nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô điện

vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu và chữ viết tắt Giải tích ý nghĩa Ghi chú EV Electric Vehicles Các xe điện HEV Hybrid Electric Vehicles Các xe lai ICE Internal Combustion Engines Đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2024

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ ĐIỆN

GVHD: TS DƯƠNG TUẤN TÙNGSVTH: HỒ ĐÌNH THÔNG

ĐẶNG QUANG TRUNG

SKL 0 1 2 3 1 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: HỒ ĐÌNH THÔNG MSSV: 19145470

SVTH: ĐẶNG QUANG TRUNG MSSV: 19145492

GVHD: TS DƯƠNG TUẤN TÙNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2024

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ ĐIỆN

i LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất để chúng con có thể học tập và nghiên cứu đề tài thật tốt Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các giảng viên của khoa Cơ khí động lực đặc biệt là TS Dương Tuấn Tùng đã tạo điều kiện thuận lợi giúp chúng em hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến TS Dương Tuấn Tùng, người thầy đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho các thành viên trong nhóm hoàn thành đồ án này Xin gởi lời tri ân sâu sắc nhất của nhóm đối với những điều mà Thầy đã dành cho nhóm Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã luôn tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho sinh viên cũng như là tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nhóm trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài đồ án Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho các thành viên trong nhóm trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện đồ án

Trong quá trình làm bài báo cáo này không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy để kiến thức của chúng em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn đồng thời có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình

ii TÓM TẮT

Hệ thống phanh tái sinh luôn là một tính năng rất quan trọng trong tất cả các xe hybrid và xe điện hoàn toàn vì nó giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu, cũng như tiết kiệm hiệu quả năng lượng Không giống như các loại xe thông thường áp dụng lực ma sát hệ thống phanh và góp phần làm mất động năng dưới dạng nhiệt năng lượng và ma sát, phanh tái tạo có thể tiết kiệm năng lượng bị mất trong quá trình phanh

Phần nội dung:

- Trong giới hạn của đề tài này sẽ giới thiệu các hệ thống phanh tái sinh trên ô tô thường được ứng dụng trên các dòng xe EV Phân tích các nhân tố tác động lên hiệu quả thu hồi của hệ thống thu hồi năng lượng Tìm hiểu kỹ về hệ thống thu hồi năng lượng trên xe EV, xây dựng mô hình tính toán hiệu suất thu hồi làm cơ sở để tiến hành giả lập hệ thống với phần mềm Matlab-Simulink

Phương pháp nghiên cứu:

- Sử dụng các tài liệu có liên quan, tài liệu tham khảo ở trong và ngoài nước liên quan đến hệ thống phanh tái sinh

- Mô phỏng tính toán khả năng thu hồi năng lượng trên xe ô tô điện bằng phần mềm Matlab/Simulink

iii MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.5 Mô hình tổng quát xe điện 3

1.5.1 Động cơ điện/ Mô tơ điện 4

1.5.2 Hộp giảm tốc (Reducer) 6

1.5.3 Pin xe điện 6

1.5.4 Bộ sạc trên bo mạch (On-Board Charger) 13

1.5.5 Bộ điều khiển nguồn điện (EPCU) 15

1.5.6 Phanh tái sinh 17

1.6 Phân loại hệ thống phanh tái sinh 17

1.6.1 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng 171.6.2 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực 19

1.6.3 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng bánh đà21

1.6.4 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi 24

iv

1.7 Bố cục đồ án 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27

2.1 Công thức tính toán động lực quá trình phanh 27

2.2 Công thức tính toán mô hình ác quy 30

2.3 Mô hình tính toán quá trình phanh 31

2.3.1 Công thức tính toán phanh thuỷ lực 31

2.3.2 Công thức tính toán mô men phanh của hệ thống thu hồi năng lượng 32

2.3.3 Thuật toán điều khiển hệ thống phanh 35

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ ĐIỆN 36

3.1 Tính toán, mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink 36

3.2 Khối Enviroment 38

3.3 Khối Controllers 39

3.3.1 Khối Regenerative braking control 42

3.3.2 Các thuật toán chính trong khối Regenerative braking control 43

3.4 Khối Passenger Car 44

3.4.1 Khối vi sai, thông số khối vi sai 44

3.4.2 Khối mô phỏng theo phương dọc bánh xe lí tưởng 45

3.4.3 Khối Vehicle body 46

3.4.4 Khối pin 48

3.4.5 Khối Mô tơ 49

3.4.6 Các bảng nội suy trong CONTROLLERS 57

3.5 Khối Longitudinal Drive 60

3.7.1 Kết quả mô phỏng với chu trình FTP75 67

3.7.2 Kết quả mô phỏng với chu trình WLTP 73

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

4.1 Kết luận 81

4.2 Kiến nghị 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu và chữ

viết tắt Giải tích ý nghĩa Ghi chú EV Electric Vehicles Các xe điện HEV Hybrid Electric Vehicles Các xe lai

ICE Internal Combustion Engines Động cơ đốt trong BMS Battery Management System Hệ thống quản lý pin EPCU Electric Power Control Unit Bộ điều khiển điện

OBC On Board Charge Bộ sạc pin AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều LVDC Low Voltage DC-DC Converter Bộ chuyển đổi DC-DC điện áp

thấp VCU Vehicle Control Unit Bộ điều khiển xe

RBS Regenerative Braking System Hệ thống phanh tái sinh CVT Continuously Variable

Transmission Hộp số vô cấp

FTP75 Federal Test Procedure Chu trình thử nghiệm của Mỹ WLTP Worldwide Harmonised Light

Vehicle Test Procedure

Quy trình kiểm tra đồng bộ cho xe hạng nhẹ toàn cầu

vii DANH MỤC CÁC HÌNH

trang

Hình 1.1 Thành phần chính của ô tô điện 3

Hình 1.2 Mô tơ/động cơ điện 4

Hình 1.3 Động cơ điện trên ô tô điện 5

Hình 1.4 Hộp giảm tốc của ô tô điện 6

Hình 1.5 Pin xe điện Hyundai và Kia 7

Hình 1.6 On-board Charger 8

Hình 1.7 Pin lithium-ion trên xe điện 9

Hình 1.8 Một khối pin xe điện Hyundai 9

Hình 1.14 EPCU – Bộ điều khiển nguồn điện 15

Hình 1.15 Bộ điều khiển nguồn điện 16

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng 18

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter 19

Hình 1.18 Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh sử dụng siêu tụ 19

Hình 1.19 Hệ thống tích trữ năng lượng kiểu dùng phanh thủy lực kiểu nối tiếp 20

Hình 1.20 Hệ thống tích trữ năng lượng kiểu sử dụng phanh thủy lực theo kiểu song song 21

viii

Hình 1.21 Công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System) 22

Hình 1.22 Dòng Flybrid KERS trên Volvo S60 22

Hình 1.23 Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà 23

Hình 1.24 Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept 23

Hình 1.25 Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo 24

Hình 1.26 Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng lò xo cuộn 25

Hình 2.1 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh 27

Hình 2.2 Mô hình ắc quy 30

Hình 2.3 Cấu tạo phanh đĩa 31

Hình 2.4 Đường đặc tính của động cơ điện 3 pha có chổi than 33

Hình 2.5 Quan hệ giữ 𝐾𝑣 và vận tốc ô tô 33

Hình 2.6 Quan hệ giữa hệ số 𝐾𝑆𝑂𝐶 và %SOC 34

Hình 2.7 Thuật toán điều khiển hệ thống phanh 35

Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống trong khối controllers 40

Hình 3.8 Module điều khiển hệ thống truyền động 41

Hình 3.9 Khối điều khiển phanh tái sinh 42

ix

Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh 42

Hình 3.11 Khối Passenger Car 44

Hình 3.12 Mô hình truyền lực xe 44

Hình 3.13 Khối Vi sai 44

Hình 3.14 Thông số khối vi sai 45

Hình 3.15 Khối mô phỏng theo phương dọc bánh xe lí tưởng 45

Hình 3.16 Khối Vehicle Body 46

Hình 3.17 Thông số khối Vehicle Body 47

Hình 3.18 Khối điều khiển điện động cơ 47

Hình 3.19 Khối Pin 48

Hình 3.20 Thông số khối pin 48

Hình 3.21 Khối Mapped motor 49

Hình 3.22 Khối Dynamic Motor 50

Hình 3.23 Khối điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu 51

Hình 3.24 Khối biến đổi điện áp ba pha 52

Hình 3.25 Mô tả khối cách khối điện áp ba pha hoạt động 53

Hình 3.26 Khối động cơ nam châm vĩnh cửu 55

Hình 3.27 Sơ đồ các bảng nội suy 57

Hình 3.28 MaxMotTrqVsSpd (Nội suy tốc độ động cơ (vòng/phút) sang Moment động cơ) 57

Hình 3.29 RegenBrakingCutoff 58

Hình 3.30 DisChargLmt (Nội suy trạng thái pin (% pin) sang hệ số giới hạn xả) 58

Hình 3.31 ChargLmt (Nội suy trạng thái pin (% pin) sang hệ số giới hạn sạc) 59

x Hình 3.32 Eff map (Nội suy 2 chiều, cho ra công suất vật lý từ tốc độ động cơ và moment tương ứng) 59

Hình 3.33 Khối Longitudinal Driver 60Hình 3.34 Các lựa chọn và thông số khối Longitudinal Driver Model 61Hình 3.35 Lựa chọn các dạng điều khiển 61Hình 3.36 Drive Cycle Source 62Hình 3.37 Chu trình FTP-75 64Hình 3.38 Chu trình WLTP 65Hình 3.39 Các lựa chọn và thông số của khối Drive Cycle Source 66Hình 3.40 Các chu trình khác có thể lựa chọn 67Hình 3.41 Mô men thu hồi của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình FTP 75 68Hình 3.42 Lực phanh tái sinh của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình FTP75 69Hình 3.43 Công suất kéo và công suất thu hồi của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình FTP 75 70

Hình 3.44 Công suất nạp và xả của pin khi mô phỏng theo chu trình FTP 75 70Hình 3.45 Hệ số nạp khi mô phỏng theo chu trình FTP 75 72Hình 3.46 Mô men thu hồi của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình WLTP 73Hình 3.47 Lực phanh tái sinh của motor khi mô phỏng theo chu trình WLTP 74Hình 3.48 Công suất kéo và công suất thu hồi của motor khi mô phỏng theo chu trình WLTP 75

Hình 3.49 Công suất kéo nạp và xả của pin khi mô phỏng theo chu trình WLTP 76Hình 3.50 Hệ số nạp khi mô phỏng theo chu trình WLTP 77

xi DANH MỤC CÁC BẢNG

trang Bảng 3.1 Thông số cơ bản của xe VF e34 36Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật xe Vinfast VFe34 46Bảng 3.3 Thông số Pin 48Bảng 3.4 Thông số mô tơ điện 49Bảng 3.5 Công suất tổn hao từ các bộ phận 54Bảng 3.6 Đại lượng sử dụng trong tính toán mô men động cơ 56Bảng 3.7 Kết quả mô phỏng với chu trình FTP-75 72Bảng 3.8 Kết quả mô phỏng với chu trình WLTP 78Bảng 3.9 Kết quả thu hồi năng lượng trên các chu trình 78

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Tính quan trọng của đề tài: Hệ thống phanh là một phần quan trọng trong bất kỳ phương tiện thông tin nào Nó đảm bảo sự an toàn cho người lái, hành khách và các phương tiện xung quanh Với nguy cơ nguồn tài nguyên tiêu thụ và hợp tác tiêu cực cho môi trường, việc nghiên cứu và phát triển hệ thống phanh tái sinh có thể cải thiện được đáng kể đến hiệu suất và tiết kiệm năng lượng

Ứng dụng thực tế: Công nghệ tái sinh năng lượng đã trở nên quan trọng hơn trong ngành công nghiệp ô tô Một hệ thống phanh tái sinh có thể tái sinh sử dụng năng lượng từ quá trình phanh để nạp lại chốt hoặc cung cấp năng lượng cho các hệ thống khác trong xe, giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải nhà kính

Đóng góp vào sự phát triển bền vững: Xe hơi đóng vai trò quan trọng trong nguy cơ gây ra biến đổi khí hậu Bằng cách nghiên cứu và phát triển hệ thống phanh tái sinh, có thể đóng góp vào mục tiêu của ngành công nghiệp trong việc giảm thiểu tác động xấu đối với môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững

Tính công thức và phát triển nghề nghiệp: Đề tài này yêu cầu kiến trúc chuyên sâu về cơ khí, điện tử và công nghệ phòng thí nghiệm, cùng với khả năng nghiên cứu và phát triển công nghệ mới Thực hiện đồ án này sẽ giúp chúng em phát triển kỹ năng quan trọng và có thể tạo điều kiện tốt cho sự phát triển nghề nghiệp trong lĩnh vực công nghệ xanh

Tóm lại, việc chọn đề tài “Nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô điện” không những có ý nghĩa quan trọng về mặt kỹ thuật và môi trường mà còn có tiềm năng đóng góp vào sự phát triển bền vững và sự nghiệp của chính bản thân trong công nghiệp chuyên nghiệp

1.2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài này trình bày rõ nội dung lý thuyết về phanh tái sinh trên ô tô điện Nghiên cứu tính toán năng lượng thu hồi từ phanh tái sinh trên ô tô điện Việc mô phỏng hệ thống bằng Matlab giúp sinh viên có thể hiểu sâu hơn về đặc tính ô tô điện Đó là những kiến thức cần

2 thiết để ứng dụng trong tương lai gần khi xe lai và xe điện đang dần thay thế xe động cơ đốt trong thông thường

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Tiến hành nghiên cứu sự thu hồi năng lượng và hiệu quả thu hồi năng lượng trên xe ô ô điện khi sử dụng phanh tái sinh

1.4 Tính cấp thiết của đề tài Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Tất cả hãng xe trên thế giới đều đang tìm cách nghiên cứu để phát triển xe điện, xe lai các dòng xe thân thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu và nhằm thay thế xe sử dụng động cơ đốt trong trong tương lai sắp tới Có thể kể đến một trong những giải pháp tiết kiệm năng lượng là sử dụng phanh tái sinh

Tình hình nghiên cứu trong nước:

Ô tô Hybrid hay gần đây nhất là ô tô diện đang dần xuất hiện rất nhiều ở nước ta Nhận thấy được rằng các nguồn năng lượng truyền thống là có giới hạn và sử dụng nguồn này gây nên ô nhiễm môi trường rất trầm trọng

Nước ta hiện nay rất đang tích cực nghiên cứu việc sử dụng năng lượng điện thay cho năng lượng hóa thạch truyền thống

Ô tô điện, ô tô Hybrid hiện nay đang xuất hiện khá nhiều ở nước ta, thậm chí có khả năng thay thế hoàn toàn các loại xe sử dụng xăng, dầu truyền thống Điển hình, ở nước ta còn có hãng xe VinFast đã và đang sản xuất xe diện để sử dụng trong nước và xuất khẩu sang nước ngoài

Tổng quan, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống phanh tái sinh trên ô tô đã thể hiện sự quan tâm đáng kể từ cả cộng đồng nghiên cứu và ngành công nghiệp ô tô Sự tiến bộ trong lĩnh vực này có tiềm năng mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

3 1.5 Mô hình tổng quát xe điện

Trong những năm trở lại đây, việc phát triển dòng xe chạy bằng điện đang là xu hướng toàn cầu mà rất nhiều các hãng xe hơi truyền thống cũng nhắm đến Hiện tại, hầu như tất cả các hãng xe hơi truyền thống đều đã và đang phát triển các mẫu ô tô điện của riêng mình Trong đó cũng phải kể đến như hãng Tesla, một hãng xe chỉ tập trung vào sản xuất xe ô tô điện Ở Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, VinFast – hãng xe ô tô đầu tiên của Việt Nam cũng chuyển hướng sang phát triển dòng xe điện với liên tiếp các mẫu xe được tung ra thị trường như VFe34, VF8, VF5… Chính vì thế làm “thổi bùng” lên sự quan tâm của công chúng đối với xe ô tô điện, cấu tạo, cách thức hoạt động của chúng, và những khác biệt của ô tô điện với ô tô truyền thống

Một chiếc ô tô điện thường sẽ có ít bộ phận hơn so với ô tô dùng nguyên liệu hóa thạch truyền thống Cụ thể thì xe điện được cấu tạo bởi thân xe, mô tơ điện, pin, cổng sạc, hộp số, bộ sạc trên xe, ắc-quy phụ, hệ thống tản nhiệt, bộ điều khiển điện tử và bộ đổi điện

Những thành phần chính của ô tô điện:

Hình 1.1 Thành phần chính của ô tô điện

4 Ô tô điện sử dụng năng lượng tái tạo có chứa trong hệ thống pin để quay vòng động cơ nhằm cung cấp nguồn năng lượng để phục vụ nhu cầu lái xe Đây là sự khác biệt rõ ràng nhất giữa ô tô sử dụng động cơ đốt trong hoá thạch; theo đó động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học giúp tạo thêm động lực vận hành xe Và đây cũng là điểm then chốt giúp xe điện được coi là thân thiện với môi trường hơn xe sử dụng động cơ đốt trong

Ô tô điện sử dụng pin nên không cần đến động cơ hay bộ truyền động như động cơ đốt trong Thay vào đó, ô tô điện cần có những bộ phận cơ bản để hoạt động như: động cơ điện, bộ giảm tốc, pin (ắc quy), bộ sạc trên bo mạch, bộ điều khiển nguồn, phanh tái sinh Đây đều là những thành phần thiết yếu để chuyển đổi năng lượng pin thành động năng cung cấp năng lượng cho xe điện

1.5.1 Động cơ điện/ Mô tơ điện

Hình 1.2 Mô tơ/động cơ điện

Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành động năng để truyền động bánh xe Sử dụng động cơ điện thay cho động cơ đốt trong có nhiều ưu điểm, trong đó: Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành động năng để truyền động bánh xe

5 Sử dụng động cơ điện thay cho động cơ đốt trong có nhiều ưu điểm, trong đó: Tiếng ồn và độ rung: Nhiều hành khách lần đầu lái xe điện rất ngạc nhiên trước cảm giác lái êm ái và thoải mái

Động cơ điện có thể truyền một lượng mô-men xoắn rất lớn khi khởi động hoặc ở tốc độ thấp nên xe khởi động rất nhanh và tăng tốc ngay lập tức

Ngoài ra, hệ truyền động của xe điện luôn nhỏ hơn và êm hơn so với hệ truyền động sử dụng động cơ đốt trong, giúp cung cấp thêm không gian cho các thiết kế xe hiệu quả hơn, chẳng hạn như nội thất và cốp xe lớn hơn

Hình 1.3 Động cơ điện trên ô tô điện

Các loại động cơ điện được sử dụng chủ yếu hiện nay là động cơ đồng bộ ba pha, động cơ không đồng bộ ba pha và động cơ từ trở Việc sử dụng loại động cơ này đã dẫn đến việc loại bỏ hoàn toàn hệ truyền động ở hầu hết các mẫu ô tô điện, khiến chúng dễ lái hơn nhiều Ngoài ra, vì động cơ điện rất nhỏ, gọn, với khối lượng nhẹ nên nhiều hãng xe ô tô cũng trang bị từng động cơ điện cho từng bánh xe, để xe có khả năng dẫn động 4 bánh toàn thời gian mà không cần trang bị thêm bộ vi sai

Một phần của động cơ cũng là một máy phát điện, nó chuyển đổi động năng được tạo ra khi ở Neutral Gear hay số N (ví dụ như khi ô tô đang xuống dốc) thành năng lượng điện và

6 được lưu trữ vào pin Ý tưởng tiết kiệm năng lượng tương tự cũng được áp dụng khi xe giảm tốc độ, mà đỉnh cao là “hệ thống phanh tái tạo”

Một số mẫu xe điện của Tập đoàn ô tô Hyundai được trang bị cơ chế cho phép kiểm soát mức độ phanh tái tạo thông qua lẫy chuyển số trên vô lăng, điều này không chỉ góp phần cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu mà còn tăng cảm giác lái thích thú và cải thiện khả năng kiểm soát của người lái trong khi điều khiển

1.5.2 Hộp giảm tốc (Reducer)

Hình 1.4 Hộp giảm tốc của ô tô điện

Bộ giảm tốc là một phần của hệ thống truyền lực Tuy nhiên, thuật ngữ hộp số không được sử dụng thay cho bộ giảm tốc mà vì có lý do: Động cơ điện nhanh hơn nhiều so với động cơ đốt trong Trong khi hộp số điều chỉnh mô men xoắn được truyền từ động cơ đốt trong đến các bánh xe chủ động để có thể thích hợp với nhu cầu của người tài xế, bộ giảm tốc phải luôn giảm số vòng tua máy xuống một mức độ thích hợp Với tốc độ vòng quay giảm, hệ thống truyền động của ô tô điện có thể tận dụng lợi thế của mô men xoắn cao hơn

1.5.3 Pin xe điện

a Khối Pin:

Hệ thống Pin là trái tim của ô tô điện, có kích thước lớn và nằm dưới sàn ô tô Ô tô điện ngày nay sử dụng công nghệ pin lithium-ion có thể sạc lại nhiều lần Trong quá trình sạc, các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm và ngược lại trong quá trình phóng điện

7 Hình 1.5 Pin xe điện Hyundai và Kia

Pin của xe điện có chức năng lưu trữ năng lượng điện và đóng vai trò như bình nhiên liệu giống như xe sử dụng động cơ đốt trong Ngoài ra, quãng đường di chuyển tối đa của ô tô điện thường được xác định bởi dung lượng của pin (dung lượng càng lớn thì quãng đường đi được càng dài) Trong bối cảnh đó, việc tăng thêm dung lượng cho pin vẫn luôn là yêu cầu cần thiết nhất đối với xe điện, bởi hành trình dài giúp giảm nhu cầu dừng chân thường xuyên ở các trạm sạc

8 Hình 1.6 On-board Charger

Tuy nhiên, không dễ để tăng dung lượng pin bởi vì kích thước và khối lượng của pin tăng cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của xe

Pin kích thước lớn hơn và nặng hơn sẽ giúp tăng đáng kể dung lượng pin tuy nhiên cũng sẽ chiếm mất diện tích cabin/khoang hành lý và làm mất hiệu suất năng lượng và tiêu hao nhiên liệu Do đó, cách tốt nhất để tối đa hoá hiệu suất là tăng mật độ năng lượng của pin – tức là pin cần thoả mãn được tiêu chuẩn gọn, nhẹ để lưu trữ được nhiều năng lượng điện nhất có thể

Nhờ những tiến bộ gần đây trong công nghệ pin, ô tô đã có những cải tiến đáng kể so với các thế hệ cũ hơn về thời lượng pin và quãng đường di chuyển của xe

Ví dụ như: xe điện Kia Soul Booster EV hiện nay được trang bị pin lithium-ion 64kWh có quãng đường di chuyển tối đa là 386 km (theo tiêu chuẩn chứng nhận của Hàn Quốc) Thời lượng pin cũng có những cải thiện đáng kể: ví dụ như trong điều kiện hoạt động bình thường, pin của Soul Booster EV có thể hoạt động trong suốt vòng đời của xe

9 Hình 1.7 Pin lithium-ion trên xe điện

Chúng ta hãy cùng tìm hiểu kỹ hơn xem pin lithium-ion dành cho ô tô điện có điểm gì chung với pin điện thoại thông minh phổ biến, đó là thời lượng pin thay đổi tùy thuộc vào cách thức và thời điểm chúng được sạc những thay đổi làm giảm đáng kể cả sức mạnh và tuổi thọ

Hình 1.8 Một khối pin xe điện Hyundai

Ví dụ như kiểu sạc đến mức cạn kiệt toàn bộ pin và được sạc đầy: nếu pin được sử dụng mất 20% (dung lượng pin còn 80%), có thể được sử dụng cho 1.000 lần sạc; nếu pin được

10 sử dụng đến một nửa (50%) và được sạc lại, pin sẽ có tuổi thọ là 5.000 lần sạc; nếu pin sử dụng hết 80% và được sạc lại, pin sẽ có tuổi thọ là 8.000 lần sạc Có nghĩa là, nếu Soul Booster EV được lái trong 77 km một ngày (tương đương 20% quãng đường lái xe tối đa) và được sạc lại mỗi đêm, tuổi thọ của pin xe điện có thể kéo dài tới gần 8.000 ngày (22 năm)

b Hệ thống quản lý pin (Battery Management System):

Hệ thống quản lý pin (BMS) có chức năng quản lý nhiều tế bào của pin để chúng có thể làm việc như thể chúng là một thực thể duy nhất Pin của ô tô điện bao gồm ít nhất là hàng chục hoặc hàng nghìn ô nhỏ và mỗi ô cần phải nằm trong trạng thái giống với các pin thông thường nhằm tối đa hoá độ bền và hiệu suất của pin

Hình 1.9 Hệ thống quản lý pin BMS

Chức năng chính của BMS là để bảo vệ các cell pin bên trong bộ pin khỏi những hư hỏng do việc sạc hay xả quá mức cho phép Ngoài ra, BMS có thể tính toán dung lượng còn lại, theo dõi nhiệt độ và sức khỏe của pin, và đảm bảo an toàn thông qua việc kiểm tra các mối nối có bị rò điện hay ngắn mạch không BMS cũng giúp cân bằng điện áp giữa các cell pin để bộ pin có thể sử dụng tối đa dung lượng Nếu nó phát hiện bất kỳ hiện tượng không an toàn nào, BMS sẽ lập tức cắt dòng điện để tách pin ra khỏi hệ thống đảm bảo cho các cell pin Li-ion và người dùng được an toàn

11 Hình 1.10 Battery Management System (Thực tế)

c Hệ thống sưởi ấm cho pin (Battery Heating System):

Khi nhiệt độ giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, pin sẽ giảm dung lượng và tốc độ sạc Hệ thống sưởi ấm pin tồn tại để giữ cho pin hoạt động tốt trong phạm vi nhiệt độ lý tưởng, ngăn chặn sự suy giảm hiệu suất theo mùa và duy trì phạm vi lái xe tối đa Hệ thống cũng hoạt động trong quá trình sạc để đảm bảo hiệu quả sạc

Hệ thống sưởi ấm bằng pin có thể được lắp đặt theo nhiều cách khác nhau: bên trong thành và đế của bộ pin, hoặc các tấm sưởi cũng có thể được lắp vào giữa các bộ pin Trong quá trình lắp đặt cuối cùng, nhiều lỗ mở khác nhau có thể phải được điều chỉnh để đạt được sự tiếp xúc nhiệt và thông gió tốt Hệ thống sưởi pin có thể sử dụng một phần nhiệt dư thừa do thiết bị điện tử và động cơ điện tạo ra để giúp làm ấm pin

12 Hình 1.11 Hệ thống sưởi ấm pin

Hoạt động của máy sưởi pin được điều khiển bởi hệ thống quản lý pin (BMS) thông qua rơle Nhiệt độ đầu vào của BMS được lấy từ cảm biến nhiệt độ (NTC) được tích hợp trong bộ làm nóng pin

Ví dụ, khi nhiệt độ môi trường xung quanh dưới 3°C

, máy sưởi sẽ cắt nguồn điện Máy sưởi sẽ tắt khi nhiệt độ máy sưởi đạt 17°C hoặc nhiệt độ môi trường đạt 8°C Ngoài ra, bộ điều nhiệt tích hợp sẽ ngắt hệ thống sưởi trong trường hợp có điều kiện bất thường như hỏa hoạn

Không phải tất cả các loại xe điện hiện đại đều đi kèm hệ thống sưởi bằng pin và Hyundai Kona EV là một ví dụ về việc nhà sản xuất tiết kiệm tiền và bán với giá cạnh tranh nhất Hệ thống sưởi cũng đã bị loại bỏ khỏi một số mẫu xe điện hiện đại vì điều kiện thời tiết ở một số thị trường không yêu cầu chúng

13 Hình 1.12 Sạc pin cho xe điện

1.5.4 Bộ sạc trên bo mạch (On-Board Charger)

Từ sạc có thể gây nhầm lẫn Vì trạm sạc thường được gọi là bộ sạc nên điều quan trọng là phải làm rõ rằng có hai loại bộ sạc:

Bộ sạc trên xe (OBC) được tích hợp sẵn trong xe Trạm sạc (còn gọi là bộ sạc, có thể là AC hoặc DC) – Thiết bị cung cấp xe điện (EVSE)

Quan trọng nhất, bộ sạc ô tô cho phép chúng ta kiểm soát dòng điện và điện áp mà ắc quy cần sạc (điện áp hoặc chế độ điều khiển dòng điện), từ đó bảo vệ tuổi thọ của ắc quy

Bộ sạc cung cấp khả năng sạc dòng điện hoặc điện áp không đổi, cả hai đều dễ vận hành Trong trường hợp sạc với dòng điện không ổn định (hiệu suất và tốc độ sạc cao), pin có nguy cơ bị sạc quá mức, từ đó rút ngắn tuổi thọ Sạc liên tục với dòng điện quá lớn sẽ khiến pin nóng lên và rút ngắn tuổi thọ pin

14 Hình 1.13 On-Board Charger

Do đó, bộ sạc phải đảm bảo sạc ban đầu ở dòng điện không đổi để duy trì tốc độ và hiệu suất Khi điện áp trên pin đạt đến một phạm vi nhất định, nó sẽ chuyển sang sạc điện áp không đổi Hệ thống này được gọi là "chiến lược sạc" và là chức năng quan trọng nhất của bộ sạc ô tô

Có hai loại sạc cơ bản, chúng ta có thể sử dụng DC hoặc AC:

Nếu sử dụng nguồn điện xoay chiều từ ổ cắm hoặc trạm sạc AC, dòng điện sẽ được truyền qua cáp sạc đến bộ sạc trên bo mạch, bộ sạc này sẽ chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều và gửi đến pin thông qua hệ thống quản lý pin (BMS)

Nếu ô tô sạc bằng dòng điện một chiều (DC), bộ sạc trên xe sẽ bị bỏ qua và dòng điện sẽ được truyền trực tiếp tới ắc quy thông qua hệ thống quản lý ắc quy BMS Do đó, bộ sạc gắn trên xe không được sử dụng trong quá trình sạc DC nhưng phương pháp sạc này có yêu cầu cao hơn đối với BMS

Nói tóm lại: Bộ sạc tích hợp (OBC) được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ bộ sạc chậm hoặc bộ sạc di động được sử dụng trên ổ cắm gia đình thành dòng điện một chiều (DC) Điều này có thể làm cho OBC trông giống như một bộ biến tần truyền thống, nhưng về cơ bản chức năng của chúng khác nhau; OBC được sử dụng để sạc và biến tần được sử dụng để tăng hoặc giảm tần số dòng điện và hoạt động nghịch đảo với OBC

15 OBC không cần thiết trong quá trình sạc nhanh vì bộ sạc nhanh đã cung cấp năng lượng dưới dạng dòng điện một chiều

1.5.5 Bộ điều khiển nguồn điện (EPCU)

EPCU là sự tích hợp hiệu quả của hầu hết các thiết bị điều khiển điện trên xe Nó bao gồm một bộ biến tần, bộ chuyển đổi DC-DC điện áp thấp (LDC) và bộ điều khiển phương tiện (VCU)

Hình 1.14 EPCU – Bộ điều khiển nguồn điện

16 Hình 1.15 Bộ điều khiển nguồn điện

a Biến tần

Biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều, sau đó được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ Nó là bộ phận chịu trách nhiệm tăng tốc và giảm tốc nên đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa khả năng xử lý của ô tô điện

b Bộ chuyển đổi DC-DC điện áp thấp (Low voltage DC-DC Converter)

LVDC chuyển đổi điện áp cao của ắc quy ô tô điện thành điện áp thấp (12V) và cung cấp cho các hệ thống điện tử khác nhau của xe Tất cả các hệ thống điện tử trên ô tô điện đều sử dụng điện áp thấp Do đó, điện áp cao của pin trước tiên phải được chuyển đổi để các hệ thống này sử dụng

c Bộ phận điều khiển xe (Vehicle Control Unit)

17 VCU là bộ phận dùng để điều khiển của tất cả các hệ thống điều khiển công suất điện trên xe, VCU chắc chắn là thành phần quan trọng nhất của EPCU Nó điều khiển hầu như tất cả các cơ chế điều khiển công suất của xe, bao gồm điều khiển động cơ, điều khiển phanh tái tạo, điều khiển tải điều hòa không khí và cung cấp năng lượng cho hệ thống điện tử

1.5.6 Phanh tái sinh

Phanh tái tạo hay còn gọi là phanh tái tạo: Chức năng này phục hồi năng lượng khi phanh và dùng để sạc pin Chúng ta sẽ không thể phục hồi 100% năng lượng này nên tất nhiên nếu chúng ta liên tục lái xe và phanh gấp thì lượng pin sẽ giảm dần hơn nữa

Phanh tái tạo ô tô, còn được gọi là hệ thống phanh tái tạo, là công nghệ được sử dụng trên ô tô để sử dụng năng lượng cơ học từ quá trình phanh và chuyển đổi thành năng lượng điện, sau đó được lưu trữ Năng lượng này được lưu trữ trong ắc quy hoặc ắc quy để tái sử dụng khi ô tô đang vận hành hoạt động Mục tiêu của phanh tái tạo là cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu bằng cách thu hồi một phần năng lượng thường được tiêu thụ trong quá trình phanh

Công nghệ phanh tái sinh thường được sử dụng trên ô tô hybrid và xe điện Khi xe phanh hoặc giảm tốc độ, hệ thống phanh tái tạo sẽ chuyển đổi năng lượng cơ học từ bánh xe thành điện năng, sau đó lưu trữ vào ắc quy hoặc ắc quy Điều này có thể giúp tăng khoảng cách mà xe hybrid hoặc xe điện có thể di chuyển trước khi cần sạc lại hoặc tiêu thụ nhiên liệu 1.6 Phân loại hệ thống phanh tái sinh.

1.6.1 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng

Áp dụng rộng rãi trên xe EV và HEV Năng lượng điện cần thiết để lái xe có thể được lưu trữ bằng các thiết bị điều khiển, chuyển đổi động năng trong quá trình phanh thành điện năng lưu trữ trong ắc quy để tái sử dụng

Động cơ truyền động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp tải chống lại chuyển động quay của bánh xe đóng vai trò như một mô men phanh Trong quá trình phanh