Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 4 bánh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VŨ TRƯỜNG THỊNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN BÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 60.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng- Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Quốc Thái Phản biện 1: TS Hồ Sĩ Xuân Diệu Phản biện 2: TS Lê Minh Tiến Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật khí động lực họp trường Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 10 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa Cơ khí giao thơng, Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN MỞ DẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp ô tô mang lại nhiều thuận tiện đời sống, nhiên số lượng ô tô ngày tăng kéo theo nhiều vấn đề môi trường, nhiên liệu ngày cạn kiệt Ở nước phát triển chạy đua tìm nguồn lượng cho phương tiện giao thông lâu Theo xu chung, đứng đầu danh sách ô tô chạy điện ô tô lai, ô tô chạy pin nhiên liệu ứng viên thứ ba chạy đua Về mặt nhiên liệu cho động nhiệt, chất lượng loại nhiên liệu lỏng truyền thống nâng cao, loại nhiên liệu khí (LPG, khí thiên nhiên) áp dụng rộng rãi ô tô, loại nhiên liệu sinh học (như ethanol, colza) có lợi so sánh thấp mặt mơi trường giá thành nhiên liệu cao nên hạn chế mặt sử dụng, nhiên liệu tổng hợp từ khí thiên nhiên nghiên cứu, nhiên liệu khí hydro cho tơ chưa có triển vọng ứng dụng công nghệ giá thành Sự phát triển ô tô sử dụng điện pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả phát triển, hoàn thiện loại động truyền thống sử dụng nguồn nhiên liệu thay nguồn nhiên liệu lỏng để làm giảm ô nhiễm môi trường Các yếu tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất lượng hệ thống vận chuyển khách công cộng giá thành pin nhiên liệu với loại nhiên liệu thay khác để đạt mức độ giảm NOx Kết nghiên cứu cho thấy vòng năm tới, kỹ thuật làm giảm NOx cách cải thiện động diesel, sử dụng LPG khí thiên nhiên rẻ sử dụng pin nhiên liệu Trong tương lai dài việc giảm NOx cách sử dụng pin nhiên liệu xe buýt có giá thành tương đương với việc cải thiện động diesel để đạt mức độ hiệu Để đạt tính kinh tế mức độ phát ô nhiễm động sử dụng LPG thập niên 2010, giá nhiên liệu hydro phải giảm 50% giá thành pin nhiên liệu phải giảm 30% so với giá Vì vòng thập niên tới, ô tô chạy pin nhiên liệu chưa có lợi cạnh tranh so với loại nhiên liệu thay Vì điều kiện nước ta từ đến 2020, ô tô lai chạy điện kết hợp với việc nạp điện bổ sung động nhiệt phù hợp Năng lượng điện sản xuất chủ yếu thủy điện (năng lượng tái sinh) nhà máy thuỷ điện Hồ Bình, nhà máy thuỷ điện Ialy, nhà máy thuỷ điện Sơn La chủ động nguồn cung cấp khí dầu mỏ Hiện có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố tương lai gần nhà máy lọc dầu Việt Nam Dung Quốc vào hoạt động, sản lượng khí đồng hành nhà máy nguồn cung cấp nhiên liệu LPG Nhu cầu sử dụng ô tô tương lai xu tất yếu xã hội phát triển Nước ta có thị trường nội địa lớn với 90 triệu dân Cho tới nay, thị trường nguyên vẹn Trong xu hòa nhập kinh tế khu vực (AFTA) giới (WTO), thị trường nội địa nước ta chắn mảnh đất màu mỡ nhà sản xuất ô tơ giới Mặt khác việc hồ nhập kinh tế với giới nảy sinh vấn đề tiêu chuẩn thải xe cho phù hợp với quy định giới Nếu nhập xe từ nước khác xẽ làm thị phần sản phẩm công nghiệp quan trọng đất nước Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế tiến tới sản xuất phương tiện giao thông phù hợp với điều kiện sử dụng nước có ý nghĩa thiết thực cấp bách nước ta Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu tìm nguồn lượng thay Nguồn lượng điện sử dụng phương tiện giao thông giải pháp hiệu Ở thành phố lớn bắt đầu xu hướng sử dụng xe điện cá nhân Với ưu điểm, thân thiện với môi trường, nhỏ gọn, thuận tiện, dể sử dụng Xe điện cá nhân với hệ thống lái điện thơng qua cảm biến góc lái, sử dụng hai động điện tạo nguồn động lực độc lập cho hai bánh xe trước Bánh xe sau sử dụng loại bánh xe đa hướng, không gây cưỡng động học xe quay vòng Sử dụng Arduino làm điều khiển trung tâm để điều khiển hệ thống điện tử xe Tất hoạt động xe xử lí trung tâm điều khiển, xử lí tính tốn đưa tín hiệu điều khiển đến phận chấp hành Vì vậy, tác giả định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân bánh” Đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân bánh’’ đề tài nhằm mục đích thiết kế, chế tạo xe điện cá nhân chạy hoàn toàn lượng điện, điều khiển điện, đặt tảng cho việc thiết kế sản xuất xe điện cá nhân mang thương hiệu Việt Nam, giá thành vừa phải, có hiệu suất sử dụng lượng cao mức độ phát ô nhiễm thấp, gần khơng, góp phần thực nhiệm vụ cấp bách nói nhằm đẩy nhanh tiến trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước tạo nét để khẳng định nguồn nhân lực người Việt Nam MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu thiết kế chế tạo kết cấu khí xe điện  Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: xe điện cá nhân - Phạm vi nghiên cứu: + Xe điện thiết kế chạy sân bay, khu công nghiệp + Xe điện chạy với vận tốc tối đa khoảng [km/h] + Tính tốn lựa chọn động điện, ắc quy, nguồn sạc cho xe điện + Tính tốn, thiết kế khung vỏ, truyền động cho xe điện + Thiết kế hệ thống điều khiển xe điện PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu đề tài thành công, tạo điều kiện phát triển xe điện cá nhân vận hành đơn giãn, tiết kiệm lượng, an tồn, tiện lợi, khơng gây ô nhiễm môi trường CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị danh mục tài liệu tham khảo nội dung củaluận văn gồm chương: Chương Tổng quan Chương Cơ sở lý thuyết Chương Thiết kế hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Chương Kết đánh giá CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 XU HƯỚNG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SẠCH CHO PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG Sự phát triển phương tiện giao thông khu vực giới nói chung khơng giống nhau, nước có quy định riêng khí thải xe, có xu hướng bước cải tiến chế tạo loại ôtô mà mức ô nhiễm thấp giảm tối thiểu tiêu hao nhiên liệu Mặt khác tương lai mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập người dân lại tăng không đáng kể Ngày xe chạy dầu diezel, xăng nhiên liệu khác tràn ngập thị trường dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thơng, gây ô nhiễm môi trường, hệ sinh thái thay đổi dẫn đến hiệu ứng nhà kính nên nhiệt độ ngày tăng làm tảng băng Bắc cực, Nam cực nơi khác tan gây lũ lụt, sóng thần Vì thế, ơtơ khơng gây ô nhiễm (zero emission) mục tiêu hướng tới nhà nghiên cứu chế tạo ôtô ngày Có nhiều giải pháp cơng bố năm gần đây, tập trung hoàn thiện trình cháy động Diesel, sử dụng loại nhiên liệu khơng truyền thống cho ơtơ LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid) Xu hướng phát triển ơtơ tổng hợp sau: 1.1.1 Hồn thiện động diesel 1.1.2 Ơtơ chạy loại nhiên liệu lỏng thay 1.1.3 Ơtơ chạy khí thiên nhiên 1.1.4 Ơtơ chạy khí dầu mỏ hóa lỏng LPG 1.1.5 Ơtơ chạy điện 1.1.6 Ơ tơ chạy pile nhiên liệu 1.1.7 Ơtơ hybrid 1.2 TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN CÁ NHÂN 1.2.1 Giới thiệu chung Xe điện sử dụng động điện cho lực kéo: acquy, pin nhiên liệu cung cấp nguồn lượng tương ứng cho động điện Xe điện có nhiều ưu điểm loại phương tiện sử dụng động đốt trong, chẳng hạn khơng phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh, không gây ồn Các nguyên tắt hoạt động xe điện phương tiện sử dụng động đốt tương tự Tuy nhiên, số khác biệt phương tiện sử dụng động đốt xe điện, chẳng hạn sử dụng bồn chứa xăng so với nguồn pin, động đốt so với động điện, khác yêu cầu truyền dẫn, hệ thống xe hệ thống lái, hệ thống dẫn động, hệ thống treo 1.2.2 Cấu hình số loại xe điện cá nhân 1.2.2.1.Cấu hình tơ điện Truyền động khí Động điện Nguồn lượng Hình 1 Ơ tơ điện cổ điển Bộ chuyển đổi điện Phanh Tín hiệu điều khiển Bộ chuyển đổi điện Động điện Nguồn lượng Nguồn lượng phụ Truyền động khí Chân ga Quản lý lượng Sạc ăcquy Trợ lực lái Điều hòa khơng khí Hình Ơ tơ đại 1.2.2.2.Cấu hình số xe điện cỡ nhỏ Xe đạp điện, xe máy điện: Xe đạp điện thiết kế dựa cấu tạo xe đạp thơng thường, có gắng thêm hệ thống điện, Acquy điều khiển Một xe đạp điện hành cấu tạp từ phận sau : Động xe đạp điện : Động xe đạp điện gồm có loại, động có chổi than (DC) động khơng có chổi than (BLDC) Hệ thống điều khiển : Tay ga điều khiển thiết kế giống tay cầm dòng xe gắn máy thông thường Và hệ thống bo mạch điều khiển giúp chuyển đổi từ điều khiển người lái thành tín hiểu điện tạo dòng điện phù hợp đưa tới động cơ, nhờ ta tùy chỉnh tốc độ nhanh chậm cho xe, điều khiển phanh bật tắt tín hiệu đèn báo xe Acquy pin : Pin hoăc Acquy nguồn cung cấp điện cho xe hoạt động Pin lithium – ion loại phổ biến sử dụng rộng rãi tính ưu việt, loại pin thiết kế theo cơng nghệ Nhật Bản quảng đường dài 70 km đến 100 km Đối với xe sử dụng acquy, dòng xe có thiết kế số lượng acquy khác tùy thuộc vào điện áp động mà xe sử dụng Quãng đường đạt tới 80 km đến 100 km cho lần sạc Xe điện cá nhân tự cân bánh bánh:Đây loại xe mang tính cách mạng giao thông mang lại thuận tiện định cho người di chuyển thường xuyên quảng đường ngắn, phẳng sân bay, nhà xưởng, khu sinh thái… hệ thống điều khiển chưa ổn định, khó điều khiển 1 2 3 Hình Sơ đồ xe điện cân bánh, bánh – Cần từa điều khiểu ; – Thân + điều khiển & Acquy ; – Động điện BLDC liền bánh xe ; – Tựa để chân 12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG XE ĐIỆN CÁ NHÂN 2.1.1 Tính tốn thiết kế hệ thống truyền động khí 2.1.1.1 Phương án thiết kế xe điện tự cân Hình Phương án thiết kế xe tự cân hai bánh – Cần tựa điều khiển; – Thân xe (Khung + Bộ điều khiển + Acquy) ; – Động điện BLDC liền bánh xe 13 Hình 2 Phương án thiết kế xe điện cân bánh – Cần từa điều khiểu ; – Bộ điều khiển & Acquy ; – Động điện BLDC liền bánh xe ; – Tựa để chân 2.1.1.2 Phương án thiết kế xe điện cá nhân cỡ nhỏ bốn bánh (ba bánh) 14 a) b) 2 4 Hình 2.3 Phương án thiết kế xe điện cá nhân bánh, bánh a) Phương án thiết kế xe bốn bánh ; b) Phương án thiêt kế xe ba bánh – Tay cầm; – Bánh xe chủ động; – Thân xe; – Bánh xe sau (bị động) 2.1.1.3.Chọn phương án thiết kế Qua việc phân tích phương án thiết kế với ưu điểm vượt trội ta định chọn phương án thiết kế xe điện cá nhân bốn bánh sử dụng bánh bị động phía sau bánh xe đa hướng 15 16 Hình 2.4 Các hình chiếu xe điện cá nhân – Tay cầm; – Vị trí đặt cảm biến lái; – Mạch công suất động ; – Acquy ; – Bộ xử lý trung tâm (Arduino) ; – Bánh xe sau (bị động) ; – Động DC ; – Bánh xe trước (chủ động) Bảng Thông số kỹ thuật xe điện thiết kế STT Thông số Đơn vị Giá trị Loại phương tiện Xe điện cá nhân bánh Kích thước bao Mm 950x750x1020 Khoảng sáng gầm Mm 100 Tự trọng Kg 30 Công suất động điện W 150 (x2) Tốc độ tối đa Toàn tải Km/h Kg 150 17 2.1.1.4 Tính tốn thơng số động học xe điện a) b) c) d) e) Xác định tỷ số truyền Chọn phương án truyền động Tính tốn truyền xích Khả leo dốc tơ độ dốc cực đại Đồ thị cân lực kéo Bảng 2 Kết tính tốn lực kéo n(v/p) v(m/s) Mdc Mk Pk Pf Pw Pc 50 0.20 19.10 71.04 444 19 0.12 19.12 100 0.40 9.55 35.52 222 19 0.24 19.24 150 0.60 6.37 23.68 148 19 0.36 19.36 200 0.79 4.78 17.76 111 19 0.48 19.48 250 0.99 3.82 14.21 89 19 0.60 19.60 300 1.19 3.18 11.84 74 19 0.72 19.72 350 1.39 2.73 10.15 63 19 0.83 19.83 400 1.59 2.39 8.88 56 19 0.95 19.95 450 1.79 2.12 7.89 49 19 1.07 20.07 500 1.99 1.91 7.10 44 19 1.19 20.19 550 2.19 1.74 6.46 40 19 1.31 20.31 f) Thiết kế chế tạo khung xe tay cầm cho xe điện cá nhân 2.1.2 Tính chọn động điện Bảng Các thơng số động 18 STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Điện áp U 24 V Công suất N 100 W Mô men M 1,36 N.m Số vòng quay nM 700 Vòng/phút 2.1.3 Tính chọn ắc quy 2.2 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC XE ĐIỆN CÁ NHÂN 2.2.1 Cơ sở lý thuyết  Tọa độ trọng tâm xe điện thiết kế theo chiều dọc : a: khoảng cách từ trọng tâm xe điện đến trục trước b: khoảng cách từ trọng tâm xe điện đến trục sau  Tọa độ trọng tâm xe theo chiều cao hg : Căn vào giá trị thành phần trọng lượng tọa độ trọng tâm chúng, ta xác định tọa độ trọng tâm xe theo công thức [1]: m a  (G l ) i 1 m i i G i 1 (2.1) i b=L–a (2.2) m h  (G h ) i i i 1 (2.3) m G i 1 i Trong : li: Khoảng cách từ tâm vết tiếp xúc bánh trước đến toạ độ trọng tâm thành phần khối lượng hi: Chiều cao trọng tâm thành phần khối lượng 19 G: Trọng lượng thân xe Các thành phần khối lượng bao gồm : Gk : Trọng lượng khung xương Gct: Trọng lượng trục trước bánh xe Gcs: Trọng lượng bánh xe sau Gm: Trọng lượng động Gat: Trọng lượng acquy trước Gas: trọng lượng acquy sau; Gl : trọng lượng tay lái Bỏ qua trọng lượng khối mạch điều khiển  Phân bố trọng lượng lên cầu: Z1  G.b L Z2=G–Z1 2.2.2 Trường hợp không tải Sơ đồ phân bố trọng lượng xe điện sau: (2.4) (2.5) 20 G l G G G at as ct G G k cs G m 520 21 G l G G ct at G G G as m G cs k Hình 12 Sơ đồ phân bố tải trọng xe điện khơng tải Ta có bảng số liệu sau : Bảng Phân bố lượng xe điện không tải Trọng lượng S T Tên gọi T KH (Kg) Li Hi (mm) (mm) Gi.li Gi.hi Khung xương Gk 240 190 2160 1710 Trục trước bánh xe trước Gct 135 675 Bánh xe sau Gcs 520 60 520 60 Động Gm 250 105 1000 420 Acquy trước Gat 200 150 600 450 Acquy sau Gas 275 150 825 450 22 Tay lái Tổng Gl Σ 30 -200 580 -1000 2900 4105 6665 2.2.3.Trường hợp đầy tải Các thành phần trọng lượng gồm : G : Trọng lượng xe không tải Gn : Trọng lượng người điều khiển (1 người) Sơ đồ phân bố trọng lượng : Gn G Hình 13 Sơ đồ phân bố tải trọng xe điện đầy tải 23 Bảng Phân bố trọng lượng xe điện đầy tải Trọng lượng STT Tên gọi li(mm) KH hi(mm) Gi.li Gi.hi (Kg) Trọng lượng xe không tải Gk 30 150 220 4500 6600 Trong lượng người điều khiển Gn 60x2 320 845 24000 63375 Σ 150 28500 69975 Tổng 2.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN: Trên sở khảo sát, lựa chọn, tính tốn, thiết kế tác giả thiết kế chế tạo phần khí xe điện cá nhân bánh sử dụng nguồn lượng từ Ắc qui( 12V-12Ah), hệ thống lái điện, có tốc độ tối đa 8Km/h Sử dụng hai động điện chiều DCMY6812(100W) tạo nguồn động lực độc lập cho bánh trước Bánh sau dẫn hướng sử dụng bánh xe đa hướng, không gây cưỡng động học xe quay vòng 24 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 3.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Cảm biến tay ga Cảm biến góc lái Bộ điều khiển Trung tâm Arduino Mega 2560 Mạch công suất bên trái Động DC bên trái Cảm biến tốc độ bên trái Mạch công suất bên phải Cảm biến tốc độ bên phải Động cơDC bênphải Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 3.1.2 Chiến thuật điều khiển Việc điều khiển xe tiến, lùi, quay phải, quay trái dựa vào việc thay đổi tốc độ, chiều quay động dẫn động bánh xe Tốc độ góc bánh xe: Bánh xe phía ngồi: outter = S + /2 (2.1) Bánh xe phía trong: inner = S - /2 (2.2) Khi xe thực tiến tới phía trước lùi phía sau: Tốc độ góc bánh xe hai phía nhau, lúc độ chênh lệch tốc độ góc () khơng 25 Khi xe thực quay trái quay phải tốc độ góc hai bánh xe chênh lệch lượng , chênh lệch phụ thuộc vào góc quay tay lái =0(1+K0) 3.1.3 Thiết kế mạch điều khiển 3.2 CẢM BIẾN 3.2.1 Cảm biến góc lái 3.2.2 Cảm biến tay ga 3.2.3 Cảm biến tốc độ 3.3 CƠ CẤU CHẤP HÀNH 3.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM 3.5 THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN 3.6 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.6.1 Chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái 3.6.2 Chương trình nhận tín hiệu từ tay ga 3.6.3 Chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ (2.3) 26 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 KẾT QUẢ - Đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, lắp ráp hoàn thiện hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Xe điện vận hành an toàn, ổn định, di chuyển linh hoạt địa hình phẳng sân bay, nhà xưởng, khn viên trường đại học với tốc độ tối đa Km/h - Tuy nhiên, hạn chế đề tài: kiểu dáng xe chưa đẹp, chưa có hệ thống treo, hệ thống chiếu sáng 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Tối ưu kích thước xe, kiểu dáng xe điện Tiếp tục cải tiến hệ thống treo để xe hoạt động tốt khu vực khác - Bố trí thêm hệ thống chiếu sáng để xe di chuyển ban đêm - Phát triển thêm hệ thống điều khiển xe tự hành, hệ thống định vị, giao tiếp qua smart phone ... cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân bánh ’ đề tài nhằm mục đích thiết kế, chế tạo xe điện cá nhân chạy hoàn toàn lượng điện, điều khiển điện, đặt tảng cho việc thiết kế sản... nước tạo nét để khẳng định nguồn nhân lực người Việt Nam MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu thiết kế chế tạo kết cấu khí xe điện  Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển xe ĐỐI TƯỢNG VÀ... thiết kế xe điện cá nhân cỡ nhỏ bốn bánh (ba bánh) 14 a) b) 2 4 Hình 2.3 Phương án thiết kế xe điện cá nhân bánh, bánh a) Phương án thiết kế xe bốn bánh ; b) Phương án thiêt kế xe ba bánh – Tay