Nghiên cứu mô phỏng thu hồi năng lượng điện cảm trên ô tô

Bài viết đã xây dựng mô hình mô phỏng thu hồi năng lượng dư thừa trên các bộ phận sử dụng cuộn dây như bobine đánh lửa, kim phun, relay và solenoid trên ô tô. Bên cạnh đó, nghiên cứu còn mô phỏng việc thu hồi năng lượng theo các chu trình thực nghiệm như ECE R15 và WLTP Class 3 nhằm đánh giá việc thu hồi năng lượng theo các chế độ chạy khác nhau trên đường.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 79 NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG THU HỒI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM TRÊN Ô TÔ A STUDY ON THE RECOVERY SELF-INDUCTANCE ENERGY IN VEHICLES Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày tòa soạn nhận 30/9/2020, ngày phản biện đánh giá 15/10/2020, ngày chấp nhận đăng 02/11/2020 TÓM TẮT Bài báo xây dựng mơ hình mơ thu hồi lượng dư thừa phận sử dụng cuộn dây bobine đánh lửa, kim phun, relay solenoid tơ Bên cạnh đó, nghiên cứu cịn mơ việc thu hồi lượng theo chu trình thực nghiệm ECE R15 WLTP Class nhằm đánh giá việc thu hồi lượng theo chế độ chạy khác đường Kết mô việc thu hồi lượng bobine lớn so với thiết bị khác lượng thu hồi đạt cực đại là 1070 J tốc độ 3000 vòng/phút đạt giá trị nhỏ 470 J tốc độ cầm chừng Tỉ lệ lượng thu thời gian chu trình ECE R15 lớn so với chu trình WLTP Class khoảng tốc độ động chu trình nằm khoảng tốc độ tối ưu để thu hồi lượng Từ khóa: Năng lượng điện cảm; chu trình thử nghiệm; thu hồi lượng ABSTRACT The research has built a simulation model that simulates the recovery self-inductance energy in primary coils for ignition system, injectors relays and solenoids in vehicles In addition, the paper also exammineted the effects of recovery energy according to the driving cycles test as ECE R15 WLTP Class The simulation results show that the recovery selfinductance energy in the primary has the largest value compared to the other devices and the maximum value is about 1070 J at 3000 rpm and the minimum is 470 J at idle speed The recovery energy for ECE R15 driving cycle test is lager than WLTP Class cycle because the engine speed range of this cycle is suitable for the optimal speed to recovery energy Keywords: Self-induced energy system; Driving cycle; Energy recovery GIỚI THIỆU Trong trình hoạt động, ô tô sử dụng nhiều thiết bị cuộn dây để điều khiển phận chấp hành như: hệ thống đánh lửa, kim phun, relay solenoid điều khiển …Các cuộn dây trình hoạt động tỏa lượng nhiệt gây nhiệt cuộn cảm qua làm giảm tuổi thọ hoạt động thiết bị Vì việc thu hồi lượng dư thừa vừa làm tăng tuổi thọ thiết bị vừa tích lũy lại lượng lượng cần thiết xe, góp phần tận dụng lại nguồn lượng tái sinh vừa tiết kiệm lượng trình hoạt động xe Hiện có nhiều cơng trình nghiên cứu việc thu hồi lượng ô tô Nhóm tác Zhijun Guo ,Yichao Chen, Study and Simulation of Electromagnetic Energy Recovery for Semi - active Suspension [1] nghiên cứu, xây dựng mơ hình thu hồi lượng chuyển đổi sang dạng điện cảm hệ thống treo, Năng lượng thu hồi mô Matlab xem xét trạng thái ô tô hoạt động tốc độ 36 km/h-60 km/h Kết mô cho thấy lượng điện cảm thu hồi tạo dòng điện khoảng 1,4 đến 1,53A tốc độ trung bình xe Tác giả Edward B Rosa Louis Cohen [2] nghiên cứu việc tính tốn độ tự cảm cuộn dây, 80 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh lượng lưu trữ thiết bị cuộn cảm suất điện động tự cảm sinh cuộn dây Qua tính tốn lượng thu hồi thiết bị cuộn cảm Tác giả Ahmet Onur Kiyakli Hamit Solmaz với cơng trình Modeling of an Electric Vehicle with MATLAB/Simulink [3], nghiên cứu, mô mô hình động lực học xe điện theo chu trình NEDC chu trình WLTP với MATLAB/Simulink Tác giả Đỗ Quốc Ấm cộng nghiên cứu hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm đề cập vấn đề thu hồi lượng 03 bobine hệ thống đánh lửa điện cảm để tích lũy cho việc đánh lửa điện dung 01 xy lanh chu kỳ làm việc [4] Kết nghiên cứu việc tích lũy lượng điện cảm 03 xy lanh đủ đánh lửa điện dung cho xy lanh lại, hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm hoạt động ổn định chế độ hoạt động khác xe Một cơng trình nghiên cứu khác Huỳnh Xuân Thành: xem xét ảnh hưởng hệ thống đánh lửa Hybrid đến đặc tính động cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu khí xả động [5] Bài báo thực nghiệm đặc tính động sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid chế độ hoạt động khác Kết đặc tính cơng suất động không thay đổi, giảm suất tiêu hao nhiên liệu khí xả động sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid Bài báo sử dụng Matlab/Guide để mơ hình hóa mơ việc thu hồi lượng thiết bị cuộn cảm bobine đánh lửa, kim phun, relay solenoid điều khiển chấp hành ô tô Đồng thời nghiên cứu mô phỏng, đánh giá việc thu hồi lượng chu trình lái xe khác tương ứng với điều kiện vận hành đô thị cao tốc MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG 2.1 Tính tốn lượng điện cảm bobine Năng lượng dự trữ luợng tích lũy dạng từ trường cuộn dây sơ cấp bobine Năng lượng từ tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác thiết kế cuộn dây (cấu tạo, vật liệu mạch từ, ) hệ thống điều khiển đánh lửa Wdt  Lb I ng t  dt  U Wdt  Lb  (1  e  )  R  (1) Trong đó: : lượng dự trữ cuộn sơ cấp (J) - : cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp lúc transistor công suất ngắt (A) - : độ tự cảm cuộn sơ cấp bobine (H) - : thời gian ngậm điện (s) : số điện từ : tốc độ động (vòng/phút) Các tổn thất cuộn dây đánh lửa xác định điện trở cuộn dây, điện dung tổn thất tổn thất độ trễ, sai lệch thiết kế mạch từ Hiệu suất cuộn dây đánh lửa bobine định nghĩa lượng sinh cuộn thứ cấp so với lượng tích lũy cuộn sơ cấp bobine Các cuộn dây đánh lửa hệ thiết kế để đạt hiệu suất lên đến 80% Sự chênh lệch lượng chủ yếu chuyển thành nhiệt thông qua tổn thất điện trở cuộn dây tổn thất dòng điện, dòng điện nguyên nhân gây sụt áp cuộn thứ cấp Điện áp cao cuộn thứ cấp thường bị giới hạn hạn chế điện áp sơ cấp giai đoạn điều khiển đánh lửa, nơi phần lượng lưu trữ cuộn dây bị tiêu tan dạng nhiệt Năng lượng để sinh tia lửa điện bobine nằm khoảng 60÷120 (mJ), tùy thuộc vào thơng số bobine Với hệ thống đánh lửa thông thường lượng cần thiết để đánh lửa 30-50 mJ Giá trị lượng có khả thu hồi hiệu số lượng dự trữ lượng cần để sinh tia lửa điện tổn thất nhiệt Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh W  Wdt  W f  Wn (2) Trong đó: - Wn lượng nhiệt tỏa cuộn sơ cấp bobine - Wdt lượng lượng dự trữ 2.2 Tính tốn lượng điện cảm kim phun Tương tự bobine, lượng có khả thu hồi kim phun tính tốn theo cơng thức (2) với lượng tích lũy cuộn dây kim phun: i 0 Wtt   dW   Lkp idi Lkp i (3) Trong đó: - Wtt : lượng tích lũy kim phun (J) - Lkp : độ tự cảm kim phun (H) - i : dòng điện qua kim phun (A) Năng lượng tỏa trình nhấc kim phun: Wn  I Rkp t Tương tự việc tính tốn lượng có khả thu hồi relay solenoid tính tốn dựa vào lượng tích lũy, lượng tỏa nhiệt lượng cần thiết cho trình điều khiển cuộn dây relay solenoid 2.3 Mơ chu trình thử nghiệm - W f lượng lượng cần để sinh tia lửa điện bugi i Để mơ chu trình chạy thử môi trường Matlab/Simulink, Matworks hỗ trợ người dùng thư viện mở rộng Drive Cycle tải từ trang chủ MathWorks Khối Drive Cycle cung cấp liệu chu trình chạy thử sử dụng nhiều ứng dụng ô tô, đầu giá trị chuyển vị, gia tốc vận tốc Người dùng chọn nhiều chu trình chạy thử từ danh sách cho trước Để phù hợp với việc đánh giá khả thu hồi lượng điện cảm, báo sử dụng hai chu trình phổ biến WLTP CLASS mơ xe dãy tốc độ cao, đại diện cho khả thay đổi vận tốc liên tục xe tương ứng với chế độ chạy đồ thị Hình ECE R15 mơ tả q trình trì vận tốc định khoảng thời gian dài, đặc trưng cho điều kiện chạy cao tốc Hình (4) Trong đó: - Wn : lượng tỏa nhiệt kim phun (J) - Rkp : điện trở cảm kim phun (Ω) - t : thời gian nhấc kim (s) Năng lượng cần thiết cho trình nhấc kim: W f  Fs 81 Hình Chu trình WLTP CLASS (5) Trong đó: - W f : lượng cần thiết để nhấc kim (J) - F : Lực từ nhấc kim (N) - s : khoảng cách từ đầu ty kim đến bệ kim nhấc hoàn toàn khoảng 0,0001 (m) Hình Chu trình ECE R15 82 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.1 Năng lượng thu hồi bobine Kết mô lượng có khả thu hồi bobine thể Hình Trong việc xem xét ảnh hưởng việc thu hồi lượng từ bobine tốc độ động yếu tố quan trọng Khi tốc độ động thay đổi số xung đánh lửa sinh thời gian tăng trưởng dòng sơ cấp thay đổi làm cho giá trị lượng bị ảnh huởng Đối với đồ thị lượng có khả thu hồi 04 bobine nhận xét sơ ảnh hưởng yếu tố kể lượng thu hồi được, qua đánh giá khả thu hồi lượng tối ưu bobine thời điểm khác Từ đồ thị số liệu tính tốn cho thấy để tối ưu lượng có khả thu hồi bobine, cần phải trì tốc độ xe giá trị định, trường hợp 3000 vòng/phút, nghiên cứu suất tiêu hao nhiên liệu xe ô tô khoảng tốc độ 2000-3000 vòng/phút xe tiêu tốn nhiên liệu nhất, điều hồn tồn phù hợp với điều kiện thử nghiệm thực tế xe 3.2 Năng lượng thu hồi kim phun Tương tự lượng thu hồi bobine, nghiên cứu xem xét khả thu hồi lượng kim phun tốc độ khác Kết mô thể Hình Kết mơ cho thấy giá trị lượng thu đạt giá trị cực đại 15,2 J tốc độ khoảng 2700 vịng/phút sau giảm dần xuống 2,3 J tốc độ động 6000 vòng/phút Từ đồ thị, nhận thấy rằng: lượng có khả thu hồi kim phun nhỏ nhiều so với bobine tốc độ tăng trưởng giá trị cường độ dòng điện cực đại kim phun thấp khoảng 0,46 A so với bobine A chế độ hoạt động Hình Đồ thị lượng có khả thu hồi 04 bobine tốc độ động khác Kết mơ lượng có khả thu hồi 04 bobine đường cong theo tốc độ động với giá trị cực đại đạt 1070 J tốc độ 3000 vòng/phút, dải tốc độ hoạt động phổ biến động xe tơ Ở tốc độ 750 vịng/phút, lượng thu thấp khoảng 470 J khoảng tốc độ cường độ dịng điện cuộn sơ cấp lớn khơng nhiều số xung sinh để điều khiển đánh lửa Khi tốc độ động tăng lên khoảng 6000 vòng/phút, số xung đánh lửa sinh theo chu kỳ nhiều song thời gian ngậm điện nhỏ nên cường độ dòng điện tăng trưởng đến giá trị định lượng thu khoảng 760 J Hình Đồ thị lượng có khả thu hồi 04 kim phun tốc độ động khác 3.3 Năng lượng thu hồi trên relay solenoid Năng lượng có khả thu hồi relay solenoid phụ thuộc chủ yếu vào số relay solenoid ô tô tiến hành khảo sát số lần đóng ngắt thiết bị khoảng thời gian định Trong báo qua khảo sát đóng Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ngắt relay solenoid ô tô khoảng thời gian phút thay đổi từ 100-500 lần q trình vận hành tơ Khi tăng số lần đóng ngắt relay solenoid xe tỉ lệ thuận với lượng thu hồi Kết thu hồi lượng relay solenoid ô tô thể Bảng 83 lượng thay đổi khoảng 0,5-1,6J, tổng lượng thu chu trình 472J Bảng Năng lượng thu hồi relay solenoid Số lần đóng Relay Wrl Solenoid Wsl ngắt (lần) (J) (J) 100 0,46 1,23 200 0,91 2,45 300 1,37 3,68 400 1,82 4,91 500 2,28 6,14 3.4 Năng lượng thu hồi theo chu trình thử nghiệm Để xem xét việc thu hồi lượng xe chạy đường Nghiên cứu thực mô chạy chu trình thử nghiệm theo tiêu chuẩn Châu Âu bao gồm ECE R15 WLTP Class tương ứng với chế độ chạy cao tốc thành phố, kết mô thể Hình Hình Hình Năng lượng có khả thu hồi tốc độ động theo chu trình thử nghiệm ECE R15 Dựa vào đồ thị ta thấy thay đổi lượng theo tốc độ động cơ, tốc độ động thấp lượng thu cao nhờ vào thời gian tích lũy lượng cuộn sơ cấp dài Giá trị Hình Năng lượng có khả thu hồi tốc độ động theo chu trình thử nghiệm WLTP CLASS Chu trình thử nghiệm WLTP Class3 mô theo tiêu chuẩn Châu Âu với dải tốc độ động lớn từ 0-6000 vòng/phút, thay đổi cách liên tục theo nhiều chế độ khác nhau: cầm chừng, tăng tốc, giảm tốc… thời gian 3600 giây Ở khoảng tốc độ động giá trị lượng thay đổi khoảng 0,1-1,9 J, tổng lượng thu chu trình 3145 J KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình thu hồi lượng tự cảm thiết bị bobine, kim phun, relay solenoid ô tô tốc độ khác Kết mô cho thấy việc thu hồi lượng thiết bị cuộn dây phụ thuộc vào tốc độ động Năng lượng thu hồi bobine đánh lửa lớn so với thiết bị điện cảm khác: lượng đạt giá trị cực đại 1070 J số vòng quay 3000 vòng/phút đạt giá trị nhỏ 470 J tốc độ cầm chừng Bên cạnh đó, nghiên cứu xem xét thu hồi lượng chu trình thử nghiệm khác Tỉ lệ lượng thu thời gian chu trình ECE R15 lớn so với chu trình WLTP Class khoảng tốc độ động chu trình nằm khoảng tốc độ tối ưu để thu hồi lượng chu trình phù hợp với điều kiện thực tế thử nghiệm xe 84 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 61 (12/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Zhijun Guo ,Yichao Chen, Study and Simulation of Electromagnetic Energy Recovery for Semi - active Suspension, International Forum on Energy, Environment Science and Materials (IFEESM), 2017 Edward B Rosa and Louis Cohen, Formule and Tables for the calculation of mutual and self-inductance, 57-60, 2017 Ahmet Onur Kiyakli, Hamit Solmaz, Modeling of an Electric Vehicle with MATLAB/Simulink, International Journal of Automotive Science And Technology, vol 2, no:4, 9-15, 2018 Đỗ Quốc Ấm, Nghiên cứu, tính tốn, chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm sử dụng bo-bin đơn, 81-87, 2019 Huỳnh Xuân Thành, Thực nghiệm đánh giá khả tích lũy lượng hệ thống đánh lửa Hybrid, 49-83, 2018 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Phan Nguyễn Quí Tâm Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Email: tampnq@hcmute.edu.vn ... Matlab/Guide để mô hình hóa mơ việc thu hồi lượng thiết bị cuộn cảm bobine đánh lửa, kim phun, relay solenoid điều khiển chấp hành ô tô Đồng thời nghiên cứu mô phỏng, đánh giá việc thu hồi lượng chu... solenoid xe tỉ lệ thu? ??n với lượng thu hồi Kết thu hồi lượng relay solenoid ô tô thể Bảng 83 lượng thay đổi khoảng 0,5-1,6J, tổng lượng thu chu trình 472J Bảng Năng lượng thu hồi relay solenoid... thực tế xe 3.2 Năng lượng thu hồi kim phun Tương tự lượng thu hồi bobine, nghiên cứu xem xét khả thu hồi lượng kim phun tốc độ khác Kết mô thể Hình Kết mơ cho thấy giá trị lượng thu đạt giá trị