Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển chuyển động ô tô điện

 

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------

NGÔ MINH NGỌC

MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN

Chuyên ngành: Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. TẠ CAO MINH

HÀ NỘI-2010


 

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài: “Mô hình
hóa, mô phỏng, điều khiển chuyển động ô tô điện” do em tự thiết kế dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn
toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào

khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010
Sinh viên thực hiện

Ngô Minh Ngọc


 
MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................i 
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ iii 
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU......................................................................................vi 
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... vii 
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................1 
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE ĐIỆN.......................................................3 
1.1. 
Lịch sử hình thành và phát triển xe điện ........................................................3 
1.2. 
Xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới................................................5 
1.3. 
Các ưu điểm của xe điện ................................................................................6 
1.3.1. 
Đáp ứng mô men nhanh của động cơ................................................6 
1.3.2. 
Khả năng lắp ráp động cơ ở nhiều nơi khác nhau............................6 
1.3.3. 
Mô men động cơ dễ kiểm soát ...........................................................7 
1.4. 
Phân loại xe điện ............................................................................................7 
1.5. 

Cấu hình xe điện một động cơ phát động.......................................................9 
1.6. 
Nguyên tắc truyền lực và sinh moment của ô tô..........................................10 
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG MÔ
HÌNH XE ĐIỆN. ...........................................................................................................14 
2.1. 
Giới thiệu chung...........................................................................................14 
2.2. 
Động lực học theo chiều dọc của bánh xe và mặt đường ............................14 
2.2.1. 
Lực cản khí động học ......................................................................15 
2.2.2. 
Lực ma sát trượt. .............................................................................16 
Lực ma sát lăn .................................................................................19 
2.2.3. 
2.3. 
Mô hình xe điện theo chiều dọc ...................................................................20 
2.4. 
Mô hình ma sát bên của bánh xe và mặt đường...........................................22 
2.4.1. 
Giới thiệu chung..............................................................................22 
2.4.2. 
Mô hình xe đạp ( Bicycle Model) ....................................................24 
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE ĐIỆN ....28 
3.1. 
Giới thiệu chung...........................................................................................28 
3.2. 
Điều khiển chuyển động theo chiều dọc ......................................................28 
3.2.1 
Điều khiển chống trượt bằng phương pháp mô hình mẫu MFC

(Model Following Control)...................................................................................29 
3.2.2 
Điều khiển tối ưu tỷ số trượt ( Optimal Skid-Ratio Control ) .........32 
3.2.3 
Điều khiển chuyển động bằng phương pháp ước lượng moment cực
đại (Maximum Effective Torque Estimation - METE)..........................................39 
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE
ĐIỆN BẰNG MATLAB/SIMULINK...........................................................................41 
4.1. 
Mô hình xe điện trong Simulink ..................................................................41 
4.1.1. 
Khối tính toán tỷ số trượt (Slip Ratio).............................................42 

  


 
4.1.2. 
Khối tính toán lực cản khí động học (Faero) ....................................42 
4.1.3. 
Khối tính toán lực ma sát lăn (Fr) ..................................................43 
4.1.4. 
Khối tạo đường congquan hệ µ-λ....................................................44 
4.2. 
Xây dựng mô hình động cơ điện. .................................................................44 
4.3. 
Kết quả mô phỏng mô hình động cơ, ô tô điện bằng Matlab/Simulink .......45 
4.4. 
Mô phỏng phương pháp điều khiển chuyển động theo mô hình mẫu (MFC)..
......................................................................................................................48 

4.5. 
Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt ( Optimal Skid-Ratio
Control) .....................................................................................................................51 
4.5.1. 
Khối EV Model và Motor Model. ....................................................52 
4.5.2. 
Khối xác định hệ số K của bộ điều khiển PI. ..................................52 
4.5.3. 
Khối tạo bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt. .......................................53 
4.5.4. 
Kết quả mô phỏng. ..........................................................................54 
4.6. 
Mô phỏng phương pháp ước lượng moment cực đại (METE) ....................57 
4.6.1. 
Khối EV Model và Motor Model. ....................................................57 
4.6.2. 
Khối ước lượng đạo hàm bậc 1 của V.............................................57 
4.6.3. 
Khối tính toán moment ước lượng cực đại Tmax............................58 
4.6.4. 
Kết quả mô phỏng: ..........................................................................59 
CHƯƠNG 5: ƯỚC LƯỢNG ĐIỀU KIỆN MẶT ĐƯỜNG DÙNG LÝ THUYẾT
ĐIỀU KHIỂN MỜ.........................................................................................................62 
5.1. 
Đặt vấn đề.....................................................................................................62 
5.2. 
Cơ sở lý thuyết điều khiển mờ. ....................................................................62 
5.2.1. 
Định nghĩa tập mờ...........................................................................62 
5.2.2. 

Các khái niệm cơ bản trong logic mờ .............................................62 
5.2.3. 
Biến ngôn ngữ. ................................................................................63 
5.2.4. 
Các phép toán trên tập mờ ..............................................................64 
5.2.5. 
Luật hợp thành ................................................................................66 
5.2.6. 
Giải mờ............................................................................................67 
5.2.7. 
Bộ điều khiển mờ.............................................................................67 
5.3. 
Áp dụng lý thuyết điều khiển mờ cho bộ ước lượng điều kiện mặt đường. 69 
5.4. 
Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt dùng bộ điều khiển
mờ.
......................................................................................................................70 
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................78 

  


 
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 – 1930.
Hình 1.2: Một số mẫu xe điện giai đoạn 1930-1990.
Hình 1.3: Một số mẫu xe điện hiện đại.
Hình 1.4: Cấu hình 1 động cơ phát động.

Hình 1.5: Cấu hình 2 động cơ phát động.

Hình 1.6: Cấu hình 4 động cơ phát động.
Hình 1.7: Các bộ phận của cấu hình xe điện một động cơ phát động.
Hình 1.8: Bộ vi sai của xe.

Hình 1.9: Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe chạy thẳng (Chiều dài của
mũi tên biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay).
Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe đi vòng (Chiều dài của mũi tên
biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay).
Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe.
Hình 2.2: Quan hệ µ – λ trên các điều kiện mặt đường khác nhau.

Hình 2.3: Quan hệ µ – λ theo công thức thực nghiệm.
Hình 2.4: Mô hình xe quy về một bánh.
Hình 2.5: Mô hình của xe theo chiều dọc.
Hình 2.6: Mô hình 4 bánh của xe.
Hình 2.7: Mô hình 2 bánh của xe.
Hình 2.8: Góc trượt của bánh trước.
Hình 3.1: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển chống trượt theo mô hình mẫu(MFC).
Hình 3.2: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt.
Hình 3.3: Tỷ số trượt tối ưu trên đường cong quan hệ µ-λ.
Hình 3.4:Mô hình xe quy về một bánh.
Hình 3.5: Hệ số góc a.
Hình 3.5: Đường cong quan hệ µ-λ với các điều kiện mặt đường khác nhau.
Hình 3.6: Giới hạn để phân loại các loại mặt đường khác nhau.

  


 
Hình 3.7: Sơ đồ khối phương pháp ước lượng moment cực đại (METE).

Hình 4.1: Mô hình xe điện trong Matlab/Simulink
Hình 4.2: Khối tính toán tỷ số trượt.
Hình 4.3: Khối tính toán lực cản khí động học.
Hình 4.4: Khối tính toán lực ma sát lăn.
Hình 4.5: Sơ đồ khối mô phỏng động cơ một chiều
Hình 4.7: Vận tốc bánh xe và vận tốc xe
Hình 4.8: Đáp ứng hệ số ma sát và tỷ số trượt
Hình 4.9: Đáp ứng lực cản khí động học
Hình 4.10: Đáp ứng moment đầu trục động cơ và moment cản tổng.
Hình 4.11: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MFC)
Hình 4.12: Vận tốc bánh xe khi có và không có bộ điều khiển MFC.
Hình 4.13: Đáp ứng của dòng điện đặt Icom và dòng phản hồi Ifeedback
Hình 4.14: Đáp ứng tỷ số trượt lamda.
Hình 4.15: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt trong
Matlab/Simulink.
Hình 4.16: Khối tạo optimal lamda
Hình 4.17: Khối tính toán hệ số K
Hình 4.18: Bộ điều khiển tối ưu tỷ số trượt
Hình 4.20: Vận tốc góc bánh xe và thân xe
Hình 4.21: Tỷ số trượt thực tế so với tỷ số trượt tối ưu
Hình 4.22: Sự thay đổi của hệ số khuếch đại K của bộ điều khiển.
Hình 4.23: Sơ đồ khối phương pháp ước lượng moment cực đại (METE)
Hình 4.24: Khối ước lượng đạo hàm bậc 1 của vận tốc V.
Hình 4.25: Khối uớc luợng moment cực đại Tmax
Hình 4.26: Đáp ứng vận tốc của xe và bánh xe
Hình 4.27: Tỷ số trượt λ.
Hình 4.28: Moment đặt vào động cơ phát động
Hình 5.1: Các dạng hàm thuộc.

  

 
Hình 5.2: Miền các giá trị ngôn ngữ.
Hình 5.3: Bộ điều khiển mờ cơ bản.
Hình 5.5: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số trượt dùng bộ điều khiển
mờ.
Hình 5.6: Bộ ước lượng tỷ số trượt tối ưu dùng lý bộ điều khiển mờ.
Hình 5.7: Bộ điều khiển mờ EV FUZZY CONTROLLER.
Hình 5.8: Biến đầu vào λ
Hình 5.9: Biến đầu vào µ.
Hình 5.10: Biến đầu ra Asphalt, gravel, water.
Hình 5.11: Luật điều khiển mờ.
Hình 5.12: Hình ảnh luật điều khiển mờ.
Hình 5.13: Hình ảnh thể hiện quan hệ vào/ra mờ.
Hình 5.14: Vận tốc của xe và bánh xe.
Hình 5.15: Tỷ số trượt tối ưu và tỷ số trượt thực tế.

  


 
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Ưu nhược điểm của các cấu hình xe điện.

Bảng 2.1. Giá trị tham số k của một số loại mặt đường.
Bảng 4.1 Bảng tham số µ = f(λ).
Bảng 4.2. Các thông số của động cơ điện một chiều.

  

 
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

EV: Electrical Vehicle.
DYC: Direct Yaw Control.
MFC: Model Following Control.
SRC: Optimal Slip-Ration Control.
METE: Maximum Effective Torque Estimation.

  


 
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời gian gần đây, rất nhiều ứng dụng xe điện đã được phát triển để giải
quyết về năng lượng và ô nhiễm môi trường gây ra bởi việc sử dụng những phương
tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong đóng vai trò như động cơ phát động. Những
ưu điểm vượt trội của xe điện có thể kể đến như hiệu suất cao và thân thiện với môi
trường.
Trong khi trên thế giới, một số xe điện đã được nghiên cứu và phát triển để đáp
ứng đủ các yêu cầu trong thực tế cũng như bắt đầu đưa vào sản xuất thương mại thì
nên công nghiệp nước ta mới chỉ dừng lại ở khả năng lắp ráp và sửa chữa những ô tô
sử dụng động cơ đốt trong thông thường. Nắm bắt được xu thế ngày càng sử dụng
nhiều hơng những phương tiện thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng,
chính phủ ta đã có những quan tâm đến những ứng dụng xe điện đầu tiên, đặt nền
móng cho nền công nghiệp ô tô trong tương lai. Triển vọng về sự phát triển của xe
điện trong tương lai đã thôi thúc học viên lựa chọn đề tài: “ Mô hình hóa, mô phỏng
điều khiển chuyển động ô tô điện ” với mục đích nghiên cứu các mô hình mô tả

chuyển động của ô tô điện và đề xuất các thuật toán điều khiển để nâng cao độ bám
đường trong khi xe chạy.
Đề tài được thực hiện gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện.
Chương 2: Nghiên cứu hệ thống động lực học và xây dựng mô hình ô tô điện.
Chương 3: Các phương pháp điều khiển chuyển động ô tô điện.
Chương 4: Mô hình hóa, mô phỏng, điều khiển chuyển động bằng Matlab/Simulink.
Chương 5: Ước lượng điều kiện mặt đường dùng lý thuyết điều khiển mờ.
Do thời gian thực hiện đề tài hạn hẹp cũng như hạn chế về kiến thức và điều kiện thực
nghiệm, luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế, học viên
kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô giáo và
các bạn để bản luận văn này được hoàn thiện hơn. Học viên xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến Thầy giáo – PGS.TS. Tạ Cao Minh đã hết lòng giúp đỡ và chỉ bảo tận tình
cho học viên trong thời gian thực hiện luận văn này. Nếu không có sự hướng dẫn vô
tư, nhiệt tình của Thầy thì chắc chắn học viên không thể hoàn thành tốt luận văn được.

1


 
Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy giáo, Cô giáo của Viện
Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi để học viên có thể hoàn thành
luận văn đúng thời hạn.
Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010
Sinh viên thực hiện

Ngô Minh Ngọc

2

Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE ĐIỆN.
1.1.

Lịch sử hình thành và phát triển xe điện

Xe điện là xe sử dụng 1 động cơ điện để dẫn động thay vì 1 động cơ đốt trong. Xe điện
được biết đến như là 1 xe không gây ô nhiễm (Zero Emission Vehicle). Trong những
năm gần đây, xe điện được chú ý nhiều khi mà vấn đề môi trường ngày càng được
quan tâm. Tuy nhiên, làm sao để kéo dài thời gian hoạt động hay quãng đường di
chuyển của nó là 1 bài toán khó.
Chiếc xe điện đầu tiên được chế tạo vào năm 1881 do kỹ sư người Pháp Gustave
Trouve. Nó chỉ đạt tốc độ 15 km/h và trong phạm vi 16 km. Năm 1864, cuộc đua từ
Paris đến Rouen đã làm thay đổi tất cả: quãng đường dài 1135 km được chạy trong
thời gian 48 giờ 53 phút với tốc độ trung bình 23.3 km/h. Công chúng bắt đầu quan
tâm tới xe không ngựa kéo hoặc là ô tô theo cách gọi hiện nay. Pháp và Anh là 2 nước
đầu tiên đưa xe điện vào trong hệ thống giao thông vào cuối thể kỷ 19, còn Bỉ là nước
đầu tiên chế tạo được chiếc xe đua chạy điện mang tên “La Jamais Contente” vào năm
1899 được thiết kế bởi Cammelle Jénatzy có thể đạt đến vận tốc 50km/h.

(a) La Jamais Contente (1899)

(b) Detroit (1918)

Hình 1.1. Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 - 1930
Giai đoạn đầu thế kỷ 20 đánh dấu sự lép vế hoàn toàn của xe điện so với xe chạy xăng
do mấy nguyên nhân:
¾ Việc tìm ra dầu thô ở Texas làm giảm giá dầu trên thế giới

3


Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện
¾ Do yêu cầu của việc phát triển kinh tế, xe phải chạy được quãng đường dài hơn
¾ Charles Kettering đã phát minh ra bộ chế khởi động cho xe chạy xăng
¾ Henry Ford đã phát minh ra các động cơ đốt trong có giá thành hạ
Năm 1928, mỗi chiếc xe điện có giá khoảng 1750 USD trong khi mỗi chiếc xe chạy
xăng chỉ có giá khoảng 650 USD. Đến năm 1935, xe điện gần như biến mất vì sự phát
triển quá mạnh mẽ của các xe sử dụng xăng.

(a) S-V CitiCar (1973)

(b) Elcar (1974)

Hình 1.2. Một số mẫu xe điện giai đoạn 1930-1990
Giai đoạn từ năm 1990 đến nay, xe điện đã có những bước tiến rõ rệt trên nhiều mặt.
Năm 1990, chiếc Ford Ecostar đã đạt được vận tốc khoảng 110km/h và có khả năng
tăng tốc từ 0 đến 80km/h chỉ trong 12 giây. Hãng General Motors cũng đưa ra loại xe
ô tô điện EV1 có thể đạt đến tốc độ khoảng 128km/h và có thể tăng tốc từ 0 lên
80km/h trong 10 giây. Vấn đề năng lượng cho xe điện cũng được cải tiến đáng kể từ
khi loại pin nhẹ Lithium – Ion được chế tạo thành công.
Cho đến nay ngành công nghiệp ôtô điện đã có những bước phát triển rõ rệt có thể
thấy như tốc độ tối đa và khả năng tăng tốc của xe được cải thiện đáng kể.Vấn đề về
năng lượng cho xe không còn quá vất vả nhờ việc sử dụng pin nhẹ Lithium - Ion. Tính
thời trang cũng được các nhà thiết kế xe lưu tâm với nhiều mẫu mã sang trọng và bắt
mắt.

4

Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện

a) Nissan leaf 2009

c) Think City

b) Chevrolet Volt 2001

d) Tesla Roadster
Hình 1.3. Một số mẫu xe điện hiện đại

1.2.

Xu hướng phát triển của xe điện trên thế giới

Gần đây, các nghiên cứu và ứng dụng của xe điện đã đạt được nhiều thành công rực rỡ
do sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ và công nghệ tích lũy năng lượng như
pin Lithium-Ion và siêu tụ điện. Ngoài ra, các nhà khoa học đã tìm ra được phương
pháp xạc điện không dây với công suốt lớn, giúp cho quá trình nạp năng lượng cho xe
điện trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn. Trên thế giới hiện nay thì việc dùng siêu tụ
thay cho các bộ ac quy đã trở nên phổ biến và siêu tụ đóng một vai trò quan trọng
trong việc cung cấp năng lượng cho xe điện trong tương lai. Siêu tụ có những ưu điểm
nổi trội như sau: tuổi thọ hoạt động dài, mật độ dòng điện lớn và thân thiện với môi
trường. Xe điện chạy bằng siêu tụ có thể hoạt động hơn 20 phút sau khi được xạc với
chỉ 30 giây.

5

Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện
Các bộ nạp năng lượng không dây dựa vào hiện tượng cổng hưởng từ cũng là một
công nghệ cực kỳ quan trọng và cần thiết để làm tăng hiệu quả của xe điện. Trong
phòng thí nghiệm, công nghệ này cho phép truyền dòng năng lượng xấp xỉ 50W trong
khoảng cách 50cm với hiệu suất 95% .
Tổng kết lại, chúng ta cần đạt được sự phát triển của xe điện trong tương lai ứng dụng
3 công nghệ sau: Động cơ điện, siêu tụ, bộ nạp năng lượng không dây. Các công nghệ
này giúp chúng ta loại trừ các loại acquy Li-ion và các trạm xạc điện lớn.

1.3.

Các ưu điểm của xe điện

Xe điện sử dụng động cơ điện vì vậy nó có tất cả các ưu điểm của động cơ điện. Cụ
thể là:

1.3.1. Đáp ứng mô men nhanh của động cơ
Đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh hơn 100 lần so với động cơ đốt trong. Ô tô
không cần năng lượng nếu nó di chuyển theo phương ngang. Tổn thất năng lượng
nhiều nhất là do ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Bằng cách áp dụng phương pháp
điều khiển bám để giảm mô men động cơ chống lại hiện tượng trượt bánh.
Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng các đặc tính cơ khí có thể bị biến đổi khi sử
dụng các phương pháp điều khiển điện. Những lý do của sự biến đổi này vẫn chưa
được giải thích rõ ràng. Sử dụng UOT March II, chúng ta có thể đạt được kết quả
tương tự như các loại ô tô hiện nay với độ rộng của bánh bằng một nửa và hiệu quả
nhiên liệu gấp đôi. Điều thuận lợi nhất của xe điện chính là điều khiển chuyển động.

1.3.2. Khả năng lắp ráp động cơ ở nhiều nơi khác nhau
Một động cơ của xe điện có thể được chia thành 4 phần và được lắp đặt vào hệ thống

bánh xe mà không làm tăng thêm chi chí. Thêm nữa, xe điện cung cấp một thuận lợi
vô cùng lớn trong việc điều khiển chuyển động với hiệu suất cao, ví dụ như là Direct
Yaw Control (DYC). Động cơ có thế sinh ra mô men âm và dương liên tục. Nó khác
hoàn toàn so với các phương pháp điều khiển chuyển động bằng cơ khí thông thường
như kiểu 4WD hoặc 4WS (điều khiển sự phân bố của lực sử dụng truyền động vi sai).

6


Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện
1.3.3. Mô men động cơ dễ kiểm soát
Mô men động cơ có thể được kiểm soát dễ dàng từ dòng điện của động cơ. Ngược lại,
các động cơ đốt trong tỏ ra phi tuyển một cách đáng kể; và vì vậy, việc mô tả mô hình
động cơ là rất khó khăn. Đối với xe điện, chúng ta có thể ước lượng lực truyển từ bánh
xe xuống mặt đường bằng bộ quan sát lực. Nó giúp ta ước lượng được điều kiện mặt
đường một cách hiệu quả. Bên cạnh đó, các sensor được cài đặt trong xe làm tăng sự
an toàn cho người lái.

1.4.

Phân loại xe điện

Xe điện có rất nhiều cấu hình, mỗi cấu hình có đặc điểm cấu tạo riêng. Có thể phân
loại các cấu hình xe điện theo hai quan điểm:
• Theo nguồn năng lượng sử dụng có: xe điện hoàn toàn (Pure EV), xe điện – xăng
(Hybrid EV), xe chạy pin nhiên liệu (Fuel-cell EV), xe điện chạy bằng siêu tụ
(Super-capacitor EV), …
• Theo số động cơ phát động được sử dụng có: cấu hình 1 động cơ, 2 động cơ, 4
động cơ.
Các cấu hình 1, 2 và 4 động cơ được mô tả trong các hình (1.4) đến (1.6)

Hình 1.4. Cấu hình 1 động cơ phát động.

7


Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện

Hình 1.5. Cấu hình 2 động cơ phát động.

Hình 1.6. Cấu hình 4 động cơ phát động

8


Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện
Hiện nay, những mẫu xe điện phổ biến trên thị trường thường dùng cấu hình một động
cơ điện phát động và sử dụng nguồn điện một chiều từ ắc qui. Cấu hình này rất đơn
giản và dễ chế tạo nhưng không phát huy được hết ưu điểm của xe điện. Khả năng sinh
mô men nhanh và chính xác của động cơ điện không được tận dụng tối đa; khả năng
tái sinh năng lượng bị hạn chế; không tiết kiệm được không gian cho xe. Ngoài ra, việc
có thêm bộ truyền động cơ khí nặng nề làm tăng trọng lượng của xe, qua đó, tăng công
suất của động cơ. Cấu hình này sẽ dần dần được thay thế bởi cấu hình xe điện 2 bánh
và 4 bánh phát động trong tương lai. Ở các cấu hình như vậy, động cơ truyền động trực
tiếp cho bánh xe. Các động cơ được điều khiển độc lập, hoạt động của chúng được
điều phối qua một máy tính trung tâm, bảo đảm tính ổn định và an toàn trong chuyển
động của xe. Bên cạnh đó, việc tích hợp các động cơ đến từng bánh xe sẽ loại bỏ cấu
hình bộ truyền cơ khí, giảm bớt trọng lượng của xe, qua đó, giảm bớt công suất động
cơ, giảm bớt giá thành cho xe. Bảng 1.1 so sánh ưu nhược điểm của các cấu hình.
Bảng 1.1. Ưu nhược điểm của các cấu hình xe điện

Một động cơ

Hai động cơ

Bốn động cơ

Điều khiển phát động

Đơn giản

Khá phức tạp

Phức tạp

Điều khiển chuyển động

Đơn giản

Khá phức tạp

Phức tạp

Độ ổn định chuyển động

Kém

Tốt

Rất tốt

Kết cấu cơ khí

Phức tạp, cồng kềnh Đơn giản

Rất đơn giản

Khả năng nâng cao chất

Rất kém

Rất tốt

Tốt

lượng chuyển động bằng
điều khiển động cơ

1.5.

Cấu hình xe điện một động cơ phát động.

Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp cao học, học viên sử dụng mô hình xe điện một động
cơ phát động, điều khiển hướng bằng bánh trước và dẫn động bằng bánh sau. Đối với
mô hình kiểu này, công suất từ động cơ điện được truyền qua hộp số, làm quay trục
các đăng. Trục các đăng lại được ghép nối với bộ vi sai, và bộ vi sai được nối với các
bánh dẫn động phía sau bằng các kết cấu cơ khí.

9

Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện

Hình 1.7.Các bộ phận của cấu hình xe điện một động cơ phát động

1.6.

Nguyên tắc truyền lực và sinh moment của ô tô.

Trước khi đi vào nghiên cứu mô hình ô tô và các phương pháp điều khiển chuyển
động, ta đi tìm hiểu những nguyên lý cơ bản nhất của hệ thống truyền động của ô tô.
Như chúng ta đã biết lực phát động của ô tô điện được sinh ra bởi một động cơ điện.
Để đưa được lực dẫn động từ động cơ phát động xuống các bánh dẫn động cần phải
qua một bộ phận cuối cùng gọi là bộ vi sai, chúng thường được lắp cùng với truyền lực
cuối gọi là cầu xe. Bộ vi sai có nhiệm vụ là tiếp tục tăng mômen từ hộp số và phân
phối các lực dẫn động đến các bán trục bên trái và bên phải. Ngoài ra bộ vi sai còn tạo
ra sự chênh lệch tốc độ quay giữa các bánh xe bên trái và bên phải và giúp cho xe
chuyển động êm hơn khi đi vào đường vòng.

10


Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện

Hình 1.8. Bộ vi sai của xe.
Bộ vi sai có các nhiệm vụ sau
+ Truyền mô men của động cơ tới các bánh xe.
+ Đóng vai trò là cơ cấu giảm tốc cuối cùng trước khi mô men xoắn truyền
tới các bánh xe.
+ Truyền mô men tới bánh xe trong khi cho phép chúng quay với tốc độ
khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai hai quá trình chạy thẳng và rẽ lái:
+ Khi xe chạy thẳng: do lực cản tác động như nhau lên cả hai bánh xe dẫn động
bên trái và bên phải nên các bánh răng vành chậu, bánh răng vi sai và bánh răng bán
trục ăn khớp với nhau thành một khối liền để truyền lực dẫn động đến các bánh xe.
Các bánh xe dẫn động quay với tốc độ như nhau, mômen xoắn của các bánh răng bán
trục bên trái và bên phải như nhau.

11


Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện

Hình 1.9. Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe chạy thẳng. (Chiều dài của mũi tên
biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay)
+ Khi xe đi vào đường vòng: do lực cản tác động lên hai bánh dẫn động khác
nhau, chẳng hạn như lực cản tác động lên lốp A lớn hơn tác động lên lốp B khiến cho
tốc độ quay của lốp A nhỏ hơn tốc độ quay của lốp B. Hay nói khác đi, bên trong bộ vi
sai, bánh răng bán trục A quay chậm và bánh răng vi sai phải quay sao cho bánh răng
bán trục B phía ngoài quay nhanh hơn. Đó chính là cách mà bộ vi sai giúp cho xe chạy
êm qua đường vòng.

Hình 1.10. Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai khi xe đi vòng. (Chiều dài của mũi tên
biểu thị cho độ lớn của lực cản, mômen xoắn và tốc độ quay)
Như vậy là khi mà bộ vi sai hoạt động nó phân phối mômen khác nhau vào các bánh
xe bên trái và bên phải. Trong khi điều này có ưu điểm là làm cho xe chạy được êm

12


Chương 1: Giới thiệu chung về xe điện

qua các đoạn đường vòng thì ngược lại nó lại có nhược điểm là làm giảm lực dẫn động
đến cả 2 bánh xe khi mà lực dẫn động lên một bánh xe bị giảm.

13


Chương 2: Nghiên cứu hệ thống động lực học và xây dựng mô hình xe điện

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ
XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE ĐIỆN.
2.1.

Giới thiệu chung

Chuyển động của xe có thể được phân tích thành 3 chiều: chuyển động bên, chuyển
động theo chiều dọc và chuyển động theo phương thẳng đứng. Vì vậy, để đảm bảo
chất lượng của xe ta phải điều khiển chuyển động của xe theo cả 3 chiều. Nhiệm vụ
của thể của việc điều khiển chuyển động theo từng chiều như sau:
-

Điều khiển chuyển động theo chiều dọc có nhiệm vụ đảm bảo cho xe bám mặt
đường trong khi xe chạy.

-

Điều khiển chuyển động bên của xe nói tới việc điều khiển hệ thống lái. Nhiệm
vụ quan trọng nhất của hệ thống điều khiển bên đó là giữ cho xe đi đúng hướng
mà người điều khiển yêu cầu. Đồng thời, điều khiển chuyển động bên còn áp
dụng vào việc điều khiển mô men lắc của xe, đảm bảo xe chạy ổn định trong
quá trình rẽ

-

Điều khiền chuyển động theo phương thẳng đứng chính là điều khiển hệ thống
treo.

Để thiết kế được bộ điều khiển, trước hết ta phải xây dựng được mô hình của xe theo
từng chiều chuyển động.

2.2.

Động lực học theo chiều dọc của bánh xe và mặt đường

Chuyển động của xe trên mặt đất có được là nhờ lực ma sát của mặt đường tác động
lên bánh xe. Vì vậy, mô hình ma sát bánh xe là rất cần thiết để mô tả động học của xe,
phục vụ công tác mô phỏng, phân tích và điều khiển chuyển động của xe. Việc phân
tích lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường sẽ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về đặc điểm
động học của xe, qua đó cải thiện được chất lượng điều khiển của xe. Nhiệm vụ chính
của mô hình ma sát bánh xe/mặt đường là xác định được mối quan hệ giữa lực ma sát
và độ trượt theo chiều dọc, chiều ngang cũng như góc lái.
Ta xét trường hợp xe chuyển động trên một đoạn đường dốc như hình vẽ dưới đây.

14


Chương 2: Nghiên cứu hệ thống động lực học và xây dựng mô hình xe điện

Hình 2.1. Các lực tác dụng lên xe.
Theo định luật II Newton ta có:

mx&& = Fdf + Fdr − Faero − Frf − Frr − Mg sin(α )

(2.1)

Trong đó:
-Fdf là lực ma sát trượt ở bánh trước.
-Fdr là lực ma sát trượt ở bánh sau.
-Faero là lực cản khí động học.
-Frf là lực ma sát lăn ở bánh trước.
-Frr là lực ma sát lăn ở bánh sau.
-M là trọng lượng của xe.
-g là gia tốc của trọng lực.
-α là góc tạo bởi độ dốc và phương ngang (góc α được xác định theo chiều
dương của kim đồng hồ khi xe chuyển động theo chiều x về phía trái và được
xác định theo chiều ngược chiều dương của kim đồng hồ khi xe chuyển động
theo chiều x về phía phải) .

2.2.1. Lực cản khí động học
Trong lúc xe chạy trên đường thì lực cản không khí tác động lên phụ thuộc vào tốc độ
của xe. Khi vận tốc của xe càng lớn thì lực cản của không khí càng tăng và ngược lại.
Mối quan hệ giữa lực cản không khí và vận tốc của xe được tính xấp xỉ theo công
thức:

15


Chương 2: Nghiên cứu hệ thống động lực học và xây dựng mô hình xe điện
1
Faero = ρC d AF (Vx + Vw in d ) 2
2

(2.2)

Trong đó:
-

ρ là mật độ không khí – thường được chọn bằng 1,225kgm-3

-

Cd là hệ số cản gió – thường được chọn bằng 0,3; tuy nhiên với những xe
được thiết kế tốt Cd có thể giảm tới 0,19 [13].

-

AF là diện tích mặt trước của xe. Với khối lượng hành khách từ 800 – 2000
(kg) thì AF được tính theo công thức:

Af = 1.6 + 0.00056(m − 765)
-

Vx = x& là vận tốc theo chiều dọc của xe.

-

Vwind là vận tốc của gió (m/s).

(2.3)

2.2.2. Lực ma sát trượt.

Lực ma sát trượt Fxf và Fxr sinh ra do mặt đất tác động lên bánh xe. Lực ma sát trượt
phụ thuộc vào các yếu tố sau:
-

Phản lực tác dụng lên mỗi bánh

-

Hệ số ma sát trượt giữa bánh xe và mặt đường.

-

Tỷ số trượt.

Lực ma sát trượt được tính theo công thức:
Fdf = µ. Nxf

(2.4)

Fdr = µ. Nxr

(2.5)

Trong đó:
• µ là hệ số ma sát trượt.
• Nxf và Nxr là phản lực tác dụng lên bánh trước và bánh sau.
Lực ma sát trượt có thể coi là lực đóng vai trò phát động chuyển động của xe. Trên
thực tế, µ không cố định mà phụ thuộc vào điều kiện mặt đường, chất lượng và loại
lốp xe. Điều này làm cho lực ma sát không đủ lớn trên những điều kiện mặt đường
nhất định. Lúc này nếu vẫn duy trì tốc độ như cũ, xe sẽ gặp phải những vấn đề nghiêm

trọng, làm xe bị mất lái, lao theo quỹ đạo không mong muốn.
Quan hệ giữa hệ số ma sát trượt và tỷ số trượt:

16