vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu và chữ viết tắt Giải tích ý nghĩa Ghi chú EV Electric Vehicles Các xe điện HEV Hybrid Electric Vehicles Các xe lai ICE Internal Combustion Engines Đ
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Tính quan trọng của đề tài: Hệ thống phanh là một phần quan trọng trong bất kỳ phương tiện thông tin nào Nó đảm bảo sự an toàn cho người lái, hành khách và các phương tiện xung quanh Với nguy cơ nguồn tài nguyên tiêu thụ và hợp tác tiêu cực cho môi trường, việc nghiên cứu và phát triển hệ thống phanh tái sinh có thể cải thiện được đáng kể đến hiệu suất và tiết kiệm năng lượng Ứng dụng thực tế: Công nghệ tái sinh năng lượng đã trở nên quan trọng hơn trong ngành công nghiệp ô tô Một hệ thống phanh tái sinh có thể tái sinh sử dụng năng lượng từ quá trình phanh để nạp lại chốt hoặc cung cấp năng lượng cho các hệ thống khác trong xe, giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải nhà kính Đóng góp vào sự phát triển bền vững: Xe hơi đóng vai trò quan trọng trong nguy cơ gây ra biến đổi khí hậu Bằng cách nghiên cứu và phát triển hệ thống phanh tái sinh, có thể đóng góp vào mục tiêu của ngành công nghiệp trong việc giảm thiểu tác động xấu đối với môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững
Tính công thức và phát triển nghề nghiệp: Đề tài này yêu cầu kiến trúc chuyên sâu về cơ khí, điện tử và công nghệ phòng thí nghiệm, cùng với khả năng nghiên cứu và phát triển công nghệ mới Thực hiện đồ án này sẽ giúp chúng em phát triển kỹ năng quan trọng và có thể tạo điều kiện tốt cho sự phát triển nghề nghiệp trong lĩnh vực công nghệ xanh
Tóm lại, việc chọn đề tài “Nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô điện” không những có ý nghĩa quan trọng về mặt kỹ thuật và môi trường mà còn có tiềm năng đóng góp vào sự phát triển bền vững và sự nghiệp của chính bản thân trong công nghiệp chuyên nghiệp.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài này trình bày rõ nội dung lý thuyết về phanh tái sinh trên ô tô điện Nghiên cứu tính toán năng lượng thu hồi từ phanh tái sinh trên ô tô điện Việc mô phỏng hệ thống bằng Matlab giúp sinh viên có thể hiểu sâu hơn về đặc tính ô tô điện Đó là những kiến thức cần
2 thiết để ứng dụng trong tương lai gần khi xe lai và xe điện đang dần thay thế xe động cơ đốt trong thông thường.
Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
Tiến hành nghiên cứu sự thu hồi năng lượng và hiệu quả thu hồi năng lượng trên xe ô ô điện khi sử dụng phanh tái sinh.
Tính cấp thiết của đề tài
Tình hình nghiên cứu ngoài nước:
Tất cả hãng xe trên thế giới đều đang tìm cách nghiên cứu để phát triển xe điện, xe lai các dòng xe thân thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu và nhằm thay thế xe sử dụng động cơ đốt trong trong tương lai sắp tới Có thể kể đến một trong những giải pháp tiết kiệm năng lượng là sử dụng phanh tái sinh
Tình hình nghiên cứu trong nước: Ô tô Hybrid hay gần đây nhất là ô tô diện đang dần xuất hiện rất nhiều ở nước ta Nhận thấy được rằng các nguồn năng lượng truyền thống là có giới hạn và sử dụng nguồn này gây nên ô nhiễm môi trường rất trầm trọng
Nước ta hiện nay rất đang tích cực nghiên cứu việc sử dụng năng lượng điện thay cho năng lượng hóa thạch truyền thống Ô tô điện, ô tô Hybrid hiện nay đang xuất hiện khá nhiều ở nước ta, thậm chí có khả năng thay thế hoàn toàn các loại xe sử dụng xăng, dầu truyền thống Điển hình, ở nước ta còn có hãng xe VinFast đã và đang sản xuất xe diện để sử dụng trong nước và xuất khẩu sang nước ngoài
Tổng quan, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống phanh tái sinh trên ô tô đã thể hiện sự quan tâm đáng kể từ cả cộng đồng nghiên cứu và ngành công nghiệp ô tô
Sự tiến bộ trong lĩnh vực này có tiềm năng mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường
Mô hình tổng quát xe điện
Trong những năm trở lại đây, việc phát triển dòng xe chạy bằng điện đang là xu hướng toàn cầu mà rất nhiều các hãng xe hơi truyền thống cũng nhắm đến Hiện tại, hầu như tất cả các hãng xe hơi truyền thống đều đã và đang phát triển các mẫu ô tô điện của riêng mình Trong đó cũng phải kể đến như hãng Tesla, một hãng xe chỉ tập trung vào sản xuất xe ô tô điện Ở Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, VinFast – hãng xe ô tô đầu tiên của Việt Nam cũng chuyển hướng sang phát triển dòng xe điện với liên tiếp các mẫu xe được tung ra thị trường như VFe34, VF8, VF5… Chính vì thế làm “thổi bùng” lên sự quan tâm của công chúng đối với xe ô tô điện, cấu tạo, cách thức hoạt động của chúng, và những khác biệt của ô tô điện với ô tô truyền thống
Một chiếc ô tô điện thường sẽ có ít bộ phận hơn so với ô tô dùng nguyên liệu hóa thạch truyền thống Cụ thể thì xe điện được cấu tạo bởi thân xe, mô tơ điện, pin, cổng sạc, hộp số, bộ sạc trên xe, ắc-quy phụ, hệ thống tản nhiệt, bộ điều khiển điện tử và bộ đổi điện Những thành phần chính của ô tô điện:
Hình 1.1 Thành phần chính của ô tô điện
4 Ô tô điện sử dụng năng lượng tái tạo có chứa trong hệ thống pin để quay vòng động cơ nhằm cung cấp nguồn năng lượng để phục vụ nhu cầu lái xe Đây là sự khác biệt rõ ràng nhất giữa ô tô sử dụng động cơ đốt trong hoá thạch; theo đó động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học giúp tạo thêm động lực vận hành xe Và đây cũng là điểm then chốt giúp xe điện được coi là thân thiện với môi trường hơn xe sử dụng động cơ đốt trong Ô tô điện sử dụng pin nên không cần đến động cơ hay bộ truyền động như động cơ đốt trong Thay vào đó, ô tô điện cần có những bộ phận cơ bản để hoạt động như: động cơ điện, bộ giảm tốc, pin (ắc quy), bộ sạc trên bo mạch, bộ điều khiển nguồn, phanh tái sinh Đây đều là những thành phần thiết yếu để chuyển đổi năng lượng pin thành động năng cung cấp năng lượng cho xe điện
1.5.1 Động cơ điện/ Mô tơ điện
Hình 1.2 Mô tơ/động cơ điện Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành động năng để truyền động bánh xe Sử dụng động cơ điện thay cho động cơ đốt trong có nhiều ưu điểm, trong đó: Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành động năng để truyền động bánh xe
Sử dụng động cơ điện thay cho động cơ đốt trong có nhiều ưu điểm, trong đó: Tiếng ồn và độ rung: Nhiều hành khách lần đầu lái xe điện rất ngạc nhiên trước cảm giác lái êm ái và thoải mái Động cơ điện có thể truyền một lượng mô-men xoắn rất lớn khi khởi động hoặc ở tốc độ thấp nên xe khởi động rất nhanh và tăng tốc ngay lập tức
Ngoài ra, hệ truyền động của xe điện luôn nhỏ hơn và êm hơn so với hệ truyền động sử dụng động cơ đốt trong, giúp cung cấp thêm không gian cho các thiết kế xe hiệu quả hơn, chẳng hạn như nội thất và cốp xe lớn hơn
Hình 1.3 Động cơ điện trên ô tô điện Các loại động cơ điện được sử dụng chủ yếu hiện nay là động cơ đồng bộ ba pha, động cơ không đồng bộ ba pha và động cơ từ trở Việc sử dụng loại động cơ này đã dẫn đến việc loại bỏ hoàn toàn hệ truyền động ở hầu hết các mẫu ô tô điện, khiến chúng dễ lái hơn nhiều
Ngoài ra, vì động cơ điện rất nhỏ, gọn, với khối lượng nhẹ nên nhiều hãng xe ô tô cũng trang bị từng động cơ điện cho từng bánh xe, để xe có khả năng dẫn động 4 bánh toàn thời gian mà không cần trang bị thêm bộ vi sai
Một phần của động cơ cũng là một máy phát điện, nó chuyển đổi động năng được tạo ra khi ở Neutral Gear hay số N (ví dụ như khi ô tô đang xuống dốc) thành năng lượng điện và
6 được lưu trữ vào pin Ý tưởng tiết kiệm năng lượng tương tự cũng được áp dụng khi xe giảm tốc độ, mà đỉnh cao là “hệ thống phanh tái tạo”
Một số mẫu xe điện của Tập đoàn ô tô Hyundai được trang bị cơ chế cho phép kiểm soát mức độ phanh tái tạo thông qua lẫy chuyển số trên vô lăng, điều này không chỉ góp phần cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu mà còn tăng cảm giác lái thích thú và cải thiện khả năng kiểm soát của người lái trong khi điều khiển
Hình 1.4 Hộp giảm tốc của ô tô điện
Bộ giảm tốc là một phần của hệ thống truyền lực Tuy nhiên, thuật ngữ hộp số không được sử dụng thay cho bộ giảm tốc mà vì có lý do: Động cơ điện nhanh hơn nhiều so với động cơ đốt trong Trong khi hộp số điều chỉnh mô men xoắn được truyền từ động cơ đốt trong đến các bánh xe chủ động để có thể thích hợp với nhu cầu của người tài xế, bộ giảm tốc phải luôn giảm số vòng tua máy xuống một mức độ thích hợp Với tốc độ vòng quay giảm, hệ thống truyền động của ô tô điện có thể tận dụng lợi thế của mô men xoắn cao hơn 1.5.3 Pin xe điện a Khối Pin:
Hệ thống Pin là trái tim của ô tô điện, có kích thước lớn và nằm dưới sàn ô tô Ô tô điện ngày nay sử dụng công nghệ pin lithium-ion có thể sạc lại nhiều lần Trong quá trình sạc, các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm và ngược lại trong quá trình phóng điện
Hình 1.5 Pin xe điện Hyundai và Kia Pin của xe điện có chức năng lưu trữ năng lượng điện và đóng vai trò như bình nhiên liệu giống như xe sử dụng động cơ đốt trong Ngoài ra, quãng đường di chuyển tối đa của ô tô điện thường được xác định bởi dung lượng của pin (dung lượng càng lớn thì quãng đường đi được càng dài) Trong bối cảnh đó, việc tăng thêm dung lượng cho pin vẫn luôn là yêu cầu cần thiết nhất đối với xe điện, bởi hành trình dài giúp giảm nhu cầu dừng chân thường xuyên ở các trạm sạc
Tuy nhiên, không dễ để tăng dung lượng pin bởi vì kích thước và khối lượng của pin tăng cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của xe
Pin kích thước lớn hơn và nặng hơn sẽ giúp tăng đáng kể dung lượng pin tuy nhiên cũng sẽ chiếm mất diện tích cabin/khoang hành lý và làm mất hiệu suất năng lượng và tiêu hao nhiên liệu Do đó, cách tốt nhất để tối đa hoá hiệu suất là tăng mật độ năng lượng của pin – tức là pin cần thoả mãn được tiêu chuẩn gọn, nhẹ để lưu trữ được nhiều năng lượng điện nhất có thể
Phân loại hệ thống phanh tái sinh
1.6.1 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng Áp dụng rộng rãi trên xe EV và HEV Năng lượng điện cần thiết để lái xe có thể được lưu trữ bằng các thiết bị điều khiển, chuyển đổi động năng trong quá trình phanh thành điện năng lưu trữ trong ắc quy để tái sử dụng Động cơ truyền động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp tải chống lại chuyển động quay của bánh xe đóng vai trò như một mô men phanh Trong quá trình phanh
18 tái tạo, động cơ điện đóng vai trò như một máy phát để sạc pin nên hiệu suất sạc thấp khi xe chạy ở tốc độ thấp, do đó ở dải tốc độ này người ta thường sử dụng hệ thống phanh tái tạo bằng phanh cơ học
Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năngTrên xe điện, bộ truyền động phanh RBS là những động cơ/máy phát điện hoạt động ở các chế độ khác nhau, có thể hoạt động với điện áp DC hoặc AC Các thiết bị lưu trữ năng lượng tái tạo trong quá trình phanh có thể là pin, siêu tụ điện hoặc kết hợp cả hai Hệ thống RBS với thiết bị lưu trữ năng lượng bằng pin thường được sử dụng cho xe EV và HEV và yêu cầu bộ chuyển đổi điện (biến tần và bộ chuyển đổi)
Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter
Hình 1.18 Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh sử dụng siêu tụ 1.6.2 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực
Hệ thống phanh tái sinh lưu trữ năng lượng ở dạng thủy lực bằng cách sử dụng bộ tích lũy thủy lực hình trụ có khả năng lưu trữ một lượng lớn dầu dưới áp suất Thiết bị này lưu trữ năng lượng bằng cách nén khí (thường là nitơ) Một hệ thống thủy lực hybrid cơ bản
20 thường bao gồm: bình ắc quy, bình dầu và bơm/động cơ thủy lực Tuy nhiên, hình thức lưu trữ này kém hiệu quả hơn ở tốc độ thấp do tổn thất cơ học đáng kể
Có 2 loại cấu trúc hệ thống truyền động hybrid thủy lực:
+ Loại tích hợp hoặc nối tiếp dựa trên cơ chế truyền động thủy tĩnh thuần túy và cần có máy bơm và động cơ máy bơm/bơm Cấu trúc này cho phép phanh tái tạo và lưu trữ năng lượng trong bộ tích lũy và năng lượng này sẽ dẫn động xe trong quá trình tăng tốc thông qua hộp số
Hình 1.19 Hệ thống tích trữ năng lượng kiểu dùng phanh thủy lực kiểu nối tiếp + Loại tiếp theo là loại song song chỉ cần một bơm/động cơ cộng với hộp số CVT tỷ số biến thiên liên tục Hệ thống hybrid thủy lực song song bao gồm các máy bơm/động cơ thủy lực được gắn trên hộp số của một chiếc xe thông thường Hệ thống này hỗ trợ động cơ xăng trong quá trình tăng tốc Nó không cho phép động cơ xăng dừng lại khi xe đứng yên Điều này có nghĩa là động cơ vẫn đang chạy
Nếu sử dụng hộp số thì động cơ vẫn được kết nối với hệ thống truyền động để dẫn động các bánh xe Kiểu kết cấu này phát huy tác dụng khi hệ thống thủy lực bị hỏng mà xe vẫn có thể hoạt động được
Bộ phân phối điện thủy lực bao gồm hai bộ phận thủy tĩnh có hành trình thay đổi, một thiết bị phân phối điện và một bộ tích lũy năng lượng Cấu trúc này cho phép lưu trữ năng lượng phanh tái tạo thuận tiện và có thể khởi động động cơ xăng vào thời điểm hiệu quả nhất
Hình 1.20 Hệ thống tích trữ năng lượng kiểu sử dụng phanh thủy lực theo kiểu song song
1.6.3 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng bánh đà
Năng lượng tích trữ trong bánh đà được tính theo công thức: E = 𝐽 𝜔 trong đó J là mô men quán tính và ω là tốc độ góc của bánh đà Năng lượng này tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ quay nên việc tăng tốc độ sẽ cho phép dự trữ nhiều năng lượng hơn Vì vậy, bánh đà dùng làm thiết bị lưu trữ năng lượng phải quay với tốc độ rất cao và phải đặt trong môi trường chân không để giảm sức cản của gió
Hiện có hai nhà sản xuất bánh đà tốc độ cao dựa trên công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System) lần đầu tiên áp dụng cho xe đua F1 trên thế giới: Flybrid và Williams Hybrid Power
Hình 1.21 Công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System)
Hình 1.22 Dòng Flybrid KERS trên Volvo S60 Bánh đà của Flybrid là một hệ thống kiểu cơ khí thuần túy Có thể gắn vào nhiều bộ phận quay của hộp số, từ trục vòng tua động cơ đến bộ vi sai, bánh đà kết nối với hộp số có nhiều tỷ số tùy theo số vòng tua động cơ Loại bánh đà này thường được sử dụng trên ô tô du lịch khi sử dụng hộp số CVT (Truyền động biến thiên liên tục) Để giảm chi phí, cũng có thể sử dụng hộp số truyền thống với các bánh răng và ly hợp thay thế
Hình 1.23 Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà
Không giống như Flybird, hệ thống Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng điện để lưu trữ hoặc lấy năng lượng ra khỏi bánh đà, tận dụng Composite từ tính (MLC) để đạt hiệu suất chuyển đổi rất cao Do giá thành cao hơn nên hệ thống này được áp dụng cho các loại xe cao cấp Xe đua 918 RS R Hybrid của Porsche sử dụng hệ thống WHP và vận hành thông qua động cơ điện đặt ở bánh trước
Hình 1.24 Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept
Theo nghiên cứu mới nhất hiện nay, bánh đà sợi carbon KERS của Volvo được trang bị trục sau Nó chỉ nặng 6 kg, có đường kính 20 cm và có thể quay với tốc độ 60.000 vòng/phút Với thêm 80 mã lực, chiếc xe này tăng tốc lên 100 km/h chỉ trong 5,5 giây
Bố cục đồ án
Đồ án bao gồm 83 trang (không kể phần tài liệu tham khảo và mục lục), 91 hình và 7 bảng biểu Ngoài phần mở đầu đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Trình bảy tổng quát về xe điện, phân loại các loại hệ thống phanh tái sinh
Chương 2: Trình bày các công thức tính toán động lực phanh, mô hình ắc quy, tính toán phanh thủy lực, mô men phanh tái sinh, thuật toán điều khiển phanh tái sinh
Chương 3: Mô phỏng xe ô tô điện trên MATLAB/SIMULINK cho chạy thử nghiệm trên các chu trình lái để tính toán, đánh giá khả năng thu hồi của xe ô tô điện
Chương 4: Rút ra những điều vừa làm được trong đồ án cũng như là những thiếu sót và hướng phát triển đồ án
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công thức tính toán động lực quá trình phanh
Để có cơ sở tính toán và thiết kế các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh trước tiên ta hãy đi phân tích các giá trị công suất phanh cần thiết và động lực học đối với một chiếc xe khi phanh hoặc giảm tốc Trước tiên ta đi xét phương trình động lực học tổng quát của ụ tụ khi chuyển động trờn đường Mụ hỡnh khảo sỏt là mụ hỡnh phanh ẵ khi phanh xe trên đường bằng có hệ thống thu hồi năng lượng phanh kết hợp với hệ thống phanh thủy lực Từ đó lập các hệ phương trình tính toán hệ thống phanh thủy lực thông thường, hệ thống phanh tái sinh và điều khiển hệ thống theo thuật toán Lúc này, các lực tác dụng lên xe sẽ được trình bày như trong hình dưới đây
Hình 2.1 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh Trong đó:
Lực 𝐹 và 𝐹 : Là lực dọc của bánh xe cầu trước và cầu sau
Với lực dọc bánh xe cầu trước là : 𝐹 = 𝐹 + 𝐹 (2.1)
Và lực dọc bánh xe cầu sau là : 𝐹 = 𝐹 + 𝐹 (2.2)
𝐹 và 𝐹 là lực phanh các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau
𝐹 và 𝐹 là lực cản lăn các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau
Lực pháp tuyến 𝑍 , 𝑍 : là các phản lực từ mặt đường lên các bánh xe cầu trước và cầu sau
𝜔 và 𝜔 là vận tốc góc của bánh trước và bánh sau
𝑉 là vận tốc của Ô tô
𝐹 là lực quán tính của Ô tô khi phanh
Mô men phanh bánh trước 𝑴 𝒑𝟏 và bánh sau 𝑴 𝒑𝟐 Với 𝑀 = 𝑀 + 𝑀 (2.3)
𝑀 là lực phanh của hệ thống phanh tái sinh trên cầu trước
𝑀 là lực phanh của hệ thống phanh thủy lực trên bánh trước
Phương trình cân bằng lực kéo của xe trường hợp khi phanh xe trên đường bằng:
𝐹 được tính theo công thức:𝐹 = 𝑤 𝐹 𝑣 [𝑁]
Với 𝑤 là hệ số cản không khí ta chọn 𝑤 = 0,36 [𝑁 𝑠 /𝑚 ]
𝐹 là diện tích cản chính diện [𝑚 ]
𝑣 là vận tốc tương đối giữa Ô tô và không khí: 𝑣 = 𝑉 ± 𝑣
𝑣 là vận tốc gió Chọn vận tốc gió 𝑣 = 0 Nên 𝑣 = 𝑉 [𝑚/𝑠]
Lực cản lăn được tính theo công thức: 𝐹 + 𝐹 = 𝑓(𝑍 + 𝑍 ) (2.5)
Trong đó: m là khối lượng của xe [kg]; g là gia tốc trọng trường [𝑚/𝑠 ]; ℎ là chiều cao trọng tâm xe [m]; L là chiều dài cơ sở của ô tô [m]
Xác định mô men quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc
Mô men quán tính của xe khi xe đang trong quá trình phanh hoặc giảm tốc Khi xe bắt đầu quá trình giảm tốc thì lực tác dụng lên làm cho xe đang chuyển động là lực quán tính tại thời điểm đó sau khi đã trừ đi các lực cản gió, lực cản lăn… Lúc này mô men đặt tại bánh xe chủ động (xe cầu sau chủ động) sẽ là:
Mô men tại bánh xe chủ động = Mô men quán tính của xe – Mô men cản lăn – Mô men cản gió
𝑀 = 𝑓 𝑚 𝑔 𝑟 [𝑁𝑚]với 𝑟 là bán kính bánh xe (2.9)
𝑀 là mô men quán tính của xe được quy về bánh xe chủ động bao gồm mô men quán tính của chuyển động tịnh tiến và mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay trong hệ thống truyền lực bao gồm từ động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng và bánh xe chủ động
𝛿 là Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động Hệ số 𝛿 có thể xác định theo 2 cách: Đó là theo công thức thực nghiệm và theo thực nghiệm
Công thức tính toán mô hình ác quy
Hình 2.2 Mô hình ắc quy Công suất sạc của ắc quy: 𝑃 = −𝑉 𝐼 (2.12) Trong đó 𝑃 là công suất sạc [W]
𝑉 tổng điện áp của ắc quy
𝐼 dòng điện của mỗi mô đun
Theo đó 𝑉 và 𝐼 được xác định theo công thức:
𝜏: hằng số chuyển đổi theo thời gian [s]
𝑁 : số cặp cực mắc song song
Trạng thái sạc của ắc quy lúc này được tính theo công thức:
𝑆𝑂𝐶 = ∫ 𝐼 𝑑𝑡 (2.15) 𝐶𝑎𝑝 : dung lượng ban đầu của pin [Ah]
Nhằm giảm thiểu các hư hỏng cho ắc quy, công suất sạc cho ắc quy phải được giới hạn lại Khi dòng điện sạc đạt cực đại 𝐼 thì công suất sạc cực đại được tính theo công thức:
𝐸 : điện áp mở mạch của ắc quy [V]
Mô hình tính toán quá trình phanh
2.3.1 Công thức tính toán phanh thuỷ lực
Hình 2.3 Cấu tạo phanh đĩa
Cơ cấu phanh sẽ sinh ra Mô men phanh:
M: mô men do cơ cấu phanh thủy lực sinh ra [Nm]
𝜇: hệ số ma sát của đĩa với má phanh
Ba: hệ số cơ cấu truyền động phanh
𝑅 bán kính trung bình từ trục phanh đến má phanh: 𝑅 = 𝑅 + 𝑅 [𝑚] (2.18)
𝑅 : bán kính trong của má phanh [m]
𝑅 : bán kính ngoài của má phanh [m]
𝑁 : số lượng má phanh trong cụm phanh đĩa
2.3.2 Công thức tính toán mô men phanh của hệ thống thu hồi năng lượng
Mô men phanh của hệ thống thu hồi năng lượng sẽ được tính theo công thức:
𝑀 : mô men thu hồi [Nm]
𝑀 : mô men hãm của động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát [Nm]
𝐾 : hệ số % khả năng nạp điện của pin
Mô men hãm của máy phát:
𝑀 : mô men cực đại của động cơ điện
𝑃 : công suất cực đại của động cơ điện
𝜔 : vận tốc góc cơ bản của động cơ điện
𝜔 : tốc độ trục của động cơ điện
Hình 2.4 Đường đặc tính của động cơ điện 3 pha có chổi than
Do đường đặc tính của động cơ điện, cho nên khi tốc độ thấp thì công suất thu hồi nhỏ làm hiệu quả thu hồi kém Vì vậy tốc độ ô tô 𝑉 < 2,2 Km/h thì hệ thống thu hồi sẽ không làm việc
Hình 2.5 Quan hệ giữ 𝐾 và vận tốc ô tô
Hệ số 𝑲 𝑺𝑶𝑪 là để đảm bảo cho pin của xe không bị quá nạp, khi pin đã được nạp đầy rồi thì không cần phải nạp pin nữa Do đó, khi %SOC = 100% thì hệ thống thu hồi sẽ không làm việc
Hình 2.6 Quan hệ giữa hệ số 𝐾 và %SOC Năng lượng thu hồi trong quá trình phanh
Năng lượng thu hồi được trong quá trình phanh sẽ được chuyển thành điện năng để nạp lại cho pin Công suất thu hồi trên máy phát sẽ được tính theo công thức dưới đây:
𝑀 : mô men thu hồi của máy phát [Nm]
𝜔: tốc độ góc bánh xe trước [rad/s]
𝑖: tỉ số truyền của hệ thống truyền lực
Công thu được của quá trình thu hồi năng lượng được tính theo công thức:
𝐴 : công thu được của quá trình thu hồi [J]
2.3.3 Thuật toán điều khiển hệ thống phanh
Hình 2.7 Thuật toán điều khiển hệ thống phanh
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ ĐIỆN
Tính toán, mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của xe VF e34
Chiều dài cơ sở (mm) 2610
Khoảng sáng gầm xe không tải/đầy tải (mm) 180/140
Trọng lượng không tải (kg) 1490
Lốp trước và sau 215/45 R18 ĐỘNG CƠ
Công suất tối đa (kW/hp) 110/147
Mô men xoắn cực đại (Nm) 242
Quãng đường chạy mỗi lần sạc đầy (km) 300
Mô hình được mô phỏng ở đây là xe ô tô điện được xây dựng hoàn chỉnh với động cơ máy phát điện, ắc quy, hộp số, vi sai và các thuật toán điều khiển hệ thống truyền động liên quan được mô tả như hình dưới đây:
Hình 3.2 Mô hình tổng quát mô phỏng hệ thống thu hồi năng lượng trên xe ô tô điện EV
Khối Enviroment
Hình 3.4 Khối Enviroment Đây là khối sẽ nạp các điều kiện về môi trường vào trong khối controller để khối có thể điều khiển một cách chính xác nhất
Cụ thể các điều kiện về môi trường như sau:
Hình 3.5 Chi tiết trong khối Enviroment Nhiệt độ (Temp - Temperature), Áp suất khí quyển (Baro - Barometer), góc dốc và mặt đất (Grade, Ground) và gió ở cả 3 chiều không gian (wind x-y-z).
Khối Controllers
Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống trong khối controllers Gồm 3 khối:
Powertrain Control Input : Đầu vào Điều khiển hệ thống truyền động
Từ dữ kiện ở khối Longitudinal Driver và các thông số xe lúc đó, cho ra 7 đầu vào để đi vào khối mô đun chính
Powertrain Control Module: Module Điều khiển hệ thống truyền động
Powertrain Control Output: Đầu ra Điều khiển hệ thống truyền động
Powertrain Control Module (PCM): Module điều khiển hệ thống truyền động
Tổng hợp lệnh moment động cơ và lệnh moment phanh để đi đến việc điều khiển hệ thống truyền động cuối cùng
Hình 3.8 Module điều khiển hệ thống truyền động Input:
AccCmd: lệnh gia tốc (đạp ga)
DecCmd: lệnh giảm tốc (đạp phanh)
VehSpdFdbk: phản hồi vận tốc xe
BattSoc: trạng thái sạc của pin
BattPwr: công suất của pin
MotSpd: tốc độ động cơ
MotTrqCmd: lệnh mô men của động cơ
Hình 3.9 Khối điều khiển phanh tái sinh
Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh Nội dung chính:
- Tổng mô men phanh yêu cầu dựa trên áp suất phanh và các thông số của phanh
- Sử dụng phanh động cơ tái sinh càng nhiều càng tốt
- Yêu cầu mô men phanh nào mà động cơ không thể cung cấp, sẽ được cung cấp bởi hệ thống phanh ma sát
MotSpd: tốc độ động cơ
BrkPrsReq : yêu cầu áp suất phanh
BattSoc: trạng thái sạc của pin
MotTrqCmdRegen: Lệnh mô men tái sinh
3.3.2 Các thuật toán chính trong khối Regenerative braking control
Tính toán hệ số tái sinh (RegenFactor):
Tốc độ động cơ và trạng thái sạc của pin sẽ được nội suy qua bảng nội suy 1 chiều được thiết lập sẵn để đưa ra 2 hằng số Tích 2 số đó chính là hệ số tái sinh
Tính toán mô men tái sinh:
Tốc độ động cơ sẽ được chuyển đổi từ rad/s sang RPM, đưa qua khối nội suy 1 chiều MaxMotTrqVsSpd được thiết lập sẵn để nội suy từ tốc độ động cơ sang mô men động cơ Cuối cùng nhân mô men động cơ đó với tỉ số truyền để đưa về mô men ở bánh xe Áp suất phanh yêu cầu sẽ được nhân với hằng số kết cấu để có được tổng mô men phanh yêu cầu
Chọn mô men nhỏ hơn trong số 2 mô men vừa tìm được ở trên, nhân với hệ số tái sinh
Ta có được mô men tái sinh ở bánh xe
Lệnh tổng mô men tái sinh ở động cơ:
Lấy mô men tái sinh ở bánh xe chia cho tỉ số truyền từ bánh xe đến động cơ, sau đó nhân với (-1) để được tổng mô men tái sinh ở động cơ
Lấy tổng mô men phanh yêu cầu trừ cho mô men tái sinh ở bánh xe Sau đó đưa qua khối giới hạn tín hiệu đầu vào để đảm bảo mô men nằm trong điều kiện Cuối cùng chia cho hằng số kết cấu để tính ra được mô men phanh (lệnh phanh)
Khối Passenger Car
Hình 3.11 Khối Passenger Car Khối Passenger Car nhận thông số là Mô men động cơ (MotTrq) đi qua các khối trục lái, vi sai, bánh xe và phanh để cho ra tốc độ của xe và tốc độ động cơ
Hình 3.12 Mô hình truyền lực xe 3.4.1 Khối vi sai, thông số khối vi sai
Thông số của khối vi sai:
Hình 3.14 Thông số khối vi sai 3.4.2 Khối mô phỏng theo phương dọc bánh xe lí tưởng
Hình 3.15 Khối mô phỏng theo phương dọc bánh xe lí tưởng
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật xe Vinfast VFe34 Kích thước (D x R x C) 4300 x 1768 x 1613
Trọng lượng không tải 1490 kg
Trọng lượng mô phỏng (Khi có 2 người trên xe)
47 Hình 3.17 Thông số khối Vehicle Body
Hình 3.18 Khối điều khiển điện động cơ
Hình 3.19 Khối Pin Bảng 3.3 Thông số Pin
Loại ắc quy Lithium-ion
Số module 11 module Điện áp trên mỗi module 36V Điện áp tống 396V
Hình 3.20 Thông số khối pin
Bảng 3.4 Thông số mô tơ điện
Loại động cơ VFAAGB PMSM
Công suất lớn nhất 110 kW
Mô men xoắn lớn nhất 242 Nm
Hình 3.21 Khối Mapped motor Trong khối Torque Limit cuối cùng:
Nội suy tốc độ động cơ hiện tại sang mô men thông qua khối nội suy ở trong MaxMotTrqVsSpd được thiết lập sẵn Lập giới hạn trên và dưới cho mô men động cơ Kiểm tra, giới hạn mô men động cơ bằng giới hạn mô men được nội suy từ tốc độ động cơ Xuất ra lệnh mô men động cơ cuối cùng
Hình 3.22 Khối Dynamic Motor Khối Motor này mô phỏng lại động cơ điện trên một chiếc xe điện (MotGenEvDynamic Motor Generator Electriec vehicle dynamic động cơ tạo động lực của xe điện) Khối Motor được mô phỏng từ động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ chìm (interior permanent magnet synchronous motor) - Đây là loại động cơ có những ưu thế gần như tuyệt đối trong việc ứng dụng vào xe ô tô điện Trong đó có Tesla Model 3 và mẫu Vinfast mới nhất trên thị trường: Vinfast - e34 Động cơ có nam châm được gắn trên bề mặt rotor, vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt Qua đó, tạo khả năng sinh mômen từ trở cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm có khả năng sinh ra mômen rất cao Cấu tạo vượt trội của động cơ có khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt
Tổng quan khối này có 3 input và 2 output, 3 input là MotTrqCmd (Motor Torque Command - lệnh mô men động cơ) từ khối controller và MotSpd (Motor Speed - tốc độ động cơ) được hồi tiếp về từ khối Drive Train, và BusVolt (Battery Volt - Điện thế của pin) Với 3 input này, khối Motor sẽ tính toán và cho ra 2 output là MotCurnt (Motor Current - Dòng điện motor) và MotTrq (Motor Torque - Mô men động cơ)
Nguyên lý hoạt động của khối: Khối mô phỏng động cơ nam châm vinh cửu để tính toán mô men xoắn của động cơ và dòng điện của động cơ
51 Đầu tiên, bộ điều khiển nam châm vinh cửu (Interior PM Controller SS Trq) nhận các input: MotTrqCmd (Motor Torque Command - lệnh mô men động cơ) và BusVolt (Điện thế của pin) cùng với các tín hiệu được hồi tiếp từ động cơ nam châm vinh cửu (dòng điện của Stator, vị trí của động cơ) để tính toán được lệnh điện áp ba pha cho Stator của động cơ nam châm vinh cửu
Lệnh điện áp ba pha này sẽ được truyền vào Khối biến đổi điện áp ba pha (Three-Phase Voltage Source Inveter) để điều chỉnh điện áp một cách tối ưu cho stator và rotor của động cơ nam châm vinh cửu Đồng thời Khối biến đổi điện áp ba pha này sẽ chuyển đổi điện áp
1 chiều từ pin (BusVolt) thành điện áp xoay chiều và sử dụng các tín hiệu hồi tiếp từ động cơ để tính toán được dòng điện của động cơ và vận hành động cơ Động cơ nam châm vinh cửu sẽ nhận các đầu vào là tốc độ và điện áp ba pha từ bộ biến đổi để tính toán được mô men xoắn của động cơ, tính toán các điện áp của Stator và xác định vị trí của động cơ để hồi tiếp về cho bộ điều khiển
Chi tiết cách hoạt động của các khối:
Khối điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu
Hình 3.23 Khối điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu
Bộ điều khiển động cơ nam châm vinh cửu điều khiển mô men và từ thông, khối sẽ thực hiện các phương trình để đạt được mô men xoắn cực đại trên môi ampe và làm yếu từ thông Đồng thời khối sẽ tính toán được điện áp của Stator (PhaseVolt) dựa trên các input để truyền tới bộ chuyển đổi điện 3 pha
Khối có 2 Control Type là Speed Control (điều khiển tốc độ) và Torque Control (điều khiển mô men), khi ta chọn Speed Control thì khối sẽ tính toán để đưa ra lệnh mô men (Torque Command) nhưng vì ta đã có lệnh mô men từ khối Controller nên ta sẽ lựa chọn Control Type là Torque Control
Khối biến đổi điện áp ba pha
Hình 3.24 Khối biến đổi điện áp ba pha Khối Inverter như là một khối chuyển đổi dòng điện từ 1 chiều sang xoay chiều và hiệu chỉnh dòng điện, khối thực hiện chuyển đổi nguồn điện áp ba pha từ bộ điều khiển nam châm vinh cửu để tạo ra các điện áp trung tính cho tải ba pha cân bằng nhằm tiết kiệm và vận hành tốt hơn Sử dụng khối này kết hợp với hai khối nam châm vinh cửu và khối điều khiển nam châm vinh cửu để tạo thành một mô hình hồi tiếp để mô phỏng một động cơ
53 Hình 3.25 Mô tả khối cách khối điện áp ba pha hoạt động
Bảng 3.5 Công suất tổn hao từ các bộ phận Tổn hao thuộc về điện
Tổn hao cuộn dây Stator 𝑃 , = 3𝐼 𝑅
Tổn hao do điện áp rơi trên đi-ốt chỉnh lưu
Tổn hao do thiết bị công suất của bộ biến đổi điện
Tổn hao thuộc về từ tính
Tổn hao hiện tượng trễ 𝑃 = 𝐾 𝜔 𝐵
𝐾 : Hệ số dòng Eddy t : Độ dày hay độ dài của đường sức từ trong kim loại
𝐵: Mật độ từ thông trong mặt cắt ngang
𝐾 : Hệ số tổn hao do hiện tượng trễ
𝑉 : Điện áp qua đi-ốt chỉnh lưu
𝐼 : Dòng điện pha trong cuộn dây
𝑡 ( ) + 𝑡 ( ) : thời gian đóng + thời gian ngắt
Khối mô phỏng động cơ nam châm vĩnh cửu
Hình 3.26 Khối động cơ nam châm vĩnh cửu Khối Interior PMSM thực hiện mô phỏng một động cơ đồng bộ nam châm vinh cửu ba pha Chính là bộ stato và roto trong motor, sử dụng các đầu vào ba pha để điều chỉnh các dòng pha riêng lẻ, cho phép điều khiển mô men xoắn hoặc tốc độ động cơ Khối sử dụng các đầu vào là Spd (Speed - tốc độ động cơ) và PhaseVolt (điện áp ba pha) để tính toán được các dòng điện ba pha của stator (PhaseCurr - PhaseCurrent), mô men xoắn của động cơ và xác định vị trí của động cơ
Khối thực hiện các phương trình sau để tính toán Mô men động cơ:
Bảng 3.6 Đại lượng sử dụng trong tính toán mô men động cơ
𝐿 , 𝐿 Độ tự cảm theo trục d và q
R Điện trơ của cuộn dây stator
𝑖 , 𝑖 Dòng điện theo trục d và q
𝑣 , 𝑣 Điện áp theo trục d và q
𝜔 Vận tốc góc cơ học của động cơ
𝜔 Vận tốc góc theo điện của động cơ
𝜆 Hệ số liên kết từ thông nam châm vinh cửu
P Số cặp cực của động cơ
3.4.6 Các bảng nội suy trong CONTROLLERS
Hình 3.27 Sơ đồ các bảng nội suy
Hình 3.28 MaxMotTrqVsSpd (Nội suy tốc độ động cơ (vòng/phút) sang Mô men động cơ)
Hình 3.30 DisChargLmt (Nội suy trạng thái pin (% pin) sang hệ số giới hạn xả)
Hình 3.31 ChargLmt (Nội suy trạng thái pin (% pin) sang hệ số giới hạn sạc)
Hình 3.32 Eff map (Nội suy 2 chiều, cho ra công suất vật lý từ tốc độ động cơ và mô men tương ứng)
Khối Longitudinal Drive
Hình 3.33 Khối Longitudinal Driver Khối Longitudinal Driver sẽ có 2 input: Vref (Velocity Reference - Vận tốc tham chiếu) được nhận từ khối Driver cycle source (FTP75), Vfdbk (Velocity Feedback - Vận tốc phản hồi từ khối mô hình xe) Và 1 output: OpCmds (Operation Commands - Các lệnh vận hành)
Cụ thể như sau: 2 input sẽ được truyền vào khối Longitudinal Driver Model, ngoài ra còn 1 input phụ là Grade (góc dốc) Khối sẽ theo dõi tốc độ dọc để tạo các lệnh phanh và gia tốc chuẩn hóa dựa trên 2 input là vận tốc tham chiếu và phản hồi Và khối longitudinal driver model này sẽ theo dõi tốc độ dọc và tính toán theo dạng điều khiển PI để tạo ra được AccelCmd (Acceleration Command - Lệnh điều khiển gia tốc), và DecelCmd (Deceleration Command - Lệnh điều khiển giảm tốc) dựa trên 2 input là vận tốc tham chiếu và phản hồi
2 output này có trong đầu ra Info của khối và được đặt tên là Port 1 OpCmds (Operation Commands)
Tính năng của khối Longitudinal Driver Model
Hình 3.34 Các lựa chọn và thông số khối Longitudinal Driver Model
Tham số của khối sẽ bao gồm 2 phần lớn là cấu hình (Configuration) và điều khiển (Control) Phần tham số điều khiển đã được Matlab thiết lập sẵn trong ví dụ về xe điện này và sẽ thay đổi dựa trên lựa chọn của tham số cấu hình
Tham số cấu hình sẽ cho ta lựa chọn các dạng:
Dạng hộp số chuyển đổi (Shift type): do xe điện thường chỉ có 1 số trực tiếp nên phần hộp số chuyển đổi (Shift type) ta sẽ để là None
Dạng điều khiển (Control type): có 3 lựa chọn: điều khiển PI (PI), điều khiển PI theo lịch trình (Scheduled PI) và điều khiển theo dự đoán (Predictive)
Hình 3.35 Lựa chọn các dạng điều khiển
Lựa chọn điều khiển PI và PI theo lịch trình (Scheduled PI) nói chung là điều khiển PI (Proportinal and Integral Controller) gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân Được xem như bộ điều khiển lý tưởng của các ứng dụng điều khiển quá trình hiện đại Nó được dùng phổ biến trong các hệ thống điều khiển và tự động hoá trong công nghiệp hiện nay Để điều khiển lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, vv
Hạn chế độ dao động
Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất
Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố
Lựa chọn điều khiển theo dự đoán (Predictive) thể hiện hành vi điều khiển đánh lái của người lái trong quá trình di chuyển trên đường được xác định trước và tránh chướng ngại vật Khối sẽ:
Biểu thị động lực học dưới dạng phương tiện đường đơn tuyến tính
Giảm thiểu tín hiệu lỗi đã xem trước tại một điểm trước trong thời gian t (giây).
Các chu trình thử nghiệm (Drive Cycle Source)
Hình 3.36 Drive Cycle Source Để hiểu kỹ hơn về ý nghĩa của khối trên, trước tiên ta tìm hiểu về chu kỳ lái xe (Driving Cycle là gì
Một chu kỳ lái xe (driving cycle) là một tập hợp các giá trị nói chung và vận tốc so thới thời gian Đại diện cho cách một chiếc xe đi qua một con đường Nói các khác, nó sẽ là đồ thị vận tốc so với thời gian của một chiếc xe
Công dụng chính của chu kỳ lái xe là:
Để đánh giá hiệu suất của xe (tiết kiệm nhiên liệu, kiểm tra khí thải)
Để phân tích trạng thái pin và mức tiêu thụ năng lượng trong Xe điện
Để mô phỏng mô hình xe trước khi phát triển thực tế
Khi xem xét một chiếc xe điện, việc lựa chọn động cơ, các linh kiện điện tử, pin, các bộ phận cơ khí sẽ tham gia vào việc tính toán và tối ưu hóa để giảm tổn thất về năng lượng và chi phí
Một mô hình xe sẽ được mô phỏng trong phần mềm mô phỏng để đạt được hiệu suất trước khi phát triển thực tế Mọi thành phần trong xe điện đều được mô hình toán học trong ví dụ mô phỏng xe điện của Matlab Sự Tiêu thụ năng lượng , hiệu suất của pin, v.v được phân tích bằng cách mô phỏng mô hình
Chu kỳ lái xe được áp dụng trong ví dụ để mô phỏng lại tính toán năng lượng ở từng giai đoạn của các thành phần như trục, động cơ, bộ chuyển đổi, và pin
Có 2 loại chu kỳ lái xe: Chu kỳ lái xe mô hình (Model Driving Cycles) và Chu kỳ lái xe tạm thời (Transient Driving Cycles)
Chu kỳ lái xe tạm thời: chu kỳ lái xe tạm thời đại diện cho một kiểu thực tế của một chiếc xe bao gồm tăng tốc, giảm tốc, tốc độ không đổi, v.v Chu trình FTP-75 (Federal Test Procedure) là một ví dụ về Chu kỳ Lái xe Tạm thời
Hình 3.37 Chu trình FTP-75 Chu trình FTP-75 là chu trình thử nghiệm xe chạy ở trong điều kiện thành phố (Urban) của liên bang EPA Federal Test Procedure, theo tiêu chuẩn của Mĩ, nhằm đo lượng khí thải và khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe du lịch Giống với chu trình FTP – 72 nhưng cộng thêm 505 giây Đặc điểm chu trình là khi bắt đầu thử, động cơ được khởi động ở trạng thái nguội sau một đêm để ở nhiệt độ môi trường (20 °C) Tổng thời gian cho mỗi bài thử nghiệm theo tiêu chuẩn FTP-75 là 2474 giây trên quãng đường 17,77 (km) Chu trình gồm
- Giai đoạn 1 (Cold start transient phase) kéo dài trong 505s, tương ứng với quãng đường 5,78km với tốc độ trung bình 41,2km/h
- Giai đoạn 2 (Stabilized phase) kéo dài trong 866s
- Giai đoạn 3 (Hot soak period) động cơ dừng hẳn trong 10 phút
- Giai đoạn 4 (Hot start transient phase) giống như giai đoạn 1 và được khởi động lại sau khi đã dừng động cơ 10 phút
Chu kỳ lái mô hình: bao gồm tốc độ không đổi và không đại diện cho kiểu lái thực của một chiếc xe Chu trình WLTP là một ví dụ:
Hình 3.38 Chu trình WLTP Chu trình WLTP là chu trình thử nghiệm bao gồm 4 chu kỳ tương ứng với những điều kiện xe di chuyển khác nhau tại đô thị, ngoại ô, nông thôn và cao tốc, với tốc độ, thời gian và quãng đường di chuyển khác nhau Tổng thời gian cho mỗi bài thử nghiệm theo tiêu chuẩn WLTP là 1.800 giây trên quãng đường 23.266m Cụ thể:
Chu kì 1 (đô thị - tốc độ thấp) kéo dài trong 589 giây, tương ứng với quãng đường
3095 m với tốc độ tối đa là 56,5 km/h
Chu kì 2 (ngoại ô – tốc độ trung bình) kéo dài trong 433 giây, tương ứng với quãng đường 4756 m với tốc độ tối đa là 76,6 km/h
Chu kì 3 (nông thôn – tốc độ cao) kéo dài trong 455 giây, tương ứng với quãng đường 7162 m với tốc độ tối đa là 97,4 km/h
Chu kì 4 (cao tốc – tốc độ rất cao) kéo dài trong 323 giây, tương ứng với quãng đường 8254 m với tốc độ tối đa là 131,3 km/h
Chi tiết về khối Drive Cycle Source sẽ sử dụng chu kỳ lái xe trong ví dụ modeling xe điện của Maltab:
Hình 3.39 Các lựa chọn và thông số của khối Drive Cycle Source
Khối này sẽ tạo một chu trình chuyển động theo chiều dọc thẳng với 1 tiêu chuẩn cụ thể ở đây là FTP75 Ta có thể lựa chọn các tiêu chuẩn khác như WLTP, NEDC, FTP72,… có sẵn trong dữ liệu của matlab:
Hình 3.40 Các chu trình khác có thể lựa chọn Hoặc ta có thể thiết lập một tiêu chuẩn riêng bằng cách tạo 1 file riêng và nhập vào khối Đầu ra khối là tốc độ theo chiều dọc thẳng của xe được chỉ định - RefSpd (Reference Speed) với đơn vị là m/s, sử dụng để:
Dự đoán mô-men xoắn động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu mà một chiếc xe yêu cầu để đạt được tốc độ và khả năng tăng tốc mong muốn đối với một tham chiếu chuyển số nhất định
Tạo ra các tham chiếu vận tốc và chuyển số thực tế cho các lệnh tăng tốc và phanh vòng kín cho các mô hình điều khiển xe và nhà máy
Nghiên cứu, điều chỉnh và tối ưu hóa khả năng kiểm soát xe, hiệu suất hệ thống và độ mạnh của hệ thống qua nhiều chu kỳ truyền động.
Các kết quả mô phỏng
3.7.1 Kết quả mô phỏng với chu trình FTP75
Mô men thu hồi của mô tơ
Hình 3.41 Mô men thu hồi của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình FTP 75
Thời gian thu hồi của motor 358,1 (s), mô men thu hồi cực đại đạt 88,02 (Nm) tại giây thứ 25 (s), mô men thu hồi trung bình trên toàn chu trình 29,8 (Nm) Mô men thu hồi của chu trình có sự biến thiên lớn, các giá trị mô men được phân bố khá đều trong quá trình hoạt động do được thử nghiệm trong điều kiện thành phố
Lực phanh tái sinh tại cầu chủ động
Hình 3.42 Lực phanh tái sinh của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình FTP75
Vì đây là chu trình thử nghiệm xe chạy trong điều kiện thành phố nên phanh được sử dụng liên tục, trong đó lực phanh cực đại của phanh tái sinh là 2178,2 (N) Do có sự kết hợp hài hòa giữa phanh tái sinh và phanh thuỷ lực, khi chúng ta đạp phanh, mô men phanh thủy lực và mô men phanh tái sinh được sinh ra vừa đảm bảo hiệu quả phanh có thể được tối ưu mà vừa đáp ứng hiệu quả thu hồi năng lượng
Công suất mô tơ và công suất của pin
Hình 3.43 Công suất kéo và công suất thu hồi của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình
Hình 3.44 Công suất nạp và xả của pin khi mô phỏng theo chu trình FTP 75
Công suất kéo của motor là phần nằm phía trên lớn hơn 0, có giá trị cực đại đạt 41,595 (kW), công suất kéo trung bình là 8,746 (kW), thời gian motor kéo 1086,6 (s)
Công suất thu hồi của motor là phần nằm phía dưới nhỏ hơn 0, có giá trị cực đại đạt 32,04 (kW), công suất thu hồi trung bình là 8,45 (kW), thời gian motor thu hồi 358,1 (s)
Cùng lúc đó, pin được nạp, xả liên tục với công suất hoạt động tương đương với công suất hoạt động của motor Pin và motor chuyển hoá năng lượng qua lại cho nhau, sau khi trừ đi năng lượng thất thoát (PowerLoss) ta có công suất nạp, xả của pin Trong đó, công suất nạp là phần nằm phía trên lớn hơn 0, có giá trị cực đại đạt 26,525 (kW) Công suất xả là phần nằm phía dưới nhỏ hơn 0, có giá trị cực đại đạt 39,764 (kW)
Trên đồ thị có các đoạn thẳng có giá trị bằng 0, các đoạn thẳng này thể hiện cho việc motor không hoạt động vì khi đó tốc độ xe bằng 0 Các giá trị công suất không có mối liên hệ với nhau, khi xe tăng tốc thì motor kéo, motor không thu hồi và ngược lại khi xe được phanh
Dựa trên kết quả mô phỏng trên toàn bộ chu trình lái xe, từ đồ thị công suất mô tơ và công suất pin ta tính được năng lượng thu hồi mỗi khi xe đạp phanh
Tổng năng lượng thu hồi của motor trên toàn chu trình FTP75 là: ∑ 𝐸 = 3027,4 (𝑘𝐽) Tổng năng lượng kéo của motor trên toàn chu trình FTP75 là: ∑ 𝐸 = 9504,37 (𝑘𝐽) Tổng năng lượng thu hồi của pin trên toàn chu trình FTP75 là: ∑ 𝐸 = 2534,393 (𝑘𝐽) Với tổng thời gian chu trình là 2474 giây, thời gian thu hồi năng lượng là 358,1 giây
Hình 3.45 Hệ số nạp khi mô phỏng theo chu trình FTP 75
Hệ số nạp ban đầu là 75, kết thúc chu trình là 71,54 Trong cả chu trình, ắc quy được nạp và xả liên tục vì trong điều kiện đô thị xe chạy với tốc độ không cao
Bảng 3.7 Kết quả mô phỏng với chu trình FTP-75
Kết quả Độ Lớn Đơn vị
Thời gian thu hồi 358,10 giây
Công suất thu hồi trung bình 8,45406 kW
Năng lượng thu hồi 3027,40 kJ
Công suất kéo trung bình 8,74689 kW
Mô men thu hồi ĐC Max 88,02 N.m
Công suất thu hồi Max 32,04135 kW
Công suất kéo Max 41,59519 kW
3.7.2 Kết quả mô phỏng với chu trình WLTP
Mô men thu hồi của mô tơ
Hình 3.46 Mô men thu hồi của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình WLTP
Thời gian thu hồi của motor 364,7 (s), mô men thu hồi trung bình trên toàn chu trình là 26,99 (Nm) Đô thị: Mô men thu hồi có sự biến thiên lớn, các giá trị mô men được phân bố khá đều do được thử nghiệm trong điều kiện thành phố Mô men thu hồi trung bình của motor là 28,3474 (Nm)
Ngoại ô: Mô men thu hồi có sự thay đổi lớn, Mô men thu hồi trung bình của motor là 34,9475 (Nm), đạt giá trị cao nhất trong 4 chu kì và có mô men thu hồi cực đại đạt 87,87 (Nm) tại giây thứ 974,6 (s)
Nông thôn: Mô men thu hồi có giá trị khá cao nhưng sự phân bố không đều vì xe bắt đầu chạy với tốc độ cao, mô men thu hồi trung bình của motor là 31,9128 (Nm)
Cao tốc: Mô men thu hồi khá ít do xe chạy với tốc độ rất cao Chỉ xuất hiện khi xe giảm tốc và ở khoảng cuối chu trình mô men thu hồi trung bình của motor là 20,667 (Nm), thấp nhất trong cả chu trình
Lực phanh tái sinh tại cầu chủ động
Hình 3.47 Lực phanh tái sinh của motor khi mô phỏng theo chu trình WLTP Đô thị: Vì đây là chu kì thử nghiệm xe chạy trong điều kiện thành phố nên phanh được sử dụng liên tục, trong đó lực phanh tái sinh cực đại là 2088,1 (N)
Ngoại ô: Lực phanh tái sinh đạt giá trị cao và được phân bố đều, có giá trị cực đại là 2185,6 (N)
Nông thôn: Lực phanh tái sinh có giá trị khá cao nhưng sự phân bố không đều vì xe bắt đầu chạy với tốc độ cao, đạt giá trị cực đại là 2147,3 (N)
