Luận án nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.57 MB, 128 trang )
Mở đầu
___________________________________________________________________________
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án:
Quản lý năng lượng hiện đang là hướng nghiên cứu quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu
về ô tô điện, một phương tiện di chuyển được coi là sẽ thay thế hoàn toàn cho ơ tơ sử dụng
nhiên liệu hóa thạch trong tương lai gần. Hiện nay, các ô tô điện thương phẩm sử dụng chủ yếu
ắc quy làm thiết bị lưu trữ năng lượng chính. Ắc quy đang được cho là thiết bị phù hợp nhất
với ô tô điện với những ưu thế nổi trội về mật độ năng lượng lớn và khả năng vận hành trong
các điều kiện khắc nghiệt. Tuy nhiên, nhược điểm về khả năng huy động công suất (mật độ
công suất thấp) và thu hồi năng lượng (quá trình sạc xảy ra chậm) giới hạn khả năng hãm tái
sinh và huy động công suất của hệ thống. Với đặc điểm vận hành của thiết bị di chuyển nói
chung việc tăng tốc và giảm tốc diễn ra thường xuyên dẫn đến huy động công suất theo cả hai
chiều cũng biến động mạnh, đây là nguyên nhân chính gây suy giảm tuổi thọ ắc quy. Vì những
lý do này mà các nghiên cứu trong hướng nghiên cứu về quản lý năng lượng sử dụng thêm siêu
tụ để trợ giúp ắc quy trong việc thu hồi năng lượng và huy động công suất ngắn hạn, việc này
sẽ giúp gia tăng quãng đường di chuyển của ô tô điện cũng như tuổi thọ của ắc quy.
Khi hệ thống lưu trữ năng lượng chuyển từ sử dụng duy nhất ắc quy thành hệ thống lưu
trữ năng lượng lai ắc quy – siêu tụ sẽ phát sinh vấn đề phân phối công suất yêu cầu từ hệ thống
cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng. Luận án này sẽ tập trung vào việc quản lý năng lượng
(phân phối công suất cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng) sao cho hiệu quả trong mục tiêu tối
đa hóa tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá cao nhất trên ô tô điện.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Luận án sẽ tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển dòng năng lượng theo hướng
gia tăng tuổi thọ ắc quy. Việc này sẽ thông qua việc giảm thiểu hai yếu tố ảnh hưởng đến tuổi
thọ ắc quy là tần số, dòng điện đỉnh và tổn hao nội tại của ắc quy
Phương pháp nghiên cứu của luận án:
Các phương pháp quản lý năng lượng được chia làm hai hướng chính là các phương
pháp dựa trên luật điều khiển và các phương pháp tối ưu hóa.
Các phương pháp dựa trên luật điều khiển dựa trên kiến thức và kinh nghiệm của người
thiết kế về đối tượng để tổng hợp các bộ điều khiển. Các phương pháp này có ưu điểm là trực
quan và phù hợp với điều khiển thời gian thực. Tuy nhiên, do hoàn toàn phụ thuộc vào kiến
thức và kinh nghiệm của người thiết kế mà khơng dựa trên các thuật tốn tối ưu nên không thể
đạt tới kết quả tối ưu.
Các phương pháp tối ưu hóa đặt vấn đề cần giải quyết vào bối cảnh của phương pháp
tối ưu hóa và sử dụng các cơng cụ tốn học để tìm lời giải tối ưu. Thường các phương pháp tối
ưu hóa sẽ tồn tại các ràng buộc, hàm mục tiêu (cost function) và hàm phạt (penalty in the cost
function). Các lý thuyết tối ưu giải quyết dựa trên các ràng buộc, hàm mục tiêu và hàm phạt để
đưa ra giá trị cực tiểu hoặc cực đại làm kết quả. Các phương pháp tối ưu hóa có ưu điểm là giải
bài tốn tối ưu cho kết quả tối ưu tồn cục, trong khi đó các phương pháp cận tối ưu cho kết
quả tiệm cận tối ưu và có khả năng điều khiển thời gian thực. Tuy nhiên, nhược điểm của các
phương pháp tối ưu hóa là sự phức tạp trong giải quyết vấn đề dẫn đến các phương pháp này
đòi hỏi rất cao về tài nguyên tính tốn và khơng thể điều khiển thời gian thực. Các phương
1
Mở đầu
___________________________________________________________________________
pháp cận tối ưu có thể đạt được kết quả tốt trong điều khiển thời gian thực tuy nhiên các phương
pháp này yêu cầu rất khắt khe với mô hình đối tượng (một việc khơng dễ giải quyết trong thực
tế).
Trong phạm vi luận án, tác giả sẽ mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống để khảo sát nhu
cầu năng lượng của một trường hợp cụ thể để từ đó thiết kế bộ điều khiển với nguyên tắc chung
cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai siêu tụ - ắc quy. Các bộ điều khiển được thiết kế bằng cả
hai nhóm phương pháp dựa trên luật điều khiển và nhóm phương pháp tối ưu hóa. Với nhóm
các phương pháp dựa trên luật điều khiển thì hai phương pháp được chọn là phương pháp tần
số và điều khiển mờ. Với nhóm các phương pháp tối ưu hóa thì hai phương pháp được chọn là
quy hoạch động (Dynamic Programing) và biến phân. Mục tiêu của các bộ điều khiển là giải
quyết vấn đề tối đa hóa tuổi thọ ắc quy với các biến trạng thái là điện áp siêu tụ, dòng điện yêu
cầu của hệ thống và tốc độ xe, cùng với đó biến điều khiển là dịng điện đặt cho ắc quy. Việc
điều khiển dòng điện ắc quy được dựa trên bộ DC-DC nối giữa siêu tụ và DC bus chính là điện
áp ắc quy.
Các kết quả được mơ phỏng kiểm chứng và đánh giá, riêng kết quả của phương pháp
dựa trên tần số được kiểm chứng bằng hệ thống mơ phỏng thời gian thực HIL 402 của hãng
Typhoon.
Đóng góp của luận án:
Tác giả đề xuất hai thuật toán mới trong quản lý năng lượng là:
- Thuật toán kết hợp giữa bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển dựa trên tần số;
- Thuật toán sử dụng phương pháp biến phân.
Cấu trúc luận án:
Luận án được chia làm 4 chương, gồm:
Chương 1: Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện. Chương này sẽ trình bày
về các cấu trúc đã và đang được nghiên cứu của ô tô điện cũng như tình hình nghiên cứu trong
và ngồi nước về ơ tơ điện nói chung và quản lý năng lượng cho ơ tơ điện nói riêng
Chương 2: Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống năng lượng trong ơ tơ điện. Phần này
đề cập đến q trình mơ hình hóa tồn bộ hệ thống với các thành phần động lực học của ô tô
điện, các thiết bị lưu trữ năng lượng và các cơ cấu chấp hành gồm động cơ và các bộ biến đổi.
Sau đó, với những mơ hình đã có tác giả tiến hành mơ phỏng hệ thống để có được đặc tính cơ
bản của hệ thống. Đây là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển.
Chương 3: Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống năng lượng trong ô tô điện. Chương
này thiết kế và tính tốn các bộ điều khiển cho hệ thống bằng các phương pháp điều khiển thời
gian thực và các phương pháp tối ưu hóa
Chương 4: Xây dựng mơ hình mơ phỏng thời gian thực cho hệ thống năng lượng trong
ô tơ điện. Chương này trình bày các phương pháp xây dựng mơ hình và kết quả của mơ phỏng
thời gian thực và mơ hình thực nghiệm
Kết luận. Đây là phần trình bày về đánh giá các kết quả đạt được, các hạn chế của luận
án và hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu.
2
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG
LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN
1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu
1.1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện
Trong phạm vi nghiên cứu, ô tô điện được chia làm ba loại là ô tô lai (lai xăng điện), ô
tô thuần điện sử dụng ắc quy và ô tô thuần điện sử dụng fuel cell. Trong phạm vi luận án, tác
giả viết tắt ô tô lai là HEVs, ô tô thuần điện sử dụng ắc quy là EVs, ô tô thuần điện sử dụng
fuel cell là FCEVs
a) Ơ tơ lai (HEVs)
HEVs sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện với các cấu trúc như Hình 1.1 gồm
các cấu trúc nối tiếp, song song, nối tiếp – song song và phức hợp.
Ưu điểm của HEVs:
-
Đưa động cơ đốt trong vào vùng tối ưu trong gần như tồn q trình hoạt động
Qng đường đi trong một lần đổ xăng được gia tăng
Có thể hãm tái sinh bằng ắc quy
Nhược điểm của HEVs:
-
Vẫn phải sử dụng động cơ đốt trong không thân thiện với môi trường
Khả năng hãm tái sinh còn hạn chế
Với những ưu nhược điểm kể trên, HEVs hiện đang là loại ô tô điện phổ biến nhất trên
thị trường và hầu hết các hãng xe đều có phiên bản thương mại với doanh số chỉ trong quý bốn
năm 2019 đã lên đến 100.233 chiếc [1]. Tuy nhiên, HEVs chỉ được coi là bước quá độ chuyển
từ ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống sang ơ tơ thuần điện (được đánh giá là ô tô
của tương lai) để khắc phục những nhược điểm cịn tồn tại của của HEVs
b) Ơ tô điện fuel cell (FCEVs):
FCEVs sử dụng duy nhất động cơ điện với hệ thống lưu trữ năng lượng chính fuel cell
Về phương diện hóa học fuel cell là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá
trình điện phân nước bị tách ra thành khí hydro và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện thì fuel
cell là bình khí hydro kết hợp với ơxy trong khơng khí để biến thành điện với sản phẩm phụ là
nước (H2O)
Ưu điểm của FCEVs:
-
Hệ truyền động có thể sinh mơ-men xoắn lớn, có khả năng chịu q tải tốt và đáp ứng
mơ-men nhanh (có thể đáp ứng trong thời gian tính bằng mili giây)
Có thể bố trí linh động động cơ vào từng bánh xe hoặc truyền động một cầu hay hai cầu
như ô tô truyền thống
3
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.1.
-
Các cấu trúc truyền động của ơ tơ lai [2]
Mơ-men xoắn động cơ có thể được tính tốn được thông qua các đại lượng đo được của
động cơ qua đó áp đặt mơ men nhanh và chính xác.
Mật độ năng lượng lớn (gấp 10 lần ắc quy li-ion)
Việc nạp lại nhiên liệu (thay bình khí hydro) chỉ mất vài phút (có thể so sánh với thời
gian đổ xăng cho xe ơ tơ truyền thống, thậm chí nhanh hơn)
Nhược điểm của FCEVs:
-
Giá thành cao
Hiệu suất thấp
Khơng an tồn (nếu rị khí hydro có thể phát nổ)
Khơng sử dụng được nếu trời q nóng hoặc q lạnh
Khơng có khả năng hãm tái sinh
4
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.2.
Fuel cell
Với những phân tích trên, FCEVs tuy được nghiên cứu và phát triển song song với EVs
nhưng sẽ không phù hợp với một nước nhiệt đới với nhiệt độ mùa hè lên đến 400C như Việt
Nam hoặc các nước q lạnh. Ngồi ra, với việc khơng có khả năng hãm tái sinh thì FCEVs
bắt buộc phải có các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ để có thể thu hồi năng lượng trong q
trình phanh hãm. Có thể kết luận với những nhược điểm khó khắc phục như vậy thì FCEVs
khó có thể cạnh tranh với EVs trong tương lai gần.
c) Ơ tơ điện ắc quy (EVs)
EVs sử dụng duy nhất động cơ điện với hệ thống lưu trữ năng lượng chính là ắc quy.
Ưu điểm của EVs:
-
Hệ truyền động có thể sinh mơ-men xoắn lớn, có khả năng chịu quá tải tốt và đáp ứng
mô-men nhanh (có thể đáp ứng trong thời gian tính bằng mili giây)
Có thể bố trí linh động động cơ vào từng bánh xe hoặc truyền động một cầu hay hai cầu
như ơ tơ truyền thống
Mơ-men xoắn động cơ có thể tính tốn được thơng qua các đại lượng đo được của động
cơ qua đó áp đặt mơ men nhanh và chính xác.
Có khả năng hãm tái sinh nên có khả năng tiết kiệm năng lượng cũng như hỗ trợ phanh
cơ khí
Nhược điểm của EVs:
-
Bộ phận lưu trữ năng lượng có kích thước cồng kềnh
Trọng lượng bộ lưu trữ năng lượng lớn
Thời gian nạp năng lượng quá lâu so với đổ xăng, dầu
Quãng đường đi được bị hạn chế do dung lượng bộ phận lưu trữ năng lượng
Giá thành bộ phận lưu trữ năng lượng quá cao
EVs được coi là ô tô của tương lai, tuy nhiên trong thời điểm hiện tại, với những giới
hạn về công nghệ lưu trữ năng lượng mà thị phần của EVs đang khiêm tốn so với HEVs nhưng
đang vượt trội so với FCEVs (22.237 so với 2.006 trong doanh số năm 2019) [1]. Hiện nay trên
thị trường châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản đã có các phiên bản ô tô chỉ chạy bằng động cơ điện
là Mitsubishi iMiEV, Nissan Leaf và Tesla .v.v.
Để khắc phục các nhược điểm của EVs hướng phát triển tiếp theo của EVs sẽ là
5
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
-
-
Nghiên cứu sử dụng công nghệ nano carbon để chế tạo pin, ắc quy Lithium thế hệ mới
để tăng nguồn năng lượng tích trữ trên một đơn vị thể tích, tăng tuổi thọ, giảm kích
thước, giảm thời gian nạp.
Điều khiển hệ thống phanh, tối ưu hóa nguồn năng lượng trong quá trình chuyển động
và quá trình hãm, dừng EVs.
Sử dụng thêm siêu tụ hoặc các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ để có thể thu hồi năng
lượng một cách nhanh chóng trong q trình phanh hãm.
Sử dụng cơng nghệ truyền điện không dây (Wireless Power Transmission) để nạp điện
khơng tiếp xúc cho EVs liên tục trong q trình di chuyển.
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Ơ tơ điện Misubishi iMiEV (ra mắt tháng 7 năm 2009)
Ơ tơ điện Nissan Leaf (ra mắt tháng 12 năm 2010)
Xe Tesla Model X P100D (ra mắt tháng 8 năm 2016)
6
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
1.1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs
Như đã phân tích ở phần 1.1.1, EVs sẽ sử dụng nguồn năng lượng chính là ắc quy tuy
nhiên để gia tăng hiệu quả sử dụng ắc quy thì EVs sẽ cần các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ
trợ. Để làm rõ mục đích sử dụng của các nguồn năng lượng ta cần quan tâm đến mật độ công
suất và mật độ năng lượng
Khái niệm mật độ công suất và mật độ năng lượng
Theo [3], hệ lưu trữ năng lượng trên ô tô điện được quan tâm nghiên cứu từ rất sớm
(1968) và hai tham số được cho là quan trọng nhất của ESS là mật độ cơng suất và mật độ năng
lượng. Trong đó, mật độ năng cơng suất được tính dựa trên tỉ số giữa trọng lượng và khả năng
huy động công suất, đơn vị là W/kg. Mật độ năng lượng được tính dựa trên tỉ số giữa trọng
lượng và khả năng lưu trữ năng lượng, đơn vị là Wh/kg. Hai tham số này là cơ sở để so sánh
các thiết bị lưu trữ năng lượng, khi đánh giá tính phù hợp của thiết bị lưu trữ năng lượng được
sử dụng trên các thiết bị di chuyển sử dụng động cơ điện như ô tô, tàu hỏa hoặc tàu thủy. Tuy
nhiên, theo thông thường hai tham số này thường tỉ lệ nghịch với nhau (Hình 1.6) nên việc lựa
chọn sẽ cần có trọng số để xác định thiết bị lưu trữ năng lượng tối ưu (đặc tính mật độ cơng
suất và mật độ năng lượng được đặt tên là Ragone plane).
Hình 1.6.
a)
Ragone plane[4]
Pin li-ion
Hiện nay, hầu hết các ô tô thuần điện thương phẩm sử dụng duy nhất ắc quy li-ion (Hình
1.7) làm nguồn lưu trữ năng lượng chính (ESS) vì các lý do sau đây [5]:
-
Độ tin cậy cao
Mật độ năng lượng lớn
Q trình tự xả khi khơng sử dụng chậm (low self-discharge)
Cho phép nạp với dòng định mức lớn và cho phép sạc nhanh
Cho phép sạc nhồi (sạc khi ắc quy chưa kiệt) mà ít ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy
Có thể hoạt động ở dải nhiệt độ rộng
7
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.7.
Cấu trúc (a) và mặt cắt của pin li-ion (b)
Tuy nhiên, ắc quy li-ion vẫn tồn tại các nhược điểm sau [5]:
-
Giá thành cao
Tuổi thọ nạp xả thấp (1.500 đến 4.500 lần)
Hiệu suất phụ thuộc vào nhiệt độ
Với đặc tính vận hành của EVs là:
-
Huy động cơng suất theo cả hai chiều khi tăng và giảm tốc lớn
Quá trình tăng tốc và giảm tốc diễn ra liên tục
Điều này dẫn đến hệ lưu trữ năng lượng sẽ phải đáp ứng các yêu cầu sau:
-
Có chức năng hãm tái sinh để tiết kiệm năng lượng cũng như hỗ trợ phanh cơ khí
Tần số dịng điện đi vào hệ lưu trữ năng lượng cao
Tốc độ tăng trưởng (di/dt) dòng điện lớn
Như đã trình bày ở trên và theo [4, 5] các đặc tính của q trình vận hành sẽ ảnh hưởng
lớn đến tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá thành cao nhất của ơ tơ điện. Vì vậy, xu thế nghiên
cứu của thế giới là sử dụng các hệ lưu trữ năng lượng lai (HESS) để khắc phục các nhược điểm
của hệ lưu trữ năng lượng truyền thống sử dụng pin li-ion và đáp ứng được các yêu cầu đặt ra
cho hệ lưu trữ năng lượng sử dụng cho ô tô điện gồm:
-
Mật độ năng lượng lớn
Mật độ công suất lớn
Khả năng huy động dòng điện (di/dt) lớn
Gia tăng tuổi thọ hệ lưu trữ năng lượng
Khả năng thu hồi năng lượng tốt
Hiệu suất cao
Với hệ lưu trữ năng lượng lai (HESS) sẽ có khái niệm main-supplier (nguồn chính) và
sub-supplier (nguồn hỗ trợ)
Bản thân pin li-ion đã có mật độ năng lượng lớn và có thể đáp ứng được tất cả các yêu
cầu trên của một hệ lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, nếu chỉ có pin li-ion chịu trách nhiệm tồn
bộ các u cầu trên thì tuổi thọ của ắc quy sẽ khơng đảm bảo, nên ắc quy sẽ đóng vai trò nguồn
8
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
chính của HESS. Khi đó, chúng ta sẽ phải chọn nguồn hỗ trợ cho ắc quy với tiêu chí giảm thiểu
các yếu tố làm giảm tuổi thọ ắc quy, đó là:
-
Mật độ cơng suất lớn
Khả năng huy động dịng điện (di/dt) lớn
Tuổi thọ nạp xả cao
Khả năng thu hồi năng lượng lớn
Hiệu suất cao
Tự trọng nhỏ
Với các tiêu chí kể trên thì siêu tụ là thiết bị lưu trữ năng lượng phù hợp nhất để hỗ trợ
pin li-ion trong HESS.
b)
Siêu tụ
Siêu tụ bản chất là tụ điện với cấu trúc đặc biệt của bản cực để tăng diện tích bề mặt
điện cực lên nhiều lần và chất điện môi đặc biệt, hai đặc điểm khác biệt này mang lại cho siêu
tụ điện dung lớn hơn rất nhiều so với với tụ điện thông thường (vài fara đến hàng chục so với
micro fara)
Cấu trúc đặc biệt như vậy, siêu tụ sẽ có những ưu điểm như sau:
-
Mật độ cơng suất lớn (1.000 đến 2.000 W/kg)
Khả năng huy động dòng điện (di/dt) lớn (lên đến 1.800A)
Tuổi thọ nạp xả cao (lên đến 1.000.000 lần)
Khả năng thu hồi năng lượng lớn (lên đến 135,6Wh)
Hiệu suất cao (95%)
Tuy nhiên, siêu tụ vẫn tồn tại các nhược điểm sau:
-
Mật độ năng lượng thấp
Giá thành cao
Cấu trúc để đạt được điện áp cao phức tạp
Ngoài ra, tự trọng của siêu tụ chỉ tính bằng kg (vài kg đến vài chục kg) nên phù hợp với
các thiết bị vận tải nhẹ tự trọng thấp như ô tô du lịch
1.2 Cấu trúc của EVs
Trong phạm vi nghiên cứu, EVs sẽ được cấu thành từ các thành phần chính sau đây:
-
Động cơ và các cơ cấu truyền động
Hệ thống lưu trữ năng lượng
Các bộ biến đổi công suất
Bộ điều khiển trung tâm
1.2.1 Động cơ sử dụng trên EVs
Hầu hết các loại động cơ đều có thể sử dụng trên ô tô điện, tuy nhiên động cơ phù hợp
với ô tơ điện (Hình 1.8) cần thỏa mãn các điều kiện sau:
-
Độ tin cậy cao
Khả năng huy động mô men lớn
Mật độ công suất lớn
9
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
-
Hiệu suất cao
Dải điều khiển tốc độ rộng
Hình 1.8.
Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện
a) Động cơ khơng đồng bộ
Động cơ khơng đồng bộ có hai loại chính là động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc và
động cơ không đồng bộ rotor dây quấn
Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn với ưu điểm là:
-
Linh hoạt hơn với điều khiển tốc độ do có thể điều khiển thông qua các cuộn dây rotor
Mô men khởi động lớn.
Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ rotor dây quấn tồn tại những nhược điểm là:
-
Mật độ công suất thấp
Giá thành cao
Chi phí vận hành và bảo dưỡng cao hơn động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc và động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhưng thấp hơn động cơ một chiều.
Vì những nhược điểm của động cơ khơng đồng bộ rotor dây quấn mà chúng không phù
hợp với ô tô điện
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu thế sau:
-
Mật độ cơng suất cao hơn so với động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ rotor
dây quấn nhưng thấp hơn động cơ đồng bộ.
Giá thành và chi phí vận hành bảo dưỡng thấp nhất trong tất cả các loại động cơ.
10
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
-
Khi xét đến an tồn khi vận hành thì động cơ khơng đồng bộ nói chung có ưu điểm rất
lớn về việc khi bánh xe quay ngồi ý muốn thì trên đầu cực stator không phát sinh điện,
việc này sẽ giảm thiểu khả năng cháy nổ, chạm chập trên xe.
Tuy nhiên, động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc cũng có những nhược điểm riêng:
-
Dịng khởi động lớn
Dải điều chỉnh tốc độ hẹp
Huy động mô men kém
Hiệu suất thấp khi hoạt động không tải và non tải
Khi động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc hoạt động với biến tần có những thuật tốn
tối ưu thì các nhược điểm trên của động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc hầu như đã được khắc
phục trừ mật độ công suất so với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Với các thuật tốn kể
trên, động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc:
-
Có thể huy động mơ men tồn dải tốc độ
Điều khiển tốc độ từ 0 cho tới quá định mức 200 tới 300%
Vì những lý do trên, hiện nay Tesla đang sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng
sóc cho các thương phẩm của hãng. Ngồi ra, các ô tô điện hiện có của hãng Tesla đang sử
dụng các động cơ và hệ thống ắc quy theo xe có cơng suất lớn.
b) Động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ có hai loại chính là kích từ vĩnh cửu và kích từ độc lập. Với cấu tạo
phải có nguồn cấp cũng như cuộn kích từ riêng nên động cơ đồng bộ kích từ độc lập khơng có
ưu thế về mật độ cơng suất, giá thành, vì vậy dạng động cơ này thường được ứng dụng với các
gam công suất lớn nên khơng phù hợp với ứng dụng EVs. Vì vậy, tác giả sẽ phân tích sâu về
ưu nhược điểm của đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là:
-
Mô men khởi động lớn
Tốc độ quay gần như không phụ thuộc vào tải
Hiệu suất cao
Mật độ công suất cao
Tuy nhiên, song song với các ưu điểm thì động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng
tồn tại những nhược điểm
-
Khởi động khó khăn
Giá thành cao
Chi phí vận hành bảo dưỡng cao hơn động cơ không đồng bộ
Với những tiến bộ của các nghiên cứu trong lĩnh vực truyền động điện thì việc khởi
động và điều khiển đồng bộ nam châm vĩnh cửu khơng cịn là vấn đề, chính vì vậy đồng bộ
nam châm vĩnh cửu đang được sử dụng rất phổ biến trên các ô tô điện thành phẩm như i-MiEV
của Mitsubishi hay Nissan LEAF của Nissan.
11
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
1.2.2 Cấu trúc hệ thống lưu trữ năng lượng
Như đã phân tích ở phần 1.2.2, ắc quy có lợi thế về mật độ năng lượng, trong khi siêu
tụ có lợi thế về mật độ công suất. Như vậy, các hướng nghiên cứu để tận dụng được ưu thế của
mật độ năng lượng và mật độ công suất trong quản lý năng lượng trên ô tô điện trên thế giới
chủ yếu sẽ xoay quanh ắc quy và siêu tụ. Khái niệm hệ thống lưu trữ năng lượng lai (Hybrid
Energy Storage System – HESS) ra đời với mục đích tối ưu khả năng của các thiết bị lưu trữ
năng lượng bằng cách kết hợp chúng với nhau.
Do ắc quy có lợi thế về mật độ năng lượng nên chúng thường được sử dụng làm nguồn
năng lượng chính (Main source) và siêu tụ có lợi thế về mật độ cơng suất nên chúng thường
được sử dụng là nguồn năng lượng phụ trợ (Sub source). Như vậy ắc quy sẽ đảm trách cung
cấp năng lượng cho xe trong tồn q trình cịn siêu tụ sẽ trợ giúp ắc quy trong các quá trình
yêu cầu cơng suất lớn như q trình tăng tốc và hãm tái sinh.
Việc kết hợp các thiết bị lưu trữ năng lượng sẽ có các cấu trúc khác nhau và chúng sẽ
có những ưu nhược điểm nhất định. Do các thiết bị lưu trữ năng lượng thường có cấp điện áp
khác nhau và cần điều khiển dòng năng lượng nên chúng sẽ được nối với bus DC qua bộ DCDC. Vì vậy, cấu hình của HESS là cách đấu nối các thiết bị lưu trữ năng lượng với nhau thông
qua một hay nhiều bộ DC-DC
Nhóm tác giả người Iran thuộc trường Shahid Beheshti:
Nhóm đã sử dụng điều khiển mờ để điều khiển xe ơ tơ điện (Hình 1.9) với ba thiết bị
lưu trữ năng lượng là pin nhiên liệu (fuel cells), ắc quy và siêu tụ năm 2006 [6]
Hình 1.9.
Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Shahid Beheshti, Iran
Việc kết hợp ba thiết bị lưu trữ năng lượng sẽ tối đa hóa được tất cả các ưu điểm của cả
ba thiết bị lưu trữ năng lượng đặc biệt là quãng đường di chuyển (do có đến hai thiết bị lưu trữ
năng lượng thuộc nhóm Main source) và thời gian nạp nhiên liệu của fuel cell. Tuy nhiên,
nhược điểm chính của hệ thống là rất khó khăn trong tối ưu hóa, do có nhiều bậc tự do. Chính
vì lý do này nhóm đã phải sử dụng phương pháp mờ để tận dụng các kinh nghiệm thay vì sử
dụng một phương pháp tối ưu hóa. Cũng sử dụng điều khiển mờ cho hệ thống lưu trữ năng
12
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
lượng sử dụng fuel cells, ắc quy và siêu tụ là nhóm nghiên cứu của trường Yildiz Technical
University, Thổ Nhĩ Kỳ trong cơng bố [7]
Nhóm tác giả của Trường Đại học Cranfield, Anh:
Nhóm nghiên cứu này cũng sử dụng điều khiển mờ để điều khiển ơ tơ điện (Hình 1.10),
và cấu trúc này khá tương đồng với đối tượng nghiên cứu của luận án là chỉ sử dụng ắc quy và
siêu tụ làm nguồn năng lượng [8]
Hình 1.10.
Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của Trường Đại học Cranfield, Anh
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Juan W. Dixon, trường Pontificia Universidad Catolica
de Chile, Chi lê
Việc kết hợp ắc quy và siêu tụ sẽ phát huy được cả mật độ cơng suất và mật độ năng
lượng. Khi đó, với số bậc tự do chỉ là một thì bài tốn tối ưu sẽ có khả năng giải được. Ngồi
ra, ta có thể tìm thấy các kết quả nghiên cứu về ơ tơ điện với cấu hình hệ thống năng lượng lai
siêu tụ - ắc quy trong các cơng bố của phịng thí nghiệm giáo sư Juan W. Dixon, một nhóm
nghiên cứu lâu năm về siêu tụ và ô tô điện cũng sử dụng hệ siêu tụ và ắc quy như Hình 1.11
[9]:
13
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.11.
Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Pontificia Universidad
Catolica de Chile, Chi lê
Ngoài ra, hệ thống năng lượng lai siêu tụ - ắc quy cịn có thể được sử dụng trên HEVs
như trong [10-12]
Nhóm nghiên cứu thuộc trường Yildiz Technical University, Thổ Nhĩ Kỳ:
Tương tự như hệ thống năng lượng lai siêu tụ - ắc quy, hệ thống năng lượng lai siêu tụ
- fuel cell cũng được nghiên cứu, tuy nhiên do những hạn chế của fuel cell như đã trình bày ở
1.2.2 mà các nghiên cứu này cũng bị hạn chế. Ta có thể gặp cấu trúc này trong cơng bố [13]
Phịng thí nghiệm L2EP của giáo sư Alain Bouscayrol thuộc đại học Lille, Pháp kết hợp
với giáo sư João Pedro F. Trovão thuộc đại học Sherbrooke, Canada:
Đây là một nhóm nghiên cứu mạnh về ô tô điện với trên ba mươi năm kinh nghiệm
nghiên cứu. Lĩnh vực nghiên cứu của nhóm trải đều trên cả ba loại hình ơ tơ điện là EVs, HEVs
và FCEVs. Hướng quản lý năng lượng trên EVs của nhóm rất tương đồng với hướng nghiên
cứu của luận án khi sử dụng hệ thống ắc quy làm DC link kết nối với siêu tụ thông qua một bộ
DC-DC hai chiều (Hình 1.12). Trong quá trình nghiên cứu và phát triển, nhóm đã có rất nhiều
nghiên cứu về quản lý năng lượng với số lượng hơn năm mươi bài báo tạp chí uy tín và gần hai
trăm bài báo hội nghị của riêng giáo sư Alain Bouscayrol. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu của
NCS Nguyễn Bảo Huy (đã bảo vệ thành công) dưới sự hướng dẫn của giáo sư Alain Bouscayrol
và giáo sư João Pedro F. Trovão là gần nhất với phạm vi luận án. Các kết quả nghiên cứu của
luận án rất phong phú khi đề cập tới nhiều phương án điều khiển hiện đại và hàm lượng khoa
học cao. Về nhóm các phương pháp tối ưu, nhóm đã nghiên cứu sử dụng phương pháp quy
hoạch động theo hướng rời rạc hóa để quản lý năng lượng cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai
ắc quy – siêu tụ [14-16] và sử dụng phương pháp thích nghi cho nguyên lý cực đại Pontryagin
(PMP) để có thể điều khiển thời gian thực cho hệ thống [17, 18]. Bên cạnh những phương pháp
tối ưu, nhóm nghiên cứu cũng đề xuất một phương án hiệu quả để giảm thiểu biến thiên dòng
điện ắc quy bằng cách mở rộng dải hoạt động của điện áp siêu tụ [19]. Các kết quả nghiên cứu
đều được kiểm chứng bằng mô phỏng dựa trên phương pháp biểu diễn vĩ mô năng lượng (EMR)
và hệ thống mô phỏng thời gian thực.
14
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.12.
Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của nhóm nghiên cứu thuộc phịng thí
nghiệm L2EP
Cấu trúc kết nối của HESS giữa siêu tụ và ắc quy
Cấu trúc kết nối giữa các thiết bị lưu trữ năng lượng cũng là vấn đề cần lựa chọn. Hiện
nay, khi sử dụng cấu trúc HESS giữa siêu tụ và ắc quy có ba cách chính là cấu trúc trực tiếp
(passive topology), cấu trúc bán chủ động sử dụng một bộ DC-DC (semi-active topology) và
cấu trúc chủ động sử dụng hai bộ DC-DC (active topology) [2].
Cấu trúc trực tiếp (passive topology)
Đây là cấu trúc đơn giản nhất cho hệ HESS giữa siêu tụ và ắc quy (Hình 1.13). Trong
đó, ắc quy và siêu tụ được kết nối trực tiếp với nhau và đó cũng là DC bus của hệ thống cung
cấp năng lượng cho hệ thống truyền động. Như đã trình bày ở trên, nội trở của siêu tụ nhỏ hơn
ắc quy rất nhiều cũng như đặc tính động học (dynamics) của siêu tụ nhanh hơn rất nhiều so với
ắc quy (hằng số thời gian 1 giây so với 100 giây), vì vậy với cấu trúc này siêu tụ sẽ tự động
đảm nhiệm các thành phần biến thiên nhanh của dòng dòng điện yêu cầu từ phía phụ tải (hệ
truyền động).
Cấu trúc này sẽ có những ưu nhược điểm như sau:
Ưu điểm :
-
Đơn giản
Độ tin cậy cao
Không cần bộ điều khiển
Nhược điểm:
-
Hệ thống khơng điều khiển được
Khó khăn khi tăng điện áp DC bus
Như vậy cấu trúc này chỉ có thể áp dụng cho các EVs loại nhỏ với động cơ sử dụng
điện áp thấp, vì khi tăng điện áp DC bus cũng đồng nghĩa với việc tăng điện áp siêu tụ, mà như
phân tích ở phần 1.1.2 thì việc tăng điện áp siêu tụ hiện đang là một thách thức lớn cho ngành
cơng nghệ vật liệu. Cấu trúc này có thể tìm thấy trong các công bố [20-23].
15
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.13.
Hình 1.14.
Cấu trúc trực tiếp (passive topology) cho hệ HESS
Cấu trúc bán chủ động (semi-active topology) cho hệ HESS
Cấu trúc bán chủ động (semi-active topology)
Để phát huy hiệu quả siêu tụ trong việc trợ giúp ắc quy cũng như gia tăng điện áp DC
bus mà không phụ thuộc vào siêu tụ thì cấu trúc bán chủ động (Hình 1.14) được đưa ra để khắc
phục các nhược điểm của cấu trúc trực tiếp .
Khi đó điện áp ắc quy đóng vai trò DC bus và siêu tụ nối với DC bus thông qua một bộ
DC-DC hai chiều. Với cấu trúc này, các thuật tốn điều khiển phân phối dịng năng lượng có
thể được triển khai để phân chia cơng suất yêu cầu cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng thơng
qua điều khiển dịng điện bằng bộ DC-DC
Cấu trúc này sẽ có những ưu nhược điểm như sau:
Ưu điểm :
-
Có thể điều khiển dịng năng lượng theo các thuật tốn tối ưu
Giảm sự phụ thuộc điện áp của DC bus đối với siêu tụ
Nhược điểm:
-
Vẫn tồn tại khó khăn khi tăng điện áp DC bus
Như vậy cấu trúc này chỉ có thể áp dụng cho các EVs cỡ trung với động cơ sử dụng
điện áp trung bình vì khi tăng điện áp DC bus cũng đồng nghĩa với việc tăng điện áp ắc quy.
Việc đấu nối ắc quy (mỗi chiếc chỉ 12V) lên điện áp cao cũng là một thách thức trong việc cân
bằng năng lượng giữa các ắc quy được nối nối tiếp với nhau với số lượng lớn. Cấu trúc này
hiện đang được sử dụng rất phổ biến trong nghiên cứu quản lý năng lượng cho EVs sử dụng
HESS nói chung và HESS ắc quy – siêu tụ nói riêng. Tuy nhiên, để có những phân tích sâu về
cấu trúc này ta có thể tìm thấy trong các công bố [24-27]
16
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.15.
Cấu trúc chủ động (active topology) cho hệ HESS
Cấu trúc chủ động (active topology)
Để khắc phục nhược điểm của cấu trúc bán chủ động (semi-active topology), ta có thể
sử dụng cấu trúc chủ động (Hình 1.15) cho hệ HESS bằng cách bổ sung thêm một bộ DC-DC
vào trong cấu hình bán chủ động. Khi đó cả ắc quy và siêu tụ đều được nối với DC bus thông
qua bộ DC-DC. Như vậy giá trị của DC bus khơng cịn phụ thuộc vào điện áp ắc quy hay siêu
tụ mà chỉ phụ thuộc vào bộ biến đổi DC-DC.
Cấu trúc này sẽ có những ưu nhược điểm như sau:
Ưu điểm :
-
Có thể điều khiển dịng năng lượng theo các thuật tốn tối ưu
Điều khiển hoàn toàn điện áp DC bus
Nhược điểm:
-
Cấu trúc điều khiển phức tạp
Giá thành cao
Trọng lượng lớn
Với những phân tích trên, cấu trúc này phù hợp với các thiết bị vận tải hạng nặng, yêu
cầu điện áp DC bus cao như tàu điện, ô tô tải hoặc ô tơ bt. Cấu trúc này có thể tìm thấy trong
các cơng bố [28-30]
Kết luận: Với những phân tích ở trên tác giả chọn hệ năng lượng lai giữa ắc quy và
siêu tụ với một bộ DC-DC và coi điện áp ắc quy chính là DC bus.
1.2.3 Các bộ biến đổi cơng suất
Như đã trình bày ở trên mục 1.2.1 và 1.2.2, hệ thống truyền động của đối tượng nghiên
cứu sử dụng động cơ IPM và hệ lưu trữ năng lượng sử dụng ắc quy và siêu tụ nên hệ thống sẽ
cần hai bộ biến đổi công suất là DC-DC cho hệ lưu trữ năng lượng lai và DC-AC để cung cấp
nguồn cho động cơ IPM
Do đối tượng nghiên cứu tập trung vào quản lý năng lượng nên luận án sẽ không đề cập
tới các thành tựu mới của bộ biến đổi DC-AC cấp nguồn cho động cơ IPM mà sẽ sử dụng cấu
trúc truyền thống như trên Hình 1.16
17
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.16.
Biến tần nguồn áp
Với bộ DC-DC, đây là một lĩnh vực phù hợp với cấu trúc hệ năng lượng lai pin li- ion
siêu tụ nên cần có sự đánh giá chi tiết.
Cấu hình buck-boost hai chiều khơng cách ly
Trong các phiên bản xe điện của Hori lab của trường đại học Tokyo thì cấu hình cơng
suất được sử dụng trong nghiên cứu như sau [31]:
Hình 1.17.
Cấu hình hệ thống mạch lực cho ô tô điện của Hori lab
Đây là cấu hình cơng suất kinh điển khơng cách ly cho hệ thống công suất lai giữa ắc
quy và siêu tụ điện.
Cấu hình cơng suất này có những ưu điểm là:
-
Cấu trúc mạch đơn giản
Số lượng phần tử ít
Tuy nhiên cấu hình này đang vẫn tồn tại một số nhược điểm như sau:
-
Khơng có cách ly
Mức điện áp chênh lệch giữa DC link, siêu tụ và ắc quy không được biến động quá lớn
(hệ số boost tối ưu là 2 nên dải boost không nên quá 4)
18
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
-
Khi có sự cố với van cơng suất đặc biệt là nếu van hỏng ở trạng thái ngắn mạch thì nguy
cơ hỏng siêu tụ là rất lớn
Cấu hình buck-boost hai chiều cách ly
Hiện nay, cấu trúc mạch DC-DC nhiều cửa cách ly đang được nghiên cứu nhiều. Cấu
trúc này dựa trên mạch từ (biến áp xung) để chuyển đổi công suất hai chiều.
Hình 1.18.
Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly
Cấu trúc này được Haimin Tao lần đầu tiên giới thiệu vào năm 2005 [32] và nhóm đã
có khoảng 49 cơng trình được cơng bố trên hệ thống các hội nghị và tạp chí của IEEE. Theo
nguyên tắc mà Haimin Tao đưa ra thì số lượng cổng của bộ DC-DC hai chiều sẽ là không giới
hạn. Tuy nhiên, khi số lượng cổng tăng lên thì thuật tốn điều khiển sẽ phức tạp lên rất nhiều,
vì vậy mà hiện nay các bài báo được công bố chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở ba cổng.
Hình 1.19.
Chiến lược điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly nhiều cổng
19
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Đến năm 2006, H. Tao và các cộng sự đã hoàn thiện được cấu trúc các bộ biến đổi DCDC hai chiều cách ly ba cổng về mặt cấu hình công suất và sơ lược về chiến lược điều khiển
[33].
Ưu điểm của bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly:
-
Cách ly hoàn toàn các nguồn năng lượng
Cấp áp của các nguồn hồn tồn có thể biến động một cách chủ động nhờ tỷ số biến áp
Nhược điểm của bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly:
-
Cấu trúc phức tạp
Thuật toán điều khiển phức tạp
1.2.4 Bộ điều khiển trung tâm
Hình 1.20 cho thấy các lớp điều khiển cấu thành bộ điều khiển trung tâm của ơ tơ điện.
Trong đó, các thơng tin và tín hiệu đo được của xe cơ bản sẽ gồm:
-
Thơng tin về tình trạng hệ lưu trữ năng lượng (SoC)
Dịng điện u cầu (u cầu cơng suất)
Các tín hiệu nhận dạng mặt đường
Tốc độ xe
Gia tốc xe
Vị trí xe
Bản đồ số
Vì luận án đề cập đến bài tốn quản lý năng lượng nên các tín hiệu cần thu thập là thơng
tin về mức năng lượng cịn lại (SoC) và dịng điện u cầu (u cầu cơng suất). Ngồi ra, đối
với bài tốn các lớp điều khiển thì các vịng trong phải tốt thì vịng ngồi mới có thể thiết kế
được nên luận án sẽ kế thừa phần điều khiển động cơ và phần điều khiển chuyển động của
nghiên cứu sinh khác cũng thuộc nhóm ơ tơ điện [34-37]. Hơn nữa, trong phạm vi nghiên cứu
luận án sẽ coi bộ điều khiển năng lượng (quản lý năng lượng) là vịng ngồi cùng nên vấn đề
xe tự lái (autonomous) sẽ khơng được đề cập tới.
Hình 1.20.
Các lớp điều khiển của bộ điều khiển trung tâm trên ô tô điện
Điều khiển động cơ truyền động (Motor Control)
Như đã trình bày ở phần 1.2.1, động cơ sử dụng trong truyền động thuộc phạm vi luận
án là động cơ IPM. Do vấn đề xe tự lái (autonomous) sẽ không được đề cập tới nên trong trường
20
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
hợp này người lái sẽ đóng vai trị bộ điều khiển tốc độ thông qua chân ga nên động cơ sẽ được
điều khiển ở chế độ mô men. Vấn đề điều khiển sẽ được giải quyết ở phần sau của luận án.
Điều khiển chuyển động (Motion Control)
Mục tiêu của điều khiển chuyển động chính là an tồn, nên trên ơ tơ nói chung (cả ơ tơ
truyền thống và ơ tơ điện) các vấn đề của điều khiển chuyển động thường là chống trượt, chống
bó cứng, điều khiển phanh, chống lật .v.v. Thường điều khiển chuyển động cần các thông số
liên quan đến trạng thái xe, nên nó thường được gắn với đo lường và ước lượng trạng thái. Các
trạng thái cần có của ơ tơ điện thường là tốc độ xe theo các phương, tốc độ bánh xe, mô men
động cơ, hệ số ma sát, gia tốc xe theo các phương và độ trượt. Nghiên cứu điều khiển chuyển
động cho xe điện có tính đến ước lượng và phân tích mặt đường, đảm bảo q trình điều khiển
ơ tơ diễn ra an toàn nhất trên mọi mặt đường khác nhau. Các cơng trình nghiên cứu được cơng
bố cho thấy rằng kỹ thuật điều khiển vị trí ơ tơ bằng máy tính đạt được những thành cơng cơ
bản, tuy nhiên cịn nhiều vấn đề cần được đặt ra và nghiên cứu, việc áp dụng vào thực tế vẫn
còn rất hạn chế [38-40].
Bộ điều khiển năng lượng hay còn gọi là quản lý năng lượng trên ô tô điện (Energy
Management)
Quản lý năng lượng được chia làm hai mảng chính là quản lý năng lượng trên ô tô điện
và các bộ sạc.
Khái niệm quản lý năng lượng trong ô tô điện:
Quản lý năng lượng trong ơ tơ điện nói chung (gồm cả EVs, HEVs và FCEVs) nhằm
ba mục đích: Kéo dài tuổi thọ ắc quy, gia tăng quãng đường đi và cải thiện hiệu suất động cơ
đốt trong (ICE) [41]. Như vậy, thì quản lý năng lượng được đưa về bài toán tối ưu hóa.
Đối với sạc, hiện nay bộ sạc được chia làm hai mảng chính là bộ sạc trên xe và sạc
không dây. Hướng nghiên cứu mới được quan tâm là sử dụng công nghệ truyền điện không
dây (Wireless Power Transmission) để nạp điện không tiếp xúc cho xe điện (trạm sạc không
dây) hay truyền năng lượng liên tục trong quá trình di chuyển (sạc liên tục khơng dây trên
đường) [42-44]. Đây là một hướng nghiên cứu mới đang được thử nghiệm ở nhiều phịng thí
nghiệm. Tuy nhiên, trong phạm vi luận án vấn đề này sẽ không được đề cập.
1.3 Các phương pháp quản lý năng lượng trong ô tô điện
Trong phạm vi luận án, tác giả chia quản lý năng lượng thành hai nhóm chính là 1)
nhóm các phương pháp dựa trên luật điều khiển và 2) các phương pháp tối ưu, như trên Hình
1.21. Dưới đây là một số phương pháp phù hợp với quản lý năng lượng trên ô tô điện.
1.3.1 Các phương pháp dựa trên luật điều khiển
a) Các phương pháp điều khiển dựa trên các luật điều khiển tiền định
Phương pháp on/off
Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và bền vững nhất và đã được thực hiện
trong ADVISOR để mô phỏng cũng như triển khai thực tế trên Honda Insight và Toyota Prius
[2]. Phương pháp này dựa trên các tín hiệu của thiết bị lưu trữ năng lượng để ra quyết định sử
dụng nguồn năng lượng nào. Ví dụ: để tối ưu hóa hoạt động của động cơ Toyota Prius sẽ chia
ra các trường hợp:
21
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Sử dụng động cơ điện trong trường hợp dung lượng ắc quy cịn đủ (Highly SoC) và u
cầu về cơng suất thấp (Low power demand)
Khởi động động cơ xăng và cho động cơ xăng hoạt động ở điểm tối ưu khi dung lượng
ắc quy xuống thấp (Low SoC) và yêu cầu về cơng suất thấp. Khi đó năng lượng được
chia theo hướng động cơ xăng cấp tồn bộ cơng suất yêu cầu, phần còn lại nạp cho ắc
quy.
Động cơ điện sạc cho ắc quy trong quá trình phanh hãm
Phương pháp này còn được thể hiện trong các tài liệu [45] với xe lai (HEVs) với việc
điều khiển động cơ xăng dựa trên dung lượng của ắc quy và chiến lược tương tự như xe Toyota
Prius. Hay như trong tài liệu [46] sử dụng tín hiệu dung lượng ắc quy và công suất yêu cầu để
bật/tắt chọn một trong tám chế độ hoạt động của tàu điện sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng
Fuel-cell và ắc quy.
Phương pháp này tuy đơn giản, hiệu quả và bền vững nhưng không kiểm sốt được hiệu
suất cũng như khơng thể điều khiển tối ưu theo một hoặc nhiều mục tiêu có ràng buộc.
Phương pháp dựa trên tần số
Phương pháp điều khiển dựa trên tần số thường dựa trên các bộ lọc thông thấp (Low
Pass Filter – LPF) hoặc thông cao (High Pass Filter – HPF) để tạo giá trị đặt cho bộ điều khiển
thiết bị lưu trữ năng lượng. Đây là phương pháp rất hiệu quả và đơn giản dựa trên đặc điểm về
hằng số thời gian của thiết bị lưu trữ năng lượng. Do đặc điểm của từng thiết bị lưu trữ năng
lượng, chiến lược phân phối dòng năng lượng sẽ dựa vào tần số dòng điện phụ tải yêu cầu để
tách các thành phần dòng điện phù hợp để đưa về thiết bị lưu trữ năng lượng. Ví dụ đối với hệ
HESS sử dụng siêu tụ và ắc quy thì dịng điện có tần số cao và biến thiên lớn sẽ được điều
khiển để đưa đưa vào siêu tụ, các dịng điện có tần số thấp và biến thiên nhỏ sẽ được đưa vào
ắc quy. Chiến lược này đã được áp dụng thành công trong các xe lai (HEVs) [47], ô tô điện
(EVs) [48, 49] thậm chí là thuyền sử dụng hệ thống lai diesel – điện (EHB) [50]. Ngoài ra, như
trong [51] sử dụng hai bộ lọc thông thấp (LPF) với hằng số thời gian thích hợp cho Fuel-cell
và ắc quy, phần dòng điện tần số cao còn lại sẽ được đưa vào siêu tụ. Các kết quả của bài báo
được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Để nâng cấp phương pháp này, trong [48] sử dụng thuật
tốn thích nghi để tối ưu hóa hằng số thời gian bộ lọc thơng thấp. Tuy nhiên, đối tượng của bài
báo chỉ cịn là hệ năng lượng lai ắc quy siêu tụ.
Phương pháp này là phương pháp đơn giản và hiệu quả trong việc nâng cao tuổi thọ
thiết bị lưu trữ năng lượng.
22
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Hình 1.21.
Các phương pháp quản lý năng lượng [2]
b) Các phương pháp điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo
Phương pháp điều khiển mờ
Phương pháp điều khiển mờ cũng là phương pháp được quan tâm khi nói đến quản lý
năng lượng vì phương pháp này rất gần với việc ra quyết định của người lái. Phương pháp này
rất phù hợp với các hệ thống có điều kiện hoạt động bất định như ô tô. Trong thời kỳ đầu
(những năm trước 2000) các nghiên cứu chủ yếu chỉ tập trung vào phương pháp mờ truyền
thống và kiểm chứng thuật toán bằng thực nghiệm như trong [52-54]. Tuy nhiên, trong những
năm gần đây các nghiên cứu lại tập trung vào sử dụng các thuật toán tối ưu như phương pháp
23
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
lặp để dị tìm các tham số tối ưu offline cho các chế độ cho trước [55] hoặc sử dụng các thuật
tốn tối ưu như GA để tối ưu hóa q trình mờ hóa [56].
Nhìn chung, phương pháp điều khiển mờ là một phương pháp phù hợp trong việc quản
lý năng lượng cho ô tô điện và cũng là phương pháp hứa hẹn trong việc điều khiển thời gian
thực cũng như triển khai thực tế trên các sản phẩm thương mại hóa.
Phương pháp mạng nơ ron nhân tạo
Phương pháp trí tuệ nhân tạo cũng là một hướng nghiên cứu được quan tâm trong những
năm gần đây cho quản lý năng lượng trên ô tô điện. Về nguyên tắc, đây là là một phương pháp
tốt có thể đạt tới cơng năng cao nhưng lại đòi hỏi tài nguyên cho việc tính tốn lớn.
Những năm đầu 2000, nhóm nghiên cứu ở Chile do giáo sư Dixon đứng đầu đã có
những nghiên cứu đơn giản đầu tiên về mạng nơ ron áp dụng cho quản lý năng lượng trên ô tô
điện [57] với mạng có hai lớp được sử dụng để xác định giá trị đặt cho dòng điện siêu tụ. Đến
năm 2012 và 2013 nhóm nghiên cứu do giáo sư M. Abul Masrur đứng đầu đã có những nghiên
cứu sâu hơn về mạng nơ ron áp dụng cho cả dự đoán điều kiện lái và phân phối công suất sử
dụng quy hoạch động để làm kết quả tham chiếu. Nhóm cũng đã có đưa ra các kết quả triển
khai trên nền tảng là chiếc Ford Escape [58, 59], tuy nhiên kết quả này mới dừng lại ở trong
phịng thí nghiệm và so với kết quả của phương pháp quy hoạch động cịn có khoảng cách khá
lớn.
Có thể nói, trí tuệ nhân tạo cũng là một hướng nghiên cứu hứa hẹn trong quản lý năng
lượng trên ô tô điện, tuy nhiên các kết quả đạt được cho đến nay thì vẫn cịn rất nhiều hạn chế.
1.3.2 Các phương pháp tối ưu
a) Các phương pháp tối ưu toàn cục (Global Optimization)
Nguyên lý cực đại Pontryagin (Pontryagin’s minimum principle - PMP)
Ở đây, tên gọi nguyên lý (principle) mang hàm ý rằng nó mới chỉ nêu lên được các tính
chất cơ bản phải có của tín hiệu điều khiển tối ưu chứ chưa phải hồn tồn là một phương pháp
xác định tín hiệu điều khiển tối ưu đó. Về xuất xứ ban đầu, nguyên lý cực đại được Pontryagin
phát biểu vào năm 1956 dưới hình thức như một dự báo (hypothese), và sau đó đã được chứng
minh bởi Boltjanski, Gamkrelidse và nhiều người khác. Chính vì lẽ đó mà nó có tên gọi là
ngun lý cực đại Pontryagin [60].
Nguyên lý cực đại Pontryagin thường được sử dụng để phát triển các chiến lược quản
lý năng lượng cho ô tô điện với các hệ HESS dạng off-line (không đáp ứng thời gian thực).
Trong [61, 62] các tác giả đã sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin để cực tiểu hóa lượng nhiên
liệu tiêu thụ cho ơ tơ điện lai với [61] đóng góp chính là giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và tăng
tuổi thọ ắc quy và với [62] đóng góp chính là giảm 6.96% lượng nhiên liệu tiêu thụ và thời gian
mô phỏng giảm từ sáu giờ xuống còn bốn phút. Tuy nhiên các kết quả đều dựa trên mô phỏng
và báo cáo chủ quan của tác giả (thời gian mô phỏng) nên không có khả năng kiểm chứng thực
tế. Cịn trong [63] nhóm tác giả cũng sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin cho ơ tơ điện lai,
tuy nhiên đóng góp là bài toán đa đối tượng (multi-objective) với tiêu thụ nhiên liệu và tiêu thụ
năng lượng ắc quy có trọng số như nhau và mục tiêu là giảm thiểu lượng khí CO2 phát thải ra
mơi trường. Nhìn chung, số lượng cơng bố có liên quan đến nguyên lý cực đại Pontryagin sử
dụng cho ơ tơ điện vẫn cịn hạn chế.
24
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện
___________________________________________________________________________
Phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programming - DP)
Theo [2], phương pháp quy hoạch động là phương pháp cho kết quả tối ưu toàn cục và
được đánh giá là phù hợp nhất để quản lý năng lượng. Tuy nhiên, phương pháp này khơng thể
điều khiển thời gian thực vì yêu cầu tất cả các trạng thái đều phải là biết trước và q trình tính
tốn lại được thực hiện ngược từ cuối lên [64, 65]. Chính vì vậy, quy hoạch động chỉ có thể sử
dụng để tạo giá trị tham chiếu so sánh với với các phương pháp điều khiển thời gian thực, đặc
biệt là các phương pháp điều khiển thời gian thực cận tối ưu (Real-time Optimization).
Phương pháp quy hoạch động dựa trên nguyên lý tối ưu của Bellman với việc giải
phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman và có thể tối ưu hóa theo một (mono objective) hoặc
nhiều (multi objective) mục tiêu. Phương pháp quy hoạch động một mục tiêu đã được áp dụng
thành công đối với xe ô tô điện lai (HEVs) trong [66] 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 như trên, nhưng
trong [67] tác giả đã còn xét thêm một biến trạng thái là vị trí của hộp số truyền thống so với
chỉ sử dụng duy nhất biến trạng thái là SoC. Một số tác giả khác đã áp dụng phương pháp này
với nhiều mục tiêu có ràng buộc, ví dụ trong [68] là tối ưu hóa tổn thất trên xe điện lai và chi
phí vận hành trên xe ơ tô điện lai (HEVs) với biến trạng thái là SoC và bản đồ hiệu suất động
cơ điện và động cơ đốt trong. Cũng cùng mục tiêu có ràng buộc như trong [68] thì trong [69]
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 [70] sử dụng hệ HESS
fuel cell, ắc quy và siêu tụ như vậy là hệ thống HESS có nhiều bậc tự do hơn với mục tiêu
giống như [68] và [69] 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
HEs và FCEVs và khác biệt nằm ở hàm mục tiêu, các ràng buộc và biến trạng thái.
b) Các phương pháp điều khiển thời gian thực cận tối ưu (Real-time Optimization)
Cực tiểu hóa đương lượng (equivalent fuel consumption minimization
strategy (ECMS))
Phương pháp ECMS cũng dựa trên hàm mục tiêu có thành phần là mức tiêu thụ nhiên
liệu nhưng biến hàm mục tiêu toàn cục (global cost function) thành hàm mục tiêu địa phương
(local cost function) [2]. Như vậy, bản chất của phương pháp vẫn là dựa trên các phương pháp
tối ưu toàn cục như DP hay PMP để thiết kế chiến lược điều khiển. Vì vậy, đây được coi là
phương pháp cận tối ưu và phương pháp này có thể thực hiện điều khiển thời gian thực. Trong
[71], các tác giả đã dựa vào DP để triển khai ECMS với xe lai chạy trên địa hình đồi núi (hilly
roads) và kết quả cũng khá ấn tượng với 15% nhiên liệu được tiết kiệm, chỉ thấp hơn phương
pháp thuần DP 3%. Tuy nhiên, kết quả mới dừng lại ở mơ phỏng. Trong [72] năm 2017, nhóm
tác giả dựa vào nguyên lý cực đại Pontryagin (PMP) và mạng Nơ ron để thiết kế chiến lược
điều khiển và đã cải thiện 3% so với kết quả năm 2005 [73] của nhóm tác giả thuộc trường đại
học Ohio, Mỹ. Nhóm tác giả đến từ ETH Zurich, Thụy Sỹ, [74] với mục tiêu giảm thiểu khí
thải NOx cho xe lai sử dụng động cơ Diesel đã dựa vào DP để triển khai ECMS và có những
kết quả mơ phỏng thời gian thực với kết quả là giảm được 7% lượng khí NOx thải ra môi
trường. Mặc dù phương pháp hứa hẹn điều khiển thời gian thực, tuy nhiên các công bố đến nay
mới chỉ dừng ở mô phỏng thời gian thực và vẫn còn một khoảng trống lớn về triển khai trên
mơ hình thật.
Điều khiển dự báo (Model predictive control (MPC))
Tương tự như phương pháp DP, điều khiển dự báo chuyển bài toán điều khiển tối ưu
(optimal control) thành bài tốn tối ưu hóa (optimization) bằng cách dự đốn các thông tin của
25
