Nghiên cứu các phương pháp điều khiển chuyển động cho ôtô điện

Ôtô sử dụng động cơ đốt trong Ôtô là một loại phương tiện giao thông đã có từ lâu và ngày càng trở nên không thể thiếu được trong đời sống của con người.. Bộ khung của một ôtô Đa số ô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

X W

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

CHUYỂN ĐỘNG CHO ÔTÔ ĐIỆN

NGUYỄN NGỌC KHOÁT

HÀ NỘI - 2009

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào

Học viên

Nguyễn Ngọc Khoát

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ ĐIỆN 1

1.1 Ôtô dùng động cơ đốt trong và ôtô dùng động cơ điện 1

1.1.1 Ôtô sử dụng động cơ đốt trong 1

1.1.2 Ôtô sử dụng động cơ điện 8

1.1.2.1 Cấu trúc của ôtô điện 9

1.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ôtô điện 12

1.1.3 Ưu điểm và lợi ích của ôtô điện 13

1.2 Các loại động cơ dùng cho ôtô điện 14

1.2.1 Đánh giá chung về động cơ điện một chiều 15

1.2.2 Đánh giá chung về động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 17

1.3 Các bộ biến đổi dùng cho ôtô điện 18

1.3.1 Bộ biến đổi công suất cho truyền động động cơ điện một chiều 19

1.3.2 Bộ biến đổi công suất cho truyền động động cơ điện xoay chiều 20

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ÔTÔ ĐIỆN 22

2.1 Hiện tượng trượt trong ôtô điện 22

2.2 Mô hình động lực học của ôtô điện trong điều khiển lực kéo .23

2.3 Mô hình động lực học lực bên của ôtô điện 31

3.1 Phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu 34

3.1.1 Nguyên tắc điều khiển theo mô hình mẫu 34

3.1.2 Phương pháp mô hình mẫu áp dụng cho ôtô điện 37

3.1.3 Kết quả mô phỏng theo phương pháp MFC 38

3.2 Phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt 42

3.2.1 Nguyên tắc điều khiển tối ưu tỷ số trượt 42

3.2.2 Mô hình ôtô điện trong phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt 44

3.2.3 Vấn đề ước lượng điều kiện mặt đường 46

3.2.4 Thiết kế bộ điều chỉnh tỷ số trượt 47

3.2.5 Mô phỏng theo phương pháp tối ưu tỷ số trượt 50

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN LẮC CHO ÔTÔ ĐIỆN 55

4.1 Sự khó khăn khi điều khiển momen lắc 55

4.2 Bộ quan sát momen lắc 56

4.3 Kết quả mô phỏng của phương pháp điều khiển trực tiếp momen lắc 58

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bộ khung của một ôtô 2

Hình 1.2 Động cơ đốt trong và người sáng lập ra chiếc ôtô đầu tiên 4

Hình 1.3 Cấu trúc của ôtô điện 10

Hình 2.1 Đặc tính của lực truyền động và lực bên 23

Hình 2.2 Mô hình tổng quát truyền động cho xe điện 24

Hình 2.3 Phân tích động lực học xe điện 24

Hình 2.4 Đặc tính µ λ− 26

Hình 2.5 Mô hình ôtô điện xây dựng trên Matlab - Simulink 28

Hình 2.6 Khối tính toán tỷ số trượt 29

Hình 2.7 Mô phỏng đặc tính µ= f( )λ dựa vào Lookup Table 29

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán lực cản không khí F a (V) 31

Hình 2.10 Mô hình thay thế ôtô hai bánh 32

Hình 3.1 Nguyên tắc điều khiển theo mô hình mẫu 35

Hình 3.2 Các tín hiệu thực và mẫu của hệ chính xác 36

Hình 3.3 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu - MFC 38

Hình 3.4 Sơ đồ khối mô phỏng theo phương pháp MFC 38

Hình 3.5 Sơ đồ cụ thể của khối MFC 39

Hình 3.6 Sơ đồ khối tính toán tỷ số trượt 40

Hình 3.7 Sơ đồ khối tính toán J, J model 40

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng của phương pháp MFC 41

Hình 3.9 Sơ đồ khối nguyên tắc điều khiển tối ưu tỷ số trượt 42

Hình 3.10 Cấu trúc của bộ điều chỉnh tỷ số trượt 43

Hình 3.11 Mô hình động lực học ôtô 44

Hình 3.12 Ước lượng các điều kiện mặt đường khác nhau 47

Hình 3.13 Sơ đồ bộ điều khiển tỷ số trượt 49

Hình 3.14 Tỷ số trượt tối ưu thông thường được xác định khi α = 1 49

Hình 3.15 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng theo phương pháp tối ưu hệ số trượt 50

Hình 3.16 Sơ đồ khối Vehicle model với đầy đủ các tham số 51

Hình 3.17 Sơ đồ khối Slip ratio controller 51

Hình 3.18 Dạng tỷ số trượt tối ưu dùng để mô phỏng 51

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng khi λopt = 0,1 53

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng khi λopt thay đổi từ 0,2 → 0,1 53

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp momen lắc 56

Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển momen lắc 59

Hình 4.3 Khối phân bố momen TDL 60

Hình 4.4 Khối tính toán N Z 60

Hình 4.5 Khối Real Vehicle 61

Hình 4.6 Khối tính toán Y f - Y r 61

Hình 4.7 Mô phỏng điều khiển momen lắc khi Kp = 10000 62

Hình 4.8 Mô phỏng điều khiển momen lắc khi Kp = 1000 62

Hình 4.9 Tín hiệu đặt và momen nhiễu 63

Hình 4.10 Khối bù nhiễu momen 63

LỜI NÓI ĐẦU

Lĩnh vực ôtô điện đã ra đời và phát triển trên thế giới từ hàng trăm năm nay Tuy nhiên, gần đây, ôtô điện mới thực sự phát triển mạnh mẽ xuất phát từ nhu cầu giải quyết các vấn đề về cạn kiệt nguồn năng lượng, vấn đề ô nhiễm môi trường…do ôtô chạy bằng động cơ đốt trong gây ra và để tận dụng các ưu điểm nổi bật của động cơ điện là khả năng sinh momen nhanh chóng và chính xác Với những thành tựu đã thu được, ôtô điện hứa hẹn sẽ thay thế hoàn toàn ôtô chạy xăng dầu trong tương lai Trong thời gian học tập và làm luận văn, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy

giáo, TS Tạ Cao Minh, tác giả đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu các phương pháp

điều khiển chuyển động cho ôtô điện” Đây là một đề tài mới, đề xuất các phương

pháp điều khiển hiệu quả cho ôtô điện và có thể được chuyển giao công nghệ trong tương lai Đề tài được hoàn thành do sự nỗ lực, phấn đấu của bản thân, sự hướng dẫn, chỉ bảo trực tiếp, tận tình và chu đáo của TS Tạ Cao Minh Bên cạnh đó, sự góp ý của thầy cô trong bộ môn đã giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình làm luận văn Tác giả xin gửi đến thầy giáo, TS Tạ Cao Minh lời cảm ơn chân thành, sâu sắc

và biết ơn nhất Tác giả cũng xin cảm ơn tất cả thầy cô trong bộ môn Tự động hóa XNCN và các đồng nghiệp đã động viên để tác giả có thể hoàn thành thạc sĩ khoa học này

Nội dung của luận văn thạc sĩ khoa học được chia thành bốn chương:

Chương 1: Tổng quan về ôtô điện

Chương 2: Mô hình động lực học của ôtô điện

Chương 3: Điều khiển nâng cao độ bám đường cho ôtô điện

Chương 4: Điều khiển trực tiếp momen lắc

Mặc dù bản thân đã nỗ lực rất nhiều nhưng do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót Tác giả chân thành đón mong những lời góp ý, đánh giá của thầy cô và đồng nghiệp

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2009

Nguyễn Ngọc Khoát

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ ĐIỆN

1.1 Ôtô dùng động cơ đốt trong và ôtô dùng động cơ điện

1.1.1 Ôtô sử dụng động cơ đốt trong

Ôtô là một loại phương tiện giao thông đã có từ lâu và ngày càng trở nên không thể thiếu được trong đời sống của con người Chiếc ôtô đã quá quen thuộc với chúng ta nhưng cũng ít người để ý đến định nghĩa chính xác của nó Theo từ

điển Bách khoa toàn thư mở Wikipedia [9]: “Một chiếc ôtô hay xe hơi là một

loại phương tiện (xe) chạy bằng bánh có chở theo động cơ của chính nó” Các

kiểu khác nhau của ôtô gồm các loại xe như xe buýt, xe tải và các loại xe ôtô con

là thông dụng nhất Thuật ngữ ôtô được dùng rất nhiều và nó xuất phát từ từ

“autos” (tự nó) trong tiếng Hy Lạp và từ “move’re” (di chuyển) trong tiếng Latinh, chỉ một vật “tự di chuyển” Các thuật ngữ ban đầu chỉ những thứ tự di chuyển được (ôtô) gồm “xe không ngựa” và “xe có động cơ” Tới năm 2005 có khoảng 600 triệu xe hơi trên khắp thế giới (trung bình 0.074 chiếc trên một đầu người)

Khi lần đầu tiên ra mắt, ôtô được hoanh nghênh như một (phương tiện) cải tiến về môi trường so với ngựa Trước khi nó ra mắt, ở Thành phố New York, hơn 10.000 tấn phân hàng ngày được dọn khỏi các đường phố Tuy nhiên, năm

2006, các ôtô là một trong những nguồn gây ô nhiễm không khí và tiếng ồn cũng như ảnh hưởng tới sức khoẻ trên khắp thế giới [9]

a) Ôtô sử dụng động cơ đốt trong đầu thế

kỷ 20

b) Ôtô sử dụng động cơ xăng của Toyota đầu thế kỷ 21

Hình 1.1 Bộ khung của một ôtô

Đa số ôtô có từ 4 bánh trở lên, sử dụng động cơ đốt trong để tiêu thụ nhiên liệu (như xăng, dầu Diesel, hay các nhiên liệu hóa thạch hay nhiên liệu sinh học khác) nhằm sinh ra momen quay ở bánh xe giúp cho nó có thể di truyển trên đường bộ Các ôtô sử dụng động cơ đốt trong thường có thêm hệ thống nhiên liệu, hệ thống khởi động, phát điện

Ôtô hiện đại còn có hệ thống dẫn lái, hệ thống treo (hệ thống giảm xóc), hệ thống chiếu sáng ôtô, hệ thống điều hòa không khí, hay các hệ thống đảm bảo an toàn cho người sử dụng như túi khí (airbag), hệ thống chống bó phanh

Chiếc xe ôtô chạy bằng động cơ xăng (động cơ Otto) được Karl Benz phát minh ra ở Đức năm 1885 Mặc dù Karl Benz được công nhận là người sáng tạo

ra chiếc ôtô hiện đại, nhiều kỹ sư người Đức khác cũng đã làm việc để chế tạo ra những chiếc ôtô khác trong cùng thời gian Các nhà phát minh đó là: Karl Benz, người được cấp một bằng sáng chế ngày 29 tháng 1 năm 1886 ở Mannheim cho chiếc ôtô ông chế tạo năm 1885, Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach ở Stuttgart năm 1886 (cũng là những nhà phát minh ra chiếc xe mô tô đầu tiên), và

năm 1888/89 nhà phát minh người Đức-Áo Siegfried Marcus ở Viên, mặc dù Marcus không đạt tới giai đoạn thực nghiệm [9]

Năm 1806 Fransois Isaac de Rivaz, một người Thuỵ Sỹ, đã thiết kế ra chiếc động cơ đốt trong (hiện nay thỉnh thoảng được viết tắt là "ICE") đầu tiên Sau

đó, ông dùng nó để phát triển ra loại phương tiện đầu tiên trên thế giới chạy bằng động cơ sử dụng một hỗn hợp hydro và oxy để phát ra năng lượng Thiết kế này không thành công lắm, cũng giống như trường hợp nhà phát minh người Anh Samuel Brown, và nhà phát minh người Mỹ, Samuel Morey, những người đã chế tạo ra những phương tiện có động lực từ các động cơ đốt trong kềnh càng vào khoảng năm 1826

Etienne Lenoir đã chế tạo thành công một động cơ đốt trong đứng yên năm

1860, và trong vòng vài năm, khoảng bốn trăm chiếc như vậy đã hoạt động ở Paris Khoảng tới năm 1863, Lenoir đã lắp cái động cơ của ông lên một chiếc xe

Có lẽ động cơ của nó dùng nhiên liệu từ các bình gas thắp đèn thành phố, và Lenoir đã nói rằng nó “chạy chậm hơn một người đi bộ, và luôn luôn gặp trục trặc” Trong bằng sáng chế năm 1860 của mình, Lenoir đã thêm vào một cái chế hoà khí (carburettor), nhờ thế nhiên liệu lòng có thể được dùng để thay thế cho khí gas, đặc biệt cho các mục đích chuyển động của phương tiện Lenoir được cho rằng đã thử nghiệm nhiên liệu lỏng, như cồn, vào các động cơ đứng yên của mình; nhưng không có vẻ rằng ông đã dùng các động cơ đó để lắp lên xe của mình Nếu ông làm thế, chắc chắn ông không dùng xăng, bởi vì nó chưa tiện dụng vào lúc ấy và bị coi là một sản phẩm phụ bỏ đi

Cải tiến tiếp sau xảy ra cuối thập kỷ 1860, với Siegfried Marcus, một người Đức làm việc ở Viên, Áo Ông đã phát triển ý tưởng sử dụng xăng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong hai kỳ Năm 1870, sử dụng một xe đẩy tay đơn giản, ông

đã chế tạo một phương tiện thô không có chỗ ngồi, thiết bị lái, hay phanh, nhưng

nó rất đáng chú ý ở một điểm: nó là phương tiện lắp động cơ đốt trong đầu tiên trên thế giới sử dụng nhiên liệu xăng Nó được đem ra thử nghiệm ở Viên tháng

9, 1870 và bị xếp xó Năm 1888 hay 1889, ông chế tạo một cái ô tô thứ hai, cái này có ghế ngồi, phanh và thiết bị lái và được lắp một động cơ đốt trong bốn kỳ

do chính ông thiết kế Thiết kế này có thể đã được đem ra thử nghiệm năm 1890 Mặc dù ông có được các bằng sáng chế cho nhiều phát minh của mình, ông không bao giờ xin cấp bằng phát minh cho các thiết kế ở thể loại này

a) Động cơ đốt trong bốn thì b) Karl Benz – người sáng lập ra

ôtô đầu tiên năm 1885

Hình 1.2 Động cơ đốt trong và người sáng lập ra chiếc ôtô đầu tiên

Động cơ đốt trong bốn thì đã được thu thập tài liệu và đưa ra xin cấp bằng phát minh vào năm 1862 bởi một người Pháp là Beau de Rochas trong một cuốn sách mỏng và dài dòng Ông đã in khoảng ba trăm bản sách đó và chúng được đem phân phát ở Paris, nhưng không mang lại điều gì, và bằng sáng chế này cũng nhanh chóng hết hạn sau đó – còn cuốn sách thì hoàn toàn bị lãng quên Trên thực tế, sự hiện diện của nó không được biết tới và Beau de Rochas không bao giờ chế tạo một động cơ riêng biệt

Đa số các nhà sử học đồng ý rằng Nikolaus Otto người Đức đã chế tạo ra chiếc động cơ bốn thì đầu tiên dù bằng sáng chế của ông bị bác bỏ Ông không

hề biết gì về bằng sáng chế hay ý tưởng của Beau de Rochas và hoàn toàn tự mình nghĩ ra ý tưởng đó Thực tế ông đã bắt đầu suy nghĩ về khái niệm này năm

1861, nhưng đã bỏ rơi nó cho tới giữa thập kỷ 1870

Có một số bằng chứng, dù chưa được xác định, rằng Christian Reithmann, một người Áo sống ở Đức, đã chế tạo ra một chiếc động cơ bốn thì hoàn toàn dựa trên ý tưởng của mình năm 1873 Reithmann đã thực nghiệm các động cơ đốt trong ngay từ đầu năm 1852

Năm 1883, Edouard Delamare-Deboutteville và Leon Malandin nước Pháp [9] đã lắp một động cơ đốt trong dùng nhiên liệu là một bình khí gas đốt đèn thành phố lên một chiếc xe ba bánh Khi họ thử nghiệm thiết bị này, chiếc vòi bình gas bị hở, gây ra một vụ nổ Năm 1884, Delamare-Deboutteville và Malandin chế tạo và xin cấp bằng sáng chế cho một phương tiện thứ hai Chiếc

xe này gồm một động cơ bốn thì dùng nhiên liệu lỏng lắp trên một cái xe ngựa bốn bánh cũ Bằng sáng chế, và có lẽ cả chiếc xe, chứa nhiều cải tiến, và một số cải tiến đó còn được ứng dụng trong nhiều thập kỷ tiếp theo Tuy nhiên, trong lần thử nghiệm đầu tiên, cái khung rời ra, và chiếc xe “rung lắc và rời ra từng mảnh” theo đúng nghĩa đen, theo lời thuật lại của Malandin Hai người này không chế tạo tiếp các xe khác nữa Dự án kinh doanh của họ không được nhắc tới và bằng sáng chế cũng không được sử dụng Những kinh nghiệm, thực nghiệm của họ bị lãng quên trong nhiều năm sau

Có lẽ, cuối thập kỷ 1870, một người Italia tên là Murnigotti đã xin cấp bằng phát minh cho ý tưởng lắp đặt một đông cơ đốt trong lên trên một loại phương tiện, dù không có bằng chứng là đã từng chế tạo được một thứ như thế Năm

1884, Enrico Bernardi, một người Italia khác đã lắp một động cơ đốt trong lên chiếc xe ba bánh của con ông Dù nó đơn giản chỉ là một thứ đồ chơi, có thể nói rằng về mặt nào đó nó đã hoạt động khá thành công, nhưng một số người cho rằng động cơ quá yếu để có thể làm chiếc xe di chuyển được

Tuy nhiên, nếu tất cả những cuộc thực nghiệm trên không diễn ra, có lẽ sự phát triển của xe hơi sẽ không thể nhanh chóng như vậy bởi vì có nhiều cuộc thực nghiệm không được biết tới và chúng không bao giờ tiến tới được giai đoạn thử nghiệm Ôtô dùng động cơ đốt trong thực sự có thể cho là đã bắt đầu ở Đức với Karl Benz năm 1885, và Gottlieb Daimler năm 1889, vì những chiếc xe của

họ thành công nên họ có thể đưa vào sản xuất hàng loạt, và họ bị ảnh hưởng lẫn nhau

Karl Benz bắt đầu xin những bằng phát minh mới về động cơ năm 1878 Ban đầu ông tập trung nỗ lực vào việc tạo ra một động cơ hai thì dùng nhiên liệu gas dựa trên thiết kế của Nikolaus Otto về loại động cơ bốn thì Một bằng sáng chế

về thiết kế của Otto đã bị bác bỏ Karl Benz hoàn thành chiếc động cơ của mình vào đêm giao thừa và được cấp bằng phát minh cho nó năm 1879 Karl Benz chế tạo chiếc ôtô ba bánh đầu tiên của mình năm 1885 và nó được cấp bằng ở Mannheim, đề ngày tháng 1, 1886 Đây là -“chiếc ôtô đầu tiên được thiết kế và chế tạo theo đúng nghĩa”- chứ không phải là một cái xe ngựa, tàu, hay xe kéo được chuyển đổi Trong số những thiết bị mà Karl Benz phát minh cho xe hơi có chế hoà khí, hệ thống điều chỉnh tốc độ cũng được gọi là chân ga, đánh lửa sử dụng các tia lửa điện từ một ắc quy, bugi, khớp ly hợp, sang số, và làm mát bằng nước Ông đã chế tạo thêm các phiên bản cải tiến năm 1886 và 1887 – đưa vào sản xuất năm 1888 - chiếc xe đầu tiên trên thế giới được đưa vào sản xuất Gần hai nhăm chiếc đã được chế tạo ra trước năm 1893, khi chiếc xe bốn bánh của ông được đưa ra giới thiệu Chúng được lắp các động cơ bốn thì theo thiết kế của riêng ông Emile Roger nước Pháp, đã chế tạo các động cơ của Benz dưới bằng phát minh của ông, và lúc ấy cũng đưa ôtô của Benz vào dây chuyền sản xuất của mình Bởi vì Pháp là nơi có thái độ chấp nhận hơn với những chiếc ôtô đầu tiên, nói chung ôtô được chế tạo và bán ở Pháp qua Roger nhiều hơn số lượng của Benz lúc ban đầu ở chính nhà máy của ông ở Đức

Gottlieb Daimler, năm 1886, lắp động cơ bốn thì của mình lên một chiếc xe ngựa ở Stuttgart Năm 1889, ông chế tạo hai chiếc xe có thể coi là những chiếc ô

tô với rất nhiều cải tiến Từ 1890 đến 1895 khoảng ba mươi chiếc đã được Daimler và người trợ lý sáng tạo của ông là Wilhelm Maybach, chế tạo ở cả các xưởng của Daimler hay tại Hotel Hermann, nơi họ lập ra một phân xưởng sau khi những người hỗ trợ rút lui Hai người Đức đó, Benz và Daimler, dường như không biết tới công việc của nhau và làm việc độc lập Daimler chết năm 1900 Trong thời chiến tranh thế giới thứ nhất, Benz đề xuất hợp tác giữa hai công ty

do hai người lập ra, nhưng mãi tới năm 1926 hai công ty mới hợp nhất dưới cái tên Daimler-Benz với cam kết sẽ cùng tồn tại dưới tên này cho tới tận năm 2000 Năm 1890, Emile Levassor và Armand Peugeot nước Pháp bắt đầu sản xuất hàng loạt các phương tiện gắn động cơ của Daimler, và từ đó mở ra nền tảng ban đầu cho công nghiệp ôtô ở Pháp Chúng đều bị ảnh hưởng từ chiếc Stahlradwagen của Daimler năm 1889, từng được triển lãm ở Paris năm 1889 Chiếc ô tô Hoa Kỳ đầu tiên bằng động cơ đốt trong chạy nhiên liệu gas có lẽ

đã được thiết kế năm 1877 bởi George Baldwin Selden ở Rochester, New York, ông đã xin cấp một bằng sáng chế cho một chiếc ôtô năm 1879 Selden không hề chế tạo một chiếc ôtô riêng biệt cho tới tận năm 1905, khi ông bị bắt buộc phải làm thế, theo luật Selden nhận được bằng phát minh của mình và sau đó kiện Ford Motor Company vì vi phạm bằng phát minh của mình Henry Ford hiển nhiên là chống đối lại hệ thống cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ và trường hợp của Selden kiện Ford đã phải đưa lên Toà án tối cao, toà phán rằng Ford, và bất kỳ người nào khác, tự do chế tạo ôtô mà không cần trả tiền cho Selden, bởi vì công nghệ ôtô đã phát triển mạnh từ khi Selden được cấp bằng và không ai còn chế tạo ôtô theo thiết kế của ông nữa

Trong lúc ấy, những cải tiến quan trọng trong lĩnh vực năng lượng hơi nước ở Birmingham, England bởi Lunar Society đã xảy ra Ở nước Anh, thuật ngữ sức ngựa được đem ra sử dụng lần đầu tiên Và cũng chính ở Birmingham những

chiếc xe ô tô bốn bánh chạy bằng dầu được chế tạo lần đầu năm 1895 bởi Frederick William Lanchester Lanchester cũng được cấp bằng phát minh ra phanh đĩa tại thành phố này Các phương tiện chạy điện được một số nhỏ những công ty chế tạo

1.1.2 Ôtô sử dụng động cơ điện

Mối đe dọa lớn nhất với xe hơi là sự cạn kiệt nguồn cung dầu mỏ, điều này không làm ngừng hoàn toàn việc xử dụng xe hơi nhưng khiến nó trở nên rất đắt

đỏ Bắt đầu từ năm 2006, 1 lít xăng có giá xấp xỉ 1.60 USD tại Đức và các nước Châu Âu khác Nếu không có biện pháp tìm ra loại nhiên liệu rẻ hơn trong tương lai gần, xe hơi cá nhân có thể sẽ giảm sút lớn về số lượng Tuy nhiên, sự di chuyển của cá nhân rất quan trọng trong xã hội hiện đại, vì vậy nhu cầu với ôtô khó giảm sút nhanh chóng Các phương tiện di chuyển cá nhân thay thế như Personal rapid transit, có thể biến xe hơi thành phương tiện lỗi thời nếu nó chứng minh được về tính hữu dụng cũng như có giá thành thấp

Xe hơi hybrid, chạy bằng pin nhiên liệu và động cơ điện, hoặc được tích hợp

cả một động cơ đốt trong truyền thống, được cho là phương tiện thay thế xe hơi dùng nhiên liệu hóa thạch trong vài thập kỷ tới Vật cản lớn nhất cho việc sản xuất xe hơi chạy hydro là giá thành sản xuất ra loại nhiên liệu này bằng quy trình điện phân, nó có hiệu quả thấp và đòi hỏi tiêu tốn khá nhiều điện, vốn cũng là một nguồn nhiên liệu đắt đỏ Tuy nhiên, hydro tạo ra năng lượng gấp 5 lần so với loại xăng 93,

không thải khí CO2 và hứa hẹn sẽ có giá thành thấp khi sản xuất hàng loạt Các

kỹ sư của BMW đã công bố về việc lắp đặt động cơ nhiên liệu hydro hiệu suất cao trên những chiếc series 7 của họ

Xe chạy điện cũng là một ý tưởng về loại xe dùng nhiên liệu thay thế; động

cơ điện có hiệu năng cao hơn động cơ đốt trong và có tỷ lệ công suất trên trọng lượng lớn Chúng cũng hoạt động hiệu quả hơn và tạo ra mômen xoắn lớn hơn

khi đang đỗ, vì thế rất thích hợp để dùng cho ô tô Ngoài ra không cần tới một hệ thống truyền lực phức tạp Tuy nhiên, ô tô điện lại bị những trở ngại do kỹ thuật pin điện - còn rất lâu pin nhiên liệu mới có nguồn năng lượng tương đương với một bình nhiên liệu lỏng cho những chặng đường xa, và cũng không hề có cơ sở

hạ tầng cung cấp nhiên liệu cho chúng Một phương án khác khả dĩ hơn có thể là

sử dụng một động cơ đốt trong nhỏ để phát điện - phương án này có thể có hiệu năng cao hơn bởi vì động cơ đốt trong luôn chạy ở một vận tốc, sử dụng nhiên liệu rẻ hơn như dầu diesel và giảm được trọng lượng, hệ thống truyền động phức tạp của các xe hơi kiểu cũ Phương án này đã chứng minh hữu ích trên đầu tàu hoả nhưng vẫn còn một chặng đường dài để có thể áp dụng cho ôtô

Những nghiên cứu về ôtô và các động cơ sử dụng cho ôtô cho thấy: ưu điểm nổi bật nhất của động cơ điện so với động cơ đốt trong chính là khả năng sinh ra momen một cách chính xác và nhanh chóng Việc điều khiển momen trong động

cơ điện cũng được thực hiện một cách đơn giản và hiệu quả Tuy nhiên, khi những ứng dụng về ôtô điện ngày một phát triển thì người ta vẫn chưa tận dụng hết ưu điểm nổi trội này của động cơ điện Đã có những chiếc xe đã được thiết

kế theo mô hình ôtô điện với nhiều tính năng cần thiết và cũng đã được sử dụng trong thực tế, tuy nhiên chúng cũng chưa tận dụng hết những ưu điểm của động

cơ điện Ngoài đặc tính sinh momen nhanh chóng và điều khiển một cách dễ dàng, sử dụng động cơ điện cho ôtô còn mở ra nhiều khả năng điều khiển khác Tính chất bám dính giữa các lốp xe với bề mặt đường bị ảnh hưởng rất lớn bởi việc điều khiển động cơ kéo Như vậy có nghĩa là sự an toàn và tính chất ổn định của xe sẽ được cải thiện đáng kể thông qua việc điều khiển động cơ kéo Nếu như chúng ta sử dụng các lốp xe chuyên dụng có lực cản thấp với tổn thất năng lượng ít thì thời gian phải nạp cho ắc quy sẽ là rất lâu Và đó là mục đích kỹ thuật mà những nghiên cứu khoa học gần đây về ôtô điện đang hướng đến

1.1.2.1 Cấu trúc của ôtô điện

Cấu trúc của ôtô điện có những phần giống và khác so với ôtô chạy bằng động cơ đốt trong thông thường Hình 1.4b) là sơ đồ cấu trúc của một chiếc ôtô điện thông thường Đại đa số các ôtô điện đều được sản xuất dựa trên nguyên lý chung này Ngoài sự khác biệt về động cơ sử dụng, hai loại ôtô này còn có những điểm khác nhau cơ bản như về nguồn năng lượng cấp, về hệ thống điều khiển, hệ thống khởi động… Dưới đây, chúng ta sẽ chia ôtô điện thành hai phần: phần điện và phần cơ

a) Ôtô điện Eliica với vận tốc tối

đa 370 km/h và quãng đường 200

km/1 lần xạc ắcquy

b) Cấu trúc của một chiếc ôtô điện thông thường

Hình 1.3 Cấu trúc của ôtô điện

Phần điện của ôtô bao gồm:

+ Động cơ: Động cơ mà ô tô sử dụng là động cơ điện, động cơ này sẽ nhận năng lượng từ một nguồn cố định, nguồn này sẽ thông qua bộ biến đổi để biến năng lượng đó sao cho phù hợp với các yêu cầu về thay đổi tốc độ của động cơ + Hệ thống cung cấp điện: ắc quy, nguồn điện, bộ điều chỉnh

+ Hệ thống đánh lửa: cuộn đánh lửa, bộ chia điện, bugi…

+ Hệ thống khởi động: ắc quy, máy khởi động, rơ le, công tắc tơ…

+ Hệ thống các thiết bị theo dõi: các loại đồng hồ đo, cảm biến…

+ Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu

+ Một số thiết bị phụ khác

Phần cơ của ôtô (hệ thống truyền lực): Có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ

động cơ đến bánh xe chủ động của ô tô Hệ thống này cho phép thay đổi tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe chủ động tùy theo điều kiện chuyển động trong khi vẫn giữ nguyên chế độ làm việc của động cơ Ngoài ra, hệ thống này còn dùng để khởi động động cơ một cách êm dịu, ngẳt truyền động giữa động cơ và bánh xe

+ Bộ ly hợp: Dùng để nối động cơ với hệ thống truyền lực một cách êm dịu

và tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực một cách nhanh chóng và dứt khoát Trong quá trình sử dụng, bộ ly hợp được tách ra khi sang số hoặc khi phanh ôtô

để việc sang số được dễ dàng và tránh bị va đập Ngoài ra, bộ ly hợp còn được dùng là cơ cấu an toàn giữ cho các chi tiết của hệ thống truyền lực khỏi bị quá tải

+ Hộp số: Để ôtô có thể làm việc được trong những điều kiện rất khác nhau

về đường xá, trọng tải và tốc độ Để thích ứng với những điều kiện đó, cần phải thay đổi lực kéo cùng tốc độ của ôtô trong một khoảng khá rộng để đảm bảo được chế độ làm việc kinh tế của động cơ Hộp số dùng để thay đổi lực kéo tức

là thay đổi tốc độ của ôtô Ngoài ra, nó còn được dùng để thay đổi hướng chuyển động như chế độ chạy tiến hay chạy lùi

+ Các đăng: Trục các đăng dùng để truyền lực từ trục thứ cấp của hộp số đến trục chủ động của truyền lực chính của cầu sau ôtô

+ Hệ thống phanh hãm: Thực hiện chức năng phanh, dừng xe khi cần thiết

1.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ôtô điện

Khi động cơ quay, công suất của động cơ được truyền đến bánh xe chủ động của ô tô thông qua hệ thống truyền lực Khi truyền như vậy, công suất bị tổn hao

do ma sát trong hệ thống truyền lực và công suất ở bánh xe chủ động sẽ nhỏ hơn công suất do động cơ phát ra Công suất ở bánh xe chủ động được thể hiện qua hai thông số là mômen xoắn và vòng quay của bánh xe chủ động Nhờ có mômen xoắn truyền tới bánh xe chủ động và nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe chủ động với mặt đường nên tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường

sẽ phát sinh ra lực kéo tiếp tuyến hướng theo chiều chuyển động Lực kéo tiếp tuyến chính là lực mà mặt đường tác dụng lên bánh xe Để cho ôtô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có độ bám đường nhất định đặc trưng bằng hệ số bám Nếu độ bám thấp thì bánh xe có thể bị trượt hoặc quay khi có mômen xoắn lớn truyền động từ động cơ đến bánh xe chủ động

và lúc đó ô tô không thể tiến lên phía trước được Hệ số bám giữa bánh xe chủ động và mặt đường là tỷ số giữa lực kéo tiếp tuyến cực đại sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường trên tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe chủ động Tải trọng này thường được gọi là tải trọng bám Gf và hệ số bám được tính theo công thức (1.1)

ax f

1.1.3 Ưu điểm và lợi ích của ôtô điện

Các loại ôtô chạy bằng động cơ đốt trong sử dụng các nhiên liệu chất đốt như xăng, dầu đã xuất hiện từ rất lâu và đã trở thành loại phương tiện giao thông không thể thiếu Tuy nhiên, như đã đề cập đến trong phần trước, khi vấn đề năng lượng và ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên bức thiết thì ôtô chạy bằng động

cơ đốt trong tỏ ra không phù hợp nữa Cùng với những nhược điểm trong vấn đề truyền động, động cơ đốt trong đang dần được thay thế bởi động cơ điện Ôtô điện ra đời với các tính năng ưu việt của nó chính là tương lai của ngành công nghiệp ôtô trên thế giới Ở đây, chúng ta sẽ phân tích những ưu điểm nổi bật nhất của ôtô điện về chi phí, đáp ứng hệ thống và thiết kế điều khiển

Chi phí – Để ứng dụng các kỹ thuật điều khiển lực kéo ở trên thì các ôtô chạy

bằng động cơ đốt trong đều cần thêm phần cứng rất đắt tiền, ví dụ, các bộ dẫn động phanh và bộ điều chỉnh Nhưng ôtô điện không cần thêm bất cứ một phụ kiện nào nữa Điều khiển lực kéo có thể đạt được chỉ hoàn toàn bằng phần mềm Thậm chí, một chiếc ôtô điện với chi phí rẻ nhất nhưng có thể điều khiển lực kéo với tính năng cao Vì vậy, chi phí cho những chiếc ôtô điện là thấp hơn nhiều so với các ôtô chạy bằng động cơ đốt trong

Đáp ứng của hệ thống – Trong các ôtô sử dụng động cơ đốt trong, chúng ta

phải mất hơn 200 ms để khởi động van cấp nhiên liệu không khí, nhưng trong

thực tế độ nhạy còn chậm hơn nhiều bởi vì chúng ta phải tính đến cả độ trễ của

hệ thống cơ khí Ngược lại, thời gian đáp ứng của momen động cơ điện thì nhỏ hơn rất nhiều lần, cỡ khoảng 10 ms Thời gian đáp ứng nhanh như vậy làm cho

độ an toàn của xe được nâng lên và rất nhiều tính năng của xe được cải thiện: khả năng khởi động nhanh, tăng tốc nhanh…

Thiết kế bộ điều khiển - Trong các ôtô sử dụng động cơ đốt trong, sự phi

tuyến lớn nằm trong các đặc tính chuyển hóa từ tín hiệu điều khiển đầu vào (ví dụ: góc van không khí của động cơ, áp suất dầu của hệ thống phanh…) cho tới các momen khởi động là một trở ngại lớn cho việc thiết kế mô hình toán học cho

bộ điều khiển Trong các ôtô điện, bằng việc áp dụng điều khiển dòng điện đơn giản, momen khởi động tỷ lệ hoàn toàn dòng điện đặt

1.2 Các loại động cơ dùng cho ôtô điện

Động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại, chính là sức kéo trong các hệ truyền động Các hệ thống truyền động đã được áp dụng cho nhiều hệ thống như: máy bơm, quạt gió, các máy cuốn giấy và máy dệt, các máy nâng hạ, động cơ servo và robot, các máy cán thép và các máy quay nghiền xi măng, đặc biệt, ngày nay còn được ứng dụng rộng rãi trong ôtô điện,… Mỗi động cơ là một cấu trúc điện, cơ và nhiệt phức tạp Mặc dù máy điện đã được biết đến từ hơn một trăm năm trước đây nhưng những nghiên cứu và phát triển về lĩnh vực này dường như là bất tận Tuy nhiên, tốc độ phát triển của các loại máy điện là thấp hơn trong sự tương quan với các thiết bị bán dẫn và các bộ biến đổi công suất Để thiết kế kỹ thuật cho một hệ thống truyền động có tính năng cao thì yêu cầu là phải đáp ứng được các chỉ tiêu về máy điện, mô hình động lực học và sự biến thiên về thông số Nói chung, với những hệ truyền động dùng trong công nghiệp, chúng ta thường phân loại thành truyền động có tốc độ không đổi và truyền động có tốc độ biến đổi Các loại máy điện xoay chiều với nguồn cấp hình sin tần số không đổi thường được dùng trong các hệ truyền động

có tốc độ hằng, ngược lại, các động cơ một chiều hay được sử dụng hơn trong

các hệ truyền động có tốc độ biến đổi Trong giới hạn luận văn này, tác giả đề cập đến hai loại động cơ quen thuộc được ứng dụng rộng rãi trong ôtô điện là động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều

1.2.1 Đánh giá chung về động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng

Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ điện một chiều: cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm theo hoặc bộ chỉnh lưu

Tuy nhiên, cho đến nay, động cơ điện một chiều vẫn được dùng khá phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến hàng MW Các loại động cơ điện một chiều đã được biết đến bao gồm: động cơ một chiều kích từ độc lập, động cơ điện một chiều kích từ song song và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song có các đặc điểm

sau:

- Động cơ loại này thường sử dụng rất nhiều kim loại màu để chế tạo, vì vậy nên giá thành của động cơ tương đối cao

- Do có cơ cấu tiếp xúc chổi than, vành góp nên tuổi thọ của động cơ không được cao do sự mài mòn, đồng thời động cơ loại này rất khó bảo trì, bảo dưỡng

và hay gây nhiễu cho các thiết bị điện tử

- Động cơ một chiều kích từ độc lập có ưu điểm lớn trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ: việc điều chỉnh tốc độ động cơ rất dễ dàng, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản, đạt chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh tốc độ rộng

- Cho phép điều chỉnh sâu tốc độ, momen động cơ lớn, thay đổi và điều chỉnh tốc độ dễ dàng

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có đặc điểm:

- Giả thiết động cơ chạy ở chế độ không tải thì tốc độ động cơ sẽ rất lớn Nhưng trong thực tế, động cơ thường có ma sát, có tổn thất phụ và có từ dư nên khi không tải động cơ vẫn có giá trị ω t Tuy nhiên, do từ dư nhỏ nên 0 ω t vẫn 0

rất lớn từ (5-6) lần ω , vì vậy, không được để động cơ hoạt động ở chế độ đmkhông tải

- Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải, không ổn định cao được tốc độ

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen, có khả năng khởi động tốt hơn động cơ điện một chiều kích từ độc lập Loại động

cơ này có khả năng thích hợp với truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu về mômen khởi động cao

Như vậy, nhược điểm lớn của động cơ một chiều tập trung ở các vấn đề như: giá thành cao, quán tính lớn và các vấn đề về bảo trì với cơ cấu chổi than, vành góp Không những thế, các cơ cấu chổi than và vành góp sẽ giới hạn tốc độ máy điện và biên độ dòng điện, gây ra các vấn đề về nhiễu điện từ, không cho phép

động cơ hoạt động trong môi trường bụi bẩn và dễ cháy nổ Tuy nhiên, các bộ điều khiển và bộ biến đổi truyền động của động cơ một chiều thường đơn giản

và momen sinh ra là rất nhanh Các động cơ xoay chiều (ví dụ: động cơ không đồng bộ roto lồng sóc) không gặp phải các bất lợi của động cơ một chiều như đã

đề cập đến ở trên Trong hai đến ba thập kỷ gần đây, chúng ta đã thu được các kết quả nghiên cứu và phát triển ngày càng mở rộng về công nghệ truyền động của máy điện xoay chiều với tần số và tốc độ thay đổi Mặc dù những ứng dụng chính cho truyền động tốc độ thay đổi sử dụng động cơ một chiều nhưng gần đây chúng đã dần được thay thế bởi động cơ xoay chiều Các động cơ xoay chiều đang ngày được sử dụng rộng rãi, phổ thông hơn

1.2.2 Đánh giá chung về động cơ điện xoay chiều không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo rất đơn giản, đặc biệt là động cơ roto lồng sóc Chúng ta có thể phân loại động cơ không đồng bộ thành:

- Động cơ không đồng bộ roto dây quấn: động cơ này có dây quấn roto tương tự như stato

- Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc: roto có cấu trúc giống một cái lồng với các vòng ngắn mạch ở hai đầu Về cơ bản, ta có thể coi loại máy điện này như một máy biến áp ba pha với phần thứ cấp quay và được ngắn mạch Lõi của stato và roto đều được làm từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại

Một trong những nguyên lý cơ bản nhất của động cơ điện không đồng bộ là sự sinh ra từ trường quay hình sin trong khe hở không khí Bỏ qua ảnh hưởng của các rãnh quấn dây và và các sóng hài bậc cao do sự phân bố dây không đều, có thể thấy rằng với một nguồn cấp ba pha đối xứng hình sin cho ba dây quấn stato

sẽ sinh ra một từ trường quay đồng bộ

Nhận xét động cơ không đồng bộ:

- Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ roto lồng sóc So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn

- Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn, riêng với động cơ roto lồng sóc, thì các chỉ tiêu khởi động xấu hơn

- Do không tách biệt được các thành phần dòng điện, tốc độ, và điện áp nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là khó khăn hơn nhiều so với động cơ một chiều

- Quá trình khởi động khó khăn hơn do đặc tính tại ω=0 có mômen M là nhỏ nên nếu nhỏ hơn mômen cản M c thì rõ ràng là không thể khởi động được Để

khởi động thành công thì cần phải tăng momen lên để thắng được M c

1.3 Các bộ biến đổi dùng cho ôtô điện

Kỹ thuật điện tử bán dẫn trong những thập kỷ gần đây đã phát triển mạnh mẽ

và đã thu được những thành tựu rực rỡ trong nhiều lĩnh vực: điện tử, công nghệ thông tin, truyền động điện…Trong đó, kỹ thuật điện tử bán dẫn, cụ thể là kỹ thuật điện tử công suất áp dụng cho truyền động điện đã thật sự bùng nổ mạnh

mẽ Các bộ biến đổi công suất động cơ không chỉ được cải thiện về công suất danh định mà còn được nâng cao cả về tính năng hoạt động: để đạt được mật độ công suất cao, hiệu suất lớn, khả năng điều khiển dễ dàng cùng độ tin cậy cao Các mô hình của bộ biến đổi công suất lại hoàn toàn phụ thuộc vào loại động cơ được sử dụng trong hệ truyền động Tiêu chuẩn lựa chọn các hệ truyền động cho động cơ (bao gồm cả các động cơ cùng các bộ biến đổi công suất của chúng) của ôtô điện có thể được chia thành những yêu cầu mang tính chất bắt buộc và những yêu cầu mà người sử dụng vẫn luôn mong muốn có được hơn Những yêu cầu

bắt buộc đó là hệ truyền động của động cơ có thể đưa ra được những yêu cầu về đặc tính cơ của truyền động cho ôtô điện mà không hề liên quan đến sự thay đổi của truyền động bánh răng hay hộp số, đồng thời hệ truyền động động cơ này phải cho ta dòng điện chảy theo hai chiều sao cho có thể thu hồi năng lượng khi hãm tái sinh (trả năng lượng về lưới) Nhìn chung, cả hệ truyền động một chiều

và hệ truyền động xoay chiều đều cho ta các yêu cầu về đặc tính cơ như mong muốn Đối với một hệ truyền động bất kì thì những yêu cầu về chi phí thấp, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn, khả năng điều khiển cao và hoạt động tốt vẫn luôn là những mục tiêu kinh tế và kỹ thuật mong muốn

1.3.1 Bộ biến đổi công suất cho truyền động động cơ điện một chiều

Với ô tô điện, nguồn năng lượng thường dùng là các bộ ăcquy nên để tiến hành điều khiển các động cơ điện một chiều làm động cơ kéo cho xe điện thì phải sử dụng các bộ biến đổi công suất là các bộ biến đổi xung áp một chiều Yêu cầu của các bộ biến đổi xung áp một chiều (còn gọi là điều áp một chiều) là

từ một nguồn áp một chiều cố định cần phải điều chỉnh được điện áp ra tải đạt được các chỉ tiêu kĩ thuật cho truyền động động cơ một chiều Các bộ biến đổi này hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một cách chu kì theo một

số luật khác nhau Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó là các van bán dẫn Song do chúng làm việc trong mạch một chiều nên khi dùng loại tiristo thông thường nó không được khóa một cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn như khi làm việc với nguồn xoay chiều Do đó, cần phải có một mạch khóa tiristo gọi là mạch khóa cưỡng bức và điều này đã gây nhiều khó khăn trong thực tế Hiện nay, người ta cố gắng sử dụng các loại van điều khiển cả đóng và ngắt như transito bipolar, MOSFET và IGBT ở những công suất mà các van này còn chịu được, ở các mạch công suất lớn thì vẫn phải dùng các van tiristo Trong truyền động cho xe điện thì các bộ điều áp một chiều được ứng dụng rất nhiều và phổ biến

Các bộ băm xung áp một chiều rất đa dạng bao gồm các bộ điều áp một chiều

có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, các bộ điều áp một chiều có điện áp ra lớn hơn điện áp vào hoặc các bộ tổng hợp Mỗi loại điều áp một chiều trên lại bao gồm nhiều loại nhỏ hơn như loại có đảo chiều, loại không đảo chiều, loại điều khiển đối xứng, điều khiển không đối xứng… Tuy nhiên, điều áp một chiều phù hợp hơn cả với động cơ một chiều dùng cho xe điện là các bộ điều áp một chiều

có đảo chiều, sử dụng phương pháp điều khiển không đối xứng vì nó cho phép điều chỉnh điện áp tải trong dải rộng, có khả năng đảo chiều quay động cơ, cho phép giảm độ đập mạch dòng điện gấp hai lần so với kiểu đảo chiều điều khiển đối xứng và cho phép động cơ có thể hoạt động ở hai chế độ: chế độ động cơ và chế độ máy phát

1.3.2 Bộ biến đổi công suất cho truyền động động cơ điện xoay chiều

Khi ô tô điện sử dụng các loại động cơ điện xoay chiều thì lúc đó, ta cần sử dụng các bộ biến đổi công suất tương ứng cho nó Thông thường, người ta sẽ sử dụng các bộ nghịch ưu áp một pha cho động cơ xoay chiều một pha và dùng bộ nghịch lưu áp ba pha cho động cơ điện xoay chiều ba pha Điện áp ra của các bộ nghịch lưu điện áp không có dạng sin như mong muốn mà đa số là dạng xung chữ nhật Các van bán dẫn dùng trong bộ biến đổi này thường là tiristo hoặc các loại transito nhưng phù hợp và ưu việt hơn cả là dùng transito mà tránh dùng tiristo Các sơ đồ nghịch lưu điện áp phần lớn có dạng tương tự ở mạch chỉnh lưu nhưng đặc biệt thông dụng là các sơ đồ cầu sử dụng các van điều khiển hoàn toàn

Kết luận:

Như vậy, trong chương 1 chúng ta đã có cái nhìn tổng quát nhất về ôtô điện Chúng ta đã tìm hiểu khái niệm, những ưu điểm nổi bật của ôtô điện, phân tích, đánh giá các loại động cơ và bộ biến đổi dùng cho ôtô điện Tuy nhiên, để có thể nghiên cứu các phương pháp điều khiển chuyển động của ôtô điện, trước hết chúng ta cần xây dựng được mô hình động lực học cho ôtô điện Đó cũng là nội dung chính của chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC

ÔTÔ ĐIỆN

2.1 Hiện tượng trượt trong ôtô điện

Một trong những vấn đề đáng được lưu tâm nhất trong ôtô điện là điều khiển

tỷ số trượt Khi ôtô đi trên các đoạn đường khô ráo, hệ số ma sát lớn, độ trượt là nhỏ Ngược lại, khi xe chạy trên đường trơn (như đoạn đường có nước, có sỏi cát nhỏ…) thì hiện tượng trượt xảy ra Hệ số ma sát giảm mạnh, độ trượt tăng lên, tốc độ bánh xe lớn hơn tốc độ của ôtô Chúng ta sẽ phân tích kỹ hiện tượng này qua việc xem xét đồ thị các lực tác dụng lên ôtô khi xe chuyển động

Khi ôtô chuyển động, có hai lực tác dụng chính vào ôtô là lực truyền động

(driving force) hay lực thẳng (longitudinal force) và lực bên (lateral force) Các

đặc tính của hai lực này được vẽ trên hình 2.1 [6] Từ hình vẽ này có thể thấy lực truyền động lực bên phụ thuộc mạnh mẽ vào hệ số trượt λ Như đã biết, hệ số trượt λ được định nghĩa dựa vào các tốc độ V và V w theo biểu thức (2.1) [6]:

w w

nhanh chóng (hình 2.1) Điều này sẽ gây ra hàng loạt các vấn đề nghiêm trọng như

Hình 2.1 Đặc tính của lực truyền động và lực bên

sự trôi của các bánh xe truyền động phía trước, sự quay của các bánh xe truyền động phía sau và sự trôi và quay đối với truyền động cả bốn bánh xe Hiện tượng này diễn ra khi xe đang quay vòng cua sẽ thật sự nguy hiểm Trong trường hợp đó, lực trung bình tác dụng lên xe cũng giảm xuống Vùng điều khiển sức kéo thực sự có hiệu quả là vùng gạch chéo ở lân cận giao điểm của hai đường cong lực Theo đó, ở trong vùng này, khi hệ số trượt thay đổi thì lực truyền động và lực bên thay đổi một cách tuyến tính và việc điều khiển sẽ trở nên đơn giản hơn Trong giới hạn đồ án này, chúng ta sẽ tiến hành điều khiển lực truyền động (lực thẳng) thông qua việc điều chỉnh hệ số trượt để nâng cao độ bám dính mặt đường của xe Để phục vụ quá trình nghiên cứu, trước hết cần đưa

ra mô hình động lực học của ôtô điện

2.2 Mô hình động lực học của ôtô điện trong điều khiển lực kéo

Xem xét mô hình tổng quát của một ô tô điện trên hình 2.2 và sơ đồ phân tích

động lực học của ôtô điện trên hình 2.3 Việc xây dựng mô hình động lực học của ôtô điện được tiến hành theo quan điểm truyền động điện

Hình 2.2 Mô hình tổng quát truyền động cho xe điện

Hệ thống truyền lực

Momen cản tổng M

Bánh xe - bán kính r Vận tốc

bánh xe V w

+ _ Điều

khiển

J : momen quán tính của xe

T m là momen động cơ được tính từ các phương trình của động cơ Chọn động

cơ truyền động là động cơ một chiều, ta đã biết [1]:

0.6

0.81.0

khác nhau thì đặc tính µ λ có dạng khác nhau Hình 2.4 [6] là một trường hợp ( )

2 Vehicle speed V

1 Wheel speed Vw

1 M.s Vehicle weight

K*N

K Torque constant r

Tire radius

r

Tire radius T-Td

Vw

V S

Slip ratio

1 L.s+R Motor

1 J.s Inertia moment of motor, transmission and tire

N Gear ratio

Fr + Fd

Fd - Fa

V Fa

Air resistance

Adhesion N

Hình 2.5 Mô hình ôtô điện xây dựng trên Matlab - Simulink

Từ các phương trình động lực học trên, ta sẽ thiết lập mô hình động lực học và

mô hình điều khỉển cho xe điện Sơ đồ này sẽ là nền tảng để tiến hành các bước điều khiển và mô phỏng tiếp theo Mô hình động lực học của ôtô điện được vẽ trên hình 2.5 cho hiện tượng trượt

Trong mô hình động lực học của ôtô điện trên hình 2.5, có ba khối SubSystem:

Khối tính toán tỷ số trượt (slip ratio): Sơ đồ khối trên hình 2.6

Khối tính toán đặc tính µ = f( )λ : việc đưa ra một khối tính toán chính xác là rất khó khăn Ở đây, chúng ta đưa ra một khối Lookup Table – dựa vào các giá trị đo đạc thực nghiệm của hệ số trượt để tính toán hệ số ma sát tương ứng Hình

2.7 và bảng 1 mô tả Lookup Table sử dụng trong mô hình động lực học của ôtô điện [6]

1 S 2

V

1

Vw

Hình 2.6 Khối tính toán tỷ số trượt

Hình 2.7 Mô phỏng đặc tính µ= f( )λ dựa vào Lookup Table

Hình 2.8 Dạng của đường cong F a (V)

Bảng 1 Các tham số µ = f(λ)

Tỷ số trượt λ Hệ số ma sát µ

0 0 0.025 0.25 0.05 0.38 0.075 0.44 0.1 0.45 0.125 0.44 0.15 0.42 0.2 0.38 0.3 0.35 0.4 0.32 1.0 0.28

Khối tính toán lực cản không khí: Thông thường, lực cản không khí phụ

thuộc vào tốc độ của ôtô Khi vận tốc của ôtô tăng lên thì lực cản không khí cũng

V

F a

F a0