Nghiên cứu thiết kế tính toán hệ thống động lực cho ô tô con

Nhan đề : Nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động lực cho ô tô con Tác giả : Phan Văn Hùng Người hướng dẫn: Hồ Hữu Hải Từ khoá : Ô tô con Năm xuất bản : 2013 Nhà xuất bản : Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan về xe ô tô điện. Trình bày hệ thống động lực điện trên ô tô. Tính chọn động cơ và tính sức kéo. Mô tả: Luận văn (Thạc sỹ khoa học) Ngành Kỹ thuật ô tô và xe chuyên dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHAN VĂN HÙNG

NGHIÊN C ỨU, THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG

ĐỘNG LỰC ĐIỆN CHO Ô TÔ CON

CHUYÊN NGÀNH: K Ỹ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HỒ HỮU HẢI

HÀ NỘI, 3/2013

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 11

1.1 Tổng quan về động cơ điện và xe điện 11

1.1.1 Cơ chế hoạt động của các loại động cơ điện 11

1.1.2 Động cơ điện sử dụng trên ô tô 11

1.1.3 Tải của động cơ 17

1.1.4 Xe điện 18

1.2 Lịch sử phát triển xe điện 21

1.3 Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trên thế giới 24

1.3.1 Hoa Kỳ 24

1.3.2 Châu Âu 24

1.3.3 Nhật Bản 25

1.3.4 Hàn Quốc và Trung Quốc 27

1.3.5 Xu thế phát triển của ô tô điện 28

1.4 Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trong nước 29

1.5 Phạm vi nghiên cứu 30

1.6 Phương pháp nghiên cứu 30

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ 31

2.1 Các vấn đề về sức kéo của ô tô 31

2.2 Cấu hình xe 31

2.3 Các phương án dẫn động 32

2.4 Truyền động điện trên xe 38

2.5 Lựa chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực trên xe thiết kế 40

CHƯƠNG 3 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH SỨC KÉO 43

3.1 Tính chọn động cơ điện 43

3.1.1 Tính chọn công suất động cơ yêu cầu 43

3.1.2 Lựa chọn động cơ điện 45

3.2 Tính chọn ắc quy 48

3.3 Xây dựng các chỉ tiêu động lực học 48

3.3.1 Chỉ tiêu cân bằng lực kéo 48

3.3.2 Xác định chỉ tiêu về nhân tố động lực học D 53

3.4 Xác định khả năng tăng tốc của ô tô 55

3.5 Xác định thời gian tăng tốc 57

3.6 Xác định quãng đường tăng tốc của ô tô 60

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 64

1 KẾT LUẬN 64

2 KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 66

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào

- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn

và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Phan Văn Hùng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

D Nhân tố động lực học

f Hệ số cản lăn

ηt Hiệu suất của hệ thống truyền lực

i0 Tỉ số truyền của truyền lực chính

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Bảng giá trị công suất và momen động cơ theo tốc độ động cơ 46

Bảng 2: Bảng giá trị lực kéo 52

Bảng 3: Nhân tố động lực học của xe 54

Bảng 4 Bảng giá trị gia tốc xe 56

Bảng 5: Giá trị gia tốc ngược 57

Bảng 6: Thời gian tăng tốc 59

Bảng 7 Giá trị tính toán quãng đường tăng tốc 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây 11

Hình 1.2 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện 12

Hình 1.3 Động cơ từ trở thay đổi – SRM 14

Hình 1.4 Cấu trúc động cơ BLDC (a) và các cảm biến Hall (b) 15

Hình 1.5 Cấu trúc của động cơ SPM và IPM 16

Hình 1.6 Đặc tính động cơ điện 17

Hình 1.7 Một số xe kiểu xe điện tiêu biểu 20

Hình 1.8 Ứng dụng của xe điện 24

Hình 1.9 Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009 24

Hình 1.10 Cấu hình xe plug-in hybrid 25

Hình 1.11 Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi Motors 26

Hình 1.12 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường 26

Hình 1.13 Xe điện thí nghiệm tại Hori-Lab 27

Hình 1.14 Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST 28

Hình 1.15 Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải 28

Hình 1.16 Xu hướng phát triển của ô tô điện 29

Hình 2.1: Phương án 1: Động cơ đặt dọc, cầu sau chủ động 33

Hình 2.2: Phương án 2: Động cơ đặt ngang, cầu trước chủ động 33

Hình 2.3: Phương án 3: Sử dụng một động cơ điện dẫn động cầu sau 34

Hình 2.4: Phương án 4: Sử dụng một động cơ điện dẫn động cầu trước 35 Hình 2.5: Phương án 5: Sử dụng hai động cơ điện độc lập dẫn động cầu sau 36

Hình 2.6: Phương án 6: Sử dụng hai động cơ điện độc lập dẫn động cầu trước 36

Hình 2.7: Phương án 7: Sử dụng bốn động cơ điện độc lập dẫn động các

bánh xe 37

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống điện trên xe điện 38

Hình 2.9 Phương án cấp điện cho động cơ khi chạy ở tốc độ thấp 39

Hình 2.10 Phương án cấp điện cho động cơ khi chạy ở tốc độ cao 40

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống truyền lực điện dẫn động bánh trước 41

Hình 2 12 Sơ đồ điều khiển hệ thống truyền lực điện 42

Hình 3.1 Các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động 43

Hình 3.2: Đặc tính làm việc của động cơ 47

Hình 3.3 Thông số kỹ thuật của động cơ điện 47

Hình 3.4 Hình ảnh thực tế động cơ điện lắp đặt trên xe 48

Hình 3.5 Đồ thị cân bằng lực kéo 53

Hình 3.6 Đồ thị nhân tố động lực học 54

Hình 3.7 Đồ thị gia tốc của xe 56

Hình 3.8 Đồ thị gia tốc ngược của xe 58

Hình 3.9 Đồ thị thời gian gia tốc của xe 60

Hình 3.10 Đồ thị quãng đường tăng tốc 62

MỞ ĐẦU

Nước ta với nền kinh tế mới hội nhập và phát triển, số lượng ô tô nhập khẩu, sản xuất trong nước ngày càng nhiều đặc biệt là xe con, xe du lịch Theo dự báo của hiệp hội sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA) năm

2012 sẽ có 150.000 xe ô tô được tiêu thụ trong nước, bên cạnh đó ngành công nghiệp sản xuất ô tô đang phát triển rất mạnh mẽ Số lượng ô tô tăng nhanh dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn Chất lượng đường bộ ngày càng được nâng cao, các ô tô được thiết kế với công suất lớn, tốc độ cao và ngày càng tiện nghi hơn Trong những năm gần đây, có nhiều nguồn năng lượng mới đã và đang được nghiên cứu để dùng trên ô tô Ô tô sử dụng năng lượng điện là một hướng phát triển mới, có nhiều tiềm năng phát triển

Việc tính toán công suất động cơ điện, tính toán khả năng kéo của

xe điện là vấn đề quan trọng, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và có ứng dụng thương mại Nhưng ở trong nước việc nghiên cứu về xe điện này còn nhiều hạn chế Với mong muốn góp một phần nhỏ để nghiên

cứu về xe điện, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động lực điện cho ô tô con” được thực hiện

Việc nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động lực điện trên ô

tô con được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết Kết quả đạt được của đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài khác có liên quan

Dưới sự hướng dẫn của thầy PGS TS Hồ Hữu Hải, các thầy trong

Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được hoàn thành Đề tài thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng tận tình của thầy PGS

TS Hồ Hữu Hải, các thầy giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn

được hoàn thành

Do thời gian và kiến thức của bản thân còn hạn chế nên bản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 3 năm 2013

Tác giả

Phan Văn Hùng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về động cơ điện và xe điện

Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành

cơ năng Cơ năng này được sử dụng để kéo bánh xe chủ động, quay bánh công tác của bơm, cánh quạt, chạy máy nén … Các động cơ điện được

sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghệ cao như ô tô (xe điện, xe hybrid …), máy bay …, trong lĩnh vực dân dụng (máy xay, khoan, quạt gió) và trong công nghiệp

1.1.1 Cơ chế hoạt động của các loại động cơ điện

Dòng điện trong từ trường chịu tác dụng của một lực từ

Nếu dây dẫn được khép mạch, hai nhánh đối xứng của mạch sẽ chịu các lực tác dụng ngược chiều nhau (ngẫu lực) theo phương vuông góc với véc tơ đường sức từ

Hình 1.1 Ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây

Các động cơ trên thực tế có một số mạch vòng trên phần ứng để tạo ra các mô men đồng đều và tạo ra từ trường nhờ sự sắp xếp hợp lý các nam châm điện, được gọi là các cuộn cảm

1.1.2 Động cơ điện sử dụng trên ô tô

Sơ đồ phân loại động cơ điện sử dụng trên ô tô

Hình 1.2 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện

Động cơ một chiều (DC Motor)

Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động cơ một chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc

độ, mômen Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phù hợp với điều kiện nóng ẩm Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác

Động cơ một chiều gồm ba thành phần chính sau:

1 Cực từ

Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ Động cơ một chiều đơn giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam Các đường sức từ chạy theo

khoảng mở từ cực bắc tới cực nam Với những động cơ phức tạp và lớn,

có một hoặc vài nam châm điện Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường

2 Phần ứng

Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng

3 Cổ góp

Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều Cổ góp có tác dụng đảo chiều của dòng điện trong phần ứng Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện

Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM)

Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp Ở Việt Nam, đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thường chạy ở tốc

độ thấp và hay phải dừng, đỗ Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ

IM sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng kể quãng đường đi cho một lần nạp ắc quy

Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM)

Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường với dây quấn và lõi sắt từ Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau Cấu trúc này khiến

cho từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra mômen từ trở làm động cơ quay

Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM)

Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm Với cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng / phút

Hình 1.3 Động cơ từ trở thay đổi – SRM

Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó Nguyên lý vận hành đơn giản, nhưng lại khó điều khiển với chất lượng cao vì có nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc biệt là trong thời gian chuyển mạch Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động

cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế động cơ

Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor)

Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán) Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao

Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác định vị trí của rotor Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô mômen lớn, xuất hiện 6 xung mômen trong 1 chu kì, tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô mômen Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là thuật toán điều khiển giả vector (Pseudo-vector Control – PVC) hiện nay đã đi vào ứng dụng cho thiết bị trợ lái vô lăng của công ty NSK tại Nhật Bản

(a) (b)

Hình 1.4 Cấu trúc động cơ BLDC (a) và các cảm biến Hall (b)

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM motor)

Động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor , dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn

có do nam châm sinh ra (Magnet Torque) Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ

Hình 1.5 Cấu trúc của động cơ SPM và IPM Động cơ IPM được sử dụng cho xe Nissan Leaf – ô tô điện được biết đến nhiều nhất hiện nay Hãng Mitsubishi khi giới thiệu mẫu xe MiEV (Mitsubishi innovative Electric Vehicle) và MIEV (Mitsubishi In-wheel Electric Vehicle) sử dụng cho các mẫu xe

Đặc tính của động cơ điện:

Hình 1.6 Đặc tính động cơ điện Đặc tính làm việc của động cơ điện lâu dài sẽ là đường công suất ổn định (Đường đẳng công suất) Với đặc tính này công suất có thể đạt lớn nhất tại bất kỳ tốc độ nào của động cơ

Khi khởi động, mô men của động cơ tăng lên rất cao, có thể cao hơn đường định mức Nhưng mô men này chỉ duy trì trong thời gian ngắn, khi công suất đạt đến cực đại thì mô men giảm dần

Tốc độ động cơ khi công suất đạt đến cực đại gọi là tốc độ cơ bản

1.1.3 Tải của động cơ

Thường được chia thành 3 nhóm:

- Tải mô men không đổi là tải yêu cầu công suất đầu ra có thể thay đổi cùng với tốc độ hoạt động nhưng momen quay không đổi Băng tải,

lò quay và các bơm pittông là những ví dụ điển hình của tải mô men không đổi

- Tải mô men thay đổi là những tải mà mô men thay đổi khi tốc độ hoạt động thay đổi Bơm ly tâm và quạt là những ví dụ điển hình của tải

mô men thay đổi (mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ)

- Tải công suất không đổi là những tải mà các yêu cầu mô men thường thay đổi ngược với tốc độ Những máy công cụ là ví dụ điển hình

về tải công suất không đổi

Động cơ một chiều sử dụng dòng điện một chiều Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng

1.1.4 Xe điện

Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trường không khí trong thành phố Nhưng ô tô chạy bằng năng lượng điện gặp phải khó khăn về vấn đề cung cấp điện năng, nếu tất cả các loại ô tô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều còn phụ thuộc loại nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng So với nhiên liệu truyền thống, mức độ có lợi tính theo C02 tương đương trên 1Km lên 90% đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng nhiên liệu và gần như không có lợi gì khi sản xuất bằng than

Về mặt kỹ thuật thì ô tô chạy bằng điện có hai nhược điểm quan trọng đó là năng lượng dữ trữ thấp (Khoảng 100 lần so với ô tô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (30-40% cao hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt) Những chướng ngại khác cần được giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng thực tế một cách đại trà là khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vấn đề sưởi và điều hòa không khí trong ô tô

Nếu như sự thâm nhập những ô tô chạy bằng điện vào cuộc sống của nhân loại thay các loại ô tô chạy bằng động cơ nhiệt thì các loại động

cơ nhiệt được xử lý ô nhiễm triệt để với những thành tựu công nghệ hiện đại, dĩ nhiên bị biến mất vì thế mức độ có lợi về mặt ô nhiễm khi dùng động cơ điện sẽ không đáng kể, chắc chắn ít có lợi hơn khi thay ô tô cũ bằng ô tô mới dùng động cơ nhiệt hoàn thiện triệt để về mặt ô nhiễm

Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề tâm lý xã hội Sự hạn chế tính năng kỹ thuật còng như bán kính hoạt động của ô tô, trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của người dùng và dần dần làm thay đổi cách sống Mặt khác khi chuyển ô tô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ô tô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ gây ra chở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ăcquy Tuy nhiên những lợi ích mà xe chạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ

Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vấn là sự lựa chọn số một của nhân loại vào những năm tới của thế kỷ 21 mà sự phát triển của nó đi theo những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ nhưng hiện tại sự phát triển của ô tô này còng không cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trường đô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn

Một số dạng xe điện hiện nay:

Xe lai giữa động cơ đốt trong và động cơ điện (Hybrid):

Xe tiêu biểu: Ford Escape HEV

Xe lai có khả năng nạp điện trực tiếp bổ sung (Plug-in Hybrid):

Xe tiêu biểu: Toyota Prius PHEV conversion

Xe sử dụng hoàn toàn điện năng từ Pin (Battery Only):

Xe tiêu biểu: Tesla Roadster BEV

Xe sử dụng pin nhiên liệu (Fuel Cell)

Xe tiêu biểu: Honda FCX hydrogen FCV Hình 1.7 Một số xe kiểu xe điện tiêu biểu

1.2 Lịch sử phát triển xe điện

Năm 1914, xe điện đầu tiên (Detroit Electric)

được sản xuất, xe sử dụng pin Ni-Fe, có khả

năng di chuyển trong phạm vi 80 dặm, vận tốc

trung bình 9m/s (~20mph)

Năm 1974, xe điện Zagato Elcar được phát

minh, có khả năng di chuyển 35 dặm với vận

tốc trung bình 15 m/s (~ 35 mph) Xe sử dụng

ắc quy chì – axit

Năm 1980, xe điện Commuter Vehicles

CommutaCar được phát minh có khả năng di

chuyển 40 dặm với vận tốc trung bình 13 m/s (~

30 mph) Xe sử dụng ắc quy chì – axit

Năm 1997, Hãng Chevrolet sản xuất xe S10

EV, có khả năng chạy 95 dặm với loại pin

NiMH

Năm 1998, Hãng Ford sản xuất xe Ford Ranger

EV, có khả năng chạy 82 dặm, sử dụng pin

NiMH

Năm 1999, hãng General Motors sản xuất xe

EV1, có khả năng chạy 140 dặm, sử dụng pin

NiMH

Năm 2000, xe điện Thanks city có vận tốc 25

m/s (~55mph), tuy nhiên quãng đường đi được

khá ngắn với chỉ 45 dặm Xe sử dụng loại pin

mới, pin NiCd

Năm 2003, xe AC Propulsion tZero có thể chạy

được 302 dặm chỉ với 1 lần xạc, vận tốc tối đa

- Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ,

than đá không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được Các phương tiện giao thông sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng này (xăng, dầu) chắc chắn sẽ không tồn tại trong tương lai Trong khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển, v.v Do vậy, 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 các phương 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 kỉ 20 trở lại đây, và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thế giới

Xe điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:

Các loại xe du lịch Hình 1.8 Ứng dụng của xe điện

1.3 Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trên thế giới 1.3.1 Hoa Kỳ

Năm 2009, trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Ô tô điện Edison tại miền Nam California, tổng thống Mỹ Barack Obama đã duyệt khoản chi 2,4 tỷ đô-la cho việc nghiên cứu ô tô điện Khoản chi từ ngân sách này được phân bổ như sau:

Hình 1.9 Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm

Tại Châu Âu, xe plug-in hybrid và các bộ biến đổi điện tử công suất

là những vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu Ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) là loại xe sử dụng hỗn hợp cả năng lượng xăng

và điện như tên gọi “hybrid” Xe có bộ nạp tích hợp sẵn, người sử dụng chỉ cần cắm điện vào nguồn điện lưới dân dụng mà không cần một bộ nạp bên ngoài

Hình 1.10 Cấu hình xe plug-in hybrid

1.3.3 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 đưa ra thị trường dòng xe Nissan Leaf, Mitsubishi đưa ra thị trường xe điện thương phẩm với tên i-MiEV Xe i-MiEV đã được giới thiệu ở Việt Nam tại triển lãm Ô tô Vietnam Motor Show 2010

Mitshubisi bắt đầu nghiên cứu xe điện từ năm 1966, cho đến nay, hãng Mitsubishi Motors đã chế tạo ra 10 mẫu xe concept với hơn 500.000 km chạy thử nghiệm Lộ trình nghiên cứu được cho trong hình sau:

Hình 1.11 Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi

Motors

Hình 1.12 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường

Trong giới nghiên cứu, các trường đại học lớn ở Nhật đều có những phòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu về ô tô điện Trung tâm nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của Giáo sư Yoichi Hori (sau đây gọi tắt là Hori-Lab) tại Viện Khoa học Công nghiệp, Trường Đại học Tokyo là một trong những đơn vị tiên phong nghiên cứu về xe điện tại Nhật Bản Những nghiên cứu của Hori-Lab tập trung vào 2 lĩnh vực chính: 1: Điều khiển chuyển động (Motion Control) và 2: Hệ thống năng lượng cho xe (Vehicle Power System)

Lĩnh vực điều khiển chuyển động được thực hiện với những nhánh sau:

- Điều khiển chuyển động bám mặt đường

- Điều khiển ổn định động học thân xe trên cơ sở quan sát các biến trạng thái và quan sát nhiễu

- Điều khiển hệ thống lái

Lĩnh vực nghiên cứu hệ thống năng lượng cho xe được tập trung vào hai nhánh chính:

- Sử dụng công nghệ siêu tụ điện (Ultra-capacitor) tích trữ năng lượng

- Sử dụng công nghệ truyền tải điện không dây (Wireless Power Transmission)

Các nghiên cứu của Hori-Lab đều được thực nghiệm trên hệ thống xe điện thí nghiệm xây dựng tại trung tâm gồm xe UOT Electric March I, II

sử dụng nguồn ắc quy và hệ thống xe điện nhỏ COMS 1, 2, 3 chạy hoàn toàn bằng siêu tụ điện

Xe điện COMS3 sử dụng siêu tụ Xe điện UOT Electric March II

Hình 1.13 Xe điện thí nghiệm tại Hori-Lab

1.3.4 Hàn Quốc và Trung Quốc

Công nghệ truyền tải điện không dây ứng dụng trong xe điện được khai thác mạnh mẽ bởi các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) với dự án chế tạo xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quá trình 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 viên Grand Seoul

Hình 1.14 Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST

Hình 1.15 Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải

1.3.5 Xu thế phát triển của ô tô điện

Theo thời gian có một số mốc dự đoán như sau:

- Cuối năm 2010: Một số ô tô điện đã được giới thiệu và xuất hiện

Về cấu hình xe, các chuyên gia đều thống nhất rằng ô tô điện thuần (pure EV) là điểm phát triển cao nhất của ô tô điện, các cấu hình xe lai (hybrid) chỉ là bước đệm về công nghệ trong quá trình quá độ từ xe chạy động cơ đốt trong lên xe điện Xu hướng phát triển của ô tô điện như hình vẽ ở sơ đồ sau:

Hình 1.16 Xu hướng phát triển của ô tô điện

1.4 Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trong nước

Trong khi làn sóng nghiên cứu ô tô điện đang nổi lên mạnh mẽ trên thế giới thì tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhà khoa học

- Năm 2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi – thành phố Hồ Chí Minh đã tự nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chứa 3 người, tốc độ 35km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V – 800W, 4 ắc quy khô 12V/50Ah, chạy 40km nạp một lần

- Năm 2011: Tác giả Lê Xuân Đức bảo vệ thành công đồ án tốt nghiệp đại học với đề tài: “Thiết kế hệ thống động lực điện cho ô tô con” Tác

giả đã tính toán hệ thống động lực điện ô tô, tính chọn động cơ điện, tính toán hộp số vô cấp CVT, và đề xuất phương án điều khiển thủy lực

- Năm 2012: Tác giả Trần Ngọc Anh bảo vệ thành công luận văn thạc sỹ

“Nghiên cứu CVT và tính toán sức kéo của xe sử dụng CVT” Luận văn

có toán sức kéo và xây dựng các đồ thị sức kéo của xe sử dụng CVT

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp số tính sức kéo và khả năng tăng tốc của xe

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ

2.1 Các vấn đề về sức kéo của ô tô

Lịch sử phát triển ngành ô tô đã chứng kiến nhiều loại động cơ khác nhau ra đời, nhưng hiện nay nguồn động lực chính dùng trên ô tô vẫn là loại động cơ đốt trong piston tịnh tiến

Các thông số đánh giá khả năng động lực học của xe gồm có:

• Công suất: Nói chung công suất của động cơ càng lớn, ô tô càng

có tính năng động lực học cao Tuy nhiên, tính năng động lực học của xe bị giới hạn bởi điều kiện mặt đường mà xe đang hoạt động,

• Lực kéo: Quyết định khả năng chuyển động của xe, khả năng động lực học của xe,

• Nhân tố động lực học D: Thể hiện khả năng động lực học của xe,

• Thời gian tăng tốc từ 0 đến 100 km/h và đến vận tốc tối đa,

• Quãng đường tăng tốc đến 100 km/h và đến vận tốc tối đa

Khả năng động lực học của một xe phụ thuộc vào động cơ, tỉ số truyền của hệ thống truyền lực, phương thức điều khiển tỉ số truyền, bố trí chung của ô tô và phân bố khối lượng trên các cầu xe Trong các điều kiện hoạt động cụ thể, nó phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với mặt đường

2.2 Cấu hình xe

Với các ưu điểm nổi bật về môi trường và tiết kiệm nhiên liệu, ô tô

điện đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ô tô trên thế giới Ngày càng có nhiều mẫu ô

tô điện xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ô tô này Do đó ô tô điện phù hợp với nước ta nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ô tô sạch nhằm đáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu Tuy nhiên loại xe

này phù hợp hơn với điều kiện sử dụng hoạt động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường dài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng Chứ không thể sử dụng ô tô lai điện thay hẳn các loại ô tô khác vì tính công nghệ lai còn nhiều hạn chế, mà khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho động cơ điện, vì nếu dùng bình ăcquy thông thường thì số lượng bình rất nhiều Do vậy, việc tính toán phạm vi hoạt động của loại xe nay

là rất cần thiết

Sự truyền động từ động cơ điện xuống cầu xe chủ động ta có thể

sử dụng bằng nhiều cách truyền động như: Cơ khí, thủy tĩnh, thủy động, truyền động bằng điện Trong đó truyền động thủy động về tính năng có rất nhiều ưu điểm và được sử dụng trên các loại ô tô ngày nay Với truyền động thủy động, ta có các đặc điểm sau :

- Tăng mô men do động cơ tạo ra

- Đóng vai trò như là một ly hợp thủy lực để truyền (hay không truyền) mô men từ động cơ đến hộp số

- Hấp thụ các dao động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực

- Có tác dụng như một bánh đà để làm đều tốc độ động cơ

- Dẫn động bơm dầu của hệ thống điều khiển thủy lực

- Kết cấu phức tạp đòi hỏi chế tạo với tính công nghệ cao

- Giá thành đắt, chăm sóc bảo dưỡng tương đối phức tạp

- Thường dùng trên xe có công suất vận hành lớn

Động cơ điện có thể làm việc ngay ở tốc độ nhỏ nhất, do đó không cần thiết sử dụng ly hợp trong hệ thống truyền lực điện trên ô tô hiện nay

2.3 Các phương án dẫn động

1 Động cơ đặt dọc, hộp số đặt dọc, cầu sau chủ động

Hình 2.1: Phương án 1: Động cơ đặt dọc, cầu sau chủ động

Phương án này kết hợp với một hộp số vô cấp CVT để nâng cao tính năng chuyển động

− Giảm khoảng sáng gầm xe

− Nâng cao trọng tâm của xe

− Phải bố trí thêm các đăng và khâu khớp truyền lực, gây ồn, lãng phí

2 Động cơ đặt ngang, hộp số đặt ngang, cầu trước chủ động

Hình 2.2: Phương án 2: Động cơ đặt ngang, cầu trước chủ động

Phương án này kết hợp với một hộp số vô cấp CVT để nâng cao tính năng chuyển động

Ưu điểm:

− Nâng cao tính ổn định và tính điều khiển của ô tô

− Tận dụng trọng lực bám cầu trước

− Kết cấu gọn nhẹ

− Không phải bố trí thêm các đăng để truyền lực ra cầu sau

− Tăng khoảng sáng gầm xe

− Có thêm không gian bố trí các tiện ích khác

Nhược điểm:

− Thích hợp với các xe nhỏ gọn

3 Hệ thống truyền động với chỉ một động cơ điện, cầu sau chủ động

Hình 2.3: Phương án 3: Sử dụng một động cơ điện dẫn động cầu sau

Ưu điểm:

− Hệ thống truyền lực đơn giản, gọn nhẹ: chỉ cần một truyền lực cuối

bố trí trong vi sai, dễ bảo dưỡng sửa chữa

− Dễ bố trí cơ cấu điều khiển, khoang hành khách, hành lý rộng

Nhược điểm:

− Đòi hỏi một động cơ điện có công suất lớn để đáp ứng với các điều kiện chuyển động khác nhau trên đường