báo cáo truyền động điện đề tài hệ truyền động xe ô tô điện

Những chiếc xe này sử dụng một bộ nguồn ắc quy kéo để truyền năng lượngcho motor điện và phải được cắm ở các trạm sạc hoặc điện lưới.. Bởi vì chạybằng điện cho nên phương tiện không có k

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

- 

-BÁO CÁO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GV.PHỤ TRÁCH: TS NGUYỄN DUY ĐỈNH SINH VIÊN: HÀ ĐỨC THẮNG

MSSV: 20202699

MÃ HỌC PHẦN: EE4332

MÃ LỚP: 145432

Hà Nội, ngày 10 tháng 1 năm 2024

HA NOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND

TECHNOLOGY

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

1 CÔNG NGHỆ XE Ô TÔ ĐIỆN 1

1.1 Giới thiệu về ô tô điện

1.2 Ưu nhược điểm

1.2.1 Ưu điểm 1

1.2.2 Nhược điểm 2

1.3 Phân loại

1.4 Một số dòng xe điện tiêu biểu

1.4.1 Dòng xe điện VF-e34 4

1.4.2 Dòng xe điện Tesla Model S 5

1.4.3 Dòng xe điện Kia Soul EV 6

1.5 Cấu tạo của xe điện

1.6 Phạm vi hoạt động

2 CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG 9

2.1 Yêu cầu truyền động

2.2 Lựa chọn cấu trúc truyền động

3 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ 10

3.1 Các bước tính chọn động cơ

3.2 Tính toán sơ bộ công suất động cơ

3.2.1 Các thông số từ bài toán 10

3.2.2 Tính toán 10

3.3 Chọn động cơ

3.3.1 Điều kiện chọn 11

3.3.2 Chọn động cơ 11

3.4 Kiểm nghiệm động cơ

3.5 Chọn biến tần

4 THIẾT KẾ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN 15

4.1 Cấu trúc điều khiển

4.2 Điều khiển động cơ theo phương pháp FOC

4.2.1 Mô hình động cơ 16

4.2.2 Phép chuyển hệ tọa độ 17

4.2.3 Mô hình từ thông 19

4.3 Thiết kế mạch vòng dòng điện

4.4 Thiết kế mạch vòng từ thông, tốc độ

4.4.1 Thiết kế mạch vòng từ thông 24

4.4.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ 24

5 LOGIC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 26

6 MÔ PHỎNG 27

6.1 Kịch bản và cấu trúc mô phỏng

6.1.1 Cấu trúc mô phỏng 27

6.1.2 Kịch bản 29

6.1.3 Các thông số mô phỏng 30

6.2 Kết quả mô phỏng kịch bản 1

6.2.1 Tốc độ của xe 31

6.2.2 Gia tốc của xe 31

6.2.3 Tốc độ động cơ 31

6.2.4 Momen động cơ 32

6.2.5 Dòng điện động cơ 32

6.2.6 Từ thông động cơ 33

6.3 Kết quả mô phỏng kịch bản 2

6.3.1 Tốc độ của xe 33

6.3.2 Gia tốc của xe 34

6.3.3 Tốc độ động cơ 34

6.3.4 Momen động cơ 35

6.3.5 Dòng điện động cơ 35

6.3.6 Từ thông động cơ 36

6.4 Kết quả mô phỏng kịch bản 3

6.4.1 Tốc độ của xe 36

6.4.2 Gia tốc của xe 36

6.4.3 Tốc độ động cơ 37

6.4.4 Momen động cơ 37

ii

6.4.5 Dòng điện động cơ 38

6.4.6 Từ thông động cơ 38

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các dòng xe điện trên thị trường 3

Hình 1.2 Xe điện VF-e34 của hãng Vinfast 4

Hình 1.3 Xe điện Tesla Model S của hãng Tesla 5

Hình 1.4 Dòng xe điện Kia Soul EV của hãng KIA 6

Hình 1.5 Cấu tạo cơ bản của ô tô điện 7

Hình 2.1 Hệ truyền động ô tô sử dụng cấu trúc truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ 9

Hình 3.1 Catalog động cơ Siemens 11

Hình 3.2 Động cơ Siemens 12

Hình 3.2 Biến tần Siemens MICROMASTER 440 14

Hình 4.1 Mạch vòng điều khiển động cơ cho xe điện 15

Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp FOC 16

Hình 4.3 Vector dòng điện stator trên hệ toạ độ cố định αβ và hệ toạ độ quay dq 18 Hình 4.4 Mô hình từ thông trên Matlab Simulink 20

Hình 4.5 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện 22

Hình 4.6 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 23

Hình 4.7 Mạch vòng dòng điện trên Matlab 23

Hình 4.8 Cấu trúc mạch vòng điều khiển từ thông rotor 24

Hình 4.9 Mạch vòng từ thông trên Matlab 24

Hình 4.10 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ 25

Hình 4.11 Mạch vòng tốc độ trên Matlab 25

Hình 6.1 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động xe điện trên phần mềm Matlab/Simulink .27

Hình 6.2 Sơ đồ Inverter 27

Hình 6.3 Khối điều khiển FOC 28

Hình 6.4 Khôi phát xung PWM 28

Hình 6.5 Thông số động cơ 29

Hình 6.6 Đáp ứng tốc độ của xe 31

Hình 6.7 Gia tốc của xe 31

Hình 6.8 Tốc độ động cơ 32

Hình 6.9 Momen tải và momen điện từ của động cơ 32

Hình 6.10 Dòng điện stator động cơ 33

Hình 6.11 Dòng điện trục d và trục q 33

Hình 6.12 Đáp ứng từ thông động cơ 33

Hình 6.13 Đáp ứng tốc độ của xe 34

Hình 6.14 Gia tốc của xe 34

Hình 6.15 Tốc độ động cơ 34

Hình 6.16 Momen tải và momen điện từ của động cơ 35

iv

Hình 6.17 Dòng điện stator động cơ 35

Hình 6.18 Dòng điện trục d và trục q 35

Hình 6.19 Đáp ứng từ thông động cơ 36

Hình 6.20 Đáp ứng tốc độ của xe 36

Hình 6.21 Gia tốc của xe 37

Hình 6.22 Tốc độ động cơ 37

Hình 6.23 Momen tải và momen điện từ của động cơ 38

Hình 6.24 Dòng điện stator động cơ 38

Hình 6.25 Dòng điện trục d và trục q 38

Hình 6.26 Đáp ứng từ thông động cơ 39

ĐỀ TÀI: HỆ TRUYỀN ĐỘNG XE Ô TÔ ĐIỆN

(Ghi chú: x = 6)

Thiết kế hệ truyền động xe ô tô điện với thông số như sau:

- Tải trọng định mức: m = 566 kgload

- Tải trọng xe: m = 1666 kg0

- Tốc độ tối đa : v = 160 km/hmax

- Thời gian tăng tốc lên 60 km/h: t = 6sacc

Yêu cầu:

- Mô tả nguyên lý, công nghệ

- Xây dựng yêu cầu truyền động, cấu trúc hệ truyền động

- Tính chọn công suất động cơ

- Thiết kế các mạch vòng điều chỉnh

- Thiết kế logic hoạt động của hệ thống

- Mô phỏng kiểm chứng theo một kịch bản làm việc

1 CÔNG NGHỆ XE Ô TÔ ĐIỆN

1.1 Giới thiệu về ô tô điện

Cũng giống như các loại ô tô khác, ô tô điện có hình dáng kích thước tươngđương với các dạng ô tô sử dụng động cơ xăng, dầu Các xe ô tô chạy hoàn toànbằng điện (EV) đều được trang bị một hoặc nhiều motor điện thay thế cho động

cơ đốt trong

Những chiếc xe này sử dụng một bộ nguồn ắc quy kéo để truyền năng lượngcho motor điện và phải được cắm ở các trạm sạc hoặc điện lưới Bởi vì chạybằng điện cho nên phương tiện không có khí thải và lược bỏ đi những bộ phậncủa hệ thống nhiên liệu lỏng thông thường như bình nhiên liệu, bơm nhiên liệu,đường ống nhiên liệu

Chính vì vậy phát minh này đã giúp cải thiện ô nhiễm môi trường một cáchhiệu quả, tiết kiệm được nhiều nhiên liệu, dễ sử dụng và phù hợp với nhu cầu củangười sử dụng

1.2 Ưu nhược điểm

1.2.1 Ưu điểm

 Ô tô điện có cấu trúc đơn giản và dễ dàng lắp ráp Người sử dụng ô tôđiện sẽ ít phải bảo dưỡng xe hơn và sẽ tiết kiệm các chi phí bảo dưỡngnhư thay thế phụ tùng, thay dầu,… Người mua ô tô điện có thể nhậnđược các khoản hỗ trợ kinh phí từ nhà nước hoặc công ty

 Thân thiện với môi trường, độ an toàn cao, chi phí tái nạp rẻ hơn nhiều sovới xăng và dầu Chi phí bảo dưỡng như thay dầu nhớt, làm mát, bảodưỡng, kiểm duyệt khí thải được giảm bớt hoặc loại bỏ hoàn toàn Có thểcung cấp điện trở lại cho một số thiết bị điện dân dụng nếu cần Ngay cảkhi nguồn điện dung để nạp ắc quy được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điệndùng nhiên liệu hóa thạch thì hiệu quả sử dụng năng lượng của chúngvẫn cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong

 Giảm thiểu quan ngại về cháy nổ Ô tô điện có triển vọng hơn cả xe sửdụng hidro lỏng vì sự phổ dụng và chi phí phân phối rất thấp, không cầnđầu tư một hệ thống trạm nhiên liệu quy mô lớn và cực kỳ đắt tiền Ngoài

ra, hiệu quả chuyển đổi năng lượng của xe còn cao hơn ắc quy nhiên liệuhidro lỏng

 Điện có thể tạo ra từ các nguồn thủy điện, địa nhiệt, gió, hidro, mặt trờihoặc hạt nhân… là các nguồn năng lượng không phát thải khí độc hại gốccarbon Ô tô điện sẽ làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóathạch Làm giảm chi phí năng lượng đến 90%, ít gây ồn so với động cơđốt trong

 Nâng hiệu suất sử dụng năng lượng lên 70% (bằng cách nạp lại điệnnăng) so với hiệu suất 15% (kể cả hệ thống truyền lực) trong các ứngdụng động cơ đốt trong Tạo ra moment xoắn cao hơn và đường đặc tínhmoment xoắn không đổi, giúp xe có khả năng tăng tốc nhanh hơn

 Giảm bớt hiệu ứng nhà kính và tình trạng nóng lên của trái đất Khôngthải ra khí xả độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người

 Hoàn toàn có thể đáp ứng tầm hoạt động dưới 500km, bằng loại ắc quyLithium ion Nạp điện tại nhà hoặc nơi công cộng đơn giản, thuận tiệnhơn so với các cây xăng Có thể thu hồi năng lượng trong quá trình phanh(bằng cách chuyển động năng của xe thành điện năng lưu trữ vào ắc quy)

 Ngoại trừ ắc quy, chi phí sản xuất các bộ phận khác rẻ hơn sơ với sửdụng động cơ đốt trong vì số chi tiết rời ít hơn và không đòi hỏi gia côngchính xác

1.2.2 Nhược điểm

 Phạm vi hoạt động hạn chế, ít lựa chọn cho khách hàng

 Hệ thống cơ sở hạ tầng hỗ trợ chưa hoàn thiện, có rất ít trạm nạp điệndành cho ô tô điện

 Bị giới hạn về thời gian hoạt động và thời gian nạp lại đầy điện

2

 Giá thành sản xuất cho ắc quy điện còn quá đắt, nằm trong khoảng từ1500USD/xe (ắc quy chì-axit) cho đến 20000USD/xe (ắc quy Lithium-ion), thay pin xe ô tô điện còn tốn kém.

 Khối lượng vận chuyển bị hạn chế, tốc độ thấp

 Một số loại ắc quy hoạt động kém hiệu quả khi gặp thời tiết lạnh giá

 Pin dự trữ năng lượng sẽ nhanh chóng xuống cấp sau một thời gian sửdụng

 Người sử dụng phải đối mặt với nguy cơ bị điện giật, nhiễm điện từ

1.3 Phân loại

Hình 1.1 Các dòng xe điện trên thị trường

Có thể chia xe ô tô điện thành 4 dòng chính:

Xe Hybrid: hay còn gọi là xe lai điện, đây là loại xe ô tô sử dụng kết hợp động

cơ đốt trong và động cơ điện Động cơ điện sẽ hoạt khi chạy chậm khoảng trungbình dưới 30km/h, ngược lại khi tăng tốc thì động cơ điện chỉ đóng vai trò hỗ trợcho động cơ truyền thống Với loại xe điên này, xăng và dầu diesel vẫn được coi lànguồn nguyên liệu chính để vận hành xe điện, nhưng động cơ điện với khả năng tựtái tạo đi kèm đóng vai trò nhất định trong việc giảm thiểu tác động cho môitrường

Xe Hybrid sạc ngoài (PHEV): là loại xe lai giữa xe ô tô điện và ô tô dùng

xăng dầu thông thường Loại xe này có thể cắm bộ sạc ngoài cho pin năng lượng.Với xe điện PHEV, động cơ điện là động cơ chính, còn động cơ xăng là phụ Loại

xe ô tô điện có khả năng di chuyển đoạn đường xa hơn và tiết kiệm được khoảng30-60% nhiên liệu xăng/dầu diesel

Xe điện Battery electric vehicles (BEVs): cấu trúc của xe không bao gồm

động cơ xăng hay ống phun xăng, là loại xe điện chạy hoàn toàn bằng pin Điệncủa xe này được lưu trữ trong pin sạc và cũng có thể được sạc từ nguồn bên ngoàihoặc từ phanh tái tạo ngay bên trong xe Một số dòng xe điện BEV hiện nay códung lượng pin rất lớn, thời gian sử dụng kéo dài lâu mà không cần phải liên tụcsạc lại

Xe điện nhiên liệu Hydro (FCEV): Đây là dòng xe điện dùng pin nhiên liệu để

vận hành chuyển khí Hydro thành điện năng để cung cấp năng lượng cho máymóc

1.4 Một số dòng xe điện tiêu biểu

1.4.1 Dòng xe điện VF-e34

Hình 1.2 Xe điện VF-e34 của hãng Vinfast

VinFast VF-e34 là dòng xe ô tô điện thuộc phân khúc hạng C

4

SUV/crossover Xe có kích thước tổng thể (dài x rộng x cao):4300x1793x1613mm Chiều dài cơ sở: 2610,8mm, khoảng sáng gầm 180mm.

Là mẫu xe ô tô điện thông minh đầu tiên tại Việt Nam được trang bị hàng loạttính năng thông minh như: Ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI, tương tác bằng tiếngviệt theo ngôn ngữ tự nhiên đa vùng miền, Hệ thống hỗ trợ người lái thôngminh, Điều khiển và tương tác với xe trên ứng dụng thông minh, cập nhậtphần mềm từ xa…

Xe có các thông số như sau:

 Công suất tối đa: 110kW

 Momen xoắn cực đại: 242Nm

 Quãng đường: 300 km/1 lần sạc

 Giá tham khảo : 690 triệu đồng

1.4.2 Dòng xe điện Tesla Model S

Hình 1.3 Xe điện Tesla Model S của hãng Tesla

Tesla là một trong những hãng xe chuyên sản xuất xe ô tô điện nổi tiếngkhắp thế giới Tesla Model S là mẫu xe ô tô điện đầu tiên mà hãng này sản

xuất, mẫu xe hơi chạy bằng điện này cũng nhận được rất nhiều những giảithưởng cho riêng mình.

Xe có các thông số như sau:

 Công suất tối đa: 315 mã lực

 Momen xoắn cực đại: 441Nm

 Quãng đường: 473 km/1 lần sạc

 Giá tham khảo : 3,1 tỷ đồng

1.4.3 Dòng xe điện Kia Soul EV

Hình 1.4 Dòng xe điện Kia Soul EV của hãng KIA

Xe ô tô điện Kia Soul EV sở hữu thiết kế vuông vắn gần giống “hìnhhộp” với phần trần xe được vuốt gọn gàng, đầu xe hơi bo tròn nhưng vẫn hòanhập tốt với phần còn lại của xe Thân xe vuông vắn với viền cửa sổ góc cạnh,phía dưới là bộ lazang đậm chất tương lai với 5 chấu được sơn trắng bắt mắt.Đuôi xe là chi tiết gây ấn tượng mạnh nhất với cụm đèn hậu siêu dài ôm trọn

cả nửa trên đuôi xe

Xe có các thông số như sau:

6

Hình 6.23 Khối điều khiển FOC

Hình 6.24 Khôi phát xung PWM

30

Hình 6.25 Thông số động cơ

6.1.2 Kịch bản

Thay đổi giá trị tốc độ động cơ, momen tải, từ đó ta xem đáp ứng tốc độ thực

tế của xe, tốc độ động cơ, gia tốc của xe, momen,…

Ta mô phỏng với 3 kịch bản hoạt động của xe như sau:

 Kịch bản 1: Ô tô chạy đầy tải (tức 4 người) trên đường bằng phẳng với các

giai đoạn thay đổi tốc độ (tăng tốc, ổn định, thay đổi tốc độ, giảm tốc)

 Kịch bản 2: Ô tô chạy non tải (chỉ 1 người lái) trên trường bằng phẳng và

cũng có các giai đoạn như trường hợp 1

Các giai đoạn thay đổi tốc độ giống với kịch bản 1, tuy nhiên momen tải chỉbằng ¼ so với kịch bản 1

 Kịch bản 3: Ô tô chạy đầy tải với các giai đoạn lên dốc 5%, chạy đường

Thông số PI từ thông Kp2; Ki2 Kp2 = 5; Ki2 = 100

Thông số PI tốc độ Kp3; Ki3 Kp3 = 10; Ki3 = 300

Hình 6.30 Dòng điện stator động cơ

Hình 6.41 Gia tốc của xe

6.4.3 Tốc độ động cơ

Hình 6.42 Tốc độ động cơ

6.4.4 Momen động cơ

Hình 6.43 Momen tải và momen điện từ của động cơ

Hình 6.46 Đáp ứng từ thông động cơ

Nhận xét:

 Các giá trị đáp ứng bám sát giá trị đặt, chẳng hạn:

o Sai lệch đáp ứng tốc độ của xe: <1 %

o Gia tốc của xe thỏa mãn bài toán thiết kế

o Các mạch vòng được thiết kế đã hoạt động chính xác yêu cầu

 Động cơ đáp ứng được các quá trình mô phỏng  lựa chọn động cơ thỏamãn yêu cầu bài toán

 Hệ truyền động xe điện hoạt động đúng với yêu cầu  cấu trúc điều khiểnđưa ra là chính xác

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Điện tử công suất Lê Văn Doanh (chủ biên), NXBKHKT 2004.

[2] Truyền động điện Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, NXBKHKT 2005

[3] Điều khiển truyền động trong công nghiệp Bùi Quốc Khánh, Đoàn Quang Vinh, Phạm Quang Đăng, Nguyễn Quang Địch 2020

42