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 khoảng những năm 1832-1839, Robert Anderson, một nhà phát minh người Scotland, đã phát minh ra chiếc xe điện đầu tiên Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ, Thomas Davenport và Robert Davidson, đã đưa ắc quy vào sử dụng cho ô tô điện Đến năm 1865, Camille Faure đã cải tiến khả năng lưu trữ điện của ắc quy, giúp xe điện di chuyển được quãng đường dài hơn Pháp và Anh là hai quốc gia tiên phong trong việc phát triển ô tô điện trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 18.
Vào đầu thế kỷ 20, ô tô điện đã suy yếu và dần biến mất so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong, chủ yếu do những nguyên nhân chính như sự phát triển của công nghệ động cơ, hạ giá thành sản xuất, và nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất và quãng đường di chuyển.
Vào thời điểm hiện tại, sự phát hiện các mỏ dầu lớn trên toàn cầu đã làm giảm giá dầu và các sản phẩm liên quan, khiến vấn đề cung cấp nhiên liệu cho xe động cơ đốt trong trở nên dễ dàng hơn.
- 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 đáng kể, với các 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 đã biến mất khỏi thị trường do không thể cạnh tranh với xe chạy bằng 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.
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, trong khi các phương tiện giao thông hiện tại phụ thuộc vào xăng và dầu sẽ không còn tồn tại trong tương lai Ngược lại, điện năng là nguồn năng lượng linh hoạt, có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như gió, mặt trời và sóng biển Do đó, các phương tiện sử dụng điện chính là giải pháp cho tương lai bền vững.
Môi trường hiện nay đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, một trong những nguyên nhân chính là khí thải từ phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô Ô tô điện xuất hiện như một giải pháp triệt để cho vấn đề này, vì chúng hoàn toàn không phát thải khí độc hại.
Ô tô điện đang nổi lên như một giải pháp tối ưu cho hai vấn đề lớn của ngành giao thông, điều này giải thích tại sao nó trở thành tâm điểm chú ý từ nửa sau thế kỷ 20 và ngày càng thu hút sự quan tâm của ngành công nghiệp ô tô cũng như các nhà khoa học toàn cầu.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trên thế giới a Hoa Kỳ
Năm 2009, Tổng thống Mỹ Barack Obama đã phê duyệt khoản chi 2,4 tỷ USD cho nghiên cứu ô tô điện trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Ô tô điện Edison tại miền Nam California Khoản ngân sách này được phân bổ để phát triển công nghệ ô tô điện, nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô bền vững.
Nguồn năng lượng và hệ truyền động là hai yếu tố quan trọng trong nghiên cứu ô tô điện, sẽ được phân tích chi tiết trong các bài viết tiếp theo của loạt bài này.
Hình 1.2 Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009 b Châu Âu
Tại Châu Âu, xe ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) và các bộ biến đổi điện tử công suất đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu lớn Xe plug-in hybrid kết hợp năng lượng xăng và điện, cho phép người dùng sạc pin trực tiếp từ nguồn điện dân dụng mà không cần bộ sạc bên ngoài Một số mẫu xe hybrid đã xuất hiện tại Việt Nam, bao gồm Toyota Prius, Ford Escape Hybrid và Honda Civic Hybrid.
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.
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống cụm xe điện c Nhật Bản
Tại Nhật Bản, các hãng ô tô lớn đang đẩy mạnh phát triển xe điện thuần (pure EVs), với Nissan dẫn đầu qua mẫu Nissan Leaf Tuy nhiên, Mitsubishi lại là hãng đầu tiên giới thiệu xe điện thương mại với mẫu i-MiEV Xe i-MiEV đã được ra mắt tại Việt Nam trong khuôn khổ triển lãm Ô tô Vietnam Motor Show.
Mitsubishi Motors đã dành hơn 40 năm nghiên cứu để phát triển mẫu xe ô tô điện i-MiEV, bắt đầu từ những ý tưởng đầu tiên về xe điện vào năm 1966 Tính đến nay, hãng đã chế tạo 10 mẫu xe concept và thực hiện hơn 500.000 km thử nghiệm trên toàn cầu.
Tại Nhật Bản, các trường đại học hàng đầu đều có các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu về ô tô điện Trong đó, Hori-Lab, dưới sự dẫn dắt 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 Nghiên cứu của Hori-Lab tập trung vào hai lĩnh vực chính: điều khiển chuyển động và hệ thống năng lượng cho xe.
Hình 1.4 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường 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 thông thường bằng cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu bằng động cơ điện và pin, trong khi giữ lại 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 trở nên khó khăn.
Ô tô hiện đại ngày nay được thiết kế với thân và khung sườn độc đáo, đáp ứng các yêu cầu cấu trúc riêng biệt, từ đó nâng cao tính linh hoạt cho các nguồn động lực điện.
Một động cơ điện cơ bản được minh họa trong hình nó bao gồm ba hệ thống chủ yếu:
- Hệ thống động lực điện
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 nhận tín hiệu từ chân ga và bàn đạp phanh để cung cấp điện cho bộ chuyển đổi năng lượng Bộ chuyển đổi này có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện giữa động cơ và nguồn năng lượng, đảm bảo hoạt động hiệu quả của xe.
Năng lượng tái sinh từ quá trình phanh có thể được nạp lại vào nguồn năng lượng chính, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng Hầu hết các pin của xe điện (EV) đều có khả năng tiếp nhận nguồn năng lượng này một cách dễ dàng.
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 năng lượng nhằm giám sát quá trình này và quản lý việc sử dụng các nguồn năng lượng hiệu quả.
Nguồn cung cấp năng lượng phụ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cần thiết với các điện áp khác nhau cho các thành phần phụ của xe, bao gồm điều hòa không khí, trợ lực lái và hệ thống chiếu sáng.
Có nhiều loại xe điện (EV) với cấu trúc khác nhau, tùy thuộc vào các biến thể liên quan đến đặc điểm của động lực điện và nguồn năng lượng sử dụng.
Hình 1.15: Các dạng EV dựa trên động lực điện và các nguồn năng lượng
Xe điện đầu tiên, như hình 1.15a, sử dụng động cơ điện thay cho động cơ đốt trong của xe thông thường Cấu trúc của nó 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.
Một động cơ điện với công suất liên tục trong dải tốc độ rộng có thể sử dụng tỉ số truyền cố định, thay thế cho hộp số nhiều cấp và giảm thiểu nhu cầu sử dụng ly hợp Cấu hình này không chỉ giúp giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống truyền động cơ khí mà còn đơn giản hóa việc điều khiển xe, vì không cần thay đổi tỉ số truyền.
Động cơ điện có cặp bánh răng cố định và bộ vi sai có thể được tích hợp thành một cụm giữa hai bán trục bánh xe chủ động, giúp việc điều khiển trở nên đơn giản và chắc chắn hơn.
Trong hình 1.15d, hệ thống truyền động vi sai được thay thế bằng hai động cơ điện, mỗi động cơ đảm nhiệm một bánh xe và hoạt động với tốc độ khác nhau khi xe chuyển hướng hoặc quay vòng.
Nhằm tiếp tục đơn giản hóa việc điều khiển xe, động cơ có thể được đặt phía trong một bánh xe
Một cặp bánh răng nhỏ được đặt trong bánh xe để giảm tốc độ và nâng cao mômen động cơ
Loại bỏ truyền động bánh răng giữa động cơ điện và bánh xe chủ động giúp kết nối trực tiếp đầu ra của roto động cơ điện tốc độ thấp với các bánh xe, mang lại hiệu suất cao hơn và giảm thiểu tổn thất năng lượng.
Kiểm soát tốc độ của động cơ điện là yếu tố quyết định trong việc điều chỉnh tốc độ của bánh xe, từ đó kiểm soát tốc độ tổng thể của xe.
Tuy nhiên, việc sắp xếp đòi hỏi các động cơ điện phải có một mômnen xoắn cao hơn để khởi động và tăng tốc xe
1.2.2 Các bộ phận chủ yếu trên xe điện
Hình 1.16: 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 trong xe, có chức năng chuyển đổi nguồn điện DC áp cao từ ắc quy thành nguồn điện DC áp thấp, giúp cung cấp năng lượng cho các thiết bị hoạt động và sạc lại ắc quy phụ.
Động cơ điện sử dụng năng lượng từ ắc quy để dẫn động các bánh xe, trong khi một số phương tiện còn kết hợp động cơ và máy phát (motor generators) để thực hiện chức năng truyền động và tái sinh năng lượng.
- Onboard changer: Lấy nguồn điện AC được cung cấp qua cổng sạc và biến đổi chúng thành nguồn DC để sạc cho ắc quy
Bộ phận này theo dõi các thông số của ắc quy như điện áp, dòng, nhiệt độ và tráng thái sạc
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 (khối lượng net), dẫn đến tiêu tốn năng lượng, giảm quãng đường đi được mỗi lần nạp điện (một thông số rất quan trọng của ô tô điện) b Dải điều chỉnh tốc độ rộng
Xe ô tô thông thường có khả năng vận hành trong dải tốc độ từ 0 đến khoảng 150 km/h, điều này yêu cầu động cơ hoạt động hiệu quả trong một khoảng tốc độ rộng Đặc tính làm việc của động cơ cần phải phù hợp với đặc điểm vận hành của ô tô.
Khi ô tô khởi động và di chuyển ở tốc độ thấp, cần một mômen lớn để đảm bảo hoạt động hiệu quả Ngược lại, khi xe đạt tốc độ cao, chỉ cần một mômen nhỏ Động cơ điện hoạt động trong hai vùng làm việc khác nhau để đáp ứng nhu cầu này.
Hình 1.17: 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 công nghiệp, trong khi vùng II phù hợp với động cơ điện sử dụng trong 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 này có nhược điểm là cần bộ vành góp và chổi than, dẫn đến tuổi thọ thấp Nó yêu cầu bảo trì và bảo dưỡng thường xuyên, đồng thời 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 mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác
Hình 1.18: Động cơ 1 chiều ( DC motor) b Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM) Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo
Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ, chúng ta có khả năng áp dụng các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu công nghệ hiện đại.
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 dài và rộng, giúp động cơ phát huy tối đa hiệu suất Trong khi đó, tại Việt Nam, đường phố thường nhỏ hẹp và đông đúc, xe thường phải di chuyển ở tốc độ thấp và dừng đỗ nhiều Điều này khiến động cơ IM hoạt động dưới mức tối ưu, dẫn đến hiệu suất kém và quãng đường di chuyển cho mỗi lần nạp ắc quy bị hạn chế đáng kể.
Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM) có cấu trúc stato tương tự như động cơ xoay chiều thông thường, bao gồm dây quấn và lõi sắt từ.
Rotor của động cơ được cấu tạo từ các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính xen kẽ, tạo ra sự khác biệt giữa từ trở dọc trục và từ trở ngang trục Cấu trúc này sinh ra mômen từ trở, giúp động cơ quay hiệu quả.
Hình 1.20: 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 dạng cực lồi Trên stator, hệ thống dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, trong khi rotor chỉ là một khối sắt đơn giản, không có dây quấn hay nam châm.
Cấu tạo đặc biệt của SRM mang lại độ bền vững cao về cơ khí, cho phép thiết kế hoạt động ở tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng mỗi phút.
Nguyên lý hoạt động của động cơ như sau:
Dây quấn stator được kích từ theo thứ tự, tương tự như trong động cơ bước, tạo ra lực từ trường tác động lên rotor Lực này khiến rotor quay từ vị trí có từ trở lớn nhất, tức là vị trí lệch trục, đến vị trí có từ trở nhỏ nhất, tức là vị trí đồng trục.
Động cơ SRM hoạt động hiệu quả trong cả vùng tuyến tính và vùng bão hòa, cho phép khai thác tối đa khả năng của vật liệu từ, từ đó mang lại tỉ lệ công suất trên khối lượng cao Tuy nhiên, động cơ SRM cũng tồn tại một số nhược điểm, hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong thực tế.
Nguyên lý vận hành của hệ thống rất đơn giản, nhưng việc điều khiển với chất lượng cao lại gặp khó khăn do sự nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc biệt trong thời gian chuyển mạch.
Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế động cơ
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NGUỒN ĐỘNG LỰC HỌC
ĐỘNG LỰC HỌC CHO Ô TÔ ĐIỆN
Khi tính toán nguồn động lực cho ô tô, chúng ta cần chú ý đến bốn chỉ số vận hành chính: vận tốc cực đại, khả năng leo dốc, khả năng tăng tốc và quãng đường di chuyển trong một lần nạp nhiên liệu Đối với xe sử dụng động cơ đốt trong, công suất cực đại thường được xác định chủ yếu dựa vào vận tốc cực đại Tuy nhiên, với động cơ điện, công suất không thay đổi nhiều trong quá trình hoạt động và mô men xoắn giảm dần khi tốc độ tăng cao Do đó, ở tốc độ cao, tính năng động lực học của ô tô điện giảm, và khi tính toán nguồn động lực cho ô tô điện, cần xem xét cả ba chỉ số vận hành còn lại.
2.1 Động lực học động cơ đốt trong
Tốc độ cực đại của xe là một chỉ tiêu động lực học quan trọng, vì vậy nó luôn được xác định trong quá trình thiết kế và kiểm nghiệm các mẫu xe mới.
Khi tốc độ cực đại chúng ta thừa nhận rằng:
- Xe đạt tốc độ cực đại trên đường bằng và tốc độ ổn định (j = 0)
- Xe đạt vận tốc 𝑉 𝑀𝑎𝑥 thì công suất cực đại
Nếu bạn nắm rõ giá trị công suất ứng với tốc độ cực đại của xe tại đầu vào của hộp số \( P_{e_{max}} \), thì tốc độ tối đa \( V_{Max} \) có thể được xác định thông qua mối quan hệ này.
Thay công thức 2.1 vào 2.2 ta được:
Khi xác định độ dốc lớn nhất mà xe có thể vượt qua, thường không xem xét khả năng bám của bánh xe với mặt đường, dẫn đến việc tính toán độ dốc lý thuyết lớn nhất dựa trên lực kéo 𝐹 𝑘max và 𝐹 𝑘𝑟max Độ dốc này được áp dụng trong trường hợp xe chuyển động đều (j=0,𝐹 𝑗 = 0) ở tay số 1, với lực kéo 𝐹 𝜔 = 0 do vận tốc rất nhỏ và không kéo theo rơmoc (𝐹 𝑚 = 0) Do đó, ta có phương trình cân bằng lực kéo tương ứng.
Chia hai vế phương trình 2.5 cho G ta có:
𝐺𝑟 𝑏 = 𝐹 𝑘𝑟max = 𝑓cos𝛼 max + sin𝛼 max (2.6) Ở đây:
-𝑖 𝑡max : Tỷ số truyền cực đại của hệ thống truyền lực: 𝑖 𝑡max = 𝑖 ℎ1 𝑖 𝑝𝑡 𝑖 𝑜 𝑖 𝑐
- 𝑖 𝑝𝑡 : Tỷ số truyền của hộp số phụ ở tay số thấp
-𝑖 max = 𝑡𝑔𝛼 max : Độ dốc lớn nhất mà xe có thể vượt qua được
- i: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
Biến đổi tiếp 2.6 ta có:
𝐹 𝑘max = 𝑓cos𝛼 max + sin𝛼 max = √1+𝑡𝑔 𝑓 2
→ (𝐹 𝑘𝑟max 2 − 1)𝑖 max 2 − 2𝑓𝑖 max + (𝐹 𝑘𝑟max 2 − 𝑓 2 ) = 0 (2.7) Mặt khác:
Ta có công thứ tính công suất cực đại:
𝑃 𝑒max = 𝜔 𝑒 𝑀 𝑒max → 𝑃 𝑒max =𝐹 𝑘max 𝑣 max 𝑖
Xét ô tô với khối lượng m và diện tích cản gió tổng cộng S, cùng với hệ số cản không khí 𝐶𝑥, khi chuyển động trên đường có độ dốc 𝛼 và chịu tác dụng của hệ số cản lăn f Ô tô sẽ chịu lực kéo tại các bánh xe chủ động là 𝐹𝑘 Từ đó, cần xác định biến thiên của gia tốc trong quá trình chuyển động.
Phương trình cân bằng lực:
Khi xác định khả năng gia tốc của xe, thường xem xét trường hợp xe chuyển động trên đường thẳng với góc nghiêng bằng 0 (𝛼 = 0 → 𝐹 𝑖 = 0) và không kéo rơmóc (𝐹 𝑚 = 0).
Khi xe tăng tốc, vận tốc ban đầu của xe có thể coi là nhỏ, tức là 𝑣 𝑜 = 𝑣 Từ biểu thức 2.9, ta thấy rằng gia tốc 𝑗 phụ thuộc vào vận tốc 𝑣, dẫn đến việc xác định đường đặc tính tốc độ của gia tốc 𝑗 = 𝑓 (𝑣).
Ví dụ về việc xây dựng đồ thị đặc tính tốc độ gia tốc của xe trang bị hộp số 3 số tiến, trong đó ở tay số 1, chúng ta sẽ vẽ đường cong 𝑗 1 dựa trên các mối quan hệ đã xác định.
Nếu biết trước giá trị 𝑗 1max tại thời điểm v ta tính được giá trị 𝑀 𝑒max
𝑏𝑖 𝑡1 Vậy ta có công thức tính 𝑃 𝑒max như sau
- 𝑖 𝑡1 : Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ở tay số 1: 𝑖 𝑡1 = 𝑖 ℎ1 𝑖 𝑝 𝑖 𝑜 𝑖 𝑐
- 𝑀 𝑒 : Momen xoắn của động cơ, được xác định từ đường đặc tính động cơ Ở tay số 2 và 3 tường tự trên ta có đồ thị:
Hình 2.1: Đồ thị đặc tính tốc độ của gia tốc b Xác định thời gian tăng tốc và biến thiên của tốc độ ô tô
Hình 2.2: Xác định biến thiên tốc độ theo thời gian khi tăng tốc Để xác định biến thiên của tốc độ theo thời gian ta dùng công thức:
Thời gian tăng tốc từ 𝑣 1 đến 𝑣 2 :
Biết j(v) ta sẽ xác định được khoảng thời gian △ 𝑡 cần thiết để tăng tốc từ
𝑣 1 đến 𝑣 2 c Xác định quãng đường tăng tốc của ô tô
Từ mỗi quan hệ biến thiên v(t) đã biết, ta xác định được quãng đường đi được trong khoảng thời gian (𝑡 2 − 𝑡 1 )
Hình 2.3: Xác định biến thiên quãng đường theo thời gian và tốc độ theo quãng đường
Các đặc tính j(v), v(t), S(t), v(S) được gọi là các đặc tính tăng tốc của xe, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tính năng động lực học của ô tô.
2.2 Động lực học với động cơ điện
Ta có công thức tính công suất sinh ra trên mặt đường như biểu thức sau:
- 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)
- 𝑃 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒 là công suất cản dốc (W)
Nếu như bỏ qua công suất sinh ra bởi dốc, ta được biểu thức đơn giản tính toán công suất tại tốc độ tối đa như sau:
Từ đó ta tính được công suất tại vận tốc tối đa mà động cơ có thể sinh ra được
Bằng cách áp dụng công thức xác định công suất tại mặt đường (2.18) và loại bỏ công suất do lực quán tính, ta có thể tính toán công suất cần thiết để xe có khả năng leo dốc hiệu quả.
Với 𝑍 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒 thể hiện khả năng leo dốc của xe ở vận tốc 𝑣 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒
2.2.3 Hành trình tối đa Đối với mỗi loại xe khác nhau, hành trình tối đa cho phép xác định kích thước của hệ thống lưu trữ nhiên liệu Đối với xe có động cơ đốt trong ta có:
- Range là hành trình tối đa (km)
- 𝑣 𝑎𝑣𝑔−𝑘𝑝ℎ là tốc đô trung bình của xe (kph) Đối với BEVs ta có:
Ta có biểu thức cho công suất tăng tốc cần thiết ở bánh xe:
Trong đó 𝑡 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙 là khoảng thời gian cần thiết để xe tăng tốc từ 0 lên 𝑣 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙
Hệ số k xét đến độ trễ quán tính của từng loại động cơ k = [min ( 𝑣 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙
Ta giả thiết một hình dạng chung cho đường cong momen xoắn của một hệ thống truyền lực được chỉ ra như sau :
Đường cong momen xoắn lý thuyết được chia thành hai phần chính: vùng momen xoắn cực đại không đổi từ tốc độ 0 đến tốc độ cơ sở, và vùng công suất không đổi từ tốc độ cơ sở đến tốc độ tối đa Tốc độ cơ sở được định nghĩa là tốc độ tại đó đường cong momen xoắn bắt đầu chuyển từ vùng momen không đổi sang vùng công suất không đổi.
Trong trường hợp lý tưởng, khi bỏ qua các yếu tố cản lăn và cản gió, công thức cơ bản để tính toán công suất tăng tốc của xe được xác định theo hệ số N.
𝑁 2 là hệ số kể đến sự tăng dần của công suất
Năng lượng truyền động tối đa được tính bằng động năng tối đa chia cho thời gian tăng tốc
Công cản trong quá trình tăng tốc của xe có thể được tính xấp xỉ một cách đơn giản Cần lưu ý rằng công cản bằng không khi xe đứng yên và đạt giá trị lớn nhất tại vận tốc tối đa 𝑣 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙 Dựa vào biểu thức (2.18), chúng ta có thể xác định công cản lớn nhất.
Trong quá trình tăng tốc từ 0 đến 𝑃 𝑑𝑟𝑎𝑔−𝑣 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙, ta giả sử rằng có tổn thất xảy ra Dựa trên giả định này, công suất tổn thất trung bình trong toàn bộ quá trình tăng tốc được tính toán là 1.
2 𝑃 𝑑𝑟𝑎𝑔−𝑣 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙 Kết hợp với công thức 2.26 ta được công thức tính công suất cần thiết trong quá trình tăng tốc:
* Hệ quả của giá trị vận tốc tối đa
KIỂM NGHIỆM BẰNG ADVISOR
Nếu bạn đang học về cơ khí động lực hoặc ô tô, phần mềm ADVISOR Advanced Vehicle Simulator là công cụ quan trọng bạn cần biết Chạy trên nền tảng Matlab/Simulink, ADVISOR bao gồm các file simulink, dữ liệu và m files, được thiết kế để phân tích hiệu suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe thông thường, xe điện và xe hybrid Phần mềm này cung cấp nền tảng cho việc mô phỏng và phân tích chi tiết các thành phần hệ thống động lực do người dùng định nghĩa, tận dụng tối đa tính linh hoạt của Simulink và khả năng phân tích của MATLAB.
Hình 3.1: Giao diện phần mềm advisor
Khi sử dụng ADVISOR người dùng có thể:
- Ước lượng khả năng tiết kiệm nhiên liệu của các phương tiện đang được thiết kế, chế tạo
- Tìm hiểu về cách các loại xe thông thường, xe hybrid hoặc xe điện sử dụng (và thải) năng lượng trong bộ hệ thống động lực của chúng
- So sánh lượng khí thải được tạo ra trên một số chu kỳ
- Đánh giá một chiến lược quản lý năng lượng cho bộ chuyển đổi nhiên liệu xe hybrid
- Tối ưu hóa các tỷ số truyền trong hộp số để giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu hoặc tối đa hóa hiệu suất, v.v
Các mô hình trong ADVISOR là:
ADVISOR được phát triển dựa trên kinh nghiệm và mối quan hệ giữa các thành phần đo lường trong phòng thí nghiệm và bán tĩnh Nó sử dụng dữ liệu thu thập ở trạng thái ổn định, như mô men xoắn và tốc độ không đổi, đồng thời điều chỉnh cho các hiệu ứng thoáng qua như quán tính quay của các thành phần truyền động Phiên bản sơ bộ của ADVISOR đã được viết và ứng dụng lần đầu vào tháng 11 năm 1994.
Từ thời điểm đó, hệ thống đã được điều chỉnh để quản lý hiệu quả các hợp đồng thầu phụ liên quan đến động cơ hybrid của DOE Hoa Kỳ Vào tháng 1 năm 1998, một nỗ lực phối hợp đã được thực hiện nhằm chuẩn hóa phần mềm ADVISOR.
Từ thời điểm ra mắt, hơn 4500 cá nhân đã tải xuống một hoặc nhiều phiên bản của ADVISOR, trong đó có nhiều nhà cung cấp hàng đầu Khoảng 2/3 người dùng đến từ ngành công nghiệp, trong khi 1/3 còn lại đến từ các trường đại học Danh sách ngắn những người dùng chính của ADVISOR bao gồm các tổ chức uy tín trong lĩnh vực này.
- Hệ thống ô-tô Delphi và hàng trăm các hãng khác
3.1.2 Hướng dẫn sử dụng advisor:
Để sử dụng phần mềm Advisor, trước tiên bạn cần cài đặt MATLAB trên máy tính Sau khi khởi động MATLAB, hãy gõ lệnh "advisor" để mở trình Advisor.
Hình 3.2: Giao diện khởi động advisor
Click Start để bắt đầu chạy mô phỏng, ta sẽ thấy giao diện của phần mềm như sau:
Hinh 3.3: Giao diện nhập thông số xe
Ta chọn các thông số phù hợp với loại xe mà chúng ta đang xét:
- Fuel Converter: Bộ chuyển đổi nhiên liệu
- Exhaust Aftertreat: Hệ thống xử lý khí thải
- Energy Storage: Bộ phận dự trữ năng lượng
- Starter: Hệ thống khởi động
- Transmission: Hệ thống truyền lực
- Wheel/Axle: Bánh xe / trục
Sau khi lựa chọn các thông số phù hợp ta click continue để tiếp tục, ta được giao diện như hình Tại phần này ta lựa chọn:
- Drive Cycle: Chu trình lái
- Các điều kiện tính toán về khả năng tăng tốc ( Acceleration Test) và độ dốc ( Gradeability Test)
Hình 3.4: Giao diện nhập thông số chu trình lái
Sau khi chọn các thông số phù hợp, bạn chỉ cần nhấn RUN để bắt đầu quá trình tính toán Kết quả sẽ được hiển thị ngay sau khi chương trình hoàn thành.
Hình 3.5: Giao diện kết quả Đây là bảng kết quả chúng ta sử dụng cuối cùng:
Hình 3.6: Giao diện kết quả
3.2 Tính toán, lựa chọn truyền động điện
3.2.1 Chọn loại động cơ điện
Theo phương pháp cung cấp năng lượng, động cơ điện được chia thành hai loại chính: động cơ xoay chiều (AC) và động cơ một chiều (DC) Từ hai loại động cơ này, người ta phân loại thêm thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc và cơ chế vận hành của chúng.
Động cơ điện một chiều (DC) sử dụng nguồn điện một chiều, nổi bật với khả năng điều khiển tốc độ dễ dàng mà không làm giảm công suất, đồng thời có giá thành thấp hơn Đặc điểm của động cơ DC cho thấy khả năng cung cấp mômen khởi động cao và tăng tốc êm trong dải tốc độ rộng, mặc dù kích thước và trọng lượng lớn hơn so với động cơ xoay chiều (AC) Ngược lại, động cơ AC có hiệu suất cao và phạm vi hoạt động rộng, tuy nhiên cần mạch điện tử phức tạp và bộ biến tần để điều khiển tốc độ, điều này có thể làm giảm chất lượng dòng điện Đặc biệt, tỷ lệ công suất/trọng lượng của động cơ AC cao gấp đôi so với động cơ DC.
Hình 3.8: Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện
Sau khi phân tích, chúng tôi chọn động cơ một chiều (DC) cho thiết kế xe Hiện nay, có hai loại động cơ điện một chiều: động cơ có chổi than và động cơ không chổi than Động cơ có chổi than có tuổi thọ không cao và cần bảo dưỡng thường xuyên trong quá trình vận hành.
Động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC motor) mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như tỷ lệ momen/quán tính lớn và tỷ lệ công suất trên khối lượng cao, tương tự như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Việc không sử dụng chổi than và vành trượt giúp giảm chi phí bảo trì Hơn nữa, đặc tính của động cơ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tính chất của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.
Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:
- Mật độ từ thông khe hở không khí lớn
- Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao
- Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh)
- Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác)
- Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không
- Vận hành ở tốc độ cao
- Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn
Động cơ BLDC có nhược điểm về giá thành cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu, nhưng công nghệ hiện đại đang giúp giảm chi phí này Động cơ được điều khiển bằng bộ điều khiển phát ra tín hiệu dạng xung vuông và sử dụng cảm biến Hall để xác định vị trí rotor, dẫn đến chi phí đầu tư cao hơn Tuy nhiên, điều này mang lại khả năng kiểm soát tốc độ và mômen động cơ một cách dễ dàng và chính xác hơn.
Các loại nam châm sắt từ dễ bị từ hóa nhưng có khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ giảm khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, với sự phát triển của nam châm hiếm hiện nay, những nhược điểm này đã được cải thiện đáng kể.
Dựa trên các phân tích đã thực hiện, động cơ một chiều không chổi than nổi bật với những đặc điểm phù hợp với yêu cầu của đề tài Do đó, chúng tôi quyết định lựa chọn loại động cơ này để thiết kế cho xe.
