Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong cùng quá trình công nghiệp hóa đã làm trầm trọng thêm tình trạng cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, ô nhiễm không khí đô thị và biến đổi khí hậu toàn cầu. Các chất ô nhiễm phát sinh từ khí thải giao thông như oxit nitơ ($\text{NO}x$), hydrocacbon ($\text{HC}$), cacbon monoxit ($\text{CO}$), oxit lưu huỳnh ($\text{SO}2$) cùng bụi mịn ($\text{PM}{2.5}, \text{PM}{10}$) là nguyên nhân trực tiếp gây nên các bệnh lý hô hấp, tim mạch và hiệu ứng nhà kính. Trước yêu cầu nghiêm ngặt của các quy chuẩn phát thải quốc tế và quốc gia, ngành công nghiệp ô tô đang chuyển dịch mạnh mẽ sang các dòng xe thân thiện với môi trường, trong đó ô tô thuần điện (Battery Electric Vehicle - BEV) được xác định là giải pháp then chốt.
Trong cấu trúc xe điện, hệ thống pin đóng vai trò là nguồn lưu trữ và cung cấp năng lượng trung tâm, quyết định trực tiếp đến phạm vi hoạt động, công suất vận hành, độ an toàn và giá thành của phương tiện. Tuy nhiên, công nghệ thiết kế và thuật toán quản lý pin (Battery Management System - BMS) hiện nay phần lớn là công nghệ độc quyền của các nhà sản xuất lớn, gây khó khăn cho việc tiếp cận và nghiên cứu chuyên sâu. Do đó, việc ứng dụng các công cụ mô phỏng số để khảo sát đặc tính, tính toán dung lượng và đánh giá trạng thái pin trong các điều kiện vận hành thực tế trở thành một nhu cầu cấp thiết.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Thiết kế được hệ thống pin trên ô tô điện dựa trên các thông số động lực học phương tiện.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng hoạt động của hệ thống pin trên phần mềm Matlab/Simulink.
Mục đích nghiên cứu:
- Thiết lập phương pháp tính toán và thiết kế hệ thống pin ô tô điện đạt hiệu năng tối ưu.
- Phân tích, làm rõ quy luật biến thiên của các thông số trạng thái pin (điện áp, dòng điện, trạng thái sạc - $\text{SOC}$, công suất) thông qua mô phỏng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống pin trên ô tô điện và các mô hình toán học mô phỏng đặc tính pin Lithium-ion.
- Phạm vi nghiên cứu: Lý thuyết hệ thống pin xe điện, chu trình thử nghiệm xe con hài hòa toàn cầu (WLTP Class 3), dữ liệu thông số kỹ thuật xe ô tô điện VinFast VF8 Eco (phiên bản 2023) và dòng cell pin INR 18650-20R; môi trường mô phỏng Matlab/Simulink.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình toán học
- Lý thuyết động lực học chuyển động ô tô: Xác định tổng lực cản tác dụng lên xe ($F_{can}$) bao gồm lực cản lăn, lực cản không khí ($F_w$), lực cản quán tính và lực cản dốc; từ đó tính toán tổng công suất tiêu thụ yêu cầu tại bánh xe ($P_{tong}$) và năng lượng tiêu hao trung bình ($E_{avg}$, đơn vị $\text{Wh/km}$) theo chu trình lái tiêu chuẩn.
- Chu trình lái chuẩn WLTP Class 3: Chu trình thử nghiệm động lực học tiêu chuẩn xác định sự thay đổi vận tốc, gia tốc và thời gian vận hành thực tế của phương tiện.
- Lý thuyết điện hóa và thông số đặc trưng của pin: Khảo sát các đại lượng trạng thái gồm trạng thái sạc ($\text{SOC}$), độ xả sâu ($\text{DOD}$), tình trạng sức khỏe ($\text{SOH}$), điện áp mạch hở ($\text{OCV}$), điện áp ngắt ($\text{Cut-off voltage}$), dung lượng danh định ($C$), tốc độ sạc/xả ($\text{C-rate}$), điện trở trong và mật độ năng lượng ($\text{Wh/kg}$).
- Khung mô hình hóa pin Lithium-ion: Phân loại và đánh giá ba nhóm mô hình chính:
- Mô hình hộp trắng (Mô hình điện hóa): Mô tả chính xác các phản ứng hóa học bên trong cell nhưng phương trình vi phân phức tạp, tốn kém tài nguyên tính toán.
- Mô hình hộp đen (Mô hình dữ liệu/AI): Ước lượng thông số qua dữ liệu thực nghiệm nhưng đòi hỏi tập dữ liệu huấn luyện lớn và thiếu tính liên kết vật lý.
- Mô hình hộp xám (Mô hình mạch tương đương): Cân bằng giữa độ chính xác và tốc độ xử lý, bao gồm các biến thể: mô hình điện trở trong ($R_{int}$), mô hình $RC$, mô hình Thevenin, mô hình quan hệ đối tác thế hệ xe mới ($\text{PNGV}$), mô hình ngôn ngữ mạng chung ($\text{GNL}$) và mô hình Thevenin hai vòng lặp $RC$.
- Thuật toán ước lượng trạng thái sạc ($\text{SOC}$): Đánh giá phương pháp đếm Coulomb (tích phân dòng điện), phương pháp tra bảng điện áp mạch hở ($\text{OCV}$) và phương pháp lọc Kalman mở rộng ($\text{EKF}$).
- Cơ sở pháp lý và tiêu chuẩn phát thải: Hệ thống tiêu chuẩn Euro (từ Euro 1 đến Euro 6) và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 109:2021/BGTVT ban hành kèm theo Thông tư số 06/2021/TT-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải Việt Nam quy định mức khí thải tương đương Euro 5 cho ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới.
Phương pháp nghiên cứu thực tế
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu các nghiên cứu chuyên ngành về công nghệ vật liệu pin, cấu trúc pack pin và tiêu chuẩn kỹ thuật ô tô điện.
- Phương pháp tính toán giải tích: Xây dựng phương trình cân bằng công suất, tính toán năng lượng kéo và xác định cấu hình kết nối chuỗi cell (nối tiếp - song song) đáp ứng mức điện áp và công suất của xe mục tiêu.
- Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập cấu trúc khối chức năng trên Matlab/Simulink; trích xuất dữ liệu thực nghiệm $\text{OCV}-\text{SOC}$ thông qua bảng tra 1 chiều ($\text{Look-up Table}$) từ phương pháp thử nghiệm xung đặc tính công suất hỗn hợp ($\text{HPPC}$).
| Tiêu chí so sánh |
Phương pháp đếm Coulomb |
Phương pháp tra bảng OCV |
Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) |
| Nguyên lý chính |
Tích phân dòng điện sạc/xả theo thời gian |
Đo điện áp nghỉ để suy ra $\text{SOC}$ qua đường cong $\text{OCV}-\text{SOC}$ |
Thuật toán đệ quy kết hợp mô hình trạng thái và hiệu chỉnh sai số đo |
| Ưu điểm |
Đơn giản, dễ thực hiện, thời gian đáp ứng nhanh |
Độ chính xác cao ở trạng thái tĩnh cân bằng |
Tự sửa sai số tích lũy, độ chính xác cao trong điều kiện động lực học tải biến thiên |
| Nhược điểm |
Sai số tích lũy theo thời gian do nhiễu cảm biến, cần giá trị $\text{SOC}_0$ chính xác |
Không áp dụng được khi xe đang vận hành liên tục (dòng điện khác 0) |
Cấu trúc toán học phức tạp, yêu cầu tài nguyên vi xử lý lớn |
Thiết kế và triển khai hệ thống mô phỏng
Thiết lập thông số phương tiện và phụ tải
Đồ án sử dụng thông số kỹ thuật của xe điện VinFast VF8 Eco (năm sản xuất 2023) làm mẫu xe tham chiếu để thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng:
- Kích thước hình học và khí động học: Diện tích cản chính diện ($A$), hệ số cản khí động học ($C_x$).
- Khối lượng toàn tải và các thông số truyền động.
- Nhu cầu công suất phụ tải: Phân tách chi tiết giữa nhóm phụ tải liên tục (hệ thống đèn, điều khiển, màn hình, bơm làm mát) và nhóm phụ tải gián đoạn (điều hòa không khí, gạt mưa, nâng hạ kính).
Lựa chọn cell pin và phân tích cấu hình ghép nối
- Cell pin lựa chọn: Cell Lithium-ion INR 18650-20R (dạng hình trụ 18650) với các đặc tính danh định về điện áp, dung lượng và dòng xả cho phép.
- Cấu hình ghép nối: So sánh độ tin cậy và sự phân bố dòng giữa cấu hình song song - nối tiếp ($P-S$) và nối tiếp - song song ($S-P$). Hệ thống pin được tính toán gồm số cell mắc nối tiếp ($N_s$) để đảm bảo mức điện áp hoạt động của hệ thống truyền lực và số nhánh mắc song song ($N_p$) nhằm tích lũy đủ dung lượng đáp ứng phạm vi di chuyển theo yêu cầu chu trình.
Xây dựng mô hình trên Matlab/Simulink
Hệ thống mô phỏng bao gồm các khối chức năng liên kết:
- Khối Động lực học phương tiện (Vehicle Dynamics): Tiếp nhận dữ liệu chu trình WLTP Class 3 (thời gian, vận tốc, gia tốc), tính toán tổng lực cản $F_{can}$ và tổng công suất tức thời $P_{tong}$.
- Khối Tính năng lượng tiêu thụ trung bình ($E_{avg}$): Tích phân công suất tiêu thụ theo quãng đường để xác định mức tiêu hao năng lượng trung bình ($\text{Wh/km}$).
- Khối Mô hình Cell pin (Thevenin 2 vòng lặp RC): Mô hình hóa điện trở trong thuần ($R_0$) cùng hai nhánh $R_1-C_1$ và $R_2-C_2$ đại diện cho hiện tượng phân cực điện hóa và phân cực nồng độ. Khối Look-up Table nạp sẵn bảng dữ liệu thực nghiệm $U_{\text{OCV}}(\text{SOC})$ để xuất ra điện áp đầu cực cell $U_t$.
- Khối Mô phỏng Pack pin toàn thể: Ghép nối tín hiệu từ mô hình cell theo hệ số $N_s \times N_p$, tính toán điện áp tổng bộ pin, dòng tải hệ thống, công suất hao phí do nhiệt trở nội và công suất lưu trữ hữu ích.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về đề tài
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về ô nhiễm môi trường do khí thải phương tiện giao thông, phân tích tác hại của các khí độc ($\text{NO}x, \text{CO}, \text{HC}, \text{SO}2, \text{PM}{2.5}, \text{PM}{10}, \text{O}_3, \text{VOCs}, \text{NH}_3$) và lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro cùng QCVN 109:2021/BGTVT. Tác giả tổng thuật các nguồn năng lượng tái tạo (sinh khối Biomass, mặt trời, gió, địa nhiệt, thủy năng, metan hydrat, lên men sinh học và pin nhiên liệu), đồng thời phân tích ưu điểm vượt trội của ba phân loại ô tô điện: xe lai nhẹ/toàn phần ($\text{HEV}$), xe lai sạc điện ($\text{PHEV}$) và xe thuần điện ($\text{BEV}$).
Nội dung chương trình bày chi tiết lịch sử phát triển của pin từ các mốc sơ khai (pin Parthian cách đây hơn 2000 năm, thí nghiệm của Luigi Galvani năm 1780, pin Volta năm 1800, pin Daniell, pin axit-chì của Gaston Planté năm 1859, cải tiến của Camille Faure, pin Leclanché năm 1866, pin NiCd của Waldemar Jungner năm 1899) cho đến các đột phá tạo nên pin Lithium-ion thương mại của John Goodenough (1980), Rachid Yazami (1982) và tập đoàn Sony (1991). Tác giả làm rõ các khái niệm kỹ thuật cốt lõi (Cell, Module, Pack, C-rate, SOC, DOD, SOH, OCV, Cut-off voltage, Mật độ năng lượng, Hiện tượng tự xả, Hiệu ứng bộ nhớ) và so sánh chi tiết các họ hóa học pin: Axit-chì, NiCd, NiMH, Lithium Cobalt Oxide ($\text{LCO}$), Lithium Manganese Oxide ($\text{LMO}$), Lithium Iron Phosphate ($\text{LFP}$), Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide ($\text{NMC}$), Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide ($\text{NCA}$), Lithium Titanate ($\text{LTO}$) và pin nhiên liệu.
| Loại pin |
Điện áp danh định (V) |
Mật độ năng lượng (Wh/kg) |
Tuổi thọ (chu kỳ) |
Ưu điểm chính |
Nhược điểm chính |
| Axit - Chì |
2,1 |
30 – 50 |
200 – 300 |
Giá thành thấp, độ bền cơ học |
Trọng lượng lớn, chứa kim loại độc |
| NiCd |
1,2 – 1,35 |
45 – 80 |
1000 |
Hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp |
Độc hại môi trường, hiệu ứng bộ nhớ rõ rệt |
| NiMH |
1,2 |
60 – 120 |
300 – 500 |
An toàn hơn NiCd, không chứa cadmi |
Tỷ lệ tự xả cao, sinh nhiệt khi sạc |
| LiFePO4 (LFP) |
3,2 |
90 – 140 |
2000 – 5000+ |
Độ bền nhiệt cao, tuổi thọ rất dài |
Mật độ năng lượng trung bình |
| NMC / NCA |
3,6 – 3,7 |
150 – 260 |
1000 – 2000 |
Mật độ năng lượng rất cao |
Nhạy cảm nhiệt độ, chi phí vật liệu cao |
| LTO |
2,4 |
50 – 80 |
3000 – 10000+ |
Sạc cực nhanh, độ an toàn rất cao |
Điện áp thấp, mật độ năng lượng thấp |
Chương 2. Thiết kế và mô phỏng
Chương 2 tập trung vào việc mô hình hóa toán học và triển khai mô phỏng. Tác giả so sánh các mô hình mạch tương đương và quyết định lựa chọn mô hình Thevenin hai vòng lặp $RC$ do khả năng phản ánh chính xác cả đáp ứng điện áp tức thời lẫn quá trình hồi phục chậm của điện áp phân cực. Quy trình tính toán kỹ thuật được thực hiện tuần tự:
- Xác định năng lượng tiêu hao trung bình $E_{avg}$ ($\text{Wh/km}$) của xe VinFast VF8 Eco 2023 trên chu trình WLTP Class 3 thông qua việc tích hợp các lực cản chuyển động và công suất phụ tải liên tục/gián đoạn.
- Tính toán lựa chọn số lượng cell INR 18650-20R cần thiết, xác định cấu trúc ghép nối $N_s$ và $N_p$ để tạo nên bộ pin có mức điện áp và dung lượng tương đương cấu hình thực tế.
- Lập trình và liên kết các khối Simulink: Khối phương trình vi phân trạng thái cho hai vòng $RC$, khối Look-up Table nội suy hàm $U_{\text{OCV}}(\text{SOC})$ từ bảng thực nghiệm, khối tính toán trạng thái sạc $\text{SOC}$ bằng phương pháp đếm Coulomb kết hợp cập nhật $U_{\text{OCV}}$, và khối trích xuất công suất tổn hao nhiệt $P_{loss} = I^2 R_0$.
Chương 4. Kết luận và hướng phát triển
Chương 4 tổng hợp các kết quả mô phỏng đạt được, đối chiếu mức độ đáp ứng của hệ thống pin thiết kế so với yêu cầu động lực học của chu trình lái WLTP Class 3, đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật chưa được giải quyết trong phạm vi đề tài và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Kết quả nghiên cứu chính
- Xác lập chu trình tính toán động lực học hoàn chỉnh: Xác định được quy luật biến thiên của lực cản tổng hợp ($F_{can}$) và công suất yêu cầu ($P_{tong}$) của ô tô điện VinFast VF8 Eco theo chu trình WLTP Class 3.
- Thiết kế cấu hình hệ thống pin: Tính toán thành công số lượng cell và cấu trúc mảng cell pin INR 18650-20R đáp ứng đầy đủ năng lượng tiêu thụ trung bình $E_{avg}$ và các chế độ tải đỉnh khi xe tăng tốc.
- Mô hình mô phỏng hoạt động ổn định trên Matlab/Simulink:
- Đồ thị trạng thái sạc $\text{SOC}$ giảm dần một cách mượt mà và chính xác theo tiến trình của chu trình lái.
- Đặc tuyến điện áp đầu cực của cell và điện áp toàn pack pin phản ánh sát thực tế các hiện tượng sụt áp khi phóng dòng lớn và hiện tượng hồi phục điện áp khi phương tiện giảm tốc hoặc dừng nghỉ.
- Tách bạch rõ ràng mối quan hệ giữa ba đại lượng công suất: công suất yêu cầu của hệ thống, công suất lưu trữ bên trong các cell và công suất tổn hao nhiệt trên điện trở nội.
Đóng góp của đề tài
- Xây dựng quy trình có tính hệ thống từ khâu tính toán giải tích cơ học phương tiện đến khâu thiết kế và mô phỏng hệ thống pin xe điện trên phần mềm kỹ thuật tiêu chuẩn.
- Cung cấp mô hình tham khảo chi tiết về cách thiết lập bảng tra $\text{Look-up Table}$ kết hợp mạch tương đương Thevenin hai vòng lặp $RC$ phục vụ học tập, nghiên cứu môn học công nghệ xe điện tại trường đại học.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ: Mô hình Thevenin 2 RC trong đồ án sử dụng các giá trị điện trở trong và điện dung phân cực cố định ở nhiệt độ phòng chuẩn, chưa tích hợp mô hình nhiệt để khảo sát sự biến thiên thông số khi nhiệt độ cell tăng cao trong quá trình phóng/sạc liên tục.
- Chưa xét đến sự suy giảm dung lượng dài hạn ($\text{SOH}$): Mô hình chỉ mô phỏng trong phạm vi một chu trình lái đơn lẻ, chưa tính toán đến hiện tượng lão hóa cell, suy giảm dung lượng và tăng nội trở qua hàng trăm chu kỳ nạp/xả.
- Thiếu kiểm chứng phần cứng thời gian thực: Kết quả nghiên cứu dừng lại ở mức mô phỏng toán học trên máy tính, chưa được kiểm chứng trên mô hình phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL) hoặc bộ pin thực tế.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Tích hợp mô hình nhiệt động học liên kết (Electro-thermal Model) để theo dõi sự phát sinh nhiệt lượng và thiết kế hệ thống quản lý nhiệt (BTMS) cho bộ pin.
- Ứng dụng bộ lọc Kalman thích nghi ($\text{Adaptive EKF}$) hoặc các thuật toán trí tuệ nhân tạo để nâng cao độ chính xác ước lượng $\text{SOC}$ trong điều kiện môi trường biến thiên.
- Nghiên cứu phát triển mạch cân bằng cell (chủ động và thụ động) tích hợp vào mô hình quản lý pin BMS trên Simulink.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp tính toán động lực học phương tiện điện và quy trình lập trình mô phỏng hệ thống lưu trữ năng lượng trên Matlab/Simulink.
- Kỹ sư và người nghiên cứu về xe điện: Tham khảo cách thiết lập mô hình mạch tương đương Thevenin 2 vòng $RC$, cấu trúc nạp dữ liệu thực nghiệm $\text{OCV}-\text{SOC}$ và phân tích phụ tải ô tô điện.
Câu hỏi thường gặp
1. Mẫu xe nào và chu trình lái nào được sử dụng làm cơ sở tính toán trong đồ án?
Đồ án sử dụng thông số kỹ thuật của xe điện VinFast VF8 Eco (phiên bản năm 2023) làm phương tiện tham chiếu và áp dụng chu trình lái chuẩn quốc tế WLTP Class 3 để tính toán lực cản, công suất và năng lượng tiêu hao trung bình $E_{avg}$.
2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn mô hình mạch tương đương Thevenin hai vòng lặp RC?
Mô hình Thevenin hai vòng lặp $RC$ được lựa chọn vì dung hòa được giữa độ chính xác vật lý và khối lượng tính toán. Cấu trúc hai vòng $RC$ cho phép mô tả riêng biệt đáp ứng phân cực điện hóa (nhánh $R_1-C_1$ diễn ra nhanh) và phân cực nồng độ (nhánh $R_2-C_2$ diễn ra chậm), khắc phục sự thiếu chính xác của mô hình $R_{int}$ và mô hình 1 vòng $RC$ đơn giản.
3. Dòng cell pin cụ thể nào được chọn để thiết kế hệ thống pin?
Nhóm nghiên cứu chọn dòng cell Lithium-ion dạng hình trụ INR 18650-20R (hóa học gốc Niken-Mangan) với các thông số định mức về dung lượng, điện áp và dòng xả làm đơn vị cơ sở để tính toán ghép nối thành pack pin.
4. Dữ liệu điện áp mạch hở ($U_{\text{OCV}}$) theo trạng thái sạc ($\text{SOC}$) được xử lý như thế nào trong mô phỏng?
Dữ liệu $U_{\text{OCV}}(\text{SOC})$ được trích xuất từ kết quả thử nghiệm xung công suất hỗn hợp ($\text{HPPC}$) thực nghiệm và được nạp vào khối Look-up Table 1 chiều trong Simulink, cho phép mô hình tra cứu và nội suy giá trị điện áp hở mạch tức thời tương ứng với từng mức $\text{SOC}$ của cell.
5. Khí thải phương tiện mới tại Việt Nam hiện nay được điều chỉnh bởi văn bản pháp lý nào theo trích dẫn của đồ án?
Theo đồ án, khí thải phương tiện ô tô mới sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu tại Việt Nam chịu sự điều chỉnh của Thông tư số 06/2021/TT-BGTVT ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 109:2021/BGTVT quy định giới hạn phát thải mức 5 (tương đương chuẩn Euro 5), có hiệu lực thi hành từ ngày 01/01/2022.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và mô phỏng hệ thống pin trên ô tô điện bằng phần mềm Matlab/Simulink" đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết và mô phỏng kỹ thuật cho mẫu xe VinFast VF8 Eco trên chu trình WLTP Class 3. Nhóm tác giả đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về các công nghệ pin, áp dụng chính xác mô hình mạch tương đương Thevenin hai vòng lặp $RC$ kết hợp dữ liệu thực nghiệm $U_{\text{OCV}}(\text{SOC})$ để khảo sát các đặc tính làm việc của bộ pin. Kết quả mô phỏng phản ánh rõ nét quy luật sụt áp, biến thiên trạng thái sạc $\text{SOC}$ và phân bố công suất tổn hao trong điều kiện tải động lực học, tạo nền tảng tư liệu học thuật giá trị cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo về hệ thống lưu trữ năng lượng trên phương tiện giao thông điện.
