Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương V: Tích trữ năng lượng (Phần 1) - Nguyễn Quang Nam

giai đoạn 2 xảy ra một 
cách tự nhiên khi ắc-quy đạt giới hạn điện áp. Dòng điện sẽ
giảm xuống khi ắc-quy bắt đầu bão hòa, và ắc-quy đầy khi 
dòng điện còn bằng 3% dòng điện danh định.

 Điện áp của một ngăn khi đầy là 2,3 đến 2,45 V.
16Bài giảng 10
Nạp điện cho ắc-quy chì-axit

 Khi đã nạp đầy, ắc-quy không nên được đặt điện áp nạp bổ
sung quá 48 giờ, mà phải giảm xuống mức điện áp nạp thả
nổi, đặc biệt cho các hệ kín khí.

 Ắc-quy chì-axit phải luôn luôn được lưu trữ ở trạng thái được 
nạp, và phải nạp bổ sung mỗi 6 tháng để điện áp của ngăn 
không giảm xuống dưới 2,1 V.

 Việc đo điện áp hở mạch khi ắc-quy đã được nghỉ vài giờ sẽ
cung cấp thông tin đáng tin cậy về trạng thái điện tích (SOC) 
của ắc-quy. Chú ý sự phụ thuộc của điện áp vào nhiệt độ
(nhiệt độ tăng thì điện áp cũng tăng).
17Bài giảng 10
Ắc-quy lithium

 Lithium là kim loại nhẹ nhất, có thế điện hóa lớn nhất và
cung cấp suất năng lượng lớn nhất.

 Sự không ổn định của kim loại lithium trong các pin/ắc-quy 
thứ cấp gốc lithium đầu tiên đã dẫn đến việc sử dụng ion 
lithitum.

 Suất năng lượng của Li-ion gấp đôi của NiCd, nhờ vào điện 
thế danh định của cell là 3,6 V so với 1,2 V của thiết bị gốc 
niken.

 Đặc tính phóng điện dạng nằm ngang cho phép tận dụng 
hiệu quả năng lượng lưu trữ trong pin/ắc-quy.
18Bài giảng 10
Ắc-quy lithium-ion

 Chi phí sản xuất pin/ắc-quy Li-ion giảm mạnh sau 2 thập kỷ, 
trong khi dung lượng lại tăng lên vài lần, kết hợp với sự gia 
tăng suất năng lượng và sự vắng mặt của các vật liệu độc 
hại đã dọn đường cho Li-ion trở thành pin/ắc-quy được chấp 
nhận rộng rãi trong các ứng dụng xách tay.

 Li-ion ít cần bảo dưỡng, không có hiệu ứng nhớ và không 
cần phóng điện hoàn toàn để duy trì dung lượng.

 Điện áp danh định 3,6 V rất phù hợp cho các điện thoại và
camera, giúp đơn giản hóa và giảm chi phí.

 Nhược điểm là cần có mạch bảo vệ và giá thành còn cao.
19Bài giảng 10
Ắc-quy lithium-ion

 Mặc dù đều dùng ion lithium, có nhiều loại pin/ắc-quy lithium-
ion, do chúng dùng vật liệu làm cathode khác nhau.

 Cathode có thể được chế tạo từ Lithium Cobalt Oxide, 
Lithium Manganese Oxide, Lithium Iron Phosphate, Lithium 
Nickel Manganese Cobalt (NMC) và Lithium Nickel Cobalt 
Aluminum Oxide (NCA).

 Trong những năm gần đây, hầu hết các nhà sản xuất đều 
dùng than chì làm anode, thay cho than cốc, để đạt được 
đặc tính phóng điện nằm ngang hơn.
20Bài giảng 10
Ắc-quy lithium-ion
10C35C continuous10C, 40C pulse1CSpecific power
140-180Wh/kg90–120Wh/kg100–135Wh/kg150–190Wh/kgSpecific energy
GoodGoodAverageAverageOperating temperature
1,000–2,0001,000–2,000500–1,000500–1,000Cycle life
4.20V3.60V4.20V4.20VCharge limit
3.60/3.70V3.30V3.80V3.60VVoltage
NMC
LiNiMnCoO2
Li-phosphate
LiFePO4 (LFP)
Li-manganese
LiMn2O4 (LMO)
Li-cobalt
LiCoO2 (LCO)Specifications
21Bài giảng 10
Nạp điện ắc-quy lithium-ion

 Bộ nạp điện cho ắc-quy Li-ion là một thiết bị giới hạn điện áp 
tương tự như với ắc-quy chì-axit. Sự khác biệt ở đây là điện 
áp ngăn cao hơn, dung sai điện áp chặt hơn, và không có 
giai đoạn nạp thả nổi.

 Hầu hết các ngăn ắc-quy Li-ion nạp đến điện áp 4,2 V với 
dung sai ±50 mV.

 Nạp đến điện áp cao hơn có thể tăng dung lượng, nhưng 
làm ôxy hóa ngăn dẫn đến giảm tuổi thọ.

 Quan trọng hơn là điện áp ngăn quá cao ảnh hưởng đến độ
an toàn của ắc-quy.
22Bài giảng 10
Nạp điện ắc-quy lithium-ion

 Ắc-quy Li-ion xem
nạp đầy khi dòng
điện giảm xuống
một mức đã định
trước, hoặc không
thể giảm nữa.

 Một số bộ sạc có
chế độ nạp bổ sung
khi điện áp ngăn
còn 4,05 V.
23Bài giảng 10
Nạp điện ắc-quy lithium-ion

 Tốc độ nạp điển hình của ắc-quy Li-ion là trong khoảng 0,5C 
và 1C ở giai đoạn 1, và thời gian nạp là khoảng 3 giờ.

 Một số nhà sản xuất đề nghị nạp các pin 18650 ở tốc độ từ
0,8C trở xuống.

 Hiệu suất nạp trong khoảng 97 đến 99% và ắc-quy vẫn mát 
trong quá trình nạp.

 Giá trị dòng điện nạp không ảnh hưởng lắm đến điện lượng 
khi nạp đầy của ắc-quy. Mặc dù ắc-quy đạt điện áp đỉnh 
nhanh hơn khi nạp nhanh, giai đoạn nạp bão hòa sẽ kéo dài 
lâu hơn.
24Bài giảng 10
Nạp điện ắc-quy lithium-ion

 Ắc-quy Li-ion không cần phải nạp đầy như ắc-quy chì-axit. 
Thực tế, việc không nạp đầy sẽ tốt hơn, vì giảm được điện 
áp đặt vào ắc-quy.

 Chọn ngưỡng điện áp thấp hơn, hay loại bỏ giai đoạn nạp 
bão hòa, sẽ kéo dài tuổi thọ của ắc-quy nhưng giảm thời 
gian làm việc.

 Bảng số liệu ở slide tiếp theo minh họa lượng điện tích trong 
ắc-quy khi nạp đến các ngưỡng điện áp khác nhau, khi có và
không có giai đoạn nạp bão hòa.
25Bài giảng 10
Nạp điện ắc-quy lithium-ion


65%
76%
82%
87%
100%
120 min
135 min
150 min
165 min
180 min
60%
70%
75%
80%
85%
3.80
3.90
4.00
4.10
4.20
Capacity with 
full saturation
Charge 
time
Capacity at
cut-off voltage
Charge 
V/cell
26Bài giảng 10
Nạp điện ắc-quy lithium-ion

 Việc dựa vào điện áp nạp để ước lượng điện tích bên trong 
ắc-quy Li-ion là không thực tế. Cần phải dựa vào điện áp hở
mạch (sau khi ắc-quy đã nghỉ vài giờ) để ước tính SOC.

 Ắc-quy Li-ion không thể được nạp điện quá mức, mà phải 
ngắt điện khi ắc-quy đã đầy. Điện áp hở mạch sẽ bằng 3,6 
đến 3,9 V/ngăn sau khi đã nghỉ đủ lâu.

 Một số bộ nạp sử dụng chế độ nạp bổ sung khi ắc-quy được 
nối thường trực với bộ nạp, nếu điện áp của ngăn giảm 
xuống còn 4,05 V.

 Khi nạp điện cho pin Li-ion trong các thiết bị xách tay thì phải 
tắt thiết bị, để ngưỡng điện áp không bị ảnh hưởng.
27Bài giảng 10
Nạp điện ắc-quy lithium-ion

 Ắc-quy Li-ion sẽ mất ổn định khi bị nạp điện quá mức, vì sự
hình thành của kim loại lithium trên anode, và phát sinh CO2
ở cathode.

 Khi áp suất tăng cao, một màng an toàn sẽ bị phá hủy và
pin/ắc-quy có thể phát hỏa.

 Ngưỡng gia nhiệt mất kiểm soát bị hạ thấp khi ắc-quy được 
nạp đầy, và nằm trong khoảng 130 – 150 °C (Li-cobalt), 170 
– 180 °C (NMC) và 250 °C (Li-manganese).

 Mọi hệ thống ắc-quy đòi hỏi phải thiết kế bộ nạp điện một 
cách chính xác.
28Bài giảng 10
Lithium-ion burnout
29Bài giảng 10
Lithium-polymer overcharging
30Bài giảng 10
Siêu tụ điện

 Siêu tụ điện khác với tụ điện thông thường ở chỗ nó có điện 
dung rất lớn.

 Tụ điện tĩnh dùng điện
môi khô, điện dung đạt
vài µF.

 Tụ điện giải dùng điện
môi ướt, điện dung đạt
vài chục mF.

 Siêu tụ điện có điện dung
tính bằng F, dùng để lưu
trữ năng lượng.
31Bài giảng 10
Siêu tụ điện

 Siêu tụ điện được phát triển đầu tiên vào năm 1957, nhưng 
chỉ đến những năm 1990 mới được thương mại hóa nhờ
những tiến bộ trong công nghệ vật liệu và sản xuất.

 Siêu tụ điện hiện nay không phải là ắc-quy nhưng vay mượn 
công nghệ từ ắc-quy.

 Siêu tụ điện bị giới hạn ở điện áp 2,5 – 2,7 V. Để đạt điện áp 
cao hơn, các siêu tụ điện được mắc nối tiếp với nhau.

 Điện dung tổng của tụ điện do đó bị giảm, và sẽ cần cân 
bằng điện áp nếu có nhiều hơn 3 tụ điện được mắc nối tiếp 
với nhau.
32Bài giảng 10
Siêu tụ điện

 Suất năng lượng của siêu tụ điện chỉ trong khoảng 1 đến 30 
Wh/kg. Ngoài ra, điện áp của siêu tụ điện giảm tuyến tính 
theo điện lượng trong tụ điện về bằng 0.

 Ví dụ, nguồn điện 6 V được phép phóng điện đến 4,5 V. Với 
đặc tính phóng điện tuyến tính, chỉ một phần tư năng lượng 
lưu trữ được sử dụng, và ba phần tư năng lượng còn lại 
không thể sử dụng.

 Có thể dùng một bộ biến đổi DC-DC để tận dụng phần năng 
lượng còn lại, nhưng sẽ có tổn thất khoảng 10 – 15%, và chi 
phí phát sinh.
33Bài giảng 10
Siêu tụ điện

 So sánh siêu tụ điện và pin/ắc-quy Li-ion
10–60 minutes
500 and higher
3.6 to 3.7V
100–200
1,000 to 3,000
$0.50-$1.00 (large system)
5 to 10 years
0 to 45°C (32°to 113°F)
–20 to 60°C (–4 to 140°F)
1–10 seconds
1 million or 30,000h
2.3 to 2.75V
5 (typical)
Up to 10,000
$20 (typical)
10 to 15 years
–40 to 65°C (–40 to 149°F)
–40 to 65°C (–40 to 149°F)
Charge time
Cycle life
Cell voltage
Specific energy (Wh/kg)
Specific power (W/kg)
Cost per Wh
Service life (in vehicle)
Charge temperature
Discharge temperature
Lithium-ion (general)SupercapacitorFunction
34Bài giảng 10
Siêu tụ điện

 Với tốc độ nạp/phóng điện cực nhanh, siêu tụ điện rất thích 
hợp cho việc hỗ trợ dự phòng các trường hợp gián đoạn 
nguồn ngắn hạn, cũng như hỗ trợ phụ tải đỉnh trong các xe 
điện lai hay ứng dụng pin nhiên liệu.

 Thời gian nạp điện của siêu tụ điện là khoảng 10 giây, với 
đặc tính tương tự như của ắc-quy điện hóa, và dòng điện 
nạp thường bị giới hạn bởi bộ nạp.

 Siêu tụ không thể bị nạp quá điện áp, và không cần mạch 
bảo vệ nạp đầy; khi nạp đầy thì dòng điện chỉ ngưng chạy.

 Siêu tụ điện có số lần nạp/phóng điện gần như vô hạn.
35Bài giảng 10
Siêu tụ điện

 Siêu tụ điện cũng không bị lão hóa, và thường giảm dung 
lượng xuống còn 80% trong vòng 10 năm.

 Siêu tụ điện có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ cao và thấp.

 Dòng điện rò của siêu tụ điện khá lớn, với 50% năng lượng 
lưu trữ bị hao hụt trong vòng 30 đến 40 ngày.

 Xét về chi phí trên đơn vị công suất thì siêu tụ điện thuộc loại 
thiết bị đắt tiền. Tuy nhiên, cần nhớ rằng siêu tụ điện và ắc-
quy không cạnh tranh nhau, mà phục vụ cho những ứng 
dụng riêng biệt.
36Bài giảng 10
Siêu tụ điện
Những ưu điểm của siêu tụ điện:

 Lưu trữ năng lượng lớn. So với công nghệ tụ điện truyền 
thống, siêu tụ điện EDLC có mật độ cao hơn nhiều bậc, nhờ 
điện cực carbon xốp để tạo diện tích bề mặt lớn.

 Điện trở nối tiếp tương đương nhỏ. So với ắc-quy, EDLC có 
điện trở nội thấp, tạo ra mật độ công suất lớn.

 Hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp.

 Nạp/phóng điện nhanh. Nhờ hấp thụ và giải phóng ion thông 
qua điện trở nội thấp, có thể đạt được dòng điện nạp/phóng 
cao mà không gây hại cho thiết bị.
37Bài giảng 10
Siêu tụ điện
Những nhược điểm của siêu tụ điện:

 Điện áp đơn vị thấp (EDLC có điện áp mỗi đơn vị khoảng
2,7 V), dẫn đến thường phải mắc nối tiếp.

 Không thể dùng trong các mạch AC và tần số cao, do hằng 
số thời gian khá lớn.
38Bài giảng 10
Siêu tụ điện và những công nghệ khác