Nghiên cứu, tính toán chuyển đổi ô tô dùng động cơ đốt trong sang ô tô điện

Việc chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong sang xe điện được coi là một phương pháp lý tưởng để người tiêu dùng thích nghi nhanh chóng với xe điện, cũng như mang lại chi phí thấp hơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

GVHD: ĐINH TẤN NGỌC SVTH: PHÙNG GIA HUY

QUANG MINH TIẾN

S K L 0 0 9 0 9 0

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỔI Ô TÔ DÙNG

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SANG Ô TÔ ĐIỆN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỔI Ô TÔ DÙNG

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SANG Ô TÔ ĐIỆN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỔI Ô TÔ DÙNG

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SANG Ô TÔ ĐIỆN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: 1 PHÙNG GIA HUY MSSV: 18145133

2 QUANG MINH TIẾN MSSV: 18145261

Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Lớp: 18145CL6B

Giảng viên hướng dẫn: ThS ĐINH TẤN NGỌC ĐT: 037.903.5536

Ngày nhận đề tài: Ngày 12 tháng 03 năm 2022

Ngày nộp đề tài: Ngày 09 tháng 08 năm 2022

1 Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỔI Ô TÔ DÙNG ĐỘNG CƠ ĐỐT

TRONG SANG Ô TÔ ĐIỆN

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Thông số xe Toyota Camry 2.5Q 2018

- Đinh Tấn Ngọc, Tính toán hệ thống pin xe điện, 2021

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Tính toán hệ thống pin

- Tính toán lựa chọn động cơ điện chuyển đổi

- Nghiên cứu và lựa chọn hệ thống làm mát

4 Sản phẩm:

- 01 tập thuyết minh đề tài

Trưởng bộ môn Giáo viên hướng dẫn

ThS Đinh Tấn Ngọc ThS Vũ Đình Huấn

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Phùng Gia Huy MSSV: 18145133

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô

Tên đề tài: Nghiên cứu, tính toán chuyển đổi ô tô dùng động cơ đốt trong sang ô tô điện

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: Th.S Đinh Tấn Ngọc

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm: ………… (Bằng chữ: ………… ……… )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2022

Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Phùng Gia Huy MSSV: 18145133

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô

Tên đề tài: Nghiên cứu, tính toán chuyển đổi ô tô dùng động cơ đốt trong sang ô tô điện

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: GVC Th.S Châu Quang Hải

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm: ………… (Bằng chữ: ………… ……… )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2022

Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)

i

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện Đồ án Tốt nghiệp, chúng em nhận được rất nhiều sự giúp

đỡ, động viên, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của Gia đình, Qúy thầy cô và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đền thầy Th.S Đinh Tấn Ngọc, giảng viên Bộ môn

Động cơ, Khoa Đào tạo Chất Lượng Cao – người đã hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình thực hiện Đồ án Thầy đã tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình lựa chọn

đề tài, cung cấp tài liệu, kiểm tra theo dõi tiến độ trong quá trình thực hiện để chúng em có thể hoàn thành Đồ án này

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM nói chung, các Thầy Cô giáo trong khoa Đào tạo Chất lượng cao nói riêng đã dạy chúng em những kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đó là nền tảng, định hướng vững chắc không chỉ giúp chúng em hoàn thành Đồ án mà còn trong con đường nghề nghiệp sắp tới

Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Đồ án Tốt nghiệp

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày … tháng 08 năm 2022

Nhóm sinh viên thực hiện

Quang Minh Tiến Phùng Gia Huy

ii

TÓM TẮT

Hiện tượng nóng lên toàn cầu đang tăng nhanh hơn bất kỳ thời điểm nào trong suốt 2.000 năm qua, cùng với đó là những hệ lụy khôn lường từ thực trạng ô nhiễm môi trường trầm trọng Theo EPA, phương tiện giao thông cơ giới là một trong những nguyên nhân dẫn tới tình trạng này Chỉ tính riêng tại Mỹ, mỗi năm có tới 75% lượng khí CO, Pb, NOx… thải ra từ các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, tác động xấu tới sức khỏe con người, thậm chí gây nhiều ca tử vong sớm mỗi năm

Ngành công nghiệp ô tô toàn cầu đang phải đối mặt với một thách thức lớn trong việc đạt được một môi trường không khí thải Để từng bước hạn chế tình trạng này, trong thập

kỷ qua, các nhà sản xuất đã không ngừng đổi mới công nghệ, khai thác những dòng xe tiết kiệm nhiên liệu, ít khí thải, thân thiện với môi trường Trong đó xe điện là giải pháp hiệu quả và tiềm năng nhất được các nhà môi trường và cộng đồng người tiêu dùng đánh giá cao Các nhà sản xuất đã đưa ra nhiều sáng kiến để thương mại hóa xe điện trên quy mô lớn, nhưng vẫn tồn tại nhiều hạn chế liên quan đến công nghệ xe điện, hạn chế quan trọng nhất là chi phí sản xuất xe điện Việc chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong sang xe điện được coi là một phương pháp lý tưởng để người tiêu dùng thích nghi nhanh chóng với

xe điện, cũng như mang lại chi phí thấp hơn và thời gian đưa ra thị trường ngắn hơn Việc chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong sang xe điện tồn tại những mối quan tâm lớn cần được khắc phục và nghiên cứu kĩ lưỡng Trước tiên là vị trí thay thế các thành phần chuyển đổi, vì nó ảnh hưởng lớn đến khối lượng xe sau chuyển đổi cũng như phân bố tải trọng và trọng tâm của xe Điều này vô hình chung làm thay đổi tính năng động học, khả năng xử lý, tính ổn định và an toàn của xe Do đó, cần phải có sự nghiên cứu và tính toán kĩ lưỡng trước khi quyết định chuyển đổi Hơn nữa, việc chuyển đổi còn cần phải lưu tâm đến hiệu suất hoạt động của hệ thống pin, do nó quyết định khả năng vận hành cũng như quãng đường mà xe sau chuyển đổi có thể đi được Do đó, cần nghiên cứu và phát triển một hệ thống quản lý nhiệt pin, đảm bảo hệ thống pin luôn hoạt động trong điều kiện nhiệt độ lý tưởng, nhằm gia tăng tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của hệ thống pin

iii

Trong đồ án này, chúng em tập trung vào việc nghiên cứu, so sánh các phương án chuyển đổi thường được sử dụng, từ đó lựa chọn phương án phù hợp nhất Sau đó, thông qua những thông số của xe chuyển đổi được cung cấp từ nhà sản xuất mà lựa chọn những thành phần điện phù hợp nhằm đảm bảo thông số ban đầu của xe được giữ nguyên (lựa chọn hệ thống pin, động cơ điện, …) Lựa chọn hệ thống quản lý nhiệt pin BTMS phù hợp,

và cuối cùng tính toán lại động học, kiểm nghiệm tính an toàn, ổn định và tin cậy của xe sau chuyển đổi

iv

ABSTRACT

One of the reasons for this predicament is that global warming is increasing faster than

it has in the preceding 2,000 years, with the unpredictable consequences of the severe pollution According to EPA, motor vehicle emissions are considered as one of the reasons The genus significantly affects human health, causing many premature deaths each year in only the United States, accounting for up to 75% of the CO, Pb, NOx extracted from cars running on fossil fuels

Global automotive industry is facing a great challenge in achieving an emission-free environment To gradually restrict this state, for the last decade, the manufacturers have never stopped inovating automotive technologies in order to develope fuel - efficient, low-emission and green vehicles Electric vehicles are the most effective and potential solution, which is highly appreciated by environmentalists and consumer communities The Manufacturers have taken initiatives to commercialize the EVs in a large scale but limitations involved with EV technology has been found and the crucial limitation would

be the production cost of EVs ICE to EV conversion has been considered as an ideal method for the prompt adaptation of EV by the consumers as it offers lower costs and short time-to-market

The ICE (Internal conbustion engine) to EV (Electric vehicles) conversion is a key challenge that must be addressed and thoroughly researched The first is the positioning of the conversion components in a different order, since it has a significant impact on the vehicle's weight after conversion, as well as its load distribition and CG point - center of gravity This incidentally changes the vehicle dynamics, the handling, stability and safety

of vehicles As a result, before opting to convert, it is vital to conduct thorough study and calculations Furthermore, the performance of the battery system must be considered during the conversion because it impacts the operability as well as the visual ability of the converted vehicle to travel Therefore, there is a pressing need to conduct research and develop a battery thermal management system BTMS Ensure that the battery system is

vi

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH xvi

DANH MỤC CÁC BẢNG xx

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Đặt vấn đề 2

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 3

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4

1.4 Mục tiêu đề tài 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 5

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 5

1.5.2 Phương pháp mô hình hóa - mô phỏng 5

Chương 2: TỔNG QUAN CẤU TRÚC HỆ THỐNG XE 6

2.1 Hệ thống truyền động 6

2.2 Động cơ điện 8

2.2.1 Khái niệm 8

2.2.2 Các loại động cơ điện thông dụng ứng dụng trên xe điện 9

2.2.2.1 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 11

2.2.2.2 Động cơ điện cảm (IM) 15

2.2.2.3 Động cơ từ trở thay đổi (SRM)……… 18

2.2.2.4 Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ (PMSM) 20

2.3 Bộ chuyển đổi điện năng DC- DC converter 23

vii

2.4 Đánh giá cấu trúc hệ thống xe hiện có 29

2.5 Hệ thống phanh 29

2.6 Hệ thống treo 30

2.7 Động lực học của xe 30

Chương 3: HỆ THỐNG PIN VÀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ NHIỆT PIN 31

3.1 Tổng quan về pin xe điện 31

3.2 Lý thuyết 32

3.2.1 Pin Lithium - Ion (LIB) 32

3.2.1.1 Khái niệm 32

3.2.1.2 Cấu tạo 32

3.2.1.3 Nguyên lý hoạt động 35

3.2.1.4 Vấn đề về điều kiện hoạt động của pin LIB 36

3.2.2 Truyền nhiệt 38

3.2.2.1 Hệ số truyền nhiệt 38

3.2.2.2 Cân bằng nhiệt với bộ trao đổi nhiệt 41

3.2.3 Bộ điều khiển On-Off 42

3.3 Hệ thống quản lý pin (Battery Management Systems - BMS) 44

3.3.1 Khái niệm 44

3.3.2 Chức năng BMS 45

3.3.2.1 Kiểm soát quá trình xả 45

3.3.2.2 Kiểm soát quá trình nạp 45

3.3.2.3 Ước tính State of Charge SOC 46

3.3.2.4 Ước tính State of Health SOH 46

3.3.2.5 Cân bằng cell (Cell balancing) 46

3.3.2.6 Chức năng ghi nhớ 47

3.3.2.7 Giao tiếp 47

3.4 Hệ thống quản lý nhiệt pin (Battery Thermal Management Systems - BTMS) 48

3.4.1 Chức năng 48

3.4.2 Các công nghệ BTMS 49

viii

3.4.2.1 Làm mát và sưởi bằng không khí 49

3.4.2.2 Làm mát và sưởi bằng chất lỏng 50

3.4.2.3 Làm mát và sưởi trực tiếp bằng môi chất 52

3.4.2.4 Làm mát và sưởi bằng vật liệu chuyển pha (Phase Changing Material PCM) 53

3.4.2.5 Làm mát bằng nhiệt - điện 55

3.4.2.6 Ống nhiệt 56

3.4.2.7 Bộ sưởi PTC (Positive Temperature Coefficient) 57

3.4.3 Đánh giá các hệ thống làm mát 58

3.4.3.1 Hệ thống làm mát bằng không khí cưỡng bức 60

3.4.3.2 Hệ thống làm mát bằng chất lỏng 60

3.4.3.3 Hệ thống làm mắt bằng PCM 61

3.4.3.4 Hệ thống làm mắt bằng nhiệt - điện 61

3.4.4 Lựa chọn hệ thống làm mát 62

Chương 4: THIẾT KẾ, BỐ TRÍ CHUYỂN ĐỔI VÀ TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN CÁC THÀNH PHẦN ĐIỆN 63

4.1 Lựa chọn xe thực hiện chuyển đổi 63

4.2 Thiết kế, lựa chọn hệ thống truyền động 64

4.3 Tính toán, lựa chọn hệ thống pin 66

4.3.1 Cơ sở tính toán 66

4.3.2 Lực cản tổng cộng 68

4.3.3 Tính toán 69

4.3.3.1 Tính toán công suất tổng cộng Ptot 69

4.3.3.2 Tổng năng lượng tiêu tốn trung bình 71

4.3.3.3 Năng lượng tiêu tốn tổng cộng 73

4.3.3.4 Tính toán hệ thống pin 74

4.3.3.4.1 Tính toán thông số một cell pin 74

4.3.3.4.2 Tính toán hệ thống pin 75

4.4 Lựa chọn, tính toán động cơ điện 77

4.4.1 Cơ sở lựa chọn 77

ix

4.4.2 Tính toán lựa chọn 78

4.5 Mô phỏng động cơ điện sử dụng Matlab - Simulink 83

4.6 Vị trí đặt các thành phần điện và tính toán phân bố tải trọng xe sau chuyển đổi 88

4.6.1 Vị trí đặt các thành phần chuyển đổi 88

4.6.2 Tính toán phân bố tải trọng xe 89

4.6.2.1 Tọa độ trọng tâm (CG) 89

4.6.2.1.1 Tọa độ trọng tâm theo chiều dọc 90

4.6.2.1.2 Tọa độ trọng tâm theo chiều ngang 90

4.6.2.1.3 Tọa độ trọng tâm theo chiều cao 91

4.6.2.2 Phân bố tải trọng xe 91

4.6.2.2.1 Phân bố tải trọng theo chiều dọc 91

4.6.2.2.2 Phân bố tải trọng theo chiều ngang 91

4.7 Kiểm nghiệm động học của xe sau chuyển đổi 91

4.7.1 Thay đổi tải trọng chiều ngang 93

4.7.2 Moment quán tính cực 94

4.7.3 Bán kính quỹ đạo xe 94

4.7.4 Góc trượt 95

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 96

5.1 Kết luận 96

5.2 Kết quả đạt được 97

5.3 Hướng phát triển trong tương lai 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

PHỤ LỤC 103

Phụ lục 1 Giới thiệu phần mềm MATLAB 103

1.1 Giới thiệu MATLAB 103

1.2 Lịch sử ra đời MATLAB 104

1.3 Hệ thống MATLAB 105

x

1.3.1 Ngôn ngữ MATLAB 105

1.3.2 Môi trường làm việc của MATLAB 106

1.3.3 Xử lý đồ họa 106

1.3.4 Thư viện hàm tính toán 106

1.3.5 MATLAB API (Application Program Interface) 107

1.4 Tính năng của MATLAB 107

1.5 Ứng dụng MATLAB 108

Phụ lục 2 Giới thiệu Simulink 108

2.1 Giới thiệu Simulink 108

2.2 Các sản phẩm bổ trợ 108

Phụ lục 3 Tổng quan mô phỏng và mô hình hóa 109

3.1 Một số định nghĩa cơ bản trong mô phỏng 109

3.2 Mô hình hóa hệ thống 111

3.2.1 Vai trò của phương pháp mô hình hóa hệ thống 111

3.2.2 Phân loại mô hình hóa hệ thống 112

3.3 Phương pháp mô phỏng 113

3.3.1 Sơ đồ khối 113

3.3.2 Bản chất phương pháp mô phỏng 114

3.3.3 Các bước nghiên cứu mô phỏng 116

Phụ lục 4 Các code MATLAB - SIMULINK có trong đồ án 117

4.1 Code MATLAB 117

4.2 Các khối lập trình Simulink 118

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

BLDC: Động cơ một chiều không chổi than

BMS: Battery Management Systems – Hệ thống quản lý pin

BTMS: Battery Thermal Management Systems – Hệ thống quản lý nhiệt pin

CG: Tọa độ trọng tâm

EMF: Electromagnetic field

FOC: Điều khiển tốc độ từ thông – Field oriented control

HEV: Xe điện Hybrid

IM: Động cơ điện cảm

IPM: Interior permanent magnet motor – Động cơ nam châm vĩnh cửu chìm

LIB: Pin Lithium – Ion

PCM: Phase Changing Material

PTC: Positive Temperature Coefficient

PMSM: Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ

SRM: Động cơ từ trở thay đổi

SPM: Surface mounted permanent magnet motor – Động cơ nam châm vĩnh của nổi SEPIC: Single – Ended Primary – Inductor

SOC: State of Charge

SOH: State of Health

V/F: Điều khiển biến tần

WLTC: Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure

𝐴: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2)

E : tổng năng lượng tiêu thụ (Wh)

𝐸𝑎𝑢𝑥 : năng lượng tiêu tốn trung bình (Wh/km)

𝐸𝑎𝑣𝑔 : năng lượng tiêu tốn tổng cộng (Wh/km)

𝐸𝑝 : năng lượng tiêu tốn trung bình (Wh/km)

Ebc: năng lượng của một cell pin (Wh)

I : Dòng xả cực đại của hệ thống pin (A)

k: độ dẫn nhiệt của vật liệu làm ống (W/m.K)

M : khối lượng phần trước xe (kg)

m : khối lượng của dòng chất lỏng (kg)

bc

m : khối lượng một cell pin (kg)

𝑚𝑏𝑝 : khối lượng của cả hệ thống pin (kg)

Ncs : số cell pin mắc nối tiếp

Nbs: số chuỗi nối tiếp mắc song song

𝑁𝑐𝑏: Số cell pin có trong hệ thống pin

Pr: số Prandtl

xiv

tot

P : công suất tổng cộng (W)

bpp

P : Công suất cực đại của hệ thống pin (W)

U (V): Điện áp 1 cell pin

UV: năng lượng riêng theo thể tích (Wh/m3)

UG: năng lượng riền theo khối lượng (Wh/kg)

o

i T

T , : nhiệt độ chất lỏng đi vào và ra (K)

Ttot: moment xoắn tổng công (Nm)

Vcc : Thể tích của mỗi cell Pin (m3)

xv

𝑚. : lưu lượng chất lỏng đi qua bộ trao đổi nhiệt (kg/s)

𝑞.: lưu lượng truyền nhiệt với chất lỏng trong ống (W)

14

Hình 2.10: Động cơ DC không chổi than loại in - runner 14 Hình 2.11: Cấu tạo động cơ điện cảm 16 Hình 2.12: Cấu tạo động cơ lồng sóc 17 Hình 2.13: Cấu tạo động cơ vòng trượt 17 Hình 2.14: Rotor động cơ lồng sóc và vòng trượt 17 Hình 2.15: Động cơ điện cảm xe Tesla model S 18 Hình 2.16: Cấu tạo động cơ từ trở thay đổi SRM 19 Hình 2.17: Động cơ từ trở thay đổi SRM 19 Hình 2.18: Động cơ điện xe Ford Focus electric 21 Hình 2.19: Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu nổi và chìm 21 Hình 2.20: Biểu đồ công suất - vận tốc động cơ SPM và IPM [10] 22 Hình 2.21: Biểu đồ moment xoắn - vận tốc động cơ SPM và IPM [10] 22 Hình 2.22: Vinfast VF e34 23 Hình 2.23: Nguyên lý hoạt động DC - DC converter 24 Hình 2.24: Mạch song song đơn giản 25 Hình 2.25: Mạch nối tiếp đơn giản 25 Hình 2.26: Phân loại DC - DC converter 26

xvii

Hình 2.27: Sơ đồ buck DC - DC converter 26 Hình 2.28: Sơ đồ boost DC - DC converter 27 Hình 2.29: Sơ đồ buck - boost DC - DC converter 28 Hình 2.30: Sơ đồ Ćuk DC - DC converter 28 Hình 2.31: Sơ đồ SEPIC DC - DC converter 29 Hình 3.1: Hệ thống pin Tesla model S 31 Hình 3.2: Cấu tạo pin Lithium - Ion 32 Hình 3.3: Lớp mạ Lithium 37 Hình 3.4: Công suất pin theo nhiệt độ 37 Hình 3.5: Tuổi thọ chu kỳ pin theo nhiệt độ 38 Hình 3.6: Bộ trao đổi nhiệt hình ống, không có cánh 39 Hình 3.7: Sơ đồ bộ trao đổi nhiệt dạng tube-and-shell 42 Hình 3.8: Hoạt động của dàn sưởi (1) 43 Hình 3.9: Hoạt động của dàn sưởi (2) 43 Hình 3.10: Hệ thống BMS 44 Hình 3.11: Sơ đồ khối của BMS 45 Hình 3.12: Hệ thống tản nhiệt pin 48 Hình 3.13: Hệ thống không khí cưỡng bức (bị động và chủ động) 50 Hình 3.14: Hệ thống không khí cưỡng bức với bộ thu hồi nhiệt 50 Hình 3.15: Hệ thống làm mát bị động bằng chất lỏng 51 Hình 3.16: Hệ thống làm mát chủ động bằng chất lỏng 52 Hình 3.17: Hệ thống làm mát và sưởi trực tiếp bằng môi chất 52 Hình 3.18: Cơ chế họat động của PCM trên các cell pin 53 Hình 3.19: Hệ thống làm mát nhiệt - điện 56 Hình 3.20: Cấu tạo ống nhiệt 56 Hình 3.21: Hệ thống làm mát bằng ống nhiệt 57 Hình 3.22: Bộ sưởi tự điều chỉnh PTC 58 Hình 3.23: Biểu đồ điện trở theo nhiệt độ của điện trở nhiệt PTC 58 Hình 4.1: Toyota Camry 2.5Q 2018 63

xviii

Hình 4.2: Chu trình WLTC loại 3 67 Hình 4.3: Các lực tác dụng lên xe 68 Hình 4.4: Sơ đồ tính toán Ptot sử dụng Matlab - Simulink 70

Hình 4.5: Kết quả tính toán Ftot và Ptot 70

Hình 4.6 : Sơ đồ tính toán năng lượng tiêu tốn trung bình trên Matlab-Simulink 71 Hình 4.7: Tổng năng lượng tiêu hao theo thời gian 71 Hình 4.8: Sơ đồ tính Eavg trên Matlab - Simulink 73

Hình 4.9: Sơ đồ tính các thông số của cell pin trên Matlab - Simulink 75 Hình 4.10: Sơ đồ tính các thông số của hệ thống pin trên Matlab - Simulink 77 Hình 4.11: Sơ đồ tính toán Pmotor và Tmotorsử dụng Matlab - Simulink 79

Hình 4.12: Kết quả tính toán Pmotor và Tmotor 79

Hình 4.13: Động cơ điện BorgWarner HVH250-090-SOM loại rotor IPM 80 Hình 4.14: Biểu đồ công suất của động cơ theo tốc độ quay 81 Hình 4.15: Biểu đồ moment xoắn của động cơ theo tốc độ quay 81 Hình 4.16: Biểu đồ hiệu suất làm việc động cơ 82 Hình 4.17: Lập trình Matlab vẽ biểu đồ công suất, moment và hiệu suất động cơ 83 Hình 4.18: Biểu đồ công suất, moment và hiệu suất động cơ 84 Hình 4.19: Mô hình cơ học động cơ 84 Hình 4.20: Mô phỏng điều khiển động cơ sử dụng Simulink 85 Hình 4.21: Biểu đồ tốc độ động cơ theo thời gian 86 Hình 4.22: Biểu đồ moment xoắn động cơ theo thời gian 86 Hình 4.23: Biểu đồ moment xoắn động cơ theo tốc độ động cơ 87 Hình 4.24: Cách bố trí các thành phần ô tô điện của hãng Volkswagen 89 Hình 4.25: Bố trí hệ thống truyền lực 89 Hình 4.26: Lực tác dụng lên các thành phần khác nhau của xe 92 Hình 4.27: Lực tác dụng lên lốp khi xe vào cua 93 Hình 4.28: Đồ thị lực kéo lốp xe theo tải trọng tác dụng lên lốp 93 Hình PL1.1: Giao diện MATLAB 103 Hình PL1.2: Xử lý đồ họa 106

xix

Hình PL3.1: Sơ đồ phân loại mô hình hóa 112 Hình PL3.2: Một hệ thống ba khối 113 Hình PL3.3: Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng 115 Hình PL3.4: Các bước nghiên cứu mô phỏng 116 Hình PL4.1: Lập trình Matlab vẽ biểu đồ công suất, moment và hiệu suất động cơ

117

Hình PL4.2: Sơ đồ tính toán Ptot sử dụng Matlab - Simulink 118

Hình PL4.3: Sơ đồ tính toán năng lượng tiêu tốn trung bình trên Matlab-Simulink… 118 Hình PL4.4: Sơ đồ tính Eavg trên Matlab - Simulink 119

Hình PL4.5: Sơ đồ tính các thông số của cell pin trên Matlab - Simulink 119 Hình PL4.6: Sơ đồ tính các thông số của hệ thống pin trên Matlab - Simulink 120 Hình PL4.7: Sơ đồ tính toán Pmotor và Tmotorsử dụng Matlab - Simulink 120

Hình PL4.8: Mô phỏng điều khiển động cơ sử dụng Simulink 121

cùng một tốc độ khối lượng dòng chảy 50g/s 60

Bảng 3.5: Bảng điểm đánh giá các bộ BTMS khác nhau 62 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của xe Toyota Camry 2.5Q 64 Bảng 4.2: So sánh các kiểu truyền động 65 Bảng 4.3: WLTC loại 3 67 Bảng 4.4: Hệ số cản gió của một số loại xe 69 Bảng 4.5: Công suất hệ thống phụ liên tục 72 Bảng 4.6: Công suất hệ thống phụ gián đoạn 72 Bảng 4.7: Thông số của NCR18650B 74 Bảng 4.8: Thông số động cơ BorgWarner HVH250-090-SOM 80

Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài:

Hiện tượng nóng lên toàn cầu đang tăng nhanh hơn bất kỳ thời điểm nào trong suốt 2.000 năm qua, cùng với đó là những hệ lụy khôn lường từ thực trạng ô nhiễm môi trường trầm trọng Theo EPA, phương tiện giao thông cơ giới là một trong những nguyên nhân dẫn tới tình trạng này Chỉ tính riêng tại Mỹ, mỗi năm có tới 75% lượng khí CO, Pb, NOx… thải ra từ các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, tác động xấu tới sức khỏe con người, thậm chí gây nhiều ca tử vong sớm mỗi năm

Ngành công nghiệp ô tô toàn cầu đang phải đối mặt với một thách thức lớn trong việc đạt được một môi trường không khí thải Để từng bước hạn chế tình trạng này, trong thập

kỷ qua, các nhà sản xuất đã không ngừng đổi mới công nghệ, khai thác những dòng xe tiết kiệm nhiên liệu, ít khí thải, thân thiện với môi trường Đối mặt với những thách thức này, việc thay thế các sản phẩm dầu mỏ, thứ đã trở thành nhiên liệu chính cho ngành vận tải trong suốt nhiều thế kỉ là mối quan tâm chính Nguyên nhân chủ yếu nằm ở việc những phương tiện dùng dầu mỏ làm nhiên liệu thải ra môi trường khí thải chứa vô cùng các chất độc hại, tiêu biểu có thể kể đến như: CO, Pb, NOx… Do đó, xu hướng hiện nay chính là phát triển các loại xe sử dụng điện năng làm nhiên liệu, vì các xe này hoàn toàn không thải khí thải ra môi trường Nhưng xe điện (EV) cần được chú trọng hơn nữa trong nghiên cứu

kỹ thuật để có thể thay thế hoàn toàn cho các loại xe động cơ đốt trong cho thị trường phổ thông của người sử dụng ô tô trên toàn thế giới Do hiện nay, những trạm sạc điện trên thế giới không nhiều, do đó xe điện không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng Chỉ tính riêng ở Việt Nam, ngoài những tỉnh thành, thành phố lớn trực thuộc Trung ương (TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, …), hầu như các tỉnh thành khác có rất ít hoặc không có những trạm sạc điện Do đó, người dùng xe điện gần như bị giới hạn phạm vi hoạt động trong những tỉnh thành nhất định, điều này khiến cho xe điện khó trở thành phương tiện di chuyển chính Ngoài ra, giá thành cũng là một vấn đề khiến xe điện trở nên khó phổ biến Hầu hết

xe điện đều được trang bị công nghệ rất tiên tiến, khung xe làm bằng vật liệu hàng đầu để giảm trọng lượng, … dẫn đến việc giá thành xe điện rất cao, khó cạnh tranh với xe sử dụng động cơ đốt trong Do đó, mặc dù là biện pháp thân thiện với môi trường và được chấp nhận đã lâu, xe điện vẫn chưa thể bước vào thị trường đại chúng

Do chưa thể thiết lập việc sản xuất xe điện hàng loạt, một giai đoạn chuyển tiếp mới

đã ra đời như một giải pháp thay thế tạm thời: chuyển đổi xe sử dụng động cơ đốt trong sang xe điện Việc chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong sang xe điện được coi là một phương pháp lý tưởng để người tiêu dùng thích nghi nhanh chóng với xe điện, cũng như mang lại chi phí thấp hơn và thời gian đưa ra thị trường ngắn hơn Việc người tiêu dùng có thể thay thế chiếc xe mình đang sở hữu sang xe điện có thể giảm thiểu rất nhiều chi phí, cũng như đáp ứng được xu hướng bảo vệ môi trường vốn đang là một chủ đề rất nóng trong thời gian gần đây Do đó, chúng em chọn đề tài này, nhằm đem đến cho mọi người cái nhìn đầy đủ và chính xác nhất về việc chuyển đổi sang xe điện, giúp những người

có nhu cầu chuyển đổi tiết kiệm được thời gian, chi phí và tránh những rủi ro không đáng

có Cũng như hi vọng đồ án này có thể đóng góp một phần công sức trong việc xây dựng môi trường sống xanh, sạch, không khí thải, nâng cao sức khỏe cộng đồng

1.2 Đặt vấn đề:

Yêu cầu về môi trường hướng đến một giải pháp thay thế cho việc vận tải không khí thải Trong số tất cả các giải pháp được giới thiệu cho ngành công nghiệp ô tô, xe điện đã trở nên rất hứa hẹn như một lựa chọn tốt nhất với một số hạn chế đi kèm với nó như phạm

vi hoạt động, chi phí và cơ sở hạ tầng địa phương Như đã phân tích, do nhiều yếu tố cấu thành, chúng ta vẫn chưa thể thiết lập việc sản xuất xe điện hàng loạt, do đó một giai đoạn chuyển tiếp đã ra đời như một lẽ tất yếu Việc chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong sang xe điện được coi là một phương pháp lý tưởng trong giai đoạn hiện tại do chi phí thấp hơn khi tận dụng khung và thân xe hiện có, thời gian đưa ra thị trường nhanh chóng Tuy nhiên, trên thực tế, việc chuyển đổi này không phải là một việc đơn giản mà nó cần thời gian nghiên cứu và tính toán kĩ lưỡng do những thay đổi lớn của xe sau quá trình chuyển đổi Những vấn đề cần lưu ý có thể khái quát như sau: trước tiên là việc lựa chọn động cơ điện, cách truyền động Đây là một vấn đề lớn do nó ảnh hưởng đến cấu trúc xe, cách mà xe vận hành sau chuyển đổi, công suất, hiệu suất và vô vàn những yếu tố khác Tiếp theo là vị trí thay thế các thành phần chuyển đổi điện, vì nó ảnh hưởng lớn đến khối lượng xe sau chuyển đổi cũng như phân bố tải trọng và trọng tâm của xe Điều này vô hình chung làm thay đổi tính năng động học, khả năng xử lý, tính ổn định và an toàn của xe Do

đó, cần phải có sự nghiên cứu và tính toán kĩ lưỡng trước khi quyết định chuyển đổi Tiếp

theo đó, việc chuyển đổi còn cần phải lưu tâm đến hiệu suất hoạt động của hệ thống pin,

do nó quyết định khả năng vận hành cũng như quãng đường mà xe sau chuyển đổi có thể

đi được Do đó, cần nghiên cứu và phát triển một hệ thống quản lý nhiệt pin, đảm bảo hệ thống pin luôn hoạt động trong điều kiện nhiệt độ lý tưởng, nhằm gia tăng tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của hệ thống pin Ngoài ra, việc lựa chọn khung xe chuyển đổi phù hợp cũng là một vấn đề Nếu xe không có đủ không gian cần thiết để bố trí các hệ thống sau chuyển đổi, chúng ta sẽ cần phải thay đổi khung xe, gây khó khăn cho quá trình chuyển đổi cũng như tăng chi phí chuyển đổi Việc lựa chọn xe cũng ảnh hưởng đến hệ thống phanh và treo của xe Sau quá trình chuyển đổi, rất nhiều thông số xe đã thay đổi, do đó, một yêu cầu khác của xe được chọn là hệ thống treo và phanh phải đáp ứng được tính an toàn và ổn định sau chuyển đổi

Việc chuyển đổi xe sử dụng động cơ đốt trong sang xe điện vẫn chưa được chấp nhận trong ngành ô tô về mặt thương mại, mặc dù đã xuất hiện từ lâu nhưng đa phần việc chuyển đổi hiện nay trên thị trường đều dựa trên kinh nghiệm Do đó, một vấn đề khác là đồ án này cần đem đến cái nhìn tổng quan và chính xác nhất, đảm bảo cho người đọc có thể hiểu

rõ cách quá trình chuyển đổi vận hành, từ đó tránh đi những rủi ro không đáng có khi thực hiện

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:

“Nghiên cứu tính toán nguồn động lực dung năng lượng điện cho xe du lịch 5 chỗ”

của nhóm tác giả Nguyễn Huy Trường, Phạm Việt Thành đến từ Viện Kỹ thuật cơ giới quân sự, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đăng tại Hội Nghị Khoa học và Công nghệ toàn quốc về Cơ khí Lần thứ V – VCME 2018, ngày đăng bài 15/09/2018 Bài báo đã lựa chọn động cơ điện và tính toán, so sánh tính động lực của xe nguyên thủy và xe điện sau khi lắp động cơ điện có giữ lại hộp số nguyên thủy và không dùng hộp số Sau quá trình tính toán kiểm tra, việc thay thế động cơ điện trên các xe cũ sử dụng nhiên liệu hóa thạch vừa tận dụng được các xe thế hệ cũ, vừa tận dụng được các ưu điểm của động cơ điện

“Nghiên cứu chuyển đổi xe sử dụng năng lượng truyền thống thành xe điện sử dụng năng lượng mặt trời” của tác giả Võ Xuân Huy đến từ Đại học Đà Nẵng, Trường

Đại học Bách Khoa thuộc Khoa Cơ khí giao thông đăng vào năm 2018 Trong báo cáo này,

tác giả đã lựa chọn dòng xe Thaco Towner 990A để nghiên cứu về việc chuyển đổi Tác giả đã trình bày tổng quan về ô tô điện, các cơ sở lý thuyết về hệ thống pin năng lượng mặt trời, đặc tính và phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện 1 chiều, đặc tính phóng nạp và các phương pháp nạp điện cho accu, phân tích phương án lựa chọn về thiết kế, tính toán chọn các bộ phận cần thiết cho thiết kế, thiết kế mạch nạp cho accu từ pin năng lượng mặt trời và tính toán mạch chỉnh lưu từ điện lưới accu

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Có rất nhiều công trình nghiên cứu, các bài báo khoa học trình bày về nghiên cứu, tính toán việc chuyển đổi các xe sử dụng động cơ đốt trong thành xe điện Dưới đây là một vài công trình nghiên cứu tiêu biểu có liên quan đến tới nghiên cứu của nhóm:

“A Case Study on Conversion of an Internal Combustion Engine Vehicle into an Electric Vehicle” của nhóm tác giả Delfim Pedrosa, Vistor Monteiro, Henrique

Goncalves, Júlio S.Martins, João L.Afonso đăng trên IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, pp1-5, Coimbra Portugal, Oct 2014 Sau quá trình nghiên cứu, nhóm tác giả

đã chuyển đổi được một chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong thành một xe điện có tên CEPIUM, xe đã được thử nghiệm thực tế và cải tiến hơn sau quá trình thử nghiệm Tính năng phanh tái tạo cũng đang được nhóm tác giả nghiên cứu và phát triển trên xe đã được chuyển đổi

“Converting An Internal Combustion Engine Vehicle to An Electric Vehicle”của tác giả Ali Eydgahi, Edward Lee Long IV được đăng trên ASEE Annual Conference and Exposition năm 2011 từ trang 23.381.1 – 23.381.15 Trong bài, nhóm tác giả đã so sánh chi phí vận hành của xe sử dụng động cơ đốt trong và xe điện từ đó đưa ra chi phí vận hành của xe động cơ đốt trong gấp đôi của một chiếc xe điện Nhóm tác giả đã lựa chọn dòng xe Chevy S-10 năm 1992 để thiết kế và thực hiện một chiếc xe điện có khả năng đi được gần 161km với chỉ một lần sạc Các tính toán công suất của nhóm đã đạt được tốc độ hợp lý với yêu cầu ban đầu đề ra

“Conversion of conventional vehicle into an Electric Vehicle” của nhóm tác giả

Kapil Shrivastava, Ram Bansal, Himanshu Jain, Nimil Doshi, Niraj Soni và Nikiata Soni được đăng trên Advances and Applications in Mathematical Sciences, Volume 20, Issue 1, November 2020, Pages 15-24 Trong bài báo này, nhóm tác giả đã mô tả quy trình chuyển

đổi một chiếc xe động cơ đốt trong cụ thể thành một chiếc xe chạy bằng điện, nhằm mục đích hướng đến lĩnh vực xe thu gom rác Nghiên cứu dựa trên phương tiện ACE HT của TATA Nhóm tác giả đã thực hiện việc tháo rời động cơ, thùng chứa nhiên liệu, hệ thống

xả thay thế bằng động cơ điện, bộ điều khiển, pin và cổng sạc pin điều này đã giúp nhóm thành công trong việc chuyển đổi thành xe điện áp dụng trong lĩnh vực thu gom rác từ xã hội, giúp tiết kiệm kinh tế và có thể áp dụng cho một số lĩnh vực khác

1.4 Mục tiêu đề tài:

Như đã đề cập trước đây, việc chuyển đổi sang xe điện bao gồm rất nhiều các vấn đề Mục tiêu chính của bài nghiên cứu này là giải quyết các vấn đề cơ bản nhất của việc chuyển đổi, cũng như mang đến cái nhìn tổng quan và chính xác cho người đọc Những vấn đề cơ bản này bao gồm:

- Lựa chọn khung xe chuyển đổi phù hợp

- Lựa chọn phương thức truyền động

- Lựa chọn, tính toán, mô phỏng hoạt động động cơ điện

- Lựa chọn hệ thống quản lý nhiệt pin phù hợp

- Lựa chọn cách bố trí thành phần chuyển đổi

- Tính toán lại thông số động học, tính an toàn, khả năng vận hành của xe sau chuyển đổi

- Xem xét tính khả thi của đề tài

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Tìm kiếm, tham khảo những lý thuyết quan trọng về xe điện, chuyển đổi xe điện, những nghiên cứu trước đây, …

- Tổng hợp các nội dung tham khảo

- Tìm kiếm, tham khảo, học hỏi cách sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab - Simulink

1.5.2 Phương pháp mô hình hóa - mô phỏng:

- Tham khảo những mô hình, những tài liệu nghiên cứu trước đây, sau đó thiết kế mô hình và lập trình lên Matlab - Simulink

- Phân tích kết quả

Chương 2 TỔNG QUAN CẤU TRÚC HỆ THỐNG XE

Việc xác định và tính toán trước cấu trúc của hệ thống xe điện có ảnh hưởng rất lớn đến việc tiến hành chuyển đổi một chiếc xe bất kì từ động cơ đốt trong sang động cơ điện Quá trình chuyển đổi bao gồm việc loại bỏ hệ thống truyền động động cơ đốt trong và thay thế bằng các bộ phận dẫn động động cơ điện tương ứng Trong quá trình tính toán chuyển đổi, cần hạn chế sửa đổi khung xe và những hệ thống có sẵn của xe như hệ thống phanh, treo, … để tránh gia tăng chi phí chuyển đổi và xử lý những rủi ro trong quá trình thay đổi Tuy nhiên cần phải kiểm tra xem hệ thống phanh, treo, … hiện có của xe có thể đáp ứng điều kiện làm việc bình thường khi tải trọng toàn bộ của xe đã thay đổi sau quá trình chuyển đổi hay không Do đó, bắt buộc phải xác định và tính toán trước cấu trúc của hệ thống xe

để có được giải pháp chuyển đổi tối ưu nhất

2.1 Hệ thống truyền động:

Hệ thống truyền động là trái tim của ô tô cả về ô tô đốt trong truyền thống lẫn ô tô điện

và Hybrid Hãy bắt đầu với những gì hệ thống truyền động thông thường phải đạt được Trong điều kiện thực tế, công suất từ động cơ phải thắng được các lực cản tạo ra khi xe di chuyển đối với bất kỳ tốc độ nào Nhiệm vụ rõ ràng của hệ thống truyền động là sử dụng công suất của động cơ để dẫn động các bánh xe và lốp xe với mức tổn thất ít nhất (hiệu suất cao nhất) Nhưng nhìn chung, hệ thống truyền động phải thực hiện một số nhiệm vụ:

- Chuyển đổi moment xoắn và tốc độ của động cơ thành lực kéo của xe

- Thay đổi hướng, cho phép xe chuyển động tiến và lùi

- Cho phép các bánh dẫn động quay với tốc độ khác nhau khi vào cua

- Cho phép xe leo dốc

- Tiết kiệm nhiên liệu tối đa

Hệ thống truyền động trên ô tô điện bao gồm:

- Động cơ điện (Electric machine, Electric motor): chuyển đổi điện năng thành cơ năng

để đẩy xe và ngược lại, chuyển đổi cơ năng thành điện năng (Phanh tái sinh, …) để nạp năng lượng cho pin

- Bộ chuyển đổi điện năng (Power converter): cung cấp điện áp và dòng điện thích hợp cho động cơ điện

- Bộ điều khiển động cơ (Motor controller): đưa tín hiệu điện để điều khiển động cơ điện tạo ra công suất và tốc độ thích hợp

Hình 2.1: Hệ thống truyền động ô tô điện thông thường

Đối với việc chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện, lựa chọn hệ thống truyền động sẽ định hướng cho việc lựa chọn những thành phần truyền động có trong hệ thống (Ví dụ như vị trí đặt các thành phần, cách kết nối các thành phần, …) Hệ thống truyền động càng nhỏ gọn, càng có nhiều không gian trống để phân bố hệ thống pin và hệ thống làm mát, đảm bảo được quãng đường di chuyển tối đa trong một lần sạc Hệ thống truyền động bao gồm các thông số tính toán như: công suất cần thiết, tỉ lệ công suất trên khối lượng động cơ, … những thông số này xác định số lượng động cơ cần sử dụng trong hệ thống truyền động Ngoài ra, một yếu tố quan trọng khác của hệ thống truyền động là kiểu truyền động (trực tiếp hoặc gián tiếp), thứ quyết định đến vị trí đặt động cơ trên xe, cũng như xác định được tỉ số truyền của hộp số cần thiết để chuyển đổi

Thông thường khi thực hiện chuyển đổi, hệ thống truyền động sẽ bao gồm một động

cơ điện thay thế vị trí của động cơ đốt trong sẵn có, kết nối với hộp số xe và truyền lực đẩy đến bánh xe thông qua trục các đăng Đây là kiểu chuyển đổi đơn giản và tốn ít chi phí nhất vì gần như không thay đổi bất kì cấu trúc nào của xe Tuy nhiên, hệ thống này sẽ chiếm không gian khoang động cơ nhiều cũng như tổn thất truyền động lớn Một kiểu hệ thống truyền động khác là động cơ đặt kế bánh xe với hai động cơ ở mỗi bánh xe cầu chủ động Trong hệ thống này, mỗi động cơ hoạt động riêng biệt với nhau, và mất mát công suất truyền động thấp hơn nhiều so với kiểu hệ thống thông thường Kiểu hệ thống truyền động cuối cùng là động cơ đặt ngay trong bánh xe, truyền lực trực tiếp đến bánh xe mà

không qua hộp số hoặc trục các đăng Do đó, ưu điểm lớn nhất của hệ thống này chính là khối lượng xe giảm rất nhiều (loại bỏ hộp số, trục,…) và không mất mát công suất trong quá trình truyền động Tuy nhiên, hệ thống này làm thay đổi cấu trúc xe nên quá trình chuyển đổi rất phức tạp, và do các động cơ hoạt động độc lập, việc điều khiển động cơ cũng trở nên phức tạp hơn nhiều

từ điện năng sang cơ năng và đóng vai trò như một máy phát điện trong trường hợp chuyển đổi ngược lại Trong quá trình chuyển đổi, năng lượng tiêu tốn một phần do sự hao tổn cơ khí, điện năng và từ trở, tuy nhiên hiệu suất của động cơ điện lại cao hơn so với những hệ thống chuyển đổi năng lượng khác (động cơ đốt trong, động cơ hydro,…)

Hình 2.2: Động cơ điện trên ô tô

Ở xe điện, động cơ điện đóng vai trò là đơn vị truyền động duy nhất của xe Ưu điểm chính của động cơ điện so với động cơ đốt trong truyền thống là việc động cơ điện có thể truyền tải toàn bộ moment xoắn ở tốc độ thấp và cung cấp công suất tức thời cao gấp 2-3 lần mức công suất làm việc của động cơ Ưu điểm này giúp xe điện có thể tăng tốc trong thời gian rất ngắn Chúng ta sẽ xem xét kĩ hơn về ưu điểm của động cơ điện so với động

cơ đốt trong theo bảng 2.1 so sánh dưới đây:

Bảng 2.1: So sánh động cơ đốt trong và động cơ điện.[2]

Yếu tố Động cơ đốt trong Động cơ điện

Số lượng thành phần chuyển

Hiệu suất (%) Thấp ( <45% ) Cao ( >90% )

Tỉ lệ công suất trên khối

lượng ( kW/kg )

Thấp (VD: 0.7 Chevrolet V8 Turbo Diesel)

Cao (VD: 1.4 Toyota Prius)

Tạo moment xoắn ở trạng thái

Khí thải ô nhiễm Cao (CO, HC, NOx, …) Không có

Động cơ điện là thành phần quan trọng nhất đối với một phương tiện sử dụng điện năng Hoạt động của một chiếc xe bao gồm ba giai đoạn: quá trình tăng tốc ban đầu, lái xe

ở tốc độ định mức và lái xe ở tốc độ tối đa Trong quá trình chuyển đổi, có những thông số thiết kế cần được quan tâm đến như: công suất định mức của xe, tốc độ định mức của xe, kích thước và khối lượng động cơ, tốc độ định mức động cơ, tốc độ tối đa động cơ, yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng, … Yêu cầu quan trọng trong quá trình chuyển đổi chính là động cơ điện được lựa chọn phải đảm bảo hoạt động bình thường theo thông số ban đầu của xe do nhà sản xuất cung cấp Thông thường, sẽ dựa vào khả năng tăng tốc của xe đến 100 km/h hoặc công suất và moment xoắn định mức

2.2.2 Các loại động cơ điện thông dụng ứng dụng trên xe điện:

Động cơ điện có thể phân thành hai loại lớn dựa trên nguồn điện được sử dụng cho chúng: động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều Như tên gọi của chúng, động

cơ điện một chiều được cấp nguồn từ nguồn điện một chiều Động cơ điện một chiều thường nhỏ hơn động cơ điện xoay chiều, và thường được sử dụng ở những ứng dụng hoạt động trên cơ sở hệ thống pin Động cơ điện xoay chiều được cấp nguồn từ nguồn xoay chiều, động cơ thường lớn và chủ yếu được ứng dụng trong các ngành công nghiệp nặng, nơi yêu cầu động cơ có moment xoắn lớn

Trong mỗi loại động cơ lớn lại có thêm nhiều loại nhỏ khác nhau tùy theo moment xoắn và tốc độ yêu cầu Động cơ điện một chiều bao gồm những loại động cơ nhỏ hơn như: động cơ điện một chiều có chổi than (Brushed DC motor), động cơ điện một chiều không chổi than (Brushless DC motor), động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu (Pernament magnet motor), động cơ servo, … Động cơ điện xoay chiều bao gồm: động cơ điện cảm (Induction motor), động cơ đồng bộ ba pha (Synchronous motor), động cơ không đồng bộ

ba pha (Asynchronous motor), …

Hình 2.3: Phân loại động cơ điện

Đối với việc ứng dụng trên ô tô điện, dựa trên công suất, hiệu suất, chi phí, khối lượng, kích thước và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng, …, những động cơ điện thường được chọn để ứng dụng lên ô tô điện như: động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC motor), động

cơ điện cảm (Induction motor), động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ (Pernament magnet synchronous motor), động cơ từ trở thay đổi (Switched reluctance motor) và động cơ đồng

bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior permanent magnet motor)

2.2.2.1 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC): [3] [4]

Động cơ không chổi than là kết quả của những nỗ lực cố gắng nâng cao hiệu suất động

cơ có chổi than Mặc dù chúng sử dụng chung một nguyên tắc điện từ, động cơ không chổi than lại phức tạp hơn rất nhiều

Trước khi tiến hành tìm hiểu về động cơ không chổi than, ta cần xem xét và tìm hiểu động cơ có chổi than trước để có cái nhìn tổng quan và sâu sắc hơn Động cơ DC có chổi than được biết đến như là một trong những động cơ điện xuất hiện sớm nhất và đơn giản nhất Cấu tạo động cơ DC có chổi than đơn giản gồm một stator cố định làm từ nam châm vĩnh cửu và rotor chuyển động với cổ góp, chổi than và vòng chia đặt xung quanh động cơ

Hình 2.4: Cấu tạo động cơ điện một chiều có chổi than

Khi dòng điện được cấp cho động cơ, dòng điện chạy từ nguồn đến phần ứng (rotor) thông qua chổi than, tiếp xúc với cổ góp Sau khi phần ứng được cấp điện, nó bắt đầu hoạt động giống như một nam châm và đẩy các cực của nam châm vĩnh cửu, làm động cơ quay với tốc độ và moment phụ thuộc vào cường độ từ trường xung quanh phần ứng Cường độ

từ trường là hàm phụ thuộc vào điện áp đặt tại chổi than và cường độ nam châm vĩnh cửu

Hình 2.5: Hoạt động quay động cơ một chiều có chổi than

Trái ngược với động cơ DC có chổi than, trong động cơ không chổi than, mọi thứ được đảo lộn Phần ứng trong động cơ có chổi than quay trong khi đó đối với động cơ không chổi than, nó đứng yên Phần cảm trong động cơ có chổi than đứng yên và quay trong động

cơ không chổi than Nói một cách đơn giản, Stator của động cơ không chổi than được làm

từ các cuộn dây và Rotor gắn vào trục động cơ làm từ nam châm vĩnh cửu Vì động cơ không chổi than loại bỏ việc sử dụng chổi than để cung cấp năng lượng cho phần ứng, việc chuyển mạch trở nên phức tạp hơn được thực hiện bằng điện tử, thông qua các phần tử điện

tử để đạt được chuyển động quay Thuật toán chuyển mạch cho động cơ không chổi than chia làm hai loại: có và không có cảm biến

Hình 2.6: Động cơ DC không chổi than

Trong thuật toán chuyển mạch dùng cảm biến, các cảm biến đặt dọc theo các cực của động cơ, phản hồi vị trí rotor về mạch điều khiển Có ba thuật toán phổ biến sử dụng để chuyển đổi dựa trên cảm biến: giao hoán hình thang, giao hoán hình sin, điều khiển vector (hoặc hướng trường) Mỗi thuật toán có ưu, nhược điểm khác nhau và có thể được thực hiện theo những cách khác nhau tùy thuộc phần mềm và thiết kế phần cứng

Trong thuật toán chuyển mạch không cảm biến, thay vì đặt các cảm biến bên trong động cơ, mạch điều khiển được thiết kế để xác định vị trí rotor thông qua đo tín hiệu EMF (Electromagnetic field) phản hồi Thuật toán này hoạt động khá tốt và có chi phí thấp hơn

do cắt giảm chi phí cảm biến Tuy nhiên việc thực hiện nó phức tạp hơn rất nhiều so với

sử dụng cảm biến

Ở động cơ điện DC có chổi than, chổi than tiếp xúc thường xuyên với cổ góp dẫn đến tiêu tốn công suất do ma sát làm mòn chổi than Do đó động cơ này có hiệu suất thấp và cần bảo dưỡng định kì Trong khi đó, động cơ không chổi than về cơ bản là không có ma sát, do đó hiệu suất động cơ cao, không cần bảo dưỡng định kì và tuổi thọ lâu hơn Mặt

khác, động cơ điện không chổi than có giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ có chổi than

Động cơ không chổi than hiện nay còn được chia ra làm hai loại: out - runner và in - runner Đối với out - runner, rotor quay đặt bên ngoài và stator đặt bên trong Nó còn được gọi là động cơ Hub vì bánh xe được kết nối trực tiếp với rotor Động cơ này có ưu điểm là nhỏ gọn, không yêu cầu hệ thống bánh răng bên ngoài (một số loại động cơ tích hợp sẵn bánh răng hành tinh) Tuy nhiên, công suất động cơ khá thấp, thường được ứng dụng trên

xe máy điện

Hình 2.7: Cấu tạo động cơ DC không chổi than loại in và out - runner

Hình 2.8: Động cơ DC không chổi than loại out - runner

Hình 2.9: Động cơ DC không chổi than loại out - runner ứng dụng trên xe máy điện

Ở động cơ DC không chổi than loại in - runner, rotor quay đặt bên trong stator như các động cơ thông thường Loại này yêu cầu một hệ thống truyền động bên ngoài để truyền công suất đến bánh xe

Hình 2.10: Động cơ DC không chổi than loại in - runner

Chúng ta sẽ thấy rõ sự khác nhau của hai loại động cơ thông qua bảng 2.2 so sánh dưới đây: