Luận án nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện

Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện, tối ưu hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Phương Pháp Điều Khiển Năng Lượng Cho Hệ Thống Nguồn Lai Ô Tô Điện
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN
• 1.1. Khái quát về đối tượng nghiên cứu
• 1.2. Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs
• 1.3. Cấu trúc của EVs
• 1.4. Động cơ sử dụng trên EVs
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN
• KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện

Quản lý năng lượng cho hệ thống nguồn lai trong ô tô điện là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của các thiết bị lưu trữ năng lượng. Điều khiển năng lượng trong các hệ thống này không chỉ giúp tăng cường khả năng vận hành mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các phương pháp điều khiển hiện nay được chia thành hai nhóm chính: phương pháp dựa trên luật điều khiển và phương pháp tối ưu hóa. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu quả của việc quản lý năng lượng trong hệ thống hybrid. Việc áp dụng các công nghệ mới như siêu tụ và ắc quy trong hệ thống điện ô tô giúp cải thiện đáng kể khả năng thu hồi năng lượng và tăng cường hiệu suất hoạt động.

1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện

Ô tô điện được phân loại thành ba loại chính: ô tô lai (HEVs), ô tô thuần điện sử dụng ắc quy (EVs), và ô tô thuần điện sử dụng fuel cell (FCEVs). Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. HEVs có khả năng tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn nhưng vẫn phụ thuộc vào động cơ đốt trong. EVs, mặc dù thân thiện với môi trường hơn, nhưng lại gặp khó khăn về thời gian nạp và quãng đường di chuyển. FCEVs có tiềm năng lớn nhưng gặp phải nhiều vấn đề về chi phí và hiệu suất. Việc hiểu rõ các loại ô tô điện này là cần thiết để phát triển các phương pháp quản lý năng lượng hiệu quả hơn.

1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs

Các thiết bị lưu trữ năng lượng trong EVs chủ yếu là ắc quy và siêu tụ. Ắc quy li-ion hiện đang được sử dụng rộng rãi nhờ vào mật độ năng lượng cao và độ tin cậy. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là giá thành cao và tuổi thọ ngắn. Siêu tụ, với mật độ công suất lớn và khả năng thu hồi năng lượng tốt, là lựa chọn lý tưởng để hỗ trợ ắc quy trong hệ thống lưu trữ năng lượng lai. Việc kết hợp giữa ắc quy và siêu tụ giúp tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống nguồn lai.

II. Phương pháp điều khiển năng lượng

Phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ô tô điện được chia thành hai nhóm chính: phương pháp dựa trên luật điều khiển và phương pháp tối ưu hóa. Phương pháp dựa trên luật điều khiển thường dựa vào kinh nghiệm và kiến thức của người thiết kế, giúp dễ dàng áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là không đạt được kết quả tối ưu. Ngược lại, phương pháp tối ưu hóa sử dụng các công cụ toán học để tìm ra giải pháp tối ưu, nhưng lại yêu cầu tài nguyên tính toán cao và phức tạp trong việc triển khai. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của quản lý năng lượng trong hệ thống hybrid.

2.1 Các phương pháp dựa trên luật điều khiển

Các phương pháp này bao gồm điều khiển tần số và điều khiển mờ. Điều khiển tần số giúp điều chỉnh dòng điện một cách linh hoạt, trong khi điều khiển mờ cho phép xử lý các tình huống không chắc chắn. Cả hai phương pháp đều có thể áp dụng trong hệ thống điện ô tô, giúp tối ưu hóa việc phân phối công suất giữa ắc quy và siêu tụ. Tuy nhiên, do phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế, các phương pháp này có thể không đạt được hiệu quả tối ưu trong mọi tình huống.

2.2 Các phương pháp tối ưu hóa

Các phương pháp tối ưu hóa như quy hoạch động và biến phân cho phép tìm ra giải pháp tối ưu cho việc quản lý năng lượng. Những phương pháp này có thể giải quyết các bài toán phức tạp với nhiều ràng buộc và hàm mục tiêu. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là yêu cầu tài nguyên tính toán cao, điều này có thể gây khó khăn trong việc áp dụng trong thời gian thực. Việc phát triển các thuật toán tối ưu hóa hiệu quả sẽ là chìa khóa để nâng cao hiệu suất của hệ thống nguồn lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu 1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện Trong phạm vi nghiên cứu, ô tô điện được chia làm ba loại là ô tô lai (lai xăng điện), ô tô thuần điện sử dụng ắc quy và ô tô thuần điện sử dụng fuel cell. Trong phạm vi luận án, tác giả viết tắt ô tô lai là HEVs, ô tô thuần điện sử dụng ắc quy là EVs, ô tô thuần điện sử dụng fuel cell là FCEVs a) Ô tô lai (HEVs) HEVs sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện với các cấu trúc như Hình 1.1 gồm các cấu trúc nối tiếp, song song, nối tiếp – song song và phức hợp. Ưu điểm của HEVs: - Đưa động cơ đốt trong vào vùng tối ưu trong gần như toàn quá trình hoạt động - Quãng đường đi trong một lần đổ xăng được gia tăng - Có thể hãm tái sinh bằng ắc quy Nhược điểm của HEVs: - Vẫn phải sử dụng động cơ đốt trong không thân thiện với môi trường - Khả năng hãm tái sinh còn hạn chế Với những ưu nhược điểm kể trên, HEVs hiện đang là loại ô tô điện phổ biến nhất trên thị trường và hầu hết các hãng xe đều có phiên bản thương mại với doanh số chỉ trong quý bốn năm 2019 đã lên đến 100. Tuy nhiên, HEVs chỉ được coi là bước quá độ chuyển từ ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống sang ô tô thuần điện (được đánh giá là ô tô của tương lai) để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại của của HEVs b) Ô tô điện fuel cell (FCEVs): FCEVs sử dụng duy nhất động cơ điện với hệ thống lưu trữ năng lượng chính fuel cell Về phương diện hóa học fuel cell là phản ứng ngược lại của sự điện phân.

Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hydro và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện thì fuel cell là bình khí hydro kết hợp với ôxy trong không khí để biến thành điện với sản phẩm phụ là nước (H2O) Ưu điểm của FCEVs: - Hệ truyền động có thể sinh mô-men xoắn lớn, có khả năng chịu quá tải tốt và đáp ứng mô-men nhanh (có thể đáp ứng trong thời gian tính bằng mili giây) - Có thể bố trí linh động động cơ vào từng bánh xe hoặc truyền động một cầu hay hai cầu như ô tô truyền thống 3 Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ Hình 1. Các cấu trúc truyền động của ô tô lai [2] - Mô-men xoắn động cơ có thể được tính toán được thông qua các đại lượng đo được của động cơ qua đó áp đặt mô men nhanh và chính xác. - Mật độ năng lượng lớn (gấp 10 lần ắc quy li-ion) - Việc nạp lại nhiên liệu (thay bình khí hydro) chỉ mất vài phút (có thể so sánh với thời gian đổ xăng cho xe ô tô truyền thống, thậm chí nhanh hơn) Nhược điểm của FCEVs: - Giá thành cao - Hiệu suất thấp - Không an toàn (nếu rò khí hydro có thể phát nổ) - Không sử dụng được nếu trời quá nóng hoặc quá lạnh - Không có khả năng hãm tái sinh 4 Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ Hình 1. Fuel cell Với những phân tích trên, FCEVs tuy được nghiên cứu và phát triển song song với EVs nhưng sẽ không phù hợp với một nước nhiệt đới với nhiệt độ mùa hè lên đến 400C như Việt Nam hoặc các nước quá lạnh.

Ngoài ra, với việc không có khả năng hãm tái sinh thì FCEVs bắt buộc phải có các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ để có thể thu hồi năng lượng trong quá trình phanh hãm. Có thể kết luận với những nhược điểm khó khắc phục như vậy thì FCEVs khó có thể cạnh tranh với EVs trong tương lai gần. c) Ô tô điện ắc quy (EVs) EVs sử dụng duy nhất động cơ điện với hệ thống lưu trữ năng lượng chính là ắc quy. Ưu điểm của EVs: - Hệ truyền động có thể sinh mô-men xoắn lớn, có khả năng chịu quá tải tốt và đáp ứng mô-men nhanh (có thể đáp ứng trong thời gian tính bằng mili giây) - Có thể bố trí linh động động cơ vào từng bánh xe hoặc truyền động một cầu hay hai cầu như ô tô truyền thống - Mô-men xoắn động cơ có thể tính toán được thông qua các đại lượng đo được của động cơ qua đó áp đặt mô men nhanh và chính xác.

- Có khả năng hãm tái sinh nên có khả năng tiết kiệm năng lượng cũng như hỗ trợ phanh cơ khí Nhược điểm của EVs: - Bộ phận lưu trữ năng lượng có kích thước cồng kềnh - Trọng lượng bộ lưu trữ năng lượng lớn - Thời gian nạp năng lượng quá lâu so với đổ xăng, dầu - Quãng đường đi được bị hạn chế do dung lượng bộ phận lưu trữ năng lượng - Giá thành bộ phận lưu trữ năng lượng quá cao EVs được coi là ô tô của tương lai, tuy nhiên trong thời điểm hiện tại, với những giới hạn về công nghệ lưu trữ năng lượng mà thị phần của EVs đang khiêm tốn so với HEVs nhưng đang vượt trội so với FCEVs (22.006 trong doanh số năm 2019) [1]. Hiện nay trên thị trường châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản đã có các phiên bản ô tô chỉ chạy bằng động cơ điện là Mitsubishi iMiEV, Nissan Leaf và Tesla. Để khắc phục các nhược điểm của EVs hướng phát triển tiếp theo của EVs sẽ là 5 Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ - Nghiên cứu sử dụng công nghệ nano carbon để chế tạo pin, ắc quy Lithium thế hệ mới để tăng nguồn năng lượng tích trữ trên một đơn vị thể tích, tăng tuổi thọ, giảm kích thước, giảm thời gian nạp. - Điều khiển hệ thống phanh, tối ưu hóa nguồn năng lượng trong quá trình chuyển động và quá trình hãm, dừng EVs.

- Sử dụng thêm siêu tụ hoặc các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ để có thể thu hồi năng lượng một cách nhanh chóng trong quá trình phanh hãm. - Sử dụng công nghệ truyền điện không dây (Wireless Power Transmission) để nạp điện không tiếp xúc cho EVs liên tục trong quá trình di chuyển. Ô tô điện Misubishi iMiEV (ra mắt tháng 7 năm 2009) Hình 1. Ô tô điện Nissan Leaf (ra mắt tháng 12 năm 2010) Hình 1.

Xe Tesla Model X P100D (ra mắt tháng 8 năm 2016) 6 Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs Như đã phân tích ở phần 1.1, EVs sẽ sử dụng nguồn năng lượng chính là ắc quy tuy nhiên để gia tăng hiệu quả sử dụng ắc quy thì EVs sẽ cần các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ. Để làm rõ mục đích sử dụng của các nguồn năng lượng ta cần quan tâm đến mật độ công suất và mật độ năng lượng Khái niệm mật độ công suất và mật độ năng lượng Theo [3], hệ lưu trữ năng lượng trên ô tô điện được quan tâm nghiên cứu từ rất sớm (1968) và hai tham số được cho là quan trọng nhất của ESS là mật độ công suất và mật độ năng lượng. Trong đó, mật độ năng công suất được tính dựa trên tỉ số giữa trọng lượng và khả năng huy động công suất, đơn vị là W/kg. Mật độ năng lượng được tính dựa trên tỉ số giữa trọng lượng và khả năng lưu trữ năng lượng, đơn vị là Wh/kg.

Hai tham số này là cơ sở để so sánh các thiết bị lưu trữ năng lượng, khi đánh giá tính phù hợp của thiết bị lưu trữ năng lượng được sử dụng trên các thiết bị di chuyển sử dụng động cơ điện như ô tô, tàu hỏa hoặc tàu thủy. Tuy nhiên, theo thông thường hai tham số này thường tỉ lệ nghịch với nhau (Hình 1.6) nên việc lựa chọn sẽ cần có trọng số để xác định thiết bị lưu trữ năng lượng tối ưu (đặc tính mật độ công suất và mật độ năng lượng được đặt tên là Ragone plane). Ragone plane[4] a) Pin li-ion Hiện nay, hầu hết các ô tô thuần điện thương phẩm sử dụng duy nhất ắc quy li-ion (Hình 1.7) làm nguồn lưu trữ năng lượng chính (ESS) vì các lý do sau đây [5]: - Độ tin cậy cao - Mật độ năng lượng lớn - Quá trình tự xả khi không sử dụng chậm (low self-discharge) - Cho phép nạp với dòng định mức lớn và cho phép sạc nhanh - Cho phép sạc nhồi (sạc khi ắc quy chưa kiệt) mà ít ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy - Có thể hoạt động ở dải nhiệt độ rộng 7 Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ Hình 1. Cấu trúc (a) và mặt cắt của pin li-ion (b) Tuy nhiên, ắc quy li-ion vẫn tồn tại các nhược điểm sau [5]: - Giá thành cao - Tuổi thọ nạp xả thấp (1.500 lần) - Hiệu suất phụ thuộc vào nhiệt độ Với đặc tính vận hành của EVs là: - Huy động công suất theo cả hai chiều khi tăng và giảm tốc lớn - Quá trình tăng tốc và giảm tốc diễn ra liên tục Điều này dẫn đến hệ lưu trữ năng lượng sẽ phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Có chức năng hãm tái sinh để tiết kiệm năng lượng cũng như hỗ trợ phanh cơ khí - Tần số dòng điện đi vào hệ lưu trữ năng lượng cao - Tốc độ tăng trưởng (di/dt) dòng điện lớn Như đã trình bày ở trên và theo [4, 5] các đặc tính của quá trình vận hành sẽ ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá thành cao nhất của ô tô điện.

Vì vậy, xu thế nghiên cứu của thế giới là sử dụng các hệ lưu trữ năng lượng lai (HESS) để khắc phục các nhược điểm của hệ lưu trữ năng lượng truyền thống sử dụng pin li-ion và đáp ứng được các yêu cầu đặt ra cho hệ lưu trữ năng lượng sử dụng cho ô tô điện gồm: - Mật độ năng lượng lớn - Mật độ công suất lớn - Khả năng huy động dòng điện (di/dt) lớn - Gia tăng tuổi thọ hệ lưu trữ năng lượng - Khả năng thu hồi năng lượng tốt - Hiệu suất cao Với hệ lưu trữ năng lượng lai (HESS) sẽ có khái niệm main-supplier (nguồn chính) và sub-supplier (nguồn hỗ trợ) Bản thân pin li-ion đã có mật độ năng lượng lớn và có thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu trên của một hệ lưu trữ năng lượng.