Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khủng hoảng môi trường toàn cầu do khí thải giao thông (đặc biệt là khí $\text{CO}_2$ gây hiệu ứng nhà kính) và tình trạng ô nhiễm tiếng ồn từ các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong đang thúc đẩy quá trình chuyển dịch năng lượng trong ngành công nghiệp ô tô. Cùng với dự báo nguồn nhiên liệu hóa thạch (xăng và dầu diesel) có thể cạn kiệt trong khoảng 30 năm tới, ô tô điện (EV) trở thành xu thế tất yếu. Tuy nhiên, sự phổ biến của xe điện hiện vẫn gặp các rào cản kỹ thuật và kinh tế, bao gồm hiệu suất lưu trữ của bộ pin, phạm vi di chuyển sau mỗi lần sạc và chi phí sản xuất còn cao so với xe truyền thống. Việc nghiên cứu và mô phỏng hệ thống truyền động điện là phương pháp kỹ thuật giúp phân tích, đánh giá và tối ưu hóa các đặc tính vận hành mà không tốn kém chi phí thử nghiệm thực tế.

Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô với đề tài "Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống truyền động điện trên xe Tesla Model S 2021 bằng phần mềm Matlab-Simulink" do sinh viên Trần Hồng Phúc và Thái Trường Sơn thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Mạnh Cường tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 6/2024), xác định 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu lịch sử hình thành và phân loại các dòng xe điện.
  2. Tổng hợp cơ sở lý thuyết về các hệ thống trên xe điện.
  3. Phân tích các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động.
  4. Tìm hiểu nguyên lý làm việc của phần mềm MATLAB/Simulink.
  5. Mô hình hóa các bộ phận cấu thành của hệ thống truyền động điện.
  6. Đưa thông số kỹ thuật thực tế của xe Tesla Model S 2021 vào mô hình để chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc hệ thống truyền động điện trên xe điện thuần pin (BEV), tập trung vào cấu hình dẫn động của dòng xe Tesla Model S 2021 và mô hình mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng động lực học và trạng thái tiêu hao năng lượng trong 2 kịch bản vận hành theo chu trình chuẩn FTP-75: (1) Điều kiện đường bằng lý tưởng (độ dốc $0^\circ$, không có gió ngược); (2) Điều kiện xe leo dốc (mặt đường dốc $5^\circ$, không có gió ngược).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết kỹ thuật dựa trên các phân hệ cơ bản của ô tô điện:

  • Phân loại phương tiện điện: Hệ thống hóa 4 nhóm phương tiện gồm xe lai (HEV), xe lai sạc ngoài (PHEV), xe thuần điện chạy pin (BEV) và xe điện pin nhiên liệu hydro (FCEV).
  • Hệ thống lưu trữ năng lượng (Pin Lithium-ion): Cấu trúc cell pin Li-ion với cực dương ($\text{LiMnO}_4$, $\text{LiCoO}_2$), cực âm than chì/graphene, màng phân tách PE/PP và dung dịch điện phân $\text{LiPF}_6$. Phân tích chức năng của Hệ thống quản lý pin (BMS) trong việc giám sát trạng thái nạp (SOC), trạng thái sức khỏe (SOH), cân bằng cell và giới hạn nhiệt độ hoạt động trong dải từ $-30^\circ\text{C}$ đến $65^\circ\text{C}$.
  • Hệ thống điện tử công suất: Bộ chuyển đổi DC/DC Buck (hạ áp từ 350–400 V xuống 12–14 V với hiệu suất 75%–95% để cấp nguồn cho tải điện áp thấp và ắc quy phụ 16 V) và Boost (tăng áp). Bộ biến tần nghịch lưu DC/AC 3 pha sử dụng van bán dẫn IGBT.
  • Động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM): So sánh hai cấu trúc rôto gồm nam châm gắn bề mặt (SPMSM, $L_d \approx L_q$) và nam châm chìm bên trong (IPMSM, $L_d < L_q$), nguyên lý làm yếu từ trường (flux-weakening), cùng các giải thuật điều khiển tựa từ thông (FOC), điều khiển mô-men trực tiếp (DTC) và kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) 2 bậc qua các phép biến đổi Clarke/Park.
  • Động lực học ô tô: Phương trình cân bằng lực cản tổng quát gồm lực cản lăn ($F_f$), lực cản không khí ($F_w$ phụ thuộc hệ số $C_x$ và diện tích cản $S$), lực cản dốc ($F_\alpha$) và lực quán tính gia tốc ($F_j$).

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích – tổng hợp lý thuyết kỹ thuật ô tô điện và điện tử công suất.
  • Phương pháp thu thập dữ liệu thông số kỹ thuật thực tế từ tài liệu kỹ thuật xe Tesla Model S 2021, tiêu chuẩn EPA (Hoa Kỳ) và NRCAN (Canada).
  • Phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink (sử dụng thư viện Simscape Driveline và Simscape Electrical).

Thiết kế và triển khai mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng hệ thống truyền động điện của Tesla Model S 2021 được nhóm tác giả cấu hình trên MATLAB/Simulink thông qua sự liên kết giữa các khối chức năng:

Khối chức năng trong Simulink Chi tiết cấu hình và thông số kỹ thuật Chức năng kỹ thuật
Khối chu trình lái & Người lái Chu trình FTP-75, khối Longitudinal Driver tích hợp bộ điều khiển PI Tạo tín hiệu vận tốc mục tiêu và điều khiển bàn đạp ga/phanh
Khối Pin cao áp (HV Battery) Điện áp định mức 407 V DC, dung lượng lưu trữ 102,4 kWh Cung cấp năng lượng điện một chiều và tiếp nhận dòng sạc tái sinh
Khối Điều khiển & Nghịch lưu Biến đổi Clarke/Park, khối SVPWM Generator (2-Level), cầu nghịch lưu 6 IGBT Chuyển đổi DC/AC 3 pha và điều khiển vector dòng điện động cơ
Khối Động cơ điện (PMSM) Cấu hình dẫn động 2 cầu (Dual Motor trước/sau), động cơ PMSM Chuyển đổi điện năng thành mô-men cơ học dẫn động trục xe
Khối Hộp số & Trục truyền động Khối Simple Gear, cảm biến Rotational Motion Sensor & Torque Sensor Giảm tốc với tỷ số truyền cố định, truyền mô-men đến bánh xe
Khối Thân xe & Bánh xe Khối Vehicle Body ($C_x$, $S$, khối lượng xe), khối Wheels, cảm biến tịnh tiến Mô phỏng các lực cản môi trường và động lực học chuyển động
Khối Giải thuật & Đo lường Khối Powergui, khối Solver, khối Three-Phase V-I Measurement Cấu hình phương pháp giải sai số số học và trích xuất tín hiệu

Thông số hình học và kỹ thuật của Tesla Model S 2021 nạp vào mô hình:

  • Chiều dài tổng thể: 5021 mm; Chiều rộng tổng thể: 1987 mm (chưa tính gương) / 2189 mm (tính gương).
  • Chiều dài cơ sở: 2960 mm; Chiều rộng cơ sở: 1690 mm; Khoảng sáng gầm xe: 126 mm (chế độ trung bình).
  • Khối pin: 8256 cell pin Panasonic NCR18650B (3,6 V – 3400 mAh) chia thành 16 mô-đun mắc nối tiếp (mỗi mô-đun 516 cell, điện áp 21,6 V, dung lượng 296 Ah, năng lượng 6300 Wh).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Trình bày bối cảnh chuyển dịch từ động cơ đốt trong sang xe điện trước sức ép cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm khí thải $\text{CO}_2$. Phân tích các rào cản hiện tại của xe điện về chi phí sản xuất, mật độ năng lượng pin và phạm vi hoạt động. Xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi khảo sát (2 kịch bản đường bằng và đường dốc), phương pháp thực hiện và ý nghĩa thực tiễn của việc ứng dụng MATLAB/Simulink trong mô phỏng hệ thống truyền động điện ô tô.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hệ thống hóa lịch sử phát triển xe điện từ năm 1832 (Robert Anderson), các mốc phát minh pin axit-chì (Gaston Planté 1859, Camille Faure 1881), xe điện của Thomas Parker (1884), sự cạnh tranh của Ford Model T (1908), đến các dòng xe hiện đại như GM EV1 (1996), Toyota Prius (1997), Tesla Roadster (2008) và Model S (2012–2021). Trình bày cấu tạo chi tiết của pin Li-ion Panasonic NCR18650B, cơ chế sạc/xả ion $\text{Li}^+$, hệ thống đường ống làm mát chất lỏng uốn lượn giữa các cell và vai trò của BMS. Trình bày nguyên lý mạch Buck/Boost DC/DC, cấu tạo động cơ PMSM (SPMSM và IPMSM), các giải thuật điều khiển FOC/DTC, bộ nghịch lưu áp 3 pha SVPWM và hệ thống phương trình động lực học tổng quát tác dụng lên xe khi chuyển động.

Chương 3: Mô phỏng trên phần mềm MATLAB - Simulink

Giới thiệu giao diện và thư viện khối trong MATLAB/Simulink. Xây dựng chi tiết từng phân hệ mô phỏng: kết nối mạch pin 407 V DC, cấu hình khối người lái theo chu trình FTP-75, thiết lập các khối biến đổi Clarke/Park, bộ điều chế SVPWM 2 bậc, khối IGBT, động cơ PMSM, khối hộp số đơn cấp (Simple Gear) và khối thân xe (Vehicle Body). Tiến hành chạy mô phỏng trong 2 trường hợp cụ thể:

  1. Trường hợp 1 (Đường bằng lý tưởng): Độ dốc mặt đường bằng $0^\circ$, không có gió cản ngược chiều.
  2. Trường hợp 2 (Đường leo dốc): Độ dốc mặt đường $5^\circ$, không có gió cản ngược chiều. Trích xuất và đối chiếu các đồ thị kết quả gồm: vận tốc xe thực tế so với vận tốc mong muốn, gia tốc, quãng đường di chuyển, tốc độ động cơ (RPM), mô-men xoắn, công suất động cơ, trạng thái nạp SOC và công suất pin.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Đánh giá tổng thể mức độ hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, tính chính xác và độ tin cậy của mô hình mô phỏng truyền động điện trên phần mềm so với các đặc tính vận hành kỹ thuật thực tế của xe Tesla Model S 2021. Đề xuất các nội dung kỹ thuật cần tiếp tục hoàn thiện và phát triển trong các nghiên cứu tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả mô phỏng kỹ thuật

Mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink đã phản ánh chi tiết các phản ứng động lực học và tiêu hao năng lượng của hệ thống truyền động điện theo chu trình lái tiêu chuẩn FTP-75:

Tiêu chí đánh giá Kịch bản 1: Đường bằng lý tưởng ($0^\circ$) Kịch bản 2: Đường leo dốc ($5^\circ$)
Khả năng bám chu trình vận tốc Vận tốc thực tế bám sát hoàn toàn đường đặc tính vận tốc đặt của chu trình FTP-75 Vận tốc thực tế vẫn bám sát chu trình lái đặt trước, bộ điều khiển PI bù ga kịp thời
Mô-men xoắn động cơ PMSM Dao động linh hoạt theo các pha tăng tốc, duy trì mức tải trung bình Biên độ mô-men xoắn tăng cao rõ rệt nhằm thắng thêm thành phần lực cản dốc $F_\alpha$
Công suất phát của động cơ Thay đổi theo tải tức thời, công suất đỉnh xuất hiện ở các đoạn tăng tốc nhanh Công suất tiêu thụ trung bình và công suất đỉnh đều tăng cao hơn so với đường bằng
Trạng thái nạp của pin (SOC) Đường cong dung lượng SOC giảm dần đều theo thời gian vận hành Tốc độ suy giảm dung lượng SOC dốc hơn, mức tiêu hao năng lượng pin lớn hơn
Khả năng phanh tái sinh Xuất hiện các xung công suất âm nạp ngược dòng điện về bộ pin khi xe giảm tốc Cơ chế phanh tái sinh vẫn hoạt động nạp lại năng lượng khi xe hãm tốc độ trên dốc

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật

  • Khuyến nghị sử dụng mô hình mô phỏng số làm công cụ phân tích tiền khả thi để tối ưu hóa việc lựa chọn tỷ số truyền hộp số và thuật toán điều khiển động cơ điện trước khi thử nghiệm thực tế.
  • Đề xuất duy trì mạch chuyển đổi hạ áp DC/DC Buck kết hợp bình điện phụ trợ 16 V (hoặc 12 V) độc lập nhằm duy trì hoạt động cho hệ thống điện thân xe (ECU, cảm biến, đèn, bơm làm mát) nhằm ngăn chặn việc bộ pin cao áp bị xả cạn kiệt khi không sử dụng xe kéo dài.
  • Duy trì hệ thống tản nhiệt chất lỏng làm mát cưỡng bức qua các đường ống dẹp uốn lượn giữa các cell pin để đảm bảo nhiệt độ bộ pin luôn trong ngưỡng ổn định (dưới $65^\circ\text{C}$).

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống truyền động điện đa thành phần cho xe thuần điện (BEV) cấu hình 2 động cơ (Dual Motor) trên phần mềm MATLAB/Simulink.
  • Cung cấp bộ dữ liệu thông số kỹ thuật chi tiết của dòng xe Tesla Model S 2021 (kích thước hình học, thông số 8256 cell pin Panasonic NCR18650B, mạch biến tần SVPWM, động cơ PMSM) được chuẩn hóa để phục vụ học tập và nghiên cứu mô phỏng ô tô điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế:

  • Mô hình mô phỏng mới chỉ khảo sát trong điều kiện không có gió ngược chiều và giới hạn ở 2 góc dốc cố định ($0^\circ$ và $5^\circ$), chưa phản ánh đầy đủ tác động khí động học khi vận tốc gió môi trường biến động liên tục.
  • Chưa tích hợp mô hình nhiệt động lực học chi tiết để đánh giá sự phân bố nhiệt độ đa điểm trên từng mô-đun pin và ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường khắc nghiệt ngoài dải $-30^\circ\text{C}$ đến $65^\circ\text{C}$.
  • Chưa mô phỏng cấu hình 3 động cơ điện (Tri Motor) của phiên bản hiệu năng cao Model S Plaid (rôto bọc sợi carbon).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng thử nghiệm mô hình trên các chu trình lái tiêu chuẩn khác như WLTP, NEDC hoặc dữ liệu hành trình thực tế tại Việt Nam.
  • Tích hợp mô hình quản lý nhiệt (Thermal Management System) liên kết nhiệt độ bộ pin với hiệu suất phóng/nạp dòng điện.
  • Phát triển thêm các giải thuật điều khiển phi tuyến nâng cao cho biến tần và động cơ điện, mở rộng mô phỏng phân bổ mô-men xoắn độc lập cho hệ thống truyền động 3 động cơ (Tri Motor).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Quy trình toán học hóa và kết nối các khối chức năng trong Simscape Electrical và Simscape Driveline.
  • Phương pháp tính toán thông số ghép nối cell pin Li-ion thành bộ pin cao áp và phương pháp cấu hình giải thuật điều chế vector không gian SVPWM 2 bậc kết hợp bộ điều khiển Longitudinal Driver theo chu trình lái FTP-75.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ pin cao áp trên xe Tesla Model S 2021 được cấu thành từ loại cell pin nào và có thông số ra sao?
Bộ pin của xe được tạo thành từ 8256 cell pin Lithium-ion Panasonic NCR18650B (đường kính 18 mm, chiều cao 65 mm, dung lượng đơn 3400 mAh, điện áp định mức 3,6 V). Các cell được chia thành 16 mô-đun mắc nối tiếp (mỗi mô-đun gồm 516 cell, điện áp 21,6 V, dung lượng 296 Ah, năng lượng 6300 Wh), tạo ra tổng điện áp định mức 407 V DC và tổng năng lượng lưu trữ đạt 102,4 kWh.

2. Động cơ điện sử dụng trên Tesla Model S 2021 trong nghiên cứu là loại gì?
Xe sử dụng loại động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor) làm mát bằng chất lỏng, bố trí ở cả trục trước và trục sau (Dual Motor). Phiên bản Model S Plaid nâng cấp lên cấu hình 3 động cơ (Tri Motor) với rôto bọc sợi carbon.

3. Khối điều khiển biến tần trong mô hình Simulink sử dụng giải thuật và kỹ thuật điều chế nào?
Mô hình sử dụng phép biến đổi tọa độ Clarke (từ hệ $abc$ sang $\alpha$-$\beta$-$0$) và Park (từ hệ $\alpha$-$\beta$-$0$ sang $dq0$ và ngược lại), kết hợp bộ điều khiển dòng điện PI và kỹ thuật điều chế vector không gian SVPWM Generator (2-Level) để phát xung điều khiển đóng ngắt 6 van bán dẫn IGBT của cầu nghịch lưu 3 pha.

4. Hai trường hợp vận hành nào được tác giả lựa chọn để kiểm chứng hệ thống truyền động?
Mô hình được thử nghiệm chạy theo chu trình lái FTP-75 trong 2 trường hợp: Trường hợp 1 là chạy trên đường bằng phẳng lý tưởng (độ dốc mặt đường $0^\circ$, không có gió ngược chiều); Trường hợp 2 là chạy leo dốc (độ dốc mặt đường $5^\circ$, không có gió ngược chiều).

5. Tại sao xe điện sử dụng pin cao áp 407 V vẫn cần trang bị bộ chuyển đổi DC/DC Buck và bình điện phụ 16 V/12 V?
Bộ chuyển đổi DC/DC Buck hạ điện áp từ pin chính (350–400 V DC) xuống 12–14 V DC để cấp nguồn cho các thiết bị điện áp thấp (ECU, cảm biến, đèn, hệ thống thông tin giải trí) và nạp cho ắc quy phụ. Ắc quy phụ duy trì nguồn điện liên tục cho hệ thống điều khiển và bảo vệ bộ pin chính không bị phóng kiệt hoàn toàn sau thời gian dài không sử dụng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Trần Hồng Phúc và Thái Trường Sơn đã nghiên cứu toàn diện cơ sở lý thuyết hệ thống truyền động ô tô điện và xây dựng thành công mô hình mô phỏng kỹ thuật hoàn chỉnh cho xe Tesla Model S 2021 trên phần mềm MATLAB/Simulink. Các kết quả trích xuất trên chu trình FTP-75 trong cả hai điều kiện đường bằng và đường dốc $5^\circ$ đã chứng minh tính tương thích cao giữa mô hình mô phỏng và động lực học vận hành thực tế của xe điện. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị và đặt nền tảng phương pháp luận vững chắc cho việc mô phỏng, phát triển các hệ thống truyền động điện trong ngành kỹ thuật ô tô.