Trong quá trình học tập tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh chuyên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô chúng em nhận thấy ô tô điện là tương lai của nghành này do đó chún
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Từ ngày 1/7/2025 các ô tô du lịch và xe tải nhỏ ở Châu Âu sẽ áp dụng múc tiêu chuẩn khí thải là Euro 7, còn ở Việt Nam thì từ ngày 1/1/2022 tiêu chuẩn về khí thải của tất cả ô tô sản xuất, lắp ráp trong nước và nhập khẩu về Việt Nam đều phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 5 (Euro 5) Do đó việc người tiêu dùng chuyển sang sử dụng xe điện đang dần trở nên phổ biến hơn trên toàn cầu
Xe điện hoàn toàn là loại xe sử dụng nguồn năng lượng điện để di chuyển thay vì sử dụng động cơ đốt trong như xe chạy bằng xăng hoặc dầu, nó đã và đang trở thành xu hướng phát triển được quan tâm và đầu tư bởi nhiều quốc gia và nhà sản xuất ô tô Các hãng ô tô lớn như General Motors, Volkswagen Group, BMW, Hyundai, đều đang tăng cường thiết kế cũng như sản xuất ô tô “xanh” theo xu hướng của thế giới Ở Việt Nam hiện nay thì hãng ô tô Vinfast thuộc Tập đoàn Vingroup là một trong những hãng đi đầu về việc chuyển đổi từ ô tô truyền thống ( ô tô sử dụng động cơ đốt trong ) sang ô tô điện
Là một sinh viên ngành Công nghệ Kỹ Thuật Ô Tô chúng em có trách nhiệm phải học hỏi, tìm hiểu về xu hướng cũng như nhu cầu của thị trường ô tô ngày càng phát triển
Do đó, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ thống truyền lực và mô phỏng chu trình lái trên ô tô thuần điện” nhằm tìm hiểu các kiến thức về xe điện cũng như tạo điều kiện cho các nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực xe điện sau này.
Mục tiêu của đề tài
- Giới thiệu đầy đủ và chính xác về cấu tạo, cách thức hoạt động của hệ thống truyền lực trên ô tô thuần điện
- Tìm hiểu các phương pháp mô phỏng chu trình lái trên xe thuần điện
- Áp dụng phương pháp mô hình hóa và điều khiển vào một mô hình thực tế của xe thuần điện, để mô phỏng hoạt động của hệ thống xe điện trong các điều kiện khác nhau
- Đánh giá hiệu quả của phương pháp mô hình hóa và điều khiển đã sử dụng, bao gồm các chỉ tiêu đánh giá như hiệu suất, tiêu thụ năng lượng, tốc độ và độ ổn định.
Đối tượng nghiên cứu
Bài báo cáo sẽ tập trung nghiên cứu về cấu tạo hệ thống truyền lực và mô phỏng chu trình lái trên ô tô thuần điện và công cụ mô phỏng để mô phỏng hoạt động của BEV trong các điều kiện lái xe khác nhau và để đánh giá hiệu suất của xe trong các trường hợp cụ thể Đối tượng được lựa chọn để lấy số liệu nghiên cứu là xe Vinfast VF8
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lịch sử hình thành, phát triển của ô tô điện và phân tích cấu tạo hệ thống truyền lực trên xe thuần điện Tìm hiểu về hệ thống phanh tái sinh và hệ thống quản lý pin trong ô tô thuần điện, và phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu về lý thuyết và các nghiên cứu liên quan đến ô tô thuần điện
- Thu thập dữ liệu về các thông số kỹ thuật của hệ thống truyền động điện và hệ thống quản lý pin trong ô tô thuần điện
- Sử dụng các công cụ mô phỏng để kiểm tra tính đúng đắn của các mô hình và đánh giá hiệu suất của hệ thống trên ô tô thuần điện trong các điều kiện lái khác nhau
- Đánh giá kết quả nghiên cứu.
Bố cục bài tiểu luận
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN Ô TÔ THUẦN ĐIỆN
Lịch sử hình thành và phát triển của ô tô điện
Ô tô điện(Electric Vehicle) là loại xe được trang bị một hoặc nhiều động cơ điện nhằm thay thế hoặc sử dụng chung với động cơ đốt trong Nó được xem là loại ô tô không thải khí ô nhiểm ra môi trường (Zero Emission Vehicle) Trong những năm trở lại đây, xe điện đang phát triển mạnh mẽ khi mà vấn đề về nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần trở nên thiếu hụt cũng như vấn để về bảo vệ môi trường đang được mọi người quan tâm hơn bao giờ hết Tuy chỉ mới được biết tới nhiều vào những năm gần đây nhưng theo những ghi chép trong lịch sử thì ô tô điện đã được lên ý tưởng phát minh từ những năm 1800
- Năm 1828 một linh mục tên Anyos István Jedlik đã giới thiệu với thế giới mô hình xe ô tô điện đầu tiên, cũng vì chỉ là mô hình nên tên tuổi của ông cũng không được biết đến với vai trò là người đầu tiên phát minh ra ô tô điện
- Năm 1859 nhà vật lý học người Pháp Gaston Planté đã sáng chế ra pin có thể ssac5 lại để lưu trữ trên xe điện Năm 1880 chiếc xe điện đầu tiên được thiết kế bởi nhà phát minh người Pháp Gustave Trouve Nó chỉ đạt tốc độ tối đa15 km/h và di chuyển được
Hình 2 1 Mô hình ô tô điện đầu tiên trên thế giới
4 quãng đường 16 km Sau đó với sự kết hợp của hãng công nghệ Siemens đã thành công trong việc kết hợp với pin và lắp vào chiếc xe 3 bánh của James Starley(một nhà sáng chế người Anh) Chiếc ô tô 3 bành này là phương tiện giao thông chạy bằng điện năng đầu tiên trên thế giới
- Nhưng phải tới năm 1884 khái niệm ô tô điện mới được mọi người biết tới thông qua nhà phát minh Thomas Parker sau khi ông chế tạo thành công chiếc ô tô điện đầu tiên tại Wolverhampton, Anh Theo đó Pháp và Anh là hai quốc gia ơ châu Âu đầu tiên ủng hộ sử dụng loại hình ô tô điện cho trong giao thông đường bộ Ngoài ra, Bỉ là quốc gia đầu tiên sản xuất thành công mẫu xe đua chạy điện có tên "La JamaisContente "vào năm 1899 được thiết kế bởi Cammelle Jénatzy và có thể đạt được vận tốc tối đa 105,88 km/h Còn tại
Mỹ phải đến những năm cuối của thế kỷ XIX thì ô tô điện mới bắt đầu được chú ý đến bởi người tiêu dùng sau khi nhà thiết kế A.L Ryker trình làng chiếc xe điện 3 bánh của mình
- Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, trào lưu sử dụng ô tô điện trở nên bùng nổ trong xã hội vì những điểm mạnh của mình Khi này, các loại xe chạy bằng hơi nước và xăng đều có nhiều tiếng ồn ào và hiệu suất cũng không cao Trong khi ấy, xe điện thì êm ái hơn, không rung lắc, đặc biệt không có khói và mùi xăng Do đó vào thập niên đầu tiên của thế kỷ XX, ô tô điện đã trở thành một trào lưu tại Hoa Kỳ Theo thống kê thì trong giai đoạn này, trung bình 100 người sở hữu ô tô tại Mỹ thì số lượng ô tô chạy bằng hơi nước khoảng
5 40%, 22% ô tô chạy bằng xăng,dầu và có đến 38% là ô tô chạy bằng điện Tuy nhiên, sự lui tàn của ô tô điện cũng đến khá nhanh vì những nguyên nhân sau :
- Giá nguyên liệu khí đốt giảm : Vào thời điểm này, các nước đã tìm thấy những mỏ dầu lớn trên toàn cầu dẫn đến việc hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên thế giới Vấn đề nhiên liệu đối với xe chạy động cơ đốt trong trở nên dễ dàng
- Chi phí mua lần đầu cao: Tại thời điểm năm 1928, một chiếc ô tô chạy điện có giá khoảng 1750 USD, trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650 USD
- Hạn chết về mặt kỹ thuật: Những phát triển về công nghệ chế tạo trên ô tô sử dụng động cơ đốt trong có những tiến bộ vượt bậc: Charles Kettering đã phát minh ra bộ khởi động cho xe chạy xăng, Henry Ford đã phát minh ra các động cơ đốt trong có giá thành thấp,…
- Giá trị sử dụng : Ô tô điện không thể di chuyển quãng đường dài hơn so với xe chạy xăng và thời gian nghỉ giữa mỗi lần nạp nhiên liệu là quá lâu Đến năm 1930, ô tô điện gần như hoàn toàn biến mất trên thị trường Trong khi đó, ô tô sử dụng động cơ đốt trong lại bắt đầu thời kì bùng nổ
- Giữa thế kỷ 19, sau khi chiến tranh thế giới thứ 2 kết thúc Sư thiệt hại mà chiến tranh gậy ra với các nước là vô cùng nặng nề ảnh hưởng không nhỏ về nhiều mặt trong đó có 2 vấn đề chính là tài nguyên cạn kiệt và thiếu hụt nguồn nhiên liệu Trước tình hình đó xe điện bất ngờ hưởng lợi và trở lại cuộc đua trên thị phần giao thông vận tải toàn thế giới
- Năm 1970, nhu cầu về nguồn năng lượng bùng nổ tại Mỹ đã làm cho giá xăng tăng cao kỉ lục bắt buộc phải có chính sách thay đổi nhằm giải quyết vấn đề Do đó sư quay trở lại phát triển xe điện là thiết yếu với nhu cầu hiện tại Các tập đoàn sản xuất ô tô được giao trọng trách tiên quyết là nghiên cứu cùng lúc phát triển nhằm đưa ô tô điện trở lại với chi phí thấp hơn, giúp xử lý vấn đề nhiên liệu
- Đến năm 1982, tập đoàn General Motors (GM) tạo ra chiếc xe hơi hybrid đầu tiên chạy cùng lúc cả xăng và điện Khoảng vài năm sau đó, Gm tiếp tục đưa ra mẫu xe điện EV1 và tiến hành sản xuất hàng loạt Tại châu Á, Toyota đã tạo nên một bước ngoặt nhằm khẳng định tên tuổi của mình khi lần đầu tiên cho ra mắt mẫu xe hybrid Toyota Prius
- Liên tiếp những năm sau đó các hãng ô tô lớn trên khắp thế giới từ châu Á, châu
Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ thống truyền lực trên ô tô thuần điện
Khác với hệ thống truyền lực của ô tô sử dụng động cơ đốt trong thường là các bộ phận nằm sau động cơ như : ly hợp, hộp số, vi sai,…,thì hệ thống truyền lực của ô tô thuần điện có cấu tạo chung với động cơ để truyền năng lượng trực tiếp qua đó hệ thống truyền lực trên xe điện còn được gọi là hệ thống truyền động(powertrain) Động cơ điện (Traction Motor): là sự thay thế cho động cơ đốt trong trên xe ôtô, có nhiệm vụ là cung cấp điện năng hoạt động cho xe Động cơ điện dùng để chuyển đổi điện năng thành cơ năng giúp cho bánh xe quay Có 2 loại động cơ trên xe hiện nay là động cơ xoay chiều (AC motor) và động cơ một chiều (DC motor)
- Động cơ điện xoay chiều(AC motor): là loại thường được sử dụng trên xe điện hiện nay, nó được chia thành 2 loại là động cơ đồng bộ và đồng cơ không dồng bộ Động cơ đồng bộ hoạt động với tốc độ không đổi so với tần số dòng điện cung cấp qua đó mang lại hiệu suất cao hơn và điều khiển chính xác hơn nhưng thường có kết cấu cồng kềnh và đắt tiền hơn Mặt khác, động cơ không đồng bộ hoặc động cơ cảm ứng có tốc độ quay thấp hơn nhiều so với tần số dòng điện cung cấp Thiết kế này không những đơn giản mà còn tiết kiệm nhiều về mặt chi phí, tuy vậy nó có thể dẫn đến hiệu suất thấp hơn do tốc độ giảm khiến việc điều khiển tốc độ và vị trí kém chính xác hơn Nhằm mang lại trải nghiệm sử dụng tố nhất cho người sử dụng thì việc lựa chọn giữa 2 loại động cơ này tùy thuộc vào
Hình 2 9.Hệ thống truyền động trên ô tô thuần điện
12 đặc điểm của các tình huống cụ thể Động cơ đồng bộ thường được lựa chọn do độ chính xác và hiệu suất của chúng, trong khi động cơ không đồng bộ được chọn do đặc tính đơn giản và tiết kiệm hơn
- Động cơ diện một chiều(DC motor): ít được sử dụng trên xe điện hiện nay do không đáp ứng được nhu cầu về nhiều mặt như : kích thước lớn, hiệu suất thấp hơn động cơ xoay chiều và cần phải bảo trì thường xuyên
Từ 2 loại động cơ kể trên có thể thấy hiện có nhiều loại cấu tạo động cơ khác nhau trong xe điện, mỗi một loại lại có những ưu điểm và hạn chế riêng Một vài động cơ điện đang được sử dụng phổ biến trên ô tô gồm :
- Động cơ điện một chiều có chổi than : là loại động cơ điện phổ biến hoạt động thông qua việc tiếp xúc giữa cổ góp và chổi than từ đó tạo ra điện cung cấp vào cuộn dây Có cấu tạo từ thành phần chính :
Stator : thường có cấu tạo là nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây điện từ
Rotor : hay thường dược gọi là phần ứng có cấu tạo từ một hay nhiều cuộn dây Chổi than và cổ góp
Hình 2 10.Cấu tạo của động cơ điện một chiều có chổi than
Cung cấp mô-men xoắn khởi động cao Độ bền cao
Kích thước tương đối lớn
Cần phải bảo trì thường xuyên
Hiệu suất có thể thay đổi tùy theo điều kiện tải và tốc độ khác nhau
Các loại xe sử dụng động cơ này : Fiat Panda Elettra,…
- Động cơ điện một chiều không có chổi than : là động cơ điện không sử dụng chổi than để chuyển mạch thay vào đó là chuyển mạch bằng diền từ Động cơ điện một chiều không có chổi than là một loại động cơ đồng bộ Có cấu tạo gồm các phần :
Stator : gồm các lá sắt hoặc thép và dây quấn Tuy nhiên cách quấn dây của động cơ này hoàn toàn khác so với cách quấn dây của động cơ xoay chiều 3 pha thông thường
Hình 2 11.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều có chổi than
14 Mỗi cuộn dây này sẽ được kết nối bởi nhiều cuộn dây khác để tạo thành một cuộn
Rotor : lảm bằng nam châm vĩnh cửu
Khi dòng điện chạy qua một trong ba cuộn dây stato sẽ tạo ra cực từ hút những nam châm vĩnh cửu gần nhất có cực từ trái dấu Rotor sẽ tiếp tục quay nếu dòng điện đi qua một cuộn dây liền kề Cấp điện lần lượt cho từng sợi dây sẽ làm cho rotor xoay theo từ trường quay Ưu điểm : Ít phải bảo trì do không có chổi than
Có thể tăng tốc và giảm tốc trong một khoảng thời gian ngắn
Vận hành êm ái, không gây tiếng ồn
Hình 2 12.Cấu tạo của động cơ điện một chiều không chổi than
Yêu cầu mạch điều khiển phức tạp
Cần thêm cảm biến trong quá trình hoạt động
Các loại xe sử dụng động cơ này : Toyota Prius,…
- Động cơ cảm ứng xoay chiều ba pha : là động cơ phổ biến nhất hiện nay sử dụng dòng điện xoay, kết cấu nhẹ và bền, giá thành sản xuất thấp Giống hầu hết các động cơ thì nó có kết cấu bao gồm 2 bộ phận chính là: phần quay (rotor) và phần tĩnh (stator)
Rotor : có dạng hình trụ , được làm bằng các thanh kim loại như đồng hoặc nhôm Trong động cơ điện, roto được phân làm 2 loại là roto lồng sóc và dây quấn
Stator : gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt, nhôm hoặc ngang Chúng được khoét lỗ và ghép lại với nhau để tạo thành hình trụ rỗng (lõi stato) có các khe Các cuộn dây dẫn điện được luồn vào các khe này Mỗi nhóm dây có các lõi được bao bọc bằng các nhóm dây cách điện sẽ tạo nên một nam châm điện (một cặp cực) khỉ sử dụng nguồn điện xoay chiều Số cực của động cơ sẽ phụ thuộc vào số liên kết bên trong của cuộn dây stato
Hình 2 13.Cấu tạo động cơ điện xoay chiều ba pha
Khi cấp dòng điện xoay chiều vào cuộn dây trong stator sẽ tạo ra một từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p (f1 là tần số lưới điện ; p là số cặp cực ; n1 tốc độ từ trường quay ) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng điện I2 chạy qua Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment Ưu điểm :
Giá thành sản xuất thấp
Cách thức hoạt động phức tạp
Không hoạt động hiệu quả ở mức tải nhỏ hoặc không tải
Khó điều chỉnh tốc độ
Các loại xe sử dụng động cơ này : Tesla Roadster,…
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu : là động cơ xoay chiều đồng bộ bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rotor động cơ giúp sản sinh ra từ trường không thay đổi đồng bộ với từ trường quay trong stator
Stator : giống với đồng cơ cảm ứng xoay chiểu 3 pha gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt, nhôm hoặc ngang
Rotor : là các thỏi nam châm vĩnh cửu đính chặt vào trục
Thông thường, rotor được đặt bên trong stator của động cơ điện, tuy nhiên đôi lúc rotor cũng nằm bên ngoài(inside out electric motors)
Nguyên lý hoạt động Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của stator và từ trường không đổi của rotor Từ trường của rotor, tương tác với từ trường quay của cuộn dây stator, theo định luật Ampe, sinh ra mô men quay, làm rôto xoay Ưu điểm :
Mô men xoắn đầu ra đạt hiểu quả cao
Có nguy cơ khử từ ở các cực
Các loại xe sử dụng động cơ này : VinFast e34,…
Hình 2 14.Cấu tạo của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
MÔ PHỎNG CHU TRÌNH LÁI Ô TÔ THUẦN ĐIỆN
Khối chu trình lái
3.1.1 Drive Cycle Source FTP75 (2474 seconds )
Chu trình lái FTP75 (Federal Test Procedure 75) là một chu trình lái xe tiêu chuẩn được sử dụng để kiểm tra hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu và khí thải của các phương tiện di chuyển trong điều kiện thực tế và được sử dụng làm chuẩn mực cho các xe hơi tại Hoa
Quy trình FTP 75 (Federal Test Procedure) bao gồm ba giai đoạn
- Giai đoạn 1 kéo dài trong 505s, tương ứng với quãng đường 5,78km với tốc độ trung bình 41,2km/h
- Giai đoạn 2 kéo dài trong 867s và được bắt đầu sau khi tạm dừng hoàn toàn động cơ trong 10 phút Khi bắt đầu thử, động cơ được khởi động ở trạng thái nguội sau một đêm để ở nhiệt độ môi trường (20°C)
- Giai đoạn 3 giống như giai đoạn 1 của chu trình trước được khởi động lại sau khi đã dừng động cơ 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn 2 Quãng đường tương ứng tổng cộng là 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h Lượng khí ô nhiễm được đo riêng từng giai đoạn và kết quả chung
Hình 3 1 Khối chu trình lái FTP75
29 Đầu ra của khối mô phỏng sẽ là tốc độ tham chiếu hay là tốc độ mong muốn tại mỗi khoảng thời gian của chu trình lái mô phỏng Hay có thể hiểu rằng đó là tốc độ mong muốn của người lái khi điều khiển xe theo chu trình lái
Khối Drive Cycle Source FPT75 đã được thiết lập các khoản thời gian đúng chính xác như theo yêu cầu của chu trình lái FPT75 gồm các khoảng tăng tốc, giảm tốc, dừng nghỉ Với đầu ra của khối mô phỏng chính là vận tốc của xe mô phỏng
Với đầu ra là tham vận tốc của phương tiện có thể tùy chọn theo tùy loại đơn vị phù hợp với mô hình mô phỏng
Với bài mô phỏng của nhóm sẽ chọn đơn vị m/s để phù hợp với các thông số của mô phỏng
Hình 3 2 Thông số bên trong khối chu trình lái FTP75
30 3.1.2 Drive Cycle Source Wide Open Throttle (WOT) (60 seconds)
Chu trình lái WOT (Wide Open Throttle) là một kiểu lái xe giả lập trong đó tài xế giữ đạp ga ở mức tối đa trong một khoảng thời gian nhất định để đánh giá hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong điều kiện lái xe tương đối cứng Chu trình lái WOT được sử dụng trong các bài kiểm tra và đánh giá hiệu suất của động cơ và hệ thống truyền động
Chu trình lái WOT sử dụng các thông số mở bướm ga WOT để chỉ định chu kỳ truyền động để kiểm tra hiệu suất Tài xế đạp ga tối đa để đưa động cơ hoạt động ở tốc độ cao nhất và đưa hệ thống truyền động vào trạng thái tải cao nhất Việc này cho phép đánh giá sự phản hồi và hiệu suất của động cơ và hệ thống truyền động Đối với xe điện không sử dụng bướm ga ta có thể hiểu rằng mô phỏng này tái hiện việc người lái xe nhấn bà đạp ga hết mức Xe sẽ hiểu rằng người lái xe đang mong muốn xe đạt tốc độ tối ta trong khoảng thời gian ngắn nhất có thể Động cơ điện sẽ được điều khiển tạo ra mô men xoắn lớn nhất để hướng đến số vòng tua máy cao nhất để đáp ứng yêu cầu của người lái
Trong khối Drive Cycle Source Wide Oopen Throttle chúng ta có thể điều chỉnh được nhiều thông số cho quá trình mô phỏng
Các thông số trong khối gồm:
- Thời gian bắt đầu (Start time, t_wot1)
- Tốc độ tham chiếu ban đầu ( Inital reference speed, xdot_woto)
- Tốc độ tham chiếu danh nghĩa (Nominal reference speed, xdor_wot1)
Hình 3 3 Chu trình lái Wide Open Throttle
- Thời gian bắt đầu giảm tốc (Time to start deceleration, t_wot2)
-Tốc độ tham chiếu cuối cùng (Final reference speed, xdot_wot2)
- Thời gian của mô phỏng (WOT simulation time, t_wotend)
- Đơn vị vận tốc của phương tiện (Source velocity units)
- Đơn vị vận tốc đầu ra (Out put velocity units)
Theo như các thông số đã chọn, xe trong mô phỏng sẽ bắt đầu tăng tốc hết công suất từ giây thứ 1 và sẽ không còn đạp chân ga ở giây thứ 30 và xe bắt đầu giảm tốc Tổng thời gian mô phỏng sẽ là 40 giây Đầu ra của khối mô phỏng sẽ là tốc độ tham chiếu hay là tốc độ mong muốn tại mỗi khoảng thời gian của chu trình lái mô phỏng Hay có thể hiểu rằng đó là tốc độ mong muốn của người lái khi điều khiển xe theo chu trình lái
Hình 3 4 Thông số của chu trình lái Wide Open Throttle
Khối điều khiển theo dõi tốc độ dọc (Longitudinal Driver Mode)
Đầu vào: VelRef, VelFdbk, Grade Đầu ra: Info, AccelCmd, DecelCmd
Khối Longitudinal Driver thực hiện bộ điều khiển theo dõi tốc độ theo chiều dọc Dựa trên vận tốc tham chiếu và phản hồi, khối tạo ra các lệnh tăng tốc và phanh được chuẩn hóa có thể thay đổi từ 0 đến 1
Khối điều khiển được cung cấp tốc độ tham chiếu qua chu trình truyền động, đồng thời khối điều khiển PI này lấy tốc độ xe thực tế phản hồi về và so sánh với chu trình chuyển động Nếu tại thời điểm tốc độ xe di chuyển cao hơn tốc độ tham chiếu của chu trình điều khiển thì người lái sẽ đạp phanh để giảm tốc độ xe và ngược lại
Phương trình tính toán điều khiển tốc độ đầu ra:
aw out g nom ref i nom ref p ref nom
Hình 3 5 Khối Longitudinal Driver Model
1 y y y y y y y v v v e sat sat out ref ref
Bộ lọc thông số lỗi thấp của vận tốc dùng hàm truyền sau:
err với err 0 Để tính được gia tốc và lực phanh thì khối dùng những phương trình sau:
0 sat sat sat sat sat y y y y y
0 sat sat sat sat sat y y y y y
35 Khối mô phỏng thực hiện quá trình như có sự điều khiển của tài xế trong mô phỏng, với các thông số đầu vào như vận tốc, độ dốc mặt đường Khối sẽ điều khiển xe mô phỏng theo cơ chế mô phỏng, với các tay số D, N, R để điều khiển xe Với các thông số vật lí , khối sẽ đưa ra các hiệu lệnh điều khiển xe tương tự như tài xế, cũng như sự quan sát và theo dõi chu trình chạy của xe như dữ liệu chu trình chạy.
Khối điều khiển (Controller)
Khối Controller thường được sử dụng trong mô hình mô phỏng hệ thống lái xe Nó là một khối điều khiển đơn giản được thiết kế để cung cấp các tín hiệu điều khiển đến hệ thống lái xe để thực hiện các nhiệm vụ như giảm tốc độ, tăng tốc độ, điều khiển hướng lái,
Hình 3 6 Thông số bên trong khối Longitudial Driver Model
36 Khối Controller có thể được kết nối với các khối khác trong mô hình, như khối Driver Model để nhận đầu vào từ chu trình lái, khối Powertrain Control Module (PCM) để điều khiển động cơ và truyền động, hoặc khối Longitudinal Driver Model
Bên trong khối Controller gồm 3 khối chính đó là Powertrain Control Input, Powertrain Control Model (PCM), Powertrain Control Output
Hình 3 8 Hệ thống Powertrain Control Module
Trong mô phỏng xe điện pin (Battery Electric Vehicle - BEV) hoặc hệ thống truyền động, khối Powertrain Control Input được sử dụng để điều khiển và tinh chỉnh hoạt động của hệ thống truyền động trong mô phỏng BEV Đầu vào: OpCommands, Vehicle Powertrain Input Đầu ra: Accel Pedal, Decel (Brake) Pedal, Vehicle Speed Feedback, Motor Speed, BMS_Sensors Đầu vào của khối Powertrain Control Input bao gồm cổng OpCmds và cổng VehPInt
Cổng OpCmds – Op Commands – lấy tín hiệu từ cổng Info của khối Longitudinal Driver Module Đây là thông tin về các thông số và trạng thái của hệ thống, chẳng hạn như mức nhiên liệu, trạng thái hệ thống truyền động, gia tốc hay tình trạng phanh của
38 xe, Thông tin này có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất và tương tác của các thành phần trong hệ thống
Cổng VehPInt – Vehicle Powertrain Input – nhận tín hiệu vận tốc thực tế của xe và gửi phản hồi về khối Longitudinal Drive Đây là một đầu vào quan trọng trong hệ thống truyền động của xe Nó cho phép điều khiển tốc độ xe bằng cách điều chỉnh công suất được cung cấp cho động cơ điện Thông thường, lệnh điều khiển tốc độ được đưa vào hệ thống thông qua các tín hiệu từ bộ điều khiển chính (main controller) hoặc bộ điều khiển hệ thống truyền động
Hình 3 10 Tính hệu Op Command chuyển thành hiệu lệnh tăng tốc, giảm tốc
Hình 3 11 VehPInt chuyển đổi thành VehSpFdbk, MotSpd, BMS_Sensor
Khối Powertrain Control Module (PCM) là một thành phần quan trọng trong hệ thống truyền động xe ô tô
40 Bên trong khối Power Control Module (PCM) bao gồm 2 khối là EV Powertrain Controller và Battery Management System (BMS)
Hình 3 12 Khối nhóm Powertrain Control Module
41 3.3.2.1 Khối Ev Powertrain Controller Đầu vào:
Accel command: Yêu cầu tăng tốc
Decel command: Yêu cần giảm tốc
Vehicle speed: Vận tốc phương tiện
BMS_info: Thông tin của khối BMS
BMS_Cmd: Yêu cầu của khối BMS
Motor speed: Tốc độ động cơ điện
BMS sensor: Cảm biến của BMS Đầu ra:
Torque command: Yêu cầu mô men
Brake command: Yêu cầu phanh
Khối Accel Pedal to Traction Wheel Torque Request
Chuyển đổi tín hiệu vị trí bàn đạp ga thành moment yêu cầu nhờ đồ thị đặc tính ngoài của động cơ Đầu vào:
Accel pedal (Accel command): Vị trí bàn đạp ga tăng tốc
Motor Speed: Tốc độ động cơ Đầu ra:
Torque command: Yêu cầu mô men xoắn
Hình 3 14 Khối Accel Pedal to Traction Wheel Torque Request
Hình 3 15 Vị trí bàn đạp phanh kết hợp tốc độ động cơ chuyển đổi thành mô men cần thiết
Khối này sử dụng dòng điện giới hạn từ bộ quản lí pin BMS để tính toán giới hạn công suất sạc và xả Đầu vào:
BMS_Sensors: Cẩm biến BMS
BMS_Command: Yêu cầu của BMS Đầu ra:
Battery Power Discharge Limit: Dòng xả năng lượng pin tối đa
Battery Power Charge Limit Dòng sạc năng lượng pin tối đa
Hình 3 16 Khối Power Limit Calculations
Hình 3 17 Bên trong khối Power Limit Calculations
Khối State of Charge (SOC)
Khối SOC thể hiện trạng thái ước tính của hệ thống lưu trữ năng lượng điện trên xe điện SOC là viết tắt của "State of Charge" và thể hiện tỷ lệ phần trăm giữa dung lượng hiện tại của pin và dung lượng tối đa của pin Khối SOC thường được sử dụng để tính toán và dự đoán năng lượng còn lại của pin trong quá trình vận hành của xe điện Lấy tín hiệu từ bộ quản lí pin BMS sau đó chuyển đổi thành tín hiệu sạc của pin Đầu vào: BMS info: Thông tin từ BMS Đầu ra: Battery SOC: Trạng thái sạc của pin
Hình 3 19 Thông tin cho thông qua khối Stage of Charge
Khối Brake Pedal to Total Braking Pressure Request
Chuyển đổi tín hiệu từ bàn đạp phanh thành áp suất phanh yêu cầu Đầu vào:
Decel (Brake) Pedal Command: Tín hiệu đạp bàn đạp phanh
Brake Pressure Maximum: Áp lực phanh tối đa Đầu ra: Brake Pressure Required: Lực phanh yêu cầu
Hình 3 20 Khối Brake Pedal to Total Braking Pressure Request
Hình 3 21 Vị trí bàn đạp phanh biến đổi thành hiệu lệnh phanh
Khối Series Regen Braking mô hình hóa chức năng tái tạo năng lượng khi phanh của xe điện kiểu dòng chảy Nó giúp tăng hiệu suất năng lượng của hệ thống xe điện bằng cách tái tạo năng lượng và lưu trữ nó trong pin
Khối Series Regen Braking cung cấp các thông số cấu hình cho hệ thống lái tạo năng lượng bao gồm: điện áp và dòng điện tối đa cho phép, hệ số hiệu suất của hệ thống và độ trễ phản hồi của hệ thống Nó cũng cung cấp các thông số liên quan đến hệ thống phanh, bao gồm lực phanh tối đa, hệ số ma sát và độ trễ phản hồi của hệ thống phanh
Trong khối này, tổng lực phanh mong muốn sẽ được tính toán dựa trên áp suất phanh và các thông số của phanh đĩa Phương tiện sử dụng phanh động cơ tái tạo càng nhiều càng tốt Tín hiệu đầu ra MotTrqCmdRegen sẽ được truyền đến hệ thống quản lý năng lượng – Power Management Sau đó, hệ thống con huản lý năng lượng (MotTrqCmdFinal) xác định
Hình 3 22 Khối Series Regen Braking
47 lượng moment xoắn tái tạo được phép, nếu moment phanh yêu cầu mà động cơ không thể cung cấp sẽ được cung cấp bởi hệ thống phanh ma sát (BrkCmd) Đầu vào:
Vehicle Speed: Vận tốc xe
Motor Speed: Vận tốc động cơ
Brake Pressure Required: Áp lực phanh yêu cầu
Motor Torque Command Final: Mô men yêu cầu động cơ đạt được
Khối Motor Torque Arbitration and Power Management
Hình 3 23 Sơ đồ bên trong khối Series Regen Braking
Hình 3 24 Khối Motor Torque Arbitration and Power Management
48 Khối Motor Torque Arbitration and Power Management trong matlab là một khối điều khiển trong mô hình mô phỏng xe điện, nó quản lý phân phối moment xoắn của động cơ điện để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống Ngoài ra, khối này cũng quản lý nguồn điện từ bộ pin và hệ thống tái tạo năng lượng khi thắng regenerative Khối Motor Torque Arbitration and Power Management được sử dụng để tối ưu hóa điều khiển động cơ và sử dụng năng lượng hiệu quả trong xe điện
Khối Motor Torque Arbitration and Power Management nhận đầu vào là tín hiệu điều khiển từ khối Powertrain Control Module (PCM) và tín hiệu đo lường từ các cảm biến như tốc độ, moment xoắn, Khối này sử dụng các thuật toán để xác định phân phối moment xoắn giữa các bộ phận của hệ thống, bao gồm động cơ, hộp số và bộ truyền động Đối với hệ thống điện, khối Motor Torque Arbitration and Power Management cũng quản lý việc sử dụng năng lượng tái tạo được tạo ra từ hệ thống Regenerative Braking Khối này sử dụng các thuật toán để phân phối nguồn điện từ bộ pin và hệ thống tái tạo năng lượng để đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của hệ thống
Hình 3 25 Các thông tin và tín hiệu được tổng hợp thành mô men được yêu cầu thông qua khối Power Management
49 Thuật toán quản lý năng ượng:
- Ước tính nguồn năng lượng điện dựa trên việc sử dụng hiệu quả Mech Power Map
- Kiểm tra xem nguồn điện có nằm trong giới hạn năng lượng của pin không
- Nếu nguồn điện nằm trong giới hạn, sử dụng lệnh mô-men xoắn động cơ
- Nếu vượt quá giới hạn công suất, hãy sử dụng mômen động cơ giới hạn
- Đối với Mot Spd thấp thì MotPwrReq sẽ là con số nhỏ Truyền lệnh mô-men xoắn cho đến khi Mot Spd > 2
3.3.2.2 Khối Battery Management System (BMS)
Battery Management System (BMS) là một hệ thống quản lý và kiểm soát các tế bào pin trong một hệ thống pin Nó được sử dụng để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của pin, bằng cách giám sát và điều khiển các thông số quan trọng như nhiệt độ, điện áp, dòng điện và trạng thái của từng tế bào pin
Trong Simulink, khối BMS dùng để mô phỏng các chức năng quản lý và điều khiển của hệ thống pin Các khối BMS thường bao gồm các khối giám sát, phân tích và báo cáo trạng thái của từng tế bào pin, cũng như các khối điều khiển để duy trì hoạt động an toàn và hiệu quả của hệ thống pin
Hình 3 26 Sơ đồ bên trong khối Power Management
Hình 3 27 Khối Battery Management System
Khối Current Power Limits Calculation tính toán giới hạn dòng và công suất hiện tại cho hệ thống lưu trữ năng lượng Khối này dùng để kiểm soát và bảo vệ hệthống khỏi các tình huống quá tải dòng hoặc công suất
