Đặt vấn đề Hiện nay, công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển số lượng máy móc, xe cộ được sản xuất nhiều để cung ứng cho nhu cầu sản xuất, đi lại cho con người. Điều đó đồng nghĩa với việc khai thác tài nguyên được đẩy mạnh, dẫn đến giá thành của nhiên liệu tăng cao, điển hình như xăng dầu trong nhưng tháng hoạt động lại sau dịch tăng cao và nhanh. Ngoài ra khi sử dụng các nhiên liệu xăng, dầu sẽ thải ra môi trường lượng khí thải làm ô nhiễm môi trường. Do vậy, nguồn năng lượng thay thế phải cần có và nguồn năng lượng đó là năng lượng điện.
Năng lượng điện là năng lượng sạch không gây ô nhiễm, dễ sản xuất nên nguồn năng lượng điện là nguồn năng lượng thay thế tốt nhất hiện nay. Trong những năm gần đây, xe điện phát triển mạnh mẽ và đã được sử dụng rộng rãi trong nước cũng như ở các nước trên thế giới. Điển hình như các hãng xe (Vinfast, Tesla, Toyota,. Vì vậy nhóm đã thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình động cơ điện không chổi than trên xe điện cỡ nhỏ” để có thể thử nghiệm được một số chế độ hoạt động của động cơ trên xe điện.
Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Động cơ Brushless DC là loại động cơ đang được sử dụng rộng rãi ngày nay trên nhiều sản phẩm, đối với những động cơ có công suất nhỏ thì thường được sử dụng làm các máy khoan, quạt., còn những động cơ có công suất lớn thường được ứng dụng trên các xe điện (xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện,.), cùng với điều đó thì thông tin về loại động cơ này cũng được phổ biến trong nước nhưng việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thì vẫn chưa có nhiều người nghiên cứu. Về việc nghiên cứu điều khiển cũng như về mặt lý thuyết nhóm thực hiện có tham khảo ở một số đề tài như: - Bài nghiên cứu: “Hệ thống hãm máy phát của xe điện truyền động bằng động cơ BLDC” của Phạm Văn Cường trường ĐH dân lập Hải Phòng. - Bài nghiên cứu: “Xây dựng và điều khiển động cơ BLDC trên xe đạp điện” do thầy Đỗ Đức Trí hướng dẫn.
- Bài nghiên cứu: “Tìm hiểu động cơ một chiều không chổi than (BLDC)” của Lê SVTH: NGUYỄN MINH HIẾU 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VŨ VĂN ĐỊNH Quang Tuyến trường ĐH dân lập Hải Phòng. Cùng với một số trang wed (Arduino. Ngoài ra nhóm cũng có tham khảo ở một số bài báo của tạp chí khoa học.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ngoài nước cũng có khá nhiều bài nghiên cứu về động cơ BLDC sau đây là một số đề tài mà nhóm đã tìm kiếm và tham khảo: - Bài nghiên cứu: “Speed Control of BLDC motor for Electric Vehicle” của Juhi Nishat Ansari, bài nghiên cứu này thiết kế bộ điều khiển bằng dspic30F4011 với tốc độ tối đa là 2500 (rpm). - Bài nghiên cứu: “3-Phase BLDC Motor Control with Hall Sensors using 56000/E Digital Signal Controllers” đối với bài nghiên cứu này điều khiển thông qua việc lấy tín hiệu từ cảm biến Hall. Mục tiêu của đề tài - Thiết kế được mô hình điều khiển động cơ không chổi than ở các chế độ của xe điện với công suất thu nhỏ theo tải trọng của xe. - Lập trình và điều khiển động cơ không chổi than với các chế độ.
- Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình động cơ điện không chổi than trên xe điện cỡ nhỏ” được thực hiện với các đối tượng nghiên cứu sau: - Động cơ không chổi than. - Các chế độ vận hành của xe điện.
- Phương pháp điều khiển động cơ không chổi than. - Vi điều khiển và các linh kiện điện tử. Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng mô hình điều khiển với motor BLDC 60W. - Lập trình điều khiển trên Arduino IDE.
- Đưa ra nhận xét và hướng phát triển của đề tài. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích và tổng hợp. - Sử dụng các nguồn tài liệu trên internet và tìm hiểu về lý thuyết phương pháp SVTH: NGUYỄN MINH HIẾU 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VŨ VĂN ĐỊNH điều khiển.
- Tham khảo các tài liệu liên quan. - Hướng dẫn trực tiếp từ thầy, cô. Nội dung thực hiện - Nghiên cứu cách thức hoạt động và phương pháp điều khiển của động cơ. - Chọn giải pháp điều khiển phù hợp để điều khiển động cơ BLDC.
- Thiết kế phần cứng dựa trên sơ đồ khối và các linh kiện có sẵn. - Lập trình điều khiển bằng Arduino IDE. - Đánh giá kết quả thực hiện và đưa ra hướng phát triển. Giới thiệu xe điện 1.
Sơ lược về xe điện Cả về mặt thương mại và nghiên cứu và phát triển, ô tô là một trong những ngành công nghiệp quan trọng nhất của thế giới. Các nhà sản xuất ô tô đang dần áp dụng các công nghệ an toàn tiên tiến để bảo vệ hành khách và người đi bộ tốt hơn. Bây giờ có nhiều phương tiện hơn trên đường, chúng ta có thể đi nhanh hơn và thú vị hơn. Kết quả của sự gia tăng này, ô nhiễm không khí đô thị đã tăng lên đáng kể (tức là các chất ô nhiễm như PM, NOX, CO, SO2, v.
Dữ liệu từ Liên minh Châu Âu cho thấy giao thông đường bộ chiếm hơn 70% lượng khí thải của ngành. Hầu hết các chính phủ của các nước phát triển đang thúc đẩy việc sử dụng xe điện (EV) như một phương tiện giảm ô nhiễm không khí, carbon dioxide (CO2) và các khí thải gây hiệu ứng nhà kính khác. Việc thúc đẩy giao thông vận tải thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng có thể dưới hình thức ưu đãi thuế, hỗ trợ tài chính khi mua hàng hoặc các sáng kiến độc đáo khác như cung cấp đường hoặc bãi đậu xe công cộng miễn phí. Cấu tạo xe điện Động cơ điện được phát minh vào năm 1827, khi linh mục Anyos Jedlik người Hungary chế tạo động cơ điện thô sơ nhưng khả thi đầu tiên.
Đây là năm khởi nguồn cho sự khai sinh của ngành công nghiệp xe điện. Tất cả các loại xe điện (EV) đều được trang bị một hoặc nhiều động cơ điện để thay thế động cơ đốt trong. Những chiếc xe này sử dụng bộ pin sức kéo để cung cấp năng lượng cho động cơ điện và phải được cắm vào trạm sạc hoặc nguồn điện. Vì chạy bằng điện nên xe không có khí thải gây ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra, động cơ điện SVTH: NGUYỄN MINH HIẾU 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VŨ VĂN ĐỊNH còn có ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển, cho phép chúng ta sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến để điều khiển động cơ, từ đó nâng cao chất lượng động học của ô tô. Trên thị trường hiện nay có hai loại xe điện: hybrid và pure electric (thuần điện). Xe thuần điện có các bộ phận chính là pin sạc, bộ điều khiển và động cơ điện.
Đầu tiên, pin được cấp nguồn. Sau đó, bộ điều khiển chuyển đổi dòng điện từ DC-AC để nó có thể được sử dụng bởi động cơ. Động cơ biến đổi năng lượng điện thành cơ năng. Công nghệ tương tự cũng tồn tại trên xe hybrid, bên cạnh đó còn có động cơ xăng nhỏ chạy máy phát điện.
Điều này cung cấp năng lượng cho chiếc xe ở tốc độ cao và pin cung cấp thêm năng lượng khi tăng tốc. Ắc quy có thể tự sạc lại khi xe giảm tốc hoặc đứng yên. Công nghệ hybrid có xăng, có nghĩa là có thể đi xa hơn nhiều, giúp tiết kiệm tiền và giảm tác động đến môi trường. Hiện nay với sự phát triển của công nghệ chế tạo và sản xuất, động cơ ô tô ngày càng trở nên đa dạng, theo cấu tạo thì động cơ ô tô có hai loại: - Động cơ không đồng bộ.
- Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ đồng bộ (Pernament Magnet Motor). Với nhiều ưu điểm vượt trội, đáp ứng nhu cầu về tiêu dùng và bảo vệ môi trường xe hybrid ngày càng được phổ biến và thâm nhập thị trường trên nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên, vẫn còn những hạn chế nhất định trên xe hybrid nên việc thay thế xe động cơ xăng, diesel vẫn là một điều khó thực hiện, các bất cập khó khăn như thời gian sạc, tuổi thọ sử dụng của pin, các điểm sạc vẫn chưa được trải rộng rãi,… Động cơ điện là 1 bộ phận khá quan trọng của cả chiếc xe điện và vẫn đang được nghiên cứu và tối ưu hóa. Ngoài động cơ điện thì trên xe điện còn có nhiều bộ phận khác như: - Ắc quy phụ: Trong một chiếc xe truyền động điện, nguồn pin phụ cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên xe hoạt động.
- Cổng sạc: Cổng sạc cho phép phương tiện kết nối với nguồn điện bên ngoài để sạc ắc-quy. - Biến tần: Là thiết bị biến đổi dòng một chiều thành xoay chiều. Bộ phận này có thể thay đổi tốc độ quay của động cơ thông qua điều chỉnh tần số của dòng điện xoay chiều. Thêm vào đó có thể thông qua cách điều chỉnh biên độ của tính hiệu biến tần để SVTH: NGUYỄN MINH HIẾU 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS.
VŨ VĂN ĐỊNH điều chỉnh công suất hoặc moment xoắn của động cơ. - Bộ sạc pin: Được tích hợp trong pin. Dùng để kiểm soát mức điện áp của pin thông qua cách điều chỉnh tốc độ sạc trên ô tô. Ngoài ra, còn có chức năng theo dõi nhiệt độ để duy trì tuổi thọ của pin dài lâu.
- Bộ ắc quy kéo: Lưu trữ điện để cung cấp cho motor. - Bộ điều khiển điện tử công suất (Power electronics controller): Bộ phận này quản lý dòng năng lượng điện được cung cấp bởi ắc quy, điều khiển tốc độ của motor điện và momen xoắn mà nó tạo. - Hệ thống làm mát (Thermat System): Hệ thống này duy trì một phạm vi nhiệt độ hoạt động thích hợp của động cơ/motor điện và một số các bộ phận khác.1 Cấu tạo của xe điện Chúng ta sẽ phân loại nhiều loại xe điện trong phần này và thảo luận về một số tính năng đáng chú ý nhất của chúng. Chúng ta có thể biết được tình trạng hiện tại của thị trường bằng cách xem xét các con số bán hàng và ước tính về các loại ô tô tương đương ở các quốc gia khác nhau trên thế giới.
Phân loại xe điện Xe điện có nhiều kiểu dáng và cấu hình đa dạng. Mỗi loại có thể được nhóm thành một trong năm loại chính. SVTH: NGUYỄN MINH HIẾU 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS.