Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Tình hình môi trường hiện tại đang gặp phải nhiều thách thức và nguy cơ nghiêm trọng. Sự tác động từ các hoạt động sống của con người đang gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, trong đó sự ô nhiễm môi trường từ khí thải của các phương tiện giao thông dùng nhiên hóa thạch cũng là một vấn đề đang trở thành nỗi lo lớn đối với sức khỏe và môi trường sống của chúng ta. Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch thải ra các khí thải độc hại như CO2, SOx, NOx, và các hạt bụi nhỏ, gây ra ô nhiễm không khí và tác động xấu đến sức khỏe con người và môi trường.
Chính vì thế, xu hướng chuyển đổi các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang một loại phương tiện khác dùng nguồn năng lượng sạch hơn đang được quan tâm và nghiên cứu trên toàn cầu. Trong đó, xe dùng động cơ điện được xem như là phương án tối ưu nhất hiện nay và hầu như các nhà sản xuất ô tô lớn trên toàn cầu đều đã, đang nghiên cứu và phát triển. Xe điện là phương tiện giao thông đang được quan tâm và phát triển nhanh chóng trong khoảng thời gian gần đây. Tầm quan trọng của xe điện nằm ở những ưu điểm vượt trội của nó so với các loại xe khác.
Đầu tiên, xe điện không gây ra khí thải độc hại, giúp bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Điều này đặc biệt quan trọng trong thời đại hiện nay khi các vấn đề về ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng. Ngoài ra, xe điện rất tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành. Với mức giá điện hiện nay, việc sử dụng xe điện sẽ giúp giảm thiểu chi phí đáng kể so với việc sử dụng xe chạy bằng xăng dầu và hiệu suất năng lượng của xe điện cũng tốt hơn so với các loại xe dùng động cơ đốt trong truyền thống.
Thêm vào đó, xe điện rất yên tĩnh và không gây nhiều tiếng ồn trong quá trình vận hành. Điều này giúp giảm thiểu tình trạng ô nhiễm tiếng ồn trong các đô thị. Bên cạnh đó, xe điện cũng là một giải pháp cho việc giảm thiểu lượng dầu 1 nhập khẩu và giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần. Vì những lý do trên, tầm quan trọng của xe điện đang được nhìn nhận cao hơn và đang được nhiều nước và doanh nghiệp đầu tư nghiên cứu.
Việt Nam cũng không thể bỏ qua xu hướng chung của thế giới, chuyển đổi các phương tiện giao thông từ sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang dùng điện cũng đang được tiến hành từng bước. Chính vì thế, việc nghiên cứu, phát triển, sản xuất xe điện hiện nay đang là vấn đề đang rất được quan tâm ở nước ta. Để sản xuất một xe điện hoàn chỉnh, quy trình sản xuất phải trải qua nhiều giai đoạn như thiết kế, tính toán đến thử nghiệm mô phỏng đến thử nghiệm thực tế,… rồi mới tiến đến sản xuất đại trà. Mỗi giai đoạn đều quan trọng và có vai trò nhất định, không thể thay thế trong quá trình sản xuất.
Trong đó, giai đoạn tính toán, thiết kế có thể xem là giai đoạn đầu tiên, tạo ra các thông số kỹ thuật phù hợp với các yêu cầu vận hành khác nhau của từng loại xe. Ngoài việc sản xuất mới xe điện, thì việc chuyển đổi một số lượng rất lớn xe dùng động cơ đốt trong hiện nay thành xe điện cũng là vấn đề cần được quan tâm. Để tránh việc phát sinh thêm rác thải công nghiệp là các xe cũ sử dụng động cơ đốt trong thì có thể chuyển đổi các xe này thành xe điện. Do đó, công việc tính toán lại nguồn năng lượng và thiết bị động lực điện phù hợp cho các xe này cũng cần được thực hiện.
Với tất cả những vấn đề nêu trên, tác giả lựa chọn đề tài “Tính toán nguồn năng lượng và thiết bị động lực cho ô tô điện cỡ nhỏ” để thực hiện nghiên cứu trong luận văn này. Tình hình nghiên cứu 1. Trong nước Nghiên cứu “Phương pháp thiết kế hệ động lực xe điện” của tác giả Phạm Xuân Mai và cộng sự [1] đã trình bày khái quát về các bước thiết kế một hệ thống động lực trên ô tô điện, từ việc xây dựng cấu hình tổng thể cho hệ truyền động điện đến thiết kế các hệ thống năng lượng bên trong như pin, động cơ,… Bài báo dừng lại ở việc giới thiệu, cung cấp các thông tin về thiết kế tổng thể của xe điện cũng như các phương án 2 bố trí hệ truyền động trên xe chứ chưa khảo sát, tính toán, mô phỏng hay thực nghiệm một hệ động lực cụ thể nào. Bài báo “Nghiên cứu tính toán nguồn động lực dùng năng lượng điện cho xe du lịch 5 chỗ” của hai tác giả Nguyễn Huy Trưởng và Phạm Việt Thành [2] đã nghiên cứu thay thế động cơ đốt trong của xe NIVA 4x4 bằng động cơ điện một chiều không chổi than.
Hai động cơ điện có công suất khác nhau được dùng trong hai trường hợp: giữ nguyên hộp số kết hợp với một động cơ công suất 55,77 kW, momen xoắn 117,55 Nm và trường hợp còn lại là lược bỏ đi hộp số của xe, chỉ sử dụng động cơ điện công suất 82,6 kW, momen xoắn 235,1 Nm. Kết quả là cả hai trường hợp đều đáp ứng được các yêu cầu động lực học khi so sánh với xe nguyên thủy và việc thay thế động cơ đốt trong trên ô tô thành động cơ điện là hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên, tác giả vẫn chưa đề cập đến nguồn năng lượng của xe là hệ thống pin, nên vì vậy, một yếu tố quan trọng của xe điện là quãng đường di chuyển của xe cũng chưa được nói đến. Nghiên cứu “Tính toán hệ thống pin xe điện” của Ths.
Đinh Tấn Ngọc [3] đã trình bày phương pháp tính toán một bộ pin để sử dụng trên xe điện, xe được cải tiến từ mẫu xe BMW 320i sử dụng động cơ đốt trong với mục tiêu đảm bảo công suất đầu ra của xe giống với xe gốc. Kết quả là với hệ thống pin sau tính toán có tổng khối lượng 195,776kg và công suất khoảng 104,2 kW đáp ứng tốt về công suất đầu ra so với xe gốc dùng động cơ đốt trong. Tuy vậy, nghiên cứu vẫn chưa đề cập cụ thể đến loại động cơ điện được sử dụng và khả năng vận hành của xe đối với các yêu cầu về vận tốc, tăng tốc, leo dốc,… Nghiên cứu “Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền động ô tô điện” của tác giả Phạm Quốc Thái và Huỳnh Đức Trí [4] đã mô tả và xây dựng mô hình hệ thống truyền động điện trên ô tô điện. Tác giả đã phát triển mô hình các hệ thống như biến tần, động cơ không đồng bộ ba pha, mô hình động học của ô tô 5 chỗ ngồi trên phần mềm Matlab/Simulink.
Qua đó, phân tích và đánh giá khả năng đáp ứng của động cơ không đồng bộ ba pha trên ô tô điện về tốc độ, momen, cường độ dòng điện trên stator và rotor. Kết quả cho thấy mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink là phương pháp hiệu quả 3 trong khảo sát hệ thống truyền động ô tô điện. Động cơ không đồng bộ ba pha với phương pháp điều khiển SPWM (điều chế độ rộng xung sin) và các thành phần khác của hệ thống truyền động hoạt động hiệu quả, làm cơ sở để xây dựng mô hình thực tế. Tuy nhiên, cũng giống như nghiên cứu [2], tác giả cũng chưa kết hợp mô hình hiện tại với một mô hình pin để tạo ra một hệ thống động lực điện hoàn chỉnh hơn.
Ngoài nước Ở nước ngoài, với sự phát triển của công nghệ và khoa học, công nghệ ô tô điện cũng sớm phát triển nên đã có nhiều nghiên cứu tính toán, thực nghiệm chuyển đổi xe sử dụng động cơ đốt trong trở thành xe điện. Nghiên cứu “Electric Conversion of a Polluting Gasoline Vehicle into an Electric Vehicle and its Performance and Drive Cycle Analysis” của tác giả Robindro Lairenlakpam và cộng sự [5] đã thực hiện chuyển đổi mẫu xe Maruti-800 sử dụng động cơ xăng 4 kỳ, 3 xy lanh thành xe điện. Động cơ đốt trong được bỏ đi, thay vào đó là động cơ điện, pin Li-polyme và bộ điều khiển. Sau khi chuyển đổi, xe được thực nghiệm trên mặt đường mô phỏng bằng băng thử với chu trình IDC (The Old Indian Driving Cycle).
Chu trình IDC gồm các dãy các tốc độ thấp thay đổi và tần suất dừng-chạy giống với điều kiện di chuyển trong đô thị Ấn Độ. Kết quả là động cơ một chiều công suất 4,5 kW được sử dụng đáp ứng những yêu cầu ban đầu của tác giả như moment khởi động lớn, giá thành thấp, phần cứng đơn giản và phổ biến. Hiệu suất năng lượng của cả hệ động lực điện sau khi chuyển đổi đạt 54,15 %. Nghiên cứu “Dynamic Modeling and Analysis of Control Techniques of an Induction Motor Drive for Application in an Electric Vehicle” của Manish Kumar và cộng sự [6] đã mô phỏng một mô hình xe điện sử dụng động cơ không đồng bộ.
Để điều khiển động cơ tác giả sử dụng phương pháp điều khiển vector thông qua một bộ điều khiển PI, với mục tiêu là kiểm soát công suất và tốc độ động cơ. Kết quả mô phỏng là moment đầu ra của động cơ bám sát với moment tham chiếu yêu cầu. Vận tốc xe cũng 4 đáp ứng được vận tốc yêu cầu của chu trình thử với sai số nhỏ. Tuy vậy, hiệu quả hoạt động của pin vẫn chưa được tác giả đề cập.
Nghiên cứu “Electric Vehicle Designing, Modelling and Simulation’’ của tác giả Sai Krishna Vempalli và cộng sự [7] đã trình bày các bước để thiết kế mô hình xe điện và mô phỏng bằng Matlab/Simulink và Sim PowerSystem/Sim Driveline toolbox. Mô hình sử dụng động cơ không đồng bộ và có phanh tái sinh. Kết quả là một mô hình xe điện cơ bản đã được phát triển trong Simulink và có phanh tái sinh hoạt động khi xe giảm tốc, hợp lý khi so sánh với thực tế. Tác giả cũng đề xuất bổ sung thêm phân tích nhiệt độ của pin trong các chu trình thử khác nhau, thêm mô hình hệ thống thu hồi nhiệt thải để cải thiện thêm hiệu suất của mô hình, bổ sung thêm phân tích động lực học của xe theo phương ngang thay vì chỉ có theo phương dọc trục như trong bài báo.