Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI ĐĂNG QUANG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG
NGUỒN LAI ẮC QUY - SIÊU TỤ ĐIỆN TRONG
Ô TÔ ĐIỆN
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Tạ Cao Minh

Hà Nội – 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Tạ Cao Minh và chưa từng xuất hiện trong công bố của
các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.
Hà Nội, ngày … … tháng … … năm 2020

Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS.TS. Tạ Cao Minh

Bùi Đăng Quang

i


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc của tôi tới thầy hướng dẫn PGS.TS. Tạ
Cao Minh người luôn đứng bên tôi với sự kiên nhẫn và uyên bác về chuyên môn luôn động
viên và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn nhất.
Tôi xin cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và anh chị em nghiên cứu sinh ở Viện Kỹ
thuật Điều khiển và Tự động hóa, Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện và Trung
tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo công nghệ đã luôn động viên và tạo điều kiện cho
tôi cũng như góp ý trong suốt quá trình nghiên cứu. Trong quá trình làm nghiên cứu sinh,
mỗi dịp báo cáo sáu tháng hay báo cáo chuyên môn hàng tháng của nghiên cứu sinh ở cả
hai đơn vị Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp và Viện Điện Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự
động hóa, tôi luôn nhận được sự góp ý và đánh giá của những người thầy khả kính. Tôi xin
đặc biệt gửi lời cảm ơn tới các thầy PGS.TS. Bùi Quốc Khánh, PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn,
PGS.TS. Trần Trọng Minh, PGS.TS. Nguyễn Quang Địch và GS.TSKH. Nguyễn Phùng
Quang đã có những phản biện sắc sảo, những góp ý đáng quý về mặt chuyên môn cũng như
trình bày những khi tôi báo cáo khoa học. Nhưng góp ý này đã giúp tôi rất nhiều trong suốt
quá trình nghiên cứu. Cám ơn các bạn Vũ Hoàng Phương, Võ Duy Thành, Đào Phương
Nam, Nguyễn Văn Quyền (Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện cơ khí), Nguyễn Bảo Huy,
Nguyễn Duy Đỉnh, Nguyễn Văn Hùng đã kiên nhẫn cùng tôi trao đổi chuyên môn để tôi có
thể có những cái nhìn khách quan hơn trong việc giải quyết các vấn đề khúc mắc.
Quan trọng nhất, tôi xin cảm ơn gia đình. Con cám ơn bố mẹ luôn ở bên con để
động viên và ủng hộ con. Cám ơn vợ đã thông cảm cho mình trong những hôm đi sớm về
khuya mà không một lời than phiền. Cám ơn hai thiên thần nhỏ bé của bố đã tiếp thêm sức

cho bố vững bước đi trên con đường nghiên cứu đã rất dài và vẫn còn rất dài.
Cuối cùng, sau khi viết quyển luận án này, tôi nhìn lại chặng đường nghiên cứu thì
tôi mới thấy tôi nên cám ơn rất nhiều người, nên trong lời cảm ơn này nếu tôi có bỏ sót ai
thì kính mong người đó thông cảm bỏ qua cho tôi.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC

...................................................................................................................... iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ..............................................................................

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................................
MỞ ĐẦU

ix

....................................................................................................................... 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN ...........

3

1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu ............................................................... 3
1.1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện ............. 3
1.1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs ............... 7
1.2 Cấu trúc của EVs .......................................................................................... 9
1.2.1 Động cơ sử dụng trên EVs ..................................................................... 9
1.2.2 Cấu trúc hệ thống lưu trữ năng lượng ................................................... 12
1.2.3 Các bộ biến đổi công suất..................................................................... 17
1.2.4 Bộ điều khiển trung tâm ....................................................................... 20
1.3 Các phương pháp quản lý năng lượng trong ô tô điện ................................. 21
1.3.1 Các phương pháp dựa trên luật điều khiển ............................................ 21
1.3.2 Các phương pháp tối ưu ....................................................................... 24
1.4 Mục tiêu nghiên cứu và giới hạn nội dung nghiên cứu ................................ 26
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................ 26
1.4.2 Giới hạn nội dung nghiên cứu .............................................................. 27
1.4.3 Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 29
1.4.4 Kết quả dự kiến .................................................................................... 30
Chương 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô
TÔ ĐIỆN

..................................................................................................................... 31
2.1 Mô hình hóa động lực học ô tô điện ............................................................ 31
2.2 Mô hình hóa động cơ .................................................................................. 35
2.3

Mô hình hóa ắc quy .................................................................................... 37

2.4

Mô hình hóa siêu tụ điện ............................................................................ 39
iii


2.5 Mô hình hóa bộ DC-DC ............................................................................. 43
2.6 Mô phỏng hệ thống sử dụng phương pháp biểu diễn EMR .......................... 49
2.7 Kết luận chương: ........................................................................................ 54
Chương 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
TRONG Ô TÔ ĐIỆN............................... 56
3.1 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số ................................ 56
3.1.1 Lý thuyết Ragone - cơ sở lựa chọn tần số cắt ........................................ 56
3.1.2 Một số công bố về áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên tần số cho
quản lý năng lượng trên ô tô điện ................................................................................ 58
3.1.3 Thiết kế bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số ................................ 58
3.1.4 Mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số . 59
3.1.5 Đánh giá kết quả .................................................................................. 64
3.2 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện bằng phương pháp điều khiển mờ .
................................................................................................................... 64
3.2.1 Khái niệm bộ điều khiển mờ ................................................................ 65
3.2.2 Một số công bố về áp dụng điều khiển mờ cho quản lý năng lượng trên ô
tô điện

............................................................................................................ 65
3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ cho quản lý năng lượng .............................. 66
3.2.4 Mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ ..................................... 70
3.2.5 Đánh giá kết quả .................................................................................. 73

3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp .................................. 74
3.4 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện bằng phương pháp quy hoạch động

................................................................................................................... 79
3.4.1 Lý thuyết phương pháp quy hoạch động ............................................... 79
3.4.2 Một số công bố về áp dụng phương pháp quy hoạch động cho quản lý năng
lượng trên ô tô điện ..................................................................................................... 80
3.4.3 Triển khai phương pháp quy hoạch động cho quản lý năng lượng trên ô tô
điện

............................................................................................................ 82
3.4.4 Đánh giá kết quả .................................................................................. 89
3.5 Giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu bằng phương pháp biến phân .................. 90
3.6 Kết luận ...................................................................................................... 98

Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC CHO HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN.............................................................................. 100
4.1 Khái niệm mô phỏng thời gian thực trong ngành công nghiệp ô tô ............ 100
4.2 Phân loại mô phỏng HIL trong các hệ thống có sử dụng truyền động điện 100
4.3 Xây dựng hệ thống mô phỏng HIL cấp tín hiệu (Signal level HIL simulation)
trên cơ sở bộ HIL 402 của hãng Typhoon ...................................................................... 102
iv


4.4 Xây dựng mô hình mô phỏng HIL thu nhỏ (Reduced-Scale HIL Simulation) ..
108
4.5 Kết luận:................................................................................................................ 117
KẾT LUẬN...................................................................................................................................... 118
Các đóng góp của luận án............................................................................................ 118
Các hạn chế của luận án............................................................................................... 118
Hướng nghiên cứu tiếp theo........................................................................................ 119
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.................................. 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................. 122

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu
Ft
FΣ
FI
Frr
Fwind
FG
g
α
M
v

Đơn vị
N
N
N
N
N
N

v

m/s

ωM
vwind
ρ
crr
Cd
Af
vwind
r
PM
Pyc
i
TΣ
TM
Kb
Kt

rad/s
m/s

'

m/s

2

rad
kg
m/s

2

kg/m

m2

m/s
m
kW
kW
Nm
Nm

3

Ý nghĩa
Lực phát động
Lực cản tổng
Lực quán tính
Lực cản lăn
Lực cản gió
Lực trọng trường
Gia tốc trọng trường
Góc nghiêng của đường so với phương ngang
Trọng lượng xe
Tốc độ xe
Gia tốc xe
Vận tốc góc động cơ
Tốc độ gió
Mật độ không khí
Hệ số cản lăn

Hệ số khí động học của xe
Diện tích cản gió
Tốc độ gió
Bán kính bánh xe
Công suất động cơ
Công suất yêu cầu
Tỷ số truyền lực chính
Mô men cản tổng
Mô men động cơ quy về bánh xe phát động
Hằng số sức điện động
Hằng số mômen

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ICEVs

Internal combustion engine vehicles

Ô tô truyền thống (ô tô sử dụng động
cơ đốt trong)

EVs

Electric Vehicles

Ô tô thuần điện sử dụng ắc quy

HEVs

Hybrid Electric Vehicles

Ô tô sử dụng động cơ lai xăng điện

FCEVs

Fuel Cell Electric Vehicles

Ô tô thuần điện sử dụng fuel cell

EHB

Electrical Hybrid Boat

Tàu thủy sử dụng động cơ lai xăng điện

ESS

Energy Storage System

Hệ thống lưu trữ năng lượng

HESS

Hybrid Energy Storage System

Hệ thống lưu trữ năng lượng lai

SC

Supercapacitor

Siêu tụ

SoC

State-of-Charge

Trạng thái nạp

EMR

Energetic Macroscopic Representation

Biểu diễn vĩ mô năng lượng

DoD

Depth of Discharge

Độ sâu phóng

IPM

Interior Permanent Magnet Motor

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
nam châm chìm

EM

Energy Management

Quản lý năng lượng

DP

Dynamic Programming

Quy hoạch động

PMP

Pontryagin’s Minimum Principle

Nguyên lý cực đại Pontryagin

HIL

Hardware in the loop simulation

Mô phỏng thời gian thực

LPF

Low-Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

MPC

Model Predictive Control

Điều khiển dự báo

OCV

Open-Circuit Voltage

Điện áp hở mạch

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng các tham số của chu trình ECE........................................................................... 27
Bảng 2.1: Bảng tra hệ số lực cản lăn [79]..................................................................................... 32
Bảng 2.2: Bảng tra hệ số khí động học của ô tô [79].................................................................. 34
Bảng 2.3: Bảng các tham số của xe ô tô điện i-MiEV. ................................................................ 34
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật động cơ IPM trên ô tô i-MiEV ..................................................... 36
Bảng 3.1: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp điều khiển dòng năng lượng cho ô
tô điện theo tần số.............................................................................................................................. 64

Bảng 3.2. Bảng suy luận mờ............................................................................................................ 69
Bảng 3.3: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp điều khiển dòng năng lượng cho ô
tô điện theo tần số.............................................................................................................................. 73

Bảng 3.4: Kết quả các phương pháp quản lý năng lượng: Mờ, dựa theo tần số và kết hợp ..78
Bảng 3.5. Tham số hệ thống............................................................................................................ 84
Bảng 3.6: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp biến phân với phương pháp quy
hoạch động theo hướng rời rạc hóa và các các phương pháp dựa trên luật điều khiển .........98

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Các cấu trúc truyền động của ô tô lai [2]................................................................ 4

Hình 1.2.

Fuel cell........................................................................................................................ 5

Hình 1.3.

Ô tô điện Misubishi iMiEV (ra mắt tháng 7 năm 2009) ...................................... 6

Hình 1.4.

Ô tô điện Nissan Leaf (ra mắt tháng 12 năm 2010).............................................. 6

Hình 1.5.

Xe Tesla Model X P100D (ra mắt tháng 8 năm 2016)......................................... 6

Hình 1.6.

Ragone plane[4].......................................................................................................... 7

Hình 1.7.

Cấu trúc (a) và mặt cắt của pin li-ion (b)................................................................ 8

Hình 1.8.

Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện................................................................ 10

Hình 1.9.

Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Shahid Beheshti, Iran . . .12

Hình 1.10.

Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của Trường Đại học Cranfield, Anh 13

Hình 1.11. Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Pontificia Universidad
Catolica de Chile, Chi lê.................................................................................................................. 14
Hình 1.12. Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí
nghiệm L2EP...................................................................................................................................... 15
Hình 1.13.

Cấu trúc trực tiếp (passive topology) cho hệ HESS ........................................... 16

Hình 1.14.

Cấu trúc bán chủ động (semi-active topology) cho hệ HESS ........................... 16

Hình 1.15.

Cấu trúc chủ động (active topology) cho hệ HESS ............................................ 17

Hình 1.16.

Biến tần nguồn áp..................................................................................................... 18

Hình 1.17.

Cấu hình hệ thống mạch lực cho ô tô điện của Hori lab .................................... 18

Hình 1.18.

Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly .................................. 19

Hình 1.19.

Chiến lược điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly nhiều cổng 19

Hình 1.20.

Các lớp điều khiển của bộ điều khiển trung tâm trên ô tô điện ........................ 20

Hình 1.21.

Các phương pháp quản lý năng lượng [2]............................................................ 23

Hình 1.22.

Cấu trúc điều khiển hệ năng lượng lai ắc quy và siêu tụ cho ô tô điện ...........27

Hình 1.23.

Biểu đồ chu trình chuẩn ECE................................................................................. 28

Hình 1.24.

Siêu tụ 62F-125VDC của Nessape........................................................................ 28

Hình 1.25.

Hệ thống ắc quy của ô tô i-MiEV.......................................................................... 29

Hình 1.26.

Động cơ IPM của ô tô i-MiEV............................................................................... 29

Hình 2.1.

Các thành phần lực tác động lên ô tô [78]............................................................ 31

Hình 2.2.

Độ méo của lốp và lực cản lăn trên đường cứng (a) và đường mềm (b) [79] . 32

Hình 2.3.

Lực cản gió................................................................................................................ 33

Hình 2.4.

Sơ đồ thay thế động cơ nam châm chìm trong hệ tọa độ quay đồng bộ ..........37

Hình 2.5.

Cấu trúc siêu tụ (tụ hai lớp) (a) và tụ thường (b) ................................................ 39

Hình 2.6.

Cấu trúc chi tiết siêu tụ............................................................................................ 39
ix


Hình 2.7.

Các dạng mô hình siêu tụ sử dụng mạch điện tương đương ............................. 41

Hình 2.8.

Mô hình cơ sở của bộ biến đổi converter DC-DC hai chiều ............................. 43

Hình 2.9.

Bộ biến đổi Interleave DC-DC không cách ly..................................................... 44

Hình 2.10.

Mô tả bộ biến đổi DC-DC....................................................................................... 45

Hình 2.11.

Mô hình trung bình của bộ biến đổi DC-DC hai chiều...................................... 45

Hình 2.12.

Đặc tính động lực học của xe theo tốc độ............................................................ 46

Hình 2.13.

Đặc tính công suất theo tốc độ............................................................................... 47

Hình 2.14.

Đặc tính mô men theo tốc độ.................................................................................. 47

Hình 2.15.

Đặc tính thời gian tăng tốc của xe......................................................................... 48

Hình 2.16.

Đặc tính gia tốc tối đa của xe................................................................................. 48

Hình 2.17.

Các phần tử của ô tô điện biểu diễn bằng EMR.................................................. 50

Hình 2.18.

“tuning path” và “control path” của bộ điều khiển DC-DC và động cơ ..........51

Hình 2.19.

Mô hình mô phỏng xe ô tô điện i-MiEV bằng EMR.......................................... 53

Hình 2.20.

Tốc độ đặt và tốc độ thực của xe trong mô phỏng trong hai chu trình ECE ...53

Hình 2.21.

Dòng điện yêu cầu của xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với hai chu trình ECE 54

Hình 3.1.

Đặc tính Ragone của các thiết bị lưu trữ năng lượng......................................... 56

Hình 3.2.

Đặc tính Ragone của ắc quy [4]............................................................................. 57

Hình 3.3.

Đặc tính Ragone của tụ điện [4]............................................................................ 57

Hình 3.4.

Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số ..................... 60

Hình 3.5.

Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số ..................... 60

Hình 3.6.

Điện áp siêu tụ với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số .......................... 61

Hình 3.7.
Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với bộ
điều khiển năng lượng dựa trên tần số........................................................................................... 61
Hình 3.8.
Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển
năng lượng dựa trên tần số............................................................................................................... 62
Hình 3.9.
Mô hình mô phỏng hệ thống năng lượng trong xe ô tô điện i-MiEV bằng
MATLAB dựa trên phương pháp biểu diễn EMR........................................................................ 63
Hình 3.10.

Bộ điều khiển mờ..................................................................................................... 65

Hình 3.11.

Cấu trúc bộ điều khiển mờ cho ô tô điện i-MiEV ............................................... 67

Hình 3.12.

Mờ hóa dòng điện yêu cầu (Itract)........................................................................... 67

Hình 3.13.

Mờ hóa SoC của siêu tụ.......................................................................................... 68

Hình 3.14.

Khâu giải mờ cho giá trị đặt dòng điện ắc quy.................................................... 70

Hình 3.15.

Mô hình bộ điều khiển mờ trong Matlab.............................................................. 70

Hình 3.16.

Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ............................................................... 71

Hình 3.17.

Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển mờ............................................................... 71

Hình 3.18.

Điện áp siêu tụ với bộ điều khiển mờ................................................................... 72
x

Hình 3.19. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với bộ
điều khiển mờ..................................................................................................................................... 72
Hình 3.20.

Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ
73

Hình 3.21.

Cấu trúc bộ điều khiển kết hợp mờ và bộ lọc thông thấp .................................. 74

Hình 3.22.

Phân tích phổ dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ...................................... 75

Hình 3.23.

Mô hình bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp trong Matlab ...............75

Hình 3.24.

Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp ................ 76

Hình 3.25.

Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp ................ 76

Hình 3.26.

Điện áp siêu tụ với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp .....................77

Hình 3.27. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với bộ
điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp...................................................................................... 77
Hình 3.28. Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ
kết hợp bộ lọc thông thấp................................................................................................................. 78
Hình 3.29.

Quá trình tính toán của phương pháp quy hoạch động...................................... 84

Hình 3.30. Lưu đồ thuật toán tính toán giá trị tối ưu bằng phương pháp DP cho quản lý năng
lượng trong ô tô điện......................................................................................................................... 86
Hình 3.31.

Dòng điện ắc quy với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa . 87

Hình 3.32.

Dòng điện siêu tụ với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa . 87

Hình 3.33.

Điện áp siêu tụ với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa ....88

Hình 3.34. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với
phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa................................................................ 88
Hình 3.35. Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với phương pháp quy
hoạch động theo hướng rời rạc hóa................................................................................................ 89
Hình 3.36.

Lưu đồ tính toán giá trị tối ưu cho giá trị đặt dòng điện ắc quy ....................... 93

Hình 3.37.

Dòng điện yêu cầu.................................................................................................... 95

Hình 3.38.

Dòng điện đặt ắc quy được xác định bằng phương pháp biến phân ................ 95

Hình 3.39.

Dòng điện siêu tụ được xác định bằng phương pháp biến phân ....................... 95

Hình 3.40.

Điện áp siêu tụ được xác định bằng phương pháp biến phân ............................ 96

Hình 3.41. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu được
xác định bằng phương pháp biến phân.......................................................................................... 96
Hình 3.42. Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu được xác định bằng
phương pháp biến phân.................................................................................................................... 97
Hình 4.1.

Mô phỏng HIL cấp tín hiệu.................................................................................. 101

Hình 4.2.

Mô phỏng HIL cấp công suất............................................................................... 101

Hình 4.3.

Mô phỏng HIL cấp cơ khí..................................................................................... 102

xi


Hình 4.4.
Cấu trúc mô phỏng thời gian thực cấp tín hiệu sử dụng HIL 402 của Typhoon
cho ô tô điện i-MiEV...................................................................................................................... 103
Hình 4.5.

Cấu trúc giao tiếp giữa HIL 402 và board mạch DSP...................................... 104

Hình 4.6.

Cấu trúc hệ thống phần cứng của i-MiEV trong HIL402 ................................ 104

Hình 4.7.

Hệ thống mô phỏng thời gian thực sử dụng HIL402 và board mạch DSP ...105

Hình 4.8.
Tốc độ, dòng điện yêu cầu, dòng điện của siêu tụ và dòng điện của ắc-quy trong
mô hình HIL của Typhoon............................................................................................................. 105
Hình 4.9.

Đặc tính tốc độ xe trong mô hình HIL của Typhoon........................................ 106

Hình 4.10.

Dòng điện yêu cầu trong mô hình HIL của Typhoon ....................................... 106

Hình 4.11.

Dòng điện ắc quy trong mô hình HIL của Typhoon......................................... 106

Hình 4.12.

Dòng điện siêu tụ trong mô hình HIL của Typhoon ......................................... 107

Hình 4.13.

Phân tích phổ dòng điện yêu cầu tại tần số 0.01 Hz ......................................... 107

Hình 4.14.

Phân tích phổ dòng điện của siêu tụ tại tần số 0.01 Hz ................................... 108

Hình 4.15.

Phân tích phổ dòng điện của ắc-quy tại tần số 0.01 Hz ................................... 108

Hình 4.16.

Siêu tụ 56F/16,2VDC của hãng Maxwell.......................................................... 109

Hình 4.17.

Thiết kế cơ sở cho bộ biến đổi công suất........................................................... 109

Hình 4.18.

Card vi điều khiển DSP TMS32F28069M......................................................... 110

Hình 4.19.

Thiết kế cơ sở mạch đo......................................................................................... 110

Hình 4.20.

Ắc quy làm thí nghiệm.......................................................................................... 111

Hình 4.21.

Mô hình mô phỏng HIL thu nhỏ của hệ thống quản lý năng lượng ...............112

Hình 4.22.

Cấu trúc hệ thống thực nghiệm............................................................................ 113

Hình 4.23.

Xung vuông từ chân PWM của vi điều khiển quan sát trên Oscilloscope ....113

Hình 4.24. Dòng điện siêu tụ quan sát trên máy tính qua truyền nhận dữ liệu nối tiếp với vi
điều khiển......................................................................................................................................... 114
Hình 4.25.

Xung PWM các nhánh van interleaved ở chế độ nạp siêu tụ.......................... 115

Hình 4.26.

Dòng điện các nhánh van ở chế độ nạp siêu tụ................................................. 115

Hình 4.27.

Xung PWM các nhánh van interleaved ở chế độ xả siêu tụ............................ 115

Hình 4.28.

Dòng điện các nhánh van ở chế độ xả................................................................ 116

Hình 4.29.

Dòng điện đặt , dòng điện tổng các nhánh van quan sát trên máy tính .........116

Hình 4.30.

Đập mạch dòng điện siêu tụ................................................................................. 117

xii


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 ô tô 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 không dựa trên các thuật toán 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 công cụ toán 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 toán tối ưu cho kết quả tối ưu toàn 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 toán và không 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 không dễ giải quyết
trong thực tế).
Trong phạm vi luận án, tác giả sẽ mô hình hóa và mô 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 dòng 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 mô phỏng kiểm chứng và đánh giá, riêng kết quả của phương

pháp dựa trên tần số được kiểm chứng bằng hệ thống mô 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 ngoài nước về ô tô điện nói chung và quản lý năng lượng cho ô tô điện nói riêng

Chương 2: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện. Phần này
đề cập đến quá trình mô hình hóa toàn 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 mô hình đã có tác giả tiến hành mô 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 toán 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 mô hình mô phỏng thời gian thực cho hệ thống năng lượng trong
ô tô điện. Chương này trình bày các phương pháp xây dựng mô hình và kết quả của mô
phỏng thời gian thực và mô 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) Ô tô 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 toàn quá trình hoạt động
Quãng 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 ô tô thuần điện (được

đánh giá là ô tô của tương lai) để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại của của HEVs
b) Ô 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 ôxy trong không khí để biến thành điện với sản phẩm phụ
là nước (H2O)
Ưu điểm của FCEVs:
-

Hệ truyền động có thể sinh mô-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 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 ô tô lai [2]

Mô-men xoắn động cơ có thể được tính toán được thông qua các đại lượng đo được
của động cơ qua đó áp đặt mô 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 ô tô truyền thống, thậm chí nhanh hơn)
Nhược điểm của FCEVs:

-

Giá thành cao
Hiệu suất thấp
Không an toàn (nếu rò khí hydro có thể phát nổ)
Không sử dụng được nếu trời quá nóng hoặc quá lạnh
Không 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
0
EVs nhưng sẽ không phù hợp với một nước nhiệt đới với nhiệt độ mùa hè lên đến 40 C như
Việt Nam hoặc các nước quá lạnh. Ngoài ra, với việc không 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 quá 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) Ô tô 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 mô-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 ô tô truyền thống
Mô-men xoắn động cơ có thể tính toán được thông qua các đại lượng đo được của
động cơ qua đó áp đặt mô 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 quá trình phanh hãm.
Sử dụng công nghệ truyền điện không dây (Wireless Power Transmission) để nạp
điện không tiếp xúc cho EVs liên tục trong quá trình di chuyển.

Hình 1.3.

Hình 1.4.

Hình 1.5.

Ô tô điện Misubishi iMiEV (ra mắt tháng 7 năm 2009)

Ô tô 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 công suất và mật độ
năng lượng. Trong đó, mật độ năng công 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 công 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
Quá trình tự xả khi không 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 công 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 dòng 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 quá trình vận hành sẽ ảnh
hưởng lớn đến tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá thành cao nhất của ô tô 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 toàn
bộ các yêu cầu trên thì tuổi thọ của ắc quy sẽ không 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 công suất lớn
Khả năng huy động dòng 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 công 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 tô 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 không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ có hai loại chính là động cơ không 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 không 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 không 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 công 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 toàn khi vận hành thì động cơ không đồng bộ nói chung có ưu điểm
rất lớn về việc khi bánh xe quay ngoài 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 không đồng bộ rotor lồng sóc cũng có những nhược điểm riêng:

-

Dòng 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
toán tối ưu thì các nhược điểm trên của động cơ không 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 toán kể trên, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc:
-

Có thể huy động mô men toàn 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. Ngoài ra, các ô tô điện hiện có của hãng Tesla đang sử
dụng các động cơ và hệ thống ắc quy theo xe có công 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
không có ưu thế về mật độ công suất, giá thành, vì vậy dạng động cơ này thường được ứng
dụng với các gam công suất lớn nên không 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 không còn 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 iMiEV 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 công 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 toàn quá trình còn siêu tụ sẽ trợ giúp ắc quy trong
các quá trình yêu cầu công suất lớn như quá 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 DC-DC. 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 ô tô 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