Khóa luận tốt nghiệp thiết kế hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập cho xe điện, theo dõi bằng thiết bị từ xa

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Hiện nay, cùng với sự phát triển đất nước trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa và sự gia tăng nhanh về dân số, nhu cầu về năng lượng cũng vì vật mà gia tăng theo Sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đã mang lại nhiều lợi ích đáng kể đáp ứng nhu cầu to lớn về năng lượng và hỗ trợ phát triển kinh tế Trong khoảng thời gian từ

2010 đến 2020, lượng than tiêu thụ tại Việt Nam đã tăng đáng kể với mức tăng trung bình hàng năm là 12,9% Năm 2020, sản lượng điện từ nhiệt điện than đã đạt mức cao kỷ lục, chiếm 50% tổng sản lượng điện của cả nước 1 Than được sử dụng nhiều trong ngành sản xuất điện và công nghiệp nặng tại Việt Nam do có sự tiếp cận dễ dàng và giá thành hợp lý Tuy nhiên, đồng thời, việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch cũng đặt ra những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến ô nhiễm môi trường và sức khỏe cộng đồng.[1]

Sản lượng và mức giá bình quân than nhập khẩu qua các năm (2014-2022)

Sản lượng (triệu tấn) Giá bình quân ( triệu đồng/tấn)

Hình1 1 Sản lượng và mức giá bình quân than nhập khẩu (2014-2022)

1Theo bộ công thương cục điều tiết điện lực Việt Nam

Việc sử dụng năng lượng hóa thạch như nhiệt điện than, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên đã tạo ra lượng khí thải gây ô nhiễm không khí Các khí thải như CO2, SO2, NOx,… bay tỏa vào khí quyển gây ra hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu và gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Ô nhiễm không khí là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như các bệnh hô hấp, bệnh tim mạch, ung thư và ảnh hưởng đến trẻ em về sức khỏe và trong quá trình phát triển Ngoài ra, việc khai thác quá mức và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch cũng gây ra sự suy thoái và cạn kiệt tài nguyên tự nhiên Các nguồn năng lượng như than đá, khí tự nhiên, dầu mỏ và uranium đòi hỏi quá trình khai thác và chế biến phức tạp, gây ra tác động tiêu cực đến đất, nước và đa dạng sinh học [2]

Theo số liệu thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), tới 92% dân số sống trong môi trường không khí ô nhiễm Ô nhiễm không khí gây ra hàng triệu trường hợp tử vong sớm hàng năm do các bệnh liên quan đến đường hô hấp và các bệnh ung thư liên quan đến việc tiếp xúc với bụi mịn Ngoài ra, còn gây ảnh hưởng đến nhiều bệnh lý khác như tiểu đường, bệnh tim mạch, bệnh phổi, bệnh gan, đột quỵ, rối loạn tiết tố ảnh hưởng xấu sức khỏe của mọi người.[3]

Trước những lí do trên, năng lượng tái tạo là giải pháp giải quyết vấn đề về ô nhiễm và bụi mịn Có các loại năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện và nhiều nguồn khác cung cấp năng lượng sạch và không giới hạn Sự phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo sẽ giúp giảm thiểu áp lực lên hệ thống điện lực truyền thống sử dụng năng lượng hóa thạch và giúp tạo điều kiện phát triển một số ngành công nghiệp cần nhiều năng lượng Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời là một trong nguồn năng lượng được khai thác và phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới Theo hình 1.2 có thể thấy điện mặt trời vào năm 2018 sản xuất khoảng 100GW và chiếm tỉ lệ cao trong sản lượng điện tái tạo qua đó thấy được sự ứng dụng rộng rãi của điện mặt trời.

Hình 1 2 Đồ thị sử dụng năng lượng tái tạo

Mặt trời cung cấp năng lượng đến trái đất dưới dạng bức xạ nhiệt và ánh sáng mặt trời Đây là nguồn năng lượng to lớn và vô hạn, không gây ô nhiễm môi trường cà có tính tái tạo cao Tạo ra điện mặt trời theo nguyên lí quang điện nhờ vào các pin mặt trời hoặc các bảng điện tử mặt trời Cấu trúc chính của một tấm pin mặt trời bao gồm các tế bào quang điện được xếp theo một cấu trúc đã được quy định Khi mặt trời chiếu ánh sáng hay các hạt proton vào tấm pin mặt trời, các tế bào quang điện tạo ra điện năng một cách trực tiếp và hiệu quả.

Tận dụng nguồn điện năng được tạo ra từ năng lượng mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng điện này đến nhiều lĩnh vực khác nhau như điện cho các hộ gia đình, giao thông vận tải, các ngành công nghiệp, các công ty, nhà máy xí nghiệp,… Việc sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm lượng lớn khí thải CO 2 và khói bụi thải vào môi trường hằng ngày qua đó đảm bảo sức khỏe cho con người Điều này là cấp thiết và thiết thực trong bối cảnh hiện nay khi biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường đang đe dọa nghiêm trọng đến con người và các loài sinh vật đang sinh sống trên trái đất.[4]

Một ứng dụng thiết thực trong việc chuyển đổi năng lượng hóa thạch sang sử dụng năng lượng điện để giảm ô nhiễm không khí là sử dụng động cơ điện trong giao thông vận tải Khói bụi thải ra từ phương tiện tham gia giao thông là một trong những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến ô nhiễm không khí ở mức báo động ở các thành phố lớn Các phương tiện này đốt cháy nguyên liệu xăng và thải ra khí hiệu ứng nhà kính vào môi trường với khoảng 30 triệu tấn CO 2 chiếm 18,38% Đây là hoạt động ô nhiễm lớn thứ 3 sau các ngành như năng lượng và nông nghiệp Việc sử dụng lượng lớn nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm không khí và tác động tiêu cực đến sức khỏe con người Theo số liệu thống kê khí thải từ giao thông đường bộ chiếm phần lớn với 86% khí phát thải theo sau là đường sắt, đường thủy và đường hàng không với 14% còn lại 2 [5]

Hình 1 3 Ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông

Việc xử lý và thay đổi nguồn năng lượng cho giao thông vận tải là một vấn đề cấp bách và quan trọng nhằm bảo vệ môi trường và con người chúng ta Để giải quyết vấn đề sử dụng năng lượng hóa thạch cần đổi từ động cơ nhiệt sang động cơ điện và xe điện là giải pháp tối ưu và ngày càng được phổ biến Xe điện là phương tiện với khả năng vận hành với hiệu suất cao và sạch, không gây ô nhiễm không ,đóng góp tích cực về mặt giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường và sức khỏe Xe điện sử dụng acquy được phát minh bởi Robert Anderson, một kỹ sư Scotland vào năm 1835 Và được nhận ra tiềm năng và phát triển bởi William Morrison, một nhà hóa học người

Mỹ trong việc thay thế động cơ đốt trong thành động cơ điện, tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của xe điện trong thời kỳ hiện nay Ngày nay, công nghệ xe điện đã tiến bộ và phát triển đáng kể trong những năm gần đây Các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như Tesla, Nissan, BMW và General Motors đã tung ra các mẫu xe điện hiệu suất cao và có khả năng đi xa trên một lần sạc.[6]

Với các lợi ích mà xe điện mang lại xe điện gần có chỗ đứng trong ngành giao thông vận tải Số lượng xe điện sản xuất và sử dụng ngày càng nhiều trên các tuyến đường thành phố Nhưng việc sử dụng ngày càng nhiều xe điện cũng đặt ra vấn đề về cơ sở hạ tầng Việc phát triển cơ sở hạ tầng đảm bảo đủ nơi để sạc xe điện là vấn đề rất quan trọng cũng là một thách thức cần phải giải quyết như áp lực lượng điện năng cần để cung cấp đủ cho số xe điện Điều này đặt áp lực lớn lên hệ thống điện lực quốc gia gây ra một số hệ lụy quan trọng như giảm chất lượng điện năng, quá tải vào các giờ cao điểm khi lượng lớn xe điện sạc cùng một thời điểm Một trong những giải pháp tiềm năng là thay thế nguồn điện lưới hiện có bằng điện năng từ năng lượng mặt trời để cung cấp cho các trạm sạc xe điện hiện nay.

Bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp cho các trạm sạc xe điện có thể tận dụng nguồn năng lượng sạch và tái tạo Qua đó giảm điện năng từ lưới điện quốc gia giúp giảm khí thải cacbon được sinh ra từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra điện Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng mặt trời cho hệ thống sạc còn giúp đảm bảo tính ổn định và bền vững của nguồn điện, tránh tình trạng quá tải và tăng cường khả năng cung cấp điện cho xe điện.[7]

Với các ưu điểm trên, nhóm chúng em đã quyết định thiết kế “trạm sạc sử dụng năng lượng mặt trời có giám sát” nhằm góp phần vào việc phát triển và sử dụng xe điện một cách bền vững, đồng thời đảm bảo an toàn và tạo ra tác động tích cực đến môi trường và cuộc sống của con người Việc thiết kế và phát triển hệ thống trạm sạc xe điện mặt trời độc lập có giám sát dựa trên các trạm sạc hiện nay về công nghệ sạc, hệ thống giám sát và thông số của xe máy điện trên thị trường.

Hình1 4 Trạm sạc xe điện bằng năng lượng mặt trời

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài đồ án với mục tiêu chính là tính toán và thiết kế hệ thống mặt trời độc lập cho xe điện Nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng xe điện hiện nay và đồng thời tạo điều kiện thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời Trên thị trường, đã có sẵn các trạm sạc xe điện của Vinfast, và nhóm em sẽ sử dụng nguồn tư liệu này để nghiên cứu và phát triển.

Ngoài việc nghiên cứu các trụ sạc về cấu tạo, nhóm em cũng sẽ tập trung vào ứng dụng pin năng lượng mặt trời để tạo ra điện năng và thiết kế hệ thống giám sát từ xa.

Hệ thống giám sát này sẽ giúp giám sát viên theo dõi hoạt động của trạm sạc và cung cấp thông tin cần thiết cho khách hàng.

Phần giám sát của hệ thống sẽ theo dõi các thông số như hiệu suất sản lượng từ pin mặt trời, dung lượng hiện tại của acquy và lượng điện đã được sạc Đối với khách hàng, hệ thống sẽ cung cấp thông tin về tình trạng trống của các địa điểm sạc và dự báo thời gian trống, cũng như thông tin về khả năng sạc đầy của các trạm sạc Nếu không đủ điện để sạc đầy, khách hàng sẽ được thông báo về tỷ lệ sạc hiện tại và lượng acquy còn lại trên xe Ngoài ra, hệ thống giám sát còn có nhiệm vụ bảo vệ hệ thống bằng cách thu thập các dữ liệu, khi có thông số nào vượt ngưỡng an toàn sẽ báo về cho người giám sát hoặc ngắt hệ thống tránh hư hỏng toàn bộ hệ thống.

Tổng quan, đề tài này sẽ tạo ra một hệ thống mặt trời độc lập cho xe điện, kết hợp với hệ thống giám sát từ xa, mang lại tiện ích và thông tin cần thiết cho cả người giám sát và khách hàng sử dụng trạm sạc.

Giới hạn đề tài

Đồ án sẽ bao gồm 2 phần chính: phần thiết kế mô hình trụ sạc nhỏ và phần tính toán cho trạm sạc thực tế cho một trạm sạc xe máy điện sử dụng hệ thống điện mặt trời độc lập.

-Đồ án sẽ tập trung thiết kế mô hình trạm sạc nhỏ tập trung tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của một trạm sạc xe máy điện sạc bằng năng lượng mặt trời có nguồn lưu trữ độc lập Với điện áp của acquy xe máy điện giới hạn điện áp 12V, điều này giúp giảm chi phí và đảm bảo an toàn khi thiết kế mô hình đồ án Hệ thống giám sát sẽ giám sát hệ thống về công suất pin mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái sạc của acquy lưu trữ và acquy tải.

- Tính toán thực tế cho một trạm sạc xe máy điện sử dụng hệ thống điện mặt trời độc lập Trạm sạc này sẽ có giới hạn tối đa là 24 chiếc xe máy điện trong một ngày.Bằng việc tính toán, nhóm em sẽ xác định được cường độ ánh sáng mặt trời cần thiết, kích thước hệ thống pin mặt trời và hệ thống lưu trữ điện để đảm bảo trạm sạc hoạt động hiệu quả và đáp ứng nhu cầu sạc của xe máy điện.

Nội dung nghiên cứu đồ án

- Lựa chọn thiết bị cho mô hình.

- Giải pháp cho trạm sạc thực tế

- Giải pháp cố định dòng cho trạm sạc

- Tổng kết Đồ án tập trung thiết kế mô hình nhỏ về trụ sạc năng lượng mặt trời độc lập cho xe điện có tích hợp hệ thống giám sát Bên cạnh đó, đồ án sẽ tính toán thiết kế trạm sạc xe điện bằng năng lượng mặt trời độc lập có lưu trữ, cụ thể là thiết kế hệ thống sạc xe năng lượng mặt trời độc lập cho bãi đậu xe ngoài trời ở bãi đậu xe ngoài trời của trung tâm thương mại.

Khái quát về đồ án

Trạm sạc xe điện là địa điểm cung cấp điện để sạc lại điện năng cho các phương tiện giao thông vận tải sử dụng điện như ô tô điện xe buýt, xe máy,… tránh các trường hợp cạn kiệt acquy xe điện khi di chuyển trên đường Nhờ trạm sạc mà các phương tiện được nạp lại điện năng trong lúc nghỉ ngơi hoặc chuẩn bị cho chuyến đi tiếp theo.

Hệ thống sạc xe điện bằng trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập là hệ thống tạo ra điện năng từ pin mặt trời điện năng này sẽ sạc cho tải Khi không tải sẽ lưu trữ vào acquy lưu trữ để sử dụng vào các trường hợp thiếu không đủ công suất Hệ thống sẽ hoàn toàn độc lập và không cần hòa với nguồn điện lưới.

Sơ đồ khối về trụ sạc xe điện độc lập:

Hình1 5 Sơ đồ khối về trụ sạc xe điện độc lập

Theo sơ đồ khối , pin mặt trời sẽ tạo ra điện năng từ ánh sáng mặt trời Điện năng tạo ra là điện một chiều và đi qua bộ điều khiển sạc Bộ điều khiển sạc sẽ tìm ra điểm sạc tối đa và sạc cho tải qua trụ sạc khi có tải, khi không tải sẽ sạc cho acquy lưu trữ.

Hệ thống giám sát có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu về các số liệu như dòng điện, điện áp và độ ẩm, nhiệt độ từ môi trường Sau đó sẽ hiển thị lên màn hình LCD để có thể giám sát và gửi lên web để giám sát từ xa.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sự phát triển xe điện và tầm quan trọng của cơ sở hạ tầng

2.1.1 Sự phát triển của xe điện

Trên toàn cầu, xu hướng phát triển xe điện đang ngày càng có vị thế quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô – xe máy điện Sự gia tăng nhanh trong việc sử dụng xe điện không chỉ đem lại lợi ích về môi trường, giảm khí thải và tiếng ồn, mà còn đáp ứng nhu cầu di chuyển cá nhân và đóng góp vào sự bền vững của ngành giao thông vận tải.

Xe điện là phương tiện sạch, không phát thải các loại khí gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính Bằng cách thay đổi động cơ xăng truyền thống sang sử dụng động cơ điện giúp hạn chế sử dụng lượng lớn nhiên liệu xăng được sử dụng trong giao thông vận tải giúp giảm khí thải CO 2 – nguyên nhân gây nên hiện tượng ấm lên toàn cầu, hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu Ngoài ra, sử dụng động cơ điện cũng mang lại nhiều lợi ích khác như giảm ô nhiễm tiếng ồn và tăng hiệu suất hoạt động cũng cao hơn so với các xe truyền thống. Động cơ điện không sử dụng nhiều các linh kiện cơ khí nên không tạo ra tiếng ồn như động cơ đốt trong Mang lại cảm giác yên tĩnh hơn khi tham gia giao thông, đặc biệt nơi có số lượng xe tham gia giao thông nhiều Hiệu suất chuyển đổi cũng là một trong những ưu điểm của động cơ xe điện Với hiệu suất chuyển đổi cao giúp giảm và tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành.[8]

Sự gia tăng về số lượng xe điện cũng thúc đẩy phát triển mạnh về công nghệ xe điện Các thiết bị được nghiên cứu phát triển mạnh như acquy mới với khả năng lưu trữ nhiều hơn nhằm kéo dài thời gian xe điện sử dụng Điều này giúp cho xe điện được sử dụng với các chuyến hành trình xa hơn mà không cần phải sạc nhiều lần Các nhà sản xuất xe điện và các công ty công nghệ đẩy nhanh quá trình hiện đại hóa nhằm mục tiêu thay thế hoàn toàn xe xăng truyền thống đang có trên thị trường giúp bảo vệ môi trường và giảm chi phí cho xe điện để có thể hướng đến nhiều thị trường khác nhau trên toàn thế giới.

Bên cạnh phát triển xe điện, cơ sở hạ tầng trạm sạc xe điện cũng đang được phát triển và mở rộng về mặt số lượng nhằm đáp ứng nhu cầu xe điện Các trạm sạc nhanh đang được xây dựng trên khắp các tuyến đường lớn, giúp người dùng xe điện sạc nhanh chóng và tiện lợi trong khi tham gia giao thông Các công ty kỹ thuật cũng đang hướng tới phát triển các công nghệ mới như sạc không dây và sạc tự động, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc sử dụng xe điện.[9]

Sự phát triển của xe điện không chỉ đóng góp vào việc bảo vệ môi trường và giảm khí thải, mà còn mang lại nhiều lợi ích khác như giảm tiếng ồn và tiết kiệm năng lượng Sự gia tăng trong sử dụng xe điện đã thúc đẩy sự phát triển công nghệ, đem lại những tiến bộ đáng kể trong hiệu suất và phạm vi của pin điện, cũng như mở ra cơ hội cho việc xây dựng một hệ thống vận chuyển bền vững hơn trong tương lai.

2.1.2 Tầm quan trọng của hạ tầng sạc xe điện

Hạ tầng sạc xe điện đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và chấp nhận rộng rãi của công nghệ xe điện Nó là yếu tố quyết định sự tiếp cận và sử dụng xe điện một cách tiện lợi và tin cậy Dưới đây là một số tầm quan trọng của hạ tầng sạc xe điện: Khả năng tiện lợi và truy cập dễ dàng: hạ tầng sạc xe điện cần có một mạng lưới sạc rộng khắp, cung cấp điểm sạc ở các địa điểm công cộng, như bến xe, trung tâm mua sắm, nhà hàng, khách sạn, trung tâm thương mại và các khu vực đô thị Điều này giúp người dùng có thể sạc xe dễ dàng và tiện lợi trong quá trình di chuyển hàng ngày. Tính sẵn sàng và đáng tin cậy: hạ tầng sạc cần đảm bảo tính sẵn sàng và đáng tin cậy của điểm sạc Người dùng xe điện cần có thể tin tưởng rằng họ có thể sạc xe bất cứ khi nào cần thiết và không gặp phải tình trạng các điểm sạc đầy hoặc hỏng hóc Điều này đòi hỏi hạ tầng sạc được duy trì, bảo trì và kiểm soát chặt chẽ để đáp ứng nhu cầu sạc xe của người dùng.

Mở rộng hạ tầng sạc theo quy mô và công nghệ: với sự gia tăng đáng kể trong số lượng xe điện trên đường, hạ tầng sạc cần được mở rộng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng Điều này bao gồm cung cấp thêm điểm sạc và nâng cấp công nghệ sạc để tăng tốc độ sạc, cung cấp các tùy chọn sạc nhanh và sạc siêu nhanh cho các hành trình xa, và đảm bảo khả năng tương thích với các loại pin và giao thức sạc khác nhau.[10]

Sự phát triển của xe điện không thể thiếu sự phát triển của hạ tầng sạc xe điện Khả năng tiện lợi, truy cập dễ dàng, tính sẵn sàng và đáng tin cậy của hạ tầng sạc là những yếu tố quan trọng để tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng sử dụng xe điện và thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp xe điện Việc mở rộng hạ tầng sạc theo quy mô và công nghệ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng và tạo ra một môi trường sử dụng xe điện thân thiện và tiện ích hơn.

2.1.3 Xe máy điện trên thị trường Việt Nam

Xe máy điện đang trở thành một phần quan trọng trong thị trường xe máy Việt Nam, đáp ứng nhu cầu di chuyển cá nhân và đồng thời góp phần vào bảo vệ môi trường Sự phát triển của xe máy điện trên thị trường Việt Nam đã thu hút sự chú ý của người tiêu dùng với nhiều lợi ích đáng kể Thị trường xe máy điện Việt Nam cũng đã chứng kiến sự phát triển đa dạng về mẫu mã và tính năng Các nhà sản xuất đã đưa ra nhiều lựa chọn với nhiều dòng xe máy điện khác nhau, từ xe tay ga đến xe số, từ xe phổ thông đến xe cao cấp Các mẫu xe máy điện có thiết kế hiện đại, tiện ích và được trang bị các tính năng tiên tiến như hệ thống phanh điện tử, khóa thông minh, hệ thống đèn LED, và màn hình điều khiển thông minh.[11]

Có một số mẫu xe tiêu biểu ở thị trường Việt Nam như:

Vinfast Klara: đây là mẫu xe máy điện do Vinfast sản xuất, có thiết kế hiện đại, động cơ ảo diệu và dung lượng pin lên đến 80 km một lần sạc Xe cũng được trang bị nhiều tính năng tiện ích như khóa thông minh, hệ thống đèn LED, màn hình hiển thị đa thông tin,…

Hình 2 1 Xe máy điện Vinfast Klara S

Pega Ebike: mẫu xe máy điện này được sản xuất tại Việt Nam, có thiết kế đơn giản nhưng khá thời trang và tiện lợi cho việc di chuyển trong đô thị Xe được trang bị động cơ mạnh mẽ và dung lượng pin lớn, giúp di chuyển được trong khoảng cách xa hơn.

Hình 2 2 Xe máy điện Pega Ebike Hình 2 3 Xe máy điện YADEA V002 (VFV)

Yadea: là thương hiệu xe máy điện lớn của Trung Quốc, có nhiều mẫu xe khác nhau với nhiều tính năng tiện ích, từ xe đạp điện đến xe tay ga điện Dòng xe máy điện Yadea thường được đánh giá cao về chất lượng và hiệu suất.

Thị trường xe điện ở Việt Nam hiện nay đa dạng với nhiều thương hiệu, mẫu mã và tính năng khác nhau để đáp ứng nhu cầu của khách hàng Có các xe điện tiêu biểu như Vinfast Klara S đền từ Việt Nam hay xe điện Zhejiang Altruism FY12 Electric Scooter / Motorcycle đến từ Trung Quốc 2 xe có thông số cơ bản sau:

Bảng 2 1 Xe máy điện Vinfast Klara S Động cơ Công suất danh định 1.200W

Loại pin/acquy Pin Lithium

Thời gian sạc đầy (h) 3h (90% SOC) hoặc 4,8h (100% SOC)/pin

Hình 2 4 Xe máy điện Zhejiang Altruism FY12 Electric Scooter

Bảng 2 2 Xe máy điện Zhejiang Altruism FY12 Electric Scooter

Công suất động cơ định mức (W) 1200 Điện áp (V) 72

Tình hình phát triển trạm sạc xe điện ở nước ta

2.2.1 Tình hình phát triển ỞViệt Nam các trạm sạc đang trong quá trình phát triển và mở rộng quy mô và số lượng, đáp ứng nhu cầu xe điện ngày càng gia tăng nhanh Số lượng và quy mô các trạm xe điện tăng ở các thành phố lớn, các địa điểm du lịch, sân bay, trạm dừng chân và các trạm sạc công cộng cũng được xây dựng và mở rộng Hiện nay, có khoảng 150.000 cổng sạc phủ khắp 63 tỉnh, thành phố của đất nước Các trạm sạc không chỉ tập trung mỗi ở các trung tâm phố lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội mà mở rộng khắp cả nước ngay cả những vùng miền núi phía Bắc hay miền Tây Nam Bộ Theo ông Raymond Phùng cho rằng cách mở rộng của Vinfast là bài bản với các quy hoạch ở nhiều địa điểm như các trạm dừng chân, bãi đỗ xe đến các trung tâm thương mại, các chung cư, trường học, các công ty văn phòng, quốc lộ, cao tốc,…thậm chí còn được tích hợp với các trạm xăng truyền thống như Petrolimex và PVOil Các trạm sạc công cộng thường hỗ trợ các chuẩn sạc khác nhau như CCS, CHAdeMO và AC (Type 2) để phục vụ đa dạng các loại xe điện trên thị trường.[12]

Bên cạnh sử đầu tư từ các công ty thì chính phủ Việt Nam cũng có những chính sách hỗ trợ, khuyến khích phát triển về cơ sở hạ tầng các trạm sạc xe điện Tuy nhiên, bên cạnh vẫn còn nhiều thách thức phải vượt qua như:

- Tăng cường số lượng trạm sạc: mặc dù số lượng trạm sạc xe điện đang tăng lên, vẫn cần có sự đầu tư và mở rộng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng. Đặc biệt là trong các khu vực đô thị đông đúc và khu vực xa phức tạp, việc tìm kiếm địa điểm phù hợp và triển khai trạm sạc cần được quan tâm và nỗ lực.

- Cải thiện quy trình thanh toán và tương thích: quy trình thanh toán cho việc sạc xe điện vẫn còn khá phức tạp và đôi khi không tương thích giữa các loại trạm sạc và các dạng cắm của các xe điện khác nhau Điều này tạo ra sự bất tiện cho người dùng và cản trở sự phát triển của hạ tầng sạc xe điện Cần tạo ra các tiêu chuẩn và quy định rõ ràng để đảm bảo sự tương thích và thuận lợi cho người dùng.

- Tăng cường công nghệ sạc điện mặt trời: sạc xe điện từ nguồn năng lượng mặt trời là một giải pháp hấp dẫn, nhưng hiện nay công nghệ sạc điện mặt trời vẫn còn đang được phát triển Cần nghiên cứu và đầu tư vào công nghệ sạc điện mặt trời để cải thiện hiệu suất, tăng tính sẵn sàng và đáng tin cậy của các trạm sạc điện mặt trời Một trong những hướng phát triển tiếp theo là sử dụng trạm sạc điện mặt trời.[13]

2.2.2 Tình hình phát triển trạm sạc xe máy điện của Vinfast ở nước ta

Trạm sạc xe điện của VinFast là một hệ thống sạc nhanh cho xe điện, được phát triển và triển khai bởi VinFast - một công ty sản xuất ô tô và xe điện hàng đầu tại Việt Nam.

Hệ thống này bao gồm các trạm sạc DC nhanh có khả năng cung cấp điện năng lên tới 150 kW và các trạm sạc AC có khả năng cung cấp điện năng lên tới 22 kW. VinFast đã xây dựng một mạng lưới trạm sạc rộng khắp trên toàn quốc, bao gồm cả các trạm sạc tại các trung tâm thương mại, khách sạn, trường học, sân bay, cảng biển và các khu đô thị.

Các trạm sạc của VinFast được trang bị các tính năng hiện đại như hệ thống quản lý năng lượng thông minh, hỗ trợ kết nối Internet để giám sát và quản lý từ xa Hệ thống này cũng có thể phát hiện và giải quyết các sự cố kỹ thuật một cách nhanh chóng để đảm bảo khả năng sạc liên tục và ổn định.

Ngoài ra, VinFast cũng cung cấp một ứng dụng di động cho phép người dùng tìm kiếm trạm sạc gần nhất, đặt lịch sạc và thanh toán trực tuyến Ứng dụng cũng cung cấp thông tin về thời gian sạc, trạng thái sạc và lịch sử sạc của người dùng Qua đó mang lại trải nghiệm tốt nhất và tiện ích cho người dùng có thể nắm bắt Vinfast lắp đặt hệ thống trạm sạc của mình trải dài khắp 63 tỉnh thành đất nước Với sự phát triển và mở rộng quy mô, trạm sạc điện Vinfast đang dần phủ xanh khắp mọi miền Tổ quốc Người sử dụng xe điện có thể yên tâm khi sử dụng xe điện và cũng dễ dàng trong việc tiếp cận các trạm sạc và tiếp thêm điện năng cho xe điện Các trạm sạc đều tuân theo tiêu chuẩn quốc tế nên khách hàng yên tâm khi sử dụng dịch vụ từ thành thị đến những vùng nông thôn.[14]

Hình 2 5 Trạm sạc xe điện tích hợp với chỗ gửi xe

2.2.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống sạc hiện nay Để có cái nhìn tổng quan về hệ thống sạc hiện nay, nhóm em sử dụng trạm sạc Vinfast làm ví dụ Dưới đây là một số ưu và nhược điểm của hệ thống sạc này: Ưu điểm:

- Tiện lợi và phổ biến: trạm sạc điện lưới quốc gia được phân phối rộng rãi, dễ dàng tìm thấy ở nhiều địa điểm khác nhau Điều này mang lại sự tiện lợi cho người dùng xe điện, bởi vì họ có thể tìm thấy trạm sạc gần nhất mà không cần lo lắng về việc tìm nguồn năng lượng để sạc xe.

- Khả năng sạc nhanh: trạm sạc điện lưới quốc gia thường có công suất cao, cho phép xe điện sạc nhanh chóng và tiết kiệm thời gian Điều này rất hữu ích đối với những người có lịch trình bận rộn và muốn sạc nhanh để tiếp tục hành trình của mình.

- Hỗ trợ nhiều loại xe: trạm sạc điện lưới quốc gia được thiết kế để hỗ trợ nhiều loại xe điện khác nhau Từ xe điện cá nhân đến xe buýt điện công cộng, trạm sạc này có thể đáp ứng nhu cầu sạc của đa dạng loại xe điện trên thị trường Điều này mang lại sự linh hoạt và tiện lợi cho người sử dụng xe điện.

- Khả năng mở rộng và mạng lưới: hạ tầng điện lưới quốc gia đã được phát triển và mở rộng trong nhiều năm, đảm bảo rằng có đủ điện để cung cấp cho các trạm sạc xe điện Điều này giúp xây dựng mạng lưới sạc xe điện rộng lớn và đáng tin cậy, với khả năng mở rộng linh hoạt khi có nhu cầu.

- IoT và quản lý thông minh: trạm sạc sử dụng điện lưới quốc gia có thể được tích hợp với công nghệ IoT, cho phép việc quản lý từ xa và giám sát thông qua kết nối mạng. Điều này tạo điều kiện cho việc theo dõi trạng thái của trạm sạc, kiểm soát và cài đặt từ xa, và thu thập dữ liệu về việc sử dụng năng lượng và lịch sử sạc IoT giúp tăng cường khả năng quản lý, tối ưu hóa và đưa ra quyết định thông minh liên quan đến trạm sạc.

Giải pháp phát triển

2.3.1 Khái niệm trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời

Trạm sạc xe điện là một cơ sở hạ tầng hoặc điểm dừng được thiết kế để cung cấp năng lượng điện cho xe điện thông qua quá trình sạc pin Trạm sạc thường có các đầu sạc được kết nối với hệ thống điện lưới hoặc điện mặt trời, cho phép người dùng xe điện kết nối và sạc pin xe Trạm sạc xe điện có thể có nhiều loại, từ trạm sạc công cộng được đặt tại các điểm dừng công cộng như bến xe, trung tâm mua sắm, nhà hàng, khách sạn, đến trạm sạc cá nhân được cài đặt tại nhà riêng hoặc nơi làm việc.

Một trạm sạc xe điện thường bao gồm nhiều trụ sạc và vùng đỗ xe để sạc xe Các trụ sạc thường được cung cấp bởi hệ thống điện mặt trời độc lập, sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra năng lượng điện để sạc xe hoặc lưu trữ.

Hình 2 6 Trạm sạc xe điện mặt trời

2.3.2 Chế độ hoạt động của trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời

Trạm sạc xe điện sử dụng điện từ năng lượng mặt trời là giải pháp tiềm năng và đang dần trở thành xu hướng hiện nay Có 2 chế độ hoạt động chính của hệ thống này:

•Trạm sạc năng lượng mặt trời không nối lưới:

Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời không nối lưới hoạt động độc lập và không phụ thuộc vào lưới điện Năng lượng từ ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành điện và lưu trữ trong hệ thống pin Điều này cho phép trạm sạc hoạt động ở bất kỳ vị trí nào, đặc biệt ở những khu vực không có điện lưới hoặc không đủ điện năng Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập là hệ thống tiềm năng của nhiều khu vực và quốc gia, đặc biệt là trong các vùng không có hệ thống lưới điện, các vùng hải đảo xa xôi và các vùng có hệ thống điện không ổn định Hệ thống này bao gồm các thành phần chính như pin mặt trời, acquy dự trữ, bộ điều khiển sạc, máy phát điện (tùy chọn) Tuy nhiên, việc xây dựng hệ thống vững chắc là cần thiết do tán pin có kích thước lớn và tiếp xúc với gió.

•Trạm sạc năng lượng mặt trời nối lưới:

Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời nối lưới kết hợp cả năng lượng mặt trời và lưới điện Năng lượng từ ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành điện năng và sử dụng để sạc xe điện Khi pin không cung cấp đủ điện áp mà hệ thống cần, hệ thống sẽ tự động ngắt điện từ pin mặt trời và chuyển sang sử dụng năng lượng từ lưới điện Ngược lại, năng lượng tạo ra từ pin mặt trời dư thừa, một phần điện năng sẽ tải lên lưới điện để phục vụ các nhu cầu khác Trạm sạc này cho phép sạc xe điện ngay cả khi không có ánh sáng mặt trời, như ban đêm Tuy nhiên, hệ thống sử dụng một phần điện năng từ lưới điện nên cần được xây dựng ở những khu vực có lưới điện ổn định.[18]

 Trong xu hướng phát triển trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời, một lựa chọn hấp dẫn là tập trung vào hệ thống trạm sạc độc lập, tức là trạm sạc không nối lưới điện Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập hoạt động hoàn toàn độc lập, không cần phụ thuộc vào lưới điện địa phương Năng lượng mặt trời được thu thập và chuyển đổi theo 1 chu kì hoàn toàn khép kín trong việc tạo ra điện năng và sạc cho xe điện Vì những lí do trên nhóm em lựa chọn trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập để nghiên cứu và phát triển.

2.3.3 Hệ thống giám sát điện mặt trời độc lập

IOT là (Internet of Things) có nghĩa là Internet vạn vật: là hệ thống bao gồm các thiết bị điện tử và cơ khí Hệ thống còn có chức năng giao tiếp giữa máy với máy và máy với con người Ngoài ra còn có khả năng Qua việc giám sát từ xa chúng ta có thể nhận được các cảnh báo hoặc nhận thấy điều bất thường qua đó có thể xử lý kịp thời, hạn chế rủi ro trong quá trình vận hành.

Một hệ thống IoT đơn giản gồm có 3 thành phần cơ bản sau:

- Cảm biến bao gồm: cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,… Cảm biến có nhiệm vụ thu thập dữ liệu của hệ thống hoặc dữ liệu từ môi trường tùy theo từng loại cảm biến khác nhau sau đó chuyển đổi dữ liệu thu được sang dữ liệu số hoặc dữ liệu, chúng chỉ có chức năng quét và không xử lý các dữ liệu thu được do đó các cảm biến sử dụng rất ít điện năng và không gây lỗi cho hệ thống.

-Xử lý cục bộ và thiết bị lưu: sau khi nhận dữ liệu từ các cảm biến các dữ liệu này tiếp tục đưa qua bộ xử lý và được xử lý và lưu trữ cục bộ Ngoài ra các dữ liệu này sẽ được gửi đi nếu có yêu cầu cần có các dữ liệu này Các thiết bị đảm nhiệm vai trò này là các mạch nhúng và các vi điều khiển, chúng có nhiệm vụ xử lý dữ liệu nhận được từ cảm biến.

- Network và Internet: sau khi dữ liệu được xử lý, các thiết bị xử lý và thiết bị lưu sẽ kết nối với thiết bị không dây để nhận các dữ liệu này và gửi lên bộ nhớ đám mây nơi dữ liệu được lưu trữ Có 4 giao thức được sử dụng ở mức này: CoAP (Constrained Application Protocol), MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), HTTP (giao thức web), XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol).

Mô hình thực tế của hệ thống IoT đơn giản của tác giả Lanny Sitanayah sử dụng để giám sát và dự đoán chất lượng nước trong hồ bơi Tác giả sử dụng các cảm biến thu thập dữ liệu như: độ axit (pH), độ mờ, oxy hòa tan (DO) và nhiệt độ nước, Các dữ liệu này được xử lý cục bộ ở Arduino Uno R3 sau đó gửi lên bộ nhớ đám mây thông qua ESP8266 bằng mạng di động hoặc wifi Dữ liệu được lưu trữ và hiển thị trên một trang web và có thể truy cập từ bất kỳ đâu Bằng cách sử dụng dữ liệu có sẵn và liên quan, khai thác dữ liệu có thể tạo ra nhiều mô hình để xác định các mẫu tồn tại trong một tập dữ liệu.[19]

Hình 2 8 Hệ thống giám sát bằng arduino và esp8266

Dựa vào hệ thống giám sát trên nhóm em thiết kế hệ thống giám sát điện mặt trời độc lập được sử dụng để theo dõi và quản lý hoạt động của hệ thống Hệ thống giám sát bao gồm các cảm biến và thiết bị giám sát để thu thập dữ liệu về hiệu suất hoạt động của các thành phần trong hệ thống, bao gồm pin mặt trời, bộ điều khiển, bộ lưu trữ, hệ thống điện và các thông số liên quan khác.

Hệ thống giám sát điện mặt trời độc lập cho phép người dùng theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống, bao gồm thông tin về sản lượng điện, điện áp, dòng điện, nhiệt độ và các thông số khác Thông qua giao diện người dùng, người dùng có thể xem thông tin thống kê, đồ thị và báo cáo về hoạt động của hệ thống, từ đó đánh giá hiệu suất và xác định các vấn đề tiềm ẩn Các số liệu được gửi về:

- Sản lượng năng lượng: hệ thống giám sát cho phép theo dõi và ghi nhận sản lượng năng lượng mặt trời được tạo ra bởi các bảng pin mặt trời Điều này giúp xác định hiệu suất của hệ thống và đưa ra các biện pháp cải thiện nếu cần.

- Nhiệt độ, độ ẩm: nhằm đánh giá hiệu suất của các thành phần trong trạm sạc Nhiệt độ quá cao có thể ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của bảng pin mặt trời, trong khi độ ẩm cao có thể gây ra các vấn đề về ẩm mốc và hiệu suất của các thiết bị điện tử.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐỒ ÁN

Sơ đồ khối đồ án

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống mô hình đồ án

Mô hình đồ án sẽ gồm 2 phần phần cứng và phần giám sát:

- Phần cứng: gồm các thiết bị như pin mặt trời, mạch giảm áp, mạch ngắt, mạch chuyển đổi nguồn, rơle, acquy lưu trữ và acquy tải Phần cứng đảm nhận vai trò quan trọng đảm bảo điện áp cho hoạt động bình thường của hệ thống, bảo vệ acquy tải và acquy lưu trữ tránh trường hợp Ngoài ra, phần cứng cũng thực hiện chuyển đổi nguồn điện để sạc cho xe điện dựa trên các trường hợp khác nhau thông qua rơle.

- Phần giám sát: bao gồm các linh kiện điện tử như các cảm biến, Arduino Uno R3,

ESP8266, màn hình LCD và giám sát từ xa bằng web Blynk Phần giám sát có nhiệm vụ quan sát và truyền các thông số đo được lên màn hình LCD và nền tảng web Blynk. Điều này giúp việc giám sát và theo dõi các thông số của hệ thống từ xa và đưa ra các dự đoán, điều chỉnh và quản lý hoạt động của hệ thống.

Với mô hình đồ án sử dụng phần cứng và phần giám sát để tạo ra một hệ thống sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời Phần cứng đảm bảo nguồn điện và sạc cho xe điện, trong khi phần giám sát giúp theo dõi và điều chỉnh hoạt động của hệ thống.

Nguyên lý hoạt động của mô hình

Hệ thống hoạt động như sau: khi có ánh sáng mặt trời, pin mặt trời sẽ hấp thụ tia bức xạ và tạo ra điện năng bằng hiệu ứng quang điện Điện năng này là điện DC một chiều và sẽ đi qua mạch giảm áp để giảm điện áp đến mức phù hợp với hệ thống Sau đó, điện sẽ đi qua mạch ngắt, nếu điện áp nhỏ hơn mức đã đặt trước đó, mạch sẽ ngắt kết nối từ pin mặt trời để tránh việc pin có điện áp nhỏ hơn điện áp của acquy lưu trữ nguyên nhân gây ra tình trạng ngược dòng từ acquy lên pin mặt trời gây hư hỏng pin mặt trời Nếu điện áp đạt hoặc cao hơn mức đã đặt, điện sẽ tiếp tục đi qua mạch chuyển đổi nguồn Mạch chuyển đổi nguồn có chức năng ưu tiên sử dụng nguồn từ pin mặt trời Nếu nguồn chính bị ngắt, hệ thống sẽ chuyển sang sử dụng nguồn dự phòng từ acquy lưu trữ Điện từ một trong hai nguồn này sẽ được cấp cho tải tùy thuộc vào trường hợp cụ thể Hơn nữa, hệ thống còn sử dụng rơ le để mở, đóng mạch khi có tải và không có tải, nhằm đảm bảo hoạt động tối ưu của hệ thống và có các mạch sạc, mạch giảm áp có chức năng đảm bảo an toàn quá trình sạc và bảo vệ acquy khỏi quá nạp hoặc ngắt khi điện áp không đủ để cấp cho acquy.

Hệ thống hoạt động theo ba trường hợp sau:

-Trong trường hợp thứ nhất: hệ thống không có tải (xe điện), điện năng từ pin mặt trời sẽ đi qua mạch giảm áp để giảm điện áp xuống mức đã được định trước Sau đó, điện sẽ thông qua rơ le và tiếp tục đi qua mạch sạc để trực tiếp sạc cho acquy lưu trữ.

-Trường hợp thứ 2: hệ thống được kết nối với tải (xe điện), khi này rơ le được kích nhờ điện áp từ acquy tải Rơ le được kích và chuyển đổi trạng thái làm cho mạch sạc cho acquy lưu trữ bị hở mạch và không sạc cho acquy lưu trữ Điện năng từ pin mặt trời đi qua mạch giảm áp và đi qua mạch ngắt, bộ chuyển đổi nguồn được giảm áp nhờ bộ giảm áp tiếp tục qua mạch sạc và sạc cho acquy tải.

- Trường hợp thứ 3: hệ thống đang hoạt động ở trường hợp 2 nhưng khi này ánh sáng từ mặt trời không đủ do thời tiết không thuận lợi hoặc là buổi tối Trong trường hợp này, điện áp sẽ nhỏ hơn mức điện áp đã được định sẵn trên mạch ngắt Mạch ngắt sẽ ngắt kết nối điện từ pin mặt trời ra khỏi hệ thống Bộ chuyển đổi nguồn sẽ chuyển sang sử dụng nguồn điện dự phòng từ acquy lưu trữ và đi qua mạch giảm áp, đi qua mạch sạc để tiếp tục sạc cho tải (xe điện).

Cả ba trường hợp đều có hệ thống giám sát thu thập và gửi dữ liệu cho người giám sát về: nhiệt độ, độ ẩm, dòng điện đầu vào và điện áp của pin mặt trời, acquy lưu trữ và tải Thông tin này được cung cấp cho người giám sát và được truyền qua kết nốiWi-Fi sử dụng phần mềm Blynk, cho phép giám sát từ xa.

Linh kiện mô hình đồ án

Pin mặt trời là một thiết bị chuyển hoá năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Nó được thiết kế nhằm sản xuất ra điện với nguồn năng lượng sạch và không gây ô nhiễm môi trường.

Cấu trúc cơ bản của một pin mặt trời gồm nhiều tế bào quang được liên kết với nhau Mỗi tế bào quang điện bao gồm một lớp bán dẫn dương (P) và một lớp bán dẫn âm (N) Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào quang điện, năng lượng từ ánh sáng mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng truyền qua tế bào Quá trình này hay được gọi là hiệu ứng quang điện.

Arduino UNO là vi điều khiển kỹ thuật số được thiết kế theo vi điều khiểnATmega328P với 14 chân input/output kỹ thuật số (trong đó có 6 chân được dùng làm ngõ ra PWM) và 6 chân input analog và một tần số dao động gốm 16MHz, cáp USB, dây nguồn, đầu nối ICSP và nút reset Chỉ cần nối nó với máy tính qua cáp USB hoặc cấp nguồn qua bộ chuyển đổi AC-DC hoặc pin để khởi động.

Arduino UNO là một thiết bị điện tử hữu ích cho việc thiết kế và thực hiện các dự án điện tử Nó tạo ra các bảng điều khiển có thể kết nối với các thiết bị khác nhau bao gồm quạt, động cơ, đèn LED và nhiều thứ khác Với giao diện lập trình dễ dàng sử dụng cùng khả năng tương thích rộng rãi nên Arduino UNO là lựa chọn phổ biến hiện nay.

Sơ đồ nối dây Arduino

Hình 3 4 Sơ đồ nối dây Arduino UNO R3

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của Mô-đun ESP8266 Node MCU

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

Arduino có nhiệm vụ kết nối và nhận dữ liệu từ các cảm biến Điều này cho phép nó đọc các thông số như của môi trường như ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ và cũng có thể đo được dòng điện và điện áp từ mô hình hệ thống Dữ liệu này có thể được sử dụng để phân tích, giám sát và điều khiển các quy trình tự động Arduino cũng có khả năng giao tiếp với các thiết bị khác thông qua các giao thức như UART, I2C, SPI và cổng USB, cho phép nó kết nối với các cảm biến, màn hình, và vi điều khiển ESP8266 để truyền dữ liệu.

3.3.3 Mô-đun wifi ESP8266 NODE MCU

Mô-đun wifi ESP8266 Node MCU là một thiết bị phát triển dựa trên vi điều khiển ESP8266, được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử với mạng WiFi vàInternet Mô-đun cung cấp một nền tảng phát triển cho các ứng dụng IoT (Internet ofThings) và các dự án tự chế cho các nhà phát triển và các kỹ sư điện tử.

Mô-đun ESP8266 NodeMCU có tích hợp trên một board với nhiều chân kết nối đa dạng, cho phép kết nối với các cảm biến, động cơ, màn hình LCD và các thiết bị khác Nó có tính năng kết nối WiFi đầy đủ, hỗ trợ giao thức TCP/IP và cung cấp các chức năng cơ bản như kết nối, chuyển đổi mạch và quản lý mạng.

Mô-đun ESP8266 Node MCU cũng hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình phổ biến như C++, Lua và MicroPython Các nhà phát triển có thể sử dụng các ngôn ngữ nàyđể lập trình và điều khiển các thiết bị điện tử thông qua kết nối WiFi và Internet Ngoài ra, nó còn có tính năng hỗ trợ OTA (Over The Air) cho phép cập nhật phần mềm từ xa, giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong việc cập nhật phần mềm cho các thiết bị IoT. Mô-đun ESP8266 Node MCU thường được sử dụng trong các ứng dụng như đo đạc, giám sát môi trường, kiểm soát thiết bị điện tử từ xa, tự động hóa nhà thông minh, và các dự án tự chế Nó có đặc tính nhỏ gọn, dễ sử dụng và cài đặt, giá thành thấp và tính linh hoạt cao Tuy nhiên, nó có giới hạn về khả năng xử lý và bộ nhớ so với các bo mạch điều khiển khác, và có thể có vấn đề về độ ổn định và độ tin cậy trong một số trường hợp Tuy nhiên, mô-đun ESP8266 Node MCU là một giải pháp tiện lợi và hiệu quả cho các dự án IoT và dự án tự chế, giúp các nhà phát triển và kỹ sư điện tử nhanh chóng triển khai các ứng dụng và dự án mới.

ESP8266 NodeMCU có các chân GPIO (General Purpose Input/Output) để kết nối với các thiết bị ngoại vi khác như cảm biến, màn hình, các mạch điều khiển, vv Số lượng chân GPIO trên NodeMCU là 17 chân Các chân GPIO có thể sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra là: D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, và D8 Điều này có nghĩa là bạn có thể sử dụng chúng như các chân đầu vào để đọc trạng thái của các cảm biến hoặc như các chân đầu ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi khác Trong đó, một chân A0 sử dụng chân đầu vào ADC (Analog-to-Digital Converter) để đọc giá trị analog từ cảm biến Số bit ADC của ESP8266 NodeMCU thường là 10 bit, cho phép đo giá trị từ 0 đến 1023.

Về tốc độ kết nối WiFi của ESP8266 NodeMCU, nó có thể đạt tốc độ lên đến 72Mbps Tuy nhiên, tốc độ kết nối thực tế phụ thuộc vào môi trường và điều kiện mạngWiFi cụ thể.

Hình 3 5 Mô-đun wifi ESP8266 NODE MCU

Hình 3 6 Sơ đồ nối dây mô-đun wifi ESP8266 NODE MCU

Bảng 3 2 Thông số kỹ thuật ESP8266 Wifi SoC:

IC chính ESP8266 Wifi SoC

Phiên bản firmware Node MCU

Chip nạp và giao tiếp UART CP2102 Độ tương thích với firmware Tương thích hoàn toàn

Cấp nguồn 5VDC Micro USB hoặc Vin

Mức giao tiếp của GIPO 3.3VDC

Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash. Độ tương thích với trình biên dịch Arduino Tương thích hoàn toàn

ESP8266 trong thiết kế đồ án có nhiệm vụ đo dòng điện của pin năng lượng mặt trời, đo nhiệt độ, độ ẩm của môi trường xung quanh Bên cạnh đó, ESP8266 còn nhận dữ liệu từ Arduino sau đó xử lý tính công suất pin mặt trời, dung lượng acquy tải và acquy lưu trữ Và gửi các dữ liệu đo được lên màn hình LCD và gửi lên web Blynk thông qua wifi hoặc dữ liệu di động.

3.3.4 Cảm biến dòng điện ACS712 20A

Cảm biến dòng điện ACS712 20A là một cảm biến dòng điện tuyến tính được sử dụng để đo dòng điện trong các ứng dụng điện tử và điều khiển Nó cho phép đo dòng điện tới 20A với độ chính xác cao và dễ dàng sử dụng.

Cảm biến ACS712 20A có thể được kết nối với mạch điều khiển để đo dòng điện và truyền tín hiệu đo về mạch điều khiển Nó cung cấp một tín hiệu điện áp tuyến tính tương ứng với dòng điện đo được, với độ chính xác lên đến 1,5% và độ phân giải là 100mV/A Cảm biến này cũng có tính năng bảo vệ quá tải và nhiễu từ bên ngoài.

Cảm biến dòng điện ACS712 5A thường được sử dụng trong các ứng dụng như đo dòng điện trong các hệ thống điện tử, đo lường năng lượng tiêu thụ của các thiết bị điện, kiểm soát thời gian hoạt động của các thiết bị điện tử, và các ứng dụng khác liên quan đến đo dòng điện Nó cũng có thể được sử dụng trong các dự án DIY (làm đồ tự chế) để đo dòng điện và điều khiển các thiết bị điện tử Việc sử dụng cảm biến ACS712 20A giúp đơn giản hóa thiết kế mạch điện tử, tăng tính chính xác và độ tin cậy trong việc đo dòng điện.

Hình 3 7 Cảm biến dòng điệnACS712 20A

Hình 3 8 Sơ đồ nối dây cảm biến dòng điện ACS712 20A

Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật cảm biến dòng điện ACS712 20A Đường tín hiệu analog Độ nhiễu thấp

Thời gian tăng của đầu ra để đỏp 5às ứng với đầu vào Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ

Nguồn 5VDC Độ nhạy đầu ra 63-190mV/A

Nhiệt độ hoạt động -40 - 85 °C Điện áp Cực kỳ ổn định Độ nhạy 96-104 mV/A

Cảm biến dòng điện được cấp nguồn 3.3V từ Arduino Uno R3 để hoạt động và sáng đèn Đầu tín hiệu Vout của cảm biến được kết nối với một đầu đo và đầu còn lại của cảm biến được kết nối với bộ giảm áp Khi đó, điện áp đo được sẽ chuyển đổi thành tín hiệu từ 0-3.3V, tương ứng với dòng điện từ 0-20A. Điện áp đầu ra Vout của cảm biến sẽ thay đổi theo dòng điện đo và được biểu thị trong phạm vi từ 0-3.3V Các giá trị dòng điện nằm giữa 0-20A sẽ tương ứng với các giá trị điện áp đầu ra từ 0-3.3V.

Mô phỏng trên phần mềm Proteus 8 professional

Hình 3 25 Sơ đồ mô phỏng đồ án trên phần mềm Proteus 8 professional

Kết quả đạt được của mô phỏng

Hình 3 26 Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên LCD

Hình 3 27 Hiển thị công suất đầu vào hệ thống

Hình 3 28 Hiển thị điện áp và trạng thái sạc hiện tại của acquy lưu trữ

Hình 3 29 Hiển thị điện áp và trạng thái sạc hiện tại của acquy tải

Nhiệt độ mô phỏng: 27°C Độ ẩm mô phỏng 80%

Dòng điện mô phỏng pin mặt trời : 3.15 A Điện áp mô phỏng pin mặt trời: 37V

Công suất tính được: 116W Điện áp hiện tại và phần trăm pin( pin lưu trữ): 11.78V và 49% Điện áp hiện tại và phần trăm pin ( tải): 9.47V và 39%

Mô hình thực tế

Hình 3 30 Mô hình thực tế

Hình 3 31 Sơ đồ nối dây mô hình đồ án

Bảng 3 13 Nối dây LCD I2C với ESP8266 NODE MCU

Bảng 3 14 Nối dây cảm biến áp 1 với Arduino UNO R3

Cảm biến áp 1 Arduino UNO R3

Bảng 3 15 Nối dây cảm biến áp 2 với Arduino UNO R3

Cảm biến áp 2 Arduino UNO R3

Bảng 3 16 Nối dây cảm biến áp 3 với Arduino UNO R3

Cảm biến áp 3 Arduino UNO R3

Bảng 3 17 Nối dây giữa Arduino với ESP8266 NODE MCU

Arduino UNO R3 ESP8266 NODE MCU

Bảng 3 18 Nối dây cảm biến áp DHT22 với ESP8266 NODE MCU

Bảng 3 19 Nối dây ACS712 20A với ESP8266 NODE MCU và Arduino UNO

ACS712 20A ESP8266 NODE MCU Arduino UNO R3

Về phần code của Arduino và code của ESP8266 tham khảo ở phần code hệ thống giám sát.

Hình 3 32 Sơ đồ giải thuật code Arduino

Hình 3 33 Sơ đồ giải thuật code ESP8266

3.5.3 Kết quả đồ án Đo nhiệt độ, độ ẩm:

Hình 3 34 Hình ảnh LCD thể hiện nhiệt độ, độ ẩm của môi trường

Mô hình sẽ chia thành 3 trường hợp trường hợp có tải (acquy xe điện), trường hợp không tải, trường hợp điện mặt trời không đủ cung cấp cho xe điện.

Trường hợp không có tải:

Hệ thống sẽ sử dụng điện năng từ nguồn mặt trời đi qua mạch giảm áp và sạc trực tiếp vào acquy lưu trữ thông qua mạch sạc Quá trình này giúp nạp lại năng lượng cho acquy và duy trì năng lượng acquy lưu trữ Khi điện từ mặt trời đủ để cung cấp năng lượng cho acquy, hệ thống sẽ tiến hành quá trình sạc.

Mạch sạc trong hệ thống đảm bảo điện áp đầu vào cho acquy và ngăn chặn các trường hợp sạc ngược từ pin mặt trời và sạc quá mức Hệ thống giám sát có nhiệm vụ đo công suất từ pin mặt trời và trạng thái sạc của acquy lưu trữ, và hiển thị thông tin này trên LCD và phần mềm giám sát Blynk Điều này giúp người dùng có cái nhìn rõ ràng về hiệu suất sạc và trạng thái sạc của hệ thống.

Hình 3 35 Công suất pin mặt trời trường hợp 1

Hình 3 36 Trạng thái sạc của acquy lưu trữ trường hợp 1

Hình 3 37 Trạng thái sạc của tải trường hợp 1

Hình 3 38 Hiển thị trên phần mềm Blynk trường hợp 1

Trường hợp có tải và điện áp mặt trời đủ để cung cấp cho tải:

Trong trường hợp điện năng từ mặt trời đủ để cung cấp cho tải, hệ thống sẽ ưu tiên sử dụng nguồn điện từ tấm pin mặt trời để sạc và cung cấp năng lượng cho tải.Quá trình này được thực hiện thông qua các mô-đun chuyển đổi nguồn và mạch sạc.Tấm pin mặt trời thu thập năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng một chiều (DC) Điện năng DC này được đưa vào mạch giảm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra theo yêu cầu của hệ thống và tải điện Điện năng sau khi đi qua mạch giảm áp sẽ được đưa vào mạch sạc để ổn định điện áp đầu ra và đảm bảo sạc acquy tải một cách an toàn và hiệu quả Sau đó, điện năng ổn định từ mạch sạc sẽ đi qua mô đun chuyển đổi nguồn dự phòng Mô đun này có chức năng ưu tiên nguồn từ điện mặt trời khi thấy đủ điện năng sẽ cho dòng điện đi qua Cuối cùng, điện năng đi qua mạch giảm áp và giảm áp sau đó sử dụng để sạc acquy tải thông qua mạch sạc.Quá trình sạc acquy được điều chỉnh để đảm bảo năng lượng đủ được cung cấp và acquy duy trì trạng thái sạc đầy đủ.

Hình 3 39 Hệ thống khi có tải

Hình 3 41 Công suất pin mặt trời trường hợp 2

Hình 3 42 Trạng thái sạc của acquy lưu trữ trường hợp 2

Hình 3 43 Trạng thái sạc của tải trường hợp 2

Hình 3 44 Hiển thị trên phần mềm Blynk trường hợp 2

Trường hợp có tải và điện mặt trời không đủ để cung cấp cho tải: hệ thống sẽ ngắt nguồn điện từ mặt trời và chuyển sang sử dụng nguồn điện từ acquy lưu trữ để sạc và cung cấp năng lượng cho tải Quá trình này sẽ được thực hiện thông qua các mô-đun chuyển đổi nguồn và mạch sạc Dưới đây là quá trình chi tiết: Khi hệ thống xác định rằng điện áp mặt trời không đủ để cung cấp cho tải, mô- đun chuyển đổi nguồn sẽ ngắt điện năng từ tấm pin mặt trời Thay vào đó, mô-đun chuyển đổi nguồn sẽ ưu tiên sử dụng nguồn điện từ acquy lưu trữ để cung cấp năng lượng cho tải Điện năng từ acquy lưu trữ sẽ đi qua mô-đun chuyển đổi nguồn để điều chỉnh điện áp đầu ra và đảm bảo đáp ứng yêu cầu của hệ thống và tải điện Sau đó, điện năng ổn định từ mô-đun chuyển đổi nguồn đi qua mạch giảm áp và giảm điện áp để phù hợp với tải Điện năng sau khi được giảm áp sẽ được đưa vào mạch sạc để sạc acquy tải một cách an toàn và hiệu quả Quá trình sạc acquy sẽ được điều chỉnh để đảm bảo năng lượng đủ được cung cấp và acquy duy trì trạng thái sạc đầy đủ.

Qua quá trình trên, hệ thống sẽ tạm ngừng sử dụng nguồn điện từ mặt trời và chuyển sang sử dụng nguồn điện từ acquy lưu trữ để đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định của tải điện Mô-đun chuyển đổi nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nguồn điện và đảm bảo sự cung cấp năng lượng liên tục cho tải từ acquy lưu trữ.

Hình 3 45 Hệ thống khi điện áp mặt trời không đủ để cấp cho tải

Hình 3 46 Công suất pin mặt trời trường hợp 3

Hình 3 47 Trạng thái sạc của acquy lưu trữ trường hợp 3

Hình 3 48 Trạng thái sạc của acquy tải trường hợp 3

Hình 3 49 Hiển thị trên phần mềm Blynk trường hợp 3

Ngoài ra hệ thống có gắn thêm đèn DC với công suất nhỏ để giám sát hệ thống có hoạt động không.

Hình 3 50 Điện áp và dòng điện của đèn

Vì công suất đèn nhỏ nên không ảnh hưởng nhiều đến tính toán và công suất hệ thống.

Với điện áp của đèn và 18.44V và dòng điện là 0.19A tính được công suất đèn là:

Theo sơ đồ nối dây cảm biến dòng sẽ được đặt trước hệ thống và đèn khi này đèn sẽ được nối song song với hệ thống Vì vậy tính dòng điện của hệ thống bằng công thức sau:

I ht : Dòng điện của hệ thống sạc I: Dòng điện tổng đo được

I đ : Dòng điện của đèn Trong trường hợp này dòng sạc cho acquy nhỏ vì điện áp của acquy tải đã đạt mức 100% Khi đó, mạch điều khiển sạc sẽ cung cấp dòng điện nhỏ đến acquy tải để duy trì điện áp ổn định và tránh quá sạc, bảo vệ acquy khỏi hư hỏng và kéo dài tuổi thọ Việc tính toán tương tự với trường hợp 2.

Bảng 3 20 Kết quả đồ án từng trường hợp

Thống Nhiệt Độ Điện Dòng Công Điện Trạng Điện Trạng số/ độ ẩm áp PV điện suất áp thái áp thái trường ( 0 C) (%) (V) PV PV acquy sạc acquy sạc tải hợp (A) (W) lưu trữ lưu tải (%)

GIẢI PHÁP CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN

Bố trí trạm sạc

Trạm sạc công cộng cung cấp nhiều lợi ích quan trọng cho người dùng xe điện. Đầu tiên, việc lắp đặt trạm sạc công cộng tại các địa điểm như siêu thị, trung tâm mua sắm và nhà hàng cho phép người dùng sạc xe trong quá trình mua sắm hoặc thưởng thức các dịch vụ Điều này mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm thời gian cho người sử dụng xe điện, vì họ không cần phải dừng lại ở một địa điểm riêng biệt để sạc xe.

Thứ hai, trạm sạc công cộng mở rộng khả năng di chuyển của xe điện Người dùng không cần lo lắng về khoảng cách di chuyển hay thời gian sạc xe tại nhà, mà có thể tận dụng các trạm sạc công cộng trên đường đi để nhanh chóng sạc lại xe Điều này giúp tăng tính linh hoạt và độ tin cậy của xe điện, cho phép người dùng khám phá xa hơn và tham gia vào các hoạt động hàng ngày mà không cần lo lắng về tình trạng pin.

Hình 4 1 Mô hình trạm sạc xe điện tích hợp với trạm dừng xe bus bằng phần mềm sketchup

4.1.2 Trạm sạc dọc các tuyến đường

Trạm sạc trên các tuyến đường lý tưởng cho các chuyến đi đường xa và trong những vùng không có sẵn trạm sạc công cộng Đặc biệt, các khu vực nông thôn hoặc xa lánh mạng lưới điện truyền thống là nơi lý tưởng để xây dựng các trạm sạc sử dụng năng lượng mặt trời Việc đặt trạm sạc gần khu vực này cũng tạo điều kiện cho người đi đường nghỉ chân và tìm kiếm các dịch vụ phục vụ Có thể xây dựng các quán cafe, nhà hàng, điểm ăn sáng, hoặc cung cấp chỗ nghỉ như nhà nghỉ để đáp ứng nhu cầu của người đi đường và tạo ra môi trường thuận tiện và thoải mái.

Những trạm sạc này không chỉ giúp đảm bảo nguồn năng lượng cho xe điện mà còn tạo ra một điểm đến hữu ích cho người đi đường Việc kết hợp trạm sạc với các dịch vụ khác như nghỉ chân và ẩm thực không chỉ tăng cường tính tiện lợi mà còn mang lại trải nghiệm tốt hơn cho người sử dụng xe điện trên các tuyến đường dài.

Trạm sạc nhanh sử dụng solar farm (trang trại điện mặt trời) công suất vừa và nhỏ là một giải pháp hiệu quả để đáp ứng nhu cầu sạc nhanh cho xe điện Solar farm, hay còn gọi là trang trại năng lượng mặt trời, là hệ thống các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên một diện tích rộng nhằm tận dụng năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành điện.

Với việc sử dụng solar farm công suất vừa và nhỏ, trạm sạc có thể được đặt ở các vị trí chiến lược trên các tuyến đường quan trọng và trong các khu đô thị Công suất của solar farm có thể được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu sạc xe điện tại địa điểm đó.

Ví dụ, một solar farm công suất vừa có thể đáp ứng nhu cầu sạc cho một số lượng xe điện trung bình trong khu vực đó, trong khi solar farm công suất nhỏ hơn phù hợp cho trạm sạc có lượng xe điện sử dụng ít hơn.

4.1.4 Các tiêu chí để lựa chọn các địa điểm đặt trạm sạc

Tiếp cận dễ dàng: địa điểm nên được lựa chọn gần các khu dân cư, trung tâm thương mại, thành phố giúp người dùng xe điện có thể tiếp cận thuận tiện và dễ dàng. Tiện nghi xung quanh: trạm sạc cần được đặt gần các tiện ích như cửa hàng tiện lợi, quán cà phê, công ty, trường học, trung tâm siêu thị,… nhằm đáp ứng nhu cầu của người sử dụng xe điện trong quá trình chờ sạc.

Trạm sạc trên tuyến đường:

Khoảng cách hợp lý: các trạm sạc trên tuyến đường cần được đặt cách đều nhau, giữa các điểm đến quan trọng hoặc các khu vực có nhiều lưu lượng xe điện qua lại. Tiện lợi cho chuyến đi dài: vị trí trạm sạc trên tuyến đường cần phù hợp với các điểm dừng chân như trạm nghỉ xe buýt điện, nhà hàng, giúp người dùng có thể sạc xe và thư giãn trong quá trình chuyến đi dài.

Vị trí trạm sạc nhanh cần được đặt ở các điểm giao thông quan trọng, dễ dàng tiếp cận và không gây ùn tắc giao thông trên tuyến đường chính Vị trí gần tuyến đường chính: trạm sạc nhanh cần được đặt ở các vị trí gần tuyến đường chính, như xa lộ, cao tốc, để thuận tiện cho việc sạc xe cho những chuyến đi ngắn và nhanh.

Tiện ích xung quanh: các trạm sạc nhanh cần được đặt gần các tiện ích như nhà hàng, cửa hàng ăn nhanh, quán cà phê, siêu thị, giúp người sử dụng có thể sạc xe và tiếp tục hành trình một cách thuận tiện và nhanh chóng.

Thiết kế trạm sạc

4.2.1 Chọn bố trí và thiết kế cho trạm sạc Để có thể nghiên cứu chi tiết trạm sạc nhóm em sẽ tập trung vào trạm sạc công công Với trạm sạc này sẽ được đặt ở bãi giữ xe của các trung tâm thương mại Lựa chọn này được đưa ra vì các trung tâm thương mại thường là nơi có lượng xe đi qua đông đúc và có nhu cầu sạc xe cao Bằng cách đặt trạm sạc tại bãi giữ xe của các trung tâm thương mại, nhóm em hy vọng sẽ thuận tiện cho người dùng khi đi mua sắm hoặc làm việc tại những địa điểm này Trạm sạc xe điện mặt trời độc lập sẽ có 2 bộ phận chính: nơi để xe và trụ sạc xe điện.

- Nơi để xe sạc là nơi dùng có thể đậu xe và kết nối xe để sạc Nơi để xe có thể là nơi đặc biệt được thiết kế cho việc sạc xe điện, có các thiết bị và kết nối sạc phù hợp.

Hình 4 2 Mô hình trạm sạc xe điện của nhóm sinh viên Đại học Bách khoa TP HCM

- Một trạm sạc xe điện thông thường thường bao gồm ít nhất hai trụ sạc độc lập, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của trạm sạc đó Hệ thống bao gồm: phần cứng và phần giám sát.

- Phần cứng gồm các thiết bị như: pin mặt trời, acquy lưu trữ, bộ điều khiển sạc, xe điện.

-Phần giám sát bao gồm: các cảm biến đo (dòng điện, điện áp, nhiệt độ, độ ẩm,

…), thiết bị hiện trường, khối truyền thông và khối máy chủ trung tâm.

Hình 4 3 Sơ đồ khối đề xuất của trạm sạc không nối lưới dựa trên PV với hệ thống tích trữ năng lượng.

Tuy vậy có vài lưu ý khi sử dụng trạm sạc: tùy theo từng loại xe được phân thành nhiều loại khác nhau Việc sạc xe phải theo quy định của nhà sản xuất về hiệu điện thế, dòng điện và công suất sạc nên cần lưu ý khi sử dụng các trạm sạc công cộng.

Trong việc thiết kế kiểu dáng trạm sạc mặt trời, nhóm em sẽ theo thiết kế theo thiết kế trụ sạc xe máy điện của VinFast Trụ sạc có cấu tạo từ các thành phần chính như: thân trụ, dây sạc và màn hình LCD.

Màn hình LCD: Màn hình này hiển thị các thông số quan trọng liên quan đến quá trình sạc, chẳng hạn như thông tin về lượng pin còn lại, thời gian sạc, công suất sạc, và các thông báo khác Màn hình LCD giúp người dùng dễ dàng theo dõi và kiểm soát quá trình sạc một cách thuận tiện.

Hình 4 4 Trụ sạc xe điện

Bảng 4 1 Thông số của trụ sạc xe máy điện trên thị trường Điện áp hoạt động (V) 1 pha 220VAC ± 5%

Tần số hoạt động 50 Hz ± 5%

Công suất ≥ 1.2kW/ cổng sạc

Số lượng cổng đầu ra 2 hoặc 4 cổng/ trụ sạc

Bảo vệ Quá tải/ Quá nhiệt/ ngắn mạch/ chống giật

4.2.3 Hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống trạm sạc độc lập

Các lĩnh vực công nghiệp ứng dụng của hệ thống IoT rất đa dạng, từ nhà thông minh, công - nông nghiệp thông minh, y tế thông minh cho đến giao thông thông minh và quản lý năng lượng Hệ thống IoT đang đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế môi trường số kết nối, thông minh và hiệu quả.[22]

Hình 4 5 Hệ thống giám sát IOT

Hệ thống IoT trong trạm sạc đóng vai trò quan trọng như thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống để đảm bảo rằng hệ thống sẽ hoạt động tối ưu nhất Nó mang đến các chức năng sau:

- Thu thập dữ liệu: hệ thống IoT thu thập các dữ liệu trạm sạc như vị trí, khả năng sạc, số lượng chỗ sạc trống và các thông tin khác liên quan Dữ liệu này được tổ chức và truyền đi để cung cấp cho người tiêu dùng các thông tin cần thiết khi tìm kiếm trạm sạc phù hợp.

- Định vị và gửi dữ liệu: hệ thống IoT sử dụng các công nghệ định vị để xác định địa điểm của các trạm sạc Thông tin về vị trí này được gửi đến người tiêu dùng, giúp họ nắm bắt được các trạm sạc gần họ và có sẵn các tiện ích như khả năng sạc và chỗ sạc trống.

- Báo hiệu và thông báo: khi hệ thống gặp sự cố hoặc vấn đề liên quan đến trạm sạc, hệ thống IoT sẽ gửi các báo hiệu và thông báo tới người giám sát Điều này giúp người giám sát nhận biết và giải quyết sự cố một cách nhanh chóng và hiệu quả.

- Điều khiển từ xa: hệ thống IoT cho phép người giám sát và điều khiển các hoạt động của trạm sạc từ xa Chẳng hạn, họ có thể thay đổi chế độ sạc, kiểm soát công suất hoặc tắt/mở các chức năng của trạm sạc Điều này mang lại sự tối ưu hóa hoạt động hệ thống và giải quyết các vấn đề trong lúc hoạt động một cách linh hoạt.

 Với các chức năng trên, hệ thống IoT trong trạm sạc đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý, điều khiển và cung cấp các thông tin cần thiết cho người sử dụng xe điện và người giám sát, đảm bảo sự tiện lợi và hiệu quả trong việc sử dụng xe điện và hệ thống sạc.

Hệ thống điều khiển và giám sát thường có ba khối cơ bản: khối thiết bị hiện trường, khối truyền thông và khối máy chủ trung tâm Dưới đây là mô tả chi tiết về các thành phần trong hệ thống:

-Thiết bị hiện trường: bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200: đây là dòng sản phẩm phổ biến của Siemens PLC S7-1200 để thay thế dòng PLC S7-200 với nhiều ưu điểm vượt trội Ngoài ra còn có cổng Ethernet, giúp tăng tốc độ giao tiếp truyền thông giữa các thiết bị trong hệ thống.

Lựa chọn thiết bị phần cứng

Có ba loại chính của pin mặt trời: tấm pin mặt trời thin-film, tấm pin mặt trời mono và tấm pin mặt trời poly.

Tấm pin mặt trời thin-film

Tấm pin mặt trời thin-film có thể có nhiều chất liệu khác nhau mà chất liệu phổ biến nhất tạo nên tấm pin mặt trời này là cadmium Telluride (CdTe), với cấu tạo bao gồm một lớp CdTe ở giữa và các lớp màng dẫn trong suốt ở hai giúp tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời và tạo ra điện năng Lớp trên cùng của tấm pin có lớp kính để bảo vệ.

Ngoài ra, còn có tấm pin sử dụng silic vô định hình, trong đó silic không kết tinh được đặt trên nhựa, thủy tinh hoặc kim loại để tạo thành tấm pin Một loại chất liệu khác được sử dụng là Copper Indium Gallium Selenide Tấm pin CIGS với 4 phần chính được đặt giữa 2 lớp như nhựa, thủy tinh, thép hoặc nhôm 2 mặt trước sau của tấm pin có các điện cực để thu và tạo ra dòng điện.

Tùy thuộc vào chất liệu tạo nên tấm pin mà có màu khác nhau như đen hoặc

Các tế bào trong tấm pin thin-film thường có kích thước mỏng hơn khoảng 350 lần so với các tấm tinh thể trong tấm pin mono và tấm pin poly Hiệu suất thường khoảng 11%, và hiệu suất cụ thể phụ thuộc vào chất liệu của tế bào Tuy nhiên, công suất của tấm pin thin-film thường thấp hơn so với các loại tấm pin khác. Ưu điểm

- Chất liệu nhẹ, linh hoạt và dễ dàng lắp đặt.

- Giá pin và chi phí thi công, lắp đặt rẻ.

- Hiệu suất và công suất thấp: hiệu suất chuyển đổi chỉ khoảng 11%.

- Cần có điểm tựa khi lắp đặt.

Tấm pin mặt trời mono thường được cấu tạo từ các tấm silic tinh khiết với mỗi tấm silic là cắt tinh thể silic đơn Thường có màu đen do ánh sáng phản xạ lại sau khi tác động lên tinh thể silic Các tế bào quang điện trong tấm pin mono có hình dạng vuông vạch góc và được xếp nối tiếp nhau để tạo ra các khoảng hình thoi màu trắng. Tấm pin mặt trời mono có hiệu suất chuyển đổi cao khoảng 20%, và công suất lớn hơn các loại khác Điều này có nghĩa là chúng có khả năng chuyển đổi một tỷ lệ cao hơn năng lượng mặt trời thành năng lượng điện Điều này góp phần tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của tấm pin và tăng khả năng sản xuất điện.

Tuy nhiên, một nhược điểm là giá thành cao hơn so với các loại khác Quá trình sản xuất tấm pin mono đòi hỏi tinh thể silic đơn tinh khiết, điều này làm tăng chi phí sản xuất làm tăng giá thành cuối cùng của sản phẩm. Ưu điểm: hiệu suất và công suất cao

Nhược điểm: giá thành cao

Tấm pin mặt trời poly được chế tạo từ các solar cell (tế bào quang điện) cũng được làm từ các tấm silic Tuy nhiên, mỗi tấm silic trong tấm pin poly được cấu tạo từ nhiều mảnh tinh thể silic nung nóng chảy trong khuôn, sau đó được làm nguội và cắt thành các tấm wafer.

Tấm pin mặt trời poly có màu hơi xanh lốm đốm do ánh sáng tác động lên các mảnh silic trong cell và phản xạ theo nhiều hướng khác nhau Điều này làm cho màu sắc của tấm pin poly khác biệt so với các loại tấm pin khác.

Mặc dù tấm pin poly có hiệu suất chuyển đổi thấp hơn so với tấm pin mono, tuy nhiên vẫn nằm trong khoảng từ 15% đến 19%, nhưng chúng có ưu điểm về giá thành. Tấm pin mặt trời poly có giá thành thấp hơn so với tấm pin mono, làm cho chúng trở thành một lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng với yêu cầu chi phí hợp lý Ngoài ra, tấm pin mặt trời poly còn có khả năng giãn nở và chịu nhiệt tốt hơn, giúp tăng độ bền và hiệu suất làm việc trong điều kiện ánh sáng không đồng đều. Ưu điểm:

- Giá thành phù hợp ở tầm trung

-Khả năng chịu nhiệt cao

- Cấu tạo không ổn định và không bền

- Tuổi thọ thấp hơn pin mono

- Hiệu suất chuyển đổi và công suất làm việc thấp hơn tấm pin mono

Hình 4 7 Các loại pin năng lượng mặt trời

Tấm pin thin-film Tấm pin mono Tấm pin Poly

 Chọn pin mono cho hệ thống độc lập do có hiệu suất và công suất cao, dễ dàng lắp đặt.

Acquy (accumulator) là một nguồn điện thứ cấp được sử dụng để lưu trữ và cấp điện cho các thiết bị điện Acquy hoạt động dựa trên quá trình biến đổi năng lượng thành điện năng, và người dùng có thể sạc lại acquy để sử dụng nhiều lần trước khi cần thay thế.

Hiện nay, có hai loại acquy phổ biến là acquy axit chì và acquy lithium-ion. Trong hầu hết các trường hợp, acquy lithium-ion được coi là lựa chọn tốt nhất cho các hệ thống điện mặt trời hiện đại Mặc dù giá thành của acquy axit chì thường rẻ hơn, nhưng acquy lithium-ion có nhiều ưu điểm vượt trội.

Acquy lithium-ion được đánh giá cao vì khối lượng năng lượng lưu trữ cao, mật độ năng lượng lớn và tuổi thọ dài Nó cung cấp hiệu suất tốt hơn, có trọng lượng nhẹ hơn và có thể sạc lại nhanh chóng Ngoài ra, acquy lithium-ion cũng ít gặp vấn đề về tự xả và không yêu cầu bảo dưỡng định kỳ như acquy axit chì.

Bảng 4 2 So sánh các loại acquy

Lithium ion Axit chì Độ bền Khoảng 4 - 5 năm Khoảng 1 – 4 năm

Hiệu suất Hiệu suất lưu trữ lên đến 95% Hiệu suất lưu trữ từ 80-85% Độ xả sâu Độ xả sâu tương đối cao (80%) Độ xả sâu thấp (50%)

Mật độ năng 20 Wh/kg, chịu được dòng xả 32 Wh/kg, chỉ chịu được lớn dạng xung (trong thời gian dòng xả nhỏ và khả năng chịu lượng sạc - xả ngắn) và chịu tải cao tải kém.

Khối lượng Nhẹ, khoảng 3 - 4 kg Khá nặng, 12 - 15 kg

Khả năng Có Không chống nước

Bảo hành Tùy nhà sản xuất (thời gian lâu) Tùy nhà sản xuất (thời gian ngắn)

Khả năng Cao Thấp chống cháy nổ Ảnh hưởng Ít, vì được cấu tạo bởi những Nhiều, vì được cấu tạo bởi môi trường cell rắn lithium chì và axit.

Giá thành Khá cao Thấp

 Dựa theo bảng 4.2 chọn pin lithium cho hệ thống.

Bộ điều khiển hệ thống (charge controller) đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình sạc và bảo vệ acquy lưu trữ trong hệ thống điện mặt trời Nó nằm giữa pin mặt trời, pin lưu trữ và tải Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển là điều chỉnh việc sạc acquy từ nguồn điện của tấm pin mặt trời và đảm bảo hiệu suất cao nhất cho tấm pin Bộ điều khiển có các chức năng bảo vệ quan trọng như sau:

- Bảo vệ acquy: bộ điều khiển đảm bảo rằng khi acquy đạt đến mức đầy, nguồn điện từ tấm pin mặt trời sẽ không tiếp tục nạp vào acquy để tránh làm hỏng acquy và giảm tuổi thọ của nó Ngược lại, khi acquy gần hết năng lượng, bộ điều khiển sẽ ngắt nguồn điện đến tải để bảo vệ acquy khỏi việc xả quá mức gây ảnh hưởng đến acquy.

Tính toán và lựa chọn thiết bị phần cứng

4.4.1 Nhu cầu sạc xe trong một ngày của trạm sạc

Bài toán của đồ án đặt ra cho trạm sạc là hoạt động 24/24 và có khả năng đảm bảo sạc cho 24 xe trong một ngày Trong trường hợp hết điện, thông tin này có thể được thông báo cho khách hàng thông qua phần mềm sáng tạo của nhà phát triển. Trên thị trường có nhiều loại xe với các dung lượng pin khác nhau từ 1kW cho đến 4kW Để phù hợp với đồ án nhóm em chọn xe máy điện Vinfast Broncher Klara với công suất là 1200W Theo khuyến nghị của các nhà sản xuất xe để giữ cho tuổi thọ pin lâu dài nên sạc khi xe còn trên 20% Vì vậy khách hàng thường sạc xe khi xe còn khoảng

15 - 25% dung lượng pin nghĩa là xe thường sạc ở mức tối đa trung bình khoảng 80% cho 1 xe máy điện Trung bình phải sạc dung lượng pin là:

1200W × 80% = 960W Theo thông tin mà Vinfast công bố thời gian sạc tiêu chuẩn của xe máy điện Klara S: 3h (90% SOC); 4,8h (100% SOC)/pin Theo những thông tin trên thời gian sạc 1 xe máy điện Klara S là 3 tiếng và thêm thời gian ra vào trạm sạc thì sạc 1 xe có thể mất từ

3 – 5h Theo thông số trên một ngày 1 trụ có thể sạc được 4 chiếc xe Vậy cần số trụ cho

Công suất 1 ngày của trạm sạc xe điện là:

24(xe) × 960 W = 23 040Wh Việc sử dụng nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung pin năng lượng mặt trời và pin lưu trữ mang lại nhiều rủi ro trong vận hành và điều khiển:

-Rủi ro về an toàn: khi sử dụng nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung, dòng điện cần phải được chia sẻ giữa các xe Điều này có thể tạo ra nguy cơ cao về rủi ro điện, như quá tải, ngắn mạch hoặc sự cố khác có thể xảy ra Sử dụng trạm sạc riêng biệt cho từng xe giảm thiểu rủi ro này, vì mỗi xe chỉ sử dụng nguồn điện riêng và không cần chia sẻ với các xe khác.

- Điều khiển và quản lý khó khăn: khi có nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung, việc kiểm soát và quản lý trở nên phức tạp hơn Bạn cần theo dõi lượng điện sử dụng của từng xe, đảm bảo rằng không có quá tải và phân phối công suất một cách công bằng.

Sử dụng trạm sạc riêng biệt cho từng xe giúp giải quyết vấn đề này, vì bạn có thể quản lý và kiểm soát từng trạm sạc độc lập một cách dễ dàng.

- Hiệu suất sạc giảm: khi sử dụng nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung, nguồn điện phải được chia sẻ giữa các xe, dẫn đến giới hạn về công suất sạc của mỗi trụ. Điều này có thể dẫn đến thời gian sạc kéo dài và hiệu suất sạc giảm Trong khi đó, sử dụng trạm sạc riêng biệt cho từng xe cho phép tập trung nguồn điện vào một xe duy nhất, cung cấp công suất tối đa và tăng hiệu suất sạc.

- Hạn chế về không gian: sử dụng nhiều trụ sạc trong một hệ thống chung yêu cầu không gian lớn để lắp đặt các trụ sạc và hạ tầng liên quan Điều này có thể gây khó khăn trong việc tìm kiếm đủ không gian và đặt các trụ sạc trạm sạc này sẽ có dòng điện cao và không đảm bảo an toàn sử dụng trạm sạc năng lượng mặt trời với các trụ sạc riêng biệt cho từng xe.

 Nhóm em quyết định phát triển hệ thống trạm sạc với các trụ sạc riêng biệt. Điều này sẽ đảm bảo an toàn cho trụ điện, tính ổn định và dễ dàng điều khiển Bên cạnh đó trạm sạc này có tính linh hoạt và mở rộng: sử dụng các trạm sạc riêng biệt cho từng xe tạo ra tính linh hoạt và khả năng mở rộng Bạn có thể dễ dàng thêm hoặc di chuyển các trạm sạc để phù hợp với nhu cầu sử dụng xe và vị trí cụ thể Các trụ sạc sẽ được giám sát và điều khiển dưới 1 hệ thống giám sát và điều khiển chung.

Vậy công suất 1 ngày của 1 trụ sạc:

4.4.2 Thiết kế và lựa chọn pin mặt trời Để xác định công suất tấm pin cần quan tâm đến các thông số sau:

– Số giờ nắng trung acquy ở Nam bộ: 2350 giờ/năm (tham khảo bảng số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam ở phần phụ lục)

– Số giờ nắng trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh: 6.4 giờ/ngày

– Tổn hao công suất trên hệ thống (không tính acquy và bộ sạc): 7.74%

Hình 4 14 Tổn hao công suất tính theo phần mềm PV watt

– Tổn hao của bộ sạc: 2%

 Tổng tổn hao hệ thống: η ht = 7.74 + 5 +2 = 14.74%

– Dung lượng dự trữ của acquy: 20%

Phần trăm công suất thực của hệ thống:

Tp = 100% − tổn hao của hệ thống = 100% − 14.74% = 85.26% Công suất tấm pin mặt trờ i là:

A: năng lượng cần để sạc cho 1 ngày (Wh)

P PV : công suất của pin mặt trời (W)

T p : phần trăm công suất thực (%)

D p : dung lượng dự trữ của acquy (thường là 20%) h n : số giờ nắng trong 1 ngày (h)

 Vậy để cung cấp điện tối đa cho hệ thống trạm sạc cần công suất pin mặt trời là 844.5W Để đảm bảo cung cấp điện tối đa cho hệ thống trạm sạc và dự phòng sạc acquy lưu trữ, nhóm em lựa chọn hệ thống pin mặt trời có công suất là 1kW.

Hình 4 15 Mô phỏng trên phần mềm PVsyst

Theo mô phỏng, lựa chọn sử dụng một string bao gồm 2 tấm pin mặt trời có công suất 525Wp mỗi tấm Khi kết hợp với nhau, tổng công suất đầu ra của string là 1050W.Điều này cho phép hệ thống sạc xe sử dụng năng lượng mặt trời có đủ công suất để cung cấp năng lượng cho quá trình sạc xe và vẫn cung cấp sạc cho acquy lưu trữ Với 1 trạm sạc cần 6 trụ cần: 12 tấm pin mặt trời Longi 525Wp với giá thị trường là: 4 200 000đ/tấm.

Hình 4 16 Pin mặt trời Longi 525Wp

4.4.3 Tính toán và lựa chọn Acquy

Vì pin mặt trời có nhược điểm phụ thuộc vào thời tiết nên sẽ có trường hợp trời không có nắng khiến cho hệ thống không thể hoạt động Do đó hệ thống cần phải có acquy để để lưu trữ năng lượng trong 2 ngày để sử dụng vào các ngày có thời tiết xấu kéo dài.

+C là dung lượng bộ acquy (Wh)

+A ng là năng lượng tiêu thụ trong 1 ngày (Wh)

+D là độ xả sâu của bộ Acquy

Tổng năng lượng tiêu thụ là: A(Wh) x 2 = 3.8 kWh x 2 = 7.6 kWh

Dung lượng acquy Điện năng tiêu thụ (Wh) × (1+ dung lượng dự trữ acquy(%)) Điện thế của pin (V)

Bảng 4 4 Tính toán dung lượng acquy

Thông số Pin Lithium – ion

Dung lượng lưu trữ 20% Điện năng tiêu thụ 7.6 kWh Điện áp của acquy 48V

 Theo bảng trên cần: 6 acquy Pin UFO 48V-200Ah cho cả trạm với giá thành trên thị trường là 55 000 000đ/acquy, mỗi trụ sạc là 1 acquy lưu trữ độc lập.

4.4.4 Tính toán và lựa chọn bộ điều khiển sạc Điện áp acquy là V acquy = 48VDC và I acquy = 20A nên điện áp định mức bộ sạc V hệ 20A Chọn Bộ điều khiển sạc năng lượng MPPT 20A giá 1

180 000đ. thống 48VDC và I hệ thống

Hình 4 18 Bộ điều khiển sạc năng lượng MPPT 20A

4.4.5 Tính toán và lựa chọn cảm biến

Công suất hệ thống là 1050W với dòng điện 26A và điện áp là 37V nên cần chọn cảm biến lớn hơn các thông số này.

- Cảm biến dòng: I cb > I pv = 26A

Chọn cảm biến Cảm Biến Dòng METSECT5CC004 (40A/5A) Giá: 462 000đ.

-Cảm biến áp: U cb > U ht = 37V

- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm:

Chọn cảm biến nhiệt độ, độ ẩm RS485 Modbus RTU ES35-SW (SHT35).

Hình 4 21 RS485 Modbus RTU ES35-SW (SHT35)

4.4.5 Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập cho xe điện và theo dõi bằng thiết bị từ xa Đồ án nhóm em đưa ra thiết kế trạm sạc xe điện ở trung tâm mua sắm ở thành phố Hồ Chí Minh Bài toán thiết kế trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập cho 24 chiếc xe 1 ngày Với bài toán này nhóm em đưa ra 3 phần chính: bố trí trạm sạc, tính toán lựa chọn các thiết bị hệ thống và hệ thống giám sát.

Bố trí: trạm sạc được bố trí ở nhà xe của trung tâm thương mại Để đạt được yêu cầu của bài toán, trạm sạc sẽ bao gồm 6 trụ sạc năng lượng mặt trời riêng biệt được đặt ởnơi không có bóng che

Tính toán, lựa chọn thiết bị cho hệ thống:

Theo nguyên lý hoạt động của trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập cần: pin mặt trời, bộ điều khiển sạc và acquy lưu trữ.

Pin mặt trời Pin mặt trời Longi

Acquy lưu trữ Acquy UFO 48V-

Bộ điều khiển sạc năng lượng MPPT 20A

* Xem thông số ở phần phụ lục

Lựa chọn hệ thống giám sát

RS485 Modbus RTU ES35-SW (SHT35)

Bộ điều khiển lập trình

Khối máy chủ trung tâm

* Xem thông số ở phần phụ lục

Giải pháp khi acquy lưu trữ đầy

Đối với các trường hợp có dư thừa công suất nhỏ: hệ thống có thể sử dụng tải đổ để giải phóng công suất thừa và ngăn chặn việc sạc quá mức của acquy Trở kháng công suất (power resistor) là thiết bị điện tử biến đổi công suất đầu thành năng lượng dưới dạng nhiệt.

Bằng cách sử dụng trở kháng công suất, hệ thống giúp đẩy công suất dư thừa mà không gây hại cho acquy bằng việc giảm quá trình sạc Điều này giúp duy trì mức điện áp và trạng thái hoạt động ổn định của acquy trong khoảng thời gian dư thừa công suất Đồng thời, việc sử dụng tải đổ cũng giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và tránh lãng phí.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc sử dụng tải đổ cần được thiết kế và điều chỉnh một cách cân nhắc để đảm bảo rằng việc sử dụng công suất thừa không ảnh hưởng đến hoạt động chính của hệ thống và không gây hại cho các thiết bị sử dụng năng lượng. Đối với các trường hợp có dư thừa công suất từ vừa đến lớn: hệ thống có thể được mở rộng bằng việc thêm một trụ sạc, đặc điểm đặc biệt của trụ sạc này chỉ lấy năng lượng từ pin lưu trữ và cung cấp cho trạm sạc Trụ sạc này sẽ chỉ hoạt động khi dung lượng của pin lưu trữ gần đạt đến mức đầy. Để giảm trường hợp trụ sạc này đầy trong khi các trạm khác không, hệ thống IoT có một nhiệm vụ quan trọng Hệ thống IoT sẽ giúp định hướng cho các xe vào các trụ sạc phù hợp dựa trên dung lượng của pin lưu trữ Nhờ đó, xe sẽ được định hướng vào trụ sạc có pin lưu trữ nhiều nhất, giúp tránh sự chênh lệch lớn giữa dung lượng của các pin lưu trữ.

Việc sử dụng hệ thống IoT sẽ tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và đảm bảo sự cân bằng trong việc sạc và sử dụng pin lưu trữ Điều này sẽ tăng hiệu quả và tuổi thọ của pin lưu trữ, đồng thời giảm tác động tiêu cực đến môi trường và đảm bảo sự ổn định và tin cậy của hệ thống sạc xe điện.

Giải pháp cố định dòng điện trạm sạc xe điện

4.6.1 Giám sát và điều khiển trong trạm sạc điện mặt trời

Hệ thống EVCS (Electric Vehicle Charging Station) được đề xuất có cấu tạo như được hiển thị trong Hình 3.3 Đây là một hệ thống nạp điện cho xe điện hoạt động ngoài lưới điện thông qua năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời được thu thập bởi một mảng tấm pin mặt trời và chuyển đổi thành năng lượng điện để cung cấp cho hệ thống EVCS Tấm pin mặt trời đóng vai trò là nguồn chính để nạp điện xe.

Tuy nhiên, lượng năng lượng tạo ra không ổn định do ảnh hưởng của mức nhiễu ánh sáng mặt trời và các yếu tố môi trường khác Để giải quyết vấn đề này, thường sử dụng các pin lưu trữ năng lượng (Energy Storage System - ESS) để bù đắp cho sự không đồng đều trong cung cấp năng lượng.

Hình 4 22 Nguyên lý hoạt động của trạm sạc xe điện độc lập

Các đầu ra của tấm pin mặt trời được kết nối với bộ chuyển đổi tăng áp (boost converter) Chức năng của bộ chuyển đổi này là điều chỉnh điện áp từ tấm pin mặt trời sao cho phù hợp với điện áp của hệ thống DC và giúp tối ưu hóa hiệu suất theo điểm công suất cực đại (MPPT) của tấm pin mặt trời Hệ thống EVCS bao gồm hai bộ chuyển đổi DC/DC được kết nối với hệ thống DC, bao gồm bộ sạc xe điện (EV charger) và bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng (energy storage converter).

EV charger là một bộ chuyển đổi phần tư thứ nhất 5 (one-quadrant) loại buck, được sử dụng để sạc pin xe điện (lithium-ion) Chức năng của nó là điều chỉnh quá trình sạc pin xe điện và đảm bảo quá trình nạp điện được điều khiển tốt Trong khi đó, energy storage converter là bộ chuyển đổi phần tư thứ hai 6 (two-quadrant) DC/DC, được sử dụng để kiểm soát quá trình nạp/xả của pin lưu trữ Bộ chuyển đổi này cũng đóng vai trò trong việc điều chỉnh điện áp của bus DC để ổn định điện áp trong khi sạc xe điện bằng năng lượng mặt trời.

Bộ điều khiển: Các bộ điều khiển trong hệ thống đề xuất, được hiển thị trong hình 3.4, bao gồm bộ điều khiển MPPT, bộ điều khiển sạc EV và bộ điều khiển của bộ chuyển đổi lưu trữ Chức năng của bộ điều khiển MPPT là tiếp tục hấp thụ công suất tối đa từ

5 Trong một hệ thống tọa độ hai chiều, có bốn vùng hoạt động chính được đánh số từ 1 đến 4, tương ứng với các khu vực cung cấp và tiêu thụ năng lượng Hai vùng hoạt động chính là góc phần tư thứ nhất (quadrant 1) và góc phần tư thứ 4 (quadrant 4) Vùng thứ nhất (quadrant 1): Trong vùng này, bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ chuyển đổi dạng "buck" (buck converter), điều chỉnh áp suất điện áp xuống (step-down) và điện áp vào lớn hơn điện áp ra Nó thường được sử dụng để sạc pin hoặc lưu trữ năng lượng.

6 Vùng thứ hai (quadrant 2) là vùng trong đồ thị hai phần tư, trong đó bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ chuyển đổi dạng "buck-boost" (buck-boost converter) Nó có khả năng điều chỉnh điện áp xuống (step- tấm pin PV Nó đưa ra tỷ lệ nhiệm vụ phù hợp cho bộ chuyển đổi tăng áp để duy trì điểm công suất tối đa Bộ điều khiển của bộ chuyển đổi sạc EV điều chỉnh quá trình sạc pin EV Cuối cùng, bộ điều khiển của bộ chuyển đổi lưu trữ pin được sử dụng để điều khiển điện áp DC bus và quá trình sạc/xả ESS.

Việc tăng giảm dòng điện theo nguyên lý cân bằng công suất bằng cách tăng giảm điện áp đầu vào và đầu ra kết hợp với việc bù điện áp, giúp duy trì điện áp, dòng điện trong dải điện áp và dòng điện cho phép và không vượt quá giới hạn an toàn cho acquy lithium Quá trình cố định dòng sạc có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và kéo dài tuổi thọ và giúp ngăn chặn các vấn đề như quá nhiệt, quá sạc, hoặc quá dòng mà có thể gây hại cho acquy Đồng thời, việc điều chỉnh dòng điện cũng giúp tối ưu hóa quá trình sạc, đảm bảo hiệu suất sạc tối đa và giảm thời gian sạc.

Quá trình cố định dòng sạc cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống sạc và người sử dụng Nó giúp giảm nguy cơ chập điện, quá tải, và hạn chế các vấn đề liên quan đến nhiệt độ và độ bền của acquy.[25]

4.6.2 Mô phỏng tính toán của hệ thống giám sát và điều khiển

Thời gian sạc cho xe điện Vinfast Klara S, theo thông tin từ nhà sản xuất, là khoảng 3 giờ để sạc từ 0% đến 80% dung lượng pin và thêm 1,8 giờ để đạt đến dung lượng pin đầy từ 80% đến 100% Từ đó, tính được dòng điện trung bình sạc cho tải theo từng mức trạng thái sạc acquy tải Biết công suất xe là P xe = 1200W và U xe = 60V

Công suất sạc và dòng sạc trong 1h là :

Công suất sạc và dòng sạc trong 1h là :

Dựa vào tính toán từ phần 5.4 và mô phỏng từ phần mềm PVsyst từ trước, có được công suất từ tấm pin PV là P pv 50W với điện áp U pv = 37V và I pv = 26A và công suất của hệ thống sau khi đi qua

Sau khi đi qua mạch MPPT để tìm điểm công suất tối đa, năng lượng từ tấm pin mặt trời sẽ được truyền qua hệ thống và đi qua các bộ tăng giảm áp của hệ thống Quá trình này có thể gây mất mát năng lượng và làm giảm hiệu suất của tấm pin mặt trời. Với các mạch giảm áp, tăng áp và tăng giảm áp có hiệu suất từ 80 - 95% nhóm em lựa chọn hiệu suất cao nhât là 95% Quá trình tính toán dựa trên việc so sánh giữa công suất tải và công suất trên thanh cái DC (P dc ,U dc ,I dc ) rồi từ đó có 3 trường hợp: trường hợp 1: P dc > P tải ; trường hợp 2: P dc = P tải ; trường hợp 3: P dc < P tải

 Trường hợp 1 (P dc > P tải ) : khi công suất đầu vào trên thanh cái DC (P dc ) lớn hơn công suất tải (P tải ), mạch sẽ đi qua mạch tăng áp và mạch giảm áp để cung cấp đủ công suất cho tải Tuy nhiên, vẫn còn dư công suất không được sử dụng nhằm tận dụng dư công suất này, mạch sẽ đi qua bộ tăng giảm áp và giảm áp để điều chỉnh điện áp và dòng điện, sau đó sẽ sạc cho pin lưu trữ.

Quá trình này giúp tận dụng và sử dụng hết công suất dư thừa, đồng thời giúp duy trì và lưu trữ năng lượng trong pin một cách hiệu quả Về mặt tính toán chỉ xem xét giữa P tải và P dc nên không xem xét đến hiệu suất sạc cho acquy lưu trữ Vậy hiệu suất ở trường hợp 1 sạc cho tải là: η th1 = 95% × 95% = 90.25%

 Trường hợp 2 (Pdc = Ptải): mạch tăng áp sẽ tăng điện áp từ nguồn đầu vào lên một mức phù hợp với yêu cầu của tải Quá trình tăng áp giúp điều chỉnh điện áp để đảm bảo rằng tải nhận được điện áp mong muốn và không bị quá áp Hiệu suất ở trường hợp

2 sạc cho tải là : η th2 = 95%