CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài Hiện nay trong ngành công nghiệp ô tô và giao thông đang phát triển rất mạnh, đặc biệt là xe điện. Xu hướng ngày nay đang dần được điện hóa từ động cơ xăng truyền thống. Ngoài ra xe điện được coi là phương tiện giao thông sạch thân thiện với môi trường, giúp giảm lượng khí thải và ô nhiễm không khí. Xe điện thường có hiệu suất năng lượng cao hơn so với các loại xe sử dụng động cơ đốt trong.
Hơn nữa ngành công nghiệp ô tô đang tiếp tục phát triển và chuyển đổi sang sử dụng nhiều công nghệ mới bao gồm trí tuệ nhân tạo, tự lái và kết nối. Nghiên cứu về xe điện có thể mang lại nhiều lợi ích từ khía cạnh môi trường, kỹ thuật và công nghệ, đồng thời đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô và giao thông. Đặc biệt, việc điều khiển động cơ điện trên các xe điện hiện nay đang trở nên ngày càng quan trọng và phức tạp, với sự kết hợp của các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo, tự lái. Trong quá khứ, hệ thống truyền động bằng máy điện DC trong ngành công nghiệp ô tô đã được ưu tiên sử dụng, đặc biệt là trong các dòng xe cỡ nhỏ dành cho mục đích công nghiệp hoặc đi lại trong thành phố.
Điều này bởi vì hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm trong việc điều khiển mô men, tốc độ, đã giúp cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của các phương tiện di chuyển. Các xe này thường được sử dụng trong các môi trường công nghiệp hoặc trong các thành phố, nơi mà khả năng điều khiển linh hoạt và phản ứng nhanh là rất quan trọng. Hơn nữa trong ngành công nghiệp xe hơi, ô tô điện đang dần thay thế. Việc nghiên cứu động cơ điện hiện nay đang rất phát triển.
Đặc biệt động cơ PMS là một động cơ có hiệu suất cao, kích thước và trọng lượng nhỏ. Hơn nữa độ bền và mô men xoắn cao. Nhiều nghiên cứu ngày nay đang tập trung điều khiển cho PMSM trên xe điện. Nên nhóm chúng em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu tính toán điều khiển động lực học xe điện”.
Trong đồ án này chúng em tìm hiểu tính toán động cơ điện và pin cấp cho xe điện từ đó đưa ra mô hình điều khiểu, phương pháp điều khiển này là điều khiển tựa từ thông (FOC). Có áp dụng bộ điều khiển PI và phương pháp điều chế vector không gian để điều khiển dòng điện cấp cho động cơ PMS. Mô hình này được xây dựng trên Matlab/Simulink. Từ đó đánh giá thông số các thông số động lực học của động cơ, pin, cả xe.2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu tổng quan về xe điện, tính toán thiết kế động cơ điện và hệ thống pin cấp cho xe Nghiên cứu, mô phỏng điều khiển động cơ PMS ổn định hiệu suất cao dựa vào phương pháp FOC kết hợp bộ điều khiển PI và kỹ thuật điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM).
Sử dụng bộ inventer 6 IGBT để chuyển điện áp DC-AC. Mô phỏng đánh giá động lực học động cơ PMS đưa ra tới bánh xe 1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu lịch sử, phân loại xe điện, cấu tạo trên xe điện. - Các loại động cơ điện sử dụng trên xe. - Phân tích động lực học ô tô, tính toán động cơ điện và hệ thống pin.
- Nghiên cứu tìm hiểu tổng quát về động cơ PMS và phương pháp điều khiển tựa từ thông (FOC), bộ điều khiển PI (Proportional-Intergal) trên động cơ PMS. - Phương pháp điều chế xung SVPWM. - Xây dựng mô hình điều khiển và kết quả động lực học bằng Matlab/Simulink - Phân tích đánh giá kết quả từ đồ thị của hệ thống điều khiển tựa từ thông (FOC) 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu đọc tài liệu, phân tích tính toán, so sánh. - Dịch thuật những tài liệu nước ngoài.
- Phân tích động lực học ô tô. - Tính toán chọn động cơ, pin. - Điều khiển động cơ đồng bộ PMSM. - Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink.
- Phân tích và nhận xét các kết quả mô mỏng.5 Kết cấu đề tài Nội dung đề tài được chia thành 6 phần như sau: - Chương 1 Tổng quan về đề tài - Chương 2: Tổng quan về xe điện 2 - Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán động cơ điện và pin - Chương 4: Tổng quan PMSM và ứng dụng phương pháp điều khiển FOC để điều khiển động cơ - Chương 5: Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink - Chương 6: Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN 2.1 Vấn đề về ô nhiễm môi trường Hình 2. 1 Ô nhiễm môi trường của xe động cơ đốt trong [1] Ô nhiễm môi trường từ xe chạy bằng xăng là một trong những vấn đề nghiêm trọng đối với hành tinh của chúng ta. Cụ thể, xe xăng phát thải khí CO2 và các khí nhà kính khác vào bầu khí quyển, góp phần lớn vào biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu. Ngoài ra, xe xăng cũng thải ra khói và hóa chất độc hại như NOx (oxit nitơ), CO (carbon monoxide), và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), làm ô nhiễm không khí và gây hại cho sức khỏe con người, góp phần vào các vấn đề như bệnh hô hấp và tim mạch.
Trong bối cảnh đó, xe điện đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hướng tới một tương lai bền vững hơn. Xe điện sử dụng động cơ điện thay vì động cơ đốt trong, loại bỏ hoàn toàn việc phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm khác vào không khí. Điều này giúp giảm đáng kể lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, giảm ô nhiễm không khí và cải thiện chất lượng môi trường sống. Xe điện cũng được coi là một phần của giải pháp hạ tầng xanh, với khả năng tích hợp vào các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời và gió.
Khi được sạc bằng năng lượng tái tạo, xe điện có tiềm năng giảm thiểu hoàn toàn dấu chân carbon trong quá trình vận hành, hỗ trợ mục tiêu phát triển môi trường sống và chống lại biến đổi khí hậu. Cần có sự phát triển về cơ sở hạ tầng sạc, cải thiện công nghệ pin và giảm chi phí sản xuất, cũng như đảm bảo rằng nguồn điện dùng 4 để sạc xe không phải từ nhiên liệu hóa thạch. Hiện nay, giá các xe điện vẫn đang ở mức khá cao, nhưng một số hãng vẫn đang áp dụng các chính sách ưu đãi nhằm kích thích thị trường và thu hút khách hàng Bên cạnh những mặt tốt đó. Việc sản xuất pin cho xe điện có tác động đến môi trường, chủ yếu là do khai thác các nguyên liệu thô, quy trình sản xuất sử dụng nhiều năng lượng và khả năng ô nhiễm do xử lý chất thải.2 Lịch sử phát triển xe điện Lịch sử phát triển của xe điện bắt đầu từ những năm đầu của thế kỷ 19 và đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau: Hình 2.
2 Mô hình xe điện đầu tiên trên thế giới phát minh của Robert Anderson [2] Năm 1832: Robert Anderson, một nhà phát minh Scotland, tạo ra một phương tiện di chuyển sử dụng pin điện, được coi là ô tô điện đầu tiên [2]. Năm 1888: Thomas Edison phát triển pin sáng bóng và hệ thống sạc để cung cấp nguồn năng lượng cho các phương tiện điện. Năm 1900: Xe điện bắt đầu trở nên phổ biến ở Mỹ và châu Âu, đặc biệt trong các thành phố lớn như New York và Paris. 5 Đến những năm 1920, do sự tiện lợi và giá thành rẻ hơn, xe điện chiếm lĩnh khoảng 40% thị trường ô tô tại Mỹ.
Tuy nhiên, việc phát triển của động cơ đốt trong và giảm giá của xăng dần dần làm cho xe điện trở nên ít phổ biến hơn. Kể từ những năm 1990, quan ngại về biến đổi khí hậu và giá dầu tăng cao đã đẩy ngành công nghiệp ô tô quay lại nghiên cứu và phát triển xe điện. Công nghệ pin lithium-ion đã được phát triển và trở thành nguồn năng lượng chính cho xe điện, giúp tăng hiệu suất và phạm vi của xe. Các nhà sản xuất ô tô lớn như Tesla, Nissan, và Chevrolet đã ra mắt các mẫu xe điện tiên tiến như Tesla Roadster, Nissan Leaf và Chevrolet Volt.
Sự xuất hiện của các chương trình khuyến khích và ưu đãi từ các chính phủ trên thế giới đã giúp thúc đẩy sự phát triển của thị trường xe điện. Hiên tại, xe điện đang trở thành một phần quan trọng trong cuộc cách mạng về năng lượng và môi trường. Công nghệ pin và hệ thống sạc đang ngày càng được cải tiến để giảm chi phí và tăng tính tiện dụng của việc sử dụng xe điện. Các nhà sản xuất ô tô truyền thống và các nhà sản xuất công nghệ đang cùng nhau cạnh tranh và đầu tư vào nghiên cứu và phát triển xe điện, dự đoán sẽ có sự tăng trưởng mạnh mẽ trong thời gian tới.3 Phân loại xe điện Hiện nay xe điện được chia làm 4 loại chính như sau: 2.1 HEV (Hybrid Electric Vehicle) Xe điện HEV (Hybrid Electric Vehicle) là loại xe hỗn hợp sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện để vận hành.
HEV sử dụng pin hoặc điện từ một nguồn năng lượng phụ trợ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải so với các xe chỉ sử dụng động cơ đốt trong. Có hai loại chính của xe HEV: 6 Hình 2. 3 Cấu trúc xe HEV (a) Loại Series (b) Loại Parallel [3] HEV Loại Series: Trong xe HEV loại series, động cơ điện chủ yếu là nguồn cung cấp năng lượng cho bánh xe. Động cơ đốt trong không trực tiếp cung cấp năng lượng cho bánh xe mà thường được sử dụng để tạo điện cho pin hoặc trực tiếp động cơ điện.
HEV Loại Parallel: Trong xe HEV loại parallel, cả động cơ đốt trong và động cơ điện đều có thể cung cấp năng lượng cho bánh xe cùng một lúc. Hệ thống quản lý mạnh mẽ sẽ chuyển đổi giữa hai nguồn năng lượng để tối ưu hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.2 PHEV (Plug-in Hydrid Electric Vehicle) Hình 2. 4 Cấu trúc PHEV (a) Loại Series (b) Loại Parallel [3] Xe PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) là một loại xe hỗn hợp sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện nhưng có khả năng sạc lại pin từ nguồn điện ngoài, thường là 8 từ lưới điện. Điều này cho phép xe PHEV hoạt động ở chế độ hoàn toàn điện khi pin được sạc đầy, trước khi chuyển sang sử dụng động cơ đốt trong khi pin cạn kiệt 2.3 BEV( Battery Electric Vehicle) Hình 2.