Nghiên cứu mô phỏng động lực học ô tô điện

Chia sẻ: Mộ Dung Vân Thư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu mô phỏng động lực học ô tô điện" được thực hiện nhằm mục đích thiết kế ra được ô tô điện phục vụ được những mục đích cơ bản của người dân Việt Nam. Góp phần nhỏ vào công cuộc phát triển đất nước và bảo vệ môi trường sống ở Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu mô phỏng động lực học ô tô điện

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC Ô TÔ ĐIỆN Bùi Thị Ánh Em*, Nguyễn Văn Tú, Phạm Xuân Đạt, Trần Khánh Linh, Trần Quốc Tân Viện Kỹ thuật, trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh TÓM TẮT Ở thời đại 4.0 không những về ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô nói riêng mà tất cả mọi lĩnh vực, ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô không xa lạ gì với sự thay đổi nhanh chóng và đột phá, chuyển đổi kỹ thuật số trong lĩnh vực ô tô là bước đột phá lớn tiếp theo. Nhận thấy tiềm năng và nhu cầu sử dụng ô tô điện của người dân Việt Nam là tương đối lớn thông qua số liệu của cuộc khảo sát. Chính vì vậy, nhóm quyết định chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu động học và động lực học ô tô điện”. Nhằm mục đích thiết kế ra được ô tô điện phục vụ được những mục đích cơ bản của người dân Việt Nam. Góp phần nhỏ vào công cuộc phát triển đất nước và bảo vệ môi trường sống ở Việt Nam. 1. TỔNG QUAN Trong những năm gần đây, các hãng ô tô lớn trên thế giới dần ngưng nghiên cứu công nghệ cải tiến động cơ đốt trong truyền thống mà thay vào đó, đẩy mạnh thực hiện các hoạt động nghiên cứu và phát triển xe điện, xe hybrid và xe chạy bằng nhiên liệu pin. Hiện nay, ô tô điện xuất hiện khá nhiều trên đường sá của Việt Nam, đặc biệt ở những khu vực thành phố, đô thị. Điều này cũng cho thấy thị trường ô tô điện đã dần thuyết phục và chiếm lĩnh lòng tin khách hàng. Đây cũng là một dấu hiệu tích cực cho một xu hướng di chuyển mới của ngành ô tô trong tương lai. Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu động học và động lực học ô tô điện của nhóm chúng em sẽ là tâm điểm luôn được quan tâm và chú ý đến. Khi mà năng lượng hoá thạch ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nhu cầu đi lại tăng cao, thì giải pháp luôn được ưu tiên hàng đầu đó là sử dụng nhiên liệu xanh, sạch, tiết kiệm và thân thiện với môi trường như ô tô điện. Đó cũng chính là những yếu tố mà các hãng xe lớn trên thế giới vẫn không ngừng phát triển ra những công nghệ tiện ích, tính năng an toàn và tối ưu hoá chi phí thấp nhất có thể. 2. PHƯƠNG PHÁP Tính toán động lực học ô tô điện 2.1. Thông số kỹ thuật 157
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật xe tham khảo Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị Dài Rộng Cao 4314 1809 1644 mm Chiều dài cơ sở 2585 mm Khối lượng bản thân xe 1566 kg Tốc độ cực đại của xe 140 km/h Số người 5 người Dẫn động FWD Xe ô tô điện chọn tham khảo là chiếc xe MG ZS EV được sản xuất bởi hãng MG. Đây là dòng xe Crossover SUV 05 chỗ cỡ nhỏ, chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện. Xe có có hai phiên bản bao gồm excite và exclusive. Thông số kỹ thuật nhóm tham khảo được trình bày ở bảng 3.1 là thông số kỹ thuật phiên bản excite. Bảng 2.2: Bảng thông số kỹ thuật xe thiết kế Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị Dài Rộng Cao 4650 1840 1850 mm Chiều dài cơ sở 2750 mm Khối lượng bản thân xe 1200 kg Tốc độ cực đại của xe 110 km/h Số người 6 người Dẫn động FWD Từ mẫu xe này nhóm đã cải tiến kích thước của xe lên thành chiếc ô tô điện SUV hạng A, mang lại cảm giác không gian rộng rãi hơn. Xe chở tối đa được 6 người, được bố trí thành 3 dãy ghế. Xe dẫn động cầu trước và vận tốc cực đại của xe là 110 (km/h). 2.2. Chọn động cơ 158
Trong đó: Công suất cần thiết của động cơ, Kw. Hệ số điều chỉnh. Khi tính toán, có thể chọn , chọn ; Hiệu suất truyền lực, ; Hệ số cản tổng cộng của đường tại thời điểm ô tô chạy thẳng với vận tốc tối đa, ; Diện tích cản gió của ô tô, ; Hệ số cản không khí, ; Công suất động cơ cần thiết là: Thông thường để đảm bảo cho động cơ có đủ công suất cần thiết và thêm năng lượng công suất dự trữ thì công suất cực đại của động cơ thường phải lớn hơn công suất cần thiết từ (1,05 - 1,1) lần. Vậy chọn động cơ có công suất là: Thông số kỹ thuật: Bảng 2.3: Bảng thông số kỹ thuật động cơ BLDC HPM20KL Số vòng quay tại thời điểm mô men đạt cực đại 3200 rpm Mô men cực đại 160 Nm Số vòng quay tại thời điểm công suất đạt cực đại 5000 rpm Công suất cực đại 50 kW Điện áp định mức 96 V Hiệu suất >90% Khối lượng 39 kg 2.3. Chọn pin 159
Chọn loại Pin nhiên liệu NiMH bởi vì chúng có một số ưu điểm như dung lượng pin cao hơn pin lead- acid, độ tự xả cao, công suất sạc tổng thể lớn nên không phải sạc nhiều, tuổi thọ cao, có thể tái sử dụng được nếu dùng đúng yêu cầu kỹ thuật. Chi phí không quá cao như pin lithium và khối lượng nhẹ. Đặc tính kỹ thuật của pin NiMH như sau: Bảng 2.4: Bảng thông số kỹ thuật pin NiMH Điện áp định mức 1,2V Dung lượng pin cực đại 2600 mAh Dung lượng pin cực tiểu 2500 mAh Chiều cao: 50,5 mm Kích thước Đường kính: 14,5 mm C-rate 1C – 4C Weight 26,5 g 2.4. Tính toán sức kéo Mô phỏng động lực học ô tô điện: Mô hình mô phỏng xe điện bao gồm các khối như khối driver input, khối motor và controlled, khối battery và khối vehicle body và tire. Các thông số đầu ra sẽ được thể hiện trên khối scope và khối display. Nhiệm vụ của từng khối như sau: Khối Driver input sẽ nhận tín hiệu vận tốc xe thực tế, tín hiệu vận tốc xe tham khảo từ các chu trình. Sau đó Hình 2.1: Mô hình mô phỏng động lực học ô tô điện trên đưa ra tín hiệu tăng tốc và giảm tốc MATLAB- SIMULINK của xe. Khối Motor và controller sẽ nhận tín hiệu tăng tốc và giảm tốc từ khối driver input, sau đó đi vào các khối con để xử lý và đưa ra tín hiệu đến hệ thống pin. Khối Battery sẽ nhận được tính hiệu từ khối motor, từ đó sẽ tính toán được các thông số của pin như: Điện áp pin, cường độ dòng điện, trạng thái sạc. Từ những thông số này sẽ nhận biết được công suất pin và mức tiêu hao năng lượng pin ở từng thời điểm của xe. Khối vehicle body và tire sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ khối Motor và controlled đồng thời kết hợp với các thông số động lực học xe thiết kế để đưa ra tốc độ thực tế theo thời gian. 160
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kiểm nghiệm kết quả tính toán Bảng 3.1: Bảng so sánh thông số kỹ thuật của xe MG ZS EV và xe TDE EV Thông số kỹ thuật MG ZS EV (tham khảo) TDE EV (thiết kế) Dài Rộng Cao 4314 1809 1644 4650 1840 1850 Kích thước Chiều dài cơ sở 2585 mm 2750 mm Khối lượng cơ sở 1566 kg 1200 kg Model Động cơ đồng bộ ba pha Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than Động cơ Công suất 68/105 kw 20/50 kw ( Mô men 130/353 Nm 80/160 Nm Tốc độ động cơ 5000/10000 (vòng/phút) 3200/5000 (vòng/phút) Pin Loại pin Lithium-ion NiMH Dung lượng pin 44,5 Kwh 24,2 Kwh Quãng đường đi được 217 Km 150 Km Tốc độ cực đại 140 Km/h 110 Km/h Độ dốc tối đa 190 8,60 Tăng tốc 0-100 km/h 8,2 s 23 s Số người 5 (người) 6 (người) Dẫn động FWD FWD Sau quá trình tính toán các thông động lực học nhóm đã thu một số kết quả như sau: Về thông số kích thước của xe thiết kế được dựa theo thông số xe điện đã có sẵn trên thị trường, từ những thông số này nhóm đã cải tiến tăng thêm kích thước chiều dài, rộng, cao, để có không gian rộng rãi hơn, giúp xe di 161
chuyển thuận lợi trong những điều kiện đường sá, thời tiết khắc nghiệt như ở Việt Nam, hệ thống pin cũng được bố trí cao hơn để giảm các ảnh hưởng xấu từ môi trường. Ngoài ra xe có 3 hàng ghế, mỗi hàng có 2 ghế, giúp người sử dụng có cảm giác ngồi thoải mái hơn so với xe SUV 5 chỗ. Hai hàng ghế chỉnh điện và có thể thay đổi vị trí tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng. Xe thiết kế sử dụng động cơ điện một chiều không chổi than có công suất, mô men thấp hơn so với thông số xe tham khảo. Nhưng vẫn đảm bảo được tốc độ tối đa là 110 (km/h), với tốc độ này xe có thể đáp ứng yêu cầu tốc độ trên đường cao tốc. Tốc độ trung bình của xe thiết kế vào khoảng 45 – 60 (km/h) giúp xe di chuyển dễ dàng trong đô thị, thành phố. Độ dốc tối đa mà xe có thể vượt qua được là 8,60. Với khả năng leo dốc tương đối giúp xe có thể di chuyển dễ dàng hơn trong một số điều kiện đường sá khác nhau. Dung lượng pin của xe thiết kể chỉ có 24,2 (kWh), giúp xe đi được quãng đường tối đa 150 (km) trong 1 lần sạc. Khả năng tăng tốc 0 - 100 (km/h) của xe thiết kế là 23 (s) trong trường hợp đầy tải (chở 6 người). Còn khả năng tăng tốc của xe MG ZS EV là 8,2 (s) trong điều kiện tải một người. Ngoài ra động cơ của xe tham khảo có công suất và mô men lớn hơn nhiều so với xe thiết kế nên khả năng tăng tốc sẽ vượt trội hơn nhiều so với xe thiết kế. Về thông số này nhóm cần xem xét lại và cần phải thực nghiệm để đưa ra con số cụ thể hơn và thuyết phục hơn. Bảng 3.2: Bảng so sánh thông số của xe TDE EV với chu trình WLTP 2 3.2. Kiểm nghiệm kết quả mô phỏng Bảng trên thể hiện giá trị của các thông số thời gian mô phỏng (t), quãng được đi được (S), vận tốc cực đại (Vmax), vận tốc trung bình (Vtb), mức độ % tiêu hao năng lượng điện (SOC) và giá trị chênh lệch của xe tham khảo và xe thiết kế so với giá trị tiêu chuẩn HWFET, WLTP, FPT75. Trong các chu trình trên cả 2 xe đã đáp ứng được yêu cầu mà tiêu chuẩn đặt ra, tuy có sự chênh lệch nhỏ nhưng không đáng kể. Nguyên nhân do yếu tố quán tính, vận tốc tức thời, cũng như hệ số điều chỉnh ki, kp của bộ điều khiển chưa thích hợp với chu trình. 162
Bảng 3.3: Bảng so sánh thông số của xe thiết kế và xe tham khảo chu trình HWFET Bảng 3.3: Bảng so sánh thông số của xe tham khảo và xe thiết kế chu trình FPT75 4. KẾT LUẬN Sau thời gian thực hiện nghiên cứu đề tài đã đưa ra được một số kết luận như sau: Đánh giá được nhu cầu sử dụng ô tô điện ở Việt Nam. Nắm bắt được cấu tạo cơ bản của một chiếc ô tô điện, một số loại động cơ được sử dụng trên ô tô điện và nguyên lý hoạt động của từng loại, pin ô tô điện và các vấn đề sạc pin ô tô điện. Tính toán và thiết kế được hệ thống truyền lực ô tô điện 6 chỗ ngồi dựa trên thông số xe có sẵn. Thiết kế mô hình mô phỏng ô tô điện bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK. Xe thiết kế đã đáp ứng được một số tiêu chuẩn kiểm tra của nước ngoài thông qua mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK. Đưa ra được những điểm vượt trội hơn so với xe tham khảo. Bên cạnh những kết quả đạt được trình bày ở trên, nhóm còn một số khó khăn tồn đồng như: Việc nghiên cứu sâu về các hệ thống ô tô điện, đặc biệt hệ thống pin và động cơ thật sự khó khăn vì đây là công nghệ bí mật độc quyền của các hãng xe hơi trên thế giới.Các thông số kỹ thuật, dữ liệu của xe tham khảo còn nhiều hạn chế do vấn đề công nghệ, nên nhóm vẫn chưa đủ dữ kiện để kiểm nghiệm lại các thông số kỹ thuật mà hãng công bố. Trong quá trình tính toán, nhóm đã vận dụng kiến thức cũng như áp dụng công thức tính toán thời gian tăng tốc cho xe thiết kế, nhưng chưa đạt được kết quả mong muốn. 163
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Cổng thông tin điện tử Bộ Giao thông (2020), “Phân loại xe ô tô điện”. [Trực tuyến]. Địa chỉ: https://mt.gov.vn/moitruong. [Truy cập 9/10/2022]. 2. Lương Trung (2017), “Vì sao hộp số của các mẫu xe điện thường có một cấp duy nhất” [Trực tuyến]. Địa chỉ: https://viettimes.vn/vi-sao-hop-so-cua-cac-mau-xe-dien-thuong-chi-co-1-cap-duy-nhat. [Truy cập 14/10/2022]. 3. Mai Văn Ánh, Võ Đình Hoàng, Phạm Hoàng Anh (2022), “Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động, điều khiển xe điện cỡ nhỏ”, đồ án tốt nghiệp, trường đại học sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng. 4. Nam Anh (2021), “Tìm hiểu về bộ chuyển đổi DC – DC trên xe điện”. [Trực tuyến]. Địa chỉ: https://news.oto-hui.com/tim-hieu-ve-bo-chuyen-doi-dc-dc-tren-xe-dien/.[Truy cập 20/10/2022] 5. Ngô Xuân Nhật (2010), “Thiết kế ô tô điện 5 chỗ ngồi”, đồ án tốt nghiệp, trường đại học bách khoa Đà Nẵng. 6. TS. Nguyễn Văn Nhanh (2018), giáo trình Lý thuyết ô tô, Hutech, TP. HCM. 7. Nguyễn Quang Linh, Võ Hoàng Luân (2021), “Chuyên đề ô tô điện”, đồ án tốt nghiệp, trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM. 8. Phan Quốc Bảo (2022), “Mô phỏng xe Tesla Model 3 2020 bằng phần MATLAB – SIMULINK”, trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM. 9. Phong Lê (2018), “Tìm hiểu về các chuẩn sạc ô tô hiện nay”, [Trực tuyến]. Địa chỉ: https://evworld.vn/tim-hieu-ve-cac-chuan-sac-o-to. [Truy cập 20/10/2022]. 10. P. H. Kiên (2009), Nghiên cứu hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng, Luận văn thạc sĩ, trường Đại học Công nghiệp Kỹ thuật, Thái Nguyên. 11. EBOOKBKMT (2017), “Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều (DC motor)”. [Trực tuyến]. Địa chỉ : https://www.ebookbkmt.com/2017/10/nguyen-ly-hoat-ong-cua-ong-co-ien-mot.html. [Truy cập 16/10/2022]. 164