Đặt vấn đề Thế giới đang đối mặt với những vấn đề cấp thiết liên quan tới môi trường và sự cạn kiệt dần nguồn năng lượng hóa thạch, cùng với đó là sự nóng lên của trái đất do hiệu ứng nhà kính và khí thải tạo ra từ xe động cơ đốt trong (cách gọi khác là xe truyền thống). Những vấn đề này ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người, cho nên, sự thay đổi xu hướng di chuyển là điều tất yếu [1]. Việc nghiên cứu và phát triển của những loại phương tiện truyền động bằng điện (cách gọi khác là xe điện), bao gồm xe chạy điện hoàn toàn (full electric vehicles) và xe điện lai (hybrid electric vehicles), đã và đang thu hút được sự quan tâm lớn đến từ chính phủ và cộng đồng. Loại hình này được kì vọng là giải pháp tiềm năng thay thế cho xe động cơ đốt trong trong tương lai, góp phần quan trọng trong bối cảnh đảm bảo an ninh năng lượng.
Chúng có những ưu điểm về mặt truyền động so với những xe truyền thống như sau [2]. • Sự đáp ứng của lực phanh và lực lái của động cơ điện khoảng vài mili giây và nhanh hơn nhiều lần so với động cơ đốt trong (từ 10 đến 100 lần). • Có thể điều khiển độc lập động cơ trong từng bánh và truyền động mỗi bánh. • Momen động cơ đưa ra có thể tính toán chính xác từ dòng điện động cơ.
Nhiều công nghệ cũng như cấu trúc xe đã được nghiên cứu phát triển trong cả khía cạnh học thuật lẫn công nghiệp trên toàn thế giới trong vòng nhiều năm qua [3]–[6]. Bên cạnh những ưu điểm, những vấn đề lớn khi so sánh giữa xe điện và xe truyền thống còn tồn tại như đoạn đường có thể đi được trong một quá trình lái, năng lượng tiêu thụ, hiệu năng truyền động và sự an toàn [3], [4]. Những vấn đề này đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu về điều khiển chuyển động (motion control) [7], [8] như điều khiển lực kéo (traction control), điều khiển ổn định (stability control); và hệ thống quản lý năng lượng (energy management system- EMS) [9], [10] nhằm tận dụng các ưu điểm của phương tiện chạy điện để dần hoàn thiện, đẩy mạnh ứng dụng chúng vào nền công nghiệp. Trong luận văn này, ta sẽ xét đến vấn đề quản lý năng lượng nhằm tối ưu hiệu suất sử dụng của toàn hệ thống, xét tới yếu tố động học dọc trục của xe, từ đó có thể kéo dài quãng đường có thể đi được.
Cấu hình xe điện 1. Cấu hình các phương tiện truyền động bằng điện Như đã đề cập tại mục 1.1 ở trên, những loại xe chạy điện phổ biến, thu hút được sự quan tâm nghiên cứu và phát triển hiện nay, bao gồm: xe chạy điện hoàn toàn và xe điện lai. Phân loại cơ bản dựa trên dạng nguồn cấp và cấu trúc hệ thống năng lượng (powertrain) cho xe điện được trình bày ở Hình 1. Bên cạnh đó, đặc điểm của những dòng xe đặc trưng được tổng hợp trong Bảng 1.
1 Electric vehicle (EV) Hybrid electric Full electric vehicle (HEV) vehicle Series Parallel Series-parallel Plug-in Battery-based Fuel cell-based HEV HEV HEV HEV EV EV Battery Battery + SC FC + Battery FC + SC FC + Battery + SC Hình 1.1 Phân loại cấu trúc theo hệ thống năng lượng cho xe điện [10].1, xét đối tượng là xe điện lai, việc xây dựng cấu hình dựa trên sự sắp xếp giữa các nguồn: động cơ đốt trong và động cơ điện. Các cấu hình đã và đang được được ứng dụng bao gồm: Cấu hình nối tiếp (Series HEV), cấu hình song song (Parallel HEV), cấu hình hỗn hợp (Series-parallel HEV) và Plug- in HEV. Mỗi loại cấu hình đều có ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên, để đánh giá cấu hình phù hợp và nổi trội hơn, cấu hình nối tiếp thì rất hiệu quả khi động cơ đốt trong chạy độc lập về mặt cơ khí với xe, cho nên có thể vận hành động cơ đốt trong ở tốc độ và momen tối ưu của nó.
Từ đó, hệ thống đạt hiệu suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu cao nhất trong số các cấu hình được xét. Đối với xe chạy điện hoàn toàn, có hai hướng tiếp cận dựa trên nguồn cấp chính (primary source): Xe điện sử dụng pin (Battery-based EV) và xe điện sử dụng pin nhiên liệu (Fuel cell-based EV). Với việc sử dụng các nguồn chính có mật độ năng lượng cao như pin (battery) hoặc pin nhiêu liệu (fuel cell), xe sẽ có hạn chế về vấn đề huy động công suất do mật độ công suất của hai loại này đều khá thấp [11]. Việc lắp thêm một nguồn phụ để bổ sung mật độ công suất này là cần thiết, có thể kể đến như siêu tụ hoặc thậm chí là pin (ứng với trường hợp nguồn chính là fuelcell).
Thông qua sự phân loại tại Hình 1.1, kết hợp với hiện trạng các dòng xe đã ứng dụng trong công nghiệp, Bảng 1.1 trình bày các tính chất liên quan đến ba dòng chính: Xe điện lai (HEVs), xe điện chạy hoàn toàn bằng pin (BEVs) và xe điện sử dụng pin năng lượng (FCEVs). Xe điện với nguồn chính là hệ thống pin (BEVs) là giải pháp căn bản được sử dụng để giải quyết vấn đề năng lượng, sự di chuyển và việc nóng lên toàn cầu. Tuy nhiên, giá thành cao, quãng đường di chuyển bị hạn chế, thời gian sạc dài (từ 8-10 tiếng), số lượng hành khách và không gian sử dụng là những giới hạn trong việc phổ biến của dòng xe này. Với đối tượng này, những nghiên cứu nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu những ảnh hưởng của những yếu tố kể trên vẫn đang thu hút được số lượng sự quan tâm lớn của cộng đồng học thuật.
Xe điện lai (HEVs) được phát triển nhằm bổ khuyết những vấn đề trong cả xe động cơ đốt trong truyền thống và xe điện chạy thuần pin. Loại này sử dụng động cơ đốt trong (ICE) để chuyển hóa năng lượng từ xăng và dầu sang năng lượng cơ. Nhiều cấu hình xe lai được phát triển theo dạng mắc các nguồn kiểu nối tiếp hoặc song song hoặc phối hợp. 2 Xe điện sử dụng pin năng lượng (FCVs) tạo ra điện từ hydrogen.
Nguồn năng lượng này được sử dụng với hai mục đích: thứ nhất là có thể dùng để truyền động xe, thứ hai là có thể lưu trữ trong hệ thống lưu trữ năng lượng như pin hoặc là siêu tụ. Mặc dù pin năng lượng tạo ra điện thông qua các phản ứng hóa học, tuy nhiên, chúng không đốt nhiêu liệu hóa thạch nên không tạo ra khí thải. Bên cạnh đó, sản phẩm phụ của phản ứng này là nước, không gây hại cho môi trường. Sự hoạt động của xe điện loại này mang lại cảm giác êm ái và thoải mái khi lái.1 Tính chất của các loại xe điện phổ thông [3].
Loại xe điện Xe điện sử dụng Xe điện lai (HEVs) Xe sử dụng pin nguồn chính là nhiên liệu (FCVs) pin (BEVs) Cơ cấu ● Truyền động ● Truyền động bằng động cơ ● Truyền động bằng truyền động bằng động cơ điện điện động cơ điện ● Động cơ đốt trong Hệ thống ● Pin ● Pin ● Pin năng lượng năng lượng ● Siêu tụ ● Siêu tụ ● Cần thêm pin hoặc ● Máy phát vận hành bằng siêu tụ để nâng cao động cơ đốt trong mật độ công suất cho quá trình khởi động Tính chất ● Không khí thải ● Lượng khí thải thấp ● Không phát thải ● Hiệu suất năng ● Tiết kiệm xăng dầu hơn so hoặc độ phát thải rất lượng cao với xe động cơ đốt trong thấp ● Không phụ thuộc truyền thống ● Hiệu suất năng vào nguồn dầu thô ● Quãng đường di chuyển lượng cao ● Khoảng cách di dài ● Không phụ thuộc chuyển hạn chế ● Phụ thuộc vào nguồn dầu nguồn dầu thô (nếu thô không sử dụng nguồn ● Giá thành ban dầu để sản xuất đầu cao ● Giá thành cao hơn so với hydrogen) ● Có khả năng xe truyền thống ● Khoảng cách di thương mại hóa ● Ưu điểm về mức tiết kiệm chuyển lớn xăng dầu và khí thải phụ thuộc vào mức độ công suất ● Giá thành cao của động cơ điện và pin ● Đã có sản phẩm cũng như chu trình lái. thương mại ● Có khả năng thương mại hóa Vấn đề chủ ● Pin và vấn đề ● Điều khiển, tối ưu hóa và ● Giá thành tuổi thọ yếu quản lý pin quản lý vấn đề đa nguồn và độ tin cậy của pin ● Cơ sở hạ tầng sạc năng lượng. ● Giá thành ● Thiết kế cấu hình và quản ● Cơ sở hạ tầng lý pin hydrogen Mặc dù HEVs có nhiều ưu điểm, dòng xe này cũng tồn tại nhiều giới hạn cần lưu ý. Những mối quan tâm chính bao gồm: • Việc tăng giá thành đến từ động cơ, hệ thống lưu trữ năng lượng và bộ biến đổi công suất; • Độ tin cậy và tính đảm bảo; • Độ an toàn đến từ điện áp cao của hệ thống xe; 3 • Sự tương tác điện từ gây ra bởi vấn đề đóng cắt dòng cao với tần số cao trong hệ thống điện.
Vấn đề liên quan tới xe điện FCV như sau: • Giá thành của pin năng lượng; • Việc lưu trữ hydrogen; • Sản xuất và sự vận chuyển hydrogen; • Tuổi thọ của pin năng lượng. Trong thực tế, công nghệ pin đang đạt rất nhiều thành tựu khi cả mật độ công suất và mật độ năng lượng được cải thiện đáng kể [12] (điều này mang đến khả năng nâng cao công suất có thể huy động và đặc biệt là quãng đường đi được) cùng với sự phát triển của những công nghệ sạc [13] (sạc nhanh, sạc không dây). Đối tượng nghiên cứu của luận văn thuộc dòng xe điện BEVs, được cấp nguồn thuần từ hệ thống pin. Cấu hình xe điện được cấp nguồn thuần từ hệ thống pin-BEVs Trong luận văn này, phạm vi được thu gọn trong việc nghiên cứu đối tượng dòng BEVs.
Từ đây, thuật ngữ “xe điện” dành để chỉ phương tiện chạy điện, được cấp nguồn thuần từ hệ thống pin. Các cấu hình cơ bản được nêu ra tại Hình 1.2, chúng được phân loại theo số lượng và vị trí của động cơ. Xét về khía cạnh an toàn, cấu hình nhiều động cơ (multiple-motor configuration) đưa ra khả năng cải thiện tính tin cậy trong sự hoạt động hệ thống. Dựa theo đó, chúng được đề xuất và phát triển nhằm mục đích nâng cao hiệu năng lái, cải thiện khả năng tích hợp cũng như sự ổn định.2 Các cấu hình xe điện phổ biến.
(a) Truyền động cầu trước. (b) Truyền động hai cầu sử dụng một động cơ. (c) Truyền động hai cầu chủ động sử dụng hai động cơ. (d) Truyền động 4 bánh độc lập 4 động cơ.