Tài liệu Tính toán thiết kế hệ thống trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời tại sân bay quốc tế đà nẵng

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRẠM SẠC XE ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI SÂN BAY QUỐC TẾ ĐÀ NẴNG Học viên: Nguyễn Lê Kim Thịnh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 - Khóa: K34.KTĐ - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Trong lĩnh vực Hàng không, tại Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, vấn đề sử dụng năng lượng tái tạo nhằm đa dạng hóa và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng đồng thời tiết kiệm năng lượng trong khu vực khai thác. Đối với các Cảng Hàng không quốc tế tại Việt Nam, với tần suất bay như hiện nay và việc mở rộng nhà ga mới, tiếp nhận nhiều loại máy bay, trong đó có các máy bay có sức chở lớn sẽ làm gia tăng mức độ ô nhiễm không khí và ô nhiễm tiếng ồn. Vì vậy, cần thiết phải có những nghiên cứu, ứng dụng thử nghiệm phương tiện vận chuyển hàng hóa, hành khách sử dụng nguồn năng lượng điện thay thế xăng, dầu truyền thống nhằm giảm thiểu ô nhiễm. Vì lý do đó, luận văn này tính toán và thiết kế trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời tại sân bay quốc tế Đà Nẵng kết hợp sử dụng phần mềm PV*Sol 2019 để thiết kế, tính toán và mô phỏng sự hoạt động của trạm sạc xe điện. Nghiên cứu này áp dụng mô hình đề xuất cho Tổng công ty cảng hàng không Việt Nam để đánh giá về mặt kỹ thuật và tính khả thi về mặt kinh tế và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo. Từ khóa –Xe điện; Trạm sạc xe điện; Năng lượng mặt trời; Năng lượng tái tạo; CALCULATION AND DESIGNING AN ELECTRIC VEHICLE CHARGING STATION SYSTEM USING THE PHOTOVOLTAIC SYSTEM AT DA NANG INTERNATIONAL AIRPORT Abtract - In the aviation field, the world in general and Vietnam in paticular, using the renewable energy to diversify energy sources, increasing the efficiency and saving the energy have been the problems that is very concerned.. For Vietnam international airports, with the cuurent flight frequency, expanding the scale of airport and receiving the new bigger aircrafts which are increasing the air and noise pollution level. Therefore, it is necessary to research the new equipments, vehicles in goods and passenger transport which using renewable energy instead of gasoline and diesel oil to minimize pollution. For this purpose, this thesis designs and calculates an electric vehicle charging station using the the photovoltaic system by using PV*Sol 2019 software to design, calculate and simulate the Evs Charging station operation..This project applies the proposed model to Airports Corporation of Viet Nam to verify its technical and economic feasibility and perspective of the work in issue the next development. Key words –Electrical vehicle; Charging station; Photovoltaic systems; Renewable energy; Stored in a battery. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1 3. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 2 4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 2 5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 . Dàn ý nội dung chính .......................................................................................... 2 7. Tổng quan về tài liệu nghiên cứu........................................................................ 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN VÀ TRẠM SẠC XE ĐIỆN ....................... 3 1.1. Tổng quan về xe điện ............................................................................................... 3 1.1.1. Xe điện lai (HEV - Hybrid Electric Vehicles) .............................................. 3 1.1.2. Xe điện hỗn hợp (PHEV - Plug-in Hybrids Electric Vehicles) .................. 3 1.1.3. Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin (BEV - Battery Electric Vehicles) .......... 3 1.1.4. Xe điện có tầm xa hoạt động xa (EREV - Ex tended Range Electric Vehicles) .......................................................................................................................... 3 1.2. Các chế độ sạc cho trạm sạc xe điện ........................................................................ 4 1.2.1. Sạc ở Cấp 1 – 120V AC................................................................................ 5 1.2.2. Sạc ở Cấp 2 – 208 VAC đến 240 VAC ....................................................... 6 1.2.3. Sạc ở Cấp 3 – 200 VDC đến 450 VDC ...................................................... 7 1.3. Trạm sạc xe điện ....................................................................................................... 9 1.3.1. Thiết bị đảm bảo an toàn trong trạm sạc xe điện ....................................... 10 1.3.2. Tiêu chuẩn chứng nhận thiết bị điện.......................................................... 10 1.4. Tiêu chuẩn thiết kế ................................................................................................. 11 1.4.1. Chuẩn SAE J1772 - sạc bằng dòng xoay chiều - AC ................................ 11 1.4.2. Chuẩn SAE J1772 –Sạc nhanh bằng dòng điện một chiều – DC ............... 13 1.4.3. Tiêu chuẩn SAE J1772 Combo................................................................... 13 1.4.4. Tiêu chuẩn CHAdeMO –Sạc nhanh ở dòng điện một chiều ...................... 14 1.4.5. Trạm sạc siêu nhanh của hãng Tesla .......................................................... 16 1.5. Tiêu chí lựa chọn trạm sạc xe điện ......................................................................... 17 1.5.1. Trạm sạc công cộng .................................................................................... 19 1.5.2. Lắp đặt nhiều trạm sạc điện ........................................................................ 19 1.6. Sạc xe điện từ năng lượng mặt trời......................................................................... 23 1.6.1. Cấu trúc hệ thống EV-PV ........................................................................... 24 1.6.2. Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới ........................................................ 27 1.7. Khảo sát, thống kê tiềm năng bức xạ tại sân bay quốc tế Đà Nẵng ....................... 30 1.7.1. Giới thiệu về Cảng hàng không quốc tế Đà Nẵng – Chi nhánh Tổng công ty Cảng hàng không Việt Nam – CTCP ........................................................................ 30 1.7.2. Tiềm năng bức xạ mặt trời tại khu vực sân bay quốc tế Đà Nẵng.............. 32 1.8. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 33 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRẠM SẠC XE ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI SÂN BAY QUỐC TẾ ĐÀ NẴNG ............ 34 2.1. Nhu cầu sử dụng xe điện tại sân bay quốc tế Đà Nẵng .......................................... 34 2.2. Lựa chọn loại xe điện phục vụ tại sân bay quốc tế Đà Nẵng ................................. 34 2.3. Mô hình hệ thống pin mặt trời kết hợp nối lưới, vị trí lắp đặt................................ 36 2.3.1. Lựa chọn mô hình hệ thống ........................................................................ 36 2.3.2. Vị trí xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới ........................ 38 2.4. Cơ sở tính toán các thông số của trạm sạc ............................................................. 41 2.4.1. Tính toán sản lượng điện mà phụ tải yêu cầu ............................................. 41 2.4.2. Lựa chọn cung cấp đầu sạc nhanh DC và đầu sạc cấp 2 cho trạm sạc xe điện ................................................................................................................................ 41 2.4.3. Tính toán lượng điện năng hàng ngày dàn pin năng lượng mặt trời cung cấp cho trạm sạc xe điện ................................................................................................ 43 2.4.4. Tính công suất dàn pin mặt trời .................................................................. 43 2.4.5. Tính số module mắc song song và nối tiếp................................................. 44 2.4.6. Tính thông số của bộ điều phối điện năng .................................................. 44 2.4.7. Điện áp làm việc của bộ điều phối điện năng ............................................. 44 2.5. Chọn loại pin mặt trời và lựa chọn các thông số cụ thể của hệ thống pin năng lượng mặt trời. ............................................................................................................... 44 2.5.1. Chọn pin năng lượng mặt trời ..................................................................... 44 2.5.2. Tính chọn các thông số cụ thể của hệ thống pin năng lượng mặt trời ........ 47 2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 51 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG PV*SOL 2019 TRONG MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ TRẠM SẠC XE ĐIỆN .................................................................................................. 52 3.1. Phần mềm PV*SOL 2019 ...................................................................................... 52 3.1.1. Giới thiệu sơ lược về phần mềm ................................................................. 52 3.1.2. Các chức năng chính của phần mềm .......................................................... 52 3.2. Khảo sát sự hoạt động của hệ thống pin NLMT và trạm sạc xe điện .................... 57 3.2.1. Thông số dùng để nhập dữ liệu phần mềm ................................................. 57 3.2.2. Sơ đồ mô phỏng .......................................................................................... 60 3.2.3. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 62 3.2.4. Nhận xét ...................................................................................................... 68 3.3. Đánh giá chỉ tiêu kinh tế ......................................................................................... 68 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating current: Dòng điện xoay chiều HTPMT Hệ thống pin mặt trời DC Direct current: Dòng điện một chiều EV Electric vehicle: Xe điện EVSE Electric vehicle supply Equipment: Thiết bị cung cấp cho xe điện PV Solar Photovoltaic: Pin năng lượng mặt trời DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tổng quan các mức sạc trong trạm sạc xe điện ..............................................5 Bảng 1.2. Thời gian sạc tính trên quãng đường di chuyển ở Sạc cấp 1.(b) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc dòng điện sạc bé hơn 12Ayêu cầu thời gian sạc dài hơn .............................................................................6 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. .........................................................................................................6 Bảng 1.4. Thời gian sạc và công suất sạc tương ứng với quãng đường di chuyển ở cấp 3 – Sạc nhanh. (a) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc .....................................................................................................................9 Bảng 1.5. Tóm tắt các đặc tính của các thiết bị cấp 1 120V AC và cấp 2 208-VAC hoặc 240-VAC ở Bắc Mỹ ..........................................................................11 Bảng 1.6. Tóm tắt các chi tiết kỹ thuật cho sạc ở dòng điện một chiều Cấp 1 và Cấp 2 ở Bắc Mỹ. ..................................................................................................13 Bảng 1.7. Vật tư yêu cầu cho lắp đặt trạm sạc cấp 2 ....................................................20 Bảng 1.8. Bảng số liệu về bức xạ mặt trời tại các tỉnh thành ở Việt Nam ....................32 Bảng 1.9. Nhiệt độ không khí trung bình các tháng (ºC) tại ĐàNẵng ...........................32 Bảng 1.10. Bảng bức xạ tổng cộng trung bình trong ngày tại thành phố Đà Nẵng (KWh/m2.ngày) ..........................................................................................32 Bảng 1.11. Bảng bức xạ tổng cộng trung bình tháng và năm tại thành phố Đà Nẵng (KWh/m2.tháng).........................................................................................32 Bảng 2.1. Lượng điện năng tiêu thụ của xe điện tại sân bay quốc tế Đà Nẵng.............41 Bảng 2.2. Bảng thông số vật lý Pin mặt trời Sun Power ...............................................45 Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật Pin mặt trời Sun Power hoạt động theo điều kiện nhiệt độ hoạt động thông thường của Cell ...............................................................46 Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của INVERTER Sunny Tripower 20000TL-US ............49 Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của Sunny home manager 2.0 .........................................50 Bảng 3.1. Kết quả mô phỏng đối với cả năm, chế độ sạc mặc định ..............................62 Bảng 3.2. Kết quả mô phỏng đối với ngày nắng lớn, chế độ sạc mặc định ..................64 Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng đối với ngày có cường độ bức xạ thấp, chế độ sạc mặc định.66 Bảng 3.4. Các thành phần điện năng được cung cấp từ hệ thống phát điện..................68 Bảng 3.5. Chi phí đầu tư hệ thống phát điện sử dụng NLMT .......................................69 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin và xe điện hỗn hợp ..................................... 4 Hình 1.2. Sơ đồ của dòng điện sạc từ lưới điện 120V AC hoặc 208/240V AC .............. 5 Hình 1.3. Sơ đồ sạc ở cấp 2 ............................................................................................. 7 Hình 1.4. Sơ đồ sạc nhanh DC ở cấp 3 ............................................................................ 8 Hình 1.5. Biểu đồ khoảng cách di chuyển xe điện tăng theo sau mỗi giờ sạc ................ 9 Hình 1.6. Trạm sạc xe điện đơn và đôi. ......................................................................... 10 Hình 1.7. Chi tiết dầu kết nối sạc J1772 ........................................................................ 12 Hình 1.8. Chi tiết của ổ cắm sạc trên xe điện - J1772. .................................................. 12 Hình 1.9. Chi tiết của đầu kết nối sạc J1772 Combo .................................................... 13 Hình 1.10. Chi tiết của ổ cắm sạc trên xe điện - J1772 Combo ................................... 14 Hình 1.11. Khả năng tương thích của ổ cắm Compo với các đầu sạc tiêu chuẩn và đầu sạc Compo ................................................................................................... 14 Hình 1.12. Chi tiết đầu sạc CHAdeMO ........................................................................ 15 Hình 1.13. Chi tiết ổ các trên xe điện sử dụng tiêu chuẩn CHAdeMO ......................... 16 Hình 1.14. Chi tiết đầu sạc của hãng Tesla ................................................................... 16 Hình 1.15. Chi tiết ổ cắm trên xe điện của hãngTesla .................................................. 17 Hình 1.1 . Lưu đồ quyết định cho việc lắp đặt trạm sạc điện ....................................... 18 Hình 1.17. Kết nối nguồn 600V cho 2 trạm sạc 208V .................................................. 20 Hình 1.18. Phòng phân phối nguồn cho nguồn cung cấp 380/600V ............................. 21 Hình 1.19. Kết nối trạm sạc 12 kW đến nguồn 380/600V ............................................ 21 Hình 1.20. Kết nối trạm sạc 20 kW đến nguồn 380/600V ............................................ 21 Hình 1.21. Kết nối nguồn 600V cho 1 trạm sạc 240V .................................................. 22 Hình 1.22. Kết nối trạm sạc nhanh đến nguồn 3 pha – 208V ....................................... 22 Hình 1.23. PV và EV được kết nối với nhau trên nguồn DC (màu xanh lá cây) và nguồn AC (màu hồng) với lưới điện AC chỉ khi không có nguồn DC từ PV ....... 23 Hình 1.24. Sơ đồ PV-EV cấu trúc 1 .............................................................................. 25 Hình 1.25. Sơ đồ PV-EV cấu trúc 2 .............................................................................. 25 Hình 1.2 . Sơ đồ PV-EV cấu trúc 3 .............................................................................. 26 Hình 1.27. Sơ đồ PV-EV cấu trúc 4 .............................................................................. 27 Hình 1.28. Sơ đồ minh họa hệ thống NLMT kết nối lưới không dự trữ ...................... 27 Hình 1.29. Sơ đồ minh họa hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ ............................ 29 Hình 1.30. Trụ sở Cảng hàng không quốc tế Đà Nẵng .................................................. 30 Hình 1.31. Sơ đồ cơ cấu tổ chức của Cảng hàng không quốc tế Đà Nẵng..................... 31 Hình 2.1. Xe điện EG6118KB cùa hãng SUZHOU EAGLE......................................... 35 Hình 2.2. Sơ đồ minh họa hệ thống NLMT kết nối lưới không có dự trữ .................... 37 Hình 2.3. Hình ảnh thực tế nhà giữ xe hai bánh sân bay quốc tế Đà Nẵng .................... 38 Hình 2.4. Bản vẽ mặt bằng mái nhà giữ xe hai bánh sân bay quốc tế Đà Nẵng ............ 40 Hình 2.5. Đầu sạc cấp 2 AC .......................................................................................... 42 Hình 2. . Đầu sạc nhanh DC ........................................................................................ 42 Hình 2.7. Pin mặt trời SUN POWER............................................................................. 45 Hình 2.8. Pin mặt trời SunPower Maxeon ..................................................................... 46 Hình 2.9. Sunny Tripower 20000TL-US ...................................................................... 49 Hình 2.10. Sunny home manager 2.0 ............................................................................ 50 Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống ............................................................................ 51 Hình 3.1. Đặc tính U-I của tấm pin Model SPR-E20-327 ............................................. 59 Hình 3.2. Đặc tính U-P của tấm pin Model SPR-E20-327 ............................................ 59 Hình 3.3. Mô hình hóa xe điện EAGLE-6118KB.......................................................... 60 Hình 3.4. Mô hình hóa trạm sạc xe điện hoạt động từ 8 giờ sáng đến 9 giờ tối............. 61 Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý trạm sạc xe điện mô phỏng bằng phần mềm PV*SOL 2019 .. ................................................................................................................. 61 Hình 3.6. Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời cả năm ................................................ 62 Hình 3.7. Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời trong ngày nắng lớn vào mùa nắng lớn ................................................................................................................. 64 Hình 3.8. Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời trong ngày có cường độ bức xạ thấp .. 66 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng nhất là năng lượng điện. Con người cần năng lượng điện để phục vụ cho nhu cầu đời sống sinh hoạt, sản xuất. Từ những nhu cầu đơn giản như chiếu sáng sinh hoạt cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại. Trong khi đó cá c nguồn nhiên liệu truyền thống đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, nó được xem là nguồn năng lượng sẵn có, sạch và miễn phí. Do vậy, với đặc điểm ưu điểm và khả năng thay thế nguồn nguyên liệu truyền thống thì hiện nay, năng lượng mặt trời đang được rất nhiều các nhà khoa học, các chuyên gia, các công ty năng lượng trên thế giới quan tâm nghiên cứu về tiềm năng năng lượng cũng như khả năng ứng dụng. Xe điện vốn dĩ từ lâu đã được đánh giá là xu thế của ngành công nghiệp ô tô trong tương lai bởi mối lo ngại ô nhiễm môi trường do hệ thống khí thải độc hại từ các thế hệ xe diesel. Thêm vào đó, những yêu cầu gắt gao về chất lượng khí thải của các quốc gia càng khiến ngành công nghiệp ô tô chuyển sang sử dụng ô tô điện. Đấy là chưa kể, công nghệ luôn phát triển không ngừng và điều này khiến chi phí của những chiếc xe ô tô điện vì thế mà cũng rẻ hơn..Với những lợi ích to lớn mà công nghệ ô tô điện mang lại cho con người, việc sử dụng ô tô điện là bước đi quan trọng để con người không còn phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch mà sẽ sử dụng nguồn năng lượng sạch trong tương lai. Đi đôi với việc sử dụng ô tô điện, yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải xây dựng hệ thống phân phối năng lượng điện rải khắp trên những tuyến đường, khu vực mà ô tô điện hoạt động như: sân bay, khu du lịch, cảng biển...Trong đó việc xây dựng trạm sạc ô tô điện thông minh, tự động là bước đi quan trọng nhất trong việc hình thành nên hệ thống này. Việc kết hợp hệ thống năng lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho trạm sạc ô tô điện là một trong những bước đi đầu tiên để tiến đến sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo trong tương lai. Vì vậy việc Tính toán thiết kế hệ thống trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời tại sân bay quốc tế Đà Nẵng” để cung cấp năng lượng sạch cho ô tô điện tại sân bay quốc tế Đà Nẵng là lý do Tôi chọn đề tài này. 2. Mục tiêu nghiên cứu Từ những lý do trên, đề tài đặt ra mục tiêu chính là Tính toán thiết kế hệ thống trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời tại sân bay quốc tế Đà Nẵng” nhằm góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời và ứng dụng hệ thống xe điện tại sân bay quốc tế Đà Nẵng từ đó có thể triển khai mở rộng các dự án điện năng lượng mặt trời ở các sân bay trên cả nước. 2 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với nối lưới điện truyền tải. Phạm vi nghiên cứu + Đặc tính làm việc của trạm sạc xe điện + Các thông số cơ bản của hệ thống pin năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm sạc xe điện kết hợp nối lưới điện truyền tải. + Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời và hoạt động của trạm sạc xe điện phần mềm PV*SOL 2019 chuyên dụng. 4. Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi sân bay quốc tế Đà Nẵng, Phường Hòa Thuận Tây, Quận Hải Châu, Thành phố Đà Nẵng. 5. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý làm làm việc của hệ thống trạm sạc xe điện -Xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp cho một trạm sạc xe điện cụ thể - Mô phỏng hoạt động hệ thống pin năng lượng mặt trời và trạm sạc xe điện phần mềm PV*SOL 2019 chuyên dụng 6. Dàn n i dung chính Luận văn gồm: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về xe điện và trạm sạc xe điện Chương 2: Tính toán, thiết kế hệ thống trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời tại sân bay quốc tế Đà Nẵng Chương 3: Mô phỏng hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời và trạm sạc xe điện bằng phần mềm PV*SOL 2019 chuyên dụng Kết luận, kiến nghị 7. Tổng quan về tài liệu nghiên cứu - Các sách hướng dẫn đã được xuất bản - Các báo cáo đã được công bố trong Hội nghị khoa học, Tạp chí khoa học trong và ngoài nước, các đề tài khoa học các cấp, luận văn tiến sĩ, thạc sĩ,… của các tác giả trong và ngoài nước. - Cùng một số thông tin, tài liệu trên Internet. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN VÀ TRẠM SẠC XE ĐIỆN 1.1. Tổng quan về xe điện Xe điện (EVs) sử dụng công suất của các động cơ điện dưới dạng tích trữ điện năng trong ắc quy dùng cho hệ động lực. Những xe điện này có sẵn trong các mẫu xe điện với các phạm vi khác nhau và dung lượng được cắm vào nguồn điện để nạp điện lại. Hiện nay có bốn loại xe điện chính (EV- Electric Vehicles): xe điện lai (HEV Hybrid Electric Vehicles ), xe hybrid lai (PHEV - Plug-in Hybrids Electric Vehicles), xe điện chạy bằng pin (BEV - Battery Electric Vehicles) và các loại xe điện có tầm hoạt động xa (EREV - Ex tended Range 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 hai động cơ: động cơ đốt trong và động cơ điện. Pin dự trữ của chúng nói chung có dung lượng thấp, làm giới hạn đáng kể phạm vi và tốc độ tối đa của chúng trong chế độ chạy bằng động cơ điện. Chúng cũng không thể tái nạp năng lượng điện được từ lưới điện. Ví dụ: xe Toyota Prius và Honda CR-Z. 1.1.2. Xe điện hỗn hợp (PHEV - Plug-in Hybrids Electric Vehicles) PHEVs là dòng xe điện lai ghép có thể được kết nối vào lưới điện để sạc pin. Nói chung, chúng có một loại pin dung lượng trung bình cho phép chiếc xe, ở chế độ vận hành hoàn toàn bằng điện, có thể chạy được quãng đường hàng chục cây số, có gia tốc và tốc độ tối đa tương đương với các loại xe chạy bằng xăng hiện nay trên thị trường. Ví dụ: các xe Chevrolet Volt (thường được phân loại là EREV), Ford C-Max và Fusion Energi, Cadillac ELR và Toyota Prius PHEV. 1.1.3. Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin (BEV - Battery Electric Vehicles) BEV 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. Tùy thuộc vào dung lượng pin, chúng có tầm hoạt động từ 100 đến 400 km. 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. Ví dụ: các dòng xe Nissan LEAF, Mitsubishi i-MiEV, Tesla Mẫu S và Kia Soul EV. 1.1.4. Xe điện có tầm xa hoạt động xa (EREV - Ex tended Range Electric Vehicles) EREVs là xe điện chạy bằng pin và được trang bị máy phát điện nội bộ, tạo ra năng lượng đủ để xe có thể di chuyển đến trạm sạc gần nhất khi pin đã cạn.Ví dụ: dòng xe BMW i3. 4 Hình 1.1. Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin và xe điện hỗn hợp [1-4] 1.2. Các chế đ sạc cho trạm sạc xe điện Việc sạc lại các EV được thực hiện thông qua kết nối với thiết bị sạc xe điện, cũng được gọi là thiết bị cung cấp cho xe điện (EVSE) [1-4].Đây là một hệ thống bảo vệ kết nối giữa xe và các chức năng giám sát đảm bảo an toàn điện khi sạc điện. Trong khi bộ sạc” thực tế được lắp trong xe, thiết bị thường được gọi là trạm sạc điện hoặc EVSE là thiết bị điều khiển, dẫn đường và giám sát kết nối xe với lưới điện. Hình 1.2 là sơ đồ của dòng điện sạc từ lưới điện, thông qua EVSE (được tô màu cam) và kết nối vào xe thông qua ổ cắm theo tiêu chuẩn công nghiệp (J1772) [1-4].Với dòng điện xoay chiều (AC) EVSE, bộ sạc điện tử công suất trong xe sẽ biến đổi nguồn xoay chiều AC được cung cấp bởi EVSE thành dòng điện một chiều (DC) để tích điện trong ắc quy. Loại sạc nhanh DC EVSE cung cấp điện áp cao (thường trên 400 V) nạp trực tiếp vào thẳng hệ thống ắc quy của xe điện. Với các tính năng an toàn EVSE tích hợp cho tất cả các loại xe mới và thiết bị sạc, EVs có thể hoạt động và sạc lại trong mọi điều kiện trong nhà/ngoài trời, như mưa, tuyết, nhiệt độ thấp và các mô trường khắc nghiệt. 5 Hình 1.2. Sơ đồ của dòng điện sạc từ lưới điện 120V AC hoặc 208/240V AC [1-4] Tiêu chuẩn SAE J1772 hiện tại định nghĩa có sáu mức sạc cho xe điện. Tuy nhiên, phổ biến nhất là ba mức sạc hiện đang được sử dụng rộng rãi cho xe điện (xem Bảng 2.1) [1-3]. Cấp 1 hoạt động ở mức 120 VAC, trong khi Cấp 2 sử dụng 208 hoặc 240 V AC và việc sạc nhanh đòi hỏi 200 đến 450 VDC. Mặc dù mức sạc ở cấp 3 có ưu điểm nổi trội về thời gian sạc rất nhanh, nhưng nó không thật sự chính xác và ít được đề nghị sử dụng trong các trạm sạc xe điện. Tiêu chuẩn duy nhất mà hiện đang đưa ra chi tiết cho mức sạc nhanh là CHAdeMO và SAE J1772 Combo [1-3]. Song song với tiêu chuẩn đó, Tesla đã phát triển thành công hệ thống sạc nhanh sử dụng dòng điện điện một chiều ,"Supercharger", chỉ có thể được sử dụng bởi các xe của hãng Teslas. Bảng 1.1. Tổng quan các mức sạc trong trạm sạc xe điện. [1-3] Level 1 Điện áp sạc Loại dòng Công suất hữu dụng Công suất tối đa đầu ra Thời gian sạc Level 2 200 đến 450 V DC 50 kW 150 kW 20 min J1772 Combo, Đầu kết nối sạc J1772 J1772 CHAdeMOvà Sạc siêu nhanh a. Thời gian cần thiết để việc sạc hoàn thành, lên tới 16kWh. b. Thời gian sạc cần thiết để việc sạc hoàn thành 80%, lên tới12kWh. Ở mức sạc nhanh, không thể sạc đầy tải. 1.2.1. Sạc ở Cấp 1 – 120V AC Tất cả các dòng xe điện đều được trang bị bộ sạc ở Cấp 1 , có thể được cắm vào ổ cắm điện thông thường (CSA 5-15R *) [1-3]. Điều này có ưu điểm là không đòi hỏi bất kỳ cài đặt nào thêm hoặc chi phí liên quan đến kết nối bộ sạc ở mức1. Bộ sạc ở mức 1 120-AC được tìm thấy ở trong tất cả các dòng xe điện hiện tại . 120 V AC 1.4 kW 1.9 kW 12 h 208 hoặc 240 V AC 7.2 kW 19.2 kW 3h Sạc nhanh 6 Bảng 2.2 cho thấy thời gian sạc bằng bộ sạc Cấp 1 dựa trên quãng đường mà xe điện di chuyển [1-3]. Chúng được dựa trên mức tiêu thụ trung bình của các dòng xe điện phổ biến nhất ở trên thế giới vào năm 2015. Điện năng tiêu thụ kWh/ 1 Km thay đổi tùy theo điều kiện phương tiện, điều kiện đường xá và số lượng điều hòa không khí được sử dụng trong khi di chuyển.Thời gian sạc là một khải niệm của năng lượng tiêu thụ bởi xe điện kể từ lần nạp đầy cuối cùng. Tuy nhiên, việc sạc điện có thể bị gián đoạn bất cứ lúc nào do người sử dụng xe điện cần sử dụng xe. Bảng 1.2. Thời gian sạc tính trên quãng đường di chuyển ở Sạc cấp 1.(b) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc dòng điện sạc bé hơn 12Ayêu cầu thời gian sạc dài hơn. [1-3] Quãng Năng lượng tiêu Công suất tối Thời gian sạc đường di thụ trung bình thiểu của trạm (h) chuyển (km) (kWh) sạc (kW) 12A Dòng điện 25 5.2 4 1.4 sạc ở điện áp 50 10.4 8 120VAC 100 20.7 15 1.2.2. Sạc ở Cấp 2 – 208 VAC đến 240 VAC Thời gian sạc ở các trạm sạc Cấp 2 có thể bị giới hạn bởi các thông số kỹ thuật của bộ sạc trên xe và trạng thái của pin, bất kể công suất định mức của trạm sạc là bao nhiêu. Trong tương lai gần, công suất sạc dự kiến sẽ tăng lên. Chẳng hạn, Tesla đã cung cấp bộ sạc 10 kW và 20 kW. Ngược lại, thời gian sạc EV cũng có thể bị giới hạn bởi mức công suất của trạm sạc (xem Bảng 1.3) [1-3]. 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. Loại hình trạm sạc Quãng đường di Năng lượng tiêu Công suất của Thời gian chuyển (km) thụ dự kiến (kWh) trạm sạc(kW) sạc (h) Trạm sạc 15A 25 5.2 240VAC, CB- 20A 50 10.4 100 20.7 6.0 25 50 5.2 10.4 0.75 1.5 100 20.7 Trạm sạc 30A 240VAC, CB-40A 1.5 3.6 7.2 3.0 3.0 7 Hình 1.3. Sơ đồ sạc ở cấp 2 1.2.3. Sạc ở Cấp 3 – 200 VDC đến 450 VDC Sạc nhanh ở cấp 3 được quy định bởi tiêu chuẩn Bắc Âu SAE J1772 Combo và tiêu chuẩn JEVS G105-1993 * của Nhật Bản [1-3]. Các trạm sạc nhanh ở cấp 3 thường hỗ trợ bởi cả hai tiêu chuẩn trên. Tất cả các nhà sản xuất ô tô tuân thủ một trong các tiêu chuẩn này, ngoại trừ Tesla, Tesla đã phát triển một trạm sạc nhanh vớihiệu năng cao hơn, nhưng yêu cầu sử dụng một bộ chuyển đổi CHAdeMO như là một lựa chọn tất yếu. Cấu hình của phích sạc và ổ cắm của xe điện và giao thức truyền thông giữa trạm sạc và xe điện khác nhau giữa các tiêu chuẩn hiện hành, nhưng các nguyên tắc cơ bản là như nhau. Ví dụ, cả hai đều có cấu tạo hai chân (chân dương và âm), một chân đung để nối đất, một chân dùng để phát hiện sự hiện diện của đầu nối trong ổ cắm và một chân để giao tiếp với trạm sạc. Trạm sạc sử dụng một thiết bị dùng để quản lý dòng điện được sạc vào xe điện, nó cần phải biết được các thông số của pin, Giao thức truyền thông xử lý việc chia sẻ 8 dữ liệu về dải điện áp và năng lượng dự trữ của pin, cho phép trạm sạc xe điện cung cấp điện áp sạc và dòng điện chính xác cho pin của xe điện cần được sạc. Công suất sạc tối đa theo tiêu chuẩn CHAdeMO là 2 kW (dòng điện 125 A ở mức điện áp 500 VDC), trong khi tiêu chuẩn J1772 Combo đặt công suất cực đại là 100 kW (dòng điện 200 A ở điện áp 500 VDC) [1-3]. Trên thực tế, rất ít pin hỗ trợ 500 VDC, và các trạm sạc thường được trang bị cả hai đầu nối tiêu chuẩn và giới hạn công suất định mức đến 50 kW.3 Ngược lại, các trạm Supercharger Tesla được đánh giá là 120 kW, và nhà sản xuất Tesla đã tuyên bố thậm chí sẽ còn nâng cao hơn 120kV trong tương lai gần. Vì hầu hết các loại pin EV có điện áp định mức khoảng 350 V, chúng không thể tận dụng tối đa công suất của các trạm sạc nhanh. Do đó,để tận dụng tối đa công suất này, việc quy định công suất định mức định mức của trạm sạc ở 40kW được đưa ra như là một tiêu chuẩn để thiết kế. Bảng 4 cho biết thời gian để sạc pin với khoảng cách 100 km tương ứng với 80% công suất sạc đầy đủ của xe điện. Hình 1.4. Sơ đồ sạc nhanh DC ở cấp 3 9 Bảng 1.4. Thời gian sạc và công suất sạc tương ứng với quãng đường di chuyển ở cấp 3 – Sạc nhanh. (a) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc. [1-3] Quãng đường di Công suất tiêu thụ Công suất định mực Thời gian sạc yêu chuyển (km) (kWh) trạm sạc (kW) cầu (min) 25 5.2 50 10.4 75 15.6 8 40 16 25 Hình 1.5. Biểu đồ khoảng cách di chuyển xe điện tăng theo sau mỗi giờ sạc [4] 1.3. Trạm sạc xe điện Thông tin chung Một trạm sạc xe điện, còn gọi là trạm sạc EV là một phần tử trong một cơ sở hạ tầng cung cấp năng lượng điện cho xe điện, chẳng hạn như cắm vào xe điện, bao gồm cả xe ô tô điện, khu xe điện. Như vào xe điện và pin sở hữu chiếc xe điện được mở rộng, có một nhu cầu ngày càng tăng đối với các trạm sạc công cộng rộng rãi, một số trong đó hỗ trợ sạc nhanh hơn ở điện áp cao hơn và dài hơn là có sẵn từ EVSEs dân cư. Nhiều Charger là phương tiện sử dụng trên đường của các công ty cung cấp điện hoặc đặt tại các trung tâm mua sắm bán lẻ và điều hành bởi nhiều công ty tư nhân. Các Charger cung cấp một hoặc một loạt các nhiệm vụ nặng nề hoặc kết nối đặc biệt mà phù hợp với sự đa dạng của các tiêu chuẩn kết nối sạc điện. 10 Hình 1.6. Trạm sạc xe điện đơn và đôi. Một trạm sạc xe điện thường ở dạng kết nối trực tiếp với bảng phân phối điện, hoặc đôi khi với chỉ với ổ cắm điện. Nó có một hoặc nhiều cáp sạc được trang bị đầu nối tương tự như vòi bơm xăng và được sử dụng theo cách tương tự như vậy.Chỉ cần kết nối với ổ cắm điện của xe điện để sạc pin. Trạm có đèn báo hiệu xe điện đã được kết nối và sạc. Nó cũng có thể có một nút để bắt đầu hoặc ngừng việc sạc pin. Một số có các tính năng bổ sung: đồng hồ đo năng lượng, hệ thống thanh toán điện tử, hệ thống truy cập thẻ kiểm soát, truy cập Internet, vv. 1.3.1. Thiết bị đảm bảo an toàn trong trạm sạc xe điện Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng, tất cả các trạm sạc được trang bị một máy dò lỗi chạm đất để giảm nguy cơ điện giật. Người sử dụng không bao giờ tiếp xúc với điện áp hoặc dòng điện nguy hiểm, vì các chân nối không được bật điện cho đến khi đầu nối được lắp đúng cách trong ổ cắm điện của xe điện và thông tin liên lạc đã được thiết lập giữa xe điện và trạm sạc. Ngoài ra, đầu nối được đóng kín để bảo vệ các thành phần kết nối khỏi thời tiết bên ngoài . Cuối cùng, một cơ chế khóa (chốt) ngăn ngừa tình trạng ngắt quãng kết nối từ việc vô tình kéo dây sạc. Một số trạm sạc được trang bị cơ chế tắt khẩn cấp , nhưng điều này không phải là yêu cầu bắt buộc của tiêu chuẩn quy định vì nó không thể thay thế hoàn toàn chức năng của một công tắc ngắt kết nối, mà cũng không thể khởi động lại việc sạc bị ngắt quãng trong trường hợp xảy ra sự cố. Công suất đầu ra của trạm sạc quy định loại công tắc ngắt kết nối nào được lựa chọn. 1.3.2. Tiêu chuẩn chứng nhận thiết bị điện Giống như tất cả các thiết bị điện khác, các thiết bị trong trạm sạc xe điện phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn, chẳng hạn như các tiêu chuẩn ANSI/UL 2202 – Tiêu chuẩn của các thiết bị trong trạm sạc xe điện”và CSA-C22.2 No. 107.1- Nguồn Cung Cấp Điện Sử Dụng cho trạm sạc xe điện"[1-3]. Ngoài ra, cáp điện, các đầu nối, máy dò lỗi chạm đất và toàn bộ thiết bị khác trong trạm sạc xe điện phải tuân thủ tất cả các thông tin kỹ thuật (TIL- Technical Information Letters) do CSA công bố, bao gồm: 11 TIL J-39 - Dây điện phân phối trong trong trạm sạc xe điện TIL A-35 – Dây điện phân phối và cung cấp nguồn trong trạm sạc xe điện TIL A-34 - Đầu nối cấp nguồn / bộ ghép nối cấp nguồn trong trạm sạc xe điện TIL D-33 – Thiết bị ngăn chặn và phát hiện chạm đất (GFCI - Ground fault circuit interrupter ) TIL I-44 - Chứng nhận thiết bị được cung cấp trong trạm sạc xe điện Đây vẫn là các tiêu chuẩn tạm thời tại thời điểm hiện tại . 1.4. Tiêu chuẩn thiết kế Hiện tại, tất cả các trạm sạc xe điện thương mại đều cung cấp điện cho xe điện cần sạc bằng cách truyền thống, nghĩa là điện được truyền qua các dây dẫn.. Các trạm sạc xe điện được thiết kế bởi tiêu chuẩn SAE J1772. Các tiêu chuẩn do SAE quốc tế công bố, mặc dù được áp dụng dựa trên sự tự nguyện, nhưng thường các nhà thiết kế đều chấp nhận tiêu chuẩn hóa trạm sạc của họ theo tiêu chuẩn trên - trên thực tế, tất cả các xe điện, trừ của hãng Teslas, đều có ổ cắm sạc SAE J1772. Tiêu chuẩn này bao gồm việc sạc bằng dòng AC cũng như sạc bằng dòng DC cùng chung một thiết bị gắn trên xe. Một tiêu chuẩn nữa cho trạm sạc xe đuện là CHAdeMO, chỉ áp dụng cho trạm sạc nhanh. Trong khi có nhiều loại loại trạm sạc xe điện khác nhau , Đề tài này chỉ thảo luận về hai tiêu chuẩn và mô tả ngắn gọn các trạm sạc nhanh của hãng Tesla (Tesla Supercharger). 1.4.1. Chuẩn SAE J1772 - sạc bằng dòng xoay chiều - AC Thực tế, sạc ở cấp 1 không yêu cầu một trạm sạc đặc biệt. Nó sử dụng cáp điện sử dụng cho sạc ở Cấp 1, giống như dây cáp điện máy tính xách tay loại lớn và phích cắm vào ổ cắm chuẩn 120 V (CSA 5-15R) [1-3]. Nếu ổ cắm đó được dành riêng cho việc sạc xe điện, nó phải được cung cấp bởi mạch nhánh 20-A (Dòng điện tối đa là 20A). Sạc ở mức 2 yêu cầu một trạm sạc cố định được cung cấp bởi một mạch nhánh 208-VAC hoặc 240-VAC chuyên dụng. Tất cả các xe điện bán ở Bắc Mỹ và trên thế giới đều được trang bị ổ cắm điện chuẩn J1772, ngoại trừ Teslas, cần có bộ chuyển đổi thích hợp. Bảng 1.5. Tóm tắt các đặc tính của các thiết bị cấp 1 120V AC và cấp 2 208-VAC hoặc 240-VAC ở Bắc Mỹ. [1-3] Cấp Điện áp m t pha(VAC) Dòng điện tối đa (A) 1 1 2 1 120 208 hoặc 240 CB bảo vệ quá dòng (A) 12 16 15 20 Lên đến hơn 80 Hơn 100 12 1.4.1.1. Yêu cầu chủa chuẩn SAE J1772 Tiêu chuẩn SAE J1772 yêu cầu đối với các bộ ghép sạc của xe điện phải phù hợp để kết nối và đảm bảo giao thức truyền thông của trạm sạc xe điện và xe điện phải đồng bộ với nhau. Các tiêu chuẩn thiết kế cho hệ thống điện trong trạm sạc xe điện chủ yếu dựa trên các tiêu chuẩn NEC 625, UL 2231 và UL 2594[1-3]. Tiêu chuẩn SAE J1772 cũng yêu cầu bảo vệ nguy cơ bị điện giật, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng. 1.4.1.2. Hoạt động của một trạm sạc xe điện sử dụng tiêu chuẩn SAE J1772 Khi đầu nối dùng để sạc nằm trong vỏ bọc trên trạm, cả đầu nối và dây cáp đều không hoạt động và không thể được kích hoạt. Khi nó được đưa vào ổ cắm của xe điệ kết nối được phát hiện bởi trạm sạc, trạm sạc sẽ cung cấp dòng điện tối đa mà nó có thể cung cấp tới xe điện. Xe điện điện gửi một tín hiệu phản hồi cho trạm sạc xe điện rằng nó đã sẵn sàng để sạc. Sau khi đã được đồng bộ, đầu nối và cáp được kích hoạt và bắt đầu việc sạc điện. Việc sạc điện được quản lý bởi cả bộ sạc trên xe điện và máy tính hoặc bộ quản lý phân phối dòng điện đặt trong trạm sạc. Hình 1.7. Chi tiết dầu kết nối sạc J1772[1-3]. Hình 1.8. Chi tiết của ổ cắm sạc trên xe điện - J1772[1-3].