TỔ NG QUAN V Ề ĐỀ TÀI
SƠ LƯỢ C V Ề L Ị CH S Ử Ô TÔ ĐIỆ N
1.1.1 Thời kỳ đầu Ô tô điện không phải là một khái niệm mới mà trên thực tế đã có lịch sử lâu đời Từ đầu thế kỷ 19, xe chạy bằng nguồn năng lượng điện đã có vị thế cạnh tranh tương đương với xe chạy bằng động cơ hơi nước
Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson, một người Scotland, đã phát minh ra chiếc xe điện đầu tiên Đến năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ, Thomas Davenport và Robert Davidson, đã là những người đầu tiên ứng dụng ắc quy vào ô tô điện Năm 1865, Camille Faure đã cải tiến khả năng lưu trữ điện trong ắc quy, giúp xe điện di chuyển xa hơn Pháp và Anh là hai quốc gia tiên phong trong việc phát triển ô tô điện trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 18 Đặc biệt, vào năm 1899, chiếc xe đua La jamais Contente đã đạt vận tốc tối đa 100 km/h, đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ ô tô điện.
[1] a) Chiếc xe đua La Jamais Contente
(1899) b) Edison và chiếc xe Detroit (1914) Hình 1.1 : Ô tô điện thời kỳ đầu (nguồn: Wikipedia)
1.1.2 Suy yếu và biến mất Đến đầu thế kỷ 20, ô tô điện trở nên yếu thế hơn so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong do những nguyên nhân chính sau:
Hiện nay, sự phát hiện các mỏ dầu lớn trên toàn cầu đã làm giảm giá dầu và các sản phẩm dẫn xuất, đơn giản hóa vấn đề nhiên liệu cho xe chạy động cơ đốt trong.
Công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và ngành công nghiệp ô tô đã có những bước tiến đáng kể, với những phát minh nổi bật như bộ khởi động cho xe chạy xăng của Charles Kettering và phương thức lắp ráp dây chuyền của Henry Ford, giúp giảm giá thành ô tô.
- Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750 USD, trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650 USD [1]
Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh tranh được với xe chạy bằng động cơ đốt trong
1.1.3 Sự trở lại và phát triển
Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, thế giới phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu:
Năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và than đá không phải là nguồn tài nguyên vô tận và có nguy cơ cạn kiệt, trong khi các phương tiện giao thông sử dụng xăng và dầu sẽ không còn tồn tại trong tương lai Ngược lại, điện năng là nguồn năng lượng linh hoạt, có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời và sóng biển Vì vậy, phương tiện sử dụng điện sẽ trở thành xu hướng của tương lai.
Môi trường hiện nay đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, một phần lớn nguyên nhân đến từ khí thải của các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô Ô tô điện xuất hiện như một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này, vì chúng hoàn toàn không phát thải khí độc hại, góp phần bảo vệ môi trường.
Ô tô điện đã trở thành giải pháp tối ưu cho hai vấn đề lớn hiện nay, điều này giải thích tại sao nó thu hút sự quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỷ 20 cho đến nay.
TÌNH HÌNH NGHIÊN C Ứ U VÀ PHÁT TRI ỂN Ô TÔ ĐIỆ N TRÊN TH Ế GI Ớ I
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN Ô TÔ ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI
Vào năm 2009, trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Ô tô điện Edison tại miền Nam California, Tổng thống Mỹ Barack Obama đã phê duyệt khoản chi 2,4 tỷ đô-la cho nghiên cứu ô tô điện, với ngân sách được phân bổ cho nhiều dự án khác nhau trong lĩnh vực này.
1,5 tỷ đô-la cho việc nghiên cứu hệ thống nguồn năng lượng hiệu suất cao
2,4 tỷ đô-la cho ô tô điện
500 triệu đô-la cho việc nghiên cứu các hệ truyền động sử dụng động cơ điện,
400 triệu đô-la cho việc nghiên cứu các vấn đề về cơ sở hạ tầng như các trạm nạp ắc quy, v.v.
Hình 1.2: Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009
Từ cơ cấu khoản chi trên, ta thấy rằng nguồn năng lượng và hệ truyền động là những vấn đề then chốt trong nghiên cứu ô tô điện
Tại Châu Âu, xe ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) và các bộ biến đổi điện tử công suất đang thu hút nhiều sự chú ý trong nghiên cứu Xe điện lai sử dụng kết hợp năng lượng xăng và điện, với tính năng "plug-in" cho phép người dùng dễ dàng sạc pin từ nguồn điện dân dụng mà không cần bộ nạp bên ngoài Tại Việt Nam, một số mẫu xe hybrid đã có mặt trên thị trường như Toyota Prius, Ford Escape Hybrid và Honda Civic Hybrid.
Tại Nhật Bản, các hãng ô tô lớn đang ra mắt xe thuần điện, với Nissan dẫn đầu qua mẫu Nissan Leaf Tuy nhiên, Mitsubishi là hãng đầu tiên giới thiệu xe điện thương mại i-MiEV, được trình làng tại Việt Nam trong triển lãm Ô tô Việt Nam Motor Show 2010 Để phát triển i-MiEV, Mitsubishi Motors đã trải qua hơn 40 năm nghiên cứu, bắt đầu từ năm 1966, với 10 mẫu xe concept và hơn 500.000 km thử nghiệm toàn cầu.
Hình 1.3: Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi Motors
Hình 1.4: Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường
(Hình 1.3 và 1.4 là ảnh chụp từ poster giới thiệu sản phẩm của hãng Mitsubishi tại Triển lãm Ô tô Việt Nam Motor Show 2010)
1.2.4 Hàn Quốc và Trung Quốc
Công nghệ truyền tải điện không dây cho xe điện đang được phát triển mạnh mẽ bởi Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) thông qua dự án OnLine Electric Vehicle (OLEV) Dự án này cho phép xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quá trình hoạt động Hiện tại, các xe buýt điện thuộc dự án OLEV đang được thử nghiệm thành công tại khuôn viên KAIST và Công viên Grand Seoul.
Hình 1.5: Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST
Tại Thượng Hải, Trung Quốc, xe buýt điện trang bị siêu tụ của SINAUTEC đang thu hút sự chú ý lớn Siêu tụ này cho phép nạp điện nhanh chóng tại mỗi điểm dừng, mang lại hiệu quả cao cho phương tiện giao thông công cộng.
Hình 1.6: Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải
1.2.5 Những mẫu ô tô điện mới Đây là một xe chạy hoàn toàn bằng điện, về kích thước thì nằm cùng phân khúc với Toyota iQ và Smart ForTwo Chỉ mất chưa đến 4 tiếng để sạc đày điện cho xe Trong quá trình phát triển xe M.GO, hãng xe của Pháp tập trung vào trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ nhằm tăng quãng đường xe chạy sau mỗi lần sạc đầy điện mất chưa đầy 4 tiếng
Xe M.GO có khả năng di chuyển quãng đường từ 80 đến 140 km sau mỗi lần sạc đầy, tùy thuộc vào tốc độ và cách sử dụng Với tốc độ tối đa 45 km/h, xe này rất phù hợp cho nhu cầu di chuyển trong đô thị.
Xe M.GO ra mắt tại triển lãm ô tô Paris 2008
Công ty Zap, viết tắt từ Zero Air Pollution, cam kết sản xuất mẫu xe Zap – X với tốc độ tối đa khoảng 250 km/h và khả năng di chuyển hơn 560 km trước khi cần sạc điện.
TÌNH HÌNH NGHIÊN C Ứ U VÀ PHÁT TRI ỂN Ô TÔ ĐIỆ N Ở VI Ệ T NAM
Ngành Giao thông vận tải đường bộ tại Việt Nam hiện đang tiêu thụ nhiều năng lượng và gây ô nhiễm nghiêm trọng do kỹ thuật kém của các phương tiện giao thông Với trữ lượng dầu thô hạn chế và sản lượng khai thác giảm từ 20 triệu tấn năm 2005 xuống còn 13-15 triệu tấn trong những năm gần đây, Việt Nam sẽ phải nhập khẩu dầu thô từ năm 2015 trở đi Điều này tạo ra áp lực lớn đối với an ninh cung cấp năng lượng cho ngành giao thông vận tải.
Hình 1.9: Chỉ số sử dụng năng lượng của xe ô tô động cơ xăng và điện
Việc sử dụng động cơ đốt trong trở nên nghiêm trọng khi xe di chuyển ở vận tốc thấp, dẫn đến tăng tiêu thụ nhiên liệu và khí thải, như thể hiện trong hình 1.9 Ở các thành phố lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, với tốc độ trung bình dưới 20 km/h trong giờ cao điểm, vấn đề môi trường và lãng phí nhiên liệu từ phương tiện giao thông trở nên đặc biệt nghiêm trọng.
Ô tô điện là giải pháp tối ưu cho việc bảo vệ môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia Trên toàn cầu, đã có những bước tiến lớn trong nghiên cứu và chế tạo xe ô tô điện, được coi là "phương tiện sạch của tương lai" Để thu hẹp khoảng cách công nghệ và bảo vệ môi trường, Việt Nam cần nghiên cứu các công nghệ tiên tiến của ô tô điện và nhanh chóng phát triển sản phẩm phù hợp với điều kiện giao thông trong nước Việc sản xuất ô tô điện không chỉ là cơ hội tiếp cận xu thế mới mà còn góp phần bảo vệ môi trường toàn cầu.
Nhu cầu về xe điện tại Việt Nam ngày càng tăng, thu hút sự quan tâm của các nhà sản xuất ô tô nước ngoài Mitsubishi, một hãng xe đến từ Nhật Bản, đã tiên phong giới thiệu mẫu xe điện i-MIEV tại triển lãm Việt Nam Motor Show 2010, đánh dấu bước đầu trong việc đưa sản phẩm xe điện vào thị trường Việt Nam.
Xe i-MIEV được trang bị pin lithium-ion và động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu với công suất 47 kW, có khả năng chở 4 người và đạt tốc độ tối đa 130 km/h Giá bán trước thuế tại Nhật Bản được công bố là 47.544 USD.
Trong bối cảnh nghiên cứu ô tô điện đang phát triển mạnh mẽ toàn cầu, Việt Nam vẫn chưa thu hút được sự quan tâm đáng kể từ các nhà khoa học, doanh nghiệp và chính sách Các khảo sát trong những năm qua cho thấy, chưa có một nghiên cứu nào thực sự bài bản, khoa học và hệ thống về ô tô điện tại Việt Nam.
Trong những năm gần đây, nhiều sản phẩm xe điện thử nghiệm đã được nghiên cứu và chế tạo bởi các nhà khoa học và nhà sáng chế không chuyên tại Việt Nam Năm 2004, ông Đặng Thế Minh, với sự hỗ trợ của UBND tỉnh Lào Cai, đã nhập 10 chiếc ô tô điện Minibus từ Trung Quốc và chế tạo 5 chiếc Minibus Việt Nam, có tốc độ 50 km/h và khả năng di chuyển 100 km sau mỗi lần sạc, với sức chở 11 người Tuy nhiên, sản phẩm này chỉ mang tính sao chép và không được phát triển thêm Đến năm 2008, ông Trần Văn Tâm ở Củ Chi, TP.HCM, đã tự nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh với sức chở 3 người, tốc độ 35 km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V - 800W và 4 ắc quy 12V/50 Ah, có thể chạy 40 km sau mỗi lần sạc Mặc dù đây là một thành công đáng khích lệ cho một nhà sáng chế nghiệp dư, nhưng chất lượng xe vẫn còn thấp và không đủ điều kiện để sản xuất hàng loạt.
Nhiều xe điện hiện nay không chỉ là sản phẩm của những chế tác nghiệp dư mà còn là kết quả nghiên cứu khoa học từ sinh viên và giảng viên tại một số trường đại học Năm 2005, nhóm sinh viên K29 khoa Cơ khí trường Đại học Cần Thơ đã chế tạo thành công một xe điện chạy bằng pin năng lượng mặt trời, với tải trọng 120 kg và tốc độ 25 km/h, sử dụng 2 động cơ một chiều 250 W và nguồn năng lượng từ 2 ắc quy kết nối với tấm pin mặt trời Việc sử dụng năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy là một bước tiến đáng ghi nhận, mặc dù hiện tại vẫn chưa thể áp dụng cho ô tô điện.
Vào năm 2009, nhóm giảng viên Học viện Kỹ thuật Quân sự đã chế tạo một xe điện tải trọng 2 tấn với tốc độ 10 km/h, sử dụng 2 động cơ một chiều Tuy nhiên, với tốc độ rất thấp, xe này không phù hợp cho các ứng dụng giao thông.
Trong bối cảnh thế giới đang phát triển mạnh mẽ công nghệ ô tô điện, Việt Nam vẫn chưa bắt kịp xu hướng này, điều này có thể dẫn đến sự phụ thuộc vào nước ngoài Tuy nhiên, một tín hiệu tích cực là vào năm 2009, ô tô điện đã được Bộ Khoa học và Công nghệ đưa vào danh mục sản phẩm công nghệ cao trình chính phủ.
Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và Sáng tạo công nghệ, trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, là đơn vị tiên phong trong việc nghiên cứu bài bản về ô tô điện với đề tài KC03-
08 Đây là một đề tài khoa học được nghiên cứu trong trường đại học và nội dung thực hiện được giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế chế tạo những thành phần chính và cơ bản của ô tô điện là hệ truyền động và hệ điều khiển cho ô tô điện Các nghiên cứu và sản phẩm của đề tài bao gồm: biến tần, hệ truyền động động cơ điện, bộ biến đổi DC/DC và bộ điều khiển trung tâm cho ô tô điện (đều chưa được nghiên cứu trước đây tại Việt Nam) Các kết quả nghiên cứu này sẽ không chỉ được ứng dụng cho ô tô điện mà còn có thể mở rộng cho các ứng dụng trong công nghiệp và năng lượng tái tạo.
ĐẶC ĐIỂ M C ỦA Ô TÔ ĐIỆ N
Nghiên cứu của Bauen và Hart trong Hoogers đã áp dụng khái niệm hiệu suất "Từ giếng dầu tới Bánh xe" (well to wheel) để so sánh mức độ phát thải và hiệu suất năng lượng giữa các loại xe với động cơ khác nhau.
Hình 1.10: Mức độ phát thải khí CO 2 tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện
Hình 1.11: Mức độ phát thải tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện
Từ hình vẽ trên ta thấy rằng:
- Khí CO2 sinh ra do quá trình chuyển hóa năng lượng khác thành điện
Mặc dù đều là xe điện, nhưng mức độ phát thải của chúng khác nhau do hệ thống cung cấp năng lượng tại mỗi quốc gia không giống nhau Các nguồn năng lượng như thủy điện, nhiệt điện, năng lượng mặt trời, gió và thủy triều đều ảnh hưởng đến lượng phát thải của xe điện.
- Ngoài ra xe điện còn phát thải khác đó là ắc quy sau khi hỏng tuy nhiên yếu tố này có thể tập trung xử lý được
Hình 1.12:Hiệu suất năng lượng tương đuơng của các loaị động cơ đốt trong và điện
Năng lượng từ dầu mỏ là nguồn chính cho nhiều loại xe hiện nay Tuy nhiên, xe sử dụng hydro (H2) có hiệu suất thấp do quá trình sản xuất H2 tiêu tốn nhiều năng lượng Ngược lại, xe điện cho thấy hiệu suất năng lượng vượt trội hơn, mang lại hiệu quả sử dụng tốt hơn.
Các kết quả từ các hình ảnh cho thấy rằng tất cả các loại xe điện đều có hiệu suất nhiên liệu và mức phát thải tốt hơn đáng kể so với các dòng xe sử dụng động cơ đốt trong, cũng như so với các xe hybrid khác.
Sử dụng động cơ đốt trong sẽ gây ra vấn đề nghiêm trọng khi xe di chuyển ở tốc độ thấp, với năng lượng tiêu thụ tăng mạnh dẫn đến lượng khí thải và lãng phí nhiên liệu cũng gia tăng Vì vậy, xe điện trở thành giải pháp hiệu quả cho giao thông tại các thành phố lớn có mật độ xe cao và tốc độ trung bình thấp.
1.4.1 Ưu điểm khi sử dụng xe điện
+ Xe điện sẽ làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch
+ Làm giảm chi phí năng lượng đến 90%
Nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng lên đến 70% thông qua việc nạp lại điện năng, so với chỉ 15% hiệu suất hiện tại, bao gồm cả hệ thống truyền lực trong các ứng dụng động cơ đốt trong.
+ Tạo ra mô men xoắn cao hơn và đường đặc tính mo men xoắn không đổi, giúp xe có khả năng tăng tốc nhanh hơn
+ Giảm bớt hiệu ứng nhà kính và tình trạng nóng lên của trái đất
+ Ít gây tiếng ồn so với động cơ đốt trong
+ Không thải ra khí xả độc hại ảnh hưởng tới sức khỏe con người
+ Hoàn toàn có thể đáp ứng tầm hoạt động dưới 500 km bằng loại ắc quy Lithium
+ Nạp điện tại nhà hoặc nơi công cộng đơn giản, thuận tiện hơn so với các cây xăng
+ Có thể thu hồi năng lượng trong quá trình phanh (bằng cách chuyển động năng của xe thành năng lượng lưu giữ vào ắc quy)
Ngoại trừ ắc quy, chi phí sản xuất các bộ phận khác của động cơ điện thường thấp hơn so với động cơ đốt trong do số lượng chi tiết rời ít hơn và yêu cầu gia công chính xác không cao.
+ Chi phí tái nạp rẻ hơn nhiều so với xăng và dầu
+ Chi phí bảo dưỡng cũng như thay dầu nhớt, làm mát, bảo dưỡng, kiểm duyệt khí thải được giảm bớt hoặc loại bỏ hoàn toàn
+ Có thể cung cấp điện trở lại cho một số thiết bị dân dụng nếu cần
Ngay cả khi nguồn điện để sạc ắc quy được sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, hiệu suất năng lượng của chúng vẫn vượt trội hơn nhiều so với động cơ đốt trong.
+ Giảm thiểu quan ngại về cháy nổ
Điện có thể được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo như thủy điện, gió, hydro, mặt trời và hạt nhân, tất cả đều không phát thải khí carbon độc hại.
1.4.2 Nhược điểm khi sử dụng ô tô điên.
+ Bị giới hạn về thời gian hoạt động và thời gian nạp lại đầy điện
Giá thành sản xuất ắc quy điện vẫn còn cao, dao động từ 1.500 USD đến 20.000 USD cho mỗi xe, tùy thuộc vào loại ắc quy, từ chì-a xít đến Lithium-ion Bên cạnh đó, khối lượng vận chuyển của ắc quy cũng bị hạn chế và tốc độ vận chuyển tương đối thấp.
+ Một số loại ắc quy hoạt động kém hiệu quả khi gặp thời tiết lạnh giá Các trạm điện công cộng chưa phổ biến
+ Người sử dụng phải đối mặt với nguy cơ bị điện giật, nhiễm điện từ.
VẤN ĐỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO Ô TÔ ĐIỆN
1.5.1 Một số loại nguồn sử dụng cho ô tô điện
1.5.1.1 Ắc quy chì – axít Ắc quy chì – axít là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn (do hầu như không có nguy cơ cháy nổ) Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém (thường là 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn), nạp chậm và khó tái chế Hơn nữa, chì là một chất có hại đối với sức khỏe nên sau khi hết thời hạn sử dụng, nếu không được thu gom đúng cách và tái chế thì ắc quy chì có thể trở thành một thảm họa môi trường Mặc dù ắc quy chì - axít còn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nó vẫn chiếm đến 79% thị phần ắc quy trong năm 2008 vì giá thành rẻ, sử dụng đơn giản và quen thuộc
1.5.1.2 Ắc quy Lithium – ion Ắc quy Lithium – Ion là dòng ắc quy đang được sử dụng phổ biến trong các loại ô tô điện đang và sắp được thương mại hóa vì nó có mật độ năng lượng cao nhất trong các loại ắc quy, khả năng nạp nhanh tốt (30 phút có thể nạp được 80%), tuổi thọ cao (có thể lên tới 10 năm) Cho đến nay, đây là loại ắc quy được sử dụng phổ biến nhất cho ô tô điện trong nghiên cứu và trong công nghiệp Như đã đề cập ở phần trước, những nghiên cứu về công nghệ vật liệu đang khiến loại ắc quy này ngày càng trở nên hấp dẫn với mật độ công suất ngày càng lớn Tuy nhiên, giá thành cao là một trong những vấn đề không nhỏ của ắc quy Lithium Nguyên nhân của giá thành cao là do công nghệ chế tạo phức tạp và sự khan hiếm nguyên liệu Ta biết rằng, Lithium là một kim loại hiếm, và nó là nguồn tài nguyên có hạn Do vậy, về lâu dài, ắc quy Lithium cũng không phải là nguồn năng lượng tối ưu cho ô tô điện Trước mắt nó vẫn là nguồn năng lượng chính, nhưng trong tương lai xa sẽ bị thay thế
1.5.1.3 Tế bào nhiên liệu – Fuel Cell Ở chương trình hóa học phổ thông, ta đã quen với phản ứng điện phân: dòng điện làm điện phân nước thành oxy và hydro Trên phương diện hóa học, tế bào nhiên liệu Fuel Cell được cấu tạo dựa nguyên lý ngược lại: oxy và hydro phản ứng tạo ra nước và giải phóng điện năng Hình 1.13 minh họa quá trình hóa học này
Hình 1.13 Nguyên lý hóa học của tế bào nhiên liệu Fuel Cell (nguồn: Wikipedia)
Tế bào nhiên liệu Fuel Cell được đánh giá là nguồn năng lượng có mật độ cao nhất cho ô tô điện, như minh họa trong Hình 1.14 Với ưu điểm về mật độ năng lượng và sử dụng nguyên liệu từ khí tự nhiên (oxy và hydro), công nghệ này đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm Tuy nhiên, tế bào nhiên liệu Fuel Cell vẫn chưa đủ trưởng thành để áp dụng vào sản phẩm thương mại, với một trong những vấn đề quan trọng là tính an toàn Việc vận chuyển bình khí hydro lớn trên xe cần được xem xét kỹ lưỡng, bởi nếu xảy ra sự cố, nó có thể gây nổ như một quả bom.
Hình 1.14 Minh họa hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên xe ô tô điện
Trong lĩnh vực điện và điện tử, nhiều người đã quen thuộc với các tụ điện có đơn vị pico, nano và micro Farads Tuy nhiên, họ sẽ rất ngạc nhiên khi biết đến sự tồn tại của những tụ điện có điện dung lên tới hàng nghìn Farads Những tụ điện này được chế tạo bằng công nghệ lớp kép, mang lại khả năng lưu trữ năng lượng vượt trội.
Layer), được gọi là Siêu tụ điện (Ultra-Capacitor hay Super-Capacitor)
Hình 1.15 Cấu tạo siêu tụ điện
Tụ điện lưu trữ điện năng thông qua các tương tác vật lý giữa các điện cực và điện tích, không giống như ắc quy sử dụng phản ứng hóa học Nhờ vậy, tụ điện có khả năng nạp và phóng điện nhanh chóng, và siêu tụ, với bản chất là tụ điện, vẫn duy trì đặc tính này, mang lại mật độ công suất rất lớn Với điện dung lên tới hàng nghìn Fara, siêu tụ có khả năng tích trữ một lượng điện năng lớn, cho phép nó hoạt động như một nguồn chứa năng lượng, trong khi các tụ điện thông thường chỉ đóng vai trò là phần tử trong quá trình trao đổi năng lượng.
Hiện nay, các siêu tụ có điện dung hàng nghìn Fara chỉ đạt mức điện áp vài volt do các lớp cách điện không chịu được điện áp cao Để sử dụng với điện áp cao như vài trăm volt trong ô tô điện, siêu tụ phải được mắc nối tiếp thành các module, nhưng điều này làm giảm điện dung Với công nghệ hiện tại, siêu tụ điện không đủ khả năng cung cấp nguồn cho ô tô điện chạy quãng đường dài như ắc quy hay pin nhiên liệu, mà chỉ được sử dụng như nguồn phụ, đặc biệt hữu ích trong quá trình hãm tái sinh năng lượng nhờ khả năng nạp nhanh.
Hình 1.16 Sản phẩm siêu tụ điện của Maxwell Technology và module tụ lớn nhất trên thị trường
Mặc dù siêu tụ điện gặp phải thách thức về mật độ năng lượng và chi phí cao, chúng vẫn được coi là nguồn năng lượng hứa hẹn nhất cho ô tô điện.
So sánh các đặc điểm chính của ba loại ắc quy gồm ắc quy chì axit, NiMH và Li- Ion
Lead Acid Nickel metal hydride
Năng lượng riêng 20-30 Wh/kg ~65 Wh/kg 180Wh/kg
Mật độ năng lượng 54-95 Wh/l ~150 Wh/l 153 Wh/l
Công suất riêng ~250 W/kg 200 W/kg 300 W/kg Điện áp danh định/ tế bào 2V 1.2V 3.5V
Amphour nhiệt độ) Điện trở trong ~0.022 ohm per tế bào @ 1Ah/tế bào
@ 1Ah/tế bào Rất thấp
Môi trường (poor extreme cold)
~2% mỗi ngày ~5% mỗi ngày Rất thấp (~10% mỗi tháng)
Thời gian nạp 8h (90% / 1 giờ) 1 giờ với nạp nhanh 2-3h
Bảng 1.1 So sánh thuộc tính của các loại ắc quy
Từ sau những năm 1980, ắc quy Li-Ion đã trở thành lựa chọn ưu việt nhờ vào mật độ năng lượng và điện áp danh định cao, điện trở trong thấp và tỷ lệ tự xả nhỏ Với chu kỳ sống lên đến hơn 1200 lần trước khi giảm xuống 80% dung lượng, ắc quy Li-Ion vượt trội so với ắc quy chì axit và ắc quy NiMH, chỉ đạt khoảng 800 và 1000 lần.
ĐĂC ĐIỂ M C Ủ A Ắ C QUY
1.6.1 Mật độ công suất( SP batt )
Mật độ công suất của hệ thống ắc quy, được đo bằng đơn vị [W/kg], là chỉ số quan trọng giúp xác định công suất tối đa có thể đạt được trên mỗi đơn vị khối lượng Thông số này không chỉ phản ánh hiệu suất của ắc quy mà còn cho phép ước lượng mức công suất tối đa mà hệ thống có thể cung cấp.
Trên xe điện, ắc quy chiếm phần lớn trọng lượng, vì vậy mật độ công suất của ắc quy sẽ phản ánh khả năng tăng tốc của xe.
1.6.2 Mật độnăng lượng (SE batt )
Mật độ năng lượng của ắc quy được định nghĩa là tổng năng lượng trên một đơn vị khối lượng, thường được đo bằng đơn vị Wh/kg Mặc dù chỉ là một ước lượng xấp xỉ về năng lượng phân bố trong ắc quy, thông số này thường được sử dụng để phân loại các công nghệ ắc quy khác nhau.
Hình 1.17: Phân loại ắc quy theo mật độ năng lượng.
Theo công thức (1.2), mật độ năng lượng của ắc quy thay đổi tùy thuộc vào năng lượng phóng Ắc quy Lithium Polymer có mật độ năng lượng theo thể tích và khối lượng cao nhất so với các loại ắc quy khác, cho phép quãng đường di chuyển dài hơn sau mỗi lần nạp.
Hình 1.18: Quan hệ giữa công suất và năng lượng của các loại ắc quy
(Việt hóa lại cá đồ thị)
Maximum power per unit of bettery mass(Công suất tối đa trên một đơn vị khối lượng ắc quy)
Maximum stored energy per unit of battery mass(Năng lượng lưu trữ tối đa trên một đơn vị khối lượng)
1.6.3 Hiệu suất năng lượng ắc quy.
Hiệu suất năng lượng của ắc quy là tỷ lệ giữa năng lượng giải phóng và năng lượng cần thiết để nạp lại Mặc dù không phải là thông số tuyến tính để xác định công suất, hiệu suất giúp so sánh các nguồn công suất khác nhau Hiệu suất ắc quy có thể được đánh giá qua dòng điện thử nghiệm (Peukert’s Test), trong đó năng lượng xả E dis trong thời gian phóng t f được diễn tả bằng điện áp hở mạch V oc, điện trở trong R i và dòng điện xả cố định I b.
Nạp ăc quy với cùng khoảng thời gian t f và dòng điện nạp I b sẽ cung cấp năng lượng
Do đó, hiệu suất ắc quy được biểu diễn bởi hàm của dòng điện Ib η batt = = (1.5)
Hiệu suất của ắc quy là yếu tố quyết định tính năng vận hành của xe điện, phụ thuộc vào quá trình phóng điện Các nghiên cứu toàn cầu hiện nay tập trung vào việc cải thiện hệ thống nguồn với mục tiêu tăng khả năng lưu trữ năng lượng, giảm kích thước và trọng lượng, đồng thời nâng cao khả năng quản lý và phân phối năng lượng trong các chế độ hoạt động của xe Nguồn năng lượng là lĩnh vực được quan tâm hàng đầu và đầu tư mạnh mẽ trong nghiên cứu ô tô điện Do đó, việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính phóng điện của ắc quy trong ô tô điện là rất cần thiết và sẽ được trình bày chi tiết trong chương 2.
ĐẶC ĐIỂ M VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG C Ủ A Ắ C QUY
Các thông s ố c ủ a ắ c quy
2.1.1 Thông số hệ thống ắc quy Điện áp hệ thống: V
Năng lượng tích lũy max: kW
2.1.2 Thông số cần đo lường
Dòng điện phóng/nạp của hệ thống ắc quy: I p , I n Điện áp của hệ thống ắc quy: V bs Điện áp từng phần của hệ thống ắc quy: V bn
Nhiệt độ của hệ thống ắc quy: T bs
Dung lượng của hệ thống ắc quy được xác định bởi tổng lượng điện tích tự do sinh ra tại điện cực âm và hấp thụ tại điện cực dương, được đo bằng đơn vị Coulombs (C) hoặc Ah, với 1Ah tương đương 3600C Trong thực tế, dung lượng ắc quy phụ thuộc vào cường độ dòng điện phóng; ví dụ, một ắc quy 20Ah có thể cung cấp dòng 1A trong 20 giờ, nhưng không thể hoạt động với dòng 20A trong 1 giờ Sự khác biệt này xuất phát từ các phản ứng hóa học diễn ra bên trong ắc quy Để mô tả mối quan hệ giữa dòng điện phóng và dung lượng ắc quy, có công thức được thiết lập.
Với: I là dòng điện nạp hoặc dòng điện phóng k là hệ số của C
Một ắc quy có giá trị danh định 30Ah khi phóng ở dòng 15A trong 10 giờ tương đương với 0.5C10, theo công thức (2.1) Tương tự, một ắc quy 20Ah phóng ở dòng 4A được coi là phóng ở mức 0.2C hoặc C/5.
2.1.4 Điện trở trong của ắc quy
Trị số điện trở trong của ắc quy, bao gồm điện trở các bản cực và dung dịch điện phân, thường dao động từ 0,001 đến 0,0015Ω khi ắc quy đã nạp đầy và từ 0,02 đến 0,025Ω khi ắc quy đã phóng điện hoàn toàn Điện trở trong có thể được xác định qua thực nghiệm bằng cách sử dụng mạch test, trong đó sự thay đổi tải đầu ra sẽ dẫn đến sự thay đổi điện áp Vb tương ứng.
Hình 2.1: Mạch đo điện trở trong Ri DC
Tương ứng , điện trở trong của ắc quy được xác định
Hiệu suất Faraday, hay hiệu suất nạp của ắc quy, được xác định bằng tỉ lệ giữa dung lượng phóng (Ah) và dung lượng nạp (Ah) Thông số này giúp ước lượng hiệu suất nạp tối đa mà một hệ thống ắc quy có thể đạt được, với công thức tính là ηAh = (2.3).
2.1.6 Trạng thái nạp của ắc quy (SOC)
Trạng thái nạp (SOC) của ắc quy là chỉ số không thứ nguyên thể hiện dung lượng hiện tại so với điện dung danh định Khi ắc quy được phóng và nạp, SOC cho biết tỷ lệ giữa tổng năng lượng đã tiêu hao và năng lượng đã nạp vào ắc quy.
Việc xác định chính xác thông số SOC (State of Charge) là rất quan trọng cho quản lý năng lượng và đánh giá tổng năng lượng hữu ích trong hệ thống ắc quy Nhiều công nghệ như phương pháp điều khiển mờ, phương trình Peukert và bảng tra kinh nghiệm đã được áp dụng để ước lượng SOC Hầu hết các phương pháp này đều dựa vào việc tích phân dòng điện ắc quy trong suốt thời gian sử dụng và liên hệ với điện dung danh định Tuy nhiên, phương pháp tích phân dòng điện thường gặp vấn đề về sai số tích phân do sự sai lệch lâu dài trong tính toán.
Sự phóng một hệ thống ắc quy tại C n từ t0 đến t 1 với dòng điện phóng I b mang ắc quy đến trạng thái nạp t 1
Trong ứng dụng điều khiển thời gian thực, SOC có thể được tính toán trong các bước rời rạc,
Với ΔT là chu kì trích mẫu và đủ nhỏ để giả thiết rằng dòng điện ắc quy giữ nguyên không đổi
Qua thực nghiệm, mối quan hệ giữa điện áp hở mạch (OCV) và SOC tại nhiệt độ phòng cho ắc quy VRLA thể hiện theo phương trình sau:
Việc xác định SOC trong điều kiện lái xe khó khăn gặp nhiều thách thức do OCV của ắc quy thay đổi theo trạng thái hoạt động của nó Do đó, phương trình để xác định SOC thực tế cần được điều chỉnh phù hợp.
SOC = f 1 (V ocv ) + f 2 (I ×f 1 (V ocv )) + f 3 (∆T) ( 2.8) f 1 là hàm của V ocv , f 2 là hàm của dòng điện phóng, f 3 là hàm của nhiệt độ
Nếu tính toán chính xác được SOC trong suốt quá trình sử dụng của xe điện sẽ mang lại các lợi thế sau:
• Kéo tuổi thọ ắc quy dài hơn
• Hiệu suất ắc quy tốt hơn
• Cải thiện độ tin cậy hệ thống điện
• ắc quy nhỏ hơn / nhẹ hơn
• Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu (xe HEV)
• Cảnh báo trước các hỏng hóc của gói ắc quy
• Giảm các chi phí bảo hành
Việc tính toán State of Charge (SOC) giúp hiển thị dung lượng hữu ích của ắc quy và công suất của các gói ắc quy, tối ưu hóa quá trình nạp lại mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ của ắc quy SOC ngăn ngừa tình trạng sạc quá mức và xả ngẫu nhiên, đồng thời hoạt động như một thiết bị cảnh báo, thông báo cho người dùng khi dung lượng ắc quy đạt ngưỡng cần nạp lại Hệ thống cũng cần điều khiển làm mát ắc quy để đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu.
Kiểm soát và điều khiển ắc quy theo SOC có thể cải thiện tuổi thọ của ắc quy lên đến 5% Hình 2-2 minh họa sự khác biệt về tỷ lệ tái nạp giữa ắc quy được điều khiển theo SOC và ắc quy không có điều khiển SOC theo thời gian Bên cạnh đó, dung lượng của ắc quy cũng được cải thiện, như thể hiện trong Hình 2-3.
Hình 2.2: So sánh SOC bình thường và SOC điều chỉnh
Hình 2.3: So sánh dung lượng ắc quy ở mức 50% SOC.
QUÁ TRÌNH PHÓNG CỦA ẮC QUY XE ĐIỆN
Hiệp hội ắc quy tiên tiến của Mỹ (USABC) đã phát triển hướng dẫn kiểm tra ắc quy, bao gồm các quy trình và thông số để đánh giá gói ắc quy điện áp đầy, mô-đun ắc quy và tế bào bình ắc quy Hướng dẫn này phục vụ cho cả nhà phát triển và các cơ sở thử nghiệm, đảm bảo tính chính xác trong việc kiểm tra và đánh giá hiệu suất của tất cả các loại bình ắc quy.
Thử nghiệm sự biến đổi dung lượng phóng và các phiên bản đơn giản hóa của chu trình lái xe đô thị (FUDS) được phát triển bởi Cục Năng lượng/Chương trình Xe điện - Xe lai (DOE/EHP) Chu trình kiểm tra ắc quy (BTTF) năm 1988 mô phỏng hiệu quả quá trình phóng điện theo động lực học của xe trong phòng thí nghiệm Một số chu trình lái đã được điều chỉnh thành chu trình kiểm tra thực tế trên đường (DST), yêu cầu mức độ tái sinh cao hơn so với chu kỳ SFUDS và được thu nhỏ đến tỷ lệ phần trăm tối đa của công suất mục tiêu USABC Giá trị công suất 100% là 80% của mục tiêu kỹ thuật công suất USABC, với cấu hình chia tỷ lệ 80% của 150W/kg, dẫn đến công suất đỉnh là 120.
Bài thử nghiệm bắt đầu với một ắc quy được sạc đầy và thực hiện quá trình phóng bằng chu trình công suất DST trong 360 giây, xen kẽ giữa phóng và nạp tái sinh với thời gian chuyển đổi tối thiểu Điểm xả cuối cùng được xác định dựa trên dung lượng ắc quy (tổng Ah phóng trừ Ah tái sinh) Thêm vào đó, các kiểm tra DST cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự thay đổi điện trở trong của ắc quy trong điều kiện mô phỏng chuyển động của xe điện (EV).
Để thực hiện phương pháp này, nhiệt độ trong phòng và nhiệt độ của bình ắc quy đóng vai trò quan trọng Chúng tôi tiến hành thử nghiệm ở ba mức nhiệt độ khác nhau: −10°C, 25°C và 50°C.
Bảng 2 1 : Chu trình công suất DST.
Bước Thời gian ( s ) Tích lũy thời gian ( s ) Công suất xả ( %)
Các giá trị trở kháng có thể được tính toán từ dòng điện (I) và điện áp (V) trong các thử nghiệm DST được thực hiện ở bước 14 và 15 Thử nghiệm DST sẽ kết thúc khi điện áp của ắc quy giảm xuống còn 9 volt.
Hình 2.4: Chu trình kiểm tra quá trình phóng ắc quy mô phỏng lại chu trình lái của xe
Khi không sử dụng, ắc quy có mức độ tự phóng khác nhau theo thời gian, dẫn đến việc tiêu hao năng lượng tích lũy Tỉ lệ tự phóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó nhiệt độ là yếu tố chính; nhiệt độ càng cao, tỉ lệ tự phóng càng lớn Năng lượng mất mát do sự tự phóng của ắc quy, được ký hiệu là E SD, được thể hiện qua tỉ lệ mỗi 24 giờ.
Với: α SD là hệ số tự phóng trong 24h
E bNorm là năng lượng danh định của ắc quy, Wh
2.2.2 Dung lượng của ắc quy VLRA
Nguyên nhân chính gây hỏng ắc quy là do quá trình phóng và nạp không đồng đều giữa các tế bào Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến cả hai quá trình này, với sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt ngoài và bên trong gói ắc quy Cụ thể, nhiệt độ bên ngoài thường thấp hơn so với bên trong, dẫn đến sự thay đổi dung lượng phóng của ắc quy.
Hình 2.5: Biến đổi dung lượng của ắc quy với nhiệt độ
Các gói ắc quy có điểm cắt được xác định bởi điện áp tổng của gói, liên quan đến dòng điện cụ thể Khi ắc quy phóng điện, các ắc quy đơn ở nhiệt độ thấp có dung lượng thấp hơn so với các ắc quy ở nhiệt độ cao Trong quá trình phóng, dung lượng của ắc quy đơn có nhiệt độ thấp nhất có thể giảm đủ để bị phân cực đảo chiều và được nạp lại từ các ắc quy có dung lượng cao hơn trong cùng gói, trong khi các ắc quy khác vẫn phóng bình thường Quá trình này lặp đi lặp lại sẽ làm giảm tuổi thọ của ắc quy.
Dung lượng thực của từng tế bào ắc quy được tính toán như sau
CT = C30 × [1 + 0,008 × (T-30)] (2.10 ) Với T là nhiệt độ tính theo o F
C30 là dung lượng của ắc quy tại dòng phóng 30A
Hình 2.6 :Biến đổi của điện áp khi dung lượng ắc quy thay đổi Độ sâu xả (%)
Biến đổi nhiệt độ ảnh hưởng mạnh mẽ đến dung lượng của ắc quy, ví dụ, ắc quy có dung lượng 85 Ah có thể giảm xuống dưới 40 Ah khi nhiệt độ đạt 0 °C Khi ắc quy phóng với dòng 50 A, dung lượng giảm từ 52 Ah ở 38°C xuống còn 40 Ah ở 20°C Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các tế bào trong gói ắc quy dẫn đến sự khác biệt về dung lượng, gây ra hiện tượng phân cực và đảo chiều, cũng như sai lệch điện áp ngừng phóng của từng ắc quy đơn Hình 2-6 minh họa sự biến đổi dung lượng và điện áp của ắc quy khi thay đổi dòng phóng ở mức 80 °F.
Khi quan sát hình 2-7, chúng ta nhận thấy rằng tại thời điểm 3 phút, điện áp giảm đột ngột trong khoảng thời gian từ 3 đến 4 phút, và sau đó tiếp tục giảm theo hàm mũ từ phút thứ 5 trở đi.
Trong quá trình quá độ của ắc quy, thời gian ổn định điện áp diễn ra trong khoảng 8 đến 10 phút, phụ thuộc vào điện trở trong và điện dung của ắc quy Khi điện áp đạt giá trị hằng số (U = Const), quá trình này sẽ diễn ra ổn định Tuy nhiên, nếu tải của mạch điện được bỏ ra vào lúc 11 phút, điện áp sẽ tăng đột ngột từ 11 đến 12 phút và tiếp tục tăng theo hàm mũ, trước khi ổn định lại trong khoảng thời gian từ 16 đến 18 phút.
Hình 2.7: Biến đổi của điện áp của ắc quy khi phóng
Giá trị điện áp của ắc quy NiMH chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng quá độ, nhiệt độ phóng và mức độ phóng Khi ắc quy đạt mức phóng trên 80% SOC, điện áp giảm nhanh chóng, như thể hiện trong hình 2-8 Đồ thị cho thấy điện áp phóng gần như đối xứng tại SOC = 50% Do đó, điện áp hữu ích của ắc quy NiMH được xác định từ SOC = 50% trở đi, vì trong khoảng từ 50% đến 80%, giá trị điện áp không thay đổi nhiều.
Hình 2.8: Cấu hình phóng ắc quy NiMH
2.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Hình 2.9: Biến đổi của dung lượng phóng ắc quy với nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng phóng của ắc quy khi lái xe Cụ thể, ở nhiệt độ -20°C, dung lượng phóng chỉ đạt 20%, trong khi ở -10°C là 50%, và ở 0°C là 80% Tại nhiệt độ 20°C, dung lượng phóng đạt 100% giá trị danh nghĩa, nhưng khi nhiệt độ vượt 25°C, dung lượng phóng giảm xuống khoảng 80-90% Điều này cho thấy, trong khoảng nhiệt độ từ -10°C đến 20°C, dung lượng phóng có thể giảm gần 50% Để đảm bảo dung lượng phóng đạt từ 80-90% giá trị danh nghĩa, cần duy trì nhiệt độ của ắc quy ở mức 20-25°C.
Hình 2.10: Điện áp phóng của tế bào ắc quy
Khi ắc quy đầy, điện áp là 2V, với điện áp phóng 2V, dung lượng phóng đạt 25%, còn lại 75% Tại điện áp 1,5V, dung lượng phóng là 50%, và ở 1,3V, dung lượng phóng đạt 75% Nếu điện áp giảm xuống dưới 0,5V, dung lượng phóng sẽ là 100% Tiếp tục phóng quá mức có thể làm hỏng ắc quy, do đó cần kiểm soát điện áp phóng, tốt nhất nên giữ trong khoảng 1,5V đến 1,3V Để đảm bảo an toàn, cần tính toán điện áp cuối phóng nhỏ nhất cho mỗi ắc quy đơn trong gói ắc quy theo công thức phù hợp.
Trong đó EODV là điện áp cuối phóng của một ắc quy đơn
MPV là điện áp điểm giữa duy nhất ở mức độ phóng và n là số lượng các ắc quy đơn trong một gói ắc quy
2.2.4 Đặc tính phóng của ắc quy Li – Ion
Các tế bào ắc quy Li-ion được kết nối nối tiếp và gói lại thành các mô-đun khác nhau, với số lượng từ 3 đến 10 tế bào Thiết kế mô-đun bao gồm hệ thống quản lý nhiệt độ làm mát bằng chất lỏng, giúp duy trì nhiệt độ ắc quy trong phạm vi tối ưu Hệ thống này hoạt động bằng cách làm mát trong điều kiện tải nặng và sưởi ấm khi nhiệt độ hoạt động của ắc quy thấp.
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PH Ỏ NG QUÁ TRÌNH PHÓNG C Ủ A Ắ C
MÔ PHỎNG ẮC QUY
Mô phỏng hệ thống kỹ thuật là một công cụ quan trọng giúp hiểu rõ ảnh hưởng của các tham số và điều kiện làm việc đến hoạt động của hệ thống Chẳng hạn, việc xây dựng mô hình ắc quy có thể dự đoán tác động của sự thay đổi độ dày lớp oxit chì ở điện cực âm trong ắc quy axít chì kín Những mô hình này dựa trên các mối quan hệ vật lý và hóa học, kết hợp với sức mạnh của công nghệ máy tính hiện đại, cho phép đạt được khả năng dự đoán chính xác.
Các mô hình khác nhau đã được phát triển để mô phỏng hoạt động của ắc quy trong các điều kiện làm việc đa dạng, nhằm dự đoán hiệu suất của ắc quy trong hệ thống điện của xe điện Những mô hình này dựa trên phân tích dữ liệu thực tế, khác với các mô hình dựa trên quan hệ vật lý và hóa học Mặc dù chúng ta chỉ tập trung vào mô hình mô phỏng tính năng hoạt động của ắc quy, việc xây dựng mô hình này rất phức tạp và độ tin cậy thường không cao Hiệu suất của ắc quy phụ thuộc vào các yếu tố đo lường như nhiệt độ, điện áp, và trạng thái sạc (SOC), cũng như các thông số khó xác định như tuổi thọ và cách sử dụng trước đó Hơn nữa, sai số trong sản xuất và sự chênh lệch giữa các tế bào trong ắc quy cũng có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất sử dụng của nó.
Những vấn đề này là nhiệm vụ của việc mô phỏng và mô hình hóa ắc quy
3.1.1 Mô phỏng ắc quy mở mạch
Nhiệm vụ đầu tiên trong việc mô phỏng sự hoạt động của ắc quy là xây dựng một mạch tương đương Hình 3-1 (Hai Phần Tử) thể hiện một mạch tương đương đơn giản nhưng hữu ích cho ắc quy Tuy nhiên, một hạn chế của mạch này là không giải thích được các quá trình quá độ, ví dụ như khi tải được kết nối, điện áp sẽ ngay lập tức thay đổi giá trị mới, điều này không phản ánh thực tế vì điện áp cần thời gian để giảm xuống giá trị mới.
Hình 3.1: Mạch tương đương đơn giản
Mạch tương đương phức hợp trong hình 3-2 cho phép mô phỏng chính xác hơn quá trình làm việc của ắc quy Mục đích chính của việc mô phỏng ắc quy trên ô tô điện là dự đoán hiệu suất hoạt động của xe, bao gồm tốc độ, gia tốc và quãng đường di chuyển Trong bối cảnh này, quá trình quá độ của ắc quy là rất nhỏ, do đó mô hình ắc quy với mạch tương đương đơn giản hơn như ở hình 3-1 là đủ Tốc độ thay đổi chậm và các quá trình quá độ không đáng kể, khiến cho việc sử dụng mạch cơ bản tương đương trong hình 3-1 là hợp lý cho mô phỏng ắc quy.
Các giá trị của các tham số mạch như suất điện động (E) và điện trở (R) không phải là hằng số cố định Suất điện động E của ắc quy là yếu tố quan trọng nhất cần được xác định đầu tiên, và nó thay đổi tùy thuộc vào trạng thái của ắc quy Đối với ắc quy chì axit kín, suất điện động E có mối quan hệ tỷ lệ thuận với mức độ phóng (DOD), trong đó DOD = 1 khi ắc quy đã được phóng hết.
DOD = 0 khi ắc quy nạp đầy)
Hình 3.2: Mạch tương đương 4 phần tử
Suất điện động của ắc quy chì được tính theo công thức sau
Trong trường hợp của ắc quy NiCad là:
E: Suất điện động của ắc quy
Trạng thái xả của ắc quy DOD phản ánh mức độ sử dụng năng lượng, trong đó n là số lượng tế bào trong ắc quy Điện trở trong của ắc quy cần được tính toán cẩn thận, vì nó bị ảnh hưởng bởi trạng thái nạp và nhiệt độ môi trường Các phương trình (3.3) và (3.4) đã cung cấp thông tin chi tiết về điện trở trong của ắc quy axít chì và NiCad.
3.1.2 Ắc quy trong mạch kín
Hình 3.3: Mạch tương đương ắc quy nối với tải
Khi xe di chuyển với tốc độ nhất định, động cơ sẽ yêu cầu một công suất cụ thể, từ đó cần một lượng điện nhất định từ ắc quy Vì vậy, việc mô phỏng hoạt động của ắc quy ở mức năng lượng cụ thể là cần thiết, thay vì chỉ dựa vào dòng điện.
Bước đầu tiên là để tìm một phương trình cho dòng điện từ ắc quy khi nó đang hoạt động ở công suất P (W) Chúng ta biết rằng:
Trong quá trình nạp dòng điện đang đi vào ắc quy nên điện áp hai cực của một ắc quy:
Nếu ta kết hợp phương trình (3.6) với công thức công suất ta có:
Nghiệm cho phương trình bậc hai này là:
Phương trình bậc hai có hai nghiệm, trong đó nghiệm có giá trị tuyệt đối lớn dẫn đến dòng điện cao, gây sụt áp lớn và tổn hao công suất đáng kể Do đó, chúng ta chỉ sử dụng nghiệm có giá trị thấp để đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.
Giá trị của điện trở trong của tế bào, ký hiệu là R, thường thay đổi giữa quá trình nạp và phóng điện Khi thực hiện một mô phỏng, cần lưu ý rằng công suất luôn dương và phương trình (3.8) mô tả dòng điện vào ắc quy.
3.1.3 Mô hình dung lượng ắc quy
Dung lượng của ắc quy giảm mạnh nếu dòng phóng tăng Việc phóng với dòng 1A trong 10 giờ không như phóng với dòng 10 A trong 1 giờ
Hiện tượng này rất quan trọng đối với xe điện có dòng điện cao, dẫn đến dung lượng pin có thể giảm Để dự đoán tác động của dòng điện lên dung lượng, cần xem xét cả thiết kế xe và việc đo dung lượng còn lại trong ắc quy Đồng hồ đo dung lượng còn lại của ắc quy trên xe là một công cụ hữu ích Độ sâu phóng của ắc quy (DOD) là yếu tố cần thiết để xác định điện áp mạch mở thông qua các phương trình (3.1) và (3.2).
Mô hình Peukert là phương pháp hiệu quả nhất để tính toán dung lượng pin, đặc biệt là trong các ứng dụng xe điện với dòng điện cao Mặc dù độ chính xác của mô hình này không cao ở dòng điện thấp, nhưng nó lại cung cấp kết quả chính xác hơn khi dòng điện lớn Điểm khởi đầu của mô hình là dung lượng Peukert, một hằng số được xác định bằng phương trình cụ thể.
Cp = I k T (3.9), trong đó k là hằng số (thường khoảng 1,2 cho ắc quy axit chì) được gọi là Hệ số Peukert Dung lượng Peukert tương đương với dung lượng bình thường (Ah) cho một ắc quy khi xả ở dòng 1A Ví dụ, một ắc quy có công suất danh nghĩa 40 Ah ở mức 5 giờ có nghĩa là nó có dung lượng 40 Ah nếu xả tại dòng điện 1A.
Nếu Hệ số Peukert là 1,2 thì dung lượng Peukert là:
Biến đổi phương trình (3.9) thời gian ắc phóng hết điện tại một dòng bất kỳ là:
Theo các phương trình (3.9) và (3.10), khi một dòng điện I được phóng từ ắc quy, dòng điện phóng của ắc quy sẽ là I k (A), với I và k lớn hơn 1.0, dẫn đến I k lớn hơn I Điều này có thể được áp dụng trong mô phỏng ắc quy thực tế để theo dõi sự thay đổi điện áp trong quá trình phóng Phương pháp mô phỏng này được thực hiện theo từng bước, với thời gian tính toán là δt Nếu dòng điện phóng là I (A), dung lượng phóng trong khoảng thời gian đó sẽ được tính bằng công thức: δt × I k (3.11).
Tổng dung lượng phóng tại bước thứ n sẽ là:
= [Ah] (3.12) Độ sâu xả của ắc quy, tại bước thứ n của một mô phỏng step-by-step là:
Để xác định hệ số Peukert, bạn có thể tính toán từ hai mức dung lượng ắc quy (Ah) ở hai lần xả khác nhau, mặc dù thông tin này thường không có trong bảng đặc điểm kỹ thuật của ắc quy Phương pháp này cho phép bạn tìm ra giá trị hệ số Peukert một cách chính xác.
Giả sử ta có hai dung lương khác nhau C 1 và C 2 với hai dòng điện khác nhau I 1 và I 2 : và (3.14)
Chúng ta có hai phương trình cho công suất Peukert, được trình bày trong các phương trình (3.9) và (3.15) Khi hệ số Peukert không thay đổi, bên phải của phương trình (3.15) sẽ bằng nhau, dẫn đến sự tương đồng giữa hai phương trình này.
CÁC PHƯƠNG ÁN KH Ả O SÁT
3.2.1 Các thông số của ắc quy được khảo sát
Tiến hành khảo sát với ắc quy NiCad với các thông số sau:
Hằng số Peukerts k=1.045 Điên trở trong R=0,012 Ω
Các phương án khảo sát:
+ Kh ảo sát theo các công suất phóng:
+ Kh ảo sát theo các dòng phóng:
3.2.2 Khảo sát theo các công suất phóng
Hình 3.4: Mối quan hệ giữa DOD và thời gian nạp
Từ đồ thị ta thấy nếu ta tăng công suất phóng thì thời gian phóng của ắc quy (DOD) = 1 càng nhanh
Tại P 00W thời gian phóng là 10330 giây
Tại P@00W thời gian phóng là 4.920 giây
Tại P`00W thời gian phóng là 3160 giây
Tại P00W thời gian phóng là 2290 giây
Tại P000W thời gian phóng là 1780 giây
Hình 3.5: Mối quan hệ giữa công suất phóng và thời gian phóng
Mối quan hệ giữa công suất phóng và thời gian phóng được thể hiện qua quy luật hàm Hyperbol Y = 4E + 0,7.x -1.08, cho thấy thời gian phóng sẽ giảm tỷ lệ nghịch với công suất phóng Với công suất phóng lớn, thời gian phóng sẽ ngắn hơn và ngược lại.
3.2.2.2 Sự suy giảm điện áp
Hình 3.6: Mối quan hệ giữa hiệu điện thế phóng và thời gian phóng
Sự biến thiên phi tuyến của điện áp, như thể hiện trong hình 3.6, chủ yếu tập trung vào giai đoạn đầu và cuối của quá trình phóng Đặc biệt, khi công suất giảm, độ phi tuyến cũng sẽ giảm theo, và ngược lại, công suất lớn hơn sẽ dẫn đến độ phi tuyến cao hơn.
Từ hình 3.7, ta nhận thấy rằng mối quan hệ giữa hiệu điện thế (V) và độ sâu xả (DOD) gần như song song Quy luật này tương tự với các giá trị công suất phóng (P) khác nhau, cho thấy rằng công suất phóng nhỏ sẽ tạo ra hiệu điện thế cao hơn, trong khi công suất phóng lớn dẫn đến độ sụt áp cao hơn Do đó, việc phóng với công suất nhỏ sẽ có lợi cho ắc quy Đặc biệt, quá trình phi tuyến của điện áp chỉ xảy ra khi DOD nằm trong khoảng DOD < 0,2 và DOD > 0,8.
Hình 3.8 thể hiện mối quan hệ giữa công suất phóng và hiệu suất năng lượng
Trên đồ thị này ta nhận thấy:
Nếu tăng công suất phóng thời gian phóng và hiệu suất năng lương giảm
Sự suy giảm hiệu suất năng lượng theo công suất phóng tuân theo quy luật hàm bậc nhất
Để tăng tốc độ phóng mà vẫn đảm bảo tuổi thọ của ắc quy, chỉ nên phóng đến 80% DOD và sau đó dừng phóng hoặc chỉ phóng với công suất nhỏ Vấn đề cần giải quyết là phương pháp xác định DOD trong quá trình phóng của ắc quy một cách nhanh chóng và hiệu quả Nội dung này sẽ được tiếp tục khảo sát trong phần tiếp theo, tập trung vào việc xác định DOD theo giá trị dòng điện phóng.
3.2.3 Mô phỏng ắc quy với các dòng điện phóng khác nhau
Hình 3.9: Mối quan hệ giữa DOD và thời gian phóng
Từ đồ thị ta thấy nếu tăng dòng phóng thì thời gian phóng của ắc quy (DOD = 1) càng nhanh cũng như việc tăng công suất phóng ở trên
Hình 3.10: Mối quan hệ giữa dòng phóng và thời gian phóng
Thời gian phóng của ắc quy tỷ lệ nghịch với cường độ dòng điện phóng, theo quy luật hàm Hyperbol Khi dòng phóng lớn, thời gian phóng sẽ ngắn hơn và ngược lại.
3.2.3.2 Sự suy giảm điện áp
Hình 3.11: Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và thời gian phóng
Hình 3.12: Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và DOD
Hình vẽ cho thấy 5 đường biểu thị mối quan hệ giữa hiệu điện thế và DOD gần như song song, cho thấy quy luật tương tự giữa V và DOD với các dòng phóng khác nhau Đặc biệt, khi dòng phóng giảm, hiệu điện thế tăng lên.
Dựa trên các thông số điện áp ắc quy V và dòng điện phóng I, chúng ta có thể xác định giá trị DOD một cách chính xác Điều này giúp quản lý hiệu quả quá trình điều khiển phóng của ắc quy.
Hình 3.13: Mối quan hệ giữa dòng điện phóng và hiệu suất năng lượng
Nếu tăng dòng phóng thời gian phóng có thể ngắn lại tuy nhiên hiệu suất phóng lại thấp do ắc quy không được phóng quá sâu
Sự suy giảm hiệu suất phóng theo cường độ dòng điện phóng tuân theo quy luật hàm bậc nhất Y = -0,002x + 0,995
Trong khuôn khổ luận văn cao học, đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau:
Nghiên cứu về sự phát triển của ô tô điện trên thế giới và tại Việt Nam hiện nay cho thấy xu hướng chuyển đổi sang phương tiện giao thông thân thiện với môi trường ngày càng tăng Bài viết tổng kết các nghiên cứu đánh giá ưu điểm như giảm khí thải và tiết kiệm năng lượng, đồng thời cũng chỉ ra một số nhược điểm như chi phí đầu tư ban đầu cao và hạ tầng sạc còn hạn chế Tương lai của ô tô điện hứa hẹn sẽ có nhiều tiềm năng ứng dụng, đặc biệt là khi công nghệ và chính sách hỗ trợ phát triển hơn nữa.
Nghiên cứu sâu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng điện của ắc quy là rất quan trọng Cần tìm hiểu các thông số và chỉ số đánh giá ắc quy trên xe điện, đồng thời xem xét các quy trình và yếu tố tác động đến khả năng phóng điện của các loại ắc quy khác nhau.
Dựa trên các yếu tố của quá trình phóng ắc quy NiCad, nghiên cứu đã tiến hành tính toán và mô phỏng để phân tích ảnh hưởng của điện áp và hiệu suất năng lượng của ắc quy Kết quả cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa điện áp ắc quy và hiệu suất năng lượng, từ đó đưa ra những nhận xét quan trọng về hiệu quả hoạt động của ắc quy NiCad.
+ Thời gian phóng sẽ giảm tỷ lệ nghịch với công suất phóng
+ Mặc dù với các công suất phóng khác nhau, thì quá trình phi tuyến của điện áp chỉ diễn ra khi DOD 0,8.
Để tối ưu hóa tốc độ phóng mà vẫn bảo vệ tuổi thọ của ắc quy, nên giới hạn độ sâu phóng (DOD) ở mức 80% Sau mức này, cần dừng phóng hoặc chỉ nên sử dụng công suất nhỏ để đảm bảo hiệu suất và độ bền của ắc quy.
+ Có thể xác định được giá trị của DOD bằng việc đo các thông số điện áp ắc quy
V và dòng điện nạp I Từ đó tạo điều kiện quản lý quá trình điều khiển phóng.
Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả gặp nhiều khó khăn nhưng đã nhận được sự hỗ trợ nhiệt tình từ thầy TS Đàm Hoàng Phúc cùng toàn thể các giảng viên trong Khoa Cơ khí động lực, điều này đã giúp tác giả hoàn thành luận văn một cách suôn sẻ.
Mặc dù quá trình thực hiện đề tài gặp phải một số sai sót, tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ quý thầy cô để hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất.