Hệ thống nguồn năng lượng cho xe điện, thông thường bắt buộc phải có ắc quy, bất kể là xe hybrid hay xe thuần điện. Ắc quy ngoài việc hấp thụ năng lượng hãm tái sinh cịn có chức năng cung cấp năng lượng bổ sung cho động cơ trong quá trình gia tốc. Từ những năm 1990 của thế kỷ trước, Bộ năng lượng Mỹ (US DOE)
đã thành lập Hội liên hiệp Ắc quy tiên tiến (U.S. Advanced Battery Consortium viết
tắt là USABC) để đẩy mạnh việc phát triển các hệ thống ắc quy tiên tiến cho xe điện. USABC, có sự tham gia của nhiều hãng sản xuất ôtô lớn trên thế giới như
Daimler – Chrysler, Ford, General Motor, đã thiết lập các chuẩn mực chất lượng ắc
quy để xe EV có thể cạnh tranh được với ICV về giá cả, chất lượng và quãng
đường. Họ đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng các hệ thống ắc quy acid chì cải tiến, ắc quy NiMH, ắc quy Li-ion và ắc quy Li-Polimer cho xe điện. Daimler - Chrysler, Ford và General Motor ban đầu đã sử dụng ắc quy Chì – Acid trong khi Honda và
Toyota sử dụng ắc quy NiMH còn Nissan và Mitsubishi lại dùng ắc quy Li-ion cho xe điện của mình. Tuy các loại ắc quy đưa vào sử dụng khác nhau nhưng tựu trung lại, chúng đều phải thỏa mãn các đặc điểm sau:
- Mật độ năng lượng phải cao để xe có thể tăng tốc và phanh hãm trong thời gian ngắn. Do trong quá trình tăng tốc, động cơ điện cần tiêu thụ một dòng điện lớn
để sinh ra gia tốc cho xe; ngược lại, trong quá trình phanh hãm, động cơ điện hoạt động như một máy phát, do đó, ắc quy cần có khả năng nhận dịng điện lớn từ động cơ phát ra để quá trình phanh hãm được nhanh. Ngoài ra, mật độ năng lượng lớn cũng đồng nghĩa với việc thời gian sạc sẽ ngắn đi rất nhiều.
- Dung lượng phải lớn để xe có thể đi được quãng đường dài sau mỗi lần sạc
đầy.
Do các đặc điểm trên, các hệ thống sạc cần phải có cơng suất lớn tương ứng để vừa phải cung cấp điện áp phù hợp để sạc, vừa phải cung cấp dòng điện lớn cho
27
2.1. Các thông số ắc quy:
+ Thông số hệ thống ắc quy:
Điện áp hệ thống: V
Năng lượng tích lũy max: kW
+ Thông số cần đo lường
Dịng điện phóng/nạp của hệ thống ắc quy: Ip, In
Điện áp của hệ thống ắc quy: Vbs
Điện áp từng phần của hệ thống ắc quy: Vbn
Nhiệt độ của hệ thống ắc quy: Tbs
+ Mật độ năng lượng (SEbatt)
Tổng năng lượng trên một đơn vị khối lượng được gọi là mật độ năng lượng của ắc quy. Mặc dù thông số này chỉ dùng như một sự ước lượng xấp xỉ của năng
lượng phân bố trong ắc quy nhưng nó thường dùng để phân loại các cơng nghệ ắc quy. Đơn vị (Wh/kg), đại diện cho quãng đường xe có thể đi được trong 1 lần
sạc.[7]
28
Hình 2.1. Phân loại ắc quy theo mật độ năng lượng
Theo công thức (2.1), tùy theo năng lượng phóng thay đổi, mật độ năng lượng của ắc quy cũng thay đổi. Hình 2.1 thể hiện ắc quy Lithium Polymer có mật độ năng lượng theo thể tích cũng như khối lượng lớn nhất trong tất cả các loại ắc
quy.
+ Mật độ công suất SPbatt
Mật độ công suất của hệ thống ắc quy là thông số cho phép xác định độ lớn của cơng suất có thểđạt được trên một đơn vị khối lượng. Đơn vị (W/kg), thông số này cũng cho phép ước lượng mức công suất cho phép của hệ thống ắc quy. Mật độ
công suất của ắc quy đại diện cho khả năng tăng tốc của xe.
29
Hình 2.2. Quan hệ giữa công suất và năng lượng của các loại ắc quy
+ Dung lượng ắc quy
Dung lượng hệ thống ắc quy là tổng lượng điện tích tự do sinh ra bởi các
chất hoạt động tại điện cực âm và được hấp thụ tại điện cực dương. Đơn vị Coulombs (C) hay Ah, 1Ah = 3600C. Trong các hệ thống ắc quy thực tế, dung lượng phụ thuộc vào độ lớn của dịng điện phóng. Ví dụ, một ắc quy 20Ah có thể hoạt động với dịng 1A trong 20h nhưng khơng thể hoạt động với dòng 20A trong
1h. Sự khác biệt này là do sự phụ thuộc vào các phản ứng hóa học ở bên trong ắc
quy. Để thể hiện mối quan hệ giữa dịng điện phóng và dung lượng của ắc quy, người ta đưa ra công thức.
I = kC (2.3)
Với: I là dịng điện nạp hoặc dịng điện phóng
C là dung lượng ắc quy
k là hệ số của C
Ví dụ, nếu một ắc quy 30Ah được phóng trong 10h tại dịng 15A, thì I = 0.5C10.
Nếu một ắc quy 20Ah phóng tại dịng 4A, thì có thể nói nó được phóng tại 0.2C
30
+ Sự tự phóng
Khi khơng được sử dụng, ắc quy thể hiện các mức độ tự phóng khác nhau
theo thời gian. Đặc điểm này khiến cho năng lượng tích lũy trong ắc quy bị tiêu hao. Tỉ lệ tự phóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, phần lớn là nhiệt độ, nhiệt độ ắc quy
càng cao thì tỉ lệ tự phóng càng lớn. Năng lượng tổn thất bởi sự tự phóng của ắc quy
ESD được thể hiện trong tỉ lệ mỗi 24h:
ESD = αSD.EbNorm (2.4) Với: αSD là hệ số tự phóng trong 24h.
EbNorm là năng lượng danh định của ắc quy Wh.
+ Điện trở trong của ắc quy
Điện trở trong của ắc quy có thể xác định được qua thực nghiệm bằng việc
sử dụng mạch test hình (2.3). Sự thay đổi tải đầu ra sẽ sinh ra một sự thay đổi điện áp Vb tương ứng.
e
Hình 2.3. Mạch đo điện trở trong RiDC
Tương ứng , điện trở trong của ắc quy được xác định.
RiDC = [Ω] (2.5)
+ Hiệu suất Faraday
Hiệu suất Faraday hay còn gọi là hiệu suất nạp của ắc quy xác định bởi tỉ lệ
dung lượng phóng (Ah) và dung lượng nạp (Ah). Thông số này cho phép ước lượng
31
ηAh = (2.6)
+ Hiệu suất năng lượng ắc quy
Hiệu suất năng lượng ắc quy được định nghĩa là tỉ lệ giữa năng lượng giải
phóng của một ắc quy từ một trạng thái xác định và năng lượng cần thiết để nạp cho
ắc quy trở về trạng thái đó. Mặc dù hiệu suất ắc quy không phải là thông số tuyến tính để xác định cơng suất của ắc quy, nhưng nó cho phép so sánh ước lượng các
nguồn cơng suất khác nhau.
Nhìn chung, hiệu suất ắc quy có thể được thể hiện theo dòng điện thử
nghiệm (Peukert’s Test) như sau. Trong thời gian phóng tf, ắc quy xả năng lượng
Edis có thể được diễn tả theo cơng thức của điện áp hở mạch Voc, điện trở trong Ri
và một dịng điện xả khơng đổi Ib:
Edis = = tf (Voc - IbRi)Ib (2.7)
Nạp ắc quy với cùng khoảng thời gian tf và dòng điện nạp Ib sẽ cung cấp năng
lượng Echg:
= = tf (Voc + ) (2.8)
Do đó, hiệu suất ắc quy được biểu diễn bởi hàm của dòng điện Ib
ηbatt = = (2.9)
+ Trạng thái nạp của ắc quy (SOC)
Trạng thái nạp của ắc quy là một thông số không thứ nguyên thể hiện dung
lượng hiện tại so với điện dung của ắc quy. Khi ắc quy được phóng và nạp, SOC chỉ
ra tỉ lệ giữa tổng năng lượng đã bị tiêu hao hoặc đã được nạp vào ắc quy.
SoCbatt = 100% (2.10)
Việc xác định chính xác thơng số này rất quan trọng cho việc quản lý năng
lượng cũng như cung cấp thông tin đánh giá tổng năng lượng có ích trong hệ thống ắc quy. Nhiều công nghệ khác nhau đã được sử dụng để ước lượng SOC như
32
phương pháp điều khiển mờ, sử dụng phương trình Peukert và sử dụng các bảng tra
kinh nghiệm.
Trong hầu hết các phương pháp xác định SOC, dịng điện ắc quy được lấy
tích phân trên tồn bộ thời gian và tỷ lệ với dung lượng. Tuy nhiên, phương pháp
tích phân dịng điện thiên về tích phân sai số gây ra bởi sự sai lệch lâu dài trong tính
tốn.
Sự phóng một hệ thống ắc quy tại Cn từ t0 đến t1 với dịng điện phóng Ib mang ắc quy đến trạng thái nạp t1
SoCbatt(t1) = SoCbatt(t0) + (2.11)
Trong ứng dụng điều khiển thời gian thực, SOC có thể được tính tốn trong
các bước rời rạc.
SoCbatt (k+1) = SoCbatt (k) + (2.12)
Với ΔT là chu kì trích mẫu và đủ nhỏ để giả thiết rằng dịng điện ắc quy giữ ngun
khơng đổi.
Qua thực nghiệm, mối quan hệ giữa điện áp hở mạch (OCV) và SOC tại nhiệt
độ phòng cho ắc quy VRLA thể hiện theo phương trình sau:
SOC = 84 × Vocv – 984 (2.13)
Tuy nhiên việc xác định SOC trong điều kiện lái xe khó khăn do OCV của ắc quy biến động theo trạng thái hoạt động của ắc quy. Do vậy phương trình xác định
SOC thực tế thể được thể hiện như sau:
SOC = f1 (Vocv) + f2 (I ×f1 (Vocv)) + f3 (∆T) (2.14)
f1 là hàm của Vocv, f2 là hàm của dòng điện phóng, f3 là hàm của nhiệt độ.
Nếu tính tốn chính xác được SOC trong suốt q trình sử dụng của xe điện sẽ mang lại các lợi thế sau:
• Kéo tuổi thọ ắc quy dài. • Hiệu suất ắc quy tốt hơn.
• Cải thiện độ tin cậy hệ thống điện. • Giảm yêu cầu điện.
33
• Ắc quy nhỏ hơn/nhẹ hơn.
• Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu (xe HEV).
• Cảnh báo trước được các hư hỏng của gói ắc quy. • Giảm các chi phí bảo hành.
Việc tính tốn SOC có thể được hiển thị dung lượng ắc quy hữu ích, cơng
suất của các gói ắc quy. Các tính tốn tối ưu hóa việc nạp lại mà không tổn hại đến tuổi thọ ắc quy. SOC ngăn ngừa các ắc quy khi sạc đầy quá mức và ngăn ngừa sả
ngẫu nhiên. Giống như một thiết bị cảnh báo thay thế ắc quy, SOC có thể cảnh báo
người dùng khi dung lượng ắc quy ở ngưỡng của nó địi hỏi nạp và điều khiển hệ
thống làm mát ắc quy để đảm bảo ắc quy vận hành tối ưu.
Bằng việc kiểm soát và điều khiển theo SOC sẽ cải thiện khoảng 5% tuổi thọ
ắc quy. Hình 2.4 so sánh tỷ lệ tái nạp của ắc quy có điều khiển theo SOC và khơng có điều khiển SOC theo thời gian. Ngoài ra, dung lượng của ắc quy cũng được cải
thiện như thể hiện trong Hình 2.5.
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 cơng 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 dịng điện
trong giai đoạn điện áp khơng 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