Tiểu luận mô phỏng xe Tesla Model 3 2020 sử dụng MATLAB Simulink

Khám phá tiểu luận mô phỏng xe Tesla Model 3 2020 bằng MATLAB Simulink, phân tích hiệu suất và công nghệ tiên tiến trong thiết kế xe điện.

• Tác giả: Phan Quốc Bảo
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Quang Trãi
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Mô Phỏng Xe Tesla Model 3 2020 Bằng MATLAB Simulink
• Loại tài liệu: đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
• PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
• PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục đích nghiên cứu
• 3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 5. Phương pháp nghiên cứu
• 5.1. Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết
• 5.2. Nghiên cứu trên cơ sở mô phỏng
• 5.3. Nghiên cứu dựa trên cơ sở thực tế
• 6. Ý nghĩa thực tiễn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nguồn gốc ra đời của xe sử dụng động cơ đốt trong
• 1.2. Vấn đề ô nhiễm và tiêu chuẩn khí thải
• 1.3. Xe điện là gì
• 1.4. Lịch sử phát triển của xe điện
• 1.5. Các kiểu xe điện
• 1.5.1. Battery Electric Vehicle
• 1.5.2. Hybrid electric vehicle
• 1.5.3. Plug – in hybrid electric vehicle
• 1.5.4. Fuel Cell Electric Vehicle
• 1.6. Tình hình phát triển xe điện ở thế giới và Việt Nam
• 1.6.1. Tình hình phát triển trên thế giới
• 1.6.2. Tình hình phát triển ở Việt Nam
• 1.7. Tìm hiểu về công ty Tesla
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các bộ phận chính
• 2.2. Kết cấu động học
• 2.3. Mạch cầu H - Bridge
• 2.4. Hệ thống phanh tái tạo
• 2.5. Tính toán động học
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
• 3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng
• 3.2. Các bước thực hiện
• 3.3. Các bước mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Mô hình hoàn thiện
• 4.2. Hệ thống Pin
• 4.3. Hệ thống Motor và điều khiển Motor
• 4.4. Hệ thống thân xe
• 4.5. Các đồ thị của mô phỏng
• 4.5.1. Đồ thị vận tốc đầu ra – tổng quãng đường đi được
• 4.5.2. Tốc độ motor đầu ra
• 4.5.3. Đồ thị trạng thái sạc
• 4.5.4. Đồ thị dòng điện và điện áp
• 4.5.5. Đồ thị tiêu hao năng lượng
• 4.5.6. Đồ thị công suất pin
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về xe điện

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, mô phỏng xe hơi trở thành một giải pháp quan trọng. Tesla Model 3 là một trong những mẫu xe điện tiên tiến nhất hiện nay. Việc nghiên cứu và mô phỏng động học của xe điện không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của nó mà còn hỗ trợ trong việc phát triển công nghệ ô tô. MATLAB và Simulink là hai công cụ mạnh mẽ cho việc mô phỏng và phân tích hệ thống. Chúng cho phép người dùng xây dựng mô hình động học của xe, từ đó phân tích hiệu suất và tối ưu hóa thiết kế. Việc sử dụng MATLAB và Simulink trong mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán hành vi của xe trong các điều kiện khác nhau.

1.1. Lịch sử phát triển xe điện

Xe điện đã có lịch sử phát triển lâu dài, bắt đầu từ những năm 1800. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của xe điện chỉ diễn ra trong những năm gần đây, nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ pin và động cơ điện. Tesla đã đóng góp lớn vào sự phát triển này với các mẫu xe như Model 3. Mô hình này không chỉ nổi bật về hiệu suất mà còn về tính năng an toàn và tiện nghi. Việc mô phỏng hệ thống của xe điện giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các bộ phận như pin, động cơ và hệ thống điều khiển. Điều này rất quan trọng trong việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến hiệu suất của xe điện.

II. Cơ sở lý thuyết

Để thực hiện mô phỏng động lực học, cần hiểu rõ các bộ phận chính của xe điện. Các bộ phận này bao gồm hệ thống pin, motor và hệ thống điều khiển. Mỗi bộ phận có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và an toàn cho xe. Hệ thống pin cung cấp năng lượng cho motor, trong khi hệ thống điều khiển quản lý hoạt động của các bộ phận này. Việc phân tích và mô phỏng hệ thống giúp xác định các thông số kỹ thuật cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất. Sử dụng MATLAB và Simulink, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các mô hình mô phỏng chính xác, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến cho thiết kế xe điện.

2.1. Các bộ phận chính của xe điện

Mỗi bộ phận trong xe điện đều có chức năng riêng biệt. Motor là bộ phận chính chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Hệ thống pin lưu trữ năng lượng và cung cấp cho motor khi cần thiết. Hệ thống điều khiển giúp điều chỉnh hoạt động của motor và quản lý năng lượng từ hệ thống pin. Việc hiểu rõ chức năng của từng bộ phận là rất quan trọng trong việc mô phỏng hệ thống. Các mô hình mô phỏng cho phép phân tích hiệu suất của từng bộ phận, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của xe mà còn nâng cao độ tin cậy và an toàn cho người sử dụng.

III. Thiết kế và mô phỏng

Quá trình thiết kế và mô phỏng xe điện bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần xác định các thông số kỹ thuật của Tesla Model 3. Sau đó, sử dụng MATLAB và Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng. Các khối mô phỏng được kết nối với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Việc này giúp phân tích và đánh giá hiệu suất của xe trong các điều kiện khác nhau. Các kết quả thu được từ mô phỏng sẽ được so sánh với dữ liệu thực tế để đánh giá độ chính xác của mô hình. Điều này rất quan trọng trong việc phát triển các công nghệ mới cho xe điện.

3.1. Các bước thực hiện mô phỏng

Các bước thực hiện mô phỏng bao gồm việc xác định các thông số đầu vào, xây dựng mô hình trong Simulink, và chạy mô phỏng để thu thập dữ liệu. Sau khi hoàn thành mô hình, cần phân tích các kết quả thu được để đánh giá hiệu suất của xe. Việc này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của xe mà còn hỗ trợ trong việc phát triển các giải pháp cải tiến. Các đồ thị và số liệu thu được từ mô phỏng sẽ được sử dụng để so sánh với dữ liệu thực tế, từ đó đưa ra các nhận xét và kết luận về hiệu suất của Tesla Model 3.

IV. Kết quả mô phỏng

Kết quả từ quá trình mô phỏng cho thấy hiệu suất của Tesla Model 3 trong các điều kiện khác nhau. Các đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ, quãng đường và tiêu thụ năng lượng. Việc phân tích các kết quả này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của xe. Các thông số như tốc độ, trọng tải và điều kiện thời tiết đều có tác động lớn đến hiệu suất hoạt động của xe. Kết quả từ mô phỏng không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn hỗ trợ trong việc phát triển các công nghệ mới cho xe điện.

4.1. Đánh giá kết quả mô phỏng

Đánh giá kết quả mô phỏng cho thấy rằng Tesla Model 3 có hiệu suất vượt trội so với các mẫu xe điện khác. Các đồ thị cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ và tiêu thụ năng lượng, cho thấy rằng xe có khả năng tiết kiệm năng lượng tốt. Việc so sánh giữa mô hình mô phỏng và dữ liệu thực tế cho thấy độ chính xác cao, cho phép các nhà nghiên cứu đưa ra các giải pháp cải tiến cho thiết kế. Kết quả này không chỉ có giá trị trong việc phát triển công nghệ xe điện mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô thế giới đã trải qua hơn một thế kỷ rưỡi phát triển kể từ khi động cơ đốt trong thương mại đầu tiên sử dụng nhiên liệu lỏng được phát minh vào năm 1860. Tuy nhiên, sự phụ thuộc kéo dài vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đã dẫn đến việc phát thải khối lượng lớn các hợp chất nguy hại như $\text{CO}_2$, $\text{NO}_x$, $\text{NO}_2$ và $\text{HC}$. Đây là những tác nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính và làm suy giảm chất lượng môi trường sống toàn cầu. Trước sức ép môi trường, các tiêu chuẩn khí thải quốc tế ngày càng thắt chặt, từ tiêu chuẩn Euro 1 (ban hành năm 1992) đến Euro 6. Tại Việt Nam, quy định hiện hành bắt buộc áp dụng tiêu chuẩn khí thải từ mức Euro 5 trở lên đối với ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới. Xu thế này thúc đẩy các nhà sản xuất xe chuyển dịch chiến lược sang các nguồn năng lượng sạch, trong đó xe thuần điện (Battery Electric Vehicle - BEV) được đánh giá là giải pháp cốt lõi cho tương lai của giao thông đường bộ.

Đồ án môn học chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh lựa chọn đối tượng nghiên cứu thực tế là dòng xe thuần điện Tesla Model 3 phiên bản 2020. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán mô phỏng hệ thống truyền động điện, phân tích nguyên lý làm việc của các phân hệ chính và khảo sát đặc tính vận hành thông qua công cụ mô phỏng chuyên ngành.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo 4 nội dung cụ thể:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cấu tạo, phân tích và mô phỏng hệ thống của xe thuần điện;
2. Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống truyền động của xe bằng phần mềm Matlab – Simulink;
3. Phân tích các đồ thị thực nghiệm thu được từ quá trình mô phỏng các chế độ hoạt động;
4. Ghi nhận, đối chiếu kết quả mô phỏng với dữ liệu kỹ thuật thực tế để đánh giá đặc tính làm việc của xe.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án bao gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Mẫu xe thuần điện Tesla Model 3 đời 2020; các cụm chi tiết chính gồm bộ pin năng lượng Lithium-ion, động cơ điện (Motor), mạch nghịch lưu cầu H (H-Bridge), bộ điều khiển điều biến độ rộng xung (PWM), hệ thống phanh tái tạo năng lượng (Regenerative Braking) cùng hệ thống động lực học thân xe và lốp xe.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi phân tích động lực học dọc của xe, mô hình hóa các dòng truyền năng lượng điện - cơ và khảo sát các đáp ứng vận tốc, quãng đường, trạng thái phóng/nạp của pin theo chu trình lái định sẵn trên môi trường Matlab – Simulink R2020/Simscape.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thiết lập dựa trên nền tảng lý thuyết động lực học ô tô và lý thuyết điều khiển truyền động điện:

• Khung lý thuyết phân loại phương tiện điện: Khảo sát toàn diện 4 cấu trúc phương tiện giao thông điện hóa gồm: xe thuần điện chạy pin (BEV), xe lai điện (HEV), xe lai sạc ngoài (PHEV) và xe điện pin nhiên liệu (FCEV - phản ứng hóa học $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$).
• Lý thuyết điều khiển công suất và động cơ: Mô hình mạch biến đổi công suất cầu H (H-Bridge) kết hợp thuật toán điều biến độ rộng xung (Pulse-Width Modulation - PWM) nhằm kiểm soát điện áp cấp vào phần ứng của motor, cho phép điều khiển tốc độ và đảo chiều quay linh hoạt.
• Lý thuyết phanh tái tạo năng lượng: Cơ chế chuyển đổi năng lượng trong giai đoạn giảm tốc hoặc xuống dốc, khi động cơ điện đóng vai trò như một máy phát điện để nạp ngược dòng năng lượng về khối pin Lithium-ion.
• Lý thuyết động lực học chuyển động ô tô: Phương trình cân bằng lực kéo tiếp tuyến, lực cản lăn của lốp xe, lực cản không khí, lực cản leo dốc và lực cản quán tính khi xe gia tốc trên các điều kiện đường sá khác nhau.
• Lý thuyết điều khiển vòng kín: Sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI/PID với hai thông số $K_p$ và $K_i$) trong khối điều khiển người lái (Driver Controller) để bám sát quỹ đạo tốc độ yêu cầu.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, thiết kế hệ thống mô phỏng và kiểm chứng dữ liệu:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Phân tích nguyên lý vật lý, lập sơ đồ dòng năng lượng và thiết lập các công thức toán học mô tả từng phần tử trong hệ thống xe điện.
• Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm: Sử dụng thư viện Simscape và Simulink trong Matlab để lập trình khối, thiết lập mối liên kết giữa các tín hiệu điều khiển và các đường truyền năng lượng vật lý (Physical Signals), ứng dụng khối giải thuật Powergui để giải hệ phương trình vi phân phi tuyến trạng thái.
• Phương pháp đối chiếu thực nghiệm: Nhập bộ thông số kích thước, khối lượng, dung lượng pin và công suất động cơ của mẫu xe Tesla Model 3 2020 vào mô hình mô phỏng; cho chạy thử nghiệm trên chu trình lái tiêu chuẩn để trích xuất đồ thị và đối sánh đặc tính làm việc.

---

Thiết kế và xây dựng mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng hệ thống xe thuần điện Tesla Model 3 được thiết kế dạng khối hoàn chỉnh trên nền tảng Matlab – Simulink, bao gồm các hệ thống con (subsystem) được ghép nối chặt chẽ theo cấu trúc dòng công suất và dòng điều khiển:

Thành phần khối	Chức năng kỹ thuật trong mô hình Simulink
Khối Chu trình lái (Drive Cycle)	Phát tín hiệu vận tốc chuẩn theo thời gian thực để làm giá trị đặt cho hệ thống điều khiển.
Khối Người lái (Driver Block)	Ứng dụng bộ điều khiển PI ($K_p, K_i$) so sánh vận tốc đặt và vận tốc phản hồi thực tế để xuất tín hiệu ga (Acceleration) và phanh (Deceleration).
Khối Điều khiển điện áp PWM	Chuyển đổi mức tín hiệu analog từ bộ điều khiển thành chuỗi xung vuông có chu kỳ nhiệm vụ biến đổi nhằm điều khiển đóng/ngắt van bán dẫn.
Khối Mạch cầu H (H-Bridge)	Khối công suất điều khiển cấp điện áp từ pin sang động cơ theo cả 2 chiều quay, đồng thời mở đường dẫn dòng điện phanh tái tạo nạp ngược về pin.
Khối Động cơ điện (Motor Block)	Mô hình hóa đặc tính cơ học và điện học của động cơ điện, chuyển đổi điện năng từ cầu H thành moment quay và tốc độ góc trên trục sơ cấp.
Khối Pin (Battery Block)	Mô phỏng bộ pin tích trữ Lithium-ion, tính toán điện áp tức thời, dòng phóng nạp và mức độ sụt giảm trạng thái dung lượng sạc (SOC).
Khối Thân xe & Lốp (Vehicle Body & Tires)	Mô phỏng khối lượng toàn tải, diện tích cản gió, bán kính làm việc của bánh xe, phản lực tiếp xúc mặt đường và lực cản chuyển động khi lên dốc.
Khối Giải thuật Powergui & Tín hiệu vật lý	Quản lý phương pháp giải tích phân số, chuyển đổi qua lại giữa tín hiệu điều khiển Simulink tiêu chuẩn và cổng tín hiệu Simscape vật lý.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 khái quát toàn bộ lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ ô tô từ động cơ đốt trong (ICE) đến các dòng xe điện hiện đại. Văn bản trình bày các mốc thời gian quan trọng:

• Năm 1860: Jean Joseph Etienne Lenoir chế tạo động cơ 2 kỳ chạy bằng nhựa thông;
• Năm 1872: Nicolaus August Otto phát triển thành công động cơ đốt trong 4 kỳ theo nguyên lý nạp – nén – nổ – xả của Alphonse Beau de Rochas;
• Năm 1859: Gaston Planté phát minh ra pin sạc lưu trữ điện năng;
• Năm 1880: Gustave Trouvé cùng hãng công nghệ Siemens tích hợp động cơ và pin lên xe 3 bánh của James Starley;
• Năm 1884: Thomas Parker chế tạo chiếc ô tô điện hoàn chỉnh đầu tiên tại Wolverhampton, Anh;
• Năm 1890 – 1891: William Morrison phát triển ô tô điện 6 chỗ tại Mỹ đạt tốc độ 23 km/h;
• Năm 1899: Chiếc xe điện hình tên lửa Jamais Contente do Camille Jenatzy điều khiển lập kỷ lục thế giới với vận tốc 105,88 km/h.

Chương này cũng phân loại chi tiết và so sánh ưu, nhược điểm của 4 cấu trúc xe điện hiện nay:

Kiểu xe điện	Nguồn động lực chính	Ưu điểm cốt lõi	Nhược điểm chính
BEV (Xe thuần điện)	Bộ pin dung lượng lớn & động cơ điện	Không phát thải khí quyển, vận hành êm ái, moment xoắn khởi động lớn, tích hợp tính năng tự hành.	Chi phí sản xuất cao, mạng lưới trạm sạc hạn chế, nguy cơ an toàn điện áp cao khi sửa chữa.
HEV (Xe lai điện)	Động cơ đốt trong kết hợp động cơ điện	Tiết kiệm nhiên liệu hơn ICE truyền thống, tự sạc qua phanh tái tạo, không cần cắm sạc ngoài.	Kết cấu phức tạp, chi phí bảo dưỡng cao hơn xe xăng truyền thống, vẫn phát thải khí nhà kính.
PHEV (Xe lai nạp ngoài)	Động cơ đốt trong, motor và pin cỡ vừa	Dung lượng pin lớn hơn HEV, đi được quãng đường điện thuần dài hơn, cho phép cắm sạc ngoài.	Trọng lượng xe tăng do mang cả 2 hệ thống, chiếm nhiều không gian bố trí linh kiện.
FCEV (Xe pin nhiên liệu)	Khí Hydro ($H_2$) và Oxy ($O_2$) qua pin nhiên liệu	Khí thải duy nhất là nước ($H_2O$), thời gian nạp nhiên liệu nhanh, thân thiện tuyệt đối với môi trường.	Cơ sở hạ tầng phân phối Hydro khan hiếm, chi phí sản xuất và lưu trữ khí Hydro nén rất cao.

Chương 1 kết thúc bằng việc đánh giá hiện trạng phát triển xe điện tại Việt Nam (với sự tham gia của hãng xe VinFast) và giới thiệu quá trình vươn lên của tập đoàn Tesla trên thị trường quốc tế.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 đi sâu vào cấu trúc phần cứng và các công thức toán học mô tả động lực học của xe điện:

• Cấu tạo cụm chi tiết: Phân tích cấu trúc khối pin Lithium-ion của Tesla (với mật độ năng lượng cao) và cấu tạo động cơ điện truyền động trực tiếp đến các bánh công tác.
• Mạch cầu H (H-Bridge) và điều khiển PWM: Phân tích nguyên lý đóng mở các van bán dẫn trong mạch cầu chữ H để biến đổi dòng một chiều (DC) thành các mức điện áp điều khiển tương đương, dựa trên chu kỳ phát xung của tín hiệu PWM.
• Hệ thống phanh tái tạo (Regenerative Braking): Làm rõ nguyên lý chuyển đổi động năng dư thừa của xe khi giảm tốc độ hoặc đổ đèo thành điện năng để nạp ngược lại pin, giúp kéo dài tuổi thọ của cụm cơ cấu phanh ma sát truyền thống và nâng cao hiệu suất năng lượng toàn xe.
• Tính toán động lực học: Thiết lập sơ đồ véc-tơ các lực và moment tác dụng lên trọng tâm xe khi leo dốc, bao gồm: lực cản lăn $F_f$, lực cản không khí $F_w$, lực cản dốc $F_\alpha$ và lực quán tính $F_j$. Đồng thời, xác định các thông số hình học và cơ lý của lốp xe ảnh hưởng đến lực bám mặt đường.

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình xây dựng mô hình mô phỏng trên nền tảng Matlab – Simulink của tập đoàn MathWorks:

• Lập sơ đồ cấu tạo và sơ đồ khối chức năng của xe thuần điện;
• Xây dựng từng khối chức năng riêng biệt: Khối Pin, Khối Motor, Khối Cầu chữ H, Khối Điều khiển điện áp PWM, Khối Thân xe, Khối Lốp xe;
• Thiết lập thông số điều khiển cho khối người lái thông qua giải thuật điều khiển tự động với hai hệ số khuếch đại tỷ lệ và tích phân ($K_p, K_i$);
• Cấu hình khối chu trình lái tham chiếu (Drive Cycle) để tạo ra đồ thị vận tốc mong muốn theo thời gian;
• Tích hợp khối kết thúc tín hiệu vật lý (Solver Configuration / Physical Signals) và khối giải thuật Powergui nhằm đảm bảo hệ thống phương trình trạng thái hội tụ ổn định trong suốt chu kỳ tính toán.

Chương 4: Kết quả mô phỏng

Chương 4 hoàn thiện mô hình tích hợp và trích xuất các đồ thị kết quả mô phỏng để phân tích hoạt động của hệ thống xe Tesla Model 3:

• Đồ thị vận tốc đầu ra và tổng quãng đường: Đồ thị vận tốc thực tế của mô hình bám khít với đường cong vận tốc yêu cầu của chu trình lái đặt trước, chứng minh bộ điều khiển PI hoạt động chính xác; đồ thị tổng quãng đường tích lũy tăng đều đặn theo thời gian mô phỏng.
• Đồ thị tốc độ motor đầu ra: Đáp ứng tốc độ góc của trục động cơ điện biến thiên đồng pha với sự thay đổi vận tốc của thân xe và tỷ số truyền cầu sau.
• Đồ thị trạng thái sạc (State of Charge - SOC): Mức dung lượng pin (%) giảm dần theo quá trình phát công suất kéo tải; tại các thời điểm xe phanh giảm tốc độ, đồ thị SOC có các đoạn nhích tăng nhẹ cục bộ nhờ dòng năng lượng hồi tiếp từ hệ thống phanh tái tạo.
• Đồ thị cường độ dòng điện và điện áp: Điện áp của cụm pin duy trì ổn định, dòng điện tức thời đạt cực đại khi xe tăng tốc đột ngột và đổi chiều âm trong quá trình phanh tái tạo.
• Đồ thị công suất và tiêu hao năng lượng: Phân tích tương quan giữa công suất pin phát ra, công suất tiêu thụ tại động cơ và đường cong tiêu hao năng lượng tổng thể của xe trên toàn bộ chu trình lái.

---

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra thông qua các kết quả cụ thể:

• Thiết lập thành công mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho xe thuần điện Tesla Model 3 2020 trên công cụ Matlab – Simulink, mô hình hóa chính xác sự ghép nối giữa mạch điều khiển tín hiệu số và hệ thống động lực cơ - điện vật lý.
• Kiểm chứng khả năng bám quỹ đạo vận tốc của bộ điều khiển người lái ($K_p, K_i$) khi điều khiển khối phát xung PWM và mạch cầu H, giúp xe vận hành mượt mà qua các giai đoạn tăng tốc, duy trì vận tốc ổn định và phanh giảm tốc.
• Phân tích và minh chứng trực quan hiệu quả của hệ thống phanh tái tạo năng lượng: đồ thị cường độ dòng điện đổi chiều và trạng thái SOC nạp ngược lại pin trong quá trình xe giảm tốc, khẳng định tính đúng đắn của nguyên lý hồi phục động năng trên xe điện.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu mô phỏng đồng bộ về biến thiên dòng điện, điện áp, tốc độ vòng quay motor và mức tiêu hao năng lượng phục vụ công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu thực nghiệm tại Khoa Cơ khí Động lực.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong văn bản, đồ án tồn tại một số điểm giới hạn và hướng phát triển tiếp theo:

• Hạn chế: Mô hình mô phỏng được xây dựng trong điều kiện vận hành chuẩn hóa trên phần mềm, chưa tính toán đầy đủ các yếu tố phi tuyến phức tạp trong thực tế như sự dao động nhiệt độ môi trường bên ngoài làm ảnh hưởng đến dung lượng pin Lithium-ion, điện năng tiêu hao cho hệ thống điều hòa không khí cabin (HVAC), cũng như các điều kiện mặt đường có độ trượt và độ dốc thay đổi liên tục.
• Hướng mở rộng: Bổ sung mô hình nhiệt độ cho khối pin và động cơ; tối ưu hóa các thông số $K_p, K_i$ bằng các thuật toán điều khiển hiện đại (điều khiển mờ, giải thuật di truyền); mở rộng mô phỏng trên các chu trình lái thực tế đa dạng và tiến hành đối chiếu trực tiếp với dữ liệu chạy thử thực tế của xe Tesla Model 3 tại xưởng thực hành.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án môn học này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn thiết thực:

• Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa quan tâm đến phương pháp mô phỏng hệ thống ô tô điện.
• Nội dung giá trị nhất: Quy trình thiết lập từng khối chức năng trên Simulink/Simscape (khối Pin, Motor, cầu H, điều khiển PWM, thân xe) và phương pháp kết nối dữ liệu giữa các cổng tín hiệu vật lý; các đồ thị phân tích trạng thái sạc SOC, đặc tính hồi tiếp năng lượng khi phanh và tiêu hao công suất của xe thuần điện.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án lựa chọn mẫu xe nào làm đối tượng nghiên cứu và vì sao?
Đồ án lựa chọn mẫu xe thuần điện Tesla Model 3 đời 2020. Đây là mẫu xe điện tiêu biểu hàng đầu thế giới về công nghệ pin và động cơ điện, đồng thời là phương tiện thực tế đã được Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trang bị để phục vụ công tác đào tạo, nghiên cứu của sinh viên.

2. Mạch cầu H (H-Bridge) và khối điều chế PWM giữ vai trò gì trong mô hình mô phỏng?
Khối điều chế độ rộng xung (PWM) có nhiệm vụ tạo ra chuỗi xung vuông để điều khiển góc mở các van công suất, từ đó kiểm soát mức điện áp cấp cho động cơ. Mạch cầu H nhận tín hiệu này để điều chỉnh điện áp phần ứng, cho phép xe chạy tiến, chạy lùi linh hoạt và đóng vai trò cầu nối chuyển mạch nạp dòng điện về pin khi phanh tái sinh.

3. Hiện tượng phanh tái tạo năng lượng được thể hiện như thế nào trên các đồ thị mô phỏng ở Chương 4?
Khi xe giảm tốc độ, động cơ chuyển sang chế độ máy phát. Trên đồ thị mô phỏng, dòng điện đổi dấu (giá trị âm) và đồ thị trạng thái sạc (SOC) của pin xuất hiện các đoạn dốc tăng nhẹ, thể hiện việc năng lượng cơ học đã được thu hồi và chuyển hóa thành điện tích nạp ngược vào bộ pin.

4. Bốn cấu trúc xe điện chính được hệ thống hóa trong đồ án là những loại nào?
Bốn cấu trúc xe điện được phân tích gồm: Xe thuần điện chạy pin (BEV - Battery Electric Vehicle), Xe lai điện (HEV - Hybrid Electric Vehicle), Xe lai sạc ngoài (PHEV - Plug-in Hybrid Electric Vehicle) và Xe điện pin nhiên liệu Hydro (FCEV - Fuel Cell Electric Vehicle).

5. Khối điều khiển người lái (Driver Controller) sử dụng giải thuật gì để bám theo chu trình lái?
Khối điều khiển người lái ứng dụng thuật toán điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) với việc tinh chỉnh hai thông số $K_p$ và $K_i$, liên tục so sánh sai lệch giữa vận tốc yêu cầu từ chu trình lái (Drive Cycle) và vận tốc phản hồi thực tế của thân xe để xuất tín hiệu tăng ga hoặc đạp phanh phù hợp.

---

Kết luận

Đồ án môn học "Mô phỏng xe Tesla Model 3 2020 bằng Matlab – Simulink" đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về xe thuần điện, từ lịch sử phát triển, các cấu trúc phương tiện điện hóa đến nguyên lý hoạt động của cụm pin, động cơ và mạch công suất điều khiển. Thông qua việc thiết kế và liên kết thành công các khối chức năng trên nền tảng Matlab – Simulink, nhóm tác giả đã mô phỏng trực quan và chính xác các đặc tính động lực học, biến thiên dòng điện, điện áp, trạng thái sạc pin và hiệu quả thu hồi năng lượng của phanh tái sinh. Công trình là tài liệu học thuật hữu ích, cung cấp quy trình mô hình hóa hệ thống truyền động điện chi tiết, làm nền tảng kỹ thuật vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu và đồ án tốt nghiệp tiếp theo trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. Nguồn gốc ra đời của xe sử dụng động cơ đốt trong. Vấn đề ô nhiễm và tiêu chuẩn khí 0 3. Xe điện là gì.

Xe điện là gì. Lịch sử phát triển của xe điện. Các kiểu xe điện.1 Battery Electric Vehicle.2 Hybrid electric vehicle.3 Plug – in hybrid electric vehicle.4 Fuel Cell Electric Vehicle. Tình hình phát triển xe điện ở thế giới và Việt Nam.1 Tình hình phát triển trên thế giới.2 Tình hình phát triển ở Việt Nam.

Tìm hiểu về công ty Tesla.11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Các bộ phận chính. Kết cấu động học.2 Mạch cầu H - Bridge.4 Hệ thống phanh tái tạo.6 Tính toán động học.19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG. Giới thiệu phần mềm mô phỏng.

Các bước thực hiện. Các bước mô phỏng.26 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. Mô hình hoàn thiện. Hệ thống Pin.2 Hệ thống Motor và điều khiển Motor.3 Hệ thống thân xe.

Các đồ thị của mô phỏng.1 Đồ thị vận tốc đầu ra – tổng quãng đường đi được.2 Tốc độ motor đầu ra.3 Đồ thị trạng thái sạc.4 Đồ thị dòng điện và điện áp.5 Đồ thị tiêu hao năng lượng.6 Đồ thị công suất pin. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO.51 0 0 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa ICE Internal Combustion Engine BEV Battery Electric Vehicle HEV Hybird Electric Vehicle PHEV Plug – in Hybrid Electric Vehicle FCEV Fuel Cell Electric Vehicle DC Direct Current AC Alternating Current PWM Pulse - width modulation 0 0 0 0 DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1. 2: Toyota Corolla Cross Hybrid. 3: Mitsubishi Outlander Plug – in.

4: Toyota Mirai 2021 Fuel Cell 1 Hình 2. 1: Mô hình hoạt động của motor. 2: Motor của Tesla model 3. 3: Pin của xe Tesla.

4: Đồ thị xung dạng PWM. 5: Khối cầu chữ H. 6: Sơ đồ các lực và moment khi xe lên dốc. 7: Thông số lốp xe 2 Hình 3.

1: Tập đoàn Mathworks. 2: Phần mềm tính toán và lập trình Matlab. 3: Phần mềm mô phỏng Simulink. 4: Mô hình cấu tạo của xe thuần điện.

5: Sơ đồ khối xe thuần điện. 6: Mô hình khối pin trong Matlab - Simunlink. 7: Sơ đồ khối pin trong Matlab. 8: Các thông số giá trị của khối pin.

9: Sơ đồ và mô phỏng khối motor trong Matlab. 10: Các thông số giá trị của khối motor. 11: Mô hình khối cầu chữ H trong Matlab – Simulink. 12: Giá trị thông số của khối cầu chữ H.

13: Khối điều khiển điện áp PWM. 14: Khối điều khiển PWM. 15: Mô hình khối thân xe. 16: Giá trị khối thân xe.

17: Mô hình và giá trị khối lốp xe. 18: Khối kết thúc tín hiệu vật lý. 19: Khối giải thuật. 20: Khối điều khiển điều kiện lái và giá trị của khối.

21: Giá trị của Kp, Ki. 22: Mô hình và giá trị khối chu trình lái. 23: Khối Powergui và giá trị của khối 3 Hình 4. 1: Mô hình hệ thống xe điện trên Matlab – Simulink.

2: Mô hình hệ thống pin. 3: Mô hình mô phỏng hệ thống Motor. 4: Mô hình mô phỏng hệ thống thân xe. 5: Đồ thị vận tốc đầu ra giữa vận tốc đầu ra và chu trình lái.

6: Đồ thị quãng đường đi được. 7: Đồ thị tốc độ đầu ra của motor. 8: Đồ thị trạng thái sạc của xe điện. 9: Đồ thị cường độ dòng điện.

11: Đồ thị tiêu hao nhiên liệu. 12: Đồ thị tổng lượng tiêu hao công suất. 13: Đồ thị công suất pin. 14: Đồ thị tiêu hao công suất.49 xvi 0 0 MỞ ĐẦU 1.

Tính cấp thiết của đề tài Trong thời đại hiện nay, ngành công nghiệp oto đã quá phát triển, từ những chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống được phát minh lần đầu vào năm 1860. Qua hàng hàng trăm năm phát triển, nghiên cứu và sản xuất ra rất nhiều chiếc xe có công nghệ vượt bậc, những chiếc xe đáp ứng tiện nghi vô cùng hiện đại cũng như những chiếc xe với tốc độ đáng kinh ngạc. Nhưng ai cũng có thể thấy rằng, đa số các chiếc xe oto hiện nay đa phần sử dụng động cơ đốt trong với nguồn nhiên liệu hóa thạch, mà trong quá trình động cơ hoạt động, chính nhiên liệu hóa thạch đó được chuyển đổi và thải ra các khí như CO2, NOx hay HC, chúng là những nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm nhà kính, gây ảnh hưởng tồi tệ đến môi trường sống của bản thân mỗi chúng ta. Việc hạn chế giảm thiểu các chất độc hại nguy hiểm đó hiện nay là vấn đề nóng bỏng của toàn bộ các quốc gia trên thế giới, việc đề ra các tiêu chuẩn khí thải cũng chưa thực sự đạt được giá trị như mong đợi.

Tìm ra những nguồn nhiên liệu mới thân thiện với môi trường đang là xu hướng hàng đầu trong việc sản xuất của các hãng xe hiện nay, từ đó, những chiếc xe sử dụng nhiên 0liệu sạch 0 được ra đời. Các dòng xe thân thiện từng được nghiên cứu và phát triển như xe sử dụng nhiên liệu sinh học, xe lai hay còn gọi là xe hybrid, xe sử dụng pin nhiên liệu, và dòng xe được nghiên cứu nhiều nhất là xe điện. Xe điện có thể là nguồn năng lượng chính cho các phương tiện vận chuyển sau này, và đi đầu trong lĩnh vực xe điện phải nhắc đến dòng xe Tesla do tập đoàn Tesla sản xuất. Để tìm hiểu cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của xe điện, đó là lí do vì sao nhóm em chọn đề tài xe điện để nghiên cứu trong đồ án môn học lần này, cụ thể chiếc xe nhóm em tìm hiểu và đánh giá là xe Tesla Model 3 đời 2020.

Mục đích nghiên cứu Xe điện là dòng xe được nghiên cứu và phát triển nhiều trong giai đoạn hiện nay, để có thể đưa những phiên bản tối ưu nhất. Cùng với đó, qua bài nghiên cứu này, có thể hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của dòng xe này như thế nào, các kiểu tổ hợp của xe, các bộ phận quan trọng có trong xe như motor, pin và các bộ phần khác, công nghệ hiện đại ở mẫu xe này, cũng như tìm ra những hạn chế vẫn còn trên xe. Nhiệm vụ nghiên cứu - Vấn đề ô nhiễm khí thải hiện nay xvii 0 0 - Tìm hiểu cấu tạo của xe điện, thông số cơ bản của Tesla Model 3 2020 - Phân tích các khối mô phỏng có trong xe điện - Sử dụng Matlab – Simulink để mô phỏng các khối hoạt đông của xe điện - Phân tích các đồ thị sau khi đưa vào Matlab – Simulink - Đánh giá và rút ra kết luận 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Thương hiệu xe điện Tesla đã quá quen thuộc hiện nay, những dòng xe điện của hãng luôn đi đầu trong công nghệ về pin và motor.

Do đó, nhóm lựa chọn dòng xe điện Tesla model 3 đời 2020 để nghiên cứu và phát triển, chiếc xe này cũng được trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh mang về cho sinh viên nghiên cứu và tìm hiểu. Ngoài ra, đối tượng nghiên cứu của nhóm còn pin Lithium Ion - loại pin được sử dụng trong hầu hết các dòng xe điện do tính tiện lợi và khả năng sử dụng của chúng, motor được sử dụng các dòng xe điện là nguồn truyền lực chính của xe. Từ đó đưa ra phân tích, so sánh và kết luận. Hiện nay, xe điện thường có phạm vi hoạt động trong mỗi lần sạc ngắn hơn so với các phương tiện thông thường tương đương cho mỗi lần cung cấp đầy nhiên liệu.

Hiệu quả và phạm vi lái xe của xe điện thay đổi đáng kể tùy vào điều kiện vận hành xe. Nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao từ bên ngoài có xu hướng giảm phạm vi vì chúng phải sử dụng nhiều điện năng hơn để điều chỉnh nhiệt độ của cabin. Tốc độ xe cao sẽ làm phạm vi hoạt động giảm, vì năng lượng cần thiết để vượt qua lực cản so với chạy nhanh dần đều, tăng tốc đột ngột làm giảm phạm vi. Tải nặng hoặc tăng độ nghiêng cũng làm giảm phạm vi hoạt động của động cơ điện.

Phương pháp nghiên cứu 5.1 Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết Mỗi khối trong xe điện đều có một chức năng và các công thức khác nhau, để có thể 0 các0 khối mô phỏng trong nó, nguyên lý hoạt động phân tích được chiếc xe, cần hiểu được của khối, khi đó, hiểu được các khối thì ta thể phân tích được chiếc xe.2 Nghiên cứu trên cơ sở mô phỏng Sau khi hiểu được các khối có trong mô phỏng, ta mô phỏng từng khối trong Matlab – Simulink, kết nối các khối lại với nhau và xác định được đâu là thiết kế tối ưu, ưu nhược điểm của kiểu thiết đó, tại sao trên các dòng xe thực tế người ta lại sử dụng kiểu xviii thiết kế này. Sau khi đã nắm được ta0 đưa 0số liệu số liệu thức tế của Tesla Model 3 và so sánh các đồ thị giữa xe mô phỏng và xe thực tế.3 Nghiên cứu dựa trên cơ sở thực tế Sau khi đã có được mô hình mô phỏng và các đồ thị của mô phỏng, ta nhập các giá trị của xe Tesla Model 3 vào sau đó nhận xét. Đánh giá và chỉ ra các điểm giống nhau trong từng đồ thị, các điểm khác nhau và đánh giá đâu là tối ưu hay chưa tối ưu. Cuối cùng đánh giá và nêu lên kết luận.

Ý nghĩa thực tiễn Mục đích chính của bài báo cáo này là tìm hiểu quy trình hoạt động của xe điện, các bộ phần cần thiết trong xe điện, tại sao xe điện lại có những thành phần đó. Thông qua bài báo cáo đưa ra được kết luận gì, từ đó phân tích những điểm sai sót trong quá trình thiết kế của nhóm. Rút ra được bài học sau quá trình nghiên cứu, từ đó hỗ trợ cho đồ án tốt nghiệp sau này. Cấu trúc Cầu trúc phần báo cáo này gồm 4 phần: - Phần 1: Tổng quan về xe điện - Phần 2: Cơ sở lý thuyết về xe điện - Phân 3: Thiết kế và mô phỏng - Phần 4: Kết quả mô phỏng xix 0 0 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

Nguồn gốc ra đời của xe sử dụng động cơ đốt trong Người đưa ra nền móng trong việc xe oto sử dụng nhiên liệu động cơ đốt trong là một kỹ sư người Pháp tên là Jean Joseph Etienne Lenoir. Vào năm 1860, chiếc xe của ông mang trên mình động cơ hai kỳ với nhiên liệu được sử dụng là nhựa thông, đây là chiếc xe sử dụng nhiên liệu lỏng đầu tiên về mặt thương mại trên thế giới. Cho đến năm 1872, Nicolaus August Otto, kỹ sư người Đức dựa vào những phát minh trước chế tạo nên một chiếc xe có động cơ hiệu quả hơn và cuối cùng ông đã thành công trong việc sử dụng động cơ bốn kỳ.