34
Hình 2.5: So sánh cơng suất ắc quy ở mức 50% SOC.
*Thuật tốn Tính tốn SOC thực tế
SOC của ắc quy trong thực tế được ước tính mỗi khoảng thời gian một cách
lặp đi lặp lại. Giá trị điện áp trung bình Vave trong 1 khoảng thời gian ∆t được thể
hiện như:
Vave = ½(V0 + V1) (2.15)
Với: V0 là điện áp ban đầu của khoảng thời gian đo lường SOC. V1 là điện áp tại thời điểm t0+∆t.
Ước tính trở kháng Rint của ắc quy bằng cách nội suy trong SOC với bảng trở
kháng ắc quy.Tính tốn trở kháng ắc quy trung bình (Rave) cho khoảng thời
gian. Trở kháng ắc quy Rave trung bình được tính bằng:
Rave = ½( R0 + R1) (2.16)
R0 là trở kháng ắc quy lúc bắt đầu khoảng thời gian đo lường SOC.
Tính tốn dịng điện ắc quy bằng cách sử dụng phương trình sau đây:
r = [Vavg / (2Ravg)] 2 - Pbatt / Ravg (2.17)
Nếu r lớn hơn khơng, I được tính bằng phương trình sau:
35
Điều chỉnh điện áp ắc quy bằng cách sử dụng phương trình:
V = vavg – (I ×Ravg) (2.19) SOC cịn lại sử dụng phương trình:
SOC1 = SOC0 - P∆t / 3600 × C × V (2.20)
Trong đó P là công suất bắt nguồn từ ắc quy và C là dung lượng Ahr của ắc quy. Số 3600 xuất hiện trong số chia vì khoảng thời gian ∆t được thể hiện tính bằng giây.
Lặp lại tính tốn các bước từ 1 đến 6, như trên, cho đến khi sự khác biệt giữa
SOC0 và SOC hội tụ mới được tính tốn trong 0,01% của SOC.
2.2. CÁC VẤN ĐỀ KHI NẠP ẮC QUY 2.2.1: Sạc ắc quy VLRA đơn 2.2.1: Sạc ắc quy VLRA đơn
Phương pháp dùng dịng điện khơng đổi- điện áp không đổi (CI-CV) là phương pháp sạc thường dùng cho ắc quy VRLA 12V. Phương pháp này được áp
dụng cho mỗi ắc quy với tổng 20 - 30 chu kỳ xả nạp ắc quy.
Giá trị của dòng điện nạp (Ic) phụ thuộc vào công suất đầu ra của bộ sạc ắc quy, giá trị tối đa và tối thiểu của Ic, các giá trị tương ứng của các điện áp trên cực
ắc quy (Vc), và thời gian cần thiết để sạc ắc quy đã xả hết 80% (DOD).
Quá trình sạc ắc quy VRLA bằng phương pháp CI-CV kết thúc khi dòng điện
trong giai đoạn điện áp không đổi đã giảm đến 0,80 % dung lượng ắc quy phóng
trong chế độ 3 tiếng (C/3). Ví dụ, một ắc quy VRLA có dung lượng 95 Ah với điều kiện phóng trong 3 tiếng đã được nạp đầy khi dòng điện nạp đã giảm xuống còn:
36
Hình 2.6: Các giai đoạn nạp của một chuỗi ắc quy VRLA.
Bù nhiệt độ
Nhiệt độ của ắc quy VRLA sẽ tăng trong quá trình sạc, ảnh hưởng xấu đến các tế bào ắc quy. Sự gia tăng nhiệt độ này dẫn đến thốt khí do đó điện áp trên cực
ắc quy (Vc) trong quá trình sạc phải giảm. Ví dụ, nếu nhiệt độ mơi trường xung
quanh trên 77 °F, Vc phải được giảm 0,01 V/°F trên 77 °F. Nếu nhiệt độ môi trường
xung quanh dưới 77 °F, Vc phải được tăng lên 0,01 V/°F dưới 77 °F. [8]
Sạc quá mức của các ắc quy VRLA
Nếu sử dụng phương pháp nạp CI-CV, ắc quy VRLA cần phải được nạp quá mức từ (3-5) %. Ví dụ: Nếu một ắc quy có dung lượng 50 Ahr sau khi phóng hết điện (SOC=0) thì sau đó dung lượng phải nạp lại là: 50 × 1,03 = 51,5 Ahr để đảm
bảo ắc quy đó đã được nạp đầy (SOC =100%). Với ắc quy cũ yêu cầu quá mức (7-8) %. Một ắc quy còn tốt là khi dòng điện nạp bằng 0,8% dung lượng của ắc quy trong
37
Các bước thuật toán để sạc một chuỗi ắc quy VRLA
Phương pháp nạp tốt nhất với một ắc quy VLRA có điện áp danh nghĩa 12V theo các bước sau:
• Bước1: Một dịng điện khơng đổi được nạp cho chuỗi ắc quy VRLA đến khi ắc quy đầu tiên trong chuỗi đạt điện áp15,5V hoặc cho đến khi ắc quy cuối cùng trong
chuỗi đạt điện áp 14,5V. Tại thời điểm này, dòng điện được áp dụng cho chuỗi giảm khoảng 50% của các giá trị dòng điện ban đầu để ngăn ngừa mất nước do
thốt khí.
• Bước 2: Dòng điện tiếp tục giảm được áp dụng cho đến khi ắc quy đầu tiên một
lần nữa đạt điện áp 15,5V hoặc cho đến khi ắc quy cuối cùng trong chuỗi đạt điện áp 14,5V. Tại thời điểm này, dòng điện được áp dụng cho chuỗi giảm khoảng 50%
dòng điện được áp dụng bắt đầu Bước 2.
• Bước 3: Dịng điện một lần nữa giảm đi một nửa như ở bước 1 và 2 cho đến khi
dòng điện đang nạp cho ắc quy đầu tiên trong gói ắc quy ở mức 1% cơng suất của ắc quy. Ví dụ, dịng điện 1% của ắc quy 90Ahr là 0,90A (khoảng 1A).
• Cuối cùng Dịng điện khơng đổi được áp dụng cho đến khi tất cả các ắc quy có điện áp tăng ít hơn 0,01 V trong khoảng 15 phút. Khoảng thời gian nạp cân bằng
này là quan trọng vì nó làm tất cả các ắc quy trong gói một phạm vi (5 -10)% của ắc
quy đầu tiên đạt được nạp trong bước 3. Chú ý bước này không được vượt quá 6 giờ để ngăn chặn sự thốt khí của ắc quy, dẫn tới mất hơi nước.
2.2.2. Sạc ắc quy NiMH
Khi bắt đầu quá trình sạc ắc quy, các tế bào NiMH ở nhiệt độ phòng, nhưng nếu tiếp tục sạc ắc quy, nhiệt độ bên trong tăng lên rất nhanh do phản ứng tỏa
nhiệt. Trong phản ứng, nước trong chất điện phân được phân hủy thành các nguyên tử hydro, được hấp thụ vào các hợp kim cực âm.
Hợp kim + Hợp kim [H] +
Tại cực dương, phản ứng nạp được dựa trên q trình oxy hóa của hydroxide niken.
38
Các phản ứng tỏa nhiệt làm tăng nhiệt trong suốt quá trình sạc, nhiệt độ tế bào tăng lên rất nhanh. Trong quá trình này việc phân hủy chất điện phân dễ dàng hơn việc nạp ắc quy.
Phương pháp sạc cho ắc quy NIMH
Nguyên tắc bịt kín của ắc quy NiMH cho thấy dung lượng của điện cực
hydro cực âm lưu trữ lớn hơn so với điện cực dương. Do đó, điện cực âm chưa được sạc đầy khi điện cực dương đã được sạc đầy. Vì vậy, bất kỳ oxy nào tạo ra ở điện
cực dương trong thời gian nạp và nạp quá đều do sự phản ứng về mặt hóa học diễn ra tại điện cực âm. Hiện tượng này sẽ tạo ra áp suất trong ắc quy. Khi sạc nhanh, áp lực nội bộ tăng lên nhanh chóng. Áp suất hơi tăng lên sẽ thốt ra ngồi qua lỗ thông
hơi và kéo theo chất điện phân làm giảm điện áp và tuổi thọ ắc quy.
Sự tăng áp có xu hướng nhiều hơn khi dịng nạp cao hơn. Tại dòng nạp thấp
hơn 300 mA, khả năng điện cực âm tạo ra hydro là ở SOC=100%. Ngược lại, như
thể hiện trong hình 2.7, với dịng nạp cao hơn 1.000 mA, khả năng điện cực âm tạo ra hydro ngay ở SOC=50%.
Phương pháp đầu tiên sử dụng một khoản nạp qua đêm (thường là nạp chậm)
sử dụng dịng điện khơng đổi tối đa ở mức C/3 (A). Phương pháp sạc này gồm có 2
39
Hình 2.7: Biến đổi của áp suất ắc quy trong quá trình nạp.
1. Bước đầu tiên tại một dòng điện cao hơn, I1 (kết thúc bước đầu tiên là xác định
tiêu chí, C1).
2. Bước thứ hai tại dòng điện thấp hơn, I2 (kết thúc bước thứ hai này được xác định bởi tiêu chí, C2).
Giới hạn C1 (T) là một hàm của nhiệt độ ắc quy thực tế và được thể hiện
trong hình 2.8.
Khi đạt được tiêu chí C1, bước đầu tiên là dừng nạp lại và cơng suất bước đầu tiên tính là Ah1. Khơng cần thời gian nghỉ ngơi giữa các bước, dịng điện I2 thứ
hai được bắt đầu. Kết thúc nạp giới hạn C2 đạt được khi khả năng tích điện Ah2
trong bước thứ hai có thể được biểu diễn như sau:
40
Hình 2.8: Cấu hình nhiệt độ nạp thấp cho các ắc quy NiMH.
41
Phương pháp nạp thứ hai sử dụng một bước nạp nhanh với dịng nạp khơng đổi cho phép các tế bào nạp đến 40% dung lượng của nó từ trạng thái ban đầu của ắc quy có SOC=20-40%. Các gói ắc quy thường được nạp từ 10 đến 20 giờ với dòng điện nạp trong khoảng (0.5C - 1C) [A] và nhiệt độ phòng từ (22- 55)°C. Khi
sạc ắc quy tại dòng điện quá 1C sẽ gây ra tăng áp suất bên trong tế bào làm lỗ thông
hơi mở. Điều này dẫn đến chất điện phân bị rò rỉ. Khi nhiệt độ của ắc quy nằm
ngoài dải nhiệt độ việc nạp nhanh chóng chấm dứt, và nạp nhỏ giọt được bắt đầu.
Việc dùng dòng nạp lớn trong cuối q trình nạp và dịng phóng lớn trong cuối q trình phóng khiển cho ắc quy bị trai hóa bề mặt bản cực gây khó khăn cho việc khôi phục lại dung lượng của ắc quy. Do vậy bằng cách thức nạp nhỏ giọt sẽ cho phép ắc quy phục hồi được điện áp giới hạn trên (xấp xỉ 1,8V/tế bào). Và dịng
điện lúc này thơng thường từ [0,2C – 0,3C] A.
Hình 2.10: Cấu hình nạp để tăng nhiệt độ 2°C/phút.
Một cách chính xác hơn, khi điện áp ắc quy giảm từ đỉnh của nó 5-10 mV/tế bào trong quá trình nạp nhanh, việc nạp bị chấm dứt và chuyển sang nạp nhỏ giọt. Ngoài ra, nhiệt độ của ắc quy tăng lên nhanh chóng trong thời gian nạp nhanh. Khi
42
sự gia tăng nhiệt độ 2°C/phút được phát hiện, việc nạp nhanh chấm dứt và chuyển sang nạp nhỏ giọt.
Việc sạc quá mức của ắc quy NiMH, ngay cả với nạp nhỏ giọt, gây ra sự suy giảm hiệu quả và tuổi thọ. Để ngăn chặn việc sạc quá mức bằng cách nạp nhỏ giọt hoặc bất kỳ phương pháp nạp khác, người ta sử dụng một bộ đếm thời gian để điều chỉnh tổng thời gian sạc.[8]
Những tiến bộ trong sạc NiMH
Nếu ắc quy NiMH được nạp quá nhanh, có thể dẫn đến hỏng hồn tồn ắc
quy, một số trường hợp cũng có thể gây cháy nổ ắc quy.
Kết hợp các mạch sạc ắc quy hiệu quả và thuật tốn thơng minh có thể cải thiện tuổi thọ ắc quy và giảm việc phải sạc ắc quy nhiều lần. Thiết kế ắc quy phải
phù hợp với thiết kế xe để sử dụng hiệu quả của các thuật toán sạc ắc quy.
Sự chênh lệnh điện áp của ắc quy NiMH khi nạp đầy và khi phóng hết điện là không nhiều (0,15V) dễ gây ra hiện tượng quá nạp và không sạc đầy. Hiện nay
phương pháp nạp với dịng khơng đổi được sử dụng phổ biến cho ắc quy NiMH.
Việc chấm dứt nạp ắc quy cũng không kém phần quan trọng như sạc ắc quy. Một vấn đề lớn với việc sớm dừng nạp. Nếu hệ thống sạc chỉ có độ chính xác 95%,
sau đó ắc quy khơng được sạc đầy. Sạc ắc quy cần được chấm dứt sau khi phát hiện -∆V hoặc điện áp đỉnh, tiếp theo là điểm thôi sạc.
Tại thời điểm này, ắc quy khơng cịn có thể duy trì sự gia tăng điện áp, bởi vì mức nạp chấp nhận của nó là thấp. Bơm thêm năng lượng để sạc sẽ tạo nhiệt. Vì lý do này, việc chấm dứt nạp được dựa trên sự gia tăng nhiệt độ, dT/dt, hoặc một kỹ thuật dự đoán thời gian nạp. Các bộ sạc điện tử phát hiện dT/dt kể từ khi ắc quy
NiMH không thể hiện giảm rõ rệt về điện áp sau khi đạt gần hết dung lượng. Nạp ắc
43
2.2.3 Sạcắc quy Lithium-ion
a. Khái quát chung về ắc quy Li-ion trong xe điện
Ắc quy Lithium – Ion là dòng ắc quy đang được sử dụng phổ biến trong các
loại ô tô điện đang và sắp được thương mại hóa rộng rãi bởi nó có mật độ năng lượng cao nhất trong các loại ắc quy, khả năng nạp nhanh tốt (30 phút có thể nạp được 80%), tuổi thọ cao (có thể lên tới 10 năm). Cho đến nay, đây là loại ắc quy được sử dụng phổ biến nhất cho ô tô điện trong nghiên cứu và trong công nghiệp.
Tuy nhiên, giá thành cao là một trong những vấn đề không nhỏ của ắc quy Lithium. Nguyên nhân của giá thành cao là do công nghệ chế tạo phức tạp và sự khan hiếm nguyên liệu. Ta biết rằng, Lithium là một kim loại hiếm, và nó là nguồn tài nguyên có hạn. Do vậy, về lâu dài, ắc quy Lithium cũng không phải là nguồn
năng lượng tối ưu cho ô tô điện.
Hình 2.11: Hệ thống ắc quy Li-ion trong ô tô điện
44
Hình 2.12. Quy trình sạc ắc quy Li-ion
Quá trình sạc của ắc quy Lithium-ion bao gồm 2 giai đoạn: Sạc ổn dòng, sạc
ổn áp.
Trong q trình sạc ổn dịng, dịng điện được giữ khơng đổi, thơng thường
bằng C/2 – C (trong đó, C là dung lượng [Ah] của ắc quy). Dòng điện sạc càng lớn, q trình sạc ổn dịng càng ngắn nhưng quá trình sạc ổn áp sẽ càng dài; tuy vậy,
tổng thời gian sạc cả 2 giai đoạn thường khơng q 3h. Đồng thời, dịng điện lớn sẽ
làm tăng nhiệt độ ắc quy. Trong quá trình sạc cần theo dõi nhiệt độ sát sao vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể làm cho ắc quy bốc cháy hoặc phát nổ. Thông thường, nhiệt độ không nên vượt quá 45oC. Một số ắc quy Li-ion sử dụng cơng nghệ Lithium-Ferro- Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độ khi sạc lên đến 60oC. Một số bộ sạc nhanh (quick charge) chỉ thực hiện bơm dòng ổn định vào ắc quy (sạc ổn dịng) do đó, giới hạn về nhiệt độ lớn hơn đồng nghĩa với việc dòng điện sạc lớn hơn hay thời gian sạc nhanh sẽ ngắn hơn.
45
Trong q trình sạc ổn dịng, điện áp trên 2 đầu cực ắc quy tăng dần. Khi điện áp đạt bằng sức điện động của ắc quy lúc đầy, bộ sạc kết thúc q trình sạc ổn
dịng và chuyển sạc chế độ sạc ổn áp. Toàn bộ thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng còn lại ban đầu của ắc quy). Kết thúc quá trình sạc ổn dòng, dung lượng ắc quy đã phục hồi được khoảng 70%. Trong
nhiều trường hợp (quick-charge) người ta có thể đem sử dụng ngay (phương pháp “charge-and-run”). Điều này mặc dù làm giảm bớt thời gian sạc đồng thời làm cho thiết kế của bộ sạc đơn giản hơn rất nhiều nhưng mặt khác sẽ làm giảm tuổi thọ ắc
quy. Để đảm bảo tuổi thọ của ắc quy theo đúng thông số nhà sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành cả giai đoạn sạc ổn áp thường mất thời gian hơn rất nhiều
so với giai đoạn sạc ổn dòng.
Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng 4,2V/tế bào. Do dung lượng của ắc quy phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm
cho dòng điện giảm dần. Khi dòng điện giảm về nhỏ hơn 3% C, chế độ sạc ổn áp
kết thúc. Lúc này, dung lượng ắc quy đạt khoảng 99%.
Khác với ắc quy acid-chì, ắc quy Li-ion khơng được phép duy trì áp sạc sau
khi ắc quy đã đầy (dòng điện sạc giảm nhỏ hơn 3% C) vì tính chất của ắc quy
Lithium-ion không cho phép over-charge; nếu vẫn cố over-charge có thể sẽ làm nóng ắc quy và gây ra nổ. Ngoài ra, theo các chuyên gia, không nên sạc ắc quy Li- ion vượt quá 100% dung lượng vì như vậy sẽ làm giảm tuổi thọ của ắc quy.
Nếu ắc quy được sạc đầy, sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của ắc quy sẽ giảm dần về mức ổn định khoảng (3,6 – 3,9) V/tế bào. Trái lại, nếu chỉ sạc nhanh (sạc ổn dịng) thì sau khi ngừng sạc, áp ắc quy sẽ giảm sâu hơn về khoảng (3,3 – 3,5) V.
Do ắc quy Lithium-ion cũng có tính chất tự phóng điện khi khơng sử dụng
(self- discharge) nên trong một số trường hợp, để điền đầy ắc quy, ngồi việc sử
dụng q trình ổn dịng, ổn áp, người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật nạp nhỏ giọt. Chẳng hạn, khi áp ắc quy đạt 4,2V/tế bào, quá trình sạc sẽ dừng ngay. Lúc này, điện áp ắc quy sẽ giảm dần; khi điện áp ắc quy giảm còn 4,05V/tế bào hệ thống sạc lại
46
tiếp tục đóng áp sạc 4,2V/tế bào vào để tiếp tục q trình sạc áp. Việc đóng cắt như