TỔ NG QUAN V Ề V ẤN ĐỀ NGHIÊN C Ứ U
Tác độ ng t ới môi trườ ng c ủ a giao thông hi ệ n nay
Hiện nay, hầu hết các phương tiện giao thông đều sử dụng động cơ đốt trong làm nguồn năng lượng chính Động cơ này hoạt động bằng cách chuyển hóa hóa năng thành nhiệt năng, từ đó tạo ra cơ năng, nhưng đồng thời cũng thải ra các sản phẩm cháy vào môi trường Mặc dù sản phẩm cháy lý tưởng là CO2 và H2O, nhưng do sự hòa trộn nhiên liệu và đặc tính hoạt động của động cơ, khí thải phát sinh chứa nhiều chất gây ô nhiễm nghiêm trọng như CO, NOx, Sox và các sản phẩm không cháy khác, ảnh hưởng lớn đến môi trường.
NOx, hay nitơ oxit, là sản phẩm của phản ứng giữa nitơ và oxy trong không khí, với nitơ vốn là khí trơ nhưng lại tạo ra oxit nitơ dưới nhiệt độ và áp suất cao trong động cơ Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành NOx, trong đó oxit nitric (NO) là dạng phổ biến nhất, cùng với một lượng nhỏ oxit nitro (NO2) và dấu vết của N2O Khi NO được thải ra môi trường, nó phản ứng với oxy để tạo thành NO2, chất này sau đó bị phân hủy bởi bức xạ cực tím thành NO và oxy, gây hại cho các tế bào sống NO2 không chỉ góp phần hình thành khói bụi mà còn tạo ra mưa axit khi phản ứng với nước trong khí quyển, dẫn đến việc phá hủy rừng và làm suy thoái các di tích lịch sử bằng đá cẩm thạch ở các quốc gia công nghiệp.
Carbon monoxide (CO) là sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn các hydrocarbon do thiếu oxy, và nó là một chất độc nguy hiểm cho hô hấp của con người và động vật Khi CO vào máu, nó liên kết với hemoglobin thay cho oxy, dẫn đến giảm lượng oxy cung cấp cho cơ quan và làm suy giảm khả năng thể chất và tinh thần Triệu chứng đầu tiên của ngộ độc carbon monoxide là chóng mặt, có thể nhanh chóng dẫn đến cái chết CO có khả năng liên kết mạnh với hemoglobin hơn oxy, khiến cho các chức năng cơ thể bình thường không thể phá vỡ được liên kết này Những người bị ngộ độc cần được điều trị trong buồng điều áp, nơi áp suất giúp phá vỡ liên kết carbon monoxide - hemoglobin.
Sản phẩm không cháy HCs là kết quả của quá trình đốt cháy không hoàn toàn, và tùy thuộc vào bản chất, chúng có thể gây hại cho sinh vật Một số HCs không cháy là chất độc trực tiếp hoặc hóa chất gây ung thư như particulates và benzen Ngoài ra, các HCs không cháy còn góp phần tạo ra khói bụi khi tương tác với tia cực tím và NO trong khí quyển, dẫn đến sự hình thành ozone, một phân tử cấu thành từ ba nguyên tử.
Oxy không màu nhưng cực kỳ nguy hiểm và độc hại, đặc biệt khi nó tấn công màng tế bào sống, dẫn đến lão hóa sớm hoặc chết Những đối tượng như trẻ mới biết đi, người già và bệnh nhân hen suyễn rất dễ bị ảnh hưởng bởi nồng độ ozone cao Hàng năm, có nhiều trường hợp tử vong liên quan đến ô nhiễm không khí ở các thành phố.
Các chất gây ô nhiễm từ nhiên liệu chủ yếu xuất phát từ các tạp chất, trong đó lưu huỳnh là thành phần chính Lưu huỳnh thường có mặt trong dầu diesel, nhiên liệu máy bay, cũng như trong xăng và khí tự nhiên, góp phần vào việc phát thải ô nhiễm môi trường.
Việc đốt cháy lưu huỳnh và các hợp chất của nó với oxy tạo ra oxit lưu huỳnh (SOx), trong đó sulfur dioxide (SO2) là sản phẩm chính Khi SO2 tiếp xúc với không khí, nó chuyển hóa thành lưu huỳnh trioxide và phản ứng với nước để hình thành axit sunfuric, nguyên nhân chính của mưa axit Khí thải oxit lưu huỳnh chủ yếu phát sinh từ việc đốt than trong các nhà máy điện và nhà máy thép, mặc dù cũng có đóng góp từ các nguồn tự nhiên như núi lửa Các công ty dầu khí đã từng thêm tetraethylead vào nhiên liệu để cải thiện hiệu suất động cơ, nhưng việc đốt cháy chất này đã giải phóng kim loại chì, gây ra bệnh thần kinh sat satism Hiện nay, việc sử dụng tetraethylead đã bị cấm ở nhiều nước phát triển và đã được thay thế bằng các hóa chất an toàn hơn.
1.1.2 Sựấm lên của trái đất
Sự ấm lên toàn cầu là hệ quả của hiệu ứng nhà kính, chủ yếu do lượng CO2 và các khí khác như CH4 trong khí quyển Những khí này tạo ra lớp chắn ngăn cản bức xạ hồng ngoại từ Mặt Trời phản xạ trở lại, giữ lại năng lượng và làm tăng nhiệt độ Trái Đất Sự gia tăng nhiệt độ này không chỉ ảnh hưởng đến chi phí duy trì hệ sinh thái mà còn dẫn đến sự gia tăng các thảm họa tự nhiên.
Sự ấm lên toàn cầu đang gây ra những tác hại nghiêm trọng cho hệ sinh thái, làm gia tăng nguy cơ tuyệt chủng của nhiều loài và mất cân bằng quần thể Ngoài ra, hiện tượng này còn dẫn đến sự di cư của một số loài từ các khu vực ấm áp đến các vùng cực bắc lạnh hơn, nơi chúng có thể sinh sống.
Lượng CO2 hằng ngày được thải vào khí quyển vẫn tăng lên bởi các hoạt động của con người được thống kê theo số liệu
Hình 1.1 Thống kê lượng khí thải CO2 các lĩnh vực hoạt động tạo ra
Transportation: Vận tải, Industrial: Hoạt động công nghiệp Commercail: Hoạt động thương mại, Residential: Sinh hoạt hàng ngày
Hình 1.2 Thống kê nhiệt độ gia tăng hàng năm
1.1.3 Vấn đề cung cấp nhiên liệu và chiến lược phát triển phương tiện giao thông vận tải
1.1.3.1 Dự báo lượng nhiên liệu giự trữ
Tài nguyên dầu trên Trái đất có thể hỗ trợ nguồn cung dầu của chúng ta, nhưng điều này phụ thuộc vào phát hiện mới về trữ lượng và sản xuất dầu Dữ liệu lịch sử cho thấy phát hiện trữ lượng dầu tăng chậm, trong khi mức tiêu thụ dầu đang gia tăng nhanh chóng Nếu xu hướng này tiếp tục, dự kiến tài nguyên dầu thế giới sẽ cạn kiệt vào khoảng năm 2038.
Hình 1.3 Mức tiêu là lượng nhiêu liệu giự trữ thống kê hàng năm
Khám phá trữ lượng xăng dầu mới trên Trái Đất ngày càng trở nên khó khăn và tốn kém hơn Chi phí để tìm kiếm các mỏ dầu mới không ngừng gia tăng Nhiều người tin rằng tình hình cung cấp dầu sẽ không có nhiều thay đổi nếu tỷ lệ tiêu thụ không giảm đáng kể.
Ngành vận tải là lĩnh vực tiêu thụ xăng dầu chính, chiếm 49% tổng lượng dầu sử dụng toàn cầu vào năm 1997 Mô hình tiêu thụ giữa các nước công nghiệp và đang phát triển có sự khác biệt rõ rệt Trong các phân khúc nhiệt và năng lượng tại các nước công nghiệp, nguồn năng lượng phi nhiên liệu đã bắt đầu cạnh tranh và thay thế cho dầu từ những năm 1980 Đến năm 1990, mức tiêu thụ dầu trong các lĩnh vực khác đã giảm so với ngành vận tải.
Hình 1.4 Mức tiêu thụ nhiên liệu hàng năm toàn thế giới trong lĩnh vưc vận tải và các lĩnh vực khác
Hầu hết lợi ích từ việc sử dụng dầu toàn cầu chủ yếu tập trung vào lĩnh vực giao thông vận tải Dự báo từ năm 1997 đến 2020 cho thấy tổng mức tăng tiêu thụ dầu đạt 11,4 triệu thùng mỗi ngày, trong đó 10,7 triệu thùng mỗi ngày được sử dụng cho ngành vận tải, với rất ít lựa chọn thay thế kinh tế khả thi cho đến cuối giai đoạn dự báo.
1.1.3.2 Chiến lược phát triển lượng phương tiện giao thông vận tải Ở các nước đang phát triển, ngành giao thông vận tải cũng cho thấy sự tăng trưởng nhanh nhất trong tiêu thụxăng dầu, hứa hẹn sẽtăng gần đến mức sử dụng năng lượng không vận chuyển vào năm 2020 Tuy nhiên, ở các nước đang phát triển, không giống như ở các nước công nghiệp, sử dụng dầu cho các mục đích khác ngoài vận tải là dự kiến đóng góp 42% tổng mức tăng tiêu thụ xăng dầu Sựtăng trưởng trong tiêu thụ xăng dầu không vận chuyển ở các nước đang phát triển một phần là do sự thay thế các sản phẩm dầu mỏ cho nhiên liệu phi thương mại (như đốt gỗđểsưởi ấm tại nhà và nấu ăn).
Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu của xe có ảnh hưởng lớn đến nguồn cung cấp nhiên liệu hóa dầu Hiện nay, công nghệ hứa hẹn nhất bao gồm xe hybrid (HEV) và xe chạy bằng pin nhiên liệu Xe hybrid, với động cơ đốt trong là nguồn năng lượng chính và động cơ điện hỗ trợ, đạt hiệu suất hoạt động vượt trội so với động cơ đốt trong đơn thuần Công nghệ này đã gần như sẵn sàng cho sản xuất công nghiệp, bao gồm cả phần cứng và phần mềm.
Nhu c ầu và xu hướ ng pháp tri ể n xe điệ n
1.2.1 Lịch sử phát triển xe điện
1834: Thomas Davenport phát minh ra chiếc xe chạy điện bằng pin Pin không thể sạc lại
1859 Gaston Plante đã phát minh ra pin axit –chì có thể sạc lại
1889: Thomas Edison chế tạo xe chạy điện bằng pin
1895: Chiếc xe chạy điện đã chiến thắng trong cuộc đua xe ở Mỹ
1896: Đại lý xe hơi chỉbán xe điện đầu tiên ra đời
1897: Công ty sản xuất Giáo Hoàng thành lâp công ty điện, hoạt động quy mô lớn đầu tiên trong ngành công nghiệp Hoa kỳ
Vào năm 1900, ô nhiễm do chất thải của ngựa trở thành vấn đề nghiêm trọng ở Mỹ Để giải quyết tình trạng này, việc sản xuất xe điện, xe chạy xăng và xe hơi chạy bằng hơi nước được chú trọng nhằm thay thế phương tiện di chuyển bằng ngựa Kết quả từ các cuộc thăm dò cho thấy người dân ưa chuộng xe điện hơn cả.
1967: Walter laski sáng lập hiệp hội Ô tô điện đầu tiên
1983: Một đội xe chạy điện đã lái xe đi 100 dặm chỉ trong một lần sạc
1990: California thành lập Ủy ban phát thải phương tiện bằng không (ZEV) Yêu cầu 2% xe chạy điện không phát thải, 10% vào năm 2003 Chính phủ Mỹ đã chi
194 triệu đô cho tất cả các nghiên cứu hiệu quả vềnăng lượng
1994: 12 tiểu bang được bổ sung vào thực hiện mục tiêu sử dụng xe điện của California Chiếc xe GM impact EV (EV-1) lập kỷ lục tốc độ 187 dặm/ giờ
1997: Xe hyprid lại điện xăng được Toyota Prius trình làng tại Toyota Auto Show là chiếc Hybrid đầu tiện
2000: Ford cho ra chiếc EV đầu tiên, phiên bản của Pivco ở California
2001: Carlifornia duy trì nhiệm vụ ZEV với 15000 chiếc EVs bắt đầu từ năm
Những năm 2000: Dấu mốc của những chiếc xe có khả năng di chuyển trên đường cao tốc hiện đại
Năm 2003, công ty Tesla được thành lập với mục tiêu sản xuất ô tô điện hoàn toàn Họ đã giới thiệu nhiều mẫu xe với khả năng di chuyển xa và tốc độ cao.
2010: Nissan leaf được giới thiệu tại nhật Bản và Hoa kỳ
2011: Ford Focus electric đã được đưa ra thịtrường
In 2012-2013, a variety of electric vehicle models were launched, including the BMW ActiveE, Coda, Renault Fluence ZE, Tesla Model S, Honda Fit EV, Toyota RAV4 EV, Renault Zoe, Roewe E50, Mahindra e2o, Chevrolet Spark EV, Mercedes-Benz SLS AMG Electric, Fiat 500e, Volkswagen e-Up, BMW i3, and Kandi EV.
1.2.2 Nhu cầu sử dụng xe điện và các chính sách phát triển xe điện tại các nước phát triển
Công nghệ xe điện đã được cải tiến đáng kể, khắc phục nhiều nhược điểm như công suất, quãng đường di chuyển và khả năng tăng tốc, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người tiêu dùng Các nhà sản xuất lớn, từ hiện đại đến truyền thống, đang nỗ lực phát triển các sản phẩm xe điện cạnh tranh, bao gồm không chỉ Tesla mà còn có Nissan, Toyota, Hyundai, và Ford Dưới đây là bảng thống kê các dòng xe điện nổi bật trong thời gian này.
Bảng 1 : Các mẫu xe điện đã được thương mại hóa
Quãng đường di chuyển trên một lần sạc (dặm) Điện năng của Pin (kWh )
Công suất tối đa (HP)
Khả năng tăng tốc từ
Kích thước xe (in/in/in)
Nhiều hãng xe đang đẩy mạnh sản xuất và thương mại hóa xe điện, với động cơ điện có công suất lên tới 500 HP Thời gian tăng tốc chỉ mất khoảng 3 giây, và quãng đường di chuyển trong một lần sạc đã được cải thiện đáng kể.
500 km trong một lần sạc đầy pin
1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Bài nghiên cứu của giáo sư Vũ Triệu Minh về thiết kế mô phỏng hộp số HEV đã giới thiệu mô hình HDCT (HEV-DCT) với ba điều kiện lái cụ thể: trong thành phố, trên đường ngoại ô và đường cao tốc Kết quả cho thấy hiệu suất làm việc của động cơ và hệ thống truyền lực rất cao, đặc biệt là ở tốc độ thấp.
Nghiên cứu của DR.-ING CLAUDIO TORRELLI về thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống truyền lực xe điện với hộp số ly hợp kép đã chỉ ra rằng bộ điều khiển này ưu tiên tính kinh tế và hiệu suất sử dụng Kết quả cho thấy hệ thống truyền lực sử dụng động cơ điện có phản ứng nhanh và hiệu quả hơn so với động cơ đốt trong.
Nhóm tác giả Yu Wang, Enli Lu và Huazhong đã nghiên cứu về "Thiết kế toàn diện và tối ưu hóa hệ thống truyền động xe điện sử dụng hộp số ly hợp kép hai cấp số" Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và hiệu quả của hệ thống truyền động trong xe điện thông qua việc áp dụng công nghệ hộp số ly hợp kép hai cấp, nhằm tối ưu hóa khả năng vận hành và tiết kiệm năng lượng.
Lu, Nong Zhang và Xingxing Zhou: Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, chiếc xe đã đáp ứng chính xác với chu kỳ tốc độ lý tưởng
Chiến lược chuyển số của tiến sĩ Ngô Đắc Việt tập trung vào việc nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng lý thuyết tối ưu khả năng chuyển số của hộp số AMT (hộp số cơ khí có cấp chuyển số tự động) Tác giả đề xuất các chiến lược chuyển số dựa trên các điều kiện đầu vào có sẵn trong một chu kỳ và trạng thái nhất định của xe, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của xe trong những điều kiện đó.
+ Một số nghiên cứu đáng chú ý của nhóm tác giả Tạ Cao Minh, Nguyễn
Nhóm nghiên cứu do Bảo Huy và Nguyễn Đình Duy dẫn đầu đã tiến hành các nghiên cứu về việc điều khiển động cơ điện trên ôtô, tuy nhiên chưa xem xét đến ảnh hưởng của các bộ phận trong hệ thống truyền lực.
+ Duy-Dinh Nguyen, Minh C Ta, "New Direct Torque Control Scheme for BLDC Motor Drives Suitable for EV Applications", IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2014
+ Minh-Hung Doan, Minh C Ta, "Improvement of Pseudo - vector Control to Expand the Speed Range of BLDC Motor Drives", 2014
+ Ta M.C., Dufour C., “Real-time simulation and control of reluctance motor drives for high speed operation with reduced torque ripple”, IEEE Industrial Electronics Society (IEEE- IECON 2011), Melbourne, Australia, Nov
+ Cao-Minh Ta, “Pseudo-vector Control - An Alternative Approach for Brushless DC Motor Drives”, IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEEE-IEMDC 2011), Niagara Falls, Canada, May 2011, pp 1543-
In their 2011 paper presented at the IEEE International Electric Machines and Drives Conference in Niagara Falls, Canada, Bao-Huy Nguyen and Cao-Minh Ta explore finite element analysis and modeling techniques for switched reluctance motors, focusing on torque distribution control and addressing the challenges posed by high non-linear inductance characteristics Their research contributes valuable insights into the optimization of motor performance, making it a significant reference for advancements in electric machine technology.
+ Binh-Minh Nguyen, Kanghyun Nam, Hiroshi Fujimoto, Yoichi Hori, Cao-Minh Ta, “Modeling of Lateral Dynamics for Motion Control of Electric Vehicle”, 5th SEATUC International Symposium, Hanoi, Vietnam, Feb 2011
+ Long V Do and Minh C Ta, “Modeling, Simulation and Control of Reluctance Motor Drives for High-Speed Operations”, 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (IEEE-ECCE 2009), San Jose, USA, Sept
Các nước phát triển đang chú trọng nghiên cứu trong lĩnh vực này, với sự quan tâm lớn từ nhiều nhà khoa học.
Việt Nam hướng nghiên cứu này còn rất hạn chế, rất ít các nhà khoa học trong nước định hướng nghiên cứu và phát triển.
M ụ c tiêu, n ộ i dung, ph ạm vi và phương pháp nghiên cứ u c ủa đề tài
− Xác định vùng làm việc tối ưu của từng tay số để đảm bảo hiệu suất làm việc của động cơ là cao nhất
− Xây dựng chiến lược điều khiển sang số tối ưu cho hệ thống truyền lực đa cấp trên Ô tô điện
− Đánh giá mức độ cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ khi áp dụng chiến lược chuyển sốđã xây dựng
Dựa trên tình hình thực tế, khối lượng công việc nghiên cứu cần phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất và thời gian thực hiện đề tài Do đó, đề tài sẽ tập trung vào các vấn đề sau:
− Lựa chọn thông số khảo sát trên một mô hình Ô tô cụ thể để tiến hành nghiên cứu
− Lựa chọn mô hình động cơ điện sử dụng trên Ô tô sao cho mô hình phù hợp với điều kiện thực tế
− Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống truyền lực phù hợp với đề tài nghiên cứu dựa trên các giả thiết cụ thể
− Tính toán và lựa chọn tỉ số truyền hợp lý cho các cấp số
− Xây dựng chiến lược chuyển số tối ưu cho hộp sốđa cấp
− Kiểm tra đánh giá về mức độ cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ thông qua các chu trình thử nghiệm
Với những nội dung nghiên cứu trên đềtài được trình bày trong 5 chương:
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
HỆ TH Ố NG TRUY Ề N L ỰC TRÊN ÔTÔ ĐIỆ N
C ấ u trúc chung c ủ a h ệ th ố ng truy ề n l ự c trên xe điệ n EVs
Trước đây, việc chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện chủ yếu chỉ thay thế động cơ và bình nhiên liệu, trong khi các bộ phận khác vẫn giữ nguyên, dẫn đến xe điện có trọng lượng nặng, độ linh hoạt kém và hiệu suất giảm Tuy nhiên, xe điện hiện đại được thiết kế chuyên biệt, với khung xe phù hợp, đáp ứng yêu cầu cấu trúc riêng cho xe điện và tận dụng tốt hơn tính linh hoạt của động cơ điện.
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực trên xe điện
Hệ thống truyền lực của xe điện, như mô tả trong Hình 2.2, không chỉ là sự cải tiến của các bộ phận cơ khí nguyên bản mà còn bao gồm nhiều yếu tố phức tạp khác Để đáp ứng các yêu cầu hiện đại, hệ thống này cần phải được tối ưu hóa về hiệu suất và độ bền.
Để tối ưu hóa hiệu quả làm việc của xe điện, cần một hệ thống điều khiển điện tử với độ chính xác cao, có khả năng xử lý hầu hết các điều kiện lái trên đường Hệ thống truyền lực điện của xe bao gồm ba phần chính: hệ thống động lực điện, hệ thống quản lý năng lượng và hệ thống phụ trợ.
Hình 2.2 Hệ thống truyền lực điện tổng quát
Bộ điều khiển xe sử dụng tín hiệu từ bàn đạp ga và phanh để cung cấp các tín hiệu điều khiển thích hợp Nguồn điện cho động cơ được cấp qua bộ chuyển đổi năng lượng, điều chỉnh dòng điện giữa động cơ và nguồn năng lượng Dòng điện công suất ngược từ phanh tái sinh có thể chuyển đổi thành năng lượng điện và được lưu trữ tại pin, với hầu hết các pin EV và siêu tụ điện có khả năng tiếp nhận năng lượng tái tạo Bộ phận quản lý năng lượng phối hợp với bộ điều khiển xe để thực hiện quá trình phanh tái tạo, đồng thời giám sát bộ tiếp nhiên liệu để theo dõi khả năng sử dụng năng lượng.
Các h ệ th ố ng truy ề n động trên xe điệ n hi ệ n nay
Năng lượng điện trên xe điện chủ yếu cung cấp cho hai hệ thống chính: hệ thống truyền lực và hệ thống phụ trợ Cấu trúc chung của xe điện bao gồm ba hệ thống quan trọng: hệ thống truyền lực điện, hệ thống quản lý năng lượng và hệ thống phụ trợ Hệ thống truyền lực điện bao gồm bộ điều khiển, bộ chuyển đổi năng lượng, động cơ điện và hộp số cơ khí dẫn động đến bánh xe chủ động Hệ thống quản lý năng lượng liên quan đến nguồn năng lượng, bộ quản lý năng lượng và đơn vị cung cấp năng lượng Cuối cùng, hệ thống phụ trợ bao gồm các bộ phận điều khiển và các bộ phận hỗ trợ phanh.
Có 14 hệ thống treo và lái, bao gồm các hệ thống phụ trợ như đèn chiếu sáng thông tin, giải trí và tiện nghi Đặc biệt, hệ thống truyền động hiện có và đang được nghiên cứu phát triển bao gồm 6 mô hình cơ bản.
Phương án bố trí nhứ nhất trong Hình 2.3 giới thiệu việc sử dụng động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong trong hệ thống truyền động của xe thông thường Hệ thống này bao gồm động cơ điện, ly hợp, hộp số và vi sai, trong đó ly hợp có chức năng kết nối hoặc ngắt dòng công suất Hộp số cung cấp các tỷ số truyền để điều chỉnh mô men xoắn và tốc độ phù hợp với yêu cầu tải Cuối cùng, bộ vi sai đảm nhận nhiệm vụ phân chia dòng công suất đến bánh xe chủ động.
Hình 2.3 Hệ thống truyền lực truyền thống
Thay vì áp dụng hệ thống truyền lực truyền thống, việc sử dụng động cơ điện công suất cao với tốc độ hoạt động rộng cho phép chỉ cần một hộp số một cấp mà không cần ly hợp Cấu hình này giúp giảm kích thước và trọng lượng của hộp số, đồng thời đơn giản hóa việc điều khiển hệ thống truyền lực.
Hình 2.4 Hệ thống truyền lực điện sử dụng hộp số 1 cấp động cơ điện đặt dọc
Hệ thống truyền động được cải tiến với hộp số một cấp cố định và vi sai tích hợp, cho phép truyền lực ra hai bánh xe Thiết kế này đã giúp đơn giản hóa đáng kể toàn bộ hệ thống truyền lực cho động cơ đặt ngang.
Hình 2.5 Hệ thống truyền lực điện sử dụng hộp số 1 cấp
1 động cơ điện đặt ngang
Hệ thống truyền lực đã được chuyển đổi từ một động cơ đơn lẻ sang hai động cơ điện, loại bỏ hệ thống lực truyền thống và thay vào đó là hai hệ truyền lực riêng biệt, mỗi hệ thống truyền đến từng bánh xe.
Hình 2.6 Xe điện sử dụng nhiều hệ thống truyền lực hoạt động độc lập
Hệ thống truyền lực ngoài bánh xe tích hợp động cơ điện và hộp số thành một cụm, đặt trực tiếp trong bánh xe Việc sử dụng bộ bánh răng hành tinh giúp giảm tốc độ động cơ và tăng mô men xoắn, mang lại ưu điểm về khả năng biến đổi tốc độ lớn, đồng thời có thiết kế đơn giản và nhỏ gọn.
Hình 2.7 Xe điện sử dụng nhiều hệ thống truyền lực hoạt động độc lập hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe
Phương án tối giản hệ thống truyền lực được đề xuất là xe điện với động cơ đặt tại các bánh xe, cho phép động cơ điện truyền động trực tiếp tới bánh xe chủ động Rotor của động cơ điện tốc độ thấp được kết nối trực tiếp với bánh xe, mang lại hiệu suất cao và giảm thiểu phức tạp trong thiết kế.
Việc kiểm soát tốc độ của động cơ điện tương đương với việc điều chỉnh tốc độ của bánh xe, nhưng yêu cầu động cơ phải có momen xoắn cao để khởi động và tăng tốc hiệu quả.
Hình 2.8 Xe điện truyền động trực tiếp với động cơ đặt tại các bánh xe.
XÂY DỰ NG CHI ẾN LƯỢ C CHUY Ể N S Ố T ỐI ƯU CHO HỘ P S Ố ĐA CẤ P
Mô hình động cơ
3.1.1 Các động cơ điện sử dụng trên Ôtô Động cơ điện hay còn gọi là máy điện dùng để tạo ra sức kéo trong hệ thống truyền động điện Lực kéo điện là yếu tố vô cùng quan trọng trong việc tạo ra một động cơ hybrid hay động cơ điện hiệu quả Đại lượng chuyển đổi từ cơ sang điện hoặc điện sang cơ thông qua các đại lượng cơ học (momen và tốc độ); và đại lượng điện (dòng điện và điện áp) Trong phần này, các máy điện một chiều và xoay chiều được trình bày cùng với những ưu nhược điểm của chúng để sử dụng cho hệ thống truyền lực Ô tô Các thông số kỹ thuật chính của máy điện mô tảđặc trưng của tất cả các loại máy điện cũng được trình bày
Máy điện đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội công nghiệp hiện đại, góp phần cải thiện lực đẩy trong động cơ điện Momen xoắn, hay lực quay, được tạo ra bởi máy điện thông qua sự tương tác giữa dòng điện và từ trường.
Từ trường có thể được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu hoặc từ nam châm điện thông qua dòng điện Một máy điện bao gồm hai phần chính: Stato, phần đứng yên, và Roto, phần quay.
Có hai loại máy điện chính: máy điện một chiều (DC) và máy điện xoay chiều (AC) Máy điện một chiều sử dụng dòng điện một chiều, trong khi máy điện xoay chiều sử dụng dòng điện xoay chiều Trước đây, xe điện chủ yếu sử dụng máy điện một chiều, nhưng hiện nay, động cơ điện xoay chiều đã trở thành lựa chọn phổ biến nhờ vào hiệu suất cao, mật độ công suất lớn, chi phí thấp và độ tin cậy tốt hơn Máy điện xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm động cơ cho xe điện, tuabin gió và trạm phát điện Dù máy điện xoay chiều chiếm ưu thế trong các ứng dụng yêu cầu công suất trung bình cao, máy điện một chiều vẫn được ưa chuộng trong các ứng dụng công suất thấp nhờ vào khả năng điều khiển dễ dàng và chi phí thấp hơn.
Máy phát điện xoay chiều và máy điện một chiều đều hoạt động dựa trên những nguyên tắc tương tự, với mối quan hệ giữa tốc độ, mômen, điện áp và dòng điện Hoạt động của máy điện được mô tả qua hai phương trình cơ bản, thể hiện mối liên hệ giữa các yếu tố này Momen điện từ mà máy điện tạo ra có sự liên quan trực tiếp đến dòng điện I cung cấp cho máy.
Trong đó k là hệ số đặc trưng cho đặc tính vật lý và đặc tính từ của máy điện
Tồn tại một mối quan hệ giữa điện áp ngược E trên các cuộn dây và tốc độ góc của Roto
Xe điện đầu tiên của GM ra mắt vào năm 1996, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô Sau đó, Tesla tiếp tục phát triển với thế hệ đầu tiên là Tesla Roadster vào năm 2007 và mẫu sedan Tesla Model S, khẳng định vị thế của mình trong thị trường xe điện.
Năm 2012, động cơ cảm ứng hiệu suất cao (IPM) đã trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều nhà sản xuất, đặc biệt trong việc sử dụng làm động cơ đẩy cho ô tô điện.
Nó được lựa chọn sử dụng cho các xe của các hãng xe như Toyota, Nissan leaf, ChevyVolt, Mistubishi và một số dòng xe khác nữa
Bảng 2 trình bày so sánh giữa các loại động cơ như động cơ xoay chiều SPM, động cơ xoay chiều cảm ứng từ IPM, động cơ cảm ứng lồng sóc (SCIM), động cơ điện trở (RM), máy điện một chiều nam châm vĩnh cửu (PM-DC) có chổi than và máy điện một chiều không chổi than (WF) Bảng này đánh giá tính phù hợp của từng loại động cơ cho hệ thống truyền lực với các mức độ từ rất tốt (√√) đến rất kém (XX).
Bảng 2: Bảng so sánh tính phù hợp của động cơ để sử dụng cho hệ thống truyền lực
Tiêu chí Động cơ xoay chiều AC Động cơ một chiều DC
SPM IPM SC IM RM PM WF
Bảo dưỡng và sửa chữa
√√ √√ √√ √√ XX X Độ tin cậy XX √√ √√ √√ XX
Tính phù hợp cho hệ thống truyền lực của Ôtô
Động cơ IPM và SCIM là hai loại động cơ phù hợp cho hệ thống truyền lực của ô tô điện Hiện nay, động cơ IPM đang được các nhà sản xuất ô tô điện hàng đầu ưa chuộng và sử dụng phổ biến trên thị trường.
3.1.2 Lựa chọn mô hình động cơ sử dụng cho hệ thống truyền lực Động cơ được chọn trong đề tài là một động cơ điện xoay chiều dựa trên động cơ điện sử dụng cho Ô tô Toyota Prius được mô phỏng và tính toán các đặc tính làm việc của động cơ trên phần mềm Altair FluxMotor
Động cơ có công suất tối đa 76 KW và mô men xoắn cực đại 200 Nm, phù hợp cho xe cỡ nhỏ và xe du lịch với tải trọng hạn chế Động cơ đạt tốc độ tối đa 8000 vòng/phút, với mô men xoắn đạt cực đại 200 Nm ở 2621 vòng/phút, trong khi công suất tăng tuyến tính từ 0 KW lên 76 KW Khi tốc độ tiếp tục tăng, mô men xoắn giảm theo quy luật, nhưng công suất được duy trì ổn định, tạo ra đặc tính làm việc mượt mà và ổn định, điều mà các thiết bị máy và ô tô mong muốn Đặc biệt, động cơ này có khả năng khởi động từ vận tốc bằng không, là ưu điểm vượt trội so với động cơ đốt trong.
Động cơ có khả năng hoạt động hiệu quả ở chế độ bật tắt mà không ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của chính nó hay toàn bộ hệ thống Tại vận tốc 2621 RPM, động cơ bắt đầu duy trì công suất không đổi, được gọi là tốc độ cơ sở.
Hình 3.1 Đặc tính làm việc của động cơ
Hiệu suất làm việc của động cơ, như thể hiện trong Hình 3.2, có thể đạt tới 95%, cho thấy động cơ hoạt động rất hiệu quả Vùng màu đỏ biểu thị khu vực làm việc đạt hiệu suất cao nhất, với hiệu suất gần như không thay đổi từ 95% đến 90% Tuy nhiên, các khu vực làm việc khác lại có sự biến động lớn, dẫn đến hiệu suất làm việc của động cơ ở mức rất thấp.
Hình 3.2 Bản đồ hiệu suất làm việc của động cơ
Hình 3.3 minh họa mối quan hệ giữa dòng điện cung cấp cho động cơ và mô men, tốc độ động cơ tương ứng Đối với động cơ được chọn trong đề tài này, dòng điện tối đa cung cấp là 125 Ampe, tương ứng với việc người lái đạp hết hành trình bàn đạp điều khiển dòng điện, tương tự như bàn đạp ga trên xe sử dụng động cơ đốt trong.
Hình 3.3 Bản đồ dòng điện điều khiển động cơ
Tính toán t ỷ s ố truy ề n cho h ộ p s ố
Hệ thống truyền lực phải cung cấp các tỷ số truyền đểđáp ứng các yêu cầu cơ bản sau đây trong hoạt động của Ô tô
- Khắc phục được điều kiện cản lớn nhất;
- Đặt được vận tốc tối đa mong muốn;
- Động cơ hoạt động thường xuyên ở vùng tiết kiệm nhiên liệu
Tỷ số truyền lớn nhất trong hệ thống truyền lực được chọn để khắc phục lực cản lớn nhất của ô tô, trong khi tỷ số truyền nhỏ nhất được xác định nhằm đạt tốc độ tối đa theo thiết kế.
Hình 3.4 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và vận tốc ô tô tại các tỷ số truyền khác nhau Vùng biến thiên của tốc độ động cơ và vận tốc ô tô được xác định bởi tỷ số truyền lớn nhất và nhỏ nhất.
Hình 3.4 Vùng làm việc của các cấp số
Các nhà thiết kế ô tô lựa chọn tỷ số truyền của hệ thống truyền lực dựa trên mục đích sử dụng và điều kiện làm việc Gần đây, các quy định hạn chế tốc độ đã làm giảm tầm quan trọng của vận tốc tối đa trên ô tô con Ngược lại, khả năng tăng tốc ngày càng trở thành một yếu tố quan trọng trong thiết kế động lực học của xe.
Mục tiêu của nghiên cứu là tối ưu hóa hoạt động hệ thống truyền lực để nâng cao khả năng sử dụng năng lượng cho xe điện, đồng thời tuân thủ các nguyên tắc thiết kế tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ô tô điện Điều này có nghĩa là hệ thống vẫn phải đáp ứng các yêu cầu của một hệ thống truyền lực truyền thống Để thực hiện nghiên cứu, một mô hình xe được đề xuất với các thông số kỹ thuật được tham khảo từ các xe du lịch cỡ nhỏ (5 chỗ trở xuống) có tải trọng nhẹ, dựa trên các mẫu xe hiện đang hoạt động trên thị trường toàn cầu.
Bảng 3 : Thông số kỹ thuật của xe
TT Tên Ký hiệu Thông số Đơn vị
1 Khối lượng toàn bộ xe M 1500 kg
3 Bán kính bánh xe rd 0.26 m
4 Hệ số cản tổng cộng 0.4
5 Hệ số cản lăntương ứng f0 0.018
6 Diện tích cản chính diện F 1.510 m 2
7 Hệ số cản không khí K 0.18 Nm/s 2
8 Hiệu suất hệ thống truyền lực 0.95
3.2.1 Tính toán tỉ số truyền hộp sốđa cấp
• Tỷ số truyền lớn nhất của Ô tô được xác định theo ba điều kiện sau:
- Ô tô phải khắc phục được lực cản lớn nhất (gồm cản lăn và cản do độ dốc của đường) trong điều kiện đường xá xấu nhật
- Lực kéo tại bánh xe không vượt quá lực bám trong điều kiện đường tốt nhất
- Đảm bảo tốc độ tối thiểu của ô tô khi cần chuyển động ổn định ở tốc độ thấp
Theo điều kiện cản, tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực được xác định dựa trên điều kiện khắc phục góc dốc lớn nhất và được tính theo công thức cụ thể.
Khi xe chuyển động ở tỷ số truyền cao nhất thì tốc độ của chúng rất thấp, do đó ta có thể bỏ qua thành phần lực cản F w =KFv 2
Trong lý thuyết ôtô, lực cản tổng cộng của đường được sử dụng để thay thế cho tổng lực cản lăn và lực cản lên dốc Đại lượng này được xác định qua công thức ψ ≈ f (cosα + sinα), giúp đơn giản hóa việc tính toán và phân tích lực cản trong quá trình di chuyển của xe.
Vậy công thức 3.3 được viết lại như sau: ax max k Tm e T i Mg r
Theo điều kiện bám, tỷ số truyền lớn nhất của hệ thống truyền lực bị giới hạn bởi lực kéo tối đa của bánh xe, không được vượt quá lực bám tối đa.
Trong đó ϕ là hệ số bám theo yêu cầu, M g ϕ là trọng lượng bám
• Tỷ số truyền nhỏ nhất được xác định theo điều kiện đảm bảo cho Ôtô đạt được vận tốc lớn nhất theo tiết kế Vmax max min max
Tỷ số truyền trung gian là một chỉ số quan trọng được xác định khi xe có từ 3 tay số trở lên Có nhiều phương pháp để tính toán tỷ số truyền trung gian, trong đó phương pháp cấp số là một trong những cách phổ biến.
27 điều hòa, phương pháp cấp số nhân Với đề tài này, tác giả chọn phương pháp cấp sốđiều hòa để tính tỷ số truyền trung gian (iTmid =4.686)
Hình 3.5 Đồ thị cân bằng lực kéo hệ thống truyền lực sử dụng hộp số 2 cấp
Hình 3.6 Đồ thị cân bằng lực kéo hệ thống truyền lực sử dụng hộp số 3 cấp
3.2.2 Tính toán tỷ số truyền hộp số một cấp
Hộp số có vai trò quan trọng trong việc biến đổi vận tốc và mô men xoắn của động cơ, giúp đáp ứng điều kiện lái tại mọi thời điểm Đối với hộp số một cấp, hệ thống truyền lực được coi là truyền lực trực tiếp Để vượt qua lực cản tối đa và đạt tốc độ cực đại theo thiết kế, cần sử dụng động cơ có công suất lớn và phạm vi hoạt động rộng Tuy nhiên, động cơ được nghiên cứu trong đề tài có công suất nhỏ, dẫn đến mô men xoắn không lớn, gây khó khăn trong việc đáp ứng cả hai yêu cầu này.
Tỷ số truyền 28 không thể đáp ứng đồng thời cả hai điều kiện lái Do đó, chúng ta chỉ có thể thiết kế để thỏa mãn một trong hai yêu cầu này.
Hình 3.7 Đồ thị cân bằng lực kéo hệ thống truyền lực sử dụng hộp số 1 cấp
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tính toán tỷ số truyền cho hộp số một cấp, ưu tiên đạt tốc độ tối đa theo thiết kế Việc này được thực hiện thông qua công thức 3.7, đảm bảo động cơ không bị hạn chế tốc độ và hoạt động ở mức tối đa 8000RPM Với thông số động cơ đã cho, tỷ số truyền tương ứng của hệ thống truyền lực là 4.48.
3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học hệ thống truyền lực Ôtô trong matlab-simulink
3.3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng số SIMULINK
MATLAB là phần mềm được phát triển bởi công ty The MATHWORKS, hỗ trợ tính toán khoa học và kỹ thuật trên máy tính cá nhân, với các phần tử cơ bản là ma trận.
MATLAB, viết tắt của MATRIX và LABORATORY, là một chương trình phổ biến trong nghiên cứu các vấn đề tính toán kỹ thuật Nó được ứng dụng rộng rãi trong lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật thống kê xác suất, xử lý tín hiệu, phân tích dữ liệu và dự báo chuỗi quan sát.
Matlab là một phần mềm mạnh mẽ được điều khiển thông qua các lệnh nhập từ bàn phím trong cửa sổ điều khiển, đồng thời hỗ trợ lập trình với cú pháp script file Với hàng trăm lệnh và bộ lệnh, Matlab không ngừng mở rộng khả năng thông qua các Toolbox và hàm ứng dụng do người dùng phát triển.
Các lệnh của Matlab rất mạnh mẽ và hiệu quả, cho phép giải quyết nhiều loại bài toán khác nhau, đặc biệt là các hệ phương trình tuyến tính và các bài toán liên quan đến ma trận Matlab cũng rất hữu ích trong việc thực hiện các thao tác phức tạp trên dữ liệu.
