Đ ào Q uang K hải BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG NGUỒN ĐIỆN TRÊN XE ĐIỆN CBHD TS Nguyễn Mạnh[.]
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - Đào Quang Khải ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG NGUỒN ĐIỆN TRÊN XE ĐIỆN CBHD: TS Nguyễn Mạnh Dũng Sinh viên: Đào Quang Khải Mã số sinh viên: 2019602867 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Hà Nội – 2023 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii LỜI NÓI ĐẦU ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN TRÊN XE Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Tổng quan pin xe điện 1.2 Pin Litium-ion 1.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin Litium-ion 1.2.2 Các vật liệu điện cực dương 1.2.3 Các vật liệu dùng làm điện cực âm 1.2.4 Các chất điện li 1.2.5 Dung môi 10 1.2.6 Các phản ứng xảy pin Li-ion 11 1.2.7 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực - dung dịch điện phân 12 1.2.8 Pin Litium-ion Polymer 13 1.2.9 Diễn giải trình hoạt động pin Litium-ion hãng Tesla Inc 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN CHO XE ĐIỆN 19 2.1 Hệ thống nguồn điện xe Tesla model S 19 2.2 Cấu tạo hệ thống Pin điện áp cao HV 19 2.2.1 Cụm pin tổng thành 20 2.2.1 Sơ đồ hệ thống điện 24 2.2.2 Tấm gầm pin lượng xe Tesla 25 2.3 Bộ sạc hộp nối 26 2.4 Bộ ch uyển đổi DC / DC 28 2.5 Tính tốn số thơng số cụm pin điện áp cao HV 30 ii 2.5.1 Tính nội trở, dịng xả pin 30 2.5.2 Tính tốn điện áp, cường độ dịng điện, dung lượng, điện trở, công suất cụm pin điện áp cao HV 30 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN TESLA MODEL S 35 3.1 Giới thiệu phần mềm Siemens NX 35 3.2 Ứng dụng module Assemblies vào thiết kế hệ thống pin 35 3.3 Mô pin phần mềm matlab 39 3.4 Mơ hình xây dựng khối mô xe điện tesla sử dụng động DC 42 3.4.1 Khối chu kỳ lái xe (drive cycle) 43 3.4.2 Bộ điều khiển (Longitudinal driver) 43 3.4.3 Xây dựng mơ hình xe Tesla 44 3.4.3.1 3.4.3.2 Khối body vehicle 44 Xây dựng tỷ số truyền 46 3.4.4 Xây dựng động điện cho xe 48 3.4.4.1 3.4.4.2 3.4.4.3 Động DC 49 Khối điều khiển điện áp PWM 50 Khối điều khiển động điện 51 CHƯƠNG : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 52 4.1 Kết mô tổng quan hệ thống pin xe Tesla model S 52 4.2 Kết mô cụm khay pin 56 4.3 Kết mô nguồn điện xe điện Tesla model S 58 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 69 DANH MỤC THAM KHẢO 71 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Xe điện trạm sạc điện cho xe hãng Tesla Hình 2: Pin Litium 18650 (1800mAh ÷ 3500mAh) Hình 3: Pin Litium polymer dạng trụ 13 Hình 4: Cấu tạo pin Li-ion 18650 hãng Tesla Inc 15 Hình 5: Dịng di chuyển ion âm (hạt màu xanh dương) nạp 16 Hình 6: Ion dương bị hút qua lớp Electrolyte, tiến tới mơi trường 17 Hình Trạng thái xạc đầy (khi phần lớn ion âm dương di chuyển tới môi trường Graphite) 17 Hình 8: Dòng ion âm dương chế độ xả 18 Hình Ion Âm Dương Liti trở trạng thái ban đầu 18 Thiết kế trực tiếp môi trường Assemblies 36 Hình 1: Cấu tạo hệ thống pin xe điện Tesla model S 19 Hình 2: Cụm pin tổng thành xe Tesla model S 20 Hình Khay chứa cell pin đường nước làm mát 21 Hình Kích thước pin 18650 22 Hình Sơ đồ hệ thống điện (Nguồn: Gara truc tuyen) 24 Hình 6: Vị trí gầm pin 25 Hình 7: Dịng chảy nước làm mát 25 Hình 8: Đường dẫn dung dịch làm mát (Nguồn: Learn Engineering) 26 Hình 9: Bộ sạc hộp nối 26 Hình 10: Hộp nối cao áp 27 iv Hình 11: Bộ chuyển đổi DC/DC 28 Hình 12: Pin 12V cấp nguồn cho hệ thống điện xe 29 Hình 1: Môi trường Assemblies Siemens NX 35 Hình 2: Cửa số bắt đầu Add Component 36 Hình 3 Thiết kế mơi tường Assemblies 37 Hình Phân rã chi tiết 38 Hình Mơ hình mơ hệ thống pin điện xe tesla 39 Hình Khối battery simulink matlab 39 Hình Thơng sơ battery 40 Hình Bảng điền giá trị battery 40 Hình Mơ hình tính tốn trạng thái sạc xả pin 41 Hình 10 Mơ hình tính tốn nhiệt độ pin q trình hoạt động 41 Hình 11 Thơng số Thermal mass pin 41 Hình 12 Mơ hình khối hệ thống xe điện tesla suer dụng động DC 42 Hình 13 Thiết lập giá trị cho khối Drive cycle, với vận tốc V 43 Hình 14 Khối longitudinal driver matlab simulink 43 Hình 15 Khối body vehicle matlab mô thông số xe tesla 44 Hình 16 Thiết lập thông số cho khối body vehicle 46 Hình 17 Khối Gear 46 Hình 18 Thiết lập tỷ số truyền khối gear 47 Hình 19.Thiết lập hiệu suất tỷ số truyền khối gear 47 v Hình 20 Mơ hình mơ xe tesla simulink 48 Hình 21 Mơ hình mơ hệ thống động điện DC sử dụng mạch cầu H điều khiển 48 Hình 22 Động điện DC matlab 49 Hình 23 Thiết lập thông số cho động DC 50 Hình 24 Khối Controlled PWM voltages 51 Hình 25 Khối mạch cầu H điều khiển động điện DC 51 Hình 1: Tổng quát hệ thống pin .53 Hình 2: Các file part thuộc hệ thống pin 53 Hình 3: Góc nhìn từ xuống 54 Hình 4: Góc nhìn từ bên phụ 54 Hình 5: Góc nhìn từ bên lái 55 Hình 6: Góc nhìn từ phía trước xe 55 Hình 7: Góc nhìn từ phía sau xe 56 Hình 8: Cụm khay pin 56 Hình 9: Phân rã hệ thống khay chứa pin 57 Hình 10 : Mơ lớp viên pin 18650 Tesla 57 Hình 11 Đồ thi mơ phỏngtốc độ khơng đổi xe 30 km/h 1000 giây, xây dựng từ khối drive cycle 59 Hình 12 Đồ thị dịng điện mơ , nhận thấy với tốc độ khơng đổi 30 km/h dịng điện cần có I =38,09A 59 Hình 13 Trạng thái sạc pin sau kết thúc mô 1, nhận thấy đồ thị có chiều hướng sạc vào pin vào giây cuối trước kết thúc mơ 60 vi Hình 14 Đồ thị thể nhiệt độ pin qua trình hoạt động mơ 60 Hình 15 Đồ thị thể vận tốc đầu vận tốc mô mô 61 Hình 16 Mô với vận tốc không đổi 50 km/h 61 Hình 17 Đồ thị thể cường độ dòng điện phóng hệ thống pin với mơ 2, I = 45,018 A 62 Hình 18 Trạng thái sạc pin mô 62 Hình 19 Nhiệt độ pin mô 63 Hình 20 Tốc độ so sánh xe mô với tốc độ đầu vào mô 63 Hình 21 Mơ với vận tốc không đổi 80 km/h 64 Hình 22 Đồ thị thể cường độ dịng điện phóng hệ thống pin với mơ 3, I = 61,904 A 64 Hình 23 Trạng thái sạc pin mô 65 Hình 24 Nhiệt độ pin mô số 65 Hình 25 So sánh vận tốc mô vận tốc đầu vào 66 Hình 26 Đồ thị vận tốc đầu vào mô số 66 Hình 27 Đồ thị mơ cường độ dịng điện hệ thống pin mơ 67 Hình 28 Trạng thái sạc pin mô số 67 Hình 29 Đồ thị thể nhiệt độ pin trình mơ 68 Hình 30 Đồ thị thể vận tốc đầu vận tốc đầu vào mô số 68 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Khối lượng tỉ lệ phận pin Li-ion dạng trụ 1800mAh ÷ 3500mAh Bảng 1.2: Đặc trưng loại carbon Bảng 2.2 Một số thông số hệ thống pin 23 viii LỜI NÓI ĐẦU Trong nhiều kỷ qua, động đốt đóng vai trị quan trọng phát triển phương tiện giao thông vận tải Cùng với phát triển kinh tế-xã hội, gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện ngày gia tăng đặt quốc gia trước thách thức lớn vấn đề ô nhiễm môi trường, nhu cầu lượng Với phát triển, nước giới triển khai nhiều nghiên cứu ứng dụng nhằm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm nhiễm mơi trường giảm phát thải khí nhà kính Trong lĩnh vực vận tải lên số xu hướng rõ nét công nghệ lượng thay xăng dầu Các yêu cầu đặt cần phải tạo nguồn lượng sạch, khơng gây tác hại với mơi trường Có nhiều biện pháp đưa để đáp ứng yêu cầu sử dụng nguồn lượng mặt trời, lượng gió…và biện pháp tích trữ lượng dạng điện năng, tích trữ điện nhờ loại pin ăc quy Để đảm bảo xe điện hay thiết bị điện xe hoạt động đuợc tốt cần phải có nguồn lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, dùng lại nhiều lần đặc biệt gọn nhẹ, an toàn Ngày công ty sản xuất xe điện giới cho sản xuất pin lượng trở thành ngành công nghiệp quan trọng năm 2020 xa Trong hãng Tesla (Tesla, Inc)- công ty Mỹ chuyên thiết kế, sản xuất phân phối sản phẩm ô tô điện linh kiện cho phương tiện chạy điện Tesla lần đầu gây ý việc mắt mẫu xe Tesla Roadster, xe thể thao chạy hoàn toàn điện Dịng xe thứ hai cơng ty mẫu Model S, Sedan hạng sang chạy lượng điện Tesla hãng thay đổi nhận thức toàn giới xe điện ix Tesla hãng sở hữu nhà máy sản xuất pin Litium-ion lớn giới, ngày hồn thiện phát triển dịng pin Litium-ion trở thành dòng pin siêu bền, giá rẻ nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường giảm chi phí sản xuất xe điện đưa xe điện trở nên phổ biến Và Pin Litium-ion dòng pin phân cụ thể đồ án Dựa vào kết tuyệt vời xe điện công nghệ pin Litiumion hãng Tesla năm gần đây, đề tài “Nghiên cứu, mô hệ thống nguồn điện cho xe ô tô điện” để nghiên cứu, phân tích kỹ hệ thống với mục tiêu xây dựng hoàn thiện đồ án tốt nghiệp Nội dung đề tài bao gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan Pin xe điện Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hệ thống nguồn điện cho xe điện Chương 3: Mô hệ thống nguồn điện xe Tesla Chương 4: Kết mô Kết luận Đề tài thực thời gian tương đối ngắn trình độ hiểu biết cịn nhiều hạn chế khơng tránh khỏi sai sót Rất mong thầy bạn đóng góp ý kiến Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn thầy Nguyễn Mạnh Dũng giúp đỡ hỗ trợ em hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn! 58 Viên pin mơ dựa tài liệu, video, hình truyền thông mà hãng Tesla cung cấp với đầy đủ lớp để cấu thành viên pin Litium-ion polimer 18650 với kích thước thực 18 / 65 4.3 Kết mô nguồn điện xe điện Tesla model S Sử dụng đồ thị Wide Open Throttle (WOT) khối drive cycle source để làm nguồn điều khiển chu trình chuyển động Ta cho xe tăng tốc sau: Mô lần 1: Xe tăng tốc từ km/h lên đến 30 km/h giây, giữ nguyên tốc độ 995 giây Sau 995 giây tốc độ xe đặt km/h Mô lần 2: Xe tăng tốc từ km/h lên đến 50 km/h giây, giữ nguyên tốc độ 995 giây Sau 995 giây tốc độ xe đặt km/h Mô lần 3: Xe tăng tốc từ km/h lên đến 80 km/h giây, giữ nguyên tốc độ 995giây Sau 995 giây tốc độ xe đặt km/h Mô lần 4: Xe tăng tốc từ km/h lên đến 100 km/h giây, giữ nguyên tốc độ 995 giây Sau 995 giây tốc độ xe đặt km/h Mô chạy 1000 giây Kết mơ ta có bao gồm: Trạng thái sạc pin tức mức dung lượng cịn lại pin sau mơ Nhiệt độ pin sau mô Quãng đường xe sau mô Vận tốc xe thực tế so với vận tốc đầu vào 59 Hình 11 Đồ thi mơ phỏngtốc độ khơng đổi xe 30 km/h 1000 giây, xây dựng từ khối drive cycle Hình 12 Đồ thị dịng điện mơ , nhận thấy với tốc độ khơng đổi 30 km/h dịng điện cần có I =38,09A 60 Hình 13 Trạng thái sạc pin sau kết thúc mô 1, nhận thấy đồ thị có chiều hướng sạc vào pin vào giây cuối trước kết thúc mô Hình 14 Đồ thị thể nhiệt độ pin qua trình hoạt động mơ 61 Hình 15 Đồ thị thể vận tốc đầu vận tốc mô mô Hình 16 Mơ với vận tốc khơng đổi 50 km/h 62 Hình 17 Đồ thị thể cường độ dịng điện phóng hệ thống pin với mô 2, I = 45,018 A Hình 18 Trạng thái sạc pin mơ 63 Hình 19 Nhiệt độ pin mơ Hình 20 Tốc độ so sánh xe mô với tốc độ đầu vào mô 64 Hình 21 Mơ với vận tốc khơng đổi 80 km/h Hình 22 Đồ thị thể cường độ dịng điện phóng hệ thống pin với mô 3, I = 61,904 A 65 Hình 23 Trạng thái sạc pin mơ Hình 24 Nhiệt độ pin mơ số 66 Hình 25 So sánh vận tốc mô vận tốc đầu vào Hình 26 Đồ thị vận tốc đầu vào mơ số 67 Hình 27 Đồ thị mơ cường độ dịng điện hệ thống pin mơ Hình 28 Trạng thái sạc pin mô số 68 Hình 29 Đồ thị thể nhiệt độ pin q trình mơ Hình 30 Đồ thị thể vận tốc đầu vận tốc đầu vào mô số 69 Kết mô pỏng thu thể bảng : Mô Mô Mô Mô 30 50 80 100 Trạng thái sạc pin kết thúc mô ( %) Nhiệt độ pin kết thúc mô ( độ C) 96,26 95,51 93,78 92,23 25,6 25,95 26,54 27,01 Quãng đường xe kết thúc mô (km) Quãng đường lần sạc với tốc độ mô ( km) 8,264 13,76 21,97 27,42 221 306 353 354 Tốc độ mô ( Km/h) KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Kết đạt Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, em đưa mô tổng quan hệ thống pin với chi tiết, cụm chi tiết Qua đề tài này, nhóm nghiên cứu đạt kết sau: – Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động dòng pin Litium-ion, loại pin dự trữ lượng tương lai – Tìm hiểu kết cấu xe ô tô điện, đặc biệt ô tô điện hãng Tesla Hạn chế Do thời gian tìm hiểu nghiên cứu ngắn việc làm đồ án đề tài với em nên nhiều hạn chế như: 70 - Chưa tìm hiểu thực sâu chủ đề - Chưa nghiên cứu xe điện thực tế nên khơng kiểm nghiệm tính xác thông số tham khảo - Chưa sâu vào nội dung phần tính tốn lượng pin - Chưa thể sâu vào nghiên cứu mạch điện Battery Manager System (BMS) - Chưa xây dựng biểu đồ, đồ thị sạc, xả hệ thống pin Hướng phát triển đề tài – Tìm hiểu sâu nội dung trình bày để hiểu rõ xác so với thực tế – Tìm hiểu, nghiên cứu mạch điện BMS, lập trình mạch hoạt động mạch – Nghiên cứu phần điện hoàn thiện toàn hệ thống nhằm đưa quy trình hồn thiện hoạt động hệ thống, hướng tới việc xây dựng mơ hình thực tế Kết luận Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, em đưa mô hệ thống pin xe điện Tesla model S 2016, với kiến tức tảng pin Litium-ion Đây sở quan trọng để tiếp tục nghiên cứu xe điện phục vụ công tác đào tạo Khoa Công nghệ Ơ tơ, Trường Đại học cơng nghiệp Hà Nội 71 DANH MỤC THAM KHẢO Báo cáo “Công nghệ sản xuất Pin Litium-ion”(2017), Bùi Nhật Vũ, Trần Thị Diễm Trang, trường đại học Cần Thơ, khoa khoa học tự nhiên Khoá luận tốt nghiệp “Tổng quan pin Litium-ion”(2008), Nguyễn Minh Nguyệt Electric powertrain energy systems, power electronics drives for hybrid, electric fuel cell vehicles by Goodarzi, Gordon A Hayes, John G (z-lib.org) Amir Khajepour, M Saber Fallah, Avesta Goodarzi - Electric and Hybrid Vehicles_ Technologies, Modeling and Control - A Mechatronic Approach-Wi K.T.Chau Electric vehicle machines and drives, design, analysis and application IEEE WILEY Randy H.Shih (2019) Autodesk Inventor 2019 and Engineering Graphics An Integrated Approach SDC PUBLICATIONS Amir Khajepour, Saber Fallah, Avesta Goodarzi Electric and hybrid vehicles, technologies, modeling and control: a mechatronic approach wiley Electric powertrain, john G.Hayes, G.Abas Goodarzi, published 2018 Electric vehicle technology explained, James Larminie, John Lowry, published 2012 10 Wikipedia Lithi-ion battery 11 Cấu tạo hệ thống sạc điện trêndòng xe điện Tesla model S, https://garatructuyen.com/cau-tao-he-thong-sac-dien-tren-dong-xetesla/ 12 Pin 18650, https://toppin.vn/pin-18650-sac-la-gi/ 13 https://www.tesla.com/sites/default/files/model_s_owners_manual_nort h_america_en_us.pdf 72