ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLABSIMULINK MÔ PHỎNG XE ĐIỆN

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v MỤC LỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG x TÓM TẮT xi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2 1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 2 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu 2 1.5 Cấu trúc của đề tài 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Lịch sử xe ô tô điện 4  Những năm 1830 4  Năm 1884 – Chiếc ô tô điện đầu tiên trên thế giới 4  Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 5  Những năm 1960 và 1970 5  Những năm 1990 6  Năm 2011 Nissan với dòng xe chạy điện Leaf 7  Năm 2011 – Tesla Roadster 8 2.2 Ưu điểm của xe điện 8 2.3 Cấu trúc cơ bản của ô tô điện 9 2.3.1 Nghiên cứu các dạng nguồn điện cung cấp cho xe điện 10 2.3.2 Bộ biến đổi năng lượng cung cấp nguồn cho xe điện 15 2.3.3 Đặc tính động cơ của động cơ điện trên xe điện 17 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 26 3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab Simulink 26 3.2 Mô hình xe điện trên phần mềm Matlab Simulink 28 3.3 Chu trình thử _ Driving Cycle 29 3.3.1 Tổng quát 29 3.3.2 Các tín hiệu đầu vào và đầu ra của khối 35 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v MỤC LỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG x TÓM TẮT xi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2 1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 2 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu 2 1.5 Cấu trúc của đề tài 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Lịch sử xe ô tô điện 4  Những năm 1830 4  Năm 1884 – Chiếc ô tô điện đầu tiên trên thế giới 4  Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 5  Những năm 1960 và 1970 5  Những năm 1990 6  Năm 2011 Nissan với dòng xe chạy điện Leaf 7  Năm 2011 – Tesla Roadster 8 2.2 Ưu điểm của xe điện 8 2.3 Cấu trúc cơ bản của ô tô điện 9 2.3.1 Nghiên cứu các dạng nguồn điện cung cấp cho xe điện 10 2.3.2 Bộ biến đổi năng lượng cung cấp nguồn cho xe điện 15 2.3.3 Đặc tính động cơ của động cơ điện trên xe điện 17 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 26 3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab Simulink 26 3.2 Mô hình xe điện trên phần mềm Matlab Simulink 28 3.3 Chu trình thử _ Driving Cycle 29 3.3.1 Tổng quát 29 3.3.2 Các tín hiệu đầu vào và đầu ra của khối 35 3.4 Bộ điều khiển tốc độ theo chương trình_Longitudinal Driver 35 3.4.1 Các tín hiệu đầu vào và đầu ra của khối 36 3.4.2 Các lựa chọn trong khối 36 3.5 Khối điều kiện của môi trường _ Environment 42 3.6 Khối điều khiển _ Controllers 42 3.7 Hệ thống động học của xe _ Passenger car 46 3.7.1 Hệ thống nguồn điện 46 3.7.2 Hệ thống động lực 50 3.8 Khối kết quả phân tích _ Visualization 51 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MỘT DÒNG XE CỤ THỂ 52 4.1 Ứng dụng phần mềm mô phỏng ô tô điện Nissan Leaf 2015 52 4.1.1 Thông số ô tô điện Nissan Leaf 2015 52 4.1.2 Kết quả mô phỏng 54 4.2 Ứng dụng phần mềm mô phỏng ô tô điện Tesla model X 66 4.2.1 Thông số ô tô điện Tesla model X 66 4.2.2 Phân tích kết quả bằng đồ thị 69 4.2.3 Phân tích kết quả bằng kết quả trung bình 70 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 5.1 Kết luận 72 5.2 Kiến nghị 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

● Nghiên cứu tổng quan đề tài

● Cơ sở lý thuyết về ô tô điện

● Mô phỏng mô hình ô tô điện trên phần mềm Matlab/Simulink

● Ứng dụng phần mềm mô phỏng một dòng xe điện cụ thể

● Kết luận và kiến nghị

3 Sản phẩm đề tài

Tập thuyết minh + file mềm

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 16/03/2021

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/08/2021

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Sinh viên thực hiện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

(Ký &ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Sinh viên thực hiện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Giáo viên phản biện

(Ký &ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của Khoa Đào tạo Chất lượng cao – Trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật TP.HCM, cùng với sự đồng ý của giảng viên hướng dẫn và giảng viên trưởng ngành ô tô TS Dương Tuấn Tùng, nhóm đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng xe điện” Đây là một điều kiện rất tốt cho nhóm có cơ hội xâu chuỗi những kiến thức mà nhóm đã được học tại trường để áp dụng vào việc thực hiện nghiên cứu của mình

Trong suốt quá trình thực hiện đồ án, ngoài sự nỗ lực làm việc của bản thân, nhóm

đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ phía gia đình, thầy cô và tập thể bạn bè giúp nhóm hoàn thành đề tài Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, thầy cô trong Khoa Đào tạo Chất lượng cao và Khoa Cơ khí động lực đã tạo điều kiện tốt nhất cho nhóm học tập, trau dồi kiến thức, rèn luyện kỹ năng và tư tưởng đạo đức tốt, cùng với đó là một thái độ làm việc tốt trước khi bước vào trường đời với những khát vọng và tương lai Đặc biệt, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ và luôn động viên nhóm trong quá trình làm đồ án Thầy đã cung cấp các tài liệu cần thiết, trực tiếp hướng dẫn nhóm trong suốt quá trình, giúp nhóm hoàn thành đúng thời hạn đề ra Với sự cố gắng của nhóm và sự giúp đỡ nhiệt tình từ các thầy cô, nhóm

đã được những kết quả nhất định Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế và khả năng tiếp thu thực tế còn nhiều bỡ ngỡ Mặc dù nhóm đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn khó có thể tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ còn chưa chính xác, kính mong thầy xem xét và góp ý để đồ án của nhóm được hoàn thiện hơn

Nhóm xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Năm 2011 - Nissan với dòng xe chạy điện Leaf 7

2.3.1 Nghiên cứu các dạng nguồn điện cung cấp cho xe điện 10 2.3.2 Bộ biến đổi năng lượng cung cấp nguồn cho xe điện 15 2.3.3 Đặc tính động cơ của động cơ điện trên xe điện 17 CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB

3.4 Bộ điều khiển tốc độ theo chương trình_Longitudinal Driver 35

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MỘT DÒNG XE CỤ THỂ 52 4.1 Ứng dụng phần mềm mô phỏng ô tô điện Nissan Leaf 2015 52

4.2 Ứng dụng phần mềm mô phỏng ô tô điện Tesla model X 66

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Chiếc xe điện có thiết kế hình tên lửa Jamais Contente 4

Hình 2.8 Xe chạy điện Tesla Roadster của Tesla Motors 8

Hình 2.15 Dạng sóng xung áp bộ biến đổi xung áp giảm áp 15

Hình 2.17 Dạng sóng xung áp bộ biến đổi xung áp tăng áp 16 Hình 2.18 Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều 19

Hình 3.3 Mô hình xe điện trên phần mềm Matlab Simulink 28

Hình 3.10 Bộ điều khiển sử dụng tham số Control Type (cntrlType) trong mô hình 37 Hình 3.11 Bộ điều khiển sử dụng tham số Shift Type (shftType) trong mô hình 39

Hình 3.13 Mô hình Controller trong Matlab/Simulink 43

Hình 3.14 Mô phỏng mô hình PCM trong Matlab/Simulink 43 Hình 3.15 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 44 Hình 3.16 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 44 Hình 3.17 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 45 Hình 3.18 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 45 Hình 3.19 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 46 Hình 3.20 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 46 Hình 3.21 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 47 Hình 3.22 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 47 Hình 3.23 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 47 Hình 3 24 Các thông số thay đổi được trong Matlab/Simulink 48 Hình 3.25 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 49 Hình 3.26 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 49 Hình 3.27 Các thông số thay đổi được trong Matlab/Simulink 50 Hình 3.28 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 50 Hình 3.29 Mô phỏng chi tiết trong Matlab/Simulink 51 Hình 3.30 Các đồ thị đạt được trong một chu trình 51

Hình 4.3 Thay đổi thông số mômen xoắn và công suất trong động cơ 53

Hình 4.5 Chọn hệ dẫn động trong khối hệ thống động lực 54 Hình 4.6 Các đồ thị tổng quát trong chu trình lái FTP 75 54 Hình 4.7 Tốc độ theo lý thuyết và thực tế của chu trình lái FTP 75 55 Hình 4.8 Số vòng quay động cơ theo từng chế độ trong chu trình lái FTP 75 55 Hình 4.9 Kết quả mômen xoắn theo tốc độ động cơ trong chu trình lái FTP 75 56 Hình 4.10 Dung lượng pin tiêu thụ trong chu trình lái FTP 75 56 Hình 4.11 Sự phóng và nạp lại của dòng điện trong chu trình lái FTP 75 57 Hình 4.12 Suất tiêu hao nhiên liệu trong chu trình lái FTP 75Error! Bookmark not defined.

Hình 4.13 Đồ thị kết quả tổng quát thu được trong chu trình lái HWFET 58 Hình 4.14 Tốc độ theo lý thuyết và thực tế của chu trình lái HWFET 58 Hình 4.15 Số vòng quay của động cơ theo chu trình lái HWFET 59 Hình 4.16 Mômen xoắn của động cơ theo chu trình lái HWFET 59 Hình 4.17 Dung lượng pin tiêu thụ trong chu trình lái HWFET 60 Hình 4.18 Sự phóng và nạp lại của dòng điện trong chu trình lái HWFET 60 Hình 4.19 Suất tiêu hao nhiên liệu trong chu trình lái HWFET 61 Hình 4.20 Đồ thị kết quả tổng quát thu được trong chu trình lái WLTP loại 3 Error! Bookmark not defined.

Hình 4.21 Tốc độ theo lý thuyết và thực tế của chu trình lái WLTP loại 3 62 Hình 4.22 Số vòng quay của động cơ theo chu trình lái WLTP loại 3 63 Hình 4.23 Mômen xoắn của động cơ theo chu trình lái WLTP loại 3 63 Hình 4.24 Dung lượng pin tiêu thụ trong chu trình lái WLTP loại 3 64 Hình 4.25 Sự phóng và nạp lại của dòng điện trong chu trình lái WLTP loại 3 64 Hình 4.26 Suất tiêu hao nhiên liệu trong chu trình lái WLTP loại 3 65

Hình 4.33 Đồ thị kết quả phân tích chu trình FTP 75 của Tesla model X 69 Hình 4.34 Đồ thị kết quả phân tích chu trình HWFET của Tesla model X 70

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh các loại pin sử dụng trên xe điện 13

Bảng 3.1 Các lựa chọn trong bộ điều khiển sử dụng tham số Control Type 37 Bảng 3.2 Giải thích các tham số Shift Type (shftType) 39

Bảng 4.2 Bảng các thông số trong chu kỳ WLTP loại 3 61

Bảng 4.5 Kết quả trung bình thu được mô phỏng xe Tesla model X 70

TÓM TẮT

Đồ án này bước đầu tập trung trình bày các kiến thức cơ bản về ô tô điện, cụ thể về nguồn điện, bộ điều khiển, bộ biến đổi nguồn điện và động cơ điện Biết được nguyên lý hoạt động của ô tô điện Đồng thời sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để phân tích đánh giá sức kéo, trạng thái nạp và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô điện có thể đạt được dựa trên các thông số vận tốc lớn nhất, công suất và mô men cực đại trong các chu trình thử như chu trình lái xe trong thành phố FTP 75, chu trình thử nghiệm trên đường cao tốc (HWFET)

và chu trình kiểm tra xe hạng nhẹ trên toàn thế giới (WLTP) Bên cạnh đó, chọn ra thông

số của ô tô Nissan Leaf 2015 và Tesla Model X để phân tích và so sánh các đặc tính động

cơ của động cơ điện trên xe

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề nan giải không chỉ của một quốc gia, một khu vực mà là mối quan tâm chung của toàn nhân loại Quá trình phát triển kinh tế -

xã hội của các quốc gia trên thế giới đã dẫn đến những tác động to lớn đến môi trường Đó

là sự biến đổi khí hậu – sự nóng lên của toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mưa axit… Mặc dù có nhiều nguyên nhân gây ra nhưng các phương tiện cơ giới chạy bằng động cơ xăng và diesel cũng là thủ phạm không nhỏ

Trong khi đó, tại Việt Nam, hai khu vực ô nhiễm nhất là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, chỉ số AIQ (chỉ số đánh giá chất lượng không khí - Air Quality Index) trong ngày ở mức 122 – 178 Còn vào khung giờ cao điểm, khi xảy ra các vụ ùn tắc hoặc ùn ứ giao thông thì chỉ số AIQ lên tới trên 200 Mặt khác, nếu mức độ sạch của không khí từ

150 – 200 thì đã bị coi ô nhiễm, từ 201 – 300 được coi là cực kỳ cấp bách, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người Điều đó cho thấy nước ta đang đứng ở ngưỡng

ô nhiễm không khí nghiêm trọng

Khí thải ô nhiễm môi trường ở đô thị có tới 70% bắt nguồn từ các phương tiện giao thông Ở nước ta, khoảng 75% số lượng ô tô chạy bằng nhiên liệu xăng, 25% số lượng ô

tô chạy bằng nhiên liệu diesel Khi các phương tiện sử dụng nhiên liệu vận hành, động cơ

sẽ phát thải một lượng các chất khí có thành phần độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người Xuất phát từ nguyên nhân đó, một số nước đang xây dựng kế hoạch cấm sản xuất và bán các loại xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch Điển hình như Anh sẽ cấm bán ô tô và xe tải chạy bằng xăng và diesel từ năm 2030, các thành phố của Đức bắt đầu áp dụng lệnh cấm đối với các loại xe chạy dầu cũ từ cuối năm

2018, Chính phủ Pháp muốn chấm dứt việc bán các phương tiện giao thông có động cơ bằng xăng và diesel vào năm 2040 và sau năm 2040 các nhà sản xuất ô tô nước này chỉ được phép bán những chiếc xe chạy bằng điện hoặc các nguồn năng lượng sạch khác, trong khi đó chính phủ Ấn Độ đề ra mục tiêu mong muốn rằng tất cả ô tô bán trong nước đều phải là xe điện [1]

Bên cạnh đó, động cơ đốt trong đã thống trị như là nguồn động lực của ô tô kể từ lâu, do đó việc khai thác trên các hóa thạch đã tăng lên đáng kể, đang ngày càng cạn kiệt Nhận thấy, việc sử dụng ô tô điện phần nào giúp giải quyết các vấn nạn trên Ý tưởng về ô

tô sử dụng động cơ điện đã xuất hiện từ đầu thế kỷ 19 Do đó, để bù đắp cho sự cạn kiệt hóa thạch, giảm mức độ ô nhiễm và như một nguồn động lực thay thế và hiệu quả hơn, nhu cầu sử dụng ô tô điện dự kiến sẽ tăng mạnh Ô tô điện dự kiến sẽ là nguồn vận tải phụ thuộc nhiều nhất trong tương lai gần Với những tiến bộ công nghệ trong các thiết bị bán dẫn, việc điều khiển động cơ giờ đây cũng trở nên đơn giản hơn và hoạt động của Ô tô điện có thể đạt được hiệu quả cao Tuy nhiên, tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được nhiều

sự nghiên cứu và tiếp nhận sử dụng rộng rãi

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn để phục vụ công tác thử nghiệm – nghiên cứu khoa học, nhóm đã chọn và tiến hành thực hiện đề tài “Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink

mô phỏng xe điện” Mục đích để chúng em hiểu rõ hơn về lịch sử, cấu trúc của ô tô điện, đồng thời nhờ phần mềm Matlab/Simulink phân tích rõ hơn về các đường đặc tính của cơ bản, cụ thể là trên Tesla Model X

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: tìm hiểu cơ sở lý thuyết về xe điện, trên cơ sở đó nghiên cứu các thành phần cơ bản cấu thành một ô tô điện và ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink

để mô phỏng xe điện

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nhiệm vụ nghiên cứu trong đề tài “Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng

xe điện” là thực hiện các nội dung sau:

Nghiên cứu tổng quan đề tài

Cơ sở lý thuyết về ô tô điện

Mô phỏng mô hình ô tô điện trên phần mềm Matlab/Simulink

Ứng dụng phần mềm mô phỏng một dòng xe cụ thể

Kết luận và kiến nghị

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Mô hình ô tô điện trên phần mềm Matlab/Simulink

Phạm vi nghiên cứu: Sau khi tìm hiểu thông tin về đề tài, cùng với những hiểu biết sẵn

có và tìm hiểu thông tin liên quan, nhóm đã xác định được phạm vi nghiên cứu Nhóm chỉ phân tích các thành phần cơ bản của ô tô điện: Nguồn điện, bộ điều khiển, bộ chuyển đổi nguồn điện và động cơ điện Dựa vào các lý thuyết tìm được và phân tích chức năng các khối trong mô hình ô tô điện trên phần mềm Matlab/Simulink để đánh giá sức kéo, trạng thái nạp và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô điện có thể đạt được dựa trên các thông số vận tốc lớn nhất, công suất và mô men cực đại

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Vận dụng các kiến thức đã được học đồng thời sưu tầm, tập hợp các tài liệu có liên quan, phân tích, nghiên cứu để xây dựng cơ sở lý thuyết,

lý đó làm nền tảng cho việc nghiên cứu

Phương pháp phân tích mô hình ô tô điện trên phần mềm Matlab/Simulink và đồng thời

sử dụng thông số kỹ thuật của dòng xe Nissan Leaf 2015 và Tesla Model X để phân tích một số kết quả

1.5 Cấu trúc của đề tài

Đề tài được chia thành 5 chương:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan đề tài Chương này trình bày các mục tiêu bao gồm

lý do chọn đề tài, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu và cấu trúc của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ô tô điện Chương này bước đầu tìm hiểu về lịch sử ô tô điện, ưu điểm của xe điện và cấu trúc cơ bản của ô tô điện (bao gồm các dạng nguồn điện cung cấp cho xe điện, bộ biến đổi năng lượng và đặc tính động cơ của động cơ điện) Chương 3: Mô phỏng mô hình ô tô điện trên phần mềm Matlab/Simulink Chương trình đầu tiên trình bày khái quát phần mềm Matlab/Simulink, cấu trúc của mô hình xe điện trên phần mềm Matlab/Simulink, giải thích chức năng các khối trong mô hình

Chương 4: Ứng dụng thông số của một dòng xe cụ thể Chương này bước đầu phân tích thông số đạt được của của một số chu trình thử dưới dạng đồ thị và giá trị trung bình Đồng thời chọn ra thông số của ô tô điện Tesla Model X để phân tích kết quả dưới dạng các giá trị trung bình và so sánh với kết quả của ô tô điện Nissan Leaf 2015

Chương 5: Kết luận và kiến nghị Chương này thể hiện các kết quả đã đạt được và những hạn chế trong đề tài mà nhóm gặp phải

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

và các pin nhiên liệu có thể làm thay đổi sự phát triển của xe điện

❖ Những năm 1830

Những chiếc xe điện đầu tiên của những năm 1830 sử dụng pin không thể sạc lại Nửa thế kỷ trôi qua trước khi pin phát triển đủ để sử dụng trong các loại xe điện thương mại Vào cuối thế kỷ 19, với việc sản xuất hàng loạt pin sạc, xe điện đã được sử dụng khá rộng rãi trong đó đã có ô tô điện

❖ Năm 1884 – Chiếc ô tô điện đầu tiên trên thế giới

Năm 1859, Gaston Planté, nhà vật lý người Pháp bắt đầu phát minh ra pin sạc và các vật dụng dùng để lưu trữ điện trên xe

Đến năm 1880, nhà phát minh Gustave Trouvé đã tiến hành cải tiến một động cơ điện nhỏ và được hãng công nghệ Siemens phát triển cùng với pin sạc để gắn vào chiếc xe ba bánh của James Starley, một nhà sáng chế người Anh Chiếc xe ba bánh này là phương tiện chạy bằng điện đầu tiên trên thế giới

Nhưng đến năm 1884, chiếc ô tô điện đầu tiên mới chính thức ra đời, do nhà phát minh Thomas Parker đã chế tạo tại Wolverhampton, Anh Ở châu Âu, Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên ủng hộ loại hình xe điện cho giao thông

Khoảng những năm 1890 – 1891, tại Mỹ, nhà phát minh William Morrison đã chế tạo một mẫu ô tô điện 6 chỗ ngồi Chiếc xe này có thể đạt tốc độ 23 km/h

Giai đoạn này, ô tô điện đã liên tiếp lập nên những kỷ lục về tốc độ và khoảng cách

di chuyển Đáng chú ý nhất là chiếc xe điện có thiết kế hình tên lửa Jamais Contente đã đạt tốc độ đến 105.88 km/h

Hình 2.1 Chiếc xe điện có thiết kế hình tên lửa Jamais Contente

Chính vì vậy, vào thập niên 1900, xe điện đã trở thành một trào lưu tại Mỹ Theo thống

kê thì giai đoạn này, tính riêng tại Mỹ có khoảng 40% ô tô chạy bằng hơi nước, 22% xe chạy bằng xăng và có đến 38% là xe chạy điện

Tuy nhiên, từ những năm 1920, khi hạ tầng giao thông được cải thiện, ngành công nghiệp khai thác dầu phát triển đã giúp cho giá nhiên liệu rẻ hơn rất nhiều Thêm vào đó,

xe chạy bằng xăng đã được cải tiến trong đó có hệ thống khởi động bằng điện giúp người vận hành dễ dàng hơn Chính vì vậy, xe chạy bằng xăng và dầu ngày càng được ưa chuộng

và xe điện đã gần như hoàn toàn biến mất

Hình 2.2 Một trong những mẫu xe vào năm 1920

❖ Những năm 1960 và 1970

Năm 1970, Đạo luật “Không khí Sạch” được ban hành, yêu cầu các bang tại Mỹ kiểm soát không khí và đáp ứng một số tiêu chuẩn nhất định trước thời hạn Thêm vào đó, lệnh cấm vận dầu mỏ của OPEC vào năm 1973 làm giá xăng dầu tăng vọt cũng khiến xe điện được quan tâm

Vào những năm này, có hai công ty sản xuất xe hơi chạy điện nổi lên những năm 1970 Công ty đầu tiên có tên Sebring – Vanguard với mẫu xe nổi tiếng “CitiCars” Với hơn 2000 chiếc được sản xuất, CitiCars trở thành mẫu xe điện được sản xuất nhiều nhất tại Mỹ tại thời điểm đó Tốc độ tối đa đạt tới 70 km/h trong khi tốc độ hành trình trung bình là 60 km/h Khoảng cách chạy được trong mỗi lần sạc đầy của xe là từ 80 tới 100km

Hình 2.3 Mẫu xe “CitiCars”

Công ty còn lại là Elcar Corporation, xe có tốc độ tối đa 70 km/h và có thể chạy tối

đa 100km mỗi lần sạc đầy

Hình 2.4 Một trong những mẫu xe đầu tiên của Elcar

❖ Những năm 1990

Năm 1990, Đạo luật Không khí sạch sửa đổi và Luật chính sách năng lượng năm 1992

đã một lần nữa thúc đẩy mối quan tâm về xe điện

Một trong những mẫu xe điện phổ biến nhất trong suốt thời điểm cuối thế kỷ 20 là General Motors EV1 Xe có phạm vi quãng đường mỗi lần sạc là 160km và có thể tăng tốc

từ 0 – 97km chỉ trong 7 giây

Hình 2.5 Genaral Motors EV 1

Vào năm 1997, Toyota Prius được sản xuất và bán tại Nhật Năm 2000 nó được phân phối toàn cầu Prius là chiếc xe sử dụng nhiên liệu điện kết hợp với xăng (Xe hybrid) đầu tiên được sản xuất đại trà và nó nhanh chóng trở thành một mẫu xe mang tính biểu tượng

Hình 2.6 Mẫu xe Prius

❖ Năm 2011 - Nissan với dòng xe chạy điện Leaf

Hiện Leaf đang là chiếc xe chạy điện có thể chạy trên cao tốc bán chạy nhất trên thế giới và quãng đường đạt chỉ 160km Tính tới tháng 12/2015, Nissan đã bán hơn 200.000 chiếc trên toàn thế giới và 88.000 chiếc tại Mỹ

Hình 2.7 Mẫu xe Leaf

❖ Năm 2011 – Tesla Roadster

Năm 2006, thông tin về kế hoạch ra mắt chiếc xe điện có thể chạy 320km mỗi lần sạc của Tesla đã giúp nâng cao hình ảnh của xe chạy điện Tới năm 2011, Tesla đã tung ra mẫu Roadster, với quãng đường đạt tới 386km mỗi lần sạc nhưng mức giá của nó lên tới hơn 100.000 USD

Hình 2.8 Xe chạy điện Tesla Roadster của Tesla Motors

2.2 Ưu điểm của xe điện

- Ô tô điện không sinh ra khí thải gây ô nhiễm môi trường Điều này vượt trội hơn hẳn các loại xe chạy bằng xăng dầu làm tác động xấu tới tự nhiên và gây ra hiệu ứng nhà kính

- Một ưu điểm khác của động cơ điện là khả năng cung cấp năng lượng ở hầu hết mọi tốc độ động cơ Trong khi chỉ khoảng 20% năng lượng hóa học trong xăng được chuyển hóa thành công hữu ích tại các bánh xe của xe đốt trong, 75% hoặc nhiều hơn năng lượng

từ pin truyền đến các bánh xe của nó

- Động cơ xăng hoặc động cơ diesel là tác nhân lớn gây ra tình trạng ô nhiễm tiếng

ồn – một trong những tác nhân gây hại cho sức khỏe con người Với tốc độ 104 km/h, trung bình một ô tô truyền thống phát ra âm thanh với cường độ khoảng 70dB

- Tốc độ tăng tốc đạt được cao, nguyên nhân là bởi trọng lượng của động cơ điện rất nhẹ so với các loại động cơ truyền thống khác và các mô tơ điện cũng tạo ra mômen xoắn

và công suất mạnh mẽ hơn động cơ đốt trong thường ấy Ví dụ điển hình, Tesla Model S P100D chỉ cần 2,28 giây để tăng tốc từ 0-96 km/h

2.3 Cấu trúc cơ bản của ô tô điện

Hình 2.9 Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản của ô tô điện

Hệ thống truyền thống điện cơ bản trên ô tô điện là hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ gồm các khối chức năng sau:

- Khối nguồn năng lượng (Nguồn điện): Gồm 1 dãy ắc quy, để tích trữ năng lượng

khi xe hoạt động Bao gồm cả bộ nguồn để nạp điện cho ắc quy

- Khối điều khiển: Nhận tín hiệu từ bàn đạp ga, góc quay vành lái, bàn đạp phanh để

có phương án điều khiển phù hợp Bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành

- Bộ biến đổi nguồn điện: Biến đổi năng lượng từ ắc quy để cung cấp nguồn phù

hợp cho động cơ điện hoạt động tương ứng với các điều khiển làm việc khác nhau Tạo công suất làm việc phù hợp cho các động cơ Ví dụ như các bộ chỉnh lưu Thyristor, bộ biến tần transistor Cấu trúc bộ biến đổi phụ thuộc vào loại động cơ sử dụng

- Động cơ điện: Tạo ra mômen để kéo xe chuyển động Có thể sử dụng một trong số

các loại động cơ điện như động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ hoặc động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha

- Hộp số - Bộ truyền cơ khí: Truyền chuyển động từ động cơ điện xuống các bánh

xe Khi sử dụng hộp số ta có thể mở rộng vùng tốc độ của xe

2.3.1 Nghiên cứu các dạng nguồn điện cung cấp cho xe điện

2.3.1.1 Khái quát về nguồn điện (ắc quy) cung cấp trên xe điện

Ắc quy là thiết bị điện Nó được dùng làm nguồn cung cấp điện một chiều cho các thiết bị điện Ắc quy có khả năng tích trữ điện năng dưới dạng điện hóa học và phục hồi năng lượng này dưới một nguồn điện nạp hợp lý

Cấu tạo của ắc quy: Sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân Cho nên:

Muốn tăng khả năng dự trữ năng lượng của Ắc quy người ta tăng số lượng cặp bản cực dương âm trong mỗi ắc quy đơn (cell)

Để tăng giá trị sức điện động của nguồn người ta ghép nối nhiều ắc quy đơn thành một dãy ắc quy

Tinh năng của ắc quy:

Mật độ năng lượng cao có thể đạt được để cung cấp một quãng đường lớn trong một chu kì sạc

Mật độ năng lượng cao và mật độ công suất cao cho phép tăng tốc xe và tái tạo năng lượng

An toàn cao và tuổi thọ dài nên được tích hợp vào pin để có độ tin cậy và độ bền Tái chế pin nên được xem xét để bảo vệ môi trường

Pin chì-axit ngập nước là nguồn năng lượng thường được sử dụng trong các hệ thống điện nói chung và trên xe điện (EV) trong hơn một thế kỷ Với sự phát triển và tầm quan trọng của các công nghệ pin tiên tiến, nhu cầu của người dùng về pin hydride kim loại niken (NiMH) và pin lithium-ion (Li-ion) đã tăng lên cho các ứng dụng pin kéo theo tốc

độ theo cấp số nhân

⮚ Pin axit chì

Pin chì-axit, là loại pin sạc lâu đời nhất, được phát minh bởi Gaston Planté vào năm

1859 Nói chung, pin chì-axit ngập nước bao gồm các bản cực âm được kẹp giữa các bản cực dương Các bản cực âm được làm bằng chì (hoặc hợp kim chì) trong khi các bản cực dương được làm bằng chì (hoặc hợp kim chì) với canxi hoặc antimon làm phụ gia Một vật liệu vi mô làm chất cách điện có thể ngăn chặn các điện cực bị chập trong khi cho phép xảy ra phản ứng hóa học

Mỗi ngăn gồm các điện cực của kim loại chì (Pb) và chì (hóa trị +4) (PbO2) trong chất điện phân của axit sunfuric (H2SO4) Sơ đồ của pin axit-chì được mô tả trong hình bên dưới Khi pin được xả, cả hai điện cực biến thành chì (hóa trị +2) sulfat (PbSO4) và chất điện phân mất H2SO4 hòa tan và trở thành nước Chất điện phân có khả năng đóng băng

vì nước đang đạt đến điểm đóng băng và nồng độ H2SO4 giảm Khi sạc xảy ra, lượng PbSO4 và nước giảm để phục hồi tế bào về trạng thái chính Các phương trình phản ứng hóa học được thể hiện

Cực âm:

𝑃𝑏𝑂2+ 3𝐻3𝑂+ + 𝐻𝑆𝑂4−+ 2𝑒− → 𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 5𝐻2𝑂

Cực dương:

𝑃𝑏 + 𝐻𝑆𝑂4− + 𝐻2𝑂 → 𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 𝐻3𝑂++ 2𝑒−

Hình 2.10 Cấu tạo cơ bản của pin axit chì

Phản ứng điện hóa ở trên tạo ra điện thế hoặc điện áp Các cực dương và âm có một hiệu điện thế (điện áp) Một điện tích phao được đặt trên pin để duy trì điện tích hoặc độ phân cực của các cực khi lắp ráp chúng

Một hạn chế của pin axit chì do có chứa chất điện phân axit nên rất khó khăn trong vận chuyển và người ta đang nỗ lực phát triển loại kín nhưng trong quá trình sạc quá mức

sẽ gây ra sự phát thải hydro và oxy từ ngăn pin

⮚ Pin NiMH

Pin hydride kim loại niken (NiMH) đang thay thế người thống trị thị trường trong thời gian dài, pin niken cadmium (NiCd), dần dần do dung lượng lớn hơn So với pin NiCd, pin NiMH sử dụng hợp kim hấp thụ hydro cho điện cực âm thay vì cadmium Một ngăn pin NiMH có công suất gấp hai đến ba lần một ngăn pin NiCd có kích thước tương đương Ắc quy NiMH, điện cực dương là một oxit niken giống như pin NiCd, điểm khác là điện cực

âm là hydride kim loại và chứa hydro Ắc quy NiMH gồm các kim loại hợp kim, khi tiếp xúc với hydro với áp suất và nhiệt độ nhất định, một lượng lớn khí được hấp thụ để tạo thành hợp chất kim loại hydride Hợp chất này có thể hấp thụ và giải phóng hydro nhiều thời gian mà không suy giảm

Các phương trình phản ứng hóa học được đưa ra bởi:

Cực dương:

𝑁𝑖𝑂(𝑂𝐻) + 𝐻2𝑂 + 𝑒− → 𝑁𝑖(𝑂𝐻)2+ 𝑂𝐻−

Cực âm:

𝑂𝐻−+ 𝑀𝐻 → 𝐻2𝑂 + 𝑀 + 𝑒−

Hình 2.11 Cấu tạo cơ bản của pin NiMH

Công suất pin NiMH là cao hơn đáng kể so với của pin NiCd, tỷ lệ năng lượng/khối lượng (SE – specific energy) từ 60 – 80 Wh/kg Tỷ lệ công suất/khối lượng (SP – specific power) có thể đến 250 W/kg Pin NiMH có thâm nhập vào thị trường trong những năm gần đây với tốc độ rất nhanh cho xe điện và xe lai Pin NiMH có vòng đời lâu hơn so với pin axit chì, an toàn và có thể tái chế Tuy nhiên, hiện nay giá của pin NiMH thì tương đối cao,

tỷ lệ tự xả cao, chịu nhiệt kém và hiệu suất cell vẫn thấp

⮚ Pin Lithium – Ion

Hình 2.12 Cấu tạo cơ bản của pin Lithium – Ion

Pin lithium-ion (Li-ion) là một loại pin có thể sạc lại trong đó pin lithium di chuyển giữa cực dương và cực âm Trong quá trình phóng điện, các ion lithium được giải phóng khỏi cực dương và đi qua chất điện phân hữu cơ về phía cực âm Khi các ion lithium đến cực âm, chúng nhanh chóng được tích hợp vào vật liệu catốt Khi sạc, quá trình là đảo ngược Các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương Sơ đồ của pin Li-ion được hiển thị trong Hình 2.11 Người ta quan sát thấy cả cực dương và cực âm đều có cấu trúc phân lớp để các ion lithium di chuyển vào giữa các lớp

Các phương trình phản ứng hóa học được mô tả là:

Cực dương:

𝐿𝑖1−𝑋𝐶𝑜𝑂2+ 𝑥𝐿++ 𝑥𝑒− → 𝐿𝑖𝐶𝑜𝑂2Cực âm:

𝐿𝑖𝑥𝐶6 → 𝑥𝐿𝑖++ 𝑥𝑒−+ 6𝐶 Pin Li-ion có lợi thế về trọng lượng so với các loại pin thứ cấp tương đương khác Ngoài ra, pin Li-ion có điện áp mạch cao so với pin nước (axit chì, NiMH, v.v.) và pin Li-ion không bị ảnh hưởng bởi bộ nhớ Bên cạnh đó, tỷ lệ tự xả 5% mỗi tháng là rất thấp so với hơn 30% mỗi tháng cho pin NiMH Với những ưu điểm như vậy pin Li-ion là loại tương đối phù hợp cho xe điện EV

Bảng 2.1 So sánh các loại pin sử dụng trên xe điện

Năng lượng / giá

tiêu dùng

Tỷ lệ tự phóng điện 20%/tháng 30%/tháng 5%/tháng

Độ bền 800 chu kì 1000 chu kì 1200 chu kì

Bảng 2.1 cho thấy sự so sánh của ba loại pin (nghĩa là pin axit chì, pin NiMH và pin ion) Người ta có thể thấy rằng pin Li-ion có lợi thế rõ ràng trên hầu hết các khía cạnh

Li-2.3.1.2 Các thông số của pin

- Dung lượng của pin: Dung lượng Q của pin được đo bằng Ah, 1Ah là điện lượng

do dòng điện một chiều cường độ 1A tải đi trong một giờ, 1Ah = 3600C (Culông)

- Định mức phóng điện: là tỷ số Q/h, chính là dòng điện mà pin phóng điện với dung

lượng QT trong thời gian t, định mức phóng điện là QT/t, chẳng hạn pin với Q=100Ah phóng điện trong 5 giờ thì 100 Ah/5h = 20A

- Trạng thái sạc SOC và dung lượng pin:

Trạng thái sạc (SOC) tương đương với thước đo nhiên liệu cho pin liên quan đến dung lượng định mức

𝑆𝑂𝐶 = 𝑄

𝑄0, 𝑄̇ = −𝑖

(2.1) Trong đó Q là điện tích; 𝑄0 là dung lượng pin thường được biểu thị bằng Ah (ampe - giờ);

i là dòng điện đầu cuối Một thay thế cho trạng thái điện tích, độ sâu của điện tích (DOD), thường được sử dụng và có biểu thức sau:

𝐷𝑂𝐷 = 1 − 𝑆𝑂𝐶

(2.2)

- Hiệu suất của pin

Hiệu suất chung của pin được định nghĩa là tỷ lệ của tổng năng lượng mà pin cung cấp để nạp vào năng lượng cần thiết để sạc đầy pin Một định nghĩa khác cho hiệu suất của pin được gọi là hiệu suất cục bộ

𝜂𝐵(𝑡) = 𝑃𝑑𝑖𝑠(𝑡)

𝑃𝑐ℎ𝑔(𝑡) =

𝐸(𝑡) − 𝑅𝑖𝑛𝑡(𝑡) × 𝑖(𝑡)𝐸(𝑡) + 𝑅𝑖𝑛𝑡(𝑡) × 𝑖(𝑡)

(2.3)

Biểu thức phụ thuộc vào SOC và dòng điện sạc / xả i(t) Dữ liệu thử nghiệm chứng minh rằng hiệu quả cục bộ của pin phụ thuộc vào nguồn điện (hoặc tốc độ sạc / xả) mạnh hơn nhiều so với SOC Biểu đồ hiệu suất của pin với trục tung là công suất và trục hoành

là trạng thái sạc SOC của pin mô tả rõ ràng hiệu suất cục bộ của pin

Hình 2.13 Biểu đồ hiệu suất pin

2.3.2 Bộ biến đổi năng lượng cung cấp nguồn cho xe điện

Do tính chất đơn giản dễ điều khiển nên động cơ một chiều kích từ độc lập được sử dụng rất phổ biến và là một trong loại động cơ được chọn dùng cho các loại xe điện Vì vậy, cần có bộ biến đổi năng lượng cung cấp cho động cơ một chiều kích từ độc lập

Bộ biến đổi xung áp (Chopper): Các bộ biến đổi xung áp được phân loại gồm:

Bộ biến đổi xung áp giảm áp (Bộ giảm áp)

Bộ biến đổi xung áp tăng áp (Bộ tăng áp)

⮚ Bộ biến đổi xung áp giảm áp

Hình 2.14 Bộ biến đổi xung áp giảm áp

Hình 2.15 Dạng sóng xung áp bộ biến đổi xung áp giảm áp

Mạch giảm áp gồm nguồn DC không đổi có thể là ắc quy, pin, …tải DC tổng quát

là RL và sức điện động E nếu là động cơ DC T1 là linh kiện tự chuyển mạch có chức năng điều khiển đóng ngắt được dòng điện qua nó

Trong đó:

V: điện áp nguồn DC cung cấp cho bộ chopper

Điện áp trung bình ngõ ra: VL = VS [tON / (tON + tOFF)] = γ VS

Chu kỳ: T = tON + tOFF

Hệ số điều chỉnh γ: γ = tON / T

Nhận xét: Bằng cách điều chỉnh γ từ 0 đến 1, điện áp tải biến thiên trong khoảng từ 0 đến

V và điện áp ra trung bình của bộ chopper γ VS < VS

⮚ Bộ biến đổi xung áp tăng áp

Hình 2.16 Bộ biến đổi xung áp tăng áp

Hình 2.17 Dạng sóng xung áp bộ biến đổi xung áp tăng áp

Ở trạng thái ngắt: Khoảng thời gian tOFF, T2 được ngắt và dòng qua T2 triệt tiêu do tính chất liên tục của dòng tải chứa L nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín mạch qua diode D2 và nguồn VS Sức điện động E (tải động cơ DC) ở chế độ phát năng lượng và năng lượng này một phần tiêu tán trên R phần còn lại trả về nguồn

Ở trạng thái đóng: Khoảng thời gian tON, T2 được kích thì dòng điện khép kín mạch quá tải và T2 Năng lượng do sức điện động E phát ra (tải động cơ DC) một phần tiêu tán qua R phần còn lại dữ trữ trong cuộn kháng L

Nhận xét:

Điện áp tải thay đổi theo dạng xung giữa 2 giá trị: +V và 0

Bằng cách thay đổi hệ số điều chỉnh γ hoặc chu kỳ đóng ngắt T có thể điều khiển công suất phát từ nguồn sức điện động E của động cơ DC về nguồn VS Điện áp tải có giá trị:

VL = VS / (1- γ) > VS

Rõ ràng rằng điện áp tải lớn điện áp nguồn nên gọi là bộ tăng áp

2.3.3 Đặc tính động cơ của động cơ điện trên xe điện

2.3.3.1 Khái niệm

Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học Năng lượng cơ năng được sử dụng để kéo bánh xe trên ô tô, quay bơm, cánh quạt, chạy máy nén …Các động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp cao như

ô tô (EV, HEV), máy bay… trong dân dụng (máy quạt, khoan …) và trong công nghiệp

2.3.3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện

Kết cấu động cơ điện thường gồm hai bộ phận kết cấu chính là mạch từ và dây quấn Mạch từ của động cơ điện là hai khối thép đồng trục, giữa hai khối thép có khe hở để đảm bảo chúng có thể quay tương đối với nhau Khối đứng yên gọi là phần tĩnh hay Stator, khối quay gọi là phần quay hay rotor Các dây quấn của máy điện được đặt ở hai phía khe hở trong các rãnh hoặc trên các cực từ của stator và rotor Các động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ Trong động cơ luôn có hai phần: phần cảm và phần ứng Phần cảm có nhiệm vụ sinh ra từ trường ở khe hở lúc không tải Từ trường này thường là cực tính thay đổi Phần ứng có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động khi có chuyển động tương đối với từ trường khe hở Nếu từ trường khe hở có cực tính thay đổi sức điện động

là xoay chiều, nếu từ trường khe hở có cực tính không đổi, sức điện động là một chiều Nguyên lý làm việc của các loại động cơ dựa vào hai định luật cơ bản là định luật sức điện động cảm ứng và định luật về lực điện từ Dựa vào hai định luật cơ bản này ta thấy rằng dòng điện trong từ trường chịu tác dụng của một lực từ Nếu dây dẫn được khép mạch, hai nhánh đối xứng của mạch sẽ chịu các lực tác dụng ngược chiều nhau (ngẫu lực) theo phương vuông góc với véctơ đường sức từ, ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây

2.3.3.3 Phân loại động cơ điện

Trên ô tô điện sử dụng các loại động cơ như sơ đồ dưới đây:

⮚ Động cơ một chiều (DC Motor)

Động cơ DC (Direct Current Motor) sử dụng dòng điện một chiều và yêu cầu có phần kích từ mới có thể hoạt động Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu momen xoắn cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ái ở một dải tốc độ rộng Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bậc là dễ điều khiển Khi kỹ thuật điều khiển chưa phát triển thì động

cơ một chiều là một sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng về điều khiển tốc độ, momen xoắn Nhược điểm của động cơ này là cần bộ phận cổ góp, chổi than, tuổi thọ thấp khi sử dụng ở cường độ cao đòi hỏi tính bảo trì bảo dưỡng thường xuyên Khi công nghệ điều khiển phát triển, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi động cơ khác

Hình 2.18 Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều

Động cơ một chiều gồm ba phần chính:

- Stator hay phần cảm

Phần cảm của động cơ một chiều có các cực từ đứng yên (cực từ chính, cực từ phụ

và gông máy) Cực từ chính gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực này được nối tiếp với nhau Cực từ chính có nhiệm vụ tạo ra từ thông minh trong máy, hình thành cấu trúc từ trường

Ngoài ra động cơ một chiều có bố trí cực từ phụ có nhiệm vụ hạn chế tia lửa điện trên chổi than- cổ góp, cải thiện đổi chiều của động cơ

- Rotor hay phần ứng

Phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ Trên phần ứng

có lõi sắt dẫn từ, và dây quấn phần ứng Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với trục ra để kéo tải Với động

cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc

và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng

- Cổ góp và chổi than

Cổ góp (còn gọi là vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành 1 chiều Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện Cổ góp được cấu tạo từ các phiến đồng ghép cách điện với nhau, hợp thành hình trụ tròn Chổi than làm bằng bột than, có phụ gia đồng để tăng tính mài mòn, tiếp xúc với cổ góp, phân cách giữa hai cực từ chính

⮚ Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor)

Nhược điểm của động cơ một chiều một chiều là hệ thống cổ góp và chổi than nên hoạt động kém, và không hoạt động an toàn ở môi trường rung động lớn, nơi điều kiện giao động cao Vì các yếu tố trên mà động cơ điện một chiều ít sử dụng trong ô tô điện Động

cơ điện một chiều không chổi than có thể khắc phục được các nhược điểm trên Loại động

cơ này được chú trọng nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, và được thí nghiệm trong động cơ điện

Cấu tạo chung của động cơ BLDC gồm rotor nam châm vĩnh cửu, stator và bộ cảm biến vị trí

- Stator

Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng thường là dây quấn ba pha được đấu nối dạng Y hoặc tam giác tương tự như máy điện xoay chiều ba pha

Một điểm khác biệt nữa của động cơ BLDC so với động cơ động bộ khác là sức phản điện động(back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán) Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh momen cao, hiệu suất cao

Hình 2.19 Động cơ BLDC

⮚ Động cơ không đồng bộ

Bao gồm các bộ phận chính sau:

Phần tính hay phần stator: đây là phần cảm của động cơ, bao gồm: vỏ máy, lõi sắt

và dây quấn là các phần chủ yếu Vỏ máy để cố định lõi sắt và dây quấn Lõi sắt là phần dẫn từ, được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện hình rẻ quạt có phủ lớp sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy khi có sự đổi dấu ở dòng điện xoay chiều Mặt trong của

lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn Dây quấn được bố trí ở hai bên khe hở trên lõi thép Dây quấn luôn được cách điện với lõi sắt Trong động cơ ba pha, ba dây quấn stator theo các rãnh lệch nhau 120o điện, được đấu nối kiểu Y/tam giác theo điện áp lưới quy định

Phần quay hay rotor: đây là phần ứng của động cơ, gồm lõi thép dây quấn và trục máy Lõi thép gồm các lõi thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục Phía ngoài có rãnh để đặt dây quấn Nếu

là động cơ rotor lồng sóc thì các rãnh của lõi thép rotor đặt các thanh dẫn bằng đồng, hai đầu có đặt hai vòng ngắn mạch tạo thành lồng sóc hoặc trên các rãnh thép rotor được đúc nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch Nếu là động cơ rotor dây quấn thì trong các rãnh lõi thép rotor đặt dây quấn ba pha tương tự trong rotor và thường đấu nối Y Ba đầu ra của ba dây quấn nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng cố định trên trục rotor và cách điện với trục động cơ Nhờ ba chổi than tiếp xúc với ba vòng tiếp xúc, dây quấn được nối với ba điện trở ngoài để mở máy hoặc điều chỉnh tốc độ

Động cơ không đồng bộ thuộc nhóm máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay khác với tốc độ từ trường quay trong máy

Động cơ không đồng bộ dùng để biến đổi năng lượng thành cơ năng Hiện nay động

cơ dùng trong nông nghiệp, công nghiệp, lâm nghiệp, Thường sử dụng động cơ không

đồng bộ, vì cấu tạo và hoạt động đơn giản dẫn đến giảm giá thành rẻ, và chi phí bảo dưỡng thấp

⮚ Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha

Máy điện đồng bộ cũng như máy điện khác, gồm có 2 phần: phần quay và phần tĩnh Cuộn kích từ có thể đặt ở roto hoặc stato nhưng do khó khăn về gia công (do sử dụng nhiều tiếp xúc điện như: chổi than, vành trượt ) nên phần lớn các máy đồng bộ có cuộn kích từ đặt ở roto, chỉ một số trường hợp đặc biệt thì cuộn kích từ mới đặt ở stato (khi đó phần cảm lại là phần tĩnh (stato), còn roto đóng vai trò là phần ứng)

Động cơ điện đồng bộ có nhược điểm là kết cấu phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích

từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến giá thành cao Nhưng trên ô tô nguồn một chiều luôn có sẵn vì chúng được lấy từ ắc quy hoặc pin Mặt khác, việc mở máy của động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn các động cơ khác, và vấn đề điều chỉnh tốc độ chỉ thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện

Sau đây là một số động cơ đồng bộ được sử dụng và đang được nghiên cứu trong ô

tô điện

⮚ Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSM)

Về cơ bản động cơ PMSM cũng giống như động cơ đồng bộ thông thường

Stato của PMSM giống nhau động cơ đồng bộ thông thường đều sử dụng các lá thép

kỹ thuật ghép lại với nhau Bên trong có xẻ rãnh để đặt dây quấn Động cơ PMSM có 3 cuộn dây quấn phân tán hình sinh trên chu vi stato Ba cuộn dây được cấp 3 điện áp xoay chiều Dạng dòng điện trong cuộn dây là hình sin hoặc gần hình sin Sự phân bố từ thông

ở khe hở không khí có dạng hình sin hoặc gần hình sin

Rotor của PMSM là một nam châm vĩnh cửu được cấu trúc sao cho sự phân bố độ

tự cảm (hoặc mật độ từ thông) là hình sin Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm

ví dụ như Samarium Cobalt (SmCo), Neodymium Iron Boride (NdFeB) Có năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn bên trong (cực ẩn) hoặc bên ngoài (cực lồi) lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao Nhất là khi làm việc với tốc độ cao thì khe hở không khí giữa các nam châm có thể đắp bằng vật liệu từ sau đó bọc bằng vật liệu có

độ bền cao như sợi thủy tinh hoặc bắt vít lên các thanh nam châm

Ta chia động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ra thành hai loại:

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngoài (SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine): Các cực từ này có cấu tạo dạng cực từ lồi Động cơ hoạt động ở phạm vi tốc độ thấp

Hình 2.20 Động cơ PMSM cực lồi

1-Lõi thép stator

2-Rotor

3-Nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí chìm bên trong (IPM: Simusodial Interior Magnet Machine)

Hình 2.21 Động cơ PMSM cực ẩn

1-Lõi thép stator

2-Rotor

3-Nam châm vĩnh cửu

Hình 2.22 Các kiểu rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn

Động cơ IPM được sử dụng rộng rãi trong ô tô điện Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường sử dụng cực lồi(SPM) vẫn sinh ra đặc tính rất tốt Nhưng động cơ nam

châm vĩnh cửu cực ẩn(IPM) dẫn đến khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục nên sinh ra momen từ chở (Reluctance Torque) cộng thêm với momen xoắn do nam châm sinh ra (Magnet Torque) Đặc tính này khiến momen của IPM sinh ra rất cao nên được sử dụng cho động cơ xe điện Động cơ IPM đang được sử dụng cho xe Nissan Leaf

⮚ Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM)

Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường với dây quấn và lõi sắt từ Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau

Hình 2.23 Động cơ từ trở đồng bộ-SynRM

Cấu trúc Rotor được cấu tạo bởi các lá thép định hướng và được phân cách bởi lớp vật liệu từ tính so cho để tăng từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra mômen từ trở làm động cơ quay Mô men này do từ thông stator cảm ứng sang rotor

có xu hướng sao cho rotor phải quay tựa theo từ trường stator với vị trí từ trở là nhỏ nhất

⮚ Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM)

Động cơ từ trở gồm 2 phần chính stator và rotor:

Stator được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện, được chế tạo dạng cực từ lồi Trên các cực có quấn dây

Rotor cũng làm bằng thép với dạng cực từ lồi Trên cực từ không có dây quấn Với cấu tạo đặc biệt này, SRM bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở tốc độ cao, lên đên hơn chục nghìn vòng/phút

Hình 2.24 Cấu tạo động cơ từ trở

Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó Giống với động cơ BLDC, động cơ SRM không thể cấp nguồn trực tiếp từ nguồn DC hay nguồn AC mà phải sử dụng một bộ chuyển mạch điện tử Kết cấu động cơ đơn giản, nhưng lại khó điều khiển với chất lượng cao vì có độ nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc biệt là trong thời gian chuyển mạch Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế động cơ

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH XE ĐIỆN BẰNG PHẦN

MỀM MATLAB SIMULINK

3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab Simulink

Simulink được coi là phần mở rộng của Matlab Simulink được dùng để mô phỏng các hệ động học, các hệ tuyến tính, phi tuyến, các mô hình trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn Đặc điểm nổi bật của Simulink lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc, sử dụng các đối tượng đồ họa Loại lập trình hướng đối tượng này có ưu điểm là tính trực quan, dễ viết và hình dung nhất là đối với những người lập trình không chuyên nghiệp Simulink cung cấp giao diện đồ họa để xây dựng mô hình ở dạng sơ đồ khối Bằng thao tác “nhấn và kéo chuột” người sử dụng có thể kéo các khối chuẩn trong thư viện của Simulink ra vùng làm việc của mình để xây dựng mô hình mô phỏng

Hình 3.1 Giao diện làm việc của Simulink

Người sử dụng có thể thay đổi hoặc tạo ra khối riêng của mình và bổ sung vào thư viện như là một khối ứng dụng mới Simulink bao gồm các thư viện sau: thư viện các khối nguồn tín hiệu (Sources), thư viện các khối xuất và hiển thị dữ liệu (Sink), thư viện các khối tính toán (Math Operations), thư viện Continuous và nhiều thư viện khác, tùy theo yêu cầu sử dụng mà chọn các khối khác nhau

Hình 3.2 Thư viện trong Simulink

Mô hình trong Simulink được xây dựng theo kiểu phân cấp điều đó cho phép người

sử dụng có thể xây dựng mô hình theo hướng từ dưới lên trên hoặc từ trên xuống dưới Dùng chức năng tạo “mặt nạ” (Mask) của Simulink người ta có thể xây dựng các hệ con bằng cách tạo hộp thoại và biểu tượng mới cho khối Ứng dụng quan trọng của mặt nạ là tạo ra hộp thoại để tiếp nhận thông số của các khối trong hệ con, ngoài ra mặt nạ còn làm cho mô hình đơn giản, rõ ràng và bảo vệ nội dung của khối khỏi sự xâm nhập của người

lạ Khi thực hiện mô phỏng bằng Simulink người sử dụng có thể quan sát hệ thống ở mức tổng quan, vừa có thể xem xét chi tiết hoạt động của từng khối bằng cách nháy đúp chuột vào khối đó Các khối Scope và khối hiển thị khác (lấy trong thư viện Sinks) cho phép người sử dụng quan sát kết quả trong khi đang chạy mô phỏng Hơn nữa người sử dụng còn có thể trực tiếp thay đổi thông số trong khi đang chạy mô phỏng để biết được ảnh hưởng của các thông số đó đối với kết quả của mô phỏng Simulink có một đặc tính quan trọng là khi xây dựng mô hình dạng sơ đồ khối thì Simulink tự động tạo ra một M file (function) cho mô hình đó Hàm này được gọi là S-function Cũng giống như các hàm khác