TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌCNgành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Tên đề tài MÔ PHỎNG XE HYBRID LOẠI NỐI TIẾP, SONG SONG VÀ KẾT HỢP G
TÌM HIỂU VÀ XÂY DỰNG MÔ PHỎNG
Hybrid nối tiếp
2.1.1 Mô phỏng và thông số tổng quan
Dưới đây là mô hình mà nhóm tham khảo trên ứng dụng Matlab.
Hình 3: Mô hình hệ thống điều khiển xe Hybrid loại nối tiếp trên Matlab/ Simulink
Bảng 2: Bảng khảo sát thực tế dòng xe Sedan Hybrid
Dựa trên mô phỏng mẫu kết hợp với bảng khảo sát thực tế trên xe, chúng ta nhận thấy rằng số liệu từ mô phỏng khá chính xác với thực tế Do đó, chúng ta có thể xác định một số thông số cơ bản như sau:
Bảng 3: Bảng thông số cơ bản dùng trong mô phỏng
Hình 4: Sơ đồ khối mô phỏng thân xe trong Matlab/ Simulink
Trên đây là cấu tạo của phần thân xe Thể hiện rõ những đầu vào, đầu ra của thân xe.
Hình 5: Khối bánh xe Đầu vào:
A: số vòng quay của trục bánh xe N: phản lực thẳng đứng từ thân xe Đầu ra:
S: độ trượt của bánh xe H: cổng bảo toàn tịnh tiến cơ học của trục bánh xe Đầu vào:
•H : cổng bảo toàn tịnh tiến cơ học chuyển động ngang của thân xe
•beta: góc nghiêng mặt đường Đầu ra:
•NF và NR: lần lượt là các cổng đầu ra tính hiệu vật lý lực bánh xe cầu trước và cầu sau
Phương trình chuyển động của xe:
Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của xe, bao gồm gia tốc trọng trường (g), góc nghiêng của mặt đường (β), khối lượng của xe (m), và chiều cao trọng tâm so với mặt đất (h) Bên cạnh đó, khoảng cách từ trục trước và trục sau đến trọng tâm (a, b) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định sự ổn định và khả năng vận hành của xe.
V w tốc độ gió n số bánh mỗi cầu xe
F xf , F xr lực dọc tác dụng lên bánh xe ở điểm tiếp xúc mặt đường cầu trước và cầu sau
F zf , F zr phản lực tác dụng lên bánh xe ở điểm tiếp xúc mặt đường cầu trước và cầu sau
A diện tích mặt cắt ngang phía trước của xe
C d hệ số cản khí động học ρ mật độ khối lượng không khí
F d lực kéo khí động học
Bảng 4: Giải thích các thông số
Mô tơ hoạt động bằng nguồn điện từ pin hoặc máy phát, tạo ra số vòng quay ban đầu Sensor được lắp đặt ở đầu ra để đếm số vòng quay của mô tơ và gửi thông tin về ECU Đồng thời, yêu cầu từ tài xế cũng được gửi đến ECU Hai giá trị này sẽ được so sánh để điều chỉnh mô tơ quay theo đúng yêu cầu của tài xế Quá trình này diễn ra trong một vòng lặp kín, với sensor liên tục kiểm tra số vòng quay và cập nhật về ECU.
Thuật toán bên trong ECU mô tơ nhận tín hiệu từ cảm biến và yêu cầu tài xế thực hiện các phép so sánh Sau đó, nó cung cấp tín hiệu đầu ra để điều khiển mô tơ theo yêu cầu.
Hình 9: Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ Motor
Bài viết này giải thích ý nghĩa các khối trong bộ điều khiển mô tơ, với đầu vào là rpm của động cơ tương ứng với yêu cầu rpm của bộ điều khiển chính Để điều chỉnh, cần chọn giá trị K P và K I, trong đó giữ K I = 0 và thay đổi K P nhằm giảm sai số e, đồng thời đạt momen của mô tơ gần 400N.m tại thời điểm 2 giây trong quá trình tăng tốc.
Hình 8: Sơ đồ khối mô phỏng Motor trên Matlab/ Simulink
Nhóm đã tiến hành thí nghiệm với các giá trị K P lần lượt là 10, 30, 50 và 70 Kết quả cho thấy, khi K P < 50, sai số e lớn và momen tại thời điểm 2 giây còn nhỏ Ngược lại, khi K P đạt 50, độ vọt lố sau khi đạt 400N.m trở nên khá lớn, mặc dù sai số e đã giảm Do đó, nhóm quyết định chọn K P là giá trị trung bình giữa 50 và một mức phù hợp khác.
70 Sai số e khá nhỏ và giá trị momen cũng lân cận 400N.m đồng thời lực quán tính ngay sau đó không quá lớn.
Tương tự cho việc chọn K I , giữ K P ` và thay đổi K I lần lượt là 10, 30, 50, 60,70 Sau khi thay đổi K I thì sự sai số và về momen đạt yêu cầu nhất khi K I `.
Sau khi chọn xong K P và K I thì bộ điều khiển mô tơ trở thành như sau:
Hình 16: Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ Motor
Khối giới hạn đầu ra sẽ kiểm soát giá trị đầu ra sau khi tính toán tại bộ điều khiển PI, với giới hạn trong khoảng từ -400N.m đến 400N.m.
Bên trong sơ đồ khối của bộ điều khiển tốc độ mô tơ, có một khối lọc tần số thấp (Lowpass Filter) đóng vai trò quan trọng Để hiểu rõ cách thức hoạt động và công dụng của khối này, nhóm đã tiến hành so sánh hai tín hiệu đầu vào và đầu ra trên cùng một biểu đồ, từ đó thu được những kết quả đáng chú ý.
Hình 17: Đưa hai đầu tín hiệu của khối lọc nhiễu vào biểu đồ
Hình 18: Hoạt động của khối lọc nhiễu
Mô phỏng không thể hiện rõ tác dụng của hàm lọc nhiễu, vì vậy nhóm nghiên cứu đã tạo ra một xung nhiễu bổ sung để quan sát hiệu quả của hàm lọc này một cách dễ dàng hơn.
Hình 19: Đưa thêm xung nhiễu vào khối
Hình 20: Hoạt động của khối lọc nhiễu sau khi đưa thêm xung nhiễu vào
Trong quá trình hoạt động, có thể xảy ra nhiều loại xung nhiễu, tuy nhiên, hàm lọc của chúng ta sẽ giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu này, từ đó thu được tín hiệu chính xác hơn.
Hình 21: Sơ đồ khối mô phỏng máy phát trên Matlab/ Simulink
Máy phát năng lượng từ động cơ hoạt động dựa trên tín hiệu từ tài xế để cung cấp công suất phù hợp với nhu cầu Ngoài ra, một cảm biến được gắn ở đầu ra để kiểm tra hiệu suất làm việc của máy phát.
Hình 22: Sơ đồ khối mô phỏng động cơ trên Matlab/ Simulink
Để đáp ứng nhu cầu công suất của mô tơ và máy phát, việc lựa chọn động cơ là rất quan trọng Trên thị trường, nhiều mẫu xe hybrid đã sử dụng động cơ I4, như Lexus LS Hybrid Trong mô hình này, chúng tôi cũng lựa chọn động cơ I4 với công suất 50kW cho mỗi máy Động cơ được trang bị hệ thống kiểm soát đầu ra, cho phép so sánh với tín hiệu điều khiển từ người lái và điều chỉnh công suất đầu ra cho phù hợp.
Hình 23: Sơ đồ khối điều khiển động cơ đốt trong
ECU của động cơ sử dụng thuật toán để so sánh tín hiệu, điều chỉnh đầu ra dựa trên thông số đầu vào là tốc độ vòng quay (rpm) của động cơ và rpm yêu cầu Đồng thời, ECU cũng giới hạn đầu ra sau khi nhân với hệ số K P.
Hình 24: Sơ đồ khối mô phỏng pin trên Matlab/ Simulink
Pin có nhiệm vụ cung cấp điện cho động cơ khởi động với điện áp định mức 201,6V Hệ thống pin được trang bị cảm biến cường độ dòng điện và cảm biến điện áp để theo dõi trạng thái hoạt động và hiệu suất Ngoài ra, có một hệ thống biến áp để điều chỉnh điện áp đầu ra cho phù hợp.
Hình 25: Sơ đồ khối tính toán pin
Với 2 cảm biến để đo điện áp và dòng điện thì các khối tính toán này sẽ cho ta theo dõi công suất, công suất tỏa nhiệt cũng như là sự thay đổi dòng điện.
Hình 26: Sơ đồ khối mô phỏng khối điều khiển trên Matlab/ Simulink
Hình 27: Sơ đồ khối điều khiển chính
Hình 28: Tín hiệu đầu vào
Hybrid song song
2.2.1 Mô phỏng và thông số tổng quan
Hình 29: Mô hình hệ thống điều khiển xe Hybrid loại song song trên Matlab/
Thông qua mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển xe Hybrid song song trên Matlab/Simulink, kết hợp với lý thuyết đã nghiên cứu, chúng ta nhận thấy rằng xe Hybrid loại song song có một số điểm khác biệt đáng chú ý so với loại nối tiếp.
2.2.2 Điểm khác nhau giữa mô phỏng HEV loại song song và nối tiếp
Mô hình hybrid song song kết hợp động cơ và mô tơ hoạt động độc lập, đảm nhiệm vai trò truyền lực chính Khối lệnh trong mô hình này tương tự như mô hình hybrid nối tiếp, nhưng điểm khác biệt là không có máy phát Năng lượng từ động cơ đốt trong được truyền đến bộ truyền lực chính thông qua hộp số.
Cảm biến đếm RPM của động cơ chỉ phục vụ mục đích quan sát số vòng quay mà không cần phản hồi từ động cơ Việc điều khiển động cơ được thực hiện trực tiếp từ bộ điều khiển chính.
Hình 30: Sơ đồ khối mô phỏng động cơ của HEV loại song song
* Hộp số: Hộp số có tác dụng thay đổi tỷ số truyền từ động cơ đốt trong truyền đến bánh xe tùy vào chế độ của xe.
Hình 31: Khối hộp số trong mô phỏng
Hybrid hỗn hợp
2.3.1 Mô phỏng và điểm khác biệt
Hình 32: Mô hình hệ thống điều khiển xe Hybrid loại hỗn hợp
Mô hình hỗn hợp kết hợp giữa chế độ nối tiếp và song song, mang đến hoạt động linh hoạt hơn Nó có các khối điều khiển tương tự như hai mô hình trước, nhưng điểm khác biệt nằm ở cách sắp xếp và bổ sung khối Power Split Khối này không chỉ kéo máy phát hoạt động mà còn truyền lực ra bánh xe nhờ năng lượng từ động cơ đốt trong, giúp mô hình này có khả năng điều khiển động cơ ở nhiều trạng thái khác nhau.
Hình 33: Khối chia công suất
Tỷ số truyền của bánh răng hành tinh này là i=r R r S
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Hình 34: Đồ thị vận tốc đầu ra của mô hình nối tiếp
Hình 35: Đồ thị hệ thống HEV loại nối tiếp
Hình 36: Đồ thị hệ thống HEV loại song song
Hình 37: Đồ thị hệ thống HEV hỗn hợp
Qua các đồ thị của ba mô phỏng, có thể thấy rằng chúng đáp ứng các điều kiện cơ bản của một chiếc xe Hybrid, bao gồm khả năng tăng giảm tốc và sạc pin Công suất của động cơ, máy phát và mô tơ cũng khá ổn định trong ba chế độ làm việc: tăng tốc, giữ và giảm tốc Để đánh giá hiệu quả của mô phỏng, cần nạp các thông số thực tế để kiểm tra.
THAY THÔNG SỐ XE TOYOTA YAIS CROSS VÀO MÔ PHỎNG
Thông số của xe Toyota Yaris Cross
Trọng lượng không tải (kg) 1285
Tiêu thụ nhiên liệu kết hợp (L/100km) 3.8
Battery Lithium-ion 4,3Ah-0,7kWh Động cơ xăng Loại động cơ 2NR-VEX
Hệ thống nhiên liệu Phun xăng điện tử Công suất tối đa (KW-rpm) 67 - 5500 Momen xoắn tối đa (Nm-rpm) 121- 4800 Động cơ điện Công suất tối đa (KW) 59
Bảng 5: Thông số của xe Toyota Yaris Cross
Hình 38: Mô hình sau khi thay thông số
Để kiểm tra thời gian ổn định (settling time), thời gian tăng (rising time) và vận tốc mà mô phỏng có thể đạt được, nhóm đã tạo một đồ thị bằng Excel Đồ thị bắt đầu với giá trị 15 m/s (tương đương 54 km/h) để kiểm tra settling time và rising time Sau đó, ở giữa đồ thị, vận tốc sẽ tăng lên 100 km/h nhằm theo dõi mức độ đáp ứng của mô phỏng này.
Kết quả, nhận xét
Hình 40: Vận tốc đầu ra
Sau 47,492 giây, vận tốc thực tế đã đạt được mức điều khiển với thời gian ổn định (settling time) và đạt 90% so với điều khiển sau 41,133 giây (rising time) Do mô phỏng và truyền động chính sử dụng điện, độ vọt lố (overshoot) gần như không có, tuy nhiên có thể có một số thiếu sót trong mô phỏng dẫn đến settling time và rising time lớn hơn mong đợi Trong khoảng 1000 giây đầu, với vận tốc trung bình dưới 60 km/h, mô phỏng đáp ứng tốt và ổn định Sau thời gian này, nhóm tiến hành kiểm tra vận tốc tối đa mà mô phỏng có thể đạt được, kết quả cho thấy mô phỏng có thể đạt gần 93 km/h Mô phỏng hoạt động hiệu quả với vận tốc dưới 60 km/h, nhưng không đáp ứng được ở vận tốc 100 km/h, có thể do cách nạp thông số không đủ hoặc cần thay đổi một số thông số khi yêu cầu vận tốc cao.
4.2.2 Quãng đường và nhiên liệu Để vẽ được được đồ thị của quãng đường, thì nhóm đã lấy đầu ra vận tốc ở khối Body vehicle nhân cho sự biến thiên thời gian
Hình 41: Mô hình vẽ đồ thị quãng đường
Trong đồ thị quãng đường, chúng ta có thể xác định thời gian đạt được 100km, cụ thể là vào thời điểm 1524,285 giây Sau đó, ta sẽ chuyển sang đồ thị nhiên liệu để xác định mức tiêu hao nhiên liệu tương ứng.
Hình 43: Đồ thị tiêu hao nhiên liệu
Và đây là mức tiêu hao nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở trạng thái công suất lớn nhất Vào thời điểm 1524,285s thì mức tiêu hao nhiên liệu là 1049g.
Ta có: Khối lượng riêng của xăng: D = 700 (kg/cm 3 )
Khối lượng xăng tiêu thụ khi đi được 100km: 1049g
Suất tiêu hao nhiên liệu (L/100km): 1049 / 700 = 1,5 (L/100km)
