TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 9056:2011

ISO/TR 11955:2008

PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ CHẠY ĐIỆN-HYBRID – HƯỚNG DẪN VỀ ĐO ĐỘ CÂN BẰNG ĐIỆN TÍCH

Hybrid-electric road vehicles – Guideline for charge balance measurement

Lời nói đầu

TCVN 9056:2011 hoàn toàn tương đương với ISO/TR 11955:2008.

TCVN 9056:2011 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 22 Phương tiện giao thông đường bộ biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Lời giới thiệu

...

...

...

Nghiên cứu độ chính xác yêu cầu đối với một hệ thống đo dòng điện là nhiệm vụ phức tạp do thực tế là ảnh hưởng của sai số đo dòng điện đối với độ chính xác của thử nghiệm tiêu thụ nhiên liệu phụ thuộc vào cả đặc tính của xe và chu kỳ thử. Vì độ cân bằng điện tích thường thu được bằng cách lấy tích phân dòng điện của ắc quy (phần còn lại của "giá trị tích tụ của dòng điện nạp "trừ đi" giá trị tích tụ của dòng điện phóng điện") và vì dòng điện của ắc quy gồm có dòng điện nạp gián đoạn rất lớn, dòng điện phóng điện gián đoạn rất lớn và dòng điện nhỏ với khoảng thời gian dài cho nên cần đặc biệt chú ý tới điều khiển tính ổn định của dòng điện một chiều trong hệ thống đo dòng điện để giữ được độ chính xác yêu cầu.

Khi xem xét các cơ sở nêu trên, tiêu chuẩn này mô tả các hướng dẫn chi tiết về các phương pháp đo. độ cân bằng điện tích (bao gồm cả các yêu cầu về các hệ thống đo dòng điện) để đáp ứng toàn bộ độ chính xác yêu cầu được quy định trong ISO 23274.

PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ CHẠY ĐIỆN-HYBRID – HƯỚNG DẪN VỀ ĐO ĐỘ CÂN BẰNG ĐIỆN TÍCH

Hybrid - electric road vehicles - Guideline for charge balance measurement

1 Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định các quy trình đo độ cân bằng điện tích để bảo đảm độ chính xác cần thiết và thích hợp của thử nghiệm tiêu thụ nhiên liệu trên các xe chạy điện-hybrid (HEV) có ắc quy được tiến hành dựa trên ISO 23274 (xem Thư mục tài liệu tham khảo).

2 Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:

...

...

...

Độ cân bằng điện tích (charge balance)

(của một ắc quy) độ thay đổi điện tích trong một ắc quy trong khoảng thời gian thử

CHÚ THÍCH: Độ cân bằng điện tích thường được biểu thị bằng ampe-giờ.

2.2

Độ cân bằng năng lượng (energy balance) (của một ắc quy) độ thay đổi năng lượng trong một ắc quy trong khoảng thời gian thử

CHÚ THÍCH 1: Độ cân bằng năng lượng thường được biểu thị bằng Watt - giờ

CHÚ THÍCH 2: Để sử dụng trong thực tế, đã đưa ra định nghĩa gần đúng sau "độ cân bằng điện tích của ắc quy nhân với điện áp danh định, thường được biểu thị bằng Wh (ISO 23274)".

2.3

Hiệu suất năng lượng (energy efficiency, Wh efficiency)

...

...

...

2.4

Hiệu suất culông (coulomb efficiency, Ah efficiency)

Hiệu suất của ắc quy dựa trên điện năng (tính bằng culông) đối với một quy trình nạp/phóng điện quy định, được biểu thị bằng điện năng đầu ra chia cho điện năng đầu vào.

3 Đại cương về sai số trong thử nghiệm tiêu thụ nhiên liệu của xe chạy điện-hybrid (HEV)

Như đã chỉ dẫn trên Hình 1, mối quan hệ giữa tiêu thụ nhiên liệu và độ cân bằng điện tích được đánh giá bằng phương pháp hồi quy tuyến tính khi sử dụng các kết quả thử trong thử nghiệm lái xe theo lịch trình, để có được kết quả về mức tiêu thụ nhiên liệu. Đường hồi quy bị phân tán bởi các sai số do các yếu tố khác nhau gây ra. Các yếu tố ảnh hưởng đến thử nghiệm tiêu thụ nhiên liệu đã được phân loại theo ba loại sau:

a) Các sai số trong khi đo tiêu thụ nhiên liệu;

b) Các sai số gây ra bởi sự mô phỏng tải trọng trên băng thử động lực học;

c) Các sai số trong khi đo độ cân bằng điện tích.

Trong khi hai loại sai số đầu tiên làm phân tán đường hồi quy theo phương thẳng đứng thì loại sai số thứ ba làm phân tán đường hồi quy theo phương nằm ngang như đã chỉ ra trên Hình 1. Như vậy, sai số thứ ba ảnh hưởng gián tiếp đến tiêu thụ nhiên liệu tương đương còn hai sai số đầu tiên ảnh hưởng trực tiếp tới tiêu thụ nhiên liệu.

...

...

...

CHÚ DẪN

X Độ cân bằng điện tích cho quãng đường đi của ắc quy, tính bằng Watt - giờ trên kilômét hoặc ampe - giờ trên kilômét.

Y Tiêu thụ nhiên liệu, tính bằng lít trên kilômét.

1 Sai số đo điện.

2 Sai số đo nhiên liệu + sai số mô phỏng tải trọng.

Hình 1 - Mối quan hệ của ba yếu tố sai số khi thử nghiệm

4 Hướng dẫn đo

4.1 Quy định chung

...

...

...

4.2 Tiêu chuẩn hóa để giảm ảnh hưởng của chu kỳ thử

Hình 2 giới thiệu mối quan hệ của tiêu thụ nhiên liệu và đặc tính DQ của một xe chạy điện-hybrid (HEV) trên thị trường trong chế độ 10-15 của Nhật bản và chương trình dẫn động băng thử động lực học cho thành phố của Hoa kỳ (U.D.D.S). Hai đường hồi quy hợp thành biểu thị các sai khác đáng kể trong các građien của chúng (nghĩa là các hệ số thứ nhất của các đường hồi quy tuyến tính). Thực tế này làm cho khó so sánh các kết quả thử đối với cùng một xe trong các chu kỳ thử khác nhau hoặc kiểm tra xem đường hồi quy của một kết quả mới có hợp lý hay không bằng cách so sánh nó với đường hồi quy tiêu chuẩn cho chu kỳ thử khác.

CHÚ DẪN:

X Độ cân bằng điện tích DQ, tính bằng ampe-giờ.

Y Tiêu thụ nhiên liệu, tính bằng lit trên kilômét.

1 U.D.D.S.

2 Chế độ 10-15.

Hình 2 - Tiêu thụ nhiên liệu - các đặc tính DQ trong hai chế độ thử

...

...

...

CHÚ DẪN:

X Độ cân bằng điện tích trên quãng đường, tính bằng ampe-giờ trên kilômét.

Y Tiêu thụ nhiên liệu, tính bằng lít trên kilômét.

1 U.D.D.S.

2 Chế độ 10-15.

Hình 3 - Tiêu thụ nhiên liệu - Độ cân bằng điện tích trên các đặc tính của quãng đường đi trong hai chế độ thử

Hình 3 giới thiệu mối quan hệ giữa tiêu thụ nhiên liệu và độ cân bằng điện tích trên các đặc tính của quãng đường đi của xe điện-hybrid (HEV) được chỉ dẫn trên Hình 2. Hai đường hồi quy cho thấy không có sự sai khác đáng kể về građien của chúng có thể đánh giá được hiệu lực của kết quả mới nhận được bằng cách so sánh nó với đường hồi quy tiêu chuẩn của một chu kỳ thử khác đối với HEV.

Để thảo luận về độ chính xác của phép đo độ cân bằng điện tích bằng cách tham chiếu độ chính xác của thử nghiệm tiêu thụ nhiên liệu, nên áp dụng phương pháp hồi quy tuyến tính cho tiêu thụ nhiên liệu như một hàm số của độ cân bằng điện tích trên quãng đường (DQ/L) hơn là một hàm số của độ cân bằng điện tích DQ.

Về mặt vật lý, có thể chỉ ra rằng tiêu thụ nhiên liệu không phải là một hàm của độ cân bằng điện tích trên quãng đường [nghĩa là độ cân bằng điện tích trong ắc quy chia cho quãng đường đi được (Ah/km)] nhưng đúng hơn nó là một hàm của độ cân bằng năng lượng trên quãng đường [độ thay đổi năng lượng trong ắc quy chia cho quãng đường đi được (Wh/km)]. Nhưng hiệu suất năng lượng của ắc quy (hiệu suất Wh) phụ thuộc vào các tải trọng và nó thay đổi theo cách động lực học tương đương với dòng điện nạp/phóng và các điều kiện của ắc quy; do đó khó có thể áp dụng phép lấy tích phân của công suất như một thang đo để làm sáng tỏ mức năng lượng trong ắc quy [nghĩa là trạng thái nạp của ắc quy (SOC)]. Trái lại, hiệu suất culông của một ắc quy thường gần với đơn vị, làm cho độ cân bằng điện tích (giá trị được lấy tích phân của dòng điện) có thông số thích hợp để làm sáng tỏ mức năng lượng của ắc quy.

...

...

...

4.3 Hướng dẫn xác định độ chính xác của hệ thống đo dòng điện theo yêu cầu của chu kỳ thử tương ứng

Như đã nêu ở trên, ảnh hưởng của độ cân bằng điện tích trên quãng đường (nghĩa là hệ số của số hạng thứ nhất của đường hồi quy tuyến tính) đến tiêu thụ nhiên liệu phụ thuộc vào các đặc tính của xe điện-hybrid (HEV) và ở gần như cùng một mức đối với các chu kỳ thử khác nhau trên cùng một HEV. Do đó, ảnh hưởng của sai số đo độ cân bằng được tính đến tiêu thụ nhiên liệu cũng phụ thuộc vào HEV được thử. Đó là, sai số cho phép đối với phép đo độ cân bằng điện tích hoặc độ chính xác yêu cầu của hệ thống đo dòng điện phải được thảo luận bằng cách tính đến các đặc tính của HEV.

Hình 4 giới thiệu mối quan hệ giữa cân bằng năng lượng của ắc quy, DEb và tiêu thụ nhiên liệu đo được [được biểu thị bằng tỷ số giữa tiêu thụ nhiên liệu đo được (FC_meas) và tiêu thụ nhiên liệu thực (FCo)]. Như đã chỉ ra trên Hình 4, thay đổi năng lượng cho phép trong ắc quy DEb đối với một sai số tiêu thụ nhiên liệu nhỏ hơn k % của tiêu thụ nhiên liệu có thể tính toán được khi sử dụng mối quan hệ giữa điện năng và năng lượng nhiên liệu tiêu thụ. Nhưng sự thảo luận dựa trên cơ sở năng lượng như vậy sẽ là vấn đề, bởi vì cần sử dụng một phép tính gần đúng để tính toán thay đổi năng lượng trong ắc quy và một phép biến đổi để đánh giá hai nguồn năng lượng (điện năng và năng lượng nhiên liệu) trên cùng một bảng. Do đó, sự thảo luận dựa trên năng lượng không thích hợp cho thử nghiệm thực. Vì sự vận hành phức tạp và độ không ổn định trong quá trình vận hành.

Trong khi đó, sai số cho phép trong độ cân bằng điện tích trên quãng đường (Ah/km) có thể được đánh giá trực tiếp khi sử dụng thông tin trên Hình 5. Hình 5 chỉ ra tiêu thụ nhiên liệu được đánh giá (l/km) cho các giá trị độ cân bằng điện tích trên quãng đường khác nhau (Ah/km) thu được khi sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính. Đường hồi quy tuyến tính chỉ ra mối quan hệ giữa tiêu thụ nhiên liệu và độ cân bằng điện tích trên quãng đường một cách trực tiếp, đó là ảnh hưởng của hiệu suất của hệ thống nhiệt/điện và tỷ số biến đổi năng lượng đã được tính đến. Như vậy có thể xác định sai số cho phép trong cân bằng điện tích trên quãng đường để đạt được sai số tiêu thụ nhiên liệu nhỏ hơn k %. Nên lưu ý rằng, chỉ có thể xác định sai số cho phép đối với độ cân bằng điện tích trên quãng đường và không thể xác định sai số cho phép trong hệ thống đo dòng điện ở giai đoạn này.

CHÚ DẪN:

X Độ cân bằng năng lượng của ắc quy, DEb.

Y FC_meas/FC₀.

a DEb cho phép.

...

...

...

CHÚ DẪN

X Độ cân bằng điện tích trên quãng đường, EC_m tính bằng ampe-giờ trên kilômét.

Y FC_meas tính bằng lít trên kilômét.

a EC_m cho phép.

Hình 5 - Sai số cho phép trong độ cân bằng điện tích trên quãng đường

Sai số cho phép đối với hệ thống đo dòng điện được xác định theo cách sau. Giả sử rằng có thể nhận được một đường hồi quy tuyến tính như đã chỉ ra trong công thức (1) cho mối quan hệ giữa nhiều bộ dữ liệu của DQ và nhiên liệu tiêu thụ bằng cách thực hiện nhiều chu kỳ thử cho các SOCs ban đầu khác nhau, thì:

FC_m = A x EC_m + FC_est     (1)

Trong đó:

...

...

...

EC_m là độ cân bằng điện tích đo được trên quãng đường (Ah/km) đối với các DQ khác nhau;

FC_est là tiêu thụ nhiên liệu được đánh giá cho DQ = 0 (hệ số của số hạng không đổi, l/km);

A là hệ số của số hạng đầu tiên của đường hồi quy tuyến tính (l/Ah).

Đặt độ chính xác yêu cầu cho thử nghiệm tiêu thụ nhiên liệu đến k % và sai số cho phép đối với độ cân bằng điện tích trên quãng đường là dX (Ah/km). Sai số cho phép của độ cân bằng điện tích trên quãng đường có thể được biểu thị như sau:

A x dX £  x Fc_est (2)

dX £  x (3)

Trong đó:

k là độ chính xác yêu cầu cho thử nghiệm tiêu thụ nhiên liệu (%);

dX là sai số cho phép đối với độ cân bằng điện tích trên quãng đường (Ah/km).

...

...

...

dX = dt =  (4)

dI =dX x = dX x V_av (5)

Trong đó:

T là khoảng thời gian thử, theo giờ (h);

L là quãng đường đi được trong quá trình thử nghiệm (km);

V_av là vận tốc trung bình của xe thử trong quá trình thử, L/T (km/h).

Các công thức (3) và (5) dẫn đến công thức (6). Công thức (6) cho sai số cho phép cho phép đo dòng điện dI là tích số của sai số cho phép trong độ cân bằng điện tích trên quãng đường và vận tốc trung bình của chu kỳ thử:

dI £  (6)

Vì hệ số của số hạng thứ nhất của đường hồi quy tuyến tính (tiêu thụ nhiên liệu/độ cân bằng điện tích trên quãng đường) chỉ có thể xác định được sau khi thử cho nên không thể xác định được sai số cho phép đối với phép đo dòng điện tương ứng trước khi thử. Điều bất lợi này có thể được giải quyết bằng quy trình sau:

...

...

...

4.4 Xác nhận độ ổn định của dòng điện một chiều và loại trừ độ không đồng đều của dòng điện một chiều

Như đã nêu trong các điều trên, DQ đối với phép tính hồi quy tuyến tính được tính toán bằng lấy tích phân dòng điện liên tục của ắc quy trong thời gian thử. Các xe chạy điện-hybrid có dòng điện ắc quy gián đoạn với một đỉnh cao và một chu kỳ ngắn. Hệ số sử dụng của dòng điện ắc quy rất nhỏ so với dòng điện trong các xe điện, đó là khoảng thời gian ở các điều kiện dòng điện xấp xỉ bằng không là đáng kể, mặc dù sự vận hành ở tốc độ dòng cao trong điều kiện có sự hỗ trợ của công suất đỉnh. Vì DQ là giá trị được lấy tích phân đối với dòng điện nạp gián đoạn và dòng điện phóng gián đoạn, và có thời gian lấy tích phân dài đối với dòng điện nhỏ cho nên độ không đồng đều của dòng điện một chiều trong hệ thống đo dòng điện có khả năng là một trong các yếu tố chính ảnh hưởng đến sai số.

Do các dòng điện đỉnh cao xuất hiện trong thời gian ngắn, còn các dòng điện nhỏ xuất hiện trong thời gian dài và thời gian lấy tích phân dài cho nên cần thiết phải quy định độ ổn định của mức dòng điện một chiều của hệ thống đo dòng điện và loại bỏ giá trị không đồng đều còn lại của dòng điện một chiều trong hệ thống đo dòng điện một cách chính xác hơn. Sẽ là thích hợp nếu quy định độ ổn định của mức dòng điện một chiều và loại bỏ độ không đều của dòng điện một chiều bằng sử dụng các bước sau.

Bước 1: Trước khi bắt đầu thử nghiệm, hệ thống đo dòng điện nên được làm nóng lên trong một khoảng thời gian do nhà sản xuất hệ thống đo khuyến nghị.

Bước 2: Giá trị độ không đồng đều của dòng điện một chiều đối với hệ thống đo dòng điện một chiều ngay trước khi thử nghiệm I_OB và giá trị này ngay sau thử nghiệm I_OE có thể được đo với chìa khóa chính được ngắt [xem Hình 6 a)].

Bước 3: Hiệu số giữa các độ không đều của dòng điện một chiều trước và sau khi thử

 có thể được kiểm tra xem liệu nó có nhỏ hơn sai số cho phép đối với hệ thống đo dòng điện hay không [Xem công thức (6)]. Nếu hệ thống đủ ổn định (nghĩa là   << sai số cho phép đối với hệ thống đo dòng điện) thì có thể thực hiện bước 4 để loại bỏ độ không đều của dòng điện một chiều cho hệ thống đo dòng điện. Nếu hệ thống không đủ ổn định thì có thể kiểm tra sự thay đổi của giá trị không đều của dòng điện một chiều một cách liên tục trong khoảng thời gian dài hơn khoảng thời gian thử để thu được giá trị sai lệch theo thời gian. Tùy thuộc vào các số liệu về sai lệch nhận được, có thể thực hiện một trong hai quá trình sau:

a) Nếu giá trị độ không đều di chuyển dần theo một chiều (sự trôi đơn giản) và tốc độ trôi của nó hầu như không thay đổi [Xem Hình 6b)] thì có thể loại bỏ (bước 4) mà không thực hiện bất cứ quá trình bổ sung nào;

b) Nếu giá trị độ không đều của dòng điện một chiều dao động không bình thường và sự thay đổi vượt quá sai số cho phép đối với hệ thống đo dòng điện [Xem hình 6c)] thì rõ ràng là hệ thống không thể đạt được độ chính xác thích hợp. Hệ thống đo dòng điện phải được điều chỉnh lại hoặc cấu trúc lại để có thể nhận được độ ổn định thích hợp.

...

...

...

i_nO = i_n -  (7)

Trong đó N là tổng số các điểm lấy mẫu trong quá trình thử.

 Đối với điều kiện đủ ổn định ( << sai số cho phép) thì có thể hủy bỏ toàn bộ các dữ liệu của  dòng điện có giá trị độ không đều trong hình. Đó là i_nO được biểu thị cho tất cả các "n" như đã chỉ ra trong công thức (8).

i_nO = i_n - (8)

Quá trình loại bỏ này chủ yếu là để đạt được giá trị độ không đều đủ nhỏ so với sai số cho phép đối với hệ thống đo dòng điện, nếu hệ thống đo dòng điện có một giá trị độ không đều.

a) Điều kiện làm việc bình thường

b) Điều kiện làm việc có sự trôi nghiêm trọng

...

...

...

c) Điều kiện không ổn định

CHÚ DÃN:

a Bật

b Tắt

c Sai số cho phép

Hình 6 - Các điều kiện của đồ thị độ không đều của dòng điện một chiều

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ISO 23274, Hybrid-electric road vehides - Exhaust emission and fuel consumption measurements - Non-externally chargeable vehicles (Phương tiện giao thông đường bộ chạy điện-hybrid - Các phép đo chất phát thải và tiêu thụ nhiên liệu - Xe không nạp điện từ bên ngoài)

...

...

...

[3] SHIMIZU – K., NIHEI, M and OKANOTO T., Guidelines for measurement of quantity of electricity in fuel consumption test fo HEVs, WEVE Journal, Vol.1 pp286-293, 2007.

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9056:2011 (ISO/TR 11955:2008) về Phương tiện giao thông đường bộ chạy điện-hybrid - Hướng dẫn về đo độ cân bằng điện tích