CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN2.1 Sự hình thành và phát triển của xe điện Xe điện là loại phương tiện giao thông đường bộ sử dụng năng lượng điện để di chuyển thay vì sử dụng nhiên liệu
TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN
Sự hình thành và phát triển của xe điện
Xe điện là loại phương tiện giao thông đường bộ sử dụng năng lượng điện để di chuyển thay vì sử dụng nhiên liệu như xăng hoặc dầu diesel như các loại xe truyền thống Điều này có nghĩa là xe điện sử dụng năng lượng pin để cung cấp cho động cơ điện, giúp chúng không gây ra khí thải Xe điện được xem là một phần của nỗ lực toàn cầu để giảm lượng khí thải và ô nhiễm từ phương tiện giao thông đường bộ, đồng thời xe điện cũng mang lại những lợi ích về tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành
Năm 1859, nhà vật lý người Pháp Gaston Planté đã tiến hành phát minh pin sạc Công nghệ pin này đã được sử dụng trong xe điện của Gustave Trouvé, một nhà phát minh người Pháp Chiếc xe ba bánh của nhà sáng chế người anh James Starley được trang bị động cơ điện và pin sạc trở thành phương tiện sử dụng năng lượng điện để di chuyển đầu tiên trên thế giới
Năm 1884, chiếc xe điện đầu tiên ở London sử dụng pin có hiệu suất cao được và được thiết kế đặc biệt bởi kỹ sư Thomas Parker Vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, việc này đã đánh dấu sự bắt đầu của xe điện như một phương thức phổ biến tạo sự thúc đẩy Vào những năm 1890-1891, William Morrison đã chế tạo ra một mẫu ô tô có thể đạt tốc độ 23 km/h Khoảng 5 năm sau, nhà thiết kế người Mỹ Albert L Ryker đã cho ra mắt chiếc xe điện ba bánh của mình Lúc này, người Mỹ bắt đầu chú ý đến xe điện
Lịch sử xe điện cho thấy tiềm năng to lớn của loại phương tiện này Cùng những ưu điểm vượt trội, xe điện được dự đoán sẽ là phương tiện giao thông chủ đạo trong tương lai, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển bền vững.
Phân loại xe điện
❖ Tổ hợp cấu trúc xe điện hiện nay có 3 kiểu:
- Xe điện - Battery Electric Vehicle (BEV)
- Xe dùng pin nhiên liệu - Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)
- Xe Hybrid cắm điện - Plug-in Electric Vehicle (PHEV)
2.2.1 Xe điện - Battery Electric Vehicles (BEV)
Xe điện BEV (Battery Electric Vehicle) là loại xe sử dụng hoàn toàn động cơ điện, được cung cấp năng lượng từ pin tích trữ trên xe BEV không thải ra khí thải trực tiếp, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống Đặc điểm nổi bật của BEV là hoạt động hoàn toàn bằng điện, không sử dụng động cơ đốt trong, nạp điện từ nguồn điện bên ngoài BEV không thải ra khí thải trực tiếp, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và vận hành êm ái, ít tiếng ồn hơn so với xe chạy xăng BEV cũng có hiệu suất cao, khả năng tăng tốc nhanh
BEV được phân loại thành 3 loại: BEV cỡ nhỏ phù hợp di chuyển trong thành phố, BEV cỡ trung phù hợp cho gia đình và BEV cỡ lớn thường là SUV hoặc xe tải
BEV thường được xây dựng với một hệ thống pin lớn để lưu trữ năng lượng, có thể được sạc lại từ nguồn điện trực tiếp hoặc thông qua mạng lưới điện Các loại pin thường sử dụng trong xe điện bao gồm pin lithium-ion, pin niken hydride và pin chì-axit
Hình 2 2: Mô hình xe BEV
- Là bộ phận quan trọng nhất, cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống xe
- Pin lithium-ion với ưu điểm dung lượng cao, tuổi thọ dài và hiệu suất tốt
- Vị trí đặt pin có thể khác nhau tùy theo thiết kế xe, thường nằm dưới sàn xe hoặc ở hai bên sườn xe
- Có nhiều loại cổng sạc khác nhau, phổ biến nhất là CCS2 và Type 2
- Dung lượng pin và công suất bộ sạc quyết định thời gian sạc
- Cung cấp năng lượng cơ học giúp xe di chuyển
- BEV thường sử dụng động cơ điện không chổi than (brushless) với hiệu suất cao và độ ồn thấp Số lượng động cơ điện có thể khác nhau tùy theo thiết kế xe, phổ biến là
Quản lý việc cung cấp năng lượng từ pin cho động cơ điện, điều khiển tốc độ và momen xoắn của động cơ Bộ điều khiển còn có chức năng bảo vệ pin, chống quá tải, quá nhiệt,
▪ Bộ chuyển đổi DC/AC
Dòng điện DC của pin được chuyển đổi thành dòng điện AC Sau khi biến đổi sẽ được cấp cho động cơ điện Bộ chuyển đổi còn có chức năng thu hồi năng lượng phanh, giúp tái sử dụng năng lượng sinh ra khi phanh xe để sạc lại pin
▪ Bộ chuyển đổi DC/DC
Giúp chuyển đổi nguồn điện DC cao áp của pin thành nguồn điện DC áp thấp để cung cấp cho các thiết bị trên xe hoạt động cũng như sạc lại cho ắc quy phụ
▪ Bộ chuyển đổi AC/DC
Chuyển đổi điện áp AC từ nguồn điện lưới sang điện áp DC để sạc pin
Bộ pin cấp năng lượng cho bộ chuyển đổi DC/AC sẽ biến dòng điện DC sang AC để cung cấp cho motor điện Motor điện sẽ dẫn động làm quay các bánh xe và giúp xe chuyển động Tốc độ xe sẽ được điều khiển bằng cường độ dòng điện cung cấp cho motor điện,
7 điều đó được thực hiện nhờ cảm biến bàn đạp ga Đồng thời bộ chuyển đổi DC/DC sẽ chuyển đổi điện áp cao sang áp thấp để cung cấp cho hệ thống điện trên xe
Hình 2 3: Hệ thống truyền lực xe BEV
- Không gây ra khí thải độc hại: Trong quá trình hoạt động, chúng không phát ra khí thải giúp giảm ô nhiễm không khí
- Xe điện hoạt động êm ái, giúp người lái có trái nghiệm thoải mái cũng như hành khách bên trong
- Được trang bị động cơ điện mạnh mẽ, xe điện thường có khả năng tăng tốc nhanh chóng nhờ momen xoắn lớn
- Ít bảo dưỡng và chi phí vận hành thấp
- Việc sản xuất các loại xe này đòi hỏi một số lượng lớn vốn đầu tư, nghiên cứu và lắp ráp
- Một trong những yếu điểm của xe điện là vấn đề về năng lượng lưu trữ của pin Xe điện cần có thêm nhiều điểm sạc để đáp ứng được nhu cầu hiện nay, không như xe sử dụng động cơ đốt trong có thể dễ dàng tìm thấy các trạm bơm xăng Vì những lý do trên nên xe điện vẫn còn nhiều hạn chế chưa được phổ biến
- Việc nghiên cứu và chế tạo pin cũng như các bộ phận của xe thường gây ra ô nhiễm, đặc biệt là trong quá trình khai thác và chế biến nguyên liệu
- Sửa chữa xe điện có thể đối mặt với nguy cơ nguy hiểm do pin có điện áp cao Ngoài ra chi phí sửa chữa và bảo dưỡng, bảo trì khá cao
- Chi phí sở hữu cao, khó tiếp cận với người dùng
2.2.2 Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu - Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)
Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (Fuel Cell Electric Vehicle - FCEV) không chỉ là một phát minh công nghệ, mà còn là một biểu tượng của sự tiến bộ trong lĩnh vực vận tải sạch và bền vững Với khả năng sản xuất điện năng sạch từ tế bào nhiên liệu hydro, FCEV không chỉ giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn khí thải độc hại, mà còn mang lại một loạt các lợi ích cho môi trường và con người
FCEV không chỉ nằm ở việc sử dụng hydro và oxy từ không khí để tạo ra năng lượng, mà còn ở việc sản xuất nước sạch như một sản phẩm phụ trong quá trình hoạt động Điều này có nghĩa là FCEV không chỉ đóng góp vào việc giảm thiểu tác động đến môi trường, mà còn góp phần vào việc tạo ra nguồn nước sạch, một tài nguyên quý báu đối với cuộc sống trên Trái Đất
Với khả năng tiếp tục vận hành mà không cần phải sạc lại như các xe điện thông thường, FCEV cung cấp một phương tiện di chuyển linh hoạt và thuận tiện Nó giúp giảm bớt lo lắng về tình trạng pin hết điện và thời gian chờ đợi để sạc pin, tạo ra một trải nghiệm lái xe thoải mái và tiện lợi hơn cho người dùng
Pin cao áp - High Voltage Battery (HV Battery)
HV Battery còn gọi là pin cao điện áp, là một loại pin điện hóa hoạt động ở điện áp cao hơn so với các loại pin thông thường Thường được sử dụng trong các như cầu về lượng lớn và độ an toàn cao như: xe điện, xe hybrid, lưu trữ năng lượng từ nguồn điện mặt trời hoặc gió Mặc dù pin cao áp cung cấp hiệu suất ổn định và tuổi thọ cao, nhưng việc xử lý và bảo quản pin cần chứ ý về an toàn do điện áp cao
❖ Các loại pin cao áp dùng cho xe điện
- Pin Lithium-ion (Li-ion)
- Pin Lithium Iron Phosphate (LFP)
- Pin Lithium-ion Polymer (LiPo)
- Pin Nickel Metal Hydride (NiMH)
- Pin Solid State (pin thể rắn)
2.3.1 Pin Lithium-ion (Li-ion)
Pin Lithium-ion (Li-ion) là loại pin có thể sạc lại Các ion lithium di chuyển từ cực âm (than chì) sang cực dương (CoO2) và ngược lại trong quá trình xả Chúng thường được sử dụng trong thiết bị di động, máy tính xách tay, và xe điện
Hình 2 9: Pin Lithium-ion trên xe điện
Pin Lithium-ion bao gồm: Cực dương (Cathode), cực âm (Anode), dãy ngăn cách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện
Hình 2 10: Cấu tạo pin Lithium ion
▪ Điện cực dương (Cathode) Điện cực dương được chế tạo từ các vật liệu như LiCoO2 và LiMnO4 Cấu trúc phân tử của những vật liệu này bao gồm các phân tử CoO liên kết với nguyên tử Li Nếu đặt một dòng điện vào hai điện cực của pin, nguyên tử Li tách ra khỏi cấu trúc tạo thành ion Li+
Có khả năng tích điện do sự di chuyển của ion Lithium từ cực dương (LiCoO2) sang cực âm (than chì) trong quá trình sạc
Hình 2 11: Quá trình sạc và xả
▪ Điện cực âm (Anode) Điện cực âm được làm từ than chì và các hợp chất của cacbon có nhiều khoảng trống mà các ion Li+ di chuyển từ điện cực âm (than chì) sang điện cực dương (CoO2) khi xả có thể xen kẽ và lưu trữ
Các chất có khả năng dẫn điện ion Lithium giữa các điện cực
Hàng rào vật lý giữ cho cực âm và cực dương cách nhau, ngăn ngừa sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai cực có thể dẫn đến đoản mạch
- Mật độ năng lượng cao: Giúp cung cấp nguồn năng lượng lớn
- Tự xả thấp: Giúp giữ điện tích cho pin được lâu dài hơn khi không sử dụng
- Không có hiệu ứng bộ nhớ: Không cần sạc hoặc xả hoàn toàn khi sạc lại cho chu kỳ tiếp theo
- Tuổi thọ chu kỳ: Pin lithium ion thường có tuổi thọ dài
- Khả năng sạc và tái sử dụng vẫn giữ được hiệu suất tương đối ổn định
- Sạc nhanh: Thời gian sạc nhanh là một lợi thế đáng kể của pin lithium-ion
- Tuổi thọ giới hạn: Mặc dù pin Lithium-ion có tuổi thọ chu kỳ dài nhưng chúng có tuổi thọ tổng thể hạn chế Điều này dẫn đến pin sẽ không còn giữ được năng lượng như ban đầu
- Nhiệt độ và môi trường: Chịu nhiệt kém gây ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ pin
- Nguy cơ an toàn: Sử dụng không đúng cách cho thể gây nguy hiểm cho người dùng
- Giá thành cao: Pin lithium ion thường có giá thành cao hơn do công nghệ sản xuất và nguyên liệu
- Khả năng tái chế hạn chế: Quá trình tái chế pin lithium ion có thể phức tạp và không hiệu quả, vì nguyên liệu cần thiết để sản xuất lại pin là hạn chế và đắt đỏ
2.3.2 Pin Lithium Iron Phosphate (LFP)
Pin LFP là tên viết tắt của Lithium Iron Phosphate, hay còn được gọi là Pin LFP hoặc lithium ferrophosphate Đây là một loại pin có khả năng tái sạc thuộc dòng pin lithium-ion Điều đặc biệt về Pin LFP là cực sử dụng vật liệu LiFePO4, tức là lithium ferrophosphate, dòng pin này mang lại một loạt lợi ích về hiệu suất và an toàn
Pin Lithium Iron Phosphate có một cấu trúc vừa phức tạp lại vừa đơn giản cùng một lúc Dưới đây là mô tả tổng quan về cấu tạo của pin:
Anode của pin thường được làm từ graphite (than chì) hoặc các vật liệu carbon khác Đây là nơi ion lithium sẽ nhập vào và rời khỏi mạng tinh thể trong quá trình xả và sạc
Cathode của pin LFP được làm từ chất LiFePO4, nơi mà ion lithium sẽ chuyển từ anode sang và từ đó thực hiện quá trình xả điện
▪ Electrolyte (Dung dịch điện ly)
Electrolyte là chất dẫn điện giữa cực âm và cực dương Nó là môi trường cung cấp cho ion lithium di chuyển giữa hai cực trong quá trình xả và sạc
- Hiệu suất cao: Xe có thể đi được quãng đường dài với một chu kỳ sạc
- Tính an toàn cao: Đối với các loại pin bằng hóa chất như Lithium-ion và axit chì thì pin LiFePO4 là một công nghệ mới, đảm bảo an toàn hơn
- An toàn với môi trường: không gặp vấn phát ra khí độc như ắc quy axit chì nên rất phù hợp để sạc tại nhà
- Tuổi thọ bền bỉ: So với pin Lithium-ion và ắc quy chì axit thì tuổi thọ pin LFP được đánh giá khá cao, lên đến 2.000 lần sạc/ xả vẫn còn tới 70% dung lượng và có khả năng lưu trữ cao Còn với pin Lithium-ion là 1.000 lần sạc/ xả, ắc quy chì axit thì chỉ
- Chịu được ở nhiệt độ cao: pin LiFePO4 chịu được nhiệt độ trong phạm vi nhiệt độ tối ưu rộng
- Giá đắt hơn: loại pin này có giá bán đắt hơn so với ắc quy chì axit hay pin Lithium- ion Nhưng bù lại thì có nhiều ưu điểm như đã liệt kê và có tuổi thọ cao lên tới 10 -
12 năm trong điều kiện sử dụng, bảo dưỡng tốt theo hướng dẫn từ nhà sản xuất
- Hiệu suất giảm: Trong những điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt (dưới 0 độ C hoặc nhiệt độ cao) thì hiệu suất sử dụng của pin LFP sẽ bị suy giảm Nên cần bảo quản pin ở nơi có mái che tránh ánh nắng mặt trời, khô ráo và thoáng gió
- Điện áp thấp: pin LiFePO4 thường có 3,2V mỗi cell pin so với các loại pin, ắc quy hóa học khác (Lithium-ion và axit chì) Có nghĩa là cần sử dụng nhiều cell pin để đạt mức điện áp định mức bằng các loại khác
Hệ thống quản lý pin - Battery Management System (BMS)
Hệ thống quản lý pin (BMS) là một hệ thống để quản lý một bộ pin sạc bằng cách theo dõi trạng thái của nó, bảo vệ pin khỏi hoạt động ở điều kiện không an toàn, quản lý tính toán trạng thái sạc (SOC) và đảm bảo hoạt động của pin trong phạm vi tối ưu
BMS là một hệ thống bảo vệ và quản lý năng lượng quan trọng trong các thiết bị hiện nay như: laptop, smartphone, xe điện (EV), …
Hình 2 19: Hệ thống điều khiển BMS
Hệ thống BMS gồm các chức năng như sau: đo lường điện áp, đo lường dòng điện, đo lường nhiệt độ, quản lý và bảo vệ, quản lý nhiệt, cân bằng cells, giao tiếp và lưu trữ dữ liệu
- Bảo vệ quá dòng và quá điện áp: BMS giám sát dòng điện và điện áp của pin để ngăn chặn các tình huống nguy hiểm như quá tải hoặc quá điện áp, giúp bảo vệ pin khỏi thiệt hại và nguy cơ cháy nổ
- Bảo vệ quá nhiệt: BMS giám sát nhiệt độ của pin và ngăn chặn quá trình sạc và xả pin khi nhiệt độ vượt quá giới hạn an toàn, giúp tránh nguy cơ nổ pin
- Quản lý cân bằng dòng điện: BMS điều chỉnh dòng điện ra vào của từng cell pin để đảm bảo rằng mỗi cell hoạt động ở cùng một mức độ, tránh tình trạng mất cân bằng dòng điện giữa các cell
- Giám sát trạng thái pin: BMS theo dõi mức độ sạc và xả, nhiệt độ, điện áp của từng cell pin để đảm bảo rằng pin hoạt động trong điều kiện an toàn và hiệu quả
- Đánh giá sức khỏe pin (State of Health - SOH): BMS giám sát và đánh giá sức khỏe tổng thể của pin bằng cách phân tích mức độ suy giảm dung lượng và khả năng lưu trữ năng lượng so với dung lượng và hiệu suất ban đầu của pin Thông qua các thuật toán và phương pháp đánh giá, BMS cung cấp một chỉ số hoặc phần trăm biểu thị sức khỏe của pin
2.4.2 Cân bằng Cell - Cell Balance System
Cân bằng pin và phân phối lại pin được sử dụng để cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của bộ pin có nhiều tế bào như pin lithium-ion trong laptop hay xe điện Công việc này nhằm đảm bảo rằng mỗi tế bào trong bộ pin hoạt động ổn định và không bị lệch điện áp so với các tế bào khác, giúp tối ưu hóa pin
▪ Vấn đề trong quá trình sản xuất pin
- Sự không đồng đều về quy trình và vật liệu dẫn đến sự không đồng nhất về độ dày và hoạt hóa của tấm pin
- Sự không đồng nhất này tạo ra sự không đồng đều về dung lượng, điện áp giữa các cell pin
Hình 2 20: Quy trình sản xuất pin cao áp (HV Battery)
▪ Vấn đề trong quá trình hoạt động
- Nhiệt độ không đồng đều ảnh hưởng đến từng cell và tuổi thọ của chúng
- Sự không cân bằng về điện áp giữa các cell có thể xảy ra do sự không đồng đều này, và các cell yếu thường sạc và xả nhanh hơn
Hình 2 21: Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ pin
▪ Vấn đề trong quá trình sạc và xả
- Trong quá trình sạc nhiệt độ và áp suất tăng cao do Cell có điện áp cao sẽ được nạp đầy nhanh hơn gây nguy cơ quá sạc và hỏng
- Trong quá trình xả Cell có điện áp thấp có thể bị cạn sạc nhanh hơn, giảm tuổi thọ của pin
▪ Hậu quả của sự không cân bằng
- Cần phải thay toàn bộ hệ thống pin khi có bất kỳ Cell nào bị hư hỏng để tránh sự không đồng nhất trong tính chất của cell, điều này có thể gây mất cân bằng
▪ Nguy cơ và biện pháp giảm thiểu
- Với nhiều cell kết nối, nguy cơ mất cân bằng tăng lên đáng kể và giảm độ tin cậy của hệ thống
Cân bằng cell là quá trình điều chỉnh năng lượng giữa các cell trong một hệ thống pin hoặc bộ pin Nó bảo đảm rằng mỗi cell hoạt động ở mức độ tương đương nhau, giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin
Cân bằng cell gồm hai phương pháp chính: cân bằng chủ động và cân bằng thụ động
Hình 2 22: Các phương pháp cân bằng Cell
Phương pháp chủ động là việc sử dụng hệ thống quản lý pin để giám sát và điều chỉnh năng lượng của các cell có điện áp cao sạc cho các cell có điện áp thấp Điều này giúp tránh hiện tượng các cell bị quá tải hoặc quá yếu, từ đó đảm bảo sự ổn định và an toàn cho hệ thống pin
Hình 2 23: Phương pháp cân bằng chủ động
➢ Ưu điểm của Cân bằng chủ động
- Cung cấp hiệu suất tuyệt vời khi bạn có nhiều tế bào khác nhau trong pin có dung lượng khác nhau
- Cải thiện hiệu quả của năng lượng pin bằng cách dự trữ và giữ lại năng lượng dư thừa của chúng
- Cân bằng tế bào hoạt động giúp tăng cường tuổi thọ của tế bào
- Đó là một kỹ thuật cân bằng tế bào nhanh chóng
➢ Nhược điểm của Cân bằng chủ động
- Có sự mất năng lượng (10-20%) trong khi truyền năng lượng giữa các tế bào
- Chỉ có dòng năng lượng một chiều từ cao hơn xuống thấp hơn
- Nó có một thuật toán điều khiển phức tạp và chi phí sản xuất đắt đỏ vì nó cần một giao diện điện tử công suất
➢ Cân bằng bị động các Cell được cân bằng Bộ sạc dừng sạc khi bất kỳ cell nào đầy và được xả điện qua điện trở để điện áp của nó bằng hoặc gần bằng điện áp của cell pin thấp nhất trong nhóm Giảm hiện hiện quá tải trong bất kỳ cell nào của pin trong quá trình sạc, giúp tăng hiệu suất và tuổi thọ
Hình 2 24: Phương pháp cân bằng thụ động o Ưu điểm của cân bằng tế bào thụ động
- Không cần phải cân bằng một bộ pin hoạt động trơn tru
- Tránh lãng phí năng lượng không cần thiết khi nó được cân bằng
- Nó duy trì tất cả các ô ở cùng một trạng thái sạc
- Là phương pháp tiết kiệm chi phí để cân bằng tế bào
- Cung cấp dòng điện tự xả và điều chỉnh sự không phù hợp lâu dài
30 o Nhược điểm của cân bằng tế bào thụ động
- Nó có quản lý nhiệt thấp
- Không có sự cân bằng khi SOC đầy
- Kỹ thuật này chỉ cân bằng 95% trên cùng của mỗi tế bào vì nó đốt cháy năng lượng dư thừa
- Có một lượng lớn tổn thất năng lượng dẫn đến hiệu quả truyền tải thấp
- Không cải thiện với thời gian chạy pin.
Hệ thống làm mát
Hệ thống làm mát pin xe điện BEV giúp đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn cho xe Nó giúp duy trì nhiệt độ pin ở mức tối ưu để kéo dài tuổi thọ pin, tối ưu hóa hiệu suất và ngăn ngừa nguy cơ quá nhiệt dẫn đến cháy nổ
Có hai loại hệ thống làm mát pin xe điện BEV chính
➢ Hệ thống làm mát thụ động
- Sử dụng các phương pháp tự nhiên để tản nhiệt, chẳng hạn như:
- Vật liệu chuyển pha: Hấp thụ và giải phóng nhiệt khi thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng và ngược lại
- Ống dẫn nhiệt: Truyền nhiệt từ pin ra môi trường xung quanh
- Chất hóa học có tác dụng làm mát hydrogel: Hấp thụ nhiệt và bay hơi để làm mát pin
➢ Hệ thống làm mát chủ động
• Sử dụng các thành phần hoạt động để kiểm soát nhiệt độ pin, bao gồm:
- Làm mát bằng chất lỏng: Sử dụng chất lỏng dẫn nhiệt, chẳng hạn như nước hoặc glycol, lưu thông qua các kênh bên trong pin để hấp thụ nhiệt Hệ thống này có thể kết hợp với quạt để tăng hiệu quả làm mát
- Làm mát bằng không khí: Sử dụng quạt để thổi khí vào pin để làm mát
- Làm mát bằng chất làm lạnh: Sử dụng hệ thống điều hòa không khí xe để làm giảm nhiệt độ pin
Hình 2 25: Hệ thống làm mát pin chủ động bằng không khí
Động cơ điện
Trong ô tô điện thì động cơ điện được xem như là trái tim của xe Động cơ điện tạo ra năng lượng cơ học giúp xe di chuyển Ngoài ra, việc sử dụng động cơ điện là xu hướng phát triển với khả năng vận hành hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và đặc biệt là giúp bảo vệ môi trường
❖ Các tiêu chí cho động cơ điện trong ô tô điện
- Khối lượng nhẹ, nhỏ, và hiệu suất cao
- Tốc độ động cơ có dải điều chỉnh phạm vi rộng
- Động cơ điện và ô tô phải có các đặc tính phù hợp với nhau
Khi xe ở trạng thái xuất phát, lúc này xe cần một lượng momen lớn (công suất thấp) để giúp di xe chuyển Ngược lại khi xe cần di chuyển ở vận tốc cao, xe cần công suất lớn (momen thấp) Động cơ điện hoạt động ở hai vùng:
• Vùng Ⅰ: vùng momen cố định (ở dải tốc độ thấp)
• Vùng Ⅱ: vùng công suất cố định (ở dải tốc độ cao)
Hình 2 26: Đặc tính làm việc của động cơ đốt trong và động cơ điện
❖ Các loại động cơ điện dùng cho xe điện:
- Động cơ điện một chiều
- Động cơ điện một chiều không chổi than
- Động cơ không đồng bộ ba pha
- Động cơ từ trở thay đổi
- Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ
2.6.2 Động cơ điện một chiều (DC Motor)
- Động cơ điện DC là động cơ sử dụng dòng điện tạo ra từ trường từ tính cần thiết để kích thích rotor và tạo ra chuyển động quay
- Là phần quay của động cơ, được làm từ các cuộn dây bao quanh và quấn lấy rotor và được đặt trong vỏ hộp của động cơ
- Là phần đứng yên của động cơ gồm một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu
▪ Nam châm hoặc chổi than
- Trong động cơ DC, có thể sử dụng nam châm vĩnh cửu trong stator hoặc chổi than để kết nối nguồn điện từ nguồn ngoài vào rotor Nam châm tạo ra từ trường từ tính
33 không đổi trong stator, trong khi chổi than làm nhiệm vụ truyền điện từ nguồn điện vào rotor
- Nơi tiếp xúc thực hiện nhiệm vụ cấp nguồn điện từ ngoài vào rotor để nuôi động cơ
- Tiếp điện cho cổ góp
Hình 2 27: Cấu tạo động cơ DC
❖ Nguyên lý hoạt động Động cơ DC hoạt động theo nguyên tắc khi một dây dẫn mang dòng điện được đặt bên trong từ trường, nó sẽ có một lực từ có hướng được đưa ra bởi Quy tắc tay trái của Fleming Nói cách khác, động cơ DC quay do sự tương tác của từ trường nam châm vĩnh cửu với từ trường của nam châm điện mang dòng điện
Hình 2 28: Nguyên lý hoạt động động cơ DC
2.6.3 Động cơ điện một chiều không chổi than - Brushless DC motor (BLDC)
❖ Khái niệm Động cơ không chổi than (Brushless DC Motor - BLDC) hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ nhưng không sử dụng chổi than và cổ góp như các động cơ truyền thống
Cấu tạo của động cơ không chổi than (brushless motor) gồm ba thành phần chính: rotor, stator và bộ điều khiển điện tử
Bộ điều khiển tốc độ bằng điện tử (Electronic Speed Controller – ESC): theo dõi vị trí và tốc độ của rotor thông qua các cảm biến, sau đó điều chỉnh dòng điện đến từng cuộn dây trên stator để tạo ra từ trường xoay
Hoạt động nhờ vào lực tác dụng của từ trường khi có dòng điện đi qua cuộn dây của stato Từ trường được sinh ra tương tác với từ trường của nam châm rotor, khiến rotor quay Khi quay, dòng điện sẽ được hệ thống điều khiển cấp phát qua từng cuộn dây của stato sẽ bị thay đổi
2.6.4 Động cơ không đồng bộ ba pha - Induction Motor (IM)
❖ Khái niệm Động cơ không đồng bộ ba pha (IM) là động cơ điện xoay chiều phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng Động cơ này hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ Khi có dòng điện xoay chiều ba pha đi qua cuộn dây stato sinh ra từ trường quay Rotor của động cơ không đồng bộ ba pha thường là loại rotor lồng sóc, được làm bằng các thanh dẫn điện được kết nối ngắn mạch ở cả hai đầu Khi từ trường quay cắt qua các thanh dẫn
35 rotor, một dòng điện cảm ứng được tạo ra trong rotor sinh ra lực từ tương tác với từ trường của stato giúp rotor quay
• Gồm hai bộ phận chính:
- Lõi thép: Các lá thép được ghép lại với nhau, có rãnh bên trong để quấn dây đồng
- Dây quấn: Dây quấn được đấu nối theo sơ đồ 3 pha hoặc 1 pha tạo ra từ trường quay khi được cấp điện
- Vỏ và nắp: Được làm từ gang hoặc nhôm có vai trò giữ các bộ phận bên trong của động cơ
- Lõi thép: Là các lá ghép lại với nhau và có rãnh bên trong để đặt lồng sóc hoặc quạt
- Lồng sóc: Được làm từ nhôm hoặc đồng, ở hai đầu có các thanh dẫn điện được nối với nhau Khi có từ trường quay của stato tác dụng, dòng điện cảm ứng được sinh ra bên trong lồng sóc tạo momen giúp rotor quay
- Quạt: Giúp làm mát cho động cơ
- Trục: Được làm bằng thép, có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ roto sang tải
Hình 2 30: Động cơ ba pha không đồng bộ
❖ Nguyên lý hoạt động Động cơ không đồng bộ ba pha (IM) hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Khi một điện áp ba pha được cấp vào cuộn dây stator, một từ trường quay sẽ được tạo ra xung quanh rotor Từ trường này quay với tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào tần số của nguồn điện và số cực của cuộn dây stator
Theo định luật Faraday, dòng điện cảm ứng được sinh ra vì rotor quay không đồng bộ với từ trường Dòng điện này tương tác với từ trường quay sinh ra một lực điện từ làm rotor quay
Mức độ trượt này phụ thuộc vào tải của động cơ: tải càng lớn thì trượt càng cao, dẫn đến dòng điện cảm ứng mạnh hơn và mô-men xoắn lớn hơn
2.6.5 Động cơ có từ trở thay đổi - Switched Reluctance Motor (SRM)
❖ Khái niệm Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM) là một loại động cơ điện không đồng bộ sử dụng từ trở để tạo ra chuyển động quay Động cơ hoạt động theo nguyên lý thay đổi của từ trở trong mạch từ khi các cuộn dây được kích hoạt theo thứ tự xác định Khi các cuộn dây stator được kích hoạt, từ thông sinh ra sẽ tạo ra lực hút từ tác động lên các răng của rotor, làm cho rotor quay
Hình 2 31: Roto và Stato của động cơ SRM
- Stato: Gồm các cuộn dây được quấn quanh các cực từ cố định, nhưng không được nối với nhau
- Rotor: của SRM không giống với các loại máy điện khác bởi vì nó không bao gồm các cuộn dây Thay vào đó, Rotor được tạo ra từ vật liệu sắt từ, với tổng số cực ít hơn tổng số cực của Stator
Hình 2 32: Mặt cắt ngang của động cơ SynRM
Khi các cuộn dây trên stato được cấp điện theo một trình tự nhất định, các cặp cực từ trên stato tạo ra từ trường biến đổi, gây ra sự thay đổi từ trở trong mạch từ Rôto sẽ bị hút về phía các cực từ sao cho từ trở của mạch từ được tối thiểu hóa, tức là ở vị trí có lực từ lớn nhất Quá trình cấp điện cho các cuộn dây trên stato diễn ra liên tục và luân phiên, tạo ra lực quay cho rôto Có thể điều khiển tốc độ và momen xoắn bằng cách điều chỉnh trình tự và thời điểm cấp điện
2.6.6 Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ - Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)
Bộ chuyển đổi năng lượng - Converter
Converter xe điện ô tô là một thiết bị chuyển năng lượng từ một dạng sang dạng khác trong hệ thống điện của xe điện Cụ thể, converter chịu trách nhiệm chủ yếu chuyển các nguồn điện cao thành thấp và ngược lại để cung cấp cho động cơ điện, hệ thống điều khiển, hệ thống sưởi, hệ thống làm mát,…
- Bộ chuyển đổi DC-DC
Chuyển đổi từ điện áp hoặc dòng điện từ một mức đầu vào DC sang một mức đầu ra
DC khác, có thể là tăng hoặc giảm điện áp hoặc dòng điện
- Bộ chuyển đổi DC/AC - Inverter
Chuyển đổi từ điện áp DC sang điện áp AC Các inverter thường được trong xe điện để chuyển đổi năng lượng từ pin hoặc nguồn DC thành dạng năng lượng AC
- Bộ chuyển đổi AC/DC - Rectifier
Chuyển đổi từ điện áp AC sang điện áp DC Các bộ chuyển đổi AC/DC thường được sử dụng trong các nguồn trong hệ thống công nghiệp để chuyển đổi nguồn điện từ lưới điện thành nguồn DC như trong các trụ sạc xe điện hiện nay.
Phanh tái sinh - Regenerative Braking System
Hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Braking System) là một công nghệ trên ô tô hiện nay để thu hồi năng lượng động học trong quá trình xe giảm tốc (phanh) và biến đổi nó thành năng lượng điện Năng lượng này được lưu trữ trong pin hoặc hệ thống pin xe hơi để sử dụng lại trong các hoạt động khác của xe
Hình 2 36: Hệ thống phanh tái sinh
- Động cơ: Hệ thống phanh tái sinh sẽ giúp pin được sạc lại năng lượng được thu hồi trong quá trình phanh
- Bộ điều khiển: Điều chỉnh quá trình lưu trữ năng lượng, chuyển đổi năng lượng từ cơ học thành điện
- Hệ thống lưu trữ năng lượng: Năng lượng điện được tạo ra từ quá trình phanh được lưu trữ trong pin hoặc hệ thống pin của xe
- Tiết kiệm năng lượng: Giúp tăng hiệu quả nhiên liệu và giảm lượng khí thải phát ra
- Tăng hiệu suất xe: Giúp tăng cường hiệu suất của hệ thống phanh và kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh
- Giảm mức tiếng ồn: Vì các phanh điện thường tạo ra ít tiếng ồn hơn so với phanh truyền thống
- Tái sử dụng năng lượng: Cho phép tái sử dụng năng lượng đã tiêu tốn khi phanh, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng
Hình 2 37: Lợi thế của phanh tái sinh
- Chi phí cao: Hệ thống này thường đòi hỏi chi phí cao cho việc mua và lắp đặt
- Trọng lượng và không gian: Thường cần thêm không gian và trọng lượng để lắp đặt hệ thống này, làm giảm không gian chứa hoặc tăng trọng lượng của xe
- Hiệu suất phụ thuộc vào điều kiện lưu trữ năng lượng: Hiệu suất của hệ thống phụ thuộc nhiều vào điều kiện của hệ thống lưu trữ năng lượng, bao gồm tuổi thọ và hiệu suất của pin.
ECU
ECU là viết tắt của Electronic Control Unit ECU là một máy tính nhỏ được lập trình để quản lý và điều khiển các hệ thống điện tử trong ô tô bao gồm: động cơ, hộp số tự động, hệ thống phanh chống bó cứng, hệ thống túi khí và nhiều hệ thống khác
- ECU thường được cấu thành từ một vi mạch, một bộ vi xử lý, bộ nhớ, cổng giao tiếp và các linh kiện điện tử khác
- Bộ vi xử lý thực hiện các thuật toán điều khiển được lập trình để kiểm soát các chức năng của hệ thống ô tô
- Bộ nhớ lưu trữ các dữ liệu và thông số cấu hình, cũng như chương trình điều khiển
- Cổng giao tiếp cho phép ECU kết nối với các thiết bị ngoại vi khác, như máy tính đọc mã lỗi hoặc máy chẩn đoán
Hình 2 38: ECU của xe Tesla
- Tính linh hoạt: ECU có thể được lập trình lại để điều chỉnh hoạt động của các hệ thống, cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu
- Chính xác và hiệu quả: ECU có thể kiểm soát các hệ thống với độ chính xác cao, giúp tăng cường hiệu suất và an toàn của ô tô
- Tính tự động hóa: ECU giúp tự động hóa các chức năng trong ô tô, giảm sự can thiệp của con người và tăng tính hiệu quả
- Phụ thuộc vào công nghệ: ECU yêu cầu kiến thức chuyên sâu về công nghệ điện tử để cài đặt và sửa chữa
- Nguy cơ lỗi hệ thống: Một lỗi ECU có thể dẫn đến hoạt động không đúng của hệ thống ô tô hoặc thậm chí gây nguy hiểm.
Hệ thống sạc trên xe điện
2.10.1 Cổng sạc Đầu sạc (hoặc còn gọi là cổng sạc) là một phần quan trọng của hệ thống sạc của xe điện Nó là nơi mà dòng điện được truyền từ nguồn điện đến pin của xe để nạp lại năng lượng Tùy thuộc vào mạng lưới điện phân phối ở từng khu vực mà cổng sạc sẽ thay đổi Dưới đây là các loại cổng sạc được sử dụng trên thị trường xe điện
Hình 2 39: Các dạng cổng sạc xe điện
- Được sử dụng chủ yếu tại Bắc Mỹ, bao gồm Hoa Kỳ và Canada Cũng được sử dụng ở một số quốc gia khác như Mexico, Brazil và Hàn Quốc
- Sử dụng đầu nối SAE J1772, còn gọi là phích cắm J
- Hỗ trợ sạc Cấp độ 1 (120V) và Cấp độ 2 (220-240 V)
- Tốc độ sạc tối đa lên đến 19,2 kW
❖ Chuẩn sạc CCS - Combined Charging System
- Được sử dụng nhiều tại châu Âu và một số quốc gia châu Á
- Sử dụng đầu nối CCS1 hoặc CCS2
- Hỗ trợ sạc Cấp độ 1, Cấp độ 2 và Cấp độ 3 (DC Fast Charging)
- Tốc độ sạc tối đa lên đến 350 kW
Hình 2 41: Cổng sạc CCS1 và cổng sạc CCS2
- Được sử dụng chủ yếu tại Nhật Bản
- Sử dụng đầu nối CHAdeMO
- Hỗ trợ sạc Cấp độ 2 và Cấp độ 3 (DC Fast Charging)
- Tốc độ sạc tối đa lên đến 150 kW
- Được sử dụng ở Trung Quốc
- Sử dụng đầu nối GB/T
- Hỗ trợ sạc Cấp độ 1, Cấp độ 2 và Cấp độ 3 (DC Fast Charging)
- Tốc độ sạc tối đa lên đến 250 kW
- Phổ biến ở Châu Âu, một số quốc gia khác
- Thiết kế: Đầu nối 7 chân
- Hỗ trợ sạc AC 3 pha và DC, công suất tối đa 43 kW
2.10.2 Hệ thống điều khiển sạc
Xe điện có các bộ phận khác nhau như động cơ, pin, bộ sạc, và bộ điều khiển Khi thiết kế một chiếc xe điện thành phần đầu tiên và quan trọng nhất là bộ sạc Sạc một xe điện có thể được thực hiện theo hai cách là sạc On-board và Off board
Hình 2 45: On Board và Off Board
❖ Điều khiển sạc On-board
Bộ sạc on - board là bộ sạc chuyển đổi điện xoay chiều AC sang điện một chiều DC được tích hợp trực tiếp vào ô tô điện Bộ sạc này thường được lắp đặt bên trong xe và có kích thước nhỏ gọn, nhẹ hơn bộ sạc off - board cho phép ô tô có thể được sạc tại bất kỳ điểm nào có nguồn điện phù hợp Tốc độ sạc on - board thường chậm hơn so với sạc off - board và có giá thành cao
Hình 2 46: Hệ thống sạc On-board
❖ Điều khiển sạc Off - board
Bộ sạc off - board cũng là bộ sạc chuyển đổi điện AC sang điện DC nhưng được thiết rời, riêng biệt Tốc độ sạc của bộ sạc off – board thường nhanh hơn so với on – board và giá thành của bộ sạc cũng rẻ hơn Tuy nhiên, sạc off - board thường cồng kềnh và nặng hơn bộ sạc on – board
Hình 2 47: Hệ thống sạc Off-board
2.10.3 Mức độ sạc của xe điện
Mức sạc EV (Electric Vehicle) hay còn gọi là cấp độ sạc xe điện là hệ thống phân loại tốc độ sạc pin cho xe điện, dựa trên công suất và thời gian sạc Mức sạc càng cao, công suất càng lớn và thời gian sạc càng ngắn Hiện nay, trên thị trường phổ biến 3 mức sạc chính cho 2 loại sạc AC và sạc DC
Hệ thống sạc AC cung cấp nguồn AC được chuyển đổi thành DC để sạc pin Hệ thống này cần một bộ chuyển đổi AC-DC Trạng thái mức năng lượng sạc AC được thể hiện dưới bảng sau:
Bảng 2 1: Các mức sạc AC
Mức 1 Mức 2 Mức 3 (DC sạc nhanh) Điện áp 120V- AC 1 pha 208-240V AC 1 pha 208-480V
Công suất 1.44-1.9kW 2.5-19.2kW 26-60kW
Thời gian sạc 12-20 tiếng 6-14 tiếng 80% trong 20-30 phút
- Nguồn điện: Ổ cắm điện gia dụng thông thường
- Hiệu quả sạc: đi được 8km sau một giờ sạc
- Thời gian sạc: 12 - 20 tiếng cho 1 lần sạc đầy
- Ưu điểm: Tiện lợi, dễ sử dụng, chi phí thấp
- Nhược điểm: Tốc độ sạc chậm, phù hợp cho nhu cầu sạc qua đêm hoặc sạc khi không cần gấp
- Nguồn điện: Trạm sạc chuyên dụng hoặc ổ cắm điện 240V
- Thời gian sạc: 6 - 14 tiếng cho 1 lần sạc đầy
- Hiệu quả sạc: đi được trung bình 30km sau một giờ sạc
- Ưu điểm: Tốc độ sạc nhanh hơn mức 1, phù hợp cho nhu cầu sạc ban ngày hoặc sạc nhanh
- Nhược điểm: Chi phí cao hơn mức 1, cần lắp đặt thêm thiết bị
- Nguồn điện: Trạm sạc nhanh DC chuyên dụng
- Thời gian sạc: 20 phút - 30 phút cho 80% pin
- Ưu điểm: Tốc độ sạc nhanh nhất, phù hợp cho nhu cầu sạc nhanh khi di chuyển xa
- Nhược điểm: Chi phí cao nhất, chưa phổ biến rộng rãi, chỉ phù hợp cho một số loại xe điện hỗ trợ sạc nhanh
Hệ thống sạc DC quan trọng trong việc sạc nhanh cho các xe điện và chúng thường được lắp đặt tại các ga ra hoặc trạm sạc để giúp tăng hiệu quả sạc nhanh hơn so với hệ thống AC Việc đó giúp cải thiện trải nghiệm sử dụng của người lái xe điện Đối với hệ thống sạc DC, điện áp cần phải được điều chỉnh để phù hợp với các loại pin khác nhau trên các loại xe điện Các trạm sạc hiện đại thường có khả năng tự động thực hiện điều này để đảm bảo sạc hiệu quả và an toàn cho pin của xe
Bảng 2 2: Các mức sạc DC
Trạng thái sạc DC U (V) Imax (A) P (kW)
Các hệ thống sạc DC được phân loại dựa trên mức công suất mà chúng có thể cung cấp cho pin của xe Cụ thể:
- Cung cấp điện áp định mức là 450V với dòng điện 80A và công suất lên đến 36 kW
- Cung cấp cùng điện áp định mức với mức 1, nhưng dòng điện được tăng lên 200A và công suất đạt đến 90 kW
- Điện áp trong hệ thống này được đánh giá là 600 V, dòng điện tối đa là 400A và công suất định mức là 240 kW
MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG XE ĐIỆN
Tổng quan về Matlab/Simulink
Là một trong những phần mềm phổ biến nhất trong lĩnh vực tính toán kỹ thuật Được MathWorks phát triển, MATLAB cung cấp một môi trường mạnh mẽ và linh hoạt cho việc phân tích dữ liệu, thiết kế thuật toán, và thực hiện các phép tính toán phức tạp
Một trong những điểm mạnh của MATLAB là bộ thư viện phong phú với hàng nghìn các hàm tích hợp sẵn, từ các thuật toán đơn giản đến các phương pháp tiên tiến như xử lý tín hiệu số Tiết kiệm thời gian, công sức, chi phí trong các vấn đề về tính toán, nghiên cứu trong mô phỏng
Ngoài ra, MATLAB cũng được tích hợp với các công cụ và mô-đun bổ sung như Simulink, cho phép người dùng mô phỏng và thiết kế các hệ thống điều khiển và động cơ, và Stateflow, cho phép mô hình hóa và phân tích các hệ thống dựa trên trạng thái
MATLAB cũng đi kèm với một loạt các công cụ và toolbox mở rộng, cung cấp các chức năng và tính năng phổ biến hóa cho một loạt các ứng dụng cụ thể Ví dụ, có các toolbox cho xử lý tín hiệu, xử lý hình ảnh, điều khiển và nhiều lĩnh vực khác Điều này giúp mở rộng khả năng sử dụng của MATLAB và làm cho nó trở thành một công cụ linh hoạt có thể đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành khác nhau
Bên cạnh đó, ưu điểm nổi bật của MATLAB là sự phổ biến và cộng đồng người dùng rộng lớn Có thể dễ dàng tìm thấy tài liệu, hướng dẫn và các tài nguyên trực tuyến, cũng như cộng đồng người dùng sẵn sàng chia sẻ kinh nghiệm và giúp đỡ qua các diễn đàn và trang web chuyên ngành Điều này giúp người dùng nhanh chóng vượt qua các thách thức trong quá trình học và sử dụng MATLAB
Với sức mạnh và linh hoạt, MATLAB là công cụ không thể thiếu cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và sinh viên trên toàn thế giới trong việc phân tích dữ liệu, mô hình hóa mô phỏng và giải quyết các vấn đề phức tạp trong các lĩnh vực khác nhau
Simulink là phần mềm dùng để phát triển mô hình, mô phỏng cũng như phân tích hệ thống trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật Simulink được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điện tử, điều khiển tự động, xử lý tín hiệu và các lĩnh vực khác Simulink cho phép người dùng xây dựng mô hình hệ thống thông qua giao diện đồ họa dựa trên khối Trong đó, các khối biểu diễn các thành phần của hệ thống và các kết nối giữa chúng có thể mô phỏng hoạt động của hệ thống và phân tích kết quả để hiểu về hành vi của hệ thống hoặc để thiết kế và tối ưu hóa
Giới thiệu về xe Tesla Model 3
Tesla Model 3 là một trong những mẫu xe điện nổi tiếng và được ưa chuộng trên toàn thế giới Được giới thiệu lần đầu vào năm 2017, Model 3 đã nhanh chóng thu hút sự chú ý của người tiêu dùng nhờ vào thiết kế hiện đại, hiệu suất vận hành ấn tượng, và tính tiện ích cao
Về thiết kế, Model 3 mang đậm dấu ấn của Tesla với dáng vẻ tinh tế, đường nét mạnh mẽ và sự thanh thoát Nội thất của xe được thiết kế đơn giản nhưng sang trọng, với màn hình cảm ứng lớn trung tâm thay thế cho các nút điều khiển truyền thống
Hình 3 3: Nội thất Tesla Model 3
Một trong những điểm nổi bật nhất của Tesla Model 3 là khả năng vận hành và hiệu suất Xe được trang bị động cơ điện mạnh mẽ, cho phép tăng tốc nhanh và điều khiển linh hoạt trên đường Ngoài ra, khả năng lái tự động cũng là một tính năng đáng chú ý của Model 3, giúp giảm bớt sự mệt mỏi khi lái xe trong các chuyến đi xa Điểm mạnh khác của Model 3 là khả năng tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường Với khả năng chạy hoàn toàn bằng điện, xe không tạo ra khí thải gây ô nhiễm môi trường, đồng thời giúp giảm chi phí vận hành so với các loại xe chạy bằng động cơ đốt trong Tóm lại, Tesla Model 3 là một sự kết hợp hoàn hảo giữa thiết kế đẳng cấp, hiệu suất vận hành và tính tiện ích, là lựa chọn lý tưởng cho những người muốn sở hữu một chiếc xe điện đẳng cấp và tiết kiệm
Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật của xe Tesla Model 3
Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Chiều dài cơ sở 2875 mm
Tốc độ tối đa 225 km/h
Bảng 3 2: Thông số kỹ thuật về pin của xe
Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Nhà sản xuất Tesla và Panasonic
Vị trí Dưới sàn (giữa)
Bảng 3 3: Thông số kỹ thuật về động cơ của xe
Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Nhà sản xuất Tesla Động cơ điện Nam châm vĩnh cửu đồng bộ
Vị trí Phía sau Điện áp 350 V
Công suất cực đại 239 kW
RPM momen xoắn cực đại 325-5200 Vòng/phút
Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink trong mô phỏng xe điện Tesla Model 3
Hình 3 5: Mô hình hóa, mô phỏng xe điện Tesla Mdel 3
❖ Mô hình mô phỏng xe điện Tesla model 3 bao gồm các khối chính như sau :
+ Drive cycle source và Controller
+ Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu
▪ Khối Drive cycle source và Controller
Nhận được tín hiệu đầu vận tốc tham khảo từ các chu trình chạy thử và đồng thời nhận tín hiệu feedback từ vận tốc thực tế của xe Sau đó được thông qua bộ điều khiển PI để có kết quả đầu ra gần đúng với kết vận tốc tham khảo
Gồm các cảm biến, 1 bộ nguồn và đồng thời cũng thiết lập một số thuật toán để dùng để giả lập một hệ thống pin cung cấp năng lượng cho xe
Nhận được tín hiệu đầu vào torque từ khối Controller, sau đó cung cấp cho tín hiệu cho Motor & Drive để điều khiển Khối Motor & Drive đưa ra tín hiệu điều khiển Torque đến khối Reduction Gear
Tín hiệu momen điều khiển được cung cấp từ khối Motor, đi qua hộp giảm tốc đưa ra tín hiệu Torque về Khối Body
Nhận tín hiệu hiệu điều khiển từ khối Reduction Gear, cung cấp cho cầu sau của xe Sau đó, khối Body Vehicle sẽ kết hợp với các thông số của xe để đưa ra kết quả về vận tốc thực tế của xe
▪ Khối tính toán suất tiêu hao nhiên liệu
Dùng để tính toán lượng điện năng tiêu thụ khi xe di chuyển trên một quãng đường cố định từ đó để đánh giá chất lượng của xe
3.3.2 Khối Drive cycle source và Controller
Khối Drive Cycle Source trong Simulink được sử dụng để tạo ra tín hiệu mô phỏng chu kỳ lái xe Chu kỳ lái xe là một tập dữ liệu mô tả tốc độ và mô-men xoắn của động cơ theo thời gian Chu kỳ lái xe được sử dụng để thử nghiệm và mô phỏng hiệu suất của hệ thống truyền động xe
Có nhiều loại chu kỳ lái xe khác nhau, tùy thuộc vào khu vực như: Châu Âu, Mỹ, Nhật hay toàn cầu,… có thể được sử dụng trong Simulink Một số loại chu kỳ lái xe phổ biến nhất bao gồm:
+ Chu kỳ lái xe đô thị: Loại chu kỳ lái xe này mô phỏng việc lái xe trong môi trường đô thị, với tốc độ chậm và nhiều điểm dừng và đi
+ Chu kỳ lái xe đường cao tốc: Loại chu kỳ lái xe này mô phỏng việc lái xe trên đường cao tốc, với tốc độ cao hơn và ít điểm dừng hơn
+ Chu kỳ lái xe hỗn hợp: mô phỏng việc lái xe trên đường hỗn hợp giữa đô thị và cao tốc
❖ Chức năng chính của khối Drive Cycle Source
+ Tạo ra tín hiệu chu kỳ lái xe mô phỏng hành vi lái xe thực tế
+ Cung cấp nhiều chu kỳ lái xe tiêu chuẩn
+ Cho phép nhập dữ liệu chu kỳ lái xe tùy chỉnh
+ Hỗ trợ nhiều loại xe, bao gồm xe ô tô, xe máy và xe tải
+ Có thể được sử dụng để mô phỏng các điều kiện lái xe khác nhau, chẳng hạn như lái xe trong thành phố, lái xe trên đường cao tốc và lái xe trên địa hình gồ ghề
• Nhóm đã sử dụng các chu trình để kiểm nghiệm mô phỏng xe Tesla Model 3 so với thực tế là chu trình NYCC (New York City Cycle), HWYC (High Way Cycle) và chạy hỗn hợp
Hình 3 6: Các khối chu trình lái
Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative controller), còn được gọi là bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID là bộ điều khiển vòng lặp được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển tự động Nó hoạt động bằng cách tính toán sai số giữa giá trị đo được (giá trị thực tế) và giá trị đặt (giá trị mong muốn) và điều chỉnh tín hiệu điều khiển dựa trên sai số này
• Ba thành phần chính của bộ điều khiển PID
Tạo ra một tín hiệu điều khiển tỷ lệ thuận với sai số Thành phần này giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng với những thay đổi đột ngột trong giá trị thực tế
Tích lũy sai số theo thời gian và tạo ra một tín hiệu điều khiển nhằm loại bỏ sai số ổn định Thành phần này giúp hệ thống đạt được giá trị đặt chính xác
Dự đoán sự thay đổi tương lai của sai số dựa trên tốc độ thay đổi hiện tại của sai số và tạo ra một tín hiệu điều khiển nhằm giảm thiểu sự dao động Thành phần này giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn
Hình 3 7: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
𝑑𝑡 o Trong đó: u(t): Giá trị đầu ra của bộ điều khiển PID tại thời điểm t
57 e(t): Sai số tại thời điểm t Sai số là sự khác biệt giữa giá trị mong muốn (setpoint) và giá trị thực tế (process value)
Kp: Hệ số tỉ lệ Hệ số này quyết định mức độ ảnh hưởng của sai số hiện tại đến giá trị đầu ra Kp càng lớn, giá trị đầu ra càng thay đổi mạnh khi sai số thay đổi
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Các trường hợp mô phỏng
Các trường hợp mô phỏng đối với xe Tesla Model 3: mô phỏng xe chạy trên các chu trình lái xe khác nhau nhằm đánh giá các thông số như: vận tốc, momen xoắn, công suất giữa NYCC, HWYC và hỗn hợp EPA Đồng thời đánh giá về khả năng tăng tốc và leo dốc của xe khi chạy ở tốc độ 100 km/h
❖ Trường hợp 1: Xe chạy trong đô thị (chạy theo chu trình NYCC) Đây là chu trình thử nghiệm của Hoa Kỳ được nghiên cứu và phát triển cho xe hạng nhẹ Mục đích mô phỏng lái xe trong đô thị với nhiều điểm dừng Dưới đây là thông số cơ bản của chu trình NYCC:
• Vận tốc cực đại 44.6 km/h
• Vận tốc trung bình: 11.4 km/h
❖ Trường hợp 2: Xe chạy cao tốc (chạy theo chu trình HWYC)
Chu trình HWYC được nghiên cứu và phát triển bởi Hoa Kỳ để xác định mức tiết kiệm nhiên liệu của xe hạng nhẹ khi chạy trên cao tốc Dưới đây là một số thông số cơ bản của chu trình:
• Tốc độ tối đa: 96.4 km/h
• Vận tốc trung bình: 77,7 km/h
❖ Trường hợp 3: Xe chạy đường hỗn hợp (chạy theo chu trình EPA)
Chu trình EPA hay còn được biết là quy trình thử nghiệm liên bảng của Hoa Kỳ Chu trình bao gồm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: 505 giây cho 5.78 km với tốc độ trung bình là 41.2 km/h được xem như chạy ở cao tốc với vận tốc tối đa là 91.25 km/h
- Giai đoạn 2: 867 giây cho 6.29 km chạy trong đô thị
Dưới đây là thông số của chu trình:
• Tốc độ tối đa: 91.25 km/h
• Tốc độ trung bình: 31.5 km/h
❖ Trường hợp 4: Khả năng tăng tốc từ 0-100km/h của xe so sánh với công bố nhà sản xuất Đây là chu trình nhóm tự thiết lập với mục đích để kiểm tra khả năng tăng tốc của xe mô phỏng với nhà sản xuất công bố và nhận xét, đánh giá Chu trình được thử nghiệm với thời gian 6 giây và tốc độ 100 km/h từ lúc bắt đầu
❖ Trường hợp 5: Khả năng leo dốc của xe Tesla model 3 Đây là chu trình nhóm tự thiệt lập với mục đích kiểm tra khả năng leo dốc của xe với điều kiện trong mô phỏng Chu trình được thử nghiệm với thời gian 25 giây và duy trì tốc độ 100 km/h từ lúc khởi hành với độ dốc là 10 độ
Kết quả mô phỏng, nhận xét đánh giá
4.2.1 Trường hợp 1: Xe chạy theo chu trình trong đô thị (NYCC)
❖ Vận tốc thực tế và Chu trình tham khảo
Hình 4 4: Chu trình tham khảo NYCC
Hình 4 5: Vận tốc xe chạy chu trình NYCC
❖ Vận tốc thực tế đạt tiêu chuẩn theo chu trình
So sánh 2 đồ thị cho thấy sự tương quan giữa vận tốc thực tế và vận tốc tham khảo của chu trình NYCC Ở những vùng tăng và giảm tốc cực đại, vì xe có lực quán tính nên vận tốc thực tế vẫn chưa bám sát được vận tốc chu trình Tuy nhiên, mô phỏng đã cho đầu ra vận tốc thực tế của xe với vận tốc trung bình là 11.42 km/h so với vận tốc chu trình tham khảo là 11.4 km/h Ta thấy được sự chênh lệch đó là khoảng 0.17% Đối với quãng đường xe đi được là 1.897 km đúng với quãng đường được khảo sát của chu trình NYCC Điều này cho thấy hệ thống điều khiển PI đã được tối ưu nhưng vẫn chưa hoàn thiện
Hình 4 6: Khoảng chênh lệch giữa vận tốc tham khảo và vận tốc thực tế
❖ Tốc độ , moment và công suất motor
Hình 4 7: Tốc độ động cơ
Hình 4 8: Momen xoắn động cơ
Hình 4 9: Công suất động cơ
78 Đồ thị của tốc độ động cơ so với đồ thị chu trình tham khảo có nét tương đồng với nhau và tốc độ cực đại của động cơ là trên 3000 vòng/phút Theo mô phỏng xe chạy trong đô thị nên với tốc độ động cơ trên thì phù hợp
Momen xoắn động cơ và công suất động cơ tăng, giảm tùy vào các giai đoạn của chu trình Khi cần tăng tốc đồ thị sẽ dương và khi giảm tốc (thả trôi hoặc phanh) sẽ giảm và có thể âm
Từ các nhận xét trên ta thấy mối liên quan giữa tốc độ, momen xoắn và công suất động cơ khi xe chạy trong chu trình NYCC Khi tốc độ động cơ tăng thì momen xoắn (+) và công suất tăng (+), điều này cho thấy xe sử dụng năng lượng pin để cấp cho động cơ điện giúp xe chạy nhanh về phía trước Ngược lại, khi tốc độ động cơ giảm (dấu hiệu phanh hoặc thả trôi) thì momen xoắn (-) và công suất giảm (-), lúc này động cơ điện của xe sẽ không đóng vai trò cung cấp năng lượng mà thay vào đó sẽ đóng vai trò như là một máy phát điện sạc năng lượng lại cho pin
Hình 4 10: Trạng thái nạp SOC trên chu trình chạy NYCC
Trong đồ thị vận tốc có những giai đoạn xe tăng tốc và giảm tốc, động cơ điện đóng vai trò cung cấp năng lượng giúp xe chuyển động và sạc lại cho pin cao áp
Chu trình NYCC bao gồm nhiều lần tăng tốc và giảm tốc, cũng như đi lên dốc và xuống dốc Những giai đoạn trên tạo ra những đường gấp khúc lên xuống Điều đó thể hiện sự xả dung lượng của pin khi xe tăng tốc, sự sạc lại dung lượng pin khi xe giảm tốc và đó chính là hiệu quả của phanh tái sinh
Hình 4 11: Momen xoắn động cơ (215 – 240s)
Hình 4 12: Trạng thái sạc SOC (215 – 240s)
Từ khoảng 222 – 232s, khi momen dương thì động cơ điện đóng vai trò cung cấp năng lượng giúp xe di chuyển, giá trị của SOC giảm Ta thấy, pin bị tiêu hao dung lượng
Từ khoảng 232 – 240s, khi momen âm thì động cơ điện đóng vai là một máy phát giúp sạc lại cho pin, giá trị của SOC tăng Đây chính là ưu điểm phanh tái sinh của xe điện
Hình 4 13: Tính kinh tế của xe chạy chu trình NYCC
Trong chu trình NYCC tính được mức tiêu hao nhiên liệu là 10.93 kWh/100km Với quãng được đi được là 1.897 km, tính được số kWh điện tốn cho chu trình trên là 0.2073 kWh Giá tiền cho 1 kWh điện ở trụ sạc hiện nay khoảng 9900 đồng/kWh (Theo giá của hãng sạc EV One tại Việt Nam) nên ta có được giá tiền là 2052 đồng
Với một chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong với nhiên liệu là xăng thì chạy trong đô thị có mức tiêu hao nhiên liệu trung bình là 8l/100km thì giá tiền là 3795 đồng theo quãng đường đi được
Với chu trình NYCC, ta thấy tính kinh tế về nhiên liệu của đối tượng mô phỏng tiết kiệm hơn so với xe xăng hiện nay khoảng 1.85 lần
4.2.2 Trường hợp 2: Xe chạy theo chu trình chạy cao tốc (HWYCC)
❖ Vận tốc thực tế và Chu trình tham khảo
Hình 4 14: Chu trình tham khảo HWYCC
Hình 4 15: Vận tốc xe chạy chu trình HWYCC
Khảo sát theo chu trình HWYCC, mô phỏng đã cho ra đồ thị vận tốc thực tế của xe tương đương với đồ thị vận tốc tham khảo với sai lệch vận tốc trung bình thực tế (77.68 km/h) so với vận tốc trung bình tham khảo (77.7 km/h) khoảng 0.026% do những khoảng giảm tốc vẫn có sự sai số do có lực quán tính Quãng đường xe đi được là 16.51 km Tuy nhiên sự sai lệch khi xe chạy ở chu trình HWYC giảm so với khi xe chạy ở chu trình NYCC vì theo chu trình NYCC xe phải thay đổi trạng thái nhiều lần và có những giai đoạn tăng giảm tức thời Từ đó dẫn đến sự sai số do có quán tính
Hình 4 16: Khoảng sai lệch của vận tốc tham khảo và vận tốc thực tế
❖ Tốc độ , momen và công suất motor
Hình 4 17: Tốc độ động cơ
Hình 4 18: Momen xoắn động cơ
Hình 4 19: Công suất động cơ
Theo đồ thị của tốc độ động cơ khi xe chạy trong chu trình cao tốc HWYC, ta thấy tốc độ động cơ cao và ít dao động hơn khi xe chạy trong chu trình NYCC (do xe chạy trên cao tốc thường giữ nguyên một tốc độ và ít thay đổi) Tốc độ tối đa khoảng 7000 vòng/phút
Ta thấy đồ thị momen xoắn ở những giây đầu tiên và ở những điểm xe tăng tốc (khoảng 300s), xe cần lượng momen lớn để giúp xe di chuyển và khi xe đạt được tốc độ ổn định thì momen xoắn ít thay đổi
Công suất động cơ được tính từ tích của momen xoắn và tốc độ động cơ Ta có tốc độ động cơ luôn dương Từ đó suy ra, công suất phụ thuộc vào momen xoắn Momen xoắn tăng (+) thì công suất cũng sẽ tăng (+) và ngược lại
Hình 4 20: Trạng thái nạp SOC trên chu trình chạy HWYCC
Trong chu trình HWYCC, đồ thị SOC đi dốc xuống rất nhanh do xe phải chạy trên cao tốc Trong quá trình chạy với tốc độ cao cũng có những lúc xe giảm tốc tức thời, điều này giúp pin sạc lại nhờ hệ thống phanh tái sinh nhưng không đáng kể Vì thế dung lượng sẽ bị hao hụt nhanh so với dung lượng định mức
Hình 4 21: Tính kinh tế của xe chạy chu trình HWYCC