Nghiên cứu giải pháp sạc thông minh cho xe điện (PEV plug in electric vehicles) nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của lưới điện phân phối

Lý do chọn đề tài Trong hệ thống điện ngày nay trên khắp thế giới, ngày càng có nhiều hơn các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo với những công suất khác nhau kết nối vào lưới.. T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ THỊ ANH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP SẠC THÔNG MINH CHO XE ĐIỆN (PEV: PLUG-IN ELECTRIC VEHICLES) NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

TS Nguyễn Hoàng Việt

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu giải pháp sạc thông minh cho xe điện

(PEV: Plug-in Electric Vehicles) nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của lưới điện phân phối” do giảng viên TS Nguyễn Hoàng Việt hướng dẫn là nghiên cứu

của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng từ các thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Hà Nội, ngày 18 tháng 10 năm 2015

Học viên

Lê Thị Anh

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô giáo tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô Viện Điện và bộ môn Hệ thống điện đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu để em có thể hoàn thành luận văn này

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Hoàng Việt

đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Hà Nội, ngày 18 tháng 10 năm 2015

Học viên

Lê Thị Anh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1

3 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

Chương 1- TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG CỦA XE ĐIỆN (ELECTRIC VEHICLES) 3

1.1 Tình hình phát triển của xe điện (Electric Vehicles) 3

1.1.1 Lịch sử của xe điện 3

1.1.2 Đặc điểm của xe điện 4

1.2 Các loại xe 6

1.2.1 Các xe thông thường 6

1.2.2 Xe lai điện (HEV) 6

1.2.3 Xe sạc điện Plug-in hybrid Electric 8

1.3 PHEV là gì? 9

1.4 So sánh giữa HEV và PHEV 11

1.5 Thị trường phát triển của EV và PHEVs 12

Chương 2 - XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH SỬ DỤNG CỦA SỐ LƯỢNG LỚN XE ĐIỆN KẾT NỐI VỚI LƯỚI 16

2.1 Các kịch bản sạc pin EV 16

2.1.1 Các kịch bản 16

2.1.2 Kế hoạch kịch bản 17

2.2 Phương pháp lập kế hoạch kịch bản 17

2.3 Kế hoạch kịch bản cho sự thâm nhập của các PHEV ở lưới điện phân phối 20

2.4 Đặc tính của pin và sự kết nối với lưới điện 23

2.4.1 Các loại Pin 23

2.4.2 Công suất pin 23

2.4.3 Trạng thái sạc (SOC) 24

2.4.4 Năng lượng yêu cầu để sạc pin PHEV 27

2.4.5 Tuổi thọ pin 27

2.5 Các cấp sạc và địa điểm sạc PHEV 28

2.5.1 Cơ sở hạ tầng sạc 30

2.5.2 Xây dựng hệ thống điều khiển cho EV 32

2.6 Đặc tính sử dụng số lượng lớn xe điện 33

2.6.1 Khoảng cách lái xe hàng ngày 33

2.6.2 Thời gian đến nhà từ chuyến đi cuối cùng 35

2.6.3 Số lượng xe mỗi nhà 35

2.6.4 Loại xe 37

2.6.5 Mức độ thâm nhập của PHEV 38

2.7 Cơ sở dữ liệu nghiên cứu NHTS 39

2.7.1 Thời gian khởi hành của xe 39

2.7.2 Thời gian đến nhà của xe 40

2.7.3 Khoảng cách lái xe hàng ngày 40

Chương 3 - ẢNH HƯỞNG CỦA PHEV VỚI LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 42

3.1 Đồ thị phụ tải đặc trưng của lưới điện phân phối 42

3.2 Kịch bản nghiên cứu 44

3.2.1 Đặc tính kỹ thuật cơ bản của từng xe điện 44

3.2.2 Mật độ xác suất thời điểm khởi hành của xe 45

3.2.3 Mật độ xác suất thời điểm về của xe 45

3.3 Kết quả trường hợp 1 (không xét thời gian khởi hành) 49

3.4 Kết quả trường hợp 2 (xét thời gian khởi hành) 50

3.5 Kết luận 53

Chương 4 - NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP SẠC THÔNG MINH CHO PEV NHẰM

NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH LƯỚI PHÂN PHỐI 54

4.1 Phương pháp sạc thông minh cho xe điện 54

4.2 Kết quả áp dụng phương pháp 56

4.3 Kết luận 57

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Đặc tính của một số PHEV 13

Bảng 2.1: So sánh giữa kịch bản, dự báo và tầm nhìn 17

Bảng 2.2: Cỡ pin của các PHEV khác nhau (kWh) 23

Bảng 2.3: Cơ sở hạ tầng sạc PHEV 30

Bảng 2.4: Các bộ sạc pin xe điện thực tế 31

Bảng 2.5: Tỷ lệ các hộ với số lƣợng xe cộ khác nhau 37

Bảng 2.6: Cách đặt giá trị ứng với các loại xe 37

Bảng 2.7: Tỷ lệ mỗi loại xe trong NHTS 20009 37

Bảng 2.8: Tỷ lệ của các PHEV với các vùng khác nhau 38

Bảng 3.1: Giá trị của phụ tải theo thời gian 43

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ phát triển trong ngành công nghiệp xe hơi……….…….5

Hình 1.2: Sự mất mát năng lượng trong một ICE điển hình 6

Hình 1.3: Cấu tạo của xe HEV 7

Hình 1.4: Cấu hình xe lai nối tiếp và song song 8

Hình 1.5: Cấu tạo của xe PHEV 9

Hình 1.6: Những yếu tố tác động để giới thiệu PHEV 10

Hình 1.7: Khí thải toàn cầu 10

Hình 1.8: Phần trăm của pin và loại xe 11

Hình 1.9: So sánh giữa các loại xe khác nhau 12

Hình 1.10: PHEV và EV 15

Hình 2.1: Tiêu điểm và mục đích của việc lập kế hoạch kịch bản 18

Hình 2.2: Các bước để thiết lập một kịch bản 18

Hình 2.3: Phác thảo của các kịch bản khác nhau 22

Hình 2.4: Đặc tính sạc của pin xe điện 26

Hình 2.5: Các phương pháp sạc pin điển hình 30

Hình 2.6: Hệ thống điều khiển EV 33

Hình 2.7: Tỷ lệ phần trăm của xe so với dặm lái hàng ngày cho 34

các ngày trong tuần 34

Hình 2.8: Tỷ lệ phần trăm của xe so với thời gian về ở các ngày trong tuần 36

Hình 2.9: Tỷ lệ phần trăm của xe so với thời gian về ở các ngày cuối tuần 36

Hình 2.10: Cấp độ thâm nhập trung bình của PHEV trong hệ thống phân phối 38

Hình 2.11: Tỷ lệ phần trăm của các xe và thời gian khởi hành 39

Hình 2.12: Tỷ lệ phần trăm của các xe và thời gian đến 40

Hình 2.13: Tỷ lệ phần trăm các xe và khoảng cách lái hàng ngày 41

Hình 3.1: Đồ thị phụ tải ngày đêm 43

Hình 3.2: Số lượng xe điện và thời gian xuất phát của xe 46

Hình 3.3: Tỷ lệ phần trăm của các xe và thời gian xuất phát 47

Hình 3.4: Số lượng xe điện và thời gian về của xe 47

Hình 3.5: Tỷ lệ phần trăm của các xe và thời gian về 48 Hình 3.6: Số lượng xe điện và quãng đường đi trong ngày 48 Hình 3.7: Tỷ lệ phần trăm các xe và khoảng cách lái hàng ngày 49 Hình 3.8: Kết quả đặc tính sạc của pin PHEV (không xét tới thời gian khởi hành) 50 Hình 3.9: Kết quả đặc tính sạc của pin PHEV (xét tới thời gian khởi hành) 51 Hình 3.10: Kết quả đặc tính sạc của pin PHEV (xét tới thời gian khởi hành) với công suất bộ sạc siêu chậm) 52 Hình 4.1: Đồ thị phụ tải trong các kịch bản sạc khác nhau 56

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong hệ thống điện ngày nay trên khắp thế giới, ngày càng có nhiều hơn các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo với những công suất khác nhau kết nối vào lưới Với lưới điện Việt Nam, xu thế đó cũng là tất yếu, đặc biệt khi các phụ tải điện đang tăng lên nhanh chóng

Vấn đề giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các nguồn năng lượng đang khai thác như dầu, than đá đang ngày càng cạn kiệt, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ đã thúc đẩy mạnh mẽ tiềm năng ứng dụng và phát triển các loại xe điện EV nhằm thay thế các xe chạy bằng các nhiên liệu truyền thống Tuy nhiên, việc sử dụng số lượng lớn các loại xe điện sẽ ảnh hưởng tới chất lượng điện năng của lưới điện, đặc biệt khi quá trình sạc điện diễn ra một cách ngẫu nhiên

và thiều định hướng quản lý Vì vậy các giải pháp sạc thông minh cho các xe điện kết nối với lưới (PEV) cần được quan tâm và nghiên cứu nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và đáp ứng nhu cầu sử dụng thuận tiện xe điện của con người

Từ thực tế đặt ra đó, luận văn này sẽ đi vào nghiên cứu những ảnh hưởng của

số lượng lớn xe điện khi kết nối với lưới điện phân phối Trong đó, tập trung vào mức độ thâm nhập của các PHEV trên lưới điện Từ đó các kết luận và đề xuất giải pháp sạc thông minh phù hợp sẽ được định hướng và đề xuất áp dụng vào tương lai

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

a Mục đích nghiên cứu của luận văn:

Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng số lượng lớn xe điện tới công tác vận hành của lưới điện phân phối Từ đó đề xuất các giải pháp sạc thông minh cho

xe điện nhằm giảm ảnh hưởng xấu tới chất lượng điện năng, nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện, góp phần thúc đẩy tiềm năng sử dụng điện và quá trình

kết nối với lưới

b Đối tượng nghiên cứu:

Giải pháp sạc thông minh cho xe điện nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của lưới điện phân phối

c Phạm vi nghiên cứu:

Luận văn nghiên cứu giải pháp sạc thông minh cho số lượng lớn xe điện có dung lượng pin 7,21 kWh

3 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

- Tìm hiểu tình hình phát triển, ứng dụng của xe điện và sự kết nối với lưới điện

- Nghiên cứu đặc tính sử dụng của số lượng lớn xe điện kết nối với lưới

- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sạc số lượng lớn xe điện tới lưới điện phân phối

- Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp sạc thông minh cho xe điện nhằm đảm bảo chất lượng điện năng, nâng cao hiệu quả vận hành của lưới điện phân phối có xét đến sự thuận tiện cho người sử dụng xe

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với lập trình mô phỏng và đánh giá mức độ ảnh hưởng của sạc xe điện PHEV tới lưới điện phân phối

Chương 1- TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG CỦA XE ĐIỆN

(ELECTRIC VEHICLES) 1.1 Tình hình phát triển của xe điện (Electric Vehicles)

1.1.1 Lịch sử của xe điện

Xe điện (Electric Vehicles) là xe sử dụng một động cơ điện để dẫn động thay

vì một động cơ đốt trong Xe điện được biết đến là xe không gây ô nhiễm (Zero Emission Vehicle) Trong những năm gần đây, xe điện được chú ý nhiều khi vấn đề môi trường ngày càng được quan tâm

Vào cuối năm 1800, Pháp và Anh là những quốc gia đầu tiên hỗ trợ sự phát triển rộng rãi của xe điện Bước sang thế kỷ 20, Mỹ là nước đã thịnh vượng về xe hơi, xe chạy bằng hơi nước, điện, xăng trở nên phổ biến hơn

Tiến bộ kỹ thuật quan trọng nhất trong kỷ nguyên đó là sự phát minh ra phanh nạp lại do kỹ sư người Pháp M.A Darracq trên chiếc xe hai chỗ ngồi năm

1897 Phương pháp này cho phép thu hồi lại động năng của xe trong khi phanh và nạp lại cho ắc quy, điều này làm nâng cao hiệu quả dẫn động của xe Đó là một trong những đóng góp quan trọng nhất cho công nghệ xe điện và xe lai điện vì nó cung cấp hiệu suất năng lượng cao hơn bất cứ phương tiện khác nào di chuyển trong thành phố Thêm vào đó, một trong số những xe điện quan trọng nhất của thời kỳ đó

là chiếc xe đầu tiên có thể đạt tới 100 km/h

Trong những năm đầu thập niên 90, xe điện không thể cạnh tranh được với

xe chạy xăng về phạm vi hoạt động Năng lượng của ắc quy được chứa trong các điện cực bằng kim loại nặng hơn động cơ xăng có cùng công suất Công nghiệp ô tô

đã bỏ xe điện để mở đường cho sự nghiên cứu xe lai điện

Trong tình hình phát triển của xe điện, công nghệ ắc quy là yếu kém lớn nhất đã ngăn cản con đường tiến vào thị trường của xe điện Sự đầu tư và cố gắng to lớn đã đưa vào nghiên cứu ắc quy với mục đích nhằm cải thiện hiệu suất để phù hợp với yêu cầu của xe điện Nguồn năng lượng điện dự trữ hạn hẹp này của ắc quy cho phép xe điện chỉ có thể có một vài ứng dụng đặc biệt, như tại sân bay, nhà ga xe lửa, trên các tuyến đường phân phối thư cũng như trên các xe golf…Vì thế, những

năm gần đây, nghiên cứu về công nghệ ô tô tiên tiến đã quay sang xe lai điện cũng như xe dùng pin nhiên liệu

Sau cuộc khủng hoảng dầu nghiêm trọng vào năm 1973 và 1979, công nghiệp các nước phụ thuộc vào dầu thay đổi để đầu tư vào năng lượng thay thế khác, không chỉ cho các nhà máy điện, mà còn trong lĩnh vực giao thông vận tải Hơn nữa, các tác động môi trường nghiêm trọng của các ICE (động cơ đốt trong) không hiệu quả như phát thải cao, là khuyến khích để đầu tư vào năng lượng thân thiện với môi trường

Có thể thấy từ hình 1.1, những bước đột phá quan trọng đầu tiên trong ngành công nghiệp xe hơi sau khi hoàn tất thực hiện ICE trong xe là chuyển từ xe thông thường thành lai xe điện Những loại xe đầu tiên được bắt đầu vào năm 1997 tại Nhật Bản bởi sự ra đời của Toyota Prius Các đặc điểm kỹ thuật chính của loại xe này là hoạt động của ICE vào khoảng thời gian hiệu quả của nó bằng các phương tiện của hệ thống phanh tái tạo

Thế hệ mới nhất của chiếc xe không được giới thiệu trên thị trường Chúng chủ yếu được gọi là PHEVs (xe sạc điện) với khả năng bổ sung phải được sạc từ lưới điện

1.1.2 Đặc điểm của xe điện

1.1.2.1 Ưu điểm của xe điện

- Xe không có sự rung động, mùi, khí thải và tiếng ồn như xe xăng

- Điện năng có ở bất cứ đâu và dễ dàng cung cấp cho xe

- Cấu trúc xe đơn giản, dễ dàng lắp ráp

- Thay đổi bánh răng trên xe xăng là phần khó khăn nhất của lái xe, trong khi xe điện không yêu cầu thay đổi thiết bị

- Người sử dụng xe điện ít phải bảo dưỡng xe và tiết kiệm được các chi phí bảo dưỡng như thay thế phụ tùng, thay dầu

- Người mua ô tô điện có thể nhận được các khoả hỗ trợ kinh phí từ nhà nước hoặc công ty

- Xe điện có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với các xe sử dụng động cơ đốt trong nên tiết kiệm nhiên liệu và giá thành xe rẻ hơn các loại xe khác

- Thời gian khởi động của xe điện ngắn hơn đặc biệt trong điều kiện khí hậu lạnh

Hình 1.1: Sơ đồ phát triển trong ngành công nghiệp xe hơi 1.1.2.2 Nhược điểm của xe điện

- Xe điện không thể đáp ứng được cho các chuyến hành trình dài hơn 200km

- Mất nhiều thời gian sạc điện (từ 6 – 8 giờ)

- Do cơ sở hạ tầng còn chưa phát triển nên có rất ít các trạm sạc dành cho xe điện

- Tăng chi phí tiền điện hàng tháng cho người sử dụng

- Hiện nay do hạn chế về công nghệ mà các xe ô tô điện chưa thể so sánh được với các loại xe chạy bằng xăng ở phương diện tốc độ cao và gia tốc

- Do tiêu thụ các thiết bị điện khác trên xe như điều hòa, ti vi sẽ làm ăcquy hết điện nhanh hơn

1.2 Các loại xe

1.2.1 Các xe thông thường

Là những loại xe có hiệu quả khoảng 30%, 70% năng lượng đang bị lãng phí trong quá trình chuyển hóa năng lượng trong một ICE Hình 1.2 cho thấy sự mất mát lớn trong một ICE

Hình 1.2: Sự mất mát năng lượng trong một ICE điển hình

Từ hình trên có thể thấy tổng năng lượng được sử dụng bởi một ICE là khoảng 13% tổng năng lượng đầu vào Sự mất mát năng lượng do nhiều yếu tố gây nên Vì thế công nghệ tồn tại để nâng cao hiệu quả; như van biến thiên thời gian và nâng, sạc tốc độ, phun nhiên liệu trực tiếp Nhưng bằng cách giới thiệu xe lai, những thiệt hại đã được giảm đáng kể

1.2.2 Xe lai điện (HEV)

Các xe điện hybrid (HEVs) hiện nay có hai hệ thống ổ đĩa bổ sung: một

động cơ xăng và thùng nhiên liệu, một động cơ điện, pin và điều khiển HEVs không thể sạc được từ lưới điện và tất cả năng lượng của xe đến từ xăng Tuy

trong pin Năng lượng được lưu trữ này sau đó được sử dụng để bổ sung cho động

cơ xăng HEVs sử dụng động cơ điện để hỗ trợ tăng tốc Một số xe cũng có thể được hỗ trợ chỉ dùng động cơ điện cho khoảng cách ngắn và ở tốc độ thấp

Tiết kiệm nhiên liệu đạt được bằng xe hybrid thường trong khoảng 20 đến 40%, tùy thuộc vào loại và phong cách lái xe HEV tiết kiệm nhiên liệu sẽ được tiếp tục cải thiện như pin mới nhẹ hơn và hệ thống ổ đĩa được tối ưu hóa hơn nữa

ICE và máy điện có thể được kết nối với nhau trong các cấu hình khác nhau Các cấu hình cơ bản là lai song song và nối tiếp như trong hình 1.4

Một vấn đề của thực tế, xe nối tiếp và song song tham khảo để định hướng hai nguồn điện trong hệ thống động cơ đẩy Các cấu hình được giới thiệu trong hình trên là cơ bản, trong đó cấu hình cao cấp hơn với sự kết hợp của nối tiếp và thiết kế song song được sử dụng với nhiều loại xe khác nhau gần đây Ví dụ, trong Toyota Prius có cả những ưu điểm của song song và lai nối tiếp

Hình 1.3: Cấu tạo của xe HEV

a) b)

Hình 1.4: Cấu hình xe lai nối tiếp và song song (hình a: nối tiếp, hình b: song song)

1.2.3 Xe sạc điện Plug-in hybrid Electric

+ Xe điện Plug-in hybrid (PHEVs) là một phần mở rộng của công nghệ xe lai HEV

+ Sự khác biệt chính là dung lượng lớn hơn và thiết kế pin khác biệt có thể được sạc từ lưới điện Phạm vi điện chỉ có thể được mở rộng hơn nữa nếu sạc có sẵn tại nơi làm việc hoặc mua tại các điểm đến

+ Xe tiết kiệm nhiên liệu hơn so với một chiếc xe lai tiêu chuẩn, bởi vì xe có thể dựa chủ yếu vào điện trong các chuyến đi ngắn

+ PHEV khắc phục hạn chế phạm vi của một pin xe điện

Dung lượng pin cao hơn so với HEVs là đặc điểm kỹ thuật quan trọng nhất của

PHEVs Tuy nhiên, việc sạc vào lưới điện là tính năng bổ sung của PHEVs

Hình 1.5: Cấu tạo của xe PHEV

1.3 PHEV là gì?

Trong điều kiện môi trường sống hiện nay đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do một phần không nhỏ từ khí thải của xe hơi thì giảm phát thải là một thách thức lớn cho cả các nước phát triển và đang phát triển Thêm vào đó, việc tiêu thụ các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm nguồn tài nguyên thiên nhiên bị hụt giảm nghiêm trọng Các xe hơi công vụ là một trong những nguồn chính tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch Do đó, tiêu thụ nhiên liệu cao và phát khí thải là khuyến khích chính để thực hiện thay đổi trong lĩnh vực xe hơi công vụ Hơn nữa, những cách thức mới để phát điện có thể được coi là một động lực để giới thiệu các PHEV Những vấn đề này và các khuyến khích được thể hiện bằng đồ thị trong hình 1.7

Lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu từ các lĩnh vực khác nhau được đồ họa trong hình 1.6 Các chất khí bao gồm Dioxide Carbon (72% trong tổng số), Methane (72% trong tổng số), Methane (72% trong tổng số) và Nitrous oxide (26% trong tổng số)

Như thể hiện trong hình 1.7, trạm năng lượng chiếm phần trăm lớn nhất là 22% trong tổng lượng khí thải toàn cầu Lượng khí thải được tạo ra bởi ngành giao thông vận tải gần tương đương với ngành công nghiệp Nếu có thể loại bỏ lượng khí

thải từ giao thông, có thể giảm tải đi một phần không nhỏ trong lƣợng phát thải toàn cầu Chính vì thế giới thiệu các PHEV đƣợc cung cấp từ các nguồn

năng lƣợng sạch là một lựa chọn sáng tạo và phù hợp

Hình 1.6: Những yếu tố tác động để giới thiệu PHEV

Hình 1.7: Khí thải toàn cầu

1.4 So sánh giữa HEV và PHEV

Trong hình dưới phần trăm hoạt động pin của một chiếc xe tương ứng với loại được biểu diễn

Hình 1.8: Phần trăm của pin và loại xe

Có thể thấy từ hình 1.8, chiếc xe lai nhỏ ít hơn 10% điện Động cơ điện của xe lai nhỏ không thêm lực đẩy cho động cơ đốt trong, nhưng trong các hoạt động như một bộ khởi động/ máy phát điện cho phép các động cơ đốt trong dừng lại và khởi động lại ngay lập tức để tránh chạy không tải và để kích hoạt phanh tái tạo Nó được phổ biến với tên gọi xe vi lai "lai dừng/ khởi động" hay một "lai rỗng" Tên cuối cùng được sử dụng do thực tế một hệ thống truyền động lai nhỏ không cải thiện nhiên liệu nhiều như một hệ thống truyền động lai ICE đã cung cấp gần 90% yêu cầu điện cho lái xe

Xe lai nhẹ là một loại xe lai có động cơ điện không thể quay bánh dẫn động

Do đó các động cơ điện chỉ hỗ trợ động cơ đốt trong, trái ngược với một xe lai đầy Trong xe lai nhẹ, gần 70% điện được thực hiện từ ICE Sự khác biệt giữa một xe lai nhẹ và vi mô là ICE nhỏ hơn trong xe lai nhẹ với hiệu suất tương tự

Xe lai đầy được sử dụng chủ yếu cho những chiếc xe động cơ điện trực tiếp giúp ICE và cũng là động cơ điện và pin có đủ năng lượng để biến các bánh dẫn động một cách độc lập Vì vậy, ICE có 50% yêu cầu năng lượng của chiếc xe

Xe sạc điện (PHEVs) với hơn 50% năng lượng pin có khả năng bổ sung để có được năng lượng sạc từ lưới điện HEVs có kích thước pin lớn hơn Khoảng cách

mà chiếc xe có thể đi được dựa trên chế độ điện đã được mở rộng bởi kích thước pin lớn hơn

Tăng dung lượng pin có thể làm giảm kích thước ICE Việc sử dụng các pin lớn hơn được hiển thị trong giới thiệu đầy đủ các loại xe điện ICE độc lập với chu

kỳ lái xe Trong hình dưới so sánh giữa các xe khác nhau được mô tả

Lai điện nhỏ Lai điện nhẹ Lai điện đầy Lai điện đầy

ICE nhỏ hơn là sự khác biệt duy nhất giữa xe nhẹ và xe lai nhỏ Mặt khác, một PHEV là một chiếc xe lai đầy đủ với kích thước pin lớn hơn và khả năng sạc với lưới điện

Hình 1.9: So sánh giữa các loại xe khác nhau

Hoàn thiện những khả năng mới để có thể sạc pin từ lưới, thế hệ xe mới được gọi là các PHEV với các đời xe ra đời Mặc dù ICE trong những loại xe này ưu tiên

sử dụng năng lượng điện được tạo ra từ các nguồn năng lượng thân thiện với môi trường Quá trình chuyển đổi từ HEVs tới PHEVs sẽ làm cho việc quản lý được suất khí thải từ ống xả xe hơi tới các ống khói nhà máy điện ít hơn

1.5 Thị trường phát triển của EV và PHEVs

Các công ty ô tô đặc biệt là công ty hoạt động trong thị trường HEV đang tăng đầu tư vào một xe điện đầy hoặc xe điện sạc Ví dụ: cả Toyota (với xe hơi lai Prius) và GM tại NAIAS 2009 (Trình diễn ô tô quốc tế Bắc Mỹ) đã công bố cho thị trường ra đời sớm của PHEVs Trong bảng 1.1 biểu diễn đặc tính của một số các

Toyota là công ty đầu tiên giới thiệu các HEV trong năm 1997 Vì có rất nhiều kinh nghiệm trong ngành công nghiệp HEV, những kỳ vọng cao hơn so với các công ty khác cho sự ra đời của PHEVs Nhưng Toyota đang chờ đợi sự tiến bộ trong ngành công nghiệp pin nhằm giới thiệu mô hình PHEV Kích thước pin cho Prius PHEV được ước tính là 10 kWh với thế hệ mới của pin lithium-ion

General Motors và Chevrolet hợp tác cho việc phát triển mới loạt PHEV gọi Volt Volt với pin lithium-ion 16 kWh có khoảng lái xe bằng điện là 64 km

Bảng 1.1: Đặc tính của một số PHEV

xuất

Hiệu suất pin (kWh)

Loại pin

Khoảng cách điện (km)

Thời gian sạc đầy (giờ)

Hiệu suất động

cơ điện (kW)

MES DEA - Zebra

Enerdel, Lion

Tesla Motors đã đón nhận hơn 250 xe điện đầy cho đến tháng 3 năm 2009 Xe

có năng lượng được sạc trong 3,5 giờ với 70 trạm sạc Amps (3 pha) A375 volt AC động cơ điện cảm ứng làm mát bằng gió với tần số biến đổi được thực hiện trong chiếc xe này để cải thiện tất cả các yêu cầu lái ở tốc độ tối đa 200 km/h ReCharge được gọi với khái niệm lai sạc điện đã được giới thiệu bởi Volvo Chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả và đang sản xuất khí thải ít hơn so với các mô hình xe lai điện khác ReCharge Concept có sử dụng hàng loạt lai công nghệ mà không có kết nối

cơ khí giữa động cơ và các bánh xe Hơn nữa, bốn động cơ điện, ở mỗi bánh xe có một động cơ, cung cấp năng lượng điện độc lập cho xe, tăng tốc từ 0-100 km/h mất

9 giây và tốc độ tối đa là 160 km /h iMiEV là xe điện được sản xuất bởi công ty Mitsubishi (Nhật Bản) Các động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ hiệu quả cao đã được đưa vào làm xe êm hơn Chiếc xe có thể được sạc trong nửa giờ với các trạm sạc nhanh (200V 50 kW) với cả nguồn 100V-15A cung cấp năng lượng trong 14 giờ và 200V-15A cung cấp điện trong 7 giờ

BYD Auto là công ty Trung Quốc về cơ bản sản xuất 65% pin cadmium của thế giới và 30% pin điện lithium-ion di động trên thế giới tập trung vào sản xuất PHEV và EV Mô hình F3DM là một chiếc xe hai chế độ là xe lai sạc điện đầu tiên đã bước vào thị trường trong tháng 12 năm 2008 Động cơ xăng của chiếc xe này là một động cơ 2.4 lít và pin của nó có thể được sạc bằng ổ cắm điện bình thường trong gia đình

nickel-Hình 1.10: PHEV và EV

Chương 2 - XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH SỬ DỤNG CỦA

SỐ LƯỢNG LỚN XE ĐIỆN KẾT NỐI VỚI LƯỚI

Việc sạc của các PHEV sẽ tác động trên lưới điện phân phối vì những chiếc xe này tiêu thụ một lượng lớn năng lượng điện và có thể dẫn đến thêm phụ tải đỉnh lớn

và không mong muốn Có hai địa điểm chính mà pin của các PHEV có thể được sạc: trên một bãi đỗ xe, công ty hoặc nơi công cộng, hoặc ở nhà

Từ quan điểm điều hành hệ thống phân phối, các tổn thất điện năng trong quá trình sạc là mối quan tâm kinh tế và phải được giảm thiểu tránh được quá tải biến độ điện áp và tuyến dây Không chỉ tổn thất điện năng, mà còn chất lượng điện năng (ví dụ, hồ sơ điện áp, mất cân bằng, sóng hài, vv) cần thiết cho sự vận hành lưới điện phân phối cũng như cho khách hàng Độ lệch điện áp là một mối quan tâm của chất lượng điện Độ lệch điện áp quá lớn gây ra vấn đề độ tin cậy phải tránh để đảm bảo hoạt động tốt của cung cấp điện Sạc qua đêm cũng có thể làm tăng tải cơ sở của nhà máy điện và sự bằng phẳng của chu kỳ hàng ngày hoặc tránh thêm máy phát điện khởi động nếu không sẽ làm giảm hiệu suất tổng thể Từ quan điểm của chủ PHEV, pin của PHEV phải được sạc qua đêm để xe đi vào buổi sáng với một pin sạc đầy Điều này cho phép các lựa chọn sạc thông minh Sự phối hợp của các sạc có thể được thực hiện từ xa để thay đổi nhu cầu tiêu thụ trong thời gian tải thấp hơn và do đó tránh được những phụ tải đỉnh cao hơn trong tiêu thụ điện

Nghiên cứu của luận văn phù hợp trong bối cảnh toàn cầu nơi có công nghệ mới khác, như các tuabin gió nhỏ và các pin quang điện được sử dụng trong lưới điện phân phối Trong các vấn đề tối ưu hóa này, tổn thất điện năng và độ lệch điện

Bảng 2.1: So sánh giữa kịch bản, dự báo và tầm nhìn

Không cần để biết điều gì

quyết định

Cần thiết để dám quyết

Như trình bày trong bảng trên, kịch bản biểu thị mức độ xuất hiện rủi ro cao Một kịch bản rộng hơn so với những dự báo, vì nó thể hiện cơ sở không chắc chắn, xuất hiện từ những cảnh tượng xác đinh Kịch bản chủ yếu được tạo ra để lập kế hoạch chiến lược dài hạn

2.1.2 Kế hoạch kịch bản

Phương pháp lập kế hoạch chiến lược đã được sử dụng cho việc lập kế hoạch trong tương lai Như thể hiện trong hình 2.1, những kịch bản có thể được sử dụng cho các mục đích khác nhau:

1 Quyết định các trình điều khiển để thay đổi dựa trên các giả định

2 Xếp các trình điều khiển với nhau thành một khuôn khổ khả thi

3 Xuất các kịch bản mini ban đầu

Đổi mới

Kịch bản học tập

sự thay đổi

Suy nghĩ mới/

Chuyển đổi mô hình

Phát triển kinh doanh/

Phát triển khái niệm

Ý thức cần đổi mới Phát triển chiến lƣợc/

Phát triển tổ chức

Tìm các trình điềukhiển

Tạo khung làm việc

Các kịch bản lúc đầu

Giảm dần các kịch bản

Viết các kịch bản

Xác định các hiệu ứng

Dựa vào các kết quả phân tích từ thực tế là giai đoạn đầu tiên để xác định các yếu tố quan trọng của tương lai Những yếu tố này được gọi là trình điều khiển hoặc các biến, từ đó hình thành các giả định

Các biến này có thể được bắt nguồn một phần từ các nghiên cứu trước đây ở cùng khu vực Tuy nhiên, trong các phương pháp lý tưởng, những giả định của các kịch bản sẽ được dựa trên quyết định trong giai đoạn đầu tiên Sau đó, giai đoạn thứ hai các trình điều khiển khác nhau được xác định cụ thể

* Bước 2 - Ghép các trình điều khiển lại với nhau thành một khung làm việc khả thi

Trong bước này, các trình điểu khiển sẽ được đặt lại với nhau làm thành một khung làm việc khả thi tạo nên kịch bản Mặt khác, một vài yếu tố có thể cần phải giữ ở giai đoạn này Điều này là do thực tế ở giai đoạn sau liên kết có ý nghĩa hơn

có thể được tìm thấy, hoặc các yếu tố đó có thể được loại bỏ khỏi kịch bản, xác suất được xem xét trong chuỗi các sự kiện Điều này là cực kỳ khó khăn để đạt được Tuy nhiên, thêm một ít - trừ phức tạp - đến kết quả Giai đoạn này là một trong những khó khăn nhất Trực giác sẽ là công cụ hữu ích để làm nên các mô hình phức tạp cho việc phân tích các ảnh hưởng quan trọng

* Bước 3 - Xuất ra các kịch bản nhỏ ban đầu

Từ các kết quả thực hiện từ các bước trước, các kịch bản ban đầu từ đó sẽ

dễ dàng được tạo dựng

* Bước 4 - Giảm số lượng các kịch bản

Hiểu biết về các kịch bản ban đầu, có những hình ảnh rõ ràng, chân thực của các kịch bản và tiếp theo là giảm dần số lượng các kịch bản với kích thước lớn hơn Trong luận văn này, số lượng các kịch bản ban đầu được giảm Ví dụ, với lựa chọn của một ngày điển hình cho điều tra sự thâm nhập của các PHEV, bắt đầu, bốn ngày với phụ tải đỉnh là ngày tiêu biểu cho mỗi mùa đã được lựa chọn Các con số dựa theo lựa chọn các xác suất phân phối ngẫu nhiên Vì thế số lượng các kịch bản

đã được giảm xuống bằng cách loại bỏ những kịch bản dự phòng Thử nghiệm sau khi nhóm các yếu tố thành hai kịch bản, bước tiếp theo là kiểm tra chúng, xét khả

năng tồn tại nếu chúng có nghĩa Điều này có thể được thực hiện bằng cách phân tích hợp lý, nhưng cũng có thể bằng trực giác Từ đó, có thể cung cấp những đánh giá trong vấn đề phức tạp Nếu kịch bản không trực quan liên kết với nhau, các vấn

đề hoặc giả định sẽ trở nên phi thực tế Vì vậy, phải quay trở lại bước đầu tiên để lập kịch bản, toàn bộ các bước được lặp đi lặp lại để kiểm tra kết quả, mục đích là tìm được sự lựa chọn tốt nhất

2.3 Kế hoạch kịch bản cho sự thâm nhập của các PHEV ở lưới điện phân phối

Các kịch bản phải được xác định bằng việc xem xét các yếu tố hiệu quả

nhất có thể trong trường hợp các xe PHEV thâm nhập vào lưới Hơn nữa, do đặc thù và sự phát triển của lưới phân phối chưa có sự thâm nhập nhiều của xe điện nên một số giả định sẽ được đưa ra

Sau đó, năng lượng ước tính được chia đều cho 365 ngày của một năm Kết quả là những ước tính hàng ngày của năng lượng yêu cầu cho ngành giao thông vận tải xét với những xe sử dụng điện là thuần túy Điều đó được thể hiện rõ trong hình 2.3

Như thể hiện trong hình, với mục đích lập kế hoạch kịch bản cho các trường hợp thể hiện sự thâm nhập của các PHEV ở lưới điện phân phối, các bước dưới đây

đã được thực hiện:

1 Lựa chọn vùng: Trong luận văn này, khu vực đô thị đã được lựa chọn để nghiên cứu

2 Lựa chọn một ngày trong năm: Ngày trong năm với mức tải cao nhất được lựa chọn để xem xét trường hợp cực đoan nhất

3 Ước lượng số xe ô tô trong mỗi vùng: Căn cứ vào dân số trong mỗi khu vực

và ước tính hệ số xe trên mỗi người, số lượng xe trong mỗi khu vực là ước tính

4 Ước tính sự thâm nhập của các PHEV trong lưới đến năm 2050: Đây là ước lượng dựa trên tỷ lệ thu thập của NHTS 2009 và tỷ lệ ước tính trong luận văn từ

2030 tới 2050

5 Dự toán tiêu thụ điện trung bình của một PHEV: Ước lượng này dựa trên mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi cây số và khoảng cách trung bình của những chiếc xe trong một ngày

6 Lựa chọn cơ sở hạ tầng sạc: Bình thường ổ cắm được quyết định là hạ tầng

có sẵn chỉ để sạc của các PHEV

Hình 2.3: Phác thảo của các kịch bản khác nhau

Lựa chọn vùng

Các đặc tính riêng biệt

3 pha Sạc

nhanh

Sạc cực nhanh

Lựa chọn cơ sở hạ tầng sạc

Các ổ cắm bình thường

Các ổ cắm bình thường Các lái xe

Xác định mô hình sạc

hàng ngày

Sạc nhanh Sạc chậm

Tỷ lệ phát triển của các PHEV ở khu vực đô thị

Ước lượng

tỷ lệ

Chậm lúc đầu nhưng nhanh chóng sau đó

Lựa chọn một ngày trong năm

Trường hợp cực đoan

Ngày với tải hàng giờ cao nhất

Sự tiêu thụ điện trung bình của các PHEV

kWh mỗi kilomet

Khoảng cách lái xe trung bình mỗi ngày

Số lượng ô tô trong mỗi

vùng

Sự tiêu thụ điện trong lĩnh vực thương mại

Dân số vùng

Số người cho mỗi hệ

số xe

Kế hoạch kịch bản cho sự thâm nhập của các PHEV ở lưới phân phối

2.4 Đặc tính của pin và sự kết nối với lưới điện

2.4.2 Công suất pin

Công suất của pin là lượng tối đa của sạc lưu trữ có thể nhận được từ một pin sạc đầy trong điều kiện nhất định, là một yếu tố quan trọng xác định khoảng cách lái

xe hàng ngày trong phạm vi xe chạy bằng điện Dung lượng pin giúp cho việc xác

định thời gian cần thiết để sạc lại pin Theo Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương đã ước tính mức tiêu thụ năng lượng điện cho mỗi dặm (ECPM)

và năng lượng pin cho một PHEV33 của các loại xe khác nhau

(PHEV * 1 PHEV có AER = x) [10] như thể hiện trong bảng 2.2

AER là khoảng cách đi được bởi một PHEV với một pin sạc đầy Vì vậy, các sản phẩm của ECPM và AER dẫn đến dung lượng pin

C = ECPM * AER Trong đó C là khả năng sử dụng của pin PHEV

Bảng 2.2: Cỡ pin của các PHEV khác nhau (kWh)

theo công thức trên Các PHEV có các cỡ pin từ 7,8 kWh đến 27,6 kWh Kể từ khi yêu cầu năng lượng để sạc PHEV phụ thuộc về dung lượng pin, sự cần thiết để xác định các loại và các AER của các PHEV để phân tích tác động của xe

2.4.3 Trạng thái sạc (SOC)

SOC là thước đo năng lượng được lưu trữ trong một pin Trạng thái sạc (SOC)

có thể được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm dung lượng còn lại của pin xe khi đến nhà sau các chuyến đi hàng ngày Nó tương đương nhiên liệu của xe động cơ đốt trong SOC có thể được ước tính dựa trên số km lái xe trong phạm vi sử dụng điện SOC thường phụ thuộc vào một số điều kiện hoạt động như nhiệt độ, các giới hạn hóa học, và dòng điện tải

Giả định rằng một PHEV chạy trong chế độ điện cho đến khi pin cạn kiệt và sau đó chuyển sang chế độ duy trì sạc, động cơ điện và động cơ đốt trong được tối

ưu làm việc cùng nhau [2], [3], [4], [5] Vì vậy, PHEV có thể hoạt động ở chế độ pha trộn khi động cơ đốt trong giúp động cơ điện cung cấp năng lượng cần thiết để chạy Vì vậy, trong chế độ sạc cạn kiệt, phần còn lại của năng lượng yêu cầu được

được xác định Hệ số này biểu diễn cho tỷ lệ phần trăm khoảng cách mà PHEV trong chế độ chạy điện Vì thế, các SOC của một PHEV sẽ được tính:

SOC cực kỳ cao hay thấp có thể dẫn đến tổn hại không thể phục hồi pin Để giữ pin

ở một trạng thái tốt và an toàn cho các EV, các nhà sản xuất pin cung cấp thông tin giới hạn trên và dưới cho tình trạng sạc pin Các ràng buộc trên và thấp hơn giới hạn của một pin EV là khoảng 95% và 20% tương ứng

Acid chì, lithium-ion, và nickel metal hydride (NiMH) là top ba công nghệ cạnh tranh cho pin EV Pin lithium-ion đã được được lựa chọn để đánh giá ảnh hưởng của tải EV dựa trên các phụ tải của hệ thống điện, nó đại diện vị trí chiếm lĩnh thị trường pin trong tương lai Vì vậy, giả định rằng tất cả các EV trong các kịch bản sạc có một pin lithium-ion

Nhu cầu năng lượng và các SOC tương ứng với thời gian sạc của pin

lithium-ion được hiển thị trong hình 2.4 Những đặc tính khác nhau tùy thuộc vào loại pin

Đơn vị của năng lượng pin cho các EV là kWh và công suất tối đa pin được xác định bằng cách tính toán diện tích dưới đồ thị tải sạc pin EV Công suất lưới của pin nhỏ hơn so với công suất tối đa nếu ranh giới liên quan đến các SOC được áp dụng

Ví dụ, các EV có pin với dung lượng lưu trữ tối đa 30kWh Điều này cho phép công suất lưới sẵn 22,1 kWh, ít hơn công suất tối đa 73% Ranh giới do đó có thể làm giảm hiệu quả của pin, nhưng tăng độ ổn định (hình 2.4a)

Quá trình sạc điện của xe có thể được biểu diễn trên đồ thị theo trục thời gian chia thành 4 vùng màu chính khác nhau (hình 2.4b)

Đường màu xanh (voltage) trên đồ thị biểu diễn điện áp của xe điện

Đường màu đen (current) biểu diễn dòng điện

Trục thời gian (time)