Thiết kế chế tạo mô hình xe máy điện thiết kế chế tạo điện và điều khiển

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu − Tìm hiểu về xe máy điện; − Xây dựng phương án thiết kế và điều khiển của đường truyền năng lượng trên 1.5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thu thập và xử lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE MÁY ĐIỆN (THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN)

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS HUỲNH QUANG THẢO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE MÁY ĐIỆN (THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN)

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS HUỲNH QUANG THẢO

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm chúng em cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chúng em

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng có ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tp, Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 9 năm 2021

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin gửi tới các thầy cô lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả thầy cô Viện Kỹ Thuật trường Đại học thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho chúng em có những ngày làm đồ án tốt nghiệp vô cùng ý nghĩa Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cô, đến nay chúng

em đã có thể hoàn thành bài báo cáo này Để bài báo cáo này đạt kết quả tốt đẹp, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ của các thầy cô Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép chúng em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả các thầy

cô Viện Kỹ Thuật trường Đại học thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình học tập và hoàn thiện bài báo cáo Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Huỳnh Quang Thảo đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn chúng

em hoàn thành tốt bài báo cáo trong thời gian qua

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của chúng em, bài báo cáo này không thể tránh được những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình nhằm phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Chúng em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

Phiếu đăng kí đề tài đồ án tốt nghiệp

Phiếu giao nhiệm vụ

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH SÁCH CÁC HÌNH vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG viii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 2

1.3 Mục đích nghiên cứu 6

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

1.6 Kết quả đạt được của đề tài 7

1.7 Kết cấu của đề tài 7

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ XE MÁY ĐIỆN 8

2.1 Tổng quan về phần mềm mô phỏng Proteus 8

2.2 Phương án thiết kế xe máy điện 9

2.3 Giới thiệu các thiết bị trên xe máy điện 11

2.4 Tính toán động học xe máy điện 26

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG, THI CÔNG, LẮP RÁP VÀ THỰC NGHIỆM MÔ

HÌNH XE MÁY ĐIỆN 30

3.1 Mô phỏng xe máy điện trên phần mềm Proteus 30

3.2 Thi công, lắp ráp mô hình xe máy điện 41

3.3 Bảo dưỡng xe máy điện 51

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 52

4.1 Đánh giá kết quả 52

4.2 Kết luận 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 56

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

MSC Motorcycle Stability Control Hệ thống kiểm soát độ ổn định của xe IP57 Ingress Protection Tiêu chuẩn chống nước, chống bụi

BLDC Brushless Direct Current Dòng điện một chiều không chổi than

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Xe máy điện Mission One của công ty Mission Motor (Nguồn Internet) 2

Hình 1.2: Xe máy điện ZR/F của hãng Zero (Nguồn Internet) 3

Hình 1.3: Xe máy điện Sarolea MANX7 (Nguồn Internet) 4

Hình 1.4: Xe máy điện Vinfast Klara (Nguồn Internet) 4

Hình 1.5: Xe máy điện Vespa Roma (Nguồn Internet) 5

Hình 1.6: Xe máy điện PEGA Trains (Nguồn Internet) 6

Hình 2.1: Phần mềm mô phỏng Proteus (Nguồn Internet) 8

Hình 2.2: Mô hình xe máy điện sử dụng truyền đồng bằng nhông xích (Nguồn Internet) 9

Hình 2.3: Mô hình xe máy điện sử dụng bánh xe tích hợp motor điện (Nguồn Internet) 10

Hình 2.4: Vị trí lắp đặt pin Lithium 11

Hình 2.5: Cấu tạo pin Lithium (Nguồn Internet) 13

Hình 2.6: Quá trình sạc, xả của pin Lithium-ion (Nguồn Internet) 15

Hình 2.7: Driver của xe máy điện (Nguồn Internet) 17

Hình 2.8: Tay ga xe máy điện (Nguồn Internet) 18

Hình 2.9: Cấu tạo động cơ BLDC (Nguồn Internet) 22

Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC (Nguồn Internet) 22

Hình 2.11: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ BLDC (Nguồn Internet) 23

Hình 2.12: Đồ thị đặc tính làm việc của động cơ BLDC (Nguồn Internet) 24

Hình 2.13: (a) Tốc độ lý thuyết, (b) tốc độ thực tế (Nguồn Internet) 25

Hình 3.1: Hệ thống đèn chiếu sáng 30

Hình 3.2: Hệ thống đèn chiếu sáng ở trạng thái đèn chiếu xa 31

Hình 3.3: Hệ thống đèn đuôi xe và đèn phanh 32

Hình 3.4: Hệ thống đèn đuôi xe khi bật công tắc khoá xe 33

Hình 3.5: Hệ thống đèn đuôi xe khi phanh 34

Hình 3.6: Hệ thống đèn tín hiệu 35

Hình 3.7: Hệ thống đèn tín hiệu khi bật công tắc sang trái 36

Hình 3.8: Hệ thống đèn tín hiệu khi bật công tắc sang phải 37

Hình 3.9: Hệ thống còi xe 38

Hình 3.10: Hệ thống còi xe khi nhấn nút còi xe 39

Hình 3.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển xe máy điện (Nguồn Internet) 40

Hình 3.12: Hệ thống điều khiển xe máy điện khi chưa hoạt động 40

Hình 3.13: Hệ thống điều khiển xe máy điện khi hoạt động 41

Hình 3.14: Lắp đặt pin Lithium 41

Hình 3.15: Công tắc nguồn điện 42

Hình 3.16: Jack kết nối pin và công tắc nguồn điện 42

Hình 3.17: Jack sạc pin Lithium 43

Hình 3.18: Lắp đặt Driver 43

Hình 3.19: Lắp đặt tay ga 44

Hình 3.20: Đồng hồ LCD hiển thị thông tin 44

Hình 3.21: Đèn chiếu sáng và đèn tín hiệu phía trước 45

Hình 3.22: Còi xe 45

Hình 3.23: Đèn đuôi xe và đèn tín hiệu phía sau 46

Hình 3.24: Cùm công tắc trên tay lái bên trái 47

Hình 3.25: Bộ chớp của đèn tín hiệu 48

Hình 3.26: Motor điện một chiều tích hợp với bánh xe 49

Hình 3.27: Kết nối Driver với các thiết bị 50

Hình 3.28: Jack đèn chiếu sáng và đèn tín hiệu 50

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: So sánh giữa pin Lithium-ion và acquy chì axit (Nguồn Internet) 14 Bảng 2.2: So sánh động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không

chổi than (Nguồn Internet) 20

Bảng 2.3: Thông số động cơ điện 26 Bảng 2.4: Các giá trị ban đầu 26

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

1.1.1 Đặt vấn đề

Tình trạng ô nhiễm không khí hiện nay ngày càng tăng cao đặc biệt là ở các khu

đô thị, thành phố lớn Trong đó ô nhiễm giao thông được các cơ quan môi trường đánh giá là một trong những nguyên nhân chính dẫn tới tình trạng này Cụ thể theo kết quả nghiên cứu của các chuyên gia, hoạt động giao thông sẽ gây ra gần 85% lượng khí cacbon monoxit thải ra không khí mỗi ngày Với tỷ lệ này, nó có thể gây ảnh hưởng xấu tới cơ thể, thậm chí dẫn tới bị nhiễm độc cấp Tại các thành phố lớn, lượng xăng bị đốt một cách lãng phí vào các giờ cao điểm sinh ra một lượng lớn khí thải độc hại và bụi mịn PM 2.5 gây ra ô nhiễm môi trường Trên thế giới đã có hơn 7 triệu người chết vì ô nhiễm không khí, riêng tại Việt Nam thì có khoảng 60,000 người tử vong vì ô nhiễm không khí mỗi năm Với tỷ lệ này, nó có thể gây ảnh hưởng xấu tới

cơ thể, thậm chí dẫn tới bị nhiễm độc cấp

Ngoài ra, việc khai thác và sử dụng các nhiên liệu hóa thạch (xăng, dầu, ) quá mức cũng khiến cho nguồn tài nguyên bị cạn kiệt Vì vậy, việc tìm kiếm và chuyển đổi sang một nguyên liệu khác thân thiện hơn với môi trường trở nên bức thiết hơn bao giờ hết Đứng trước thực trạng đáng báo động này, việc thay thế phương tiện sử dụng nhiên liệu hoá thạch bằng phương tiện sử dụng điện là điều cần thiết, nhất là đối với xe máy vì đây là phương tiện di chuyển chủ yếu ở nước ta

1.1.2 Tầm quan trọng

Bảo vệ môi trường, hạn chế thải khí CO2 ra môi trường

Hạn chế sử dụng nhiên liệu hoá thạch tránh dẫn đến tình trạng cạn kiệt nhiên liệu hoá thạch

Cải thiện mức độ ô nhiễm môi trường cũng như đẩy nhanh quá trình phục hồi của tầng Ozone

Giảm bụi mịn từ khí thải phương tiện ra môi trường

Tiết kiệm chi phí vận hành, chi phí bảo dưỡng cho người sử dụng

Giảm ô nhiễm tiếng ồn ở các vùng đô thị

1.1.3 Ý nghĩa của đề tài

Hoà nhập với xu hướng phát triển trên thế giới với ưu tiên hàng đầu trong việc bảo

vệ môi trường sống Đồng thời góp phần trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường

từ khí bụi độc hại do phương tiện lưu thông hiện tại gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ con người

1.1.4 Lý do chọn đề tài

Nhằm nghiên cứu tạo ra mẫu xe máy điện bình dân cho người dân

1.2 Tình hình nghiên cứu

 Công trình nghiên cứu trên thế giới:

Tháng 2 năm 2009: Công ty Mission Motors ở San Francisco do một cựu kỹ sư Tesla Motors dẫn đầu, đã trình làng Mission One, một chiếc xe máy điện có tốc độ

150 dặm/ giờ, trở thành chiếc xe điện được sản xuất nhanh nhất trên thế giới

Hình 1.1: Xe máy điện Mission One của công ty Mission Motor (Nguồn Internet)

Chiếc SR/F của hãng Zero này được trang bị pin lithium-ion, động cơ công suất

110 mã lực và sử dụng hệ thống kiểm soát phanh điện tử MSC của hãng Bosch Là chiếc mô tô thông minh đầu tiên trên thế giới, Zero SR/F sử dụng hệ điều hành và ứng dụng được phát triển riêng Chiếc xe có thể chạy được quãng đường 259 km trong môi trường thành phố trong 1 lần sạc đầy Tốc độ tối đa mà Zero SR/F có thể đạt được là 200 km/h

Hình 1.2: Xe máy điện ZR/F của hãng Zero (Nguồn Internet)

Xe Sarolea MANX7 được trang bị động cơ điện công suất 160 mã lực, có thể đạt vận tốc tối đa 241 km/h và đi được quãng đường 330 km trong 1 lần sạc đầy Tính năng sạc nhanh trên MANX7 chỉ cần 25 phút để sạc từ 0-85% dung lượng pin Bộ khung xe liền khối được làm từ sợi carbon để giảm bớt trọng lượng

Hình 1.3: Xe máy điện Sarolea MANX7 (Nguồn Internet)

 Công trình nghiên cứu trong nước:

Xe máy điện VinFast Klara có vận tốc tối đa xe có thể đạt được là khoảng 50 km/h

Thời gian để sạc được 1 lần pin là từ 8 đến 12 tiếng tùy thuộc vào từng chế độ sạc

Ngoài ra có một ưu điểm vượt trội là chống nước tiêu chuẩn IP57 Vì thế chiếc xe

này có thể dễ dàng di chuyển trong trời mưa hay những vùng ngập úng mà không lo

bị tắt máy

Hình 1.4: Xe máy điện Vinfast Klara (Nguồn Internet)

Xe có trọng lượng khoảng 85 kg nhưng có thể tải trọng lên đến 180 kg Với động

cơ mạnh mẽ nên chiếc xe máy này có thể đạt vận tốc tối đa lên đến 55 km/h Đặc biệt

xe máy điện này có khả năng chống thấm nước nên bạn có thể dễ dàng sử dụng dưới trời mưa hay đi qua những vùng ngập úng

Hình 1.5: Xe máy điện Vespa Roma (Nguồn Internet)

Xe máy điện PEGA Trains với một lần sạc đầy pin xe máy điện này có thể đi được quãng đường đến 100 km Động cơ của xe khá mạnh mẽ lên đến 1000W và có khả năng chống nước rất tốt Xe có trọng lượng 90kg nhưng có thể chở được đến 230 kg thích hợp để di chuyển cho 2 người Vận tốc tối đa của xe máy điện này có thể đạt được là 50 km/h Còn thời gian để sạc đầy pin của xe khoảng từ 6 đến 8 tiếng

Hình 1.6: Xe máy điện PEGA Trains (Nguồn Internet) 1.3 Mục đích nghiên cứu

Đề xuất các giải pháp nghiên cứu góp phần đóng góp phát triển nâng cao hiệu năng của xe máy điện

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

− Tìm hiểu về xe máy điện;

− Xây dựng phương án thiết kế và điều khiển của đường truyền năng lượng trên

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập và xử lý tài liệu: Đây là phương pháp được sử dụng hầu như xuyên suốt trong đề tài, bao gồm hai giai đoạn: thu thập tài liệu và xử lý tài liệu

Nguồn tài liệu sử dụng trong đề tài có thể gồm các dạng: tài liệu chuyên ngành, các văn bản, số liệu thống kê từ các công ty, bài báo, diễn đàn về xe máy điện, một số đề tài khoa học, tài liệu nghiên cứu của các tổ chức nước ngoài, các trang website trong nước và nước ngoài Kết quả của quá trình thu thập và xử lý tài liệu sẽ ảnh hưởng đến kết quả của quá trình nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình của đề tài

Phương pháp phân tích và tổng hợp: phương pháp này dùng để phân tích, tổng hợp nguồn tài liệu và đánh giá các mặt được và những hạn chế của các nghiên cứu trước của vấn đề nghiên cứu, từ đó tìm ra khoảng trống cần nghiên cứu

Phương pháp quan sát nhằm thu thập các tài liệu cụ thể, thực tế về xe máy điện tại Việt Nam, sử dụng phương pháp quan sát làm cơ sở hỗ trợ cho phương pháp thu thập,

xử lý tài liệu

Phương pháp mô phỏng: sử dụng phần mềm mô phỏng Proteus và phần mềm lập trình code CCS để mô phỏng hệ thống điện và hệ thống điều khiển của xe máy điện

1.6 Kết quả đạt được của đề tài

Mô hình xe máy điện hoàn chỉnh có thể vận hành ổn định trên đường với vận tốc tối đa đạt được là 50 km/h và di chuyển được quãng đường là 125 km

1.7 Kết cấu của đề tài

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2: Tính toán, thiết kế

Chương 3: Mô phỏng, thi công, lắp ráp và thực nghiệm

Chương 4: Đánh giá kết quả và kết luận

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ XE MÁY ĐIỆN

2.1 Tổng quan về phần mềm mô phỏng Proteus

2.1.1 Giới thiệu về phần mềm Proteus

Hình 2.1: Phần mềm mô phỏng Proteus (Nguồn Internet)

Phần mềm Proteus được biết đến là phần mềm vẽ, mô phỏng mạch điện tử, được phát triển bởi công ty Lacenter Electronics Khi sử dụng Proteus, ta có thể mô tả hầu hết được những linh kiện điện tử thông minh phổ biến hiện nay

2.1.2 Những tính năng của Proteus

− Vẽ sơ đồ nguyên lý;

− Thiết kế mạch in PCB

2.1.3 Đặc điểm của Proteus

− Có khả năng mô phỏng hầu hết trình điều khiển cho vi điều khiển;

− Chọn đối tượng và thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng;

− Dễ dạng tạo ra một sơ đồ nguyên lý từ đơn giản đến phức tạp;

− Dễ dàng chỉnh sửa các đặc tính của linh kiện trên sơ đồ nguyên lý;

− Hỗ trợ kiểm tra lỗi thiết kế trên sơ đồ nguyên lý Có thể xem và lưu lại phần

báo lỗi;

− Phần mềm chạy mô phỏng và phân tích các tính chất của một mạch điện một

cách chính xác

2.2 Phương án thiết kế xe máy điện

Phương án thiết kế xe điện dựa trên nền tảng các thiết bị có sẵn trên thị trường hiện nay đáp ứng được yêu cầu đưa ra về công suất, vận tốc đạt được đáp ứng khả năng vận hành của xe trên một quãng đường nhất định

2.2.1 Phương án bố trí hệ thống truyền động

Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều gần giống với đường đặc tính kéo

lý tưởng của xe máy, đồng thời động cơ điện có thể đổi chiều quay dễ dàng nên chúng

ta có thể thiết kế hệ thống truyền lực mà không cần hộp số như ở động cơ đốt trong Như vậy, hệ thống truyền lực của xe này được thiết kế theo các phương án sau:

Đặc điểm: động cơ được bố trí cố định trên khung xe và motor truyền lực thông qua hệ thống nhông xích đến bánh xe chủ động

Yêu cầu: phải thiết kế nơi đặt motor điện gây cồng kềnh, tăng thêm khối lượng cho

xe và sắp xếp tỷ số truyền sao cho phù hợp

 Phương án 2:

Phương án lắp đặt: Dùng hệ thống motor được lắp đặt tích hợp ở bánh xe chủ động

Hình 2.3: Mô hình xe máy điện sử dụng bánh xe tích hợp motor điện (Nguồn

Internet)

Đặc điểm: động cơ được bố trí cố định tích hợp trong bánh xe chủ động và không cần hệ thống nhông xích để truyền động Bố trí hệ dẫn động thành một cụm gọn, nhẹ,

dễ lắp đặt Giảm tổn thất công suất khi truyền lực đến bánh xe chủ động

Theo kết quả phân tính ở trên, ta lựa chọn phương án 2 sẽ mang lại hiệu quả tối ưu

về công suất đạt được cũng như việc bố trí các thiết bị

2.2.2 Phương án bố trí hệ thống điện

Nếu bố trí hệ thống điện theo phương án nguồn pin được đặt lệch về phía đuôi xe hoặc lệch về phía đầu xe sẽ không đảm bảo về cân bằng khi vận hành cũng như tính

thẩm mỹ tổng thể xe sẽ không cao Vì vậy hệ thống điện được bố trí theo phương án

hệ thống điện phân bổ như sau:

− Bộ điều tốc được bố trí treo trên khung xe gần với vị trí đặt nguồn pin Lithium;

− Pin Lithium được bố trí ở nơi đặt động cơ đốt trong giống như trên xe máy

2.3 Giới thiệu các thiết bị trên xe máy điện

Xe máy điện hiện nay sử dụng một động cơ điện (thường là động cơ điện một chiều không chổi than) dùng để sử dụng cho lực kéo và nguồn năng lượng điện (pin nhiên liệu hoặc acquy) để cung cấp năng lượng tương ứng cho động cơ điện hoạt động

Xe máy điện hiện nay mang lại một số lợi ích nhất định so với xe máy sử dụng động cơ đốt trong như không tạo ra tiếng ồn gây khó chịu, không thải khí thải độc hại

ra môi trường, hiệu suất làm việc cao và hoạt động vô cùng ổn định Về cơ bản, xe máy điện và xe máy sử dụng động cơ đốt trong có nguyên tắc hoạt động giống nhau nhưng thay vì sử dụng xăng để làm nhiên liệu hoạt động thì trên xe máy điện sử dụng pin nhiên liệu cũng như sử dụng động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong trong việc tạo ra lực kéo

Trước đây, xe máy điện còn là một thuật ngữ mới mẻ và khá xa lạ đối với con người Tuy nhiên, hiện nay xe máy điện đang ngày càng trở nên phổ biến và một số hãng xe điện hiện nay đã cho ra đời những chiếc xe máy điện có thiết kế đẹp mắt Tính tiện lợi phù hợp với nhu cầu của con người hiện nay Đối với một xe máy điện bao gồm ba hệ thống chủ yếu:

− Hệ thống lực điện bao gồm: động cơ điện, bánh xe chủ động, bộ chuyển đổi điện;

− Hệ thống năng lượng bao gồm: nguồn năng lượng điện, hệ thống quản lý năng lượng và bộ phận sạc;

− Hệ thống phụ bao gồm các tín hiệu xi nhan, tín hiệu chiếu sáng và còi

Nguyên lý điều khiển xe máy điện

Dựa trên các yếu tố điều khiển đầu vào từ tay ga, bộ điều khiển xe cung cấp tín hiệu điện thích hợp cho bộ chuyển đổi năng lượng điện có chức năng điều chỉnh dòng điện giữa nguồn năng lượng điện và động cơ điện giúp cho động cơ điện hoạt động đúng với yêu cầu của người lái

Trong quá trình tìm hiểu, chúng ta nhận thấy rằng việc thiết kế xe máy điện cần phải xem xét đầy đủ các yếu tố như: dễ dàng tiếp cận, vận hành thoải mái và kết hợp các công nghệ thông minh hiện nay trang bị lên xe

2.3.1 Pin

Việc tạo ra một chiếc xe điện cần có các hệ thống khác nhau cùng hoạt động để mang lại hiệu quả tổng thể trong việc vận hành chiếc xe Về bản chất, pin chính là bình nhiên liệu của xe máy điện

2.3.1.1 Khái niệm pin lithium-ion

Pin Lithium-ion hay pin Li-ion là loại pin sạc được Trong quá trình sử dụng các ion lithium sẽ di chuyển từ điện cực âm đến điện cực dương được gọi là quá trình phóng điện Khi pin hết năng lượng và sạc lại các ion này sẽ di chuyển ngược lại từ điện cực dương đến điện cực âm được gọi là quá trình nạp điện

2.3.1.2 Cấu tạo và phân loại pin Lithium-ion

 Phân loại pin Lithium-ion:

− Lithium- Cobalt Oxide;

− Lithium- Titanate;

− Lithium- Nickel Mangan Cobalt Oxide;

− Lithium- Mangan Oxit;

− Lithium- Iron Phosphate (lifepO2)

Bảng 2.1: So sánh giữa pin Lithium-ion và acquy chì axit (Nguồn Internet)

Mật độ năng lượng sạc

– xả

Chịu được dòng xả lớn dạng xung (trong thời gian ngắn) và chịu tải cao

Chỉ chịu được dòng xả nhỏ và khả năng chịu tải kém

Khả năng chống cháy

nổ

Ảnh hưởng môi trường Ít, vì được cấu tạo bởi những cell rắn lithium Nhiều, vì được cấu tạo bởi chì và axit

Từ bảng trên ta có thể thấy việc lựa chọn Pin lithium-ion thay thế cho acquy chì axit trong việc cung cấp năng lượng mang lại hiệu quả tối ưu hơn trong sử dụng cũng như đảm bảo các tiêu chí an toàn

2.3.1.3 Nguyên tắc hoạt động pin LiFePO4

Cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa ở pin

li-on Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion-liti di chuyển giữa 2 điện cực

âm và dương Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển Quá trình này thể hiện

ở quy trình sạc, xả Cụ thể như sau:

Hình 2.6: Quá trình sạc, xả của pin Lithium-ion (Nguồn Internet)

 Quy trình xả:

Ion- liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngoài, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực

 Quy trình sạc:

Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li+ tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương) Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều

Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng Các ion-liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử

 Yêu cầu đối với pin sử dụng trên xe máy điện

− Pin phải có khả năng xả sâu thường xuyên đến 80% độ xả sâu;

− Pin phải được thiết kế để tối ưu hoá năng lượng và cung cấp đầy đủ năng lượng khi xả sâu để đảm bảo phạm vi hoạt động dài;

− Pin phải đảm bảo chịu được nhiệt độ

Lựa chọn bộ sạc pin lithium-ion ta chọn sạc có dòng sạc bằng 10% dung lượng của pin, vậy với pin có dung lượng 34Ah ta chọn sạc có dòng sạc là 3,4 Ampe

Thời gian sạc đầy pin trên lý thuyết : t = dung lượng pin / dòng sạc = 34 / 3,4 = 10 giờ

Nhưng trong thực tế sẽ có thất thoát trong lúc sạc xấp xỉ 40%

34.40% = 13,6 Ah

Từ đó tổng dung lượng phải sạc là 34 + 13,6 = 47,6 Ah

Vậy thời gian sạc là: dung lượng pin / dòng sạc = 47,6 / 3,4 = 14 giờ

2.3.2 Bộ điều khiển

Bộ điều khiển là một vi mạch tổ hợp cỡ lớn dùng để nhận biết tín hiệu từ các cảm biến, tính toán, lưu trữ thông tin và gửi các tín hiệu điều khiển thích hợp đến các cơ cấu chấp hành Bộ điều khiển được đặt trong vỏ kim loại để giải nhiệt tốt và được bố trí ở nơi ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm Các linh kiện điện tử của bộ điều khiển được sắp xếp trong một mạch in Các linh kiện công suất của tầng cuối, nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành được gắn với khung kim loại của bộ điều khiển với mục đích giải nhiệt Sự tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp bộ điều khiển đạt độ tin cậy cao Yêu cầu đối với bộ điều khiển động cơ điện là phải làm việc ổn định, tin cậy

Bộ chuyển đổi điện áp được tích hợp chung với bộ điều khiển để cung cấp điện cho các thiết bị sử sử dụng điện 12V trên xe trong khi nguồn cấp điện chính là 72V Nên phải sử dụng bộ chuyển đổi điện áp 72V – 12V Yêu cầu đối với bộ đổi điện là phải cung cấp đủ dòng điện cho các thiết bị sử dụng điện 12V trên xe hoạt động ổn định và bảo vệ các thiết bị khi có sự cố về điện xảy ra

Hình 2.7: Driver của xe máy điện (Nguồn Internet) 2.3.3 Tay ga xe máy điện

Tay ga xe điện là thiết bị được lắp tại ghi đông để người sử dụng tác động trực tiếp làm thay đổi tốc độ động cơ truyền động bằng thay đổi tín hiệu đưa vào bộ điều chỉnh tốc độ động cơ

Hình 2.8: Tay ga xe máy điện (Nguồn Internet) 2.3.4 Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC)

Động cơ một chiều thông thường (Động cơ DC) có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp với các truyền động servo Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ, người sử dụng phải bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên do các thiết bị dễ bị bào mòn Để tránh những nhược điểm đó, động cơ một chiều không chổi than ra đời khắc phục những nhược điểm của động cơ một chiều thông thường Động cơ DC không chổi than-BLDC (Brushless Dc motor)

là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator Cũng giống như động cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng được đặt lệch nhau 120 độ trong không gian của stator Các thanh nam châm được dán chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ Đặc biệt điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí rotor để cho động cơ hoạt động Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển

dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor như vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ

 Ưu điểm:

− Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushless DC motor) có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ moment/quán tính lớn, tỷ

lệ công suất trên khối lượng cao;

− Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng

và sắt trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn;

− Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor

 Nhược điểm:

− Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao do nam châm vĩnh cửu khá cao nhưng với sự phát triển công nghệ hiện nay thì giá thành nam châm có thể giảm;

− Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện ngõ

ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rotor Điều này làm tăng giá thành đẩu tư khi sử dụng động cơ BLDC Tuy nhiên điều này cho phép điều khiển tốc độ và moment động cơ dễ dàng, chính xác hơn;

− Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa nhưng khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt

độ Nhưng với loại nam châm hiếm như hiện nay thì nhược điểm này đã được cải thiện đáng kể

Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:

− Mật độ từ thông khe hở không khí lớn;

− Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao;

− Vận hành nhẹ nhàng(dao động của moment nhỏ)thậm chí ở tốc độ thấp;

− Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không;

− Vận hành ở tốc độ cao;

− Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn;

− Hiệu suất cao;

− Kết cấu gọn

Bảng 2.2: So sánh động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không

chổi than (Nguồn Internet)

Các thông số so

Ưu nhược điểm của động cơ BLDC so với động cơ DC

Bộ chuyển mạch

Đảo chiều bằng điện tử dựa trên thông tin từ cảm biến vị trí Rotor

Đảo chiều dòng kiểu cơ khí bằng chổi than và cổ góp

Động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử

Điện áp trên các linh kiện điện tử nhỏ hơn điện áp trên chổi than

Bảo trì Rất ít hoặc không

Dải điều chỉnh

Động cơ BLDC không bị giới hạn tốc độ về mặt cơ khí

Động cơ BLDC không có tia lửa điện khi vận hành

Vì vậy ít gây nhiễu hơn

Do động cơ BLDC không có chổi than

và cổ góp

Động cơ BLDC có cảm biến Hall trả giá trị về để điều khiển

Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao

Ta nhận thấy rằng ưu điểm mà động cơ một chiều không chổi mang lại đảm bảo

sự an toàn, đáp ứng được nhu cầu mà động cơ một chiều thông thường không thể có Ngoài ra, động cơ hoạt động với vận tốc cao, vận hành êm và hiệu suất nâng cao hơn

2.3.4.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC)

Khác với động cơ một chiều bình thường, động cơ một chiều không chổi than BLDC có phần ứng đứng yên nằm trên stator và phần cảm quay nằm trên rotor Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau) và dây quấn, trong các rãnh của stator đặt cuộn ứng như trong các rãnh phần ứng bình thường

Rotor thường là nam châm vĩnh cửu

Hình 2.9: Cấu tạo động cơ BLDC (Nguồn Internet)

2.3.4.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC

Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC (Nguồn Internet)

Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC dựa trên lực tương tác của từ trường do stato tạo ra và nam châm vĩnh cửu trên roto Khi dòng điện chạy qua một trong ba cuộn dây stato sẽ tạo ra cực từ hút các nam châm vĩnh cửu gần nhất có cực từ trái dấu Rotor sẽ tiếp tục chuyển động nếu dòng điện dịch chuyển sang một cuộn dây liền kề Cấp điện tuần tự cho mỗi cuộn dây sẽ làm cho rotor quay theo từ trường quay Trong thực tế để tăng lực tương tác người ta sẽ cấp điện cùng lúc cả hai cuộn dây, thứ tự chuyển tiếp giữa các cuộn dây được điều khiển bởi mạch điện tử

Chọn một động cơ điện cho hệ thống truyền lực cần phải đáp ứng được một số điều kiện sau: