Nghiên cứu điều khiển hộp số seamless hai cấp trên ô tô điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ KHÍ Ơ TƠ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên Đề Tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Hộp Số SEAMLESS
Hai Cấp Trên Ơ Tơ Điện

Sinh viên thực hiện: Hồ Thanh Thiên

Lớp: Kỹ Thuật ơ tơ 2 Khóa: K60

MSSV: 6051040228

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Trần Văn Như

Cán bộ ngoài sản xuất: ThS. Nguyễn Bảo Lộc -

ĐH Công Nghiệp TP.HCM

TP. HCM, tháng 1 năm 2024

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................iii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... v
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN ........................................ 3

1.1. Tổng quan về ô tô điện ......................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm về ô tô điện ................................................................... 3
1.1.2. Sơ lược về lịch sử hình thành ơ tơ điện ......................................... 3

1.2. Hệ truyền động trên xe ô tô điện. ......................................................... 5
1.2.1. Cấu trúc chung. ...............................................................................5
1.2.2. Tổng quan về hệ thống truyền lực trên ô tô điện ...........................7
1.2.3. Hệ thống truyền động trên xe ô tô điện Porsche Taycan Turbo S. 9

1.3. Kết luận chương 1 .............................................................................. 13
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG
TRUYỀN LỰC Ô TÔ ĐIỆN HỘP SỐ SEAMLESS 2 CẤP ........................ 15

2.1. Cấu Tạo Của Hệ Truyền Động Đề Xuất. ........................................... 15
2.2. Phân Tích Động Học Của Hệ Truyền Động Đề Xuất ........................17

2.2.1. Phương trình động học ................................................................. 17
2.2.2. Tỷ số truyền ..................................................................................19
2.3. Mơ Hình Động Lực Học Động Cơ Điện Và Trục Đầu Vào ..............19
2.4. Mơ Hình Động Lực Học Hộp Số 2 Cấp Liền Mạch ..........................20
2.5. Mơ Hình Động Lực Học Trục Đầu Ra. ..............................................25
2.6. Mơ Hình Động Cơ Điện Cho Hệ Truyền Động ................................ 26
2.7. Mô Hình Chuyển Động Của Ơ Tơ ..................................................... 27
2.8. Kết Luận Chương 2 ............................................................................ 29
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN SỐ .. 30
3.1. Giới Thiệu Phần Mềm Mô Phỏng ...................................................... 30

i

3.2. Điều Khiển Chuyển Số Hộp Số SEAMLESS Hai Cấp. .................... 35

3.2.1. Lý thuyết bộ điều khiển PID ........................................................ 36
3.2.2. Bộ điều khiển PID ........................................................................ 36
3.2.3. Kết quả mô phỏng ........................................................................ 38

3.3. Mô Phỏng Thuật Tốn Hộp Số Được Đề Xuất Theo Chu Trình Lái
Xe Thứ Nghiệm WLTP Class 3 ..................................................................41

3.2.2. Chu Trình Lái Xe Thử Nghiệm ....................................................42
3.2.3. Kết Quả Mô Phỏng .......................................................................46
3.4. Kết Luận Chương 3 ............................................................................ 49
KẾT LUẬN ...................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 51

ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Sơ đồ bố trí trên ô tô điện .............................................................. 5
Hình 1. 2. Sơ đồ hệ truyền động của xe ơ tơ điện .......................................... 5
Hình 1. 3. Sơ đồ cấu trúc ô tô điện hiện đại ................................................... 6
Hình 1. 4. Các kiểu hệ thống truyền lực trên ơ tơ điện .................................. 8
Hình 1. 5. Bản vẽ tuyến hình ơ tơ điện Porsche Taycan Turbo S ..................9
Hình 1. 6. Tổng quan về Porsche Taycan Turbo S ...................................... 10
Hình 1. 7. Động cơ điện của Porsche Taycan Turbo S ................................ 10
Hình 1. 8. Stator của động cơ điện: Cuộn dây kẹp tóc .................................11
Hình 1. 9. Roto của động cơ điện: nam châm vĩnh cửu xếp thành hình chữ
V .................................................................................................................... 12
Hình 1. 10. Hộp số một cấp được trang bị ở trục trước ............................... 13
Hình 1. 11. Hộp số hai cấp được trang bị ở trục sau ....................................13
Hình 2. 1. Sơ đồ hộp số hai cấp liền mạch ................................................... 15
Hình 2. 2. Hộp số hoạt động ở tay số 1 ........................................................ 16

Hình 2. 3. Hộp số hoạt động ở tay số 2 ........................................................ 16
Hình 2. 4. Các thành phần của hộp số hai cấp liền mạch .............................18
Hình 2. 5. Sơ đồ vật thể tự do của Bánh trăng Vòng và Mặt trời ................ 21
Hình 2. 6. Sơ đồ mạch điện của động cơ điện ..............................................26
Hình 2. 7. Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động ........................27
Hình 3. 1. Giao diện MATLAB ....................................................................31
Hình 3. 2. Sơ đồ mơ phỏng thuật tốn của hộp số ....................................... 35
Hình 3. 3. Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ xe ...............................................36
Hình 3. 4. Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng vịng ......................... 37
Hình 3. 5. Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng mặt trời .................... 37
Hình 3. 6. Vận tốc góc của động cơ điện ..................................................... 38
Hình 3. 7. Vận tốc góc của trục đầu ra đến bánh xe chủ động .....................38
Hình 3. 8. Vận tốc góc của Cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào .........39

iii

Hình 3. 9. Tốc độ góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu ra ..............39
Hình 3. 10. Vận tốc góc của bánh răng vịng ............................................... 39
Hình 3. 11. Vận tốc góc của bánh răng mặt trời .......................................... 40
Hình 3. 12. Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng vịng ..................... 40
Hình 3. 13. Mơ men tác dụng lên ly hợp của bánh răng mặt trời ................ 40
Hình 3. 14. Độ giật khi chuyển số ................................................................ 41
Hình 3. 15. Sơ đồ mô phỏng động lực hệ thống truyền động ...................... 41
Hình 3. 16. Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng vịng ....................... 41
Hình 3. 17. Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng mặt trời .................. 42
Hình 3. 18. Bộ điều khiển tốc độ động cơ Longitudinal Driver .................. 42
Hình 3. 19. Chu trình lái xe NEDC .............................................................. 44
Hình 3. 20. Chu trình lái xe thực tế .............................................................. 44
Hình 3. 21. Chu trình lái xe WLTP .............................................................. 45
Hình 3. 22. Vận tốc góc của động cơ điện ................................................... 46

Hình 3. 23. Vận tốc góc của trục đầu ra đến bánh xe chủ động .................. 46
Hình 3. 24. Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào ........46
Hình 3. 25. Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu ra .......... 47
Hình 3. 26. Vận tốc góc của bánh răng vịng ............................................... 47
Hình 3. 27. Vận tốc góc của bánh răng mặt trời .......................................... 47
Hình 3. 28. Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng vịng ..................... 48
Hình 3. 29. Mơ men tác dụng lên ly hợp của bánh răng mặt trời ................ 48
Hình 3. 30. Biểu đồ tăng, giảm số theo chu trình lái xe thử WLTP Class 3 48

iv

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1: Các thông số của xe tham khảo Porsche Taycan Turbo S .......... 27

v

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Ơ tơ điện, bên cạnh những lợi ích của việc phát thải bằng 0 và hiệu suất cao
của động cơ điện, dung lượng pin hạn chế và quãng đường đi được sau mỗi lần
nạp là điểm yếu khi cạnh tranh với ô tô động cơ đốt trong truyền thống. Tối ưu
năng lượng sử dụng là một vấn đề đặt ra đối với ô tô điện. Tối ưu năng lượng sử
dụng của ô tô điện liên quan đến giảm nhẹ kết cấu ô tô, kỹ thuật điều khiển động
cơ điện và điều khiển hệ thống truyền lực. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, ơ tơ điện
có hệ thống truyền lực nhiều cấp số có thể giảm tiêu thụ năng lượng đến 28% do
đó các ơ tơ điện hiện nay đều được trang bị hệ thống truyền lực nhiều cấp.
Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền lực và chiến lược thay đổi số truyền theo
điều kiện chuyển động của ô tơ để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng của ô tô điện

có là chủ đề nghiên cứu thu hút được sự quan tâm của doanh nghiệp ô tô và các
nhà nghiên cứu. Nghiên cứu tối ưu hóa năng lượng sử dụng của ô tô điện đồng
nghĩa với tăng quãng đường di chuyển được sau mỗi lần nạp của ô tô điện với
cùng một dung lượng pin, khắc phục nhược điểm của ơ tơ điện. Đây là chủ đề có
ý nghĩa và tính cấp thiết để hồn thiện ơ tơ điện.

Đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu sử dụng hệ thống truyền lực
SEAMLESS nhằm mục đích nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng điện của ác
quy trên ô tô điện phù hợp với xu hướng nghiên cứu và có ý nghĩa khoa học,
tính cấp thiết trong nghiên cứu phát triển ơ tô điện.

2. Đối tượng nghiên cứu.

Hệ thống truyền lực SEAMLESS 2 cấp trên ô tô điện.

3. Phạm vi nghiên cứu.

Nghiên cứu sự thay đổi tỷ số truyền hệ thống truyền lực SEAMLESS theo
điều kiện chuyển động nhằm mục đích tối ưu hóa năng lượng sử dụng của ô tô
điện

4. Mục tiêu nghiên cứu đề tài.

Tìm quy luật thay đổi tỷ số truyền của hệ thống truyền lực SEAMLESS sử
dụng trên ô tô điện làm cơ sở cho việc áp dụng hệ thống truyền lực này trên ô tô
điện và điều khiển thay đổi tỷ số truyền theo điều kiện cản chuyển động của ô
tô. Mô phỏng và so sánh hiệu suất sử dụng năng lượng điện với hệ thống truyền
lực 1 cấp và 2 cấp đang sử dụng trên ô to điện truyền thống.

1

5. Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết, mơ hình hóa và mơ phỏng.

6. Kết cấu của luận văn.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, kết cấu luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Chương 2: Xây dựng mơ hình động lực học hệ thống truyền lực ô tô điện

SEAMLESS 2 cấp.
Chương 3: Thiết kế thuật toán điều khiển chuyển số.

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN
1.1. Tổng quan về ô tô điện
1.1.1. Khái niệm về ô tô điện

Xe ô tô điện là loại phương tiện được cung cấp năng lượng bởi động cơ điện.
Thay vì sử dụng các động cơ đốt trong với các nhiên liệu như xăng hoặc dầu
diesel, ô tô điện sử dụng năng lượng được cung cấp từ một bộ pin sạc.

Ơ tơ chạy hồn tồn bằng năng lượng điện gọi là xe điện thuần tuý (EV).
Ngoài ra, loại xe ơ tơ vừa có thể chạy bằng điện, vừa có thể chạy bằng các nhiên
liệu khác được gọi là xe điện lai - xe hybrid (HEV).

1.1.2. Sơ lược về lịch sử hình thành ơ tơ điện

Ơ tơ điện có lịch sử lâu đời, nhưng từ khoảng 2 thập kỷ trở lại đây mới phát
triển trở lại mạnh mẽ nhằm giải quyết 2 vấn đề lớn của nhân loại: sự cạn kiệt

dần dần của nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự ơ nhiễm môi trường gây ra bởi ô
tô chạy xăng, dầu.

Ơ tơ điện được ra đời lần đầu tiên vào năm 1834. Trong suốt những thập kỷ
nửa sau thế kỷ 19, nhiều công ty đã sản xuất ô tô điện ở Hoa Kỳ, Anh, và Pháp.
Những xe ô tô đầu tiên mà con người sử dụng là ô tô điện. Tuy nhiên, do những
hạn chế về công nghệ ắc quy và đặc biệt là do sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ
động cơ đốt trong, ô tô điện đã dần bị thay thế và hầu như khơng cịn tồn tại từ
sau những năm 1930.

Những chiếc ô tô điện sản xuất hàng loạt đầu tiên xuất hiện ở Mỹ vào đầu
những năm 1900. Năm 1902, Công ty ô tô Studebaker bước vào lĩnh vực kinh
doanh ô tô với ô tô điện, mặc dù họ cũng tham gia vào thị trường xe chạy xăng
vào năm 1904. Tuy nhiên, với sự ra đời của dòng xe lắp ráp giá rẻ của Ford, sự
phổ biến của ô tô điện đã giảm đáng kể.

Do hạn chế của pin lưu trữ vào thời điểm đó, ơ tơ điện khơng phổ biến nhiều;
tuy nhiên, tàu điện đã trở nên phổ biến rộng rãi do tính kinh tế và tốc độ có thể
đạt được của chúng. Đến thế kỷ 20, vận tải đường sắt điện trở nên phổ biến do
những tiến bộ trong phát triển đầu máy điện. Theo thời gian, mục đích thương
mại sử dụng chung của chúng giảm xuống các vai trò chuyên gia như xe nâng,
xe cứu thương, máy kéo và phương tiện giao hàng trong đô thị, chẳng hạn
như phao sữa mang tính biểu tượng của Anh; Trong phần lớn thế kỷ 20, Vương
quốc Anh là quốc gia sử dụng phương tiện giao thông đường bộ chạy điện nhiều
nhất thế giới.

3

Ơ tơ điện là một trong những loại ô tô xuất hiện sớm nhất, và trước sự ưu
việt của động cơ đốt trong nhẹ, mạnh mẽ, ô tô điện đã giữ nhiều kỷ lục về tốc độ

và quãng đường trên đất liền vào đầu những năm 1900. Chúng được sản
xuất bởi Baker Electric, Columbia Electric, Detroit Electric, và những cơng ty
khác, và có thời điểm trong lịch sử, xe chạy bằng xăng đã bán hết. Năm
1900, 28% ô tô lưu thông trên đường ở Mỹ là ơ tơ điện. Ơ tơ điện phổ biến đến
mức Tổng thống Woodrow Wilson và các nhân viên mật vụ của ông đã đi tham
quan Washington, D.C. trong Milburn Electrics của họ, với quãng đường 60–70
dặm (100 - 110 km) cho mỗi lần sạc.

Tới những năm đầu của thập kỷ 70 thế kỷ trước, hai vấn đề lớn của nhân
loại là ô nhiễm môi trường do khí thải và an ninh năng lượng do sự hữu hạn của
các nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, và khí đốt) đã dần trở nên
bức thiết. Người ta bắt đầu quan tâm trở lại đến ô tô điện như một giải pháp hiệu
quả cho các vấn đề này. Thời gian đầu, ô tô điện vẫn chỉ là một đối tượng
nghiên cứu; các mẫu ô tô điện đều là sự chuyển đổi từ xe ô tô thông thường
dùng động cơ đốt trong. Ngày nay, các nhà sản xuất ô tô lớn đều đã và đang cho
ra đời các sản phẩm ô tô điện được thiết kế và chế tạo với những công nghệ đặc
thù cho ô tô điện, chứ khơng phải là một sản phẩm hốn cải như trước.

Tính đến tháng 3 năm 2018, có khoảng 45 chiếc ơ tơ chạy điện hồn tồn có
khả năng sản xuất trên đường cao tốc được sản xuất ở nhiều quốc gia khác nhau.
Tính đến đầu tháng 12 năm 2015, Leaf, với 200.000 chiếc bán ra trên tồn thế
giới, là chiếc ơ tơ điện chạy trên đường cao tốc bán chạy nhất mọi thời đại, tiếp
theo là Tesla Model S với lượng giao hàng toàn cầu khoảng 100.000 chiếc.
Doanh số toàn cầu của Leaf đạt 300.000 vào tháng 1 năm 2018.

Tính đến tháng 5 năm 2015, hơn 500.000 xe du lịch chạy điện hồn tồn có
thể chạy trên đường cao tốc và các phương tiện tiện ích hạng nhẹ đã được bán
trên toàn thế giới kể từ năm 2008, trong tổng doanh số tồn cầu là khoảng
850.000 ơ tơ điện plug-in hạng nhẹ. Tính đến tháng 5 năm 2015, Hoa Kỳ có đội
ơ tơ điện plug-in chạy 4 trên đường cao tốc lớn nhất trên thế giới, với khoảng

335.000 ô tô điện plug-in hợp pháp trên đường cao tốc được bán tại nước này kể
từ năm 2008 và chiếm khoảng 40% toàn cầu. cổ phần. California là thị trường
khu vực dành cho ô tô plug-in lớn nhất trong cả nước, với gần 143.000 chiếc
được bán từ tháng 12 năm 2010 đến tháng 3 năm 2015, chiếm hơn 46% tổng số
ô tô plug-in được bán tại Hoa Kỳ. đã vượt qua mốc 1 triệu đơn vị vào tháng 9
năm 2016.

4

Trước đây, ô tô điện được chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong chủ
yếu là việc thay thế động cơ đốt trong và thùng chứ nhiên liệu thành động cơ
điện và pin chứa năng lượng điện, trong khi đó chúng ta giữ nguyên các bộ phận
khác như hình 1.1. Những mặt hạn chế như trọng lượng của xe nặng, độ linh
hoạt kém, hiệu suất giảm khiến cho việc sử dụng ô tô điện ngày càng mai một.
Thay vào đó, ơ tơ điện hiện đại được chế tạo có chủ đích, và dựa trên các thiết
kế khung theo nguyên bản. Điều này đáp ứng yêu cầu về cấu trúc dành riêng cho
ô tô điện và tận dụng được tính linh hoạt cao hơn của động cơ điện.

Hình 1. 1. Sơ đồ bố trí trên ô tô điện

1.2. Hệ truyền động trên xe ô tô điện.
1.2.1. Cấu trúc chung.

Trước đây, ô tô điện được cải tiến từ loại xe sử dụng Motor nhiệt, vì vậy
Motor nhiệt và bình xăng chủ yếu được thay thế bằng mơ tơ điện và ắc quy điện,
các bộ phận khác được giữ nguyên bản. Những hạn chế như trọng lượng của xe,
tính linh hoạt kém và hiệu suất giảm khiến việc sử dụng xe điện khơng được ưa
chuộng. Thay vào đó, các phương tiện hiện nay được chế tạo có mục đích và
dựa trên thiết kế khung nguyên bản. Điều này đáp ứng các yêu cầu về kết cấu
dành riêng cho xe điện và tận dụng tính linh hoạt cao hơn của động cơ điện.

Hình 1. 2. Sơ đồ hệ truyền động của xe ô tô điện

5

Một chiếc ô tô điện cơ bản bao gồm 3 hệ thống chính: hệ thống động lực
điện, hệ thống điện, hệ thống phụ. Hệ thống truyền động của xe điện không chỉ
được cải tiến về mặt cơ khí mà để đáp ứng được yêu cầu sử dụng và tăng hiệu
suất làm việc của xe điện thì phải có hệ thống điều khiển, thiết bị điện tử yêu cầu
độ chính xác cao, xử lý được hầu hết các điều kiện lái xe khi xe di chuyển trên
đường.

Hình 1. 3. Sơ đồ cấu trúc ô tô điện hiện đại

Dựa trên đầu vào điều khiển từ bàn đạp ga và bàn đạp phanh, hệ thống động
lực điện cung cấp tín hiệu điện thích hợp đến bộ chuyển đổi năng lượng điện, có
chức năng điều chỉnh dịng điện giữa động cơ và nguồn điện. Năng lượng được
tái tạo trong q trình phanh có thể được đưa vào nguồn năng lượng chính. Hầu
hết pin EV đều có khả năng dễ dàng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo này. Bộ
phận quản lý năng lượng phối hợp với bộ phận điều khiển phương tiện thực hiện
phanh tái tạo. Bộ phận sạc điện cũng được giám sát bởi bộ phận quản lý năng
lượng để theo dõi việc sử dụng năng lượng.

Các hệ thống phụ có chức năng cung cấp nguồn điện cần thiết với các mức
điện áp khác nhau cho tất cả các bộ phận phụ trợ của xe như: Điều hòa, trợ lực
lái, hệ thống chiếu sáng, v.v…

6

1.2.2. Tổng quan về hệ thống truyền lực trên ô tô điện

Năng lượng điện trên xe cung cấp hai hệ thống chính là hệ thống truyền lực

và hệ thống phụ trợ. Cấu trúc chung của ơ tơ điện gồm 3 hệ thống chính: Hệ
thống truyền lực điện, hệ thống quản lý năng lượng và hệ thống phụ trợ. Hệ
thống truyền lực điện: bộ điều khiển, bộ chuyển đổi năng lượng, động cơ điện,
hộp số cơ khí đến bánh xe chủ động. Hệ thống cung cấp năng lượng liên quan
đến nguồn năng lượng, bộ quản lý năng lượng và đơn vị cung cấp năng lượng.
Hệ thống phụ trợ bao gồm bộ phận điều khiển, các bộ phận hỗ trợ phanh, treo,
lái, các hệ thống phụ trợ như hệ thống đèn chiếu sáng thông tin, hoặc giải trí và
tiện nghi. Xét riêng về hệ thống truyền lực, các mơ hình đã và đang tồn tại, hiện
đang được nghiên cứu phát triển gồm 6 mơ hình cơ bản: Hệ thống truyền lực
kiểu truyền thống; hệ thống truyền lực với động cơ điện đặt dọc xe; hệ thống
truyền lực với động cơ điện đặt ngang xe; hệ thống truyền lực đặt ngoài bánh xe;
hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe và hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe
khơng có bộ giảm tốc.
Hệ thống truyền lực kiểu truyền thống:

Hình 1.4a là sơ đồ hệ thống truyền lực kiểu truyền thống được sử dụng trên
ơ tơ điện, trong đó đơn giản là động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong của
hệ thống truyền động trên xe thơng thường. Nó bao gồm một động cơ điện, ly
hợp, hộp số và vi sai. Ly hợp và hộp số có thể được thay thế bằng hộp số tự
động. Ly hợp được sử dụng để kết nối hoặc ngắt dịng cơng suất. Hộp số cung
cấp một bộ các tỷ số truyền để biến đổi mô men xoắn, và tốc độ theo yêu cầu tải.
Bộ vi sai phân chia dịng cơng suất tối bánh xe chủ động. Phương án này hiện
nay khơng được sử dụng vì phức tạp.
Hệ thống truyền lực với động cơ đặt dọc xe:

Hình 1.4b là sơ đồ hệ thống truyền lực với động cơ điện đặt dọc xe với động
cơ điện có cơng suất khơng đổi hoạt động ở dải tốc độ rộng, hộp số không cần
yêu cầu hộp số đa cấp và giảm nhu cầu ly hợp. Cấu hình này khơng chỉ làm

giảm kích thước và trọng lượng của hộp số cơ học, nó cịn đơn giản hóa
việc điều khiển hệ thống truyền lực.

7

Hình 1. 4. Các kiểu hệ thống truyền lực trên ô tô điện
M: Động cơ điện; HS: Hộp số; VS: Truyền lực chính và vi sai; GT: Hộp giảm tốc

Hệ thống truyền lực với động cơ đặt ngang xe:

Tương tự như hệ thống truyền động ở phương án hình 1.4b, hình 1.4c là sơ
đồ hệ thống truyền lực với động cơ đặt ngang xe. Trong sơ đồ này, thường sử
dụng hộp số 1 cấp cố định hoặc hai cấp cùng với bộ vi sai để phân phối mô men
ra các bánh xe chủ động. Toàn bộ hệ thống truyền lực với phương án động cơ
đặt ngang này đã được đơn giản hóa đáng kể.

Hệ thống truyền lực đặt ngoài bánh xe:

Hình 1.4d là sơ đồ hệ thống truyền lực đặt ngoài bánh xe. Hệ thống truyền
lực này sử dụng hai động cơ điện, với hai hệ truyền lực riêng biệt truyền tới từng
bánh xe. Kết cấu của hệ thống phức tạp, các động cơ và bộ giảm tốc đòi hỏi phải
tương đồng với nhau.

Hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe (hình 1.4e):

Để đơn giản hơn nữa trong hệ thống truyền động, động cơ điện và hộp số có
thể gộp làm một cụm và đặt trong bánh xe. Sự bố trí này được gọi bánh xe chủ
động. Một bộ bánh răng hành tinh có thể được sử dụng để giảm tốc độ động cơ
và tăng mơ men xoắn. Bộ bánh răng hành tinh có lợi thế về khả năng biến đổi
tốc độ lớn, đơn giản và nhỏ gọn về mặt bố trí của bộ bánh răng hành tinh.

8

Hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe khơng có bộ giảm tốc (hình 1.4f):
Phương án này loại bỏ hoàn toàn truyền động bánh răng giữa động cơ điện

và bánh xe chủ động, đầu ra roto của một động cơ điện tốc độ thấp đặt bên trong
bánh xe có thể được kết nối trực tiếp với các bánh xe. Việc kiểm soát tốc độ của
động cơ điện tương đương với việc kiểm soát tốc độ của bánh xe, và vì thế tốc
độ của xe được điều khiển. Tuy nhiên, việc sắp xếp đòi hỏi các động cơ điện
phải có một mơ-men xoắn cao hơn để khởi động và tăng tốc xe.
1.2.3. Hệ thống truyền động trên xe ô tô điện Porsche Taycan Turbo S.
1. Bản vẽ tuyến hình ơ tơ điện Porsche Taycan Turbo S.

Hình 1. 5. Bản vẽ tuyến hình ô tô điện Porsche Taycan Turbo S

2. Hệ thống truyền động: Hiệu suất thuần túy.
Những con số tăng tốc đáng kinh ngạc, lực kéo đặc trưng của xe thể thao và

công suất đầu ra vượt trội. Đây là những khía cạnh phải được đáp ứng nếu bạn
muốn nói về một chiếc xe thể thao thực sự. Taycan mới đáp ứng được những
yêu cầu này.

9

Hình 1. 6. Tổng quan về Porsche Taycan Turbo S

Taycan được khởi động bằng cách kích hoạt chế độ lái trong khi nhấn bàn
đạp phanh. Ngồi ra, điều này cũng có thể được thực hiện bằng cách nhấn một
nút. Giống như khóa điện trên các mẫu xe Porsche thông thường, nút nguồn nằm

ở bên trái phía sau vơ lăng.
3. Động cơ điện

Hình 1. 7. Động cơ điện của Porsche Taycan Turbo S

Không phải loại động cơ điện nào cũng thích hợp để làm động lực cho xe.
Porsche sử dụng máy đồng bộ kích thích vĩnh cửu (Permanently excited
Synchronous Machine – PSM). So với thiết kế chủ yếu được sử dụng – máy
không đồng bộ (Asynchronous Machine – ASM) rẻ hơn – PSM cung cấp đầu ra
liên tục cao hơn vì nó ít dễ bị q nhiệt hơn và do đó khơng phải giảm xuống.
PSM của Porsche được cung cấp và điều khiển thông qua thiết bị điện tử công
suất với điện áp xoay chiều ba pha: tốc độ của động cơ được xác định bởi tần số
tại đó điện áp xoay chiều dao động quanh điểm 0 từ cộng đến trừ. Trong động
cơ Taycan, bộ biến tần xung đặt tần số của trường quay trong stato, do đó điều
chỉnh tốc độ của rôto.

10

Hình 1. 8. Stator của động cơ điện: Cuộn dây kẹp tóc

Điểm đặc biệt ở động cơ điện của Taycan là cuộn dây kẹp tóc. Cơng nghệ
được thúc đẩy đến những giới hạn của nó: gen Porsche này được phản ánh trong
một tính năng đặc biệt của động cơ Taycan, được gọi là cuộn kẹp tóc (hairpin
winding). Ở đây, các cuộn dây của stato bao gồm các dây khơng phải là hình
trịn mà là hình chữ nhật. Và khơng giống như các quy trình quấn cổ điển mà
dây đồng được lấy từ một cuộn vô tận, cơng nghệ kẹp cuộn dây được gọi là quy
trình lắp ráp dựa trên hình thành. Điều này có nghĩa là dây đồng hình chữ nhật
được chia thành các đoạn riêng lẻ và được uốn thành hình chữ U, tương tự như
một chiếc kẹp tóc. Những chiếc ‘kẹp tóc’ riêng lẻ này được lắp vào các lớp phủ
của stato, trong đó cuộn dây được gắn theo cách sao cho các bề mặt của mặt cắt

ngang hình chữ nhật nằm chồng lên nhau.

Đây là lợi thế quyết định được cung cấp bởi cơng nghệ kẹp tóc: nó cho phép
các dây được đóng gói dày hơn, do đó bổ sung thêm đồng vào stato. Trong khi
các phương pháp quấn dây thơng thường có hệ số lấp đầy đồng – như đã biết –
khoảng 50%, thì cơng nghệ mà Porsche sử dụng có hệ số lấp đầy gần 70%. Điều
này làm tăng công suất và mô-men xoắn với cùng một không gian lắp đặt. Các
đầu của các kẹp được hàn với nhau bằng tia laser, tạo ra cuộn dây. Một ưu điểm
quan trọng khác là sự tiếp xúc đồng nhất giữa các dây đồng liền kề giúp cải
thiện khả năng truyền nhiệt và stator kẹp tóc có thể được làm mát hiệu quả hơn
nhiều. Động cơ điện chuyển đổi hơn 90% năng lượng thành sức đẩy. Nhưng
cũng giống như trong động cơ đốt trong, tổn thất được chuyển hóa thành nhiệt
phải tiêu tán. Đó là lý do tại sao động cơ có áo nước làm mát.

11

Hình 1. 9. Roto của động cơ điện: nam châm vĩnh cửu xếp thành hình chữ V
Để điều khiển chính xác động cơ đồng bộ được kích thích vĩnh cửu, thiết bị điện
tử cơng suất phải biết chính xác vị trí góc của rotor. Đây là những gì trình phân giải
dành cho. Nó bao gồm một đĩa rotor làm bằng kim loại dẫn điện trường, một cuộn dây
kích từ và hai cuộn dây nhận. Cuộn dây kích từ tạo ra một từ trường được truyền qua
bộ mã hóa đến các cuộn dây nhận. Điều này tạo ra một điện áp trong các cuộn dây
nhận, vị trí pha của chúng được dịch chuyển tỷ lệ với vị trí rotor. Hệ thống điều khiển
có thể sử dụng thơng tin này để tính tốn vị trí góc chính xác của rotor. Hệ thống điều
khiển này, được gọi là biến tần xung, là đỉnh cao chun mơn của Porsche. Nó có
nhiệm vụ biến đổi dịng điện một chiều của pin ở 800 vơn thành dòng điện xoay chiều
và cung cấp cho hai động cơ điện.

4. Bộ biến tần điều khiển xung điều khiển động cơ

Biến tần điều khiển bằng xung là thành phần quan trọng nhất để điều khiển động
cơ điện. Ở Taycan Turbo và Turbo S, một bộ biến tần điều khiển xung được gắn trên
mỗi mô-đun truyền động ở trục trước và sau. Bộ biến tần điều khiển bằng xung chuyển
đổi dòng điện một chiều do Performance Battery Plus cung cấp thành dòng điện xoay
chiều cần thiết để điều khiển động cơ điện. Điều ngược lại xảy ra trong quá trình
phanh: Ở đây họ chuyển đổi dịng điện xoay chiều thu được trong q trình phục hồi
thành dòng điện một chiều để sạc pin. Ở Taycan Turbo S, một bộ biến tần điều khiển
xung với dòng điện tối đa 600 amp được sử dụng ở trục trước, có thể tạo ra nhiều cơng
suất và mơ-men xoắn hơn so với bộ biến tần điều khiển xung 300 amp của Taycan
Turbo. Cả hai bộ biến tần điều khiển xung đều hoạt động với hiệu suất cao đáng kể
gần 98%.

5. Hộp số hai cấp độc quyền của Porsche

Ở trục trước, sức mạnh của động cơ điện được truyền tới các bánh trước thông
qua hộp số hành tinh một tốc độ đồng trục, nhỏ gọn với tỷ số tổng thể xấp xỉ. 8:1 đến
bộ vi sai nhẹ tích hợp bánh răng thúc đẩy.

12

Hình 1. 10. Hộp số một cấp được trang bị ở trục trước
Hộp số hai tốc độ được lắp đặt trên trục sau trên Taycan là một cải tiến được phát
triển bởi Porsche. Số thứ nhất giúp Taycan tăng tốc nhiều hơn khi xuất phát ở trạng
thái đứng yên, trong khi số thứ hai dài đảm bảo hiệu suất cao và dự trữ năng lượng
ngay cả ở tốc độ rất cao.

Hình 1. 11. Hộp số hai cấp được trang bị ở trục sau

Hộp số hai tốc độ dựa trên ba trục. Porsche chỉ sử dụng duy nhất một bộ
chấp hành chuyển số cho mọi trạng thái của hộp số: cấp 1, cấp 2, số N (neutral),

số lùi và số đỗ (P). Bộ chấp hành chuyển số của Taycan sẽ điều khiển 2 cần đẩy,
một chiếc được kết nối với khớp ly hợp dạng vấu (dog clutch), một chiếc kết nối
với bộ lá côn ma sát gắn với một bộ bánh răng hành tinh. Khi ở cấp số 1, bộ lá
côn mở, ly hợp vấu đóng – lúc này bộ bánh răng hành tinh tạo ra tỷ số truyền
16:1 cho hộp số. Khi chuyển sang số 2, bộ lá cơn đóng, ly hợp vấu mở. Lúc này
bộ bánh răng hành tinh bị vơ hiệu hóa, tạo ra tỷ số truyền 8,05:1. Điều này dẫn
đến mô-men xoắn bánh xe rất cao gần 12.000 Nm, cho phép tăng tốc ngoạn mục
ngay từ đầu.

Số 1 chủ yếu được sử dụng ở chế độ lái Sport hoặc Sport Plus. Launch
Control cũng có sẵn trong các chế độ này. Hộp số vẫn ở số một trong một thời
gian tương đối dài, sau đó chuyển sang số thứ hai với thao tác tăng tốc quá mức.
1.3. Kết luận chương 1

13

Trong chương này, qua quá trình phân tích về cấu tạo, ngun lý làm việc
và ưu nhược điểm của các loại hệ thống truyền lực cho thấy việc điều khiển hệ
thống truyền lực của ô tơ đóng vai trị rất quan trọng quyết định đến khả năng
vận hành, tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải. Hộp số SEAMLESS đã và
đang được sử dụng rất nhiều trên các phương tiện chuyển động khác nhau vì
những tính năng ưu việt của nó như đã được phân tích ở trên.

Trong chương tiếp theo, đồ án tốt nghiệp sẽ trình bày phương pháp mơ hình
hóa hộp số SEAMLESS nhằm xác định tính chuyển số liền mạch của hộp số. Từ
đó làm cơ sở khảo sát động lực học chuyển động thẳng của ơ tơ điện, và tối ưu
hóa q trình sử dụng năng lượng điện trên ô tô.

14