Đồng thời sử dụng phần mềm Matlab- Simulink để tính toán và thiết kế mô phỏng hộp số CVT trên xe điện trong những điều kiện khác nhau để phân tích động lực học và mức tiêu hao năng lượn
CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỘP SỐ CVT TRÊN XE ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK
Động cơ điện trên ô tô
2.1.1 Các đặc tính của động cơ điện
2.1.1.1 Ưu điểm nổi bật của động cơ ô tô điện
- Động cơ điện không thải ra khí cacbonic giống như động cơ đốt trong do đó giảm ô nhiễm môi trường
- Cấu tạo đơn giản, loại bỏ các bộ truyền truyền thống như: bộ ly hợp, trục cardan, các bán trục cardan, bộ vi sai,… giúp giảm kích thước và trọng lượng của ô tô điện, dễ lắp ráp, giảm thiểu chi phí sản xuất
- Đáp ứng mômen xoắn chính xác và nhanh khoảng gấp 100 lần so với động cơ đốt trong Có thể sử dụng hai hoặc bốn động cơ (in-wheel), trong khi đó động cơ đốt trong thông thường thì chỉ có một động cơ đốt trong
- Tính toán chính xác mômen điện từ của động cơ bằng cách đo các thông số về dòng điện và điện áp từ động cơ Từ đó ước lượng được lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường, làm cho việc điều khiển động cơ trở nên dễ dàng hơn
- Hiệu suất vận hành tốt hơn động cơ đốt trong rất nhiều, động cơ điện có thể hoạt động ở chế độ động cơ và ở chế độ máy phát tạo ra khả năng tái sinh năng lượng dư thừa về nguồn, tận dụng hết được nguồn năng lượng của xe
Hình 2.1 Đặc tính mômen, công suất- tốc độ của động cơ điện Khả năng leo dốc và tốc độ tối đa là những thông số quan trọng trong những đường cong này Khi động cơ đòi hỏi mômen xoắn cao ở tốc độ thấp, cho phép khởi động và tăng tốc thích hợp Động cơ EV cần có công suất cao ở tốc độ cao và dải tốc độ rộng trong vùng công suất không đổi như trong hình Vùng vận hành mômen xoắn không đổi rất quan trọng ở tốc độ thấp để mang lại khả năng khởi động tốt và lái xe lên dốc Vùng công suất không đổi xác định tốc độ EV tối đa trên bề mặt phẳng Khi đạt được tốc độ cơ bản, động cơ đạt đến giới hạn công suất định mức và mômen xoắn của động cơ giảm tỷ lệ với bình phương tốc độ Vùng công suất không đổi bắt đầu vượt quá tốc độ cơ bản trong phạm vi từ tốc độ cơ bản đến tốc độ động cơ tối đa Phạm vi này khác nhau ở các loại động cơ khác nhau và đây là thông số quan trọng khi chọn loại động cơ EV phù hợp
Ngoài ra, phạm vi vận hành của động cơ còn được điều chỉnh bằng các bộ truyền động tương ứng Điều này cho phép người dùng lựa chọn đặc tính đầu ra động cơ phù hợp với nhu cầu cụ thể của ứng dụng, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy tối ưu.
EV là một thách thức vì cần phải tìm ra sự cân bằng giữa hiệu suất tăng tốc và dải tốc độ rộng trong vùng công suất không đổi Khi tăng vùng công suất không đổi, yêu cầu công suất cho
8 hiệu suất tăng tốc sẽ giảm Yêu cầu mômen xoắn tăng lên ảnh hưởng đến kích thước động cơ và chi phí cuối cùng của nó
2.1.1.2 Bố trị động cơ điện trên xe
Có nhiều cách bố trí động cơ điện trên ô tô điện Dùng 1 motor cho cầu trước hoặc cầu sau, 2 motor cho cầu trước và cầu sau hoặc motor điện được lắp vào từng bánh xe
- Phương án một động cơ điện: xe chỉ cần một bộ giảm tốc với tỷ số truyền cố định từ động cơ điện đến các bánh xe chủ động, loại bỏ được hộp số và ly hợp
Hình 2.2 Motor được bố trí ở cầu trước và cầu sau trên ô tô điện
Phương án sử dụng hai động cơ điện loại bỏ nhu cầu về vi sai vì mỗi động cơ có thể điều khiển độc lập tốc độ bánh xe, giảm thiểu đường truyền công suất từ động cơ điện đến bánh dẫn động Hộp giảm tốc có thể tích hợp trong bánh xe hoặc lắp bên ngoài cùng với động cơ điện.
Hình 2.3 Motor được lắp trong bánh xe
2.1.2 Các loại động cơ điện
2.1.2.1 Động cơ AC và DC trên xe điện
Hiệu suất của động cơ AC thường cao hơn động cơ DC vì chúng giảm được tổn thất ma sát Nguyên nhân là do động cơ AC không sử dụng chổi than và cổ góp như động cơ DC, nên không có ma sát phát sinh từ những bộ phận này.
Động cơ AC cho phép kiểm soát tốt hơn và khả năng thay đổi tốc độ, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng EV đòi hỏi độ chính xác cao Ngược lại, động cơ DC có hệ thống điều khiển tốc độ đơn giản hơn nhưng có thể không chính xác và đáp ứng nhanh như động cơ AC.
- Bảo trì: Động cơ AC thường có yêu cầu bảo trì thấp hơn do thiết kế không chổi than Động cơ DC có chổi than và cổ góp nên cần được bảo trì định kỳ và có thể cần sửa chữa thường xuyên hơn
- Chi phí: Động cơ DC thường có giá ban đầu rẻ hơn, khiến chúng trở thành một lựa chọn phổ biến cho các xe điện nhỏ hơn hoặc các ứng dụng tiết kiệm chi phí Động cơ AC thường có chi phí cao hơn nhưng mang lại hiệu quả và hiệu suất lâu dài tốt hơn
Việc lựa chọn giữa động cơ AC và DC phụ thuộc vào kích thước xe, hiệu suất yêu cầu, chi phí và sở thích bảo trì Động cơ AC thường có hiệu suất cao hơn, khả năng điều khiển tốt hơn và chi phí bảo trì thấp hơn Tuy nhiên, động cơ DC có thể tiết kiệm chi phí hơn trong một số ứng dụng nhất định Cuối cùng, lựa chọn loại động cơ phù hợp đòi hỏi phải đánh giá cẩn thận các yêu cầu cụ thể và cân đối giữa các ưu nhược điểm của từng công nghệ.
2.1.2.2 Động cơ một chiều (DC motor)
Hộp số CVT
Hộp số vô cấp CVT (Continuously Variable Transmission) là một loại hộp số tự động chuyển số liên tục và liền mạch thông qua vô số tỷ số truyền để giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn Hộp số tự động truyền thống có số tỷ số truyền cố định và có cảm giác chuyển số rõ rệt khi chuyển đổi giữa các tỷ số truyền Trong khi đó, hộp số CVT không phụ thuộc vào một số tỷ số truyền cố định nên hộp số sẽ liên tục điều chỉnh dựa trên mức công suất cần thiết, mang lại trải nghiệm lái rất êm ái và tiết kiệm nhiên liệu Hộp số CVT nhận tín hiệu đầu vào từ góc mở bướm ga theo tải trọng động cơ và tự động chuyển sang tỷ số truyền tốc độ hoặc mômen xoắn yêu cầu
- Cấu tạo hộp số vô cấp CVT:
+ Pulley sơ cấp (bánh đai chủ động) kết nối với trục đầu ra của động cơ
+ Pulley thứ cấp (bánh đai bị động) kết nối với đầu ra hộp số
+ Bộ điều khiển thủy lực
+ Bộ điều khiển điện từ (ECT)
Hình 2.14 Cấu tạo hộp số CVT
2.2.1.1 Pulley và dây đai truyền động
Trái tim của CVT là hai pulley được nối với nhau bằng đai thép Hai pulley được điều khiển bởi bộ điều khiển thủy lực để thay đổi chiều rộng tùy thuộc vào các điều kiện vận hành như tốc độ, momen xoắn, nhiệt độ động cơ,… Đai thép kết nối ròng rọc rất cứng và linh hoạt Nó truyền năng lượng từ động cơ đến các bánh xe và điều chỉnh khi pulley thay đổi chiều rộng Không giống như các hộp số khác có số tỷ số truyền cố định, CVT có thể cung cấp vô số tỷ lệ vì hệ thống pulley có thể điều chỉnh
- Một số loại dây đai được sử dụng trên hộp số CVT:
+ Dây đai kim loại chữ V
Dây đai thép Van Doorne được cấu tạo gồm hàng trăm tấm thép và các dải thép dọc giữ các tấm thép với nhau để duy trì lực căng và giảm trượt Dây đai làm bằng chất liệu thép có khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa, độ bền cao và chịu lực tốt Nhờ vậy, dây đai hộp số bền bỉ hoạt động dưới các điều kiện thời tiết khác nhau giúp hộp số hoạt động êm ái
Hình 2.15 Đai CVT dạng đai kim loại chữ V + Dây đai dạng xích
Audi và Subaru đã phát triển công nghệ riêng cho hộp số CVT (Multitronic, Lineartronic), sử dụng dây đai xích thay vì dải kim loại thông thường, giúp mở rộng phạm vi tỷ số truyền và giảm độ trượt tương đối giữa dây đai và ròng rọc nên phù hợp hơn với xe có trọng lượng lớn hoặc công suất lớn Dây đai có hiệu suất tốt hơn dây đai chữ V nhưng nó gây ứng suất lớn hơn cho các ròng rọc
Hình 2.16 Đai CVT dạng xích
Bộ biến mô thủy lực là một khớp nối chất lỏng truyền công suất quay từ động cơ chính đến tải dẫn động quay Bộ biến mô được đặt giữa động cơ và hộp số, hoạt động như một bộ ly hợp trong hộp số sàn Là một bộ phận quan trọng khác của CVT, nó chịu trách nhiệm truyền
22 sức mạnh của động cơ đến hộp số Khi xe dừng lại, bộ chuyển đổi mômen xoắn sẽ ngắt kết nối động cơ khỏi hộp số Khi xe bắt đầu di chuyển, bộ chuyển đổi mômen xoắn kết nối lại động cơ và hộp số một cách trơn tru, cho phép xe tăng tốc mà không có bất kỳ chuyển động giật đột ngột nào Do đó, thiết bị này cho phép tách tải khỏi nguồn năng lượng chính của động cơ xe
Hình 2.17 Biến mô thủy lực
2.2.1.3 Bộ điều khiển thủy lực
Tương tự như điều khiển thuỷ lực của hộp số tự động thường, ở đây chỉ quan tâm đến việc điều khiển của ly hợp tiến, ly hợp lùi và hai pulley lắp dây đai thép thông qua các van điện từ nhận tín hiệu từ ECT và ECU Từ đó thiết lập được tỷ số truyền theo mong muốn của người lái Hệ thống này sử dụng chất lỏng để giúp kiểm soát chiều rộng của pulley Khi xe cần thay đổi tốc độ, hệ thống thủy lực thay đổi áp suất chất lỏng, khiến pulley điều chỉnh Hệ thống thủy lực đảm bảo rằng pulley có thể thực hiện những thay đổi này một cách nhanh chóng và trơn tru theo các điều kiện vận hành của xe
Hình 2.18 Bộ truyền động vô cấp Lineartronic TR690 CVT của Subaru
2.2.1.4 Bộ điều khiển điện từ ECU
ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến để xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển đến bộ điều khiển thủy lực Nó xác định các điều kiện vận hành của xe như tải trọng, tốc độ,… thông qua các cảm biến từ đó tính toán và đưa ra các tỷ số truyền phù hợp với điều kiện vận hành đảm bảo cho xe hoạt động một cách hiệu quả
Bánh đai trong bộ hộp số CVT là một hệ thống pulley có đường kính thay đổi được
Hệ thống này gồm 2 hình nón đặt nghiêng một góc 20 độ, các đỉnh quay vào nhau Một nửa pulley được cố định và nửa còn lại có thể trượt trên trục Do đó, hai nửa pulley có thể thay đổi khoảng cách đến gần hoặc đi ra xa nhau Hệ thống pulley được điều khiển bởi bộ điều khiển thủy lực Bộ điều khiển sẽ di chuyển hai nửa pulley của hệ thống pulley chủ động hoặc bị động lại gần hoặc xa nhau hơn Trên mỗi pulley, khi hai nửa pulley đến gần hơn thì bán kính pulley đó tăng lên và dây đai được đưa xa khỏi tâm Khi hai nửa pulley tách ra, bán kính pulley giảm và dây đai được đưa về giữa hai nửa pulley, gần tâm hơn
Khi bán kính bánh dẫn (pulley chủ động) nhỏ và bán kính bánh bị dẫn (pulley bị động) lớn, tốc độ quay của bánh bị dẫn sẽ giảm, dẫn đến tỷ số truyền cao Ngược lại, khi bán kính bánh dẫn lớn và bán kính bánh bị dẫn nhỏ, tốc độ quay của bánh bị dẫn sẽ tăng, tạo nên tỷ số truyền thấp Bộ điều khiển thủy lực điều chỉnh bán kính của cả hai bánh để liên tục thay đổi tỷ số truyền, đáp ứng các điều kiện vận hành khác nhau của xe.
Hộp số CVT hoạt động dựa trên nguyên lý truyền động dây đai Hệ thống dẫn động dây đai bao gồm một bộ bánh răng hành tinh (gồm bánh răng hành tinh trung tâm, các bánh răng hành tinh nhỏ xung quanh, thanh dẫn hướng và vành đai ngoài) và các bộ ly hợp tương tự như hộp số tự động Phía đầu vào của puli chủ động được kết nối với thanh dẫn hướng, trong khi đầu ra của động cơ được kết nối với bánh răng mặt trời.
Hình 2.20 Bộ truyền bánh răng hành tinh
- Khi người lái cài số tiến: Động cơ điều khiển cho bánh răng mặt trời quay và bánh răng mặt trời điều khiển các bánh răng hành tinh quay cùng hướng Khi bánh răng hành tinh quay, thanh dẫn hướng quay và truyền lực tới pulley chủ động
- Khi người lái cài số lùi:
Bộ ly hợp sẽ khóa vành đai ngoài cố định, làm cho các bánh răng hành tinh quay ngược chiều với bánh răng mặt trời Điều này làm cho hộp số quay theo chiều ngược lại và tạo ra số lùi
Hình 2.21 Nguyên lí hoạt động hộp số CVT khi cài số lùi
- Trọng lượng và kích thước nhỏ: Hộp số CVT có cấu tạo đơn giản, ít bộ phận hơn so với các hộp số khác giúp giảm trọng lượng cho xe
- Tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu: Hộp số CVT có thể duy trì động cơ ở vòng tua lý tưởng mà không có sự gián đoạn trong công suất, giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu so với các hộp số truyền thống
Các lý thuyết xây dựng tỷ số truyền dựa trên đặc tính động lực học
2.3.1 Phương trình đặc tính ngoài Đặc tính ngoài của động cơ cho các trị số lớn nhất của mômen, công suất ở số vòng quay xác định Các trị số nhỏ hơn của mômen hoặc công suất có thể nhận được bằng cách giảm mức cung cấp năng lượng Các đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ là những đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của các đại lượng công suất: Pe= f(ne), momen: Me= f(ne) theo số vòng quay của trục khuỷu động cơ
2.3.2 Phương trình cân bằng lực kéo
Lực kéo tiếp tuyến do bánh xe chủ động tạo ra đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại các lực cản chuyển động Sự cân bằng giữa lực kéo và các lực cản được thể hiện qua phương trình cân bằng lực kéo Phương trình này đóng vai trò nền tảng trong việc phân tích và thiết kế hệ thống truyền động của xe, đảm bảo khả năng vận hành hiệu quả và ổn định.
Hình 2.22 Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ô tô (cầu sau chủ động) khi chuyển động lên dốc
G: Trọng lượng toàn bộ của ô tô
Z1, Z2: Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe lần lượt ở cầu trước và cầu sau
Fk: Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động
Ff1, Ff2: Lực cản lăn lần lượt ở các bánh xe bị động và chủ động
Fj: Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định (có gia tốc)
Mf1, Mf2: Mômen cản lăn lần lượt ở các bánh xe cầu trước và cầu sau
Mj1 , Mj2: Mômen quán tính ở lần lượt ở các bánh xe cầu trước và cầu sau α: Góc dốc của mặt đường
Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động:
- Mk: mômen của các bánh xe chủ động
- itln: tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ứng với tay số n
- ihn: tỷ số truyền của hộp số ứng với tay số n
- i0: tỷ số truyền của truyền lực chính
Lực cản lăn phát sinh là do có sự biến dạng của lốp và đường, do sự tạo thành vết bánh xe trên đường và do sự ma sát ở bề mặt tiếp xúc giữa lốp và đường Để đơn giản, ta coi lực cản lăn là ngoại lực tác dụng lên bánh xe khi nó chuyển động và được xác định theo công thức
Lực cản lăn tác dụng lên ô tô bao gồm lực cản lăn tác dụng lên bánh xe trước (Ff1) và sau (Ff2) Giả sử hệ số cản lăn tại bánh trước (f1) và sau (f2) là như nhau, tức là f1 = f2 = f Trong trường hợp này, tổng lực cản lăn Ff được tính bằng tổng của Ff1 và Ff2.
𝐹 𝑚 = 𝑛 𝑄 𝜓 (2.8) Xét xe chuyển động không kéo rơmóc: Fm= 0 (N)
Phương trình cân bằng lực kéo ở trường hợp tổng quát:
- Fi : Dấu (+) khi xe lên dốc, dấu (-) khi xe xuống dốc
- Fj : Dấu (+) khi xe tăng tốc, dấu (-) khi xe giảm tốc
2.3.3 Phương trình cân bằng công suất Được xây dựng theo mối quan hệ giữa công suất phát ra của động cơ và các công suất cản khi xe chuyển động, phụ thuộc vào vận tốc chuyển động, tức là P= f(V) mà giữa vân tốc chuyển động V và số vòng quay ne có mối quan hệ: V = 𝜋.𝑛 𝑒 𝑟 𝑏
30.𝑖 0 𝑖 ℎ𝑛 (2.10) nên ta cũng có thể biểu thị quan hệ các công suất theo số vòng quay của động cơ P= f(ne)
Công suất của động cơ đã truyền đến các bánh xe chủ động:
Công suất cản lên dốc:
Công suất cản quán tính:
Công suất cản không khí:
𝑃 𝜔 = 𝐹 𝜔 𝑣 = 0,625 𝐶 𝑥 𝑆 𝑣 0 3 (2.15) Khi vận tốc của gió nhỏ, có thể coi : 𝑣 0 ≈ 𝑣
Công suất cản ở móc kéo:
𝑃 𝑚 = 𝐹 𝑚 𝑣 = 𝑛 𝑄 𝜓 𝑣 (2.16) Xét xe chuyển động không kéo rơmóc (Pm= 0)
Phương trình cân bằng công suất:
- Pi : Dấu (+) khi xe lên dốc, dấu (-) khi xe xuống dốc
- Pj : Dấu (+) khi xe tăng tốc, dấu (-) khi xe giảm tốc
2.3.4 Phương trình động lực học
Khi so sánh tính chất động lực học của các loại ô tô khác nhau và ứng với các điều kiện làm việc của xe ở các loại đường khác nhau, phương trình cân bằng lực kéo không thuận lợi để đánh giá các loại ô tô khác nhau Cho nên cần phải có một thông số đặc trưng cho tính chất động lực học của xe mà chỉ số kết cấu không có mặt trong đó Thông số đó gọi là đặc tính động lực học của ô tô, ký hiệu là D
Giá trị D bị giới hạn bởi điều kiện bám, trong đó lực bám phải lớn hơn hoặc bằng lực kéo Do đó, cần đưa ra khái niệm đặc tính động lực học phụ thuộc vào điều kiện bám của xe, nhằm ước lượng được khả năng tăng tốc, phanh và khả năng vào cua an toàn của xe khi tham gia giao thông.
Như vậy, tương ứng với điều kiện ô tô chuyển động trên một loại đường xác định, tức là chúng ta đã biết được hệ số bám φ và hệ số cản tổng cộng 𝜓 thì việc sử dụng đặc tính động lực học của ô tô phải thoải mãn điều kiện : 𝐷 𝜑 ≥ 𝐷 ≥ 𝜓 (2.21)
Từ biểu thức tính nhân tố động lực học ở phần trước ta nhận thấy giá trị nhân tố động lực học tỉ lệ nghịch với toàn bộ trọng lượng của nó Điều này cho phép ta tính toán nhân tố động lực học của ô tô ứng với trọng lượng bất kỳ nào của nó:
- Gx: Trọng lượng mới của ô tô
- Dx: Giá trị nhân tố động lực học ứng với Gx
- G: Trọng lượng của ô tô khi đầy tải
- D: Giá trị nhân tố động lực học ứng với G
- Góc hợp bởi Dx và D ta gọi là α :
2.3.5 Phương trình gia tốc Để xác định biến thiên của tốc độ ô tô theo thời gian v(t), từ công thức nhân tố động lực học:
- ψ: hệ số cản tổng cộng
- 𝛿 𝑗 : hệ số tính đến chuyển động quay
2.3.6 Đồ thị đặc tính mômen ứng với từng mức dòng điện điều khiển
Đồ thị đặc tính mômen động cơ điện thể hiện giá trị mômen theo dòng điều khiển khác nhau, cho phép xác định mômen cực đại của động cơ Khi kết hợp với đồ thị hiệu suất, đồ thị đặc tính mômen giúp lựa chọn tỷ số truyền tối ưu cho điều kiện vận hành của động cơ, đảm bảo hiệu quả vận hành cao nhất.
Hình 2.23 Đồ thị đặc tính mômen ứng với từng mức dòng điện điều khiển [7]
2.3.7 Đồ thị hiệu suất động cơ
Hình 2.24 Đồ thị hiệu suất động cơ điện [7]
Là đồ thị hiệu suất của mômen động cơ điện theo số vòng quay động cơ điện Động cơ điện có hiệu suất tốt nhất ở tốc độ khoảng 5500-10800 RPM Từ đó ta kết hợp với đồ thị mômen theo số vòng quay xây dựng được nhờ phương pháp Grabit trong Matlab- Simulink và lựa chọn tỷ số truyền sao cho động cơ hoạt động trong khoảng tốc độ có hiệu suất tốt nhất, nhằm cải thiện hiệu suất tổng thể của xe đồng thời tiết kiệm năng lượng hơn
Nhóm đã lấy kết quả nguyên cứu đặc tính ngoài của động cơ điện trên Tesla model 3 trên trang https://motorxp.com/ là hai biểu đồ đặc tính mômen và đặc tính hiệu suất của động cơ điện vào đồ án để rút ngắn thời gian thực hiện, phù hợp với phạm vi đồ án lần này.
Phần mền Matlab – Simulink
MATLAB (Matrix Laboratory) là một phần mềm và môi trường tính toán số phổ biến được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và công nghệ MATLAB cung cấp một ngôn ngữ lập trình và một loạt các công cụ tính toán mạnh mẽ giúp các nhà khoa học, kỹ sư và nghiên cứu viên thực hiện các tác vụ tính toán, mô phỏng, phân tích và xử lý dữ liệu và nhiều chức năng khác nữa
Hình 2.25 Giao diện chính của Matlab
Dưới đây là một số tính năng chính của MATLAB:
- Ngôn ngữ lập trình và tính toán
- Giải tích và phương trình vi phân
Simulink là một công cụ mở rộng tích hợp trong phần mềm MATLAB, cho phép người dùng mô phỏng và mô hình hóa các hệ thống động dựa trên các khái niệm của biểu đồ khối
Simulink là công cụ đồ họa giúp người dùng xây dựng mô hình hệ thống bằng cách kéo thả các khối chức năng Nó cung cấp nhiều khối và công cụ để mô phỏng hệ thống động, bao gồm toán học, điều khiển tín hiệu và phương trình vi phân Simulink hỗ trợ mô phỏng liên tục và rời rạc, cho phép mô phỏng hệ thống thời gian thực và phân tích hiệu suất.
Hình 2.26 Giao diện chính của Simulink
2.4.3 Các thư viện mô phỏng trong Simulink
2.4.3.1 Thư viện Simulink Đây là thư viện cơ bản của Simulink chứa các khối cơ bản để mô phỏng các phép toán, các khối tích hợp, các khối xử lý tín hiệu, các khối logic, và các khối đầu ra
- Continuous và Discrete: Các khối cơ bản để xử lý tín hiệu liên tục và rời rạc
- Function và Table: Chứa các khối thực hiện tính toán mô phỏng từ việc gọi hàm từ dữ liệu Matlab, các khối nội suy và khối hàm truyền
- Math: Các khối của hàm toán học
- Sinks: Chứa các khối hiển thị, ghi hoặc xử lý tín hiệu đầu ra
- Source: Các khối tạo tín hiệu vào
Trong Simulink, thư viện Simscape có thể được sử dụng để mô phỏng các hệ thống vật lý phức tạp, bao gồm cả các hệ thống được tìm thấy trong xe hơi Cụ thể, Simscape có thể
37 được sử dụng để mô phỏng các hệ thống cơ học, điện, và thủy lực, giúp bạn phát triển và kiểm tra các mô hình mô phỏng của hệ thống trên ô tô Ở phạm vi thực hiện đề tài, các khối mô phỏng được lấy chủ yếu từ mục Driveline của thư viện Simsape
- Foundation Library: Bao gồm các khối cơ bản và công cụ mô phỏng cho mô hình hóa các thành phần cơ bản như khối cơ, tụ, cuộn cảm, động cơ,…
- Utilities: Chứa các khối tiện ích như khối kết nối, khối chuyển đổi giữa các tín hiệu vật lý khác nhau
- Driveline: Chứa các khối chuyển động quay cơ học và tịnh tiến như khối động cơ, phanh, ly hợp, khối bánh xe, cảm biến
- Fluids: Bao gồm các khối thủy lực như bộ chấp hành, các van điều khiển, bơm, motor
- Multibody: Chứa các khối nối như bánh răng, dây cáp,… để mô phỏng các chuyển động hệ thống cơ học nhiều vật thể linh hoạt
- Power Systems: Các khối thành phần điện như nguồn cấp, biến áp, và các thiết bị điện tử khác
MÔ PHỎNG HỘP SỐ CVT TRÊN XE ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB- SIMULINK
Sơ đồ truyền lực của hệ thống
Hình 3.1 Sơ đồ truyền lực của hệ thống Đường truyền công suất của hệ thống bắt đầu từ nguồn năng lượng từ Battery sau đó qua bộ Inverter để chuyển đổi dòng điện từ DC sang dòng điện AC có thể thay đổi tần số Từ đó, điều khiển công suất phát ra của motor dẫn động qua hộp số CVT đến vi sai, cuối cùng truyền tải momen đến các bánh xe chủ động.
Mô hình hóa hộp số CVT
Hộp số nhận các tín hiệu đầu vào như điều kiện tải, tốc độ xe, góc mở bướm ga,… từ đó bộ điều khiển sẽ tín toán và đưa ra các tín hiệu điều khiển hệ Pulley và dây đai để tạo ra một tỷ số truyền hợp lý với điều kiện vận hành của xe Khả năng tạo ra mômen xoắn 100% từ khi chết máy, khả năng điều chỉnh nhanh và chính xác và không giới hạn tốc độ tối thiểu để chạy ổn định, do đó bộ biến mô không còn cần thiết trong hộp số CVT khi ứng dụng trên xe điện
Hình 3.2 Sơ đồ khối hộp số CVT Sau khi có sơ đồ khối hộp số CVT, nhóm tiến hành tìm hiểu các khối mô phỏng trong Simulink để xây dựng hộp số CVT trong Simulink Các khối được sử dụng chủ yếu nằm trong thư viện Simscape:
Khối này đại diện cho một bộ chuyển đổi tín hiệu vật lý có mối quan hệ đầu vào-đầu ra được chỉ định bởi bảng tra cứu hai chiều Hai vectơ lưới bảng xác định lưới Descartes trong không gian 2D Mỗi vectơ lưới trong hai bảng phải theo thứ tự tăng dần hoặc giảm dần nghiêm ngặt, nhưng khoảng cách có thể không đồng nhất
Hình 3.3 Khối PS Lookup Table (2D) Khối này có vai trò nhận các tín hiệu đầu vào như điều kiện tải, tốc độ xe, góc mở bướm ga,… từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển hệ Pulley và dây đai để tạo ra một tỷ số truyền hợp lý
Hộp số tỷ số thay đổi (Variable Ratio Transmission) là hộp số có tỷ số truyền thay đổi được, như hộp số CVT, hộp số điện hoặc hộp số thủy lực Dấu hiệu đầu vào r xác định tỷ số giữa vận tốc góc đầu vào và đầu ra của các trục Các chân B và F là cổng bảo toàn mô-men xoắn cơ học, giúp xác định mối quan hệ giữa chiều quay của trục sơ cấp và trục thứ cấp dựa trên thông số quay của trục đầu ra.
Hình 3.4 Khối Variable Ratio Transmission
Khối đại diện cho một quán tính quay cơ học lý tưởng Khối kết nối các trục sơ cấp và thứ cấp của pulley
Sử dụng khối này để kết nối các chân quay cơ học gắn vào khung hoặc mặt đất
Hình 3.6 Khối Mechanical Rotational Reference
Sử dụng khối này để kết thúc đầu ra tín hiệu vật lý
Khối kết nối chuyển kết nối vật lí hoặc tín hiệu qua các hệ thống nhỏ hơn
Khối có chức năng chuyển đổi tín hiệu đầu vào Simulink thành tín hiệu vật lý
Hình 3.9 Khối Simulink-PS Converter
Khối có chức năng chuyển đổi tín hiệu vật lý đầu vào thành tín hiệu đầu ra Simulink
Hình 3.10 Khối PS-Simulink Converter
+ Khối Goto: Gửi tín hiệu đến các khối From có thẻ được chỉ định
+ Khối From: Nhận tín hiệu từ các khối Goto từ thẻ được chỉ định
Tiến hành kết nối các khối ta được mô hình hộp số CVT:
Hình 3.13 Khối hộp số CVT
- Khối hộp số CVT bao gồm:
+ Khối CVT Ratio Map sẽ đóng vai trò như bộ điều khiển hộp số CVT, nhận hai tín hiệu đầu vào là tốc độ xe và độ mở bướm ga (ở động cơ đốt trong truyền thống) từ đó xuất ra tín hiệu điều khiển hệ pulley tạo ra tỉ số truyền hợp lí
+ Hệ pulley kết nối đường truyền công suất từ động cơ tới vi sai và các bánh xe
Mô hình hóa khối người lái và bộ điều khiển FOC
Hình 3.14 Khối Driver and FOC
- Đầu vào của khối Driver and FOC bao gồm :
+ VelRef: Tốc độ mục tiêu thiết lập
+ VelFdbk: Tốc độ thực tế của xe
- Đầu ra của khối Driver and FOC bao gồm :
+ Gates: Tín hiệu điều khiển động cơ điện
+ DecelCmd: Tín hiệu điều khiển hệ thống phanh
- Bên trong khối Driver and FOC bao gồm hai khối là Longitudinal Driver và FOC Controller :
Hình 3.15 Khối Longitudinal Driver và FOC Controller
Khối Longitudinal Driver có chức năng mô phỏng tín hiệu bàn đạp ga và bàn đạp phanh thay cho tài xế dựa vào tín hiệu tốc độ hiện tại của xe và điều khiển phương tiện tuân thủ theo tốc độ yêu cầu mà chu trình kiểm định đề ra Khối sử dụng các thuật toán được thiết lập sẵn trên matlab để tính toán một cách chính xác giá trị đạp ga và đạp phanh giao động từ
0 đến 1 Tín hiệu mở bướm ga sẽ đi qua khối FOC Controller để chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển điện, từ đó điều khiển động cơ điện
- Bên trong khối FOC Controller bao gồm :
+ Iqref : Dòng điện yêu cầu từ người lái được so sánh với dòng điện thực tế của động cơ – labc
+ Labc đi qua bộ “Clarke Transform” sẽ chuyển đổi tín hiệu dòng điện AC ba pha thành dòng điện hai pha qua tiếp bộ “Clarke to Park Angle Transform” chuyển đổi thành dòng điện một chiều Dòng điện bao gồm hai thành phần : isd – dòng điều khiển từ thông động cơ, isq – dòng điều khiển mômen động cơ
+ Dòng điện yêu cầu Iqref sẽ được so sánh với dòng điện isq qua bộ PID hình thành tín hiệu điều khiển mômen, dòng điên isd được so sánh với một hằng số C qua bộ PID hình thành tín hiệu điều khiển từ thông Giá trị “0” làm giá trị tham chiếu
+ Các tín hiệu điều khiển qua bộ chuyển đổi ngược chuyển đổi thành dòng điện ba pha từ đó điều khiển xung cho động cơ điện.
Mô hình hóa khối Pin, biến tần và động cơ điện
Hình 3.17 Khối Pin, biến tần và động cơ điện Pin Lithium được liên kết với bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều Bộ biến tần nhận tín hiệu điện điều khiển từ bộ điều khiển FOC Controller và điều chỉnh giá trị dòng điện xoay chiều theo tín hiệu điều khiển, sau đó đưa đến điều khiển động cơ điện ba pha PMSM
Xây dựng mô hình pin tổng quát cho nhiều loại pin phổ biến, đồng thời có thể chỉ định ảnh hưởng của nhiệt độ và quá trình lão hóa (do chu kỳ sạc xả) cho pin Lithium-Ion.
+ Thông số được đưa vào trong khối :
Xe điện Tesla model 3 sử dụng khối pin Lithium-ion 75 (Kwh) với mức điện áp 350 (v)
Hình 3.18 Hộp thoại khối Battery
- Khối Universal Bridge (biến tần)
Khối sử dụng ba Diodes công suất IGBT để chuyển đổi giữa dòng diện xoay chiều và dòng điện một chiều
Hình 3.19 Hộp thoại khối Universal Bridge (biến tần)
- Khối Permanent Magnet Synchronous Machine (động cơ điện)
Một khối động cơ ba pha nhận tín hiệu điều khiển và tạo ra một mômen xoắn phù hợp để truyền đến hệ thống truyền lực của xe Đặc tính của động cơ PMSM là có dòng điện áp ngược EMF hình sin, dòng điện này tăng tỷ lệ với vận tốc động cơ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện
Hình 3.20 Hộp thoại khối Permanent Magnet Synchronous Machine (động cơ điện)
Mô hình hóa khối thân xe
Khối Vehicle Body là mô phỏng thân xe, bao gồm khối lượng xe, lực cản khí động học, độ dốc của mặt đường và phân bổ trọng lượng giữa các trục, ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc và điều khiển trên mọi địa hình.
+ Kết nối H là cổng bảo toàn tịnh tiến cơ học liên quan đến chuyển động ngang của thân xe Chuyển động lực kéo do lốp xe tạo ra phải được kết nối với cổng này
+ Chân kết nối V là cổng đầu ra tín hiệu vận tốc của xe
+ Chân NF là cổng kết nối với bánh xe trước
+ Chân NR là cổng kết nối với bánh xe sau
+ Chân W là cổng nhận tín hiệu của tốc độ gió
+ Chân beta là cổng nhận tín hiệu của độ dốc mặt đường
Hình 3.21 Khối Vehicle Body Sau khi tính toán, nhóm đã nhập thông số vào hộp thoại của khối Vehicle Body:
Hình 3.22 Hộp thoại khối Vehicle Body
Hình 3.23 Khối Differential Khối đại diện cho bộ vi sai Xe Tesla model 3 là cầu sau chủ động nên :
+ Chân S1 và S2 kết nối với khối Tire
+ Chân D kết nối vối đường truyền từ hộp số tới
Nhập thông số vi sai vào hộp thoại của khối Differential:
Hình 3.24 Hộp thoại khối Differential
Khối bánh xe bao gồm :
+ Chân A: Kết nối với trục bánh xe
+ Chân N: Phản lực tác dụng lên bánh xe từ mặt đường
+ Chân H: Lực kéo và tốc độ tịnh tiến tác dụng lên thân xe
+ Chân S: Cổng đầu ra tín hiệu vật lý thể hiện độ trượt của lốp
Sau khi tính toán, nhóm nhập thông số bán kính tính toán vào hộp thoại của khối Tire:
Hình 3.26 Hộp thoại khối Tire
Khối nhận tín hiệu từ bàn đạp phanh để tạo lực phanh nhằm giảm tốc độ xe theo tín hiệu điều khiển
+ Chân S: kết nối đường truyền hộp số tới
+ Chân F: cổng đầu vào tín hiệu điều khiển phanh
Hình 3.27 Khối Double-Shoe Brake
Tiến hành kết nối các khối trên ta được khối Vehicle Model :
- Bên trong khối Vehicle Model bao gồm :
+ Khối Vehicle Body là thân xe với các thông số đã thiết lập như trên Khối nhận các tín hiệu điều kiện mô phỏng như : Tốc độ gió – Wind Velocity, Độ dốc – Inclination và xuất ra tín hiệu vận tốc xe – Velocity Nhóm thực hiện mô phỏng xe ở điều kiện Wind Velocity 0, Inclination = 0
+ Xe dẫn động cầu sau nên vi sai kết nối với hai bánh xe sau
+ Hệ thống phanh được gắn trên đường truyền lực để giảm tốc hệ thống theo mong muốn
Kết nối hệ thống xe hoàn chỉnh
Hình 3.29 Hệ thống xe hoàn chỉnh
Từ các khối như bộ điều khiển, battery, biến tần, động cơ, hộp số, thân xe,… nhóm đã kết nối một hệ thống xe hoàn chỉnh như trên bao gồm:
+ Tín hiệu đầu vào là chu trình chạy xe đi qua bộ điều khiển Driver and FOC tạo tín hiệu điều khiển động cơ
Động cơ PMSM ba pha được điều khiển thông qua bộ điều khiển FOC Controller Bộ điều khiển này gửi tín hiệu điều khiển đến bộ biến tần, thực hiện chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều Sau đó, bộ biến tần điều chỉnh giá trị dòng điện xoay chiều theo tín hiệu điều khiển và cấp cho động cơ PMSM Quá trình liên kết giữa bộ điều khiển, bộ biến tần và động cơ giúp điều khiển hiệu quả động cơ PMSM, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả cao.
+ Khối hộp số CVT nhận tín hiệu độ mở bướm ga và tốc độ xe để điều khiển chuyển số
+ Các khối Scope để hiện thị các giá trị trên hệ thống
Xây dựng map tỷ số truyền hộp số CVT
3.7.1 Xây dựng đồ thị đặc tính momen ứng kết hợp với đồ thị hiệu suất động cơ theo dòng điều khiển khác nhau Để xây dựng đồ thị đặc tính mômen, nhóm đã tham khảo kết quả thực nghiệm đặc tính động cơ Tesla model 3 Long Range RWD - 2018 trên trang web https://motorxp.com/ để rút ngắn thời gian thực hiện :
Hình 3.30 Giao diện công cụ Grabit vẽ đồ thị mômen Để lấy được dữ liệu trên biểu đồ trên, nhóm đã sử dụng công cụ Grabit trong Matlab Công cụ Grabit cho phép truy cập dữ liệu ảnh của máy tính, từ đó chọn hệ trục tọa độ ứng với các giá trị mong muốn và sử dụng click chuột để chọn các điểm ảnh theo ảnh đã đưa vào Sử dụng công cụ Grabit ta tiến hành như sau:
- Lưu file ảnh cần vẽ : Đồ thị mômen động cơ theo dòng điện điều khiển
- Chạy file code của công cụ Grabit
- Chọn mục Load Image để chọn file ảnh cần vẽ
- Chọn mục Re-Calibrate để hiệu chỉnh lại các giá trị của trục tọa độ, nhưng mục đích của nhóm là chỉ lấy giá trị đúng với biểu đồ đã cho nên không sửa hoặc thay đổi giá trị tọa độ.
- Tiếp tục chọn mục Grab Points để vẽ: Vẽ các đường mômen động cơ
- Sau khi vẽ xong, các giá trị đã vẽ sẽ được lưu dưới dạng file.mat trong Workspace của Matlab Ở đồ thị hiệu suất động cơ , các bước làm cũng tương tự:
Hình 3.31 Giao diện công cụ Grabit vẽ đồ thị hiệu suất
Sau khi có 2 đồ thị, nhóm tiến hành vẽ kết hợp 2 đồ thị:
Hình 3.32 Đồ thị đặc tính momen kết hợp với đồ thị hiệu suất động cơ theo dòng điều khiển
3.7.2 Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo
3.7.2.1 Số liệu ban đầu a) Các kích thước cơ bản
Bảng 3.1 Các kích thước cơ bản của Tesla Model 3 Long Range RWD – 2018 [6]
STT Thông số Ký hiệu Kích thước Đơn vị
1 Chiều dài toàn bộ L0 4694 mm
2 Chiều rộng toàn bộ B0 1849 mm
3 Chiều cao toàn bộ H0 1443 mm
4 Chiều dài cơ sở L 2875 mm
5 Khoảng sáng gầm xe H1 140 mm
6 Vận tốc tối đa Vmax 225 km/h
59 b) Các thông số cho trước, thông số chọn và thông số tính toán
- Xe tham khảo: Tesla model 3 Long Range RWD- 2018 c) Thông số cho trước
Bảng 3.2 Thông số cho trước của Tesla model 3 Long Range RWD- 2018 [6]
STT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Động cơ Động cơ điện
2 Hệ thống truyền động RWD Dẫn động cầu sau
6 Mômen xoắn cực đại Memax 440 Nm
7 Tốc độ lớn nhất Vmax 225 Km/h
9 Khối lượng toàn tải mtt 2180 Kg
10 Khối lượng phân bố lên cầu trước m1 980 Kg
11 Khối lượng phân bố lên cầu sau m2 1200 Kg
12 Thời gian tăng tốc từ 0 đến 100 Km/h t 6 s d) Thông số chọn và thông số tính toán
+ Trọng lượng phân bố lên cầu trước: G1 = 9613,8 (N)
+ Trọng lượng phân bố lên cầu sau: G2 = 11772 (N)
+ B= 235: Chiều rộng của lốp (mm)
+ 40: Tỷ lệ phần trăm giữa chiều cao và chiều rộng của lốp
+ R: Kiểu lốp (R là Radial, tức là cấu trúc dạng tia)
+ d= 19: Đường kính của vành bánh xe (inch)
- Lúc đó 𝑟 0 được xác định như sau:
- Bán kính động học và bán kính động lực học của bánh xe:
Chọn hệ số biến dạng lốp, lốp có áp suất thấp với xeTesla model 3 Long Range RWD-
2018 là 𝜆 = 0,93-0,935 Áp suất không khí chứa trong lốp có áp suất thấp sẽ dao động trong khoảng 0,8 đến 5 (𝑘𝐺/ 𝑐𝑚 2 ) tương đương với khoảng từ 78,453 đến 490,333 (Kpa)
- Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm cầu trước:
- Khoảng cách từ trọng tâm từ tâm cầu sau:
Đối với dòng xe Tesla model 3 Long Range RWD- 2018, hiệu suất phanh của động cơ điện được chọn là ηtl = 0,93 theo giáo trình Lý thuyết ô tô máy kéo của Nguyễn Hữu Cẩn, trang 15, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, tái bản lần thứ 5.
3.7.2.2 Đồ thị cân bằng lực kéo
Hộp số CVT có tỷ số truyền biến thiên liên tục từ giá trị cao đến thấp nên xe có vô số tỷ số truyền Cần tính toán, chọn các tỷ số truyền khác nhau phù hợp của hộp số, từ đó mới có thể đánh giá, tính toán sức kéo, khả năng tăng tốc, leo dốc của xe Có hai phương pháp tính toán sức kéo của hộp số CVT:
- Phương pháp giải tích: ta đi tìm công thức tính tỷ số truyền của hộp số CVT Nhưng vì tỷ số truyền biến thiên liên tục của hộp số CVT nên xe có vô số tỷ số truyền, tức là vô số cấp nên trong phạm vi đồ án lần này phương pháp giải thích không được áp dụng
- Phương pháp số: ta chia tỷ số truyền của hộp số CVT thành những khoảng nhỏ (khoảng chia càng nhỏ thì càng chính xác) trong giới hạn tỷ số truyền nhỏ nhất và lớn nhất
Trong phạm vi đồ án lần này, nhóm em áp dụng phương pháp này để đánh giá, tính toán sức kéo, khả năng tăng tốc, leo dốc của ô tô điện sử dụng CVT Phương pháp này mặc dù chưa tổng quát nhưng rất phù hợp với phạm vi đồ án lần này của nhóm em
Nhóm em chọn hộp số CVT của xe Mitsubishi Lancer có giá trị giới hạn nhỏ nhất và lớn nhất từ 0,715 đến 2,515 Tỷ số truyền của truyền lực chính: i0 = 4,662 Phương án của nhóm em là loại bỏ hộp giảm tốc một cấp ban đầu của xe để thay thế vào đó hộp số CVT của xe Mitsubishi Lancer và ta chia nhỏ chúng thành 11 cấp số và để dễ so sánh về những ưu điểm về khả năng gia tốc và cải thiện tốc độ xe Nhóm sẽ chọn một tay số có tỷ số truyền đặt biệt, ih5 =1,93050193 khi kết hợp với vi sai ta sẽ được tỷ số truyền tổng ban đầu của xe Tesla model
3 Long Range RWD- 2018 (ih5 chính là tỷ số truyền của hộp giảm tốc một cấp ban đầu của xe)
- Hộp số CVT có 11 cấp :
- Xây dựng mối quan hệ giữa lực kéo Fk và các lực cản chuyển động phụ thuộc vào vận tốc của xe, nghĩa là F= f(V) Trục hoành là các giá trị của vận tốc và trên trục tung là các giá trị lực
- Vẽ các đường biểu thị lực kéo Fki ở các tay số dựa vào đường đặc tính ngoài của động cơ xác định giá trị Mei ứng với các giá trị nei ta tìm được bằng phương pháp Grabit ở trên thay vào các công thức:
+ Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động:
𝑟 𝑏 (3.1) + Vận tốc chuyển động của xe ở các số truyền:
Vn: Vận tốc chuyển động của xe ở tay số n
Bảng 3.3 Giá trị lực kéo tại các tay số ne (v/p) M e (N.m) Tay số 1 Tay số 2 Tay số 3
Tay số 4 Tay số 5 Tay số 6 Tay số 7
Tay số 8 Tay số 9 Tay số 10 Tay số 11
Vẽ các đường biểu thị lực cản chuyển động dựa vào công thức:
- Đường cong Fc là tổng của các giá trị Ff và Fω:
+ Hệ số cản không khí: Chọn 𝐶 𝑥 = 0,5 (𝑁 𝑠 2 / 𝑚^4 ) với xe Tesla model 3 Long Range RWD- 2018 (theo giáo trình lý thuyết ô tô- Đặng Quý trường đại học sư phạm Kỹ Thuật TP
+ Việc xác định diện tích cản chính diện gặp nhiều khó khăn, vì vậy để đơn giản ta chọn 𝑆 = 2,5 (𝑚 2 ) (theo giáo trình lý thuyết ô tô- Đặng Quý trường đại học sư phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh trang 55)
+ Hệ số cản lăn ứng với tốc độ chuyển động của xe: f0 = 0,016 ứng với đường nhựa tốt f0= 0,015- 0,018 (bảng II-1, giáo trình lý thuyết ô tô máy kéo- Nguyễn Hữu Cẩn- NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội- in lần thứ 5- trang 54) với V ≤ 22 m/s (hay 80 km/h) Khi V > 22 m/s (hay 80 km/h) thì hệ số cản mặt đường ứng với vận tốc đó là: f = f0 (1+ V^2/1500) ( theo
66 công thức II-16 trang 53 giáo trình lý thuyết ô tô máy kéo- Nguyễn Hữu Cẩn- NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội – in lần thứ 5)
- Đường biểu thị lực bám:
+ Hệ số bám ta chọn xe chuyển động trên đường bê tông khô và sạch φ = 0,7- 0,8 (theo giáo trình lý thuyết ô tô máy kéo- Nguyễn Hữu Cẩn- NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội- in lần thứ 5- trang 22) Chọn φ = 0,7 với xe Tesla model 3 Long Range RWD- 2018
+ Fφ là đường lực bám của xe ô tô khi đi trên đường nhựa khô và sạch (φ = 0,7), hệ số cản lăn f ứng với V ≤ 22,2 m/s (80 km/h) chọn f0 = 0,016
+ Gb: trọng lượng xe phân bố lên cầu chủ động (cầu sau chủ động)
+ m2: hệ số thay đổi trọng lượng tác dụng lên cầu sau phụ thuộc vào điều kiện chuyển động
Xây dựng khối đồ thị động lực học
Hình 3.37 Các khối tính toán động lực học xe
3.8.1 Khối đồ thị cân bằng lực kéo
Dựa trên lý thuyết về nhóm được nghiên cứu ở chương hai, nhóm nghiên cứu đã xây dựng khối xuất ra đồ thị cân bằng lực kéo dựa trên các công thức đã được trình bày.
Hình 3.38 Khối tính toán lực cản lăn
Ta thiết lập khối theo công thức trên Sau khi tính toán, ta nhân cho khối GAIN có giá trị 0.001 để chuyển đổi đơn vị N sang KN
Hình 3.39 Khối tính toán lực cản dốc
- Khối From (Inclination) đại diện cho góc dốc của mặt đường
- Ta thiết lập khối theo công thức trên Sau khi tính toán, ta nhân cho khối GAIN có giá trị 0.001 để chuyển đổi đơn vị N sang KN
Hình 3.40 Khối tính toán lực cản quán tính
- Khối From (Obtained Vel) đại diện cho tốc độ thực tế của xe
- Khối From (CVTr) đại diện cho map tỉ số truyền của hộp số CVT
- Ta thiết lập khối theo công thức trên Sau khi tính toán, ta nhân cho khối GAIN có giá trị 0.001 để chuyển đổi đơn vị N sang KN
Hình 3.41 Khối tính toán lực cản không khí
- Khối From (Obtained Vel) đại diện cho tốc độ thực tế của xe
- Ta thiết lập khối theo công thức trên Sau khi tính toán, ta nhân cho khối GAIN có giá trị 0.001 để chuyển đổi đơn vị N sang KN
Hình 3.42 Khối tính toán tổng lực cản
Hình 3.43 Khối tính toán lực bám
Ta thiết lập khối theo công thức trên Sau khi tính toán, ta nhân cho khối GAIN có giá trị 0.001 để chuyển đổi đơn vị N sang KN
Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động:
Hình 3.44 Khối tính toán lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động
- Khối From (Torque) đại diện cho momen xoắn của động cơ
- Khối From (CVTr) đại diện cho tỷ số truyền của hộp số CVT
- Ta thiết lập khối theo công thức trên Sau khi tính toán, ta nhân cho khối GAIN có giá trị 0.001 để chuyển đổi đơn vị N sang KN
3.8.2 Khối đồ thị cân bằng công suất
Công suất của động cơ đã truyền đến các bánh xe chủ động:
Công suất cản lên dốc:
Công suất cản quán tính:
Công suất cản không khí:
𝑃 𝜔 = 𝐹 𝜔 𝑣 = 0,625 𝐶 𝑥 𝑆 𝑣 0 3 (3.22) Khi vận tốc của gió nhỏ, có thể coi : 𝑣 0 ≈ 𝑣
Hình 3.45 Khối tính công suất kéo và công suất cản
- Khối From (Obtained Vel) đại diện cho tốc độ thực tế của xe
- Khối From (Fk) đại diện cho lực kéo tại bánh xe chủ động
- Khối From (Fc) đại diện cho tổng lực cản của xe
3.8.3 Khối đồ thị gia tốc Để xác định biến thiên của tốc độ ô tô theo thời gian v(t), từ công thức nhân tố động lực học:
Hình 3.46 Khối tính toán gia tốc xe
-Khối From (Obtained Vel) đại diện cho tốc độ thực tế của xe
3.8.4 Khối đồ thị động lực học
- Thông số đặc tính động lực học của ô tô, ký hiệu là D
Hình 3.47 Khối tính toán động lực học xe + Khối From (Fk) đại diện cho lực kéo tại bánh xe chủ động
+ Khối From (Fw) đại diện cho lực cản gió
- Giá trị của D cũng bị giới hạn bởi điều kiện bám 𝐹 𝜑 ≥ 𝐹 𝑘 (3.27) Bởi vậy ở đây chúng ta phải đưa thêm khái niệm đặc tính động lực học tính theo điều kiện bám:
Hình 3.48 Khối tính toán động lực học theo điều kiện bám + Khối From (Fq) đại diện cho lực bám xe
+ Khối From (Fw) đại diện cho lực cản gió
- Như vậy, tương ứng với điều kiện ô tô chuyển động trên một loại đường xác định, tức là chúng ta đã biết được hệ số bám φ và hệ số cản tổng cộng 𝜓 thì việc sử dụng đặc tính động lực học của ô tô phải thoải mãn điều kiện : 𝐷 𝜑 ≥ 𝐷 ≥ 𝜓 (3.29)
Hình 3.49 Khối tính toán hệ số cản
+ Khối From (Inclination) đại diện cho góc dốc của mặt đường
Mô phỏng các trường hợp vận hành của xe
3.8.1 Trường hợp 1 (TH1): Mô phỏng khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa của xe 3.8.1.1 Xe Tesla model 3 hộp số giảm tốc
Theo công bố nhà sản xuất và kết quả tính toán trên excel, nhóm đã xác định được tốc độ tối đa của xe có hộp số giảm tốc là 62.5 (m/s) → 225 (km/h) Nhóm sẽ giả lập một nguồn tín hiệu tốc độ mục tiêu từ 0 đến 225 (km/h) trong 1 giây đầu tiên của mô phỏng và giữ chạy trong vòng 50 giây để kiểm tra khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa của xe đạt trong khoảng thời gian bao lâu
Hình 3.50 Thiết lập tốc độ mục tiêu với hộp số giảm tốc
Hình 3.51 Mô hình xe với hộp số giảm tốc TH1
Sau khi tiến hành giả lập tín hiệu tốc độ xong, nhóm tiến hành chạy mô phỏng hệ thống trong khoảng 50 giây thu được kết quả như hình dưới đây:
Các đồ thị đều có một độ dao động nhấp nhô chấp nhận được ở phạm vi đồ án lần này
Cụ thể, ở giây thứ 11 và 16 có sự nhấp nhô lớn bởi vì một phần là đặc tính của động cơ điện, một phần là do bộ điều khiển nhóm em dùng là bộ điều khiển đơn giản để khảo sát những trường hợp cụ thể
Dựa vào đồ thị tốc độ xe với hộp số giảm tốc TH1, có thể thấy thời gian tăng tốc từ 0 đến 100 km/h là khoảng 8 giây và mất khoảng 28 giây để đạt vận tốc tối đa khoảng 225 km/h Tuy nhiên, theo công bố của nhà sản xuất, thời gian này chỉ là 6 giây Sự chênh lệch này có thể là do nhóm thực hiện sử dụng bộ điều khiển FOC đơn giản để mô phỏng khả năng vận hành trong các trường hợp cụ thể, dẫn đến kết quả chỉ đạt được ở mức tương đối.
Hình 3.53 Đồ thị mômen kéo tại bánh xe với hộp số giảm tốc TH1 Ở đồ thị mômen kéo theo thời gian, mômen kéo ban đầu lớn cho phép khởi động và tăng tốc thích hợp Vùng vận hành mômen kéo không đổi rất quan trọng ở tốc độ thấp để mang lại khả năng khởi động tốt và lái xe lên dốc Lúc này Mkmax = 3600 (Nm), khi đạt được tốc độ cơ bản, động cơ đạt đến giới hạn công suất định mức và mômen kéo của động cơ giảm tỷ lệ với bình phương tốc độ Điều này xảy ra do đặc tính của động cơ điện, đặc biệt là động cơ điện xoay chiều (AC) hoặc động cơ không đồng bộ phổ biến trong xe điện
Cụ thể, động cơ điện thường tạo ra mômen xoắn lớn nhất ở tốc độ thấp hoặc khi bắt đầu tăng tốc Khi tốc độ của xe tăng lên, số vòng quay quay của động cơ tăng, dẫn đến việc giảm mômen xoắn Điều này là do đặc tính của động cơ điện, khi điện áp và tần số cung cấp từ bộ điều khiển động cơ thay đổi, nó không thể duy trì momen xoắn cao tại tốc độ cao
Ngoài ra, hệ thống điều khiển của xe điện thường điều chỉnh dòng điện để tối ưu hiệu suất và bảo vệ động cơ khỏi quá tải ở tốc độ cao Do đó, mômen xoắn sẽ giảm khi xe đạt tốc độ tối đa để duy trì hoạt động ổn định và bảo vệ các bộ phận cơ khí
Tóm lại, khi xe điện đạt tốc độ tối đa, mômen xoắn động cơ điện có xu hướng giảm do đặc tính của động cơ và cách điều khiển dòng điện để duy trì hiệu suất và bảo vệ động cơ
Hình 3.54 Đồ thị cân bằng lực kéo với hộp số giảm tốc TH1 Ở đồ thị cân bằng lực kéo theo thời gian, ta thấy xe không bị trượt quay vì Fk ≤ Fφ
(3.31), thỏa mãn đúng với điều kiện để một chiếc xe vận hành Lực cản tổng cắt đường lực kéo tiếp tuyến tại một điểm, điểm này chiếu xuống trục hoành ta được vận tốc cực đại của xe với loại đường đang xét (đường bằng) Hoàn toàn đúng vì ở chế độ này thì toàn bộ lực kéo chỉ dùng để khắc phục lực cản lăn và lực cản gió, không có lực cản quán tính vì ô tô chuyển động đều, không có lực cản dốc vì muốn đạt được Vmax thì ô tô phải chuyển động trên đường bằng Tuy nhiên, khi mô phỏng trên Matlab- Simulink phần mềm không hỗ trợ tính toán lực cản lăn thay đổi theo tốc độ xe, chính vì vậy nhóm đã chọn một giá trị cụ thể (f=0.016) để tính toán
Cụ thể, với V ≤ 22 m/s (hay 80 km/h) thì nó lấy gần bằng với hệ số cản lăn ứng với tốc độ chuyển động của xe f0, khi V > 22 m/s (hay 80 km/h) thì hệ số cản mặt đường ứng với tốc độ đó là: f = f0 (1+ V^2/1500) (3.32) ( theo công thức II-16 trang 53 giáo trình lý thuyết ô tô máy kéo- Nguyễn Hữu Cẩn- NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội – in lần thứ 5) nên khi biểu diễn ở
Matlab- Simulink đường lực cản tổng sẽ thấp hơn thực tế và nó sẽ không cắt đường lực kéo tiếp tuyến khi đạt vận tốc cực đại như theo lý thuyết (đã được trình bày ở mục 3.7.2.2)
Hình 3.55 Đồ thị cân bằng công suất với hộp số giảm tốc TH1 Ở đồ thị cân bằng công suất theo thời gian, ta thấy được công suất động cơ vận hành tối đa là khoảng 270 (kW) Vùng công suất không đổi xác định tốc độ EV tối đa trên bề mặt phẳng Giá trị giao nhau của đường công suất với công suất cản là vận tốc lớn nhất Vmax ở loại đường đang xét (đường bằng), lúc đó Pd =0 Tuy nhiên, tương tự như trường hợp lực kéo khi mô phỏng trên Matlab- Simulink công suất cản lăn được tính theo công thức khác, nó không thay đổi theo tốc độ nhưng khi ở thực tế công thức tính công suất cản lăn lại phụ thuộc vào tốc độ, nên khi biểu diễn ở Matlab- Simulink đường công suất sẽ thấp hơn thực tế và nó sẽ không cắt đường công suất của động cơ khi đạt vận tốc cực đại như theo lý thuyết Các tung độ nằm giữa đường cong tổng công suất cản và đường cong công suất của động cơ phát ra tại bánh xe chủ động Pk là công suất dự trữ (công suất dư Pd) dùng để leo dốc, tăng tốc, kéo móc
Hình 3.56 Đồ thị đặc tính động lực học với hộp số giảm tốc TH1 Ở đồ thị đặc tính động lực học theo thời gian, giá trị D cũng bị giới hạn bởi điều kiện bám của các bánh xe chủ động với mặt đường cũng tương tự như lực kéo Để ô tô không bị trượt quay và duy trì cho ô tô chuyển động phải thoả mãn Dφ ≥ D ≥ Ψ (3.33) Vùng giới hạn giữa đường cong Dφ và đường cong Ψ trên đồ thị là vùng thỏa mãn điều kiện trên Đặc tính động lực học D thể hiện khả năng ô tô thắng lực cản tổng cộng và khả năng tăng tốc.
Quan sát đồ thị gia tốc (hình 3.57), ta thấy ở những giây đầu tiên, gia tốc chênh lệch đáng kể do đây là giai đoạn ô tô tăng tốc Khi tốc độ ô tô ổn định, gia tốc cũng ổn định và giảm dần về 0.