Nghiên cứu mô phỏng đặc tính ắc quy chì axit trên ô tô điện

Trong khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Đàm Hoàng Phúc

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Đỗ Ngọc Phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 4

DANH MỤC CÁC BẢNG THÔNG SỐ TRONG LUẬN VĂN 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10

1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ Ô TÔ ĐIỆN 10

1.1.1 Thời kỳ đầu 10

1.1.2 Suy yếu và biến mất 10

1.1.3 Sự trở lại và phát triển 11

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN Ô TÔ ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI 12

1.2.1 Hoa kỳ 12

1.2.2 Châu Âu 12

1.2.3 Nhật Bản 12

1.2.4 Hàn Quốc và Trung Quốc 13

1.2.5 Những mẫu ô tô điện mới 14

1.3 TÌNH HÌNH Ở VIỆT NAM 15

1.4 ĐẶC ĐIỂM CỦA Ô TÔ ĐIỆN 18

1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM KHI SỬ DỤNG Ô TÔ ĐIỆN 20

1.5.1 Ưu điểm khi sử dụng xe điện 20

1.5.2 Nhược điểm khi sử dụng ô tô điên 21

1.6 VẤN ĐỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO Ô TÔ ĐIỆN 22

1.6.1 Một số loại nguồn sử dụng cho ô tô điện 22

1.6.1.1 Ắc quy chì – axít 22

1.6.1.2 Ắc quy Lithium – ion 22

1.6.1.3 Tế bào nhiên liệu – Fuel Cell 22

1.6.1.4 Siêu tụ điện – Ultra-Capacitor 24

1.6.2 So sánh các loại ắc quy dùng cho xe điện 25

CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG CỦA ẮC QUY 27

2.1 Các thông số của ắc quy 27

2.1.1 Thông số hệ thống ắc quy 27

2.1.2 Thông số cần đo lường 27

2.1.3 Dung lượng ắc quy 27

2.1.4 Sự tự phóng 28

2.1.5 Điện trở trong của ắc quy 28

2.1.6 Hiệu suất Faraday 29

2.1.7 Trạng thái nạp của ắc quy( SOC) 29

2.1.8 Thuật toán tính toán SOC thực tế 32

2.2.2 Ắc quy NIMH 37

2.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 38

2.2.2.2 Chấm dứt phóng 39

2.2.3 Đặc tính xả của ắc quy Li – Ion 40

CHƯƠNG III:MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG XE ĐIỆN 43

3.1 Mô hình hệ thống truyền động học xe điện 45

3.1.1Mô hình xe 45

3.1.1.1Lực cản lăn 46

3.1.1.2Lực cản không khí 46

3.1.1.3Lực cản lên dốc 47

3.1.1.4Lực cản quán tính 47

3.1.1.5Lực kéo 48

3.1.2 Mô hình động cơ điện 49

3.1.2.1 Xây dựng đường đặc tính ngoài 49

3.1.2.2 Xây dựng thuật toán mô men đầu ra 51

3.1.3 Mô hình mô phỏng ắc quy chì - axit 52

3.1.3.1 Điện áp nhánh chính 53

3.1.3.2 Điện trở đầu cực R 0 54

3.1.3.3 Điện trở nhánh chính R 1 54

3.1.3.4 Dòng điện ký sinh 55

3.1.3.5 Điện lượng và dung lượng 56

3.1.3.6 Mô hình nhiệt 59

3.1.3.7 Khối tính toán mạch 60

3.1.4 Mô hình điều khiển động cơ điện 62

3.1.5 Mô hình truyền động xe điện 63

3.2 Chạy mô hình, phân tích kết quả 63

3.2.1 Khảo sát cách thức tăng tốc tới khả năng làm việc của xe 65

3.2.1.1 Khảo sát bàn đạp ga dạng “Step” 65

3.2.1.2 Khảo sát bàn đạp ga dạng “Ramp” 69

3.2.1.3 Đồ thị mối liên hệ giữa gia tốc và SOC 73

3.3 Kết luận chương 3 74

ết luận 75

Tài liệu th m hảo 76

DANH MỤC CÁC Ý TỰ VÀ Ý HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

1 BMS Battery Management System (Hệ thống quản lý ắc quy)

2 VRLA Ắc quy chì axit không bảo dưỡng

3 US DOE Bộ năng lượng Mỹ

4 USABC Hội liên hiệp Ắc quy tiên tiến

7 ICV Ô tô trang bị động cơ đốt trong

16 αSD Hệ số tự phóng trong 24h

19 η batt Hiệu suất của ắc quy

20 E chg Hiệu suất năng lượng nạp ắc quy

21 E dis Hiệu suất năng lượng phóng ắc quy

28 R ave Trở kháng ắc quy trung bình Ôm

DANH MỤC CÁC BẢNG THÔNG SỐ TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1 So sánh thuộc tính của các loại ắc quy 26

Bảng 2 1 : Chu trình công suất DST 34

Bảng 3 1 : Thông số xe điện 44

Bảng 3.2 : Tham số mô phỏng truyền động xe 64

Bảng 3 3 : Thông số khảo sát cách thức tăng tốc dạng step 66

Bảng 3 4 : Tỉ suất phần trăm thời gian ở các mức đạp ga dạng step 67

Bảng 3 5 : Tỉ suất phần trăm gia tốc ở các mức đạp ga dạng step 68

Bảng 3 6 : Bảng thông số khảo sát cách thức tăng tốc dạng Ramp 69

Bảng 3 7 : Tỉ suất phần trăm thời gian ở các mức đạp ga dạng Ramp 70

Bảng 3 8 : Tỉ suất phần trăm gia tốc ở các mức đạp ga dạng Ramp 71

Bảng 3 9 : Mối liên hệ giữa gia tốc trung bình vs SOC ở trạng thái đạp ga step 73

Bảng 3 10 : Mối liên hệ giữa gia tốc trung bình vs SOC ở trạng thái Ramp …………73

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1 : Ô tô điện qua các thời kỳ 10

Hình 1.2: Xe điện Ford 12

Hình 1.3: Xe điện I Miev 13

Hình 1.4: Xe điện OLEV 13

Hình 1.5: Xe bus điện 14

Hình 1.6: Xe Tesla 15

Hình 1.7: Chỉ số sử dụng năng lượng của xe ô tô động cơ xăng và điện 15

Hình 1.8: Mức độ phát thải khí CO 2 tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện 18

Hình 1.9: Mức độ phát thải tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện 19

Hình 1.10:Hiệu suất năng lượng tương đuơng của các loaị động cơ đốt trong và điện 19

Hình 1.11 Nguyên lý hóa học của tế bào nhiên liệu Fuel Cell 23

Hình 1.12 Minh họa hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên xe ô tô điện 23

Hình 1.13 Cấu tạo siêu tụ điện 24

Hình 1.14 Sản phẩm siêu tụ điện của Maxwell Technology và module tụ lớn nhất trên thị trường 25

Hình 2.1: Mạch đo điện trở trong Ri DC 28

Hình 2.2: So sánh SOC bình thường và SOC điều chỉnh 31

Hình 2.3: So sánh dung lượng ắc quy ở mức 50% SOC 31

Hình 2.4: Chu trình kiểm tra quá trình phóng ắc quy mô phỏng lại chu trình lái của xe 35

Hình 2.5: Biến đổi dung lượng của ắc quy với nhiệt độ 35

Hình 2.6 :Biến đổi của điện áp khi dung lượng ắc quy thay đổi 36

Hình 2.7: Biến đổi của điện áp của ắc quy khi phóng 37

Hình 2.8: Cấu hình phóng ắc quy NiMH 38

Hình 2.9: Biến đổi của dung lượng phóng ắc quy với nhiệt độ 38

Hình 2.10: Điện áp phóng của tế bào ắc quy 39

Hình 2.11: Đặc tính Ragone cho ắc quy Li-ion 41

Hình 2.12: Đặc tính điện áp của Li-ion theo xung xả 42

Hình 3.1: Xe điện Kingwoo XD-BB 43

Hình 3.2: Sơ đồ truyền động xe 45

Hình 3.3: Mô hình chuyển động thân xe 46

Hình 3.4: Mô hình mô phỏng chuyển động thân xe. 48

Hình 3.5: Đặc tính công suất, mô men động cơ điện một chiều 50

Hình 3.6: Sơ đồ thuật toán xây dựng đường đặc tính động cơ điện 50

Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán lựa chọn mô men đầu ra 51

Hình 3.8: Mô hình động cơ điện một chiều không chổi than 51

Hình 3.11: Mô hình mô phỏng điện trở đầu cực 54

Hình 3.12: Mô hình mô phỏng điện trở nhánh chính khi phóng 55

Hình 3.13: Mô hình mô phỏng dòng điện ký sinh 56

Hình 3.14: Mô hình dung lượng ắc quy 59

Hình 3.15: Mô hình nhiệt ắc quy 60

Hình 3.16: Mô hình khối tính toán mạch 61

Hình 3.17: Mô hình mô phỏng ắc quy chì axit 62

Hình 3.18: Mô hình điều khiển động cơ điện 62

Hình 3.19: Mô hình mô phỏng hệ thống truyền động xe điện 63

Hình 3.20: Mô hình khảo sát cách thức tăng tốc xe điện 65

Hình 3.21: Cách thức tăng tốc dạng step 65

Hình 3.22: Đồ thị vận tốc ở dạng step 66

Hình 3.23: Đồ thị gia tốc ở dạng step 67

Hình 3.24: Đồ thị SOC ở dạng step 68

Hình 3.25: Cách thức tăng tốc dạng Ramp 69

Hình 3.26: Đồ thị vận tốc ở dạng Ramp 70

Hình 3.27: Đồ thị gia tốc ở dạng Ramp 71

Hình 3.28: Đồ thị SOC ở dạng Ramp 72

Hình 3.29: Đồ thị liên hệ giữa gia tốc trung tình và trạng thái điện lượng 73

LỜI NÓI ĐẦU

Tiếp theo sự phát triển ô tô hybrid, ô tô điện đang được nhiều hãng ô tô nghiên cứu phát triển nhằm khắc phục các yếu điểm của nhiên liệu hóa thạch về ô nhiễm môi trường và tình hình cạn kiệt nguồn nhiên liệu

Hiện nay, nhu cầu về xe điện là nhu cầu có thật tại Việt Nam Một số khu du lịch tại Ninh Bình, Quảng Ninh, Hà Nội, … đã đưa xe điện vào phục vụ và rất hiệu quả Bên cạnh đó, các nhà sản xuất ô tô điện nước ngoài cũng đang xây dựng lộ trình để đưa sản phẩm của họ vào Việt Nam

Tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách, nên chưa có nhiều nghiên cứu về ô tô điện

Ô tô điện nhằm cải thiện ô nhiễm môi trường, nhưng gặp phải khó khăn về vấn đề cung cấp năng lượng điện để hoạt động Ô tô điện có hai nhược điểm quan trọng là năng lượng dữ trữ thấp và giá thành cao hơn

Từ nhu cầu thực tế trên, dòng xe ô tô điện cỡ nhỏ giá thành vừa phải sẽ đáp ứng tiêu chí ô tô giá rẻ với các tính năng nổi bật nhằm phục vụ cho người tham gia giao thông

an toàn hơn, tiện nghi hơn, có khả năng thay thế xe mô tô 2 bánh là cấp thiết Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo những sản phẩm này với quy mô thương mại sẽ đóng góp nhiều cho việc bảo vệ môi trường, đảm bảo an toàn giao thông và tiến trình nội địa hóa tạo nên một ngành công nghiệp phụ trợ mạnh cho công nghiệp ô tô điện nói riêng và cho công nghiệp ô tô Việt Nam nói chung Trong khi thế giới đã có những bước tiến dài trong công nghệ chế tạo ô tô điện, Việt Nam không thể đứng ngoài dòng chảy của xu thế tất yếu này nếu như không muốn tụt hậu xa hơn nữa Việc tự nghiên cứu thiết kế, chế tạo ô tô điện cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển công nghiệp phụ trợ Điều này hoàn toàn phù hợp với chủ trương và mong muốn của Chính phủ trong chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam nói chung Trong ô tô điện vấn đề dự trữ và

như là vận tốc và quãng đường xe chạy Trên thực tế nguồn năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu cũng là lĩnh vực được đầu tư lớn nhất trong những nghiên cứu ô tô điện hiện nay Qua những phân tích trên cho thấy đề tài:” Nghiên cứu mô phỏng đặc tính ắc quy chì axit trên ô tô điện.” rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn vì vậy tôi quyết định

chọn đề tài này làm luận văn, đề tài này sẽ đóng góp một phần trong nghiên cứu và chế tạo ô tô điện của Việt Nam

Với nội dung của luận văn bao gồm có 3 chương với nội dung tổng quan như sau: Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Đặc điểm và quá trình phóng của ắc quy

Chương 3: Mô phỏng hệ thống truyền động xe điện

Kết Luận

Với sự nỗ lực của bản thân, luận văn của em đã hoàn thành nhưng luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả mong nhận được sự góp ý chân thành của các thầy cô Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Đàm Hoàng Phúc người đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn tôi trong việc định hướng nghiên cứu và các phương pháp giải quyết các vấn đề đã đặt ra, để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong bộ môn ô tô và xe chuyên dụng Viện Cơ khí Động lực, Viện đào tạo sau Đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hết lòng giúp đỡ tôi trong học tập và nghiên cứu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ Ô TÔ ĐIỆN

1.1.1 Thời kỳ đầu

Khái niệm về ôtô 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

Xe điện chuyên chở đầu tiên đã được Robert Anderson người Scotland phát minh vào khoảng những năm 1832 và 1839 Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ là Thomas Davenport và Scotsmen Robert Davidson trở thành những người đầu tiên đưa

ắc quy vào sử dụng cho ô tô điện Đến những năm 1865, Camille Faure đã thành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong ắc quy, giúp cho xe điện có thể di chuyển một quãng đường dài hơn Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 18 Năm 1899 chiếc xe đua La jamais Contente đã đạt vận tốc tối đa là 100km/h đây la một bước tiến lớn đối với xe

ôtô điện

Hình 1.1 : Ô tô điện qua các thời kỳ

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

- Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới dẫn đến việc

hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên toàn cầu Vấn đề nhiên liệu cho xe chạy động cơ đốt trong đã trở nên đơn giản

- Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô có những tiến bộ vượt bậc: Charles Kettering đã phát minh ra bộ khởi động cho xe chạy xăng, Henry Ford đã phát minh phương thức lắp ráp dây chuyền dẫn đến việc giảm giá thành

- Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá

không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được Các phương tiện giao thông sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng này (xăng, dầu) chắc chắn

sẽ không tồn tại trong tương lai Trong khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển… Do vậy, các phương tiện sử dụng điện là phương tiện của tương lai

- Vấn đề môi trường, biến đổi khí hậu: không khó để nhận ra rằng môi trường

hiện nay đang bị ô nhiễm nghiêm trọng,gây ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu mà một trong những nguyên nhân chính là khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô

tô Ô tô điện là cách giải quyết để cho vấn đề này do nó hoàn toàn không có khí thải Như vậy, ta thấy rằng ô tô điện là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn, đó là lý

do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây, và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thế giới

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN Ô TÔ ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI

Hình 1.2: Xe điện Ford

Ta thấy rằng nguồn năng lượng và hệ truyền động là những vấn đề then chốt trong

nghiên cứu ô tô điện

1.2.2 Châu Âu

Tại Châu Âu, xe plug-in hybrid và các bộ biến đổi điện tử công suất là những vấn

đề chính được quan tâm nghiên cứu Ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) là loại xe sử dụng hỗn hợp cả năng lượng xăng và điện như tên gọi “hybrid” Thuật ngữ

“plug-in” cho biết rằng xe có bộ nạp tích hợp sẵn, người dùng chỉ cần cắm điện vào nguồn lưới dân dụng mà không cần một bộ nạp bên ngoài Một số dòng xe hybrid đã được lưu hành tại Việt Nam như Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Honda Civic Hybrid, v.v

1.2.3 Nhật Bản

Tại Nhật Bản, các hãng ô tô lớn đang lần lượt đưa các mẫu xe thuần điện (pure

mới là hãng đầu tiên tung ra xe điện thương phẩm với i-MiEV Xe i-MiEV đã được giới thiệu ở Việt Nam tại triển lãm Ô tô Việt Nam Motor Show 2010

Để có thể đưa ra thị trường mẫu xe ô tô điện i-MiEV, hãng Mitsubishi Motors đã mất hơn 40 năm nghiên cứu Từ khi ấp ủ những ý tưởng đầu tiên về xe ô tô điện, chính thức bắt đầu nghiên cứu từ năm 1966, cho đến nay, hãng Mitsubishi Motors đã chế tạo

ra 10 mẫu xe concept với hơn 500.000 km chạy thử nghiệm trên toàn cầu Lộ trình nghiên cứu được cho trong hình sau [2]:

Hình 1.3: Xe điện I Miev

1.2.4 Hàn Quốc và Trung Quốc

Công nghệ truyền tải điện không dây ứng dụng trong xe điện được khai thác mạnh

mẽ bởi các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) với dự án chế tạo xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quá trình hoạt động (OnLine Electric Vehicle – OLEV) Các sản phẩm xe bus điện thuộc dự án này đang chạy thử nghiệm rất tốt trong khuôn viên của KAIST và Công viên Grand Seoul

Hình 1.4: Xe điện OLEV

Xe buýt TEB đầu tiên được thử nghiệm đưa vào chạy trên đường phố Xe sẽ chạy điện hoàn toàn và tốc độ tối đa dự kiến là khoảng 65 km/h chiếc xe buýt cao tầng có khả năng chở đến 1.200 người được giới thiệu tại Hội chợ Công nghệ cao quốc tế Bắc Kinh 2016 hồi cuối tháng 5

Hình 1.5: Xe bus điện

1.2.5 Những mẫu ô tô điện mới

Hãng phân phối xe ôtô điện Tesla vừa mới ra mắt mẫu Model X mới nhất của mình Đây là chiếc SUV chạy hoàn toàn bằng điện, trang bị những công nghệ tiên tiến nhất nhưng có giá cao hơn cả BMW i8 có nội thất rộng nhằm để phục vụ cho gia đình, hướng đến phân khúc các khách hàng mới bên cạnh chiếc sedan Model S trước đây Model X với khả năng chạy tối đa 400km cho mỗi lần sạc đầy, thấp hơn Model S là 430km Khả năng tăng tốc từ 0-100km/h trong 4,8 giây với chế độ Standard và chỉ mất 3,2 giây trường hợp kích hoạt chế độ Ludicrous Bù lại, mang chế độ Ludicrous xe sẽ tiêu tốn nhiều điện năng hơn loại SUV này cũng có thể đạt vận tốc tối đa lên đến

Các thiết kế và công nghệ tiên tiến được trang bị trên xe chính là điểm ấn tượng thứ hai của mẫu xe ôtô điện Model X này, xe được trang bị phần lớn cảm biến xung quanh

để giúp đảm bảo an toàn

Hình 1.6: Xe TESLA

1.3 TÌNH HÌNH Ở VIỆT NAM

Ở Việt Nam, do tình trạng kỹ thuật kém của các phương tiện giao thông, ngành Giao thông vận Tải đường Bộ đang là một trong những ngành tiêu thụ nhiều năng lượng và gây ô nhiễm lớn hiện nay Do trữ lượng dầu thô của nước ta có hạn, sản lượng khai thác giảm dần từ mức cao nhất là 20 triệu tấn năm 2005 xuống còn 13-15 triệu tấn những năm gần đây Theo tính toán của Viện Năng lượng, Bộ Công thương,

từ năm 2015 trở đi Việt Nam sẽ phải nhập khẩu dầu thô (IE 2007) Điều này tạo ra áp lực ngày càng cao lền an ninh cung cấp năng lượng cho giao thông vận tải

Hình 1.7: Chỉ số sử dụng năng lượng của xe ô tô động cơ xăng và điện

Bên cạnh đó, vấn đề sử dụng động cơ đốt trong sẽ đặc biệt nghiêm trọng khi xe chuyển động ở vận tốc thấp Như được thể hiện ở hình 1.9, khi chuyển động ở vận tốc thấp, lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ tăng mạnh dẫn đến lượng khí thải cũng tăng theo và lãng phí nhiên liệu [1] Do vậy ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, khi tốc độ trung bình trong giờ cao điểm thường dưới 20 km/h, vấn đề môi trường và tiêu thụ nhiên liệu do các phương tiện giao thông gây ra đã trở nên đặc biệt nghiêm trọng Như vậy ô tô điện là giải pháp tối ưu để bảo vệ môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia Trên thế giới đã có những bước tiến lớn trong nghiên cứu chế tạo

xe ô tô điện - loại “phương tiện sạch của tương lai” Do vậy để thu hẹp khoảng cách công nghệ và bảo vệ môi trường cũng như đảm bảo an ninh năng lượng cho Việt Nam chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu các công nghệ tiên tiến của ô tô điện và nhanh chóng có được sản phẩm ban đầu phù hợp với điều kiện giao thông Việt Nam Việc nghiên cứu sản xuất ô tô điện là cơ hội cho chúng ta tiếp cận trực tiếp với xu thế mới, cũng như góp phần bảo vệ môi trường của thế giới

Hiện nay, nhu cầu về xe điện là nhu cầu có thật tại Việt Nam Các nhà sản xuất ô tô điện nước ngoài cũng đang xây dựng lộ trình để đưa sản phẩm của họ vào Việt Nam Một trong những ví dụ là nhà hãng Mitsubishi, Nhật Bản Nhà sản xuất này đã giới thiệu xe chạy điện nổi tiếng của mình có tên i-MIEV tại triển lãm Việt Nam Motor Show 2010 Xe i-MIEV sử dụng pin lithium-ion và động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất 47 kW Xe có thể chở 4 người, tốc độ tối đa 130km/h Theo công

bố thì giá bán xe trước thuế tại Nhật Bản là 47.544 USD

Bên cạnh đó, giao thông ở Việt Nam có những đặc thù riêng: trong vòng 5 năm trở lại đây, xe mô tô, xe gắn máy đã tăng rất nhanh với tốc độ trên 10%/năm, khiến cho Việt Nam trở thành một trong những nước sử dụng xe mô tô, xe gắn máy chủ yếu với

số lượng chỉ sau hai nước đông dân nhất thế giới là Trung Quốc và Ấn Độ Theo kết quả nghiên cứu của Tổng cục Môi trường, hệ số phát thải CO, HC của xe môtô gấp 6,4 lần xe ôtô hạng nhẹ Một kết quả thử nghiệm tại Thụy Sỹ để so sánh hệ số phát thải của

thải Euro 3 cho thấy: phát thải trung bình trên một quãng đường đi (g/km) của xe mô

tô, xe gắn máy cao hơn ô tô gấp 8 hoặc 18 hoặc 39 lần đối với CO; 23 hoặc 74 hoặc

222 lần đối với HC; 1,7 hoặc 4 hoặc 7,8 lần đối với NOx tùy theo điều kiện giao thông

là trên đường trong đô thị hoặc đường đồng bằng hoặc đường cao tốc Do vậy nhu cầu thay thế xe hai bánh bằng các phương tiện xe cơ giới sạch là cấp thiết đối với việc bảo

vệ môi trường Bên cạnh đó, mức độ tiện nghi và điều kiện an toàn của xe 2 bánh khi tham gia giao thông còn rất thấp

Trong khi làn sóng nghiên cứu ô tô điện đang nổi lên mạnh mẽ trên thế giới thì tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhà khoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách Qua khảo sát tình hình những năm vừa qua, có thể khẳng định rằng ở Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào thực sự bài bản, khoa học và mang tính hệ thống về ô tô điện

Trong vài năm trở lại đây, một số sản phẩm xe điện mang tính thử nghiệm đã được nghiên cứu chế tạo bởi các nhà khoa học và những nhà sáng chế không chuyên Việt Nam Năm 2004, ông Đặng Thế Minh với sự hỗ trợ của UBND tỉnh Lào Cai đã mua 10 chiếc ô tô điện Minibus của Trung Quốc và cho ra đời 5 chiếc Minibus Việt Nam với tốc độ 50 km/h, chạy được 100km sau mỗi lần nạp, xe chở được 11 người Sản phẩm này mang tính sao chép đơn thuần, chế tác lại về mẫu mã và sau đó cũng không tiếp tục phát triển Năm 2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi - thành phố Hồ Chí Minh

đã tự nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chở 3 người, tốc độ 35 km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V - 800W, 4 ắc quy 12V/50 Ah, chạy 40 km nạp một lần Đây là thành công đáng khích lệ đối với một nhà sáng chế nghiệp dư, tuy nhiên những chỉ tiêu chất lượng của xe còn thấp, không thể sản xuất hàng loạt

Bên cạnh những chế tác nghiệp dư cũng có những xe điện là sản phẩm từ công trình nghiên cứu khoa học của sinh viên và giảng viên một số trường đại học Năm 2005, nhóm sinh viên K29 khoa Cơ khí trường Đại học Cần Thơ đã chế tạo một xe điện chạy bằng pin năng lượng mặt trời Xe có tải trọng 120 kg, tốc độ 25 km/h, sử dụng 2 động

cơ một chiều 250 W, nguồn gồm 2 ắc quy nối với tấm pin mặt trời Việc sử dụng năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy là một hướng đi đáng ghi nhận, tuy vậy nó chưa thể được sử dụng cho ô tô điện

Năm 2009, một xe điện tải trọng 2 tấn, tốc độ 10 km/h sử dụng 2 động cơ một chiều được chế tạo bởi nhóm giảng viên Học viện Kỹ thuật Quân sự Xe này có tốc độ rất thấp, không phù hợp cho ứng dụng giao thông

Như vậy, trong khi thế giới đã có những bước tiến lớn trong công nghệ chế tạo ô tô điện, Việt Nam đến nay vẫn đứng ngoài dòng chảy của xu thế tất yếu này Nếu không nhanh chóng triển khai nghiên cứu, nước ta sẽ lại tiếp tục bị lệ thuộc vào nước ngoài

1.4 ĐẶC ĐIỂM CỦA Ô TÔ ĐIỆN

Nghiên cứu của Bauen and Hart in Hoogers đã sử dụng khái niệm hiệu suất “Từ giếng dầu tới Bánh xe” (well to wheel) [1] để so sánh tương đương độ phát thải và hiệu

suất sử dụng năng lượng giữa các xe được trang bị động cơ khác nhau

Hình 1.8: Mức độ phát thải khí CO 2 tương đương của các loại động cơ đốt trong và

điện

Hình 1.9: 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

- Cùng là xe điện nhưng lại có mức độ phát thải khác nhau do xe điện ở mỗi quốc gia có hệ thống cung cấp năng lượng khác nhau thì lượng phát thải cũng khác nhau (Các nguồn từ thủy điện, nhiệt điện, thủy chiều, năng lượng mặt trời, gió…)

- 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 1.10:Hiệu suất năng lượng tương đuơng của các loaị động cơ đốt trong và điện

Các nguồn năng lượng này được quy về dầu mỏ Với xe sử dụng H2 (sản phẩm cháy là H2O) có hiệu suất thấp do việc điều chế ra H2 rất tốn năng lượng Ở đây chúng

ta thấy được xe điện có hiệu suất năng lượng tốt.

Từ các kết quả thể hiện trên các hình trên ta dễ dàng nhận thấy: Tất cả các dạng

xe điện đều cho hiệu quả nhiên liệu cũng như sự phát thải tốt hơn nhiều so với tất cả các dòng xe được trang bị động cơ đốt trong và ngay cả so với dòng xe hybrid khác

Bên cạnh đó, vấn đề sử dụng động cơ đốt trong sẽ đặc biệt nghiêm trọng khi xe

chuyển động ở vận tốc thấp Như được thể hiện ở hình 1.9, khi chuyển động ở vận tốc thấp, năng lượng tiêu thụ của động cơ đốt trong sẽ tăng mạnh dẫn đến lượng khí thải cũng tăng theo và lãng phí nhiên liệu Do vậy xe điện là một giải pháp hiệu quả đối với giao thông của các thành phố lớn với mật độ xe cao, tốc độ trung bình thấp

1.5 ƢU NHƢỢC ĐIỂM KHI SỬ DỤNG Ô TÔ ĐIỆN

1.5.1 Ƣu 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 hiệu suất sử dụng năng lượng đến 70% (bằng cách nạp lại điện năng) so với hiệu suất 15% (kể 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 –ion

+ 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 rẻ hơn so với sử dụng động cơ đốt trong vì số chi tiết rời ít hơn và không đòi hỏi gia công chính xác + 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 dùng để nạp ắc quy được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện dùng nhiên liệu hóa thạch, thì hiệu quả sử dụng năng lượng của chúng vẫn cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong

+ Giảm thiểu quan ngại về cháy nổ

+ Điện có thể tạo ra từ các nguồn thủy điện, gió, hydro, mặt trời hoặc hạt nhân… là các nguồn năng lượng không phát thải khí độc hại các bon

1.5.2 Nhƣợc 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 cho ắc quy điện còn quá đắt, nằm trong khoảng từ

1500USD/xe (ắc quy chì-a xít) cho đến 20000USD/xe (ắc quy Lithium-ion) + Khối lượng vận chuyển bị hạn chế, tốc độ 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

1.6 VẤN ĐỀ NGUỒN NĂNG LƢỢNG CHO Ô TÔ ĐIỆN

1.6.1 Một số loại nguồn sử dụng cho ô tô điện

1.6.1.1 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

1.6.1.2 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

1.6.1.3 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 1.11 Nguyên lý hóa học của tế bào nhiên liệu Fuel Cell (nguồn: Wikipedia)

Theo đánh giá, tế bào nhiên liệu Fuel Cell là loại nguồn có mật độ năng lượng cao nhất có thể sử dụng cho ô tô điện Hình 1.14 minh họa một hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên ô tô điện Với nhiều ưu điểm về mật độ năng lượng và sử dụng nguyên liệu là nguồn khí tự nhiên vô tận (oxy và hydro), tế bào nhiên liệu Fuel Cell rất được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm nay Tuy vậy, công nghệ này đến giờ vẫn chưa thực

sự chín muồi để đưa vào các sản phẩm thương mại Một trong những vấn đề quan trọng là tính an toàn Rõ ràng là cần phải đặt câu hỏi về tính an toàn cho việc chở trên

xe một bình khí hydro lớn, phản ứng với oxy tạo ra điện Nếu xảy ra sự cố, nó sẽ nổ không khác gì một quả bom thực sự

Hình 1.12 Minh họa hệ thống tế bào nhiên liệu Fuel Cell trên xe ô tô điện

1.6.1.4 Siêu tụ điện – Ultra-Capacitor

Những người làm trong lĩnh vực điện và điện tử thường quen thuộc với những tụ điện có đơn vị pico (một phần một nghìn tỷ), nano (một phần tỷ) và micro (một phần triệu) Fara hẳn sẽ rất ngạc nhiên khi nghe nói đến những tụ điện có điện dung lên tới hàng nghìn Fara Đó là những tụ điện được chế tạo theo công nghệ lớp kép (Double Layer), được gọi là Siêu tụ điện (Ultra-Capacitor hay Super-Capacitor)

Hình 1.13 Cấu tạo siêu tụ điện

Tụ điện tích trữ điện năng không phải bằng phản ứng hóa học như ắc quy mà bằng các tương tác vật lý giữa các điện cực và điện tích Bởi vậy, tụ điện có khả năng phóng

và nạp điện rất nhanh so với ắc quy Siêu tụ, bản chất là tụ điện, vẫn giữ được đặc tính này, do đó siêu tụ có mật độ công suất rất lớn Bên cạnh đó, điện dung lớn tới hàng nghìn Fara cho phép siêu tụ tích trữ một lượng điện năng lớn, điều này cho phép siêu tụ

có thể hoạt động như một nguồn chứa năng lượng trong khi các tụ điện thông thường chỉ có vai trò là phần tử phóng - nạp trong quá trình trao đổi năng lượng

Tuy nhiên, các siêu tụ có điện dung hàng nghìn Fara trên thị trường hiện nay chỉ có mức điện áp khoảng vài volt, lý do là các lớp cách điện trong siêu tụ không chịu được điện áp cao Khi muốn sử dụng với điện áp cao, chẳng hạn như vài trăm volt như trong

ô tô điện, thì siêu tụ phải được mắc nối tiếp thành các module Ta biết rằng khi mắc nối tiếp, điện dung của siêu tụ nhỏ đi Với công nghệ tại thời điểm hiện tại, siêu tụ điện chưa đủ khả năng cung cấp nguồn cho ô tô điện chạy trên một quãng đường dài như ắc quy hay fuel tế bào Nó chỉ được dùng như một nguồn phụ, đặc biệt hữu dụng trong quá trình hãm tái sinh năng lượng do có khả năng nạp rất nhanh

Hình 1.14 Sản phẩm siêu tụ điện của Maxwell Technology và module tụ lớn nhất trên

Lead Acid Nickel metal hydride

Tự xả

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

Thương mại hóa từ sau những năm 1980, ắc quy Li-Ion đã có nhiều ưu thế, với mật độ năng lượng và điện áp danh định trên một đơn vị cao nhất, điện trở trong rất thấp và tỷ

lệ tự xả nhỏ Với chu kì sống cao nhất ở ắc quy Li-Ion, hơn 1200 lần trước khi đạt đến 80% điện dung, trong khi ở ắc quy chì axit và ắc quy NiMH chỉ có 800 và 1000 lần

CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG CỦA ẮC QUY

2.1 Các thông số của ắc 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 từng phần của hệ thống ắc quy: V bn

I = kC n (2.1)

Với: I là dòng điện nạp hoặc dòng điện phóng

k là hệ số của C

2.1.4 Sự tự phóng

Khi không được sử dụng, ắc quy thể hiện các mức độ tự phóng khác nhau theo thời gian Đặc điểm này khiến cho năng lượng tích lũy trong ắc quy bị tiêu hao Tỉ lệ tự phóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, phần lớn là nhiệt độ, nhiệt độ ắc quy càng cao thì tỉ

lệ tự phóng càng lớn Năng lượng tổn thất bởi sự tự phóng của ắc quy, E SD được thể hiện trong tỉ lệ mỗi 24h:

E SD = α SD E bNorm (2.2)

Với: α SD là hệ số tự phóng trong 24h

E bNorm là năng lượng danh định của ắc quy, Wh

2.1.5 Điện trở trong của ắc quy

Là trị số điện trở bên trong của ăc quy, bao gồm điện trở các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực Thường thì trị số điện trở trong của ăc quy khi đã nạp đầy điện là (0,001-0,0015)Ω và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là

(0,02-0,025)Ω

Điện trở trong của ắc quy có thể xác định được qua thực nghiệm bằng việc sử dụng mạch test hình 2.1 Sự thay đổi tải đầu ra sẽ sinh ra một sự thay đổi điện áp Vbtương ứng

e

Tương ứng , điện trở trong của ắc quy được xác định

Ri DC =

[Ω] (2.3)

2.1.6 Hiệu suất Faraday

Hiệu suất Faraday hay còn gọi là hiệu suất nạp của ắc quy xác định bởi tỉ lệ dung lượng phóng (Ah) và dung lượng nạp (Ah) Thông số này cho phép ước lượng hiệu suất nạp có thể đạt được của một hệ thống ắc quy cụ thể

ηAh =

(2.4)

2.1.7 Trạng thái nạp của ắc quy (SOC)

Trạng thái nạp của ắc quy là một thông số không thứ nguyên thể hiện dung lượng

hiện tại so với điện dung danh định của ắc quy Khi ắc quy được phóng và nạp, SOC

chỉ ra tỉ lệ giữa tổng năng lượng đã bị tiêu hao hoặc đã được nạp vào ắc quy

SOC batt =

100% (2.5) Việc xác định chính xác thông số này là rất quan trọng cho việc quản lý năng lượng cũng như cung cấp thông tin đánh giá tổng năng lượng có ích trong hệ thống ắc quy

Nhiều công nghệ khác nhau đã được sử dụng để ước lượng SOC như phương pháp điều

khiển mờ, sử dụng phương trình Peukert và sử dụng các bảng tra kinh nghiệm Trong

hầu hết các phương pháp xác định SOC, dòng điện ắc quy được lấy tích phân trên toàn

bộ thời gian và liên hệ với điện dung danh định Tuy nhiên, phương pháp tích phân dòng điện thiên về tích phân sai số gây ra bởi 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

SOC batt (t 1 ) = SOC batt (t 0 ) + ∫

(2.6)

Trong ứng dụng điều khiển thời gian thực, SOC có thể được tính toán trong các bước

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:

SOC = 84 × OCV – 984 ( 2.8)

Tuy nhiên việc xác định SOC trong điều kiện lái xe khó khăn do OCV của ắc quy biến động theo trạng thái hoạt động của ắc quy Do vậy phương trình xác định SOC thực tế

được thể hiện như:

SOC = f 1 (V ocv ) + f 2 (I ×f 1 (V ocv )) + f 3 (T) ( 2.9)

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

• Giảm yêu cầu 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

của các gói ắc quy Các tính toán tối ưu hóa việc nạp lại mà không tổn hại đến tuổi thọ

ắc quy SOC ngăn ngừa các ắc quy khi sạc đầy quá mức và ngăn ngừa xả ngẫu nhiên Giống như một thiết bị cảnh báo thay thế ắc quy, SOC có thể cảnh báo người

dùng rằng dung lượng ắc quy là ở ngưỡng của nó và đòi hỏi nạp và điều khiển hệ thống làm mát ắc quy để đảm bảo ắc quy vận hành tối ưu

Bằng việc kiểm soát và điều khiển theo SOC sẽ cải thiện tuổi thọ ắc quy là 5% Hình 2-2 So sánh tỷ lệ tái nạp của ắc quy có điều khiển theo SOC và không có điều khiển SOC theo thời gian Ngoài ra, 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

2.1.8 Thuật toán tính toán SOC thực tế

SOC của ắc quy trong thực tế được ước tính mỗi khoảng thời gian một cách lặp đi

lặp lại Giá trị điện áp trung bình Vave trong 1 khoảng thời gian ∆t được thể hiện như:

V ave = ½( V 0 + V 1 ) (2.10 ) Với V 0 là điện áp lúc bắt đầu của khoảng thời gian để đo lường SOCV 1 là điện áp tại

thời điểm t0+∆t

Ước tính trở kháng R int của ắc quy bằng cách nội suy trong SOC với bảng trở kháng ắc quy.Tính toán trở kháng ắc quy trung bình (R ave ) cho khoảng thời gian Trở kháng ắc quy R ave trung bình được thể hiện như:

Rave = ½( R 0 + R 1 ) ( 2.11)

R 0 là trở kháng ắc quy lúc bắt đầu của khoảng thời gian đo lường SOC

Tính toán hiện tại ắc quy bằng cách sử dụng phương trình sau đây

r  [V avg / (2R avg )] 2 - P batt / R avg ( 2.12)

Nếu r ước tính là lớn hơn không, sau đó I hiện tại được tính bằng cách sử dụng phương

trình sau đây

I = V avg / (2R avg ) - √ ( 2.13 )

Điều chỉnh điện áp ắc quy bằng cách sử dụng phương trình

V = v avg – (I ×R avg ) ( 2.14) SOC còn lại sử dụng phương trình

SOC 1 = SOC 0 - P∆t / 3600 × C × V ( 2.15 )

Trong đó P là công suất bắt nguồn từ ắc quy và C là dung lượng Ah của ắc quy Số 3.600 xuất hiện trong số chia bởi vì khoảng thời gian ∆t được thể hiện tính bằng giây Lặp lại tính toán các bước từ 1 đến 6, như trên, cho đến khi sự khác biệt giữa SOC 0 và

2.2 QUÁ TRÌNH PHÓNG CỦA ẮC QUY XE ĐIỆN

Hiệp hội ắc quy tiên tiến của Mỹ (USABC) đã chuẩn bị thông tin kiểm tra ắc quy

mà cung cấp hướng dẫn về thử nghiệm cho gói ắc quy điện áp đầy, các mô-đun ắc quy,

và các tế bào bình ắc quy Các quy trình kiểm tra, cung cấp quy trình và các giá trị thông số được sử dụng để đánh giá tất cả bình ắc quy, bao gồm cả các nhà phát triển bình ắc quy và các cơ sở thử nghiệm khác

Thử nghiệm sự biến đổi dung lượng phóng hoặc 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) vào năm 1988 cung cấp một mô phỏng hiệu quả quá trình phóng điện phù hợp với động lực học của xe (đối với chu kỳ kiểm tra lái xe) trong phòng thí nghiệm Một số chu trình lái đơn giản

đã được sửa đổi thành chu trình lái kiểm tra thực tế trên đường (DST) DST được thu nhỏ đến một tỷ lệ phần trăm tối đa tỷ lệ công suất hay mục tiêu công suất USABC, và đòi hỏi mức độ tái sinh cao hơn so với chu kỳ SFUDS Bảng 2-1 Tóm tắt các giá trị năng lượng tương ứng Giá trị công suất 100% là 80% của mục tiêu kỹ thuật công suất USABC Ví dụ, cấu hình này được chia tỷ lệ 80% của 150W/kg, nó sẽ có một công suất đỉnh là 120 W / kg

Bắt đầu với một ắc quy được sạc đầy, ắc quy được phóng bằng cách áp dụng chu trình công suất DST Thử nghiệm phóng được tiến hành trong 360 giây được lặp

đi lặp lại giữa phóng và nạp tái sinh với thời gian chuyển đổi tối thiểu Điểm xả cuối cùng dựa trên dung lượng ắc quy được lấy ra (tổng Ah phóng- Ah tái sinh) Ngoài ra, các kiểm tra DST cung cấp cái nhìn sâu sắc vào sự thay đổi điện trở trong của ắc quy trong điều kiện mô phỏng sự chuyển động của xe điện (Ev)

Ngoài ra, để thực hiện được cách này ở điều kiện nhiệt độ trong phòng khác nhau cũng ảnh hưởng của nhiệt độ của bình ắc quy Ta thử nghiệm nhiệt độ của bình

ắc quy ở 3 nhiệt độ khác nhau như 10°C, 25°C, và 50°C

Ngoài ra, các giá trị trở kháng có thể được tính từ I và V được thực hiện trong

các thử nghiệm DST từ bước 14 và 15 Điện áp kết thúc thử nghiệm DST khi điện áp

Hình 2.4: Chu trình kiểm tra quá trình phóng ắc quy mô phỏng lại chu trình lái của

xe

2.2.1 Dung lƣợng của ắc quy VLRA

Nguyên nhân chính của các gói ắc quy hỏng là do việc phóng và nạp lặp đi lặp lại các tế bào không đều Cả hai việc nạp và phóng của ắc quy phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Do có sự chênh lệch về nhiệt độ trên các cạnh bên ngoài của các gói ắc quy

và bên trong của gói ắc quy Nhiệt độ trên các cạnh bên ngoài của gói ắc quy thấp hơn nhiệt độ ở bên trong của các gói ắc quy Do có sự khác nhau về nhiệt độ nên có một sự thay đổi tương ứng 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 thường được xác định bởi một điện áp tổng gói ắc quy Điện áp gói này liện quan tới một dòng điện cụ thể Khi ắc quy phóng điện, các

ắc quy đơn có nhiệt độ thấp thì có dung lượng thấp hơn dung lượng của các ắc quy đơn có nhiệt độ cao Trong quá trình phóng, dung lượng của ắc quy đơn có nhiệt độ thấp nhất có thể giảm xuống đủ để bắt nó phân cực đảo chiều và được nạp lại từ những ắc quy có dung lương cao hơn trong cùng một gói, trong khi các ắc quy khác trong gói vẫn được phóng bình thường Dần dần các quá trình trên được 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)] (2.16 )

Với T là nhiệt độ tính theo oF

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

Ngoài ra, biến đổi của nhiệt độ và ảnh hưởng của nó tới dung lượng của ắc quy cho ắc quy có dung lượng 85 Ah dung lương giảm xuống thấp hơn 40 Ah ở 0 ° C Giả sử rằng ắc quy phóng với dòng phóng là 50 A ở nhiệt độ cao nhất trong gói của ắc quy là 38°C và nhiệt độ thấp nhất trong gói của ắc quy là 20°C, dung lượng tương ứng giảm còn 52 Ah đến 40 Ah Sự chênh lệch về nhiệt độ của mỗi tế bào trong một gói ắc quy, dẫn đến sự chênh lệch về dung lượng của mỗi tế bào trong gói ắc quy sẽ gây ra phân cực và đảo chiểu, và sai lệch giá trị điện áp ngừng phóng của từng ắc quy đơn Hình 2-6 Minh họa sự biến đổi của dung lượng ắc quy hữu ích và điện áp ắc quy với thay đổi dòng điện phóng ở mức 80 ° F

2.2.2 Ắc quy NIMH

Quan sát hình 2-7 ta thấy, khi đấu tải tại thời điểm 3 phút điện áp giảm đột ngột trong khoảng thời gian từ 3 đến 4 phút, sau đó giảm theo hàm mũ trong khoảng từ 5 đến 8 phút và tiến đến giá trị const trong khoảng 8 đến 10 phút quá trình này gọi là quá trình quá độ của ắc quy Thời gian này phụ thuộc vào điện trở trong và điện dung trong của ắc quy Khi U= Const quá trình ổn định điện áp nằm trong khoảng từ 8 đến

10 phút Quá trình quá độ này cũng sẽ lặp lại khi tải của mạch điện được bỏ ra tại thời điểm 11 phút khi đó điện áp tăng đột ngột trong khoảng từ 11 đến 12 phút và tiếp tục tăng theo hàm mũ sau đó mới đến ổn định trong khoảng 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 bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng quá độ, nhiệt độ phóng và mức độ phóng Trong mọi điều kiện, khi ắc quy phóng quá 80% SOC thì điện áp sụt giảm nhanh chóng thể hiện trên hình 2-8 Từ đồ thị trên hình 2-8 thì điện

áp phóng gần như là đối xứng tại giá trị SOC = 50% Do vậy giá trị điện áp tại SOC = 50% trở đi là giá trị điện áp hữu ích của ắc quy NIMH vì giá trị điện áp không thay đổi

nhiều trong khoảng từ 50 đến 80%

Hình 2.8: Cấu hình phóng ắc quy NiMH

2.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ