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

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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 cơng bố
trong bất kỳ cơng 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 thơng tin nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tơi 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 tốn 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 thơng ............................... 5
1.1.1.Hồn thiện động cơ diesel .......................................................................................5
1.1.2.Ơtơ chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế .....................................................5
1.1.3.Ơtơ chạy bằng khí thiên nhiên .................................................................................6
1.1.4.Ơtơ chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ............................................................... 6
1.1.5.Ơtơ chạy bằng điện ..................................................................................................7
1.1.6.Ơ tơ chạy bằng pile nhiên liệu .................................................................................8
1.1.7.Ơtơ 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 ơ tơ 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 tốn thiết kế hệ thống truyền động cho xe điện cá nhân ................................ 15
2.1.1 Tính tốn các thơng 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 tốn 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 Ơ tơ chạy bằng nhiên liệu sinh học.............................................................. 6
Hình 1. 2 Ơ tơ chạy bằng điện .....................................................................................8
Hình 1. 3 Ơ tơ Hybrid ...................................................................................................9
Hình 1. 4 Ơ tơ điện cổ điển ........................................................................................10
Hình 1. 5 Ơ tơ 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 khơng 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 ngun lí ..........................................................41
Hình 3.6 Tay ga sử dụng cảm biến Hall ....................................................................41
Hình 3.7 Hall IC .........................................................................................................42
Hình 3.8 Sơ đồ ngun 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 tốn 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 tốn lực kéo ...........................................................................31
Bảng 2. 3 Các thơng 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 khơng khí
Lực cản lên dốc
Lực qn 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 ngồi

[v/ph]

Độ chênh lệch tốc độ quay vịng 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 khơng khí
Qng thời gian truyền sóng
Điện áp Hall

kH
Ic
B

[m3/c]
[A]
[Wb]

Hằng số Hall
Dịng cấp vào
Mật độ từ thơng

0


Sinβ [-]
I
[%]
T

[s]

Góc lệch giữa mật độ từ thơng và bề mặt cảm biến
Phần trăm chiếm chỗ giữa xe điện và vùng khơng 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- Mơi 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 mơi 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 ơ tơ 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 vịng 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 ơ 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 vịng 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 Hồ 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 cơng 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, khơng gây cƣỡng bức động học khi xe quay
vịng. 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
tốn 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 thơng trong nƣớc, giá thành vừa phải, có hiệu suất sử dụng năng lƣợng
cao và mức độ phát ô nhiễm thấp, gần nhƣ bằng khơng, góp phần thực hiện nhiệm vụ
cấp bách nói trên nhằm đẩy nhanh tiến trình cơng 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 cơng
nghiệp.( đƣờng có độ dốc nhỏ hơn 15 độ)


3
Xe điện chạy với vận tốc tối đa khoảng 8 [km/h].
Tính tốn lựa chọn động cơ điện, ắc quy, nguồn sạc cho xe điện.
Tính tốn, 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 ngồi, các bài báo, các trang web về xe
điện, xe điện cá nhân, hệ thống an tồn đƣợc lắp đặt trên các ơ tơ hiện nay, các
nghiên cứu về vùng không gian cá nhân.
Sử dụng excel để tính tốn, 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 thơng 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 tồn,
tiện lợi, khơng 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 tốn 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 tốn 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
khơng 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 thơng, 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, ơtơ sạch khơng
gây ơ nhiễm (zero emission) là mục tiêu hƣớng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo
ơtơ ngày nay. Có nhiều giải pháp đã đƣợc công bố trong những năm gần đây, tập trung
là hồn thiện q 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. Hồn 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. Ơtơ 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 ơ
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. Ơ tơ 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 ơtơ cho thấy, ơtơ 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. Ơtơ chạy bằng khí thiên nhiên
Sử dụng ơtơ 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 ơtơ. 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. Ơtơ 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 mơi trƣờng khơng 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
ơtơ. Ngồi những đặc điểm nổi bật về giảm ơ nhiễm mơi trƣờng nó cịn 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 khơng khí có thể thực hiện bằng bộ chế hịa khí
kiểu Venturie thơng 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 cơng 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. Ơtơ chạy bằng điện
Nếu nhƣ sự thâm nhập những ôtô chạy bằng điện vào cuộc sống của nhân loại thay
các loại ơtơ 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 ơ tô cũ bằng ô tô mới dùng động cơ nhiệt hồn thiện triệt để về mặt ơ 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
ơtơ, 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 ơtơ chạy bằng điện hồn
tồn 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 khơng nhỏ. Vì
vậy ơ 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 ơ nhiễm mơi trƣờng đơ thị vì
khơng thể xây dựng tồn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn.


8

Hình 1. 2. Ơ tơ chạy bằng điện
1.1.6. Ơ tơ 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 ơtơ. Do khơng có q trình
cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pile nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nƣớc. Vì
vậy, có thể nói ơtơ hoạt động bằng pile nhiên liệu là ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát
thải chất ơ nhiễm trong khí xả. Ơtơ 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 cơng 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 ơtơ thì giá thành
đắt hơn chạy bằng diesel khoảng 30%.
1.1.7. Ơtơ 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 mơi trƣờng.


9

Hình 1. 3. Ơ tơ Hybrid
Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới nhƣ Toyota,
Honda… đã tung ra thị trƣờng những thế hệ ơ tơ mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể
lƣợng chất thải gây ô nhiểm môi trƣờng đƣợc gọi là “ơ tơ lai” (Hybrid - Car).Có thể
nói, cơng nghệ lai là chìa khố mở cánh cửa tiến vào kỷ ngun mới của những chiếc ơ
tơ, đó là ơ tơ khơng gây ơ nhiễm mơi trƣờng hay cịn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate
eco-car).
1.2. Tổng quan về xe điện cá nhân
1.2.1. Giới thiệu chung
Xe điện sử dụng một động cơ điện cho lực kéo: acquy, pin nhiên liệu cung cấp
nguồn năng lƣợng tƣơng ứng cho động cơ điện. Xe điện có nhiều ƣu điểm hơn các loại
phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn nhƣ khơng phát thải khí ơ nhiễm,
hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lƣợng từ dầu mỏ, yên tĩnh, không gây ồn. Các
nguyên tắt hoạt động cơ bản giữa xe điện và phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt trong
tƣơng tự nhau. Tuy nhiên, một số khác biệt giữa phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt
trong và xe điện, chẳng hạn nhƣ sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động
cơ đốt trong so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn, các hệ thống

trên xe nhƣ hệ thống lái, hệ thống dẫn động, hệ thống treo.
1.2.2. Cấu hình của một số loại xe điện cá nhân
1.2.2.1. Cấu hình của ơ tơ điện
Trƣớc đây, các xe điện chủ yếu đƣợc chuyển đổi từ các ô tô thông thƣờng bằng cách
thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu với một động cơ điện và pin trong khi


10
giữ lại tất cả các thành phần khác. Nhƣợc điểm nhƣ: khối lƣợng lớn, tính linh hoạt và
hiệu suất thất là những nguyên nhân làm cho xe điện khó áp dụng rộng rãi.

Truyền động
cơ khí

Động
cơ điện

Nguồn năng
lƣợng

Hình 1. 4. Ơ tô điện cổ điển
Hiện nay, ô tô hiện đại đƣợc tạo ra có chủ ý dựa vào nguyên bản của thân và khung
sƣờn đƣợc thiết kế riêng. Điều này đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc duy nhất cho ô tô
và làm cho các nguồn động lực đẩy bằng điện đƣợc sử dụng linh hoạt hơn. Một ô tô
điện cơ bản bao gồm ba hệ thống chủ yếu: Hệ động lực điện, hệ thống năng lƣợng, và
hệ thống phụ trợ.
Hệ động lực điện bao gồm: Hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động
cơ điện, truyền động cơ khí, và bánh chủ động.
Hệ thống năng lƣợng bao gồm nguồn năng lƣợng bộ phận quản lý năng lƣợng, và
bộ phận tiếp năng lƣợng điện. Hệ thống phụ trợ bao gồm trợ lực lái, điều hòa, nguồn

cung cấp năng lƣợng phụ trợ.


11
Bộ chuyển
đổi điện

Phanh
Tín hiệu
điều khiển

Bộ chuyển
đổi điện

Động cơ
điện

Truyền
động
cơ khí

Chân ga

Quản lý
năng lƣợng

Nguồn
năng
lƣợng

Nguồn năng
lƣợng phụ

Sạc ăcquy

Điều hịa
khơng khí

Trợ lực
lái

Hình 1. 5. Ô tô hiện đại
Dựa trên các yếu tố đầu vào điều khiển từ chân ga và bàn đạp phanh, hệ thống điều
khiển xe cung cấp tín hiệu điện thích hợp cho bộ chuyển đổi năng lƣợng điện có chức
năng điều chỉnh dòng điện giữa điện động cơ và nguồn năng lƣợng. Những nguồn
năng lƣợng đƣợc tái sinh trong quá trình phanh có thể đƣợc nạp vào nguồn năng lƣợng
chính. Hầu hết pin EV dễ dàng có khả năng tiếp nhận nguồn năng lƣợng tái sinh này.
1.2.2.2. Cấu hình một số xe điện cỡ nhỏ
Xe đạp điện, xe máy điện: Xe đạp điện đƣợc thiết kế dựa trên cấu tạo của một chiếc
xe đạp thơng thƣờng, có gắng thêm hệ thống điện, Acquy và bộ điều khiển. Một xe
đạp điện
hiện hành cấu tạp từ 4 bộ phận chính sau :


12
Động cơ xe đạp điện : Động cơ xe đạp điện gồm có 2 loại, đó là động cơ có chổi
than (DC) và động cơ khơng có chổi than (BLDC).
Hệ thống điều khiển : Tay ga điều khiển đƣợc thiết kế giống nhƣ tay cầm nhƣ các
dòng xe gắn máy thông thƣờng. Và hệ thống các bo mạch điều khiển giúp chuyển đổi
từ điều khiển của ngƣời lái thành các tín hiểu điện và tạo dịng điện phù hợp đƣa tới

động cơ, nhờ đó ta có thể tùy chỉnh tốc độ nhanh chậm cho xe, điều khiển phanh và
bật tắt các tín hiệu đèn báo trên xe.
Acquy hoặc pin : Pin hoăc Acquy là nguồn cung cấp điện cho xe hoạt động. Pin
lithium – ion là loại phổ biến nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi vì tính năng ƣu việt, loại
pin này thiết kế theo công nghệ Nhật Bản có thể đi đƣợc quảng đƣờng dài ừ 70 km đến
100 km. Đối với xe sử dụng acquy, thì mỗi dịng xe có thiết kế số lƣợng acquy khác
nhau tùy thuộc vào điện áp của động cơ mà xe sử dụng. Quãng đƣờng đi đƣợc có thể
đạt tới 80 km đến 100 km cho một lần sạc.
Xe điện cá nhân tự cân bằng 1 bánh hoặc 2 bánh: Đây là loại xe mang tính cách
mạng trong giao thơng mang lại thuận tiện nhất định cho con ngƣời khi di chuyển
thƣờng xuyên ở quảng đƣờng ngắn, bằng phẳng nhƣ sân bay, nhà xƣởng, khu sinh
thái… nhƣng hệ thống điều khiển của nó vẫn chƣa ổn định, khó điều khiển.
1

1
2

2
4

3
Hình 1. 6. Sơ đồ xe điện cân bằng một bánh
1 – Cần từa điều khiểu ; 2 – Thân + bộ điều khiển & Acquy ;
3 – Động cơ điện BLDC liền bánh xe ; 4 – Tựa để chân

3


13
Cấu tạo chung của loại xe này gồm các bộ phận chính sau:

Bộ cảm biến trên bánh xe (đơng cơ điện BLDC đặt bên trong bánh xe): Bên trong
bánh xe của xe điện là nơi đặt động cơ điện, ở đây cũng đƣợc tích hợp một số cảm
biến độ nghiêng và tốc độ. Điều này giúp ngƣời sử dụng luôn điều khiển đƣợc tốc độ
của xe.
Con quay hồi chuyển và bo mạch kiểm soát: Con quay hồi chuyển và bo mạch kiểm
soát của xe chịu trách nhiệm kiểm soát và nhận và xử lý các thông số về tốc độ và độ
nghiêng từ các cảm biển trong bánh xe rồi sau đó chuyển về bo mạch chính. Bo mạch
chính xử lý số liệu gửi về từ đó duy truy đƣợc trạng thái cân bằng của xe.
Pin: Pin là bộ phận cung cấp điện cho xe, giúp cho xe có thể vận hành.
Hiện nay loại xe điện cá nhân đang đƣợc nghiên cứu phát triển mạnh mẽ với những
cải tiến mới với nhƣng tính năng ƣu việt hơn nhƣ thân thiện với mơi trƣờng, nhỏ gọn
thuận tiện, ổn định an tồn, phù hợp với mọi lứa tuổi, xe điện cho ngƣời tàn tật. Đã có
rất loại xe với mẫu mã đẹp, xe vận hành ổn định và an toàn nhƣ Honda U3-X, Segway
(USA), Toyota Winglet, Toyota i – ROAD, …

Honda U3-X

Segway i2
Toyota Winglet
SE
Hình 1. 7. Một số xe điện cá nhân hiện nay

1.3 Nhu cầu sử dụng xe điện cá nhân
Xe điện là loại phƣơng tiện giao thơng đã có từ rất lâu của thế kỷ trƣớc, và đƣợc sử
dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong nhiều loại phƣơng tiện. Đặt biệt ngày nay, xe
điện khơng cịn đơn thuần là xe điện công cộng và tàu điện nhƣ thế kỷ trƣớc nữa. Ngày