Các nội dung tính toán được dựa trên yêu cầu của đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ truyền động và điều khiển cho ô tô điện” cấp Nhà nước mã số KC03.08/11-15 và các thông số thực tế của xe ô tô điện i-MiEV của hãng Mitsubishi như mô tả trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thông số xe ô tô điện i-MiEV [11]
STT Danh mục Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Công suất định mức động c Pđm 47 kW
2 Momen động c định mức T 180 Nm
3 Tốc độ vòng tua tối đa n 8000 vòng/phút
4 Tự trọng M 1110 kg
5 Số bình acquy Li-ion nối tiếp 88
6 Tổng năng lượng acquy 16 kWh
7 Điện áp acquy Vaq 330 VDC
8 Dung lượng acquy Caq 50 Ah
9 Thời gian tăng tốc từ 0 – 100km/h 14 s
10 Thời gian tăng tốc từ 60 – 100km/h 9 s
11 Bán kính bánh xe hiệu dụng reff 0,28475 m
12 Diện tích bề mặt cản gió Af 2,37 m2
Chư ng 3 – Tính toán mạch lực và tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
-45-
Trong xe Mitsubishi i-MiEV, acquy được sử dụng là acquy Li-ion. Theo [3.2], mặc dù acquy Li-ion cho phép nạp/xả với dòng điện lên tới năm lần giá trị dung lượng (5C), việc thường xuyên nạp/xả acquy Li-ion với dòng điện lớn h n hai lần giá trị dung lượng (2C) sẽ làm suy giảm đáng kể tuổi thọ của acquy như ví dụ được mô tả trong hình 3.1. Hình 3.1 mô tả ảnh hưởng của dòng nạp/xả lên một pin Li-ion có dung lượng 650mAh. Với dòng điện nạp/xả tiêu chuẩn bằng 650mA bằng giá trị dung lượng (1C), sau 500 chu kỳ nạp/xả dung lượng của pin vẫn còn trên 500 mAh (83%). Khi được nạp/xả với dòng điện bằng 1300mA (2C), sau 500 chu kỳ nạp xả, dung lượng pin vẫn đạt 300mAh (46,1%) trong khi với dòng nạp/xả bằng 1950mA (3C) dung lượng pin chỉ còn 200mAh (30,7%) sau 350 chu kỳ nạp xả.
Hình 3.1. Ảnh hưởng của dòng điện nạp/xả đến tuổi thọ acquy Li-ion [12] Trong trường hợp xe i-MiEV đang xét với dòng điện nạp/xả bằng 2 lần giá trị dung lượng C, tức là:
công suất dài hạn mà acquy phải cung cấp là:
Chư ng 3 – Tính toán mạch lực và tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
-46-
Từ các thông số trong bảng 3.1 và dựa vào các giả thiết: - xe vận hành trong điều kiện không có gió
- đường phẳng và bánh xe không bị trượt khi tăng tốc - hệ số cản lăn f=0,02
- gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2
đặc tính c của động c truyền lực chính và đặc tính tải của xe có thể được mô tả trong hình 3.2.
Hình 3.2. Đặc tính c động c truyền lực chính và đặc tính tải của xe i-MiEV Từ đồ thị hình 3.2, công suất cản tổng (bao gồm cản gió và cản lăn) đặt lên xe đạt bằng 33kW khi xe chạy ở tốc độ 130km/h. Tuy nhiên, trong thời gian tăng tốc, công suất cấp cho động c cần phải lớn h n nhiều. Hình 3.3 mô tả đặc tính tốc độ, mô men và công suất động c theo thời gian mà xe đạt được trong điều kiện chạy trên đường thẳng không có gió ngược. Để xe có thời gian gia tốc 14s lên 100km/ như thông số của hãng Mitsubishi công bố động c truyền lực chính phải huy động công suất định mức 47 kW ở ngay giây thứ 5 và duy trì tại công suất đó trong suốt
Chư ng 3 – Tính toán mạch lực và tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
-47-
thời gian tăng tốc của xe. Giả sử bộ nghịch lưu có hiệu suất 100% khi đó để cung cấp công suất 47kW cho động c acquy cần phóng dòng điện gần bằng 3C và bằng:
Từ các phân tích trên, việc phóng dòng điện lớn h n 2C làm suy giảm nhanh chóng tuổi thọ hệ thống acquy, kéo theo suy giảm tuổi thọ xe. Do đó các thiết kế mạch lực trong chư ng này và thiết kế điều khiển trong chư ng sau sẽ được thực hiện để đảm bảo dòng điện trao đổi qua acquy không vượt quá hai lần giá trị dung lượng; phần dòng điện còn thiếu sẽ được cung cấp từ siêu tụ điện.
Hình 3.3. Đặc tính tốc độ, công suất và momen động c xe i-MiEV theo thời gian Nếu kể đến hiệu suất của hệ thống nghịch lưu (giả thiết 95%) và hiệu suất của bộ DC/DC 2 chiều (giả thiết 95%) thì công suất mà siêu tụ cần cung cấp là:
Chư ng 3 – Tính toán mạch lực và tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
-48-
Mặt khác, do hệ thống siêu tụ trong xe điện đề xuất bởi đề tài KC03.08/11-15 có điện dung 33F và điện áp định mức 250V, nên nếu giả thiết chọn hệ số dự trữ về áp bằng 1,25 lần điện áp lớn nhất cho phép đặt lên siêu tụ bằng:
Năng lượng tối đa mà hệ thống có thể lưu trữ bằng:
Thời gian tối thiểu để hệ thống siêu tụ điện cung cấp công suất 15,5kW bằng:
Như vậy, với thời gian 44s kể trên, hệ thống siêu tụ được tính chọn trong đề tài KC03.08/11-15 hoàn toàn đủ khả năng để cung cấp năng lượng hỗ trợ cho xe tăng tốc.
Trong quá trình giảm tốc/xuống dốc động c làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Nhờ việc sử dụng thêm hệ thống siêu tụ điện, năng lượng tái sinh trả về acquy cũng sẽ được giới hạn ở mức 33kW để kéo dài tuổi thọ acquy trong khi phần năng lượng tái sinh còn lại sẽ được thu hồi về siêu tụ điện.