NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK

PHAN VĂN LÝ BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - ĐỒ ÁN TỐT NGHIÊP ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK CBHD:TS Phạm Minh Hiếu CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Sinh viên: Phan Văn Lý Mã số sinh viên: 2018604455 Hà Nội – Năm 2022 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK GVHD: TS Phạm Minh Hiếu SVTH: Phan Văn Lý MSV: 2018604455 Hà Nôi, 2022 i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ts Phạm Minh Hiếu ii NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN NGƯỜI PHẢN BIỆN i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii LỜI NÓI ĐẦU v CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Giới thiệu xe điện 1.1 Các dòng xe điện 1.1.1 Xe điện túy 1.1.2 Xe điện lai 1.1.3 Xe hybrid sử dụng điện lưới 1.1.4 Xe điện chạy pin nhiên liệu 10 1.2 Các công nghệ sử dụng xe điện 11 1.2.1 Công nghệ động điện 11 1.2.2 Công nghệ Pin, Ắc quy 14 1.2.3 Công nghệ sạc pin 18 1.3 Giới thiệu loại truyền động động xe ô tô điện 22 1.3.1 DC Motor 24 1.3.2 AC motor 27 1.4 Kết luận chương 33 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, XÂY DỰNG MÔ PHỎNG TRÊN MMATLAB SIMMULINK 34 2.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ 34 2.2 Nguyên lý hoạt động động DC 36 2.3 Phương trình mạch nguyên lý động DC 37 2.4 Giới thiệu phần mềm Matlab Simulink 40 2.4.1 Matlab 40 2.4.2 Simulink 40 2.5 Mơ động điện chiều kích từ độc lập 46 2.5.1 Xây dựng phương trình tốn học để mơ 46 2.5.2 Mô động DC sử dụng Matlab Simulink 47 2.6 Kết luận chương 56 ii CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 57 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Chiếc xe điện 1835 Hình Phân loại EVs Hình Đa dạng hóa lượng EVs Hình Hiệu lượng xe EVs Hình Tổng lượng phát thải xe EVs Hình Xe PEV Hình Toyota Prius Hình Xe FEV 10 Hình Classification of EV machines 13 Hình 10 Các loại pin phát triển cho xe điện 15 Hình 11 Pin nhiên liệu khả thi 17 Hình 12 Hệ thống lượng lai nhiệt điện-quang điện 17 Hình 13 Bộ chuyển đổi đa đầu vào SEPIC-SEPIC 18 Hình 14 Sạc EV dựa truyền điện cảm ứng 19 Hình 15 Sạc EV dựa khớp nối cộng hưởng từ tính 20 Hình 16 EV di chuyển sạc 21 Hình 17 Đặc điểm động điện điển hình 23 Hình 18 Sơ đồ cấu tạo động điện DC 24 Hình 19 Cấu trúc DC motor 25 Hình 20 Nguyên lý quay máy điện chiều 26 Hình 21 Đặc điểm động EV 27 Hình 22 Cấu tạo AC motor 28 Hình 23 Stator 28 Hình 24 Từ trường quay phát minh Tesla cho số cực từ khác 29 Hình 25 a)cảm ứng, b) nam châm vĩnh cửu bề mặt, c) nam châm vĩnh cửu bên trong, d) máy điện từ 30 Hình 26 Hình ảnh động cảm ứng hệ thống truyền lực ô tô (a) stato (b) rôto 31 Hình 27 Rotor IPM 32 Hình Hình biểu diễn mối quan hệ từ thơng góc α 34 Hình 2 Nguyên lý hoạt động DC Motor 36 Hình Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập 37 Hình Các đường cong đặc tính cơng suất mơ-men xoắn góc phần tư thứ máy điện chiều 39 Hình Màn hình tiêu chuẩn sau khởi động Matlab 40 Hình Cách mở Simulink 41 Hình Cửa sổ thư viện Simulink 41 Hình Tạo mơ hình 42 iv Hình Cửa sổ làm việc, xây dựng mơ hình 42 Hình 10 Cách lấy khối từ thư viện 43 Hình 11 Lưu file mơ hình 43 Hình 12 Di chuyển khối 44 Hình 13 Nối tín hiệu khối 44 Hình 14 Chạy mơ hình sau ki hồn thành 44 Hình 15 Tín hiệu từ khối Scope 45 Hình 16 Chỉnh thơng số khối 45 Hình 17 Chỉnh thơng số mơ 46 Hình 18 Sơ đồ mơ hình hóa Động điện chiều 48 Hình 19 Thiết lập thông số đầu vào 48 Hình 20 Thiết lập thơng số đầu vào khối Step 49 Hình 21 Thiết lập thơng số hàm transfer Fcn 49 Hình 22 Thiết lập tông số hàm Transfer Fcn1 50 Hình 23 Thiết lập thơng số hàm Gain 50 Hình 24 Thiết lập thơng số khối Scope 51 Hình 25 Nhập thơng số để chạy mơ hình 52 Hình 26 Mơ hình động DC 52 Hình 27 Tại thời điểm động hoạt động không tải Mc=0 53 Hình 28 Đồ thị kết Tốc độ, Dịng điện, Momen sau có tải Mc 53 Hình 29 Đồ thị bao gồm đường Tốc độ, Dịng điện Momen 54 Hình Dữ liệu đồ thị tốc độ 57 Hình Kết đồ thị dịng điện so với tính tốn 58 Hình 3 Kết Momen điện từ 58 Hình Kết mơ tốc độ động w 59 v LỜI NĨI ĐẦU Ngành cơng nghiệp tơ đóng vai trị quan trọng phát triển đất nước Nó đời nhằm mục đích phục vụ nhu cầu vận chuyển hàng hóa hành khách, phát triển kinh tế đất nước Từ lúc đời ô tô sử dụng nhiều lĩnh vực giao thông vận tải, quốc phịng an ninh, nơng nghiệp, cơng nghiệp, du lịch Đất nước ta q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa, ngành cơng nghiệp nặng ln bước phát triển Trong đó, ngành cơng nghiệp tô trọng Hiện ngành công nghiệp ô tô ngày phát triển với công nghệ ô tô điện Phát triển ô tô điện bước quan vừa đảm bảo nhu cầu di chuyển mà cịn đảm bảo khơng gây nhiễm mơi trường Với mục đích củng cố kiến thức học, mở rộng kiến thức chun mơn tìm hiểu thêm phát triển động điện, em lựa chọ nghiên cứu đề tài “Nghiên Cứu Mô Phỏng Động Cơ Điện Xe Điện Bằng Phần Mềm Matlab Simulink” Sau tuần thực đồ án tốt nghiệp, em cố gắng tận dụng kiến thức học vào thực tế với nỗ lực thân cộng với hướng dẫn tận tình thầy Phạm Minh Hiếu Em hoàn thành nhiệm vụ giao với đầy đủ khối lượng thời gian Tuy nhiên kinh nghiệm thời gian có hạn nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu xót, em mong thầy khoa môn bảo giúp em hoàn thiện đồ án Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Minh Hiếu tận tình hướng dẫn giúp đỡ em thời gian thực đồ án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Giới thiệu xe điện Xe điện (EV) khơng có mới; chúng phát minh cách 178 năm thua cạnh tranh giành vị trí thống trị loại xe động đốt (ICEV) Trên thực tế, EV xe ba bánh chạy pin chế tạo Thomas Davenport năm 1834 (Wakefield, 1994) Vào năm 1900, số 4200 ô tô bán hàng năm Mỹ, 38% xe EV, 22% ICEV 40% xe chạy nước Vào thời điểm đó, xe điện phương tiện giao thơng đường ưa thích giới thượng lưu giàu có Giá chúng tương đương với Rolls Royce ngày Một người đàn ông có ý tưởng hồn thành xe điện cho tốt Ford Chiếc Ford Model T sản xuất hàng loạt ơng cung cấp phạm vi gấp đôi gấp ba so với EV phần chi phí chúng Đến năm 1930, xe điện gần biến khỏi trường Mối quan tâm đến xe điện nhen nhóm bắt đầu khủng hoảng lượng thiếu dầu bùng nổ vào năm 1970 Do mối quan tâm ngày tăng chất lượng khơng khí hậu xảy hiệu ứng nhà kính năm 1980, tốc độ phát triển xe điện đẩy nhanh Hình 1 Chiếc xe điện 1835 Xe điện phân loại thành loại PEV, HEV FEV dựa nguồn lượng thiết bị đẩy chúng (Chan Chau, 2001; Chau, 2010, 2014) 48 Hình 18 Sơ đồ mơ hình hóa Động điện chiều Sau thiết lập mơ hình mơ ta cần thiết lập thơng số cho khối • Thiết lập tín hiệu đầu vào Va ( điện áp phần ứng) Hình 19 Thiết lập thơng số đầu vào 49 Hình 20 Thiết lập thơng số đầu vào khối Step • Thiết lập thơng số truyền Hình 21 Thiết lập thơng số hàm transfer Fcn 50 Hình 22 Thiết lập tơng số hàm Transfer Fcn1 Hình 23 Thiết lập thơng số hàm Gain • Thiết lập thơng số đầu 51 Hình 24 Thiết lập thơng số khối Scope 3.3 Tính tốn, kiểm nghiệm kết mô Chọn thông số Va=220; Mc=100; Ra= 0.5; La = 0.0003; Km_Phi = 0.8; Ke_Phi = 0.8; J= 0.0167; 52 Hình 25 Nhập thơng số để chạy mơ hình Hình 26 Mơ hình động DC 53 Động hoạt động không tải Mc= Hình 27 Tại thời điểm động hoạt động khơng tải Mc=0 Kết mơ Hình 28 Đồ thị kết Tốc độ, Dòng điện, Momen sau có tải Mc 54 Hình 29 Đồ thị bao gồm đường Tốc độ, Dòng điện Momen Phần code để xây dựng đồ thị figure() subplot(3,1,1) plot(Time.time,Speed); title('Toc quay w'); xlabel('Thoi gian t(s)'); ylabel('Toc quay w (rad/s)'); grid on subplot(3,1,2) plot(Time.time,Ia); title('Dong dien phan ung Ia'); xlabel('Thoi gian t(s)'); ylabel('Cuong dong dien Ia (A)'); grid on subplot(3,1,3) 55 plot(Time.time,Me); title('Do thi momen dien tu Me '); xlabel('Thoi gian t(s)'); ylabel('Momen dien tu Me (Nm)'); grid on figure() plot(Time.time,Speed,Time.time,Ia,Time.time,Tem) ; title('Toc do, Dong dien, Mo-men'); xlabel('Thoi gian t(s)'); ylabel('w (rad/s),Ia (A),Me (Nm)'); grid on 56 2.6 Kết luận chương Chương 2: Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình mơ động điện Ở chương ta vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động động điện DC kích từ độc lập động sử dụng hệ thống truyền động xe Tìm hiểu phần mềm Matlab Simmulink, phần mềm ứng dụng sử dụng trình học tập nghiên cứu Ta áp dụng phần mềm Matlab Simmulink để xây dựng mô nguyên lý hoạt động động điện qua hiểu thông số động điện momen xoắn, dòng điện cảm ứng, tốc độ vòng tua máy động hoạt động thay đổi 57 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Thơng số chọn động Cơng suất định mức 𝑃𝑑𝑚 110KW Tốc độ định mức 𝑛𝑑𝑚 1800 rpm Điện áp định mức 𝑈𝑑𝑚 = Va= 220V Điện trở phần ứng Ra 0,5 Điện cảm La 0,0003 H Momen qn tính J 0,0167 (kg.𝑚2 ) Từ thơng định mức 300 V Tốc độ định mức động 𝜔𝑑𝑚 = 𝑛𝑑𝑚 2𝛱 60 = 1800.2𝛱 60 = 188,5 (rad/s) Tốc độ không tải 𝑘 𝛷 = 𝜔0 = 𝑀𝑑𝑚 𝐼𝑑𝑚 𝑈𝑑𝑚 𝑘.𝛷 = =0,8 220 0,8 = 275 (𝑟𝑎𝑑/𝑠) suy 𝑛0 = 2626(𝑟𝑝𝑚) Hình Dữ liệu đồ thị tốc độ 58 Phương trình cân điện áp 𝑈𝑑𝑚 = 𝐸𝑑𝑚 + 𝑅ư 𝐼𝑑𝑚 𝑅ư = 𝑼𝒅𝒎 𝑰𝒌𝒅 = 𝟐𝟐𝟎 𝟑𝟗𝟑,𝟔 = 0,55 Ω (sát với Ra = 0,5 chọn từ ban đầu) Hình Kết đồ thị dịng điện so với tính toán 𝐸𝑑𝑚 = 𝑘 𝛷 𝜔𝑑𝑚 = 0,8 188,5=150,8 (V) Udm= 𝐸𝑑𝑚 + 𝑅ư 𝐼𝑑𝑚 = 150,8 + 0,55.125,1= 219,605 ( V) sai số 0,17% Hệ số mở máy 𝐾𝑚𝑚 = 𝐼𝑘𝑑 𝐼𝑑𝑚 = 393,6 125,1 = 3,15 → 𝐼𝑘𝑑 = 3,15 𝐼𝑑𝑚 𝑀𝑘𝑑 =3,15 𝑀𝑑𝑚 =3,15.100,1=315,315 (N.m) ( sát với kết mô đồ thị) Hình 3 Kết Momen điện từ 59 𝜔𝑑𝑚 = 𝑈𝑑𝑚 𝑘.𝜙 − 𝑅ư 𝑘.𝜙 𝐼𝑑𝑚 = 220 0,8 − 0,55 0,8 125,1=188,9 (rad/s) = 1804 (rmp)> 1800(rmp) (thông số chọn ban đầu ) sai số 0,2% 𝜔𝑑𝑚 = 𝑈𝑑𝑚 𝑘.𝜙 − 𝑅ư (𝑘.𝜙)2 𝑀𝑑𝑚 = 220 0,8 - 0,55 0,82 100,1 = 188,97 (rad/s) = 1804(rmp) sai số 0,2% Độ sụt tốc ∆ω = 𝑅ư (𝑘.𝜙)2 𝑀𝑑𝑚 = 0,55 0,82 100,1=821(rpm) Theo lý thuyết độ sụt tốc 2626-1800= 826(rpm) > theo mô 821(rpm) Hình Kết mơ tốc độ động w 60 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, em đưa kết mô động điện thông số động cơ, đặc tính loại động điện điển hình Qua đồ án tốt nghiệp này, em đạt kết sau: – Những mặt ưu khuyết điểm xe điện để nhìn nhận đánh giá hiệu cuối – Tìm hiểu cách khái quát nguyên lý truyền động động điện – Tính chọn thơng số động điện dựa số liệu tính tốn phần mềm Matlab – Trở thành nguồn tài liệu tham khảo cho sinh viên, nghiên cứu sinh muốn tìm hiểu, cải tiến chế tạo động điện hệ mới, phục vụ người Hạn chế Do thời gian tìm hiểu nghiên cứu ngắn việc làm đồ án đề tài nên nhiều hạn chế như: – Chưa tìm hiểu thực sâu chủ đề – Chưa thực nghiệm thực tế nên không kiểm nghiệm tính xác tính chọn đưa nội dung đồ án – Chưa kiểm nghiệm qua mơ hình thực tế nên chưa có đánh giá sác thơng số Kết luận Sau trình tuần thực đồ án tốt nghiệp, em có kiến thức để mô đánh giá thông số động điện, hiệu việc sử dụng động điện so với sử dụng động đốt Qua đồ án tốt nghiệp này, em hiểu thêm việc ứng dụng phần mềm vào việc phân tích tốn, đối tượng, đề nắm rõ nguyên lý hoạt động ứng dụng vào thực tế 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Dũng 2007 Hệ thống điện điện tử ô tô đại NXB SPKT TPHCM, 2007 [2] Đỗ Văn Dũng 2007 Hệ thống điện động NXB SPKT TPHCM, 2007 [3] Phạm Thị Ngọc Yến, Ngơ Hữu Tình, Lê Tấn Hùng, Nguyễn Thị Lan Hương 2005 Cơ Sở Matlab Và Ứng Dụng Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kĩ Thuật, 2005 [4] Trương Vũ Bằng Giang, Trần Xn Nam ,2013 Mơ hình hóa mô NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013 [5] Amir Khajepour, Saber Fallah, Avesta Goodarzi 2014 Electric And Hybrid Vehicles Technologies, Modeling John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO198SQ, United Kingdom, 2014 [6] Chau, K T 2015 Electric Vehicle Machines And Drives Design, Analysis And Application International Research Centre for Electric Vehicles The University of Hong Kong, 2015 [7] Das, Shuvra 2009 Mechatronic Modeling and Simulation Using Bond Graphs Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, 2009 [8] Dean C Karnopp, Donald L Margolis, Ronald C Rosenberg 2012 System Dynamics Modeling, Simulation, And Control Of Mechatronic Systems John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2012 [9] Erjavec, Jack 2013 Hybrid, Electric & Fuel-Cell Vehicles 2013 [10] James Larminie, John Lowry 2012 Electric Vehicle Technology Explained John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, United Kingdom, 2012 [11] John G Hayes, G Abas Goodarzi 2018 Electric Powertrain Energy Systems, Power Electronics and Drives for Hybrid, Electric and Fuel Cell Vehicles The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, UK, 2018 [12] Konarad Reif 2015 Automotive Mechatronics Springer Vieweg, 2015 [13] Liu, Wei 2017 Hybrid Electric Vehicle System Modeling And Control s.l : John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West 62 Sussex, PO19 8SQ, UK John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030, USA, 2017 [14] Liu, Wei 2013 Introduction To Hybrid Vehicle System Modeling And Control John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey Published simultaneously in Canada, 2013 [15] Pistoia, Gianfranco 2010 Electric And Hybrid Vehicles Power Sources, Models, Sustainability, Infrastructure And The Market The British Library, 2010 [16] Robert Bosch GmH 2007 Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics Springer Vieweg,, 2007 [17] Robert H.Bishop 2002 The Mechatronics Handbook CRC Press,, 2002 [18] William J.Palm 2011 Introduction To Matlab For Engineers, Third Edition McGraw Hill,, 2011 ... kiến thức chun mơn tìm hiểu thêm phát triển động điện, em lựa chọ nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên Cứu Mô Phỏng Động Cơ Điện Xe Điện Bằng Phần Mềm Matlab Simulink? ?? Sau tuần thực đồ án tốt nghiệp, em... HỌC CÔNG NGIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK GVHD: TS Phạm Minh Hiếu SVTH: Phan Văn Lý MSV: 2018604455... VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Giới thiệu xe điện 1.1 Các dòng xe điện 1.1.1 Xe điện túy 1.1.2 Xe điện lai 1.1.3 Xe hybrid sử dụng điện lưới 1.1.4 Xe