Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Xu thế chuyển dịch sang phương tiện giao thông thuần điện (Battery Electric Vehicle - BEV) nhằm thay thế các dòng xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch là giải pháp tất yếu để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và ứng phó với tình trạng cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên. Theo thống kê của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), số lượng ô tô điện vận hành toàn cầu đã tăng từ 16,5 triệu chiếc vào năm 2021 lên hơn 26 triệu chiếc vào năm 2023. Trong cấu trúc xe điện, khối pin lưu trữ năng lượng được xác định là công nghệ lõi, quyết định giá thành và hiệu năng vận hành tổng thể.

Tuy nhiên, hiệu suất làm việc và tốc độ suy giảm dung lượng của pin Lithium-ion chịu ảnh hưởng rất lớn từ các điều kiện vận hành thực tế. Tại các khu vực có khí hậu nhiệt đới nắng nóng như miền Nam Việt Nam, tác động kết hợp giữa nhiệt độ môi trường cao, nhu cầu sử dụng hệ thống điều hòa nhiệt độ (HVAC) liên tục và các điều kiện địa hình phức tạp (độ dốc lớn, bề mặt đường xấu) làm gia tăng tổn thất nội bộ, đẩy nhanh quá trình lão hóa hóa học của pin. Phần lớn các công trình nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung đánh giá đặc tính pin trong môi trường kiểm chuẩn của phòng thí nghiệm, thiếu vắng mô hình tích hợp đầy đủ các yếu tố điện, nhiệt, tải động lực học và suy giảm tuổi thọ dưới tác động của địa hình và thời tiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm 3 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán đánh giá khối pin trên xe điện.
  2. Mô phỏng các trạng thái làm việc của pin trong từng điều kiện hoạt động của xe, bao gồm điều kiện địa hình (độ dốc, hệ số cản lăn) và điều kiện nhiệt độ môi trường.
  3. Dự đoán tuổi thọ và khả năng làm việc của pin dưới sự ảnh hưởng của các điều kiện vận hành khác nhau.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là pin Lithium-ion công nghệ Nickel Manganese Cobalt (NMC), sử dụng cell pin Samsung INR21700-30T để tính toán thiết kế khối pin cho một mẫu xe điện đại diện. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc mô phỏng số trên phần mềm MATLAB/Simulink thông qua chu trình thử nghiệm WLTC Class 3b, không xây dựng mô hình thực nghiệm vật lý do điều kiện trang thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết điện học, đề tài ứng dụng mô hình mạch tương đương (Equivalent Circuit Model - ECM) dạng 2RC (Double Polarization Model). Cấu trúc mô hình gồm một nguồn điện áp hở mạch (Open Circuit Voltage - OCV), một điện trở thuần Ohmic ($R_0$) phản ánh tổn hao tiếp xúc và dung dịch điện phân, cùng hai nhánh $R-C$ song song ($R_1-C_1$ và $R_2-C_2$) mô tả hiện tượng phân cực điện hóa và phân cực nồng độ. Điện áp đầu ra của khối pin ($U_L$) chịu tác động trực tiếp từ dòng điện làm việc ($I$) và tổng nội trở ($R_{int}$).

Mô hình nhiệt của pin được thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng năng lượng nhiệt:

$$Q_{net} = Q_{gen} - Q_{env} - Q_{cool}$$

Trong đó, công suất sinh nhiệt ($Q_{gen}$) xuất phát từ hiệu ứng Joule và phản ứng điện hóa; công suất tỏa nhiệt ra môi trường ($Q_{env}$) phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc ($A_{env}$) và hệ số truyền nhiệt đối lưu ($h$); công suất làm mát ($Q_{cool}$) phụ thuộc vào diện tích trao đổi nhiệt ($A_{cool}$) và lưu lượng dung dịch làm mát với nhiệt dung riêng ($c_p$). Nhiệt độ pin được cập nhật liên tục để hiệu chỉnh các giá trị điện trở và điện dung trong mô hình mạch tương đương thông qua bảng tra cứu đa chiều (Look-up table).

Về động lực học chuyển động, tải kéo của xe được xác định thông qua tổng các lực cản ngoại vi bao gồm lực cản lăn mặt đường ($F_f$), lực cản dốc ($F_i$), lực cản không khí ($F_w$) và lực cản quán tính khi gia tốc ($F_j$). Tải tiêu thụ của pin bằng tổng công suất truyền động và công suất các phụ tải điện (liên tục và gián đoạn).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, trích xuất dữ liệu thực nghiệm của cell Samsung INR21700-30T và mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink. Thuật toán tích phân dòng điện được sử dụng để ước tính trạng thái sạc (State of Charge - SOC). Thuật toán ước tính trạng thái sức khỏe (State of Health - SOH) và điểm kết thúc vòng đời (End of Life - EOL) được thiết lập dựa trên mô hình hàm suy giảm dung lượng theo nhiệt độ ($T$), độ xả sâu (Depth of Discharge - DOD), điện áp lưu trữ ($V$) và các hệ số lão hóa $\alpha_{cap}(T, V)$, $\beta_{cap}(V, DOD)$. Nguồn dữ liệu tham chiếu bao gồm tiêu chuẩn đường bộ Việt Nam (TCVN), thông số chu trình thử nghiệm WLTC Class 3b và thông số thí nghiệm của cell pin từ nhà sản xuất.

Thiết kế và triển khai mô phỏng hệ thống

Hệ thống mô phỏng kỹ thuật được xây dựng hoàn chỉnh trên nền tảng MATLAB/Simulink với cấu trúc liên kết đa khối chức năng:

  1. Khối điều khiển chu trình vận hành: Thiết lập dữ liệu vận tốc tức thời theo chu trình thử nghiệm xe con hài hòa toàn cầu WLTC Class 3b, xác định các pha tăng tốc, duy trì tốc độ và phanh tái tạo năng lượng.
  2. Khối tính toán động lực học xe: Tiếp nhận các thông số vận tốc, khối lượng xe ($m$), khối lượng khối pin ($m_{pin}$), góc dốc mặt đường ($\alpha$) và hệ số cản lăn ($f$) để giải phương trình cân bằng lực kéo và tính toán công suất tiêu thụ tại bánh xe.
  3. Khối phụ tải và năng lượng tiêu thụ: Tổng hợp công suất kéo cùng với công suất phụ tải cabin (hệ thống làm mát, đèn, thiết bị điều khiển), có xét đến hiệu suất truyền động ($\eta$).
  4. Khối mô hình pin 2RC và Look-up table: Tính toán dòng điện tổng ($I_{tổng}$), sụt áp phân cực trên các nhánh RC và điện áp đầu ra khối pin ($U_{khối pin}$). Bảng tra Look-up table đảm nhận việc nội suy giá trị $R_0, R_1, C_1, R_2, C_2$ và OCV theo SOC và nhiệt độ tức thời.
  5. Khối mô hình nhiệt: Tính toán lượng nhiệt phát sinh $Q_{gen}$, lượng nhiệt tản tự nhiên ra môi trường $Q_{env}$ và công suất can thiệp từ hệ thống làm mát khối pin $Q_{cool}$, từ đó phản hồi nhiệt độ làm việc ($T$) về khối mạch tương đương.
  6. Khối thuật toán dự đoán SOH và EOL: Script MATLAB chuyên biệt để tính toán lượng điện tích trao đổi, tỷ lệ suy hao dung lượng định mức theo các điều kiện lưu trữ và số chu kỳ sạc/xả.

Hệ thống được kiểm thử qua 5 kịch bản mô phỏng vận hành cụ thể:

Trường hợp Điều kiện nhiệt độ môi trường Địa hình độ dốc Tình trạng mặt đường
Trường hợp 1 Nhiệt độ môi trường thấp Bằng phẳng ($\alpha = 0$) Mặt đường tốt ($f$ thấp)
Trường hợp 2 Nhiệt độ môi trường cao Bằng phẳng ($\alpha = 0$) Mặt đường tốt ($f$ thấp)
Trường hợp 3 Nhiệt độ môi trường cao Leo dốc cao ($\alpha$ lớn) Mặt đường tốt ($f$ thấp)
Trường hợp 4 Nhiệt độ môi trường cao Leo dốc thấp ($\alpha$ nhỏ) Mặt đường tốt ($f$ thấp)
Trường hợp 5 Nhiệt độ môi trường cao Bằng phẳng ($\alpha = 0$) Mặt đường xấu ($f$ cao)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về bối cảnh chuyển dịch năng lượng trong ngành ô tô, khẳng định vai trò cốt lõi của pin lưu trữ trong cấu trúc xe điện. Tác giả tổng hợp các công trình nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới và tại Việt Nam về mô hình hóa pin ECM, ước lượng trạng thái pin và hiện tượng thoát nhiệt (thermal runaway). Từ việc chỉ ra khoảng trống nghiên cứu về sự kết hợp đồng thời giữa địa hình đồi dốc và khí hậu nhiệt đới, chương xác định mục tiêu, 3 nhiệm vụ chính, giới hạn đề tài, đối tượng cell NMC và phương pháp mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink.

Chương 2: Tổng quan về pin trên xe điện

Chương 2 khái quát lịch sử phát triển nguồn điện hóa học từ Cột Volta (1800), pin chì-axit của Gaston Planté (1859), xe điện lập kỷ lục tốc độ "La Jamais Contente" (1899) đến mốc thương mại hóa pin Lithium-ion của Sony năm 1991. Nội dung đi sâu phân tích các thông số kỹ thuật then chốt: dung lượng lý thuyết, dung lượng thực tế, điện áp hở mạch, điện áp cắt, nội trở Ohmic, nội trở phân cực, tốc độ tự xả và vòng đời chu kỳ. Chương phân tích đặc tính cấu tạo, phản ứng hóa học, phương pháp sạc (dòng không đổi CC, áp không đổi CV, phương pháp ngắt $-\Delta V$, $dT/dt$) và ưu nhược điểm của ba dòng pin: Nickel Cadmium (Ni-Cd), Nickel Kim loại-Hydrua (NiMH) và Lithium-ion. Đối với pin Lithium-ion, tác giả phân tích chi tiết phản ứng xen cài ion $Li^+$ thuận nghịch giữa cực dương $LiMO_2$ và cực âm than chì $C_6$, vai trò của muối $LiPF_6$, dung môi hữu cơ, phụ gia hình thành màng giao pha điện thế rắn (SEI) cùng các hiện tượng lão hóa và suy giảm hiệu suất ở nhiệt độ tới hạn.

Đặc tính kỹ thuật Pin Nikel Cadimi (Ni-Cd) Pin Nickel Kim Loại-Hydrua (NiMH) Pin Lithium-ion (NMC)
Điện áp danh định 1,2 V 1,2 V 3,6 – 3,7 V
Mật độ năng lượng 40 – 60 Wh/kg 60 – 120 Wh/kg 250 – 350 Wh/kg
Hiệu suất sạc/xả 70 – 80% 66 – 90% 90 – 95%
Vòng đời chu kỳ 500 – 1.500 chu kỳ 300 – 500 chu kỳ 500 – 1.500 chu kỳ
Tỷ lệ tự xả 10 – 15%/tháng 15 – 30%/tháng 2 – 3%/tháng
Hiệu ứng nhớ Rất rõ rệt Nhẹ Không xuất hiện
Độc hại môi trường Cao (chứa Cadmium) Thấp Thấp (không chì/Cd)

Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán và mô phỏng

Chương 3 trình bày các công thức toán học và thiết lập kỹ thuật để xây dựng mô hình mô phỏng. Tác giả chọn cell pin Samsung INR21700-30T làm hạt nhân tính toán, phân tích thông số danh định và phương pháp kết nối nối tiếp - song song để tạo thành khối pin hoàn chỉnh. Nội dung chương cung cấp hệ thống phương trình động lực học kéo của xe, xác định lực cản không khí theo diện tích cản gió, lực cản lăn theo chất lượng mặt đường, lực cản dốc theo góc nghiêng mặt đường quy định bởi TCVN, cùng công suất tiêu thụ của các phụ tải liên tục và ngắt quãng. Tiếp đó, chương mô tả mô hình mạch tương đương 2RC, bảng tra cứu Look-up table thực nghiệm thể hiện sự phụ thuộc của $R_0, R_1, C_1, R_2, C_2$ và OCV vào SOC và nhiệt độ. Mô hình cân bằng nhiệt đa phần tử cùng lưu đồ giải thuật ước tính SOC, SOH và EOL dựa trên tích phân lượng điện tích và các hệ số suy giảm dung lượng $\alpha_{cap}$, $\beta_{cap}$ được chuẩn hóa chi tiết.

Chương 4: Kết quả mô phỏng và phân tích kết quả

Chương 4 công bố kết quả mô phỏng trên Simulink cho 5 kịch bản vận hành theo chu trình WLTC Class 3b. Các đồ thị lực cản, dòng điện sạc/xả, điện áp đầu ra, nội trở, nhiệt độ khối pin, trạng thái SOC và năng lượng tiêu hao được đối chiếu trực tiếp giữa các trường hợp. Tiếp theo, chương tiến hành đánh giá riêng rẽ ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và điều kiện địa hình (độ dốc và chất lượng mặt đường). Cuối cùng, chương trình bày kết quả chạy thuật toán MATLAB dự đoán tuổi thọ pin: phân tích ảnh hưởng độc lập của nhiệt độ, điện áp lưu trữ, độ xả sâu DOD đến tỷ lệ suy giảm SOH, phân tích tương quan các thành phần gây lão hóa và đưa ra dự báo về thời gian sử dụng khả dụng của khối pin.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương tổng hợp toàn bộ các phát hiện kỹ thuật rút ra từ quá trình mô phỏng, xác nhận mức độ hoàn thành 3 nhiệm vụ đã đề ra. Đồng thời, tác giả đưa ra các khuyến nghị về việc thiết lập dải nhiệt độ vận hành tối ưu cho khối pin, kiểm soát ngưỡng xả sâu DOD và định hướng tích hợp thuật toán BMS để kéo dài tuổi thọ hệ thống pin xe điện.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể có số liệu trong văn bản:

  • Xác lập được mô hình toán học và cấu trúc mô phỏng mạch tương đương 2RC tích hợp mô hình nhiệt cho cell Lithium-ion Samsung INR21700-30T, phản ánh sự biến thiên của điện trở Ohmic ($R_0$) và điện trở phân cực theo nhiệt độ và mức dung lượng SOC.
  • Định lượng được tác động của nhiệt độ môi trường: Ở điều kiện nhiệt độ thấp, nội trở của khối pin tăng cao rõ rệt, dẫn đến độ sụt áp lớn khi chịu tải và làm suy giảm dung lượng khả dụng của pin. Ở nhiệt độ môi trường cao, dù nội trở ban đầu có xu hướng giảm nhưng quá trình phóng điện liên tục làm nhiệt độ tích tụ nhanh, gia tăng nguy cơ quá nhiệt.
  • Định lượng tác động của địa hình: Khi xe leo dốc cao (Trường hợp 3) hoặc vận hành trên mặt đường xấu có hệ số cản lăn lớn (Trường hợp 5), lực cản chuyển động tăng mạnh khiến khối pin phải cung cấp dòng xả lớn và liên tục. Điều này làm gia tăng mạnh mẽ công suất tỏa nhiệt Joule ($I^2R$), khiến nhiệt độ pin tăng nhanh hơn đáng kể so với khi vận hành trên đường bằng phẳng có mặt đường tốt.
  • Thuật toán dự đoán tuổi thọ SOH trên MATLAB chứng minh rằng nhiệt độ làm việc cao kết hợp với độ xả sâu DOD lớn và điện áp lưu trữ cao là ba tác nhân chính thúc đẩy sự suy giảm dung lượng không hồi phục của cell pin NMC.

Về mặt đóng góp, đề tài đã phát triển một công cụ mô phỏng số đồng thời cả yếu tố cơ học (động lực học xe, địa hình) và yếu tố nhiệt - điện của pin trên xe điện, thay thế cho các nghiên cứu đơn lẻ từng thành phần trước đây, tạo cơ sở cho việc thiết lập thuật toán điều khiển trong hệ thống quản lý pin (BMS).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế chính được nhóm tác giả nêu rõ là đề tài mới dừng lại ở việc tính toán và mô phỏng số trên phần mềm MATLAB/Simulink dựa trên bộ thông số kỹ thuật của cell Samsung INR21700-30T. Do giới hạn về trang thiết bị thí nghiệm và điều kiện kinh phí, nghiên cứu chưa thể triển khai chế tạo mô hình khối pin vật lý hoặc thực hiện các bài đo đạc thực nghiệm trên xe thực tế (on-road test) để đối chứng và hiệu chỉnh sai số của mô hình mô phỏng.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo bao gồm:

  • Mở rộng thử nghiệm thực tế khối pin trên băng thử động lực học (dyno) hoặc trên xe điện thử nghiệm nhằm thu thập dữ liệu vận hành thực, xác thực độ chính xác của các nhánh RC và mô hình nhiệt.
  • Nghiên cứu sâu hơn về thuật toán điều khiển hệ thống quản lý nhiệt độ pin (TMS/CTMS) có khả năng thích ứng linh hoạt theo thời gian thực tương ứng với từng điều kiện địa hình và nhiệt độ thời tiết tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Năng lượng. Nội dung tài liệu đặc biệt có giá trị trong việc:

  • Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình mạch tương đương 2RC (Double Polarization) tích hợp bảng tra Look-up table nhiệt độ - SOC trong MATLAB/Simulink.
  • Phương pháp luận kết nối giữa phương trình động lực học kéo của xe theo chu trình lái chuẩn quốc tế WLTC với mô hình tiêu thụ năng lượng của khối pin.
  • Cấu trúc thuật toán ước tính trạng thái sạc SOC và hàm dự đoán tốc độ suy giảm trạng thái sức khỏe SOH theo chu kỳ vận hành và điều kiện lưu trữ.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối pin mô phỏng trong đồ án sử dụng cell pin loại nào và có cấu trúc hóa học ra sao?
Khóa luận sử dụng cell pin Lithium-ion Samsung INR21700-30T, thuộc dòng pin Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 - NMC) với cực âm là vật liệu than chì (Graphite).

2. Đồ án lựa chọn mô hình mạch điện tương đương (ECM) nào để mô phỏng pin?
Tác giả lựa chọn mô hình Double Polarization (mạch 2RC), bao gồm một nguồn điện áp hở mạch (OCV), điện trở thuần Ohmic ($R_0$) và hai nhánh điện trở - tụ điện song song ($R_1-C_1$ và $R_2-C_2$) để mô phỏng hiện tượng phân cực điện hóa và phân cực nồng độ.

3. Chu trình vận hành nào được dùng để tính toán động lực học cho xe điện trong mô hình?
Chu trình thử nghiệm được áp dụng là WLTC Class 3b (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycles), được dùng để xác định các đặc tính vận tốc, gia tốc, lực kéo và năng lượng tiêu thụ theo thời gian thực.

4. Năm kịch bản mô phỏng trong Chương 4 khảo sát những yếu tố cụ thể nào?
Năm trường hợp khảo sát sự kết hợp của ba biến số chính: nhiệt độ môi trường (nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao), góc dốc mặt đường (bằng phẳng, leo dốc thấp, leo dốc cao) và chất lượng mặt đường (mặt đường tốt, mặt đường xấu tương ứng với các hệ số cản lăn khác nhau).

5. Thuật toán dự đoán trạng thái sức khỏe (SOH) của pin dựa trên các biến số đầu vào nào?
Thuật toán dự đoán SOH được xây dựng dựa trên sự biến thiên của nhiệt độ làm việc, điện áp lưu trữ, độ xả sâu (DOD) và tổng lượng điện tích phóng/nạp qua các hệ số lão hóa $\alpha_{cap}(T, V)$ và $\beta_{cap}(V, DOD)$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu các yếu tố địa hình – thời tiết ảnh hưởng đến pin trên xe điện" đã hoàn thành việc mô hình hóa toán học và triển khai mô phỏng thành công khối pin Lithium-ion NMC (cell Samsung INR21700-30T) trên nền tảng MATLAB/Simulink. Công trình đã phân tích định lượng ảnh hưởng rõ rệt của nhiệt độ môi trường, độ dốc địa hình và chất lượng mặt đường đến sự thay đổi nội trở, điện áp làm việc, nhiệt độ phát sinh và mức tiêu hao năng lượng theo chu trình WLTC Class 3b. Mặc dù còn hạn chế do chưa thể kiểm chứng bằng thực nghiệm thực tế, mô hình và thuật toán dự đoán SOH được đề xuất là tài liệu tham khảo có hàm lượng khoa học rõ ràng cho công tác nghiên cứu, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống pin trên xe ô tô điện.