Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước thực trạng cạn kiệt nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch, giá nhiên liệu leo thang và các tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu toàn cầu, việc chuyển đổi sang các phương tiện giao thông bền vững trở thành yêu cầu cấp thiết. Khí thải từ các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong truyền thống (như $\text{CO}_2$, $\text{NO}_x$, $\text{CO}$, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi $\text{VOCs}$) là nguyên nhân trực tiếp gây hiệu ứng nhà kính và các bệnh về hô hấp, tim mạch ở người. Trên phạm vi toàn cầu, nhiều quốc gia đã ban hành lộ trình loại bỏ phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch: Hội đồng Liên bang Đức đặt mục tiêu cấm hoàn toàn động cơ đốt trong vào năm 2030; Na Uy đặt mốc năm 2025; Pháp và Vương quốc Anh đặt mốc năm 2040. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp ô tô được xác định là một trong những ngành mũi nhọn trong chiến lược phát triển kinh tế xanh và giảm phát thải khí nhà kính. Việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ tính toán động lực học, hệ thống truyền động và thử nghiệm động cơ điện đóng vai trò quan trọng trong việc nội địa hóa và phát triển các dòng xe điện trong nước.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được đánh số theo văn bản như sau:

  1. Nắm vững kiến thức cơ bản về hệ thống truyền động trên xe ô tô điện.
  2. Nghiên cứu đặc tính cấu tạo của một số loại động cơ điện, hệ thống pin và hộp số trang bị trên xe điện.
  3. Nắm vững các bước hoàn thiện một mô hình thực nghiệm cơ khí: hình thành ý tưởng bản vẽ, mô phỏng không gian 3 chiều (3D) bằng phần mềm CATIA, kỹ thuật gia công hàn và chế tạo khung gá.
  4. Xây dựng mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền động xe điện cơ bản trên nền tảng MATLAB - Simulink.
  5. Đánh giá kết quả mô phỏng động lực học dưới các điều kiện vận hành khác nhau.
  6. Đưa ra kết luận và định hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn như sau:

  • Đối tượng nghiên cứu: Xe ô tô điện; các đặc tính vận hành của động cơ điện; đặc tính động lực học dọc của xe; các cơ cấu truyền lực và hộp số xe điện; động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor).
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán công suất động cơ điện và hệ thống pin lưu trữ; nghiên cứu chuyên sâu về động cơ PMSM và hộp số biến thiên; mô phỏng hoạt động của hệ thống truyền lực xe điện bằng phần mềm MATLAB - Simulink; thiết kế bản vẽ cơ khí và chế tạo thực tế khung gá động cơ PMSM phục vụ cho bàn thử nghiệm động cơ điện (test bench) tại xưởng thực hành. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra trong 3 tháng, hoàn thành và nghiệm thu vào tháng 01 năm 2025 tại Khoa Đào tạo Quốc tế và Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên các cơ sở lý thuyết kỹ thuật chuyên ngành ô tô và truyền động điện:

  • Lý thuyết động lực học dọc của ô tô: Khảo sát phương trình cân bằng lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động, điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường, lực cản lăn (hệ số $\mu_r$), lực cản không khí (hệ số $C_d$), lực cản leo dốc và lực cản quán tính khi gia tốc; phương pháp xác định trọng tâm và phân bố tải trọng lên các cầu xe.
  • Lý thuyết máy điện và điều khiển truyền động: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và phương trình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), phân loại thành động cơ nam châm gắn bề mặt (SPMSM) và nam châm đặt chìm trong rô-to (IPMSynM). Phương trình tính toán momen điện từ của động cơ IPMSynM: $$T = \frac{3}{2} p \left[ \Psi_m i_q + (L_d - L_q) i_d i_q \right]$$ hoặc biểu diễn qua góc lệch pha $\delta$: $$T = \frac{3 p}{2 \omega} \left[ \frac{V_s E_0}{X_d} \sin \delta + \frac{V_s^2 (X_d - X_q)}{2 X_d X_q} \sin(2\delta) \right]$$ Trong đó thành phần thứ nhất do từ thông nam châm vĩnh cửu tạo ra, thành phần thứ hai là momen phản kháng (reluctance torque) sinh ra do sự bất đối xứng từ trở ($L_d < L_q$).
  • Lý thuyết điều khiển: So sánh hai chiến lược điều khiển động cơ IPMSM là điều khiển momen trực tiếp (DTC - Direct Torque Control do Takahashi và Noguchi đề xuất năm 1986) và điều khiển định hướng từ trường (FOC - Field Oriented Control phát triển từ thập niên 1970).
  • Hệ thống pin hóa học và quản lý năng lượng: Nghiên cứu các dòng pin sạc gồm ắc quy chì-axit, Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metal Hydride (NiMH), Lithium-ion (Li-ion), Lithium-polymer (Li-poly), Sodium-Sulfur (NaS), Kẽm-không khí (Zinc-air); hệ thống quản lý pin (BMS); các mạch biến đổi điện áp một chiều (DC/DC converter) dạng Buck - Boost và bộ nghịch lưu 3 pha (DC/AC Inverter).
  • Nguồn dữ liệu và xe tham chiếu: Dữ liệu tính toán dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế của dòng xe hybrid thương mại Toyota Prius 2007, thông số pin NiMH dạng module/cell (mã tham chiếu HHR650D) và chu trình thử nghiệm lái xe tiêu chuẩn của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ FTP75 (Federal Test Procedure 75).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa tài liệu về các dạng cấu hình xe điện (HEV nối tiếp, song song; PHEV; BEV; FCEV) và nguyên lý các khối điều khiển.
  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB - Simulink (kết hợp các thư viện chuyên dụng như Simscape Driveline, Simscape Electrical) để xây dựng vòng lặp kín mô phỏng động lực học xe.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng phần mềm CATIA để đo đạc, lập mô hình 3D và xuất bản vẽ kỹ thuật 2D cho khung giá đỡ động cơ.
  • Phương pháp thực nghiệm và gia công cơ khí: Tiến hành đo đạc kích thước thực tế của cụm bàn thử nghiệm, cắt phôi thép kết cấu C45, gia công hàn ghép, khoan lỗ bắt bu lông định vị và lắp đặt động cơ PMSM lên khung giá đỡ hoàn chỉnh.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ cuộc khủng hoảng năng lượng hóa thạch và yêu cầu giảm phát thải CO2, NOx trên toàn cầu. Tác giả tổng thuật các cột mốc lịch sử từ chiếc xe điện đầu tiên của Robert Anderson (thập niên 1830), phát minh pin của Camille Faure (1865), xe Electrobat của Pedro Salom và Henry G. Morris (1894), xe Detroit Electric (1923), dự án GM Electrovan (1966) sử dụng pin bạc-kẽm 532V và động cơ cảm ứng 115 mã lực, cho đến sự phát triển của dòng xe thương mại hiện đại như Tesla Model S (2012). Chương này xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phương pháp và bố cục 6 chương của báo cáo.

Chapter 2: Overview of the Electric Vehicles

Chương 2 phân loại chi tiết các cấu hình xe điện hiện nay: HEV (Hybrid Electric Vehicle), PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), BEV (Battery Electric Vehicle) và FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle). Phân tích cấu trúc hệ thống truyền động: phương án đặt một động cơ kết hợp hộp giảm tốc và vi sai, cấu hình hai động cơ độc lập gắn ngoài hoặc gắn trực tiếp tại bánh xe (in-wheel motor / Protean Drive).

Chương này đi sâu so sánh cấu tạo và nguyên lý của 4 nhóm động cơ điện kéo:

  • Động cơ một chiều có chổi than (Brushed DC): Cấu tạo gồm stato, rô-to, chổi than, cổ góp; nhược điểm lớn là sự mài mòn cơ học của chổi than đòi hỏi bảo dưỡng định kỳ, ít dùng làm động cơ kéo chính.
  • Động cơ một chiều không chổi than (BLDC): Hoán đổi vị trí nam châm vĩnh cửu trên rô-to và cuộn dây ở stato, dùng cảm biến Hall để xác định góc pha và bộ chuyển mạch điện tử bán dẫn (MOSFET/IGBT).
  • Động cơ cảm ứng xoay chiều 3 pha (Induction Motor - IM): Rô-to lồng sóc hoặc rô-to dây quấn, tốc độ quay của rô-to luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ của từ trường stato ($\omega < \omega_s$).
  • Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM): Phân tích chi tiết đặc tính hai phân nhóm SPMSM (khe hở không khí đồng đều, $L_d \approx L_q$) và IPMSynM (khe hở không đồng đều, nam châm đặt chìm, $L_d < L_q$). Đánh giá giải thuật điều khiển FOC vượt trội hơn DTC ở khả năng khởi động êm ái, giảm dao động momen và mở rộng vùng điều khiển tốc độ.

Tổng hợp so sánh đặc tính kỹ thuật các hệ thống pin lưu trữ được trình bày trong bảng dưới đây:

Loại pin Đặc điểm cấu tạo / Hóa tính Ưu điểm chính Nhược điểm chính Ứng dụng thực tế được đề cập
Chì - axit (Pb-acid) Điện cực chì và dung dịch điện phân axit Giá thành tính theo kWh thấp Mật độ năng lượng thấp, gây ô nhiễm, khó tái chế Xe chạy cự ly ngắn, xe HEV đời cũ
Nickel - Cadmium (NiCd) Cực dương $\text{Ni(OH)}_2$, cực âm $\text{Cd(OH)}_2$, dung dịch KOH Bền cơ học, dải nhiệt độ hoạt động rộng (-40°C đến 80°C) Chi phí gấp 3 lần pin chì-axit; Cadmium có độc tính sinh học cao Peugeot 106, Citroën AX, Renault Clio, Ford Think
Nickel - Metal Hydride (Ni-MH) Hợp kim hấp thụ hydro ở cực âm Mật độ năng lượng cao hơn NiCd; an toàn, tuổi thọ chu kỳ tốt Tự xả cao, giá chế tạo cao, hiệu suất giảm ở nhiệt độ lớn Toyota Prius (THS-I: 38 module/273,6V; THS-II, III: 28 module/201,6V), Honda Insight
Lithium - ion (Li-ion) Cực dương oxit kim loại ($\text{LiCoO}_2$, $\text{LiMn}_2\text{O}_4$), cực âm graphite hoặc titanate Mật độ năng lượng đạt từ 140 Wh/kg đến 280 Wh/kg Yêu cầu hệ thống BMS giám sát điện áp/nhiệt độ khắt khe Dùng phổ biến trên ô tô điện hiện đại (dạng trụ, dạng lăng trụ)

Chương 2 cũng phân tích cấu trúc bộ biến đổi nguồn DC/DC (chế độ Buck hạ áp và Boost tăng áp), bộ nghịch lưu DC/AC ba pha sử dụng các khóa bán dẫn điều chế độ rộng xung PWM và hệ thống quản lý pin BMS.

Chapter 3: Theoretical Basis for Calculating Electric Motor

Chương 3 thiết lập hệ thống phương trình động lực học chuyển động thẳng của xe điện:

  • Phương trình lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động: $F_k = F_f + F_w + F_i + F_j$, trong đó $F_f$ là lực cản lăn, $F_w$ là lực cản không khí, $F_i$ là lực cản lên dốc và $F_j$ là lực cản quán tính.
  • Điều kiện chuyển động không bị trượt quay: $F_k \le F_\varphi = \varphi \cdot G_{\text{cd}}$ (với $\varphi$ là hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường, $G_{\text{cd}}$ là tải trọng tác dụng lên cầu chủ động).
  • Phân bố tải trọng lên các trục: Thiết lập phương trình cân bằng momen quanh vết tiếp xúc của bánh xe trước và bánh xe sau để xác định lực thẳng đứng tác dụng lên từng trục khi xe chuyển động ổn định hoặc khi tăng tốc/phanh.
  • Lựa chọn xe cơ sở đối chiếu: Sử dụng các thông số kỹ thuật của xe Toyota Prius 2007 để làm dữ liệu tính toán công suất cực đại của động cơ, momen xoắn yêu cầu, tỷ số truyền của hộp giảm tốc/vi sai và cấu hình hệ thống pin NiMH đi kèm.

Chapter 4: Overview of Continuously Variable Transmission and Simulating Transmission System Using MATLAB - Simulink

Chương 4 tập trung vào việc mô hình hóa hệ thống truyền lực xe điện trên phần mềm MATLAB - Simulink:

  • Khối phát tín hiệu chu trình lái (Drive Cycle Source): Cài đặt chu trình kiểm tra tiêu chuẩn FTP75 với đồ thị biến thiên vận tốc theo thời gian.
  • Khối điều khiển người lái (Longitudinal Driver): Đóng vai trò bộ điều khiển vòng lặp kín mô phỏng hành vi của người lái, so sánh tốc độ thực tế với tốc độ tham chiếu từ chu trình lái để phát ra tín hiệu ga (acceleration command) hoặc tín hiệu phanh (deceleration command).
  • Khối điều khiển FOC: Tiếp nhận tín hiệu momen yêu cầu và tín hiệu phản hồi dòng điện 3 pha cùng góc vị trí rô-to để thực hiện các phép biến đổi Clarke - Park, điều chế vector không gian cấp xung kích hoạt biến tần.
  • Khối nghịch lưu (Universal Bridge) và Ắc quy (Battery Block): Cung cấp nguồn DC và chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều 3 pha cung cấp cho khối động cơ PMSM.
  • Khối động cơ PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor Block): Mô phỏng các đặc tính cơ điện của động cơ.
  • Khối thân xe và hệ thống truyền lực cơ học (Vehicle Body Subsystem): Bao gồm khối vi sai (Differential Block), khối bánh xe (Tire Block), khối phanh tang trống hai guốc (Double-Shoe Brake Block) và khối thân xe (Vehicle Body Block) tiếp nhận các tham số khí động học và khối lượng xe.

Chapter 5: Design of the PMSM Mounting Frame for the Electric Motor Test Bench

Chương 5 mô tả quy trình thiết kế và chế tạo phần cứng đồ gá lắp đặt động cơ PMSM phục vụ cho bàn thử nghiệm:

  • Đo đạc kích thước thực tế: Tiến hành đo đạc kích thước cơ sở của khung bàn thử nghiệm có sẵn tại xưởng và các lỗ bắt bu lông chân đế của động cơ điện PMSM.
  • Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm CATIA: Lập bản vẽ 3D tổng thể hệ thống đo kiểm; thiết kế chi tiết cụm khung trước (front frame), cụm khung sau (rear frame) và các chi tiết đệm cao su giảm chấn (rubber damping parts) nhằm triệt tiêu rung động cơ học sinh ra trong quá trình vận hành động cơ ở tốc độ cao.
  • Phân tích lực và định hướng kết cấu đồ gá: Đảm bảo độ cứng vững, khả năng chịu lực cắt, momen uốn và tải trọng rung giật của động cơ khi phát sinh momen xoắn cực đại.
  • Quy trình gia công cơ khí:
    1. Lựa chọn vật liệu phôi thép tấm và thép thanh mác C45.
    2. Cắt phôi thép C45 theo các kích thước đã thiết kế và đo đạc.
    3. Hàn liên kết các thanh thép định hình thành kết cấu khung gá vững chắc.
    4. Khoan các lỗ lắp ghép bu lông chính xác theo tọa độ chân đế động cơ.
    5. Xử lý bề mặt và sơn phủ chống ăn mòn hóa học cho khung gá.
    6. Lắp đặt hoàn chỉnh động cơ điện PMSM lên khung gá trên bàn thử nghiệm.

Chapter 6: Conclusion and Recommendations

Tóm lược các công việc đã hoàn thành: tính toán lý thuyết động lực học xe điện, xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên MATLAB/Simulink theo chu trình FTP75, thiết kế và chế tạo thành công khung gá động cơ PMSM bằng thép C45 trên bàn thử nghiệm. Đưa ra các khuyến nghị về việc hoàn thiện hệ thống đo lường thực nghiệm trong giai đoạn tiếp theo.


Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật trong đồ án bao gồm hai phân hệ chính: mô hình mô phỏng kỹ thuật số trên MATLAB - Simulink và cụm đồ gá cơ khí lắp đặt thực tế cho bàn thử nghiệm động cơ PMSM.

Kiến trúc hệ thống mô phỏng truyền động xe điện trên MATLAB - Simulink

Mô hình mô phỏng hệ thống truyền động xe điện được xây dựng dưới dạng hệ thống vòng kín, gồm các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Khối nguồn chu trình lái (Drive Cycle Source): Thiết lập tín hiệu đầu vào theo chu trình FTP75 (Federal Test Procedure 75) thể hiện vận tốc phương tiện theo thời gian trong điều kiện vận hành đô thị và ngoại ô.
  2. Khối điều khiển dọc (Longitudinal Driver): Nhận tín hiệu chênh lệch vận tốc để tính toán mức độ mở bướm ga ảo (tín hiệu tăng tốc từ 0 đến 1) hoặc mức độ tác động phanh (tín hiệu phanh từ 0 đến 1).
  3. Khối điều khiển FOC (Field Oriented Control Subsystem): Tách biệt việc điều khiển dòng điện sinh từ thông ($i_d$) và dòng điện sinh momen ($i_q$) thông qua các bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI), tạo các tín hiệu điều chế độ rộng xung cấp cho bộ biến tần.
  4. Khối nguồn năng lượng (Battery Block): Mô hình hóa hệ thống pin NiMH theo thông số tương đương của hệ thống THS-II trên Toyota Prius (28 module điện áp danh định 201,6V).
  5. Khối biến tần (Universal Bridge): Chuyển đổi điện áp DC từ pin thành hệ thống điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động cơ.
  6. Khối động cơ PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor Block): Mô hình hóa phản ứng điện cơ, xuất ra tốc độ góc của trục rô-to ($\omega$) và momen xoắn động cơ ($T_e$).
  7. Khối cơ cấu truyền lực và thân xe (Vehicle Subsystem): Bao gồm khối truyền động tỷ số truyền cố định/vi sai (Differential), 4 khối bánh xe (Tire) có xét đến biến dạng đàn hồi và lực bám, khối phanh guốc đôi (Double-Shoe Brake) và khối thân xe (Vehicle Body) phản ánh các lực cản khí động học, khối lượng xe và độ dốc mặt đường.

Quy trình thiết kế và chế tạo cơ khí khung gá động cơ PMSM

Hệ thống khung gá cơ khí phục vụ bàn thử nghiệm được triển khai thực hiện tuần tự qua các giai đoạn:

  • Khảo sát và lập mô hình CAD: Sử dụng phần mềm CATIA để dựng mô hình 3D dựa trên kích thước đo đạc từ hệ thống bàn thử có sẵn. Mô hình phân tách rõ cụm khung đỡ phía trước, cụm khung đỡ phía sau và các khớp đệm cao su giảm chấn nhằm hấp thụ dao động cơ học.
  • Vật liệu gia công: Toàn bộ kết cấu chịu lực của khung gá sử dụng mác thép kết cấu carbon C45, đảm bảo độ bền kéo, giới hạn chảy và khả năng chịu mỏi cơ học khi động cơ đảo chiều quay hoặc thay đổi momen đột ngột.
  • Công nghệ chế tạo: Phôi thép C45 được cắt theo kích thước trên bản vẽ kỹ thuật, tiến hành gá kẹp và hàn hồ quang cố định các dầm thép. Các vị trí bắt bu lông chân đế động cơ và bu lông liên kết bàn thử nghiệm được lấy dấu và khoan chính xác.
  • Hoàn thiện bề mặt và lắp ráp: Sau khi kiểm tra độ đồng phẳng và độ cứng vững, kết cấu khung được làm sạch xỉ hàn, sơn lót và sơn phủ bề mặt nhằm chống oxy hóa. Tiến hành siết bu lông định vị động cơ PMSM cùng các đệm cao su giảm chấn lên khung gá trên bàn thử.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và mô phỏng trên MATLAB - Simulink

  • Xây dựng thành công mô hình toán học và mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho xe ô tô điện trên cơ sở dữ liệu xe tham chiếu Toyota Prius 2007.
  • Kiểm chứng động lực học trên chu trình lái FTP75:
    • Phương tiện bám sát quỹ đạo vận tốc yêu cầu của chu trình FTP75 trong suốt thời gian thử nghiệm, đáp ứng tốt cả các giai đoạn tăng tốc nhanh và giảm tốc/phanh.
    • Trích xuất thành công các đồ thị kỹ thuật: đồ thị gia tốc - giảm tốc của xe; đồ thị tốc độ quay của rô-to và momen xoắn động cơ PMSM; đồ thị công suất tiêu thụ; đồ thị điện áp dây và dòng điện pha 3 pha cấp cho động cơ; đồ thị suy giảm trạng thái sạc (SOC - State of Charge) của hệ thống pin trong chu trình.

Kết quả gia công và chế tạo phần cứng

  • Hoàn thành thiết kế bộ bản vẽ kỹ thuật 2D và mô hình 3D của khung gá động cơ PMSM trên phần mềm CATIA, bao gồm cụm khung trước, cụm khung sau và đệm cao su triệt tiêu dao động.
  • Chế tạo thành công sản phẩm vật lý: Bộ khung gá bằng thép C45 đáp ứng các yêu cầu về độ bền cơ học, độ chính xác hình học và vị trí lắp ghép bu lông.
  • Động cơ PMSM được lắp đặt chắc chắn, đồng trục lên khung gá và gắn kết an toàn vào bàn thử nghiệm (test bench) tại xưởng cơ khí động lực.

Đóng góp của đề tài

Theo tự đánh giá của nhóm tác giả trong văn bản, đóng góp của đồ án bao gồm:

  • Cung cấp phương pháp luận kết hợp đồng bộ giữa việc tính toán lý thuyết động lực học ô tô, xây dựng mô hình kiểm nghiệm ảo trên MATLAB - Simulink và thiết kế - gia công chế tạo phần cứng thực tế.
  • Chế tạo hoàn thiện cụm khung gá động cơ PMSM có chất lượng cơ khí tốt, bổ sung trực tiếp vào hệ thống cơ sở vật chất, phục vụ cho công tác giảng dạy, học tập và thí nghiệm đo kiểm đặc tính động cơ điện tại phòng thực hành của nhà trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Nhóm tác giả thẳng thắn thừa nhận một số hạn chế do điều kiện khách quan và chủ quan:

  • Thời gian thực hiện đồ án ngắn (trong vòng 3 tháng).
  • Xe điện là lĩnh vực nghiên cứu tương đối mới mẻ tại thời điểm thực hiện, dẫn đến việc tiếp cận các tài liệu tham khảo chuyên ngành chuyên sâu và dữ liệu thực nghiệm còn hạn chế.
  • Kiến thức chuyên sâu và kinh nghiệm thực tế của sinh viên trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa công suất cao và gia công chế tạo cơ khí chính xác còn hạn chế.
  • Phần cứng mới dừng lại ở việc thiết kế, chế tạo khung gá và gá đặt động cơ PMSM lên bàn thử nghiệm, chưa thể kết nối đồng bộ hoàn chỉnh mạch công suất và tải cơ học/tải điện để chạy thử nghiệm thu thập số liệu thực tế nhằm đối chứng trực tiếp với mô hình mô phỏng Simulink.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Kết nối hoàn thiện hệ thống đo kiểm điện khí trên bàn thử nghiệm: tích hợp biến tần điều khiển thực tế, hệ thống cấp nguồn pin/ắc quy và bộ hãm tạo tải (dynamometer).
  • Thu thập dữ liệu thực tế về dòng điện, điện áp, momen và tốc độ trên bàn thử nghiệm để so sánh, hiệu chỉnh các tham số trong mô hình mô phỏng MATLAB - Simulink.
  • Khảo sát và mô phỏng xe trên các chu trình thử nghiệm khác như WLTP, NEDC hoặc chu trình vận hành thực tế tại đô thị Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tài liệu hữu ích cho các đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến tính toán động lực học xe điện, phương pháp điều khiển động cơ PMSM và kỹ thuật mô phỏng trên nền tảng Simscape/Simulink.
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí và thực nghiệm ô tô: Cung cấp quy trình chi tiết từ đo đạc kích thước thực tế, lập bản vẽ 3D trên CATIA, phân tích kết cấu đồ gá chịu lực đến các công đoạn gia công cơ khí (cắt thép C45, hàn, khoan, lắp đệm cao su giảm chấn) để chế tạo đồ gá phục vụ thử nghiệm động cơ điện.
  • Các phần đáng tham khảo nhất trong báo cáo:
    • Chương 2: Bảng phân tích, so sánh chi tiết các công nghệ pin (Pb-acid, NiCd, NiMH, Li-ion) và lý thuyết máy điện PMSM (SPMSM vs IPMSynM).
    • Chương 3 & 4: Quy trình toán học tính toán lực kéo dọc xe điện và cách liên kết các khối chức năng trong MATLAB - Simulink (Longitudinal Driver, FOC, Universal Bridge, PMSM, Vehicle Body) chạy theo chu trình FTP75.
    • Chương 5: Bản vẽ cơ khí 2D/3D và các bước công nghệ chế tạo khung gá thép C45 cho động cơ PMSM trên bàn thử nghiệm thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn mẫu xe và loại động cơ điện nào làm đối tượng tham chiếu và nghiên cứu chính?

Đề tài sử dụng thông số kỹ thuật của dòng xe hybrid thương mại Toyota Prius 2007 làm đối tượng tham chiếu cho các tính toán động lực học, và tập trung nghiên cứu chuyên sâu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), cụ thể là loại nam châm đặt chìm trong rô-to (IPMSynM).

2. Chiến lược điều khiển động cơ nào được lựa chọn để mô hình hóa trong hệ thống truyền động trên MATLAB - Simulink?

Đề tài lựa chọn chiến lược điều khiển định hướng từ trường (Field Oriented Control - FOC) để mô hình hóa bộ điều khiển động cơ PMSM. Chiến lược này được chọn thay vì Direct Torque Control (DTC) do FOC mang lại khả năng điều khiển tốc độ chính xác, vận hành êm ái ở dải tốc độ thấp, giảm dao động momen xoắn và hoạt động ổn định trên dải tốc độ rộng.

3. Chu trình thử nghiệm nào được sử dụng trong khối mô phỏng động lực học xe?

Nhóm tác giả sử dụng chu trình lái tiêu chuẩn FTP75 (Federal Test Procedure 75) làm tín hiệu đầu vào cho khối Drive Cycle Source trong Simulink để đánh giá khả năng bám vận tốc, sự biến thiên momen xoắn, dòng điện pha, điện áp dây và trạng thái sạc pin (SOC) của xe.

4. Khung gá động cơ trên bàn thử nghiệm được thiết kế bằng phần mềm nào và chế tạo bằng vật liệu gì?

Khung gá động cơ được thiết kế không gian 3 chiều và xuất bản vẽ kỹ thuật trên phần mềm CATIA. Vật liệu được lựa chọn để gia công chế tạo thực tế là thép kết cấu carbon C45, kết hợp với các đệm cao su giảm chấn (rubber damping parts) để triệt tiêu dao động cơ học khi động cơ vận hành.

5. Điểm khác biệt cốt lõi về momen xoắn giữa động cơ IPMSynM và SPMSM được tác giả chỉ ra là gì?

Ở động cơ SPMSM, nam châm đặt trên bề mặt rô-to nên khe hở không khí đồng đều ($L_d \approx L_q$), momen sinh ra hoàn toàn do từ thông của nam châm vĩnh cửu. Ở động cơ IPMSynM, nam châm đặt chìm trong lõi sắt rô-to khiến khe hở không khí không đồng đều ($L_d < L_q$), làm phát sinh thêm thành phần momen phản kháng (reluctance torque), giúp nâng cao tổng momen xoắn và mở rộng vùng suy giảm từ thông ở tốc độ cao.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Võ Thanh Bình và Nguyễn Chí Nguyên đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu về tính toán động lực học dọc cho ô tô điện và ứng dụng phần mềm MATLAB - Simulink để mô phỏng hệ thống truyền động sử dụng động cơ PMSM theo chu trình lái tiêu chuẩn FTP75. Bên cạnh kết quả mô phỏng số, đề tài đã thiết kế trên phần mềm CATIA và gia công chế tạo hoàn chỉnh sản phẩm cơ khí thực tế là bộ khung gá động cơ bằng thép C45 có đệm cao su giảm chấn, lắp đặt an toàn cho động cơ PMSM trên bàn thử nghiệm. Kết quả nghiên cứu thể hiện tính ứng dụng kỹ thuật cao, kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng kiểm nghiệm ảo và chế tạo cơ khí thực tế phục vụ trực tiếp cho hoạt động đào tạo chuyên ngành ô tô.