THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH SẠC ẮC QUY KHÔNG DÂY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH SẠC ẮC QUY KHÔNG DÂY GVHD ThS NGUYỄN TRỌNG THỨC SVTH Tp Hồ Chí.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH SẠC ẮC QUY KHÔNG DÂY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH SẠC ẮC QUY KHÔNG DÂY

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 8 năm 2021

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên:

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ôtô

Tên tiếng Anh: Automotive Engineering Technology

Hệ đào tạo: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Mã hệ đào tạo:

1 Tên đề tài:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH SẠC ẮC QUY KHÔNG DÂY

2 Nhiệm vụ đề tài:

1 Nghiên cứu về cấu tạo của bình ắc quy

2 Nghiên cứu về nguyên lý sạc không dây

3 Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất truyền điện

4 Nghiên cứu các module, các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch

5 Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và hiển thị các thông số của mạch sạc ắc quy

6 Lập trình Arduino Uno điều khiển mạch sạc

7 Viết thuyết minh đề tài

3.Sản phẩm đề tài:

● Quyển thuyết minh

● Hệ thống sạc ắc quy không dây

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 28/12/2020

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/08/2021

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 8 năm 2021

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH SẠC ẮC QUY KHÔNG DÂY

Họ tên sinh viên:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

I NHẬN XÉT

1 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

2 Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/ khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ

1 Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không):

2 Điểm đánh giá (theo thang điểm 10):

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 08 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 8 năm 2021

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH SẠC ẮC QUY KHÔNG DÂY

Họ tên sinh viên:

Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật Ôtô

I NHẬN XÉT

1 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

2 Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ

1 Đề nghị (Cho phép bảo vệ hay không):

2 Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): .

TP.HCM, ngày 12 tháng 08 năm 2021

Giảng viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 8 năm 2021

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH SẠC ẮC QUY KHÔNG DÂY

Họ tên sinh viên:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 08 năm 2021

i

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu trên trường với vai trò là một sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, chúng em đã đúc kết được rất nhiều kiến thức, tích lũy những kinh nghiệm quý báu để làm hành trang bước vào cuộc sống Có được điều đó chính là nhờ sự giảng dạy, giúp đỡ tận tình của quý thầy

cô Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc, chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến: thầy

là người đã trực tiếp hướng dẫn đề tài, bám sát và ân cần hỗ trợ cho chúng em trong suốt thời gian thực hiện từ những điều nhỏ nhặt nhất Từ đó, cùng với việc vận dụng những điều đã học, chúng em còn được tiếp cận những kiến thức mới sẽ giúp ích rất nhiều trong tương lai

Cảm ơn quý thầy cô Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao nói riêng và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức đại cương cũng như chuyên ngành để tạo điều kiện cho chúng em có một môi trường học tập rất tốt trong suốt bốn năm qua và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn các anh chị khóa trước và các bạn sinh viên cùng khóa đã giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian học tập

Chúng em đã rất cố gắng nhưng đề tài này không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô để được hoàn thiện hơn Một lần nữa, chúng

em xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong cuộc sống và

sự nghiệp trồng người

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 08 năm 2021

Sinh viên thực hiện

ii

TÓM TẮT

“Thiết kế, chế tạo mạch sạc ắc quy không dây” có sản phẩm là một hệ thống sạc

ắc quy với công nghệ tiêu chuẩn của sạc pin EV dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ giữa 2 cuộn dây Trong quá trình nghiên cứu, chúng em đã nghiên cứu về cấu tạo của

ắc quy, nguyên lý hoạt động của sạc không dây, các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất truyền, các module và các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch, thiết kế, chế tạo mạch sạc và lập trình điều khiển và hiển thị các thông số của mạch sạc ắc quy Cụ thể: mạch sạc không dây sử dụng nguồn điện cấp vào và truyền không dây qua mạch thu thông qua cuộn phát và cuộn thu dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, sau đó thông qua bộ vi điều khiển để điều khiển dòng sạc và thể hiển thị các thông số cụ thể để giám sát theo dõi trong quá trình sạc như dòng sạc, hiệu điện thế sạc và dung lượng ắc quy Từ đó có thể ứng dụng vào thực tiễn bởi các chức năng sạc cơ bản và hiển thị thông tin trong quá trình sạc để có thể theo dõi quá trình sạc ắc quy Sạc không dây cung cấp giải pháp sạc hiện đại, mang lại sự an toàn và tránh được các trường hợp rủi ro về điện trong quá trình sạc cho người dùng

2.5.1 Phân tích và thiết kế hệ thống sạc không

GIỚI THIỆU CÁC MODULE, LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC PHẦN MỀM 36

5.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của tụ lọc nguồn mạch thu 70

5.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của số vòng dây cuộn thu 78

5.4.1 Khảo sát với phương pháp sạc ổn định áp 80

Chương 6

iii

LCD: Liquid Crystal Display

LED: Light-Emitting Diode

OCV: Open-Circuit Voltage

SoC: State of Charge

viii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.11 Sạc không dây không cần đặt xuống đế 22

Hình 2.12 Xe điện chạy trên đường tích hợp sạc không dây 22

Hình 2.13 Xe đạp điện tích hợp sạc không dây dưới yên 24

Hình 2.14 Xe đạp điện tích hợp sạc không dây trước giỏ 24

Hình 2.21 Cấu trúc bộ chỉnh lưu chủ động hoàn toàn 29

Hình 2.22 Đặc điểm sạc điển hình của pin Li-ion 30

Hình 2.23 Kết cấu bên trong tấm sạc với các thanh ferit và cuộn dây 31

Hình 2.26 Cấu trúc cuộn dây thông thường so với cấu trúc DD 33

-

Hình 3.4 Sơ đồ các chân của cảm biến dòng ACS712 37

Hình 3.13 Điện trở (trái) và biến trở ( phải) 51

Hình 4.8 Mô hình mạch thu thực tế mạch thu - điều khiển sạc 63

Hình 5.2 Biểu đồ đường thể hiện điện áp trong quá trình sạc ắc quy 78

x

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng so sánh hiệu suất và độ tiện lợi của các động cơ 6

-

- Bảng 5.1 Bảng số liệu khảo sát sự ảnh hưởng của tụ lọc nguồn mạch thu 69

Bảng 5.2 Bảng số liệu thực nghiệm sự ảnh hưởng số vòng dây cuộn thu 70

Bảng 5.1 Khảo sát ảnh hưởng tụ (Uin) 3.3µF 400 V 70

Bảng 5.2 Khảo sát ảnh hưởng tụ (Uin) 3.3µF 400V + 1.8µF 400V 71

Bảng 5.3 Khảo sát ảnh hưởng tụ (Uin) 1.8µF 400V 71

Bảng 5.4 Khảo sát ảnh hưởng tụ (Uin) 1.8µF 400V+ 2.2µF 650V 72

Bảng 5.5 Khảo sát ảnh hưởng tụ (Uin) 2.2µF 650V 72

Bảng 5.6 Khảo sát ảnh hưởng tụ 1000µF 400V (Uin) + Tụ 2.2µF 50V (Uin) + Tụ 2.2µF

Bảng 5.7 Khảo sát ảnh hưởng tụ 2.2µF 50V (Uin)+ Tụ 2.2µF 50V ( Uout ) 73

Bảng 5.8 Khảo sát ảnh hưởng tụ 2.2µF 50V( Uout ) 74

Bảng 5.9 Khảo sát ảnh hưởng tụ 1000µF 400V (Uin) 74

Bảng 5.10 Khảo sát ảnh hưởng tụ 1000µF 400V (Uin) + Tụ 2.2µF 50V ( Uout ) 74

Bảng 5.14 Bảng số liệu thu thập được khi áp dụng sạc áp 77

Bảng 5.15 Bảng khảo sát bằng phương pháp sạc thông minh 79

1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, chúng ta đang sống trong thời đại công nghệ 4.0 với nhiều sự mới mẻ và phát triển vượt bậc Để có thể thích nghi với sự thay đổi nhanh chóng và nâng cao sự tiện ích cho người sử dụng, các nhà khoa học luôn nghiên cứu phát triển và đưa ra những sản phẩm ngày càng chất lượng, cụ thể là các thiết bị hiện đại như: điện thoại, đồng hồ, tai nghe bluetooth, bàn chải đánh răng, Đang dần được tích hợp hoặc thay thế phương pháp sạc từ có dây sang không dây để đáp ứng được nhu cầu người dùng về sự an toàn

và tiện lợi nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng Đây còn là phương pháp sạc tiện lợi dành cho người dùng vì có thể có thể hạn chế được các tai nạn về điện do dây sạc gây

ra trong quá trình sạc và mang lại cảm giác sang trọng và độc đáo của sản phẩm cho người dùng khi không còn những sợi dây cáp

Đối với các phương tiện tham gia giao thông, ắc quy và pin là nguồn dự trữ năng lượng cung cấp cho các hệ thống điện của xe Hiện nay, ắc quy và pin của xe đa số được sạc qua dây dẫn Để tạo sự tiện lợi, thẩm mỹ và đặc biệt là an toàn về điện, ngành công nghiệp sản xuất ô tô, xe điện đã và đang được các hãng chú trọng nghiên cứu phát triển

và đưa ra nhiều sản phẩm góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng, giảm sự phụ thuộc của phương tiện giao thông với nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ đang dần cạn kiệt Cùng với

đó, điều này còn góp phần bảo vệ môi trường sống trước nguy cơ bị ô nhiễm từ lượng khí thải phần lớn từ phương tiện tham gia giao thông Chính vì vậy, xe điện đã thu hút được sự quan tâm của người sử dụng do tính tiết kiệm năng lượng và hạn chế ô nhiễm môi trường

Trong báo cáo nghiên cứu công bố ngày 10-5, Tổ chức Bloomberg New Energy Finance (BNEF) và Tổ chức phi chính phủ Transport and Environment dự đoán đến năm 2035 tất cả ô tô bán ra ở châu Âu sẽ là ô tô điện Với những chính sách hỗ trợ của chính phủ và sự tiến bộ công nghệ như vũ bão, viễn cảnh trên có thể trở thành hiện thực sớm hơn dự đoán

Để đón đầu xu thế đó, Vinfast, một hãng xe Việt cũng đang tăng tốc đầu tư sản xuất

xe điện, lắp đặt các trạm sạc để chuyển mình từ xe động cơ đốt trong sang xe điện Chẳng hạn, ngoài việc tung ra các dòng ô tô điện, xe máy điện, Công ty Vinfast cũng hợp tác với các công ty bán lẻ xăng dầu và một số thành phố lớn để phát triển hệ thống trạm sạc tại các bãi đỗ xe, cửa hàng tiện ích, hầm chung cư, trường học, ký túc xá, cây xăng Khách hàng chỉ cần từ 15 đến 30 phút để sạc đầy pin cho xe Người sử dụng

chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch sạc ắc quy không dây” để mang lại sự thuận lợi,

an toàn cho mọi người, đồng thời khuyến khích và tạo thói quen cho người dùng Điều này sẽ là nền tảng để phát triển các trạm sạc không dây, các lane sạc cho phương tiện giao thông sử dụng năng lượng điện Đây cũng chính là mong muốn của chúng em về một giải pháp xanh, hiện đại, mang lại nhiều lợi ích và sự tiện lợi cho người tiêu dùng trong tương lai Sạc không dây giải quyết được vấn đề đồng nhất một phương thức sạc cho các ô tô điện chứ không phải mỗi hãng một đầu cắm như hiện nay

1.2 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, tại Việt Nam cũng như trên thế giới, việc sở hữu một chiếc ô tô điện đang trở thành một trào lưu sống xanh để thể hiện tinh thần trách nhiệm của chủ nhân cũng như đối với môi trường Xe điện như một phát minh vĩ đại đánh dấu bước ngoặt lớn trong lĩnh vực công nghiệp ô tô bởi nhiều lợi ích mà nó mang lại cho người dùng Các chuyên gia trên thế giới đều chung nhận định thời đại của xe điện đang tới gần khi nguồn nhiên liệu hóa thạch dần trở nên cạn kiệt và tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng Cùng với đó, chi phí sử dụng ô tô điện thấp và ổn định, không bị phụ thuộc vào tình hình chính trị, kinh tế và nguồn cung như xăng dầu trong năm 50 năm trở lại đây

Bên cạnh đó, cũng có một số nhược điểm mà ô tô điện đang mắc phải, đó chính là dung lượng của pin không thể đáp ứng được những chuyến đi đường dài mà chỉ trong phạm vi nào đó Đặc biệt khó khăn hơn so với các nước khác, Việt Nam mới bắt đầu sử dụng ô tô điện gần đây nên những trạm sạc vẫn chưa được xây dựng phổ biến Để bắt kịp xu hướng và mang lại nhiều tiện ích cho người sử dụng, đồng thời bảo vệ môi trường trước sự tàn phá của khói bụi từ các phương tiện tham gia giao thông Do đó, chúng em muốn tìm hiểu tạo ra một mạch sạc ắc quy không dây có thể sạc tốt, ổn định và có thể phát triển lâu dài về sau trên các trạm sạc cho các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng sạch

Cùng với tính năng sạc ắc quy cơ bản, sạc không dây đáp ứng được tính tiện lợi, bảo đảm sự an toàn về điện cho người dùng Không những vậy, sạc không dây còn có tính thẩm mỹ cao và có thể áp dụng rộng rãi ở nhiều dự án mô hình khác nhau về tương lai phát triển các trạm sạc Đó là lý do để chúng em tìm hiểu và thi công đồ án tốt nghiệp

mang tên: “Thiết kế, chế tạo mạch sạc ắc quy không dây”

3

1.3 Mục tiêu chọn đề tài

Nhóm mong muốn có thể tạo ra một số tài liệu tham khảo trong trường hợp các học sinh, sinh viên khóa sau có nhu cầu tìm hiểu và tham khảo về các thông số, ảnh hưởng

và nguyên lí làm việc của mạch sạc không dây

Đây cũng là nền tảng để các bạn sinh viên khóa sau tiếp tục tìm hiểu và nâng cấp cũng như hoàn thiện hơn mô hình Mang mô hình từ phục vụ việc nghiên cứu trở thành những sản phẩm có tính kinh tế sau này

Đồng thời, chúng em mong muốn tạo ra được một mô hình sạc không dây cho ắc

quy giúp mô tả được quá trình hoạt động của hệ thống sạc không dây thực tế

Qua đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch sạc ắc quy không dây”, nhóm chúng em mong

muốn giảm bớt các tai nạn về cháy nổ khi sử dụng thiết bị sạc trực tiếp bằng dây dẫn Sạc không dây còn giảm được khối lượng lớn dây dẫn sau khoảng thời gian sử dụng

bị hư hại và trở thành rác thải Đồng thời, đề tài giúp giải quyết được vấn đề để khuyến khích phát triển hệ thống xe sinh thái trong tương lai, nâng cao ý thức bảo vệ môi trường sống Sạc không dây giảm được phần lớn khí thải và rác thải ra môi trường mà vẫn giải quyết được vấn trở ngại của người dùng trong việc mất thời gian đợi sạc bình Cùng với

đó là bắt kịp được xu hướng phát triển chung của thế giới, giúp giảm dần khoảng cách phát triển các công nghệ của Việt Nam với các nước khác

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Để đề tài được hoàn thành, nhóm chúng em đã sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu, thông qua sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Trọng Thức và tìm kiếm chọn lọc thông tin tài liệu trên mạng, sách giáo trình trong và ngoài nước, các đồ án tốt nghiệp của anh chị khóa trước… Từ đó đưa ra cơ sở lý thuyết để thực nghiệm, xây dựng mô hình và hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

có thể thấy cuộc cạnh tranh đang diễn ra giữa các xe điện với xe sử dụng nhiên liệu Liệu

xe điện có thể thay thế được ô tô thông thường trong tương lai Dưới đây là những lý do giúp xe điện vuột trội hơn:

Các ưu điểm của ô tô điện so với động cơ đốt trong:

- Hiệu suất cao hơn

- Khối lượng xe giảm xuống và tăng diện tích khoan hành khách do xe khoang động cơ nhỏ

- Không có tiếng ồn động cơ Các loại xe điện sẽ yên tĩnh và có âm thanh nhẹ nhàng hơn Thậm chí, các hãng xe điện phải tạo ra âm thanh giả nhằm giúp người

đi bộ dễ dàng nhận biết loại xe này đang di chuyển

- Trọng tâm xe thấp tăng độ êm dịu và an toàn của xe, xe sẽ bám đường tốt hơn, khi vào các khúc cua gấp nguy cơ lật cũng sẽ thấp hơn

- Chi phí vận hành rẻ, giá xăng dầu lên xuống phụ thuộc vào tình hình chính trị và nguồn cung Tuy nhiên, giá điện lại rất ổn định

- Tốc độ cao là một trong những ưu điểm của xe điện

- Nạp năng lượng dễ dàng và thuận tiện Một ưu điểm khác khi sử dụng xe ô tô điện là khả năng sạc điện tại nhà, hoặc thậm chí là ở khu vực công cộng Chủ xe

có thể sạc điện sau khi đi làm về, hôm sau đã có thể ra khỏi nhà với đầy một bình điện

- Quy trình bảo dưỡng đơn giản, ta thấy các loại xe sở hữu động cơ đốt trong thường có một danh sách dài về cách thức bảo dưỡng, bao gồm: dầu, hộp số, thay

má phanh, lốp, dây an toàn, ắc-quy, bộ lọc gió… Đây là nguyên nhân chính làm gia tăng chi phí của xe Ngược lại, xe điện cần ít nhu cầu bảo dưỡng hơn, nên chi phí duy trì cũng ít hơn Bên cạnh đó, bộ phận sạc và điều khiển đều bằng điện nên chúng cũng hầu như không cần bảo hành bảo trì nhiều so với các loại xe truyền thống”

- Thân thiện với môi trường Xe ô tô điện không thải ra bất kỳ loại khí nào gây nguy hiểm đến sức khỏe con người và môi trường xung quanh Ngược lại, nếu

so sánh, trung bình xe có động cơ xăng sản sinh 350g CO2/1,6 km

5

Cũng cần chú ý rằng, tuy không trực tiếp thải ra khí thải độc hại nhưng quá trình sản xuất xe điện lại có những ảnh hưởng nhất định đến môi trường, nhất là pin Dù vậy, những ảnh hưởng này được tin rằng sẽ giảm dần khi công nghệ phát triển

2.1 Cấu tạo hệ thống năng lượng trên xe điện

Hình 2.1 Cấu tạo bên trong xe điện

2.1.1 Pin

Pin của xe điện được cấu tạo từ các viên pin nhỏ nối lại với nhau và giữa chúng có

bộ phận làm mát để giảm nhiệt độ trong quá trình hoạt động và nạp năng lượng Pin thường được đặt ở gầm xe Vì ở vị trí rất thấp so với tổng thể xe nên có tác dụng tăng diện tích khoang hành khách và hạ trọng tâm xe xuống cho xe duy chuyển một cách ổn định hơn Cấu tạo của pin được gia cố bằng nhôm cường lực để hạn chế hư hỏng khi đặt

ở vị trí thấp gần mới mặt đường

Thành phần lưu trữ năng lượng trong xe thuần điện là pin điện áp cao Trong hầu hết các trường hợp, điện áp danh định nằm trong khoảng từ 360 đến 450 V Một xe điện cũng có pin điện áp thấp, pin 12V thông thường, được sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho thiết bị phụ trợ

Dưới đây là bảng so sánh hiệu suất, độ tiện lợi cũng như tác động của các động cơ hiện nay đang được sử dụng đối với môi trường

- Tiêu hao nhiều

- Hiệu suất cao hơn

- Hiệu suất năng lượng tối ưu

- Không thải ra môi trường khí thải

- Có thể sạc tại nhà / bất kỳ nơi nào có trạm sạc

- Sạc bất kỳ nơi nào

có trang bị sạc không dây

- Có thể sạc trong quá trình chạy

- Không lo ngại về các vấn đề an toàn điện cho người sử dụng

Bảng 2.1 Bảng so sánh hiệu suất và độ tiện lợi của các động cơ

Qua đây ta thấy được việc sử dụng xe động cơ điện mà đặc biệt hơn là xe điện có tích hợp sạc không dây tiện lợi như thế nào đối với môi trường và người sử dụng

Pin là thành phần quan trọng của EV vì phạm vi hoạt động của chiếc xe gần như phụ thuộc vào pin HV, nó là thành phần điện nặng nhất, nó là thành phần điện đắt tiền nhất

Có nhiều loại pin điện áp cao khác nhau, hóa học là yếu tố khác biệt chính Các loại pin HV phổ biến nhất cho BEV là pin lithium-ion Chúng cũng có thành phần khác nhau:

- Oxit kim loại (ví dụ như Lithium Mangan Oxit, LiMn2O2 )

- Phốt phát (ví dụ như Lithium Iron Phosphate, LiFePO4 )

Trong ứng dụng ô tô, pin lithium-ion phốt phát phù hợp hơn vì chúng an toàn hơn

về mặt hóa chất và nhiệt

Hình 2.3 Cấu tạo của bình ắc quy axit

Vỏ bình

Vỏ bình ắc quy axit hiện nay được chế tạo bằng cao su nhựa cứng Để tăng độ bền

và khả năng chịu axit cho bình, khi chế tạo người ta ép vào bên trong bình một lớp lót chịu axit là polyclovinyl lớp lót này dày khoảng 0.6 mm Nhờ lớp lót này mà tuổi thọ của bình ắc quy tăng lên từ 2 ÷ 3 lần

Phía trong vỏ bình tuỳ theo điện áp danh định của ắc quy mà chia thành các ngăn riêng biệt và các vách ngăn này được ngăn cách bởi các ngăn kín và chắc

Mỗi ngăn được gọi là một ngăn ắc quy đơn với điện áp danh định là 12V nên ta có sáu ngăn ắc quy đơn

8

Ở đáy các ngăn có các sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống giữa đáy bình

và mặt dưới của khối bản cực, nhờ đó mà tránh được hiện tượng chập mạch giữa các bản cực do chất tác dụng bong ra rơi xuống đáy gây nên

Bên ngoài vỏ bình được đúc hình dạng gân chịu lực để tăng độ bền cơ và có thể được gắn các quai xách để việc di chuyển được dễ dàng hơn.[1][2]

Bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực

Hình 2.4 Cấu tạo khối bản cực

Bản cực gồm khung hình lưới và chất tác dụng Khung đúc bằng hợp kim chì (Pb) – antimon (Sb) với tỷ lệ (87 ÷ 95)% Pb + (5 ÷ 13)% Sb Phụ gia antimon thêm vào có tác dụng tăng độ cứng, giảm han gỉ và cải thiện tính đúc cho khung

Khung để giữa chất tác dụng và phân khối dòng điện khắp bề mặt bản cực Điều này

có ý nghĩa rất quan trọng đối với các bản cực dương vì điện trở của chất tác dụng (oxit chì PbO2) lớn hơn rất nhiều so với điện trở của chì nguyên chất, do đó càng tăng chiều dày của khung thì điện trở trong của ắc quy sẽ càng nhỏ

Khung đúc dạng khung bao quanh, có vấu để hàn nối các bản cực thành phân khối bản cực và có hai chân để tỳ lên các sống đỡ ở đáy bình ắc quy Vì điện cốt của bản cực

âm không phải là yếu tố quyết định vả lại chúng cũng ít bị han gỉ nên người ta thường làm mỏng hơn bản cực dương Đặc biệt là hai tấm bên của phân khối bản cực âm lại càng mỏng vì chúng chỉ làm việc có một phía với các bản cực dương

Chất tác dụng được chế tạo từ bột chì, axit sunfuric đặc và khoảng 3% các muối của axit hữu cơ đối với bản cực âm, còn đối với các bản cực dương thì chất tác dụng được chế tạo từ các oxit chì Pb3O4, PbO2 và dung dịch axit sunfuric đặc Phụ gia muối của axit hữu cơ trong bản cực âm có tác dụng tăng độ xốp, độ bền của chất tác dụng, nhờ đó

mà cải thiện được độ thấm sâu của dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực đồng thời điện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học cũng được tăng lên

Các bản sau khi được trát đầy chất tác dụng được ép lại, sấy khô và thực hiện quá trình tạo cực, tức là chúng được ngâm vào dung dịch axit sunfuric loãng và sạc với

9

dòng điện một chiều với trị số nhỏ Sau quá trình như vậy chất tác dụng ở các bản cực dương hoàn toàn trở thành PbO2 (màu gạch sẫm) Sau đó các bản cực dương được đem rửa, sấy khô và lắp ráp

Hình 2.5 Các tấm bản cực của ắc quy

Những phân khối bản cực cùng tên trong một ắc quy được hàn với nhau tạo thành các khối bản cực và được hàn nối ra các vấu cực làm bằng chì hình côn để nối ra tải tiêu thụ Với chú ý rằng, nếu ta muốn tăng dung lượng của ắc quy thì ta phải tăng số tấm bản cực mắc song song trong một ắc quy đơn Thường người ta lấy từ 5 ÷ 8 tấm Còn muốn tăng điện áp danh định của ắc quy thì ta phải tăng số tấm bản cực mắc nối tiếp

Tấm ngăn

Hình 2.6 Các tấm ngăn

Các bản cực âm và dương được lắp xen kẽ với nhau và cách điện với nhau bởi các tấm ngăn và để đảm bảo cách điện tốt nhất các tấm ngăn được làm rộng hơn so với các bản cực

Các tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cực âm và dương, đồng thời để đỡ các tấm bản cực khỏi bị bong rơi ra khi sử dụng ắc quy Các tấm ngăn ở đây phải là chất cách điện tốt, bền, dẻo, chịu được axit và có độ xốp thích hợp để không ngăn cản chất điện phân thấm đến các bản cực

Các tấm ngăn hiện nay được chế tạo từ vật liệu polyvinyl xốp, mịn, dày khoảng từ 0.8 ÷ 1.2 mm và có dạng mặt phẳng hướng về phía bản cực âm còn một mặt có hình

10

sóng hoặc gồ hướng về phía bản cực dương nhằm tạo điều kiện cho dung dịch điện phân

dễ luân chuyển hơn đến các bản cực dương và dung dịch lưu thông tốt hơn

Dung dịch điện phân

Dung dịch điện phân trong bình ắc quy là loại dung dịch axit sunfuric (H2SO4) được pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ quy định tùy thuộc vào điều kiện khí hậu mùa và vật liệu làm tấm ngăn Nồng độ dung dịch axit sunfuric γ = (1.1 ÷ 1.3) g/cm3

Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân Với các nước ở trong vùng xích đạo nồng độ dung dịch điện phân quy định không quá 1.1 g/cm3 Với các nước lạnh (vùng cực), nồng độ dung dịch điện phân cho phép tới 1.3 g/cm3 Trong điều kiện khí hậu nước ta thì mùa hè nên chọn nồng độ dung dịch khoảng (1.25

÷ 1.26) g/cm3, mùa đông ta nên chọn nồng độ khoảng 1.27 g/cm3

Nồng độ quá cao sẽ làm chóng hỏng tấm ngăn, chóng hỏng bản cực, dễ bị sunfat hóa trong các bản cực nên tuổi thọ của ắc quy cũng giảm đi rất nhanh Nồng độ quá thấp thì điện dung và điện áp định mức của ắc quy giảm và ở các nước xứ lạnh thì dung dịch vào mùa đông dễ bị đóng băng

Những chú ý khi pha chế dung dịch điện phân cho ắc quy:

− Không được dùng axit có thành phần tạp chất cao như loại axit kỹ thuật thông thường và nước không phải là nước cất vì dung dịch như vậy sẽ làm tăng cường độ quá trình tự phóng điện của ắc quy

− Các dụng cụ pha chế phải làm bằng thuỷ tinh, sứ hoặc chất dẻo chịu axit Chúng phải sạch, không chứa các muối khoáng, dầu mỡ hoặc chất bẩn,…

− Để đảm bảo an toàn trong khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước vào axit đặc mà phải đổ từ từ axit vào nước và dùng que thuỷ tinh khuấy đều

Nắp, nút và cầu nối

Nắp ắc quy làm bằng nhựa ebonit hoặc bằng bakelit Nắp có hai loại:

− Từng nắp riêng cho mỗi ngăn

− Nắp chung cho cả bình – loại này kết cấu phức tạp nhưng độ kín tốt

Trên nắp có lỗ để đổ dung dịch điện phân vào các ngăn và để kiểm tra mức dung dịch điện phân, nhiệt độ và nồng độ dung dịch trong ắc quy

Lỗ đổ được đậy kín bằng nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân trong bình khỏi

bị bẩn và sánh ra ngoài Ở nút có lỗ nhỏ để thông khí từ trong bình ra ngoài lúc sạc ắc quy

Nắp một số loại ắc quy có lỗ thông khí riêng nằm sát lỗ đổ, kết cấu như vậy rất thuận tiện cho việc điều chỉnh mức dung dịch trong bình ắc quy Trong trường hợp này, ở nút không có lỗ thông khí nữa

Cầu nối thường làm bằng chì, dùng để nối các ngăn ắc quy đơn với nhau

11

2.1.2.1.Các thông số của ắc quy

Mỗi ngăn của bình ắc quy là một ắc quy đơn có đầy đủ các tính chất đặc trưng cho

cả bình Sở dĩ người ta nối tiếp nhiều ngăn lại thành bình ắc quy là để tăng điện áp định mức của bình ắc quy Do đó khi nghiên cứu đặc tính của bình ắc quy ta chỉ cần khảo sát một bình ắc quy đơn là đủ

Điện lượng của ắc quy (Ah)

Là dòng ắc quy có thể cung cấp liên tục trong khoảng thời gian nhất định cho đến khi hiệu điện áp ắc quy hạ xuống dưới mức “điện áp cắt” (10,5V đối với ắc quy 12V) Thông số điện tích của ắc quy do nhà sản xuất công bố thường được tính khi phát điện với dòng điện nhỏ trong 20 giờ (20Hr)

Ví dụ: Bình ắc quy 100Ah sẽ phát được dòng điện 5A trong 20 giờ, khi dòng điện phát ra càng lớn thì thời gian phát điện càng ngắn

Điện áp của ắc quy (V)

Là chỉ số đo điện thế chênh lệch giữa hai đầu cực của ắc quy Điện áp ắc quy có thể

là 12V hoặc 24V…

Chỉ số CCA

Chức năng chính của ắc quy là nguồn điện năng để khởi động động cơ trong quá trình khởi động, vì vậy, yêu cầu là khả năng phóng điện khỏe trong một thời gian ngắn CCA được diễn giải là cường độ dòng mà ắc quy cung cấp trong vòng 30 giây ở 0°F (-17,7°C) cho đến khi hiệu điện áp xuống dưới mức có thể sử dụng

Ví dụ: Một ắc quy (12V) có CCA là 600, tức nó có thể cung cấp dòng điện 600 Ampe trong vòng 30 giây tại -17,7°C trước khi điện áp hạ xuống 7,2V

CCA có ý nghĩa quan trọng đối với những xe ở vùng khí hậu hàn đới, nhiệt độ thường xuyên xuống dưới 0℃ Khi nhiệt độ xuống quá thấp, dầu động cơ và dầu hộp

số trở nên đặc và khởi động xe vào buổi sáng sẽ rất khó khăn, khi đó, ắc quy phải có CCA cao

Công suất của ắc quy

Năng lượng dùng để khởi động động cơ cũng có thể được tính bằng Watt (W) Công suất được xác định bằng cách nhân dòng sử dụng và điện áp ắc quy tại 0℉

Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện

áp của ắc quy, nồng độ của dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đó là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc quy Thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc quy (dòng điện phóng và thời gian phóng)

Để đánh giá khả năng cung cấp điện của các ắc quy có cùng điện áp danh nghĩa, người ta quy định so sánh dung lượng phóng điện thu được của các ắc quy khi tiến hành thí nghiệm ở chế độ phóng điện cho phép là 20h (10h) Dung lượng phóng trong trường hợp này được kí hiệu là C20

Trị số dòng điện sạc ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc quy Dòng

điện sạc định mức đối với ắc quy quy định bằng 0.05×C20 (0.01×C10)

Phần trăm dung lượng ắc quy SoC

SoC là đại lượng đặc trưng cho trạng thái của ắc quy Xác định bằng tỉ số của dung lượng thực tế còn lại trong ắc quy với dung lượng danh định của nhà sản xuất nhân cho

100 Đơn vị tính là %

𝑆𝑜𝐶 [%] = 𝐶𝑟

𝐶 𝑛 × 100 Trong đó:

𝐶𝑟: là dung lượng còn sau quá trình nạp hay phóng điện của ắc quy hay dung lượng thực tế còn lại trong ắc quy

13

𝐶𝑛: là dung lượng danh định của ắc quy được cung cấp và thử nghiệm bởi nhà sản xuất

Việc đo dòng điện I và hiệu điện thế U ta xác định trạng thái ắc quy SoC

Viết tắt của SoC là State-of-Charge

Một ắc quy được nạp đầy có 100% SOC, một ắc quy phóng kiệt có 0% SoC SoC thay đổi theo tình trạng nạp và phóng của ắc quy

Phương pháp xác định SoC: SoC được xác định theo hai phương pháp

- Phương pháp đo điện áp hở mạch OCV (Open-Circuit Voltage):

OCV là điện áp giữa 2 cực của ắc quy khi không có tải tiêu thụ tức là ắc quy ở trạng thái tĩnh không làm việc ắc quy axit chì cho thấy mối quan hệ tuyến tính tốt giữa OCV

và SoC Mối quan hệ giữa OCV và SoC của ắc quy axit chì được nhà sản xuất cung cấp theo bảng số liệu bên dưới, từ đó ta xác định được SoC theo điện áp bằng phương trình thực nghiệm

Ưu điểm của việc này là chúng ta có thể tra nhanh được phần trăm của pin mà không cần phải sử dụng các công thức tính toán phức tạp, điều này có giá trị thực tiễn cao Nhưng để đo được OCV chung ta cần có thời gian để pin ổn định mới có thể cho ra số liệu chính xác

U ocv: là giá trị điện áp đo bằng phương pháp OCV

11.6 là hằng số, vì khi ắc quy no U ocv = 12.6V thì (U ocv – 11,6) = 1 Khi đó, SoC[%]

= 100%

- Phương pháp đếm Coulomb: là phương pháp tốt nhất để theo dõi nhanh những

thay đổi trạng thái ắc quy Nó được tính toán dựa vào sự tổ hợp dòng điện phóng và nạp của ắc quy

𝑆𝑜𝐶(𝑡) [%] = (𝑄(𝑡0)+ ∑

𝑡𝑔ℎ 𝑡=0 𝑖𝑘(𝑡)

𝐶 𝑛 ) × 100 Trong đó:

k: là hằng số Peukert (k = 1.4 đối với ắc quy axit chì)

𝑄(𝑡0): là dung lượng ắc quy lúc bắt đầu tính tổ hợp, được xác định bằng phương pháp đo điện áp hở mạch

𝑄(𝑡0) =𝑆𝑜𝐶

𝐶 𝑛

SoC: được xác định bằng phương pháp OCV

𝐶𝑛: là dung lượng danh định của ắc quy đã biết

Khi 𝑄(𝑡0) + ∑∞

𝑡=0 𝑖𝑘(𝑡) = 𝐶𝑛 tức là ắc quy đã được nạp no

Nhược điểm duy nhất của phương pháp đo điện áp hở mạch là tất cả các tải điện phải tắt và ắc quy quy phải được nghỉ vài chục phút đến cả giờ Vì thế để xác định được SoC một cách chính xác ta kết hợp cả 2 phương pháp trên

15

2.1.3 Inverter

Hình 2.7 Inverter trong xe điện

Inverter là một thiết bị điện chuyển đổi điện từ nguồn DC (Dòng điện một chiều) sang nguồn AC (Dòng điện xoay chiều) và ngược lại Inverter có chức năng hoạt động trên EV tương đối đơn giản Ví dụ, nguồn điện một chiều từ pin lai được cấp cho cuộn dây sơ cấp trong một máy biến áp bên trong vỏ biến tần Thông qua một công tắc điện

tử (thường là một tập hợp các bóng bán dẫn), hướng của dòng điện bị lật liên tục và thường xuyên (điện tích truyền vào cuộn sơ cấp, sau đó đột ngột đảo chiều và chảy ngược ra ngoài) Dòng điện vào và ra tạo ra dòng điện xoay chiều trong mạch cuộn thứ cấp của máy biến áp Cuối cùng, dòng điện xoay chiều cảm ứng này cung cấp năng lượng cho tải xoay chiều, lấy ví dụ động cơ kéo điện (EV) của xe điện Và đồng thời inverter còn có thêm chức năng sạc lại năng lượng cho pin bằng cách biến đổi ngược dòng điện 3 pha thành dòng điện 1 chiều nạp lại pin trong quá trình phanh xe hoặc khi

xe đang đi xuống dốc

Các mô-đun kiểm soát điện tử công suất có một số hệ thống con, mỗi trách nhiệm với một chức năng kiểm soát Khi xe được sạc từ lưới điện gia đình (ví dụ: 220V), bộ chỉnh lưu sẽ chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), được cấp vào pin điện áp cao Bộ chuyển đổi DC-DC chịu trách nhiệm hạ điện áp cao (ví dụ 400V) xuống mạng điện áp thấp (12V) Các biến tần điều khiển tốc độ máy điện

và mô-men xoắn bằng cách chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc quy vào xen kẽ 3 giai đoạn hiện nay cho máy điện Khi xe đang trong giai đoạn phục hồi năng lượng (phanh), biến tần sẽ thực hiện chuyển đổi ngược lại, từ AC 3 pha sang DC

Biến tần và bộ chuyển đổi là một bộ phận duy nhất chứa cả bộ biến tần và bộ chuyển đổi Đây là những thiết bị được cả EV và hybrid sử dụng để quản lý hệ thống truyền động điện của họ Cùng với bộ điều khiển sạc tích hợp, bộ biến tần và bộ chuyển đổi cung cấp dòng điện cho bộ pin để sạc lại trong quá trình phanh tái sinh, đồng thời nó cũng cung cấp điện cho động cơ và máy phát điện để đẩy xe

16

Cả hybrid và EV đều sử dụng pin DC điện áp tương đối thấp (khoảng 210 vôn) để giữ kích thước vật lý giảm xuống, nhưng chúng cũng thường sử dụng động cơ và máy phát điện xoay chiều hiệu quả cao (khoảng 650 vôn) Bộ biến tần và bộ chuyển đổi biên đạo cách thức hoạt động của các loại điện áp và dòng điện phân kỳ này cùng nhau Do

sử dụng máy biến áp và chất bán dẫn (và gặp phải điện trở đi kèm), các thiết bị này tỏa

ra một lượng nhiệt rất lớn Làm mát và thông gió thích hợp là điều tối quan trọng để giữ cho các bộ phận hoạt động Vì lý do này, việc lắp đặt biến tần và bộ chuyển đổi trên xe hybrid có hệ thống làm mát chuyên dụng riêng, hoàn chỉnh với máy bơm và bộ tản nhiệt, hoàn toàn độc lập với hệ thống làm mát của động cơ

2.1.4 Hệ thống quản lý nhiệt pin (Battery Thermal Management System / BTMS)

Hình 2.8 Hệ thống quản lý nhiệt của pin

Như đã thảo luận trong các phần trước, nhiệt độ pin không phù hợp sẽ có giá trị âm ảnh hưởng đến hiệu suất, tuổi thọ và độ an toàn của pin Do đó, cần có BTMS cho mọi

hệ thống pin Nhiệm vụ chính của BTMS là giữ cho pin ở mức tối ưu phạm vi nhiệt độ

và duy trì phân bố nhiệt độ đồng đều trong bộ pin

Sau đó, các yếu tố khác như trọng lượng, kích thước, độ tin cậy và chi phí phải được tính đến xem xét dựa trên ứng dụng của bộ pin

Hệ thống quản lý nhiệt độ pin gồm các loại:

- Làm mát không khí

Làm mát bằng không khí là cách thông thường nhất để làm mát và đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau Đến hạn công suất nhiệt thấp và độ dẫn nhiệt thấp, không khí có vẻ không được làm mát tốt.Tuy nhiên, nó vẫn là một giải pháp làm mát hấp dẫn do tính đơn giản và chi phí thấp

Làm mát bằng không khí sử dụng nguyên lý đối lưu để truyền nhiệt ra khỏi bộ pin Khi không khí chạy trên bề mặt, nó sẽ mang theo nhiệt tỏa ra từ gói Làm mát bằng

có những nhược điểm với chất lỏng, chẳng hạn như chi phí, độ phức tạp và khả năng rò

rỉ Chất làm mát lỏng có tính dẫn nhiệt và khả năng tỏa nhiệt (khả năng lưu trữ nhiệt dưới dạng năng lượng trong các liên kết của nó) cao hơn không khí, do đó hoạt động rất hiệu quả và có những ưu điểm như cấu trúc nhỏ gọn và dễ sắp xếp Trong số các tùy chọn này, chất làm mát dạng lỏng sẽ mang lại hiệu suất tốt nhất để duy trì bộ pin trong phạm vi nhiệt độ chính xác và đồng nhất Hệ thống làm mát bằng chất lỏng có những chia sẻ riêng về các vấn đề an toàn liên quan đến rò rỉ và thải bỏ, vì glycol có thể gây nguy hiểm cho môi trường nếu xử lý không đúng cách

Tesla đã áp dụng các đường lượn chạy giữa các tấm pin đã được phân chia tăng diện tích tiếp xúc làm mát

2.1.5 Hệ thống sạc

Xe điện nhằm mục đích tiết kiệm tiền của người dùng dành cho xăng bằng cách cung cấp tùy chọn năng lượng rẻ hơn và giúp giảm lượng khí thải bị các phương tiện thải trên đường

Mặc dù điều này ở Việt Nam sẽ cần đợi thêm chút thời gian nữa để các mẫu xe hybrid, EV và các trạm sạc phổ biến khắp cả nước Xe điện hoàn toàn nhận tất cả năng lượng hoàn toàn từ pin của nó, loại xe này cần sạc cho chức năng tối ưu

Một số điện áp nhất định mất nhiều thời gian hơn để sạc đầy xe và có thể cần một

bộ chuyển đổi hoặc cổng sạc cụ thể để tương thích Các lần sạc có thể thực hiện ở nhà, nơi làm việc hoặc thậm chí tại bất kỳ trạm sạc công cộng nào

Ngoại trừ Tesla, cung cấp bộ chuyển đổi Cấp độ 1 và 2 cũng sử dụng cùng một ổ cắm J-1772, cho đầu nối sạc Sạc DC có ba loại khác nhau dành cho các mẫu xe khác nhau:

- CHAdeMO: Tương thích với Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV và Kia Soul EV

- CCS (Hệ thống sạc kết hợp): Hoạt động với tất cả các nhà sản xuất EV của Hoa

Kỳ và các mẫu EV của Đức, bao gồm Chevrolet, Ford, BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen và Volvo

18

- Tesla Supercharger: Trạm nhanh và mạnh chỉ dành cho chủ sở hữu Tesla Không giống như CHAdeMO và CCS, Supercharger được cung cấp miễn phí cho thị trường giới hạn của nó

Các loại và cấp độ sạc điện hiện nay được phổ biến:

- Tại nhà và trạm sạc công cộng điều có thiết lập

- Thiết lập sạc cần rất nhiều tiền

- Sử dụng loại dây điện lớn

- Tiết kiệm thời gian và khoảng tiền lớn khi sử dụng trạm sạc bên ngoài

- Sử dụng điện 1 chiều

có công suất 450kW

- Chỉ được áp dụng tại các trạm sạc công cộng

- Tốn rất nhiều chi phí

để xây dựng (100.000 đôla)

- Tiết kiệm thời gian sạc đến mức tối đa ( sạc 3 phút đi được 100km)

Bảng 2.3 So sánh các cấp độ sạc

2.1.6 Phương pháp sạc ắc quy

Phương pháp sạc ắc quy với dòng không đổi

Phương pháp sạc điện với dòng không đổi cho phép chọn dòng điện sạc thích hợp đối với từng loại ắc quy, đảm bảo cho ắc quy được sạc no Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng, sửa chữa để sạc điện cho các ắc quy mới hoặc sạc điện cho các ắc quy bị sunfat hoá

Với phương pháp sạc này các ắc quy được mắc nối tiếp với nhau và phải thoả mãn điều kiện:

U n ≥ 2,7 N aq

Trong đó:

U n: Điện áp sạc (V)

N aq: Số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch sạc

Thông thường người ta sạc bằng dòng có cường độ I n = 0,1Q đm

19

Trong quá trình sạc, sức điện động của ắc quy tăng dần, để duy trì dòng điện sạc không đổi ta phải bố trí trong mạch sạc biến trở Rbt Trị số giới hạn của biến trở được xác định theo công thức:

𝑅𝑏𝑡 =𝑈𝑛𝑔−2.6𝑁𝑎𝑞

0.5𝐼 𝑛

Trong đó:

0.5: Hệ số dự trữ

U ng: Hiệu điện thế nguồn sạc

Nhược điểm của phương pháp sạc với dòng sạc không đổi là thời gian sạc kéo dài

và yêu cầu các ắc quy đưa vào sạc phải có cùng cỡ dung lượng định mức

Để khắc phục nhược điểm thời gian sạc kéo dài người ta sử dụng phương pháp sạc với dòng điện sạc thay đổi hai hay nhiều nấc Trong trường hợp sạc hai nấc thì dòng điện sạc ở nấc thứ nhất chọn bằng (0.3 ÷ 0.5)×C20 và kết thúc sạc ở nấc một khi ắc quy bắt đầu sôi Dòng điện sạc ở nấc thứ hai bằng 0.05×C20

Phương pháp sạc ắc quy với hiệu điện thế không đổi

Phương pháp sạc ắc quy với hiệu điện thế không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc song song với nguồn sạc Hiệu điện thế của nguồn sạc không thay đổi và được tính bằng

từ 2.3 ÷ 2.5 V cho một ngăn ắc quy đơn Với điều kiện U ng > U ắc quy

Hiệu điện thế của nguồn sạc phải được giữ ổn định với độ chính xác đến 3% và được theo dõi bằng volt kế

𝐼𝑛 =𝑈𝑛−𝐸𝑎𝑞

𝑟 𝑎𝑞

Dòng sạc lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi E aq tăng dần lên thì I n giảm đi khá nhanh Phương pháp sạc với điện áp sạc không thay đổi có thời gian sạc ngắn, dòng điện sạc tự động giảm dần theo thời gian Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc quy không được sạc no Dòng điện sạc ban đầu rất lớn có thể gây hỏng ắc quy, khi dòng sạc giảm

về 0 thì ắc quy chỉ sạc được 90% Vì vậy phương pháp sạc với điện áp không đổi chỉ là phương pháp sạc bổ sung cho ắc quy trong quá trình sử dụng

Để khắc phục những nhược điểm và tận dụng được hết những ưu điểm của các phương pháp sạc trên, ta kết hợp hai phương pháp sạc lại thành phương pháp dòng – áp

Phương pháp sạc dòng – áp

Ban đầu ta sạc ắc quy với dòng sạc không đổi với trị số quy định là In = 0.05C Tới khi thấy ắc quy "sôi" – ứng với thời điểm hiệu điện thế giữa các cực của của ắc quy đơn tăng tới giá trị 2.4V – tiếp tục sạc thì giá trị này nhanh chóng tăng tới giá trị là 2.7V Đến đây ta chuyển sang chế độ sạc ổn áp với giá trị điện áp sạc không đổi là Un=2.7V Giai đoạn sạc ổn áp kéo dài từ 2 đến 3 giờ, hoặc khi dòng sạc tiến tới không (In = 0) thì kết thúc quá trình sạc

Điều này cho phép các phản ứng hóa học để theo kịp với tỷ lệ sạc Phương pháp này

có thể làm giảm các phản ứng hóa học không mong muốn trên bề mặt điện cực như hình thành bọt khí, nhiệt độ tăng quá cao trong từng ngăn, khôi phục tốt khả năng hoạt động của dung dịch điện phân

Nguyên lý hoạt động của sạc xung

Ban đầu bộ điều khiển cho phép dòng xung trung bình để sạc ắc quy Mỗi xung được áp dụng là cần thiết để được càng lâu càng tốt trong một khoảng thời gian tối đa, nhưng điện áp ắc quy không vượt quá điện áp thoát khí là 14.7 V (2.45V cho mỗi ngăn) Điều này đảm bảo rằng nhiệm vụ của độ rộng xung có thể đạt tới 100% tại các ngăn có điện áp thấp, qua đó cung cấp tối đa dòng sạc theo từng trạng thái chấp nhận của ắc quy Giám sát điện áp đầu cuối của ắc quy ở tất cả các lần sạc để khi điện áp trong từng ngăn được xác định đã vượt quá điện áp thoát khí thì sẽ chấm dứt xung Kết quả là một

bộ sạc hai giai đoạn, với một dòng xung trung bình ban đầu không đổi sau đó được giảm xuống khi điện áp ắc quy đạt đến một ngưỡng giới hạn

Tuy nhiên điện trở của các thiết bị đầu cuối và điện trở bên trong của ắc quy Nguyên nhân làm cho phản ứng hóa học điện áp bên trong chậm hơn so với điện áp đầu cuối bên ngoài Để ước tính chính xác thời gian phản ứng này điện trở bên trong phải được kết hợp trong việc kiểm soát thông tin phản hồi Do đó một điện áp bù được sử dụng để xác định thời điểm chấm dứt mỗi dòng xung Hai pin thử nghiệm đã được sạc với chương trình xung khác nhau Với cường độ được chọn là 2A, dòng cao điểm chỉ có thể được

áp dụng cho tối đa 780 mili giây của chu kỳ 800 mili giây

Những thay đổi về áp suất bên trong là một phần kết quả của sự gia tăng nhiệt độ bên trong (từ môi trường xung quanh 25oC đến 36oC) do điện trở tổn thất điện năng trong ắc quy Giả sử điều kiện lý tưởng cho khí, sự thay đổi áp suất do thay đổi nhiệt độ (khối lượng không đổi) có thể được thể hiện như sau:

𝑃2 =𝑃1𝑇2

𝑇1 =101.3×(273+36)

(273+25) = 105 𝑘𝑃𝑎 => ∆𝑃 ≈ 0,6 𝑝𝑠𝑖

Áp suất (P) tính bằng kPa, nhiệt độ (T) tính bằng K

Giả sử rằng ở phần còn lại áp suất tuyệt đối bên trong ắc quy là 101,3 kPa sau đó một sự thay đổi trong áp lực ít nhất là 0,6 psi được dự kiến sẽ ở nhiệt độ cao và cho loại sạc một tỷ lệ lớn (nếu không phải tất cả) của nó là do nhiệt bên trong ắc quy Ở trạng

2.2 Sạc không dây

Hình 2.9 Hệ thống sạc không dây

Giải pháp sạc không dây đại diện cho phương pháp sạc ngày càng phát triển trong một một số ứng dụng Việc sạc không dây là điều người dùng ai cũng muốn sử dụng do việc sử dụng dây cáp trước giờ gây sự bất lợi không hề nhỏ Sạc không dây có thể sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ mức độ năng lượng thấp để sạc cho các mạng cảm biến không dây để mức công suất cực cao để sạc cho các phương tiện giao thông

2.2.1 Nguyên lý sạc không dây

Nguyên lý sạc không dây dựa trên nguyên lý từ trường biến thiên theo thời gian tạo

ra dòng điện trong một vòng dây kín Điều đó có nghĩa là nó sử dụng điện trường để truyền năng lượng từ thiết bị phát sang thiết bị nhận

Nguồn điện nhận vào sẽ được chuyển thành dòng điện xoay chiều tần số cao sau đó dòng điện được cung cấp cho cuộn dây máy phát thông qua mạch máy phát Dòng điện tần số cao chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường trong cuộn dây máy phát

Từ trường của cuộn dây máy phát đi qua cuộn dây của máy thu trên thiết bị và được tích điện Từ trường thay đổi này trong cuộn dây máy thu tạo ra một dòng điện chạy qua

nó

22

Hình 2.10 Nguyên lý truyền điện không dây

Dòng điện chạy trong cuộn dây mạch thu sau đó được chuyển đổi thành dòng điện một chiều bởi mạch thu, dòng điện sau đó được đưa đến nạp cho pin

2.2.2 Ứng dụng sạc không dây

Giải pháp không dây đại diện cho một phương pháp sạc pin ngày càng phát triển trong hiện nay Việc sạc mà không cần có dây dẫn là điều mà mọi nhà nghiên cứu đang hướng đến để phát triển các sản phẩm của mình Sạc pin không dây có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ mức năng lượng cực thấp như sạc cho các thiết bị di động đến sạc công suất cao dành cho các phương tiện giao thông hằng ngày không chỉ cho xe máy điện mà cho cả ô tô và xe buýt

Sạc không dây cho mạng lưới cảm biến không dây và các thiết bị y tế

Trong Mạng cảm biến không dây (WSN), việc sử dụng dây để cấp điện thường là không thể, vì các cảm biến không dây vốn dĩ rất khó tiếp cận, như trong các thiết bị thu thập dữ liệu khí tượng hoặc các ứng dụng quân sự Trong các ứng dụng tương tự, giải pháp không dây đại diện cho lựa chọn tốt nhất cho cả truyền thông và cung cấp điện Ứng dụng này tương ứng với cực thấp mức công suất từ µW đến mW

Sạc không dây cũng thuận tiện trong các ứng dụng y sinh cho các thiết bị cấy ghép

do các thiết bị này không thể mang ra khỏi cơ thể cấy ghép để sạc

Sạc không dây cho các thiết bị điện tử và các thiết bị gia dụng

Hình 2.11 Sạc không dây không cần đặt xuống đế

23

Phạm vi công suất đối với các điện tử sẽ cao hơn, chẳng hạn như điện thoại di động

và máy tính xách tay Đối với những ứng dụng này, sức mạnh phạm vi mức từ một số

W đến hàng chục W Sạc pin không dây cho điện thoại di động điện thoại được thương mại hóa và tiêu chuẩn hóa hoàn toàn Sạc không dây này dựa trên Truyền điện cảm ứng (IPT) giữa hai cuộn dây ghép nối: một trong số chúng được đặt bên trong một tấm đệm

và được kết nối với bộ sạc, cái còn lại được đặt bên trong thiết bị và kết nối với pin Bởi định vị thiết bị di động trên miếng đệm, hoạt động sạc tự động bắt đầu thông qua cảm ứng từ Một tiêu chuẩn đã được tạo ra bởi Wireless Power Consortium (WPC) để xây dựng một nền tảng chung giúp tương thích giữa đế sạc không dây và thiết bị di động Hơn 200 công ty đã tham gia WPC

Một trong những lợi ích của sạc không dây là chúng ta có thể đặt nhiều thiết bị lên cùng một đế sạc chỉ cần thiết bị đó hỗ trợ sạc không dây

Sạc không dây cho xe điện

Hình 2.12 Xe điện chạy trên đường tích hợp sạc không dây

Nếu so sánh với các thiết bị điện dân dụng hay các thiết bị điện tử thì công suất sạc không dây cho các phương tiện giao thông phải đến vài chục kW Mặc dù phương pháp sạc không dây cho các phương tiện giao thông vẫn chưa thương mại và tiêu chuẩn hóa Tuy nhiên, được thực hiện thông qua nguyên lý truyền điện cảm ứng giữa hai cuộn dây được ghép nối

Các phương pháp sạc cho xe điện hiện nay chủ yếu là 3 phương pháp: sạc tĩnh, sạc động và sạc bán dẫn

- Sạc tĩnh là trạng thái sạc khi xe đứng yên và không có người điều khiển ở trong

24

2.3 Sạc không dây cho xe điện

2.3.1.Sạc không dây cho xe đạp điện

Sạc không dây cho xe đạp điện là phương pháp nhẹ và nhỏ gọn, đại điện cho phương tiện giao thông sạch trong hiện tại và tương lai các kịch bản về một đô thị xanh và thông minh

Do nhu cầu sử dụng xe đạp điện thường xuyên trong ngày và do đó phương thức sạc không dây có thể coi là cách tốt nhất cho xe đạp điện

Sạc không dây cho xe đạp điện cũng đã được các nhà nghiên cứu các giải pháp khác nhau liên quan đến vị trí đặt cuộn dây để tối ưu hiệu xuất sạc cũng như không ảnh hưởng đến thiết kế ban đầu của xe

Trong một cuộc thử nghiệm, một bộ máy phát được đặt dưới đất và một máy thu được lắp vào dưới yên xe đạp, khoảng cách giữa hai cuộn là 2cm

Hình 2.13 Xe đạp điện tích hợp sạc không dây dưới yên

Trong một thử nghiệm khác, cuộn thu được lắp trước giỏ xe và cuộn phát được lắp đặt bên cạnh tường, được thể hiện trong hình dưới đây Hoạt động sạc không dây xảy ra

ở khoảng cách 5cm giữa 2 cuộn