Chương 4: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ SẠC ĐIỆN CHO XE ĐIỆN, BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP TRẠM SẠC ĐIỆN XE ĐIỆN
4.2 Nghiên cứu, thiết kế trạm sạc điện cho xe điện bằng năng lượng mặt trời
4.2.1 Tổng quan về hệ thống sạc năng lượng mặt trời
Lịch sử hình thành và phát triển của sạc năng lượng mặt trời
Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Năng lượng Úc (AERL) được thành lập bởi Stuart Watkinson (BE Elec. Eng., Grad. MIEA) vào năm 1985, sau khi phát
triển “Bộ tối ưu hóa Năng lượng”, một giải pháp mang tính cách mạng cho một vấn đề phức tạp.
Không giống như nhiều nhà phát minh, Stuart không chỉ sở hữu một ý tưởng tuyệt vời mà còn có kỹ năng kinh doanh để biến nó thành một sản phẩm khả thi về mặt thương mại. “Trình tối ưu hóa năng lượng” cuối cùng được gọi là AERL MAXIMIZER™ , Công cụ theo dõi điểm công suất tối đa toàn cầu (MPPT) thực sự đầu tiên trên thế giới.
Sau khi hoàn thành luận án của mình, có tựa đề “Việc tạo ra điện từ năng lượng mặt trời”, Stuart đã phát minh ra một thiết bị điện tử có thể trích xuất năng lượng điện tối đa một cách hiệu quả từ một mảng quang điện nhỏ và đưa nó đến một động cơ điện DC để hỗ trợ đẩy một chiếc xe đẩy song song chạy bằng năng lượng mặt trời 4 người lái.
Xe đạp đẩy, “Solar Tandem”, là một phương tiện độc đáo được thiết kế để kết hợp sức người – dưới dạng lực đạp – với năng lượng điện từ pin mặt trời để tạo ra một phương pháp tiết kiệm năng lượng nhằm vận chuyển 4 người lái ở tốc độ cao bất thường. Thí nghiệm nhằm chứng minh rằng một hệ thống kết hợp giữa năng lượng con người và quang điện [PV] có thể loại bỏ nhu cầu về pin thông thường, đồng thời giảm thiểu kích thước của mảng PV cần thiết cho một ứng dụng nhất định.
Giành chiến thắng trong Cuộc đua và Bằng sáng chế cho “Trình tối ưu hóa năng lượng” – Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời MAXIMIZER™ MPPT đầu tiên.
4.2.1.1 Khái niệm về sạc năng lượng mặt trời
Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời , còn được gọi là bộ điều chỉnh năng lượng mặt trời , về cơ bản là bộ sạc pin năng lượng mặt trời được kết nối giữa các tấm pin mặt trời và pin. Công việc của nó là điều chỉnh quá trình sạc pin và đảm bảo pin được sạc đúng cách, hay quan trọng hơn là không bị sạc quá mức. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời kết hợp DC đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ và được sử dụng trong hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời không nối lưới quy mô nhỏ.
Hình 4. 18: Sơ đồ mạch cấu trúc cho bộ điều khiển sạc dựa trên công nghệ MPPT Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời hiện đại có các tính năng tiên tiến để đảm bảo hệ thống pin được sạc chính xác và hiệu quả, cùng với các tính năng như đầu ra tải DC được sử dụng để chiếu sáng. Nói chung, hầu hết các bộ điều khiển sạc 12V- 24V nhỏ hơn lên đến 30A đều có các đầu cuối tải DC và được sử dụng cho các đoàn lữ hành, xe RV và các tòa nhà nhỏ. Mặt khác, hầu hết các bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời 60A+ MPPT lớn hơn, tiên tiến hơn không có đầu ra tải và được thiết kế đặc biệt cho các hệ thống điện ngoài lưới lớn với các mảng năng lượng mặt trời và bộ sạc biến tần ngoài lưới mạnh mẽ .
Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời được đánh giá theo điện áp đầu vào tối đa (V) và dòng sạc tối đa (A). Như được giải thích chi tiết hơn bên dưới, hai xếp hạng này xác định số lượng tấm pin mặt trời có thể được kết nối với bộ điều khiển sạc. Các tấm pin mặt trời thường được kết nối với nhau theo chuỗi, được gọi là một chuỗi các tấm pin. Càng nhiều bảng kết nối nối tiếp, điện áp chuỗi càng cao.
Xếp hạng Ampe hiện tại (A) = Dòng sạc tối đa.
Định mức điện áp (V) = Điện áp tối đa (Voc) của tấm pin mặt trời hoặc chuỗi tấm pin
Tổng quan về sạc năng lượng mặt trời
Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời có chức năng điều chỉnh điện được tạo ra bởi các tấm pin mặt trời ngoài lưới. Với bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời MPPT, nó có thể gửi điện một chiều trực tiếp đến tải, như bóng đèn hoặc pin để lưu trữ.
Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là một trong những thành phần quan trọng của hệ thống bảng điều khiển năng lượng mặt trời có pin, chẳng hạn như hệ
thống không nối lưới. Công việc chính của chúng là hoạt động như một bộ điều khiển sạc cho điện đi vào ngân hàng pin từ một mảng năng lượng mặt trời.
Ví dụ, bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời đảm bảo rằng pin không bị sạc quá mức vào ban ngày và chúng không hoàn lại nguồn điện dự trữ cho các tấm pin mặt trời vào ban đêm.
Một điểm khác biệt quan trọng là nếu bạn đã lắp pin lưu trữ với hệ thống gia đình nối lưới thì bạn không cần bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời. Thông thường, biến tần năng lượng mặt trời của bạn sẽ thực hiện công việc duy trì tuổi thọ cho pin của bạn. Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời có công dụng phù hợp nhất cho việc sử dụng ngoài lưới điện chẳng hạn như cho RV hoặc một cabin nhỏ, không nối lưới.
4.2.1.2 Nguyên lý sạc năng lượng mặt trời.
Bộ điều khiển sạc nằm giữa những tấm pin năng lượng và bình ắc quy. Nhiệm vụ chính là điều chỉnh dòng điện được sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời tới ắc-quy.
Cụ thể như sau:
Thứ nhất nó sẽ bảo vệ bình ắc quy. Khi bình đầy (ví dụ nạp 13-14V đối với 12V), thì lúc này chức năng của bộ điều khiển sạc sẽ ngắt dòng điện nạp từ tấm pin năng lượng mặt trời xuống bình ắc quy. Giúp bình không bị sôi và tuổi thọ của bình sẽ cao hơn. Khi bình cạn đến ngưỡng phải ngắt dòng không cho tải sử dụng (ví dụ bình còn 10.5V cho bình 12V), thì bộ sạc sẽ ngắt dòng không cho tải sử dụng để bảo vệ bình.
Thứ hai để bảo vệ tấm pin mặt trời. Theo nguyên lý, dòng điện sẽ chảy từ nơi điện áp cao xuống điện áp thấp. Ban ngày trời nắng, điện áp của tấm pin 12V sẽ là từ 15V tới 20V, cao hơn điện áp của ác quy nên dòng sẽ đi từ tấm pin xuống bình. Nhưng vào ban đêm, khi không có ánh nắng mặt trời, điện áp tấm pin sẽ thấp hơn điện áp bình và dòng điện sẽ chảy ngược lại tấm pin, làm tấm pin nhanh bị hỏng. Lúc này, bộ điều khiển sạc có chức năng ngăn chặn một cách triệt để không cho dòng điện đi nên tấm pin.
Hình 4. 19: Nguyên Lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời
Để ngăn điện áp cao này di chuyển đến các tấm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời đã ra đời và được sử dụng để giữ điện tại chỗ.
Sau đó, khi Pin năng lượng mặt trời dần cạn kiệt hoặc gần hết, bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời sẽ giúp đưa một lượng lớn năng lượng vào pin và sạc pin nhanh chóng. Khi pin gần đầy hoặc đang được sử dụng, bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời sẽ cung cấp một lượng điện nhỏ hơn đến pin thông qua một lần sạc nhỏ giọt để giữ cho pin luôn sẵn sàng cung cấp năng lượng.
Ngoài ra, bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời tự động ngắt các tải không quan trọng khỏi pin dự phòng khi điện áp giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định.
Đây là một quá trình được gọi là ngắt kết nối điện áp thấp (LVD) và nó ngăn chặn việc xả quá mức năng lượng của pin.
Chức năng của sạc năng lượng mặt trời
Bộ sạc năng lượng mặt trời là thiết bị trung gian giữa các tấm pin năng lượng mặt trời và thiết bị lưu trữ. Bộ sạc có chức năng kiểm soát và điều khiển quá trình sạc pin/ ắc quy từ nguồn điện thu được bởi các tấm pin năng lượng mặt trời. Bộ sạc này có nhiệm vụ:
- Bảo vệ bình ắc quy: Khi bình ắc quy đầy thì bộ điều khiển sẽ ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sôi bình và ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Trong trường hợp bình gần cạn, bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình không bị "kiệt".
- Bảo vệ tấm pin mặt trời: Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện thế cao đến nơi điện thế thấp. Vào ban ngày trời nắng, dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy.
điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin gây nóng tấm pin, làm giảm hiệu suất và có thể hỏng tấm pin. Vai trò của bộ điều khiển sạc là ngăn một cách triệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin nhằm tránh hiện tượng trên.
- Tối đa hiệu suất hoạt động của hệ thống: bộ sạc năng lượng mặt trời sẽ điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, giúp nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời.
4.2.1.3 Phân loại sạc năng lượng mặt trời
Có hai loại bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời chính, một bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời điện tích MPPT (theo dõi điểm công suất tối đa) và một bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời PWM (điều chế độ rộng xung).
Hình 4. 20: Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời PWM
Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời PWM
Bộ điều khiển sạc Pulse-Width Modulating (PWM) sử dụng các thuật toán phức tạp để xác định lượng điện tích đi vào ắc quy và từ từ giảm dần khi ắc quy đầy.
Điều khiển sạc PWM về cơ bản nó giống như switch chuyển đổi kết nối hệ thống giàn pin năng lượng mặt trời vào tổ hợp ắc quy.
PWM sử dụng các mạch điện tử transitor đóng cắt liên tục với tần số cao để ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ hệ thống giàn pin năng lượng mặt trời.
Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời PWM kết nối trực tiếp mảng năng lượng mặt trời của bạn với một ngân hàng pin. Trong khi sạc pin, điện áp của pin tăng lên, dẫn đến tăng điện áp của bảng điều khiển năng lượng mặt trời đang sạc pin. Bạn chỉ có thể sử dụng các tấm pin mặt trời được sản xuất để hoạt động với điện áp của bộ điều khiển sạc và pin.
Với bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời PWM, cần có bảng điều khiển năng lượng mặt trời 12 volt để sạc pin 12 volt. Nếu bạn đã sử dụng bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời PWM với pin 12V nhưng với các tấm pin mặt trời 48V, PWM sẽ không thu được năng lượng phụ được tạo ra, nó sẽ chỉ thu được 12V.
Hình 4. 21:Sạc pin năng lượng mặt trời MPPT Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời MPPT
Bộ điều khiển sạc theo dõi nhiều điểm (MPPT) (Maximum Power Point Tracker) thực tế là một bảng điều khiển năng lượng mặt trời , nó sẽ theo dõi , giám sát đầu ra để có thể tự động khớp điện áp mà nó tạo ra với điện áp của ắc quy nhằm tối đa hóa hiệu suất sạc.
MPPT là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC.
Công nghệ điều khiển sạc theo dõi điểm tối đa MPPT sẽ giúp ta thu được nhiều năng lượng hơn từ hệ thống giàn pin năng lượng mặt trời.
Hiệu quả của phương pháp này vượt trội hơn khoảng từ 10% đến 40% khi các tấm pin có nhiệt độ thấp khoảng dưới 45ºC, hoặc rất cao khi nhiệt độ trên 75ºC, hoặc khi cường độ bức xạ ánh sáng từ mặt trời thấp .
Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời MPPT phức tạp hơn bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời PWM. Chúng hoạt động bằng cách đo điện áp đầu vào VMP của bảng điều khiển năng lượng mặt trời và sau đó chuyển đổi điện áp PV xuống để phù hợp với điện áp của pin.
Về cơ bản, bộ sạc MPPT sẽ điều chỉnh điện áp cao từ bảng điều khiển và giảm nó xuống để phù hợp với điện áp pin, thấp hơn.
Khi sử dụng bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời MPPT, bạn có thể sử dụng mảng năng lượng mặt trời có điện áp cao hơn hệ thống pin của mình vì bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời sẽ giúp giảm điện áp để nó không làm pin của bạn bị áp đảo.
So sánh 2 loại sạc:
Khi ở điều kiện nhiệt độ cao nhưng cường độ bức xạ thấp, điện áp đầu ra của giàn pin năng lượng sẽ giảm đáng kể. thêm nhiều cell cần được kết nối vào dãy pin để đảm bảo điện áp đầu ra của dãy pin phải cao hơn điện áp ắc quy.
Đây chính là điểm yếu nếu sử dụng điều khiển sạc PWM. Chính vì thế việc sử dụng điều khiển sạc MPPT, có thể nối tiếp nhiều cell pin với nhau để cho điện áp cao hơn, giảm cường độ dòng điện. Điều này giúp ta giảm chi phí cần thiết để mua cáp điện, cùng với đó thì điện năng thất thoát trên hệ thống cũng thấp hơn.
Kết luận:
Tùy nhu cầu sử dụng sạc điện năng lượng mà chúng ta lựa chọn sạc PWM và MPPT phù hợp với mình. Đối với sạc thông thường chúng ta dùng điều khiển sạc PWM và sạc cao cấp hơn chúng ta dùng điều khiển sạc MPPT. Hiện nay các hãng chuyên sản xuất sạc điện năng lượng luôn sản xuất song song 2 loại sạc PWM và MPPT và cao hơn nữa là công nghệ sản xuất inverter.
Các bước lắp đặt bộ sạc
Đặt bộ điều khiển trên bề mặt thẳng đứng và được bảo vệ khỏi ánh nắng trực tiếp, nhiệt độ cao và nước. Cần đảm bảo vị trí lắp đặt có hệ thống thông gió tốt.
Kiểm tra để đảm bảo rằng có đủ chỗ để nối dây, cũng như khoảng trống phía trên và dưới bộ điều khiển để thông gió. Khoảng cách tối thiểu là 6 inch (150mm).
Đánh dấu và tiến hành khoan lỗ. Bắt vít để giữ chặt bộ điều khiển sạc. Kết nối pin với bộ điều khiển sạc. Sau khi kết nối, bạn có thể điều chỉnh thông số dựa trên màn hình hiển thị. Lập trình loại pin và lập trình đầu cuối tải.
Cách kết nối bộ sạc
Kết nối dây đầu cuối của pin với bộ điều khiển sạc, sau đó kết nối các bảng năng lượng mặt trời với bộ điều khiển. Không siết quá chặt các đầu nối, bởi nó có thể làm đứt đoạn dây dẫn với bộ điều khiển sạc.