Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền động ô tô điện

Bài viết này mô tả việc thực hiện mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền động điện trong ô tô điện. Các mô hình bộ biến tần, động cơ không đồng bộ, mô hình động học của ô tô điện 5 chỗ ngồi, đặc tính tải được xây dựng trên công cụ Matlab/Simulink.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 4.1, 2021 47 MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG Ô TÔ ĐIỆN MODELING AND SIMULATION OF THE POWERTRAIN OF ELECTRIC VEHICLES Phạm Quốc Thái1*, Huỳnh Đức Trí1 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng *Tác giả liên hệ: pqthai@dut.udn.vn (Nhận bài: 22/2/2021; Chấp nhận đăng: 20/4/2021) Tóm tắt - Sự đời phát triển phương tiện giao thông giúp cho nhu cầu lại người tiện lợi nhanh chóng Tuy nhiên, mật độ tơ sử dụng ngày gia tăng tác động đến sống người mơi trường như: Ơ nhiễm mơi trường, cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Một biện pháp hữu hiệu cho việc giảm ô nhiễm mơi trường cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch sử dụng ô tô điện Bài báo mô tả việc thực mơ hình hóa mơ hệ thống truyền động điện ô tô điện Các mơ hình biến tần, động khơng đồng bộ, mơ hình động học tơ điện chỗ ngồi, đặc tính tải xây dựng cơng cụ Matlab/Simulink Các thông số đáp ứng động không đồng tốc độ, mơ men, cường độ dịng điện stator rotor tương ứng với địa hình di chuyển phân tích đánh giá Abstract - The invention and development of means of transportation has helped people travel in cities more conveniently and quickly However, the large number of automobiles in use around the world has caused serious problems to human life and the environment such as air pollution and the rapid depletion of fossil fuel One of the most effective measures to reduce environmental pollution and fossil fuel resources depletion is to use electric automobiles This study describes the modeling and simulation of the powertrain of 5-passenger electric automobiles The models of an inverter, an asynchronous motor, the dynamics of the vehicle, and load conditions were built using Matlab/Simulink platform The response parameters of the electric motor such as speed, torque, and current corresponding to the traveling terrains were analyzed and evaluated Từ khóa - Ô tô điện; hệ thống truyền động; phương pháp điều chế độ rộng xung (SPWM); mô phỏng; Matlab/Simulink Key words - Electric vehicles; powertrain; Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM); simulation; Matlab/Simulink Đặt vấn đề Ơ nhiễm mơi trường ln thách thức quốc gia trình phát triển Các quốc gia có nhiều sách để cải thiện mơi trường Trong đó, giảm lượng khí thải mục tiêu Các nghiên cứu cho thấy, để tránh thảm họa biến đổi khí hậu tương lai, cần phải giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính xuống 60% so với vào năm 2050 Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu hóa thạch đáp ứng 85% nhu cầu lượng giới [1] Một nguồn phát thải lớn phương tiện giao thông, chiếm 39,2% tổng lượng phát thải [2], đặc biệt nguồn phát thải từ ô tô cá nhân Do đó, xe tơ điện xem giải pháp cho vấn đề Hệ thống truyền động điện phận cung cấp lượng cho ô tơ điện Hệ thống có ưu điểm so với động đốt nhẹ, nhỏ gọn, tạo rung động tạo mơ men xoắn tức Những yếu tố giúp cho vận hành xe đạt chất lượng cao, mượt mà nhạy Trong năm qua, nhiều nhà khoa học giới thực cơng trình nghiên cứu hệ thống truyền động điện ô tô điện B.K Powell cộng xây dựng mô hình điều khiển hệ thống truyền động tơ lai [3] Phân tích rung động hệ thống truyền động nhóm nghiên cứu tác giả M Genỗ thc hin [4] Vic qun lý nng lng trờn hệ truyền động với động lai nhóm tác giả S.D Farrall khảo sát [5] Cấu trúc hệ thống truyền động phù hợp xây dựng cách sử dụng động không đồng ba pha, kết nối trực tiếp với bánh xe qua truyền động [6], [7] Động khơng đồng có cơng suất lớn, chi phí bảo trì thấp sử dụng cho xe điện [8] Phương pháp điều chế độ rộng xung giải pháp áp dụng cho điều khiển biến tần động Với mục đích khảo sát đáp ứng hệ thống truyền động ô tô điện theo điều kiện địa hình đường xe Nhóm tác giả sử dụng cơng cụ mơ để phân tích đánh giá thông số đáp ứng hệ thống Các nhà nghiên cứu xác nhận mơ đóng vai trị quan trọng cho tiến nhanh chóng cơng nghệ xe điện Mô phương pháp giúp giảm chi phí thời gian để xây dựng mơ hình xe điện Bằng cách đánh giá phương án thiết kế quản lý lượng xe trước thực mơ hình thực tế [9] Bài báo trình bày việc xây dựng mơ hình mơ thành phần cấu thành hệ thống truyền động ô tô điện gồm biến tần sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung, động không đồng pha Đồng thời mơ hình đặc tính đường xây dựng đưa vào mô để khảo sát đặc tính tơ Các phân tích nêu cho kết mô đạt Xây dựng mơ hình hệ thống truyền động điện ô tô điện chỗ ngồi 2.1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện Hệ truyền động điện đề cập nghiên cứu hệ thống xe ô tô điện chỗ ngồi Các thành phần khảo sát hệ thống gồm có nguồn DC cung The University of Danang - University of Science and Technology (Pham Quoc Thai, Huynh Duc Tri) Phạm Quốc Thái, Huỳnh Đức Trí 48 cấp điện cho hệ thống vận hành, điều khiển động cơ, động khơng đồng pha Một mơ hình tải thực tế đặt vào động để khảo sát Cấu trúc tổng thể quy trình chuyển đổi lượng xe điện cho nghiên cứu trình bày Hình 2.2 Mơ hình hóa mô điều khiển động 2.2.1 Động không đồng pha ô tô điện chỗ ngồi Động không đồng pha lựa chọn phù hợp cho ứng dụng ô tơ điện Vì tính ổn định, cơng suất lớn, bảo trì khả làm việc mơi trường khắc nghiệt [10] Do đó, loại động sử dụng rộng rãi công nghiệp ứng dụng phục vụ đời sống Tuy nhiên, ứng dụng phương tiện giao thơng lại gặp nhiều khó khăn Do khơng có nguồn xoay chiều đủ cơng suất cung cấp cho động hoạt động liên tục Nguồn chiều Bộ nghịch lưu Động với sóng điều khiển dạng sin Giá trị sóng điều khiển lớn xung thu rộng Sóng mang dạng tam giác Sóng điều khiển có thơng tin độ lớn trị hiệu dụng tần số sóng hài điện áp ngõ Với sóng hình sin tần số mong muốn làm điện áp điều khiển cho mạch SPWM Có thể tạo dạng sóng có cơng suất cao có điện áp trung bình thay đổi theo hình sin, phù hợp cho điều khiển động xoay chiều Hình Hình cho ta thấy, cấu trúc nguyên lý hoạt động điều rộng xung Nguyên lý điều rộng xung giải thích sau Bộ so sánh thiết bị đối chiếu điện áp vào vin (t ) với tín hiệu điều khiển kích IGBT sang trạng thái On Off Bộ so sánh A đối chiếu vin (t ) với điện áp điều khiển vx (t ) điều khiển IGBT T1 T2 theo kết đối chiếu Bộ so sánh B đối chiếu vin (t ) với điện áp điều khiển v y (t ) nhằm điều khiển IGBT T3 T4 Nếu giá trị vin (t ) lớn vx (t ) thời điểm t , so M sánh A kích hoạt IGBT T1 sang trạng thái On T2 trạng 3~ Mô men tải thái Off Ngược lại, T1 trạng thái Off T2 trạng thái Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động điện ô tô điện chỗ ngồi điểm t , so sánh B kích hoạt IGBT T3 sang trạng thái On Tương tự, giá trị vin (t ) lớn v y (t ) thời Giải pháp nhà nghiên cứu đưa sử dụng nguồn điện chiều Điều khiển nghịch lưu để biến đổi nguồn chiều thành nguồn xoay chiều ba pha cung cấp cho động hoạt động Điều tốc yêu cầu kỹ thuật quan trọng ứng dụng động pha xe ô tô điện Hiện nay, hệ truyền động sử dụng động xoay chiều, để thay đổi tốc độ, người ta sử dụng số phương pháp thay đổi điện trở phụ rotor, thay đổi điện áp stator, thay đổi số đôi cực p, thay đổi tần số điện áp stator Tốc độ động không đồng tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp 2. f = p On T4 trạng thái Off Ngược lại, T3 trạng thái Off T4 trạng thái On vB1 T1 vB3 T3 vB4 T4 VS Tải vB2 T2 (1) Với:  : Tốc độ quay động cơ; f : tần số (Hz); p : số cặp cực Nhóm nghiên cứu nhận thấy, phương pháp phù hợp biến đổi tần số Variable Frequency Drive (VFD) VFD khơng có khả thay đổi tốc độ động mà giúp giảm lượng tiêu thụ hệ thống động vận hành Cùng với tiến công nghệ điều khiển xoay chiều, VFD có khả thay đổi tốc độ mượt mà hơn, điều khiển động tốt hơn, tổn thất lượng [11] Trong phương pháp VFD, phương pháp nhóm nghiên cứu sử dụng báo phương pháp điều chế độ rộng xung Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) 2.2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM Điều chế độ rộng xung sin trình thay đổi độ rộng xung chuỗi xung Độ rộng tỉ lệ thuận Hình Sơ đồ mạch điều rộng xung pha sử dụng IGBT Bộ so sánh A vin (t ) vB1 vB2 vx (t ) vin  vx On Off vin  vx Off On Bộ so sánh B vB3 vB4 v y (t ) vin  v y Off On vin  v y On Off vB1 (t ) vB2 (t ) vB3 (t ) vB4 (t ) Hình Bộ so sánh dùng điều khiển On – Off cho IGBT Trong trường hợp nghịch lưu ba pha Hình 4, ba sóng điều khiển ba pha phải tạo lệch pha ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 4.1, 2021 phần ba chu kỳ 49 vv vận tốc xe; vwind vận tốc gió • Fhc lực cản trọng lực tạo xe lên dốc: T1 Fhc = M v g.sin( ) T5 T3 VS • Fac lực quán tính Có phương trình: a b c T2 T4 Fac = M v a a : gia tốc xe Theo định luật Newton chuyển động Ta xác định phương trình mơ tả gia tốc xe di chuyển sau: T6 a= Hình Bộ nghịch lưu ba pha sử dụng IGBT Ft Bảng Các thông số động học xe V Thông số  Fad h Frr Mv Frr  s g co hd r Khối lượng xe (kg) 1500 Hệ số lực cản khơng khí 0.25 Hệ số lực cản lăn 0.01 Gia tốc trọng trường ( m/s ) Phương trình mơ tả chuyển động xe điện biểu diễn sau [6]: (2) Trong đó: • Frr lực cản lăn tạo ma sát lốp xe tiếp xúc với bề mặt đường trình lăn bánh Lực cản lăn xác định phương trình: Frr = Crr M v g.cos( ) (3) Crr : Hệ số ma sát lăn lốp xe; g : gia tốc trọng trường ( m / s );  : Góc nghiêng tạo mặt đường mặt phẳng ngang; M v : khối lượng xe • Fad lực cản khơng khí Giá trị lực phụ thuộc vào cấu trúc phía trước xe xác định phương trình:  a mật độ khơng khí; cad hệ số cản khí động học; Af đặc trưng cho cấu trúc phía trước xe; 9.81 3.2 Địa hình quãng đường di chuyển Quãng đường di chuyển xe mơ tả Hình 6: Hình Các lực tác động lên xe di chuyển Fad = a cad Af (vv + vwind )2 0.25 L Ft = Frr + Fad + Fhc + Fac Giá trị Bán kính bánh xe (m) hd f Mvg (5) Nhóm tác giả sử dụng phương trình (5) để xây dựng mơ hình mơ hệ thống đường Simulink Để thực tính tốn mơ tổng lực kéo, nhóm nghiên cứu sử dụng thông số động học ô tô điện Bảng từ [12] Từ xác định thơng số động điện lắp xe Xây dựng mơ hình động học xe 3.1 Đặc tính động học xe sin M vg Ft − ( Frr + Fad + Fhc ) Mv (4) S = 50 m v = 14 km / h 18.54o S = 100 m v = 62 km / h S = 50 m v = 14 km / h S = 100 m v = 62 km / h S = 100 m v = 62 km / h Hình Địa hình qng đường khảo sát Với mục đích khảo sát đáp ứng hệ thống truyền động với địa hình đường thực tế Nhóm nghiên cứu mơ hình hóa địa hình qng đường di chuyển xe sau: • Đoạn 1: Xe chuyển động Giả sử, đường phẳng, xe chuyển động tay số vmax = 62 km/h, quãng đường di chuyển S = 100 m Ta tìm thời gian xe di chuyển hết quãng đường là: t1 = 5,8 (s) • Đoạn 2: Xe chuyển động chậm dần (leo dốc) Giả sử xe leo dốc góc dốc lớn cho phép, xe tay số 1, vận tốc lớn tay số v max = 14 km/h, quãng đường di chuyển S= 50 m Ta tìm thời gian di chuyển hết quãng đường là: t2 = 25,7 (s) • Đoạn 3: Xe chuyển động đều: t3 = 5,8 (s) • Đoạn 4: Xe chuyển động chậm dần (leo dốc): t4 = 25,7 (s) • Đoạn 5: Xe chuyển động đều: t5 = 5,8 (s) Phạm Quốc Thái, Huỳnh Đức Trí 50 Mơ hệ thống truyền động điện ô tô điện chỗ ngồi 4.1 Mô điều khiển động Mơ hình Matlab Simulink tín hiệu điều khiển nghịch lưu xây dựng Hình Trong nguồn đưa vào biến tần biểu diễn dạng nguồn chiều lý tưởng, thơng qua việc điều khiển thứ tự kích xung đưa vào van IGBT Hình Sơ đồ Simulink tín hiệu điều khiển nghịch lưu Bộ nghịch lưu điều khiển sáu IGBT dựa phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM Nguyên tắc điều chế dựa việc so sánh sóng điều khiển sóng mang 4.2 Mơ đặc tính qng đường di chuyển xe Mơ hình Simulink thực Hình Hình Sơ đồ Simulink mô hệ truyền động xe ô tô điện chỗ ngồi Kết mô bàn luận Sau chạy mô phỏng, ta có kết sau: Hình 10 Đặc tính tốc độ động Theo Hình 11 13 ta thấy, xe khởi động khoảng 0,025 giây, tốc độ động giảm mạnh đồng thời mô men động tăng mạnh nhằm thắng mô men quán tính xe ban đầu Ở giai đoạn chuyển tiếp từ đường qua đường dốc, tốc độ mơ men động có chút dao động sau ổn định để đáp ứng nhu cầu từ xe Hình Sơ đồ Simulink đặc tính đường xe Đặc tính quãng đường di chuyển xe xác định theo phương trình (2) Với việc xác định giá trị lực thành phần đầu vào, mô men tải đặt lên động đầu 4.3 Mô hệ thống truyền động điện ô tô Sơ đồ Simulink mô hệ truyền động xây dựng Hình Trong đó, bao gồm khối nghịch lưu, tín hiệu điều khiển nghịch lưu, đặc tính quãng đường di chuyển, động khơng đồng ba pha Hình 11 Đặc tính tốc độ động phóng đại ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 4.1, 2021 51 Khi khởi động, giá trị mô men động vị trí cao để thắng mơ men cản qn tính, mơ men tỉ lệ thuận với cường độ dịng điện nên Hình 16, 17, 18 19 cường độ dòng điện mang giá trị cao tương ứng Điều phù hợp nguyên lý chứng tỏ đáp ứng tốt động điện Hình 12 Đặc tính mơ men động Hình 16 Cường độ dòng điện vào stator khởi động Hình 13 Đặc tính mơ men động phóng đại Theo Hình 14 ta thấy, góc dốc cực đại mà xe leo 18 54 Để đa dạng hóa mơ hình, nhóm thiết lập cho xe chạy qua tuyến đường dốc ( 18 54 ) dài toàn 100 m tuyến đường dài toàn 300 m Đồng thời theo Hình 15 mơ men thay đổi tương ứng theo đoạn đường Hình 14 Đồ thị di chuyển xe theo góc dốc Hình 15 Đồ thị mơ men xe theo góc dốc Hình 17 Cường độ dòng điện stator khởi động pha A Hình 18 Cường độ dịng điện stator khởi động pha B Hình 19 Cường độ dịng điện stator khởi động pha C Phạm Quốc Thái, Huỳnh Đức Trí 52 việc khảo sát lượng, đặc tính hệ thống truyền động tô điện Kết mô cho thấy, hệ thống truyền động vận hành xác, ổn định hiệu quả, có tính động lực học tốt Bài báo nêu bật thành phần hệ thống, với phương pháp điều khiển SPWM áp dụng phù hợp động không đồng Nghiên cứu làm sở để phát triển mơ hình hệ thống truyền động thực tế ô tô điện với hiệu suất cao Từ đó, thúc đẩy phát triển phương tiện giao thông cá nhân thân thiện với môi trường người Hình 20 Cường độ dịng điện stator 40 giây đầu (xe di chuyển từ đoạn đến đoạn quãng đường) Hình 21 Cường độ dòng điện rotor 40 giây đầu (xe di chuyển từ đoạn đến đoạn quãng đường) Hình 20 21 cho thấy, dịng điện tiêu thụ động thay đổi theo địa hình quãng đường di chuyển tương ứng xe Tại thời điểm 5,8 giây, xe bắt đầu lên dốc Do đó, cường độ dòng điện động tăng để đáp ứng thay đổi tải Kết mô thu phù hợp với lý thuyết Kết luận hướng phát triển Trong báo này, ô tô điện chỗ ngồi đối tượng nghiên cứu phù hợp với xu hướng giao thông đô thị tương lai Mơ hình hóa mơ Matlab/ Simulink chứng minh phương pháp hiệu Lời cám ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đề tài có mã số T2020-02-04 Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng đề tài có mã số B2019-DN02-60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Global Warming 101: Costs, William Yeatman; 2009 [2] www.epa.gov/climatechange/emissions/downloads09/GHG2007ES-508.pdf [3] B K Powell, K E Bailey and S R Cikanek, "Dynamic modeling and control of hybrid electric vehicle powertrain systems", IEEE Control Systems Magazine, 1998, vol 18, no 5, pp 1733 [4] M Genỗ, B Budak and N Kaya, "Modelling and Vibration Analysis of Powertrain System", International Journal of Automotive Science and Technology, 2018, vol 2, no 1, pp 17—25 [5] S D Farrall and R P Jones, "Energy management in an automotive electric/heat engine hybrid powertrain using fuzzy decision making", Proceedings of 8th IEEE International Symposium on Intelligent Control, Chicago, IL, USA, 1993, pp 463—468 [6] F Perez-Pinal, I Cervantes, and A Emadi, “Stability of an electric differential for traction applications”, Vehicular Technology, IEEE Transactions, 2009, vol 58, no 7, pp 3224–3233 [7] M Schael, P Spichartz, and C Sourkounis, “Comparison of powertrain concepts for electric vehicles using distributed induction motors”, Power Electronics Intelligent Motion Power Quality, Nuremberg, Germany, 2014 [8] P Spichartz, M Schael, B Ni, A Broy, and C Sourkounis, “Fleet test of electric vehicles regarding their suitability for daily use”, Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 2012, pp 1396–1400 [9] Mohd, T.A.T., Hassan, M.K., and A Aziz, W.M.K, “Mathematical modeling and simulation of an electric vehicle”, Journal of Mechanical Engineering and Sciences, 2015, pp 1312—1321 [10] N Hashemnia and B Asaei, "Comparative study of using different electric motors in the electric vehicles", 18th International Conference on Electrical Machines, Vilamoura, Portugal, 2008, pp 1—5 [11] Ibrahim M Alsofyani, N.R.N Idris, “A review on sensorless techniques for sustainable reliablity and efficient variable frequency drives of induction motors”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, vol 24, pp 111—121 [12] S.M.E Fadul, I.B Aris, N Misron, I.A Halin, A.K.M Iqbal, “Modelling and Simulation of Powertrain System for Electric Car”, J Soc Automot Eng, 2018, vol 2, no 1, pp 23–34  ... chuyển xe Mơ hình Simulink thực Hình Hình Sơ đồ Simulink mô hệ truyền động xe ô tô điện chỗ ngồi Kết mô bàn luận Sau chạy mô phỏng, ta có kết sau: Hình 10 Đặc tính tốc độ động Theo Hình 11 13 ta... xác định giá trị lực thành phần đầu vào, mô men tải đặt lên động đầu 4.3 Mô hệ thống truyền động điện ô tô Sơ đồ Simulink mô hệ truyền động xây dựng Hình Trong đó, bao gồm khối nghịch lưu, tín... cho nghiên cứu trình bày Hình 2.2 Mơ hình hóa mô điều khiển động 2.2.1 Động không đồng pha ô tô điện chỗ ngồi Động không đồng pha lựa chọn phù hợp cho ứng dụng ô tơ điện Vì tính ổn định, cơng