(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Tìm hiểu về xe điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
----------------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU VỀ XE ĐIỆN

SVTH1: Lê Văn Sơn
MSSV: 16145499
SVTH2: Phạm Thái Phong
MSSV: 16145475
Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Tḥt Ơ Tơ
GVHD: TS. Đỗ Quốc Ấm

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2021


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài này, em đã nhận được rất nhiều sự hỡ trợ, góp
ý và hướng dẫn của rất nhiều người. Đầu tiên, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn chân
thành đến TS. Đỗ Quốc Ấm giảng viên của khoa Cơ khí động lực Trường Đại học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hướng dẫn, giúp đỡ tận tình trong
suốt quá trình làm đề tài.
Ngồi ra, nhóm em cũng muốn cảm ơn các thầy cơ trong Khoa Cơ Khí Động
Lực trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM đã tạo điều kiện thuận lợi để em
thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Xin cảm ơn tất cả các bạn thành viên trong lớp, những người đồng hành và gắn
bó với nhóm trong suốt 4 năm học, đã có những góp ý và giúp đỡ nhóm em trong
những thời điểm khó khăn khi làm đề tài.
Cuối cùng, nhóm em xin cảm ơn giáo viên phản biện và các thầy cô trong hội

đồng bảo vệ đồ án đã dành thời gian nhận xét, đánh giá và giúp đỡ nhóm em trong
q trình bảo vệ đồ án.
Đồ án này sẽ khơng được hồn thành tốt đẹp nếu khơng có sự giúp đỡ đó của
tất cả mọi người. Một lần nữa nhóm xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 7 năm 2021
Sinh viên thực hiện

i


LỜI MỞ ĐẦU
Xe điện (EV), bao gồm Xe điện chạy pin (BEV), Xe điện hybrid (HEV), Xe
điện hybrid plug-in (PHEV), Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV), đang trở
thành phổ biến hơn trong lĩnh vực giao thông vận tải trong thời gian gần đây. Như
xu hướng hiện nay cho thấy điều này. Phương thức vận tải có khả năng thay thế
phương tiện động cơ đốt trong (ICE) trong tương lai gần. Mỡi thành phần EV chính
có một số cơng nghệ hiện đang được sử dụng hoặc có thể trở nên nổi bật trong tương
lai. EVs có thể gây ra những tác động đáng kể đến môi trường, hệ thống điện năng
và các lĩnh vực liên quan khác. Hệ thống điện hiện nay có thể phải đối mặt với những
bất ổn lớn với đủ mức thâm nhập EV, nhưng với sự quản lý và điều phối thích hợp,
EV có thể có những đóng góp lớn vào việc thực hiện thành cơng khái niệm lưới điện
thơng minh. Có những khả năng mang lại lợi ích mơi trường to lớn cũng như xe điện
có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính do ngành giao thơng vận tải tạo ra.
Tuy nhiên, có một số trở ngại lớn đối với xe điện để khắc phục trước khi thay thế
hoàn toàn xe ICE. Đề tài này tập trung vào việc xem xét hệ thống điện và động cơ
điện một chiều trên xe. Mục tiêu của đề tài là cung cấp một bức tranh tổng thể về
công nghệ EV hiện tại và các cách phát triển trong tương lai để hỗ trợ các nghiên cứu
trong tương lai về lĩnh vực này.

ii

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................................................
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .............................................
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ................................................
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ....................................................................................................v
LIỆT KÊ BẢNG ..................................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................x
Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu ............................................................................................................3
1.3. Nội dung nghiên cứu.........................................................................................3
1.4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................4
1.5. Giới hạn đề tài...................................................................................................4
1.6. Nội dung đề tài..................................................................................................4
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................6
2.1. Các loại xe điện EV ..........................................................................................6
2.1.1. Xe điện chạy bằng pin (BEV). ..................................................................6
2.1.2. Xe điện lai (HEV).......................................................................................8
2.1.3. Xe điện hyprid plug – in (PHEV). ...........................................................10
2.1.4. Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV). .............................................11
2.2. Cấu hình xe EV. .............................................................................................16
2.2.1. Thiết lập chung cho xe EV. .....................................................................17
2.2.2. Thiết kế trên HEV ....................................................................................23
2.2.2.1 Lai nối tiếp.......................................................................................23
iii

2.2.3.2 Lai song song. .................................................................................25
2.2.2.3 Lai nối tiếp – song song. ................................................................26
2.2.2.4 Lai hỗn hợp......................................................................................28
2.3. Nguồn năng lượng. ........................................................................................30
2.3.1. Pin. ...........................................................................................................30
2.3.2. Siêu tụ điện (UCs) ....................................................................................40
2.3.3. Pin nhiên liệu (FC) ...................................................................................42
2.3.4. Bánh đà. ...................................................................................................45
Chương 3: HỆ THỐNG ĐIỆN TRÊN XE EV ..........................................................49
3.1. Tổng quan về hệ thống điện trên xe EV .........................................................49
3.2. Động cơ điện sử dụng trong xe EV. ..............................................................51
3.2.1. Động cơ DC có chổi than .........................................................................51
3.2.2. Động cơ DC không chổi than (BLDC) ....................................................51
3.2.3. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). ....................................53
3.2.4. Động cơ cảm ứng (IM) .............................................................................55
3.2.5. Động cơ điện trở chuyển mạch (SRM) ....................................................56
3.2.6. Động cơ điện trở đồng bộ (SynRM). .......................................................57
3.2.7. Động cơ điện trở đồng bộ có hỡ trợ PM...................................................58
3.2.8. Động cơ nam châm vĩnh cửu không lõi sắt thông lượng hướng trục .......59
3.3. Hệ thống sạc. ..................................................................................................63
3.3.1. Sạc AC ......................................................................................................66
3.3.2. Sạc DC ......................................................................................................67
Chương 4: XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN XE ĐIỆN – KẾT QUẢ - KẾT LUẬN .....72
4.1. Xu hướng và phát triển trong tương lai. ........................................................72
4.2. Kết quả ............................................................................................................75
4.3. Kết luận ...........................................................................................................79
iv

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1. u cầu về tốc độ mô-men xoắn trong lịch trình lái xe trong đô thị .......... 7
Hình 2.2. Cấu tạo BEV ............................................................................................... 8
Hình 2.3. Dòng công suất giữa các khối cơ bản của HEV .......................................... 9
Hình 2.4. Ví dụ về chiến lược quản lý năng lượng được sử dụng trong HEV ......... 10
Hình 2.5. Cấu hình FCEV ......................................................................................... 12
Hình 2.6. Pininfarina H2 Speed, một siêu xe sử dụng pin nhiên liệu hydro ............. 12
Hình 2.7. Thuộc tính EV của pin nâng cao và tỷ lệ thuộc tính EV của pin nhiên
liệu ............................................................................................................................. 13
Hình 2.8. Hình thêm thông tin phiên bản QR Code .................................................. 14
Hình 2.9. Hệ thống con EV ....................................................................................... 16
Hình 2.10. Các cấu hình EV dẫn động bánh trước khác nhau .................................. 17
Hình 2.11. Tesla Model S, cấu hình dẫn động cầu sau ............................................. 18
Hình 2.12. Tesla Model S, cấu hình dẫn động bốn bánh .......................................... 18
Hình 2.13. Hiriko Fold – một chiếc xe sử dụng động cơ bánh xe ............................ 19
Hình 2.14. Xe thí nghiệm với hệ thống W-IWM ...................................................... 20
Hình 2.15. IWM thông thường và không dây ........................................................... 20
Hình 2.16. Thiết lập W-IWM .................................................................................... 21
Hình 2.17. Truyền động của hệ thống hybrid nối tiếp .............................................. 22
Hình 2.18. Truyền động của hệ thống lai song song................................................. 23
Hình 2.19. Hệ thống bánh răng hành tinh ................................................................. 24
Hình 2.20. Truyền động của hệ thống lai song song nối tiếp ................................... 25
Hình 2.21. Truyền động của hệ thống lai song song nối tiếp sử dụng biến trở ........ 25
Hình 2.22. Hệ thống e-CVT phân chia đầu vào ........................................................ 26
Hình 2.23. Hệ thống e-CVT ...................................................................................... 27

Hình 2.24. Kết cấu cho HEV dẫn động bốn bánh ..................................................... 27
Hình 2.25. Sắp xếp tế bào pin trong một bộ pin ....................................................... 33
Hình 2.26. Cấu hình bộ cân bằng .............................................................................. 33
v


Hình 2.27. Cấu hình bộ cân bằng cảm ứng ............................................................... 34
Hình 2.28. Một ô UC, một dải phân cách giữ hai điện cực cách xa nhau ................ 38
Hình 2.29. Sự kết hợp của pin và UC để bổ sung những thiếu sót của nhau ............ 38
Hình 2.30. Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu .................................................... 39
Hình 2.31. Cấu hình pin nhiên liệu hydro ................................................................. 40
Hình 2.32. Một bánh đà được sử dụng trong hệ thống phục hồi động năng của xe . 42
Hình 2.33. Các thành phần cơ bản của bánh đà ........................................................ 43
Hình 3.1. Cấu trúc xe điện EV .................................................................................. 46
Hình 3.2. Đặc tính của động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu .... 48
Hình 3.3. Động cơ PMSM cực lồi và cực ẩn ............................................................ 48
Hình 3.3. Đặc tính truyền động động cơ cảm ứng .................................................... 50
Hình 3.4. SynRM với rôto nhiều lớp dọc trục .......................................................... 51
Hình 3.6. Nam châm vĩnh cửu (PM) hỗ trợ SynRM ................................................. 52
Hình 4.1. Các xu hướng chính và các lĩnh vực phát triển trong tương lai của EV .. 66

vi


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1. So sánh các loại xe khác nhau .................................................................. 14

Bảng 2.2. Ưu điểm và hạn chế của cấu hình lai hỗn hợp .......................................... 22
Bảng 2.3. Ưu điểm và hạn chế của cấu hình lai song song ....................................... 23
Bảng 2.4. So sánh cấu hình lai song song và nối tiếp ............................................... 23
Bảng 2.5. Mục tiêu hiệu suất của pin EV do USABC đặt ra .................................... 28
Bảng 2.6. Các loại pin thông dụng, cấu tạo cơ bản, ưu nhược điểm của chúng ..... 29
Bảng 2.7. So sánh chéo các loại pin để chỉ ra những ưu điểm tương đối ................ 30
Bảng 2.8. Ưu điểm và nhược điểm của các loại bộ cân bằng khác nhau .................. 34
Bảng 2.9. So sánh các bộ cân bằng ........................................................................... 36
Bảng 2.10. Thông số pin của một số xe điện hiện tại ............................................... 36
Bảng 2.11. So sánh các cấu hình pin nhiên liệu khác nhau ...................................... 40
Bảng 2.12. Đặc điểm của các vật liệu khác nhau được sử dụng cho bánh đà .......... 43
Bảng 2.13. Mật độ năng lượng và công suất tương đối ........................................... 44
Bảng 2.14. Phương tiện sử dụng các hệ thống lưu trữ khác nhau ........................... 44
Bảng 3.1. So sánh công suất của các động cơ khác nhau có cùng kích thước ......... 53
Bảng 3.2. Giá trị mật độ mômen đặc trưng của một số động cơ ............................. 53
Bảng 3.3. Ưu nhược điểm và cách sử dụng các loại động cơ .................................. 53
Bảng 3.4. Tiêu chuẩn sạc ......................................................................................... 57
Bảng 3.5. Đặc tính sạc AC của SAE (Society of Automotive Engineers) ............... 59
Bảng 3.6. Đặc tính sạc DC của SAE (Society of Automotive Engineers) ............... 60
Bảng 3.7. So sánh các hệ thống sạc không dây ........................................................ 62
Bảng 3.8. Điều kiện hoạt động của bộ chuyển đổi DC-DC đa năng ....................... 66
Bảng 3.9. So sánh các thành phần được sử dụng trong bộ chuyển đổi .................... 69
Bảng 3.10. Bộ chuyển đổi có ứng dụng EV hiển thị các tính năng và cơng dụng .. 78
Bảng 3.11. Đặc điểm của hệ thống sạc không dây .................................................. 82
vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
EV: Electric Vehicle
PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicles

HEV: Hybrid Electric Vehicle
GHG: Green House Gas
ICE: Internal Combustion Engine
ESS: Energy Storage System
FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle
BEV: Battery Electric Vehicle
EM: Electric Motor
SOC: State Of Charge
DOE: Department of Energy
AWD: All Wheel Drive
W-IWM: Wireless – In Wheel Motor
WPT: Wireless Power Transfer
PG: Planetary Gear
4WD: Four Wheel Drive
viii


EOL: End of Life
UC: Ultra Capacitors
FC: Fuel Cell
KERS: Kinetic Energy Recovery System
DC: Direct Current
PM: Permanent Magnet
AC: Alternating Current
PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor
IM: Induction Motor
SRM: Switched Reluctance Motor
IPM: Interior Permanent Machine
SynRM: Synchronous Reluctance Motor
EVSE: Electric Vehicle Service Equipment

SAE: Society of Automotive Engineers
WPT: Wireless Power Transfer
EDL: Energy Dynamic Laboratory
KAIST: Korea Advance Institute of Science and Technology
IPT: Inductive Power Transfer
CPT: Capacitive Power Transfer
PMPT: Permanent Magnet Coupling Power Transfer
RIPT: Resonant Inductive Power Transfer
OLPT: On-Line inductive Power Transfer
ix


RAPT: Resonant Antennae Power Transfer
PSFB: Phase-Shift Full-Bridge
SRC: Series Resonant Converter
CCI: Close-Coupled Inductor
LCI: Loosely-Coupled Inductor
PFC: Power Factor Correction
ZVS: Zero Voltage Switching
DCM: Discontinuous Conduction Mode

x


Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trong thời gian gần đây, xe điện (EV) đang trở nên phổ biến, và đằng sau điều
này có rất nhiều lý do. Nổi bật nhất là đóng góp của xe điện trong việc giảm phát thải
khí nhà kính (GHG). Trong năm 2009, lĩnh vực giao thơng vận tải phát thải 25% khí

thải nhà kính do các lĩnh vực liên quan đến năng lượng tạo ra. Với sự thâm nhập của
xe điện vào lĩnh vực giao thơng vận tải, dự kiến sẽ giảm con số đó, nhưng đây không
phải là lý do duy nhất, bên cạnh đó việc thiết kế ra xe EV êm ái, dễ vận hành và khơng
có chi phí về nhiên liệu. Về phương thức giao thơng đơ thị, nó rất hữu ích. Nó khơng
sử dụng bất kỳ năng lượng dự trữ nào hoặc gây ra bất kỳ phát xạ nào trong khi chạy
khơng tải, có khả năng cung cấp tổng mơ men xoắn từ khi khởi động và không yêu
cầu chuyển tiếp khí ga. Ngành điện đang trải qua một giai đoạn thay đổi trong đó
năng lượng tái tạo giữ vị trí quan trọng. Lưới điện thế hệ tiếp theo, được gọi là 'lưới
điện thông minh' cũng đang được phát triển. Xe điện đang được coi là một đóng góp
chính cho hệ thống điện mới này bao gồm các cơ sở phát điện tái tạo và hệ thống lưới
điện tiên tiến. Tất cả những điều này đã dẫn đến một sự đổi mới, sự quan tâm và phát
triển của phương thức vận tải này.
Ý tưởng sử dụng động cơ điện để lái xe xuất hiện sau khi đổi mới động cơ
chính nó. Từ năm 1897 đến năm 1900, xe điện chiếm 28% tổng số phương tiện giao
thông và được ưa chuộng hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong (ICE). Nhưng các
loại xe ICE đã đạt được động lực sau đó, và với giá dầu thấp, xe ICE sớm chinh phục
thị trường, trở nên trưởng thành và tiên tiến hơn nhiều, và xe điện đã chìm vào quên
lãng. Cơ hội hồi sinh xuất hiện dưới dạng khái niệm tổng quát chung là EV1. Động
cơ này, được ra mắt vào năm 1996, và nhanh chóng trở nên rất phổ biến. Các nhà sản
xuất ô tô hàng đầu khác bao gồm Ford, Toyota và Honda cũng đưa ra những chiếc xe
1


điện của riêng họ. Toyota rất thành công Prius, chiếc xe điện hybrid thương mại đầu
tiên (HEV), được ra mắt tại Nhật Bản vào năm 1997, với 18. 000 xe được bán trong
năm sản xuất đầu tiên. Ngày nay, hầu như khơng có EVs thế kỷ 20 nào tồn tại điều
đó, một ngoại lệ có thể là Toyota Prius, vẫn đang phát triển mạnh mẽ với hình thức
tốt hơn và phát triển hơn. Hiện nay thị trường xe được thống trị bởi Nissan Leaf,
Chevrolet Volt và Tesla Model S, trong khi thị trường ở Trung Quốc nằm trong tay
của BYD Auto Co. , Ltd (Khu phát triển công nghiệp công nghệ cao quốc gia Tây

An, Tây An, Trung Quốc). EVs có thể được coi là sự kết hợp của các hệ thống con
khác nhau. Mỗi hệ thống này tương tác với nhau để làm cho EV hoạt động và có
nhiều cơng nghệ có thể được sử dụng để vận hành các hệ thống con. Các bộ phận
chính của các hệ thống con đóng góp vào tổng hệ thống. Một số bộ phận này phải
làm việc rộng rãi với một số bộ phận khác, trong khi một số phải tương tác rất ít. Dù
trường hợp có thể là gì, nó là công việc tổng hợp của tất cả những hệ thống làm cho
EV hoạt động.
Có khá nhiều cấu hình và tùy chọn để tạo EV. EV có thể được điều khiển duy
nhất với nguồn điện dự trữ, một số có thể tạo ra năng lượng này từ ICE và cũng có
một số xe sử dụng cả ICE và động cơ điện cùng nhau. Xe điện sử dụng các loại dự
trữ năng lượng để lưu trữ năng lượng của chúng. Các loại động cơ đã được sử dụng
trong EVs và có thể được sử dụng trong tương lai, điện áp sạc và cấu hình bộ sạc
khác nhau có thể được sử dụng để sạc các phương tiện. Sạc không dây cũng đang
được kiểm tra và thử nghiệm để tăng tính tiện lợi.
Trong khi làn sóng nghiên cứu ơ tơ điện đang nổi lên mạnh mẽ trên thế giới
thì tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhà
khoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách. Qua khảo sát tình hình
những năm vừa qua, có thể khẳng định rằng ở Việt Nam chưa hề có một nghiên cứu
nào thực sự bài bản, khoa học và mang tính hệ thống về ơ tơ điện.
2


Trong vài năm trở lại đây, một số sản phẩm xe điện mang tính thử nghiệm đã
được nghiên cứu chế tạo bởi các nhà khoa học và những nhà sáng chế khơng chun
Việt Nam. Một số sản phẩm mang tính sao chép đơn thuần, chế tác lại về mẫu mã và
sau đó cũng khơng tiếp tục phát triển. Có thể kể ra một số sản phẩm do người Việt tự
thiết kế và chế tạo, như năm 2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi – thành phố
Hồ Chí Minh đã tự nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chứa 3 người, tốc độ
35km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V – 800W, 4 ắc quy khô 12V/50Ah, chạy
40km nạp một lần. Đây là thành công đáng khích lệ đối với một nhà sáng chế nghiệp

dư, tuy nhiên những chỉ tiêu chất lượng của xe còn thấp, xe được chế tạo với phương
pháp mang tính kỹ thuật, chưa có hàm lượng khoa học và quy trình cơng nghệ.
Trong khi thế giới đã có những bước tiến lớn trong công nghệ chế tạo ô tô điện,
Việt Nam cho đến nay vẫn đứng ngồi dịng chảy của xu thế tất yếu này. Nếu khơng
nhanh chóng triển khai nghiên cứu, nước ta sẽ lại tiếp tục bị lệ thuộc vào thế giới.
Tuy nhiên, phần lớn chúng ta vẫn chưa thấy được tính cấp thiết của việc nghiên cứu
ơ tơ điện tại Việt Nam. Chính vì lý do trên chúng em chọn đề tài “Tìm hiểu về xe
điện”.
1.2. Mục tiêu
Tìm hiểu, nghiên cứu về hệ thống điện trên xe ô tơ và tìm hiểu động cơ điện
một chiều trên xe. Phân tích, đánh giá thuận lợi và khó khăn của ô tô điện trong hiện
tại và tương lai.
1.3. Nội dung nghiên cứu
 Tổng quan về xe EV trên thế giới và Việt Nam
 Các loại xe điện
 Cấu hình các loại xe điện
 Nguồn năng lượng sử dụng trong xe điện
 Các loại động cơ điện sử dụng trong xe điện
3


 Hệ thống sạc trên xe
 Ảnh hưởng của EVs
 Rào cản đối với việc áp dụng xe điện


Kỹ thuật tối ưu hóa và thuật toán điều khiển

 Xu hướng và phát triển trong tương lai
 Tóm tắt và kết luận

1.4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu thứ cấp: nhóm thực hiện phương pháp này để
thực hiện các tài liệu có sẵn (sách, báo khoa học, luận văn, …) liên quan đến công
nghệ các loại xe điện trên thế giới, hệ thống điện trên xe, các loại động cơ điện một
chiều trên xe.
Phương pháp phân tích, so sánh, tổng hợp: Nhóm em sử dụng phương pháp
này để phân tích cơ sở lý luận, phân tích thực trạng, đối chiếu giữa thực tế và lý luận,
từ đó tổng hợp thành những quan điểm, luận điểm và kết luận.
1.5. Giới hạn đề tài:
Đề tài chỉ đề cập đến nghiên cứu về mặt lý thuyết: các hệ thống điện trong xe,
các động cơ điện một chiều trên xe, các nguồn năng lượng, mạch cơng suất, những
lợi ích kinh tế và hướng phát triển công nghệ trong tương lai.
1.6. Nội dung đề tài
 Chương 1: Tổng quan.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
 Chương 3: Hệ thống điện trên xe EV
 Chương 4: Kết luận và hướng phát triển.
Cụ thể như sau:
 Chương 1: Tổng quan.
Trình bày vấn đề và lý do chọn đề tài, mục tiêu và bố cục của đề tài.
4


 Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Trình bày tổng quan về ô tô điện, các loại ô tô điện, cấu hình các loại ơ tơ điện,
các loại năng lượng trên xe ô tô điện.
 Chương 3: Hệ thống điện trên xe EV
Trình bày tổng quan hệ thống điện trên xe EV, động cơ điện trên xe EV, công
nghệ mạch chuyển đổi cơng suất, kỹ thuật tối ưu hóa và thuật toán điều khiển.
 Chương 4: Kết luận và hướng phát triển.

Trình bày kết quả đã đạt trong đề tài, nhận xét những ưu điểm và nhược điểm
của xe EV và các giải pháp phát triển cho đề tài trong tương lai.

5


Chương 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Các loại xe điện EV
Xe điện EV có thể chỉ chạy bằng động cơ điện hoặc có thể sử dụng kết hợp
với động cơ đốt trong ICE. Pin làm nguồn năng lượng tạo thành loại EV cơ bản,
nhưng cũng có những loại xe có thể sử dụng các nguồn năng lượng khác. Chúng có
thể được gọi là EV kết hợp (HEVs). Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế bên lĩnh vực
phương tiện điện đường bộ đã đề xuất rằng xe sử dụng hai hoặc nhiều loại nguồn
năng lượng, có thể được gọi là HEV nhưng miễn là ít nhất một trong số chúng cung
cấp năng lượng điện [4]. Định nghĩa này tạo ra rất nhiều sự kết hợp có thể cho các
HEV như ICE và pin, pin và bánh đà, pin và tụ điện, pin và nhiên liệu ơ tơ. . . Do đó,
tất cả mọi người đều bắt đầu gọi xe có ICE và HEV kết hợp động cơ điện, pin và tụ
điện dưới dạng EV siêu tụ điện hỗ trợ, và những chiếc có pin và pin nhiên liệu FCEV
[2-4]. Những thuật ngữ này đã được chấp nhận rộng rãi và theo tiêu chuẩn này, xe
điện có thể được phân loại như sau:
(1) Xe điện chạy bằng pin (BEV)
(2) Xe điện lai (HEV)
(3) Xe điện hybrid plug-in (PHEV)
(4) Xe điện pin nhiên liệu (FCEV)
2.1.1. Xe điện chạy bằng pin (BEV)
Xe điện chỉ có pin để cung cấp năng lượng cho bộ truyền động được gọi là BEV.
BEV chỉ dựa vào năng lượng được lưu trữ trong bộ pin của chúng; do đó phạm vi của
những phương tiện như vậy phụ thuộc trực tiếp vào dung lượng pin. Thơng thường,
chúng có thể đi được 100 km – 250 km trong một lần sạc [5], trong khi các mơ hình

cấp cao nhất có thể đi xa hơn rất nhiều, từ 300 km đến 500 km[5]. Các phạm vi này
phụ thuộc vào việc lái xe tình trạng và kiểu dáng, cấu hình xe, điều kiện đường xá,
6


khí hậu, loại pin và tuổi đời. Một lần sạc pin mất khá nhiều thời gian so với việc tiếp
nhiên liệu thơng thường như xe ICE [6,7]. Có thể mất đến 36 giờ để pin sạc đầy, tuy
nhiên sẽ tốn ít thời gian hơn nếu chúng ta sử dụng xe ICE. Thời gian sạc phụ thuộc
vào cấu hình bộ sạc, cơ sở hạ tầng và mức năng lượng hoạt động. Ưu điểm của BEV
là cấu tạo, vận hành đơn giản và thuận tiện, khơng sản sinh ra bất kỳ khí nhà kính
(GHG), khơng tạo ra bất kỳ tiếng ồn nào và do đó có lợi cho mơi trường.
Động cơ điện cung cấp mơ-men xoắn cao và tức thì, ngay cả ở tốc độ thấp. Những
lợi thế này, cùng với với hạn chế về phạm vi hoạt động, khiến chúng trở thành phương
tiện hoàn hảo để sử dụng trong các khu vực đơ thị; như được mơ tả trong Hình 2. 1,
lái xe trong đô thị yêu cầu chạy ở tốc độ chậm hoặc trung bình và những phạm vi này
địi hỏi rất nhiều về mômen xoắn. Nissan Leaf và Teslas là một số BEV bán chạy
hiện nay, cùng với một số xe Trung Quốc. Hình 2. 2 cho thấy cấu hình cơ bản cho
BEV: các bánh xe được dẫn động bằng các động cơ điện được chạy bằng pin thông
qua một mạch chuyển đổi điện năng.

Hình 2.1. Yêu cầu về tốc độ mô-men xoắn trong lịch trình lái xe trong đô thị.
Hầu hết việc lái xe được thực hiện trong dải tốc độ 2200 đến 4800 vòng/phút với
7


lượng mô-men xoắn đáng kể. Rpms thấp hơn yêu cầu mô-men xoắn trung bình
khoảng 125 Nm; các phương tiện giao thông đô thị phải hoạt động thường xuyên
trong khu vực này vì chúng thường xuyên phải dừng và xuất phát [4].

Hình 2.2. Cấu tạo BEV. Nguồn DC của pin thơng qua biến tần chuyển đổi

thành AC để chạy động cơ [5].
2.1.2. Xe điện lai (HEV)
HEV sử dụng cả ICE và bộ truyền động điện để cung cấp năng lượng cho xe.
HEV sử dụng động cơ điện khi nhu cầu điện năng thấp. Đó là một lợi thế lớn trong
điều kiện tốc độ thấp như các khu đơ thị; nó cũng làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu
do động cơ tắt hồn tồn trong thời gian chạy khơng tải, ví dụ như tắc đường. Tính
năng này cũng làm giảm phát thải khí nhà kính. Khi tốc độ vượt mức cần thiết, HEV
chuyển sang sử dụng ICE. Hệ thống truyền lực cũng có thể làm việc cùng nhau để
cải thiện hiệu suất. Hệ thống động lực hỗn hợp được sử dụng rộng rãi để giảm hoặc
loại bỏ hoàn toàn bộ phận nén turbo trong những chiếc xe tăng áp, như Acura NSX.
ICE có thể sạc đầy pin, HEV cũng có thể lấy lại năng lượng bằng cách phanh tái tạo.
Do đó, HEV chủ yếu là ô tô ICE được điều khiển kết hợp nguồn năng lượng từ accu
để cải thiện quãng đường hoặc để nâng cao hiệu suất. Để đạt được những tính năng
8


này, cấu hình HEV đang được các nhà sản xuất xe hơi áp dụng rộng rãi. Hình 2. 3
hiển thị các dòng năng lượng trong HEV cơ bản. Trong khi khởi động xe, ICE có thể
chạy động cơ như một máy phát điện để tạo ra năng lượng và lưu trữ nó trong pin.
Trong quá trình tăng tốc cà động cơ nhiệt (ICE) và động cơ điện (Power electric
motor) đều cung cấp năng lượng cho ô tô. Khi cần tăng tốc độ, ICE và động cơ đều
truyền động. Trong quá trình phanh, hệ thống động lực dẫn động động cơ điện hoạt
động như máy phát điện để sạc pin bằng cách hãm tái sinh. Khi hoạt động trên đường,
động cơ ICE dẫn động cả ô tô và động cơ điện, lúc này động cơ điện hoạt động như
một máy phát điện (sạc pin). Quá trình nạp bị dừng khi phương tiện dừng lại. Hình
2. 4 cho thấy một ví dụ về hệ thống quản lý năng lượng được sử dụng trong HEV.
Kết quả ở đây là sự phân chia công suất giữa ICE và động cơ điện (EM) bằng cách
xem xét tốc độ xe, đầu vào của người lái xe, trạng thái sạc (SOC) của pin và tốc độ
động cơ đạt được tiết kiệm nhiên liệu tối đa

9


(a) Hướng của dòng điện khi khởi động và khi dừng

(b) Hướng của dịng cơng suất trong quá trình vượt, phanh và chạy.
Hình 2.3. Dịng cơng suất giữa các khối cơ bản của HEV trong các giai đoạn khác
nhau của chu kỳ trùn động [8].

Hình 2.4. Ví dụ về chiến lược quản lý năng lượng được sử dụng trong HEV. Bộ điều
khiển phân chia nguồn điện giữa ICE và động cơ bằng cách xem xét các thông số đầu
vào khác nhau [8]
2.1.3. Xe điện hybrid plug-in (PHEV)
Khái niệm PHEV hình thành để mở rộng phạm vi toàn diện của HEV [9-14].
Nó sử dụng cả ICE và hệ thống truyền lực, giống như HEV, nhưng sự khác biệt giữa
chúng là PHEV sử dụng điện là nguồn năng lượng chính, vì vậy những phương tiện
này yêu cầu dung lượng pin lớn hơn HEV. PHEV bắt đầu ở chế độ "tất cả dùng điện",
10


chạy bằng điện và khi pin sắp hết, nó sẽ báo hiệu trên ICE để sạc pin. ICE được sử
dụng ở đây để mở rộng phạm vi. PHEV có thể sạc pin trực tiếp từ lưới điện (mà HEV
không thể); PHEV cũng có cơ sở để sử dụng phanh tái tạo. Khả năng của PHEV chỉ
chạy bằng điện trong hầu hết các thời gian làm cho lượng khí thải carbon của nó nhỏ
hơn HEV. Chúng cũng tiêu thụ ít nhiên liệu hơn và do đó giảm chi phí liên quan. Thị
trường xe hiện nay khá đông khách hàng, Chevrolet Volt và doanh số Toyota Prius
cũng cho thấy mức độ phổ biến của chúng.
2.1.4. Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV)
FCEV cịn có tên là Xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCV). Chúng có tên như vậy
bởi vì phương tiện là pin nhiên liệu sử dụng các phản ứng hóa học để sản xuất ra điện

[15]. Hydro là nhiên liệu của sự lựa chọn cho các FCV để thực hiện phản ứng này, vì
vậy chúng thường được gọi là xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro. FCV mang hydro
trong các bình áp suất cao đặc biệt, một thành phần khác để sản xuất ra điện là oxy,
mà nó thu được từ khơng khí hút vào từ mơi trường. Điện lực được tạo ra từ các tế
bào nhiên liệu đi đến một động cơ điện dẫn động các bánh xe. Năng lượng dư thừa
được lưu trữ trong hệ thống lưu trữ như pin hoặc siêu tụ điện. Các FCV có sẵn trên
thị trường như Toyota Mirai hoặc Honda Clarity sử dụng pin cho mục đích này
[2,3,16-18]. FCVs chỉ tạo ra nước dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình tạo ra năng
lượng được đẩy ra khỏi ô tô qua các ống xả. Các cấu hình của một FCV được thể hiện
trong Hình 2.5. Một lợi thế của những phương tiện như vậy là chúng có thể sản xuất
điện riêng của chúng mà khơng thải ra carbon. Một ưu điểm chính khác của chúng là
việc đổ đầy nhiên liệu cho những chiếc xe này mất cùng khoảng thời gian cần thiết
để đổ xăng cho một chiếc xe sử dụng xăng thông thường. Điều này làm cho việc áp
dụng những phương tiện này có nhiều khả năng hơn trong tương lai gần[2-4,19]. Một
trở ngại chính trong việc áp dụng cơng nghệ này là sự khan hiếm của các trạm nhiên
liệu hydro. Một báo cáo cho Hoa Kỳ Bộ Năng lượng (DOE) chỉ ra một nhược điểm
11


khác là chi phí pin nhiên liệu cao, chi phí hơn 200 đô la cho mỗi kW, cao hơn nhiều
so với ICE (dưới 50 đô la cho mỗi kW)[20,21]. Đây cũng là những mối quan tâm liên
quan đến an toàn trong trường hợp hydro dễ cháy rò rỉ ra khỏi các bồn chứa. Nếu
những vấn đề đó được giải quyết, FCV thực sự có thể đại diện cho những chiếc xe ô
tô trong tương lai. Các khả năng sử dụng công nghệ này trong siêu xe được thể hiện
qua Pininfarina’s H2 Speed (Hình 2.6). So sánh BEV và FCEV ở các khía cạnh khác
nhau [22], trong đó FCEV có vẻ tốt hơn BEV về nhiều mặt; sự so sánh này được thể
hiện trong Hình 2.7. Trong hình này, các chi phí khác nhau và các vấn đề liên quan
đến chi phí của BEV và FCEV: trọng lượng, thể tích lưu trữ cần thiết, lượng thải khí
nhà kính ban đầu, nhu cầu năng lượng khí tự nhiên, nhu cầu năng lượng gió, chi phí
gia tăng, chi phí cơ sở hạ tầng nhiên liệu cho mỡi chiếc ơ tơ, chi phí nhiên liệu cho

mỡi km,và chi phí vịng đời gia tăng đều được so sánh các dãy cho 320 km (màu xanh
lam) và 480 km (màu xanh lục). Trục hoành hiển thị tỷ lệ thuộc tính của BEV so với
FCEV. Vì có ít giá trị hơn trong những thuộc tính chỉ ra lợi thế, bất kỳ giá trị nào cao
hơn một trong trục hoành sẽ khai báo FCEV vượt trội hơn BEVs ở thuộc tính đó.
Điều đó có nghĩa là, BEV chỉ xuất hiện tốt hơn trong các lĩnh vực bắt buộc năng
lượng gió và chi phí nhiên liệu cho mỡi km. Chi phí nhiên liệu dường như vẫn là một
trong những nhược điểm lớn của FCEV, với tư cách là một phương thức sản xuất
hydro giá rẻ, bền vững và thân thiện với mơi trường vẫn cịn thiếu, và cơ sở hạ tầng
tiếp nhiên liệu chậm hơn so với cơ sở hạ tầng của BEV; nhưng những vấn đề này có
thể khơng cịn phổ biến trong tương lai gần.

12


Hình 2.5. Cấu hình FCEV. Oxy từ khơng khí và hydro từ các xi lanh phản ứng trong
pin nhiên liệu để sản xuất điện chạy động cơ. Chỉ nước được tạo ra dưới dạng sản
phẩm phụ được thải ra trong mơi trường.

Hình 2.6. Pininfarina H2 Speed, một siêu xe sử dụng pin nhiên liệu hydro.

13


Hình 2.7. Thuộc tính EV của pin nâng cao và tỷ lệ thuộc tính EV của pin nhiên liệu
cho 320 km (màu xanh lam) và Phạm vi 480 km (màu xanh lá cây), với giả định về
hỗn hợp lưới điện trung bình của Hoa Kỳ trong phạm vi thời gian 2010–2020 và tất
cả hydro được tạo ra từ khí tự nhiên [22].
Một điều khác về FCV [23] đó là pin nhiên liệu cắm vào xe (PFCV) có cơng
suất lớn hơn và tiêu hao nhỏ hơn, khiến nó trở thành chiếc xe chiếm ưu thế về pin
[23], nếu hydro cho các phương tiện như vậy có thể được tạo ra từ các nguồn tái tạo

để chạy nhiên liệu tế bào và năng lượng để sạc pin cũng đến từ các nguồn xanh, những

14