TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Sự ra đời của xe sử dụng động cơ đốt trong đã gây ra tác động nghiêm trọng đến môi trường, do chúng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu này thải ra lượng lớn khí CO2, nguyên nhân chính dẫn đến hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường.
Các hãng xe trên thế giới đang tập trung phát triển những dòng xe mới nhằm giảm thiểu tối đa và loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải từ động cơ đốt trong truyền thống Điều này dẫn đến việc hình thành các quy định mới về khí thải và khuyến khích sản xuất các dòng xe sử dụng nhiên liệu sạch, không gây ô nhiễm môi trường, như các tiêu chuẩn EURO và các loại xe sử dụng năng lượng sạch và điện.
Nhóm được thầy Huỳnh Quốc Việt hướng dẫn và hỗ trợ đã nắm bắt xu hướng, từ đó phát triển đề tài "Thiết kế, tính toán, mô".
PHỎNG XE HYBRID KIỂU SONG SONG SỬ DỤNG MATLAB SIMULINK
Nhóm nghiên cứu nhằm cải tiến một chiếc xe hạng A hiện có bằng cách trang bị thêm một động cơ điện cho cầu còn lại, biến nó thành xe Hybrid Động cơ điện này sẽ là nguồn truyền lực chính, hoạt động độc lập với động cơ đốt trong Khi xe di chuyển trong thành phố, động cơ điện sẽ hoạt động hoàn toàn, không cần đến động cơ đốt trong, giúp giảm thiểu nhiên liệu hóa thạch và khí CO2 thải ra.
Lý do chọn đề tài
Với thu nhập bình quân của người Việt Nam, nhiều gia đình ưu tiên lựa chọn xe hạng A, vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng vừa phù hợp với ngân sách.
Số lượng xe hạng A cũ tại Việt Nam hiện nay rất lớn, chủ yếu vì nhiều gia đình khó chi trả cho xe mới Sau 5 – 10 năm sử dụng, các chi tiết của động cơ đốt trong bị mài mòn, dẫn đến hiệu suất hoạt động giảm và lượng khí thải tăng lên.
Việc chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện đang ngày càng trở thành xu hướng, nhưng quá trình này tốn nhiều thời gian Do đó, việc chuyển đổi xe động cơ đốt trong cũ thành xe hybrid là lựa chọn dễ dàng hơn, giống như một bước đệm trước khi chuyển sang xe thuần điện hoàn toàn, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn EURO ngày càng khắt khe.
Với nhu cầu di chuyển trong thành phố và phạm vi hoạt động hạn chế, động cơ điện thể hiện hiệu suất vượt trội so với động cơ đốt trong Thiết kế nhỏ gọn của động cơ điện và bộ pin giúp giảm tải trọng cho xe Ngoài ra, các xe hạng A thường có cầu trước chủ động, do đó, việc chuyển đổi thành xe hybrid có thể thực hiện dễ dàng bằng cách lắp thêm động cơ điện ở cầu sau.
Khi di chuyển ngoài thành phố với quãng đường dài, xe sẽ tự động chuyển sang động cơ đốt trong khi hết năng lượng điện, giúp người dùng an tâm mà không lo lắng về việc hết pin.
Mục tiêu đề tài
- Cải tạo một chiếc xe hạng A sử dụng một động cơ đốt trong ở cầu trước, sau đó gắn thêm một động cơ điện ở cầu sau
- Tính toán các bộ phận trên để phù hợp với điều kiện vận hành cũng như mục đích sử dụng ở giao thông Việt Nam
- Thiết kế mô hình trên Matlab/Simulink
- Thiết kế mô hình trên Advisor
- So sánh kết quả của mô hình trên Advisor
- Đưa ra những phân tích, đánh giá và kết luận.
Giới hạn đề tài
Do phạm vi nghiên cứu rộng lớn và ngân sách thực tế hạn chế, nhóm chỉ thực hiện tính toán và mô phỏng trên Matlab/Simulink – Advisor, sau đó đánh giá kết quả dựa vào các mô phỏng này.
Phương pháp nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu sử dụng công thức từ môn Lý thuyết ô tô và Thiết kế ô tô, kết hợp với các tài liệu nghiên cứu đáng tin cậy Họ tìm kiếm các thông số cần thiết từ chiếc xe đã chọn để phục vụ cho việc tính toán Đồng thời, nhóm tham khảo ý kiến từ giảng viên hướng dẫn nhằm đảm bảo thiết kế được thực hiện một cách hợp lý và chính xác.
TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID
Xe sử dụng động cơ đốt trong
2.1.1 Nguồn gốc ra đời của xe sử dụng động cơ đốt trong
Chiếc xe ô tô đầu tiên sử dụng động cơ đốt trong được phát minh bởi kỹ sư người Pháp Jean Joseph Etienne Lenoir vào năm 1860.
Vào năm 1860, gần 2 thế kỷ trước, chiếc xe đầu tiên được trang bị động cơ hai kỳ, sử dụng nhựa thông làm nhiên liệu Đây được xem là loại nhiên liệu lỏng đầu tiên trên thế giới được sử dụng một cách thương mại.
Vào năm 1872, kỹ sư người Đức Nicolaus August Otto đã phát minh ra động cơ ô tô bốn kỳ, bao gồm các giai đoạn nạp, nén, nổ và xả Động cơ bốn kỳ này cho hiệu suất vượt trội so với động cơ hai kỳ và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.
2.1.2 Vấn đề ô nhiễm khí thải hiện nay Ô nhiễm khí thải là cụm từ mà không còn xa lạ đối với cuộc sống hiện nay, nó gây ra hàng triệu ca tử vong trên thế giới, và Việt Nam cũng không phải là ngoại lệ Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường chủ yếu từ khí thải của nhà máy không được xử lý, từ các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong, từ quá trình phát triển của đất nước và từ quá trình sinh hoạt của con người Các nguyên nhân đó sinh ra các loại chất độc hại, điển hình như NO2 hay CO2, làm thủng tầng ozone, gây hiệu ứng nhà kính Trách nhiệm hiện nay là hạn chế tối đa việc ô nhiễm môi trường, bằng cách hạn chế các chất độc hại, ban hành các quy định cũng như các tiêu chuẩn, ý thức của bản thân mỗi người Đối với phương tiện giao thông, giảm thiểu khí thải bằng cách ban hành nhưng tiêu chuẩn khí thải như tiêu chuẩn EURO; tìm kiếm, phát triển những nguồn nhiên liệu sạch như điện, gió, năng lượng mặt trời hay các loại động cơ mới như động cơ điện, động cơ chạy bằng khí tự nhiên để giảm bớt phần nào khí thải độc hại thải ra
Các hãng xe nổi tiếng toàn cầu như Toyota, Honda, và Suzuki đang tích cực nghiên cứu động cơ mới nhằm giảm thiểu khí thải và hướng tới việc loại bỏ hoàn toàn động cơ đốt trong Việt Nam cũng không đứng ngoài xu hướng này khi Phạm Nhật Vượng cho ra mắt dòng xe VinFast, sử dụng động cơ điện và hoàn toàn không còn động cơ đốt trong.
Xe điện và xe sử dụng nhiên liệu sạch đang trở thành xu hướng phát triển chủ đạo trong ngành giao thông, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô, với các mẫu xe tiêu biểu như VF e34, VF8, VF5 và VF9.
2.1.3 Tìm hiểu tiêu chuẩn khí thải Euro
Tiêu chuẩn khí thải đầu tiên được giới thiệu tại châu Âu vào năm 1970, và sau 22 năm, tiêu chuẩn Euro 1 ra đời vào năm 1992 Đến nay, đã có 6 tiêu chuẩn Euro được áp dụng nhằm giảm thiểu tối đa lượng khí thải trong mức cho phép.
Euro 1 (EC93): Đây là tiêu chuẩn đầu tiên được Châu Âu áp dụng cho các dòng ô tô của họ được đưa ra vào tháng 7 năm 1992 Tại thời điểm đó, việc quy định khí thải không nghiêm ngặt như hiện nay, tiêu chuẩn yêu cầu toàn bộ xe được sản xuất ra phải lắp đặt bộ chuyển đổi xúc tác và nhiên liệu xăng sử dụng phải là xăng không chì Ban đầu chỉ có hai chất hydrocarbon, oxit nito trên động cơ xăng và các hạt trong động cơ diesel được thử nghiệm Qua nhiều năm, các quy định trở nên khắt khe hơn và giới hạn khí thải dần được hạ thấp
Euro 2 (EC96): Vào tháng 1-1996, tiêu chuẩn Euro 2 ra đời nhằm yêu cầu các xe phải giảm tiếp lượng khí thải carbon monoxit phát ra, đồng thời giảm giới hạn kết hợp cho hydrocacbon không cháy và oxit nito cho cả xe chạy bằng xăng và diesel
Euro 3 (EC2000): Tiêu chuẩn Euro 3 được áp dụng trong năm 2000 và tiếp tục sửa đổi quy trình thử nghiệm để loại bỏ thời gian khởi động của động cơ khỏi thủ tục kiểm tra, đồng thời làm giảm các giới hạn hạt cacbon monoxide và dầu được phép Tiêu chuẩn Euro 3 cũng bổ sung thêm giới hạn Nox riêng cho động cơ diesel và giới thiệu các giới hạn HC và NOx riêng biệt cho động cơ xăng
Euro 4 (EC 2005): Đây là tiêu chuẩn thứ tư của tiêu chuẩn khí thải được Liên minh châu Âu quy định, được áp dụng từ năm 2005 yêu cầu tiếp tục thắt chặt các giới hạn về phát thải hạt từ động cơ diesel Tiêu chuẩn Euro 4 tập trung yêu cầu làm sạch khí thải từ xe diesel, đặc biệt phải giảm các hạt vật chất (PM) và Nox cùng với đó tất cả các xe diesel phải trang bị bộ lọc hạt mới nhất
Euro 5: Tháng 9-2009, Euro 5 ra đời tiếp tục thắt chặt các giới hạn về phát thải hạt từ động cơ diesel và tất cả các xe diesel đều phải có các bộ lọc hạt, gọi là DPF, DPFs chiếm 99% tất cả các hạt và được trang bị cho mỗi chiếc xe diesel để đáp ứng các yêu cầu mới này Euro 5 cũng có một số giới hạn về độ chặt NOx (giảm 28% so với Euro 4) cũng như lần đầu tiên, một giới hạn hạt cho động cơ xăng (chỉ áp dụng cho động cơ phun xăng trực tiếp) Euro 5 giải quyết được các tác động phát thải hạt, đồng thời giới thiệu một giới hạn về số lượng hạt cho động cơ diesel ngoài giới hạn trong lượng hạt
Euro 6: Đây là tiêu chuẩn mới nhất được áp dụng cho toàn bộ xe hiện nay, nó được áp dụng từ tháng 9-2014, tiêu chuẩn này bắt buộc các dòng xe phải giảm lượng phát thải Nox từ động cơ diesel và thiết lập các tiêu chuẩn tương tự cho xăng và dầu diesel Để đáp ứng các mục tiêu mới, một số nhà sản xuất ô tô đã giới thiệu SCR, trong đó một chất lỏng dung môi được bơm qua một chất xúc tác vào khí thải của một chiếc xe diesel Một phản ứng hóa học chuyển đổi oxit nitơ thành nước và nitơ vô hại, chúng được thải ra qua ống xả
Phương pháp thay thế đáp ứng tiêu chuẩn Euro 6 là Thoát tuần hoàn khí thải (EGR), trong đó một phần khí thải được trộn với không khí nạp nhằm giảm nhiệt độ đốt Hệ thống ECU của xe sẽ kiểm soát EGR dựa trên tải động cơ và tốc độ.
Tìm hiểu về xe hybrid
2.2.1 Sự ra đời của xe hybrid
Kể từ năm 1900, chiếc Lohner – Porsche Elektromobil đã tiên phong trong việc kết hợp động cơ điện và động cơ đốt trong, đánh dấu bước tiến lớn trong công nghệ ô tô Việc sử dụng động cơ kết hợp này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm nhiên liệu, khắc phục những hạn chế của động cơ truyền thống Hôm nay, xu hướng này ngày càng trở nên quan trọng trong nỗ lực giảm khí thải và bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Xe hybrid là loại xe kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu khí thải độc hại Động cơ đốt trong cung cấp sức mạnh ban đầu để khởi động, sau đó xe chuyển sang sử dụng động cơ điện khi vận hành ổn định, mang lại trải nghiệm êm ái và hiệu quả Mục tiêu chính của xe hybrid là giảm thiểu sự phụ thuộc vào động cơ đốt trong, góp phần bảo vệ môi trường Hiện nay, hầu hết các xe hybrid sử dụng chủ yếu động cơ điện kết hợp với động cơ xăng.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của xe hybrid
Xe hybrid được trang bị cả động cơ điện và động cơ xăng, với động cơ điện hoạt động khi khởi động và tăng tốc, cung cấp moment xoắn lớn cần thiết cho việc di chuyển Khi lên dốc, động cơ điện vẫn duy trì hiệu suất ổn định, giúp xe vận hành mượt mà Sau một thời gian, động cơ chuyển sang sử dụng động cơ xăng để đảm bảo chuyển động ổn định, trong khi động cơ điện sẽ ngừng hoạt động và được sạc lại Hệ thống phanh tái tạo trên xe hybrid cho phép sạc ngược cho pin khi phanh, một tính năng độc đáo mà chỉ có ở xe điện và hybrid, khác với động cơ truyền thống.
Xe hybrid và xe điện sử dụng phanh tái tạo để hãm tốc độ và sạc lại pin, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải độc hại Khác với xe điện thuần, xe hybrid không cần sạc từ nguồn điện bên ngoài mà tự động sạc trong một vòng tuần hoàn khép kín, mang lại tuổi thọ pin cao Nhờ vào công nghệ này, xe hybrid góp phần giảm thiểu hao phí năng lượng và bảo vệ môi trường.
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động cơ bản của xe Hybrid
2.2.4 Ưu/Nhược điểm của xe Hybrid a) Ưu điểm
Xe hybrid sử dụng động cơ điện kết hợp với động cơ xăng, giúp giảm khí thải CO2 và tiết kiệm nhiên liệu Việc tiêu thụ điện năng thay cho xăng không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn giảm chi phí xăng Chẳng hạn, Toyota Corolla Cross tiêu thụ chỉ 3,7L/100km trên đường trường và 4,6L/100km trên đường hỗn hợp, mang lại lợi ích tiết kiệm chi phí đi lại trong bối cảnh giá xăng dầu tăng cao.
Xe hybrid có ưu điểm nổi bật là khả năng tận dụng năng lượng từ quá trình phanh thông qua hệ thống phanh tái tạo Khi phanh, xe hybrid chuyển đổi năng lượng thành điện, giúp sạc lại pin mà không cần nguồn điện bên ngoài Động cơ điện mang lại sự ổn định và mượt mà khi tăng tốc và leo dốc, trong khi động cơ xăng nhỏ gọn giúp giảm trọng lượng xe và mở rộng không gian bên trong, thuận tiện cho việc chở người và hành lý.
Chi phí sở hữu xe hybrid cao hơn xe động cơ truyền thống do yêu cầu sản xuất phức tạp và chi phí cao cho pin và máy phát điện Mặc dù xe hybrid tiết kiệm nhiên liệu, công suất của chúng thường thấp hơn so với xe chạy xăng, do đó, nếu bạn cần di chuyển quãng đường xa, xe động cơ truyền thống sẽ là lựa chọn hợp lý hơn.
Xe điện có cấu tạo phức tạp và sử dụng năng lượng điện, khiến cho chi phí bảo trì và sửa chữa cao Hơn nữa, với dòng điện lớn, việc sửa chữa nếu không cẩn thận có thể gây nguy hiểm đến tính mạng.
2.2.5 Các kiểu động cơ Hybrid [6] a) Kiểu nối tiếp Đặc điểm của động cơ này có nguồn động lực chính giúp bánh xe quay là động cơ điện, thay vào đó, động cơ xăng chỉ giúp sạc cho pin và cung cấp năng lượng để động cơ điện hoạt động Trong kiểu động cơ nối tiếp này, nhiên liệu được chuyển đổi thành cơ năng làm quay rotor của máy phát điện, từ đó máy phát điện truyền năng lượng cho động cơ điện, động cơ điện truyền đến bánh xe giúp xe di chuyển
Động cơ kiểu nối tiếp mang lại nhiều lợi ích, trong đó nổi bật là khả năng giảm thiểu đáng kể lượng khí thải so với động cơ xăng, vì nó không bao giờ hoạt động ở chế độ không tải Hơn nữa, động cơ này có khả năng lựa chọn chế độ hoạt động tối ưu, giúp phù hợp với các loại ô tô khác nhau.
Và hộp số mặc định của kiểu này là hộp số một tốc độ
Hệ thống nối tiếp có nhược điểm lớn về kích thước và dung lượng pin, khiến nó trở nên cồng kềnh so với các loại tổ hợp khác Đồng thời, động cơ cũng có nguy cơ quá tải do phải hoạt động liên tục ở chế độ nặng nhọc.
Hệ thống hybrid kiểu song song là thiết kế phổ biến nhất hiện nay cho các dòng xe hybrid Trong kiểu này, động cơ điện và động cơ xăng được kết nối trực tiếp với bánh xe, mang lại hiệu suất tối ưu cho xe.
Bánh xe có thể nhận lực từ động cơ điện, động cơ xăng, hoặc cả hai động cơ cùng một lúc, cho phép truyền động độc lập hoặc đồng thời.
Động cơ điện có chức năng chính là chuyển đổi năng lượng điện từ pin thành cơ năng để di chuyển xe, đồng thời cũng có khả năng chuyển đổi cơ năng trở lại thành điện năng để sạc pin Đây là hệ thống tối ưu trong việc tận dụng hiệu quả hai nguồn năng lượng.
Hệ thống Hybrid kiểu song song tận dụng hiệu quả hai nguồn năng lượng, mang lại công suất mạnh mẽ hơn so với kiểu nối tiếp Động cơ điện đặc biệt được sử dụng có khả năng khởi động động cơ đốt trong và hoạt động như máy phát điện, cung cấp năng lượng cho ắc quy khi xe cần gia tốc hoặc lên dốc Tuy nhiên, nhược điểm chính của hệ thống này là cấu trúc phức tạp, đòi hỏi kỹ năng chuyên môn cao để chế tạo và sửa chữa Kiểu hỗn hợp kết hợp giữa nối tiếp và song song nhằm tối ưu hóa tính năng của cả hai hệ thống, với hai động cơ điện hoạt động linh hoạt tùy thuộc vào nhu cầu.
Tình hình và xu thế của xe hybrid[7]
Vào đầu thế kỷ 20, các nhà sản xuất xe Mỹ đã phát triển động cơ xăng, điện và hơi nước song song, nhận ra rằng việc kết hợp nhiều loại động cơ sẽ tăng hiệu quả Động cơ Hybrid (xăng-điện) ra đời vào năm 1905 do một kỹ sư người Mỹ phát minh, nhưng không được chú ý nhiều do động cơ đốt trong rẻ hơn Sau 70 năm, khi khủng hoảng dầu lửa xảy ra, sự quan tâm đến tiết kiệm nhiên liệu gia tăng, dẫn đến việc nghiên cứu lại động cơ Hybrid Tuy nhiên, 30 năm trước, một số quy định đã làm trì hoãn sự phát triển của nó Hiện nay, các mẫu xe Hybrid như Toyota Prius và Honda Accord đã trở nên phổ biến và được người tiêu dùng ưa chuộng Liệu Hybrid có phải là xu hướng tương lai của ngành ô tô?
Một trong những lý do khiến xe Hybrid ngày càng được ưa chuộng là vì lợi ích môi trường Động cơ đốt trong thải ra khí carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) và hydro-carbon (HC) chưa đốt, là những tác nhân chính gây ô nhiễm Sự nóng lên toàn cầu và hiện tượng “El Nino” một phần là hệ quả từ việc sử dụng động cơ diesel và xăng.
Sự phát triển của công nghệ Hybrid dự kiến sẽ làm giảm giá thành nhiên liệu, với ước tính rằng sản lượng xe Hybrid sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, tạo ra một triển vọng rất lạc quan cho ngành công nghiệp ô tô.
15 quan là vào năm 2007 hay 2008 sẽ có khoảng một triệu xe Hybrid được tiêu thụ tại thị trường Mỹ
Doanh số xe thông thường cũng sẽ gia tăng theo thời gian; chẳng hạn, nếu hiện tại có 200.000 chiếc xe tại Mỹ, thì sau 20 năm, con số này có thể đạt tới 300.000 chiếc.
Năm 2006, thị trường Mỹ có 10 mẫu xe Hybrid với giá từ 19,000 đến 53,000 đôla, trong đó Honda Civic và Toyota Prius là những mẫu phổ biến nhất dưới 30,000 đôla Mặc dù giá của những chiếc compact sedan này không quá thấp nhưng cũng không quá cao Dự kiến, trong 5 năm tới, số lượng xe Hybrid sẽ tăng lên 50 mẫu với nhiều hình dáng, kích thước và mức giá khác nhau.
2.3.2 Tình hình xe hybrid trên thế giới
Xe hybrid hiện đang được ưa chuộng hơn xe điện trên toàn cầu, chủ yếu vì không cần thời gian sạc pin như xe điện và sự thiếu hụt trạm sạc so với trạm xăng Các mẫu xe hybrid tích hợp động cơ điện giúp giảm chi phí sử dụng xăng, điều này càng quan trọng trong bối cảnh giá xăng dầu tăng cao do xung đột giữa Ukraina và Nga Xe hybrid không chỉ tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu thời gian chờ đợi, khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến Một số mẫu xe hybrid bán chạy nhất hiện nay bao gồm Toyota RAV4 Hybrid, Honda CR-V Hybrid và Toyota Highlander Hybrid.
3 Ta có thể thấy Toyota làm rất tốt trong việc phát triển xe Hybrid để tiếp cận đến người dùng
2.3.3 Tình hình xe hybrid ở Việt Nam Đi cùng với tình hình của thế giới, Việt Nam cũng từng bước bước chân vào dòng xe hybrid Ở Việt Nam, xe hybrid vẫn còn khá mới mẻ, do các xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống đã quá rẻ và phù hợp với đại đa số người dùng tại Việt Nam Tuy nhiên, không kém cạnh với xe sử dụng động cơ thông thường, xe
Chiếc Toyota Corolla Cross Hybrid đã chứng tỏ giá trị của mình khi đứng thứ 4 trong danh sách những xe được ưa chuộng nhất tại Việt Nam năm 2022 Mẫu xe này là người đồng hành với dòng Toyota RAV4, cũng nổi bật với doanh số bán chạy tại thị trường Mỹ.
Gần đây, Suzuki đã ra mắt mẫu xe Ertiga mới với động cơ Hybrid, cho phép di chuyển từ Hà Nội vào Đà Nẵng khoảng 900km chỉ với một bình xăng Sự phát triển của công nghệ Hybrid cho thấy các hãng xe đang nỗ lực cải thiện hiệu suất nhiên liệu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các cách bố trí hệ thống truyền động trên xe Hybrid song song [6]
3.1.1 Cấu trúc hai trục a) Cấu trúc hai trục, hai hộp số
Hình 3.1: Cấu trúc kiểu hai trục, hai hộp số
Bố trí này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng tạo ra lực kéo mạnh mẽ hơn so với các kiểu bố trí khác, đồng thời cho phép thay đổi tỉ số truyền của động cơ điện và động cơ một cách độc lập.
*Nhược điểm: Cấu tạo vô cùng phức tạp, b) Cấu trúc hai trục, một hộp số
Hình 3.2: Cấu trúc hai trục, một hộp số
- Do có một hộp số nên không thể thay đổi tỉ số truyền độc lập được
Hình 3.3: Cấu trục một trục
- Không cần khớp nối moment
- Hạn chế mất mát năng lượng
- Cấu tạo còn phức tạp
Hình 3.4: Cách bố trí khác của cấu trúc một trục
3.1.3 Cấu trúc chia theo cầu chủ động
Hình 3.5: Cấu trúc hai cầu độc lập
- Không cần khớp nối moment
- Có thể dẫn động được cả hai cầu
- Không thể sạc được cho pin từ động cơ
Các dòng xe hạng A thường sử dụng cầu trước là cầu chủ động, vì vậy để dễ dàng cải tiến, nên lựa chọn cấu trúc hai cầu độc lập Điều này cho phép động cơ điện đặt ở cầu sau mà không ảnh hưởng đến động cơ đốt trong ở cầu trước, đảm bảo rằng thiết kế vẫn có thể sử dụng động cơ đốt trong, từ đó tối thiểu hóa việc cải tiến trên xe.
Cơ sở thiết kế[6]
Sau khi xác định kiểu bố trí truyền lực, nhóm sẽ tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế cho xe Hybrid và xe điện từ những nguồn tài liệu đáng tin cậy Các bước thực hiện sẽ được tiến hành theo quy trình cụ thể để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong thiết kế.
3.2.1 Các đặc tính kỹ thuật
Sau khi chọn lựa được kiểu bố trí hệ thống truyền lực, ta bắt đầu tiến hành tính toán các thông số của xe
Khi thiết kế, cần đưa ra thông số kỹ thuật đầu ra của xe:
- Khả năng tăng tốc: Thông số này cho ta biết xe có khả năng tăng tốc từ vI - đến vf (km/h) trong thời gian t(s)
- Khả năng leo dốc: Với xe du lịch, ta ưu tiên thiết kế xe đi được vận tốc v (km/h) cho trước tại độ dốc cho trước (%)
- Vận tốc tối đa: Dựa vào nhu cầu di chuyển, ta chọn vận tốc vmax (km/h) phù hợp
Hình 3.6: Ví dụ về thông số đặc tính kỹ thuật
3.2.2 Thiết kế động cơ điện
Để chọn thông số động cơ điện phù hợp, cần dựa vào ba điều kiện công suất, đảm bảo rằng công suất danh nghĩa của động cơ lớn hơn công suất tối đa của xe và công suất cần thiết khi leo dốc.
3.2.3 Thiết kế tỉ số truyền
Tỉ số truyền được thiết kế để xe đạt vận tốc tối đa tại tốc độ tối đa của động cơ điện
Hình 3.7: Đặc tính của động cơ điện với số vòng quay
Hình 3.8: Thời gian tăng tốc và quãng đường di chuyển được với vận tốc của xe
3.2.4 Kiểm tra lại khả năng tăng tốc của xe sau khi chọn động cơ điện
Dựa vào công suất của động cơ điện và tỉ số truyền, ta có thể tính toán khả năng tăng tốc của xe Nếu các thông số mới không phù hợp với thiết kế ban đầu, cần xem xét việc lựa chọn lại động cơ điện.
3.2.5 Kiểm tra lại khả năng leo dốc của xe sau khi chọn động cơ điện
Dựa vào các thông số như moment, số vòng quay, tỉ số truyền, các thông số cơ sở, cũng như các lực cản và lực kéo, khả năng leo dốc có thể được tính toán lại một cách chính xác.
Hình 3.9: a) Lực kéo, lực cản và khả năng leo dốc của xe với vận tốc, b) Lực kéo và lực cản với khả năng leo dốc
Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, bộ pin cần có dung lượng lớn hơn hoặc bằng công suất đầu vào của động cơ điện Dung lượng này phụ thuộc vào chu trình lái và chiến lược điều khiển Việc thiết kế mô hình với chu trình lái phù hợp và tiến hành mô phỏng sẽ giúp xác định công suất đầu ra cần thiết của bộ pin.
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng trên một chu trình nhất định
Sau khi có được mức tiêu hao năng lượng dựa trên chu trình lái, ta tính toán được của một cell pin và toàn bộ pin
Khi cải tiến xe, các thông số cần phải nhỏ hơn so với thông số ban đầu để đảm bảo an toàn và phù hợp với thiết kế của nhà sản xuất.
Phân tích các lực tác dụng lên xe khi xe di chuyển [8]
Để xe có thể di chuyển, lực kéo từ động cơ điện cần phải vượt qua tổng lực cản của xe Do đó, việc xác định lực kéo phù hợp của động cơ điện yêu cầu phải phân tích tổng lực cản khi xe hoạt động.
Hình 3.11: Sơ đồ các lực và moment tác dụng lên ôtô khi chuyển động lên dốc
Fk là lực phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe chủ động, hướng cùng chiều với chuyển động của ôtô Điểm tác dụng của Fk nằm ở trung tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Khi bánh xe di chuyển trên mặt đường, lực cản lăn xuất hiện song song với bề mặt đường và ngược lại với hướng chuyển động tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Nếu coi hệ số cản lăn tại hai bánh xe ở cầu trước và cầu sau là như nhau nên ta sẽ có công thức:
Khi xe chuyển động tại mặt đường có độ dốc nhỏ, ta có thể coi cos(α) = 1, nên:
Công thức tính lực cản dốc:
Ngoài ra, còn có lực cản tổng cộng được tính bởi tổng của lực cản lăn và lực cản lên dốc:
Lực cản quán tính được hình thành bởi lực quán tính bởi gia tốc chuyển động tịnh tiến và quay của ô tô, được tính bởi công thức:
Với δi được tính bởi công thức gần đúng:
Lực cản không khí tỉ lệ với áp suất động học qd, diện tích cản gió S và hệ số cản của không khí Cx theo biểu thức sau:
Bảng 1: Bảng thông số S và C x theo các loại xe
3.3.6 Công thức tổng quát tính lực kéo F k
Với công thức (3.10), chúng ta sẽ tiến hành tính toán các thông số của hệ thống truyền lực cho động cơ điện dựa trên lực kéo của động cơ.
Thiết kế thông số của động cơ điện [6],[9]
Dựa vào cơ sở thiết kế ở trên ta bắt đầu tính toán các thông số của động cơ điện
Hình 3.12: Đồ thị giữa lực, công suất và vận tốc
Biểu đồ trên minh họa mối quan hệ giữa lực, công suất và vận tốc Lực kéo của động cơ điện có thể được xác định thông qua hai phương pháp, tập trung vào ba điểm quan trọng Điểm 1 và 2 cho thấy vận tốc cực đại đạt được khi gia tốc bằng không, đồng thời phản ánh vận tốc cơ bản và khả năng tăng tốc của động cơ.
Hình 3.13: Đồ thị giữa vận tốc, lực kéo và lực cản tại x = 4
Dựa trên các cơ sở đã nêu, chúng ta tiến hành tính toán các thông số của động cơ điện, tập trung vào yêu cầu về vận tốc cực đại, khả năng tăng tốc và khả năng leo dốc.
3.4.1 Thiết kế động cơ điện dựa trên vận tốc cực đại
Dựa vào hình 3.12 và phương pháp đã nêu, công suất tạo ra lực kéo của động cơ điện được tính cho vận tốc cực đại tại điểm 1 Tại điểm 2, lực kéo có thể bằng phản lực tại một độ dốc nhất định, trong điều kiện này, gia tốc có thể bỏ qua và độ dốc là nhỏ nhất Lực kéo sẽ được tính theo công thức cụ thể.
2 𝜌 𝑎 𝐶 𝑥 𝑆 (𝑉 𝑚𝑎𝑥 + 𝑉 𝜔 ) 2 (3.14) Công suất của động cơ điện Pk trong trường hợp này được tính dựa trên vận tốc cực đại, lực kéo cực đại và hệ số của hiệu suất truyền lực:
3.4.2 Thiết kế động cơ điện dựa trên khả năng tăng tốc
Trong phương pháp thứ hai, công suất của động cơ điện được xác định dựa trên vận tốc nền tảng và khả năng tăng tốc của xe (tại điểm 3 trong hình 3.12) Khi xe di chuyển với gia tốc tối đa, điều kiện được xem xét là mặt đường phẳng không có độ dốc Công thức tính lực kéo được áp dụng như sau:
Khi đó, công suất của động cơ điện khi xe tăng tốc từ Vb đến Vsẽ được tính bởi công thức:
Với x được gọi là tỉ số tốc độ và 𝑉 𝑏 = 𝑉 𝑚𝑎𝑥
3.4.3 Thiết kế động cơ điện dựa trên khả năng leo dốc
Phương pháp tính toán công suất của động cơ điện được xác định dựa trên khả năng leo dốc cụ thể Khi xe di chuyển trên một độ dốc nhất định, động cơ cần tạo ra lực kéo đủ lớn để đảm bảo xe có thể leo dốc một cách ổn định Công suất cần thiết cho quá trình này được tính toán thông qua một công thức cụ thể.
2 𝜌 𝑎 𝐶 𝑥 𝑆 𝑉 2 + 𝑀 𝑔 sin(𝛼)] 𝑉 (3.18) Với vận tốc cho trước là V (km/h) và góc α (°) được cho trước
Hình 3.14: Đồ thị giữa vận tốc và lực kéo ứng với từng độ dốc
Công suất danh nghĩa của động cơ điện thường lớn hơn công suất tại vận tốc tối đa và công suất khi xe leo dốc với vận tốc cho trước Công suất cực đại của động cơ điện cũng vượt trội hơn công suất khi xe đạt khả năng tăng tốc Dựa vào những yếu tố này, chúng ta có thể lựa chọn động cơ điện với các thông số cơ bản phù hợp.
Bảng 2: Bảng giá trị động cơ điện khi tính toán
Kiểu động cơ điện: AC/PMSM/BLDC
Số vòng quay: nbase/nmax (rpm) Công suất động cơ điện: Prated/Ppeak (kW) Điện áp: Vnorm (V)
Moment xoắn cực đại: Tmax (N.m) Moment xoắn định mức: Trated (N.m)
Kiểm tra lại thông số kỹ thuật của xe sau khi chọn động cơ điện
Sau khi lựa chọn động cơ điện, cần thực hiện tính toán để xác định các thông số mới của xe, dựa trên các yếu tố như vận tốc cực đại, khả năng tăng tốc và khả năng leo dốc.
Với số vòng quay cực đại của động cơ điện, ta thay ngược vào công thức để tìm vận tốc, với tỉ số truyền là ig i0 là:
3.5.2 Tính toán công suất trong trường hợp khả năng leo dốc
Khi đã có công suất của động cơ điện ta tính toán lại khả năng leo dốc:
2 𝜌 𝑎 𝐶 𝑥 𝑆 𝑉 2 + 𝑀 𝑔 sin(𝛼)] 𝑉 (3.20) Khi đó, sẽ có hai trường hợp xảy ra so với mục tiêu ta muốn tính:
Khi xét đến xe tải hoặc xe hạng nặng, điều kiện tính toán cho xe là cần di chuyển với vận tốc thấp nhưng phải có khả năng leo dốc lớn Do đó, chúng ta sẽ xác định vận tốc trong khoảng cho phép và từ đó tính toán độ dốc mà xe có thể vượt qua.
Khi xem xét xe du lịch, chủ yếu sử dụng trên đường bằng, xe chỉ cần vượt qua độ dốc thấp khoảng 10% nhưng có thể đạt vận tốc lớn Vì vậy, chúng ta sẽ điều chỉnh độ dốc xuống 10% và tiến hành tính toán vận tốc cần thiết.
3.5.3 Tính toán công suất trong trường hợp khả năng tăng tốc
Với công suất cực đại Ppeak, thay vào công thức bên dưới, ta tìm được thời gian tăng tốc tf từ Vb đến V, với:
Sau khi chọn thông số động cơ điện, tính toán lại các giá trị ta thu được thông số mới của xe.
Thiết kế bộ pin
Với đặc điểm là xe điện, bộ pin đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ và cung cấp năng lượng cho động cơ điện Thiết kế bộ pin phải dựa vào chu trình lái, quãng đường tối đa có thể đi được sau một lần sạc, cũng như mức độ tiêu hao năng lượng của xe.
3.6.1 Tìm hiểu về chu trình lái [10],[11]
Chu trình lái (Driving cycle) là một loạt thử nghiệm nhằm đánh giá hiệu suất của phương tiện, bao gồm tiêu thụ nhiên liệu, tiêu chuẩn khí thải và nghiên cứu xe điện tự hành Mỗi khu vực sẽ có những chu trình lái riêng biệt để phù hợp với điều kiện và yêu cầu cụ thể.
Chu trình lái có thể được áp dụng để mô phỏng hiệu suất của các phương tiện, bao gồm động cơ đốt trong, hệ thống truyền lực, hệ thống lái điện, pin và hệ thống pin nhiên liệu Việc sử dụng chu trình này giúp đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất của các thành phần tương tự trong phương tiện.
Có hai kiểu của chu trinh lái:
1 Chu trình lái tạm thời liên quan đến nhiều thay đổi, đại diện ở đây là thay đổi hằng số tốc độ khi cho xe chạy trên đường
2 Đồ thị chu trình lái liên quan đến chu kỳ kéo dài của tốc độ không đổi Để thiết kế được bộ pin, ta sẽ chọn chu trình lái cho phù hợp với mục đích, điều kiện mà chiếc xe hoạt động Ví dụ, khi xe có động cơ điện ứng với mục đích sử dụng trong điều kiện là thành phố, thì vận tốc cực đại của xe có thể nhỏ hơn 100km/h và quãng đường đi được mà bộ pin đó đáp ứng được khoảng 100km Khi chọn được chu trình lái hợp lý, ta đưa vào Matlab để thiết kế model, khi đã thiết kế được model ta có thể suy ngược lại quãng đường chạy là bao nhiêu, rồi từ đó suy ra dung lượng của pin đáp ứng được
Để tránh hư hỏng pin, việc thiết kế bộ pin rất quan trọng Hiện nay, các dòng pin chỉ nên được tiêu thụ trong khoảng 30% đến 90% dung lượng, tức là chỉ sử dụng 60% tổng dung lượng 100% Việc này giúp bảo vệ pin khỏi tình trạng cạn kiệt, từ đó kéo dài tuổi thọ và hiệu suất sử dụng.
Việc sử dụng pin không đúng cách có thể dẫn đến hư hỏng nhanh chóng, ảnh hưởng đến dung lượng còn lại của pin Dung lượng này rất quan trọng để duy trì hoạt động của các thiết bị khác trên xe, như hệ thống điện và các tình huống khẩn cấp Một trong những chu trình kiểm tra pin hiệu quả là chu trình EPA.
Chu trình EPA tại Mỹ áp dụng cho xe hạng nhẹ và được thực hiện qua mô phỏng thay vì thử nghiệm thực tế Hai loại đánh giá chính trong chu trình này là đánh giá đô thị (UDDS) và đánh giá cao tốc (HWFET).
Chu trình thử nghiệm bắt đầu khi xe được sạc đầy, tiếp tục cho đến khi năng lượng giảm xuống 55% theo tiêu chuẩn HWFET và 45% theo tiêu chuẩn UDDS Khi xe đã được sạc đầy, thông số từ các điểm nối sẽ được sử dụng để xác định số kWh và vẽ lên dạng lưỡi Do thử nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm, độ chính xác của kết quả sẽ cao hơn so với thử nghiệm ngoài thực tế.
Các thông số đặc tính của chu trình gồm:
Tốc độ trung bình: 77,7 km/h
Hình 3.15: Chu trình thử nghiệm EPA b) Chu trình NEDC
Chu trình NEDC, viết tắt của New Euro Driving Cycle, là tiêu chuẩn thử nghiệm cho xe điện và xe du lịch tại Châu Âu, được cập nhật lần cuối vào năm 1997 Đây là một trong ba chu trình tiêu biểu được thực hiện trong phòng thí nghiệm.
Chu trình kiểm tra xe ECE – R15 và EUDC bao gồm hai điều kiện, trong đó xe được thử nghiệm ở quãng đường 11km trong 20 phút, với tỷ lệ 66% lái ở đô thị và 34% ở cao tốc Tốc độ trung bình của chu trình đạt 34km/h, trong khi tốc độ tối đa có thể lên đến 120km/h Tuy nhiên, do sự khác biệt lớn giữa điều kiện thử nghiệm và thực tế, chu trình NEDC đã được thay thế bằng chu trình WLTP.
Hình 3.16: Chu trình NEDC c) Chu trình WLTP
Chu trình thử nghiệm mới đã được áp dụng từ tháng 9 năm 2017, thay thế cho chu trình NEDC có nhiều sai sót Nó được chia thành bốn giai đoạn dựa trên bốn phạm vi tốc độ trung bình: thấp, trung bình, cao và vô cùng cao Quá trình thử nghiệm kéo dài khoảng nửa giờ, với quãng đường 23,25 km, trong đó 52% là ở đô thị và 48% trên cao tốc, với vận tốc trung bình 46,5 km/h và tốc độ tối đa đạt 131 km/h.
Chu trình tính toán bao gồm cả thiết bị của xe và sự tiêu hao của lốp và bánh xe, vì lốp và bánh xe có ảnh hưởng đáng kể đến khí động học và hiệu suất vận hành của xe.
Dựa vào phạm vi hoạt động của bộ pin và điện áp của động cơ điện, chúng ta có thể xác định dung lượng của bộ pin cần thiết và tìm kiếm loại pin phù hợp Tiêu thụ năng lượng được tính bằng tích phân của năng lượng đầu ra tại các cực của pin theo thời gian Công suất đầu ra của pin phụ thuộc vào điện trở suất và năng lượng mất mát trong quá trình truyền động của động cơ điện Công thức tính năng lượng của pin sẽ được xác định dựa trên những yếu tố này.
Công thức trên không tính đến các tiêu hao năng lượng từ các hệ thống phụ trên xe như điều hòa, radio, âm thanh và hệ thống chiếu sáng Tuy nhiên, những tiêu hao này không đáng kể so với mức tiêu thụ của bộ pin, do đó có thể bỏ qua.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Thông số cơ sở [12]
Với thu nhập bình quân của người Việt Nam, nhiều gia đình ưu tiên lựa chọn xe hạng A vì chúng đáp ứng nhu cầu sử dụng và phù hợp với ngân sách của họ.
Xe hạng A, đặc biệt là Kia Morning thế hệ thứ 2, rất được ưa chuộng tại Việt Nam, đặc biệt là trong các gia đình Do đó, nhóm đã quyết định chọn mẫu xe Kia Morning sản xuất năm 2011 để tiến hành cải tạo.
Hình 4.1: Chiều dài cơ sở của xe Kia Morning 2011
Kia Morning 2011 1.0L có thông số ở bảng dưới:
Bảng 3: Bảng thông số xe Kia Morning 2011
Kích thước (Dài – Rộng – Cao): 3535 -1595 -1480 mm
Chiều dài cơ sở (trước/sau): 1400/1385 mm
Trọng lượng không tải: 878 kg
Trọng lượng toàn tải: 1480 kg
Kiểu dẫn động: Cầu trước
Dung tích xy lanh: 999cc (1.0L)
Vận tốc cực đại: 156km/h
Công suất cực đại: 53 kW /6000rpm
Moment xoắn cực đại 90 Nm /4500rpm
Kiểu hộp số: Hộp số tự động 4 cấp
Tỉ số truyền các tay số:
Hệ số cản không khí: 0,34
Diện tích cản không khí: 1,96 m 2
Thiết kế khối động cơ điện
Dựa vào các thông số cơ sở của xe, chúng ta thay thế các giá trị vào công thức để tính toán số liệu thực tế, nhằm lựa chọn động cơ điện phù hợp với ba tiêu chí: vận tốc cực đại, khả năng tăng tốc và khả năng leo dốc.
4.2.1 Tính toán công suất động cơ điện dựa trên vận tốc cực đại Để tính được công suất cực đại trong trường hợp này, ta cần tính lực kéo cực đại mà động cơ điện có thể đáp ứng được ở tốc độ đại là 120km/h ( ~33,33 m/s) Công thức tính lực kéo cực đại:
2 𝜌 𝑎 𝐶 𝑥 𝑆 𝑉 𝑚𝑎𝑥 2 (4.1) Dựa vào thông số được chọn, ta tính được lực kéo cực đại Fkmax, khi đó hệ số cản f = 0,01, ρa = 1,25, Cx = 0,31 và S = 1,96, thay vào công thức ta tính được:
Từ lực kéo cực đại ta tính được công suất cực đại cần thiết cho động cơ điện:
Trong đó: η là hệ số hiệu suất chung chọn 0,95
4.2.2 Tính toán công suất động cơ điện dựa trên khả năng tăng tốc
Trường hợp 1: Nhóm chọn khả năng tăng tốc của xe chạy từ 0 60km/s trong khoảng thời gian 6 giây:
Trong đó x là tỉ số tốc độ: 1 < x < 4 Nhóm chọn tỉ số tốc độ là: x = 4
Trường hợp 2: Nhóm chọn khả năng tăng tốc của xe chạy từ 0 100km/s trong khoảng thời gian 14 giây:
4.2.3 Tính toán công suất động cơ điện dựa trên khả năng leo dốc
Vì mục đích sử dụng động cơ điện ở điều kiện giao thông trong thành phố, nên độ dốc nhóm chọn α < 10%, với tốc độ ứng với 60km/h
4.2.4 Lựa chọn khối động cơ điện[13]
Theo các điều kiện tính toán đã nêu, công suất cực đại thực tế của động cơ điện cần phải lớn hơn 47,459 kW, và công suất danh nghĩa thực tế phải vượt qua 29,45 kW Do đó, chúng ta cần tìm kiếm thông số động cơ điện có công suất cực đại tương ứng với giá trị đã tính toán.
Hình 4.2: Động cơ điện có công suất danh nghĩa 32 kW
Thông số của động cơ điện:
Bảng 4: Bảng thông số động cơ điện
Tên sản phẩm Unique Mobility 32-kW continuous
Kiểu động cơ điện: Đồng bộ 3 pha
Công suất động cơ điện: 32/53 kW
4.2.5 Chọn bộ điều khiển cho động cơ điện[14]
Dựa vào điện áp và dòng điện của động cơ điện, ta tiến hành chọn bộ điều khiển:
Bảng 5: Thông số bộ điều khiển
Tên gọi: Motor controller RMC60
Công suất danh nghĩa: 30 kW
Phạm vi điện áp cao: 250 – 420 VDC
Phạm vi điện áp thấp: 9 – 30 VDC
Kiểu làm mát: Làm mát bằng nước
Nhiệt độ nước làm mát: < 65°C
Công suất cực đại: 60 kW
Dòng ra lớn nhất (Peak): 320 A
Dòng ra lớn nhất (Rated): 160 A
Tính toán thông số sau khi chọn động cơ điện
Dựa trên các bảng thông số đã cung cấp, cần tính toán lại các thông số mới của xe để xác định vận tốc cực đại, khả năng tăng tốc và khả năng leo dốc Để thực hiện điều này, việc thiết kế tỉ số truyền và bán kính tính toán của xe là rất quan trọng.
4.3.1 Tính toán tỉ số truyền
Hiệu quả trực tiếp của việc sử dụng hộp số đa cấp là giảm thời gian tăng tốc và nạp cho ắc quy cao áp
Tuy nhiên sử dụng hộp số đa cấp sẽ làm phức tạp hệ thống truyền động, hệ thống kiểm soát (phải có bộ điều khiển điều khiển sang số)
Truyền động đơn cấp đáp ứng được độ bền của PPS, SOC Đối với động cơ cỡ nhỏ thì truyền động đa cấp là tốt nhất
Hiệu suất động cơ không cải thiện nhiều khi sử dụng hộp số đa cấp Động cơ đạt tốc độ tối đa ở số cực đại, nhưng khi ở số cao và vùng tốc độ thấp, động cơ không hoạt động ổn định Lúc này, sức kéo của động cơ điện sẽ lớn hơn so với các số khác.
Trên xe điện, chỉ sử dụng một loại bánh răng giảm tốc duy nhất Sau khi thiết kế xe, nhóm đã chọn tỷ số truyền là 6 để phù hợp với các thông số tính toán đã đề ra.
Thông số bánh xe của Kia Morning 2011 là 155/70 R13 Công thức tính toán bánh xe:
4.3.3 Tính toán vận tốc dựa trên thông số động cơ điện
Sau khi xác định các giá trị của động cơ điện, với số vòng quay tối đa đạt 7500 vòng/phút (rpm) và bán kính tính toán là 0,2735 mét, chúng ta có thể tính toán được vận tốc.
4.3.4 Tính toán dựa trên khả năng leo dốc
Ta chia làm hai trường hợp:
Trường hợp 1: Cho xe chạy với vận tốc là 60km/h (16,67 m/s), với công suất của động cơ điện là 32000 W ta tính được độ dốc cần có:
Trường hợp 2: Cho xe chạy lên dốc có độ dốc là 10% ta tính được vận tốc xe có thể đạt được:
Hình 4.4: Đồ thị lực kéo và vận tốc sau khi chọn động cơ điện
4.3.5 Tính toán dựa trên khả năng tăng tốc
Với công suất cực đại là 53000W, ta thay vào công thức tìm được thời gian tăng tốc tf :
Trường hợp 1: Ứng với thời gian tăng tốc từ 0 60km/h (16,67 m/s)
Trường hợp 2: Ứng với thời gian tăng tốc từ 0 100km/h (27,78 m/s)
Các thông số mới của xe sau khi chọn động cơ điện:
Bảng 6: Bảng các thông số mới sau khi chọn động cơ điện
Vận tốc cực đại: 128,88 km/h
Khả năng tăng tốc 0 60km/h 4,4s
Khả năng leo dốc: Cho xe chạy tại 60km/h 8,1 ° ~ 13,7%
Cho xe chạy với độ dốc 10% 74,88 km/h
Sau khi lựa chọn động cơ điện, thông số mới của xe cho thấy vận tốc tối đa giảm xuống còn 128,88 km/h, thấp hơn so với vận tốc tối đa trước đây là 159 km/h.
Đảm bảo an toàn mà vẫn đáp ứng các tiêu chí cải tiến đã đề ra.
Thiết kế khối pin
Trước khi tiến hành tính toán, chúng ta cần tìm hiểu về pin Lithium-Ion, bao gồm phân loại và so sánh các thông số để chọn loại pin phù hợp với tiêu chí thiết kế Dựa vào thông số của động cơ điện, chúng ta sẽ tính toán thiết kế bộ pin dựa trên mức tiêu hao năng lượng trung bình của xe (kWh/km) trong phạm vi hoạt động 100km Đầu tiên, chúng ta tính toán thông số của một cell pin, tìm cell pin thích hợp, sau đó tiếp tục tính toán thông số của cả bộ pin.
4.4.1 Sơ lược về pin Lithium - Ion Ưu điểm của pin Lithium – Ion có thể được kể đến:
Khả năng lưu trữ lớn
Khả năng chống nước, chống cháy tốt
Không gây ô nhiễm môi trường
Có thể bị chai sau thời gian dài sử dụng
Các nhà sản xuất lựa chọn pin Lithium-Ion cho xe điện vì hiệu suất hoạt động cao, thời gian sạc nhanh và khả năng chịu nhiệt tốt hơn so với ắc quy chì Hơn nữa, kích thước nhỏ gọn của pin Lithium-Ion giúp dễ dàng tích hợp vào thiết kế xe, mang lại vẻ ngoài thời trang và hiện đại cho các dòng xe điện.
The current market offers a variety of Lithium-Ion battery types, including Lithium Cobalt Oxide (LCO), Lithium Manganese Oxide (LMO), Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC), Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (NCA), and Lithium Iron Phosphate (LFP).
Bảng 7: Bảng thông số các loại pin Lithium - Ion
Giá bán ($) Lithium Cobald Oxide
Pin LiFePO4 nổi bật với tuổi thọ cao và giá thành hợp lý trong số các loại pin Lithium-Ion Những ưu điểm chính của pin này bao gồm khả năng bền bỉ và hiệu suất ổn định, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng.
Pin LiFePO4 nổi bật với mức độ an toàn và ổn định cao, nhờ vào khả năng chống cháy xuất sắc từ tính chất hóa học của chúng Chúng có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt, bao gồm cả môi trường lạnh và địa hình gồ ghề Đặc biệt, khi gặp phải các tình huống nguy hiểm như va chạm hoặc ngắn mạch, pin LiFePO4 không tự bắt lửa, giúp giảm thiểu đáng kể các rủi ro tiềm ẩn.
Pin LiFePO4 nổi bật với hiệu suất cao, tuổi thọ dài, và tốc độ tự xả chậm, đồng thời có khối lượng nhẹ So với pin chì thông thường, pin LiFePO4 mang lại thời gian sử dụng lâu hơn và thời gian sạc nhanh hơn, giúp tiết kiệm thời gian cho người dùng.
Diện tích lưu trữ: Pin LiFePO4 so về cùng dung lượng thì chúng nhỏ hơn 1/3 lần so với pin chì thông thường và 1/2 lần so với pin mangan
Do đó, pin LiFePO4 hiệu quả hơn khi giúp làm giảm diện tích khi thiết kế xe điện
Vấn đề môi trường: Pin LiFePO4 không độc hại, không chứa kim loại nguy hiểm, không gây ô nhiễm môi trường
Pin LiFePO4 vượt trội so với các loại pin Lithium khác nhờ vào hiệu suất phóng điện và sạc tốt hơn, tuổi thọ dài hơn và hiệu suất cao hơn Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng với tuổi thọ lâu dài, chi phí bảo trì thấp và ít phải thay thế, pin LiFePO4 mang lại giá trị kinh tế vượt trội.
47 xuyên Pin LiFePO4 sẽ là lựa chọn đáng giá cho việc thiết kế xe điện [15],[18]
4.4.2 Tính toán dung lượng bộ pin
Sau khi thiết kế mô hình chạy trên Matlab/Simulink theo chu trình WLTP, chúng tôi đã xác định mức tiêu hao năng lượng để thiết kế bộ pin Chu trình này có thời gian thực hiện là 30 phút (1800 giây) và quãng đường di chuyển là 23,262 km (23262 mét).
Ta xét điều kiện xe chạy ở đường bằng lý tưởng (i = 0°):
𝑑 𝑡 ) (𝑊) (4.13) Khi đó, công suất tổng cộng của bộ pin khi chạy chu trình là:
Tổng mức tiêu hao năng lượng là 1,704.10 W, tương ứng với 1800 giây trên quãng đường 23,262 km Để tính toán mức tiêu thụ năng lượng trong 1 giây (kWs), cần thực hiện chuyển đổi từ watt sang kilowatt Tiếp theo, chúng ta sẽ tiếp tục chuyển đổi để tìm mức tiêu hao năng lượng tính theo kilowatt-giờ (kWh) trên mỗi km.
Vậy mức tiêu hao năng lượng trung bình:
Với quãng đường tối đa mà bộ pin có thể đáp ứng được là 𝑆 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑 100𝑘𝑚,ta tính được kích thước của bộ pin:
Kích thước pin của xe điện phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, với năng lượng trung bình 100 kWh, tương đương với 11,3 kWh Tuy nhiên, trong thiết kế pin cho xe điện, phạm vi hoạt động thực tế chỉ đạt từ 30% đến 90%, tương đương với 60% tổng dung lượng pin Do đó, dung lượng thực tế của pin cần phải lớn hơn để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Trong xe, nhiều thiết bị tiêu thụ điện, vì vậy BatsizeInclude được tính bằng cách cộng thêm các thiết bị tiêu thụ (Eaux) Công suất tiêu thụ thường nằm trong khoảng từ 0,5 đến 1 kWh Dựa vào đó, ta có thể tính được dung lượng của một cell pin (BatC) là 60% tương đương với 18,83 kWh.
Sau khi xác định dung lượng lý thuyết của một cell pin là 400 = 𝟒𝟗, 𝟐 (𝐴ℎ) (4.17), chúng ta tiến hành tìm kiếm cell pin thực tế phù hợp để từ đó thiết kế một bộ pin hoàn chỉnh.
Nhóm sử dụng dòng pin Lithium Sắt Photphat (LiFePO4), có thông số như ở dưới:
Bảng 8: Thông số 1 cell pin LiFePO 4
Dung lượng danh nghĩa 50Ah Điện áp định mực 3.2V
Nhiệt độ hoạt động Charge: 0 ~ 55°C
Kích thước Cell pin Độ dày: 39,72 ± 0.3mm
Chiều dài: 148,44 ± 0.6mm Chiều cao: 95,77 ± 0.6mm
Tỷ trọng năng lượng 140 Wh/kg
Tuổi thọ ≥ 4000 times Để có thể tăng điện áp của hệ thống pin, ta có thể mắc nối tiếp các cell pin lại với nhau:
3,2 = 𝟏𝟐𝟓 𝑐𝑒𝑙𝑙 ~ 𝟐𝟓 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒 (5 𝑐𝑒𝑙𝑙/ 1 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒) 4.18 Khối lượng của nguyên khối pin:
𝑀 𝑝𝑎𝑐𝑘 = 𝑁 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒𝑠 𝑚 𝑐𝑒𝑙𝑙= 125 1,18 = 𝟏𝟒𝟕, 𝟓 kg 4.19 Dòng điện cực đại của khối pin:
Thông số của bộ pin sau khi tính toán và thiết kế:
Bảng 9: Thông số bộ pin
Công suất bộ pin 20 kW
Công suất cực đại 25,812 kW Điện áp danh nghĩa 400 V Điện áp cực đại 456,25 V
Dung lượng danh nghĩa 50 Ah
Dung lượng cực đại 56 Ah
MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK VÀ ADVISOR
Khái quát về phần mềm MATLAB/SIMULINK và ADVISOR[17]
5.1.1 Khái niệm về Matlab/Simulink và Advisor
Matlab là phần mềm lập trình chuyên dụng cho kỹ sư, được phát triển bởi Mathworks, cho phép mô phỏng và thiết kế hiệu quả Phần mềm này hỗ trợ tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số và biểu đồ thông tin, thực hiện các thuật toán phức tạp, tạo giao diện người dùng và kết nối với các chương trình viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau.
Advisor, được ra mắt lần đầu vào năm 1994, là công cụ mô phỏng hệ thống truyền lực cho xe Hybrid, bao gồm các mô hình, dữ liệu và tệp mô tả trạng thái mô phỏng sử dụng Matlab/Simulink Phiên bản Advisor 90 được phát triển nhằm phân tích nhanh hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu cho xe truyền thống, xe điện và xe hybrid Công cụ này cung cấp sơ đồ cơ bản cho các mô phỏng và phân tích chi tiết, giúp người dùng định nghĩa các thành phần hệ thống truyền lực, từ đó xác định dữ liệu xe và thuật toán, tối ưu hóa các ưu điểm của mô hình linh hoạt trong Simulink và khả năng phân tích của Matlab.
5.1.2 Ưu nhược điểm của Advisor a) Ưu điểm
− Ước tính được lượng nhiên liệu cho xe chưa được thiết kế hoặc xây dựng các thông số
− Biết được các tiêu hao năng lượng qua hệ thống nhiên liệu của các xe truyền thống, xe hybrid hay xe điện
− So sánh lượng khí thải sinh ra trên một chu kỳ trên các xe khác nhau
− Đánh giá hiệu quả điều khiển các trạng thái đối với sự chuyển đổi nhiên liệu của xe hybrid
− Tối ưu hóa các tỷ số truyền trong truyền tải để giảm thiểu sử dụng nhiên liệu, tối đa hóa hiệu suất b) Nhược điểm/ Hạn chế
− Không có khả năng đại diện cho chu trình lái xe thực tế hiện tại (phần mềm cũ)
− Chu kỳ hoạt động chưa tối ưu
Advisor sử dụng các thông số và công thức vật lý cơ bản để mô phỏng xe, giúp dự đoán các thông số của xe chưa sản xuất Với các thuật toán lập trình sẵn, Advisor có khả năng dự đoán khí thải, nhiên liệu tiêu hao và hiệu suất tăng tốc, leo dốc của xe, từ đó cung cấp cái nhìn tổng quan cho người thiết kế về đặc điểm của xe.
Advisor cho phép theo dõi tốc độ xe, năng lượng tiêu hao, khả năng sạc của pin, sự phân phối giữa moment và tốc độ động cơ, cùng với hiệu suất trung bình của hệ thống truyền lực Hệ thống này có khả năng mở rộng và cải tiến dễ dàng, tuy nhiên cần đảm bảo tính tương thích giữa Matlab và Simulink.
Dựa vào ưu nhược điểm và cấu trúc của phần mềm Advisor, nhóm thiết kế đã quyết định chọn nó để mô phỏng các thông số đã tính toán Phần mềm này giúp cải tiến, mở rộng và phân tích mô hình một cách dễ dàng.
Hình 5.1: Sơ đồ cấu trúc Advisor
Sau khi tải và cài đặt phần mềm Advisor vào Matlab, bạn có thể mở phần mềm bằng cách nhập lệnh >>Advisor vào Command Window của Matlab Giao diện phần mềm sẽ hiển thị như sau:
Trong giao diện phần mềm, người dùng có thể lựa chọn đơn vị đo lường phù hợp, như Mỹ (US) hoặc nhóm Metric, với Metric là hệ đơn vị đo lường quốc tế (SI) được sử dụng tại Việt Nam Để bắt đầu, nhấn nút START; nếu cần hướng dẫn, hãy chọn HELP; và để thoát khỏi giao diện, nhấn EXIT để trở về ứng dụng Matlab.
Mô phỏng trên Matlab/Simulink
Mục đích chính của việc mô phỏng trên Matlab là xác định mức tiêu hao năng lượng của xe trong một chu trình cụ thể, từ đó làm cơ sở để tính toán và thiết kế bộ pin phù hợp với các điều kiện đã đề ra.
Trước khi tiến hành mô phỏng, ta cần thiết kế chiến lược điều khiển cho xe dựa vào các tín hiệu đầu vào và đầu ra
Chiến lược điều khiển sẽ như sau:
ECU nhận tín hiệu từ vị trí bàn đạp ga, bàn đạp phanh, tốc độ xe và mức SOC của bộ pin để xác định chế độ hoạt động của xe, bao gồm chế độ kéo hoặc chế độ phanh.
Khi xe đang ở chế độ kéo và mức điện còn trên 30% (SOC >30%), ECU sẽ gửi tín hiệu cho bộ điều khiển động cơ điện để cho phép động cơ điện hoạt động Ngược lại, nếu mức điện dưới 30% (SOC