Nghiên cứu chiến lược phanh tái sinh cho ô tô điện
- 64 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu chiến lược phanh tái sinh
cho ô tô điện
NGUYỄN HỮU PHƯỢNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật ô tô
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Đàm Hoàng Phúc
Chữ ký của GVHD
Viện: Cơ khí động lực
HÀ NỘI, 09/2022
1
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : …………………………………........……………..
Đề tài luận văn: ………………………………………….....……………...............….
Chuyên ngành:……………………………...…………………........................…..........
Mã số SV:………………………………….. …………………....................................…...
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
……………………………………………………………………………………………………..……
………………………………………………………………………………………………..……………
………………………………………………………………………………………..……………………
………………………………………………………………………………..……………………………
Ngày tháng năm
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
Mẫu 1c
2
ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN
THẠC SĨ KHOA HỌC
1. Họ và tên học viên: Nguyễn Hữu Phượng MSHV: 20202291M
2. Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô Lớp: 20BKOTO
3. Người hướng dẫn: PGS.TS. Đàm Hoàng Phúc
4. Đơn vị (BM, khoa, viện, trường): Khoa Cơ khí động lực, Trường Cơ khí,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
5. Tên đề tài (tiếng Việt): Nghiên cứu chiến lược phanh tái sinh cho ô tô điện
6. Tên đề tài (tiếng Anh): Regenerative Braking Strategy for Electric Vehicle
7. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng của
ô tô điện, phanh tái sinh có nhiệm vụ hấp thụ động năng của ô tô khi phanh để nạp
lại điện cho ắc quy. Tuy nhiên, cần phải có một chiến lược phanh hợp lý phối hợp
giữa hệ thống phanh điện và phanh cơ khí để vừa đảm bảo hấp thụ tối đa năng lượng
và hiệu quả phanh. Đề tài nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của cường độ phanh tới
khả năng hấp thụ năng lượng và hiệu quả phanh, để từ đó đưa ra chiến lược phanh
tái sinh phù hợp.
8. Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được): Xây dựng chiến lược phanh tái
sinh.
9. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
- Tìm hiểu tổng quan về phanh tái sinh
- Tìm hiểu quá trình phanh và sự phối hợp giữa phanh đĩa và phanh tái sinh.
- Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình phanh của ô tô điện.
- Đánh giá ảnh hưởng cường độ phanh tới khả năng hấp thụ năng lượng và hiệu
quả phanh
10. Dự kiến kế hoạch thực hiện:
- Tìm hiểu tổng quan về vấn đề nghiên cứu: 09-12/2020
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng phương pháp tính toán: 01-06/2021.
- Xác định các thông số kêt cấu cần thiết cho tính toán: 07-09/2021
- Tính toán, khảo sát và đánh giá kết quả: 10-11/2021.
- Viết luận văn 12-01/2022.
Hà Nội, ngày 28 tháng 8 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
3
LỜI CẢM ƠN
Để thực hiện luận văn này, em xin cảm ơn thầy Đàm Hoàng Phúc đã chỉ bảo tận
tình trong quá trình hướng dẫn và sự giúp đỡ của các thầy cô, anh chị và bạn bè
trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng nói riêng và khoa Cơ khí động lực nói chung.
Do vốn kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên luận văn còn nhiều thiếu sót,
rất mong sự đóng góp của các thầy cô để luận văn của em được hoàn thiện hơn.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
4
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu chiến lược phanh tái sinh cho ô tô điện mục tiêu tìm hiểu và
đánh giá hiệu quả của hệ thống phanh tái sinh. Phần đầu tiên “Tổng quan về xe
điện” nêu ra các định nghĩa và cấu tạo, chức năng và nhiệm vụ các bộ phận trên xe
điện. Trong phần hai “Hệ thống phanh tái sinh” chỉ ra được lợi ích của việc sử dụng
phanh tái sinh và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh tái sinh trên xe điện bao
gồm ảnh hưởng của lốp, ảnh hưởng của sự ổn định hướng, ảnh hưởng của gia tốc
phanh, ảnh hưởng của công suất mô tơ điện. Phần ba “Nguyên lý thiết kế và điều
khiển hệ thống phanh” xác định được lực phanh yêu cầu, xây dựng được đường lực
phanh lý tưởng, đưa ra được bốn chiến lược thiết kế hệ thống phanh gồm: thiết kế và
điều khiển tỉ lệ cố định; thiết kế tỉ lệ lực phanh cố định và tối đa lực phanh tái sinh;
thiết kế tỉ lệ lực phanh tối ưu; thiết kế tỉ lệ lực phanh tối ưu tối đa lực phanh tái sinh.
Và trong phần cuối cùng “Mô hình tính toán điều khiển phanh” xây dựng được công
thức tính toán và thuật toán điều khiển phanh tái sinh với chiến lược thiết kế tỉ lệ lực
phanh tối ưu trên xe Nissan Leaf 2015 qua đó đánh giá được hiệu quả phanh tái sinh
ở các dải tốc độ và cường độ phanh khác nhau.
Qua bốn phần của luận văn, đã xây dựng được thuật toán điều khiển và tính toán
được lực phanh trên các cầu ở các điều kiện khi phanh tái sinh lớn hơn lực phanh
yêu cầu và nhỏ hơn lực phanh yêu cầu. Kết quả thu được có thể là cơ sở để thấy
được hiệu quả của phanh tái sinh là rất lớn và có thể loại bỏ phanh ma sát trong
tương lai về mặt lực phanh yêu cầu đối với công suất mô tơ tăng lên cũng như tính
toán thiết kế hệ thống phanh cho các loại xe điện hiện nay.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
5
MỤC LỤC
ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN .......................................................................................... 3
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 4
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN.......................................................... 11
1.1 Khái niệm ô tô điện ......................................................................................... 11
1.1.1 Ưu và nhược điểm của ô tô điện ............................................................... 11
1.1.2 Tính kinh tế của ô tô điện .......................................................................... 11
1.2 Cấu tạo của ô tô điện ....................................................................................... 12
1.2.1 Motor điện ................................................................................................. 12
1.2.2 Pin cao áp .................................................................................................. 12
1.2.3 Hộp số........................................................................................................ 17
1.2.4 Bộ điều khiển điện tử và bộ chuyển đổi điện ............................................ 17
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH ....................................................... 18
2.1 Công dụng, yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh năng lượng......................... 18
2.1.1 Công dụng ................................................................................................. 18
2.1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh ......................................................... 18
2.2 Hệ thống phanh tái sinh trên ô tô điện ............................................................ 18
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến phanh tái sinh ....................................................... 19
2.3.1 Ảnh hưởng của lốp xe đến phanh .............................................................. 19
2.3.2 Ảnh hưởng của sự ổn định hướng khi phanh ............................................ 21
2.3.3 Ảnh hưởng của gia tốc phanh .................................................................... 22
2.3.4 Ảnh hưởng của công suất máy phát điện .................................................. 24
CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHANH
................................................................................................................................... 29
3.1 Tính toán và phân bố lực phanh ...................................................................... 29
3.1.1 Tổng lực phanh .......................................................................................... 29
6
3.1.2 Phân bố lực phanh ..................................................................................... 30
3.1.3 Điều chỉnh lực phanh ................................................................................ 35
3.2 Chiến lược phân bố lực phanh tái sinh và ma sát............................................ 38
3.2.1 Nguyên lý thiết kế và điều khiển tỷ lệ cố định .......................................... 40
3.2.2 Thiết kế tỷ lệ cố định và tối đa lực phanh tái sinh .................................... 41
3.2.3 Chiến lược thiết kế tỷ lệ phân bố lực phanh tối ưu ................................... 43
3.2.4 Chiến lược thiết kế phân bố lực phanh tối ưu phanh tái sinh .................... 44
CHƯƠNG 4. MÔ hình tính toán điều khiển phanh .................................................. 47
4.1 Thông số kết cấu của xe tham khảo ................................................................ 47
4.2 Mô men phanh tái sinh .................................................................................... 47
4.3 Lực phanh tái sinh ........................................................................................... 48
4.4 Mô men phanh ma sát ..................................................................................... 49
4.5 Thuật toán điều khiển mô men phanh ............................................................. 50
4.6 Khả năng phanh tái sinh .................................................................................. 52
4.6.1 Xây dựng đường tỷ lệ lực phanh ............................................................... 52
4.6.2 Lực phanh tái sinh của mô tơ điện ............................................................ 54
4.6.3 Xác định áp suất thuỷ lực trên các cầu ...................................................... 55
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 64
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo của khối pin trên xe Tesla ............................................................. 13
Hình 1.2 Quá trình phóng của ắc quy chì - axit ........................................................ 14
Hình 1.3 Quá trình nạp của ắc quy chì - axit ............................................................ 14
Hình 1.4 Quá trình phóng của pin lithium ................................................................ 15
Hình 1.5 Cấu tạo hộp số trên xe điện ........................................................................ 17
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phanh tái sinh............................................. 19
Hình 2.2 Sự biến dạng của lốp khi chuyển động ...................................................... 20
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa độ trượt và hệ số bám.................................................... 20
Hình 2.4 Mối quan hệ giữa góc trượt và lực ngang .................................................. 21
Hình 2.5 Ảnh hưởng của sự ổn định hướng khi phanh ............................................. 21
Hình 2.6 Tải trọng phân bố trên các cầu xe khi đứng yên ........................................ 22
Hình 2.7 Tải trọng phân bố trên các cầu khi phanh .................................................. 23
Hình 2.8 Mối quan hệ giữa tỷ số P/m và khoảng cách dừng .................................... 26
Hình 2.9 Mối quan hệ giữa vận tốc ban đầu, lực phanh và khoảng cách dừng ........ 28
Hình 3.1 Mối quan hệ giữa hệ số bám và sự trượt .................................................... 30
Hình 3.2 Các lực tác dụng lên xe khi phanh ............................................................. 31
Hình 3.3 Tỷ lệ phân bố lực phanh trên các cầu với trọng lượng xe .......................... 33
Hình 3.4 Đường phân bố lực phanh lý tưởng và cố định .......................................... 35
Hình 3.5 Đường phân bố lực phanh cố định phía dưới đường lý tưởng ................... 36
Hình 3.6 Đường phân bố lực phanh cố định phía trên đường lý tưởng .................... 36
Hình 3.7 Đường điều chỉnh ECE .............................................................................. 37
Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống phanh trên xe điện ............................................................. 38
Hình 3.9 Cấu tạo bộ chấp hành phanh điện .............................................................. 39
Hình 3.10 Phân bố lực phanh điện và cơ khí với tỷ lệ cố định ................................. 40
Hình 3.11 Phân bố lực phanh cố định tối đa lực phanh tái sinh ............................... 41
Hình 3.12 Ảnh hưởng của các yếu tố khác đến phanh tái sinh ................................. 42
Hình 3.13 Phân bố tỷ lệ lực phanh lý tưởng ............................................................. 44
Hình 3.14 Phân bố tỷ lê lực phanh tối đa phanh tái sinh .......................................... 45
Hình 4.1 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ điện đến mô men phanh tái sinh .............. 48
Hình 4.2 Sơ đồ bố trí hệ thống phanh trên xe điện ................................................... 50
Hình 4.3 Sơ đồ khối điều khiển phanh tái sinh ......................................................... 51
8
Hình 4.4 Đường lực phanh lý tưởng trên xe Nissan Leaf ......................................... 53
Hình 4.5 Biểu đồ lực phanh yêu cầu và lực phanh tái sinh tại tốc độ 20 km/h ........ 56
Hình 4.6 Biểu đồ lực phanh yêu cầu và lực phanh tái sinh tại tốc độ 40 km/h ........ 58
Hình 4.7 Biểu đồ lực phanh yêu cầu và lực phanh tái sinh tại tốc độ 60 km/h ........ 59
Hình 4.8 Lực phanh tái sinh cầu trước ở 90 km/h của Tesla Model 3 ...................... 61
Hình 4.9 Phần trăm phanh tái sinh cầu sau ở 90 km/h của Tesla Model 3 ............... 62
9
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tỷ số P/m của xe điện hiện nay ................................................................. 27
Bảng 4.1 Thông số kế cấu của xe Nissan Leaf 2015 ................................................ 47
Bảng 4.2 Giá trị lực phanh trên các cầu với cường độ phanh ................................... 53
Bảng 4.3 Quan hệ giữa vận tốc xe và lực phanh tái sinh .......................................... 54
Bảng 4.4 Mối quan hệ giữa lực phanh với cường độ phanh ở vận tốc 20 km/h ....... 55
Bảng 4.5 Áp suất thuỷ lực trên các cầu với vận tốc xe 20 km/h ............................... 57
Bảng 4.6 Mối quan hệ giữa lực phanh với cường độ phanh ở vận tốc 40 km/h ....... 57
Bảng 4.7 Áp suất thuỷ lực trên các cầu tại vận tốc 40 km/h ..................................... 58
Bảng 4.8 Mối quan hệ giữa lực phanh với cường độ phanh ở vận tốc 60 km/h ....... 59
Bảng 4.9 Áp suất thuỷ lực trên các cầu với vận tốc xe 60 km/h ............................... 60
Bảng 4.10 Lực phanh tái sinh đáp ứng ở các vận tốc và cường độ phanh khác nhau
................................................................................................................................... 60
10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
1.1 Khái niệm ô tô điện
Ô tô điện là dòng xe sử dụng một hay nhiều motor làm nguồn động lực, các motor
được cấp năng lượng điện được lấy từ pin cao áp và pin cao áp này có khả năng sạc
lại được.
1.1.1 Ưu và nhược điểm của ô tô điện
a. Ưu điểm của ô tô điện
- Là phương tiện không khí thải do sử dụng nguồn năng lượng điện từ pin
điện;
- Không gây ô nhiễm tiếng ồn;
- Cấu tạo nhỏ gọn nên tận dụng được nhiều không gian;
- Thời gian bảo dưỡng định kì lâu hơn, tiết kiệm chi phí hơn;
- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn động cơ đốt trong.
b. Nhược điểm của ô tô điện
- Di chuyển quãng đường ngắn hơn do hạn chế về pin;
- Mất nhiều thời gian để sạc pin;
- Bảo dưỡng, sửa chữa cần kỹ thuật viên có trình độ cao;
- Hệ thống trạm phải phân bố rộng rãi.
1.1.2 Tính kinh tế của ô tô điện
- Việc sử dụng năng lượng điện cho hiệu suất truyền tải cao hơn rất nhiều so với
động cơ đốt trong nên khả năng tiết kiệm nhiên liệu so với động cơ đốt trong rất lớn.
Hơn thế nữa, ô tô điện có khả năng thu hồi năng lượng trong quá trình phanh thay vì
chuyển hết cơ năng trong quá trình phanh thành nhiệt năng như với các xe khác.
- Tuy nhiên, giá thành cho pin nhiên liệu rất đắt, tái chế pin khó khăn, tuổi thọ pin
giảm dần theo thời gian là một cản trở trong việc sử dụng ô tô điện.
11
1.2 Cấu tạo của ô tô điện
Cấu tạo chính của ô tô điện gồm có motor điện, bộ điều khiển điện tử, pin và hộp số.
1.2.1 Motor điện
Motor điện dùng trên ô tô điện phải đáp ứng được hai yêu cầu vừa có thể hoạt động
ở chế độ động cơ và phải hoạt động được cả chế độ máy phát. Có 2 loại mô tơ điện
là mô tơ điện một chiều DC và mô tơ điện xoay chiều AC. So với động cơ đốt trong
thì mô tơ điện có mô men ban đầu đạt cực đại tại vận tốc bằng không.
1.2.1.1 Motor và máy phát DC
Mô tơ điện một chiều gồm một rôto nam châm vĩnh cửu và cuộn dây stator chúng
tạo ra hai từ thông tương tác với nhau tạo ra mô-men xoắn. Việc điều khiển mô tơ
được thực hiện bằng việc thay đổi độ rộng xung của tín hiệu đầu vào.
Ưu điểm của mô tơ điện một chiều DC là dễ dàng điều khiển và hiệu suất cao và ít
phải bảo dưỡng. Tuy nhiên động cơ này có nhược điểm là cấu tạo phức tạp và giá
thành đắt, bên cạnh đó khối lượng lớn hơn so với mô tơ AC cùng công suất.
1.2.1.2 Motor và máy phát AC
Mô tơ điện xoay chiều không chổi than sử dụng nguồn điện xoay chiều để dẫn động
motor. Cấu tạo của mô tơ điện AC gồm có stator, rotor và không có chổi than
Ưu điểm của mô tơ điện AC là có khả năng điều khiển tốc độ đa dạng, giá thành rẻ
hơn mô tơ điện DC. Tuy nhiên mô tơ điện AC cũng có nhược điểm như mô men ban
đầu nhỏ hơn DC, tiêu tốn nhiều điện năng hơn mô tơ điện DC.
Hiện này, motor điện trên xe điện dùng motor điện xoay chiều AC, năng lượng điện
từ pin được biến đổi nhờ bộ chuyển đổi điện áp chuyển sang dạng xoay chiều cấp
vào motor. Và khi tái sinh năng lượng do phanh tái sinh sinh ra, motor trở thành
máy phát chuyển vào bộ chuyển đổi điện sang DC và sạc lại cho pin.
1.2.2 Pin cao áp
Pin là một thành phần không thể thiếu trên xe điện, nó có khả năng tích trữ và giải
phóng năng lượng giúp xe có thể di chuyển. Trên xe điện, pin có khả năng sạc lại
được và có rất nhiều loại pin có thể ứng dụng trên xe điện và theo tài liệu [1] phân
loại bao gồm pin chì-axit (Pb-acid), pin Nickel-cadmium (NiCd), Nickel-metal-
12
hydride (NiMH), Lithium-ion (Li-ion), Lithium-polymer (Li-poly), Sodium-sulfur
(NaS), Zinc-air (Zn-Air),…
Trên xe điện hiện nay, với mật độ năng lượng cao nên thường được sử dụng chủ yếu
là pin Lithium-ion và được sắp xếp thành các ngăn. Ví dụ, với dòng xe Tesla Model
S sử dụng đến 16 ngăn pin với tổng 7104 thỏi pin 18-650.
Hình 1.1 Cấu tạo của khối pin trên xe Tesla
1.2.2.1 Pin chì axit
Pin chì-axit (Pb-acid) là loại pin rất phổ biến và có công suất cao trong khi giá thành
lại rất rẻ, an toàn và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, nhược điểm của ắc quy chì axit là
hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp, kích thước và khối lượng lớn, vòng đời ngắn dẫn tới
khó có thể dùng trên xe điện.
Hoạt động của Pin chì axit gồm quá trình phóng và quá trình nạp, với quá trình
phóng thì năng lượng điện được đưa đến dẫn động motor làm cho xe chuyển động.
Trong khi đó với quá trình nạp thì cần một nguồn năng lượng bên ngoài để nạp lại
vào pin chì axit.
Với quá trình phóng năng lượng, electron từ cực âm đi sang cực dương, tại cực
dương được mô tả với phương trình :
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e → PbSO4 + 2H2O
Tại cực âm được mô tả bởi phương trình:
Pb + SO4 → PbSO4 + 2e
13
Hình 1.2 Quá trình phóng của ắc quy chì - axit
Một cấu trúc có độ xốp ở cực dương làm tăng diện tích tiếp xúc của PbO2 lên rất lớn
làm cho mật độ dòng điện cao vì Pb được chuyển thành PbSO4 nhiều hơn. Nhưng
trong quá trình phóng điện, điện trở trong của pin tăng lên do sự hình thành của
PbSO4 và sự giảm độ dẫn điện của chất điện phân khi tiêu thụ H2SO4. Tiếp nữa là
PbSO4 lắng đọng trên điện cực làm cho quá trình sulfat hóa xảy ra, lúc này phản ứng
phóng điện bị ức chế và làm giảm đáng kể dụng lượng của pin.
Hình 1.3 Quá trình nạp của ắc quy chì - axit
Với quá trình nạp, PbSO4 được chuyển hóa trở lại thành chì và oxit chì, các electron
được lấy từ nguồn năng lượng bên ngoài ở cực âm và giải phóng ở cực dương.
Tại cực dương được mô tả bởi phương trình:
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e
Tại cực âm:
PbSO4 + 2e → Pb + SO42-
14
1.2.2.2 Pin Nickel- Cadmium
Pin Nickel- Cadmium là loại pin kiềm mà năng lượng điện được tạo ra từ phản ứng
hóa học của kim loại với oxy trong môi trường điện phân kiềm. pin NiCd sử dụng
điện cực dương Niken oxit và điện cực âm là Cadmium trong dung dịch điện phân
KOH.
Cd + 2NiOOH + 2H2O ↔ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
Ưu điểm của pin NiCd là hiệu suất ở nhiệt độ thấp vượt trội hơn so với với pin axit-
chì, tuổi thọ và độ tin cậy cao. Hạn chế lớn nhất của pin NiCd là giá thành cao và
độc tính có trong Cadmium cho nên nó ít được ứng dụng trên xe điện
1.2.2.3 Pin li-ion
Pin Li-ion sử dụng các ion Lithium là thành phần chính trong quá trình điện hóa.
Mật độ năng lượng của lithium-ion thường gấp đôi mật độ của niken-cadmium tiêu
chuẩn. Các đặc tính của tải khá tốt và hoạt động tương tự như niken-cadmium về
khả năng phóng điện. Điện áp mỗi ngăn cao 3,6 vôn cho phép thiết kế bộ pin chỉ có
một ngăn. Hầu hết các điện thoại di động ngày nay đều chạy trên một ngăn duy nhất
so với một bộ pin dựa trên niken sẽ cần ba ngăn 1,2 vôn được kết nối nối tiếp. Hơn
nữa, khả năng tự phóng điện thấp, không cần bảo dưỡng và có thể cung cấp dòng
điện rất cao khi cần thiết.
Hình 1.4 Quá trình phóng của pin lithium
Trong quá trình phóng điện của tế bào, các ion lithium (Li +) được giải phóng từ
điện cực âm đi qua chất điện phân hữu cơ về phía điện cực dương. Trong điện cực
15
dương, các ion lithium nhanh chóng được kết hợp vào vật liệu hợp chất lithium. Quá
trình này hoàn toàn có thể đảo ngược.
Phương trình biểu diễn quá trình phóng của pin:
xLi+ + xe- + Li(1-x)CoO2 → LiCoO2
Phương trình biểu diễn quá trình nạp của pin:
LiCoO2 → xLi+ + xe- + Li(1-x)CoO2
Với những ưu điểm của pin Lithium thì hiện nay nó rất phổ biến trên các thiết bị
điện tử như điện thoại, máy ảnh, máy tính, … nhưng cũng có nhiều hạn chế đối với
pin lithium như cần có mạch bảo vệ để duy trì điện áp và dòng điện trong giới hạn
an toàn, có thể bị lão hóa ngay cả khi không sử dụng và giá thành để sản xuất cao
hơn các loại pin axit chì và niken-cadmium.
1.2.2.4 Pin Lithium Polymer
Pin Lithium Polymer hay còn gọi là pin Li-polymer gồm hai bản cực âm và dương
với chất điện phân ở dạng rắn, xốp hoặc dạng gel chứ không phải ở dạng lỏng. Chất
điện phân thường được sử dụng là polyetylen oxit kết hợp với một muối thích hợp.
Vật liệu làm điện cực dương có thể xe kẽ đến 8 nguyên tử Lithium là Vanadium oxit
(V6O13) giúp cho pin có khả năng giải phóng được nhiều electron hơn.
Lix + V6O13 + xe- → LixV6O13 với 0 < x < 8
Với sự thay thế của chất điện phân từ dạng lỏng sang dạng rắn hoặc gel làm cho pin
ít có khả năng cháy nổ, làm việc tốt ở nhiệt độ cao, tuổi thọ cao và an toàn trong
trường hợp tai nạn xảy ra do pin Li-polymer ở dạng ion xen kẽ với các điện cực
cacbon làm chonó ít phản ứng hơn với kim loại lithium nguyên chất. Hơn nữa, nhờ
các tế bào Li-polymer mỏng nên có thể thiết kế với hình dạng và kích thước phù hợp
với nhiều không gian khác nhau.
Tuy nhiên, pin Li-polymer cũng có nhược điểm là giá thành sản xuất pin đắt và nhiệt
độ làm việc trong khoảng 80 đến 120 độ C.
16
1.2.3 Hộp số
Thông thường trên xe điện thì có thể bố trí mô tơ ở cầu trước, cầu sau hay cả hai cầu
tuỳ vào yêu cầu và đặc điểm của từng loại xe. Và do mô tơ có thể đạt được mô men
lớn nhất tại vận tốc bằng không nên về mặt lý thuyết không cần sử dụng hộp số.
Tuy nhiên, nhiều dòng xe nhỏ có mô tơ điện có công suất nhỏ thì việc trang bị thêm
hộp số nhằm tăng thêm mô men ban đầu cũng như tăng mô men phanh tái sinh là
hiệu quả. Hộp số sẽ được bố trí nằm ngang cùng với mô tơ tạo kết cấu nhỏ gọn.
Hình 1.5 Cấu tạo hộp số trên xe điện
1.2.4 Bộ điều khiển điện tử và bộ chuyển đổi điện
Bộ điều khiển điện tử điều khiển quá trình vận hành của xe, phân tích các giá trị từ
cảm biến và điều khiển xe theo mong muốn của người lái và điều kiện làm việc của
xe.
Bộ chuyển đổi điện trên xe có ba chức năng chính bao gồm biến đổi điện áp ắc quy
lên cao để sử dụng cho mô tơ điện, hạ điện áp từ ắc quy để vận hành các thiết bị trên
xe và nạp ắc quy, chuyển đổi điện áp xoay chiều sang một chiều và ngược lại.
17
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH
2.1 Công dụng, yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh năng lượng
2.1.1 Công dụng
Trên xe điện, năng lượng điện trong pin cao áp là rất quan trọng vì hạn chế hiện nay
của xe điện là dung lượng của pin. Vậy nên việc sử dụng lại một phần năng lượng
trong quá trình phanh giúp tận dụng một phần năng lượng mà trước kia không được
sử dụng bằng cách biến cơ năng của xe thành điện năng khi quay máy phát và sạc lại
vào pin.
2.1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh
- Khi hệ thống phanh tái sinh gặp trục trặc thì hệ thống phanh chính vẫn hoạt động
bình thường;
- Tận dụng tối đa năng lượng trong quá trình phanh thành điện năng;
- Đảm bảo hiệu quả phanh tốt theo ý muốn của người điều khiển;
- Điều khiển dễ dàng.
2.2 Hệ thống phanh tái sinh trên ô tô điện
Trên ô tô điện, hệ thống phanh tái sinh được kết hợp với hệ thống phanh bằng thủy
lực nhằm tối ưu hiệu quả phanh và tận dụng năng lượng trong quá trình phanh.
Cấu tạo của hệ thống phanh tái sinh được mô tả trong sơ đồ dưới đây gồm có các chi
tiết: bàn đạp phanh, xy lanh chính, xy lanh bánh xe, má phanh, đãi phanh, mô tơ
điện, bộ tích chất lỏng, bộ chấp hành phanh, công tắc ba ngả, bộ điều khiển phanh,
cảm biến tốc độ bánh xe và cảm biến áp suất. Các bộ chi tiết này được kết nối với
nhau bằng các kết nối cơ khí, thuỷ lực và tín hiệu điện.
Nhằm đảm bảo được yêu cầu cảu hệ thống phanh thì hệ thống phanh thuỷ lực được
sử dụng vừa tăng tính tin cậy cho hệ thống cũng như đáp ứng được yêu cầu hệ thống
phanh trong trường hợp lực phanh tái sinh không đủ so với lực phanh yêu cầu.
18
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phanh tái sinh
Nguyên lý hoạt động:
Khi người điều khiển đạp bàn đạp phanh, lúc này cảm biến áp suất thủy lực xác định
được sự tăng áp suất từ xác định được tính cấp bách của người điều khiển. Tín hiệu
này được đưa về ECU, cùng với các tín hiệu khác gồm vận tốc xe, vận tốc góc bánh
xe để xác định nên phanh bằng phanh thủy lực hay phanh tái sinh. Nếu xác định
được mong muốn của người điều khiển là phanh gấp, ECU lập tức điều khiển công
tắc 3 ngã thực hiện mở cổng 3 để xe thực hiện phanh bằng phanh thủy lực. Ngược
lại, xe thực hiện phanh tái sinh bằng cách quay máy phát, lúc này mô men của máy
phát sinh ra ngược chiều với hướng chuyển động sinh ra lực phanh.
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến phanh tái sinh
2.3.1 Ảnh hưởng của lốp xe đến phanh
2.3.1.1 Lực theo chiều dọc của lốp
Lực dọc lốp xuất hiện khi có sự xuất hiện của lực phanh và lực kéo. Lúc này nếu với
lốp lý thuyết, phản lực tác dụng lên lốp trùng với tâm quay của lốp. Nhưng trong
thực tế, khi xe chuyển động thì xuất hiện sự biến dạng của lốp làm cho phản lực tác
dụng lệch tâm của bánh xe dẫn tới xuất hiện mô men cản ngược chiều chuyển động.
19
Hình 2.2 Sự biến dạng của lốp khi chuyển động
Lực bám của lốp theo chiều dọc cũng ảnh hưởng rất lớn đến phanh và sự ổn định
của xe. Trong quá trình chuyển động, hệ số bám của lốp ảnh hưởng đến hiệu quả
phanh và lực kéo của xe:
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa độ trượt và hệ số bám
Với độ trượt nhỏ thì hệ số bám thay đổi tuyến tính với độ trượt và khi hệ số bám đạt
cực đại thì độ trượt vào khoảng 20%. Tận dụng trong khoảng này để tăng lực kéo và
lực phanh của xe vì phản lực và lực kéo cũng phụ thuộc vào độ trượt.
Hình 2.4 mô tả sự phụ thuộc của độ trượt đối với lực kéo Fx và lực kéo đạt cực đại
tại độ trượt khỏng 20%. Tương tự với lực phanh cũng như vậy, khoảng 20% độ trượt
thì lực phanh đạt cực đại.
20
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu chiến lược phanh tái sinh
cho ô tô điện
NGUYỄN HỮU PHƯỢNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật ô tô
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Đàm Hoàng Phúc
Chữ ký của GVHD
Viện: Cơ khí động lực
HÀ NỘI, 09/2022
1
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : …………………………………........……………..
Đề tài luận văn: ………………………………………….....……………...............….
Chuyên ngành:……………………………...…………………........................…..........
Mã số SV:………………………………….. …………………....................................…...
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
……………………………………………………………………………………………………..……
………………………………………………………………………………………………..……………
………………………………………………………………………………………..……………………
………………………………………………………………………………..……………………………
Ngày tháng năm
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
Mẫu 1c
2
ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN
THẠC SĨ KHOA HỌC
1. Họ và tên học viên: Nguyễn Hữu Phượng MSHV: 20202291M
2. Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô Lớp: 20BKOTO
3. Người hướng dẫn: PGS.TS. Đàm Hoàng Phúc
4. Đơn vị (BM, khoa, viện, trường): Khoa Cơ khí động lực, Trường Cơ khí,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
5. Tên đề tài (tiếng Việt): Nghiên cứu chiến lược phanh tái sinh cho ô tô điện
6. Tên đề tài (tiếng Anh): Regenerative Braking Strategy for Electric Vehicle
7. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng của
ô tô điện, phanh tái sinh có nhiệm vụ hấp thụ động năng của ô tô khi phanh để nạp
lại điện cho ắc quy. Tuy nhiên, cần phải có một chiến lược phanh hợp lý phối hợp
giữa hệ thống phanh điện và phanh cơ khí để vừa đảm bảo hấp thụ tối đa năng lượng
và hiệu quả phanh. Đề tài nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của cường độ phanh tới
khả năng hấp thụ năng lượng và hiệu quả phanh, để từ đó đưa ra chiến lược phanh
tái sinh phù hợp.
8. Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được): Xây dựng chiến lược phanh tái
sinh.
9. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
- Tìm hiểu tổng quan về phanh tái sinh
- Tìm hiểu quá trình phanh và sự phối hợp giữa phanh đĩa và phanh tái sinh.
- Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình phanh của ô tô điện.
- Đánh giá ảnh hưởng cường độ phanh tới khả năng hấp thụ năng lượng và hiệu
quả phanh
10. Dự kiến kế hoạch thực hiện:
- Tìm hiểu tổng quan về vấn đề nghiên cứu: 09-12/2020
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng phương pháp tính toán: 01-06/2021.
- Xác định các thông số kêt cấu cần thiết cho tính toán: 07-09/2021
- Tính toán, khảo sát và đánh giá kết quả: 10-11/2021.
- Viết luận văn 12-01/2022.
Hà Nội, ngày 28 tháng 8 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
3
LỜI CẢM ƠN
Để thực hiện luận văn này, em xin cảm ơn thầy Đàm Hoàng Phúc đã chỉ bảo tận
tình trong quá trình hướng dẫn và sự giúp đỡ của các thầy cô, anh chị và bạn bè
trong bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng nói riêng và khoa Cơ khí động lực nói chung.
Do vốn kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên luận văn còn nhiều thiếu sót,
rất mong sự đóng góp của các thầy cô để luận văn của em được hoàn thiện hơn.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
4
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu chiến lược phanh tái sinh cho ô tô điện mục tiêu tìm hiểu và
đánh giá hiệu quả của hệ thống phanh tái sinh. Phần đầu tiên “Tổng quan về xe
điện” nêu ra các định nghĩa và cấu tạo, chức năng và nhiệm vụ các bộ phận trên xe
điện. Trong phần hai “Hệ thống phanh tái sinh” chỉ ra được lợi ích của việc sử dụng
phanh tái sinh và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh tái sinh trên xe điện bao
gồm ảnh hưởng của lốp, ảnh hưởng của sự ổn định hướng, ảnh hưởng của gia tốc
phanh, ảnh hưởng của công suất mô tơ điện. Phần ba “Nguyên lý thiết kế và điều
khiển hệ thống phanh” xác định được lực phanh yêu cầu, xây dựng được đường lực
phanh lý tưởng, đưa ra được bốn chiến lược thiết kế hệ thống phanh gồm: thiết kế và
điều khiển tỉ lệ cố định; thiết kế tỉ lệ lực phanh cố định và tối đa lực phanh tái sinh;
thiết kế tỉ lệ lực phanh tối ưu; thiết kế tỉ lệ lực phanh tối ưu tối đa lực phanh tái sinh.
Và trong phần cuối cùng “Mô hình tính toán điều khiển phanh” xây dựng được công
thức tính toán và thuật toán điều khiển phanh tái sinh với chiến lược thiết kế tỉ lệ lực
phanh tối ưu trên xe Nissan Leaf 2015 qua đó đánh giá được hiệu quả phanh tái sinh
ở các dải tốc độ và cường độ phanh khác nhau.
Qua bốn phần của luận văn, đã xây dựng được thuật toán điều khiển và tính toán
được lực phanh trên các cầu ở các điều kiện khi phanh tái sinh lớn hơn lực phanh
yêu cầu và nhỏ hơn lực phanh yêu cầu. Kết quả thu được có thể là cơ sở để thấy
được hiệu quả của phanh tái sinh là rất lớn và có thể loại bỏ phanh ma sát trong
tương lai về mặt lực phanh yêu cầu đối với công suất mô tơ tăng lên cũng như tính
toán thiết kế hệ thống phanh cho các loại xe điện hiện nay.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
5
MỤC LỤC
ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN .......................................................................................... 3
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 4
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN.......................................................... 11
1.1 Khái niệm ô tô điện ......................................................................................... 11
1.1.1 Ưu và nhược điểm của ô tô điện ............................................................... 11
1.1.2 Tính kinh tế của ô tô điện .......................................................................... 11
1.2 Cấu tạo của ô tô điện ....................................................................................... 12
1.2.1 Motor điện ................................................................................................. 12
1.2.2 Pin cao áp .................................................................................................. 12
1.2.3 Hộp số........................................................................................................ 17
1.2.4 Bộ điều khiển điện tử và bộ chuyển đổi điện ............................................ 17
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH ....................................................... 18
2.1 Công dụng, yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh năng lượng......................... 18
2.1.1 Công dụng ................................................................................................. 18
2.1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh ......................................................... 18
2.2 Hệ thống phanh tái sinh trên ô tô điện ............................................................ 18
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến phanh tái sinh ....................................................... 19
2.3.1 Ảnh hưởng của lốp xe đến phanh .............................................................. 19
2.3.2 Ảnh hưởng của sự ổn định hướng khi phanh ............................................ 21
2.3.3 Ảnh hưởng của gia tốc phanh .................................................................... 22
2.3.4 Ảnh hưởng của công suất máy phát điện .................................................. 24
CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHANH
................................................................................................................................... 29
3.1 Tính toán và phân bố lực phanh ...................................................................... 29
3.1.1 Tổng lực phanh .......................................................................................... 29
6
3.1.2 Phân bố lực phanh ..................................................................................... 30
3.1.3 Điều chỉnh lực phanh ................................................................................ 35
3.2 Chiến lược phân bố lực phanh tái sinh và ma sát............................................ 38
3.2.1 Nguyên lý thiết kế và điều khiển tỷ lệ cố định .......................................... 40
3.2.2 Thiết kế tỷ lệ cố định và tối đa lực phanh tái sinh .................................... 41
3.2.3 Chiến lược thiết kế tỷ lệ phân bố lực phanh tối ưu ................................... 43
3.2.4 Chiến lược thiết kế phân bố lực phanh tối ưu phanh tái sinh .................... 44
CHƯƠNG 4. MÔ hình tính toán điều khiển phanh .................................................. 47
4.1 Thông số kết cấu của xe tham khảo ................................................................ 47
4.2 Mô men phanh tái sinh .................................................................................... 47
4.3 Lực phanh tái sinh ........................................................................................... 48
4.4 Mô men phanh ma sát ..................................................................................... 49
4.5 Thuật toán điều khiển mô men phanh ............................................................. 50
4.6 Khả năng phanh tái sinh .................................................................................. 52
4.6.1 Xây dựng đường tỷ lệ lực phanh ............................................................... 52
4.6.2 Lực phanh tái sinh của mô tơ điện ............................................................ 54
4.6.3 Xác định áp suất thuỷ lực trên các cầu ...................................................... 55
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 64
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo của khối pin trên xe Tesla ............................................................. 13
Hình 1.2 Quá trình phóng của ắc quy chì - axit ........................................................ 14
Hình 1.3 Quá trình nạp của ắc quy chì - axit ............................................................ 14
Hình 1.4 Quá trình phóng của pin lithium ................................................................ 15
Hình 1.5 Cấu tạo hộp số trên xe điện ........................................................................ 17
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phanh tái sinh............................................. 19
Hình 2.2 Sự biến dạng của lốp khi chuyển động ...................................................... 20
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa độ trượt và hệ số bám.................................................... 20
Hình 2.4 Mối quan hệ giữa góc trượt và lực ngang .................................................. 21
Hình 2.5 Ảnh hưởng của sự ổn định hướng khi phanh ............................................. 21
Hình 2.6 Tải trọng phân bố trên các cầu xe khi đứng yên ........................................ 22
Hình 2.7 Tải trọng phân bố trên các cầu khi phanh .................................................. 23
Hình 2.8 Mối quan hệ giữa tỷ số P/m và khoảng cách dừng .................................... 26
Hình 2.9 Mối quan hệ giữa vận tốc ban đầu, lực phanh và khoảng cách dừng ........ 28
Hình 3.1 Mối quan hệ giữa hệ số bám và sự trượt .................................................... 30
Hình 3.2 Các lực tác dụng lên xe khi phanh ............................................................. 31
Hình 3.3 Tỷ lệ phân bố lực phanh trên các cầu với trọng lượng xe .......................... 33
Hình 3.4 Đường phân bố lực phanh lý tưởng và cố định .......................................... 35
Hình 3.5 Đường phân bố lực phanh cố định phía dưới đường lý tưởng ................... 36
Hình 3.6 Đường phân bố lực phanh cố định phía trên đường lý tưởng .................... 36
Hình 3.7 Đường điều chỉnh ECE .............................................................................. 37
Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống phanh trên xe điện ............................................................. 38
Hình 3.9 Cấu tạo bộ chấp hành phanh điện .............................................................. 39
Hình 3.10 Phân bố lực phanh điện và cơ khí với tỷ lệ cố định ................................. 40
Hình 3.11 Phân bố lực phanh cố định tối đa lực phanh tái sinh ............................... 41
Hình 3.12 Ảnh hưởng của các yếu tố khác đến phanh tái sinh ................................. 42
Hình 3.13 Phân bố tỷ lệ lực phanh lý tưởng ............................................................. 44
Hình 3.14 Phân bố tỷ lê lực phanh tối đa phanh tái sinh .......................................... 45
Hình 4.1 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ điện đến mô men phanh tái sinh .............. 48
Hình 4.2 Sơ đồ bố trí hệ thống phanh trên xe điện ................................................... 50
Hình 4.3 Sơ đồ khối điều khiển phanh tái sinh ......................................................... 51
8
Hình 4.4 Đường lực phanh lý tưởng trên xe Nissan Leaf ......................................... 53
Hình 4.5 Biểu đồ lực phanh yêu cầu và lực phanh tái sinh tại tốc độ 20 km/h ........ 56
Hình 4.6 Biểu đồ lực phanh yêu cầu và lực phanh tái sinh tại tốc độ 40 km/h ........ 58
Hình 4.7 Biểu đồ lực phanh yêu cầu và lực phanh tái sinh tại tốc độ 60 km/h ........ 59
Hình 4.8 Lực phanh tái sinh cầu trước ở 90 km/h của Tesla Model 3 ...................... 61
Hình 4.9 Phần trăm phanh tái sinh cầu sau ở 90 km/h của Tesla Model 3 ............... 62
9
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tỷ số P/m của xe điện hiện nay ................................................................. 27
Bảng 4.1 Thông số kế cấu của xe Nissan Leaf 2015 ................................................ 47
Bảng 4.2 Giá trị lực phanh trên các cầu với cường độ phanh ................................... 53
Bảng 4.3 Quan hệ giữa vận tốc xe và lực phanh tái sinh .......................................... 54
Bảng 4.4 Mối quan hệ giữa lực phanh với cường độ phanh ở vận tốc 20 km/h ....... 55
Bảng 4.5 Áp suất thuỷ lực trên các cầu với vận tốc xe 20 km/h ............................... 57
Bảng 4.6 Mối quan hệ giữa lực phanh với cường độ phanh ở vận tốc 40 km/h ....... 57
Bảng 4.7 Áp suất thuỷ lực trên các cầu tại vận tốc 40 km/h ..................................... 58
Bảng 4.8 Mối quan hệ giữa lực phanh với cường độ phanh ở vận tốc 60 km/h ....... 59
Bảng 4.9 Áp suất thuỷ lực trên các cầu với vận tốc xe 60 km/h ............................... 60
Bảng 4.10 Lực phanh tái sinh đáp ứng ở các vận tốc và cường độ phanh khác nhau
................................................................................................................................... 60
10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
1.1 Khái niệm ô tô điện
Ô tô điện là dòng xe sử dụng một hay nhiều motor làm nguồn động lực, các motor
được cấp năng lượng điện được lấy từ pin cao áp và pin cao áp này có khả năng sạc
lại được.
1.1.1 Ưu và nhược điểm của ô tô điện
a. Ưu điểm của ô tô điện
- Là phương tiện không khí thải do sử dụng nguồn năng lượng điện từ pin
điện;
- Không gây ô nhiễm tiếng ồn;
- Cấu tạo nhỏ gọn nên tận dụng được nhiều không gian;
- Thời gian bảo dưỡng định kì lâu hơn, tiết kiệm chi phí hơn;
- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn động cơ đốt trong.
b. Nhược điểm của ô tô điện
- Di chuyển quãng đường ngắn hơn do hạn chế về pin;
- Mất nhiều thời gian để sạc pin;
- Bảo dưỡng, sửa chữa cần kỹ thuật viên có trình độ cao;
- Hệ thống trạm phải phân bố rộng rãi.
1.1.2 Tính kinh tế của ô tô điện
- Việc sử dụng năng lượng điện cho hiệu suất truyền tải cao hơn rất nhiều so với
động cơ đốt trong nên khả năng tiết kiệm nhiên liệu so với động cơ đốt trong rất lớn.
Hơn thế nữa, ô tô điện có khả năng thu hồi năng lượng trong quá trình phanh thay vì
chuyển hết cơ năng trong quá trình phanh thành nhiệt năng như với các xe khác.
- Tuy nhiên, giá thành cho pin nhiên liệu rất đắt, tái chế pin khó khăn, tuổi thọ pin
giảm dần theo thời gian là một cản trở trong việc sử dụng ô tô điện.
11
1.2 Cấu tạo của ô tô điện
Cấu tạo chính của ô tô điện gồm có motor điện, bộ điều khiển điện tử, pin và hộp số.
1.2.1 Motor điện
Motor điện dùng trên ô tô điện phải đáp ứng được hai yêu cầu vừa có thể hoạt động
ở chế độ động cơ và phải hoạt động được cả chế độ máy phát. Có 2 loại mô tơ điện
là mô tơ điện một chiều DC và mô tơ điện xoay chiều AC. So với động cơ đốt trong
thì mô tơ điện có mô men ban đầu đạt cực đại tại vận tốc bằng không.
1.2.1.1 Motor và máy phát DC
Mô tơ điện một chiều gồm một rôto nam châm vĩnh cửu và cuộn dây stator chúng
tạo ra hai từ thông tương tác với nhau tạo ra mô-men xoắn. Việc điều khiển mô tơ
được thực hiện bằng việc thay đổi độ rộng xung của tín hiệu đầu vào.
Ưu điểm của mô tơ điện một chiều DC là dễ dàng điều khiển và hiệu suất cao và ít
phải bảo dưỡng. Tuy nhiên động cơ này có nhược điểm là cấu tạo phức tạp và giá
thành đắt, bên cạnh đó khối lượng lớn hơn so với mô tơ AC cùng công suất.
1.2.1.2 Motor và máy phát AC
Mô tơ điện xoay chiều không chổi than sử dụng nguồn điện xoay chiều để dẫn động
motor. Cấu tạo của mô tơ điện AC gồm có stator, rotor và không có chổi than
Ưu điểm của mô tơ điện AC là có khả năng điều khiển tốc độ đa dạng, giá thành rẻ
hơn mô tơ điện DC. Tuy nhiên mô tơ điện AC cũng có nhược điểm như mô men ban
đầu nhỏ hơn DC, tiêu tốn nhiều điện năng hơn mô tơ điện DC.
Hiện này, motor điện trên xe điện dùng motor điện xoay chiều AC, năng lượng điện
từ pin được biến đổi nhờ bộ chuyển đổi điện áp chuyển sang dạng xoay chiều cấp
vào motor. Và khi tái sinh năng lượng do phanh tái sinh sinh ra, motor trở thành
máy phát chuyển vào bộ chuyển đổi điện sang DC và sạc lại cho pin.
1.2.2 Pin cao áp
Pin là một thành phần không thể thiếu trên xe điện, nó có khả năng tích trữ và giải
phóng năng lượng giúp xe có thể di chuyển. Trên xe điện, pin có khả năng sạc lại
được và có rất nhiều loại pin có thể ứng dụng trên xe điện và theo tài liệu [1] phân
loại bao gồm pin chì-axit (Pb-acid), pin Nickel-cadmium (NiCd), Nickel-metal-
12
hydride (NiMH), Lithium-ion (Li-ion), Lithium-polymer (Li-poly), Sodium-sulfur
(NaS), Zinc-air (Zn-Air),…
Trên xe điện hiện nay, với mật độ năng lượng cao nên thường được sử dụng chủ yếu
là pin Lithium-ion và được sắp xếp thành các ngăn. Ví dụ, với dòng xe Tesla Model
S sử dụng đến 16 ngăn pin với tổng 7104 thỏi pin 18-650.
Hình 1.1 Cấu tạo của khối pin trên xe Tesla
1.2.2.1 Pin chì axit
Pin chì-axit (Pb-acid) là loại pin rất phổ biến và có công suất cao trong khi giá thành
lại rất rẻ, an toàn và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, nhược điểm của ắc quy chì axit là
hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp, kích thước và khối lượng lớn, vòng đời ngắn dẫn tới
khó có thể dùng trên xe điện.
Hoạt động của Pin chì axit gồm quá trình phóng và quá trình nạp, với quá trình
phóng thì năng lượng điện được đưa đến dẫn động motor làm cho xe chuyển động.
Trong khi đó với quá trình nạp thì cần một nguồn năng lượng bên ngoài để nạp lại
vào pin chì axit.
Với quá trình phóng năng lượng, electron từ cực âm đi sang cực dương, tại cực
dương được mô tả với phương trình :
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e → PbSO4 + 2H2O
Tại cực âm được mô tả bởi phương trình:
Pb + SO4 → PbSO4 + 2e
13
Hình 1.2 Quá trình phóng của ắc quy chì - axit
Một cấu trúc có độ xốp ở cực dương làm tăng diện tích tiếp xúc của PbO2 lên rất lớn
làm cho mật độ dòng điện cao vì Pb được chuyển thành PbSO4 nhiều hơn. Nhưng
trong quá trình phóng điện, điện trở trong của pin tăng lên do sự hình thành của
PbSO4 và sự giảm độ dẫn điện của chất điện phân khi tiêu thụ H2SO4. Tiếp nữa là
PbSO4 lắng đọng trên điện cực làm cho quá trình sulfat hóa xảy ra, lúc này phản ứng
phóng điện bị ức chế và làm giảm đáng kể dụng lượng của pin.
Hình 1.3 Quá trình nạp của ắc quy chì - axit
Với quá trình nạp, PbSO4 được chuyển hóa trở lại thành chì và oxit chì, các electron
được lấy từ nguồn năng lượng bên ngoài ở cực âm và giải phóng ở cực dương.
Tại cực dương được mô tả bởi phương trình:
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e
Tại cực âm:
PbSO4 + 2e → Pb + SO42-
14
1.2.2.2 Pin Nickel- Cadmium
Pin Nickel- Cadmium là loại pin kiềm mà năng lượng điện được tạo ra từ phản ứng
hóa học của kim loại với oxy trong môi trường điện phân kiềm. pin NiCd sử dụng
điện cực dương Niken oxit và điện cực âm là Cadmium trong dung dịch điện phân
KOH.
Cd + 2NiOOH + 2H2O ↔ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
Ưu điểm của pin NiCd là hiệu suất ở nhiệt độ thấp vượt trội hơn so với với pin axit-
chì, tuổi thọ và độ tin cậy cao. Hạn chế lớn nhất của pin NiCd là giá thành cao và
độc tính có trong Cadmium cho nên nó ít được ứng dụng trên xe điện
1.2.2.3 Pin li-ion
Pin Li-ion sử dụng các ion Lithium là thành phần chính trong quá trình điện hóa.
Mật độ năng lượng của lithium-ion thường gấp đôi mật độ của niken-cadmium tiêu
chuẩn. Các đặc tính của tải khá tốt và hoạt động tương tự như niken-cadmium về
khả năng phóng điện. Điện áp mỗi ngăn cao 3,6 vôn cho phép thiết kế bộ pin chỉ có
một ngăn. Hầu hết các điện thoại di động ngày nay đều chạy trên một ngăn duy nhất
so với một bộ pin dựa trên niken sẽ cần ba ngăn 1,2 vôn được kết nối nối tiếp. Hơn
nữa, khả năng tự phóng điện thấp, không cần bảo dưỡng và có thể cung cấp dòng
điện rất cao khi cần thiết.
Hình 1.4 Quá trình phóng của pin lithium
Trong quá trình phóng điện của tế bào, các ion lithium (Li +) được giải phóng từ
điện cực âm đi qua chất điện phân hữu cơ về phía điện cực dương. Trong điện cực
15
dương, các ion lithium nhanh chóng được kết hợp vào vật liệu hợp chất lithium. Quá
trình này hoàn toàn có thể đảo ngược.
Phương trình biểu diễn quá trình phóng của pin:
xLi+ + xe- + Li(1-x)CoO2 → LiCoO2
Phương trình biểu diễn quá trình nạp của pin:
LiCoO2 → xLi+ + xe- + Li(1-x)CoO2
Với những ưu điểm của pin Lithium thì hiện nay nó rất phổ biến trên các thiết bị
điện tử như điện thoại, máy ảnh, máy tính, … nhưng cũng có nhiều hạn chế đối với
pin lithium như cần có mạch bảo vệ để duy trì điện áp và dòng điện trong giới hạn
an toàn, có thể bị lão hóa ngay cả khi không sử dụng và giá thành để sản xuất cao
hơn các loại pin axit chì và niken-cadmium.
1.2.2.4 Pin Lithium Polymer
Pin Lithium Polymer hay còn gọi là pin Li-polymer gồm hai bản cực âm và dương
với chất điện phân ở dạng rắn, xốp hoặc dạng gel chứ không phải ở dạng lỏng. Chất
điện phân thường được sử dụng là polyetylen oxit kết hợp với một muối thích hợp.
Vật liệu làm điện cực dương có thể xe kẽ đến 8 nguyên tử Lithium là Vanadium oxit
(V6O13) giúp cho pin có khả năng giải phóng được nhiều electron hơn.
Lix + V6O13 + xe- → LixV6O13 với 0 < x < 8
Với sự thay thế của chất điện phân từ dạng lỏng sang dạng rắn hoặc gel làm cho pin
ít có khả năng cháy nổ, làm việc tốt ở nhiệt độ cao, tuổi thọ cao và an toàn trong
trường hợp tai nạn xảy ra do pin Li-polymer ở dạng ion xen kẽ với các điện cực
cacbon làm chonó ít phản ứng hơn với kim loại lithium nguyên chất. Hơn nữa, nhờ
các tế bào Li-polymer mỏng nên có thể thiết kế với hình dạng và kích thước phù hợp
với nhiều không gian khác nhau.
Tuy nhiên, pin Li-polymer cũng có nhược điểm là giá thành sản xuất pin đắt và nhiệt
độ làm việc trong khoảng 80 đến 120 độ C.
16
1.2.3 Hộp số
Thông thường trên xe điện thì có thể bố trí mô tơ ở cầu trước, cầu sau hay cả hai cầu
tuỳ vào yêu cầu và đặc điểm của từng loại xe. Và do mô tơ có thể đạt được mô men
lớn nhất tại vận tốc bằng không nên về mặt lý thuyết không cần sử dụng hộp số.
Tuy nhiên, nhiều dòng xe nhỏ có mô tơ điện có công suất nhỏ thì việc trang bị thêm
hộp số nhằm tăng thêm mô men ban đầu cũng như tăng mô men phanh tái sinh là
hiệu quả. Hộp số sẽ được bố trí nằm ngang cùng với mô tơ tạo kết cấu nhỏ gọn.
Hình 1.5 Cấu tạo hộp số trên xe điện
1.2.4 Bộ điều khiển điện tử và bộ chuyển đổi điện
Bộ điều khiển điện tử điều khiển quá trình vận hành của xe, phân tích các giá trị từ
cảm biến và điều khiển xe theo mong muốn của người lái và điều kiện làm việc của
xe.
Bộ chuyển đổi điện trên xe có ba chức năng chính bao gồm biến đổi điện áp ắc quy
lên cao để sử dụng cho mô tơ điện, hạ điện áp từ ắc quy để vận hành các thiết bị trên
xe và nạp ắc quy, chuyển đổi điện áp xoay chiều sang một chiều và ngược lại.
17
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH
2.1 Công dụng, yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh năng lượng
2.1.1 Công dụng
Trên xe điện, năng lượng điện trong pin cao áp là rất quan trọng vì hạn chế hiện nay
của xe điện là dung lượng của pin. Vậy nên việc sử dụng lại một phần năng lượng
trong quá trình phanh giúp tận dụng một phần năng lượng mà trước kia không được
sử dụng bằng cách biến cơ năng của xe thành điện năng khi quay máy phát và sạc lại
vào pin.
2.1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh tái sinh
- Khi hệ thống phanh tái sinh gặp trục trặc thì hệ thống phanh chính vẫn hoạt động
bình thường;
- Tận dụng tối đa năng lượng trong quá trình phanh thành điện năng;
- Đảm bảo hiệu quả phanh tốt theo ý muốn của người điều khiển;
- Điều khiển dễ dàng.
2.2 Hệ thống phanh tái sinh trên ô tô điện
Trên ô tô điện, hệ thống phanh tái sinh được kết hợp với hệ thống phanh bằng thủy
lực nhằm tối ưu hiệu quả phanh và tận dụng năng lượng trong quá trình phanh.
Cấu tạo của hệ thống phanh tái sinh được mô tả trong sơ đồ dưới đây gồm có các chi
tiết: bàn đạp phanh, xy lanh chính, xy lanh bánh xe, má phanh, đãi phanh, mô tơ
điện, bộ tích chất lỏng, bộ chấp hành phanh, công tắc ba ngả, bộ điều khiển phanh,
cảm biến tốc độ bánh xe và cảm biến áp suất. Các bộ chi tiết này được kết nối với
nhau bằng các kết nối cơ khí, thuỷ lực và tín hiệu điện.
Nhằm đảm bảo được yêu cầu cảu hệ thống phanh thì hệ thống phanh thuỷ lực được
sử dụng vừa tăng tính tin cậy cho hệ thống cũng như đáp ứng được yêu cầu hệ thống
phanh trong trường hợp lực phanh tái sinh không đủ so với lực phanh yêu cầu.
18
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phanh tái sinh
Nguyên lý hoạt động:
Khi người điều khiển đạp bàn đạp phanh, lúc này cảm biến áp suất thủy lực xác định
được sự tăng áp suất từ xác định được tính cấp bách của người điều khiển. Tín hiệu
này được đưa về ECU, cùng với các tín hiệu khác gồm vận tốc xe, vận tốc góc bánh
xe để xác định nên phanh bằng phanh thủy lực hay phanh tái sinh. Nếu xác định
được mong muốn của người điều khiển là phanh gấp, ECU lập tức điều khiển công
tắc 3 ngã thực hiện mở cổng 3 để xe thực hiện phanh bằng phanh thủy lực. Ngược
lại, xe thực hiện phanh tái sinh bằng cách quay máy phát, lúc này mô men của máy
phát sinh ra ngược chiều với hướng chuyển động sinh ra lực phanh.
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến phanh tái sinh
2.3.1 Ảnh hưởng của lốp xe đến phanh
2.3.1.1 Lực theo chiều dọc của lốp
Lực dọc lốp xuất hiện khi có sự xuất hiện của lực phanh và lực kéo. Lúc này nếu với
lốp lý thuyết, phản lực tác dụng lên lốp trùng với tâm quay của lốp. Nhưng trong
thực tế, khi xe chuyển động thì xuất hiện sự biến dạng của lốp làm cho phản lực tác
dụng lệch tâm của bánh xe dẫn tới xuất hiện mô men cản ngược chiều chuyển động.
19
Hình 2.2 Sự biến dạng của lốp khi chuyển động
Lực bám của lốp theo chiều dọc cũng ảnh hưởng rất lớn đến phanh và sự ổn định
của xe. Trong quá trình chuyển động, hệ số bám của lốp ảnh hưởng đến hiệu quả
phanh và lực kéo của xe:
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa độ trượt và hệ số bám
Với độ trượt nhỏ thì hệ số bám thay đổi tuyến tính với độ trượt và khi hệ số bám đạt
cực đại thì độ trượt vào khoảng 20%. Tận dụng trong khoảng này để tăng lực kéo và
lực phanh của xe vì phản lực và lực kéo cũng phụ thuộc vào độ trượt.
Hình 2.4 mô tả sự phụ thuộc của độ trượt đối với lực kéo Fx và lực kéo đạt cực đại
tại độ trượt khỏng 20%. Tương tự với lực phanh cũng như vậy, khoảng 20% độ trượt
thì lực phanh đạt cực đại.
20