Chiếc xe này với tên gọi là System Lohner-Porsche Mixte, nó sử dụng động cơ xăng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện dẫn động bánh trước của xe.. Ưu điểm: Hệ thống này sử dụng cả hai
KHÁI QUÁT VỀ ĐỀ TÀI VÀ XE ĐIỆN HYBRID
Sơ lược về đề tài báo cáo
Ngày nay, tốc độ phát triển nền công nghiệp của các nước trên thế giới tăng một cách chóng mặt Do đó, đòi hỏi nhu cầu về năng lượng phải thật lớn mới có thể đáp ứng kịp Chính vì vậy, việc tích trữ nhiên liệu, năng lượng và góp phần bảo vệ môi trường là yêu cầu tất yếu được đặt ra cho các nước công nghiệp trên thế giới, và đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô Xe Hybrid ra đời nhằm để giải quyết vấn đề đó
Hiện nay xe điện đang trở thành một xu thế tất yếu và cũng đang tạo nên một cuộc chạy đua khốc liệt giữa các nhà sản xuất ô tô và các hãng công nghệ Vì vậy việc đầu tư nghiên cứu phát triển là yêu cầu tất yếu của các hãng ô tô Phần mềm Matlab Simulink được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu mô phỏng lý thuyết động lực học của ô tô nói chung và ô tô điện nói riêng Từ đó mô phỏng một số mô hình động lực học được sử dụng phổ biến trên xe Hybrid Đề tài là một nghiên cứu mà nhóm chúng em chọn tên: Ứng dụng Matlab/Simulink trong mô phỏng xe Hybrid dưới sự hướng dẫn của giảng viên TS Nguyễn Văn Long
Giang, sẽ đi chuyên sâu hơn về phần lý thuyết và thực hiện mô phỏng xe điện Hybrid thông qua phần mềm Matlab/Simulink
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của dòng xe Hybrid Toyota Prius
- Tìm hiểu thêm về phần mềm Matlab/Simulink
- Nghiên cứu và chạy model Power – Split Hybrid trên phần mềm Matlab/Simulink phù hợp với chu trình thử nghiệm
- Ứng dụng Power – Split Hybrid Model vào mô phỏng xe Hybrid Toyota Prius
1.1.3 Giới hạn Ứng dụng model Power – Split Hybrid trên Matlab/Simulink để mô phỏng trên xe Hybrid Toyota Prius
Tham khảo giáo trình chuyên ngành CNKT ô tô Tính toán thiết kế các model dựa trên những thông số kiếm được của xe, sau đó dùng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng cho ra kết quả và đưa ra nhận xét.
Khái quát về xe Hybrid
1.2.1 Nguyên nhân và lịch sử ra đời xe Hybrid
Ngày nay, tình trạng ô nhiễm không khí trầm trọng do khí thải từ động cơ ô tô đang là vấn đề nhức nhối của nhiều quốc gia Để giảm thiểu tình trạng đó một cách tối ưu nhất, các công nghệ tiên tiến đã ra đời trên các dòng ô tô điện, ô tô dùng pin v.v… Nhưng vẫn chưa được áp dụng rộng rãi vì còn một số khuyết điểm về kỹ thuật Đó là trong ô tô điện, việc sạc pin tốn khá nhiều thời gian, đây là mối lo ngại lớn để động cơ chạy bằng điện được sử dụng phổ biến trong đời sống Đối với công nghệ fuel cell, hydro lỏng cần được bảo quản trong nhiệt độ rất thấp, cho nên chỉ được dùng ở các quốc gia có khí hậu lạnh, công nghệ này càng không phù hợp ở nước ta Các hạn chế của hai công nghệ trên đã hình thành vách ngăn giữa công nghệ ô tô truyền thống và nhu cầu gìn giữ môi trường Công nghệ xe Hybrid được xem là một bước ngoặc vô cùng lớn trong thời điểm hiện tại và đã xâm nhập tràn lan vào thị trường các cường quốc Châu Âu, Châu Mỹ và Nhật Bản v.v…Công nghệ ô tô mới này đã giúp tiết kiệm được năng lượng cũng như góp phần gìn giữ môi trường
Những chiếc xe Hybrid đầu tiên:
Chiếc xe Hybrid đầu tiên được chế tạo vào những năm 1899 bởi kỹ sư Ferdinand Porsche Theo nhiều tài liệu thì vào cùng khoảng thời gian này, có nhiều chiếc xe Hybrid được chế tạo với những cái tên khác, tuy nhiên sản phẩm của Ferdinand Porsche nổi bật nhất và cũng là chiếc xe Hybrid được thương mại hóa đầu tiên Chiếc xe này với tên gọi là System Lohner-Porsche Mixte, nó sử dụng động cơ xăng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện dẫn động bánh trước của xe
Sau đó, Mixte đã được đón nhận nồng nhiệt và hơn 300 chiếc đã được sản xuất Tuy nhiên, về sau nhu cầu về xe Hybrid đã bắt đầu suy yếu khi Henry Ford lắp đặt dây chuyền lắp ráp ô tô đầu tiên vào năm 1904 Cùng với đó, những quy định thiếu chặt chẽ
3 về khí thải và giá xăng rẻ mạt khiến xe xăng phổ biến, điều đó làm thu hẹp đáng kể thị trường xe Hybrid
Hình 1 1 System Lohner-Porsche Mixte
Những dấu hiệu khởi sắc cho dòng xe Hybrid:
Những năm 1960, Quốc hội Hoa Kỳ đã ban hành luật khuyến khích nên sử dụng các phương tiện chạy bằng điện trong nỗ lực giảm thiểu ô nhiểm không khí Trong bối cảnh này, chính phủ Hoa Kỳ đã nỗ lực đầu tư cho sự phát triển tốt hơn của xe Hybrid nhưng cũng không mang nhiều kết quả bởi cuộc khủng hoảng dầu mỏ đã khiến giá xăng tăng cao
Vào cuối những năm 1990, xuất hiện một số loại xe chạy hoàn toàn bằng điện đã được giới thiệu như GM EV1 và Toyota RAV 4EV, nhưng sớm bị loại khỏi sản xuất Mãi cho đến khi Toyota phát hành Prius tại Nhật Bản vào năm 1997, một giải pháp thay thế khả thi cho các phương tiện chạy bằng khí đốt đã được giới thiệu tới công chúng
Hình 1 2 Toyota Prius phát hành cuối năm 1997
Năm 1999, Honda Insight đã trở thành xe HEV (Hybrid Engine Vehicle) sản xuất hàng loạt đầu tiên được phát hành tại Hoa Kỳ Cùng với những chiếc sedan Toyota Prius đã mang lại sự hồi sinh cho công nghệ xe Hybrid
Kể từ khi Toyota Prius được giới thiệu tại Hoa Kỳ năm 2000, Prius đã trở thành đồng nghĩa với thuật ngữ “hybrid” Đây là loại xe HEV phổ biến nhất và công nghệ của nó làm nền tảng cho vô số các loại xe khác
Trong thời đại ngày càng yêu cầu cao về bảo vệ môi trường, Hybrid đang là lợi thế và cũng còn nhiều thách thức cạnh tranh khốc liệt Khi công nghệ Hybrid tiếp tục được cải thiện, nó sẽ phát triển một chổ đứng vững chắc hơn nữa trên thị trường ô tô thế giới
Dù trong tương lai có rất nhiều thách thức, thì có một điều luôn chắc chắn rằng, các nhà sản xuất ô tô sẽ tiếp tục phát triển và chế tạo xe Hybrid lên hết tiềm năng của loại xe này
Hybrid nghĩa là lai, xe Hybrid (Hybrid Electric Vehicle-HEV) là dòng ô tô sử dụng động cơ tổng hợp Động cơ Hybrid là sự kết hợp hoàn hảo giữa động cơ đốt trong thông thường với một động cơ điện Động cơ điện và động cơ đốt trong làm việc thông qua bộ điều khiển điện tử và bộ điều khiển như một trái tim quyết định mọi hoạt động của hệ thống
1.2.3 Nguyên lí hoạt động ô tô Hybrid Ô tô Hybrid vận hành theo kiểu thống nhất: Động cơ điện dùng để khởi động như các dòng xe khác, trong đó đối với quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ
5 Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe gia tốc hoặc leo dốc được ổn định Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát điện để nạp điện lại cho ắc quy Không giống như những phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid là không cần nguồn điện bên ngoài mà động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy Với sự phối hợp qua lại giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ Hybrid được mở rộng giới hạn làm việc, có vai trò tiết kiệm nhiên liệu cho ĐCĐT, hiệu suất động cơ cao, mô-men lớn ở số vòng quay nhỏ sẽ ít làm ô nhiễm không khí
1.2.4 Ưu điểm Ưu điểm lớn nhất là giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ Hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa) Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ, chính vì thế động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng, tháo lắp sửa chữa
Tận dụng năng lượng tạo ra khi phanh: khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ, động cơ điện có tác dụng như một máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện nạp lại cho ắc-quy Ô tô Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo việc nạp điện, mà các dòng xe chạy bằng động cơ điện thông thường nạp điện thì tốn rất nhiều thời gian
Với dòng ô tô này, có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của xe Điều này giúp cho xe di chuyển nhanh và bốc như ô tô xăng truyền thống
Xe lai điện ít gây ô nhiễm khí thải hơn xe ô tô xăng truyền thống do hiệu suất động cơ điện cao hơn động cơ xăng
Xe Hybrid được chia thành 3 cơ cấu truyền động: nối tiếp, song song và hỗn hợp (nối tiếp/song song)
CƠ SỞ LÝ THUYẾT HYBRID TRÊN TOYOTA PRIUS
Các thành phần của hệ thống Hybrid trên Toyota Prius
+ Động cơ (ICE) 1NZ-FXE
+ Hộp số“Hybrid: Gồm hai motor/máy phát MG1 và MG2, bộ bánh răng hành tinh + Bộ chuyển đổi: DC-DC và A-C
+ ECU HV: đóng vai trò nhận tín hiệu từ các cảm biến rồi gửi output đến các thành phần như ECM, ECU Ắcquy, cụm biến đổi, ECU để làm nhiệm vụ điều khiển Hybrid + Cảm biến vị trí số
+ Cảm biến vị trí bàn đạp ga
+ ECU ắcquy: là bộ phận quan kiểm soát quá trình vận hành của quạt làm mát, kiểm tra tình trạng thái nạp của ắc quy
+ SMR tên tiếng anh đầy đủ - System Main Relay: ngắt và nối mạch công suất cao áp + Ắc quy phụ: tích trữ điện áp 12V một chiều cho thành phần điều”khiển trên Hybrid
2.1.1 Động cơ ICE sử dụng trên xe Prius 1NZ-FXE Động cơ ICE (1NZ-FXE) được trang bị để tạo ra công suất dẫn động trên xe Prius, ngoài ra còn có nguồn dẫn động khác là động cơ điện Nó là một động cơ đốt trong như những động cơ thông thường với 4 xy lanh thẳng hàng 1.5 lít được trang bị hai hệ thống thông minh là VVT-I và ETCS-I, hai hệ thống này đóng vai trò điều khiển thời điểm nạp và điều khiển bướm ga điện tử Động cơ này đã được cải tiến và phát triển tối ưu hơn về đặc tính cân đối, tiết kiệm về nhiên liệu và khí thải ít ô nhiễm môi trường đối với dòng xe Hybrid
Hình 2 2 Động cơ 1NZ-FXE Một điểm sáng tạo trong động cơ ở hình 2.2 là thời điểm hòa trộn khí chu trình Atkinson, nó thay đổi mối liên hệ giữa thì nén và thì giãn nỡ để làm cho động cơ giảm khí thải Một sự nâng cấp khác là đưa hệ thống tích nhiệt nước làm mát vào trên các phiên bản Hybrid thế hệ ’04 về sau Nó đóng vai trò là nơi chứa nước nóng từ động cơ trong một thùng cách nhiệt và giữ nhiệt độ của nước có thể lên đến ba ngày Để giảm lượng khí thải (HC) lúc khởi động thì các nhà nghiên cứu đã gắn thêm bơm điện để vận hành luồng nước nóng đi qua động cơ (ICE)
Các thông số kỹ thuật:
Tên động cơ 1NZ-FXE
Số xy lanh và kiểu sắp xếp 4-xy lanh, thẳng hàng
Cơ cấu van 16 van DOHC, xích dẫn động
Buồng đốt Kiểu ván nghiêng Đường ống nạp Dòng chéo
Hệ thống nhiên liệu SFI
Thể tích công tác cm3 (cu.in) Đường kính x hành trình mm (in)
Công suất cực đại (SEA-NET) 57kW tại 5000 vòng/phút
(76 HP tại 5000 vòng/phút) Mômen cực đại (SEA-NET) 111 N.m tại 4200 vòng/phút
(82 ft.1bf tại 4200 vòng/phút) Thời điểm đóng mở van
Van nạp Mở 18 o → −15 o BTDC Đóng 72 o → 105 o ABDC
Van xả Mở 34 o BBDC Đóng 2 o ATDC
Trị số ốc tan xác định theo phương pháp nghiên cứu RON
Cấp dầu API SJ, SL, EC hoặc ILSAC
Tuần hoàn khí thải ống pô SULEV
Tuần hoàn khí thải bay hơi AT-PZEV, ORVR
Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FXE
+ Một bộ bánh răng hành tinh, có nhiệm vụ cung cấp tỷ số vô cấp và điều khiển như bộ PSD
+ Một bộ giảm tốc bao gồm bộ truyền động xích, bộ bánh răng giảm tốc và bộ truyền lực”cuối cùng
Hình 2 3 Mô hình cấu tạo hộp số của xe Hybrid
Các thông số của hộp số dòng xe Hybrid:
Kiểu hộp số P111 đời Prius 2010
Bộ bánh răng hành tinh Số răng của bánh răng mặt trời 78
Số răng của bánh răng hành tinh
Số răng của bánh răng bao 30
Tỷ số truyền của bộ vi sai 3.905
Xích dẫn động Số lượng mắt xích 74
Bộ bánh răng giảm tốc Bánh răng chủ động 30
Bộ truyền động cuối cùng Bánh răng chủ động 26
Dung tích dầu Lít (US qts, Imp qts) 4.6(4.9,4.0)
Loại dầu ATF T-IV hoặc đẳng trị
Bảng 2 2 Các thông số trên một hộp số Hybrid
2.1.3 Motor/máy phát MG1 và MG2
Hai motor/máy phát MG1 và MG2 đều là mô tơ điện được trang bị nam châm vĩnh cửu mang lại hiệu năng cao, kích thước thì nhỏ gọn và đơn giản
Về cơ cấu của hai motor/máy phát này thì giống nhau, nhưng về chức năng và nhiệm vụ của mỗi loại là khác nhau Ở từng trường hợp cụ thể, mà nhiệm vụ của hai motor/máy phát sẽ đảm nhiệm vai trò thích hợp
MG1: tạo ra điện để làm hoạt động MG2 truyền công suất đến bánh xe chủ động và nhiệm vụ thứ hai là nạp điện lại cho ắc qui HV MG1 cũng có thể điều khiển một cách hiệu quả truyền động vô cấp bằng việc điều chỉnh lượng năng lượng tạo ra Lúc khởi động động cơ, MG1 đóng vai trò như là một máy khởi động thông thường
MG2: Kết hợp với động cơ xăng qua cơ cấu bộ phận chia công suất và các bánh răng làm việc đồng thời truyền mômen xoắn đến bánh xe, MG2 đem lại momen lớn hơn làm cho đặc tính động lực học tối ưu Một tính tối ưu hóa là trong thời gian phanh tái sinh MG2 biến đổi động năng thành điện năng chuyển đến ắc qui HV MG2 cũng có chức năng tạo ra điện như MG1
Thông số của motor/máy phát MG1:
Bảng 2 3 Thông số của MG1
Thông số của motor/máy phát MG2:
Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu
Chức năng Máy phát, truyền mômen đến bánh xe Điện áp cực đại (V) AC 273.6
Công suất cực đại kW (PS)/(vòng/phút) 33(45)/1040-5600
Mômen cực đại N.m(Kgf.m)/(vòng/phút) 400(35.7)/0-400
Kiểu làm mát Làm mát bằng nước
Cơ cấu điều khiển của motor/may phát MG1 và MG2:
Hình 2 4 Cơ cấu điều khiển của motor/máy phát MG1 và MG2
Kiểu động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu
Chức năng Máy phát, máy khởi động Điện áp lớn nhất (V) AC 273.6
Kiểu làm mát Làm mát bằng nước
2.1.4 Bộ phận chia công suất (Power-Split Device)
Một bộ phận rất quan trọng được ví như trái tim trong hệ thống Hybrid“là một thiết bị nhỏ gọn, về cơ cấu giống như bộ bánh răng hành tinh trong hộp số tự động nhưng về cơ chế và nguyên lí hoạt động thì lại khác và người ta gọi nó là bộ phận phân chia công suất PSD, viết tắt của Power-Split Device
Hình 2 5 Bộ PSD (Power-Split Device)
Bánh răng ở giữa là bánh răng mặt trời, bánh răng to nhất ngoài cùng có các răng hướng vào trong gọi là bánh răng bao, bốn bánh răng giữa bánh răng mặt trời và bánh răng bao được gọi là bánh răng hành tinh Cần dẫn được nối với trục của các bánh răng hành tinh
Trong mẫu xe Hybrid, nhiệm vụ của bộ bánh răng hành tinh đóng vai trò phân chia công suất thích hợp trong từng điều kiện lái Trục khuỷu của động cơ đốt trong (ICE) được gắn với cần dẫn, MG1 và MG2 là hai mô tơ máy phát lần lượt được kết nối với bánh răng mặt trời và bánh răng bao
Tốc độ quay của các bánh răng là khác nhau MG2 đảm nhiệm vừa là động cơ điện và vừa là máy phát tùy vào trường hợp cụ thể sẽ có các chế độ khác nhau Dòng công suất sẽ đi từ MG2 qua bộ PSD và cơ cấu truyền bánh răng đến bánh xe chủ động
Ba thành phần MG1, MG2 và ICE đều phụ thuộc vào nhau cho ra các cơ chế hoạt động thích hợp Một thành phần thay đổi tốc độ quay sẽ dẫn đến sự thay đổi tốc độ của hai thành phần còn lại Trung bình tốc độ MG1 đo được có thể đạt tới 10,000 vòng/phút, còn tốc độ của MG2 có thể lên đến 6,500 vòng/phút.” Đối với động cơ đốt trong (ICE) sẽ được chia ra hai giai đoạn, giai đoạn tốc độ từ giữa 800 vòng/phút đến 4,500 vòng/phút ICE sẽ bị giới hạn Giai đoạn tốc độ khoảng từ
0 đến 800 v/p thì ICE không thể hoạt động tối ưu Hộp điều khiển ECU sẽ phát hiện và cho dừng ICE Trong trường hợp người lái cần công suất lớn hơn thì MG1 lúc này đảm nhiệm vai trò máy khởi động để khởi động lại ICE Động cơ đốt trong ICE được kết nối với cần dẫn Khi cần dẫn quay, các bánh răng hành tinh ăn khớp có xu hướng tác động đến bánh răng mặt trời và bánh răng bao làm bánh răng mặt trời và bánh răng bao quay cùng chiều với nó Qua đó, xác định tỉ lệ phân chia là 72% mô men truyền đến bánh răng bao và 28% mô men truyền đến bánh răng mặt trời
Tính toán: Mối quan hệ về vận tốc góc, moment xoắn trong bộ phận chia công suất:
1+𝑖 𝑔𝑛 𝑟 Trong đó: 𝑛 𝑦 , 𝑛 𝑠 , 𝑛 𝑟 lần lượt là vận tốc góc của cần dẫn, bánh răng mặt trời, bánh răng bao
Trong đó: 𝑇 𝑦 , 𝑇 𝑠 , 𝑇 𝑟 lần lượt là moment xoắn của cần dẫn, bánh răng mặt trời, bánh răng bao
Khi một trong các bộ phận của bánh răng hành tinh bị khóa, bộ bánh răng hành tinh sẽ trở thành bộ bánh răng thường với một đầu vào và một đầu ra Mối quan hệ đó được biểu diễn với ba trường hợp dưới đây:”
Thành phần Tốc độ Moment
Các cơ chế điều khiển
2.2.1 Các cơ chế vận hành Động cơ liên kết với MG1 là nhờ vào bộ bánh răng hành tinh tạo nên một cơ chế nối tốc độ
Chi tiết: Động cơ được liên kết với cần dẫn của bộ bánh răng hành tinh nhờ vào ly hợp Ly hợp có vai trò đóng ngắt công suất giữa động cơ và cần dẫn
Trục của MG1 motor/máy phát điện được liên kết với trục của bánh răng mặt trời thông qua khóa 1 (Lock 1) Khóa 1 đóng vai trò như ly hợp đóng ngắt dòng truyền công suất
Bánh răng bao và một motor kéo MG2 được liên kết với bánh xe thông qua cơ cấu các bánh răng và bộ vi sai Vậy momen xoắn đầu ra là sự kết hợp của hai nguồn momen xoắn của bánh răng bao và của motor kéo
Hình 2 14 Sơ đồ cơ cấu hệ thống“
+ Trường hợp 1-khớp nối tốc độ: Trong trường hợp này motor kéo sẽ ngưng làm việc, và chia ra các cơ chế hoạt động sau: Động cơ làm việc, motor/máy phát không làm việc: động cơ sẽ truyền công suất đến cần dẫn qua việc ly hợp làm việc, bánh răng mặt trời bị khóa bởi lock 1 làm MG1 không làm việc Đường đi công suất được thể hiện ở hình 2.15:
Hình 2 15 Đường đi của công suất khi động cơ làm việc Trong đó:
PLG: ký hiệu của bánh răng hành tinh M/G: ký hiệu của motor/máy phát TM: là motor kéo
GB: là hộp số PPS: là ắc qui Theo như hình 2.15 thì động cơ là nguồn dẫn động trực tiếp truyền mô men xoắn qua cơ cấu bánh răng rồi đến bánh xe Khi đó tốc độ động cơ và bánh xe sẽ liên hệ với nhau bởi công thức:
𝑖 𝑟𝑤 Với: 𝑛 𝑑𝑤 là tốc độ của bánh xe
𝑛 𝑒 là tốc độ của ICE
𝑖 𝑟𝑤 là tỉ số truyền qua các bánh răng đến bánh xe: 𝑖 𝑟𝑤 = 𝑍 5 𝑍 2
Mômen động cơ và bánh xe sẽ liên hệ với nhau bởi công thức:
𝑇 𝑑𝑤 ,𝑇 𝑒 là hai mô-men xoắn tạo ra lần lượt tại bánh xe và động cơ ICE
𝜂 𝑦𝑟 là hiệu suất giữa cần dẫn và bánh răng bao
𝜂 𝑟𝑤 là hiệu suất giữa bánh răng bao đến cuối cùng là bánh xe.”
28 Động cơ không làm việc, motor/máy phát làm việc: động cơ ngưng làm việc sẽ không truyền mô men nữa mà thay vào đó là motor/máy phát điện sẽ thực hiện nhiệm vụ này Các cơ cấu sẽ làm việc như sau: cần dẫn bị khóa bởi lock 2, cần dẫn cũng sẽ không liên kết với trục khuỷa động cơ vì ly hợp nhả, trục bánh răng mặt trời liên kết với trục của motor MG1 bởi khóa 1 không hoạt động Chi tiết đường đi công suất được thể hiện ở hình 2.16
Hình 2 16 Đường đi của công suất khi MG1 không làm việc Mômen và tốc độ của motor MG1 và bánh xe sẽ liên hệ với nhau bởi công thức:
𝑇 𝑑𝑤 , 𝑇 𝑚/𝑔 là mômen xoắn tạo ra trên bánh lái và motor MG1
𝜂 𝑠𝑟 là hiệu suất giữa bánh răng mặt trời và bánh răng bao
Cả động cơ và motor MG1 cùng làm việc: Các lock 1 và 2 đều không làm việc Ly hợp làm việc, công suất sẽ truyền từ trục khuỷu đến cần dẫn Khi đó tốc độ động cơ, motor MG1 và bánh xe sẽ liên hệ với nhau bởi công thức:
Mô men của động cơ, motor MG1 và bánh xe sẽ liên hệ với nhau bởi công thức:
Hệ số b là một hằng số thể hiện đường đi công suất từ motor MG1 đến bánh răng mặt trời, và b = 1 khi 𝑛 𝑚/𝑔 < 0 , b = -1 khi 𝑛 𝑚/𝑔 > 0 Từ công thức mối liên hệ tốc độ thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo tốc độ của motor MG1
Từ công thức mối liên hệ mô men thì ta thấy mô men động cơ, bánh xe, motor MG1 luôn ràng buộc lẫn nhau Điều này có nghĩa là nếu có một thành phần thay đổi moment xoắn thì sẽ làm thay đổi moment xoắn hai thành phần còn lại Đường công suất được làm rõ trong hình dưới đây:
Hình 2 17 Đường đi của công suất khi khi động cơ và motor MG1 cùng làm việc
+ Trường hợp 2-khớp nối mô-men: Ở chế độ này motor kéo hoạt động, cung cấp điện cho cho motor kéo hoạt động, khớp nối moment được tạo thành từ việc kết hợp mô men xoắn từ motor kéo và của bánh răng bao
Sáu chế độ được tạo thành khi điều khiển motor kéo MG2 theo hai cơ chế là motor tạo ra môment hoặc cơ chế phát điện Sáu chế độ được liệt kê bên dưới như sau:
Mô-men kết hợp giữa động cơ và motor kéo: động cơ độc lập hoạt động, motor MG1 không làm việc Motor kéo MG2 làm việc bởi được cung cấp điện từ ắc quy Chi tiết đường đi công suất kết hợp giữa động cơ và motor kéo được thể hiện ở hình 2.18
Hình 2 18 Đường đi của công suất khi môment động cơ kết hợp với motor kéo MG2”
Chỉ có động cơ tạo ra môment, motor MG2 là máy phát điện: động cơ là nguồn công suất chính đảm nhiệm vừa làm quay bánh xe vừa làm quay motor MG2 để tạo ra điện sạc cho ắc quy PPS, motor MG1 bị khóa bởi lock 1 nên không làm việc Chi tiết đường đi công suất được thể hiện ở hình 2.19
Hình 2 19 Đường công suất khi động cơ làm việc, motor kéo MG2 làm máy phát Động cơ không làm việc, hai motor làm việc kết hợp với nhau tạo ra môment: động cơ không liên kết với cần dẫn, ắc quy cung cấp điện cho motor MG1 và motor kéo MG2 làm việc, sự kết hợp môment này truyền đến bánh xe Chi tiết đường đi công suất được thể hiện ở hình 2.20
Hình 2 20 Đường công suất khi động cơ không làm việc, hai motor kết hợp tạo ra môment“
Motor MG1 làm việc, motor kéo MG2 là máy phát điện: động cơ không làm việc, không có dòng truyền đến cần dẫn Motor MG1 làm việc vì được cung cấp nguồn điện từ ắc quy, môment từ motor MG1 truyền thẳng đến bánh xe, làm quay motor MG2 để sạc điện cho ắc quy PPS Cơ chế này không khả quan vì nó tạo thành vòng tròn năng lượng Chi tiết đường đi công suất được thể hiện ở hình 2.21:
Hình 2 21 Đường công suất khi motor MG1 làm việc, motor MG2 là máy phát
Motor MG2 tạo ra môment: Cơ chế này đơn giản là cả hai khớp nối tốc độ và mô- men cùng làm việc.”
Trong cơ chế này, động cơ và motor MG2 làm việc cố định là tạo ra môment, motor MG1 thì sẽ có hai trường hợp
TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK
Quá trình tạo nên một phần mềm Matlab/ Simulink
Hiện nay thì các cuộc cách mạng khoa học công nghệ thông tin, kỹ thuật phát triển vô cùng mạnh mẽ, để hướng đến tương lai phát triển hơn, thì hàng loạt các phần mềm được tạo ra nhằm để hỗ trợ cho việc nghiên cứu và phát triển kỹ thuật mới MATLAB
& SIMULINK là một phần mềm khoa học mà ứng dụng của nó giúp ích cho việc mô phỏng đa năng Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều công cụ liên quan trong phần mềm MATLAB để giải các bài toán khá phức tạp như: nhận dạng các đối tượng động học, điều khiển tối ưu, điều khiển mờ, xử lý số tín hiệu,… Vì vậy, tìm hiểu về phần mềm mô phỏng MATLAB/SIMULINK để có thể học hỏi thêm nhiều kiến thức và tiết kiệm được chi phí bằng việc mô phỏng, đỡ tốn kém chi phí hơn mà kết quả gần chính xác của phần mềm mang lại Với đề tài " HYBRID ELECTRIC VEHICLE CONTROL”, nhóm chúng em đã vận dụng được những ưu điểm của phần mềm này đề nghiên cứu về sự vận hành của xe điện Hybrid Electric Vehicle bằng việc mô phỏng các đặc tính, các thông số
“Hình 3 1 Logo biểu tượng của phần mềm Matlab
3.1.2 Các giai đoạn phát triển phần mềm Matlab/Simulink
MATLAB là một phần mềm mô phỏng chạy trong hệ điều hành Windows do chính nhà phát triển Vath Works sản xuất và cung cấp Matlab được xem là một công cụ để hỗ trợ dành cho bên kỹ thuật Nó được thiết lập nhiều chương trình để tính toán, thiết kế
42 và mô phỏng,… dễ dàng sử dụng và thiết lập cũng như dễ làm quen dành cho những người mới bắt đầu, các bài toán và phương trình ngôn ngữ cũng như lời giải được trình bày như các ký hiệu toán học phổ thông.”
Năm 1970 được coi là năm sự ra đời của Matlab (MATrix LABoratory), cha đẻ là Cleve Moler, nơi ra đời tại Đại học New Mexico
Ngôn ngữ Fortran được xem là ngôn ngữ đầu tiên được lập trình trong phần mềm MATLAB, những năm tiếp theo từ 1970 đến 1980 nó chỉ là một phần mềm lưu hành nội bộ trong Đại học Stanford
Ngôn ngữ C là ngôn ngữ thứ hai và cũng là ngôn ngữ cuối cùng được thiếp lập vào Matlab những năm 1983, ông Jack Little ở Đại học MIT và Stanford là người đã thiết lập ngôn ngữ lập trình C và phát triển thêm nhiều công cụ, thư viện làm cho ứng dụng của Matlab càng thêm được đa dạng như thiết kế, hộp công cụ (tool box),…
Năm 1984, Matlab trở thành phần mềm được nhiều người biết đến và công ty The MathWorks được hình thành Vai trò của ba ông Jack, Steve Bangert và Moler rất lớn trong giai đoạn này khi xây dựng mô hình ngôn ngữ lập trình dựa trên ma trận và viết trình thông dịch
Những năm tiếp theo lần lượt các phiên bản ra đời với nhiều công cụ được phát triển để hoàn thiện MATLAB Phiên bản MATLAB 1.0 ra đời tại Las Vegas, Nevada năm
Lần lượt MATLAB 2.0, MATLAB 3.0 được phát hành vào những năm 1986 và
1987 Ở hai phiên bản này được hỗ trợ thêm công cụ UNIX
Năm 1990 công cụ mô phỏng Simulink 1.0 được sát nhập vào MATLAB, nhằm hỗ trợ qua lại lẫn nhau trong quá trình nghiên cứu được dễ dàng
Năm 1992, MATLAB 4.0 và phiên bản Matlab dành cho học sinh được công bố tối ưu về đồ họa màu 2-D và 3-D
Các năm tiếp theo, phần mềm Matlab từng bước được nghiên cứu và phát triển ngày càng hoàn thiện, nhiều công cụ được thêm vào để hỗ trợ người sử dụng như cho ra đời
MS Windows, công cụ Linux, trình dịch ngôn ngữ,… Các kiểu data, hình ảnh , công thức,… môi trường làm việc đều được cải thiện qua các năm
Năm 2009 là mốc thời gian ra đời của 2 phiên bản tối ưu là 7.8 (R2009a) và 7.9 (R2009b)
43 Đến năm 2010, nhà phát triển giới thiệu Matlab 7.1 (R2010a) với công chúng và phiên bản này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực giáo dục, kỹ thuật,… cho tới ngày hôm nay
3.1.3 Ngôn ngữ lập trình Đây là một ngôn ngữ mảng / ma trận cấp cao với các câu lệnh luồng điều khiển, hàm, cấu trúc dữ liệu, đầu vào / đầu ra và các tính năng lập trình hướng đối tượng Nó cho phép cả “ lập trình quy mô nhỏ” nhanh chóng tạo ra các chương trình, và “ lập trình quy mô lớn ” để tạo ra các chương trình ứng dụng lớn và phức tạp hoàn chỉnh
Hình 3 2 Mô phỏng ngôn ngữ lập trình Matlab
3.1.4 Lĩnh vực ứng dụng của Matlab/Simulink
Các lĩnh vực ứng dụng là: “
- Toán học và tính toán
- Tạo mô hình, mô phỏng và tạo giao thức
- Khảo sát, phân tích số liệu
- Đồ hoạ khoa học kỹ thuật
- Phát triển ứng dụng, gồm cả xây dựng giao diện người dùng đồ hoạ GUI
Simulink là một công cụ được thiết lập trong Matlab dùng để mô phỏng đa miền, có các mô hình mô phỏng để thiết kế và sáng tạo điều chỉnh theo mong muốn của người sử dụng Những lợi ích của nó mang lại là hỗ trợ thiết kế cấp mô hình rồi vận dụng mô phỏng, để kháo sát kiểm nghiệm so với thực tế… Nếu bên trong Matlab là một ngôn ngữ thì bên trong Simulink là một ngôn ngữ về đồ họa, chứa các thư viện khối (Library Browser) một loạt các mô hình mô phỏng liên quan các lĩnh vực và phần lớn là về kỹ thuật, và các trình giải để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống động Simulink được thiết lập liên kết với Matlab, bạn có thể kết hợp ngôn ngữ Matlab truyền đến các mô hình đã thiết kế, bạn cũng có thể xuất kết quả mô phỏng ngược lại phần mềm Matlab để phân tích và phục vụ cho việc nghiên cứu thêm
Ngày nay, Simulink một phần mềm nhỏ trong Matlab đã được đưa ra sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như các ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là hàng không vũ trụ, bên cạnh đó thì mảng truyền thông, điện tử và quốc phòng coi Simulink như một bộ phận quan trọng để nghiên cứu và phát triển Do đó, Simulink đã trở thành công cụ nhất thiết và đóng vai trò trong thiết kế, dựa trên cơ sở mô hình đã được tích hợp trong Simulink rất đơn giản và hiệu quả cao trong nhiều ngành công nghiệp hóa, hiện đại hóa và các kỹ thuật liên quan.
Tìm hiểu các blocks library
3.2.1 Cách khởi tạo Simulink và vẽ sơ đồ mô phỏng
Khởi động ứng dụng Simulink trong phần mềm Matlab, ta từ cửa sổ lệnh (Command Window) của Matlab từ dòng đầu tiên, ta gõ dòng lệnh:”
>> simulink, sau đó nhấn Enter, lập tức ứng dụng sẽ được khởi chạy “
Sau kích hoạt dòng lệnh Matlab sẽ khởi động Simulink rồi thì một cửa sổ Simulink sẽ hiện ra trên màn hình Nguyên lí hoạt động của cửa sổ này là luôn liên kết với Matlab và cách sử dụng như tạo ra trang mới, mở thư mục, lưu, … cũng gần giống với cửa sổ lệnh Matlab nên dễ dàng sử dụng
Ta thấy trên cửa sổ Simulink được thiết lập nhiều khối chức năng để phục vụ nhiều mục đích khác nhau, blocks library là thư viện của nhiều khối mô phỏng, cụ thể có nhiều khối chức năng liên quan đến các lĩnh vực công nghiệp 4.0
Hình 3 3 Cách vào toolbox Simulink trong Matlab Trong cửa sổ Simulink, một thư viện bên góc trái cửa sổ (Library Browser) trong này có chứa các khối: Khối nguồn (Sources), khối đầu đo (Sinks), khối đầu nối (Connections),… Các khối này chứa nhiều khối mô hình liên quan.”
Hình 3 4 Cửa sổ thư viện Library Browser
Trình duyệt thư viện (Library Browser) hiển thị dạng xem mục lục của các thư viện Simulink trên hệ thống của bạn Sử dụng Library Brower để thêm khối và chú thích vào mô hình của bạn Để duyệt các mục mà bạn có thể thêm vào mô hình của mình, hãy mở rộng các thư viện trong danh sách các mục Để tìm kiếm một mục thư viện bằng các từ hoặc cụm từ khóa, hãy sử dụng hộp tìm kiếm ở đầu Trình duyệt Thư viện Để thêm một mục vào mô hình của bạn, hãy kéo mục đó vào mô hình của bạn hoặc nhấp chuột phải vào mục đó và chọn tùy chọn để thêm mục đó vào mô hình của bạn
Theo mặc định, Library Browser được gắn dưới dạng một bảng trong cửa sổ Simulink sao cho cửa sổ trình duyệt thư viện vẫn ở một bên của mô hình và không che các khu vực trong khung mô hình nơi bạn muốn thêm các mục Khi bạn mở nhiều cửa sổ Simulink, bạn có thể mở Library trong mỗi cửa sổ
Thư viện (Library Browser) được tích hợp nhiều khối như hình 3.4, chúng ta có thể thiết kế, sáng tạo ra model từ các khối phù hợp trong thư viện Để hiểu rõ hơn về sử dụng và xây dựng mô hình cho mình trong Simulink Các bước đơn giản và các thao tác sẽ được thử thiết kế mô phỏng ở ví dụ sau (Hình 3.5):
1 Khởi chạy Simulink trong cửa sổ Matlab (Command Window) bằng cách gõ dòng >>simulink Một khung Simulink hiện ra và ta bắt tay vào thiết kế các khối theo sơ đồ
2 Trong màn hình Simulink ta nhấp chuột lần lượt vào File >New >Model hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl+N Nơi cho chúng ta làm việc là một trang mới Untitled (Hình 3.6)
3 Ví dụ như hình 3.5 bên dưới Tiến hành lấy các khối trong nguồn thư viện phù hợp rồi thiết lập vào màn hình, nối các khối lại với nhau:
Hình 3 5 Mô hình phân tích sóng hình sin
Hình 3 6 Chọn vẽ một Model mới Trong sơ đồ này ta lần lượt chọn các khối từ các thư viện trong Library Browser: + Thư viện các nguồn tín hiệu (Sources): Ta chọn vào khối Sin wave rồi kéo ra ngoài cửa sổ
+ Thư viện các khối nhận tín hiệu (Sinks): Tương tự ta chọn Scope
+ Thư viện các hàm tuyến tính (Linear): Ta chọn Integrator
+ Thư viện các khối đầu nối (Connections): Chọn Mux Để chọn một thư viện trong“Library Browser của Simulink ta nhấp kép vào thư viện đó Simulink sẽ hiển thị một cửa sổ chứa tất cả các khối liên quan của thư viện đó Trong thư viện nguồn tín hiệu (Sources) chứa tất cả các khối đều là nguồn tín hiệu Thư viện nguồn tín hiệu được trình bày như hình 3.7
Người dùng thêm vào model của mình bằng cách ghép khối đó vào thư viện hay từ mô hình bất kì nào khác.“Chúng ta sẽ chi tiết hơn về quá trình tạo ra một model, ở ví dụ hình 3.5 ta click vào khối phát sóng hình sin và kéo khối tới cửa sổ đã được thiết lập (Untitled).”
Ta muốn rời vị trí của khối cũng rất đơn giản ta có thể thấy khối và tên của nó di chuyển cùng với con trỏ chuột
Hình 3 7 Cửa sổ thư viện phần nguồn tín hiệu (Sources) Khi con trỏ chuột di chuyển tới nơi bạn cần đặt khối trong model bằng cách nhả phím chuột, một khối mới đã ở trong màn hình mô phỏng Khi ta không vừa ý chỗ đặt ta có thể di chuyển khối bằng cách như trên
Chúng ta làm theo cách tương tự chép những khối còn lại vào trong màn hình mô phỏng để tiếp tục xây dựng sơ đồ hoàn chỉnh
Muốn copy tiếp một khối Sin nữa trong một sơ đồ, ta làm bằng cách giữ phím Ctrl+ phím trái chuột và di chuyển tới điểm cần đặt khối mới, lúc đó một khối Sin mới đã được copy
Hình 3 8 Khối và tên di chuyển cùng khối Với tất cả các khối đã gán vào cửa sổ màn hình mô phỏng sẽ được hiển thị như trên hình 3.9 bên dưới Ở mỗi khối này, ta thấy dấu mũi tên (>) ở mỗi khối Thì ở bên phải là dành cho tín hiệu output, còn bên trái là dành cho tín hiệu input Tín hiệu sẽ đi qua các dấu mũi tên này và qua đường liên kết giữa các khối, đường liên kết này được tạo ra bằng cách nhấp chuột vào dấu > (output) rồi kéo vào > (input) Khi giữa mỗi khối được liên kết thì mũi tên (>) ban đầu sẽ biến mất
Sau khi hoàn thành xong mô hình, ta có thể chỉnh sửa tùy theo mong muốn như thay đổi kích thước của từng khối, đặt tên cho từng khối, cài đặt thông số liên quan Chúng ta có thể di chuyển nguyên một mô hình bằng cách giữ chuột trái và quét chọn mô hình rồi ta đặt đến vị trí thích hợp
Hình 3 9 Cửa sổ sơ đồ với các khối đã được copy
TÌM HIỂU VỀ POWER-SPLIT HYBRID MODEL
Simulink Model
Hình 4 1 Model tổng thể về hệ thống mô phỏng Trong bài báo cáo này, nhóm em đã tìm hiểu về Matlab/Simulink của xe Hybrid: Power – Split Hybrid System Model có 6 phần chính là: Kph Demand, Control, Electrical, Engine, Power – Split và Vehicle Body Khối Electrical gồm một Battery kết nối với DC – DC Converter, Motor và Generator kết nối lần lượt với bánh răng bao và bánh răng mặt trời (ring gear và sun gear) của khối Power – Split device, và cần dẫn kết nối với một động cơ đốt trong.
Khối Kph Demand
Khối Kph Demand là tín hiệu input mà trong đó các chế độ Drive Cycles được xử lý và gửi tín hiệu tốc độ mong muốn (Ref Spd), cùng với tốc độ thực tế của xe (Vehicle Speed) từ khối Vehicle Body tới bộ Vehicle Speed Controller Cả hai tín hiệu được gửi tới để xử lý và tính toán tín hiệu sự tăng tốc mong muốn (Acceleration demand) và bàn đạp phanh (Brake Pedal) cho khối Vehicle Body
Hình 4 3 Khối Vehicle Speed Controller
Khối Control Strategy
Khối Control là nơi tốc độ mong muốn (Speed Demand) của Motor, Generator và Engine được xử lý theo như tín hiệu input từ khối Kph Demand và từ khối Mode Logic
Khối Mode Logic chỉ ra các thành phần của model hoạt động trong nhiều chế độ lái như là: Start mode, Acceleration mode, Cruise mode, Brake mode Khi xe đang chuyển động nó có thể đang ở chế độ Start mode Trong chế độ Start mode, Generator có thể được sử dụng như một máy đề để khởi động động cơ, và Motor được dùng để điều khiển xe, khi Engine đạt trên một ngưỡng nhất định thì nó sẽ chuyển sang chế độ Normal mode Trong chế độ Normal mode thì Engine được dùng để điều khiển xe và để sạc Battery Nếu người lái muốn tăng tốc thì Motor có thể được sử dụng để điều khiển xe chạy nhanh hơn và Generator sẽ tắt vì vậy tất cả momen xoắn có thể được sử dụng để tăng tốc cho xe Khi xe tiến vào chế độ Cruise mode, Generator có thể được dùng để sạc Battery, ngoài ra còn có các quá trình chuyển đổi để quay trở lại chế độ Acceleration mode và chế độ Start mode Nếu người lái đạp phanh, Motor được sử dụng thông qua phanh tái sinh (Regenerative Braking) để sạc Battery
Các thành phần
Dưới đây là các thành phần chính của Simulink Modeling Power – Split Hybrid Vehicle
• Bánh răng hành tinh (Planetary Gear)
Hình 4 6 Khối bánh răng hành tinh
(Planetery gear) là một thiết bị chia công suất (power – split) với các cổng tín hiệu
C, R và S Là các cổng quay cơ học được nối với các trục tương ứng lần lượt là cần dẫn (Carrier), trục bánh răng bao (Ring) và trục bánh răng mặt trời (Sun) Trong model này thì Generator được kết nối với cổng S, Motor được nối với cổng R còn lại là Engine được nối với cổng C
• Battery Ở đây nhóm em sử dụng chế độ Predifined Battery, đóng vai trò là bộ dự trữ năng lượng cho model, nó có các thông số như là Nominal Voltage, Rated Capacity, Initial State – of – Charge, và Response Time Các cổng (+) và (-) được kết nối với các cổng tương ứng từ khối DC – DC Converter, tín hiệu output (m) chứa tín hiệu Battery SOC là một trong những tín hiệu inputs cho khối Mode Logic
Khối DC – DC Converter dùng để tăng điện áp từ accquy thành điện áp cần thiết để điều khiển motor Các tín hiệu inputs từ accquy sẽ đi qua một bộ xử lý, bộ xử lý này chứa một cảm biến điện áp để chuyển đổi điện áp đã được đo giữa các tín hiệu điện thành tín hiệu cơ học tỷ lệ với điện áp Tín hiệu sau đó di chuyển tới một bộ tính toán để tính toán dòng điện và điện áp đầu ra output, 2 tín hiệu này sẽ được xử lý như là các tín hiệu outputs của bộ Converter Thiết bị này cũng có một khối Thermal model, khối này có tác dụng sẽ đo lường nhiệt độ trong suốt quá trình lái
Hình 4 8 Khối DC – DC Converter
Cả 2 bộ phận Generator và Motor đều có một PSPM Drive đơn giản, khối này đại diện cho servomotor và drive electronics hoạt động ở chế độ torque – control, hoặc là ở chế độ current – control tương đương Phạm vi cho phép của motor của momen xoắn và tốc độ được xác định bởi một đường bao momen xoắn-tốc độ Kết nối cơ học (R) cho phép kết nối với hệ thống truyền lực cơ khí của xe Các tín hiệu đầu vào inputs từ khối Control là tín hiệu (TReq) và DC – DC Converter là các tín hiệu (Vcc, Gnd) đi vào các loại cảm biến và được xử lý trong PSMP Drive
Hình 4 10 Khối máy phát điện
Khối Engine trong model này bao gồm một generic engine với cổng T là tín hiệu đầu vào của bướm ga nằm giữa 0 và 1, khối Engine sẽ nhận tín hiệu bướm ga này từ khối Control Tín hiệu F và B lần lượt nối với trục khuỷu và mass của động cơ Tín hiệu
P và FC là các cổng tín hiệu đầu ra vật lý thông qua công suất động cơ (Power) và sự tiêu hao nhiên liệu (Fuel Consumption) đã được ghi lại
Khối Vehicle Body, đầu tiên là lốp xe phải và trái (Right Tires và Left Tires), cả hai đều nhận tín hiệu đầu vào là tín hiệu A và N Tín hiệu N là một tín hiệu đầu vào vật lý
60 mà tải trọng Fz tác dụng lên cả hai bánh xe, còn tín hiệu A là tốc độ quay của trục bánh xe Cả hai bánh xe này sẽ xuất ra một tín hiệu đầu ra là tín hiệu H, là cổng bảo toàn tịnh tiến cơ học cho trục bánh xe, qua đó lực đẩy do lốp tạo ra được áp dụng cho xe Và tín hiệu S là một tín hiệu đầu ra cơ học nó ghi lại độ trượt của lốp
Tín hiệu đầu ra H từ hai bánh xe là tín hiệu phản lực theo phương ngang tác dụng lên bánh xe sẽ đi vào khối vehicle body từ đây nó sẽ tính ra vận tốc thực tế của xe Trong khối vehicle body thì nó sẽ tính toán dựa trên công thức phương trình cân bằng lực kéo mà ta đã được học ở môn lý thuyết ô tô Ở đây ta có lực kéo chủ động từ banh trước là
NF và banh sau là NR, và lực cản là ta có lực cản gió W và lực cản dốc beta Từ các tín hiệu lực cản, lực kéo nó sẽ tính toán ra vận tốc thực tế của xe và xuất tín hiệu là (vehSpd)
Fuel Economy
Khối Fuel Economy này được tính toán gồm các tín hiệu đầu vào là Vehicle Speed (km/h) và Fuel Consumption (g/s) Sau khi tinh toán thì nó sẽ cho ra các thông số đầu ra là Distance Travelled (Miles), Fuel Economy là MPG (Mile per gallon), L/100km, và tổng nhiên liệu đã sử dụng Total Fuel Used (L)
Các đồ thị
Hình 4 14 Đồ thị Vehicle Speed Tại thời điểm bắt đầu, tốc độ của xe xấp xỉ 0 km/h và ổn định trong khoảng 10 giây
Từ lúc ts, xe tăng tốc và đạt tốc độ khoảng hơn 15 km/h tại ts Tốc độ của xe được duy trì không đổi khoảng 8 giây và giảm tốc một cách ổn định Tại tPs, xe tăng tốc một lần nữa và đạt đỉnh tại 32 km/h trong khoảng 25 giây và sau đó giảm tốc tới 0 Tại t3s xe đạt tốc độ cao nhất khoảng 50 km/h và sau hơn 10 giây, nó giảm tốc độ
62 và duy trì ở 35 km/h khoảng 12 giây trước khi đạt 0 km/h và kết thúc khoảng thời gian
Hình 4 15 Đồ thị của Mode Logic Theo như mode logic, tín hiệu khởi động cho phép của ba thiết bị là ‘1’ Vì vậy, khi xe ở chế độ Start Mode, Generator và Motor được khởi động Khi tăng tốc, chỉ động cơ đốt trong (ICE) và Motor được cho phép khởi động trong khi ở chế độ Braking Mode Khi xe giảm tốc động cơ đốt trong (ICE) và Genenretor không được phép hoạt động Và cuối cùng là chế độ Cruise Mode, động cơ đốt trong (ICE) tắt để Generator sạc accquy
Hình 4 16 Đồ thị tốc độ RPM
Tốc độ của các thiết bị làm việc một cách hoàn hảo theo như tốc độ của xe Khi xe tăng tốc thì chúng tăng tốc, giảm tốc khi xe giảm tốc
Hình 4 17 Đồ thị tốc độ xe
Hình 4 18 Đồ thị điện áp pin Theo như đồ thị, đường điện áp của accquy có xu hướng giảm khi tăng tốc nhưng tăng trong suốt vận tốc xe ổn định hoặc đang giảm
Nhiệt độ của bộ DC – DC Converter có xu hướng tăng trong suốt quá trình điều khiển xe nhưng không ổn định Xu hướng tăng mạnh khi xe đang tăng tốc và duy trì ổn định khi vận tốc xe ổn định
Hình 4 19 Đồ thị nhiệt độ bộ chuyển đổi DC-DC℃
Hình 4 20 Thông số khối Fuel Economy Sau khoảng thời gian 195 giây, EPA Fuel Economy của xe là 33,18 (MPG) với tổng lượng nhiên liệu đã sử dụng trong khoảng thời gian là 0,07047 (L)
ỨNG DỤNG POWER-SPLIT HYBRID MODEL TRÊN XE TOYOTA
Tổng quan về Hybrid Toyota Prius 2021
Chiếc xe hybrid được sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới đã đồng hành cùng chúng ta suốt hai thập kỷ Được giới thiệu lần đầu tiên tại Nhật Bản vào năm 1997, Toyota Prius đã có mặt tại Mỹ vào năm 2001 Và chiếu Toypta Prius kỷ niệm 20 năm thành lập vào năm 2021 và đây vẫn là một chiếc hatchback hiệu quả cao và thiết thực dành cho những người tìm kiếm quãng đường đi được tối đa và nhiều không gian.
Hình 5 1 Toyota Prius 2021 Đối với năm 2021, Toyota đã bổ sung các tính năng cho bộ hỗ trợ người lái của Prius, bao gồm kiểm soát hành trình thích ứng toàn diện, cảnh báo theo dõi làn đường và hỗ trợ biển báo đường Hầu hết các phiên bản cũng bổ sung Android Auto vào Apple CarPlay tiêu chuẩn hiện có
Prius được trang bị động cơ 4 xi-lanh, dung tích 1,8 lít, tạo ra công suất 96 mã lực
Nó được kết hợp với một động cơ điện, tạo ra công suất 121 mã lực Tất cả các phiên bản đều sử dụng hộp số biến thiên liên tục (CVT) Pin tự sạc thông qua phanh tái tạo và nếu bạn nhấn cần số sang “B” để Phanh, pin sẽ sạc ở tốc độ cao hơn và khiến xe giảm tốc độ nhanh hơn Trên các mẫu xe AWD, động cơ điện thứ hai cung cấp năng lượng cho bánh sau với tốc độ lên tới 43 dặm/giờ
Trong bài báo cáo này, nhóm em sẽ quan sát và so sánh các kết quả mô phỏng sử dụng thông số của mẫu xe Hybrid có trên thị trường là Toyota Prius bằng cách thay đổi vài thông số model trong Matlab/Simulink Các kết quả đạt được là mức tiêu hao nhiên
66 liệu của mẫu Toyota Prius Sau khi tinh toán, khối Fuel Economy của model sẽ đưa ra thông số MPG dựa trên các chế độ drive cycle Để giảm error giữa Vehicle Speed và Reference Speed, nhóm đã thay đổi thông số
Kp, Ki và Kd trong bộ PID – Controller Mục tiêu là cải thiện Vehicle Speed để đáp ứng được yêu cầu của Drive Cycle đã cho trong Matlab/Simulink.
Thông số của Toyota Prius 2021
Để nghiên cứu mẫu Toyota Prius, nhóm đã sử dụng model có sẵn trong Matlab/Simulink là mẫu Power – Split HEV
Dưới đây là các thông số của một mẫu xe Toyota Prius LE – Edition 2021:
CG height above ground 5.1 inches Drag coefficient 0.24 Tire size (Rolling Radius) 0.3175 m Frontal Area 4012.47 square inches
Speed at maximum power 5200 rpm
Battery (Lithium-Ion) Constant Voltage 207.2 V
DC – DC Converter Output Voltage 600 V
Fuel Consumption (MPG) City/Highway 54/50
Bảng 5 1 Thông số của mẫu xe Toyota Prius LE – Edition 2021
Tiến hành thay đổi các số liệu vào các khối tương ứng, sau đó chạy Model để so sánh hai chế độ City/Highway tiêu hao nhiên liệu (MPG) của hãng toyota với kết quả mô phỏng của Matlab Simulink
+ Thông số Vehicle: Chỉnh các thông số của khối Vehicle Body, khối này nằm trong khối Vehicle Dynamics, các mục điều chỉnh tương ứng Mass là 1378.921(kg), CC height above ground 5.1 (in), Drag coefficient 0.24, frontal area 4012.47 (in^2)
Hình 5 2 Điều chỉnh thông số của Vehicle + Thông số khối Engine: Tại các mục Maximum power, Speed at maximum power, Maximum power lần lượt là 96 (HP_DIN), 5200, 6000
Hình 5 3 Điều chỉnh thông số khối Engine
+ Khối Battery: Khối này nằm trong khối Battery của khối Electrical Chỉnh sửa hai thông số Nominal voltage là 207.2 (V) và Rated capacity là 3.6 (Ah)
Hình 5 4 Điều chỉnh thông số khối Battery + DC – DC Converter: Khối này nằm trong khối Electrical Chỉnh đầu ra điện áp tại mục Output Voltage là 600 (V)
Hình 5 5 Điều chỉnh thông số DC – DC Converter
Khối Kph Demand và điều chỉnh bộ điều khiển PID
Để thấy được sự làm việc của model, vận tốc mong muốn đầu vào đã được thay đổi, nhóm em sử dụng khối Drive Cycle Source với chu trình lái xe đô thị là Drive Cycle FTP75 Bộ điều khiển PID được thêm vào bộ Speed controller để hiệu chỉnh các thông số Kp, Ki và Kd của model nhằm so sánh sự làm việc của model qua ba thông số của PID.
Hình 5 6 Thay đổi khối Kph Demand
Hình 5 7 Khối Speed Controller sau khi thêm bộ điều khiển PID
Khái quát về bộ điều khiển PID:
PID được viết tắt bởi cụm từ Proportional Integral Derivative, có nghĩa là 1 cơ chế phản hồi các vòng điều khiển, và được ứng dụng phổ biến trong hệ thống điều khiển công nghiệp
“Bộ điều khiển PID sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển vòng kín có tín hiệu phản hồi PID có nhiệm vụ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi với giá trị đặt mong muốn Bộ thiết bị làm hạn chế tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Để đạt được hiệu quả mong muốn bởi thông số của PID cần phải thực hiện điều chỉnh theo tính chất hệ thống Việc điều khiển sẽ giống nhau, còn thông số được phụ thuộc vào chính đặc thù của hệ thống đó.”
So sánh tính ổn định của ba bộ điều khiển là P(s), PI(s), PID(s):
+ Bộ P(s) với hệ số Kp là 0.12, ta được kết quả như hình bên dưới:
Hình 5 8 Đồ thị hiệu chỉnh bộ P(s)
+ Bộ PI(s) với hệ số Kp là 0.12 và Ki là 0.0042, ta được kết quả như hình bên dưới:
Hình 5 9 Đồ thị hiệu chỉnh bộ PI(s) + Bộ PID(s) với hệ số Kp là 0.12 và Ki là 0.0042, Kd là 0.0032 ta được kết quả như hình bên dưới:
Hình 5 10 Đồ thị được hiệu chỉnh với bộ PID(s)
Hình 5 11 Đồ thị so sánh giữa bộ P(s), PI(s), PID(s) Đồ thị trên ta thấy được giữa ba bộ hiệu chỉnh thì bộ P(s) đường màu xanh ổn định nhưng không bám sát với hai bộ còn lại, vì nó là hệ số khuếch đại Hai bộ PI(s) và PID(s) luôn ổn định và bám sát với nhau và với vận tốc Drive Cycle Source Nên để tính toán nhanh hơn và giảm tải cho model, sẽ dùng bộ PI(s) để tính toán kết quả mức tiêu hao nhiên liệu (MPG)
Ứng dụng bộ PI(s) vào mô phỏng mức tiêu hao nhiên liệu (MPG)
Phần trên (5.3), ta thấy được hai bộ PI(s) và PID(s) bám sát nhau, nhưng về tối ưu và để model xử lý nhanh hơn, hiệu quả hơn Nhóm em sẽ dùng bộ PI(s) để tính toán và mô phỏng mức tiêu hao nhiên liệu (MPG)
Trong điều kiện City, Drive Cycle FTP75 được sử dụng với đồ thị bên dưới:
Hình 5 12 Đồ thị tốc độ ở Drive cycle FTP75 Trong điều kiện Highway, Drive Cycle HWFET đã được sử dụng với đồ thị như bên dưới:
Hình 5 13 Đồ thị Drive cycle HWFET
Kết quả và kết luận: Sau khi đã thay đổi thông số của model Kết quả là mức tiêu hao nhiên liệu trong các điều kiện Highway và City
Dưới đây là các kết quả của hai chế Drive Cycle đã được đề cập đến:
Trong chế độ drive cycle này, bộ PI(s) controller đã được em thay đổi giá trị Kp 0.02, Ki = 0.04 thành Kp = 0.12, Ki = 0.0042 Ta thấy được là tốc độ của xe (Veh Spd) đã xấp xỉ với tốc độ mong muốn (Reference Speed)
Hình 5 14 FTP75 Trước khi thay đổi Kp, Ki
Từ đồ thị trên, ở hệ số Kp, Ki là 0.02 và 0.04 ta thấy vận tốc thực tế của xe đã bị vọt lố, nhiều thời điểm bị xuống âm (đường màu xanh) so với vận tốc mong muốn (đường màu cam) Nên ta tiến hành thay đổi hệ số Kp, Ki để cho vận tốc thực tế bám sát với vận tốc mong muốn
Hình 5 15 FTP75 Sau khi thay đổi Kp, Ki
74 Đồ thị trên hai giá trị Kp, Ki được thay đổi lần lượt là 0.12, Ki 0.0042 Kết quả đường vận tốc thực tế bám sát theo vận tốc mong muốn
Trong điều kiện Highway, giá trị của bộ PID controller đã được chỉnh thành Kp 0.05, Ki = 0.0042
Hình 5 16 HWFET Trước khi thay đổi Kp, Ki Tương tự như chế độ City, chế độ HWFET tại thời điểm 40 (s) đã bị vọt lố lên không bám sát theo vận tốc mong muốn Nên ta tiến hành thay đổi hệ số Kp, Ki lần lượt là 0.05 và 0.0042 và ta được kết quả mong muốn ở đồ thị bên dưới
Hình 5 17 HWFET Sau khi thay đổi Kp, Ki
Sau khi thay đổi giá trị Kp, Ki cho mỗi tình huống, error đã giảm một cách đáng kể trong cả hai chế độ drive cycle, vì vậy tốc độ của xe (Vehicle Speed) đã bám theo tốc độ yêu cầu (Reference Speed) tốt hơn trong quá trình xử lý
Khối Fuel Economy sẽ được so sánh với thông số MPG (Miles Per Gallon) của mẫu xe Toyota Prius:
Bảng 5 2 So sánh thông số MPG mô phỏng và thực tế Kết luận: thông số MPG của Toyota Prius và MPG của Matlab/Simulink ta thấy hai thông số của hai chế độ này gần đạt được thông số của Toyota Prius
