MỤC LỤC
MỤC LỤC....................................................................................................................................................i
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................................................................ii
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ Ô TÔ ĐIỆN KIỂU BEV VÀ ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO TRÊN XE..3
1.1. Giới thiệu khái quát về ô tô điện..........................................................................................................3
1.2. Giới thiệu chung về ô tô điện kiểu BEV...............................................................................................6
1.2.1. Động cơ điện bố trí tập trung............................................................................................................7
1.2.2. Động cơ điện bố trí phân tán............................................................................................................9
1.3. Giới thiệu chung về điều khiển lực kéo trên xe..................................................................................10
1.4. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu và phương pháp thiết kế...................................................................12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.............................13
2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển lực kéo trên ô tô điện kiểu BEV dẫn động bốn bánh độc lập .................13
2.1.1. Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe.......................................................................................................13
2.1.2. Lực kéo của ô tô..............................................................................................................................16
2.1.3. Hiện tượng trượt của bánh xe và thông số đánh giá.......................................................................16
2.2. Xây dựng mô hình toán học của ô tô điện kiểu BEV dẫn động bốn bánh độc lập .............................19
2.2.1. Giả thiết xây dựng mô hình..............................................................................................................19
2.2.2. Phương trình động lực học chuyển động thẳng của xe...................................................................21
2.3. Phân tích chọn loại động cơ điện sử dụng trên ô tô............................................................................22
2.3.1. So sánh ô tô sử dụng động cơ điện và ô tô sử dụng động cơ đốt trong làm nguồn động lực.........22
2.3.2. Một số loại động cơ được sử dụng trên ô tô điện hiện nay..............................................................24
2.3.3. Tổng quan động cơ BLDC................................................................................................................35
2.4. Các phương pháp kiểm soát lực kéo..................................................................................................40
2.4.1. Mô hình kiểm soát lực kéo thông thường.........................................................................................41
2.4.2. Kiểm soát lực kéo dựa trên hệ số trượt............................................................................................43
2.4.3. Kiểm soát lực kéo dựa trên mô men xoắn........................................................................................47
2.4.4. Kết luận chọn phương án điều khiển................................................................................................50
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO TRÊN XE MÔ HÌNH.............52
3.1. Các thông số kĩ thuật của ô tô điện cần đạt.........................................................................................52
3.1.1. Các thông số kĩ thuật cơ bản của ô tô điện.......................................................................................52
3.1.2. Các thông số tính năng cần thiết kế..................................................................................................53
3.2. Tính toán và chọn động cơ điện...........................................................................................................53
3.3. Xác định các thông số cơ bản của bộ pin điện.....................................................................................56
3.4. Thiết kế thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển lực kéo...........................................................58
3.5. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển lực kéo của xe ô tô điện.............................................................59
3.5.1. Sơ đồ hệ thống điện và điều khiển lực kéo trên ô tô điện.................................................................59
3.5.2. Thiết kế khối điều khiển cho từng động cơ........................................................................................62
3.5.3. Thiết kế khối điều khiển trung tâm của hệ thống...............................................................................67
3.5.4. Thiết kế khối hiện thị và truyền tải dữ liệu.........................................................................................72
3.5.5. Một số loại cảm biến và thiết bị sử dụng trong hệ thống...................................................................77
3.6. Thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển lực kéo.....................................................................86
3.6.1. Mô hình khối thân xe..........................................................................................................................86
3.6.2. Mô hình khối động cơ.........................................................................................................................87
3.6.3. Khối điều khiển...................................................................................................................................88
3.6.4. Khối thông số đầu vào........................................................................................................................88
3.6.5. Kết quả khảo sát hệ thống điều khiển lực kéo...................................................................................89
CHƯƠNG 4: MỘT SỐ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO XE MÔ HÌNH......91
4.1. Hướng dẫn khai thác và sử dụng xe mô hình.......................................................................................91
4.2. Hướng dẫn khai thác hệ thống thu thập dữ liệu trên xe........................................................................92
KẾT LUẬN....................................................................................................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................................96
PHỤ LỤC......................................................................................................................................................98
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây ô tô điện đang được nhiều hãng ô tô nghiên cứu phát triển nhằm khắc phục các yếu điểm của nhiên liệu hóa thạch về môi trường và tình hình cạn kiệt nguồn nhiên liệu. Tại Việt Nam hiện nay, đối tượng này mới chỉ được một công ty quan tâm đầu tư là Vinfat, các nghiên cứu chuyên sâu về ô tô điện thì vẫn chưa có nhiều.
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 dự trữ thấp và giá thành cao hơn. Các vấn đề cần cải thiện ở ô tô điện là khả năng tăng tốc, bán kính sử dụng, vấn đề nạp và thay mới nguồn năng lượng điện.
Việc đặt các động cơ trong bánh xe cho phép ta điều khiển các bánh xe một cách độc lập cho phép điều khiển lực kéo và điều khiển chuyển động của xe một cách linh hoạt hơn. Quá trình chuyển động của xe sẽ được điều khiển thông qua việc điều khiển các động cơ điện. Do vậy, đồ án đã lựa chọn hướng nghiên cứu này để tìm hiểu, thiết kế hệ thống điều khiển lực kéo cho xe mô hình chạy bằng điện kiểu dẫn động bốn bánh độc lập. Trong quá trình làm đồ án do hạn chế về mặt thời gian và tài liệu trong nước về hướng nghiên cứu này còn hạn chế nên trong phạm vi đồ án tốt nghiệp em tập trung nghiên cứu vào việc thiết kế hệ thống điều khiển lực kéo của xe mô hình chạy bằng điện dẫn động bốn bánh độc lập chỉ xét với chuyển động thẳng.
Vì vậy tên đề tài của em là “Thiết kế hệ thống điều khiển lực kéo cho xe mô hình chạy bằng điện kiểu dẫn động bốn bánh độc lập”.
Nội dung chính của đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về ô tô điện kiểu BEV và điều khiển lực kéo trên xe
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phân tích chọn phương án thiết kế
Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển lực kéo của xe mô hình
Chương 4: Một số hướng dẫn sử dụng hệ thống điều khiển lực kéo của xe mô hình
Sau một thời gian tập trung nghiên cứu tài liệu, khảo sát, tính toán, tìm hiểu thực tế, cộng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo: TS. ………………và các thầy trong Bộ môn xe ô tô, tôi đã hoàn thành nội dung được giao. Do thời gian thực hiện đồ án có hạn và hiểu biết của bản thân còn hạn chế nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày .... tháng ... năm 20....
Học viên thực hiện
......................
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ Ô TÔ ĐIỆN KIỂU BEV VÀ ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO TRÊN XE
1.1. Giới thiệu khái quát về ô tô điện
Ô tô điện không phải là một phát minh mới mà trên thực tế đã có lịch sử lâu đời. Từ đầu thế kỷ 19, xe chạy bằng nguồn năng lượng điện đã có vị thế cạnh tranh tương đương với xe chạy bằng động cơ hơi nước.
Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson người Scotland đã phát 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 đầu tiên đưa pin vào sử dụng cho ô tô điện.
Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh tranh được với xe chạy động cơ đốt trong.
Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, thế giới phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu:
+ Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch đã không thể đáp ứng được nhu cầu của con người vì chúng không phải là vô tận. Trong khi đó năng lượng điện có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, đặc biệt là từ nguồn năng lượng tái tạo từ thiên nhiên.
+ Vấn đề môi trường: 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.
- Nhóm 1: Ô tô chạy hoàn toàn bằng điện.
Các loại ô tô điện thuộc nhóm này chỉ sử dụng động cơ điện để cung cấp sức kéo cho chuyển động của xe (Pure-electric Vehicle, viết tắt PEV, hoặc All-electric Vehicle, viết tắt AEV). Nhóm này bao gồm nhiều loại ô tô điện khác nhau, trong đó có thể kể đến một số loại chủ yếu sau:
+ Battery Electric Vehicle (BEV): chỉ loại ô tô chỉ chạy bằng nguồn điện hóa học cung cấp bởi pin hoặc ắc quy hóa học (chemical energy) lắp đặt trực tiếp trên xe, việc sạc pin (ắc quy) thực hiện chủ yếu bằng nguồn điện bên ngoài.
+ Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV): chỉ ô tô điện chạy bằng nguồn điện cung cấp hoàn toàn hoặc một phần bởi các bộ pin nhiên liệu (Fuel cells). Pin nhiên liệu là một tế bào điện hóa có thể cải tiến năng lượng hóa học của nhiên liệu (thường là khí hydro) và oxy thành điện năng thông qua các phản ứng oxy hóa khử.
+ Solar Electric Vehicle (Solar Car): chỉ ô tô điện chạy bằng nguồn điện cung cấp hoàn toàn hoặc một phần bởi các panel gắn các tế bào quang điện. Các tế bào quang điện (photovoltaic (PV) cells) cải tiến trực tiếp ánh sáng mặt trời thành dòng điện cung cấp cho động cơ kéo của xe.
1.2. Giới thiệu chung về ô tô điện kiểu BEV
Sự ra đời của ô tô điện BEV không chỉ đánh dấu sự tiến xa trong lĩnh vực công nghệ, mà còn phản ánh sự kiên trì của con người trong việc thúc đẩy những giải pháp vận tải thân thiện với môi trường. Ô tô điện BEV mang lại những lợi ích thiết thực không chỉ cho người sử dụng mà còn cho cả hành tinh. Với khả năng hoạt động hoàn toàn dựa vào năng lượng điện, chúng không gây ra khí thải độc hại và tiếng ồn, giúp cải thiện chất lượng không khí và môi trường sống. Đặc biệt, sự phát triển của công nghệ pin điện đã giúp tăng hiệu suất và khoảng cách di chuyển của các xe BEV, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng hàng ngày và trong các chuyến đi dài.
1.2.1. Động cơ điện bố trí tập trung
BEV có động cơ điện bố trí tập trung được thiết kế chủ yếu dựa trên thiết kế cơ sở khung gầm đã có sẵn của các ô tô thông thường bằng cách thay thế ICE và các thùng nhiên liệu bằng động cơ điện với bộ pin điện và giữ lại phần lớn các thành phần cần thiết khác. Phương án kết cấu này được áp dụng ngay từ giai đoạn phát triển đầu tiên của BEV, áp dụng cho các loại BEV không có yêu cầu quá cao về tính năng động lực học, tận dụng được các thiết kế và dây chuyền công nghệ của các dòng ô tô đã có sẵn.
Ngoài ra, BEV dạng này còn có các hệ thống phụ trợ bao gồm: trợ lực lái, trợ lực phanh, hệ thống điều hòa, nguồn cung cấp năng lượng phụ cho các thiết bị đèn tín hiệu, chiếu sáng, quan sát và cảnh báo phụ trợ... Các hệ thống này không nằm trong hệ thống động truyền lực của xe, nhưng có liên hệ mật thiết và được cung cấp năng lượng từ nguồn điện từ bộ pin-ắc quy của xe.
1.2.2. Động cơ điện bố trí phân tán
Hệ thống động truyền lực của BEV có động cơ điện bố trí phân tán hiện nay đã được cải tiến về mặt thiết kế bố trí chung cho phù hợp với kết cấu thân xe, khung sườn và khả năng truyền động. Sơ đồ đơn giản hệ thống động truyền lực của các loại BEV dạng này có thể được biểu diễn như trên Hình 1.3.
1.3. Giới thiệu chung về điều khiển lực kéo trên xe
Cùng với hệ thống cân bằng điện tử (Electronic Stability Control-ESC), hệ thống kiểm soát lực kéo được ứng dụng rộng rãi trên các dòng xe hơi hiện nay. Khả năng kiểm soát lực kéo giúp mang lại trải nghiệm lái an toàn trong suốt khoảng thời gian di chuyển của xe. Điều kiện địa hình khó khăn như bùn lầy, trơn trượt...là một trong những yếu tố gây ảnh hưởng đến khả năng vận hành và sự an toàn của xe ô tô. Để hạn chế những ảnh hưởng này, các hãng sản xuất xe ô tô đã trang bị cho xe nhiều tính năng hỗ trợ. Một trong số đó chính là tính năng kiểm soát lực kéo.
TCS hoạt động bằng cách sử dụng các cảm biến để giám sát tốc độ của từng bánh xe. Nếu một bánh xe bắt đầu trượt, TCS sẽ giảm mô-men xoắn của động cơ đến bánh xe đó. Điều này giúp bánh xe bám đường tốt hơn và ngăn chặn trượt bánh. TCS có thể sử dụng một số phương pháp khác nhau để giảm mô-men xoắn của động cơ, chẳng hạn như:
+ Giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ
+ Giảm tốc độ của động cơ
+ Phanh một hoặc nhiều bánh xe
TCS có nhiều lợi ích, bao gồm:
+ Cải thiện khả năng xử lý: TCS giúp xe xử lý tốt hơn bằng cách ngăn bánh xe bị trượt. Điều này giúp xe vào cua và phanh an toàn hơn.
+ Tăng cường an toàn: TCS giúp ngăn ngừa tai nạn bằng cách ngăn bánh xe bị trượt. Điều này có thể đặc biệt hữu ích trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc khi lái xe trên đường trơn.
1.4. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu và phương pháp thiết kế
a) Mục tiêu
Mục tiêu của đồ án là thiết kế hệ thống điều khiển lực kéo cho xe mô hình chạy bằng điện kiểu dẫn động bốn bánh độc lập. Hệ thống điều khiển lực kéo phải có khả năng điều khiển mô-men xoắn truyền đến từng bánh xe một cách độc lập, giúp xe có thể bám đường tốt hơn và đáp ứng linh hoạt hơn trong một số điều kiện chuyển động thông thường.
b) Nội dung nghiên cứu
Trong phạm vi đồ án em chỉ tập trung nghiên cứu chủ yếu về khái quát về hệ thống và các phương pháp điều khiển lực kéo trên ô tô. Sau đó lên phương án thiết kế hệ thống điều khiển lực kéo ở dạng mô hình.
c) Phương pháp thiết kế
Trong phạm vi đồ án phương pháp thiêt kế đươc sử dụng là nghiên cứu từ lý thuyết, sau đó thiết kế các hệ thống điện và điều khiển của hệ thống điều khiển lực kéo trên mô hình xe chạy bằng điện dẫn động độc lập bốn bánh. Cuối cùng là mô phỏng kiểm tra lại thuật toán điều khiển bằng Matlab Simulink.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển lực kéo trên ô tô điện kiểu BEV dẫn động bốn bánh độc lập
2.1.1. Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe
Khi bánh xe lăn dưới tác dụng của mô men xoắn, từ bánh xe tác dụng lên đường một lực có chiều ngược với chiều chuyển động của ô tô. Lực này là lực vòng của bánh xe chủ động. Nhờ tác dụng tương hỗ giữa bánh xe với đường, bánh xe sẽ chịu một phản lực tương ứng từ đường tác dụng lên cùng chiều chuyển động với ô tô. Phản lực này được gọi là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe, ký hiệu là Pk. Như vậy, lực kéo tiếp tuyến chính là phản lực của lực vòng
Theo định nghĩa về lực bám có:
Pφ = Pkmaxi
Trên đường cứng, độ bền của vết tiếp xúc được xác định bằng lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường. Hệ số bám trong trường hợp này được xác định bằng hệ số ma sát tĩnh giữa đường với lốp.
Khi bánh xe lăn trên đường biến dạng, độ bền vết tiếp xúc phụ thuộc vào các tính chất của đất. Dưới tác dụng của lực vòng sẽ xuất hiện sự trượt của khối đất nằm giữa hai vấu bám. Bề mặt trượt của khối đất được xác định bằng khoảng cách ab và chiều dài bc của vấu bám(Hình 2.1).
Như vậy độ bền của vết tiếp xúc được xác định bằng tổng các lực cản kể trên của đất. Tổng lực cản này chính là lực bám của bánh xe:
Pφ = P'mz + P''mz
2.1.2. Lực kéo của ô tô
Lực kéo của ô tô bằng tổng lực kéo sinh ra trên các bánh xe chủ động.
Giá trị giới hạn của lực kéo theo điều kiện bám của các bánh xe chủ động được gọi là lực kéo theo bám của ô tô, hay còn gọi là lực bám của ô tô.
Lực bám của ô tô được xác định theo công thức sau:
Pφ = φ1.Gφ1+φ2.Gφ2+ ......+φn.Gφn
Nếu coi hệ số bám của các bánh xe là như nhau và bằng φ thì:
Pφ = φ(Gφ1+Gφ2+ ......+Gφn
2.1.3. Hiện tượng trượt của bánh xe và thông số đánh giá
2.1.3.1. Hiện tượng trượt của bánh xe
Hiện tượng trượt của bánh xe xuất hiện do nhiều nguyên nhân:
* Hiện tượng trượt do lực Pd
Đối với bánh xe bị động, lực đẩy Pđ. có xu hướng đẩy bánh xe chuyển động tịnh tiến về phía trước, bắt bánh xe trượt trên đường theo chiều chuyển động của ô tô hay nói cách khác lực Pđ có xu hướng đẩy vết tiếp xúc trượt về phía ngược với chiều quay của bánh xe. Hiện tượng này gọi là trượt lết. Đối với bánh xe chủ động, lực Pđ có chiều ngược lại.
* Hiện tượng trượt do biến dạng vòng của lốp
Ở bánh xe bị động, dưới tác dụng của lực Pđ làm xuất hiện phản lực tiếp tuyến Xk tại vết tiếp xúc. Phản lực Xk làm cho các lớp hướng kính của lốp bị uốn cong và kéo căng ra ở nửa trước vết tiếp xúc, co lại và phục hồi ở nửa sau vết tiếp xúc. Do vậy bán kính lặn thực tế của bánh xe tăng lên, vận tốc tịnh tiến của bánh xe lớn hơn vận tốc chuyển động của ô tô.
* Hiện tượng trượt của bánh xe lăn trên đường biến dạng.
Khi bánh xe lăn trên đường biến dạng, một phần bánh xe bị lún vào đất. Do đó ngoài sự tác dụng giữa bề mặt ngoài của lốp với đường còn có sự tác dụng giữa các vấu lốp tỳ vào đất. Khi đó tại vết tiếp xúc, ngoài lực ma sát giữa đường và lốp còn có các phản lực tác dụng lên vấu lốp. Các phản lực này gọi là lực ăn khớp. Lực ăn khớp chỉ xuất hiện khi các vấu lốp tỳ vào đất và vết tiếp xúc có xu hướng trượt. Hướng trượt phụ thuộc vào loại bánh xe. Hình 2.2là sơ đồ mô tả lực ma sát và lực ăn khớp tác dụng lên bánh xe bị động lăn trên đường biến dạng.
Khi đã truyền mô men xoắn đến bánh xe chủ động thì nhất thiết sẽ xuất hiện sự trượt của bánh xe hoặc nhiều, hoặc ít. Sự trượt sẽ không xẩy ra chỉ khi bánh xe chủ động lăn không làm biến dạng ngang của đất, biến dạng vòng của lốp. Trường hợp này chỉ có khi Xk = 0(Pđ = 0).
2.1.3.2. Thông số đánh giá
Để đánh giá sự trượt quay của bánh xe chủ động, người ta sử dụng hệ số trượt δq. Hệ số trượt δq được đặc trưng bởi tỉ số giữa vận tốc mất mát và vận tốc lý thuyết.
2.2. Xây dựng mô hình toán học của ô tô điện kiểu BEV dẫn động bốn bánh độc lập
2.2.1. Giả thiết xây dựng mô hình
2.2.1.1. Các giả thiết
Các mô hình vật lý đơn giản chỉ kể đến các tương tác cơ học giữa xe với môi trường thường sử dụng trong khảo sát động lực học ô tô là:
- Mô hình không gian.
- Mô hình phẳng.
Trong phạm vi của đồ án chỉ xây dựng mô hình toán học cho việc nghiên cứu mô hình phẳng của xe trong chuyển động thẳng, với các giả thiết sau:
- Bài toán được giải ở dạng mô hình phẳng, khảo sát chuyển động của thân xe như một chất điểm có khối lượng đặt tại trọng tâm xe.
- Xe có tất cả các cầu là chủ động.
2.2.1.2. Sơ đồ mô hình phẳng động lực học chuyển động thẳng của ô tô
Với các giả thiết nêu trên sơ đồ ngoại lực và mô men ngoại lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp chuyển động thẳng có dạng như trên Hình 2.4.
G: Trọng lượng ô tô;
Pi: Lực cản lên dốc;
Pw: Lực cản không khí;
Pf: Lực cản lăn;
Mf1, Mf2: Mô men cản lăn;
Pj: Lực quán tính;
Sơ đồ khảo sát được đặt trong hệ trục tọa độ XOZ. Trục OX nằm song song với mặt đường, trục OZ vuông góc với mặt đường và đi qua trọng tâm xe.
2.2.2. Phương trình động lực học chuyển động thẳng của xe
Sử dụng sơ đồ khảo sát ở Hình 2.4, chiếu các lực lên trục X ta sẽ được phương trình cân bằng lực kéo của ô tô:
Pk = Pf ± Pj ± Pi ± Pw
2.3. Phân tích chọn loại động cơ điện sử dụng trên ô tô
2.3.1. So sánh ô tô sử dụng động cơ điện và ô tô sử dụng động cơ đốt trong làm nguồn động lực
Ta biết rằng, động cơ phải có khả năng tạo ra mô men xoắn đủ lớn khi ô tô khởi động, tăng tốc và chuyển động ở vùng tốc độ thấp, đồng thời phải có khả năng cung cấp công suất đủ lớn khi ô tô chạy ở tốc độ cao. Động cơ điện của ô tô điện có đặc tính công suất và mô men thay đổi theo tốc độ quay khác biệt khá nhiều so với đặc tính ngoài của các loại ô tô sử dụng động cơ đốt trong thông thường, cũng như có một số đặc điểm khác biệt so với các loại động cơ điện sử dụng làm thiết bị động lực trong các dây chuyền công nghệ, sản xuất (thường làm việc ở trạng thái tĩnh tại và chế độ tải thay đổi không quá lớn). Động cơ điện cung cấp sức kéo chuyển động cho ô tô điện phải có khối lượng và kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất lớn, chịu được các rung xóc lớn, tuổi thọ cao, gây nhiều điện tử thấp, có dài điều chỉnh tốc độ vòng quay lớn và đặc biệt là có đặc tính mô men và công suất phù hợp với đặc tính kéo của ô tô.
Vì vậy các xe sử dụng động cơ đốt trong cần có thêm hộp số có cấp hoặc vô cấp để có thể tạo ra lực kéo ở bánh xe có dạng đặc tính gần giống với yêu cầu chuyển động của xe (Hình 2.5). Tuy nhiên để đảm bảo khả năng đáp ứng được ở các điều kiện cản khác nhau thì yêu cầu hộp số phải có nhiều cấp số hoặc sử dụng hộp số vô cấp, điều này làm hệ thống truyền lực trên xe khá cồng kềnh, phức tạp.
2.3.2. Một số loại động cơ được sử dụng trên ô tô điện hiện nay
Động cơ điện là một thiết bị điện giúp chuyển điện năng thành cơ năng. Cơ năng này được sử dụng để kéo bãnh xe chủ động trên ô tô, quay bánh xe công tác của bơm, cánh quạt, chạy máy nén khí … Các động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghệ như ô tô(xe điện, xe hybrid…), máy bay…trong lĩnh vực dân dụng(máy xay, khoan, quạt gió) và trong công nghiệp.
Nguyên lý làm việc của các loại động cơ điện đều dựa vào hai định luật điện từ cơ bản là định luật sức điện động cảm ứng và định luật về lực điện từ. Dựa vào hai định luật cơ bản này ta thấy rằng 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, ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây.
2.3.2.1. Động cơ điện một chiều(DC motor)
a) Động cơ điện một chiều có chổi than
Động cơ một chiều sử dụng dòng điện một chiều và yêu cầu có phần tử kích từ mới có thể hoạt động được. 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. Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển. Khi công nghệ bán dẫn chưa phát triển, động cơ một chiều là lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng điều khiển tốc độ, mô men.
Động cơ một chiều gồm ba thành phần chính sau:
Stator hay phần cảm:
Phần cảm của động cơ một chiều có các cực từ đúng yên (cực tử chính, cục tử phụ và gồng máy. Cực từ chính gồm có lôi sát cực từ và dãy quẩn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực này được nối tiếp với nhau. Cực tử chính có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy, hình thành cấu trúc từ trường.
Cổ góp và chổi than:
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều, dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện. Cổ góp được cấu tạo từ các phiến đồng ghép cách điện với nhau, hợp thành hình trụ tròn. Chổi than làm bằng bột than, có phụ gia đồng để tăng tính mài mòn, tiếp xúc cổ góp trên đường trung tính hình học, phân cách giữa hai cực từ chính.
b) Động cơ một chiều không chổi than( Brushless DC motor – BLDC motor):
Nhược điểm chủ yếu của động cơ một chiều là có hệ thống cổ góp và chổi than nên vận hành kém tin cậy, và không an toàn khi hoạt động ở các môi trường yêu cầu tính rung động lớn, và điều kiện di động cao. Vì yếu tố này mà động cơ một chiều ít được sử dụng trên ô tô điện. Động cơ một chiều không chổi than có thể khắc phục nhược điểm trên. Loại động cơ này đang được chú trọng nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ động cơ, và được thí nghiệm để sử dụng trong ô tô điện.
Cấu tạo chung của động cơ BLDC gồm rotor nam châm vĩnh cửu, stator và bộ cảm biến vị trí:
- Stator: Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng thường là dây quấn ba pha được đấu nối dạng hình Y hoặc Δ tương tự như máy điện xoay chiều ba pha.
- Rotor: được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu.
- Bộ cảm biến vị trí rotor: Nhiệm vụ của bộ cảm biến là tạo ra tín hiệu đồng bộ sức điện động động cơ phục vị cho việc đóng cắt các van bán dẫn ở bộ chuyển mạch điện tử, thỏa mãn đặc tính làm việc của truyền động điện.
2.3.2.2. Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau:
- Phần tĩnh hay stator: đây là phần cảm của động cơ, bao gồm: vỏ máy, lõi sắt và dây quấn là các phần chủ yếu. Vỏ máy để cố định lõi sắt và dây quấn. Lõi sắt là phần dẫn từ, được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện hình rẻ quạt có phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy khi có sự đổi dấu ở dòng điện xoay chiều. Mặt trong của dây thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn. Dây quấn được bố trí ở hai bên khe hở trong lõi thép. Dây quấn luôn được cách điện với lõi sắt. Trong động cơ ba pha, dây quấn stator đặt theo các rãnh lệch nhau 1200 điện, được đấu nối Y/Δ theo điện áp lưới quy định
- Phần quay hay rotor: Đây là phần ứng của động cơ, gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. Lõi thép gồm các lõi thép kĩ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục. Phía ngoài có rãnh để đặt dây quấn. Nếu là động cơ rotor lồng sóc thì trên các rãnh của lõi thép rotor đặt các thanh dẫn bằng đồng, hai đầu có đặt hai vòng ngắn mạch tạo thành lồng sóc hoặc trên các rãnh thép rotor được đúc nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch.
2.3.2.3. Động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha
Kết cấu của động cơ đồng bộ ngược với động cơ không đồng bộ, tức là phần cảm được đặt trên phần quay là rotor, còn phần ứng lại được đặt trên phần tĩnh là stator.
Động cơ điện đồng bộ có nhược điểm là kết cấu phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến giá thành cao. Nhưng trên ô tô nguồn một chiều luôn có sẵn vì chúng được lấy từ ắc quy hoặc pin. Mặt khác, việc mở máy của động cơ đồng bộ cũng rất phức tạp hơn động cơ khác, và vấn đề điều chỉnh tốc độ chỉ thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện.
a) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSM Motor)
Động cơ đồng bộ có kích từ nam châm vĩnh cửu sử dụng loại vật liệu từ, có mật độ từ cao (độ dư từ lớn), tổn thất từ và độ nhụt từ nhỏ, khả năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt độ cao, giá thành hạ. Nên nó cạnh tranh tốt với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong dải công suất nhỏ.
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngoài (SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine): Các cực từ này có cấu tạo dạng cực từ lồi. Động cơ hoạt động ở phạm vi tốc độ thấp.
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí chìm bên trong (IPM: Simusodial Interior Magnet Machine)
b) 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 Rotor được cấu tạo bởi các lá thép định hướng và được phân cách bởi lớp vật liệu từ tính so cho để tăng từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra mômen từ trở làm động cơ quay.
2.3.2.4. Lựa chọn loại động cơ điện sử dụng cho thiết kế
Từ những phân tích về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại động cơ thường được sử dụng trên ô tô điện, em chọn loại động cơ BLDC sử dụng trong thiết kế của mình vì một số ưu điểm sau:
- Động cơ không chổi than làm cho công suất của động cơ lớn hơn so với kích thước và trọng lượng của nó.
- Không có chổi than tiếp xúc và mài mòn động cơ BLDC có tuổi thọ cao hơn so với động cơ có chổi than.
2.3.3. Tổng quan động cơ BLDC
2.3.3.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
Để động cơ BLDC hoạt động thì cần biết được vị trí chính xác của roto để điều khiển quá trình đóng ngắt các khóa bán dẫn, cấp nguồn cho các cuộn dây stato theo trình tự hợp lí.
Mỗi trạng thái chuyển mạch có một trong các cuộn dây (như pha A) được cấp điện dương (dòng đi vao trong cuộn dây pha A), cuộn dây thứ 2 (pha B) được cấp điện âm (dòng từ cuộn dây đi ra pha B) và cuộn thứ 3 (pha C) không cấp điện. Momen được sinh ra do tƣơng tác giữa từ trường tạo ra bởi những cuộn dây của stato với nam châm vĩnh cửu.
Ta giả sử rằng mỗi cảm biến HALL tạo ra mức cao(mức 1) cho cực bắc và tạo ra mức thấp(mức 0) cho cực nam. Tín hiệu cảm biến cuộn dây có pha kích thích, tức là cuộn dây có pha tích cực cần được thay đổi mỗi 600 để tạo ra mô men xoắn liên tục. Quá trình này diễn ra như Hình 2.15.
2.3.3.2. Mô men xoắn của động cơ BLDC được xác định dựa trên công suất tức thời của động cơ được trích từ tài liệu [26]
Mô men xoắn của động cơ BLDC được xác định dựa trên công suất tức thời của động cơ được trích từ tài liệu [26] như sau:
Pe = eas.ias+ebs.ibs+ecs.ics
Thông thường khi điều khiển động cơ BLDC để tăng được hiệu suất động cơ và tăng mô men đầu ra của động cơ ta thường kích hoạt đồng thời 2 pha lệch nhau 1200 với với độ lớn bằng nhau nhưng ngược chiều.
2.3.3.3. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC
Như có thể thấy trong phần trên, chúng ta có thể vận hành động cơ BLDC một cách dễ dàng bằng cách chuyển mạch dòng pha dựa trên thông tin về vị trí rôto. Tương tự như động cơ DC, tốc độ hoạt động của động cơ BLDC tỷ lệ thuận với điện áp cấp vào động cơ và do đó tốc độ của nó có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào.
Điện áp tham chiếu này được tạo ra bằng kĩ thuật PWM và sau đó được truyền đến động cơ BLDC. Hệ thông kiểm soát tốc độ này tuy đơn giản nhưng lại có một vấn đề lớn là trong phương pháp này dòng điện động cơ khó kiểm soát trong phạm vi thích hợp.
Để đạt được phản ứng động tốt hơn của điều khiển tốc độ, cần phải điều khiển tốc độ bằng cách điều khiển mô-men xoắn hoặc dòng điện của động cơ BLDC. Do đó một hệ thống điều khiển tốc độ nâng cao được đề xuất.
2.4. Các phương pháp kiểm soát lực kéo
2.3.1. Mô hình kiểm soát lực kéo thông thường
Đối với các loại xe sử dụng động cơ đốt trong, sơ đô các thành phần phần cứng của hệ thống kiểm soát lực kéo được thể hiện trong hình dưới đây.
Cảm biến tốc độ bánh xe gắn trong trục bánh xe sẽ truyền tốc độ bánh xe vào bộ điều khiển để cung cấp thông tin về trạng thái của bánh xe. Kiểm soát lực kéo được kích hoạt bằng cách điều chỉnh ga hoặc đánh lửa của động cơ, cũng như sử dụng phanh riêng ở mỗi bánh xe.
Một ví dụ ban đầu về kiểm soát lực kéo trong xe được sản xuất là hệ thống MaxTrac do Buick (1971) giới thiệu. Hệ thống MaxTrac cảm nhận độ trượt của bánh xe bằng cách so sánh tốc độ của bánh xe không dẫn động phía trước với tốc độ truyền động. Quá trình đánh lửa của động cơ được điều chỉnh khi chênh lệch giữa hai tốc độ vượt quá ngưỡng.
Ba ưu điểm đầu tiên cho phép hệ thống truyền động của xe điện được thiết kế theo những cách hoàn toàn khác với xe thông thường. Đường cong tốc độ mô men xoắn và hoạt động hai chiều có nghĩa là dễ dàng đáp ứng các yêu cầu thực tế nhanh hơn nhiều so với sử dụng động cơ đốt trong. Việc sử dụng nhiều động cơ điện có nghĩa là mỗi bánh xe có thể được dẫn động độc lập, giúp loại bỏ sự cần thiết của bộ vi sai cơ học. Những ưu điểm này giúp đơn giản hóa thiết kế của hệ thống truyền động bằng cách loại bỏ các thành phần và cho phép khả năng đóng gói linh hoạt hơn. Từ góc độ kiểm soát lực kéo và thực tế là kiểm soát động lực học của xe nói chung, việc có nhiều bánh xe được dẫn động bởi động cơ điện sẽ cho phép kiểm soát độ ổn định của xe mà không cần sử dụng phanh thủy lực.
2.4.2. Kiểm soát lực kéo dựa trên hệ số trượt
Theo định nghĩa, hệ số trượt trở thành vô hạn khi vận tốc xe bằng không. Điều này có thể được giảm thiểu một phần bằng cách đưa một hằng số nhỏ vào mẫu số của phương trình như trong Fujii và Fujimoto (2007). Điều này không giải quyết được tham chiếu tỷ lệ trượt khi vận tốc xe bằng 0 và hơn nữa nhiễu loạn trong phép đo vận tốc bánh xe hoặc vận tốc xe ở tốc độ thấp có thể khiến phép đo tỷ lệ trượt không thể sử dụng được. Điều này đã được Ivanov và cộng sự (2014) nghiên cứu để chuyển sang tham chiếu vận tốc thay vì tham chiếu trượt khi tốc độ ô tô dưới 30 km/h.
2.4.2.1. Ước tính vận tốc xe
Ước tính vận tốc xe là một thách thức vì hiện tại không có cảm biến hiệu quả so với chi phí nào cung cấp ước tính vận tốc tốt trong mọi điều kiện. Vận tốc bánh xe cung cấp một giá trị gần đúng với vận tốc dọc của xe nhưng chỉ khi các bánh xe không được dẫn động hoặc phanh.
Các cảm biến đo trực tiếp vận tốc xe bao gồm GPS, quang học và radar. Độ chính xác của GPS phụ thuộc vào khả năng bao phủ của vệ tinh, do đó tín hiệu có thể bị mất ở các khu vực xây dựng và đường hầm. Ngoài ra, GPS chi phí thấp có thể gây ra độ trễ trong phép đo vận tốc, điều này sẽ dẫn đến sai số trong tính toán tỷ lệ trượt tăng theo gia tốc. Cả hai cảm biến quang học và radar đều hoạt động bằng cách phản hồi lại tín hiệu (ánh sáng hoặc âm thanh) so với mặt đất. Do đó, chúng có thể trở nên không chính xác khi bề mặt bị ướt do sự thay đổi hiệu suất. Cảm biến quang học cũng nhạy cảm vơi các tác nhân bụi bẩn.
2.4.2.3. Kiểm soát tỉ lệ trượt không cần vận tốc xe
Do những khó khăn trong việc ước tính vận tốc xe, được nêu rõ trong phần 2.4.2.1, một số nhà nghiên cứu đã đề xuất việc kiểm soát trượt mà không cần phát hiện vận tốc xe. Fujii và Fujimoto (2007) đề xuất bộ điều khiển trượt PI không yêu cầu phát hiện vận tốc xe. Thay vào đó, độ trượt được ước tính bằng cách sử dụng bộ quan sát tỷ lệ trượt(SRO).
Số hạng cuối cùng trong ngoặc ở vế phải của phương trình được đưa vào để đảm bảo sai số hội tụ về 0. Phương pháp này sử dụng gia tốc kế để đo trục ax và ước tính hệ số ma sát bằng cách giả sử mối quan hệ tuyến tính cố định giữa m và l. Để tính được tỉ lệ tăng yêu cầu vận tốc góc của bánh xe (w) và nhu cầu mô-men xoắn của động cơ (T*) làm đầu vào.
Các thử nghiệm thực nghiệm của người điều khiển và người quan sát cho thấy ước lượng hệ số trượt hội tụ về hệ số trượt đo được trong 0,8 s. Kết quả cho thấy hệ số trượt được kiểm soát về giá trị tham chiếu mặc dù nó dao động với tần số cao(>20 Hz) biên độ 0,1.
2.4.4. Kết luận chọn phương án điều khiển
Qua các phân tích về các phương pháp điều khiển lực kéo đã giới thiệu ở trên, ta thấy được các phương án điều khiển lực kéo đều có những ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên trong đồ án tốt nghiệp này, để đáp ứng được thời gian thực hiện đồ án và các trang thiết bị hiện có. Em chọn phương án điều khiển lực kéo đơn giản dựa trên phương pháp điều khiển lực kéo theo hệ số trượt có sử dụng vận tốc thân xe. Trong đó để tính toán vận tốc thân xe em chọn sử dụng phương án sử dụng cảm biến GPS để xác định vị trí thay đổi của xe từ đó tính toán vận tốc thân xe. Còn thuật toán điều khiển em chọn sử dụng thuật toán điều khiển phản hồi với phản hồi khi có trượt với hệ số trượt tham chiếu 0.1 là ngắt nguồn truyền lực đến bánh xe bị trượt.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO TRÊN XE MÔ HÌNH
3.1. Các thông số kĩ thuật của ô tô điện cần đạt
3.1.1. Các thông số kĩ thuật cơ bản của ô tô điện
Trong đồ án sử dụng mô hình xe điện kiểu BEV dẫn động 4 bánh độc lập. Các thông số tính toán thiết kế bố trí chung và mô hình đã được thực hiện ở trong một đồ án khác. Dưới đây là bảng thế hiện một số thông số kĩ thuật cơ bản của mô hình xe điện kiểu BEV dẫn động 4 bánh độc lập.
Các thông số kĩ thuật cơ bản như bàng 3.1.
3.1.2. Các thông số tính năng cần thiết kế
Các thông số tính năng kĩ thuật cần thiết kế như bảng 3.2.
3.2. Tính toán và chọn động cơ điện
Theo nghiên cứu của Phạm Công Tuân(2021) thì công suất lớn nhất của động cơ điện Pm,max có thể được lựa chọn theo phương pháp công suất tương đương. Khi đó Pm, max cần phải được lựa chọn sao cho thỏa mãn điều kiện sau:
Pm,max ≥ max (Pm,v-max; Pm,i-max; Pm,abc)
Trong công thức thì Pm,v-max; Pm,i-max; Pm,abc lần lượt là giá trị công suất cần thiết(tính theo đơn vị là kW) của động cơ điện để xe có thể đạt được vận tốc lớn nhất theo yêu cầu, để xe vượt được độ dốc lớn nhất theo yêu cầu và để xe có thể tăng tốc theo yêu cầu.
Theo yêu cầu về độ dốc lớn nhất mà xe cần phải khắc phục được, với giả thiết xe chuyển động lên dốc với vận tốc không đổi vi-max = 10 km/h, khi đó giá trị công suất cần thiết của động cơ điện Pm,i-max để xe khắc phục độ dốc.
Từ các thông số kĩ thuật yêu cầu trong Bảng 3.2ta tính ra được các giá trị công suất động cơ yêu cầu đồi với từng trường hợp như sau:
Pm,v-max = 3,869 (kW)
Pm,i-max= 5,715 (kW)
Pm,abc= 3,202 (kW)
Thay vào công thức ta được: Pm,max ≥ 5,715 (kW)
Tìm kiếm trên thị trường có nhiều loại bánh xe có thể đáp ứng được công suất và các đặc điểm đáp ứng được yêu cầu của đồ án. Trong đồ án, em chọn động cơ có mã là QS Motor 10x2.15inch 205 1500W 45H V2 E-Scooter In-Wheel Hub Motor của hãng QS Motor.
Thông số kĩ thuật cớ bản của động cơ điện như bảng 3.3.
3.3. Xác định các thông số cơ bản của bộ pin điện
Khi xác định lựa chọn các thông số cơ bản của bộ pin điện dùng làm nguồn cung cấp điện chính cho toàn bộ hệ thống điện của xe, vấn đề cần cân nhắc chính là dung lượng bộ pin phải đáp ứng được mục tiêu xác định về dự trữ hành trình yêu cầu của xe. Theo nghiên cứu của Phạm Công Tuân(2021), khi tính toán dự trữ hành trình cho ô tô điện trong điều kiện chuyển động theo chu trình chạy xe tổng hợp, có thể tiến hành theo hai phương pháp: phương pháp tính toán theo điều kiện chuyển động và phương pháp vận tốc không đổi. Trong đồ án áp dụng phương pháp vận tốc không đổi, là một phương pháp tính toán đơn giản, trong đó giả thiết xe chuyển động thẳng với vận tốc không đổi vconst = 60 km/h trên một quãng đường nằm ngang có cự ly S (km) trong khoảng thời gian t (s) để tính ra giá trị điện năng tiêu thụ Wmotor(kW.h) của động cơ điện xe
Giả sử ta chọn một bộ pin điện có điện áp đầu ra là 72V thì theo công thức trên dung lượng của bộ pin điện tối thiểu phải đạt là 90Ah để đáp ứng được các điều kiện thiết kế. Trong đồ án em chọn khối pin với mã số CSC.72V100AH đang hiện có trên thị trường để sử dụng cho xe.
Thông số cơ bản của bộ pin điện như bàng 3.4.
3.4. Thiết kế thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển lực kéo
Như đã trình bày trong chương 2, em chọn phương án thiết kế hệ thống điều khiển là phương án điều khiển lực kéo dựa trên hệ số trượt có sử dụng vận tốc thân xe. Vì vậy biến đầu vào cần có trong hệ thống điều khiển là nhu cầu bàn đạp ga của người lái, vận tốc thân xe và vận tốc từng bánh xe. Đầu ra phải kiểm soát được là vận tốc thân xe phải đáp ứng được nhu cầu của người lái và giảm thiểu hiện tượng trượt ở từng bánh xe. Từ đó em thiết kế được sơ đồ điều khiển như trên Hình 3.3
Sơ đồ điêu khiển có 3 vòng kín như sau:
Vòng kín đầu tiên là vòng kín điều khiển tốc độ của toàn xe với tham số đầu vào là vị trí bàn đạp ga và tham số phản hồi là tốc độ thực tế của xe, vòng phản hồi này có một bộ điều khiển PI để đảm bảo quá trình tăng tốc của xe diễn ra một cách nhanh và chính xác nhất.
Vòng kín thứ hai là vòng kín điều khiển tốc độ cảu bánh xe với tham số dầu vào là tốc độ yêu cầu của bánh xe và tham số phản hồi là tốc độ thực tế cảu từng bánh xe. Vòng kín này có một bộ điều khiển PI để đảm bảo quá trình bám tốc độ ở bánh xe được diễn ra một cách nhanh và chính xác nhất.
3.5. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển lực kéo của xe ô tô điện.
3.5.1. Sơ đồ hệ thống điện và điều khiển lực kéo trên ô tô điện
3.5.1.1.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trên ô tô điện
Trên đây là sơ đồ khối hệ thống điện và điều khiển trên ô tô điện được thiết kế. Bao gồm một số thành phần như sau:
- Khối nguồn: Có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động của xe, có chức năng biến đổi điện áp sao cho phù hợp với từng mục đích sử dụng
- Khối tín hiệu đầu vào: Đây là khối chức năng có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu từ cảm biến để truyền đến khối xử lý trung tâm
- Khối xử lý trung tâm: Đây là khối có chức năng điều khiển toàn bộ hoạt động của xe, lựa chọn phương án điều khiển và điều khiển hoạt động của xe làm sao để phù hợp với yêu cầu của người điều khiển
3.5.1.2. Sơ đồ bố trí hệ thống điều khiển trên xe ô tô
Các thành phần của hệ thống điện và điểu khiển trên xe ô tô được bố trí sao cho hiệu quả của quá trình điều khiển và chuyển động được tối ưu nhất. Khối PIN có khôi lượng lớn nhất được bố trí ở trung tâm xe làm cho trọng tâm của xe dịch về trung tâm giúp xe hoạt động ổn định hơn. Các khối điều khiển từng bánh xe bố trí gần nhất với các bánh xe để giảm hiện tượng nhiễu làm sai lệch dữ liệu khi điều khiển. Các khối cảm biến đầu vào như cảm biến góc lái, cảm biến bàn đạp ga, cảm biến bàn đạp phanh cũng được bố trí ở các vị trí gần khối điều khiển trung tâm nhất là giảm đáng kể nhiễu môi trường tác động lên tín hiệu.
Toàn bộ hệ thống điều khiển trên xe được giao tiếp với nhau thông qua mạng CAN-Bus có 2 điện trở 120W ở 2 đầu giúp giảm hiện tượng nhiễu trên dường dây.
Khối nguồn có hệ thống PIN Lithium 60V-80Ah cấp nguồn cho các khối công suất và dẫn ra bánh xe để bánh xe quay. Bên cạnh đó các hệ thống điều khiển trong hệ thống không sử dụng điện 60V được nên ta cần một khối chuyển đổi có tác dụng chuyển đổi nguồn điện từ 60V xuống 12V để cấp cho các khối điều khiển. Ngay bên trong các khối điều khiển còn có những bộ chuyển nguồn nhỏ hơn từ 12V xuống 5V và 3,3V để phục vụ các mục đích khác nhau.
3.5.2. Thiết kế khối điều khiển cho từng động cơ
Ở Hình 3.5ta đã thấy khối điều khiển cho từng động cơ được chia làm 2 phần: khối công suất bánh xe và khối điều khiển bánh xe. Trên thực tế khối công suất bánh xe trên thị trường có rất nhiều và cũng đã được sử dụng phổ biến hiện nay nhưng thuông thường nó thường được sử dụng độc lập để điều khiển cho một bánh xe vì vậy điểm yếu của nó là khó có thể phối hợp thành một tổng thể với ô tô đang thiết kế vì vậy ta lựa chọn phương án thiết kế một khối điều khiển khác. Khối điều khiển này có nhiệm vụ điều khiển khối công suất bánh xe và giao tiếp với toàn bộ xe qua mạng CAN. Còn phần khối công suất ở đây ta sử dụng một khối công suất đã có sẵn trên thị trường.
3.5.2.1. Thiết kế phần cứng cho khối điều khiển từng động cơ
Ta có sơ đồ khối của khối điều khiển từng động cơ như hình trên. Trong khối điều khiển từng động cơ sử dụng bộ VĐK STM32F103C8T6 làm VĐK chính cho toàn bộ khối. Thông số kĩ thuật chính của bộ VĐK STM32F103C8T6 như sau:
- STM32F103C8T6 là vi điều khiển 32bit, thuộc họ F1 của dòng chip STM32 hãng ST.
- Lõi ARM COTEX M3.
- Tốc độ tối đa 72Mhz.
- Bộ nhớ :
- 64 kbytes bộ nhớ Flash
- 20 kbytes SRAM
- Clock, reset và quản lý nguồn:
- Điện áp hoạt động từ 2.0 → 3.6V.
- Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz → 20Mhz.
- Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40Khz.
- 2 SPI
- 1 CAN
- USB 2.0 full-speed interface
- Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.
Như đã giới thiệu ở phần trước, cảm biến tốc độ quay của động cơ ta sử dụng cảm biến HALL nên khi thiết kế đầu vào của cảm biến đến khối điều khiển tra thiết kế đầu vào của nó có dạng Digital Input và sử dụng chế độ Input Capture của VĐK để xử lý tín hiệu này.
Để có thể điều khiển tốc độ của động cơ thông qua khối công suất thì ta cần cung cấp cho khối công suất tín hiệu điện áp vì vậy đầu ra của nó có dạng PWM to Analog
3.5.2.2. Thuật toán điều khiển của từng động cơ
Quá trình điều khiển bánh xe là một quá trình hết sức quan trọng trong hệ thống điều khiển lực kéo. Khối điều khiển bánh xe phải thực hiện được chức năng điều khiển bánh xe đúng với các yêu cầu của khối điều khiển trung tâm đưa ra. Các yêu cầu điều khiển mà khối điều khiển chính yêu cầu khối điều khiển bánh xe chấp hành bao gồm: lùi xe, phanh, thay đổi tốc độ động cơ. Trong Hình 3.11thể hiện thuật toán điều khiển của khối điều khiển động cơ.
Nếu có tín hiệu lùi xe thì vi điều khiển sẽ ra lệnh để khối công suất đảo chiều động cơ để lùi xe. Nếu không có các tín hiệu trên mà chỉ có sự sai khác tốc độ giữa tốc độ yêu cầu từ bộ điều khiên trung tâm và tốc độ thực tế của bánh xe thì vi điều khiển sẽ điều khiển tốc độ của động cơ bám theo tốc độ bộ vi điều khiển toàn xe yêu cầu qua hàm PID.
3.5.2. Thiết kế khối điều khiển trung tâm của hệ thống
2.5.2.1. Thiết kế phần cứng cho khối điều khiển trung tâm
Ta có sơ đồ khối của khối điều khiển trung tâm như hình trên. Trong đó ta sử dụng VĐK chính là STM32F303VGT6. Ta có thông số kĩ thuật của VĐK STM32F303VGT6 như sau:
- STM32F303VGT6 là vi điều khiển 32bit, thuộc họ F3 của dòng chip STM32 hãng ST.
- Lõi ARM COTEX M4.
- Tốc độ tối đa 72Mhz.
- Bộ nhớ :
* 512 kbytes bộ nhớ Flash
* 64 kbytes SRAM
- Clock, reset và quản lý nguồn:
* Điện áp hoạt động từ 2.0 → 3.6V.
* Sử dụng thạch anh ngoài từ 4MHz → 32Mhz.
* Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 32kHz.
- Có hỗ trợ 14 kênh giao tiếp:
* 3 bộ I2C
* 5 bộ USART/UART
* 4 SPI
* 1 CAN
* 1 USB 2.0 full-speed interface
- Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.
Các tín hiệu từ các cảm biến bàn đạp ga và cảm biến bàn đạp phanh là tín hiệu điện áp vì vậy ta thiết kế khối đầu vào cho 2 loại cảm biên này là Analog Intput. Tín hiệu dược trả về từ cảm biến góc lái là tín hiệu Digital nên ta thiết kế đầu vào cho cảm biến góc lái là Digital Input và sử dụng chế độ Encoder có sẵn trong vi điều khiển để xử lý các tín hiệu này.
3.5.3.2. Thuật toán điều khiển cho khối điều khiển trung tâm
Thuật toán điều khiển trung tâm yêu cầu xử lý được các tín hiệu cảm biến thu được, sau đó phân tích và đưa ra được các yêu cầu hợp lý và truyền tải các yêu cầu đó đến các khối chấp hành, cụ thể ở đây là các động cơ điện ở trong bánh xe thông qua bộ điều khiển động cơ
3.5.5. Một số loại cảm biến và thiết bị sử dụng trong hệ thống
3.5.5.1. Cảm biến tốc độ động cơ(HALL A3144)
a) Cấu tạo và thông số kỹ thuật
A3144 là một cảm biến không chốt (non-latching) tích hợp hiệu ứng Hall. Giữ một nam châm gần cảm biến sẽ làm cho chân đầu ra bật tắt. Điều này tạo ra một cảm biến hiện diện mạnh mẽ. Có hai loại cảm biến hiệu ứng Hall chính, một loại cho đầu ra analog và loại còn lại cho đầu ra digital. A3144 là cảm biến Hall đầu ra digital, có nghĩa là nếu nó phát hiện ra nam châm, đầu ra sẽ giảm xuống mức thấp nếu không đầu ra sẽ vẫn ở mức cao.
Sơ đồ chân cảm biến HALL A3144 như bảng 3.5.
Thông số kỹ thuật của cảm biến HALL A3144 như bảng 3.6.
b) Nguyên lý hoạt động
* Hiệu ứng HALL:
Ban đầu ta có 1 thanh kim loại và sau đó ta cấp nguồn điện vào 2 đầu của tấm kim loại khi đó sẽ xuất hiện dòng điện đó là dòng dịch chuyển của các electron chạy từ đầu này sang đầu kia của tấm kim loại.
* Cảm biến HALL
Cảm biến Hall hoạt động dựa theo nguyên lí của hiệu ứng Hall. Hiệu điện thế cảm biến hall rất nhỏ (vài uV) và vì vậy các thiết bị thường được sản xuất tích hợp với bộ khuếch.
Có hai loại cảm biến hall. Một loại có đầu ra analog và một loại có đầu ra digital. Cảm biến hall có đầu ra analog bao gồm bộ điều chỉnh điện áp (Regulator), thành phần hall (Hall Element), bộ khuếch đại (High Gain Amplifer). Từ sơ mạch chúng ta thấy đầu ra cảm biến là analog và tỉ lệ với đầu ra thanh phần hall hoặc cường độ từ trường. Các loại cảm biến này phù hợp và được sử dụng để đo khoảng cách vì đầu ra tuyến tính liên tục của chúng.
Trên đây là các kiểu bố trí nam châm vĩnh cửu trong động cơ BLDC, tuy nhiên chúng nó có một điểm chung là các cực của nam châm vĩnh cửu được bố trí so le nhau vì vậy nếu ta dùng một cảm biến HALL để đo tốc độ động cơ thì tín hiệu thu được từ cảm biến HALL sẽ có hình 3.26.
3.5.2.2. Cảm biến góc quay vành tay lái(Encoder)
a) Cấu tạo và thông số kỹ thuật
Encoder (Rotary Encoder) là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo ra tín hiệu analog hoặc tín hiệu kỹ thuật số (digital) đáp ứng với chuyển động. Loại thiết bị cơ điện này có khả năng biến đổi chuyển động (chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay của trục, ...) thành tín hiệu đầu ra số hoặc xung.
b) Nguyên lý hoạt động
Encoder hoạt động theo nguyên lý đĩa quay quanh trục. Trên đĩa mã hóa có các rãnh nhỏ để nguồn phát sáng chiếu tín hiệu quang qua đĩa. Chỗ có rãnh thì ánh sáng xuyên qua được, chỗ không có rãnh ánh sáng không xuyên qua được.
Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Số xung đếm được và tăng lên được tính bằng số lần ánh sáng bị cắt.
3.5.5.4. Cảm biến GPS
a) Cấu tạo và thông số kĩ thuật
Cảm biến GPS (Global Positioning System) là một thiết bị hoặc hệ thống giúp xác định vị trí của một đối tượng trên bề mặt Trái Đất thông qua việc thu thập tín hiệu từ các vệ tinh GPS. Cấu tạo của cảm biến GPS thường gồm các bộ phận chính như sau:
- Antenna (Anten): Cảm biến GPS có một anten để thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh GPS. Anten này thường được tích hợp trong thiết bị GPS hoặc nằm ở phía ngoài xe hoặc thiết bị cầm tay.
- Receiver (Bộ thu): Bộ thu GPS chứa các linh kiện điện tử để xử lý tín hiệu thu thập từ anten và tính toán vị trí của thiết bị.
b) Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của cảm biến GPS dựa trên việc đo độ trễ thời gian của tín hiệu từ các vệ tinh GPS đến bộ thu GPS. Quá trình này diễn ra như sau:
1. Phát tín hiệu từ vệ tinh: Có ít nhất bốn vệ tinh GPS trên bầu trời tạo ra tín hiệu chứa thông tin thời gian và vị trí của chúng
2. Thu thập tín hiệu: Anten trên cảm biến GPS thu nhận tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh GPS.
5. Sau khi tính toán được vị trí của xe, ta thực hiện phép tính vận tốc xe bằng cách tính đạo hàm giữa quãng đường và thời gian, nếu lấy trong khoảng thời gian đủ nhỏ ta có thể coi vận tốc chính bằng quãng đường(s) chia thời gian(Dt).
3.5.5.5. Khối chuyển nguồn 60V-12V
Hệ thống điện của xe sử dụng loại bóng đèn 12v, trong khi nguồn cung cấp chính của xe là 60v nên phải sử dụng bộ chuyển đổi điện áp 60v-12v. Yêu cầu của bộ đổi điện là cung cấp đủ dòng điện ra cho toàn bộ hệ thống bóng đèn và bảo vệ khi có sự cố ngắn mạch.
3.6. Thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển lực kéo
Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển lực kéo của xe được thiết kế như trên Hình 3.32bao gồm các khối chính như khối chế độ làm việc, khối điều khiển, khối thân xe, khối động cơ ở các bánh xe và khối đồ thị.
3.6.1. Mô hình khối thân xe
Mô hình khối thân xe được xây dựng dựa trên mô hình Vehicle body có sẵn trong thư viện simscape của Matlab Simulink. Các thông số được sử dụng cho mô hình được tùy chỉnh sao cho đúng với các thông số cơ bản của xe dã được nêu ở đầu chương 3. Khối thân xe được kết nối với bốn mô hình lốp sử dụng mô hình Tire(Magic Fomula). Trong mô hình bánh xe ta chọn chế độ lấy các giá trị B,C,D,E của các mặt đường so với lốp trong công thức Pajeka để có thể khảo sát được quá trình kiểm soát lực kéo khi xe di chuyển trong các đoạn đường khác nhau.
3.6.3. Khối điều khiển
Khối điều khiển được thiết kế dựa trên thuật toán đã thiết kế ở trên. Ta có mô hình khối điểu khiển như hình 3.35.
3.6.5. Kết quả khảo sát hệ thống điều khiển lực kéo
3.6.5.1. Điều kiện đường
Ta xét trường hợp xe bắt đầu khởi hành trên đường có hệ số ma sát thấp, khi xe chuyển động dược đến một quãng đường nhất định thì xe sẽ chuyển sang chạy trên đường có hế số ma sát cao.
3.6.5.4. Kết luận
Như vậy ta đã thấy được nếu áp dụng thuật toán điều khiển lực kéo thì hệ số trượt trong trường hợp có thuật toán thấp hơn nhiều so với không có thuật toán, vì vậy sẽ tránh bị mất nguồn năng lượng ra môi trường nâng cao hiệu suất sử dụng.
CHƯƠNG 4: MỘT SỐ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO XE MÔ HÌNH
4.1. Hướng dẫn khai thác và sử dụng xe mô hình
Để khai thác và sử dụng tốt mô hình hệ thống phun xăng điện tử thì ta cần tuân thủ một số các bước sau đây:
- Bước 1: Kiểm tra xung quanh xe xem xe có vướng vật cản nào hay không
- Bước 2: Kiểm tra lốp xe xem có đủ áp suất để chuyển động hay không
- Bước 3: Kiểm tra hệ thống phanh thủy lực xem còn có đủ dầu thủy lực hay không, kiểm tra xem dầu có bị chảy ra tại vị trí nào không
- Bước 5: Bật công tắc khởi động xe, quan sát màn hình hiện thị của xe xem mức pin còn lại như thế nào, xe có thông báo lỗi gì không
- Bước 6. Tiến hành vận hành như bình thường
4.2. Hướng dẫn khai thác hệ thống thu thập dữ liệu trên xe
- Bước 1: Khởi động phần mềm Labview và kiểm tra kết nối internet của xe.
Tại phần “Check Connect” nhấn nút Refresh chờ 2s nếu có hiện thị “NOT CONNECT” thì có nghĩa là xe chưa được kết nối internet.
- Bước 3: Kiểm tra lượng Pin và dự trữ hành trình để biết quãng đường còn lại xe có thể chạy được là bao nhiêu.
- Bước 5: Muốn theo dõi sâu hơn về các bánh xe ta chuyển sang trang thứ 2 để theo dõi tốc độ của từng bánh xe, điện áp và dòng tiêu thụ của từng bánh.
KẾT LUẬN
Sau một thời gian tập trung nghiên cứu tài liệu, khảo sát, tính toán, tìm hiểu thực tế, với sự chủ động, nỗ lực cố gắng của bản thân, cộng với sự giúp đỡ tận tình của của thầy hướng dẫn của thầy :TS. .................... và các thầy giáo trong Bộ môn xe Ô tô – Viện Cơ khí Động lực, cùng với sự giúp đỡ tạo điều kiện của chỉ huy đơn vị, bạn bè cùng lớp, đến nay đồ án đã hoàn thành với những nội dung chính sau:
Chương 1: Giới thiệu những nét khái quát về ô tô điện.
Chương 2: Tập trung đi sâu vào phân tích lí thuyết điều khiển lực kéo, các phương pháp điều khiển lực kéo và chọn phương án thiết hế hệ thống điều khiển lực kéo cho ô tô điện kiểu BEV dẫn động 4 bánh độc lập
Chương 3: Tiến hành thiết tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển lực kéo cho ô tô điện
Chương 4: Tập trung vào việc giới thiệu về việc hướng dẫn khai thác, sửa chữa hệ thống điều khiển lực kéo cho ô tô điện.
Tuy nhiên do điều kiện thời gian, điều kiện thực tế cũng như khả năng có hạn của bản thân nên đồ án không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các thầy giáo cũng như bạn bè đồng nghiệp để đồ án của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo :TS. .................... cùng các thầy trong Bộ môn xe Ô tô – Viện Cơ khí Động lực đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành nhiệm vụ trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn./.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1]. Khoa Động lực – Học viện kỹ thuật Quân sự(2002). Lý thuyết ô tô Quân sự. Nhà xuất bản Quân đội nhân dân, Hà Nội
[2]. Phạm Công Tuân(2021). Nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng của xe UAZ-220695 sau cải tiến thay thế động cơ xăng bằng động cơ điện.
[3]. Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên(1985). Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo (tập 1, 2, 3). Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội
[4]. Nguyễn Phùng Quang. Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động. NXB Khoa học kỹ thuật, 2006
[5]. Vũ Đức Lập(2001). Ứng dụng máy tính trong tính toán xe quân sự. Nhà xuất bản Quân đội nhân dân, Hà Nội
Tiếng Anh:
[6]. Amin Hajihosseinlu.(2014). Traction Control of an Electric Vehicle with Four In-Wheel Motors. Department of Electrical and Computer Engineering University of Manitoba, Winnipeg, MB, Canada.
[7]. Buick (1971). Webpage. http://www.buick-riviera.com/maxtrac.html.
[8]. Antonov, S., Fehn, A., and Kugi, A. (2011). Unscented Kalman filter for vehicle state estimation. Vehicle System Dynamics, 49(9):1497-1520.
[9]. Crolla, D. and Cao, D. (2012). The impact of hybrid and electric powertrains on vehicle dynamics, control systems and energy regeneration. Vehicle System Dynamics,50(Supplement):95-109.
[10]. De Castro, R., Araujo, R. E., and Freitas, D. (2013). Wheel slip control of EVs based on sliding mode technique with conditional integrators. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 60(8):3256-3271.
[11]. Zhao, Qiang & Zhou, Shengming & Yue, Yongheng & Liu, Bohang & Xie, Qin & Zhang, Na. (2023). Assessing the Dynamic Performance and Energy Efficiency of Pure Electric Car with Optimal Gear Shifting. Energies. 16. 6044. 10.3390/en16166044.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"