CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, do mối lo ngại về cạn kiệt năng lượng hóa thạch, đồng thời phải đối mặt với hậu quả của biến đổi khí hậu do phát thải khí cacbon của phương tiện giao thông truyền thống. Thế giới ngày nay đang tiến hành các giải pháp thay thế cho phương tiện giao thông truyền thống, xe điện đang trở thành xu hướng tất yếu của ngành giao thông trong tương lai, nhu cầu sử dụng xe điện ngày càng tăng cao bởi những ưu điểm vượt trội về bảo vệ môi trường, tiết kiệm năng lượng và hiệu suất vận hành.
Tuy nhiên, hiện nay các nhà phát triển xe điện đang phải đối mặt với những thách thức lớn như: tăng phạm vi hoạt động của xe, giảm thời gian sạc, tối ưu hóa hiệu suất của động cơ điện trên xe ở các điều kiện tốc độ thấp và tốc độ cao. Chính vì vậy, nhóm chúng em đã tiến hành tìm hiểu về đề tài “ Nghiên cứu khả năng ứng dụng hộp số CVT trên xe điện” bằng cách phân tích động lực học và đánh giá mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống xe điện trang bị hộp số CVT thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink. Qua đó có thể hiểu được các ưu và nhược điểm của hộp số CVT trên xe điện. Đề tài này không chỉ giúp nhóm vận dụng các kiến thức đã có trong quá trình học tập tại trường, mà còn có cơ hội nghiên cứu chuyên sâu phù hợp với xu hướng hiện nay.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Nghiên cứu trong nước Đề tài: “Nghiên cứu điều khiển lực kẹp CVT cho xe điện dựa trên đặc tính trượt” của tác giả Nguyễn Bảo Duy thuộc khoa Cơ khí động lực, Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài này cung cấp tài liệu tham khảo nhất định cho việc phát triển chiến lược kiểm soát lực kẹp CVT và ứng dụng CVT trên xe điện, kết quả cho thấy việc này có cải thiện hiệu suất CVT và tiết kiệm được năng lượng của động cơ điện. Nghiên cứu ngoài nước - Đề tài: “Energy Consumption of a Battery Electric Vehicle with Infinitely Variable Transmission’’ của tác giả Francesco Bottiglione, Stefano De Pinto, Giacomo Mantriota và 1 Aldo Sorniotti.
Bài viết đã so sánh hiệu suất tiết kiệm năng lượng có thể đạt được với sáu cấu trúc hệ thống truyền động khác nhau dành cho xe BEV. Các cấu hình hệ thống truyền động đang được phân tích là: bộ truyền động bánh răng đơn và hai tốc độ, hộp số biến thiên liên tục (CVT) bán hình xuyến và hình xuyến hoàn toàn và hộp số biến thiên vô cấp (IVT) với hai loại khác nhau (IVT-I và IVT-II). Đối với mỗi hộp số có tốc độ thay đổi được phân tích, bản đồ lựa chọn hộp số tối ưu đã được tính toán bằng cách tính đến hiệu suất của động cơ điện và hộp số, đồng thời xác định tỷ số tốc độ tối ưu cho tất cả các điểm vận hành của hệ thống truyền động. - Đề tài: “Comparing of single reduction and CVT based transmissions on battery electric vehicle” của tác giả Jiageng Ruan, Nong Zhang và Paul Walker.
Bài báo này nghiên cứu hệ thống truyền động dựa trên hộp số CVT đơn giản hóa cho xe điện đã được xác nhận rằng nó không chỉ cải thiện đáng kể về tiết kiệm năng lượng pin, mở rộng phạm vi hoạt động của xe mà còn giảm đáng kể chi phí sản xuất và sử dụng hàng ngày nhờ phạm vi tỷ số truyền rộng hơn và lịch chuyển số CVT hiệu quả. Tuy nhiên, trên quan điểm tổng chi phí trong thời gian sử dụng bao gồm phí mua ban đầu và phí bảo trì hàng ngày với chi phí tiết kiệm được trong hệ truyền động sẽ không tạo nên chênh lệch nhiều. - Đề tài: “ Optimization of a Multiple-Speed Transmission for Downsizing the Motor of a Fully Electric Vehicle” của tác giả Francesca Di Nicola, Aldo Sorniotti và Thomas Holdstock. Bài viết này tập trung vào tác động của việc giảm kích thước truyền động động cơ điện của xe chạy hoàn toàn bằng điện thông qua việc áp dụng hệ thống truyền động đa tốc độ.
Hoạt động này dựa trên việc triển khai khung mô phỏng trong Matlab- Simulink. Tỷ số truyền và sơ đồ sang số cho từng trường hợp nghiên cứu trường hợp nhiều tốc độ được tối ưu hóa thông qua quy trình do các tác giả phát triển bao gồm các hàm chi phí xem xét hiệu suất năng lượng và đánh giá hiệu suất. Các hàm chi phí được giải thích trong bài báo cùng với các mô hình được áp dụng cho nghiên cứu. - Đề tài: “Comparison of Power Consumption Efficiency of CVT and Multi-Speed Transmissions for Electric Vehicle” của tác giả Jiageng Ruan, Nong Zhang và Paul Walker.
Trong bài báo này, hai mô hình đã được thiết kế để mô phỏng hiệu suất chu trình trong thành 2 phố cho xe điện được trang bị CVT và DCT 2 tốc độ tương ứng để thảo luận về ưu điểm và nhược điểm của hai hệ thống, bao gồm cả tình huống phanh tái tạo. Kết quả cho thấy CVT có hiệu suất tốt hơn DCT 2 cấp trong hầu hết các tình huống lái xe, trừ khi CVT hoạt động ở vùng hiệu suất thấp. Mục tiêu nghiên cứu - Hiểu được các kiến thức cơ bản về động cơ điện và hộp số CVT - Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe Tesla model 3 sử dụng hộp số CVT bằng phần mềm Matlab-Simulink. - Đánh giá các kết quả mô phỏng trong các điều kiện vận hành khác nhau - Kết luận và nêu hướng phát triển đề tài 1.
Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu xây dựng các đặc tính của động cơ điện - Tìm hiểu về hộp số CVT - Tìm hiểu xây dựng các đặc tính động lực học của xe - Tìm hiểu các thông số xe Tesla Model 3 từ đó xây dựng lại mô hình truyền lực với hộp số CVT - Xây dựng dãy tỷ số truyền cho hộp số CVT trên hệ thống - Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên Matlab – Simulink - Tiến hành mô phỏng hệ thống ở các điều kiện vận hành khác nhau - Đánh giá kết quả và hướng phát triển đề tài 1. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Vận dụng các kiến thức đã học trong bốn năm cùng với tài liệu trong thư viện trường như giáo trình “Lý thuyết ô tô”, giáo trình “Thiết kế ô 3 tô”, kiến thức từ giảng viên hướng dẫn- thầy Dương Nguyễn Hắc Lân và tài các tài liệu liên quan. - Phương pháp mô hình hóa: Sử dụng phần mềm Matlab- Simulink để mô phỏng hoạt động của hộp số CVT trên xe điện dựa trên cơ sở lý thuyết và từ đó đánh giá lại những phần cơ sở lý thuyết chưa đúng với thực tế. Phạm vi nghiên cứu Vì trình độ kiến thức chuyên môn và thời gian nghiên cứu hạn chế nên nhóm chúng em chỉ dừng lại ở việc: - Phạm vi ứng dụng là trên ô tô con, giới hạn công suất, tỷ số truyền - Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab-Simulink - Chỉ khảo sát các đồ thị kết quả mô phỏng 1.
Kế hoạch thực hiện Bảng 1. Kế hoạch thực hiện đồ án Thời gian thực hiện Nội dung thực hiện 09/01/2024 Nhận đề tài: “Nghiên cứu khả năng vận hành ứng dụng của hộp số CVT trên xe điện” 10/01/2024 – 10/02/2024 Tìm kiếm, đọc hiểu cách làm của các bài báo, nguồn tài liệu lý thuyết của hộp số CVT cũng như các tài liệu về mô phỏng hộp số CVT trên xe điện (Làm cái gì? Làm bằng cách nào? Kết quả là gì? Hướng làm?) 11/02/2024 – 04/03/2024 Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình Matlab và giao diện của Simulink 05/03/2024 – 07/03/2024 Tìm kiếm thông số thiết lập mô phỏng 08/03/2024 – 22/03/2024 Lập trình Matlab và vẽ các đồ thị 4 23/03/2024 – 14/04/2024 Xây dựng khối các đồ thị để đánh giá động lực học và khả năng tiêu hao năng lượng của hộp số CVT trên xe điện trong môi trường Simulink 15/04/2024 – 04/05/2024 Đánh giá kết quả và hoàn thiện mô hình mô phỏng 05/05/2024 – 19/05/2024 Hoàn thiện file báo cáo word và file thuyết minh PowerPoint 20/05/2024 Nộp đề tài hoàn chỉnh kèm theo file kiểm tra trùng lặp 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỘP SỐ CVT TRÊN XE ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK 2. Động cơ điện trên ô tô 2.
Các đặc tính của động cơ điện 2. Ưu điểm nổi bật của động cơ ô tô điện - Động cơ điện không thải ra khí cacbonic giống như động cơ đốt trong do đó giảm ô nhiễm môi trường. - Cấu tạo đơn giản, loại bỏ các bộ truyền truyền thống như: bộ ly hợp, trục cardan, các bán trục cardan, bộ vi sai,… giúp giảm kích thước và trọng lượng của ô tô điện, dễ lắp ráp, giảm thiểu chi phí sản xuất. - Đáp ứng mômen xoắn chính xác và nhanh khoảng gấp 100 lần so với động cơ đốt trong.
Có thể sử dụng hai hoặc bốn động cơ (in-wheel), trong khi đó động cơ đốt trong thông thường thì chỉ có một động cơ đốt trong. - Tính toán chính xác mômen điện từ của động cơ bằng cách đo các thông số về dòng điện và điện áp từ động cơ. Từ đó ước lượng được lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường, làm cho việc điều khiển động cơ trở nên dễ dàng hơn. - Hiệu suất vận hành tốt hơn động cơ đốt trong rất nhiều, động cơ điện có thể hoạt động ở chế độ động cơ và ở chế độ máy phát tạo ra khả năng tái sinh năng lượng dư thừa về nguồn, tận dụng hết được nguồn năng lượng của xe.
Đặc tính mômen, công suất- tốc độ của động cơ điện Khả năng leo dốc và tốc độ tối đa là những thông số quan trọng trong những đường cong này. Khi động cơ đòi hỏi mômen xoắn cao ở tốc độ thấp, cho phép khởi động và tăng tốc thích hợp. Động cơ EV cần có công suất cao ở tốc độ cao và dải tốc độ rộng trong vùng công suất không đổi như trong hình. Vùng vận hành mômen xoắn không đổi rất quan trọng ở tốc độ thấp để mang lại khả năng khởi động tốt và lái xe lên dốc.
Vùng công suất không đổi xác định tốc độ EV tối đa trên bề mặt phẳng. Khi đạt được tốc độ cơ bản, động cơ đạt đến giới hạn công suất định mức và mômen xoắn của động cơ giảm tỷ lệ với bình phương tốc độ. Vùng công suất không đổi bắt đầu vượt quá tốc độ cơ bản trong phạm vi từ tốc độ cơ bản đến tốc độ động cơ tối đa. Phạm vi này khác nhau ở các loại động cơ khác nhau và đây là thông số quan trọng khi chọn loại động cơ EV phù hợp.