Sự phát triển bùng nổ làm cho các loại xe điện dần được thay thế động cơ đốt trong ở các nước phương Tây, hiện nay Việt Nam cũng dần được du nhập sử dụng các loại xe điện sản xuất từ tro
Đ ẶT VẤN ĐỀ
Với sự phát triển không ngừng của xã hội hiện đại ngày nay, quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa diễn ra liên tục khiến cho không khí môi trường ngày càng ô nhiễm Trong đó không thể không kể đến các loại phương tiện giao thông nói chung và ô tô nói riêng đã góp một phần không nhỏ vào sự ô nhiễm của không khí, làm tăng hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu Do đó, các loại ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng & diesel đang dần được thay thế bởi xe Hybrid (HEV) và xe điện (EV) Thêm vào đó, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và không thể tái tạo đã khiến cho việc tìm nguồn động lực mới cho ô tô là tất yếu Chính vì vậy, xe điện ngày càng được chú trọng và phát triển
Chúng em được sự phân công của Bộ môn Động cơ ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô Tô của khoa Đào tạo Chất lượng cao - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn của thầy TS Đỗ Quốc Ấm, nhóm chúng em đã nghiên cứu thực hiện đề tài: “NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG XE ĐIỆN TRÊN MATLAB
SIMULINK” Đề tài này có ý nghĩa rất lớn đối với việc đóng góp vào công tác giảng dạy của quý thầy cô, phục vụ cho việc nghiên cứu của sinh viên, giúp cho mọi người có cái nhìn rõ hơn về đặc tính ưu điểm hiệu quả của xe điện.
M ỤC TIÊU ĐỀ TÀI
- Nắm vững cấu tạo, chức năng và nguyên lí hoạt động của xe điện
- Sử dụng Matlab Simulink trong mô phỏng các tiêu chí của xe: Mức tiêu thụ năng lượng của xe, thời gian tăng tốc từ 0-100km/h, trạng thái sạc Từ đó đánh giá được bộ điều khiển có tối ưu hay chưa.
G IỚI HẠN ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng xe điện trên Matlab Simulink.
Đ ỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Xe điện loại 4 chỗ có công suất nhỏ
- Dựa vào thông số của xe Vinfat Vfe34
- Sử dụng các phần mềm tính toán và mô phỏng một số thông số đặc trưng của xe điện
P HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Sử dụng các phần mềm trong tính toán và mô phỏng
- Tổng hợp và phân tích dữ liệu
N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xe điện
- Mô phỏng được trạng thái sạc (SOC)
- Đánh giá kết quả mô phỏng thông qua chu trình lái thử của Matlab Simulink: Mức tiêu thụ năng lượng của xe, thời gian tăng tốc từ 0- 100km/h.
L ỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XE ĐIỆN
Mô hình xe điện sơ khai:
- Lịch sử phát triển xe điện bắt đầu vào năm 1828, khi Ányos Jedlik – nhà vật lý và linh mục người Hungary phát minh ra động cơ điện sơ khai gồm một động cơ một chiều, stator (phần đứng yên của động cơ), roto (phần chuyển động của động cơ) và cổ góp điện Mô hình thô sơ này chính là nền móng cho hệ thống động cơ điện ngày nay
- Bốn năm sau, vào năm 1832, mô hình xe điện có kích thước đầy đủ đầu tiên trên thế giới ra đời, là sáng tạo của một nhà phát minh người Scotland - Robert Anderson Về mặt kỹ thuật, mẫu xe không có pin sạc của Robert Anderson hoàn toàn không thể đáp ứng được tiêu chuẩn xe điện khắt khe ngày nay, nhưng có một điều chắc chắn rằng, cỗ xe điện thô sơ này đã tạo ra một sự thay đổi mạnh mẽ so với những chiếc xe ngựa cùng thời
- Năm 1835, Giáo sư người Hà Lan - Sibrandus Stratingh ở Groningen và trợ lý cũng tạo ra một chiếc ô tô điện nhỏ, chạy bằng động cơ điện sơ khai nhưng không có pin sạc
Hình 2 1 Ô tô điện sơ khai Đầu máy xe điện đơn giản:
- Đầu máy điện đầu tiên trên thế giới ra đời vào năm 1837 tại Scotland, là phát minh của nhà hóa học Robert Davidsonn Bộ phận này chạy bằng loại pin tự phát (Galvanic Cell), có khả năng tạo ra năng lượng điện từ các phản ứng oxy hóa tự nhiên diễn ra bên trong các cục pin
- Sau thành công bước đầu, Davidson đã chế tạo một đầu máy xe lửa có kích thước lớn hơn tên là Galvani, trưng bày tại Triển lãm Hiệp hội Nghệ thuật Hoàng gia Scotland năm 1841 Chiếc xe có kích thước lên tới 7 tấn, gồm hai động cơ điện truyền động trực tiếp, các nam châm điện cố định trên thanh sắt và các cổ góp điện đơn giản
Hình 2 2 Đầu máy xe lửa
Sự xuất hiện của những chiếc xe điện đầu tiên:
- Thất bại của những mô hình xe điện sơ khai nằm ở vấn đề pin không thể sạc lại, khiến cho giấc mơ về một chiếc xe điện thay thế hoàn toàn xe kéo bằng sức ngựa trở nên xa vời Lịch sử phát triển xe điện chỉ được viết tiếp khi nhà vật lý người Pháp Gaston Planté phát minh ra pin axit-chì – loại pin có thể sạc lại vào năm 1859
- Vào năm 1884, nhà phát minh người Anh Thomas Parker đã chế tạo chiếc ô tô điện sản xuất đầu tiên ở Wolverhampton, sử dụng pin sạc dung lượng cao Bên cạnh đó, không thể không nhắc đến sự kiện William Morrison ra mắt một chiếc ô tô điện đơn giản đầu tiên tại Mỹ vào năm 1889-1891 gây được sự chú ý và đạt được thành công vang dội Đây được xem là hai sự kiện quan trọng đã đặt nền móng cho xu hướng và sự bùng nổ của xe điện ở những giai đoạn tiếp theo
Hình 2 3 Xe điện sạc đầu tiên
Thời “hoàng kim” của xe điện:
- Vào cuối thế kỷ XIX, lịch sử phát triển xe điện rẽ sang một trang mới khi các xe taxi chạy bằng pin điện trở nên phổ biến Tại London, Walter Bersey đã thành lập một đội xe taxi điện chạy trên đường phố vào năm 1897 Cùng với đó ở New York, Công ty Xe điện và Xe chở hàng của Samuel bắt đầu sử dụng 12 xe taxi chở hàng chạy bằng điện
- Năm 1912, nhiều ngôi nhà được nối dây điện, tạo điều kiện cho sự phát triển của ô tô điện, khắc phục trở ngại về cơ sở hạ tầng Theo thống kê, Mỹ là quốc gia sử dụng xe điện nhiều nhất trên thế giới khi có đến 33.842 chiếc xe được đăng ký lưu hành Hầu hết các loại phương tiện thời kỳ này đều mô phỏng theo những toa tàu đồ sộ, thiết kế công phu với nội thất xa hoa, vật liệu cao cấp nhằm phục vụ tầng lớp thượng lưu Sự bùng nổ của ô tô điện lên cao trào nhất vào năm 1910
Sự “thoái trào” của ô tô điện:
- Sau thành công vang dội vào đầu thế kỷ XX, xe điện bắt đầu mất dần vị thế trên thị trường ô tô và chính thức bước vào giai đoạn “thoái trào” Khi đó, hạ tầng đường bộ được cải tiến đòi hỏi xe phải có khả năng vận hành cao hơn
- Cũng vào thời điểm này, các mỏ xăng dầu lớn đã được phát hiện, tạo đà phát triển cho ngành công nghiệp khai thác dầu khiến giá xăng dầu giảm mạnh Năm 1912, giá của một chiếc ô tô điện được bán cao gấp đôi một chiếc xe xăng Chưa kể, việc sử dụng nhiên liệu xăng sẽ tiết kiệm chi phí hơn nguồn điện rất nhiều khi chạy đường dài thời bấy giờ
Hình 2 4 Sự bùng nổ của nhiên liệu xăng
Sự “hồi sinh” của ô tô điện:
- Niềm hy vọng về ô tô điện nhen nhóm trở lại khi tập đoàn American Motors Corporation (AMC) và Sonotone Corporation công bố nghiên cứu sản xuất một chiếc ô tô điện chạy bằng pin tự sạc vào năm 1959 Loại pin này có thể sạc lại nhanh chóng, trọng lượng nhẹ hơn so với pin axit – chì truyền thống
- Tính đến tháng 7 năm 2006, có khoảng 60.000 - 76.000 chiếc xe NEV được sử dụng ở Hoa Kỳ, tăng 56.000 chiếc so với năm 2004 Mẫu xe điện tốc độ thấp được bán chạy nhất là Global Electric Motorcars (GEM) với hơn 50.000 chiếc được bán ra toàn cầu vào năm 2014 Hai thị trường xe điện NEV lớn nhất thế giới trong năm 2011 là Mỹ với 14.737 chiếc và Pháp với 2.231 chiếc
Hình 2 5 Xe điện Global Electric Motorcars
Ư U ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA XE ĐIỆN
Xe chạy điện không sản sinh ra khí thải độc hại như các dòng xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường
Giá xe điện thường mắc hơn các dòng xe truyền thống Người lái phải tốn phí ban đầu nhiều hơn trước khi nhận thấy lợi ích từ việc không tốn tiền xăng
Người lái loại bỏ được nhu cầu đổ xăng, tiết kiệm phần lớn chi phí nhiên liệu do chuyển sang sử dụng điện năng
Xe điện khó có thể đi xa vì có mức năng lượng hạn chế
Xe điện thường có chi phí bảo trì định kỳ thấp hơn xe truyền thống hoặc xe hybrid
(không cần thay dầu, vệ sinh ống xả )
Thời gian sạc, nạp điện cho xe cũng là một điểm bất lợi đáng chú ý
Chủ xe có thể nhận được giá ưu đãi do giảm thuế, khuyến mãi nhằm khuyến khích người dùng chuyển sang các dòng xe thân thiện với môi trường
Xe điện vẫn chưa có mạng lưới sạc mở rộng, số lượng các trạm sạc đang phát triển nhưng vẫn còn hạn chế
Bảng 2 1 Bảng so sánh Ưu/Nhược điểm của xe điện
C ẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN
Hình 2 6 Cấu tạo của xe ô tô điện
- Ắc quy phụ: Trong một chiếc xe truyền động điện, nguồn pin phụ cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên xe hoạt động
- Cổng sạc: Cổng sạc cho phép phương tiện kết nối với nguồn điện bên ngoài để sạc ắc- quy
- Bộ chuyển đổi DC/DC: Thiết bị này chuyển đổi nguồn DC áp cao từ ắc quy thành nguồn DC áp thấp cần thiết để các thiết bị trên xe hoạt động & sạc lại cho ắc quy phụ
- Động cơ điện/Motor điện: Sử dụng năng lượng từ bộ nguồn ắc qui, motor này dẫn động các bánh xe Vài phương tiện còn sử dụng tổ hợp động cơ – máy phát (motor generators) thực hiện cả 2 chức năng truyền động và tái sinh/hồi phục năng lượng
- Onboard charger: Lấy nguồn điện AC được cung cấp qua cổng sạc và biến đổi chúng thành nguồn DC để sạc cho ắc quy Bộ phận này theo dõi các thông số của ắc quy như điện áp, dòng, nhiệt độ và trạng thái sạc
- Bộ điều khiển điện tử công suất (Power electronics controller): Bộ phận này quản lý dòng năng lượng điện được cung cấp bởi ắc quy, điều khiển tốc độ của motor điện và momen xoắn mà nó tạo
- Hệ thống làm mát (Thermat System): Hệ thống này duy trì một phạm vi nhiệt độ hoạt động thích hợp của động cơ/motor điện & các bộ phận khác
- Bộ ắc quy kéo: Lưu trữ điện để cung cấp cho motor
- Truyền động (điện) – Transmission (electric)
Pin: 3 loại pin của ô tô điện phổ biến hiện nay:
- Pin axit chì: Chúng đã được sử dụng trong tất cả các loại ô tô kể cả ô tô điện từ thế kỷ
- Pin niken: pin Ni-MH được sử dụng trong một số xe hybrid và xe điện cũ như những thế hệ đầu tiên của Toyota Prius và Honda Insight Mặc dù loại pin này đã cũ, nhưng chính xác vẫn chưa lỗi thời vì một số xe ô tô điện mới trên thị trường hiện nay vẫn sử dụng chúng
- Pin Lithium ion: Pin lithium ion (Li-ion) hiện được coi là tiêu chuẩn cho xe điện chạy pin hiện đại.
H Ệ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG
Dung lượng pin: là một chỉ số đo lường cho khả năng của pin lưu trữ và cung cấp năng lượng Nó thường được đo bằng đơn vị mAh (miliampe giờ) hoặc Ah (ampe giờ) Dung lượng pin thường được kí hiệu là C và chỉ ra khối lượng điện mà pin có thể cung cấp trong một khoảng thời gian
Ví dụ: nếu một pin có dung lượng 5000mAh, điều này có nghĩa là pin có khả năng cung cấp dòng điện 1000mA hoạt động trong 5 giờ Tuy nhiên, đây chỉ là một giá trị ước tính và thực tế sẽ phụ thuộc vào các yếu tố khác như dòng tiêu thụ của thiết bị và điều kiện sử dụng
Dung lượng pin là một yếu tố quan trọng khi chọn pin cho các thiết bị di động, bởi vì nó liên quan trực tiếp đến thời gian sử dụng của pin trước khi cần sạc lại Thông thường, dung lượng pin càng cao, thời gian sử dụng của pin càng lâu
Dung lượng lý thuyết: Dung lượng lý thuyết của một pin là giá trị tối đa về dung lượng ước tính mà hãng sản xuất pin đưa ra Tuy nhiên, dung lượng lý thuyết chỉ là một giá trị ước tính và thực tế sẽ phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác nhau như dòng tiêu thụ của thiết bị và điều kiện sử dụng
Dung lượng định mức: Dung lượng định mức thường là một giá trị trung bình cho khả năng cung cấp năng lượng của pin dựa trên các điều kiện tiêu chuẩn nhất định Nó thường dựa trên một dòng điện tiêu thụ duy nhất hoặc dòng điện tiêu thụ trung bình trong một khoảng thời gian nhất định Dung lượng định mức của một pin được công nhận và xác định bởi các tiêu chuẩn quốc tế hoặc được đặt ra bởi các nhà sản xuất pin
Suất điện động: Suất điện động (hay còn gọi là điện thế cân bằng) là một thông số để đánh giá khả năng phóng điện của pin Nó được định nghĩa là sự khác biệt về điện thế giữa cực dương và cực âm của pin
Điện áp mạch hở: Điện áp mạch hở (ký hiệu là Uocv) là hiệu điện thế giữa cực dương và cực âm trong pin khi không có dòng điện chạy qua Điện áp mạch hở được xác định bởi các yếu tố như vật liệu sản xuất, chất điện phân, nồng độ và nhiệt độ Điện áp mạch hở không phụ thuộc vào cấu trúc và kích thước của pin Điện áp mạch hở thường thấp hơn suất điện động
Điện áp làm việc: Điện áp làm việc là sự chênh lệch điện thế giữa các cực của pin khi pin đang hoạt động Khi pin đang được xả (sử dụng), điện áp làm việc thường thấp hơn so với điện áp mạch hở và suất điện động, do ảnh hưởng của điện trở phân cực và điện trở Ohmic Điện áp làm việc của pin phụ thuộc bởi một số yếu tố như thời gian xả, dòng xả, nhiệt độ làm việc và điện áp xả Điện áp định mức được sử dụng để phân biệt giữa các loại pin sử dụng hóa chất khác nhau Ví dụ như, điện áp định mức của pin chì-axit, Ni-MH, LFP và LTO có thể khác nhau tùy thuộc vào loại hóa chất được sử dụng
Điện áp cắt xả: Điện áp cắt phóng điện (còn được gọi là điện áp cắt xả) là giá trị điện áp thấp nhất mà pin vẫn có thể hoạt động (phóng điện ổn định) Điện áp cắt xả bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau Nếu pin được xả dưới ngưỡng điện áp này, có thể gây hỏng pin và tồn tại nguy cơ tai nạn cháy nổ Tương tự như điện áp cắt xả, điện áp tối đa khi pin được sạc là điện áp cắt sạc
Nội trở (điện trở trong) của pin là một giá trị đo trong hệ đo Ohm, biểu thị khả năng của pin chịu được trở kháng khi cung cấp dòng điện Nội trở gồm có hai loại: điện trở Ohmic R Ω và điện trở phân cực R f Điện trở Ohmic R Ω được tạo ra từ vật liệu điện cực, chất điện phân và màng ngăn cách
Nội trở bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm cách thiết kế và kích cỡ của pin, thành phần hóa học, điện áp hoạt động và nhiệt độ Nếu nội trở của pin cao, điện áp thực tế có thể giảm và dòng điện cung cấp có thể bị hạn chế Nội trở của pin cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ pin Nếu nội trở cao, pin có thể mất điện nhanh hơn và sụt giảm hiệu suất trong quá trình sử dụng Do đó, nội trở của pin là một yếu tố quan trọng cần xem
Dòng sạc/xả có tác động quan trọng đến hiệu suất của pin, là đại lượng đo lường dòng điện thông qua pin trong quá trình sạc và xả Trong quá trình sạc pin, dòng sạc cần đủ lớn hoặc bằng dòng tiêu thụ của thiết bị sử dụng pin để pin có thể được sạc nhanh chóng và đầy đủ Trên một phương diện khác, dòng xả cần đảm bảo đủ điện để cung cấp cho thiết bị mà pin đang sử dụng Tuy nhiên, khi dòng xả quá lớn so với khả năng của pin (xả quá mức), pin có thể bị hao mòn, phình to hoặc gặp các nguy cơ về cháy nổ Thông số về dòng sạc/xả thường được ghi trực tiếp trên sản phẩm hoặc trong hướng dẫn sử dụng của pin
Năng lượng của pin là khả năng của pin cung cấp và lưu trữ năng lượng điện Pin sẽ chuyển đổi năng lượng hoá học thành năng lượng điện khi sử dụng Năng lượng của pin thường được đo và biểu thị bằng cách sử dụng đơn vị joule (J) hoặc các đơn vị dẫn xuất như watt-giờ (Wh) Các thông số này thể hiện lượng năng lượng mà pin có thể lưu trữ và cung cấp
Công suất P của pin là khả năng của pin cung cấp và tiêu thụ năng lượng trong một khoảng thời gian nhất định Nó đo lường khả năng của pin để cung cấp công suất hoặc công năng cho thiết bị hoạt động Công suất của pin thường được đo và biểu thị bằng đơn vị watt (W) hoặc các đơn vị dẫn xuất như kilowatt (kW), milliwatt (mW) hoặc microwatt (àW)
Tuổi thọ của pin là thời gian hoạt động hiệu quả của pin trước khi cần sạc lại hay thay thế Nó thường được đo và biểu thị bằng đơn vị thời gian, chẳng hạn như giờ (h), ngày (d), hoặc tháng (m) Tuổi thọ của pin phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:
N HỮNG LOẠI P IN SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ ĐIỆN
Pin được chia ra làm hai loại chính là : Pin sơ cấp là loại pin được thiết kế sử dụng một lần rồi bỏ đi - không được sạc lại bằng điện Pin thứ cấp (Pin sạc) là loại pin có thể tái sử dụng nhiều lần bằng cách sạc lại bằng cách cắm điện và đặt vào bộ điện để cung cấp lại dung lượng pin Ô tô điện thì được sử dụng loại pin thứ cấp để cung cấp nguồn cho động cơ điện của xe thuần điện (BEV) Trong đó có ba loại pin được các nhà sản xuất công nhận phù hợp để sử dụng trên ô tô điện :
- Pin Nikel Cadimi (Ni-Cd)
- Pin Niken-metal Hydride (NiMH)
- Pin lithium-ion (Li-ion)
3.2.1 Pin Nikel Cadimi (Ni-Cd)
Pin Ni–Cd đã được phát triển trong hơn một thế kỷ Nó đã được áp dụng rộng rãi do có công suất cao, bảo trì dễ dàng, chi phí thấp và chế tạo đơn giản Nó có thể được phân loại thành tấm dạng túi, tấm thiêu kết và tấm dạng sợi Pin Ni–Cd là một loại pin kiềm do dung dịch KOH được sử dụng làm chất điện phân
3.2.1.1 Ưu/ nhược điểm của pin Ni-Cd
- Tuổi thọ cao: Pin Ni-Cd thường có tuổi thọ lâu hơn so với các loại pin khác như pin kiềm hay pin Li-ion Pin Ni-Cd có khả năng chịu được số lần sạc-xả nhiều hơn, giúp kéo dài tuổi thọ của pin
- Nhiệt độ hoạt động rộng: Pin Ni-Cd có khả năng hoạt động tốt ở nhiệt độ cao hơn so với các loại pin khác Khả năng này giúp cho pin Ni-Cd trở thành lựa chọn tốt cho các ứng dụng mà yêu cầu hoạt động liên tục trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt
- Khả năng cung cấp dòng cao: Pin Ni-Cd có khả năng cung cấp dòng điện cao mà không bị suy giảm hiệu suất
- An toàn: Pin Ni-Cd không dễ bị cháy nổ khi sạc hoặc sử dụng, và cung cấp một mức độ an toàn cao hơn so với các loại pin khác Điều này làm cho pin Ni-Cd được ưa chuộng trong các ứng dụng công nghiệp và an ninh
- Giá thành tương đối thấp: Pin Ni-Cd có giá thành thấp hơn so với các loại pin khác Do đó, nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các thiết bị tiêu thụ hàng ngày như điều khiển từ xa, đồ chơi và các thiết bị gia dụng
- Dung lượng: Pin Ni-Cd có dung lượng thấp so với kích thước và trọng lượng của nó Điều này có nghĩa là đối với cùng một kích thước của pin, dung lượng Ni-Cd thường ít hơn so với pin kiềm NiMH hoặc pin Lithium-ion
- Hiệu suất năng lượng: Pin Ni-Cd có hiệu suất năng lượng thấp Điều này có nghĩa là pin Ni-Cd không cung cấp năng lượng lớn hơn trong cùng một dung lượng so với các
- Hiệu quả sạc: Pin Ni-Cd không sạc hiệu quả như các loại pin khác Hiệu quả sạc của pin Ni-Cd thấp hơn và năng lượng được truyền vào pin thường bị tiêu thụ dưới dạng nhiệt Điều này dẫn đến hiện tượng tỏa nhiệt và làm tăng sự hao mòn và suy giảm tuổi thọ của pin
- Cadmium là một kim loại độc hại, do đó việc sản xuất pin Ni-Cd ở số lượng lớn có tác động xấu đối với môi trường và ảnh hưởng trầm trọng đối với sức khỏe con người
- Hiệu ứng bộ nhớ của pin Ni-Cd rất cao Do đó, các ứng dụng sử dụng pin Ni-Cd đôi khi phải được sạc đầy
3.2.2 Pin Nikel kim loại-hydrua (NiMH)
Trong pin NiMH, cực dương được làm từ một hợp chất kim loại Hydrua là Niken Hydroxide (Ni (OH)2) Hợp chất này giúp điện phân và lưu trữ các ion kim loại Hydrua và oxi hóa trong quá trình hoạt động của pin
Cực dương của pin NiMH là nơi diễn ra quá trình oxi hóa, phản ứng này xảy ra khi điện tích di chuyển từ cực âm đến cực dương của pin thông qua mạch điện ngoài Khi oxi hóa xảy ra, các ion kim loại Hydrua được giải phóng, cung cấp điện tích dương mà pin sử dụng để đáp ứng các nhu cầu năng lượng Cực dương thường kết nối với hệ thống dẫn điện của pin, cho phép dòng điện chảy ra khỏi pin và cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng pin NiMH
Vật liệu điện cực âm của pin NiMH là Hydro (H) Vì tính hiệu quả và hiệu năng về mặt thể tích cao, Hydrua kim loại là vật liệu tốt hơn Hydro lỏng Hiện nay, các loại vật liệu được sử dụng trong pin NiMH chứa khoảng 1% đến 2% lượng Hydro
Các hợp chất kim loại trong phần cực âm bao gồm nhiều chất từ hai phi kim trở lên, được phân loại thành nhiều nhóm AxBy dựa vào cấu trúc tinh thể và cấu tạo của chúng A và B đều bao gồm nhiều thành phần phi kim khác nhau Sự đa dạng về thành phần này giúp cho các vật liệu được sản xuất với độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn và sức chứa Hydro cao, phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng Ví dụ như trong pin, với các thành phần như AB2(TiMn2), AB5 (LaNi5), AB (TiFe) và A2B(Mg2Ni)
3.2.2.1 Ưu và nhược điểm của pin NiMH
- Dung lượng cao: Pin NiMH có dung lượng lớn hơn so với các loại pin kiềm thạch anh truyền thống Điều này cho phép cung cấp nhiều năng lượng và thời gian sử dụng lâu dài cho các thiết bị
M ỘT SỐ LOẠI MOTOR ĐƯỢC SỬ DỤNG TRÊN XE ĐIỆN
Motor DC có chổi than
Motor DC không chổi than Động cơ đồng bộ Động cơ không đồng bộ Ưu điểm
- Khả năng điều khiển tốt
- Mô men xoắn ổn định
- Sự chênh lệc mô men xoắn tối đa và tối thiểu thấp
- Mật độ năng lượng lớn
- Mô men xoắn đầu ra tốt
-Mô men xoắn tối đa lớn
- Hạn chế về tốc độ
- Sự chênh lệch mô men lớn
- Từ trường trong motor có khả năng bị khử từ
- Cách vận hành phức tạp
- Hiệu quả kém khi sử dụng mô men nhỏ
Bảng 2 2 Bảng so sánh các loại motor
3.3.1 Motor DC có chổi than
Motor đồng bộ có chổi than được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Motor này rẻ tiền, dễ sử dụng và có tất cả các kích thước và hình dạng Nguyên lý hoạt động việc xây dựng một motor đồng bộ có chổi than
Hình 3 1 Cấu tạo của motor DC có chổi than
Stator sẽ tạo ra một từ trường cố định bao quanh rotor Từ trường này được tạo bởi nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây điện từ Rotor hay còn gọi là phần ứng, được tạo ra từ một hay nhiều cuộn dây Khi các cuộn này này được cấp điện, chúng sẽ tạo ra từ trường
Từ trường mới được tạo ra sẽ tương tác với từ trường cố định sẵn khiến cho rotor quay Khi motor quay thì các cuộn dây liên tục được cung cấp năng lượng theo một trình tự khác nhau để các cực từ do rotor tạo ra sẽ không vượt quá số cực từ do stator tạo ra Sự chuyển đổi từ trường này trong cuộn dây rotor được gọi là chuyển mạch Chổi than và cổ góp không giống như các loại motor điện khác, motor này không yêu cầu bộ điều khiển để chuyển đổi dòng điện trong cuộn dây của motor Thay vào đó việc chuyển đổi sẽ xảy ra một cách cơ học Một ống bọc đồng phân đoạn, gọi là cổ góp nằm trên trục của motor, khi động cơ quay, chổi than trượt trên cổ góp và tiếp xúc với các phần khác nhau của cổ góp Các phân đoạn được gắn vào các cuộn dây rotor khác nhau nên do đó một từ trường tạo ra bên trong động cơ khi có một điện áp trên chổi than của motor
Hình 3 2 Cấu tạo Rotor của motor DC có chổi than Nhược điểm: Loại motor này có nhược điểm là chổi than và cổ góp là các bộ phận dễ bị mài mòn Kết cấu khá cồng kềnh, hiệu quả kém ,nhiệt sinh ra lớn, khó tháo lắp Ưu điểm: Cung cấp mô men xoắn tối đa ở tốc độ thấp Các loại xe sử dụng motor này:
3.3.2 Motor DC không chổi than
Motor DC không chổi than là một loại motor rất nhanh đã trở nên phổ biến, được sử dụng trong các nghành công nghiệp như thiết bị dân dụng, ô tô, hàng không vũ trụ, y tế,… Như tên gọi thì motor này không có chổi than để chuyển mạch thay vào đó chúng được biến đổi điện tử Nguyên lý hoạt động motor này là một loại motor đồng bộ, từ trường được tạo ra bởi rotor và stator cùng tần số Motor đồng bộ không chổi than này không có khái niệm trượt thường thấy trong động cơ cảm ứng Motor này có loại 1 pha, 2 pha và 3 pha Loại motor 3 pha là loại được sử dụng phổ biến nhất
Stator bao gồm các lá thép xếp chồng lên nhau với các cuộn dây được đặt trong rãnh cắt dọc chu vi bên trong ( như hình bên dưới ) Hầu hết các motor đồng bộ không chổi than có 3 cuộn dây stator nối theo kiểu hình sao Mỗi cuộn dây này sẽ được kết nối bởi nhiều cuộn dây khác để tạo thành một cuộn Có 2 loại biến thể cuộn dây stator là loại motor hình thang và motor hình sin Sự khác biệt giữa chúng là sự khác nhau về liên kết trong các cuộn dây trong cuộn stator để tạo ra “suất điện động tự cảm” khác nhau
Hình 3 3 Cấu tạo bên trong stator của motor DC không chổi than
Rotor được làm bằng nam châm vĩnh cửu và có thể thay đổi từ hai đến tám cặp cực Dựa vào mật độ từ trường cần thiết trong rotor, người ta thường chọn vật liệu thích hợp để chế tạo Nam châm ferrite thường được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu Hiện nay thì có nhiều loại nam châm làm bằng hợp kim đất hiếm đã được sử dụng nhiều hơn Các nam châm ferrite ít tốn kém hơn nhưng chúng có mật độ từ thông thấp trong một thể tích nhất định Ngược lại loại loại kim đất hiếm thì có mật độ từ tính cao và cho phép rotor nén hơn nữa để có cùng mô men xoắn
Hình 3 4 Mặt cắt ngang của các kiểu sắp xếp nam châm khác nhau trong rotor
Cảm biến Hall không giống như motor đồng bộ có chổi than, việc chuyển mạch của motor không chổi than này được điều khiển bằng điện tử Để quay motor này thì cuộn dây stator phải được cấp điện theo trình tự Vị trí của rotor được xác định bằng các cảm biến Hall gắn trên stator Hầu hết các motor DC không chổi than đều có 3 cảm biến Hall được gắn vào phần không chuyển động của motor Bất cứ khi nào các cực của rô tơ quét qua cảm biến Hall, chúng sẽ phát ra tín hiệu để báo rằng cực N hoặc S đang quét qua Dựa vào sự kết hợp tín hiệu của 3 cảm biến thì ta xác định được trình tự chuyển mạch một cách chính xác Một số xe sử dụng motor này như: Toyota Prius,…
Hình 3 5 Mặt cắt của motor không chổi than Ưu điểm: Những đặc tính tốt hơn giữa mô men xoắn với tốc độ động cơ, hiệu quả cao, tuổi thọ hoạt động lâu dài, hoạt động không ồn ào, dải tốc độ cao hơn
3.3.3 Động cơ không đồng bộ
Motor cảm ứng này là loại motor phổ biến nhất hiện nay sử dụng cho các chuyển động trong các công nghiệp Loại motor này có thiết kế đơn giản, chắn chắn và chi phí thấp, ít bảo trì và kết nối trực tiếp với nguồn điện xoay chiều Như hầu hết các motor, motor cảm ứng có phần bên ngoài cố định gọi là stator và phần bên trong chuyển động là rotor Hầu hết các loại motor đề sử dụng chuyển động quay của từ trường để chuyển động phần rotor Motor cảm ứng xoay chiều 3 pha là loại mà từ trường được tạo ra một cách tự nhiên do bản chất của nguồn cung cấp Trong motor cảm ứng xoay chiều, một bộ nam châm điện được hình thành trong stator do nguồn điện xoay chiều được nối với cuộn dây stator Bản chất xoay chiều của điện áp cung cấp tạo ra suất điện động tự cảm (EMF) trong rotor theo định luật LENZ Tương tác giữa từ trường của các nam châm điện sẽ tạo ra mô men xoắn
Stator được tạo thành từ nhiều lớp nhôm hoặc gang mỏng Chúng được đục lỗ và kẹp lại với nhau để tạo thành hình trụ rỗng (lõi stator) có các khe như hình Các cuộn dây cách điện được luồn vào các khe này Mỗi nhóm dây và các lõi được bọc bởi các nhóm dây này sẽ tạo thành một nam châm điện (một cặp cực) khỉ sử dụng nguồn điện xoay chiều Số cực của motor này phụ thuộc vào các kết nối bên trong của cuộn dây stator Các cuộn dây stator được nối trực tiếp với nguồn điện Bên trong chúng sẽ được thấp kế để sao cho khi kết nối với nguồn điện xoay chiều, một từ trường quay sẽ được tạo ra
Hình 3 6 Cấu tạo bên trong stator của motor không đồng bộ
Rotor được tạo thành từ nhiều lớp mỏng với các thanh đều nhau, được làm bằng nhôm hoặc đồng, dọc theo ngoại vi bên ngoài Trong loại rotor phổ biết nhất (rotor lồng sóc), các thanh này được nối ở hai đầu bằng cơ học và điện bằng cách sử dụng các vòng Gần 90% motor cảm ứng có lồng sóc Sở dĩ như vậy là do rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản và chắc chắn Rotor bao gồm một lõi nhiều lớp hình trụ với các khe song song đặt dọc trục để mang dây dẫn Mỗi rãnh mang một thanh đồng, nhôm hoặc hợp kim Các thanh này bị chập vĩnh viễn ở 2 đầu khi đến các vòng cuối được thể hiện như hình 3.7 Toàn bộ giống hình dáng của 1 lồng sóc, khiến rotor này có tên như vậy Các rãnh rotor không hoàn toàn song song với trục, thay vào đó chúng sẽ bị nghiêng vì lí do sau đây:
- Tăng mô men xoắn khi khởi động Vì khi các rãnh trên rotor không thẳng thì dây dẫn trên đó sẽ có dài hơn khi các rãnh song song với trục Khi dây dẫn dài hơn thì điện trở sẽ tăng lên Khi tăng điện trở thì hệ số công suất của mạch rô tơ được cải thiện và cải thiện mô men xoắn khởi động cung cấp cho công suất của motor
- Giúp giảm tiếng ồn từ trường và làm cho motor hoạt động êm ả hơn
- Giúp giảm xu hướng khóa của rotor Các răng của rotor có xu hướng bị khóa dưới các răng của stator do lực hút từ tính trực tiếp giữa hai răng Điều này xảy ra khi số răng của rotor bằng với số răng của stator Rotor được gắn trên trục bằng các ổ đỡ ở mỗi đầu
- Thường chiều dài của một bên trục sẽ dài hơn bên còn lại để truyền tải Một số motor sẽ có trục phụ ở đầu không dẫn động để lắp các thiết bị cảm biến tốc độ hoặc là cảm biến vị trí trục Giữa stator và rô tơ sẽ có khe hở, nhờ vào hiện tượng cảm ứng năng lượng được truyền từ stator sang rotor Mô men xoắn được tạo ra sẽ tạo ra lực lên rô tơ và ép nó quay Từ trường tạo ra trong stator sẽ quay với tốc độ đồng bộ
H Ệ THỐNG LÀM MÁT PIN XE ĐIỆN
3.4.1 Tổng quan về hệ thống làm mát pin xe điện
Trong quá trình sạc và xả xe sử dụng năng lượng mới, làm thế nào để duy trì nguồn điện của ắc quy trong phạm vi nhiệt độ hoạt động tối ưu, giảm nhiệt độ đỉnh và chênh lệch nhiệt độ là một vấn đề cần được quan tâm Công nghệ làm mát thích hợp có thể làm giảm tác động tiêu cực của nhiệt độ lên bộ pin, cải thiện hiệu quả hiệu suất sử dụng pin, cải thiện độ an toàn khi sử dụng, giảm tốc độ lão hóa và kéo dài tuổi thọ của pin Trong bối cảnh này, một số hệ thống quản lý nhiệt pin (BTMS) được xem xét, bao gồm BTMS làm mát không khí, BTMS làm mát bằng chất lỏng và BTMS làm mát trực tiếp chất làm lạnh trong hệ thống quản lý nhiệt pin truyền thống, BTMS dựa trên vật liệu thay đổi pha, BTMS dựa trên ống dẫn nhiệt và BTMS dựa trên phần tử nhiệt điện trong hệ thống quản lý nhiệt pin mới Để giảm ảnh hưởng tiêu cực của nhiệt độ quá cao lên bộ pin và tìm kiếm các giải pháp khả thi cho BTMS trong quá trình phát triển trong tương lai, năm công nghệ làm mát pin điện nêu trên sẽ được trình bày Tóm tắt các trọng tâm nghiên cứu và tiến độ nghiên cứu của các BTMS khác nhau hiện nay Đánh giá khách quan ưu nhược điểm của từng BTMS Cuối cùng, phân tích và thảo luận về sự khác biệt và khoảng cách giữa BTMS truyền thống và BTMS mới Đảm bảo ắc quy ở vùng nhiệt độ hoạt động tối ưu, duy trì hoạt động ổn định của BTMS và nâng cao hiệu suất chuyển đổi ắc quy, cung cấp các giải pháp có giá trị cho nghiên cứu BTMS trong tương lai
Hình 3 10 Hệ thống làm mát xe điện
3.4.2 Phân loại hệ thống làm mát pin xe điện
Các hệ thống làm mát xe điện được chia thành hai loại chính là thụ động và chủ động Hệ thống làm mát thụ động gồm các phương pháp như dùng vật liệu chuyển pha (Phase change material – PCM), ống dẫn nhiệt hoặc chất hóa học có tác dụng làm mát hydrogel Làm mát thụ động trên xe điện không tiêu tốn năng lượng từ pin nhưng khó kiểm soát quá trình làm mát Hệ thống làm mát chủ động dựa trên nguyên lý hoạt động của cánh tản nhiệt, không khí hoặc chất làm mát chuyên dụng Với những phương pháp này, hiệu quả làm mát được cải thiện nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường bên ngoài trong một số trường hợp nhất định Hệ thống làm mát được phân loại đa dạng Mỗi loại đều sở hữu những ưu, nhược điểm riêng biệt
3.4.2.1 Làm mát pin xe điện bằng vật liệu chuyển pha (PCM)
Vật liệu chuyển pha (PCM) là chất làm mát đặc biệt có thành phần gồm carbon hoặc muối hydrat Khi pin xe điện tỏa lượng nhiệt lớn, vật liệu chuyển pha sẽ hấp thụ năng lượng nhiệt bằng cách thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng Trong khi thay đổi pha, vật liệu có thể hấp thụ một lượng nhiệt lớn với ít thay đổi nhiệt độ Tuy nhiên vật liệu chuyển pha PCM có phạm vi hoạt động nhỏ, sự thay đổi thể tích xảy ra trong quá trình thay đổi pha sẽ hạn chế ứng dụng của nó Hệ thống làm mát vật liệu chuyển pha có thể đáp ứng các yêu cầu làm mát của bộ pin, nhưng chỉ có thể hấp thụ nhiệt sinh ra tại vị trí của pin chứ không truyền đi, điều đó có nghĩa là nó sẽ không thể giảm nhiệt độ tổng thể như các hệ thống khác Vì thế, PCM không được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất xe ô tô điện
3.4.2.2 Làm mát pin xe điện bằng cánh tản nhiệt
Làm mát bằng cánh tản nhiệt cũng là phương pháp được áp dụng trên các dòng xe điện Cánh tản nhiệt làm tăng diện tích bề mặt để tăng tốc độ truyền nhiệt Nhiệt được truyền từ bộ pin đến cánh tản nhiệt thông qua quá trình dẫn nhiệt và từ cánh tản nhiệt đến không khí thông qua đối lưu Cánh tản nhiệt tạo ra lượng không khí lớn, trung hòa nhiệt độ do pin sinh ra khi vận hành Hạn chế của cánh tản nhiệt là kích cỡ lớn khiến hệ thống làm mát cồng kềnh hơn, hiệu suất kém nên không được các nhà sản xuất xe điện lựa chọn sử dụng phổ biến
3.4.2.3 Làm mát pin xe điện bằng không khí Đây là một trong những hệ thống làm mát pin ô tô điện đầu tiên được các nhà sản xuất ô tô điện sử dụng Làm mát pin ô tô điện bằng không khí hoạt động dựa trên nguyên lý đối lưu đơn giản như một cách truyền nhiệt ra khỏi bộ pin Khi ô tô điện di chuyển, quạt hoặc máy thổi sẽ thổi không khí qua bề mặt pin nóng, giúp nhiệt lượng được truyền ra bên ngoài
Hệ thống làm mát bằng không khí trên ô tô điện: Ưu điểm của phương pháp này là hoạt động đơn giản, dễ dàng kiểm soát Tuy nhiên phương pháp làm mát pin ô tô điện bằng không khí có thể tạo ra tiếng ồn và độ rung, không hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cao hoặc đối với pin năng lượng cao Lý do là vì pin năng lượng cao sẽ tỏa ra một lượng nhiệt lớn hơn, hiệu quả làm mát từ không khí là không đủ để đáp ứng nhu cầu làm mát cần thiết của pin
Hình 3 11 Làm mát pin điện bằng không khí
Ngoài ra, hệ thống làm mát ô tô điện này cũng không thích hợp để vận hành ở những vùng khí hậu nóng Vì nhiệt độ không khí từ môi trường đã cao sẵn sẽ làm cho hiệu quả làm mát bị giảm đi
3.4.2.4 Làm mát pin xe điện bằng nhiệt điện (Thermoelectric Energy Conversion – TEC)
Hệ thống làm mát bằng nhiệt điện TEC hiện đang được nhiều nhà sản xuất đánh giá cao khi sở hữu thiết kế hiện đại, khả năng giảm nhiệt pin hiệu quả Hệ thống TEC sử dụng mô-đun điều hành tổng gồm hai cực âm-dương gắn trực tiếp vào pin Khi vận hành, nhiệt độ pin tăng lên tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn Lúc này, nhiệt năng sẽ được mô-đun chuyển hóa thành điện năng giúp pin luôn hoạt động trong khoảng từ 31 – 34 độ C Công nghệ TEC cũng tạo ra một phương pháp làm mát mới, được gọi là làm mát cục bộ, giúp các ô tô trong tương lai sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả hơn Một trong những khó khăn lớn của việc áp dụng công nghệ TEC là hiệu suất chuyển đổi năng lượng tương đối thấp Các nghiên cứu về vật liệu mới có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi hơn của công nghệ này
3.4.2.5 Làm mát pin xe điện bằng chất lỏng – dung dịch làm mát chuyên dụng
Làm mát bằng chất lỏng: Phương pháp này là một trong những phương pháp phổ biến nhất do hiệu suất tốt mặc dù nó chứa nhiều thành phần hơn và do đó đắt hơn hệ thống làm mát bằng không khí Chất làm mát bằng chất lỏng như nước, chất làm lạnh hoặc ethylene glycol-một loại chất làm mát bằng chất lỏng cũng có trong chất chống đông được sử dụng cho mục đích làm mát pin Có các thành phần khác liên quan đến hệ thống như ống, tấm lạnh và bộ trao đổi nhiệt Có hai loại phương pháp làm mát băng chất lỏng làm mát trực tiếp và làm mát gián tiếp
- Làm mát gián tiếp: Đây là phương pháp làm mát giúp ngăn chặn thành công sự dẫn điện với tế bào trong khi vẫn duy trì khả năng khuếch tán nhiệt cao Làm mát gián tiếp tương tự như hệ thống làm mát động cơ đốt trong (ICE) vì cả hai đều lưu thông chất làm mát bằng chất lỏng thông qua các kênh làm mát gắn trên bề mặt pin
- Làm mát trực tiếp: Nó còn được gọi là làm mát ngâm, trong đó các tế bào của bộ pin tiếp xúc trực tiếp với chất làm mát bằng chất lỏng bao phủ toàn bộ bề mặt và có thể làm mát bộ pin một cách đồng đều Không cẩn áo làm mát và chất làm mát bằng chất lỏng lý tưởng phải là chất lỏng điện môi (dẫn điện rất kém) có độ dẫn nhiệt và công suất nhiệt cao Hệ thống làm mát trực tiếp vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển và chưa được thương mại hóa
Chất làm lạnh được sử dụng trong công nghệ làm mát pin đều tương thích với các loại phổ biến cho ô tô hiện nay như R134a, R744, và R1234yf Nhưng do R134a đã bị Liên minh châu Âu cấm sử dụng đối với ô tô sản xuất mới và R1234yf rất dễ bắt lửa, nên R744 sẽ trở thành tiêu chuẩn hướng tới trong tương lai Một khía cạnh khác thúc đẩy sự phát triển này là R744 cũng có thể được vận hành ở chế độ bơm nhiệt để làm nóng bộ pin.Hiện nay một số xe sử dụng công
P HANH TÁI SINH TRÊN XE ĐIỆN
Phanh tái sinh là một cơ chế được tìm thấy trên hầu hết các loại xe hybrid và chạy hoàn toàn bằng điện Nó thu động năng từ phanh và chuyển nó thành năng lượng điện để sạc pin điện áp cao của xe Phanh tái sinh cũng làm xe chạy chậm lại, hỗ trợ việc sử dụng phanh truyền thống Trong hệ thống phanh thông thường, ô tô giảm tốc độ do ma sát giữa má phanh và đĩa phanh Nhưng hệ thống này rất kém hiệu quả khi nói đến việc bảo tồn năng lượng Gần như toàn bộ động năng đẩy xe về phía trước sẽ bị mất đi dưới dạng nhiệt khi bạn đạp phanh Đó là rất nhiều năng lượng lãng phí, phanh tái sinh giải quyết vấn đề này bằng cách thu hồi tới 70% động năng có thể bị mất trong quá trình phanh Lượng năng lượng được phục hồi tùy thuộc vào mẫu xe và hành vi lái xe của người lái.
Hình 3 12 Cấu trúc phanh xe ô tô truyền thống với đĩa phanh và má phanh
Trong sơ đồ trên, khi lái xe bình thường, động cơ điện (Electric motor/Generator) lấy năng lượng từ khối pin giúp bánh xe chuyển động (đường màu đỏ) Khi nhấn chân phanh, động cơ điện sử dụng bộ chuyển đổi điện để đảo chiều từ trường, động cơ lúc này trở thành máy phát điện và có nhiệm vụ ngược lại với động cơ Máy phát điện biến đổi động năng, sinh ra khi phanh thành năng lượng điện, thu hồi và lưu trữ năng lượng điện sinh ra trong khối pin (đường màu xanh lá cây) Khi đảo chiều từ trường, động cơ điện cũng sẽ sinh ra mô men hãm (có chiều ngược lại với mô men xoắn) và điện trở, giúp giảm tốc độ của xe
Hình 3 13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động phanh tái tạo năng lượng 3.5.3 Ưu và nhược điểm của hệ thống
Ưu điểm: Ưu điểm đầu tiên của phanh tái tạo năng lượng là giúp tiết kiệm nhiên liệu xe ô tô hiệu quả Phần động năng khi phanh xe được máy phát điện tận dụng và chuyển đổi thành năng lượng lưu trữ Phanh tái tạo năng lượng không gây lãng phí năng lượng vào việc sinh ra nhiệt năng do ma sát giữa má phanh và đĩa phanh như phanh truyền thống Thêm vào đó, hệ thống phanh tái sinh năng lượng còn giúp động cơ giảm lượng khí thải CO2, giảm phát thải bụi phanh khi vận hành.So với hệ thống phanh truyền thống, phanh tái tạo năng lượng còn giúp các chi tiết phanh cơ khí, đặc biệt là má phanh ít bị mài mòn hơn
Nhược điểm: là phanh tái tạo năng lượng chỉ hiệu quả khi giảm tốc ở tốc độ thấp Đồng thời do tốc độ sạc lại tối đa của mạch và dung lượng của pin, lực hãm từ kiểu điện từ RBS luôn bị giới hạn, do đó người ta thường kết hợp cả 2 loại phanh để tối ưu hóa hiệu quả cho hệ thống phanh trên xe Thêm vào đó, trang bị thêm RBS đồng nghĩa với việc tăng trọng lượng của toàn bộ chiếc xe và có tác động tiêu cực đến mức tiêu thụ nhiên liệu
3.5.4 Ứng dụng trên xe điện
Trên các dòng xe sử dụng nhiên liệu truyền thống, tác động của phanh tái tạo năng lượng có thể chưa rõ ràng Song trên xe điện, phanh tái tạo năng lượng không những giúp xe tiết kiệm năng lượng mà nó còn là một nguồn cung cấp điện hiệu quả cho khối pin Khi hoạt động trên xe hybrid hoặc xe điện, phanh tái tạo năng lượng có xu hướng vận hành vượt trội hơn so với xe truyền thống Phanh tái tạo năng lượng giúp xe tự sản sinh và tích lũy được khối lượng năng lượng đáng kể, từ đó giúp kéo dài quãng đường di chuyển của xe điện Khi cần nhiều mô men xoắn phanh hơn mức mà một mình máy phát có thể cung cấp, thì phanh bổ sung sẽ được thực hiện bằng phanh ma sát Trong nhiều trường hợp, công suất phanh của máy phát điện đủ để người lái xe giảm tốc độ theo ý muốn Trên ô tô điện, phanh tái tạo năng lượng là hệ thống phanh chính, giúp xe hãm tốc độ Người lái chỉ cần nhả chân ga, hệ thống phần mềm điều khiển xe sẽ tự động đảo chiều quay từ trường để biến motor thành máy phát điện Còn hệ thống phanh thủy lực chỉ được sử dụng trong những tình huống khẩn cấp cần phanh gấp.
T HIẾT KẾ BỘ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN
4.1.1 Sơ đồ điều khiển xe điện trên Matlab Simulink
Hình 4 1 Sơ đồ điều khiển xe điện
Thông số đầu vào, ra:
- Đầu vào là một chu trình vận tốc tham chiếu FTP75 đã được thử nghiệm thực tế
- Đầu ra là vận tốc thực tế của xe
Các khối chính bao gồm:
- DRIVE CYCLE: Khối chu trình lái đưa tín hiệu vận tốc vào bộ điều khiển
- CONTROLLER: Khối điều khiển dựa vào tín hiều đầu vào vận tốc của Drive Cycle để tính toán mô men điều khiển motor
- MOTOR: Động cơ điện xoay chiều ba pha để tạo ra mô men quay cho bánh xe từ đó giúp xe chuyển động
- BATTERY: Khối cung cấp năng lượng cho motor hoạt động
- CONVERTER: Bộ chuyển đổi dòng điện từ DC sang AC và ngược lại
- VEHICLE BODY: Khối thân vỏ xe điện kết nối động cơ với khung gầm, bánh xe để giúp xe có thể chuyển động
4.1.2 Mô hình xe điện mô phỏng trên Matlab Simulink
Hình 4 2 Sơ đồ mô phỏng xe điện trên Matlab Simulink
Nhiệm vụ: Đối với xe điện, chuẩn FTP75 cũng giúp đánh giá hiệu suất năng lượng của xe, bao gồm cả việc sử dụng năng lượng tái tạo từ hệ thống phanh tái sinh
Khối Nguồn chu kỳ truyền động tạo ra một chu kỳ truyền động theo chiều dọc tiêu chuẩn hoặc do người dùng chỉ định Đầu ra khối là tốc độ dọc xe được chỉ định mà bạn có thể sử dụng để: Dự đoán mô men xoắn của động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu mà xe yêu cầu để đạt được tốc độ và khả năng tăng tốc mong muốn cho một tham chiếu chuyển số nhất định Tạo ra các tham chiếu vận tốc và chuyển đến cho bộ điều khiển PI Nghiên cứu, điều chỉnh và tối ưu hóa khả năng điều khiển phương tiện, hiệu suất hệ thống và độ bền của hệ thống qua nhiều chu kỳ truyền động
Hình 4 3 Khối Drive Cycle Map FTP75
Khối điều khiển PI này lấy tốc độ của phương tiện là tốc độ di chuyển thực tế thông qua vòng lặp phản hồi và so sánh nó với chu trình lái Nếu tại bất cứ điểm nào mà phương tiện di chuyển với tốc độ cao hơn tốc độ tham khảo của chu trình lái thì khối này sẽ nhấn phanh để giảm tốc phương tiện Ngược lại, sẽ nhấn bàn đạp ga để tăng tốc Cả hai lệnh này được truyền đến motor rồi đến phương tiện thông qua bộ điều khiển Control Việc của khối này đó là giảm thiểu sự khác biệt của tốc độ tham chiếu đầu vô được cho và tốc độ thực tế của xe trong khi di chuyển
Hình 4 5 Sơ đồ điều khiển của khối Longitudinal Driver
Thông số đầu vào, ra:
- VelFdbk: tốc độ thực tế của phương tiện
- VelRef: tốc độ tham chiếu do khối Drive cycle soure cung cấp
- Grade: độ dốc của mặt đường
Hình 4 6 Thông số của khối Drive cycle soure
Khối này sử dụng những phương trình sau để tính toán điều khiển tốc độ đầu ra:
Hình 3 SEQ Hình_3 \* ARABIC 23 Khối mô phỏng người điều khiển xe dọc
Bộ lọc thông số lỗi thấp của vận tốc dùng hàm truyền sau:
𝜏 𝑒𝑟𝑟 𝑠+1 𝑣ớ𝑖 𝜏 𝑒𝑟𝑟 > 0 (4.3) Để tính được gia tốc và nhu cầu phanh thì khối dùng những phương trình sau:
- 𝑣 𝑛𝑜𝑚 :vận tốc danh nghĩa của xe - 𝑒 𝑜𝑢𝑡 : sự khác nhau giữa đầu ra điều
- 𝐾 𝑝 :hệ số tỉ lệ khiển bão hòa và danh nghĩa
- 𝐾 𝑖 : hệ số tích phân - 𝑦 𝑎𝑐𝑐 : tín hiệu gia tốc
- 𝐾 𝑎𝑤 : hệ số bão hòa tích phân - 𝑦 𝑑𝑒𝑐 : tín hiệu ngắt
- 𝐾 𝑓𝑓 : giá trị vận tốc cho trước - 𝑣: tín hiệu vận tốc hồi về
- 𝐾 𝑔 : giá trị độ nghiêng cho trước - 𝑣 𝑟𝑒𝑓 : tín hiệu vận tốc tham khảo
- 𝛩: góc nghiêng - 𝜏 𝑒𝑟𝑟 : lọc sai số liên tục
- 𝑦: độ lớn đầu ra của điều khiển danh nghĩa - 𝑒 𝑟𝑒𝑓 : sai số vận tốc
- 𝑦 𝑠𝑎𝑡 : độ lớn đầu ra của điều khiển bão hòa
Nhiệm vụ: Lấy tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển PI là mô men xoắn từ đó điều khiển dòng điện trong motor để tạo ra mô men xoắn phù hợp
Hình 4 7 Khối control điều khiển motor
Hình 4 8 Sơ đồ điều khiển của khối Control
Thông số đầu vào, ra:
- Đầu vào là moment yêu cầu của bộ điều khiển PI
- Đầu ra là hai tín hiệu điều khiển dòng điện motor là S và SR
- S điều khiển dòng điện ba pha của cuộn dây stator của motor
- SR điều khiển dòng điện trong cuộn dây rotor của motor
Nhiệm vụ: Nhận tín hiệu mô men yêu cầu của khối Drive cycle soure và chuyển đổi từ mô men sang dòng điện tham chiếu để cung cấp tín hiệu dòng điện tham chiếu cho khối Current control
Hình 4 9 Sơ đồ điều khiển Outer loop control
Hình 4 10 Thông số của khối Outer loop control
Thông số đầu vào, ra:
- TqReq: Mô men yêu cầu
- Omega: Tốc độ góc của rotor
- Vdc: Điện áp DC của pin
- Tq_refSat: Mô men tham chiếu bão hòa
- Tq_lim: Mô men giới hạn
Nhiệm vụ: Nhận tín hiệu dòng điện tham chiếu từ khối Outer loop control và kết hợp với tín hiệu dòng điện thực tế trong động cơ điện để tính ra sai số từ đó khối này dùng các bộ điều khiển PI để điều khiển các điện áp cung cấp cho rotor và stator
Hình 4 11 Sơ đồ điều khiển của khối Current control
Thông số đầu vào, ra:
- Idqf: dòng điện thực tế của động cơ đồng bộ được điều khiển
- VdqFF: Điện áp điều khiển chuyển tiếp
- VphMax: Điện áp tối đa cho phép ở mỗi pha
- VfMax: điện áp tối đa cho phép ở trong cuộn dây kích từ rotor
- VdqfRef: điện áp tham chiếu để điều khiển động cơ đồng bộ
- 𝑣 𝑑 𝑟𝑒𝑓 , 𝑣 𝑞 𝑟𝑒𝑓 , 𝑣 𝑓 𝑟𝑒𝑓 : điện áp tham chiếu trên trục d,q, cuộn dây kích từ rotor
- 𝑖 𝑑 𝑟𝑒𝑓 , 𝑖 𝑞 𝑟𝑒𝑓 , 𝑖 𝑓 𝑟𝑒𝑓 : dòng điện tham chiếu trên trục d,q, cuộn dây kích từ rotor
- 𝑖 𝑑 , 𝑖 𝑞 , 𝑖 𝑓 : dòng điện thực tế trên trục d,q, cuộn dây kích từ rotor
- 𝐾 𝑝_𝑖𝑑 , 𝐾 𝑝_𝑖𝑞 , 𝐾 𝑝_𝑖𝑓 : hệ số tỷ lệ cho bộ điều khiển trục d,q, cuộn dây kích từ rotor
- 𝐾 𝑖_𝑖𝑑 , 𝐾 𝑖_𝑖𝑞 , 𝐾 𝑖_𝑖𝑓 : hệ số tích phân cho bộ điều khiển trục d,q, cuộn dây kích từ rotor
- 𝑣 𝑑_𝐹𝐹 , 𝑣 𝑞_𝐹𝐹 : điện áp chuyển tiếp trên trục d,q
- 𝑇 𝑠 : thời gian lấy mẫu của bộ điều khiển
4.1.8 Khối PWM generator ̣(pulse width modulation)
Nhiệm vụ: Nhận tín hiệu điện áp 3 pha cần điều chế được tính từ bộ điều khiển dòng kết hợp với độ lớn điện áp của pin hiện tại để thực hiện điều chế điện áp 3 pha tương ứng
Hình 4 12 Khối PWM generator (pulse width modulation)
Tính toán thời gian bật và tắt dựa trên đầu vào khối:
- Ba điện áp tham chiếu hình sin, một điện áp cho mỗi pha
- Điện áp liên kết DC
Sử dụng thời gian đo để tạo ra sáu xung điều khiển công tắc Sử dụng thời gian đo để tạo ra dạng sóng điều chế Khối này cho phép chọn lấy mẫu tự nhiên, đối xứng hoặc không đối xứng của sóng điều chế Tuy nhiên, điều khiển từ xa dựa trên sóng mang rất hữu ích trong việc hiển thị chế độ lấy mẫu mà bạn chọn liên quan như thế nào đến hành vi bật và tắt của các xung mà khối tạo ra
Một trình tạo sử dụng phương pháp điều khiển xung điện sóng mang dựa trên sóng mang hai cấp:
- Lấy mẫu một làn sóng tham chiếu
- So sánh mẫu với sóng mang tam giác
- Tạo xung bật nếu mẫu cao hơn tín hiệu sóng mang hoặc xung tắt nếu mẫu thấp hơn sóng mang Để xác định hành vi xung bật và tắt, bộ tạo xung dựa trên sóng mang hai cấp sử dụng các phương pháp này để lấy mẫu sóng tam giác: Tự nhiên - Việc lấy mẫu và so sánh xảy ra tại các điểm giao nhau của sóng điều chế và sóng mang
Thông số đầu vào, ra:
- Vabc: Chỉ định ba điện áp hình sin, mỗi điện áp một pha mà bạn muốn bộ chuyển đổi kèm theo xuất ra
- Vdc: Chỉ định số thực dương cho điện áp liên kết DC của bộ chuyển đổi
- G: Sáu dạng sóng xung xác định hành vi chuyển mạch trong bộ chuyển đổi nguồn kèm theo
Hình 4 13 Nguyên lý điều chế xung dựa trên sóng mang 4.1.9 Khối Converter
Khối chuyển đổi mô hình chuyển đổi mạch ba nhánh kết nối mạng AC ba pha với mạng
DC Biến đổi dòng điện DC của Pin sang dòng điện xoay chiều ba pha cung cấp cho motor thông qua tín hiệu SR từ bộ Control
Hình 4 14 Khối Converter (Three-Phase)
Hình 4 15 Sơ đồ sáu công tắc chuyển mạch của Converter
Thông số đầu vào, ra:
- G: Tín hiệu điều khiển sáu công tắc điện tử
- ~: Tín hiệu xoay chiều ba pha
4.1.10 Khối Motor (PMSM- Permanent magnet synchronous motor)
Nhiệm vụ: Động cơ điện tạo ra mô men để dẫn động xe, biến đổi điện năng thành cơ năng
Hình 4 16 Khối motor ̣(PMSM- Permanent magnet synchronous motor)
Thông số đầu vào, ra:
- ~: Tín hiệu xoay chiều ba pha
- N: Tín hiệu pha trung tính
- R: Tốc độ quay đầu ra của rotor
- C: Tín hiệu kết nói với vỏ động cơ
- Fd+: Cực dương của cuộn dây kích từ
- Fd-: Cực âm của cuộn dây kích từ
Hình 4 17 Thông số của motor (PMSM- Permanent magnet synchronous motor)
4.1.11 Khối Hộp số (Gear Box)
Nhiệm vụ: Khối Hộp số đại diện cho một hộp số có tỷ số truyền cố định, phi hành tinh, lý tưởng Tỷ số truyền được xác định bằng tỷ số giữa tốc độ góc của trục đầu vào và tốc độ góc của trục đầu ra
Hình 4 18 Khối hộp số (Gear Box) Thông số của hộp số:
Hộp số được mô tả bằng các phương trình sau:
- 𝜔 𝑆 : Vận tốc góc trục đầu vào
- 𝜔 0 : Vận tốc góc trục đầu ra
- 𝑇 0 : Mô men xoắn trên trục đầu ra
- 𝑇 𝑆 : Mô men xoắn tác dụng lên trục sơ cấp
- 𝑃 𝑆 : Công suất trên trục đầu vào
- 𝑃 0 : Công suất trên trục đầu ra
Nhiệm vụ: Nhận lực kéo từ cầu trước và cầu sau để tính toán động lực học thân xe như vận tốc, gia tốc
Thông số đầu vào, ra:
- Beta: Góc nghiêng của đường
- CG: Trọng tâm, tính bằng m
- NF: Lực pháp tuyến lên cầu trước
- NR: Lực pháp tuyến lên cầu sau
- J: Mô men quán tính, tính bằng kg*m^2
- M: Khối lượng, tính bằng kg
- H: Chuyển động kéo của bánh xe
Hình 4 20 Thông số của khối thân xe
Nhiệm vụ: Nhận moment kéo từ động cơ điện sau đó tính toán ra lực kéo tại tâm bánh xe
Thông số đầu vào, ra:
- H: Chuyển động kéo của bánh xe
Hình 4 22 Thông số của khối bánh xe
Nhiệm vụ: Đây là hệ thống cung cấp năng lượng EV, chứa nguồn điện DC
Nhiệm vụ: Bộ điều khiển điện áp DC-DC hoạt động trên nguyên lý của bộ điều khiển
Hình 4 24 Sơ đồ điều khiển điện áp DC-DC
Thông số đầu vào, ra:
𝑧−1).(𝑣 𝑟𝑒𝑓 − 𝑣) (4.13) Control là tín hiệu điều khiển, được biểu thị dưới dạng chu kỳ nhiệm vụ hoặc dòng điện
- 𝐾 𝑝 : là hằng số tỷ lệ
- 𝐾 𝑖 : là hằng số tích phân
- 𝑇 𝑠 : là thời gian lấy mẫu
- 𝑣 𝑟𝑒𝑓 : Điện áp đầu ra DC mong muốn
- 𝑣: điện áp đo được đầu ra
Nhiệm vụ: Đại diện cho một bộ chuyển đổi tăng điện áp DC khi được điều khiển bởi bộ điều khiển kèm theo và bộ tạo tín hiệu cổng Bộ chuyển đổi tăng cường còn được gọi là bộ điều chỉnh điện áp tăng cường vì chúng làm tăng cường độ điện áp
Thông số đầu vào, ra:
- G: Tín hiệu khuếch đại điện áp
- 2+: Cực dương của điện áp đầu ra
- 2-: Cực âm của điện áp đầu ra
Nhiệm vụ: Cảm biến đo cường độ dòng điện và điện áp tại một thời điểm nhất định
Hình 4 26 Khối Sensing Battery Quantities
Nhiệm vụ: Tính toán dung lượng pin còn lại sau quá trình xe hoạt động
Hình 4 27 Khối State of Charge (SOC)
Thông số đầu vào, ra:
- iBat: dòng điện tại thời điểm nhất định của Pin, được đo bằng Sensing Battery Quantities
- vBat: điện áp tại một thời điểm nhất định của Pin, được đo bằng Sensing Battery Quantities
Hình 4 28 Sơ đồ điều khiển khối SOC Calculation
Khối tích phân rời rạc dùng để tính tổng dung lượng Pin đã tiêu hao trong quá trình sử dụng Từ đó ta có thể tính được dung lượng Pin còn lại bằng cách lấy (1- kết quả đầu ra của khối tích phân)* 100 và xuất tính hiệu ra scope để quan sát
4.1.19 Khối dùng để tính công suất tiêu thụ của xe
Hình 4 29 Khối tính toán năng lượng tiêu hao trên 100km Đầu vào là tốc độ thực tế của xe tại từng thời điểm nhất định Ta đem kết quả vận tốc đầu vào tích phân sẽ ra quãng đường
Hình 4 30 Sơ đồ điều khiển khối tính toán năng lượng tiêu hao trên 100km Đầu vào ta lấy cường độ dòng điện (A) nhân với điện áp (V) sau đó tích phân kết quả theo t(s) Lấy kết quả trên nhân với 1
3600000 sẽ ra KWh sau đó đem chia cho tổng km đã tính được ở khối trước đó sẽ ra công suất tiêu thụ là KWh/km đem nhân cho 100 sẽ ra KWh/100km
Nhiệm vụ: Khối hiển thị các thông số động cơ và dòng điện.
T RƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU CỤ THỂ TRÊN XE V INFAT V FE 34
4.2.1 Thông số xe điện Vfe34
Kiểu động cơ Động cơ điện
Quãng đường hoạt động( km) 285
Khối lượng bản thân (kg) 1490
Bảng 4 1 Thông số của xe Vinfat Vfe34
4.2.2 Đưa các thông số vào Matlab Simulink
Hình 4 32 Thông số của mô hình điều khiển trên Matlab-Sinmulink
Hình 4 33 Thông số của bộ điều khiển Longitudinal Driver
4.2.3 Các đồ thị tham chiếu
Đồ thị vận tốc tham chiếu và vận tốc xe thực tế (Chu trình FTP75)
Hình 4 35 Đồ thị vận tốc tham chiếu và vận tốc xe
Nhận xét: Đầu tiên ta thu được đồ thị vận tốc tham chiếu khi nhìn vào đồ thị ta dễ dàng nhận thấy khi tăng tốc và giảm tốc xuất hiện sự sai số vì bộ điều khiển chưa được tối ưu Sự sai số của hai đương vận tốc tham chiếu và thực tế cho thấy rằng bộ điều khiển và thông số của bộ điều khiển chưa tối ưu
Đồ thị xe tăng tốc từ 0- 100km/h
Hình 4 36 Đồ thị xe tăng tốc từ 0-100km/h
Nhận xét: Thông qua đồ thị ta thấy rằng xe tăng tốc từ 0-100km/h trong vòng 15,7 giây Theo thông tin của nhà sản xuất thì xe Vinfat Vfe34 tăng tốc từ 0- 100km/h trong khoảng dưới 12 giây Từ kết quả mô phỏng và thực tế ta thấy khả năng tăng tốc trong quá trình mô phỏng có sự sai số so với thực tế xấp xỉ 31%
Hình 4 37 Đồ thị SOC Nhận xét: Thông qua đồ thị ta thấy rằng xe chạy hết chu trình lái thử FTP75 tiêu hao hết 5,8% pin Đồ thị có lúc tăng lúc giảm, những lúc có tín hiệu bàn đạp ga thì Pin sẽ bị tiêu hao nên đồ thị SOC giảm xuống và khi có tín hiệu bàn đạp ga thì lúc này phanh tái sinh sẽ hoạt động và nạp điện lại cho Pin nên đồ thị SOC tăng
Đồ thị mức tiêu thụ năng lượng của xe trên 100km
Hình 4 38 Đồ thị mức tiêu thụ năng lượng của xe trên 100km
Nhận xét: Dựa vào thông đầu ra của khối tính toán mức tiêu thụ năng lượng ta tính được quãng đường xe đi được khoảng 274km trong một lần sạc đầy pin với chu trình FTP75 Theo thông tin của nhà sản xuất công bố xe Vinfat Vfe34 đi được quãng đường 285km trong một chu trình sạc đầy.
