Nghiên cứu tính năng động lực học xe điện bốn chỗ ngồi bằng phần mềm Advisor

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN ĐỨC NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC XE ĐIỆN BỐN CHỖ NGỒI BẰNG PHẦN MỀM ADVISOR Chun ngành : Kỹ thuật Ơtơ – Máy kéo Mã số: 60 52 35 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Lê Duy Khải Cán chấm nhận xét : TS Trần Hữu Nhân Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Thành Tâm Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 28 tháng năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Chủ tịch, PGS.TS Nguyễn Hữu Hường Thư ký, TS Hồng Đức Thông Ủy viên, TS Nguyễn Lê Duy Khải Ủy viên, TS Trần Hữu Nhân Ủy viên, TS Nguyễn Thành Tâm Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KTGT ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN ĐỨC MSHV: 12130486 Ngày, tháng, năm sinh: 28/01/1990 Nơi sinh: Gia Lai Chun ngành: Kỹ thuật Ơtơ – Máy kéo Mã số : 60 52 35 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu tính động lực học xe điện bốn chỗ ngồi phần mềm Advisor II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu xe điện, lịch sử phát triển hội phát triển xe điện - Tìm hiểu ứng dụng phần mềm Advisor nghiên cứu tính ơtơ nói chung xe điện nói riêng - Ứng dụng phần mềm Advisor, tiến hành mô phỏng, đánh giá, phân tích tính động lực học xe điện bốn chỗ ngồi - Định hướng phát triển đề tài tương lai III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/6/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 23/5/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Lê Duy Khải Tp HCM, ngày 24 tháng năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KTGT i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn tới Gia đình, người thân bạn bè tạo động lực cho tôi, giúp nhiều mặt tài tinh thần để hồn thành khóa học Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa tạo điều kiện sở vật chất, chun mơn kỹ thuật để tơi hồn thành tốt đề tài Tôi xin cảm ơn Thầy cô Khoa Kỹ thuật Giao Thông Bộ Môn Ôtô – Máy Động lực chia sẻ nhiều kinh nghiệm giúp đỡ nhiều mặt gặp khó khăn Đặc biệt tơi xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Nguyễn Lê Duy Khải tận tình hướng dẫn, theo sát cho nhiều định hướng tốt suốt trình làm đề tài Xin chân thành cảm ơn Thầy Trần Hữu Nhân, Thầy Trần Đăng Long, Thầy Huỳnh Thanh Công, Thầy Nguyễn Hữu Hường, Thầy Ngô Xuân Ngát, Thầy Nguyễn Đình Hùng, Thầy Phạm Tuấn Anh giúp nhiều chuyên môn, cho lời khun đắn, bổ ích, giúp tơi tháo gỡ khó khăn để hồn thành xuất sắc luận văn Đề tài hoàn thành theo mục tiêu đề ban đầu; nhiên nhiều thiếu sót, hạn chế Vì vậy, tơi mong nhận lời góp ý chân thành từ phía tất thầy cô, chuyên gia bạn học viên chuyên ngành để đề tài hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn Học viên Trần Đức ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ số, ứng dụng mô phần mềm áp dụng rộng rãi tất lĩnh vực khoa học, ngành ơtơ ứng dụng mạnh mẽ công cụ phần mềm mơ đánh giá tính xe phần mềm CARSIM, SIMPLEV, HVEC, CSM HEV, V-ELPH, ADVISOR,…trong nghiên cứu sản xuất Luận văn giới thiệu khả phần mềm mơ ADVISOR, nghiên cứu phát triển phòng nghiên cứu lượng tái tạo quốc gia Mỹ Phần mềm ứng dụng rộng rãi để đánh giá tính động lực học dòng xe truyền thống, xe hybrid, xe điện, xe fuel-cell Ứng dụng phần mềm mô để đánh giá tính xe công đoạn nhằm rút ngắn thời gian chu trình sản xuất, kiểm tra xe, trước đưa thị trường Chiếc xe điện bốn chỗ ngồi thiết kế chế tạo trường Đại học Bách khoa mơ hình đánh giá tính động lực học luận văn Kết đánh sau, với thông số kết cấu xe loại xe, tải trọng, động cơ, hệ thống truyền động, hệ thống điện, kích thước hình học,… cung cấp xe chạy với chu trình thử nghiệm NYCC thời gian 550s (New York City Center – chu trình phù hợp với điều kiện thử nghiệm thành phố Hồ Chí Minh với tốc độ trung bình 11.4 km/h, vận tốc tối đa 45km/h, chu trình có khoảng thời gian chết, vận tốc tăng giảm liên tục, tương ứng với điều kiện phanh, tăng tốc xe) kết đạt gia tốc cực đại xe 0.8 m/s2, khả tăng tốc từ 0-5km/h 1.9s, từ 0-20 km/h 11.2 s, khả leo dốc xe 10, độ nạp đầy bình giảm từ 0.95 xuống 0.75, hiệu suất động điện 89%, hiệu suất truyền tải điện bình điện 83%, hiệu suất bánh xe 85%, hiệu suất hộp số truyền động 95% Ngoài với điều kiện ban đầu bình nạp đầy đề tài xác định quãng đường lớn xe sau lần sạc chở người 33 km, chở người 22 km (với chu trình thử nghiệm V20) kết đạt chạy với chu trình SAEj227a km iii chở người chở người km Kết mô giúp ta xác định số tính động lực học xe, qua làm sở để nghiên cứu phát triển cách nghiêm túc ngành xe điện tương lai Việt Nam ABSTRACT Today, with the strong development of sciences and technologies some applications by software simulation are widely applied in all fields of science, in which the auto industry also has strong applicated some simulation software tools to evaluate the features of the car such as CARSIM, SIMPLEV, HVEC, CSM HEV, V-ELPH, ADVISOR, This thesis introduces the possibilities of ADVISOR, it was researched and developed by the United State National Renewable Energy Laboratory The software is widely used to evaluate the kinetic features of the continentials, Hybrid electric vehicles, Electric vehicles , Fuel-cell vehicles Application software simulation to evaluate the features of the car is one of the stages in order to shorten the cycle time of a production, test a car before hitting the market The four-seater electric car designed and built by the HCMC University of Technology, which is evaluated on dynamic features in this thesis The results are as follows, with the structural parameters of the vehicle on load, engine, drivetrain, electrical system, geometry, provided then you start to cycle NYCC is tested during the 550s (New York City Center - Cycle is in accordance with the test conditions in Ho Chi Minh City with the average speed is 11.4 kmph, the maximum speed is 45kmph, there are cycles dead time, the velocity is increase or decrease that respect brake condition, the car's acceleration) The result is the maximum acceleration of the car is 0.8 m/s2, acceleration from to kmph is 1.9s, from to 20 kmph is 11.2 s, the vehicle's grade is 10, the State of Charge (SOC) decreased from 0.95 to 0.75, the performance of the electric motor is 89%, the performance of the battery is 83%, wheel performance is 85%, the performance gearbox is 95% Beside, the car’s distance when it’s load a person is 33 km, carrying iv persons is 22 km (with a test cycle test is V20) and with cycle SAEj227a, the result is km when it loaded one person and which people is km after once full-charge The simulation results help us determine some of the features of vehicle dynamics, which serve as a basis for research and development seriously in future electric car industry of Vietnam v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực hướng dẫn khoa học Tiến sĩ Nguyễn Lê Duy Khải Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn trung thực, tài liệu tham khảo trích dẫn rõ ràng Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Trần Đức vi CHỮ VIẾT TẮT (Abbreviation) AC ACC ADVISOR CYC DC ESS EVs FC MPMT RC Rint SOC Veh Wh Dòng xoay chiều Accessory, hệ thống phụ trợ NREL’s ADvanced VehIcle SimulatOR Cycle, chu trình Dịng chiều Energy Storage system, hệ thống tích trữ lượng Electric Vehicles , xe điện Fuel converter, chuyển đổi lượng Mơ máy tính Resistive Capacity, Internal resistant, điện trở nội State of Charge, Vehicle, xe wheel, bánh xe KÝ HIỆU (Symbols) Các ký tự sử dụng luận văn đặc trưng cho tham số phương trình tính tốn Lưu ý có số tham số có chung ký tự ý nghĩa khác nhau, chúng phân biết nét chữ in nghiêng chữ bình thường, ví dụ a khoảng cách từ tọa độ trọng tâm tới cầu trước ơtơ, cịn a gia tốc xe a a A b C Cd DoD E Frr Fad Fla Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước Gia tốc xe Tiết diện cản gió xe Khoảng cách từ trọng tâm tơ đến cầu sau Hệ số thất theo tốc độ động điện Hệ số cản gió Độ phóng bình điện Suất điện động Lực cản lăn Lực cản gió Lực cản Gia tốc vii Fhc Fωa Fte G hg I I kc ki k L m Pev R r T Voc Vbus v V Lực cản leo dốc Lực cản quán tính chi tiết quay Lực kéo tổng cộng Trọng lượng xe không tải Chiều cao trọng tâm xe Mơ men qn tính Dòng điện Hệ số copper Hệ số iron Hệ số Windage Chiều dài sở Khối lượng xe Công suất động Điện trở Bán kinh lốp xe Momen kéo bánh xe chủ động Điện áp bình điện Điện áp cần thiết cho động điện Vận tốc xe Điện áp nói chung b g mot     rr   Hiệu suất bình điện Hiệu suất hộp số Hiệu suất động Hệ số bám mặt đường Góc nghiêng giới hạn xe lên dốc Góc nghiêng giới hạn xe xuống dốc Góc nghiêng ngang giới hạn Hệ số cản lăn Độ dốc Vận tốc góc 103 PHỤ LỤC Bài báo đăng tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải Bài báo đăng Hội nghị Khoa học SEATUC 2014 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 DETERMINING THE DISTANCE OF THE FOUR-SEATS ELECTRIC VEHICLE BY SIMULATION Khai Le Nguyen Duy, Duc Tran Faculty of Transportation Engineering, HCM City University of Technology ABSTACT: Maximum electric vehicle range after a full charge is an important criterion for evaluating the performance of the car This range depends on various input parameters such as drive cycle, maximum speed, number of people on the car This paper presents the method of determining the distance with constant velocity (V20) and SAE J227a drive cycle by MATLAB software Simulation results show that in case of all new batteries, 90% depth of charge, one person, the vehicle can run up to 37 km in the constant velocity test V20 In the case of SAE J227 drive cycle with maximum speed is 48 km/h, the maximum range is only 8.5 km To increase the maximum range, we can change lead acid batteries with lithium battery, but price will be higher Key words: Simulation, Electric Vehicles, Operating distance INTRODUCTION Electric Cars were invented from the mid-19th century but forgotten throughout the 20th century gave way to gasolinepowered cars By the early 21st century, due to the energy crisis and climate change, clean-fuel cars , alternative fuels, including electric cars being interested again Based on the needs and ideas of environmental protection Faculty of Transportation and Department of Electrical EngineeringElectronics, Polytechnic University successfully made 4seat electric car and battery power using solar energy for movement internal campus To evaluate the efficiency of vehicles, we have developed the program calculates the maximum distance - based on MATLAB The simulation results help us evaluate the impact of load , speed , battery condition , battery type , and a number of other conditions ( type of road , the slope coefficient attached, etc.) journey to work maximum time after a full charge the car can reach THEORETICAL FOUNDATIONS 2.1 Vehicle model Vehicle model is –seater electric car It was made by Ho Chi Minh City of Technology (Fig 1) Fig Overall -seat electric car The main technical parameters of the vehicle - Type of Engine : Electric DC 48V - Max power (kW/rpm): 2.5/1700 - Dimension: 3070x1150x1940 mm - Volume load: 556 kg - Battery: Lead Acid (4 x 12V) Important parts of electric vehicles including engine, gearbox, control box , charger, and controller system as shown in Fig Solar Panel Front The controllers batteries Engine & Gear box Rear Controller box Fig Layout of vehicle systems 2.2 Tractive effort The condition need to move a car is the total tractive effort must satify: Fte = Frr+ Fad ± Fhc ± Fla ± Fa (1) Where: Frr = µrrmg, The rolling resistance force Fad = ½(ACdv2), The aerodynamic drag force 114 Fhc = mgsin, The hill climbing force Fla = ma, The acceleration force Fa = IG2a/(gr2), The force required to give angular acceleration to rotating motor Note: Fla and Fwa will be negative if the vehicle is slowing down, and that Fhc will be negative if it is gong downhill 2.3 Energy model Main source of energy supply for vehicle from the batteries ( Figure ) PbatPmot-in Pmot-out Pte Figure Diagram power supply Battery Motor and Controller Gear System ɳb ɳb ɳb I E  E  RPbat 2R (6) When the battery are charged or discharged, the voltage will be changed If δt is in seconds, this will be have to be divided by 3600 to bring the units into Amphours If CRn is total charge removed from the battery by the n-th step of the simulation: CRn 1  CRn  t  Ik 3600 Ah (7) Total charge actually supplied by the battery is: Road Wheels CSn 1  CSn  Energy to move vehicle 3600 Ah (8) The Depth of discharge of a battery is the ratio of the charge removed to original capacity At the nth step of a step-bystep simulation is: DODn  Fig Main source of energy supply for vehicle Equivalent circuit model of a battery (Fig 4) t  I CRn Cp (9) The energy required to move the car in second : Pte  Pk  v (10) Where: v is the velocity of the car at the time in question , ηb is the average performance , ηg is the efficiency of the gearbox , ηm is the performance of the motor(electric motor ) m  Fig Equivalent circuit model of a battery In this paper we discuss only the Lead acid battery, was represented by parameters : Ti Ti  kcTi  ki  kw  C (11) These coefficients are chosen according to Table Table Typical values for the parameters of equation 11 The internal resistance of a lead acid battery is thus: () R  n x 0.022/C p (2) The simple formular for the open circuit voltafe is: E  n  (2.15 - DoD x (2.15- 2.00)) (3) The motor’s input and output Power (4) Pmot _ in  The Peukert Capacity (Ah): C p  I k T Where: k (logT2  logT1 ) (logI1  logI2 ) (5) With : I1 is the current discharge at time T1, I2 is the current discharge at time T2, DoD is the Depth of Discharge have value from to The current is determined: Pmot _ out m Pmot _ out  Pte g (12) The battery’s Power: Pbat  Pmot _ in  Pac (13) For the simulation, we chose two cycles are V20 cycle and SAE J227a cycle In the first cycle, the vehicle accelerates in 20s, when speed is 20km/h which is remained during the 40s, and the car will be slowed next to stop next 20s ( Fig ) 115 - Initial Conditions: Battery is new 100% Using Matlab to calculate, we had the results as follows: CYCLE V20 20 V20 18 3.1 Running with V20 cycle: 16 speed(km/h) 14 12 10 0 10 20 30 40 50 time(s) 60 70 80 90 Fig V20 Cycle The SAE J227a cycle is close to reality During the trial period is 80s , the car will go through five stages : acceleration time is 18s, keep a constant speed next 20s, Coast time is 8s, then brake to stop on 9s and finally Idling time is 25s This cycle is the most common test for small city electric car (Fig 7) CYCLE SAEJ227a 50 Saej227a 45 40 Fig Range of vehicle in V20 Cycle Fig show that, when the speed of vehicle is in constant of 20 km/h throughout the V20 cycle, the maximum distance when it carries one person is 33km, and the range of vehicle when it loads persons is 22km With its discharge efficiency is 90% If the battery less discharge, the distance of vehicle will be gone down 3.2 Running with SAE J227a cycle: speed(km/h) 35 30 25 20 15 10 0 10 20 30 40 50 time(s) 60 70 80 90 Fig.6 SAE J227a Cycle RESULTS AND DISCUSSIONS Based on the parameters of electric vehicle is introduced above : - Volume load, m = 556 kg - Volume one person, mg = 60kg - Wind resistance area, S = 1.78m2, - Win drag coefficient, Cd = 0.3 - Ratio G = 7.1 - Mechanical Performance, G_eff = 0.9 - Type of battery: lead acid, 4x6cell - Capacity, C=150 Ah - Peukert coefficient, k = 1.174 - Subsystem power, Pac= 50w Fig.9 Range of vehicle in SAEj227a Cycle Similarly, Figure describe this car’s maximum range when it loads one person is 9km, while it loads persons is 7.5 km with SAE J227a cycle and the discharge efficiency is 90 % In SAE J227a cycles, so a maximum speed of up to 48km/h, the vehicle energy consumption significantly, resulting in reduced operating distance Simulation results show that the range of vehicle depends on the ability of the battery discharge, characteristics of cycles (velocity), loads on the vehicle The results are not high because we use lead acid batteries 116 which have low energy density(energy densit = 54-95 Wh.L-1) To increase the distance, we can use Lithium battery, its energy density is higher than Lead acid battery, but the price will be increased From the above datas, beside simulation of range of vehicle, we can simulate the vehicle's acceleration, power, engine torque, engine performance, charging and discharging currents of the battery Khai Nguyen Le Duy REFERENCES [1] Ph.D Khuong Quang Dong, The Future of Electric Vehicles Industry Conference Science and Technology 12th , HCMC University of Technology , 2011 [2] Seth Leitman, Bob Brant , Build Your Own Electric Vehicle, 2nd Edition, McGraw Hill Companies, 2009 [3] Kroeze, R.C Electrical Battery Model for Use in Dynamic Electric Vehicle Simulations, Power Electronics Specialists Conference, 2008 [4] James Larminie, John Lowry, Electric Vehicle Technology Explained, John Wiley & Sons, Ltd., 2003 [5] Syed, F.U Kuang, M.L Czubay, J Hao Ying, Derivation and Experimental Validation of a Power-Split Hybrid Electric Vehicle Model, Vehicular Technology, Vol.55, page 1731-1747, 2006 NOMENCLATURE µrr m g  A Cd v  a I G g r Ti ω kc ki kw C speed N T k The coefficient of rolling resistance Mass of vehicle [kg] Acceleration due to gravity [m/s2] Density of the air [kg/m3] The frontal area [m2] The drag coefficient The velocity [m/s] Angle of hill Acceleration [m/s2] The moment of inertia of the motor [kg.m2] The gear ratio The gear system efficiency [%] The Radius of the drive wheel [m] The torque of electric Engine (Nm), The angular velocity of electric engine (rad/s) The copper losses coefficient The iron losses coefficient The windage loss coefficient Represents the constant losses that apply at any The number of cells in a battery Discharge time [h] Peukert coefficient Duc Tran 117 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Trần Đức Ngày, tháng, năm sinh: 28/01/1990 Nơi sinh: Gia Lai Địa liên lạc: C3, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp.HCM Điện thoại: 0979793241 Email: ductran.gl@gmail.com QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO - Năm 2007 - 2012 : Sinh viên Đại học Bách khoa Tp.HCM - Năm 2012 - nay: Học viên cao học ngành Ơtơ – Máy kéo, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp.HCM QÚA TRÌNH LÀM VIỆC - Năm 2012 - nay: Làm việc Bộ mơn Ơtơ – Máy Động lực, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp.HCM ... hiểu phần mềm mô ADVISOR nghiên cứu ứng dụng phần mềm phân tính để đánh giá tiêu chí kỹ thuật xe tính động học, động lực học xe 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tính. .. TÀI: Nghiên cứu tính động lực học xe điện bốn chỗ ngồi phần mềm Advisor II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu xe điện, lịch sử phát triển hội phát triển xe điện - Tìm hiểu ứng dụng phần mềm Advisor. .. dụng phần mềm Advisor nghiên cứu tính ơtơ nói chung xe điện nói riêng - Ứng dụng phần mềm Advisor, tiến hành mô phỏng, đánh giá, phân tích tính động lực học xe điện bốn chỗ ngồi - Định hướng phát