LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ gia tăng không ngừng của các loại phương tiện giao thông. Việt Nam là một quốc gia với gần 100 triệu người,
Vì vậy việc đào tạo các kĩ sư, công nhân ở các trường Đại học, Cao đẳng am hiểu về ô tô là điều cần thiết trong giai đoạn hiện nay, trong đó việc áp dụng các kiến thực đã học tập vào thực tế, nghiên cứu ... là vô cùng quan trọng. Qua đó để học tập lý thuyết kết hợp với thực tế nên chúng em chọn đề tài: “ Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện ”.
kinh tế phát triển, đời sống người dân ngày càng được nâng cao do đó nhu
cầu sử dụng ô tô ngày càng nhiều, nhằm phục vụ cho việc đi lại, sản xuất, vận chuyển
hàng hóa, đủ để các doanh nghiệp ô tô đầu tư sản xuất với quy mô lớn. Tuy nhiên, hiện
nay dung lượng thị trường trong nước chưa phát triển so với tiềm năng, do thiếu hụt trầm
trọng nguồn nhân lực chất lượng cao. Do vậy, Ngành Công nghệ Kĩ thuật ô tô đang được
Chính phủ chọn là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn của Việt Nam để đầu
tư phát triển.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................i TÓM TẮT ........................................................................................................................... ii MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...............................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu...............................................................................................2
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..........................................................................3
1.4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................3
1.5. Kết cấu đề tài..........................................................................................................3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN ....................................................................5 2.1. Giới thiệu chung........................................................................................................5 2.1.1. Ô tô điện.............................................................................................................5 2.1.2. Lịch sử phát triển của ô tô điện..........................................................................5 2.1.3. Ưu và nhược điểm của xe ô tô điện ...................................................................7 2.2. Đặc điểm cấu tạo chung của xe ô tô điện .................................................................7 2.2.1. Cấu tạo ...............................................................................................................7 2.2.2. Chức năng của các bộ phận trên xe điện ...........................................................8 2.3. Các loại pin dùng cho ô tô điện ................................................................................9 2.3.1. Giới thiệu chung ................................................................................................9 2.3.2. Pin chì_axit ........................................................................................................9 2.3.3. Pin Niken Cadimi...............................................................................................9
iii
2.3.4. Pin Niken Hiđrua kim loại ...............................................................................11 2.3.5. Pin Lithium-ion (Li-ion) ..................................................................................11 2.3.6. Pin Lithium-polymer (Li-poly)........................................................................15 2.3.7. Pin Natri_Lưu huỳnh .......................................................................................15 2.3.8. Pin Kẽm_Không khí ........................................................................................15
2.4. Hệ thống quản lý pin trên xe điện...........................................................................17 2.5. Các loại động cơ điện hiện nay...............................................................................18 2.5.1. Ưu điểm và yêu cầu của động cơ điện.............................................................18 2.5.1.1. Ưu điểm của động cơ điện ........................................................................18 2.5.1.2. Yêu cầu về động cơ cho ô tô điện.............................................................19 2.5.2. Động cơ một chiều (DC motor) .......................................................................20 2.5.3. Động cơ không đồng bộ 3 pha (IM) ................................................................23 2.5.3.1. Giới thiệu chung .......................................................................................23 2.5.3.2. Đặc tính của động cơ không đồng bộ 3 pha .............................................26 2.5.3.3. Điều khiển tốc độ động cơ IM ..................................................................27 2.5.4. Động cơ từ trở thay đổi (SRM)........................................................................28 2.5.4.1. Giới thiệu về động cơ từ trở thay đổi........................................................28 2.5.4.2.Đặc tính của động cơ từ trở .......................................................................32 2.5.4.3. Ưu và nhược điểm của động cơ SRM.......................................................33 2.5.4.4. Điều khiển động cơ từ trở thay đổi ...........................................................35 2.5.5. Động cơ cực chìm nam châm vĩnh cửu (IPM-SynRM motor) ........................36 2.5.5.1. Giới thiệu sơ lược về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ....................36 2.5.5.2. Đặc tính của động cơ IPhần mềm ........................................................................38 2.5.5.3. Điều khiển động cơ IPM...........................................................................40 2.5.6. Một số cách bố trí động cơ điện.......................................................................42
iv
2.6. Tình hình phát triển xe điện trên thế giới và Việt Nam..........................................43 2.6.1. Tình hình phát triển xe điện trên thế giới ........................................................43 2.6.2. Tình hình phát triển xe điện tại Việt Nam .......................................................48
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN..............................52 3.1. Tính toán công suất cực đại của động cơ điện........................................................52 3.2. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ............................................................................55
3.2.1. MATLAB.........................................................................................................55
3.2.2 SIMULINK .......................................................................................................56 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
TRUYỀN LỰC TRÊN XE ĐIỆN......................................................................................57 4.1 Tính toán động lực học ô tô điện .............................................................................57 4.1.1. Phương án 1: Hệ thống truyền động dùng hộp số cơ khí ................................58
4.1.2. Phương án 2: Hệ thống truyền động dùng động cơ điện, truyền lực chính và vi sai ...............................................................................................................................59
4.1.3 Phương án 3: Hệ thống truyền động dùng hai động cơ điện ............................59
4.1.4. Phương án 4: Hệ thống truyền động chỉ dùng động cơ điện ...........................60 4.2. Tính toán chọn động cơ điện ..................................................................................61 4.2.1. Xác định trọng lượng và phân bố trọng lượng xe............................................61 4.2.2. Tính toán chọn động cơ điện ...........................................................................63 4.2.3. Chọn động cơ điện cho xe thiết kế...................................................................64 4.3. Tính toán hệ thống pin ........................................................................................68 4.4. Mô hình mô phỏng động cơ điện............................................................................72 4.4.1 Khối tín hiệu đầu vào........................................................................................72 4.4.1.1 Khối Drive cycle source ............................................................................73 4.4.1.2 Khối Longitudinal driver ...........................................................................74 4.4.2 Khối Vehicle subsystem ...................................................................................75
v
4.4.2.1 Khối Vehicle body .....................................................................................75
4.4.2.2 Khối Tire....................................................................................................76 4.4.3 Khối motor và controller...................................................................................77 4.4.3.1 Khối DC motor ..........................................................................................78 4.4.3.2 Khối H-bridge ............................................................................................78 4.4.3.3 Khối controlled PWM Voltage ..................................................................79 4.5. Kết quả mô phỏng...................................................................................................80 4.5.1 Tiêu chuẩn FTP75.............................................................................................80 4.5.2 Tiêu chuẩn WLTP Class 2 ................................................................................90 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................99 5.1 Kết luận....................................................................................................................99 5.2 Kiến nghị..................................................................................................................99
vi
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1: Một mẫu taxi chạy bằng điện năm 1897 ở New York........................................5
Hình 2. 2: Xe ô tô điện Detroit Electric...............................................................................6
Hình 2. 3: Xe ô tô điện Electrovan II...................................................................................6
Hình 2. 4: Cách bố trí trên xe ô tô điện thông thường .........................................................8
Hình 2. 5: Pin NiMH trên xe Prius ....................................................................................10
Hình 2. 6: Pin trên Honda Civic ........................................................................................11
Hình 2. 7: Mặt cắt ngang một pin Li-ion dạng trụ.............................................................11
Hình 2. 8: Mặt cắt ngang một pin Li-ion dạng lăng trụ phẳng ..........................................12
Hình 2. 9: So sánh các loại pin lithium-ion .......................................................................12
Hình 2. 10: Cấu tạo pin ......................................................................................................13
Hình 2. 11: Các loại cell pin được sử dụng trên xe điện Tesla..........................................15
Hình 2. 12 : Cấu tạo pin Zinc-air .......................................................................................16
Hình 2. 13: Công nghệ in-wheel motor.............................................................................19
Hình 2. 14: So sánh đặc tính làm việc của động cơ đốt trong và động cơ điện.................20
Hình 2. 15: Cấu tạo động cơ DC........................................................................................21
Hình 2. 16: Mô hình làm việc của động cơ DC .................................................................21
Hình 2. 17: Đặc tính làm việc của động cơ DC .................................................................22
Hình 2. 18: Sự ảnh hưởng của điện áp và từ thông đối với đồ thị đặc tính của động cơ DC ............................................................................................................................................23
Hình 2. 19: Cấu tạo của động cơ IM..................................................................................24 Hình 2. 20: So sánh giữa động cơ đốt trong và động cơ IM trên Tesla model 3...............25 Hình 2. 21: So sánh hiệu suất giữa động cơ đốt trong và động cơ điện IM ......................25 Hình 2. 22: Mạch điện thay thế của động cơ IM ...............................................................26 Hình 2. 23: Đặc tính cơ của động cơ IM 3 pha..................................................................26 Hình 2. 24: Điều khiển điện áp đặt vào Stato ....................................................................27 Hình 2. 25: Điều khiển tần số dòng điện ...........................................................................28 Hình 2. 26: Điều khiển cả điện áp và tần số với tỷ lệ V/f không đổi ................................28 Hình 2. 27: Rôto và Stato ở động cơ từ trở........................................................................29
vii
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
Hình 2. 28: Mặt cắt ngang của động cơ từ trở ...................................................................29
Hình 2. 29: Một số loại động cơ từ trở phổ biến ...............................................................29
Hình 2. 30: Cấu trúc của SRM với ba vị trí khác nhau......................................................30
Hình 2. 31: Trình tự đóng ngắt để tạo ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ .....31
Hình 2. 32: Mạch tương đương của động cơ từ trở ...........................................................31
Hình 2. 33: Đặc tính của động cơ SRM.............................................................................32
Hình 2. 34: Các mạch chuyển đổi khác nhau cho động cơ SRM ......................................35
Hình 2. 35: Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm................................37
Hình 2. 36: Mặt cắt rôto ở động cơ SPMSM và IPMSyM ................................................37
Hình 2. 37: Sơ đồ hoạt động của động cơ SPM.................................................................38
Hình 2. 38: Đồ thị véc-tơ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu................................38
Hình 2. 39: Đặc tính góc-mômen động cơ.........................................................................39
Hình 2. 40: Các vùng làm việc của động cơ IPM..............................................................40
Hình 2. 41: Sơ đồ phương pháp DTC................................................................................41
Hình 2. 42: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC ......................................................41
Hình 2. 43: Các cách bố trí động cơ trên xe điện ..............................................................42
Hình 2. 44: Bố trí một động cơ điện ở cầu sau trên Tesla Model S ..................................43
Hình 2. 45: Bố trí hai động cơ điện trong thực tế ..............................................................43
Hình 2. 46: Tesla Model S .................................................................................................44
Hình 2. 47: Tesla Semi Truck ............................................................................................44
Hình 2. 48: KIA Soul EV 2022..........................................................................................45
Hình 2. 49: Mẫu xe ID Buggy của hãng Volkswagen giới thiệu tại triển lãm ô tô quốc tế Geneva, Thụy Sĩ (3/2019)..................................................................................................46
Hình 2. 50: Một trạm sạc cho ô tô điện tại Paris, Pháp .....................................................46 Hình 2. 51: BYD Han EV ..................................................................................................47 Hình 2. 52: Mẫu ô tô điện Mini EV của hãng SAIC-GM-Wuling ....................................47 Hình 2. 53: Dự báo sự phát triển của ô tô điện toàn cầu đến năm 2030............................48 Hình 2. 54: Trạm sạc cho ô tô điện DC30kW ngoài trời của Vinfast tại Hà Nội..............49 Hình 2. 55: Trạm sạc cho ô tô điện, tầng hầm trung tâm thương mại Vincom .................49
viii
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
Hình 2. 56: Mẫu ô tô điện thông minh đầu tiên ở Việt Nam của Vinfast (VF e34) ..........50 Hình 2. 57: Mẫu SUV cao cấp chạy bằng điện của Vinfast ..............................................50 Hình 2. 58: Mẫu xe bus điện do Vinfast sản xuất..............................................................51 Hình 3. 1: Sơ đồ các lực tác dụng khi xe lên dốc ..............................................................52 Hình 3. 2: Phần mềm MATLAB .......................................................................................55 Hình 3. 3: Giao diện của phần mềm MATLAB/SIMULINK............................................56 Hình 4. 1: Phương án truyền động dùng hộp số cơ khí .....................................................58 Hình 4. 2: Phương án truyền động dùng động cơ điện, truyền lực chính và vi sai ...........59 Hình 4. 3: Phương án truyền động dùng hai động cơ điện ................................................60 Hình 4. 4: Phương án truyền động chỉ dùng động cơ điện ............................................6060 Hình 4. 5: Phương án thiết kế ............................................................................................62 Hình 4. 6: Sơ đồ các lực tác dụng khi xe lên dốc ..............................................................63 Hình 4. 7: Hình dạng động cơ BLDC HPM20KL.............................................................66 Hình 4. 8: Mô hình mô phỏng động lực học động cơ điện trên MATLAB- SIMULINK.73 Hình 4. 9: Mô hình khối tín hiệu đầu vào..........................................................................73 Hình 4. 10: Khối dive cycle source....................................................................................73 Hình 4. 11: Thông số hiệu chỉnh của khối drive cycle source...........................................74 Hình 4. 12: Khối longitudinal driver .................................................................................74 Hình 4. 13: Giá trị hiệu chỉnh thông số Ki, Kp..................................................................74 Hình 4. 14: Mô hình khối vehicle subsystem ....................................................................75 Hình 4. 15: Khối vehicle body ...........................................................................................75 Hình 4. 16: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo của khối vehicle body .................................76 Hình 4. 17: Khối tire ..........................................................................................................76 Hình 4. 18: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo trong khối tire..............................................78 Hình 4. 19: Mô hình khối motor và controller...................................................................78 Hình 4. 20: Khối DC motor ...............................................................................................78 Hình 4. 21: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo trong khối DC motor ...................................78 Hình 4. 22: Khối H-bridge .................................................................................................78 Hình 4. 23: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo trong khối H-bridge.....................................79
ix
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
Hình 4. 24: Khối controlled PWM.....................................................................................79
Hình 4. 25: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo trong khối PWM .........................................80
Hình 4. 26: Chu trình FTP75 .............................................................................................80
Hình 4. 27: Đồ thị tín hiệu tăng tốc - giảm tốc xe tham khảo trong chu trình FTP75.......82
Hình 4. 28: Đồ thị vận tốc xe tham khảo trong chu trình FTP75 ......................................84
Hình 4. 29: Đồ thị tốc độ và mô men động cơ trong chu trình FTP75..............................86
Hình 4. 30: Đồ thị công suất của động cơ trong chu trình FTP75.....................................87
Hình 4. 31: Đồ thị cường độ dòng điện - điện áp động cơ trong chu trình FTP75 ...........89
Hình 4. 32: Đồ thị vận tốc theo thời gian ..........................................................................90
Hình 4. 33: Đồ thị tín hiệu tăng tốc- giảm tốc xe tham khảo trong chu trình WLTP........91
Hình 4. 34: Đồ thị vận tốc xe tham khảo trong chu trình WLTP ......................................93
Hình 4. 35: Đồ thị tốc độ - mô men động cơ xe tham khảo trong chu trình WLTP..........95
Hình 4. 36: Đồ thị công suất động cơ xe tham khảo trong chu trình WLTP.....................96
Hình 4. 37: Đồ thị cường độ dòng điện - điện áp động cơ xe tham khảo trong chu trình WLTP .................................................................................................................................97
x
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: So sánh các loại pin li-ion dùng trên xe điện của Tesla ...................................14
Bảng 2. 2: So sánh đặc tính của các loại pin dùng trên xe ô tô điện .................................16
Bảng 2. 3: So sánh động cơ từ trở và động cơ không đồng bộ..........................................34
Bảng 3. 1: Hệ số cản lăn ở các loại đường khác nhau .......................................................53
Bảng 3. 2: Hệ số cản khí động ở các loại xe......................................................................54
Bảng 4. 1: Thông số kỹ thuật của xe tham khảo Toyota Vios 2013..................................57
Bảng 4. 2: Thông số kỹ thuật của xe sau khi chuyển đổi ..................................................57
Bảng 4. 3: Bảng thông số kỹ thuật động cơ.......................................................................67
Bảng 4. 4: Bảng thông số kỹ thuật pin Li-ion cell INR21700-48X...................................68
Bảng 4. 5: Bảng so sánh thông số kỹ thuật của xe Toyota Vios và xe sau khi chuyển đổi ............................................................................................................................................70
xi
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
- AC: Alternator Current – Dòng điện xoay chiều
- BEV: Battery Electric Vehicles – Xe điện chạy pin
- BLDC: Brushless DC Motor – Động cơ một chiều không chổi than
- DC: Direct Current – Dòng điện một chiều
- EV: Electric Vehicles – Xe chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện
- f: Tần số (Hz)
- HEV: Hybrid Electric Ehicles – Xe lai
- ĐCĐT: Internal Combustion Engine Vehicles – Xe động cơ đốt trong
- IM: Induction Motor – Động cơ không đồng bộ ba pha
- IPM: Interior Permanent Magnet
- Li-ion: pin Lithium-ion
- LMO: LiMn2O4, Li2MnO3 – Lithium Mangan Oxit
- NiCd: Nicken – Cadmium
- Ni-MH: Nickel Metal Hydride
- Ni-Zn: Nickel-Zinc
- NMC: LiNiMnCoO2 - Lithium Niken Mangan Coban Oxit
- PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicles – Xe hybrid cắm điện
- PM: Permanent Magnet – Nam chân vĩnh cửu
- PWM: Pulse Width Modulation – Điều chế độ rộng xung
- PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor – Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- SPM: Surface mounted Permanent Magnet
- SRM: Switched Reluctance Motor - Động cơ từ trở thay đổi
- SynRM: Synchronous Reluctance Motor - Động cơ từ trở đồng bộ
- FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle – Xe chạy bằng pin nhiên liệu
xii
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
1.1. Lý do chọn đề tài
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí gas được hình thành sau khi động vật, thực vật chết được chôn và vùi lấp dưới các lớp đất đá, tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất cực cao. Những nhiên liệu hóa thạch đó chứa rất nhiều năng lượng hóa học, chúng ta có thể khai thác và đốt chúng để tạo ra năng lượng cho các hoạt động và nhu cầu của con người như di chuyển, vận chuyển hàng hóa, sản suất,... Việc đốt nhiên liệu hóa thạch giải phóng vào bầu khí quyển của Trái Đất 21,3 tỉ tấn cacbon đioxit (CO2) mỗi năm, gây nóng lên toàn cầu, ô nhiễm môi trường. Nhiên liệu hóa thạch với ưu điểm là hiệu quả cao, giá cả cạnh tranh và dễ khai thác nên con người ngày càng lệ thuộc vào nó. Việc khai thác chúng cũng đã có từ lâu và ngày càng tăng, đặc biệt là các nước phát triển. Chính vì vậy, việc cạn kiệt các nguồn năng lượng đó là không thể tránh khỏi, vốn dĩ do khai thác luôn nhanh hơn nhiều so với tốc độ hồi phục, vốn dĩ phải mất hàng trăm triệu năm. Việc hạn chế giảm thiểu các chất độc hại nguy hiểm đó hiện nay là nhiệm vụ cấp thiết của tất cả các nước trên thế giới, việc đề ra các tiêu chuẩn khí thải cũng chưa thực sự đạt được giá trị như mong đợi.
Ở các nước phát triển, cuộc chạy đua để tìm ra những nguồn nhiên liệu mới thân thiện với môi trường đang là xu hướng hàng đầu trong việc sản xuất của các hãng ô tô hiện nay, những chiếc xe sử dụng nhiên liệu sạch được ra đời. Ta có thể kể đến như xe chạy bằng nhiên liệu sinh học từ thực vật (bio diesel, ethanol,...), xe chạy bằng khí thiên nhiên, xe chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), pin nhiên liệu,... Năng lượng điện được xem là ứng cử viên sáng giá để thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang gây nhiều tác động với môi trường như hiện nay, hầu như không phát thải lượng khí nhà kính ra môi trường, vượt trội về nhiều mặt khi đặt cạnh với các loại phương tiện vận chuyển sử dụng nhiên liệu xăng, dầu, khí đốt gây ra. Ô tô điện dần bắt đầu được các hãng xe lớn trên thế giới như Tesla, Kia, BMW,... tập trung nghiên cứu và phát triển, với nỗ lực đưa nó trở thành phương tiện thay thế hoàn toàn xe chạy xăng, dầu truyền thống trong tương lai, cùng nhiều chức năng thông minh, hiện đại và an toàn cho con người.
Chính vì lẽ đó mà thời gian gần đây, chúng ta bắt đầu được làm quen nhiều hơn đến các khái niệm như: xe chạy điện EV, xe sinh thái, xe lai HEV. Trên tình hình thực tế, có thể khẳng định ô tô điện chính là chìa khóa mà bắt buộc bất cứ hãng nào cũng phải sở hữu để bắt kịp với xu hướng toàn cầu cũng như việc chinh phục thị trường xe năng lượng sạch. Tesla là hãng nổi tiếng nhất trong lĩnh vực xe điện, trong năm 2020, Tesla đã bán ra
1
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
thị trường 499.500 ô tô điện, điều nãy giúp hãng này vượt qua Toyota để trở thành hãng xe giá trị nhất thế giới.
Doanh số bán hàng năm 2021 cao nhất ở Trung Quốc với 3,3 triệu chiếc (gấp ba lần doanh số năm 2020), tiếp theo là châu Âu với 2,3 triệu chiếc được bán ra vào năm 2021 (tăng từ 1,4 triệu chiếc vào năm 2020). Tại Hoa Kỳ, doanh số bán ô tô điện đã tăng gấp đôi thị phần lên 4,5% vào năm 2021, đạt 630.000 chiếc được bán ra. Trên khắp các thị trường mới nổi, doanh số bán ô tô điện tăng hơn gấp đôi, nhưng doanh số vẫn ở mức thấp. Trong nửa đầu năm 2022, doanh số bán hàng còn tăng hơn nữa, ước tính rằng thị phần doanh số bán xe điện toàn cầu sẽ vào khoảng 13%.
Trong tương lai, một số nước ở châu Âu sẽ ban hành lệnh cấm tất cả xe chạy bằng nguyên liệu hóa thạch. Đức là quốc gia đầu tiên thực hiện lệnh cấm, cuộc họp của Hội đồng liên bang Đức vào tháng 10/2016, đã thông qua Nghị quyết yêu cầu cấm hoàn toàn động cơ đốt trong vào năm 2030. Na Uy đặt mục tiêu vào năm 2025 chỉ bán ra những chiếc ô tô chạy điện và đến năm 2030, xe tải hạng nặng, 75% xe buýt và 50% xe tải phải là xe không phát ra thải khí ô nhiễm (zero emission). Pháp và Anh cũng sẽ cấm hoàn toàn xe chạy bằng xăng và diesel vào năm 2040.
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, đất nước đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, hội nhập kinh tế với các nước phát triển trong khu vực và trên thế giới. Ngành Ô tô đang được Chính phủ chọn là ngành mũi nhọn cho sự phát triển đó, phải thay đổi để phù hợp với sự tiến bộ hiện đại của thế giới, hưởng ứng việc cắt giảm khí thải nhà kính. Do đó ô tô điện là sẽ là lĩnh vực cần được quan tâm, nghiên cứu. Điều này có ý nghĩa vô cùng thiết thực. Chính vì lẽ đó nhóm em chọn đề tài: “Tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện”. Đề tài này sẽ giúp chúng em hiểu rõ hơn về kết cấu, các thành phần của hệ thống truyền lực trên xe điện, về đặc tính và ưu điểm của động cơ điện so với động cơ đốt trong, để có thể ứng dụng những kiến thức về ô tô điện vào tương lai.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu sự ra đời và xây dựng kiến thức về xe điện như: hệ thống pin và động cơ điện cũng như tình hình nghiên cứu, phát triển, ứng dụng các công nghệ trên xe điện hiện nay.
- Nghiên cứu về đặc điểm cấu tạo của một số động cơ điện và pin được sử dụng trên ô tô điện hiện nay.
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực trên ô tô điện.
2
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Các loại xe ô tô điện được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay.
Phạm vi nghiên cứu:
- Đồ án tập trung nghiên cứu một số loại pin và động cơ điện được sử dụng phổ biến trên xe điện hiện nay
- Tính toán hệ thống pin và công suất của động cơ điện
- Mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện bằng phần mềm Matlab
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu:
- Pương pháp phân tích, tổng hợp
- Phương pháp tra cứu và tìm kiếm tài liệu
- Phương pháp biên dich tài liệu
- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng
1.5. Kết cấu đề tài
Nội dung đề tài được chia làm 5 chương: Chương 1: Tổng quan
- Lý do chọn đề tài
- Mục tiêu đề tài
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu
Chương 2: Tổng quan về ô tô điện
- Khái quát về xe điện
- Đặc điểm cấu tạo của xe ô tô điện
- Các loại động cơ điện hiện nay
- Cách bố trí động cơ điện
- Tổng quan về pin trên ô tô điện
- Một số mẫu xe ô tô điện hiên nay
Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán động cơ điện
3
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
- Lý thuyết về tính toán các lực tác dụng lên xe
- Giới thiệu phần mềm mô phỏng Matlab
Chương 4: Ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
- Tính toán công suất của động cơ điện
- Tính toán pin
- Giới thiệu các khối Simulink trong mô phỏng
- Kết quả mô phỏng
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
4
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
2.1. Giới thiệu chung 2.1.1. Ô tô điện
Ô tô điện là loại ô tô sử dụng năng lượng được cung cấp từ một hay nhiều động cơ điện, thay vì động cơ đốt trong truyền thống. Động cơ điện được cung cấp năng lượng từ pin, có thể sạc nhiều lần. Do ô tô điện không sử dụng năng lượng hóa thạch như xăng, dầu nên hầu như không có khí thải và không gây ô nhiễm môi trường, tiết kiệm chi phí.
2.1.2. Lịch sử phát triển của ô tô điện
Ô tô điện đã có lịch sử từ lâu đời.
Hình 2. 1: Một mẫu taxi chạy bằng điện năm 1897 ở New York
đã nộp bằng sáng chế về ô tô điện do ông phát minh, có công suất 5 HP, tốc độ tối đa 20 dặm/h và có thể sạc mỗi 50 dặm. Chiếc ô tô điện đầu tiên được thương mại hóa là Electroboat của
5
Vào khoảng những năm 1832 và 1839, một người
Scotland tên là Robert Anderson đã phát minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên, với
loại pin không thể sạc lại, đi được quãng đường khoảng 1,5 dặm với tốc độ 4 dặm/h. Năm
1842, hai nhà phát minh người Mỹ là Thomas Davenport và Scotsmen Robert Davidson
trở thành những người đầu tiên đưa pin vào sử dụng cho ô tô điện. Đến những năm 1865,
Camille Faure đã thành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong pin, giúp
cho xe điện có thể di chuyển một quãng đường dài hơn.
Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong hệ thống
giao thông vào cuối thế kỷ 18. Ở Mỹ, năm 1890, một nhà hóa học là William Morrison
Philadelphians Pedro Salom và Henry G. Morris phát minh vào năm
1894. Chiếc Electrobat này sử dụng hai động cơ công suất 1,5 mã lực và cho phép di
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
chuyển với vận tốc tối đa 32km/h, đi được 40km. Đến năm 1897, ô tô điện đầu tiên được bán tại thị trường Mỹ. Và từ đó, ô tô điện trở nên phổ biến khắp thế giới.
Detroit Electric là một chiếc ô tô điện được sản suất
Hình 2. 2: Xe ô tô điện Detroit Electric
Năm 1966, Hãng General Motors (GM) cho ra mắt mẫu xe Electrovan. Xe sử dụng ắc quy bạc-kẽm (silver-zinc) 532V với động cơ điện không đồng bộ 3 pha công suất 115 hp. Xe đạt tốc độ 36 km/h đi được từ 40 đến 80 dặm.
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Hình 2. 3: Xe ô tô điện Electrovan II
Anderson Electric Car
Company ở Detroit, Michigan vào năm 1923. Xe đạt tốc độ 25 dặm/h và đi được 80 dặm.
6
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
2.1.3. Ưu và nhược điểm của xe ô tô điện Ưu điểm của xe điện
- Cấu trúc xe đơn giản, dễ dàng lắp ráp nên giảm được chi phí sửa chữa, bảo dưỡng các hệ thống liên quan đến động cơ của xe
- Thân thiện với môi trường, giảm ô nhiễm khí thải. Điện có thể tạo ra từ các nguồn là các nguồn năng lượng tái tạo.
- Khả năng cháy nổ thấp
- Chế độ vận hành êm ái, motor điện tạo ra mômen lớn nên khả năng tăng tốc của
xe sẽ vượt trội hơn so với xe sử động cơ đốt trong.
Nhược điểm của xe điện
- Hệ thống cơ sở hạ tầng, đường xá còn chưa phát triển, không đáp ứng đủ số lượngcác trạm sạc cho xe điện
- Phạm vi hoạt động còn hạn chế, xe cần thời gian để nạp lại đầy điện
- Giá thành sản suất pin và tái chế pin cho xe điện còn đắt đỏ, từ 1500USD/xe (ắc quy chì axit) cho đến 20000USD/xe (ắc quy Lithium-ion). Chi phí trung bình thay
thế pin cho mẫu Tesla Model 3 là 180USD/kWh dung lượng của pin
- Nguyhiểmkhisửachữadopincóđiệnáprấtlớn,nếuxảyrasựcốsẽgâynguy
hiểm đến tính mạng của người sửa chữa hay người tiêu dùng
2.2. Đặc điểm cấu tạo chung của xe ô tô điện 2.2.1. Cấu tạo
Với cùng kích thước, xe điện luôn có nhiều không gian hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống. Là bởi vì xe điện có ít bộ phận cấu thành hơn.
Một ô tô điện cơ bản gồm ba hệ thống chủ yếu: hệ thống tạo động lực, hệ thống năng lượng và hệ thống phụ khác.
+ Hệ thống tạo động lực bao gồm: hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện, truyền động cơ khí và các bánh xe chủ động.
+ Hệ thống năng lượng bao gồm: pin, bộ phận quản lý pin, và bộ phận tiếp năng lượng điện
+ Hệ thống phụ khác bao gồm: hệ thống an toàn, tiện nghi khác, trợ lực lái, điều hòa, hệ thống phanh
Khi người lái đạp ga hay đạp chân phanh, tín hiệu từ hệ thống điều khiển xe được truyền đến bộ chuyển đổi năng lượng điện, sau đó bộ chuyển đổi năng lượng điện sẽ điều chỉnh dòng điện giữa động cơ điện và hệ thống pin.
7
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
Quá trình tăng tốc và giảm tốc (phanh) trong quá trình mô phỏng được thể hiện trên biểu đồ. Tín hiệu này được lấy từ khối Longitudinal Driver và dựa vào chu trình lái FTP75. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu của tăng tốc và giảm tốc theo thời gian. Nhận xét rằng trên đồ thị tăng tốc có những đoạn đường tín hiệu bé nhất, đồng thời trên đồ thị giảm tốc những đoạn đó lại là giá trị cực đại và ngược lại.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ gia tăng không ngừng của các loại phương tiện giao thông. Việt Nam là một quốc gia với gần 100 triệu người,
Vì vậy việc đào tạo các kĩ sư, công nhân ở các trường Đại học, Cao đẳng am hiểu về ô tô là điều cần thiết trong giai đoạn hiện nay, trong đó việc áp dụng các kiến thực đã học tập vào thực tế, nghiên cứu ... là vô cùng quan trọng. Qua đó để học tập lý thuyết kết hợp với thực tế nên chúng em chọn đề tài: “ Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện ”.
kinh tế phát triển, đời sống người dân ngày càng được nâng cao do đó nhu
cầu sử dụng ô tô ngày càng nhiều, nhằm phục vụ cho việc đi lại, sản xuất, vận chuyển
hàng hóa, đủ để các doanh nghiệp ô tô đầu tư sản xuất với quy mô lớn. Tuy nhiên, hiện
nay dung lượng thị trường trong nước chưa phát triển so với tiềm năng, do thiếu hụt trầm
trọng nguồn nhân lực chất lượng cao. Do vậy, Ngành Công nghệ Kĩ thuật ô tô đang được
Chính phủ chọn là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn của Việt Nam để đầu
tư phát triển.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................i TÓM TẮT ........................................................................................................................... ii MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...............................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu...............................................................................................2
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..........................................................................3
1.4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................3
1.5. Kết cấu đề tài..........................................................................................................3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN ....................................................................5 2.1. Giới thiệu chung........................................................................................................5 2.1.1. Ô tô điện.............................................................................................................5 2.1.2. Lịch sử phát triển của ô tô điện..........................................................................5 2.1.3. Ưu và nhược điểm của xe ô tô điện ...................................................................7 2.2. Đặc điểm cấu tạo chung của xe ô tô điện .................................................................7 2.2.1. Cấu tạo ...............................................................................................................7 2.2.2. Chức năng của các bộ phận trên xe điện ...........................................................8 2.3. Các loại pin dùng cho ô tô điện ................................................................................9 2.3.1. Giới thiệu chung ................................................................................................9 2.3.2. Pin chì_axit ........................................................................................................9 2.3.3. Pin Niken Cadimi...............................................................................................9
iii
2.3.4. Pin Niken Hiđrua kim loại ...............................................................................11 2.3.5. Pin Lithium-ion (Li-ion) ..................................................................................11 2.3.6. Pin Lithium-polymer (Li-poly)........................................................................15 2.3.7. Pin Natri_Lưu huỳnh .......................................................................................15 2.3.8. Pin Kẽm_Không khí ........................................................................................15
2.4. Hệ thống quản lý pin trên xe điện...........................................................................17 2.5. Các loại động cơ điện hiện nay...............................................................................18 2.5.1. Ưu điểm và yêu cầu của động cơ điện.............................................................18 2.5.1.1. Ưu điểm của động cơ điện ........................................................................18 2.5.1.2. Yêu cầu về động cơ cho ô tô điện.............................................................19 2.5.2. Động cơ một chiều (DC motor) .......................................................................20 2.5.3. Động cơ không đồng bộ 3 pha (IM) ................................................................23 2.5.3.1. Giới thiệu chung .......................................................................................23 2.5.3.2. Đặc tính của động cơ không đồng bộ 3 pha .............................................26 2.5.3.3. Điều khiển tốc độ động cơ IM ..................................................................27 2.5.4. Động cơ từ trở thay đổi (SRM)........................................................................28 2.5.4.1. Giới thiệu về động cơ từ trở thay đổi........................................................28 2.5.4.2.Đặc tính của động cơ từ trở .......................................................................32 2.5.4.3. Ưu và nhược điểm của động cơ SRM.......................................................33 2.5.4.4. Điều khiển động cơ từ trở thay đổi ...........................................................35 2.5.5. Động cơ cực chìm nam châm vĩnh cửu (IPM-SynRM motor) ........................36 2.5.5.1. Giới thiệu sơ lược về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ....................36 2.5.5.2. Đặc tính của động cơ IPhần mềm ........................................................................38 2.5.5.3. Điều khiển động cơ IPM...........................................................................40 2.5.6. Một số cách bố trí động cơ điện.......................................................................42
iv
2.6. Tình hình phát triển xe điện trên thế giới và Việt Nam..........................................43 2.6.1. Tình hình phát triển xe điện trên thế giới ........................................................43 2.6.2. Tình hình phát triển xe điện tại Việt Nam .......................................................48
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN..............................52 3.1. Tính toán công suất cực đại của động cơ điện........................................................52 3.2. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ............................................................................55
3.2.1. MATLAB.........................................................................................................55
3.2.2 SIMULINK .......................................................................................................56 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
TRUYỀN LỰC TRÊN XE ĐIỆN......................................................................................57 4.1 Tính toán động lực học ô tô điện .............................................................................57 4.1.1. Phương án 1: Hệ thống truyền động dùng hộp số cơ khí ................................58
4.1.2. Phương án 2: Hệ thống truyền động dùng động cơ điện, truyền lực chính và vi sai ...............................................................................................................................59
4.1.3 Phương án 3: Hệ thống truyền động dùng hai động cơ điện ............................59
4.1.4. Phương án 4: Hệ thống truyền động chỉ dùng động cơ điện ...........................60 4.2. Tính toán chọn động cơ điện ..................................................................................61 4.2.1. Xác định trọng lượng và phân bố trọng lượng xe............................................61 4.2.2. Tính toán chọn động cơ điện ...........................................................................63 4.2.3. Chọn động cơ điện cho xe thiết kế...................................................................64 4.3. Tính toán hệ thống pin ........................................................................................68 4.4. Mô hình mô phỏng động cơ điện............................................................................72 4.4.1 Khối tín hiệu đầu vào........................................................................................72 4.4.1.1 Khối Drive cycle source ............................................................................73 4.4.1.2 Khối Longitudinal driver ...........................................................................74 4.4.2 Khối Vehicle subsystem ...................................................................................75
v
4.4.2.1 Khối Vehicle body .....................................................................................75
4.4.2.2 Khối Tire....................................................................................................76 4.4.3 Khối motor và controller...................................................................................77 4.4.3.1 Khối DC motor ..........................................................................................78 4.4.3.2 Khối H-bridge ............................................................................................78 4.4.3.3 Khối controlled PWM Voltage ..................................................................79 4.5. Kết quả mô phỏng...................................................................................................80 4.5.1 Tiêu chuẩn FTP75.............................................................................................80 4.5.2 Tiêu chuẩn WLTP Class 2 ................................................................................90 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................99 5.1 Kết luận....................................................................................................................99 5.2 Kiến nghị..................................................................................................................99
vi
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1: Một mẫu taxi chạy bằng điện năm 1897 ở New York........................................5
Hình 2. 2: Xe ô tô điện Detroit Electric...............................................................................6
Hình 2. 3: Xe ô tô điện Electrovan II...................................................................................6
Hình 2. 4: Cách bố trí trên xe ô tô điện thông thường .........................................................8
Hình 2. 5: Pin NiMH trên xe Prius ....................................................................................10
Hình 2. 6: Pin trên Honda Civic ........................................................................................11
Hình 2. 7: Mặt cắt ngang một pin Li-ion dạng trụ.............................................................11
Hình 2. 8: Mặt cắt ngang một pin Li-ion dạng lăng trụ phẳng ..........................................12
Hình 2. 9: So sánh các loại pin lithium-ion .......................................................................12
Hình 2. 10: Cấu tạo pin ......................................................................................................13
Hình 2. 11: Các loại cell pin được sử dụng trên xe điện Tesla..........................................15
Hình 2. 12 : Cấu tạo pin Zinc-air .......................................................................................16
Hình 2. 13: Công nghệ in-wheel motor.............................................................................19
Hình 2. 14: So sánh đặc tính làm việc của động cơ đốt trong và động cơ điện.................20
Hình 2. 15: Cấu tạo động cơ DC........................................................................................21
Hình 2. 16: Mô hình làm việc của động cơ DC .................................................................21
Hình 2. 17: Đặc tính làm việc của động cơ DC .................................................................22
Hình 2. 18: Sự ảnh hưởng của điện áp và từ thông đối với đồ thị đặc tính của động cơ DC ............................................................................................................................................23
Hình 2. 19: Cấu tạo của động cơ IM..................................................................................24 Hình 2. 20: So sánh giữa động cơ đốt trong và động cơ IM trên Tesla model 3...............25 Hình 2. 21: So sánh hiệu suất giữa động cơ đốt trong và động cơ điện IM ......................25 Hình 2. 22: Mạch điện thay thế của động cơ IM ...............................................................26 Hình 2. 23: Đặc tính cơ của động cơ IM 3 pha..................................................................26 Hình 2. 24: Điều khiển điện áp đặt vào Stato ....................................................................27 Hình 2. 25: Điều khiển tần số dòng điện ...........................................................................28 Hình 2. 26: Điều khiển cả điện áp và tần số với tỷ lệ V/f không đổi ................................28 Hình 2. 27: Rôto và Stato ở động cơ từ trở........................................................................29
vii
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
Hình 2. 28: Mặt cắt ngang của động cơ từ trở ...................................................................29
Hình 2. 29: Một số loại động cơ từ trở phổ biến ...............................................................29
Hình 2. 30: Cấu trúc của SRM với ba vị trí khác nhau......................................................30
Hình 2. 31: Trình tự đóng ngắt để tạo ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ .....31
Hình 2. 32: Mạch tương đương của động cơ từ trở ...........................................................31
Hình 2. 33: Đặc tính của động cơ SRM.............................................................................32
Hình 2. 34: Các mạch chuyển đổi khác nhau cho động cơ SRM ......................................35
Hình 2. 35: Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm................................37
Hình 2. 36: Mặt cắt rôto ở động cơ SPMSM và IPMSyM ................................................37
Hình 2. 37: Sơ đồ hoạt động của động cơ SPM.................................................................38
Hình 2. 38: Đồ thị véc-tơ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu................................38
Hình 2. 39: Đặc tính góc-mômen động cơ.........................................................................39
Hình 2. 40: Các vùng làm việc của động cơ IPM..............................................................40
Hình 2. 41: Sơ đồ phương pháp DTC................................................................................41
Hình 2. 42: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC ......................................................41
Hình 2. 43: Các cách bố trí động cơ trên xe điện ..............................................................42
Hình 2. 44: Bố trí một động cơ điện ở cầu sau trên Tesla Model S ..................................43
Hình 2. 45: Bố trí hai động cơ điện trong thực tế ..............................................................43
Hình 2. 46: Tesla Model S .................................................................................................44
Hình 2. 47: Tesla Semi Truck ............................................................................................44
Hình 2. 48: KIA Soul EV 2022..........................................................................................45
Hình 2. 49: Mẫu xe ID Buggy của hãng Volkswagen giới thiệu tại triển lãm ô tô quốc tế Geneva, Thụy Sĩ (3/2019)..................................................................................................46
Hình 2. 50: Một trạm sạc cho ô tô điện tại Paris, Pháp .....................................................46 Hình 2. 51: BYD Han EV ..................................................................................................47 Hình 2. 52: Mẫu ô tô điện Mini EV của hãng SAIC-GM-Wuling ....................................47 Hình 2. 53: Dự báo sự phát triển của ô tô điện toàn cầu đến năm 2030............................48 Hình 2. 54: Trạm sạc cho ô tô điện DC30kW ngoài trời của Vinfast tại Hà Nội..............49 Hình 2. 55: Trạm sạc cho ô tô điện, tầng hầm trung tâm thương mại Vincom .................49
viii
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
Hình 2. 56: Mẫu ô tô điện thông minh đầu tiên ở Việt Nam của Vinfast (VF e34) ..........50 Hình 2. 57: Mẫu SUV cao cấp chạy bằng điện của Vinfast ..............................................50 Hình 2. 58: Mẫu xe bus điện do Vinfast sản xuất..............................................................51 Hình 3. 1: Sơ đồ các lực tác dụng khi xe lên dốc ..............................................................52 Hình 3. 2: Phần mềm MATLAB .......................................................................................55 Hình 3. 3: Giao diện của phần mềm MATLAB/SIMULINK............................................56 Hình 4. 1: Phương án truyền động dùng hộp số cơ khí .....................................................58 Hình 4. 2: Phương án truyền động dùng động cơ điện, truyền lực chính và vi sai ...........59 Hình 4. 3: Phương án truyền động dùng hai động cơ điện ................................................60 Hình 4. 4: Phương án truyền động chỉ dùng động cơ điện ............................................6060 Hình 4. 5: Phương án thiết kế ............................................................................................62 Hình 4. 6: Sơ đồ các lực tác dụng khi xe lên dốc ..............................................................63 Hình 4. 7: Hình dạng động cơ BLDC HPM20KL.............................................................66 Hình 4. 8: Mô hình mô phỏng động lực học động cơ điện trên MATLAB- SIMULINK.73 Hình 4. 9: Mô hình khối tín hiệu đầu vào..........................................................................73 Hình 4. 10: Khối dive cycle source....................................................................................73 Hình 4. 11: Thông số hiệu chỉnh của khối drive cycle source...........................................74 Hình 4. 12: Khối longitudinal driver .................................................................................74 Hình 4. 13: Giá trị hiệu chỉnh thông số Ki, Kp..................................................................74 Hình 4. 14: Mô hình khối vehicle subsystem ....................................................................75 Hình 4. 15: Khối vehicle body ...........................................................................................75 Hình 4. 16: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo của khối vehicle body .................................76 Hình 4. 17: Khối tire ..........................................................................................................76 Hình 4. 18: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo trong khối tire..............................................78 Hình 4. 19: Mô hình khối motor và controller...................................................................78 Hình 4. 20: Khối DC motor ...............................................................................................78 Hình 4. 21: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo trong khối DC motor ...................................78 Hình 4. 22: Khối H-bridge .................................................................................................78 Hình 4. 23: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo trong khối H-bridge.....................................79
ix
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
Hình 4. 24: Khối controlled PWM.....................................................................................79
Hình 4. 25: Giá trị hiệu chỉnh xe tham khảo trong khối PWM .........................................80
Hình 4. 26: Chu trình FTP75 .............................................................................................80
Hình 4. 27: Đồ thị tín hiệu tăng tốc - giảm tốc xe tham khảo trong chu trình FTP75.......82
Hình 4. 28: Đồ thị vận tốc xe tham khảo trong chu trình FTP75 ......................................84
Hình 4. 29: Đồ thị tốc độ và mô men động cơ trong chu trình FTP75..............................86
Hình 4. 30: Đồ thị công suất của động cơ trong chu trình FTP75.....................................87
Hình 4. 31: Đồ thị cường độ dòng điện - điện áp động cơ trong chu trình FTP75 ...........89
Hình 4. 32: Đồ thị vận tốc theo thời gian ..........................................................................90
Hình 4. 33: Đồ thị tín hiệu tăng tốc- giảm tốc xe tham khảo trong chu trình WLTP........91
Hình 4. 34: Đồ thị vận tốc xe tham khảo trong chu trình WLTP ......................................93
Hình 4. 35: Đồ thị tốc độ - mô men động cơ xe tham khảo trong chu trình WLTP..........95
Hình 4. 36: Đồ thị công suất động cơ xe tham khảo trong chu trình WLTP.....................96
Hình 4. 37: Đồ thị cường độ dòng điện - điện áp động cơ xe tham khảo trong chu trình WLTP .................................................................................................................................97
x
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: So sánh các loại pin li-ion dùng trên xe điện của Tesla ...................................14
Bảng 2. 2: So sánh đặc tính của các loại pin dùng trên xe ô tô điện .................................16
Bảng 2. 3: So sánh động cơ từ trở và động cơ không đồng bộ..........................................34
Bảng 3. 1: Hệ số cản lăn ở các loại đường khác nhau .......................................................53
Bảng 3. 2: Hệ số cản khí động ở các loại xe......................................................................54
Bảng 4. 1: Thông số kỹ thuật của xe tham khảo Toyota Vios 2013..................................57
Bảng 4. 2: Thông số kỹ thuật của xe sau khi chuyển đổi ..................................................57
Bảng 4. 3: Bảng thông số kỹ thuật động cơ.......................................................................67
Bảng 4. 4: Bảng thông số kỹ thuật pin Li-ion cell INR21700-48X...................................68
Bảng 4. 5: Bảng so sánh thông số kỹ thuật của xe Toyota Vios và xe sau khi chuyển đổi ............................................................................................................................................70
xi
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
- AC: Alternator Current – Dòng điện xoay chiều
- BEV: Battery Electric Vehicles – Xe điện chạy pin
- BLDC: Brushless DC Motor – Động cơ một chiều không chổi than
- DC: Direct Current – Dòng điện một chiều
- EV: Electric Vehicles – Xe chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện
- f: Tần số (Hz)
- HEV: Hybrid Electric Ehicles – Xe lai
- ĐCĐT: Internal Combustion Engine Vehicles – Xe động cơ đốt trong
- IM: Induction Motor – Động cơ không đồng bộ ba pha
- IPM: Interior Permanent Magnet
- Li-ion: pin Lithium-ion
- LMO: LiMn2O4, Li2MnO3 – Lithium Mangan Oxit
- NiCd: Nicken – Cadmium
- Ni-MH: Nickel Metal Hydride
- Ni-Zn: Nickel-Zinc
- NMC: LiNiMnCoO2 - Lithium Niken Mangan Coban Oxit
- PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicles – Xe hybrid cắm điện
- PM: Permanent Magnet – Nam chân vĩnh cửu
- PWM: Pulse Width Modulation – Điều chế độ rộng xung
- PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor – Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- SPM: Surface mounted Permanent Magnet
- SRM: Switched Reluctance Motor - Động cơ từ trở thay đổi
- SynRM: Synchronous Reluctance Motor - Động cơ từ trở đồng bộ
- FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle – Xe chạy bằng pin nhiên liệu
xii
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
1.1. Lý do chọn đề tài
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí gas được hình thành sau khi động vật, thực vật chết được chôn và vùi lấp dưới các lớp đất đá, tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất cực cao. Những nhiên liệu hóa thạch đó chứa rất nhiều năng lượng hóa học, chúng ta có thể khai thác và đốt chúng để tạo ra năng lượng cho các hoạt động và nhu cầu của con người như di chuyển, vận chuyển hàng hóa, sản suất,... Việc đốt nhiên liệu hóa thạch giải phóng vào bầu khí quyển của Trái Đất 21,3 tỉ tấn cacbon đioxit (CO2) mỗi năm, gây nóng lên toàn cầu, ô nhiễm môi trường. Nhiên liệu hóa thạch với ưu điểm là hiệu quả cao, giá cả cạnh tranh và dễ khai thác nên con người ngày càng lệ thuộc vào nó. Việc khai thác chúng cũng đã có từ lâu và ngày càng tăng, đặc biệt là các nước phát triển. Chính vì vậy, việc cạn kiệt các nguồn năng lượng đó là không thể tránh khỏi, vốn dĩ do khai thác luôn nhanh hơn nhiều so với tốc độ hồi phục, vốn dĩ phải mất hàng trăm triệu năm. Việc hạn chế giảm thiểu các chất độc hại nguy hiểm đó hiện nay là nhiệm vụ cấp thiết của tất cả các nước trên thế giới, việc đề ra các tiêu chuẩn khí thải cũng chưa thực sự đạt được giá trị như mong đợi.
Ở các nước phát triển, cuộc chạy đua để tìm ra những nguồn nhiên liệu mới thân thiện với môi trường đang là xu hướng hàng đầu trong việc sản xuất của các hãng ô tô hiện nay, những chiếc xe sử dụng nhiên liệu sạch được ra đời. Ta có thể kể đến như xe chạy bằng nhiên liệu sinh học từ thực vật (bio diesel, ethanol,...), xe chạy bằng khí thiên nhiên, xe chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), pin nhiên liệu,... Năng lượng điện được xem là ứng cử viên sáng giá để thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang gây nhiều tác động với môi trường như hiện nay, hầu như không phát thải lượng khí nhà kính ra môi trường, vượt trội về nhiều mặt khi đặt cạnh với các loại phương tiện vận chuyển sử dụng nhiên liệu xăng, dầu, khí đốt gây ra. Ô tô điện dần bắt đầu được các hãng xe lớn trên thế giới như Tesla, Kia, BMW,... tập trung nghiên cứu và phát triển, với nỗ lực đưa nó trở thành phương tiện thay thế hoàn toàn xe chạy xăng, dầu truyền thống trong tương lai, cùng nhiều chức năng thông minh, hiện đại và an toàn cho con người.
Chính vì lẽ đó mà thời gian gần đây, chúng ta bắt đầu được làm quen nhiều hơn đến các khái niệm như: xe chạy điện EV, xe sinh thái, xe lai HEV. Trên tình hình thực tế, có thể khẳng định ô tô điện chính là chìa khóa mà bắt buộc bất cứ hãng nào cũng phải sở hữu để bắt kịp với xu hướng toàn cầu cũng như việc chinh phục thị trường xe năng lượng sạch. Tesla là hãng nổi tiếng nhất trong lĩnh vực xe điện, trong năm 2020, Tesla đã bán ra
1
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
thị trường 499.500 ô tô điện, điều nãy giúp hãng này vượt qua Toyota để trở thành hãng xe giá trị nhất thế giới.
Doanh số bán hàng năm 2021 cao nhất ở Trung Quốc với 3,3 triệu chiếc (gấp ba lần doanh số năm 2020), tiếp theo là châu Âu với 2,3 triệu chiếc được bán ra vào năm 2021 (tăng từ 1,4 triệu chiếc vào năm 2020). Tại Hoa Kỳ, doanh số bán ô tô điện đã tăng gấp đôi thị phần lên 4,5% vào năm 2021, đạt 630.000 chiếc được bán ra. Trên khắp các thị trường mới nổi, doanh số bán ô tô điện tăng hơn gấp đôi, nhưng doanh số vẫn ở mức thấp. Trong nửa đầu năm 2022, doanh số bán hàng còn tăng hơn nữa, ước tính rằng thị phần doanh số bán xe điện toàn cầu sẽ vào khoảng 13%.
Trong tương lai, một số nước ở châu Âu sẽ ban hành lệnh cấm tất cả xe chạy bằng nguyên liệu hóa thạch. Đức là quốc gia đầu tiên thực hiện lệnh cấm, cuộc họp của Hội đồng liên bang Đức vào tháng 10/2016, đã thông qua Nghị quyết yêu cầu cấm hoàn toàn động cơ đốt trong vào năm 2030. Na Uy đặt mục tiêu vào năm 2025 chỉ bán ra những chiếc ô tô chạy điện và đến năm 2030, xe tải hạng nặng, 75% xe buýt và 50% xe tải phải là xe không phát ra thải khí ô nhiễm (zero emission). Pháp và Anh cũng sẽ cấm hoàn toàn xe chạy bằng xăng và diesel vào năm 2040.
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, đất nước đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, hội nhập kinh tế với các nước phát triển trong khu vực và trên thế giới. Ngành Ô tô đang được Chính phủ chọn là ngành mũi nhọn cho sự phát triển đó, phải thay đổi để phù hợp với sự tiến bộ hiện đại của thế giới, hưởng ứng việc cắt giảm khí thải nhà kính. Do đó ô tô điện là sẽ là lĩnh vực cần được quan tâm, nghiên cứu. Điều này có ý nghĩa vô cùng thiết thực. Chính vì lẽ đó nhóm em chọn đề tài: “Tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện”. Đề tài này sẽ giúp chúng em hiểu rõ hơn về kết cấu, các thành phần của hệ thống truyền lực trên xe điện, về đặc tính và ưu điểm của động cơ điện so với động cơ đốt trong, để có thể ứng dụng những kiến thức về ô tô điện vào tương lai.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu sự ra đời và xây dựng kiến thức về xe điện như: hệ thống pin và động cơ điện cũng như tình hình nghiên cứu, phát triển, ứng dụng các công nghệ trên xe điện hiện nay.
- Nghiên cứu về đặc điểm cấu tạo của một số động cơ điện và pin được sử dụng trên ô tô điện hiện nay.
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực trên ô tô điện.
2
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Các loại xe ô tô điện được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay.
Phạm vi nghiên cứu:
- Đồ án tập trung nghiên cứu một số loại pin và động cơ điện được sử dụng phổ biến trên xe điện hiện nay
- Tính toán hệ thống pin và công suất của động cơ điện
- Mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện bằng phần mềm Matlab
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu:
- Pương pháp phân tích, tổng hợp
- Phương pháp tra cứu và tìm kiếm tài liệu
- Phương pháp biên dich tài liệu
- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng
1.5. Kết cấu đề tài
Nội dung đề tài được chia làm 5 chương: Chương 1: Tổng quan
- Lý do chọn đề tài
- Mục tiêu đề tài
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu
Chương 2: Tổng quan về ô tô điện
- Khái quát về xe điện
- Đặc điểm cấu tạo của xe ô tô điện
- Các loại động cơ điện hiện nay
- Cách bố trí động cơ điện
- Tổng quan về pin trên ô tô điện
- Một số mẫu xe ô tô điện hiên nay
Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán động cơ điện
3
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
- Lý thuyết về tính toán các lực tác dụng lên xe
- Giới thiệu phần mềm mô phỏng Matlab
Chương 4: Ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
- Tính toán công suất của động cơ điện
- Tính toán pin
- Giới thiệu các khối Simulink trong mô phỏng
- Kết quả mô phỏng
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
4
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
2.1. Giới thiệu chung 2.1.1. Ô tô điện
Ô tô điện là loại ô tô sử dụng năng lượng được cung cấp từ một hay nhiều động cơ điện, thay vì động cơ đốt trong truyền thống. Động cơ điện được cung cấp năng lượng từ pin, có thể sạc nhiều lần. Do ô tô điện không sử dụng năng lượng hóa thạch như xăng, dầu nên hầu như không có khí thải và không gây ô nhiễm môi trường, tiết kiệm chi phí.
2.1.2. Lịch sử phát triển của ô tô điện
Ô tô điện đã có lịch sử từ lâu đời.
Hình 2. 1: Một mẫu taxi chạy bằng điện năm 1897 ở New York
đã nộp bằng sáng chế về ô tô điện do ông phát minh, có công suất 5 HP, tốc độ tối đa 20 dặm/h và có thể sạc mỗi 50 dặm. Chiếc ô tô điện đầu tiên được thương mại hóa là Electroboat của
5
Vào khoảng những năm 1832 và 1839, một người
Scotland tên là Robert Anderson đã phát minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên, với
loại pin không thể sạc lại, đi được quãng đường khoảng 1,5 dặm với tốc độ 4 dặm/h. Năm
1842, hai nhà phát minh người Mỹ là Thomas Davenport và Scotsmen Robert Davidson
trở thành những người đầu tiên đưa pin vào sử dụng cho ô tô điện. Đến những năm 1865,
Camille Faure đã thành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong pin, giúp
cho xe điện có thể di chuyển một quãng đường dài hơn.
Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong hệ thống
giao thông vào cuối thế kỷ 18. Ở Mỹ, năm 1890, một nhà hóa học là William Morrison
Philadelphians Pedro Salom và Henry G. Morris phát minh vào năm
1894. Chiếc Electrobat này sử dụng hai động cơ công suất 1,5 mã lực và cho phép di
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
chuyển với vận tốc tối đa 32km/h, đi được 40km. Đến năm 1897, ô tô điện đầu tiên được bán tại thị trường Mỹ. Và từ đó, ô tô điện trở nên phổ biến khắp thế giới.
Detroit Electric là một chiếc ô tô điện được sản suất
Hình 2. 2: Xe ô tô điện Detroit Electric
Năm 1966, Hãng General Motors (GM) cho ra mắt mẫu xe Electrovan. Xe sử dụng ắc quy bạc-kẽm (silver-zinc) 532V với động cơ điện không đồng bộ 3 pha công suất 115 hp. Xe đạt tốc độ 36 km/h đi được từ 40 đến 80 dặm.
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Hình 2. 3: Xe ô tô điện Electrovan II
Anderson Electric Car
Company ở Detroit, Michigan vào năm 1923. Xe đạt tốc độ 25 dặm/h và đi được 80 dặm.
6
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
2.1.3. Ưu và nhược điểm của xe ô tô điện Ưu điểm của xe điện
- Cấu trúc xe đơn giản, dễ dàng lắp ráp nên giảm được chi phí sửa chữa, bảo dưỡng các hệ thống liên quan đến động cơ của xe
- Thân thiện với môi trường, giảm ô nhiễm khí thải. Điện có thể tạo ra từ các nguồn là các nguồn năng lượng tái tạo.
- Khả năng cháy nổ thấp
- Chế độ vận hành êm ái, motor điện tạo ra mômen lớn nên khả năng tăng tốc của
xe sẽ vượt trội hơn so với xe sử động cơ đốt trong.
Nhược điểm của xe điện
- Hệ thống cơ sở hạ tầng, đường xá còn chưa phát triển, không đáp ứng đủ số lượngcác trạm sạc cho xe điện
- Phạm vi hoạt động còn hạn chế, xe cần thời gian để nạp lại đầy điện
- Giá thành sản suất pin và tái chế pin cho xe điện còn đắt đỏ, từ 1500USD/xe (ắc quy chì axit) cho đến 20000USD/xe (ắc quy Lithium-ion). Chi phí trung bình thay
thế pin cho mẫu Tesla Model 3 là 180USD/kWh dung lượng của pin
- Nguyhiểmkhisửachữadopincóđiệnáprấtlớn,nếuxảyrasựcốsẽgâynguy
hiểm đến tính mạng của người sửa chữa hay người tiêu dùng
2.2. Đặc điểm cấu tạo chung của xe ô tô điện 2.2.1. Cấu tạo
Với cùng kích thước, xe điện luôn có nhiều không gian hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống. Là bởi vì xe điện có ít bộ phận cấu thành hơn.
Một ô tô điện cơ bản gồm ba hệ thống chủ yếu: hệ thống tạo động lực, hệ thống năng lượng và hệ thống phụ khác.
+ Hệ thống tạo động lực bao gồm: hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện, truyền động cơ khí và các bánh xe chủ động.
+ Hệ thống năng lượng bao gồm: pin, bộ phận quản lý pin, và bộ phận tiếp năng lượng điện
+ Hệ thống phụ khác bao gồm: hệ thống an toàn, tiện nghi khác, trợ lực lái, điều hòa, hệ thống phanh
Khi người lái đạp ga hay đạp chân phanh, tín hiệu từ hệ thống điều khiển xe được truyền đến bộ chuyển đổi năng lượng điện, sau đó bộ chuyển đổi năng lượng điện sẽ điều chỉnh dòng điện giữa động cơ điện và hệ thống pin.
7
SVTH: Võ Thành Phi – Phạm Hoài Bảo
Nghiên cứu tính toán và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe điện
Quá trình tăng tốc và giảm tốc (phanh) trong quá trình mô phỏng được thể hiện trên biểu đồ. Tín hiệu này được lấy từ khối Longitudinal Driver và dựa vào chu trình lái FTP75. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu của tăng tốc và giảm tốc theo thời gian. Nhận xét rằng trên đồ thị tăng tốc có những đoạn đường tín hiệu bé nhất, đồng thời trên đồ thị giảm tốc những đoạn đó lại là giá trị cực đại và ngược lại.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links