Những năm gần đây, cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ IV (Industrie 4.0), đang xảy ra rất nhanh và mạnh mẽ trên toàn thế giới. Trong lĩnh vực cơ khí ô tô cũng vậy, cách mạng công nghiệp lần thứ IV trong ngành chính là cuộc cách mạng về xe hibrid, xe điện và xe tự lái. Bài viết trình bày tính toán lựa chọn nguồn động lực dùng năng lượng điện cho xe du lịch 5 chỗ, khi thay thế động cơ xăng bằng động cơ điện.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu tính tốn nguồn động lực dùng lượng điện cho xe du lịch chỗ The research on calculating the electrical power unit for 5-passenger vehicles Nguyễn Huy Trưởng1,*, Phạm Việt Thành2 Viện Kỹ thuật giới quân Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: nguyenhuytruonghd@gmail.com Mobile: 0972-961-666 Tóm tắt Từ khóa: Động điện; Nguồn động lực điện; Xe điện; Xe hybrid; Bài báo trình bày tính tốn lựa chọn nguồn động lực dùng lượng điện cho xe du lịch chỗ, thay động xăng động điện Abstract Keywords: Electric motor; Electrical power unit; Electric vehicle (EV); Hybrid electric vehicle (HEV) This paper presents the calculation of choosing electric power source for 5-passenger vehicles, when replacing petrol engine by electric motor Ngày nhận bài: 06/07/2018 Ngày nhận sửa: 06/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Những năm gần đây, cách mạng công nghiệp lần thứ IV (Industrie 4.0), xảy nhanh mạnh mẽ tồn giới Trong lĩnh vực khí ô tô vậy, cách mạng công nghiệp lần thứ IV ngành cách mạng xe hibrid, xe điện xe tự lái Các hãng chế tạo ô tô ứng dụng công nghệ xe điện, xe tự lái trước chưa tiếng Tesla, Uber, Grab, nhờ áp dụng tiến khoa học cách mạng lần thứ IV, áp dụng vào ngành khí tơ, họ thu thành phát triển nhanh chóng, thành công ty lớn giới Hiện nay, hãng chế tạo ô tô truyền thống giới cho đời xe hybrid, xe điện thành sản phẩm thương mại hóa Song song với việc nghiên cứu chế tạo việc tận dụng khung gầm xe cũ dùng nhiên liệu hóa thạch chuyển đổi sang xe dùng nguồn động lực điện hướng nghiên cứu Chính vậy, việc tính tốn lựa chọn nguồn động lực điện chuyển đổi từ động dùng nhiên liệu sang động điện hướng cần nghiên cứu, giải pháp phù hợp cho nước có cơng nghiệp tơ cịn nhỏ lẻ nước ta HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN THAY THẾ Bài báo nghiên cứu việc chọn nguồn động lực động điện thay cho động xăng xe nguyen thủy, nên kết cấu hệ thống xe có sẵn Ngồi ra, động điện nhà chế tạo cung cấp theo chủng loại cơng suất Chính việc lựa chọn động điện thay thực theo bước: b1-lựa chọn loại động điện phù hợp; b2- nghiên cứu việc nối ghép động điện vào xe cho hợp lý thay đổi kết cấu nhất; b3- tính tốn kiểm nghiệm lại động lựa chọn 2.1 Lựa chọn động điện Động điện nghiên cứu, chế tạo ứng dụng từ lâu đời sống xã hội Một số loại động điện sử dụng ô tô điện là: động không đồng (động cảm ứng), động nam châm vĩnh cửu, động chiều, động từ trở chuyển mạch 2.1.1 Động chiều truyền thống Động chiều sử dụng khả tạo mômen lớn vùng tốc độ thấp đặc tính mơmen - tốc độ phù hợp cho truyền động kéo, đặc biệt động chiều kích từ nối tiếp Việc điều chỉnh tốc độ mở rộng dải tốc độ động dễ thực điều chỉnh điện áp Các động kích từ hỗn hợp vừa có mơmen khởi động lớn lại có khả mở rộng dải tốc độ cách điều chỉnh giảm từ thơng kích từ Tuy nhiên, động chiều truyền thống có kích thước trọng lượng lớn, hiệu suất thấp, độ tin cậy kém, gây nhiễu điện từ, gây ồn, cần thường xuyên phải bảo dưỡng có cấu chuyển mạch khí Ngồi ra, có ma sát chổi than cổ góp nên hạn chế tốc độ động Động chiều tồn ô tô điện từ thập kỷ 70 80 2.1.2 Động không đồng Động không đồng có cấu trúc đơn giản, tin cậy, hoạt động êm, phải bảo dưỡng, có khả hoạt động mơi trường khắc nghiệt Do khơng có cấu chuyển mạch khí nên cho phép mở rộng dải tốc độ động Việc điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi tần số nguồn thực dễ dàng nhờ có biến tần bán dẫn cơng suất lớn thuật tốn điều khiển tối ưu theo tiêu khác Thuật toán điều khiển tựa từ thông rôto (FOC) cho phép động đạt đặc tính động chiều kích từ độc lập Thuật tốn cho phép mở rộng dải tốc độ động cách điều chỉnh giảm từ thông Tuy nhiên, động có hiệu suất khơng cao có tổn hao đồng tổn hao thép rôto 2.1.3 Động chiều khơng cổ góp Động chiều khơng cổ góp (BLDC) có ưu điểm bật hiệu suất cao mật độ cơng suất lớn khơng có cuộn dây kích từ rơto Dải tốc độ làm việc mở rộng kỹ thuật điều khiển sớm pha Động có qn tính nhỏ có tính tác động nhanh Những ưu điểm phù hợp cho việc ứng dụng xe, mà vấn đề giảm trọng lượng toàn xe tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu đặt cấp thiết Trước kia, tốc độ mômen động bị hạn chế độ bền khí rơto Hiện có cơng nghệ nhúng nam châm vào lõi rôto để đảm bảo độ bền cho phép động làm việc với mômen lớn tốc độ cao HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.1.4 Động từ trở chuyển mạch Động từ trở chuyển mạch (SRM) có ưu điểm có cấu trúc đơn giản bền vững, độ tin cậy cao, điều khiển đơn giản, dải tốc độ rộng Động có mơmen khởi động lớn mơmen qn tính nhỏ Cấu trúc rơto thực đơn giản khơng có nam châm, cuộn dây cấu chuyển mạch khí Do dải tốc độ rộng nên phù hợp cho trường hợp hệ truyền động khơng sử dụng hộp số Do khơng có tổn hao rôto nên động SRM phù hợp cho môi trường nhiệt độ cao Nhược điểm động từ trở chuyển mạch mạch đập mômen lớn Việc lựa chọn loại động phù hợp cho ô tô điện phụ thuộc vào nhiều tiêu chí Nếu tiêu chí hàng đầu giá thành rẻ đơn giản điều khiển động chiều truyền thống lựa chọn phù hợp Động không đồng xử dụng số ô tô điện kế thừa công nghệ phát triển công nghiệp, nhiên có khối lượng lớn nên khơng phù hợp tô điện lai ô tô điện đại Để vừa đạt tiêu chí giá thành tiêu chí hiệu suất động tiêu chí ưu tiên hàng đầu Vì loại động chiều khơng cổ góp (BLDC) lựu chọn phù hợp số ưu điểm sau: - Có mơmen lớn vùng tốc độ thấp để đảm bảo khả khởi động tăng tốc; - Dải tốc độ rộng công suất đủ lớn vùng tốc độ cao; - Đáp ứng nhanh với thay đổi mômen tải; - Hiệu suất cao; - Kích thước trọng lượng nhỏ; - Làm việc tin cậy bền vững; - Giảm nhiễu điện từ làm việc; - Động có mơ men khởi động lớn mơ men qn tính nhỏ, dễ dàng điều khiển 2.2 Lựa chọn phương án nối ghép Việc nối ghép thực việc thay động điện vị trí động xăng nguyên thủy giữ nguyen lại hệ thống khác xe Tuy nhiên, động điện đặc điểm có mơ men lớn tốc độ thấp dải tốc độ làm việc rộng so với động xăng, nên việc nối ghép thực cách giữ nguyên hộp số loại bỏ hộp số xe nguyên thủy 1- Cầu trước; 2- Động cơ; 3- Hộp số; 4- Hộp số phân phối; 5- Cầu sau Phương án giữ lại hộp số 1- Cầu trước; 2- Động cơ; 3- Hộp số phân phối; 4- Cầu sau Phương án bỏ hộp số Hình Sơ đồ nối ghép động điện HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.3 Tính tốn kiểm nghiệm Để tính tốn kiểm nghiệm động điện áp dụng công thức tính đặc tính tốn động lực học theo cơng thức trình bày tài liệu [2] Gồm đại lượng sau: Lực kéo tiếp tuyến xe: Pk M e i0 ih η t , [N] R bx R n v 0,377 bx e , [km/h] i h i (1) (2) Trong đó: Me- Mơ men động cơ, (N.m); Rbx- Bán kính tính tốn xe, (m); ne- Vận tốc góc trục khủy động cơ, (r/min); ih- Tỷ số truyền hộp số; i0- Tỷ số truyền cầu xe; v- Vận tốc xe, (km/h) Nhân tố động lực học xe: D Pk Pw ; m a g (3) K.F.v2 , [N] Trong đó: Pw 3,62 K- Hệ số cản khơng khí, (Ns2/m4); F- Diện tích cản diện xe, F = B0.H, (m2); với: B0 - Chiều rộng lớn xe, (m); H - Chiều cao lớn xe, (m); Pw - lực cản không khí,( N) Gia tốc xe: g (4) J max ( D1 max f ) Trong đó: f- Hệ số cản lăn; max- Độ dốc lớn xe khắc phục được, độ; JmaxGia tốc lớn xe, m/s2; g- Gia tốc trọng trường, m/s2 ; = + 0,05(1 + ik2).Gd / Gb Hệ số ảnh hưởng khối lượng quay + Gd trọng lượng toàn xe ứng với tải định mức, kg + Gb trọng lượng toàn xe ứng với tải bất kỳ, kg Quá trình tăng tốc xe: Quá trình tăng tốc xe trình từ bắt đầu khởi hành đến xe đạt vận tốc lớn (toàn tải, xuất phát từ số 1, = 0,7, đường bằng, f =0,015) Thời gian tăng tốc tính đến xe hết quãng đường 200 m, theo Quy chuẩn Quốc gia QCVN09:2015/BGTVT quy định sau: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 t max 20 0, 4.G (5) Trong đó: f - Thời gian tăng tốc tính đến xe hết quãng đường 200 m, s; G - Khối lượng toàn theo thiết kế xe, Mơ hình xe lựa chọn để áp dụng tính tốn xe NIVA 4x4, với thơng số tính sau: Xe sở Khối lượng toàn tải (khi chưa tính trở hàng) Khối lượng trở hàng Tốc độ lớn Thời gian tang tốc đến tốc độ 100 km/h, xe tồn tải Động - Cơng suất lớn (ở tốc độ vịng quay 5400 r/min) - Mơ men lớn (ở số vòng quay 3000 r/min) Hộp số Hộp số phân phối Truyền lực kg kg km/h s kW (mã lực) N.m số số NIVA 2121 1150 400 132 25 58,8 (80) 124 ih1= 3,342; ih2 = 1,989; ih3 = 1,289; ih4 = 1,00; ipt = 2,135; ipc = 1.2; 4,3 Động điện lựa chọn để thay loại chiều không cổ góp, với thơng số cụ thể sau: Động điện ĐVT Điện áp làm việc Dòng điện định mức Công suất V A kW Mô men lớn N.m Trong trường hợp sử dụng hộp số 72 450 55,77 (ở số vòng quay 5618r/min) 117,55 Trong trường hợp không sử dụng hộp số 72 850 82,6 (ở số vịng quay 5800r/min) 235,1 KẾT QUẢ TÍNH TỐN Áp dụng cơng thức tính động lực học xe trình bày trên, thu kết sau: Không dùng hộp số Xe nguyên thủy Xe điện Hình Đồ thị lực kéo HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Không dùng hộp số Xe nguyên thủy Xe điện Hình Đồ thị nhân tốc động lực học Không dùng hộp số Xe nguyên thủy Xe điện Hình Đồ thị gia tốc Xe nguyên thủy Hình Đồ thị thời gian quãng đường tăng tốc Xe điện HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 KẾT LUẬN Sau nghiên cứu lựa chọn động điện tính tốn, so sánh đặc tính động lực học xe nguyên thủy, xe điện sau lắp động điện có giữ lại hộp số nguyen thủy không dùng hộp số Chúng ta nhận thấy: - Các kết lực kéo nhân tố động lực học gia tốc xe điện trường hợp sử dụng hộp số số truyền thấp tốt không sử dụng hộp số (do mô men kéo tăng lên qua hộp số số truyền thấp) Tuy nhiên, giá trị tốc độ cao lại nhỏ hơn, khả tăng tốc xe trường hợp tốt nhiều (tăng tốc đến 100 km/h chưa đến 10s, so với trường hợp có hộp số gần 40s) - Các kết giải thích khơng sử dụng hộp số sử dụng động điện có cơng suất mô men gần gấp đôi so với trường hợp sử dụng hộp số Và điều liên quan đến công suất nguồn điện cung cấp tăng lên dẫn tới tăng khối lượng xe thời gian nạp đầy ác quy Chính vậy, việc lựa chọn cơng suất động điện công suất nguồn điện phù hợp yếu tố định việc cải tiến - Việc lựa chọn động điện có tính phù hợp để thay động sử dụng nhiên liệu hóa thạch xe ngun thủy hồn tồn khả thi Qua tính tốn kiểm tra nhận thấy, việc thay động điện xe cũ sử dụng nhiên liệu hóa thạch vừa tận dụng xe hệ cũ, vừa tận dụng ưu điểm động điện tiệm cận với nghiên cứu xe điện áp dụng chúng vào điều kiện Việt Nam./ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phúc Hiểu, Vũ Đức Lập (2002), Lý thuyết ô tô quân sự, HVKTQS [2] Vũ Đức Lập, Phạm Đình Vi (1996), Thử nghiệm xe, HVKTQS, Hà Nội [3] Инструкция по эксплуатация автомобилей ВАЗ 2121 АвтоВАЗ, 1981 г [4] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Stefano Longo, Kambiz M Ebrahini Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles Taylo & Francis Group, 2018 [5] http://www.xedien.info/cong-nghe/bai-viet-xe-dien/151-nghien-cuu-che-tao-he-truyendong-keo-cho-oto-dien-dung-dong-co-mot-chieu-khong-co-gop-bldc.html ... PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN THAY THẾ Bài báo nghiên cứu việc chọn nguồn động lực động điện thay cho động xăng xe nguyen thủy, nên kết cấu hệ thống xe có sẵn Ngồi ra, động điện nhà chế tạo cung... chọn động điện Động điện nghiên cứu, chế tạo ứng dụng từ lâu đời sống xã hội Một số loại động điện sử dụng ô tô điện là: động không đồng (động cảm ứng), động nam châm vĩnh cửu, động chiều, động. .. số 72 850 82,6 (ở số vòng quay 58 00r/min) 2 35, 1 KẾT QUẢ TÍNH TỐN Áp dụng cơng thức tính động lực học xe trình bày trên, thu kết sau: Không dùng hộp số Xe nguyên thủy Xe điện Hình Đồ thị lực kéo