Case Study kiểm tra hiệu suất tiêu hao năng lượng của xe điện

Xe điện là một trong những ngành công nghiệp đang phát triển mạnh mẽ ở nước ta nhiều năm trở lại đây một loạt cái tên lớn nổi lên như Vinfast, Datbike, Pega… Tuy nhiên, việc kiểm tra hiệu suất hoạt động thực tế của xe điện còn gặp một số khó khăn do chưa đủ thời gian kiểm tra 

Trong bài viết này, hãy cùng Lidinco tìm hiểu về một số quy trình thử nghiệm mức tiêu thụ năng lượng đang được sử dụng trên thế giới, cũng như các thiết bị và phép đo để thực hiện điều này

Bài test ứng dụng cho các loại xe điện hai bánh như

• Xe máy điện
• Xe đạp điện
• Mô tô điện

Một số tiêu chuẩn được sử dụng để đánh giá xe điện

• NEDC (New European Driving Cycle)
• WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Procedure), 
• WMTC (World Motorcycle Test Cycle)

Tuy nhiên, các tiêu chuẩn này không hoàn toàn phù hợp để đo mức tiêu thụ năng lượng thực sự của xe điện. Vì các tiêu chuẩn này thường chỉ được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chưa thực nghiệm bên ngoài khi vận hành nên không thể đánh giá một cách chính xác mức tiêu thụ điện năng của xe điện

Chu trình thử nghiệm xe điện tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn kiểm tra NEDC đã có từ những năm 1980 và chỉ có những thay đổi nhỏ trong nhiều năm qua. Điều này khiến quy trình NEDC trở nên lỗi thời. Điều này chủ yếu xảy ra do những tiến bộ nhanh chóng được tạo ra trong công nghệ ô tô. Các phương tiện trở nên nhẹ hơn và nhanh hơn trong những năm qua khiến tiêu chuẩn này không có những chỉnh sửa hợp lý

Do sự lỗi thời của NEDC, các nhà khoa học đã quyết định tích hợp một quy trình thử nghiệm mới là WLPT. Nó nhằm mục đích cung cấp các số liệu thực tế hơn so với số liệu của NEDC, giúp  tái tạo gần hơn các bài kiểm tra lái xe thực tế trong phòng thí nghiệm

Quy trình thử nghiệm này đã được thảo luận trong một thời gian dài, cụ thể hơn là từ năm 2008 và dự kiến ​​sẽ được thực hiện vào năm 2023. Điều này đã không xảy ra vì vụ bê bối cổng động cơ diesel đã đẩy nhanh quá trình này lên một chút. Do vụ bê bối, các cơ quan quản lý đã quyết định rằng quy trình thử nghiệm nà y sẽ trở thành bắt buộc tại Liên minh Châu  u kể từ ngày 1 tháng 9 năm 2018. 

Tuy nhiên, cả NEDC và WLPT ra đời sau đều không khắc phục được một điểm yếu, đó là nó thực hiện trong phòng thí nghiệm trong các điều kiện xác định trước. 

Chỉ có một số thay đổi nhỏ giữa WLTP và NEDC có thể kể đến như:

• WLTP thực hiện mức tăng tốc và giảm tốc cao hơn, tốc độ lái xe trung bình cũng như tốc độ lái xe tối đa cũng được tăng lên. 
• Chuyển số cũng được thay đổi từ quy trình chuyển số theo điểm định sẵn sang kiểu chuyển số ngẫu nhiên hơn. Số chu kỳ lái xe đã tăng từ 3 trong NEDC lên 5 trong WLTP.

Tuy nhiên bạn cũng nên biết rằng, các bài kiểm tra tiêu chuẩn này được sử dụng với mục đích phổ biến và cần được thực hiện trên toàn thế giới. Nhưng thực tế không phải vy,. có những quốc gia bên ngoài Liên minh Châu  u vẫn sử dụng NEDC để kiểm tra các quy trình lái xe được tiêu chuẩn hóa, cũng như một số quốc gia khác vẫn có những tiêu chuẩn kiểm định riêng

Tương tự với tiêu chuẩn WLPT, có sự khác biệt trong phương thức kiểm tra WLPT ở các quốc gia khác nhau, nó cũng được điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu cụ thể của từng quốc gia. Có thể là tốc độ trung bình thấp hơn, nhiệt độ khác nhau đã được tính toán lại để giải thích cho nhiệt độ trung bình thấp hơn hoặc cao tùy thuộc vào nhu cầu kiểm nghiệm của từng quốc gia

Tương tự như hai bài kiểm tra được mô tả ở trên, WMTC đã được thực hiện cho xe máy. Những bài kiểm tra này cũng được phát triển để chuẩn hóa mức tiêu thụ và phạm vi của xe máy. Các thử nghiệm này cũng chỉ được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên băng thử lăn. 

Vì thử nghiệm này được coi là một tiêu chuẩn toàn cầu nên nó không tính đến sự khác biệt trong các điều kiện thử nghiệm xung quanh như

• Nhiệt độ
• Yếu tố mặt đường
• Độ cao
• Hành vi của người lái xe
• Một loạt các khía cạnh khác phải được tính đến để thể hiện một bài kiểm tra lái xe thực tế. 

Vì mức tiêu thụ năng lượng của một chiếc xe điện phụ thuộc vào một loạt các yếu tố như đã đề cập bên trên và những điều này rất khó để mô phỏng trong phòng thí nghiệm, các điều kiện trong thế giới thực rất khác nhau và có thể thay đổi nhanh chóng. Hiệu suất tiêu thụ năng lượng của xe điện lại thay đổi rất khác biệt so với các động cơ đẩy khác, gây ảnh hưởng đến khả năng chạy của xe / một lần sạc nên cần tính toán kỹ lưỡng

Câu hỏi về khoảng cách chạy của xe điện thực sự rất quan trọng vì ở một số quốc gia các trạm sạc xe điện chưa được lắp đặt rộng rãi. Do đó, để đánh giá tất cả các thông số cần thiết để cung cấp một kiểm tra lái xe điện thực tế có để xác định hiệu suất xe là một nhiệm vụ khó khăn. 

Để thực hiện phép đo hiệu suất sử dụng điện của xe điện, bạn cần phải có một loạt thiết bị thu thập dữ liệu. Chúng ta cần phải thực hiện đo nhiều tín hiệu khác nhau cần thiết cho kết quả thử nghiệm cụ thể. Nhiều thiết bị hơn có nghĩa là tăng trọng lượng, cáp và yêu cầu không gian lắp đặt hơn. Điều này đặc biệt khó khăn nhất là trên xe điện, một phương tiện có thiết kế nhỏ, không gian hạn chế.

Phần mềm và phần cứng cần thiết để kiểm tra xe máy điện

• Về mặt phần cứng: thiết bị đo phải phù hợp với môi trường làm việc điện áp cao và có thể chịu được môi trường khắc nghiệt , cũng như đủ nhỏ gọn để thực hiện các bài kiểm tra lái xe thực tế. 
• Về phía phần mềm: cần phải thu thập dữ liệu và đồng bộ nhiều phép đo khác nhau như tín hiệu điện, cơ học, GPS, độ rung hoặc video trong số các tín hiệu khác. Sau đó, phần mềm cũng cần khả năng xử lý dữ liệu mạnh mẽ cả trong quá trình đo và xử lý hậu kỳ để sử dụng toàn bộ dữ liệu thô thu thập được

Tầm quan trọng của ứng dụng

Đo lường xe điện trong điều kiện lái xe thực tế là phép thử nghiệm ngày càng trở nên phổ biến và đòi hỏi một hệ thống đo lường di động và cực kỳ mạnh mẽ. Dẫn đến điều này chủ yếu là do các chu kỳ lái xe mô phỏng trong phòng thử nghiệm không thể thay thế dữ liệu đo từ các bài lái xe thực tế. Để thực hiện các loại phép đo này trên các dòng xe 2 bánh chạy điện, cần có một hệ thống đo cực kỳ nhỏ gọn do hạn chế về không gian cài đặt thiết bị

Hệ thống đo lường cũng cần có khả năng cấp nguồn trực tiếp cho các cảm biến đo được gắn trên xe nên cần phải có thiết bị phù hợp. 

(Vui lòng liên hệ cho Lidinco để được tư vấn theo)

Mô - đun phân tích công suất hỗ trợ phép đo bất kỳ loại động cơ điện nào (1-12 pha) cũng như phép đo biến tần (DC-AC, AC-AC, DC-DC với tần số chuyển đổi lên đến khoảng 100 kHz). 

Pin có thể được xem là trung tâm của phép đo hiệu suất dùng năng lượng của xe điện, đây là thành phần trung tâm trong hệ thống truyền động điện ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu suất và khoảng cách di chuyển của xe điện. Do đó, các thử nghiệm mở rộng với pin là cần thiết, bắt đầu từ các đặc điểm của tế bào cho đến hiệu suất hệ thống truyền động hoàn chỉnh .

Có nhiều yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng của xe điện. Những ảnh hưởng này có thể là các điều kiện xung quanh như nhiệt độ, thời tiết, chất lượng đường hoặc các tình huống lái xe khác nhau (lên dốc, xuống dốc, trong thành phố, đường bộ hoặc lái xe kết hợp) hoặc các kiểu lái xe khác nhau của từng người lái xe. 

Với bộ thiết bị phân tích năng lượng phù hợp, bạn có thể đo năng lượng và thực hiện phân tích năng lượng xem xét tất cả những ảnh hưởng này trong quá trình kiểm tra truyền động thực tế, thường là liên quan đến động cơ điện và bộ biến tần

Phép đo truyền động thực

Đối với phép đo này, bạn cần chọn thiết bị thu thập dữ liệu DAQ tốc độ cao đã được chọn, thiết bị cần có tốc độ lấy mẫu tương đương 1 MS/s và băng thông 2 MHz . Ngoài ra, một bộ pin hoàn chỉnh với pin có thể thay thế nóng đã được sử dụng để cấp nguồn cho tất cả các thiết bị đo lường bao gồm cả các cảm biến. Nhưng bạn cũng cần có nguồn điện phụ từ chính xe điện thử nghiệm cấp để đảm bảo rằng phép đo được tiến hành không gián đoạn

Bộ DAQ được chọn cho phép đo nên có 4 x bộ khuếch đại tín hiệu điện áp cao và 4 x điện áp thấp, để đảm bảo rằng có thể đo đồng thời động cơ 3 pha và hệ thống phân phối điện (pin lithium-ion). 

Điện áp dòng điện xoay chiều (AC) được đo bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi, đối với phép đo dòng điện bạn có thể họn que đo kẹp dòng có dải đo phù hợp

Để đảm bảo rằng phép đo toàn diện nhất có thể, bạn có thể chọn thêm một DAQ thứ hai hoạt động biệt lập, mô-đun này được trang bị cảm biến gia tốc, cảm biến RPM. Để thu thập và lưu trữ dữ liệu thực tế, bạn cần một máy tính nhỏ gọn có cấu hình mạnh mẽ, tích hợp với ổ cứng SSD để có tốc độ lưu trữ dữ liệu đo nhanh hơn

Sơ đồ kết nối phép đo

Một đơn vị đo quán tính (IMU) bao gồm bộ thu GPS ( DS-IMU1 ) và một webcam được kết nối với máy tính xử lý. Ba bộ thư thập DAQ được kết nối với nhau bằng cáp đồng bộ đảm bảo các phép đo và thu thập dữ liệu đồng bộ tuyệt đối bất kể tín hiệu được đo.

(Tổng quan về thiết lập đo lường Hình 1: Tổng quan về thiết lập phép đo.)

Thiết bị đo lường và thiết lập

Toàn bộ hệ thống thu thập dữ liệu tích hợp bao gồm các thiết bị và phần mềm sau:

• Hệ thống thu thập dữ liệu
• DAQ tiêu chuẩn đo điện
• DAQ tùy chỉnh đo gia tốc, RPM
• Máy tính trạm thu dữ liệu
• Bộ Pin DS BP2i

Cảm biến và đầu dò

• Kẹp đo dòng điện
• Adaptor hình sao
• DS-IMU1
• Cảm biến gia tốc
• Cảm biến RPM
• USB - Camera

Phần mềm DAQ

• Phần mềm điều khiển DAQ phù hợp
• Phần mềm phần tích công suất (Option)
• Phần mềm nâng cấp DSA

Kết quả đo lường

Các phần mềm mạnh mẽ được phát triển bởi các công ty chuyên phát triển phần mềm đo lường hiện nay như NI, Dewe… Cung cấp cho bạn một gói giải pháp hoàn hảo về phân tích công suất điện trong mọi tình huống, là kết hợp của nhiều thiết bị như

• Máy phân tích điện
• Máy phân tích quang phổ
• Máy hiện sóng
• Màn hình kỹ thuật số
• Bộ ghi dữ liệu 

Màn hình đo kiểm tra ổ đĩa thực bên trong phần mềm Dewesoft X DAQHình 3: Màn hình đo kiểm tra ổ đĩa thực bên trong phần mềm Dewesoft X DAQ.

Các bài kiểm tra hiệu suất sử dụng điện của xe điện

• Recoder: cửa sổ đầu ghi ở trên cùng bên trái của hình ảnh hiển thị Dòng điện (màu cam) và Tần số (Đỏ) trong quá trình lái thử nghiệm thực tế
• Dao động: Hình ảnh trực quan của dao động ở trên cùng bên phải hiển thị ba điện áp động cơ AC (đỏ tươi, xanh lá cây, xanh ngọc). Thu phóng xa hơn cho phép phân tích từng xung của tín hiệu điều chế PWM riêng lẻ.
• FFT: Biểu đồ FFT ở phía dưới bên phải của hình ảnh hiển thị FFT cho điện áp và dòng điện của động cơ. Có thể dễ dàng nhìn thấy tần số chuyển đổi cũng như các thành phần sóng hài và sự dịch chuyển của tần số cơ bản.
• GPS: Biểu đồ ở giữa dưới cùng của hình ảnh mô tả thông tin GPS của quá trình lái thử.
• Vectorscope: Trong vectorscope, Điện áp và Dòng điện được hiển thị tùy thuộc vào góc pha của chúng. Hơn nữa, thư viện toán học trong phần mềm cho phép tính toán các hệ số hiệu quả, tỷ lệ thu hồi, v.v. trong quá trình đo thực tế.
• Đồng hồ đo kỹ thuật số: Việc tính toán năng lượng tổng, năng lượng dương hoặc âm được phần mềm tự động thực hiện và cho phép phân tích nhanh năng lượng đã sử dụng và năng lượng được phục hồi.
• Video: Việc thu thập video hoàn toàn đồng bộ cho phép phân tích chi tiết cho từng tình huống đo lường. Chức năng phát lại của phần mềm làm cho việc phân tích dễ dàng hơn.