Nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động lực cho ô tô con
- 70 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------
PHAN VĂN HÙNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG
ĐỘNG LỰC ĐIỆN CHO Ô TÔ CON
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HỒ HỮU HẢI
HÀ NỘI, 3/2013
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................. 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................... 9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................... 11
1.1. Tổng quan về động cơ điện và xe điện ......................................... 11
1.1.1. Cơ chế hoạt động của các loại động cơ điện .......................... 11
1.1.2. Động cơ điện sử dụng trên ô tô .............................................. 11
1.1.3. Tải của động cơ ...................................................................... 17
1.1.4. Xe điện ................................................................................... 18
1.2. Lịch sử phát triển xe điện ............................................................. 21
1.3. Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trên thế giới .... 24
1.3.1. Hoa Kỳ ................................................................................... 24
1.3.2. Châu Âu.................................................................................. 24
1.3.3. Nhật Bản ................................................................................. 25
1.3.4. Hàn Quốc và Trung Quốc ...................................................... 27
1.3.5. Xu thế phát triển của ô tô điện ............................................... 28
1.4. Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trong nước ...... 29
1.5. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 30
1.6. Phương pháp nghiên cứu ............................................................. 30
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ ................ 31
2.1. Các vấn đề về sức kéo của ô tô ..................................................... 31
2.2. Cấu hình xe ................................................................................... 31
2.3. Các phương án dẫn động .............................................................. 32
2.4. Truyền động điện trên xe .............................................................. 38
2.5. Lựa chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực trên xe thiết kế .. 40
1
CHƯƠNG 3. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH SỨC KÉO ............. 43
3.1. Tính chọn động cơ điện ................................................................ 43
3.1.1. Tính chọn công suất động cơ yêu cầu .................................... 43
3.1.2. Lựa chọn động cơ điện ........................................................... 45
3.2. Tính chọn ắc quy .......................................................................... 48
3.3. Xây dựng các chỉ tiêu động lực học ............................................. 48
3.3.1. Chỉ tiêu cân bằng lực kéo ...................................................... 48
3.3.2. Xác định chỉ tiêu về nhân tố động lực học D ......................... 53
3.4. Xác định khả năng tăng tốc của ô tô............................................. 55
3.5. Xác định thời gian tăng tốc........................................................... 57
3.6. Xác định quãng đường tăng tốc của ô tô ...................................... 60
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .................................................................... 64
1. KẾT LUẬN ..................................................................................... 64
2. KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 65
PHỤ LỤC ................................................................................................ 66
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào.
- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn
và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ
nguồn gốc.
Tác giả
Phan Văn Hùng
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tên đại lượng Đơn vị
D Nhân tố động lực học
d Đường kính vành bánh xe inch
F Diện tích cản chính diện của ô tô m2
f Hệ số cản lăn
Ga Trọng lượng toàn bộ của ô tô N
ηt Hiệu suất của hệ thống truyền lực
i0 Tỉ số truyền của truyền lực chính
j Gia tốc của ô tô m/s2
K Hệ số cản của không khí Ns2/m4
Me Mômen xoắn N.m
n bx Vận tốc góc bánh xe v/p
Ne Công suất W
ne Tốc độ động cơ v/p
Pf Lực cản lăn N
Pi Lực cản lên dốc N
Pj Lực cản tăng tốc N
Pk Lực kéo ở bánh xe chủ động N
Pm Lực kéo ở moóc kéo N
Pω Lực cản của không khí N
r0 Bán kính thiết kế của bánh xe m
rb Bán kính làm việc trung bình của bánh xe m
4
v max Vận tốc lớn nhất của xe km/h
v mm Vận tốc mong muốn km/h
Hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển
δ
động quay
β Độ dốc của mặt đường độ
λ1 Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp
φ2 Hệ số cản tổng cộng
5
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Bảng giá trị công suất và momen động cơ theo tốc độ động cơ 46
Bảng 2: Bảng giá trị lực kéo ................................................................... 52
Bảng 3: Nhân tố động lực học của xe ..................................................... 54
Bảng 4. Bảng giá trị gia tốc xe ................................................................ 56
Bảng 5: Giá trị gia tốc ngược .................................................................. 57
Bảng 6: Thời gian tăng tốc ...................................................................... 59
Bảng 7. Giá trị tính toán quãng đường tăng tốc ...................................... 61
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây.................... 11
Hình 1.2. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện .................................. 12
Hình 1.3. Động cơ từ trở thay đổi – SRM. ............................................. 14
Hình 1.4. Cấu trúc động cơ BLDC (a) và các cảm biến Hall (b). .......... 15
Hình 1.5. Cấu trúc của động cơ SPM và IPM ........................................ 16
Hình 1.6. Đặc tính động cơ điện ............................................................. 17
Hình 1.7. Một số xe kiểu xe điện tiêu biểu ............................................. 20
Hình 1.8. Ứng dụng của xe điện ............................................................. 24
Hình 1.9. Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm
2009 ......................................................................................................... 24
Hình 1.10. Cấu hình xe plug-in hybrid. .................................................. 25
Hình 1.11. Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi
Motors. .................................................................................................... 26
Hình 1.12. Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường. ....................... 26
Hình 1.13. Xe điện thí nghiệm tại Hori-Lab. .......................................... 27
Hình 1.14. Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST. ........ 28
Hình 1.15. Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải ........................ 28
Hình 1.16. Xu hướng phát triển của ô tô điện......................................... 29
Hình 2.1: Phương án 1: Động cơ đặt dọc, cầu sau chủ động .................. 33
Hình 2.2: Phương án 2: Động cơ đặt ngang, cầu trước chủ động........... 33
Hình 2.3: Phương án 3: Sử dụng một động cơ điện dẫn động cầu sau ... 34
Hình 2.4: Phương án 4: Sử dụng một động cơ điện dẫn động cầu trước 35
Hình 2.5: Phương án 5: Sử dụng hai động cơ điện độc lập dẫn động cầu
sau............................................................................................................ 36
Hình 2.6: Phương án 6: Sử dụng hai động cơ điện độc lập dẫn động cầu
trước ........................................................................................................ 36
7
Hình 2.7: Phương án 7: Sử dụng bốn động cơ điện độc lập dẫn động các
bánh xe .................................................................................................... 37
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống điện trên xe điện ............................................ 38
Hình 2.9. Phương án cấp điện cho động cơ khi chạy ở tốc độ thấp ....... 39
Hình 2.10. Phương án cấp điện cho động cơ khi chạy ở tốc độ cao ....... 40
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống truyền lực điện dẫn động bánh trước ........... 41
Hình 2. 12. Sơ đồ điều khiển hệ thống truyền lực điện .......................... 42
Hình 3.1. Các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động .......... 43
Hình 3.2: Đặc tính làm việc của động cơ ................................................ 47
Hình 3.3. Thông số kỹ thuật của động cơ điện ....................................... 47
Hình 3.4. Hình ảnh thực tế động cơ điện lắp đặt trên xe ......................... 48
Hình 3.5. Đồ thị cân bằng lực kéo .......................................................... 53
Hình 3.6. Đồ thị nhân tố động lực học .................................................... 54
Hình 3.7. Đồ thị gia tốc của xe ............................................................... 56
Hình 3.8. Đồ thị gia tốc ngược của xe .................................................... 58
Hình 3.9. Đồ thị thời gian gia tốc của xe ................................................ 60
Hình 3.10. Đồ thị quãng đường tăng tốc................................................. 62
8
MỞ ĐẦU
Nước ta với nền kinh tế mới hội nhập và phát triển, số lượng ô tô
nhập khẩu, sản xuất trong nước ngày càng nhiều đặc biệt là xe con, xe du
lịch. Theo dự báo của hiệp hội sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA) năm
2012 sẽ có 150.000 xe ô tô được tiêu thụ trong nước, bên cạnh đó ngành
công nghiệp sản xuất ô tô đang phát triển rất mạnh mẽ. Số lượng ô tô
tăng nhanh dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn. Chất
lượng đường bộ ngày càng được nâng cao, các ô tô được thiết kế với
công suất lớn, tốc độ cao và ngày càng tiện nghi hơn. Trong những năm
gần đây, có nhiều nguồn năng lượng mới đã và đang được nghiên cứu để
dùng trên ô tô. Ô tô sử dụng năng lượng điện là một hướng phát triển
mới, có nhiều tiềm năng phát triển.
Việc tính toán công suất động cơ điện, tính toán khả năng kéo của
xe điện là vấn đề quan trọng, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và có
ứng dụng thương mại. Nhưng ở trong nước việc nghiên cứu về xe điện
này còn nhiều hạn chế. Với mong muốn góp một phần nhỏ để nghiên
cứu về xe điện, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động
lực điện cho ô tô con” được thực hiện.
Việc nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động lực điện trên ô
tô con được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Kết quả
đạt được của đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài
khác có liên quan.
Dưới sự hướng dẫn của thầy PGS. TS. Hồ Hữu Hải, các thầy trong
Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã
được hoàn thành. Đề tài thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng -
Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
9
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng tận tình của thầy PGS.
TS Hồ Hữu Hải, các thầy giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn
được hoàn thành.
Do thời gian và kiến thức của bản thân còn hạn chế nên bản luận
văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp
của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 3 năm 2013
Tác giả
Phan Văn Hùng
10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan về động cơ điện và xe điện
Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành
cơ năng. Cơ năng này được sử dụng để kéo bánh xe chủ động, quay bánh
công tác của bơm, cánh quạt, chạy máy nén … Các động cơ điện được
sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghệ cao như ô tô (xe điện, xe
hybrid …), máy bay …, trong lĩnh vực dân dụng (máy xay, khoan, quạt
gió) và trong công nghiệp.
1.1.1. Cơ chế hoạt động của các loại động cơ điện
Dòng điện trong từ trường chịu tác dụng của một lực từ.
Nếu dây dẫn được khép mạch, hai nhánh đối xứng của mạch sẽ
chịu các lực tác dụng ngược chiều nhau (ngẫu lực) theo phương vuông
góc với véc tơ đường sức từ.
Hình 1.1. Ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây
Các động cơ trên thực tế có một số mạch vòng trên phần ứng để
tạo ra các mô men đồng đều và tạo ra từ trường nhờ sự sắp xếp hợp lý
các nam châm điện, được gọi là các cuộn cảm.
1.1.2. Động cơ điện sử dụng trên ô tô
Sơ đồ phân loại động cơ điện sử dụng trên ô tô
11
Hình 1.2. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện
Động cơ một chiều (DC Motor)
Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển. Khi
công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động cơ một
chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc
độ, mômen. Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi
than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không
phù hợp với điều kiện nóng ẩm. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều
khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại
động cơ khác.
Động cơ một chiều gồm ba thành phần chính sau:
1. Cực từ.
Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một
chiều. Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên
các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ. Động cơ một chiều đơn
giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam. Các đường sức từ chạy theo
12
khoảng mở từ cực bắc tới cực nam. Với những động cơ phức tạp và lớn,
có một hoặc vài nam châm điện. Những nam châm này được cấp điện từ
bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường.
2. Phần ứng.
Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm
điện. Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải. Với
động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra,
cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng
với góc quay của phần ứng. Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo
chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng.
3. Cổ góp.
Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều. Cổ góp có tác dụng
đảo chiều của dòng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền
điện giữa phần ứng và nguồn điện.
Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM)
Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo.
Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều
khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng các yêu cầu công nghệ
cần thiết. Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp. Ở Việt Nam,
đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thường chạy ở tốc
độ thấp và hay phải dừng, đỗ. Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ
IM sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất
thấp, hạn chế đáng kể quãng đường đi cho một lần nạp ắc quy.
Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM)
Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông
thường với dây quấn và lõi sắt từ. Rotor của động cơ được thiết kế gồm
các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau. Cấu trúc này khiến
13
cho từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra
mômen từ trở làm động cơ quay.
Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM)
Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi,
trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một
chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm. Với
cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở
dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng / phút.
Hình 1.3. Động cơ từ trở thay đổi – SRM.
Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng
ứng dụng của nó. Nguyên lý vận hành đơn giản, nhưng lại khó điều
khiển với chất lượng cao vì có nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc
biệt là trong thời gian chuyển mạch. Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động
cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế
động cơ.
Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC
motor)
14
Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là
sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu
trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây
quấn phân tán). Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho
động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công
suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao.
Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác
định vị trí của rotor. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp
nhô mômen lớn, xuất hiện 6 xung mômen trong 1 chu kì, tuy nhiên, có
thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô mômen. Một
trong những phương pháp hiệu quả nhất là thuật toán điều khiển giả
vector (Pseudo-vector Control – PVC) hiện nay đã đi vào ứng dụng cho
thiết bị trợ lái vô lăng của công ty NSK tại Nhật Bản.
(a) (b)
Hình 1.4. Cấu trúc động cơ BLDC (a) và các cảm biến Hall (b).
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent
Magnet Motor – IPM motor)
15
Động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng
cho ô tô điện. Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm
được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt.
Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor , dẫn tới sự
khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả
năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn
có do nam châm sinh ra (Magnet Torque). Đặc tính này khiến động cơ
IPM có khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện.
Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng
giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ.
Hình 1.5. Cấu trúc của động cơ SPM và IPM
Động cơ IPM được sử dụng cho xe Nissan Leaf – ô tô điện được
biết đến nhiều nhất hiện nay. Hãng Mitsubishi khi giới thiệu mẫu xe
MiEV (Mitsubishi innovative Electric Vehicle) và MIEV (Mitsubishi In-
wheel Electric Vehicle) sử dụng cho các mẫu xe.
Đặc tính của động cơ điện:
16
Hình 1.6. Đặc tính động cơ điện
Đặc tính làm việc của động cơ điện lâu dài sẽ là đường công suất ổn định
(Đường đẳng công suất). Với đặc tính này công suất có thể đạt lớn nhất
tại bất kỳ tốc độ nào của động cơ.
Khi khởi động, mô men của động cơ tăng lên rất cao, có thể cao hơn
đường định mức. Nhưng mô men này chỉ duy trì trong thời gian ngắn,
khi công suất đạt đến cực đại thì mô men giảm dần.
Tốc độ động cơ khi công suất đạt đến cực đại gọi là tốc độ cơ bản.
1.1.3. Tải của động cơ
Thường được chia thành 3 nhóm:
- Tải mô men không đổi là tải yêu cầu công suất đầu ra có thể thay
đổi cùng với tốc độ hoạt động nhưng momen quay không đổi. Băng tải,
lò quay và các bơm pittông là những ví dụ điển hình của tải mô men
không đổi.
17
- Tải mô men thay đổi là những tải mà mô men thay đổi khi tốc độ
hoạt động thay đổi. Bơm ly tâm và quạt là những ví dụ điển hình của tải
mô men thay đổi (mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ).
- Tải công suất không đổi là những tải mà các yêu cầu mô men
thường thay đổi ngược với tốc độ. Những máy công cụ là ví dụ điển hình
về tải công suất không đổi.
Động cơ một chiều sử dụng dòng điện một chiều. Động cơ một
chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi
động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng.
1.1.4. Xe điện
Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission)
đối với môi trường không khí trong thành phố. Nhưng ô tô chạy bằng
năng lượng điện gặp phải khó khăn về vấn đề cung cấp điện năng, nếu
tất cả các loại ô tô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều còn phụ thuộc loại
nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng. So với nhiên liệu truyền thống,
mức độ có lợi tính theo C0 2 tương đương trên 1Km lên 90% đối với điện
sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng
nhiên liệu và gần như không có lợi gì khi sản xuất bằng than.
Về mặt kỹ thuật thì ô tô chạy bằng điện có hai nhược điểm quan
trọng đó là năng lượng dữ trữ thấp (Khoảng 100 lần so với ô tô dùng
động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (30-40% cao
hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt). Những chướng ngại khác cần được
giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng thực tế một cách đại trà là
khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vấn đề sưởi và điều hòa không khí
trong ô tô.
Nếu như sự thâm nhập những ô tô chạy bằng điện vào cuộc sống
của nhân loại thay các loại ô tô chạy bằng động cơ nhiệt thì các loại động
18
cơ nhiệt được xử lý ô nhiễm triệt để với những thành tựu công nghệ hiện
đại, dĩ nhiên bị biến mất vì thế mức độ có lợi về mặt ô nhiễm khi dùng
động cơ điện sẽ không đáng kể, chắc chắn ít có lợi hơn khi thay ô tô cũ
bằng ô tô mới dùng động cơ nhiệt hoàn thiện triệt để về mặt ô nhiễm.
Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan
trọng đến vấn đề tâm lý xã hội. Sự hạn chế tính năng kỹ thuật còng như
bán kính hoạt động của ô tô, trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử
dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của
người dùng và dần dần làm thay đổi cách sống. Mặt khác khi chuyển ô tô
chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ô tô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ
gây ra chở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ăcquy. Tuy nhiên
những lợi ích mà xe chạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ.
Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vấn là sự lựa chọn số một của nhân
loại vào những năm tới của thế kỷ 21 mà sự phát triển của nó đi theo
những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ
nhưng hiện tại sự phát triển của ô tô này còng không cho phép giải quyết
một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trường đô thị vì không thể
xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn.
Một số dạng xe điện hiện nay:
Xe lai giữa động cơ đốt trong và động cơ điện (Hybrid):
Xe tiêu biểu: Ford Escape HEV
19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------
PHAN VĂN HÙNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG
ĐỘNG LỰC ĐIỆN CHO Ô TÔ CON
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HỒ HỮU HẢI
HÀ NỘI, 3/2013
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................. 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................... 9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................... 11
1.1. Tổng quan về động cơ điện và xe điện ......................................... 11
1.1.1. Cơ chế hoạt động của các loại động cơ điện .......................... 11
1.1.2. Động cơ điện sử dụng trên ô tô .............................................. 11
1.1.3. Tải của động cơ ...................................................................... 17
1.1.4. Xe điện ................................................................................... 18
1.2. Lịch sử phát triển xe điện ............................................................. 21
1.3. Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trên thế giới .... 24
1.3.1. Hoa Kỳ ................................................................................... 24
1.3.2. Châu Âu.................................................................................. 24
1.3.3. Nhật Bản ................................................................................. 25
1.3.4. Hàn Quốc và Trung Quốc ...................................................... 27
1.3.5. Xu thế phát triển của ô tô điện ............................................... 28
1.4. Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trong nước ...... 29
1.5. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 30
1.6. Phương pháp nghiên cứu ............................................................. 30
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC ĐIỆN TRÊN Ô TÔ ................ 31
2.1. Các vấn đề về sức kéo của ô tô ..................................................... 31
2.2. Cấu hình xe ................................................................................... 31
2.3. Các phương án dẫn động .............................................................. 32
2.4. Truyền động điện trên xe .............................................................. 38
2.5. Lựa chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực trên xe thiết kế .. 40
1
CHƯƠNG 3. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH SỨC KÉO ............. 43
3.1. Tính chọn động cơ điện ................................................................ 43
3.1.1. Tính chọn công suất động cơ yêu cầu .................................... 43
3.1.2. Lựa chọn động cơ điện ........................................................... 45
3.2. Tính chọn ắc quy .......................................................................... 48
3.3. Xây dựng các chỉ tiêu động lực học ............................................. 48
3.3.1. Chỉ tiêu cân bằng lực kéo ...................................................... 48
3.3.2. Xác định chỉ tiêu về nhân tố động lực học D ......................... 53
3.4. Xác định khả năng tăng tốc của ô tô............................................. 55
3.5. Xác định thời gian tăng tốc........................................................... 57
3.6. Xác định quãng đường tăng tốc của ô tô ...................................... 60
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .................................................................... 64
1. KẾT LUẬN ..................................................................................... 64
2. KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 65
PHỤ LỤC ................................................................................................ 66
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào.
- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn
và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ
nguồn gốc.
Tác giả
Phan Văn Hùng
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tên đại lượng Đơn vị
D Nhân tố động lực học
d Đường kính vành bánh xe inch
F Diện tích cản chính diện của ô tô m2
f Hệ số cản lăn
Ga Trọng lượng toàn bộ của ô tô N
ηt Hiệu suất của hệ thống truyền lực
i0 Tỉ số truyền của truyền lực chính
j Gia tốc của ô tô m/s2
K Hệ số cản của không khí Ns2/m4
Me Mômen xoắn N.m
n bx Vận tốc góc bánh xe v/p
Ne Công suất W
ne Tốc độ động cơ v/p
Pf Lực cản lăn N
Pi Lực cản lên dốc N
Pj Lực cản tăng tốc N
Pk Lực kéo ở bánh xe chủ động N
Pm Lực kéo ở moóc kéo N
Pω Lực cản của không khí N
r0 Bán kính thiết kế của bánh xe m
rb Bán kính làm việc trung bình của bánh xe m
4
v max Vận tốc lớn nhất của xe km/h
v mm Vận tốc mong muốn km/h
Hệ số kể đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển
δ
động quay
β Độ dốc của mặt đường độ
λ1 Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp
φ2 Hệ số cản tổng cộng
5
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Bảng giá trị công suất và momen động cơ theo tốc độ động cơ 46
Bảng 2: Bảng giá trị lực kéo ................................................................... 52
Bảng 3: Nhân tố động lực học của xe ..................................................... 54
Bảng 4. Bảng giá trị gia tốc xe ................................................................ 56
Bảng 5: Giá trị gia tốc ngược .................................................................. 57
Bảng 6: Thời gian tăng tốc ...................................................................... 59
Bảng 7. Giá trị tính toán quãng đường tăng tốc ...................................... 61
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây.................... 11
Hình 1.2. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện .................................. 12
Hình 1.3. Động cơ từ trở thay đổi – SRM. ............................................. 14
Hình 1.4. Cấu trúc động cơ BLDC (a) và các cảm biến Hall (b). .......... 15
Hình 1.5. Cấu trúc của động cơ SPM và IPM ........................................ 16
Hình 1.6. Đặc tính động cơ điện ............................................................. 17
Hình 1.7. Một số xe kiểu xe điện tiêu biểu ............................................. 20
Hình 1.8. Ứng dụng của xe điện ............................................................. 24
Hình 1.9. Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm
2009 ......................................................................................................... 24
Hình 1.10. Cấu hình xe plug-in hybrid. .................................................. 25
Hình 1.11. Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi
Motors. .................................................................................................... 26
Hình 1.12. Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường. ....................... 26
Hình 1.13. Xe điện thí nghiệm tại Hori-Lab. .......................................... 27
Hình 1.14. Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST. ........ 28
Hình 1.15. Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải ........................ 28
Hình 1.16. Xu hướng phát triển của ô tô điện......................................... 29
Hình 2.1: Phương án 1: Động cơ đặt dọc, cầu sau chủ động .................. 33
Hình 2.2: Phương án 2: Động cơ đặt ngang, cầu trước chủ động........... 33
Hình 2.3: Phương án 3: Sử dụng một động cơ điện dẫn động cầu sau ... 34
Hình 2.4: Phương án 4: Sử dụng một động cơ điện dẫn động cầu trước 35
Hình 2.5: Phương án 5: Sử dụng hai động cơ điện độc lập dẫn động cầu
sau............................................................................................................ 36
Hình 2.6: Phương án 6: Sử dụng hai động cơ điện độc lập dẫn động cầu
trước ........................................................................................................ 36
7
Hình 2.7: Phương án 7: Sử dụng bốn động cơ điện độc lập dẫn động các
bánh xe .................................................................................................... 37
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống điện trên xe điện ............................................ 38
Hình 2.9. Phương án cấp điện cho động cơ khi chạy ở tốc độ thấp ....... 39
Hình 2.10. Phương án cấp điện cho động cơ khi chạy ở tốc độ cao ....... 40
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống truyền lực điện dẫn động bánh trước ........... 41
Hình 2. 12. Sơ đồ điều khiển hệ thống truyền lực điện .......................... 42
Hình 3.1. Các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động .......... 43
Hình 3.2: Đặc tính làm việc của động cơ ................................................ 47
Hình 3.3. Thông số kỹ thuật của động cơ điện ....................................... 47
Hình 3.4. Hình ảnh thực tế động cơ điện lắp đặt trên xe ......................... 48
Hình 3.5. Đồ thị cân bằng lực kéo .......................................................... 53
Hình 3.6. Đồ thị nhân tố động lực học .................................................... 54
Hình 3.7. Đồ thị gia tốc của xe ............................................................... 56
Hình 3.8. Đồ thị gia tốc ngược của xe .................................................... 58
Hình 3.9. Đồ thị thời gian gia tốc của xe ................................................ 60
Hình 3.10. Đồ thị quãng đường tăng tốc................................................. 62
8
MỞ ĐẦU
Nước ta với nền kinh tế mới hội nhập và phát triển, số lượng ô tô
nhập khẩu, sản xuất trong nước ngày càng nhiều đặc biệt là xe con, xe du
lịch. Theo dự báo của hiệp hội sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA) năm
2012 sẽ có 150.000 xe ô tô được tiêu thụ trong nước, bên cạnh đó ngành
công nghiệp sản xuất ô tô đang phát triển rất mạnh mẽ. Số lượng ô tô
tăng nhanh dẫn đến mật độ lưu thông trên đường ngày càng lớn. Chất
lượng đường bộ ngày càng được nâng cao, các ô tô được thiết kế với
công suất lớn, tốc độ cao và ngày càng tiện nghi hơn. Trong những năm
gần đây, có nhiều nguồn năng lượng mới đã và đang được nghiên cứu để
dùng trên ô tô. Ô tô sử dụng năng lượng điện là một hướng phát triển
mới, có nhiều tiềm năng phát triển.
Việc tính toán công suất động cơ điện, tính toán khả năng kéo của
xe điện là vấn đề quan trọng, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và có
ứng dụng thương mại. Nhưng ở trong nước việc nghiên cứu về xe điện
này còn nhiều hạn chế. Với mong muốn góp một phần nhỏ để nghiên
cứu về xe điện, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động
lực điện cho ô tô con” được thực hiện.
Việc nghiên cứu, thiết kế, tính toán hệ thống động lực điện trên ô
tô con được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Kết quả
đạt được của đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài
khác có liên quan.
Dưới sự hướng dẫn của thầy PGS. TS. Hồ Hữu Hải, các thầy trong
Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã
được hoàn thành. Đề tài thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng -
Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
9
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng tận tình của thầy PGS.
TS Hồ Hữu Hải, các thầy giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn
được hoàn thành.
Do thời gian và kiến thức của bản thân còn hạn chế nên bản luận
văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp
của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 3 năm 2013
Tác giả
Phan Văn Hùng
10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan về động cơ điện và xe điện
Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành
cơ năng. Cơ năng này được sử dụng để kéo bánh xe chủ động, quay bánh
công tác của bơm, cánh quạt, chạy máy nén … Các động cơ điện được
sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghệ cao như ô tô (xe điện, xe
hybrid …), máy bay …, trong lĩnh vực dân dụng (máy xay, khoan, quạt
gió) và trong công nghiệp.
1.1.1. Cơ chế hoạt động của các loại động cơ điện
Dòng điện trong từ trường chịu tác dụng của một lực từ.
Nếu dây dẫn được khép mạch, hai nhánh đối xứng của mạch sẽ
chịu các lực tác dụng ngược chiều nhau (ngẫu lực) theo phương vuông
góc với véc tơ đường sức từ.
Hình 1.1. Ngẫu lực này tạo ra mô men làm quay cuộn dây
Các động cơ trên thực tế có một số mạch vòng trên phần ứng để
tạo ra các mô men đồng đều và tạo ra từ trường nhờ sự sắp xếp hợp lý
các nam châm điện, được gọi là các cuộn cảm.
1.1.2. Động cơ điện sử dụng trên ô tô
Sơ đồ phân loại động cơ điện sử dụng trên ô tô
11
Hình 1.2. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện
Động cơ một chiều (DC Motor)
Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển. Khi
công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động cơ một
chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc
độ, mômen. Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi
than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không
phù hợp với điều kiện nóng ẩm. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều
khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại
động cơ khác.
Động cơ một chiều gồm ba thành phần chính sau:
1. Cực từ.
Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một
chiều. Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên
các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ. Động cơ một chiều đơn
giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam. Các đường sức từ chạy theo
12
khoảng mở từ cực bắc tới cực nam. Với những động cơ phức tạp và lớn,
có một hoặc vài nam châm điện. Những nam châm này được cấp điện từ
bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường.
2. Phần ứng.
Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm
điện. Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải. Với
động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra,
cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng
với góc quay của phần ứng. Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo
chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng.
3. Cổ góp.
Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều. Cổ góp có tác dụng
đảo chiều của dòng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền
điện giữa phần ứng và nguồn điện.
Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM)
Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo.
Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều
khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng các yêu cầu công nghệ
cần thiết. Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp. Ở Việt Nam,
đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thường chạy ở tốc
độ thấp và hay phải dừng, đỗ. Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ
IM sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất
thấp, hạn chế đáng kể quãng đường đi cho một lần nạp ắc quy.
Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM)
Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông
thường với dây quấn và lõi sắt từ. Rotor của động cơ được thiết kế gồm
các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau. Cấu trúc này khiến
13
cho từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra
mômen từ trở làm động cơ quay.
Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM)
Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi,
trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một
chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm. Với
cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở
dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng / phút.
Hình 1.3. Động cơ từ trở thay đổi – SRM.
Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng
ứng dụng của nó. Nguyên lý vận hành đơn giản, nhưng lại khó điều
khiển với chất lượng cao vì có nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc
biệt là trong thời gian chuyển mạch. Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động
cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế
động cơ.
Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC
motor)
14
Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là
sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu
trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây
quấn phân tán). Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho
động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công
suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao.
Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác
định vị trí của rotor. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp
nhô mômen lớn, xuất hiện 6 xung mômen trong 1 chu kì, tuy nhiên, có
thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô mômen. Một
trong những phương pháp hiệu quả nhất là thuật toán điều khiển giả
vector (Pseudo-vector Control – PVC) hiện nay đã đi vào ứng dụng cho
thiết bị trợ lái vô lăng của công ty NSK tại Nhật Bản.
(a) (b)
Hình 1.4. Cấu trúc động cơ BLDC (a) và các cảm biến Hall (b).
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent
Magnet Motor – IPM motor)
15
Động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng
cho ô tô điện. Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm
được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt.
Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor , dẫn tới sự
khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả
năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn
có do nam châm sinh ra (Magnet Torque). Đặc tính này khiến động cơ
IPM có khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện.
Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng
giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ.
Hình 1.5. Cấu trúc của động cơ SPM và IPM
Động cơ IPM được sử dụng cho xe Nissan Leaf – ô tô điện được
biết đến nhiều nhất hiện nay. Hãng Mitsubishi khi giới thiệu mẫu xe
MiEV (Mitsubishi innovative Electric Vehicle) và MIEV (Mitsubishi In-
wheel Electric Vehicle) sử dụng cho các mẫu xe.
Đặc tính của động cơ điện:
16
Hình 1.6. Đặc tính động cơ điện
Đặc tính làm việc của động cơ điện lâu dài sẽ là đường công suất ổn định
(Đường đẳng công suất). Với đặc tính này công suất có thể đạt lớn nhất
tại bất kỳ tốc độ nào của động cơ.
Khi khởi động, mô men của động cơ tăng lên rất cao, có thể cao hơn
đường định mức. Nhưng mô men này chỉ duy trì trong thời gian ngắn,
khi công suất đạt đến cực đại thì mô men giảm dần.
Tốc độ động cơ khi công suất đạt đến cực đại gọi là tốc độ cơ bản.
1.1.3. Tải của động cơ
Thường được chia thành 3 nhóm:
- Tải mô men không đổi là tải yêu cầu công suất đầu ra có thể thay
đổi cùng với tốc độ hoạt động nhưng momen quay không đổi. Băng tải,
lò quay và các bơm pittông là những ví dụ điển hình của tải mô men
không đổi.
17
- Tải mô men thay đổi là những tải mà mô men thay đổi khi tốc độ
hoạt động thay đổi. Bơm ly tâm và quạt là những ví dụ điển hình của tải
mô men thay đổi (mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ).
- Tải công suất không đổi là những tải mà các yêu cầu mô men
thường thay đổi ngược với tốc độ. Những máy công cụ là ví dụ điển hình
về tải công suất không đổi.
Động cơ một chiều sử dụng dòng điện một chiều. Động cơ một
chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi
động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng.
1.1.4. Xe điện
Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission)
đối với môi trường không khí trong thành phố. Nhưng ô tô chạy bằng
năng lượng điện gặp phải khó khăn về vấn đề cung cấp điện năng, nếu
tất cả các loại ô tô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều còn phụ thuộc loại
nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng. So với nhiên liệu truyền thống,
mức độ có lợi tính theo C0 2 tương đương trên 1Km lên 90% đối với điện
sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng
nhiên liệu và gần như không có lợi gì khi sản xuất bằng than.
Về mặt kỹ thuật thì ô tô chạy bằng điện có hai nhược điểm quan
trọng đó là năng lượng dữ trữ thấp (Khoảng 100 lần so với ô tô dùng
động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (30-40% cao
hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt). Những chướng ngại khác cần được
giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng thực tế một cách đại trà là
khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vấn đề sưởi và điều hòa không khí
trong ô tô.
Nếu như sự thâm nhập những ô tô chạy bằng điện vào cuộc sống
của nhân loại thay các loại ô tô chạy bằng động cơ nhiệt thì các loại động
18
cơ nhiệt được xử lý ô nhiễm triệt để với những thành tựu công nghệ hiện
đại, dĩ nhiên bị biến mất vì thế mức độ có lợi về mặt ô nhiễm khi dùng
động cơ điện sẽ không đáng kể, chắc chắn ít có lợi hơn khi thay ô tô cũ
bằng ô tô mới dùng động cơ nhiệt hoàn thiện triệt để về mặt ô nhiễm.
Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan
trọng đến vấn đề tâm lý xã hội. Sự hạn chế tính năng kỹ thuật còng như
bán kính hoạt động của ô tô, trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử
dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của
người dùng và dần dần làm thay đổi cách sống. Mặt khác khi chuyển ô tô
chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ô tô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ
gây ra chở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ăcquy. Tuy nhiên
những lợi ích mà xe chạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ.
Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vấn là sự lựa chọn số một của nhân
loại vào những năm tới của thế kỷ 21 mà sự phát triển của nó đi theo
những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ
nhưng hiện tại sự phát triển của ô tô này còng không cho phép giải quyết
một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trường đô thị vì không thể
xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn.
Một số dạng xe điện hiện nay:
Xe lai giữa động cơ đốt trong và động cơ điện (Hybrid):
Xe tiêu biểu: Ford Escape HEV
19