Thiết kế, mô phỏng đặc tính làm việc ô tô điện 4 bánh (Link file CAD ở trang cuối)

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Dưới hướng dẫn TS.Đàm Hoàng Phúc, giúp đỡ tạo điều kiện thầy giáo Bộ mơn Ơ tơ xe chuyên dụng, Viện khí động lực, hỗ trợ bạn đồng nghiệp, nhóm em thực hoàn thành nội dung nghiên cứu đề án tốt nghiệp Nhóm em xin gửi lời cảm ơn tới giáo viên hướng dẫn, tới tập thể thầy giáo, cán Bộ môn Viện chuyên nghành, thời gian thực đồ án nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ tạo điều kiện để đồ án nhóm em đạt kết định Do thời gian hạn chế, nội dung nghiên cứu trải rộng nhiều lĩnh vực khác nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý thầy, anh chị đồng nghiệp để đề tài hồn thiện q trình nghiên cứu Hà Nội, 01/01/2017 Nhóm tác giả MỞ ĐẦU Tiếp theo phát triển ô tô hybrid, ô tô điện nhiều hãng ô tô nghiên cứu phát triển nhằm khắc phục yếu điểm nhiên liệu hóa thạch nhiễm mơi trường tình hình cạn kiệt nguồn nhiên liệu Hiện nay, nhu cầu xe điện nhu cầu có thật Việt Nam Một số khu du lịch Ninh Bình, Quảng Ninh, Hà Nội, … đưa xe điện vào phục vụ hiệu Bên cạnh đó, nhà sản xuất tơ điện nước ngồi xây dựng lộ trình để đưa sản phẩm họ vào Việt Nam Tại Việt Nam, đối tượng chưa nhận nhiều quan tâm nhà khoa học, giới doanh nghiệp nhà làm sách, nên chưa có nhiều nghiên cứu tơ điện Ơ tơ điện nhằm cải thiện nhiễm mơi trường, gặp phải khó khăn vấn đề cung cấp lượng điện để hoạt động Ơ tơ điện có hai nhược điểm quan trọng lượng trữ thấp giá thành cao Từ nhu cầu thực tế trên, dịng xe tơ điện cỡ nhỏ giá thành vừa phải đáp ứng tiêu chí tơ giá rẻ với tính bật nhằm phục vụ cho người tham gia giao thông an tồn hơn, tiện nghi hơn, có khả thay xe mô tô bánh cấp thiết Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản phẩm với quy mơ thương mại đóng góp nhiều cho việc bảo vệ mơi trường, đảm bảo an tồn giao thơng tiến trình nội địa hóa tạo nên ngành công nghiệp phụ trợ mạnh cho công nghiệp ô tô điện nói riêng cho cơng nghiệp tơ Việt Nam nói chung Trong giới có bước tiến dài công nghệ chế tạo ô tô điện, Việt Nam khơng thể đứng ngồi dịng chảy xu tất yếu không muốn tụt hậu xa Việc tự nghiên cứu thiết kế, chế tạo tơ điện góp phần thúc đẩy phát triển cơng nghiệp phụ trợ Điều hồn toàn phù hợp với chủ trương mong muốn Chính phủ chiến lược phát triển ngành cơng nghiệp ô tô Việt Nam nói chung Trong ô tô điện vấn đề dự trữ quản lý dòng lượng vấn đề phức tạp, gây hạn chế tính xe vận tốc quãng đường xe chạy Trên thực tế nguồn lượng vấn đề quan tâm hàng đầu lĩnh vực đầu tư lớn nghiên cứu ô tô điện Qua phân tích cho thấy đề tài:”Thiết kế, mơ đặc tính làm việc tơ điện bánh.” có ý nghĩa khoa học thực tiễn nhóm định chọn đề tài làm đồ án tốt nghiệp, đề tài đóng góp phần nghiên cứu chế tạo ô tô điện Việt Nam Với nội dung đồ án bao gồm có chương với nội dung tổng quan sau: Chương 1: Tổng quan lịch sử phát triển xe điện Chương 2: Thiết kế tính tốn động lực học, chọn nguồn lượng phân bố khối lượng xe điện Chương 3: Mô hệ thống truyền động xe điện Kết Luận Đồ án nhóm hồn thành khơng thể tránh khỏi thiếu sót Nhóm em mong nhận góp ý chân thành thầy Nhân dịp nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Đàm Hoàng Phúc người dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn chúng em việc định hướng nghiên cứu phương pháp giải vấn đề đặt ra, để hoàn thành đồ án tốt nghiệp Chúng em xin trân trọng cảm ơn thầy cô môn ô tô xe chuyên dụng Viện Cơ khí Động lực hết lịng giúp đỡ chúng em nghiên cứu học tập CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XE ĐIỆN 1.1 Giới thiệu ô tô điện 1.1.1 Sơ lược lịch sử tơ điện a Thời kỳ đầu Ơ tô điện khái niệm mà thực tế có lịch sử lâu đời Từ đầu kỷ 19, xe chạy nguồn lượng điện có vị cạnh tranh tương đương với xe chạy động nước Vào khoảng năm 1832 1839, Robert Anderson người Scotland phát minh loại xe điện chuyên chở Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ Thomas Davenport Scotsmen Robert Davidson trở thành người đưa ắc quy vào sử dụng cho ô tô điện Đến năm 1865, Camille Faure thành công việc nâng cao khả lưu trữ điện ắc quy, giúp cho xe điện di chuyển quãng đường dài Pháp Anh hai quốc gia đưa ô tô điện vào phát triển hệ thống giao thông vào cuối kỷ 18 [1] Chiếc xe đua sử dụng động điện Edison xe Detroit (1914) La Jamais Contente (1899) Hình 1.1 Ơ tơ điện thời kỳ đầu b Suy yếu biến Đến đầu kỷ 20, ô tô điện trở nên yếu so với ô tô sử dụng động đốt nguyên nhân sau: Vào thời điểm này, người ta tìm mỏ dầu lớn giới dẫn đến việc hạ giá thành dầu sản phẩm dẫn xuất toàn cầu Vấn đề nhiên liệu cho xe chạy động đốt trở nên đơn giản - Về giá thành, năm 1928, xe chạy điện có giá khoảng 1750USD, xe chạy xăng có giá khoảng 650USD [1] - Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động đốt cơng nghiệp tơ có tiến vượt bậc: Charlé Kettering phát minh khởi động cho xe chạy xăng, Henry Ford phát minh động đốt có giá thành hạ,… Kết đến năm 1935, ô tô điện gần biến cạnh tra với xe chạy động đốt [1] c Sự trở lại phát triển Bắt đầu từ thập niên 60, 70 kỷ trước, giới phải đối mặt với vấn đề lớn mang tính tồn cầu: - Vấn đề lượng: nguồn lượng hóa thạch dầu mỏ, than đá vô tận, chúng có khả bị cạn kiệt khơng thể tái tạo Các phương tiện giao thông sử dụng trực tiếp nguồn lượng (xăng, dầu) chắn khơng tồn tương lai Trong đó, điện loại lượng linh hoạt, chuyển hóa từ nhiều nguồn lượng khác, có nguồn lượng tái tạo vơ tận lượng gió, mặt trời, sóng biển, …Do vậy, phương tiện sử dụng điện phương tiện tương lai - Vấn đề môi trường: khơng khó để nhận mơi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng, mà nguyên nhân khí thải từ phương tiện giao thơng, đặc biệt tơ Ơ tơ điện lời giải triệt vấn đề hồn tồn khơng có khí thải Như vậy, ta thấy ô tô điện giải pháp tối ưu cho hai vấn đề lớn, lý khiến trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau kỷ 20 trở lại ngày trở thành mối quan tâm lớn ngành công nghiệp ô tô nhà khoa học tồn giới 1.1.2 Tình hình sản xuất sử dụng tơ điện a Tình hình sản xuất sử dụng ô tô điện giới * Hoa Kỳ Ngay từ năm 60 kỷ trước, Hoa Kỳ quan tâm đến vấn đề ô nhiễm môi trường ô tô gây ra, Bang California khuyến khích nhà sản xuất xe máy tô sản xuất xe ô tô điện chương trình xe nhiễm (Low Emission Vehicle Program) Những quy định pháp lý (tiêu chuẩn khí thải…) hàng loạt ưu đãi với người sử dụng loại xe ô nhiễm Bang California (ưu đãi thuế, vay vốn, đường ưu tiên tránh tắc đường…) khiến cho nhà sản xuất xe tập trung phát triển xe ô tô điện Tất nhiên xe ô tô điện nạp điện từ lưới điện quốc gia sử dụng phần lớn nhà máy nhiệt điện Các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch (khí, than đá, dầu mỏ) để phát điện Như chất lượng điện để nạp cho xe điện Đã có nhiều nghiên cứu tiến hành để so sánh tương đương độ phát thải hiệu suất sử dụng lượng động với Điển hình nghiên cứu Bauen and Hart in Hoogers sử dụng khái niệm hiệu suất “từ giếng dầu tới bánh xe” (well to wheel) [1] để so sánh lượng xe trang bị động với Một số kết phân tích tác giả trình bày hình 1.2, 1.3 1.4 Hình 1.2 Mức độ phát thải khí CO2 tương đương loại động đốt điện Hình 1.3 Hiệu suất lượng tương đương loaị động đốt điện Hình 1.4 Mức độ phát thải tương đương loại động đốt điện Từ kết thể đồ thị hình 1.2, 1.3 1.4 ta dễ dàng nhận thấy: tất dạng xe điện cho hiệu nhiên liệu phát thải tốt nhiều sơ với tất dòng xe trang bị động đốt Trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Ô tô điện Edison California năm 2009, tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama công bố khoản đầu tư 2,4 tỷ Đô-la Mỹ cho việc thúc đẩy nghiên cứu ô tô điện Khoản đầu tư phân bố hình 1.5 Hình 1.5 Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện Hoa Kỳ từ năm 2009 Cấu hình hệ truyền động biến đổi - động hệ thống lượng phân phối cho xe điện diễn tả hình 1.6 1.7 Hình 1.6 Cấu hình hệ truyền động cho xe điện Hinh 1.7 Minh họa hệ thống lượng phân phối xe điện Đây chìa khóa cơng nghệ xe điện tương lai Tuy nhiên, vấn đề vô quan trọng khác mô hoạt động xe Từ đưa hệ thống chuẩn đốn báo lỗi tơ điện, giúp xe hoạt động an toàn ổn định xe động đốt Ngoài ra, xe tiết kiệm tối đa lượng trình tăng tốc, giảm tốc,… * Châu Âu Tại Châu Âu, xe plug-in hybrid biến đổi điện tử công suất vấn đề quan tâm nghiên cứu Ơ tơ điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) loại xe sử dụng hỗn hợp lượng xăng điện tên gọi “hybrid” Thuật ngữ “plug-in” cho biết xe có nạp tích hợp sẵn, người dùng cần cắm điện vào nguồn lưới dân dụng mà khơng cần nạp bên ngồi Một số dòng xe hybrid lưu hành Việt Nam Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Honda Civic Hybrid, … 10 Hình 3.29 Đồ thị khảo sát chân ga dạng “Step” 82 Ở mức bàn đạp ga ga 0,2 thời gian đạt đến vận tốc 60 km/h lớn gần gấp đơi so với mức 0,3; mức chân ga cịn lại thời gian tăng tốc đến 60 km/h xấp xỉ giống Ở vị trí chân ga, gia tốc ban đầu đạt cực đại sau giảm dần theo quy luật đường đặc tính momen động hình 3.30, đạp ga lớn momen cực đại đạt lớn đạt giá trị lớn 1,42 m/s2 đạp hết chân ga Khi vị trí chân ga 0,2 momen cực đại đạt nhỏ, nằm vùng gia tốc không chịu ảnh hưởng tốc độ quay động Hình 3.30.Đường đặc tính động Đầu vào Step Thời gian tăng tốc Step 0.2 10 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 56 43 39 37 36 35 33 31 Điều kiện dừng v = 60 (km/h) Bảng 3.3 Kết mô thời gian tăng tốc kiểu Step Từ bảng kết ta thấy từ step0,2 đến step0,4 thời gian tăng tốc có thay đổi nhiều, từ step0,5 thời gian tăng tốc gần không thay đổi chứng tỏ từ mức step0,5 trở thời gian tăng tốc không bị ảnh hưởng nhiều mức đạp ga 83 3.2.1.2 Khảo sát chân ga dạng “Ramp” Hình 3.31 Đồ thị khảo sát chân ga dạng “Ramp” 84 Nhìn vào đồ thị ta thấy, người lái đạp chân ga nhanh, gia tốc đạt lớn, thời gian để xe đạt vận tốc 60km/h nhanh nhiên điện lượng tiêu thụ gần không thay đổi (từ đồ thị SOC) Từ đồ thị gia tốc ta thấy đạp ga từ từ biên độ nhanh (ramp2, ramp5) gia tốc đạt cực đại 1.42 m/s2 sau giảm dần theo quy luật đường đặc tính động Còn lại trường hợp đạp ga biên độ vừa (từ ramp10 trở đi) gia tốc khơng đạt cực đại 1.42 mà trường hợp giảm đặc tính làm việc động Dầu vào Ramp (tram)s Thời gian tăng tốc Ramp Điều kiện dừng 36 37 10 39 15 42 20 25 30 44 46 48 v = 60 (km/h) 35 50 40 52 45 53 Bảng 3.4 Kết mô thời gian tăng tốc dạng Ramp Từ kết mô ta thấy thời gian tăng tốc dạng Ramp ta đạp ga biên độ nhanh tới hết ga thời gian tăng tốc ngắn ngược lại Do để đánh giá hiệu hai cách thức tăng tốc, nhóm em đề xuất đánh giá qua gia tốc trung bình aavg điện lượng cịn lại ắc quy SOC Gia tốc trung bình tính tỷ số vận tốc cuối trình tăng tốc thời gian tăng tốc: (m/s2) SOC xác định thời điểm kết thúc trình tăng tốc Đồ thị mô tả mối liên hệ gia tốc trung bình SOC Hình 3.32 Đồ thị liên hệ gia tốc trung bình aavg trạng thái điện lượng SOC 85 50 55 Ta rút rằng, với giá trị gia tốc, điện lượng tiêu thụ hai cách thức tăng tốc khác Nếu người lái cần tăng tốc nhanh đạp ga đột ngột 100% tốt Nếu tăng tốc chậm, người lái nên đạp ga từ từ Các thơng số thơng tin hỗ trợ nghiên cứu phận điều khiển động xe điện 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng vận tốc tới khả làm việc xe Khi muốn tăng tốc hay giữ tốc độ ổn định đó, người lái cần thay đổi vị trí chân ga đến xe đạt tốc độ mong muốn Mục tiêu phần nhằm khảo sát ảnh hưởng yếu tố vận tốc, gia tốc tới khả làm việc xe Do đó, cần xây dựng thêm mơ hình người lái; mơ hình chuyển đổi tín hiệu vận tốc, gia tốc mong muốn thành tín hiệu vị trí chân ga Bằng việc ứng dụng điều khiển PID Matlab-Simulink, ta xây dựng mơ Hình 3.33 Hình 3.33 Mơ hình ngưới lái Mơ hình khảo sát ảnh hưởng vận tốc, gia tốc tới khả làm việc xe mô tả Hình 3.24 86 vr toa Battery model V vrq Driver model Pin Motor control Trq DOC/SOC/ V/taq/ T Motor model v/ ω Vehicle model ω/a Hình 3.34 Mơ hình khảo sát vận tốc, gia tốc tới khả làm việc xe Các thông số điều kiện khảo sát mơ tả Bảng 3.5 Hình 3.35 Bảng 3.5 Bảng thông số khảo sát vận tốc Khảo sát vận tốc Đầ u vào v (km/h) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ta (s) 7.042 10.56 14.08 17.60 21.127 24.64 28.16 31.69 35.21 a (m/s2) 1.42 Điều kiện dừng DOC = 0.5 87 55 59 38.73 41.549 Hình 3.35: Đồ thị tín hiệu vận tốc đầu vào 3.2.2.1 Khảo sát đặc tính làm việc xe vận tốc khác 88 Hình 3.36 Đồ thị đặc tính làm việc xe vận tốc khác Đồ thị khảo sát vận hành xe vùng vận tốc khác nhau, từ 10km/h tới 59km/h với gia tốc không đổi 1,42 m/s2 Khi vận tốc tăng, dòng điện động điện tăng dần bắt đầu đạt cực đại I max = 114(A) Mô men chủ động bánh xe đạt cực đại T= 175Nm vận hành giảm dần xe đạt tốc độ 28km/h 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng gia tốc xe tới khả làm việc xe Các thông số điều kiện khảo sát mô tả Bảng 3.7 Bảng 3.7 Bảng thông số khảo sát gia tốc 89 Khảo sát gia tốc a Đầu (m/s2) vào ta (s) Điều kiện dừng 0.2 0.3 0.4 83.3 55.5 41.6 v = 60 (km/h) 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 33.3 27.7 23.8 20.8 18.5 16.6 15.1 13.8 Hình 3.37: Đồ thị thay đổi tín hiệu gia tốc đầu vào 3.2.3.1 Khảo sát đặc điểm tăng tốc 90 1.3 1.4 12.8 11.9 Hình 3.38 Đồ thị đặc điểm tăng tốc 91 Để đánh giá đặc điểm tăng tốc xe điện, đồ án khảo sát gia tốc 0.2-1.4m/s2 xe tăng tốc từ 0-60km/h Đường nét liền đường vận tốc, gia tốc thực tế; đường nét đứt đường vận tốc, gia tốc yêu cầu Nhìn vào đồ thị ta dễ nhận thấy rằng, người lái yêu cầu gia tốc lớn khả đáp ứng xe Gia tốc tức thời cao mà xe đạt 1,42m/s 2, trì khoảng 4s đầu khởi hành Sau gia tốc xe giảm nhanh, gần giống tất trường hợp 3.2.3.2 Khảo sát khả tăng tốc Để tìm đặc tính tăng tốc xe điện, ta mơ xe điều kiện chuyển động, dừng trình mơ xe đạt tốc độ tối đa 60km/h Lần lượt yêu cầu xe tăng tốc từ 0.2 m/s2 đến 1.4 m/s2 thu lại kết chuyển động thực tế Kết mô đưa đồ thị sau: Hình 3.39 Đồ thị khả tăng tốc xe điện Nhìn vào đường đồ thị thấy xe có khả tăng tốc tốt khoảng gia tốc nhỏ 0.3 m/s2 Khả tăng tốc trung bình tối đa đạt đượtc 0.49 m/s Đặc tính tăng tốc xe phù hợp với đặc điểm chuyển động thành phố Việt Nam 92 3.2.3.3 Đồ thị mối liên hệ gia tốc SOC Hình 3.40.Đồ thị mối liên hệ gia tốc SOC Đồ thị thể mối liên hệ gia tốc trung bình với điện lượng SOC mà ắc quy cịn lại sau q trình tăng tốc Khi gia tốc xe lớn, điện lượng mà ắc quy lại nhiều Kết luận chương Thực chất việc mơ hình hóa nhằm giúp người thiết kế kiểm nghiệm đánh giá cách trực quan hệ thống truyền động học xe điện Giúp việc thay đổi, tối ưu hệ thống dễ dàng, nhanh chóng tiết kiệm chi phí chế tạo thử Thơng số xe trích từ đề tài thiết kế tính tốn xe điện bốn bánh nhóm thiết kế; hệ số kinh nghiệm ắc quy chì- axit kế thừa từ nghiên cứu thực nghiệm tác giả Massimo Ceraolo, Robym A Jackey, … Do kết mơ hình có mức tin tưởng cao, thơng số cho nghiên cứu tiếp sau Qua kết khảo sát thực tế mà nhóm thiết kế xe điện thực với kết mô cho thấy việc lựa chọn xe điện khu vực nội hồn tồn đắn 93 Kết luận Hệ thống động lực sử dụng xe điện ngày đa dạng, bố trí thiết kế theo nhiều phương thức khác Trong khuổn khổ đồ án tốt nghiệp nhóm em giải vấn đề sau: - Nghiên cứu, tìm hiểu cách tổng quan phát triển tơ điện - Tính tốn lựa chọn hệ thống truyền động xe điện - Tính chọn nguồn lượng xe điện - Xây dựng mô hình động lực xe điện, q trính phóng điện ắc quy, mơ hình động điện, mơ hình người lái, - Mơ phỏng, tìm hiểu yếu tố ảnh hưởng đến khả vận hành xe điện Để hoàn thiện mục tiêu đề ra, đồ án cần hoàn thiện thêm số nội dung nghiên cứu sau: - Tính tốn thiết kế hệ thống khác xe phanh, treo, lái - Tính tốn khả quay vòng, ổn định nganh, ổn định dọc - Xây dựng mơ hình mơ q trình xe giảm tốc phanh - Xây dựng mơ hình mơ trình xe nạp tái sinh - Đề xuất phương án xây dựng điều khiển mô tơ giúp tối ưu khả tăng tốc Kết đồ án sở cho hướng nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực điện xe điện Tuy nhiên, kết đồ án kết nghiên cứu bước đầu Đồ án cần phát triển nghiên cứu thêm nhằm ứng dụng vào thực tiễn lớn 94 Tài liệu tham khảo [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí (tập 1)”, Nhà xuất giáo dục, 2009 [2] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí (tập 2)” , Nhà xuất giáo dục, 2009 [3] “ Đồ án thiết kế chế tạo ô tô chỗ sử dụng lượng điện-nhiệt ”, Luận văn tốt nghiệp đại học Bách Khoa Đà Nẵng [4] Nguyễn Khắc Trai, Nguyễn Trọng Hoan, Hồ Hữu Hải, Phạm Huy Hường, Nguyễn Văn Chưởng, Trịnh Minh Hồng, “Kết cấu tơ ”, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2009 [5] Massimo Ceraolo, “New Dynamical Models of Lead-Acid Batteries”, IEEE Transactions on power systems, Vol 15, No.4, November 2000 [6] Massimo Ceraolo, “Dynamical Models of Lead-Acid Batteries: Implementation Issues”, IEEE Transactions on energy conversion, VOL 17, No.1, March 2002 [7] Robyn A Jackey, “A simple, Effective Lead-Acid modeling process for electrical system component selection”, 2007 [8] Antonio Manenti, Simona Onori, Yann Guezennec, “A new modeling approach to predict ‘Peukert Effect’ for lead acid batteries”, Milano, 2011 Link CAD https://drive.google.com/drive/folders/17mRlc33CXfaXJI5eYaEKfWcNaLbr 7fnL?usp=sharing 95 96 ... ô tô điện với đề tài KC03-08 Đây đề tài khoa học nghiên cứu trường đại học nội dung thực giới hạn việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thành phần ô tô điện hệ truyền động hệ điều khiển cho ô tô điện. .. năm 60 kỷ trước, Hoa Kỳ quan tâm đến vấn đề ô nhiễm môi trường ô tô gây ra, Bang California khuyến khích nhà sản xuất xe máy ô tô sản xuất xe ô tô điện chương trình xe nhiễm (Low Emission Vehicle... triển xe ô tô điện Tất nhiên xe ô tô điện nạp điện từ lưới điện quốc gia sử dụng phần lớn nhà máy nhiệt điện Các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch (khí, than đá, dầu mỏ) để phát điện