Nghiên cứu chuyển đổi ô tô truyền thống thành ô tô điện kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời

Mục tiêu: Nghiên cứu chuyển đổi ô tô điện ô tô truyền thống thành ô tô điện kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời nhằm góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải chất khí gây

NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

TT Họ và tên Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên

môn

1 Phạm Quốc Thái

Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lĩnh vực chuyên môn: điện, điện tử và điều khiển động cơ – ô tô, ô tô điện, ô

tô Hybrid, ô tô thông minh

2 Văn Công Tài

Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lĩnh vực chuyên môn: điện ô tô, Cơ khí động lực

3 Hồ Trần Ngọc

Anh

Khoa Cơ khí, Trường Đại Sư phạm kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng; Học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lĩnh vực chuyên môn: Cơ khí động lực điện – điện tử ô tô

4 Nguyễn Ngọc

Phương

Học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Lĩnh vực chuyên môn: Cơ khí động lực DaihocDaNang

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1

V CẤU TRÚC ĐỀ TÀI 2

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 XU HƯỚNG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SẠCH CHO PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG 2

1.1.1 Hoàn thiện động cơ diesel 2

1.1.2 Hoàn thiện động cơ xăng 2

1.1.3 Ô tô sử dụng năng lượng thay thế 2

1.2 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN 2

1.2.1 Giới thiệu chung 2

1.2.2 Nhu cầu sử dụng ô tô điện trong đời sống 2

1.2.3 Cấu hình ô tô điện 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 4

2.2 CƠ SỞ VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 4

2.2.1 Động cơ điện một chiều 4

2.2.2 Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) 4

2.2.3 Động cơ không đồng bộ 4

2.3 HỆ THỐNG TÍCH TRỮ ĐIỆN NĂNG 4

DaihocDaNang

2.3.1 Pin Lithium 4

2.3.2 Pin năng lượng mặt trời 4

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 5

3.1 PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN CHUYỂN ĐỔI XE ĐIỆN 5

3.2 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN 5

3.2.1 Tính chọn động cơ điện 5

3.2.2 Chọn bộ điều khiển động cơ điện 7

3.3 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG 7

3.3.2 Tính chọn nguồn năng lượng mặt trời 7

3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển sạc từ năng lượng mặt trời 7

3.4 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC 8

3.4.1 Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực 8

3.4.2 Khả năng leo dốc của ô tô - độ dốc cực đại 8

3.4.3 Vận tốc cực đại của ô tô 8

3.4.4 Đồ thị biến thiên lực kéo theo tốc độ ô tô điện 8

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG TRÊN Ô TÔ ĐIỆN 9

4.1 CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK 9

4.1.1 Giới thiệu Matlab 9

4.1.2 Giới thiệu Matlab-simulink 9

4.2 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 9

4.2.1 Cơ sở xây dựng mô hình 9

4.2.2 Xây dựng mô hình hình hệ thống truyền động điện cho ô tô điện bằng công cụ Matlab/simulink 10

4.2.3 Điều kiện mô phỏng 11

4.2.4 Kết quả và bàn luận 12

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 15

DaihocDaNang

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Trường Đại học Bách khoa

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu chuyển đổi ô tô truyền thống thành ô

tô điện kết hợp sử dụng

- Mã số: B2019-DN02-60

- Chủ nhiệm: Phạm Quốc Thái

- Tổ chức chủ trì: Trường đại học Bách khoa

- Thời gian thực hiện: tháng 8 năm 2019 đến tháng 8 năm 2021

2 Mục tiêu: Nghiên cứu chuyển đổi ô tô điện ô tô truyền thống thành

ô tô điện kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời nhằm góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải chất khí gây ô nhiễm môi trường

và đa dạng hóa nguồn năng lượng sử dụng trên phương tiện giao thông

3 Tính mới và sáng tạo: Giải pháp chuyển đổi ô tô truyền thống

thành ô tô điện kết hợp với nguồn năng lượng mặt trời nhằm giảm thải

ô nhiễm môi trường và đa dạng hóa năng lượng sử dụng cho ô tô Ngoài ra, tận dụng thêm nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp cho các thiết bị điện trên ô tô Đây là giải pháp là mới và sáng tạo

4 Kết quả nghiên cứu: Đề tài đã nghiên cứu chuyển đổi thành công

ô tô tải nhẹ Towner 800 sử dụng động cơ xăng thành ô tô điện kết hợp với sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Ô tô sau khi chuyển đổi sử dụng động cơ điện không đồng bộ 3 pha được điều khiển bởi bộ biến tần nghịch lưu và được cung cấp bởi nguồn điện từ Pin lithium-ion Ô

tô sau khi chuyển đổi được sử dụng để thu gom rác trong phạm vi khu vực nhỏ nhằm phục vụ dự án tái tạo rác thải khép kín Nghiên cứu này góp phần làm cơ sở để thiết kế, chuyển đổi ô tô truyền thống thành ô

tô điện ở Việt Nam

DaihocDaNang

Space”, International Journal of Mechanical Engineering and

Robotics Research (Scopus), vol 11, no 2, pp 92-98, 2022

2 P.Q Thai, V.C Tai, and L.M.Tien, “Design and Implementation of an Electric Wheelchair Operating in Different

Terrains” International Journal of Mechanical Engineering and

Robotics Research (Scopus), vol 9, no 6, pp.797-802, 2020

3 P.Q Thai, H.D.Tri, and N.T.H.Van, “Optimization of the

gear ratios for a vehicle manual transmission”, Proceedings of

2020 Applying New Technology in Green Buildings, IEEE Xplore (Scopus), pp 92-98, 2021

+ 02 bài báo khoa học đăng trên tạp chí trong nước trong danh mục được tính điểm của HĐCDGSNN

1 Phạm Quốc Thái, Huỳnh Đức Trí, “Mô hình hóa và mô

phỏng hệ thống truyền động ô tô điện”, Tạp chí khoa học và công

nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 19 (4.1), trang 47–51, 2021

2 Phạm Quốc Thái, Văn Công Tài, “Thiết kế xe điện tự hành

vận chuyển linh kiện trong nhà máy lắp ráp ô tô”, Tạp chí khoa

học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 11(17), trang 28–32,

THE UNIVERSITY OF DANANG

UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: A study of converting a conventional vehicle into

an electric vehicle combined with using solar energy

Code number: B2019-DN02-60

Coordinator: PHAM Quoc Thai

Implementing institution: University of Science and Technology, the University of Danang

Duration: from 8/2019 to 8/2021

2 Objective(s): The aim of this project is to contribute to saving fossil

fuels, reducing gas emissions, and diversifying energy sources for means of transport

3 Creativeness and innovativeness: The solution to convert a

conventional vehicle into an electric vehicle combining using solar energy to reduce environmental pollution and diversify energy resources for vehicles, and utilizing more solar energy to supply electrical equipment in cars is a creative and innovative solution

4 Research results:

The project has successfully converted the Towner 800 light truck using gasoline engines into an electric vehicle combined with using solar energy The electric vehicle uses a 3-phase asynchronous electric motor controlled by an inverter and powered by a lithium-ion battery This study contributes to the design and conversion of traditional cars into electric cars in Vietnam

DaihocDaNang

Personal Space”, International Journal of Mechanical

Engineering and Robotics Research (Scopus), vol 11, no 2,

pp 92-98, 2022

2 P.Q Thai, V.C Tai, and L.M.Tien, “Design and Implementation of an Electric Wheelchair Operating in

Different Terrains” International Journal of Mechanical

Engineering and Robotics Research (Scopus), vol 9, no 6,

pp.797-802, 2020

3 P.Q Thai, H.D.Tri, and N.T.H.Van, “Optimization of the

gear ratios for a vehicle manual transmission”, Proceedings

of 2020 Applying New Technology in Green Buildings, IEEE Xplore (Scopus), pp 92-98, 2021

+ National journal papers: 02

1 Phạm Quốc Thái, Huỳnh Đức Trí, “Mô hình hóa và mô

phỏng hệ thống truyền động ô tô điện”, Tạp chí khoa học và

công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 19 (4.1), trang 47–51, 2021

2 Phạm Quốc Thái, Văn Công Tài, “Thiết kế xe điện tự hành

vận chuyển linh kiện trong nhà máy lắp ráp ô tô”, Tạp chí

khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 11(17), trang

28–32, 2019

5.2 Training products: a master’s student

5.3 Application products: the design of electric vehicle control

system

DaihocDaNang

6 Transfer alternatives, application institutions, impacts, and

benefits of research results:

- Transfer alternatives: the product of this project can be solved the

problem of designing and controlling electric vehicles The research

team is willing to transfer the work to research institutions and centers;

control system design companies, automobile manufacturing

enterprises

- Application address: University of Science and Technology, the

University of Danang In addition, the results of this study can be

applied and coordinated with businesses to develop electric cars and

smart cars

- Impacts and benefits of research results: the results of this study

will promote the development of clean means of transport,

contributing to environmental protection Besides, this study also

contributes to improving the applied research ability for university

lecturers, effectively supporting undergraduate and postgraduate

training in the fields of clean and intelligent vehicles

DaihocDaNang

đó, việc nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trong

ô tô sạch cũng rất cần thiết và hữu ích

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu chuyển đổi ô tô điện ô tô truyền thống thành ô tô điện kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời nhằm góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải chất khí gây ô nhiễm môi trường và đa dạng hóa nguồn năng lượng sử dụng trên phương tiện giao thông

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: ô tô điện

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

+ Mô hình hóa, mô phỏng ô tô điện;

+ Tính toán hệ thống năng lượng;

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Cách tiếp cận: Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin, nghiên cứu

về xe điện, từ đó thiết kế và chế tạo xe điện cá nhân và hệ thống hỗ trợ lái, thử nghiệm, tích số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo

DaihocDaNang

- Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng

V CẤU TRÚC ĐỀ TÀI

Cấu trúc báo cáo “Nghiên cứu chuyển đổi ô tô truyền thống thành

ô tô điện kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời” gồm phần mở đầu, kết luận và bốn chương:

Phần mở đầu

Chương 1 tổng quan

Chương 2 cơ sở lý thuyết

Chương 3 tính toán thiết kế

Chương 4 mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền động trên ô tô Kết luận và hướng phát triển

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Xu hướng sử dụng nhiên liệu sạch cho phương tiện giao thông

Ô tô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) đang là xu thế của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được đưa ra, có 4 nhóm chính là hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, động cơ xăng, sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel và động cơ sử dụng năng lượngđiện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid)

1.1.1 Hoàn thiện động cơ diesel

1.1.2 Hoàn thiện động cơ xăng

1.1.3 Ô tô sử dụng năng lượng thay thế

1.2 Tổng quan về ô tô điện

1.2.1 Giới thiệu chung

1.2.2 Nhu cầu sử dụng ô tô điện trong đời sống

Xe điện là loại phương tiện giao thông đã có từ rất lâu của thế kỷ trước và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong nhiều loại

DaihocDaNang

3 phương tiện Đặt biệt ngày nay, xe điện không còn đơn thuần là xe điện công cộng và tàu điện như thế kỷ trước nữa Ngày nay xe điện được ứng dụng trên nhiều loại phương tiện, các phương tiện này dùng động cơ điện để làm xe chuyển động

1.2.3 Cấu hình ô tô điện

Cấu hình cơ bản của ô tô điện được minh họa trong hình 1.17, bao gồm ba hệ thống chủ yếu: hệ động lực điện, hệ thống năng lượng, và

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung

Bộ phận quan trọng nhất của ô tô điện đó chính là động cơ điện

và nguồn cung cấp năng lượng (ắc quy) Do đó, trong chương này sẽ

đề cập chính đến cơ sở động cơ điện và hệ thống tích trữ năng lượng trên ô tô điện [3] Hình 2.1 mô tả sở đồ động lực của ô tô điện

Hình 2.1 Sơ đồ động lực của một ô tô điện

2.2 Cơ sở về động cơ điện

2.2.1 Động cơ điện một chiều

2.2.2 Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC)

5

Chương 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.1 Phân tích phương án chuyển đổi xe điện

Với tiêu chí chọn xe có tải trọng thấp, có hình dạng khí động học tốt để giảm thiểu sức cản của gió và có thiết kế thùng sẵn để phục vụ cho mục đích chở rác trong các hẻm nhỏ trong thành phố, nhóm nghiên cứu đã chọn xe tải nhẹ Thaco Towner 800A làm xe cơ sở để chuyển đổi thành xe điện [12]

Hình 3.2 Hình chiếu đứng ô tô chuyển đổi

1 Bảng điều khiển; 2 Bánh xe trước; 3 Cản trước; 17 Thùng xe;

18 Bánh sau

3.2 Tính chọn động cơ điện và bộ điều khiển

3.2.1 Tính chọn động cơ điện

Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo FM

dùng để thắng lực cản lăn của mặt đường Ff, lực cản lên dốc Fi, lực cản gió FW và lực quán tính khi tăng tốc Fj [12]

Phương trình cân bằng công suất tổng quát [5]:

(3.1) Chọn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ điện, khi đó ta có phương trình cân bằng công suất có dạng như sau:

w

N N  N N N  N

DaihocDaNang

Công suất cần thiết của động cơ điện để cân bằng với công cản

của xe trong trường hợp này là:

NM = Nv max/ η (3.10) Trong đó: + η là hiệu suất của động cơ điện, chọn sơ bộ η = 0,95

Thế vào ta được:

NM = 14054,2

0,95 = 14793,8 W = 14,79 (kW) DaihocDaNang

7

3.2.2 Chọn bộ điều khiển động cơ điện

3.3 Tính toán hệ thống năng lượng

3.3.2 Tính chọn nguồn năng lượng mặt trời

3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển sạc từ năng lượng mặt trời

Một số hình ảnh thực tế của xe sau khi lắp ráp hoàn chỉnh như sau: DaihocDaNang

Hình 3.17 Hình ảnh thực tế lắp ráp xe điện chuyển đổi

Hình 3.18 Mặt trước của xe sau khi lắp ráp

3.4 Tính toán các thông số động lực học

3.4.1 Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

3.4.2 Khả năng leo dốc của ô tô - độ dốc cực đại

3.4.3 Vận tốc cực đại của ô tô

3.4.4 Đồ thị biến thiên lực kéo theo tốc độ ô tô điện

DaihocDaNang

9

Chương 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

TRUYỀN ĐỘNG TRÊN Ô TÔ ĐIỆN

4.1 Công cụ mô phỏng Matlab/Simulink

4.1.1 Giới thiệu Matlab

4.1.2 Giới thiệu Matlab-simulink

4.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền động điện

4.2.1 Cơ sở xây dựng mô hình

Giải pháp là sử dụng nguồn điện một chiều, thông qua bộ nghịch lưu để biến đổi thành dòng xoay chiều cấp cho động cơ không đồng

Bộ nghịch lưu

3~

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động ô tô điện

Để điều chỉnh tốc độ trong các hệ truyền động sử dụng ĐCKĐB,

sử dụng các phương pháp như: thay đổi điện trở phụ Roto, thay đổi điện áp stato, thay đổi số đôi cực p, thay đổi tần số điện áp Stato [9] Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số điện áp Stator được sử sụng phổ biến, tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ với tần số nguồn cung cấp như sau:

 =2.𝜋.𝑓

DaihocDaNang