Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng hoạt động của các ngành công nghiệp và giao thông vận tải đang làm gia tăng lượng khí phát thải nhà kính, đặc biệt là khí carbon dioxide ($CO_2$), dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu và ô nhiễm môi trường. Trước thực trạng đó, ngành công nghiệp ô tô toàn cầu có sự chuyển dịch rõ rệt từ các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong truyền thống sang các dòng xe sử dụng năng lượng sạch, bao gồm ô tô lai (Hybrid) và ô tô thuần điện (Battery Electric Vehicle - BEV). Sự mở đường của Tesla cùng sự trỗi dậy mạnh mẽ từ các nhà sản xuất xe điện Trung Quốc nhờ việc nắm giữ tài nguyên và công nghệ lõi trong sản xuất pin đã định hình lại thị trường xe điện toàn cầu. Trong đó, BYD là một trong những nhà sản xuất nổi bật, với tổng sản lượng đạt hơn 4,27 triệu xe trong năm 2024 (bao gồm 1,76 triệu xe thuần điện, tăng 41% so với năm trước đó) và cung cấp pin cho nhiều hãng xe quốc tế.

Tại Việt Nam, xu hướng nghiên cứu và tiếp cận công nghệ xe điện đang trở thành yêu cầu cấp thiết trong đào tạo và kỹ thuật. Xuất phát từ nhu cầu học tập chuyên sâu và đóng góp tư liệu nghiên cứu cho ngành ô tô trong nước, đề tài "Tính toán động lực học ô tô điện BYD Dolphin" được thực hiện nhằm giải quyết các bài toán kỹ thuật vận hành của một mẫu xe điện đô thị điển hình.

Mục tiêu chung của đồ án là tìm ra phương án tính toán các thông số động lực học cho ô tô điện nói chung và dòng xe BYD Dolphin nói riêng khi vận hành trong các điều kiện khác nhau. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tính toán các thông số động lực học của ô tô điện dựa trên các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất công bố.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình mô phỏng hệ động lực điện đã tính toán trên môi trường phần mềm Matlab/Simulink.
  3. Thu thập dữ liệu kết quả mô phỏng, phân tích và đánh giá khả năng hoạt động của mô hình theo các yêu cầu vận hành thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tính động lực học trên mẫu ô tô điện BYD Dolphin phiên bản 2023 và bộ công cụ phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào tính toán thông số động lực học chuyển động thẳng, lực kéo, lực cản, khả năng leo dốc, tăng tốc, mức tiêu hao năng lượng pin, cũng như mô hình hóa hệ thống truyền lực và pin trên phần mềm mô phỏng.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Đề tài được triển khai từ ngày 03/03/2025 đến ngày 10/06/2025 tại xưởng thực tập Bộ môn Điện tử Ô tô, Tòa nhà F, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng dựa trên lý thuyết động lực học ô tô truyền thống kết hợp với lý thuyết điều khiển và truyền động điện hiện đại. Ô tô điện được cấu thành từ hai hệ thống cơ bản: hệ thống cung cấp năng lượng (khối pin, ắc quy phụ trợ 12V, hệ thống quản lý năng lượng EMU, hệ thống quản lý nhiệt và cổng sạc) và hệ thống truyền động (bộ điều khiển xe Vehicle Controller, bộ biến tần, động cơ điện, bộ giảm tốc/hộp số và các bánh xe dẫn động).

Về mặt động cơ điện, tác giả khảo sát lý thuyết cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính cơ của năm loại động cơ chính:

  • Động cơ điện một chiều có chổi than (DC motor): Ưu điểm mô-men lớn ở tốc độ thấp, điều khiển đơn giản nhưng bị giới hạn nghiêm trọng bởi sự mài mòn cơ học của cổ góp - chổi than và khó làm mát rotor.
  • Động cơ một chiều không chổi than (BLDC motor): Sử dụng chuyển mạch điện tử qua cảm biến Hall hoặc phương pháp không cảm biến (sensorless) dựa trên sức điện động cảm ứng, hiệu suất cao, ít bảo trì.
  • Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM): Phân loại thành dạng nam châm bề mặt (SPM) và nam châm đặt chìm trong rotor (IPM). Loại động cơ này đạt mật độ công suất lớn, hiệu suất tối ưu và dải điều khiển tốc độ linh hoạt.
  • Động cơ không đồng bộ ba pha (IM): Phân chia theo rotor lồng sóc và rotor dây quấn; có độ bền cao, giá thành sản xuất hợp lý nhưng cần bộ biến tần DC-AC chuyển đổi phức tạp và hiệu suất thấp hơn PMSM do tổn hao trên rotor.
  • Động cơ từ trở thay đổi (SRM): Cấu tạo đơn giản không dùng nam châm vĩnh cửu hay dây quấn rotor, độ bền cơ học cao ở tốc độ lớn, tuy nhiên yêu cầu thuật toán xử lý tín hiệu và điều khiển dòng phức tạp để triệt tiêu độ nhấp nhô mô-men.

Về nguồn năng lượng lưu trữ, đồ án phân tích các loại pin hóa học ứng dụng trong công nghiệp ô tô điện: pin axit chì (dạng gel), pin nền Niken (NiCad, NiMH), pin nền Natri (Natri Sulfur, Zebra) và các dòng pin Lithium (Lithium polymer, Lithium ion thông thường và Lithium Ferrous Phosphate - LFP).

Loại pin Năng lượng riêng (Wh/kg) Mật độ năng lượng (Wh/l) Công suất riêng (W/kg) Điện áp danh định (V/cell) Số chu kỳ vòng đời (chu kỳ) Thời gian sạc tiêu chuẩn
Pin axit chì 20 – 35 54 – 95 ~250 2.0 ~800 8 giờ
Pin NiCad 40 – 55 70 – 90 ~125 1.2 ~1.200 1 giờ
Pin NiMH ~65 ~150 200 1.2 ~1.000 1 giờ
Pin Natri Sulfur 100 (tối đa 200) ~150 200 2.0 ~1.000 8 giờ
Pin Zebra 100 150 150 ~2.0 >1.000 8 giờ
Pin Lithium-ion 140 250 – 620 300 – 1.500 3.5 >1.000 2 – 3 giờ
Pin LFP 180 – 205 325 200 3.2 2.000 2 – 3 giờ

Về cách bố trí hệ thống truyền lực, tác giả tổng hợp sáu cấu hình: từ các dạng truyền thống đặt động cơ ở giữa thân xe (thay thế động cơ đốt trong, bỏ ly hợp giữ hộp số, hoặc bỏ cả ly hợp lẫn hộp số để dùng bộ giảm tốc cố định tích hợp vào cầu dẫn động) đến các phương án động cơ đặt tại bánh xe (mô-tơ độc lập, tích hợp bộ truyền cuối, hoặc động cơ in-wheel dẫn động trực tiếp).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết động lực học ô tô, tra cứu thông số kỹ thuật chính hãng từ nhà sản xuất, thiết lập mô hình giải tích cân bằng lực kéo và thực hiện mô phỏng số thông qua phần mềm Matlab/Simulink.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu trong ngành giao thông, thực trạng ô nhiễm khí thải và sự trỗi dậy của các dòng xe thuần điện từ các nhà sản xuất lớn như Tesla và BYD. Tác giả xác định tính cấp thiết của việc tính toán và mô phỏng động lực học ô tô điện tại Việt Nam, nêu rõ mục tiêu, đối tượng nghiên cứu (xe BYD Dolphin 2023 và công cụ Matlab/Simulink), phạm vi và phương pháp nghiên cứu áp dụng trong toàn bộ đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết về cấu tạo tổng quát của xe điện, nguyên lý làm việc đồng bộ giữa bộ điều khiển trung tâm, biến tần, động cơ và cụm pin. Nội dung đi sâu phân tích nguyên lý điện từ và cấu trúc cơ khí của năm dòng động cơ (DC, BLDC, PMSM, IM, SRM), đồng thời so sánh các công nghệ pin thông qua bảng thông số kỹ thuật danh định. Tác giả cũng phân tích chi tiết ưu nhược điểm của pin LFP (độ bền 2.000 chu kỳ, tính ổn định nhiệt, an toàn chống cháy nổ) và phân loại sáu phương án bố trí hệ thống truyền lực trên ô tô điện.

Chương 3: Tính toán động lực học trên BYD Dolphin

Nội dung chương 3 tập trung xác định và tính toán các đặc tính động lực học của mẫu xe BYD Dolphin 2023. Tác giả tổng hợp bộ thông số kỹ thuật thực tế của xe do nhà sản xuất phát hành:

Thông số kỹ thuật Giá trị danh định
Chiều dài tổng thể $\times$ Rộng $\times$ Cao $4.290\text{ mm} \times 1.770\text{ mm} \times 1.570\text{ mm}$
Chiều dài cơ sở ($L$) $2.700\text{ mm}$
Bán kính quay vòng tối thiểu ($R_{\min}$) $5,25\text{ m}$
Bán kính bánh xe ($r_b$) $0,3\text{ m}$
Khối lượng không tải ($m$) $1.506\text{ kg}$
Phân bổ tải trọng cầu trước / cầu sau $855\text{ kg}$ / $651\text{ kg}$
Diện tích cản chính diện ($A$) $2,8\text{ m}^2$
Hệ số cản không khí ($C_d$) $0,301$
Hệ số cản lăn mặt đường ($f$) $0,02$
Hiệu suất truyền lực ($\eta_t$) $0,9$
Tỉ số truyền hệ thống giảm tốc ($i_g$) $10,4$
Công suất cực đại động cơ ($P_{\max}$) $70\text{ kW}$
Mô-men xoắn cực đại ($T_{\max}$) $180\text{ Nm}$
Tốc độ quay cực đại động cơ ($n_{\max}$) $15.000\text{ vòng/phút}$
Kiểu dẫn động Cầu trước chủ động (FWD)
Dung lượng danh định / Điện áp khối pin $135\text{ Ah}$ / $332,8\text{ V}$

Dựa trên các thông số này, tác giả thiết lập phương trình cân bằng lực kéo tiếp tuyến của xe với tổng các lực cản: lực cản lăn ($F_f$), lực cản không khí ($F_\omega$), lực quán tính khi tăng tốc ($F_j$) và lực cản lên dốc ($F_i$). Phân tích nguyên lý phanh tái sinh và sự phân bố lực phanh giữa hệ thống phanh thủy lực và mô-men phanh điện tái sinh được thực hiện nhằm tối ưu việc thu hồi động năng. Chương này cũng giải quyết bài toán động lực học quay vòng của xe dẫn động cầu trước, khảo sát đặc tính cơ của động cơ điện qua đồ thị mô-men xoắn - tốc độ quay, tính toán tốc độ cơ sở ($v_b$), xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo, xác định vận tốc tối đa, thời gian tăng tốc, độ dốc cực đại và đặt nền móng giải thuật tính mức tiêu hao năng lượng.

Chương 4: Mô phỏng xe điện BYD Dolphin

Chương 4 hiện thực hóa các công thức toán học thành mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên Matlab/Simulink. Cấu trúc mô hình được module hóa thành các khối chức năng chính:

  • Khối chu trình lái (Driving Cycle): Tích hợp dữ liệu vận tốc chuẩn quốc tế gồm WLTC Class 3b (thuộc chu trình WLTP), NEDC và FTP-75.
  • Khối điều khiển tốc độ: Thiết lập thuật toán điều khiển kiểu dự đoán (Predictive Control) nhằm mô phỏng thao tác đạp ga và phanh của người lái dựa trên sai lệch vận tốc thực tế và vận tốc tham chiếu.
  • Khối tính toán mô-men yêu cầu: Chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ bàn đạp thành mô-men xoắn cần cung cấp.
  • Khối Pin và Động cơ: Sử dụng khối Mapped Motor để tra bảng đặc tính mô-men/hiệu suất và khối Pin Lithium dựa trên thông số pin LFP Blade $332,8\text{ V} - 135\text{ Ah}$.
  • Khối hệ thống truyền lực: Gồm các mô-đun trục truyền động, bộ vi sai, cầu trước chủ động, bánh xe và cơ cấu phanh.

Chương này trình bày các đồ thị kết quả mô phỏng thu được từ ba chu trình lái (WLTP, NEDC, FTP-75), phản ánh đáp ứng tín hiệu bàn đạp ga/phanh, trạng thái sạc pin (SOC), cường độ dòng điện tức thời, mô-men đầu ra động cơ, công suất pin, tổng năng lượng tiêu thụ và độ bám sát của vận tốc mô phỏng so với vận tốc chu trình chuẩn.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương cuối tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành trong đồ án: từ việc tổng hợp cơ sở lý luận, tính toán giải tích động lực học cho mẫu xe BYD Dolphin đến việc xây dựng và chạy kiểm nghiệm mô hình mô phỏng trên Simulink. Đồng thời, tác giả đưa ra các nhận định về tính khả thi của mô hình và đề xuất các định hướng nâng cấp trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể thông qua số liệu tính toán và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink:

  • Xây dựng thành công bộ dữ liệu thông số động lực học chi tiết cho xe BYD Dolphin 2023 với hệ dẫn động cầu trước (FWD), tỉ số truyền cố định $i_g = 10,4$ và hiệu suất truyền lực $\eta_t = 0,9$.
  • Thiết lập hoàn chỉnh các đồ thị đặc tính động cơ điện với giới hạn mô-men xoắn cực đại $180\text{ Nm}$ ở dải tốc độ thấp và công suất cực đại $70\text{ kW}$ ở dải tốc độ cao (vòng tua tối đa $15.000\text{ vòng/phút}$).
  • Xây dựng mô hình tính toán các lực cản chuyển động thực tế dựa trên các thông số khí động học và ma sát ($C_d = 0,301$, $A = 2,8\text{ m}^2$, $f = 0,02$).
  • Hoàn thiện mô hình mô phỏng tích hợp đầy đủ hệ thống điều khiển người lái (Predictive Controller), bộ truyền lực và khối pin LFP dung lượng $135\text{ Ah}$ (điện áp $332,8\text{ V}$, mức năng lượng trên $40\text{ kWh}$).
  • Kiểm nghiệm mô hình thành công trên ba chu trình lái thử nghiệm tiêu chuẩn quốc tế: WLTC Class 3b, NEDC và FTP-75. Đồ thị vận tốc thực tế của mô hình bám sát vận tốc tham chiếu của chu trình lái, phản ánh chính xác các trạng thái tăng tốc, chạy ổn định, phanh thu hồi năng lượng tái sinh và sự suy giảm trạng thái sạc (SOC) của cụm pin.

Về mặt đóng góp học thuật và ứng dụng, đồ án tự nêu các giá trị:

  • Cung cấp một quy trình tính toán động lực học hoàn chỉnh và có hệ thống dành cho ô tô thuần điện cỡ nhỏ sử dụng hệ truyền động tích hợp một cấp số.
  • Thiết lập một công cụ mô phỏng số tin cậy trên nền tảng Matlab/Simulink, có khả năng mở rộng để kiểm tra mức tiêu thụ năng lượng và đánh giá động lực học cho các dòng ô tô điện khác có cấu hình tương đương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo phạm vi thực hiện và nội dung được công bố trong văn bản:

  • Các thông số tính toán và mô hình mô phỏng chủ yếu dựa trên số liệu công bố từ nhà sản xuất (BYD Auto) và các giá trị giả định lý thuyết của bề mặt đường (hệ số cản lăn $f = 0,02$).
  • Nghiên cứu dừng lại ở mức độ mô phỏng số trên máy tính, chưa có điều kiện đo đạc thực nghiệm trực tiếp trên xe thật vận hành ngoài đường thực tế tại Việt Nam để đối chiếu và hiệu chỉnh sai số của mô hình.
  • Mô hình phanh tái sinh và nhiệt độ cụm pin chưa xét đến toàn diện các tác động phi tuyến của nhiệt độ môi trường khắc nghiệt lên nội trở và dung lượng khả dụng của pin LFP.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được xác định bao gồm việc mở rộng mô hình nhiệt cho khối pin và động cơ trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, khảo sát sâu hơn các thuật toán phân bổ lực phanh tái sinh nâng cao, và tiến hành thu thập dữ liệu vận hành thực tế khi mẫu xe được thương mại hóa rộng rãi tại thị trường trong nước.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa cần tài liệu mẫu về tính toán động lực học xe điện và phương pháp mô phỏng hệ thống truyền động điện trên phần mềm Matlab/Simulink.
  • Giảng viên phụ trách các môn học Lý thuyết Ô tô, Thiết kế Ô tô và Mô phỏng Hệ thống Ô tô trong việc xây dựng bài tập lớn, đồ án môn học hoặc chuyên đề nghiên cứu về xe năng lượng mới.
  • Các kỹ sư, chuyên viên kỹ thuật đang nghiên cứu về cấu trúc nền tảng xe điện (e-Platform), đặc tính hệ thống pin LFP (Blade Battery) và các phương pháp kiểm tra mức tiêu hao năng lượng xe điện theo các chu trình thử nghiệm WLTC, NEDC, FTP-75.

Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án bao gồm: bảng dữ liệu chi tiết về thông số hình học, khối lượng, tỷ số truyền của BYD Dolphin (Chương 3); cấu trúc xây dựng các khối chức năng và thuật toán điều khiển Predictive trong môi trường Simulink (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu xe BYD Dolphin 2023 sử dụng loại pin nào và có thông số kỹ thuật ra sao?
Xe sử dụng loại pin cao áp LFP (Lithium Ferrous Phosphate - công nghệ Blade Battery) với dung lượng định mức $135\text{ Ah}$, điện áp danh định $332,8\text{ V}$ và tổng năng lượng khả dụng trên $40\text{ kWh}$. Pin hỗ trợ sạc tiêu chuẩn AC công suất $11\text{ kW}$ (nạp từ 0% đến 100% trong khoảng 6 giờ 12 phút) và sạc nhanh DC công suất $150\text{ kW}$ (nạp từ 10% đến 80% trong 40 phút), cho phạm vi hoạt động trên $300\text{ km}$ theo tiêu chuẩn WLTP.

2. Động cơ điện trang bị trên BYD Dolphin có các chỉ số công suất và mô-men xoắn cực đại là bao nhiêu?
Theo công bố của nhà sản xuất được trích dẫn trong đồ án, động cơ điện của xe có công suất cực đại là $70\text{ kW}$, mô-men xoắn cực đại đạt $180\text{ Nm}$ và tốc độ quay tối đa đạt $15.000\text{ vòng/phút}$.

3. Hệ thống truyền lực của BYD Dolphin thuộc kiểu bố trí nào và có tỉ số truyền bao nhiêu?
Xe sử dụng kiểu dẫn động cầu trước chủ động (FWD). Hệ thống truyền lực thuộc dạng loại bỏ cả ly hợp và hộp số nhiều cấp, sử dụng một bộ giảm tốc có tỉ số truyền cố định $i_g = 10,4$ với hiệu suất truyền lực danh định $\eta_t = 0,9$. Động cơ điện, bộ vi sai và bộ giảm tốc được tích hợp trực tiếp vào cầu trước chủ động của xe.

4. Tác giả đã sử dụng những chu trình lái thử nghiệm chuẩn quốc tế nào để mô phỏng đánh giá xe trên Simulink?
Tác giả đã tích hợp ba chu trình lái chuẩn vào khối mô phỏng: chu trình WLTC Class 3b (thuộc hệ thống tiêu chuẩn thử nghiệm xe nhẹ hài hòa toàn cầu WLTP), chu trình NEDC (New European Driving Cycle) và chu trình FTP-75 (Federal Test Procedure của Mỹ).

5. Khối điều khiển tốc độ của người lái trong mô hình Simulink được thiết lập theo thuật toán nào?
Trong khối điều khiển tốc độ mô phỏng thao tác người lái, tác giả đã lựa chọn và thiết lập kiểu điều khiển dự đoán (Predictive Control) nhằm điều chỉnh góc mở bàn đạp ga và bàn đạp phanh, giúp vận tốc thực tế của xe bám sát biên độ vận tốc tức thời của các chu trình lái tham chiếu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán động lực học ô tô điện BYD Dolphin" do sinh viên Phan Nguyễn Ngọc Duy và Ngô Vũ Hải Đăng thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Dương Tuấn Tùng là công trình nghiên cứu kỹ thuật chuyên sâu về hệ động lực ô tô điện. Nghiên cứu đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về động cơ điện, các dòng pin lưu trữ và xây dựng thành công mô hình giải tích động lực học kết hợp mô phỏng số trên Matlab/Simulink cho mẫu xe BYD Dolphin 2023. Các kết quả đánh giá thông qua chu trình WLTC Class 3b, NEDC và FTP-75 phản ánh chính xác đặc tính kéo, khả năng đáp ứng vận tốc và mức tiêu hao năng lượng của xe. Đây là tài liệu học thuật và kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao cho công tác đào tạo, nghiên cứu trong lĩnh vực Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Việt Nam.