Nghiên cứu điều khiển hộp số seamless hai cấp trên ô tô điện

Ô tô điện, bên cạnh những lợi ích của việc phát thải bằng 0 và hiệu suất cao của động cơ điện, dung lượng pin hạn chế và quãng đường đi được sau mỗi lần nạp là điểm yếu khi cạnh tranh với ô tô động cơ đốt trong truyền thống. Tối ưu năng lượng sử dụng là một vấn đề đặt ra đối với ô tô điện. Tối ưu năng lượng sử dụng của ô tô điện liên quan đến giảm nhẹ kết cấu ô tô, kỹ thuật điều khiển động cơ điện và điều khiển hệ thống truyền lực. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, ô tô điện có hệ thống truyền lực nhiều cấp số có thể giảm tiêu thụ năng lượng đến 28% do đó các ô tô điện hiện nay đều được trang bị hệ thống truyền lực nhiều cấp. Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền lực và chiến lược thay đổi số truyền theo điều kiện chuyển động của ô tô để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng của ô tô điện có là chủ đề nghiên cứu thu hút được sự quan tâm của doanh nghiệp ô tô và các nhà nghiên cứu. Nghiên cứu tối ưu hóa năng lượng sử dụng của ô tô điện đồng nghĩa với tăng quãng đường di chuyển được sau mỗi lần nạp của ô tô điện với cùng một dung lượng pin, khắc phục nhược điểm của ô tô điện. Đây là chủ đề có ý nghĩa và tính cấp thiết để hoàn thiện ô tô điện. Đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu sử dụng hệ thống truyền lực SEAMLESS nhằm mục đích nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng điện của ác quy trên ô tô điện phù hợp với xu hướng nghiên cứu và có ý nghĩa khoa học, tính cấp thiết trong nghiên cứu phát triển ô tô điện.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ KHÍ Ô TÔ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tên Đề Tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Hộp Số SEAMLESS Hai Cấp Trên Ô Tô Điện Sinh viên thực hiện: Hồ Thanh Thiên Lớp: Kỹ Thuật ô tô 2 Khóa: K60 MSSV: 6051040228 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Văn Như Cán bộ ngoài sản xuất: ThS Nguyễn Bảo Lộc - ĐH Công Nghiệp TP.HCM TP HCM, tháng 1 năm 2024 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH .iii DANH MỤC BẢNG v PHẦN MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN 3 1.1 Tổng quan về ô tô điện 3 1.1.1 Khái niệm về ô tô điện 3 1.1.2 Sơ lược về lịch sử hình thành ô tô điện 3 1.2 Hệ truyền động trên xe ô tô điện 5 1.2.1 Cấu trúc chung 5 1.2.2 Tổng quan về hệ thống truyền lực trên ô tô điện 7 1.2.3 Hệ thống truyền động trên xe ô tô điện Porsche Taycan Turbo S 9 1.3 Kết luận chương 1 13 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ ĐIỆN HỘP SỐ SEAMLESS 2 CẤP 15 2.1 Cấu Tạo Của Hệ Truyền Động Đề Xuất 15 2.2 Phân Tích Động Học Của Hệ Truyền Động Đề Xuất 17 2.2.1 Phương trình động học 17 2.2.2 Tỷ số truyền 19 2.3 Mô Hình Động Lực Học Động Cơ Điện Và Trục Đầu Vào 19 2.4 Mô Hình Động Lực Học Hộp Số 2 Cấp Liền Mạch 20 2.5 Mô Hình Động Lực Học Trục Đầu Ra 25 2.6 Mô Hình Động Cơ Điện Cho Hệ Truyền Động 26 2.7 Mô Hình Chuyển Động Của Ô Tô 27 2.8 Kết Luận Chương 2 29 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN SỐ 30 3.1 Giới Thiệu Phần Mềm Mô Phỏng 30 i 3.2 Điều Khiển Chuyển Số Hộp Số SEAMLESS Hai Cấp 35 3.2.1 Lý thuyết bộ điều khiển PID 36 3.2.2 Bộ điều khiển PID 36 3.2.3 Kết quả mô phỏng 38 3.3 Mô Phỏng Thuật Toán Hộp Số Được Đề Xuất Theo Chu Trình Lái Xe Thứ Nghiệm WLTP Class 3 41 3.2.2 Chu Trình Lái Xe Thử Nghiệm 42 3.2.3 Kết Quả Mô Phỏng .46 3.4 Kết Luận Chương 3 49 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 1 Sơ đồ bố trí trên ô tô điện 5 Hình 1 2 Sơ đồ hệ truyền động của xe ô tô điện 5 Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc ô tô điện hiện đại 6 Hình 1 4 Các kiểu hệ thống truyền lực trên ô tô điện 8 Hình 1 5 Bản vẽ tuyến hình ô tô điện Porsche Taycan Turbo S 9 Hình 1 6 Tổng quan về Porsche Taycan Turbo S 10 Hình 1 7 Động cơ điện của Porsche Taycan Turbo S 10 Hình 1 8 Stator của động cơ điện: Cuộn dây kẹp tóc 11 Hình 1 9 Roto của động cơ điện: nam châm vĩnh cửu xếp thành hình chữ V 12 Hình 1 10 Hộp số một cấp được trang bị ở trục trước 13 Hình 1 11 Hộp số hai cấp được trang bị ở trục sau 13 Hình 2 1 Sơ đồ hộp số hai cấp liền mạch 15 Hình 2 2 Hộp số hoạt động ở tay số 1 16 Hình 2 3 Hộp số hoạt động ở tay số 2 16 Hình 2 4 Các thành phần của hộp số hai cấp liền mạch .18 Hình 2 5 Sơ đồ vật thể tự do của Bánh trăng Vòng và Mặt trời 21 Hình 2 6 Sơ đồ mạch điện của động cơ điện 26 Hình 2 7 Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động 27 Hình 3 1 Giao diện MATLAB 31 Hình 3 2 Sơ đồ mô phỏng thuật toán của hộp số 35 Hình 3 3 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ xe .36 Hình 3 4 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng vòng 37 Hình 3 5 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng mặt trời 37 Hình 3 6 Vận tốc góc của động cơ điện 38 Hình 3 7 Vận tốc góc của trục đầu ra đến bánh xe chủ động .38 Hình 3 8 Vận tốc góc của Cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào 39 iii Hình 3 9 Tốc độ góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu ra 39 Hình 3 10 Vận tốc góc của bánh răng vòng 39 Hình 3 11 Vận tốc góc của bánh răng mặt trời 40 Hình 3 12 Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng vòng 40 Hình 3 13 Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng mặt trời 40 Hình 3 14 Độ giật khi chuyển số 41 Hình 3 15 Sơ đồ mô phỏng động lực hệ thống truyền động 41 Hình 3 16 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng vòng 41 Hình 3 17 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng mặt trời 42 Hình 3 18 Bộ điều khiển tốc độ động cơ Longitudinal Driver 42 Hình 3 19 Chu trình lái xe NEDC 44 Hình 3 20 Chu trình lái xe thực tế 44 Hình 3 21 Chu trình lái xe WLTP 45 Hình 3 22 Vận tốc góc của động cơ điện 46 Hình 3 23 Vận tốc góc của trục đầu ra đến bánh xe chủ động 46 Hình 3 24 Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào 46 Hình 3 25 Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu ra 47 Hình 3 26 Vận tốc góc của bánh răng vòng 47 Hình 3 27 Vận tốc góc của bánh răng mặt trời 47 Hình 3 28 Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng vòng 48 Hình 3 29 Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng mặt trời 48 Hình 3 30 Biểu đồ tăng, giảm số theo chu trình lái xe thử WLTP Class 3 48 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1: Các thông số của xe tham khảo Porsche Taycan Turbo S 27 v PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Ô tô điện, bên cạnh những lợi ích của việc phát thải bằng 0 và hiệu suất cao của động cơ điện, dung lượng pin hạn chế và quãng đường đi được sau mỗi lần nạp là điểm yếu khi cạnh tranh với ô tô động cơ đốt trong truyền thống Tối ưu năng lượng sử dụng là một vấn đề đặt ra đối với ô tô điện Tối ưu năng lượng sử dụng của ô tô điện liên quan đến giảm nhẹ kết cấu ô tô, kỹ thuật điều khiển động cơ điện và điều khiển hệ thống truyền lực Các nghiên cứu chỉ ra rằng, ô tô điện có hệ thống truyền lực nhiều cấp số có thể giảm tiêu thụ năng lượng đến 28% do đó các ô tô điện hiện nay đều được trang bị hệ thống truyền lực nhiều cấp Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền lực và chiến lược thay đổi số truyền theo điều kiện chuyển động của ô tô để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng của ô tô điện có là chủ đề nghiên cứu thu hút được sự quan tâm của doanh nghiệp ô tô và các nhà nghiên cứu Nghiên cứu tối ưu hóa năng lượng sử dụng của ô tô điện đồng nghĩa với tăng quãng đường di chuyển được sau mỗi lần nạp của ô tô điện với cùng một dung lượng pin, khắc phục nhược điểm của ô tô điện Đây là chủ đề có ý nghĩa và tính cấp thiết để hoàn thiện ô tô điện Đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu sử dụng hệ thống truyền lực SEAMLESS nhằm mục đích nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng điện của ác quy trên ô tô điện phù hợp với xu hướng nghiên cứu và có ý nghĩa khoa học, tính cấp thiết trong nghiên cứu phát triển ô tô điện 2 Đối tượng nghiên cứu Hệ thống truyền lực SEAMLESS 2 cấp trên ô tô điện 3 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu sự thay đổi tỷ số truyền hệ thống truyền lực SEAMLESS theo điều kiện chuyển động nhằm mục đích tối ưu hóa năng lượng sử dụng của ô tô điện 4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Tìm quy luật thay đổi tỷ số truyền của hệ thống truyền lực SEAMLESS sử dụng trên ô tô điện làm cơ sở cho việc áp dụng hệ thống truyền lực này trên ô tô điện và điều khiển thay đổi tỷ số truyền theo điều kiện cản chuyển động của ô tô Mô phỏng và so sánh hiệu suất sử dụng năng lượng điện với hệ thống truyền lực 1 cấp và 2 cấp đang sử dụng trên ô to điện truyền thống 1 5 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa và mô phỏng 6 Kết cấu của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, kết cấu luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học hệ thống truyền lực ô tô điện SEAMLESS 2 cấp Chương 3: Thiết kế thuật toán điều khiển chuyển số 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Tổng quan về ô tô điện 1.1.1 Khái niệm về ô tô điện Xe ô tô điện là loại phương tiện được cung cấp năng lượng bởi động cơ điện Thay vì sử dụng các động cơ đốt trong với các nhiên liệu như xăng hoặc dầu diesel, ô tô điện sử dụng năng lượng được cung cấp từ một bộ pin sạc Ô tô chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện gọi là xe điện thuần tuý (EV) Ngoài ra, loại xe ô tô vừa có thể chạy bằng điện, vừa có thể chạy bằng các nhiên liệu khác được gọi là xe điện lai - xe hybrid (HEV) 1.1.2 Sơ lược về lịch sử hình thành ô tô điện Ô tô điện có lịch sử lâu đời, nhưng từ khoảng 2 thập kỷ trở lại đây mới phát triển trở lại mạnh mẽ nhằm giải quyết 2 vấn đề lớn của nhân loại: sự cạn kiệt dần dần của nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự ô nhiễm môi trường gây ra bởi ô tô chạy xăng, dầu Ô tô điện được ra đời lần đầu tiên vào năm 1834 Trong suốt những thập kỷ nửa sau thế kỷ 19, nhiều công ty đã sản xuất ô tô điện ở Hoa Kỳ, Anh, và Pháp Những xe ô tô đầu tiên mà con người sử dụng là ô tô điện Tuy nhiên, do những hạn chế về công nghệ ắc quy và đặc biệt là do sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ động cơ đốt trong, ô tô điện đã dần bị thay thế và hầu như không còn tồn tại từ sau những năm 1930 Những chiếc ô tô điện sản xuất hàng loạt đầu tiên xuất hiện ở Mỹ vào đầu những năm 1900 Năm 1902, Công ty ô tô Studebaker bước vào lĩnh vực kinh doanh ô tô với ô tô điện, mặc dù họ cũng tham gia vào thị trường xe chạy xăng vào năm 1904 Tuy nhiên, với sự ra đời của dòng xe lắp ráp giá rẻ của Ford, sự phổ biến của ô tô điện đã giảm đáng kể Do hạn chế của pin lưu trữ vào thời điểm đó, ô tô điện không phổ biến nhiều; tuy nhiên, tàu điện đã trở nên phổ biến rộng rãi do tính kinh tế và tốc độ có thể đạt được của chúng Đến thế kỷ 20, vận tải đường sắt điện trở nên phổ biến do những tiến bộ trong phát triển đầu máy điện Theo thời gian, mục đích thương mại sử dụng chung của chúng giảm xuống các vai trò chuyên gia như xe nâng, xe cứu thương, máy kéo và phương tiện giao hàng trong đô thị, chẳng hạn như phao sữa mang tính biểu tượng của Anh; Trong phần lớn thế kỷ 20, Vương quốc Anh là quốc gia sử dụng phương tiện giao thông đường bộ chạy điện nhiều nhất thế giới 3 Ô tô điện là một trong những loại ô tô xuất hiện sớm nhất, và trước sự ưu việt của động cơ đốt trong nhẹ, mạnh mẽ, ô tô điện đã giữ nhiều kỷ lục về tốc độ và quãng đường trên đất liền vào đầu những năm 1900 Chúng được sản xuất bởi Baker Electric, Columbia Electric, Detroit Electric, và những công ty khác, và có thời điểm trong lịch sử, xe chạy bằng xăng đã bán hết Năm 1900, 28% ô tô lưu thông trên đường ở Mỹ là ô tô điện Ô tô điện phổ biến đến mức Tổng thống Woodrow Wilson và các nhân viên mật vụ của ông đã đi tham quan Washington, D.C trong Milburn Electrics của họ, với quãng đường 60–70 dặm (100 - 110 km) cho mỗi lần sạc Tới những năm đầu của thập kỷ 70 thế kỷ trước, hai vấn đề lớn của nhân loại là ô nhiễm môi trường do khí thải và an ninh năng lượng do sự hữu hạn của các nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, và khí đốt) đã dần trở nên bức thiết Người ta bắt đầu quan tâm trở lại đến ô tô điện như một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề này Thời gian đầu, ô tô điện vẫn chỉ là một đối tượng nghiên cứu; các mẫu ô tô điện đều là sự chuyển đổi từ xe ô tô thông thường dùng động cơ đốt trong Ngày nay, các nhà sản xuất ô tô lớn đều đã và đang cho ra đời các sản phẩm ô tô điện được thiết kế và chế tạo với những công nghệ đặc thù cho ô tô điện, chứ không phải là một sản phẩm hoán cải như trước Tính đến tháng 3 năm 2018, có khoảng 45 chiếc ô tô chạy điện hoàn toàn có khả năng sản xuất trên đường cao tốc được sản xuất ở nhiều quốc gia khác nhau Tính đến đầu tháng 12 năm 2015, Leaf, với 200.000 chiếc bán ra trên toàn thế giới, là chiếc ô tô điện chạy trên đường cao tốc bán chạy nhất mọi thời đại, tiếp theo là Tesla Model S với lượng giao hàng toàn cầu khoảng 100.000 chiếc Doanh số toàn cầu của Leaf đạt 300.000 vào tháng 1 năm 2018 Tính đến tháng 5 năm 2015, hơn 500.000 xe du lịch chạy điện hoàn toàn có thể chạy trên đường cao tốc và các phương tiện tiện ích hạng nhẹ đã được bán trên toàn thế giới kể từ năm 2008, trong tổng doanh số toàn cầu là khoảng 850.000 ô tô điện plug-in hạng nhẹ Tính đến tháng 5 năm 2015, Hoa Kỳ có đội ô tô điện plug-in chạy 4 trên đường cao tốc lớn nhất trên thế giới, với khoảng 335.000 ô tô điện plug-in hợp pháp trên đường cao tốc được bán tại nước này kể từ năm 2008 và chiếm khoảng 40% toàn cầu cổ phần California là thị trường khu vực dành cho ô tô plug-in lớn nhất trong cả nước, với gần 143.000 chiếc được bán từ tháng 12 năm 2010 đến tháng 3 năm 2015, chiếm hơn 46% tổng số ô tô plug-in được bán tại Hoa Kỳ đã vượt qua mốc 1 triệu đơn vị vào tháng 9 năm 2016 4