Công nghệ cốt lõi

Xe máy điện đang ngày càng hiện diện rõ nét trong giao thông đô thị. Tuy nhiên, để đánh giá đúng khả năng vận hành và mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện, không thể chỉ nhìn vào công suất động cơ hay dung lượng pin. Các yếu tố kết cấu và điều kiện làm việc như khối lượng xe, khối lượng người lái, bán kính bánh xe, tỷ số truyền và lực cản đều có thể làm thay đổi tốc độ, quãng đường di chuyển và nhu cầu năng lượng.

Từ yêu cầu đó, nhóm nghiên cứu của Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội triển khai đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số đầu vào tới quá trình làm việc của xe máy điện bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng”. Điểm đáng chú ý của công trình là kết hợp hai hướng tiếp cận: xây dựng mô hình toán học – mô phỏng trên MATLAB/Simulink, đồng thời thiết kế hệ thống gá đặt và đo kiểm trên xe máy điện thực tế. Cách tiếp cận này tạo cơ sở để đối chiếu , qua đó xem xét mức độ phù hợp của mô hình.

Kết quả mô phỏng

Một hệ thống thử nghiệm được thiết kế phục vụ đo kiểm Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm là xe máy điện sử dụng ắc quy chì–axit, gồm năm ắc quy 12 V mắc nối tiếp tạo nguồn 60 V. Theo bảng thông số của đối tượng nghiên cứu, xe được trang bị động cơ công suất 850 W, khối lượng 82 kg và tải trọng 160 kg. Đây là cấu hình xe được lựa chọn làm đối tượng khảo sát trong phạm vi đề tài, không đại diện cho mọi dòng xe máy điện trên thị trường.

Để phục vụ quá trình đo, nhóm nghiên cứu thiết kế khung giá đỡ bằng thép, cố định bánh trước và nâng bánh sau để bánh có thể quay trong quá trình thử nghiệm. Cụm gá có cơ cấu tạo tải, tạo ma sát giữa bánh xe và con lăn; mức tiếp xúc có thể điều chỉnh nhằm thay đổi lực cản tác dụng lên bánh sau. Thiết kế này hỗ trợ thực hiện các phép thử trong điều kiện có kiểm soát và thuận tiện cho việc lắp đặt, di chuyển mô hình.

Song song với phần cơ khí, nhóm xây dựng hệ thống thu thập và hiển thị dữ liệu. Bo mạch đo được thiết kế trên Altium 21; chương trình điều khiển được lập trình bằng Keil C V5. Hệ thống sử dụng vi điều khiển AVR ATmega8, cảm biến tốc độ, mạch đo điện áp và cảm biến dòng ACS758; các thông số được xử lý và hiển thị trên màn hình LCD. Báo cáo cũng mô tả các giải pháp bảo vệ nguồn và mạch, gồm cầu chì, công tắc nguồn và công tắc dừng khẩn cấp. Đây là những cấu phần quan trọng giúp bộ thí nghiệm có thể thu nhận các thông số phục vụ phân tích quá trình làm việc của xe. Mô hình MATLAB/Simulink kết nối các thông số đầu vào với kết quả vận hành Trên nền tảng lý thuyết về xe máy điện, nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng bằng MATLAB/Simulink. Mô hình sử dụng các thông số đầu vào như khối lượng xe, khối lượng người lái, bán kính bánh xe, diện tích cản trước và tỷ số truyền; từ đó tính toán các đại lượng đầu ra gồm vận tốc, quãng đường và điện năng. Cấu trúc mô phỏng được tổ chức thành các khối chức năng chính: Controller, Electrical và Motorcycle Body. Trong đó, khối điều khiển phân phối mô-men theo các tín hiệu như trạng thái sạc của ắc quy (SOC), vận tốc và mô-men yêu cầu; khối điện tính toán công suất tiêu hao và công suất nạp; khối thân xe xác định vận tốc, quãng đường và điện năng tiêu thụ.

Công trình không dừng ở việc xây dựng mô hình trên máy tính. Nhóm nghiên cứu đã so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm trong điều kiện mô tả cụ thể: người lái 78 kg, xe 95 kg, không có gió và độ dốc bằng 0%, thời gian khảo sát 60 giây. Theo báo cáo, quãng đường mô phỏng và thực nghiệm gần tương đồng; độ chênh lệch lớn nhất về tốc độ là 4,3% tại giây thứ 28. Đây là chỉ dấu định lượng đáng chú ý về mức độ phù hợp của mô hình trong điều kiện khảo sát đã nêu, không nên diễn giải thành độ chính xác phổ quát cho mọi loại xe hay mọi điều kiện vận hành. Hai thông số kết cấu cho thấy ảnh hưởng rõ rệt trong mô phỏng Kết quả mô phỏng làm rõ vai trò của tỷ số truyền và bán kính bánh xe. Khi tỷ số truyền thay đổi từ 2,66 lên 4,94, tốc độ lớn nhất trong mô phỏng giảm từ 70,7 km/h xuống 30,74 km/h; quãng đường tương ứng giảm từ 710,44 m xuống 303,12 m. Báo cáo đồng thời ghi nhận mức tiêu thụ điện năng tăng 0,16% khi tỷ số truyền tăng trong khoảng khảo sát. Các con số này là kết quả mô phỏng theo bộ thông số và điều kiện của nghiên cứu, không phải thông số vận hành đo được của một mẫu xe thương mại.

Với bán kính bánh xe, khi tăng từ 0,1 m lên 0,25 m, tốc độ tối đa mô phỏng tăng từ 23 km/h lên 52 km/h; quãng đường sau 60 giây tăng từ 400 m lên 850 m. Báo cáo cũng chỉ ra rằng vận tốc và lực kéo tăng có thể làm tăng yêu cầu năng lượng đối với động cơ, thể hiện qua xu hướng điện áp pin giảm và công suất động cơ tăng. Vì vậy, việc thay đổi kích thước bánh xe không thể được đánh giá chỉ qua mức tăng tốc độ hay quãng đường; cần xem xét đồng thời tải động cơ và tiêu thụ điện năng.

Ở phần thực nghiệm, báo cáo trình bày các phép đo tại năm mức tốc độ đặt từ 5 đến 25 km/h. Các đại lượng được ghi nhận gồm công suất, mô-men, dòng điện và nhiệt độ. Dữ liệu cho thấy công suất ghi trong bảng tăng từ 5,02 W ở mức 5 km/h lên 64 W ở mức 25 km/h; mô-men tăng từ 5,12 lên 25 theo đơn vị ghi trong báo cáo; dòng điện ở các lần đo lần lượt là 0,5; 0,29; 0,533; 0,8 và 1,1 A. Do bảng gốc có cách ghi đơn vị và ký hiệu chưa thật nhất quán, các giá trị này cần được cán bộ chuyên môn rà soát trước khi sử dụng làm chỉ số truyền thông chính thức. Giá trị ứng dụng: nền tảng cho đào tạo, đo kiểm và nghiên cứu tiếp nối Sản phẩm nổi bật của đề tài không chỉ là mô hình mô phỏng, mà là một bộ giải pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình tính toán, khung gá thử nghiệm, mạch thu thập dữ liệu và quy trình đo kiểm. Bộ thí nghiệm được thiết kế để hỗ trợ khảo sát các thông số vận hành của xe máy điện; báo cáo cũng cho biết nhóm đã xây dựng tài liệu hướng dẫn sử dụng và các bài thực hành đo kiểm theo chế độ làm việc của xe.

Kết quả thực nghiệm

Trong đào tạo, hệ thống có thể làm phương tiện trực quan để sinh viên tiếp cận cấu tạo, nguồn điện, động cơ, điều khiển và các phép đo trên xe máy điện. Trong nghiên cứu, mô hình MATLAB/Simulink và hệ thống đo tạo điều kiện khảo sát ảnh hưởng của thông số đầu vào, kiểm tra giả thuyết và mở rộng các kịch bản tính toán. Đây là giá trị phù hợp với định hướng đào tạo và nghiên cứu của Khoa Công nghệ Ô tô.

Báo cáo cũng xác định giới hạn của nghiên cứu: thiết bị mới tập trung vào một loại xe điện sử dụng nguồn 60 V với ắc quy chì–axit. Nhóm tác giả đề xuất tiếp tục hoàn thiện theo hướng thử nghiệm trên các hãng xe khác, nghiên cứu pin lithium hoặc mở rộng sang nguồn điện trên xe máy hybrid. Những hướng phát triển này là kiến nghị nghiên cứu tiếp theo, chưa phải kết quả đã hoàn thành của đề tài.

Nghiệm thu đề tài

Kết nối thực nghiệm và mô phỏng để hiểu sâu hơn về xe máy điện Bằng việc kết hợp thiết kế thiết bị thử nghiệm với mô hình MATLAB/Simulink, đề tài đã hình thành một nền tảng thực hành và nghiên cứu có khả năng liên kết dữ liệu đo với phân tích mô hình. Các kết quả về ảnh hưởng của bán kính bánh xe, tỷ số truyền và mức độ tương đồng giữa mô phỏng – thực nghiệm cung cấp cơ sở tham khảo cho việc khảo sát đặc tính vận hành của xe máy điện trong điều kiện xác định. Quan trọng hơn, sản phẩm góp phần đưa công nghệ xe điện đến gần hơn với hoạt động đào tạo, thực hành và nghiên cứu chuyên ngành tại Đại học Công nghiệp Hà Nội.