Luận án tiến sĩ: Phương pháp điều khiển năng lượng hệ thống ắc quy - siêu tụ điện trong ô tô điện tại Đại học Bách Khoa Hà Nội

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 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. 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. 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.