Hãy nghĩ nónhư một vòng quay, khi nó quay nhanh nó có rất nhiều năng lượng, khi nó chậm lại,năng lượng đó có thể được sử dụng để thực hiện công việc chăng hạn như bật đèn.Yêu cầu đối với
Pin điện hóa
Pin điện hóa, thường được gọi là "pin", là thiết bị có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học trong quá trình sạc và ngược lại trong quá trình xả Mỗi pin bao gồm nhiều tế bào xếp chồng lên nhau, với mỗi tế bào là một đơn vị độc lập có đầy đủ các đặc tính điện hóa cần thiết Mỗi tế bào pin gồm 3 phần chính: hai điện cực, trong đó điện cực dương giải phóng năng lượng khi sử dụng và điện cực âm nhận năng lượng khi sạc, cùng với chất điện phân, là chất lỏng hoặc gel giúp năng lượng di chuyển giữa hai điện cực.
Các nhà sản xuất pin xác định dung lượng điện tích (ampe giờ - Ah) của pin, là lượng điện tích mà pin cung cấp khi xả từ trạng thái đầy đủ cho đến khi điện áp giảm xuống mức ngắt Cần lưu ý rằng cùng một loại pin có thể có dung lượng ampere giờ khác nhau tùy thuộc vào tốc độ xả, và dung lượng thường giảm khi tốc độ xả tăng lên.
Các nhà sản xuất pin thường ghi dung lượng ampe giờ (Ah) kèm theo tốc độ xả (C-tỷ lệ) Ví dụ:
+ Một viên pin có nhãn 100 Ah tại tốc độ C/5 nghĩa là pin có dung lượng 100 Ah nếu được xả trong 5 giờ.
+ Dòng điện xả tương ứng sẽ là: 100/5 = 20 A
Nói cách khác, nếu bạn xả pin với dòng điện 20 A liên tục, pin sẽ cạn kiệt sau 5 giờ.
Một thông số quan trọng của pin là trạng thái sạc (SOC), được định nghĩa là tỷ lệ giữa dung lượng còn lại và dung lượng tối đa khi pin được sạc đầy SOC đạt 100% khi pin đầy và 0% khi pin hoàn toàn trống Tuy nhiên, thuật ngữ “xả hoàn toàn” có thể gây nhầm lẫn do năng lượng mà pin cung cấp có thể thay đổi tùy thuộc vào tốc độ xả và điện áp ngắt khác nhau.
Sự thay đổi của SOC trong một khoảng thời gian ngắn dt với dòng sạc hoặc xả i có thể được biểu diễn bằng công thức:
Q ( i ) i: dương khi xả pin, âm khi sạc pin
Q (i): dung lượng ampe giờ của pin tại dòng điện i
SOC hiện tại của pin tại bất kỳ thời điểm nào được tính bằng công thức:
Trong các loại xe điện (EV) và xe Hybrid (HEV), dung lượng năng lượng (EC) quan trọng hơn dung lượng điện tích (Ah) vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vận hành của phương tiện Tổng năng lượng mà pin cung cấp trong một khoảng thời gian nhất định là yếu tố then chốt để đánh giá hiệu suất và phạm vi hoạt động của xe.
Năng lượng được cung cấp từ pin có thể được tính bằng công thức:
V(i,SOC): điện áp tại cực của pin, phụ thuộc vào dòng điện (i) và SOC i(t): dòng điện tại thời điểm t
Pin chì-axit là loại pin phổ biến nhất trong ứng dụng ô tô hiện nay nhờ chi phí thấp và khả năng cung cấp dòng điện cao Loại pin này hoạt động dựa trên các phản ứng hóa học, trong đó chì và oxit chì được sử dụng làm điện cực, còn axit sunfuric là chất điện phân.
Chất điện phân là chất lỏng giúp dẫn điện Trong pin chì-axit chất điện phân là dung dịch axit sulfuric (H₂SO₄), phân ly thành ion:
Cực âm (Anode): Chì kim loại (Pb) – Điện cực âm là nơi pin phát ra các electron trong một phản ứng hóa học
Cực dương (Cathode): Chì dioxit (PbO₂) – Điện cực dương là nơi pin nhận electron trong quá trình phản ứng
Quá trình xả (Discharge Process)
Khi pin xả, năng lượng hóa học được chuyển đổi thành năng lượng điện để cung cấp cho các thiết bị Phản ứng tổng quát trong quá trình xả pin diễn ra như sau:
Pb+ PbO 2 +2 H 2 SO 4 → 2 Pb SO 4 +2 H 2 O Ở cực âm (Anode):
Chì (Pb) tương tác với các ion sunfat (SO₄²⁻) để tạo ra chì sunfat (PbSO₄) và giải phóng hai electron (2e) Phản ứng này tạo ra dòng điện chảy qua mạch ngoài từ cực âm sang cực dương.
Pb+ SO 4 2−¿ → PbSO 4 +2 e −¿¿ ¿ Ở cực dương (Cathode):
Chì dioxit (PbO₂) phản ứng với ion hydro (H⁺) và ion sulfat (SO₄²⁻), nhận hai electron (2e⁻) từ mạch ngoài, tạo thành chì sunfat (PbSO₄) và nước (H₂O) Phản ứng này tiêu thụ electron và sản xuất nước, dẫn đến việc giảm nồng độ axit sunfuric.
Quá trình sạc (Charge Process)
Khi pin được sạc lại, các phản ứng hóa học diễn ra theo chiều ngược lại, trong đó năng lượng điện từ bộ sạc phân hủy PbSO₄ thành Pb ở cực âm và PbO₂ ở cực dương, đồng thời tái tạo axit sulfuric Phản ứng tổng quát khi sạc là một quá trình quan trọng trong việc phục hồi năng lượng cho pin.
2 Pb SO 4 +2 H 2 O → Pb+ PbO 2 +2 H 2 SO 4 Ở cực âm (Anode):
PbSO 4 +2 e −¿→ Pb+ SO 4 2−¿¿ ¿ Ở cực dương (Cathode):
Pin axit-chì hoạt động với điện áp tế bào khoảng 2,03 volt trong điều kiện tiêu chuẩn, và điện áp này có thể thay đổi tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch axit sunfuric.
Điện áp nhiệt động lực học là điện thế của tế bào pin, cho biết lượng năng lượng có thể được tạo ra khi pin hoạt động Điện áp này liên quan chặt chẽ đến năng lượng giải phóng trong phản ứng hóa học bên trong pin và số lượng electron tham gia vào phản ứng đó.
* Giải phóng năng lượng và năng lượng tự do Gibbs (ΔG)
Năng lượng do pin giải phóng trong một phản ứng được đo bằng một thứ gọi là năng lượng tự do Gibbs, thường được viết là ΔG.
Gi: là năng lượng Gibbs của sản phẩm
Gj: là năng lượng Gibbs của chất phản ứng
*Quá trình đảo ngược và năng lượng điện
Trong một quá trình thuận nghịch, năng lượng từ sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs có thể hoàn toàn chuyển hóa thành năng lượng điện, được thể hiện qua phương trình: \$\Delta G = -nFVr\$, trong đó \$n\$ là số electron được trao đổi trong phản ứng.
F,495 (c/mol): là hằng số Faraday
Vr: là điện áp thuận nghịch của tế bào
Điện áp hở mạch của một tế bào pin, được xác định ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 25°C, áp suất 1 atm), là điện áp khi pin không được kết nối với bất kỳ thiết bị nào.
V r 0 =− ∆ G 0 nF ΔG 0 : là sự thay đổi năng lượng Gibbs ở điều kiện tiêu chuẩn
*Phương trình Nernst và ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng
Sự thay đổi năng lượng tự do và điện áp tế bào chịu ảnh hưởng bởi hoạt động của các chất trong dung dịch, bao gồm cả số lượng và cách thức tương tác của chúng.
0 − RT nF ln ( ∏ (hoạt độ sản phẩm )
∏ ( hoạt độ chất phản ứng ) ¿) ¿ Phần logarit (ln) cho thấy điện áp thay đổi như thế nào dựa trên nồng độ của sản phẩm và chất phản ứng.
R=8,31 J/(mol.k): là hằng số khí lý tưởng
T: là nhiệt độ tuyệt đối (K)
∏ ( hoạt độ chất phản ứng ) : là tỷ lệ giữa nồng độ của sản phẩm và nồng độ của chất phản ứng
13.1.3 Năng lượng riêng của pin
Năng lượng riêng là chỉ số thể hiện lượng năng lượng mà pin lưu trữ trên mỗi đơn vị khối lượng (Wh/kg) Pin có năng lượng riêng cao cho phép lưu trữ nhiều năng lượng mà không làm tăng trọng lượng.
*Năng lượng riêng lý thuyết
Siêu tụ điện
Do đặc điểm hoạt động thường xuyên dừng và khởi động của xe điện (EV) và xe hybrid (HEV), quá trình sạc và xả của hệ thống lưu trữ năng lượng diễn ra rất biến động Công suất trung bình cần thiết từ hệ thống lưu trữ năng lượng thường thấp hơn nhiều so với công suất đỉnh yêu cầu trong các tình huống như tăng tốc hoặc leo dốc trong thời gian ngắn.
Tỷ lệ công suất đỉnh so với công suất trung bình trong thiết kế HEV có thể vượt quá 10:1, cho thấy công suất đỉnh của hệ thống lưu trữ năng lượng thường quan trọng hơn dung lượng năng lượng Điều này thường là yếu tố hạn chế trong việc giảm kích thước của hệ thống.
Dựa trên công nghệ pin hiện tại, thiết kế pin cần phải cân bằng giữa mật độ năng lượng, hiệu suất và độ bền Điều này đã dẫn đến việc đề xuất các hệ thống lưu trữ năng lượng mới nhằm tối ưu hóa cả ba yếu tố này.
EV và HEV nên kết hợp cả nguồn năng lượng và nguồn công suất:
Nguồn năng lượng: chủ yếu là pin (Li-ion, Ni-MH) hoặc pin nhiên liệu, có mật độ năng lượng cao để cung cấp năng lượng lâu dài.
Nguồn công suất: có mật độ công suất cao, có thể cung cấp năng lượng tức thời và sạc nhanh.
Các nguồn công suất có thể được sạc lại từ nguồn năng lượng trong các điều kiện lái xe ít tải hoặc trong quá trình phanh tái sinh.
13.2.1 Tính năng của siêu tụ điện
Siêu tụ điện có mật độ công suất cao, lên đến 3 kW/kg, vượt trội hơn so với bất kỳ loại pin nào Tuy nhiên, mật độ năng lượng của chúng chỉ đạt vài Wh/kg, thấp hơn đáng kể so với pin.
Do mật độ năng lượng thấp và điện áp đầu ra phụ thuộc vào trạng thái sạc (SOC), việc sử dụng siêu tụ điện đơn lẻ làm bộ lưu trữ năng lượng cho xe điện (EV) và xe hybrid (HEV) gặp nhiều hạn chế Tuy nhiên, siêu tụ điện mang lại nhiều lợi ích khi được sử dụng như một nguồn công suất bổ trợ Hệ thống lai giữa pin và siêu tụ điện có nhiều ưu điểm nổi bật.
Tách biệt yêu cầu về mật độ năng lượng và mật độ công suất cho phép tối ưu hóa thiết kế pin, tập trung vào mật độ năng lượng và tuổi thọ chu kỳ mà không cần lo lắng về công suất đỉnh.
Hiệu ứng san bằng tải giúp giảm dòng xả cao từ pin khi tăng tốc và giảm dòng sạc cao vào pin khi phanh tái sinh, từ đó kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất của pin.
13.2.2 Nguyên lý cơ bản của siêu tụ điện
Công nghệ tụ điện lớp kép là phương pháp chính để ứng dụng khái niệm siêu tụ điện Khi hai thanh carbon được nhúng vào dung dịch axit sulfuric loãng và được cấp điện áp từ 0 đến 1,5 V, hiện tượng không xảy ra cho đến khi đạt 1V Tuy nhiên, khi điện áp vượt quá 1,2 V, các bong bóng nhỏ xuất hiện trên bề mặt cả hai điện cực, cho thấy quá trình điện phân nước đang diễn ra.
Dưới điện áp phân hủy, khi không có dòng điện, một “lớp điện kép” hình thành tại ranh giới giữa điện cực và chất điện phân, dẫn đến sự tích tụ electron qua lớp này, tạo ra điện dung cho tụ điện.
Lớp điện kép chỉ hoạt động như một chất cách điện khi điện áp không vượt quá ngưỡng phân hủy Năng lượng lưu trữ trong siêu tụ điện được tính toán theo công thức cụ thể.
C: là điện dung (đo bằng Farad)
V: là điện áp sử dụng (đo bằng Volt)
Điện áp danh định V càng cao thì mật độ năng lượng của tụ điện càng lớn Hiện nay, tụ điện sử dụng chất điện phân nước có điện áp danh định khoảng 0,9 V trên mỗi cell, trong khi tụ điện với chất điện phân không chứa nước có điện áp danh định từ 2,3 đến 3,3 V trên mỗi cell.
Lớp điện kép trong tụ điện có ưu điểm vượt trội so với màng cách điện bằng nhựa hoặc ôxít nhôm nhờ vào độ mỏng cực kỳ nhỏ, chỉ bằng kích thước một phân tử mà không có lỗ nhỏ Điều này cho phép đạt được điện dung trên một đơn vị diện tích rất lớn, khoảng 2,5–5 μF/cm².
Mặc dù tụ điện có thể đạt điện dung vài μF/cm², nhưng mật độ năng lượng vẫn thấp khi sử dụng lá nhôm Để cải thiện điện dung, các điện cực được chế tạo từ vật liệu đặc biệt với diện tích bề mặt lớn, như carbon hoạt tính, có diện tích bề mặt từ 1000–3000 m²/g Các ion hấp phụ trên bề mặt này có thể tạo ra điện dung lên đến 50 F/g.
Khi bổ sung một lượng chất điện phân có cùng khối lượng, điện dung của siêu tụ điện có thể đạt 25 F/g, một giá trị rất cao so với các loại tụ điện thông thường Tuy nhiên, mặc dù điện dung cao, mật độ năng lượng của siêu tụ điện vẫn thấp hơn nhiều so với pin, với năng lượng riêng khoảng 2 Wh/kg, chỉ bằng 1/20 so với 40 Wh/kg của các loại pin chì-axit thông thường.
13.2.3 Hiệu suất của siêu tụ điện
Hiệu suất của siêu tụ điện được xác định qua điện áp đầu cuối trong quá trình sạc và phóng điện với các mức dòng điện khác nhau Ba thông số quan trọng của tụ điện bao gồm: Điện dung (C) thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng điện, Điện trở nối tiếp (RS) gây ra tổn hao năng lượng do nhiệt, và Điện trở rò rỉ môi trường điện môi (RL) ảnh hưởng đến hiệu suất giữ điện tích theo thời gian Điện áp đầu cuối của siêu tụ điện trong quá trình phóng điện được mô tả bằng một phương trình cụ thể.
Vt: là điện áp đầu cuối
VC: là điện thế của tụ điện i: là dòng điện
RS là điện trở nối tiếp Điện thế của tụ điện có thể được biểu diễn bởi phương trình vi phân: dV c dt = −i +i L
C: là điện dung của siêu tụ điện iL: là dòng điện rò rỉ
Mặt khác, dòng điện rò rỉ iL có thể được biểu diễn như sau: i L = V C
RL: là điện trở rò rỉ môi trường điện môi
Thay thế hai phương trình, ta được: dV c dt =− ( C R V C L + C i ) Điện áp đầu cuối của một tế bào ultracapacitor có thể được biểu diễn bằng sơ đồ
Nghiệm giải tích của là:
Bánh đà tốc độ cao
Việc sử dụng bánh đà để lưu trữ năng lượng cơ học đã có từ lâu, với chiếc xe buýt hành khách đầu tiên chạy hoàn toàn bằng bánh đà khổng lồ được chế tạo bởi Công ty Kỹ thuật Oerlikon ở Thụy Sĩ hơn 25 năm trước Bánh đà truyền thống là rô-to thép lớn nặng hàng trăm kg, quay với tốc độ hàng nghìn vòng/phút Trong khi đó, bánh đà tiên tiến, hay còn gọi là bánh đà siêu tốc, là rô-to tổng hợp nhẹ chỉ nặng vài chục kg nhưng có thể quay với tốc độ lên đến hàng chục nghìn vòng/phút.
Bánh đà siêu tốc độ là giải pháp hiệu quả cho nhu cầu lưu trữ năng lượng của xe điện (EV) và xe hybrid (HEV), với các ưu điểm như mật độ năng lượng cao, công suất lớn, tuổi thọ chu kỳ dài, hiệu suất năng lượng tối ưu, khả năng sạc nhanh, không cần bảo trì, chi phí hợp lý và thân thiện với môi trường.
13.3.1 Nguyên lý hoạt động của bánh đà
Một bánh đà quay lưu trữ năng lượng dưới dạng động năng theo công thức:
Jf: là mụ men quỏn tớnh của bỏnh đà (kgãm²/s) ωf: là vận tốc góc của bánh đà (rad/s)
Việc tăng vận tốc góc của bánh đà là một kỹ thuật quan trọng giúp nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng, đồng thời giảm trọng lượng và kích thước của nó Hiện nay, một số nguyên mẫu đã đạt tốc độ vượt quá 60.000 vòng/phút.
Với công nghệ hiện nay, việc sử dụng năng lượng cơ học từ bánh đà để đẩy xe gặp nhiều khó khăn do yêu cầu thay đổi liên tục trong hệ thống truyền động Một giải pháp phổ biến là kết hợp máy điện với bánh đà, tạo thành "pin cơ học" thông qua một hệ thống truyền động Máy điện đóng vai trò chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện và ngược lại.
Năng lượng lưu trữ trong bánh đà tỉ lệ với mô men quán tính và tốc độ quay bình phương Để tối ưu hóa hiệu suất, bánh đà nhẹ cần có mô men quán tính lớn trên mỗi đơn vị khối lượng và thể tích, điều này đạt được thông qua thiết kế hình dạng hình học hợp lý.
Mô men quán tính của một bánh đà có thể được tính theo công thức:
W ( r) r 3 dr ρ: là mật độ khối lượng của vật liệu
W(r): là chiều rộng của bánh đà ứng với bán kính r
Khối lượng của bánh đà có thể được tính theo công thức:
Moment quán tính đặc trưng của một bánh đà được định nghĩa là moment quán tính trên mỗi đơn vị khối lượng và có thể được biểu thị bằng công thức cụ thể.
Jfs là mô men quán tính đặc trưng của bánh đà
R1 và R2 là bán kính trong và ngoài của bánh đà
Moment quán tính đặc trưng của bánh đà không phụ thuộc vào mật độ khối lượng của vật liệu, mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng hình học W(r) Đối với bánh đà có chiều rộng không đổi, mô men quán tính được tính theo công thức.
Moment quán tính đặc trưng là:
Mật độ thể tích của moment quán tính, được xác định là mô men quán tính trên mỗi đơn vị thể tích, có mối liên hệ chặt chẽ với mật độ khối lượng của vật liệu Thể tích của bánh đà được tính bằng công thức cụ thể.
Mật độ thể tích của moment quán tính có thể biểu diễn như sau:
Với một bánh đà có chiều rộng không đổi, mật độ thể tích của moment quán tính là:
Việc sử dụng vật liệu có mật độ lớn hơn có thể giúp giảm thể tích của bánh đà, đồng thời vẫn duy trì mô men quán tính cần thiết.
13.3.2 Công suất của hệ thống bánh đà
Công suất mà bánh đà cung cấp hoặc nhận được có thể được tính bằng cách lấy đạo hàm của phương trình theo thời gian:
Tf: là mô-men xoắn tác động lên bánh đà bởi máy điện
Khi bánh đà xả năng lượng, máy điện hoạt động như một máy phát điện, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện Ngược lại, khi bánh đà được nạp năng lượng, máy điện hoạt động như một động cơ, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học Khả năng công suất của hệ thống bánh đà hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng công suất của máy điện.
Một máy điện có hai vùng hoạt động chính: vùng mô-men xoắn không đổi và vùng công suất không đổi Trong vùng mô-men xoắn không đổi, điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ góc, trong khi từ thông trong khe hở không khí giữ nguyên giá trị.
Trong vùng công suất không đổi, điện áp duy trì không đổi, trong khi từ trường bị suy yếu khi tốc độ góc của máy điện tăng lên.
Khi nạp năng lượng vào bánh đà, moment xoắn của máy điện được tính theo công thức khi gia tốc bánh đà từ tốc độ thấp (ω0) lên đến tốc độ cao nhất (ωmax).
*Thời gian cần thiết để tăng tốc
Thời gian cần thiết để tăng tốc từ ω0 đến ωmax có thể được tính bằng tích phân: t = ∫ ω 0 ω max
*Công suất tối đa của máy điện
Dựa vào phương trình trên, công suất cực đại của máy điện có thể được tính như sau:
Công suất của máy điện có thể được tối ưu hóa khi thiết kế tốc độ cơ bản \$\omega_b\$ trùng với tốc độ đáy của bánh đà \$\omega_0\$ Khi đạt được điều này, công suất tối thiểu của máy điện sẽ được xác định bởi công thức \$2t(\omega_b^2 - 2\omega_0\omega_b + \omega_{max}^2)\$.
Một lợi ích khi điều chỉnh phạm vi tốc độ hoạt động của bánh đà trùng với vùng tốc độ công suất không đổi là điện áp của máy điện luôn duy trì ổn định Điều này giúp đơn giản hóa hệ thống quản lý năng lượng, bao gồm bộ chuyển đổi DC/DC và các mạch điều khiển của nó.
13.3.3 Công nghệ của bánh đà
Mặc dù tốc độ quay cao có thể tăng năng lượng lưu trữ, nhưng vật liệu cấu thành bánh đà có giới hạn chịu đựng ứng suất do lực ly tâm Ứng suất tối đa phụ thuộc vào hình dạng hình học, mật độ riêng ρ và tốc độ quay Để đạt lợi ích tối đa, cần sử dụng vật liệu bánh đà có tỷ số tối đa giữa độ bền kéo σ và mật độ ρ Nếu tốc độ bánh đà bị giới hạn bởi độ bền vật liệu, năng lượng riêng lý thuyết sẽ tỷ lệ thuận với tỷ số σ/ρ Bảng dưới đây tóm tắt các đặc tính của một số vật liệu tổng hợp dùng trong bánh đà siêu tốc.
