm:
+ Công suất máy nạp thấp hơn (quyết định kích thước của lưới điện ắc quy). + Có khả năng nạp được nhiều loại xe điện có sự khác nhau về điện áp và dung lượng ắc quy.
Vì bộ sạc này được thiết kế trên cơ sở cung cấp cùng một lượng năng lượng trong cùng một thời gian.
Hình 2.20: Cấu hình nạp điện áp tối đa – cơng suất tối đa – dòng điện tối đa.
Bộ sạc nhanh được áp dụng tại các trạm sạc cho xe điện. Các tính năng nổi bật được dựa trên bộ sạc ắc quy, bao gồm phần điện và phần điều khiển.
Phần điện của bộ sạc ắc quy là một nguồn điện DC kiểm sốt dịng điện với
điện áp đủ để có thể nạp đa dạng các loại xe điện. Phần điều khiển của bộ sạc ắc
58
Các tín hiệu điều khiển kết nối là cần thiết để kiểm sốt sạc các gói ắc quy. Dây bổ sung được yêu cầu để gửi tín hiệu điều khiển cho chế độ hoạt động tự động, nhiệt độ ắc quy và dữ liệu ắc quy chấp nhận được theo dõi bởi module ắc quy. Dây
và cáp điện cùng với các cặp điều khiển tạo nên giao diện sạc ắc quy. Một điện áp
cao tiêu chuẩn kết nối giao diện các trạm sạc để đựng ổ cắm sạc ắc quy xe điện.
Phần lớn các xe điện có thể được nạp lâu, chúng được trang bị một ổ cắm
nạp tiêu chuẩn. Trong cấu hình như vậy, việc nạp được thực hiện bằng tay. Người sử dụng cung cấp điện áp và mức độ dịng điện, theo đặc tính “envelope” sạc ắc
quy. Ngoài ra, người sử dụng cũng có thể nhập vào thời gian sạc và tổng số Ahr
được cung cấp cho ắc quy. Đây là loại hình kiểm sốt đặt giới hạn về dịng điện và điện áp đầu ra của các gói ắc quy, cho phép các gói ắc quy được nạp bằng cách sử
dụng dịng điện khơng đổi, điện áp khơng đổi.
Trong trường hợp các giá trị dòng điện nạp và điện áp nạp khơng có sẵn, người sử dụng nên tham khảo ý kiến các kỹ thuật nhà sản xuất.
Các thành phần chính của bộ sạc ắc quy nhanh xe điện bao gồm giao diện trạm sạc bao gồm một kết nối điện cung cấp điện lưới có khả năng cung cấp vài trăm amperes. Một modun chỉnh lưu chuyển đổi điện xoay chiều AC thành điện
một chiều DC. Một mô-đun biến tần điều chỉnh điện áp DC nạp ắc quy.
Cáp phân phối nạp mang năng lượng đến các gói ắc quy xe điện. Kết nối của cáp cung cấp nạp là một giắc cắm, mang dòng điện DC hàng trăm amperes. Ổ cắm này yêu cầu một lực lớn để kết nối chắc chắn với gói ắc quy. Vì vậy cần một khóa
để hỗ trợ và loại bỏ cáp sạc ắc quy. Điều này được thiết kế theo yêu cầu chấp nhận
các loại ắc quy. Việc kết nối và loại bỏ các giắc cắm đơn giản như vòi bơm xăng sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Một kết nối có khóa cũng sẽ đảm bảo rằng tín hiệu điều khiển được kích hoạt trước khi dịng điện cao được phân
phối thông qua cáp nạp ắc quy.
Bộ biến tần và bộ điều khiển trạm được thiết kế để chúng có khả năng đáp
ứng nhanh chóng trong vài phần nghìn giây. Một số khác để đọc chỉ số điện áp nạp (V), dòng điện nạp (A), cung cấp năng lượng (kWh), và chi phí nạp theo các đơn vị
59
tiền tệ ($). Xe điện được trang bị một giắc cắm, một gói ắc quy, và một bộ điều
khiển nạp. Bộ điều khiển phụ trách giám sát các gói ắc quy bởi các đường điều
khiển. Bộ điều khiển nạp kết nối với bộ điều khiển trạm ắc quy thơng qua các đường tín hiệu.
Hạn chế của sạc nhanh
Nạp tối đa và tỷ lệ xả là hai chức năng của thiết kế ắc quy. Ngồi ra, ắc quy
cũng có tính đối xứng, trong khi thực hiện quá trình nạp và quá trình xả. Ắc quy có
khả năng xả điện cao trong 10 phút cũng có khả năng nạp cơng suất cao trong 10
phút. Tương tự như vậy, một ắc quy được thiết kế tốt nhất để cung cấp tổng số năng
lượng của nó trong khoảng thời gian một hoặc hai giờ sẽ cần một hoặc hai giờ để đạt được mức nạp đầy. Trong trường hợp của động cơ đốt trong tiếp nhiên liệu, ống
nạp kiểm sốt dịng chảy có tỷ lệ khơng đổi. Trong khi nạp ắc quy có thể thực hiện
ở tốc độ nhanh. Khi sạc ắc quy, khả năng của các gói ắc quy chấp nhận mức nạp tại
cùng một tỷ lệ giảm bớt và có xu hướng bằng khơng. Vì vậy càng khó khăn hơn khi áp dụng dịng điện nạp để lưu trữ điện năng lượng. Do đó, 5 đến 10% nạp và xả
cuối cùng có thời gian dài nhất được hiển thị trên hình 2.21. Có thể đưa dịng điện sạc đi vào các ắc quy với mức cao hơn, vượt q các thơng số kỹ thuật gói ắc quy chấp nhận nạp. Tuy nhiên, điều này không dẫn đến nạp ắc quy nhanh hơn. Thay vào
đó nó dẫn đến làm xấu ắc quy và hỏng do thốt khí q mức và gia tăng nhiệt độ.
Như vậy, điều quan trọng là các bộ sạc nhanh cần có khả năng cảm nhận SOC của ắc quy và có thể điều chỉnh dòng điện nạp dựa trên khả năng chấp nhận nạp của
ắc quy. Điều này dẫn đến nạp nhanh nhất có thể với chi phí tối thiểu thơng qua việc
60
Hình 2.21: Sự biến đổi của dòng nạp và dung lượng ắc quy.
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 quá trình sạc xe điện, khơng nhất thiết và khơng 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 không 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 quá 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 rị 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 hòa 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 dịng điện của ắc quy trong q 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 ngồi ắc quy VRLA dẫn đến sự rị rỉ khí hydro, khí oxy và có thể cả dung dịch chất điện phân. Việc thông 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 q trình nạp sau khi xả một phần của ắc quy, sạc quá của tế bào ắc quy và kéo dài quá 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 q 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. Dịng điện nạp (A) là q 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 Mô phỏng ắc quy
Việc mô 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 tồn bộ hệ thống điên trên xe điện. Loại mô
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 mô phỏng và mơ hình hóa ắc quy.
a. Mơ 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 không đúng do điện áp cần có thời
gian để xuống một giá trị mới.
Hình 3.1: Mạch tương đương đơn giản Hình 3.2 Mạch tương đương 4 phần tử