Battery electric vehicle modeling and control

Mô hình hóa và điều khiển xe điện dựa trên pin (Battery Electric Vehicles BEVs) liên quan đến một số thành phần chính, bao gồm pin, động cơ phát điện, hệ thống truyền động trực tiếp và các thuật toán điều khiển hệ thống truyền động liên quan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BATTERY ELECTRIC VEHICLE MODELING AND CONTROL Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ CHƯƠNG 1: Tổng quan đề tài 1.1 Giới thiệu BEV - Battery Electric Vehicle 1.2 Mục tiêu 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Giới hạn phạm vi đề tài 1.5 Phạm vi nghiên cứu: 1.6 Dự kiến kết 1.7 Tình hình phát triển xe điện giới CHƯƠNG 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Lịch sử phát triển 2.3 Nguyên lý hoạt động 12 2.4 Phạm vi hoạt động 12 CHƯƠNG 3: Mơ Hình Hóa BEV 13 3.1 Passenger Car 13 3.1.1 Khối quán tính quay 14 3.1.2 Khối Driveshaft Compliance: 14 3.1.3 Khối Differential and Compliance 15 3.1.4 Khối bánh xe Phanh: 17 3.1.5 Thân xe 19 3.1.6 Batttery 21 3.1.7 Motor 23 3.2 Controllers 27 3.2.1 Khối Motor Torque Arbitration and Power Management 29 3.2.2 SERIES REGEN BRAKING 30 3.3 Longitudinal Driver 32 3.4 Environment Subsystem (Hệ thống môi trưởng) 33 3.5 Drive cycle soure 33 3.6 Visualization 34 CHƯƠNG 4: Mô Phỏng xe Vinfast E34 35 4.1 Giới thiệu Vinfast E34 35 4.2 Nhập thông số mô 36 4.3 Kết Quả 39 CHƯƠNG 5: Kết Luận 42 Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CG: Center of gravity( Trọng tâm) BMS: Battery Management System HEV: Hybrid Electric Vehicle PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle BEV: Battery Electric Vehicle FDI: Tổ chức kinh tế có vốn đầu tư nước ngồi DC: Dịng điện chiều AC: Dịng điện xoay chiều PCM: Powertrain Control Module ECE15: Economic Commission for Europe IPM: Interior Permanent Magnet Motor MPGe: Miles Per Gallon-equivalent NEDC: New European Driving Cycle DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Lượng xe điện tồn cầu 2010-2021 Hình 1.2 Lượng đăng ký xe điện doanh số quốc gia/ khu vực chọn 20162021 Hình 1.3 Doanh số xe điện Trung Quốc nửa đầu năm 2022 Hình 1.4 Doanh số xe điện Châu Âu đầu năm 2022 Hình 1.5 Doanh số xe điện Mỹ nửa đầu năm 2022 Hình 1.6 ảnh xe điện tự lái Vinfast ( VF31) Hình 2.1 Những xe điện năm 1912 Hình 2.2 Cấu tạo tơ điện Hình 3.1 Sơ đồ khối BEV Hình 3.2 Khối Passenger Car Hình 3.3 Drivetrain subsystem Hình 3.4 Khối qn tính quay Hình 3.5 Khối Driveshaft Compliance Hình 3.6 Khối Differential and Compliance Hình 3.8 Khối Vehicle Body DOF Longitudinal Hình 3.9 Khối Battery Hình 3.10 Khối motor Hình 3.11 Khối Controllers Hình 3.12 Khối Powertrain Control Module (PCM) Hình 3.13 Battery Management System (BMS) Hình 3.14 khối Longitudinal Driver Hình 3.15 Khối Environment Hình 3.16 Khối Drive cycle soure Hình 3.17 Khối Visualization Hình 4.1 VF e34 Hình 4.2 Chọn chu kỳ Hình 4.3 Nhập thơng số pin Hình 4.4 Nhập thơng số động Hình 4.5 Chọn hệ thống dẫn động Hình 4.6 Nhập thơng số xe Hình 4.7 Đồ thị tốc độ xe theo thời gian Hình 4.8 Đồ thị tốc độ động Hình 4.9 Đồ thị mơ men xoắn động Hình 4.10 Đồ thị dịng điện Pin Hình 4.11 Đồ thị dung lượng pin Hình 4.12 Đồ thị mức tiêu hao nhiên liệu Hình 4.13 Đồ thị quãng đường BATTERY ELECTRIC VEHICLE MODELING AND CONTROL CHƯƠNG 1: Tổng quan đề tài 1.1 Giới thiệu BEV - Battery Electric Vehicle Battery Electric Vehicle (BEV) loại xe quan tâm nghiên cứu nhiều thời gian gần BEV loại xe sử dụng nguồn lượng điện, thay sử dụng động loại xe thông thường Với phát triển công nghệ pin điện tử, BEV coi giải pháp hữu hiệu để giảm thiểu lượng khí thải nhiễm mơi trường, tiết kiệm nhiên liệu chi phí nhiên liệu cho người dùng Tuy nhiên, để vận hành cách hiệu an toàn, hệ thống điều khiển BEV kỹ thuật khó khăn kỹ sư khí điện tử Do đó, nghiên cứu mơ hình hóa điều khiển hệ thống BEV trở nên quan trọng hết Để đạt hiệu tiết kiệm điện cao nhất, nhà nghiên cứu cần phải nghiên cứu phát triển mơ hình hệ thống điều khiển cho BEV Trong đó, việc xây dựng mơ hình tốn học để mô tả hoạt động xe điều khiển thông số tốc độ, công suất, mức sạc pin quan trọng cần thiết 1.2 Mục tiêu • Tìm hiểu lịch sử xe điện công nghệ xe hệ thống điều khiển thông minh • Tìm hiểu matlab simulink • Mơ xe matlab simulink • Thiết kế điều khiển xe cho xe vận hành matlab simulink 1.3 Lý chọn đề tài Việc chuyển đổi từ xe truyền thống sang xe chạy điện bước ngoặc quan trọng ngành ô tô Cùng với phát triển xe chạy lượng mới, sở giáo dục ngành tơ tích cực hướng phổ cập kiến thức xe điện cho sinh viên Là sinh viên ngành ô tô, với mong muốn tìm hiểu nghiên cứu xe điện bắt kịp xu hướng xã hội, nhóm chúng em chọn đề tài xe điện, cụ thể xe điện chạy hoàn toàn nguồn từ ắc quy - BEV để học hỏi nghiên cứu 1.4 Giới hạn phạm vi đề tài Giới hạn đề tài: Phạm vi nghiên cứu sản phẩm phạm vi định nên kết khơng bao qt tồn điều kiện thực hiện, phương pháp cách làm khác Nếu có điều kiện tốt việc nghiên cứu đề tài hữu ích cho ngành tơ nói chung tơ điện nói riêng Giai đoạn nghiên cứu khó khăn nghiên cứu nên hướng khó chọn lựa phải tìm hiểu nhiều nhờ trao đổi làm việc với giảng viên hướng dẫn thiết kế tính tốn để đạt thành cơng 1.5 Phạm vi nghiên cứu: • Nghiên cứu thực thông qua việc thu thập thông tin, kiến thức học tập, giảng viên hướng dẫn tổng hợp lại hồn thành đề tài • Nghiên cứu thực từ ngày 22/2/2023 1.6 Dự kiến kết • Hiểu nắm bắt cấu tạo hệ thống xe điện • Nắm bắt kiến thức cách để mô xe hồn chỉnh • Có thể thay đổi số liệu ban đầu để tiến hành mô để sánh dạng đồ thị với rút tốt • Thơng qua số liệu kĩ để tiến hành mơ xe hồn chỉnh vận hành gần sát với thực tế 1.7 Tình hình phát triển xe điện giới Hiện nay, thị trường lưu hành loại xe điện chính, bao gồm: - BEV (Battery Electric Vehicle) - xe chạy hoàn toàn điện PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) - xe sử dụng song song điện xăng/dầu HEV (Hybrid Electric Vehicle) - xe hybrid, xe lai, sử dụng động xăng thơng thường làm nguồn lượng chính, động điện vận hành đến mức độ Hình 1.1: Lượng xe điện tồn cầu 2010-2021 Doanh số bán xe điện tồn cầu có xu hướng tăng Năm 2021, Trung Quốc, châu Âu Hoa Kỳ chiếm 95% tổng doanh số bán xe điện Trong đó, số tụt lại kinh tế phát triển, nơi mà số mẫu xe có sẵn khơng phù hợp với túi tiền người tiêu dùng đại chúng Tại Brazil, Ấn Độ Indonesia, chưa đến 0,5% doanh số bán ô tô xe điện Tuy nhiên, doanh số bán xe điện lại tăng gấp đôi số khu vực vào năm 2021 (bao gồm Ấn Độ Mặc dù doanh số bán xe điện thấp, song nước phát triển thể quan tâm đến loại phương tiện Ví dụ, châu Phi có lượng xe điện thấp toàn giới, doanh số bán xe điện khu vực tăng lên năm gần [2] Tính đến tháng 1/2022, Nam Phi có khoảng 1.000 xe điện tổng số 12 triệu phương tiện Hình 1.2: Lượng đăng ký xe điện doanh số quốc gia/ khu vực chọn 2016-2021 Theo báo cáo Cơ quan lượng quốc tế (IEA), tổng số xe điện giới tăng từ gần vào năm 2010 lên 16 triệu xe vào năm 2021 (hình 1), xe chạy hồn tồn điện (BEV) dẫn đầu cơng mở rộng xe điện Doanh số bán xe điện vào năm 2021 tăng gần gấp đôi so với năm trước lên mức kỷ lục khoảng 6,6 triệu Thị phần xe điện số nước châu Á tiêu biểu khác Nhật Bản 50%, chủ yếu HEV PHEV (BEV chiếm 1%) Ở Hàn Quốc, BEV tăng trưởng nhanh chóng Năm 2021, thị phần BEV 2% đạt 10% ➢ Powertrain Control Module (PCM) Hình 3.12 Khối Powertrain Control Module (PCM) Các thơng số đầu vào : - AccCmd: Tín hiệu từ bàn đạp ga DecCmd: Tín hiệu điều khiển hệ thống phanh xe VehSpdFdbk: Tín hiệu tốc độ phương tiện đo từ cảm biến tới để điều chỉnh Batt_Info: Thông tin trạng thái thông số pin BMS_Cmd: Hệ thống quản lý pin MotSpd: Tốc độ động BMS_Sensors: Cảm biến hệ thống quản lý pin Các thông số đầu : - MotTrqCmd: Đây thông số đầu cuối thể tất thông số Motor - BrakeVmd: Thông số đầu phanh 28 3.2.1 Khối Motor Torque Arbitration and Power Management Chuyển đổi tín hiệu bàn đạp ga người lái thành yêu cầu mô-men xoắn Chuyển đổi tín hiệu bàn đạp phanh người lái thành u cầu áp suất phanh Thuật tốn nhân tín hiệu bàn đạp phanh với áp suất phanh tối đa Thực thuật toán phanh tái tạo cho động kéo để phục hồi lượng động tối đa từ xe Thực hệ thống quản lý pin ảo Thuật toán đưa giới hạn lượng xả sạc động dạng chức trạng thái sạc pin (SOC) Thông số đầu vào: - BattPwrDisChrgLmt:hiển thị giới hạn không sạc Pin - BattPwrChrgLmt: hiển thị giới hạn sạc Pin - Motspd: Đây tín hiệu tốc độ động (motor speed), đo cảm biến tốc độ động Tín hiệu sử dụng để phản hồi cho hệ thống điều khiển, giúp đảm bảo động hoạt động ổn định xác tính đơn vị rad/s 29 - MotTrqCmdTrac: thể tốc độ đầu vào Motor AccelPdl: Thể tốc độ bàn đạp ga MotTrqCmdRegen:thể tốc độ đầu Motor OC:đây tín hiệu thể khả sạc pin đồng thời thể khả tích trữ điện Pin Thông số đầu ra: MotTrqCmdFinal:Đây thông số đầu cuối thể tất thông số Motor 3.2.2 SERIES REGEN BRAKING Regen Braking Control có biến thể này: Series Regen Brake (default): Phanh ma sát cung cấp mô-men xoắn không cung cấp phanh động tái tạo Parallel Regen Braking: Phanh ma sát phanh động tái tạo độc lập cung cấp mô-men xoắn 30 Thông số đầu vào: - VehSpd: Là tốc độ phương tiện MotSpd: Là tốc độ động cơ, đo từ cảm biến tốc độ động BrkPrsReq (brake pedal total braking pressure request)bàn đạp phanh tổng lực phanh yêu cầu MotTrqCmdFinal: Thông số đầu cuối thể tất thông số motor Thông số đầu ra: - MotTrqCmdRegen: Tốc độ đầu motor BrkCmd: Thông số đầu phanh ➢ Battery Management System (BMS) 31 Hình 3.13 Battery Management System (BMS) BMS phần quan trọng để quản lý kiểm soát lượng hệ thống pin điện xe điện Nó giúp đảm bảo an tồn tối ưu hóa hiệu suất hệ thống pin, đồng thời cung cấp thông tin trạng thái hệ thống pin cho hệ thống khác BEV 3.3 Longitudinal Driver Hình 3.14 khối Longitudinal Driver 32 Khối sử dụng để tạo điều khiển theo dõi tốc độ theo chiều dọc dựa vận tốc tham chiếu phản hồi, khối tạo lệnh tăng tốc phanh chuẩn hóa thay đổi từ đến Chúng ta sử dụng khối để lập mơ hình phản hồi động trình điều khiển để tạo lệnh cần thiết để theo dõi chu kỳ ổ đĩa dọc 3.4 Environment Subsystem (Hệ thống mơi trưởng) Ta sử dụng khối để mô điều kiện tác động lên xe trọng lực, gió, điều kiện khí quyển, Hình 3.15 Khối Environment 3.5 Drive cycle soure Hình 3.16 Khối Drive cycle soure 33 Để hỗ trợ trình thiết kế, kiểm tra lái xe mô lái xe hoàn thành để giúp hỗ trợ trình thiết kế nhằm xác định xem thiết kế có phù hợp với ứng dụng mong muốn hay không Một chu kỳ lái xe tập hợp giá trị vận tốc phương tiện theo giây mà phương tiện mơ đạt q trình mô Sự cần thiết chu kỳ lái xe để giảm số lượng kiểm tra đắt tiền đường, đồng thời giảm thời gian kiểm tra mệt mỏi kỹ sư kiểm tra Chu trình truyền động sử dụng mơ xe để mơ hình hóa hệ thống truyền động dự đoán hiệu suất hệ thống truyền động Có nhiều chu kỳ lái xe tiêu chuẩn sử dụng để thử nghiệm phương tiện giao thông đường nhằm tiết kiệm nhiên liệu mục đích khác Một số chu kỳ lái xe phát triển mặt lý thuyết số khác phép đo trực tiếp kiểu lái xe đại diện Một chu kỳ lái xe bao gồm việc thay đổi tốc độ thường xuyên kéo dài thời gian tốc độ khơng đổi 3.6 Visualization Hình 3.17 Khối Visualization Khối có tác dụng hiển thị hiệu suất xe, trạng thái pin, tốc độ xe Từ thơng số giúp ta so sánh điều chỉnh thông số cho phù hợp 34 CHƯƠNG 4: Mô Phỏng xe Vinfast E34 4.1 Giới thiệu Vinfast E34 VinFast mắt VF e34, mẫu C-SUV với thiết kế tinh tế, thân thiện với người dùng loạt công nghệ thông minh đại, hứa hẹn nâng tầm trải nghiệm Khách hàng Hình 4.1 VF e34 Tổng quan VinFast VF e34 thông số kích thước, nhiều người nhận định dịng xe lý tưởng cho giao thơng thị nhờ vóc dáng nhỏ gọn, gầm cao: - Chiều dài sở: 2.610,8 mm Kích thước dài x rộng x cao: 4.300 x 1.768 x 1.613 (mm) Khoảng sáng gầm: 180 mm Trọng lượng không tải: 1.490 kg Với thông số kỹ thuật này, VF e34 lựa chọn lý tưởng để di chuyển khu vực nội thành với mật độ giao thơng đơng đúc địa hình gồ ghề, phức tạp Bên cạnh đó, xe có độ đầm tạo ổn định giúp người lái kiểm sốt phương hướng dễ dàng vào cua 35 • Thông số Pin động VF e34 Động tơ điện VinFast VF e34 có cơng suất tối đa 110kW mô-men xoắn cực đại 242 Nm Xe sở hữu hệ dẫn động cầu trước (FWD) VF e34 trang bị loại pin Lithium-ion với dung lượng 42kWh Đối với chế độ sạc thường, pin ô tô điện VinFast VF e34 sạc đầy khoảng 8h10h Quãng đường sau 01 lần sạc theo chuẩn NEDC khoảng 285 km Bên cạnh đó, VinFast cung cấp giải pháp sạc nhanh cho phép xe thêm khoảng 180km sau khoảng 18 phút sạc VinFast phát triển hệ thống 150.000 trạm sạc phủ khắp 63 tỉnh thành Việt Nam Ngoài ra, người dùng tự sạc xe nhà sản phẩm xe máy điện lưu hành 4.2 Nhập thơng số mơ ➢ Thay đổi chu kì, ta chọn chu kì NEDC Theo Vinfast cơng bố, Vinfast VF e34 chạy quãng đường 285 km sau lần sạc đầy, dựa theo tiêu chuẩn NEDC Phương thức thử nghiệm NEDC dựa điều kiện lý tưởng phịng thí nghiệm thay tình vận hành thực tế Kết từ chu trình thử nghiệm NEDC thường cao 25 30% so với phạm vi di chuyển thực tế ôtô điện Do đó, NEDC bị coi chu trình thử nghiệm xác loại Chu trình chia làm giai đoạn: - Giai đoạn 1: xe chạy thành phố, gồm chu trình với ECE15 tiến hành liên tiếp Vận tốc trung bình 19 km/h, quãng đường thử nghiệm 1,013 km - Giai đoạn 2: xe chạy xa lộ với thời gian chạy 400 giây, vận tốc trung bình 62,6 km/h, vận tốc cực đại 120 km/h 36 Hình 4.2 Chọn chu kỳ ➢ Nhập thông số pin - Thay đổi thông số dung lượng pin BattChargeMax 105 Ah - Thay đổi dung lượng pin thời điểm bắt đầu khảo sát 105 Ah (SOC 100%) Hình 4.3 Nhập thơng số pin 37 Nhập thơng số động Hình 4.4 Nhập thơng số động Do động dùng VF e34 motor nam châm vĩnh cửu nên ta chọn khối MotGenEvDynamic tương ứng với động IPM Thay đổi momen cực đại thành 242 N.m ➢ Thay đổi hệ thống dẫn động Hệ thống dẫn động VF e34 cầu trước Hình 4.5 Chọn hệ thống dẫn động 38 ➢ Nhập thông số xe Ta nhập thông số khối lượng, số bánh xe, kích thước xe, để việc mơ xác Hình 4.6 Nhập thơng số xe 4.3 Kết Quả Chu Trình NEDC Hình 4.7 Đồ thị tốc độ xe theo thời gian 39 Tốc độ động Hình 4.8 Đồ thị tốc độ động Mơ men xoắn động Hình 4.9 Đồ thị mơ men xoắn động Dịng diện pin Hình 4.10 Đồ thị dịng điện Pin 40 Dung lượng pin tính theo % Hình 4.11 Đồ thị dung lượng pin Mức tiêu thụ nhiên liệu Hình 4.12 Đồ thị mức tiêu hao nhiên liệu 41 Quãng đường xe chu kì Hình 4.13 Đồ thị quãng đường CHƯƠNG 5: Kết Luận Qua báo cáo, giới thiệu cho xe điện, cấu tạo nguyên lý hoạt động xe điện Từ sử dụng matlab/simulink, thay đổi thông số để mô điều khiển xe điện cho sát với thực tế Chúng ta kết luận việc mơ xe điện thực cách xác hiệu phần mềm Matlab/Simulink Mơ hình tùy chỉnh để phù hợp với thông số loại động pin khác Bằng cách sử dụng cơng cụ phân tích biểu đồ, đánh giá hiệu lượng hệ thống phân tích thơng số kỹ thuật Từ biểu đồ đồ thị, quan sát biến đổi hệ thống thời gian thực, tốc độ, lượng điện tiêu thụ trạng thái pin Tóm lại, việc sử dụng Matlab/Simulink cơng cụ hữu ích cho việc thiết kế, phát triển đánh giá hệ thống xe điện 42