Thiết kế, mô phỏng đặc tính làm việc ô tô điện 4 bánh (Link file CAD ở trang cuối)

Điển hình là nghiên cứu của Bauen and Hart in Hoogers đã sử dụng khái niệm hiệu suất “từ giếng dầu tới bánh xe” well to wheel [1] để so sánh năng lượng giữa các xe được trang bị động cơ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

Dưới sự hướng dẫn của TS.Đàm Hoàng Phúc, sự giúp đỡ và tạo điều kiện củacác thầy giáo trong Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, của Viện cơ khí động lực,cùng sự hỗ trợ của các bạn đồng nghiệp, nhóm em đã thực hiện và hoàn thành đượccác nội dung nghiên cứu chính của đề án tốt nghiệp

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn tới giáo viên hướng dẫn, tới tập thể các thầygiáo, các cán bộ trong Bộ môn và Viện chuyên nghành, trong thời gian thực hiện đồ

án đã hết sức nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện để đồ án củanhóm em đạt được những kết quả nhất định

Do thời gian hạn chế, nội dung nghiên cứu trải rộng trên nhiều lĩnh vực khácnhau nên không tránh khỏi các thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của cácthầy, các anh chị đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn trong quá trình nghiêncứu tiếp theo

Hà Nội, 01/01/2017

Nhóm tác giả

MỞ ĐẦU

Tiếp theo sự phát triển ô tô hybrid, ô tô điện đang được nhiều hãng ô tô nghiêncứu phát triển nhằm khắc phục các yếu điểm của nhiên liệu hóa thạch về ô nhiễmmôi trường và tình hình cạn kiệt nguồn nhiên liệu

Hiện nay, nhu cầu về xe điện là nhu cầu có thật tại Việt Nam Một số khu du lịchtại Ninh Bình, Quảng Ninh, Hà Nội, … đã đưa xe điện vào phục vụ và rất hiệu quả.Bên cạnh đó, các nhà sản xuất ô tô điện nước ngoài cũng đang xây dựng lộ trình đểđưa sản phẩm của họ vào Việt Nam

Tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được nhiều sự quan tâm của các nhàkhoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách, nên chưa có nhiềunghiên cứu về ô tô điện

Ô tô điện nhằm cải thiện ô nhiễm môi trường, nhưng gặp phải khó khăn về vấn

đề cung cấp năng lượng điện để hoạt động Ô tô điện có hai nhược điểm quan trọng

là năng lượng dữ trữ thấp và giá thành cao hơn

Từ nhu cầu thực tế trên, dòng xe ô tô điện cỡ nhỏ giá thành vừa phải sẽ đáp ứng tiêuchí ô tô giá rẻ với các tính năng nổi bật nhằm phục vụ cho người tham gia giaothông an toàn hơn, tiện nghi hơn, có khả năng thay thế xe mô tô 2 bánh là cấp thiết.Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo những sản phẩm này với quy mô thương mại sẽ đónggóp nhiều cho việc bảo vệ môi trường, đảm bảo an toàn giao thông và tiến trình nộiđịa hóa tạo nên một ngành công nghiệp phụ trợ mạnh cho công nghiệp ô tô điện nóiriêng và cho công nghiệp ô tô Việt Nam nói chung Trong khi thế giới đã có nhữngbước tiến dài trong công nghệ chế tạo ô tô điện, Việt Nam không thể đứng ngoàidòng chảy của xu thế tất yếu này nếu như không muốn tụt hậu xa hơn nữa Việc tựnghiên cứu thiết kế, chế tạo ô tô điện cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển côngnghiệp phụ trợ Điều này hoàn toàn phù hợp với chủ trương và mong muốn củaChính phủ trong chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam nóichung Trong ô tô điện vấn đề dự trữ và quản lý dòng năng lượng luôn là vấn đềphức tạp, gây hạn chế các tính năng của xe như là vận tốc và quãng đường xe chạy.Trên thực tế nguồn năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu cũng là lĩnh vực đượcđầu tư lớn nhất trong những nghiên cứu ô tô điện hiện nay Qua những phân tích

trên cho thấy đề tài:”Thiết kế, mô phỏng đặc tính làm việc ô tô điện 4 bánh.” rất

có ý nghĩa khoa học và thực tiễn vì vậy nhóm quyết định chọn đề tài này làm đồ ántốt nghiệp, đề tài này sẽ đóng góp một phần trong nghiên cứu và chế tạo ô tô điệncủa Việt Nam

Với nội dung của đồ án bao gồm có 3 chương với nội dung tổng quan như sau:Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển xe điện

Chương 2: Thiết kế tính toán động lực học, chọn nguồn năng lượng và phân bố khốilượng trên xe điện

Chương 3: Mô phỏng hệ thống truyền động xe điện

Kết Luận

Đồ án của nhóm tuy đã hoàn thành nhưng vẫn không thể tránh khỏi những

này nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Đàm Hoàng Phúc người

đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn chúng em trong việc định hướngnghiên cứu và các phương pháp giải quyết các vấn đề đã đặt ra, để hoàn thành đồ ántốt nghiệp này Chúng em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong bộ môn ô tô và xechuyên dụng Viện Cơ khí Động lực đã hết lòng giúp đỡ chúng em trong nghiên cứu

Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson người Scotland đãphát minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên Năm 1842, hai nhà phát minh người

Mỹ là Thomas Davenport và Scotsmen Robert Davidson trở thành những người đầutiên đưa ắc quy vào sử dụng cho ô tô điện Đến những năm 1865, Camille Faure đãthành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong ắc quy, giúp cho xe điện

có thể di chuyển một quãng đường dài hơn Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiênđưa ô tô điện vào phát triển trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 18 [1]

Chiếc xe đua sử dụng động cơ điện

La Jamais Contente (1899)

Edison và chiếc xe Detroit (1914)

Hình 1.1 Ô tô điện thời kỳ đầu

b Suy yếu và biến mất

Đến đầu thế kỷ 20, ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốttrong do những nguyên nhân chính sau:

Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới dẫnđến việc hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên toàn cầu Vấn đề nhiênliệu cho xe chạy động cơ đốt trong trở nên đơn giản

- Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750USD,trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650USD [1]

- Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô

có những tiến bộ vượt bậc: Charlé Kettering đã phát minh ra bộ khởi động cho xechạy xăng, Henry Ford đã phát minh ra các động cơ đốt trong có giá thành hạ,…Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh tra đượcvới xe chạy động cơ đốt trong [1]

các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển, …Dovậy, các phương tiện sử dụng điện là phương tiện của tương lai

- Vấn đề môi trường: không khó để nhận ra rằng môi trường hiện nay đang bị

ô nhiễm nghiêm trọng, mà một trong những nguyên nhân chính là khí thải từ cácphương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô Ô tô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này

do nó hoàn toàn không có khí thải

Như vậy, ta thấy rằng ô tô điện là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn, đó

là lý do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỷ 20 trở lại đây vàcàng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhàkhoa học trên toàn thế giới

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện

a Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện trên thế giới

* Hoa Kỳ

Ngay từ những năm 60 của thế kỷ trước, Hoa Kỳ đã quan tâm đến vấn đề ônhiễm môi trường do ô tô gây ra, Bang California đã khuyến khích các nhà sản xuất

xe máy và ô tô sản xuất các xe ô tô điện bằng chương trình xe ít ô nhiễm

(Low Emission Vehicle Program) Những quy định pháp lý (tiêu chuẩn khí thải…)cùng hàng loạt ưu đãi với người sử dụng các loại xe ít ô nhiễm tại Bang California(ưu đãi thuế, vay vốn, đường ưu tiên tránh tắc đường…) đã khiến cho các nhà sảnxuất xe tập trung phát triển các xe ô tô điện

Tất nhiên các xe ô tô điện sẽ được nạp điện từ lưới điện quốc gia sử dụngphần lớn là các nhà máy nhiệt điện Các nhà máy nhiệt điện này cũng sử dụng nhiênliệu hóa thạch (khí, than đá, dầu mỏ) để phát điện Như vậy là về bản chất nănglượng điện để nạp cho xe điện cũng không phải là sạch Đã có rất nhiều nghiên cứuđược tiến hành để so sánh tương đương độ phát thải và hiệu suất sử dụng nănglượng giữa các động cơ với nhau Điển hình là nghiên cứu của Bauen and Hart in

Hoogers đã sử dụng khái niệm hiệu suất “từ giếng dầu tới bánh xe” (well to wheel)

[1] để so sánh năng lượng giữa các xe được trang bị động cơ với nhau Một số kếtquả và phân tích của tác giả được trình bày trong hình 1.2, 1.3 và 1.4

Hình 1.2 Mức độ phát thải khí CO 2 tương đương của các loại động cơ đốt trong và

điện

Hình 1.3 Hiệu suất năng lượng tương đương của các loaị động cơ đốt trong và điện

Hình 1.4 Mức độ phát thải tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện

Từ các kết quả thể hiện trên các đồ thị hình 1.2, 1.3 và 1.4 ta dễ dàng nhậnthấy: tất cả các dạng xe điện đều cho hiệu quả nhiên liệu cũng như sự phát thải tốthơn nhiều sơ với tất cả các dòng xe được trang bị động cơ đốt trong

Trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Ô tô điện Edison tạiCalifornia năm 2009, tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama đã công bố một khoản đầu

tư 2,4 tỷ Đô-la Mỹ cho việc thúc đẩy nghiên cứu ô tô điện Khoản đầu tư này đượcphân bố như hình 1.5

Hình 1.5 Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm

2009

Cấu hình cơ bản hệ truyền động bộ biến đổi - động cơ và hệ thống nănglượng phân phối cho xe điện được diễn tả trong các hình 1.6 và 1.7

Hình 1.6 Cấu hình cơ bản hệ truyền động cho xe điện

Hinh 1.7 Minh họa hệ thống năng lượng phân phối trong xe điện

Đây là những chìa khóa công nghệ chính của xe điện trong tương lai Tuynhiên, một vấn đề vô cùng quan trọng khác là mô phỏng hoạt động của xe Từ đóđưa ra hệ thống chuẩn đoán và báo lỗi trên ô tô điện, giúp xe hoạt động an toàn và

ổn định như xe động cơ đốt trong Ngoài ra, xe sẽ được tiết kiệm tối đa năng lượngtrong các quá trình tăng tốc, giảm tốc,…

* Châu Âu

Tại Châu Âu, xe plug-in hybrid và các bộ biến đổi điện tử công suất là nhữngvấn đề chính được quan tâm nghiên cứu Ô tô điện lai (plug-in hybrid electricvehicle) là loại xe sử dụng hỗn hợp cả năng lượng xăng và điện như tên gọi

“hybrid” Thuật ngữ “plug-in” cho biết rằng xe có bộ nạp tích hợp sẵn, người dùngchỉ cần cắm điện vào nguồn lưới dân dụng mà không cần một bộ nạp bên ngoài.Một số dòng xe hybrid đã được lưu hành tại Việt Nam như Toyota Prius, FordEscape Hybrid, Honda Civic Hybrid, …

Hình 1.8 Cấu hình xe plug-in hybrid

* Nhật Bản

Tại Nhật Bản, các hãng ô tô lớn đang lần lượt đưa các mẫu xe thuần điện(pure Evs) ra thị trường Nissan “trống dong cờ mở” với Nissan Leaf, tuy vậyMitsubishi mới là hãng đầu tiên tung ra xe điện thương phẩm với i-MiEV Xe i-MiEV đã được giới thiệu ở Việt Nam tại triển lãm Ô tô Vietnam Motor Show 2010

Để có thể đưa ra thị trường mẫu xe ô tô điện i-MiEV, hãng MitsubishiMotors đã mất hơn 40 năm nghiên cứu Từ khi ấp ủ những ý tưởng đầu tiên về xe ô

tô điện, chính thức bắt đầu nghiên cứu từ năm 1966, cho đến nay, hãng Mitsubishi

Motors đã chế tạo ra 10 mẫu xe concept với hơn 500.000km chạy thử nghiệm trên

toàn cầu Lộ trình nghiên cứu được cho trong hình sau [2]:

Hình 1.9 Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi Motors

Hình 1.10 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường

Trong giới nghiên cứu, các trường đại học lớn ở Nhật Bản đều có nhữngphòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu về ô tô điện

* Liên Bang Nga

Ở Liên Bang Nga, từ lâu người ta đã sử dụng xe công cộng chạy bằng điện

để giảm tải lượng khí thải và khắc phục tình trạng nhiên liệu xăng dầu đắt đỏ, khanhiếm Matxcova là một trong những số không nhiều siêu đô thị vẫn còn những chiếctàu điện chạy khắp Matxcova từ năm 1899, còn ô tô điện thì phục vụ hành khách từnăm 1933 hàng ngày, ô tô điện chuyên chở tới 3 triệu lượt người lưu thông Tại thủ

đô của Liên Bang Nga còn có những chiếc ô tô tải điện, đưa tất cả các loại hàng hóa

đa dạng tới những cửa hiệu ở trung tâm thành phố

Hiện nay xe ô tô điện chịu trách nhiệm chuyên chở người trong các sân bayMatxcova, cũng như tại các địa điểm nghỉ ngơi - các công viên và triển lãm Ông thịtrưởng Yuri Luzhkov chính là người nêu sáng kiến phát triển loại hình phương tiệngiao thông đáng tin cậy này Phát biểu khi kiểm tra chất lượng của loại xe ô tô điệnmới xuất xưởng Thị trưởng Yuri nhận xét: “ấn tượng rất tốt Trong khi di chuyển,

xe có tốc độ khá đảm bảo Mà tôi thì vốn là người ưa xe chạy nhanh Độ năng độngcũng ổn, tôi cảm thấy tiện lợi ngay cả khi xe chạy vòng vèo trong khuôn viên tòaThị Chính Nếu chúng ta tích cực chuyển sang loại hình giao thông dùng điện thìmôi trường sinh thái của thành phố sẽ được cải thiện đáng kể Cần khuyến khích,ủng hộ những nghiên cứu riêng trong ngành này [3]”

* Hàn Quốc và Trung Quốc

Công nghệ truyền tải điện không dây ứng dụng trong xe điện được khai thácmạnh mẽ bởi các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghẹ tiên tiến HànQuốc (KAIST) với dự án chế tạo xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quátrình hoạt động (OnLine Electric Vehicle-OLEV) Các sản phẩm xe bus điện thuộc

dự án này đang chạy thử nghiệm rất tốt trong khuôn viên của KAIST và Công viênGrand Seoul [4]

Hình 1.11 Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST

Trung Quốc không chỉ đầu tư sản xuất ô tô mà cả xe điện và họ đã thànhcông Rất nhiều tỉnh thành của quốc gia này đã sử dụng xe điện làm phương tiệnvận tải công cộng mang lại hiệu quả kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường Đồng thời

xe điện cũng được sử dụng làm phương tiện vận tải trong các công viên, khu dulịch, khu thể thao Ngoài ra xe điện còn được xuất khẩu sang các nước trong khuvực

Tại thành phố Thượng Hải, xe bus điện sử dụng siêu tụ của hãngSINAUTEC đang gây tiếng vang mạnh mẽ Siêu tụ được nạp nhanh chóng tại mỗiđiểm dừng của xe bus

Hình 1.12 Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải

* Các nước trong khu vực

Trong số 11 nước ASEAN, chỉ có các nước sau đây phát triển ngành côngnghiệp ô tô của mình: Thailan, Indonexia, Malayxia, Philipin và Việt Nam Trướckhủng hoảng tài chính khu vực, sản lượng ô tô thời hoàng kim của Thailan là559.000 chiếc/năm; Indonexia là 788.876 chiếc/năm; Malayxia là 380.000chiếc/năm; Philipin là 162.000 chiếc/năm Sản lượng lắp ráp ô tô Việt Nam năm

2005 là 44.555 chiếc/năm Tuy nhiên không một quốc gia nào trong số các nướctrong khu vực đầu tư sản xuất xe điện

b Tình hình ở Việt Nam

Ở Việt Nam, do tình trạng kỹ thuật kém của các phương tiện giao thông,ngành giao thông đường bộ đang là một trong những ngành tiêu thụ nhiều nănglượng và gây ô nhiễm lớn hiện nay Do trữ lượng dầu thô của nước ta có hạn, sảnlượng khai thác giảm dần từ mức cao nhất là 20 triệu tấn năm 2005 xuống còn 13-

15 triệu tấn những năm gần đây Theo tính toán của Viện Năng lượng, Bộ Côngthương, từ năm 2015 trở đi Việt Nam sẽ phải nhập khẩu dầu thô (IE2007) Điều nàytạo ra áp lực ngày càng cao lên an ninh cung cấp năng lượng cho giao thông vận tải

Hình 1.13 Chỉ số sử dụng năng lượng của xe ô tô động cơ xăng và điện

Bên cạnh đó, như trên hình 1.13 vấn đề sử dụng động cơ đốt trong sẽ đặc biệtnghiêm trọng khi xe chuyển động ở vận tốc thấp, lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ tăng

thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, khi tốc độ trung bình trong giờ cao

điểm thường dưới 20km/h, vấn đề môi trường và tiêu thụ nhiên liệu do các phương

tiện giao thông gây ra đã trở nên đặc biệt nghiêm trọng

Như vậy ô tô điện là giải pháp tối ưu để bảo vệ môi trường và đảm bảo anninh năng lượng quốc gia Trên thế giới đã có những bước tiến lớn trong nghiên cứuchế tạo ô tô điện - loại “phương tiện sạch của tương lai” Do vậy để thu hẹp khoảngcách công nghệ và bảo vệ môi trường cũng như đảm bảo an ninh năng lượng choViệt Nam chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu các công nghệ tiên tiến của ô tôđiện và nhanh chóng có được sản phẩm ban đầu phù hợp với điều kiện giao thôngViệt Nam Việc nghiên cứu sản xuất ô tô điện là cơ hội cho chúng ta tiếp cận trựctiếp với xu thế mới, cũng như góp phần bảo vệ môi trường của thế giới

Hiện nay, nhu cầu về xe điện là nhu cầu có thật tại Việt Nam Các nhà sảnxuất ô tô điện nước ngoài cũng đang xây dựng lộ trình để đưa sản phẩm của họ vàoViệt Nam Một trong những ví dụ là hãng Mitsubishi-Nhật Bản Nhà sản xuất này

đã giới thiệu xe chạy điện nổi tiếng của mình có tên i-MiEV tại triển lãm Việt NamMotor Show 2010 Xe i-MiEV sử dụng ắc quy lithium-ion và động cơ điện đồng bộ

nam châm vĩnh cửu công suất 47kW Xe có thể chở 4 người, tốc độ tối da 130km/h.

Theo công bố thì giá bán xe trước thuế tại Nhật Bản là 47.544 USD

* Nghiên cứu ô tô điện ở Việt Nam

Trong khi làn sóng nghiên cứu ô tô điện đang nổi lên mạnh mẽ trên thế giớithì tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhàkhoa học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách Qua khảo sát tìnhhình những năm vừa qua, có thể khẳng định rằng ở Việt Nam chưa có một nghiêncứu nào thực sự bài bản, khoa học và mang tính hệ thống về ô tô điện Mục này củabản thuyết minh sẽ lần lượt khảo sát những sản phẩm xe điện được nghiên cứutrong những năm vừa qua

Trong vài năm trở lại đây, một số sản phẩm xe điện mang tính thử nghiệm đãđược nghiên cứu chế tạo bởi các nhà khoa học và các nhà sáng chế không chuyênViệt Nam Năm 2004, ông Đặng Thế Minh với sự hỗ trợ của UBND tỉnh Lào Cai đãmua 10 chiếc Minibus của Trung Quốc và cho ra đời 5 chiếc Minibus Việt Nam với

tốc độ 50km/h, chạy được 100km mỗi lần nạp, xe chở được 11 người Sản phẩm này

mang tính sao chép đơn thuần, chế tác lại về mẫu mã và sau đó cũng không tiếp tụcphát triển Năm 2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi - TP Hồ Chí Minh đã tự

nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chở 3 người, tốc độ 35km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V-800W, 4 ắc quy 12V/50Ah, chạy 40km nạp một lần Đây là

thành công đáng khích lệ đối với một nhà sáng chế nghiệp dư, tuy nhiên những chỉtiêu chất lượng của xe còn thấp, không thể sản xuất hàng loạt

Bên cạnh những chế tác nghiệp dư cũng có những xe điện là sản phẩm từcông trình nghiên cứu khoa học của sinh viên và giảng viên một số trường đại học.Năm 2005, nhóm sinh viên K29 khoa Cơ khí trường Đại học Cần Thơ đã chế tạo

một xe điện chạy bằng ắc quy năng lượng mặt trời Xe có tải trọng 120kg, tốc độ 25km/h, sử dụng 2 động cơ một chiều 250W, nguồn gồm 2 ắc quy nối với tấm ắc

quy mặt trời Việc sử dụng năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy là mộthướng đi đáng ghi nhận, tuy vậy nó chưa thể sử dụng cho ô tô điện

Năm 2009, một xe điện tải trọng 2 tấn, tốc độ 10km/h sử dụng 2 động cơ một

chiều được chế tạo bởi nhóm giảng viên Học viện Kỹ thuật Quân sự Xe này có tốc

độ rất thấp, không phù hợp cho ứng dụng giao thông

Như vậy, trong khi thế giới đã có những bước tiến lớn trong công nghệ chếtạo ô tô điện, Việt Nam đến nay vẫn đứng ngoài dòng chảy của xu thế tất yếu này.Nếu không nhanh chóng triển khai nghiên cứu, nước ta sẽ lại tiếp tục bị lệ thuộc vàonước ngoài

Một tín hiệu đáng mừng là năm 2008 ô tô điện đã được đưa vào danh mụcsản phẩm công nghệ cao của Bộ Khoa học và Công nghệ trình chính phủ

Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và Sáng tạo công nghệ, trường Đại họcBách Khoa Hà Nội là đơn vị tiên phong trong việc nghiên cứu bài bản về ô tô điệnvới đề tài KC03-08 Đây là một đề tài khoa học được nghiên cứu trong trường đạihọc và nội dung thực hiện được giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế chế tạonhững thành phần chính và cơ bản của ô tô điện là hệ truyền động và hệ điều khiểncho ô tô điện Các nghiên cứu và sản phẩm của đề tài bao gồm: biến tần, hệ truyềnđộng động cơ điện, bộ biến đổi DC/DC và bộ điều khiển trung tâm cho ô tô điện(đều chưa được nghiên cứu trước đây tại Việt Nam) Các kết quả nghiên cứu này sẽ

không chỉ được ứng dụng cho ô tô điện mà còn có thể mở rộng cho các ứng dụngtrong công nghiệp và năng lượng tái tạo.

c Một số loại ô tô điện đang được sử dụng

* Tại Việt Nam

Ô tô điện đang được sử dụng ở các khu du lịch, các khu vui chơi giải trí, cácbệnh viện

Hình 1.14 Xe điện mui hở

* Tại Liên Bang Nga

Hình 1.15 Xe điện chạy trong thành phố ở Nga

* Những mẫu ô tô điện mới

Đây là một xe chạy hoàn toàn bằng điện, về kích thước thì nằm cùng phânkhúc với Toyota iQ và Smart ForTwo Chỉ mất chưa đến 4 tiếng để sạc đầy điện cho

xe Trong quá trình phát triển xe M.GO, hãng Microcar của Pháp tập trung vàotrọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ nhằm tăng quãng đường xe chạy sau mỗi lần sạcđầy điện mất chưa đầy 4 tiếng [5]

Tùy theo tốc độ và cách sử dụng, xe M.GO có thể chạy quãng đường

80-140km sau mỗi lần sạc đầy điện Tốc độ tối đa 45km/h chỉ phù hợp với nhu cầu di

chuyển trong đô thị

Hình 1.16 Xe-M.GO ra mắt tại triển lãm ô tô Paris 2008

Tên công ty Zap là viết tắt từ Zero Air Pollution, tức không ô nhiễm khí Zap

tuyên bố sẽ sản xuất mẫu xe Zap-X với tốc độ tối đa đạt xấp xỉ 250km/h và có thể chạy hơn 560km mới cần sạc điện [6].

Hình 1.17 Xe Zap

1.1.3 Ưu, nhược điểm khi sử dụng ô tô điện

a Ưu điểm khi sử dụng ô tô điện

+ Ô tô điện sẽ làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch

+ Làm giảm chi phí năng lượng đến 90%

+ Nâng hiệu suất sử dụng năng lượng lên 70% (bằng cách nạp lại điện năng) so vớihiệu suất 15% (kể cả hệ thống truyền lực) trong các ứng dụng động cơ đốt trong.+ Tạo ra mô men xoắn cao hơn và đường đặc tính mô men xoắn không đổi, giúp xe

có khả năng tăng tốc nhanh hơn

+ Giảm bớt hiệu ứng nhà kính và tình trạng nóng lên của trái đất

+ Ít gây ồn so với động cơ đốt trong

+ Không thải ra khí xả độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người

+Hoàn toàn có thể đáp ứng tầm hoạt động dưới 500km, bằng loại ắc quy

+ Ngoại trừ ắc quy, chi phí sản xuất các bộ phận khác rẻ hơn sơ với sử dụng động

cơ đốt trong vì số chi tiết rời ít hơn và không đòi hỏi gia công chính xác

+ Chi phí tái nạp rẻ hơn nhiều so với xăng và dầu

+ Chi phí bảo dưỡng như thay dầu nhớt, làm mát, bảo dưỡng, kiểm duyệt khí thảiđược giảm bớt hoặc loại bỏ hoàn toàn

+ Có thể cung cấp điện trở lại cho một số thiết bị điện dân dụng nếu cần

+ Ngay cả khi nguồn điện dung để nạp ắc quy được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điệndùng nhiên liệu hóa thạch thì hiệu quả sử dụng năng lượng của chúng vẫn cao hơnnhiều so với động cơ đốt trong

+ Giảm thiểu quan ngại về cháy nổ

+ Ô tô điện có triển vọng hơn cả xe sử dụng Hidro lỏng vì sự phổ dụng và chi phíphân phối rất thấp, không cần đầu tư một hệ thống trạm nhiên liệu quy mô lớn vàcực kỳ đắt tiền Ngoài ra, hiệu quả chuyển đổi năng lượng của xe còn cao hơn ắcquy nhiên liệu hidro lỏng

+ Điện có thể tạo ra từ các nguồn thủy điện, địa nhiệt, gió, hidro, mặt trời hoặc hạtnhân… là các nguồn năng lượng không phát thải khí độc hại gốc cacbon.

b Nhược điểm khi sử dụng ô tô điện

+ Bị giới hạn về thời gian hoạt động và thời gian nạp lại đầy điện

+ Giá thành sản xuất cho ắc quy điện còn quá đắt, nằm trong khoảng từ1500USD/xe (ắc quy chì-axit) cho đến 20000USD/xe (ắc quy Lithium-ion)

+ Khối lượng vận chuyển bị hạn chế, tốc độ thấp

+ Một số loại ắc quy hoạt động kém hiệu quả khi gặp thời tiết lạnh giá Các trạmđiện công cộng chưa phổ biến

+ Người sử dụng phải đối mặt với nguy cơ bị điện giật, nhiễm điện từ

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC, NGUỒN NĂNG

LƯỢNG VÀ PHÂN BỐ KHỐI LƯỢNG CHO XE ĐIỆN.

2.1 Tính toán, lựa chọn truyền động điện.

2.1.1 Bố trí truyền động điện

Với yêu cầu của đề tài, giảm thời gian thiết kế, tiết kiệm chi phí chế tạo vì vậytruyền lực chính sẽ được mua trên thị trường Các phương án sử dụng truyền lựcchính như sau:

Hiện nay có rất nhiều kiểu bố trí hệ thống truyền lực khác nhau, các kiểu bố trí đóchủ yếu là dựa vào sự biến thể về cách bố trí động cơ điện cũng như đặc điểm củađộng cơ điện, sau đây là một số kiểu bố trí thông dụng:

Hình 2.1.Cấu hình hệ thống truyền lực cho ô tô điện.

M Động cơ điện; HS Hộp giảm tốc; VS vi sai.; TLC : Truyền lực chính

Ở phương án (a) Hình 2.1a là hệ thống động lực điện cơ bản, hệ thống này giốngvới hệ thống truyền lực sử dụng động cơ đốt trong truyền thống Mô men được tạo

ta từ trục động cơ điện thông qua bộ đóng ngắt ly hợp, hộp số và bộ vi sai truyềntới bánh xe chủ động Hệ thống động lực này có nhiều cụm và tổng thành nênchiếm nhiều không gian khó bố trí và khối lượng lớn Với kĩ thuật hiện nay kỹthuật điều khiển động cơ điện phát triển giúp cho động cơ điện có đặc tính tải :

Hình 2.2 Đặc tính làm việc lý tưởng của xe

Từ đồ thị đặc làm việc lý tưởng của xe ta thấy:

-Khi xe chuyển động, nếu gặp cản lớn thì vận tốc xe sẽ giảm dần, nếu cản tác động tới xe nhỏ thì xe có thể chạy ở tốc độ cao Khi đó, công suất kéo cấp xuống yêu cầu không đổi (P = const)

- Phạm vi thay đổi tốc độ của xe yêu cầu càng cao càng tốt

- Khả năng khắc phục cản của xe khi hoạt động yêu cầu càng lớn càng tốt

Ta có đặc tính của động cơ điện như sau:

Động cơ điện có thể hoạt động ngay tại giá trị tốc độ bằng không, tăng dần tới giá

trị tốc độ cơ bản mà tại đó công suất động cơ điện đạt đến giá trị cực đại Lúc này

giá trị điện áp đặt vào động cơ tăng tới giá trị giới hạn (điện áp định mức) trong khi

dòng điện được giữ tại giá trị không đổi Trong vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản này,

mô men động cơ được giữ không đổi Trên xe điện thì vùng tốc độ này không cần

quá lớn, vì giai đoạn khởi động ban đầu là ngắn Khi tốc độ động cơ tăng trên vùng

tốc độ cơ bản, điện áp cấp vào động cơ được giữ không đổi (tại giá trị định mức) và

dòng điện yếu đi Điều này khiến công suất đầu ra không đổi trong khi mô men và

tốc độ có quan hệ hypebol Đặc tính lực kéo tại các bánh xe khi sử dụng động cơ

điện như trên hình 2.3 Khi sử dụng động cơ điện xe có thể khắc phục được các điều

kiện cản khác nhau với phạm vi thay đổi momen lớn, và phạm vi điều chỉnh tốc độ

lớn

Khi sử dụng động cơ điện ta có thể không cần sử dụng hộp số mà chỉ cần sử dụng

một tỉ số truyền trung gian là có thể đáp ứng được đặc tính của ô tô

Với phương án (b) và (d) sử dụng hai động cơ điện đặt trong 2 bánh xe

phía sau hoặc trước Không gian của bánh xe có giới hạn nên kích thước của động

cơ điện theo đó cũng bị hạn chế Công suất của động cơ điện nhỏ sẽ ảnh hưởng tới

khả năng khắc phục lực cản của xe, thời gian tăng tốc kéo dài Xe sử dụng hệ thốngtruyền lực dạng này thường có kích thước và tải trọng nhỏ phù hợp với môi trường

đô thị Để khắc phục những nhược điểm đã nêu, xe có thể sử dụng 4 động cơ dẫnđộng 4 bánh Với phương thức này, xe có thể cải thiện được phạm vi sử dụng tuynhiên đòi hỏi thuật toán điều khiển động cơ phức tạp

Trong phương án (c) mô tơ sinh ra momen được dẫn động đến truyền lựcchính tới vi sai và ra bán trục Với phương án này bố trí gọn và vẫn đảm bảo độnghọc của xe Phương án này đã được sản xuất hàng loạt sẵn có trên thị trường Đồngthời phương thức điều khiển đơn giản

Từ những phương án trên thì ta thấy mỗi một phương án đều có những ưunhược điểm riêng và tùy thuộc vào mục đích cũng như ý đồ của người thiết kế mà

sẽ lựa chọn các phương án thích hợp Với ý tưởng của nhóm là thiết kế một chiếc

xe chạy năng lượng điện hoạt động ổn định giá thành thấp đồng thời là các kết cấu

đã có sẵn trên thị trường thì phương án được lựa chọn là phương án (c)

Với phương án (c) được lựa chọn, tìm kiếm trên thị trường có các loại truyềnlực chính của hãng Goldenmotor như sau:

Hình 2.4 Hình ảnh thực tế hệ thống truyền lực.

Với kết cấu trên đã bao gồm vi sai, bán trục, bánh xe , các cảm biến cho điềukhiển Loại kết cấu trên có ưu việt đó là có kết cấu để thay đổi các động cơ khácnhau trong dải công suất mà chúng đáp ứng được

600 1168 1295

82

30

Hình 2.5 Hình vẽ cầu sau của xe

Qua tham khảo và tìm hiểu trên thị trường nhóm đồ án liệt kê một số cầu xe có bánhiện nay ( Nguồn tham khảo tại trang bán hàng alibaba.com và goldenmotor.com )

Tỉ số truyền 10,6

Hiệu suất 88%

2.1.2 Chọn loại động cơ điện.

Theo phương pháp cung cấp năng lượng thì động cơ điện được phân ra làm: động cơ xoay chiều (AC) và động cơ một chiều (DC).Và từ hai loại động cơ điện

này, tùy theo cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành mà người ta lại phân chia ra thành các loại khác nhau như sau:

Hình 2.6 Các loại động cơ điện chính.

Đối với động cơ một chiều DC thì như tên gọi cho thấy sử dụng nguồn cungcấp là dòng điện một chiều Nó có ưu điểm là dễ điều khiển tốc độ mà không ảnhhưởng tới công suất và giá cả rẻ hơn, qua phân tích đồ thị đặc tính cơ (hình 2-6) thì

ta thấy động cơ điện một chiều có khả năng cung cấp một mômen khởi động caohoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng Nhưng bên cạnh đó thì nó lại cókích thước và trọng lượng lớn hơn động cơ AC

n(v/p)Động cơ AC không động bộ

Đối với động cơ xoay chiều AC thì ưu điểm chính động cơ này là thường đạtđược hiệu suất cao và phạm vi hoạt động rộng, nhưng các mạch điện tử phức tạpcần phải lắp thêm bộ biến tần tuy nhiên thiết bị này chỉ cải thiện việc điều khiểntốc độ nhưng chất lượng dòng điện lại giảm và có hệ số tỷ lệ công suất/ trọnglượng là cao (gấp đôi so với tỷ lệ công suất: trọng lượng của động cơ điện mộtchiều)

Hình 2.7 Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện.

Qua các phân tích ở trên ta chọn loại động cơ một chiều (DC) cho xe thiết kế Hiện nay, động cơ điện một chiều có hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không chổi than Loại có chổi than thì tuổi thọ không cao, trong quá trình vận hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than

Còn động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushles DC motor) có các

ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn,

tỷ lệ công suất trên khối lượng cao

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 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

• Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh)

• Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác)

• 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

Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa nhưng khả năng tích từkhông 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 thiệnđáng kể

Qua những phân tích trên ta thấy loại động cơ một chiều không chổi than cóđặc điểm đáp ứng được yêu cầu của đề tài Vì vậy ta lựa chọn loại động cơ mộtchiều không chổi than để thiết kế cho xe

Kết Luận: Vậy loại động cơ điện được sử dụng sẽ là động cơ điện một chiềukhông chổi than

Dựa trên những thông số ban đầu sơ bộ của xe nhóm đồ án đã tiến hành lựa chọn

xe điện tham khảo một số thông tin về kích thước xe

Hình 2.8 Xe điện Euro Land L01 Pure Electric Mini Hatchback

Bảng 2.1 Thông số cơ bản xe điện tham khảo.

Trọng lượng khi đầy tải ( kg ) 1000

Chiều rộng cơ sở (mm) 1290

Các thành phần chính

Quãng đường di chuyển đầy tải (km) 140-160

Hệ thống phanh Đĩa phía trước / Tang trống phía sau

2.1.3.1 Xác định công suất của động cơ điện

Xe thiết kế với động cơ điện dùng để chạy trong các đô thị và phạm vi ngoại ôthành phố Trong đô thị tốc độ tối đa cho phép của xe máy là 40 Km/h và ô tô là

60 Km/h Vì vậy với đề tài này để phù hợp với quy định lựa chọn vận tốc tối đa đểthiết kế là 60 Km/h

Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo tiếp tuyến ở cácbánh xe chủ động (hai bánh xe sau) của ô tô thiết kế được sử dụng để khắc phụccác lực cản chuyển động sau: lực cản lăn, lực cản dốc, lực cản không khí và lựcquán tính

Với f: là hệ số cản lăn (f =0,02: đối với đường nhựa).

G tb = mg=1000.9,81 = 9810 (N): là tổng trọng tải của xe thiết kế ( g: gia tốc trọng trường, lấy g=9,81 m/s2)

F là diện tích chính diện của xe (m2):

Khi ô tô chuyển động không ổn định (lúc tăng tốc hoặc giảm tốc) sẽ xuất

hiện lực quán tính Lực quán tính F i gồm 2 thành phần:

-Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động tịnh tiến của ô tô, kí

hiệu là F ti Được xác định theo công thức:

F ti = m.a

Trong đó:

F ti: Lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến [N];

a: gia tốc chuyển động của xe [m/s2];

m: Tổng khối lượng của xe và người [kg];

- Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động quay của oto (gồmcác khối lượng chuyển động quay của động cơ điện, của bánh răng hộp

giảm tốc và các bánh xe) Nhưng do đại lượng này nhỏ, ít ảnh hưởng đếnkết quả nên có thể bỏ qua.

Khi đó lực cản quán tính của ô tô được tính:

F i = F ti = m.a

Công suất động cơ để sử dụng cho các hoạt động của ô tô, chủ yếu là đểkhắc phục các sức cản Không thể chọn công suất tại các vị trí hoạt động bất kỳcủa ô tô Ta phải dựa vào các vị trí làm việc đặc biệt

2.1.3.2 Tính chọn công suất động cơ điện

•Khi xe chạy ở vận tốc cực đại V max :

Trường hợp này động cơ phải có số vòng quay cực đại Nếu ta xác định đượccông suất động cơ tại vị trí này ta được một điểm trên đường công suất Đây là cơ

sở để xác định các vị trí khác trên đường công suất

Tại vị trí V max xe chạy trên đường bằng và tốt (dĩ nhiên không ai chạy vận tốc

cực đại trên đường xấu hoặc đường dốc) Khi đó công suất kéo (tại bánh xe) cần

khắc phục 2 công suất cản: Công suất cản lăn N rr và công suất cản không khí Na

Ta có công suất cản của xe lúc này là:

N arr = N f + N ω =(Fa+ Frr) v = (127,9 + 193,2).16,67 = 5352,7(W).

Đây là công cản của xe, công suất cần thiết của động cơ để cân bằng với côngcản của xe trong trường hợp này, công suất cực đại yêu cầu của động cơ:

N yc = N arr / η

Hiệu suất trung bình của động cơ điện là ηdc≥

90% và hiệu suất của hệ thốngtruyền lực, ta chọn sơ bộ là ηtl = 0,88

N yc = N arr /( η dc η tl ) = 5352,7/(0,9.0,88) = 6758,5 (W)

Dựa vào công suất yêu cầu của động cơ điện và thông số bộ cầu chủ động của xe, nhóm em quyết định chọn sơ bộ loại cầu xe :

72V- 8kw ( 4000- 5500 v/ph, momen xoắn cực đại 65Nm, tỉ số truyền 10,6.) và hình ảnh cụ thể của cầu xe.

Hình 2.10 Hệ thống cầu chủ động tích hợp cùng động cơ điện.

2.1.3.3 Xác định mômen tối đa của động cơ

Để đảm bảo khả năng vượt qua sức cản lớn nhất thì hệ thống truyền lực cầnđảm bảo mômen tại bánh xe đủ thắng được sức cản lớn nhất để xe có thể chuyểnđộng đươc

max max

max η Gψ

r

i M

t b

t

→ e t

b t

M

r G i

η

ψmax

max max ≥

ψ max là hệ số cản tổng cộng lớn nhất của đường:

ψ max = f + i max = f + tgα max = 0,02 + tg10 0 = 0,02 + 0,176 = 0,196.

e R i

t b

v i R

π

=

16,67.10,630

o Động cơ phải có đủ công suất kéo, đáp ứng được mômen theo yêu cầu thiết kế

o Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương phápđiều chỉnh thích hợp

o Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng

o Thích hợp với điều kiện làm việc (điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ ẩm, khí độc

hại, ngoài trời hay trong nhà )

• Chọn động cơ

Với loại động cơ BLDC tìm trên thị trường và liên hệ với nhà sản xuất ta được bảngthông số thiết kế các loại động cơ như sau:

Bảng 2.2 Thông số các loại động cơ

Kiểu Unit

180WD-M15020

180WD-M15030

180WD-M19020

180WD-M19030

MACMotor48V-5kw

MAC Motor 72V- 8kw

MACMotor72V-10kw

Kích thước của động cơ đã chọn như sau :

Hình 2.11 Các kích thước cơ bản của động cơ điện sử dụng.

Kết Luận: Phần trên đã lựa chọn được các thông số cơ bản động học của xe và đượctrình bày trong bảng sau:

Bảng 2.3 Thông số cơ bản động học của xe

Hình 2.12 Động cơ điện MAC Motor 72V- 8kw

Từ các thông số trên ta tính toán sức kéo của xe và được trình bày phần tiếp theo:

2.1.4 Tính toán sức kéo của xe điện

2.1.4.1 Xây dựng các đường đặc tính động cơ

Đặc tính động cơ là các đường công suất và mômen theo tốc độ động cơ:

M E = f(ω E ); N E = f(ω E ).

M max : Mômen lớn nhất được sinh ra của động cơ điện hay chính là mômen tại sốvòng quay mà tại đó động cơ bắt đầu đạt công suất cực đại (N.m)

MN : Mômen định mức của động cơ điện (N.m)

Khi tốc độ góc của động cơ: ω≤ ω B , thì ta có: M e = conts; N e = M e ωe (W) Khi tốc độ góc của động cơ: ω≥ ω B : N e = conts; M e = N e /ωe (N.m)

ωB : tốc độ góc cơ bản mà tại đó công suất động cơ điện đạt đến giá trị cực đạiVới động cơ điện ta có các thông số ban đầu: Nemax= 8000(W); n = 5000 (v/ph)

e e

N

ω =

= 15,3(N.m)

Bảng 2-4 Bảng số liệu xây dựng đặc tính động cơ.