Mô hình hóa và mô phỏng xe điện sử dụng matlab simulink

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG XE ĐIỆN SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK MÃ SỐ: SV2022-152 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN TRƯỜNG SANG SKC 0 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG XE ĐIỆN SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK SV2022-152 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật SV thực hiện: Nguyễn Trường Sang Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 18145CL1B, Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Ơ Tơ Người hướng dẫn: Thạc sĩ Nguyễn Trung Hiếu TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022 ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC VIẾT TẮT .vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Hướng nghiên cứu ý nghĩa đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu lịch sử xe điện sử dụng xe lai điện .3 2.2 Phân loại xe điện 12 2.2.1 Xe điện hybrid - HEV 12 2.2.2 Xe điện Plug-in hybrid - PHEV 13 2.2.3 Xe điện chạy pin toàn hệ thống – BEV 14 2.2.4 Một số loại ô tô điện cá nhân khác 15 2.3 Cấu trúc truyền động xe điện 15 2.4 Các thành phần khác xe điện 16 2.4.1 Pin-Ắc quy 16 2.4.2 Động điện 21 2.4.3 Hệ thống phanh tái sinh 24 CHƯƠNG 3: SƠ LƯỢC VỀ MATLAB/SIMULINK 32 3.1 Chức phạm vi sử dụng 32 3.2 Ứng dụng Matlab/Simulink 34 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG XE ĐIỆN 36 4.1 Mô Explore The Electric Vehicle Reference Application (BEV) 36 4.1.1 Mơ hình tổng thể 36 4.1.2 Mơ mơ hình xe điện 37 4.1.3 Mơ hình hóa phận xe điện 37 4.2 Kết mô theo model mẫu 76 4.3 Mô xe Tesla Model năm 2020 phiên Standard (RWD) 79 iii CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 5.1 Kết luận 82 5.2 Hướng phát triển 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 iv LỜI CẢM ƠN Được phân công Khoa Đào tạo Chất lượng cao trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với đồng ý thầy giáo hướng dẫn ThS Nguyễn Trung Hiếu, nhóm chúng em thực nghiên cứu khoa học với đề tài “Mơ hình hóa mơ xe điện sử dụng Matlab/Simulink” Nhóm em xin chân thành cảm ơn Thầy tận tình hướng dẫn, giảng dạy chúng em suốt trình học tập, thực hành, nghiên cứu rèn luyện trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt nhóm em xin chân thành cảm ơn đến Thầy Nguyễn Trung Hiếu tận tình hướng dẫn chúng em để hoàn thiện đề tài Trong trình làm đề tài, hạn chế kinh nghiệm trình độ chun mơn, thời gian thực có hạn nên sai sót khơng thể tránh khỏi nên nhóm mong nhận đóng góp ý kiến quý Thầy bạn Sau cùng, nhóm chúng em xin kính chúc q Thầy dồi sức khoẻ, giữ vững niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh trồng người truyền đạt tri thức cho hệ trẻ mai sau Tp.HCM, tháng 20 năm 2022 Nhóm thực đề tài Nguyễn Trường Sang-Nguyễn Phú Toàn-Nguyễn Minh Tuấn v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các giai đoạn phát triển xe điện [2] ……………………………3 Bảng 2.2: Các mốc thời gian quan trọng [3] …………………………………………9 Bảng 2.3: Bảng so sánh loại ắc quy sử dụng cho xe EV HEV [4] ……………18 Bảng 4.1: Giải thích lựa chọn điều khiển …………………….……… ……40 Bảng 4.2: Giải thích lựa chọn chuyển số ………………………………………41 Bảng 4.3: Các biến thể khối Longitudinal Driver [16] …………………………42 Bảng 4.4: Giải thích loại phanh……………………………………………… 50 Bảng 4.5: Giải thích loại cơng suất……….……………….…….…………… 63 Bảng 4.6: Thông số xe theo model mẫu……….…….…………………….……… 76 Bảng 4.7: Thông số xe Tesla Model năm 2020….………………….……….……79 vi DANH MỤC VIẾT TẮT BEV: Battery Electric Vehicle BLDC: Brushless DC Motor CVT: Continuously Variable Transmission DOD: Depth of Discharge EV: Electric Vehicle HEV: Hybrid Electric Vehicle HIL: Hardware In-Loop NEDC: New European Driving Cycle PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle SOC: State of Charge WLTP: Worldwide Harmonised Light Vehicle Test vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Xe TOYOTA PRIUS….…………………….………………………… 13 Hình 2.2: Xe MITSUBISHI OUTLANDER………………….……….………… 14 Hình 2.3: Xe TESLA MODEL 3……….…….…………….………………………14 Hình 2.4: Hệ thống truyền lực xe điện………………….……….……….……… 16 Hình 2.5: Động khơng chổi than Honda Civic Hybrid….………… …… 21 Hình 2.6: Động điện xoay chiều cảm ứng Toyota Prius….……….…….… 23 Hình 2.7: Đồ thị moment xoắn motor theo độ trượt ứng với giá trị điện áp tải khác nhau[6]…………………………………………………… ……………………… 23 Hình 2.8: Động điện tích hợp bánh xe…….…………….………….…… 24 Hình 2.9: Vận tốc quãng đường xuống dốc dùng phanh tái sinh [7] ……… 25 Hình 2.10: Cấu tạo phanh đĩa……………………….………….……………… 25 Hình 2.11: Đường đặt tính mơ-men cơng suất động điện pha có chổi than………………………….…………………………………………………… 27 Hình 2.12: Quan hệ KV vận tốc xe; Quan hệ hệ số KSOC % SOC 27 Hình 2.13: Hệ thống tích trữ lượng phanh thủy lực [11] …………… 29 Hình 2.14: Hệ thống tích trữ lượng bánh đà [12] ……………………… 30 Hình 2.15: Hệ thống tích trữ lượng phanh lị xo cuộn [13] …………31 Hình 2.16: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh siêu tụ [14] ………………………… 32 Hình 3.1: Giao diện Matlab…………………………………………… 34 Hình 3.2: Giao diện Simulink………….…….……………….………… 34 Hình 3.3: Một số ví dụ Matlab/Simulink xe điện, xe lai.…… … ……… 35 Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể mơ hình xe điện [9] … ………….………….………… 36 Hình 4.2: Mơ hình Battery EV tham khảo Simulink [9] ……………………… 37 Hình 4.3: Chu trình tiêu chuẩn FTP – 75 [10] ……………………………………….38 Hình 4.4: Khối Drive Cycle Source……………………………………………… 38 Hình 4.5: Thuật tốn khối mơi trường… ………………….…………………… 38 Hình 4.6: Khối mơi trường………………………… ………….………………… 39 Hình 4.7: Thuật tốn khối người điều khiển………………… ………………… 39 Hình 4.8: Lựa chọn điều khiển…………………………………………….… 40 Hình 4.9: Lựa chọn chuyển số………………… ……………………………… 41 Hình 4.10: Thuật tốn khối Passenger Car………… …………………… 45 Hình 4.11: Thuật tốn khối Drivetrain……………………………………….… 46 Hình 4.12: Khối Rotational Inertia…………………………………………… … 46 Hình 4.13: Các thơng số mơ khối Rotational Inertia………… …… 47 viii Hình 4.14: Khối Driveshaft Compliance………………………………….…… 47 Hình 4.15: Các thơng số mơ khối Driveshaft Compliance…… …… 48 Hình 4.16: Hệ thống liệu bánh trước…………………….…….………….… 49 Hình 4.17: Hệ thống liệu bánh sau………………………………………… 49 Hình 4.18: Cơ cấu thành phần hệ thống phanh đĩa……………………… 51 Hình 4.19: Thuật tốn khối Differential and Compliance……………………… 53 Hình 4.20: Các thành phần Vi sai……………………………………… 54 Hình 4.21: Thuật tốn khối Vehicle…………………………………………… 55 Hình 4.22: Thơng tin khối Vehicle Body DOF Longitudinal…….…….…….… 56 Hình 4.23: Phân tích lực tác dụng lên xe……………………….……………… 57 Hình 4.24: Các khối Electric Plant Subsystem……………………….….… 60 Hình 4.25: Khối Mapped Motor…………………………………………… ….….60 Hình 4.26: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ mô-men xoắn tốc độ……….… 61 Hình 4.27: Thuật tốn Controller Subsystem……………………………… ….….64 Hình 4.28: Thuật tốn điều khiển hệ thống truyền lực……………………….……65 Hình 4.29: Thuật tốn điều khiển hệ thống phanh tái sinh…………………….… 65 Hình 4.30: Thuật tốn điều khiển khối phân chia mơ-men quản lý cơng suất….66 Hình 4.31: Thuật tốn quản lý cơng suất…………………………………… ……66 Hình 4.32: Thuật tốn ước tính cơng suất tiêu thụ………………………………….67 Hình 4.33: Thuật tốn kiểm tra giới hạn cơng suất………………………… …….67 Hình 4.34: Thuật tốn giới hạn mơ-men……………………………………… ….67 Hình 4.35: Thuật tốn điều khiển bàn đạp ga……………………………… …… 68 Hình 4.36: Thuật tốn xử lý bàn đạp phanh………………………………… ……68 Hình 4.37: Thuật tốn tính tốn giới hạn cơng suất……………….…….….………68 Hình 4.38: Charger Contactor State…………………………… …….………… 69 Hình 4.39: Inverter Contactor State…………………….……….…….………… 69 Hình 4.40: Fault Monitoring……………………………………….…….…… .…70 Hình 4.41: Sự chênh lệch pin chì-axit lithium……….…….…….…………72 Hình 4.42: Thuật tốn tính tốn thơng số SOC………….…….…….…………… 73 Hình 4.43: Thuật tốn Kalman Filter……………………….………….………… 73 Hình 4.44: Thuật tốn State Transition Function…………….….………….…… 74 Hình 4.45: Thuật tốn Measurement Function……………….…………….…… 74 Hình 4.46: Qui trình cân pin…………………………… …………….…… 75 Hình 4.47: Thuật tốn cân pin……………………………….… ……………75 Hình 4.48: Thuật tốn khối Visuallization……………………… ……………….76 Hình 4.49: Đồ thị tốc độ xe……………………………………… ……………….77 ix Hình 4.50: Đồ thị tốc độ động cơ………………………………… ………………77 Hình 4.51: Đồ thị mơ-men xoắn động cơ………………………… …………… 78 Hình 4.52: Đồ thị trạng thái sạc SOC……………………………… ……………78 Hình 4.53: Đồ thị dịng điện pin…………………………………… …………….78 Hình 4.54: Đồ thị mức tiêu thụ lượng……………………… ………………78 Hình 4.55: Đồ thị tốc độ xe thực nghiệm Tesla Model 3………………… …79 Hình 4.56: Đồ thị tốc độ động thực nghiệm Tesla Model 3…………………80 Hình 4.57: Đồ thị mơ-men xoắn động thực nghiệm Tesla Model 3…….…80 Hình 4.58: Đồ thị trạng thái sạc SOC thực nghiệm Tesla Model 3……………80 Hình 4.59: Đồ thị dịng điện pin thực nghiệm Tesla Model 3…………….… 81 Hình 4.60: Đồ thị mức tiêu thụ lượng thực nghiệm Tesla Model 3………81 x - Hệ thống cao áp có tải điện dung lớn tiếp xúc với dịng điện cao q trình bật ban đầu Dịng điện này, khơng bị giới hạn, gây căng thẳng đáng kể làm hỏng thành phần hệ thống Trong hệ thống khác, chẳng hạn ứng dụng xe, tính phí trước xảy với lần sử dụng hệ thống, nhiều lần ngày Sạc trước thực để - tăng tuổi thọ linh kiện điện tử tăng độ tin cậy hệ thống điện áp cao Hệ thống trạng thái đại diện cho việc kiểm tra trước sạc bao gồm hệ thống xử lý lỗi Việc kiểm tra thực trước sạc kết nối sạc tháo mạch chuyển đổi nguồn kết nối ngắt kết nối tải Hình 4.40: Fault Monitoring - Hệ thống quản lý pin cung cấp giám sát kiểm soát cần thiết để bảo vệ vi mạch khỏi điều kiện môi trường hoạt động không cho phép Điều đặc biệt quan trọng ứng dụng ô tô mơi trường làm việc khắc nghiệt Cũng bảo vệ vi mạch riêng lẻ, hệ thống ô tô phải thiết kế để ứng phó với điều kiện lỗi bên ngồi cách lập pin - giải nguyên nhân gây lỗi Ví dụ, bật quạt làm mát pin nóng Nếu q nhiệt trở nên q mức ngắt kết nối pin 70 - Hệ thống giám sát lỗi liên tục theo dõi thông số nhiệt độ, điện áp dòng điện - Hệ thống giám sát kiểm tra dòng điện rút đưa vào bên pin thời lượng dòng điện cực đại tăng lên thời lượng thời gian yêu cầu cao điểm nhiều so với lỗi tạo pin đưa vào trạng thái lỗi - Tương tự, điện áp nhiệt độ liên tục so sánh với giới hạn tối đa tối thiểu, lỗi tạo vượt qua giới hạn  SOC Estimation: thuật toán dùng phương pháp đếm Coulomb (Coulomb Counting) để tính tốn trạng thái sạc SOC lọc Kalman (Kalman Filter) để lọc nhiễu - SOC số nằm (0