mô hình hóa mô phỏng và tính toán hệ thống năng lượng của xe máy điện trong chu trình lái xe

vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ABS Anti - Lock Brake System: Hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh AC Alternating Current: Điện áp xoay chiều AUTOSAR AUTomotive Open System

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Theo nhịp phát triển của xã hội, ô tô điện ngày càng được sử dụng phổ biến Trong xu thế chuyển giao từ động cơ đốt trong sang động cơ điện của ngành công nghiệp ô tô để đáp ứng tốt hơn cho người sử dụng và cả môi trường Sự chuyển giao này góp phần không nhỏ trong công cuộc bảo vệ môi trường khi giảm sự tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch vốn sinh ra khí đốt gây tác động xấu đến môi trường toàn cầu Các phương tiện giao thông hàng ngày là thủ phạm chính gây ra ô nhiễm không khí do thải trực tiếp từ ống xả, bao gồm các chất độc hại như CO, CO2, NOx, SO2… Đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu, xe điện với ưu điểm không thải khí thải và không gây tiếng ồn, được xem là một giải pháp có ích cho môi trường và có thể thay thế các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch phổ biến

Ngoài ra các tính năng cải tiến của động cơ điện như về hiệu suất năng lượng và cho trải nghiệm lái xe êm ái là điểm cộng trong mắt người dùng Với xu hướng bùng nổ của ô tô điện thì xe máy điện cũng không là ngoại lệ, khi hàng loạt hãng xe nghiên cứu và cho ra mắt những mẫu xe máy điện độc đáo, giá cả cạnh tranh với các loại xe máy sử dụng xăng truyền thống Sự chuyển đổi đã giúp thúc đẩy sự phát triển của công nghệ ô tô và giao thông thông minh

Các sản phẩm không ngừng được cải tiến theo hướng tăng công suất, tốc độ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, êm dịu, tự động hóa quá trình điều khiển và hạn chế mức thấp nhất thành phần gây ô nhiễm trong khí xả động cơ Do đó động cơ điện là nước đi tất yếu và quan trọng số một mà các hãng xe đang xây dựng trong những năm gần đây

Hệ thống năng lượng điện được xem như trái tim của một chiếc xe máy điện và dường như là đối tượng chủ chốt để các nhà nghiên cứu khai phá tiềm năng và giới hạn vượt trội về dung lượng, sức tải và hiệu năng của xe Với các tiêu chuẩn cao về đánh giá độ tin cậy, quãng đường đi được tối đa của xe, các chu trình lái thử nghiệm được ra đời như một công cụ giúp nhà sản xuất đánh giá sản phẩm của họ Kết quả thu hoạch được từ việc tính toán hệ thống pin và động cơ điện đáp ứng những yêu cầu theo các chu trình lái

2 ở mô phỏng là cơ sở quan trọng cho việc đánh giá và định hướng phát triển xe máy điện với mục đích tối ưu hóa sản phẩm đến với người dùng Để hiểu được hệ thống năng lượng trên xe máy điện một cách khái quát và trực quan nhất thông qua mô hình hóa chúng trên MATLAB/Simulink, chúng em đã chọn và thực hiện nghiên cứu đề tài: “Mô hình hóa, mô phỏng và tính toán hệ thống năng lượng xe máy điện trong chu trình lái xe”.

Mục tiêu nghiên cứu

• Hiểu biết các kiến thức cơ bản về xe máy điện lấy làm nền tảng cho nghiên cứu sau này Phát triển và nâng cao kỹ năng sử dụng MATLAB/Simulink Nghiên cứu tính toán hiệu năng của pin và động lực học của motor điện trên xe Vinfast Klara

• Hiểu rõ thiết kế của một hệ thống pin, dung lượng và khối lượng cần thiết của nó để đáp ứng điều kiện vận hành của xe thông qua việc thử nghiệm trên các chu trình lái khác nhau Từ đó làm cơ sở đưa ra phương pháp thiết kế và lựa chọn loại pin phù hợp cho xe máy điện.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về hệ thống năng lượng điện trên xe Vinfast Klara S 2022 Thu thập tài liệu liên quan đến hệ thống năng lượng điện trên xe Vinfast Klara S 2022 Tính toán và xây dựng khối mô hình hóa dựa theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất Đánh giá, so sánh và tính toán hệ thống năng lượng, định hướng phát triển xe máy điện Vinfast Klara S

Giới hạn đề tài

Tính toán, mô phỏng trên Simulink sau đó so sánh với thông số nhà sản xuất, đưa ra một số cải tiến hoặc thay đổi phù hợp.

Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống năng lượng trên xe máy điện Vinfast Klara S 2022

Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành đề tài chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, nhất là phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo tài liệu, thu thập thông tin từ internet, tham khảo đề tài và bài báo cáo khoa học của thầy cô hướng dẫn Vận dụng kiến thức sẵn có cũng như học hỏi, cập nhật những nguồn thông tin mới nhất Trên cơ sở đó để chúng em hình thành đề cương và hoàn thành đề tài.

Bố cục của đề tài

Ngoài phần tổng quan về đề tài, các phụ lục, danh mục, kết luận kiến nghị, đề tài gồm ba phần chính:

• Tìm hiểu lý thuyết cơ bản về xe máy điện

• Tính toán công suất của hệ thống năng lượng và xác định thông số của pin

• Mô phỏng về khối động học và pin xe điện thông qua phần mềm MATLAB/Simulink

• Xác định phương pháp thiết kế một hệ thống pin phù hợp để vận hành xe

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sơ lược về xe máy điện Vinfast Klara S 2022

2.1.1 Lịch sử phát triển xe máy điện Vinfast Klara S 2022

VinFast đã cho ra mắt nhiều mẫu xe ô tô và mô tô khác nhau, bao gồm VinFast Lux A2.0 và Lux SA2.0, đây là các mẫu sedan và SUV cao cấp của hãng Một trong những mẫu xe đáng chú ý của VinFast là VinFast Klara S, một mô hình xe máy điện được ra mắt trong chiến dịch "VinFast Vision" của hãng, đánh dấu sự mở đầu của VinFast trong lĩnh vực xe máy điện Vinfast Klara S được phát triển sản xuất và đưa ra thị trường ngày 26 tháng 12 năm 2019 [1] Đây là một phần của chiến lược mở rộng sản phẩm của Vinfast vào lĩnh vực xe máy điện Vinfast Klara S 2022 là phiên bản nâng cấp và hoàn thiện mang thiết kế hiện đại và phù hợp với nhu cầu đi lại trong đô thị Được trang bị động cơ điện và hệ thống pin LFP, cho khả năng vận hành mạnh mẽ và tiết kiệm năng lượng, Vinfast Klara S 2022 có hiệu suất cao nhờ sử dụng hệ thống năng lượng được thiết kế tối ưu cho khả năng kéo tải nặng, tăng tốc nhanh và dung lượng pin cao Ngoài ra hệ thống phanh đảm bảo an toàn và tiện ích vận hành thông minh cũng là điểm cộng cho Vinfast Klara S 2022 Trong thời gian gần đây VinFast đang tập trung vào việc mở rộng dòng sản phẩm ô tô, xe máy điện cho ngành dịch vụ vận chuyển và tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển công nghệ mới để cung cấp các sản phẩm chất lượng và đáp ứng nhu cầu của thị trường

Vinfast Klara S 2022 đại diện cho sự tiến bộ của ngành công nghiệp xe máy điện tại Việt Nam và là một phần trong chiến lược của VinFast trong việc đa dạng hóa sản phẩm và khẳng định thương hiệu trên thị trường quốc tế

2.1.2 Định hướng phát triển xe máy điện Vinfast Klara S 2022

Nhờ các nghiên cứu cách thức giải quyết nhằm tối ưu hệ thống năng lượng điện và pin trên xe Các kĩ sư phát triển hệ thống để thực hiện tính toán, mô phỏng và thử nghiệm các thông số trên các chu trình lái khác nhau trước khi hướng tới các mục đích:

• So sánh với thông số kỹ thuật cơ bản trước đó của nhà sản xuất

• Đưa ra thiết kế vị trí, cách thức lắp đặt pin trong hệ thống năng lượng cho phù hợp với các điều kiện thực tế

• Giải pháp lựa chọn loại pin cho ra hiệu suất cao nhất và đáp ứng các yếu tố cần thiết của xe máy điện

Ngày nay, những nhược điểm của hệ thống năng lượng trên các dòng xe Vinfast nói chung hầu như đã được khắc phục hoàn toàn thông qua nhiều năm nghiên cứu và cải thiện dần hệ thống năng lượng Với các dòng xe sử dụng hệ thống năng lượng điện ngày nay, từng viên pin được lắp đặt, sắp xếp một cách tỉ mỉ để vừa phù hợp khung xe vừa mang đến hiệu năng cao nhất, đáp ứng nhu cầu thẩm mĩ và tính năng tốt của khách hàng.

Cấu tạo của xe máy điện

Các thành phần không thể thiếu trên một chiếc xe máy điện bao gồm:

• Động cơ điện (Electric motor): Có hai loại động cơ phổ biến nhất, đó là động cơ có chổi than (DC motor) và động cơ không chổi than (BLDC motor)

• Pin (Battery): Là bộ phận không thể thiếu giúp lưu trữ điện năng Cung cấp năng lượng cho các thiết bị tiêu thụ năng lượng

• Hệ thống sạc (Charger): Giúp nạp lại năng lượng cho pin Thời gian sạc phụ thuộc vào dung lượng pin và công suất của bộ sạc

• Khung xe (Frame): Khung xe là bộ phận chính giữ tất cả các thành phần của xe máy điện lại với nhau, bao gồm động cơ, pin, hệ thống treo, và các bộ phận phụ khác Khung xe phải chịu được trọng lượng của toàn bộ xe cũng như người lái và hành khách Khung xe đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định và cân bằng của xe khi di chuyển, đặc biệt khi rẽ hoặc phanh gấp

• Bánh xe và lốp xe (Wheels and tires): Bánh xe và lốp xe là hai yếu tố không thể thiếu trong việc đảm bảo hiệu suất vận hành và an toàn của xe máy điện Bánh xe chịu trọng lượng của xe cũng như tải trọng của hành khách, đồng thời truyền lực từ động cơ xuống mặt đường Việc lựa chọn đúng kích thước và loại lốp, áp suất phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo xe luôn hoạt động tốt và an toàn nhất

• Hệ thống phanh (Braking system): Hệ thống phanh là bộ phận không thể thiếu trên mỗi chiếc xe máy điện, đặc biệt là trong việc đảm bảo an toàn và kiểm soát tốc độ Chức năng chính của hệ thống phanh không chỉ đơn giản là dừng lại xe một cách an toàn mà còn là khả năng kiểm soát và phản ứng linh hoạt trong mọi tình huống giao thông

• Hệ thống treo (Suspension system): Chức năng chính của hệ thống treo là hấp thụ các chấn động và rung lắc từ mặt đường, giúp giảm độ rung và đảm bảo sự thoải mái cho người lái và hành khách

• Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu (Lighting and signaling system): Giúp lái xe dễ dàng nhìn thấy trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc trong điều kiện thời tiết không thuận lợi, ngoài ra nó còn để người lái và các phương tiện khác trong giao thông có thể tương tác và giao tiếp với nhau một cách hiệu quả nhất

• Tay ga (Throttle): Được trang bị ở tay lái bên phải tương tự như xe máy thông thường, giúp người lái khiển tốc độ mong muốn

• Các cảm biến (Sensors): Gồm cảm biến tốc độ (Speed sensor) giúp theo dõi tốc độ xe Cảm biến nhiệt độ (Temperature sensor) giám sát nhiệt độ của pin và động cơ Cảm biến dòng trong hệ thống pin (Current sensor) theo dõi tình trạng và dung lượng pin SOC

• Bộ điều khiển (Controller): Điều tiết dòng điện từ pin đến động cơ dựa trên tín hiệu từ tay ga và các cảm biến Kiểm soát tốc độ, mô-men xoắn và đảm bảo hiệu suất tối ưu xe

• Các bộ phận khác: Bao gồm yên xe, còi xe, ổ khóa điện, chân chống và các bộ phận khác quan trọng hỗ trợ trong việc tham gia giao thông.

Đặc điểm của xe máy điện

• Thân thiện với môi trường

Trong hiện tại, đa số các loại phương tiện giao thông như xe máy, ô tô ở nước ta vẫn sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu, gây ra lượng khói bụi và khí thải lớn vào môi trường

Xe máy điện, thay vì sử dụng xăng hoặc dầu như các loại xe máy truyền thống, hoạt động hoàn toàn bằng điện, không gây ra khí thải vào môi trường Nó cũng không cần dầu đốt, giảm sự tiêu tốn các nguồn tài nguyên hóa thạch.Với việc ngày càng phổ biến, xe điện đang trở thành một xu hướng phổ quát, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường

7 Hình 2.1: Môi trường thiên nhiên trong sạch

• Tiết kiệm nhiên liệu Động cơ điện thường có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với động cơ đốt trong Điều này có nghĩa là năng lượng được sử dụng hiệu quả hơn, giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình vận hành Điện có thể được sản xuất từ nhiều nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, thủy điện, từ đó giảm chi phí và ảnh hưởng đến môi trường so với việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Trong các đô thị có lưu lượng giao thông cao, xe điện thường có hiệu suất tốt hơn do sự tiện lợi và hiệu quả của hệ thống động cơ điện trong điều kiện giao thông đô thị

• Giảm chi phí bảo trì bảo dưỡng so với xe dùng động cơ đốt trong Động cơ điện thường ít bộ phận chuyển động hơn so với động cơ đốt trong Điều này giúp giảm việc thay thế và bảo dưỡng bộ phận cơ học

Xe điện không sử dụng dầu nhớt như xe động cơ đốt trong, loại bỏ chi phí và thời gian thay dầu định kỳ

Một số xe điện có hệ thống phanh tái phục hồi năng lượng, sử dụng năng lượng từ quá trình phanh để sạc lại pin Điều này kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh và giảm chi phí bảo trì

Xe điện không có khí thải trực tiếp, không cần kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống xử lý khí thải như xe động cơ đốt trong

Vì không có quá trình đốt cháy nhiên liệu, các bộ phận cơ học trên xe điện ít chịu ảnh hưởng của sự cố và mài mòn, giảm thiểu chi phí bảo trì

• Xe máy điện vận hành êm ái, ít gây ra tiếng ồn, linh hoạt và tiện ích Động cơ điện thường hoạt động một cách mềm mại và không có các phần cơ khí chuyển động nhiều như động cơ đốt trong, giảm tiếng ồn phát ra từ các phần cơ học

Do kích thước nhỏ gọn và tính linh hoạt, xe máy điện thích hợp cho việc di chuyển trong thành phố, đặc biệt là trong các khu vực có tắc đường

• Thời gian sạc năng lượng của xe điện khá dài Đây là điều dễ thấy nhất khi thời gian mỗi lần sạc của xe điện từ 6 đến 8 tiếng, trong khi xe động cơ đốt trong chỉ cần đổ nhiên liệu vào bình

Hình 2.2: Sạc pin xe máy điện

• Chi phí xe tương đối cao

Chi phí mua một chiếc xe điện thường cao hơn so với các loại xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch Mặc dù sau này có thể tiết kiệm được chi phí vận hành và bảo trì, nhưng ngưỡng để sở hữu một chiếc xe điện ban đầu vẫn là thách thức đối với một số người tiêu dùng

Tuổi thọ của pin điện có thể giảm đi theo thời gian và số lần sạc, việc thay thế pin mới có thể gây ra chi phí đáng kể Bên cạnh đó, việc tái chế và xử lý pin điện có thể gây ra

9 vấn đề về môi trường do chứa các chất độc hại, và cần có các biện pháp phù hợp để xử lý chúng

Hình 2.3: Ô nhiễm pin xe điện

• Hạn chế về tốc độ

Xe máy điện có tốc độ tối đa còn khá thấp so với xe máy truyền thống, điều này khiến người dùng khó thể chấp nhận được khi không thể di chuyển với vận tốc cao trên các quảng đường ngoài khu dân cư hay trên đường yêu cầu tốc độ cao

• Hạn chế về quãng đường di chuyển

Một số loại xe chỉ có thể đi được khoảng 80 km - 100 km sau khi sạc đầy pin Điều này khiến xe máy điện trở thành một lựa chọn không quá phù hợp cho những người thường xuyên di chuyển xa hoặc có thời gian di chuyển liên tục

• Cải tiến về công nghệ pin

Các nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực công nghệ pin có thể dẫn đến việc sản xuất các pin lithium-ion mới có dung lượng lớn hơn và tuổi thọ kéo dài hơn Các công nghệ mới như pin lưu trữ năng lượng nước biển hoặc pin kim loại hiếm có thể giải quyết các vấn đề về dung lượng và tuổi thọ của pin hiện tại

Tìm hiểu và khảo sát thị trường xe máy điện

2.4.1 Thị trường xe máy điện

Quá trình đô thị hóa đã tăng nhanh chóng ở khắp mọi nơi trên toàn thế giới và kéo theo đó là sự gia tăng nhu cầu di chuyển trong các thành phố Đa số nhu cầu này được đáp ứng bởi các phương tiện cá nhân, trong đó các loại xe hai bánh chạy bằng năng lượng truyền thống chiếm phần lớn Tuy nhiên nó là nguyên nhân gây ra vấn đề ô nhiễm không khí và việc tác động cho người tiêu dùng chuyển sang sử dụng các loại xe hai bánh chạy bằng nhiên liệu thay thế hiện vẫn chưa được chú ý nhiều như xe ô tô hay các phương tiện công cộng khác Hiện nay vẫn còn rất ít nghiên cứu về việc người tiêu dùng chuyển sang sử dụng các loại xe máy điện, một loại xe được xem là sẽ trở nên phổ biến và là giải pháp thay thế bền vững hơn cho vấn đề ô nhiễm môi trường so với các loại xe hai bánh sử dụng nhiên liệu truyền thống

Xe điện, như xe đạp điện, xe máy điện và ô tô điện, là các phương tiện giao thông đường bộ sử dụng động cơ điện, có công suất không vượt quá 5000W và vận tốc tối đa không quá 50 km/h [2] , đồng thời đóng vai trò quan trọng trong việc giảm phát thải và giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường

Xe sử dụng năng lượng điện đặt nền móng đầu tiên cho sự phát triển của xe máy điện sau này, xuất hiện và được chú ý bởi tệp khách hàng nhỏ tuổi tại Việt Nam vào khoảng năm 2006 Xe là sự kết hợp giữa xe đạp và hệ thống năng lượng điện đơn giản Sự ra đời của nó đã gây sự chú ý lớn, bởi vì nó là phương tiện giúp học sinh đi lại mà không tốn nhiều sức như khi sử dụng xe đạp

13 Hình 2.4: Xưởng sản xuất xe máy điện

Hình 2.5: Xe điện được xem là nền móng cho phân khúc xe máy điện tại Việt Nam

Sự đa dụng của chiếc xe đạp điện có thể dễ dàng nhận thấy đó là giá thành rẻ chỉ dưới 10 triệu đồng, sử dụng hệ thống năng lượng điện đơn giản để giúp xe di chuyển, khi hết bình có thể dùng bàn đạp như xe đạp truyền thống Nhược điểm của xe là dung lượng pin nhỏ chỉ hỗ trợ di chuyển quảng đường tối đa khoảng 40-50 km cho nên cũng hạn chế trong các tình huống di chuyển trên quảng đường xa Ngoài ra công suất hệ thống năng lượng không cao nên vận tốc tối đa của xe cũng thấp và khó khăn khi di chuyển trên đường gồ ghề

Sau xe đạp điện, các mẫu xe máy điện đầu tiên xâm nhập vào thị trường Việt Nam có xuất xứ từ Trung Quốc Trong thời điểm đó, các mẫu xe máy điện của Trung Quốc mang thiết kế bắt mắt, có phần sao chép kiểu dáng của các loại xe tay ga như Vespa, Air blade… Tuy vậy hệ thống năng lượng của chúng không khác gì nhiều xe đạp điện, thế nên xe có

14 hiệu suất không cao và tuổi thọ pin ngắn Vì chưa thực sự phổ biến nên nguồn linh kiện bảo dưỡng sửa chữa khan hiếm làm cho người dùng chưa thấy an tâm khi mua sử dụng

Cuối những năm 2018, công ty Vinfast bất ngờ cho ra mắt mẫu xe máy điện mang tên Klara, đây làm mẫu xe máy điện chính thống đầu tiên tại Việt Nam Tùy chưa thu hút nhiều người Việt chú ý từ những ngày đầu ra mắt, nhưng không thể phủ nhận Vinfast Klara mang một thiết kế hoàn chỉnh của một chiếc xe máy điện, bộ linh kiện lắp đặt trên xe cũng đến từ các thương hiệu hàng đầu thế giới như Bosch, Nissin, LG… Điều này giúp thay đổi suy nghĩ, định kiến của người dùng Việt về “xe máy điện kém chất lượng” và đặt nền móng cho việc phát triển mạnh mẽ của xe máy điện sau này

Hình 2.6: Xe máy điện Vinfast Klara được trưng bài tại buổi ra mắt

Xe có thể chạy được quãng đường lên tới 120km và tốc độ tối đa hơn 70km, VinFast Klara đã thu hút sự chú ý của người tiêu dùng Ngoài ra, các tính năng thông minh là điểm cộng trong mắt người dùng như smartkey, đồng bộ thông tin qua smartphone, GPS… Đi cùng với tính năng tốt thì giá thành của Vinfast Klara là cao, người dùng phải bỏ hơn 54 triệu cho cả xe và gói pin Với khoảng tiền cao vậy khách hàng bị cân nhắc bởi các mẫu xe tay ga khác như Honda Vision hay Air Black, Lead, Vario Nhận thấy vấn đề này VinFast đã cho ra mắt các mẫu xe máy điện có giá rẻ hơn như Impes, Klara A2, Ludo…

Theo báo cáo Motorcycle Data, năm 2020, VinFast vươn lên trở thành hãng xe chiếm thị phần lớn nhất trên thị trường xe máy điện Việt Nam với 43.4% thị phần Sau đại dịch doanh số xe máy điện VinFast tăng 33.2% trong 6 tháng đầu năm 2022 so với cùng kỳ năm 2021 Điều này cho thấy hãng vẫn duy trì được vị thế là thương hiệu xe máy điện

15 dẫn dắt thị trường Mang nhiều lợi thế cạnh khi ký kết hợp các với các công ty công nghệ lớn trên thế giới và hệ sinh thái rộng khi Vinfast là công ty đầu tư lớn top đầu tại Việt nam Các sản phẩm xe máy điện VinFast được sản xuất tại nhà máy hiện đại theo tiêu chuẩn châu Âu, cùng với đội ngũ kỹ sư có kinh nghiệm được tuyển chọn khắp thế giới Mẫu sản phẩm được ông lớn Vinfast sản xuất trải dài các phân khúc từ phổ thông đến cao cấp, đáp ứng đa dạng nhu cầu của khách hàng

Ngoài Vinfast, các hãng xe máy điện khác cũng đã được thành lập và phát triển bền vững tại thị trường Việt Nam như Pega hay Dat Bike

Trong đó, Pega là thương hiệu có từ trước cả Vinfast và là thương hiệu bán chạy số

1 Việt Nam một thời gian dài Xe đạp điện và xe máy điện Pega có giá thành thấp, mang thiết kế độc đáo thu hút đối tượng học sinh Nhận thấy việc tập trung quá nhiều vào thị trường xe dành cho học sinh nên thiết kế vẫn mang dáng dóc của xe đạp điện và hiệu suất của hệ thống năng lượng ở mức thấp Pega đã có sự cải tiến thiết kế lẫn công nghệ Pega-

S là sản phẩm cải tiến mới nhất của hãng mang thiết kế, kiểu dáng phù hợp tiêu chuẩn thị trường quốc tế và là sản phẩm tiên phong trong việc xuất khẩu xe máy điện của Pega

Hình 2.7: Xe máy điện Pega-S Định hướng phát triển của PEGA là thương hiệu toàn cầu, PEGA cũng đã ký kết và xuất khẩu xe điện sang Cuba với giá trị lên tới 20 tỷ đồng Do đó, PEGA đã kết hợp với 1 số đối tác sản xuất và thương mại để ủy quyền nhằm mục đích vươn tầm trở thành thương hiệu xe máy điện toàn cầu Thị trường mà Pega hợp tác nhường quyền kinh doanh có thể kể tới là Mỹ, Trung Quốc, Anh, Pháp và một số quốc gia châu Âu khác

16 Khác với Vinfast hay Pega có những bước đi đầu tiên vững chắc, Dat Bike có quá trình ban đầu không được suôn sẻ Năm 2019, CEO Dat Bike, Cảnh Sơn đã mang ý tưởng về dòng xe máy điện thân thiện với môi trường lên chương trình Shark Tank Việt Nam Tại thời điểm thị trường xe máy điện không khởi sắc và yêu cầu đầu tư khi doanh nghiệp mới khởi động bước đầu chưa gặt hái được thành tựu ấn tượng Thế nên dự án của Dat Bike đã không được chấp thuận đầu tư nào từ các Shark Shark Bình còn nói với CEO rằng

"Những gì em đang làm về mặt kinh doanh, về mặt thị trường hơi sai, nhầm thời điểm, nhầm sản phẩm, anh còn chưa nói đến định giá và mọi thứ Anh khuyên em hãy nên làm một cái gì đó khác"

Khái quát về hệ thống năng lượng trên xe máy điện

Hệ thống năng lượng trên xe máy điện là bộ phận quan trọng nhất và được xem là trái tim của chiếc xe Nó cung cấp năng lượng cho xe vận hành bằng cách chuyển đổi điện năng thành cơ năng

Pin (Battery): Nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống năng lượng điện trên xe Pin được lựa chọn mang những tính năng ưu việt như dung lượng cao, khả năng sạc lại nhiều lần và tuổi thọ cao Pin phải có khối lượng nhẹ, có thể được thiết kế thành các hình dạng và kích thước khác nhau, giúp tối ưu hóa không gian và trọng lượng cho xe mang lại tính thẩm mỹ cao Bên cạnh đó các công nghệ bảo vệ được tích hợp vào pin để ngăn chặn các vấn đề như quá nhiệt, quá dòng và quá áp, làm tăng tính an toàn cho xe và người sử dụng Động cơ điện (Electric motor): Động cơ điện còn có tên gọi khác là motor điện với chức năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng được sử dụng trên các xe máy điện để cung cấp sức mạnh cho việc di chuyển Động cơ quyết định khả năng vận hành và tăng tốc của xe Các động cơ này thường được thiết kế để hoạt động hiệu quả và ít gây tiếng ồn Chúng sử dụng nhiều loại motor khác nhau, đặt ở nhiều vị trí khác nhau trên xe, nhưng đều có điểm chung là được cấu thành bởi 2 thành phần là: rotor và stator Động cơ không chổi than (Brushless DC Motor - BLDC) là loại thường dùng do hiệu suất cao và ít bảo trì

Hình 2.18: Vị trí đặt motor trên xe máy điện

Bộ điều khiển động cơ (Motor controller): Bộ điều khiển được xem là trung tâm quản lý và điều khiển mọi hoạt động của hệ thống năng lượng điện Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ tay ga và các cảm biến, sau đó điều chỉnh dòng điện phù hợp để kiểm soát tốc độ di chuyển của xe Điều chỉnh dòng điện từ pin đến động cơ, điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ Tích hợp các chế độ lái khác nhau, như chế độ tiết kiệm năng lượng hay chế độ tăng tốc [4]

Bộ sạc (Charger): Được dùng để nạp lại năng lượng cho pin từ nguồn điện bên ngoài bằng cách chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện AC thành DC phù hợp để sạc pin Bộ sạc có thể là bộ sạc on-board (tích hợp trên xe) hoặc off-board (bên ngoài xe)

Hệ thống tái tạo năng lượng khi phanh (Regenerative braking system): Đây được xem là một tính năng quan trọng trên xe máy điện, giúp phục hồi năng lượng từ quá trình phanh để sạc lại pin Điều này giúp tăng hiệu suất năng lượng của xe và kéo dài thời gian hoạt động của pin

Hệ thống quản lý pin (BMS): BMS đóng vai trò quan trọng trong xe máy điện, chịu trách nhiệm điều chỉnh một loạt các hoạt động như xả pin, sạc pin, xác định trạng thái sạc (SOC), trạng thái sức khỏe (SOH), cân bằng cell pin, kiểm soát nhiệt, nhận nguồn cấp từ pin, giao tiếp với ECU, xử lý dữ liệu, và lưu trữ thông tin [5] Để duy trì pin trong vùng hoạt động an toàn, BMS đảm bảo rằng mỗi cell pin không bị phóng điện dưới mức an toàn, và kiểm soát quá trình sạc để tránh hỏng hoặc giảm tuổi thọ của pin SOC và SOH được tính toán dựa trên điện áp và dòng điện của pin, trong khi cân bằng cell pin giải quyết vấn đề điện áp không đồng đều giữa các cell pin BMS cũng điều khiển hệ thống tản nhiệt để duy trì nhiệt độ lý tưởng cho pin Một phần quan trọng khác của BMS là giao tiếp với ECU thông qua các giao thức như CAN hoặc LIN để chia sẻ thông tin và điều khiển hệ thống [5]

Hệ thống điện phụ trợ (Auxiliary electrical system): Bao gồm đèn pha, đèn hậu, đèn xi nhan, màn hình hiển thị thông tin và các phụ kiện khác như còi, hệ thống điều khiển từ xa, cổng sạc USB cho thiết bị di động

Phân loại các loại động cơ dùng trên xe máy điện

Động cơ xe điện hay còn gọi là mô tơ điện, có chức năng chuyển đổi năng lượng điện sang cơ học giúp quay bánh xe làm xe di chuyển

Hình 2.19: Mẫu động cơ lắp trên xe máy điện Động cơ xe điện đang được xem là giải pháp hiệu quả cho việc giảm thiểu khí thải ra môi trường Các động cơ ngày càng đa dạng với nhiều cải tiến hiện đại đáp ứng nhiều mục đích sử dụng khác nhau Trong số đó có 2 loại động cơ được sử dụng nhiều để làm hệ thống truyền lực cho xe máy điện là: DC motor (động cơ điện 1 chiều có chổi than) và BLDC motor (động cơ điện 1 chiều không chổi than)

2.6.1 DC Motor (Động cơ điện 1 chiều có chổi than) Động cơ DC (viết tắt của Direct Current Motors) là động cơ 1 chiều sử dụng năng lượng điện từ của dòng điện chuyển thành chuyển động quay cung cấp năng lượng cơ học cho bánh xe quay

Hình 2.20: Động cơ DC gắn trên xe đạp

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.21: Động cơ DC Động cơ 1 chiều có cấu tạo đơn giản với các bộ phận sau: [6]

+ Stator: là phần tử cố định được hình thành từ 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc là nam châm điện

+ Rotor: là phần lõi chuyển động quay được làm từ các cuộn dây, nối với những nguồn điện 1 chiều tạo thành nam châm điện

+ Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia đều điện cho các cuộn dây trên rotor Mỗi 1 điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với 1 cuộn dây trên rotor

+ Chổi than (brushes): là phần tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

+ Bộ phận chỉnh lưu: làm nhiệm vụ biến đổi chiều dòng điện trong khi rotor quay liên tục

Hình 2.22: Các pha hoạt động của động cơ DC

• Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor

• Pha 2: Rotor sẽ tiếp tục quay

• Pha 3: Bộ chỉnh lưu sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa rotor và stator cùng dấu, khi này sẽ trở về pha 1

Khi trục của động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực bên ngoài, thì động cơ sẽ hoạt động như là một loại máy phát điện một chiều và sẽ tạo ra một sức điện động cảm ứng Bằng cách điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện cung cấp cho cuộn dây rotor, tốc độ của động cơ có thể được điều chỉnh chính xác Đặc điểm dễ nhận thấy là chi phi thấp, an toàn, hiệu suất hoạt động ở mức vừa phải Thế nhưng chổi than dễ mài mòn còn thường xuyên thay mới do đó không được tín nhiệm cao trong việc sử dụng làm động cơ cho xe máy điện

2.6.2 BLDC Motor (Động cơ điện 1 chiều không chổi than) Động cơ BLDC (viết tắt của Brushless DC Motors) là động cơ 1 chiều với cách thức chuyển đổi năng lượng như DC Motors như thiết kế của rotor bây giờ là một nam châm vĩnh cữu và stato là cuộn dây điện lắp bao quanh rotor Một thiết kế mới loại bỏ chổi than và cổ góp, ngăn chặn phát sinh tia lửa điện giữa chúng Tia lửa này không chỉ rút ngắn tuổi thọ của động cơ mà còn tạo ra nhiễu điện từ Thiết kế này còn triệt tiêu ma sát giúp động cơ vận hành êm ái và giảm tiếng ồn Thay vào đó, một mạch điện tử điều khiển dòng điện vào các cuộn dây stator khác nhau để giữ cho rotor quay Sự đảo chiều của dòng điện qua các cuộn dây được thực hiện bởi các transistor công suất điều khiển chuyển đổi theo vị trí của rotor Nhiều động cơ DC không chổi than sử dụng cảm biến Hall để theo dõi vị trí rotor

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

31 + Stator: Thường bao gồm các lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện được ghép cách điện với nhau) và dây quấn Cách quấn dây của động cơ không chổi than cũng khác so với cách quấn dây của động cơ xoay chiều 3 pha thông thường [6]

+ Rotor: Phần quay của động cơ, nó thường bao gồm một hoặc nhiều nam châm cố định trên một trục Các nam châm này tạo ra một cực nam và một cực bắc trên bề mặt của rotor

+ Cảm biến vị trí Hall: Làm nhiệm vụ xác định vị trí của rotor Thông tin từ cảm biến này được sử dụng để điều khiển dòng điện qua các cuộn dây stator một cách chính xác, giúp đảm bảo rotor quay đúng hướng và tốc độ

+ Bộ phận chuyển mạch điện tử: Bộ chuyển mạch điện tử dùng transitor công suất để chuyển mạch theo vị trí rotor, thông qua việc điều khiển dòng điện qua các cuộn dây stator một cách chính xác, giúp rotor quay đúng hướng và tốc độ

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của động cơ BLDC Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của động cơ BLDC, cần phải xác định vị trí chính xác của rotor để điều khiển quá trình mở và đóng của các khóa mạch lực nhằm cung cấp nguồn cho các cuộn dây stator theo trình tự hợp lý Trong mỗi trạng thái chuyển mạch, một trong ba cuộn dây (ví dụ: pha A) sẽ được cấp điện dương (dòng đi vào cuộn dây pha A), cuộn dây thứ hai (pha B) sẽ được cấp điện âm (dòng đi ra từ cuộn dây pha B), và cuộn thứ

32 ba (pha C) sẽ không được cấp điện Momen xoắn được tạo ra do tương tác giữa từ trường được tạo ra bởi cuộn dây stator và nam châm vĩnh cửu của rotor [6] Động cơ BLDC được gọi là động cơ đồng bộ do tốc độ quay của rotor bằng với tốc độ của từ trường được tạo ra Ưu điểm lớn nhất của động cơ BLDC chúng có hiệu suất cao, vận hành nhẹ nhàng, êm dịu Động cơ có thể tăng giảm tốc độ trong thời gian ngắn Thêm vào đó động cơ có kết cấu gọn gàng, trọng lượng nhẹ, ít chi phí bảo trì do không dùng chổi than Nhờ đặc điểm này động cơ không chổi than hoạt động hiệu quả hơn các loại động cơ khác, phù hợp để sử dụng làm động cơ cho xe máy điện.

Các loại truyền động dùng trên xe máy điện

Nhằm đáp ứng nhu cầu di chuyển linh hoạt của khách hàng, các thiết kế truyền động trên xe điện ngày càng đa dạng Có thể phân loại thành 3 loại truyền theo vị trí đặt và cách thức truyền động đó là:

Hình 2.25: Các loại truyền động

2.7.1 Hub Electric Motor Đây là cấu hình đặc trưng dành cho hầu hết xe máy điện và cũng như một số loại xe đạp điện hiện đại Động cơ điện được lắp đặt ngay bánh xe sau để truyền dẫn động cho bánh

Vì được đặt ngay bánh xe nên giúp tăng hiệu suất truyền tải của động cơ, kiểm soát tốt khả năng dẫn động tăng độ an toàn cho việc xử lý các tình huống khi tham gia giao

33 thông Bên cạnh đó còn mang những đặc tính thuần túy của EV như là dẫn động êm dịu, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt là khả năng tái tạo sử dụng là nguồn năng lượng dư thừa trong quá trình di chuyển của phanh tái sinh [7]

+ Tiết kiệm không gian thiết kế cho thân xe

+ Không gây ra tiếng ồn vì cắt giảm tối đa truyền động

+ Giá thành rẻ, dễ dàng sửa chữa thay thế

+ Động cơ đặt ở bánh sau xe gây lệch trọng tâm xe làm việc xoay sở, xê dịch xe khó khăn hơn

+ Thẩm mĩ bánh xe sau bị giảm do phải gắn cả bộ phận động cơ lên

+ Khả năng tăng tốc chậm hơn các loại khác

Hình 2.26: Động cơ mid-drive Mid - drive: là loại động cơ truyền động được đặt ở giữa, thường cung cấp công suất cho bộ phận truyền động đến bánh xe sau Đây là loại được lắp đặt phổ biến trên xe đạp điện, và một số xe máy điện Thiết kế vẫn giữ được tính cổ điển khi vẫn sử dụng bộ truyền

34 động có thể là xích hoặc đai Hiệu suất dẫn động khoảng 80-95% tùy thuộc độ căng khi tiếp xúc đĩa quay

+ Phân bố tải trọng xe được đổ vào giữa nhờ việc thay đổi trí đặt động cơ ở giữa, giúp xe vận hành ổn định và an toàn ở tốc độ cao

+ Hỗ trợ tăng tốc tốt khi sử dụng truyền động xích có thể thay đổi tỉ số truyền linh hoạt nhờ điều chỉnh bộ nhông xích đa kích thước

+ Tách rời động cơ ra khỏi bánh xe giúp dễ thay, vá khi bị thủng lốp

+ Khi bộ phận truyền động gặp trục trặc như lệch khớp hay đứt dây xích thì xe không thể di chuyển được

+ Xích hay dây đai dễ bị mòn và giãn ra sau 1 khoảng thời gian làm giảm hiểu suất truyền động

+ Thiết kế khung xe thiếu tính nghệ thuật do phải gắn bộ động cơ lên nó

AWD: ở đây là dẫn động 2 bánh (2WD), đây là sự kết hợp hệ truyền động nhờ bộ dẫn động đến bánh sau (Mid - drive) và hệ truyền động gắn trực tiếp lên bánh trước (Hub motor) Cấu hình này có thể thay đổi tuy theo thiết kế mong muốn của nhà sản xuất Xe điện 2WD còn khá hiếm và chưa phát triển

+ Hiệu suất cao nhờ dẫn động cả 2 bánh

+ Khả năng vượt địa hình gồ ghề, đường dốc dễ dàng

+ Hỗ trợ xe bám đường, ôm cua ổn định hơn

+ Giá thành cao do thiết kế phức tạp

+ Đòi hỏi dung lượng pin cao do phải cung cấp năng lượng cho cả 2 bánh

Các loại pin thường dùng trên xe máy điện

Khái niệm: Pin Axit chì (Seal Lead-Acid) chì là một loại pin ướt trong đó dung dịch axit H2SO4 làm chất điện phân Đây là một loại pin chu kỳ sâu rất phổ biến được sử dụng trong các ứng dụng ô tô và công nghiệp Ắc quy axit - chì là một thiết bị điện hoá thuận nghịch, được sử dụng để chuyển đổi năng lượng giữa dạng điện năng và hoá năng Trong quá trình sạc, nó chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hoá học, và ngược lại trong quá trình xả Với các điện cực được làm bằng chì (Pb) và Ô xít chì (PbO2) được đặt trong dung dịch axit Sulfuric (H2SO4) [8]

Hình 2.27: Cấu tạo của pin ắc quy chì axit Bình ắc quy thường được chia thành nhiều ngăn, phổ biến nhất là 6 ngăn, mỗi ngăn mang điện áp thường là 2.1 V [9] Khi kết nối 6 ngăn lại với nhau, ta tạo thành một bộ nguồn ắc quy có điện áp là 12.6 V Vỏ bình ắc quy được làm từ vật liệu cứng, chịu axit và nhiệt, thường là nhựa cứng hoặc ebonite Bên trong vỏ bình có các vách ngăn tạo ra các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn gọi là một ắc quy đơn Để tăng hiệu suất hoạt động, chất hoạt tính tham gia vào các phản ứng hoá học càng nhiều càng tốt, người ta sử dụng chất hoạt tính có độ xốp và ghép các tấm cực cùng tên thành một chùm cực trong mỗi ngăn của ắc quy đơn Dung dịch điện phân của pin là một hợp chất dung dịch bao gồm 36% axit sulfuric (H2SO4) và 64% nước cất (H2O) [8]

36 Sạc pin SLA mất rất nhiều thời gian, thế nên cần có sẵn pin SLA dự phòng để vẫn có thể sử dụng xe của mình trong khi pin kia đang sạc, việc phải thay thế rắc rối này gây mất điểm trong mắt khách hàng Có nhiều phương pháp nạp ắc quy, đối với ắc quy axit – chì thì thường sử dụng ba phương pháp là nạp dòng không đổi (Constant Current Charging), nạp áp không đổi (Constant Voltage Charging) và nạp hỗn hợp Ưu điểm và nhược điểm:

− Giá cả thấp hơn các loại pin khác

− Có khả năng tái chế tốt, dễ dàng tìm kiếm các cơ sở xử lý vì sự phổ biến của pin axit chì trong các thiết bị

− Có thể hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cực thấp hoặc cực cao mà các loại pin khác không an toàn

− Khả năng trữ năng lượng nhỏ mặc dù trọng lượng và thể tích khá lớn

− Không phù hợp với nhiều yêu cầu thiết kế tinh gọn, hạn chế không gian

− Không thể sạc nhanh và xả lớn

− Tuổi thọ của pin yếu và giảm nhanh sau nhiều chu trình sạc

2.8.2 Pin Nickel Metal Hydride (NiMH)

Khái niệm: Pin Niken hydride kim loại (Ni-MH) là dạng pin sạc lưu trữ năng lượng bằng Hydro Thông qua quá trình phản ứng ở hai điện cực tạo ra dòng điện trong mạch ngoại vi Pin Niken được đánh giá là sở hữu mật độ năng lượng cao, tương thích với thiết bị có dòng xả lớn được dùng làm nguồn năng lượng xe hybird của Toyota [10]

37 Hình 2.28: Cấu tạo pin NiMH Pin Nickel Metal Hydride (NiMH) có cấu tạo bên trong phức tạp, kết hợp nhiều thành phần quan trọng để tạo ra nguồn năng lượng:

+ Cực dương (Cathode): Cực dương của pin NiMH được làm từ hợp chất niken oxit hydroxit (NiOOH) Hợp chất này chứa niken, oxy và hydro, tạo nên một cực dương có khả năng chứa lượng lớn ion hydro

+ Cực âm (Anode): Cực âm của pin NiMH thường sử dụng hợp chất kim loại hydride, thường là hợp kim của kim loại và hydro

+ Bộ phân tách: phân tách giữa cực dương và cực âm thường được làm từ vật liệu chống cháy và có khả năng ngăn cách các cực để tránh nguy cơ ngắn mạch

+ Chất điện phân: dung dịch màu xanh lá cây, thường là kali hydroxit (KOH) Chất này giúp ổn định dòng điện và chuyển động của ion trong pin

+ Vỏ bọc: thường được làm từ kim loại hoặc nhựa chịu nhiệt để bảo vệ các thành phần bên trong và giữ cho pin không bị rò rỉ

+ Lõi điện cực: được làm từ kim loại dẫn điện tốt, như đồng hoặc nhôm, để dẫn điện từ pin đến các thiết bị Ưu điểm và nhược điểm:

− Trọng lượng pin nhẹ hơn so với các loại pin khác

− Kích thước pin có thể được thiết kế linh hoạt phù hợp với hình dáng nhiều thiết bị

− Dung lượng pin cao, giữ dung lượng tốt sau nhiều chu kỳ sạc, xả

− Ít ảnh hưởng tới môi trường khi xử lý hay tái chế

− Nguy cơ an toàn không cao, dễ gây cháy nổ

− Giá thành của pin cao hơn so với các loại pin truyền thống

− Nhiệt độ làm việc bị hạn chế, quá cao hoặc quá thấp cũng có thể gây tổn hại pin

− Chi phí tái chế pin tốn kém

Khái niệm: Pin lithium-ion còn được viết tắt LIB (Lithium-ion Batteries) là pin tích trữ năng lượng dưới dạng hóa học để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện

Quá trình phản ứng hóa học khiến lithium giải phóng electron, biến thành các ion lithium di chuyển giữa các cực tạo ra chênh lệch điện thế sinh ra dòng điện ở mạch cung cấp năng lượng cho thiết bị kết nối với pin [11]

Hình 2.29: Cấu tạo của pin Lithium – ion

Thường được làm từ các hợp chất oxit kim loại như lithium cobalt oxide (LiCoO2), lithium iron phosphate (LiFePO4), hoặc lithium manganese oxide (LiMn2O4) Cathode là nơi ion lithium được hấp thụ hoặc giải phóng trong quá trình sạc và xả của pin

Thường được làm từ graphite hoặc các vật liệu carbon khác Dùng với chức năng lưu giữ các ion lithium trong tinh thể

Chất điện phân cho công nghệ tế bào lithium-ion bao gồm muối, axit hoặc bazơ hòa tan trong dung môi và là môi trường dẫn ion giữa các điện cực

Muối được sử dụng phổ biến nhất trong pin là LiPF6, LiBF6, LiClO4 (Li+) Dung môi không tham gia vào các quá trình hóa học của pin lithium-ion, nhưng các dung môi khác nhau có các đặc tính khác nhau về lão hóa, hiệu suất ở nhiệt độ thấp Thành phần của chất điện phân là một công thức độc quyền Nó lấp đầy hai cực và làm nhiệm vụ dẫn truyền ion lithium giữa các điện cực trong quá trình sạc, xả của pin [9]

Là một lớp màng mỏng được làm từ chất cách điện Nó có nhiệm vụ ngăn cách sự tiếp xúc của hai điện cực và tránh sự ngắn mạch của các tế bào pin Ưu điểm và nhược điểm:

− Sạc được nhiều lần Ít bị rò rỉ, khả năng tích năng lượng được lâu Trước khi sạc không cần xả

− Dòng xả lớn, xả 10C- 15C trong thời gian ngắn là điều dễ dàng ở loại pin này

− Là loại pin có mật độ năng lượng cao

− Pin có tuổi thọ cao thường hơn 5 năm

− Dễ gây ra cháy nổ

− Pin có hiệu ứng tự xả, khoảng 5-10%/tháng [11]

− Có giá thành tương đối cao hơn các loại pin khác, tùy vào mỗi nhà sản xuất mà giá pin Lithium sẽ dao động mức giá khác nhau

− Chỉ hoạt động tốt ở vùng nhiệt độ nhất định, pin dễ hỏng khi hoạt động quá

− Do bản chất hóa học nên pin Li-ion không thể nạp theo phương pháp bình thường như ắc quy hay pin Nikel mà có chu trình nạp riêng Chu trình nạp pin Li-ion gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn nạp ổn dòng và giai đoạn nạp ổn áp

Khái niệm: Pin Li-Po là Lithium-Polymer Loại pin này không sử dụng chất điện phân dạng lỏng mà thay bằng sử dụng chất điện phân dạng polymer khô Thiết kế polyme ban đầu có niên đại từ những năm 1970 sử dụng chất điện phân polyme rắn (khô) giống như một màng nhựa Miếng phim này được kẹp giữa cực dương và cực âm của pin, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi ion diễn ra Phương pháp này cho phép pin có thể được thiết kế với độ mỏng và các hình dạng khác nhau, phù hợp với các kích thước và cấu trúc của các cell pin [12]

So sánh, đánh giá các loại pin dùng trên xe máy điện

Bảng 2.9: Các chỉ số của các loại pin

TT Loại pin Lithium- ion Axit chì Nicd Ni-MH

Chu kỳ vòng đời (Chu kỳ)

2 Điện áp định mức tế bào pin

3 Mật độ năng lượng (Wh/kg) 200 - 735 60 - 100 120 - 150 100 - 300

Nhiệt độ cho phép sạc an toàn

44 Căn cứ từ nhận xét trên, tiến hành phân tích cụ thể hơn các loại pin Lithium-ion phân loại theo vật liệu chế tạo: LTO- Lithium Titanate (Li4Ti5O12); NMC- Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2); LCO-Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2); LMO- Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4); NCA- Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) và LFP- Lithium Iron Phosphate (LiFePO4)

Bảng 2.10: Thông số các loại pin Lithium-ion

Các thông số đánh giá

Các loại pin Lithium-ion

LTO NMC LCO LMO NCA LFP

120 Điện áp tế bào pin (V)

Khả năng thoát nhiệt cao nhất

Phạm vi ứng dụng Ô tô điện, các thiết bị lưu điện

Thiết bị công nghiệp, xe máy và ô tô điện

Các thiết bị điện tử thông dụng

Các thiết bị điện cần công suất cao

Thiết bị y tế, công nghiệp, xe máy và ô tô điện

Xe máy và ô tô điện

45 Hình 2.32: Ra đa đánh giá chỉ số quan trọng của các loại pin Li-ion trên xe máy điện Thông qua 2 bảng thông số kỹ thuật về các loại pin, tiến hành vẽ đồ thị giúp có cái nhìn trực quan về các thông số quan trọng để đánh giá pin

Hình 2.33: Biểu đồ chu kỳ vòng đời của các loại pin

46 Hình 2.34: Biểu đồ mật độ năng lượng của các loại pin

Hình 2.35: Biểu đồ năng lượng tế bào pin của các loại pin

Nhận xét: Thông qua bảng thông số kỹ thuật và đồ thị của các loại pin dùng trên xe máy điện Ta thấy pin Lithium-ion có chu kỳ vòng đời cao nhất nên dễ dàng đáp ứng mong muốn của khách hàng về sản phẩm dùng được lâu và hạn chế chi phí bảo trì Không những ở tuổi thọ sử dụng mà điện áp định mức của tế bào pin và mật độ năng lượng của pin Lithium-ion cũng cao nhất, tiếp theo đến là Nickel và Axit-chì mang chỉ số thấp nhất Thế nên ta có thể thấy khi thay đổi nguồn năng lượng của xe Vinfast Klara S 2022 sang dùng pin Axit chì thì cần thiết kế một khối pin có trọng lượng và thể tích cực kỳ lớn so với khi dùng pin LFP

47 Pin LTO có chu kỳ vòng đời cao nhất, gấp hơn 7 lần so với LCO, LMO, NCA, Axit chì, Ni-MH, pin LFP có chu kỳ cao thứ 2 với chu kỳ vòng đời cao nhất khoảng 5000 bằng 70% so với pin LTO Trong khi đó xét về mật độ năng lượng pin Ni-MH có mật độ lên đến

300 Wh/kg gấp hơn 3 lần so với pin LTO và Axit chì, trong khi đó các loại pin còn lại có mật độ giao động trong khoảng 100 đến 260 Wh/kg Dù có chu kỳ vòng đời cao nhất thế nhưng mật độ năng lượng cực kỳ thấp chỉ bằng 54% so với mật độ năng lượng trung bình

Có thể thấy các loại pin Lithium-ion có điện áp tế bào pin cao hơn so với Axit chì và pin Nickel, qua đồ thị có thể thấy gấp gần 4 lần pin Nickel và 2 lần pin Axit chì Bởi pin Li-ion mang dòng điện áp cao thế nên dễ dàng truyền tải điện với hiệu suất cao, hạn chế được tổn thất trong quá trình truyền tải, thế nên pin Li-ion ngày càng được ứng dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực

Công suất riêng cũng là một chỉ số tác động đến khối lượng khối pin ta muốn xây dựng để đáp ứng khả năng vận hành của xe, pin Lithium và Ni-MH có công suất riêng cao nên có thể dùng làm thiết kế các chi tiết đòi hỏi trọng lượng nhẹ và có công suất riêng cao Hiệu suất sạc đa phần các loại pin đều đáp ứng tới mức 90%, hiệu suất sạc tốt cho hệ thống năng pin, ngoại trừ pin Ni-MH có độ tín nhiệm thấp khi hiệu suất sạc chỉ ở mức 65% Cuối cùng là nhiệt độ cho phép quá trình sạc, xả của pin, có thể thấy không có nhiều sự chênh lệch giữa các loại pin, nhiệt độ sạc nằm ở mức nhiệt độ phòng và nhiệt độ xả ở mức nhiệt ngoài trời dù ở xứ lạnh hay xứ nóng đều cho phép hệ thống pin hoạt động tốt và an toàn

Thông qua so sánh thông số kỹ thuật các loại pin Li-ion dùng trên xe máy điện dựa trên cơ sở các đánh giá trình bày ở bảng 2.9, bảng 2.10 và biểu đồ ra đa Khả năng ứng dụng của từng chỉ số được thể hiện qua số liệu trên bảng đánh giá và mức độ phủ của ra đa được thu hẹp lại hoặc mở rộng ra ở từng vùng của lục giác đều và các lục giác thu nhỏ dần bên trong giúp ta có cách nhìn trực quan về chênh lệch của các chỉ số Qua ra đa cho thấy pin LCO, LMO cho mật độ năng lượng khá cao, nhưng công suất riêng thấp và vòng đời ngắn những điều tối quan trong với yêu cầu của một hệ thống năng lượng cho xe vận hành nên khả năng ứng dụng lên xe máy điện thấp

Pin MNC có chỉ số ổn định ở tất cả chỉ tiêu đánh giá do đó phù hợp để dùng cho xe máy điện và cả các ô tô thương mại hiện nay Bên cạnh đó, Pin LTO có mật độ năng lượng

48 thấp nhất, tuy nhiên bù vào đó nó có ưu điểm nổi bật về độ an toàn, tuổi thọ cao cho nên có thể dùng cho xe máy và ô tô điện Tiếp đến là loại pin dùng cho xe ta thực hiện mô phỏng, pin LFP có diện tích phủ ra đa rộng, tuy nhiên nhược điểm lớn là mật độ năng lượng thấp, thế nên pin phù hợp ứng dụng trên xe máy điện cỡ nhỏ Cuối cùng là pin NCA có có diện tích phủ ra đa thấp, độ an toàn cũng thấp khó để ứng dụng để làm hệ thống pin cho xe máy điện, phù hợp với các thiết bị điện nhỏ

Tóm lại, pin Lithium-ion là loại pin có độ tín nhiệm cao nhất, phù hợp nhất để xây dựng hệ thống năng lượng cho xe máy điện, tiếp đến pin NiCd (Nickel-camium), Ni-MH (Nickel-meta hydride) và cuối cùng là pin Axit chì

Trong tương lai, công nghệ pin cho xe máy điện sẽ hướng tới nghiên cứu những yếu tố về độ an toàn, tuổi thọ bởi dung lượng pin, chu kỳ vòng đời hay mật độ năng lượng là cực kỳ quan trọng Mật độ năng lượng của pin có thể được cải thiện bằng việc thay thế chất liệu điện hóa ở điện cực dương và chu kỳ vòng đời pin vẫn đang được nghiên cứu, cải tiến tốt hơn Tùy thuộc xu hướng mà khách hàng mong muốn mà các nhà nghiên sẽ phải lựa chọn loại pin phù hợp nhất.

Các yếu tố tác động và cách duy trì tuổi thọ pin

2.10.1 Các yếu tố tác động đến tuổi thọ pin

Yếu tố tác động đến vòng đời của pin rất đa dạng như là: loại pin, chất liệu, thiết bị sử dụng, nhiệt độ môi trường làm việc của pin và cách thức nạp/xả hay bảo quản pin đều có ảnh hưởng đáng kểcho tuổi thọ của pin Để đảm bảo và duy trì cho pin đạt hiệu suất vận hành tốt nhất cần nhận biết được các yếu tố ảnh hưởng đến pin sau đây:

+ Các lớp bảo vệ (Protective shield): Tất cả loại pin đều có lớp bảo vệ, nó có vai trò bảo vệ cấu trúc của pin và ngăn chặn các tác nhân bên ngoài xâm nhập vào trong Việc mất đi khiên chắn bảo vệ này có thể là pin bị rò rỉ dòng gây nguy hiểm cho hệ thống pin và làm hỏng pin từ đó tuổi thọ của pin cũng sẽ giảm xuống Lớp bảo vệ đóng vai trò quan trọng khi pin làm việc trong điều kiện môi trường bên ngoài khắc nghiệt

+ Điện áp sạc (Charging voltage): Theo nghiên cứu thực nghiệm cho thấy các loại pin đều chỉ chịu được điện áp tối đa 4,2V và chỉ có pin lithium-ion mới đạt tới ngưỡng giới hạn này Khi sạc pin với mức điện áp 4,2V thì hiệu suất sẽ đã ở mức 100%, thế nhưng chu

49 kỳ vòng đời sẽ thấp vào khoảng 300-500 Nếu sạc với điện áp thấp hơn thì hiệu suất sẽ giảm dần thế nhưng chu kỳ sạc sẽ được tăng lên, vậy nên lựa chọn mức điện áp sạc phù hợp nhất để đảm bảo hiệu suất làm việc của hệ thống pin tốt cũng như đảm bảo tuổi thọ pin ở mức cao

+ Chu kỳ sạc (Charge cycles): Việc cắm, rút sạc pin không theo hướng dẫn quy định của nhà sản xuất có thể làm giảm vòng đời của pin đi đáng kể Theo khuyến nghị chung đa hệ thống pin nên được sạc khi dung lượng còn khoảng 15 - 20% và không nên duy trì việc cắm sạc khi pin đã đầy nếu hệ thống pin không hỗ trợ ngắt sạc tự động Tuân thủ tốt cách thức sạc sẽ giúp tuổi thọ pin luôn được cao

+ Nhiệt độ (Temperature): Nhiệt độ luôn là yếu tố tác động lớn đến vòng đời của pin Dễ dàng nhận thấy khi hệ thống pin vận hành ở nhiệt độ quá cao hay quá thấp thì tuổi thọ và hiệu suất sụt giảm nhanh chóng Pin hoạt động tốt nhất trong mức nhiệt từ 10-30 °C

2.10.2 Cách duy trì tuổi thọ pin

+ Tránh xả hết pin: Để bảo vệ mật độ năng lượng và tuổi thọ của pin, hãy tránh để pin hoàn toàn hết điện Thay vào đó, hãy duy trì pin ở mức sạc tương đối, không để nó giảm quá mức

+ Tránh sạc đến 100% công suất: Khi sạc pin đến mức 100% và lặp lại việc này liên tục dễ làm làm giảm tuổi thọ và cả dung lượng tối đa của pin Duy trì việc sạc pin đến khoảng 80 - 90% để pin không bị quá tải, đảm bảo tuổi thọ của pin được cao

+ Sử dụng bộ sạc pin phù hợp: Sử dụng bộ sạc pin được thiết kế cho mẫu pin Dùng bộ sạc thích hợp có thể cung cấp tính năng giúp cải thiện tuổi thọ của pin Sử dụng bộ sạc của loại pin khác có thể gây nguy hiểm cho pin và cả hệ thống năng lượng khi khác biệt về dòng hay điện áp đầu vào

+ Giữ pin mát: Nhiệt độ pin cao đến mức quá tải có thể gây hư hỏng các thành phần hóa học bên trong pin và cũng như thay đổi cấu trúc mật độ năng lượng bên trong pin dẫn đến giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin Đảm bảo việc bảo quản pin ở nơi khô ráo và thoáng mát, tránh tiếp xúc với độ ẩm cao hay tiếp xúc trực tiếp với nước

50 + Không để pin cạn kiệt năng lượng quá lâu: Pin sẽ gặp tình trạng cạn kiệt năng lượng nếu xuống mức điện áp thấp, và khi ở mức cực thấp, mạch bảo vệ sẽ tự động chuyển hệ thống pin sang chế độ ngủ, làm mất khả năng sạc và yêu cầu can thiệp hỗ trợ tiếp nạp lại năng lượng Vì vậy, để bảo quản pin, nên duy trì mức dung lượng khoảng 40% (mức hoạt động tốt nhất).

Ứng dụng và khả năng tái chế các loại pin

2.11.1 Ứng dụng các loại pin

Dựa theo vật liệu cấu, khả năng lưu trữ và nhận xét các chỉ số ở trên, mỗi loại pin sẽ phù hợp với những ứng dụng khác nhau

Hình 2.36: Pin áp dụng trong lĩnh vực công nghệ + Pin Lithium Titanate Oxide (LTO) mang một ưu điểm tuyệt vời là tốc độ sạc nhanh chóng Khác với các mẫu pin lithium-ion thông thường, pin LTO có thể được sạc nhanh, có trường hợp chỉ mất nửa giờ để đạt từ 0 - 80% dung lượng Tính ưu việt này bắt nguồn từ cấu trúc đặc biệt lithium titanate của cực dương Tuy có tốc độ sạc nhanh thế nhưng không làm ảnh hưởng đáng kể đến vòng đời của pin hay hiệu suất tổng thể của pin

Chức năng sạc nhanh của pin LTO thích hợp trong các ứng dụng cần thời gian, bao gồm cả trong xe điện hay trong môi trường công nghiệp, khi đó việc trì trệ thời gian sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của cả dây chuyền hệ thống Thường ứng dụng trong ô tô điện EV hay xe hibrid HEV, xe buýt điện, gara năng lượng lưu trữ điện mặt trời hay điện gió, hiện nay còn dùng trong cả lĩnh vực vũ trụ và quốc phòng

51 + Pin NMC có thể tìm thấy trong các thiết bị dụng cụ y tế như máy trợ thính và máy điều hòa nhịp tim Với mật điện áp tế bào pin và mật độ năng lượng cao được thể hiện qua các đồ thị ở trên thì pin NMC phù hợp làm pin cho ô tô điện, xe hybrid và xe máy điện Bởi mật độ năng lượng cao nên trọng lượng pin nhỏ phù hợp để làm nguồn năng lượng cho các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại, máy ảnh kỹ thuật số, máy tính bảng và máy tính xách tay

+ Pin LCO hay còn gọi Lithium Cobalt Oxide có khả năng vượt trội trong việc lưu trữ một lượng lớn năng lượng trong một khối lượng nhỏ gọn, khiến chúng trở thành lựa chọn hoàn hảo cho các thiết bị có yêu cầu về không gian hạn chế và cần thời gian chạy kéo dài như là thiết bị điện tử cầm tay và xe điện Một lợi ích lớn khác là vòng đời dài của chúng Pin LCO có thể chịu được nhiều chu kỳ sạc và xả mà không ảnh hưởng đến dung lượng của chúng Độ bền này khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi tuổi thọ cao, như thiết bị y tế và công nghệ hàng không vũ trụ

Ngoài ra pin LCO còn có tốc độ tự xả thấp Ngay cả khi không sử dụng, những loại pin này vẫn có thể tích điện trong thời gian dài Lợi ích cho các ứng dụng dựa vào nguồn điện dự phòng hoặc các thiết bị có tần suất sử dụng không thường xuyên So với các loại hóa chất pin Lithium-ion khác như Lithium Mangan Oxide (LMO) và Lithium Niken Cobalt Aluminium Oxide (NCA), pin LCO tương đối phù hợp với túi tiền, thế nên pin LTO đã trở thành lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng ưu tiên chi phí, bao gồm các thiết bị điện tử tiêu dùng khác nhau

+ Pin LMO hay còn gọi là pin lithium mangan oxit mang tính ổn định và khả năng chịu tải lớn thành lựa chọn tốt cho các ứng dụng cần năng lượng mạnh mẽ và bền bỉ được ứng dụng trong nhiều dụng cụ điện, như máy khoan, máy mài, và các thiết bị công nghiệp khác Bên cạnh đó pin cũng ứng dụng cung cấp năng lượng cho thiết bị di động, máy tính xách tay, giúp đảm bảo thời gian sử dụng dài hơn và hiệu suất tốt hơn Với khả năng chịu nhiệt và hiệu suất ổn định nên có ứng dụng trong lĩnh vực vận tải, đặc biệt là sử dụng cho các loại xe điện như ô tô điện, xe nâng…

+ Pin NCA với mật độ năng lượng cao nhất trong các loại pin Lithium-ion và điện áp tế bào pin ở mức phù hợp với nhiều thiết bị, thế nên pin được ứng dụng xe điện, chẳng

52 hạn như xe của hãng Tesla sản xuất, các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh máy tính xách tay yêu cầu khả năng lưu trữ năng lượng cao và trọng lượng nhỏ Nhờ những cải tiến về mật độ năng lượng và độ an toàn mà ngày nay pin NCA được ứng dụng trên cả lĩnh vực hàng không vũ trụ

+ Pin LFP là loại pin được đánh giá có các chỉ số ổn định nhất trong các mẫu pin Lithium với chu kỳ vòng đời, mật độ năng lượng, điện áp tế bào pin, khả năng thoát nhiệt, hiệu suất sạc đều ở mức cao Thế nên ứng dụng của pin LFP ở đa dạng mọi lĩnh vực như lưu trữ năng lượng pin mặt trời, các thiết bị điện tử cá nhân là điện thoại, đồng hồ, máy tính Cuối cùng là nguồn năng lượng ưa chuộng trong lĩnh vực xe điện, pin đáp ứng số lần sạc và xả lớn, khả năng giữ vững chất lượng và duy trì hiệu suất của pin trong thời gian dài các xe chạy điện yêu cầu

+ Pin Axit chì ứng dụng dễ thấy nhất của pin là nguồn cấp điện cho đa số ô tô hiện nay, với khả năng chịu được công suất cao, cấp điện ổn định mà pin được tin dùng làm nguồn cung cấp điện cho xe ô tô và một số loại xe máy điện và đạp điện Ngoài ra nhờ đặc tính trên mà pin còn được sử dụng làm nguồn lưu trữ điện năng cho pin mặt trời, các hệ thống báo động

+ Pin NiCd hay còn gọi là niken cadmium làm việc tốt trong nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau, tuổi thọ ở mức tốt thế nên thường được ứng dụng làm nguồn dự phòng khẩn cấp có các thiết bị điện tử hàng không, nhà máy điện hạt nhân nơi cần nguồn năng lượng có độ tin cậy cao, cũng như trong các thiết bị chiếu sáng trong phương tiện vận tải, các tín hiệu

+ Pin Ni-MH do có mật độ năng lượng là lớn nhất thế nên thường được các thiết bị chiếu sáng, y tế cầm tay, thiết bị vô tuyến Bởi không có sự biến thiên điện áp đột ngột, không làm ảnh hưởng đến kết quả đo nên còn được ứng dụng trên các thiết bị đo lường tinh vi và các dụng cụ đo lường trên đường phố vì phản ứng ít với nhiệt độ cực thấp

2.11.2 Khả năng tái chế các loại pin Đi cùng với sự phát triển, cải tiến không ngừng của loại pin để ứng dụng ngày càng đa dạng các lĩnh vực và thiết bị công nghệ, cũng như cơn bão xe máy và ô tô điện ở khắp nơi trên thế giới Mang trong mình sứ mệnh quan trọng trong giảm thiểu khí thải, khi được

53 dùng làm nguồn năng lượng thay thế cho động cơ đốt trong, thế nhưng các bộ nguồn năng lượng này cũng mang trong mình nhưng vấn đề về tái chế pin của chúng Đây vẫn là vấn đề chưa tìm được tiếng nói thống nhất chung bởi lẽ mỗi loại pin có một thị trường tiêu thụ riêng và cách thức tái chế mỗi loại cũng khác nhau Dưới đây là cách tái chế đặc thù theo từng loại pin:

Hình 2.37: Pin được tái chế tại nhà máy của Trung Quốc + Tái chế khô: Tiến hành thu hồi trực tiếp vật liệu hoặc kim loại có giá trị mà không sử dụng phản ứng hóa học như dung dịch, chất xúc tác Trong đó hai phương pháp được sử dụng là tách vật lý và nhiệt phân ở nhiệt độ cao Phù hợp với pin Nickel, Axit-chì hơn là Lithium-ion

Hình 2.38: Nhà máy tái chế pin tại Đức

SƠ LƯỢC VỀ MATLAB/ SIMULINK

Giới thiệu về phần mềm MATLAB

MATLAB là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung cấp tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao Được phát triển bởi MathWorks, MATLAB cho phép thực hiện các thao tác ma trận, biểu đồ hóa chức năng và dữ liệu, thực hiện thuật toán, tạo giao diện người dùng, giao tiếp với các chương trình viết bằng các ngôn ngữ khác như C, C++, Java và FORTRAN, phân tích dữ liệu, phát triển thuật toán, và tạo ra các mô hình và ứng dụng

Hình 3.1: Lô gô của MATLAB MATLAB được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm các lĩnh vực liên quan như: [15]

• Sản xuất năng lượng (Energy Production): Tùy chỉnh và mở rộng quy mô thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống động, đa vật lý ở cấp độ thành phần, thiết bị, dây chuyền sản xuất Tạo bản sao kỹ thuật số và quy trình làm việc tương tác của các quy trình đa vật lý bằng Simulink, Simscape và Stateflow Sử dụng MATLAB và Simulink, ta có thể tùy chỉnh và tạo nguyên mẫu cho quá trình chuyển đổi kỹ thuật số qua các quy trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện để hỗ trợ các mục tiêu chuyển đổi năng lượng hoặc điện khí hóa

• Tài chính định lượng và quản lý rủi ro (Quantitative Finance and Risk Management): Chạy các nguyên mẫu phân tích rủi ro và danh mục đầu tư, triển khai các mô hình được bảo vệ IP trực tiếp tới các ứng dụng web như Excel, Tableau, Java, C++ và Python, xác định lãi suất, thực hiện các bài kiểm tra sức chịu đựng, quản lý danh mục đầu tư…

57 Hình 3.2: Dự báo và lập mô hình tài chính với MATLAB

• Ô tô (Automotive): Chạy mô phỏng để đánh giá sự cân bằng và tối ưu hóa thiết kế sản xuất, lái xe tự động, xe điện, xe tự hành…MathWorks là thành viên cao cấp của AUTOSAR và tích cực tham gia vào việc phát triển tiêu chuẩn, tập trung vào ứng dụng hoàn chỉnh thiết kế dựa trên mô hình với quy trình phát triển AUTOSAR Sử dụng Simulink và AUTOSAR Blockset để thiết kế và mô phỏng các hệ thống Sau đó, sử dụng bộ mã hóa nhúng để tạo mã AUTOSAR trong C hoặc C++ Hỗ trợ soạn thảo bằng System Composer cũng như tích hợp dựa trên ARXML [15]

Hình 3.3: Mô-đun hỗ trợ phân loại tình huống, một công cụ dựa trên MATLAB để xử lý dữ liệu ECU tự động xác định các tình huống liên quan đến phanh khẩn cấp

• Chất bán dẫn (Semiconductors): Kết hợp và mô phỏng các thành phần analog, kỹ thuật số, phần mềm với MATLAB và Simulink, đẩy nhanh quá trình đánh giá nhiều phương án thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Thiết kế hệ thống và vi mạch, hệ thống quản lý pin (BMS)…

• Phần mềm và Internet (Software and Internet): Sử dụng MATLAB trong trình duyệt web MathWorks Cloud cung quyền truy cập tức thì vào MATLAB cũng như các sản phẩm và dịch vụ khác được lưu trữ trên cơ sở hạ tầng đám mây được quản lý bởi MathWorks, hỗ trợ cả file Excel Hỗ trợ các kiến trúc phần cứng đa luồng, tính toán hiệu suất của bộ xử lý đa lõi, GPU và trang trại điện toán

Hình 3.4: Tính toán GPU trong MATLAB

• Công nghệ sinh học và dược phẩm (Biotech and Pharmaceutical): Phân tích dữ liệu y sinh và sức khỏe, phát triển thuốc, phát triển các mô hình toán học dự đoán để đánh giá hiệu quả và độ an toàn của thuốc, tính khả thi của mục tiêu và tối ưu hóa liều lượng Sử dụng mô hình dựa trên vật lý, mô hình thực nghiệm dựa trên dữ liệu hoặc kết hợp chúng để tăng năng suất và chất lượng sản xuất

• Tự động hóa và máy móc công nghiệp (Industrial Automation and Machinery): Thiết kế các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) để dự đoán bảo trì và tối ưu hóa vận hành, điều khiển công nghiệp và PLC… [15]

59 Hình 3.5: Mô phỏng cánh tay robot trên MATLAB MATLAB là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt, có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Từ việc giải quyết các bài toán toán học phức tạp, phát triển thuật toán, đến xử lý dữ liệu lớn và mô phỏng hệ thống, MATLAB cung cấp các công cụ và chức năng cần thiết để giải quyết các thách thức kỹ thuật và khoa học hiện đại Dưới đây là giao diện làm việc và các công cụ của MATLAB

Hình 3.6: Giao diện làm việc chính của MATLAB

60 Với những công cụ trên thanh công cụ như: App Designer - Một công cụ để tạo giao diện người dùng (GUI) cho ứng dụng MATLAB Toolbox - cung cấp các hàm và công cụ để thực hiện các mục đích như xử lí ảnh, xử lý tín hiệu và dữ liệu số, tối ưu hóa, phát triển, đào tạo và triển khai mạng nơ-ron, thiết kế và mô phỏng các hệ thống điều khiển sử dụng Simulink…Điểm mạnh của MATLAB là:

• Giải quyết các vấn đề về phân tích số và xử lý tín hiệu kỹ thuật số: MATLAB cung cấp một loạt các hàm toán học cho đại số tuyến tính, tích phân số, thống kê, phân tích Fourier, lọc, tối ưu hóa, và giải phương trình vi phân

• Dựng mô hình và giả lập: Simulink, một công cụ mở rộng của MATLAB, cho phép xây dựng mô hình hệ thống bằng cách kết nối các khối với nhau thông qua giao diện đồ họa Giúp mô phỏng và kiểm tra các hệ thống động

• Phân tích và khám phá hình ảnh hóa dữ liệu: MATLAB có khả năng xử lý hình ảnh và video, hỗ trợ đồ họa 2D và 3D, phân tích dữ liệu và tạo biểu đồ MATLAB cung cấp đồ họa tích hợp để trực quan hóa dữ liệu

• Phát triển ứng dụng và giao diện đồ họa người dùng: MATLAB cho phép xây dựng các ứng dụng với giao diện đồ họa tùy chỉnh

Hình 3.7: Thiết kế giao diện người dùng GUI trên MATLAB

Giới thiệu về Simulink

Đây là một công cụ mở rộng của MATLAB, được sử dụng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động Simulink xây dựng mô hình hệ thống bằng cách kết nối các block chức năng với nhau Simulink bao gồm một bộ thư viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến

Hình 3.8: Thư viện của Simulink Simulink là nền tảng dành cho thiết kế dựa trên mô hình hỗ trợ thiết kế, mô phỏng, tạo mã tự động, kiểm tra và xác minh liên tục các hệ thống nhúng Simulink Real-Time là môi trường để mô phỏng và thử nghiệm các mô hình Simulink và Stateflow trong thời gian thực trên hệ thống vật lý Simulink Control Design bao gồm các công cụ để tính toán đáp ứng tần số dựa trên mô phỏng mà không cần thay đổi mô hình Simulink được tích hợp với MATLAB và dữ liệu có thể được chuyển giao dễ dàng giữa các chương trình Các khả năng chính bao gồm: [16]

• Trình soạn thảo đồ họa để mô hình hóa tất cả các thành phần của hệ thống

• Thư viện các khối dựng sẵn để mô hình hóa các thuật toán và hệ thống vật lý

• Các khối mô hình hóa quy mô lớn để tạo các thành phần và thư viện hệ thống có thể tái sử dụng

• Thiết kế, phân tích và kiểm tra kiến trúc hệ thống và phần mềm

• Đáp ứng yêu cầu thay đổi nhanh chóng thông qua cập nhật mô hình và mô phỏng

62 Hình 3.9: Các dự án liên quan của Simulink [16]

CHU TRÌNH LÁI XE

Khái niệm chu trình lái xe

"Chu trình lái xe" là một mô hình tiêu chuẩn hóa được sử dụng để mô phỏng các điều kiện lái xe thực tế Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm kỹ thuật ô tô, kiểm tra khí thải và đánh giá tiết kiệm nhiên liệu Một chu trình lái xe là một chuỗi các điểm dữ liệu đại diện cho tốc độ của một chiếc xe so với thời gian, được tạo ra bởi các quốc gia và tổ chức khác nhau để đánh giá hiệu suất của các phương tiện theo nhiều cách khác nhau, như tiêu thụ nhiên liệu và khí thải gây ô nhiễm

Hình 4.1: Các chu trình lái phổ biến trên thế giới Chu trình lái xe bao gồm các thông số như tốc độ, khả năng tăng tốc và thời gian để mô phỏng các tình huống lái xe khác nhau, từ lái xe trong thành phố, nông thôn đến trên đường cao tốc Trong mô phỏng, chu trình lái xe được sử dụng để đánh giá hiệu suất của xe, tiết kiệm nhiên liệu, lượng khí thải và hành vi tổng thể trong các điều kiện kiểm soát, giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu đánh giá và tối ưu hóa các khía cạnh khác nhau của thiết kế và vận hành xe.

Các chu trình lái

4.2.1 Quy Trình Thử Nghiệm Xe Hạng Nhẹ Toàn Cầu (WLTP)

WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure) là quy trình kiểm tra đồng bộ cho xe hạng nhẹ toàn cầu là tiêu chuẩn toàn cầu để xác định mức độ chất ô

64 nhiễm, lượng khí thải CO2 và mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô truyền thống và ô tô hybrid, cũng như các loại xe chạy hoàn toàn bằng điện Đối với xe điện, các quy chuẩn này có thêm một yếu tố nữa để xác định là quãng đường cho xe điện, cũng tương tự việc đo mức tiêu thụ điện của xe

Tiêu chuẩn này được ban hành ngày 1/9/2017 và được áp dụng tại các quốc gia EU

Từ ngày 1/1/2019, WLTP trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với xe ô tô hạng nhẹ mới muốn lưu thông tại Châu Âu và một số quốc gia như Thụy Sĩ, Na Uy, Iceland, Thổ Nhĩ Kỳ, Hoa

Kỳ, Ấn Độ, Nga, Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc, [17]

Tiêu chuẩn WLTP được thiết lập dựa trên các bài thử nghiệm theo chu trình WLTC

- Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC) là những chu trình lái xe khác nhau được phát triển và đại diện cho ba loại xe khác nhau dựa vào thông số PMR được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất định mức (W) / khối lượng không tải (kg)

Bảng 4.1: Chu kỳ kiểm tra WLTC [17]

Chu kỳ kiểm tra WLTC

Loại PMR Các pha tốc độ Ghi chú

Nếu v_max ≥ 70 km/h, giai đoạn 'thấp' được lặp lại sau giai đoạn

Nếu v_max < 70 km/h, pha 'trung bình' được thay thế bằng sự lặp lại của pha 'thấp'

2 34 ≥ PMR > 22 Thấp, Trung bình, Cao

Nếu v_max < 90 km/h, pha 'cao' được thay thế bằng sự lặp lại của pha 'thấp'

Thấp, Trung bình, Cao, Cực cao

Nếu v_max < 135 km/h, pha 'cực cao' được thay thế bằng sự lặp lại của pha 'thấp'

65 Dựa vào thông số nhà sản xuất Vinfast đưa ra trên mẫu xe máy điện Vinfast Klara

S 2022 với công suất định mức P = 1800W và khối lượng không tải M = 112kg ta có tỉ số

112 = = 16.07 < 22 nên ta sẽ sử dụng chu trình lái loại 1

Với tỷ lệ công suất trên khối lượng thấp nhất, WLTC loại 1 là đại diện cho các loại phương tiện được lái ở đô thị, ngoại ô, nông thôn Ấn Độ Các thông số được chọn của chu trình WLTC loại 1 được cho như sau:

Thấp Trung bình Thấp Tổng cộng

Tốc độ tối đa (km/h) 49.1 64.4 49.1

Tốc độ trung bình không tính thời gian dừng (km/h) 27.6 44.6 27.6

Tốc độ trung bình có tính thời gian dừng (km/h) 20.3 39.6 20.3

Thử nghiệm EPA New York City Cycle (NYCC) của Hoa Kỳ đã được phát triển để thử nghiệm các phương tiện hạng nhẹ Bài kiểm tra mô phỏng việc lái xe trong đô thị tốc độ thấp với các điểm dừng thường xuyên [18]

Chu kỳ này mất 598 giây (gần 10 phút) để hoàn thành, với tổng khoảng cách là 1.9 km (1.2 dặm) đã đi Tốc độ tối đa của chu kỳ là 44.6 km/h (27.7 dặm/giờ), với tốc độ trung bình là 11.4 km/giờ (7.1 dặm/giờ) Đồng thời, có 14 các điểm dừng riêng lẻ trong suốt chu kỳ

Hình 4.3: Chu trình NYCC của EPA Hoa Kỳ

Tốc độ trung bình 11.4 km/h

Tốc độ tối đa 44.6 km/h

4.2.3 Chu trình lái Federal Test Procedure Motorcycle 1-B

Chu trình FTP-Motorcycle là chu trình thử nghiệm xe máy trong điều kiện thành phố (Urban) của EPA Federal Test Procedure, Hoa Kỳ [18]

Federal Test Procedure Motorcycle 1-B tương đương tiêu chuẩn FTP dành cho xe máy nhưng khác từ giây 164s đến 332s và giống từ 1533s đến 1701s so với FTP75 Bảng 4.4: Thông tin của chu trình FTP - M

Tốc độ trung bình 51.3 km/h

Tốc độ tối đa 58.7 km/h

Hình 4.4: Chu trình FTP-M của EPA

Mô phỏng động lực học xe máy điện Vinfast Klara S 2022 ở 3 chu trình lái khác nhau bằng MATLAB/Simulink với thông số được cho như bảng 5.1 Sau khi tính toán

68 được động lực học của xe, ta sẽ biết được công suất và mô men cần thiết để chọn động cơ phù hợp với xe

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG XE MÁY ĐIỆN

Xây dựng mô hình hóa xe máy điện

Mô hình hóa là quá trình tạo ra các mô hình, các đại diện trừu tượng hoặc thu nhỏ của các hệ thống, đối tượng hoặc hiện tượng trong thực tế Quá trình này giúp hiểu, phân tích và dự đoán hành vi của các hệ thống phức tạp thông qua việc sử dụng các mô hình đơn giản hơn Mô hình hóa được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Mô hình hóa động lực học của xe máy điện giúp trong việc mô phỏng thử nghiệm xe để đánh giá hiệu suất của xe trong chu trình lái, tính toán các lực như lực cản, lực đẩy và đặc điểm vận hành của xe ảnh hưởng đến việc di chuyển của nó Từ đó ta có thể tính toán hệ thống liên quan khác như hệ thống pin, hệ thống điều khiển…

Hình 5.1: Sơ đồ đơn giản hệ thống năng lượng của xe máy điện

Sử dụng khối Drive Cycle Source để tạo và nhập dữ liệu Drive Cycle Khối cho phép tạo ra thông tin về tốc độ, gia tốc, thời gian của chu trình lái để sử dụng để mô phỏng hoặc phân tích

71 Hình 5.2: Thiết lập chu trình lái khối Drive Cycle Source

Hình 5.3: Xây dựng mô hình chu trình lái thử nghiệm

5.1.3 Xây dựng mô hình các lực tác dụng Để tính được năng lượng tiêu tốn trung bình theo các chu trình lái thử nghiệm, chúng ta phải xem xét các loại lực cản khi xe di chuyển trên đường Các lực cản chính bao gồm:

Lực quán tính: lực xuất hiện khi xe có sự thay đổi về vận tốc của nó

Lực cản lăn: lực do ma sát giữa lốp xe và mặt đường

Lực cản dốc: lực do trọng lực khi xe di chuyển lên hoặc xuống dốc

Lực cản gió: lực do không khí cản trở xe khi di chuyển

72 Dưới đây là các thông số kỹ thuật của xe máy điện VinFast Klara S 2022: [1] Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật Vinfast Klara S 2022 [1]

Thông số Giá trị Đơn vị

Khối lượng xe và pin 112 kg

Tốc độ tối đa 78 km/h

Chiều dài cơ sở 1313 mm

Khoảng sáng gầm xe 125 mm

Hình 5.4: Động lực học xe máy điện

• M là khối lượng toàn bộ của xe (kg)

• g là gia tốc trọng trường (m/s 2 )

• fr là hệ số cản lăn giữa bánh xe với mặt đường

• α là góc dốc mặt đường (rad)

Trong ba chu trình lái mô phỏng được sử dụng để kiểm tra, xe chạy trên đường bê tông khô nên hệ số ma sát lăn sẽ nằm trong khoảng từ 0.010 đến 0.015, ta sẽ chọn fr 0.011 Xe chạy mô phỏng trên đường bằng phẳng nên độ dốc α = 0 (rad) [19]

Hình 5.6: Lực cản leo dốc

Hình 5.7: Lực cản không khí

• rho: Khối lượng riêng không khí (kg/m 3 )

• Cd : Hệ số cản không khí (Ns 2 /m 4 )

• Af : Diện tích mặt cản gió (m 2 )

Hình 5.8: Thông số động học của một số loại xe [20]

75 Hình 5.9: Diện tích cản không khí của xe máy [21] Ở nhiệt độ 25 o C và áp suất 0.103 MPa thì rho = 1.25 (kg/m 3 ) [22] Dựa vào bảng hệ số cản không khí và diện tích cản của các loại xe ta có thể chọn Cd = 0.6 (Ns 2 /m 4 ) Diện tích cản Af = 0.9 m 2 Vận tốc gió va = 0 m/s [19]

Hình 5.10: Lực cản quán tính i i

Với I là hệ số tính đến ảnh hưởng của khối lượng quay Cho I =1 trong mô hình g là gia tốc trọng trường g = 9.81 (m/s 2 )

+ Phương trình động lực học: tot i r s a

• Ftot: Lực cản tổng cộng (N)

• Fa: Lực cản không khí (N)

Từ phương trình (5.5) ta sẽ tính toán được lực kéo yêu cầu để xe có thể di chuyển được Từ đó, áp dụng phương trình (5.6) ta sẽ tính được công suất của động cơ điện cần để cung cấp cho xe

Hình 5.11: Mô hình hóa động lực học trên MATLAB/Simulink

Ta có thể thấy rằng với mô hình hóa xe máy điện trên, có nhiều hệ số ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả mô phỏng có thể kể đến như: cân nặng người lái, hệ số cản lăn fr, hệ số cản không khí Cd, diện tích cản xe Af, … Để xem xét sự ảnh hưởng của Cd Af và khối lượng xe tới động lực học của xe cũng như tính toán công suất yêu cầu của động cơ, ta sẽ lấy chu trình lái WLTC loại 1 làm một chu trình lái chuẩn để đánh giá Chú ý rằng với mỗi thông số được thay đổi để đánh giá, các thông số còn lại sẽ giữ nguyên

+ Tính toán công suất tổng cộng P tot (W) tot tot *

• Ptot: công suất tổng cộng

• Ftot: lực cản tổng cộng

Xe máy điện Vinfast Klara S 2022 sử dụng động cơ điện Inhub truyền động trực tiếp ở bánh xe sau nên mô hình được tạo ra có tỉ số truyền i= 1 e b i n

• ne là số vòng quay động cơ

• nb là số vòng quay bánh xe

Ta xem như hiệu suất dẫn động từ động cơ sang bánh xe ntd=1

Bảng 5.2: Thông số xe cho mô phỏng

Thông số xe Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Khối lượng (xe và 1 người 65kg) M 177 kg

Hệ số cản lăn fr 0.011

Diện tích cản gió Af 0.9 m 2

Gia tốc trọng trường g 9.81 m/s 2 Độ dốc α 0 độ

Hệ số ảnh hưởng khối lượng quay δi 1

Hệ số cản gió Cd 0.6 Ns 2 /m 4

Mật độ không khí rho 1.25 kg/m 3

Hiệu suất truyền động ηtd 1

Phân tích ảnh hưởng các hệ số tới tính độ chính xác của mô hình

5.2.1 Khi khối lượng M thay đổi

Hình 5.12: Ảnh hưởng tải trọng xe so với công suất yêu cầu của động cơ

Nhận xét: Tải trọng của xe đối với công suất yêu cầu của động cơ là một yếu tố quyết định đối với hiệu suất và hiệu quả của nó Khi tải trọng tăng lên, động cơ phải làm việc với công suất cao hơn để vận hành xe và vượt qua các trở ngại như ma sát và trọng lực Điều này có thể dẫn đến tiêu thụ nhiên liệu cao hơn và giảm hiệu suất tổng thể của xe Hơn nữa, việc hoạt động ở mức công suất cao có thể gây ra mài mòn nhanh chóng và làm giảm tuổi thọ của động cơ Do đó, trong quá trình thiết kế và vận hành xe, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa hiệu suất và năng lượng tiêu thụ để đảm bảo rằng xe có thể vận hành một cách hiệu quả nhất có thể trong mọi điều kiện tải trọng

Với khối lượng M = 112kg tương đương khối lượng không tải của xe ta thấy Ptot xấp xỉ 2200W còn khi khối lượng M $2 kg tương đương xe chở tối đa tải trọng cho phép của xe Ptot cao nhất đạt trên 3000W Điều này chứng tỏ rằng khi khối lượng tăng thì xe cần một công suất lớn hơn để kéo xe chuyển động Chú ý rằng xe đang đáp ứng vận tốc theo chu trình lái WLTC nên kết quả có sự chênh lệch đó, những chu trình lái xe khác nhau sẽ cho ra chênh lệch khác nhau

5.2.2 Khi diện tích cản không khí A f thay đổi

Hình 5.13: Ảnh hưởng của diện tích cản không khí Af đối với lực kéo của xe

Nhận xét: Diện tích cản không khí (Af) đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến lực kéo của xe Khi diện tích cản không khí tăng lên, lực kéo cũng sẽ tăng theo Điều này là do với diện tích lớn hơn, xe phải đẩy và phải vượt qua một lượng không khí lớn hơn trong quá trình di chuyển, tạo ra một áp suất kháng cự cao hơn Do đó, lực kéo sẽ tăng tương ứng

Trong thiết kế xe, việc giảm diện tích cản không khí có thể là một mục tiêu quan trọng để cải thiện hiệu suất nhiên liệu và tăng cường hiệu suất tổng thể của xe Các biện pháp như cải thiện hình dáng xe, giảm tỉ lệ hỗn hợp và tối ưu hóa thông gió có thể được thực hiện để giảm diện tích cản không khí

Khi Af thay đổi từ 0.7 – 0.9, lực kéo Ftot có sự thay đổi nhưng nhìn chung sự thay đổi rất nhỏ Với Af = 0.7, Ftot = 143.8N trong khi Af = 0.9, Ftot = 150.8N chênh lệch 4.64% Với độ chênh lệch nhỏ đó, khi dùng để mô phỏng động lực học, ta có thể xem rằng kết quả mô phỏng có độ chính xác cao vì độ sai số nhỏ

5.2.3 Khi hệ số cản không khí C d thay đổi

Hình 5.14: Ảnh hưởng của hệ số cản không khí Cd đối với lực kéo của xe

Nhận xét: Hệ số cản không khí (Cd) đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến lực kéo của xe Cd thể hiện mức độ kháng cự của xe với không khí khi di chuyển, và nó càng nhỏ thì khả năng cản trở từ không khí càng ít Khi Cd giảm, tức là xe được thiết kế sao cho tạo ra ít sự cản trở với không khí hơn, lực kéo cũng giảm đi Điều này là do xe gặp ít sự kháng cự hơn từ không khí trong quá trình di chuyển, giảm áp lực và lực cản tạo ra Việc giảm Cd là một mục tiêu quan trọng để cải thiện hiệu suất nhiên liệu và tăng cường hiệu suất tổng thể của xe Điều này có thể đạt được thông qua các biện pháp như cải thiện hình dáng xe, tối ưu hóa luồng không khí xung quanh…

Kết quả mô phỏng cho thấy Cd thay đổi 0.5-0.7 lực kéo Ftot có sự thay đổi khá đáng kể Ftot dao động từ 138.1N- 158.4N tương đương với 1.14% cao hơn khi Cd thay đổi Khi xe chạy với vận tốc càng cao, hệ số Cd ảnh hưởng càng lớn, nhưng đối với xe máy điện chạy trong nội thành thành phố thì việc chạy quá cao là chưa thật sự cần thiết, bên cạnh đó, so với tổng cộng lực tác dụng vào xe Ftot, lực cản không khí Fa còn phụ thuộc nhiều điều kiện môi trường, mật độ không khí Nên ta có thể xem như ảnh hưởng thay đổi nhỏ trong

Cd là chấp nhận được trong mô hình mô phỏng động lực học của xe

Phân tích kết quả từ quá trình mô phỏng xe máy điện

Sau khi đã phân tích được ảnh hưởng tử các dữ liệu thay đổi đến độ tin cậy của mô hình, ta tiến hành mô phỏng động lực xe dựa trên các thông số được cho trong bảng sau:

Hình 5.15: Đồ thị lực kéo, mô men và công suất yêu cầu qua chu trình WLTC

Hình 5.16: Đồ thị lực kéo, mô men và công suất yêu cầu qua chu trình NYCC

82 Hình 5.17: Đồ thị lực kéo, mô men và công suất yêu cầu qua chu trình FTP-M

Bảng 5.3: Kết quả mô phỏng

Chu trình lái Ftot (N) Torque (Nm) Ptot (W)

Nhận xét: Dựa vào kết quả thu được từ mô phỏng động lực học của xe qua các chu trình lái khác nhau ta nhận xét:

• Đối với chu trình lái WLTC loại 1, vận tốc tối đa của xe là 64.4km/h và gia tốc tối đa 0.76 m/s 2 xe cần một công suất tương đối lớn P ≥ 2788W để có thể đáp ứng được chu trình Nhưng bù lại việc gia tốc thấp đồng nghĩa với việc tốc độ xe thay đổi không đột ngột nhiều nên mô men của động cơ yêu cầu thấp T ≥ 38.24Nm

• Đối với chu trình NYCC tốc độ tối đa 44.6 km/h và gia tốc tối đa 1.67m/s 2 thì xe sẽ cần một lực kéo lớn hơn là F ≥ 320.7N nhưng vì tốc độ tối đa chu trình NYCC thấp hơn so với WLTC loại 1 nên công suất yêu cầu P ≥ 2329W Gia tốc cao, xe thay đổi

83 vận tốc liên tục và đột ngột dẫn đến việc mô men cần thiết để xe đi hết chu trình là

• Chu trình FTP-M là chu trình có quãng đường và thời gian mô phỏng lớn nhất trong ba chu trình lái lần lượt là 15.46km và 1874s Với tốc độ tối đa của xe 58.7km/h trong khoảng thời gian kéo dài cùng thời điểm xe tăng tốc lên vận tốc tối đa và phanh cho xe dừng sau đó lại tăng lên vận tốc tối đa nên lực tác dụng lên xe và công suất động cơ sẽ cao F ≥ 312.9N và P ≥ 3327W

Sau khi nhận xét kết quả từ các chu trình lái thử nghiệm, ta có thể chọn động cơ điện phù hợp với xe với điều kiện đặt ra là động cơ phải có công suất tối đa đủ để đáp ứng chu trình, mô men xoắn cung cấp đủ cho xe tăng tốc trong điều kiện vận hành cũng như chi phí trong tầm phân khúc Ta thấy rằng Vinfast Klara S 2022 với thông số được cho là công suất tối đa hơn 3000W hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra Thông số động cơ Vinfast Klara S 2022 70.4V-1800W với mức danh định nhưng thực tế điện áp tối đa động cơ có thể lên tới 74V- 3000W nên việc đáp ứng chu trình FTP-M là điều hoàn toàn có thể

Chú ý rằng kết quả mô phỏng cho phép tính toán và đánh giá kết quả dựa trên chu trình lái tiêu chuẩn Điều kiện vận hành thực tế còn tính đến lực cản của gió, điều kiện vận hành, chất lượng mặt đường, tải trọng xe, hiệu suất mất mát… Ta đã bỏ qua được một số sai số nhỏ nhưng nhìn chung chu trình lái và mô hình mô phỏng động lực học của xe trên MATLAB/Simulink đã xây dựng hoàn toàn có cơ sở và tính tin cậy cao.

Tính toán hệ thống năng lượng cho xe máy điện

Mô hình sau được thử nghiệm với 3 chu trình lái WLTC loại 1, NYCC và FTP-M với khối lượng mô phỏng M = 177kg gồm khối lượng xe 112kg là một người 65kg

Ta có mối quan hệ giữa tổng công suất theo thời gian Ptot (W) và tổng năng lượng tiêu thụ Etot (Wh) theo phương trình: [22] tot tot *

Sau khi đã tính được tổng năng lượng tiêu tốn, ta chia cho quãng đường đã thực hiện mô phỏng để thu được năng lượng tiêu tốn trung bình trong chu trình lái Lưu ý rằng khi xe tăng tốc, Ftot sẽ có giá trị dương, dẫn đến Ptot và Etot đều dương, nghĩa là năng lượng tiêu

84 tốn theo thời gian sẽ tăng Ngược lại, khi xe phanh, Ftot sẽ âm, do đó Ptot và Etot sẽ âm, nghĩa là năng lượng tiêu tốn theo thời gian sẽ giảm [19]

Hình 5.18: Sơ đồ tính toán năng lượng tiêu tốn trung bình trên MATLAB/Simulink Sau khi chạy chương trình ta sẽ có được năng lượng tiêu tốn trung bình Ep (Wh/km) Bảng 5.4: Kết quả năng lượng tiêu tốn trung bình

Chu trình lái Năng lượng tiêu tốn trung bình Ep (Wh/km)

Hình 5.19: Năng lượng tiêu hao theo thời gian Nhận xét: Năng lượng tiêu tốn trung bình Ep ảnh hưởng nhiều do chu trình lái được thử nghiệm, với chu trình lái WLTC loại 1 và FTP-M và NYCC lần lượt có quãng đường

85 đi được trong thời gian mô phỏng và thời gian mô phỏng là 11.41km trong 1612s; 15.46km trong 1874s; 1.89km trong 598s nên dễ dàng thấy rằng năng lượng tiêu tốn trung bình sẽ có sự khác biệt rõ giữa 3 chu trình Chu trình FTP-M có năng lượng tiêu tốn trung bình cao nhất, gần như gấp đôi so với NYCC

Chú ý các thông số mô phỏng như khối lượng, hệ số cản gió, hệ số cản mặt đường… đều được giữ nguyên trong mô phỏng Kết quả năng lượng tiêu tốn trung bình khác nhau là do sự ảnh hưởng của vận tốc chu trình, thời gian và quãng đường mô phỏng Ta nhận thấy rằng khi xe chạy với tốc độ cao hơn thì năng lượng tiêu tốn trung bình có xu hướng cao hơn

Hình 5.20: Tổng năng lượng tiêu tốn cả 3 chu trình khi phân tích tăng, giảm tốc

Sau khi tính được năng lượng tiêu tốn trung bình để chuyển động Ep bằng cách sử dụng chu trình lái, cần lưu ý rằng hệ thống pin không chỉ cung cấp năng lượng để xe di chuyển mà còn phải cung cấp điện cho các hệ thống phụ trợ khác như còi, đèn đầu, đèn đuôi, và các thiết bị điện tử khác

Năng lượng tiêu tốn trung bình cho các hệ thống phụ trợ, Eaux (Wh/km), được tính tương tự như phần năng lượng tiêu tốn cho chuyển động Các hệ thống phụ trợ được chia thành hai loại: loại hoạt động liên tục (như đèn đầu, đèn HMI, ) và loại hoạt động gián đoạn (như đèn xi-nhan, còi, )

Ta có năng lượng tiêu tốn cho các hệ thống phụ:

• Tải liên tục: Đèn đầu, cụm đồng hồ đa chức năng HMI

• Tải gián đoạn: Còi, đèn phanh, đèn báo rẽ, đèn pha

Bảng 5.5: Công suất tiêu hao của các tải liên tục trên xe

Tải liên tục Công suất (W) Đèn đầu 36

Cụm đồng hồ đa chức năng HMI (màn hình KTS 4,5) 10

Bảng 5.6: Công suất tiêu hao của các tải gián đoạn trên xe

Tải gián đoạn Công suất (W)

Còi 25 Đèn phanh 12 Đèn báo rẽ 18 Đèn pha 55

Tổng cộng 110 Để tính được công suất của các tải gián đoạn ta phải nhân với hệ số hoạt động được ước tính khoảng 10% (10% * 110 = 11 W) Sau đó ta cộng với công suất tiêu thụ của tải liên tục ta sẽ được công suất tiêu tốn của các hệ thống phụ: Paux = 46 + 11 = 57 (W)

Sau khi tính được tổng năng lượng tiêu thụ cho hệ thống phụ trợ trong chu trình lái, chúng ta có thể xác định năng lượng tiêu tốn trung bình cho các hệ thống phụ trợ - Eaux Điều này được thực hiện bằng cách chia tổng năng lượng tiêu thụ cho quãng đường di chuyển

Năng lượng tiêu tốn trung bình cho các hệ thống phụ: Eaux (Wh/km) au aux P x

Trong đó: t: thời gian của chu trình lái (h)

87 s: quảng đường đi được (km)

Hình 5.21: Tổng năng lượng tiêu tốn cho hệ thống phụ trợ Eaux trên matlab

Bảng 5.7: Kết quả năng lượng tiêu tốn cho hệ thống phụ trợ

Chu trình Thời gian (h) Quãng đường di chuyển (km)

Tổng năng lượng tiêu tốn cho hệ thống phụ trong chu trình lái Eaux (Wh/km)

Chú ý rằng năng lượng tiêu tốn được tính dựa trên công thức: [23] tot p aux

• Etot là năng lượng tổng cộng do hệ thống pin cung cấp

• Ep là năng lượng để cung cấp cho động cơ hoạt động

• Eaux là năng lượng cung cấp cho các hệ thống phụ trên xe như : còi, đèn, …

• Ƞp: hiệu suất truyền động từ điện năng thành chuyển cơ năng Ta coi như Ƞp = 0.9 nên

Hình 5.22: Năng lượng tiêu tốn tổng cộng Etot

Bảng 5.8: Năng lượng tiêu tốn tổng cộng Etot

Chu trình Năng lượng tiêu tốn tổng cộng Etot (Wh/km)

Với kết quả từ mô phỏng, ta có được giá trị năng lượng tiêu tốn tổng cộng của toàn bộ xe máy điện từ các chu trình lái Từ đây ta sẽ tính toán hệ thống năng lượng cần cung cấp và quãng đường xe có thể di chuyển được khi sử dụng hệ thống năng lượng và chu trình lái Với các chu trình lái khác nhau thì năng lượng tiêu tốn cũng khác nhau, do đặc tính và phù hợp của các quốc gia, yêu cầu về cơ sở đường xá, giao thông, điều kiện khí hậu và chu trình lái phù hợp nhất sẽ được dùng để đánh giá và tính toán hệ thống năng lượng

Ta thấy rằng năng lượng tiêu tốn tổng cộng có sự chênh lệch tương đối ít do cả ba chu trình đều có thông số gần giống với điều kiện vận hành của xe máy điện

89 Hình 5.23: Năng lượng tiêu thụ thay đổi khi thay đổi tải trọng xe

Nhận xét: Khi tải trọng tăng lên, năng lượng tiêu thụ của xe sẽ tăng theo Đối với cùng một chu trình lái, khi thời gian càng dài thì năng lượng tiêu thụ sẽ càng chênh lệch rõ ràng hơn, quan sát thấy từ 0s tới hơn 150s đầu, năng lượng tiêu thụ chênh lệch rất ít nhưng từ 800s tới 1600s sự chênh lệch rất lớn

Với tải trọng 112kg năng lượng tiêu thụ ở 1600s khoảng 15.54Wh/km, trong khi đó, tải trọng 242kg tiêu tốn hết 19.86Wh/km Khi thời gian tăng, quãng đường di chuyển sẽ tăng, từ đó ta có thể so sánh năng lượng tiêu tốn theo đơn vị Wh/km rõ ràng hơn Kết quả từ mô phỏng gần như chính xác so với lí luận ban đầu.

Tính toán hệ thống pin

Pin của một chiếc xe máy điện có hai mục đích chính Mục đích đầu tiên là cung cấp nguồn điện cho động cơ điện Mục đích thứ hai là cung cấp nguồn điện cho tất cả các thiết bị điện tử và phụ trợ khác trên xe Trong thiết kế nguồn pin cho xe điện, việc lựa chọn công nghệ và loại tế bào pin là yếu tố cực kỳ quan trọng Các tế bào pin được kết nối nối tiếp để đạt được điện áp định mức của động cơ và kết nối song song để đạt được dòng xả mong muốn của động cơ Ở xe máy điện Klara S 2022, nhà sản xuất Vinfast đã dùng bộ pin LiFePo4 (LFP) thay vì pin Lithium ion như các mẫu xe máy điện phiên bản trước [1]

Ta mô phỏng và tính toán hệ thống pin của xe dựa vào thông số như bảng sau:

90 Bảng 5.9: Thông số cho hệ thống pin

Thông số xe Giá trị Đơn vị

Khối lượng xe (toàn bộ xe và một người 65kg) 177 kg

Hiệu suất biến đổi điện năng sang cơ năng 0.9

Công suất tiêu thụ tải phụ trợ 57 W

Cell pin được chọn để tính toán là Gotion 52Ah 3.2V LiFePo4 Battery IFP28148115A vì các thông số gần giống với thông số pin của nhà sản xuất nhất

Gotion 52Ah 3.2V LiFePo4 Battery IFP28148115A

Hình 5.24: Cell pin Gotion IFP28148115A Bảng 5.10: Thông số cell pin Gotion 52Ah 3.2V LFP IFP28148115A [24]

Dung lượng danh định 52Ah Điện áp danh định 3.2V Điện trở trong 0.5mΩ ≤ R ≤ 1mΩ

Trọng lượng 0.966±0.03kg chọn 0.995kg

Ta sẽ tính toán hệ thống pin và quãng đường di chuyển tối đa cho 3 chu trình lái là WLTC loại 1, NYCC và FTP-M để nhận xét và đánh giá khách quan nhất Thông số pin của Vinfast đưa ra cho Klara S 2022 được cho trong bảng sau:

Bảng 5.11: Thông số pin xe máy điện Vinfast Klara S 2022 [1]

Công suất danh định 3500 W Dung lượng danh định 48 Ah Điện áp danh định 70.4 V

Tiến hành xây dựng mô hình tính toán hệ thống năng lượng của xe dựa vào những dữ liệu có được:

Thể tích của mỗi cell pin Vcc:

− Hbc (m): Chiều cao 1 cell pin

− Lbc (m): Chiều dài 1 cell pin

− Wbc (m): Chiều rộng 1 cell pin

Năng lượng của một cell pin E bc :

− Cbc (Ah): Dung lượng 1 cell pin

− Ubc (V): Điện áp 1 cell pin

Năng lượng riêng theo thể tích Uv:

Năng lượng riêng theo khối lượng U G :

− mbc : khối lượng một cell pin (kg)

Ta sẽ chọn điện áp điện áp danh định của hệ thống pin là Ubp = 70.4V như nhà sản xuất công bố Ta hiểu 70.4V là điện áp danh định của hệ pin khi hoạt động nhưng khi chưa có kết nối với tải điện áp hệ có thể lên tới 72V

Hình 5.25: Sơ đồ khối tính toán pin

Số cell pin mắc nối tiếp N cs :

Năng lượng của một chuỗi cell pin nối tiếp E bc (Wh) được tính theo công thức:

Số chuỗi nối tiếp mắc song song N sb được tính theo công thức:

Số cell pin có trong hệ thống pin N cb :

Hình 5.26: Sơ đồ tính toán số lượng cell pin

94 Hình 5.27: Mô phỏng pin trên MATLAB/Simulink

Dòng xả liên tục của một hệ thống pin I dc :

Dòng xả cực đại của hệ thống pin I dm :

Công suất danh định của hệ thống pin P bn :

Công suất cực đại của hệ thống pin P bm :

Khối lượng của cả hệ thống pin m bp :

Thể tích của cả hệ thống pin V bp :

95 Hình 5.28: Sơ đồ tính toán khối lượng và thể tích hệ thống pin

Năng lượng của hệ thống pin E bp :

Hình 5.29: Thông số hệ thống pin trên MATLAB/Simulink Quãng đường di chuyển tối đa theo chu trình lái thực nghiệm sau khi tính toán được thông số hệ thống năng lượng của xe

Bảng 5.12: Kết quả quãng đường di chuyển từ các chu trình lái

Chu trình lái Quãng đường (km) WLTC loại 1 161.61

Hình 5.30: Quãng đường di chuyển tối đa theo chu trình Nhận xét: Với quãng đường tối đa xe di chuyển được từ mô phỏng, ta có thể dự đoán được 80- 90% quãng đường thực tế xe có thể di chuyển được Do yếu tố hiệu suất chuyển hóa từ hệ thống pin tới hệ thống truyền động và hệ thống quản lí pin BMS đều có thể gây ra mất mát năng lượng đáng kể, nên kết quả quãng đường di chuyển được từ mô phỏng thường nhiều hơn quãng đường thực tế của xe khi di chuyển trên đường

Tuy nhiên, với những tính toán và dự đoán trước về hệ thống năng lượng của xe, ta sẽ biết được kích thước, khối lượng xe cũng như khối lượng pin, quãng đường tối đa xe di chuyển được dựa vào chu trình lái xe và tính hiệu quả kinh tế khi xây dựng bộ pin cũng như khả năng an toàn khi vận hành và ổn định của xe máy điện

97 Hình 5.31: Khối pin LFP của Vinfast Klara S 2022

Hình 5.32: Bên trong khối pin LFP Klara S 2022

Tính toán hệ thống pin thay thế cho xe máy điện Klara S 2022

Để thấy sự thay đổi về thể tích, khối lượng, năng lượng và tính kinh tế, an toàn của hệ thống năng lượng trên xe máy điện Vinfast Klara S 2022, ta sẽ thay thế pin sử dụng bằng pin axit chì và cell pin lithium ion

5.6.1 Tính toán hệ thống năng lượng mới sử dụng pin axit chì

Thông số pin được sử dụng là ắc quy được sử dụng trên dòng xe Vinfast Feliz, Vinfast Feliz được trang bị ắc quy chì axit với gồm 6 bình bố trí nối tiếp, dung lượng cao dao động từ 20-22Ah Tiến hành tính toán hệ pin mới cho Vinfast Klara S 2022 theo thông số ắc quy sau:

Tên ắc quy: 6-DZF-20 REGULAR MODEL [25]

Hình 5.33: Ắc quy axit chì Khi tạo ra một khối pin axit chì có thông số gần giống như hệ pin LFP 72V- 48Ah ta cần 12 ắc quy, theo chiều nối tiếp có 6 dãy cho điện áp tối đa 72V và theo chiều song song có 2 ắc quy cho dung lượng 44 Ah Điện áp tối đa của bộ nguồn là: 12*6rV

Dung lượng: 22*4 44AhKhối lượng: 12*6.5 = 78kg

99 Hình 5.34: Bộ pin ắc quy chì axit Nhận xét: Sau khi thay đổi bộ pin cho xe, khối lượng xe tăng lên khá nhiều- 78/28~ 2.8% Điều này làm thay đổi đáng kể tính năng động lực học của xe và khó hơn trong việc bố trí hệ thống pin cũng như tính toán sức bền chịu tải hệ thống khung sườn… Bộ nguồn mới có 12 ắc quy axit – chì có khối lượng 78 kg chưa tính đến BMS và khung vỏ, dây dẫn, khung gá pin…, không những làm tăng khối lượng, bộ nguồn ắc quy còn chiếm phần lớn thể tích ngăn chứa đồ của xe gây bất tiện trong việc sử dụng

Việc dùng pin axit chì còn có hạn chế về thời gian sạc pin Trong khi pin LFP sạc trong thời gian khoảng 6 giờ thì pin axit chì sạc 0% - 100% dung lượng trong 12 giờ [13]

5.6.2 Tính toán hệ thống năng lượng mới sử dụng pin Lithium-ion

Sau đây ta sẽ chọn loại pin INR18650-25R của hãng SAMSUNG Cell pin của SAMSUNG được áp dụng trên nhiều mẫu xe máy điện của Vinfast Để so sánh lí do Vinfast thay đổi pin Lithium bằng pin LFP ở Vinfast Klara S 2022, nhóm đã chọn INR18650-25R làm pin để tính toán Thông số của pin được trình bày trong bảng sau: [26]

Bảng 5.13: Thông số của pin INR18650-25R

Hình dạng Hình trụ Khối lượng m bc (kg) 0.045

Model INR18650-25R Dung lượng C bc (Ah) 2.5 Chiều dài L bc (m) 0.065 Điện áp U bc (V) 3.6 Đường kính D bc (m) 0.0185 Dòng xả tối đa (A) 20

100 Hình 5.35: Pin lithium- ion SAMSUNG INR18650-25R Để có được bộ nguồn tương đương với bộ nguồn 72V- 48Ah, ta ghép nối 400 cell pin với nhau, theo chiều nối tiếp có 20 dãy cho điện áp tối đa 72V và theo chiều song song có 20 cell cho dung lượng 50 Ah: Điện áp tối đa của bộ nguồn là: 20*3.6rV

Dung lượng: 20*2.5 50AhKhối lượng: 400 * 0.045 = 18kg

4  Hình 5.36: Bộ pin lithium-ion Dựa trên cách tính trên, bộ nguồn mới có thông số 72V-50Ah Với khối lượng chỉ

18 kg và thể tích khoảng 7 lít, bộ nguồn này nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn so với ắc quy truyền thống có thông số tương đương, thể hiện rõ ưu điểm thiết kế của pin Lithium-ion so với ắc quy thông thường

101 Nhận xét: Chúng ta có thể tính khối lượng của hệ thống pin bằng cách nhân khối lượng của một cell pin với số lượng cell, nhưng kết quả này thường không chính xác so với thực tế Điều này là do hệ thống pin còn bao gồm nhiều thành phần khác như dây dẫn, mạch điện tử, mối hàn, hệ thống giải nhiệt và giá đỡ để gắn vào thân xe Những thành phần này làm tăng khối lượng và thể tích của hệ thống so với tính toán ban đầu

5.6.3 Tính kinh tế của các loại pin

Phân tích, so sánh đơn giản về giá thành các loại pin khi xây dựng hệ thống pin ta sẽ có như sau:

Bảng 5.14: Hệ thống năng lượng khi thay đổi loại pin

Loại hệ thống pin Thông số Khối lượng

Bảng 5.15: Chi phí bộ pin với các loại pin khác nhau

Loại pin Pin LFP 52Ah 3.2V

IFP28148115A Ắc quy axit chì 6-DZF-20 12V 22Ah

Pin 18650 SAMSUNG Li-ion 3.7V 2500mAh

Số lượng để xây bộ pin 22 12 400

Tổng chi phí 11 000 000vnđ 5 976 000vnđ 18 000 000vnđ

Nhận xét: Sau khi tính toán được giá thành để xây dựng bộ pin với các thông số đáp ứng như pin của nhà sản xuất ta thấy rằng việc thay đổi sang dùng ắc quy là không phù hợp nhất, tuy rằng giá thành rẻ hơn với giá thành pin của xe nhưng khối lượng và thể tích của bộ pin xây dựng từ pin ắc quy chì này quá lớn, không những làm khó khăn trong việc thiết kế xe một cách thẩm mĩ mà còn khiến người dùng khó di chuyển với trọng lượng của bộ pin đã lên tới 78 kg Về loại pin Lithium-ion ta có thể thấy giá thành rất mắc so với bộ pin của nhà sản xuất, điều này có thể dẫn tới giá xe tăng lên cao và có thể gây khó khăn nhiều

102 trong việc cạnh tranh giá với các đối thủ cạnh tranh trong phân khúc xe máy điện này Nhưng điều này cũng có thể được cân nhắc bởi bộ pin được xây dựng bằng pin Lithium có khối lượng và thể tích nhỏ hơn là một điểm cộng trong việc thiết kế chiếc xe tinh gọn Đó là những đánh giá sơ bộ về pin của nhà sản xuất với các loại pin được dùng để thử nghiệm thay thế, ta có thể thấy nhà sản xuất đã lựa chọn loại pin phù hợp nhất về các yếu tố như giá thành rẻ, độ an toàn cao, tuổi thọ dài, trọng lượng và thể tích nhỏ giúp dễ dàng thiết kế bộ pin Giá bán hiện tại của pin Vinfast Klara S 2022 là 19 900 000VNĐ/ pin LFP [27] nên có thể thấy việc sử dụng pin LFP mang đến sự an toàn và lợi nhuận cao hơn khi sử dụng pin Lithium-ion