PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG LỰC XE ĐIỆN DESIGN METHOD OF ELECTRIC VEHICLE POWER SYSTEM

Phạm Xuân Mai, Phạm Văn Hà, Trần Thị Mỹ Tiên, Tiêu Hà Hồng Nhân 80 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG LỰC XE ĐIỆN DESIGN METHOD OF ELECTRIC VEHICLE POWER SYSTEM Phạm Xuân Mai1*, Phạm Văn Hà2, Trần Thị Mỹ Tiên3, Tiêu Hà Hồng Nhân4 Công ty CP ô tô Trường Hải Công ty Thiết kế Thông minh SDE Trường Cao đẳng Bách khoa Sài Gòn Trường Đại học Công nghệ Miền Đông *Tác giả liên hệ: pmai_2002@yahoo.com (Nhận bài: 24/8/2021; Chấp nhận đăng: 19/01/2022) Tóm tắt - Hệ thống động lực xe điện hệ thống chính, quan trọng xe, định tất tính kỹ thuật xe điện Bài báo trình bày nghiên cứu phương pháp thiết kế xe điện, hệ thống động lực xe điện động điện, hộp số phương pháp thiết kế tối ưu hệ động lực xe điện, hệ thống pin phương pháp lựa chọn kiểu loại phù hợp Ngoài ra, báo phân tích hệ thống điện động lực khác hệ thống sạc pin thông qua cổng sạc sạc trình phanh xe, sạc thường sạc nhanh; Hệ thống điều khiển gồm hệ thống điện, điện tử, thiết bị cảm biến cung cấp khả điều khiển cho xe phù hợp với thực tế sử dụng Việt Nam Abstract - The power system of an electric vehicle is the main and important system of the vehicle, which determines almost all the technical features of the electric vehicle This paper presents studies on the design method of electric vehicle, almost for the electric vehicle's powertrain system such as the motor system, the gearbox and the method of optimal arrangement of the powertrain on the electric vehicle, etc In addition, the article also analyzes the battery charging system through the charging port or charging during vehicle braking, normal charging or fast charging; The control system includes electrical and electronic systems, and sensors that provide control for the vehicle suitable for actual use in Vietnam Từ khóa - Xe điện; pin xe điện; động điện; hệ thống sạc pin xe điện Key words - Electric vehicle; battery; electric motor; battery charging system Đặt vấn đề Mỗi năm lượng khí thải từ động đốt sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngày tăng theo cấp số nhân Trong đua cắt giảm khí thải giảm tiêu thụ nhiên liệu, việc nghiên cứu mẫu xe chạy điện giải pháp thay thế, gọi chung xe xanh “green car” Các cấp độ xe xanh phân loại theo mức độ phát thải khí CO2 (khí gây hiệu ứng nhà kính) mơi trường vai trị động điện Theo cách phân chia này, thị trường có loại sau Hybrid (HEV - xăng lai điện), Plug-in Hybrid (PHEV - xe hybrid có cắm sạc), BEV (xe điện chạy pin) FCEV (xe điện sử dụng pin nhiên liệu hydro) (Hình 1) [1] cấp lượng cho động điện Với đặc trưng gia tốc lớn, tức thời điện, xe không cần sử dụng hộp số nhiều cấp để chuyển đổi mô-men Ưu điểm xe BEV hồn tồn khơng phát thải CO2, chi tiết máy xe đơn giản dễ sửa chữa xe dùng động đốt nên loại xe coi tương lai ngành công nghiệp ô tô 1200 Lithium Air (2020)  Solid-state Battery (2016) Lithium Polymer (1999) Prismatic Wh/kg 200 Lithium Phosphate (2001) Lithium Ion (1992) 150 Cylindrical Aluminum Cans Prismatic Nickel Cadmium (1899) Cylindrical Prismatic 100 50 Lead Acid (1859) Nickel Metal Hydride (1990)  Cylindrical Prismatic 50 100 150 200 250 Wh/L 300 350 1000 Hình Mật độ lượng loại pin Hình Bộ giải pháp xe xanh Green Car Xe điện (BEV - Battery Electric Vehicle) xu hướng hãng tơ giới Xe loại bỏ hồn tồn liên quan tới động đốt trong, sử dụng cấu đơn giản khối pin sàn cung Truonghai Automotive JS company (XuanMai Pham) Smart Design Engineering company (Ha Pham) Bachkhoa Saigon College (Tien ThiMy Tran) Miendong Technology University (Nhan HaHong Tieu) Hướng phát triển dùng pin lithium, công nghệ giúp cải thiện độ dẫn ion lithium, cải thiện đáng kể mật độ lượng pin Việc tăng điện áp đầu pin công nghệ để nâng cao mật độ lưu trữ lượng Ngoài ra, pin lithium-khơng khí có mật độ lượng lý thuyết cao (đạt 3.458 Wh/Kg), so sánh với với mật độ lượng xăng, cho phép mở rộng phạm vi hoạt động xe điện lên đến 800 km mà công nghệ lithium-ion đạt ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 2, 2022 81 400 800 300 600 200 400 100 200 2015 Năm 2018 NMC, LMO, LCO, LFP, NCA, LTO 2021 2024 2027 Li-Silicon, Li-Sulfur Điện phân rắn Điện áp cao Mật độ lượng Wh/kg Giá accu USD/kWh Trên thực tế, pin lithium-khơng khí cung cấp mật độ lượng 1.214 Wh/Kg 896 Wh/L (Hình 2) [1] Hình giới thiệu khả lưu trữ lượng thực tế giá thành loại pin lithium 10 năm tới [1, 6] 2030 Li-Magnesium Li-khơng khí Hình Kiến trúc xe điện đa dạng, linh hoạt so với xe xăng Nhiều cấu hình động lực thiết lập tảng, hệ thống lái điện tử giúp dễ dàng bố trí cho nhiều loại xe bao gồm xe tải, SUV Chiều dài sở thay đổi dựa việc thay đổi kích thước phần nhơ phía trước phía sau xe (Hình 6) Hình Dự báo lưu trữ giá thành pin lithium Hiện nay, khả lưu trữ accu khoảng 300-350 Wh/Kg phụ thuộc vào vật liệu làm cực âm Dự kiến 10 năm tới, khả lưu trữ pin khoảng từ 500-700 Wh/Kg với loại accu hệ Giá thành pin lithium giảm liên tục từ 380 USD/kWh năm 2015 xuống khoảng 70 USD/kWh năm 2030 Những kết nghiên cứu ngày cho thấy, khả lưu trữ pin tăng đáng kể giá thành pin giảm mạnh thập niên tới Đây yếu tố tích cực giúp cho tơ BEV phát triển nhanh chóng tương lai gần Do vậy, báo trình bày phương pháp thiết kế xe điện BEV Phương pháp thiết kế cấu hình tơ điện 2.1 Thiết kế bố trí chung tơ điện Xe điện có bố trí chung thiết kế tương tự tơ xăng hay Diesel, khác hệ thống động lực (powertrain) dùng động cơ, truyền động điện dùng pin thay dùng xăng hay dầu Cịn cụm hệ thống khác hồn tồn giống tô thông thường; Cấu tạo ô tơ điện thơng thường (Hình 4) Chúng ta thấy, điểm khác biệt lớn sàn xe làm nơi đặt hệ thống pin, cịn phía trước tổ hợp hệ động lực điện, đổi điện, điều khiển điện từ, hệ thống tản nhiệt, sạc điện dẫn cổng sạc Hình Các cấu hình xe điên thiết kế “skateboard” Canoo Ngày nay, thấy rằng, việc phát triển mẫu xe điện thường dẫn đến loại xe điện thông minh, công tác thiết kế R&D mang đến nhiều thách thức mới, bao gồm bước xác định cấu hình kiến trúc tổng thể đến thiết kế hệ thống pin, thiết kế hệ thống động truyền động điện hệ thống điều khiển, hệ thống tự lái thơng minh khác (Hình 7) Hình Q trình thiết kế xe điện thơng minh 2.2 Xây dựng cấu hình tổng thể hệ truyền động điện Một số tiêu dùng để đánh giá xe điện mơ hình tổng thể: - Hiệu suất xe điện: bao gồm đánh giá tốc độ lớn nhất, khả tăng tốc xe từ 0km/h đến 60km/h, 0km/h đến 100km/h - Quãng đường di chuyển cho lần sạc pin Cấu hình tổng thể hệ truyền động điện xe điện Hình Hình Bố trí chung tổng thể tơ điện Trong Hình 5, thiết kế triển khai nhiều xe điện khác dựa tảng Thiết kế gọi “skateboard” phát triển hãng xe điện Canoo (Canoo Technologies Inc) [2] Hình Cấu hình tổng thể hệ truyền động điện xe điện Phạm Xuân Mai, Phạm Văn Hà, Trần Thị Mỹ Tiên, Tiêu Hà Hồng Nhân 82 Cấu hình xe điện xây dựng với thành phần: - BAT: Hệ thống pin sạc - MOT: Động điện xoay chiều pha - Rm, Rd: Hộp số - VEH: Mơ hình động lực học thân xe Mơ hình động lực học thân xe thường dùng làm thông số đầu vào để tính tốn, dùng phần mềm Simcenter Amesim để xây dựng mơ hình Trong mơ hình thân xe ban đầu, thông số bao gồm khối lượng, trọng tâm, hệ số sức cản khơng khí, kích thước lốp xe, hệ số cản lăn… đưa vào tốn mơ (Hình 9) Hình Các thơng số mơ hình xe Tesla model SP85 xây dựng Amesim Hệ thống truyền động bao gồm động điện hộp số xác định mức độ giai đoạn Các đặc tính vận hành hiệu suất động tính tốn Bên cạnh đó, hộp số đơn cấp mơ hình HOT Simcenter 1D theo tỷ số truyền cuối (Hình 10) giảm tốc vi sai tích hợp vào cầu bánh xe chủ động (Hình 11c) Nhờ bố trí tích hợp, hệ thống động lực xe đơn giản, gọn nhẹ [2, 6] Hình 11 Các phương án bố trí hệ thống động lực ô tô điện (D: vi sai, FG: giảm tốc cố định, GB: hộp số, M: động điện) Hệ thống động lực sử dụng động điện có ưu điểm rút ngắn đường truyền học từ động điện đến bánh xe chủ động Hình 11d-f Các động điện dẫn động bánh xe riêng biệt với giảm tốc cố định Các động điều chỉnh để chạy tốc độ khác cần thiết nên không cần vi sai cấu truyền động Cụm động điện - hộp giảm tốc cố định bố trí ngồi bánh xe (Hình 11d), giảm tốc cố định tích hợp vào bánh xe để làm cho hệ thống động lực trở nên gọn (Hình 11e) 2.4 Bố trí động truyền động điện Hình 12a mơ tả phương án tích hợp động điện - hộp giảm tốc - vi sai cầu chủ động Mặt khác, để chuyển đổi ô tô truyền thống sang chạy điện, nhà chế tạo cung cấp thị trường cụm hệ thống động lực tích hợp với đầu tương thích với hệ thống động lực tơ sử dụng động đốt (Hình 12b) Với hệ thống này, việc cải tạo ô tô truyền thống thành ô tô điện đơn giản, thay cụm động cầu xe hệ thống truyền động giữ nguyên cũ Hệ thống động lực động điện sử dụng phổ biến ô tô điện Hình 12 Hệ thống động lực loại động điện thực tế Hình 10 Mơ hình hố động điện xe Tesla model S P85 phần mềm Amesim 2.3 Bố trí chung cấu hình hệ truyền động điện Tùy thuộc theo quan điểm thiết kế vị trí đặt động điện, phương pháp truyền động điện mà người thiết kế xây dựng nhiều cấu hình khác cho bố trí chung tổng thể tơ điện Hình 11a-c minh họa hệ thống động lực ô tô điện gồm: Bộ vi sai (D), hộp số (GB), ly hợp (C) động điện (M) thay động đốt đặt phía sau xe (Hình 11a) Phương án đơn giản hóa hộp số ly hợp truyền thống, thay vào giảm tốc với tỷ số truyền cố định để truyền lực từ động điện đến bánh trước chủ động (Hình 11b) Cụm động điện - hộp Hình 13a, b giới thiệu kiểu bố trí hệ thống động lực động điện Hình 13 Hệ thống động lực động điện Để nâng cao hiệu suất tối ưu hóa bố trí hệ thống động lực, ô tô điện đại, động điện tích hợp vào bánh xe, khơng sử dụng giảm tốc (in-wheel motor hay ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 2, 2022 wheel hub motor) Trong trường hợp này, cấu trúc khí hệ thống động lực trở nên đơn giản hệ thống điện hệ thống điều khiển trở nên phức tạp Tốc độ chuyển động bánh xe phụ thuộc hoàn tồn vào tốc độ động điện (Hình 14) Đĩa phanh Điện tử công suất Stator Rotor Bánh xe tiêu chuẩn Chỉnh phanh Nắp bảo vệ Vành chắn Ổ bi Hình 14 Hệ thống động điện tích hợp vào bánh xe chủ động Khó khăn phương án động tích hợp vào bánh xe liên quan đến đảm bảo an toàn tin cậy kỹ thuật cấp điện cho động Mới nhà khoa học Nhật Bản đưa phương án cấp điện khơng dây cho động tích hợp Ngun lý công nghệ tương tự hệ thống sạc điện không dây cho ô tô Việc truyền lượng điện không dây cho động tích hợp bánh xe thực hai cuộn dây cách 10cm (Hình 15) [2, 3] 83 dụng nhằm tối ưu hố cấu hình xe cách tự động Với cơng nghệ AI, lúc hàng nghìn cấu hình xe với thơng số khác tính tốn, từ lựa chọn thiết kế tốt theo yêu cầu đầu vào [4, 6] Thiết kế hệ thống lượng 3.1 Thiết kế hệ thống pin Pin thành phần quan trọng đắt tiền cung cấp lượng cho vận hành xe điện Hiện nay, đa phần xe điện sử dụng pin sạc lithium-ion (Li-Ion) mật độ lượng hiệu suất sạc cao Tuy nhiên, pin LiIon có tuổi thọ tương đối ngắn, chất lượng bị suy giảm theo thời gian vấn đề nhiệt độ dẫn đến nguy cháy nổ Có nhiều cơng nghệ pin Li-Ion khác dựa tuỳ chọn vật liệu cho anot/catot chất phụ gia (Hình 17) Các thành phần khác tạo nên khác biệt lượng, tuổi thọ, chi phí tính an tồn cho pin Các đơn vị cell Pin Li-Ion có kiểu thiết kế khác nhau, thiết kế tạo khác biệt hiệu suất, lượng khả quản lý nhiệt (Hình 18) Thân xe Cuộn dây thu Bánh xe Cuộn dây phát Truyền điện Accu không dây Động điện Hình 17 So sánh số cơng nghệ pin Li-Ion khác Hình 15 Truyền lượng điện không dây xe điện đại 2.5 Đánh giá tối ưu cấu hình tổng thể xe Hình 18 So sánh kiểu thiết kế cell pin khác pin Li-Ion Việc thiết kế phát triển pin Li-Ion thơng thường gồm bước theo quy trình Hình 19 Hình 16 Đánh giá hiệu suất cấu hình tổng thể xe điện Tesla model S P85 Amesim Dựa thông số hệ thống xác định, cơng cụ tính tốn nhanh chóng đánh giá hiệu suất xe dựa vào Simcenter Amesim qua tiêu chí: Tầm hoạt động (range), vận tốc cực đại thời gian để xe đạt vận tốc cực đại (Hình 16) Nhờ khả cấu hình đa dạng xe điện, cơng nghệ trí tuệ nhân tạo AI áp Hình 19 Quy trình thiết kế pin Li-Ion cho xe điện 84 Phạm Xuân Mai, Phạm Văn Hà, Trần Thị Mỹ Tiên, Tiêu Hà Hồng Nhân Thiết kế cell pin: Các đơn vị cell pin mơ hình hố với thơng số kích thước vật liệu cách chi tiết theo mục tiêu thiết kế nhà sản xuất Nhờ phát triển cơng nghệ số, người ta tạo kỹ thuật số đơn vị cell pin cách dễ dàng Các thông tin thiết kế bao gồm khối lượng, chi phí, thể tích tính tốn nhằm đánh khả đáp ứng yêu cầu đầu vào (Hình 20) [2, 4, 5] Hiện nay, nhiều phương pháp tối ưu hoá thiết kế áp dụng nhờ khả tính tốn hiệu máy tính Các hệ thống máy tính thực mơ hàng triệu cấu hình thiết kế khác khoảng thời gian ngắn để đưa thiết kế tối ưu (Hình 23) Hình 23a Thuật tốn tối ưu mơ nhiệt khối pin Li-Ion Hình 20 Mơ hình hố đơn vị cell pin phần mềm Simcenter battery design studio Việc mơ áp dụng q trình thiết kế giúp đánh giá xác hiệu suất đơn vị cell pin (Hình 21) Hình 23b Mơ so sánh hiệu làm mát khí nước cho pin Li-Ion Hình 21 Mơ q trình xả pin dải nhiệt độ rộng (-20°C đến +70°C) tải thay đổi từ 5,6 kΩ đến 30 kΩ Thiết kế khối pin: Các khối pin hình thành từ việc kết hợp nhiều đơn vị cell pin Vấn đề quan trọng thiết kế khối pin hệ thống quản lý nhiệt giúp trì nhiệt độ ổn định, điều giúp cải thiện hiệu suất đầu ra, cải thiện hiệu suất sạc xả Nhiệt độ cao dẫn đến tăng tốc độ phản ứng hoá học đơn vị cell pin làm giảm tuổi thọ pin Hơn nữa, nhiệt độ tăng làm giảm đáng kể hiệu suất sạc xả Tính bền vững, an tồn pin quan trọng để ngăn ngừa nguy cháy nổ xảy nhiệt (Hình 22) Hình 22 Một mơ hình thiết kế khối pin chứa 15 đơn vị cell pin Thiết kế hệ thống pin: Mô hệ thống bước nhằm đánh giá tổng thể hệ thống pin dựa kết thiết kế chi tiết đợn vị cell pin khối pin Một hệ thống pin hoàn chỉnh kết nối với mơ hình động lực học xe nhằm đánh giá hiệu suất điều kiện vận hành cụ thể (Hình 24) [4, 5] Hình 24 Mơ hình thiết kế hệ thống pin kết hợp với mơ hình tổng thể xe điện 3.2 Thiết kế hệ thống truyền động điện (động điện) Hệ thống truyền động xe điện bao gồm: Bộ chuyển đổi nguồn điện, hộp số động điện xoay chiều pha Thách thức nhà phát triển động điện giảm khối lượng động đảm bảo hiệu suất không làm ảnh hưởng đến tuổi thọ Ngoài ra, nam châm kiến trúc động tốn theo đuổi để giảm chi phí động Quy trình thiết kế động điện Hình 25 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 2, 2022 85 3.3 Thiết kế hệ thống làm mát Từ kết mô nhiệt độ động hệ thống pin, hệ thống làm mát thiết kế nhằm tối ưu hố quản lý nhiệt cho tồn xe Nhiều phương án thiết kế tạo nhằm đánh giá lựa chọn thiết kế tối ưu (Hình 28) [2, 4, 5] Hình 25 Quy trình thiết kế động cho xe điện Quy trình thiết kế động cho xe điện gồm bước sau: Xác định yêu cầu hiệu suất động cơ: Yêu cầu hiệu suất động xác định giai đoạn đầu trình phát triển xe điện Dựa mơ hình kiến trúc tổng thể, hiệu suất động tính tốn xác định theo mục tiêu thiết kế cụ thể Thiết kế đánh giá hiệu suất động cơ: Hình 28 Hệ thống làm mát dung dịch cho xe điện hiệu làm mát động cấu hình thiết kế khác Hình 26 Thiết kế động điện phần mềm Simcenter Motor solve Động xe điện thiết kế thông qua nhiều bước bao gồm (Hình 26): - Mơ hình hố roto stato: Xác định kích thước, hình học roto stato với thông số vật liệu - Thiết kế cuộn dây: Xác định bao gồm kích cỡ dây, sơ đồ bố trí, vật liệu… - Xác định kiểu làm mát động Một điều quan trọng thiết kế động phải đảm bảo đạt mô men xoắn cực đại theo yêu cầu đầu vào dải mô men-vận tốc vận hành phù hợp với mục tiêu thiết kế (Hình 27) [2, 4, 5] Hình 27 Phân tích hiệu suất động điện tơ Kết luận Năng lượng xanh “zero-emission” xu hướng tương lai ngành công nghiệp ô tô Xe điện chạy pin BEV phương tiện lượng xanh sử dụng ngày có ưu Có thể thấy rằng, phương pháp thiết kế mẫu xe điện quan trọng thiết kế hệ động lực điện thiết kế hệ thống lượng Công tác thiết kế R&D mang đến nhiều thách thức mới, chủ yếu thiết kế hệ động lực điện, bao gồm bước xác định cấu hình kiến trúc tổng thể đến thiết kế hệ thống pin, thiết kế hệ thống động truyền động điện hệ thống điều khiển, hệ thống khác liên quan đến điện động lực ô tô Nắm vững phương pháp thiết kế xe điện để làm chủ công nghiệp xe điện tương lại ngành cơng nghiệp ô tô Việt Nam Từ dẫn đến phát triển thiết kế loại xe thông minh khác xe tự lái, chia sẻ xe, tiến đến hội nhập mở rộng thị trường xe điện Việt Nam sản xuất khu vực ASEAN giới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bui Văn Ga, Bui Thi Minh Tu, Pham Xuan Mai, Bui Van Hung, Le Hoang Phu Pham, “Zero-Emission Vehicles Penetration into the ASEAN Market: Challenges and Perspective”, CIGOS 2021 Proceedings of the 6th International Conference on Geotechnics, Civil Engineering and Structures, 2021, pp 1733-1742 [2] Siemens & SDE Companies: Electric Vehicle Design and Simulation Internal documents, 2021 [3] Seth Leitman and Bob Brant, Build your own electric vehicle, 2nd Edition, McGrawHill, 2009 [4] Weidong Chen, et all, “A Review of Lithium-Ion Battery for Electric Vehicle Applications and Beyond”, Energy Procedia, 158 (2019), 4363-4368 [5] Amin Mahmoudzadeh Andwari, Srithar Rajoo et al., “A review of Battery Electric Vehicle technology and readiness levels”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 78 (2017), 414-430 [6] Phạm Xuân Mai et al., Thiết kế ô tô, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2021