BỘ CÔNG THƯƠNG 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: 1 Nguyễn Tấn Tài-2002210328 2 Lã Trung Kiên-2002210204 3 Nguyễn Dương Kiệt-2002210181 4 Trần Xuân Cảnh-2002210256 5 Từ Phúc Thịnh-2002210211 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 3 NĂM 2024 Điện thế giới Xe J.2023,14, 195 2 của34 - 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 Khoa Kỹ thuật Điện, Khoa Kỹ thuật và Môi trường Xây dựng, Đại học Công nghệ Durban, Durban 4000, Nam Phi; Trích dẫn:Ntombela, M.; Musasa, K.; Moloi, K Musasak@dut.ac.za Đánh giá toàn diện về xe điện chạy pin (BEV) (K.M.); katlehom@dut.ac.za (K.M.) Công nghệ mạch truyền động, Hoạt động và thách thức.Điện thế giới Xe J.2023,14, 195.https://doi.org/10.3390/ wevj14070195 Biên tập học thuật: Michael Fowler Đã nhận: 27 tháng 6 năm 2023 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 Commons Ghi công (CC BY)(https://creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/) Điện thế giới Xe J.2023,14, 195 3 của34 Trừu tượng:Xe điện (EV) ngày càng có lực Từ khóa:xe điện; xe máy điện; pin; động cơ đốt kéo lớn hơn và trở thành một lựa chọn khả thi trong; tốc độ của xe gắn máy 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 Điện thế giới Xe J.2023,14, 195 4 của34 1 Giới thiệu vời cho vấn đề này [3] Xe điện có khả năng tạo ra ít lượng khí thải carbon dioxide hơn do thực tế Xe điện chạy pin (BEV), xe điện hybrid là thay vì sử dụng động cơ đốt trong, động cơ điện (HEV), xe điện plug-in hybrid (PHEV) và xe điện đóng vai trò là cánh quạt của xe Xe điện, khi kết chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) đang ngày càng hợp với các dạng năng lượng thay thế, có tiềm phổ biến trong lĩnh vực giao thông vận tải Ngày năng trở thành ô tô không phát thải Bài viết này càng có sự đồng thuận rằng những phương tiện cung cấp bản tóm tắt về nhiều loại mạch dẫn động này sẽ thay thế các phương tiện sử dụng động cơ xe điện, bao gồm cả thiết kế của từng loại cũng đốt trong (ICE) thông thường trong tương lai gần như những lợi ích và hạn chế liên quan đến từng Mỗi thành phần thiết yếu của EC sử dụng nhiều loại [4] Ngoài ra, thông tin liên quan đến hiệu công nghệ khác nhau và trong tương lai không xa, quả, mật độ công suất, khả năng chịu lỗi, độ tin chúng sẽ tiếp tục làm như vậy [1,2] Xe điện có cậy và giá thành của động cơ điện cũng như động thể tác động đáng kể đến môi trường và các hoạt cơ điện hiệu quả nhất khi sử dụng trong xe điện động kinh doanh khác như hệ thống điện Giao cũng được cung cấp Sau đây là một cuộc thảo thông vận tải thải ra lượng khí nhà kính nhiều thứ luận chuyên sâu về những trở ngại và phần hai sau nông nghiệp vì nhiên liệu hóa thạch thải thưởng khi triển khai xe điện trong tương lai ra carbon dioxide Nhiều người tin rằng xe điện, Thời gian sạc đôi khi còn được gọi là xe điện, là giải pháp tuyệt 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 Điện thế giới Xe J.2023,14, 195 5 của34 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% Điện thế giới Xe J.2023,14, 195 6 của34 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 Điện thế giới Xe J.2023,14, 195 7 của34 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 Điện thế giới Xe J.2023,14, 195 8 của34 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 Pin Na- LIB Điện áp quy Ni- NiCl2Ắc danh định MH quy 3,60 (V) 2,00 Hiệu suất 1,20 2,40 >95 năng lượng >80 (%) 70 80 200– Mật độ 100 400 năng lượng 180– 160 thể 30–50 220 118– tích (Wh/L) 500– 150 250 Mật độ 1000 40– >1200 2000 năng lượng 100,00 110 482– 700,00 trọng lượng [43– 1000 [62– (Wh/kg) 49]