Đồng thời tác giả đã ứng dụng phần mềm mô phỏng Advisor để đánh giá tính năng hoạt động của xe là một trong những công đoạn nhằm rút ngắn thời gian thiết kế sản xuất, kiểm tra xe, trước
TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN
Lịch sử phát triển
Xe điện là xe sử dụng một động cơ điện để dẫn động thay vì một động cơ đốt trong Xe điện được biết đến như là một xe không gây ô nhiễm (Zero Emission Vehicle) Trong những năm gần đây, xe điện được chú ý nhiều khi mà vấn đề môi trường ngày càng được quan tâm
Xe điện đã có lịch sử phát triển trước cả những xe trang bị động cơ đốt torng, Năm 1839, Thomas Davenport đã chế tạo ra chiếc ô tô đầu tiên chạy bằng năng lượng ắc-quy Đến năm 1838, Robert Davidson, người Scotland, đã thiết kế thành công xe điện mô hình thực, mở đầu cho thời kì phát triển xe điện Anh và Pháp là hai nước đi tiên phong trong việc chế tạo xe điện
Năm 1881 kỹ sư người Pháp Gustave Trouve chế tạo một chiếc xe ba bánh được trang bị motor điện một chiều công suất 0.1 hp và được cung cấp điện bởi ắc-quy chì- acid Trọng lượng toàn bộ xe và người lái khoảng 160 kg Nó chỉ đạt tốc độ 15 km/h và hoạt động trong phạm vi 16 km, không làm hài lòng nhu cầu khách hàng
Hình 2.1 Gustave Trouvé và chiếc xe điện ba bánh
Năm 1864, cuộc đua Paris - Rouen đã làm thay đổi nhận thức: Quãng đường dài 1135 km được chạy trong thời gian 48 giờ 53 phút với tốc độ trung bình 23,3 km/h
Tốc độ này đã vượt xa tốc độ có thể đạt được của xe ngựa kéo Công chúng bắt đầu quan tâm tới xe không ngựa kéo hoặc là xe điện theo cách gọi hiện nay
Chiếc xe điện thương mại đầu tiên là Morris và Salom’s Electroboat Xe này được sử dụng như là một taxi ở thành phố New York Xe điện Electroboat chứng tỏ rằng nó có nhiều ưu điểm hơn so với xe kéo ngựa, mặc dầu giá cao hơn gấp đôi
(khoảng $3000 so với $1200) Nó có 3 tay số, khoảng thời gian nạp lại là 90 phút Xe được dẫn động bởi 2 động cơ điện có công suất 1.5 hp, đạt được tốc độ tối đa cho phép là 32 km/h trong dải hoạt động 40 km
Hình2.2 Morris và Salom’s Electroboat
Khi ô tô sử dụng động cơ xăng trở nên mạnh hơn, linh hoạt hơn và trên tất cả đó là dễ dàng sử dụng thì những xe điện bắt đầu biến mất Chi phí cao là bất lợi của xe điện, nhưng hiệu suất và phạm vi hoạt động cho phép của chúng mới thật sự làm suy yếu xe điện trong quá trình cạnh tranh với những xe chạy bằng xăng Những chiếc xe điện thương mại đáng chú ý cuối cùng được ra mắt khoảng năm 1905 Từ sau năm 1915, xe điện không thể cạnh tranh nổi với các phát minh ồ ạt của động cơ đốt trong
Những cải tiến về tốc độ và phạm vi hoạt động của động cơ đốt trong đã khiến cho nó là ứng cử viên số một được lựa chọn
Tình trạng ô nhiệm ngày càng gia tăng vào cuối những thập niên 60 đã thúc đẩy cho việc phát triển lại các ôtô điện thử nghiệm Nhưng ngàynh công nghiệp ôtô lúc đó đã phát triển các hệ thống làm giảm đáng kể mức độ ô nhiễm, một lần nữa ngăn cản sự phát triển của ôtô điện
Vào những năm 1970, việc thiếu xăng từ hậu quả của cấm vận dầu mỏ ở các nước Ả Rập đã khiến cho người ta chú ý đến chiếc ôtô điệm Đại diện cho xe điện giai đoạn này là chiếc Serbing-Vanguard Citicar (1974) Cho tới 1977, nhà sản xuất đã bán được tới 2.300 chiếc Citicar có giới hạn chạy 80 km và tốc độ tối đa 45 km/h Khách hàng cũng có thể lựa chọn nâng cấp từ phiên bản 3,5 mã lực lên 5 mã lực với tốc độ tối đa lên khoảng 60 km/h.Vỏ nhựa có tới 5 lựa chọn màu Thiết kế nhỏ gọn giúp bán kính quay xe chỉ có 3m Đến 1976, số lượng Citicar tiêu thụ đã đưa Serbing - Vanguard lên vị trí thứ 6 tại Mỹ (sau GM, Ford, Chrysler, AMC và Checker) Sau đó, tập đoàn Commuter Vehicles đã mua lại thiết kế Citicar và đổi tên là Commuta - Car Phiên bản nâng cấp được tiếp tục sản xuất vào năm 1979, có khoảng 2 nghìn chiếc Comuta-car và Comuta-van đã được xuất xưởng Với 4.300 chiếc, Citicar, hay Comuta-car, hiện đang giữ kỷ lục về lượng xe điện sản xuất trong lịch sử ngành ôtô
Hình2.3 Xe điện Serbing-Vanguard Citicar (1974)
Mặc dù có những tiến bộ trong kỹ thuật chế tạo ắc-quy và điện tử công suất nhưng hiệu suất và phạm vi hoạt động vẫn là một cản trở lớn Vào những năm 1990, sự gia tăng nhu cầu sử dụng xăng cho chuyên chở cùng với những yêu cầu về giảm lượng khí thải một lần nữa thúc đẩy sự phát triển của xe điện Người ta càng quan tâm hơn về xe điện khi Uỷ ban bảo vệ môi trường (EPA – Environment Protection Agency) ở California (Mỹ) ra lệnh vào năm 1998, 2% những xe mới có tải trọng nhỏ hơn 1.700 kg phải giảm đến mức bằng không lượng khí xả gây ô nhiễm Tỷ lệ của những xe không gây ô nhiễm này phải tăng 5% cho đến năm 2001 và 10% đến năm 2003 Ở những tiểu bang khác của nước Mỹ ở phía Đông-Bắc, chính phủ cũng xem xét để thông qua các điều luật tương tự để cải thiện chất lượng môi trường không khí Hiện thời, chiếc xe điện là phương tiện duy nhất có thể làm được việc “không gây ô nhiễm” Việc bắt buộc phải giảm ô nhiễm không khí này đã thúc đẩy mãnh liệt những chương trình nghiên cứu trong và ngoài nước Mỹ Tất cả những nhà máy sản xuất ô tô chính đã bắt đầu chương trình này vào cuối những năm 80 để có thể sản xuất ra những chiếc xe điện vào đầu thế kỷ 21
996 - General Motor EV Những năm đầu thập kỷ 90, GM đã đổ hàng tỷ USD vào nghiên cứu xe điện và cho ra đời mẫu xe điện đầu tiên của hãng - EV1 Thế hệ đầu tiên của EV1 gắn ắc-quy chì - axit, giới hạn chạy từ 120 đến 160 km Thế hệ thứ 2 thay bằng ắc-quy niken hydrua nâng giới hạn chạy lên 120 đến 240 km nhưng vẫn không đáp ứng được nhu cầu của người dùng khi đó Mặc dù được coi là chiếc xe điện tốt nhất thế giới nhưng EV1 vẫn không thể so sánh được với động cơ đốt trong Một vấn đề nữa là giá của chiếc xe GM chỉ cho phép thuê EV1 trong 3 năm hoặc 48 nghìn km với giá từ 34 nghìn đến 44 nghìn USD Giải pháp duy nhất cho EV1 là ngừng sản xuất do không thể hòa vốn
2002 - Ford Think City Cháu trai của Henry Ford, Bill Ford, đã mạo hiểm đưa tập đoàn của mình vào nghiên cứu công nghệ xe sạch sau khi ông lên làm chủ tịch kiêm Tổng Giám đốc Ford Khởi đầu bằng việc mua lại hãng sản xuất xe điện Nauy - Think Think từng nổi tiếng từ trước đó với những chiếc xe sân gôn đáng tự hào, nhưng với City, thương hiệu này mới có được một chiếc xe thực thụ Think City là chiếc xe điện đầu tiên trên thế giới vượt qua kiểm tra va đập và đủ chất lượng chạy đường cao tốc năm 2008 Tốc độ tối đa 105 km/h và giới hạn chạy 210 km/lần sạc, tăng tốc lên 50 km/h trong 6,5 giây và lên 80 km/h trong 16 giây Tuy nhiên, vào năm 2002, khi Think vẫn còn trong tay Ford, City từng bị thu hồi rất nhiều do các lỗi kỹ thuật Ford đã quyết định dừng chiến dịch quảng bá cho City và bán lại cho một tập đoàn sản xuất xe điện của Thụy Sĩ, những chiếc City được xuất khẩu ngược lại Nauy do nhu cầu xe điện tại đây đang cao Think City được sản xuất vào năm 2007
2008 - GEM e4 Chrysler đã đầu tư vào hãng sản xuất xe điện Global Electric Motocar khi họ nhận thấy tiềm năng của thị trường xe điện tốc độ thấp hay còn gọi là NEV (Neighborhood Electric Vehicle) Mặc dù chỉ có vận tốc tối đa 40 km/h và giới hạn chạy 48 km nhưng những chiếc xe của GEM được ứng dụng khá rộng rãi và phù hợp yêu cầu của nhiều loại hình công việc Sáu mẫu xe cơ bản của GEM là e2 (2 chỗ), e4 (4 chỗ), e6 (6 chỗ), eS, eL, eL XD (thêm giá chở hàng phía sau) được sử dụng hàng ngày trong các mục đích như đi dạo, tuần tra đường phố hoặc công viên, chớ khách du lịch, bán hàng lưu động, sử dụng trong bệnh viện, sân bay hay sân gôn… Đến nay, hơn
35 nghìn chiếc GEM đã được sản xuất và tiêu thụ và tiềm năng vẫn còn rất lớn
2011 - Chevrolet Volt Bước phát triển tiếp theo của ngành công nghiệp xe điện được trông chờ vào Chevy Volt, hứa hẹn sẽ được đưa ra thị trường với phiên bản 2011
Mặc dù được Hiệp hội kỹ sư ngành ôtô xếp loại vào xe plug-in hybrid (hybrid sạc điện gia dụng), nhưng nhà sản xuất lại tránh dùng từ “hybrid” để chỉ chiếc xe của họ Thay vào đó, nó được mô tả là chiếc “xe điện được mở rộng giới hạn nhờ động cơ đốt trong” Ý kiến này bắt nguồn từ việc Volt không nối trực tiếp giữa động cơ đốt trong và trục xe, động cơ chỉ đóng vai trò như một máy phát điện, khác với thiết kế hybrid hiện nay Giới hạn chạy điện của xe là 65 km, sau đó xe sẽ được chuyển sang chạy xăng Điều đó có nghĩa là với những người đi quãng đường ngắn trong nội thành thì về cơ bản Volt là xe điện! Khác với chiếc xe điện đầu tiên - EV1, lần này Volt có thiết kế 4 chỗ, tốc độ tối đa lên đến 160km/h, dung tích ắc-quy cũng được giảm từ 300L ở EV1 xuống 100L Xe sử dụng hệ thống động lực Voltec sau này sẽ trở thành hệ thống tiêu chuẩn chế tạo cho xe điện trong tương lai Tuy nhiên một lần nữa giá cả lại là vấn đề với GM Volt từng được ấn định giá khởi điểm 40 nghìn USD nhưng mức giá đó không thể giúp GM sinh lãi Với hỗ trợ từ phía chính quyền, giá của chiếc xe có thể giảm xuống mức 32.500 USD Liệu Volt có phải lựa chọn tốt trong danh sách xe hybrid ngày một dài hay không còn là câu hỏi khó
Lịch sử phát triển xe điện ở Việt Nam
Xe điện du nhập vào Việt Nam từ rất sớm, ngay sau khi thực dân Pháp xâm lược nước ta, thực dân Pháp đã xây dựng hệ thống giao thông đường sắt bằng xe điện ở Sài Gòn Từ nữa cuối thế kỉ 19, Sài Gòn sớm định hình hệ thống giao thông nội thành và vùng phụ cận bằng các đường tàu điện
Ngày 27/1/1881, tuyến tàu điện Sài Gòn – Chợ Lớn dài 5 km, rộng 1m được khánh thành Đây chính là tuyến tàu điện đầu tiên ở Việt Nam được chính thức thức đưa vào khai thác ngày 1/7/1882
Tiếp đó ngày 20/7/1889, tuyến tàu điện Sài Gòn – Gò Vấp được thiết lập, sau đó kéo dài tới Hóc Môn Sau thời gian thi công lắp đặt ngày 7/9/1897 tuyến đường này được đưa vào khai thác
Hình 2.7 Xe buýt và tàu chạy điện
Ngay từ đầu năm 1890, công ty xe điện Pháp đã được thành lập ở Sài Gòn để khai thác các tuyến đường đã được xây dựng xong Xe điện sau khi xuất hiện ở Sài Gòn, đã tiếp tục xây dựng ở Hà Nội vào đầu năm 1900
Từ sau năm 1957, toàn bộ hệ thống xe điện ở Sài Gòn không còn được sử dụng
Trong khoảng thời gian một vài năm trở lại đây, do tình hình giá nhiên liệu tăng cao nên ở nước ta nhu cầu từ sử dụng động cơ đốt trong sang sử dụng xe điện là khá lớn
Trên thị trường Việt Nam hiện nay xe đạp và xe máy chạy bằng điện chiếm số lượng lớn, ngoài xe lăn chạy bằng điện cũng được sử dụng nhiều ở Việt Nam, một số ít xe điện được sử dụng trong các khu du lịch, sân golf, các nhà máy chế biến thực phẩm, cho các bến xe khách…
Các loại xe điện trên phần lớn được nhập từ nước ngoài, chủ yếu từ Trung Quốc, một số ít được chế tạo trong nước Ví dụ như xe đạp điện của hãng Delta, xe lăn chạy bằng điện của Kiến Tường…
Du lịch phố cổ, hồ Gươm bằng xe điện từ tháng 7/2010 Thủ tướng Chính phủ cùng UBND TP.Hà Nội đã đồng ý cho khai trương và thực hiện thí điểm Dự án xe điện phục vụ khách du lịch thăm quan trong phố cổ và xung quanh hồ Hoàn Kiếm từ tháng 7/2010 Theo kế hoạch khai trương vào đầu tháng 7, sẽ có 12 xe điện được đưa vào hoạt động Lộ trình của tuyến du lịch trong phố cổ có chiều dài khoảng 7km, đi qua 28 tuyến phố thương mại, 13 phố nghề, 22 đình, 9 đền, 3 chùa, 8 di tích lịch sử, thắng cảnh khu vực hồ Hoàn Kiếm và chợ Đồng Xuân Khu vực đường đôi trên phố Đinh Tiên Hoàng được chọn làm ga đầu và ga cuối của xe điện
Hình 2.8 Xe điện phục vụ du lịch Hà nội
“Mỗi xe điện có khả năng chở được 8 người với giá vé là 15.000 đồng/người/lượt và không chở hàng cồng kềnh; đối với trẻ em sẽ có những nghiên cứu về miễn, giảm hoặc vận dụng theo như xe buýt hiện hành Thời gian hoạt động ban ngày là từ 8h30 - 16h30, buổi tối từ 19h - 23h; thời gian xe dừng đỗ tại các điểm là 20 giây” - ông Thủy cho biết
Tháng 8 khởi công tuyến xe điện đại lộ Võ Văn Kiệt, TPHCM Chạy dọc theo đại lộ Đông - Tây (rộng 8-10 làn xe) và nằm sát bờ kênh Bến Nghé - Tàu Hũ, tuyến tramway sau khi hoàn thành sẽ trở thành một cú hích thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội - du lịch cho thành phố
Hình 2.9 Loại xe điện mặt đất dự kiến được đưa vào khai thác tại TPHCM
Tuyến tramway Sài Gòn - Chợ Lớn - Bến xe Miền Tây dài 12,2km, nối trung tâm Q.1 với các Q.5, Q.6, Bình Tân Điểm xuất phát tại bến Bạch Đằng (đoạn công trường Mê Linh) đi men theo sông Sài Gòn vượt nóc hầm dìm Thủ Thiêm rồi rẽ vào đại lộ Đông - Tây và đi dọc bờ kênh Bến Nghé - Tàu Hũ, đến đoạn cầu Lò Gốm chuyển sang đường Lý Chiêu Hoàng nối vào đường D2 và đi tiếp kết thúc tại Bến xe Miền Tây Theo ông Mạc Đăng Nớp - Phó Tổng GĐ Cty cổ phần BOT cầu Phú Mỹ (một trong những đối tác đầu tư dự án) - phương tiện và công nghệ sử dụng cho tuyến tramway Sài Gòn - Chợ Lớn - BX Miền Tây được cung cấp bởi Cty LOHR Industries (Pháp) Tổng cộng có khoảng 15 đoàn xe điện đưa vào khai thác Mỗi đoàn xe dài khoảng 32m (gồm 4 toa), chiều rộng 2,2m, chiều cao 2,89m Toàn bộ hệ thống kiểm soát vé ứng dụng hình thức thẻ thông minh không tiếp xúc và cửa soát vé tự động Trên toàn tuyến có 6 nhà ga chính kết hợp với các trung tâm thương mại lớn (công trường Mê Linh - Q.1, Nguyễn Văn Cừ - Q.5, Đại Thế Giới -Q.6, Bình Tây - Q.6, Lò Gốm - Q.6 và ga cuối BX Miền Tây - Q.Bình Tân) Ngoài ra, trên tuyến còn khoảng 17 trạm dừng khác đón - trả khách Để người dân đi lại thuận tiện, hạn chế tình trạng người dân băng qua đường đón xe điện, nhà đầu tư sẽ xây dựng mới một số cầu vượt bộ hành, làm thêm cầu thang cho người đi bộ tại một số cầu vượt đã có sẵn trên đại lộ Võ Văn Kiệt Tổng vốn đầu tư xây dựng tuyến tramway đầu tiên ước khoảng gần 4.000 tỉ đồng, do liên danh Cty TNHH XDTM Thanh Danh, Cty cầu Phú Mỹ và Cty Titanium Managemen (Malaysia) đầu tư theo hình thức BOT Thời gian xây dựng hoàn thành và đưa vào khai thác tuyến tramway này dự kiến trong năm 2012
Một số hình ảnh xe điện khác ở Việt Nam:
Hình 2.10 Xe điện chở khách ở Bến xe miền Đông
Như vậy có thể thấy tình hình sử dụng xe điện ở nước ta hiện nay tăng đáng kể trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Cấu tạo của xe điện
Các bộ phận chính của xe điện được trình bày trên hình 1.11, bao gồm 3 cụm chính: Hệ thống động lực, Hệ thống nguồn và Hệ thống phụ trợ khác
-Hệ thống động lực: Gồm bộ điều khiển xe ( kết nối với bàn đạp phanh và bàn đạp ga), bộ chuyển đổi điện, động cơ điện, hộp số cơ khí và các bánh xe dẫn động
-Hệ thống nguồn: Nguồn điện (bình ắc-quy), bộ quản lý năng lượng, bộ nạp điện
-Hệ thống phụ trợ: Bộ trợ lực tay lái, hệ thống điều hòa nhiệt độ, các thiết bị phụ trợ khác trên xe
Hình 2.11 Các bộ phận chính trên xe điện
Nguyên lý hoạt động của xe điện tương tự như xe lắp động cơ đốt trong Từ các thông tin nhận được từ bàn đạp ga và bàn đạp phanh, bộ điều khiển sẽ truyền các tín hiệu kiểm soát về bộ chuyển đổi điện Bộ chuyển đổi có nhiệm vụ điều hòa dòng năng lượng giữa động cơ điện và nguồn điện Bộ quản lý năng lượng kết hợp với bộ điều khiển để kiểm soát năng lượng tái sinh từ phanh, giám sát hoạt động của nguồn điện
Còn các hệ thống phụ trợ cung cấp năng lượng cần thiết với các mức điện áp phù hợp cho các thiết bị phụ trên xe.
TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ADVISOR
Giới thiệu phần mềm Advisor
ADVISOR, NREL’s ADvanced VehIcle SimulatOR, là chương trình mô phỏng được phát triển bởi phòng thí nghiệm Năng Lượng Tái Tạo Quốc Gia Mỹ vào những năm cuối thập niên 90 Nó bao gồm những mô hình, tập dữ liệu chạy trên nền của phần mềm Mathlab/Simulink Phần mềm được thiết kế để phân tích khả năng vận hành và hiệu quả kinh tế của những loại xe thông thường, xe điện, hay xe hybrid một cách nhanh chóng ADVISOR cung cấp một cơ sở để phân tích và mô phỏng một cách chi tiết các hệ thống mà người dùng đã định nghĩa, tận dụng tối đa sức mạnh của phần mềm Matlab/Simulink
Ngoài ra Advisor còn cho phép:
-Dự đoán tính mức tiêu hao nhiên liệu của một loại xe -Nghiên cứu đường truyền mômen hay hiệu suất trong hệ thống truyền động của các loại xe
-So sánh mức khí thải phát ra trong các chu trình thử nghiệm
-Đánh giá khả năng kiểm soát năng lượng của xe hybrid
-Tối ưu tỉ số truyền hộp số…
ADVISOR được sử dụng từ tháng 11 năm 1994, từ đó tới này nó được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều trung tâm nghiên cứu cũng như tập đoàn Ôtô như:
-AlliedSignal Automotive -Argonne National Laboratory -Naval Research Laboratory -University of Illinois-Urbana/Champaign …
Khả năng của phần mềm Advisor
Advisor được phát triển như là một công cụ phân tích đơn giản, công cụ này có thể được sử dụng để nhanh chóng xác định số lượng tương đối các ảnh hưởng của các công nghệ tiên tiến trên xe Nó nhanh chóng phát triển thành một công cụ với hàng loạt các khả năng
Sau đây là một số tính năng chính mà nhờ đó nó được sử dụng rộng rãi:
-Giao diện trực quan và dễ sử dụng
-Các giải pháp nhanh chóng
-Mô hình hóa các thành phần mở rộng
-Hỗ trợ khách hàng tốt
-Bảo trì phần mềm và cung cấp tài liệu
-Miễn phí và phát hành rộng rãi
-Tham số mô hình cao
-Cung cấp các giải pháp mạnh mẽ
Advisor được thiết kế một cách linh hoạt và mở, công nghệ mới, chiến lược quản lý năng lượng độc đáo, chiếc xe mô phỏng được cấu hình dễ dàng và được đánh giá trong một hệ thống mô hình Người sử dụng nhận được tất cả các mã nguồn khi các gói phần mềm được tải về Các kiến trúc mở và sẵn có của mã nguồn cho phép một số lượng tùy biến đáng kể Người dùng có thể thay thế các thành phần hiện có bằng các mô hình chi tiết hơn nếu thấy cần thiết Giao diện đồ họa của Advisor được thể hiện một cách rất trực quan, cung cấp các tính năng dễ dàng, thay đổi các thông số nhanh chóng và đánh giá được nhiều tình huống xe khác nhau
Advisor lần đầu tiên được phát hành rộng rãi và miễn phí thông qua Internet vào tháng 9 năm 1998 Người sử dụng đã được giải đáp những câu hỏi về cách sử dụng và các tính năng của chương trình Advisor đã đạt được và duy trì sự tin tưởng của những người sử dụng phần mềm cho những dự án phân tích hệ thống xe
Cuối cùng, gần như mọi thứ trong Advisor đã được tham số hóa, kết quả là các thành phần có thể được tùy chỉnh một cách dễ dàng trong việc nghiên cứu phát triển và sản xuất xe mới.
Hạn chế của phần mềm Advisor
Advisor đã được phát triển như một công cụ phân tích, không phải là một công cụ thiết kế Mô hình hóa các thành phần của nó gần như tĩnh và không nên dùng một mình để dự đoán các tình huống trong một quy mô thời gian nhỏ Ví dụ như Advisor không nên được sử dụng để định lượng các rung động vật lý, cũng như các dao động ô tô theo phương ngang, dao động điện trường và các động lực nhanh Tuy nhiên,
Advisor có khả năng liên kết với các công cụ khác mà có khả năng thực hiện việc phân tích động lực Các công cụ như Saber cho mô hình hóa hệ thống điện và Adams/Car cho việc phân tích động lực đều có thể kết nối với Advisor Những công cụ mô hình hóa động lực này tập trung vào phần phân tích còn Advisor thực hiện phần còn lại Ví dụ, một pin được mô hình hóa trong Saber có thể được cấu hình để giao tiếp với các phần khác trong Advisor trong suốt quá trình mô phỏng xe.
Cơ sở lý thuyết của phần mềm Advisor
Advisor mô hình các loại xe cho dù là xe thông thường sử dụng động cơ đốt trong, xe điện, xe điện lai đều dựa trên phương trình cơ bản về chuyển động của vật rắn (Định luật II Newton), phương trình vô hướng được thể hiện ở công thức:
Khi chuyển động thì xe chịu những tác động bởi lực cản lăn Pf = f.m.g.cos(α), lực cản giĩ Pw = Cd.ρ.F.v 2 , lực cản leo dốc Pi = m.g.sin(α), lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến P j ' và các khối lượng chuyển động quay P j ''
dt (gia toác tònh tieán), P j ' m j.Lực quán tính này sẽ trở thành lực cản khi xe chuyển động nhanh dần và trở thành lực đẩy (lực chủ động) khi xe chuyển động chậm dần Bên cạnh đĩ, khi xe chuyển động không ổn định, các chi tiết quay như bánh xe hay các chi tiết trong hệ thống truyền lực của ô tô cũng chuyển động có gia tốc Vì vậy, phải chi phí một momen để gia tốc cho các bộ phận này, các momen quán tính này được quy về lực kéo tại bánh xe chủ động và có giá trị là P j '' j '' e t 2 t 2 b b
Việc xác định P j '' một cách chính xác rất phức tạp, nên để dể dàng cho quá trình tính toán, người ta xác định lực quán tính tổng cộng của ô tô khi tăng tốc bằng lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến có tính thêm hệ số kể đến sự ảnh hưởng của các chi tiết chuyển động quay trong hệ thống truyền lực
Lưu ý: giá trị của P j phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của ô tô, nếu xe giảm tốc thì lực quán tính cùng chiều với chuyển động (gia tốc ngược chiều chuyển động) đóng vai trò hổ trợ chuyển động nên có giá trị ()
Phương trình cân bằng lực kéo thể hiện được tất cả các lực tác động lên xe khi xe đang chuyển động như sau:
P k = P f + P w ± P i ± P j ' ± P j '' (3.4) Trong đó: f hệ số cản lăn, Cd hệ số cản gió, F (m 2 ) là diện tích cản chính diện, ρ là mật đô không khí, α là độ dốc, với i t là tỉ số truyền chính, t hiệu suất truyền chính, rb (m) bán kính bánh xe, Ib (k.g.m 2 ) là moment quán tính khối lượng của động cơ, m (kg) là khối lượng của xe
Thành phần lực thứ nhất là lực cản lăn là lực lớn khi xe chuyển động Chú ý rằng lực này không thay đổi khi tốc độ của xe thay đổi Thành phần lực thứ hai là lực cản gió, lực này tỉ lệ bình phương với vận tốc Lực cản leo dốc là thành phần lực thứ ba, lực này có giá trị âm khi xe lên đốc và có giá trị dương khi xe xuống dốc Thành phần lực thứ tư là lực cản quán tính, lực này có giá trị âm khi xe tăng tốc và dương khi xe giảm tốc độ Thành phần cuối cùng là lực do quán tính khối lượng của các chi tiết chuyển động quay tác dụng lên xe khi đang chuyển động, nó có giá trị dương khi xe tăng tốc hoặc giảm tốc và khi xe chuyển động đều ở tốc độ không đổi thì ảnh hưởng của lực này không đáng kể Mặc dầu phương trình này chỉ sử dụng xấp xỉ bậc nhất cho mỗi phương trình con nhưng nó chứa đầy đủ và chính xác các thành phần cho hầu hết các phân tích Do đó phương trình 3.4 là nền tảng cho hầu hết các công cụ mô phỏng xe, kể cả phần mềm ADVISOR ADVISOR sử dụng phương pháp tiếp cận xấp xỉ gần như ổn định cho các mô hình xe Hybrid, xe điện, xe gắn động cơ đốt trong thông thường Tại mỗi bước thời gian của một chu trình vận tốc cho trước, ADVISOR tính toán năng lượng cần thiết tại bánh xe, tiếp sau đó sẽ tính toán năng lương đầu vào yêu cầu của các thành phần để đảm bảo được năng lượng cần thiết ở bánh xe Mô hình mô phỏng xe điện (EV) được mô tả ở sơ đồ khối, hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ khối mô phỏng xe điện Ở mỗi bước thời gian, Advisor xác định tương ứng tốc độ được lấy từ dữ liệu chu trình vận tốc ban đầu, thường là một chu trình tiêu chuẩn cho trước Sau đó sử dụng các tham số của xe như là trọng lượng xe, hệ số cản gió, hệ số cản lăn, … thay vào công thức 3.4 để tính lực kéo yêu cầu tại bánh xe Từ kết quả đó cho phép chúng ta tính đước mô ment kéo tại bánh xe T(Nm) sử dụng công thức 3.5 và vận tốc gốc của bánh xe ω (rad/s) sử dụng công thức 3.6
𝑟 𝑟 (3.6) Vận tốc gốc của hệ thống truyền động được tính bằng vận tốc gốc đầu ra bánh xe ωout nhân với tỉ số truyền giảm Rtrans như công thức 3.7 Và moment đầu vào cũng được tính như công thức 3.8 Với hiệu suất truyền động ηtrans: ωin = ωout.Rtrans (3.7) Tin = Tout
1 Rtransηtrans (3.8) Tương tự, với hiệu suất truyền động của motor ηmot tại từng giá trị tốc độ và moment kéo cụ thể thì ta xác định được công suất đầu vào yêu cầu của xe theo công thức 3.9
Pev = Tout.ωout ηout(Tout,ωout) ηin(Tout,ωout) (3.9) Công suất yêu cầu của xe được công cấp từ nguồn điện là bình ắc-quy Advisor sẽ cập nhật liên tục năng lượng của bình bằng cách kiểm tra hệ số State of Charge (SOC), hết một chu trình sẽ tự động chuyển qua một chu trình mới
Các mô hình tính toán
Sự chính xác của quá trình mô phỏng phần lớn phụ thuộc vào sự chính xác trong cách xác lập các mô hình thành phần và các tham số mà Advisor yêu cầu ví dụ như: motor, hệ thống truyền động, bình điện, thông số kỹ thuật của xe… do đó, việc xác định các mô hình phải chính xác để đánh giá được hiệu quả làm việc trong toàn bộ hệ thống Điều này đúng với việc xác định đúng với mô hình bình điện - hệ thống tích trữ năng lượng, nó quyết định khả năng chạy được quãng đường bao xa của một chiếc xe điện Để mô hình chính xác được một loại xe điện thì việc đầu tiên ta phải hiểu nguyên lý hoạt động của từng thành phần trong hệ thống, sự tương tác giữa các hệ thống và cuối cùng là ứng xử của chiếc xe trong toàn bộ hệ thống
Mô hình được thiết lập bằng những khối liên trên nền Matlab/Simulink Phương trình động lực học cơ bản được dùng ở đây là ΣF = ma, phương trình này dùng để tính toán lực kéo cần thiết khi tăng tốc, và sau đó tính toán gia tốc đạt được với lực kéo hiện có Tốc độ trung bình trong một bước thời gian được tính bằng giá trị trung bình của tốc độ lúc bắt đầu và kết thúc của một bước thời gian (the time step) Advisor thiết lập mô hình (vehicle) của xe điện như hình 3.2 Ở các khối có chứa các phương trình tính toán lực cân bằng tại bánh xe Cung cấp giá trị vận tốc yêu cầu tại cuối một chu trình, lực kéo tại các bánh xe Bên cạnh đó còn tính toán được lực kéo còn dư và tốc độ giới hạn, tốc độ hiện thời
Hình 3.2 Sơ đồ khối mô hình xe điện
3.5.2 Mô hình bánh xe và cầu (wheel and axle)
Mô hình bánh xe và trục có nhiệm vụ truyền tải thông tin về lực kéo yêu cầu và tốc độ của xe từ khối vehicle block, rồi truyền tín hiệu tới cầu chủ động đồng thời nó cũng truyền tải tín hiệu mômen và tốc độ hiện thời tại cầu chủ động về ngược lại khối wheel/axle block
Mô hình bánh xe và trục được thiết lập bao gồm hiệu suất truyền động của bánh răng, lực quán tính của trục và bánh xe, hiệu suất phanh…Mô hình thiết lập đảm bảo tối ưu về mặt năng lượng, lực kéo khi xe chuyển động và cân bằng lực phanh phía trục trước và sau khi xe giảm tốc độ
Hình 3.3 Sơ đồ khối mô hình bánh xe 3.5.3 Mô hình tỉ số truyền cuối
Khối tỉ số truyền cuối (final drive block) có nhiệm vụ truyền tải mômen và tốc độ yêu cầu từ bánh xe và cầu chủ động tới hộp số Đồng thời nó cũng truyền thông tin về giá trị hiện thời về mômen và tốc độ từ hộp số về bánh xe và cầu
Mô hình tỉ số truyền cuối giúp ta xác định sự ảnh hưởng của quán tính, tỉ số truyền, hiệu suất truyền động trong hệ thống truyền động của xe Mô hình được thể hiện như hình 3.4
Hình 3.4 Sơ đồ khối mô hình tỉ số truyền cuối 3.5.4 Mô hình hộp số
Hộp số có nhiệm vụ thay đổi tỉ số truyền (tăng hoặc giảm) và được dùng để truyền mômen, lực kéo từ động cơ đến truyền lực chính và tới bánh xe chủ động
Mô hình hộp số trong Advisor thường nhận thông tin vật lý là mômen, tốc độ, công suất từ hai đầu là cầu chủ động và động cơ Các thông tin tín hiệu nhận được sẽ được hộp điều khiển CPU xử lý thông tin và trả về để điều khiển các thông số hộp số cho hợp lý như sử dụng tay số nào Tuy nhiên trong phần tính toán ở chương sau thì ta chỉ dùng mô hình hộp số để mô phỏng Mô hình được mô tả lại bằng sơ đồ khối trên nền tảng Simulink, cụ thể như hình 3.5
Hình 3.5 Sơ đồ mô hình hộp số
3.5.5 Mô hình động cơ và hộp điều khiển Động cơ/hộp điều khiển có nhiệm vụ biến đổi các thông tin về mômen và tốc độ yêu cầu cần thiết để xe chuyển động thành tín hiệu điện, sau đó điều chỉnh và chuyển đổi công suất yêu cầu hiện thời thành mômen và tốc độ đầu ra của hộp số
Mô hình động cơ bao gồm các ảnh hưởng về hiệu suất của động cơ, quán tính quay của rotor, công suất của động cơ, … Mô hình đảm bảo rằng động cơ không làm việc quá công suất cho phép, và động cơ sẽ không hoạt động khi không có tác động
Dựa vào tín hiệu điện nhận được từ hộp điều khiển CPU sẽ tính toán được công suất tiêu thụ của động cơ sau đó so sánh với công suất lớn nhất của động cơ và tính được công suất dư thừa mà động cơ chưa sử dụng Từ đó tính được hiệu suất làm việc, đánh giá được các tính năng của động cơ Cụ thể mô hình được thể hiện ở hình 3.6
Hình 3.6 Sơ đồ mô hình động cơ 3.5.6 Mô hình hệ thống tích trữ năng lượng
Nguồn tích trữ năng lượng chủ yếu ở các xe điện hiện nay người ta thường sử dụng là bình điện (Chì-axit, lithium-ion, nickel calmium, …), fuel-cell, siêu tụ Trong Advisor có sử dụng 4 mô hình riêng biệt để mô hình hóa nguồn năng lượng: Đó là RC model (resistive-capacitive), Rint Model (internal resistance), Fundamental Lead Acid Model, Neural network model Trong quá trình mô phỏng ta sẽ sử dụng mô hình Rint Model Hệ thống lưu trữ năng lương có hai nhiệm vụ là tích trữ năng lương trong quá trình xe hoạt động và cung cấp năng lượng cần thì để xe vận hành
Khối ESS (Hệ thống Tích trữ Năng lượng) mô hình hóa bộ ắc-quy như là một bộ tích trữ điện tích và biểu diễn bằng một mạch điện tương đương với các thông số là một hàm mô tả lượng điện tích còn lại trong bộ tích trữ Mạch điện tương đương cho bộ ắc-quy bao gồm một nguồn điện lý tưởng (điện trở nội bằng 0) mắc nối tiếp với một điện trở, trong đó điện áp nguồn điện bằng với điện áp hở mạch và trị số điện trở bằng với điện trở nội của bộ ắc-quy ESS có thể tích trữ một lượng điện tích không đổi và ắc-quy được phóng điện cho đến khi đạt giới hạn điện áp thấp nhất Lượng điện tích cần thiết để nạp đầy ắc-quy sau khi phóng điện phụ thuộc vào hiệu suất Coulomb
Trong khi ắc-quy được xem như một nguồn điện lý tưởng với điện trở nội đã biết, các thiết bị điện kết nối với ắc-quy như motor hay máy phát được xem như các nguồn phát hoặc thu công suất Công suất phóng điện của ắc-quy bị giới hạn bởi công suất cực đại của mạch điện tương đương, và công suất cực đại của bộ điều khiển khi làm việc với điện áp nguồn thấp nhất
Các thuật ngữ tương ứng bao gồm: Điện lượng, Điện lượng định mức, C/N rate,
N hour rate, và phương trình Peukert Mô hình ESS được kết hợp với mô hình nhiệt 1D đơn giản của ắc-quy làm mát bằng không khí Chi tiết mô hình được trình bày trong phần giải thích mô hình nhiệt của ắc-quy
Thông số đầu vào của chu trình mô phỏng Advisor
Tất cả các biến trong Advisor được ký hiệu bởi các ký tự viết tắt như bên dưới, mỗi hệ thống được đặt trưng bởi một ký hiệu riêng cho tất cả các biến đầu vào và đầu ra
Bảng 3.1 Bảng ký hiệu các biến sử dụng trong Advisor cs_* Hybrid control strategy variables cvt_* Continuously variable transmission variables cyc_* Driving cycle variables ess_* Energy storage system variables fc_* Fuel converter variables fd_* Final drive variables gb_* Gearbox variables gc_* Generator/controller variables mc_* Motor/controller variables tx_* Transmission variables vc_* Vehicle control variables (engine and clutch) veh_* Vehicle (coastdown-related) variables
Advisor 3.2 được thiết lập trên nền tảng Matlab/Simulink, do đó các khối trong của sổ Simulink được tham số để đặc trưng cho tất cả các giá trị có liên quan trong mô hình tính toán, dưới đây là các biến đầu vào được liệt kê cụ thể
-Drive Cycle: là chu trình lái xe, bao gồm một loạt các điểm dữ liệu thể hiện tốc độ của xe theo thời gian Chu trình lái xe được xây dựng để đánh giá hiệu quả hoạt động của xe ở nhiều trạng thái khác nhau như là tiêu thụ nhiên liệu, khí thải, khả năng tăng tốc …
Hình 3.17 Thông số các biến Drive Cycle
-Energy Storage System (ESS): là hệ thống tích trữ năng lượng, còn gọi là pin hay là battery Hệ thống này có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho motor và các hệ thống khác, có thể được sạc lại bằng máy phát điện (generator) chạy bằng động cơ
(fuel converter) hoặc hệ thống sạc riêng Để mô hình được hệ thống tích trữ năng lượng ta có thể dùng nhiều mô hình khác nhau như là Energy Storage System - Rint, Energy Storage System - RC, Energy Storage System - Neural Network Battery Model, Energy Storage System - Fundamental Battery Model Nhưng trong luận văn này ta chỉ sử dụng mô hình ESS- Rint
Hình 3.18 Thông số các biến ESS
-Fuel Converter: là bộ chuyển đổi nhiên liệu thành năng lượng, trong trường hợp mô hình loại xe truyền thống thì nó là động cơ đốt trong (internal combustion engine) sử dụng nhiên liệu xăng (gasoline) Bao gồm các thông số của động cơ như là công suất, momen xoắn, tốc độ động cơ …
Hình 3.19 Thông số các biến Fuel converter
-Transmission: là hệ thống truyền lực bao gồm nhiều bộ phận liên kết với nhau để cung cấp công suất từ động cơ đến truyền lực cuối bằng hệ thống trục và bánh răng
Hình 3.20 Thông số các biến Transmission
-Vehicle Definition: định dạng kiểu xe Các thông số đặc trưng cho kết cấu, tính năng của xe như thông số về kích thước, thông số về tải trọng…
Hình 3.21 Thông số các biến Vehicle definition
-Wheel/Axle: Bánh xe và trục xe, các thông số thể hiện khoảng cách giữa các trục, kích thước của bánh xe …
Hình 3.22 Thông số các biến Wheel/Axle
-Exhaust System (& Catalyst): hệ thống xả và bộ lọc xúc tác nhằm giảm bớt ô nhiễm do động cơ gây ra
Hình 3.23 Thông số các biến Exhaust system
-Generator: máy phát điện, lấy năng lượng từ động cơ để chạy và cung cấp điện cho battery và hệ thống điện
Hình 3.24 Thông số các biến Generator
-Motor: dùng nguồn điện từ pin hoặc máy phát điện để tạo công suất, truyền công suất, mômen đến hệ thống truyền lực
Hình 3.25 Thông số các biến Motor/controller
-Accessories : Các phụ tải có trên hệ thống.
Các thông số đầu ra (Advisor output variables)
Các kết quả mô phỏng trong Advisor bao gồm các thông số sau: Energy consumption (mức tiêu thụ năng lượng), fuel efficiency (hiệu suất nhiên liệu), emission output (khí thải phát ra), hiệu suất làm việc, các thông số về điện ( dòng điện, điện áp), các đánh giá về khả năng leo dốc, các đánh giá về khả năng tăng tốc của xe…
Giới thiệu giao diện và cách sử dụng phần mềm Advisor
Advisor cung cấp việc truy cập dễ dàng và nhanh chóng nắm bắt được các thao tác đối với chương trình này thông qua một giao diện đồ họa (GUI interface) Có 3 cửa sổ sẽ hướng dẫn người sử dụng từ các thiết lập ban đầu đến kết quả cuối cùng
-Cửa sổ đầu tiên được sử dụng để nhập dữ liệu liên quan đến chiếc xe ban đầu
-Cửa sổ thứ hai cung cấp một số tùy chọn mô phỏng mà có thể lựa chọn từ đó
-Cửa số cuối cùng thể hiện kết quả mô phỏng Ở cửa sổ đầu vào, hệ thống truyền động của chiếc xe được cấu hình (như là loại, kiểu bố trí, thông thường,…) được qui định cụ thể cũng như các thành phần hệ thống truyền lực khác Bản đồ thể hiện đặc tính hiệu suất cho các thành phần hệ thống truyền lực khác nhau có thể truy cập bằng cách sử dụng menu liên kết Kích thước của một thành phần (như là công suất lớn nhất và số lượng các mo-dun) có thể được sửa đổi bằng cách chỉnh sửa các giá trị đặc trưng hiển thị trong các khung Do phương pháp tiếp cận đơn giản, Advisor nhanh hơn rất nhiều so với các chương trình khác Bất kỳ tham số vô hướng nào cũng có thể được sửa đổi bằng các trình đơn ở bên phải của cửa sổ Tất cả các tham số cấu hình của chiếc xe có thể được lưu lại để sử dụng trong tương lai
Hình 3.26 Giao diện các thông số đầu vào của Advisor
3.8.2 Giới thiệu cách sử dụng phần mềm Advisor
3.8.2.1 Thiết lập các thông số đầu vào Dựa vào các thông số đã được cung cấp ta tiến hành thiết lập lại các dữ liệu đầu vào trên phần mềm Advisor Quá trình nhập dữ liệu vào cửa sổ input của phần mềm được trình bày cụ thể bên dưới, thứ nhất ta phải chọn cấu trúc các loại xe (cấu trúc của hệ thống truyền động) như conventional, electric vehicle EV, Fuel-cell, series, parallel…Sau đó chỉnh sửa các thông số theo từng thành phần cụ thể trong hệ thống, hoặc có thể tùy chỉnh trực tiếp những tham số đã thiết lập Qua đó ta thấy sự chủ động và sự tiện lợi trong quá trình chỉnh sửa, và thay đổi các thông số khi thực hiện mô phỏng
Hình 3.27 Chọn kiểu truyền động cho xe mô phỏng
-Vehicle: Xác lập các thông số cơ bản của xe như: khối lượng không tải của xe
(mass of the vehicle without components), hệ số khí cản động lực học (coefficient of erodynamic drag), hệ số lực cản lăn (coefficient of rolling resistance), hệ số tải trọng của xe ở cầu trước khi xe không di chuyển (fraction of total vehicle mass supported by front axle when vehicle is not moving), chiều cao của trọng tâm xe (height of the vehicle center of gravity), tải trọng phân bố, chiều dài cơ sở xe, khối lượng hàng chở (cargo mass), … Sau khi xác lập và chỉnh sửa giá trị các biến trong vehicle ta thiết lập riêng cho xe TOYOTA HIACE cụ thể như hình 3.28 và 3.29
Hình 3.28 Truy cập thay đổi thông số trong m_file
Hình 3.29 Các biến Veh_* trong cửa sổ matlab
+Veh_glider_mass: là thông số thể hiện khối lượng của xe không bao gồm các hệ thống phụ trợ như truyền động, giảm chấn, động cơ…
+Veh_CD: hệ số lực cản khí động học +Veh_FA: diện tích mặt trước xe +Veh_1st_rrc và veh_2nd_rrc: hệ số lực cản lăn bánh trước và sau, +Veh_front_wt_frac: hệ số tải trọng xe ở cầu trước
+Veh_cg_height: chiều cao trọng tâm xe +Veh_wheelbase: khoảng cách giữ hai trục xe +Veh_cargo_mass: hối lượng chở hàng của xe
-Fuel Converter: Xác lập các thông số của động cơ như dải tốc độ động cơ
(speed range of the engine), dải momen xoắn của động cơ (torque range of the engine), bản đồ nhiên liệu sử dụng (fuel use indexed), bản đồ khí thải (emissions indexed)
Hình 3.30 Chọn mô hình Fuel converter
Ta chọn mô hình phù hợp có dải công suất gần đúng với công suất của động cơ của hãng đã sử dụng, sau đó ta can thiệp vào dữ liệu thiết lập trong m file để thay đổi một số thông số cho phù hợp ví dụ:
Hình 3.31 Bảng m.file fuel converter
+fc_map_spd và fc_map_trq: Bản đồ tốc độ và momen xoắn của động cơ
+Fuel Use and Emissions Maps: Bản đồ lượng nhiên liệu sử dụng và lượng khí thải
+fc_max_trq: Dải momen xoắn cực đại +fc_max_pwr: Công suất cực đại của động cơ +fc_mass: Tổng khối lượng của động cơ +fc_ext_sarea: Diện tích bề mặt của động cơ
+fc_fuel_den: Mật độ nhiên liệu, +fc_fuel_lhv: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, +fc_tstat: Nhiệt độ bắt đầu nước làm mát, -Exhaust Aftertreat: Hệ thống khí thải có bộ lọc xúc tác, ta có thể tùy chỉnh để phần này có hoạt động hay không bằng cách thay đổi giá trị tại mục ex_calc
Hình 3.32 Điều chỉnh Exhaust Aftertreat
-Transmission: Lựa chọn bộ truyền động
-Wheel/Axle: Các thông số của bánh xe và trục xe, kèm thêm các chi tiết tại bánh xe như là phanh Ta sẽ can thiệp vào mã code của phần mềm để thiết lập riêng cho mô hình wheel/axle với các thông số như hình bên dưới
Hình 3.34 Chọn thông số về lốp xe, cầu
+wh_radius: Bán kính bánh xe +wh_inertia: Quán tính quay của bánh xe
-Accessory: Các thông số phụ tải được thiết lập trong m.file như hình 3.35
Hình 3.35 Xác lập thông số hệ thống phụ
+acc_mech_pwr: Tải phụ cơ khí, trích từ động cơ +acc_elec_pwr: Tải phụ điện, trích từ máy phát điện +acc_mech_eff: Hiệu suất của phụ tải
-Powertrain control: Thông số điều khiển của toàn bộ hệ thống truyền lực như ly hợp, hộp số
Hình 3.36 Chọn hệ thống điều khiển
Sau khi chọn tất cả các thông số đầu vào cho xe mô phỏng được hoàn tất như cửa sổ input hình 3.37, ta tiếp tục sang cửa sổ tiếp theo bằng cách nhấn vào nút
“continue” để tiếp tục sang bước thứ 2 chọn chu trình mô phỏng
Hình 3.37 Cửa sổ hoàn chỉnh khi chọn xong thông số đầu vào cho xe mô phỏng
3.8.2.2 Chọn chu trình lái cho quá trình mô phỏng (drive cycle)
Hình 3.38 Giao diện thiết lập mô phỏng
Sau khi những đặc tính đầu vào của xe được qui định cụ thể, giao diện tiếp theo là cửa sổ thiết lập mô phỏng Trong cửa sổ thiết lập mô phỏng, người dùng sẽ xác định những trường hợp, thông số nào trên xe là được mô phỏng Một số thông số được kiểm tra trong chu trình lái, tăng tốc và một số chu trình đặc biệt khác Ví dụ, khi có một chu trình lái xe được chọn, biểu đồ tốc độ có thể được xem ở phần trên bên trái của cửa sổ và phân tích thống kê của chu trình ở phần dưới bên trái Với cấu hình các thông số mô phỏng, mô phỏng có thể được chạy và kết quả sẽ được trình bày sau khi hoàn thành Đầu tiên ta nhấp vào vùng số 1 của hình 3.39 để chọn chu trình tốc độ theo thời gian đã được thiết lập sẵn trong phần mền, tùy vào điều kiện và mục đích đánh giá của các loại xe mà ta chọn chu trình cho hợp lý với tốc độ tối đa, quãng đường, thời gian mô phỏng Bên cạnh đó, ta có thể kết hợp nhiều chu trình với nhau hoặc lập lại nhiều lần một chu trình trong một lần test, để thực hiện được tính năng này ta chọn vùng số 2 của hình 3.39 Ngoài ra ta có thể phân tích thêm về khả năng leo dốc, khả năng tăng tốc của xe bằng cách chọn dấu tích vào vùng số 3 của hình 3.39 Mặt khác để cho kết quả tính toán phân tích chính xác hơn phần mền này còn cho ta nhập thêm phần tải phụ điện (lượng điện năng (W) mà các thiết bị điện tiêu thụ khi xe vận hành) như bóng đèn, quạt lạnh… ta có thể chọn vùng số 4 của hình 3.39 để thực hiện Sau khi hoàn thành ta nhấn nút Run để thực hiện bước tiếp theo
Hình 3.39 Cửa sổ lựa chọn chu trình mô phỏng
Bước tiếp theo trong cửa sổ này ta tiếp tục chọn và ô “Acceleration Test” và
“Gradeability Test” để tính toán khả năng tăng tốc và khả năng leo dốc của xe tại điều kiện mà ta áp đặt như độ phóng điện còn lại của bình (initial SOC), tốc độ, thời gian… Để thấy rõ hơn ta quan sát hình 3.40 và 3.41
Hình 3.40 Bảng chọn điều kiện kiểm tra khả năng tăng tốc của xe
Hình 3.41 Bảng chọn điều kiện kiểm tra khả năng leo dốc của xe
Ngoài động cơ là nguồn tiêu thụ điện chủ yêu của xe điện, bênh cạnh đó còn có nhiều bộ phận khác còn tiêu thụ điện năng ví dụ như các bóng đèn, còi, hệ thống điều khiển, vì vậy để kết quả mô phỏng chính xác hơn ta phải tính đến những nguồn tiêu thụ điện đó Trong Advisor cũng cho phép ta nhập liệu các tải điện phụ khi xe hoạt động như hình 3.42
Hình 3.42 Cửa sổ chọn phụ tải điện
3.8.2.3 Xuất kết quả mô phỏng
THÔNG SỐ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
Thông số kỹ thuật của một số loại xe truyền thống 16 chỗ ngồi
Tác giả đã chọn ra một số chủng loại xe truyền thống có các thông số kết cấu về kích thước và trọng lượng tương đồng với xe điện đã thiết kế để dễ dàng so sánh được các tính năng động lực học của các loại xe với nhau Đồng thời qua đó cũng xem xét và đánh giá tính năng động lực của xe đã thiết kế
Bảng 4.1 Bảng thông số kỹ thuật một số mẫu xe truyền thống
Nhãn hiệu Mercedes Toyota Ford
Mẫu xe SPRINTER HIACE TRANSIT Động cơ 310CDI 3RZ-FE 3.2L i5 Diesel Công suất, Hp/rpm 95 /3800 144/4800 185/3000
Tốc độ cực đại,Km/h 180 170 180
Dung tích xi lanh, cm 3 2143 2982 3198
Loại nhiên liệu Diesel Xăng Diesel
Số tay số 6AT 5MT 6AT
Tính toán thông số kỹ thuật của xe điện 16 chỗ ngồi
4.2.1 Lựa chọn thông số bố trí chung
Bố trí chung xe điện bao gồm bố trí chung về số chỗ ngồi, bố trí chung hệ thống truyền lực, bố trí chung tương quan động cơ – cầu chủ động Trên cơ sở phân tích các phương án, chọn phương án bố trí chung như hình sau
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí chung ôtô điện 16 chỗ ngồi
Xe điện có công thức bánh xe 4 x 2, với động cơ đặt trước, cầu sau chủ động
Một động cơ điện có công suất gần như không đổi trong dải rộng và một cặp bánh răng giảm tốc thay thế động cơ nhiệt, ly hợp và hộp số Bốn băng ghế, gồm một băng ngang cho người lái và hành khách phía trước, một băng ngang cho 02 người phía sau, 02 băng dọc cho 06 hành khách bên phải và 06 hành khác bên trái
Sơ đồ bố trí chung các cụm ắc-quy trên ôtô điện
Hình 4.2 Sơ đồ bố trí chung các cụm ắc-quy trên ôtô điện 16 chỗ ngồi
4.2.2 Tính toán và lựa chọn Motor và Hộp giảm tốc
Từ các yêu cầu ban đầu của hệ thống động lực, các thông số bố trí chung về kích thước và khối lượng, tiến hành tính toán lực cản tổng cộng Pc, công suất cản tổng cộng Nc (bao gồm cản lăn, cản gió và cản khí động) tác động lên ôtô Để xác định được các thông số của động cơ cần xác định công suất, vận tốc quay của động cơ, còn đối với hộp giảm tốc là tỉ số truyền hộp giảm tốc Cơ sở để xác định công suất động cơ là từ phương trình cân bằng năng lượng: công suất tối thiểu của động cơ Ndcmin ≥ công suất cản tổng cộng Nc Vận tốc động cơ có liên hệ mật thiết với tỉ số truyền hộp giảm tốc, hai thông số này cần tương thích với nhau để đảm bảo ôtô có thể chuyển động với vận tốc 40 km/h và vượt được độ dốc 20%
Các thông số tính toán bao gồm:
-Thông số kỹ thuật của động cơ (Motor)
-Thông số kỹ thuật của hộp giảm tốc
4.2.2.1 Sơ đồ truyền lực và các thông số hiệu suất truyền động
Hình 4.3 Sơ đồ truyền lực và các thông số hiệu suất
Xét về mặt hiệu suất truyền lực, hiệu suất được tính ở 3 khối chính:
Khối ắc-quy: khi xả điện ắc-quy có hiệu suất ηdischarge = 0,85 Khối điện: bao gồm hiệu suất chuyển đổi điện – cơ của motor (ηc-d = 0,94), hệ số công suất cosφ =0,98 Hiệu suất chung của khối truyền động điện: ηe-traction = ηc-d x cosφ = 0,92
Khối cơ khí: bao gồm hiệu suất truyền của cầu chủ động (ηcd = 0,96) và của hộp giảm tốc (ηgt = 0,95) Hiệu suất khối cơ khí ηmechanic = ηcd x ηgt = 0,912
Cầu chủ động được lấy từ cầu chủ động của TOYOTA HIACE với tỉ số truyền cầu chủ động là 4.1
4.2.2.2 Xác định lực cản, công suất cản tổng cộng tại bánh xe chủ động
-Lốp ôtô và bán kính bánh xe
Dựa trên phân bố tải trọng cầu sau và tham khảo bánh xe chủ động TOYOTA
HIACE Glass Van LWB, lựa chọn lốp cho bánh xe chủ động có mã hiệu 195/70R15, bán kính bánh xe được tính theo công thức: rbx = (195x0,7+13x25,4÷2)(6 (mm) = 0,286 (m) (Hệ số biến dạng lốp λ= 0,95) Ôtô điện vận hành với tốc độ tối đa 40 km/h, quy về vận tốc quay cực đại bánh xe: max max bx bx
r hay nbxmax = 371 rpm Cầu chủ động dùng cầu xe TOYOTA HIACE có tỉ số truyền là i0 = 4,1 Vận tốc tại đầu trục ra hộp giảm tốc là gt max i 0 bx max hay ngtmax = 1521 rpm
-Tính toán lực cản lăn và công suất cản lăn tác động lên ôtô
Lực cản lăn được xác định theo công thức Pf = G.f, trong đó:
G: trọng lượng toàn bộ của ôtô (G = mg = 26791,11 N) f : hệ số cản lăn (f = 0,02 không đổi khi vận tốc V < 40 km/h
Giá trị lực cản lăn: Pf = 535,8 (N) Công suất cản lăn: Nf = PfV = f(V), giá trị của công suất cản lăn, lực cản lăn được thể hiện trong bảng 6.1 và bảng 6.2
-Tính toán lực cản gió và công suất cản gió tác động lên ôtô
Lực cản gió được xác định theo công thức Pw = WV 2 = KFV 2 = f(V), trong đó:
K: hệ số cản khí động học, với ôtô vỏ hở, lấy K = 0,5 Ns 2 /m 4
F: diện tích cản chính diện, F = B x H = 3,56 m 2 với:
B: bề rộng toàn bộ (B = 1800 mm)
H: chiều cao toàn bộ (H = 1980 mm)
Các giá trị B và H được lấy từ mô hình bố trí chung
W: hệ số cản khí động lực học (W = 1,845 Ns 2 /m 2 )
Công suất cản gió: Nw = PwV = W.V 3 , giá trị của công suất cản lăn, lực cản lăn được thể hiện trong bảng 6.1 và bảng 6.2
- Tính toán lực cản dốc và công suất cản dốc tác động lên ôtô
Lực cản dốc được xác định theo công thức Pd = G.sinα , trong đó:
G: trọng lượng toàn bộ của ôtô (G = mg = 26791,11 N) α: góc dốc, được tính từ độ dốc cực đại mà ôtô cần vượt (i=tg α = 20%), Giá trị lực cản dốc: Pi = 5358,22 N
Công suất cản dốc: Ni = PiV = f(V), giá trị của công suất cản lăn, lực cản lăn được thể hiện trong bảng 4.2 và bảng 4.3
-Lực cản tổng cộng và công suất cản tổng cộng tác động lên ôtô
Lực cản tổng cộng bao gồm tổng lực cản lăn, cản gió, cản dốc tác động lên ôtô điện: Nc = Nf + Nw + Ni, giá trị và đồ thị của lực cản tổng cộng được thể hiện trong bảng 6.2 và hình 6.3
Dựa trên phân bố tải trọng cầu sau và tham khảo bánh xe chủ động TOYOTA HIACE Glass Van LWB, chọn lốp bánh xe chủ động có mã hiệu 195/70R15, bán kính bánh xe có giá trị 0,286m
Lực cản tổng cộng bao gồm tổng lực cản lăn, cản gió, cản dốc tác động lên ôtô điện: Pc = Pf + Pw + Pi = G.f.cosα + KFV 2 + G.sinα, trong đó:
G: trọng lượng toàn bộ của ôtô (G= mg = 26791,11 N) f : hệ số cản lăn (f = 0,02 không đổi khi vận tốc V < 40 km/h)
K: hệ số cản khí động học, với ôtô vỏ hở, lấy K = 0,5 Ns 2 /m 4 F: diện tích cản chính diện, F = B x H = 3,56 m 2 với: α: góc dốc, (i = tg α = 20%)
Công suất cản tổng cộng bao gồm tổng công suất cản lăn, cản gió, cản dốc tác động lên ôtô điện: Nc = Nf + Nw + Ni = (Pf + Pw + Pi)V
Giá trị và đồ thị của lực cản tổng cộng được thể hiện trong bảng 4.2 và hình 4.4
Giá trị và đồ thị của công suất cản tổng cộng được thể hiện trong bảng 4.3 và hình 4.5
Bảng 4.2 Bảng giá trị lực cản lăn, cản gió và cản dốc tác động lên ôtô
STT Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị
2 Lực cản lăn P f N 535,8 535,8 535,8 535,8 535,8 535,8 535,8 535,8 535,8 3 Lực cản gió P w N 0 3,4 13,7 30,9 54,9 85,84 123,6 168,2 219,7 4 Lực cản dốc P d N 5358,22 5358,22 5358,22 5358,22 5358,22 5358,22 5358,22 5358,22 5358,22 5 Lực cản tổng cộng P wfd N 5894 5897,8 5908 5924,9 5949 5980 6018 6062 6113,72
Ta vẽ được đồ thị sau:
Hình 4.4 Đồ thị lực cản tổng cộng tác động lên ôtô
Bảng 4.3 Bảng giá trị công suất cản lăn, cản gió và cản dốc tác động lên ôtô
STT Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị
2 Công suất cản lăn N f kW 0 0,74 1,4 2,23 2,97 3,72 4,465 5,2 5,95 3 Công suất cản gió N w kW 0 0,005 0,04 0,13 0,32 0,62 1,07 1,70 2,53 4 Công suất cản dốc N d kW 0 7,44 14,8 22,3 29,77 37,2 44,65 52,09 59,5 5 Công suất cản tổng cộng N wfd kW 0 8,19 16,4 24,7 33,88 41,52 50,14 59 67,9 6 Công suất động cơ điện N dcmin kW 0 9,5 19,08 28,7 38,4 48,3 58,3 68,53 79
Công suất động cơ tối thiểu Ndcmin = Nc/ ηmechanic = Nwfd/0,912
Hình 4.5 Đồ thị lực công suất cản tổng cộng (độ dốc 20%)
4.2.2.3 Lựa chọn động cơ điện
-Các yêu cầu về việc lựa chọn Motor cho ôtô điện:
+Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn
+Thông dụng trên thị trường, giá thành rẻ, ít bảo dưỡng
+Bảo đảm công suất và moment ổn định cho ôtô
+Các loại Motor thông dụng hiện nay bao gồm Motor DC có chổi than, Motor AC, ngoài ra còn có một loại động cơ ít thông dụng hơn là Motor DC không chổi than
Mỗi loại Motor đều có các ưu điểm và khuyết điểm riêng Từ các ưu khuyết điểm từng loại động cơ, kết hợp các yêu cầu đối với động cơ cho ôtô điện, động cơ AC là phù hợp nhất
-Cơ sở lựa chọn động cơ điện
Dựa trên 3 yêu cầu cơ bản:
+Yêu cầu về công suất: Yêu cầu ôtô phải đảm bảo khả năng leo dốc 20% với tốc độ tối thiểu 10 km/h Từ đồ thị 4.7, ứng với tốc độ 10 km/h, công suất tối thiểu của động cơ là 20 kW Khi xe đạt tốc độ cực đại 40 km/h trên đường bằng thì cần công suất tối thiểu của động cơ là 8,5 kW Dựa trên bảng thông số kỹ thuật và đồ thị đặc tính động cơ AC, ta chon động cơ AC 51 – 96V Động cơ AC51-96V có ưu điểm là hoạt động được ở 2 chế độ: chế độ liên tục và chế độ cực đại Khi hoạt động ở chế độ liên tục, công suất định mức của động cơ đạt 9,325 kW đảm bảo cho xe chạy trên đường bằng với vận tốc cực đại 40 km/h Khi hoạt động ở chế độ cực đại (lên dốc và tăng tốc) công suất cực đại của động cơ là 49 kW (rpm#00) nên đảm bảo cho xe có thể vượt dốc có độ dốc 20% cũng như khi xe khởi động hoặc tăng tốc
+Yêu cầu về khối lượng: động cơ được chọn phải có khối lượng nhẹ để giảm khối lượng ôtô
+Yêu cầu về tốc độ: Tốc độ động cơ và tỉ số truyền hộp số phải tương tích với nhau để đảm bảo 2 điều kiện: Khi ôtô vận hành ở vận tốc cực đại (40 km/h) thì tốc độ động cơ không được vượt quá 10.000 rpm, vì khi vận hành ở tốc độ quá cao, khả năng hoạt động của ổ bi trong động cơ kém, nhớt bôi trơn hộp giảm tốc dễ bị quá nhiệt và khi ôtô leo dốc 20%, tốc độ tối thiểu ô tô đạt được là 10 km/h
-Đồ thị đặc tính của động cơ AC 51 – 96V
Chế độ hoạt động liên tục
Hình 4.7 Đồ thị đặc tính động cơ AC51-96V ở chế độ liên tục
Chế độ hoạt động cực đại
Hình 4.8 Đồ thị đặc tính động cơ AC51-96V ở chế độ cực đại
-Tính chọn động cơ theo tốc độ
Dựa vào đồ thị đặc tính của động cơ ở chế độ tực thời, ứng với tốc độ 2300 rpm, ôtô có khả năng vượt dốc 10% với vận tốc tối thiểu 15 km/h (4,17 m/s), tính được tỉ số truyền sơ bộ hộp giảm tốc theo công thức:
4,17 bx bx gt bx dc bx gt dc bx 4 gt
Với tỉ số truyền hộp giảm tốc vừa tìm được, với vận tốc cực đại 40km/h (11,11 m/s) tính trở lại vận tốc cực đại động cơ theo công thức: max max max max max max 0
11.11 bx bx gt bx dc bx dc gt 637,1( / ) gt bx
Vậy khi xe chạy với tốc độ cực đại 40 km/h, tốc độ động cơ là 6084 rpm Tốc độ này không vượt quá tốc độ giới hạn của động cơ (8000 rpm)
Bảng 4.4 Bảng thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ AC51-96V
1 Mã hiệu động cơ AC51-26.26
TIẾN HÀNH MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Các chu trình mô phỏng
Chu trình NEDC bao gồm hai phần: ECE-15 (UDC - Urban Driving Cycle) kéo dài 195s với quãng đường 994,03 mét, sau đó nó lặp đi lặp lại bốn lần liên tiếp, bắt đầu từ 0 s đến 780 s, tổng quãng đường 3.976,1 mét, với tốc độ trung bình 18,35 km/h và chu trình EUDC (Extra-Urban Driving Cycle) được bắt đầu từ 780 s đến 1180 s ECE-15 (UDC) đã được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1970, có các phiên bản khác nhau như : ECE R83, R84 và R101 Chu trình này mô tả điều kiện lái xe tại các thành phố đông dân cư ở châu Âu, và đặc trưng bởi tải trọng thấp, nhiệt độ khí thải thấp, và tốc độ tối đa 50 km/h
EUDC - ECE R101 được giới thiệu vào năm 1990, đã được điều chỉnh phù hợp với các chế độ lại xe với tốc độ cao hơn ngoài đô thị Tốc độ tối đa của chu kỳ EUDC là 120 km/h; tốc độ tối thiểu đến 90 km/h Tổng thời gian là 400s và khoảng cách lý thuyết là 6956 mét, với tốc độ trung bình 62,6 km/h
Chu trình lái UDDS còn được gọi là chu trình FTP-72 hoặc LA-4, tương tự ở Thụy Điển có tên là A-10 hoặc CVS, tại Úc có tên là ADR-27 Chu trình mô phỏng tính năng vận hành của ô tô trên một tuyến đường đô thị với tổng chiều dài 12,07 km Tốc độ tối đa là 91,2 km/h và tốc độ trung bình 31,5 km/h Chu trình gồm 2 giai đoạn: giai đoạn 1 kéo dài 505 giây với quãng đường 5,78 km, tốc độ trung bình 41,2 km/h, giai đoạn 2 là 864 giây, tổng thời gian 1369 giây
Do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) ban hành năm 2000, áp dụng cho dòng xe du lịch, xe khách để kiểm tra, tính năng động lực học, mức độ khí thải và khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi hoạt động trong môi trường đô thị
Hình 5.3 Chu trình FTP-75 (FTP)
-Tổng chiều dài quãng đường kiểm tra 17,77 km, -Thời gian là 1874 giây,
-Tốc độ trung bình: 34,1 km/h
Trong đó, giai đoạn 01 bắt đầu từ giây 0 – 505 ô tô kiểm tra sẽ vận hành theo chu trình
UDDS ( FTP-72), nhưng thay đổi vận tốc trung bình và tốc độ tối đa không thay đổi
Giai đoạn thứ ba bắt đầu sau khi động cơ dừng lại trong 10 phút Bên cạnh đó, hệ số tải trọng sẽ thay đổi tương ứng:
+ 0,43 cho giai đoạn khởi động và hoạt động ổn định, +0,57 cho giai đoạn tăng tốc
Chu trình FTP-75 cũng được áp dụng để kiểm định cho xe điện trong một lần sạc
Ngoài ra, nó cũng được áp dụng ở Úc với tên gọi là ADR-37 và ở Brazil là tiêu chuẩn NBR-6601
Chu trình SC03 (SFTP) được cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) bổ sung vào quy trình đo kiểm Liên Bang FTP-75 vào năm 2008 nhằm kiểm tra sự ảnh hưởng của hệ thống điều hòa không khí đến tính năng hoạt động và khả năng phát thải của ô tô
Hình 5.4 Chu trình CYC_SC03
Thời gian để hoàn thành một chu trình là 600s, với quãng đường là 5,76 km
Tốc độ tối đa đạt được trong chu trình (max speed) là 88,19 km/h, vận tốc trung bình cả chu trình (average speed) là 34,51 km/h, gia tốc trung bình là 0,5 m/s 2 Ta chọn chu trình SC03, chu trình có tốc độ cực đại là 88km/h, tốc độ trung bình là 34,5 km/h, đây là chu trình phù hợp với điều kiện chạy thử nghiệm ở điều kiện xe chạy đường trường
Với chiều dài trong một chu trình là 600s, nhưng trong chu trình có nhiều điểm thời gian tốc độ giảm tối đa đặc trưng cho quá trình phanh, hay tăng giảm tốc độ để đánh giá được khả năng tăng tốc của xe
Bổ sung những thiếu sót của chu trình FTP-75 trong các điều kiện ô tô phải tăng hoặc giảm tốc đột ngột Với chiều dài quãng đường là 12,8 km, tốc độ trung bình 77,9 km/h, tốc độ tối đa 129,2km/h, thời gian đo là 596 giây
Trong chu trình thử nghiệm này ô tô có 4 điểm dừng, sau đó được gia tốc cực đại Ô tô được kiểm tra trong điều kiện không sử dụng điều hòa, nhiệt độ môi trường từ 20- 30 o C
Là chu trình kiểm định của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) NYCC áp dụng cho các loại ô tô con, ô tô khách hoạt động trong đường đô thị với tốc độ thấp và có các điểm dừng thường xuyên
Vì tốc độ thiết kế của xe thấp Vmax 34; hình 5.10
Hầu hết các loại ô tô thông thường hiện nay tỷ lệ Công suất/Trọng lượng vào khoảng 40-70 kW/Tấn, nên thuộc về Chu trình 3 Xe tải và xe buýt cũng có thể thuộc về chu trình 2 Trong mỗi chu trình, có các chu trình kiểm tra ứng với hoạt động của ô tô trên các loại đường như: đường cao tốc, và đường cao tốc đô thị và ngoài đô thị với khả năng tăng tốc và vận tốc ô tô khác nhau
Hình 5.10 Chu trình WLTC Class3
Mặc dù có những ưu điểm so với các chu trình NEDC, nhưng chu trình WLTC với khả năng gia tốc 0-15 km/h trong 15 giây, không phù hợp với điều kiện hoạt động của ô tô khu vực Tây Âu (trong 5-10 giây) Chu trình WLTC cũng không có hành trình leo dốc
Quy trình mô phỏng tính toán bằng Advisor
Hình 5.12 Quy trình mô phỏng tính toán bằng phần mềm Advisor
Thực hiện mô phỏng tính toán bằng Advisor
5.3.1 Đặc điểm của các bài mô phỏng được tiến hành trong luận văn Bảng 5.1 Đặc điểm các mô phỏng xe truyền thống và xe điện 16 chỗ
STT Xe mô phỏng Đặc điểm
+Khả năng kéo +Khả năng tăng tốc của xe +Khả năng leo dốc
+Hiệu quả sử dụng năng lượng +Lượng phát thải khí độc
+Gia tốc max +Thời gian tăng tốc 0-100km/h
+Thời gian tăng tốc 0-40km/h +Độ vượt dốc tối đa tại: v = 10km/h +Suất tiêu hao nhiên liệu +Hiệu suất làm việc của động cơ
2 -Nt- -Nt- -Nt- NYCC -Nt-
+Khả năng kéo +Khả năng tăng tốc của xe +Khả năng leo dốc
+Hiệu quả sử dụng năng lượng +Lượng phát thải khí độc
+Gia tốc max +Thời gian tăng tốc 0-40km/h +Độ dốc tối đa tại v= 10 km/h +Độ phóng điện
+Hiệu suất làm việc của động cơ
4 -Nt- -Nt- -Nt- FTP -Nt-
5 -Nt- -Nt- Đánh giá ảnh hưởng của nguồn tích trữ năng lượng điện tới tính năng động lực học
NYCC -Quãng đường đi được tối đa / 1 lần sạc
6 -Nt- Chế độ vượt dốc
+Khả năng kéo +Khả năng tăng tốc của xe +Khả năng leo dốc
+Thời gian tăng tốc 0-40km/h +Độ dốc tối đa tại v = 10km/h
5.3.2 Mô phỏng xe truyền thống theo chu trình FTP
5.3.2.1 Thiết lập các thông số đầu vào
Thiết lập các thông số cụ thể cho xe truyền thống TOYOTA-HIACE Chọn kiểu xe truyền thống cho ở cửa sổ thiết lập ban đầu (vùng số 1) như hình 5.13
Hình 5.13 Cửa sổ input phần mềm Advisor
Chọn các thông số phụ hợp với xe Toyata Hiace
Hình 5.14 Truy cập thay đổi thông số trong m_file
Thay đổi các thông số như sau:
Veh_glider_mass: có giá trị là 1208 kg , Veh_CD: hệ số lực cản khí động học, ta chọn là 0,36
Veh_FA: diện tích mặt trước xe, giữ nguyên theo mặc định là 3,573 m2
Veh_1st_rrc và veh_2nd_rrc: giữ nguyên theo mặc định
Veh_front_wt_frac: hệ số tải trọng xe ở cầu trước, 0,55
Veh_cg_height: chiều cao trọng tâm xe là 0,72 m
Veh_wheelbase: khoảng cách giữ hai trục xe 3,43 m
Veh_cargo_mass: hối lượng chở hàng của xe là 1280 kg
Hình 5.15 Chọn mô hình Fuel converter Đối với dòng xe này ta chọn mô hình FC_SI102_emis có dải công suất gần đúng với công suất của động cơ của hãng đã sử dụng, sau đó ta can thiệp vào dữ liệu thiết lập trong m file để thay đổi một số thông số cho phù hợp fc_map_spd và fc_map_trq: Bản đồ tốc độ và momen xoắn của động cơ
Fuel Use and Emissions Maps: Bản đồ lượng nhiên liệu sử dụng và lượng khí thải fc_max_trq: Dải momen xoắn cực đại fc_max_pwr: Công suất cực đại của động cơ, 106kW fc_mass: Tổng khối lượng của động cơ, 339 kg fc_hoot_sarea: Diện tích bề mặt của động cơ, 1,5 m 2 fc_fuel_den: Mật độ nhiên liệu, 749 g/l fc_fuel_lhv: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, 4260 J/g fc_tstat: Nhiệt độ bắt đầu nước làm mát, 96 0 C
Hệ thống khí thải có bộ lọc xúc tác, ta có thể tùy chỉnh để phần này có hoạt động hay không bằng cách thay đổi giá trị tại mục ex_calc, cho giá trị bằng 1
Hình 5.16 Điều chỉnh Exhaust Aftertreat -Transmission:
Sử dụng hộp số sàn 5 Cấp TX-5SPD Với các thông số được điều chỉnh cho phù hợp với bộ truyền động của TOYOTA – HIACE : r1 st = 3.7; r2 nd =2.02; r3 rd =1.37; r4 th =1; r5 th =0.8; r reverse =4,47
Hình 5.17 Chọn hộp số 5 cấp
Các thông số của bánh xe và trục xe, kèm thêm các chi tiết tại bánh xe như là phanh Ta sẽ can thiệp vào mã code của phần mềm để thiết lập riêng cho mô hình wheel/axle với các thông số như hình 5.18
Hình 5.18 Chọn thông số về lốp xe, cầu wh_radius: Bán kính bánh xe, 0,3755m wh_inertia: Quán tính quay của bánh xe, 3,33 kg.m 2 wh_mass: Khối lượng các bánh xe, 30kg
Các thông số phụ tải được thiết lập trong m.file như hình 5.19
Hình 5.19 Xác lập thông số hệ thống phụ acc_mech_pwr: Tải phụ cơ khí, trích từ động cơ, 700W acc_elec_pwr: Tải phụ điện, trích từ máy phát điện, 0W acc_mech_eff: Hiệu suất của phụ tải, 100%
Ta lựa chọn loại PTC_CONV, điều khiển hệ thống truyền lực dành cho kiểu xe truyền thống
Hình 5.20 Chọn hệ thống điều khiển
Tiếp tục sang cửa sổ tiếp theo bằng cách nhấn vào nút “continue” để tiếp tục sang bước thứ 2
5.3.2.2 Chọn chu trình lái cho quá trình mô phỏng (drive cycle)
-Ta chọn chu trình mô phỏng FTP, chu trình có tốc độ cực đại là 91,25 km/h, tốc độ trung bình là 25,82 km/h, đây là chu trình phù hợp với điều kiện mô phỏng quá trình xe chạy trên đường đô thị Chu trình này, hiện tại đang được áp dụng tại Mỹ Với chiều dài quãng đường 17,77 km, tổng thời gian trong một chu trình là 2477s, trong chu trình có nhiều điểm thời gian tốc độ giảm tối đa đặc trưng cho quá trình phanh, hay tăng giảm tốc độ để đánh giá được khả năng tăng tốc của xe
Hình 5.21 Chọn chu trình mô phỏng FTP
-Ta chọn các thuộc tính kiểm tra khả năng tăng tốc như sau:
Hình 5.22 Các thuộc tính kiểm tra khả năng tăng tốc
-Ta chọn các thuộc tính kiểm tra khả năng leo dốc như sau:
Hình 5.23 Các thuộc tính kiểm tra khả năng leo dốc
5.3.2.3 Xuất kết quả mô phỏng
Hình 5.24 Kết quả mô phỏng xe TOYOTA HIACE theo chu trình FTP
Sau khi hoàn thành chu trình thử nghiệm với quãng đường 17,5 km trong thời gian 2477s ta có kết quả sau:
-Lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe trung bình là 16 lít nhiên liệu/100 km (≈529MJ/kg) -Khả năng leo dốc cực đại của xe ứng với tốc độ 20 km/h là 27,7%
-Gia tốc cực đại của xe là 2,8 m/s 2 , thời gian tăng tốc từ 0 đến 80 km/h là 7s, từ 0 đến 100 km/h là 23,2 s Quãng đường đi được trung bình trong 10s là 58,5 m, tốc độ tối đa có thể đạt được là 161 km/h
Hình 5.25 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu EURO
-Khí thải: Lượng HC là 0,394 g/km, CO là 1,51 g/km, NOx là 6,367 g/km So sánh với tiêu chuẩn EURO 2 như hình, thì lượng NOx cao hơn so với tiêu chuẩn, còn lượng HC và CO thì tương đối đảm bảo theo yêu cầu Theo quy định đăng kiểm ngày 1/1/2017 sẽ áp dụng tiêu chuẩn EURO 4 thì kết quả mô phỏng vậy là chưa đạt, đề xuất phải sử dụng bộ xử lý khí thải cho ô tô
-Hiệu suất của động cơ thấp nằm trong khoảng từ 20-30%, cụ thể theo dõi hình 5.26
Hình 5.26 Hiệu suất làm việc động cơ theo chu trình FTP
Tốc độ động cơ làm việc trong chu trình nằm trong khoảng từ 800 đến 3000 vòng/phút, với mômen dao động từ 0-150 Nm như hình 5.27
Hình 5.27 Mômen làm việc của động cơ theo chu trình FTP
Shif t Diagram - Fuel Conv erter 1991 Dodge Carav an 3.0L (102kW) SI Engine - transient data & max torque curve operating points(gear 1) operating points(gear 2) operating points(gear 3) operating points(gear 4) operating points(gear 5) downshift 2->1 downshift 3->2 downshift 4->3 downshift 5->4 upshift 1->2 upshift 2->3 upshift 3->4 upshift 4->5
-Hiệu suất của các hệ thống được thể hiện như hình 5.28
Hình 5.28 Hiệu suất làm việc của các hệ thống theo chu trình FTP 5.3.3 Mô phỏng xe truyền thống theo chu trình NYCC
Với mục đích so sánh tính năng động lực học của xe điện 16 chỗ ngồi do tác giả thiết kế so với dòng xe truyền thống TOYOTA – HIACE dùng động cơ xăng, ta thực hiện lại mô phỏng phần 5.3.1 nhưng với chu trình lái thay đổi là NYCC Chu trình có tốc độ cực đại là 44,58 km/h, tốc độ trung bình là 11,41 km/h, đây là chu trình phù hợp với điều kiện mô phỏng quá trình xe chạy trên quãn đường ngắn, đông đúc, tốc độ di chuyển thấp Chu trình này, hiện tại đang được áp dụng tại Mỹ Với chiều dài quãng đường 1,9 km, tổng thời gian trong một chu trình là 688s
Hình 5.29 Cửa sổ lựa chọn chu trình mô phỏng NYCC -Kết quả thu được như sau:
Hình 5.30 Kết quả mô phỏng xe TOYOTA HIACE theo chu trình NYCC
Sau khi hoàn thành chu trình thử nghiệm với quãng đường 1,9 km trong thời gian 598s ta có kết quả sau:
- Lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe trung bình là 35 lít nhiên liệu/100 km (≈1157,7 MJ/kg)
- Khả năng leo dốc cực đại của xe ứng với tốc độ 20 km/h là 27,7% - Gia tốc cực đại của xe là 2,8 m/s 2 , thời gian tăng tốc từ 0 đến 100 km/h là
23,2s Quãng đường đi được trung bình trong 10s là 58,5 m, tốc độ tối đa có thể đạt được là 161 km/h
- Khí thải: Lượng HC là 2,665 g/km, CO là 7,392 g/km, NOx là 12,452 g/km
- Hiệu suất của động cơ thấp nằm trong khoảng từ 15-25%, cụ thể theo dõi hình 5.31
Hình 5.31 Hiệu suất làm việc động cơ theo chu trình NYCC
-Tốc độ động cơ làm việc trong chu trình nằm trong khoảng từ 800 đến 2000 vòng/phút, với mômen dao động từ 0-100 Nm như hình 5.32
Hình 5.32 Mômen làm việc của động cơ theo chu trình NYCC
-Hiệu suất của các hệ thống được thể hiện như hình 5.33
Hình 5.33 Mômen làm việc của động cơ theo chu trình NYCC
Fuel Conv erter Operation 1991 Dodge Carav an 3.0L (102kW) SI Engine - transient data max torque curve output shaft op pts(includes inertia & accessories)
5.3.4 Mô phỏng xe điện 16 chỗ ngồi ở chế độ liên tục theo chu trình NYCC
5.3.4.1 Thiết lập các thông số đầu vào Với các thông số kỹ thuật đã cho của xe điện ở bảng trên cũng như các thông số về kích thước và thông số về trọng lượng giới thiệu trong chương 3 ta tiến hành mô phỏng xe điện bằng phần mềm Advisor Ta tiến hành nhập các thông số đầu vào cửa sổ Input của phần mềm, kết quả như hình sau:
Hình 5.34 Chọn loại mô phỏng xe điện
Trong cửa sổ Input ta có thay đổi một số thông số so với xe điện mặc định , cụ thể ta chọn cấu hình xe đã được cài đặt sẵn EV_16SEAT_VBKT_in
Hình 5.35 Thiết lập thông số Vehicle cho xe điện 16 chỗ
Ta chọn file VEH_EV16.m đã thiết lập trước đó trong phần mềm với các biến đầu vào như sau:
Veh_glider_mass: có giá trị là 733 kg , Veh_CD: hệ số lực cản khí động học, ta chọn là 0,3
Veh_FA: diện tích mặt trước xe, giữ nguyên theo mặc định là 3,573 m2
Veh_1st_rrc và veh_2nd_rrc: giữ nguyên theo mặc định
Veh_front_wt_frac: hệ số tải trọng xe ở cầu trước, 0,55
Veh_cg_height: chiều cao trọng tâm xe là 0,5204 m
Veh_wheelbase: khoảng cách giữ hai trục xe 3,43 m
Veh_cargo_mass: hối lượng chở hàng của xe là 1280 kg
Hình 5.36 Thiết lập thông số Energy Storage cho xe điện 16 chỗ
Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng xe điện 16 chỗ
5.4.1 Đánh giá tính năng hoạt động của xe điện
Kết quả mô phỏng giúp ta đánh giá và so sánh được một số tính năng hoạt động của xe điện 16 chỗ với xe truyền thống, thông qua đó làm cơ sở để kiểm nghiệm và đánh giá điện 16 chỗ mà tác giả đã tính toán thiết kế Xe điện được thiết kế dựa trên nền xe TOYOTA-HIACE chỉ khác nhau về hệ thống truyền động (drivetrain) và nguồn năng lượng cụ thể ta theo dõi bảng 5.2
Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật xe TOYOTA Hiace và Xe điện 16 chỗ
Mẫu xe Toyota Hiace Xe điện 16 chỗ
Loại nhiên liệu Gasoline Electric
Công suất cực đại, Kw/rpm 144/4800 49/3000
Tốc độ cực đại, Km/h 165 43
Năng lượng bình điện, kWh 0 21,36
Khi tiến hành mô phỏng lần lượt ta chọn cùng một chu trình lái cho cả hai loại xe điện và xe truyền thống, chu trình FTP và NYCC Trong đó :
-Chu trình FTP, có tốc độ cực đại là 91,25 km/h, tốc độ trung bình là 25,82 km/h, với chiều dài quãng đường 17,77 km, tổng thời gian trong một chu trình là 2477s đây là chu trình phù hợp với điều kiện mô phỏng quá trình xe chạy trên đường đô thị Chu trình này, hiện tại đang được áp dụng tại Mỹ cho các dòng xe du lịch, ô tô con Khi áp dụng chu trình này sẽ đánh giá được tính năng làm việc của xe điện được thiết kế so với kiểu xe truyền thống
-Chu trình NYCC, có tốc độ cực đại là 44,58 km/h, tốc độ trung bình là 11,41 km/h, đây là chu trình phù hợp với điều kiện mô phỏng quá trình xe chạy trên quãng đường ngắn, đông đúc, tốc độ di chuyển thấp Chu trình này, hiện tại đang được áp dụng tại Mỹ Với chiều dài quãng đường 1,9 km, tổng thời gian trong một chu trình là 688s Khi áp dụng chu trình này sẽ đánh giá được những ưu điểm của xe điện khi hoạt động trong điều kiện quãng đường di chuyển ngắn, đông đúc, tốc độ di chuyển thấp, nhiều điểm dừng
Bảng 5.3 So sánh kết quả mô phỏng xe điện và xe truyền thống
Khả năng tăng tốc 0- 100 km/h
Khả năng tăng tốc 0- 40 km/h
Tốc độ cực đại, km/h 161 43,3 161 43,3
Khí thải, g/km HC 0,394, CO
Mức tiêu hao năng lượng tương đương, lit/100km
(≈146,5 MJ/kg) Về mặt kỹ thuật xe điện cũng như xe truyền thống đảm bảo đầy đủ các tính năng về động lực học, đảm bảo ổn định và an toàn khi xe chuyển động trên đường
Tuy nhiên, vì hạn chế hiệu suất nguồn năng lượng acquy chì-axit năng lượng cung cấp không đáp ứng đủ cho xe điện vượt dốc 20% khi hoạt động trên những quãng đường dài theo chu trình FTP Nhưng khi hoạt động với những quãng đường di chuyển ngắn, nhiều thời điểm dừng thì xe điện đáp ứng điều kiện vượt dốc 22,7% theo chu trình NYCC Vì vậy, xe điện 16 chỗ sẽ đáp ứng đầy đủ các tính năng làm việc ứng với quãng đường di chuyển ngắn, mặt đường bằng phẳng
Hiệu suất làm việc của động cơ điện cao 80-90% so với động cơ truyền thống 20- 30%, hoạt động êm dịu, hiệu quả, trơn tru hơn, không gây tiếng động, và yêu cầu bảo dưỡng ít hơn so với động cơ đốt trong Bên cạnh đó hiệu suất của xe điện cao hơn các loại xe động cơ đốt trong nó chuyển khoảng 59-62% năng lượng điện thành công suất tại bánh xe, và trong khi đó ở xe thông thường thì con số chỉ là 17-21%
Ngoài ra, xe điện không phát thải ra các loại khí độc gây ô nhiễm môi trường và đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn rất nhiều so với sử dụng nhiên liệu truyền thống
5.4.2 Đánh giá khả năng vượt dốc của xe điện
Khả năng vượt dốc của xe điện là chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng đáp ứng các điều kiện địa hình khác nhau cũng như tính linh hoạt khi hoạt động thực tế Theo quy định kiểm định hiện hành, tất cả các loại xe phải vượt qua dốc 20% Đối với xe điện, khả năng vượt dốc phụ thuộc vào thông số mô men xoắn của động cơ điện sử dụng và cường độ dòng điện của bộ tích trữ năng lượng Theo như thông số kỹ thuật của động cơ điện HPEVS-AC51 cần dòng điện 650A - 96V để tạo momen xoắn cực đại 197N.m tại vòng tua 3000 vòng/phút Để đánh giá khả năng vượt dốc của xe điện, Advisor cung cấp sẵn các thuật toán để giải quyết vấn đề trên Trong quá trình mô phỏng tùy thuộc vào độ dốc mặt đường mà ta thay đổi cho phù hợp như hình 5.63
Hình 5.63 Cửa sổ lựa chọn thông số dốc mặt đường Để phân tích khả năng vượt dốc chính xác hơn ta điều khiển thông số mô phỏng độ dốc “Grade option” như hình 5.64, với thông số độ dốc tối thiểu 5%, tối đa 20%, độ mấp mô mặt đường là 3%, sai số phép đo là 0,05
Hình 5.64 Cửa sổ tùy chỉnh thông số đầu vào mô phỏng dốc mặt đường
Ta được kết quả như sau:
Hình 5.65 Kết quả mô phỏng khả năng leo dốc của xe điện 16 chỗ
Xe điện 16 chỗ mà tác giả thiết kế đạt được độ dốc 22,7% với vận tốc 10km/h, thỏa yêu cầu đặt ra Ngoài ra, dựa vào đồ thị ess_current và ess_soc_hint ta thấy lượng điện phóng ra cực đại 300A tương ứng độ phóng điện của cụm ắc-quy 99% và độ dốc của quãng đường mô phỏng Trong quá trình phóng điện, nhiệt độ cụm ắc-quy dao động từ 20 đến 22 o C
Như vậy, với điều kiện mô phỏng theo chu trình lái NYCC, xe điện 16 chỗ mà tác giả thiết kế đã đáp ứng được các điều kiện địa hình phúc tạp, vượt được độ dốc 22,7% với vận tốc 10km/h giúp xe điện có tính linh hoạt và đa dụng cao khi hoạt động trong điều kiện thực tiễn
5.4.3 Đánh giá sự ảnh hưởng của bộ tích trữ năng lượng chì - axit đến quãng đường di chuyển cho một lần sạc
Sau khi hoàn thành chu trình thử nghiệm với 50 lần lặp lại chu kì đã đạt được quãng đường 62,8 km trong thời gian 2923s Kết quả mô phỏng chỉ đạt 62,8km, thấp hơn so với thông số tính toán theo cơ sở lý thuyết là 80km/01 lần sạc Vì khi áp dụng chu trình NYCC mô phỏng điều kiện hoạt động thực tế thì tốc độ của xe điện tăng giảm cực đại và có nhiều quãng ngừng khi di chuyển dẫn đến lượng tiêu hao năng lượng cho các quá trình tăng tốc, giảm tốc nhiều dẫn đến quãng đường đi đường ngắn hơn kết quả tính toán
Kết quả mô phỏng quãng đường đi được tối đa của xe điện 16 chỗ ngồi/01 lần sạc như hình 5.66
Hình 5.66 Quãng đường di chuyển của xe điện 16 chỗ cho 01 lần sạc khi có 08 bình ắc-quy Để kiểm nghiệm hiệu quả sử dụng năng lượng, ta tiến hành tăng số lượng bình ắc-quy Căn cứ vào điều kiện hoạt động của bộ điều khiển động lực xe điện từ 96 - 130V và thông số bố trí chung của xe điện ta dùng Advisor mô phỏng tính năng động lực học với các thông số đầu vào tương tự khi động cơ hoạt động ở chế độ liên tục với số lượng bình ắc-quy là 10 Ta thu được kết quả như hình 5.67
Hình 5.67 Quãng đường di chuyển của xe điện 16 chỗ cho 01 lần sạc khi có 10 bình ắc-quy
Quãng đường di chuyển đi được là 63,7 km, tăng không đáng kể, bởi vì công suất mỗi bình ắc-quy tạo ra nhỏ khoảng 2,43 kW, không đủ để bù năng lượng tiêu hao do tăng trọng lượng toàn bộ của xe Ngoài ra, làm tăng chi phí sử dụng và hệ thống nạp điện phải có công suất cao hơn; nhiều ắc-quy sẽ khó bố trí và làm giảm không gian hữu dụng của ô tô Do đó, phương án sử dụng 08 bình ắc-quy là thỏa mãn
5.4.4 Đánh giá tính năng hoạt động của xe điện khi thay thế bộ tích trữ năng lượng bằng nguồn năng lượng khác
