TỔNG QUAN
Tổng quan về đề tài
Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa, năng lượng đóng vai trò quan trọng trong ngành ô tô, đặc biệt khi nhu cầu năng lượng từ động cơ xăng và diesel ngày càng tăng trong khi nguồn cung có hạn Sự thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường từ khí thải ô tô đã dẫn đến hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu Nhằm giảm tiêu thụ nhiên liệu và bảo vệ môi trường, các nhà khoa học đã phát minh ra xe hybrid và xe plug-in hybrid Toyota và Honda là hai hãng tiên phong trong lĩnh vực này, thúc đẩy sự cạnh tranh và phát triển công nghệ xe hybrid và điện Mặc dù xe thuần điện chưa phát triển rộng rãi tại Việt Nam do hạn chế về cơ sở hạ tầng, xe hybrid đang dần thay thế xe sử dụng động cơ đốt trong.
Nhóm chúng em, dưới sự phân công của Bộ môn Động cơ ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô Tô, khoa Cơ khí động lực - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, cùng sự hướng dẫn của Th.S Huỳnh Quốc Việt, đã nghiên cứu và thực hiện đề tài "Ứng dụng Simscape trong mô phỏng điều khiển xe Hybrid" Mục tiêu của đề tài là tạo ra tài liệu hướng dẫn và tham khảo cho người dùng, giúp họ có cái nhìn thực tế và tiếp cận với sự phát triển của xe hybrid.
- Nắm vững cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động về xe hybrid
- Nắm vững cách sử dụng và ứng dụng của công cụ Simscape trong Matlab
- Tính toán thiết kế các hệ thống như mô tơ, pin,… trên xe hybrid
- Mô phỏng mô hình xe hyrbid kiểu nối tiếp trên phần mềm Matlab/Simulink/Simcape
- Điều khiển và chạy được mô hình với các thông số và driver cycle mong muốn
- Làm tư liệu phục vụ trong việc nghiên cứu và giảng dạy
Chỉ mô phỏng trên công cụ Simscape trong Matlab, chưa tiến hành xây dụng mô hình thực nghiệm
1.1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Động cơ trên xe hybrid
- Công cụ tính toán và mô phỏng Matlab/Simulink/Simscape
- Sử dụng cơ sở lí thuyết của các nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng mô hình mới
- Tính toán những thông số cần thiết đến mô hình hoặc tham khảo từ những thông số xe có sẵn trên thực tế để tiến hành mô phỏng
- Sử dụng Matlab/Simulink/Simscape để xây dựng mô hình theo các driver cycle thực nghiệm
1.1.6 Kết quả dự kiến đạt được
Trình bày cách vận hành, các chiến thuật điều khiển của xe lai kiểu nối tiếp, cách bố trí hệ thống xe Hybrid trong phần mềm Matlab/Simulink/Simscape
Tổng quan về xe hybrid
1.2.1 Xe hybrid là gì và sự ra đời của xe EREV (Etended Range Electric Vehicle)
Xe hybrid (Hybrid Electric Vehicle – HEV) là loại xe kết hợp động cơ truyền thống (xăng, diesel) với động cơ điện sử dụng năng lượng từ pin cao áp Đặc biệt, pin được nạp điện thông qua cơ chế "thông minh", như khi phanh hoặc xuống dốc, gọi là phanh tái tạo năng lượng Nhờ vào công nghệ này, ô tô hybrid tiết kiệm điện và nhiên liệu khi vận hành, đồng thời tái sinh năng lượng điện để sử dụng khi cần thiết.
Xe điện, mặc dù không phát thải khí độc hại, vẫn gặp phải những hạn chế về chi phí sản xuất và quản lý pin Do đó, xe hybrid trở thành lựa chọn thay thế tối ưu, được nghiên cứu và phát triển như một giải pháp hiệu quả về kinh tế và bảo vệ môi trường.
Công nghệ hybrid chính là chìa khóa dẫn đến kỷ nguyên mới của ô tô, mang lại những chiếc xe không gây ô nhiễm môi trường, hay còn gọi là xe ô tô sinh thái.
Xe ô tô sử dụng hydrogen, ô tô điện và ô tô pin mặt trời hiện vẫn gặp một số nhược điểm, đặc biệt trong bối cảnh thực tế của đất nước ta Do đó, xe hybrid, kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, được xem là giải pháp phù hợp nhất trong giai đoạn đầu của xu thế phát triển ô tô sạch Giải pháp này không chỉ đáp ứng được những thách thức trong môi trường đô thị mà còn giúp đối phó với nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu khí đốt.
Xe hybrid chỉ phù hợp cho hoạt động trong các thành phố và khu du lịch, cũng như trên những tuyến đường dài bằng phẳng Tuy nhiên, chúng không thể thay thế hoàn toàn xe chạy bằng động cơ xăng hoặc diesel do công nghệ lai còn nhiều hạn chế Một trong những thách thức lớn nhất là nguồn dự trữ năng lượng điện cho động cơ, vì dung lượng pin thường có giới hạn và số lượng địa điểm sạc ở Việt Nam còn rất hạn chế.
Xe EREV là loại xe hybrid mở rộng phạm vi, kết hợp ưu điểm của xe điện và xe hybrid Nó được phát triển từ xe điện PHV (Plug-in Hybrid Vehicle) để khắc phục nhược điểm về phạm vi hạn chế và chi phí cao của xe điện EREV hoạt động chủ yếu như một chiếc xe thuần điện cho đến khi pin giảm xuống mức báo động, lúc này xe sẽ sử dụng bộ mở rộng phạm vi để tiếp tục hoạt động.
Xe hybrid hoạt động bằng cách sạc lại pin hoặc phát ra năng lượng trực tiếp để duy trì vận hành Năng lượng phụ trợ từ động cơ đốt trong và máy phát điện giúp xe hoạt động liên tục miễn là còn nhiên liệu, kéo dài thời gian sử dụng cho xe hybrid.
1.2.1.1 Theo thời điểm phối hợp công suất a) Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm
Khi ôtô khởi hành, mô tơ điện hoạt động để cung cấp công suất, giúp xe tăng tốc lên khoảng 25 mph (1,5 km/h) trước khi động cơ xăng khởi động Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng cần khởi động ngay lập tức để cung cấp công suất tối đa Mô tơ điện và động cơ xăng hỗ trợ nhau trong các điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất như leo dốc hoặc vượt xe khác Mô tơ điện hiệu quả hơn ở tốc độ thấp, giúp tiết kiệm nhiên liệu hơn khi lái trên đường phố và đường bằng phẳng, nhưng không tối ưu trên đường cao tốc Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai ví dụ điển hình cho loại xe này.
Mô tơ điện chỉ hỗ trợ động cơ xăng khi cần công suất cao, như trong quá trình tăng tốc nhanh, leo dốc, hoặc vượt xe khác Trong điều kiện lái bình thường, xe vẫn hoạt động chủ yếu bằng động cơ xăng.
Những chiếc xe hybrid như Honda Civic Hybrid và Honda Insight thường tiết kiệm nhiên liệu hơn khi di chuyển trên đường cao tốc hoặc trong các chuyến đi dài, vì lúc này động cơ xăng hoạt động với ít gánh nặng nhất.
Cả hai loại phương tiện đều tiêu thụ năng lượng từ pin khi sử dụng mô tơ điện, dẫn đến việc pin bị hao hụt Tuy nhiên, khả năng tự sạc lại khi phanh hoặc khi xuống dốc giúp việc nạp lại điện năng không phải là vấn đề đáng lo ngại.
1.2.1.2 Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện a) Kiểu nối tiếp (EREV – Extended Range Electric Vehicle)
Hệ thống dẫn động xe hybrid kiểu nối tiếp (Series hybrid electric drive train) là một công nghệ tiên tiến, trong đó xe hybrid chỉ được kéo bởi mô tơ điện khi hoạt động, mang lại hiệu suất năng lượng tối ưu và giảm thiểu khí thải.
Mô tơ điện hoạt động nhờ hai nguồn năng lượng chính: pin và máy phát điện được điều khiển bởi động cơ đốt trong Hệ thống dẫn động nối tiếp đơn giản nhất được minh họa trong hình 1.1.
Bộ lưu trữ năng lượng (pin) là nguồn năng lượng chính của xe hybrid kiểu nối tiếp
Nó cung cấp năng lượng để mô tơ điện hoạt động để tạo ra động năng kéo bánh xe giúp xe chuyển động
Bánh xe được vận hành bởi một mô tơ điện, sử dụng năng lượng từ pin hoặc máy phát do động cơ đốt trong cung cấp khi pin đạt dung lượng thấp.
Cụm động cơ đốt trong và máy phát có vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho mô tơ kéo khi công suất tải vượt quá khả năng của mô tơ, đồng thời nạp điện cho pin khi công suất tải thấp và dung lượng pin giảm.
Bộ điều khiển mô tơ và bộ truyền động dùng để điều khiển mô tơ kéo sinh ra năng lượng phù hợp với yêu cầu của xe
Hình 1.1 Sơ đồ hệ dẫn động xe hybrid kiểu nối tiếp
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA XE KIỂU EREV – EXTENDED RANGE
Động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong trong xe hybrid đóng vai trò quan trọng như một trong hai nguồn năng lượng chính giúp xe hoạt động Cụm động cơ này kết hợp với máy phát điện cung cấp công suất cần thiết để duy trì mức SOC ổn định cho pin.
Hình 2.2 Động cơ xe hybrid
Hình 2.3 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong hoạt động hiệu quả nhất ở tốc độ từ 2500 đến 3300 vòng/phút, với công suất đạt khoảng 40 kW đến 60 kW Tuy nhiên, do động cơ không được nối trực tiếp với trục bánh xe, chúng ta có thể điều chỉnh để động cơ làm việc trong vùng tối ưu của nó.
Khi mức SOC giảm từ 100% xuống 40%, cụm động cơ đốt trong / máy phát sẽ hoạt động để nạp lại năng lượng cho pin Khi pin đạt 70%, cụm động cơ này sẽ tắt Chu trình này lặp lại trong suốt quá trình vận hành, giúp xe duy trì năng lượng và kéo dài quãng đường hoạt động, đồng thời giảm đáng kể lượng khí thải.
Với việc tốc độ của động cơ đốt trong không đổi thì công suất mà động cơ đốt trong phát ra có thể được biểu diễn bằng công thức:
𝜂 𝑡 𝜂 𝑚𝑎𝑦𝑝ℎ𝑎𝑡 (kW) Trong đó: ηt và ηmayphat là hiệu suất của hộp số và motor kéo
Hình 2.4 Thời điểm bật tắt động cơ đốt trong
Động cơ điện
Hoạt động của xe, bao gồm gia tốc, khả năng leo dốc và tốc độ tối đa, hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước và đặc tính của mô tơ kéo dẫn động Đặc tính của xe hybrid có thể được minh họa qua ví dụ của một mô tơ điện như trong hình 2.5.
Động cơ điện hoạt động từ tốc độ 0, và khi đạt đến tốc độ cơ sở (Vb), điện áp tăng tương ứng với dòng điện không đổi Khi tốc độ vượt qua tốc độ cơ sở, điện áp giữ nguyên, trong khi dòng điện giảm Điều này cho thấy công suất đầu ra ổn định, nhưng mô men giảm theo đường hyperbol khi tốc độ tăng.
Máy phát điện xoay chiều
Máy phát điện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xe hybrid, giúp cung cấp điện năng khi pin bị hao hụt Cấu tạo của máy phát điện bao gồm ba bộ phận chính: phát điện, chỉnh lưu và hiệu chỉnh điện áp.
Hình 2.5 Đặc tính tốc độ - mômen và công suất – mômen của một mô-tơ điện
Chức năng phát điện của động cơ đốt trong diễn ra khi động cơ hoạt động, truyền chuyển động quay đến máy phát điện qua dây đai hình chữ V Rotor của máy phát điện hoạt động như một nam châm điện, tạo ra từ trường tương tác với dây quấn bên trong stator, từ đó sản sinh ra điện năng.
Chức năng của bộ chỉnh lưu là chuyển đổi dòng điện xoay chiều do máy phát điện sinh ra thành dòng điện một chiều, điều này rất cần thiết để cung cấp điện năng cho pin.
Chức năng hiệu chỉnh điện áp đảm bảo rằng hiệu điện thế của dòng điện cung cấp cho pin luôn ổn định, bất kể sự thay đổi trong tốc độ của máy phát điện.
Khi nam châm điện quay quanh cuộn dây, điện áp xuất hiện giữa hai đầu cuộn dây, tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha Cường độ dòng điện đạt tối đa khi các cực nam (S) và bắc (N) của nam châm điện gần nhau nhất Sau mỗi nửa vòng quay, chiều dòng điện trong mạch thay đổi, tạo ra dòng điện xoay chiều một pha với chu kỳ 360 độ Để nâng cao hiệu suất phát điện, thường bố trí 3 cuộn dây A, B và C trong máy phát, mỗi cuộn cách nhau 120 độ và hoạt động độc lập, tạo thành mối quan hệ giữa 3 dòng điện xoay chiều một pha.
Hình 2.6 Máy phát điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều ba pha được tạo ra khi 17 chiều một pha kết hợp lại với nhau Hiện nay, hầu hết các xe hiện đại đều sử dụng dòng điện xoay chiều ba pha này.
Bộ chỉnh lưu: mạch chỉnh lưu của máy phát điện xoay chiều ba pha có 6 diode và được bố trí như hình vẽ
Bộ tiết chế IC bao gồm một IC lai, cánh tản nhiệt và giắc nối, có chức năng điều chỉnh điện áp và cảnh báo khi máy phát gặp sự cố không bình thường.
Hình 2.7 Dòng điện xoay chiều ba pha
Hình 2.8 Mạch chỉnh lưu dòng điện
Bộ chuyển đổi DC/DC
Bộ chuyển đổi DC-DC là thiết bị chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) từ một mức điện áp sang mức điện áp khác bằng cách lưu trữ tạm thời năng lượng đầu vào và giải phóng nó ở đầu ra Năng lượng có thể được lưu trữ trong các phần tử như cuộn cảm, máy biến áp (lưu trữ từ trường) hoặc tụ điện (lưu trữ điện trường) Bộ biến đổi DC-DC có thể được thiết kế để truyền điện theo một hướng duy nhất, nhưng hầu hết các cấu trúc kết hợp đều cho phép truyền điện hai chiều.
Các thiết bị điện phụ trợ trên xe, bao gồm đèn, hệ thống âm thanh, tủ lạnh và máy lạnh, sử dụng nguồn điện một chiều 12V Máy phát THS có điện áp đầu ra là 201.6V, và bộ chuyển đổi DC-DC sẽ chuyển đổi nguồn điện này sang 12V để cung cấp cho các thiết bị điện hoặc nạp cho ắc quy phụ.
Hình 2.9 Bộ chuyển đổi DC-DC
Bộ chuyển đổi DC-AC
Hình 2.10 Bộ chuyển đổi DC-AC
Bộ chuyển đổi DC-AC là thiết bị quan trọng trong hệ thống điều hòa không khí, có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều 201.6V từ pin xe Hybrid thành điện áp xoay chiều 201.6V cho máy nén Điện áp từ pin được chuyển qua bộ DC-AC để tạo ra dòng điện 3 pha với tần số thay đổi, phục vụ cho động cơ kéo.
Nguồn cao áp (pin/ắc-quy)
Pin trên ô tô Hybrid, còn được gọi là ắc-quy hay pin thứ cấp, là loại pin có khả năng sạc lại thông qua nguồn điện từ máy phát hoặc trong quá trình phanh tái sinh.
Hình 2.11 Bộ chuyển đổi dòng điện nguồn DC để cung cấp cho motor kéo
Pin ô tô Hybrid được cấu tạo từ nhiều ngăn, mỗi ngăn chứa các cell pin được lắp nối tiếp Mỗi cell pin bao gồm các điện cực dương (Anode) và điện cực âm (Cathode), cùng với dung dịch điện ly.
Pin Lithium-ion (Li-ion) là loại pin phổ biến trong các xe Hybrid hiện nay, đồng thời cũng được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị công nghệ như điện thoại di động và máy tính xách tay.
Pin Lithium-ion bao gồm hai cực: cực dương được làm từ hợp chất oxit kim loại chuyển tiếp như Mangan, Cobalt, Nickel kết hợp với Lithium, trong khi cực âm sử dụng Graphite và chất điện li dạng lỏng.
Công nghệ pin Lithium-ion hiện nay cho phép sạc nhanh mà không ảnh hưởng đến chất lượng hay tuổi thọ pin Tuy nhiên, hiện tượng chai pin vẫn không thể tránh khỏi, vì vậy nhà sản xuất khuyến cáo không nên xả pin xuống dưới 20-25% Khi sạc, chỉ nên nạp đến 85% dung lượng pin để bảo vệ tuổi thọ Thói quen lái xe cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ pin, vì vậy nên giữ tốc độ ổn định và tránh tăng tốc đột ngột Pin Lithium-ion có ưu điểm nổi bật như khả năng nạp điện nhanh, tốc độ tự xả thấp, mật độ năng lượng cao và tuổi thọ lâu dài, do đó được ưu tiên sử dụng trong ngành sản xuất xe hybrid và xe điện.
Nhược điểm: giá thành tương đối cao bởi vì thành phần cấu tạo pin có hạn và tương đối khó sản xuất
Pin axit chì, hay còn gọi là ắc quy chì, là loại pin phổ biến được sử dụng cho xe hybrid, xe điện và nhiều thiết bị công nghệ khác Với giá thành thấp, pin axit chì vận hành an toàn và chứa ít thành phần gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa, loại pin này còn có khả năng tái chế tốt sau khi hỏng, làm cho nó trở thành một lựa chọn thân thiện với môi trường.
Pin axit chì có một số nhược điểm như công suất thấp hơn so với các loại pin khác, kích thước và khối lượng lớn, thời gian sạc dài, tuổi thọ ngắn và cần bảo trì thường xuyên.
Siêu tụ điện (Ultra Capacitor) là loại tụ điện có mật độ điện dung cao, cho phép tích trữ năng lượng gấp 10 đến 100 lần so với tụ điện thông thường Nó có khả năng nạp và xả nhanh hơn pin thứ cấp, nhưng kích thước và khối lượng lớn hơn Siêu tụ có điện dung lên đến vài nghìn Fara, nhưng điện áp chỉ khoảng vài volt do lớp cách điện không chịu được điện áp cao Để sử dụng ở mức điện áp cao, siêu tụ cần được mắc nối tiếp, tuy nhiên, điều này làm giảm điện dung Hiện nay, module siêu tụ tối ưu nhất có điện áp lớn nhất 125V và điện dung 63F Siêu tụ vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực ô tô do hạn chế về khả năng cung cấp nguồn, kích thước và khối lượng.
ECU của pin có chức năng:
Để duy trì mức SOC ở mức trung tâm, cần ước tính tỉ lệ dòng điện nạp vào và xả ra, sau đó gửi yêu cầu tới ECU của xe để điều chỉnh mức này.
- Đánh giá lượng nhiệt sinh ra trong quá trình sạc vào và xả ra để điều khiển quạt làm mát duy trì nhiệt độ của pin xe hybrid
Giám sát nhiệt độ và điện áp của pin là rất quan trọng để phát hiện sớm các sự cố như rò rỉ điện Việc này giúp ngăn chặn hoặc hạn chế tổn hao cho pin bằng cách tự động ngắt hoặc dừng quá trình nạp và xả, từ đó bảo vệ pin và giảm thiểu nguy cơ xảy ra tai nạn.
2.6.4 Các chế độ hoạt động xe hybrid nối tiếp
Trong quá trình vận hành, khi pin đạt đến mức xả nhất định, động cơ đốt trong sẽ khởi động để chạy máy phát điện, cung cấp năng lượng cho pin và duy trì hoạt động của động cơ điện Khi pin được nạp đầy đến mức quy định, động cơ đốt trong sẽ tắt, và xe sẽ hoạt động hoàn toàn như một chiếc xe điện.
Xe hybrid nối tiếp có 3 chế độ hoạt động cơ bản:
Chế độ sạc đầy (CD – Charge Depleting) là chế độ khởi đầu của xe hybrid nối tiếp, trong đó pin được sạc đầy tại trạm sạc hoặc mạng lưới điện gia đình Khi pin đạt mức SOC 100% và xe khởi động, năng lượng cung cấp hoàn toàn từ động cơ điện, với pin là nguồn năng lượng duy nhất Pin sẽ được sạc lại thông qua phanh tái sinh, trong khi động cơ đốt trong tạm thời tắt Động cơ đốt trong chỉ hoạt động khi mức SOC của pin giảm xuống dưới ngưỡng tối thiểu đã định, lúc này xe sẽ chuyển sang chế độ CS.
Chế độ sạc duy trì (CS - Charge Sustaining) được kích hoạt khi mức SOC (State of Charge) giảm xuống dưới giới hạn tối thiểu đã định Trong chế độ này, động cơ sẽ hoạt động để quay máy phát, tạo ra điện năng nhằm sạc lại pin điện Điều này cho phép xe duy trì hoạt động mà không bị gián đoạn do thiếu năng lượng.
Hình 2.15 Chế độ hoạt động của xe hybrid
Động cơ hoạt động ở vùng tối ưu không đổi mà không kết nối trực tiếp với bánh xe, giúp đạt hiệu quả cao Khi mức SOC đạt giới hạn trên, động cơ đốt trong sẽ tự động tắt Quá trình này lặp lại liên tục trong suốt quá trình hoạt động của xe.
Chế độ tái nạp điện (All Electric Range - AER) cho phép xe điện nạp năng lượng khi dừng lại tại các trạm sạc Khi cắm sạc, mức SOC (State of Charge) của xe sẽ dần tăng lên 100%, sử dụng nguồn điện từ mạng lưới điện gia đình hoặc trạm sạc công cộng.
Ắc quy phụ
Ắc-quy DC 12V được lắp đặt cố định phía sau xe, có chức năng duy trì và cung cấp dòng điện một chiều ổn định cho các thiết bị điện như đèn xe, hệ thống âm thanh và các ECU điều khiển.
Phương pháp điều khiển
Hệ thống điều khiển của bộ truyền động xe hybrid nối tiếp bao gồm:
+ Bộ điều khiển xe (Driver)
Hình 2.22 Ắc quy phụ trên xe
+ Bộ điều khiển động cơ đốt trong (Supervisoy Controller)
+ Động cơ đốt trong (Engine)
+ Bộ lưu trữ năng lượng (Battery)
+ Bộ điều khiển phanh cơ khí (Brake)
+ Bộ truyền động (Vehicle Dynamics)
Bộ điều khiển xe (Driver) tiếp nhận tín hiệu từ người lái, bao gồm vị trí bàn đạp ga và bàn đạp phanh, cùng với thông tin từ xe như tốc độ và mức SOC của pin Dựa vào các tín hiệu này, thuật toán điều khiển sẽ xử lý và phát lệnh cho bộ điều khiển (Controller) để điều khiển các bộ phận khác trong xe Để phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả, cần phải đáp ứng các yêu cầu cụ thể.
Xe cần đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về khả năng vận hành, bao gồm vận tốc, gia tốc, khả năng leo dốc, tốc độ tối thiểu và tốc độ tối đa.
Để bảo vệ pin khỏi tình trạng chai, cần duy trì mức SOC (State of Charge) trong giới hạn cho phép, tránh việc pin bị hết năng lượng do nạp và xả quá nhiều lần.
- Hiệu suất tối ưu nhất có thể
Hình 2.23 Sơ đồ một hệ dẫn động và điều khiển hybrid nối tiếp
Để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, việc thu hồi năng lượng sau khi phanh là rất quan trọng nhằm giảm thiểu lãng phí Khi mức SOC của pin vượt quá mức đã định, động cơ điện sẽ cung cấp năng lượng cho xe, trong khi động cơ đốt trong sẽ không được kích hoạt cho đến khi cần thiết Khi mức SOC giảm xuống dưới ngưỡng thấp đã thiết lập, bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ đốt trong để vận hành máy phát, từ đó cung cấp năng lượng trở lại cho pin và đáp ứng nhu cầu công suất của xe Quá trình này diễn ra liên tục trong suốt chu trình hoạt động của xe.
Khi pin đạt đến mức nhất định, động cơ đốt trong sẽ khởi động để cung cấp năng lượng cho máy phát, từ đó sạc lại pin hoặc cung cấp năng lượng cho động cơ điện Trong các tình huống xe chạy ở khoảng cách ngắn hoặc tốc độ ổn định, xe hoạt động hoàn toàn bằng điện, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, khi xe di chuyển xa hơn, tăng tốc hoặc pin xuống mức thấp, động cơ đốt trong sẽ hoạt động để duy trì năng lượng cho pin, mặc dù cung cấp năng lượng cho xe sẽ ít hơn bình thường.
Trong hệ thống dẫn động của xe hybrid nối tiếp, động cơ đốt trong và máy phát được thiết kế tách rời với trục bánh xe Điều này cho phép động cơ đốt trong hoạt động ở bất kỳ điểm nào trong vùng tốc độ tối ưu, không bị phụ thuộc vào yêu cầu về tốc độ và mô-men kéo của xe Kết quả là, nhiên liệu tiêu thụ và khí thải sinh ra đều được giảm thiểu ở mức thấp nhất.
2.8.2 Các chiến lược điều khiển
Hệ thống truyền lực của xe hoạt động theo hai chế độ: chỉ sử dụng động cơ điện và kết hợp động cơ điện với động cơ đốt trong Ban đầu, xe hoạt động chỉ bằng pin, giúp xe di chuyển từ vị trí dừng Khi pin suy giảm đến mức cho phép, động cơ đốt trong sẽ khởi động, vừa cung cấp động lực cho xe vừa sạc lại pin Khi mức SOC của pin đạt giới hạn tối đa, động cơ đốt trong sẽ ngừng hoạt động.
Nguồn động lực cho xe sẽ chuyển từ động cơ sang nguồn điện từ pin, tạo ra một chu trình lặp lại liên tục trong quá trình hoạt động của xe.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét hai chiến lược điều khiển xe đặc trưng: thứ nhất, chiến thuật điều khiển nhằm tối ưu hóa trạng thái nạp lớn nhất cho pin, và thứ hai, phương pháp điều khiển bật-tắt động cơ đốt trong.
2.8.2.1 Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất cho pin
Pyc – Công suất yêu cầu
Pđc/mp – Công suất cụm động cơ đốt trong / máy phát
B – Dạng chỉ có động cơ đốt trong kéo hoặc dạng nạp cho pin
Pn-aq – Công suất nạp cho pin
Pph,ts – Công suất phanh tái sinh
Pph,ck – Công suất phanh cơ khí
Hình 2.24 Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất cho pin
35 a) Chế độ kéo hỗn hợp
Khi xe yêu cầu công suất lớn, cả động cơ đốt trong, máy phát và pin cùng cung cấp năng lượng cho mô tơ điện Động cơ đốt trong được điều khiển để hoạt động trong vùng tối ưu, trong khi nguồn năng lượng từ pin bổ sung công suất cần thiết để đáp ứng yêu cầu kéo của xe Dạng hoạt động này có thể được biểu diễn bằng một công thức cụ thể.
Pyc = Pđcđt/mp + Paq(PPS)
Pyc là công suất yêu cầu bởi người lái (đạp chân ga)
Pđcđt/mp là công suất của cụm động cơ đốt trong và máy phát
Paq là công suất pin b) Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của pin cung cấp cho mô-tơ điện
Khi xe bắt đầu di chuyển từ vị trí dừng hoặc khi mức SOC của pin cao, nguồn ắc quy sẽ cung cấp công suất cần thiết để đáp ứng yêu cầu từ người lái.
Pyc = Paq c/ Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của cụm động cơ đốt trong và máy phát cung cấp cho mô-tơ điện
Khi xe đạt tốc độ ổn định, động cơ đốt trong và máy phát cung cấp công suất cần thiết theo yêu cầu của người lái Năng lượng điện được truyền trực tiếp từ động cơ và máy phát đến mô tơ kéo.
Pyc = Pđcđt/mp d) Chế độ pin nạp năng lượng từ cụm động cơ đốt trong và máy phát
Khi năng lượng pin giảm xuống dưới mức giới hạn, cần bổ sung năng lượng cho pin Năng lượng có thể được nạp từ máy phát hoặc qua quá trình phanh tái sinh Trong trường hợp này, công suất động cơ đốt trong được chia thành hai phần: một phần kéo xe và phần còn lại dẫn động máy phát để nạp điện cho pin Chế độ này chỉ hoạt động khi năng lượng từ động cơ và máy phát lớn hơn công suất tải mà xe yêu cầu.
36 e) Chế độ phanh tái sinh
Khi lực phanh yêu cầu mô-men vượt quá mức tối đa mà mô tơ phanh có thể cung cấp, cả phanh tái sinh và phanh cơ sẽ hoạt động để đảm bảo lực phanh cần thiết Ngược lại, nếu lực phanh yêu cầu nhỏ hơn mô-men tối đa của mô tơ, chỉ phanh tái sinh sẽ hoạt động, và mô-men dư sẽ được chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho pin.
Chiến lược điều khiển nhằm đáp ứng công suất yêu cầu từ lái xe và duy trì mức nạp pin cao nhất Chiến lược này được thiết kế cho xe chạy chủ yếu bằng năng lượng pin, đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho hoạt động Các điểm A, B, C, D trong hình 2.24 thể hiện công suất yêu cầu trong chế độ kéo và phanh Điểm A cho thấy xe cần công suất kéo lớn hơn khả năng của động cơ đốt trong và máy phát, buộc pin phải bù đắp năng lượng thiếu hụt Tại điểm B, khi công suất kéo nhỏ hơn khả năng của động cơ, năng lượng sử dụng phụ thuộc vào mức SOC của pin; nếu SOC thấp, động cơ vừa kéo vừa nạp pin Điểm C chỉ ra rằng công suất phanh yêu cầu lớn hơn công suất phanh của mô tơ điện, do đó cần kết hợp phanh cơ khí và phanh điện để đáp ứng yêu cầu Ngược lại, tại điểm D, khi công suất phanh cần thiết nhỏ hơn khả năng của mô tơ điện, chỉ có phanh tái sinh hoạt động, chuyển hóa công suất phanh thành điện năng để sạc lại pin.
Pkéo là công suất kéo yêu cầu từ người lái
Pphanh là công suất phanh yêu cầu từ người lái
Pdc/mp là công suất phát ra từ động cơ đốt trong / máy phát
Pm,max là công suất tối đa của mô tơ phanh tái sinh
Khi có tín hiệu công suất kéo:
Nếu SOC > SOC top đã định sẵn Khi đó, pin có thể đáp ứng được công suất kéo yêu cầu:
THIẾT KẾ XE EREV
Nguyên tắc thiết kế hệ thống truyền lực xe EREV
3.1.1 Nguyên tắc thiết kế khớp nối
Thiết kế hệ thống truyền lực là quá trình đảm bảo xe đạt hiệu suất tối ưu, bao gồm khả năng tăng tốc, leo dốc và tốc độ cực đại Các thành phần quan trọng trong hệ thống này bao gồm truyền động mô tơ kéo, cụm động cơ, máy phát điện, pin và thiết bị khớp nối điện, tất cả đều đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của xe.
Hệ thống truyền lực EREV gồm:
- Bộ Extender : động cơ đốt trong (ICE)
- Máy phát / Máy khởi động (ISC) và bộ chuyển đổi AC/DC
- Truyền động cuối : mô tơ kéo (mô tơ điện) và bộ chuyển đổi DC/AC
3.1.2 Nguyên tắc thiết kế công suất định mức của mô tơ điện
Giả sử một xe EREV có thời gian tăng tốc từ 0 đến 𝑉f (m/s) trong 𝑡a (s) và các thông số cho trước:
Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế EREV
Bảng 3.1 Các thông số cho trước
Tổng khối lượng trên xe M
Hệ số cản lăn fr
Hệ số cản gió Cd
Diện tích cản gió Af
Mật độ không khí pa
2p a C d v x 2 Lực cản dốc: F grade = %grade M g
Lực cần thiết để xe bắt đầu di chuyển: F f = F r + F a + F grade
Công suất cần thiết để xe bắt đầu di chuyển: P f = P f V
Công suất cần thiết để tăng tốc: P acc = M V f a
Hình 3.2 Các lực khi xe leo dốc
Công suất cần thiết để tăng tốc cho đến khi công suất đạt đến mức công suất tối đa của mô tơ:
𝑃 𝑚𝑎𝑥 = 𝑃 𝑓 + 𝑃 𝑎𝑐𝑐 Giả sử trong phạm vi tốc độ từ 0 đến 𝑉f , công suất cần thiết để vượt qua sức cản lăn và khí động học kéo tương đối nhỏ là:
5 𝑝 𝑎 𝐶 𝑑 𝐴 𝑓 𝑉 𝑓 3 Lưu ý: phương trình trên chỉ ước lượng để đáp ứng tính năng tăng tốc Để xác định chính xác công suất định mức mô tơ cần phải kiểm tra thực nghiệm
Giá trị đầu tiên trong phương trình Pt thể hiện công suất cần thiết để tăng tốc xe, trong khi các giá trị thứ hai và thứ ba phản ánh công suất trung bình để vượt qua lực cản lăn và lực cản khí động học Hình 3.3 minh họa mối quan hệ giữa lực kéo và công suất kéo theo tốc độ xe với hộp số hai cấp Khi tăng tốc từ bánh răng thấp, lực kéo di chuyển theo đường a-b-d-e-f Tại điểm f, động cơ điện đạt tốc độ tối đa và hộp số phải chuyển sang bánh răng cao để tiếp tục tăng tốc Trong trường hợp sử dụng hộp số đơn với chỉ một bánh răng tốc độ cao, lực kéo sẽ theo đường c-d-e-f và tốc độ cơ sở của xe sẽ là Vb2.
Hình 3.3 Đặc tính tốc độ mo men của motor điện
Khi xe đạt tốc độ 100 km/h tại điểm e, hộp số hai cấp cho phép tăng tốc nhanh hơn nhờ lực kéo lớn hơn ở bánh răng tốc độ thấp a-b-d so với bánh răng tốc độ cao c-d Hình 3.5 minh họa mối quan hệ giữa công suất động cơ và tốc độ, được xác định bởi tỷ số giữa tốc độ tối đa và tốc độ cơ bản trong hình 3.4 Cần lưu ý rằng công suất động cơ được tính theo phương trình Pt chỉ là ước lượng để đáp ứng nhu cầu tăng tốc.
Hình 3.5 minh họa mối quan hệ giữa động lực kéo và tốc độ xe với các tỉ số truyền khác nhau cùng công suất mô tơ Hình 3.4 thể hiện công suất định mức của công suất kéo tương ứng với tỉ số truyền của hệ thống truyền lực.
Công suất kéo leo dốc tính bằng công thức sau:
2 𝑝 𝑎 𝐶 𝑑 𝐴 𝑓 𝑉 2 + 𝑀 𝑔 𝑠𝑖𝑛𝛼) Trong đó: α là độ dốc (độ)
V là tốc độ xe (m/s) được xác định theo yêu cầu về tính năng
Khi một chiếc xe off-road leo dốc với độ nghiêng tối đa 60% (31 độ) ở tốc độ 10 km/h, mặt đất thường không trải nhựa, dẫn đến lực cản lăn lớn hơn nhiều so với đường nhựa do độ biến dạng của mặt đường Vì vậy, để tính toán công suất động cơ cần thiết cho khả năng leo dốc, cần phải xem xét thêm lực cản lăn để giải quyết vấn đề này Công suất mô tơ có thể được xác định theo các yếu tố này.
Tỷ lệ mở rộng tốc độ lớn làm giảm hiệu quả trong việc đáp ứng yêu cầu công suất kéo của mô tơ, ảnh hưởng đến khả năng leo dốc Mặc dù tốc độ trên độ dốc tối đa sẽ nhỏ hơn, việc mở rộng tốc độ có thể thực hiện thông qua mô tơ hoặc bộ truyền bánh răng Để đảm bảo xe có khả năng tăng tốc, công suất mô tơ cần được tính toán dựa trên các mức độ mở rộng tốc độ khác nhau trên những con đường cứng, theo phương trình Pf Hình 3.6 trình bày các kết quả tính toán công suất mô tơ.
Hình 3.6 Đồ thị công suất theo tốc độ của mô tơ
Công suất 45 được xác định bởi khả năng leo dốc, cho thấy rằng mức công suất thiết kế không chỉ đáp ứng tính năng leo dốc mà còn hỗ trợ yêu cầu tăng tốc Trong thiết kế kỹ thuật, việc cân bằng giữa công suất của mô tơ và độ phức tạp của hệ thống là cần thiết để tạo ra tỷ lệ mở rộng tốc độ mô tơ hợp lý.
3.1.3 Nguyên tắc thiết kế công suất định mức của động cơ / máy phát
Cụm động cơ đốt trong và máy phát điện trong hệ thống truyền lực EREV cung cấp công suất ổn định để duy trì mức SOC tối ưu cho pin Khi xe hoạt động, nó hoàn toàn sử dụng công suất từ pin (ICE OFF) cho đến khi mức SOC giảm xuống dưới 60% Lúc này, động cơ đốt trong và máy phát sẽ được kích hoạt để sạc lại pin, giúp tăng phạm vi hoạt động của xe trong suốt chuyến đi.
Với tốc độ không đổi, công suất phát ra từ nguồn điện (động cơ đốt trong/máy phát điện và/hoặc pin) có thể được biểu diễn bằng:
2 𝑝 𝑎 𝐶 𝑑 𝐴 𝑓 𝑉 2 ) (kW) Trong đó: ηt và ηm là hiệu suất của hộp số và mô tơ kéo
Hình 3.7 Công suất tải của ô tô tại tốc độ không đổi
Hình 3.7 minh họa công suất tải của một chiếc xe chở khách nặng 500 kg, không tính đến ηt và ηm, với đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất tải và tốc độ xe Công suất tải trung bình được biểu diễn rõ ràng trong hình ảnh này.
Trong đó: δ là hệ số quán tính quay của xe dV/dt là gia tốc của xe
Giá trị 𝑃ave là công suất trung bình được sử dụng để vượt qua sự cản lăn của lốp xe và khí động học
3.1.4 Nguyên tắc thiết kế pin
Pin cần đảm bảo cung cấp công suất ổn định cho motor kéo mọi lúc và phải có khả năng lưu trữ năng lượng đủ để ngăn ngừa mất điện do quá tải Nguyên tắc quan trọng là tối đa hóa công suất của pin.
Hình 3.8 Điểm hoạt động của động cơ/ máy phát
Việc thiết kế công suất pin cần đảm bảo đáp ứng công suất tối đa của mô tơ điện mọi lúc Công suất yêu cầu của pin được xác định bởi công suất định mức của mô tơ, và cần được thiết kế để hoạt động hiệu quả ở mức SOC thấp, chẳng hạn như 40%, vì pin thường hoạt động ở mức SOC thấp trong chế độ này.
𝑃𝑚.𝑚𝑎𝑥 là công suất định mức lớn nhất của động cơ
𝜂𝑚 là hiệu suất của động cơ
𝜂𝑡 hiệu suất truyền lực từ mô tơ đến bánh xe chủ động
3.1.5 Nguyên tắc thiết kế hệ thống pin
Dung lượng pin là yếu tố quan trọng trong hệ thống EREV, ảnh hưởng đến hiệu suất xe, mức tiêu thụ nhiên liệu, chi phí ban đầu và chi phí vận hành Hai thông số chính trong thiết kế dung lượng pin là năng lượng lưu trữ và năng lượng sử dụng Tổng dung lượng pin có thể được xác định bởi các yếu tố này.
Hình 3.9 Chế độ hoạt động chủ yếu của EREV
𝐸𝑢𝑠𝑒 là dung lượng có thể sử dụng, dung lượng này được tiêu thụ ở chế độ CD thuần điện
SOCmax là khả năng lưu trữ năng lượng lớn nhất của pin (thường bằng 1)
SOCmin là khả năng lưu trữ năng lượng nhỏ nhất của pin tại chế độ hoạt động được chuyển từ chế độ CD sang chế độ CS
SOC (State of charge) được định nghĩa là tỷ lệ giữa lượng điện của pin hiện có so với dung lượng cực đại:
Q là dung lượng hiện tại của pin
𝑄𝑚𝑎𝑥 là dung lượng danh định cực đại của pin
Dung lượng ắc quy được đo bằng ampe*giờ (Ah), phản ánh khả năng lưu trữ điện năng của pin, với 1 A.h tương đương 3600 Coulomb (C) Để tính toán dung lượng, ta tích phân dòng điện theo thời gian từ mức điện áp tối thiểu cho đến thời điểm cần tính Quá trình này, thường được gọi là "đếm coulomb", có thể gặp khó khăn do phụ thuộc vào cảm biến dòng điện.
Tính toán thiết kế xe EREV
3.2.1 Chọn thông số kỹ thuật cơ bản của xe
Dựa vào các thông số kỹ thuật cho trước:
- Xe ô tô 4 chỗ kể cả người lái
- Trọng lượng toàn bộ xe: M = 500 (kg)
- Tốc độ tối đa: 40 (km/hr)
- Tốc độ trung bình: 25 (km/hr)
- Tỉ số truyền cực đại: 10
Từ đó ta chọn các thông số kỹ thuật cơ bản để thiết kế:
- Diện tích cản gió: Af = 1 ( 𝑚 2 )
- Khối lượng của xe: M = 500 (kg)
- Hệ số cản lăn: fr = 0,011
- Hệ số cản gió: Cd = 0,3
- Hiệu suất truyền lực từ mô tơ đến bánh xe chủ động: 𝜂t = 0,9
- Mật độ không khí: 𝜌a = 1.202 ( kg/𝑚 3 )
- Hệ số quán tính quay: 𝛿 = 1,05
3.2.2 Thiết kế công suất định mức của mô tơ điện
Tính toán thiết kế công suất định mức của mô tơ:
Dựa vào vận tốc cực đại của xe là 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 40 (km/hr) = 11.1 (m/s)
Ta chọn hệ số giữa tốc độ cực đại mô tơ / tốc độ cơ bản mô tơ: x = 4
Vận tốc cơ bản của xe ta sẽ dựa vào hệ số cơ bản của motor:
Dựa vào thời gian tăng tốc của xe từ 0 đến 30 (km/hr) là không quá 25(s):
Suy ra, công suất của mô tơ:
Dựa vào thực tế theo công suất mô tơ là 3kW, ta chọn :
Motor BLDC Motor India – 3000W60V (INDIA)
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Motor BLDC Motor India – 3000W60V (INDIA)
Mô hình BLDC Motor India– 3000W60V (INDIA)
Công suất định mức 3000 W Điện áp định mức 60 V
Tốc độ tối đa 4800 +- 100rpm rpm
Momen xoắn định mức 9.6 Nm
Sử dụng Động cơ cho thuyền, hơi nước,…
3.2.3 Thiết kế công suất định mức của cụm động cơ đốt trong và máy phát
Công suất của động cơ đốt trong và máy phát trên xe kiểu EREV chủ yếu hỗ trợ cho giai đoạn Extender, cho phép động cơ hoạt động ở chế độ tối ưu Tốc độ tối ưu 𝑉op đạt 25 km/h (6.9 m/s) với công suất 𝑃motor là 2,5 kW.
Động cơ Xăng Honda RSX FI AT 110cc được lựa chọn với công suất cực đại khoảng 6,28 kW tại 7500 rpm và mô men cực đại 8,65 Nm tại 5500 rpm, phù hợp với thực tế sử dụng.
Hình 3.10 Motor BLDC Motor India – 3000W60V (INDIA)
Bảng 3.3 Thông số chi tiết động cơ Xăng Honda RSX FI AT 110cc
Hãng sản xuất Honda Động cơ Xăng, 4 kỳ, 1 xy lanh, làm mát bắng không khí
Dung tích xy lanh 110cc
Công suất tối đa 6.28 kW/7500rpm
Mô men cực đại 8.65 Nm/5500rpm
3.2.4 Thiết kế công suất định mức của pin
Dựa vào cấu trúc cũng như tính năng của xe kiểu EREV, ta có:
0.84 = 3.9 (𝑘𝑊) Dựa vào thực tế chọn : Ppps = 3,9 (kW) (𝑃pps = 𝑈.𝐼 = 60*65 = 3900 (𝑊) = 3,9 (𝑘𝑊)) Với 5 cell, Ắc quy (Vision 6FM65E-X 12V-65A), kiểu mắc nối tiếp
Thời gian sử dụng điện từ hệ thống ắc quy được tính theo công thức:
3300 = 0.9 (ℎ) Trong đó: w là tổng công suất tiêu thụ trong hệ thống
V là hiệu điện thế của mạch nạp bình ắc quy
Ah là dung lượng của bình ắc quy
T là thời gian cần có điện của hệ thống
Hình 3.11 Động cơ Xăng Honda RSX FI AT 110cc
52 pf là hệ số năng suất của bộ kích điện (thường là 0,7 hoặc 0,8)
Bảng 3.4 Thông số chi tiết Ắc quy (Vision 6FM65E-X 12V-65A)
Tên sản phẩm VISION 6FM65E-X 12V-65Ah
Loại ắc quy Khô, kín khí, không cần bảo dưỡng (AGM,
Số lượng Cell 6 Điện áp 12V
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) (mm) 350 x 167 x 179 (Total Height : 179)
3.2.5 Độ leo dốc với công suất tối đa
Nếu đi với vận tốc cực đại thì độ dốc tối đa mà xe vượt qua:
Xe được thiết kế để chạy trong thành phố nên độ dốc lớn nhất ta chọn là 5%:
Hình 3.12 Ắc quy (Vision 6FM65E-X 12V-65A)
2∗ 1.202 ∗ 0.3 ∗ 1 ∗ 11.1 2 + 500 ∗ 9.8 ∗ 𝑠𝑖𝑛𝛼 ) Giả sử công suất khi lên dốc bằng công suất cực đại của mô tơ:
→ Vậy, với độ dốc 5% và công suất cực đại của mô tơ thì tốc độ lên dốc của xe là 33.84 km/hr
3.2.6 Tính công suất tại bánh xe
- Momen xoắn cực đại tại bánh xe với công suất mô tơ tối đa
BLDC Motor India – 3000W60V (INDIA) có:
Momen xoắn (đơn vị SI) được tính như sau:
Với tỉ số truyền hộp số 𝑖0 là 0,09578 => n tại bánh xe = 𝑛 𝑇𝑚𝑎𝑥𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
T là mô men xoắn (Nm)
𝑃𝑚𝑎𝑥 là công suất cực đại của mô tơ (W) n là số vòng quay tại bánh xe (rpm)
- Tính công suất max tại bánh xe
Công suất truyền động là tỷ số giữa công hoàn thành và thời gian dịch chuyển, được thể hiện như sau:
P là công suất max tại bánh xe
𝜂𝑡 là hiệu suất truyền từ mô tơ xuống bánh xe
3.2.7 Tính toán động học, xây dựng hàm truyền động cơ DC
- Tốc độ mô tơ: 8100 RPM
- Tốc độ sau hộp giảm tốc: 120 RPM
- Dòng tải tối đa: 1400 mA
- Encoder 2 kênh với độ phân giải 12 xung / vòng
- Chiều dài động cơ: 85 mm
55 Để mô hình hóa mô tơ, cần tìm hàm truyền của hệ thống hay các phương trình của hệ, thay thế cho mô tơ thực tế cần điều khiển
Các thông số cần quan tâm:
- Điện cảm của cuộn dây: L [H]
- Điện áp được tạo bởi lực điện động phản hồi của mô tơ: e(t) [V]
- Mô men xoắn của mô tơ: T [Nm]
- Góc quay của mô tơ: θ(t) [rad]
- Tốc độ góc của mô tơ: ω(t) [rad/s]
- Mô men quán tính của mô tơ: J [kgm2]
- Hệ số giảm chấn nhớt của mô tơ: b [Nms]
- Hằng số mô men: Kt [Nm/A]
- Hằng số điện áp tạo bởi lực điện động phản hồi của mô tơ: Ke [V/rad/s]
- Tỉ số truyền của hộp giảm tốc mô tơ: N
Khi cấp điện áp V ta có đầu ra là tốc độ góc ω của mô tơ, tốc độ góc tỉ lệ với điện áp: ω(t) = 𝐾 𝑣 𝑣(𝑡) => 𝑣(𝑡) = 1
Mô men T tỉ lệ với dòng điện i(t): T = Kt.i(t) (2)
Phương trình phần cơ khí: T- bθ̈ (t)=Jθ̈ (t) (3)
Hình 3.14 Sơ đồ mô hình hóa động cơ DC
Ta có thuật toán của bộ điều khiển PID số, hàm truyền khâu PID rời rạc:
Mô tơ quay với vận tốc góc ω tạo ra suất điện động e(t):
Sự thay đổi của dòng điện theo thời gian của cuộn cảm: 𝑑𝑖
Mạch điện của hệ thống được xác định theo định luật Kirchhoff để tìm mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của mô tơ: v(t)-Ri(t)-L 𝑑𝑖
Trong hệ SI: Kt=Ke= 1
Ta có biến đổi Laplace: £(f(x))= F(s); £(ḟ(x))= sF(s); £(f̈(x))= s 2 F(s) (8)
Từ đó: (*): KI(s)- bsθ(s)= Js 2 θ(s) (9)
Thay (11) vào (13): V(s) - Ksθ(s) = (Ls+R).sθ(s)(Js+b)
𝐾 ] s (16) Nghịch đảo hai vế phương trình (16): θ(s)
LJ𝑠 3 +(Lb+RJ)𝑠 2 +(Rb+𝐾 2 )s (17) Vậy được hàm truyền đầu vào là điện áp V(s), đầu ra là góc quay θ(s)
MÔ PHỎNG XE EREV BẰNG MATLAB/SIMULINK/SIMSCAPE 57 4.1 Thông số xe mô phỏng
Mô hình khối xe mô phỏng
Chúng tôi đã tiến hành mô phỏng hoạt động của xe hybrid nối tiếp dựa trên chu trình lái xe đã được chỉ định Mục tiêu là để đánh giá mức tiêu thụ năng lượng và khả năng nạp lại pin, từ đó giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của loại xe này.
Khối pin mô phỏng
Hình 4.2 là hệ thống gồm 5 viên pin mắc nối tiếp với nhau để cung cấp năng lượng cho xe hoạt động
Hình 4.1 Tổng quan mô phỏng xe hybrid nối tiếp
Hình 4.2 Hệ thống pin mô phỏng
Thông số pin trong mô phỏng:
- Loại pin sử dụng: Lead-Acid
- Bỏ qua ảnh hưởng từ nhiệt độ và sự chai pin theo thời gian sử dụng
- Điện áp tối thiểu cho phép: 13.4
- Điện áp tối đa pin có thể sạc: 13.4
- Dòng điện xả danh định: 6.1 (A)
Trong mô hình này ta có thêm khối Mosfet và khối Series RLC Branch dùng trong trường hợp cân bằng pin
Mạch RLC mắc nối tiếp dùng để tạo ra dao động tắt dần nhằm giảm thiểu thiểu dao động của dòng điện trong hệ thống pin
Khối MOSFET được sử dụng để điều khiển dòng điện trong mạch cân bằng Khi tín hiệu đầu vào bằng 0, MOSFET có điện trở rất lớn, ngăn cản dòng điện đi qua Ngược lại, khi tín hiệu đầu vào lớn hơn 0, điện trở bên trong MOSFET giảm đáng kể, cho phép dòng điện lưu thông dễ dàng.
Dòng điện sạc vào pin với mức SOC cao sẽ được xả ra mạch RLC một phần dưới dạng nhiệt lượng, nhằm mục đích cân bằng hệ thống pin.
Khối chiến thuật điều khiển
Khối chiến thuật có chức năng điều khiển thời điểm bật tắt động cơ đốt trong trong quá trình xe hoạt động để nạp năng lượng lại cho pin
Khi xe hoạt động, nếu mức SOC của pin giảm xuống dưới 40%, bộ điều khiển sẽ kích hoạt bướm ga của động cơ đốt trong với mức 30% và điện áp nạp danh định là 72V để sạc pin.
Khi SOC được nạp tăng dần lên đến 70% thì bướm ga của động cơ đốt trong sẽ tắt, ngừng nạp điện cho pin
Mạch cân bằng pin liên tục giám sát mức SOC của từng pin để phát hiện sự chênh lệch Khi chênh lệch SOC vượt quá 20%, mạch sẽ tiến hành cân bằng lại pin Để tối ưu hiệu suất sạc, nên thực hiện cân bằng tại pin có SOC cao nhất và giữa các acquy có SOC lớn nhất và nhỏ nhất Đồng thời, các pin có SOC trên 80% cũng cần được cân bằng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Tại đây ta sử dụng phương pháp sạc với điện áp không đổi, dòng sạc sẽ giảm dần về
0 khi dung lượng pin tăng Để tối ưu hiệu suất sạc quá trình sạc sẽ kết thúc sạc khi SOC trung bình trên 70%
Hình 4.4 Khối chiến thuật trong mô phỏng
Khối động cơ đốt trong
Hình 4.6 Khối động cơ trong mô phỏng Hình 4.5 Sơ đồ cân bằng pin
Khối PID được sử dụng để điều khiển bướm ga trong động cơ đốt trong Điều khiển PID là một phương pháp điều khiển hồi tiếp, trong đó ngõ ra thay đổi theo sự biến đổi của giá trị đầu vào Mặc dù không phải là kỹ thuật mới, điều khiển PID vẫn là phương pháp phổ biến nhất trong ngành công nghiệp, áp dụng cho các hệ thống như lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí và moment động cơ AC và DC Sự phổ biến của bộ điều khiển PID xuất phát từ tính đơn giản và khả năng triển khai dễ dàng trên các vi xử lý nhỏ với hiệu suất tính toán hạn chế.
P, PI, hay PID Công thức toán của bộ điều khiển PID trên miền Laplace:
Kp: độ lợi tỉ lệ
Ki: độ lợi tích phân
Kd: độ lợi vi phân
Ti=Kp/Ki: thời gian khâu vi phân
Td: thời gian khâu tích phân
Hình 4.7 Bộ PID điều khiển mô tơ bướm ga
Thuật toán của bộ điều khiển PID số, hàm truyền khâu PID rời rạc:
=>[2Tz(z-1)U(z) = [2Tz(z-1)]Kp+TzKiT(z+1)+2Kd(z-1)(z-1)]E(z)
=>2Tz 2 U(z)-2TzU(z) = (2Tz 2 Kp-2TzKp+KiT 2 z 2 +KiT 2 z+2Kdz 2 +2Kd 4Kdz)E(z)
=>(2T)z 2 U(z)-(2T)zU(z) =[(2TKp+KiT 2 +2Kd)z 2 +(KiT 2 -2TKp-4Kd)z+(2Kd)]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):
𝛥 Trong đó: α = 2TKp+KiT2+2Kd β = KiT2-2TKp-4Kd γ = 2Kd
Việc xác định các thông số P, I, D thường dựa vào thực nghiệm thông qua đáp ứng xung của hệ thống Phương pháp Ziegler-Nichols cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả để chọn lựa các tham số này cho mô hình điều khiển.
Phương pháp chọn thông số P, I, D trong mô hình quán tính bậc nhất có thể dẫn đến sự không chính xác do ranh giới giữa ổn định và bất ổn định Khi mô hình thực tế là ổn định, việc áp dụng phương pháp này để xác định thông số P, I, D không mang lại hiệu quả Do đó, lựa chọn thông số P, I, D nên được thực hiện thông qua phương pháp thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác và ổn định cho hệ thống.
Ta có hàm truyền đầu vào của điện áp V(s) và đầu ra là góc quay 𝜃(𝑠) :
Ta có một số thông số mô phỏng mô tơ:
R=1.9 (Ω), L=6.5x10 -5 (H), K=0.0134, J= 5.7x10 -7 (kgm 2 ), b= 9.5x10 -5 (Nms), N=1/64 Động cơ đốt trong được điều khiển để làm việc trong vùng tối ưu của động cơ và động cơ được chạy với:
Hình 4.9 Thông số của động cơ đốt trong
- Véc-tơ công suất: [1.5, 2, 2.2, 2.3, 2.4, 2.6,2.6, 2.5,2,2,2,1.8,1.7,1.5] kW
Giới hạn tốc độ mà tại đó động cơ đốt trong sẽ tắt: 20 rpm
Bỏ qua sự tiêu hao nhiên liệu trọng xăng trong quá trình hoạt động
Tốc độ cầm chừng của động cơ: 1500 rpm
Trong mô hình động cơ đốt trong, dây đai được sử dụng để tăng số vòng quay của máy phát với tỷ số truyền 2:3 Điều này có nghĩa là khi động cơ quay 2 vòng, máy phát sẽ quay 3 vòng, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Khối máy phát điện
Để tối ưu hóa việc sử dụng xe, khi mức SOC giảm, máy phát sẽ hoạt động như nguồn cung cấp cho mô tơ điện Nếu công suất máy phát lớn hơn công suất mô tơ điện, xe sẽ vận hành hiệu quả mà không làm ảnh hưởng nhiều đến pin Ngược lại, nếu công suất máy phát nhỏ hơn, cần hạn chế công suất tiêu thụ bằng cách giới hạn tốc độ xe trong các tình huống khác nhau.
Hình 4.10 Khối máy phát dùng trong mô phỏng
Máy phát có công suất danh định 800 VA, đơn vị đo cho công suất dòng điện xoay chiều Điện áp danh định của máy phát là 72 Vrms, đại diện cho giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.
Khối hệ truyền lực xe
Hệ thống truyền lực xe nhận số vòng quay từ mô tơ điện để truyền cho trục bánh xe chủ động giúp cho xe chuyển động
Ta có tỉ số truyền từ hộp số là 5.4
Tỉ số truyền vi sai là 1.7
Bánh xe chủ động ta có:
- Lực dọc tối đa mà bánh xe chịu được: 3000 N
- Tải tối đa mà xe có thể chịu được 2500 N
Từ thông số xe ta có:
- Số bánh chủ động: 2 bánh
- Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh trước: 0.65m
- Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh sau: 0.85 m
- Khoảng cách từ trọng tâm xuống đất: 0.5 m
Trường hợp ta mô phỏng nên chọn lực cản lăn bằng 0
Lực quán tính được tính bằng công thức: 𝐹 𝑗 = 𝑚 𝑑𝑣
𝑑𝑡 𝛿 𝑖 Hình 4.11 Khối hệ truyền lực trong mô phỏng
Trong đó: m là khối lượng xe (kg)
𝑑𝑡 là gia tốc tịnh tiến của ô tô
𝛿 𝑖 là hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay
Khối lượng riêng của không khí (ρ) ở nhiệt độ 25°C và áp suất 0,1013 MPa là 1,25 kg/m³ Vận tốc tương đối giữa xe và không khí (v0) được tính bằng công thức v0 = v ± vg, trong đó v là vận tốc của ô tô (m/s) và vg là vận tốc gió (m/s).
Dấu (+) ứng với khi vận tốc của xe và của gió ngược chiều
Dấu (-) ứng với khi vận tốc của xe và của gió cùng chiều.
Khối driver
Khối Driver được thiết kế với chu trình lái xe bắt đầu từ 0 giây, cho phép xe tăng tốc từ 0 đến 25 km/h trong vòng 5 giây và duy trì tốc độ này trong 15 giây tiếp theo.
Hình 4.12 Khối driver trong mô phỏng
Khối động cơ điện
Dòng điện từ pin được chuyển qua bộ Diode tích hợp (Universal Bridge) để biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều, phục vụ cho mô tơ điện (Permanent Magnet Synchronous Machine) với điện áp danh định là 60 V.
Hình 4.13 Khối mô tơ điện trong mô phỏng
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ( ĐỒ THỊ, NHẬN XÉT)
Trường hợp xe chạy thuần điện
Xe sẽ hoạt động ở mức SOC 100%, tức là xe chạy hoàn toàn bằng điện và động cơ đốt trong sẽ ngừng hoạt động.
Hình 5.1 Tốc độ xe thực tế trường hợp SOC 100%
Xe bắt đầu tăng tốc từ 0 km/h tại thời điểm 0 giây, đạt tốc độ 25 km/h sau 5 giây và duy trì tốc độ này trong 15 giây tiếp theo.
Sau khi thực hiện mô phỏng, chúng tôi nhận thấy vận tốc thực tế của xe và chu trình lái (drive cycle) gần như tương đương Mục tiêu vận tốc là 25 km/giờ, và PID đạt được mức 25.02 km/giờ với sai số chỉ 0.2 km/giờ, tương ứng với 0.8% Điều này cho thấy bộ PID đáp ứng tốt yêu cầu đề ra với tốc độ phản hồi rất nhanh, gần như không có độ trễ Thời gian khôi phục từ hiện tượng vọt lố là 0.1 giây trong tổng thời gian 15 giây xe hoạt động, tương ứng với 0.6% trong mô phỏng.
Hình 5.2 PID tốc độ xe trường hợp SOC 100%
Hình 5.3 Dòng điện của pin trường hợp SOC 100%
Khi xe vừa mới tăng tốc từ vị trí dừng, mô tơ điện cần cung cấp một lượng lớn năng lượng khoảng 18 (A) để xe hoạt động Sau một thời gian, tải của xe giảm dần, dẫn đến dòng điện cũng giảm theo Trong khoảng từ 0 đến 5 giây, dòng điện tăng nhanh rồi lại giảm dần Sau 5 giây, khi xe đạt tốc độ ổn định, dòng điện duy trì ở mức khoảng 5 (A) để xe tiếp tục di chuyển với vận tốc ổn định.
Ban đầu, điện áp trong pin duy trì ở mức 13.4 V khi không có tải, nhưng sẽ giảm nhanh chóng khi xe bắt đầu di chuyển do cần lượng lớn năng lượng Trong khoảng thời gian từ 0 đến 5 giây, điện áp sẽ giảm xuống gần 13.25 V do tải nhẹ hơn Từ 5 đến 15 giây, khi xe đã chạy ổn định, mức điện áp cũng sẽ ổn định theo.
Hình 5.4 Điện áp của pin trường hợp SOC 100%
Xe bắt đầu với mức SOC 100% Sau 5 giây tăng tốc, mức SOC giảm nhanh 0.018% Khi xe ổn định, mức SOC tiếp tục giảm nhẹ do tiêu thụ năng lượng, cụ thể từ 5 đến 15 giây, mức SOC giảm 0.02%.
Kết quả cho thấy bộ PID đáp ứng tốt yêu cầu đầu ra cho xe, trong khi hệ thống pin cung cấp đủ năng lượng cần thiết cho hoạt động của xe Khi thực hiện theo chu trình lái, mức tiêu hao chỉ khoảng 0.038% SOC trong một chu trình lái kéo dài.
Để đạt mức SOC cần thiết cho việc khởi động động cơ đốt trong, xe cần 1578 chu kỳ lái, tương đương với 6.5 giờ lái xe liên tục Nếu duy trì trạng thái chạy ổn định, xe có thể di chuyển tối đa 162 km trước khi mức SOC xuống mức báo động Điều này chứng tỏ khả năng tiết kiệm năng lượng của xe trong quá trình hoạt động.
Trường hợp xe hoạt động với mức SOC tụt xuống ngưỡng dưới (40%)
Chúng tôi sẽ mô phỏng quá trình khởi động của động cơ đốt trong khi mức SOC giảm xuống còn 40% Mục tiêu là đánh giá độ phản ứng của động cơ Chúng tôi thực hiện chu trình lái xe trong 20 giây để quan sát kết quả rõ ràng hơn, và sau 6 giây, mức SOC đã giảm xuống còn 40%.
Hình 5.5 Mức SOC trường hợp 100%
Khi mức SOC giảm xuống 40%, mô tơ bướm ga của động cơ đốt trong sẽ nhận tín hiệu và mở bướm ga, đồng thời khởi động động cơ để sạc lại pin và cung cấp năng lượng cho mô tơ điện Mục tiêu bướm ga là 30%, với mức PID nhận được là 32%, cho thấy sai số 2% tương ứng với 6.6% Kết quả từ bộ PID cho thấy đáp ứng nhanh chóng với độ trễ gần như không có Thời gian khôi phục từ trạng thái vọt lố là 1 giây trong tổng thời gian 20 giây xe chạy, tương ứng với 5% mô phỏng.
Hình 5.7 Tốc độ quay động cơ đốt trong trong trường hợp SOC 40%
Hình 5.6 Độ mở bướm ga trường hợp SOC 40%
Khi bướm ga mở, động cơ đốt trong và máy phát hoạt động ngay lập tức, tăng số vòng quay theo chế độ đã được cài đặt, cho thấy khả năng phản ứng nhanh chóng của hệ thống.
Hình 5.8 Điện áp máy phát trong trường hợp SOC 40%
Hình 5.9 Tốc độ máy phát trong trường hợp SOC 40%
Trong quá trình hoạt động, xe cần phải nạp năng lượng cho pin đồng thời đáp ứng yêu cầu năng lượng của xe, dẫn đến dòng điện nạp cho pin chỉ đạt mức 57 V.
Khi máy phát bắt đầu hoạt động, pin chuyển ngay từ chế độ xả sang chế độ sạc năng lượng Ở mức sạc SOC 40%, dòng sạc của pin dao động từ 8 (A) đến 11 (A).
Hình 5.10 Dòng điện pin trong trường hợp SOC 40%
Hình 5.11 Mức SOC trong trường hợp SOC 40%
Trong quá trình hoạt động của xe, khi mức SOC giảm xuống 40% sau 6 giây, máy phát điện ngay lập tức cung cấp điện trở lại cho pin, nhằm ngăn chặn tình trạng cạn kiệt năng lượng pin trong suốt quá trình vận hành.
Khi mức SOC của xe giảm xuống dưới 40%, động cơ đốt trong và máy phát sẽ tự động hoạt động để cung cấp năng lượng cho pin, đảm bảo xe có đủ năng lượng để vận hành.
Trường hợp xe hoạt động hybrid (vừa sử dụng điện vừa sử dụng động cơ đốt trong) tại mức SOC dưới ngưỡng cho phép
Chúng tôi sẽ tiến hành mô phỏng quá trình hoạt động của xe sau khi chạy một thời gian dài, khi mức SOC trong pin giảm xuống dưới ngưỡng cho phép Mô phỏng này sẽ được thực hiện dựa trên Driver Cycle đã đề cập trước đó.
Động cơ đốt trong đã hoạt động theo chiến thuật đề ra, khi mức SOC giảm xuống dưới 40% Mục tiêu của bướm ga là 30%, trong khi mức PID nhận được là 32.5%, với sai số 2.5% tương ứng với 8.3% Kết quả của bộ PID cho thấy khả năng chấp nhận tốt và đáp ứng nhanh chóng, gần như không có độ trễ Thời gian khôi phục từ vọt lố để đáp ứng là 1 giây trong tổng thời gian 15 giây xe chạy, tương ứng với 6.6% mô phỏng.
Hình 5.12 Sự thay đổi độ mở bướm ga trường hợp SOC 30%
Tốc độ động cơ đốt trong sẽ tăng dần từ 0 lên đến khoảng 4300 vòng/phút và dần ổn định tại giây thứ 10
Tốc độ máy phát cũng tăng dần từ 0 lên đến khoảng 6450 vòng/phút và dần ổn định tại giây thứ 10
Hình 5.14 Tốc độ quay của máy phát điện trường hợp SOC 30%
Hình 5.13 Tốc độ quay của động cơ đốt trong trường hợp SOC 30%
Hiện tại, máy phát điện đang cung cấp dòng điện với mức điện áp thấp 51.5V, thấp hơn mức tối đa 64.5V cần thiết để sạc pin Nguyên nhân là do trạng thái SOC của pin chỉ còn khoảng 30%, không đủ năng lượng cho mô tơ điện, buộc máy phát phải bổ sung năng lượng thiếu hụt từ pin để duy trì hoạt động của xe Phần năng lượng dư thừa sẽ được nạp lại cho pin.
Hình 5.15 Điện áp máy phát trường hợp SOC 30%
Hình 5.16 Dòng điện của pin trường hợp SOC 30%
Khi khởi động xe, yêu cầu năng lượng ban đầu rất lớn, khiến pin và máy phát điện phải cùng hoạt động để cung cấp năng lượng Sau khi xe khởi động, năng lượng từ pin sẽ giảm dần và chuyển sang trạng thái sạc từ máy phát điện Dòng sạc đạt mức SOC 30% khoảng từ 9 (A) đến 11 (A).
Ban đầu, SOC giảm do xe tăng tốc từ vị trí dừng, yêu cầu nhiều năng lượng từ pin Khi xe di chuyển, nhu cầu năng lượng giảm, lúc này máy phát điện cung cấp năng lượng cho xe và phần năng lượng dư thừa sẽ được sử dụng để sạc lại pin.
Khi mức SOC giảm xuống dưới ngưỡng cho phép, máy phát cần cung cấp năng lượng nhiều hơn để bù đắp cho phần hao hụt do pin cạn kiệt Điều này cho thấy rằng lượng điện sạc mà máy phát cung cấp cho pin hoàn toàn phù hợp với thực tế.
Hình 5.17 Mức SOC trường hợp SOC 30%
Trường hợp xe hoạt động hybrid trong trường hợp SOC trong ngưỡng cho phép 60%
Khi mức SOC tăng dần lên 60%, chúng ta sẽ thực hiện chu trình lái xe kết hợp vừa lái vừa sạc để quan sát sự thay đổi của dòng điện sạc trong pin Ở mức SOC 60%, xe hoạt động ở chế độ hybrid, kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong Ban đầu, do yêu cầu năng lượng lớn, mức SOC có thể giảm, nhưng sau đó, năng lượng trong pin vẫn được nạp lại thông qua dòng điện từ máy phát.
Hình 5.18 SOC trong trường hợp SOC 60%
Hình 5.19 Điện áp máy phát trường hợp SOC 60%
Khi mức SOC trong pin cao, máy phát chỉ cần cung cấp một lượng năng lượng nhỏ cho mô tơ điện Do đó, máy phát tạo ra dòng điện lớn khoảng 64.2 V để sạc lại cho pin.
Ta có thể thấy được dòng điện nạp pin chỉ ở mức khoảng 7 (A) đến 10.5 (A) giảm hơn nhiều so với các mức SOC thấp hơn
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi mức SOC của pin tăng cao, dòng điện từ máy phát cung cấp cho xe sẽ giảm dần, trong khi năng lượng từ pin lại tăng lên Đồng thời, dòng điện sạc cho pin cũng giảm khi mức SOC gia tăng.
Hình 5.20 Dòng điện của pin trong trường hợp SOC 60%
Trường hợp xe được sạc đến ngưỡng và động cơ đốt trong sẽ dừng hoạt động
Khi mức SOC đạt ngưỡng tối đa 70%, động cơ đốt trong sẽ ngừng hoạt động, và xe sẽ chuyển sang chế độ hoàn toàn điện Trong 30 giây chạy theo chu trình driver, sau 20 giây, mức SOC sẽ được nâng lên đến 70%.
Mô tơ bướm ga đã đáp ứng tốt yêu cầu, với thời gian 20 giây khi SOC đạt ngưỡng tối đa, bướm ga trở về vị trí 0 và động cơ đốt trong cùng máy phát ngừng hoạt động Mục tiêu của bướm ga là 30%, và khi SOC đạt ngưỡng, mức PID nhận được là 32% với sai số 2%, tương ứng với 6.6% khi động cơ đang hoạt động Khi động cơ tắt, mức PID là -2% với sai số 2%, cũng tương ứng với 6.6% Kết quả bộ PID cho thấy hiệu suất chấp nhận được với độ đáp ứng nhanh và gần như không có độ trễ, thời gian khôi phục từ vọt lố là 2 giây trong tổng thời gian 30 giây khi xe chạy với hai lần bật tắt bướm ga tương ứng 6.6% mô phỏng.
Hình 5.21 Sự thay đổi bướm ga tại mức SOC 70%
84 Động cơ đốt trong chạy và đạt tốc độ ổn định khoảng 4300 vòng/phút và sau khi có tín hiệu tắt máy thì máy phát sẽ giảm dần về 0
Máy phát hoạt động với tốc độ ổn định khoảng 6450 vòng/phút Khi bướm ga trở về 0 và động cơ đốt trong được tắt, tốc độ của động cơ sẽ từ từ giảm về 0.
Hình 5.23 Tốc độ động cơ đốt trong sau 30 giây dừng lại
Hình 5.22 Tốc độ máy phát sau 30 giây dừng lại
Theo đó thì dòng điện mà máy phát phát ra từ 64.5 (V) cũng giảm dần về 0 (V) sau khi động cơ đốt trong dừng hoạt động
Hình 5.24 Dòng điện của pin trong trường hợp SOC 70%
Hình 5.25 Điện áp máy phát sau khi động cơ tắt
Trong khoảng thời gian từ 0 đến 20 giây, pin đang trong trạng thái nạp với mức SOC gần 70%, cung cấp dòng điện khoảng 4 đến 5 A Sau 20 giây, động cơ đốt trong tắt và pin sẽ thay thế máy phát, cung cấp năng lượng cho xe hoạt động Trong giai đoạn này, xe đang chạy ổn định, vì vậy mức pin xả ra chỉ khoảng 6 A để duy trì hoạt động của xe.
Trong quá trình chạy thử, mức SOC giảm dần sau khi sạc đạt 70%, do động cơ tắt và xe vẫn tiếp tục tiêu thụ năng lượng.
Kết quả mô phỏng cho thấy khi pin đạt ngưỡng tối đa, bướm ga sẽ nhận tín hiệu và đóng lại, khiến cho động cơ đốt trong và máy phát ngừng hoạt động Khi đó, xe sẽ chuyển sang chế độ chạy hoàn toàn bằng điện.
Hình 5.26 SOC tại trường hợp SOC 70%
Trường hợp cân bằng pin
Chúng tôi tiến hành mô phỏng quá trình cân bằng pin nhằm đánh giá mức độ chai pin do ảnh hưởng của nhiệt độ và tuổi thọ Trong mô phỏng này, pin đầu tiên có mức SOC là 60%, trong khi các pin còn lại chỉ đạt 30%.
Hiện tại, do hầu hết mức SOC còn thấp, máy phát cần cung cấp năng lượng cho mô tơ điện, vì vậy chỉ nạp cho pin dòng điện khoảng 53.6 V.
Hình 5.27 Điện áp máy phát trường hợp cân bằng pin
Hình 5.28 Dòng điện của pin trường hợp cân bằng pin
Hiện tại, sự chênh lệch mức SOC giữa các pin dẫn đến dòng nạp không đồng đều Pin 1 có mức SOC cao hơn đáng kể so với các pin khác, vì vậy mức nạp tại pin này cũng sẽ khác biệt.
1 chỉ khoảng 5 (A), còn các pin còn lại thì nạp duy trì với dòng điện khoảng 10 (A) Dần dần theo thơi gian thì SOC trong pin sẽ được cân bằng
Mức SOC cao hơn ở pin 1 dẫn đến mức xả sâu hơn so với các pin khác, đồng thời cũng tạo ra sự chênh lệch đáng kể trong mức độ nạp vào.
Khi pin mất cân bằng, bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu và tiến hành cân bằng bằng cách xả pin có mức SOC cao hơn Đồng thời, trong quá trình nạp, các pin có mức SOC thấp hơn sẽ được nạp nhiều hơn cho đến khi toàn bộ hệ thống pin đạt được sự cân bằng.
Hình 5.29 Mức SOC của pin trường hợp cân bằng pin