LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
TÓM TẮT
Ngày nay, có lẽ xe điện ( Electric Vehicle - EV) đã không còn quá xa lạ với chúng ta. Xe động cơ xăng và diesel tuy vẫn còn xuất hiện nhiều ở nước ta nhưng hiện tại nó đang dần bị thay thế bởi xe hybrid và xe điện do nó thải ra không khí lượng lớn khí độc hại làm cho không khí ngày càng ô nhiễm và gây hại đến sức khỏe con người. Ngoài ra các chi phí sử dụng xe điện như là chi phí vận hành, bảo trì sửa chữa,...thấp hơn so với xe xăng do có ít bộ phận truyền động hơn. Chính vì vậy, xe điện và xe hybrid dần dần là lựa chọn ưa chuộng của người sử dụng. Nhắc đến xe điện và xe hybrid thì không thể không kể đến bộ phận được xem là rất quan trọng trên xe, đó chính là hệ thống pin. Một số loại pin thông dụng được sử dụng trên các dòng xe điện cũng như trên các dòng xe hybrid hiện nay có thể kể đến như: pin Lithium ion, pin axit chì, pin Niken hydride kim loại (Ni-MH),... Để pin có thể hoạt động lâu dài cũng như có thể cung cấp được hiệu suất tốt nhất thì chúng ta cần có một hệ thống kiểm soát pin được gọi là BMS (Battery Management System).
Với mong muốn được tìm hiểu kỹ hơn về chức năng của hệ thống kiểm soát pin cao áp (BMS) nên nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài: Ứng dụng Simscape trong mô phỏng hệ thống kiểm soát ắc quy cao ắp trên xe điện với sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Quốc Việt.
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự giúp đỡ, góp ý từ quý thầy và các bạn.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................i TÓM TẮT .......................................................................................................................... ii MỤC LỤC......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................................1
1.1. Tổng quan về đề tài ......................................................................................................... 1
1.1.1. Đặt vấn đề..................................................................................................................1
1.1.2. Mục tiêu đề tài...........................................................................................................1
1.1.3. Giới hạn đề tài ........................................................................................................... 1
1.1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................2
1.1.5. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................................2
1.1.6. Kết quả dự kiến đạt được .......................................................................................... 2
1.2. Tổng quan về xe điện ...................................................................................................... 2
1.2.1. Khái quát về xe điện..................................................................................................2
1.2.2. Phân loại....................................................................................................................3
1.2.2.1. 1.2.2.2. 1.2.2.3. 1.2.2.4.
Battery Electric Vehicle – BEV.........................................................................3 Hybrid Electric Vehicle (HEV) .........................................................................4 Plug – in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)........................................................5 Fuel Cell Electric Vehicle (Xe điện pin nhiên liệu – FCEV) ............................6
1.2.3. Các bộ phận chính của xe điện..................................................................................7
1.2.4. Ưu điểm của xe điện so với xe truyền thống.............................................................8
1.2.5. Tính kinh tế và xu hướng phát triển của xe điện.......................................................9
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MATLAB - SIMSCAPE ..........................................12
2.1. Tổng quan về Matlab.....................................................................................................12
2.1.1. Giới thiệu chung về Matlab.....................................................................................12
2.1.2. Giao diện của Matlab 2020b ................................................................................... 13
2.1.3. Một số thao tác cơ bản trong Matlab.......................................................................14
2.1.4. Câu lệnh và biến trong Matlab ................................................................................ 14
2.1.5. Matlab trong toán học .............................................................................................15
2.2. Simscape........................................................................................................................ 22
2.2.1. Tổng quan về Simscape...........................................................................................22
2.2.2. Thư viện của Simscape ...........................................................................................24
2.2.2.1. Foundation library (Thư viện nền tảng)...........................................................24 2.2.2.2. Utilities library (Thư viện tiện ích)..................................................................26
iii
2.2.2.3. 2.2.2.4. 2.2.2.5. 2.2.2.6.
Simscape Driveline .......................................................................................... 27 Simscape Electrical .......................................................................................... 28 Simscape Fluids ............................................................................................... 30 Simscape Multibody ........................................................................................ 32
2.2.3. Các biến và chiều, hướng của các biến ................................................................... 33
2.2.4. Các loại phần tử.......................................................................................................34
2.2.4.1. 2.2.4.2. 2.2.4.3. 2.2.4.4. 2.2.4.5. 2.2.4.6.
Phần tử điện trở................................................................................................35 Phần tử điện dung (tụ điện): Bộ phận dữ trữ ................................................... 36 Cuộn cảm / Quán tính: Thiết bị lưu trữ năng lượng.........................................38 Máy biến áp......................................................................................................40 Gyrator (con quay hồi chuyển) ........................................................................ 41 Các phần tử chủ động.......................................................................................42
2.2.5. Các cổng kết nối và đường truyền...........................................................................42 2.2.5.1. Cổng bảo toàn vật lý ........................................................................................ 42 2.2.5.2. Cổng tín hiệu vật lý..........................................................................................44
2.2.6. Bắt đầu với Simscape..............................................................................................45
2.2.7. Các ví dụ liên quan đến ứng dụng xe điện và xe Hybrid ........................................ 52
2.2.7.1. 2.2.7.2. 2.2.7.3.
Ví dụ về mô hình Pin ....................................................................................... 53 Boost Convertor (Tăng áp) .............................................................................. 62 Inverter (Bộ biến tần).......................................................................................65
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỘ PIN NiMH CAO ÁP TRÊN XE HYBRID TOYOTA PRIUS .............................................................................................................68
3.1. Giới thiếu về pin NiMH trên xe hybrid Toyota Prius ...................................................68
3.1.1. Xe Hybrid Toyota Prius .......................................................................................... 68
3.1.2. Loại pin được dùng cho xe ô tô Hybrid .................................................................. 70
3.1.3. Tuổi thọ của pin 1 chiếc xe Toyota Prius Hybrid ...................................................71
3.1.4. Những lưu ý về sự an toàn cho bộ pin Niken Metal Hydride ................................. 72
3.1.4.1. 3.1.4.2. 3.1.4.3. 3.1.4.4. 3.1.4.5. 3.1.5. Cấu
Phản ứng hóa học khi sạc.................................................................................72 Phản ứng hóa học lúc xả .................................................................................. 73 Sạc quá mức ..................................................................................................... 73 Xả quá mức ...................................................................................................... 74 Tổng quan về đặc tính sạc của pin NiMH........................................................75 tạo cơ bản của bộ pin cao áp trên xe Toyota Prius ..........................................78
3.2. Hệ thống quản lí pin cao áp (BMS)...............................................................................81 3.2.1. Thế nào là hệ thống quản lí pin cao áp BMS .............................................................. 81 3.2.2. Các chức năng chính của hệ thống BMS ....................................................................82
3.2.2.1. Đo lường và tính toán trạng thái sạc (SOC).....................................................82 iv
3.2.2.2. 3.2.2.3. 3.2.2.4. 3.2.2.5. 3.2.2.6. 3.2.2.7. 3.2.2.8. 3.2.2.9.
Tính toán và theo dõi trạng thái sức khỏe (SOH) của pin................................83 Nhận nguồn cấp năng lượng từ pin..................................................................83 Kiểm soát nhiệt độ của bộ pin..........................................................................84 Kết nối hệ thống pin với ECU của xe .............................................................. 84 Lưu trữ thông tin dữ liệu..................................................................................85 Đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình sạc – xả pin .................................. 85 Kiểm soát quá trình sạc – xả của pin ............................................................... 86 Cân bằng cell pin .............................................................................................86
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUẢN LÍ PIN CAO ÁP (BMS) BẰNG SIMSCAPE .....................................................................................................................100
4.1. Thông số bộ pin cao áp ............................................................................................... 100
4.2. Khối pin mô phỏng......................................................................................................101
4.3. Khối chiến thuật điều khiển ........................................................................................103
4.4. Khối mô phỏng máy phát điện .................................................................................... 104
4.5. Mô phỏng và xuất kết quả...........................................................................................105
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .............................................................................................110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................111
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1. Phân loại xe điện ............................................................................................................ 3 Hình 1. 2. Pin nhiên liệu màng điện phân polime (PEM) ............................................................... 7 Hình 1. 3.Doanh số bán xe ô tô điện trên thế giới từ năm 2011 - 2021 .......................................... 9 Hình 2. 1. Giao diện của Matlab 2020b.................................................................. 13 Hình 2. 2. Kết quả đồ thị y = sin(x)...............................................................................................19 Hình 2. 3. kết quả của đồ thị x = sin (a) và y = cos(a) .................................................................. 20 Hình 2. 4. Đạo hàm của hàm số .................................................................................................... 20 Hình 2. 5. Simscape Driveline ......................................................................................................27 Hình 2. 6. Simscape Electrical ...................................................................................................... 29 Hình 2. 7. Simscape Fluids............................................................................................................30 Hình 2. 8. Simscape Multibody.....................................................................................................32 Hình 2. 9. Phần tử được định hướng từ A đến B...........................................................................34 Hình 2. 10.Các ví dụ về các phần tử điện trở ................................................................................ 35 Hình 2. 11. Các phần tử điện dung................................................................................................37 Hình 2. 12. Các phần tử quy nạp 1 cổng ....................................................................................... 39 Hình 2. 13. Các phần tử dạng máy biến áp ................................................................................... 41 Hình 2. 14. Model Simscape giới thiệu về cổng bảo toàn vật lý...................................................43 Hình 2. 15. Model Simscape giới thiệu về cổng tín hiệu vật lý .................................................... 44 Hình 2. 16. Giao diện của Simscape ............................................................................................. 45 Hình 2. 17. Thư viện Simscape ..................................................................................................... 46 Hình 2. 18. Các lĩnh vực trong thư viện Simscape........................................................................47 Hình 2. 19. Mô hình hệ thống xe lửa ............................................................................................47 Hình 2. 20. Mô hình vật lý hệ thống xe lửa ..................................................................................48 Hình 2. 21. Mô hình vật lí chuyển thành mô hình Simscape ........................................................ 49 Hình 2. 22. Mô hình hoàn chỉnh....................................................................................................50 Hình 2. 23.Kết quả mô phỏng ....................................................................................................... 51 Hình 2. 24. Mô hình pin cơ bản .................................................................................................... 53 Hình 2. 25.Thể hiện chi tiết khối Charge dynamics với two time constants dynamics ................ 54 Hình 2. 26. Thermal subsystem (khối phụ về hệ thống nhiệt) ...................................................... 57 Hình 2. 27. Các thông số Battery .................................................................................................. 58 Hình 2. 28. Giả lập tín hiệu tải trên Signal Builder.......................................................................59 Hình 2. 29. Model Pin hoàn chỉnh bằng Simscape ....................................................................... 60
vi
Hình 2. 30. Đồ thị thể hiện nhiệt độ pin........................................................................................60 Hình 2. 31. Đồ thị thể hiện cường độ dòng điện ........................................................................... 61 Hình 2. 32. Đồ thị tình trạng sạc của pin (SOC) ........................................................................... 61 Hình 2. 33. Đồ thị thể hiện điện áp pin ......................................................................................... 62 Hình 3. 1. Toyota Prius Hybrid.....................................................................................................69 Hình 3. 2. Màn hình hiện thị vận hành pin Hybrid của xe ............................................................ 70 Hình 3. 3. Sơ đồ phản ứng hóa học ............................................................................................... 73 Hình 3. 4. Sơ đồ dung lượng khả dụng ......................................................................................... 74 Hình 3. 5. Mô – đun pin NiMH của Toyota Prius.........................................................................78 Hình 3. 6. Bộ pin cao áp trên xe Toyota Prius .............................................................................. 78 Hình 3. 7. Mô – đun trên bộ pin Prius Hybrid .............................................................................. 80 Hình 3. 8. Service ngắt mạch HV..................................................................................................80 Hình 3. 9. Sơ đồ khối hệ thống BMS ............................................................................................ 81 Hình 3. 10. BMS của bộ pin trên Toyota Prius.............................................................................82 Hình 3. 11. BMS tính toán và theo dõi trạng thái sức khỏe SOH trên xe điện ............................. 83 Hình 3. 12. Hệ thống BMS và ECU thực hiện giao tiếp liên tục qua tiêu chuẩn mạng CAN.......85 Hình 3. 13. Bộ pin không được cân bằng......................................................................................87 Hình 3. 14. Bộ pin không được cân bằng lúc sạc..........................................................................88 Hình 3. 15. Phương pháp Fixed shunting resistor ......................................................................... 89 Hình 3. 16. Phương pháp switched shunting resistor....................................................................90 Hình 3. 17. Cấu trúc liên kết phương pháp cân bằng cell chủ động và bị động ...........................90 Hình 3. 18. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Switched Capacitor (SC) .......................................... 91 Hình 3. 19. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Double – tiered switched capacitor (DTSC).............92 Hình 3. 20. So sánh số công tắc giữa SC và SSC .........................................................................93 Hình 3. 21. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Single switched capacitor (SSC) .............................. 93 Hình 3. 22. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Modularized switched capacitor (MSC)...................94 Hình 3. 23. Cấu trúc liên kết cân bằng pin Single / Multi Inductor .............................................. 95 Hình 3. 24. Cấu trúc liên kết cân bằng Single – windings transformer ........................................95 Hình 3. 25. Cấu trúc liên kết Multi – windings transformer ......................................................... 96 Hình 3. 26. Cấu trúc liên kết cân bằng dùng bộ chuyển đổi Cûk hai chiều .................................. 96 Hình 3. 27. Cấu trúc liên kết cân bằng Buck – Boost converter ................................................... 97 Hình 3. 28. Cân bằng pin bộ chuyển đổi năng lượng Flyback......................................................98 Hình 3. 29. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Ramp converter.........................................................98 Hình 3. 30. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Full – bridge converter .............................................99
vii
Hình 3. 31. Cấu trúc liên kết cân bằng bộ chuyển đổi ZCQR.......................................................99 Hình 4. 1. Hệ thống pin mô phỏng..............................................................................................101 Hình 4. 2. Thông số mỗi khối pin mô phỏng ứng với mỗi block trong bộ pin ........................... 102 Hình 4. 3. Khối giải thuật điều khiển .......................................................................................... 103 Hình 4. 4. Model mô phỏng máy phát điện trên xe hybrid ......................................................... 104 Hình 4. 5. Thuật toán làm việc của máy phát điện để sạc lại cho bộ pin .................................... 105 Hình 4. 6. Model cân bằng 14 block pin tổng quát ..................................................................... 106 Hình 4. 7. 14 block pin cân bằng.................................................................................................106 Hình 4. 8. Khối subsystem1 ........................................................................................................ 107 Hình 4. 9. Khối subsystem2 ........................................................................................................ 108 Hình 4. 10. Model tổng thể ......................................................................................................... 108 Hình 4. 11. Kết quả mô phỏng sạc cho bộ pin ............................................................................ 109
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Khác nhau giữa biến AV và TV ở các lĩnh vực..........................................................23 Bảng 2. 2. Các khối cơ bản của Utilities library ...........................................................................26 Bảng 2. 3. Các khối cơ bản của Simscape Driveline ....................................................................27 Bảng 2. 4. Các khối cơ bản của Simscape Electrical .................................................................... 29 Bảng 2. 5. Các khối cơ bản của Simscape Fluids..........................................................................31 Bảng 2. 6. Các khối cơ bản của Simscape Multibody...................................................................32 Bảng 2. 7. Các phần tử điện trở ở các lĩnh vực ............................................................................. 36 Bảng 2. 8. Các phần tử điện dung ở các lĩnh vực..........................................................................38 Bảng 2. 9. Các biến cuộn cảm ở các lĩnh vực khác nhau:.............................................................40 Bảng 4. 1. Thông số của bộ pin trên xe Toyota Prius ................................................................. 100
ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về đề tài 1.1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay chúng ta đang sống trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa với nền khoa học vô cùng phát triển. Trong ngành phương tiện giao thông nói chung và ngành ô tô nói riêng thì năng lượng vô cùng quan trọng. Do nhu cầu năng lượng khí đốt của động cơ xăng và diesel ngày càng nhiều nhưng nguồn năng lượng thì có giới hạn nên lượng cung cấp sẽ dần bị thiếu hụt, và một phần lớn khác là việc ô nhiễm môi trường từ khí thải ra từ những chiếc ô tô và mức CO2 đang cao ở mức báo động đã gây ra hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu và nhiều vấn nạn vô cùng nguy hiểm khác. Xu thế chuyển dịch sang sử dụng xe ô tô điện thay thế các loại xe dùng nhiên liệu hóa thạch trong tương lai là tất yếu. Trong đó, pin ô tô điện được coi là công nghệ cốt lõi của ngành công nghiệp xe điện
Chúng em được sự phân công của Bộ môn Động cơ ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô Tô của khoa Cơ khí động lực - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn của Th.S Huỳnh Quốc Việt, nhóm chúng em đã nghiên cứu thực hiện đề tài: Ứng dụng Simscape trong mô phỏng hệ thống kiểm soát ắc – quy cao áp trên xe điện. Để làm tài liệu hướng dẫn, tham khảo và giảng dạy cho người dùng giúp cho mọi người có cái nhìn thực tế về các chức năng, chu trình làm việc của pin hay hệ thống BMS trên xe điện.
1.1.2. Mục tiêu đề tài
- Nắm vững cơ sở lý thuyết về pin và hệ thống quản lí pin (BMS).
- Nắm vững kiến thức của Matlab.
- Nắm vững cách sử dụng và ứng dụng của công cụ Simscape trong Matlab.
- Mô phỏng các hệ thống bằng Simscape.
- Làm tư liệu phục vụ trong việc nghiên cứu và giảng dạy.
1.1.3. Giới hạn đề tài
Chỉ mô phỏng trên công cụ Simscape trong Matlab, chưa tiến hành xây dụng mô hình thực nghiệm.
1
1.1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Pin trên xe điện (Toyota Prius).
- Công cụ tính toán và mô phỏng Matlab/Simulink/Simscape.
1.1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng cơ sở lí thuyết của các nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng mô hình mới.
- Tham khảo các mô hình pin thực tế và dùng lí thuyết môn học phân tích xử lí dữ kiện các bài toán vật lí mẫu làm cơ sở để xây dựng thuật toán tính toán, lập chương trình
chi tiết.
- Sử dụng Matlab/Simulink/Simscape để xây dựng mô hình theo các chu trình thực
nghiệm.
1.1.6. Kết quả dự kiến đạt được
So sánh, đánh giá đặc tuyến mô phỏng và đặc tuyến thực tế.
1.2. Tổng quan về xe điện
1.2.1. Khái quát về xe điện
Xe ô tô điện (EV) đang dần trở thành xu thế thịnh hành ở nhiều quốc gia trên thế giới, và Việt Nam cũng không ngoại lệ. Xe ô tô điện sử dụng năng lượng được tạo ra từ động cơ điện, khác với xe sử dụng động cơ đốt trong (ICE) chạy bằng xăng hay bằng dầu diesel. Một lợi thế chính của xe điện so với các phương tiện dùng năng lượng xăng hay dầu diesel là chúng có khả năng giảm ô nhiễm đáng kể nhờ không có khí thải. Xe điện sử dụng một bộ pin kéo lớn để cung cấp năng lượng cho động cơ. Hầu hết xe điện sử dụng pin lithium – ion (LIB), loại pin này có mật độ năng lượng cao hơn so với hầu hết các loại pin thực tế khác.
Có bốn loại EV chính. Xe điện hybrid (HEV) và xe điện hybrid plug – in (PHEV) đều có thể vừa chạy bằng điện, vừa chạy bằng nhiên liệu khác và còn được gọi là xe điện lai. Loại HEV tạo ra năng lượng thông qua hệ thống phanh tái sinh của xe để sạc lại pin, còn loại PHEV có thể sạc lại bằng việc cắm sạc thông qua bất kì nguồn điện nào bên ngoài. Còn một loại khác là loại EV chạy bằng pin (BEV) chạy hoàn toàn bằng điện và điều này đồng nghĩa là phương tiện không thải ra khí thải và không chứa các thành phần nhiên liệu lỏng điển hình, chẳng hạn như bơm nhiên liệu, đường dẫn nhiên liệu hay bình nhiên liệu. Tương tự với loại xe chạy hoàn toàn bằng điện là loại xe điện chạy bằng pin nhiên liệu
2
(FCEV) cũng sử dụng điện năng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Nhưng trái ngược với BEV, FCEV sản xuất điện bằng cách sử dụng pin nhiên liệu chạy bằng hydro thay vì chỉ lấy điện từ pin lưu trữ.
1.2.2. Phân loại
Hình 1. 1. Phân loại xe điện
1.2.2.1. Battery Electric Vehicle – BEV
Battery Electric Vehicle (BEV) thường được gọi với cái tên EV (Electric Vehicle) là loại xe sử dung hoàn toàn động cơ điện với bộ pin có thể nạp lại được và không dùng động cơ xăng. Xe BEV tích điện trong các bộ pin có dung lượng lớn và được dùng để chạy động cơ điện hay các bộ phận sử dụng điện khác. Xe BEV không thải ra khí gây ô nhiễm môi trường như động cơ truyền thống. xe BEV được nạp điện bằng các nguồn ở bên ngoài. Bộ nạp này được phân loại dựa trên tốc độ nạp đầy pin trên mỗi xe BEV. Có những mức phân loại bộ nạp như là: Level 1, Level 2, Level 3 (nạp nhanh DC).
Bộ nạp Level 1 sử dụng nguồn điện có đầu ra tiêu chuẩn là 120V và mất hơn 8 giờ để nạp cho quãng đường xấp xỉ 75 – 80 dặm. Bộ nặp Level 1 có thể nạp được ở nhà hay chỗ làm và gần như tất cả các xe EV trên thị trường hiện nay đều có thể sử dụng bộ nạp này.
3
Bộ nạp Level 2 yêu cầu những trạm đặc biệt có thể cung cấp nguồn điện 240V. Bộ nạp 240V được lắp đặt ở các trạm nạp công cọng và mất hơn 4 giờ để nạp cho quãng đường khoảng 75 – 80 dặm.
Bộ nạp Level 3 hay bộ nạp nhanh DC là giải pháp tối ưu nhất cho tốc độ nạp của xe EV trên thị trường hiện nay. Bộ nạp này được trang bị ở các trạm chuyên biệt và có thể nap cho quảng đường 90 dặm chỉ trong 30 phút.
Một số xe BEV cps thể nạp bằng bộ DC như là Tesla Model 3, BMW i3, Nissan LEAF, Ford Focus Electric,...
1.2.2.2. Hybrid Electric Vehicle (HEV)
Xe HEV là loại xe điện được cung cấp năng lượng bởi một động cơ đốt trong và một hay nhiều động cơ điện, sử dụng năng lượng tích trữ trong pin. Không thể cắm điện cho xe điện hybrid để sạc pin. Thay vào đó, pin được sạc thông qua phanh tái tạo và động cơ đốt trong. Công suất phụ trợ do động cơ điện cung cấp có thể cho phép thiết kế động cơ đốt trong nhỏ hơn. Pin cũng có thể cung cấp năng lượng cho các phụ tải và giảm tải cho động cơ chạy không tải khi dừng. Kết hợp với nhau, các chức năng này giúp tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn mà không làm giảm hiệu suất.
Phân loại dựa vào chức năng của động cơ điện:
- Mild hybrid: Động cơ điện không thể vận hành tách biệt, cũng như không tham gia trực tiếp vào quá trình dẫn động mà chỉ đóng vai trò hỗ trợ cho động cơ đốt trong ở một vài tình huống nhất định. Ví dụ như duy trì gia tốc xe đang chạy, thu hồi năng lượng phanh lúc giảm tốc hay giúp khởi động nhanh động cơ trở lại khi dừng dèn đỏ... Mục tiêu chính của Mild hybrid là tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, cắt giảm khí thải và giúp xe vận hành mượt mà, êm ái hơn. Bộ pin dung lượng thấp, được sạc thông qua hệ thống phanh tái sinh, thu năng lượng được tạo ta bởi ma sát khi phanh, chuyển nó thành điện và lưu trữ trong pin.
- Full hybrid: Động cơ điện có thể sử dụng cùng lúc hay riêng biệt với động cơ đốt trong để điều khiển phương tiên. Quá trình kết hợp và chuyển đổi năng lượng giữa động cơ đốt trong và động cơ điện được xử lí nhịp nhàng bởi hệ thống máy tính của xe, từ đó giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Một chiếc xe Full hybrid có thể lựa chọn
4
chạy hoàn toàn bằng điện ở tốc thấp trong phạm vi ngắn. Sau khi hết pin sẽ chuyển sang sử dụng động cơ đốt trong, sau đó pin xe cũng được nạp lại thông qua hệ thống phanh tái sinh.
Phân loại dựa vào cấu tạo thiết kế của động cơ :
- Series Hybrid (Hybrid nối tiếp) : Sử dụng motor điện dẫn động trực tiếp đến các bánh xe. Động cơ đốt trong chỉ có nhiệm vụ như một máy phát điện, sạc pin khi cần thiết. - Parallel Hybrid (Hybrid song song) : Kiểu thiết kế HEV phổ biến nhất. Kết nối động cơ đốt trong và động cơ điện với các bánh xe thông qua khớp nối cơ khí. Cả động cơ điện
và động cơ đốt trong đều dẫn động bánh xe trực tiếp.
Một số mẫu xe HEV như là Toyota Prius Hybrid, Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid,...
1.2.2.3. Plug – in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)
PHEV tương tự như dòng HEV là dòng xe vận hành bằng cả động cơ điện và động cơ xăng truyền thống. Nguồn năng lượng có thể nạp lại pin bằng phanh tái sinh hay bằng cách cắm cáp sạc vào nguồn điện bên ngoài, bên cạnh máy phát điện chạy bằng động cơ đốt trong. Sử dụng điện từ lưới điện để chạy xe một phần hay toàn bộ thời gian giúp giảm chi phí vận hành và sử dụng nhiên liệu so với các phương tiện thông thường. PHEV cũng có thể tạo ra mức khí thải thấp hơn, tùy thuộc vào nguồn điện và tần suất vận hành xe ở chế độ hoàn toàn bằng điện. Trong khi các xe hybrid bình thường có thể di chuyển 2 – 4 dặm trước khi động cơ xăng được sử dụng thì xe PHEV có thể đi quảng đường 10 – 40 dặm trước khi có sự hỗ trợ của động cơ xăng.
Mức tiêu thụ nhiên liệu PHEV phụ thuộc vào khoảng cách lái xe giữa các lần sạc pin. Ví dụ, nếu chiếc xe không bao giờ được cắm điện để sạc pin thì mức tiết kiệm nhiên liệu sẽ tương đương với một chiệc xe điện hybrid có kích thước tương tự. Nếu xe được lái một quãng đường ngắn hơn phạm vi sử dụng điện hoàn toàn của nó và được cắm điện để sạc giữa các chuyến đi, thì có thể chỉ sử dụng năng lượng điện. Do đó, sạc xe liên tục là cách tốt nhất để tối đa hóa lợi ích của điện.
Cấu hình dẫn động PHEV có nhiều cách khác nhau để kết hợp sức mạnh từ động cơ điện và động cơ đốt trong. Hai cấu hình chính là song song và nối tiếp. Một số PHEV sử
5
dụng hộp số cho phép chúng hoạt động ở cấu hình song song hay cấu hình nối tiếp, chuyển đổi giữa hai cấu hình dựa trên cấu hình dẫn động.
- Parallel hybrid : PHEV song song kết nối động cơ đốt trong và động cơ điện với các bánh xe thông qua khớp nối cơ khí. Cả động cơ điện và động cơ đốt trong đều có thể truyền động trực tiếp đến các bánh xe.
- Series plug – in hybrid : PHEV nối tiếp chỉ sử dụng động cơ điện để dẫn động các bánh xe. Động cơ đốt trong dùng để tạo ra dòng điện cho động cơ. Loại xe này thường được gọi là xe điện mở rộng phạm vi (Extended range). Động cơ điện dẫn động các bánh xe gần như toàn bộ thời gian, nhưng chiếc xe có thể chuyển sang hoạt động giống như một chiếc hybrid song song ở tốc độ đường cao tộc khi pin cạn kiệt.
Một số mẫu xe PHEV : Ford C – max Energi, Mercedes C350e, Audi A3 E – tron,...
1.2.2.4. Fuel Cell Electric Vehicle (Xe điện pin nhiên liệu – FCEV)
FCEV sử dụng một hệ thống đẩy tương tự như của xe điện, trong đó năng lượng được lưu trữ dưới dạng hydro được chuyển đổi thành điện năng bởi pin nhiên liệu. FCEV được cung cấp nhiên liệu bằng khí hydro tinh khiết được lưu trữ trong bình chứa trên xe.
Trong quá trình thiết kế xe, nhà sản xuất xe xác định công suất của xe bằng kích thước của các động cơ điện nhận năng lượng điện từ tổ hợp pin và pin nhiên liệu có kích thước phù hợp. Mặc dù các nhà sản xuất ô tô có thể thiết kế FCEV với khả năng cắm điện để sạc pin, nhưng hầu hết các FCEV ngày nay đều sử dụng pin để thu lại năng lượng tái tạo từ phanh, cung cấp thêm năng lượng trong các trường hợp tăng tốc ngắn và để làm dịu năng lượng được cung cấp từ pin nhiên liệu với tùy chọn không hoạt động hay tắt pin nhiên liệu khi cần năng lượng thấp. Lượng năng lượng tích trữ trên xe được xác định bởi kích thước của bình nhiên liệu hydro. Điều này khác với một chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện, trong đó lượng điện và năng lượng có sẵn đều liên quan chặt chẽ đến kích thước của pin lưu trữ.
6
Hình 1. 2. Pin nhiên liệu màng điện phân polime (PEM)
Loại pin nhiên liệu phổ biến nhất cho các ứng dụng xe cộ là pin nhiên liệu màng điện phân polyme (PEM). Trong pin nhiên liệu PEM, một màng điện phân được kẹp giữa điện cực dương (cathode) và điện cực âm (anode). Hiđro được đưa đến anode, và ôxy (từ không khí) được đưa vào cathode. Các phân tử hydro phân tách thành proton và electron do phản ứng điện hóa trong chất xúc tác pin nhiên liệu. Sau đó, proton di chuyển qua màng đến cathode.
Các electron buộc phải di chuyển qua một mạch bên ngoài để thực hiện công việc (cung cấp năng lượng cho ô tô điện) sau đó tái kết hợp với các proton ở phía cathode nơi các proton, electron và các phân tử oxy kết hợp để tạo thành nước.
1.2.3. Các bộ phận chính của xe điện
Hệ thống làm mát có nhiệm vụ làm mát nhiên liệu, pin và giúp cho các bộ phận bên trong xe luôn giữ nhiệt độ hoạt động thích hợp. Nhiệt độ của nước làm mát có thể sử dụng
lại để sấy nóng ca bin xe ở vùng nhiệt độ thấp hay dùng cho các thiết bị nhiệt khác.
Động cơ điện: Nhận năng lượng điện tử pin, chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ khí để dẫn động bánh xe. Ưu điểm của động cơ điện là cho mô men lớn ở số vòng quay nhỏ, hoạt động êm ái và hiệu suất cao.
Hộp số: Xe điện có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau. Bốn loại hộp số thường dùng là: hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp số tay, hộp số tự động thông thường
7
với bộ chuyển đổi mô-men. Thường là hộp số đơn cấp truyền năng lượng từ động cơ thành động năng.
Bộ phận điều khiển: Có nhiệm vụ điều khiển tốc độ của động cơ và mô – men xoắn quản lí dòng năng lượng pin. Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ pin điện áp cao thành dòng điện xoay chiều làm quay mô tơ điện hay biến dòng xoay chiều từ máy phát điện thành dòng điện một chiều để nạp điện cho pin. Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp yêu cầu được cung cấp lên đến 500V và đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi thành dòng một chiều để nạp điện cho ắc quy phụ của xe và
một bộ chuyển đổi thành dòng xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
Pin: là một thành phần quan trọng của động cơ hybrid, đảm bảo các yêu cầu như tạo dòng điện đủ lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh và tuổi thọ cao. Hiện nay pin thường được sử dụng là pin hybrid Nickel -
NiMH, Nickel – Hydrogen, Nickel – Iron), và pin Lithium (Lithium – Iron, Lithium-ion...)
kim loại hydrua (Nickel Metal Hydride –
.
1.2.4. Ưu điểm của xe điện so với xe truyền thống
- Xe điện có ưu điểm là kết cấu đơn giản, không gian trong xe rộng rãi hơn, động cơ điện hoạt động êm ái, thân thiện môi trường hơn do hoạt động không có khí thải, việc bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí thấp.
- Chi phí vận hành rẻ: Tình hình thực tế cho thấy, giá xăng dầu lên xuống phụ thuộc rất nhiều vào tình hình chính trị, nguồn cung như những gì đã diễn ra trong suốt 50 năm trở lại đây. Trong khi đó, giá điện lại rất ổn định và trở thành nguồn năng lượng giúp nhiều tập đoàn công nghệ phát triển. Một nghiên cứu cho thấy người sử dụng xe điện có thể tiết kiệm khoảng 850 USD khi đi hết quãng đường dài 24000 k. Nếu áp dụng thêm hệ thống sạc điện thông minh, số tiền tiết kiệm còn tăng cao hơn nữa.
- Tốc độ cao: Tốc độ là một ưu điểm tuyệt vời của xe điện. Ví dụ về Tesla Modek S P100D chỉ cần 2,28 giây để tăng tốc từ 0 – 96 km/h. Làm được điều này là nhờ xe tích hợp khối động cơ điện có trọng lượng nhẹ so với các loại động cơ truyền thống khác. Các motor điện cũng tạo ra mô – men xoắn và công suất mạnh mẽ hơn động cơ đốt trong thường thấy.
- Tận dụng được năng lượng khi phanh: khi phanh hay khi xe giảm tốc độ, động cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện
8
sạc lại cho pin. Tránh thất thoát nhiên liệu một cách vô ích vì có thể tự động dừng động cơ khi không cần thiết.
1.2.5. Tính kinh tế và xu hướng phát triển của xe điện
Xu hướng xe ô tô điện đã tạo nên sự dịch chuyển cơ cấu ngành công nghệ ô tô hiện nay. Các hãng sản xuất xe hơi và công nghiệp phụ trợ cũng bắt đầu thay đổi chiến lược để phù hợp với xu thế mới.
Xe ô tô điện đang ngày càng chứng tỏ ưu thế trong ngành công nghiệp ô tô khi có được bước tăng trưởng nhảy vọt trong vài năm gần đây. Không chỉ các hãng sản xuất xe hơi, các “gã khổng lồ” công nghệ cũng bắt đầu tham gia vào thị trường khiến xu hướng phát triển của ngành ô tô điện càng có triển vọng hơn bao giờ hết.
Một thống kế thực tế về tốc độ tăng trưởng doanh số bán của xe ô tô điện vào năm 2021 đã cho thấy sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp ô tô điện khi doanh số toàn cầu tăng trưởng hơn 50% so với năm 2020
Hình 1. 3.Doanh số bán xe ô tô điện trên thế giới từ năm 2011 - 2021
Sự bùng nổ của xu hướng xe ô tô điện là nhờ ảnh hưởng của nhiều yếu tố như giá bán và chi phí vận hành, chính sách vận hành, chính sách về môi trường và hỗ trợ từ chính phủ, khả năng vận hành, an toàn, pin và chiến lược của các nhà sản xuất... Trong đó, 5 yếu tố
9
quan trọng được đánh giá sẽ thúc đẩy sự phát triển của thị trường xe ô tô điện trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là:
a. Bảo vệ môi trường là mục tiêu phát triển bền vững và lâu dài
- Single – Windings Transformer: Còn được gọi là “switched transformer” (máy biến áp chuyển mạch). Phương pháp này có hai kỹ thuật để cân bằng cell. Kỹ thuật đầu tiên là “pack to cell” dựa trên việc truyền năng lượng từ toàn bộ bộ pin thông qua máy biến áp chuyển mạch và truyền năng lượng đó đến các cell yếu bằng cách sử dụng các công tắc tương ứng. Kỹ thuật thứ hai là “cell to pack” dựa trên việc truyền năng lượng từ các cell năng lượng cao thông qua máy biến áp vào bộ pin.
Hình 3. 24. Cấu trúc liên kết cân bằng Single – windings transformer
- Multi – Windings Transformer: Hệ thống này dùng một cuộn sơ và mỗi cell pin có một cuộn thứ riêng. Công tắc điều khiển sẽ đóng ngắt liên tục để tạo ra xung. Khi một cell pin có SOC thấp hơn so với pack, dòng điện từ cuộn thứ qua diode bổ sung cho cell pin.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
TÓM TẮT
Ngày nay, có lẽ xe điện ( Electric Vehicle - EV) đã không còn quá xa lạ với chúng ta. Xe động cơ xăng và diesel tuy vẫn còn xuất hiện nhiều ở nước ta nhưng hiện tại nó đang dần bị thay thế bởi xe hybrid và xe điện do nó thải ra không khí lượng lớn khí độc hại làm cho không khí ngày càng ô nhiễm và gây hại đến sức khỏe con người. Ngoài ra các chi phí sử dụng xe điện như là chi phí vận hành, bảo trì sửa chữa,...thấp hơn so với xe xăng do có ít bộ phận truyền động hơn. Chính vì vậy, xe điện và xe hybrid dần dần là lựa chọn ưa chuộng của người sử dụng. Nhắc đến xe điện và xe hybrid thì không thể không kể đến bộ phận được xem là rất quan trọng trên xe, đó chính là hệ thống pin. Một số loại pin thông dụng được sử dụng trên các dòng xe điện cũng như trên các dòng xe hybrid hiện nay có thể kể đến như: pin Lithium ion, pin axit chì, pin Niken hydride kim loại (Ni-MH),... Để pin có thể hoạt động lâu dài cũng như có thể cung cấp được hiệu suất tốt nhất thì chúng ta cần có một hệ thống kiểm soát pin được gọi là BMS (Battery Management System).
Với mong muốn được tìm hiểu kỹ hơn về chức năng của hệ thống kiểm soát pin cao áp (BMS) nên nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài: Ứng dụng Simscape trong mô phỏng hệ thống kiểm soát ắc quy cao ắp trên xe điện với sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Quốc Việt.
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự giúp đỡ, góp ý từ quý thầy và các bạn.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................i TÓM TẮT .......................................................................................................................... ii MỤC LỤC......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................................1
1.1. Tổng quan về đề tài ......................................................................................................... 1
1.1.1. Đặt vấn đề..................................................................................................................1
1.1.2. Mục tiêu đề tài...........................................................................................................1
1.1.3. Giới hạn đề tài ........................................................................................................... 1
1.1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................2
1.1.5. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................................2
1.1.6. Kết quả dự kiến đạt được .......................................................................................... 2
1.2. Tổng quan về xe điện ...................................................................................................... 2
1.2.1. Khái quát về xe điện..................................................................................................2
1.2.2. Phân loại....................................................................................................................3
1.2.2.1. 1.2.2.2. 1.2.2.3. 1.2.2.4.
Battery Electric Vehicle – BEV.........................................................................3 Hybrid Electric Vehicle (HEV) .........................................................................4 Plug – in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)........................................................5 Fuel Cell Electric Vehicle (Xe điện pin nhiên liệu – FCEV) ............................6
1.2.3. Các bộ phận chính của xe điện..................................................................................7
1.2.4. Ưu điểm của xe điện so với xe truyền thống.............................................................8
1.2.5. Tính kinh tế và xu hướng phát triển của xe điện.......................................................9
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MATLAB - SIMSCAPE ..........................................12
2.1. Tổng quan về Matlab.....................................................................................................12
2.1.1. Giới thiệu chung về Matlab.....................................................................................12
2.1.2. Giao diện của Matlab 2020b ................................................................................... 13
2.1.3. Một số thao tác cơ bản trong Matlab.......................................................................14
2.1.4. Câu lệnh và biến trong Matlab ................................................................................ 14
2.1.5. Matlab trong toán học .............................................................................................15
2.2. Simscape........................................................................................................................ 22
2.2.1. Tổng quan về Simscape...........................................................................................22
2.2.2. Thư viện của Simscape ...........................................................................................24
2.2.2.1. Foundation library (Thư viện nền tảng)...........................................................24 2.2.2.2. Utilities library (Thư viện tiện ích)..................................................................26
iii
2.2.2.3. 2.2.2.4. 2.2.2.5. 2.2.2.6.
Simscape Driveline .......................................................................................... 27 Simscape Electrical .......................................................................................... 28 Simscape Fluids ............................................................................................... 30 Simscape Multibody ........................................................................................ 32
2.2.3. Các biến và chiều, hướng của các biến ................................................................... 33
2.2.4. Các loại phần tử.......................................................................................................34
2.2.4.1. 2.2.4.2. 2.2.4.3. 2.2.4.4. 2.2.4.5. 2.2.4.6.
Phần tử điện trở................................................................................................35 Phần tử điện dung (tụ điện): Bộ phận dữ trữ ................................................... 36 Cuộn cảm / Quán tính: Thiết bị lưu trữ năng lượng.........................................38 Máy biến áp......................................................................................................40 Gyrator (con quay hồi chuyển) ........................................................................ 41 Các phần tử chủ động.......................................................................................42
2.2.5. Các cổng kết nối và đường truyền...........................................................................42 2.2.5.1. Cổng bảo toàn vật lý ........................................................................................ 42 2.2.5.2. Cổng tín hiệu vật lý..........................................................................................44
2.2.6. Bắt đầu với Simscape..............................................................................................45
2.2.7. Các ví dụ liên quan đến ứng dụng xe điện và xe Hybrid ........................................ 52
2.2.7.1. 2.2.7.2. 2.2.7.3.
Ví dụ về mô hình Pin ....................................................................................... 53 Boost Convertor (Tăng áp) .............................................................................. 62 Inverter (Bộ biến tần).......................................................................................65
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỘ PIN NiMH CAO ÁP TRÊN XE HYBRID TOYOTA PRIUS .............................................................................................................68
3.1. Giới thiếu về pin NiMH trên xe hybrid Toyota Prius ...................................................68
3.1.1. Xe Hybrid Toyota Prius .......................................................................................... 68
3.1.2. Loại pin được dùng cho xe ô tô Hybrid .................................................................. 70
3.1.3. Tuổi thọ của pin 1 chiếc xe Toyota Prius Hybrid ...................................................71
3.1.4. Những lưu ý về sự an toàn cho bộ pin Niken Metal Hydride ................................. 72
3.1.4.1. 3.1.4.2. 3.1.4.3. 3.1.4.4. 3.1.4.5. 3.1.5. Cấu
Phản ứng hóa học khi sạc.................................................................................72 Phản ứng hóa học lúc xả .................................................................................. 73 Sạc quá mức ..................................................................................................... 73 Xả quá mức ...................................................................................................... 74 Tổng quan về đặc tính sạc của pin NiMH........................................................75 tạo cơ bản của bộ pin cao áp trên xe Toyota Prius ..........................................78
3.2. Hệ thống quản lí pin cao áp (BMS)...............................................................................81 3.2.1. Thế nào là hệ thống quản lí pin cao áp BMS .............................................................. 81 3.2.2. Các chức năng chính của hệ thống BMS ....................................................................82
3.2.2.1. Đo lường và tính toán trạng thái sạc (SOC).....................................................82 iv
3.2.2.2. 3.2.2.3. 3.2.2.4. 3.2.2.5. 3.2.2.6. 3.2.2.7. 3.2.2.8. 3.2.2.9.
Tính toán và theo dõi trạng thái sức khỏe (SOH) của pin................................83 Nhận nguồn cấp năng lượng từ pin..................................................................83 Kiểm soát nhiệt độ của bộ pin..........................................................................84 Kết nối hệ thống pin với ECU của xe .............................................................. 84 Lưu trữ thông tin dữ liệu..................................................................................85 Đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình sạc – xả pin .................................. 85 Kiểm soát quá trình sạc – xả của pin ............................................................... 86 Cân bằng cell pin .............................................................................................86
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUẢN LÍ PIN CAO ÁP (BMS) BẰNG SIMSCAPE .....................................................................................................................100
4.1. Thông số bộ pin cao áp ............................................................................................... 100
4.2. Khối pin mô phỏng......................................................................................................101
4.3. Khối chiến thuật điều khiển ........................................................................................103
4.4. Khối mô phỏng máy phát điện .................................................................................... 104
4.5. Mô phỏng và xuất kết quả...........................................................................................105
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .............................................................................................110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................111
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1. Phân loại xe điện ............................................................................................................ 3 Hình 1. 2. Pin nhiên liệu màng điện phân polime (PEM) ............................................................... 7 Hình 1. 3.Doanh số bán xe ô tô điện trên thế giới từ năm 2011 - 2021 .......................................... 9 Hình 2. 1. Giao diện của Matlab 2020b.................................................................. 13 Hình 2. 2. Kết quả đồ thị y = sin(x)...............................................................................................19 Hình 2. 3. kết quả của đồ thị x = sin (a) và y = cos(a) .................................................................. 20 Hình 2. 4. Đạo hàm của hàm số .................................................................................................... 20 Hình 2. 5. Simscape Driveline ......................................................................................................27 Hình 2. 6. Simscape Electrical ...................................................................................................... 29 Hình 2. 7. Simscape Fluids............................................................................................................30 Hình 2. 8. Simscape Multibody.....................................................................................................32 Hình 2. 9. Phần tử được định hướng từ A đến B...........................................................................34 Hình 2. 10.Các ví dụ về các phần tử điện trở ................................................................................ 35 Hình 2. 11. Các phần tử điện dung................................................................................................37 Hình 2. 12. Các phần tử quy nạp 1 cổng ....................................................................................... 39 Hình 2. 13. Các phần tử dạng máy biến áp ................................................................................... 41 Hình 2. 14. Model Simscape giới thiệu về cổng bảo toàn vật lý...................................................43 Hình 2. 15. Model Simscape giới thiệu về cổng tín hiệu vật lý .................................................... 44 Hình 2. 16. Giao diện của Simscape ............................................................................................. 45 Hình 2. 17. Thư viện Simscape ..................................................................................................... 46 Hình 2. 18. Các lĩnh vực trong thư viện Simscape........................................................................47 Hình 2. 19. Mô hình hệ thống xe lửa ............................................................................................47 Hình 2. 20. Mô hình vật lý hệ thống xe lửa ..................................................................................48 Hình 2. 21. Mô hình vật lí chuyển thành mô hình Simscape ........................................................ 49 Hình 2. 22. Mô hình hoàn chỉnh....................................................................................................50 Hình 2. 23.Kết quả mô phỏng ....................................................................................................... 51 Hình 2. 24. Mô hình pin cơ bản .................................................................................................... 53 Hình 2. 25.Thể hiện chi tiết khối Charge dynamics với two time constants dynamics ................ 54 Hình 2. 26. Thermal subsystem (khối phụ về hệ thống nhiệt) ...................................................... 57 Hình 2. 27. Các thông số Battery .................................................................................................. 58 Hình 2. 28. Giả lập tín hiệu tải trên Signal Builder.......................................................................59 Hình 2. 29. Model Pin hoàn chỉnh bằng Simscape ....................................................................... 60
vi
Hình 2. 30. Đồ thị thể hiện nhiệt độ pin........................................................................................60 Hình 2. 31. Đồ thị thể hiện cường độ dòng điện ........................................................................... 61 Hình 2. 32. Đồ thị tình trạng sạc của pin (SOC) ........................................................................... 61 Hình 2. 33. Đồ thị thể hiện điện áp pin ......................................................................................... 62 Hình 3. 1. Toyota Prius Hybrid.....................................................................................................69 Hình 3. 2. Màn hình hiện thị vận hành pin Hybrid của xe ............................................................ 70 Hình 3. 3. Sơ đồ phản ứng hóa học ............................................................................................... 73 Hình 3. 4. Sơ đồ dung lượng khả dụng ......................................................................................... 74 Hình 3. 5. Mô – đun pin NiMH của Toyota Prius.........................................................................78 Hình 3. 6. Bộ pin cao áp trên xe Toyota Prius .............................................................................. 78 Hình 3. 7. Mô – đun trên bộ pin Prius Hybrid .............................................................................. 80 Hình 3. 8. Service ngắt mạch HV..................................................................................................80 Hình 3. 9. Sơ đồ khối hệ thống BMS ............................................................................................ 81 Hình 3. 10. BMS của bộ pin trên Toyota Prius.............................................................................82 Hình 3. 11. BMS tính toán và theo dõi trạng thái sức khỏe SOH trên xe điện ............................. 83 Hình 3. 12. Hệ thống BMS và ECU thực hiện giao tiếp liên tục qua tiêu chuẩn mạng CAN.......85 Hình 3. 13. Bộ pin không được cân bằng......................................................................................87 Hình 3. 14. Bộ pin không được cân bằng lúc sạc..........................................................................88 Hình 3. 15. Phương pháp Fixed shunting resistor ......................................................................... 89 Hình 3. 16. Phương pháp switched shunting resistor....................................................................90 Hình 3. 17. Cấu trúc liên kết phương pháp cân bằng cell chủ động và bị động ...........................90 Hình 3. 18. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Switched Capacitor (SC) .......................................... 91 Hình 3. 19. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Double – tiered switched capacitor (DTSC).............92 Hình 3. 20. So sánh số công tắc giữa SC và SSC .........................................................................93 Hình 3. 21. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Single switched capacitor (SSC) .............................. 93 Hình 3. 22. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Modularized switched capacitor (MSC)...................94 Hình 3. 23. Cấu trúc liên kết cân bằng pin Single / Multi Inductor .............................................. 95 Hình 3. 24. Cấu trúc liên kết cân bằng Single – windings transformer ........................................95 Hình 3. 25. Cấu trúc liên kết Multi – windings transformer ......................................................... 96 Hình 3. 26. Cấu trúc liên kết cân bằng dùng bộ chuyển đổi Cûk hai chiều .................................. 96 Hình 3. 27. Cấu trúc liên kết cân bằng Buck – Boost converter ................................................... 97 Hình 3. 28. Cân bằng pin bộ chuyển đổi năng lượng Flyback......................................................98 Hình 3. 29. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Ramp converter.........................................................98 Hình 3. 30. Cấu trúc liên kết cân bằng cell Full – bridge converter .............................................99
vii
Hình 3. 31. Cấu trúc liên kết cân bằng bộ chuyển đổi ZCQR.......................................................99 Hình 4. 1. Hệ thống pin mô phỏng..............................................................................................101 Hình 4. 2. Thông số mỗi khối pin mô phỏng ứng với mỗi block trong bộ pin ........................... 102 Hình 4. 3. Khối giải thuật điều khiển .......................................................................................... 103 Hình 4. 4. Model mô phỏng máy phát điện trên xe hybrid ......................................................... 104 Hình 4. 5. Thuật toán làm việc của máy phát điện để sạc lại cho bộ pin .................................... 105 Hình 4. 6. Model cân bằng 14 block pin tổng quát ..................................................................... 106 Hình 4. 7. 14 block pin cân bằng.................................................................................................106 Hình 4. 8. Khối subsystem1 ........................................................................................................ 107 Hình 4. 9. Khối subsystem2 ........................................................................................................ 108 Hình 4. 10. Model tổng thể ......................................................................................................... 108 Hình 4. 11. Kết quả mô phỏng sạc cho bộ pin ............................................................................ 109
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Khác nhau giữa biến AV và TV ở các lĩnh vực..........................................................23 Bảng 2. 2. Các khối cơ bản của Utilities library ...........................................................................26 Bảng 2. 3. Các khối cơ bản của Simscape Driveline ....................................................................27 Bảng 2. 4. Các khối cơ bản của Simscape Electrical .................................................................... 29 Bảng 2. 5. Các khối cơ bản của Simscape Fluids..........................................................................31 Bảng 2. 6. Các khối cơ bản của Simscape Multibody...................................................................32 Bảng 2. 7. Các phần tử điện trở ở các lĩnh vực ............................................................................. 36 Bảng 2. 8. Các phần tử điện dung ở các lĩnh vực..........................................................................38 Bảng 2. 9. Các biến cuộn cảm ở các lĩnh vực khác nhau:.............................................................40 Bảng 4. 1. Thông số của bộ pin trên xe Toyota Prius ................................................................. 100
ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về đề tài 1.1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay chúng ta đang sống trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa với nền khoa học vô cùng phát triển. Trong ngành phương tiện giao thông nói chung và ngành ô tô nói riêng thì năng lượng vô cùng quan trọng. Do nhu cầu năng lượng khí đốt của động cơ xăng và diesel ngày càng nhiều nhưng nguồn năng lượng thì có giới hạn nên lượng cung cấp sẽ dần bị thiếu hụt, và một phần lớn khác là việc ô nhiễm môi trường từ khí thải ra từ những chiếc ô tô và mức CO2 đang cao ở mức báo động đã gây ra hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu và nhiều vấn nạn vô cùng nguy hiểm khác. Xu thế chuyển dịch sang sử dụng xe ô tô điện thay thế các loại xe dùng nhiên liệu hóa thạch trong tương lai là tất yếu. Trong đó, pin ô tô điện được coi là công nghệ cốt lõi của ngành công nghiệp xe điện
Chúng em được sự phân công của Bộ môn Động cơ ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô Tô của khoa Cơ khí động lực - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn của Th.S Huỳnh Quốc Việt, nhóm chúng em đã nghiên cứu thực hiện đề tài: Ứng dụng Simscape trong mô phỏng hệ thống kiểm soát ắc – quy cao áp trên xe điện. Để làm tài liệu hướng dẫn, tham khảo và giảng dạy cho người dùng giúp cho mọi người có cái nhìn thực tế về các chức năng, chu trình làm việc của pin hay hệ thống BMS trên xe điện.
1.1.2. Mục tiêu đề tài
- Nắm vững cơ sở lý thuyết về pin và hệ thống quản lí pin (BMS).
- Nắm vững kiến thức của Matlab.
- Nắm vững cách sử dụng và ứng dụng của công cụ Simscape trong Matlab.
- Mô phỏng các hệ thống bằng Simscape.
- Làm tư liệu phục vụ trong việc nghiên cứu và giảng dạy.
1.1.3. Giới hạn đề tài
Chỉ mô phỏng trên công cụ Simscape trong Matlab, chưa tiến hành xây dụng mô hình thực nghiệm.
1
1.1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Pin trên xe điện (Toyota Prius).
- Công cụ tính toán và mô phỏng Matlab/Simulink/Simscape.
1.1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng cơ sở lí thuyết của các nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng mô hình mới.
- Tham khảo các mô hình pin thực tế và dùng lí thuyết môn học phân tích xử lí dữ kiện các bài toán vật lí mẫu làm cơ sở để xây dựng thuật toán tính toán, lập chương trình
chi tiết.
- Sử dụng Matlab/Simulink/Simscape để xây dựng mô hình theo các chu trình thực
nghiệm.
1.1.6. Kết quả dự kiến đạt được
So sánh, đánh giá đặc tuyến mô phỏng và đặc tuyến thực tế.
1.2. Tổng quan về xe điện
1.2.1. Khái quát về xe điện
Xe ô tô điện (EV) đang dần trở thành xu thế thịnh hành ở nhiều quốc gia trên thế giới, và Việt Nam cũng không ngoại lệ. Xe ô tô điện sử dụng năng lượng được tạo ra từ động cơ điện, khác với xe sử dụng động cơ đốt trong (ICE) chạy bằng xăng hay bằng dầu diesel. Một lợi thế chính của xe điện so với các phương tiện dùng năng lượng xăng hay dầu diesel là chúng có khả năng giảm ô nhiễm đáng kể nhờ không có khí thải. Xe điện sử dụng một bộ pin kéo lớn để cung cấp năng lượng cho động cơ. Hầu hết xe điện sử dụng pin lithium – ion (LIB), loại pin này có mật độ năng lượng cao hơn so với hầu hết các loại pin thực tế khác.
Có bốn loại EV chính. Xe điện hybrid (HEV) và xe điện hybrid plug – in (PHEV) đều có thể vừa chạy bằng điện, vừa chạy bằng nhiên liệu khác và còn được gọi là xe điện lai. Loại HEV tạo ra năng lượng thông qua hệ thống phanh tái sinh của xe để sạc lại pin, còn loại PHEV có thể sạc lại bằng việc cắm sạc thông qua bất kì nguồn điện nào bên ngoài. Còn một loại khác là loại EV chạy bằng pin (BEV) chạy hoàn toàn bằng điện và điều này đồng nghĩa là phương tiện không thải ra khí thải và không chứa các thành phần nhiên liệu lỏng điển hình, chẳng hạn như bơm nhiên liệu, đường dẫn nhiên liệu hay bình nhiên liệu. Tương tự với loại xe chạy hoàn toàn bằng điện là loại xe điện chạy bằng pin nhiên liệu
2
(FCEV) cũng sử dụng điện năng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Nhưng trái ngược với BEV, FCEV sản xuất điện bằng cách sử dụng pin nhiên liệu chạy bằng hydro thay vì chỉ lấy điện từ pin lưu trữ.
1.2.2. Phân loại
Hình 1. 1. Phân loại xe điện
1.2.2.1. Battery Electric Vehicle – BEV
Battery Electric Vehicle (BEV) thường được gọi với cái tên EV (Electric Vehicle) là loại xe sử dung hoàn toàn động cơ điện với bộ pin có thể nạp lại được và không dùng động cơ xăng. Xe BEV tích điện trong các bộ pin có dung lượng lớn và được dùng để chạy động cơ điện hay các bộ phận sử dụng điện khác. Xe BEV không thải ra khí gây ô nhiễm môi trường như động cơ truyền thống. xe BEV được nạp điện bằng các nguồn ở bên ngoài. Bộ nạp này được phân loại dựa trên tốc độ nạp đầy pin trên mỗi xe BEV. Có những mức phân loại bộ nạp như là: Level 1, Level 2, Level 3 (nạp nhanh DC).
Bộ nạp Level 1 sử dụng nguồn điện có đầu ra tiêu chuẩn là 120V và mất hơn 8 giờ để nạp cho quãng đường xấp xỉ 75 – 80 dặm. Bộ nặp Level 1 có thể nạp được ở nhà hay chỗ làm và gần như tất cả các xe EV trên thị trường hiện nay đều có thể sử dụng bộ nạp này.
3
Bộ nạp Level 2 yêu cầu những trạm đặc biệt có thể cung cấp nguồn điện 240V. Bộ nạp 240V được lắp đặt ở các trạm nạp công cọng và mất hơn 4 giờ để nạp cho quãng đường khoảng 75 – 80 dặm.
Bộ nạp Level 3 hay bộ nạp nhanh DC là giải pháp tối ưu nhất cho tốc độ nạp của xe EV trên thị trường hiện nay. Bộ nạp này được trang bị ở các trạm chuyên biệt và có thể nap cho quảng đường 90 dặm chỉ trong 30 phút.
Một số xe BEV cps thể nạp bằng bộ DC như là Tesla Model 3, BMW i3, Nissan LEAF, Ford Focus Electric,...
1.2.2.2. Hybrid Electric Vehicle (HEV)
Xe HEV là loại xe điện được cung cấp năng lượng bởi một động cơ đốt trong và một hay nhiều động cơ điện, sử dụng năng lượng tích trữ trong pin. Không thể cắm điện cho xe điện hybrid để sạc pin. Thay vào đó, pin được sạc thông qua phanh tái tạo và động cơ đốt trong. Công suất phụ trợ do động cơ điện cung cấp có thể cho phép thiết kế động cơ đốt trong nhỏ hơn. Pin cũng có thể cung cấp năng lượng cho các phụ tải và giảm tải cho động cơ chạy không tải khi dừng. Kết hợp với nhau, các chức năng này giúp tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn mà không làm giảm hiệu suất.
Phân loại dựa vào chức năng của động cơ điện:
- Mild hybrid: Động cơ điện không thể vận hành tách biệt, cũng như không tham gia trực tiếp vào quá trình dẫn động mà chỉ đóng vai trò hỗ trợ cho động cơ đốt trong ở một vài tình huống nhất định. Ví dụ như duy trì gia tốc xe đang chạy, thu hồi năng lượng phanh lúc giảm tốc hay giúp khởi động nhanh động cơ trở lại khi dừng dèn đỏ... Mục tiêu chính của Mild hybrid là tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, cắt giảm khí thải và giúp xe vận hành mượt mà, êm ái hơn. Bộ pin dung lượng thấp, được sạc thông qua hệ thống phanh tái sinh, thu năng lượng được tạo ta bởi ma sát khi phanh, chuyển nó thành điện và lưu trữ trong pin.
- Full hybrid: Động cơ điện có thể sử dụng cùng lúc hay riêng biệt với động cơ đốt trong để điều khiển phương tiên. Quá trình kết hợp và chuyển đổi năng lượng giữa động cơ đốt trong và động cơ điện được xử lí nhịp nhàng bởi hệ thống máy tính của xe, từ đó giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. Một chiếc xe Full hybrid có thể lựa chọn
4
chạy hoàn toàn bằng điện ở tốc thấp trong phạm vi ngắn. Sau khi hết pin sẽ chuyển sang sử dụng động cơ đốt trong, sau đó pin xe cũng được nạp lại thông qua hệ thống phanh tái sinh.
Phân loại dựa vào cấu tạo thiết kế của động cơ :
- Series Hybrid (Hybrid nối tiếp) : Sử dụng motor điện dẫn động trực tiếp đến các bánh xe. Động cơ đốt trong chỉ có nhiệm vụ như một máy phát điện, sạc pin khi cần thiết. - Parallel Hybrid (Hybrid song song) : Kiểu thiết kế HEV phổ biến nhất. Kết nối động cơ đốt trong và động cơ điện với các bánh xe thông qua khớp nối cơ khí. Cả động cơ điện
và động cơ đốt trong đều dẫn động bánh xe trực tiếp.
Một số mẫu xe HEV như là Toyota Prius Hybrid, Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid,...
1.2.2.3. Plug – in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)
PHEV tương tự như dòng HEV là dòng xe vận hành bằng cả động cơ điện và động cơ xăng truyền thống. Nguồn năng lượng có thể nạp lại pin bằng phanh tái sinh hay bằng cách cắm cáp sạc vào nguồn điện bên ngoài, bên cạnh máy phát điện chạy bằng động cơ đốt trong. Sử dụng điện từ lưới điện để chạy xe một phần hay toàn bộ thời gian giúp giảm chi phí vận hành và sử dụng nhiên liệu so với các phương tiện thông thường. PHEV cũng có thể tạo ra mức khí thải thấp hơn, tùy thuộc vào nguồn điện và tần suất vận hành xe ở chế độ hoàn toàn bằng điện. Trong khi các xe hybrid bình thường có thể di chuyển 2 – 4 dặm trước khi động cơ xăng được sử dụng thì xe PHEV có thể đi quảng đường 10 – 40 dặm trước khi có sự hỗ trợ của động cơ xăng.
Mức tiêu thụ nhiên liệu PHEV phụ thuộc vào khoảng cách lái xe giữa các lần sạc pin. Ví dụ, nếu chiếc xe không bao giờ được cắm điện để sạc pin thì mức tiết kiệm nhiên liệu sẽ tương đương với một chiệc xe điện hybrid có kích thước tương tự. Nếu xe được lái một quãng đường ngắn hơn phạm vi sử dụng điện hoàn toàn của nó và được cắm điện để sạc giữa các chuyến đi, thì có thể chỉ sử dụng năng lượng điện. Do đó, sạc xe liên tục là cách tốt nhất để tối đa hóa lợi ích của điện.
Cấu hình dẫn động PHEV có nhiều cách khác nhau để kết hợp sức mạnh từ động cơ điện và động cơ đốt trong. Hai cấu hình chính là song song và nối tiếp. Một số PHEV sử
5
dụng hộp số cho phép chúng hoạt động ở cấu hình song song hay cấu hình nối tiếp, chuyển đổi giữa hai cấu hình dựa trên cấu hình dẫn động.
- Parallel hybrid : PHEV song song kết nối động cơ đốt trong và động cơ điện với các bánh xe thông qua khớp nối cơ khí. Cả động cơ điện và động cơ đốt trong đều có thể truyền động trực tiếp đến các bánh xe.
- Series plug – in hybrid : PHEV nối tiếp chỉ sử dụng động cơ điện để dẫn động các bánh xe. Động cơ đốt trong dùng để tạo ra dòng điện cho động cơ. Loại xe này thường được gọi là xe điện mở rộng phạm vi (Extended range). Động cơ điện dẫn động các bánh xe gần như toàn bộ thời gian, nhưng chiếc xe có thể chuyển sang hoạt động giống như một chiếc hybrid song song ở tốc độ đường cao tộc khi pin cạn kiệt.
Một số mẫu xe PHEV : Ford C – max Energi, Mercedes C350e, Audi A3 E – tron,...
1.2.2.4. Fuel Cell Electric Vehicle (Xe điện pin nhiên liệu – FCEV)
FCEV sử dụng một hệ thống đẩy tương tự như của xe điện, trong đó năng lượng được lưu trữ dưới dạng hydro được chuyển đổi thành điện năng bởi pin nhiên liệu. FCEV được cung cấp nhiên liệu bằng khí hydro tinh khiết được lưu trữ trong bình chứa trên xe.
Trong quá trình thiết kế xe, nhà sản xuất xe xác định công suất của xe bằng kích thước của các động cơ điện nhận năng lượng điện từ tổ hợp pin và pin nhiên liệu có kích thước phù hợp. Mặc dù các nhà sản xuất ô tô có thể thiết kế FCEV với khả năng cắm điện để sạc pin, nhưng hầu hết các FCEV ngày nay đều sử dụng pin để thu lại năng lượng tái tạo từ phanh, cung cấp thêm năng lượng trong các trường hợp tăng tốc ngắn và để làm dịu năng lượng được cung cấp từ pin nhiên liệu với tùy chọn không hoạt động hay tắt pin nhiên liệu khi cần năng lượng thấp. Lượng năng lượng tích trữ trên xe được xác định bởi kích thước của bình nhiên liệu hydro. Điều này khác với một chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện, trong đó lượng điện và năng lượng có sẵn đều liên quan chặt chẽ đến kích thước của pin lưu trữ.
6
Hình 1. 2. Pin nhiên liệu màng điện phân polime (PEM)
Loại pin nhiên liệu phổ biến nhất cho các ứng dụng xe cộ là pin nhiên liệu màng điện phân polyme (PEM). Trong pin nhiên liệu PEM, một màng điện phân được kẹp giữa điện cực dương (cathode) và điện cực âm (anode). Hiđro được đưa đến anode, và ôxy (từ không khí) được đưa vào cathode. Các phân tử hydro phân tách thành proton và electron do phản ứng điện hóa trong chất xúc tác pin nhiên liệu. Sau đó, proton di chuyển qua màng đến cathode.
Các electron buộc phải di chuyển qua một mạch bên ngoài để thực hiện công việc (cung cấp năng lượng cho ô tô điện) sau đó tái kết hợp với các proton ở phía cathode nơi các proton, electron và các phân tử oxy kết hợp để tạo thành nước.
1.2.3. Các bộ phận chính của xe điện
Hệ thống làm mát có nhiệm vụ làm mát nhiên liệu, pin và giúp cho các bộ phận bên trong xe luôn giữ nhiệt độ hoạt động thích hợp. Nhiệt độ của nước làm mát có thể sử dụng
lại để sấy nóng ca bin xe ở vùng nhiệt độ thấp hay dùng cho các thiết bị nhiệt khác.
Động cơ điện: Nhận năng lượng điện tử pin, chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ khí để dẫn động bánh xe. Ưu điểm của động cơ điện là cho mô men lớn ở số vòng quay nhỏ, hoạt động êm ái và hiệu suất cao.
Hộp số: Xe điện có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau. Bốn loại hộp số thường dùng là: hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp số tay, hộp số tự động thông thường
7
với bộ chuyển đổi mô-men. Thường là hộp số đơn cấp truyền năng lượng từ động cơ thành động năng.
Bộ phận điều khiển: Có nhiệm vụ điều khiển tốc độ của động cơ và mô – men xoắn quản lí dòng năng lượng pin. Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ pin điện áp cao thành dòng điện xoay chiều làm quay mô tơ điện hay biến dòng xoay chiều từ máy phát điện thành dòng điện một chiều để nạp điện cho pin. Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp yêu cầu được cung cấp lên đến 500V và đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi thành dòng một chiều để nạp điện cho ắc quy phụ của xe và
một bộ chuyển đổi thành dòng xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
Pin: là một thành phần quan trọng của động cơ hybrid, đảm bảo các yêu cầu như tạo dòng điện đủ lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh và tuổi thọ cao. Hiện nay pin thường được sử dụng là pin hybrid Nickel -
NiMH, Nickel – Hydrogen, Nickel – Iron), và pin Lithium (Lithium – Iron, Lithium-ion...)
kim loại hydrua (Nickel Metal Hydride –
.
1.2.4. Ưu điểm của xe điện so với xe truyền thống
- Xe điện có ưu điểm là kết cấu đơn giản, không gian trong xe rộng rãi hơn, động cơ điện hoạt động êm ái, thân thiện môi trường hơn do hoạt động không có khí thải, việc bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí thấp.
- Chi phí vận hành rẻ: Tình hình thực tế cho thấy, giá xăng dầu lên xuống phụ thuộc rất nhiều vào tình hình chính trị, nguồn cung như những gì đã diễn ra trong suốt 50 năm trở lại đây. Trong khi đó, giá điện lại rất ổn định và trở thành nguồn năng lượng giúp nhiều tập đoàn công nghệ phát triển. Một nghiên cứu cho thấy người sử dụng xe điện có thể tiết kiệm khoảng 850 USD khi đi hết quãng đường dài 24000 k. Nếu áp dụng thêm hệ thống sạc điện thông minh, số tiền tiết kiệm còn tăng cao hơn nữa.
- Tốc độ cao: Tốc độ là một ưu điểm tuyệt vời của xe điện. Ví dụ về Tesla Modek S P100D chỉ cần 2,28 giây để tăng tốc từ 0 – 96 km/h. Làm được điều này là nhờ xe tích hợp khối động cơ điện có trọng lượng nhẹ so với các loại động cơ truyền thống khác. Các motor điện cũng tạo ra mô – men xoắn và công suất mạnh mẽ hơn động cơ đốt trong thường thấy.
- Tận dụng được năng lượng khi phanh: khi phanh hay khi xe giảm tốc độ, động cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện
8
sạc lại cho pin. Tránh thất thoát nhiên liệu một cách vô ích vì có thể tự động dừng động cơ khi không cần thiết.
1.2.5. Tính kinh tế và xu hướng phát triển của xe điện
Xu hướng xe ô tô điện đã tạo nên sự dịch chuyển cơ cấu ngành công nghệ ô tô hiện nay. Các hãng sản xuất xe hơi và công nghiệp phụ trợ cũng bắt đầu thay đổi chiến lược để phù hợp với xu thế mới.
Xe ô tô điện đang ngày càng chứng tỏ ưu thế trong ngành công nghiệp ô tô khi có được bước tăng trưởng nhảy vọt trong vài năm gần đây. Không chỉ các hãng sản xuất xe hơi, các “gã khổng lồ” công nghệ cũng bắt đầu tham gia vào thị trường khiến xu hướng phát triển của ngành ô tô điện càng có triển vọng hơn bao giờ hết.
Một thống kế thực tế về tốc độ tăng trưởng doanh số bán của xe ô tô điện vào năm 2021 đã cho thấy sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp ô tô điện khi doanh số toàn cầu tăng trưởng hơn 50% so với năm 2020
Hình 1. 3.Doanh số bán xe ô tô điện trên thế giới từ năm 2011 - 2021
Sự bùng nổ của xu hướng xe ô tô điện là nhờ ảnh hưởng của nhiều yếu tố như giá bán và chi phí vận hành, chính sách vận hành, chính sách về môi trường và hỗ trợ từ chính phủ, khả năng vận hành, an toàn, pin và chiến lược của các nhà sản xuất... Trong đó, 5 yếu tố
9
quan trọng được đánh giá sẽ thúc đẩy sự phát triển của thị trường xe ô tô điện trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là:
a. Bảo vệ môi trường là mục tiêu phát triển bền vững và lâu dài
- Single – Windings Transformer: Còn được gọi là “switched transformer” (máy biến áp chuyển mạch). Phương pháp này có hai kỹ thuật để cân bằng cell. Kỹ thuật đầu tiên là “pack to cell” dựa trên việc truyền năng lượng từ toàn bộ bộ pin thông qua máy biến áp chuyển mạch và truyền năng lượng đó đến các cell yếu bằng cách sử dụng các công tắc tương ứng. Kỹ thuật thứ hai là “cell to pack” dựa trên việc truyền năng lượng từ các cell năng lượng cao thông qua máy biến áp vào bộ pin.
Hình 3. 24. Cấu trúc liên kết cân bằng Single – windings transformer
- Multi – Windings Transformer: Hệ thống này dùng một cuộn sơ và mỗi cell pin có một cuộn thứ riêng. Công tắc điều khiển sẽ đóng ngắt liên tục để tạo ra xung. Khi một cell pin có SOC thấp hơn so với pack, dòng điện từ cuộn thứ qua diode bổ sung cho cell pin.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links