TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Xe điện VinFast VF e34 đã trở nên phổ biến trên đường phố Việt Nam, đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên xe điện Thời điểm hiện tại là thời kỳ giao thoa giữa xe động cơ đốt trong truyền thống và xe điện Sự kết hợp ưu điểm của cả hai loại xe đã dẫn đến thành công của dòng xe Hybrid, đặc biệt là Toyota Corolla Cross 1.8HV, hiện đang lưu thông rộng rãi tại Việt Nam.
Với mật độ giao thông đông đúc và tình trạng đường xá phức tạp, xe hybrid là giải pháp lý tưởng cho việc di chuyển liên tục và xa hơn so với xe thuần điện Trong bối cảnh kẹt xe thường xuyên, động cơ điện của xe hybrid cho phép di chuyển mà không phát thải, trong khi động cơ đốt trong cung cấp năng lượng bổ sung khi cần thiết, giúp người lái yên tâm hơn trong hành trình dài.
Nhóm nghiên cứu đã chọn xe Hybrid làm đề tài để học tập và áp dụng kiến thức, nhằm quản lý hiệu quả cả động cơ điện và động cơ đốt trong Đề tài nghiên cứu được xác định là “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xe E-REV (Extended Range Electric Vehicle)” sử dụng động cơ Wave.
RSX FI-AT đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp công suất cho máy phát điện, giúp nạp điện cho ắc quy cao áp của xe Hybrid Đề tài này sẽ là cơ sở để nhóm nghiên cứu sâu về hệ thống điều khiển tự động trên các mẫu xe Hybrid thông minh hiện nay.
Mục đích nghiên cứu
Điều khiển động cơ đốt trong tự động phát ra công suất phù hợp để kéo máy phát điện, nạp điện cho ắc quy cao áp trên mô hình xe hybrid kiểu nối tiếp Trong quá trình nạp điện, việc cân bằng các khối pin trong ắc quy cao áp cũng được thực hiện Cuối cùng, tất cả thông tin của xe E-REV được tương tác và hiển thị đầy đủ trên màn hình cảm ứng Nextion.
Mục tiêu đề tài
- Hiểu được chiến thuật điều khiển xe E - REV
- Lập trình điều khiển bật tắt động cơ đốt trong theo mức SOC của ắc quy cao áp dựa theo mô phỏng MATLAB
- Sử dụng thuật toán PID điều khiển công suất động cơ đốt trong phát ra đưa vào máy phát để kiểm soát điện áp nạp
- Thiết kế phần cứng để tiếp nhận các tín hiệu cảm biến vào Arduino, từ đó xuất các tín hiệu điều khiển các bộ phận chấp hành
- Thiết kế, chế tạo hệ thống nạp và cân bằng phù hợp với ắc quy cao áp
- Hiển thị dữ liệu và tương tác trên màn hình cảm ứng Nextion 7 inches.
Đối tượng nghiên cứu
- Ứng dụng phần mềm MATLAB mô phỏng các chiến thuật phù hợp
- Ứng dụng phần mềm lập trình nhúng Arduino thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển động cơ và các bộ phận chấp hành
- Ứng dụng phần mềm Nextion thiết kế giao diện hiển thị thông tin và tương tác giữa người dùng và xe E – REV qua màn hình cảm ứng
- Thiết kế, chế tạo hộp điều khiển trung tâm
- Thiết kế, chế tạo mạch nạp và cân bằng cho ắc quy cao áp phù hợp với mô hình xe E - REV.
Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để có cơ sở kiến thức cho đề tài:
Nghiên cứu và ứng dụng ba phần mềm Arduino, MATLAB và Nextion Editor là bước đầu tiên trong quá trình phát triển Mục tiêu chính của đề tài là điều khiển bướm, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và khả năng tương tác của hệ thống.
3 ga điện tử, bật tắt động cơ, kích hoạt mạch cân bằng một cách tự động và cuối cùng là hiển thị thông tin của xe
Để thực hiện đề tài, tôi đã tham khảo nhiều nguồn tài liệu liên quan từ lý thuyết đến thi công phần cứng Đặc biệt, tôi nhận được sự hướng dẫn tận tình từ thầy hướng dẫn và đã có những trao đổi kiến thức bổ ích với các nhóm khác cũng như anh chị khóa trước.
Nội dung nghiên cứu
Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu, phần mềm liên quan đến đề tài
- Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến
- Hiểu rõ các tín hiệu cảm biến và thông số kỹ thuật động cơ Honda Wave RSX AT-FI
- Tìm hiểu về ắc quy cao áp và động cơ điện BLDC
- Lập trình Arduino thu thập và xử lí các tín hiệu đều khiển cơ cấu chấp hành trên xe
- Mô phỏng MATLAB về tình trạng nạp theo mức SOC
- Thiết kế giao diện hiển thị trên màn hình cảm ứng thông qua phần mềm Nextion Editor cho phép người dùng tương tác với hệ thống
Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, tinh chỉnh phần mềm phù hợp với kết quả mô phỏng của đề tài
- Thiết kế và thi công bộ truyền động bánh răng để điều khiển bướm ga dựa trên mục đích áp dụng thuật toán PID
- Thiết kế và thi công mạch thu nhận tín hiệu các cảm biến cho Arduino để làm hộp điều khiển trung tâm
- Thiết kế phần cứng là hệ thống nạp và cân bằng pin
- Hiển thị các thông tin lên màn hình Nextion dựa trên dữ liệu trong Arduino
- Thiết kế các module tương tác màn hình và hệ thống
Giai đoạn 3: Tiến hành chạy thực nghiệm xe và viết thuyết minh
- Chạy thực nghiệm xe nhiều lần để kiểm chứng độ hiệu quả, chính xác và ổn định
- Làm video về quá trình thực nghiệm
- Viết thuyết minh bằng Word
- Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô hình Extended-range electric vehicle
Xe điện mở rộng phạm vi (E-REV) là loại phương tiện sử dụng động cơ điện hoàn toàn, kết hợp với một động cơ đốt trong nhỏ (ICE) để sản xuất điện bổ sung Phương tiện này có thể được coi là xe hybrid nối tiếp với ắc quy cao áp lớn, thường từ 10-20 kWh.
Hình 2.1 Mô hình ô tô xe E - REV
Khi ắc quy cao áp đạt đến mức xả nhất định, động cơ đốt trong (ICE) sẽ khởi động để vận hành máy phát, cung cấp năng lượng cho động cơ điện hoặc sạc lại cho ắc quy cao áp.
Với chiến thuật điều khiển E-REV, giới hạn phạm vi của xe điện thuần (BEV) có thể được khắc phục hiệu quả Trong khoảng cách vừa phải, E-REV hoạt động hoàn toàn bằng điện, tiết kiệm năng lượng tương tự như BEV, khác với các loại hybrid khác có ắc quy nhỏ và hạn chế về điện Khi di chuyển xa hơn, E-REV sử dụng động cơ đốt trong (ICE) để duy trì sạc cho pin, nhưng tiêu thụ nhiên liệu ít hơn nhiều so với xe động cơ đốt trong thông thường (ICEV) nhờ vào hai lý do chính.
Động cơ của E-REV có kích thước nhỏ hơn nhiều so với động cơ xe hơi truyền thống (ICEV) vì nó chỉ cần đáp ứng nhu cầu năng lượng trung bình, trong khi công suất tối đa được cung cấp bởi ắc quy cao áp Ngược lại, động cơ ICEV phải xử lý các đợt tăng công suất cực đại, chẳng hạn như trong các tình huống tăng tốc.
Động cơ E-REV hoạt động với tốc độ ổn định và đạt hiệu suất cao, trong khi động cơ ICEV có hiệu quả thấp dù hoạt động ở tốc độ thấp hay cao.
Các chế độ khác nhau của hoạt động E - REV được hiển thị sơ đồ trong
Chiếc xe bắt đầu hành trình với pin SOC gần 100%, hoạt động hoàn toàn bằng động cơ điện và không phát thải khí Quá trình tái sinh năng lượng từ phanh giúp sạc lại một phần pin Khi pin giảm xuống mức SOC đã định sẵn, xe chuyển sang chế độ extended-range, kích hoạt động cơ đốt trong (ICE) để duy trì mức SOC Sau khi hoàn tất hành trình, pin được sạc đầy 100% từ lưới điện.
Hình 2.2 Biểu đồ trạng thái sạc của xe E - REV
Động cơ đốt trong hoạt động hiệu quả hơn khi không tải, giúp giảm ô nhiễm môi trường Nó cho phép chọn chế độ hoạt động tối ưu phù hợp với từng loại ô tô Ngoài ra, động cơ nhiệt chỉ hoạt động khi xe di chuyển quãng đường dài hơn mức quy định cho ắc quy, và sơ đồ này có thể loại bỏ sự cần thiết của hộp số.
Một trong những nhược điểm của hệ thống này là kích thước và dung tích của ắc quy lớn, điều này khiến động cơ đốt trong phải hoạt động liên tục ở chế độ nặng để cung cấp năng lượng cho ắc quy Hệ quả là động cơ dễ bị quá tải, dẫn đến giảm tuổi thọ của thiết bị.
2.1.2 Nguồn năng lượng sử dụng trên xe điện
2.1.2.1 Ắc quy chì – axit Ắc quy chì – axit là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém ( khoảng 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn ), nạp chậm và khó tái chế Hơn nữa, chì là một chất có hại đối với sức khỏe, nên sau khi hết thời hạn sử dụng không được thu gom và
Nếu không được tái chế đúng cách, ắc quy chì có thể gây ra thảm họa môi trường Mặc dù ắc quy chì - axit có nhiều nhược điểm, nhưng vẫn chiếm đến 79% thị phần ắc quy vào năm 2008.
Hình 2.3 Ắc quy chì - axit 2.1.2.2 Pin Nicken hidrua kim loại (NiMH)
Pin NiMH vẫn là lựa chọn phổ biến cho ô tô điện và hybrid, đặc biệt là các mẫu xe đời cũ như Toyota Prius và Honda Insight thế hệ đầu tiên Mặc dù không còn phổ biến như pin Li-ion, pin NiMH vẫn được sử dụng trên một số mẫu xe hiện nay, bao gồm cả Toyota Prius phiên bản 2022.
Dưới đây là những ưu và nhược điểm của pin NiHM:
Công nghệ pin NiMH có tác động môi trường thấp hơn so với pin NiCd, nhờ vào khả năng tái chế dễ dàng của hầu hết niken trong loại pin này.
• Điều kiện thời tiết: Pin NiHM có thể chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt từ mùa đông đóng băng đến mùa hè nóng bức
Mật độ năng lượng của pin NiMH thấp hơn khoảng 40% so với pin Lithium-ion, dẫn đến việc pin NiMH có kích thước và trọng lượng lớn hơn pin Lithium-ion có cùng công suất.
Pin NiHM có tốc độ nạp và xả chậm hơn so với pin Lithium-ion, dẫn đến việc chúng dễ bị nóng trong quá trình vận hành Do đó, cần thiết phải trang bị hệ thống làm mát riêng cho loại pin này.
Hình 2.4 Pin NiHM trên Toyota Prius
2.1.3 Phương pháp nạp ắc quy đẳng áp
Phương pháp nạp điện với điện áp không đổi yêu cầu ắc quy được kết nối song song với nguồn nạp Hiệu điện thế của nguồn nạp được duy trì trong khoảng (2,3 ÷ 2,5) V cho mỗi ngăn ắc quy đơn Đây là kỹ thuật nạp điện phổ biến cho ắc quy trong ô tô.
• Ưu điểm : Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm theo thời gian
Tính toán thiết kế xe EREV
2.2.1 Chọn thông số kỹ thuật cơ bản của xe E - REV
Dựa vào các thông số kỹ thuật của xe đã được thiết kế:
Bảng 2.1 Thông số thiết kế xe E - REV
Mục Thông số kỹ thuật
Số lượng chỗ ngồi 2 (chỗ)
Trọng lượng toàn bộ xe (M) 400 (kg)
Tốc độ tối đa (𝑣 𝑚𝑎𝑥 ) 50 (km/h)
Tỉ số truyền cực đại 10
Hệ số cản lăn (fr) 0.011
Hệ số cản gió (CD) 0,3
Hệ số truyền lực từ motor đến bánh xe chủ động (𝜂 𝑡 )
Mật độ không khí (𝜌 𝑎 ) 1,202 (kg/𝑚 3 )
Hệ số quán tính quay (𝛿) 1,05
2.2.2 Thiết kế công suất định mức của motor a Tính toán thiết kế công suất định mức của motor
Dựa vào vận tốc cực đại của xe là 𝑉 𝑚𝑎𝑥 = 45 km/h = 12,5 m/s
Ta chọn hệ số giữa tốc độ cực đại motor/ tốc độ cơ bản motor: x = 2
Vận tốc cơ bản của xe ta sẽ dựa vào hệ số cơ bản của motor:
2 = 6,25 𝑚/𝑠 Dựa vào thời gian tăng tốc của xe từ 0 đến 45 km/h là không quá 30s:
Dựa vào công suất thực tế của motor là 2 kW nên nhóm thực hiện chọn: Motor BLDC Motor BM1424HQF – 2200W60V b Thông số kỹ thuật Motor BLDC Motor BM1424HQF – 2200W60V
Bảng 2.2 Thông số chi tiết BLDC Motor BM1424HQF
Mô hình BLDC Motor BM1424HQF
Công suất định mức 2200 (W) Điện áp định mức 60 (V)
Tốc độ tối đa 4800 (RPM)
Mô men xoắn định mức 7,2 (N.m)
Dòng điện tiêu thụ không tải 6,5 (A)
Sử dụng Động cơ cho thuyền, xe hơi…
Hình 2.6 Motor BLDC BM1424HQF
2.2.3 Thiết kế công suất định mức của động cơ/máy phát a Tính toán thiết kế công suất định mức của động cơ/máy phát
Công suất của động cơ và máy phát trên xe kiểu E - REV chỉ đóng vai trò hỗ trợ trong giai đoạn mở rộng, vì vậy động cơ nhiệt chỉ cần hoạt động hiệu quả trong dải tốc độ tiết kiệm nhiên liệu, cụ thể là 40 km/h (11,1 m/s) với công suất 2,2 kW.
Động cơ nhiệt Honda RSX FI AT 110cc có công suất cực đại khoảng 6,28 kW tại 7500 RPM và moment cực đại đạt 8,65 Nm tại 5500 RPM, phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế.
Bảng 2.3 Thông số động cơ Wave RSX FI-AT
Mục Thông số kỹ thuật Động cơ Xăng, 4 kỳ, 1 xy lanh, làm mát bằng không khí Đường kính xy lanh và hành trình piston
Dung tích xy lanh 109,1(cm 3 )
Công suất tối đa 6.28/7500 (kW/RPM)
Moment xoắn cực đại 8,65/5500 (Nm/RPM)
Truyền động xuppap Hai xu páp, truyền động xích đơn
Trọng lương động cơ khô 27.3 (kg)
Hình 2.7 Động cơ nhiệt Honda Wave FI_AT
2.2.4 Thiết kế công suất định mức của ắc quy cao áp a Tính toán thiết kế công suất định mức ắc quy cao áp
Dựa vào cấu trúc cũng như tính năng của xe kiểu EREV, ta có:
Nhóm thực hiện đã sử dụng pin Toyota Prius (7,2V-6,5Ah) kết hợp lại để tạo thành ắc quy cao áp, cung cấp điện cho motor với công suất 2,61 kW.
15 theo nhiều dãy pin (mỗi dãy gồm 9 viên pin mắc theo kiểu nối tiếp) mắc song song Để đáp ứng 𝑃 𝑝𝑝𝑠 ≥ 2,61 𝑘𝑊:
Chọn n =2, số lượng viên pin ít nhất cần để mắc ắc quy cao áp là 18 viên Trong đó:
• 𝑃 𝑝𝑝𝑠 : Công suất nguồn điện lớn nhất (W)
• n : Số dãy pin mắc song song tạo thành ắc quy cao áp ( mỗi dãy gồm 9 viên mắc nối tiếp)
• 𝑈 1 : Điện áp danh nghĩa của mỗi dãy pin (𝑈 1 = 7,2 ∗ 9 = 64,8 𝑉)
Cường độ dòng điện của mỗi dãy pin là 6,5 A Hệ thống ắc quy cao áp được thực hiện với 28 viên pin, chia thành 3 khối pin Mỗi khối pin được quản lý bởi hệ thống quản lý ắc quy, trong đó có 2 dãy pin mắc song song, mỗi dãy gồm 3 viên pin mắc nối tiếp.
Hình 2.8 Sơ đồ lắp ráp khối pin trên xe E - REV
Theo ắc quy cao áp trên Hình 2.8 , ta có:
Thời gian thực tế sử dụng xe E - REV với nguồn điện từ ắc quy cao áp được tính theo công thức:
Công suất tiêu thụ của motor khi xe di chuyển ổn định ở tốc độ 10 km/h với đầy tải (2 người) là 600 W, với dòng điện tiêu thụ là 10 A và điện áp là 60 V.
• V : Hiệu điện thế của ắc quy cao áp
• Ah: Dung lượng của ắc quy cao áp
• T : Thời gian tiêu thụ điện của hệ thống
• pf : Hệ số năng suất của bộ kích điện (thường là 0,7 hoặc 0,8) b Thông số chi tiết của pin
Bảng 2.4 Đặc tính kỹ thuật Pin Niken của xe Toyota Prius Đặc tính kỹ thuật Điện áp 7.2 (Volt)
Hình 2.9 Pin Niken của xe Toyota Prius
Hệ thống quản lý ắc quy
2.3.1 Khái quát về hệ thống quản lý ắc quy
Trên các dòng xe điện và xe Hybrid hiện nay, việc quản lý nguồn điện từ ắc quy cao áp là rất quan trọng Để đảm bảo an toàn và tối ưu hiệu suất, cần có một hệ thống quản lý pin lưu trữ (Battery Management System) đi kèm Hệ thống này giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống cung cấp năng lượng trên các loại xe này.
Quản lý phần tử pin là rất quan trọng vì nó cung cấp điện năng cho toàn bộ hệ thống trên xe Các phần tử pin thường được kết hợp để tạo thành hệ thống nguồn lớn hơn, nhưng một phần tử hư hỏng có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Việc phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng giúp đảm bảo an toàn cho phương tiện và giảm thiểu thiệt hại Hơn nữa, do pin có thể chứa chất độc hại và nguy cơ cháy nổ, việc giám sát và quản lý chúng là cần thiết để giảm thiểu rủi ro.
Hệ thống quản lý ắc quy cao áp là một giải pháp điện tử tiên tiến, sử dụng công nghệ hiện đại để giám sát và tối ưu hóa hiệu suất của các phần tử pin, đảm bảo chúng luôn hoạt động hiệu quả và bền bỉ.
Hệ thống 18 vùng an toàn và cho phép đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính kinh tế, an toàn và độ tin cậy cho xe điện và xe hybrid.
Một số lợi ích của hệ thống quản lý ắc quy:
Quản lý và giám sát thường xuyên ắc quy giúp tăng tuổi thọ của nó bằng cách giảm thiểu các nguy cơ và sự cố trong hệ thống Việc này cho phép đánh giá chính xác tình trạng của hệ thống, từ đó ngăn ngừa hư hỏng và duy trì ắc quy ở trạng thái hoạt động tốt nhất.
• Tăng độ ổn định cho hệ thống: đảm bảo hệ thống nguồn luôn trong trạng thái sẵn sàng và hoạt động theo mong muốn
Việc giảm thiểu sự cố cháy nổ ắc quy không chỉ nâng cao tính an toàn cho người sử dụng mà còn bảo vệ các thiết bị xung quanh trên xe, từ đó đảm bảo an toàn tối đa cho cả hành khách và hệ thống khác.
Hình 2.10 Sơ đồ khối của hệ thống quản lí ắc quy cao áp
2.3.2 Một số chức năng cụ thể của hệ thống quản lý ắc quy
2.3.2.1 Quản lý các thông số tính toán trên hệ thống ắc quy
Hệ thống quản lý ắc quy sẽ bao gồm các mạch điện tử có chức năng đo và giám sát các thông số tính toán của ắc quy như:
Điện áp đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát các mức điện áp tối đa và tối thiểu cho phép của hệ thống ắc quy, giúp tính toán chính xác trạng thái nạp và độ sâu xả của hệ thống.
• Dòng điện: giám sát dòng điện nạp tối đa cho phép cũng như dòng điện xả tối đa cho phép của hệ thống ắc quy
• Năng lượng tiêu hao (kWh) ở lần xả gần nhất hoặc của một chu kỳ nạp ắc quy
• Trở kháng của ắc quy: nhằm phục vụ việc tính toán điện áp mạch hở của ắc quy
Giám sát nhiệt độ của từng ắc quy và nhiệt độ trung bình toàn hệ thống là rất quan trọng Hệ thống cũng có khả năng tính toán nhiệt độ đầu vào và đầu ra của dung dịch làm mát ắc quy, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
• Tính toán chu kỳ tuổi thọ, tình trạng sức khỏe của ắc quy (State of Health – SOH)
Hệ thống quản lý ắc quy liên tục đánh giá và đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của ắc quy trong suốt chu kỳ tuổi thọ của nó dựa trên các thông số kỹ thuật.
Hình 2.11 Một số chức năng của hệ thống quản lý ắc quy
2.3.2.2 Quản lý trạng thái nạp của ắc quy
Trạng thái nạp (State of charge - SOC) của ắc quy là chỉ số thể hiện mức dung lượng đã được nạp, được đo bằng phần trăm (%) 0% SOC cho biết ắc quy đã cạn kiệt năng lượng, trong khi 100% SOC cho thấy ắc quy đã được nạp đầy Trên các dòng xe điện và xe Hybrid, thông số SOC tương tự như mức xăng, dầu hiện tại của các xe sử dụng động cơ đốt trong.
Các mạch điện tử có khả năng tính toán các thông số như điện áp và dòng điện của ắc quy, từ đó xác định trạng thái nạp hiện tại Điều này cho phép thực hiện các điều chỉnh cần thiết để ắc quy hoạt động trong giới hạn cho phép Đối với xe hybrid, thông số 24 trạng thái nạp có thể được sử dụng để đánh giá mức năng lượng còn lại của hệ thống ắc quy, giúp quyết định thời điểm nạp lại bằng động cơ đốt trong.
Thông số trạng thái nạp của ắc quy trên các dòng xe không phản ánh chính xác mức năng lượng thực tế của ắc quy do lý do bảo vệ Chẳng hạn, trên xe Plug-in Hybrid Mitsubishi Outlander, khi tài xế thấy trạng thái nạp 0%, thực tế ắc quy vẫn còn khoảng 20 – 22% năng lượng.
2.3.2.3 Quản lý độ sâu xả của ắc quy
Độ sâu xả (Depth of Discharge - DOD) là thông số thể hiện mức dung lượng đã sử dụng của ắc quy, trái ngược với thông số trạng thái nạp (SOC) DOD đạt 100% khi ắc quy cạn kiệt dung lượng và 0% khi ắc quy được nạp đầy Thông số này cũng có thể được tính toán bằng các đơn vị khác nhau, giúp người dùng theo dõi hiệu suất và tình trạng của ắc quy một cách chính xác.
Ah (ampere-hour) là đơn vị đo dung lượng của ắc quy Ví dụ, một bình ắc quy 50Ah có 0Ah DOD tương ứng với trạng thái ắc quy được nạp đầy, trong khi 50Ah DOD tương ứng với ắc quy đã hết dung lượng.
Hình 2.12 Mối quan hệ giữa Trạng thái nạp và Độ sâu xả
Hệ thống quản lý ắc quy sử dụng thông số độ sâu xả (DOD) để đánh giá dung lượng và đảm bảo ắc quy hoạt động hiệu quả Đối với ắc quy chì axit, DOD thường khoảng 50%, trong khi ắc quy Lithium-ion có thể đạt DOD lên đến 80% hoặc 90% cho ắc quy LiFePO4 Việc sử dụng dung lượng ắc quy với DOD vượt quá giới hạn cho phép nhiều lần sẽ làm giảm chu kỳ và tuổi thọ của ắc quy.
Hình 2.13 Độ sâu xả cho phép của ắc quy chì và ắc quy Lithium
Tổng quan về PID
Điều khiển PID: là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứng với sự thay đổi của giá trị đo
Kỹ thuật điều khiển PID, mặc dù không mới, lại là phương pháp phổ biến nhất trong việc điều khiển các hệ thống công nghiệp như lò nhiệt, tốc độ, vị trí và moment động cơ AC và DC Sự phổ biến của bộ điều khiển PID đến từ tính đơn giản và khả năng dễ dàng triển khai trên các vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế.
Người ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, PI, hay PID
Công thức toán của bộ điều khiển PID trên miền Laplace:
T i = K p /K i : thời gian khâu vi phân
T d : thời gian khâu tích phân
Hình 2.15 Sơ đồ khồi bộ PID
Thuật toán của bộ điều khiển PID số, hàm truyền khâu PID rời rạc [8]:
=>(2T)z 2 U(z)-(2T)zU(z)=[(2TK p +K i T 2 +2K d ) z 2 +(K i T 2 -2TK p -4K d )z+(2K d )]E(z) Đặt ∆=2T ta được:
Chia 2 về phương trình (1) cho z 2 ta được:
=> Tín hiệu điều khiển PID cho hệ rời rạc (2.12): u(k) = αe(k) + βe(k − 1) + γe(k − 2) + ∆u(k − 1)
Việc chọn thông số P, I, D thường được xác định qua thực nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống Phương pháp Zieglar-Nichols cung cấp cách chọn tham số cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ, tuy nhiên, phương pháp này xác định thông số P, I, D trên mô hình ở ranh giới giữa ổn định và bất ổn định, trong khi mô hình thực tế lại ổn định Do đó, việc lựa chọn thông số P, I, D theo phương pháp này không chính xác, và cần thiết phải thực hiện lựa chọn thông số P, I, D bằng cách thực nghiệm.
Tổng quan về động cơ Faulhaber
Động cơ servo FAULHABER khác biệt với động cơ DC lõi sắt thông thường nhờ vào rotor được thiết kế với cuộn dây đồng tự hỗ trợ, xiên, mang lại quán tính rotor cực thấp và vị trí rotor không hoặc cầu chì ưa thích Những đặc điểm này góp phần vào tỷ lệ công suất / âm lượng cao và hiệu suất cực kỳ năng động của động cơ Được phát minh và cấp bằng sáng chế bởi Tiến sĩ Fritz Faulhaber Sr vào năm 1958, hệ thống cuộn dây xiên không dây là yếu tố cốt lõi trong mọi động cơ DC FAULHABER, công nghệ này đã cách mạng hóa ngành công nghiệp và mở ra nhiều khả năng mới.
Có 26 ứng dụng của khách hàng liên quan đến động cơ, trong đó yêu cầu công suất cao nhất, hiệu suất động cơ tốt nhất, và kích thước cũng như trọng lượng nhỏ nhất có thể.
Bảng 2.5 Thông tin động cơ
Thông tin động cơ Kích thước Điện áp hoạt động: 12V Đường kính: 30mm
Tốc độ mô tơ: 8100 RPM Chiều dài động cơ: 85mm
Tốc độ sau hộp giảm tốc:
120 RPM Đường kính trục: 6mm
Tỉ số giảm tốc: 64:1 Chiều dài trục: 35mm
Dòng tải tối đa: 1400mA Encoder 2 kênh với độ phân giải 12 xung/vòng Dòng không tải: 74mA Momen xoắn: 1.72 Nm
LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MATLAB
Lưu Đồ Thuật Toán điều khiển
Lưu đồ thuật toán tự động khởi động động cơ nhiệt theo 𝑆𝑂𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 được thể hiện như Hình 3.1 dưới đây:
Động cơ nhiệt khởi động khi 𝑆𝑂𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 của ắc quy cao áp nhỏ hơn 30% Quá trình này được thực hiện thông qua việc điều khiển bật relay cấp điện cho hệ thống phun xăng đánh lửa và relay khởi động động cơ.
Lưu đồ thuật toán điều khiển bướm ga của động cơ nhiệt được thể hiện như
Hình 3.2 Thuật toán điều khiển bướm ga
Sau khi động cơ nhiệt khởi động, garanti duy trì ở mức 1500 RPM, motor Faulhamber sẽ được điều khiển để tăng góc mở bướm ga theo giá trị đã được lập trình ban đầu (Setpoint Reference) thông qua tín hiệu hồi từ TPS, giúp xác định vị trí bướm ga hiện tại Hệ thống PID sẽ so sánh góc mở bướm ga thực tế (Setpoint Actual) với giá trị đã thiết lập, từ đó điều chỉnh góc mở bướm ga một cách thích hợp.
Lưu đồ thuật toán cân bằng các khối pin của ắc quy cao áp được thể hiện như
Hình 3.3 Thuật toán cân bằng pin
Thuật toán bắt đầu bằng việc kiểm tra trạng thái dòng kích từ Nếu dòng kích từ đã được bật, sẽ tiến hành so sánh điện áp giữa khối pin lớn nhất (CellMax) và khối pin nhỏ nhất (CellMin) Nếu CellMax cao hơn CellMin trên 20% SOC, hệ thống quản lý ắc quy cao áp sẽ xả CellMax để cân bằng các khối pin Ngược lại, nếu CellMax cao hơn CellMin dưới 20% SOC, chương trình sẽ kết thúc và bắt đầu vòng lập mới.
Lưu đồ thuật toán tự động tắt động cơ nhiệt theo 𝑆𝑂𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 được thể hiện như
Hình 3.4 Thuật toán tắt động cơ nhiệt
Thuật toán tắt động cơ nhiệt hoạt động tương tự như thuật toán bật động cơ Khi phát hiện 𝑆𝑂𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 lớn hơn 60%, hộp điều khiển sẽ tắt động cơ bằng cách ngắt phun xăng, đánh lửa, đưa bướm ga về 0% và ngắt dòng kích từ máy phát.
Mô phỏng MATLAB
Xây dựng chương trình mô phỏng xe E - REV trên Simulink theo mô hình E
Tiến hành mô phỏng các trường hợp cụ thể theo thông số thực tế
Phân tích và thay đổi chiến thuật phù hợp dựa theo kết quả đạt được
Khi vào chế độ mở rộng, hệ thống nạp điện cần đáp ứng trong vòng 5 giây Để đảm bảo bướm ga phản hồi nhanh khi mở 30%, độ vượt quá của bộ PID không được vượt quá 10% Thời gian ổn định của hệ thống tối đa là 7 giây, thời gian tăng tốc không quá 3 giây và sai số không vượt quá 3% Điện áp nạp cho ắc quy cao áp trong chế độ mở rộng dao động từ 55,5 V đến 66 V.
Dòng điện nạp phải nhỏ hơn 15A đảm bảo an toàn cho ắc quy cao áp
Mạch cân bằng hoạt động khi điện áp chênh lệch trong khoảng 2-2,5 V giữa các khối pin, dòng xả dao động ở mức 2-3 A để tiết kiệm năng lượng
Tốc độ xe cần đạt tối thiểu 10 km/h, với độ vượt quá của bộ PID không vượt quá 5% Thời gian ổn định của hệ thống phải trong khoảng 7 giây và sai số không được vượt quá 3%.
Khi kết thúc chế độ mở rộng, động cơ tắt sau 3 giây đồng thời bướm ga về 0% và dòng kích từ cũng được ngắt cùng lúc đó
3.2.3.1 Bài toán thực tiễn và hướng giải quyết Đối với mô hình xe E - REV sử dụng ắc quy cao áp gồm các viên pin Toyota Prius mắc nối tiếp, tất cả các trường hợp trên mô phỏng và thực tế điều liên quan trực tiếp đến 𝑆𝑂𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 của ắc quy cao áp Để thể hiện các trường hợp đó, nhóm
32 thực hiện tiến hành mô phỏng các trường hợp sau đây khi xe E - REV đang di chuyển với tốc độ 10 km/h:
- Khởi động nạp điện cho ắc quy điện cáo áp
- Điện áp và dòng nạp ở các mức SOC khác nhau
- Cân bằng giữa 3 khối pin
- Kết thúc quá trình nạp
3.2.3.2 Thời điểm bắt đầu chế độ mở rộng Để kéo dài tuổi thọ của ắc quy cao áp cũng như sự an toàn cho xe, hệ thống quản lý ắc quy (BMS) không để mức SOC đến mức tối thiểu Đồng thời tối ưu quá trình nạp song song với sử dụng xe và bảo vệ ắc quy cao áp, nhóm thực hiện tiến hành khởi động quá trình nạp khi 𝑆𝑂𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 của hệ thống pin thấp hơn 30%
3.2.3.3 Điện áp và dòng nạp Để đảm bảo thời gian nạp nhanh thì điện áp nạp phải đủ lớn và không vượt quá dòng điện nạp tối đa (15 A) ở các mức SOC khác nhau Nhóm thực hiện tiến hành mô phỏng ở các mức SOC khác nhau để quan sát dòng nạp sao cho hợp lý, từ đó quyết định chọn dòng kích từ và góc mở bướm ga phù hợp
3.2.3.4 Giám sát và cân bằng giữa các khối pin khi xe đang hoạt động
Mức SOC và điện áp của từng khối pin được theo dõi liên tục để phát hiện sự chênh lệch SOC giữa các khối Khi chênh lệch vượt quá giới hạn cho phép, mạch cân bằng sẽ tự động hoạt động để điều chỉnh.
Nhóm thực hiện đã lựa chọn mức chênh lệch 20% (tương đương 2,3 V) giữa các khối pin trong chế độ mở rộng nhằm đạt hiệu quả nạp tối ưu và tận dụng năng lượng một cách hiệu quả nhất.
3.2.3.5 Thời điểm kết thúc quá trình nạp Đối với phương pháp nạp đẳng áp, dòng nạp sẽ giảm dần về 0A khi dung lượng pin tăng Với mong muốn động cơ hoạt động trong vùng hiệu quả nhiên liệu cũng như quá trình nạp hiệu quả, khi mức 𝑆𝑂𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 vượt quá 60% thì động cơ sẽ
33 ngừng hoạt động đồng thời bướm ga về vị trí 0% và ngắt dòng kích từ của máy phát
3.2.4 Xây dựng chương trình mô phỏng Simulink
Hình 3.5 Model mô phỏng xe E - REV
Mô hình mô phỏng trên hình Hình 3.5 bám sát mô hình xe E - REV thực tế với các khối chính sau đây [10]:
- Khối động cơ gồm motor Faulhaber điều khiển bướm ga của động cơ đốt trong theo thuật toán PID
- Khối máy phát và diode chỉnh lưu
- Khối ắc quy cao áp gồm 3 bộ pin được mắc nối tiếp
- Mạch cân bằng bị động dung lượng ba khối pin
- Khối động cơ điện dẫn động xe E - REV với tín hiệu đầu vào là bàn đập ga
- Khối MATLAB function gồm các thuật toán để chuyển các chế độ của model theo SOC của từng khối pin
- Khối hiển thị để quan sát đồ thị tốc độ xe, bướm ga, các thông số của ắc quy cao áp
Tiến hành mô phỏng với trình trạng xe đang di chuyển với tốc độ 10km/h
3.2.5.1 Mô phỏng quá trình khởi động nạp
Khi mức SOC total của xe E_REV giảm xuống dưới 30%, xe sẽ chuyển sang trạng thái mở rộng khi di chuyển với tốc độ 10km/h Quá trình nạp điện bắt đầu bằng cách khởi động động cơ nhiệt, sau đó điều chỉnh bướm ga ở mức 30% và cấp dòng I kích từ cho máy phát.
- Quan sát và đánh giá sự thay đổi độ mở bướm ga thực tế theo thuật toán PID
- Quan sát và đáng giá tốc độ đáp ứng của động cơ nhiệt
- Quan sát và đánh giá điện áp và dòng nạp tại các trường hợp
- Quan sát và đánh giá tốc độ yêu cầu và tốc độ thực tế của xe E - REV Điều kiện mô phỏng:
Tại giây thứ 5 của mô phỏng, mức SOC total giảm xuống còn 30%, dẫn đến việc xe chuyển sang chế độ chạy mở rộng Quá trình nạp điện bắt đầu với việc khởi động động cơ, điều chỉnh PID bướm ga và cấp dòng kích từ.
Hình 3.6 Mức 𝑺𝑶𝑪 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 xuống mức 30% tại giây 5
Hình 3.7 Động cơ bắt đầu khởi động ở giây thứ 5
Hình 3.8 Bướm ga mở 30% theo thuật toán PID
Hình 3.9 Các thông số PID của bướm ga
Hình 3.10 Điện áp của máy phát nạp cho bộ pin
Hình 3.11 Dòng điện nạp tăng lên ở giây thứ 5
Hình 3.12 Tốc độ xe yêu cầu và tốc độ xe thực tế
Hình 3.13 PID tốc độ xe theo tốc độ mong muốn 10 km/h
- Khi mức 𝑆𝑂𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 xuống 30%, động cơ nhiệt bắt đầu khởi động, bướm ga thay đổi từ 0 lên 30% đưa tốc độ động cơ lên 4200 RPM sau 2s theo thuật toán PID
- Đánh giá các thông số PID trên hình Hình 3.9 để nhận thấy sự hoạt động của bướm ga[10] :
➢ Độ vượt quá (POT): đánh giá mức độ vượt quá của bướm ga:
Với các thông số trong Hình 3.9 :
• 𝑐 𝑚𝑎𝑥 : biên độ vọt quá tối đa của bướm ga (𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 32,6).
• 𝑐 𝑥𝑙 : giá trị xác lập ban đầu của bướm ga. Độ vượt quá POT = 8.67% nên độ vượt quá phù hợp với yêu cầu ban đầu
Hệ thống điều khiển bướm ga được thiết kế để tăng tốc độ động cơ lên 4200 RPM một cách nhanh chóng mà không gây hư hỏng cho các chi tiết, đảm bảo đạt yêu cầu kỹ thuật.
➢ Thời gian quá độ (𝑡 𝑞đ ): đánh giá bướm ga ổn định nhanh hay chậm
Thời gian cần thiết để sai lệch đáp ứng của hệ thống và giá trị xác lập ban đầu của bướm ga không vượt quá Ꜫ%, với Ꜫ = 2 Khi đường đáp ứng của bướm ga đạt giá trị (1 + Ꜫ%)𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 30,6, hệ thống bắt đầu ổn định Cụ thể, vào giây thứ 5,85, hệ thống đã ổn định và đáp ứng yêu cầu ban đầu (< 7 giây).
➢ Thời gian tăng tốc (𝑡 𝑟 ): là thời gian cần thiết để bướm ga tăng từ 10% đến 90% giá trị mong muốn:
• 𝑡 10% 𝑐 𝑚𝑎𝑥 : là thời điểm tại vị trí bướm gia thực tế là 10%𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 30%.
• 𝑡 90% 𝑐 𝑚𝑎𝑥 : là thời điểm tại vị trí bướm gia thực tế là 90%𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 27%.
Thời gian tăng tốc (𝑡 𝑟 ) của bướm ga là 0,085 giây đạt yêu cầu ban đầu (< 3 giây) nên motor điều khiển bướm ga tăng tốc tốt
➢ Sai số: đánh giá tín hiệu ngõ ra và ngõ vào khi hệ thống bắt đầu ổn định tại giây thứ 5,85 Tại giây 5,85 góc mở bướm ga là 30,6%
Sai số bằng 2% nên đánh được hệ thống điều khiển bướm ga ổn định (e < 3%)
- Dòng điện chuyển từ trạng thái tiêu thụ sang trạng thái nạp ở giây thứ 5, với dòng điện 10 A và điện áp là 59,3 V
Tốc độ thực tế của xe đạt 10 km/h vào giây thứ 5, như thể hiện qua đường màu đỏ Hệ thống dao động trong khoảng thời gian 0.1 giây, theo Hình 3.13, không gây ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất của xe.
- Đánh giá các thông số PID trên hình Hình 3.13 để nhận thấy sự hoạt động của xe:
➢ Độ vượt quá (POT): đánh giá mức độ vượt quá của tốc độ xe:
Với các thông số trong Hình 3.13 :
• 𝑐 𝑚𝑎𝑥 : biên độ vọt quá tối đa của tốc độ xe thực tế (𝑐 𝑚𝑎𝑥 =10,0036 𝑘𝑚/ℎ).
Giá trị xác lập ban đầu cho tốc độ mong muốn là 10 km/h Độ vượt quá POT chỉ 0,036%, cho thấy mức độ vượt quá này không đáng kể so với yêu cầu ban đầu (POT < 5%) Mặc dù tốc độ thực tế có vượt quá trong thời gian ngắn, nhưng mức độ vượt quá này không ảnh hưởng đáng kể đến các chi tiết khác.
➢ Thời gian quá độ (𝑡 𝑞đ ): đánh giá hệ thống ổn định nhanh hay chậm
Thời gian cần thiết để sai lệch giữa tốc độ đáp ứng của xe và giá trị tốc độ mong muốn không vượt quá Ꜫ%, với Ꜫ được chọn là 2 Khi tốc độ đáp ứng đạt (1 + Ꜫ%)𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 10,2 km/h, hệ thống bắt đầu ổn định Tuy nhiên, mô phỏng thực tế cho thấy tốc độ đáp ứng của xe không vượt quá 10,2 km/h tại bất kỳ thời điểm nào, chứng tỏ xe đã ổn định.
➢ Thời gian tăng tốc (𝑡 𝑟 ): là thời gian cần thiết để xe tăng tốc từ 10% đến 90% tốc độ xác lập:
• 𝑡 10% 𝑐 𝑚𝑎𝑥 : là thời điểm khi xe đạt tốc độ thực tế là 10%𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 1 km/h.
• 𝑡 90% 𝑐 𝑚𝑎𝑥 : là thời điểm khi xe đạt tốc độ thực tế là 90%𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 9 km/h.
Thời gian tăng tốc (𝑡 𝑟 ) của bướm ga là 0,085 giây đạt yêu cầu ban đầu (< 3 giây) nên motor điều khiển bướm ga tăng tốc tốt
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP ĐIỀU KHIỂN VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ tổng quát thu thập tín hiệu và điều khiển
4.1.1 Sơ đồ khối chức năng
Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc điều khiển động cơ nhiệt dẫn động máy phát điện nạp cho ắc quy cao áp của xe, yêu cầu thu thập tín hiệu từ các cảm biến động cơ để theo dõi và đưa ra tín hiệu điều khiển Nhóm thực hiện đã khảo sát các dạng tín hiệu cảm biến, bao gồm dạng xung và dạng điện áp, phù hợp để gửi về Arduino Arduino sẽ truyền tín hiệu đến màn hình cảm ứng Nextion để hiển thị thông tin và tương tác với người dùng Mô hình thực hiện là động cơ nhiệt 1 xy-lanh trên xe máy Honda Wave RSX Fi 110cc, với sơ đồ giao tiếp giữa các khối được thể hiện trong Hình 4.1.
Hình 4.1 Tổng quan giao tiếp các khối chức năng
Sau khi đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan, nhóm thực hiện tiến hành thực hiện thiết kế và thực nghiệm theo tiến trình:
• Xác định các tín hiệu cần thu thập và hiển thị
• Lập trình thu thập tín hiệu và điều khiển trên Arduino
• Lập trình giao diện hiển thị trên màn hình cảm ứng Nextion
• Thực nghiệm đánh giá kết quả
4.1.2 Nội dung thiết kế bộ chấp hành Để đáp mục đích thiết kế, bộ chấp hành cần phải đảm bảo theo những yêu cầu sau:
Hộp điều khiển trung tâm hoạt động với nguồn 5 V, được giảm áp từ ắc quy 12V Thiết bị này điều khiển bật và tắt relay khởi động cũng như relay tắt máy theo chiến thuật đã định Nó đảm bảo bật relay cấp dòng kích từ cho máy phát vào thời điểm chính xác và điều chỉnh góc mở bướm ga một cách chính xác sau khi động cơ nhiệt khởi động.
Khi xe E-REV hoạt động ở chế độ thuần điện, các tín hiệu điện áp từ các khối pin, cảm biến tốc độ động cơ (CKP), cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga (TPS), cảm biến mực xăng (FLS), cảm biến nhiệt độ dầu động cơ (EOT) và cảm biến dòng điện nạp (CS) được liên tục cập nhật và theo dõi Tất cả các tín hiệu này được Arduino thu thập và hiển thị trên màn hình cảm ứng Nextion.
Hình 4.2 Sơ đồ giao tiếp giữa các phần
Thiết kế hộp điều khiển và các mạch chấp hành
4.2.1 Các linh kiện sử dụng
Bảng 4.1 Các linh kiện sử dụng
Linh kiện sử dụng Số lượng
Opto cách ly 2 kênh PC817 2
Cảm biến dòng điện DC/AC Hall
MOSFET IRF 9540 3 Điện trở nhiệt 50W4R 6
4.2.2 Thiết kế mạch chuyển xung
Xung do cảm biến CKP tạo ra có dạng gần giống xung sine như Hình 4.3 , nên cần chuyển về dạng xung vuông để đọc tín hiệu
Hình 4.3 Đặc tính xung cảm biến CKP
Các linh kiện được dùng để thiết kế mạch như Bảng 4.2
Bảng 4.2 Các thành phần của mạch chuyển xung
Thành phần Số lượng (cái)
Bảng mạch đồng 1 Điện trở 220Ω 1 Điện trở 6,8 KΩ 1 Điện trở 10 KΩ 1 Điện trở 1 KΩ 1
Mô phỏng mạch trên bằng phần mềm Proteus như Hình 4.4 :
Hình 4.4 Mạch mô phỏng trên Protues
Thiết kế mạch in như Hình 4.5 :
Hình 4.5 Thiết kế mạch in
Mạch chuyển xung có tác dụng cắt bỏ bán kì âm (của xung gần giống xung sine) và hiệu chỉnh bán kì dương của Hình 4.6 thành xung vuông
Hình 4.6 Đồ thị dạng xung sau khi chuyển
Tiến hành chế tạo mạch thực tế như Hình 4.7 :
Hình 4.7 Mạch chuyển xung thực tế
4.2.4 Thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện áp ắc quy
Mô hình xe sử dụng nguồn cung cấp điện với 9 phần tử pin mắc nối tiếp, có điện áp danh nghĩa 7,2 V, tổng điện áp đạt khoảng 64,8 V Để quản lý và thu thập điện áp hiệu quả, nhóm đã chia thành 3 khối pin chính, mỗi khối có điện áp danh nghĩa 21,6 V Tín hiệu điện áp được đưa qua cầu phân áp, sau đó Arduino thu thập và hiển thị trên màn hình cảm ứng Nextion Quá trình chế tạo mạch được thực hiện với các linh kiện điện tử theo Bảng 4.3.
Bảng 4.3 Các thành phần của mạch thu thập tín hiệu điện áp ắc quy
Thành phần Số lượng Điện trở 10MΩ 1 Điện trở 20kΩ 3 Điện trở 47kΩ 1 Điện trở 220kΩ 1
Mô phỏng mạch thu thập tín hiệu điện áp trên Proteus như Hình 4.8 :
Hình 4.8 Mạch thu thập tín hiệu điện áp các khối pin
Với giá trị phân áp 3 cầu lần lượt là: 10/57, 1/12, 1/17, đảm bảo cho giá trị điện áp thu về luôn nhỏ hơn 5 V và Arduino có thể xử lý tốt
Tiến hành thi công mạch thu thập tín hiệu thực tế như Hình 4.9 :
Hình 4.9 Mạch thu thập điện áp ắc quy thực tế
4.2.5 Thiết kế mạch nạp ắc quy
4.2.5.1 Phương pháp phát điện nạp
Với ắc quy cao áp đang nghiên cứu có điện áp danh nghĩa vào khoảng 64.8
Phương pháp nạp đẳng áp yêu cầu điện áp máy phát phải đạt ít nhất 64.8V, trong khi máy phát của xe ô tô thông thường chỉ cung cấp điện áp từ 13,8V đến 14,2V, không đủ để nạp ắc quy Để khắc phục, cần tháo tiết chế máy phát và cấp nguồn điện kích từ 12V trực tiếp, giúp điện áp phát ra đạt khoảng 75-80V khi bướm ga mở 25% Điều này cho phép nạp điện cho ắc quy cao áp hiệu quả hơn.
Phương pháp nạp đẳng áp giúp dòng điện nạp giảm dần gần 0A khi ắc quy cao áp của xe đã đầy Để kiểm soát dòng nạp, nhóm thực hiện sử dụng cảm biến dòng nạp WCS1800 nhằm xác định trạng thái nạp của ắc quy.
4.2.5.2 Cảm biến dòng điện DC/AC Hall 35A WCS1800
Hình 4.10 Cảm biến dòng điện Hall 35A WCS1800
Cảm biến dòng điện Hall 35A WCS1800, như Hình 4.10, được lắp đặt trên dòng nạp để đọc giá trị cường độ dòng điện và gửi về vi điều khiển, từ đó quản lý Ắc quy cao áp Hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, cảm biến này nhạy cảm với từ trường sinh ra từ dòng điện, cho phép đo cường độ dòng chạy qua dây điện khi dây gần thiết bị Cảm biến cung cấp tín hiệu analog và digital, dễ dàng kết nối với vi điều khiển Thiết kế nhỏ gọn của cảm biến thường được ứng dụng trong việc phát hiện quá dòng động cơ thông minh, bảo vệ ngắn mạch và giám sát dòng điện.
Hình 4.11 Đặc tính cảm biến WCS1800 [11]
4.2.5.3 Mô phỏng mạch phát điện
Cảm biến dòng điện WCS 1800 kiểm soát dòng qua dây âm của ắc quy như
4.2.6 Thiết kế mạch cân bằng dung lượng ắc quy
Mạch cân bằng bị động hoạt động khi điện áp giữa các phần tử pin trong ắc quy chênh lệch quá mức cho phép trong quá trình nạp Khi đó, phần tử pin có điện áp cao nhất sẽ nạp chậm hơn so với các phần tử khác, giúp giảm sự chênh lệch điện áp Quá trình này được thực hiện bằng cách xả bớt dung lượng tại phần tử pin thông qua điện trở công suất.
Hình 4.13 Mạch nguyên lý hoạt động của phương pháp cân bằng bị động
Tính toán chọn giá trị điện trở công suất phù hợp:
Với dòng xả mong muốn 2 đến 2.5 A, ta chọn điện trở công suất như sau:
• Ắc quy cao áp của xe được nạp ở 30% SOC – 60% SOC tương đương với 55.5 – 66 V
Khi ắc quy đạt điện áp 55.5V, mỗi khối pin có điện áp 18.5V và điện áp rơi qua transistor là 1.1V, dẫn đến điện áp rơi qua R2 là 17.4V Để dòng điện xả qua R2 đạt 2A, giá trị điện trở cần chọn là R = 17.4/2 = 8.7 ohm.
Khi ắc quy có điện áp 65V và mỗi khối pin là 21.6V, điện áp rơi qua transistor là 1.1V, dẫn đến điện áp rơi qua R2 là 20.5V Để dòng điện xả qua R2 đạt 2.5A, điện trở cần chọn là R = 20.5/2.5 = 8.2Ω Nhóm quyết định chọn điện trở tổng 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 8Ω bằng cách mắc nối tiếp hai điện trở công suất 4Ω.
• Ta thấy giá trị dòng điện xả khi chọn điện trở công suất là𝑅 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 8 Ω sẽ dao động từ 2.2 – 2.6 A phù hợp để cân bằng ắc quy cao áp
Mô phỏng mạch cân bằng bị động dung lượng cho 3 khối pin trên Proteus như Hình 4.14
Hình 4.14 Mạch cân bằng dung lượng giữa 3 khối pin
Sau đó nhóm thực hiện chế tạo thành công mạch cân bằng bị động cho ắc quy cao áp trên thực tế như Hình 4.15
Hình 4.15 Mạch cân bằng dung lượng giữa 3 khối pin thực tế
4.2.7 Thu thập tín hiệu các cảm biến trên xe
Tín hiệu ngõ vào là tín hiệu từ các cảm biến bao gồm: a Tín hiệu điện áp
Các tín hiệu điện áp được đưa trực tiếp về chân Analog, Digital của Arduino như sau:
• TPS: Tín hiệu vị trí bướm ga
• EOT: Tín hiệu nhiệt độ dầu động cơ
• FLS: Tín hiệu mực xăng
• BAT1: Tín hiệu điện áp khối pin 1
• BAT2: Tín hiệu điện áp khối pin 2
• BAT3: Tín hiệu điện áp khối pin 3
• CS: Tín hiệu cảm biến dòng điện nạp
• POT: Tín hiệu điện áp giả lập từ biến trở
• CHECK: Tín hiệu đèn Check Engine
Sau khi nhận tín hiệu theo giá trị từ Bảng 4.4, Arduino sẽ áp dụng thuật toán để chuyển đổi tín hiệu thành các giá trị điều khiển phù hợp và hiển thị một cách hợp lý.
Bảng 4.4 Bảng chuyển thang giá trị cảm biến và tín hiệu
Tín hiệu Giá trị nhận được Giá trị chuyển đổi
Nhiệt độ dầu động cơ 3.5 (V) – 0.5 (V) 0 (C) – 120 (C)
Dòng điện nạp 2.5 (V) – 4.8 (V) 0 (A) – 35 (A) Điện áp pin 0 (V) - 5 (V) 0 (V) – 87.5 (V)
Hình 4.16 Chân thu thập tín hiệu điện áp
Check 0 và 1 0 và 1 b Tín hiệu xung
Tín hiệu tốc độ động cơ (CKP) được chuyển đổi từ dạng xung Sine sang xung vuông và sau đó được gửi vào chân Digital số 2 của Arduino Mega, nơi có hỗ trợ ngắt 0, để thực hiện các phép tính cần thiết.
Nhóm thực hiện đã thiết kế và tích hợp thêm một cảm biến tốc độ xe, cụ thể là cảm biến Hall NJK-5002C NPN Cảm biến này phát ra 2 xung vuông mỗi khi bánh xe quay một vòng, và tín hiệu này được đưa vào chân Digital số 3 của Arduino Mega để tiến hành tính toán.
Hình 4.17 Cảm biến tốc độ xe
Lưu đồ thu thập và tính toán tốc độ động cơ:
Hình 4.18 Lưu đồ tính toán tốc độ xe
4.2.8 Thiết kế mạch điều khiển a Nguyên lý mạch cơ cấu chấp hành
Khi điện áp của ắc quy cao áp giảm xuống dưới 55.5 V (tương đương 30% SOC), Arduino sẽ kích hoạt relay để khởi động động cơ Sau khi động cơ hoạt động, Arduino sẽ xử lý các tín hiệu đầu vào và đưa ra lệnh điều khiển tiếp theo.
Sau khi khởi động trong 5 giây, Arduino Mega ổn định tốc độ cầm chừng và xuất tín hiệu cho Arduino Uno Arduino Uno nhận tín hiệu và sử dụng thuật toán PID để mở góc bướm ga 25%, duy trì góc mở này giúp tốc độ động cơ nhiệt đạt khoảng 3700-3800 RPM Khi động cơ tăng tốc và đạt ngưỡng 2000 RPM, Arduino Mega cấp điện cho rờ le điều khiển kích từ, nạp điện vào ắc quy cao áp.
Arduino theo dõi tín hiệu dòng điện và điện áp của ắc quy cao áp trong quá trình nạp để kiểm soát độ chênh lệch, từ đó kích hoạt mạch cân bằng các khối pin Khi điện áp ắc quy đạt 66 V (60% SOC), Arduino Mega cấp điện để kích hoạt relay tắt động cơ và dòng kích từ, trong khi Arduino Uno ngưng mở bướm ga, giúp xe vận hành hoàn toàn bằng điện.
Hộp điều khiển bao gồm 3 relay chính (relay khởi động, relay tắt máy, relay kích từ máy phát) và 2 relay tiện nghi (bật tắt motor điện, đèn trần)
Relay khởi động được điều khiển thông qua chân Digital số 6 của Arduino Mega, như thể hiện trong Hình 4.19 Khi relay này được bật, nó sẽ kích hoạt máy khởi động để khởi động động cơ.
Hình 4.19 Mạch điều khiển relay khởi động
Relay tắt máy được điều khiển qua chân Digital số 7 của Arduino Mega như
Relay này thường ở chế độ thường đóng, nhưng khi được kích hoạt, nó chuyển sang chế độ thường mở, ngắt nguồn điện cấp cho kim phun và mobin đánh lửa, từ đó tắt động cơ.
Hình 4.20 Mạch điều khiển relay tắt máy
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM NEXTION EDITOR LẬP TRÌNH, THIẾT KẾ GIAO DIỆN HIỂN THỊ THÔNG SỐ XE TRÊN MÀN HÌNH HMI
Giới thiệu chung về màn hình HMI Nextion
5.1.1 Màn hình HMI Nextion là gì?
Màn hình HMI Nextion là giải pháp giao diện người & máy (HMI) hiệu quả, cho phép người dùng dễ dàng xây dựng giao diện đồ họa người dùng (GUI) thông qua màn hình cảm ứng Nó cung cấp giao diện điều khiển trực quan giữa con người và các quy trình, máy móc, ứng dụng hoặc thiết bị, phù hợp cho việc giám sát và kiểm soát quy trình, đặc biệt trong các ứng dụng IoT Giải pháp này bao gồm cả phần cứng là màn hình Nextion và phần mềm thiết kế TFT – Nextion Editor.
Màn hình Nextion tích hợp bộ vi điều khiển ARM, cho phép thiết kế giao diện, tạo nút, văn bản, lưu trữ và hiển thị hình ảnh hoặc thay đổi nền Nó giao tiếp với các bộ vi điều khiển qua giao thức nối tiếp UART với tốc độ truyền cố định, tương thích với nhiều mạch điều khiển như Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 và ESP32.
Hình 5.1 Màn hình HMI Nextion
Màn hình Nextion có kích thước từ 2.4 inch đến 10.1 inch, bao gồm nhiều phiên bản như Basic Series, Discovery Series, Enhanced Series và Intelligent Series Các phiên bản cao cấp hơn được cải tiến với nhiều tính năng nâng cao, bao gồm đồng hồ thời gian thực tích hợp, bộ nhớ Flash lớn hơn, hỗ trợ GPIO, bộ nhớ EEPROM và CPU với xung nhịp cao.
5.1.2 Kết nối màn hình HMI Nextion với mạch điều khiển Arduino
Kết nối màn hình Nextion với Arduino rất dễ dàng, chỉ cần thực hiện bốn kết nối: GND, RX, TX và +5V Các chân này được ghi rõ ở phía sau màn hình Kết nối RX và TX của màn hình với cổng TX và RX trên mạch Arduino, tạo thành giao thức UART.
• Chân truyền dữ liệu: TX (Transmitter)
• Chân nhận dữ liệu: RX (Receiver)
Hai chân này được kết nối chéo với nhau như hình:
Hình 5.2 Giao thức giao tiếp UART
Trong Hình 5.2, nguồn điện 5V có thể được lấy từ Arduino để cấp cho màn hình, nhưng điều này không được khuyến khích do nguy cơ hỏng hóc Để đảm bảo màn hình hoạt động ổn định, nên sử dụng nguồn điện bên ngoài với công suất 5V/2A.
Phần mền thiết kế giao diện Nextion Editor
Nextion Editor là phần mềm chuyên dụng để thiết kế giao diện cho màn hình Nextion, với trình soạn thảo dạng bảng và các công cụ như nút, hộp văn bản, hình ảnh và thanh chức năng Phần mềm này nổi bật với tính năng kéo-thả, giúp người dùng dễ dàng sáng tạo và tiết kiệm thời gian trong quá trình thiết kế.
Hình 5.3 Download phần mềm Nextion Editor
Sau khi cài đặt và khởi động phần mềm, người dùng có thể tạo dự án mới bằng cách chọn từ thanh công cụ Một bảng chọn sẽ xuất hiện, trong đó người dùng cần chọn phiên bản màn hình và hướng xoay màn hình Để thiết kế, hãy chọn phiên bản Enhanced 7 inch với hướng xoay 0 độ.
Hình 5.4 Chọn phiên bản màn hình và kích thước
Hình 5.5 Chọn góc xoay màn hình
Sau khi khởi tạo xong người dùng được cửa sổ làm việc như hình:
Hình 5.6 Cửa sổ làm việc của phần mềm Nextion Editor
Trên Hình 5.6 bao gồm các phần cơ bản:
2 Vùng chọn công cụ (văn bản, số, nút, hình ảnh, thanh trượt…)
3 Hiển thị hình ảnh đã tải lên và phông chữ đã tạo
4 Khu vực hiển thị màn hình
5 Hiển thị kết quả biên dịch, lỗi nếu có
6 Bổ sung lệnh cho các công cụ được dùng
7 Quản lý các trang đã tạo
8 Hiển thị các thuộc tính của công cụ được dùng
5.2.2 Phương pháp thiết kế giao diện trong Nextion Editor
Thiết kế giao diện với Nextion Editor rất dễ dàng, cho phép người dùng tạo ra các thành phần và chi tiết của dự án chỉ bằng cách sử dụng các công cụ có sẵn và thao tác kéo thả.
Một dự án cơ bản được thiết kế như sau:
➢ Thay đổi nền màn hình:
Để bắt đầu, người dùng cần thêm hình ảnh muốn thay đổi bằng cách chọn trong phần Picture và lựa chọn ảnh mong muốn, như thể hiện trong Hình 5.7 Lưu ý đến kích thước điểm ảnh của hình ảnh, và hình ảnh đã thêm sẽ có mã ID: 0.
Hình 5.7 Thêm ảnh vào màn hình
Người dùng có thể kéo thả hộp công cụ từ hộp Toolbox vào màn hình hiển thị và điều chỉnh kích thước cho phù hợp, như thể hiện trong Hình 5.8 Ảnh được thêm vào có tên gốc là p0.
Hình 5.8 Tạo khung ảnh bên trong màn hình
Để đổi tên ảnh và chọn ảnh đã thêm vào, người dùng cần nhấp vào p0 trong bảng thuộc tính, nơi hiển thị ở góc dưới bên phải của cửa sổ làm việc Ví dụ, như trong Hình 5.9, ảnh đã được đổi tên thành "anh1" và pic được chọn với ID 0.
Hình 5.9 Chỉnh sửa các thuộc tính của công cụ
- Người dùng được kết quả như Hình 5.10 dưới đây:
Hình 5.10 Màn hình sau khi thay đổi nền ảnh
➢ Thêm văn bản cho màn hình:
Trước khi thêm văn bản, người dùng cần tạo phông chữ cho màn hình bằng cách vào Tools → Font Generator Sau đó, bảng tạo phông sẽ hiện ra, cho phép người dùng tạo phông chữ và thêm vào màn hình theo Hình 5.11.
Hình 5.11 Khởi tạo phông chữ cho màn hình
Kéo và thả hộp công cụ từ Toolbox vào màn hình hiển thị, sau đó điều chỉnh kích thước cho phù hợp Người dùng có thể thay đổi tên, phông chữ, màu chữ và định dạng của văn bản đã thêm, như được minh họa trong Hình 5.12.
Hình 5.12 Văn bản sau khi được thêm và hiệu chỉnh thuộc tính
➢ Tương tự khi người dùng thêm các hộp công cụ khác như:
Chú ý hơn trong các công cụ Number, Xfloat người dùng có thể đặt giá trị cho chúng
Dưới đây là màn hình khi đã được thêm 1 số công cụ khác như là số, biến giá trị…
Hình 5.13 Màn hình sau khi thêm các hộp công cụ khác
➢ Thêm các công cụ có thể tương tác với màn hình:
Nút nhấn 2 vị trí cho phép người dùng kéo thả vào màn hình hiển thị và chỉnh sửa thuộc tính Để xử lý các tương tác cảm ứng với công cụ, người dùng cần sử dụng thêm hộp thoại để viết các lệnh xử lý phù hợp.
• Người dùng thêm 1 nút nhân có chức năng chuyển trang và trở lại trang
- Trong hộp thoại trang người dùng tạo 1 trang mới với tên là page1
- Tương tự như các công cụ khác người dùng kéo thả nút nhấn vào màn hình của cả 2 trang, chỉnh sửa các thuộc tính sao cho phù hợp
- Với nút tại trang 0 với tiêu đề Go to page1
- Với nút tại trang 1 với tiêu đề Back to page0
Hình 5.14 Tạo thêm trang và nút chuyển trang cho màn hình
- Sau đó người dùng đến hộp thoại Event, viết các lệnh như sau:
Hình 5.15 Nhập lệnh trong bảng Event
- Trong Hình 5.15 page là câu lệnh chuyển trang, page1 là tên trang cần chuyển tới
➢ Kiểm tra lỗi và chạy mô phỏng:
Sau khi hoàn tất thiết kế, người dùng tiến hành kiểm tra và chạy thử thiết kế thông qua việc chọn trên thanh Menu Nếu có bất kỳ lỗi nào xảy ra, thông báo sẽ xuất hiện bằng chữ đỏ ở bảng Output.
Nếu quá trình biên dịch thành công mà không gặp lỗi, bảng thông báo sẽ hiển thị "Compile Successful! 0 Errors, 0 Warnings, File Size: 1,846,232" Đồng thời, một hộp thoại mô phỏng sẽ xuất hiện, cho phép người dùng quan sát và tương tác giống như trên màn hình thực tế bên ngoài.
Hình 5.16 Bảng thông tin Output
Hình 5.17 Kết quả mô phỏng
- Người dùng có thể nhấp vào các nút chuyển trang để di chuyển qua lại giữa hai trang
➢ Biên dịch và nạp chương vào màn hình bên ngoài:
Có 2 cách để nạp chương trình:
• Chọn trên Menu Vào File → TFT file output
• Nhấn Output, chương trình sẽ mở cửa sổ thư mục chứa tập tin đã biên dịch
• Chép tập tin tft vào thẻ nhớ MicroSD (cần format ở dạng FAT32)
• Sau đó, đưa thẻ vào màn hình, bật nguồn
• Chờ màn hình cập nhật, sau khi xong thì ngắt nguồn Rút thẻ ra
• Bật nguồn trở lại chúng người dùng sẽ thấy thiết kế được hiển thị trên màn hình
Cách 2: Sử dụng mạch nạp USB to TTL để nạp chương trình trực tiếp từ phần mềm xuống phần cứng là màn hình thông qua cổng USB máy tính
Hình 5.18 Mạch USB to TTL
Thiết kế giao diện hiển thị thông số xe trên màn hình Nextion
Thiết kế trang hiển thị các thông số: Trạng thái hoạt động của xe, tốc độ xe
E-REV là một chỉ số quan trọng liên quan đến tốc độ động cơ, mức nhiên liệu, nhiệt độ động cơ và dung lượng ắc quy cao áp của xe Ngoài ra, các đèn báo chức năng như đèn check engine, đèn xi nhan, đèn báo dầu và đèn báo phanh cũng đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi tình trạng hoạt động của xe.
Thiết các nút điều khiển phần cứng: Bật bắt nguồn điện xe, bật tắt hệ thống chiếu sáng
Trang động cơ: Đồng hồ tốc độ động cơ, mức nhiên liệu, nhiệt độ động cơ
Trang quản lý pin: Dung lượng và điện áp của mỗi khối pin, ắc quy cao áp, dòng nạp của máy phát nạp cho ắc quy
Trang motor điện: đồng hồ tốc độ motor
Thiết kế thực tế, bám sát các thông số cần hiển thị trên xe để dễ dàng quan sát và tương tác với xe thông qua màn hình
5.3.2 Kết quả thiết kế trên màn hình
Hình 5.19 Trang hiển thị chung trên mô phỏng
- Các tín hiệu đèn báo chức năng được hiển thị qua các kí hiệu chung phía trên màn hình
Các thông số như tốc độ xe, tốc độ động cơ, mức nhiên liệu, nhiệt độ động cơ và dung lượng pin được hiển thị qua các khối chức năng dễ dàng quan sát và kiểm soát.
Trạng thái hoạt động của xe được thể hiện rõ ràng giữa hai chế độ: Chế độ Xe Điện (Electric Vehicle Mode) và Chế độ Xe Hybrid (Hybrid Vehicle Mode) thông qua hình ảnh dòng truyền công suất trong xe.
- Bên cạnh đó còn có các nút chức năng như : để bật tắt xe, nút : để bật tắt đèn trần trong xe
Người dùng có thể dễ dàng tương tác với màn hình cảm ứng để truy cập các trang khác nhau như Engine, Battery và Motor bằng cách chọn vào biểu tượng tương ứng.
Người dùng có thể nhận biết các trạng thái quan trọng như đèn báo màu đỏ khi pin có dung lượng thấp, cảnh báo đỏ khi nhiên liệu sắp cạn, hoặc khi nhiệt độ động cơ vượt quá mức an toàn.
Hình 5.20 Trang hiển thị chung trên mô hình thực tế
Người dùng có thể theo dõi trạng thái nạp hoặc xả của ắc quy, cùng với dung lượng và điện áp tổng của ắc quy cũng như từng khối pin trên trang này.
Hình 5.21 Trang quản lý Pin trên mô phỏng
Hình 5.22 Trang quản lý Pin trên mô hình thực tế
-Trang này được thiết kế riêng cho phần động cơ gồm các thông số đồng hồ tốc độ động cơ, mức nhiên liệu hiện tại, nhiệt độ động cơ
Hình 5.23 Trang động cơ trên mô phỏng
Hình 5.24 Trang động cơ trên mô hình thực tế
Hình 5.25 Trang Electric Motor trên mô phỏng
Hình 5.26 Trang Electric Motor trên mô hình thực tế
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Nội dung thực nghiệm
Xe E-REV sử dụng 18 viên pin cũ, tạo ra ắc quy cao áp với điện áp danh nghĩa 64,8 V và dung lượng 13 Ah Với dung lượng này, xe chỉ có thể đạt tốc độ tối đa 15 Km/h trong thời gian ngắn Để khắc phục tình trạng nạp quá nhanh, nhóm thực nghiệm đã thiết lập tốc độ động cơ đốt trong từ 3500-3800 RPM với độ mở bướm ga 25% Nhóm đã đề xuất hai chu trình hoạt động phù hợp.
Trong chu trình thực nghiệm 1, xe sẽ được khởi động khi ắc quy cao áp đạt 75% SOC và có đầy tải với 2 người Người lái sẽ điều khiển xe di chuyển với tốc độ cố định cho đến khi ắc quy còn 30% SOC Khi đó, động cơ đốt trong sẽ tự động khởi động để cung cấp năng lượng cho ắc quy, nạp lại đến 70% SOC Nhóm thực hiện sẽ tiến hành đo nhiệt độ điện trở công suất và kết thúc chu trình.
Chu trình thực nghiệm 2 diễn ra khi xe khởi động với mức SOC dưới 30% và chở đầy tải (2 người) Trong quá trình này, động cơ đốt trong tự động khởi động để nạp lại ắc quy cao áp đến 70% SOC Sau khi đạt mức này, động cơ tự động tắt và xe tiếp tục vận hành cho đến khi SOC giảm xuống còn 30%, đánh dấu kết thúc chu trình.
Yêu cầu thực nghiệm
- Hộp điều khiển đọc đúng tất cả thông số
- Màn hình hiển thị đúng thông số, điều khiển các thiết bị chấp hành nhanh chóng
- Động cơ ICE bật và tắt đúng vị trí yêu cầu
- Mạch cân bằng ắc quy cao áp hoạt động hiệu quả
Tiến trình thực nghiệm
Cả hai chu trình thực nghiệm đều được thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Bật công tắc nguồn để cung cấp điện cho hệ thống trên xe
Hình 6.1 Bật công tắc motor điện Bước 2: Bật công tắt mở động cơ điện, vào số tiến
Hình 6.2 Bắt đầu khởi động xe và vào số tiến
Bước 3: Điều khiển xe theo vận tốc yêu cầu
Hình 6.3 Cho xe đi theo vận tốc yêu cầu Bước 4: Theo dõi kết quả trong quá trình chạy
Hình 6.4 Theo dõi pin khi bắt đầu nạp và hoàn thành nạp Bước 5: Dừng xe, tắt động cơ điện, gạt cần số về N
Bước 6: Đo nhiệt độ điện trở nhiệt (mức độ xả ắc quy)
Hình 6.5 Đo nhiệt độ điện trở nhiệt
Kết quả thực nghiệm
➢ Chu trình thực nghiệm 1 với vận tốc xe duy trì 6 - 7 Km/h
Bảng 6.1 Chu trình thực nghiệm 1 với vận tốc xe duy trì 6 -7 Km/h
Trạng thái xe Hoàn toàn điện Hybrid
Trạng thái ắc quy Xả Nạp Động cơ điện 100% (quãng đường)
Tỉ lệ hoạt động của động cơ đốt trong
Lần 1: 34% (quãng đường) Lần 2: 32% (quãng đường) Lần 3: 39% (quãng đường)
Thời gian nạp lại đầy ắc quy
Lần 1: 63 giây Lần 2: 60 giây Lần 3: 77 giây
Tốc độ động cơ đốt trong
Lần 1: 3500 RPM → 3700 RPM Lần 2: 3500 RPM → 3700 RPM Lần 3: 3500 RPM → 3600 RPM
97 Độ trễ khởi động động cơ đốt trong
Lần 1: 2 giây Lần 2: 3 giây Lần 3: 3 giây Điện áp ắc quy khi bắt đầu nạp
Lần 1: 18.52; 18.50; 17.75 V Lần 2: 18.66; 18.53; 17.83 V Lần 3: 18.79; 18.48; 17.76 V Điện áp ắc quy khi nạp hoàn thành
Nhiệt độ điện trở công suất
➢ Chu trình thực nghiệm 1 với vận tốc xe duy trì 10 - 12 Km/h
Bảng 6.2 Chu trình thực nghiệm 1 với vận tốc xe duy trì 10 - 12 Km/h
Trạng thái xe Hoàn toàn điện Hybrid
Trạng thái ắc quy Xả Nạp Động cơ điện 100% (quãng đường)
Tỉ lệ hoạt động của động cơ đốt trong
Lần 1: 46% (quãng đường) Lần 2: 41% (quãng đường) Lần 3: 46% (quãng đường)
Thời gian nạp lại đầy ắc quy
Lần 1: 57 giây Lần 2: 50 giây Lần 3: 69 giây
Tốc độ động cơ đốt trong
Lần 1: 3600 RPM → 3800 RPM Lần 2: 3600 RPM → 3800 RPM Lần 3: 3600 RPM → 3800 RPM Độ trễ khởi động động cơ đốt trong
Lần 1: 3 giây Lần 2: 4 giây Lần 3: 4 giây Điện áp ắc quy khi bắt đầu nạp
Lần 1: 18.70; 18.50; 17.24 V Lần 2: 18.97; 18.63; 17.33 V Lần 3: 19.00; 18.75; 16.79 V Điện áp ắc quy khi nạp hoàn thành
Nhiệt độ điện trở công suất
- Mặc dù di chuyển với vận tốc 6-7 km/h hay vận tốc 10-12 km/h thì quãng được xe đi được là không chênh lệch quá nhiều
Khi di chuyển với tốc độ 6-7 km/h, bạn sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn, vì động cơ đốt trong chỉ hoạt động khoảng 35% trong suốt quãng đường, so với 45% khi di chuyển với vận tốc 10-12 km/h.
- Tốc độ động cơ đốt trong khá ổn định dao động từ 3500 – 3800 RPM
Độ trễ đáp ứng của ICE rất thấp, chỉ từ 2-3 giây khi di chuyển với tốc độ 6-7 km/h và 3-4 giây khi di chuyển với tốc độ 10-12 km/h Với mức độ trễ này, ICE hoàn toàn có khả năng đáp ứng các yêu cầu đặt ra.
Hệ thống cân bằng ắc quy hoạt động hiệu quả trong quá trình nạp, đảm bảo mức chênh lệch điện áp giữa phần tử pin cao nhất và thấp nhất không vượt quá 1 V, trong khi mức cho phép là 2,3 V.
Khối pin 3 có điện trở trong lớn nhất, dẫn đến điện áp và dung lượng thấp nhất khi xả, nhưng lại cao nhất khi nạp Bên cạnh đó, các điện trở công suất cân bằng của khối pin 3 hoạt động hiệu quả nhất ở nhiệt độ xả trung bình 50C, trong khi khối pin 1 chỉ đạt 36C, cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hiệu suất giữa các khối pin.
Bảng 6.3 Chu trình thực nghiệm khi xe khởi hành dưới 30% SOC
Trạng thái xe Hybrid Hoàn toàn điện
Trạng thái pin Xả Nạp Động cơ điện 100% (quãng đường)
Lần 1: 26% SOC Lần 2: 28% SOC Lần 3: 28% SOC
Tỉ lệ hoạt động của động cơ đốt trong
Lần 1: 69% (quãng đường) Lần 2: 68% (quãng đường) Lần 3: 63% (quãng đường)
Thời gian nạp lại đầy pin
Lần 1: 55 giây Lần 2: 68 giây Lần 3: 53 giây
Tốc độ động cơ đốt trong
Lần 1: 3500 RPM → 3700 RPM Lần 2: 3600 RPM → 3800 RPM Lần 3: 3700 RPM → 3900 RPM
Khi xe E-REV khởi động với mức SOC dưới 30%, nó sẽ tiêu tốn nhiều nhiên liệu nhiệt do động cơ đốt trong (ICE) phải hoạt động liên tục, trung bình lên đến 66% trong suốt hành trình.
- Tốc độ của ICE cũng ổn định ở mức từ 3500-3800 RPM
Xe E-REV chỉ có thể vận hành với tốc độ tối đa 15 km/h và thời gian di chuyển tối đa chỉ 3 phút do ắc quy cao áp có điện trở trong lớn và số lượng ít.
- Các yêu cầu đặt ra về cần bằng ắc quy cao áp, điều khiển động cơ bật tắt,…cả 2 chu trình đều đáp ứng đúng theo yêu cầu.