TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Trong bối cảnh môi trường sống hiện nay, khí thải từ động cơ phương tiện giao thông đang gây ra nhiều nguy hại, đặc biệt là hiện tượng hiệu ứng nhà kính.
CO2 là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, trong khi nguồn tài nguyên nhiên liệu cho các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong như xăng và dầu diesel đang cạn kiệt Do đó, xe điện đã trở thành xu hướng mới trong ngành công nghiệp ô tô toàn cầu.
Xe điện đã trải qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển bởi các kỹ sư, với sự ra mắt của nhiều dòng sản phẩm từ các công ty ô tô lớn trên thế giới Tuy nhiên, xe điện vẫn phải đối mặt với những thách thức lớn như hiệu suất pin và quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc.
Mặc dù xe điện được coi là tương lai của ngành ô tô, nhưng chi phí và giá thành hiện tại vẫn cao, khiến chúng khó cạnh tranh với xe sử dụng động cơ đốt trong Để vượt qua những thách thức này, mô phỏng động lực học có thể là phương pháp nghiên cứu hiệu quả giúp tối ưu hóa tính năng và khả năng hoạt động của xe điện Qua đó, sẽ có những giải pháp giúp giảm chi phí và giá thành, tạo điều kiện cho xe điện cạnh tranh tốt hơn về mặt kinh tế.
Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu lịch sử, phân loại xe điện (chương 2)
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết (chương 2)
- Tìm hiểu lý lực tác dụng lên xe khi chuyển động (chương 2)
- Tìm hiểu khái quát về phần mềm MATLAB/Simulink (chương 3)
- Mô hình hóa các bộ phận của xe điện (chương 3)
- Dùng các thông số trên xe Tesla Model S P85 2012 để đưa vào model và phân tích kết quả (chương 3)
Xe điện đang trở nên phổ biến ở nhiều quốc gia nhằm giảm ô nhiễm môi trường và hạn chế khí thải độc hại Sự chuyển giao từ xe động cơ đốt trong sang xe điện đại diện cho một bước tiến quan trọng trong công nghệ vận tải Mục đích của nghiên cứu này là tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ điện thông qua mô phỏng động lực học, từ đó củng cố kiến thức hiện có và mở rộng hiểu biết về công nghệ xe điện, phục vụ cho các nghiên cứu trong tương lai.
1.4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Các thành phần cấu tạo cơ bản của xe điện, sử dụng model mô phỏng trên MATLAB /Simulink để mô phỏng động lực học xe điện
Mô phỏng xe Tesla model S P85 trên MATLAB/Simulink và kiểm tra, đánh giá kết quả so với thực tế
Cơ sở lý thuyết về cấu trúc và các thành phần cơ bản của xe điện
Mô hình mô phỏng động lực học, trạng thái nạp xả xe điện trong ba trường hợp: Trường hợp 1: Mô phỏng trong điều kiện lý tưởng
Trường hợp 2: Mô phỏng trong trường hợp xe leo dốc
Trường hợp 3: Mô phỏng trong trường hợp mắc phụ tải
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết cơ bản của xe điện
Nghiên cứu sử dụng model mô phỏng MATLAB/ Simulink để mô phỏng động lực học xe điện
Nghiên cứu và phân tích các thông số thực tế của xe để xây dựng mô hình mô phỏng chính xác Đánh giá hiệu quả của mô phỏng và tính khả thi của đề tài là bước quan trọng trong quá trình này.
Mô hình mô phỏng MATLAB/Simulink có thể được áp dụng để mô phỏng động lực học của xe và các hệ thống khác, giúp nghiên cứu xe ô tô trở nên dễ dàng và gần gũi với thực tế hơn.
Nâng cao hiểu biết và củng cố kiến thức về xe điện sẽ giúp bạn tiếp cận dễ dàng hơn với các công nghệ mới được áp dụng trong tương lai.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Các thành phần cấu tạo cơ bản của xe điện, sử dụng model mô phỏng trên MATLAB /Simulink để mô phỏng động lực học xe điện
Mô phỏng xe Tesla model S P85 trên MATLAB/Simulink và kiểm tra, đánh giá kết quả so với thực tế
Cơ sở lý thuyết về cấu trúc và các thành phần cơ bản của xe điện
Mô hình mô phỏng động lực học, trạng thái nạp xả xe điện trong ba trường hợp: Trường hợp 1: Mô phỏng trong điều kiện lý tưởng
Trường hợp 2: Mô phỏng trong trường hợp xe leo dốc
Trường hợp 3: Mô phỏng trong trường hợp mắc phụ tải
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết cơ bản của xe điện
Nghiên cứu sử dụng model mô phỏng MATLAB/ Simulink để mô phỏng động lực học xe điện
Nghiên cứu và phân tích các thông số thực tế của xe là bước quan trọng để mô phỏng chính xác Việc sử dụng mô hình để tái hiện các đặc điểm này giúp đánh giá hiệu quả của quá trình mô phỏng và tính khả thi của đề tài nghiên cứu.
Ý nghĩa thực tiễn
Model mô phỏng MATLAB/Simulink có thể được sử dụng để mô phỏng động lực học của xe và các hệ thống khác, giúp nghiên cứu xe ô tô trở nên dễ dàng và chính xác hơn.
Tìm hiểu sâu hơn về xe điện và các công nghệ tiên tiến sẽ giúp bạn nâng cao kiến thức cá nhân, đồng thời gia tăng khả năng tiếp cận với những đổi mới trong ngành công nghiệp ô tô trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lịch sử phát triển
Hình 2.2 Mẫu xe V8 năm 1932 của Ford Motor
Vào đầu thập niên 1830, ngựa và xe lôi là phương tiện vận chuyển chủ yếu Các nhà khoa học tại Hungary, Anh, Hà Lan và Mỹ đã bắt đầu tiến hành thử nghiệm để phát triển xe điện.
Vào năm 1832, nhà khoa học người Anh Robert Anderson đã phát minh ra chiếc xe điện sơ khai đầu tiên Tuy nhiên, phải đến hơn 20 năm sau, những phiên bản thực tế hơn mới được chế tạo tại Pháp và Anh.
Vào năm 1859, nhà vật lý người Pháp Gaston Planté đã phát minh ra pin axit-chì đầu tiên Đến năm 1881, Camille Alphonse Faure, một nhà khoa học Pháp khác, đã thực hiện những cải tiến đáng kể về thiết kế và dung lượng của loại pin này.
Vào năm 1884, Thomas Parker, một nhà phát minh người Anh, đã chế tạo chiếc ô tô điện đầu tiên tại Wolverhampton, đóng góp quan trọng vào việc điện khí hóa Tàu điện ngầm Luân Đôn Đến năm 1888, kỹ sư người Đức Andreas Flocken đã phát triển một mẫu xe điện hiện đại hơn, đánh dấu bước tiến quan trọng trong lịch sử ô tô điện.
Vào năm 1890, nhà khoa học William Morrison đã phát minh ra chiếc xe điện đầu tiên tại Mỹ, có khả năng chở sáu hành khách với tốc độ tối đa 20 Km/h Phát minh này đã thu hút sự chú ý lớn từ công chúng đối với xe điện trên toàn quốc.
Vào năm 1897, Walter Bersey đã thiết kế và giới thiệu đội taxi chạy bằng pin đầu tiên trên đường phố London, trong khi Thành phố New York cũng có khoảng 60 chiếc taxi điện Đến năm 1900, ô tô điện đã chiếm 1/3 tổng số phương tiện lưu thông trên đường ở Mỹ.
Năm 1901, nhu cầu cao về ô tô điện đã thúc đẩy các nhà đổi mới như Thomas Edison tìm kiếm các cải tiến công nghệ, trong đó Edison đã phát triển một loại pin tốt hơn cho xe điện Cùng năm, Ferdinand Porsche, người sáng lập thương hiệu xe thể thao nổi tiếng Porsche, đã chế tạo chiếc xe hybrid điện đầu tiên.
Năm 1914, Henry Ford đã hợp tác với Thomas Edison để phát triển ô tô điện giá rẻ Tuy nhiên, mẫu xe Model T nổi tiếng của Ford đã vượt trội hơn xe điện nhờ vào sự phổ biến và giá cả phải chăng của xe chạy bằng xăng.
Từ năm 1920 đến 1935, sự phát triển của cơ sở hạ tầng cùng với giá xăng rẻ đã dẫn đến sự suy giảm sử dụng xe điện Xe điện trở nên hạn chế ở các thành phố do tốc độ chậm và phạm vi hoạt động hạn chế, và đến năm 1935, chúng gần như biến mất khỏi thị trường.
Trong thập niên 1960 và 1970, giá xăng tăng cao ở Mỹ đã làm gia tăng sự quan tâm đến xe điện Tuy nhiên, vào thời điểm đó, xe điện vẫn phải đối mặt với sự cạnh tranh khốc liệt từ xe chạy bằng xăng, do hiệu suất, thời gian sạc và phạm vi hoạt động còn hạn chế.
Năm 1976, Quốc hội Hoa Kỳ thông qua Đạo luật Nghiên cứu, Phát triển và Trình diễn Xe điện và Xe hybrid, cho phép Bộ Năng lượng hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các loại xe này.
Vào những năm 1990, Mỹ đã khuyến khích các doanh nghiệp sản xuất ô tô tập trung vào việc phát triển những mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường Điều này đã dẫn đến sự ra đời của các mẫu xe điện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về phương tiện giao thông bền vững.
Vào năm 1991, sự hợp tác giữa Sony và Asahi Kasei trong việc sản xuất hàng loạt pin Lithium-ion đã thúc đẩy sự phát triển của các loại xe điện, cho phép chúng di chuyển quãng đường dài hơn.
Năm 2004, Tesla Motors, nhà sản xuất ô tô điện hàng đầu của Hoa Kỳ, đã ra mắt chiếc Tesla Roadster, và mẫu xe này được giao cho chủ lần đầu vào năm 2008.
13 chiếc xe điện sản xuất hàng loạt đầu tiên đã chính thức lăn bánh trên đường cao tốc, sử dụng pin lithium-ion và có khả năng di chuyển hơn 320 km chỉ với một lần sạc.
Phân loại xe điện
Hiện nay, xe điện được chia làm 4 loại chính như sau:
2.3.1 HEV (Hybrid Electric Vehicle - xe Hybrid)
Hình 2.3 Cấu tạo xe HEV
Xe Hybrid (HEV) kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện, trong đó động cơ đốt trong sử dụng năng lượng từ nhiên liệu, trong khi pin cung cấp năng lượng cho xe.
14 cho động cơ điện Hộp số được quay đồng thời bởi cả hai loại động cơ trên, sau đó truyền động cho bánh xe
2.3.2 PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle – xe Hybird có sạc)
Hình 2.5 Cấu tạo xe PHEV
PHEV, hay còn gọi là xe Hybrid có sạc, là loại xe kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, tương tự như HEV Điểm khác biệt chính của PHEV là khả năng sạc pin từ nguồn điện bên ngoài, giúp tích trữ năng lượng hiệu quả hơn.
Các xe PHEV sở hữu khối pin lớn hơn, cung cấp nhiều năng lượng hơn, giúp xe hoạt động với tỷ lệ xăng và điện gần như cân bằng.
PHEV có thể hoạt động ở hai chế độ:
Xe điện hoạt động theo hai chế độ chính: chế độ toàn điện, trong đó động cơ điện và pin cung cấp toàn bộ năng lượng cho xe, và chế độ hybrid, nơi cả động cơ điện và động cơ đốt trong được sử dụng để tối ưu hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
Hình 2.6 Xe PHEV Range Rover Autobiography
2.3.3 BEV (Battery Electric Vehicle – xe thuần điện)
Hình 2.7 Cấu tạo xe BEV
BEV (xe thuần điện) đang trở thành xu hướng phát triển của các hãng xe lớn trên toàn cầu Loại xe này hoạt động hoàn toàn dựa vào hệ thống lưu trữ năng lượng từ pin, không sử dụng động cơ đốt trong Với bộ pin lớn, BEV có khả năng lưu trữ điện để vận hành xe và có thể được sạc lại dễ dàng.
Xe điện không phát thải khí CO2, giúp giảm thiểu hiện tượng hiệu ứng nhà kính, một trong những vấn đề nghiêm trọng của thế giới hiện nay.
Xe điện có 16 chi tiết cấu tạo đơn giản và dễ sửa chữa hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống Điều này góp phần làm cho xe điện được xem là tương lai của ngành công nghiệp ô tô.
Xe điện vẫn đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là vấn đề về pin và quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc Ngoài ra, việc phát triển cơ sở hạ tầng giao thông và bố trí các trạm sạc hợp lý cũng cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả sử dụng.
2.3.4 FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle – xe điện hydro)
Hình 2.9 Cấu tạo xe FCEV
Xe FCEV hoạt động dựa trên pin nhiên liệu, tạo ra điện từ khí hydrogen và oxy trong không khí, mà không thải ra khí gây ô nhiễm Sản phẩm chính của quá trình này là nước, giúp xe FCEV trở thành phương tiện hoàn toàn không gây ô nhiễm và có khả năng giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.
Thành phần chính xe điện
Xe chạy bằng hydrogen có hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt trội hơn so với động cơ đốt trong thông thường Việc nạp nhiên liệu hydrogen nhanh chóng và tiện lợi, tương đương với thời gian đổ xăng cho xe truyền thống, giúp tiết kiệm thời gian cho người sử dụng Hơn nữa, xe hydrogen có khả năng di chuyển xa hơn so với xe điện sạc, nhờ vào khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn của hydrogen so với pin điện, cho phép người dùng không phải lo lắng về việc nạp nhiên liệu thường xuyên.
2.4 Thành phần chính xe điện
Hiện nay có nhiều loại nguồn điện cho xe khác nhau, nhóm chỉ trình bày 2 loại phổ biến nhất là Pin Ắc-quy và Pin Lithium
Hình 2.10 Cấu tạo bình Ắc-quy của hãng Bosch
Hệ thống lưu trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất xe điện, với nhiều loại thiết bị như ắc-quy hóa học, siêu tụ và bánh đà cao tốc được sử dụng Trong số đó, ắc-quy hóa học vẫn là phương pháp lưu trữ năng lượng phổ biến nhất cho xe Hybrid và xe điện.
Các hệ thống trữ năng lượng cho phương tiện giao thông cần đáp ứng nhiều yêu cầu quan trọng như chỉ số năng lượng riêng, công suất riêng, hiệu suất, yêu cầu bảo trì, bảo quản, giá cả, tính thân thiện với môi trường và tính an toàn Đặc biệt, đối với xe Hybrid, những chỉ số này càng trở nên quan trọng hơn.
Công suất riêng thường được coi là yếu tố quan trọng hơn chỉ số năng lượng riêng, do năng lượng chủ yếu được cung cấp từ nguồn năng lượng hóa thạch, cần đủ công suất để đảm bảo hiệu quả hoạt động của xe, đặc biệt trong tăng tốc và vượt địa hình Ắc-quy, thiết bị điện hóa, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa học khi nạp và ngược lại khi phóng điện Trạng thái sạc (SOC) của ắc-quy là thông số quan trọng, được định nghĩa là tỉ lệ giữa dung lượng điện hiện tại và dung lượng điện tối đa Khi ắc-quy đầy, SOC đạt 100%, còn khi hết điện, SOC là 0% Biến đổi của SOC trong thời gian dt với dòng điện phóng hoặc nạp i được biểu diễn bằng ΔSOC = in bat dt.
Dung lượng điện tích (Ah) của ắc-quy tại dòng điện i được ký hiệu là Q_i Khi ắc-quy phóng điện, giá trị của i là dương, trong khi khi nạp điện, giá trị của i là âm Do đó, trạng thái sạc của ắc-quy (SOC) có thể được diễn tả một cách rõ ràng.
SOC = SOC 0 − ∫ in bat dt
3600Q i (2.2) Với SOC 0 là giá trị ban đầu của SOC
Trên xe điện (EV) và xe hybrid (HEV), các loại ắc-quy hiệu quả bao gồm ắc-quy axit-chì, ắc-quy Nickel (Ni/Fe, Ni/Cd, Ni/hydrua kim loại) và ắc-quy lithium như lithium-polymer và lithium-ion.
Bảng 2.1 Bảng so sánh các loại ắc quy sử dụng cho xe EV và HEV
NiCd NiMH Lead Acid Li-ion Li-ion polymer
Mật độ năng lượng theo khối lượng (Wh/kg)
40-55 65 20-35 140 100-130 Điện trở trong (Ω) 0.06 0.06 0.022 Rất thấp Rất thấp
Tuổi thọ (đến 80% dung lượng ban đầu) (chu kỳ phóng nạp)
Khả năng quá sạc Trung bình Thấp Cao Rất thấp Thấp Độ tự phóng điện/tháng (ở nhiệt độ phòng)
Nhiệt độ hoạt động ( o C) (khi phóng)
Bảo dưỡng định kỳ (ngày) 30 - 60 60 – 90 90 – 180 Không yêu cầu
Thương mại hóa từ năm 1950 1990 1970 1991 1999
Mô hình pin cụ thể:
P batt = −V batt I batt (2.3) Trong đó: P batt là công suất sạc (W)
V batt là tổng điện áp của pin (V)
I batt là dòng điện mỗi mô đun trong pin (A) Công suất hao phí của pin:
PLossBatt = -NPNSI batt 2 Rint (2.4) Trong đó: Rint: điện trở trong của pin (Ω)
NS: số bản cực mắc nối tiếp
NP: số bản cực mắc song song
Theo đó V batt và I batt được xác định theo công thức:
V batt = V out τ s + 1 (V) Trong đó: Iin: dòng điện trong pin
𝜏 𝑠 : là hằng số chuyển đổi theo thời gian Trạng thái sạc của pin được tính theo công thức:
Để bảo vệ pin khỏi hư hỏng, công suất sạc cần phải được giới hạn Khi dòng điện sạc đạt mức tối đa Iin,max, công suất sạc tối đa có thể được tính toán bằng công thức Cap batt ∫ I 0 t batt dt (Capbatt: dung lượng pin).
P battmax = I in,max V batt − I in,max E m (2.6) Với E m là điện áp khi hở mạch của pin (V)
Hình 2.11 Cấu tạo Pin Lithium-ion LiFePO4
Một cell pin Li-ion có điện áp khoảng 4V Để cung cấp đủ năng lượng cho động cơ xe có công suất từ 100 kW trở lên, pin cần tạo ra dòng điện lên đến 25.000 A để đảm bảo khả năng tăng tốc hiệu quả.
A Thay vì làm như vậy, chúng ta có thể sử dụng một lốc pin với mức điện áp khoảng 400V và chỉ cần dòng điện khoảng 250 A Thiết kế này đã trở thành một mô hình cho các xe điện đời đầu, và phiên bản mới hơn vẫn sử dụng lốc pin 400V Để đạt được điện áp 400V, chúng ta có thể kết nối 94 cell pin theo dạng nối tiếp, tạo thành một cell lớn với điện áp 400V Tuy nhiên, một cell lớn như vậy không đủ dung lượng, vì vậy cần thêm 74 cell pin được kết nối song song Tổng cộng, chúng ta sử dụng 96 x 74 = 7.104 cell pin Nissan đang sử dụng phương pháp này trên loại xe LEAF, với 96 cell pin trong lốc pin Điều này mang lại nguồn điện 400V, trong đó mỗi cell chỉ cần tạo ra 250 A Ở phía trên ta đã đề cập đến cách kết nối cell pin theo cách nối tiếp và song song (giả sử tất cả các cell đều giống nhau):
Khi kết nối nối tiếp, điện áp tổng là tổng điện áp của từng cell pin, trong khi dung lượng và dòng xả tối đa không thay đổi
Khi kết nối song song, điện áp tổng không thay đổi, trong khi dung lượng và dòng xả tối đa là tổng của từng cell pin
2.4.2 Bộ chuyển đổi DC/DC
Hình 2.12 Bộ chuyển đổi DC/DC
Bộ chuyển đổi DC/DC là thiết bị chuyên dụng để chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) từ một mức điện áp sang mức điện áp khác Thiết bị này nhận điện áp DC đầu vào và tạo ra điện áp DC đầu ra có thể cao hơn hoặc thấp hơn mức đầu vào Tuy nhiên, bộ chuyển đổi chỉ hoạt động với nguồn điện một chiều và không tương thích với nguồn điện xoay chiều (AC) Quá trình chuyển đổi điện áp này có thể gây ra một mức độ hao phí nhất định.
Hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC phụ thuộc vào điểm vận hành, bao gồm điện áp, dòng điện và loại bộ chuyển đổi Thông thường, hiệu suất này dao động từ 75% đến 95% Hai loại bộ chuyển đổi phổ biến là bộ chuyển đổi buck và boost.
Hình 2.13 Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi Buck
Bộ chuyển đổi Buck là một thiết bị chuyển đổi DC/DC bước xuống, có chức năng giảm điện áp đầu ra và tăng cường dòng điện đầu ra Thiết bị này thường bao gồm ít nhất bốn thành phần cơ bản.
Một bóng bán dẫn điện được sử dụng như một phần tử chuyển mạch (S) Diode chỉnh lưu (D)
Một cuộn cảm (L) làm phần tử lưu trữ năng lượng
Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra, dòng điện và công suất như sau:
Trong ứng dụng xe điện, bộ chuyển đổi buck đóng vai trò quan trọng trong việc giảm điện áp cao từ pin chính (khoảng 400 V) xuống các mức thấp hơn (12-14 V) để cung cấp năng lượng cho các hệ thống phụ trợ như đa phương tiện, điều hướng, radio, sét và cảm biến.
Hình 2.14 Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi Boost
Bộ chuyển đổi Boost là một loại bộ chuyển đổi DC/DC giúp tăng điện áp đầu ra trong khi giảm dòng điện Thiết bị này có cấu trúc tương tự như bộ chuyển đổi Buck DC/DC, nhưng các thành phần được sắp xếp theo một cách khác.
Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra, dòng điện và công suất như sau:
Trong các ứng dụng xe điện lai (HEV), bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp được sử dụng để nâng cao điện áp từ ắc quy từ 202 V lên 500 V Điện áp của ắc quy trong HEV bị giới hạn bởi số lượng pin mắc nối tiếp, do không gian hạn chế khiến số lượng tế bào nối tiếp cũng bị giới hạn Nhờ có bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp, điện áp của ắc quy có thể được nâng lên mức cao hơn, đáp ứng yêu cầu của máy điện.
Giới thiệu xe tesla model S P85
Hình 2.38 Nhà máy của Tesla tại Fremont, California
Tesla, được thành lập vào năm 2003 bởi Elon Musk và các đồng sáng lập, là một công ty nổi bật trong lĩnh vực ô tô và công nghệ Công ty tập trung vào phát triển và sản xuất xe điện, nhanh chóng khẳng định vị thế hàng đầu trong ngành công nghệ xanh và xe điện toàn cầu.
Tesla nổi bật với dòng xe điện hiệu suất cao, bao gồm Model S (sedan thể thao), Model 3 (sedan hạng trung), Model X (SUV) và Model Y (SUV hạng trung) Các mẫu xe này được trang bị công nghệ tiên tiến, khả năng tự lái và vận hành từ xa Ngoài ra, Tesla cũng đã công bố kế hoạch sản xuất mẫu xe bán tải điện mang tên Tesla Cybertruck.
Tesla không chỉ sản xuất xe điện mà còn phát triển công nghệ và hệ thống năng lượng tái tạo, cung cấp pin lithium-ion cho các nhà máy điện mặt trời và lưu trữ năng lượng Công ty đã thúc đẩy chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện, gây ảnh hưởng lớn đến ngành công nghiệp ô tô truyền thống Với sự công nhận toàn cầu, Tesla nổi bật nhờ công nghệ tiên tiến, hiệu suất xe điện và mạng lưới sạc nhanh Supercharger Ngoài ra, Tesla còn áp dụng trí tuệ nhân tạo và học sâu vào phần mềm và hệ thống xe, nâng cao trải nghiệm người dùng và khả năng tự lái.
Dưới tầm nhìn của Elon Musk, Tesla đã trở thành biểu tượng của cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp ô tô và năng lượng Công ty cam kết xây dựng một tương lai bền vững và không ô nhiễm thông qua việc phát triển và khuyến khích sử dụng phương tiện di chuyển sạch cùng với năng lượng tái tạo.
Hình 2.39 Mẫu xe Tesla Model S P85 năm 2012
Tesla Model S là một mẫu ô tô điện hạng sang cỡ trung, ra mắt vào ngày 22 tháng 6 năm 2012 Chiếc xe này đã thay đổi cách nhìn nhận của thế giới về xe điện, góp phần thúc đẩy sự chuyển mình sang phương tiện giao thông bền vững Model S nổi bật với tính năng an toàn, tốc độ nhanh và hiệu suất vượt trội, cùng với phạm vi hoạt động và khả năng chứa hàng hàng đầu trong ngành công nghiệp ô tô.
Model S được thiết kế hoàn toàn là một chiếc xe điện với cấu trúc bền bỉ và bộ pin gắn trên sàn, mang lại khả năng chống va đập ấn tượng Xe đã đạt được đánh giá an toàn NHTSA cao nhất trong số tất cả các mẫu xe từng được thử nghiệm Tất cả các phiên bản của Model S đều được trang bị các tính năng an toàn chủ động tiên tiến, bao gồm cảnh báo va chạm bên và phanh khẩn cấp.
Hệ thống truyền động hoàn toàn bằng điện của Tesla mang lại hiệu suất vượt trội trong mọi điều kiện thời tiết nhờ vào hệ dẫn động bốn bánh với động cơ kép Công nghệ này cho phép kiểm soát lực kéo và mô-men xoắn tức thì, cùng với khả năng tăng tốc ấn tượng Khác với ô tô dẫn động bốn bánh thông thường, Tesla sử dụng động cơ kép để cung cấp lực kéo độc lập cho cả bánh trước và bánh sau, mang lại trải nghiệm lái xe vượt trội.
Model S mang đến khả năng di chuyển linh hoạt với các tùy chọn sạc tiện lợi và phạm vi dẫn đầu toàn cầu Xe có thể sạc tới 80% chỉ trong 40 phút tại Bộ siêu nạp Tesla Các tính năng an toàn và tiện lợi của Autopilot được thiết kế để hỗ trợ người lái trong những tình huống khó khăn Model S được trang bị phần cứng tiên tiến, cho phép cung cấp các tính năng Tự động lái nâng cao hiện tại và khả năng tự lái hoàn toàn trong tương lai.
Model S sở hữu khoang hành lý hàng đầu trong phân khúc, đủ chỗ cho tối đa năm người lớn và hai trẻ em Màn hình cảm ứng 17 inch mở rộng cùng với kỹ thuật chống ồn tiên tiến mang đến trải nghiệm âm thanh tương đương phòng thu Mái kính tiêu chuẩn tạo cảm giác không gian rộng rãi cho tất cả hành khách.
Màn hình cảm ứng 17 inch của Model S điều khiển hầu hết các chức năng của xe, cho phép mở cửa sổ trời, tùy chỉnh hệ thống điều hòa và thay đổi đài phát thanh chỉ với một thao tác vuốt hoặc chạm Cụm công cụ kỹ thuật số và điều khiển vô lăng tích hợp giúp quản lý phương tiện, điều hướng, thông tin liên lạc và dữ liệu xe một cách liền mạch Model S được thiết kế để cải thiện theo thời gian thông qua các bản cập nhật phần mềm thường xuyên, mang đến các tính năng và hiệu suất mới Với tính khí động học ấn tượng, hiệu suất xuất sắc và thiết kế thẩm mỹ không thỏa hiệp, Model S còn có tay nắm cửa tự động xuất hiện khi tiếp cận và rút ra khi đóng.
Tesla Model S P85 là mẫu xe hiệu suất cao RWD trang bị pin 85kWh, được sản xuất từ tháng 6 năm 2012 đến tháng 11 năm 2014 Xe có khả năng tăng tốc từ 0 đến 100 km/h chỉ trong 4,4 giây và đạt tốc độ tối đa 210 km/h Được trang bị động cơ cảm ứng AC phía sau với công suất thực tế 350kW và moment xoắn 600Nm, Model S P85 mang lại trải nghiệm lái mạnh mẽ Với phạm vi hoạt động lên tới 502 km, xe hoàn toàn đủ cho các chuyến đi hàng ngày và những chuyến đi ngắn.
Bảng 2.2 Thông số xe Tesla Model S P85
Thông số Giá trị Đơn vị
Khoảng cách từ cầu trước tới trọng tâm xe 1,298 m
Khoảng cách từ cầu sau tới trọng tâm xe 1,662 m
Chiều cao trọng tâm xe 0,5 m
Nhiệt độ 300 K Áp suất 101325 Pa
Bán kính lăn bánh xe 0,4 m
Moment xoắn cực đại 600 Nm
Dung lượng pin 245,67 Ah Điện áp pin 346 V
Các lực tác dụng lên xe trong trường hợp tổng quát
Hình 2.40 Lực và moment tác dụng lên xe trong trường hợp chuyển động tổng quát
Trên hình trình bày lực và moment tác dụng lên xe chuyển động tăng tốc trên dốc với các thành phần như sau:
G Trọng lượng toàn bộ của xe
Fk Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động
Ff1 và Ff2 Lực cản lăn ở bánh chủ động, bánh bị động
Fi Lực cản lên dốc
FJ Lực cản quán tính của xe
Fm Lực cản ở móc kéo
Z1và Z2 Phản lực tiếp tuyến của tác dụng lên bánh xe ở cầu trước, cầu sau
Mf1 và Mf2 Moment cản lăn ở bánh xe chủ động, bị động
Khi ô tô chuyển động có các lực cản tác dụng như sau :
2.6.1 Lực kéo tiếp tuyến của ô tô
Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động là phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe, có hướng đồng nhất với chiều di chuyển của ô tô.
Lực kéo tiếp tuyến Fk xác định bằng công thức sau:
F k = M k r k (2.11) Trong đó: rk - bán kính đặt lực Fk
Nhờ có lực kéo tiếp tuyến mà ô tô có thể thắng được các lực cản chuyển động để tiến về phía trước
2.6.2 Lực bám ở bánh xe chủ động
Lực bám F tại bánh chủ động với công thức:
Trong đó: Z là phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe chủ động
Để ngăn chặn hiện tượng trượt quay của bánh xe khi ô tô di chuyển, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường cần đảm bảo rằng lực kéo tiếp tuyến tối đa Fkmax không vượt quá lực bám F Điều này có nghĩa là phải thỏa mãn điều kiện quan trọng về sự cân bằng lực.
2.6.3 Các lực cản chuyển động của ôtô
Khi ô tô di chuyển, lực cản lăn Ff1 tác động lên bánh xe trước và Ff2 tác động lên bánh xe sau, cả hai lực này đều hướng song song với mặt đường và ngược chiều chuyển động của xe Lực cản lăn hình thành tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Lực cản lăn được hình thành từ sự biến dạng của lốp xe, tạo ra vết bánh xe trên mặt đường và sự tiếp xúc giữa lốp và bề mặt đường Do đó, lực cản lăn bao gồm cả lực ma sát bên ngoài và lực ma sát bên trong của lốp.
Trong tính toán cơ bản, lực cản lăn được xem là lực ma sát bên ngoài tác động lên bánh xe khi ô tô di chuyển Lực này có thể được xác định thông qua một công thức cụ thể.
𝐹 𝑓2 = 𝑓 2 𝑍 2 } Trong đó: f1, f2 - Hệ số cản lăn tương ứng ở bánh xe trước và bánh xe sau
Lực cản lăn Ff của ô tô là:
Ff = Ff1 + Ff 2 (2.14) Nếu giả sử hệ số cản lăn giữa bánh trước và bánh sau là như nhau, ta có: f1= f2 = f Lúc đó:
Khi ô tô di chuyển trên một đường ngang, lực cản lăn có thể được tính bằng công thức sau:
Trong đó: f- hệ số cản lăn nói chung của ô tô
Khi ô tô di chuyển lên dốc, lực thành phần Gsinα của trọng lượng ô tô sẽ cản trở sự chuyển động Lực này được gọi là lực cản lên dốc, ký hiệu là Fi, và có giá trị cụ thể như sau:
Fi = G.sin (2.17) Mức độ dốc của mặt đường được thể hiện qua góc dốc hoặc qua độ dốc i i = T
Trong đó: D,T - Các kích thước của đường dốc
Khi góc dốc nhỏ dưới 5 0 có thể xem i = tg sin và lúc đó lực cản lên dốc có dạng:
Khi ôtô di chuyển xuống dốc, lực Fi sẽ hướng cùng chiều với chuyển động của ôtô, trong khi đó, lực Pi sẽ trở thành lực hỗ trợ cho quá trình di chuyển của xe.
Trong lý thuyết ô tô thường dùng khái niệm lực cản tổng cộng của đường bằng tổng của lực cản lăn và lực cản lên dốc
Dấu (+) khi xe lên dốc và dấu (-) khi xe xuống dốc Đại lượng f i được coi là hệ số cản tổng cộng của đường và ký hiệu là
= f i (2.21) Lực cản tổng cộng của đường F sẽ là:
Hệ số cản tổng cộng () của đường bằng được tính bằng tổng hệ số cản lăn (f) và độ dốc (i) Lực cản tổng cộng (F) của đường được xác định bằng trọng lượng của ô tô nhân với hệ số cản tổng cộng.
Khi ô tô di chuyển, lực cản không khí F tác động lên diện tích cản chính diện của xe, với tâm lực cản ở độ cao h so với mặt đường Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng lực cản không khí của ô tô có thể được xác định qua một công thức cụ thể.
K - Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào hình dạng của ô tô và chất lượng bề mặt vỏ xe, phụ thuộc vào mật độ không khí, Ns 2 /m 2
S - Diện tích cản chính diện của ô tô, m 2
Vo - Vận tốc tương đối của ô tô và không khí, m/s
Vận tốc tương đối của ô tô Vo là: Vo = V Vg (2.24)
Với: V là vận tốc của ô tô.
Vg là vận tốc của không khí
Khi ô tô di chuyển, nếu vận tốc của nó và không khí ngược chiều nhau, tích số K.S sẽ có dấu (+), ngược lại, nếu chúng cùng chiều, tích số này sẽ có dấu (-) Tích số K.S, hay còn gọi là nhân tố cản không khí, được ký hiệu là W với đơn vị Ns²/m².
W = K.S (2.25) Vậy lực cản không khí được tính theo công thức sau:
F = W.Vo 2 (2.26) Công thức xác định tiết diện S với công thức gần đúng như sau: Đối với xe du lịch: S = 0,8 Bo.Ho Đối với xe vận tải: S = B.Ho
B Chiều rộng cơ sở của xe
Bo Chiều rộng lớn nhất của xe
Ho Chiếu cao lớn nhất của xe
Giá trị trung bình của hệ số cản không khí K, diện tích cản chính diện S và nhân tố cản W cho các loại xe khác nhau được thể hiện trong bảng dưới đây.
Bảng 2.3 Giá trị trung bình của hệ số cản không khí, diện tích cản chính diện và nhân tố cản đối với các loại ô tô khác nhau
2.6.3.4 Lực quán tính của ô tô
Khi ô tô chuyển động không ổn định (lúc tăng tốc hoặc lúc giảm tốc) sẽ xuất hiện lực quán tính Được xác định theo công thức:
G Trọng lượng toàn bộ của ô tô g Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s 2 ) j Gia tốc tịnh tiến của ô tô
Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng vận động quay của ô tô ( 1,04 + 0,05 ih 2: Với ih là tỷ số truyền của hộp số)
Lực của móc kéo ở xe được xác định theo công thức sau:
Q trọng lượng toàn bộ của một moóc n số lượng moóc kéo
hệ số cản tổng cộng của đường
2.6.4 Điều kiện để ô tô có thể chuyển động trên đường Để xe có thể di chuyển trên đường mà không trượt quay, lực kéo tiếp tuyến tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường phải có giá trị lớn hơn tổng của các lực cản chuyển động, nhưng không vượt quá lực bám giữa bánh xe và mặt đường Tóm lại, điều này đảm bảo rằng:
Ff Fi + FFJ + Fm Fk F (2.29) Trong biểu thức trên, các dấu (+) khi leo dốc và tăng tốc, còn các dấu (-) khi xe xuống dốc và giảm tốc hoặc phanh
MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB-SIMULINK
Giới thiệu matlab
Hình 3.1 Giao diện khởi động MATLAB
MATLAB là phần mềm tính toán kỹ thuật và lập trình cao cấp do MathWorks phát triển, cung cấp môi trường tính toán mạnh mẽ và linh hoạt cho nhiều ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật và xử lý tín hiệu.
MATLAB là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ và dễ sử dụng, cho phép người dùng thực hiện các phép tính số học, đại số tuyến tính, và tính toán biểu đồ một cách thuận tiện Nó cung cấp nhiều công cụ và hàm tích hợp để giải quyết các vấn đề phức tạp như tối ưu hóa, xử lý ảnh, mô phỏng hệ thống và phân tích dữ liệu Người dùng có thể viết các chương trình và hàm tùy chỉnh để đáp ứng các yêu cầu cụ thể, đồng thời MATLAB hỗ trợ kết nối và tương tác với các thiết bị và phần cứng khác nhau, giúp tích hợp dễ dàng với các hệ thống khác.
MATLAB cung cấp một bộ công cụ phát triển mạnh mẽ, hỗ trợ người dùng trong việc xây dựng, kiểm tra và triển khai các ứng dụng phức tạp Các công cụ này bao gồm trình biên dịch, gỡ lỗi, khả năng triển khai ứng dụng đa nền tảng và giao diện người dùng đồ họa.
Với tính linh hoạt và khả năng mở rộng, MATLAB đã trở thành công cụ thiết yếu trong nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng thực tiễn Phần mềm này được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực như khoa học máy tính, kỹ thuật điện tử, xử lý tín hiệu, thiết kế điện tử và nhiều lĩnh vực khác.
Với MATLAB, người dùng có khả năng thực hiện các phép toán phức tạp, phân tích dữ liệu và phát triển ứng dụng tiên tiến một cách nhanh chóng Họ cũng có thể tận dụng nguồn tài liệu phong phú và các công cụ hữu ích từ cộng đồng người dùng và MathWorks.
Giới thiệu simulink
Hình 3.2 Giao diện khởi động Simulink
Simulink là phần mềm mô phỏng và mô hình hóa hệ thống đồ họa do MathWorks phát triển, cùng với MATLAB Phần mềm này cung cấp môi trường trực quan để xây dựng, mô phỏng và phân tích các hệ thống động, từ những hệ thống điện tử đơn giản đến các hệ thống phức tạp với nhiều thành phần.
Simulink cung cấp một giao diện đồ họa cho phép người dùng thiết kế và mô hình hóa các hệ thống bằng cách kết nối các khối chức năng khác nhau Những khối này thể hiện các phép tính, phương trình, mô-đun, mạch điện hoặc các thành phần hệ thống khác Bằng cách kết nối chúng, người dùng có thể xây dựng một mô hình toàn diện của hệ thống động và tiến hành mô phỏng hoạt động của nó.
Trong Simulink, người dùng có khả năng thiết kế hệ thống đa tác vụ và điều khiển phản hồi, đồng thời kiểm tra và xác minh tính chính xác của mô hình Nền tảng này cung cấp nhiều công cụ và thư viện phong phú, hỗ trợ mô phỏng trong các lĩnh vực như điện tử, cơ khí, tự động hóa và nhiều lĩnh vực khác.
Simulink nổi bật với khả năng tích hợp mạnh mẽ với MATLAB, cho phép người dùng tận dụng các công cụ và tính năng của MATLAB trong mô hình Simulink Điều này hỗ trợ tính toán phức tạp và phân tích dữ liệu hiệu quả.
Simulink hỗ trợ mô phỏng thời gian thực và phân tích hệ thống điều khiển, cho phép người dùng tạo ra các mô hình động Người dùng có thể thực hiện mô phỏng chạy thời gian thực và xem kết quả ngay lập tức.
Simulink cho phép người dùng dễ dàng thiết kế và mô phỏng các hệ thống phức tạp, giúp kiểm tra và đánh giá hiệu suất cũng như tối ưu hóa các tham số quan trọng.
Nó đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu, phát triển và thực hiện các hệ thống động trong nhiều lĩnh vực khác nhau
Simulink là công cụ mô phỏng và mô hình hóa mạnh mẽ, được sử dụng phổ biến trong ứng dụng xe điện Với tính linh hoạt và khả năng tích hợp cao, Simulink cung cấp khả năng thiết kế và phân tích chi tiết cho hệ thống điện, điều khiển và năng lượng trên xe điện Dưới đây là một số ứng dụng nổi bật của Simulink trong lĩnh vực xe điện.
Simulink cho phép mô phỏng và phân tích hiệu suất hệ thống điện và động cơ trên xe điện, giúp người dùng xây dựng mô hình toàn diện với các thành phần như pin, bộ điều khiển, bộ biến đổi năng lượng và động cơ Bằng cách điều chỉnh tham số, người dùng có thể tối ưu hóa hệ thống nhằm đạt hiệu suất tốt nhất và tiết kiệm năng lượng.
Simulink cho phép mô phỏng và kiểm tra hệ thống điều khiển trên xe điện, giúp người dùng thiết kế và mô hình hóa các hệ thống như điều khiển tốc độ, phanh tái tạo và quản lý năng lượng Bằng cách sử dụng các công cụ và tính năng của Simulink, người dùng có thể xác minh tính chính xác và hiệu suất của các hệ thống điều khiển trước khi triển khai trên xe thực tế.
Simulink cung cấp các công cụ và thuật toán tối ưu hóa hiệu suất năng lượng cho hệ thống điện trên xe điện Người dùng có thể tìm ra cấu hình và tham số tối ưu để giảm tiêu thụ năng lượng, cải thiện hiệu suất và tăng khoảng cách di chuyển của xe bằng cách sử dụng các thuật toán có sẵn trong Simulink.
Simulink cho phép mô phỏng hoạt động của xe điện trên các tuyến đường thực tế bằng cách nhập dữ liệu về tốc độ, độ dốc, điều kiện giao thông và hình thức lái xe Người dùng có thể đánh giá hiệu suất của hệ thống điện trong các điều kiện cụ thể, giúp hiểu rõ hơn về tiêu thụ năng lượng và tối ưu hóa hoạt động của xe điện.
Mô phỏng chi tiết
Hình 3.3 Sơ đồ khối mô phỏng Đầu tiên, khi mô phỏng thì ta xây dựng sơ đồ khối, giúp dễ dàng cho việc mô phỏng
Hình 3.4 Sơ đồ các khối mô phỏng
Nhóm em đã chọn khối pin này vì nó đại diện cho mô hình động học của loại pin tự sạc lại phổ biến nhất hiện nay Khối pin này cho phép quan sát nhiều thông số đầu ra, bao gồm trạng thái sạc, hiệu điện thế và dòng điện trong quá trình xe hoạt động.
Hình 3.7 Sơ đồ mạch khối Pin
Hình 3.8 Thông số giá trị của Pin xe Tesla Model S P85
Khối Longitudinal Driver được sử dụng để mô phỏng hành vi lái xe theo chiều dài của xe, phản ánh cách điều khiển động cơ và hệ thống truyền động Khối này bao gồm 6 cổng, cho phép thực hiện các thao tác điều khiển một cách hiệu quả.
VelRef (Tốc độ tham chiếu) là tốc độ được thiết lập cho hệ thống, trong khi VelFdbk (Tốc độ phản hồi) là thông tin về tốc độ hiện tại của xe, thường được lấy từ cảm biến tốc độ Độ dốc đường (Grade) là giá trị dương hoặc âm thể hiện độ dốc, giúp điều chỉnh hành vi lái xe trong các điều kiện địa hình khác nhau Cổng thông tin (Info) cung cấp thông tin bổ sung về trạng thái hoạt động, lỗi hoặc các thông báo liên quan đến khối.
AccelCmd (Acceleration Command): Đây là tín hiệu điều khiển gia tốc, thường được chuyển đến hệ thống để yêu cầu tăng tốc độ
DecelCmd (Deceleration Command): Đây là tín hiệu điều khiển giảm tốc, thường được chuyển đến hệ thống để yêu cầu giảm tốc độ
Hình 3.10 Khối chu trình lái FTP 75
Khối Drive Cycle Source FTP75 là thiết bị thiết lập chu trình lái xe FTP-75 (Federal Test Procedure 75), một tiêu chuẩn kiểm tra đường bộ tại Mỹ Chu trình này được sử dụng để đánh giá hiệu quả nhiên liệu và khí thải của các phương tiện động cơ nội địa.
Khối này phát sinh chuỗi tín hiệu về tốc độ và thời gian, phản ánh mô hình đường chạy và tốc độ thực tế của chu trình FTP-75 Chu trình bao gồm các pha như khởi động, tăng tốc, giảm tốc và dừng xe, tương tự như cách người lái điều khiển phương tiện trong môi trường lái xe thực tế.
Là một khối đặc biệt được sử dụng để mô phỏng và phân tích hệ thống điện Khối này cung cấp các tính năng như:
Hiển thị đồ thị và biểu đồ, bao gồm các biểu đồ tín hiệu, biểu đồ pha và các thông số khác liên quan đến hệ thống điện, là công cụ quan trọng giúp theo dõi và đánh giá hiệu suất cũng như hoạt động của hệ thống.
+ Cài đặt thông số hệ thống: điện áp, dòng điện, tần số và các thông số khác liên quan đến hệ thống điện
+ Điều khiển và mô phỏng hệ thống điện
+ Phân tích và đánh giá hiệu suất
Hình 3.12 Sơ đồ khối Controller
Khối này tiếp nhận tín hiệu vật lý từ bàn đạp ga của người điều khiển, sau đó chuyển đổi thông qua bộ điều chế xung PWM thành tín hiệu xung Những tín hiệu xung này sẽ được sử dụng để điều khiển mạch cầu.
Hệ thống điều khiển motor hoạt động hiệu quả nhờ vào dòng điện phù hợp, đồng thời mạch cầu điều khiển cũng nhận tín hiệu từ bàn đạp phanh của người điều khiển Điều này cho phép mạch cầu không chỉ điều khiển motor mà còn nhận lại điện áp từ motor để sạc lại khối pin, đảm bảo hiệu suất hoạt động liên tục.
Khối nguồn áp điều khiển (Controlled Voltage Source) là một nguồn điện áp lý tưởng, có khả năng duy trì điện áp đầu ra ổn định mà không bị ảnh hưởng bởi dòng điện Điện áp đầu ra được xác định bởi công thức V = Vs, trong đó Vs là giá trị hiển thị tại cổng tín hiệu vật lý.
Hình 3.14 Khối Controlled PWM Voltage
Khối Controlled PWM Voltage đại diện cho một nguồn điện áp được điều khiển theo chế độ độ rộng xung (PWM - Pulse-Width Modulation)
Hình 3.15 Thông số khối Khối Controlled PWM Voltage
Khi thiết lập tham số mô phỏng cho khối Controlled PWM Voltage ở chế độ trung bình nhằm tăng tốc độ mô phỏng, cần phải điều chỉnh kiểu mô phỏng của khối H-Bridge cũng sang chế độ trung bình Việc sử dụng PWM để điều khiển động cơ có ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và tốc độ của động cơ thông qua chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Cụ thể, khi chu kỳ nhiệm vụ tăng, động cơ sẽ nhận được điện áp cao hơn, từ đó nâng cao công suất hoạt động.
Khi chu kỳ nhiệm vụ tăng lên, cả điện áp và công suất đầu ra đều gia tăng Ngược lại, khi chu kỳ nhiệm vụ giảm, mức điện áp và công suất đầu ra cũng sẽ giảm theo Công thức tính chu kỳ nhiệm vụ được trình bày như sau:
Chu kỳ nhiệm vụ = 100 ∗VRef − VMin
VRef là điện áp tham chiếu giữa các cổng ref+ và ref-
VMin là giá trị điện áp tham chiếu tối thiểu
VMax là giá trị điện áp tham chiếu tối đa
Khối H-Bridge là mạch điều khiển động cơ, có khả năng điều khiển bằng khối Controlled PWM Voltage trong chế độ PWM hoặc trung bình Trong chế độ trung bình, tỉ lệ thời gian bật so với chu kỳ PWM được xác định bằng cách chia điện áp tại cổng PWM cho biên độ tín hiệu xung PWM, từ đó khối H-Bridge cung cấp điện áp trung bình cho tải nhằm đạt được dòng tải trung bình chính xác Để thực hiện mô phỏng, giá trị tham số Simulation mode cần phải giống nhau cho cả hai khối Controlled PWM Voltage và H-Bridge.
Hình 3.17 Thông số khối Khối H-Bridge
Chế độ phanh được kích hoạt khi điện áp tại cổng BRK vượt ngưỡng điện áp phanh Cổng REV điều khiển sự đảo ngược cực của đầu ra khối H-Bridge, với điện áp tại cổng REV so với cổng REF giúp xác định thời điểm thay đổi cực của tín hiệu đầu ra Do đầu vào là khối chu trình FTP750 chỉ chuyển động tịnh tiến, cổng REF và REV có thể được nối mass.
Hình 3.18 Sơ đồ khối Motor
Khối Motor nhận điện áp từ khối Pin thông qua sự điều khiển của khối Controller Tại đây, tốc độ quay của động cơ được đo bằng cảm biến chuyển động quay lý tưởng, trong khi moment xoắn của động cơ được ghi nhận bằng cảm biến moment xoắn lý tưởng Moment xoắn này sau đó được truyền qua khối bánh răng, với đầu ra đi vào khối Vehicle.
Hình 3.19 Khối Motor Để đơn giản hóa quá trình mô phỏng, nhóm chọn động cơ 1 chiều thay vì chọn động cơ xoay chiều cảm ứng như mẫu Tesla Model S P85
Khối DC Motor đại diện cho các đặc tính điện và moment xoắn của một động cơ
DC bằng mô hình mạch tương đương sau đây:
Hình 3.20 Sơ đồ mạch DC Motor
Khi nhóm thiết lập thông số mẫu dựa vào tải và tốc độ, độ tự cảm L không có ảnh hưởng Công thức tính mô-men xoắn của động cơ được xác định như sau:
TE moment xoắn tác động
Kt là hằng số moment xoắn i là dòng điện chạy qua cuộn dây Dòng điện i được tính theo công thức sau:
V điện áp đầu vào vb điện động ngược (back EMF) tạo ra bởi cuộn dây
R là điện trở cuộn dây kv là hằng số điện động ngược
69 ω là tốc độ góc của rotor Thay công thức tính i vào công thức moment xoắn ta được:
Từ moment xoắn động cơ tính được, ta cũng có thể tính được công suất và hiệu suất làm việc của động cơ:
Công suất của động cơ DC:
T là moment xoắn ω là tốc độ góc của rotor Hiệu suất của động cơ DC: η = 𝑃 𝑜𝑢𝑡
𝑃 𝑖𝑛 100(%) (3.4) Trong đó: η là hiệu suất Pout là công suất đầu ra (moment xoắn * tốc độ góc)
Pin là công suất đầu vào (điện áp cấp nguồn * dòng điện)
Hình 3.21 Thông số khối DC Motor 3.3.6.2 Khối Ideal Rotational Motion Sensor
Hình 3.22 Khối Ideal Rotational Motion Sensor
Kết quả mô phỏng
3.4.1 Kết quả mô phỏng trong trường hợp lý tưởng
Hình 3.33 Đồ thị so sánh vận tốc xe mong muốn và thực tế
Kết quả mô phỏng cho thấy đường màu xanh biểu thị vận tốc mong muốn của xe trong chu trình FTP 75, trong khi đường màu vàng thể hiện vận tốc thực tế mà xe đạt được.
Quy luật thay đổi trong mô phỏng cho thấy sự tương đồng, phản ánh đúng yêu cầu của người lái xe Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số sai số trong vùng giảm tốc gần 0 m/s, nguyên nhân là do bộ điều khiển PI chưa tối ưu hóa các thông số KP và KI.
Hình 3.34 Đồ thị lực kéo tại bánh xe
Kết quả mô phỏng lực kéo tại bánh xe cho thấy lực dương khi motor kéo xe và lực âm khi xe kéo ngược lại motor trong chế độ phanh, biến động cơ thành máy phát Đồ thị lực gần bằng không tương ứng với đồ thị vận tốc cũng gần bằng không, chứng tỏ mô phỏng đạt độ chính xác tương đối cao.
Hình 3.35 Đồ thị vận tốc và gia tốc của xe
Kết quả mô phỏng cho thấy gia tốc của xe đạt cực đại khoảng 1,5 m/s² Trên đồ thị, gia tốc có giá trị dương khi xe tăng tốc và giá trị âm khi xe giảm tốc Khi vận tốc không thay đổi, gia tốc sẽ bằng không.
Hình 3.36 Đồ thị quãng đường xe đi được
Kết quả mô phỏng cho thấy xe đã di chuyển hơn 18Km trong thời gian 2474 giây Hình ảnh minh họa cho thấy quãng đường chạy ngang khi vận tốc thực tế bằng không.
Hình 3.37 Đồ thị tốc độ của động cơ
Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ quay tối đa của động cơ đạt 4000 rpm Đồ thị tốc độ quay của động cơ tương đối khớp với đồ thị vận tốc thực.
79 tế xe cho thấy bộ điều khiển hoạt động khá tốt, đáp ứng kịp thời vận tốc đưa ra của khối người điều khiển
Hình 3.38 Đồ thị Moment xoắn của động cơ
Mô phỏng moment xoắn của động cơ cho thấy rằng moment dương liên quan đến việc tăng tốc độ động cơ, trong khi moment âm tương ứng với việc giảm tốc độ Khi đó, động cơ hoạt động như một máy phát, nạp điện cho nguồn Ngoài ra, moment xoắn sẽ gần bằng không khi tốc độ quay của động cơ gần như bằng không.
Hình 3.39 Đồ thị công suất của động cơ
Kết quả mô phỏng công suất động cơ cho thấy công suất dương đạt cực đại khoảng 51KW, trong khi công suất âm (công suất tái sinh) có cực đại khoảng 35KW Đặc biệt, công suất bằng 0KW khi vận tốc là 0m/s.
Hình 3.40 Đồ thị công suất của Pin
Kết quả mô phỏng cho thấy công suất của pin với công suất dương đạt tối đa khoảng 265KW, thể hiện khả năng phóng điện của nguồn Đồng thời, công suất âm, biểu thị cho phần công suất tái sinh khi sạc lại, đạt giá trị cực đại khoảng 250KW.
Hình 3.41 Đồ thị trạng thái sạc của Pin
Kết quả độ thị trạng thái sạc (SOC) cho thấy các đoạn đi lên là nhờ vào hoạt động của phanh tái sinh, giúp sạc lại nguồn điện Trong khi đó, đoạn ngang của độ thị cho thấy xe đang đứng yên, phù hợp với chu trình lái FTP 75.
Hình 3.42 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu
Kết quả mô phỏng tiêu hao nhiên liệu như đồ thị trên Nhiên liệu tiêu hao từ
85KWh xuống còn 74KWh đi được hơn 18Km và suất tiêu hao nhiên liệu là 0,61
Hình 3.43 Đồ thị điện áp của Pin
Đồ thị điện áp cung cấp cho động cơ cho thấy điện áp lớn nhất gần 400V và điện áp nhỏ nhất khoảng hơn 340V Sự biến đổi điện áp này được tính toán từ bộ điều khiển trước đó.
Hình 3.44 Đồ thị dòng điện của Pin
Đồ thị dòng điện cung cấp cho động cơ cho thấy các khoảng dòng điện âm, xuất phát từ quá trình phanh tái tạo Quá trình này tạo ra năng lượng được nạp ngược vào pin, dẫn đến dòng điện có chiều ngược lại và mang giá trị âm.
3.4.2 Kết quả mô phỏng trong trường hợp xe leo dốc Độ dốc mà nhóm đưa ra là 5 0 bằng 0,087 rad
Hình 3.45 Thiết lập thông số độ dốc
Hình 3.46 Đồ thị vận tốc thực tế so với mong muốn
Kết quả mô phỏng cho thấy đường hồng biểu diễn vận tốc mong muốn theo chu trình FTP-75 gần như trùng khớp với đường vàng biểu diễn vận tốc thực tế của xe Điều này cho thấy mô phỏng đáp ứng tốt yêu cầu của người lái Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số sai số ở vùng cao và thấp, chủ yếu do địa hình dốc khó điều khiển và bộ điều khiển PI chưa tối ưu với các thông số KP, KI.
Hình 3.47 Đồ thị gia tốc của xe
Kết quả mô phỏng cho thấy gia tốc xe được biểu diễn qua đồ thị Do đầu ra vận tốc ở hai trường hợp tương tự, gia tốc cũng gần giống nhau Tuy nhiên, gia tốc trong tình huống này lớn hơn so với trường hợp lý tưởng, vì quá trình tăng tốc và giảm tốc diễn ra mạnh hơn một chút.
Hình 3.48 Đồ thị quãng đường của xe
Kết quả mô phỏng cho thấy quãng đường xe đi được gần 18 km, tương tự như trong trường hợp lý tưởng Tuy nhiên, quãng đường thực tế ít hơn do vận tốc đầu ra có lúc âm, khiến xe đi thụt lùi Nguyên nhân là do bộ điều khiển chưa hoạt động hiệu quả khi vận tốc gần bằng không.
Hình 3.49 Đồ thị công suất của động cơ