2.1 Tổng quan về ô tô điện 2.1.1Lịch sử phát triển ô tô điện
Năm 1801, Richard Trevithick thiết kế một loại xe chở hàng chạy bằng động cơ hơi nước, mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành vận tải không xe ngựa. Sau hơn 30 năm thống trị của động cơ hơi nước với độ ồn lớn và gây bụi, ô tô điện chạy bằng ăcquy đầu tiên (EV) đã được chế tạo thành công vào năm 1834. Hơn 50 năm sau, năm 1885 đã đánh dấu sự ra đời của động cơ điện tích hợp khí ga (ICEV). Như vậy việc nghiên cứu về ô tô điện đã ra đời từ khá lâu, khoảng từ hơn 170 năm về trước. Với việc cải thiện đáng kể công nghệ động cơ đốt trong, ICEV cho thấy một diện mạo tốt hơn và ô tô điện đã được đưa vào sử dụng trọng những năm 1930 đến 1950.
Những ưu điểm của ô tô điện thực sự được nhìn nhận đúng đắn khi bùng phát cơn khủng hoảng năng lượng và dự trữ dầu vào những năm 1970. Sự trở lại thực sự của ô tô điện là do những nhìn nhận đúng đắn về ô tô điện trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, cụ thể là:
- Ô tô điện có hiệu quả sử dụng năng lượng cao. Nhìn chung, mức tiêu hao dầu thô trong chuyển động của EV và ICEV là khoảng 18% và 13%. Hơn thế nữa, EV có thể được hãm hiệu quả bằng việc chuyển động năng thành điện năng, gần như đã đưa hiệu suất sử dụng năng lượng lên tới 25%
- Ô tô điện cho phép sự đa dạng trong việc sử dụng năng lượng.
Điện năng có thể được phát không chỉ bởi nhiệt năng được sinh ra bởi than, dầu, khí ga tự nhiên mà còn có thể được tạo ra bởi động cơ hơi nước, sức gió, năng lượng hạt nhân, năng lượng sóng, titan, năng lượng hoá học, sinh học…
- Ô tô điện có khả năng đạt được cân bằng cho hệ thống năng lượng
- Sự tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào nguồn phát điện năng cho EV chỉ với 2% carbon monoxide, 76% carbon dioxin, 56% nitrogen oxide và 9% hydrocarbon được tiêu thụ bởi ICEV
- Ô tô điện hoạt động rất tĩnh và hầu như là không bị rung trong khi ICEV rất ồn và với độ rung khá lớn.
Ngày nay, nhiều nước trên thế giới đã đưa ra những biện pháp thúc đẩy việc sử dụng ô tô điện bằng việc giảm thuế, thúc đẩy các xưởng sản xuất lớn trên toàn thế giới
Công nghệ của ô tô điện là sự tích hợp đa công nghệ bao gồm kỹ thuật điện, công nghệ hoá học và cơ khí, trong đó kỹ thuật điện đóng vai trò cốt yếu
2.1.2 Phân loại ô tô điện.
Tùy vào việc sử dụng nguồn cấp năng lượng mà ô tô điện được phân thành những loại chính như sau
1. Ô tô điện chạy pin (BEV) ứng dụng pin vào trong nguồn cấp năng lượng và động cơ điện là cơ cấu chấp hành. BEV được đưa vào sản phẩm thương mại với một số lượng không lớn
2. Ô tô điện lai (HEV) là tích hợp cả động cơ đốt trong và động cơ điện làm cơ cấu vận hành. HEV cũng cho phép sử dụng khí ga hoặc dầu diesel như là nguồn cấp năng lượng chính và pin được sử dụng như một nguồn năng lượng phụ.
3. Ô tô điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) dùng chất đốt như là nguồn nguyên liệu chính và động cơ điện như một nguồn năng lượng thay thế. Pin nhiên liệu là nguồn năng ợng không tái tạo. Nhiên liệu đốt có thể lư là khí hydro hoặc metal vì vậy FCEV có thể có một dải điều chỉnh có thể so sánh được với ICEV. Vì giá thành sản xuất cao nên FCEV không được thương mại hóa
2.1.3 Các tính chất của ô tô điện
Các nghiên cứu gần đây cho thấy động cơ ô tô điện rất thích hợp trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên động cơ này thường đòi hỏi chế độ bật
tắt thường xuyên hơn, tốc độ tăng/giảm nhanh, mô men lớn, tốc độ chậm cho chế độ leo núi, mômen nhỏ, tốc độ cao cho chạy đều và với một dải điều chỉnh tốc độ rộng khi vận hành, trong khi các động cơ công nghiệp khác chỉ đạt được tối ưu trong những điều kiện định mức. Vì vậy, động cơ ô tô điện có thể biến đổi thành nhiều dạng khác cho các ứng dụng khác nhau. Điểm khác biệt lớn nhất của ô tô điện là về khả năng mang tải. Những tính năng đặc biệt và điều kiện vận hành được tổng kết như sau:
- Động cơ ô tô điện thường đưa ra yêu cầu từ bốn đến năm lần mômen cực đại trong giai đoạn tăng tốc và trong chế độ leo núi, trong khi những động cơ công nghiệp khác thông thường chỉ đạt được 2 lần giá trị mômen cực đại trong trường hợp quá tải
- Động cơ ô tô điện có thể đạt được 4 đến 5 lần tốc độ cơ bản khi chạy trên đường cao tốc trong khi các loại xe thông thường chỉ đạt được 2 lần tốc độ cơ bản trong những trường hợp tải tương tự
- Ô tô điện được thiết kế theo từng ứng dụng khác nhau của phương tiện và thói quen của người điều khiển trong khi các động cơ thông thường khác được chế tạo cho những ứng dụng cụ thể như xe chở hàng, xe khách, xe kéo …
- Ô tô điện đòi hỏi độ tập trung công suất cao và việc sắp xếp đạt hiệu quả nhất (hiệu quả lớn nhất trong dải tốc độ và mômen rộng) cho việc giảm trọng lượng tổng của xe và mở rộng dải điều chỉnh trong khi thông thường cần tích hợp giữa hiệu suất tại những điểm làm việc đặc biệt
- Ô tô điện có khả năng điều khiển cao, độ chính xác về trạng thái tĩnh cao và hình thức động tốt cho việc kết hợp nhiều động cơ trong khi các động cơ công nghiệp khác hiếm khi có thể kết hợp được
- Ô tô điện cần được thiết lập trong các phương tiện di động với các điều kiện hoạt động khắc nghiệt như nhiệt độ cao, thời tiết xấu và bị rung động thường xuyên trong khi động cơ thông thường được đặt trong những điều kiện hoạt động cố định
2.1.4 Cấu trúc ô tô điện
Có nhiều dạng động cơ khác nhau được dùng cho ô tô điện, tuy nhiên có thể đưa ra mô hình tổng quát cấu trúc của ô tô điện như sau:
Hình 2.1 Cấu trúc ô tô điện Như vậy ô tô điện bao gồm 3 hệ thống phụ như sau:
- Hệ thống cung cấp năng lượng: có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho xe hoạt động bao gồm khối tiếp nhiên liệu cho động cơ và khối điều khiển năng lượng nhằm cung cấp điện năng cho chuyển động của ô tô điện
- Hệ thống chuyển đổi điện năng: có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho động cơ điện và truyền động cho trục bánh xe. Hệ thống này bao gồm bộ điều khiển năng lượng điện, bộ biến đổi công suất, động cơ điện và cơ cấu truyền động đến các bánh xe. Hệ thống này chịu tác động trực tiếp của các cơ cấu cơ như cơ cấu hãm, tăng tốc
- Hệ thống phụ trợ: Hệ thống này bao gồm nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ nhận năng lượng từ hệ thống cung cấp năng lượng và cung cấp cho thiết bị lái bằng điện. Ngoài ra nguồn cũng cung cấp năng lượng cho khối điều khiển nhiệt độ cho ô tô điện
Hình 2.1 cho thấy động cơ ô tô điện là một bộ phận chủ yếu trong ô tô điện. Có rất nhiều loại động cơ được phát triển cho ô tô điện. Một trong những loại nêu trên được chỉ ra trong hình 2, với hai nhóm chính là 2.
commutator và commutatorless. Động cơ commutator AC trước đây được dùng cho ô tô điện và ngày nay thường được dùng loại động commutator DC và động cơ DC thông thường
Hình 2.2 Hai nhóm động cơ điện chính 2.2 Các nghiên cứu về ô tô điện hiện nay
Như đã trình bày ở trên, ô tô điện đã ra đời từ khá sớm nhưng mới thực sự được quan tâm nghiên cứu vào những năm 70 của thế kỷ thứ 20.
Hiện nay đã có khá nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về vấn đề này như các nhà khoa học ở Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản...
Có thể kể ra đây nghiên cứu của giáo sư Jame Larminie của trường đại học Oxford, nước Anh. Năm 2003, giáo sư đã đưa ra những nghiên cứu chung nhất về kỹ thuật ô tô điện, tập trung chủ yếu và việc nghiên cứu các dạng o pin được sử dụng trong ô tô điện [13]. Giáo sư Hyeongcheol Lee và giáo sư Masayoshi Tomizuka thuộc trường đại học California Partners, bang Kerkeley, Mỹ năm 1995 cũng đã đưa ra các nghiên cứu về điều khiển lực cho chuyển động của ô tô điện [14]. Hay các nghiên cứu về hệ thống hãm cho ô tô điện của các giáo sư trường Đại học tổng hợp Hồng Kông [15]
Một trong những nghiên cứu đem lại nhiều kết quả là của giáo sư Y.Hori được tiến hành tại trường đại học Tokyo Nhật Bản từ năm 1996 cho , tới nay. Những nghiên cứu ban đầu của giáo sư tập trung vào phương pháp điều khiển bám mô hình MFC thông qua việc điều khiển chuyển động của ô
tô điện theo mômen đặt ban đầu nhưng kết quả không đạt được như mong muốn. Đồng thời ông Hori cũng đưa ra phương pháp điều khiển tỷ số trượt SRC với việc ước lượng giá trị đặt cho đầu vào bộ điều khiển. Phương pháp này đã đem lại kết quả điều khiển tốt hơn so với phương pháp MFC và ngày càng được phát triển rộng thêm như ứng dụng cho điều khiển cả bốn động cơ độc lập của xe điện (4 - Wheel Control). Vì vậy bản luận văn này tập trung vào các nghiên cứu của giáo sư Y.Hori với hai phương pháp điều khiển chính cho ô tô điện là phương pháp điều khiển bám mô hình MFC và phương pháp điều khiển tỷ số trượt SRC. Tiếp đó, đồ án phát triển thêm các nghiên cứu của giáo sư Y.Hori về phương pháp điều khiển SRC nhằm đưa ra các kết quả điều khiển tối ưu nhất
2.3 Mô hình hóa hệ thống điều khiển ô tô điện 2.3.1 Mô hình thực nghiệm của ô tô điện
Ô tô điện là một đối tượng điều khiển chịu sự tác động của các yếu tố môi trường như lực cản không khí và đặc biệt là tác dụng cản của mặt đường đối với bánh xe. Để điều khiển được chuyển động của ô tô điện, ta nghiên cứu tác động của các ảnh hưởng này đến việc truyền động của từng động cơ độc lập cho từng bánh xe của ô tô điện bằng cách mô hình hoá động cơ
Các thực nghiệm được đề cập tới trong luận văn này đều sử dụng loại ô tô điện được chế tạo tại trường Đại học Tokyo có tên là UOT (University of Tokyo) Electric March [16]
Các thông số chính của ô tô điện tiến hành thử nghiệm UOT Electric - March
Ký hiệu Thông số Đơn vị
M, Mw Khối lượng xe, bánh xe kg
Vw, V Vận tốc bánh xe, ô tô m/s
λ Tỷ số trượt
μ Hệ số ma sát
r Bán kính bánh xe m
ω Vận tốc góc của bánh xe Rad/s
Jw, J Moment quán tính bánh xe, hệ thống kg.m2 Fd,Fm,Fa Lực truyền động, lực ma sát, lực cản không khí N
N Phản lực mặt đường N
T,Tm,Td Momen trục bánh xe, động cơ, mômen cản tổng N.m τư=Lư/Rư Hằng số thời gian động cơ s i Tỷ số truyền hộp số
Ô tô điện UOT Electric March có thể được sử dụng trong thí nghiệm điều khiển chuyển động hình 2.3
Hình 2.3 Mô hình xe điện UOT Electric March I
Động cơ của bánh xe trung tâm được thiết lập cho các bánh xe và mômen của mỗi bánh xe có thể được điều khiển hoàn toàn độc lập
Trong bản luận văn này, việc ước lượng điều kiện mặt đường được giới thiệu cho các ứng dụng điều khiển ô tô điện. Ước lượng điều kiện mặt
đường là một vấn đề hết sức quan trọng hệ thống an toàn chuyển động cho ô tô điện. Các nghiên cứu trước đây cho thấy lực phát sinh giữa bánh xe và mặt đường là thông số hết sức quan trọng trong việc điều khiển độ bám cho ô tô điện
Việc ước lượng điều kiện mặt đường và các kết quả thí nghiệm với
“UOT March I” được đưa ra trong chương tiếp theo 2.3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng ô tô điện
Xét hệ thống truyền động của ô tô điện. Các phương pháp điều khiển sẽ được trình bày trong chương tiếp theo là phương pháp điều khiển bám mô hình (MFC) và phương pháp điều khiển tỷ lệ trượt (SRC sẽ được áp dụng ) trước hết với các động cơ với mô hình được xây dựng dưới đây [17]. Điều này giúp nhận thức đầy đủ về các cấp điều khiển cao hơn, như điều khiển tư thế, điều khiển phân phối lực truyền động…
Xét những lực tác động vào một động cơ ô tô điện cụ thể như sau :
Hình 2.4 Phân tích lực tác động trong quá trình chuyển động của xe Hình vẽ thể hiện rõ có 2 lực tác động vào thân xe, lực truyền động và lực bên. Như được vẽ trong hình 2 , những lực trên đều phụ thuộc vào tỷ lệ .4 trượt λ. λ được định nghĩa theo công thức (1):
λ = khi Vw > V (1) λ = khi V > Vw
Vw V V
− V Vw
V
−
Trong đó: V : Vận tốc của ô tô điện Vw: Vận tốc của bánh xe
Lực bên đạt giá trị lớn nhất khi λ = 0 và đạt giá trị nhỏ nhất khi λ đạt giá trị lớn nhất. Nếu hệ số trượt λ tăng bởi sự giảm đột ngột của lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường, lực bên sẽ nhỏ đi rất nhiềugây nguy hiểm cho xe
Hình 2.5 Tính chất lực truyền động và lực bên Điều khiển lực truyền động có thể được chia thành 2 bước:
- (1) điều khiển thẳng nhằm tăng cường độ bám của bánh xe với mặt đường. Điều này được thực hiện bởi việc điều khiển lực của động cơ
- (2) điều khiển lực bên của xe. Điều này được thực hiện bởi việc điều khiển góc lái đối với ô tô động cơ xăng (ICV) còn đối với ô tô điện là hệ truyền động điều khiển 4 bánh
Mặc dù loại điều khiển (2) là mục tiêu cuối cùng trong việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển cho ô tô điện nhưng ở đây chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển (1) vì phương pháp này có thể dễ dàng ứng dụng cho ô tô điện.
Phương trình cân bằng động học của bánh xe và khung xe:
w
w m d d
dV dV
M F F ,M F
dt = − dt = (3) Trong đó :
Mw : mômen quán tính của bánh xe tương ứng với trọng lượng M : trọng lượng của xe điện
Fm : Mômen của động cơ tương ứng với lực Fd : lực truyền động
Từ phương trình động học trên xây dựng được mô hình mô phỏng của động cơ ô tô điện như sau :
Hình 2.6 Sơ đồ khối mô hình động cơ ô tô điện Trong đó:
τm: Hằng số thời gian động cơ
J : Mômen quán tính của cả hệ thống (bao gồm động cơ, cơ cấu truyền động và bánh xe)
r : Bán kính bánh xe
Fr : Lực cản lăn. Đây là hằng số ban đầu của động cơ
Fa: Lực cản của không khí (lực này rất nhỏ, trong một số trường hợp có thể bỏ qua được)
N: Phản lực của mặt đường
à : Hệ số ma sỏt giữa bỏnh xe và mặt đường
Hình 2.6 đưa ra mô hình tổng thể của động cơ ô tô điện dưới các tác động của ngoại cảnh như lực cản của bánh xe với mặt đường, lực cản của không khí. Tỷ số trượt λ xuất hiện khi xe đi vào vùng trượt, là phát sinh sai khỏc giữa vận tốc khung xe V và vận tốc của bỏnh xe Vw. Hệ số ma sỏt à được xỏc định qua hàm phụ thuộc của à theo λ. Hàm này được xỏc định qua các thử nghiệm thực tế và đưa ra dạng hàm như sau:
Hỡnh 7 2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của à theo λ
Sau khi xỏc định được hệ số ma sỏt à theo λ, lực truyền động Fd tớnh bằng công thức :
Fd = à(λ)N
KẾT LUẬN
Trong việc nghiên cứu ô tô điện, chúng ta có thể khai thác được các ưu điểm nổi bật của việc điều khiển chuyển động dùng động cơ điện so với động cơ xăng:
- Giá thành thấp: điều khiển lực kéo cho ICV cần phải bổ sung thêm các phần cứng giá thành cao như bộ ga, phanh. Những chiếc ô tô giá thành thấp nhất có thể được ứng dụng cao trong việc điều khiển lực truyền động.
- Tác động nhanh: với ICV, thời gian phản hồi có thể lên đến hơn 200ms, tuy nhiên đối với ô tô điện thì thời gian phản hồi nhiều nhất là 10ms
- Thiết kế bộ điều khiển dễ dàng: Với động cơ IC, đường đặc tuyến không xác định là một phần t đầu vào điều khiển đến mômen động ử cơ. Với ô tô điện, mô men khởi động là tương ứng chính xác với mômen đặt
Các tìm hiểu cơ bản nêu trên về ô tô điện sẽ được ứng dụng trong việc lựa chọn các phương pháp điều khiển chuyển động của ô tô điện và mô hình động cơ đã được thiết lập như trên sẽ được ứng dụng vào trong việc kiểm nghiệm tính đúng đắn của các phương pháp điều khiển là phương pháp Điều khiển bám mô hình (MFC) và phương pháp Điều khiển tỷ số trượt tối ưu (SRC) sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo