Tính toán và mô phỏng ô tô điện cỡ nhỏ sử dụng matlab simulink

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT Ơ TƠ

TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG Ơ TÔ ĐIỆN CỠ NHỎ
SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK

GVHD: TS. ĐỖ QUỐC ẤM
SVTH : TRẦN THANH XUÂN
LÊ MINH XÁM

SKL011718

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2023


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÍNH TỐN VÀ MÔ PHỎNG Ô TÔ ĐIỆN CỠ NHỎ
SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK

SVTH : TRẦN THANH XUÂN
MSSV: 19145512
SVTH : LÊ MINH XÁM
MSSV: 19145510

GVHD: TS. ĐỖ QUỐC ẤM

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023










LỜI CẢM ƠN
Được sự phân cơng của Khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Thành phố Hồ Chí Minh, cùng với sự đồng ý của thầy hướng dẫn thầy T.S Đỗ Quốc Ấm,
nhóm chúng em đã thực hiện nghiên cứu khoa học với đề tài “Tính tốn và mơ phỏng ơ
tơ điện cỡ nhỏ sử dụng MATLAB/Simulink”.
Để có được một bài báo cáo hồn chỉnh như ngày hôm nay, chúng em thực sự xin
cảm ơn công sinh thành và nuôi dưỡng của bố mẹ đã cho tụi em gặp mặt nhau tại trường
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh để có cơ hội học tập và làm việc cùng
thầy T.S Đỗ Quốc Ấm.
Em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn của em, TS. Đỗ Quốc
Ấm đã dành nhiều thời gian, kiến thức và kinh nghiệm để hỗ trợ em trong quá trình nghiên
cứu, cũng như hỗ trợ giải đáp mọi thắc mắc của em. Những đóng góp và lời khuyên của
thầy không đơn thuần chỉ giúp em hồn thành đồ án, mà cịn giúp em phát triển và trưởng
thành hơn trong cuộc sống. Một lần nữa, tôi muốn bày tỏ lịng cảm kích đến tất cả những
người đã giúp đỡ và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện đồ án này.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng nỗ lực, tuy nhiên còn hạn chế về
kinh nghiệm và trình độ chun mơn nên khơng tránh khỏi sai sót. Em mong nhận được sự

góp ý của thầy cô giáo và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023

i


TĨM TẮT
Các quy định về khí thải của xe khác nhau tùy từng nước, tuy nhiên, sự phát triển
các phương tiện giao thơng trên tồn cầu đang dần được cải tiến để giảm thiểu ô nhiễm và
tiêu thụ nhiên liệu. Việc tìm kiếm các giải pháp để chế tạo ra những chiếc xe sạch, không
gây ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu đang trở thành mục tiêu của các nhà nghiên cứu và chế
tạo ô tô hiện nay.
Đồng thời, việc cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ càng đặt ra sự cần thiết phải
chuyển sang sản xuất và phát triển các loại xe sử dụng nguồn điện nhằm đáp ứng yêu cầu
khắt khe về môi trường đô thị và nguy cơ thiếu hụt nhiên liệu. Các giải pháp đã được cơng
bố trong những năm qua như hồn thiện q trình cháy của động cơ, sử dụng nhiên liệu
không truyền thống như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, pile nhiên liệu, năng
lượng mặt trời, ơtơ lai (hybrid) và xe điện.
Vì vậy, nhóm em đã quyết định thực hiện đề tài “Tính tốn và mơ phỏng ơ tơ điện
cỡ nhỏ sử dụng MATLAB/Simulink” nhằm tìm hiểu và nghiên cứu kỹ hơn về các loại xe
sử dụng nguồn điện, nhất là xe điện và xe lai điện, để đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt của
môi trường và nguy cơ tiêu thụ nhiên liệu.
Trong đồ án, nhóm trình bày các kiến thức cơ bản về ô tô điện bao gồm nguồn điện,
bộ điều khiển, động cơ điện và đồng thời sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để phân
tích và đánh giá các thơng số vận tốc, công suất và mô men cực đại trong các chu trình thử
như chu trình lái xe trong thành phố FTP - 75, cùng các thông số sức kéo, trạng thái sạc
(SOC) và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tơ điện. Và tồn bộ nội dung của đề tài được thể
hiện qua các chương dưới đây.
∗ Chương 1: Tổng quan đề tài

∗ Chương 2: Cơ sở lý thuyết
∗ Chương 3: Tính tốn động học
∗ Chương 4: Mơ phỏng hệ thống xe điện
∗ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................i
TÓM TẮT ............................................................................................................................ii
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii
DANH MỤC VIẾT TẮT ..................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. viii
Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ...................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 1
1.3. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 2
1.4. Các bước thực hiện ................................................................................................... 2
1.5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 2
1.6. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................................... 3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................ 5
2.1. Tổng quan về xe điện ............................................................................................... 5
2.1.1. Khái niệm .......................................................................................................... 5
2.1.2. Lịch sử phát triển............................................................................................... 5
2.1.3. Sự phát triển xe điện ở Việt Nam và trên thế giới ............................................ 7
2.1.4. Nhu cầu sử dụng ô tô điện................................................................................. 8
2.2. Phân loại xe điện .................................................................................................... 10
2.2.1. BEV - Battery Electric Vehicle (Xe thuần điện)............................................. 10

2.2.2. HEV - Hybrid Electric Vehicle (Xe Hybrid) .................................................. 11
2.2.3. PHEV - Plug - in Hybrid Electric Vehicle (Xe Hybrid có sạc) ...................... 13
2.2.4. FCEV - Fuel Cell Electric Vehicle (Xe Hydro) .............................................. 15
2.3. Cấu trúc truyền động của xe điện ........................................................................... 17
2.3.1. Công dụng ....................................................................................................... 17
2.3.2. Cấu trúc ........................................................................................................... 17
2.3.3. Cấu tạo cơ bản của xe điện.............................................................................. 19
2.3.4. Phân loại .......................................................................................................... 20
Chương 3. TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC .............................................................................. 21

iii


3.1. Chọn thông số mô phỏng cho xe ............................................................................ 21
3.2. Tính tốn động cơ điện ........................................................................................... 23
3.2.1. Tính tốn chọn công suất động cơ điện .......................................................... 23
3.2.2. Xác định moment tối đa của động cơ Memax (N.m) ......................................... 27
3.2.3. Chọn động cơ điện .......................................................................................... 28
3.3. Tính tốn chọn pin cho động cơ điện ..................................................................... 31
3.4. Tính tốn xây dựng các đường đặc tính động cơ điện ........................................... 34
3.4.1. Xây dựng đường đặc tính động cơ theo tốc độ ............................................... 34
3.4.2. Xác định vận tốc lớn nhất của xe .................................................................... 37
3.4.3. Xây dựng đặc tính lực kéo của xe dùng động cơ điện .................................... 38
3.4.4. Xây dựng đặc tính nhân tố động lực học của xe ............................................. 41
Chương 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XE ĐIỆN .............................................................. 43
4.1. Giới thiệu tổng quan về Matlab/Simulink .............................................................. 43
4.1.1. Chức năng và phạm vi hoạt động .................................................................... 43
4.1.2. Ứng dụng của Matlab /Simulink ..................................................................... 45
4.2. Mô phỏng hệ thống xe điện .................................................................................... 47
4.2.1. Xây dựng sơ đồ khối ....................................................................................... 47

4.2.2. Mơ hình hóa các bộ phận trên ô tô điện .......................................................... 48
4.2.3. Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 63
4.3. Các đồ thị của mô phỏng ........................................................................................ 68
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................... 72
5.1. Kết luận................................................................................................................... 72
5.2. Hướng phát triển ..................................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 74

iv


DANH MỤC VIẾT TẮT
BEV: Battery Electric Vehicle
BLDC: Brushless DC Motor
EV: Electric Vehicle
EV1: Electric Vehicle 1
FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle
FTP - 75: Federal Test Procedure - 75
GM: General Motors
HEV: Hybrid Electric Vehicle
HWFET: Highway Fuel Economy Driving Schedule
IEA: International Energy Agency
NEDC: New European Driving Cycle
PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle
PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor
SOC: State of Charge
UDDS: Urban Dynamometer Driving Schedule
WLTP: Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Xe điện thời sơ khai ............................................................................................. 5
Hình 1.2. Tuyến xe buýt điện Vinbus .................................................................................. 8
Hình 1.3. Xe điện phục vụ chở khách du lịch ...................................................................... 9
Hình 2.1. Cấu trúc xe thuần điện BEV .............................................................................. 10
Hình 2.2. Tesla Model S .................................................................................................... 10
Hình 2.3. Cấu trúc xe lai điện HEV ................................................................................... 11
Hình 2.4. Toyota Corolla Cross 1.8HV ............................................................................. 12
Hình 2.5. Cấu trúc xe lai điện có sạc PHEV ...................................................................... 13
Hình 2.6. Range Rover Autobiography ............................................................................. 14
Hình 2.7. Cấu trúc xe chạy Pin nhiên liệu FCEV .............................................................. 15
Hình 2.8. Dịng xe dùng khí hydro tại Nhật Bản Toyota Mirai ......................................... 16
Hình 2.9. Cấu trúc xe điện ................................................................................................. 17
Hình 3.1. Các lực tác động lên xe khi lên dốc ................................................................... 23
Hình 3.2. Động cơ BLDC .................................................................................................. 29
Hình 3.3. Đặc tính làm việc của động cơ ........................................................................... 30
Hình 3.4. Đồ thị đặc tính động cơ điện .............................................................................. 36
Hình 3.5. Đồ thị đặc tính lực kéo của xe khi sử dụng động cơ điện .................................. 40
Hình 3.6. Đồ thị nhân tố động lực học của xe điện ........................................................... 42
Hình 4.1. Giao diện chính ứng dụng Matlab ..................................................................... 43
Hình 4.2. Giao diện chính của Simulink ............................................................................ 44
Hình 4.3. Một số ví dụ Matlab/Simulink về xe điện và xe lai ........................................... 46
Hình 4.4. Mơ hình cấu tạo của xe thuần điện .................................................................... 47
Hình 4.5. Tín hiệu đầu vào................................................................................................. 47
Hình 4.6. Sơ đồ khối xe thuần điện ................................................................................... 48
Hình 4.7. Khối chu trình lái ............................................................................................... 50
Hình 4.8. Chu trình tiêu chuẩn FTP-75 ............................................................................. 50
Hình 4.9. Khối Longitudinal Driver .................................................................................. 51

Hình 4.10. Các tùy chọn cho bộ điều khiển ....................................................................... 51
Hình 4.11. Giá trị của KP, KI ............................................................................................. 52
Hình 4.12. Lựa chọn chuyển số ......................................................................................... 53

vi


Hình 4.13. Mơ hình khối thân xe ....................................................................................... 54
Hình 4.14. Thơng số đầu vào của xe.................................................................................. 55
Hình 4.15. Khối lốp xe ....................................................................................................... 56
Hình 4.16. Thơng số đầu vào khối lốp xe sau.................................................................... 57
Hình 4.17. Thơng số đầu vào khối lốp xe trước ................................................................ 58
Hình 4.18. Mơ hình phanh guốc ........................................................................................ 59
Hình 4.19. Thơng số phanh và má phanh .......................................................................... 59
Hình 4.20. Mơ hình hộp số đơn giản ................................................................................. 60
Hình 4.21. Mơ hình khối pin.............................................................................................. 60
Hình 4.22. Mơ hình BLDC motor ...................................................................................... 61
Hình 4.23. Bộ chuyển đổi giá trị trung bình DC-DC......................................................... 62
Hình 4.24. Thiết lập bộ chuyển đổi ................................................................................... 62
Hình 4.25. Mơ hình hệ thống xe điện trên Matlab/Simulink ............................................. 63
Hình 4.26. Mơ hình mơ phỏng hệ thống thân xe ............................................................... 64
Hình 4.27. Mơ hình mơ phỏng động cơ và điều khiển động cơ ........................................ 64
Hình 4.28. Khối buck converter ......................................................................................... 65
Hình 4.29. Khối Three – Phase Inverter ............................................................................ 65
Hình 4.30. Khối Sensor ...................................................................................................... 66
Hình 4.31. Khối Commutation Logic ................................................................................ 66
Hình 4.32. Khối battery ..................................................................................................... 67
Hình 4.33. Đồ thị tốc độ theo tiêu chuẩn và mơ phỏng ..................................................... 68
Hình 4.34. Đồ thị quãng đường đi được sau một chu trình ............................................... 69
Hình 4.35. Đồ thị gia tốc của xe ........................................................................................ 69

Hình 4.36. Đồ thị của SOC khi chuyển động trên đường dốc ........................................... 70
Hình 4.37. Đồ thị của SOC khi chuyển động trên đường bằng ......................................... 70
Hình 4.38. Đồ thị công suất pin ......................................................................................... 71

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thông số mô phỏng dựa trên xe Toyota Vios G CVT 2023 [10] .....................21
Bảng 3.2. Thông số của động cơ BLDC [15] ....................................................................29
Bảng 3.3. Thông số của pin LiFePO4 ................................................................................32
Bảng 3.4. Bảng số liệu xây đựng đường đặc tính động cơ ................................................35
Bảng 3.5. Bảng số liệu tính lực kéo của xe Pk khi sử dụng động cơ điện.........................39
Bảng 3.6. Bảng số liệu đồ thị nhân tố động lực học của xe ...............................................41
Bảng 4.1. Giải thích các lựa chọn của bộ điều khiển......................................................... 52
Bảng 4.2. Giải thích các lựa chọn chuyển số ..................................................................... 53

viii


Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Việc mơi trường cần được bảo vệ trên tồn thế giới ngày càng có sự quan tâm về
vấn đề này. Trong số đó, nói đến ngành cơng nghiệp ơ tơ, chúng ta thấy rằng ô nhiễm đã
trở thành một trong những vấn đề lớn nhất và làm ảnh hưởng đến cộng đồng về sức khỏe
cũng như làm nguy hại đến môi trường sống của con người. Rất nhiều chiếc xe ô tô sử
dụng động cơ đốt trong và làm việc với các nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu diesel và
khí đốt tự nhiên, phát ra khí thải ơ nhiễm gây ảnh hưởng mơi trường xung quanh và đến
khơng khí.
Với sự phát triển của công nghệ, các hãng xe đã tập trung vào việc tìm kiếm các

nguồn nhiên liệu mới thân thiện với môi trường để sản xuất ra các chiếc xe tốt hơn cho con
người và môi trường. Những thơng tin về xe lai hay cịn gọi là xe hybrid, xe sử dụng nhiên
liệu sinh học, xe sử dụng pin nhiên liệu và đặc biệt là xe điện, đang trở thành những lựa
chọn phổ biến và được khuyến khích trên thế giới. Việc sử dụng những nguồn năng lượng
sạch và hiệu quả có thể ngăn ngừa ơ nhiễm và môi trường sống xanh sạch cho con người.
Xe điện không chỉ là một thiết bị di chuyển, mà còn liên quan đến nhiều lĩnh vực
khác nhau như kỹ thuật, công nghệ, mơi trường, an tồn, … Do đó, việc lựa chọn đề tài xe
điện làm đồ án sẽ giúp nâng cao kiến thức về nhiều lĩnh vực khác nhau và đồng thời mở
rộng tầm nhìn về cơng nghệ xe điện. Những nghiên cứu về xe điện có tính ứng dụng cao
và sẽ tạo ra nhiều cơ hội trong lĩnh vực kinh doanh và nghiên cứu phát triển trong tương
lai nên nhóm và giáo viên hướng dẫn đã thống nhất và chọn đề tài “Tính tốn và mơ phỏng
ơ tơ điện cỡ nhỏ sử dụng MATLAB/Simulink”.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và hướng thực hiện đề tài (Chương 1).
- Tìm hiểu tổng quan về xe điện, phân loại xe và cấu trúc truyền động của xe điện
(Chương 2).
- Tính tốn động học và xây dựng các đường đặc tính của động cơ điện (Chương 3).
- Tìm hiểu MATLAB/Simulink và mô phỏng xe điện trên phần mềm này (Chương
4).
- Tìm hiểu hướng phát triển của đề tài trong tương lai (Chương 5).

1


1.3. Mục đích nghiên cứu
Mục đích
- Tiếp thu được kiến thức cơ bản về q trình vận hành của ơ tơ điện, phân loại. Ơn
tập lại kiến thức đã học về lý thuyết ô tô, giúp cho việc tiếp cận và học hỏi kiến thức mới
trong quá trình đi làm sau khi tốt nghiệp đại học.
- Nắm rõ hơn về phần mềm MATLAB/Simulink. Diễn tả quá trình làm việc và mô

phỏng của xe điện trên MATLAB/Simulink.
Đối tượng nghiên cứu
- Các thành phần cấu tạo cơ bản của xe điện.
- Model mô phỏng trên MATLAB/Simulink để mô phỏng xe điện.
1.4. Các bước thực hiện
- Tìm hiểu về lịch sử, cấu tạo cơ bản của xe điện.
- Tìm hiểu các thơng số thực tế của xe Toyota Vios 2023 để đưa vào tính tốn chọn
động cơ cho xe điện mơ phỏng.
- Mơ tả các khối hoạt động của xe dùng phần mềm MATLAB/Simulink để mơ
phỏng.
- Phân tích chi tiết các khối mơ phỏng của xe điện.
- Phân tích kết quả đồ thị sau khi mô phỏng.
- Nhận xét và đánh giá mô hình.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết
Để phân tích hiệu suất của một chiếc xe điện, chúng ta cần hiểu cách hoạt động của
từng khối mô phỏng trong xe. Mỗi khối trong xe điện đảm nhiệm một nhiệm vụ riêng biệt
và chứa các cơng thức tính toán khác nhau.
Nếu chúng ta hiểu nguyên lý hoạt động của từng khối mô phỏng và các công thức
được sử dụng trong mỗi khối đó thì có thể phân tích được hiệu suất của xe điện. Điều này
giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách xe điện hoạt động và cách nó tiêu thụ nhiên liệu, giúp
chúng ta đưa ra quyết định tốt nhất để cải thiện hiệu suất xe điện.
Vì vậy, để phân tích hiệu suất của một chiếc xe điện, không chỉ cần hiểu cách hoạt
động của từng khối mô phỏng trong xe, mà cần hiểu cả quan hệ tương tác giữa các khối để
có cái nhìn tổng quát và để nâng cao hiệu suất của xe từ đó đưa ra quyết định phù hợp.

2