Tài liệu Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 4 bánh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- VŨ TRƢỜNG THỊNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 4 BÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- VŨ TRƢỜNG THỊNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 4 BÁNH Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số : 60.52.01.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM QUỐC THÁI Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như ở nước ngoài và cho đến nay vẫn chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây. Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên Vũ Trƣờng Thịnh TÓM TẮT Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 4 bánh” Học viên: Vũ Trƣờng Thịnh Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 60.52.01.16. Khóa: K32 Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng. Tóm tắt: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 4 bánh. với hệ thống lái điện thông qua cảm biến góc lái, sử dụng hai động cơ điện tạo nguồn động lực độc lập cho hai bánh xe trƣớc. Bánh xe sau dẫn hƣớng, sử dụng loại bánh xe đa hƣớng, không gây cƣỡng bức động học khi xe quay vòng. Sử dụng Arduino làm bộ điều khiển trung tâm để điều khiển hệ thống điện tử trên xe. Tất cả hoạt động của xe sẽ đƣợc bộ xử lí trung tâm điều khiển, bộ xử lí sẽ tính toán và đƣa các tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành để điều khiển xe hoạt động. Nghiên cứu này góp phần làm cơ sở để thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân ở Việt Nam Từ khóa: xe điện cá nhân, Arduino, cảm biến góc lái, bánh xe đa hƣớng, bộ phận chấp hành. ABSTRACT Abstract: Research on the design and fabrication of electric vehicle control system, individual 4 wheels. with power steering system through the steering angle sensor, use two electric motors generate independent power source for the two front wheels. After the wheels using multi- directional wheel not cause motion forced Dynamics when the electric car turns round. Using the Arduino do the central controller to control the electronic system on the electric car. All of the car will be the storage control center, the handle will calculate and insert the control signal to the Executive Department to control the car works .This research contributes to the design, manufacturing control systems for personal electric vehicles in Vietnam Key word: electric vehicle , Arduino , steering angle sensor, multi- directional wheel, Executive Department. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. TÓM TẮT .......................................................................................................................... MỤC LỤC .......................................................................................................................... DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................ DANH SÁCH CÁC BẢNG .............................................................................................. DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................1 I. Lý do chọn đề tài ...........................................................................................................1 II. Mục tiêu đề tài ..............................................................................................................2 III. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu ...............................................................................2 1.Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................................2 2.Đối tƣợng nghiên cứu ....................................................................................................3 IV. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................3 Chƣơng 1- TỔNG QUAN ............................................................................................. 5 1.1.Xu hƣớng sử dụng nhiên liệu sạch cho phƣơng tiện giao thông ............................... 5 1.1.1.Hoàn thiện động cơ diesel .......................................................................................5 1.1.2.Ôtô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế .....................................................5 1.1.3.Ôtô chạy bằng khí thiên nhiên .................................................................................6 1.1.4.Ôtô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ............................................................... 6 1.1.5.Ôtô chạy bằng điện ..................................................................................................7 1.1.6.Ô tô chạy bằng pile nhiên liệu .................................................................................8 1.1.7.Ôtô hybrid ................................................................................................................8 1.2.Tổng quan về xe điện cá nhân ....................................................................................9 1.2.1.Giới thiệu chung ......................................................................................................9 1.2.2.Cấu hình của một số loại xe điện cá nhân ............................................................... 9 1.2.2.1.Cấu hình của ô tô điện ..........................................................................................9 1.2.2.2.Cấu hình một số xe điện cỡ nhỏ .........................................................................11 1.3 Nhu cầu sử dụng xe điện cá nhân .............................................................................13 1.3.1 Phƣơng tiện cá nhân .............................................................................................. 14 1.3.2 Các phƣơng tiện công cộng ...................................................................................14 1.3.3 Các phƣơng tiện dùng các lĩnh vực vui chơi giải trí, thể thao và du lịch .............14 1.3.4 Các loại phƣơng tiện phục vụ trong y tế ............................................................... 14 Chƣơng 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................15 2.1. Tính toán thiết kế hệ thống truyền động cho xe điện cá nhân ................................ 15 2.1.1 Tính toán các thông số động học của xe điện .......................................................21 2.1.2. Tính chọn động cơ điện ........................................................................................30 2.1.3. Tính chọn ắc quy...................................................................................................31 2.2. Phân tích động lực học xe điện cá nhân: .................................................................32 2.3. Kết quả và bàn luận ................................................ Error! Bookmark not defined. Chƣơng 3- THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN ...........38 3.1.Cấu trúc hệ thống điều khiển xe điện cá nhân .........................................................38 3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ............................................................................38 3.1.2. Chiến thuật điều khiển ..........................................................................................38 3.1.3. Thiết kế mạch điều khiển......................................................................................39 3.2. Cảm biến ..................................................................................................................39 3.2.1. Cảm biến góc lái ...................................................................................................40 3.2.2. Cảm biến tay ga ....................................................................................................41 3.2.3. Cảm biến tốc độ (Encoder) ...................................................................................42 3.3. Cơ cấu chấp hành .....................................................................................................44 3.4. Bộ điều khiển trung tâm ..........................................................................................48 3.5. Thuật toán điều khiển .............................................................................................. 52 3.6. Chƣơng trình điều khiển ..........................................................................................52 3.6.1. Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái ...................................................56 3.6.2. Chƣơng trình nhận tín hiệu từ tay ga ....................................................................57 3.6.3. Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ....................................................57 Chƣơng 4- KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................................................61 1. Kết quả ........................................................................................................................61 2. Hƣớng phát triển đề tài ............................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 62 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu sinh học.............................................................. 6 Hình 1. 2 Ô tô chạy bằng điện .....................................................................................8 Hình 1. 3 Ô tô Hybrid ...................................................................................................9 Hình 1. 4 Ô tô điện cổ điển ........................................................................................10 Hình 1. 5 Ô tô hiện đại ............................................................................................... 11 Hình 1. 6 Sơ đồ xe điện cân bằng một bánh .............................................................. 12 Hình 1. 7 Một số xe điện cá nhân hiện nay................................................................ 13 Hình 2. 1 Phương án thiết kế xe điện tự cân bằng 2 bánh ........................................15 Hình 2. 2 Phương án thiết kế xe điện tự cân bằng 1 bánh ........................................16 Hình 2. 3 Phương án thiết kế xe tự cân bằng 4 bánh, 3 bánh ...................................17 Hình 2. 4 Các hình chiếu của xe điện cá nhân ..........................................................19 Hình 2. 5 Đồ thị cân bằng lực kéo .............................................................................25 Hình 2. 6 Vị trí lắp đặt của các bộ phận lên xe cá nhân ...........................................26 Hình 2. 7 Khung xe .....................................................................................................27 Hình 2. 8 Tay cầm cho xe điện cá nhân .....................................................................28 Hình 2. 9 Lực tác dụng lên xe điện khi chuyển động tăng tốc trên dốc ....................29 Hình 2. 10 Động cơ MY6812 .....................................................................................31 Hình 2. 11 Ắc quy GLOBE WP12-12.........................................................................32 Hình 2. 12 Sơ đồ phân bố tải trọng khi xe điện không tải .........................................35 Hình 2. 13 Sơ đồ phân bố tải trọng khi xe điện đầy tải .............................................32 Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .................................................................38 Hình 3. 2 Sơ đồ mạch điều khiển ...............................................................................39 Hình 3.3 Chiết áp .......................................................................................................40 Hình 3.4 Sơ đồ cấu tạo chiết áp .................................................................................40 Hình 3.5 Kí hiệu chiết áp trên sơ đồ nguyên lí ..........................................................41 Hình 3.6 Tay ga sử dụng cảm biến Hall ....................................................................41 Hình 3.7 Hall IC .........................................................................................................42 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của cảm biến tốc độ .........................................42 Hình 3.9 Độ lệch xung của kênh A và B ....................................................................43 Hình 3. 10 Module MDL-BDC24 ...............................................................................49 Hình 3. 11 Kích thước Module MDL BDC24 ............................................................ 50 Hình 3. 12 Các cổng kết nối của Module MDL BDC24 ............................................44 Hình 3. 13 Cổng nhận tín hiệu PWM từ bộ điều khiển trung tâm............................. 45 Hình 3. 14 Mạch cầu H .............................................................................................. 46 Hình 3.15 Tín hiệu điều khiển PWM ..........................................................................46 Hình 3.16 Linh kiện trên Arduino Mega 2560 ........................................................... 47 Hình 3.17 Sơ đồ các chân trên Arduino Mega 2560 .................................................47 Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển .....................................................52 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2. 1 Thông số kỹ thuật của xe điện thiết kế ......................................................21 Bảng 2. 2 Kết quả tính toán lực kéo ...........................................................................31 Bảng 2. 3 Các thông số của động cơ .........................................................................31 Bảng 2. 4 Phân bố trọng lượng khi xe điện không tải ...............................................35 Bảng 2. 5 Phân bố trọng lượng khi xe điện đầy tải ...................................................37 Bảng 2. 6 Thông số kỹ thuật của chiết áp ..................................................................40 Bảng 2. 7 Thông số kỹ thuật của Module MDL-BDC24 ...........................................45 Bảng 2. 8 Thông số cơ bản của Arduino Mega 2560 ................................................48 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU: G [KG] Fk [N] Gk [KG] Trọng lƣợng toàn bộ của xe Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động Trọng lƣợng khung xƣơng Gct Gcs Gm Gat Gas Gl [KG] [KG] [KG] [KG] [KG] [KG] Trọng lƣợng trục trƣớc và bánh xe Trọng lƣợng bánh xe sau Trọng lƣợng động cơ Trọng lƣợng acquy trƣớc Trọng lƣợng acquy sau; Trọng lƣợng tay lái. Ff1 Ff2 Fw Fi Fj Z1, Z2 [N] [N] [N] [N] [N] [N] Lực cản lăn ở bánh xe chủ động Lực cản lăn ở bánh xe bị động Lực cản không khí Lực cản lên dốc Lực quán tính của ô tô khi chuyển động Phản lực tiếp tuyến của mặt đƣờng tác dụng lên các L a, b hg [m] [m] [m] Chiều dài cơ sở Khoảng cách từ tâm đến trục bánh xe trƣớc và bánh xe sau Tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao inner [v/ph] Tốc độ quay bánh xe phía trong outter [v/ph] Tốc độ quay bánh xe phía ngoài [v/ph] Độ chênh lệch tốc độ quay vòng của hai bánh xe [v/ph] Độ chênh lệch tốc độ quay vòng ban đầu của bánh xe 0 [v/ph] Tốc độ ban đầu của bánh xe K0 Kps d v t VH [-] [-] [m] [m/s] [s] [V] Hệ số góc quay ban đầu Hệ só góc quay khi có hệ thống hỗ trợ lái Quãng đƣờng di chuyển của sóng âm Vận tốc sóng âm trong không khí Quãng thời gian truyền sóng Điện áp Hall kH Ic B [m3/c] [A] [Wb] Hằng số Hall Dòng cấp vào Mật độ từ thông 0 Sinβ [-] I [%] T [s] Góc lệch giữa mật độ từ thông và bề mặt cảm biến Phần trăm chiếm chỗ giữa xe điện và vùng không gian cá nhân Chu kì cảnh báo. CHỮ VIẾT TẮT: CW Clock Wise-Quay cùng chiều kim đồng hồ. CCW Counter Clock Wise- Quay ngƣợc chiều kim đồng hồ. IC Intergated Circuit- Là vi mạch tích hợp nhiều linh kiện điện tử nhƣ tụ điện, điện trở, transistor…với số lƣợng lớn, ghép lại với nhau theo một TOF DC mạch đã thiết kế sẵn. Pulse Width Modulation- Phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra tải. Intergrated Development Environment- Môi trƣờng lập trình cho Arduino. Time Of Flight- Nguyên lí đo khoảng cách bằng thời gian truyền sóng. Direct Current Motors- Động cơ điện một chiều. VCC GND Nguồn dƣơng. Điểm nối đất chung. PWM IDE 1 MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp ô tô đã mang lại nhiều thuận tiện trong đời sống, tuy nhiên số lƣợng ô tô ngày càng tăng kéo theo nhiều vấn đề môi trƣờng, nhiên liệu ngày càng cạn kiệt. Ở các nƣớc phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lƣợng sạch cho phƣơng tiện giao thông đã bắt đầu từ rất lâu. Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện tiếp theo là ô tô lai, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu là ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua. Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lƣợng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ đƣợc nâng cao, các loại nhiên liệu khí (LPG, khí thiên nhiên) sẽ đƣợc áp dụng rộng rãi trên ô tô, các loại nhiên liệu sinh học (nhƣ ethanol, colza) có lợi thế so sánh thấp về mặt môi trƣờng và giá thành nhiên liệu này còn cao nên hạn chế về mặt sử dụng, các nhiên liệu tổng hợp từ khí thiên nhiên đang đƣợc nghiên cứu, nhiên liệu khí hydro cho ô tô chƣa có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành. Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng phát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay để làm giảm ô nhiễm môi trƣờng. Các yếu tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất lƣợng của hệ thống vận chuyển khách công cộng và giá thành của pin nhiên liệu với các loại nhiên liệu thay thế khác để đạt cùng mức độ giảm NOx. Kết quả nghiên cứu cho thấy trong vòng ít năm tới, kỹ thuật làm giảm NOx bằng cách cải thiện động cơ diesel, sử dụng LPG và khí thiên nhiên rẻ hơn là sử dụng pin nhiên liệu. Trong tƣơng lai dài hơn thì việc giảm NOx bằng cách sử dụng pin nhiên liệu trên xe buýt sẽ có giá thành tƣơng đƣơng với việc cải thiện động cơ diesel để đạt cùng mức độ hiệu quả. Để đạt đƣợc cùng tính năng kinh tế và mức độ phát ô nhiễm đối với động cơ sử dụng LPG thì trong thập niên 2010, giá nhiên liệu hydro phải giảm đi 50% và giá thành pin nhiên liệu phải giảm đi 30% so với giá cả hiện nay. Vì vậy trong vòng 2 thập niên tới, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu vẫn chƣa có lợi thế cạnh tranh so với các loại nhiên liệu thay thế. Vì vậy trong điều kiện của nƣớc ta từ nay đến 2020, ô tô lai chạy bằng điện kết hợp với việc nạp điện bổ sung bằng động cơ nhiệt là phù hợp nhất. Năng lƣợng điện năng của chúng ta đƣợc sản xuất chủ yếu bằng thủy điện (năng lƣợng tái sinh) nhƣ nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, nhà máy thuỷ điện Ialy, nhà máy thuỷ điện Sơn La và chủ động nguồn cung cấp khí dầu mỏ. Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tƣơng lai gần nhà máy lọc dầu đầu tiên của Việt Nam ở Dung Quốc đi vào hoạt động, sản lƣợng khí đồng hành của nhà máy là nguồn cung cấp nhiên liệu LPG. Nhu cầu sử dụng ô tô trong tƣơng lai là xu thế tất yếu của xã hội phát triển. Nƣớc ta có thị 2 trƣờng nội địa lớn với hơn 90 triệu dân. Cho tới nay, thị trƣờng này hầu nhƣ vẫn còn nguyên vẹn. Trong xu thế hòa nhập kinh tế khu vực (AFTA) và thế giới (WTO), thị trƣờng nội địa của nƣớc ta chắc chắn sẽ là mảnh đất màu mỡ đối với các nhà sản xuất ô tô thế giới. Mặt khác việc hoà nhập kinh tế với thế giới sẽ nảy sinh vấn đề về tiêu chuẩn khi thải của xe cho phù hợp với những quy định của thế giới. Nếu chúng ta cứ nhập xe từ nƣớc khác xẽ làm mất thị phần đối với một sản phẩm công nghiệp quan trọng của đất nƣớc. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế tiến tới sản xuất một phƣơng tiện giao thông phù hợp với điều kiện sử dụng trong nƣớc có ý nghĩa rất thiết thực và cấp bách đối với nƣớc ta. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tìm nguồn năng lƣợng thay thế. Nguồn năng lƣợng điện sử dụng trên phƣơng tiện giao thông là một trong những giải pháp hiệu quả nhất. Ở các thành phố lớn đã bắt đầu xu hƣớng sử dụng xe điện cá nhân. Với những ƣu điểm, thân thiện với môi trƣờng, nhỏ gọn, thuận tiện, dể sử dụng. Xe điện cá nhân với hệ thống lái điện thông qua cảm biến góc lái, sử dụng hai động cơ điện tạo nguồn động lực độc lập cho hai bánh xe trƣớc. Bánh xe sau dẫn hƣớng sử dụng loại bánh xe đa hƣớng, không gây cƣỡng bức động học khi xe quay vòng. Sử dụng Arduino làm bộ điều khiển trung tâm để điều khiển hệ thống điện tử trên xe. Tất cả hoạt động của xe sẽ đƣợc bộ xử lí trung tâm điều khiển, bộ xử lí sẽ tính toán và đƣa các tín hiệu điều khiển đến bộ phận chấp hành để điều khiển xe hoạt động. Vì vậy, tác giả đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân 4 bánh”. Đề tài „„Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 4 bánh‟‟ là một đề tài nhằm mục đích thiết kế, chế tạo một xe điện cá nhân chạy hoàn toàn bằng năng lƣợng điện, hệ thống lái điều khiển bằng điện, đặt nền tảng cho việc thiết kế và sản xuất một xe điện cá nhân mang thƣơng hiệu Việt Nam, phù hợp với điều kiện giao thông trong nƣớc, giá thành vừa phải, có hiệu suất sử dụng năng lƣợng cao và mức độ phát ô nhiễm thấp, gần nhƣ bằng không, góp phần thực hiện nhiệm vụ cấp bách nói trên nhằm đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc và tạo ra một nét mới để khẳng định nguồn nhân lực của con ngƣời Việt Nam. II. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo kết cấu cơ khí trên xe điện. Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển trên xe. III. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu 1. Phạm vi nghiên cứu Xe điện thiết kế chạy trên các khu vực nhƣ sân bay, khu resort, khu công nghiệp.( đƣờng có độ dốc nhỏ hơn 15 độ) 3 Xe điện chạy với vận tốc tối đa khoảng 8 [km/h]. Tính toán lựa chọn động cơ điện, ắc quy, nguồn sạc cho xe điện. Tính toán, thiết kế khung vỏ, bộ truyền động cho xe điện. Thiết kế hệ thống điều khiển trên xe điện. 2. Đối tƣợng nghiên cứu Xe điện cá nhân. IV. Phƣơng pháp nghiên cứu 1. Về lý thuyết Sử dụng các giáo trình, tài liệu nƣớc ngoài, các bài báo, các trang web về xe điện, xe điện cá nhân, hệ thống an toàn đƣợc lắp đặt trên các ô tô hiện nay, các nghiên cứu về vùng không gian cá nhân. Sử dụng excel để tính toán, xây dựng biểu đồ. Sử dụng các phần phềm thiết kế Catia, CAD để thiết kế xe. 2. Về thực nghiệm Sau khi chế tạo xong phần khung vỏ của xe điện thì tiến hành lắp đặt hệ thống điện lên xe. Sử dụng phần mềm lập trình để lập trình cho hệ thống điều khiển. Kiểm tra độ ổn định của hệ thống cơ khí để tiến hành điều chỉnh cho hợp lí. Đo đạc các thông số và tiến hành điều chỉnh chƣơng trình để xe hoạt động ổn định. V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 4 bánh” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhƣ sau: - Phát triển xe điện cá nhân vận hành đơn giãn, tiết kiệm năng lƣợng, an toàn, tiện lợi, không gây ô nhiễm môi trƣờng. VI. Cấu trúc luận văn Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Xu hƣớng sử dụng nhiên liệu sạch cho phƣơng tiện giao thông 1.2. Tổng quan về xe điện cá nhân 1.3. Nhu cầu sử dụng xe điện cá nhân Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Tính toán thiết kế hệ thống truyền động cho xe điện cá nhân 2.2. Phân tính động lực học cho xe điện cá nhân 4 2.3. Kết quả và bàn luận Chƣơng 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 3.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 3.2. Cảm biến 3.3. Cơ cấu chấp hành 3.4. Bộ điều khiển trung tâm 3.5. Thuật toán điều khiển 3.6. Chƣơng trình điều khiển Chƣơng 4. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5 Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1. Xu hƣớng sử dụng nhiên liệu sạch cho phƣơng tiện giao thông Sự phát triển các phƣơng tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nƣớc có một quy định riêng về khí thải của xe, nhƣng đều có xu hƣớng là từng bƣớc cải tiến cũng nhƣ chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Mặt khác không những trong tƣơng lai mà hiện nay nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của ngƣời dân lại tăng không đáng kể. Ngày nay xe chạy bằng dầu diezel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trƣờng dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông, cũng nhƣ gây ô nhiễm môi trƣờng, hệ sinh thái thay đổi dẫn đến hiệu ứng nhà kính nên nhiệt độ ngày một tăng làm những tảng băng ở Bắc cực, Nam cực cùng những nơi khác tan ra gây ra lũ lụt, sóng thần. Vì thế, ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hƣớng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã đƣợc công bố trong những năm gần đây, tập trung là hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô nhƣ LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, năng lƣợng mặt trời, ôtô lai (hybrid)... Xu hƣớng phát triển ôtô sạch có thể tổng hợp nhƣ sau: 1.1.1. Hoàn thiện động cơ diesel Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt tính năng của nó bao gồm áp dụng hệ thống phun ray chung (common rail) điều khiển điện tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đƣờng xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất lƣợng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu diesel có hàm lƣợng lƣu huỳnh cực thấp. Việc dùng động cơ diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng (dual fuel) cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ diesel. 1.1.2. Ôtô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza … có nguồn gốc từ thực vật. Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ô nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên giải pháp này có lợi ở những nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên đƣợc chiết xuất từ các chất thải của quá trình sản xuất công nghiệp. 6 Hình 1. 1. Ô tô chạy bằng nhiên liệu sinh học Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây đƣợc công bố là Dimethyl ether (DME) đƣợc chế tạo từ khí thiên nhiên. Đây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể dùng cho động cơ diesel giống nhƣ LPG. Thử nghiệm trên ôtô cho thấy, ôtô dùng DME có mức độ phát ô nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ôtô phát ô nhiễm cực thấp California ULEV. Nếu việc sản xuất DME trên quy mô công nghiệp thành hiện thực thì trong tƣơng lai nó sẽ là nhiên liệu lỏng lý tƣởng nhất vì khí thiên nhiên phân bố đều khắp trên trái đất và có trữ lƣợng tƣơng đƣơng dầu mỏ. 1.1.3. Ôtô chạy bằng khí thiên nhiên Sử dụng ôtô chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách rất hữu ích về năng lƣợng thay thế trong tƣơng lai, đặc biệt về phƣơng diện giảm ô nhiễm môi trƣờng trong thành phố. Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng lƣợng này chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi trên phƣơng tiện vận tải là vấn đề lƣu trữ khí thiên nhiên (dạng khí hay dạng lỏng) trên ôtô. Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã đƣợc cải thiện nhiều cả về công nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia cố bằng sợi carbon. 1.1.4. Ôtô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG Hiện nay nhiều nƣớc, nhiều khu vực trên thế giới xem việc sử dụng LPG trên ôtô chạy trong thành phố là giải pháp bảo vệ môi trƣờng không khí hữu hiệu. Ngƣời ta dự báo lƣợng LPG tiêu thụ cho giao thông vận tải sẽ gia tăng trong những năm tới do số lƣợng ôtô sử dụng nguồn năng lƣợng này gia tăng. Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ƣa chuộng để chạy ôtô. Ngoài những đặc điểm nổi bật về giảm ô nhiễm môi trƣờng nó còn có lợi thế về 7 sự thuận tiện trong chuyển đổi hệ thống nhiên liệu. Việc chuyển đổi ôtô chạy bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể đƣợc thực hiện theo ba hƣớng: Sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời diesel và LPG (dual fuel). Việc tạo hỗn hợp LPG không khí có thể thực hiện bằng bộ chế hòa khí kiểu Venturie thông thƣờng hay phun LPG trên đƣờng nạp. Những hệ thống phun mới đang đƣợc nghiên cứu phát triển là phun LPG dạng lỏng trong buồng cháy để tăng tính năng công tác của loại động cơ này. Cũng nhƣ các loại nhiên liệu khí khác, việc lƣu trữ LPG trên ôtô là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất mặc dù áp suất hóa lỏng của LPG thấp hơn rất nhiều so với khí thiên nhiên hay các loại khí khác. Các loại bình chứa nhiên liệu LPG cũng đƣợc cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới. 1.1.5. Ôtô chạy bằng điện Nếu nhƣ sự thâm nhập những ôtô chạy bằng điện vào cuộc sống của nhân loại thay các loại ôtô chạy bằng động cơ nhiệt thì các loại động cơ nhiệt đƣợc 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 hƣởng quan trọng đến vấn đề tâm lý xã hội. Sự hạn chế tính năng kỹ thuật cũng nhƣ bán kính hoạt động của ôtô, 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 ngƣời dùng và dần dần làm thay đổi cách sống. Mặt khác khi chuyển ôtô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ôtô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ gây ra trở 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 vẫn 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 nhƣng hiện tại sự phát triển của ô tô này cũng không cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trƣờng đô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn. 8 Hình 1. 2. Ô tô chạy bằng điện 1.1.6. Ô tô chạy bằng pile nhiên liệu Một trong những giải pháp của nguồn năng lƣợng sạch cung cấp cho ôtô trong tƣơng lai là pile nhiên liệu. Pile nhiên liệu là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong nhiên liệu thành điện năng. Pile nhiên liệu trƣớc đây chỉ đƣợc nghiên cứu để cung cấp điện cho các con tàu không gian nhƣng ngày nay pile nhiên liệu đã bƣớc vào giai đoạn thƣơng mại hóa để cung cấp năng lƣợng cho ôtô. Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pile nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nƣớc. Vì vậy, có thể nói ôtô hoạt động bằng pile nhiên liệu là ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả. Ôtô chạy bằng pile nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen. Khó khăn vì vậy liên quan đến lƣu trữ hydro dƣới áp suất cao. Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro ngay trên xe để sử dụng cho pile nhiên liệu nhƣng hệ thống nhƣ vậy rất cồng kềnh và phức tạp. Tuy nhiên ngày nay ngƣời ta đã thành công trong chế tạo các loại pile nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành phù hợp nhƣng việc áp dụng phƣơng án này trên xe vẫn còn xa so với hiện thực vì so với các phƣơng án làm giảm ô nhiễm khác, pile nhiên liệu chạy ôtô vẫn còn là loại nhiên liệu “xa xỉ” và “cao cấp”. Ngày nay ngƣời ta thấy rằng nếu sử dụng pile nhiên liệu để chạy ôtô thì giá thành đắt hơn chạy bằng diesel khoảng 30%. 1.1.7. Ôtô hybrid Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn đƣợc nghiên cứu và phát triển nhƣ là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trƣờng.