NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK

PHAN VĂN LÝ

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIÊP ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT
Ô TÔ

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XE ĐIỆN
BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK

CBHD:TS. Phạm Minh Hiếu
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Sinh viên: Phan Văn Lý
Mã số sinh viên: 2018604455

Hà Nội – Năm 2022


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XE ĐIỆN
BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK

GVHD: TS. Phạm Minh Hiếu
SVTH: Phan Văn Lý

MSV: 2018604455

Hà Nôi, 2022


i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ts. Phạm Minh Hiếu


ii

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
NGƯỜI PHẢN BIỆN


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... iii
LỜI NĨI ĐẦU .................................................................................................. v
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE Ơ TÔ ĐIỆN ........................................... 1
1.1 Giới thiệu về xe điện ................................................................................ 1
1.1 Các dòng xe điện ...................................................................................... 5
1.1.1 Xe điện thuần túy ............................................................................... 5
1.1.2 Xe điện lai .......................................................................................... 7

1.1.3 Xe hybrid sử dụng điện lưới .............................................................. 9
1.1.4 Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu .................................................... 10
1.2 Các công nghệ sử dụng trong xe điện .................................................... 11
1.2.1 Công nghệ động cơ điện .................................................................. 11
1.2.2 Công nghệ Pin, Ắc quy .................................................................... 14
1.2.3 Công nghệ sạc pin ............................................................................ 18
1.3 Giới thiệu các loại truyền động động cơ trên xe ô tô điện..................... 22
1.3.1 DC Motor ......................................................................................... 24
1.3.2 AC motor ......................................................................................... 27
1.4 Kết luận chương 1 .................................................................................. 33
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, XÂY DỰNG MÔ PHỎNG TRÊN
MMATLAB SIMMULINK ............................................................................ 34
2.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ .................................................................. 34
2.2 Nguyên lý hoạt động động cơ DC ......................................................... 36
2.3 Phương trình mạch nguyên lý động cơ DC ........................................... 37
2.4 Giới thiệu phần mềm Matlab Simulink ................................................. 40
2.4.1 Matlab .............................................................................................. 40
2.4.2 Simulink ........................................................................................... 40
2.5 Mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập ............................... 46
2.5.1 Xây dựng phương trình tốn học để mơ phỏng ............................... 46
2.5.2 Mô phỏng động cơ DC sử dụng Matlab Simulink .......................... 47
2.6 Kết luận chương 2 .................................................................................. 56


ii

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ
PHỎNG ........................................................................................................... 57
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 61

iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Chiếc xe điện đầu tiên 1835 .............................................................. 1
Hình 1. 2 Phân loại EVs .................................................................................... 2
Hình 1. 3 Đa dạng hóa năng lượng của EVs ..................................................... 3
Hình 1. 4 Hiệu quả năng lượng của xe EVs ...................................................... 4
Hình 1. 5 Tổng lượng phát thải của xe EVs ...................................................... 5
Hình 1. 6 Xe PEV.............................................................................................. 6
Hình 1. 7 Toyota Prius ...................................................................................... 8
Hình 1. 8 Xe FEV............................................................................................ 10
Hình 1. 9 Classification of EV machines ........................................................ 13
Hình 1. 10 Các loại pin chính được phát triển cho xe điện............................. 15
Hình 1. 11 Pin nhiên liệu khả thi .................................................................... 17
Hình 1. 12 Hệ thống năng lượng lai nhiệt điện-quang điện............................ 17
Hình 1. 13 Bộ chuyển đổi đa đầu vào SEPIC-SEPIC ..................................... 18
Hình 1. 14 Sạc EV dựa trên truyền điện cảm ứng .......................................... 19
Hình 1. 15 Sạc EV dựa trên khớp nối cộng hưởng từ tính ............................. 20
Hình 1. 16 EV di chuyển và sạc ...................................................................... 21
Hình 1. 17 Đặc điểm động cơ điện điển hình ................................................. 23
Hình 1. 18 Sơ đồ cấu tạo động cơ điện DC .................................................... 24
Hình 1. 19 Cấu trúc DC motor ........................................................................ 25
Hình 1. 20 Nguyên lý quay máy điện một chiều ............................................ 26
Hình 1. 21 Đặc điểm của động cơ EV ............................................................ 27
Hình 1. 22 Cấu tạo cơ bản của AC motor ....................................................... 28
Hình 1. 23 Stator ............................................................................................. 28
Hình 1. 24 Từ trường quay do phát minh của Tesla cho các số cực từ khác
nhau ................................................................................................................. 29

Hình 1. 25 a)cảm ứng, b) nam châm vĩnh cửu bề mặt, c) nam châm vĩnh cửu
bên trong, d) máy điện từ. ............................................................................... 30
Hình 1. 26 Hình ảnh của động cơ cảm ứng của hệ thống truyền lực ô tô (a)
stato và (b) rôto. .............................................................................................. 31
Hình 1. 27 Rotor IPM...................................................................................... 32
Hình 2. 1 Hình biểu diễn mối quan hệ giữa từ thơng và góc α ....................... 34
Hình 2. 2 Nguyên lý hoạt động DC Motor ..................................................... 36
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập............... 37
Hình 2. 4 Các đường cong đặc tính cơng suất và mơ-men xoắn góc phần tư
thứ nhất đối với máy điện một chiều............................................................... 39
Hình 2. 5 Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Matlab ............................. 40
Hình 2. 6 Cách mở Simulink........................................................................... 41
Hình 2. 7 Cửa sổ thư viện Simulink ................................................................ 41
Hình 2. 8 Tạo mơ hình mới ............................................................................. 42


iv

Hình 2. 9 Cửa sổ làm việc, xây dựng mơ hình................................................ 42
Hình 2. 10 Cách lấy khối từ thư viện .............................................................. 43
Hình 2. 11 Lưu file mơ hình............................................................................ 43
Hình 2. 12 Di chuyển các khối ........................................................................ 44
Hình 2. 13 Nối tín hiệu các khối ..................................................................... 44
Hình 2. 14 Chạy mơ hình sau ki hồn thành ................................................... 44
Hình 2. 15 Tín hiệu từ khối Scope .................................................................. 45
Hình 2. 16 Chỉnh thơng số khối ...................................................................... 45
Hình 2. 17 Chỉnh thơng số mơ phỏng ............................................................. 46
Hình 2. 18 Sơ đồ mơ hình hóa Động cơ điện 1 chiều ..................................... 48
Hình 2. 19 Thiết lập thơng số đầu vào ............................................................ 48
Hình 2. 20 Thiết lập thơng số đầu vào khối Step ............................................ 49

Hình 2. 21 Thiết lập thơng số hàm transfer Fcn ............................................. 49
Hình 2. 22 Thiết lập tông số hàm Transfer Fcn1 ............................................ 50
Hình 2. 23 Thiết lập thơng số hàm Gain ......................................................... 50
Hình 2. 24 Thiết lập thơng số khối Scope ....................................................... 51
Hình 2. 25 Nhập thơng số để chạy mơ hình .................................................... 52
Hình 2. 26 Mơ hình động cơ DC..................................................................... 52
Hình 2. 27 Tại thời điểm động cơ hoạt động không tải Mc=0 ....................... 53
Hình 2. 28 Đồ thị kết quả Tốc độ, Dịng điện, Momen sau khi có tải Mc...... 53
Hình 2. 29 Đồ thị bao gồm cả 3 đường Tốc độ, Dịng điện và Momen ......... 54
Hình 3. 1 Dữ liệu đồ thị tốc độ........................................................................ 57
Hình 3. 2 Kết quả đồ thị dịng điện so với tính tốn ....................................... 58
Hình 3. 3 Kết quả Momen điện từ................................................................... 58
Hình 3. 4 Kết quả mô phỏng tốc độ động cơ w .............................................. 59


v

LỜI NĨI ĐẦU
Ngành cơng nghiệp ơ tơ hiện nay đóng vai trò quan trọng trong sự phát
triển của đất nước. Nó ra đời nhằm mục đích phục vụ nhu cầu vận chuyển hàng
hóa và hành khách, phát triển kinh tế đất nước. Từ lúc ra đời cho đến nay ô tô
được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực giao thông vận tải, quốc phịng an ninh,
nơng nghiệp, cơng nghiệp, du lịch.
Đất nước ta hiện nay đang trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa,
các ngành cơng nghiệp nặng ln từng bước phát triển. Trong đó, ngành cơng
nghiệp ơ tơ luôn được chú trọng. Hiện nay ngành công nghiệp ô tô đang ngày
càng phát triển với công nghệ ô tô điện. Phát triển ô tô điện là một trong những
bước đi quan trong vừa đảm bảo nhu cầu di chuyển mà cịn đảm bảo khơng gây
ơ nhiễm mơi trường.
Với mục đích củng cố kiến thức đã học, mở rộng kiến thức chun mơn

và tìm hiểu thêm về sự phát triển của động cơ điện, em đã lựa chọ nghiên cứu
đề tài “Nghiên Cứu Mô Phỏng Động Cơ Điện Xe Điện Bằng Phần Mềm
Matlab Simulink”
Sau 9 tuần thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã cố gắng tận dụng kiến thức
đã học vào thực tế với nỗ lực của bản thân cộng với sự hướng dẫn tận tình của
thầy Phạm Minh Hiếu. Em đã hoàn thành nhiệm vụ được giao với đầy đủ khối
lượng và đúng thời gian. Tuy nhiên do kinh nghiệm và thời gian có hạn nên đồ
án khơng tránh khỏi thiếu xót, em mong được các thầy trong khoa và bộ mơn
chỉ bảo giúp em hồn thiện đồ án này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn
thầy Phạm Minh Hiếu đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong thời gian thực
hiện đồ án


1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN
1.1 Giới thiệu về xe điện
Xe điện (EV) khơng có gì mới; chúng được phát minh ra cách đây 178
năm nhưng đã thua trong cuộc cạnh tranh giành vị trí thống trị đối với các loại
xe động cơ đốt trong (ICEV). Trên thực tế, chiếc EV đầu tiên là một chiếc xe
ba bánh chạy bằng pin được chế tạo bởi Thomas Davenport năm 1834
(Wakefield, 1994). Vào năm 1900, trong số 4200 chiếc ô tô được bán hàng năm
ở Mỹ, 38% là xe EV, 22% ICEV và 40% là xe chạy bằng hơi nước. Vào thời
điểm đó, xe điện là phương tiện giao thơng đường bộ ưa thích của giới thượng
lưu giàu có. Giá của chúng tương đương với một chiếc Rolls Royce ngày nay.
Một người đàn ơng có ý tưởng hồn thành chiếc xe điện cho tốt là Ford. Chiếc
Ford Model T được sản xuất hàng loạt của ơng có thể cung cấp phạm vi gấp
đôi hoặc gấp ba so với những chiếc EV nhưng chỉ bằng một phần chi phí của
chúng. Đến những năm 1930, xe điện gần như biến mất khỏi hiện trường. Mối
quan tâm đến xe điện nhen nhóm bắt đầu khi cuộc khủng hoảng năng lượng và
thiếu dầu bùng nổ vào những năm 1970. Do mối quan tâm ngày càng tăng về

chất lượng khơng khí và những hậu quả có thể xảy ra của hiệu ứng nhà kính
trong những năm 1980, tốc độ phát triển xe điện đã được đẩy nhanh.

Hình 1. 1 Chiếc xe điện đầu tiên 1835
Xe điện được phân loại thành các loại PEV, HEV và FEV dựa trên nguồn
năng lượng và thiết bị đẩy của chúng (Chan và Chau, 2001; Chau, 2010, 2014).


2
Về bản chất, PEV hoàn toàn được cung cấp từ điện, trong khi động cơ chỉ được
điều khiển bởi động cơ điện; HEV được cung cấp từ cả điện và xăng / diesel,
trong khi động cơ đẩy liên quan đến cả động cơ điện và động cơ; và FEV có
nguồn trực tiếp hoặc gián tiếp từ hydro, trong khi động cơ chỉ được điều khiển
bởi động cơ điện. Hơn nữa, để phân biệt các phương tiện tiếp nhiên liệu, HEV
có thể được phân loại thêm thành HEV thông thường và HEV hịa lưới. Loại
thơng thường chỉ được tiếp nhiên liệu bằng xăng / dầu diesel trong các trạm
nạp, trong khi loại hịa lưới có thể được sạc lại bằng điện thông qua các cổng
sạc. Trên cơ sở mức độ lai ghép và tính năng vận hành giữa động cơ điện và
động cơ, HEV thơng thường có thể được chia nhỏ thành HEV siêu nhỏ, HEV
nhẹ và HEV đầy đủ. Trong khi đó, trên cơ sở phối hợp giữa động cơ điện và
động cơ, HEV hịa lưới có thể được tách thành xe điện hybrid plug-in (PHEV)
và xe điện mở rộng phạm vi (REV). Sự phân loại này được mô tả trong Hình
1.1

Hình 1. 2 Phân loại EVs


3

Hình 1. 3 Đa dạng hóa năng lượng của EVs

Có nguồn gốc từ dầu thô, xăng và dầu diesel là nhiên liệu lỏng chính cho
ICEV. Xe điện là một giải pháp tuyệt vời để khắc phục sự phụ thuộc không
lành mạnh này vì điện có thể được tạo ra bởi hầu hết các loại tài nguyên năng
lượng. Hình 1.3 minh họa lợi ích của đa dạng hóa năng lượng do sử dụng EVs
trong đó điện có thể được sản xuất bằng nhiệt điện (dầu, khí tự nhiên và than),
điện hạt nhân, thủy điện, điện gió, điện mặt trời, điện đại dương, điện địa nhiệt
và điện sinh khối. Để so sánh hiệu quả năng lượng tổng thể của EV với ICEV,
các quá trình chuyển đổi năng lượng của chúng từ dầu thơ thành tải trọng đường
bộ được mơ tả trong Hình 1.4, cho thấy rằng EV tiết kiệm năng lượng hơn
ICEV. Hơn nữa, EV có thể phục hồi động năng trong q trình phanh và sử
dụng nó để sạc lại pin, trong khi ICEV tiêu tán một cách lãng phí động năng
này dưới dạng nhiệt trong đĩa phanh. Với công nghệ phanh tái tạo này, hiệu
suất năng lượng của xe điện có thể được tăng thêm tới 10%. Ở nhiều đơ thị,
ICEV là nguyên nhân của hơn 50% các chất ô nhiễm khơng khí có hại và các
hợp chất tạo khói. Để giảm ơ nhiễm khơng khí từ giao thơng đường bộ, việc sử
dụng xe điện là sự lựa chọn khả thi nhất. Chắc chắn, hầu hết các xe điện đều
không có khí thải bên đường. Ngay cả khi tính đến lượng khí thải từ các nhà
máy lọc dầu để sản xuất xăng cho ICEV và khí thải từ các nhà máy điện để tạo
ra điện cho EV, lượng phát thải độc hại tổng thể của EV vẫn thấp hơn nhiều so
với ICEV như được chỉ ra trong Hình 1.5, trong đó carbon monoxide (CO),


4
hydrocacbon (HC), oxit nitơ (NOx), oxit lưu huỳnh (SOx) và các chất dạng hạt
(PMx) được tính đến (Châu, 2010). Cần lưu ý rằng tổng lượng phát thải carbon
dioxide (CO2) cũng có thể giảm khoảng 5% với việc sử dụng xe điện và các
nhà máy điện tiết kiệm năng lượng. Sự cải thiện này có thể được gia tăng hơn
nữa khi kết hợp với tỷ lệ phát điện sạch hoặc tái tạo cao hơn, nhưng thậm chí
có thể tiêu cực khi áp dụng các nhà máy nhiệt điện than kém hiệu quả. Hiện tại,
HEV thông thường đã được bán trên thị trường và được chấp nhận rộng rãi như

một phương tiện tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường, trong khi
PEV đang được bán trên thị trường và được gắn nhãn khơng phát thải. Tuy
nhiên, có rất nhiều thách thức và cơ hội cho việc nghiên cứu và phát triển xe
điện.

Hình 1. 4 Hiệu quả năng lượng của xe EVs


5

Hình 1. 5 Tổng lượng phát thải của xe EVs
Có nhiều loại EV khác nhau, bao gồm PEV, HEV thông thường, PHEV,
REV và FEV. CácEV này có thể được nhóm lại thành PEV, HEV, HEV có thể
nối lưới và FEV để thảo luận, nhấn mạnh vào những thách thức của chúng
(Chau, 2012).
1.1 Các dòng xe điện
1.1.1 Xe điện thuần túy
PEV, hay còn gọi là EV, cung cấp những lợi thế nhất định về lượng khí
thải bên đường bằng khơng và lượng khí thải tổng thể tối thiểu (có tính đến
lượng khí thải do các nhà máy điện phát điện). Những thách thức lớn của nó là
phạm vi lái xe hạn chế, chi phí ban đầu cao và thiếu cơ sở hạ tầng sạc. Hiện tại,
PEV dựa vào việc sử dụng pin làm thiết bị lưu trữ năng lượng chính hoặc duy
nhất của chúng để lưu trữ tricity điện tử mặc dù có tùy chọn sử dụng siêu tụ
điện làm thiết bị lưu trữ năng lượng duy nhất. Vì vậy, PEV đôi khi được đặt tên
là xe điện chạy bằng pin (BEV). Ở tình trạng hiện tại của cơng nghệ pin, khả
năng lưu trữ năng lượng của PEVs kém hơn nhiều so với ICEV. Thông thường,
đối với ô tô chở khách chạy trong đơ thị có điều hịa khơng khí, PEV có thể đi
được khoảng 120 km mỗi lần sạc, trong khi ICEV có thể cung cấp khoảng 500
km mỗi lần tiếp nhiên liệu. Với phạm vi lái xe ngắn như vậy cho mỗi lần sạc,
PEV sẽ gặp phải vấn đề lo lắng về phạm vi. Tức là người lái xe PEV không

6
dám sử dụng cơng suất cịn lại như 20% để đi một chuyến dài 24 km. Cần lưu
ý rằng một số mơ hình PEV cố tình lắp đặt dung lượng pin gấp ba đến bốn lần
để cho phép phạm vi lái xe của chúng tương đương với ICEV, do đó giải quyết
các vấn đề lo lắng về phạm vi ngắn và phạm vi hoạt động.
Tất nhiên, các mơ hình PEV này sẽ đắt hơn từ hai đến ba lần so với các
loại PEV thông thường, thực tế không được nhắm mục tiêu cho những người
mua phổ thông. Với hiệu suất tương tự, PEV nói chung đắt hơn ICEV từ hai
đến bốn lần. Chi phí ban đầu cao như vậy là do cần phải có một số lượng lớn
pin để cung cấp phạm vi lái xe hợp lý cho mỗi lần sạc. Thơng thường, chi phí
pin chiếm 30–40% tổng chi phí PEV. Hơn nữa, tuổi thọ của ắc quy nói chung
có thể kéo dài trong khoảng 1500 chu kỳ, tương đương với khoảng 4-5 năm
vận hành của xe, cho thấy rằng tất cả các ắc quy của PEV cần được thay mới
giữa vịng đời của xe. Do đó, chi phí hiệu quả của PEV cao hơn chi phí ban
đầu. Khác với ICEV, PEV cần thời gian để sạc pin. Khoảng thời gian sạc tương
ứng thường dao động từ 5 đến 8 giờ dựa trên bộ sạc pin có thơng số kỹ thuật
110–240 V, 13–40 A và 2–4 kW. Khoảng thời gian sạc này quá dài để PEV có
thể hoạt động liên tục.

Hình 1. 6 Xe PEV


7
Khi áp dụng kỹ thuật sạc nhanh hoặc sạc nhanh, mất khoảng 20-30 phút
để sạc bột lên đến 80% dung lượng dựa trên bộ sạc pin có thơng số kỹ thuật
200–400 V, 100–200 A và 50 kW. Mặc dù tốc độ sạc này có thể chấp nhận
được đối với hoạt động liên tục của xe cộ, nhưng chi phí lắp đặt và chi phí thành
lập các trạm sạc nhanh này rất cao. Vì nhu cầu điện năng để sạc nhanh là cao,

quá trình sạc nhanh chắc chắn gây ra gánh nặng cho hệ thống điện hiện tại của
chúng tôi, điều này vi phạm lợi ích của việc sử dụng PEV để cân bằng tải hoặc
quản lý phía nhu cầu. Trong trường hợp PEV cho phép hoán đổi pin, cụ thể là
thay pin đã xả bằng pin đã sạc đầy bằng cách sử dụng phương tiện cơ học, chỉ
mất vài phút để sạc đầy pin về mặt cơ học. Mặc dù thời gian cần thiết cho việc
hoán đổi ắc quy tương đương với thời gian nạp gas, nhưng không gian cần thiết
cho mỗi trạm hoán đổi lớn hơn nhiều. Trên thực tế, nó liên quan đến hai thách
thức triển khai: kích thước và vị trí của pin bên trong PEV phải được tiêu chuẩn
hóa và quyền sở hữu duy nhất đối với tất cả các pin cần một mơ hình kinh doanh
mới.
1.1.2 Xe điện lai
HEV, hay còn gọi là xe hybrid, dùng để chỉ phiên bản thông thường hoặc
không chạy được (Chau and Wong, 2002). Đối với HEV vi mô, động cơ khởi
động thông thường bị loại bỏ, trong khi máy phát điện thông thường được thay
thế bằng máy phát điện khởi động tích hợp (ISG). Thay vì thúc đẩy chiếc xe,
ISG cung cấp hai tính năng hybrid quan trọng. Một tính năng là tắt động cơ bất
cứ khi nào xe ở phần cịn lại, cái gọi là tính năng dừng khởi động nhàn rỗi, do
đó cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho việc lái xe trong đô thị. Một tính
năng khác là sạc lại pin chủ yếu trong q trình xe giảm tốc hoặc phanh, do đó
cung cấp lượng hãm tái sinh. Đối với HEV nhẹ, ISG thường được đặt giữa động
cơ và hộp số. ISG này không chỉ cung cấp các tính năng kết hợp của dừng khởi
động khơng tải và phanh tái sinh mà cịn hỗ trợ động cơ đẩy xe, do đó cho phép
giảm kích thước động cơ (Liu, Chau và Jiang, 2010a).


8
Tuy nhiên, vì động cơ và ISG dùng chung trục nên nó khơng thể khởi
động bằng điện Giới thiệu 5 (chỉ tăng tốc ban đầu khi dùng năng lượng điện).
Đối với HEV đầy đủ, công nghệ quan trọng là hệ thống truyền động điện biến
thiên (EVT), có chức năng chủ yếu là thực hiện phân chia cơng suất. EVT này

có thể cung cấp tất cả các tính năng hybrid, bao gồm khởi động điện, dừng khởi
động không tải, phanh phục hồi và giảm kích thước động cơ. So với PEV, HEV
có thể cung cấp phạm vi lái xe tương đương của ICEV và sử dụng cơ sở hạ tầng
tiếp nhiên liệu hiện có của ICEV, nhưng hy sinh giá trị của khơng khí thải bên
đường và năng lượng sự đa dạng hóa.

Hình 1. 7 Toyota Prius
Những thách thức chính của nó là làm thế nào để giảm độ phức tạp của
hệ thống liên quan đến cả động cơ điện và động cơ đẩy và cách phối hợp hai
thiết bị đẩy này để đạt được hiệu quả hoạt động tối ưu (Chau và Wong, 2002).
Bước ngoặt của sự phát triển HEV là sự ra đời của Toyota Prius vào năm 1997
(Hermance và Sasaki, 1998), ban đầu áp dụng hệ thống EVT. Chìa khóa là sử
dụng một bánh răng hành tinh để phân chia công suất của công suất đầu ra của
động cơ, một bánh răng truyền qua bánh răng vòng cho trục bánh lái trong khi


9
một bánh răng mặt trời tới máy phát điện, sau đó là bộ chuyển đổi quay lại,
động cơ và cuối cùng là bộ truyền động trục.
Do đó, dưới các tải trọng đường khác nhau, động cơ ln có thể hoạt
động ở dòng hoạt động tối ưu hoặc tiết kiệm năng lượng nhất (OOL), giúp giảm
đáng kể mức tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, hệ thống EVT này chịu sự phụ
thuộc vào bánh răng hành tinh, liên quan đến mất truyền động, tiếng ồn bánh
răng và bơi trơn thường xun. Ngồi ra, tổng thể hệ thống tương đối nặng và
cồng kềnh
1.1.3 Xe hybrid sử dụng điện lưới
Thuật ngữ "gridable" có nghĩa là phương tiện có thể được kết nối trực
tiếp với lưới điện. Do đó, HEV có thể hịa lưới dùng để chỉ các phương tiện có
khả năng hịa lưới và các tính năng HEV, cụ thể là PHEV và REV. PHEV được
mở rộng từ HEV thông thường bằng cách kết hợp tính năng bổ sung của phích

cắm có thể sạc lại. Vì nó tích hợp một ngân hàng pin lớn hơn có thể được sạc
lại bằng cách cắm vào cổng sạc bên ngồi, nó có thể cung cấp phạm vi truyền
động điện dài hơn và do đó giảm yêu cầu tiếp nhiên liệu từ các trạm xăng. Mặt
khác, REV được mở rộng từ PEV bằng cách kết hợp một động cơ nhỏ kết hợp
với máy phát điện để sạc lại pin dự phòng. Điều này tránh được vấn đề lo lắng
về phạm vi ln liên quan đến PEV. Do đó, nó có thể cung cấp hoạt động tiết
kiệm năng lượng trên tồn bộ dải ổ điện và do đó giảm đáng kể việc tiếp nhiên
liệu từ các trạm xăng.
Mặc dù PHEV và REV đều là HEV và có xếp hạng động cơ điện và pin
tương tự nhau, chúng có các hoạt động danh nghĩa khác nhau. PHEV thường
hoạt động ở chế độ kết hợp trong đó động cơ điện và động cơ được phối hợp
để làm việc cùng nhau theo cách mà động cơ có thể duy trì hoạt động hiệu quả,
do đó đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu cao. Nếu cần, nó có thể hoạt động ở
chế độ thuần điện. Ngược lại, REV thường hoạt động ở chế độ hoàn toàn bằng
điện, bất kể phạm vi hoặc cấu hình lái xe. Cho đến khi bộ pin cạn kiệt đến
ngưỡng, nó có thể hoạt động ở chế độ mở rộng mà động cơ được bật, sau đó


10
điều khiển máy phát điện để tạo ra điện năng mong muốn. Những thách thức
chính của HEV hịa lưới là độ phức tạp của hệ thống và chi phí ban đầu cao.
Hệ thống phức tạp của nó tương tự như HEV thông thường, chủ yếu là do sử
dụng cả động cơ điện và động cơ. Khác với HEV thông thường, nó cần lắp bộ
sạc trên bo mạch để cắm vào lưới điện để sạc pin. Chi phí ban đầu của nó cao
hơn nhiều so với HEV thơng thường do sử dụng một số lượng lớn pin cho chế
độ thuần điện. Tất nhiên, khi PHEV hoạt động ở chế độ pha trộn hoặc REV
hoạt động ở chế độ mở rộng, chúng sẽ mất đi giá trị của lượng khí thải bên
đường bằng không.
1.1.4 Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu
FEV, hay còn gọi là phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu, mang lại

những lợi thế tương tự như PEV, cụ thể là khơng có lượng khí thải bên đường
và lượng khí thải tổng thể tối thiểu (có tính đến lượng khí thải do sản xuất hydro
của các nhà máy hóa chất hoặc máy cải cách trên tàu).

Hình 1. 8 Xe FEV
Ngồi ra, nó có thể cung cấp một câu chuyện ngụ ngôn về phạm vi lái xe
cho ICEV. Những thách thức lớn của nó là chi phí ban đầu cao và thiếu cơ sở
hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro. Chi phí ban đầu cao là do sử dụng pin nhiên liệu
đắt tiền. Tiếp nhiên liệu hydro 6 Cơ sở hạ tầng Máy và Lái xe Điện nói chung


11
khơng có trong xã hội của chúng ta, và việc thiết lập một cơ sở hạ tầng như vậy
đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn. Có ba cách thực tế để lưu trữ hydro trong FEV:
khí hydro gen nén (CHG), hydro lỏng (LH) và hyđrua kim loại (MH). Khi áp
dụng CHG (áp suất khoảng 350–700 bar) cho FEV, cơ sở hạ tầng tương tự như
khí nén tự nhiên (chắc chắn khoảng 200–248 bar) cho một số phương tiện sử
dụng nhiên liệu thay thế. Khi áp dụng LH, cơ sở hạ tầng rất khắt khe vì hydro
cần được làm mát đến khoảng -253 ∘C trong khi vẫn còn áp suất. Điều này địi
hỏi cơng nghệ lưu trữ đơng lạnh, cơng nghệ này thậm chí cịn khắc nghiệt hơn
oxy lỏng.
Khi sử dụng MH, nó cần phải có một cơ sở hạ tầng tương tự như việc
hoán đổi pin để thay thế cơ học MH đã xả bằng MH đã được sạc đầy. Ngồi ra,
nó cần nhiều năng lượng hơn để cung cấp nhiệt độ cần thiết (120–200 ∘C) để
xả hydro và áp suất cần thiết (trên 700 bar) để nạp hydro. Cả CHG và LH đều
được hưởng năng lượng riêng cao (mật độ năng lượng tốt theo trọng lượng),
điều mong muốn đối với FEV, nhưng cũng phải đối mặt với cùng một mối quan
tâm về an tồn, có thể là nguy cơ cháy nổ. Có nghĩa là, MH được đánh giá cao
về độ an toàn, điều cần thiết cho FEV, nhưng gặp phải vấn đề về năng lượng
riêng thấp, làm giảm phạm vi lái xe. Trong tương lai sắp tới, việc thương mại

hóa FEV phụ thuộc vào việc liệu có đột phá trong cơng nghệ pin nhiên liệu về
chi phí trên mỗi kilowatt hay khơng và liệu sẽ có chính sách bắt buộc hoặc
chính sách năng lượng để thiết lập cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro hay
không.
1.2 Các công nghệ sử dụng trong xe điện
1.2.1 Công nghệ động cơ điện
Truyền động động cơ là công nghệ cốt lõi của EVs chuyển đổi năng
lượng điện thành chuyển động cơ học mong muốn. Trong khi đó, máy điện là
yếu tố quan trọng của công nghệ truyền động động cơ. Các yêu cầu của máy
điện cho EVs khắt khe hơn nhiều so với các ứng dụng công nghiệp. Những yêu
cầu này được tóm tắt như sau (Zhu và Howe, 2007; Chau, 2009):


12
• Mật độ mơ-men xoắn cao và mật độ cơng suất cao
• Phạm vi tốc độ rộng, bao gồm leo dốc tốc độ thấp và bay tốc độ cao
• Hiệu quả cao trên phạm vi mô-men xoắn và tốc độ rộng
• Khả năng vận hành cơng suất liên tục rộng
• Khả năng mô-men xoắn cao để khởi động bằng điện và leo dốc
• Khả năng quá tải ngắt quãng cao để vượt
• Độ tin cậy cao và mạnh mẽ cho mơi trường xe cộ
• Tiếng ồn âm thanh thấp
• Chi phí hợp lý
Khi máy điện cần làm việc với động cơ cho các HEV khác nhau, có một
số bổ sung yêu cầu:
• Sản xuất điện hiệu quả cao trên một phạm vi tốc độ rộng
• Điều chỉnh điện áp tốt trong q trình tạo tốc độ rộng
• Có khả năng được tích hợp với động cơ
Phân loại máy điện cho EV, trong đó các loại in đậm là những máy đã
được áp dụng cho EV, bao gồm DC nối tiếp, DC shunt, DC kích thích riêng

biệt, lưới điện từ vĩnh cửu (PM) DC, cảm ứng rôto lồng, Máy điện xoay chiều
không chổi than PM (BLAC), máy điện một chiều không chổi than PM (BLDC)
và máy điện trở chuyển mạch (SR). Về cơ bản, máy EV được phân thành hai
nhóm chính: có cổ góp và khơng cổ góp. Loại trước chỉ đơn giản biểu thị rằng
chúng có cổ góp và chổi than, trong khi loại sau khơng có cổ góp cũng như chổi
than. Cần lưu ý rằng xu hướng tập trung vào việc nghiên cứu phát triển các loại
máy không cổ góp hoặc khơng chổi than mới đặc biệt là loại máy nổi bật gấp
đôi và loại máy vernier. Đặc điểm chính của máy điện đơi là sự hiện diện của
các cực nổi ở cả stato và rôto. Máy SR là một loại máy nổi bật gấp đơi có cấu
trúc đơn giản nhất. Khi tích hợp PM vào stator của các máy nổi bật gấp đôi,
một loại máy PM không chổi than mới được tạo ra - máy thestator-PM. Vì rơto
khơng có PM hoặc cuộn dây, loại máy này về cơ học đơn giản và mạnh mẽ, do
đó rất thích hợp cho hoạt động trên xe cộ. Theo quan điểm của PMs, nó có thể


13
được chia thành nam châm vĩnh cửu nổi bật kép (DSPM), nam châm vĩnh cửu
đảo chiều từ thông (FRPM) và máy nam châm vĩnh cửu chuyển đổi từ thơng
(FSPM).
Ngồi ra, với sự kết hợp của các cuộn dây trường độc lập trong stato để
điều khiển từ thơng, lớp có thể được chia thành các loại có thể điều khiển từ
thơng (FC) - FC-DSPM, FC-FRPM và FC-FSPM. Hơn nữa, khi các cực PM
được thay thế bằng cuộn dây trường DC nhằm mục đích loại bỏ những vật liệu
PM đắt tiền đó và cung cấp khả năng kiểm sốt dịng chảy linh hoạt, kết quả là
DC nổi bật gấp đôi (DSDC), DC đảo ngược từ thông (FRDC) và chuyển mạch
từ thông Máy DC (FSDC) là loại máy không nam châm tiên tiến mới nổi. Tính
năng chính của máy vernier là sử dụng hiệu ứng vernier để khuếch đại mô-men
xoắn đầu ra trong khi giảm tốc độ, dẫn đến trở thành một loại máy không chổi
than dành riêng cho ứng dụng truyền động trực tiếp mơ-men xoắn cao tốc độ
thấp. Có hai loại chính của máy vernier: nam châm vĩnh cửu vernier (VPM) và

vernier miễn cưỡng (VR). Có ba loại máy VPM tùy thuộc vào vị trí

Hình 1. 9 Classification of EV machines
Trong khi đó, bằng cách thay thế bánh răng hành tinh bằng bánh răng từ
tính, hệ thống MG EVT kết quả có thể thừa hưởng những ưu điểm khác biệt
của bánh răng từ tính, cụ thể là hiệu suất truyền động cao, hoạt động im lặng
và không cần bảo dưỡng, đồng thời tránh sử dụng vòng trượt và chổi than. Tuy
nhiên, hệ thống EVT giả không hộp số và không chổi than này có cấu trúc phức
tạp và địi hỏi độ chính xác cần thiết để sản xuất.


14
1.2.2 Công nghệ Pin, Ắc quy
Nguồn năng lượng là một công nghệ cốt lõi khác cung cấp năng lượng
điện cho xe điện. Hiện tại, trong hai thập kỷ qua, có bốn nguồn năng lượng EV
khả thi: pin điện hóa (thơng thường gọi là pin), siêu tụ điện (còn gọi là siêu tụ
điện), bánh đà tốc độ cực cao và pin nhiên liệu. Pin là thiết bị điện hóa lưu trữ
năng lượng điện trong quá trình sạc và tạo ra điện trong q trình phóng điện.
Các siêu tụ điện về cơ bản là các tụ điện có điện dung cực cao lưu trữ và tạo ra
năng lượng điện bằng phương pháp tĩnh điện. Bánh đà siêu tốc về cơ bản là
máy điện quay ở tốc độ cực cao để lưu trữ và sản xuất năng lượng điện bằng
các phương tiện cơ điện, tức là chúng hoạt động như động cơ trong q trình
sạc và đóng vai trị như các ống xoắn chung trong q trình phóng điện. Pin
nhiên liệu là thiết bị điện hóa chuyển đổi trực tiếp nhiên liệu hóa học thành điện
năng. Khơng ai trong số họ có thể đồng thời cung cấp năng lượng cụ thể cao và
công suất cụ thể cao, tương tự như khơng có vận động viên nào có thể đồng
thời phù hợp cho chạy marathon và chạy nước rút 100 m. Vì vậy, một hứa hẹn
đồng bộ giữa hai thông số này hoặc sự kết hợp của hai nguồn năng lượng (một
nguồn có năng lượng riêng cao và một nguồn khác có cơng suất riêng cao) là
cần thiết cho PEV hoặc FEV

Trong tương lai gần, pin vẫn là nguồn năng lượng chính cho xe điện.
Bảng 1.1 liệt kê các loại pin chính đã được phát triển cho xe điện trong hai thập
kỷ qua, bao gồm axit chì điều chỉnh van (VRLA), niken-cadmium (Ni-Cd),
niken-kim loại hyđrua (Ni-MH), kẽm / air (Zn / air), natri / lưu huỳnh (Na / S)
và lithium-ion (Li-ion). Trong số đó, VRLA được chấp nhận cho các EV cấp
thấp giá rẻ, Ni-MH được ưu tiên cho các EV hoạt động tốt và Li-ion hấp dẫn
cho các EV hiệu suất cao. Với tình trạng hiện tại của cơng nghệ pin, PEV chỉ
có thể cung cấp phạm vi lái xe chấp nhận được với giá cả phải chăng. Để cho
phép PEV cung cấp mức giá và phạm vi lái xe tương đương như ICEV, năng
lượng cụ thể của pin và tuổi thọ chu kỳ cần phải tăng lên rất nhiều, trong khi
chi phí ban đầu của pin cần phải giảm đáng kể. Hiện tại, nghiên cứu chính về


15
công nghệ pin đang được tập trung vào việc phát triển các loại pin Li-ion khác
nhau, chẳng hạn như việc sử dụng lithium niken mangan coban (NMC) cho
điện cực dương để cải thiện năng lượng và độ an toàn cụ thể (Omar et al., 2012),
và việc sử dụng lithium titanate (Li4Ti5O12) cho điện cực âm để cải thiện vòng
đời và thời gian sạc (Giuliano, Advani, và Prasad, 2011). Trong khi đó, một
hướng nghiên cứu quan trọng khác là phát triển pin lithium / khơng khí (Li /
air) và pin lithium / lưu huỳnh (Li / S) để cải thiện đáng kể năng lượng cụ thể.

Hình 1. 10 Các loại pin chính được phát triển cho xe điện
Cơng nghệ siêu tụ điện đầy hứa hẹn cho EVs vì nó cung cấp cơng suất
đặc biệt cao và vịng đời thực tế khơng giới hạn. Tuy nhiên, siêu tụ điện cần
được cải thiện đáng kể trước khi áp dụng thực tế làm nguồn năng lượng duy
nhất cho EV - năng lượng cụ thể của nó (5–6 Wh / kg) cần phải tăng lên rất
nhiều trong khi chi phí ban đầu (2400–6000 USD / kWh) phải tăng lên rất nhiều
giảm. Nghiên cứu hiện tại về công nghệ siêu tụ điện đang được tập trung vào
việc cải thiện năng lượng cụ thể của nó, chẳng hạn như việc sử dụng graphene

và ống nano carbon để tăng diện tích bề mặt có thể sử dụng và do đó năng lượng
khả năng lưu trữ.
Cơng nghệ bánh đà tốc độ cực cao thể hiện tiềm năng cho xe điện. Bằng
cách cung cấp môi trường chân không để loại bỏ ma sát khơng khí và các ổ trục
từ để loại bỏ tổn thất ổ trục, bánh đà có thể quay tới 60 000 vòng / phút để đạt
được năng lượng riêng cao và hiệu suất khứ hồi cao. Tuy nhiên, nó gặp phải
vấn đề an tồn đáng lo ngại. Khi độ bền kéo của bánh đà bị vượt quá hoặc bánh
đà bị hư hỏng nặng, bánh đà sẽ vỡ và giải phóng ngay lập tức tồn bộ năng


16
lượng tích trữ của nó - cái gọi là vụ nổ bánh đà, rất nguy hiểm. Nghiên cứu hiện
tại về công nghệ bánh đà siêu tốc tập trung vào việc cải thiện biện pháp phịng
ngừa an tồn của nó như sử dụng vật liệu composite, có thể phân hủy thành bột
nhỏ thay vì khối lớn, hoặc mở rộng ứng dụng của nó để lưu trữ năng lượng cho
các trạm sạc EV nơi có tồn bộ bánh đà được nhúng trong đất. Công nghệ pin
nhiên liệu là một trong những lĩnh vực nghiên cứu tích cực nhất trong những
năm gần đây. Bảng 1.2 liệt kê các loại pin nhiên liệu hàng đầu, bao gồm pin
nhiên liệu metanol trực tiếp (DMFC), pin nhiên liệu kiềm (AFC), pin nhiên liệu
màng trao đổi proton (PEMFC), pin nhiên liệu axit photphat (PAFC), pin nhiên
liệu cacbonat nóng chảy (MCFC), và pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC). Trong số
đó, PEMFC, cịn được gọi là pin nhiên liệu polyme rắn (SPFC), là một lựa chọn
tự nhiên cho FEV vì bản chất điện phân rắn, hoạt động ở nhiệt độ thấp, khởi
động nhanh, mức cơng suất thích hợp, mật độ công suất cao. và hiệu quả của
hệ thống tốt. Để cho phép FEV cung cấp giá cả phải chăng, chi phí ban đầu của
pin nhiên liệu (khoảng 4800 USD / kW) phải được giảm đáng kể.
Nghiên cứu hiện tại về công nghệ pin nhiên liệu đang được tập trung vào
việc giảm lượng sử dụng bạch kim cho PEMFC, vốn đòi hỏi các kim loại quý
như chất xúc tác điện (Martin, Garcia-Ybarra và Castillo, 2010), và giảm nhiệt
độ vận hành cho SOFC, không sử dụng kim loại quý làm chất xúc tác điện. Gần

đây, khái niệm về các nguồn năng lượng tái tạo trên tàu đã trở nên hấp dẫn đối
với xe điện. Vì hiệu suất nhiên liệu của động cơ đối với các HEV khác nhau
chỉ khoảng 25% và khoảng 40% bị mất dưới dạng nhiệt thải của khí thải, một
máy phát nhiệt điện (TEG) có thể được gắn ở ống xả để thu hồi nhiệt năng thải.
và giúp sạc pin (Yu và Chau, 2009). Mặt khác, bằng cách gắn một bảng điều
khiển năng lượng mặt trời trên mái nhà của EVs, máy phát điện quang điện
(PVG) có thể dễ dàng thu thập năng lượng mặt trời tái tạo và sử dụng nó để sạc
pin.
Nói chung, TEG và PVG được vận hành riêng biệt, mặc dù chúng được
lắp đặt trong cùng một HEV, dẫn đến chi phí cao hơn, trọng lượng nặng hơn và