Tài liệu Tính toán, mô phỏng thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố hà nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Tính toán, mô phỏng thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội NGÔ ANH TUẤN [email protected] Ngành Quản lý kỹ thuật và công nghệ Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Quốc Minh Trường : Điện – Điện tử Khoa : Điện HÀ NỘI, 8/2022 Chữ ký của GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Ngô Anh Tuấn Đề tài luận văn : Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội. Chuyên ngành : Quản lý kỹ thuật và công nghệ Mã số SV : 20202574M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 10/08/2022 với các nội dung sau: - Chỉnh sửa lỗi chính tả; - Lỗi định dạng luận văn, đánh số; - Bổ sung phần mở đầu, kết luận chung như quy định; - Bổ sung các trích dẫn đưa vào luận văn. Hà Nội, Ngày 18 tháng 08 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Minh Ngô Anh Tuấn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Lã Minh Khánh ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội. GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Nguyễn Quốc Minh LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô giáo, các đồng nghiệp và các cơ quan hữu quan. Với tình cảm chân thành nhất, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Quốc Minh đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình học tập cũng như trong việc hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô Viện Kinh tế và các Thầy, Cô Trường Điện – Điện tử – Trường Đại học bách khoa Hà Nội đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Xin trân trọng cảm ơn TS.Lã Minh Khánh, TS.Đinh Quang Huy, PGS.TS Trịnh Trọng Chưởng, PGS.TS Nguyễn Đức Huy, TS.Lê Thị Minh Châu đã đọc luận văn và cho tôi những nhận xét quý báu, chỉnh sửa những sai sót của tôi trong bản thảo luận văn. Xin cám ơn Ban lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Công ty Điện Lực Hoàn Kiếm đã giúp tôi nghiên cứu, thu thập số liệu để hoàn thành luận văn này. Mặc dù tôi đã cố gắng và cẩn trọng trong việc lựa chọn nội dung cũng như trình bày luận văn. Tuy nhiên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi mong tiếp tục nhận được góp ý quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài luận văn : Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội. Tác giả luận văn : Ngô Anh Tuấn Khóa: 2020B ETM Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Quốc Minh Nội dung tóm tắt : a) Lý do chọn đề tài: Chi phí đầu tư cho các trạm sạc đắt đỏ đặt ra thách thức với cơ sở hạ tầng khi ôtô điện được sử dụng rộng rãi. Khách mua xe điện cho rằng tầm hoạt động thấp và thiếu hấp dẫn từ lâu đã trở thành trở ngại lớn nhất đối với việc tiêu thụ ôtô điện. Tuy nhiên, ngày nay, với hàng trăm mẫu mới, chất đầy tính năng chuẩn bị ra mắt năm 2025, tầm hoạt động tăng lên tới hơn 300km, những thuộc tính này cho thấy ôtô điện không còn tự đặt ra các rào cản. Thay vào đó, nếu người tiêu dùng mua ôtô điện với tốc độ như dự kiến trong 5 tới 10 năm tới, hiện trạng thiếu cơ sở hạ tầng cho việc sạc điện sẽ trở thành một trở ngại mới. Với giá cả đang giảm xuống và tầm hoạt động tăng lên, vấn đề sạc điện sẽ nhanh chóng trở thành rào cản hàng đầu. Do đó, đề tài tập trung nghiên cứu đánh giá những ảnh hưởng của trạm sạc xe điện đến lưới điện phân phối trên địa bàn Quận Hoàn Kiếm. b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu tổng quan về đặc tính của trạm sạc xe điện và các thông số cơ bản của hệ thống lưới điện truyền tải của lưới điện Quận Hoàn Kiếm; nghiên cứu, thu thập các số liệu về kỹ thuật vận hành của Công ty Điện lực Hoàn Kiếm quản lý, mô phỏng hệ thống lưới điện và hoạt động của trạm sạc xe điện bằng phần mềm ETAP chuyên dụng. Từ đó tính toán và phân tích những ảnh hưởng tới lưới điện khi xây dựng mới các trạm sạc xe điện. Áp dụng mô hình đề xuất cho Quận Hoàn Kiếm để đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật và góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng từ điện lưới và ứng dụng hệ thống trạm sạc xe điện trên địa bàn thành phố Hà Nội, từ đó có thể mở rộng các dự án điện lưới ở các thành phố khác trên cả nước. c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả Luận văn được trình bày thành 3 chương, nội dung chính như sau: - Nghiên cứu những vấn đề chung về hoạt động của xe điện và trạm sạc xe điện. - Nghiên cứu đặc điểm địa bàn Quận Hoàn Kiếm về tình hình lưới điện phân phối, mật độ dân cư, lưu lượng xe di chuyển tại địa bàn. Thu thập dữ liệu đưa vào phần mềm, kết quả tính toán cho thấy dự án đưa trạm sạc xe điện vào lưới điện phân phối Quận Hoàn Kiếm là khả thi. - Đưa ra một số kiến nghị, giải pháp cho việc xây dựng các trạm sạc tại khu vực nội thành phố Hà Nội, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng xe điện của người dân thủ đô trong tương lại gần. d) Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu dựa trên cơ sở thu thập số liệu kỹ thuật của sạc điện, trạm sạc xe điện và các thông số vận hành thực tế của lưới điện phân phối Quận Hoàn Kiếm. Mô phỏng, tính toán mức độ ảnh hưởng bằng phần mềm ETAP. e) Kết luận: Với sự phát triển xe điện và tình hình vận hành thực tế của hạ tầng lưới điện phân phối khu vực Quận Hoàn Kiếm thì việc xây dựng các trạm sạc xe điện trên địa bàn là hết sức cần thiết. Tuy nhiên trước khi xây dựng cần tính toán kỹ đến các vấn đề như quy hoạch, quy định an toàn và nguồn cấp điện cho hệ thống trạm sạc này. Việc phát triển xe điện cần phải thực hiện ngay các giải pháp như: Nghiên cứu, xây dựng mô hình của phụ tải trong đó có xét đến phụ tải cho xe điện, sớm đề xuất quy định các yêu cầu liên quan tới đấu nối trạm sạc, cụm trạm sạc, điểm đấu nối tối ưu của các trạm sạc nhanh,... Luận văn đã thu thập dữ liệu, tính toán, mô phỏng và kết quả cho thấy việc thiết kế 2 trạm sạc xe điện tại 2 trạm biến áp Nhà Hát Lớn và Phan Chu Trinh 1 là hết sức khả quan. HỌC VIÊN Ngô Anh Tuấn MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN VÀ TRẠM SẠC ĐIỆN............. 1 1.1 Tổng quan về xe điện ................................................................................ 1 1.1.1 Xe điện lai (HEV – Hybrid Electric Vehicles) ......................................... 1 1.1.2 Xe Hybrid lai (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicles) ...................... 3 1.1.3 Xe điện chạy bằng pin (BEV – Battery Electric Vehicles) ....................... 5 1.1.4 Xe chạy pin nhiên liệu (FCEV – Fuel cell Electric Vehicles) .................. 6 1.2 Các chế độ sạc cho trạm sạc xe điện ......................................................... 7 1.2.1 Sạc ở Cấp 1 – 120V AC .......................................................................... 12 1.2.2 Sạc ở Cấp 2 – từ 208V đến 240V AC ..................................................... 13 1.2.3 Sạc ở Cấp 3 – từ 200V DC đến 450V DC .............................................. 15 1.3 Tiêu chuẩn sạc ......................................................................................... 17 1.3.1 Chuẩn sạc SAR J1772 – sạc bằng dòng xoay chiều AC ......................... 17 1.3.2 Chuẩn sạc SAE J1772 – sạc nhanh bằng dòng điện một chiều DC ........ 18 1.3.3 Tiêu chuẩn SAE J1772 Combo ............................................................... 19 1.3.4 Tiêu chuẩn CHAdeMO – Sạc nhanh ở dòng điện một chiều.................. 19 1.4 Trạm sạc xe điện...................................................................................... 21 1.4.1 Cấu tạo trạm sạc xe điện ......................................................................... 21 1.4.2 Tiêu chí lựa chọn trạm sạc xe điện .......................................................... 22 1.4.3 Thiết bị đảm bảo an toàn trong trạm sạc xe điện .................................... 23 1.4.4 Tiêu chuẩn chứng nhận thiết bị điện ....................................................... 23 1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................... 24 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN HOÀN KIẾM – TP HÀ NỘI .......................................................................... 25 2.1 Đặc điểm địa bàn Quận Hoàn Kiếm ....................................................... 25 2.2 Quy mô lưới điện Quận Hoàn Kiếm ....................................................... 25 2.2.1 Đánh giá chung ....................................................................................... 25 2.2.2 Về lưới điện trung áp .............................................................................. 26 2.2.3 Về trạm biến áp phân phối...................................................................... 27 2.2.4 Về lưới điện hạ áp ................................................................................... 28 2.3 Đánh giá công tác quản lý kỹ thuật, vận hành lưới điện trên địa bàn Quận Hoàn Kiếm ......................................................................................................... 28 2.3.1 Công tác quản lý kỹ thuật và vận hành .................................................. 28 2.3.2 Tình hình độ tin cậy cung cấp điện ........................................................ 29 2.4 Kết luận chương 2 ................................................................................... 30 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG TRẠM SẠC XE ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀM ETAP ......................................................................................... 32 3.1 Tổng quan về phần mềm ETAP 19.0.1 ................................................... 32 3.1.1 Giới thiệu sơ lược về phần mềm và các chức năng tính toán: ................ 32 3.1.2 Các thành phần và giao diện của ETAP .................................................. 33 3.1.3 Quản lý dữ liệu trong ETAP ................................................................... 35 3.1.4 Mô phỏng bằng phần mềm ETAP ........................................................... 36 3.1.5 Thông số của các phần tử ........................................................................ 37 3.2 Kết quả mô phỏng ................................................................................... 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt AC DC EV ICE EVSE TBA MBA Viết tắt cho Alternating current Direct Current Electric Vehicle Internal Combustion Engine Electric Vehicle Supply Equipment Nghĩa tiếng việt : Dòng điện xoay chiều : Dòng điện một chiều : Xe điện : Động cơ đốt trong : Thiết bị cung cấp cho xe điện : Trạm biến áp : Máy biến áp - - - - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tổng quan các mức sạc trọng trạm sạc xe điện. Bảng 1.2: Thời gian sạc tính trên quãng đường di chuyển ở Sạc cấp 1 – Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc dòng điện sạc bé hơn 12A yêu cầu thời gian sạc dài hơn. Bảng 1.3: Thời gian sạc tính trên quãng đường xe điện di chuyển và công suất sạc tối đa của trạm sạc ở Cấp 2. Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc. Bảng 1.4: Thời gian sạc và công suất sạc tương ứng với quãng đường di chuyển ở cấp 3 – Sạc nhanh; Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc. Bảng 1.5: Biểu đồ khoảng cách di chuyển xe điện tăng theo sau mỗi giờ sạc hoặc 240-VAC ở Bắc Mỹ. Bảng 2.1 Bảng kê quy mô lưới điện Quận Hoàn Kiếm. Bảng 2.2 Tình hình thực hiện độ tin cậy cung cấp điện giai đoạn 20192021. Bảng 3.1 Quy hoạch về quy mô và công suất của VinFast. Bảng 3.2 Độ biến dạng sóng hài điện áp tối đa cho phép. DANH MỤC CÁC HÌNH - Hình 1.1: Xe điện cơ bản sẽ có bộ pin đặt dưới sàn, cung cấp năng lượng cho động cơ đặt phía trước hoặc sau. - Hình 1.2: Toyota Prius Cấu tạo của xe HEV - Hình 1.3: Audi E-tron GT concept – Cấu tạo của xe PHEV - Hình 1.4: Một số xe BEV – Cấu tạo của xe BEV - Hình 1.5: Xe Toyota Mirai – Cấu tạo của xe FCEV - Hình 1.6: Sơ đồ dòng sạc từ lưới điện - Hình 1.7: SAE J1772 – Phích cắm J, tiêu chuẩn Bắc Mỹ - Hình 1.8: Chi phí lắp trạm sạc ô tô điện tùy theo loại trạm - Hình 1.9: Sạc cấp 1 với ổ điện cắm thông thường 5-15 - Hình 1.10: Sạc cấp 2 với ổ điện cắm 14-50 - Hình 1.11: Sơ đồ sạc ở cấp 2 - Hình 1.12: Trạm sạc DC cấp 3 - Hình 1.13: Sơ đồ sạc nhanh DC ở Cấp 3 - Hình 1.14: Chi tiết đầu kết nối sạc và chi tiết ổ cắm trên xe điện – J1772. - Hình 1.15: Chi tiết của đầu kết nối sạc và ổ cắm sạc trên xe điện J1772 Combo - Hình 1.16: Chi tiết của đầu sạc CHAdeMO - Hình 1.17: Chi tiết ổ cắm trên xe điện sử dụng tiêu chuẩn CHAdeMO - Hình 2.1: Sơ đồ địa hình lưới điện 110kV Quận Hoàn Kiếm (tỷ lệ 1:4500) - Hình 3.1: Giao diện phần mềm ETAP 19.0.1 - Hình 3.2: Các công cụ chính ETAP cung cấp - Hình 3.3: Giao diện hệ thống quản lý dữ liệu - Hình 3.4: Sơ đồ lưới điện trung thế quận Hoàn Kiếm - Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng xuất tuyến 481 E1.18 trên phần mềm ETAP - Hình 3.6: Nhập thông số hệ thống trên phần mềm ETAP - Hình 3.7: Nhập thông số điện áp danh định của hệ thống trên phần mềm ETAP - Hình 3.8: Nhập thông số thanh cái trên phần mềm ETAP - Hình 3.9: Nhập thông số máy biến áp trên phần mềm ETAP - Hình 3.10: Nhập thông số điện áp danh định, công suất danh định máy biến áp trên phần mềm ETAP - Hình 3.11: Nhập thông số tổng trở máy biến áp trên phần mềm ETAP - Hình 3.12: Nhập thông số đầu phân áp của máy biến áp trên phần mềm ETAP - Hình 3.13: Nhập thông số cáp trên phần mềm ETAP - Hình 3.14: Nhập thông số tổng trở cáp trên phần mềm ETAP - Hình 3.15: Nhập thông số phụ tải trên phần mềm ETAP - Hình 3.16: Nhập thông số công suất danh định của phụ tải trên phần mềm ETAP - Hình 3.17: Nhập thông số đồ thị phụ tải trên phần mềm ETAP - Hình 3.18: Thông số phụ tải ngày điển hình - Hình 3.19: Nhập thông số trạm sạc xe điện tại trạm Nhà Hát Lớn và trạm Phan Chu Trinh 1 trên phần mềm ETAP - Hình 3.20: Đồ thị phụ tải điển hình của trạm sạc chậm loại AC 11kW với 4 trụ sạc - Hình 3.21: Đồ thị phụ tải điển hình của trạm sạc nhanh loại DC 30kW với 4 trụ sạc - Hình 3.22: Đồ thị phụ tải ngày đêm của trạm sạc xe điện - Hình 3.23: Đồ thị phụ tải trong một ngày điển hình của xuất tuyến 481 E1.18 - Hình 3.24: Đồ thị điện áp trong ngày tại 02 nút có lắp trạm sạc xe điện - Hình 3.25: Dạng sóng hài điện áp tại trạm Nhà Hát Lớn - Hình 3.26: Phổ sóng hài tại trạm Nhà Hát Lớn - Hình 3.27: Dạng sóng điện áp tại trạm Phan Chu Trinh 1 - Hình 3.28: Phổ sóng hài tại trạm Phan Chu Trinh 1 - Hình 3.29: Kết quả sóng hài trong chương trình ETAP Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN VÀ TRẠM SẠC ĐIỆN 1.1 Tổng quan về xe điện Xe điện, tiếng Anh là Electric Vehicles (EV), là bất kỳ loại xe nào chạy bằng động cơ điện hay động cơ kéo thay vì động cơ đốt trong (ICE). Khác với các dòng xe thông thường, hoạt động dựa trên nguyên lý đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và tạo ra khí thải, xe điện không gây ra bất cứ vấn đề về ô nhiễm môi trường nào. Cách thức vận hành của một chiếc xe điện phụ thuộc vào loại pin có thể sạc mà xe sử dụng Hình 1.1: Xe điện cơ bản sẽ có bộ pin đặt dưới sàn, cung cấp năng lượng cho động cơ đặt phía trước hoặc sau. Hiện nay có bốn loại xe điện chính (EV – Electric Vehicles): - Xe điện lai (HEV – Hybrid Electric Vehicles) - Xe Hybrid lai (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicles) - Xe điện chạy bằng pin (BEV – Battery Electric Vehicles) - Xe chạy pin nhiên liệu (FCEV – Fuel cell Electric Vehicles) Để phân biệt các loại xe điện này, dựa vào công nghệ chế tạo và động cơ mà chúng sử dụng chủ yếu trong quá trình vận hành xe. 1.1.1 Xe điện lai (HEV – Hybrid Electric Vehicles) Xe điện lai là loại xe điện sử dụng song song hai nguồn động cơ: Động cơ đốt trong và động cơ điện, tức là xe vừa chạy xăng vừa chạy điện. Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 1 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội - Cấu tạo xe HEV: Cấu tạo xe hybrid tương tự như xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường. Khi chạy chậm (trung bình dưới 30km/h) động cơ điện sẽ hoạt động, còn khi tăng tốc thì động cơ điện chỉ đóng vai trò hỗ trợ cho động cơ truyền thống. Tuy xăng và dầu diesel vẫn là nguồn nguyên liệu chính để vận hành xe điện HEV, nhưng động cơ điện có khả năng tự tái tạo đi kèm cũng đóng một vai trò nhất định trong việc giảm thiểu tác động của nhiên liệu xăng cho môi trường. Động cơ kết nối với hệ thống truyền động để dẫn động các bánh xe. Tuy nhiên xe hybrid có thêm một động cơ điện chia sẻ nhiệm vụ dẫn động hoặc hỗ trợ động cơ đốt trong. Để cơ cấu này phối hợp nhuần nhuyễn và vận hành trơn tru cần có thêm một số bộ phận hỗ trợ khác như pin và bộ chuyển đổi công suất. Pin (hay ắc quy điện áp cao) là thiết bị giúp tích trữ và cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Bộ chuyển đổi công suất giúp chuyển đổi nguồn động lực của động cơ thành nhiều phần phục vụ các mục đích sử dụng khác nhau như dẫn động xe và nạp điện cho pin. - Ưu và nhược điểm của các dòng xe HEV: Ưu điểm: Giảm phát thải khí CO2; Tiết kiệm chi phí cho nhiên liệu xăng/dầu; Di chuyển được chặng đường dài vì dễ bổ sung nhiên liệu. Nhược điểm: Chi phí cao hơn các dòng xe khác; Xe không mạnh như các dòng xe chạy hoàn toàn bằng xăng; Khó bảo trì vì dòng xe vẫn còn chưa phổ biến tại Việt Nam. Có 3 loại truyền động cơ bản: + Nối tiếp Động cơ điện trực tiếp truyền lực đến hệ thống dẫn động bánh xe. Động cơ đốt trong chỉ đảm nhận nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho động cơ điện và nạp cho ắc quy. Ưu điểm: Động cơ xăng chủ yếu chỉ hoạt động khi chạy xe đường dài nên giúp tiết kiệm xăng và giảm ô nhiễm môi trường. Nhược điểm: Với loại hệ thống này, dung tích và kích thước ắc quy lớn do động cơ điện đảm nhận vai trò truyền lực chính. Động cơ xăng dễ rơi vào tình trạng làm việc quá tải vì phải luôn cung cấp năng lượng cho động cơ điện và ắc quy. Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 2 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội + Song song Cả động cơ điện và động cơ đốt trong đều cùng đảm nhận vai trò truyền lực. Khi nào động cơ điện làm việc, khi nào động cơ đốt trong làm việc hay khi nào cả hai cùng làm việc sẽ do bộ điều khiển trung tâm quyết định tuỳ vào từng điều kiện vận hành. Ưu điểm: Xe đạt công suất cao hơn do có hai nguồn truyền lực. Dung tích và kích thước ắc quy không quá lớn. Nhược điểm: Hệ thống có cấu tạo phức tạp, chi phí sản xuất cao. + Hỗn hợp Hệ thống hỗn hợp kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song. Hệ thống này giúp tận dụng tối đa thế mạnh, đồng thời khắc phục nhược điểm của hai hệ thống trên. Đây hiện là loại hệ thống đang được ưu tiên áp dụng trong chế tạo xe hybrid ngày nay. Hình 1.2: Toyota Prius – Cấu tạo của xe HEV Một số mẫu xe HEV: Toyota Prius Hybrid, Honda Civic Hybrid, Honda CR-Z, Toyota Camry Hybrid, …. 1.1.2 Xe Hybrid lai (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicles) Xe Hybrid plug-in (PHEV) là phương tiện sử dụng song song điện chạy bằng pin và xăng/dầu để cung cấp năng lượng cho xe vận hành. Tùy thuộc vào động cơ của xe, sức mạnh truyền động xe có thể đến từ pin, nhiên liệu đốt trong là xăng hoặc cả hai cùng một lúc. - Cấu tạo của xe PHEV: + Cổng sạc: Đây là bộ phận quan trọng để xe được cắm sạc, có thể tiếp nhận nguồn điện từ bên ngoài và chuyển hoá thành năng lượng cho động cơ. Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 3 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội + Ắc quy (phụ) Trong cấu tạo xe Plug-in Hybrid luôn có một bình ắc quy với điện áp thấp cho phép sử dụng năng lượng để khởi động xe cũng như vận hành một số các bộ phận khác của xe. + Bộ chuyển đổi DC/DC Công cụ này hỗ trợ xe chuyển đổi nguồn DC mang điện áp cao từ bộ động cơ điện xuống DC có điện áp nhỏ hơn để phù hợp với mức năng lượng cần cho việc hoạt động các phụ kiện khác của xe. + Bộ nạp nhiên liệu Bộ phận này có cấu tạo như một vòi phun gắn liền với bộ nhiên liệu của xe với nhiệm vụ phân phối xăng/dầu để làm đầy bình chứa. Từ đó vận chuyển đến động cơ đốt trong để tạo ra năng lượng cho xe vận hành. + Động cơ điện kéo Tiếp nhận nguồn năng lượng từ năng lượng từ viên pin, động cơ điện kéo có tác dụng giúp cho các bánh xe chuyển động và đôi khi thực hiện cả chức năng tái tạo truyền động cho xe. + Bộ điều khiển điện tử công suất Bộ phận này đảm nhận chức năng quản lý nguồn năng lượng được truyền từ bộ động cơ điện đến động cơ điện kéo và mô-men xoắn để điều khiển tốc độ mà nó tạo ra. + Một số bộ phận khác Ngoài những thành phần kể trên thì xe Plug-in Hybrid còn có các bộ phận khác như máy phát điện, thùng nhiên liệu (xăng), bộ sạc trên bo mạch, bộ truyền động, hệ thống xả, động cơ đốt trong,... giúp cho việc vận hành xe được tối ưu hoá. - Ưu và nhược điểm của các dòng xe PHEV: + Ưu điểm: Sử dụng phần lớn là năng lượng điện, vì vậy xe khi vận hành thải ra môi trường lượng khí CO2 rất nhỏ, góp phần bảo vệ môi trường; Có thể được hưởng những chính sách thuế ưu đãi từ chính phủ nhằm khuyến khích người dân sử dụng phương tiện giảm thiểu khí thải ra môi trường; Tiết kiệm được một lượng lớn chi phí xăng dầu. + Nhược điểm: Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 4 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội Xe vẫn chưa được tối ưu hoá khả năng tiết kiệm năng lượng điện, vì vậy yêu cầu người dùng phải chú ý nạp điện thường xuyên để đảm bảo quãng đường di chuyển; Giá thành cho một chiếc xe Plug-in Hybrid vẫn còn khá cao so với thị trường xe hơi thông thường; Ở Việt Nam vẫn chưa phổ biến loại xe này nên chưa có những trạm nạp điện lưu động cho xe. Hình 1.3: Audi E-tron GT concept - Cấu tạo của xe PHEV Một số mẫu xe PHEV: Ford C-Max Energi, Ford Fusion Energi, Mercedes C350e, Mini Cooper SE Countryman, Audi A3 E-tron, … 1.1.3 Xe điện chạy bằng pin (BEV – Battery Electric Vehicles) Battery Electric Vehicle (BEV) thường được gọi với cái tên EV (Electric Vehicle) là loại xe sử dụng hoàn toàn động cơ điện với bộ pin có thể nạp lại được và cấu trúc của xe không bao gồm động cơ xăng hay ống phun xăng; hoạt động ở một chế độ duy nhất bằng điện được lưu trữ năng lượng trong một hệ thống pin dung lượng cao, có thể được tái nạp lại từ lưới điện. Xe BEV tích điện trong các bộ pin có dung lượng lớn và được dùng để chạy động cơ điện hay các bộ phận sử dụng điện khác. Xe BEV không thải ra khí gây ô nhiễm môi trường như động cơ truyền thống. Xe được nạp điện bằng các nguồn bên ngoài. Bộ nạp này được phân loại dựa trên tốc độ nạp đầy pin trên mỗi xe. Thời gian sạc pin phụ thuộc vào dung lượng pin và khả năng của trạm sạc nhanh mà xe điện sử dụng. Nó cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh và lượng pin còn lại khi bắt đầu sạc. Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 5 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội - Ưu và nhược điểm của các dòng xe BEV: Ưu điểm: Không phát thải ra khí CO2; Động cơ êm; Giá thành rẻ hơn các dòng xe điện khác. Nhược điểm: Nguồn năng lượng vận hành phụ thuộc vào pin sạc; Cần tái sạc điện nhiều lần nếu muốn di chuyển khoảng cách xa. Có những mức phân loại bộ nạp sau đây: cấp 1, cấp 2, cấp 3 (Nạp nhanh DC). Bộ nạp cấp 1 sử dụng nguồn điện có đầu ra tiêu chuẩn của hộ gia đình là 120V và mất hơn 8 giờ để nạp cho quãng đường xấp xỉ 120-128km. Bộ nạp cấp 1 có thể nạp được ở nhà hoặc chỗ làm và gần như tất cả xe EV trên thị trường hiện nay đều có thể sử dụng bộ nạp này. Bộ nạp cấp 2 yêu cầu những trạm đặc biệt có thể cung cấp nguồn điện 240V. Bộ nạp 240V được lắp đặt ở các công sở hoặc các trạm nạp công cộng và mất hơn 4 giờ để nạp cho quãng đường khoảng 120-128km. Bộ nạp cấp 3 hay bộ nạp nhanh DC là giải pháp tối ưu nhất cho tốc độ nạp của xe EV trên thị trường hiện nay. Bộ nạp này được trang bị ở các trạm chuyên biệt và có thể nạp cho quãng đường 144km chỉ trong 30 phút. Hình 1.4: Một số xe BEV - Cấu tạo của xe BEV 1.1.4 Xe chạy pin nhiên liệu (FCEV – Fuel cell Electric Vehicles) FCEV sử dụng một hệ thống đẩy tương tự như của xe điện, trong đó năng lượng được lưu trữ dưới dạng hydro được chuyển đổi thành điện năng bởi pin nhiên liệu. Không giống như các loại xe động cơ đốt trong thông thường, những loại xe này không tạo ra khí thải độc hại. FCEV được cung cấp nhiên liệu bằng khí hydro tinh khiết được lưu trữ trong bình chứa trên xe. Tương tự như các phương tiện động cơ đốt Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 6 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội trong thông thường, chúng có thể tiếp nhiên liệu trong vòng chưa đầy 5 phút và có phạm vi lái xe trên 500km. FCEV được trang bị các công nghệ tiên tiến khác để tăng hiệu quả, chẳng hạn như hệ thống phanh tái tạo thu năng lượng bị mất trong quá trình phanh và lưu trữ trong pin điện. Các nhà sản xuất ô tô lớn đang cung cấp một số lượng hạn chế FCEV sản xuất cho công chúng ở một số thị trường nhất định, đồng bộ với những gì cơ sở hạ tầng đang phát triển có thể hỗ trợ. Loại pin nhiên liệu phổ biến nhất cho các ứng dụng xe cộ là pin nhiên liệu màng điện phân polyme (PEM). Trong pin nhiên liệu PEM, một màng điện phân được kẹp giữa điện cực dương (cathode) và điện cực âm (anode). Hidro được đưa đến anode, và ôxy (từ không khí) được đưa vào cathode. Các phân tử hydro phân tách thành proton và electron do phản ứng điện hóa trong chất xúc tác pin nhiên liệu. Sau đó, proton di chuyển qua màng đến cathode. Các electron buộc phải di chuyển qua một mạch bên ngoài để thực hiện công việc (cung cấp năng lượng cho ô tô điện) sau đó tái kết hợp với các proton ở phía cathode nơi các proton, electron và các phân tử oxy kết hợp để tạo thành nước. Hình 1.5: Xe Toyota Mirai - Cấu tạo của xe FCEV 1.2 Các chế độ sạc cho trạm sạc xe điện Mặc dù chưa thay thế phương tiện chạy bằng xăng nhưng xe điện đang ngày càng phổ biến. Ngày càng có nhiều thương hiệu ô tô đang chế tạo các mẫu xe Hybrid và chạy điện hoàn toàn – và kết quả là các trạm sạc đang mở tại các địa điểm khác nhau. Mặc dù điều này ở Việt Nam sẽ cần đợi thêm chút thời gian nữa. Xe điện nhằm mục đích tiết kiệm tiền của người Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 7 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội dùng dành cho xăng bằng cách cung cấp tùy chọn năng lượng rẻ hơn và giúp giảm lượng phương tiện giải phóng khí thải trên đường. Lắp đặt trạm sạc ô tô điện mang tới rất nhiều lợi ích cho cả người dùng xe và các khu đô thị. Cụ thể, đối với người dùng xe ô tô điện, tìm được một trạm sạc ngay tại cơ sở của mình hoặc gần trên đoạn đường hay di chuyển sẽ rất thuận tiện. Việc di chuyển bằng ô tô điện sẽ không bị ngắt quãng do hết pin giữa chừng. Đối với những bãi đỗ xe công cộng nơi lắp đặt trạm sạc ô tô điện, đầu tư chi phí lắp đặt trạm sạc ô tô một lần, thế nhưng lợi ích được hưởng là lâu dài. Bởi có hệ thống trạm sạc, sẽ giúp thu hút lượng lớn khách hàng sử dụng dịch vụ đỗ xe ô tô, sạc ô tô, tăng chất lượng dịch vụ phục vụ khách hàng thêm chuyên nghiệp. Hình 1.6: Sơ đồ dòng sạc từ lưới điện Đối với các khu đô thị, thành phố nơi được lắp đặt trạm sạc ô tô điện, không gian đô thị sẽ được nâng tầm đẳng cấp, hiện đại và tiện nghi hơn rất nhiều. Cũng chính việc lắp đặt các trạm sạc sẽ thu hút nhiều người dân chuyển sang sử dụng ô tô điện, giảm thiểu việc ô nhiễm môi trường do sử dụng ô tô thông thường. Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 8