CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, số lượng xe điện đã tăng đáng kể trên toàn cầu cũng như ở Việt Nam. Thị trường xe điện ngày càng đa dạng về mẫu mã và phân khúc. Từ xe điện hạng nhẹ đến xe điện hạng sang, có nhiều lựa chọn phong phú cho người tiêu dùng.
Nhiều hãng ô tô lớn cũng đã và đang tham gia vào thị trường này, cung cấp các dòng xe điện với thiết kế và tính năng đa dạng. Ở Việt Nam, Vinfast đã cho ra mắt thêm nhiều mẫu mã mới, đặc biệt hơn là hệ thống xe bus điện và taxi xanh làm cho phương tiện công cộng ở Việt Nam lên một tầm cao mới. Thêm vào đó hạ tầng sạc xe điện cũng đang được phát triển mạnh mẽ, các trạm sạc công cộng hầu như đã được lắp đặt trên cả nước. Tuy vậy xe điện vẫn còn trở ngại về vấn đề khoảng cách đi được còn giới hạn, vì thế xe Hybrid đang là một lựa chọn tối ưu cho người tiêu dùng, vừa tiết kiệm nhiên liệu nhưng có thể đi được xa hơn.
Hơn nữa ở đường xá đô thị tại Việt Nam có mật độ giao thông đông đúc nên xe phải liên tục dừng và di chuyển ở tốc độ thấp, khi đó động cơ điện của xe hybird có thể thoải mái di chuyển mà không tiêu hao nhiên liệu như động cơ đốt trong và cũng góp phần bảo vệ môi trường. Còn khi cần di chuyển quãng đường xa hơn như trên cao tốc thì động cơ đốt trong sẽ đáp ứng được điều kiện mà không phải lo hết điện như xe thuần điện. Với mục đích học tập, nghiên cứu và áp dụng những kiến thức đã học thì nhóm thực hiện đã chọn xe Hybird làm đề tài nghiên cứu, nhóm sẽ chú trọng vào hệ thống quản lý ắc quy cao áp. Nhóm thực hiện xin chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ắc quy cao áp trên xe E – REV (Extended Range Electric Vehicle)”.
Với hệ thống pin trên mô hình xe Hybird, nhóm sẽ tiến hành tối ưu hóa hệ thống quản lý pin để hệ thống có thể quản lý pin, bảo vệ pin một cách hiệu quả hơn, tích hợp thêm hệ thống quản lý nhiệt độ môi trường làm việc của pin. Đề tài này sẽ là đòn bẩy để giúp nhóm thực hiện nghiên cứu sâu về về hệ thống quản lý pin trên các dòng xe Hybird, xe điện thông minh ngày nay. Mục đích nghiên cứu Tham chiếu từng cell pin để có thể thu thập thông tin một cách chính xác nhất từ đó tìm ra viên pin có điện áp lớn nhất và nhỏ nhất trong khối pin để tiến hành cân bằng bằng 1 cách xả qua điện trở công suất. Kiểm soát dòng sạc và xả, kiểm soát nhiệt độ làm việc của ắc quy cao áp bằng bộ sấy nóng khi nhiệt độ thấp và quạt tản nhiệt khi nhiệt độ tăng cao.
Tính toán SOC của ắc quy cao áp từ dòng điện tiêu thụ hiện tại để có thể tính ra SOC hiện tại một cách chính xác nhất từ đó giúp hệ thống làm việc 1 cách ổn định hơn so với hệ thống hiện tại trên mô hình. Cuối cùng là thiết kế lại giao diện trên màn hình cảm ứng Nextion. Mục tiêu đề tài - Hiểu được phương thức tham chiếu, cân bằng điện áp của pin trên mạch BMS. - Thiết kế, chế tạo hệ thống tham chiếu, cân bằng phù hợp với ắc quy cao áp.
- Thiết kế, chế tạo bộ tính toán dung lượng nạp, xả của ắc quy cao áp để tính toán SOC. - Hiển thị dữ liệu và tương tác trên màn hình cảm ứng Nextion 7 inches. Đối tượng nghiên cứu - Ứng dụng phần mềm lập trình nhúng Arduino thu thập tín hiệu điện áp tham chiếu, dòng sạc, dòng xả và điều khiển cân bằng các khối pin, điều khiển dòng sạc và tính toán SOC. Quản lý nhiệt độ, kích hoạt bộ sấy nóng, quạt tản nhiệt thông qua cảm biến nhiệt độ.
- Ứng dụng phần mềm Proteus để chế tạo bộ điều khiển. - Ứng dụng phần mềm Nextion thiết kế giao diện hiển thị thông tin và tương tác giữa người dùng và xe E – REV qua màn hình cảm ứng. Phương pháp nghiên cứu Ứng dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để có cơ sở kiến thức cơ đề tài: - Nghiên cứu và ứng dụng ba phần mềm Arduino, Proteus và Nextion Editor rồi sau đó dần đi vào mục đích nghiên cứu chính của đề tài là tham chiếu điện áp các khối pin, cân bằng các pin, kiểm soát dòng nạp, tính toán SOC theo thời gian thực và cuối cùng là hiển thị thông tin của xe. 2 - Tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu đến đề tài từ cơ sở lý thuyết đến phần thi công phần cứng.
Đặc biệt được sự hướng dẫn chu đáo từ thầy hướng dẫn cũng như việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm khác và các anh chị khóa trước. Nội dung nghiên cứu Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu, phần mềm liên quan đến đề tài - Nghiên cứu lại đề tài xe điện E-REV của khóa trước để tìm ra hướng cải tiến. - Sau khi xác định phương hướng là nâng cấp hệ thống quản lý ắc quy cao áp và một số tính năng khác nhằm giúp xe có thể hoạt động một cách trơn tru, mượt mà hơn. - Khảo sát thực tế mô hình xe điện E-REV - Tìm hiểu các bộ cân bằng pin (BMS) có trên thị trường từ đó tìm hướng phát triển hệ thống quản lý ắc cao áp cho mô hình xe điện E-REV.
- Tìm hiểu về các loại ắc quy cao áp. - Nghiên cứu cách tham chiếu, tính toán dòng sạc và xả của ắc quy cao áp trong quá trình vận hành. - Nghiên cứu cách tính toán SOC theo dòng sạc và xả để xác định được SOC một cách chính xác. - Lập trình Arduino thu thập và xử lý các thông số điện áp tham chiếu, cảm biến nhiệt độ,… - Vẽ mạch nguyên lý trên Proteus.
- Thiết kế lại giao diện hiển thị trên màn hình cảm ứng thông qua phần mềm Nextion Editor. Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, tinh chỉnh phần mềm phù hợp với kết quả mô phỏng của đề tài. 3 - Thiết kế và thi công mạch tham chiếu điện áp, cân bằng các khối pin, tích hợp hệ thống quản lý nhiệt độ. - Thiết kế và thi công mạch tham chiếu dòng sạc và xả của ắc quy cao áp từ đó tính toán ra SOC trong quá trình vận hành.
- Hiển thị các thông tin lên màn hình Nextion dựa trên dữ liệu trong Arduino. Giai đoạn 3: Tiến hành chạy thực nghiệm xe và viết thuyết minh - Chạy thực nghiệm xe nhiều lần để kiểm chứng độ ổn định, chính xác và hiệu quả của hệ thống. - Viết thuyết minh bằng Word. - Làm PowerPoint để thuyết trình.
4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mô hình Extended – Range Electric Vehicle 2. Khái niệm Xe Extended-Range Electric Vehicle (E-REV) là một loại xe điện, được trang bị một động cơ điện và một pin sạc điện, nhưng có thêm một động cơ đốt trong (thường là động cơ xăng hoặc động cơ diesel) như một máy phát điện tạo ra điện năng để sạc pin trong khi xe đang chạy. Điều này cho phép E-REV đi được một khoảng cách dài hơn so với xe điện thông thường chỉ dựa vào năng lượng của pin sạc điện, bởi vì khi pin sạc điện yếu hoặc cạn kiệt, động cơ đốt trong sẽ bắt đầu hoạt động để tạo ra điện để sạc lại pin, giúp xe đi tiếp mà không cần phải dừng lại để sạc.
Các chế độ vận hành của xe điện E-REV Các chế độ hoạt động của một chiếc xe Extended-Range Electric Vehicle (E-REV) có thể khá đa dạng và phụ thuộc vào từng mẫu xe cụ thể. Tuy nhiên, một số chế độ hoạt động chính thường được sử dụng trong các xe E-REV là: - Chế độ chạy chỉ dùng năng lượng điện: Trong chế độ này, xe chỉ sử dụng năng lượng điện được lưu trữ trong pin để di chuyển. Đây là chế độ hoạt động tiêu thụ năng lượng thấp nhất và không gây ra khí thải. 5 - Chế độ sạc pin: Khi pin sạc điện của xe đang yếu hoặc cạn kiệt, động cơ đốt trong sẽ hoạt động để tạo ra điện năng để sạc lại pin.
Đây là chế độ hoạt động khiến xe tiêu thụ nhiên liệu và phát thải khí CO2. - Chế độ chạy kết hợp (Hybrid mode): Trong chế độ này, cả động cơ điện và động cơ đốt trong đều hoạt động để cung cấp năng lượng cho xe. Điều này giúp tăng khả năng di chuyển của xe so với chỉ sử dụng năng lượng điện và giảm thiểu việc sạc lại pin. - Chế độ lưu trữ năng lượng (Charge Sustaining mode): Trong chế độ này, động cơ đốt trong hoạt động liên tục để tạo ra điện năng và sạc lại pin trong khi xe đang di chuyển.
Đây là chế độ hoạt động tiêu thụ nhiên liệu và phát thải khí CO2 như chế độ sạc pin. - Chế độ hoạt động của xe E-REV có thể được điều chỉnh tự động bởi hệ thống điều khiển hoặc được người lái chọn thủ công tùy thuộc vào các điều kiện và mục đích sử dụng của xe. Nhưng cơ bản thì xe có 3 chế độ theo hình 2. Vào lúc xe bắt đầu khởi hành với dung lượng của ắc quy SOC đạt gần 100% thì xe sẽ hoạt động như một chiếc xe điện và được sạc lại nhờ vào hệ thống phanh tái sinh (Vùng I).
Khi ắc quy xuống thấp với SOC được định sẵn (đã được đánh dấu bằng đường thẳng nằm ngang tại ba mức: Cao, Trung bình và Thấp), xe sẽ chuyển sang chế độ mở rộng phạm vi (Vùng II). Tại thời điểm này động cơ ICE được điều khiển theo bộ điều khiển để ắc quy được giữ trong mức SOC giới hạn giữa đường mức Cao và mức Thấp. Khi không hoạt động nữa, xe sẽ được sạc đầy 100% bằng nguồn điện từ lưới điện (Vùng III). Đồ thị SOC ở từng chế độ hoạt động - Vùng I: Chế độ thuần điện (CD) - Vùng II: Chế độ mở rộng (CS) - Vùng III: Chế độ sạc từ lưới điện Ưu điểm: - Không gây ra khí thải độc hại: Động cơ E-REV chỉ sử dụng điện và sử dụng nhiên liệu ít hơn so với động cơ đốt trong, giúp giảm thiểu khí thải độc hại và tác động tiêu cực đến môi trường.
- Tiết kiệm nhiên liệu: Khi sử dụng chế độ chạy chỉ dùng năng lượng điện, E-REV tiêu thụ ít nhiên liệu hơn so với động cơ đốt trong.