Tính toán, mô phỏng, đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến pin xe điện

Đồ án tính toán, mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến pin xe điện tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Nguyễn Tiến Thắng
• Người hướng dẫn: ThS. Văn Ánh Dương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Tính toán, mô phỏng, đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến pin xe điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng pin xe điện tại ĐH SPKT TPHCM

Xe điện (EV) ngày càng phổ biến trên toàn cầu. Nhu cầu giảm khí thải CO2 từ động cơ đốt trong thúc đẩy xu hướng này. Pin là bộ phận quan trọng nhất trên xe điện, quyết định phạm vi di chuyển và hiệu suất vận hành. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (ĐH SPKT TPHCM), đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô năm 2024 tập trung vào chủ đề tính toán, mô phỏng và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến pin xe điện. Nghiên cứu do sinh viên Nguyễn Tiến Thắng và Nguyễn Hoàng Duy Tân thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Văn Ánh Dương, Khoa Cơ khí Động lực. Đề tài sử dụng MATLAB/Simulink để mô phỏng điều kiện hoạt động thực tế của pin Lithium-ion. Nghiên cứu xem xét các thông số như trạng thái sạc (SOC), trạng thái sức khỏe (SOH), nhiệt độ hoạt động và chu trình nạp-xả. Mục tiêu là đánh giá hiệu quả và đề xuất giải pháp nâng cao tuổi thọ pin, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp xe điện tại Việt Nam.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu và tầm quan trọng của pin xe điện

Pin xe điện là nguồn cung cấp năng lượng duy nhất cho toàn bộ hệ thống xe điện. Hiệu suất, độ bền và sự an toàn của pin ảnh hưởng trực tiếp đến trải nghiệm vận hành. Pin Lithium-ion được sử dụng phổ biến nhất hiện nay nhờ mật độ năng lượng cao và trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, pin Lithium-ion nhạy cảm với nhiệt độ, cường độ dòng điện và chu trình sạc-xả. Việc nghiên cứu các yếu tố này có giá trị thực tiễn cao trong bối cảnh thị trường xe điện Việt Nam đang tăng trưởng mạnh.

1.2. Mục tiêu đề tài nghiên cứu tại ĐH SPKT TPHCM

Đề tài đặt ra nhiều mục tiêu cụ thể và có tính ứng dụng cao. Thứ nhất, làm rõ cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của pin cùng hệ thống quản lý pin (BMS). Thứ hai, tính toán các thông số kỹ thuật gồm dung lượng pin, công suất tiêu thụ, nhiệt độ và chế độ sạc-xả. Thứ ba, sử dụng MATLAB/Simulink mô phỏng điều kiện thực tế. Thứ tư, dự đoán tuổi thọ pin và đưa ra khuyến cáo nâng cao hiệu quả vận hành pin Lithium-ion trên xe ô tô điện.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất pin xe điện

Nhiều yếu tố tác động đến hiệu suất và tuổi thọ của pin xe điện. Nhiệt độ là yếu tố quan trọng hàng đầu. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp đều gây suy giảm dung lượng pin nhanh chóng. Cường độ dòng điện xả cũng ảnh hưởng lớn đến dung lượng và tuổi thọ. Dòng điện xả cao làm tăng điện trở nội, sinh nhiệt và đẩy nhanh quá trình thoái hóa. Chế độ sạc CC-CV (dòng điện không đổi – điện áp không đổi) là phương pháp phổ biến nhất. Giai đoạn CC cung cấp dòng điện ổn định đến khi pin đạt điện áp mục tiêu. Giai đoạn CV duy trì điện áp không đổi và giảm dần dòng sạc. Số chu kỳ nạp-xả cũng quyết định trực tiếp đến SOH. Mỗi chu kỳ nạp-xả làm giảm nhẹ dung lượng thực tế của pin. Sau hàng trăm đến hàng nghìn chu kỳ, pin suy giảm đáng kể. Cấu hình ghép pin – nối tiếp hoặc song song – cũng tạo ra sự khác biệt. Nối tiếp tăng điện áp theo định luật Kirchhoff. Song song tăng dung lượng và kéo dài thời lượng sử dụng.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và dòng điện đến pin Lithium ion

Nhiệt độ hoạt động lý tưởng của pin Lithium-ion nằm trong khoảng 20–45°C. Dưới 0°C, phản ứng điện hóa chậm lại, dung lượng giảm rõ rệt và pin có thể hư hỏng khi sạc. Trên 60°C, pin có nguy cơ nhiệt hóa mất kiểm soát, gây phồng nổ và mất an toàn. Dòng điện xả lớn sinh nhiệt nhanh bên trong tế bào pin. Điều này làm tăng điện trở nội và đẩy nhanh quá trình lão hóa vật liệu điện cực. Hệ thống quản lý nhiệt (TMS) đóng vai trò kiểm soát nhiệt độ pin trong phạm vi an toàn.

2.2. Tác động của chu trình sạc xả đến SOC và SOH của pin

SOC (State of Charge) phản ánh mức năng lượng còn lại trong pin theo tỷ lệ phần trăm. SOH (State of Health) đánh giá mức độ suy giảm dung lượng so với giá trị ban đầu. Mỗi chu kỳ sạc-xả gây tích lũy tổn thương vi mô trong vật liệu điện cực và chất điện phân. Sạc quá mức (overcharge) hoặc xả quá sâu (over-discharge) đẩy nhanh sự suy giảm SOH. BMS có nhiệm vụ theo dõi SOC và SOH liên tục, đồng thời thực hiện cân bằng pin giữa các tế bào trong bộ pin.

III. Phương pháp mô phỏng pin xe điện bằng MATLAB Simulink

Đề tài sử dụng MATLAB/Simulink làm công cụ mô phỏng chính. MATLAB/Simulink cung cấp thư viện mô hình pin phong phú và khả năng tính toán số chính xác cao. Mô hình pin Lithium-ion được xây dựng dựa trên các thông số thực nghiệm gồm điện áp hở mạch, điện trở nội và đặc tính nạp-xả. Chu trình mô phỏng tái hiện các điều kiện vận hành thực tế của xe điện trên đường. Các kịch bản mô phỏng bao gồm chế độ đô thị, đường cao tốc và chế độ hỗn hợp. Hệ thống quản lý pin (BMS) được mô phỏng song song để kiểm tra các chức năng bảo vệ. Chức năng bảo vệ gồm chống quá sạc, chống quá nhiệt và cân bằng dung lượng giữa các cell. Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu về SOC, SOH, nhiệt độ và công suất tiêu thụ theo thời gian thực. Dữ liệu này là cơ sở để đánh giá hiệu quả vận hành và đề xuất cải tiến kỹ thuật. Phương pháp sạc CC-CV cũng được mô phỏng chi tiết nhằm đánh giá tác động đến tuổi thọ pin trong điều kiện sạc thực tế.

3.1. Xây dựng mô hình tính toán pin trong MATLAB Simulink

Mô hình pin trong Simulink sử dụng phương trình điện hóa kết hợp với mô hình nhiệt. Thông số đầu vào gồm dung lượng định mức, điện áp danh định, điện trở nội và hệ số nhiệt độ. Mô hình tái hiện hành vi pin qua từng bước thời gian nhỏ với độ chính xác cao. Các khối chức năng trong Simulink liên kết để tính toán SOC, SOH và nhiệt độ đồng thời. Kết quả được hiển thị và phân tích qua các scope và dashboard trực quan trong môi trường MATLAB.

3.2. Mô phỏng hệ thống BMS và chế độ sạc CC CV

BMS được mô phỏng với các module bảo vệ quá sạc, quá xả và quá nhiệt hoạt động độc lập. Module cân bằng pin (cell balancing) đảm bảo các tế bào pin trong cùng bộ pin hoạt động đồng đều. Chế độ sạc CC-CV được thực hiện qua hai giai đoạn kết nối liên tục trong mô hình. Giai đoạn CC giữ dòng sạc không đổi đến khi đạt điện áp ngưỡng. Giai đoạn CV duy trì điện áp và giảm dần dòng sạc đến mức tối thiểu, đảm bảo pin sạc đầy an toàn và kéo dài tuổi thọ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu pin xe điện

Nghiên cứu đã đạt được nhiều kết quả có giá trị khoa học và thực tiễn. Mô hình mô phỏng trong MATLAB/Simulink phản ánh chính xác hành vi pin Lithium-ion dưới các điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả cho thấy nhiệt độ và cường độ dòng xả là hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi thọ pin. Chế độ sạc CC-CV kết hợp với BMS hoạt động chính xác giúp kéo dài tuổi thọ pin đáng kể. Khuyến cáo từ nghiên cứu bao gồm duy trì nhiệt độ pin trong khoảng 20–40°C, tránh sạc quá mức và xả quá sâu. Đề tài cũng khuyến nghị sử dụng chế độ sạc chậm ở mức 0.5C khi có thể để giảm tốc độ thoái hóa pin. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp vào thiết kế BMS cho xe điện nội địa. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển tiếp theo gồm tích hợp học máy để dự đoán SOH và tuối thọ pin theo thời gian thực. Đây là nền tảng quan trọng cho ngành công nghiệp xe điện đang phát triển tại Việt Nam.

4.1. Khuyến cáo nâng cao tuổi thọ pin xe điện từ kết quả mô phỏng

Từ dữ liệu mô phỏng, một số khuyến cáo thực tiễn được đưa ra. Không sạc pin vượt quá 80–90% dung lượng trong sử dụng hằng ngày để giảm ứng suất điện hóa. Không để pin xả xuống dưới 10–20% dung lượng. Tránh sạc nhanh liên tục vì dòng lớn sinh nhiệt cao và đẩy nhanh lão hóa. Bảo quản xe ở nơi thoáng mát khi không sử dụng lâu ngày. Theo dõi định kỳ SOH để phát hiện suy giảm sớm và có kế hoạch thay thế pin kịp thời.

4.2. Hướng phát triển nghiên cứu pin xe điện tại Việt Nam

Nghiên cứu này đặt nền móng cho các hướng phát triển tiếp theo trong lĩnh vực pin xe điện tại Việt Nam. Hướng đầu tiên là tích hợp thuật toán học máy vào BMS để dự đoán SOH và thời gian thay thế pin chính xác hơn. Hướng thứ hai là mở rộng mô phỏng sang các hóa học pin mới như LFP và solid-state battery. Hướng thứ ba là xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm về pin xe điện trong điều kiện khí hậu nhiệt đới của Việt Nam, hỗ trợ thiết kế hệ thống quản lý nhiệt phù hợp với đặc thù địa phương.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm không khí tại các khu đô thị đang trở thành vấn đề môi trường và sức khỏe nghiêm trọng, trong đó khí thải từ các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong (ICE) chứa hàm lượng lớn khí carbonic ($CO_2$) và các hợp chất độc hại. Song song đó, sự cạn kiệt của nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch đặt ra yêu cầu cấp thiết về các giải pháp giao thông xanh. Xe điện chạy pin (BEV) phát triển như một xu thế tất yếu nhằm giảm thiểu phát thải nhà kính và thúc đẩy nền kinh tế bền vững.

Trong cấu trúc xe điện, bộ pin là nguồn lưu trữ và cung cấp năng lượng chính, chiếm tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng, không gian bố trí cũng như chi phí sản xuất toàn xe. Pin chi phối trực tiếp đến hiệu suất vận hành (khả năng tăng tốc, leo dốc) và quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc. Dù vậy, công nghệ pin hiện nay vẫn đang đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật như tuổi thọ suy giảm theo chu kỳ hoạt động, hiệu suất phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ môi trường, nguy cơ mất an toàn nhiệt và chi phí chế tạo cao.

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Tính toán, mô phỏng, đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến pin xe điện" được nhóm tác giả Nguyễn Tiến Thắng và Nguyễn Hoàng Duy Tân thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Văn Ánh Dương tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm khảo sát toàn diện đặc tính vận hành của khối pin.

Văn bản xác định rõ 7 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

1. Hiểu biết rõ về cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của pin và hệ thống quản lý pin (BMS) được sử dụng trên xe ô tô điện.
2. Tính toán và xác định thông số cần thiết (dung lượng pin, công suất tiêu thụ, nhiệt độ hoạt động và hoạt động sạc/xả) để phục vụ cho việc xây dựng mô hình tính toán mô phỏng.
3. Sử dụng MATLAB/Simulink để tính toán và mô phỏng các điều kiện hoạt động thực tế của ô tô điện và đánh giá độ an toàn, hiệu quả của các chức năng BMS (cân bằng pin, bảo vệ quá sạc và quá nhiệt).
4. Hiểu biết rõ về hiệu suất, nhiệt độ và quá trình sạc của pin, mô phỏng và đánh giá sự ảnh hưởng sạc CC - CV đến pin trên xe ô tô điện.
5. Dự đoán tuổi thọ, độ bền của pin trong điều kiện hoạt động khác nhau và đưa ra khuyến cáo nâng cao hiệu quả hoạt động của pin Lithium-ion trên xe ô tô điện.
6. Nghiên cứu và tìm hiểu rõ các yếu tố gây thoái hóa, làm giảm tuổi thọ pin và đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng và hiệu xuất pin.
7. Làm nguồn tổng hợp tài liệu giúp sinh viên ô tô và người dùng củng cố kiến thức, có thêm các thông tin hữu ích tham khảo khi quan tâm đến đề tài.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Pin Lithium-ion và hệ thống quản lý pin (BMS) trang bị trên ô tô điện.
• Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp tính toán, mô phỏng bằng công cụ MATLAB/Simulink; dữ liệu kỹ thuật và thông số mô phỏng được xây dựng dựa trên mẫu xe điện đại diện VinFast VF8 (sử dụng cụm pin HV SDI với tế bào pin chuẩn INR_18650); khảo sát năng lượng tiêu thụ, trạng thái sạc (SOC), dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sức khỏe (SOH) dưới các điều kiện chu trình lái (chu trình chuẩn WLTC Class 3b và chu trình tự thiết lập), chế độ tải trọng và phương pháp sạc CC-CV. Thời gian hoàn thành công trình vào tháng 12 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên sự kết hợp giữa lý thuyết động lực học chuyển động ô tô, lý thuyết điện hóa và nhiệt động học của hệ thống lưu trữ năng lượng:

• Định luật điện học cơ bản: Ứng dụng định luật Kirchhoff I (bảo toàn dòng điện tại nút) và Kirchhoff II (bảo toàn điện áp trong mạch vòng) để phân tích đặc tính ghép nối tế bào pin thành module và pack pin (nối tiếp làm tăng điện áp và công suất; song song làm tăng dung lượng, dòng xả khả dụng và công suất).
• Lý thuyết điện hóa pin: Phân tích cấu trúc vật liệu gồm cực dương ($LiMO_2$, LCO, LFP, NMC, LMO, NCA, LTO), cực âm (than chì, titanat), màng ngăn (Separator) và chất điện phân (Electrolyte), cùng cơ chế dịch chuyển ion/electron trong các quá trình nạp và xả.
• Mô hình hóa pin: Tổng quan các trường phái mô hình hóa gồm mô hình điện hóa (Electrochemical model), mô hình dựa trên dữ liệu (Data-driven model) và mô hình mạch tương đương (Equivalent Circuit Model - ECM). Trong nhóm ECM, các cấu trúc được khảo sát gồm mô hình điện trở trong thuần ($R_0$), mô hình Thevenin một nhánh RC ($n=1$), mô hình phân cực kép Dual Polarization hai nhánh RC ($n=2$), mô hình PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles) và mô hình phi tuyến tổng quát GNL.
• Lý thuyết nhiệt và làm mát pin: Cơ chế cân bằng nhiệt lượng ròng ($Q_{net} = Q_{thermal} - Q_{cool}$), tính toán công suất nhiệt tỏa ra $P$ do điện trở nội và sụt áp trên các nhánh RC: $$\frac{(V_{RC1})^2}{R_1} + \frac{(V_{RC2})^2}{R_2}$$ truyền nhiệt đối lưu qua hệ thống làm mát sạc (CTMS) với hệ số truyền nhiệt $h$, diện tích bề mặt ống dẫn đường kính $D$, chiều dài tiếp xúc $L$, nhiệt dung riêng chất lỏng $c_p$, chênh lệch nhiệt độ giữa tế bào pin ($T_{cell}$) và môi trường làm mát ($T_{liquid}$).
• Thuật toán sạc và suy giảm tuổi thọ: Mô hình sạc dòng không đổi - áp không đổi (CC-CV), sạc xung và sạc đa bước (MCC-CV). Thuật toán thoái hóa tính toán tốc độ suy giảm thực tế ($DegRate$) dựa trên chỉ số thoái hóa cơ bản ($DegRatestandand$), hệ số độ sâu xả ($K_DOD$) và hệ số nhiệt độ ($K_Temp$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp tổng quan tài liệu: Khảo cứu các công trình nghiên cứu trong nước (nghiên cứu về so sánh các loại pin của ThS. Trần Hữu Quy; tính toán hệ thống pin xe điện của ThS. Đinh Tấn Ngọc; khảo sát năng lượng phanh tái sinh xe VinFast VF8 của nhóm tác giả Vũ Hải Quân và cộng sự) và các công trình quốc tế (Manh-Kien Tran, Long Zhou, Chris Roberts, Laxman Timilsina, Andrey W. Golubkov, Marco Bernagozzi).
• Phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng số: Thiết lập các khối hàm tính toán công suất cản lăn ($f$), cản không khí, cản dốc và quán tính trên phần mềm MATLAB/Simulink; tích hợp các bảng tra cứu dữ liệu thực nghiệm (Lookup Table) giữa điện áp mạch hở $OCV$ và $SOC$.
• Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật từ tài liệu kỹ thuật xe VinFast VF8 phiên bản Eco và Plus; bảng thông số thực nghiệm tế bào pin INR_18650; dữ liệu chu trình vận hành tiêu chuẩn quốc tế WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycles) Class 3b.

Nhóm thông số / Ký hiệu	Đại lượng và Ý nghĩa kỹ thuật	Đơn vị đo
$V_{limit}$	Ngưỡng điện áp tối đa cho phép trong pha sạc CV	V
$CVgain$	Hệ số điều chỉnh giảm dòng trong pha áp không đổi	-
$OCV(SOC)$	Điện áp mạch hở nội suy theo trạng thái dung lượng còn lại	V
$K_DOD$ / $K_Temp$	Hệ số suy giảm tuổi thọ phụ thuộc độ xả sâu và nhiệt độ	-
$h$ / $c_p$	Hệ số truyền nhiệt đối lưu / Nhiệt dung riêng của chất làm mát	$W/(m^2 \cdot K)$ / $J/(kg \cdot K)$
$D$ / $L$	Đường kính trong / Chiều dài tiếp xúc ống làm mát	m
$m_{kt}$ / $m_t$	Khối lượng xe không tải / Khối lượng xe toàn tải	kg

Thiết kế và triển khai mô hình mô phỏng

Đồ án triển khai hệ thống mô phỏng kỹ thuật trên nền tảng MATLAB/Simulink với cấu trúc liên kết đa khối:

• Khối nguồn chu trình lái (Drive Cycle Source): Cung cấp tín hiệu vận tốc theo thời gian thực nghiệm, cho phép lựa chọn linh hoạt giữa chu trình chuẩn WLTC Class 3b và chu trình vận hành tự thiết lập.
• Khối tính toán động lực học phương tiện: Tiếp nhận thông số vận tốc, gia tốc để tính toán lực cản tổng hợp ($F_{cản}$) tác động lên ô tô (lực cản lăn phụ thuộc hệ số $f$, lực cản khí động học và lực quán tính), từ đó tính ra công suất tức thời ($P_{tổng}$). Một khối công tắc chuyển đổi (Toggle Switch) được tích hợp để mô phỏng sự biến thiên tải trọng giữa trạng thái không tải ($m_{kt}$) và có tải ($m_t$).
• Khối tính toán năng lượng tiêu thụ ($E_{tổng}$ và $E_{tổng_phụ}$): Thực hiện tích phân công suất theo thời gian nhằm xuất ra các đại lượng năng lượng tiêu tốn, quãng đường tích lũy và dòng điện xả. Một khối trượt (Slider Switch) được thiết lập nhằm đưa vào công suất của các phụ tải điện trên xe (chia thành nhóm tải tiêu thụ liên tục và nhóm tải gián đoạn).
• Khối tính toán SOC và điện áp pin: Sử dụng thuật toán đếm Coulomb kết hợp phương pháp tổng hợp và mở rộng quy mô (Scale-up) từ tế bào pin INR_18650 lên bộ pin hoàn chỉnh. Khối bảng tra Lookup Table kết hợp hàm MATLAB Function nội suy giá trị điện áp cực dựa trên $OCV(SOC)$ và sụt áp nội trở.
• Khối mô phỏng giải thuật sạc CC-CV và hệ thống CTMS: Khối sạc thực hiện thuật toán cấp dòng nạp không đổi ở giai đoạn đầu (CC), liên tục giám sát điện áp đến khi chạm ngưỡng $V_{limit}$ thì tự động chuyển sang chế độ điện áp không đổi (CV) với dòng điện suy giảm dần. Khối nhiệt CTMS giải phương trình vi phân truyền nhiệt đối lưu để theo dõi động học tăng nhiệt của pin $T_{cell}$ dưới tác động giải nhiệt của chất lỏng $T_{liquid}$.
• Khối dự đoán suy thoái SOH: Ứng dụng giải thuật tính toán tích lũy tỷ lệ thoái hóa $DegRate$ qua từng chu kỳ sạc-xả, liên kết hệ số độ sâu xả $K_DOD$ và nhiệt độ $K_Temp$ để xuất đồ thị suy giảm dung lượng và dự đoán tuổi thọ vận hành qua 3 trường hợp chu kỳ lái.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Lý do chọn đề tài

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả và tuổi thọ pin xe điện trong bối cảnh ô nhiễm môi trường và chuyển dịch năng lượng. Chương này tổng hợp có hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước (Trần Hữu Quy, Đinh Tấn Ngọc, Vũ Hải Quân) và tài liệu quốc tế (Manh-Kien Tran, Long Zhou, Chris Roberts, Laxman Timilsina, Golubkov, Bernagozzi) liên quan đến mô hình hóa pin, ước lượng SOC/SOH, hệ thống BMS và giải nhiệt pin. Đồng thời, chương 1 công bố chi tiết mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp luận và cấu trúc nội dung đồ án.

Chương 2. Giới thiệu về xe điện

Chương 2 trình bày tiến trình lịch sử phát triển của xe điện từ các mốc phát minh ban đầu (Ányos Jedlik năm 1828, Thomas Davenport năm 1834, Robert Anderson năm 1835), giai đoạn hoàng kim thập niên 1900, sự thoái trào khi động cơ đốt trong chiếm lĩnh, cho đến thời kỳ phục hưng vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21. Tác giả phân loại 4 nhóm phương tiện gồm: xe lai điện sạc ngoài (PHEV), xe điện pin nhiên liệu (FCEV), xe lai điện (HEV) và xe điện chạy pin (BEV), làm rõ ưu - nhược điểm của từng loại.

Nội dung trọng tâm của chương là giới thiệu chi tiết dòng xe điện VinFast VF8 (tên gọi ban đầu VF e35):

• Thông số kích thước: Chiều dài cơ sở 2950 mm, kích thước bao $4750 \times 1934 \times 1667$ mm, khoảng sáng gầm xe 176 mm.
• Hệ thống truyền động: Trang bị 2 động cơ điện độc lập ở 2 cầu (công suất định mức 150 kW mỗi motor), hệ dẫn động 4 bánh toàn thời gian (AWD). Động cơ điện đạt hiệu suất truyền tải xấp xỉ 90% (so với 35% của động cơ đốt trong), kết hợp hộp số một cấp giúp tối ưu hóa tổn thất cơ khí.
• Hệ thống sạc: Hỗ trợ sạc chậm xoay chiều AC (chuẩn Type 2, công suất tối đa 11 kW qua nguồn 220V dân dụng hoặc trạm công cộng, thời gian sạc đầy từ 8 đến 12 giờ; bộ sạc di động đạt công suất 2,2 kW đến 7,4 kW) và sạc nhanh một chiều DC (chuẩn CCS2 Combo 2, công suất trạm tối đa 250 kW, thời gian sạc từ 10% đến 70% trong khoảng 24 phút).
• Hệ thống phanh tái sinh: Cơ chế đảo chiều động cơ điện thành máy phát khi xe giảm tốc. Tùy thuộc điều kiện vận hành đô thị, tỷ lệ thu hồi năng lượng đạt từ 10% đến 25%. Khi mức giảm tốc phanh duy trì trong dải $2 - 3\ m/s^2$, hiệu quả thu hồi năng lượng có thể đạt tới 90%, giảm hao mòn phanh ma sát cơ học.

Thông số kỹ thuật	VinFast VF8 Phiên bản ECO	VinFast VF8 Phiên bản PLUS
Chiều dài cơ sở (mm)	2950	2950
Dài x Rộng x Cao (mm)	4750 x 1934 x 1667	4750 x 1934 x 1667
Khoảng sáng gầm không tải (mm)	176	176
Cấu hình động cơ	2 Motor (Loại 150 kW)	2 Motor (Loại 150 kW)
Hệ dẫn động	AWD (2 cầu toàn thời gian)	AWD (2 cầu toàn thời gian)
Công suất tối đa (kW)	260	300
Mô-men xoắn cực đại (Nm)	500	640
Chế độ vận hành tích hợp	Eco, Normal	Eco, Normal, Sport

Chương 3. Tổng quan về pin xe điện

Chương 3 phân tích sâu cơ sở lý thuyết về pin lưu trữ, cấu trúc các cách mắc pin và bản chất các phản ứng điện hóa diễn ra ở 4 thành phần cơ bản (cực dương, cực âm, màng ngăn separator và dung dịch điện phân). Tác giả so sánh chi tiết 4 dòng pin phổ biến trong lịch sử kỹ thuật ô tô:

• Pin Axit Chì (FLA, SLA, AGM): Cực dương $PbO_2$, cực âm Pb, giá thành thấp nhưng mật độ năng lượng kém và tuổi thọ ngắn.
• Pin Niken Cadmium (Ni-Cd): Cực dương $NiOOH$, cực âm Cd, gặp hạn chế nghiêm trọng về độc tính môi trường và hiệu ứng nhớ dung lượng.
• Pin Niken hydrua kim loại (NiMH): Tăng mật độ năng lượng so với Ni-Cd, ứng dụng trên nhiều dòng xe HEV nhưng tốc độ tự xả còn cao.
• Pin Lithium-ion: Nổi trội về mật độ năng lượng, điện áp danh định và vòng đời hoạt động. Chương phân tích đặc tính của các phân nhóm vật liệu catốt Li-ion: Lithium Cobalt Oxide ($LiCoO_2$ - LCO), Lithium Iron Phosphate ($LiFePO_4$ - LFP), Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide ($LiNiMnCoO_2$ - NMC), Lithium Manganese Oxide ($LiMn_2O_4$ - LMO), Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide ($LiNiCoAlO_2$ - NCA) và Lithium Titanate ($Li_4Ti_5O_{12}$ - LTO).

Chương 3 khẳng định bộ pin trên xe VinFast VF8 phiên bản ECO sử dụng cụm pin HV SDI (sử dụng tế bào pin SDI của hãng Samsung SDI) và pin CATL. Cụm pin có mức dung lượng khả dụng xấp xỉ 88 kWh, điện áp danh định 400V, đảm bảo phạm vi hoạt động đạt trên 400 km theo chu trình kiểm thử WLTP.

Tiêu chí so sánh	Pin Axit Chì	Pin Ni-Cd	Pin NiMH	Pin Lithium-ion
Mật độ năng lượng	Rất thấp	Thấp	Trung bình	Rất cao
Hiệu ứng nhớ	Không	Có rõ rệt	Có mức độ nhẹ	Không có
Tự xả	Thấp	Đáng kể	Cao	Rất thấp
Tuổi thọ chu kỳ	Ngắn	Trung bình	Khá	Dài
Ứng dụng ô tô chính	Bình ắc quy khởi động 12V	Xe thế hệ cũ	Xe lai HEV	Xe thuần điện BEV/PHEV

Chương 4. Lý thuyết mô hình hóa pin Lithium-ion

Chương 4 khảo sát có hệ thống các phương pháp mô hình hóa pin Lithium-ion nhằm phục vụ thuật toán BMS:

• So sánh các phương pháp tiếp cận: Mô hình điện hóa có độ chính xác cao về mặt hóa lý nhưng độ phức tạp tính toán lớn; mô hình dữ liệu đòi hỏi lượng mẫu thực nghiệm khổng lồ; mô hình mạch tương đương (ECM) cân bằng tối ưu giữa độ chính xác và tốc độ xử lý trong thời gian thực.
• Phân tích cấu trúc các bậc mô hình ECM: Mô hình nội trở $R_0$; mô hình Thevenin ($n=1$ nhánh RC song song mô tả quá trình phân cực); mô hình Dual Polarization ($n=2$ nhánh RC phản ánh đồng thời phân cực điện hóa và phân cực nồng độ); mô hình PNGV (bổ sung tụ điện nối tiếp mô tả biến thiên OCV theo dung lượng tích lũy); mô hình phi tuyến GNL.
• Hệ thống quản lý pin (BMS): Trình bày lý thuyết tính toán trạng thái sạc (SOC), trạng thái sức khỏe (SOH dựa trên sự tăng nội trở và suy giảm dung lượng danh định), kỹ thuật cân bằng pin chủ động/thụ động và hệ thống quản lý nhiệt (TMS).
• Chế độ nạp pin: Phân tích 3 phương pháp sạc gồm sạc dòng không đổi - áp không đổi (CC-CV), sạc xung (Pulse charging) và sạc đa bước dòng điện (MCC-CV); xác định phương pháp CC-CV là giải pháp tối ưu được tích hợp trên xe thực tế và mô hình mô phỏng.

Chương 5. Tính toán, mô phỏng, đánh giá một số yếu tố liên quan đến pin xe điện

Chương 5 hiện thực hóa toàn bộ các thuật toán và mô hình đã xây dựng trên phần mềm MATLAB/Simulink:

• Thiết lập thông số mô phỏng: Cấu hình khối động lực học xe VinFast VF8 và pack pin HV SDI cấu tạo từ các cell pin INR_18650.
• Khảo sát chu trình vận hành: Chạy mô phỏng kiểm tra trên chu trình chuẩn WLTC Class 3b và chu trình lái tự thiết lập; ghi nhận đồ thị biến thiên của các thông số quãng đường tích lũy, công suất tiêu thụ $P_{tổng}$, năng lượng tiêu tốn $E_{tổng}$, mức sụt giảm trạng thái sạc SOC và cường độ dòng điện xả.
• Đánh giá ảnh hưởng của phụ tải: So sánh giữa trường hợp xe vận hành thuần động lực với trường hợp bật các hệ thống phụ tải (điều hòa, giải trí, chiếu sáng). Dữ liệu chỉ rõ phụ tải làm gia tăng dòng phóng tức thời và đẩy nhanh tốc độ sụt giảm SOC của khối pin.
• Đánh giá ảnh hưởng của khối lượng xe: So sánh hai trạng thái tải trọng không tải ($m_{kt}$) và toàn tải ($m_t$). Khối lượng gia tăng làm tăng lực cản lăn và lực cản quán tính khi tăng tốc, kéo theo công suất tiêu thụ và năng lượng tiêu hao $E_{tổng}$ tăng cao rõ rệt.
• Mô phỏng quá trình sạc CC-CV và CTMS: Thuật toán chuyển đổi dòng-áp vận hành chính xác; dòng điện nạp duy trì ổn định ở pha CC cho tới khi điện áp chạm ngưỡng $V_{limit}$, sau đó chuyển sang pha CV với dòng suy giảm tuyến tính theo hệ số $CVgain$. Khối CTMS kiểm soát hiệu quả nhiệt độ tế bào $T_{cell}$ thông qua quá trình trao đổi nhiệt đối lưu với chất làm mát $T_{liquid}$.
• Dự đoán thoái hóa SOH: Xây dựng lưu đồ giải thuật và khối mã mô phỏng chỉ số suy giảm $DegRate$; xuất đồ thị tương quan giữa số chu kỳ sạc-xả, tổng quãng đường vận hành của xe và trạng thái sức khỏe SOH qua 3 trường hợp điều kiện vận hành cụ thể.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả định lượng và phát hiện chính trích xuất từ đồ án:

• Đặc tính tiêu thụ năng lượng và tải trọng: Đồ án đã tính toán và xuất các đường cong thực nghiệm mô phỏng cho thấy sự gia tăng khối lượng xe từ mức không tải ($m_{kt}$) lên toàn tải ($m_t$) làm gia tăng trực tiếp công suất tải $P_{tổng}$ và độ dốc sụt giảm của đường đặc tính SOC theo thời gian trên chu trình WLTC Class 3b.
• Tác động của phụ tải: Hệ thống phụ tải điện liên tục và gián đoạn tiêu thụ một phần công suất đáng kể từ cụm pin 88 kWh; việc kích hoạt phụ tải làm dòng điện xả trung bình tăng vọt, làm giảm phạm vi hành trình thực tế so với điều kiện lý thuyết.
• Cơ chế thu hồi năng lượng phanh: Dẫn chứng số liệu thực nghiệm khẳng định hệ thống phanh tái tạo trên VinFast VF8 thu hồi được từ 10% đến 25% tổng năng lượng tiêu hao trong chu trình giao thông đô thị; khi người lái duy trì mức giảm tốc trong dải tối ưu $2 - 3\ m/s^2$, hiệu quả thu hồi cơ năng thành điện năng nạp lại pin đạt mức 90%.
• Quy luật sạc và kiểm soát nhiệt: Mô hình thuật toán CC-CV chứng minh được tính an toàn khi sạc; pha CV kích hoạt đúng ngưỡng $V_{limit}$ giúp dòng điện triệt tiêu dần, ngăn ngừa tình trạng quá áp các cell pin. Hệ thống CTMS duy trì nhiệt độ khối pin trong vùng giới hạn an toàn nhờ môi chất lỏng làm mát, khống chế nguy cơ quá nhiệt.
• Mô hình hóa suy giảm SOH: Đồ án làm rõ định lượng tốc độ suy giảm tuổi thọ pin bị chi phối đồng thời bởi hai hệ số cốt lõi: hệ số xả sâu $K_DOD$ và hệ số nhiệt độ $K_Temp$; từ đó xác lập dự báo số chu kỳ sạc-xả và tổng quãng đường xe di chuyển trước khi pin chạm ngưỡng suy thoái quy định qua 3 kịch bản vận hành.

Giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật từ nhóm tác giả:

• Về thói quen sạc: Hạn chế tối đa việc lạm dụng sạc nhanh DC công suất cao (250 kW), bởi quá trình sạc nhanh thúc đẩy tốc độ phản ứng hóa học tỏa nhiệt mạnh, dễ làm giảm vòng đời (life cycle) của pin; nhà sản xuất khuyến nghị kết hợp hài hòa giữa sạc chậm xoay chiều AC (11 kW) tại nhà qua đêm và sạc DC khi di chuyển đường dài.
• Về chế độ vận hành: Người dùng nên ưu tiên kích hoạt chế độ lái Eco trong điều kiện đường sá bằng phẳng, tải nhẹ nhằm giữ công suất động cơ ở mức thấp, hạn chế dòng xả đỉnh của pin, từ đó kéo dài thời gian đến lần sạc kế tiếp.
• Về quản lý năng lượng: Tận dụng cơ chế phanh tái sinh bằng cách giữ khoảng cách giảm tốc hợp lý ($2 - 3\ m/s^2$) để tối ưu lượng điện thu hồi; tránh khai thác pin ở trạng thái xả quá sâu (DOD cao) thường xuyên để hạn chế chỉ số thoái hóa $DegRate$.

Đóng góp của công trình so với các nghiên cứu trước:

• Tác giả tự đánh giá rằng trong khi các nghiên cứu tiền nhiệm chỉ tập trung vào việc giới thiệu thành phần hóa học thuần túy (như công trình của ThS. Trần Hữu Quy) hoặc chỉ tính toán riêng lẻ động lực học pin (như công trình của ThS. Đinh Tấn Ngọc), thì đồ án này đã tích hợp toàn diện mô hình động lực học phương tiện với mô hình pin mạch tương đương trên MATLAB/Simulink.
• Mô hình hóa chi tiết chu trình sạc CC-CV có gắn liền với thuật toán giải nhiệt CTMS và thuật toán dự đoán tuổi thọ pin SOH dựa trên các hệ số thực nghiệm, cung cấp bức tranh mô phỏng đa thông số bám sát các điều kiện vận hành của dòng xe điện VinFast VF8.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Các kết quả đánh giá về dòng điện, SOC, nhiệt độ và suy giảm SOH hoàn toàn được trích xuất từ mô hình mô phỏng trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink dựa trên các thông số kỹ thuật lý thuyết và bảng dữ liệu nội suy (Lookup Table), chưa được đối chứng với số liệu đo kiểm thực tế trực tiếp từ cổng OBD trên xe VinFast VF8 lăn bánh ngoài đường thực.
• Thuật toán thoái hóa SOH được xây dựng dựa trên công thức hàm thực nghiệm phụ thuộc $K_DOD$ và $K_Temp$, chưa mô phỏng chi tiết các quá trình suy thoái tế vi nội tại của vật liệu điện cực và lớp màng thụ động hóa (SEI) trong các tế bào pin.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Kết nối hệ thống đo lường thực tế trên xe điện VinFast VF8 nhằm thu thập chuỗi dữ liệu thực tế về dòng điện, điện áp và nhiệt độ khi xe vận hành trên các cung đường địa hình thực tế tại Việt Nam để hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình Simulink.
• Tích hợp thêm các giải thuật ước lượng trạng thái nâng cao vào khối BMS như bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) hoặc mạng nơ-ron để tăng độ chính xác ước lượng SOC/SOH.
• Nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng thoát nhiệt (thermal runaway) trên các tế bào pin INR_18650 để nâng cao hiệu năng của hệ thống giải nhiệt chất lỏng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật chuyên sâu dành cho:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Điện - Điện tử hoặc Cơ điện tử đang thực hiện đồ án tốt nghiệp, luận văn về xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng.
• Kỹ sư và người nghiên cứu đang tìm kiếm cấu trúc mô hình hóa tích hợp đa khối trên MATLAB/Simulink nhằm mô phỏng động lực học tiêu hao năng lượng xe điện theo chu trình lái chuẩn quốc tế WLTC Class 3b.
• Phần đáng tham khảo nhất trong công trình là Chương 5, đặc biệt là sơ đồ cấu trúc các khối hàm Simulink (khối tính động lực học xe, khối tính $E_{tổng_phụ}$, khối Lookup Table nội suy OCV, thuật toán sạc CC-CV kết hợp giải nhiệt CTMS và lưu đồ giải thuật dự đoán tuổi thọ pin theo SOH).

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng đối tượng xe điện thực tế nào để thu thập dữ liệu và xây dựng mô hình mô phỏng?
Nghiên cứu lấy mẫu xe điện SUV cỡ trung cao cấp VinFast VF8 (phiên bản ECO và PLUS) làm đối tượng tham chiếu kỹ thuật. Xe trang bị 2 động cơ điện 150 kW ở hai cầu (dẫn động AWD), công suất tối đa 260 kW (bản Eco) hoặc 300 kW (bản Plus), sử dụng cụm pin Lithium-ion HV SDI (Samsung SDI) với dung lượng khả dụng xấp xỉ 88 kWh và điện áp danh định 400V.

2. Quá trình sạc CC-CV được lập trình trong mô hình mô phỏng gồm những giai đoạn nào?
Quá trình sạc CC-CV gồm hai giai đoạn kế tiếp: giai đoạn CC (Constant Current - dòng điện không đổi) cung cấp dòng điện nạp cao và cố định để đẩy nhanh dung lượng pin (SOC) từ mức thấp; khi điện áp đạt đến ngưỡng tối đa $V_{limit}$, hệ thống chuyển sang giai đoạn CV (Constant Voltage - điện áp không đổi), duy trì điện áp cố định và hạ dần cường độ dòng điện nạp qua hệ số $CVgain$ nhằm chống quá tải nhiệt và bảo vệ tuổi thọ cell pin.

3. Khả năng thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên xe VinFast VF8 được văn bản nêu ra như thế nào?
Văn bản nêu rõ trong điều kiện chạy thành phố, giá trị tối đa của năng lượng tái tạo thay đổi từ 10% đến 25%. Các kết quả thực nghiệm trích dẫn cho thấy khi người lái duy trì mức giảm tốc phanh trong giới hạn $2 - 3\ m/s^2$, hiệu quả phanh tái tạo có thể đạt mức lên đến 90%, giảm thiểu sự biến đổi động năng thành nhiệt và ma sát trên hệ thống phanh cơ học.

4. Mô hình dự đoán tuổi thọ (SOH) của pin trong đồ án dựa trên các tham số cốt lõi nào?
Thuật toán dự đoán thoái hóa SOH được thiết lập dựa trên chỉ số suy giảm thực tế ($DegRate$), tính toán từ chỉ số suy thoái cơ bản ($DegRatestandand$) kết hợp với hai hệ số hiệu chỉnh chính: hệ số ảnh hưởng của độ xả sâu ($K_DOD$) và hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động ($K_Temp$).

5. Đồ án đã khảo sát các dòng pin nào trước khi đi sâu vào cụm pin của xe VinFast VF8?
Đồ án đã tổng quan và so sánh 4 công nghệ pin gồm: pin Axit Chì, pin Niken Cadmium (Ni-Cd), pin Niken hydrua kim loại (NiMH) và pin Lithium-ion; trong đó phân tích chi tiết 6 hệ vật liệu cực dương Li-ion gồm LCO, LFP, NMC, LMO, NCA và LTO, trước khi lựa chọn mô phỏng pack pin HV SDI cấu thành từ các cell INR_18650 của xe VF8.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Tiến Thắng và Nguyễn Hoàng Duy Tân đã hoàn thành việc xây dựng mô hình tính toán, mô phỏng và đánh giá toàn diện các yếu tố ảnh hưởng đến pin Lithium-ion trên xe điện VinFast VF8 bằng phần mềm MATLAB/Simulink. Công trình làm sáng tỏ định lượng tác động của chu trình lái, tải trọng phương tiện, hệ thống phụ tải và nhiệt độ hoạt động đến mức tiêu hao năng lượng, độ suy giảm trạng thái sạc (SOC) cũng như tuổi thọ hữu ích (SOH) của cụm pin. Đồng thời, mô hình sạc CC-CV tích hợp cơ chế làm mát CTMS được thiết lập thành công đã cung cấp cơ sở kỹ thuật xác đáng để đưa ra các khuyến nghị vận hành và quản lý pin an toàn, bền bỉ cho người sử dụng ô tô điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Lý do chọn đề tài Ô nhiễm không khí đang trở thành một mối nguy hại nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và môi trường, đặc biệt tại các khu đô thị. Nguyên nhân chính của tình trạng này là khí thải từ các phương tiện giao thông sử dụng xăng, dầu, tạo ra lượng lớn khí CO2 cùng các chất độc hại khác. Mặc khác, nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, đòi hỏi một giải pháp thay thế để giải quyết cả hai vấn đề này.

Sự phát triển của xe điện góp phần giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy nền kinh tế xanh. Xe điện là một giải pháp thay thế, đã trở nên ngày càng hiện đại khi các tiện ích liên tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của người dùng. Pin trong xe điện là một bộ phận chiếm tỷ trọng lớn trong chi phí sản xuất cung cấp năng lượng điện và biến đổi thành cơ năng giúp xe di chuyển. Pin xe điện ảnh hưởng đến khả năng vận hành (tăng tốc, leo dốc), quãng đường di chuyển và hiệu suất tổng thể của xe.

Pin hiện tại đang đối mặt với các vấn đề như tuổi thọ giới hạn, hiệu suất không ổn định và chi phí pin cao. Xe điện hoạt động hoàn toàn dựa trên năng lượng lưu trữ trong pin. Pin chiếm phần lớn khối lượng, không gian và chi phí sản xuất trong xe điện. Việc nghiên cứu rõ các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, điều kiện lái khác nhau (kết hợp hay đô thị), chu kỳ sạc-xả và sự ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin.

Thông qua mô phỏng trên MATLAB/Simulink sẽ hỗ trợ mạnh mẽ giúp tính toán, mô phỏng, đánh giá hiệu quả hoạt động của pin đúng với chế độ, điều kiện hoạt động của pin mà không có nhiều chi phí. Kết quả nghiên cứu có thể tối ưu hóa hệ thống pin, tăng tuổi thọ và hiệu suất cho xe điện và đưa ra khuyến cáo nâng cao hiệu quả pin giúp xe điện có thể di chuyển quãng đường xa hơn, giảm thời gian sạc, mang lại sự tiết kiệm về thời gian và chi phí cho người sử dụng. Mặc khác, nghiên cứu này bổ sung thêm tài liệu và tiền đề phát triển cho các hướng đi mới trong lĩnh vực nghiên cứu về pin xe điện. Nhận thấy được tầm quan trọng và tính thực tiễn của phát triển công nghệ pin xe điện trong quá trình vận hành, nhóm quyết định chọn đề tài “Tính toán, mô phỏng, đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến pin xe điện” để thực hiện trong đồ án tốt nghiệp.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Thông qua nghiên cứu, các tài liệu về Đồ án tốt nghiệp của các khóa trước và Tập san Khoa học (Tuyển tập công trình nghiên cứu khoa học khoa Cơ khí Động lực 2024) ở trang 10, trang 88, trang 110 được thực hiện bởi các thầy của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM và các cộng sự. - Đồ án tốt nghiệp các khóa trước: + “Thiết kế và mô phỏng hệ thống pin trên ô tô điện bằng phần mềm MATLAB/ Simulink” dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Mạnh Cường: tính toán để thiết kế hệ thống pin và mô phỏng hệ thống pin.

+ “Ứng dụng MATLAB/Simulink mô phỏng pin Lithium” dưới sự hướng dẫn ThS. Huỳnh Quốc Việt: mô phỏng được trạng thái sạc (SOC), điện áp, nhiệt độ của pin Li-ion, đánh giá kết quả mô phỏng của Simulink so với model pin Simscape. - Tập san khoa học: + “So sánh các loại pin sử dụng trên ô tô điện” của ThS. Trần Hữu Quy.

Nội dung: Giới thiệu và phân tích thành phần và các tính chất hóa học cơ bản của các loại pin phổ biến đang được dùng trong xe điện hiện nay. Kết quả nghiên cứu: Giúp người đọc so sánh được độ hiệu quả khi sạc - xả, cũng như là ước lượng tuổi thọ của các loại pin khác nhau. Từ đó đưa ra khuyến cáo, lời khuyên cho từng loại pin khác nhau. + “Tính toán hệ thống pin xe điện” - ThS.

Đinh Tấn Ngọc. Nội dung: Thiết kế và tính toán hệ thống pin cho xe điện, đồng thời xác định mức tiêu thụ năng lượng của pin khi xe hoạt động theo chu trình lái WLTC Class 3b. Kết quả nghiên cứu: Cho ra được số liệu tổng quan về khối lượng của hệ thống pin, cũng như là xuất ra được dữ liệu về dung lượng hoạt động của pin. - Bài báo khoa học trong nước: + “Khảo sát năng lượng phanh tái sinh của hệ thống phanh trên xe điện Vinfast VF8 qua các chu kỳ mô phỏng” do Vũ Hải Quân, Nguyễn Anh Ngọc, Nguyễn Minh Tiến, Vương Văn Khải, Nguyễn Duy Khánh.

Nội dung: Đưa ra khái niệm phanh tái sinh, xác định được tỷ lệ thu hồi năng lượng phanh tái tạo cao nhất, sự ảnh hưởng của khối lượng lên tỷ lệ thu hồi. Kết quả nghiên cứu: Đồ thị mô phỏng chu 2 trình ArtRoad, NEDC, FTP khi có phanh tái sinh/ không có phanh tái sinh, có tải, không tải và kết luận về tính hiệu quả của phanh. - Bài báo khoa học nước ngoài: + “Comparative Study of Equivalent Circuit Models Performance in Four Common Lithium-Ion Batteries: LFP, NMC, LMO, NCA” của Manh-Kien Tran, Andre DaCosta, Anosh Mevawalla, Satyam Panchal và MichaelFowler: phân loại các pin Lithium-ion, mô hình hóa cân bằng ECM. + “State Estimation Models of Lithium-Ion Batteries for Battery Management System: Status, Challenges, and Future Trends” của các tác giả Long Zhou, XinLai, BinLi, Yi Yao, Ming Yuan, Jiahui Weng và Yuejiu Zheng: tình hình nghiên cứu, thách thức kỹ thuật và xu hướng phát triển của việc ước tính trạng thái của pin Lithium-ion.

+ "Battery Modeling for Emulators in Vehicle Test Cell" của Chris Roberts, Simon Petrovich và Kambiz Ebrahimi tập trung vào việc mô hình hóa pin trong các hệ thống kiểm tra xe, cung cấp cơ sở lý thuyết về hệ thống quản lý pin (BMS) và xây dựng các thuật toán tính toán trạng thái sạc (SOC) và quản lý nhiệt độ (TMS). Nội dung chính bao gồm các phương pháp mô hình hóa pin như Equivalent Circuit Model (ECM), các phương pháp quản lý nhiệt, và tích hợp các yếu tố như điện áp, dòng điện, nhiệt độ để đánh giá hiệu năng. Nghiên cứu cũng đề cập đến ứng dụng thực tế trong môi trường kiểm tra xe (test cells), qua đó tối ưu hóa BMS để dự đoán chính xác SOC, cải thiện hiệu quả quản lý nhiệt, và đảm bảo an toàn vận hành pin. + Bài nghiên cứu "Battery Degradation in Electric and Hybrid Electric Vehicles: A Survey Study" của Laxman Timilsina, Payam R.

Hoang, Gokhan Ozkan, Behnaz Papari, và Christopher S. Edrington tập trung phân tích và nghiên cứu sự suy giảm tuổi thọ cũng như quá trình tự thoái hóa của pin Lithium-ion được sử dụng trong xe điện và xe Hybrid. Nghiên cứu xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến sự thoái hóa pin, bao gồm nhiệt độ, tốc độ sạc-xả, chu kỳ hoạt động và các điều kiện môi trường. Mục tiêu chính là đánh giá hiệu năng của pin lithium-ion trong các tình huống thực tế, từ đó đưa ra giải pháp cải thiện tuổi thọ và hiệu suất của pin trong những ứng dụng liên quan đến xe điện và Hybrid.

3 + "Thermal Runaway of Commercial 18650 Li-ion Batteries with LFP and NCA Cathodes – Impact of State of Charge and Overcharge" của Andrey W. Golubkov và cộng sự tập trung phân tích mạng tinh thể và cấu trúc hóa học bên trong pin Lithium-ion với các loại cực âm LFP (Lithium Iron Phosphate) và NCA (Nickel Cobalt Aluminum Oxide). Nghiên cứu cũng thực hiện tính toán trạng thái sạc (SOC) và đánh giá nhiệt lượng phát sinh trong quá trình hoạt động của pin, đặc biệt ở các mốc nhiệt độ khác nhau và trong điều kiện sạc quá mức. Kết quả cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố dẫn đến hiện tượng "thermal runaway" (thoát nhiệt) và đưa ra các biện pháp giảm thiểu rủi ro nhằm tăng cường an toàn cho pin trong ứng dụng thực tế.

+ "Heat Pipes in Battery Thermal Management Systems for Electric Vehicles: A Critical Review" của Marco Bernagozzi, Anastasios Georgoulas, Nicolas Michvà Marco Marengo tập trung nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất và tuổi thọ của pin trong xe điện. Bài báo phân tích chi tiết về cấu tạo và cơ chế hoạt động của hệ thống quản lý nhiệt sử dụng ống dẫn nhiệt (heat pipes) và chất lỏng làm mát. Nghiên cứu đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp làm mát, hiệu suất giải nhiệt và tiềm năng ứng dụng của chúng trong các hệ thống pin công suất lớn, nhằm tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của pin. Các tài liệu này được công bố và được công nhận sau khi được phản biện nhiều lần.

Các tài liệu này tập trung vào việc đưa ra các khái niệm về các loại pin, mô tả các phương pháp để thực hiện và không cụ thể để mô phỏng hay khó để thực hiện theo. Ở đề tài này, nhóm tác giả muốn thực hiện mô phỏng chi tiết để đánh giá hiệu quả thông qua chu trình nạp-xả, các thông số về năng lượng tiêu thụ, SOC, SOH có tính đến ảnh hưởng của pin ở các chế độ vận hành và đưa ra khuyến cáo nâng cao tuổi thọ pin và thời gian vận hành pin khi di chuyển. Mục tiêu đề tài - Hiểu biết rõ về cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của pin và hệ thống quản lý pin (BMS) được sử dụng trên xe ô tô điện. 4 - Tính toán và xác định thông số cần thiết (dung lượng pin, công suất tiêu thụ, nhiệt độ hoạt động và hoạt động sạc/xả) để phục vụ cho việc xây dựng mô hình tính toán mô phỏng.

- Sử dụng MATLAB/Simulink để tính toán và mô phỏng các điều kiện hoạt động thực tế của ô tô điện và đánh giá độ an toàn, hiệu quả của các chức năng BMS (cân bằng pin, bảo vệ quá sạc và quá nhiệt). - Hiểu biết rõ về hiệu suất, nhiệt độ và quá trình sạc của pin, mô phỏng và đánh giá sự ảnh hưởng sạc CC - CV đến pin trên xe ô tô điện. - Dự đoán tuổi thọ, độ bền của pin trong điều kiện hoạt động khác nhau và đưa ra khuyến cáo nâng cao hiệu quả hoạt động của pin Lithium-ion trên xe ô tô điện. - Nghiên cứu và tìm hiểu rõ các yếu tố gây thoái hóa, làm giảm tuổi thọ pin và đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng và hiệu xuất pin.

- Làm nguồn tổng hợp tài liệu giúp sinh viên ô tô và người dùng củng cố kiến thức, có thêm các thông tin hữu ích tham khảo khi quan tâm đến đề tài. Giới hạn đề tài - Nghiên cứu về khối pin, hệ thống quản lý pin sử dụng trên xe điện.