Về mặtnhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽđược nâng cao, các loại nhiên liệu khí LPG, khí thiên nhiên sẽ được áp dụng rộng rãitrên ô tô,
Trang 1TR ƯỜ Ạ Ọ NG Đ I H C GIAO THÔNG V N T I Ậ Ả
Trang 2M c ụ ụL c
L i nói đ u 1ờ ầ
CHƯƠ NG I: T ng quan v ô tô đi n 3ổ ề ệ
CHƯƠ NG II: Gi i thi u v xe tham kh o 4ớ ệ ề ả
2.1 Gi i thi u ô tô tham kh o (xe Tesla Model S 2016) 4ớ ệ ả
2.2 L a ch n c u hình xe 7ự ọ ấ
CHƯƠNG III: Tính toán đ ng c kéo 12ộ ơ
3.1, Tính toán đ ng c kéo 12ộ ơ
3.1.1 Tính toán công su t c n thi t 12ấ ầ ế
3.1.2 Tính toán momen đ ng c 16ộ ơ
CHƯƠ NG IV: Tính toán h th ng truy n l c 17ệ ố ề ự
4.1 Tính toán h th ng truy n l c 17ệ ố ề ự
CHƯƠNG V: Tính toán gói pin 20a) Tính toán dung lượ ng pin 20b) C u trúc gói pin ô tô đi n 22ấ ệ
CHƯƠ NG VI: Mô ph ng pin 27ỏ
6.1 Chu trình lái xe th nghi m 27ử ệ
a, Chu trình NEDC 28
b, Chu trình lái xe th c t 29ự ế
c, Chu trình lái xe WLTP 296.2 Mô ph ng 30ỏ
K T LU N 34Ế Ậ
TÀI LI U THAM KH O 35Ệ Ả
Trang 3Lời nói đầu
Ở các nước phát triển cuộc chạy đua m nguồn năng lượng sạch cho ô tô nóichung đã từ lâu Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện ếp theo
là ô tô lai, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu là ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua Về mặtnhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽđược nâng cao, các loại nhiên liệu khí (LPG, khí thiên nhiên) sẽ được áp dụng rộng rãitrên ô tô, các loại nhiên liệu sinh học (như ethanol, colza) có lợi thế so sánh thấp vềmặt môi trường và giá thành nhiên liệu này còn cao nên hạn chế về mặt sử dụng, cácnhiên liệu tổng hợp từ khí thiên nhiên đang được nghiên cứu, nhiên liệu khí hydrocho ô tô chưa có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành
Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả năngphát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệusạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay để làm giảm ô nhiễm môi trường.Các yếu tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất lượng của hệ thống vậnchuyển khách công cộng và giá thành của pin nhiên liệu với các loại nhiên liệu thaythế khác để đạt cùng mức độ giảm NOx Kết quả nghiên cứu cho thấy trong vòng ítnăm tới, kỹ thuật làm giảm NOx bằng cách cải thiện động cơ diesel, sử dụng LPG vàkhí thiên nhiên rẻ hơn là sử dụng pin nhiên liệu Trong tương lai dài hơn thì việc giảmNOx bằng cách sử dụng pin nhiên liệu trên xe buýt sẽ có giá thành tương đương vớiviệc cải thiện động cơ diesel để đạt cùng mức độ hiệu quả Để đạt được cùng nhnăng kinh tế và mức độ phát ô nhiễm đối với động cơ sử dụng LPG thì trong thậpniên 2010, giá nhiên liệu hydro phải giảm đi 50% và giá thành pin nhiên liệu phảigiảm đi 30% so với giá cả hiện nay Vì vậy trong vòng 2 thập niên tới, ô tô chạy bằngpin nhiên liệu vẫn chưa có lợi thế cạnh tranh so với các loại nhiên liệu thay thế
Vì vậy trong điều kiện của nước ta từ nay đến 2030, ô tô chạy bằng điện là phù hợpnhất Năng lượng điện năng của chúng ta được sản xuất chủ yếu bằng thủy điện(năng lượng tái sinh) như nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, nhà máy thuỷ điện Ialy, nhàmáy thuỷ điện Sơn La và chủ động nguồn cung cấp khí dầu mỏ Hiện nay chúng ta cónhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tương lai gần nhà máy lọc dầu đầu ên củaViệt Nam ở Dung Quốc đi vào hoạt động, sản lượng khí đồng hành của nhà máy lànguồn cung cấp nhiên liệu LPG Nhu cầu sử dụng ô tô trong tương lai là xu thế tất
Trang 4yếu của xã hội phát triển Nước ta có thị trường nội địa lớn với gần 100 triệu dân.Cho tới nay, thị trường này hầu như vẫn còn nguyên vẹn Trong xu thế hòa nhập kinh
tế khu vực (AFTA) và thế giới (WTO), thị trường nội địa của nước ta chắc chắn sẽ làmảnh đất màu mỡ đối với các nhà sản xuất ô tô thế giới
Mặt khác việc hoà nhập kinh tế với thế giới sẽ nẩy sinh vấn đề về êu chuẩn chất thảicủa xe cho phù hợp với những quy định của thế giới Nếu chúng ta cứ nhập xe từnước khác xẽ làm mất thị phần đối với một sản phẩm công nghiệp quan trọng củađất nước Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế ến tới sản xuất một chủng loại ô tô phùhợp với điều kiện sử dụng trong nước có ý nghĩa rất thiết thực và cấp bách đối vớinước ta
Trong quá trình hoàn thiện đồ án em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận nh củathầy PGS.Ts.Trần Văn Như Mặc dù đã cố gắng song không khỏi có những sai sótmong thầy góp ý để bài làm của em được hoàn chỉnh hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
TRẦN KHẮC VŨ
Trang 5CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
Ô tô điện sử dụng một động cơ điện cho lực kéo; acquy, pin nhiên liệu cung cấpnguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện
Ô tô điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương ện sử dụng động cơ đốt trong,chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng từdầu mỏ, yên nh và hoạt động trơn tru Các nguyên tắt hoạt động cơ bản giữa ô tô điện vàphương ện sử dụng động cơ đốt trong tương tự nhau Tuy nhiên, một số khác biệt giữaphương ện sử dụng động cơ đốt trong và ô tô điện, chẳng hạn như sử dụng một bồn chứaxăng so với nguồn pin, động cơ đốt trong so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầutruyền dẫn
Ôtôchạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trườngkhông khí trong thành phố Nhưng ô tô chạy bằng năng lượng điện gặp phải khó khăn vấn
đề cung cấp điện năng, nếu như tất cả các loại ôtô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều cònphụ thuộc loại nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng So với nhiên liệu truyền thống,mức độ có lợi nh theo C02 tương đương trên 1Km lên 90% đối với điện sản xuất bằng nănglượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng nhiên liệu và gần như không có lợi gìkhi sản xuất bằng than
Về mặt kỹ thuật thì ôtô chạy bằng điện có hai nhược điểm quan trọng đó là nănglượng dữ trữ thấp (Khoảng 100 lần so với ô tô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giáthành ban đầu cao hơn (30-40% cao hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt) Những chướngngại khác cần được giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng thực tế một cách đại trà
là khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vấn đề sưởi và điều hòa không khí trong ô tô
Nếu như sự thâm nhập những ô tô chạy bằng điện vào cuộc sống của nhân loại thaycác loại ô tô chạy bằng động cơ nhiệt thì các loại động cơ nhiệt được xử lý ô nhiễm triệt đểvới những thành tựu công nghệ hiện đại, dĩ nhiên bị biến mất vì thế mức độ có lợi về mặt ônhiễm khi dùng động cơ điện sẽ không đáng kể, chắc chắn ít có lợi hơn khi thay ô tô cũ bằng
ô tô mới dùng động cơ nhiệt hoàn thiện triệt để về mặt ô nhiễm
Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến vấn đềtâm lý xã hội Thật vậy, sự hạn chế nh năng kỹ thuật cũng như bán kính hoạt động của ô tô,trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làmthay đổi thói quen của người dùng và dần dần làm thay đổi cách sống Mặt khác khi chuyển
ô tô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ô tô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ
Trang 6gây ra trở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ăcquy Tuy nhiên những lợi ích mà xechạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vẫn là
sự lựa chọn số một của nhân loại vào những năm tới của thế kỷ 21 mà sự phát triển của nó
đi theo những sự cải ến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ nhưng hiện tại
sự phát triển của ô tô này cũng không cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấn đề ônhiễm môi trường đô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trongmột thời gian ngắn
CHƯƠNG II : Giới thiệu ô tô tham khảo và lựa chọn cấu hình ô tô
điện
2.1 Giới thiệu ô tô tham khảo (xe Tesla Model S 2016)
Model S 2016 là mẫu xe sedan cao cấp của hãng xe điện Tesla, nh đến thời điểm 2016 thìđây là chiếc xe có phạm vi hoạt động xa nhất có thể lên đến 435km
- Thân xe:
Tesla Model S 2016có mui xe dạng fastback cổ điển với đường rooine dốc dần ra phía sau.Bên cạnh đó, hình dạng xe được thiết kế gọn nhẹ nhằm giảm thiểu tối đa lực cản khí độnghọc Tay nắm cửa ện ích của xe có thể tự động mở ra khi chủ sở hữu đến gần và sau đónhẹ nhàng trượt lại gắn sâu trong cửa và ngang bằng với phần thân khi xe chuyển động
- Nội thất:
Model S sở hữu không gian nội thất tương đối đơn giản và trang trí bằng những màu cơ bản.Ghế da là nh năng có sẵn trong xe và hành khách có thể chạm vào các bề mặt nhựa mềm
Trang 7mại Mặc dù có thiết kế gọn nhẹ, nội thất của Tesla Model S 2016 lại được đánh giá có nhiềuđường cong gợi cảm hơn và chất liệu phong phú hơn so với nội thất mới của Mercedes-Benz Một trong những nh năng nổi bật của Tesla vẫn là màn hình cảm ứng 17-inch dạngđứng có thể điều khiển hầu hết các chức năng :
- Các ện ích ch hợp:
Tesla Model S 2016 êu chuẩn đi kèm với màn hình cảm ứng 17 inch, hệ thống định vị, hệthống âm thanh 7 loa, Bluetooth, hai cổng USB và HD Radio Những nh năng tùy chọn baogồm hệ thống âm thanh cao cấp12 loa, và radio vệ nh
- Tính năng an toàn:
Về công nghệ ô tô mới trong hai năm qua, Tesla đã bổ sung thêm một số hệ thống giám sát,cảnh báo và hiệu chỉnh an toàn điện tử cao cấp hơn Những nh năng này đã có trên hầuhết các mẫu xe đối thủ hàng đầu, bao gồm điều khiển hành trình thích ứng, cảnh báo lànđường khởi hành và cảnh báo va chạm phía trước Cảm biến đỗ xe và hỗ trợ đỗ xe cũng sẽ
có trong Model S 2016 bên cạnh camera chiếu hậu êu chuẩn và tám túi khí Một trang bị
an toàn đáng chú ý của mẫu xe điện là phần mềm Autopilot cho phép xe tự lái trong nhữngtrường hợp nhất định Hệ thống này dựa trên dữ liệu từ các cảm biến hiển thị xung quanhchiếc xe và nguồn cơ sở dữ liệu định vị khổng lồ
Phiên bản dẫn động cầu sau củaTesla Model S 2016 đã được Cục an toàn giao thông quốcgia Mỹ (NHTSA) xếp hạng an toàn cao nhất với năm ngôi sao toàn diện Trong khi đó, phiênbản 'D' dẫn động 4 bánh mới được bổ sung trong vài năm gần đây, vẫn chưa được NHTSA vàViện bảo hiểm an toàn xa lộ Mỹ (IIHS) đánh giá mức độ an toàn
- Động cơ:
Tesla cung cấp ba kích thước của những gói pin lithium-ion cho phiên bản năm 2016 củaModel S với 70, 85, hoặc 90kWh EPA đánh giá mẫu xe này sẽ có phạm vi hoạt động khácnhau tùy vào từng biến thể và nằm trong khoảng 386-435km khi chạy kết hợp Tuy nhiên,quãng đường này có thể là ngắn hơn 10-25% trong thực tế Đối với Tesla Model S dẫn độngcầu sau êu chuẩn, xe được trang bị một động cơ 362 mã lực Trong khi đó, phiên bản 'D'dẫn động 4 bánh có những động cơ nhỏ hơn với công suất 259 mã lực Bên cạnh đó, góihiệu suất 'P' sẽ gia tăng sức mạnh của động cơ phía sau lên 503 mã lực và giữ nguyên côngsuất của động cơ phía trước Do đó, xe khả năng tăng tốc 0-96km/h trong khoảng 3 giây,tương đương với siêu xe McLaren F1 Đây là con số ấn tượng đối với một mẫu sedan hạngsang 5 hành khách và không phải là một điều mà những mẫu xe BMW M Series hay
Mercedes-Benz AMG có thể đạt được nh đến thời điểm hiện tại Với mạng lưới trạm sạcnhanh DC của Tesla, khách hàng Model S chỉ cần dừng xe khoảng 20-30 phút để nạp pin đến80%
Trang 8Thông số Tesla Model S 2016
Quãng đường đi được trong 1 lần sạc 550 km
Thời gian tăng tốc từ 0-100 km/h 6 s
2.2 Lựa chọn cấu hình xe
Trước đây, các xe điện chủ yếu được chuyển đổi từ các ô tô thông thường bằng cáchthay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu với một động cơ điện và pin trong khi giữ lạitất cả các thành phần khác, như trong hình 2.1 Nhược điểm như : khối lượng lớn, nh linhhoạt và hiệu suất thấp là những nguyên nhân làm cho xe điện khó áp dụng rộng rãi Hiệnnay, ô tô hiện đại được tạo ra có chủ ý dựa vào nguyên bản của thân và khung sườn đượcthiết kế riêng Điều này đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc duy nhất cho ô tô và làm cho cácnguồn động lực đẩy bằng điện được sử dụng linh hoạt hơn
Trang 9Hình 2-1 Ô tô điện cổ điểnMột ô tô điện cơ bản được minh họa trong hình 2.2 Nó bao gồm ba hệ thốngchủ yếu: hệ động lực điện, hệ thống năng lượng, và hệ thống phụ trợ.
Hệ động lực điện bao gồm: hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện,truyền động cơ khí, và bánh chủ động
Hệ thống năng lượng bao gồm nguồn năng lượng, bộ phận quản lý năng lượng, và bộ phận
ếp năng lượng điện
Hệ thống phụ trợ bao gồm trợ lực lái, điều hòa, nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ
Dựa trên các yếu tố đầu vào điều khiển từ chân ga và bàn đạp phanh, hệ thống điềukhiển xe cung cấp n hiệu điện thích hợp cho bộ chuyển đổi năng lượng điện có chức năngđiều chỉnh dòng điện giữa điện động cơ và nguồn năng lượng Những nguồn năng lượngđược tái sinh trong quá trình phanh có thể được nạp vào nguồn năng lượng chính Hầu hếtpin EV dễ dàng có khả năng ếp nhận nguồn năng lượng tái sinh này
Trang 10Hình 2-2 Ô tô điện hiện đại
Bộ phận quản lý năng lượng cùng với bộ phận điều khiển kiểm soát hoạt động phanhtái sinh và phục hồi năng lượng của nó Nó cũng kết hợp với các bộ phận ếp năng lượng đểkiểm soát quá trình này và giám sát việc sử dụng các nguồn năng lượng Nguồn cung cấpnăng lượng phụ có chức năng cung cấp năng lượng cần thiết với các điện áp khác nhau chotấc cả các thành phận phụ của xe như: điều hòa không khí, trợ lực lái, hệ thống đèn chiếusáng…
Trang 11Có nhiều loại EV có thể cấu tạo khác nhau do các biến thể dựa trên đặc điểm của động lựcđiện và các nguồn năng lượng như hình 2.3
Hình 2-3 Cấu hình các loại ô tô điệnM: động cơ điện; HS: hộp số; VS: truyền lực chính và vi sai; GT: hộp giảm tốc
a Hình 2.3a cho thấy hình thức đầu ên của xe điện, trong đó một động cơ điệnthay thế cho động cơ đốt trong của một chiếc xe thông thường Nó bao gồm mộtđộng cơ điện, một ly hợp, hộp số, và một bộ vi sai Khớp ly hợp và hộp số có thểđược thay thế bằng hộp số tự động
Trang 12b Với một động cơ điện có công suất liên tục trong một phạm vi tốc độ dài, một tỉ số truyền cố định có thể thay thế cho hộp số nhiều cấp và giảm bớt sự cần thiết của một lyhợp Cấu hình này không chỉ làm giảm kích thước và trọng lượng của truyền động cơ khí, nócũng đơn giản hoá cho con người trong việc điều khiển xe bởi vì sự thay đổi tỉ số truyền làkhông cần thiết.
c Tương tự như hình (b), động cơ điện, cặp bánh răng cố định và bộ vi sai có thểđược bố trí ch hợp thành cụm trong khoảng giữa hai bán trục bánh xe chủ động Việc điềukhiển càng đơn giản và chắc chắn
d Trong hình 4.3d, truyền động vi sai được thay thế bằng cách sử dụng hai động cơđiện Mỗi động cơ dẫn động một bánh xe và hoạt động ở một tốc độ khác nhau khi chiếc xechuyển hướng hay quay vòng
e Nhằm ếp tục đơn giản hóa việc điều khiển xe, động cơ có thể được đặt phíatrong một bánh xe Một cặp bánh răng nhỏ được đặt trong bánh xe để giảm tốc độ và nângcao mô-men động cơ
f Loại bỏ hoàn toàn truyền động bánh răng giữa động cơ điện và bánh xe chủ động,đầu ra roto của một động cơ điện tốc độ thấp đặt bên trong bánh xe có thể được kết nốitrực ếp với các bánh xe Việc kiểm soát tốc độ của động cơ điện tương đương với việc kiểmsoát tốc độ của bánh xe, và vì thế tốc độ của xe được điều khiển Tuy nhiên, việc sắp xếp đòihỏi các động cơ điện phải có mộtmô-men xoắn cao hơn để khởi động và tăng tốc xe
Ta chọn cấu hình xe như sau:
Trang 13CHƯƠNG III: Tính toán động cơ kéo
3.1, Tính toán động cơ kéo
3.1.1 Tính toán công suất cần thiết
Ô tô điện sử dụng động cơ điện để tạo lực kéo để biến đổi năng lượng điện thành nănglượng cơ học, do đó hiệu suất của động cơ dẫn động sẽ trực ếp ảnh hưởng đến các đặc
nh động lực học của ô tô điện Các thông số động cơ điện được xác định bao gồm tốc độtối đa của động cơ, tốc độ cơ sở, công suất tối đa, công suất định mức, mô-men xoắn cựcđại, v.v
Khi thiết kế ô tô điện, công suất cần thiết của động cơ điện được chọn chủ yếu dựa trênvận tốc độ lớn nhất của ô tô Tuy nhiên êu chí này không đảm bảo khả năng tăng tốc của ô
tô đến tốc độ xác định trong khoảng thời gian cho trước, cũng như khả năng vượt dốc.Động cơ dẫn động là nguồn động lực duy nhất trong EV Công suất cực đại của động cơphải đảm bảo vận tốc tối đa của ô tô, khả năng leo dốc và thời gian tăng tốc 0-100 km/h Từcông suất lớn nhất của động cơ và hệ số quá tải, công suất định mức của động cơ có thểđược nh toán Ngoài ra, công suất định mức của động cơ cũng phải đáp ứng yêu cầu côngsuất từ vận tốc tối đa của ô tô Công suất lớn nhất của động cơ điện được nh toán theođiều kiện vận tốc lớn nhất của ô tô (Pmax1), khả năng vượt dốc (Pmax2) và khả năng tăng tốcnhư sau (Pmax3):
Trang 14Trong đó:t - hiệu suất hệ thống truyền lực từ động cơ đến bánh xe, chọnt = 0,95
m - khối lượng toàn bộ của ô tô kg,
g – gia tốc trọng trường 9.81m/s2,
f – hệ số cản lăn,
CD - hệ số dạng khí động học của ô tô,
A – diện ch cản chính diện của ô tô m2,
max - góc dốc của đường rad,
vp – vận tốc của ô tô khi lên dốc km/h,
- hệ số kể đến ảnh hưởng của khối lượng chuyển động quay,
ta - thời gian tăng tốc mong muốn s,
Vb và Vf - vận tốc cơ sở và vận tốc kết thúc quá trình tăng tốc nh toán m/s,
Khả năng tăng tốc của xe được đánh giá bằng thời gian dùng để tăng tốc của xe từ tốc độthấp V1 (thường bằng 0) đến tốc độ cao (100 km/h đối với ô tô con) Đối với ô tô con, khảnăng tăng tốc quan trọng hơn tốc độ chuyển động tối đa và khả năng leo dốc Thời gian tăngtốc cho một EV có thể được biểu thị bằng:
(3.6)
Trang 15Trong đó: Vb và Vf - là vận tốc của ô tô (vận tốc cơ sở) ứng với tốc độ cơ sở của động cơ
Rất khó để có thể giải được bằng phương pháp giải ch từ phương trình (3.6) Để cóđánh giá ban đầu về thời gian tăng tốc phụ thuộc vào công suất kéo, ta có thể bỏ qua lựccản lăn và lực cản khí động học Ta được:
Trang 17rbx = rk = λ*ro = 0,94*352,45 = 331,3 (mm) = 0,3313 (m)
- Từ xe tham khảo Tesla Model S 2016⇒ chọn nb = 4000 (v/p)
- Chọn sơ bộ tỉ số truyền của bộ truyền lực: itl = 10