Hồ Chí Minh, tháng 2/2023ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPNGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔỨNG DỤNG SIMSCAPE TRONG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KIỂM SOÁT ẮC – QUY CAO ÁP TRÊN XE ĐIỆN GVHD: ThS.. Ngoài ra các chi phí sử
TỔNG QUAN
Tổng quan về đề tài
Hiện nay chúng ta đang sống trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa với nền khoa học vô cùng phát triển Trong ngành phương tiện giao thông nói chung và ngành ô tô nói riêng thì năng lượng vô cùng quan trọng Do nhu cầu năng lượng khí đốt của động cơ xăng và diesel ngày càng nhiều nhưng nguồn năng lượng thì có giới hạn nên lượng cung cấp sẽ dần bị thiếu hụt, và một phần lớn khác là việc ô nhiễm môi trường từ khí thải ra từ những chiếc ô tô và mức CO2 đang cao ở mức báo động đã gây ra hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu và nhiều vấn nạn vô cùng nguy hiểm khác Xu thế chuyển dịch sang sử dụng xe ô tô điện thay thế các loại xe dùng nhiên liệu hóa thạch trong tương lai là tất yếu Trong đó, pin ô tô điện được coi là công nghệ cốt lõi của ngành công nghiệp xe điện
Chúng em được sự phân công của Bộ môn Động cơ ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô Tô của khoa Cơ khí động lực - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn của Th.S Huỳnh Quốc Việt, nhóm chúng em đã nghiên cứu thực hiện đề tài: Ứng dụng Simscape trong mô phỏng hệ thống kiểm soát ắc – quy cao áp trên xe điện Để làm tài liệu hướng dẫn, tham khảo và giảng dạy cho người dùng giúp cho mọi người có cái nhìn thực tế về các chức năng, chu trình làm việc của pin hay hệ thống BMS trên xe điện
- Nắm vững cơ sở lý thuyết về pin và hệ thống quản lí pin (BMS)
- Nắm vững kiến thức của Matlab
- Nắm vững cách sử dụng và ứng dụng của công cụ Simscape trong Matlab
- Mô phỏng các hệ thống bằng Simscape
- 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
- Pin trên xe điện (Toyota Prius)
- 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
- Tham khảo các mô hình pin thực tế và dùng lí thuyết môn học phân tích xử lí dữ kiện các bài toán vật lí mẫu làm cơ sở để xây dựng thuật toán tính toán, lập chương trình chi tiết
- Sử dụng Matlab/Simulink/Simscape để xây dựng mô hình theo các chu trình thực nghiệm
1.1.6 Kết quả dự kiến đạt được
So sánh, đánh giá đặc tuyến mô phỏng và đặc tuyến thực tế.
Tổng quan về xe điện
1.2.1 Khái quát về xe điện
Xe ô tô điện (EV) đang dần trở thành xu thế thịnh hành ở nhiều quốc gia trên thế giới, và Việt Nam cũng không ngoại lệ Xe ô tô điện sử dụng năng lượng được tạo ra từ động cơ điện, khác với xe sử dụng động cơ đốt trong (ICE) chạy bằng xăng hoặc bằng dầu diesel Một lợi thế chính của xe điện so với các phương tiện dùng năng lượng xăng hay dầu diesel là chúng có khả năng giảm ô nhiễm đáng kể nhờ không có khí thải Xe điện sử dụng một bộ pin kéo lớn để cung cấp năng lượng cho động cơ Hầu hết xe điện sử dụng pin lithium – ion (LIB), loại pin này có mật độ năng lượng cao hơn so với hầu hết các loại pin thực tế khác
Có bốn loại EV chính Xe điện hybrid (HEV) và xe điện hybrid plug – in (PHEV) đều có thể vừa chạy bằng điện, vừa chạy bằng nhiên liệu khác và còn được gọi là xe điện lai Loại HEV tạo ra năng lượng thông qua hệ thống phanh tái sinh của xe để sạc lại pin, còn loại PHEV có thể sạc lại bằng việc cắm sạc thông qua bất kì nguồn điện nào bên ngoài Còn một loại khác là loại EV chạy bằng pin (BEV) chạy hoàn toàn bằng điện và điều này đồng nghĩa là phương tiện không thải ra khí thải và không chứa các thành phần nhiên liệu lỏng điển hình, chẳng hạn như bơm nhiên liệu, đường dẫn nhiên liệu hoặc bình nhiên liệu Tương tự với loại xe chạy hoàn toàn bằng điện là loại xe điện chạy bằng pin nhiên liệu
(FCEV) cũng sử dụng điện năng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện Nhưng trái ngược với BEV, FCEV sản xuất điện bằng cách sử dụng pin nhiên liệu chạy bằng hydro thay vì chỉ lấy điện từ pin lưu trữ
Hình 1 1 Phân loại xe điện 1.2.2.1 Battery Electric Vehicle – BEV
Battery Electric Vehicle (BEV) thường được gọi với cái tên EV (Electric Vehicle) là loại xe sử dung hoàn toàn động cơ điện với bộ pin có thể nạp lại được và không dùng động cơ xăng Xe BEV tích điện trong các bộ pin có dung lượng lớn và được dùng để chạy động cơ điện hay các bộ phận sử dụng điện khác Xe BEV không thải ra khí gây ô nhiễm môi trường như động cơ truyền thống xe BEV được nạp điện bằng các nguồn ở bên ngoài Bộ nạp này được phân loại dựa trên tốc độ nạp đầy pin trên mỗi xe BEV Có những mức phân loại bộ nạp như là: Level 1, Level 2, Level 3 (nạp nhanh DC)
Bộ nạp Level 1 sử dụng nguồn điện có đầu ra tiêu chuẩn là 120V và mất hơn 8 giờ để nạp cho quãng đường xấp xỉ 75 – 80 dặm Bộ nặp Level 1 có thể nạp được ở nhà hoặc chỗ làm và gần như tất cả các xe EV trên thị trường hiện nay đều có thể sử dụng bộ nạp này
Bộ nạp Level 2 yêu cầu những trạm đặc biệt có thể cung cấp nguồn điện 240V Bộ nạp 240V được lắp đặt ở các trạm nạp công cọng và mất hơn 4 giờ để nạp cho quãng đường khoảng 75 – 80 dặm
Bộ nạp Level 3 hay bộ nạp nhanh DC là giải pháp tối ưu nhất cho tốc độ nạp của xe
EV trên thị trường hiện nay Bộ nạp này được trang bị ở các trạm chuyên biệt và có thể nap cho quảng đường 90 dặm chỉ trong 30 phút
Một số xe BEV cps thể nạp bằng bộ DC như là Tesla Model 3, BMW i3, Nissan LEAF, Ford Focus Electric,…
Xe HEV là loại xe điện được cung cấp năng lượng bởi một động cơ đốt trong và một hoặc nhiều động cơ điện, sử dụng năng lượng tích trữ trong pin Không thể cắm điện cho xe điện hybrid để sạc pin Thay vào đó, pin được sạc thông qua phanh tái tạo và động cơ đốt trong Công suất phụ trợ do động cơ điện cung cấp có thể cho phép thiết kế động cơ đốt trong nhỏ hơn Pin cũng có thể cung cấp năng lượng cho các phụ tải và giảm tải cho động cơ chạy không tải khi dừng Kết hợp với nhau, các tính năng này giúp tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn mà không làm giảm hiệu suất
Phân loại dựa vào chức năng của động cơ điện:
- Mild hybrid: Động cơ điện không thể vận hành tách biệt, cũng như không tham gia trực tiếp vào quá trình dẫn động mà chỉ đóng vai trò hỗ trợ cho động cơ đốt trong ở một vài tình huống nhất định Ví dụ như duy trì gia tốc xe đang chạy, thu hồi năng lượng phanh lúc giảm tốc hay giúp khởi động nhanh động cơ trở lại khi dừng dèn đỏ… Mục tiêu chính của Mild hybrid là tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, cắt giảm khí thải và giúp xe vận hành mượt mà, êm ái hơn Bộ pin dung lượng thấp, được sạc thông qua hệ thống phanh tái sinh, thu năng lượng được tạo ta bởi ma sát khi phanh, chuyển nó thành điện và lưu trữ trong pin
- Full hybrid: Động cơ điện có thể sử dụng cùng lúc hoặc riêng biệt với động cơ đốt trong để điều khiển phương tiên Quá trình kết hợp và chuyển đổi năng lượng giữa động cơ đốt trong và động cơ điện được xử lí nhịp nhàng bởi hệ thống máy tính của xe, từ đó giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu Một chiếc xe Full hybrid có thể lựa chọn
5 chạy hoàn toàn bằng điện ở tốc thấp trong phạm vi ngắn Sau khi hết pin sẽ chuyển sang sử dụng động cơ đốt trong, sau đó pin xe cũng được nạp lại thông qua hệ thống phanh tái sinh
Phân loại dựa vào cấu tạo thiết kế của động cơ :
- Series Hybrid (Hybrid nối tiếp) : Sử dụng motor điện dẫn động trực tiếp đến các bánh xe Động cơ đốt trong chỉ có nhiệm vụ như một máy phát điện, sạc pin khi cần thiết
- Parallel Hybrid (Hybrid song song) : Kiểu thiết kế HEV phổ biến nhất Kết nối động cơ đốt trong và động cơ điện với các bánh xe thông qua khớp nối cơ khí Cả động cơ điện và động cơ đốt trong đều dẫn động bánh xe trực tiếp
Một số mẫu xe HEV như là Toyota Prius Hybrid, Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid,…
1.2.2.3 Plug – in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)
PHEV tương tự như dòng HEV là dòng xe vận hành bằng cả động cơ điện và động cơ xăng truyền thống Nguồn năng lượng có thể nạp lại pin bằng phanh tái sinh hoặc bằng cách cắm cáp sạc vào nguồn điện bên ngoài, bên cạnh máy phát điện chạy bằng động cơ đốt trong Sử dụng điện từ lưới điện để chạy xe một phần hoặc toàn bộ thời gian giúp giảm chi phí vận hành và sử dụng nhiên liệu so với các phương tiện thông thường PHEV cũng có thể tạo ra mức khí thải thấp hơn, tùy thuộc vào nguồn điện và tần suất vận hành xe ở chế độ hoàn toàn bằng điện Trong khi các xe hybrid bình thường có thể di chuyển 2 – 4 dặm trước khi động cơ xăng được sử dụng thì xe PHEV có thể đi quảng đường 10 – 40 dặm trước khi có sự hỗ trợ của động cơ xăng
Mức tiêu thụ nhiên liệu PHEV phụ thuộc vào khoảng cách lái xe giữa các lần sạc pin
Ví dụ, nếu chiếc xe không bao giờ được cắm điện để sạc pin thì mức tiết kiệm nhiên liệu sẽ tương đương với một chiệc xe điện hybrid có kích thước tương tự Nếu xe được lái một quãng đường ngắn hơn phạm vi sử dụng điện hoàn toàn của nó và được cắm điện để sạc giữa các chuyến đi, thì có thể chỉ sử dụng năng lượng điện Do đó, sạc xe liên tục là cách tốt nhất để tối đa hóa lợi ích của điện
Cấu hình dẫn động PHEV có nhiều cách khác nhau để kết hợp sức mạnh từ động cơ điện và động cơ đốt trong Hai cấu hình chính là song song và nối tiếp Một số PHEV sử
6 dụng hộp số cho phép chúng hoạt động ở cấu hình song song hoặc cấu hình nối tiếp, chuyển đổi giữa hai cấu hình dựa trên cấu hình dẫn động
TỔNG QUAN VỀ MATLAB - SIMSCAPE
Tổng quan về Matlab
2.1.1 Giới thiệu chung về Matlab
MATLAB là một phần mền cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công ty MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kĩ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++
MATLAB được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường Hàn lâm, MATLAB là ngôn ngữ của tính toán khoa học
Matlab cung cấp cho ta các phương pháp theo hướng chuyên dụng hóa được gọi là các Toolbox (hộp công cụ) Các Toolbox cho phép người sử dụng học và áp dụng các kỹ thuật chuyên dụng cho một lĩnh vực nào đó Toolbox là một tập hợp toàn diện các hàm của Matlab (M-file) cho phép mở rộng môi trường Matlab để giải các lớp bài toán cụ thể Các lĩnh vực trong đó có sẵn các Toolbox bao gồm: xử lý tín hiệu, hệ thống điều khiển, mạng noron, mô phỏng…
Hệ thống Matlab gồm có 5 phần chính:
Ngôn ngữ Matlab: Là một ngôn ngữ ma trận, mảng cấp cao với các câu lệnh, hàm, cấu trúc dữ liệu vào/ra, các tính năng lập trình đối tượng Nó cho phép lập trình các ứng dụng từ nhỏ đến các ứng dụng lớn, từ ứng dụng đơn giản đến phức tạp
Môi trường làm việc của Matlab: Đây là một bộ các công cụ và phương tiện mà bạn sử dụng với tư cách người dùng hoặc người lập trình Matlab Nó bao gồm các phương tiện cho việc quản lý các biến trong không gian làm việc Workspace cũng như xuất nhập dữ liệu Nó cũng bao gồm các công cụ để phát triển quản lý, gỡ lỗi và định hình M – file
Xử lý đồ họa: Đây là một hệ thống đồ họa của Matlab Nó bao gồm các lệnh cao cấp cho trực quan hóa dữ liệu hai chiều và ba chiều, xử lý ảnh, ảnh động,…Nó cũng cung cấp các lệnh cấp thấp cho phép bạn tùy biến giao diện đồ họa cũng như đi xây dựng một giao
13 diện đồ họa hoàn chỉnh cho ứng dụng Matlab của mình
Thư viện toán học Matlab: Đây là một thuật toán khổng lồ các thuật toán tính toán từ các hàm cơ bản như cộng, trừ, nhân, chia, sin, cos, số học phức…tới các hàm phức tạp hơn như: nghịch đảo, ma trận, tìm giá trị riêng của ma trận, phép biến đổi fourier nhanh
Giao diện chương trình ứng dụng Matlab API (Application Program Interface): Đây là một thư viện cho phép ta viết các chương trình C và Fortran tương thích với Matlab
Hình 2 1 Giao diện của Matlab 2020b
Command Window: Đây là cửa sổ làm việc chính của MATLAB Tại đây ta thực hiện toàn bộ việc nhập dữ liệu và xuất kết quả tính toán Dấu nháy >> báo hiệu chương trình sẵn sàng cho việc nhập dữ liệu Ta kết thúc việc nhập dữ liệu bằng cách nhấn phím Enter MATLAB sẽ thực thi dòng lệnh mà ta nhập vào Command Window và trả kết quả trong Command Window
Workspace browser: Trong MATLAB các dữ liệu được lưu trong biến Workspace browser liệt kê tất cả các biến mà ta đang sử dụng trong MATLAB Nó cung cấp thông tin về kích thước, loại dữ liệu Ta có thể truy cập trực tiếp vào dữ liệu bằng cách nhấp đúp vào biến để hiển thị Array editor
Launch Pad: Cho phép người sử dụng truy cập nhanh các công cụ, tài liệu của MATLAB
2.1.3 Một số thao tác cơ bản trong Matlab
Trong MATLAB, thanh trình đơn thay đổi tùy theo cửa sổ mà ta lựa chọn Tuy vậy các trình đơn File, Desktop, Window, Help có mặt hầu hết trong các thanh trình đơn Trình đơn File:
- New: tạo một đối tượng mới (biến, m-file, figure, model, GUI)
- Open: mở một file theo định dạng của MATLAB (*.m, *.mat, *.mdl)
- Import data…: nhập dữ liệu từ các file khác vào MATLAB
- Save workspace…: lưu các biến trong MATLAB vào file *.mat
- Set path: khai báo các đường dẫn của các thư mục chứa các m-file
- Preferences: thay đổi các định dạng về font, font size, color cũng như các tùy chọn cho Editor, Command Window v.v
- Page Setup: định dạng trang in
- Desktop layout: sắp xếp các cửa sổ trong giao diện
- Save layout: lưu cách sắp xếp cửa sổ
Trình đơn Window dùng để kích hoạt (activate) cửa sổ Nút Start cung cấp shortcut tới các công cụ trong MATLAB
2.1.4 Câu lệnh và biến trong Matlab
Các câu lệnh trong Matlab thường có dạng sau: biến = biểu thức
Tên biến được bắt đầu bằng một chữ cái, sau đó có thể là các chữ và số Matlab chấp nhận tên biến (cũng như tên hàm) có đến 19 kí tự và phân biệt chữ in hoa và chữ in thường
Không giống với một số phần mềm lập trình khác, ở đây biến không phải khai báo trước Nếu không viết tên biến và dấu = trước biểu thức thì chương trình sẽ tự động tạo tên biến là ans
Nếu cuối câu lệnh ta đánh dấu kết thúc ‘ ; ‘ thì các phép tính được thực hiện nhưng không xuất kết quả ra màn hình Ngược lại nếu không gõ dấu kết thúc thì kết quả tính được in ra màn hình
Nếu câu lệnh quá dài không thể viết hết được trên một trang thì có thể dùng dấu ba chấm (…) để viết tiếp trên dòng thứ hai
Muốn viết lời chú dẫn, trước dòng đó ta gõ dấu %, khi chạy chương trình máy sẽ bỏ qua dòng này
2.1.5 Matlab trong toán học a Các phép toán
Các phép toán số học: nối các toán hạng trong biểu thức với nhau Dấu các phép toán như sau:
Các phép toán quan hệ:
Các phép toán quan hệ và logic thường được dung trong các biểu thức của các toán tử điều khiển như if, while b Các hàm toán học
- atan2: arctan góc phần tư
Các hàm toán sơ cấp:
- abs: giá trị tuyệt đối hoặc modun của số phức
- real: phần thực của số phức
- conj: số phức liên hợp
- round: làm tròn đến số nguyên gần nhất
- fix: làm tròn hướng về zero
- gcd: ước số chung lớn nhất
- lom: bội số chung nhỏ nhất
- log: logarit cơ số tự nhiên
- log10: logarit cơ số 10 c Một số bài toán được thực hiện bằng Matlab
• Vẽ đồ thị hàm số
Vẽ đồ thị thường được ứng dụng nhiều nhất trong kỹ thuật, việc vẽ đồ thị giúp người dùng đánh giá được tính năng cụ thể của một vấn đề nào đó tại một điểm hoặc trên toàn miền, từ đó đưa ra các biện pháp cải tiến khác nhau
Nhập biến chạy, dùng lệnh plot
Cú pháp chung: plot (trục hoành, trục tung,’ màu đồ thị’)
Một số lệnh vẽ cơ bản cần nhớ trong MATLAB:
- Plot (x, y,'r') lệnh này dùng để vẽ đồ thị ứng với đường màu gì tuỳ thích ’r’ là đường màu đỏ
- Xlabel ('tên trục x'): tên của trục hoành được hiển thị trên đồ thị
- Ylabel ('tên trục y'): tên của trục tung được hiển thị trên hình
- Title ('do thi xy'): tên của đồ thị cần vẽ
- grid on: tạo lưới cho đồ thị cần vẽ
- grid off: bỏ lưới cho đồ thị
- hold on: vẽ nhiều đồ thị lên cùng hệ trục tọa độ
- legend (‘đối tượng cần chú thích’): chú thích đồ thị đã vẽ vị trí này được phần mềm mặc định tại một chỗ
Vẽ đồ thị của hàm y = sin (x)
Ta tiến hành gõ lệnh trong môi trường Matlab như sau: x = 0:pi/100:2*pi; %(cho giá trị x chạy từ 0 đến 2π với mỗi bước là π/100) y = sin(x); %(cho y bằng hàm sin(x)) plot(x,y,’r’) %(vẽ đồ thị) grid on xlabel('x') ylabel('y') title('do thi ham so') legend ('y=sin(x)')
Hình 2 2 Kết quả đồ thị y = sin(x)
Vẽ đồ thị của hàm x = sin (a) và y = cos(a) trên cùng một đồ thị
Ta tiến hành gõ lệnh trong môi trường Matlab như sau: a=[0:0.3:2*pi]; x=sin(a); y=cos(a); hold on grid on xlabel('x') ylabel('y') plot(a,x,'r') plot(a,y,'b') title('do thi ham so')
Hình 2 3 kết quả của đồ thị x = sin (a) và y = cos(a)
• Tính đạo hàm của hàm số
Tính đạo hàm của hàm số f(x) = x3 - 8x2 + 3
Syms x (khai báo biến x) f = x^3 – 8*x^2 + 3 (nhập hàm f(x)) diff(f, x) (tính đạo hàm cấp 1 của hàm f(x))
Hình 2 4 Đạo hàm của hàm số
Simscape
Simscape là hộp công cụ có sẵn trong Simulink Nó bao gồm một tập hợp các thư viện khối và các tính năng mô phỏng để mô hình hóa các hệ thống vật lý Simscape dựa trên cách tiếp cận hệ thống vật lý, khác với cách tiếp cận mô hình hóa Simulink tiêu chuẩn và đặc biệt phù hợp cho việc mô phỏng các hệ thống bao gồm các thành phần vật lý thực
Trong mô hình Simulink, các mối quan hệ toán học được mô hình hóa bằng cách sử dụng các khối được kết nối bởi liên kết mang tín hiệu Các khối thực hiện các chức năng toán học cụ thể Còn trong mô hình Simscape, sử dụng các khối đại diện cho các đối tượng vật lý và các khối này chứa các dữ liệu cấu thành hành vi của đối tượng vật lý được đại diện bởi khối Mô hình Simscape là một mạng đại diện của hệ thống đang được thiết kế, dựa trên cách tiếp cận mạng vật lý Thông thường, mạng giống với các sơ đồ điển hình của các hệ thống mà người dùng đã quen thuộc Do đó, một mạch điện hoặc từ tính trông giống
23 như một mạch điện đã được thấy trong các văn bản Điều này cũng đúng với các miền khác Đơn vị trao đổi của các mạng này là công suất (hoặc dòng năng lượng theo thời gian), tức là các phần tử truyền tải điện năng giữa nhau thông qua các điểm vào hoặc ra của chúng, còn được gọi là cổng Các cổng kết nối này là không định hướng Chúng tương tự như các kết nối vật lý giữa các phần tử Việc kết nối các khối Simscape với nhau tương tự như kết nội thực các thành phần, chẳng hạn như khối lượng, lò xo,… Biểu đồ Simscape về cơ bản bố trí tương tự như hệ thông vật lý Cũng giống như các hệ thống thực, không cần cố định chiều khi kết nối các khối Simscape Trong cách tiếp cận hệ thống vật lí, hai biến tạo nên công suất là through variable (TV) và Across variable (AV)
Số lượng cổng kết nối cho mỗi phần tử được xác định bởi số lượng dòng năng lượng mà nó trao đổi với các phần tử khác trong hệ thống hoặc số điểm mà qua đó nguồn điện có thể đi vào hoặc ra khỏi phần tử Ví dụ, một động cơ DC nam châm vĩnh cửu là một thiết bị hai cổng với nguồn điện đi vào một cổng và cơ năng hoặc công suất quay rời khỏi cổng kia
Dòng năng lượng hoặc công suất được đặc trưng bởi hai biến số Trong mô hình hóa Simscape, hai biến này được gọi là Through và Across Thông thường, đây là các biến mà sản phẩm có dòng năng lượng tính bằng Watt Chúng là các biến cơ bản Ví dụ, các biến cơ bản đối với hệ thống cơ tịnh tiến là lực và vận tốc, còn đối với các hệ thống cơ quay là mô men xoắn và vận tốc góc, các hệ thống điện là điện thế và dòng
Bảng 2 1 Khác nhau giữa biến AV và TV ở các lĩnh vực
Lĩnh vực vật lý AV TV Điện Điện thế Dòng điện
Chất lỏng Áp suất (P) Lưu lượng dòng (Q)
Từ tính Lực từ Từ thông
Vận tốc góc Mô-men xoắn
Nhiệt Nhiệt độ Dòng nhiệt
2.2.2.1 Foundation library (Thư viện nền tảng)
Các thư viện con của Simscape Foundation library chứa một tập hợp toàn diện các yếu tố cơ bản và các khối xây dựng được tổ chức theo miền vật lý: điện, cơ học quay và tịnh tiến, chất lỏng đẳng nhiệt, khí, v.v Trong mỗi miền, các khối được nhóm thành các yếu tố, nguồn và cảm biến
Một số khối cơ bản:
Thư viện con Mechanical Sensor:
- Ideal Force Sensor: cảm biến lực trong hệ thống tịnh tiến cơ học
- Ideal Rotational Motion Sensor: cảm biến chuyển động trong hệ thống quay cơ học
- Ideal Torque Sensor: cảm biến mô men xoắn trong hệ thống quay cơ học
- Ideal Translational Motion Sensor: cảm biến chuyển động trong hệ thống tịnh tiến cơ học
Thư viện con Mechanical Sources:
- Ideal Angular Velocity Source: nguồn vận tốc góc lý tưởng trong hệ thống quay cơ học
- Ideal Force Source: nguồn năng lượng cơ học lý tưởng tạo ra lực tỉ lệ với tín hiệu đầu vào
- Ideal Torque Source: nguồn năng lượng cơ lý tưởng tạo ra mô men xoắn tỉ lệ thuận với tín hiệu đầu vào
- Ideal Translational Velocity Source: nguồn vận tốc lý tưởng trong hệ thống tịnh tiến cơ học
Thư viện con Translational Elements:
- Mass: khối lượng tịnh tiến cơ học lý tưởng
- Mechanical Translational Reference: kết nối tham chiếu cho các cổng tịnh tiến cơ học
- Translational Damper: van điều tiết nhớt trong hệ thống tịnh tiến cơ học (ống giảm chấn trong ô tô)
- Translational Free End: bộ kết thúc cổng tịnh tiến với lực bằng không
- Translational Hard Stop: điểm dừng tịnh tiến hai vật thể
- Translational Spring: lò xo lý tưởng trong hệ thống tịnh tiến cơ học
- Translational Friction: ma sát tiếp xúc giữa các vật thể chuyển động
- Translational Inerter: quán tính hai cổng trong hệ thống tịnh tiến cơ học
Thư viện con Rotational Elements:
- Inertia: quán tính quay cơ học lý tưởng
- Mechanical Rotational Reference: kết nối tham chiếu cho các cổng xoay cơ học
- Rotational Damper: van điều tiết nhớt trong hệ thống quay cơ học (bộ giảm chấn)
- Rotational Free End: đầu cuối cổng quay với mô men xoắn bằng không
- Rotational Friction: ma sát tiếp xúc giữa các vật thể quay
- Rotational Hard Stop: điểm dừng của hai vật thể quay
- Rotational Inerter: quán tính hai cổng trong hệ thống quay cơ học
- Rotational Spring: lò xo lý tưởng trong hệ thống quay cơ học
2.2.2.2 Utilities library (Thư viện tiện ích)
Chứa các khối môi trường thiết yếu để tạo các mô hình mạng vật lý, chứa các khối tiện ích, các khối chuyển đổi và tham dò tín hiệu
Một số khối cơ bản
Bảng 2 2 Các khối cơ bản của Utilities library
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Chuyển đổi từ tín hiệu Simulink sang tín hiệu vật lý
Chuyển ngược từ tín hiệu vật lý sang tín hiệu Simulink
Khối giải thuật, đặt cấu hình bộ giải thuật cho model, bắt buộc phải có trong mô hình Simscape
Simscape Driveline (trước đây là SimDriveline) cung cấp các thư viện thành phần để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống cơ học quay và tịnh tiến Nó bao gồm các mô hình bánh răng, ốc vít và các bộ phận của xe như động cơ, lốp xe, hộp số và bộ chuyển đổi mô men xoắn Có thể sử dụng các thành phần này để lập mô hình truyền lực cơ học trong hệ thống truyền động trực thăng, máy móc công nghiệp, hệ thống truyền lực ô tô và các ứng dụng khác Có thể tích hợp hệ thống điện, thủy lực, khí nén và các hệ thống vật lý khác vào mô hình của mình bằng cách sử dụng các thành phần từ dòng sản phẩm Simscape
Một số khối cơ bản:
Bảng 2 3 Các khối cơ bản của Simscape Driveline
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Khối đại diện một ly hợp không trượt Các răng của bộ ly hợp sẽ lồng vào nhau để truyền mô men xoắn giữa các trục
Khối Cone Clutch đại diện cho một ly hợp ma sát với giao diện tiếp xúc hình nón, làm giảm lực pháp tuyến khi có sự tham gia của ly hợp
Khối Generic Engine đại diện cho động cơ đốt trong nói chung Khối này thích hợp để mô phỏng một động cơ đánh lửa bằng tia lửa, hoặc động cơ diesel
Khối thân xe thể hiện thân xe hai trục chuyển động dọc Khối này tính đến khối lượng thân xe, lực cản khí động học, độ nghiêng của đường và phân bổ trọng lượng giữa các trục do gia tốc và mặt đường
Khối Planetary Gear là mô hình bánh răng với các bánh răng mặt trời, hành tinh và bánh răng bao Các cổng C, R và S đại diện cho các trục được kết nối với bộ mang bánh răng hành tinh, bánh răng vành đai và bánh răng mặt trời
Khối Torque Converter là mô hình một bộ biến mô, với cổng cánh bơm là I, và cổng tuabin là T
Khối Tire là mô hình một chiếc lốp Khối có thể mô hình hóa động lực học của lốp trong điều kiện mặt đường không đổi hoặc thay đổi
Khối Disk Friction Clutch đại diện cho một ly hợp ma sát với hai bộ đĩa ma sát phẳng tiếp xúc với nhau để ăn khớp
Khối Phanh thể hiện một phanh ma sát với hai guốc cứng có trục quay ép vào tang trống quay để tạo ra tác động phanh
Simscape Electrical (trước đây là SimPowerSystems và SimElectronics) cung cấp các thư viện thành phần để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống điện điện tử, cơ điện tử và điện Nó bao gồm các mô hình chất bán dẫn, động cơ và các thành phần cho các ứng dụng như truyền động cơ điện, lưới điện thông minh và hệ thống năng lượng tái tạo Bạn có thể sử dụng các thành phần này để đánh giá kiến trúc mạch tương tự, phát triển hệ thống cơ điện tử với ổ điện và phân tích việc tạo ra, chuyển đổi, truyền tải và tiêu thụ năng lượng điện ở cấp lưới
Một số khối cơ bản:
Bảng 2 4 Các khối cơ bản của Simscape Electrical
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Khối DC Voltage Source thực hiện nguồn điện áp một chiều lý tưởng Cực dương được biểu diễn bằng dấu cộng và cực âm là dấu trừ Có thể sửa đổi điện áp bất kỳ lúc nào trong quá trình mô phỏng
Khối DC Motor biểu diễn các đặc tính điện và mômen của động cơ DC
Khối Current-Sensor đại diện cho một cảm biến dòng điện lý tưởng
Khối Incandescent Lamp là mô hình một đèn sợi đốt, đặc điểm chính của nó là điện trở tăng khi dây tóc nóng lên
Khối Op-Amp Finite-Gain, mô hình một bộ khuếch đại hoạt động có giới hạn độ khuếch đại
Khối Resistor mô hình hóa một điện trở tuyến tính, được mô tả với phương trình sau: V=IãR
Khối H-Bridge được sử dụng để đại diện cho trình điều khiển động cơ cầu H, điều khiển công suất đầu vào của động cơ theo yêu cầu tải
Tạo ra các tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển điện áp cấp cho cầu H theo yêu cầu
Simscape Fluids (trước đây là SimHydraulics) cung cấp các thư viện thành phần để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống chất lỏng Nó bao gồm các mô hình máy bơm thủy lực, van, thiết bị truyền động, đường ống và bộ trao đổi nhiệt Bạn có thể sử dụng các thành phần này để phát triển các hệ thống trợ lực chất lỏng như hệ thống truyền động của bộ tải trước, hệ thống lái trợ lực và thiết bị hạ cánh Simscape Fluids cũng cho phép bạn phát triển hệ thống làm mát động cơ, bôi trơn hộp số và cung cấp nhiên liệu Bạn có thể tích hợp các hệ thống cơ, điện, nhiệt và vật lý khác vào mô hình của mình bằng cách sử dụng các thành phần từ dòng sản phẩm Simscape
Một số khối cơ bản:
Bảng 2 5 Các khối cơ bản của Simscape Fluids
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Khối Pipe (TL) mô hình hóa dòng chất lỏng nhiệt qua đường ống Nhiệt độ trên đường ống được tính toán từ chênh lệch nhiệt độ giữa các cổng, độ cao của ống và bất kỳ sự truyền nhiệt bổ sung nào tại cổng H
CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ BỘ PIN NiMH CAO ÁP TRÊN XE HYBRID
Giới thiếu về pin NiMH trên xe hybrid Toyota Prius
Toyota Prius là mẫu xe Hybrid sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới Đồng thời cũng là mẫu xe được nhiều yêu thích bởi ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện môi trường Toyota Prius ở phiên bản mới nhất có nhiều trang bị an toàn cao cấp và hiện đại nhất Mục đích là giúp đỡ người lái xe làm chủ vận tốc và di chuyển an toàn trên mọi cung đường Vẻ ngoài thể thao, cá tính mạnh mẽ và thu hút giúp chủ nhân của Toyota Prius trở nên tự tin và gây chú ý
Khả năng tiết kiệm nhiên liệu của Toyota Prius được đánh giá rất cao Đối với 100km đường hỗn hợp, Prius chỉ tiêu thụ trung bình 4 lít xăng Đây là con số ấn tượng mà không phải mẫu xe nào cũng đạt được Lượng khí thải từ Prius rất thấp Toyota cho biết lượng khí thải carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC) và oxit nitơ giảm 90% Điều này cho phép chiếc xe vượt qua các tiêu chuẩn về Phương tiện phát thải siêu thấp (SULEV) của California
Công suất từ động cơ xăng được chia giữa các bánh dẫn động và máy phát điện Máy phát điện được sử dụng để chạy động cơ điện và để sạc lại cho bộ pin Nickel-Metal Hydride (NiHM) Động cơ điện được thiết kế là một nam châm vĩnh cửu, không cần bảo trì vì các bộ phận bên trong “không chạm” nên không bị mài mòn Nó tạo ra công suất tối đa 30 kilowatt (40 mã lực) từ 940 đến 2000 vòng / phút và mô-men xoắn cực đại 31,1 kg-m (225 lb./ft.) Từ 0 đến 940 vòng / phút
Bởi đặc thù xe Hybrid sử dụng song song cả động cơ xăng và động cơ điện vì thế ngoài bộ pin Hybrid cho động cơ điện, xe còn được trang bị bình ắc quy khởi động như các xe thông thường khác Ắc quy xe hay bộ pin cao áp thì đều có tuổi thọ nhất định chứ không phải bền vĩnh cửu Vì thế chúng ta cần phải thay thế chúng khi có dấu hiệu xuống cấp để xe được vận hành êm ái
Hình 3 2 Màn hình hiện thị vận hành pin Hybrid của xe
Hoạt động của tổ hợp hybrid diễn ra liền mạch và hầu như không thể nhận thấy đối với người lái và hành khách Năm chế độ hoạt động chính của nó là:
- Khi di chuyển khỏi điểm dừng hoặc dưới tải trọng nhẹ, chỉ động cơ điện cung cấp năng lượng cho xe
- Đối với lái xe bình thường, sự kết hợp của xăng và năng lượng điện được sử dụng
- Trong điều kiện tăng tốc hết ga, động cơ điện nhận thêm năng lượng từ 40 pin
- Trong quá trình giảm tốc hoặc phanh, động cơ điện hoạt động như một máy phát điện để sạc lại pin
- Pin được điều chỉnh để duy trì điện tích không đổi Khi cần sạc, nguồn điện từ động cơ được sử dụng để chạy máy phát điện Do đó không cần bộ sạc bên ngoài hoặc kết nối nguồn
3.1.2 Loại pin được dùng cho xe ô tô Hybrid
Các xe Toyota Prius Hybrid xăng – điện đều sử dụng bộ pin cao áp loại pin Nikel Hydride kim loại (viết tắt là NiMH), mã phụ tùng của bộ pin là: Battery HV G9510 – 76012 được sản xuất và nhập khẩu trực tiếp từ Nhật Bản Bộ pin NiMH bên trong ít độc hại với
71 con người và môi trường hơn so với các loại pin truyền thống Có thể thấy pin NiMH có điểm cộng là thân thiện với môi trường Bên cạnh đó, bộ pin NiMH sử dụng hiệu quả và rẻ hơn các loại pin truyền thống
Ngày nay, công nghệ pin phát triển thần tốc, rất nhiều người biết đến danh tiếng của bộ pin Li-Ion trong thế giới ô tô Đây là nguồn năng lượng mặc định cho người tiêu dùng điện tử trong nhiều năm Gói pin Li-Ion dự kiến sẽ ngày càng trở nên phổ biến hơn đối với Pin hybrid xe hơi trong tương lai Trên thị trường xe hybrid xăng - điện thông thường, công nghệ Pin hybrid Oto Li-Ion đã có những bước tiến lớn nhờ sự xuất hiện của một loạt xe sử dụng bộ pin Li-Ion Tuy nhiên, cho đến nay, gói Pin hybrid xe hơi NiMH vẫn là nhà vô địch được các nhà lãnh đạo trong ngành công nghiệp xe hơi ủng hộ và tin tưởng
3.1.3 Tuổi thọ của pin 1 chiếc xe Toyota Prius Hybrid
Xe Hybrid chạy cả động cơ điện nên cần sử dụng pin cung cấp năng lượng cho motor điện hoạt động Do phải đảm nhận nhiều nhiệm vụ khác nhau trên xe, nên pin xe Hybrid có tuổi thọ cao hơn nhiều so với bình ắc quy thông thường khác trên xe Tuy nhiên, sau một thời gian dài sử dụng thì pin Hybrid cũng sẽ bị “chai pin” như những loại pin khác và cần được thay thế
Xe Hybrid có khả năng bảo vệ pin bằng cách hạn chế sạc ở mức cao nhất và thấp nhất Điều này đảm bảo rằng hệ thống pin cung cấp năng lượng cho động cơ liên tục mà không bị hư hỏng bất kể bạn sử dụng xe như thế nào Theo thống kê, trung bình tuổi thọ của pin Hybrid là 100.000 km hoặc từ 7 đến 10 năm, nhưng nếu như người dùng sử dụng đúng cách thì có thể kéo dài tuổi thọ của pin Hybrid lên tới hơn 150.000 km, thậm chí lên tới 200.000 km Sau đó người dùng cần phải thay mới pin cho xe
Tất cả các hệ thống pin của Toyota đều được thiết kế để phù hợp với tuổi thọ của một chiếc xe hơi Bộ pin của Prius thế hệ đầu tiên vẫn không cần phải thay thế mặc dù chiếc xe đã đi được hơn 321.868,8 km Tuy nhiên không thể đưa ra con số cụ thể về số lượng pin không đáp ứng tuổi thọ như mong đợi Tuy nhiên có thể xác nhận rằng số lượng bộ pin được thay thế trong quá trình sử dụng là cực kỳ thấp – chưa đến 5% số bộ pin trên thị trường Chỉ những chiếc xe chạy với công suất lớn và liên tục mới cần thay pin
Về lý thuyết pin Hybrid sẽ bền bằng tuổi thọ của xe nhưng ở Việt Nam do nhiều yếu tố ảnh hưởng nên pin sẽ có tuổi thọ nhất định, trung bình cần thay thế sau 5-7 năm sử dụng:
- Điều kiện sử dụng: Pin Hybrid bền khi sạc nhanh, sạc chậm không tốt Nhiều khách hàng phải thay pin vì lí do này bởi xe đi quãng đường ngắn không đủ thời gian sạc cho pin
- Quy trình bảo dưỡng pin Hybrid định kì ở Việt Nam chưa có: Thường các xe Hybrid vào hãng bảo dưỡng đều sẽ bị bỏ qua bảo dưỡng pin, các thiết bị cần thiết cho việc bảo dưỡng pin như thiết bị nạp xả nhanh, thiết bị kiểm tra pin, đội ngũ nhân viên chuyên nghiệp để kiểm tra pin, là không có
-Điều kiện khí hậu và thời tiết: Pin Hybrid hoạt động lý tưởng nhất ở nhiệt độ từ 20
Hệ thống quản lí pin cao áp (BMS)
3.2.1 Thế nào là hệ thống quản lí pin cao áp BMS
BMS (Battery Management System) là hệ thống quản lí pin hiện được trang bị trên hầu hết các dòng xe điện nhằm đánh giá độ tin cậy, cũng như chức năng của pin, giúp tối ưu hóa hiệu năng sử dụng năng lượng của xe Đặc biệt, hệ thống BMS được chứng minh là rất cần thiết và hữu ích trong việc quản lí pin nhằm đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ, trách các sự cố mong muốn không xảy ra
Hệ thống BMS duy trì các tế bào trong pin hoạt động ở ngưỡng giới hạn an toàn Loại hành động được BMS thực hiện sẽ căn cứ theo thiết kế và cách thức hoạt động của bản thân hệ thống Đa phần hệ thống tải sẽ bị ngắt kết nối khi điện áp ở mức quá thấp hoặc ngắt kết nối bộ sạc nếu điện áp lên quá cao
Hình 3 9 Sơ đồ khối hệ thống BMS
Ngoài ra, BMS cũng hỗ trợ kiểm tra điện áp trên các tế bào riêng lẻ với tất cả các tế bào trong cùng một gói pin Trường hợp có bất kỳ tế bào nào có điện áp cao hơn so với các tế bào khác thì sẽ được sửa chữa ngay
Hình 3 10 BMS của bộ pin trên Toyota Prius
Các shunt hiện tại báo cáo nhiều thông tin khác nhau cho BMS, bao gồm tổng điện tích được truyền vào và ra khỏi gói Các phép đo điện áp trước và sau công tắc tơ cho phép theo dõi điện áp của hệ thống gói Các mạch tiết kiệm và điều khiển công tắc tơ quản lý việc đóng công tắc tơ và giảm thiểu dòng điện tĩnh qua cuộn dây sau khi các tiếp điểm đã kéo vào BMS cũng liên lạc thường xuyên với các bảng quản lý khối để theo dõi điện áp và nhiệt độ của tế bào và kiểm soát cân bằng
3.2.2 Các chức năng chính của hệ thống BMS
3.2.2.1 Đo lường và tính toán trạng thái sạc (SOC)
SOC (Stage of charge) được biết đến là chỉ số năng lượng của cell pin trên xe điện, giúp người dùng biết được mức năng lượng của các gói pin theo phần trăm Do đó, điện áp và dòng điện sạc – xả của các gói pin NiMH phải được theo dõi liên tục để dữ đoán chính xác mức dung lượng của pin Khi đó, hệ thống BMS pin trên ô tô điện sẽ thực hiện đo lường dòng điện và điện áp, kết hợp sử dụng các thuật toán để tính chính xác SOC trên bộ pin NiMH
3.2.2.2 Tính toán và theo dõi tình trạng hoạt động (SOH) của pin
Dung lượng pin không chỉ phụ thuộc vào cấu hình điện áp và dòng điện trang bị thiết kế ban đầu mà còn chịu tác động bởi tuổi thọ và nhiệt độ khi hoạt động của pin Thông qua hệ thống BMS đo đạc và tính toán SOH, người dùng có thể biết được tuôi và vòng đời dự kiến của pin NiMH căn cứ vào lịch sử sử dụng pin Với cách này, người dùng cũng có thể tính toán được quãng đường xe điện đi được sau khi sạc đầy giảm bao nhiêu sau khi pin bị lão hóa Từ đó tính toán được thời điểm cần thay thế pin mới cho xe điện
Hình 3 11 BMS tính toán và theo dõi trạng thái sức khỏe SOH trên xe điện
3.2.2.3 Nhận nguồn cấp năng lượng từ pin
Nguồn điện xe ô tô điện được cung cấp bởi pin, do vậy hệ thống BMS cũng đồng thời được hoạt động dựa trên năng lượng pin để bảo vệ và duy trì hoạt động của xe Hệ thống quản lý pin này sẽ tự động tiêu thụ điện với công suất thấp để đảm bảo hoạt động và có thể khởi chạy ngay cả khi xe đang sạc hoặc hoạt động tại trạng thái lý tưởng Điều này khiến mạch BMS được liên tục cung cấp năng lượng và nhưng lượng điện năng tiêu thụ cũng rất ít nên không làm hao phí quá nhiều pin
Trong trường hợp ô tô điện không được sử dụng trong 1 thời gian dài, hệ thống BMS và các mạch điện khác vẫn có xu hướng tự tiêu hao pin, buộc người dùng cần phải sạc lại trước khi sử dụng xe
3.2.2.4 Kiểm soát nhiệt độ của bộ pin
Tuổi thọ và hiệu suất của bộ pin phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của pin khi hoạt động Trong điều kiện nhiệt độ cao, pin Lithium có xu hướng xả nhanh hơn so với tại mức nhiệt bình thường
Bên cạnh đó, việc tiêu thụ dòng điện cường độ cao hơn nên sẽ càng làm tăng nhiệt độ pin lên đáng kể Giải pháp cho vấn đề này chính là hệ thống tản nhiệt cho bộ pin để vừa làm giảm nhiệt độ cho pin tại vùng khí hậu nóng hoặc làm tăng nhiệt độ pin tại những vùng khí hậu lạnh
Trong quá trình kiểm soát nhiệt độ pin này, hệ thống BMS sẽ chịu trách nhiệm đo nhiệt độ của từng cell pin và điều khiển hệ thống nhiệt sao cho phù hợp để duy trì mức nhiệt độ ổn định chung cho toàn bộ pin
3.2.2.5 Kết nối hệ thống pin với ECU của xe
Hệ thống BMS đảm nhận nhiệm vụ kết nối bộ pin và ECU trên xe Toàn bộ thông tin thu thập được bởi BMS sẽ gửi tới ECU và hiển thị trên cụm đồng hồ và bảng điều khiển
Hệ thống BMS và ECU thực hiện giao tiếp liên tục các giao thức tiêu chuẩn như mạng giao tiếp CAN Do vậy, BMS cần được thiết kế khả năng cách ly điện giữa hệ thống pin và ECU
Hệ thống quản lí pin BMS của ô tô điện cần phải thực hiện rất nhiều thao tác xử lý số liệu để tính toán giá trị của SOC, SOH,… thông qua rất nhiều thuật toán được nhà sản xuất thiết lập nhằm điểu khiển tốc độ ghi và truyền dữ liệu Điều này có thể giúp BMS có thể xử lý nhanh chóng rất nhiều dũ liệu đồng thời
Ngoài ra, hệ thống BMS cũng thực hiện nhiệm vụ đo điện áp hàng trăm cell pin trên xe để nhận biết gần như ngay lập tức những thay đổi tinh vi nhất
Hình 3 12 Hệ thống BMS và ECU thực hiện giao tiếp liên tục qua tiêu chuẩn mạng CAN
3.2.2.6 Lưu trữ thông tin dữ liệu
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUẢN LÍ PIN CAO ÁP (BMS) BẰNG
Thông số bộ pin cao áp
Bảng 4 1 Thông số của bộ pin trên xe Toyota Prius
Số lượng mô - đun 28 ( 1 mô – đun = 6 cell)
Số block 14 (1 block = 2 mô – đun) Điện áp 201,6V
Kích thước mô - đun 275 x 106 x 19,6 mm
Kích thước bộ pin 550 x 106 x 275 mm
Khối pin mô phỏng
Hình 4 1 Hệ thống pin mô phỏng
Hình trên là model mô phỏng cho 14 block pin trong bộ pin cao áp trên xe Toyota Prius 14 block được mắc nối tiếp với nhau để cung cấp năng lượng cho xe hoạt động Mỗi khối pin mô phỏng đều được thiết lập loại pin và các thông số như trên thông số của xe
Hình 4 2 Thông số mỗi khối pin mô phỏng ứng với mỗi block trong bộ pin
Thông số pin trong mô phỏng:
- Loại pin sử dụng: Nikel Metal Hydride
- Điện áp tối thiểu cho phép: 16,9627V
- Điện áp tối đa pin có thể sạc: 16,9627V
- Dòng điện xả danh định: 1,3A
Trong mô hình này ta có thêm khối IGBT dùng trong trường hợp cân bằng pin Khối IGBT dùng để đóng mở dòng điện trong mạch cân bằng khi tín hiệu đầu vào bằng 0 thì bên trong IGBT sẽ có một điện trở rất lớn dùng để cản trở dòng điện đi qua Khi tín hiệu đầu vào bằng 1 thì điện trở bên trong IGBT giảm đáng kể để cho dòng điện đi qua Dựa vào nguyên lí này thì dòng điện bên trong pin có mức SOC lớn sẽ được xả qua pin có mức SOC thấp nhằm cân bằng bộ pin
Ngoài ra, mô hình còn có sử dụng thêm khối Series RLC Branch để tạo dao động tắt dần nhằn giảm thiểu dao động của dòng điện trong hệ thống pin.
Khối chiến thuật điều khiển
Hình 4 3 Khối giải thuật điều khiển
Khối giải thuật có chức năng phát hiện, giám sát những pin có mức SOC cao hơn sẽ tiến hành kích IGBT và thực hiện việc cân bằng pin Khi có sự chênh lệch SOC quá giới hạn cho phép cụ thể là chênh lệch quá 20% thì mạch cân bằng pin sẽ tiến hành cân bằng lại pin Để đạt hiệu suất sạc cao thì ta nên cân bằng tại pin có mức SOC cao nhất và độ chênh lệch giữa pin có SOC cao nhất và nhỏ nhất Ngoài ra, pin nào có mức SOC lớn hơn 80% cũng cần được cân bằng
Tại đây ta sử dụng phương pháp sạc với dòng tiêu chuẩn 0,5C cho đến khi bộ pin đạt được SOC 80% và tiếp tục sạc với dòng 0,25C để pin đạt được khoảng 85% Đây là khoảng SOC tiêu chuẩn mà pin trên một xe hybrid đạt được nên để tối ưu hiệu suất sạc quá trình sạc sẽ kết thúc khi SOC trung bình trong khoảng từ 80 – 85% Do bộ pin còn có thể nhận
104 lại năng lượng từ việc phanh tái sinh hay giảm tốc nên khi sạc cho pin đến 100% thì sẽ xảy ra hiện tượng sạc quá tải điện áp Cũng chính vì lí do này nên thường khi bộ pin đạt SOC khoảng từ 80 – 85% thì động cơ đốt trong sẽ dừng làm việc và xe chuyển qua chạy thuần điện.
Khối mô phỏng máy phát điện
Để đảm bảo duy trì quá trình sử dụng xe tối đa thì khi mức SOC xuống thấp máy phát sẽ hoạt động như một nguồn phụ cung cấp cho mô tơ điện Nếu công suất máy phát lớn hơn công suất mô tơ điện thì xe có thể vận hành tốt mà không ảnh hưởng nhiều đến pin Ngược lại, nếu công suất máy phát nhỏ hơn công suất mô tơ điện, ta phải hạn chế công suất tiêu thụ bằng cách giới hạn tốc độ xe ở các trường hợp khác nhau
Hình 4 4 Model mô phỏng máy phát điện trên xe hybrid
Trong model này, ta sử dụng khối DC Machine đóng vai trò như máy phát điện trên xe Khối này nhận tín hiệu SOC trung bình từ 14 block pin, nếu mức SOC dưới 80% sẽ thực hiện sạc lại cho bộ pin với dong tiêu chuẩn 0,5C Khi mức SOC đạt đến mức 85% sẽ chuyển qua sạc với dòng 0,25C cho tới khi pin đạt đến mức 85% thì máy phát sẽ ngưng làm việc và lúc này xe chuyển sang chế độ chạy thuần điện
Hình 4 5 Thuật toán làm việc của máy phát điện để sạc lại cho bộ pin
Mô phỏng và xuất kết quả
a Cân bằng các block pin
Kết hợp model 14 block pin cùng với thuật toán cân bằng pin ta được một model cân bằng pin tổng quát hoàn chỉnh như hình bên dưới
Như đã trình bày ở trên, khối thuật toán đóng vai trò như bộ BMS có vài trò kiểm soát việc cân bằng các pin trong lúc sạc, xả nhằm giúp pin kéo dài tuổi thọ
Hình 4 6 Model cân bằng 14 block pin tổng quát
Hình 4 7 14 block pin cân bằng
Theo kết quả mô phỏng ở đồ thị, mức SOC ban đầu ở pin thứ 14 là thấp nhất (55%) Nên trong khoảng thời gian ban đầu, các pin có mức SOC cao hơn sẽ xả sâu và lâu hơn Sau một khoảng thời gian tầm 300s do các có mức SOC chênh lệch nhiều so với pin thứ
14 chưa cân bằng kịp với mức SOC của pin này và đồng thời xuất hiện hiện tượng tự xả
107 trong pin này nên khoảng tầm 450s thì tất cả các block pin mới cân bằng ở mức SOC sấp xỉ 54%
Kết quả cho ta thấy được, khi pin bị mất cân bằng thì bộ điều khiển sẽ nhận được tín hiệu và tiến hành cân bằng lại pin bằng các xả pin có mức SOC cao hơn nhằm cân bằng lại mức SOC cho hệ thống pin b Sạc kết hợp cân bằng pin cho bộ pin cao áp
Kết hợp giữa model cân bằng 14 block pin và model máy phát điện để tiến hành mô phỏng quá trình sạc lại cho bộ pin cao áp
Tạo hai khối subsystem cho 2 model
Hình 4 8 Khối subsystem1 Ở khối subsystem này, ta thêm 2 khối connection để thể hiện đầu ra điện áp tổng của bộ pin cao áp(điện áp danh định 201,6V)
Khối From “Voltage” ở trong khối subsystem này được lấy bởi trung bình cộng của
14 block pin trong model ở khối subsystem1
Khối subsystem này đóng vai trò là máy phát điện trên xe có nhiệm vụ sạc lại cho bộ pin khi mức SOC nhỏ hơn hoặc bằng 40%
Kết nối hai khối subsystem lại ta được một model tổng thể và cho ra kết quả mô phỏng như sau:
Hình 4 11 Kết quả mô phỏng sạc cho bộ pin
Theo như giải thuật sạc đã giải thích ở trên, khi mức SOC của bộ pin ở mức 40% hoặc nhỏ hơn thì lúc này máy phát sẽ làm việc và tiến hành sạc lại pin Theo giải thuật, thì ban đầu sẽ sạc cho bộ pin với dòng 0,5C (3,25A) Tuy nhiên, còn do chênh lệch mức SOC giữa các pin nên dòng sạc ban đầu sẽ cao hơn để tiến hành cân bằng nhanh giữa các pin Sau khi cân bằng xong thì sẽ sạc với dòng ổn định 0,5C cho đến khi mức SOC của bộ pin đạt được 80% thì sẽ chuyển sang sạc với dòng 0,25C (1.6A)