Đồ án khoa cơ điện, điện tử, đại học lạc hồng (27)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CƠ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

Luận văn tốt nghiệp
ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG QUẢN LÍ
NĂNG LƯỢNG TRÊN XE ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Lớp
MSSV

: Hoàng Ngọc Tân
: Lê Văn Hà
: 18OT111
: 118000844

Đồng Nai 3,2022.


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CƠ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

Luận văn tốt nghiệp
ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG QUẢN LÍ NĂNG LƯỢNG TRÊN XE
ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện

Lớp
MSSV

: Hoàng Ngọc Tân
: Lê Văn Hà
: 18OT111
: 118000844

Đồng Nai 6,2022.



Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Chương I. Mở đầu.
1. Vấn đề.
Ơ tơ điện có lịch sử lâu đời, nhưng từ khoảng 2 thập kỷ trở lại đây mới phát
triển trở lại mạnh mẽ nhằm giải quyết 2 vấn đề lớn của nhân loại: sự cạn kiệt dần
dần của nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự ô nhiễm môi trường gây ra bởi ô tô chạy
xăng dầu. Việc triển khai các nghiên cứu về ô tô điện tại Việt Nam là một hướng đi
đúng nhằm nắm bắt các công nghệ tiên tiến, với hy vọng đưa cơng nghiệp ơ tơ của
nước nhà có thể bắt kịp với sự phát triển trên thế giới. Tuy nhiên, với thực trạng
một nước có nền cơng nghiệp nói chung và công nghiệp ô tô chưa phát triển, việc
phát triển ô tô điện tại Việt Nam cần có một chiến lược dài hạn và sách lược đúng
đắn.

Hình 1. Lịch sử và sự phát triển của xe điện.
Trong kỹ thuật điều khiển nói chung và các vấn đề điều khiển cho ơ tơ điện nói

riêng, mơ hình hóa là bước tiên quyết và đóng vai trị đặc biệt quan trọng. Có thể
nói rằng, nếu khơng có một mơ hình tốt thì hầu như khơng có khả năng xây dựng
một hệ thống điều khiển tốt, ngay cả khi sử dụng các phương pháp điều khiển
khơng dựa trên mơ hình đối tượng (ví dụ các phương pháp thông minh như điều
khiển mờ hay mạng nơ ron nhân tạo). Mặt khác, ta cũng cần chú ý rằng một mơ
hình “tốt” là một mơ hình “phù hợp” chứ khơng phải là càng chính xác thì càng tốt.
Lý do là vì sự chính xác thường phải đánh đổi bằng sự phức tạp.Trong đó có thể
thấy về việc lưu trữ năng lượng trên ô tô điện là vấn đề đang được quan tâm, nhất
là khi ngành công nghiệp này lên ngơi. Các nhà sản xuất ln tích cực tìm ra các
giải pháp tối ưu việc lưu trữ năng lượng.
Việc phục hồi và lưu trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng giúp tiết kiệm nhiên
liệu cho các hành trình kế tiếp của xe hơi chạy điện.

Trang 4


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

2. Lí do chọn đề tài.
Trong ơ tơ điện, vấn đề dự trữ và quản lý dòng năng lượng ln là vấn đề phức tạp,
gây hạn chế các tính năng của xe. Các nghiên cứu trên thế giới đặt ra mục tiêu đối
với hệ thống nguồn là tăng khả năng lưu trữ năng lượng, giảm kích thước và trọng
lượng đồng thời phải có sự linh hoạt trong khả năng quản lý, phân phối và điều
khiển dòng năng lượng trong các chế độ hoạt động của xe. Trên thực tế, nguồn
năng lượng là vấn đề được quan tâm hàng đầu, cũng là lĩnh vực được đầu tư lớn
nhất trong những nghiên cứu về ô tô điện hiện nay. Trong bài viết này em sẽ trình
bày rõ về tầm quan trong của hệ thống và sẽ tính tốn sự tối ưu sau đó mơ phỏng
đánh giá kết quả.

Nguồn năng lượng được coi là vấn đề lớn nhất trong ô tô điện, nó được sự quan
tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong cả giới hàn lâm và giới công nghiệp.
Khi ô tô điện trở thành một sản phẩm thương mại thì những vấn đề liên quan đến
nguồn năng lượng cũng là mối quan tâm hàng đầu của người tiêu dùng.
3. Mục tiêu nghiên cứu.
- Tìm hiểu về hệ thống quản lý năng lượng trên xe điện.
- Tìm hiểu về các mơ hình hóa hệ thống và các loại pin.
- Giải quyết các bài toán tối ưu trong quản lý năng lượng cho ô tô điện.
- Áp dụng mô phỏng kiểm nghiệm trên phần mềm Matlab.
- Đánh giá kết quả sau khi tính tốn và mơ phỏng.

Trang 5


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Chương II. Khái quát chung về hệ thống.
1. Giới thiệu chung về hệ thống.

Hệ thống quản lý năng lượng (EMS): EMS là bộ não của lưới điện bên trong
nhà. Nó phối hợp thơng minh xe điện, sạc tường, hệ thống sưởi, vv theo yêu cầu.
Tất cả những gì chủ sở hữu xe điện sẽ phải làm chỉ đơn giản là cắm cáp sạc.

Hình 2. Hệ thống quản lý năng lượng trên ô tô điện.
Việc sử dụng nhiều ô tô hơn tạo ra những thách thức nghiêm trọng đối với môi
trường và / cuộc sống con người, ô nhiễm không khí, sự nóng lên tồn cầu và giảm
nhanh trữ lượng nhiên liệu hóa thạch trên trái đất đang trở thành những dịch vụ. Xe
điện, xe điện hybrid và xe điện chạy bằng pin nhiên liệu liên tục được thiết kế để

thay đổi các dòng xe hơi truyền thống trong những ngày tới. Hầu hết các cấu trúc
điện và hybrid sử dụng nhiều dự án lưu trữ năng lượng, một dự án có khả năng lưu
trữ năng lượng ở mức cao và dự án cịn lại có cơng suất năng lượng cao và khả
năng đảo ngược, được gọi là "hệ thống lưu trữ năng lượng có thể sạc lại". Nó cung
cấp tầm hoạt động xa, đồng thời mang lại khả năng tăng tốc và phanh tái tạo tuyệt
vời. Các chiến lược lưu trữ năng lượng hoặc cung cấp điện khác nhau về điện áp
đầu ra của chúng dựa trên tải hoặc trạng thái sạc (SoC) và điện áp cao của kết nối
bus DC tạo ra những thách thức đáng kể cho các kỹ sư xe khi bật nguồn. Tích hợp
hoặc thiết bị lưu trữ với bộ chuyển đổi lực kéo DC-DC, hạn chế các phần tử trong
máy điện bằng cách tăng hoặc cắt các mức điện áp. Do những hạn chế của đầu
máy, bộ chuyển đổi điện phải nhẹ hơn, đáng tin cậy hơn, khối lượng thấp hơn,
năng suất cao hơn, ít nhiễu điện từ hơn và ít gợn sóng điện áp và dịng điện hơn.
2. Mơ hình hóa hệ thống.

Trang 6


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

2.1 Khái quát.
Ắc quy là một trong những thành phần quan trọng nhất và có giá trị cao nhất
trên ô tô điện. Thiết bị này quyết định khả năng huy động công suất cho xe bên
cạnh động cơ và bộ biến đổi công suất, nhưng quan trọng hơn cả, nó quyết định
quãng đường có thể di chuyển của xe. Vì tính chất quan trọng của ắc quy nên
gia tăng tuổi thọ ắc quy là vấn đề được nhiều đơn vị nghiên cứu về ô tô điện
quan tâm. Để làm được việc này, chúng ta phải giảm thiểu các yếu tố ảnh hưởng
xấu đến tuổi thọ ắc quy đó là: nhiệt độ làm việc, tần số của dòng điện, cường độ
dòng điện nạp/xả và số lần nạp xả ắc quy.

Đối với hệ thống lưu trữ năng lượng (Energy Storage System - ESS) chỉ sử
dụng ắc quy thì việc giảm thiểu các yếu tố ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ ắc quy là
rất khó khăn. Vì vậy khái niệm hệ thống lưu trữ năng lượng lai (Hybrid Energy
Storage System – HESS) ra đời với thiết bị chính là ắc quy kết hợp với một
thiết bị phụ trợ khác nhằm hỗ trợ giảm thiểu các yếu tố gây hại cho ắc quy. Để
đảm bảo khả năng hỗ trợ thì thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ phải đảm bảo
các yêu cầu sau:
• Mật độ cơng suất lớn
• Dịng điện huy động cũng như dịng nạp lớn
• Số lần nạp xả cao
Các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ phù hợp để kết hợp với ắc quy là bánh
đà, siêu tụ, fuelcell. Trong các thiết bị trên thì siêu tụ đang được coi là phù hợp
với các yêu cầu đặt ra ở trên ứng dụng trong ô tô điện cá nhân.
Trong quản lý năng lượng, quy hoạch động được coi là phương pháp tốt nhất
để tối ưu hóa theo một (mono objective) hoặc nhiều (Multi objective) mục tiêu.
Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là khơng phù hợp để thực hiện điều
khiển thời gian thực. Vì vậy, nó chỉ có thể được sử dụng để làm giá trị tham
chiếu khi so sánh các phương pháp điều khiển tối ưu thời gian thực khác.
Phương pháp quy hoạch động một mục tiêu đã được áp dụng thành công đối với
xe ô tô điện lai (HEVs) nhằm tối ưu hóa lượng tiêu thụ nhiên liệu với biến
trạng thái là năng lượng còn lại (SOC) của ắc quy. Cũng cùng mục tiêu là cực
tiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu nhưng tác giả ngoài SOC cịn xét thêm một biến
trạng thái là vị trí của hộp số truyền thống. Ngồi ra, một số cơng bố đã áp dụng
phương pháp quy hoạch động với nhiều mục tiêu có ràng buộc ví dụ trong là tối
ưu hóa tổn thất trên xe điện lai và chi phí vận hành trên xe ô tô điện lai (HEVs)
với biến trạng thái là SOC của ắc quy, bản đồ hiệu suất của động cơ điện và bản
đồ hiệu suất của động cơ đốt trong. Cũng cùng mục tiêu có ràng buộc như trong
thì trong là xe điện Fuel Cell (FCEVs) sử dụng hệ năng lượng lai (HESS) Fuel
Cell và ắc quy với biến trạng thái là SOC của ắc quy và bản đồ hiệu suất động
cơ điện. Trong [10] sử dụng hệ HESS fuel cell, ắc quy và siêu tụ như vậy là hệ

Trang 7


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

thống HESS có nhiều bậc tự do hơn với mục tiêu là giống với và khi đó biến
trạng thái là SOC của ắc quy và siêu tụ cộng với bản đồ hiệu suất động cơ điện.
Như vậy phương pháp quy hoạch động đã được áp dụng với các đối tượng ô tô
lai và ô tô điện sử dụng Fuel Cell và khác biệt là hàm mục tiêu, các ràng buộc
và biến trạng thái.
Trong phạm vi bài báo, chiến lược tối ưu hóa mà nhóm tác giả áp dụng nhằm
mục đích gia tăng tuổi thọ ắc quy. Vì vậy thơng số được lựa chọn để tối ưu hóa
là tổn thất nhiệt trong q trình hoạt động của ắc quy.
2.2 Mơ hình hóa hệ thống.
Hệ thống sẽ gồm các thành phần được mơ hình hóa như sau:
a) Hệ thống lưu trữ năng lượng và bộ điều khiển dòng năng lượng, bao gồm:
• Ắc quy Li-ion
• Siêu tụ điện
• Bộ biến đổi DC-DC
b) Bộ biến đổi, động cơ và thành phần động lực học của xe ơ tơ điện, có thể
được hiểu tổng quan là khối tạo công suất yêu cầu đối với hệ thống lưu trữ năng
lượng.
2.2.1. Mơ hình hố hệ thống.
Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC được trình bày trong cấu hình tổng qt của tồn
bộ hệ thống. Mơ hình hóa của bộ biến đổi DC-DC được cho bởi:
Trong đó: uchop và uSC là điện áp bộ biến đổi DC-DC và điện áp trên siêu tụ;
ichop và iSC lần lượt là dòng điện của bộ biến đổi DC-DC và dòng điện siêu tụ;
m là hệ số điều chế của bộ biến đổi DC-DC.

Hệ thống lưu trữ năng lượng kết hợp siêu tụ và ắc quy dẫn đến các mối quan hệ
về dòng điện và điện áp trong hệ được biểu diễn bởi:

Trong đó: uchop và uSC là điện áp bộ biến đổi DC-DC và điện áp trên siêu tụ;
ichop và iSC lần lượt là dòng điện của bộ biến đổi DC-DC và dòng điện siêu tụ; m
là hệ số điều chế của bộ biến đổi DC-DC.
Hệ thống lưu trữ năng lượng kết hợp siêu tụ và ắc quy dẫn đến các mối quan hệ
về dòng điện và điện áp trong hệ được biểu diễn bởi:

Trang 8


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Với ubat và ibat là điện áp và dòng điện ắc quy; itract là dòng điện DC-link theo yêu
cầu của phụ tải.
2.2.2. Mơ hình hố siêu tụ.
Trong phạm vi bài báo, siêu tụ có thể được mơ hình hóa bằng mơ hình tối giản
như sau:

Trong đó CCS là điện dung và USC(0) biểu diễn trạng thái điện áp ban đầu của
siêu tụ.
2.2.3. Mơ hình hố ắc quy.
Tương tự như siêu tụ, nhóm tác giả sử dụng mơ hình đơn giản để mơ hình hóa
ắc quy, trong đó VOC đại diện cho điện áp hở mạch của ắc quy và rbat là nội trở
của ắc quy đại diện cho quá trình tự xả và tổn hao trên ắc quy:

3. Tầm quan trọng của hệ thống.

3.1 Kiểm sốt q trình xả pin.
Chức năng chính của hệ thống quản lý pin lithium (BMS – Battery
Management System) là duy trì các cell pin lithium ln trong tình trạng hoạt
động an tồn. Chẳng hạn như một cell pin lithium 18650 điển hình, sẽ có mức
điện áp < 3V. Hệ thống BMS có nhiệm vụ đảm bảo rằng, khơng có cell pin nào
trong gói pin được phóng điện dưới 3V.

Trang 9


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Hình 3. Kiểm sốt q trình xả pin.
3.2 Kiểm sốt sạc pin ở ơ tơ điện.
Ngồi việc xả pin, q trình sạc cũng ln được các nhà sản xuất quan tâm. Đa
số các loại pin ln có xu hướng bị giảm tuổi thọ nếu như không được sạc đúng
cách. Đối với bộ sạc pin lithium trên ô tô điện, bộ sạc 2 giai đoạn được áp dụng.
•

Giai đoạn đầu tiên gọi là Dịng điện khơng đổi CC (Constant Current).
Trong đó, bộ sạc tạo nên dịng điện khơng đổi để sạc pin.

•

Tới lúc gần đầy pin sẽ kích hoạt giai đoạn hai, giai đoạn này gọi là Điện
áp không đổi CV (Constant Voltage). Giai đoạn này sử dụng điện áp
không đổi, được cung cấp tới pin ở mức điện rất thấp.

Trang 10


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Hình 4. Kiểm sốt sạc pin ở ơ tơ điện.
Hệ thống quản lý pin lithium BMS phải đảm bảo rằng cả dịng điện và điện áp
trong q trình sạc, không vượt qua giới hạn cho phép để sạc nhanh hơn hoặc
sạc vượt quá giới hạn cho phép của pin. Bạn có thể tìm thấy điện áp sạc tối đa
cho phép và dòng sạc trong biểu dữ liệu của pin.

3.3 Xác định trạng thái sạc SOC (State-of-charge).
SOC là chỉ số nhiên liệu của cell pin trên xe ô tô điện. Nó cho chúng ta biết
được dung lượng pin của các gói theo phần trăm, tương tự như một chiếc điện
thoại di động. Tuy nhiên, điều này không hề dễ dàng, điện áp và dịng điện
sạc/xả của các gói pin phải ln được theo dõi để dự đốn đúng dung lượng của
pin.
Sau khi đo điện áp và dịng điện, có khá nhiều tḥt tốn có thể sử dụng để tính
SOC của bộ pin lithium. Đo lường các giá trị và tính toán SOC cũng là một
trong những chức năng của hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện – BMS.

Trang 11


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Hình 5. Trạng thái sạc SOC.
3.4 Xác định trạng thái sức khỏe SOH (State-of-health).
Dung lượng pin ngoài việc phụ thuộc vào cấu hình điện áp và dịng điện, thì nó
cịn phụ thuộc vào cả tuổi và nhiệt độ hoạt động của pin. Phép đo SOH cho
chúng ta biết được tuổi và vòng đời dự kiến của pin dựa trên lịch sử sử dụng
của nó.
Bằng cách này, chúng ta có thể biết được quãng đường (quãng đường di chuyển
được sau khi sạc đầy) của EV giảm bao nhiêu sau khi pin bị lão hóa, và từ đó
chúng ta cũng có thể biết được thời điểm nào nên thay bộ pin mới. Hệ thống
quản lý pin pin lithium trên ô tô điện BMW cũng tính tốn và theo dõi SOH.

Trang 12


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Hình 6. Trạng thái sức khỏe SOH.
3.5 Cân bằng cell pin.
Một chức năng không kém phần quan trọng khác của hệ thống BMW là duy trì
sự cân bằng cell pin. Ví dụ như, trong một gói gồm 4 cell pin mắc nối tiếp nhau,
điện áp của cả bốn cell pin phải ln bằng nhau. Nếu như có một cell pin có
điện áp thấp hơn hoặc cao hơn các viên cịn lại, nó sẽ ảnh hưởng tới tồn bộ gói
pin.
Chẳng hạn như một cell pin ở mức 3.5V, trong khi ba cell pin còn lại là 4V.
Trong lúc sạc, ba cell này sẽ đạt mức 4.2V còn cell pin còn lại chỉ đạt mức
3.7V. Tương tự như vậy, cell pin này sẽ là đầu tiên xả xuống 3V trước ba cell
pin kia.
Vậy nên, do cell pin khác biệt kia nên các cell pin cịn lại trong khối pin khơng

thể khai thác hết tiềm năng của nó, do đó ảnh hưởng tới độ hiệu quả.

Hình 7. Cell pin.
Để loại bỏ vấn đề này, hệ thống quản lý pin lithium trên ô tơ điện BMW được
trang bị tính năng cân bằng cell pin. Có nhiều loại kỹ thuật khác nhau để cân
bằng cell pin, nhưng kỹ thuật thường được sử dụng nhiều nhất là kỹ thuật cân
bằng cell pin loại thụ động và chủ động.

Trang 13


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

•

Cân bằng thụ động: ý tưởng là các cell pin có điện áp dư thừa sẽ bị phóng
điện cưỡng bức qua một tải như điện trở, để có thể đạt tới giá trị điện áp
của các cell pin còn lại.

•

Cân bằng chủ động: Các cell pin mạnh hơn sẽ được sử dụng để sạc các
cell pin yêu hơn nhằm cân bằng điện thế của chúng.

3.6 Kiểm soát nhiệt độ pin.
Độ hiệu quả và tuổi thọ của pin lithium phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ trong
lúc hoạt động. Trong điều kiện khí hậu nóng bức, pin có xu hướng xả nhanh
hơn so với nhiệt độ bình thường.

Mặt khác, việc tiêu thụ dòng điện cũng sẽ cao hơn nên sẽ làm nhiệt độ tăng pin
tăng lên nhiều. Để giải quyết vấn đề này, địi hỏi phải có một hệ thống tản nhiệt
trong một bộ pin. Hệ thống tản nhiệt này vừa có khả năng làm giảm nhiệt độ
của pin, vừa có thể làm tăng nhiệt độ của pin ở những vùng có khí hậu lạnh.
Hệ thống quản lý pin Lithium trên ô tô điện – BMS chịu trách nhiệm đo nhiệt
độ từng cell pin và điều khiển hệ thống nhiệt cho phù hợp để duy trì nhiệt độ
chung của bộ pin.

Hình 8. Nhiệt độ pin.

Trang 14


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

3.7 Nhận nguồn cấp từ pin.
Nguồn điện duy nhất có sẵn trên ơ tơ điện chính là pin. Vậy nên, một hệ thống
BMS được thiết kế để có thể cung cấp năng lượng bởi loại pin mà BMW có
trách nhiệt bảo vệ và duy trì. Điều này nghe có vẻ dễ dàng, nhưng nó lại làm
tăng thêm độ khó của thiết kế hệ thống quản lý pin Lithium.
Hệ thống quản lý pin BMW tự động tiêu thụ công suất thấp phải đảm bảo hoạt
động và khởi chạy ngay cả khi xe đang hoạt động, đang sạc hoặc ở chế độ lý
tưởng. Điều này khiến mạch BMS được cung cấp năng lượng liên tục và do đó
bắt buộc BMW phải tiêu thụ điện năng rất ít để khơng làm hao quá nhiều pin.
Khi ô tô điện không được trong một thời gian dài, hệ thống BMS và các mạch
điện khác có xu hướng tự tiêu hao pin, cuối cùng sẽ yêu cầu người dùng phải
sạc lại trước khi muốn sử dụng xe. Vấn đề này khá phổ biến đôi với những mẫu
xe điện của hãng Tesla.

Hình 9. Cấu tạo bên trong cell pin.
3.8 Mạng giao tiếp.
Hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện BMS đảm nhận nhiệm vụ kết nối
giữa bộ pin và ECU của xe. Tất cả những thông tin do BMS thu nhập đều được
gửi tới ECU và hiển thị trên bảng điều khiển hoặc cụm đồng hồ. Vậy nên, BMS
và ECU nên được giao tiếp liên tục qua giao thức tiêu chuẩn như giao tiếp CAN
hoặc bus LIN. Thiết kế BMS phải có khả năng cách ly điện giữa bộ pin và
ECU.
Trang 15


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Tốc độ xử lý của hệ thống BMS của ô tô phải thực hiện rất nhiều thao tác xử lý
số để tính tốn giá trị của SOH, SOC,… Các nhà sản xuất đã sử dụng nhiều
thuật toán nhằm điều khiển tốc độ ghi và truyền dữ liệu. Điều này sẽ giúp cho
BMW trở thành một thiết bị xử lý một cách nhanh chóng với rất nhiều dữ liệu.
Ngồi ra, BMS còn phải đo điện áp cell pin trên hàng trăm cell pin và nhận thấy
những thay đổi tinh vi gần như ngay lập tức.

Hình 10. Bộ điều khiển.
3.9 Lưu trữ dữ liệu.
Điều quan trọng đối với một hệ thống BMS là cần có một ngân hàng bộ lớn lớn,
bởi nó phải lưu trữ rất nhiều thơng tin dữ liệu. Các giá trị như SOH chỉ có thể
được tính khi lịch sử sạc của pin được lưu trữ lại.
Vậy nên, hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện BMS cần phải theo dõi
được các chu kỳ sạc và thời gian sạc của bộ pin kể từ ngày lắp đặt và ngắt các

dữ liệu này khi được yêu cầu. Điều này cũng hỗ trợ rất nhiều trong việc cung
cấp dịch vụ sau khi bán hàng hoặc phân tích các vấn đề liên quan tới việc bảo
trì và sửa chữa.
3.10 Độ chính xác.
Khi một cell pin đang được sạc hoặc phóng điện, điện áp trên nó sẽ được tăng
hoặc giảm dần. Khơng may rằng đường cong phóng điện (điện áp so với thời
gian) của pin lithium có các vùng bằng phẳng, do đó sự thay đổi điện áp là rất
ít. Sự thay đổi này phải được đo chính xác để tính giá trị của SOC hoặc sử dụng
nó để cân bằng cell pin.
Một hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện BMS được thiết kế tốt có thể có
độ chính xác cao tới ± 0,2mV nhưng nó phải có độ chính xác tối thiểu là 1mV2mV. Thơng thường mạch chuyển đổi từ tính hiệu Analog sang Digital (ADC
16-bit) được sử dụng trong quá trình này.
Trang 16


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Chương 3. Tính tốn và mơ phỏng kiểm nghiệm.
1. Tính tốn.
1.1 Bài tốn tối ưu trong quản lý năng lượng cho ơ tơ điện.
Trong bài báo này, bài tốn tối ưu trong quản lý năng lượng được đặt ra với
mục đích cực tiểu hóa tổn thất trên ắc quy trong q trình hoạt động và qua đó
tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ của xe cũng như tăng tuổi thọ của ắc quy.
Dựa trên các phương trình mơ hình hóa các đối tượng trong hệ thống, phương
trình trạng thái biểu diễn mối quan hệ giữa biến trạng thái là điện áp siêu tụ
USC và biến điều khiển là dòng điện ắc quy ibat được xây dựng như sau:

Với mục tiêu cực tiểu hóa tổn thất trên ắc quy, hàm mục tiêu được xác định bởi:

Với T là thời gian hoạt động của hệ thống. Nhiệm vụ của việc giải bài toán tối
ưu là xác định luật điều khiển i*bat (t) nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu (6).

Trang 17


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Hình 11. Cấu trúc hệ năng lượng lai ắc quy và siêu tụ cho ô tô điện.
1.2 Điều kiện áp dụng sau tính tốn.
Phương pháp quy hoạch động (DP) dựa trên nguyên lý tối ưu của Bellman với
phát biểu mọi khúc cuối của quỹ đạo trạng thái tối ưu đều tối ưu
Để có thể áp dụng phương pháp quy hoạch động tính tốn tối ưu, ta cần có:
• Các tham số đều phải biết trước
• Xây dựng mơ hình đối tượng để với chu trình chạy xe là biết trước có thể
xác định được tiêu thụ năng lượng trong tồn dải của xe
• Các ràng buộc đối với các biến trạng thái và giới hạn vật lý
• Hàm mục tiêu (hàm tối ưu)
• Xác định trạng thái yêu cầu của đầu và cuối chu trình
Bước đầu tiên phải làm là với các tham số đã biết, xây dựng mô hình mơ phỏng
để khảo sát nhu cầu năng lượng của ơ tơ điện trong một chu trình lái cho trước.
Nhóm tác giả chọn chu trình chuẩn nội đơ của châu Âu ECE như trên Bảng 2.
Đây là chu trình chuẩn để đánh giá tiêu hao nhiên liệu nội đô và hỗn hợp tại
châu Âu và Việt Nam cho tiêu chuẩn EURO 3, EURO 4 và EURO 5.

Trang 18

Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Hình 12. Bảng các tham số của chu trình ECE.

Hình 13. Biểu đồ chu trình chuẩn ECE.

Trang 19


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Hình 14. Siêu tụ điện Nesscap trong phịng thí nghiệm.
HESS của mơ hình gồm:
• Hai siêu tụ:
62 F/125VDC
• Hệ thống ắc quy:
40Ah/330VDC với nội trở ắc quy là 120 mΩ
Xây dựng mơ hình mơ phỏng Matlab bằng phương pháp EMR (Energetic
Macroscopic Representation) ta thu được dòng điện yêu cầu đối với HESS như
hình 15. Như vậy ta cần xây dựng các ràng buộc, các điều kiện biên để bắt đầu
triển khai phương pháp quy hoạch động. Trong phạm vi bài báo mục tiêu của
phương pháp quy hoạch động là cực tiểu hóa tổn thất trên ắc quy.
 Các giới hạn đối với siêu tụ:

Dòng nạp xả tối đa iSC_max:

200 A
Điện áp tối đa cho phép uSC_max: 236 VDC
Điện áp tối thiểu uSCmin:
125VDC
Điều kiện đầu uSC(0):
118 VDC (đầy tương đương với 95% điện áp
định mức)
Điều kiện cuối uSC(T) :
118 ±2 VDC
(Việc chọn điều kiện đầu và cuối của siêu tụ đầy là để đảm bảo khả năng hỗ trợ
ắc quy huy động cơng suất ngắn hạn trong q trình khởi động và năng lượng
hoàn toàn được huy động từ ắc quy. Siêu tụ chỉ hỗ trợ cho ắc quy trong các điều
kiện ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ ắc quy)
 Các giới hạn đối với ắc quy:

Dòng nạp tối đa: 0 A (Nhằm mục đích tối thiểu hóa số lần nạp xả của ắc quy,
một trong những yếu tố ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ ắc quy)
Dòng xả tối đa: 40 A tương ứng với dòng xả định mức của ắc quy
Điều kiện đầu : Ắc quy đầy
Các ràng buộc với biến điều khiển ibat và biến trạng thái uSC(0) được cho bởi:
Trang 20


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Hình 15. Dịng điện phụ tải u cầu itract (A).

Phương trình trạng thái và hàm mục tiêu đã được đưa ra theo (5) và (6).

1.3 Bài toán ứng dụng.
Xét hệ được mơ tả bởi phương trình trạng thái (5) với các ràng buộc (7),
phương pháp quy hoạch động được sử dụng nhằm tìm giá trị đặt tối ưu
i*bat(t) sao cho hàm mục tiêu (6) là cực tiểu.
Phương trình trạng thái (5) có thể được biểu diễn lại như sau:

Đặt x(t) =1/2.Csc.u2sc(t) là biến trạng thái mới.
Phương trình mơ tả hệ thống với biến trạng thái x(t), ibat(t) là biến điều khiển và
itract(t) được coi là nhiễu biến thiên biết trước được cho bởi:

Trang 21


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Chọn biến đồng trạng thái λ sao cho:

Các điều kiện ràng buộc với λ thỏa mãn:
λ(0) tùy ý với uSC(0) là giá trị cố định và cho trước theo ràng buộc (7) dẫn đến
x(0) cũng sẽ cố định và biết trước.
λ(T) cũng là tùy ý vì uSC(T) cũng là giá trị cố định và cho trước theo ràng buộc
(7) dẫn đến x(T) cũng sẽ cố định và biết trước.
Đặt hàm Hamilton như sau:

Nghiệm của bài toán tối ưu hay giá trị đặt tối ưu i*bat(t) là nghiệm của phương
trình sau:

Giải phương trình (12), giá trị đặt tối ưu i*bat(t) được xác định như sau:

Với hàm Hamilton (11) thì phương trình trạng thái (9) và cơng thức của biến
đồng trạng thái (10) trở thành:

Trang 22


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

Với i*bat(t) tuân theo luật điều khiển (13). Giải hệ phương trình (14) dẫn đến kết
quả x(t) và λ(t) là xác định. Từ đó, giá trị đặt tối ưu i*bat(t) hồn tồn được xác
định theo (13).

Hệ phương trình (14) và (15) cho ta kết quả:

Với:

Cùng với đó, biến trạng thái trung gian x(t) được xác định:

Với x(t) = 1/2.C.u2SC(t), điện áp siêu tụ uSC(t) có thể được tính từ (18) như sau:

Trang 23


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

2. Mô phỏng Matlab simulink kiểm nghiệm.
Pin là nguồn năng lượng chính của hệ thống. Nó là kết nối với một loại boost, tức
là một bộ tăng cường DC / DC công cụ chuyển đổi, cải thiện mức thấp / level DC
điện áp sản xuất bằng pin lực kéo cho hệ thống xe buýt DC. Như một phần bổ
sung, một pin lithium ion có thể sạc lại và một siêu tụ điện là được dùng như
nguồn năng lượng. Các pin sản xuất bổ sung năng lượng trong quá trình tăng thời
đại và hồi phục năng lượng. Siêu tụ điện sản xuất / sử dụng các tối đa sức mạnh
điều đó khơng phải pin có thể cung cấp, cũng khơng phải pin có thể sản xuất / lưu
trữ và cung cấp điện áp bus DC điều khiển. Các siêu tụ điện là kết nối đến một loại
xung hai chiều DC / DC người chuyển đổi điều đó tăng các nhỏ DC Vôn được sản
xuất bởi lực kéo siêu tụ điện cho DC và phân phối một năng lượng lưu lượng trong
cả hai hướng, từ các siêu tụ điện lên xe buýt. CC.Cục pin đã kết nối đến một hai
chiều DC/ Bộ chuyển đổi DC buck làm giảm DC cao điện áp do pin cung cấp cho
xe buýt DC lực kéo và cho phép vì sức mạnh sự chuyển động trong cả hai hướng,
từ các pin vào DC và ngược lại.

Hình 16. Tổng quan về hệ thống quản lý năng lượng.
Trên là hình ảnh figure Simulink kết nối ý tưởng khác nhau các thành phần như
trao đổi proton tế bào nhiên liệu màng, pin hệ thống và một siêu tụ điện. Tất cả
nguồn phục vụ bằng nguồn bổ sung điện để đáp ứng phụ tải nhu cầu. Cả ba các
nguồn được kết nối thành DC / DC người chuyển đổi trong để nâng cấp vtắt từ
điện áp thấp nâng lên cao cấp độ để nó là dễ dàng đáp ứng tải và bộ chuyển đổi
DC/AC trong để chuyển đổi điện áp một chiều sang điện áp xoay chiều vì phần lớn

Trang 24


Hệ thống quản lí năng lượng trên xe điện

GVHD: Hồng Ngọc Tân

của tải trong sự thật thế giới ứng dụng là AC nguồn các ứng dụng.Cái load kết nối
là dòng điện xoay chiều 3 pha,vì vậy phải chuyển đổi nguồn cung cấp DC có sẵn
thành nguồn cung cấp AC được yêu cầu bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi DC/AC.

Hình 17. Sơ đồ quản lý nguồn.
Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện khẩn cấp dựa trên pin nhiên liệu của More
Electric Aircraft (MEA). Khi thiết bị hạ cánh và hệ thống điều khiển chuyến bay
trở nên sử dụng điện nhiều hơn trong MEA, tải điện tối đa mà hệ thống điện khẩn
cấp thơng thường (tuabin khí ram hoặc máy phát chạy bằng khơng khí) nhìn thấy
sẽ tăng lên. Do đó, có nguy cơ tiềm ẩn làm q tải tuabin khí nén (RAT) / máy phát
điện chạy bằng khơng khí (ADG) ở tốc độ máy bay thấp hơn, trong đó cơng suất
sản xuất gần như bằng khơng. Cần có một hệ thống điện khẩn cấp mạnh mẽ hơn để
đảm bảo MEA hạ cánh an tồn. Mơ hình này trình bày một hệ thống điện khẩn cấp
thay thế dựa trên pin nhiên liệu, pin lithium-ion và siêu tụ điện. Bản demo cũng có
các hệ thống quản lý năng lượng khác nhau cho một nguồn điện hỗn hợp pin nhiên
liệu.
Hệ thống năng lượng hỗn hợp pin nhiên liệu được thiết kế dựa trên cấu hình
chuyến bay khẩn cấp đại diện của máy bay Bombardier và bao gồm:
•

Mơ-đun năng lượng pin nhiên liệu PEM (màng trao đổi proton) 12,5 kW
(đỉnh), 30-60 V (FCPM), với công suất danh định là 10 kW.
Trang 25