Hệ thống phanh tái sinh thu hồi năng lượng đã và đang được áp dụng ngày càng phổ biến trên các dòng xe điện và hybrid.. - Bài nghiên cứu: “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mô hình thử n
CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
Arduino nano
Arduino Nano là một phiên bản nhỏ gọn của dòng board phổ biến Arduino được phát triển bởi tập đoàn Arduino.cc Với kích thước nhỏ gọn và khả năng linh hoạt, Arduino Nano là công cụ lý tưởng cho các dự án sáng tạo điện tử từ cơ bản đến nâng cao Arduino Nano sử dụng chip ATmega328P, là một vi điều khiển AVR 8-bit mạnh mẽ đƣợc sản xuất bởi Microchip Technology Là bộ vi xử lý tích hợp nhiều tính năng I/O, PWM, Timer, Interrupt với mức giá cả phải chăng, dễ dàng giao tiếp với các modul và hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình
Arduino nano có một số chân GPIO (General Purpose Input/Output) cho phép kết nối với các linh kiện và cảm biến khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Ngoài ra, nó còn có các chân đặc biệt như chân nạp (cho phép chương trình đƣợc tải vào board từ máy tính thông qua một cổng USB), chân ngoại vi I2C, SPI, UART và nhiều chân nối tiếp khác
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của Arduino nano
Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16MHz
Dòng tiêu thụ Khoảng 30mA Điện áp đầu vào 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chấn hardware PWM)
Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328P)
2 chân Serial: 0 (RXD) và 1 (TXI): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác th ng qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói n m na chính là kết nối Serial kh ng dây Nếu kh ng cần giao tiếp Serial, ta kh ng nên sử dụng 2 chân này nếu kh ng cần thiết
Chân PWM digital (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2 8 -1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
40 analogWrite() Nói một cách đơn giản, ta có thể tuỳ ý điều chỉnh đƣợc điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V bằng cách băm xung thay vì chỉ cố định ở mức 0V hoặc 5V nhƣ những chân khác trên arduino
Chân iao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng th ng thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó đƣợc nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng
Arduino nano có 8 chân analog (A0 → A7) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 2 10 -1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn có thể để đƣa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit
3.2 Mạch điều khiển độn cơ Brushless With Hall 6-50V 380W
Mạch Điều Khiển Động Cơ Brushless With Hall 6-50V 380W là một mạch điều khiển động cơ kh ng chổi than đƣợc tích hợp chiết áp điều chỉnh tốc độ bằng tay Đƣợc thiết kế vô cùng nhỏ gọn, cung cấp công suất lên đến 380W thích hợp cho các ứng dụng DIY sử dụng động cơ kh ng chổi than để chế tạo máy mài từ ổ cứng PC, chế máy cắt từ động cơ kh ng chổi than, chế trục Z từ động cơ DVD,
Hình 3.2 Sơ đồ chân của mạch điều hiển động cơ Brushless With
Bảng 3.2 Thông số ĩ thuật Brushless With Hall 6-50V 380W
Phạm vi điện áp hoạt động 6-50VDC
Chức năng bảo vệ quá dòng Có
Tốc độ quay cao nhất 10000 ~ 15000 vòng/phút
Bảng 3.3 Thông số ĩ thuật của motor BLDC
Phase 3 Điện áp 24VDC Điện trở R 1.15 Ω
Cảm biến vị trí Hall (120° )
Biến trở là một điện trở mà giá trị của nó có thể điều chỉnh đƣợc Biến trở gồm có 3 chân: 2 chân nguồn (chân âm GND và chân dương VCC 5V), 1 chân ở giữa là chân xuất ra giá trị điện áp thay đổi từ 0-5V khi xoay biến trở Ở đây, nhóm thực hiện chọn biến trở 10kΩ
Chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều thành điện 1 chiều cung cấp dòng áp đủ tranh trường hợp sụt áp, dòng ảnh hưởng tới mạch, hiệu quả cao, giá thành thấp, độ tin cậy cao cung cấp cho BTS chạy motor arduino và các modul khác Dùng trong các mạch ổn áp,
Bảng 3.4 Thông số ĩ thuật nguồn 24V-5A Điện Áp Đầu Vào AC 220V (Chân L và N) Điện Áp Đầu Ra DC 24V
Phạm vi điện áp đầu vào 180 ~ 264VAC
Mạch hạ áp DC LM2596 3A bộ điều chỉnh điện áp một chiều điện áp giảm (bộ chuyển đổi buck) nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao
Hình 3.6 Mạch giảm áp LM2596
- Sử dụng: Module có 2 đầu vào IN, OUT, 1 biến trở để chỉnh áp đầu ra Khi cấp điện cho đầu vào (IN) thì vặn biến trở và dùng VOM để đo mức áp ở đầu ra (OUT) để đạt mức điện áp mong muốn Điện áp đầu vào từ 4-35V, điệnáp ra từ 1,25-30V, dòng Max 3A, cấp nguồn 5V cho Arduino Uno R3
Bảng 3.5 Thông số ĩ thuật LM2596
Chip LM2596 Điện áp đầu vào 3V-30V Điện áp đầu ra 1,5V-30V
Cảm biến dòng điện ACS712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện đƣợc lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), trong phạm vi đã cho Tụ (Cf theo sơ đồ) đƣợc dùng với mục đích chống nhiễu và có giá trị tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng
Hình 3.7 ACS712 Cảm biến dòng 20A
Bảng 3.6 Thông số ĩ thuật ACS712 Cảm biến dòng 20A
Thời gian chuyển đổi 5às Điện trở trong 1.2mΩ
Sử dụng nguồn điện 5V Độ nhạy đầu ra 63 – 190 mV/A
Nhiệt độ hoạt động -40 – 85 độ Điện áp cách ly tối đa 2100V (RMS)
Là một mạch công suất Mosfet có 1 kênh, đầu vào và đầu ra đƣợc cách ly hoàn toàn với nhau, cổng đầu ra có thể điều khiển các thiết bị công suất cao, chẳng hạn như động cơ, đèn, dây đèn LED, động cơ DC, máy bơm nước siêu nhỏ, van nam châm điện
Hình 3.8 Module mosfet cách ly
Bảng 3.7 Thông số ĩ thuật module mosfet cách ly Điện áp tín hiệu đầu vào 3V-24V Điện áp điều khiển đẩu ra 5V-80V
Dòng điện đầu ra Tối đa 18A
Là thiết bị điện dung để nối trục của động cơ (hay còn goi là cốt) với bộ phận truyền động của máy móc Chức năng chính của ly hợp từ là đóng ngắt việc truyền momen xoắn giữa 2 bộ phận này
3.10 Mạch Công Suất MOSFET IRF520
Motor BLDC
Bảng 3.3 Thông số ĩ thuật của motor BLDC
Phase 3 Điện áp 24VDC Điện trở R 1.15 Ω
Cảm biến vị trí Hall (120° )
Biến trở
Biến trở là một điện trở mà giá trị của nó có thể điều chỉnh đƣợc Biến trở gồm có 3 chân: 2 chân nguồn (chân âm GND và chân dương VCC 5V), 1 chân ở giữa là chân xuất ra giá trị điện áp thay đổi từ 0-5V khi xoay biến trở Ở đây, nhóm thực hiện chọn biến trở 10kΩ
Nguồn xung 24V – 5A
Chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều thành điện 1 chiều cung cấp dòng áp đủ tranh trường hợp sụt áp, dòng ảnh hưởng tới mạch, hiệu quả cao, giá thành thấp, độ tin cậy cao cung cấp cho BTS chạy motor arduino và các modul khác Dùng trong các mạch ổn áp,
Bảng 3.4 Thông số ĩ thuật nguồn 24V-5A Điện Áp Đầu Vào AC 220V (Chân L và N) Điện Áp Đầu Ra DC 24V
Phạm vi điện áp đầu vào 180 ~ 264VAC
Mạch giảm áp LM2596
Mạch hạ áp DC LM2596 3A bộ điều chỉnh điện áp một chiều điện áp giảm (bộ chuyển đổi buck) nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao
Hình 3.6 Mạch giảm áp LM2596
- Sử dụng: Module có 2 đầu vào IN, OUT, 1 biến trở để chỉnh áp đầu ra Khi cấp điện cho đầu vào (IN) thì vặn biến trở và dùng VOM để đo mức áp ở đầu ra (OUT) để đạt mức điện áp mong muốn Điện áp đầu vào từ 4-35V, điệnáp ra từ 1,25-30V, dòng Max 3A, cấp nguồn 5V cho Arduino Uno R3
Bảng 3.5 Thông số ĩ thuật LM2596
Chip LM2596 Điện áp đầu vào 3V-30V Điện áp đầu ra 1,5V-30V
ACS712 Cảm biến dòng 20A
Cảm biến dòng điện ACS712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện đƣợc lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), trong phạm vi đã cho Tụ (Cf theo sơ đồ) đƣợc dùng với mục đích chống nhiễu và có giá trị tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng
Hình 3.7 ACS712 Cảm biến dòng 20A
Bảng 3.6 Thông số ĩ thuật ACS712 Cảm biến dòng 20A
Thời gian chuyển đổi 5às Điện trở trong 1.2mΩ
Sử dụng nguồn điện 5V Độ nhạy đầu ra 63 – 190 mV/A
Nhiệt độ hoạt động -40 – 85 độ Điện áp cách ly tối đa 2100V (RMS)
Module mosfet cách ly
Là một mạch công suất Mosfet có 1 kênh, đầu vào và đầu ra đƣợc cách ly hoàn toàn với nhau, cổng đầu ra có thể điều khiển các thiết bị công suất cao, chẳng hạn như động cơ, đèn, dây đèn LED, động cơ DC, máy bơm nước siêu nhỏ, van nam châm điện
Hình 3.8 Module mosfet cách ly
Bảng 3.7 Thông số ĩ thuật module mosfet cách ly Điện áp tín hiệu đầu vào 3V-24V Điện áp điều khiển đẩu ra 5V-80V
Dòng điện đầu ra Tối đa 18A
Ly hợp từ
Là thiết bị điện dung để nối trục của động cơ (hay còn goi là cốt) với bộ phận truyền động của máy móc Chức năng chính của ly hợp từ là đóng ngắt việc truyền momen xoắn giữa 2 bộ phận này
Mạch Công Suất MOSFET IRF520
Mạch công suất sử dụng MOSFET IRF520 là một giải pháp hiệu quả để điều khiển các thiết bị công suất lớn Với MOSFET IRF520, bạn có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị nhƣ động cơ, đèn LED siêu sáng, quạt DC và nhiều thiết bị khác Mạch có kích thước nhỏ gọn và được trang bị đèn báo trạng thái hoạt động, giúp bạn dễ dàng quản lý và theo dõi trạng thái hoạt động của các thiết bị
Hình 3.10 Mạch Công Suất MOSFET IRF520
Bảng 3.8 Thông số ĩ thuật mạch Công Suất MOSFET IRF520 Điện áp giao tiếp 3.3V-5V Điện áp cấp cho tải 0V-24V
Chươn 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM
4.1 Tính toán tải trọng bánh đ quán tính
Qua nghiên cứu và phân tích nguyên lý làm việc của xe điện và xe hybrid là: khi nhả bàn đạp ga đến hết hành trình của bàn đạp xe lúc này sẽ giảm tốc, chạy trơn, xuống dốc hay phanh thì cuối hành trình bàn đạp có một công tắc điện điều khiển đóng ly hợp lại Công suất đƣợc truyền xuống bánh đà để dẫn động máy phát điện của hệ thống tái sinh Khi tốc độ xe giảm quá nhanh thì biến mô thủy lực sẽ tách nối cứng tốc độ với hệ thống chuyển động và hơn nữa nó vẫn truyền với mô men nhỏ hơn xuống bánh đà nên bánh đà kh ng bị hãm lại, mà tiếp tục quay theo quán tính và máy phát vẫn quay để cấp điện Nếu tốc độ (công suất) truyền xuống bánh đà mà lớn hơn tốc độ đang quay của bánh đà thì biến mô lại truyền công suất xuống để tăng tốc bánh đà Hệ thống làm việc hoàn toàn tự động Xe không còn phanh, giảm tốc, hay xuống dốc thì hệ thống có thể vẫn đang làm việc và cấp điện vào ắc quy
Khi thiết kế hệ thống phanh tái sinh thì nhóm đã lựa chọn tiến hành thu nhỏ dựa trên các thông số của xe Tesla Model S 60RWD 2015
T 430 (Nm) m 2100 (kg) (chƣa tải) n 5000( vòng/phút)
Bảng 4.2 Thông số mô hình
Từ các thông số của bảng và bảng ta có tỷ lệ:
= ( ) Như vậy, áp dụng phương trình cân bằng công suất cho mô hình ta có:
Từ khối lƣợng có đƣợc, ta tiến hành thiết kế khối lƣợng quán tính của mô hình
Khối lƣợng quán tính này, nhóm đã quyết định làm theo hình trụ và vật liệu làm khối lƣợng quán tính là sắt
Hình 4.1 Mô hình hoá hối lượng quán tính của mô hình
Chọn kích thước lần lượt để thiết kế là: r = 6 (cm) và h = 1,4 (cm)
4.2.1 Tổng quan hệ thống Để trình bày mô hình một cách rõ ràng và dễ hiểu hơn, nhóm đã tiến hành thiết kế một giao diện giúp dễ dàng quan sát đƣợc cách các linh kiện đƣợc kết nối với nhau và cách chúng hoạt động Giao diện này giúp hiểu rõ hơn về cách dây đƣợc kết nối, bao gồm các linh kiện chính và vai trò của chúng trong hệ thống Ngoài ra, còn có các thiết bị hiển thị tốc độ động cơ và điện áp của phanh tái sinh, mặc dù chưa được liệt kê chi tiết Lưu ý rằng cách kết nối dây trong mô hình này chỉ mang tính chất tham khảo, vì cách mà các chân của linh kiện đƣợc kết nối với Arduino sẽ phụ thuộc vào source code lập trình đã được thiết lập trước đó Điều này là do tính thẩm mỹ và sự chuẩn xác trong việc hiển thị có thể yêu cầu mắc các chân linh kiện theo cách khác nhau
Các linh kiện chính bao gồm:
- Đèn 18W hiển thị tải phanh tái sinh
- Mạch Công Suất MOSFET IRF520
- Mạch điều khiển động cơ Brushless With Hall 6-50V 380W
Hình 4.2 Sơ đồ đấu dây
4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển
Sử dụng linh kiện Arduino Nano với chức năng tương tự một ECU, nó thu thập tín hiệu từ bộ điều khiển cũng nhƣ cảm biến hall của động cơ để điều chỉnh các chế độ hoạt động của động cơ, phanh
Sử dụng 6 diot 3A và 1 tụ điện Module chỉnh lưu sẽ chỉnh dòng điện 3 pha thành 1 pha
4.2.2.3 Module tạo tải thu hồi năn lƣợng tái sinh
Bao gồm 10 điện trở 10W-20 Ohm và 2 bóng đèn 6W-24V để báo hiệu trạng thái phanh tái sinh
Hình 4.5 Module điện trở song song
Màn hình hiển thị LCD có chức năng hiển thị các thông số nhƣ tốc độ động cơ, phanh, %Soc
- Phương án: vẽ bằng phần mềm autoCad
- Độ dày tấm mica: 3mm
Hình 4.7 Bản vẽ mặt trước của mô hình trên AutoCad
4.2.3.2 Thiết kế khung mô hình
- Phương án: vẽ bằng phần mềm autoCad
- Kích thước khung sắt là 400mm ×500mm ×500mm
- Chọn sắt hộp 20mm x 20mm
Hình 4.8 Bản vẽ hung của mô hình trên AutoCad
4.3.1 Hệ thốn điều khiển trung tâm
Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán cho hệ thống điều hiển trung tâm
Các giá trị yêu cầu đầu vào bao gồm Ga, Phanh, chỉ số SOC thiết lập ban đầu và các giá trị cường độ dòng điện được đọc ở các chân analog Sau đó hệ thống tính toán các giá trị đầu vào để điều khiển động cơ, tính toán lại thông số SOC Khối “Tính toán tỷ lệ phanh phân bố cầu trước và cầu sau” được lập trình bằng bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy logic), trong đó các th ng số đầu vào được tính ở trước đó là Tốc độ động cơ, giá trị phanh yêu cầu và chỉ số SOC Đầu ra chính là tỷ lệ của phanh tái sinh so với tổng giá trị phanh yêu cầu Tỷ lệ phanh tái sinh là yếu tố để quyết định điều khiển lực phanh cơ và mức thu hồi lại năng lƣợng của hệ thống phanh tái sinh
4.3.2 Khối điều khiển độn cơ
Hình 4.10 Lưu đồ thuật toán của hối Điều hiển động cơ
Trong quá trình phanh diễn ra thì động cơ sẽ kh ng đƣợc cung cấp nguồn điện để đảm bảo quá trình thu hồi năng lƣợng diễn ra Mặt khác, quá trình tạo quán tính cho bánh đà hệ thống điều khiển trung tâm sẽ điều khiển tốc độ động cơ theo tín hiệu biến trở
4.3.3 Thuật toán khối Tính tỷ lệ phanh giữa cầu trước và cầu sau
Hình 4.11 Lưu đồ thuật toán hối tính tỷ lệ phanh giữa c u trước và c u sau
Nhóm sử dụng bộ điều khiển Fuzzy Logic để tính Tỷ lệ phanh cầu trước so với tổng giá phanh yêu cầu
Bộ điều khiển đƣợc kiểm soát bởi các yếu tố: Tốc độ động cơ, Giác trị phanh yêu cầu và giá trị chỉ số SOC Các yếu tố này khi đƣa vào hệ thống sẽ đƣợc làm mờ hóa và để tăng tính tổng quát thì các thông số này đƣợc quy chuẩn trong phạm vi [0,100] Các định nghĩa của các đầu vào đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Giá trị tốc độ động cơ yêu cầu đƣợc phân ra 5 hàm số trong phạm vi [0,100], từ “Very Low” đến “Very High”
Hình 4.12 Tín hiệu tốc độ động cơ
Tương tự, tín hiệu giá trị phanh yêu cầu và chỉ số trạng thái sạc SoC cũng đƣợc thể hiện trong hình và tín hiệu đầu ra ở hình
LowMidHighVery LowVeryHigh
Hình 4.13 Tín hiệu giá trị phanh yêu c u
Hình 4.14 Tín hiệu chỉ số trạng thái sạc SoC
Low Very High High Mid
Very LowLowMidHighVery High
Hình 4.15 Đ u ra của bộ điều hiển phanh
Dựa vào các điều kiện của hệ thống phanh tái sinh để đặt ra các luật mờ của bộ điều khiển:
- Chỉ số SoC ảnh hưởng đến hiệu quả trong quá trình nạp và phóng điện của bình Hoạt động tối ƣu của Pin nên đƣợc kiểm soát trong khoảng giữa 50-75%
- Xét đến độ an toàn khi lái xe, nếu mô-men yêu cầu lớn (Phanh gấp), thì momen tái sinh nên bằng kh ng Tương tự đối với các trường hợp xe đi ở tốc độ cao Nếu xe đi ở tốc độ thấp thì hiệu suất động cơ rất thấp cho nên phanh tái tạo hoạt động không hiệu quả, do đó kh ng đƣợ sử dụng
- Bộ điều khiển phanh tính toán tỷ lệ phanh tái sinh so với tổng giá trị phanh yêu cầu đảm bảo năng lƣợng tái sinh tối đa nhƣng vẫn đảm bảo tính an toàn cho xe Lực phanh còn lại sẽ đƣợ phanh phối cho phanh cơ
Căn cứ vào luật mờ của hệ thống, nhóm thự hiện đã lập ra hệ suy luận:
- Xe đi với tốc độ quá thấp (Very Low) hoặc quá cao ( Very High), cũng nhƣ trường hợp xe phanh gấp thì tỷ lệ phanh tái sinh so với tổng giá trị phanh yêu cầu bằng không
- Trường hợp 2: Xe di chuyển ở tường hợp chỉ số SOC tối ưu cho Pin trong khoảng 40-80% (Mid)
Bảng 4.3 Luật phân phối tỷ lệ phanh giữa c u trước và c u sau
-Trường hợp 3: Khi chỉ số SOC của xe dưới 20% và lớn hơn 90% thì tỷ lệ phanh tái sinh bằng 0 Chỉ số SOC có giá thấp (Low) hoặc Cao (High) thì tỷ lệ phanh tái sinh ở trong khoảng thấp (Low)
Sau khi hệ suy luận tính toán ra vùng giá trị của đầu ra, hệ giải mở sẽ tính ra chính xác mức độ kích hoạt của giá trị đầu ra trong tập mờ Cuối cùng xuất ra giá trị tỷ lệ phanh tái sinh theo yêu cầu
Nhóm nghiên cứu sau khi sử dụng phần mềm AutoCad đã phát thảo đƣợc khung hình của m hình, đồng thời cũng tiến hành thiết kế và bố trí các chi tiết trên giao diện của m hình Sau đó, nhóm đã tiến hành hàn khung của mô hình theo bản vẽ và khắc, in các chi tiết lên tấm mica
Sau khi nhóm hoàn thành mọi thứ thì cũng tiến hành lắp ráp mô hình hoàn thiện
Hình 4.16 Mô hình hoàn thiện
Các chế độ thử nghiệm m hình đƣợc kết hợp giữa các độ lớn tốc độ động cơ từ thấp, trung bình đến cao và mức độ yêu cầu phanh từ cao, trung bình đến thấp
4.5.1 Xét trường hợp tốc độ độn cơ lớn
4.5.1.1 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay lớn, không phanh
Khi giá trị phanh yêu cầu bằng không và tốc độ động cơ lớn thì chỉ có hệ thống phanh tái sinh hoạt động thu hồi năng lƣợng
Thiết kế hệ thống
4.2.1 Tổng quan hệ thống Để trình bày mô hình một cách rõ ràng và dễ hiểu hơn, nhóm đã tiến hành thiết kế một giao diện giúp dễ dàng quan sát đƣợc cách các linh kiện đƣợc kết nối với nhau và cách chúng hoạt động Giao diện này giúp hiểu rõ hơn về cách dây đƣợc kết nối, bao gồm các linh kiện chính và vai trò của chúng trong hệ thống Ngoài ra, còn có các thiết bị hiển thị tốc độ động cơ và điện áp của phanh tái sinh, mặc dù chưa được liệt kê chi tiết Lưu ý rằng cách kết nối dây trong mô hình này chỉ mang tính chất tham khảo, vì cách mà các chân của linh kiện đƣợc kết nối với Arduino sẽ phụ thuộc vào source code lập trình đã được thiết lập trước đó Điều này là do tính thẩm mỹ và sự chuẩn xác trong việc hiển thị có thể yêu cầu mắc các chân linh kiện theo cách khác nhau
Các linh kiện chính bao gồm:
- Đèn 18W hiển thị tải phanh tái sinh
- Mạch Công Suất MOSFET IRF520
- Mạch điều khiển động cơ Brushless With Hall 6-50V 380W
Hình 4.2 Sơ đồ đấu dây
4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển
Sử dụng linh kiện Arduino Nano với chức năng tương tự một ECU, nó thu thập tín hiệu từ bộ điều khiển cũng nhƣ cảm biến hall của động cơ để điều chỉnh các chế độ hoạt động của động cơ, phanh
Sử dụng 6 diot 3A và 1 tụ điện Module chỉnh lưu sẽ chỉnh dòng điện 3 pha thành 1 pha
4.2.2.3 Module tạo tải thu hồi năn lƣợng tái sinh
Bao gồm 10 điện trở 10W-20 Ohm và 2 bóng đèn 6W-24V để báo hiệu trạng thái phanh tái sinh
Hình 4.5 Module điện trở song song
Màn hình hiển thị LCD có chức năng hiển thị các thông số nhƣ tốc độ động cơ, phanh, %Soc
- Phương án: vẽ bằng phần mềm autoCad
- Độ dày tấm mica: 3mm
Hình 4.7 Bản vẽ mặt trước của mô hình trên AutoCad
4.2.3.2 Thiết kế khung mô hình
- Phương án: vẽ bằng phần mềm autoCad
- Kích thước khung sắt là 400mm ×500mm ×500mm
- Chọn sắt hộp 20mm x 20mm
Hình 4.8 Bản vẽ hung của mô hình trên AutoCad
Thuật toán điều khiển
4.3.1 Hệ thốn điều khiển trung tâm
Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán cho hệ thống điều hiển trung tâm
Các giá trị yêu cầu đầu vào bao gồm Ga, Phanh, chỉ số SOC thiết lập ban đầu và các giá trị cường độ dòng điện được đọc ở các chân analog Sau đó hệ thống tính toán các giá trị đầu vào để điều khiển động cơ, tính toán lại thông số SOC Khối “Tính toán tỷ lệ phanh phân bố cầu trước và cầu sau” được lập trình bằng bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy logic), trong đó các th ng số đầu vào được tính ở trước đó là Tốc độ động cơ, giá trị phanh yêu cầu và chỉ số SOC Đầu ra chính là tỷ lệ của phanh tái sinh so với tổng giá trị phanh yêu cầu Tỷ lệ phanh tái sinh là yếu tố để quyết định điều khiển lực phanh cơ và mức thu hồi lại năng lƣợng của hệ thống phanh tái sinh
4.3.2 Khối điều khiển độn cơ
Hình 4.10 Lưu đồ thuật toán của hối Điều hiển động cơ
Trong quá trình phanh diễn ra thì động cơ sẽ kh ng đƣợc cung cấp nguồn điện để đảm bảo quá trình thu hồi năng lƣợng diễn ra Mặt khác, quá trình tạo quán tính cho bánh đà hệ thống điều khiển trung tâm sẽ điều khiển tốc độ động cơ theo tín hiệu biến trở
4.3.3 Thuật toán khối Tính tỷ lệ phanh giữa cầu trước và cầu sau
Hình 4.11 Lưu đồ thuật toán hối tính tỷ lệ phanh giữa c u trước và c u sau
Nhóm sử dụng bộ điều khiển Fuzzy Logic để tính Tỷ lệ phanh cầu trước so với tổng giá phanh yêu cầu
Bộ điều khiển đƣợc kiểm soát bởi các yếu tố: Tốc độ động cơ, Giác trị phanh yêu cầu và giá trị chỉ số SOC Các yếu tố này khi đƣa vào hệ thống sẽ đƣợc làm mờ hóa và để tăng tính tổng quát thì các thông số này đƣợc quy chuẩn trong phạm vi [0,100] Các định nghĩa của các đầu vào đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Giá trị tốc độ động cơ yêu cầu đƣợc phân ra 5 hàm số trong phạm vi [0,100], từ “Very Low” đến “Very High”
Hình 4.12 Tín hiệu tốc độ động cơ
Tương tự, tín hiệu giá trị phanh yêu cầu và chỉ số trạng thái sạc SoC cũng đƣợc thể hiện trong hình và tín hiệu đầu ra ở hình
LowMidHighVery LowVeryHigh
Hình 4.13 Tín hiệu giá trị phanh yêu c u
Hình 4.14 Tín hiệu chỉ số trạng thái sạc SoC
Low Very High High Mid
Very LowLowMidHighVery High
Hình 4.15 Đ u ra của bộ điều hiển phanh
Dựa vào các điều kiện của hệ thống phanh tái sinh để đặt ra các luật mờ của bộ điều khiển:
- Chỉ số SoC ảnh hưởng đến hiệu quả trong quá trình nạp và phóng điện của bình Hoạt động tối ƣu của Pin nên đƣợc kiểm soát trong khoảng giữa 50-75%
- Xét đến độ an toàn khi lái xe, nếu mô-men yêu cầu lớn (Phanh gấp), thì momen tái sinh nên bằng kh ng Tương tự đối với các trường hợp xe đi ở tốc độ cao Nếu xe đi ở tốc độ thấp thì hiệu suất động cơ rất thấp cho nên phanh tái tạo hoạt động không hiệu quả, do đó kh ng đƣợ sử dụng
- Bộ điều khiển phanh tính toán tỷ lệ phanh tái sinh so với tổng giá trị phanh yêu cầu đảm bảo năng lƣợng tái sinh tối đa nhƣng vẫn đảm bảo tính an toàn cho xe Lực phanh còn lại sẽ đƣợ phanh phối cho phanh cơ
Căn cứ vào luật mờ của hệ thống, nhóm thự hiện đã lập ra hệ suy luận:
- Xe đi với tốc độ quá thấp (Very Low) hoặc quá cao ( Very High), cũng nhƣ trường hợp xe phanh gấp thì tỷ lệ phanh tái sinh so với tổng giá trị phanh yêu cầu bằng không
- Trường hợp 2: Xe di chuyển ở tường hợp chỉ số SOC tối ưu cho Pin trong khoảng 40-80% (Mid)
Bảng 4.3 Luật phân phối tỷ lệ phanh giữa c u trước và c u sau
-Trường hợp 3: Khi chỉ số SOC của xe dưới 20% và lớn hơn 90% thì tỷ lệ phanh tái sinh bằng 0 Chỉ số SOC có giá thấp (Low) hoặc Cao (High) thì tỷ lệ phanh tái sinh ở trong khoảng thấp (Low)
Sau khi hệ suy luận tính toán ra vùng giá trị của đầu ra, hệ giải mở sẽ tính ra chính xác mức độ kích hoạt của giá trị đầu ra trong tập mờ Cuối cùng xuất ra giá trị tỷ lệ phanh tái sinh theo yêu cầu.
Mô hình hoàn thiện
Nhóm nghiên cứu sau khi sử dụng phần mềm AutoCad đã phát thảo đƣợc khung hình của m hình, đồng thời cũng tiến hành thiết kế và bố trí các chi tiết trên giao diện của m hình Sau đó, nhóm đã tiến hành hàn khung của mô hình theo bản vẽ và khắc, in các chi tiết lên tấm mica
Sau khi nhóm hoàn thành mọi thứ thì cũng tiến hành lắp ráp mô hình hoàn thiện
Hình 4.16 Mô hình hoàn thiện
Thử nghiệm mô hình
Các chế độ thử nghiệm m hình đƣợc kết hợp giữa các độ lớn tốc độ động cơ từ thấp, trung bình đến cao và mức độ yêu cầu phanh từ cao, trung bình đến thấp
4.5.1 Xét trường hợp tốc độ độn cơ lớn
4.5.1.1 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay lớn, không phanh
Khi giá trị phanh yêu cầu bằng không và tốc độ động cơ lớn thì chỉ có hệ thống phanh tái sinh hoạt động thu hồi năng lƣợng
Hình 4.17 Thực nghiệm mô hình hi thả ga ở số vòng quay lớn Ở tốc độ khoảng 3500 RPM, tốc độ bánh đà tương đương với tốc độ xe khoảng 80-90 km/h Lúc này thả ga cho xe trôi tự do thì sau khoảng 50 giây xe sẽ dừng hẳn
4.5.1.2 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay lớn, phanh ở mức độ thấp
Khi giá trị phanh yêu cầu nhỏ hơn 20% bàn đạp ga thì lúc này hệ thống phanh tái sinh vừa hoạt động đề thu hồi năng lƣợng đồng thời hệ thống phanh cơ khí cũng sẽ hoạt động Do tốc độ quay của bánh đà lớn cho nên công suất thu hồi cũng sẽ lớn hơn c ng suất thu hồi cực đại của phanh tái sinh Lúc này, phanh tái sinh sẽ hoạt động 100% và phần dƣ c ng suất còn lại do phanh cơ khí sẽ thực hiện
Hình 4.18 Thực nghiệm mô hình ở số vòng quay lớn, phanh ở mức thấp Ở tốc độ khoảng 3500 RPM thì tốc độ bánh đà tương đương với tốc độ xe khoảng 80-90 km/h, đồng thời mức độ phanh là 15% Lúc này thời gian cho xe dừng hẳn là khoảng 28 giây
4.5.1.3 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay lớn, phanh ở mức độ trung bình
Khi giá trị phanh yêu cầu khoảng 50% bàn đạp ga thì lúc này hệ thống phanh tái sinh vừa hoạt động đề thu hồi năng lƣợng đồng thời hệ thống phanh cơ khí cũng sẽ hoạt động Do tốc độ quay của bánh đà lớn cho nên công suất thu hồi cũng sẽ lớn hơn c ng suất thu hồi cực đại của phanh tái sinh Lúc này, phanh tái sinh sẽ hoạt động 100% và phần dƣ c ng suất còn lại do phanh cơ khí sẽ thực hiện Ở trường hợp này, phần công suất do phanh cơ khí thực hiện sẽ lớn hơn c ng suất phanh cơ khí thực hiện ở trường hợp 4.5.1.2
Hình 4.19 Thực nghiệm mô hình ở số vòng quay lớn, phanh ở mức trung bình Ở tốc độ khoảng 3500 RPM thì tốc độ bánh đà tương đương với tốc độ xe khoảng 80-90 km/h, đồng thời mức độ phanh là 50% Lúc này thời gian cho xe dừng hẳn là khoảng 17 giây
4.5.1.4 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay lớn, phanh ở mức độ cao
Khi giá trị phanh yêu cầu khoảng 70% bàn đạp ga thì lúc này hệ thống phanh tái sinh vừa hoạt động đề thu hồi năng lƣợng đồng thời hệ thống phanh cơ khí cũng sẽ hoạt động Do tốc độ quay của bánh đà lớn cho nên công suất thu hồi cũng sẽ lớn hơn c ng suất thu hồi cực đại của phanh tái sinh Lúc này, phanh tái sinh sẽ hoạt động 100% và phần dƣ c ng suất còn lại do phanh cơ khí sẽ thực hiện Ở trường hợp này, phần công suất do phanh cơ khí thực hiện sẽ lớn hơn c ng suất phanh cơ khí thực hiện ở trường hợp 4.5.1.3
Hình 4.20 Thực nghiệm mô hình ở số vòng quay lớn, phanh ở mức cao Ở tốc độ khoảng 3500 RPM thì tốc độ bánh đà tương đương với tốc độ xe khoảng 80-90 km/h, đồng thời mức độ phanh là 70% Lúc này thời gian cho xe dừng hẳn là khoảng 10 giây
4.5 Xét trường hợp tốc độ độn cơ trun bình
4.5.2.1 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay trung bình, không phanh
Hình 4.21 Thực nghiệm mô hình hi thả ga ở số vòng quay trung bình Ở tốc độ khoảng 2500 RPM, tốc độ bánh đà tương đương với tốc độ xe khoảng 50-60 km/h Lúc này thả ga cho xe trôi tự do thì sau khoảng 30 giây xe sẽ dừng hẳn
4.5.2.2 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay trung bình, phanh ở mức độ thấp
Khi giá trị phanh yêu cầu nhỏ hơn 20% bàn đạp ga thì lúc này hệ thống phanh tái sinh vừa hoạt động đề thu hồi năng lƣợng đồng thời hệ thống phanh cơ khí cũng sẽ hoạt động
Hình 4.22 Thực nghiệm mô hình ở số vòng quay trung bình, phanh ở mức thấp Ở tốc độ khoảng 2500 RPM thì tốc độ bánh đà tương đương với tốc độ xe khoảng 50-60 km/h, đồng thời mức độ phanh là 15% Lúc này thời gian cho xe dừng hẳn là khoảng 24 giây
4.5.2.3 Khi mô hình thả giảm ở số vòng quay trung bình, phanh ở mức độ trung bình
Khi giá trị phanh yêu cầu khoảng 50% bàn đạp ga thì lúc này hệ thống phanh tái sinh vừa hoạt động đề thu hồi năng lƣợng đồng thời hệ thống phanh cơ khí cũng sẽ hoạt động
Hình 4.23 Thực nghiệm mô hình ở số vòng quay trung bình, phanh ở mức trung bình Ở tốc độ khoảng 2500 RPM thì tốc độ bánh đà tương đương với tốc độ xe khoảng 50-60 km/h, đồng thời mức độ phanh là 50% Lúc này thời gian cho xe dừng hẳn là khoảng 14 giây
4.5.2.4 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay trung bình, phanh ở mức độ cao
Khi giá trị phanh yêu cầu khoảng 70% bàn đạp ga thì lúc này hệ thống phanh tái sinh vừa hoạt động đề thu hồi năng lƣợng đồng thời hệ thống phanh cơ khí cũng sẽ hoạt động
Hình 4.24 Thực nghiệm mô hình ở số vòng quay trung bình, phanh ở mức cao Ở tốc độ khoảng 2500 RPM thì tốc độ bánh đà tương đương với tốc độ xe khoảng 50-60 km/h, đồng thời mức độ phanh là 70% Lúc này thời gian cho xe dừng hẳn là khoảng 8 giây
4.5.3 Xét trường hợp tốc độ độn cơ thấp
4.5.3.1 Khi mô hình giảm ga ở số vòng quay thấp, không phanh