BÀI TẬP MÔN LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH

Ngoài ra, thông tin liên quan đến hiệu quả, mật độ công suất, khả năng chịu lỗi, độ tin cậy và giá thành của động cơ điện cũng như động cơ điện hiệu quả nhất khi sử dụng trong xe điện cũ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI:

A COMPREHENSIVE REVIEW FOR BATTERY ELECTRIC VEHICLES

(BEV) DRIVE CIRCUITS TECHNOLOGY, OPERATIONS, AND

CHALLENGES BÀI TẬP MÔN: LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH

GVHD: Bùi Minh Dương LỚP: 12DHDT04

Nhóm sinh viên thực hiện:

-

Ôn tập

Đánh giá toàn diện về xe điện chạy pin (BEV)

Công nghệ, hoạt động và thách thức của mạch điều khiển

Mlungisi Ntombela * , Kabeya Musasa và Katleho Moloi

Trích dẫn:Ntombela, M.; Musasa, K.; Moloi, K

Đánh giá toàn diện về xe điện chạy pin (BEV)

Sửa đổi: ngày 19 tháng 7 năm 2023

Được chấp nhận: ngày 20 tháng 7 năm 2023

Đã xuất bản: ngày 22 tháng 7 năm 2023

Bản quyền:© 2023 bởi các tác giả Được cấp

phép MDPI, Basel, Thụy Sĩ Bài viết này là một

bài viết truy cập mở được phân phối theo các điều

khoản và điều kiện của giấy phép Creative

kéo lớn hơn và trở thành một lựa chọn khả thi

trong lĩnh vực ô tô Theo xu hướng hiện nay,

phương thức vận tải này đang đi đúng hướng để

thay thế hoàn toàn ô tô động cơ đốt trong (ICE)

trong một tương lai không xa Hệ thống kinh tế,

cơ sở hạ tầng năng lượng và môi trường chỉ là

một số lĩnh vực mà xe điện có thể có tác động

lớn Ngành công nghiệp vận tải tạo ra lượng khí

carbon dioxide nhiều thứ hai từ quá trình đốt

cháy nhiên liệu hóa thạch, khiến ngành này trở

thành ngành đóng góp nhiều thứ hai vào sự nóng

lên toàn cầu Rất nhiều người đang tìm kiếm xe

điện hoặc xe điện như một giải pháp có thể thay

đổi cuộc chơi cho vấn đề này Vì động cơ điện

dẫn động cánh quạt của xe điện thay vì động cơ

đốt trong nên xe điện có thể giảm lượng khí

carbon dioxide (CO2) lượng khí thải so với ô tô

truyền thống Nếu kết hợp với các nguồn năng

lượng tái tạo, xe điện về mặt lý thuyết có thể trở

thành ô tô không phát thải Trong bài viết này,

chúng tôi sẽ xem xét các loại mạch truyền động

EV khác nhau, bao gồm cả cấu trúc của chúng

cũng như những lợi ích và hạn chế của việc sử

dụng từng loại Bài viết này thảo luận về hiện

trạng công nghệ pin, tập trung vào pin EV Bài

viết này thảo luận về động cơ điện tốt nhất cho

xe điện về hiệu suất, mật độ công suất, khả năng

chịu lỗi, độ tin cậy, chi phí, v.v Tiếp theo, chúng

tôi tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về những

khó khăn và lợi ích tiềm tàng của việc áp dụng

xe điện trong tương lai Trong khi những cải tiến

trong các lĩnh vực như thời gian sạc và hiệu suất

pin là đáng khích lệ thì quy định của chính phủ

đối với xe điện vẫn là một rào cản phi kỹ thuật

lớn

trong; tốc độ của xe gắn máy

Xe điện chạy pin (BEV), xe điện hybrid

(HEV), xe điện plug-in hybrid (PHEV) và xe điện

chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) đang ngày càng

phổ biến trong lĩnh vực giao thông vận tải Ngày

càng có sự đồng thuận rằng những phương tiện

này sẽ thay thế các phương tiện sử dụng động cơ

đốt trong (ICE) thông thường trong tương lai gần

Mỗi thành phần thiết yếu của EC sử dụng nhiều

công nghệ khác nhau và trong tương lai không xa,

chúng sẽ tiếp tục làm như vậy [1,2] Xe điện có

thể tác động đáng kể đến môi trường và các hoạt

động kinh doanh khác như hệ thống điện Giao

thông vận tải thải ra lượng khí nhà kính nhiều thứ

hai sau nông nghiệp vì nhiên liệu hóa thạch thải

ra carbon dioxide Nhiều người tin rằng xe điện,

đôi khi còn được gọi là xe điện, là giải pháp tuyệt

ra ít lượng khí thải carbon dioxide hơn do thực tế

là thay vì sử dụng động cơ đốt trong, động cơ điện đóng vai trò là cánh quạt của xe Xe điện, khi kết hợp với các dạng năng lượng thay thế, có tiềm năng trở thành ô tô không phát thải Bài viết này cung cấp bản tóm tắt về nhiều loại mạch dẫn động

xe điện, bao gồm cả thiết kế của từng loại cũng như những lợi ích và hạn chế liên quan đến từng loại [4] Ngoài ra, thông tin liên quan đến hiệu quả, mật độ công suất, khả năng chịu lỗi, độ tin cậy và giá thành của động cơ điện cũng như động

cơ điện hiệu quả nhất khi sử dụng trong xe điện cũng được cung cấp Sau đây là một cuộc thảo luận chuyên sâu về những trở ngại và phần thưởng khi triển khai xe điện trong tương lai Thời gian sạc

Do việc sử dụng rộng rãi xe điện, một số nghiên cứu đã xem xét nhiều loại xe điện Các nhà nghiên cứu Braun và cộng sự đã kiểm tra hiệu quả của xe điện bằng cách so sánh BEV với xe chở khách ICE

và lái chúng trong nhiều tình huống khác nhau [số 8,9] Tại Erfurt, các nhà nghiên cứu Đức đã phân tích các phong cách lái xe khác nhau cũng như giao thông vào giờ cao điểm ảnh hưởng như thế nào đến việc sử dụng năng lượng [10] Dựa trên những phát hiện này, người ta xác định rằng BEV tiết kiệm nhiên liệu hơn 69,2% so với ô tô thông thường Ưu điểm đáng kể này là kết quả của các bộ phận trong hệ thống truyền động của BEV chỉ được kích hoạt khi cần cung cấp lực kéo Chúng chuyển đổi động năng được tạo ra khi phanh thành năng lượng điện, sau đó được sử dụng để sạc pin cho phanh tái tạo [11,12] Nhờ những đặc điểm này, BEV có thể tận dụng các tốc độ khác nhau của xe

Sau sự phát triển của động cơ điện, ý tưởng sử dụng động cơ điện để cung cấp năng lượng cho xe

cộ đã nảy sinh Từ những năm 1897 đến 1900, xe điện (EV) nhiều hơn số xe chạy bằng động cơ đốt trong (ICE) và chiếm 28% tổng số ô tô [13] Tuy nhiên, trong những năm sau đó, các mẫu xe ICE nhanh chóng trưởng thành và phát triển nhờ giá dầu cực kỳ thấp, trong khi xe Ev lại lụi tàn trong lịch

sử Một tia hy vọng đã được mang lại bởi nguyên mẫu EV1, mẫu xe này được General Motors tung

ra lần đầu vào năm 1996 và gần như ngay lập tức trở nên cực kỳ phổ biến [14] Xe điện cũng đã được sản xuất bởi một số nhà sản xuất ô tô lớn khác, bao gồm Ford, Toyota và Honda, cùng nhiều hãng khác Toyota Prius là chiếc xe điện hybrid (HEV) được sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới và xuất hiện lần đầu tại thị trường Nhật Bản vào năm 1997 [15–18] Trong năm đầu tiên sản xuất, 18.000 chiếc xe này đã được bán ra Gần như không có chiếc xe điện nào trong số này được sản xuất hoặc bán ngày nay, ngoại trừ đáng chú ý là Toyota Prius, vẫn đang được sản xuất, mặc dù ở dạng cải tiến Hiện tại, Nissan Leaf, Chevrolet Volt và Tesla Model S là những mẫu xe thành công nhất trên thị trường

Nghiên cứu này điều tra những phát triển mới nhất trong công nghệ xe điện, tập trung vào các chủ

đề như khả năng của phương tiện, nguồn năng lượng mà chúng sử dụng và triển vọng của xe điện trong những năm tới Do các công nghệ liên quan đến xe điện và hệ thống năng lượng của chúng (sản xuất, lưu trữ và sử dụng) luôn phát triển nên nghiên cứu này điều tra các công nghệ xe điện gần đây nhất, bao gồm cả những công nghệ được kết nối với hệ thống lái tự động và lưu trữ pin [19]:

• Phần đầu tiên của bài viết này đề cập đến pin và động cơ xe điện Hơn nữa, thông tin liên quan đến các loại xe điện, dung lượng pin và ổ đĩa động cơ có thể được tìm thấy trong lĩnh vực này Một phân tích đầy đủ về công nghệ pin từ axit chì đến LIB cũng được cung cấp [20] Phần này thảo luận về công nghệ pin, đặc biệt là pin xe điện Các động cơ điện phổ biến nhất trong xe điện và xe cộ được trình bày Chủ sở hữu xe điện có thể sử dụng thông tin này để chọn động cơ phù hợp nhất với nhu cầu của họ về khả năng tiết kiệm năng lượng, mật độ năng lượng, tốc độ, độ tin cậy, kích thước và chi phí

• Phần thứ hai nghiên cứu các cấu hình khác nhau của xe điện, cung cấp bản tóm tắt về nhiều loại xe điện, bao gồm BEV, HEV và PHEV Họ kết hợp công nghệ cũng như khung của ô tô điện [21]

• Phần thứ ba đưa ra những dự đoán về tương lai của giao thông vận tải và thảo luận về những thách thức mà xe điện sẽ phải đối mặt Những thách thức này bao gồm nhu cầu cải thiện hiệu suất của pin, thời gian sạc, luật pháp và quy định cũng như thị trường năng lượng mở Bằng cách đó, người ta dự đoán rằng công nghệ EV cập nhật sẽ được cung cấp Những thách thức này là cần thiết để có được quan điểm mới về xe điện và xu hướng ngày càng phát triển hướng tới tương lai [22]

2 Pin và động cơđiện

2.1 Kỹ thuật pin

Pin là nguồn năng lượng chính cho xe điện; các nguồn năng lượng khác bao gồm năng lượng được tạo ra bởi phanh tái tạo, năng lượng được tạo ra bởi nhiên liệu và năng lượng được tạo ra bởi các bộ lưu trữ năng lượng khác nhau như siêu tụ điện [23,24] Pin có kiến trúc linh hoạt cho phép nó được lắp ráp theo cấu hình nối tiếp, song song hoặc song song, tùy thuộc vào lượng điện áp và dòng điện yêu cầu Ngoài ra, pin còn kết hợp ba dạng pin tiêu chuẩn của

xe điện là pin hình trụ, pin dạng túi và pin lăng trụ Khi mua thiết bị chạy bằng pin, hãy đảm bảo cân nhắc đồng đều về tuổi thọ dự kiến, mật độ năng lượng, mật độ năng lượng, công suất

và trạng thái sạc (SOC) của sản phẩm Nguồn năng lượng mạnh nhất cho xe điện là pin sạc như lithium-ion [25] Pin lithium-ion (LIB) được phát minh vào năm 1970, pin axit chì vào năm 1858 và pin kiềm niken-sắt vào năm 1908 So với hai loại pin còn lại, LIB có năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao hơn Kết quả là pin có thể sạc lại được phát triển

Pin axit chì có mật độ năng lượng trọng lượng riêng là 30–50 Wh/kg, khiến chúng kém hiệu quả nhất Tuổi thọ của pin axit chì là 500–1000 chu kỳ [26,27] Để đi được quãng đường

200 km, cần có một cục pin axit chì nặng ít nhất 500 kg để tạo ra một kilo watt giờ (kWh) Pin axit-chì không đắt (dao động từ 300 USD đến 600 USD mỗi kilowatt giờ) và có thể tái chế, đây là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của bất kỳ công nghệ pin nào Những phương tiện nhỏ, hiệu suất thấp có thể sử dụng ắc quy axit chì Kể từ khi được phát minh, pin axit chì đã được tái chế Theo tiêu chuẩn, tỷ lệ tái chế của loại pin này ở các nước phương Tây

và các nơi khác là gần 100% [28] Pin axit chì sử dụng 85% lượng chì trên thế giới và 60%

trong số đó được tái chế Pin axit chì dễ bị hỏng; do đó các thành phần của chúng có thể rơi

ra khỏi hộp nhựa cùng với axit của chúng Pin Ni-MH hoạt động tốt hơn pin axit chì Loại pin này có mật độ năng lượng trọng lượng từ 40 đến 110 Wh/kg, cao hơn nhiều so với pin axit chì Đầu những năm 1990, pin Ni-MH được sử dụng rộng rãi trên xe điện (Prius) do tính thân thiện với môi trường Hạn chế chính của công nghệ pin này là hiệu suất hoạt động ở chế độ lạnh và hiệu ứng bộ nhớ kém Một vấn đề khác là thời gian sạc pin lâu và tốc độ tự xả cao khi không hoạt động Hiệu suất sạc và xả kém của pin là vấn đề lớn nhất [29–31]

Pin Ni-Cd cần tốc độ sạc và xả cao và dễ bị nhớ Chất này độc hại và có mật độ năng lượng riêng 60–80 Wh/kg Việc sạc lại pin niken-hydro (Ni-H) đã được Chen và các đồng nghiệp nghiên cứu Rất khó để phát triển vật liệu lưu trữ lưới chi phí thấp với chu kỳ pin và tuổi thọ dài hơn; vật liệu cần nhiều chu kỳ hơn Bài báo đề xuất pin mangan-hydro 10.000 chu

kỳ để lưu trữ năng lượng lưới Mn2+/MnO2catôt oxi hóa khử và H+/H2cực dương khí bao gồm pin [32,33] Dung lượng dự kiến c ủa pin sẽ tăng gấp 10 lần lên 35 mAh/cm22bằng cách thay thế Mn2+/MnO2oxi hóa khử với cực âm gốc niken Thay cho chất xúc tác bạch kim đắt tiền, người ta sử dụng hợp kim niken-molypden-coban rẻ hơn để xúc tác quá trình chuyển hóa hydro thành oxy trong chất điện phân kiềm cho cực dương Nên sử dụng pin Ni-H vì nó có mật độ năng lượng trọng lượng là 140 Wh/kg và có thể sạc lại hơn 1500 lần Cả hai thông số

kỹ thuật được bao gồm trong Bảng1[34]

Natri-niken clorua (Na-NiCL2), còn được gọi là pin Hoạt động nghiên cứu pin không phát thải (ZEBRA), được coi là an toàn và rẻ tiền Ngoài ra, chúng có thể cạn kiệt gần như toàn bộ công suất mà không gây tác động tiêu cực đến lượng thời gian chúng tồn tại Ngoài ra, năng lượng chứa trong pin có giá trị khoảng 150 Wh/kg Do pin ZEBRA có thể hoạt động ở nhiệt

độ từ 245 đến 350 độ C nên các thách thức về quản lý nhiệt và an toàn liên quan đến loại pin này đang rất căng thẳng [35] Là một nguồn lưu trữ, pin ZEBRA là một ví dụ điển hình Do

sự an toàn nội tại của các phản ứng hóa học của tế bào, nhiều thử nghiệm, bao gồm cả việc

ngâm trong 900Lnước mặn có hàm lượng muối 5%, thử nghiệm địa chấn và độ rung cũng

như thử nghiệm tiếp xúc với lửa bên ngoài trong 30 phút không gây hại cho mô-đun hoặc tế bào, cho thấy nguy cơ hỏa hoạn là thấp Vì vậy, nó thích hợp cho việc lưu trữ năng lượng cố định Kỹ thuật này phù hợp cho việc cân bằng tải, quản lý điện áp, dịch chuyển thời gian và giảm dao động năng lượng tái tạo do thời lượng phóng điện kéo dài ba giờ [36]

Lithium là loại pin hiện đại được lựa chọn Mạnh mẽ, nhỏ gọn, rẻ tiền, không độc hại và sạc nhanh, những loại pin này là tương lai của việc lưu trữ năng lượng Những loại pin này hiện có công suất năng lượng riêng từ 118 đến 250 Wh/kg, mặc dù những tiến bộ trong công nghệ đang làm tăng con số này [37] Mật độ năng lượng cao của hạt nano silicon (SiNP) khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến để sử dụng làm điện cực anode trong pin lithium-ion Xét

về tiềm năng điện hóa và khối lượng tương đương, pin lithium vượt trội hơn Chúng hoạt động tốt và tồn tại trong thời gian dài nhưng có giá trên 70 USD/kWh và có thể gây cháy và phá hủy tài sản nếu quá nóng [38,39] Sự phân cực đáng kể sẽ xảy ra ngay cả trong pin lithium hiệu suất cao do hạn chế vận chuyển khối lượng lớn trong chất điện phân và các điện cực Mỗi loại pin sạc và xả đều có tác dụng riêng đối với sự phân cực do cấu trúc độc đáo của chúng cũng như các đặc tính động và động học của các vật liệu liên quan Để giảm bớt sự phân cực của khuếch tán pha rắn, Chen và các đồng nghiệp tại MIT đã thu nhỏ kích thước hạt của vật liệu hoạt tính Nồng độ của LIB có thể giảm đáng kể nếu chỉ có một nửa số hạt của

hoạt chất Sự chênh lệch về nồng độ Li-ion lớn hơn đáng kể khi các hạt của hoạt chất có kích thước gấp đôi

Một số pin lithium-ion (LIB) đã được sản xuất trên toàn thế giới LTO, LCO, LMO, NMC và LFP là một số trong số đó (LFP) LIB sử dụng chất điện phân khác với pin lithiumpolymer (Li-Po) LIB, trái ngược với LB, có mật độ năng lượng cao hơn, chi phí rẻ hơn và không có hiệu ứng bộ nhớ LIB rẻ hơn và không có bộ nhớ [40–42] Ngược lại, pin Li-Po có cấu trúc vừa linh hoạt vừa dễ thích ứng, cũng như cấu hình thấp và giảm nguy cơ rò

rỉ chất điện phân; bởi vì làm như vậy sẽ cải thiện hiệu quả của việc đóng gói nên nó thường được cắt thành nhiều kích cỡ khác nhau Mặt khác, pin Li-Po có mật độ năng lượng thấp hơn, tuổi thọ ngắn hơn và chi phí sản xuất cao hơn đáng kể so với mức trung bình Đặc điểm của

ắc quy xe điện hiện đang được sử dụng được trình bày trong Bảng1, có thể được tìm thấy ở đây Nhân vâṭ 1cũng minh họa mối tương quan giữa công suất riêng của pin và mức năng lượng cụ thể

Bảng 1.So sánh khả năng lưu trữ năng lượng của các loại pin khác nhau được tìm thấy trong

xe điện

Sự chỉ rõ

Ắc quy

Pin Ni-

MH

NiCl 2 Ắc

Điện áp danh định

Hiệu suất năng lượng

Mật độ năng lượng thể

năng lượng trọng lượng

500–

Chi phí (USD/kWh) 100,00

Hình 1.Đồ thị hiển thị công suất đầu ra so với công suất đầu ra của một thiết bị lưu trữ pin

nhất định [68]

2.2 Kỹ thuật động cơ điện

Do vai trò không thể thiếu của nó nên động cơ điện không thể được sản xuất trong trường hợp không có điện Động cơ điện là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng điện từ dạng công thành dạng cơ và ngược lại Công suất và mô-men xoắn cao từ động cơ điện có thể được truyền tới hộp số hoặc bộ vi sai và sau đó được sử dụng để tạo lực đẩy cho xe [69] Xe điện (EV) có thể không cần hộp số vì động cơ điện có thể cung cấp công suất và mô-men xoắn tức thời, không giống như động cơ đốt trong (ICE) [70] Hơn nữa, động cơ điện được ưa chuộng hơn động cơ đốt trong vì hiệu suất chuyển đổi năng lượng của chúng cao hơn đáng kể, dao động từ 80% đến 95% Xe điện (EV) có thể được vận hành bằng nhiều loại động cơ điện:

• IM = Động cơ cảm ứng;

• PM-SM = Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu;•

• PM-BLDC = Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu; Và

IM nổi tiếng về tính hiệu quả, mô-men xoắn khởi động, công suất, sự đơn giản, rẻ tiền,

độ nhám và ít phải bảo trì IM có thể hoạt động trong mọi môi trường nguy hiểm mà không

bị giới hạn tốc độ Hệ thống điều khiển phức tạp của IM gặp khó khăn với mật độ năng lượng [73] Tổn hao sắt, đồng, chuyển mạch và tổn hao tản nhiệt trong mạch từ, cuộn dây, bộ chuyển đổi và các bộ phận cơ khí đều ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng năng lượng của động cơ này Tổn thất động cơ IM đã được kiểm tra Để xác định hiệu quả của động cơ IM, họ đã sử dụng

nghiên cứu phần tử hữu hạn để vạch ra tổn thất Theo kết quả nghiên cứu, bản đồ hiệu suất của động cơ được quyết định theo từng bản đồ tổn thất Để cải thiện hiệu suất của động cơ

IM, một nhà nghiên cứu khuyên nên giảm một nửa số vòng quay của stator (2,25) và động cơ

IM 3,7 kW đã được sử dụng [74,75] Vì vậy, bộ điều khiển động cơ mới hiệu quả hơn bộ điều khiển trước đó, dẫn đến tăng hiệu suất của động cơ Các

Động cơ 3,7 kW thay đổi từ công suất 78% thành 85,39%, động cơ 2,25 kW chuyển từ công suất 83,23% sang công suất 86,22%, và động cơ 3,7 kW từ công suất 86,25% thành có sản lượng 87,62% [76,76,77]

Ngoài mô-men xoắn cao không đổi, hiệu suất vượt trội, mật độ công suất cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp của PM-SM đều có được nhờ vào việc triển khai nó Bằng cách cải thiện hiệu suất động cơ thêm 10%, PM-SM đảm bảo hiệu suất ổn định và cân bằng điện Kích thước của các gói PM-SM cơ học hiện đại đã bị thu hẹp so với các gói tiền nhiệm [78] Do thiếu chổi than và cuộn dây nên rôto PM-SM hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiều PM-SM cao, với vật liệu dẫn điện và nam châm vĩnh cửu có độ thấm cao, rất lý tưởng cho xe điện và xe điện hybrid Động cơ này sử dụng nam châm vĩnh cửu, làm tăng giá mua vì vật liệu PM khan hiếm và đắt tiền Vấn đề tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ PM sang SM cũng chưa được khắc phục Nghiên cứu chỉ ra rằng tích phân Fourier kép có thể được sử dụng để

đo tổn thất cơ bản và tổn thất hài một cách độc lập, cho phép phát triển mô hình tổn thất toàn cầu mới của PM-SM Người ta hy vọng rằng bằng cách giảm tất cả các dạng tổn thất năng lượng (tức là tổn thất sắt cơ bản, tổn thất đồng cơ bản, tổn thất sắt điều hòa và tổn thất đồng điều hòa), hiệu suất của xe điện có thể được nâng cao Lượng năng lượng bị mất ít nhất trong các hệ thống hiệu suất 94% [79]

Một dạng động cơ khác, được gọi là PM-BLDC, là loại được khởi động bằng AC hình chữ nhật và có xung đáng kể ở đầu ra mô-men xoắn của nó Động cơ này có thể cung cấp mô-men xoắn cao nhất trong vùng mô-men xoắn không đổi vì nó giữ góc từ thông giữa stato và rôto tương đối gần 90 độ [80] Việc duy trì công suất không đổi có thể được thực hiện thông qua việc thao tác cẩn thận góc tiến pha Mật độ công suất, hiệu suất và khả năng tản nhiệt cao

là đặc điểm của động cơ PM-BLDC và đây là những đặc điểm của động cơ này Chi phí ban đầu của động cơ PM-BLDC rất đáng kể do có nam châm trong rôto và khả năng làm suy yếu trường của thiết bị bị hạn chế bởi từ trường vĩnh cửu Phương pháp này được áp dụng cho hai động cơ hứa hẹn nhất để sử dụng trên xe điện hybrid (HEV) bằng một ứng dụng phần mềm tinh vi mô phỏng xe (IM và PM-BLDC) [81] Mức sử dụng nhiên liệu của mỗi động cơ là 11,8 L trên 100 km, PMBLDC sử dụng 11,7 L và IM sử dụng 11,9 L Ngoài ra, PM-BLDC

có lượng khí thải ô nhiễm tổng thể ít hơn IM, đạt mức 2,68 g/km so với tới 2,72 g/km đối với

IM Theo kết quả phát hiện, động cơ PM-BLDC phù hợp để ứng dụng trên xe điện hybrid hơn động cơ IM

SRM là thế hệ động cơ xe điện mới nhất Các thiết lập thay thế phức tạp hơn thiết lập này Stator, đứng yên và đối diện với rôto, là nơi đặt các cuộn dây Không cần nam châm vĩnh cửu, động cơ SRM có thể được chế tạo với chi phí thấp hơn [82] Ngoài ra, SRM có khả năng chịu lỗi, nghĩa là sự cố của một pha sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của các pha khác Do cấu trúc bền và chi phí thấp, SRM được xem là sự lựa chọn mạnh mẽ về mặt vật lý cho xe điện

và xe điện hybrid (HEV), đồng thời cần xử lý các khó khăn bao gồm nhiễu âm thanh, gợn sóng mô-men xoắn, hạn chế cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi và nhiễu điện từ (EMI) Trong

một nghiên cứu được công bố trong tài liệu tham khảo [83], các nhà nghiên cứu đánh giá độ tin cậy của SRM 10/8

(SRM 5 pha) truyền động cho xe điện khi gặp sự cố hở mạch và ngắn mạch SRM có phản ứng đáng kinh ngạc với các kích thích bên ngoài và được thiết kế để chịu đựng tác hại Tốc

độ tối đa, mức mô-men xoắn và tuổi thọ pin được đo cho xe điện chạy bằng SRM Trung bình,

SRM cần 1,23Sđể bắt kịp tốc độ tiêu chuẩn [84] Mô-men xoắn không bao giờ giảm xuống

dưới 485,3 Nm, ngay cả khi SOC giảm 0,04% 1,26Srơi vào tình trạng ngắn mạch 1 pha Nhân

vâṭ 3hiển thị bản đồ hiệu suất cho động cơ SRM, động cơ IM và động cơ PM-SM và Bảng2tóm tắt những lợi ích và hạn chế của động cơ điện (+,++,+++ v.v., cho thấy sự khác biệt giữa

động cơ) Ban 2.Mỗi động cơ điện được sử dụng trong xe điện đều có những ưu điểm và nhược

tô

EV và HEV’ tùy chọn ưa thích

Lựa chọn đầu tiên của người lái xe điện

Thu hút các nhà khoa học và ngành công nghiệp

Thử thách

Một công nghệ kiểm soát mới để giảm thiểu khả năng chịu lỗi và trượt

Phản hồi vị trí gợn mô-men xoắn chính xác

Cần có các thiết bị truyền động bên ngoài như bộ truyền động xích

và bánh răng cố định

Nhận dạng góc chuyển mạch điều khiển phi tuyến tính Người giới thiệu [85–87] [88–90] [91–94] [95–99]

Nhân vâṭ 3cho thấy rằng mỗi động cơ điện đều có một vùng hiệu quả tốt nhất duy nhất cho

cả chu trình lái và phanh Một nghiên cứu đã phân tích các loại động cơ và bộ truyền động xe điện (EV) khác nhau về hiệu quả, tốc độ tối đa, chi phí tương đối và mức độ tin cậy (IM, PM-BLDC, PM-SM và SRM) Động cơ PM-BLDC là loại động cơ hiệu quả nhất, trong khi động cơ SRM có tốc độ cao nhất có thể (Hình2) [100] Tuy nhiên, động cơ DC không chổi than và động

cơ cảm ứng là loại động cơ được sử dụng thường xuyên nhất và động cơ cảm ứng là loại động

cơ là hiệu quả nhất về mặt chi phí

Hình 2.Phân tích so sánh tốc độ của một số động cơ [101]

Hình 3.Hiệu suất của động cơ điện và các bộ phận của nó [100]

3 Cấu hình của xe điện

Động cơ điện của xe điện có thể được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp với động cơ xăng thông thường Mặc dù xe điện cơ bản nhất chạy bằng pin nhưng vẫn có một số biến thể sử dụng các dạng năng lượng khác để di chuyển xe [102–104] Những phương tiện này được gọi là xe điện hybrid (HEV) Ủy ban Kỹ thuật 69 Phương tiện Đường bộ Điện (ERV) của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế đã đề xuất bổ sung các phương tiện có nhiều nguồn năng lượng, cơ chế lưu trữ hoặc bộ chuyển đổi vào định nghĩa HEV [105,106] Ủy ban Kỹ thuật 69 ERV của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế đã yêu cầu khuyến nghị này để trả lời câu hỏi mà Ủy ban đã đặt ra Nhiều loại kết hợp xe điện hybrid khác nhau hiện đã khả thi nhờ thông số kỹ thuật này, cho phép kết hợp giữa động cơ đốt trong (ICE) và ắc quy, ắc quy và bánh đà, ắc quy và tụ điện, ắc quy, v.v

Do đó, cả người dân và chuyên gia đã bắt đầu sử dụng các thuật ngữ “xe điện hybrid” (HEV),

“xe điện siêu tụ điện” và “xe điện chạy pin nhiên liệu” (FCEV) để chỉ các phương tiện kết hợp hai nguồn năng lượng Những định nghĩa này đã nhận được sự tán thành rộng rãi, cho phép phân loại xe điện như sau theo tiêu chuẩn [107–109]:

• Xe chạy pin điện;

• Xe điện hybrid;• Xe điện hybrid cắm điện

3.1 Pin Xe điện (BEV)

Phạm vi hoạt động của BEV liên quan trực tiếp đến kích thước pin của nó, vì động cơ của

xe nhận toàn bộ năng lượng từ pin (xem Hình4) Vì không có ống xả hoặc phương tiện xả khí khác nên BEV không thải ra carbon dioxide (CO2) Phạm vi hoạt động của xe điện chạy pin (BEV) là từ 100 đến 250 km cho một lần sạc, với mức tiêu thụ năng lượng từ 15 đến 20 kWh trên 100 km, tùy thuộc vào kiểu xe [110–113] Phạm vi này có thể thay đổi tùy theo thông số kỹ thuật của xe Xe điện chạy pin với bộ pin lớn hơn có thể đi được quãng đường từ 300 đến 500

km Tuy nhiên, xe điện chạy pin (BEV) kém lợi thế hơn đáng kể so với các loại xe điện khác do phạm vi lái xe ngắn hơn đáng kể và thời gian sạc dài hơn đáng kể Cách dễ nhất để giải quyết vấn đề này là tạo và triển khai EMS được thiết kế dành riêng cho BEV [114,115]

Hinh 4.Cấu trúc mạch BEV

Phạm vi hoạt động của xe điện ba bánh đã được cải thiện nhờ phương pháp phanh tái tạo của một nghiên cứu, vượt qua phương pháp phanh cơ hoàn toàn (19,2 km/kWh), cũng như phanh tái tạo nối tiếp và song song (19,3 và 19,5 km/kWh) Khi so sánh với ba phương pháp còn lại, phương pháp này là tốt nhất vì nó tăng phạm vi hoạt động lên 20 km/kWh Hiệu quả đạt được từ việc sử dụng kỹ thuật phanh mới này có thể lên tới 4,16 km/kWh so với hiệu quả đạt được khi

sử dụng phanh cơ học truyền thống Có một số phương pháp để tăng phạm vi hoạt động của xe điện chạy pin (BEV) [116–119] Có thể yêu cầu về không gian và trọng lượng tăng thêm của bộ pin lớn khiến chúng không thể sử dụng được trên một phương tiện nhất định Điều này có tác động bất lợi đến tốc độ, mức tiêu thụ xăng và chi phí của xe [120] Khi chở trọng lượng nặng gấp đôi (300 kg) so với khi chở một nửa trọng lượng đó (150 kg), phạm vi hoạt động của xe điện

ba bánh với bộ pin lithium-ion (LIB) 16 kWh giảm từ 200 xuống 175 km, giảm 12,5%

Một cách khác để mở rộng phạm vi hoạt động của xe điện chạy pin (BEV) mà không cần tăng dung lượng pin là phân tích các hành vi lái xe khác nhau Một ứng dụng khả thi của chiến lược này khi ngồi sau tay lái là điều chỉnh sự phân bổ quyền lực và năng lượng Trong tài liệu tham khảo [121,122], nhu cầu tăng phạm vi hoạt động của xe điện chạy pin đã dẫn đến việc tạo

ra cơ chế quản lý năng lượng trong thời gian chạy Để giảm thời gian di chuyển và tiêu thụ nhiên liệu, một thuật toán đã được đưa ra [123,124] Vì phương pháp này dựa trên thuật toán đa mục tiêu nên nó có thể đạt được kết quả tốt hơn bất kỳ thuật toán nào khác đã được xem xét Một chiến lược điều khiển lý tưởng dựa trên việc tối ưu hóa cấu hình vận tốc đã được đề xuất nhằm giảm mức sử dụng năng lượng trong tài liệu tham khảo [125] Nhờ khả năng kiểm soát thời gian

và vận tốc lái xe, thuật toán đề xuất đã giảm mức sử dụng năng lượng từ 8–10% Những tài liệu tham khảo này đưa ra giải pháp thiết thực cho vấn đề giảm dung lượng pin trong khi vẫn duy trì mức sử dụng năng lượng ở mức tương đối thấp

3.2 Xe hybrid điện (HEV)

Xe điện hybrid (HEV) sử dụng nhiều công nghệ tạo, lưu trữ và chuyển đổi năng lượng [126]

Do phạm vi hoạt động ngắn, BEV đã chứng kiến sự cạnh tranh ngày càng tăng từ HEV, loại kết hợp ICE thông thường với hệ thống pin Như có thể thấy trong hình5a, một dòng xe điện hybrid chỉ dựa vào một động cơ điện để tạo lực đẩy Tuy nhiên, khi cung cấp năng lượng cho các bánh

xe, HEV song song sử dụng cả ICE và động cơ điện kết hợp với hộp số (xem Hình5b) Để xác định hiệu suất và mức tiêu thụ của HEV song song và nối tiếp, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện Trong tài liệu tham khảo [127,128Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu của xe tải quét đường HEV nối tiếp và song song hoạt động ở cùng tốc độ và khoảng cách

(Một)

(b) Hình 5.(Một) Cấu trúc của mạch HEV nối tiếp và (b) cấu trúc của mạch HEV song song

Người ta phát hiện ra rằng thiết kế hybrid nối tiếp sử dụng ít nhiên liệu hơn (3,8 L/h) so

với thiết kế hybrid song song (6,2 L/h) Động cơ đốt trong (ICE) không bao giờ giảm tốc độ hoặc tăng tốc khi xe ở chế độ hybrid nối tiếp Tuy nhiên, khi xe vận hành ở chế độ hybrid song song, tốc độ động cơ thay đổi Sử dụng hệ số lai 128 và

129, Li đã chứng minh rằng cấu trúc liên kết HEV song song tiết kiệm năng lượng hơn so với các thiết kế HEV nối tiếp Vì các HEV song song chỉ cần thực hiện một bộ chuyển đổi (từ cơ sang điện sang cơ), nên chúng được giả định là có tổn thất chuyển đổi điện năng nhỏ hơn so với

các HEV nối tiếp Hệ thống truyền động, động cơ và phanh có thể giảm tải một phần nhờ sự trợ giúp của tính năng phân chia công suất Mức tăng có thể đạt được khi tiết kiệm nhiên liệu dao động từ 0,3% đến 37,7% [129,130] Ngoài ra, so với các phương tiện thông thường, xe HEV song song có thể cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu tới 68% Phanh tái tạo, bao gồm việc thu hồi năng lượng nếu không sẽ bị lãng phí, đã góp phần làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng nhiên liệu Những nỗ lực nghiên cứu này đã mở đường cho HEV trở thành phương tiện được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, cần phải điều chỉnh thêm hệ thống truyền động để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của HEV song song [131]

Một loại HEV khác, xe điện hybrid nhẹ (MHEV), sử dụng động cơ điện nhỏ hơn và pin có công suất thấp hơn (10–20 kW) so với loại xe HEV đầy đủ Mặc dù có sự tương đương về phần cứng giữa EV này và các HEV khác, các thuật toán điều khiển được hai loại phương tiện

sử dụng khá khác biệt [132–134] Người ta dự đoán rằng HEV sẽ phải đối mặt với thách thức lớn nhất trong việc quản lý năng lượng thông qua việc tích hợp và sử dụng nhiều nguồn năng lượng Các mô hình tiêu thụ năng lượng trong một chu trình lái xe có thể được xác định với sự trợ giúp của hệ thống mô hình hóa toàn diện, dữ liệu chạy thử và phần mềm mô phỏng khả thi

về mặt thương mại Ngoài ra, kết quả thử nghiệm được yêu cầu để tính toán mức tiêu thụ năng lượng

3.3 Xe điện hybrid cắm điện (PHEV)

PHEV được tạo ra để có thể mở rộng phạm vi lái xe của HEV Xe điện hybrid cắm điện (PHEV) tương tự như HEV ở chỗ chúng cũng bao gồm ICE, động cơ điện, máy phát điện và pin Thay vì sử dụng phanh tái tạo, có thể sử dụng sạc từ lưới điện Các giống lai BEV/HEV là PHEV Các loại xe điện hybrid cắm điện (PHEV) khác nhau được mô tả trong Hình6một,b Khi nói đến việc sạc pin hoặc cung cấp động cơ đẩy (HEV), xe điện hybrid sử dụng động cơ đốt trong theo cấu hình “nối tiếp” hoặc “song song”

Không giống như HEV, lưới điện có thể cung cấp khả năng sạc cho pin của PHEV, điều này

có thể cho phép lắp đặt các bộ pin lớn hơn Do đó, HEV phải luôn hoạt động ở chế độ duy trì sạc (CS), chế độ này hạn chế lượng năng lượng có thể được lưu trữ trong pin (trạng thái sạc) Xe điện hybrid cắm điện (PHEV) có khả năng chuyển đổi giữa chế độ hoạt động hoàn toàn bằng điện và hỗn hợp khi ở chế độ cạn kiệt điện tích (CD) [135,136] Điều này mang lại cho PHEV lợi thế khi sử dụng động cơ điện thay vì động cơ đốt trong Một cuộc kiểm tra về tác động của chế độ cạn kiệt điện đối với tính kinh tế của xe điện hybrid cắm điện song song cho thấy lịch trình lái xe đo lực kế đô thị (UDDS) đã giúp cải thiện 7,1% khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho PHEV song song trên 64 km, 6,3% cải thiện trên 48 km và cải thiện 5,6% trên 32 km [137] Khi khoảng cách thử nghiệm được mở rộng, người ta phát hiện ra rằng cơ chế điều khiển CD của PHEV ngày càng phát huy hiệu quả

Thời gian sạc của PHEV trở thành mối quan tâm hàng đầu, giống như đối với BEV, khi dung lượng pin tăng lên, đòi hỏi các giải pháp sạc để duy trì chức năng của xe Tốt nhất nên trang bị

bộ sạc nhanh có công suất dòng điện một chiều cao để sạc cho xe Các phương pháp sạc DC nhanh, chẳng hạn như CHAdeMO (charge de mover) và Combo, có thể sạc xe lên tới 80% công suất trong 30 phút [138]; tuy nhiên, khung thời gian này thay đổi tùy thuộc vào tốc độ truyền tải điện (6–200 kW) Các công nghệ kết nối phương tiện với lưới điện (V2G) như CHAdeMO và Combo có một tương lai đầy hứa hẹn Cả hai tiêu chuẩn đều cho phép sạc nhanh Hệ thống V2G

được các nhà nghiên cứu phát triển, cài đặt và thử nghiệm rộng rãi trong tài liệu tham khảo [139]

Để kiểm soát việc truyền dữ liệu và điện năng giữa xe và bộ sạc, xe cần có giao diện CHAdeMO (VCI) đầy đủ chức năng ở cả cấp độ vật lý và giao thức VCI hoạt động tốt và đáp ứng tất cả các tiêu chuẩn cho cả vật lý và giao thức [139]

(Một)