Chương I Tổng Quan 1.1 Lý do chọn đề tài Trong kỷ nguyên mà ô tô đang phát triển ngày một tân tiến, kèm theo các quan tâm đến với môi trường hiện nay, thế giới đang có xu hướng chuyển dịch phát triển xe điện. Theo một báo cáo từ công ty IQAir, chuyên về công nghệ chất lượng không khí, khoảng 90% dân số toàn cầu đang phải hít thở một môi trường không khí ô nhiễm. Báo cáo thường niên năm 2022 của IQAir đã sử dụng thông tin về chất lượng không khí từ hơn 30.000 trạm giám sát chất lượng không khí theo quy định và cảm biến chất lượng không khí từ 7.323 thành phố trên 131 quốc gia, khu vực và vùng lãnh thổ. Để thực hiện báo cáo này, IQAir đã đo lường chất lượng không khí dựa trên nồng độ hạt mịn gây hại cho phổi, gọi là PM 2.
Trong đó có 5 quốc gia có chất lượng không khí ô nhiễm nhất trên thế giới năm 2022 là Chad (89,7 µg/m³), Iraq (80,1 µg/m³), Pakistan (70,9 µg/m³), Bahrain (66,6 µg/m³) và Bangladesh (65,8 µg/m³). Một số khu vực có nồng độ hạt PM 2.5 cao gấp khoảng 7 lần so với mức khuyến nghị của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). [1] Theo báo cáo từ Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA): “Doanh số bán ô tô điện - bao gồm cả xe điện chạy bằng pin (BEV) và xe điện hybrid plug-in (PHEV) - đã vượt 10 triệu chiếc vào năm ngoái, tăng 55% so với năm 2021”. Tổng cộng hơn 26 triệu ô tô điện đã chạy trên đường trên toàn thế giới vào năm 2022, tăng 60% so với năm 2021.
Xe điện chính là một trong những giải pháp tốt nhất để giảm thiểu lượng khí thải trong môi trường hiện nay, do đó Trung Quốc chính là một trong những thị trường có mức tiêu thụ ô tô điện lớn nhất trong năm 2022, khi mà tại đây có hơn 50% ô tô điện đang xuất hiện trên đường. [2] Về vấn đề môi trường đã dẫn đến xu hướng sự thay đổi hoàn toàn từ động cơ đốt trong (ICE) sang phương tiện truyền động bằng điện. Mối tương quan có thể được tạo ra để liên kết hệ truyền động của động cơ đốt trong với hệ truyền động xe điện là bình xăng được thay thế bằng pin, bộ động cơ đốt trong được chuyển hóa hoàn toàn 1 thành động cơ điện. Sự thay đổi này sẽ hoàn toàn loại bỏ khí thải khi vận hành của ô tô hiện nay.
Một ưu điểm của động cơ xe điện so với động cơ đốt trong là không yêu cầu hộp số nhiều cấp độ, điều này giúp giảm thiểu sự mất mát năng lượng và tăng tính hiệu quả của hệ thống. Xe điện đang dần trở nên ít tốn kém hơn, bền bỉ hơn, không thải khí độc hại, đồng thời cải thiện phạm vi hoạt động của phương tiện. Xe điện cần một nguồn năng lượng điện di động hợp lý để có thể vận hành xuyên suốt trên một quãng đường dài. Pin là nguồn năng lượng của xe điện.
Dựa trên khả năng sạc của chúng, pin có thể được chia thành loại sơ cấp và thứ cấp. Loại thứ cấp chỉ có thể được sử dụng một lần, tuy nhiên, loại thứ cấp có thể là tái sử dụng lại bằng cách sạc sau khi được xả. Đối với các ứng dụng của xe điện, loại thứ cấp có khả năng lưu trữ năng lượng cao, vòng đời dài, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, tổn thất năng lượng nhỏ và đản bảo an toàn hơn. Hầu hết các loại pin được sử dụng phổ biến trong xe điện là axit chì lithium-ion (LIB), niken-cadmium và hydrua kim loại niken, v.
Trong số này, LIB có trọng lượng nhỏ hơn, năng lượng cao nhất, vòng đời dài hơn, thân thiện với môi trường hơn và tốc độ sạc và xả cao so với các loại pin khác. Vì pin là một phần quan trọng của xe điện và tính đầy đủ của nó về cơ bản sẽ ảnh hưởng đến an toàn của xe , các vấn đề về giá thành và khả năng vận hành năng động, v. Mặc dù LIB được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử tiện dụng, tuy nhiên, việc sử dụng cho xe điện vẫn rất khó khăn các ứng dụng do yêu cầu hệ thống điện cao. Ngoài ra, bộ pin xe điện chứa nhiều tế bào hơn hàng trăm lần so với thiết bị điện tử cầm tay.
Do đó, để cải thiện giá thành và an toàn của xe điện, việc hiểu trạng thái pin từ các điều kiện pin khác nhau, chẳng hạn như trạng thái sạc (SOC), nhiệt độ, tốc độ hiện tại, tình trạng sạc và xả là rất quan trọng. Nếu thời lượng pin dài thì xe điện sẽ được lái trong thời gian dài hơn, tức là nó có hiệu suất cao hơn. Cần kiểm tra và kiểm soát các đặc tính khác nhau của pin để tối đa hóa tuổi thọ của pin và giảm thiểu chi phí. Do đó, một hệ thống quản lý pin (BMS) là rất cần thiết để quản lý pin nhằm đảm bảo xe điện hoạt động an toàn, tuổi thọ cao nhất có thể và an toàn khi vận hành.
Độ phức tạp của hệ thống quản lý pin phụ thuộc vào các đặc tính của pin mà ta muốn kiểm soát. Trong xe điện, hệ thống quản lý pin phải thực hiện 2 nhiều tác vụ phức tạp. Do đó, việc cải tiến khả năng của hệ thống quản lý pin có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của xe điện trong tương lai. Hệ thống quản lý pin phải có khả năng xử lý với các đặc tính phức tạp của pin, chẳng hạn như dung lượng cao, công suất cao, sự thay đổi nhiệt độ và các tình huống vận hành của xe ở điều kiện khắc nghiệt.
Nếu như quản lý sai, pin có thể phải đối mặt với các tình trạng khắc nghiệt, chẳng hạn như sạc quá mức, xả quá mức và quá nóng, điều này có thể gây ra hỏa hoạn hoặc thậm chí phát nổ trong các trường hợp nghiêm trọng hơn. Do đó, việc cải tiếng hệ thống quản lý pin để thực hiện các nhiệm vụ quan trọng về đảm bảo an toàn, nâng cao hiệu quả vận hành và cung cấp các thông tin để thực hiện các bảo trì hợp lý khi cần thiết, là một thách thức lớn đối với xe điện hiện nay. Một trong những cách khả thi nhất để phát triển và cải tiến hệ thống quản lý pin là mô phỏng lại hệ thống này, nhằm thu thập các số liệu, đồ thị khi vận hành của hệ thống trên một dòng xe cụ thể. Từ đó ta có thể phân tích khả năng làm việc và tìm ra các hạn chế cần cải thiện của hệ thống để đưa các hướng khắc phục và cải tiến hợp lý nhất.
Với sự tò mò, mong muốn tìm hiểu về hệ thống quản lý pin, nhóm em đã quyết định chọn đề tài “Mô phỏng và ứng dụng hệ thống quản lý pin trên xe điện”. Việc nghiên cứu và mô phỏng hệ thống quản lý pin sẽ giúp nhóm em hiểu được nguyên lý hoạt động của hệ thống quản lý pin. Hiểu rõ về nguyên lý hoạt động của hệ thống quản lý pin trên xe điện sẽ giúp nhóm em có thêm kiến thức về xe điện, đang là một trong những xu hướng hiện nay của thế giới. Bên cạnh đó, các kiến thức đã tìm hiểu được này sẽ giúp nhóm em có cơ hội áp dụng chúng trong nhiều lĩnh vực khác như lưu trữ năng lượng tái tạo, hệ thống lưu trữ điện trong nhà, hệ thống điện năng lượng mặt trời, v., tạo ra giá trị ứng dụng cao.2 Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu và nghiên cứu tổng quan về xe điện, các yêu cầu cần phải được đảm bảo của hệ thống pin xe điện.
Từ đó xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống quản lý pin của xe điện trên một dòng xe cụ thể, thấy được các kết quả mô phỏng, phân tích được các trạng thái của pin trong lúc vận hành.3 Đối tượng nghiên cứu Tìm hiều về hệ thống quản lý pin, hệ thống pin cao áp và động cơ của xe ô tô điện Renault ZOE ZE50. Phân tích và tìm hiểu về mô hình “Hệ thống quản lý pin” của Matlab Simulink.4 Phạm vi nghiên cứu Sử dụng mô hình hệ thống quản lý pin trên phần mềm Matlab Simulink để áp dụng mô phỏng hệ thống quản lý pin cho xe ô tô điện Renault ZOE ZE50.5 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành đề tài chúng em đã kết hợp nghiên cứu từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau, thu thập thông tin trên internet, các bài luận văn về nghiên cứu khoa học. - Nghiên cứu và biên dịch các tài liệu về hệ thống quản lý pin. - Sưu tầm các tài liệu liên quan đến xê điện Renault ZOE, các công nghệ về động cơ xe điên, pin cao áp của xe điện.
- Thử nghiệm tính toán số liệu, thay đổi chỉnh sửa trên mô hình Matlab Simulink để phù hợp với thông số của xe điện Renault ZOE ZE50. Tổng hợp các phương pháp trên, chúng em đã hình thành đề cương và hoàn đề tài của mình. 4 Chương II. Cấu tạo động cơ xe điện 2.1 Cấu tạo các bộ bộ phận của ô tô điện Động cơ xe điện là một phần quan trọng nằm trong hệ thống truyền động của xe điện.
Nghiên cứu về cấu tạo động cơ xe điện và các thành phần liên quan là rất cần thiết để chúng ta có thể hiểu rõ sự hoạt động và hiệu suất của xe điện. Các thành phần chính của động cơ xe điện bao gồm động cơ điện, biến tần, pin, bộ sạc pin, bộ điều khiển, bộ sạc, hệ thống tản nhiệt, ác quy phụ và hộp số. So với những loại ô tô sử dụng động cơ đốt trong thì xe ô tô điện sẽ có ít bộ phận chuyển động hơn rất nhiều ( lên tới 90%). Dưới đây là chức năng cụ thể của các bộ phận chính trong xe ô tô điện : - Động cơ điện: Động cơ điện là trái tim của hệ thống truyền động xe điện.
Vai trò của nó là chuyển đổi điện năng thành cơ năng giúp xe chuyển động. Phần lớn động cơ điện trong xe điện thường là động cơ điện xoay chiều (AC) có thể có từ 1 đến nhiều pha. Điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp và tần số đầu vào. - Biến tần: Biến tần là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống truyền động xe điện.
Nhiệm vụ chính của biến tần là chuyển đổi nguồn điện đầu vào có điện áp cố định và tần số thành nguồn điện đầu ra có điện áp biến đổi và tần số để điều khiển động cơ điện. Biến tần cho phép điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ của động cơ điện theo yêu cầu từ hệ thống.