CHƯƠNG 7 TÍCH CHỮ NĂNG LƯỢNG, ĐH CÔNG NGHỆ GTVT

Các thiết bị tích trữ năng lượng chính gồm: ắc quy hóa học, các siêu tụ và các bánh đà tốc độ cao... Có rất nhiều các yêu cầu cho các thiết bị tích trữ năng lượng ứng dụng trên ô tô như:

CHƯƠNG 7: TÍCH TRỮ

NĂNG LƯỢNG

“Energy storages” được định nghĩa trong quyển sách này là các thiết bị tích trữ năng lượng vừa có thể phân phối năng lượng ra ngoài (phóng), vừa có thể hấp thu năng lượng

từ bên ngoài (nạp) Có nhiều loại thiết bị tích trữ năng lượng đã được đề xuất ứng dụng trên

xe điện (EV) và xe lai điện (HEV) Các thiết bị tích trữ năng lượng chính gồm: ắc quy hóa học, các siêu tụ và các bánh đà tốc độ cao Pin

nhiên liệu là một thiết bị chuyển đổi năng

lượng sẽ được thảo luận ở Chương 9

Có rất nhiều các yêu cầu cho các thiết bị tích trữ năng lượng ứng dụng trên ô tô như: chỉ số năng lượng riêng, công suất riêng, hiệu suất, yêu cầu bảo dưỡng, bảo quản, giá cả, sự thích ứng thân thiện với môi trường, và an toàn Đối với một thiết bị tích trữ năng lượng trên EV thì chỉ số năng lượng riêng là điều quan tâm đầu tiên vì nó giới hạn pham vi hoạt động của xe Mặt khác, đối với trên HEV thì chỉ số năng lượng riêng ít quan trọng hơn và chỉ số công

suất riêng thì được quan tâm đầu tiên Bởi vì tất cả năng lượng thì xuất phát từ nguồn năng lượng (động cơ hoặc pin nhiên liệu) nên việc tạo ra đủ công suất là cần thiết để đảm bảo cho tính năng hoạt động của xe, đặc biệt trong suốt quá trình tăng tốc, leo dốc, và phanh tái sinh Tất nhiên, các yêu cầu khác sẽ được đề cập trong phần phát triển hệ thống truyền lực của

xe

7.1 Ắc quy, các công nghệ ắc quy:

7.2 SIÊU TỤ

Do EV và HEV hoạt động ở chế độ chạy – ngừng thường xuyên cho nên biên dạng phóng

và nạp của thiết bị tích trữ ắc quy biến thiên lớn Công suất trung bình yêu cầu từ thiết bị tích trữ năng lượng thì thấp hơn nhiều công suất cực đại được yêu cầu trong thời gian tương đối ngắn khi tăng tốc hoặc leo dốc Tỉ số giữa công suất cực đại với công suất trung bình

có thể hơn 7:1 (đề cập ở Chương 2) Thật sự

năng lượng dùng để tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn ngủi xấp xỉ 2/3 tổng năng lượng trên toàn bộ chu kỳ hoạt động của xe trong

thành phố (Chương 8 và Chương 9) Trong

thiết kế HEV, khả năng công suất cực đại của thiết bị tích trữ năng lượng quan trọng hơn về khả năng năng lượng riêng của nó và nó sẽ chi phối sự giảm kích thước của ắc quy Với công nghệ ắc quy hiện nay, thiết kế ắc quy phải hòa hợp giữa hai chỉ số năng lượng riêng và công suất riêng và chu kỳ vòng đời của nó Để tương thích các giá trị trên đạt giá trị cao thì thật là khó, nên đã có một vài đề xuất rằng: sử dụng hệ thống tích trữ năng lượng cho EV và HEV sẽ được kết hợp từ hai nguồn: 1 nguồn

năng lượng, và 1 nguồn công suất Nguồn năng lượng ắc quy và các pin nhiên liệu có năng lượng riêng cao, trong khi nguồn công suất sẽ

có công suất riêng cao Nguồn công suất có thể được nạp từ nguồn năng lượng suốt quá trình dẫn động ít hoặc khi phanh nạp Nguồn công suất nhận được sự quan tâm rộng rãi đó là siêu

tụ

7.2.1 Đặc điểm của siêu tụ

Siêu tụ có đặc tính công suất riêng cao hơn rất nhiều so với ắc quy hóa học, nhưng có năng

lượng riêng thấp hơn Năng lượng riêng của nó chỉ nằm trong phạm vi vài Wh/kg Tuy nhiên công suất riêng của nó có thể đạt 3 kW/kg cao hơn nhiều so với bất kỳ loại ắc quy nào Do mật độ năng lượng riêng của nó thấp và sự phụ thuộc điện áp vào SOC nên thật khó cho siêu

tụ hoạt động một mình như một thiết bị tích trữ năng lượng cho EVs và HEVs Tuy nhiên, siêu

tụ có rất nhiều ưu điểm để làm một nguồn công suất phụ trợ Một ứng dụng đầy hứa hẹn được gọi là nguồn năng lượng ắc quy-siêu tụ cho EVs và HEVs Yêu cầu về năng lượng riêng và

công suất riêng có thể độc lập với nhau, vì vậy

có thêm cơ hội để thiết kế một ắc quy có một năng lượng riêng tương đối, với vòng đời dài

mà không cần quan tâm nhiều đến công suất riêng của nó Do mức độ tải trọng chỉ ảnh hưởng đến siêu tụ nên dòng phóng cao từ ắc quy và dòng nạp đến ắc quy do quá trình phanh tái sinh đạt cực tiểu, vì vậy năng lượng tích trữ được lâu, độ bền và tuổi thọ ắc quy có thể được tăng lên đáng kể

7.2.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của siêu

tụ

Công nghệ tụ hai lớp là mấu chốt để hiểu được khái niệm siêu tụ Nguyên lý cơ bản của

tụ hai lớp được minh họa trên Hình 7.8 Khi

hai thanh carbon được nhúng vào dung dịch axit sulfuric loãng, được ngăn cách với nhau

và nạp với điện áp tăng từ 0 - 1,5V, hầu như không có hiện tượng gì xảy ra khi điện áp lên đến 1V Khi điện áp hơn 1.2V thì thấy xuất hiện các bọt khí nhỏ ở cả hai bản cực Các bọt khí này là do sự phân ly của nước Dưới điện

áp phân ly thì không hình thành dòng điện, một “lớp lưỡng cực điện” sau đó được hình

thành tại biên giới của bản cực và chất điện

phân Các electron trao đổi qua lớp lưỡng cực

điện và hình thành một tụ điện

Một lớp lưỡng cực điện làm việc như một lớp

cách điện khi điện áp thấp hơn điện áp phân ly

Năng lượng tích trữ, E cap được thể hiện như

Trong đó C là điện dung (F) và V là điện thế

hiệu dụng (V) Phương trình này cho thấy rằng

ở mức điện áp V cao hơn là mong muốn cho

một tụ có mật độ năng lượng lớn hơn Cho đến nay, điện áp cực đại của các tụ điện với chất điện phân ngậm nước đạt 0.9V/ngăn, và 2.3-3.3 V cho mỗi ngăn với chất điện phân khan

Có ưu điểm lớn trong việc sử dụng lớp lưỡng cực điện thay vì plastic hay oxit nhôm trong một tụ điện vì lớp lưỡng cực điện này rất mỏng

và dung lượng trên diện tích bề mặt rất lớn

2.5-5 µF/cm2

Thậm chí với giá trị một vài µF/cm2 thu được thì mật độ năng lượng của các tụ điện

này không lớn khi dùng nhôm Để tăng dung lượng thì các bản cực phải được làm từ các vật liệu đặc biệt có diện tích bề mặt lớn như than hoạt tính, diện tích bề mặt của nó nổi tiếng với 700-3000 m2/g Với diện tích bề mặt đó, các ion được hấp thụ và kết quả dẫn đến tạo ra 50 F/g (700 m2/g ×5 F/cm2×7000 cm2/m2=50 F/g) Giả sử cộng thêm một khối lượng chất điện phân như vậy nữa thì thu được 25 F/g là một giá trị mật độ năng lượng khá lớn Tuy nhiên mật độ năng lượng của các tụ này thua xa các

ắc quy thứ cấp; Các siêu tụ tiêu biểu hiện nay

có năng lượng riêng khoảng 2 Wh/kg chỉ bằng 1/20 của 40 Wh/kg giá trị của ắc quy axit-chì

7.2.3 Đặc tính hoạt động của siêu tụ

Đặc tính hoạt động của siêu tụ có thể được đặc

trưng bằng điện áp cực trong suốt quá trình

phóng và nạp với dòng điện khác nhau Có 3

thông số cho một tụ điện: dung lượng (điện thế

tụ của nó V C ), điện trở nối tiếp R S, và điện trở

rò của dung môi R L, được minh họa trên Hình

7.9 Điện thế cực của một siêu tụ suốt quá trình

phóng có thể được thể hiện như sau:

Điện thế của tụ có thể được thể hiện như sau:

Trong đó C là điện dung của siêu tụ Mặt khác,

dòng điện rò i L có thể được biểu diễn như sau:

L

L

V i

Điện áp cực của siêu tụ được thể hiện bởi đồ

thị như Hình 7.7 Giải phương trình vi phân

Trong đó i là dòng phóng là hàm của thời gian

khi hoạt động thực Các đặc tuyến phóng của

siêu tụ Maxwell 2600 F được minh họa trên

Hình 7.11 Tại các mức dòng điện khác nhau,

điện áp giảm tuyến tính với thời gian Tại mức

dòng phóng lớn, điện áp giảm nhanh hơn nhiều

ở mức dòng điện phóng nhỏ

Một kiểu tụ điện hiện đại tương tự có thể dùng

để miêu tả các đặc tuyến nạp của một siêu tụ

và người đọc sẽ thấy thú vị vì sự phân tích và

mô phỏng của chúng

Hiệu suất hoạt động khi phóng và nạp có thể

được thể hiện như sau:

Trong đó V t là điện áp cực và I t là dòng điện

vào hoặc ra từ cực Trong hoạt động thực tế,

dòng rò I L thường rất nhỏ (vài mA) và có thể

bỏ qua Vì vậy phương trình (7.28) và (7.29)

có thể được viết lại như sau:

Các phương trình ở trên cho thấy năng lượng mất mát ở một siêu tụ được tạo ra do sự có mặt của trở kháng nối tiếp Hiệu suất giảm ở mức dòng điện cao và điện áp ngăn thấp như minh

họa trên Hình 7.12

Vì vậy, trong hoạt động thực tế siêu tụ sẽ được duy trì trong phạm vi điện áp cao hơn

60% điện áp cực đại Năng lượng dự trữ trong

một siêu tụ có thể thu được thông qua năng

lượng nạp cần thiết đến một mức điện áp cố

định đó là:

1 2

t

C C C C C C

E = ò V I dt = òuCV dV = CV (7.32)

Trong đó V C là điện áp ngăn (V) Tại mức điện

áp cực đại của nó, năng lượng dự trữ trong siêu

tụ đạt đến cực đại Phương trình (7.31)cho thấy

rằng sự tăng điện áp cực đại có thể làm tăng

đáng kể năng lượng dự trữ, vì năng lượng dự

trữ tăng theo bình phương điện áp Trong hoạt

động thực tế, nó không thể dùng hết năng

lượng dự trữ bởi vì công suất rất thấp khi mức

SOC thấp (điện áp thấp) Vì vậy, một siêu tụ

thường được qui định một mức điện áp ngưỡng

dưới V Cb, dưới mức điện áp này siêu tụ sẽ

ngưng cấp năng lượng Kết quả là năng lượng

có giá trị sử dụng thấp hơn năng lượng nạp đầy

của nó, năng lượng nạp đầy được thể hiện như

Trong đó V CR là điện áp cực đại của siêu tụ

Tại điện áp ngưỡng của siêu tụ thì SOC được

viết như sau:

0.5 0.5

Cb Cb

CR CR

CV V SOC

CV V

Ví dụ; khi điện áp rơi đạt 40% điện áp cực đại

thì 64% tổng năng lượng có giá trị sử dụng,

minh họa trên Hình 7.13

7.2.4 Các công nghệ siêu tụ

Theo các mục tiêu được đề ra của tổ chức năng lượng của Hoa Kỳ cho các siêu tụ trên

EV và HEV, các chỉ số năng lượng riêng và công suất riêng gần đây lần lượt phải hơn 5 Wh/kg và 500 W/kg, trong khi các giá trị cải tiến phải hơn 15 Wh/kg và 1600 W/kg Vì vậy, không có bất kỳ siêu tụ nào thỏa mãn hoàn toàn được các mục tiêu trên Do đó, một vài công ty đã chủ động liên kết để nghiên cứu và phát triển các siêu tụ cho EV và HEV Các công nghệ Maxwell đã giới thiệu các siêu tụ công suất BOOSTCAP (2600 F tại mức điện

áp 2.5V) và các modul tích hợp (145 F tại mức điện áp 42V và 435 F tại mức điện áp 2.5V) đã được đi vào sản xuất Các sản phẩm công nghệ

được liệt kê trong Bảng 7.3

Điện áp (V), (giá trị cực đại) 2.5(2.8) 42(50)

Công suất riêng ở mức điện 4300 2900

Khối lượng (kg) 0.525 16 6.5

Nhiệt độ hoạt độnga (oC) -35 - +65-35 - +65 Nhiệt độ bảo quản (oC) -35 - +65-35 - +65

a

trong trường hợp nhiệt độ ổn định

7.3 BÁNH ĐÀ SIÊU TỐC

Sử dụng bánh đà để tích trữ năng lượng dưới dạng cơ học không phải là một khái niệm mới

mẻ Cách đây hơn 25 năm, công ty Oerlikon Engineering ở Switzerland đã chế tạo chiếc xe bus đầu tiên với giải pháp công suất bằng một bánh đà khối lượng Bánh đà này có khối lượng 1500 kg, hoạt động ở tốc độ 3000 rpm

và nạp điện lại ở mỗi trạm xe bus Các bánh đà truyền thống là một khối rotor với khối lượng lên đến hàng trăm kg và quay với tốc độ khoảng 700 rpm Ngược lại, các bánh đà cải tiến chỉ là các rotor nhẹ khoảng vài chục kg và

có thể quay với tốc độ 7000 rpm Chúng được gọi là bánh đà siêu tốc

Khái niệm bánh đà siêu tốc xuất hiện như một phương tiện thỏa mãn các yêu cầu nghiêm ngặt cho một thiết bị tích trữ năng lượng cho

EV và HEV, được biết đến như năng lượng riêng cao, công suất riêng cao, chu kỳ dài, hiệu suất năng lượng cao, nạp nhanh, không cần bảo dưỡng, giá thành phù hợp và thân thiện với môi trường

Bảng 7.4

Trong đó J f là mômen quán tính của bánh đà kgm2/s và ω f là vận tốc góc của bánh đà rad/s Phương trình (7.32) cho thấy rằng sự tăng vận tốc của bánh đà là cách tốt nhất để tăng khả năng năng lượng của nó và giảm khối lượng và thể tích bánh đà Hiện nay, tốc độ của bánh đà

đã đạt được hơn 60000 rpm trên một số mẫu bánh đà siêu tốc Với công nghệ này, thật khó

để sử dụng trực tiếp năng lượng cơ học tích trữ trong bánh đà để đẩy xe, do đó cần thiết có một hộp số vô cấp (CVT) với phạm vi tỉ số truyền rộng Một cách thông thường là nối một

máy điện trực tiếp với bánh đà hoặc thông qua một hộp số để tạo thành một ắc quy cơ khí Máy điện có chức năng như một đường vào hoặc đường ra năng lượng, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện năng hoặc

ngược lại, minh họa như Hình 7.14

Phương trình (7.35) cho thấy rằng năng lượng tích trữ trong bánh đà tỉ lệ với mômen quán tính của bánh đà và bình phương vận tốc của nó Một bánh đà khối lượng nhẹ được thiết

kế để đạt đến một chỉ số mômen quán tính trên một đơn vị khối lượng và một đơn vị thể tích

nào đó thông qua thiết kế hình dáng của bánh

đà Mômen quán tính của bánh đà có thể được

Trong đó ρ là mật độ khối lượng vật liệu và

W(r) là độ dày của bánh đà tương ừng với bán

kính r, minh họa trên Hình 7.15 Khối lượng

Do đó, mômen quán tính riêng của bánh đà

được định nghĩa là mômen quán tính trên một

đơn vị khối lượng, có thể được biểu diễn như

sau:

( )

2 1 2 1

3

R R

f R

R

W r r dr J

W r r dr

= ò

Phương trình (7.35) cho thấy rằng mômen

quán tính riêng của một bánh đà độc lập với

mật độ khối lượng của vật liệu và phụ thuộc

hoàn toàn vào cấu trúc hình học của nó W(r)

Với một bánh đà có độ dày bằng nhau thì

Mật độ khối của mômen quán tính được định

nghĩa là mômen quán tính trên một đơn vị thể

tích, thật sự nó tương ứng với mật độ khối

lượng của vật liệu thể tích của một bánh đà có

thể tính được:

Mật độ khối của mômen quán tính có thể được

biểu diễn như sau:

( )

2 1 2 1

3

R R

fV R

R

W r r dr J

W r r dr

r

Đối với một bánh đà có độ dày bằng nhau, mật

độ khối của mômen quán tính là:

2 1

fV

Phương trình (7.42) và (7.43) cho thấy rằng

với một vật liệu nặng có thể giảm thể tích của

bánh đà với một giá trị mômen quán tính cho

trước

7.3.2 Khả năng công suất của hệ thống

bánh đà

Công suất của một bánh đà thu được có thể

tìm được bằng cách vi phân phương trình

(7.35) theo thời gian:

Trong đó T f là mômen của máy điện tác dụng

lên bánh đà Khi bánh đà giải phóng năng

lượng của nó thì máy điện hoạt động như một máy phát và chuyển năng lượng cơ học của bánh đà thành năng lượng điện Mặt khác, khi bánh đà nạp, máy điện hoạt động như một motor điện và chuyển đổi điện năng thành năng lượng cơ học tích trữ ở bánh đà Phương trình (7.44) cho thấy rằng khả năng công suất của một bánh đà phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng công suất của máy điện

Một máy điện thường có các đặc tuyến như

Hình 7.16, nó có hai phạm vi hoạt động riêng

biệt – vùng mômen không đổi và công suất

không đổi Trong vùng mômen không đổi, điện

áp của máy điện tỉ lệ với vận tốc góc của bánh

đà và từ thông qua khe hở không khí là không

đổi Tuy nhiên, trong vùng công suất không

đổi, điện áp không đổi và từ trường yếu dần đi

cùng với sự tăng của vận tốc góc máy điện

Trong khi bánh đà nạp năng lượng, bánh đà