Nghiên cứu hiệu năng lượng của ô tô điện trong các điều kiện hoạt động khác nhau

TỔNG QUAN

Giới thiệu về ô tô điện

1.1.1 Sơ lược về lịch sử ô tô điện a Thời kỳ đầu Ô tô điện không phải một khái niệm mới mà trên thực tế đã có lịch sử lâu đời Từ đầu thế kỷ 19, xe chạy bằng nguồn năng lượng điện đã có vị thế cạnh tranh tương đương với xe chạy bằng động cơ hơi nước

Vào những năm 1832-1839, Robert Anderson, một người Scotland, đã phát minh ra xe điện đầu tiên Năm 1842, hai nhà phát minh Mỹ, Thomas Davenport và Robert Davidson, đã ứng dụng ắc quy vào ô tô điện Đến năm 1865, Camille Faure cải tiến khả năng lưu trữ điện của ắc quy, giúp xe điện di chuyển xa hơn Pháp và Anh là hai quốc gia tiên phong phát triển ô tô điện trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 18.

Vào đầu thế kỷ 20, ô tô điện dần suy yếu và biến mất trước sự thống trị của ô tô sử dụng động cơ đốt trong, nguyên nhân chính là do những hạn chế về công nghệ và hiệu suất.

Hiện nay, việc phát hiện các mỏ dầu lớn trên toàn cầu đã làm giảm giá dầu và các sản phẩm phụ liên quan Điều này đã đơn giản hóa vấn đề cung cấp nhiên liệu cho các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong.

- Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750USD, trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650USD [1]

Công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và ngành công nghiệp ô tô đã có những bước tiến vượt bậc, với những phát minh nổi bật như bộ khởi động cho xe chạy xăng của Charlé Kettering và động cơ đốt trong giá thành thấp do Henry Ford phát minh.

Đến năm 1935, ô tô điện gần như biến mất do không thể cạnh tranh với xe chạy động cơ đốt trong Tuy nhiên, sự trở lại và phát triển của ô tô điện đã diễn ra mạnh mẽ trong những năm gần đây, nhờ vào những tiến bộ công nghệ và sự quan tâm ngày càng tăng đối với môi trường.

Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, thế giới phải đối mặt với vấn đề lớn mang tính toàn cầu:

Năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và than đá không phải là nguồn tài nguyên vô tận và có nguy cơ cạn kiệt, điều này đồng nghĩa với việc các phương tiện giao thông sử dụng xăng, dầu sẽ không tồn tại trong tương lai Ngược lại, điện năng là một dạng năng lượng linh hoạt, có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả các nguồn tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời và sóng biển Vì vậy, phương tiện sử dụng điện sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu cho tương lai.

Môi trường hiện nay đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, một phần lớn do khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô Ô tô điện nổi lên như một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này, vì chúng hoàn toàn không phát thải khí độc hại.

Ô tô điện được xem là giải pháp tối ưu cho hai vấn đề lớn, điều này giải thích tại sao nó đã thu hút sự chú ý đặc biệt từ nửa sau thế kỷ 20 và ngày càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của ngành công nghiệp ô tô cũng như các nhà khoa học trên toàn cầu.

1.1.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trên thế giới a Hoa Kỳ

Vào năm 2009, trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Ô tô điện Edison ở miền Nam California, Tổng thống Mỹ Barack Obama đã phê duyệt khoản đầu tư 2,4 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển ô tô điện.

Hình 1.2: Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009

Trong nghiên cứu ô tô điện, nguồn năng lượng và hệ truyền động đóng vai trò quan trọng Các vấn đề liên quan đến hai yếu tố này sẽ được thảo luận chi tiết trong các bài viết tiếp theo của loạt bài.

Tại Châu Âu, xe plug-in hybrid và bộ biến đổi điện tử công suất đang được nghiên cứu sâu rộng Ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) kết hợp năng lượng xăng và điện, với khả năng sạc trực tiếp từ nguồn điện dân dụng mà không cần bộ nạp bên ngoài Một số mẫu xe hybrid phổ biến tại Việt Nam bao gồm Toyota Prius, Ford Escape Hybrid và Honda Civic Hybrid.

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống cụm xe điện

1,5 tỷ đô-la cho việc nghiên cứu hệ thống nguồn năng lượng hiệu suất cao

2,4 tỷ đô-la cho ô tô điện

500 triệu đôa cho việc nghiên cứu các hệ truyền động động cơ điện, v.v.

400 triệu đô-la cho việc nghiên cứu các vấn đề về cơ sở hạ tầng như các trạm nạp ắc quy, v.v.

Tại Nhật Bản, các hãng ô tô lớn đang tích cực ra mắt các mẫu xe thuần điện (pure EVs), với Nissan dẫn đầu qua mẫu Nissan Leaf Tuy nhiên, Mitsubishi là hãng đầu tiên giới thiệu xe điện thương mại với mẫu i-MiEV Xe i-MiEV đã được giới thiệu tại Việt Nam trong khuôn khổ triển lãm Ô tô Vietnam Motor Show.

Mitsubishi Motors đã trải qua hơn 40 năm nghiên cứu để đưa mẫu xe ô tô điện i-MiEV ra thị trường vào năm 2010 Bắt đầu từ năm 1966, hãng đã ấp ủ những ý tưởng đầu tiên về xe điện và chế tạo 10 mẫu xe concept, với hơn 500.000 km chạy thử nghiệm trên toàn cầu Lộ trình nghiên cứu của Mitsubishi Motors được thể hiện trong hình sau.

Các trường đại học lớn ở Nhật Bản đều có các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu về ô tô điện Hori-Lab, dưới sự lãnh đạo của Giáo sư Yoichi Hori tại Viện Khoa học Công nghiệp, Trường Đại học Tokyo, là một trong những đơn vị tiên phong trong nghiên cứu xe điện tại Nhật Bản Nghiên cứu của Hori-Lab chủ yếu tập trung vào hai lĩnh vực chính.

(i) Điều khiển chuyển động (Motion Control)

(ii) Hệ thống năng lượng cho xe (Vehicle Power System)

Hình 1.4: Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường

15 d Hàn Quốc và Trung Quốc

Hình 1.5: Ô tô bus điện tại hàn quốc

Cấu tạo chung của các hệ thống và bộ phận trong ô tô điện

1.2.1 Các hệ thống trong động cơ điện

Trước đây, xe điện chủ yếu được phát triển từ ô tô truyền thống bằng cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu bằng động cơ điện và pin, trong khi giữ nguyên các thành phần khác Tuy nhiên, khối lượng lớn, tính linh hoạt kém và hiệu suất không tối ưu đã khiến việc áp dụng xe điện rộng rãi gặp nhiều khó khăn.

Ô tô hiện đại ngày nay được thiết kế dựa trên nguyên bản của thân và khung sườn riêng biệt, đáp ứng yêu cầu cấu trúc độc đáo và tăng cường tính linh hoạt cho các nguồn động lực điện Một động cơ điện cơ bản bao gồm ba hệ thống chính, như được minh họa trong hình.

- Hệ thống lực điện: bao gồm hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện, truyền động cơ khí và bánh chủ động

- Hệ thống năng lượng: bao gồm nguồn năng lượng bộ phận quản lý năng lượng và bộ phận tiếp năng lượng điện

- Hệ thống phụ trợ: bao gồm trợ lực lái, điều hòa, nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ

Hệ thống điều khiển xe sử dụng tín hiệu từ chân ga và bàn đạp phanh để điều chỉnh dòng điện giữa động cơ và nguồn năng lượng Nguồn năng lượng tái sinh trong quá trình phanh có thể được nạp vào nguồn chính của xe điện (EV) nhờ vào khả năng tiếp nhận của pin Bộ phận quản lý năng lượng và bộ phận điều khiển phối hợp để kiểm soát hoạt động phanh tái sinh và phục hồi năng lượng, đồng thời giám sát việc sử dụng các nguồn năng lượng Nguồn cung cấp năng lượng phụ đảm bảo cung cấp điện áp cần thiết cho các thành phần như điều hòa không khí, trợ lực lái và hệ thống chiếu sáng.

Có nhiều loại xe điện (EV) với cấu trúc khác nhau, được phân loại dựa trên đặc điểm của động lực điện và các nguồn năng lượng sử dụng.

Hình 1 12: Các dạng EV dựa trên động lực điện và các nguồn năng lượng

Hình 1.12a minh họa dạng đầu tiên của xe điện, trong đó động cơ điện thay thế động cơ đốt trong truyền thống Xe điện bao gồm động cơ điện, ly hợp, hộp số và vi sai, trong đó ly hợp và hộp số có thể được thay thế bằng hộp số tự động Với động cơ điện có công suất liên tục trong dải tốc độ rộng, một tỉ số truyền cố định có thể thay thế hộp số nhiều cấp, giảm bớt nhu cầu sử dụng ly hợp Cấu hình này không chỉ giúp giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống truyền động mà còn đơn giản hóa việc điều khiển xe, vì không cần thay đổi tỉ số truyền.

Động cơ điện, bánh răng cố định và bộ vi sai có thể được tích hợp thành một cụm nằm giữa hai bán trục bánh xe chủ động, giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển và tăng cường độ chắc chắn.

Hình 1.12d minh họa việc thay thế truyền động vi sai bằng hai động cơ điện, mỗi động cơ điều khiển một bánh xe và hoạt động với tốc độ khác nhau khi xe chuyển hướng hoặc quay vòng, giúp đơn giản hóa thiết kế.

Việc điều khiển xe hiện đại có thể được tối ưu hóa bằng cách đặt động cơ bên trong bánh xe, nơi một cặp bánh răng nhỏ giúp giảm tốc độ và tăng mômen động cơ Bằng cách loại bỏ hoàn toàn hệ thống truyền động giữa động cơ điện và bánh xe chủ động, đầu ra của roto động cơ điện tốc độ thấp có thể kết nối trực tiếp với bánh xe, cho phép kiểm soát tốc độ xe một cách hiệu quả Tuy nhiên, để khởi động và tăng tốc xe, động cơ điện cần phải có mômen xoắn cao hơn.

1.2.2 Các bộ phận chủ yếu trên xe điện

Hình 1.13: Cấu tạo xe điện

- Ắc quy phụ: Trong một chiếc xe truyền động điện, nguồn pin phụ cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên xe hoạt động

- Cổng sạc: Cổng sạc cho phép phương tiện kết nối với nguồn điện từ bên ngoài để sạc ắc quy

Bộ chuyển đổi DC/DC là thiết bị quan trọng giúp chuyển đổi nguồn điện DC áp cao từ ắc quy thành nguồn điện DC áp thấp, cần thiết cho việc hoạt động của các thiết bị trên xe và sạc lại ắc quy phụ.

Động cơ điện sử dụng năng lượng từ ắc quy để dẫn động các bánh xe, và một số phương tiện còn kết hợp động cơ với máy phát, cho phép thực hiện cả chức năng truyền động và tái sinh năng lượng.

Bộ sạc trên xe (onboard charger) nhận nguồn điện AC từ cổng sạc và chuyển đổi thành nguồn điện DC để sạc cho ắc quy Thiết bị này theo dõi các thông số quan trọng của ắc quy như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sạc, đảm bảo quá trình sạc diễn ra an toàn và hiệu quả.

Bộ điều khiển điện tử công suất là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, chịu trách nhiệm quản lý dòng năng lượng từ ắc quy, đồng thời điều chỉnh tốc độ và mômen xoắn của motor điện.

Hệ thống làm mát (Thermat system) là giải pháp quan trọng giúp duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu cho động cơ điện và các bộ phận liên quan Việc kiểm soát nhiệt độ không chỉ đảm bảo hiệu suất làm việc của động cơ mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

- Bộ ắc quy kéo: Lưu trữ điện để cung cấp cho motor

- Truyền động điện – Transmission electric

Ngày nay, xe điện thường có phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các phương tiện truyền thống sau mỗi lần sạc Hiệu quả sử dụng và phạm vi lái xe điện phụ thuộc vào điều kiện lái xe Nhiệt độ môi trường quá cao hoặc quá thấp làm giảm phạm vi vì cần nhiều năng lượng hơn để điều chỉnh nhiệt độ cabin Tốc độ xe cao cũng làm giảm phạm vi do tăng lực cản, trong khi tăng tốc đột ngột và tải trọng nặng có thể gây giảm đáng kể phạm vi hoạt động.

Nguồn động lực học ô tô

1.3.1 Yêu cầu về động cơ cho ô tô điện Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học, hầu hết động cơ điện có hoạt động theo hiệu ứng điện từ, một số ít là động cơ áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng điện áp điện, thường là động cơ nhỏ Động cơ truyền động cho ô tô điện có những yêu cầu riêng, có những điểm khác so với động cơ dùng trong công nghiệp Nhìn chung, loại động cơ này cần có những yêu cầu được phân tích dưới đây a Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất lớn Động cơ truyền động cho ô tô điện thường có công suất từ khoảng 30 kW cho tới 100 kW và hơn thế nữa Với công suất này, nếu sử dụng động cơ thông thường trong công nghiệp, khối lượng động cơ sẽ rất lớn, làm tăng tự trọng của

Xe điện có khối lượng net 32 xe, điều này dẫn đến việc tiêu tốn năng lượng và giảm quãng đường đi được mỗi lần nạp điện, một yếu tố rất quan trọng trong hiệu suất của ô tô điện Đồng thời, xe cũng có dải điều chỉnh tốc độ rộng, mang lại sự linh hoạt cho người sử dụng.

Xe ô tô thông thường hoạt động hiệu quả trong dải tốc độ từ 0 đến khoảng 150 km/h, yêu cầu động cơ phải duy trì hiệu suất trong một khoảng tốc độ rộng Điều này đảm bảo rằng động cơ phù hợp với đặc tính vận hành của ô tô.

Khi ô tô khởi động và di chuyển ở tốc độ thấp, mômen cần thiết phải lớn để đảm bảo khả năng vận hành Ngược lại, khi xe đạt tốc độ cao, chỉ cần một mômen nhỏ Động cơ điện hoạt động hiệu quả trong hai vùng làm việc khác nhau.

Hình 1 14: Đặc tính của ô tô điện

- Vùng I: Dưới tốc độ cơ bản

- Vùng II: Trên tốc độ cơ bản

Trên đồ thị đường đặc tính, vùng I thích hợp cho động cơ trong ngành công nghiệp, trong khi vùng II phù hợp với động cơ điện cho ô tô.

1.3.2 Các loại động cơ điện dùng cho ô tô điện a Động cơ 1 chiều Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động cơ một chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc độ, mômen

Động cơ một chiều có nhược điểm là cần bộ vành góp và chổi than, dẫn đến tuổi thọ thấp và yêu cầu bảo trì thường xuyên Loại động cơ này không phù hợp với điều kiện môi trường nóng ẩm và bụi bặm Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển, động cơ một chiều ngày càng bị thay thế bởi các loại động cơ khác.

Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM) là một loại động cơ có giá thành thấp, phổ biến và dễ chế tạo Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, các thuật toán điều khiển vector tiên tiến có thể được áp dụng cho động cơ IM, giúp đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.

Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp Các hãng xe của Hoa

GM chủ yếu sử dụng động cơ IM cho xe của mình vì ở Mỹ, xe thường chạy trên đường cao tốc với khoảng cách dài và đường phố rộng rãi, giúp động cơ IM phát huy hiệu suất tối đa Ngược lại, ở Việt Nam, đường nhỏ hẹp và đông đúc khiến xe thường chạy ở tốc độ thấp, phải dừng đỗ nhiều, dẫn đến động cơ IM hoạt động dưới mức định mức, làm giảm hiệu suất và quãng đường đi cho mỗi lần nạp ắc quy.

Hình 1.16: Động cơ không đồng bộ

Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM) có cấu trúc stator tương tự như động cơ xoay chiều thông thường, bao gồm dây quấn và lõi sắt từ Rotor của động cơ được thiết kế với các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen, tạo ra sự khác biệt giữa từ trở dọc và từ trở ngang trục Cấu trúc này tạo ra mômen từ trở, giúp động cơ quay hiệu quả.

Hình 1.17: Cấu trúc động cơ từ trở đồng bộ - SynRM và so sánh rotor động cơ

Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM) của ABB có cấu tạo đặc biệt với rotor và stator đều dạng cực lồi, cùng với dây quấn trên stator tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều Rotor của SRM chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm, giúp động cơ này rất bền vững về cơ khí Thiết kế này cho phép SRM hoạt động ở dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng trên phút.

Nguyên lý hoạt động của động cơ như sau:

Các dây quấn stator của động cơ SRM được kích từ tuần tự, tương tự như động cơ bước, tạo ra lực từ trường tác động lên rotor, khiến nó quay từ vị trí có từ trở lớn nhất đến vị trí có từ trở nhỏ nhất Mạch từ hoạt động trong cả vùng tuyến tính và bão hòa, cho phép tối ưu hóa khả năng của vật liệu từ, dẫn đến tỉ lệ công suất trên khối lượng cao Tuy nhiên, động cơ SRM vẫn tồn tại một số nhược điểm, hạn chế khả năng ứng dụng của nó.

Nguyên lý hoạt động của động cơ đơn giản, nhưng việc điều khiển với chất lượng cao lại gặp khó khăn do hiện tượng nhấp nhô mômen lớn, đặc biệt trong quá trình chuyển mạch Thêm vào đó, cấu tạo cực lồi của động cơ làm tăng tính phi tuyến, gây trở ngại cho việc điều khiển và thiết kế động cơ hiệu quả.

Các nhược điểm hiện tại của SRM đang được nghiên cứu, và nếu được khắc phục thành công, sẽ tạo ra nhiều cơ hội ứng dụng trong cả ngành công nghiệp và lĩnh vực ô tô điện.

Các tác giả hiện đang nghiên cứu thiết kế và điều khiển loại động cơ này, và đã công bố một số kết quả ban đầu trong các tài liệu.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG TIÊU HAO CỦA Ô TÔ ĐIỆN

2.1 Tổng quan về mô hình phân tích tham số để tính toán năng lượng tiêu thụ của xe (PAMVEC)

PAMVEC: The Parametric Analytical Model of Vehicle Energy Consumption

Hiện nay, hầu hết các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hydrocacbon lỏng từ dầu thô, nhưng sự phụ thuộc vào dầu mỏ và tác động tiêu cực của nó đến môi trường đã thúc đẩy nghiên cứu các nguồn năng lượng thay thế Các nhiên liệu thay thế như hydro, methanol, ethanol, diesel sinh học và điện đang được xem xét để giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm Những loại xe sử dụng năng lượng mới bao gồm xe điện lai, xe điện chạy bằng pin nhiên liệu và xe điện hoàn toàn.

Trong đánh giá tiềm năng công nghệ xe, năng lượng tiêu thụ là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến kinh tế, môi trường và kỹ thuật của xe Lượng tiêu thụ nhiên liệu quyết định chi phí, hiệu suất, quãng đường vận chuyển và khí thải nhà kính Vì vậy, việc tính toán chính xác năng lượng tiêu thụ của phương tiện là cần thiết.

Nhiều nghiên cứu đã so sánh tính kinh tế và kỹ thuật của các loại nhiên liệu thay thế và công nghệ xe khác nhau, với phương pháp ước tính năng lượng tiêu thụ xe là điểm nổi bật Hiện nay, công cụ mô phỏng động học được sử dụng phổ biến để tính toán năng lượng tiêu thụ, nhờ vào độ chính xác cao và khả năng mô phỏng chi tiết Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là yêu cầu dữ liệu đầu vào rất chi tiết, thường không có sẵn, và phụ thuộc vào chu trình lái xe xác định.

Việc so sánh nhiều công nghệ xe khác nhau có thể gây ra những nhược điểm phức tạp, dẫn đến việc mô phỏng trở nên tốn kém và mất nhiều thời gian.

Luận án này sẽ đưa ra một phương pháp thay thế phù hợp hơn, khắc phục được những nhược điểm trên Phương pháp này sẽ:

1 Sử dụng các tham số đặc trưng của chu trình lái để tính toán

2 Sử dụng các tham số đầu vào là dữ liệu công nghệ có sẵn của xe

3 Phương pháp tính toán đơn giản

Mô hình phân tích tham số PAMVEC được trình bày trong đồ án này nhằm tính toán năng lượng tiêu thụ của xe PAMVEC giúp giảm thiểu độ phức tạp của dữ liệu đầu vào và yêu cầu tính toán trong mô phỏng động học, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác cao so với việc đo mức tiêu thụ nhiên liệu thực tế của xe.

Một mô hình đại diện cho phương pháp PAMVEC được thể hiện ở hình 2.1, đưa ra 3 thành phần chính của mô hình:

1 Mô hình năng lượng tiêu thụ dự đoán lượng năng lương tiêu thụ của xe dựa trên tham số mô tả chu kì lái của xe, tổng khối lượng của xe, các đặc tính khác dựa trên thông số xe cơ sở (ví dụ như hệ số cản lăn, phụ tải,….) và hiệu suất các thành phần của hệ thống truyền lực

2 Mô hình xác định kích thước các thành phần chỉ tính toán được các thành phần của hệ thống truyền lực dựa trên các ràng buộc của đặc tính động lực học của xe, khối lượng xe, hệ số cản và hiệu suất các thành phần của hệ thống truyền lực

3 Cân bằng khối lượng xe là dự đoán tổng khối lượng xe dựa vào kích thước các thành phần hệ thống truyền lực, năng lượng riêng của các thành phần và tham số của xe cơ sở ( khối lượng vỏ xe và khối lượng tải)

Chương này trình bày chi tiết các thành phần của mô hình tiêu thụ năng lượng, bắt đầu với phác thảo nguồn gốc của mô hình Nó giới thiệu các tham số mới để xây dựng phương trình công suất tiêu thụ tại bánh xe, đồng thời mô tả chu trình lái với những tham số này và cung cấp biểu thức với các thông số đặc biệt được phát triển.

Để tính toán tổn thất truyền động, cần xác định 40 yếu tố quan trọng Sau đó, mô hình hiệu suất của xe được mô tả chi tiết, sử dụng phương pháp gián tiếp để dự đoán thông số đầu ra năng lượng cho hệ thống truyền lực Từ đó, có thể tính toán năng lượng dự trữ cần thiết để đạt được các mức hiệu suất mục tiêu Mô hình hiệu suất gián tiếp này là sự phát triển của biểu thức hiệu suất do Ehsanietal đề xuất vào năm 1997.

2.2 Tham số của phương trình cân bằng công suất tại bánh xe

2.2.1 Công suất tải trung bình tại bánh xe

Theo lí thuyết ô tô phương trình tính toán công suất tại bánh xe như sau:

Trong đó: P road là công suất tải (W)

P aero là công suất cản khí động (W)

P roll là công suất cản lăn (W)

P accel là công suất tăng tốc (W)

Công thức tính công suất cản dốc P được xác định bởi các yếu tố như vận tốc xe (v), gia tốc xe (a), tỉ trọng không khí (ρ = 1,2 kg/m³), hệ số cản không khí (C D), diện tích cản của xe (A), hệ số cản lăn (C RR), tổng khối lượng xe (m total), gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s²), độ cản dốc (z) và hệ số quán tính quay của hệ thống truyền lực (k m) Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng giá trị k m có thể thay đổi, với Plotkinetal (2001) sử dụng k m = 1.1 và Moore (1996) sử dụng k m = 1.2.

Phương trình công suất bao gồm bốn thông số chính, trong đó hai thành phần đầu tiên thể hiện tổn thất công suất do cản khí động và cản lăn Hai thành phần còn lại, công suất tăng tốc và công suất leo dốc, liên quan đến động học và thế năng lưu trữ của xe Giả thiết rằng hành trình của xe là một vòng đi và về tại điểm xuất phát, dẫn đến việc P accel và P grade trong phương trình trở thành 0 Tổng thời gian của hành trình được định nghĩa là T, từ đó ta có thể xây dựng các biểu thức liên quan.

Khi xem xét biểu thức 2-2 và 2-3 trong hành trình của xe bắt đầu và trở về điểm xuất phát, tốc độ và độ cao không thay đổi Dựa trên điều này, công suất trung bình tại bánh xe có thể được xác định.

Trong biểu thức 2-4, v avg và v rmc đại diện cho vận tốc trung bình và vận tốc trung bình bậc 3 trong chu kỳ lái, được tính toán như sau:

Thêm nữa, tỉ lệ vận tốc của chu kì lái được định nghĩa như sau: Λ = 𝑣 𝑟𝑚𝑐

Chi tiết hơn về các thông số của chu kì lái này sẽ được đưa ra ở phần sau

Sử dụng biểu thức 2-4 và 2-7, công suất trung bình tại bánh xe có thể biểu diễn như sau:

Công thức 2-8 chỉ tính toán lực cản lăn và lực cản gió, không xem xét đến cản dốc do không có sự thay đổi về độ cao trong hành trình xe chạy Điều này có thể dẫn đến việc bỏ qua một số yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất vận hành của xe.

43 do quán tính có thể được hấp thụ lại và sẽ được tính toán ở phần công suất của quá trình phanh

2.2.2 Tổn thất trung bình do phanh

TÍNH TOÁN MỨC TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG CỦA Ô TÔ ĐIỆN

ĐIỆN TRONG CÁC CHU TRÌNH KHÁC NHAU

3.1 Đánh giá mô hình PAMVEC

3.1.1 Kiểm nghiệm tính chính xác của mô hình với thông số vận tốc trung bình bậc nhất và vận tốc trung bình bậc ba

Chu trình lái mẫu ta xét được cho bởi đồ thị sau:

Hình 3.1: Chu trình lái mẫu giả thiết

Theo lý thuyết ô tô, tổng công cản do lực cản không khí và lực cản lăn được tính bằng công thức sau, trong đó không tính đến cản dốc và cản quán tính.

Dựa vào giá trị các vận tốc theo thời gian được thể hiện trong đồ thị (3-1), chúng ta áp dụng công thức (3-1) để tính toán các giá trị công cản tức thời Kết quả này cho phép chúng ta xây dựng được đồ thị công cản tương ứng.

Hình 3.2: Đồ thị vận tốc và công suất theo thời gian

Từ đó ta tính được công suất cản trung bình trên cả chu trình đang xét như sau:

 Tính toán các thông số của phương pháp PAMVEC

 Vận tốc trung bình bậc nhất của: 𝑉 𝑎𝑣𝑔 = 1

 Vận tốc trung bình bậc 3 của V: 𝑉 𝑟𝑚𝑐 = √ 1

 Tỉ lệ vận tốc của V: Λ= 𝑣 𝑟𝑚𝑐

Sau khi xác định được giá trị Vavg, Vrmc và Λ, chúng ta tiến hành tính toán công suất trung bình tại bánh xe theo công thức 1-8, và kết quả thu được như sau:

 Sai số giữa phương pháp PAMVEC và lý thuyết ô tô

Như vậy so sánh với kết quả tính theo lí thuyết ô tô và theo phương pháp

PAMVEC thì sai số khi sử dụng các thông số Vavg và Λ để tính toán công suất trung bình tại bánh xe là không đáng kể

3.1.2 Kiểm nghiệm tính chính xác của mô hình với thông số gia tốc đặc trưng

Ta xét chu trình lái giả thiết như sau:

 Với các chu trình lái giả thiết cho như đồ thị, áp dụng lý thuyết ô tô ta có công thức tính giá trị công cản quán tính như sau:

𝑃 𝑗 = 𝑘 𝑚 𝑚 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 a v (3-7) Áp dụng công thức (3-7) ta tính các giá trị công cản quán tính tức thời, từ đó ta được đồ thị công cản như sau:

Hệ số 𝑘 𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛 được xác định là 0, do đó chỉ cần tính toán công suất động cơ khi xe tăng tốc (Pj > 0) Công suất cản quán tính trung bình sinh ra trong toàn bộ chu trình được tính toán như sau:

 Khi tính theo phương pháp PAMVEC ta thu được kết quả như sau: Áp dụng phương trình 2-16 ta có: ã = 1

Từ các giá trị ã vừa tính được thay vào phương trình 1-17 ta có:

Công suất quán tính trung bình với ã:

 Sai số của 𝑃̅ã so với 𝑃̅ 𝑗 là: ρ𝑃ã̅̅̅̅ = |𝑃ã ̅̅̅̅ − 𝑃 ̅̅̅| 𝑗

Khi áp dụng thông số ã để tính toán công suất quán tính trung bình bằng phương pháp PAMVEC, chúng ta thu được kết quả với sai số tương đối nhỏ, dưới 10%.

Trong thực tế, không thể có trường hợp xe di chuyển trên đường với các thông số mẫu đã nêu Để nâng cao độ chính xác trong việc kiểm nghiệm các thông số của mô hình, phần 3.2 sẽ được áp dụng trên hai chu trình thực tế đã được ghi nhận.

3.2 Tính toán và so sánh mức tiêu thụ năng lượng của ô tô điện với các chu trình lái khác nhau

Bảng 3 1: Thông số xe VF-e34

Chiều dài cơ sở (mm) 2610

Trọng lượng không tải (kg) 1490

Khoảng sáng gầm xe không tải/đầy tải (mm) 180/140

Công suất tối đa ( kW) 110

Momen soắn cực đại (Nm) 242

Trọng lượng toàn tải (kg) 1810

Mật độ không khí ρ (kg/m 3 ) 1,24

Hệ số khí động CD 0,67

Hệ số cản lăn Crr 0,009

Hệ số kể đến quán tính quay của hệ thống truyền lực Km

Vận tốc tối đa (km/h) 130

Bán kính vòng quay tối thiểu (m) 5,4

Dòng xe điện đang trở thành một thương hiệu mới mẻ, thu hút sự quan tâm của nhiều công ty trong việc khai thác kinh doanh Với thiết kế nhỏ gọn nhưng đầy đủ tính năng cần thiết, từ nội thất đến không gian trong xe, cùng hệ thống động cơ điện mạnh mẽ, sản phẩm mang lại sự yên tâm về chất lượng Đảm bảo chất lượng, an toàn và bền bỉ, dòng xe điện hứa hẹn sẽ mang đến cho bạn những tiện ích tối ưu nhất.

Hình 3.5: Hình ảnh thiết kế xe VF-e34

Theo mô hình PAMVEC, năng lượng tiêu thụ của xe bị ảnh hưởng bởi tải trọng và các yếu tố liên quan đến chu trình lái như cung đường và thời điểm Dựa trên những yếu tố này, tôi đã thu thập dữ liệu chu trình lái thực tế để so sánh mức năng lượng tiêu thụ giữa các chu trình khác nhau, bao gồm chu trình lái trên đường cao tốc (200km) và các chu trình nội đô NEDC, NYDC và UDDS, với cùng thời điểm và tải trọng tương đồng.

3.2.2 Đối với chu trình lái trên đường nội đô NEDC

 Thông số chu trình lái NEDC:

Bảng 3.2: Thông số chu trình lái NEDC

Vận tốc trung bình bậc nhất ( Vavg ) 33.04 km/h = 9.2 m/s

Vận tốc trung bình bậc ba ( Vrmc ) 53.62 km/h = 14.9 m/s

Hiệu suất mô tơ  mc 81%

Hiệu suất của hệ thống truyền lực trans

Hình 3.6: Hình vận tốc theo thời gian của chu trình lái NEDC

Từ biểu thức (2.36), công suất mà ắc quy cần cung cấp tính được như sau: r r

Battery d ive out d ive loss battery loss accessory

 Từ biểu thức (2.19), công suất trung bình tại bảnh xe tính được như sau:

 Từ biểu thức (2.34), công suất mất mát hệ thồng truyển lực tính được như sau: r

1 mc trans ( ) (1 ) d ive loss road inertia mc trans regen mc trans

2ρC D AΛ 3 v avg 3 + C RR m total gv avg = 5184 (W)

P regen = k regen P inertia = k regen k m m total ãv avg = 921 (W)

 Từ biểu thức (2.35), công suất mất mát trong Ắc-quy tính được như sau:

2 battery regen battery loss inertia

Từ (3-17), (3-18),(3-19) và (3-20) ta tính được công suất ắc quy cần cung cấp là: 𝑃̅ 𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 = 𝑃 𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒−𝑜𝑢𝑡 + 𝑃 𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒−𝑙𝑜𝑠𝑠 + 𝑃𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦−𝑙𝑜𝑠𝑠+ 𝑃 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑦

Bảng 3.3: Bảng tổng hợp năng lượng tiêu thụ năng lượng của chu trình NEDC

 Kết quả tính toán được lượng hóa trong bảng excel:

Hình 3.7: Tính toán năng lượng battery chu trình lái NEDC (W)

3.2.3 Đối với chu trình lái trên đường cao tốc HFWET

Bảng 3 4: Thông số chu trình lái cao tốc HFWET được tính bằng phương pháp

Hình 3.8: Biểu đồ vận tốc của chu trình lái trên đường cao tốc (Highway fuel economy test – HWFET

Hình 3 9: Tính toán năng lượng battery chu trình lái HFWET (W)

3.2.3 Đối với chu trình lái NYDC

Bảng 3.5: Thông số chu trình lái NYDC được tính bằng phương pháp PAMVEC

The fuel storage system for the vehicle platform is designed to meet specific performance targets, with a fuel specification energy of Wh/kg The glider mass is 1110 kg, enabling a top speed of 144 kph With a fuel energy storage capacity of Wh per kilometer, the vehicle can accelerate from 0 to 100 kph in just 11.5 seconds It is capable of maintaining a speed of 100 kph on a 6.50% grade, with a drag coefficient area (CdA) of 0.67 and a total fuel mass of kg.

Hybrid power unit R 0.282 m Driving range 300 km

HPU effecienty Trans.effciency 90% Driving Cycle HFWET

HPU power W Kregen 60% Average speed 77.2 kph

HPU mass kg Kstruct 1 Root-mean-cubed speed 80 kph

Powertrain mass 460 kg Characteristic acceleration 0.069 m/s^2

Load-leveling device curb mass 1570 kg

LLD specific power 420 W/kg cargo mass(1person) 80 kg Average wheel power(Proad) 16147 W 209 Whpkm

LLD specific energy 180 Wh/kg total mass 1650 kg Average brake power(Pbraking) 929 W 12 Whpkm

LLD efficiency 95% Effective inertial mass Average drive losses(Padl) 8791 W 114 Whpkm

LLD max power 106444 W Accessory power(Pap) 750 W 10 Whpkm

LLD energy 103795 Wh Tranmission Average LLD losses(Pbtrloss) 93 W 1 Whpkm

LLD mass 253 kg Trans Efficiency 85% Average LLD power(Pbtr) 26710 W 346 Whpkm

Charger 95% Trans Spec power 3500 Total LLD losses(Pttloss) 37273 W 483 Whpkm

Total Propulsion System Trans power 73287 Average electricity(Pinput) 73617 W 954 Whpkm

Mass(Mtps) 302 kg Motor/controller INPUTS

Energy 21140 Wh MC specific power 3100 W/kg

Spec power 220 W/kg MC mass 28 pec energy 70 Wh/kg MC efficiency 81%

Hình 3.10: Tính toán năng lượng battery chu trình lái NYDC (W)

3.2.4 Đối với chu trình lái US06

Bảng 3.6: Thông số chu trình lái US06 được tính toán bằng phương pháp

The fuel storage system of the vehicle platform is designed to meet specific performance targets, including a fuel specification energy of Wh/kg With a glider mass of 1110 kg, the vehicle achieves a top speed of 144 kph and an acceleration from 0 to 100 kph in just 11.5 seconds It features a fuel energy storage capacity measured in Wh per kilometer, while maintaining a drag coefficient (CdA) of 0.67 Additionally, the vehicle can sustain a speed of 100 kph on a gradient of 6.50%.

HPU effecienty Trans.effciency 90% Driving Cycle NYDC

HPU power W Kregen 60% Average speed 11.4 kph

HPU mass kg Kstruct 1 Root-mean-cubed speed 20.6 kph

LLD specific power 420 W/kg cargo mass(1person) 80 kg Average wheel power(Pawp) 595 W 52 Whpkm

LLD specific energy 180 Wh/kg total mass 1650 kg Average brake power(Pabp) 583 W 51 Whpkm

Hình 3.11: Tính toán năng lượng battery chu trình lái US06 (W

3.2.4 Đối với chu trình lái UDDS

Bảng 3.7: Thông số chu trình lái UDDS được tính toán bằng phương pháp

The fuel storage system for the vehicle platform is designed to meet specific performance targets, with a fuel specification that provides an energy density of Wh/kg The vehicle has a glider mass of 1110 kg and can achieve a top speed of 144 kph It offers an energy storage capacity measured in Wh per kilometer, enabling efficient fuel utilization The vehicle accelerates from 0 to 100 kph in just 11.5 seconds and has a fuel mass that supports its aerodynamic profile, indicated by a CdA of 0.67 Additionally, it can maintain a speed of 100 kph on a 6.50% grade, showcasing its capability in challenging terrains.

HPU effecienty Trans.effciency 90% Driving Cycle US60

HPU power W Kregen 60% Average speed 76.9 km/h

HPU mass kg Kstruct 1 Root-mean-cubed speed 91.2 km/h

Hình 3.12: Tính toán năng lượng battery chu trình lái UDDS (W)

3.2.5 So sánh mức tiêu thụ năng lượng của VF-e34 trong các chu trình khác nhau

Các thông số tính toán được từ các chu trình được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Bảng 3.8: Bảng tổng hợp của VF-e34 trong các chu trình khác nhau

Năng lượng điện tiêu thụ (KW) Tính kinh tế năng lượng

Tính kinh tế vận tải Nghìn đồng/100km

The vehicle platform features an advanced fuel storage system designed to optimize performance targets, achieving a top speed of 144 kph With a glider mass of 1110 kg, the vehicle accelerates from 0 to 100 kph in just 11.5 seconds It boasts an impressive fuel energy storage capacity measured in Wh/km, with a fuel mass of kg and a drag coefficient (CdA) of 0.67 Additionally, the vehicle can maintain a speed of 100 kph on a 6.50% grade, demonstrating its efficient energy utilization and robust design.

HPU effecienty Trans.effciency 90% Driving Cycle US60

HPU power W Kregen 60% Average speed 31.4 km/h

HPU mass kg Kstruct 1 Root-mean-cubed speed 44.5 km/h

Bảng 3.9: Bảng tổng hợp thông số của các chu trình lái được khảo sát

Chu trình lái Vận tốc trung bình(km/h)

Vận tốc trung bình bậc 3(km/h)

Tỉ lệ vận tốc Gia tốc đặc trưng(m/s2)

𝑣 𝑎𝑣𝑔 𝑣 𝑟𝑚𝑐 Λ ã NYDC 11.4 20.6 1.81 0.293 NEDC 33.0 53.6 1.62 0.112 UDDS 31.4 44.5 1.42 0.171 US06 76.9 91.2 1.19 0.190 HWFET 77.2 80.0 1.04 0.069

Nhìn vào thông số và mức tiêu hao năng lượng của mỗi chu trình lái, ta có những nhận xét như sau:

 Đối với các chu trình lái trên đường nội đô: NEDC, NYDC, UDDS

Chu trình NYDC đặc trưng bởi gia tốc lớn, quán tính cao và khả năng tăng tốc nhanh, nhưng vận tốc lại nhỏ, dẫn đến việc xe tiêu hao năng lượng nhiều nhất trong quá trình lái.

- Chu trình NEDC: Gia tốc nhỏ hơn NYDC , vận tốc lớn  tiết kiệm năng lượng hơn NYDC

- Chu trình UDDS: Vận tốc lớn, gia tốc lớn làm cho trạng thái di chuyển của ít bị thay đổi  tốn ít nhiên liệu nhất

 Đối với các chu trình lái trên đường cao tốc: HFWET, US06

- Chu trình US06: Gia tốc lớn, quan tính lớn, vận tốc bậc 3 lớn khiến cản gió nhiều  tiêu hao nhiều năng lượng hơn HFWET

Các biểu đồ thể hiện sự khác nhau giữa các chu trình:

 Biểu đồ năng lượng tiêu thụ của xe điện trọng các chu trình lái

Biểu đồ 3.1: Năng lượng trung bình (KW)

Mỗi chu trình lái có đặc điểm riêng, dẫn đến sự khác biệt trong mức tiêu hao năng lượng của ắc quy điện, do ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc đặc trưng trong từng trường hợp.

 Biểu đồ thể hiện tính kinh tế năng lượng của xe điện trong các chu trình lái

Biểu đồ 3.2: Điện năng trung bình trên 100 km (KWh)

BEV- NYDC BEV- US006 BEV- UDDS

Năng lượng điện tiêu thụ (KWh)

BEV- NYDC BEV- US06 BEV- UDDS

Tính kinh tế năng lượng(KWh)/100km

Từ năng lượng tiêu hao của từng chu trình, chúng ta có thể tính toán điện năng tiêu hao, tức là số điện cần dùng cho mỗi chu trình Số tiền điện trung bình cho mỗi chu trình được tính toán và thể hiện trong biểu đồ dưới đây, với mức giá điện hiện tại tại Việt Nam là 1,732 nghìn đồng/kWh.

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	2,74 MB