TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
Cấu hình của ô tô điện
Trước đây, xe điện chủ yếu được chuyển đổi từ ô tô thông thường bằng cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu bằng động cơ điện và pin, dẫn đến khối lượng lớn và hiệu suất thấp Tuy nhiên, ô tô điện hiện đại được thiết kế với thân và khung sườn riêng, đáp ứng yêu cầu cấu trúc độc đáo và tăng tính linh hoạt cho các nguồn động lực điện.
Một ô tô điện cơ bản gồm ba hệ thống chủ yếu: hệ động lực điện, hệ thống năng lượng và hệ thống phụ trợ
+ Hệ động 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 quàn lý năng lượng, và bộ phận tiếp năng lượng điện
Hệ thống phụ trợ của xe bao gồm trợ lực lái, điều hòa không khí và nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ Hệ thống điều khiển xe hoạt động dựa trên tín hiệu từ chân ga và bàn đạp phanh, cung cấp tín hiệu điện cho bộ chuyển đổi năng lượng điện, điều chỉnh dòng điện giữa động cơ và nguồn năng lượng Nguồn năng lượng tái sinh trong quá trình phanh có thể được nạp lại vào nguồn năng lượng chính, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng pin.
EV dễ dàng có khả năng tiếp nhận nguồn năng lượng tái sinh này
Hình 2.1: Cấu hình của ô tô điện hiện đại
Bộ phận quản lý năng lượng phối hợp với bộ phận điều khiển để kiểm soát hoạt động phanh tái sinh và phục hồi năng lượng Nó cũng kết hợp với các bộ phận tiếp nhận năng lượng nhằm giám sát quá trình này và theo dõi việc sử dụng các nguồn năng lượng hiệu quả.
Nguồn cung cấp năng lượng phụ trong ô tô điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho các thành phần như điều hòa không khí, trợ lực lái và hệ thống đèn Các ô tô điện có nhiều cấu trúc khác nhau, tùy thuộc vào sự thay đổi của hệ thống truyền động và nguồn năng lượng.
Hình 2.2: Các kiểu cấu trúc ô tô điện
DC: động cơ điện HS: hộp số VS: vi sai GT: hộp giảm tốc
Kiểu động cơ này sử dụng một động cơ điện thay cho động cơ đốt trong, giữ nguyên bộ truyền lực bao gồm ly hợp, hộp số bánh răng và vi sai Ly hợp kết nối hoặc ngắt dòng công suất từ motor điện đến các bánh xe chủ động, trong khi hộp số cung cấp các tỷ số truyền khác nhau để điều chỉnh tốc độ và mômen phù hợp với tải trọng Vi sai, thường là bộ bánh răng hành tinh, cho phép các bánh xe chủ động ở hai bên quay với tốc độ khác nhau khi xe vào cua.
Với một motor điện có công suất ổn định trong dải tốc độ rộng, hệ bánh răng cố định có thể thay thế hộp số đa cấp mà không cần ly hợp Cấu trúc này giúp giảm kích thước và trọng lượng của hộp số cơ khí, đồng thời cải thiện khả năng điều khiển.
29 khiển hệ thống truyền lực đơn giản hơn bởi vì cần số thì không cần thiết nữa
Hệ thống truyền lực được thiết kế tương tự như kiểu (b), bao gồm một động cơ điện, hệ bánh răng cố định và vi sai, có thể được tích hợp thành một cụm Hai đầu trục dẫn động bánh xe hai bên tương ứng, giúp cho hệ thống truyền lực trở nên đơn giản và gọn gàng hơn.
Hệ thống vi sai cơ khí đã được thay thế bằng hai động cơ kéo độc lập, mỗi động cơ điều khiển một bên bánh xe và có khả năng hoạt động với tốc độ khác nhau khi xe di chuyển qua các khúc cua.
(e): Để làm đơn giản hơn hệ thống truyền lực, motor kéo có thể được đặt cạnh bánh xe
Bố trí dẫn động tại bánh xe sử dụng hệ bánh răng hành tinh mỏng để giảm tốc độ động cơ và tăng mômen kéo cho motor Hệ bánh răng hành tinh mang lại ưu điểm với tỷ số giảm tốc cao và cấu trúc thẳng hàng từ trục vào đến trục ra.
Loại bỏ hoàn toàn cơ cấu cơ khí giữa motor điện và bánh xe chủ động, motor điện tốc độ thấp được đặt trực tiếp trong bánh xe và nối dẫn động bánh xe Việc điều khiển tốc độ motor điện đồng nghĩa với việc điều khiển tốc độ bánh xe, từ đó kiểm soát tốc độ của xe Tuy nhiên, thiết kế này yêu cầu motor điện phải có mômen xoắn cao để khởi động và tăng tốc cho xe.
Lựa chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực
Hệ thống truyền lực với cầu sau chủ động mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tầm quan sát tốt hơn cho người lái, phân bố trọng lượng hợp lý giúp cải thiện khả năng leo dốc và di chuyển trên đường trơn trượt, cùng với việc giảm tiếng ồn, tạo sự thoải mái hơn cho người điều khiển.
Bố trí cầu sau chủ động có nhược điểm như động cơ đặt phía sau làm tăng nguy cơ cho người lái khi xảy ra va chạm từ phía trước Tải trọng lớn trên cầu sau khiến xe dễ quay vòng, dẫn đến kém ổn định ở tốc độ cao Ngoài ra, chiều dài các bộ phận điều khiển lớn và cần có đường ngầm xuyên qua xe, làm cho sàn xe không được bằng phẳng Vì vậy, kiểu bố trí này phù hợp hơn với các dòng xe cỡ nhỏ và tốc độ thấp.
Hệ thống truyền lực bố trí với cầu trước chủ động mang lại một số ưu điểm đáng kể, bao gồm việc đảm bảo an toàn và ổn định cho người lái, đồng thời cải thiện khả năng vượt qua chướng ngại vật so với cầu sau chủ động Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là khả năng leo dốc kém hơn Do đó, cầu trước chủ động thường được ứng dụng trên các loại xe có tốc độ cao, nơi mà sự ổn định và an toàn được đặt lên hàng đầu.
Đối với xe điện, nhóm thiết kế đã chọn tốc độ tối đa khoảng 50km/h, phù hợp cho việc sử dụng trong đô thị, và quyết định bố trí hệ thống truyền lực với cầu sau chủ động Động cơ điện một chiều có đặc tính kéo lý tưởng tương tự ô tô, cho phép thiết kế hệ thống truyền lực không cần hộp số như động cơ đốt trong Để giảm thiểu chi tiết và trọng lượng xe, nhóm đã loại bỏ ly hợp và hộp số nhiều cấp, chỉ sử dụng motor điện, hệ bánh răng cố định, vi sai và các bán trục Hệ thống truyền lực của xe được thiết kế theo nhiều phương án tối ưu.
2.2.1 Phương án I: Dùng trục cac-đăng
Thiết kế lại truyền lực chính với tỉ số truyền theo yêu cầu
Hình 2.3: Hệ thống truyền lực dùng cac-đăng
31 Đặc điểm: Động cơ bố trí cố định trên khung xe
Cần thiết kế bộ truyền bánh răng nón với tỉ số truyền lớn và vỏ cầu mới, đồng thời bổ sung trục cac đăng để cải thiện hiệu suất Tuy nhiên, việc này sẽ làm tăng khối lượng và kích thước, dẫn đến giảm khoảng sáng gầm xe.
2.2.2 Phương án II: Không dùng trục cac-đăng
Hình 2.4: Bố trí động cơ tích hợp trên cầu xe Đặc điểm: Động cơ bố trí cố định trên cầu sau xe
Bố trí này giúp hệ thống truyền lực gọn gàng, tiết kiệm không gian trong khoang hành khách, giảm khối lượng trục các đăng thừa, đồng thời dễ dàng lắp đặt và thuận tiện cho việc kiểm tra, bảo dưỡng sau này.
Kết luận: Sau khi phân tích các phương án, nhóm đã quyết định chọn thiết kế động cơ đặt sau xe để đơn giản hóa hệ thống truyền lực, giảm thiểu chi tiết và dễ dàng trong việc sửa chữa, đồng thời loại bỏ trục cac-đăng.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ ĐIỆN CỠ NHỎ 32 3.1 Khảo sát nhu cầu sử dụng xe điện trong đô thị tại Việt Nam
Phân bố trọng lượng ô tô
Sự phân bố trọng lượng trên các trục của ô tô được xác định dựa vào giá trị và vị trí của các thành phần trọng lượng khi ô tô không tải và khi đầy tải.
* Tọa độ trọng tâm của ô tô thiết kế theo chiều dọc :
a: Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước
b : Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu sau
* Tọa độ trọng tâm của ô tô theo chiều cao h g :
Căn cứ vào giá trị các thành phần trọng lượng và tọa độ trọng tâm của chúng, ta xác định tọa độ trọng tâm của ô tô theo công thức:
Khoảng cách từ tâm vết tiếp xúc bánh trước đến tọa độ trọng tâm của các thành phần khối lượng được ký hiệu là li, trong khi chiều cao trọng tâm của các thành phần khối lượng được ký hiệu là hi.
G: trọng lượng bản thân ô tô
* Các thành phần khối lượng bao gồm:
Gk : trọng lượng sat-xi và khung xương
Gct: trọng lượng cầu trước và bánh xe
Gcs: trọng lượng cầu sau và bánh xe
Gm: trọng lượng động cơ
Gat: trọng lượng acquy trước
Gas: trọng lượng acquy sau
Ggt: trọng lượng ghế trước
Ggs: trọng lượng ghế sau
Gl : trọng lượng hệ thống lái
Glanh : trọng lượng hệ thống lạnh
* Phân bố trọng lượng trên các cầu:
Bảng 3.1: Phân bố trọng lượng ô tô khi không tải
TRỌNG LƯỢNG li(mm) hi(mm) Gi.li Gi.hi
1 Sat-xi và khung xương Gk 187 960 700 179520 130900
2 Cầu trước và bánh xe Gct 30 0 250 0 7500
3 Cầu sau và bánh xe Gcs 25 2100 250 52500 6250
5 Động cơ, hộp giảm tốc Gm 75 2230 380 167250 28500
Suy ra: a = 1068 (mm) ; b = L – a = 1032 (mm) ; hg `0 (mm)
* Các thành phần khối lượng:
G : trọng lượng xe khi không tải
Gnt: trọng lượng 2 người khoang lái
Gns: trọng lượng 2 người sau
Ghl: trọng lượng hành lý
Bảng 3.2: Phân bố trọng lượng ô tô khi đầy tải
TRỌNG LƯỢNG li(mm) hi(mm) Gi.li Gi.hi
1 Trọng lượng xe không tải G 542 1067 833 578710 325654
Suy ra: a = 1155 (mm) ; b = 944 (mm) ; hg = 698 (mm)
Xác định công suất của động cơ điện và nguồn ăc quy
3.3.1 Xác định các thông số của động cơ điện
Để động cơ điện hoạt động hiệu quả, công suất cần thiết phải đủ lớn để tạo ra lực kéo Fk, giúp vượt qua các lực cản như lực cản lăn của mặt đường Ff, lực cản khi lên dốc Fi, lực cản không khí Fω, lực quán tính Fj và lực cản từ móc kéo Fm.
Hình 3.6: Các lực tác dụng lên xe trường hợp tổng quát
Phương trình cân bằng lực kéo ở trường hợp tổng quát, giả sử xe không kéo móc: k f 1 f 2 i j
Ff = Ff1 +Ff2 = (Z1 + Z2).f = G.cosα.f : Lực cản lăn j
g : Lực quán tính của xe chuyển động có gia tốc
Fi = G.sinα : Lực cản lên dốc
Fω = 0,625.Cx.S.v 2 : Lực cản không khí
Fi có dấu ‘+’ khi lên dốc, có dấu ‘-’ khi xuống dốc
Fj có dấu ‘+’ khi tăng tốc, có dấu ‘-’ khi giảm tốc
- Lực cản lăn được tính:
Ff = Ff1 +Ff2 = (Z1 + Z2).f = G.f Trong đó:
G: là trọng lượng toàn bộ xe, ở đây G = 842 10 = 8420 (N) f: Hệ số cản lăn Đối với xe đang thiết kế thì chủ yếu là di chuyển trong đường thành phố nên ta chọn f = 0,02
Bảng 3.3: Bảng hệ số cản lăn f ứng với v
