68 Trang 17 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU AFC - Alkaline fuel cell: Pin nhiên liệu kiềm BMS - Battery Management System: Hệ thống quản lý pin CSC - Cell Supervision Circuit: Mạch
TỔNG QUAN VỀ PIN CAO ÁP TRÊN XE ĐIỆN
Tổng quan về xe điện
2.1.1 Khái quát về xe điện
Xe điện hay Electric Vehicles (EV) là phương tiện di chuyển sử dụng một hoặc nhiều động cơ điện tạo ra lực đẩy thay vì động cơ đốt trong (ICE)
Xe điện xuất hiện lần đầu tiên từ giữa thế kỷ 19, khi mà điện được xem là phương pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch để tạo ra lực đẩy cho động cơ xe đường bộ, với tính năng mang lại sự thoải mái và dễ vận hành hơn xe sử dụng xăng hoặc diesel Động cơ đốt trong trở thành lực đẩy chính cho ô tô và xe tải trong khoảng 100 năm, nhưng động cơ điện lại phổ biến ở những loại khác như tàu lửa và xe máy hay các loại xe di chuyển ngắn ( xe nâng, xe golf,…)
Hình 2.1 Xe ba bánh điện của nhà phát minh Gustave Trouvé ở Pháp năm 1881
Nhà phát minh Thomas Parker chế tạo mẫu xư điện đầu tiên ở Wolverhampton, Anh, năm 1884 Và được chụp lại trong một bức ảnh vào năm 1895 Trong giai đoạn đó Pháp và Anh là những nước đầu tiên trên thế giới khuyến khích sự phát triển của các loại xe điện Tàu điện cũng được sử dụng trong hầm mỏ để vận chuyển than vì động cơ của chúng không sử dụng oxy
Hình 2.2 Chiếc ô tô điện đầu tiên của Thomas Parke (Anh Quốc)
Hình 2.3 Triển lãm ô tô Toronto Armories năm 1912
Bức ảnh được chụp tại triển lãm xe hơi Toronto Armories: bên phải là Fetherstonaugh Electric 1893 - chiếc xe đầu tiên được chế tạo ở Canada, còn bên trái là chiếc Tough Electric Bougham năm 1912 Đến thế kỷ 21, khi nền kĩ thuật và khoa học ngày càng tiến bộ và phát triển vượt bật, xe điện nhờ vào những tiến bộ công nghệ kĩ thuật và nỗ lực tập trung vào phát triển năng lượng tái tạo, giảm thiểu tác động của việc sử dụng phương tiện vận chuyển con người và hàng hóa lên biến đổi khí hậu và những vấn đề ô nhiễm môi trường khác Cùng với kĩ thuật tiên tiến đó là sự đa dạng về kiểu dáng thiết kế, giá cả và tính năng thông minh cho người tiêu dùng lựa chọn
Hình 2.4 VinFast VF9 ra mắt trong triển lãm ôtô
Hình 2.5 Mẫu KIA EV6 trong lễ ra mắt loạt xe tại Chu Lai năm 2021
Chính phủ các nước bao gồm Mỹ và Liên minh châu Âu(EU), bắt đầu ban hành chính sách ưu đãi dành cho xe điện từ đầu những năm 2000, sau nhiều năm hình thành xây dựng và phát triển đến năm 2010 thị trường xe điện trên thế giới ngày càng phát triển và từng bước ổn định vị thế Nhu cầu sử dụng xe điện của người dân ngày càng tăng cùng với những kế hoạch phát triển thân thiện với môi trường, góp phần hạn chế cạn kiệt tài nguyên và bảo vệ môi trường Bên cạnh đó kể từ sau đại dịch COVID-19 khi mà kinh tế đang dần phục hồi, vận chuyển được lưu thông giữa các nước, dự đoán trên thị trường xe điện được kỳ vọng sẽ tiếp tục tăng trưởng Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng giai đoạn đại dịch COVID-
19 diễn ra và kéo dài thì các đợt phong tỏa là một trong nhiều nhân tố góp phần giảm lượng khí thải thải ra từ các phương tiện chạy bằng xăng và phương tiện chạy bằng diesel Năm
2021, Cơ quan Năng lượng Quốc tế đề nghị chính phủ nên nỗ lực nhiều hơn trong việc đảm bảo yêu cầu tiêu chuẩn khí khải, bao gồm những chính sách hỗ trợ xe điện.
Doanh số xe điện có thể ước tính tăng từ 2% năm 2016 lên khoảng 30% năm 2030 trên toàn cầu, diễn ra mạnh mẽ ở Trung Quốc, Mỹ, Nga và đại đa số các quốc gia phát triển ở châu Âu Một nghiên cứu cho rằng những nước đang phát triển ít có khả năng có thể sử dụng xe điện 4 bánh phổ biến, nhưng xe điện 2 bánh có thể tăng trưởng, phát triển mạnh.[2]
Trong thời gian gần đây có nhiều phát minh đã được thực hiện cho pin xe điện và sẽ cung cấp những cải tiến gia tăng cho mẫu pin hiện tại Chi phí sẽ tiếp tục giảm khi khối lượng tiếp tục tăng và một số cải tiến công nghệ gia tăng mà chúng ta đã và đang nghiên cứu sẽ thành hiện thực
Bảng 2.1 Bảng tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của xe điện
Lĩnh vực Ưu điểm Nhược điểm
Hiệu quả cao Hiệu suất từ 90% trở lên so với 30% của Động cơ đốt trong
Nhiều hệ thống động cơ điện rất nặng do hệ thống pin lớn cần thiết để hỗ trợ cho phạm vi di chuyển Công nghệ pin
Khả năng sạc lại của hệ thống pin
Thời gian Chu kỳ hoạt động (Vòng đời) hạn chế Công nghệ phức tạp Khái niệm Khái niệm phương tiện mới được phát triển Nỗ lực cao về các thiết kế mới
Chi phí Chi phí bảo trì thấp Chi phí ban đầu và chi phí linh kiện cao
Không phát thải khí CO khi sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường
Khí thải cacbon, ô nhiễm nguồn nước đang là vấn đề nổi trội
Năng lượng Sử dụng năng lượng tái tạo Chỉ có một vài trạm sạc công cộng,
Cơ sở vật chất hạ tầng chưa phổ biến
2.1.2 Ưu và nhược điểm của xe điện đối với môi trường
- Một trong những lợi ích dễ nhận biết nhất của xe điện đối với môi trường đó chính là thân thiện với môi trường, thay vì các dòng xe khác sử dụng nhiên liệu xăng và dầu thì xe điện sử dụng năng lượng điện, đây là loại phương tiện giao thông không phát sinh ra khí thải, giảm thiểu tác động ô nhiễm đến môi trường xung quanh Cụ thể hơn, một nghiên cứu ở nước Úc cho biết phát thải khí của mỗi chiếc xe máy dùng động cơ đốt trong để di chuyển trong 1km vào khoảng 588 gram CO2 Trong khi chỉ số của một chiếc xe điện dùng pin lại thấp hơn một nửa, vào khoảng 213 gram trên 1km.[2].Cho nên sử dụng xe điện góp phần bảo vệ môi trường tránh bị ô nhiễm
Hình 2.6 Xe ô tô điện – Thân thiện môi trường
- Việc tái chế pin xe điện đã qua sử dụng có hiệu quả và độ an toàn cao Theo nhiều chuyên gia thì pin cũ của xe điện khi đã qua sử dụng thì vẫn tiếp tục được tái chế và có giá trị sử dụng trong 10 năm tiếp theo Do trong pin của xe điện có nhiều kim loại quý giá và một số vật liệu tái chế khác nên vấn đề tái sử dụng phải được quan tâm nhiều hơn nữa
Hình 2.7 Tái chế Pin xe điện
- Dùng xe điện giúp tiết kiệm nhiên liệu hơn các xe khác Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho xe điện là cao hơn những xe sử dụng xăng dầu Nhưng nếu sử dụng xe trong thời gian dài thì sẽ tiết kiệm được lượng nhiên liệu tiêu thụ đáng kể Điều này góp phần trực tiếp bảo vệ môi trường Theo một số nghiên cứu thì xe điện có thể chuyển đổi đến 62% lượng nhiên liệu tiêu thụ thành động năng có xe so với 21% lượng năng lượng chuyển đổi được từ phương tiện xe sử dụng xăng dầu
Bảng 2.2 Bảng so sánh chi phí sử dụng xe điện Vinfast e34 và xe xăng
-hCuối cùng là các hãng xe điện hiện nay đều tiến hành sử dụng những loại động cơ điện không chổi than hiện đại nên chiếc xe có thể di chuyển êm ái mà không hề phát ra tiếng động nào Việc này sẽ giảm thiểu vấn đề ô nhiễm tiếng ồn tại những nơi đông đúc dân cư như TP Hồ Chí Minh hay Hà Nội là những thành phố đông đúc bậc nhất Việt Nam thì ngưỡng ô nhiễm tiếng ồn đang ở mức báo động cao
Hình 2.8 Giảm thiểu ô nhiễm tiếng ồn khi sử dụng xe điện
- Vấn đề ô nhiễm nguồn nước: Tuy rằng pin Lithium-ion được Hoa Kỳ công nhận là loại chất thải không gây ảnh hưởng đến môi trường và đủ điều kiện để xả thải ra môi trường theo những chất thải đô thị khác nhưng một số nghiên cứu sau này đã chỉ rằng pin xe điện có thể gây ô nhiễm nguồn nước: các chất dùng để sản xuất pin như lithium, niken, mangan, coban… và một số kim loại khác gây tác hại lớn đến nguồn nước nếu không được bảo quản và xử lý dúng cách, bên cạnh đó linh kiện điện tử trong pin EV cũng được xem là chất thải nguy hại với nguồn nước khi mà có đến 60 nguyên tố hóa học như chì, thủy ngân, cadmium, crom chứa trong mỗi thiết bị linh kiện điện tử
Các loại pin cao áp thông dụng trên xe điện hiện nay
2.2.1 Sơ lược lịch sử phát triển pin Đối với xe điện, pin đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của nó và là trái tim của chiếc xe Với đủ năng lượng pin, chiếc xe có thể đi xa hơn, đảm bảo các đặc tính vận hành tốt hơn và giúp người dùng cảm thấy an toàn và thoải mái hơn Điều chắc chắn là trong tương lai, công nghệ sản xuất pin chính là chìa khóa cho bất kỳ hãng xe nào muốn chinh phục thị trường xe năng lượng sạch Có thể thấy vai trò của pin cao áp trong ngành công nghiệp ô tô ngày càng trở nên quan trọng hơn Dưới đây là một vài nét sơ lược về lịch sử chế tạo pin trong vòng hơn 400 năm
Bảng 2.3 Tóm tắt lịch sử phát triển pin hơn 400 năm
Năm Nhà phát minh Phát minh
1600 William Gilbert (UK) Thiết lập nên ngành nhiên cứu về điện
1791 Luigi Galvani (Italy) Khám phá ra điện của cơ thể con người
1800 Alessandro Volta (Italy) Phát minh ra pin Voltaic (kẽm,bản đồng)
1802 William Cruickshank (UK) Mô hình pin đầu tiên sản xuất quy mô công nghiệp
1836 John F Daniell (UK) Phát minh ra pin Daniel
1839 William Robert Grove (UK) Phát minh ra pin nhiên liệu
1859 Gaston Plante (France) Nghiên cứu ra pin Axit-chì
1868 Georges Leclanché (France) Phát minh ra pin Leclanche
1899 Waldmar Jungner (Sweden) Phát minh ra pin Niken-cadmium (Ni-Cd)
1901 Thomas A Edison (USA) Phát minh ra pin Niken-sắt (Ni-Fe)
1932 Shlecht & Ackermann (D) Phát minh ra các bản cực được nung
1947 Georg Neumann (Germany) Phát minh ra phương pháp bịt kín Ác quy Niken- cadmium một cách cận thận
1949 Lew Urry, Eveready Battery Phát minh ra pin kiềm-Mangan
1970s Group effort Phát triển các con trượt điều chỉnh pin Axit-chì
1990 Group effort Thương mại hóa pin Niken-metal-hydride
1991 Sony (Japan) Thương mại hóa pin lithium-ion( Li-ion)
1994 Bellcore (USA) Thương mại hóa pin lithium-ion polymer
1996 Moli Energy (Canada) Cho ra mắt pin Li-on với Ka-tốt làm bằng
1996 University of Texas (USA) Phát hiện ra pin Li-phosphate (LiFePO4)
1999 Panasonic Cho ra đời pin Lithium niken coban nhôm oxit
Quebec Hydro, MIT, others Cải tiến và thương mại hóa pin Li-phosphate
Giới thiệu pin Lithium Niken mangan coban oxit ( LiNixMnyCozO 2 )
Pin axit-chì đã được xây dựng và phát triển kỹ thuật hơn 150 năm Gaston Planté đã xây dựng mô hình pin axit chì đầu tiên vào năm 1859
Mãi đến năm 1881, nhà khoa học người Pháp Camille Alphons đã thành công trong việc cải tiến cấu tạo mới của pin axit-chì, làm tăng dung lượng pin và đặt cơ sở cho quy mô sản xuất pin axit chì kiểu công nghiệp
Bất chấp sự phát triển gần đây của các nhà máy hóa học tiên tiến, pin Axit-chì vẫn chiếm hơn 50% thị trường pin toàn cầu tính theo giá trị đô la Mỹ, và chiếm hơn 80% trong điều kiện sản xuất pin.[1]
− Chi phí cụ thể của nguyên liệu thô thấp dẫn đến tối ưu hóa chi phí công nghệ sản xuất
− Phóng điện ở nhiệt độ thấp
− Công suất, khả năng chịu nhiệt và khả năng tự phóng điện thấp
− Trọng lượng riêng của chì cao
− Vòng đời thấp do cơ chế kết tủa của dung dịch
− Sự phát triển khí trong quá trình nạp và sunfat hóa trong quá trình sạc và phóng điện các phản ứng dễ gây hư hỏng cho pin
Hình 2.15 Cấu tạo chung Pin Axit chì
- Bản cực âm: được làm bằng chì(Pb)
- Bản cực dương: được làm bằng oxit chì(PbO2)
- Vỏ bình được chế tạo từ các loại nhựa ebonit, axphantopec
2.2.2.3 Các quá trình điện hóa
*Nguyên tắc hoạt động dựa vào 2 phương trình sau:[1]
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O (U = 2.048 V ) (2.3) Trong đó: − φ: thế điện cực
*Sự tự phóng điện của pin dựa trên phản ứng ăn mòn ( phản ứng nguyên tố cục bộ ):[1]
H 2 SO 4 + 2e − → H 2 + SO 4 2− (2.5) Tổng hợp (4)&(5): Pb + H 2 SO 4 → PbSO 4 + H 2 (2.6)
Tổng hợp (7)&(8): PbO 2 + H 2 SO 4 → PbSO 4 + 1
- Pin Kobe Hitachi: dưới 85 triệu VNĐ
- Pin GS Yuasa: khoảng 50 triệu VNĐ
- Pin Chloride: có giá cao nhất là115 triệuVNĐ
- Pin Power-Sonic PS-1290: 15 triệu VNĐ
Pin axit chì được thiết kế tốt về mặt thương mại, chúng là loại pin sạc rẻ nhất cho mỗi kilowatt-giờ sạc và sẽ vẫn như vậy trong tương lai gần Tuy nhiên, chúng có năng lượng riêng thấp và thật khó có thể thiết kế được một chiếc xe có quãng đường di chuyển xa
Tình trạng thiếu nhiên liệu đối với động cơ đốt trong diễn ra giữa những năm 1970 là một trong những mối lo ngại dẫn đến việc phải bắt đầu một cuộc cách mạng khai thác và sử dụng xe điện Tuy nhiên, quá trình này phải mất rất nhiều năm đến đầu những năm
1990 các nhà sản xuất ô tô đã thực hiện được về việc sử dụng các hệ thống pin sạc lại để cải thiện các ứng dụng vận hành xe điện
Một số hóa chất pin khác nhau bao gồm Niken – kẽm (NiZn), và Niken – kim loại hyđrua (NiMH), Niken Cadmium ( NiCd) đã được khám phá, và NiMH đã được chọn để phát triển thêm NiMH đã trở thành công nghệ cho phép ứng dụng xe điện hybrid phạm vi hoạt động rộng, công suất cao, cung cấp hiệu suất tuổi thọ của xe với chi phí hiệu quả cao
Và hơn 6 triệu xe đã được đưa vào sử dụng với pin NiMH và pin NiCd kể từ khi giới thiệu thị trường vào năm 1997.[1]
1- Cực dương 2- Cực âm 3- Điện cực dương 4- Điện cực âm 5- Tấm màng phân cách
Hình 2.16 Cấu tạo pin Niken kim loại hidrua
2.2.3.3 Các quá trình điện hóa a) Pin Nickel-Metal Hydride (NiMH)
Hình 2.17 Pin Nickel-Metal Hydride (NiMH)
- Ít gây ô nhiễm môi trường
- Dung lượng và tuổi thọ pin cao hơn so với pin axit chì
- Không cần phải sạc nhiều lần vì năng lượng riêng lớn
- Dễ xảy ra hiện tượng chảy nước khi không được bảo vệ đúng cách
- Dễ hổng nếu như bị quá tải
- Để đạt được điện dung phù hợp cần sạc và xả nhiều lần
− Trong quá trình phóng điện ở pin NiMH, niken oxyhydroxit bị giảm thành niken hydroxit:
− Trong hệ thống hyđrua kim loại (MH), MH bị oxi hóa thành hợp kim kim loại (M):
− Phản ứng tổng thể khi phóng điện đối với NiMH là:
MH + NiOOH → M + Ni(OH) 2 (U = 1.35 V) (2.12) Các quá trình này được đảo ngược trong quá trình sạc
Loại SONEL WAAKU03: Giá từ 2 triệu VNĐ - 3 triệu VNĐ b) Pin Niken-Cadmium (Ni-Cd)
Hình 2.18 Pin Niken-Cadmium (Ni-Cd)
Một loạt pin thương mại sử dụng niken trong điện cực dương đã được phát triển kể từ khi Edison làm việc vào cuối thế kỷ 19
- Điện áp của mỗi cell chỉ vào khoảng 1,2 V, nên cần 10 cell trong mỗi pin so với 6 ô của axit chì cùng 12V Do đó loại pin này có chi phí cao hơn
- Cực dương là Cadmium- một kim loại cực kì độc, chứa tác nhân gây ung thư cao nên Pin Ni-Cd rất có hại với người dùng và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng
- Loại pin này hiện nay không còn được sử dụng trên xe điện o Phản ứng điện cực dương
NiOOH + H 2 O+ e − ↔ Ni(OH) 2 + OH − 0.52V (2.13) o Phản ứng điện cực âm
Cd+2 OH − ↔ Cd(OH) 2 + 2e − -0.80V (2.14) o Phản ứng tổng thể của pin
2NiOOH + Cd + 2H 2 O ↔ 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 1.32V (2.15)
Pin VARTA AGM LN6: Giá từ 5 triệu VNĐ - 6 triệu VNĐ
2.2.4 Pin Lithium-ion(Pin Lithi-ion)
Pin Lithi-ion (và lithium polymer tương tự về mặt cơ học), ban đầu được phát triển và thương mại hóa để sử dụng trong máy tính xách tay và thiết bị điện tử tiêu dùng Với mật độ năng lượng cao và chu kỳ hoạt động dài, chúng đã trở thành loại pin hàng đầu để sử dụng trong xe điện
Nghiên cứu về pin Li-ion có thể sạc lại được bắt đầu từ những năm 1960 Pin lithium-ion được xem như đầu tiên là có cực âm lithium coban oxit và cực dương bằng than chì được phát minh bởi N Godshall vào năm 1979.[3]
• Các loại pin Li-ion thường sử dụng trong mỗi xe điện là:
- Pin Lithium-polyme (Li-po) được sử dụng trong hầu hết dòng xe hybrid của Hyundai
- Pin Li-ion NCA (LiNiCoAlO 2 ) do Panasonic sản xuất được lắp đặt trên các mẫu xe của Tesla
- Pin LiFePO 4 được sử dụng cho xe máy điện
- Kích thước kèm với trọng lượng nhỏ nhưng dung lượng rất lớn
- Có thể sạc lại rất nhiều lần
- Có khả năng lư trữ năng lượng dài hạn, ít bị tự xả pin
- Có thể sạc pin bất cứ khi nào mà không cần xả
- Thân thiện với con người và môi trường xung quanh
- Dễ gây ra cháy nổ do dung dịch điện phân
- Tuổi thọ của pin ngắn
- Giá thành không giữ ở mức cố định
Cấu tạo pin Li-ion gồm 3 thành phần chính sau đây:
- Cực dương được làm từ các vật liệu như là LiNiMnCoO 2 , LiMn 2 O 4 ,…
- Cực âm thường được làm từ than chì
- Chất điện phân: được hình thành từ dung môi, muối và chất phụ gia dưới dạng chất lỏng hoặc gel
Ngoài ra, giữa 2 lớp bản cực âm và dương trong pin Lithium-ion còn có lớp màng cách điện giúp tăng khả năng an toàn cho pin Nếu sử dụng chất điện phân dạng rắn ta có thể loại bỏ lớp màng cách điện này nhằm đơn giản hóa cấu tạo của pin
2.2.4.3 Các loại pin Lithium ion cơ bản
2.2.4.3.1 Pin Lithium Niken-Mangan Coban Oxit (NMC)
Hình 2.20 Đặc tính Pin Lithium Niken-Mangan Coban Oxit
Xuất hiện đầu tiên năm 2008 được làm từ cực dương là LiNiMnCoO 2 và cực âm là than chì.[3]
Bảng 2.4 Bảng tóm tắt Pin Lithium Niken-Mangan Coban Oxit
Pin LiNiMnCoO 2 Điện Áp 3.6-3.7 V Phạm vi hoạt động 3.0-4.2V/cell pin
Năng lượng riêng 150-220Wh/kg
(Vòng đời) 1000-2000 Ứng dụng Xe đạp điện, thiết bị y tế, xe ô tô điện, công nghiệp
Nhận xét Cung cấp công suất lớn và điện năng cao Hệ thống hàng phát triển hàng đầu và thị phần ngày càng tăng
2.2.4.3.2 Pin Lithium Niken Coban Oxit Nhôm (NCA)
Hình 2.21 Đặc tính Pin Lithium Niken Coban Oxit Nhôm
Xuất hiện đầu tiên năm 1999 được làm từ cực dương là LiNiCoAlO 2 (~9%Co) và cực âm là than chì.[3]
Bảng 2.5 Bảng tóm tắt Pin Lithium Niken Coban Oxit Nhôm
Pin LiNiCoAlO 2 Điện Áp 3.6 V Phạm vi hoạt động 3.0-4.2V/cell
(Vòng đời) 500 Ứng dụng Thiết bị y tế, xe điện Tesla
Nhận xét Được sử dụng chủ yếu bởi hai nhà Panasonic và Tesla, tiềm năng phát triển không cao
2.2.4.3.3 Pin Lithium Mangan Oxit(LMO)
Xuất hiện đầu tiên năm 1996 được làm từ cực dương là LiMn 2 O 4 và cực âm là than chì.[3]
Hình 2.22 Đặc tính pin Lithium Mangan Oxit Bảng 2.6 Bảng tóm tắt Pin Lithium Niken Coban Oxit Nhôm
Pin LiMn 2 O 4 Điện Áp 3.7 V Phạm vi hoạt động 3.0-4.2V/cell
Công suất 100-150Wh/kg; 300 Wh/kg có thể dự đoán
(Vòng đời) 300-700 Ứng dụng Thiết bị y tế, các hãng xe Nissan Leaf, Chevy Volt và BMW i3 Nhận xét Công suất cao nhưng dung lượng ít, tiềm năng phát triển hạn chế
2.2.4.3.4 Pin Lithium sắt phosphate (LFP)
Hình 2.23 Đặc tính Pin Lithium sắt phosphate
Xuất hiện đầu tiên năm 1996 được làm từ cực dương là LiFePO 4 và cực âm là than chì.[3]
Bảng 2.7 Bảng tóm tắt Pin Lithium sắt phosphate
Pin LiFePO 4 Điện Áp 3.2V-3.3V Phạm vi hoạt động 2.5-3.65/cell
(Vòng đời) Lớn hơn 2000 Ứng dụng Di động, Xe điện, Công nghiệp
Năng lượng riêng thấp nhưng là một trong số những LIB an toàn nhất Được sử dụng cho dự trữ năng lượng, tiềm năng tăng trưởng không cao
Hình 2.24 Đặc tính Pin Lithium Titanate
Xuất hiện đầu tiên năm 1996 được làm từ cực âm là LMO hoặc Niken Mangan Coban Oxit và cực dương là Li 2 TiO 3 [3]
Bảng 2.8 Bảng tóm tắt Pin Lithium Titanate
Pin Li 2 TiO 3 Điện Áp 2.4 V Phạm vi hoạt động 1.8-2.85/cell
Chu kỳ hoạt động (Vòng đời) 3000-7000 Ứng dụng
Hệ thống truyền lực cho các dòng xe điện như Mítubishi i-MiEV, Honda Fit EV,…
Hệ thống đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời
Nhận xét Là một trong số các loại pin LIB an toàn nhất như LFP, tuổi thọ cao, sạc nhanh nhưng năng lượng riêng thấp và rất tốn chi phí
− Pin GS Yuasa và pin Pisen: trên 90 triệuVNĐ
Pin Lithium-Sulfur đã được nghiên cứu từ cuối những năm 1960 Đây là loại có năng lượng riêng cao 450 Wh/kg Trọng lượng nguyên tử thấp của Lithium và trọng lượng nguyên tử vừa phải của lưu huỳnh nên pin Li-S tương đối nhẹ Pin Lithium lưu huỳnh có thể thay thế pin Lithium-ion vì mật độ năng lượng cao hơn và giảm chi phí Pin Li-S cung cấp năng lượng ở mức 550 Wh/kg trong khi pin Lithium-ion cung cấp ở mức 250- 300Wh/kg Phần điện cực Lithium xuống cấp nhanh sau một thời gian sử dụng, dễ gây cháy nổ và giảm tuổi thọ
Phản ứng cơ bản: Sự kết hợp giữa lithium rắn và lưu huỳnh hoạt tính hóa học sẽ cung cấp khoảng 2,5V
(−) Anode: 2Li ⇔2Li + +2e - E 0 = −3.040V 3861 Ah/kg (2.16)
+ Lưu huỳnh, một chất cách điện, phải được hỗ trợ bởi một cấu trúc dẫn điện cho phép các ion và electron khuếch tán trên bề mặt của nó
+ Polysulfide trung gian hòa tan vào chất điện phân hữu cơ Li2S và Li2S2 từ cực âm lắng đọng trên cực dương lithium và trải qua các phản ứng ký sinh không mong muốn
+ Trong quá trình phóng điện, thể tích lưu huỳnh tăng lên tới 80 a) Pin Lithium polysulfide
Ứng dụng pin cao áp trên các hãng xe
Xe điện đã được dự đoán sẽ là dòng xe được ưa chuộng nhất trên thế giới trong vòng
10 năm sắp tới Và để cụ thể cho quan điểm trên thì dưới đây là các hãng xe nằm trong top 10 các mẫu xe điện được ưa chuộng nhất ở Việt Nam
2.3.1 Hãng xe Vinfast Ô tô điện VF 8 sau 48 giờ mở bán đã có tổng 15.237 đơn đặt hàng trên toàn cầu Ngày 10/9/2022, VinFast đã chính thức bàn giao những chiếc VF8 đầu tiên cho khách hàng tại Việt Nam Đặc biệt 25/11, tàu chuyên dụng mang logo Vinfast xuất cảng để bàn giao VF8 tới các khách hàng ở Mỹ, Canada và châu Âu
Hình 2.35 Ô tô điện VF8 Hình 2.36 Khối pin Vinfast VF8 được sản xuất trong nhà máy
Hiện tại, các xe ô tô điện của Vinfast đang sử dụng pin Lithium-ion Trong đó chiếc
VF e34 đang sở hữu khối pin Lithium-ion có dung lượng 42kWh cho phép di chuyển quãng đường 285km với một lần sạc đầy, VinFast VF 8 có dung lượng 88,8kWh đi được 420km, VinFast VF 9 có dung lượng 92kWh đi được 438km
Bảng 2.9 Thông số kĩ thuật pin trên xe Vinfast VF8
Dung lượng khả dụng 88,8 kWh 400 V li-ion
Quảng đường dự kiến đi được 400km – 420km
Chế độ sạc nhanh Sạc 24 phút, được 70% pin
Chế độ sạc thường Sạc 8h đầy, công suất 11kW
Thuê pin 990.000 đồng/tháng cho 500km Nếu vượt 500km sẽ tính 1.980 đồng/km Thuê pin cố định 2.189.000 đồng/tháng
Trong tương lai, VinFast có kế hoạch phát triển pin thể rắn để ứng dụng trên dòng xe điện Đây là giải pháp hiệu quả để cung ứng kịp thời khi pin Lithium-ion dần trở nên khan hiếm trong tương lai
Giá xe : ~ 1 tỷ 237 triệu đồng
Tesla Model S có loại pin mạnh nhất hiện có dung lượng là 85kWh bao gồm 7104 pin Lithium-ion và nặng khoảng 540kg, các thông số là dài 210cm, rộng 150cm và dày 15cm Lượng năng lượng được tạo ra bởi một đơn vị bằng lượng năng lượng được tạo ra bởi một trăm viên pin từ máy tính xách tay
Giá xe : ~ 3 tỷ 121 triệu đồng
Kia Soul EV giới thiệu lần đầu tại Chicago và cũng nhanh chóng giới thiệu mẫu xe điện này với thế giới Động cơ của xe ô tô điện Kia Soul EV cho công suất cực đại 204 mã lực cùng với momen xoắn 395 Nm Với 2 tùy chọn pin lớn 64 kWh di chuyển được khoảng 450km cho mỗi lần sạc và pin nhỏ 39.2 kWh di chuyển được khoảng 277km cho mỗi lần sạc
Giá xe : ~ 1 tỷ 780 triệu đồng
Mẫu xe điện Nissan Leaf sử dụng pin lithium-ion công suất 40 kWh với động cơ điện công suất 147 mã lực, và momen xoắn cực đại 320Nm Theo đánh giá của EPA Nissan Leaf có thể di chuyển ở phạm vi ước tính 241km
Xe cần khoảng 16 giờ để sạc đầy pin bằng phích cắm 3kW, 8 giờ từ phích cắm 6kW Ngoài ra, Leaf còn hỗ trợ chức năng sạc cấp tốc để nhanh chóng lấp đầy 80% pin chỉ trong vòng khoảng 40 phút
Hình 2.39 Mẫu xe điện Nissan Leaf
❖ Chi phí thay pin của một số mẫu xe điện trên thế giới
Mới đây, một công ty Recurrent đã có bài viết phản ánh chi phí thay thế pin ở một số mẫu xe điện nổi tiếng và phổ biến trên thế giới Theo ước tính của Recurrent, chi phí thay thế một hệ thống pin Tesla Model 3 vào khoảng 180 USD/kWh, tương đương khoảng 15.800 USD ( tức là hơn 360 triệu VNĐ) cho cả bộ pin Giá khởi điểm hiện tại của Tesla Model 3 vào khoảng 45.000 USD, điều đó có nghĩa là chi phí thay thế bộ pin chiếm hơn 1/3 giá trị xe mới Trong khi đó ở một số mẫu xe khác như:
• Volkswagen e-Golf phí thay pin phải lên tới hơn 23.000 USD (Trong khi một chiếc Volkswagen e-Golf đời 2022 có giá bán khoảng 32.000 USD)
• BMW i3 tốn ít hơn 16.000 USD để thay pin (BMW i3 đời 2022 có giá bán ra khoảng 55.000 USD)
• Chevrolet Bolt phải mất hơn 16.000 USD để thay pin ( Hiện tại giá một chiếc Chevrolet Bolt khoảng 35.000 USD)
• Tesla Model S thì chi phì thay pin lại rẻ hơn khá nhiều so với giá xe được niêm yết nó chỉ tốn 22.000 USD còn phiên bảnTesla Model S đời 2022 có giá niêm yết là 140.000 USD
Hình 2.40 Chi phí thay pin của một số hãng xe trên thế giới Nguồn: Recurrent
Xu thế phát triển của pin xe điện
Cuối tháng 8 vừa năm 2022, VinFast và Công ty Gotion High-Tech Co., Ltd (Trung Quốc) - một trong những tên tuổi hàng đầu thế giới trong lĩnh vực năng lượng xanh - đã ký kết dự án cung cấp pin LFP và đề xuất nghiên cứu kế hoạch xây dựng nhà máy sản xuất cell pin Lithium Sắt Phosphate(LFP ) đầu tiên tại Việt Nam
Không lâu sau đó, ngày 30/10 Công ty Contemporary Amperex Technology Co Ltd (CATL) và VinFast ký kết dự án cùng phát triển công nghệ mới tiên phong trên thế giới, bao gồm công nghệ khung gầm thông minh tích hợp pin: Cell to Chassis(CTC)
Trong năm 2022, VinFast cũng đã ký kết một số thỏa thuận chiến lược với Công ty ProLogium nhằm đảm bảo nguồn cung pin thể rắn cho xe điện thế hệ mới của VinFast, hỗ trợ mục tiêu mang các giải pháp di chuyển thông minh đến thị trường toàn cầu
Hình 2.41 Trạm sạc xe điện Vinfast Hình 2.42 Công nghệ CTC tích hợp trực tiếp các cell pin vào khung gầm
VinFast và Công ty LG Chem (Hàn Quốc) hợp tác thành lập chuỗi sản xuất pin trên diện tích hơn 12.000 mét vuông bên trong khu sản xuất ô tô, xe máy điện Vinfast tại Cát Hải - Hải Phòng Theo như thỏa thuận, Vinfast chịu hoàn toàn trách nhiệm xây dựng nhà xưởng và dây chuyền sản xuất, tuyển dụng nhân lực và vận hành nhà máy Phía công ty
LG Chem tư vấn xây dựng nhà xưởng, cung cấp thiết bị, giám sát quy trình sản xuất, đào tạo người lao động và chuyển giao thiết kế
Hình 2.43 Lễ ký kết hợp tác giữa Vinfast và LG Chem 2.4.2 Ngoài nước
Kể từ tháng 12 năm 2019, hàng tỷ euro nghiên cứu được lên kế hoạch đầu tư trên khắp thế giới để cải tiến pin
Châu Âu có kế hoạch đầu tư mạnh vào phát triển và sản xuất pin , pin xe điện
Hình 2.44 Mô hình sản xuất pin cao áp tự động ở Châu Âu
Indonesia cũng đặt mục tiêu tự sản xuất xe điện vào năm 2023, mời công ty pin Trung Quốc GEM và Contemporary Amperex Technology Ltd đầu tư vào Indonesia
Hình 2.45 CATL – Gã khổng lồ sản xuất pin tại Ninh Đức -TQ
Năm 2009, Tổng thống Mỹ ông Barack Obama chấp nhận cho 48 dự án pin và xe điện tiên tiến mới sẽ nhận được khoản tài trợ 2,4 tỷ USD
Bộ trưởng Năng lượng Hoa Kỳ Steven Chu đã công bố khoản tài trợ trị giá 49 triệu đô la cho công ty để mở rộng năng lực sản xuất thiết bị phân tách nhằm đáp ứng nhu cầu gia tăng dự kiến đối với pin lithium-ion tại các nhà máy sản xuất nhiên liệu hóa thạch của Hoa Kỳ Quản trị viên EPA Lisa Jackson ở Florida thông báo khoản tài trợ 95,5 triệu USD để xây dựng một nhà máy mới ở Jacksonville để sản xuất tế bào, mô-đun và bộ pin lithium-ion cho các phương tiện quân sự, công nghiệp và nông nghiệp
Nhà sản xuất pin Trung Quốc CATL đã công bố vào năm 2021 rằng họ sẽ đưa pin natri-ion ra thị trường vào năm 2023 Công ty này đã có kế hoạch sản xuất các gói pin lai có chứa các pin natri-ion và lithium-ion.
Vào ngày 2 tháng 5 năm 2022, Tổng thống Biden thông báo chính quyền sẽ bắt đầu lực lớn hơn nhằm chuyển đất nước từ ô tô chạy bằng khí đốt sang xe điện Mục tiêu của chính quyền Biden là có một nửa sản lượng ô tô sử dụng năng lượng sạch của Mỹ được sản xuất bằng điện vào năm 2030 Từ đó cho thấy sự phát triển của xe điện đang được ưu tiên và vấn đề đặt ra là pin trên xe điện đang rất được chú tâm phát triển.
Cấu tạo của hệ thống pin trên xe điện
Thiết kế của hệ thống pin cao áp và các thành phần bên trong của nó phụ thuộc rất nhiều vào các yêu cầu của ứng dụng Các loại xe hybrid điện (HEV) và xe điện EV khác nhau có các yêu cầu khác nhau về nhu cầu năng lượng và khả năng tích trữ năng lượng Ví dụ, xe chạy bằng pin nhiên liệu là pin có khả năng tích trữ năng lượng bằng không nhưng mật độ năng lượng cao nên cung cấp công suất cực đại cao cho khả năng tăng tốc và phục hồi Hình 2.46 cho thấy sơ đồ minh họa về hệ thống pin và các thành phần cần thiết để đáp ứng các yêu cầu của xe.[2]
Các thành phần chính của hệ thống pin là các mô-đun pin Các mô-đun pin chứa các cell pin lithium-ion Các mô-đun riêng lẻ thường được mắc nối tiếp bằng điện và được giám sát bởi hệ thống quản lý pin -Battery management system(BMS) Vì pin lithium-ion không an toàn nếu chúng không được vận hành trong tiêu chuẩn quy định, BMS sẽ giám sát các đại lượng như điện áp cực của pin, dòng điện của hệ thống pin và nhiệt độ, đồng thời ngắt kết nối hệ thống pin khỏi xe để ngăn ngừa những hỏng hóc nguy hiểm chẳng hạn như xả sâu hoặc sạc quá mức Hệ thống làm mát của pin chịu trách nhiệm giữ các tế bào trong một phạm vi nhiệt độ xác định để ngăn ngừa hư hỏng do nhiệt độ cao và dừng hoạt động do nhiệt độ rất thấp Mỗi bộ phận pin được đặt trong vỏ hộp pin và được cố định chặt chẽ Hình 2.47 cho thấy vị trí mỗi bộ phận trên hệ thống pin
Hình 2.46 Sơ đồ minh họa pin Hình 2.47 Sơ đồ vị trí các bộ phận của pin
2.5.1 Mô-đun pin Điện áp của mô-đun thường dưới 60 V để có thể xử lý các mô-đun trong quá trình sản xuất và vận chuyển mà không cần các biện pháp phòng ngừa an toàn bổ sung và tốn kém Hình 2.48 cho thấy sơ đồ minh họa mô-đun pin và các thành phần riêng lẻ của nó
Hình 2.48 Sơ đồ minh họa mô-đun pin và các thành phần riêng lẻ của nó
Các cell được bao bọc bởi vỏ nhôm và được nhóm thành một mô-đun pin, do đó ổn định về mặt cơ học Các cell trong mô-đun pin thường được kết nối nối tiếp hoặc song song hoặc cả hai bởi hệ thống liên kết cell pin.Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng về dung lượng pin, nhà sản xuất có thể bố trí các kiểu mắc:
- Khi mắc nối tiếp, điện áp bằng tổng điện áp từng từng cell, dung lượng và dòng xả tối đa không đổi
- Khi mắc song song, điện áp không đổi, dung lượng và dòng xả tối đa bằng tổng từng cell
Hệ thống liên kết cell pin kết nối điện các cell pin riêng lẻ và mô-đun pin này với các mô-đun pin lân cận Các cell trong mô-đun được giám sát bởi mạch giám sát cell pin - Cell Supervision Circuit (CSC) CSC giám sát điện áp tế bào của tất cả các cell pin được kết nối nối tiếp và cả nhiệt độ tại các vị trí nhất định của mô-đun pin
2.5.2 Hệ thống làm mát và sưởi ấm
Nhiệt sinh ra bởi các cell pin cũng như các đầu nối và linh kiện điện tử do dòng điện và điện trở bên trong có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống pin Để tăng tuổi thọ của hệ thống, các tế bào phải được giữ trong một phạm vi nhiệt độ xác định Một hệ thống quản lý nhiệt hiệu quả của pin là rất quan trọng đối với hoạt động của xe điện, đặc biệt là trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt như ở các vùng nhiệt đới hoặc bắc cực Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ lão hóa của các cell pin và do đó ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của EV Hệ thống làm mát sẽ tản nhiệt sinh ra trong quá trình lái xe và sạc, do đó làm tăng tuổi thọ của bộ pin HV Vì nhiệt độ thấp trong môi trường lạnh sẽ hạn chế hiệu suất của pin lithium-ion do điện trở trong tăng lên, hệ thống sưởi sẽ cung cấp thêm nhiệt cần thiết để xe đạt được phạm vi hoạt động cần thiết.Việc làm mát một hệ thống pin thường được thực hiện bằng cách làm mát bằng không khí, chất lỏng làm mát, hoặc dựa trên chất làm lạnh trực tiếp.[2]
Vỏ của hệ thống pin là một thành phần có tính tùy chỉnh cao, được thiết kế riêng cho ứng dụng cụ thể của nó Một mặt, kích thước và hình dạng của vỏ pin được xác định bởi không gian thiết kế và các điểm lắp của xe, mặt khác, các bộ phận bên trong phải vừa với vỏ Thiết kế của vỏ pin phụ thuộc vào một số cơ khí, an toàn, dịch vụ và các yêu cầu về chi phí
Các vật liệu phổ biến được sử dụng cho vỏ pin phia dưới chủ yếu là thép, nhôm Nó mang lại lợi thế về độ cứng từ cao đến rất cao và cũng cho phép thiết kế các bộ pin rất lớn
Vỏ pin phía trên được làm bằng nhựa gia cố sợi carbon và sợi thủy tinh (CFRP và GFRP) đồng thời có lõi xốp dạng sandwich giúp tăng độ cứng của pin
2.5.4 Linh kiện điện/điện tử
Các thành phần điện/điện tử của khối pin giám sát các cell pin, giám sát dữ liệu cảm biến có liên quan trong quá trình vận hành và sạc xe, đồng thời đảm bảo hệ thống pin hoạt động an toàn và đáng tin cậy bằng cách điều khiển các bộ truyền động (tức là công tắc nguồn) ngắt kết nối pin từ xe điện trong trường hợp hỏng hóc
Các thành phần điện/điện tử của bộ pin bao gồm Battery Management System(BMS), Cell Supervision Circuit(CSC) cũng như hộp công tắc BMS thu thập thông tin từ các CSC và các cảm biến khác nhau, đồng thời điều khiển các công tắc HV nằm bên trong hộp công tắc theo dữ liệu đầu vào đo được.
Hệ thống quản lý pin trên ô tô Battery Management System (BMS)
2.6.1 Giới thiệu hệ thống quản lý pin trên ô tô
Hệ thống quản lý pin (BMS) là một thiết bị quan trọng đối với xe điện (EV), ) là bộ phận bảo vệ an toàn chính của hệ thống pin cho xe điện, có nhiệm vụ đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và an toàn của các pin được kết nối để cung cấp dòng điện cao ở điện áp cao (High Voltage – HV) Chức năng chính của BMS là bảo vệ các cell pin, cung cấp khả năng quản lý nhiệt và xác định trạng thái sạc (State of Charge – SoC) và tình trạng sức khỏe của pin (State of Health – SoH), để có thể trang bị cho nó tránh hoạt động từ các chế độ nguy hiểm và không hiệu quả Việc cân bằng các tế bào pin là cần thiết trong tất cả các BMS để đảm bảo tình trạng hoạt động tốt cho các cell pin
2.6.2 Bảo vệ an toàn pin Được trang bị nhiều cảm biến, mô-đun và cầu chì, BMS có thể dự đoán các mối nguy tiềm ẩn và bảo vệ cả pin và người dùng Hệ thống quản lý pin được trang bị các hệ thống an toàn về pin giúp ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch, chạm đất và thoát nhiệt Ngoài ra, hệ thống bảo mật BMS có thể đảm bảo truyền dữ liệu an toàn và bảo vệ hệ thống lưu trữ pin của bạn khỏi việc sử dụng trái phép
Quản lý nhiệt là một trong những biện pháp phòng ngừa an toàn pin lithium-ion quan trọng nhất mà bạn nên thực hiện trong thiết kế BMS của mình Điều này liên quan khí một hệ thống quản lý nhiệt có nhiệm vụ cân bằng độ dốc nhiệt độ giữa các cell pin, làm mát pin để tăng tuổi thọ và ngăn chặn sự thoát nhiệt, phá hủy pin do phản ứng quá nhiệt và tỏa nhiệt của hóa chất bên trong pin Có 3 cách để làm mát cho pin trên xe điện:
+Làm mát bằng không khí: Dựa trên phương pháp đối lưu đơn giản như một cách truyền nhiệt ra khỏi bộ pin Hiệu quả làm mát từ không khí đối với các động cơ hiệu suất cao là không đủ và không phù hợp với vùng khí hậu nóng vì không khí đã nóng sẵn
+Làm mát bằng chất lỏng: bao gồm 2 phương pháp làm mát trực tiếp và làm mát gián tiếp
• Làm mát trực tiếp: bộ pin được ngâm trực tiếp vào chất lỏng không dẫn điện
• Làm mát gián tiếp: Hoạt động bằng cách tuần hòa nước làm mát qua các đường ống chạy quanh bộ pin
+Làm mát bằng cánh tản nhiệt: Phương pháp sử dụng cánh tản nhiệt để làm tăng diện tích bề mặt, tăng tốc độ truyền nhiệt Có tính dẫn nhiệt cao và có thể làm mát nhanh nhưng tăng thêm nhiều trọng lượng cho pin (40% trọng lượng pin)
2.6.4 Xác định trạng thái của pin
Trạng thái sạc (SoC) hiển thị mức sạc của pin từ 0% (xả hoàn toàn) đến 100% (đã sạc đầy) Ước tính SoC phụ thuộc vào tốc độ sạc/xả và dung lượng của pin Cần ước tính đúng SoC để tránh sạc quá mức và xả quá mức cho pin Đối với pin Li-ion, việc xả quá mức là rất nghiêm trọng và có thể dẫn đến chết pin Ắc quy chì-axit có khả năng chống phóng điện quá mức
Tình trạng tốt (SoH) cho biết mức độ hao mòn của pin và bao gồm dung lượng, điện trở trong, tuổi thọ và các thông số khác của pin 100% SOH là điều kiện của pin mới được sản xuất Khi pin bị hao mòn, mức SOH sẽ thấp hơn SOH hiển thị tình trạng hiện tại của pin và giúp dự đoán khi nào bạn nên thay pin
Vì trong hệ thống pin được tạo ra từ hàng nghìn các cell pin nên tất cả các cell pin có trạng thái sạc khác nhau Khi hệ thống bắt đầu hoạt động do sự chênh lệch giữa các cell pin có thể tạo ra vấn đề lớn Cân bằng pin là hành động làm cho tất cả để đại được sự cân bằng các cell pin trong hệ thống pin: cân bằng chủ động và cân bằng thụ động
+Cân bằng thụ động: Lượng năng lượng dư thừa của các cell pin có SoC cao nhất được chuyển thành năng lượng nhiệt Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng điện trở để chuyển đổi năng lượng thành nhiệt và điều này có thể sử dụng để cân bằng nhiều cell pin nhưng không phải cùng một lúc Lợi ích chính của cân bằng thụ động là ít tốn kém hơn so với hệ thống cân bằng chủ động nên nó được ưa chuộng Nhược điểm của phương pháp này là năng lượng sẽ bị lãng phí khi năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt và tốn nhiều thời gian cho cân bằng thụ động
+Cân bằng chủ động: Năng lượng dư thừa từ các cell pin có SoC cao hơn được chuyển tới các cell pin SoC thấp hơn cho đến khi tất cả các cell pin đều ở cùng một giá trị SoC bằng nhau Lợi ích của cân bằng chủ động là năng lượng dư thừa không bị lãng phí mà được chuyển sang các cell pin khác Nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao và yêu cầu nhiều không gian trong hệ thống pin.
Giới thiệu về phần mền Matlab\Simulink
2.7.1 Giới thiệu phần mềm Matlab
Phần mềm Matlab là công cụ rất hữu ích trong lĩnh vực kỹ thuật và khoa học máy tính được phát triển bởi MathWorks và được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp Matlab là một phần mềm tính toán số và lập trình, được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và các ứng dụng công nghiệp Nó cung cấp cho người dùng một loạt các công cụ để giải quyết các vấn đề liên quan đến tính toán và phân tích dữ liệu
Với Matlab, người dùng có thể giải quyết các bài toán liên quan đến tính toán số, xử lý tín hiệu, thống kê, hình ảnh, điều khiển và nhiều chủ đề khác Matlab cũng cung cấp một loạt các công cụ để tương tác với các cơ sở dữ liệu và các phần mềm khác
Matlab có khả năng tính toán cao và đa dạng, nhưng có thể không phù hợp với các ứng dụng có dữ liệu lớn hoặc yêu cầu xử lý dữ liệu thời gian thực Để sử dụng hiệu quả Matlab, người dùng cần phải có kiến thức về các kỹ năng tính toán và lập trình cơ bản Ngoài ra, họ cũng cần phải hiểu các khái niệm liên quan đến điện tử và kỹ thuật điều khiển hệ thống
Tuy nhiên, với sự phát triển của các công nghệ và các tài nguyên học tập trực tuyến, Matlab đã trở nên dễ sử dụng hơn và có thể được học một cách dễ dàng thông qua các khóa học trực tuyến và các tài liệu học tập
Hình 2.49 Giao diện Matlab 2020 Bảng 2.10 Các hàm toán cơ bản trong Matlab
Các hàm toán trong MATLAB sqrt(x) Căn bậc hai rem(x, y) Số dư của phép chia x/y exp(x) Hàm mũ cơ số e round(x) Làm tròn số log(x) Logarithm tự nhiên ceil(x) Làm tròn lên log10(x) Logarithm cơ số thập phân floor(x) Làm tròn xuống abs(x) Giá trị tuyệt đối sum(v) Tổng các phần tử vector sign(x) Hàm dấu prod(v) Tích các phần tử vector real(x) Phần thực min(v) Phần tử vector bé nhất imag(x) Phần ảo max(v) Phần tử vector lớn nhất phase(x) Góc pha của số phức mean(v) Giá trị trung bình cộng
2.7.2 Giới thiệu phần mềm Simulink
Simulink là một phần mềm mô phỏng hệ thống, được sử dụng để thiết kế và mô phỏng các hệ thống điện tử, điện-máy, điện tử công suất, robot, động cơ, và nhiều hơn nữa
Nó cho phép người dùng thiết kế và mô phỏng các hệ thống phức tạp bằng cách sử dụng các khối chức năng để tạo ra mô hình hệ thống
Với Simulink, người dùng có thể thiết kế và mô phỏng các hệ thống phức tạp bằng cách sử dụng các khối chức năng để tạo ra mô hình hệ thống Simulink cũng cung cấp một loạt các công cụ để kiểm tra và phân tích các mô hình, giúp người dùng đảm bảo tính đúng đắn và đáng tin cậy của mô hình
Simulink có khả năng mô phỏng và thiết kế hệ thống tốt, nhưng có thể khó khăn trong việc xử lý các vấn đề phức tạp
Trong tương lai, Matlab và Simulink vẫn sẽ tiếp tục phát triển và cung cấp cho người dùng những công cụ mạnh mẽ hơn để giải quyết các vấn đề liên quan đến tính toán và điện tử Với sự tiến bộ trong các công nghệ như trí tuệ nhân tạo và đám mây, chúng cũng có thể được tích hợp với các công nghệ mới để tạo ra các ứng dụng mới và tiên tiến hơn.
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG PIN CAO ÁP TRÊN XE ĐIỆN
Thông số mô phỏng
3.1.1 Thông số xe mô phỏng Để thuận tiện cho việc tính toán nên sẽ sử dụng mẫu xe điện Tesla Model X Performance 2020, các thông số của xe được trình bay trong bảng bên dưới [7]:
Bảng 3.1 Thông số xe Tesla Model X Performance
Thông số kỹ thuật Đơn vị Tesla Model X Performance
Chiều dài cơ sở mm 2964
Trọng lượng không tải kg 2604
Trọng lượng toàn tải kg 3120 Động cơ AC induction
Công suất cực đại kW/Hp @rpm 375/503 @6150
Mô-men xoắn cực đại Nm 660
Tốc độ tối đa km/h 250
3.1.2 Thông số pin mô phỏng
Tesla Model X Performance sử dụng loại pin NCR 18650B của hãng Panasonic Thông số của pin được trình bày trong bảng sau [8]
Bảng 3.2 Thông số pin NCR 18650B
Hình dạng Hình trụ C-rate 1
Model NCR18650B Số pin nối tiếp 𝑁 𝑐𝑠 110
Dung lượng 𝐶 𝑏𝑐 (Ah) 3,4 Số pin song song 𝑁 𝑠𝑏 72 Điện áp 𝑈 𝑏𝑐 (V) 3,6 Năng lượng pin 𝐸 𝑏𝑐 12,4 Wh
3.1.3 Các chu trình mô phỏng Để tính toán mức tiêu hao nhiên liệu trung bình Eavg và quãng đường di chuyển, ta cần xác định công suất và sử dụng các chu trình lái xe để xác định được mức tiêu hao nhiên liệu trung bình và quãng đường Ở đây ta sẽ sử dụng 3 chu trình để tính toán các quãng đường khác nhau tương ứng với điều kiện chạy xe thực tế: đô thị (Chu trình Urban Dynamometer Driving Schedule – UDDS), cao tốc (chu trình Highway Fuel Economy Driving Schedule – HWFET) và hỗn hợp (Chu trình Worldwide harmonised Light vehicles Test Procedure – WLTP)
3.1.3.1 Chu trình Urban Dynamometer Driving Schedule – UDDS
Chu trình UDDS là chu trình thử nghiệm đại diện kiểm tra khả năng tiết kiệm nhiên liệu trong điều kiện lái xe trong đô thị, được sử dụng để kiểm tra xe hạng nhẹ Chu trình được phát triển bởi EPA – Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ
Chu trình UDDS có quãng đường di chuyển S=7,45 miles ≈ 11,99km di chuyển trong thời gian t= 1369s với vận tốc trung bình v ,59 mph ≈ 31,527 km/h [9]
Hình 3.1 Chu trình UDDS 3.1.3.2 Chu trình Highway Fuel Economy Driving Schedule – HWFET
Chu trình HWFET là chu trình thử nghiệm đại diện kiểm tra khả năng tiết kiệm nhiên liệu trong điều kiện lái xe trên cao tốc, được sử dụng để kiểm tra xe hạng nhẹ Chu trình được phát triển bởi EPA – Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ
Chu trình HWFET có quãng đường di chuyển S= 10,26 miles ≈ 16,512km, di chuyển trong thời gian t= 756s với vận tốc trung bình v H,3 mph ≈ 77,731 km/h [9]
3.1.3.3 Chu trình Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure – WLTP
Tiêu chuẩn WLTP là viết tắt của cụm từ Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure - Quy trình kiểm tra đồng bộ cho xe hạng nhẹ toàn cầu Tiêu chuẩn WLTP sẽ sử dụng dữ liệu lái xe thực, được thu thập tại các nước thuộc 5 khu vực khác nhau trên thế giới nên đảm bảo tính chính xác cao hơn so với tiêu chuẩn cũ NEDC WLTP được áp dụng toàn cầu nhằm xác định những yếu tố dưới đây:
+Mức độ phát thải khí CO2 của xe sử động cơ đốt trong, xe hybrid;
+Mức tiêu thụ nhiên liệu của xe sử dụng động cơ đốt trong, xe hybrid
+Phạm vi hoạt động (quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc) của xe ô tô điện chạy bằng pin (EV) dựa trên việc đo lường mức tiêu thụ năng lượng
-Có 3 chu trình lái trong chuẩn WLTP, sử dụng tiêu chuẩn nào là phụ thuộc vào tỉ số công suất tối đa chia khối lượng không tải 𝑃𝑊 𝑟 (W/kg)
+Loại 1: Phương tiện công suất nhỏ với 𝑃𝑊 𝑟 ≤ 22
+Loại 2: Phương tiện công suất trung bình với 22 < 𝑃𝑊 𝑟 ≤ 34
+Loại 3: Phương tiện công suất lớn với 𝑃𝑊 𝑟 ≥ 34 Ở đây ta sử dụng xe Tesla Model X Performance có tỉ số
2604 = 144 > 34nên ta sử dụng chu trình lái loại 3.
Chu trình lái loại 3 được chia thành 4 giai đoạn mỗi giai đoạn có tốc độ tối đa khác nhau:thấp: 56.5km/h, trung bình: 76.6km/h, cao: 97.4km/h, cực cao 131.3km/h
Bảng 3.3 Thông số chu trình WLTP loại 3
Thấp Trung bình Cao Cực cao
Tốc độ tối đa (km/h) 56.5 76.6 97.4 131.3
Tốc độ trung bình không tính thời gian dừng (km/h) 25.3 44.5 60.7 94.0 53.5
Tốc độ trung bình có tính thời gian dừng (km/h) 18.9 39.4 56.5 91.7 46.5
-Theo đề cương kiểm tra chu trình WLTP [10], thử nghiệm hoàn chỉnh của một chiếc xe điện bao gồm các giai đoạn sau:
+Bắt đầu khi pin đầy
+Phân đoạn động 1: Truyền động theo chu kỳ 4 pha, tiếp theo là chu trình 2 pha thấp – trung bình (thành phố)
+Lái xe với tốc độ 100km/h trong một khoảng thời gian
+Phân đoạn động 2: Truyền động theo chu kỳ 4 pha, tiếp theo là chu trình 2 pha thấp – trung bình (thành phố)
+Lái xe với tốc độ 100km/h cho đến khi hết pin
+Sạc lại pin đến 100% (đo mức tiêu thụ điện năng)
Vì năng lượng của pin khá lớn (~98𝑘𝑊ℎ) nên để thực hiện chu trình kiểm tra sẽ sử dụng 3 giai đoạn đầu và thời gian lái xe với tốc độ 100km/h tương ứng với thời gian chạy giai đoạn cao và cực cao (≈ 300𝑠 = 5 𝑝ℎú𝑡)
+Phân đoạn động 1: Truyền động theo chu kỳ 4 pha, tiếp theo là chu trình 2 pha thấp – trung bình (thành phố)
+Lái xe với tốc độ 100km/h trong một khoảng thời gian (300s)
Chu trình WLTP có quãng đường di chuyển S= 37,78 km, di chuyển trong thời gian t= 3122s với vận tốc trung bình v C,6 km/h
Cơ sở tính toán pin trên xe điện
3.2.1 Tính toán các thông số của pin Lithium-ion xe Tesla Model X Performance
- Pin cao áp trên xe điện là yếu tố chính tác động lên quãng đường di chuyển của xe điện
+ Điện áp của hệ thống pin quyết định công suất điện tối đa mà hệ pin có thể cung cấp liên tục, dòng điện thế nhỏ thì dòng điện sẽ lớn mà dòng điện lớn thì cần phải có đường kính lớn nên điện áp của hệ thống pin phải lớn để khắc phục
+ Năng lượng của hệ thống pin quyết định quãng đường di chuyển của xe Quãng đường là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá giá trị và tương lai của xe điện
+ Trọng lượng và thể tích của bộ pin sử dụng nhiều khoảng không gian và có trọng lượng lớn đối với xe điện và sẽ ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của xe điện
- Thể tích của một cell pin (𝑚 3 ) 𝑉 𝑐𝑐 [11]:
𝐷 𝑏𝑐 (m): Đường kính một cell pin
𝐿 𝑏𝑐 (m): Chiều dài một cell pin
-Dung lượng hệ thống pin 𝐶 𝑏𝑝 :
𝑁 𝑠𝑏 : Số pin mắc song song
𝐶 𝑏𝑐 :Dung lượng của một cell pin
-Điện áp của bộ pin 𝑈 𝑏𝑝 :
𝑈 𝑏𝑐 : Điện áp của một cell pin
𝑁 𝑐𝑠 : Số pin mắc nối tiếp
- Dòng xả cực đại của một chuỗi 𝐼 𝑠𝑝𝑐 :
- Dòng xả cực đại của hệ thống pin 𝐼 𝑏𝑝𝑝 :
- Năng lượng của bộ pin 𝐸 𝑏𝑝 :
- Khối lượng của cả hệ thống pin 𝑚 𝑏𝑝 :
- Thế tích của hệ thống pin 𝑉 𝑐𝑐 :
𝑉 𝑏𝑝 = 𝑉 𝑐𝑐 ∗ 𝑁 𝑐𝑏 (3.10) Áp dụng thông số của pin vào công thức tính toán để ra bảng thông số của hệ thống pin :
Bảng 3.4 Thông số hệ thống pin
Thể tích hệ thống pin 𝑉 𝑐𝑐 (𝑚 3 ) 0.13899 Khối lượng hệ thống pin (kg) 364.32
Dung lượng hệ thống pin (Ah) 244.8 Dòng xả cực đại của hệ thống pin 𝐼 𝑏𝑝𝑝 (𝐴) 244.8 Điện áp của bộ pin 𝑈 𝑏𝑝 (V) 396 Năng lượng bộ pin 𝐸 𝑏𝑝 (kWh) 98.2
Số lượng cell pin 𝑁 𝑐𝑏 (cells) 7920 Công suất bộ pin 𝑃 𝑏𝑝𝑝 (kW) 96.94
3.2.2 Tính toán công suất 𝑷 𝒕𝒐𝒕 (W) Để có thể tính được năng lượng tiêu tốn trung bình ta phải dựa vào các loại lực cản khi di chuyển trên đường Khi xe di chuyển trên đường, có các lực cản chủ yếu là: lực quán tính, lực cản lăn, lực cản dốc, lực cản gió
Hình 3.4 Các lực tác dụng lên xe
𝑚 𝑣 : Trọng lượng của xe (kg)
Hình 3.5 Mô hình hóa tính 𝐹 𝑖 trong Matlab – Simulink
𝐶 𝑟𝑟 : Hệ số cản lăn giữa bánh xe với mặt đường g : Gia tốc trọng trường (m/s 2 )
Trong nghiên cứu mô phỏng xe chạy trên đường bê tông nên sẽ có hệ số ma sát lăn ở trong khoảng từ 0,010 đến 0,015 ta sẽ chọn 𝐶 𝑟𝑟 = 0,012 Vì xe chạy mô phỏng trên đường bằng phẳng nên 𝛼 = 0 (rad)
Hình 3.6 Mô hình hóa tính 𝐹 𝑟 trong Matlab – Simulink
Hình 3.7 Mô hình hóa tính 𝐹 𝑠 trong Matlab – Simulink
𝜌: Khối lượng riêng của không khí (𝑘𝑔/𝑚 3 )
𝐶 𝑑 = 0,25 : Hệ số cản không khí (𝑁𝑠 2 /𝑚 4 )
𝐴 𝑓 = 2,27 : Diện tích mặt cản gió (𝑚 2 )
Hình 3.8 Mô hình hóa tính 𝐹 𝑎 trong Matlab – Simulink Ở nhiệt độ 25°C và áp suất 0,103 MPa thì 𝜌 = 1,25 Với xe Tesla Model X thì hệ số cản không khí 𝐶 𝑑 = 0,25 và diện tích mặt cản gió 𝐴 𝑓 = 2,27
Tính công suất của xe ở 2 quãng đường thành phố và cao tốc
Hình 3.9 Mô hình hóa tính 𝐹 𝑡𝑜𝑡 và 𝑃 𝑡𝑜𝑡 trên Matlab – Simulink
3.2.3 Tính toán năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình
Sau khi có biểu đồ hiển thị công suất theo thời gian, ta lấy nguyên hàm công suất theo thời gian sẽ tính ra được tổng năng lượng tiêu thụ 𝐸 𝑡𝑜𝑡
Sau khi tính được tổng năng lượng tiêu thụ ta chia cho quãng đường thực hiện mô phỏng để tính được năng lượng tiêu thụ trung bình
Trong đó: t: thời gian di chuyển của chu trình
S: Quãng đường di chuyển của chu trình
Hình 3.10 Mô hình hóa tính 𝐸 𝑝 trên Matlab – Simulink
3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình di chuyển của xe
Do được thực hiện trong phòng thí nghiệm nên quãng đường di chuyển của ô tô điện xác định có sự chênh lệch so với thực tế bởi quãng đường di chuyển được còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, trong đó có điều kiện vận hành và thói quen điều khiển của người cầm lái Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình di chuyển của xe: quá trình chuyển đổi từ điện năng qua động năng, nhiệt độ pin, nhiệt độ môi trường, khu vực di chuyển của xe,… Vì các yếu tố tác động nên sẽ có những sự mất mát năng lượng nhất định Trong nghiên cứu này sẽ tập trung các yếu tố ảnh hưởng chính: nhiệt độ pin, khu vực di chuyển của xe và quá trình chuyển đổi năng lượng
+Nhiệt độ pin: Nhiệt độ pin sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của ắc quy cao áp Ắc quy cao áp của xe điện được thiết kế để hoạt động tối ưu ở khoảng 20°C Với thời tiết lạnh và nóng hơn so với thiết kế, pin sẽ làm việc kém hiệu quả Để giảm tác động tới pin nên các hệ thống làm mát và cách nhiệt sẽ giúp cân bằng nhiệt độ pin Quá trình này sẽ tiêu thụ một phần năng lượng của pin, hiệu suất của hệ thống làm mát sẽ trong khoảng 0,84 – 0,88 (tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường) [13] Ở trong phần tính toán, ta sẽ chọn hiệu suất
+Khu vực di chuyển của xe: Trong bài nghiên cứu này mô phỏng quá trình di chuyển của 3 chu trình khác nhau: thành phố, cao tốc và hỗn hợp Với mỗi chu trình lái sẽ có những điều kiện giao thông khác nhau và điều này sẽ ảnh hưởng tới tốc độ, gia tốc, năng lượng tiêu thụ của xe Những điều kiện này sẽ phản ánh sự khác biệt trong mô phỏng và ngoài đường thực tế nê sẽ có những hệ số hiệu suất để tính toán chính xác Khi lái xe di chuyển trong thành phố năng lượng ảnh hưởng tới 10% (𝜂 𝑘𝑣 = 𝜂 𝑡𝑝 = 0,9), trên cao tốc là 22% (𝜂 𝑘𝑣 = 𝜂 𝑐𝑡 = 0,78) và trong điều kiện hỗn hợp là 20% (𝜂 𝑘𝑣 = 𝜂 ℎℎ = 0,8) [14]
+Quá trình chuyển đổi từ điện năng thành cơ năng: Bộ chuyển đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng sẽ xảy ra mất mát do chuyển đổi năng lượng Hiệu suất của quá trình chuyển đổi sẽ trong khoảng từ 85 – 95 % nên trong nghiên cứu này ta sẽ chọn hiệu suất 𝜂 𝑐𝑜𝑛 = 0,9
-Công thức tính năng lượng tiêu thụ trung bình tổng cộng [11]:
𝜂 = 𝜂 𝑐𝑜𝑛 ∗ 𝜂 𝑘𝑣 ∗ 𝜂 𝑡ℎ𝑒𝑟 : Hiệu suất ứng với mỗi chu trình
𝐸 𝑝 : Năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình
Hình 3.11 Mô hình hóa tính 𝐸 𝑎𝑣𝑔 trên Matlab – Simulink
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Kết quả mô phỏng
4.1.1 Chu trình UDDS Ứng dụng chu trình UDDS (Hình 3.1) vào Mô hình hóa tính 𝐹 𝑡𝑜𝑡 và 𝑃 𝑡𝑜𝑡 trên Matlab – Simulink (Hình 3.9) ta sẽ tính ra được 2 biểu đồ lực và công suất theo thời gian của chu trình UDDS
Hình 4.1 Lực theo thời gian chu trình UDDS
Hình 4.2 Công suất theo thời gian chu trình UDDS
Sau khi có biểu đồ công suất theo thời gian của chu trình UDDS, ta sẽ sử dụng công thức 3.17 và 3.18 để tính toán tổng năng lượng tiêu thụ 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 và năng lượng tiêu thụ trung bình 𝐸 𝑃 của chu trình UDDS
Hình 4.3 Mô hình hoá tính 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 và 𝐸 𝑃 theo chu trình UDDS
Với thời gian thực hiện t 69s và quãng đường di chuyển S,99 km
Sau khi chạy chương trình ta tính được tổng năng lượng tiêu thụ của chu trình UDDS
𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2148,6 𝑊ℎ và năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình UDDS 𝐸 𝑃 = 179,2 (Wh/km) Tổng năng lượng tiêu thụ của chu trình được biểu diễn dưới dạng biểu đồ năng lượng theo thời gian (Hình 4.4)
Hình 4.4 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 theo thời gian chu trình UDDS Bảng 4.1 Số liệu kết quả mô phỏng 𝑬 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 của chu trình UDDS
Thời gian 200 400 600 800 1000 1200 1369 Năng lượng tiêu thụ 382.2 837.8 1167 1474 1743 1955 2148
Chu trình được thực hiện trong mô phỏng nên năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình sẽ có sự chênh lệch so với thực tế do chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động lên Nên năng lượng tiêu thụ trung bình tổng cộng sẽ được xác định bởi công thức 3.19
Hình 4.5 𝐸 𝑎𝑣𝑔 của chu trình UDDS
Năng lượng tiêu thụ trung bình tổng cộng là 233,5 Wh/km Lượng năng lượng này lớn do chu trình UDDS tăng giảm tốc độ liên tục do di chuyển trong thành phố gặp nhiều đèn giao thông và tình trạng tắc đường và có quãng đường di chuyển ngắn
4.1.2 Chu trình HWFET Ứng dụng chu trình HWFET (Hình 3.2) vào Mô hình hóa tính 𝐹 𝑡𝑜𝑡 và 𝑃 𝑡𝑜𝑡 trên Matlab – Simulink (Hình 3.9) ta sẽ tính ra được 2 biểu đồ lực và công suất theo thời gian của chu trình HWFET
Hình 4.6 Lực theo thời gian chu trình HWFET
Hình 4.7 Công suất theo thời gian chu trình HWFET
Sau khi có biểu đồ công suất theo thời gian của chu trình HWFET, ta sẽ sử dụng công thức 3.17 và 3.18 để tính toán tổng năng lượng tiêu thụ 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 và năng lượng tiêu thụ trung bình 𝐸 𝑃 của chu trình HWFET
Với thời gian thực hiện t u6s và quãng đường di chuyển S,512 km
Sau khi chạy chương trình ta tính được tổng năng lượng tiêu thụ của chu trình HWFET 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2424 𝑊ℎ và năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình WLTP 𝐸 𝑃 146,8 (Wh/km) Tổng năng lượng tiêu thụ của chu trình được biểu diễn dưới dạng biểu đồ năng lượng theo thời gian (Hình 4.9)
Hình 4.9 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 theo thời gian chu trình HWFET Bảng 4.2 Số liệu kết quả mô phỏng 𝑬 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 của chu trình HWFET
Năng lượng tiêu thụ 383.8 646.9 878.4 1368 1646 1873 2292 Chu trình được thực hiện trong mô phỏng nên năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình sẽ có sự chênh lệch so với thực tế do chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động lên Nên năng lượng tiêu thụ trung bình tổng cộng sẽ được xác định bởi công thức 3.19
Hình 4.10 𝐸 𝑎𝑣𝑔 của chu trình HWFET
Năng lượng tiêu thụ trung bình tổng cộng là 205 Wh/km Lượng năng lượng này nhỏ do chu trình HWFET di chuyển trên cao tốc với tốc độ cao trong khoảng thời gian ngắn và quãng đường lớn
4.1.3 Chu trình WLTP Ứng dụng chu trình WLTP (Hình 3.3) vào Mô hình hóa tính 𝐹 𝑡𝑜𝑡 và 𝑃 𝑡𝑜𝑡 trên Matlab – Simulink (Hình 3.9) ta sẽ tính ra được 2 biểu đồ lực và công suất theo thời gian của chu trình WLTP
Hình 4.11 Lực theo thời gian chu trình WLTP
Hình 4.12 Công suất theo thời gian chu trình WLTP
Sau khi có biểu đồ công suất theo thời gian của chu trình WLTP, ta sẽ sử dụng công thức 3.17 và 3.18 để tính toán tổng năng lượng tiêu thụ 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 và năng lượng tiêu thụ trung bình 𝐸 𝑃 của chu trình WLTP
Hình 4.13 Mô hình hoá tính 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 và 𝐸 𝑃 theo chu trình WLTP
Với thời gian thực hiện t 122s và quãng đường di chuyển S7,78 km
Sau khi chạy chương trình ta tính được tổng năng lượng tiêu thụ của chu trình WLTP
𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6955,3 𝑊ℎ và năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình WLTP 𝐸 𝑃 = 184,1 (Wh/km) Tổng năng lượng tiêu thụ của chu trình được biểu diễn dưới dạng biểu đồ năng lượng theo thời gian (Hình 4.14)
Hình 4.14 𝐸 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 theo thời gian chu trình WLTP Bảng 4.3 Số liệu kết quả mô phỏng 𝑬 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 của chu trình WLTP
Năng lượng tiêu thụ 556.4 1557 2767 4414 5023 6678 6955 Chu trình được thực hiện trong mô phỏng nên năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình sẽ có sự chênh lệch so với thực tế do chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động lên Nên năng lượng tiêu thụ trung bình tổng cộng sẽ được xác định bởi công thức 3.19
Hình 4.15 𝐸 𝑎𝑣𝑔 của chu trình WLTP
Năng lượng tiêu thụ trung bình tổng cộng là 254,2 Wh/km Lượng năng lượng này lớn do chu trình WLTP tăng giảm tốc độ liên tục và có thêm quãng đường chạy 100km/h
So sánh năng lượng tiêu thụ của các chu trình thử nghiệm
Sau khi có kết quả mô phỏng, năng lượng tiêu thụ lớn nhất là của chu trình WLTP (𝐸 𝑎𝑣𝑔 = 254,2𝑊ℎ/𝑘𝑚) sau đó là chu trình UDDS (𝐸 𝑎𝑣𝑔 = 233,5𝑊ℎ/𝑘𝑚) và cuối cùng là chu trình HWFET (𝐸 𝑎𝑣𝑔 = 205𝑊ℎ/𝑘𝑚) Dưới đây là bảng so sánh giữa các chu trình
Bảng 4.4 Kết quả thực hiện mô phỏng của các chu trình
Chu trình UDDS Chu trình
Quãng đường di chuyển S 11,99km 16,512 km 46,978 km
Tốc độ trung bình 𝑣 𝑎𝑣𝑔 36,6 km/h 77,6 km/h 49,4 km/h
Năng lượng tiêu thụ chu trình 2148 Wh 2423 Wh 6955 Wh
Năng lượng tiêu thụ trung bình chu trình 𝐸 𝑃 179,2 Wh/km 146,8 Wh/km 184,1 Wh/km Năng lượng tiêu thụ tổng cộng 𝐸 𝑎𝑣𝑔 233,5 Wh/km 205 Wh/km 254,2 Wh/km
Quãng đường di chuyển tối đa 𝑆 𝑚𝑎𝑥 420 km 479 km 386,6 km
Năng lượng tiêu thụ của chu trình UDDS và chu trình HWFET không có sự chênh lệch lớn mặc dù quãng đường di chuyển và thời gian của 2 chu trình có khoảng cách lớn
+Với chu trình UDDS có năng lượng tiêu thụ là 2148 Wh và năng lượng tiêu thụ trung bình 179,2 Wh/km do ảnh hưởng nhiều bởi điều kiện di chuyển trong thành phố tăng giảm tốc độ liên tục ở dải tốc độ thấp và gia tốc khi tăng tốc lớn Điều này sẽ ảnh hưởng tới lực tổng hợp tác dụng lên xe lớn khi xe tăng tốc, từ đó công suất của chu trình cao và kèm theo điều kiện di chuyển làm xe tăng tốc liên tục nên lượng năng lượng tiêu thụ của
+Với chu trình HWFET có năng lượng tiêu thụ là 2423Wh và năng lượng tiêu thụ trung bình chu trình là 146,8 Wh/km do xe di chuyển trên cao tốc với vận tốc cao và cực cao từ 50 – 100 km/h nên khi xe tăng tốc công suất của chu trình sẽ chịu ảnh hưởng của hệ số vận tốc, từ đó công suất khi tăng tốc lớn hơn nhiều so với chu trình UDDS Mặc dù xe di chuyển với tốc độ cao nhưng quãng đường và thời gian di chuyển chu trình HWFET ngắn nên năng lượng tiêu thụ trung bình chu trình sẽ thấp
+Chu trình WLTP là chu trình lái với nhiều dải tốc độ từ thấp tới cao (~130km/h) và trong quá trình di chuyển xe tăng giảm tốc độ liên tục nhất là với tốc độ cao nên công suất và năng lượng tiêu thụ sẽ bị ảnh hưởng nhiều nên năng lượng tiêu thụ trung bình của chu trình WLTP cao hơn nhiều so với 2 chu trình còn lại
4.3 So sánh quãng đường di chuyển của các chu trình thử nghiệm với quãng đường di chuyển của nhà sản xuất
Dưới đây là bảng so sánh quãng đường di chuyển của xe Tesla Model X Performance 2020 [7] được nhà sản xuất đưa ra và quãng đường di chuyển được mô phỏng
Bảng 4.5 Kết quả so sánh quãng đường di chuyển của các chu trình
Chu trình UDDS Chu trình HWFET Chu trình WLTP
Mô phỏng 420 km 479 km 386,6 km
Nhà sản xuất 437,7 km 490,9 km 485 km
Quãng đường di chuyển của chu trình UDDS và chu trình HWFET không có sự chênh lệch khoảng cách lớn so với quãng đường mà nhà sản xuất đưa ra Do trong quá trình mô phỏng còn nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quãng đường mà nhóm không thực hiện được
Quãng đường di chuyển của chu trình WLTP trong mô phỏng và nhà sản xuất đưa ra có sự chênh lệch lớn Vì đề cương kiểm tra chu trình WLTP được thay đổi thực hiện trong quãng đường ngắn để phù hợp với quá trình mô phỏng nên sai số của quãng đường so với nhà sản xuất là điều có thể xảy ra
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Qua đồ án tốt nghiệp nhóm sinh viên đã nắm rõ về cơ sở lý thuyết về đặc tính các loại pin, cơ sở tính toán dung lượng pin và mô phỏng năng lượng tiêu thụ của từng chu trình Đồng thời nhóm sinh viên cũng có cái nhìn tổng quan hơn về các loại pin cao áp trên ô tô điện hiện nay bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ưu nhược điểm của từng loại Nhóm sinh viên đã hoàn thành xây dựng mô hình mô phỏng tính toán pin cao áp trên xe điện Dựa vào số liệu sau khi mô phỏng để so sánh số liệu của nhà sản xuất đưa ra Trong quá trình thực hiện gặp nhiều khó khăn nhưng được sự giúp đỡ, định hướng hướng đi tiếp theo nên nhóm đã cố gắng hoàn thành đúng hạn
Sau khi tìm hiểu về phân loại và tính toán pin cao áp trên xe điện, nhóm sinh viên muốn tìm hiểu thêm về công nghệ pin cao áp hiện nay mà các nhà sản xuất đang sản xuất Lấy mô hình mô phỏng tính toán pin cao áp để làm tiền đề phát triển pin cao áp về khối lượng, thể tích và năng lượng sau này Phương hướng phát triển nghiên cứu bằng cách tính toán thêm các yếu tố ảnh hưởng khác như: nhiệt độ môi trường, tuổi thọ pin, tình trạng sức khỏe pin (SoH) và phát triển thêm ảnh hưởng nhiệt độ pin của nhóm Dựa vào đó các kết quả sẽ mang lại tính chính xác và ứng dụng vào thực tiễn.