Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 4 bánh

Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ được nâng cao, các loại nhiên liệu khí LPG, khí thiên nhiên sẽ được áp dụng rộng rãi trên ô t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VŨ TRƯỜNG THỊNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 4 BÁNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng- Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Quốc Thái

Phản biện 1: TS Hồ Sĩ Xuân Diệu

Phản biện 2: TS Lê Minh Tiến

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm

Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực họp tại trường Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng tại trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

1

MỞ DẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp

ô tô đã mang lại nhiều thuận tiện trong đời sống, tuy nhiên số lượng

ô tô ngày càng tăng kéo theo nhiều vấn đề môi trường, nhiên liệu ngày càng cạn kiệt

Ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho phương tiện giao thông đã bắt đầu từ rất lâu Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện tiếp theo là ô tô lai, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu là ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ được nâng cao, các loại nhiên liệu khí (LPG, khí thiên nhiên) sẽ được áp dụng rộng rãi trên ô tô, các loại nhiên liệu sinh học (như ethanol, colza) có lợi thế so sánh thấp về mặt môi trường và giá thành nhiên liệu này còn cao nên hạn chế về mặt sử dụng, các nhiên liệu tổng hợp từ khí thiên nhiên đang được nghiên cứu, nhiên liệu khí hydro cho ô tô chưa có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành

Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng phát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay để làm giảm ô nhiễm môi trường Các yếu tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất lượng của hệ thống vận chuyển khách công cộng và giá thành của pin nhiên liệu với các loại nhiên liệu thay thế khác để đạt cùng mức độ giảm NOx Kết quả nghiên cứu cho thấy trong vòng ít năm tới, kỹ thuật làm giảm NOx bằng cách cải thiện động cơ diesel, sử dụng LPG và khí thiên nhiên

rẻ hơn là sử dụng pin nhiên liệu Trong tương lai dài hơn thì việc giảm NOx bằng cách sử dụng pin nhiên liệu trên xe buýt sẽ có giá thành tương đương với việc cải thiện động cơ diesel để đạt cùng mức

độ hiệu quả Để đạt được cùng tính năng kinh tế và mức độ phát ô

2 nhiễm đối với động cơ sử dụng LPG thì trong thập niên 2010, giá nhiên liệu hydro phải giảm đi 50% và giá thành pin nhiên liệu phải giảm đi 30% so với giá cả hiện nay Vì vậy trong vòng 2 thập niên tới, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu vẫn chưa có lợi thế cạnh tranh so với các loại nhiên liệu thay thế

Vì vậy trong điều kiện của nước ta từ nay đến 2020, ô tô lai chạy bằng điện kết hợp với việc nạp điện bổ sung bằng động cơ nhiệt

là phù hợp nhất Năng lượng điện năng của chúng ta được sản xuất chủ yếu bằng thủy điện (năng lượng tái sinh) như nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, nhà máy thuỷ điện Ialy, nhà máy thuỷ điện Sơn La và chủ động nguồn cung cấp khí dầu mỏ Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tương lai gần nhà máy lọc dầu đầu tiên của Việt Nam ở Dung Quốc đi vào hoạt động, sản lượng khí đồng hành của nhà máy là nguồn cung cấp nhiên liệu LPG Nhu cầu sử dụng ô

tô trong tương lai là xu thế tất yếu của xã hội phát triển Nước ta có thị trường nội địa lớn với hơn 90 triệu dân Cho tới nay, thị trường này hầu như vẫn còn nguyên vẹn Trong xu thế hòa nhập kinh tế khu vực (AFTA) và thế giới (WTO), thị trường nội địa của nước ta chắc chắn sẽ là mảnh đất màu mỡ đối với các nhà sản xuất ô tô thế giới Mặt khác việc hoà nhập kinh tế với thế giới sẽ nảy sinh vấn đề về tiêu chuẩn khi thải của xe cho phù hợp với những quy định của thế giới Nếu chúng ta cứ nhập xe từ nước khác xẽ làm mất thị phần đối với một sản phẩm công nghiệp quan trọng của đất nước Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế tiến tới sản xuất một phương tiện giao thông phù hợp với điều kiện sử dụng trong nước có ý nghĩa rất thiết thực và cấp

bách đối với nước ta

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tìm nguồn năng lượng thay thế Nguồn năng lượng điện sử dụng trên phương tiện giao thông là một trong những giải pháp hiệu quả nhất Ở các thành phố lớn đã bắt đầu xu hướng sử dụng xe điện cá nhân Với những ưu điểm, thân thiện với môi trường, nhỏ gọn, thuận tiện, dể sử dụng

Xe điện cá nhân với hệ thống lái điện thông qua cảm biến

3 góc lái, sử dụng hai động cơ điện tạo nguồn động lực độc lập cho hai bánh xe trước Bánh xe sau sử dụng loại bánh xe đa hướng, không gây cưỡng bức động học khi xe quay vòng Sử dụng Arduino làm bộ điều khiển trung tâm để điều khiển hệ thống điện tử trên xe Tất cả hoạt động của xe sẽ được bộ xử lí trung tâm điều khiển, bộ xử lí sẽ tính toán và đưa các tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành Vì

vậy, tác giả đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo

hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân 4 bánh”

Đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện

cá nhân 4 bánh’’ là một đề tài nhằm mục đích thiết kế, chế tạo một

xe điện cá nhân chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện, điều khiển bằng điện, đặt nền tảng cho việc thiết kế và sản xuất một xe điện cá nhân mang thương hiệu Việt Nam, giá thành vừa phải, có hiệu suất

sử dụng năng lượng cao và mức độ phát ô nhiễm thấp, gần như bằng không, góp phần thực hiện nhiệm vụ cấp bách nói trên nhằm đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và tạo ra một nét mới để khẳng định nguồn nhân lực của con người Việt Nam

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu thiết kế chế tạo kết cấu cơ khí trên xe điện

 Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển trên xe

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: xe điện cá nhân

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Xe điện thiết kế chạy ở sân bay, khu công nghiệp

+ Xe điện chạy với vận tốc tối đa khoảng 8 [km/h]

+ Tính toán lựa chọn động cơ điện, ắc quy, nguồn sạc cho xe điện

+ Tính toán, thiết kế khung vỏ, bộ truyền động cho xe điện + Thiết kế hệ thống điều khiển trên xe điện

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu của đề tài khi thành công, sẽ tạo điều kiện phát triển xe điện cá nhân vận hành đơn giãn, tiết kiệm năng lượng, an toàn, tiện lợi, không gây ô nhiễm môi trường

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và danh mục các tài liệu tham khảo nội dung củaluận văn gồm 4 chương:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Chương 4 Kết quả và đánh giá

mà hiện nay nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể Ngày nay xe chạy bằng dầu diezel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông, cũng như gây ô nhiễm môi trường, hệ sinh thái thay đổi dẫn đến hiệu ứng nhà kính nên nhiệt độ ngày một tăng làm những tảng băng ở Bắc cực, Nam cực cùng những nơi khác tan ra gây ra lũ lụt, sóng thần Vì thế, ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay

Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung là hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại

5 nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô lai

(hybrid) Xu hướng phát triển ôtô sạch có thể tổng hợp như sau:

1.1.1 Hoàn thiện động cơ diesel

1.1.2 Ôtô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế

1.1.3 Ôtô chạy bằng khí thiên nhiên

1.1.4 Ôtô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG

1.1.5 Ôtô chạy bằng điện

1.1.6 Ô tô chạy bằng pile nhiên liệu

1.1.7 Ôtô hybrid

1.2 TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN CÁ NHÂN

1.2.1 Giới thiệu chung

Xe điện sử dụng một động cơ điện cho lực kéo: acquy, pin nhiên liệu cung cấp nguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện

Xe điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh, không gây ồn Các nguyên tắt hoạt động cơ bản giữa xe điện và phương tiện sử dụng động cơ đốt trong tương tự nhau Tuy nhiên, một số khác biệt giữa phương tiện sử dụng động cơ đốt trong và xe điện, chẳng hạn như sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động cơ đốt trong

so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn, các hệ thống trên xe như hệ thống lái, hệ thống dẫn động, hệ thống treo

6

1.2.2 Cấu hình của một số loại xe điện cá nhân

1.2.2.1.Cấu hình của ô tô điện

Hình 1 1 Ô tô điện cổ điển

Động cơ xe đạp điện : Động cơ xe đạp điện gồm có 2 loại, đó là động

cơ có chổi than (DC) và động cơ không có chổi than (BLDC)

Hệ thống điều khiển : Tay ga điều khiển được thiết kế giống như tay cầm như các dòng xe gắn máy thông thường Và hệ thống

Bộ chuyển đổi điện

Tín hiệu

Truyền động

cơ khí

Quản lý

năng lượng

Nguồn năng lượng

Sạc ăcquy

Nguồn năng lượng phụ

Điều hòa không khí

Trợ lực lái

Phanh

Chân ga

Bộ chuyển

đổi điện

8 các bo mạch điều khiển giúp chuyển đổi từ điều khiển của người lái thành các tín hiểu điện và tạo dòng điện phù hợp đưa tới động cơ, nhờ đó ta có thể tùy chỉnh tốc độ nhanh chậm cho xe, điều khiển phanh và bật tắt các tín hiệu đèn báo trên xe

Acquy hoặc pin : Pin hoăc Acquy là nguồn cung cấp điện cho xe hoạt động Pin lithium – ion là loại phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi vì tính năng ưu việt, loại pin này thiết kế theo công nghệ Nhật Bản có thể đi được quảng đường dài ừ 70 km đến 100 km Đối với xe sử dụng acquy, thì mỗi dòng xe có thiết kế số lượng acquy khác nhau tùy thuộc vào điện áp của động cơ mà xe sử dụng Quãng đường đi được có thể đạt tới 80 km đến 100 km cho một lần sạc

Xe điện cá nhân tự cân bằng 1 bánh hoặc 2 bánh:Đây là loại

xe mang tính cách mạng trong giao thông mang lại thuận tiện nhất định cho con người khi di chuyển thường xuyên ở quảng đường ngắn, bằng phẳng như sân bay, nhà xưởng, khu sinh thái… nhưng hệ thống điều khiển của nó vẫn chưa ổn định, khó điều khiển

Hình 1 3 Sơ đồ xe điện cân bằng một bánh, 2 bánh

1 – Cần từa điều khiểu ; 2 – Thân + bộ điều khiển & Acquy ; 3 – Động cơ điện BLDC liền bánh xe ; 4 – Tựa để chân

9 Cấu tạo chung của loại xe này gồm các bộ phận chính sau:

Bộ cảm biến trên bánh xe (đông cơ điện BLDC đặt bên trong bánh xe): Bên trong bánh xe của xe điện là nơi đặt động cơ điện, ở đây cũng được tích hợp một số cảm biến độ nghiêng và tốc độ Điều này giúp người sử dụng luôn điều khiển được tốc độ của xe

Con quay hồi chuyển và bo mạch kiểm soát: Con quay hồi chuyển và bo mạch kiểm soát của xe chịu trách nhiệm kiểm soát và nhận và xử lý các thông số về tốc độ và độ nghiêng từ các cảm biển trong bánh xe rồi sau đó chuyển về bo mạch chính Bo mạch chính

xử lý số liệu gửi về từ đó duy truy được trạng thái cân bằng của xe

Pin: Pin là bộ phận cung cấp điện cho xe, giúp cho xe có thể vận hành

Hiện nay loại xe điện cá nhân đang được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ với những cải tiến mới với nhưng tính năng ưu việt hơn như thân thiện với môi trường, nhỏ gọn thuận tiện, ổn định an toàn, phù hợp với mọi lứa tuổi, xe điện cho người tàn tật Đã có rất loại xe với mẫu mã đẹp, xe vận hành ổn định và an toàn như Honda U3-X, Segway (USA), Toyota Winglet, Toyota i – ROAD, …

1.3 Nhu cầu sử dụng xe điện cá nhân

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

10

loại 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, việc đối diện với ô nhiễm môi trường và nguồn nhiên liệu hóa thạch ngay cang can kiệt thì xe điện đã được ứng dụng trên nhiều loại phương tiện, các phương tiện này dùng động cơ điện để dần thay thế phương tiện sử dụng động cơ đốt trong ( ICE) Có thể liệt kê một

số loại xe điện theo lĩnh vực và theo cách sử dụng của chúng như sau:

1.3.1 Phương tiện cá nhân

 Xe ô tô điện : xe điện sử dụng nguồn điện acqui, pin, dùng năng lượng mặt trời Các loại xe này được ứng dụng trên ô tô cá nhân, ô tô tải, ô tô tải

 Xe máy điện và xe đạp điện: là phương tiện được nhiều người ưa thích, và được phát triển mạnh mẽ thơi gian gần đây

1.3.2 Các phương tiện công cộng

 Tàu điện cao tốc : tàu điện được ứng dụng từ rất lâu là loại phương tiện dùng chở khách trong thành phố và khá phổ biến ở các nước phát triển trên thế giới

 Xe buýt điện: là loại xe khá phổ biến trong các thành phố lớn trên thế giới

Toyota Winglet Honda U3-X Segway i2 SE

Hình 1 4 Một số xe điện cá nhân hiện nay

 Loại xe điện dùng trong thể thao: phục vụ các mục đích khác nhau, như trong lĩnh vực Golf…

1.3.4 Các loại phương tiện phục vụ trong y tế

12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG XE ĐIỆN CÁ NHÂN

2.1.1 Tính toán thiết kế hệ thống truyền động cơ khí

2.1.1.1 Phương án thiết kế xe điện tự cân bằng

Hình 2 1 Phương án thiết kế xe tự cân bằng hai bánh

1 – Cần tựa điều khiển; 2 – Thân xe (Khung + Bộ điều khiển +

Acquy) ; 3 – Động cơ điện BLDC liền bánh xe

2

1

3

Hình 2 2 Phương án thiết kế xe điện cân bằng một bánh

1 – Cần từa điều khiểu ; 2 – Bộ điều khiển & Acquy ;

3 – Động cơ điện BLDC liền bánh xe ; 4 – Tựa để chân

14

2.1.1.3.Chọn phương án thiết kế

Qua việc phân tích các phương án thiết kế ở trên với những ưu điểm

vượt trội ấy ta quyết định chọn phương án thiết kế xe điện cá nhân

bốn bánh sử dụng bánh bị động phía sau là bánh xe đa hướng

Hình 2.3 Phương án thiết kế xe điện cá nhân 4 bánh, 3 bánh

a) Phương án thiết kế xe bốn bánh ; b) Phương án thiêt kế xe ba bánh

1 – Tay cầm; 2 – Bánh xe chủ động; 3 – Thân xe; 4 – Bánh xe sau (bị động)

15

16

Hình 2.4 Các hình chiếu của xe điện cá nhân

1 – Tay cầm; 2 – Vị trí đặt cảm biến lái; 3 – Mạch công suất động cơ ; 4 – Acquy ; 5 – Bộ xử lý trung tâm (Arduino) ; 6 – Bánh xe sau (bị động) ; 7 – Động cơ

DC ; 8 – Bánh xe trước (chủ động)

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật của xe điện thiết kế

 Tọa độ trọng tâm của xe điện thiết kế theo chiều dọc :

a: khoảng cách từ trọng tâm xe điện đến trục trước b: khoảng cách từ trọng tâm xe điện đến trục sau

 Tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao hg :

Căn cứ vào giá trị các thành phần trọng lượng và tọa độ trọng tâm của chúng, ta xác định tọa độ trọng tâm của xe theo công thức [1]:

m

i i i

G

l G a

1

1

) (

m

i

i i

G

h G h

1

1

) (