CHƯƠNG 7 TÍCH CHỮ NĂNG LƯỢNG, ĐH CÔNG NGHỆ GTVT

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, Ecap được thể hiện như
sau:
1
E = CV
(7.22)
2
2

cap

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 2.33.3 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 2.52
5 µF/cm .

2

Thậm chí với giá trị một vài µF/cm 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
2
700-3000 m /g. Với diện tích bề mặt đó, các
ion được hấp thụ và kết quả dẫn đến tạo ra 50
2
2
2
2
F/g (700 m /g ×5 F/cm ×7000 cm /m =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 VC), điện trở nối tiếp RS, và điện trở
rò của dung môi RL, 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:
V = V - iR
(7.23)
t

C

s


Điện thế của tụ có thể được thể hiện như sau:
dV
æi+i ö
= -ç
(7.24)
÷
dt
è C ø
C

L

Trong đó C là điện dung của siêu tụ. Mặt khác,
dòng điện rò iL có thể được biểu diễn như sau:
V
i =
(7.25)
R
C

L

L

Thay (7.25) vào (7.24), ta thu được:
dVC
V
i
=- c dt
CRL C

(7.26)


Điện áp cực của siêu tụ được thể hiện bởi đồ
thị như Hình 7.7. Giải phương trình vi phân
(7.26) thu được:
i
é
ù
(7.27)
V = êV ò e

dt ú e
C
ë
û
t

C

t / CRL

t / CRL

C0 0

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:
Phóng điện:
Vt I t (VC - I t RS ) I t
hd =
=
VC I C
VC ( I t + I L )

(7.28)

VC ( I t - I L )
VC I C
hc =
=
Vt I t (VC + I t RS ) I t

(7.29)

Nạp điện:


Trong đó Vt là điện áp cực và It là dòng điện
vào hoặc ra từ cực. Trong hoạt động thực tế,
dòng rò IL 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:
Phóng điện:
hd =

VC - RS I t Vt

=
VC
VC

(7.30)

hc =

VC
V
= C
VC + RS I t Vt

(7.31)

Nạp điện:


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
E = ò V I dt = ò CV dV = CV
(7.32)
2
u

t

C

0

C C

0

C

C

2
C

Trong đó VC 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 VCb, 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
sau:
1
E = C (V - V )
(7.33)
2
u

2
CR

2
Cb