Nghiên Cứu Khả Năng Ứng Dụng Hộp Số CVT Trên Xe Điện

Nghiên cứu về hộp số CVT trên xe điện đang trở thành một chủ đề nóng trong ngành… 148 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Nguyễn Kế Đức
• Người hướng dẫn: Th.S. Dương Nguyễn Hắc Lân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Ứng Dụng Hộp Số CVT Trên Xe Điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỘP SỐ CVT TRÊN XE ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK
• 2.1. Động cơ điện trên ô tô
• 2.2. Các đặc tính của động cơ điện
• 2.3. Các loại động cơ điện
• 2.4. Động cơ từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong (IPMSynRM)
• 2.5. Hộp số CVT
• 2.5.1. Ưu và nhược điểm
• 2.5.2. Các lý thuyết xây dựng tỷ số truyền dựa trên đặc tính động lực học
• 2.5.2.1. Phương trình đặc tính ngoài
• 2.5.2.2. Phương trình cân bằng lực kéo
• 2.5.2.3. Phương trình cân bằng công suất
• 2.5.2.4. Phương trình động lực học
• 2.5.2.5. Phương trình gia tốc
• 2.5.3. Đồ thị đặc tính mômen ứng với từng mức dòng điện điều khiển
• 2.5.4. Đồ thị hiệu suất động cơ
• 2.6. Phần mềm Matlab – Simulink
• 2.6.1. Phần mềm Matlab
• 2.6.2. Phần mềm Simulink
• 2.6.3. Các thư viện mô phỏng trong Simulink
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỘP SỐ CVT TRÊN XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK
• 3.1. Sơ đồ truyền lực của hệ thống
• 3.2. Mô hình hóa hộp số CVT
• 3.3. Mô hình hóa khối người lái và bộ điều khiển FOC
• 3.4. Mô hình hóa khối Pin, biến tần và động cơ điện
• 3.5. Mô hình hóa khối thân xe
• 3.6. Kết nối hệ thống xe hoàn chỉnh
• 3.7. Xây dựng map tỷ số truyền hộp số CVT
• 3.7.1. Xây dựng đồ thị đặc tính momen ứng kết hợp với đồ thị hiệu suất động cơ theo dòng điều khiển khác nhau
• 3.7.2. Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo
• 3.7.3. Xác định khả năng tăng tốc- xây dựng biểu đồ gia tốc chuyển động
• 3.7.4. Bảng tỷ số truyền
• 3.7.5. Xây dựng khối đồ thị động lực học
• 3.7.5.1. Khối đồ thị cân bằng lực kéo
• 3.7.5.2. Khối đồ thị cân bằng công suất
• 3.7.5.3. Khối đồ thị gia tốc
• 3.7.5.4. Khối đồ thị động lực học
• 3.8. Mô phỏng các trường hợp vận hành của xe
• 3.8.1. Trường hợp 1 (TH1): Mô phỏng khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa của xe
• 3.8.2. Trường hợp 2 (TH2): Mô phỏng trong một chu trình cụ thể
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng hộp số CVT trên xe điện

Nghiên cứu về hộp số CVT trên xe điện đang trở thành một chủ đề nóng trong ngành công nghiệp ô tô. Hộp số CVT, với khả năng điều chỉnh tỷ số truyền liên tục, hứa hẹn mang lại hiệu suất tối ưu cho xe điện. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tiết kiệm năng lượng, một yếu tố quan trọng trong bối cảnh hiện nay. Nghiên cứu này sẽ phân tích các ưu điểm và nhược điểm của hộp số CVT, từ đó đưa ra những giải pháp khả thi cho việc ứng dụng trên xe điện.

1.1. Lý do chọn nghiên cứu hộp số CVT trên xe điện

Nhu cầu sử dụng xe điện ngày càng tăng cao do những lợi ích về môi trường và tiết kiệm năng lượng. Hộp số CVT có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ điện, từ đó nâng cao trải nghiệm lái xe và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

1.2. Tình hình nghiên cứu hộp số CVT trong và ngoài nước

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng hộp số CVT có thể cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho xe điện. Các nghiên cứu trong nước và quốc tế đã chỉ ra những kết quả khả quan từ việc áp dụng công nghệ này.

II. Thách thức trong việc ứng dụng hộp số CVT trên xe điện

Mặc dù hộp số CVT mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc ứng dụng nó trên xe điện cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như chi phí sản xuất, độ bền và khả năng tương thích với các hệ thống động cơ điện hiện có cần được xem xét kỹ lưỡng. Ngoài ra, việc tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện vận hành khác nhau cũng là một thách thức lớn.

2.1. Chi phí sản xuất và bảo trì hộp số CVT

Chi phí sản xuất hộp số CVT thường cao hơn so với các loại hộp số truyền thống. Điều này có thể ảnh hưởng đến giá thành của xe điện, làm giảm sức cạnh tranh trên thị trường.

2.2. Độ bền và khả năng tương thích

Độ bền của hộp số CVT trong điều kiện vận hành khắc nghiệt cần được kiểm tra. Hơn nữa, khả năng tương thích với các hệ thống động cơ điện hiện có cũng là một yếu tố quan trọng cần được nghiên cứu.

III. Phương pháp nghiên cứu hộp số CVT trên xe điện

Để nghiên cứu khả năng ứng dụng hộp số CVT trên xe điện, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng và phân tích động lực học của hệ thống. Phương pháp này cho phép đánh giá hiệu suất và mức tiêu thụ năng lượng trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu.

3.1. Mô phỏng động lực học bằng Matlab Simulink

Phần mềm Matlab-Simulink được sử dụng để mô phỏng các đặc tính động lực học của hộp số CVT. Qua đó, có thể phân tích hiệu suất và mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau.

3.2. Phân tích kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy hộp số CVT có khả năng tối ưu hóa hiệu suất động cơ điện, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao trải nghiệm lái xe. Các thông số như tỷ số truyền và mức tiêu thụ năng lượng được phân tích chi tiết.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hộp số CVT trên xe điện

Việc ứng dụng hộp số CVT trên xe điện đã cho thấy những kết quả khả quan trong thực tiễn. Nhiều nhà sản xuất ô tô đã bắt đầu tích hợp công nghệ này vào các mẫu xe điện mới, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Các nghiên cứu thực tế đã chỉ ra rằng hộp số CVT có thể cải thiện đáng kể quãng đường di chuyển của xe điện.

4.1. Các mẫu xe điện ứng dụng hộp số CVT

Nhiều mẫu xe điện hiện đại đã được trang bị hộp số CVT, cho phép tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Các nhà sản xuất đang tích cực nghiên cứu và phát triển công nghệ này để nâng cao trải nghiệm người dùng.

4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng hộp số CVT không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh của xe điện trên thị trường.

V. Kết luận và hướng phát triển hộp số CVT trên xe điện

Nghiên cứu về khả năng ứng dụng hộp số CVT trên xe điện đã chỉ ra nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Việc tối ưu hóa công nghệ này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất cần tiếp tục hợp tác để phát triển các giải pháp tối ưu cho hộp số CVT, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Tương lai của hộp số CVT trên xe điện

Hướng phát triển của hộp số CVT trên xe điện sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và vật liệu sử dụng.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu và phát triển

Cần có thêm nhiều nghiên cứu về hộp số CVT để hiểu rõ hơn về hiệu suất và khả năng tiết kiệm năng lượng. Hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất sẽ là chìa khóa để phát triển công nghệ này trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch cùng với các áp lực môi trường do phát thải khí nhà kính từ các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong (ICE) đã thúc đẩy sự chuyển dịch mạnh mẽ sang xe thuần điện (Battery Electric Vehicle - BEV). Mặc dù xe điện sở hữu nhiều ưu điểm về hiệu suất phát lực và mức độ phát thải tại chỗ bằng không, sự phổ biến của loại phương tiện này vẫn gặp rào cản từ phạm vi hoạt động bị giới hạn sau mỗi lần sạc và hiệu suất động cơ điện chưa được tối ưu đồng đều ở cả dải vận tốc thấp lẫn dải vận tốc cao.

Phần lớn các mẫu xe điện thương mại hiện nay sử dụng hộp số giảm tốc đơn cấp (single-speed reduction gear) do động cơ điện có dải vòng tua rộng và đặc tính mô-men xoắn cực đại đạt được ngay từ tốc độ 0. Tuy nhiên, việc sử dụng tỷ số truyền cố định buộc động cơ phải làm việc ở những vùng hiệu suất thấp khi xe chạy ở dải vận tốc rất thấp hoặc rất cao, làm gia tăng mức tiêu thụ điện năng từ khối pin. Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu khả năng ứng dụng hộp số CVT trên xe điện" được thực hiện nhằm phân tích việc tích hợp hộp số biến thiên vô cấp (Continuously Variable Transmission - CVT) vào hệ thống truyền động xe điện, qua đó khảo sát động lực học và mức tiêu hao năng lượng.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo văn bản giao nhiệm vụ:

1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về động cơ điện, các dạng hệ thống truyền động và ứng dụng của hộp số CVT trên ô tô điện.
2. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực của xe điện tích hợp hộp số CVT trên nền tảng phần mềm Matlab - Simulink dựa trên thông số kỹ thuật của xe cơ sở Tesla Model 3.
3. Phân tích, đánh giá các kết quả mô phỏng động lực học (lực kéo, công suất, gia tốc, vận tốc tối đa) và mức tiêu hao dung lượng pin (SOC) trong các điều kiện vận hành khác nhau, so sánh trực tiếp với phương án sử dụng hộp số giảm tốc đơn cấp.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống truyền lực xe điện trang bị hộp số vô cấp CVT kết hợp động cơ từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong (IPMSynRM). Phạm vi nghiên cứu giới hạn trên dòng ô tô con dẫn động cầu sau (RWD), khảo sát thông qua mô hình hóa toán học và mô phỏng trên phần mềm chuyên ngành Matlab - Simulink, không thực hiện chế tạo thực nghiệm trên băng thử cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống lý thuyết động lực học ô tô truyền thống kết hợp với lý thuyết điều khiển máy điện hiện đại:

Nhóm cơ sở	Nội dung và mô hình áp dụng
Lý thuyết động cơ điện	Phân loại động cơ DC, BLDC, IM, SRM, PMSM và IPMSynRM; xây dựng đường đặc tính ngoài $P_e = f(n_e)$, $M_e = f(n_e)$; phân tích vùng mô-men xoắn không đổi (constant torque region) và vùng công suất không đổi (constant power region).
Thuật toán điều khiển	Điều khiển tựa theo từ thông rotor FOC (Field Oriented Control) và điều khiển mô-men xoắn trực tiếp DTC (Direct Torque Control).
Lý thuyết hộp số CVT	Cơ cấu biến thiên đường kính làm việc của cặp pulley sơ cấp/thứ cấp bằng hệ thống thủy lực, truyền động đai thép chữ V (Van Doorne) hoặc đai xích; bộ bánh răng hành tinh cho chiều tiến/lùi.
Phương trình động lực học ô tô	Phương trình cân bằng lực kéo: $F_k = F_f \pm F_i + F_\omega \pm F_j + F_m$; phương trình cân bằng công suất: $P_k = P_f \pm P_i + P_\omega \pm P_j$; tính toán lực bám và giới hạn trượt.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích và mô phỏng số:

• Phương pháp thu thập và trích xuất dữ liệu: Sử dụng công cụ số hóa đồ thị (Grabit trong Matlab) để chuyển đổi các đường đặc tính mô-men xoắn, hiệu suất và dòng điện điều khiển của động cơ IPMSynRM từ tài liệu kỹ thuật thành ma trận số liệu phục vụ tính toán.
• Phương pháp tính toán giải tích: Thiết lập bảng tỷ số truyền tối ưu cho hộp số CVT ứng với các độ mở bàn đạp ga (10%, 25%, 35%, 50%, 70%, 100%) nhằm duy trì điểm làm việc của động cơ trong vùng hiệu suất cao nhất tại từng mức công suất yêu cầu.
• Phương pháp mô hình hóa - mô phỏng số: Thiết kế mô hình toán và hệ thống vật lý bằng Simulink/Simscape, thiết lập các khối chức năng tương tác theo thời gian thực để mô phỏng trạng thái động lực học của toàn bộ phương tiện.

Nguồn dữ liệu tham chiếu sử dụng bộ thông số kết cấu và vận hành của mẫu xe điện Tesla Model 3 Long Range RWD (phiên bản 2018).

Thiết kế và mô phỏng hệ thống

Hệ thống mô phỏng truyền động xe điện tích hợp hộp số CVT được xây dựng trong môi trường Matlab - Simulink/Simscape với cấu trúc module hóa gồm các phân hệ chính:

1. Khối Người lái và Bộ điều khiển (Driver and FOC Controller):

   • Khối Longitudinal Driver nhận tín hiệu chu trình vận tốc đặt (vận tốc mục tiêu) và vận tốc thực tế của xe để tạo ra tín hiệu điều khiển bàn đạp ga (Acceleration) hoặc bàn đạp phanh (Deceleration).
   • Bộ điều khiển FOC Controller xử lý tín hiệu điều khiển dòng điện stator trên hệ tọa độ $d-q$, tối ưu góc từ thông rotor nhằm điều khiển chính xác mô-men xoắn ngõ ra của động cơ IPMSynRM.

2. Khối Nguồn điện, Biến tần và Động cơ điện (Battery, Inverter, and IPMSynRM):

   • Khối Battery mô phỏng hệ thống pin lithium-ion cung cấp điện áp DC, theo dõi liên tục trạng thái phóng nạp và mức dung lượng (State of Charge - SOC).
   • Khối Universal Bridge mô phỏng biến tần nghịch lưu 3 pha sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) để chuyển đổi dòng điện DC từ pin thành dòng điện AC cấp cho stator.
   • Khối Permanent Magnet Synchronous Machine mô phỏng động cơ IPMSynRM với các thông số điện từ và quán tính cơ học tương ứng xe cơ sở.

3. Khối Hộp số CVT (CVT Transmission Subsystem):

   • Tỷ số truyền biến thiên liên tục được thiết lập thông qua khối PS Lookup Table (2D) kết hợp với khối Variable Ratio Transmission trong Simscape Driveline.
   • Bảng tra cứu 2D nhận 2 tín hiệu đầu vào: mức tải bàn đạp ga (%) và vận tốc hiện thời của xe (km/h) để tra cứu tỷ số truyền tối ưu $i_{CVT}$, truyền tỷ số này đến cơ cấu truyền động biến thiên cơ học nối giữa trục motor và cụm vi sai.

4. Khối Thân xe và Động lực học (Vehicle Body Subsystem):

   • Khối Vehicle Body tích hợp khối lượng bản thân xe, diện tích cản gió chính diện, hệ số cản không khí $C_x$, góc dốc mặt đường và phân bố tải trọng tĩnh/động lên các cầu.
   • Cụm truyền động bao gồm khối vi sai (Differential), hệ thống 4 bánh xe (Tire) mô phỏng tương tác ma sát - biến dạng lốp, và hệ thống phanh tang trống/đĩa (Double-Shoe Brake).

5. Các khối tính toán kiểm chứng động lực học:

   • Xây dựng hệ thống các khối tính toán phụ trợ: khối lực cản lăn $F_f$, lực cản dốc $F_i$, lực cản không khí $F_\omega$, lực cản quán tính $F_j$, lực bám giới hạn $F_\varphi$, cân bằng công suất và xác định gia tốc chuyển động $j = \frac{du}{dt}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc phát triển xe điện nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, phân tích các thách thức hiện nay về phạm vi hoạt động của xe điện. Tác giả tổng hợp tình hình nghiên cứu trong nước (nghiên cứu điều khiển lực kẹp CVT dựa trên đặc tính trượt của Nguyễn Bảo Duy) và nghiên cứu quốc tế (các công trình của Francesco Bottiglione, Jiageng Ruan, Francesca Di Nicola về so sánh CVT, DCT và hộp số giảm tốc đơn cấp trên xe thuần điện). Chương này xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, 8 nội dung công việc chi tiết, phương pháp mô hình hóa trên Matlab - Simulink, phạm vi giới hạn trên ô tô con, và kế hoạch thực hiện đồ án từ ngày 09/01/2024 đến 20/05/2024.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết hộp số CVT trên xe điện và phần mềm Matlab-Simulink

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết phục vụ việc mô hình hóa:

• Động cơ điện trên ô tô: Phân tích ưu điểm phản hồi mô-men xoắn nhanh gấp 100 lần ICE, khả năng phanh tái sinh; so sánh chi tiết các loại động cơ DC, BLDC, IM, SRM, PMSM, IPM và IPMSynRM; nguyên lý của 2 phương pháp điều khiển động cơ PMSM gồm DTC và FOC.
• Hộp số vô cấp CVT: Cấu tạo chi tiết (pulley sơ cấp, pulley thứ cấp, đai thép chữ V Van Doorne, đai xích Lineartronic, biến mô thủy lực, bộ điều khiển thủy lực, cơ cấu bánh răng hành tinh cho số lùi); nguyên lý thay đổi bán kính làm việc của pulley; ưu điểm về chuyển số êm dịu, kích thước gọn nhẹ và nhược điểm về giới hạn mô-men xoắn, chi phí bảo trì.
• Lý thuyết xây dựng tỷ số truyền và động lực học: Thiết lập hệ phương trình đặc tính ngoài động cơ, phương trình cân bằng lực kéo, phương trình cân bằng công suất, các thành phần lực cản và đồ thị hiệu suất động cơ.
• Giới thiệu tổng quan về phần mềm Matlab, giao diện Simulink và các thư viện chuyên dụng trong Simscape.

Chương 3. Mô phỏng hộp số CVT trên xe điện bằng phần mềm Matlab- Simulink

Chương 3 là phần cốt lõi của đồ án, triển khai các bước xây dựng mô hình và tiến hành thực nghiệm mô phỏng:

• Trích xuất dữ liệu và xây dựng map tỷ số truyền: Dùng công cụ Grabit số hóa đồ thị đặc tính mô-men xoắn và hiệu suất động cơ; xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo tại các tay số; tính toán bảng tỷ số truyền hộp số CVT ứng với các dải vận tốc tại 6 mức bàn đạp ga (10%, 25%, 35%, 50%, 70%, 100%).
• Mô hình hóa hệ thống truyền lực: Thiết lập liên kết giữa các khối Driver, FOC Controller, Battery, Inverter, Permanent Magnet Synchronous Machine, CVT (PS Lookup Table 2D + Variable Ratio Transmission), Vehicle Body, Differential, Tire, Double-Shoe Brake.
• Thiết lập và chạy mô phỏng 2 trường hợp vận hành:
  1. Trường hợp 1 (TH1): Mô phỏng kiểm tra khả năng tăng tốc toàn tải (100% ga) và xác định tốc độ tối đa của xe; so sánh giữa xe trang bị hộp số giảm tốc đơn cấp và xe trang bị hộp số CVT về thời gian tăng tốc, mô-men kéo tại bánh xe, đồ thị công suất và mức tiêu hao SOC của pin.
  2. Trường hợp 2 (TH2): Mô phỏng vận hành trong chu trình thực tế Artemis Rural Road (chu trình đường ngoại ô); thu thập dữ liệu về độ bám theo vận tốc mục tiêu, đáp ứng mô-men kéo, sự biến thiên tỷ số truyền CVT và mức độ sụt giảm SOC của pin.

Chương 4. Kết luận và hướng phát triển

Chương 4 tổng kết các kết quả đạt được sau 5 tháng nghiên cứu: hoàn thiện mô hình mô phỏng xe điện tích hợp CVT trên Matlab - Simulink, khẳng định tính khả thi của giải pháp CVT trong việc tối ưu hóa điểm làm việc của động cơ điện và cải thiện mức tiêu thụ năng lượng so với hộp số giảm tốc cố định. Đồng thời, chương này chỉ ra các hạn chế của mô hình và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể thông qua số liệu mô phỏng và tính toán:

Hạng mục thông số / Kết quả	Hộp số giảm tốc đơn cấp (Nguyên bản)	Hộp số biến thiên vô cấp CVT (Đề xuất)
Dải tỷ số truyền	Cố định ($i = 9{,}03$)	Biến thiên liên tục theo map 2D từ $i_{max}$ đến $i_{min}$ theo tải ga (10% – 100%)
Phân bố điểm làm việc của động cơ	Điểm làm việc phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ xe; dễ rơi vào vùng hiệu suất thấp khi chạy chậm hoặc rất nhanh	Động cơ được duy trì liên tục trong dải vòng tua và mô-men có hiệu suất tối ưu nhờ pulley tự điều chỉnh bán kính
Khả năng cung cấp mô-men tại bánh xe	Mô-men kéo khởi hành bị giới hạn bởi tỷ số truyền đơn cấp	Mô-men kéo tại bánh xe ở dải tốc độ khởi hành cao hơn nhờ tỷ số truyền lớn ở đầu dải biến thiên
Mức tiêu hao dung lượng pin (SOC)	Mức độ sụt giảm SOC nhanh hơn trong các chu trình đòi hỏi thay đổi vận tốc liên tục	Mức độ sụt giảm SOC chậm hơn, tiết kiệm điện năng hơn trong chu trình thử nghiệm Artemis Rural Road

Các đóng góp chính của đề tài:

• Xây dựng thành công bản đồ tỷ số truyền 2D cho hộp số CVT trên xe điện dựa trên sự kết hợp giữa đặc tính mô-men xoắn, đường cong hiệu suất động cơ IPMSynRM và mức độ đạp ga của người lái.
• Hoàn thiện mô hình mô phỏng số đồng bộ từ bộ điều khiển FOC, nguồn pin, biến tần, động cơ điện, hộp số vô cấp đến động lực học thân xe trên môi trường Matlab - Simulink.
• Cung cấp dữ liệu so sánh định lượng trực quan giữa phương án truyền động giảm tốc đơn cấp truyền thống và phương án truyền động vô cấp CVT trên dòng xe điện hiện đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án nêu rõ các hạn chế tồn tại do giới hạn về thời gian và công cụ:

• Mô hình mô phỏng chưa tính toán chi tiết tổn thất ma sát trượt cơ học thực tế giữa đai thép và rãnh pulley, cũng như tổn thất thủy lực duy trì lực kẹp dây đai trong các điều kiện nhiệt độ làm việc thay đổi.
• Nghiên cứu dừng lại ở mức độ mô phỏng số trên phần mềm chuyên ngành, chưa có điều kiện kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử công suất (dynamometer) hoặc xe thử nghiệm thực tế.
• Chưa tích hợp thuật toán điều khiển lực kẹp pulley tối ưu theo thời gian thực để triệt tiêu hiện tượng trượt đai khi mô-men xoắn tăng đột ngột.

Hướng phát triển được tác giả đề xuất:

• Nghiên cứu sâu hơn về chiến lược điều khiển lực kẹp thông minh cho dây đai CVT để giảm thiểu tổn thất công suất phụ trợ của bơm thủy lực.
• Kết hợp thuật toán điều khiển phanh tái sinh năng lượng nâng cao với cơ cấu sang số CVT nhằm tối đa hóa khả năng thu hồi động năng khi giảm tốc.
• Triển khai mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL) để đánh giá độ trễ và độ tin cậy của bộ điều khiển ECT/ECU trước khi áp dụng thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa đang thực hiện đồ án, khóa luận về hệ thống truyền động xe điện và xe hybrid.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong lĩnh vực ô tô điện quan tâm đến phương pháp tối ưu hóa tỷ số truyền và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng pin.
• Những nội dung có giá trị tham khảo cao nhất bao gồm: phương pháp xây dựng bản đồ tỷ số truyền tối ưu 2D từ đặc tính hiệu suất động cơ; cấu trúc liên kết các khối Simscape (Driver, Battery, Inverter, IPMSynRM, Variable Transmission, Vehicle Body); và quy trình thiết lập chu trình thử nghiệm vận hành (Artemis Rural Road) trên Simulink.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng xe cơ sở được lựa chọn để lấy thông số mô phỏng trong đồ án là dòng xe nào?
Tác giả sử dụng các thông số kỹ thuật kích thước, trọng lượng, khí động học và động cơ của mẫu xe điện Tesla Model 3 Long Range RWD (phiên bản năm 2018).

2. Động cơ điện được sử dụng trong mô hình nghiên cứu là loại động cơ nào và sử dụng phương pháp điều khiển gì?
Mô hình sử dụng động cơ từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong (IPMSynRM - Internal Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor) và được điều khiển bằng phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor FOC (Field Oriented Control).

3. Hộp số CVT được mô hình hóa trong môi trường Simulink bằng các khối chức năng chủ đạo nào?
Khối hộp số CVT được xây dựng bằng cách kết hợp khối bảng tra cứu hai chiều PS Lookup Table (2D) (nhận tín hiệu độ mở bàn đạp ga và vận tốc xe để xuất tỷ số truyền) với khối truyền động tỷ số biến thiên Variable Ratio Transmission trong thư viện Simscape Driveline.

4. Bản đồ tỷ số truyền của hộp số CVT trong đồ án được thiết lập dựa trên các mức bàn đạp ga cụ thể nào?
Bản đồ tỷ số truyền được tính toán và thiết lập chi tiết theo 6 mức độ mở bàn đạp ga của người lái: 10%, 25%, 35%, 50%, 70% và 100%.

5. Chu trình vận hành tiêu chuẩn nào được tác giả lựa chọn để kiểm chứng khả năng tiêu thụ dung lượng pin (SOC) của xe?
Ngoài trường hợp kiểm tra khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa (TH1), đồ án sử dụng chu trình lái xe đường ngoại ô Artemis Rural Road (TH2) để đánh giá động lực học và mức tiêu hao năng lượng pin.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu khả năng ứng dụng hộp số CVT trên xe điện" đã hoàn thành việc mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe điện tích hợp hộp số vô cấp trên phần mềm Matlab - Simulink. Kết quả phân tích cho thấy việc áp dụng CVT giúp mở rộng dải làm việc hiệu suất cao của động cơ IPMSynRM, nâng cao mô-men kéo ở tốc độ thấp và tối ưu hóa mức tiêu hao dung lượng pin so với hộp số giảm tốc đơn cấp truyền thống. Công trình cung cấp quy trình tính toán bản đồ tỷ số truyền và mô hình mô phỏng Simscape hoàn chỉnh, tạo cơ sở khoa học cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo về tối ưu hóa hệ thống truyền động xe điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.