Mô hình hóa và điều khiển chế độ phóng nạp của siêu tụ điện ứng dụng cho ô tô điện

Tình hình và xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới và Việt Nam Việc sử dụng động cơ điện để phát động thay thế cho động cơ đốt trong trên xe điện đem lại rất nhiều ưu điểm cho v

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Mô hình hóa và điều khiển chế

độ phóng nạp của siêu tụ điện , ứng dụng cho ô tô điện” do tôi tự thực hiện dưới

sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh Để hoàn thành luận văn này,

tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Đức Thọ

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn tới Viện đào tạo sau đại học, Bộ môn Tự động hoá XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Tạ Cao Minh, người đã định

hướng và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn thạc sĩ này Cuối cùng tôi xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu và làm việc

Hà nội , ngày tháng năm 2014

Nguyễn Đức Thọ

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY SỬ DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 3

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển xe điện 3

1.2 Tình hình và xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới và Việt Nam 5

1.3 Ắc quy sử dụng trong ô tô điện 7

1.3.1 Định nghĩa ắc quy 7

1.3.2 Một số thông số cơ bản của ắc quy 8

1.3.3 Tổng quan các loại ắc quy thông dụng 10

1.4 Cấu tạo và các đặc tính phóng nạp ắc quy chì axit 12

1.4.1 Cấu tạo 12

1.4.2 Quá trình phóng nạp của ắc quy chì – axit 13

1.5 Phương pháp sạc cho ắc quy 18

1.5.1 Phương pháp sạc dòng không đổi 18

1.5.2 Phương pháp sạc áp không đổi 19

1.6 Phân tích mô hình của ắc quy chì axit 19

1.6.1 Các giả thiết đối với mô hình của ắc quy 20

1.6.2 Phương trình động học của ắc quy chì axit 21

1.6.3 Trạng thái nạp 22

1.6.4 Mô hình và kết quả mô phỏng ắc quy 23

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ ĐIỆN 25

2.1 Tổng quan về siêu tụ 25

2.1.1 Lịch sử phát triển 25

2.1.2 Nguyên lý cơ bản 26

2.1.3 Phân loại siêu tụ điện 28

2.1.4 Cơ chế lưu trữ năng lượng của tụ điện lớp kép EDLC 29

2.1.5 Giả điện dung – Pseudo capacitance 32

2.2 Mô hình hóa siêu tụ điện 34

2.2.1 Mạch tương đương phổ biến 34

2.2.2 Mô hình ba nhánh 36

2.2.3 Mô hình đường dây truyền tải 39

2.3 Mô phỏng mô hình siêu tụ điện 41

CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC – DC 45

3.1 Sử dụng siêu tụ trong ô tô điện 45

3.2 Mô hình hóa bộ biến đổi DC – DC hai chiều BUCK – BOOST 47

3.2.1 Phân tích mô hình bộ biến đổi BOOST 47

3.2.2 Phân tích mô hình bộ biến đổi BUCK 49

3.2.3 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC 50

3.3 Tính toán thông số mô phỏng bộ biến đổi DC – DC hai chiều 55

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC – DC 58

4.1 Mô tả hệ thống điều khiển 58

4.2 Thiết kế bộ điều khiển cho chế độ buck 59

4.2.1 Thiết kế vòng điều khiển dòng điện ở chế độ buck 60

4.2.2 Thiết kế vòng điều khiển điện áp bên ngoài cho chế độ buck 64

4.3 Thiết kế bộ điều khiển cho chế độ boost 66

4.3.1 Thiết kế vòng điều khiển dòng điện ở chế độ boost 66

4.3.2 Thiết kế vòng điều khiển điện áp bên ngoài ở chế độ boost 70

4.4 Phân tích điều khiển bộ biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào 71

4.4.1 Chế độ hoạt động Boost 71

4.4.2 Chế độ buck 74

4.5 Kết quả mô phỏng 75

4.5.1 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC – DC trong chế độ boost 75

4.5.2 Kết quả mô phỏng chế độ BUCK 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 - 1930 3

Hình 1.2 Một số mẫu xe điện giai đoạn từ 1930 – 1990 4

Hình 1.3 Một số mẫu xe điện hiện đại 6

Hình 1.4 Cấu tạo ắc quy 12

Hình 1.5 Phản ứng mô tả quá trình phóng điện trong ắc quy 13

Hình 1.6 Phản ứng mô tả quá trình nạp điện cho ắc quy 14

Hình 1.7 Phản ứng mô tả quá trình no trong ắc quy 15

Hình 1.8 Đặc tính phóng điện của một ngăn ắc quy 16

Hình 1.9 Đặc tính nạp ắc quy 17

Hình 1.10 Mạch tương đương của ắc quy 21

Hình 1.11 Mô hình ắc quy 23

Hình 1.12 Quá trình nạp xả ắc quy chì axit 23

Hình 1.13 Dung lượng ắc quy trong quá trình xả 24

Hình 2.1 Cấu trúc của một tụ điện thông thường 27

Hình 2.2 Phân loại siêu tụ điện 28

Hình 2.3 Mô hình lưu trữ năng lượng lớp kép 29

Hình 2.4 Sơ đồ tương ứng mô hình EDLC 32

Hình 2.5 Đặc tính dòng điện điện áp 33

Hình 2.6 Mạch tương đương phổ biến của EDLC 35

Hình 2.7 Mạch kiểm tra của Spyker để đo Rs 36

Hình 2.8 So sánh mô hình phổ biến và các dữ liệu thực 37

Hình 2.9 Mô hình ba nhánh 37

Hình 2.10 Mô tả điện cực xốp giống một đường truyền năm thành phần 40

Hình 2.11 Đáp ứng bước điện thế của mô hình đường truyền 40

Hình 2.12 Đáp ứng điện thế đối với đầu vào hình sin khi chiều sâu lỗ xốp thay đổi 41

Hình 2.13 Mô hình đường truyền có trở kháng phức tạp 41

Hình 2.14 Mạch tương đương phổ biến 42

Hình 2.15 Mô hình mô phỏng siêu tụ điện 43

Hình 2.16 Quá trình nạp siêu tụ điện 43

Hình 2.17 Quá trình xả siêu tụ điện 44

Hình 3.1 Cấu hình điều khiển hãm tái sinh dùng siêu tụ 46

Hình 3.2 Bộ biến đổi DC – DC kiểu BOOST 47

Hình 3.3 Tín hiệu điều khiển bộ biến đổi BOOST 48

Hình 3.4 Bộ biến đổi DC – DC kiểu BOOST 49

Hình 3.5 Tín hiệu điều khiển bộ biến đổi BUCK 50

Hình 3.6 Bộ biến đổi DC – DC hai chiều 51

Hình 3.7 (a) Hai trạng thái chế độ BUCK; (b) Chuỗi xung chuyển mạch ở chế độ BUCK 52

Hình 3.8 (a) Hai trạng thái ở chế độ BOOST; (b) Chuỗi xung chuyển mạch ở chế độ BOOST 54

Hình 3.9 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi DC – DC hai chiều 56

Hình 4.1 Mô hình đề suất điều khiển ô tô điện sử dụng siêu tụ và ắc quy 58

Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển bộ biến đổi DC –DC hai chiều 59

Hình 4.3 Chế độ buck của bộ biến đổi DC – DC hai chiều 60

Hình 4.4 Vòng điều khiển dòng điện 62

Hình 4.5 Mô hình mô phỏng mạch vòng dòng điện 63

Hình 4.6 Đáp ứng dòng điện chế độ buck 64

Hình 4.7 Vòng điều khiển bên trong và bên ngoài 64

Hình 4.8 Mô hình mô phỏng mạch vòng điện áp 65

Hình 4.9 Đáp ứng điện áp đầu ra ở chế độ buck 65

Hình 4.10 Chế độ boost của bộ biến đổi DC – DC hai chiều 66

Hình 4.11 Mô hình mô phỏng mạch vòng dòng điện 69

Hình 4.12 Đáp ứng dòng điện chế độ boost 69

Hình 4.13 Mô hình mô phỏng mạch vòng điện áp 70

Hình 4.14 Đáp ứng điện áp chế độ boost 70

Hình 4.15 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào 71

Hình 4.16 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào hoạt động trong chế

độ boost 71

Hình 4.17 Tính toán tỷ số chu kỳ hai van S 1A và S 2 A 72

Hình 4.18 Tính toán hệ số truyền 73

Hình 4.19 Chu kỳ chuyển mạch của chế độ boost 74

Hình 4.20 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào hoạt động trong chế độ buck 75

Hình 4.21 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi DC – DC hai chiều trong chế độ boost 76

Hình 4.22 Nguồn năng lượng một chiều 76

Hình 4.23 Điện áp đầu vào bộ biến đổi hai chiều DC – DC trong chế độ boost 77

Hình 4.24 Điện áp đầu ra bộ biến đổi hai chiều DC – DC trong chế độ boost 77

Hình 4.25 Dòng điện chảy qua cuộn cảm iL 78

Hình 4.26 Dòng điện chảy qua tải Iload 78

Hình 4.27 Dung lượng của ắc quy và siêu tụ trong chế độ boost 79

Hình 4.28 Mô hình mô phỏng bộ DC – DC hai chiều ở chế độ buck 80

Hình 4.29 Điện áp đầu ra ở chế độ Buck 80

Hình 4.30 Điện áp trên siêu tụ điện 81

Hình 4.31 Dung lượng của siêu tụ điện 81

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Ô tô điện ra đời và phát triển trên thế giới từ hàng trăm năm Từ đầu thế kỷ

19 ô tô chạy bằng nguồn năng lượng điện đã cạnh tranh tương đương với ô tô chạy bằng động cơ hơi nước Đến đầu thế kỷ 20 ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong do những nguyên nhân như nguồn dầu mỏ lớn giá thành hạ ,

về kỹ thuật công nghệ chế tạo động cơ đốt trong có những tiến bộ vượt bậc Tuy nhiên gần đây ô tô điện mới thực sự phát triển mạnh mẽ xuất phát từ nhu cầu giải quyết các vấn đề về cạn kiệt nguồn năng lượng, ô nhiễm môi trường do ô tô chạy bằng động cơ đốt trong gây ra

Nguồn năng lượng được coi là vấn đề lớn nhất trong ô tô điện, nó được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong cả giới hàn lâm và giới công nghiệp Khi ô tô điện trở thành một sản phẩm thương mại thì những vấn đề liên quan đến nguồn năng lượng cũng là mối quan tâm hàng đầu của người tiêu dùng Trước kia ô tô điện chỉ có thể đi với quãng đường ngắn và tốc độ chậm là do nguồn cấp cho nó có dung lượng nhỏ Nếu muốn đi xa hơn nữa thì nó cần phải có nhiều nguồn lớn hơn do đó khối lượng của xe cũng tăng lên ảnh hưởng đến sự làm việc và chi phí sản xuất Tụ điện là linh kiện có thể phóng hoặc nạp điện trong thời gian ngắn, tuy nhiên những người làm trong lĩnh vực điện và điện tử thường quen thuộc với những tụ điện có đơn vị pico , nano và micro Fara hẳn sẽ rất ngạc nhiên khi nghe nói đến những tụ điện có điện dung lên tới hàng nghìn Fara, tụ điện đó gọi là siêu tụ điện Vì có điện dung lớn tới hàng nghìn Fara nên siêu tụ tích trữ một lượng điện năng lớn, điều này cho phép siêu tụ có thể hoạt động như một nguồn chứa năng lượng cho ô tô điện Với những thành tựu đã thu được , ô tô điện có thể thay thế hoàn toàn ô tô chạy xăng dầu trong tương lại

Trong thời gian làm luận văn , được sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS

Tạ Cao Minh, tôi đã thực hiện đề tài “Mô hình hóa và điều khiển chế độ phóng

nạp của siêu tụ điện , ứng dụng cho ô tô điện ” Đây là đề tài mới, đề xuất các

phương án liên kết pin (ắc quy) với siêu tụ đồng thời tối ưu hóa nguồn năng lượng

đó để cấp cho ô tô trong quá trình tăng tốc, hoạt động bình thường và hãm tái sinh

Đề tài được hoàn thành do nỗ lực phấn đấu của bản thân , dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy PGS.TS Tạ Cao Minh Bên cạnh đó , sự góp ý của các thầy cô

bộ môn đã giúp đỡ tôi rất nhiều để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Tạ Cao Minh và các thầy cô trong bộ môn tự động hóa xí nghiệp đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Cấu trúc luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về ô tô điện và ắc quy sử dụng trong ô tô điện

Chương 2 Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ điện

Chương 3 Bộ biến đổi hai chiều DC –DC

Chương 4 Xây dựng hệ thống điều khiển bộ biến đổi hai chiều DC - DC

Mặc dù bản thân đã nỗ lực rất nhiều nhưng do thời gian và trình độ còn hạn chế đồng thời đây cũng là lĩnh vực khó , khối lượng kiến thức lớn nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Đức Thọ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY SỬ DỤNG

TRONG Ô TÔ ĐIỆN

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển xe điện

Hình 1.1 Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 - 1930

a- Wood’s Electric Phaeton (1902) b- Mẫu xe đua La Jamais Contente (1899)

Xe điện là loại phương tiện có lịch sử hình thành và phát triển tương đối lâu đời Sau khi những chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong được đưa vào sử dụng phổ biến ở các nước công nghiệp phát triển, đến những năm 30 của thế kỉ XIX, những chiễc xe điện đầu tiên do nhà khoa học người Scotland Robert Anderson phát minh mới xuất hiện Cũng trong khoảng thời gian đó, năm 1835 giáo sư Stratingh cùng trợ lý Christopher Becker cũng cho ra đời mẫu thiết kế xe điện cơ nhỏ Tuy nhiên những thiết kế ban đầu còn nhiều hạn chế so với xe chạy xăng như không đủ năng lượng để chạy quãng đường dài nên không thể sử dụng rộng rãi Phải tới năm 1865, sau thành công của Camille Faure trong việc nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng của pin thì những thiết kế này mới có thể thực hiện được những hành trình dài hơn

và mở ra tương lai cho lĩnh vực phát triển xe điện

Về ứng dụng thực tế, hai quốc gia Anh và Pháp là những nước tiên phong khi

đã bắt đầu ứng dụng xe điện vào hệ thống giao thông từ cuối thế kỉ XIX Trong khi

đó Bỉ cũng đã chế tạo thành công mẫu xe đua chạy điện đầu tiên “La Jamais Contente” vào năm 1899 bởi Cammelle Jénatzy với vận tốc tối đa lên đến 102km/h

Trong thời kỳ đầu cuối thế kỉ XIX, xe điện khá được ưa chuộng vì khắc phục được những nhược điểm như chạy rung, ồn, ô nhiễm và giá nguyên liệu hóa thạch còn đắt của các loại xe đương thời (xe chạy bằng động cơ đốt xăng hoặc động cơ hơi nước) Tuy nhiên, đến đầu thế kỉ XX, hàng loạt những sự kiện quan trọng đã đánh dấu sự lép vế hoàn toàn của xe điện so với xe chạy xăng (việc phát hiện dầu thô ở Texas giúp hạ nhiệt giá dầu thế giới, Henry Ford phát minh ra động cơ đốt trong giá rẻ, …) Cụ thể đến những năm 1920, chi phí cho mỗi chiếc xe điện lên đên 1750USD so với giá bán của một chiếc xe chạy xăng chỉ khoảng 650USD Điều này

đã dẫn đến sự biến mất hoàn toàn của xe điện trên thị trường

Đến thập niên 70, thế giới chứng kiến cuộc khủng hoảng năng lượng tồi tệ nhất trong lích sử cùng với những cảnh báo về những vấn đề ô nhiễm môi trường như ô nhiễm không khí, sự nóng lên của trái đất… Điều này thôi thúc các nhà sản xuất nghĩ đến việc quay trở lại với xe điện

Hình 1.2 Một số mẫu xe điện giai đoạn từ 1930 – 1990

a- Battronic (1971) b- Elcar (1975) Nhờ những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực truyền động và công nghệ pin, khả năng hoạt động của xe điện đã có những bước tiến rõ rệt Bên cạnh đó tính thời trang và gọn nhẹ cũng đã được các nhà sản xuất lưu tâm với nhiều mẫu mã sang

trọng, bắt mắt bên cạnh tính năng vận hành cao để có thể cạnh tranh với các loại xe

sử dụng động cơ đốt trong truyền thống

Công nghệ phát triển xe điện hiện nay vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện

và chứng kiến sự cạnh tranh khốc liệt giữa những nhà sản xuất Bên cạnh việc được coi là một trong những sản phẩm chiến lược của các hãng xe trong tương lai gần, xe điện cũng nhận được sự ủng hộ của chính phủ các quốc gia nhằm thay thế cho các loại phương tiện gây ô nhiễm hiện hành

1.2 Tình hình và xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới và Việt Nam

Việc sử dụng động cơ điện để phát động thay thế cho động cơ đốt trong trên

xe điện đem lại rất nhiều ưu điểm cho với các loại xe khác:

• Hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng

• Có thể điều khiển nhanh và chính xác mômen

• Bằng cách điều khiển độc lập bánh xe, có thể loại bỏ bộ truyền cơ khí, giảm bớt kích thước và trọng lượng xe

• Không phát sinh khí thải

• Chủ động nâng cao chất lượng chuyển động bằng cải tiến điều khiển động cơ,…

Nhờ đó, Xe điện có một vai trò vô cùng quan trọng như là loại phương tiện thay thế những xe sử dụng năng lượng hóa thạch gây ô nhiễm và khói bụi hiện nay

Nhận biết được xu hướng này, trên các hãng ô tô lớn trên thế giới đang ra sức cạnh tranh nhau với sự ra đời của hàng loạt những mẫu xe mới chất lượng cao, thiết kế sang trọng với giá thành hạ để thu hút người tiêu dùng

Phong trào chuyển sang sử dụng các mẫu “xe xanh” cũng nhận được sự ủng

hộ tại các quốc gia Tại Mỹ, quốc gia tiêu thụ ô tô nhiều nhất thế giới, tổng thống Obama đã phê duyệt dự án đầu tư 25 tỷ USD cho việc nghiên cứu và phát triển xe điện và các loại xe hybrid Số tiền này sẽ được đầu từ cho các viện nghiên cứu và cho các nhà sản xuất ô tô tiên phong trong lĩnh vực xe điện như GM, Ford, Nissan

và Tesla vay để phát triển và mở rộng sản xuất, hạ giá thành các loại xe tiết kiệm nhiên liệu

(a) (b)

Hình 1.3 Một số mẫu xe điện hiện đại

a- Nissan Leaf b- Chevrolet Volt 2011 c- Ford TH!NK d- Tesla Roadster 2010 Tại châu Âu, Pháp đã chi 550 triệu USD cho việc xây dựng và phát triển các phương tiện không cacbon năm 2008; còn chính phủ Tây Ban Nha tuyên bố rằng sẽ

có khoảng 1 triệu xe chạy điện trên đường năm 2014 bằng việc trợ giá từ 15-20% Gần đây nhất, thủ tướng Đức cũng vừa công bố tham vọng trở thành một trong những quốc gia đi đầu trong lĩnh vực sản xuất xe điện với những nhà sản xuất hàng đầu như Volkswagen, BMW và Mercedes-Benz

Trung Quốc - quốc gia đông dân nhất thế giới cũng đang có tham vọng phát triển ô tô điện, cụ thể như việc dành 1,5 tỷ USD đảm bảo cho việc đổi mới công

nghệ trong sản xuất “xe xanh” Chính quyền địa phương và các công ty taxi sẽ nhận được 8.800USD hỗ trợ nếu họ mua ô tô điện Vừa qua, hãng xe lớn nhất Trung Quốc Geely cũng đã bày tỏ tham vọng của mình thông qua màn ra mắt mẫu concept giá rẻ IG nhằm cạnh tranh với thế giới

Trong khi đó, tại Việt Nam, việc phát triển xe điện để giảm ô nhiễm môi trường cũng đã được đề cập từ khá lâu Tuy nhiên do còn nhiều khó khăn về công nghệ cũng như chưa nhận được sự quan tâm đầu tư đúng mức của chính phủ và ngành công nghiệp ô tô trong nước, nên xe điện Việt Nam vẫn chưa đạt được những thành tựu đáng kể Tại Hội chợ triển lãm cơ khí, điện, điện tử, luyện kim ngày tháng

03 năm 2004, những chiếc ô tô điện đầu tiên của Việt Nam đã được trưng bày và thu hút đông đảo người xem Rất nhiều ý kiến phản hồi về vấn đề này như cần phải kéo dài quãng đường chạy được trên một lần sạc, giảm thời gian sạc đầy…Rõ ràng

để làm được điều này cần phải có sự đầu tư đúng mức từ phía các cơ quan chức năng cũng như sự ủng hộ nhiệt tình của người dân

Hiện tại ở khu du lịch Sầm Sơn và trung tâm Hà Nội có khá nhiều xe điện được đưa vào sử dụng nhằm phục vụ khách du lịch Đây là loại xe được phát động bởi một động cơ một chiều, vô lăng điều khiển hướng và cần gạt hộp số để thay đổi tốc độ Đa phần những chiếc xe này tốc độ thấp và có nguồn gốc từ Trung Quốc

1.3 Ắc quy sử dụng trong ô tô điện

Trong ô tô điện, vấn đề dự trữ và quản lý dòng năng lượng luôn là vấn đề phức tạp, gây hạn chế các tính năng của xe Các nghiên cứu trên thế giới đặt ra mục tiêu đối với hệ thống nguồn là tăng khả năng lưu trữ năng lượng, giảm kích thước

và trọng lượng đồng thời phải có sự linh hoạt trong khả năng quản lý, phân phối và điều khiển dòng năng lượng cho các chế độ hoạt động của xe Trên thực tế, nguồn năng lượng là vấn đề được quan tâm hàng đầu, cũng là lĩnh vực được đầu tư lớn nhất trong những nghiên cứu về ô tô điện hiện nay Năng lượng trong ô tô điện chủ yếu được cung cấp bằng ắc quy

1.3.1 Định nghĩa ắc quy

Acquy là nguồn điện hóa, hoạt động trên cơ sở 2 điện cực có điện thế khác

nhau, dùng để tích trữ điện năng, cung cấp dòng một chiều cho các thiết bị dân dụng

và các thiết bị trong công nghiệp

Ắc quy bao gồm hai hay nhiều ngăn nối với nhau, mỗi ngăn có chức năng biến đổi hóa năng thành năng lượng điện Mỗi ngăn đó bao gồm các điện cực dương

và điện cực âm được đặt trong dung môi Phản ứng hóa hóa học giữa cực dương và cực âm với dung môi sẽ tạo ra năng lượng điện Trong quá trình sạc năng lượng điện sẽ phục hồi hóa năng trong ắc quy

Ắc quy chì – axit là loại ắc quy rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi tuy nhiên ngoài loại ắc quy đó ra cũng còn rất nhiều loại khác đang chứng tỏ những ưu việt của mình và được ứng dụng trong một số trường hợp cụ thể như Niken–sắt, Niken–Cadimi, Niken–hydrat kim loại, và nhiều loại khác

1.3.2 Một số thông số cơ bản của ắc quy

a Ngăn ắc quy

Ắc quy gồm nhiều ngăn nối với nhau để tạo ra điện áp mong muốn Mỗi ngăn ắc quy có một điện áp chuẩn cố định tùy thuộc loại ắc quy

b Dung lượng ắc quy

Dung lượng ắc quy là một thông số hết sức quan trọng Trong hệ SI thứ nguyên của dung lượng là Culong, tuy nhiên đơn vị này rất nhỏ để biểu diễn dung lượng ắc quy và lại không trực quan Vì vậy trong thực tế ta hay sử dụng loại đơn vị ampe giờ (Ah) để biểu diễn dung lượng ắc quy Khi đó một ắc quy có dung lượng

10 Ah tức nó có thể cung cấp dòng 1 A trong 10 h, hoặc dòng 2 A trong 5 h… Tuy nhiên thực tế sẽ có hơi khác một chút, với ắc quy 10 Ah nếu ta sử dòng 10 A thì ắc quy sẽ không duy trì được trong 1 h Nhưng nếu ắc quy xả với dòng rất nhỏ, chẳng hạn trong 20 h thì thậm chí dung lượng ắc quy còn có thể cao hơn 10 Ah Điều này diễn ra là vỉ những phản ứng không mong muốn trong ắc quy và một thời gian cần thiết để cân băng tỉ trọng của ắc quy

c Năng lượng dự trữ trong ắc quy

Ắc quy là thiết bị để dự trữ năng lượng Năng lượng dự trữ trong ắc quy phụ thuộc điện áp và dung lượng

E = V C (1.1)

d Năng lượng riêng

e Mật độ năng lượng

f Công suất riêng

Đó là công suất huy động được trên một đơn vị khối lượng ắc quy Đây là một thông số bất thường vì công suất huy động của ắc quy còn phụ thuộc vào tải tuy nhiên với mỗi loại ắc quy có một công suất huy động tối đa khác nhau và không thể làm việc dài hạn xung quanh chế độ này

lượng riêng rất tốt nhưng lại có công suất riêng nhỏ, điều này có nghĩa loại ắc quy này có thể dự trữ năng lượng lớn nhưng khả năng huy động công suất không cao Công suất riêng lớn thường kéo theo năng lượng riêng nhỏ

g Hiệu suất sạc

Lý tưởng hóa một ắc quy sẽ nhận và có thể trả toàn bộ dung lượng đưa tới

nó Tuy nhiên trong thực tế điều này không bao giờ xảy ra Hiệu suất luôn nhỏ hơn

100 % và tùy thuộc vào loại ắc quy, nhiệt độ và chế độ sạc Chẳng hạn khi sạc từ khoảng 20% tới 80 % dung lượng hiệu suất gần như 100 %, nhưng sau đó hiệu suất giảm rất nhanh

h Tốc độ tự xả của ắc quy

Khi ắc quy không sử dụng dung lượng ắc quy vẫn bị giảm dần, chế độ này gọi là sự tự xả ắc quy và tốc độ tự xả phụ thuộc vào một số thông số như loại ắc quy, nhiệt độ Nhiệt độ càng cao tốc độ tự xả càng nhanh

i Nhiệt độ hoạt động của ắc quy

Hầu hết các loại ắc quy hoạt động ở nhiệt độ môi trường, một số hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, một số cần đốt nóng khi khởi động rồi sau đó làm lạnh khi sử dụng Không những thế các loại ắc quy thường trở lên kém hoạt động ở nhiệt độ thấp Chính vì vậy lựa chọn ắc quy trong quá trình thiết kế là một việc khá cần thiết

j Tuổi thọ ắc quy và số lần có thể sạc lại

Hầu hết các loại ắc quy chỉ chịu đựng được khoảng vài trăm lần xả sâu (20% dung lượng) Con số chính xác còn phụ thuộc vào từng loại ắc quy và chế

Mỗi ngăn ắc quy chì axit có cực âm làm từ chì có hoạt tinh cao là chì xốp, trong khi đó cực dương được làm từ loại vật liệu hoạt tính của chì dioxit Hai bản cực này được đặt trong dung dịch điện phân axit sunphuric Chì và chì dioxit kết hợp với axit sunphuric tạo ra chì sunphat và nước Đó chính là phản ứng khi phóng điện

Ắc quy chì axit có ưu điểm rẻ tiền dễ chế tạo nên rất dễ mua và thay thế Hơn nữa loại ắc quy này lại có điện áp trên một ngăn lớn, điện trở trong nhỏ, tuổi thọ cao, rất phù hợp cho các ứng dụng phạm vi nhỏ (do năng lượng riêng của loại ắc quy này tương đối nhỏ)

b Ắc quy dùng kim loại Niken

Một loạt những sản phẩm ắc quy thương mại sử dụng Niken làm cực dương

đã được phát triển bởi Edison từ thế kỷ 19 Những loại ắc quy này bao gồm ắc quy Niken–sắt, Nike–kẽm, Niken–Cadimi và Niken–hydrat kim loại Ắc quy Niken-kẽm

có nhiều ưu điểm song do bị giới hạn về số lần phóng điện sâu nên không được phát triển Ắc quy niken sắt rất hiếm sản xuất và sử dụng nên tính ứng dụng cũng không cao Ta sẽ chỉ nói về hai loại ắc quy còn lại

Ắc quy Niken–Cadimi

Loại ắc quy này sử dụng Niken oxy hydroxit làm cực dương và kim loại Cadimi làm cực âm Phản ứng khi phóng điện

Cd + 2NiOOH + 2H2O ↔Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 (1.3) Loại ắc quy này có nhiều ưu điểm như khả năng huy động công suất lớn, tuổi

Nhược điểm của loại ắc quy này là điện áp trên một ngăn tương đối nhỏ so với ắc quy chì axit, giá thành của loại ắc quy này cao gấp khoảng 3 lần so với ắc quy chì – axit Mặt khác khi thay thế thải bỏ loại ắc quy này sẽ gây hai đến môi trường vỉ Cadimi là chất có hại cho môi trường và có khả năng gây ung thư

Ắc quy Niken–hydrat kim loại

Được đưa vào thương mại hóa vào những thập niên cuối thế kỷ 20 Loại ắc quy này có những ưu điểm giống như ắc quy Niken – Cadimi, chỉ khác cực âm của ngăn ắc quy sử dụng hydro hấp thụ trong hydrat kim loại Điều này dẫn đến chúng

ta không cần sử dụng Cadimi, một loại vật liệu có hại cho môi trường

Phản ứng phóng điện trong ắc quy như sau:

c Ắc quy kiềm

Vào khoảng những năm 1980, trên thị trường xuất hiện một loại ắc quy mới

là ắc quy kiềm Loại ắc quy này rất khác với các loại ắc quy trước đó vì nó hoạt động ở nhiệt độ cao Một điểm đặc biệt khác của loại ắc quy này là nó có thể sử dụng nhiều loại điện cực khác nhau từ kiềm nóng chảy và bản cực cứng từ gốm Vì

lý do hoạt động ở nhiệt độ cao và có không nhiều công ty cung cấp nên loại ắc quy này cũng không có khả năng ứng dụng trong công nghệ xe lăn

d Ắc quy Lithium

Vào cuối những năm 80, trên thị trường xuất hiện loại ắc quy Lithium có thể sạc lại Tuy có giá thành cao song nó có ưu điểm là có mật độ năng lượng lớn nên được ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết bị công nghệ cao, yêu cầu ắc quy có kích

thước nhỏ gọn như các laptop hay điện thoại di động

Loại ắc quy này sử dụng metan kim loại làm cực dương và oxit kim loại làm cực âm Phản ứng phóng điện:

xLi +MyOz ↔LixMyOz (1.5)

Khi sạc phản ứng sẽ diễn ra theo chiều ngược lại, phục hồi trạng thái ắc quy Tuy có rất nhiều ưu điểm song do giá thành tương đối cao, mặt khác thị trường lại chỉ phổ biến các loại ắc quy cỡ nhỏ, dung lượng thấp dùng trong các thiết

bị đắt tiền cầm tay hay trong các máy tính laptop nên loại ắc quy này cũng không phù hợp để cung cấp năng lượng cho xe lăn điện

1.4 Cấu tạo và các đặc tính phóng nạp ắc quy chì axit

1.4.1 Cấu tạo

Hình 1.4 Cấu tạo ắc quy

- Bình acquy được chia thành nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn Mỗi ngăn ac quy đơn cho điện áp đầu ra là 2V

- Vỏ bình acquy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite Phía trong vỏ bình

có các vách ngăn để tạo thành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một acquy đơn

- Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản cực

- Phần nắp của acquy để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và các vật khác từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bị tràn ra ngoài

chất và nước cất với nồng độ tùy thuộc vào thời tiết và điều kiện khí hậu Nồng độ axit có ảnh hưởng lớn đến suất điện động của ac quy

1.4.2 Quá trình phóng nạp của ắc quy chì – axit

a Quá trình phóng

Nối hai bản cực của acquy đã được nạp điện với một phụ tải thì năng lượng tích trữ trong ac quy sẽ phóng qua tải Dòng điện của ac quy sẽ đi theo chiều: Cực dương của acquy → tải → cực âm của acquy

Quá trình phóng điện của ac quy, phản ứng hoá học xảy ra trong ac quy như sau:

Quá trình này diễn ra trong ắc quy được mô tả như sau

Hình 1.5 Phản ứng mô tả quá trình phóng điện trong ắc quy

b Quá trình nạp

Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của acquy thì dòng điện một chiều được khép kín qua mạch acquy và dòng điện đi theo chiều: cực dương của

nguồn một chiều → cực dương của ắc quy → dung dịch điện phân → cực âm của acquy → cực âm của nguồn một chiều

Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân ly:

Kết quả là ở bản cực nối với dương nguồn điện có PbO2 (chì dioxit) và

ở chùm bản cực kia có chì Pb, như vậy ở hai chùm bản cực đã có sự khác nhau về cực tính.Quá trình này được mô tả như sau:

Hình 1.6 Phản ứng mô tả quá trình nạp điện cho ắc quy

c Các quá trình khác

Ngoài những phản ứng tạo ra năng lượng và nạp lại như đã mô tả ở trên, trong ắc quy chì axit còn diễn ra một số loại phản ứng khác dẫn đến hiện tượng tự phóng điện trong ắc quy Điều này xảy ra là vì hệ ắc quy chì axit là một hệ không bền và diễn ra những phản ứng dù rất chậm tại các bản cực

Một điểm cần lưu ý khác là tốc độ phóng điện diễn ra không hoàn toàn giống nhau ở mọi ngăn trong ắc quy Điều này có nghĩa là có những ngăn bị xả sâu hơn những ngăn khác Như vậy trong quá trình sạc để đảm bảo tất cả các ngăn trong ắc quy đều đầy thì một số ắc quy cần phải sạc quá no(over-charged) Khí được thoát ra

do nước bị điện phân khi trên các bản cực không còn chì sunphat để cho hay nhận electron Nó sảy ra khi ắc quy đã đầy hoặc gần đầy

Hình 1.7 Phản ứng mô tả quá trình no trong ắc quy Khi phản ứng trên diễn ra, làm cho nước trong ắc quy bị chuyển thành oxy

và hydro Đối với các ắc quy hở trước kia khí bị thoát ra và làm thất thoát nước của dung môi ắc quy và chúng ta cần có biện pháp để bổ sung nước trong quá trình sử dụng Tuy nhiên hiện nay với các ắc quy khô hoặc các ắc quy được đóng kín, khí thoát ra trong quá trình sạc được giữ lại trong ắc quy và dưới những điều kiện nào

đó nó sẽ được tái tạo trở lại thành nước Mặc dù vậy ta cũng cần hạn chế tốc độ khí thoát ra trong khi sử dụng

Như vậy ắc quy kín đã khắc phục được một nhược điểm lớn của ắc quy chì axit và giúp ắc quy chì axit có tuổi thọ cao hơn Tuy nhiên vẫn còn một vấn đề tồn tại ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy Đó là hiện tượng sunfat hóa diễn ra khi ắc quy phóng điện trong thời gian dài hay để quá lâu mà không phóng hay nạp lại Như ta thấy phản ứng sinh năng lượng trong ắc quy, hay phản ứng tự xảy ra tại các bản cực khi 2 đầu ắc quy để hở tạo ra chì sunfat trên các bản cực Các tinh thể chì sunfat này kết hợp với nhau thành nhưng lớp đóng trên bề mặt các bản cực, ngăn cản sự tiếp xúc của các bản cực với dung môi Hơn nữa những lớp tinh thể này lại rất khó để biến đổi trở lại thành chì hay chì dioxit

d Đặc tính phóng điện của ắc quy

Đặc tính phóng điện của ắc quy là đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa suất điện động ắc quy, điện áp trên 2 cực của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng với dòng điện phóng không đổi

Hình 1.8 Đặc tính phóng điện của một ngăn ắc quy

Trong thời gian phóng điện ổn định, suất điện động, điện áp và nồng độ dung dịch chất điện phân giảm với độ dốc nhỏ

- Thời gian sau t = tgh : khoảng nghỉ

Trong khoảng thời gian này, nếu tiếp tục cho acquy phóng điện thì suất điện động và điện áp acquy giảm rất nhanh Đồng thời trong quá trình này xảy ra các biến đổi hóa học bên trong dung dịch chất điện phân làm hại acquy Nếu ngắt ac quy ra khỏi mạch, các giá trị E, U tăng lên Đây chính là giai đoạn phuc hồi của acquy

e Đặc tính nạp điện ắc quy

Đặc tính nạp điện của Ac quy là đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa suất điện động Ac quy, điện áp trên 2 cực của Ac quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp với dòng điện nạp không đổi

Hình 1.9 Đặc tính nạp ắc quy

Trong thời gian nạp điện ổn định, suất điện động, điện áp và nồng độ dung dịch chất điện phân tăng dần

Tại thời điểm này, các bọt khí xuất hiện trên mặt các bản cực do hiện tượng điện phân nước trong quá trình nạp Lúc này suất điện động trên mỗi ngăn acquy vào khoảng 2.4 V

- Sau thời điểm t = ts : Thời gian nạp no

Suất điện động tăng nhanh tới giá trị 2.7V sau đó ổn định ở giá trị này Thời gian nạp no thường kéo dài trong khoảng 2-3h để tăng dung lượng cho acquy

- Sau thời gian nạp no : Khoảng nghỉ

Suất điện động của acquy giảm xuống tới giá trị ổn định, khoảng 2.11V Đồng thời nồng độ dung dịch chất điện phân cũng giảm xuống giá trị ổn định

- Trị số dòng nạp ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ của Acquy

1.5 Phương pháp sạc cho ắc quy

1.5.1 Phương pháp sạc dòng không đổi

Đây là phương pháp sạc ắc quy mà trong quá trình sạc ta giữ ổn định dòng nạp ở 1 giá trị không đổi

Điều kiện sạc : các ắc quy mắc nối tiếp nhau và thỏa mãn :

2.7

Phải có biến trở R để duy trì dòng sạc không đổi, do trong quá trình sạc suất điện động của acquy thay đổi

Có thể sạc theo 2 mức để giảm thời gian nạp Lúc đầu nạp với dòng khoảng

Nhận xét :

Ưu điểm : Nạp no ac quy, đảm bảo tuổi thọ acquy

Nhược điểm : Thời gian nạp kéo dài

1.5.2 Phương pháp sạc áp không đổi

Đây là phương pháp sạc trong đó ta giữ điện áp 2 đầu ắc quy không đổi trong suốt quá trình sạc

Điều kiện sạc: các acquy đơn mắc song song với nhau, hiệu điện thế trên mỗi ngăn không đổi khoảng (2.3-2.5)V với sai số 3%

Dòng điện sạc thay đổi, lúc đầu dòng khá lớn sau đó giảm dần :

Ưu điểm : Nạp nhanh

Nhược điểm : Nạp không no, thường chỉ dùng để nạp bổ sung

Phương pháp sạc theo dòng áp khắc phục được các nhược điểm của 2 phương pháp trên, chế độ nạp bám theo đường đặc tính có tác dụng nạp no, thời gian nạp ngắn Tuy nhiên vẫn chưa phải là phương pháp tối ưu cho việc nạp ắc quy chì axit

1.6 Phân tích mô hình của ắc quy chì axit

Ắc quy được sử dụng trong phân tích này là ắc quy chì axit 12V được cung cấp bởi hãng Sonnenshein Thông số của ắc quy được đề xuất ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Thông số của ắc quy

Parameter Symbol Value

Đối với mô hình của ắc quy có nhiều thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của

ắc quy, nhưng quan trọng nhất là các hệ số sau

- Trạng thái nạp SOC

- Dung lượng lưu trữ của ắc quy

- Tốc độ nạp/xả

- Nhiệt độ

- Tuổi thộ của ắc quy

1.6.1 Các giả thiết đối với mô hình của ắc quy

Để đơn giản trong việc mô hình hóa ắc quy các giả thiết sau được đưa ra

- Trở kháng nội được giả thiết là không đổi trong suốt quá trình nạp/xả và không thay đổi theo biên độ của dòng điện

- Các thông số được suy ra từ đặc tính xả và được giả sử là giống với các thông số được suy ra từ đặc tính nạp

- Dung lượng ắc quy không thay đổi theo biên độ của dòng điện

- Mô hình không đưa ra được nhiệt độ cũng như tuổi thọ của ắc quy

Mô hình của một ắc quy chì axit sẽ được thành lập trên Matlab/Simulink Mạch tương đương của ắc quy được trình bày như hình 1.10

Hình 1.10 Mạch tương đương của ắc quy Việc kiểm soát được thực hiện bằng cách đo dòng điện chảy qua điện trở nội Dòng điện này được lọc để đo được giá trị trung bình Khả năng chiết suất của

ắc quy được tính toán bằng cách tích phân dòng điện đo được Vì vậy để thực hiện việc kiểm soát thì các biến thu được được đưa đến hai phương trình động học khác nhau để kiểm soát điện áp đầu ra của ắc quy Một mạch chuyển đổi để lựa chọn phương trình cần thiết cho mô hình hoạt động của ắc quy đối với quá trình nạp xả của chúng

1.6.2 Phương trình động học của ắc quy chì axit

Các phương trình động học dưới đây được đề xuất sử dụng để mô hình hóa

Mặt khác khi ắc quy ở trong chế độ xả thì dòng điện nạp mang giá trị âm *

K là điện trở phân cực (Ohms)

Q là dung lượng cực đại của ắc quy (Ah)

( )

*

it là dung lượng phát ra (Ah)

năng lượng mà chúng được nạp đầy SOC định nghĩa năng lượng đầy là 100% còn không có năng lượng là 0% Để tính toán được trạng thái nạp SOC thì phương trình (1.22) được đưa ra

100 1

t

i t dt SOC

1.6.4 Mô hình và kết quả mô phỏng ắc quy

Dựa vào các phương trình được thành lập ở trên, mô hình của một ắc quy chì – axit được mô phỏng trên Matlab/Simulink như hình 1.11

Hình 1.11 Mô hình ắc quy Kết quả mô phỏng quá trình nạp xả của ắc quy chì axit được đưa ra ở hình 1.12

Hình 1.12 Quá trình nạp xả ắc quy chì axit

Dung lượng của ắc quy trong quá trình xả được đưa ra ở hình 1.13

Hình 1.13 Dung lượng ắc quy trong quá trình xả

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ ĐIỆN

Biến đổi khí hậu và các hạn chế về nhiên liệu hóa thạch đã ảnh hưởng rất nhiều đến kinh tế thế giới và sinh thái Cùng với một thị trường đang phát triển nhanh cho các thiết bị điện tử di động và xe điện, nhu cầu về một nguồn năng lượng cao thân thiện với môi trường Siêu tụ điện đã thu hút được sự chú ý đáng kể là nguồn cung cấp cho các thiết bị xung điện vì siêu tụ điện có vòng đời dài, nguyên lý đơn giản, động học cao đối với quá trình nạp xả Với khả năng lưu trữ công suất cao

và mật độ công suất tương đối lớn so với các tụ điện thông thường, các siêu tụ điện cung cấp một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng của hệ thống lưu trữ năng lượng trong thế kỷ 21 Hiện nay các siêu tụ điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết điện tử tiêu dùng, bộ nhớ hệ thống back – up

và điện công nghiệp, quản lý năng lượng Một ứng dụng gần đây nhất là việc sử dụng các siêu tụ điện trong cửa khẩn cấp trên máy bay Airbus A380, làm nổi bật hiệu suất an toàn và đáng tin cậy của máy bay Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất là ứng dụng siêu tụ điện trong các xe điện và xe điện lai nhằm giảm lượng khí thải Trong trường hợp này, các siêu tụ điện được kết hợp với các ắc quy hoặc pin năng lượng lớn phục vụ như một thiết bị lưu trữ năng lượng công suất lớn trong thời gian ngắn khi xảy ra quá trình phanh, hãm Siêu tụ điện trong tương lai sẽ có một vai trò quan trọng tương đương với hệ thống pin trong việc lưu trữ năng lượng

2.1 Tổng quan về siêu tụ

2.1.1 Lịch sử phát triển

Việc lưu trữ năng lượng bằng tấm kim loại và dung dịch điện phân đã được thực hiện bởi các nhà hóa học từ đầu thế kỷ XIX Tuy nhiên việc sử dụng tụ điện chỉ thực sự được sử dụng để lưu trữ năng lượng từ năm 1957, khi một bằng sáng chế được đưa ra bởi hãng General Electric cho một tụ điện sử dụng các điện cực cacbon xốp Tuy thừa nhận bằng sáng chế, nhưng người ta không biết rõ được cơ chế mà thiết bị này lưu trữ năng lượng, người ta tin rằng năng lượng đã được lưu trữ

ở các lỗ mạng tinh thể cacbon và điều này giúp cho tụ điện có một điện dung cực kỳ cao Sau đó, vào năm 1966, công ty Standard Oil, Cleveland, Ohio (SOHIO), đã cấp bằng sáng chế cho một thiết bị năng lượng giao diện lớp kép Tại thời điểm này SOHIO thừa nhận rằng giao diện của lớp kép hoạt động như một tụ điện có điện dung tương đối cao SOHIO tiếp tục cấp một bằng sáng chế cho tụ điện hình đĩa vào năm 1970 sử dụng một thanh cacbon dán ngâm vào một chất điện phân Tuy nhiên vào năm 1971, SOHIO đã phát triển thành công công nghệ NEC NEC đã đi vào sản xuất thương mại đầu tiên thành công với tụ lớp kép hay còn được gọi là siêu tụ Các thiết bị này có điện áp thấp và trở kháng nội cao lên chủ yếu sử dụng trong việc sao lưu dữ liệu Vào năm 1987 ELNA đã bắt đầu sản xuất tụ lớp kép mang tên Dynacap Các tụ lớp kép công suất lớn được phát triển bởi PRI Các siêu tụ PRI được phát triển từ những năm 1982 kết hợp với các điện cực kim loại oxit và được ứng dụng cho các thiết bị quân sự như vũ khí laze và hệ thống dẫn hướng của tên lửa Mới đây siêu tụ điện được bộ năng lượng Mỹ (DOE) nghiên cứu sử dụng cho

xe điện lai, vào năm 1992 chương trình phát triển siêu tụ điện đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm Maxwell

2.1.2 Nguyên lý cơ bản

Siêu tụ điện được coi là thiết bị lưu trữ năng lượng dựa trên hiểu biết về các quá trình vật lý diễn ra trên bề mặt các điện cực Tụ điện hóa hoạt động tương tự như tụ điện thông thường ngoại trừ một lớp điện phân luôn tồn tại ở lớp kép Một tụ thông thường lưu trữ năng lượng dưới dạng điện tích và một tụ điện thông thường điển hình gồm hai bản dẫn cách nhau bởi chất điện môi được thể hiện như hình 2.1

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi Khi có chêch lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ nhưng trái dấu

Sự tích tụ điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện Khi chêch lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều,

sự tích lũy điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo lên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc quy Mặc dù cách hoạt động của chúng hoàn toàn khác nhau nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện Ắc quy có hai cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron

ở cực này và chuyển sang cực kia Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo electron, nó chỉ lưu trữ chúng Tụ điện có khả năng nạp xả rất nhanh Đây là ưu thế của nó so với ắc quy

Hình 2.1 Cấu trúc của một tụ điện thông thường Điện dung là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng tích điện giữa hai bản tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực

 là hằng số điện môi của lớp cách điện

W là năng lượng lưu trữ

2.1.3 Phân loại siêu tụ điện

Nói chung trên cơ sở cơ chế lưu trữ năng lượng, siêu tụ điện có thể phân thành hai loại Thứ nhất là loại tụ điện lớp kép EDLC, ở đó thành phần điện dung được xuất phát từ điện tích tích điện thuần túy từ các bề mặt điện/điện do đó nó phụ thuộc rất nhiều vào diện tích bề mặt của vật liệu điện cực lưu giữ điện tích Thứ hai

là loại giả tụ điện (pseudo – capacitor) trong đó các quá trình cảm ứng điện diễn ra nhanh và cơ chế phục hồi Hai cơ chế có thể hoạt động đồng thời tùy theo tính chất của vật liệu điện cực Tiến độ phát triển của siêu tụ được thừa hưởng bởi công nghệ nano Hình 2.2 trình bày cách phân loại siêu tụ điện

Hình 2.2 Phân loại siêu tụ điện

2.1.4 Cơ chế lưu trữ năng lượng của tụ điện lớp kép EDLC

Tụ điện thông thường lưu trữ được ít năng lượng do khu vực lưu trữ hạn chế

và khoảng cách giới hạn giữa hai tấm sạc Tuy nhiên, các siêu tụ điện dựa trên cơ chế EDL có thể lưu trữ được nhiều năng lượng hơn do bề mặt lưu trữ rộng lớn và khoảng cách giữa hai tấm sạc có kích cỡ nguyên tử Khái niệm về EDL được mô tả đầu tiên bởi Von Helmholtz vào thế kỷ 19, khi ông nghiên cứu về sự phân bố các vị trí lưu trữ điện tích trên các hạt keo Mô hình trạng thái lớp kép Helmholtz có hai lớp vị trí lưu trữ ở bề mặt điện/điện và được ngăn cách bởi khoảng cách nguyên tử

Mô hình này tương tự như tụ điện có hai tấm dẫn thông thường Mô hình Helmholtz đơn giản hơn nữa được sửa đổi bởi Gouy và Chapman, xem xét các phân bố liên tục của các ion điện phân (bao gồm cả cation và anion) trong dung dịch điện phân, do chuyển động nhiệt được gọi là lớp khuyếch tán

Hình 2.3 Mô hình lưu trữ năng lượng lớp kép a) Mô hình Helmholtz;

b) Mô hình Gouy – Chapman; c) Mô hình Stern

IHP định nghĩa khoảng cách mà ion chắc chắn bị hấp thụ (thường là anion)

và OHP định nghĩa khoảng cách mà các ion không chắc chắn bị hấp thụ OHP cũng

là nơi mà lớp khuyếch tán bắt đầu, d là khoảng cách giữa hai lớp được mô tả bởi mô

ứng Tuy nhiên mô hình Gouy – Chapman dẫn ra một kết quả điện dung quá lớn đối với mô hình EDL Điện dung của hai bản tụ tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng, do vậy một điện dung rất lớn sẽ được tạo ra khi các điểm lưu trữ ion ở gần

bề mặt điện Sau đó, Stern kết hợp mô hình Helmholtz với mô hình Gouy – Chapman để đưa ra hai khu vực phân phối ion rõ ràng bên trong lớp đặc hay lớp Stern và lớp khuyếch tán Trong lớp đặc ion được hấp thụ mạnh mẽ lên được gọi là lớp đặc Ngoài ra lớp đặc bao gồm lớp chắc chắn hấp thụ ion và lớp không chắc chắn hấp thụ ion Mặt bên trong Helmholtz (IHP) và mặt bên ngoài Helmholtz (OHP) được sử dụng để phân biệt hai loại ion hấp thụ Khu vực khuyếch tán cũng giống như những gì mô hình Gouy – Chapman đã định nghĩa Điện dung trong EDL

biểu diễn như sau