Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và sự cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên hóa thạch, các tiêu chuẩn về khí thải và ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm ngặt. Việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng và chuyển đổi sang các phương tiện giao thông thân thiện với môi trường ("Green vehicle") trở thành định hướng phát triển tất yếu trong ngành công nghiệp ô tô - xe máy. Tại Việt Nam, xe hai bánh là phương tiện giao thông cá nhân chiếm tỷ lệ áp đảo trên bình quân đầu người, là một trong những nguồn phát thải khí ô nhiễm chính tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Do đó, việc nghiên cứu phát triển các dòng mô tô, xe máy chạy hoàn toàn bằng điện nhằm thay thế động cơ đốt trong truyền thống mang tính cấp bách cao.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô của nhóm tác giả Trần Ngọc Thức và Nguyễn Mỹ Cảnh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2019) thực hiện nhiệm vụ thiết kế một mẫu xe mô tô điện có khả năng vận hành đáp ứng điều kiện giao thông thực tế tại khu vực đô thị và ngoại thành. Đề tài tập trung vào ba nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết lập các tiêu chí kỹ thuật và tính toán động lực học cơ bản (phân bố tải trọng, trọng tâm, lực cản chuyển động).
  2. Lựa chọn nguồn động lực (động cơ điện) và thiết kế hệ thống truyền lực phù hợp với yêu cầu tăng tốc và leo dốc.
  3. Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học trên phần mềm MATLAB/Simulink nhằm kiểm chứng các chỉ tiêu kỹ thuật và khảo sát mức tiêu hao năng lượng.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mẫu xe mô tô hai bánh sử dụng nguồn động cơ điện công suất lớn (trên 4000 W), hướng tới đối tượng người dùng công sở di chuyển ngoại thành và nhóm khách hàng yêu thích dòng xe thể thao có gia tốc lớn. Phạm vi nghiên cứu về không gian và vận hành bám sát điều kiện giao thông Thành phố Hồ Chí Minh và mạng lưới đường bộ Việt Nam theo Thông tư 91/2015/TT-BGTVT (quy định tốc độ 40–50 km/h trong đô thị và 60–70 km/h ngoài đô thị). Phạm vi kỹ thuật giới hạn ở việc tính toán lý thuyết, thiết kế ý tưởng bộ truyền và mô phỏng số, chưa chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên lý thuyết động lực học chuyển động của ô tô - xe máy, trọng tâm là phương trình cân bằng lực kéo:

$$F_K = F_f + F_i + F_\omega + F_j \le F_\varphi$$

Trong đó:

  • $F_K$: Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động.
  • $F_f = m \cdot g \cdot f \cdot \cos\alpha$: Lực cản lăn.
  • $F_i = m \cdot g \cdot \sin\alpha$: Lực cản dốc.
  • $F_\omega = 0.5 \cdot \rho \cdot C_D \cdot A \cdot v^2$: Lực cản không khí.
  • $F_j = m \cdot j$: Lực cản quán tính.
  • $F_\varphi = G_{bx} \cdot \varphi$: Giới hạn lực bám giữa bánh xe và mặt đường.

Đồ án cũng áp dụng phương trình cân bằng công suất và phương trình vi phân biến thiên vận tốc theo thời gian để tính toán công suất tăng tốc:

$$\frac{dv}{dt} = \frac{P_K}{m \cdot v(t)} - g \cdot f - \frac{0.5 \cdot \rho \cdot C_D \cdot A \cdot v^2(t)}{m}$$

Về khung pháp lý và thực tiễn, tác giả sử dụng các quy chuẩn vận tốc tại Điều 6, 7, 8 và 9 của Thông tư 91/2015/TT-BGTVT và dữ liệu kỹ thuật từ các mẫu xe điện thương mại trên thị trường như VinFast Klara (phiên bản pin Lithium và ắc quy axit chì dùng động cơ Bosch 1200 W) và Pega NewTech (động cơ 1500–2250 W).

Phương pháp nghiên cứu áp dụng bao gồm:

  • Phương pháp thống kê, so sánh và phân tích kỹ thuật: Khảo sát ưu nhược điểm của các loại động cơ điện (động cơ một chiều DC, động cơ không đồng bộ IM, động cơ một chiều không chổi than BLDC, động cơ từ trở thay đổi SRM, động cơ từ trở đồng bộ SynRM, động cơ nam châm vĩnh cửu chìm IPM, động cơ gắn trong bánh xe Hub motor).
  • Phương pháp giải tích: Thiết lập phương trình vi phân và tính toán giải tích phân bố tải trọng, vị trí trọng tâm xe, tỷ số truyền và độ bền bộ truyền xích.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng môi trường Simulink trong MATLAB với thư viện Simscape Driveline và Simscape Vehicle để thiết lập mô hình vật lý hoàn chỉnh, phân tích động lực học theo các chế độ tăng tốc toàn tải (100% tay ga), leo dốc và các chu trình thử nghiệm xe quốc tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tổng quan về xu hướng phát triển phương tiện giao thông xanh, tình hình giao thông xe máy tại Việt Nam và mức độ ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong. Từ đó, tác giả xác định nhiệm vụ thiết kế mô tô điện thể thao, làm rõ đối tượng nghiên cứu, phạm vi ứng dụng trong đô thị và ngoại thành, đối tượng sử dụng mục tiêu và các giới hạn kỹ thuật của đề tài.

Chương 2: Phát triển thông số kỹ thuật

Tác giả phân tích kết quả cải tạo từ đề tài xe máy hai bánh hybrid (trên nền Honda Wave S110) để rút ra các yêu cầu về lực kéo và ổn định dọc. Tiếp theo, kịch bản sử dụng được xây dựng dựa trên Thông tư 91/2015/TT-BGTVT kết hợp với khảo sát thông số thực tế của hai mẫu xe điện: VinFast Klara (tốc độ tối đa 49 km/h, 2 chế độ ECO/Sport, quãng đường 80 km) và Pega NewTech (động cơ 1500 W / max 2250 W, 72V, mô-men xoắn 20.7 Nm, tốc độ cực đại 60 km/h, quãng đường 90 km, tự trọng 123 kg, tải trọng 250 kg). Trên cơ sở đó, tác giả thiết lập mục tiêu thiết kế cho xe: khả năng tăng tốc từ 0 lên 50 km/h trong vòng 7 giây, tốc độ cực đại trên đường bằng đạt 70 km/h, và khả năng vượt dốc tiêu chuẩn công trình.

Chương 3: Thiết kế ý tưởng

Chương 3 tập trung vào các bước tính toán thiết kế chi tiết:

  • Phân bố tải trọng và trọng tâm: Chiều dài cơ sở xe là $p = 1348$ mm; bánh trước cỡ 120/70-17, bánh sau 90/80-17. Khối lượng không tải của xe là 100 kg, tải trọng khi chở 1 người là 165 kg và 2 người là 230 kg. Tải trọng tĩnh cầu trước được chọn bằng 44% trọng lượng toàn xe. Kết quả xác định khoảng cách từ tâm bánh sau đến trọng tâm $b$ là 593.18 mm (xe không tải), 503.2 mm (chở 1 người) và 463.6 mm (chở 2 người).
  • Tính chọn công suất động cơ: Để tăng tốc 0–50 km/h trong 7 giây, công suất tính toán lý thuyết yêu cầu là 2885 W. Do động cơ điện có hiệu suất thấp ở dải tốc độ khởi động, tác giả nhân hệ số dự phòng 1.5, xác định công suất yêu cầu là $2885 \times 1.5 = 4327.5$ W. Từ đó, tác giả lựa chọn động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) công suất danh định 4500 W, tốc độ quay cực đại đạt 4489 vòng/phút.
  • Lựa chọn phương án truyền lực: Phân tích ưu nhược điểm giữa Hub motor và động cơ đặt giữa truyền động xích. Phương án động cơ rời truyền động xích được chọn nhằm giảm khối lượng không được treo ở bánh sau, tăng độ êm dịu và tính thể thao.
  • Tính toán tỷ số truyền và bộ truyền xích: Khảo sát tỷ số truyền $u$ từ 1 đến 10 qua mô phỏng giải tích vi phân cho thấy các giá trị $u \ge 6$ đảm bảo yêu cầu gia tốc 7 giây. Nhóm tác giả chốt tỷ số truyền $u = 6$ (hộp số 1 cấp). Bộ truyền xích được tính toán với bước xích $p = 12.7$ mm, số răng đĩa xích dẫn $Z_1 = 17$, số răng đĩa xích bị dẫn $Z_2 = 102$, số mắt xích $x = 144$, khoảng cách trục $a = 508$ mm, đường kính vòng chia đĩa xích $d_1 = 69.11$ mm và $d_2 = 412.7$ mm. Hệ số an toàn về độ bền xích đạt $s = 17.97$ (thỏa mãn dải cho phép $7 \div 19$).
  • Kiểm tra góc dốc cực đại: Tính toán lý thuyết cho thấy xe leo được dốc cực đại $\alpha_{\max} = 20.24^\circ$ khi chở 1 người và $14.5^\circ$ khi chở 2 người.

Chương 4: Mô phỏng động lực học bằng phần mềm MATLAB

Tác giả giới thiệu các khối cơ bản trong Simulink/Simscape và xây dựng hai mô hình mô phỏng:

  1. Mô hình mô phỏng gia tốc toàn tải (100% tay ga) và tốc độ cực đại: Bao gồm cụm tra thông số mô tơ (Lookup Table từ dữ liệu thực nghiệm mô tơ 4500 W), cụm hệ thống truyền lực (Chain Drive, Disc Brake, cảm biến mô-men và vận tốc góc), cụm thân xe và bánh xe (Vehicle Body, Tire).
  2. Mô hình mô phỏng chạy bám theo chu trình: Bổ sung khối Drive Cycle Source và bộ điều khiển PID (PID Controller) để phát tín hiệu điều khiển ga và phanh bám theo vận tốc đặt của chu trình.

Kết quả mô phỏng đồ thị ghi nhận các giá trị vận tốc cực đại, thời gian tăng tốc, công suất tiêu thụ của mô tơ và pin, khả năng vượt dốc trong 30 giây, cũng như sai lệch vận tốc trên ba chu trình thử nghiệm: Japanese 10-15 Mode, ECE R15 (Single Cycle) và NEDC (New European Driving Cycle).

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ thiết kế, đối chiếu kết quả mô phỏng so với mục tiêu ban đầu và đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống pin (chuyển đổi sang Pin Lithium-ion) cùng hướng nghiên cứu chế tạo thực nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Cấu trúc hệ thống truyền động và nguồn động lực của mô tô điện được thiết kế theo cấu hình động cơ đặt giữa dẫn động bánh sau thông qua một cấp truyền động xích. Các thông số kỹ thuật cơ bản được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Hạng mục thông số Giá trị thiết kế Đơn vị
Chiều dài cơ sở ($p$) 1348 mm
Kích thước lốp trước / lốp sau 120/70-17 / 90/80-17 -
Khối lượng bản thân xe 100 kg
Khối lượng chở 1 người / 2 người 165 / 230 kg
Phân bố tải trọng tĩnh trục trước ($%N_f$) 44 %
Loại động cơ điện BLDC (Một chiều không chổi than) -
Công suất danh định mô tơ 4500 W
Số vòng quay cực đại mô tơ ($n$) 4489 vòng/phút
Tỷ số truyền hệ thống ($u$) 6.0 -
Số răng đĩa xích dẫn ($Z_1$) / bị dẫn ($Z_2$) 17 / 102 răng
Bước xích ($p$) / Số mắt xích ($x$) 12.7 / 144 mm / mắt
Khoảng cách trục hai đĩa xích ($a$) 508 mm

Mô hình mô phỏng triển khai trên môi trường MATLAB/Simulink sử dụng hệ thống các khối chức năng chuyên dụng:

  • Khối Tire: Mô phỏng tương tác lốp và mặt đường theo các thông số kích thước hình học, lực tương tác dọc và hệ số cản lăn.
  • Khối Vehicle Body: Thiết lập các thông số khí động học (diện tích cản gió $A$, hệ số cản $C_D$), khối lượng xe, và tính toán tải trọng động phân bố lên các trục.
  • Khối Chain Drive: Mô hình hóa bộ truyền xích với tỷ số bán kính hai đĩa xích và giới hạn lực căng lớn nhất.
  • Khối Servomotor & 1-D Lookup Table: Tái hiện đặc tính mô-men xoắn - số vòng quay và hiệu suất thực nghiệm của động cơ BLDC 4500 W.
  • Khối PID Controller: Thiết lập thuật toán điều khiển vòng kín với hai nhánh xuất tín hiệu điều khiển tay ga (0–100%) và áp suất phanh đĩa (bar) để xe bám sát biên dạng vận tốc của các chu trình chạy thử nghiệm.
  • Khối Drive Cycle Source: Cung cấp tín hiệu vận tốc chuẩn theo thời gian của các chu trình thử nghiệm quốc tế.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink cho thấy các chỉ tiêu động lực học đều đáp ứng mục tiêu đề ra:

Chỉ tiêu vận hành Mục tiêu đề ra Kết quả tính toán / Mô phỏng
Thời gian tăng tốc 0 - 50 km/h $\le 7$ giây Đạt 50 km/h trong 7 giây (với $u=6$, $P=4500$ W)
Vận tốc cực đại (1 người, 165 kg) $\ge 60$ km/h 70 km/h (lý thuyết) / Đạt ổn định trong mô phỏng 120s
Vận tốc cực đại (2 người, 230 kg) - Duy trì ổn định trên dải tốc độ cao theo mô phỏng 120s
Khả năng leo dốc cực đại (1 người) Vượt dốc đô thị $\alpha_{\max} = 20.24^\circ$ ($i \approx 36.8%$)
Khả năng leo dốc cực đại (2 người) Vượt dốc đô thị $\alpha_{\max} = 14.5^\circ$ ($i \approx 25.8%$)
Khả năng bám chu trình Japanese 10-15 Bám sát quỹ đạo Vận tốc mô phỏng trùng khớp với vận tốc đặt
Khả năng bám chu trình ECE R15 Bám sát quỹ đạo Phản hồi bám sát các chu kỳ tăng - giảm tốc
Khả năng bám chu trình NEDC Bám sát quỹ đạo Đáp ứng tốt các giai đoạn gia tốc đô thị và ngoại ô

Đóng góp của đồ án thể hiện ở các điểm cụ thể:

  • Đã xây dựng quy trình tính toán hoàn chỉnh từ động lực học tổng quát, tính toán vị trí trọng tâm dưới các trạng thái tải trọng khác nhau, xác định công suất nguồn động lực đến lựa chọn tỷ số truyền và độ bền bộ truyền cơ khí cho dòng mô tô điện thể thao.
  • Thiết lập thành công mô hình mô phỏng Simscape/Simulink tích hợp bộ điều khiển PID hai chiều (ga - phanh) và bảng tra đặc tính thực nghiệm động cơ, cho phép xuất các đường đặc tính tức thời về công suất tiêu thụ, mô-men xoắn, lực căng xích và điện năng tiêu hao theo chu trình vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Đề tài dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế ý tưởng và mô phỏng số trên phần mềm MATLAB/Simulink; chưa tiến hành chế tạo mô hình thực tế và thử nghiệm đo đạc thực nghiệm trên băng thử hoặc đường thử.
  • Mô hình mô phỏng coi hiệu suất truyền động của bộ truyền xích là lý tưởng hoặc gần lý tưởng trong một số bước giải tích ban đầu, chưa xét đến biến thiên nhiệt độ làm việc và hao mòn cơ học theo thời gian.
  • Hệ thống lưu trữ năng lượng mới chỉ khảo sát sơ bộ mức tiêu thụ công suất điện lý thuyết, chưa mô hình hóa chi tiết đặc tính hóa học, nhiệt độ và suy giảm dung lượng của khối pin lưu trữ.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả đề xuất:

  • Nghiên cứu ứng dụng và thiết kế chi tiết khối Pin Lithium-ion có mật độ năng lượng cao để thay thế ắc quy truyền thống nhằm giảm khối lượng bản thân xe.
  • Chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống khung sườn, lắp ráp động cơ BLDC 4500 W và bộ truyền xích thực tế để đối chứng số liệu mô phỏng với dữ liệu vận hành thực tế.
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển bộ biến tần và hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh (Regenerative Braking).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ điện tử và Kỹ thuật Giao thông đang thực hiện các đồ án thiết kế xe điện, xe hai bánh hybrid hoặc tính toán động lực học phương tiện.

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  • Phương pháp lập phương trình vi phân chuyển động và thuật toán giải số trên MATLAB để chọn dải công suất động cơ điện và tỷ số truyền hộp số/bộ truyền xích.
  • Phương pháp tính toán tọa độ trọng tâm xe máy khi xét đến vị trí ngồi của người lái và người ngồi sau ở các trạng thái tải trọng khác nhau.
  • Cách thức kết nối các khối chuyên dụng trong thư viện Simscape Driveline/Vehicle Body và thiết lập bộ điều khiển PID điều khiển tín hiệu kép (ga và phanh) bám theo các chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn (ECE R15, Japanese 10-15, NEDC).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án không chọn động cơ gắn trong bánh xe (Hub motor) mà chọn động cơ rời truyền động qua xích? Tác giả đã so sánh hai phương án: Hub motor giúp kết cấu truyền lực gọn nhẹ và loại bỏ tổn thất trung gian, nhưng nhược điểm lớn là làm tăng đáng kể khối lượng không được treo (unsprung mass) tại bánh sau, làm giảm độ êm dịu và tính ổn định khi di chuyển ở tốc độ cao. Do hướng đến dòng xe thể thao vận hành tốc độ cao và linh hoạt, tác giả chọn động cơ BLDC rời đặt giữa xe truyền động qua xích để tối ưu hóa phân bố khối lượng, tăng tính êm dịu và thuận tiện trong việc bảo dưỡng, sửa chữa.

2. Công suất động cơ 4500 W được lựa chọn dựa trên cơ sở tính toán nào? Dựa trên phương trình vi phân động lực học giải trên MATLAB, công suất cần thiết trên trục chủ động để xe tăng tốc từ 0 lên 50 km/h trong 7 giây là 2885 W. Do động cơ điện có hiệu suất làm việc giảm thấp ở vùng tốc độ thấp khi bắt đầu khởi hành, tác giả nhân hệ số hiệu suất dự phòng là 1.5, thu được công suất yêu cầu là $2885 \times 1.5 = 4327.5$ W. Từ đó, loại mô tơ điện BLDC thương mại có công suất danh định 4500 W được lựa chọn.

3. Tỷ số truyền của bộ truyền xích được xác định là bao nhiêu và thông số đĩa xích như thế nào? Qua khảo sát dải tỷ số truyền trên mô hình toán, các tỷ số truyền từ 6 đến 8 đều thỏa mãn yêu cầu tăng tốc. Nhóm tác giả lựa chọn tỷ số truyền một cấp $u = 6$. Bộ truyền xích tiêu chuẩn có bước xích $p = 12.7$ mm, đĩa xích chủ động $Z_1 = 17$ răng (đường kính vòng chia 69.11 mm), đĩa xích bị động $Z_2 = 102$ răng (đường kính vòng chia 412.7 mm), chiều dài xích gồm 144 mắt xích với khoảng cách trục $a = 508$ mm.

4. Mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink kiểm chứng những điều kiện vận hành nào? Mô hình mô phỏng kiểm chứng hai nhóm điều kiện:

  • Nhóm điều kiện giới hạn kỹ thuật (100% tay ga): Đánh giá khả năng tăng tốc 0–50 km/h trong 7 giây, kiểm tra vận tốc cực đại trong 120 giây (với 1 người 165 kg và 2 người 230 kg), kiểm tra công suất tiêu thụ điện, và kiểm tra khả năng vượt dốc trong 30 giây.
  • Nhóm điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn: Mô phỏng xe chạy bám theo các chu trình thử nghiệm Japanese 10-15 Mode, ECE R15 (Single Cycle) và NEDC thông qua bộ điều khiển PID điều tiết tay ga và phanh đĩa.

5. Khả năng leo dốc cực đại theo tính toán lý thuyết của xe đạt được là bao nhiêu? Áp dụng phương trình cân bằng lực kéo khi xe leo dốc ở vận tốc thấp ổn định với mô-men xoắn cực đại của động cơ qua tỷ số truyền $u = 6$, độ dốc cực đại xe có thể leo được là $\alpha_{\max} = 20.24^\circ$ đối với trường hợp chở 1 người (tổng tải trọng 165 kg) và $\alpha_{\max} = 14.5^\circ$ đối với trường hợp chở 2 người (tổng tải trọng 230 kg).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Ngọc Thức và Nguyễn Mỹ Cảnh đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế ý tưởng nguồn động lực và hệ thống truyền lực cho mô tô điện thể thao phục vụ giao thông đô thị và ngoại thành. Thông qua các phương trình giải tích động lực học kết hợp giải thuật vi phân trên MATLAB, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn chính xác động cơ BLDC 4500 W và tối ưu hóa bộ truyền xích một cấp với tỷ số truyền $u = 6$. Toàn bộ các kết quả mô phỏng động lực học trên môi trường Simulink/Simscape đều chứng minh phương tiện thỏa mãn đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra về khả năng tăng tốc (0–50 km/h trong 7 giây), tốc độ cực đại (70 km/h), khả năng leo dốc và tính ổn định khi vận hành bám theo các chu trình thử nghiệm quốc tế.