Nhiệm vụ đầu tiên trong việc mô phỏng sự làm việc của ắc quy là xây dựng một mạch tương đương. Mạch tương này không mô hình hóa trực tiếp các đặc tính hóa học bên trong bình ắc quy chì – axit; mạch tương đương được thiết lập theo kinh nghiệm gần đúng với hoạt động của ắc quy. Cấu trúc này bao gồm 2 nhánh: nhánh chính mô tả cho hoạt động chính của ắc quy, nhánh kí sinh mô tả phản ứng của ắc quy tại thời điểm điện thếắc quy cao.
Hình 3.9. Mạch tương đương ắc quy
Mạch tương đương mô tả một ngăn pin trong ắc quy. Điện thế đầu ra phải nhân với 24 (số lượng ngăn pin) để có mô hình 48V phục vụ xe điện trong đề tài. Trong Hình 3.15, số lượng ngăn pin đã được đưa vào trong khối Gain với giá trị
“ns”.
Mỗi phần tử mạch tương đương là nền tảng xây dựng các phương trình phi tuyến bao gồm tham số và biến. Các tham số trong phương trình là các hằng số xác
định theo kinh nghiệm. Các biến bao gồm: nhiệt độ dung dịch bình ắc quy, dung lượng, điện áp và cường độ dòng điện tại nút mạch. Các phương trình tính toán
được mô tả trong các phần sau.
3.1.3.1Điện áp nhánh chính
Phương trình (3.7) tính toán sức điện động trong (Emf) hay điện áp mạch hở
của một pin. Giá trị suất điện động trong được đo tại hai đầu cực khi chưa có phụ
tải. Do đó, suất điện động này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái nạp SOC của
ắc quy. Việc tính toán được thực hiện bên trong khối “Compute Em” ở Hình 3.8.
273 1 (3.7)
Trong đó:
Em: Điện thế mạch hở (EMF) [V];
Em0: Điện thế mạch hở khi ắc quy được sạc đầy [V];
KE: Hằng số[V/°C];
I
Im
Ip
θ: Nhiệt độ dung dịch điện phân [°C];
SOC: Trạng thái nạp ắc quy;
Từ phương trình (3.7)sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mô hình mô phỏng điện áp nhánh chính như trên Hình 3.10.
Hình 3.10. Mô hình mô phỏng điện áp nhánh chính 3.1.3.2Điện trở đầu cực R0
Phương trình tính (3.8) toán điện trở đầu cực,. Đây chính là điện trở của các xương bản cực hợp kim chì. Điện trở này chỉ phụ thuộc theo hàm bậc nhất đối với trạng thái nạp SOC. Giá trịR0o chính là điện trở R0 ở trạng thái SOC = 1. Việc tính toán được thực hiện bên trong khối “Compute R0” ở Hình 3.9
1 1 (3.8)
Trong đó:
R0: Điện trởđầu cực [Ω];
R00: Giá trịR0 tại SOC = 1, [Ω];
A0: Hằng số. A0 = -0,6;
SOC: Trạng thái nạp ắc quy;
Từ phương trình (3.8)sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mô hình mô phỏng điện trởđầu cực như trên Hình 3.11.
3.1.3.3Điện trở nhánh chính R1
Phương trình (3.9) tính toán điện trở trong nhánh chính của ắc quy. Điện trở
này là của các vật liệu hoạt tính nằm trên các xương cực. Giá trị điện trở phụ thuộc vào điện lượng còn lại theo dòng điện phóng DOC - là một thông sốđiều chỉnh điện lượng ắc quy cho dòng phóng. Điện trở này tăng theo hàm mũ khi ắc quy trong quá trình phóng điện. Việc tính toán được thực hiện bên trong khối “Compute R1” Hình 3.10. (3.9) Trong đó: R1: Điện trở nhánh chính [Ω]; R10: Hằng số [Ω]; DOC: Điện lượng đã phóng;
Từ phương trình (3.9)sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mô hình mô phỏng điện trở nhánh chính khi phóng như trên Hình 3.12.
Hình 3.12. Mô hình mô phỏng điện trở nhánh chính khi phóng 3.1.3.4Dòng điện ký sinh
Phương trình (3.10) tính toán dòng điện ký sinh tổn hao khi ắc quy được sạc. Dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch ắc quy và điện thế tại nhánh ký sinh. Dòng điện này rất nhỏ trong hầu hết các điều kiện, ngoại trừ trong trường hợp
ắc quy ở trạng thái nạp SOC cao. Việc tính toán được thực hiện bên trong khối “Compute Ip” Hình 3.11.
1 (3.10)
Trong đó:
Ip: Dòng điện tổn hao trong nhánh ký sinh. [A]
Gp0: Hằng số [s].
τp: Hằng số thời gian [s].
VP0: Hằng số [V].
Ap: Hằng số.
θ: Nhiệt dung dịch bình ắc quy [°C ].
θf: Nhiệt đóng băng dung dịch bình ắc [°C].
Từ phương trình (3.10)sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mô hình mô phỏng điện trở nhánh chính khi nạp như trên Hình 3.13.
Hình 3.13. Mô hình mô phỏng dòng điện ký sinh 3.1.3.5Điện lượng và dung lượng
Khối “Charge and Capacity” Hình 3.13 theo dõi dung lượng ắc quy, trạng thái điện lượng và điện lượng theo dòng phóng. Dung lượng được xác định lượng lớn nhất quá trình sạc mà ắc quy có thể lưu trữ. Trạng thái điện lượng SOC được xác định bằng tỉ lệ giữa giá trịđiện lượng trên dung lượng ban đầu. Điện lượng theo dòng phóng DOC được xác định qua tỷ số điện lượng ắc quy trên dung lượng có ích, bởi vì dung lượng có ích giảm khi dòng điện phóng tăng. Các phương trình theo dõi dung lượng SOC và DOC như sau:
a. Dung lượng nạp
Dung lượng của ắc quy tính bằng tích phân đơn giản theo dòng điện.
(3.11) Trong đó:
Qe: Điện lượng trong quá trình nạp, [A-s];
Im: Dòng điện nhánh chính, [A];
τ: Biến thời gian lấy tích;
t: Thời gian mô phỏng, [s];
b. Tổng dung lượng C
Phương trình (3.12) tính toán dung lượng ắc quy dựa trên dòng điện phóng và nhiệt dung dịch bình ắc quy. Tuy nhiên sự phụ thuộc dung lượng phụ thuộc vào dòng điện chỉ trong quá trình phóng. Trong quá trình nạp, dòng điện phóng được thiết lập về không trong phương trình (3.12) cho kết quả tính toán tổng dung lượng.
Ắc quy ô tô được kiểm tra trong suốt một phạm vi rộng nhiệt môi trường. Các kết quả thí nghiệm trên toàn bộ phạm vi kiểm tra dòng cho thấy dung lượng ắc quy đã bắt đầu giảm tại nhiệt độ trên khoảng 60°C. Bảng tra cứu (LUT) biến số Kt
trong phương trình (3.12) được sử dụng để thực nghiệm mô hình phụ thuộc nhiệt độ
của dung lượng ắc quy.
,
/ , (3.12)
Trong đó:
Kc: Hằng số;
C0*: Dung lượng không tải tại nhiệt độ 0°C[As];
Kt: Hằng số phụ thuộc của nhiệt độ. Thông số kinh nghiệm này được tra qua bảng LUT (phụ lục);
θ: Nhiệt độ dung dịch bình ắc [°C];
I: Cường độ dòng điện [A];
I*: Cường độ dòng điện danh nghĩa [A];
δ: Hằng số;
c. Trạng thái điện lượng SOC, điện lượng theo dòng phóng DOC
Phương trình (3.13) tính toán SOC và DOC bằng tỷ số của biến điện lượng trên tổng dung lượng ắc quy. Trạng thái điện lượng SOC được xác định bằng tỷ số điện
lượng còn lại. Điện lượng theo dòng phóng DOC tính theo tỷ số của điện lượng có ích còn lại, điện lượng này được cho bởi cường độ dòng điện phóng trung bình. Cường độ
dòng phóng lớn hơn làm điện lượng của ắc quy hao hụt nhanh hơn, vì vậy DOC luôn nhỏ hơn hoặc bằng SOC.
1 , , 1 , (3.13)
Trong đó:
SOC: Trạng thái điện lượng ăc quy;
DOC: Trạng thái điện lượng theo dòng phóng;
Qe: Quá trình nạp ắc [As];
C: Dung lượng ăc [As];
θ: Nhiệt độ dung dịch bình ắc [°C];
Iavg: Cường độ dòng phóng trung bình [A];
d. Cường độ dòng điện trung bình ước lượng
Trong quá trình quá độ Cường độ dòng điện trung bình được dự tính trong công thức (3.14).
(3.14) Trong đó:
Iavg: Cường độ dòng điện phóng có nghĩa [A];
Im: Cường độ dòng điện mạch trong [A];
τ1: Hằng số thời gian [s];
Từ các phương trình từ (3.11) đến (3.14) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mô hình mô phỏng khối dung lượng như trên Hình 3.14.
Hình 3.14. Mô hình dung lượng ắc quy 3.1.3.6Mô hình nhiệt
Khối “Themal Model” trong Hình 3.13 theo dõi nhiệt độ dung dịch bình ắc quy. Phương trình (3.15) được mô hình hóa để đánh giá nhiệt độ dung dịch bình ắc quy, do tổn thất trên điện trở trong và nhiệt tỏa ra môi trường. Mô hình nhiệt bao gồm một phép toán vi phân, các tham sốđiện trở và điện dung nhiệt.
(3.15) Trong đó:
θ: Nhiệt độ bình ắc quy [°C];
θa: Nhiệt độ môi trường [°C];
θinit : Nhiệt độ ban đầu bình ắc [°C], giả thiết bằng nhiệt độ môi trường xung quanh;
Ps Năng lương mất tổn hao trên R0và R2 [W];
Rθ: Hệ số truyền nhiệt đối lưu, [°C/W];
Cθ:Nhiệt dung nhiệt [J/°C];
τ: Biến thời gian tích phân;
Từphương trình (3.15) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mô hình nhiệt độắc quy như trên Hình 3.15.
Hình 3.15. Mô hình nhiệt ắc quy 3.1.3.7Khối tính toán mạch
Khối mô hình này sử dụng kết quả tính toán phần tử mạch, kết hợp các công thức cơ bản mạch điện đểđưa ra tín hiệu điện áp, cường độ dòng điện, công suất, … cần thiết. Tín hiệu đầu vào là suất điện động mạch hở (Em), điện trở nhánh chính (R1), điện trở đầu cực (R0), cường độ dòng điện dòng kí sinh (Ip), cường độ dòng
điện mạch ngoài (I). Tín hiệu đầu ra gồm điện áp mạch ngoài (V), điện áp nhánh kí sinh (Vpn), công suất nhiệt hao phí (Ps), cường độ dòng điện mạch chính (Im).
Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mô hình nhiệt độ ắc quy như trên Hình 3.16.
Sơ đồ cấu trúc tổng thể mô hình ắc quy được thể hiện trên Hình 3.17, bao gồm 7 khối chính đã được trình bày ở các phần trên. Tín hiệu đầu vào gồm: nhiệt độ
môi trường (ambient temp), cường độ dòng điện yêu cầu (require current). Tín hiệu
đầu ra gồm: điện áp ắc quy (Votage), nhiệt độ bình ắc quy (temp battery) và các trạng thái điện lượng của ắc quy (DOC_SOC).
Hình 3.17. Mô hình mô phỏng ắc quy chì - axit 3.1.4 Mô hình điều khiển động cơ điện
Mục đích nhằm biến đổi tín hiệu vị trí chân phanh thành tín hiệu mô men yêu cầu động cơ phát ra. Đo đó đồ án không đi sâu vào sự chuyển đổi trong mạch điện, mà chỉ xây dựng thuật toán đơn giản dựa vào các tham số động cơ điện như trên Hình 3.18.
Tham sốđộng cơđiện một chiều gồm: mô men lớn nhất (Tmax), thời gian trễ
(Tau2). Tín hiệu đầu vào là vị trí chânphanh (pedal position). Tín hiệu đầu ra là mô men yêu cầu (require Torque).
3.1.5 Mô hình truyền động xe điện
Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống được đề xuất như trên Hình 3.1, đồ án xây dựng mô hình mô phỏng các khối nhờ phần mềm Matlab-Simulink. Mô hình mô phỏng hệ thống truyền động xe điện với các khối tương ứng trong Hình 3.19.
Hình 3.19. Mô hình mô phỏng hệ thống truyền động xe điện 3.2 Chạy mô hình, phân tích kết quả
Sau khi xây dựng mô hình hệ thống truyền động xe điện trên Matlab Simulink,
đồ án xây dựng các phương án khảo sát nhằm đánh giá khả năng làm việc của xe với nhu cầu của người sử dụng. Do đó, tác giảđã đề xuất khảo sát theo 2 phương án sau:
- Khảo sát ảnh hưởng của đạp phanh kiểu “ Step “ tới khả năng nạp tái sinh của xe ô tô điện.
- Khảo sát ảnh hưởng của đạp phanh kiểu “ Ramp“ tới khả năng nạp tái sinh của xe ô tô điện.
Dựa vào kết quả của các đề tài xe điện đã thực hiện trước đó và các kết quả
thực nghiệm của tác giả Massimo Ceraolo về mô phỏng ắc quy. Tác giả lựa chọn các tham số cơ bản của xe điện 4 bánh,cụ thể có trong bảng sau:
Bảng 3.2. Tham số mô phỏng truyền động xe
Khối Thông số Giá trị Đơn vị Khối
Thông số Giá trị Đơn vị Ắc quy Dung lượng 200 Ah Mô hình xe m 1000 kg Cθ 400 J/oC igb 7.6 Rθ 10 W/Km^2 muygb 0.9 Kc 1.18 rw 0.287 m δ 0.8 g 9.81 m/s^2 I* 10 A ro 1.25 kg/m^3 θf -40 oC A 2.457 m^2 Ep 1.95 V Cd 0.45 Gp0 2.10^-11 muyrr 0.01 Vp0 0.1 V alpha 0 độ Ap 2 vmax 40/3.6 m/s τp 0.5 s Mô hình động cơ Tmax 45 Nm
Em0 2.18 V omegac 125.6 rad/s
Ke 0.000839 V/oC Pmax 5700 W A0 -0.2 Mô hình điều khiển động cơ τ2 0.02 s R00 0.002 Ω R10 0.0004 Ω A21 -8 A22 -8.4 R20 0.01 Ω τ1 7200 s ns 24
Các tham số được nhập vào chương trình qua file “data_EVM.m” được mô tả
trong trang đính kèm.
Trong phần này luận án sẽ khảo sát sự hoạt động của mô hình nhằm tìm ra
như Hình 3.20.Trong đề tài nàyđể khảo sát đến quá trình nạp tái sinh điện , luận văn mô phỏng quá trình phanh bằng mô tơđiện không sử dụng hệ thống phanh cơ khí .
Hình 3.20. Mô hình khảo sát cách thức tăng tốc xe điện
Luận án khảo sát theo 2 cách thức phanh phổ biến. Một là, người lái đạp chân phanh đột ngột từng bậc tới khi hết chân phanh (Step) ( Hình 3.21a) . Hai là, người lái phanh với các tốc độ đạp phanh khác nhau đến hết chân phanh (Ramp) ( Hình 3.21b). Hai cách tăng tốc này được khảo sát theo dữ liệu Bảng 3.3.
Hình 3.21a . Cách thức đạp phanh dạng “Step”
Motor control Motor model Battery model Vehicle model Pin Trq T ω toa DOC/SOC/ V/taq/ V v/ω/a
Hình 3.21b . Cách thức đạp phanh dạng “Ramp” Bảng 3.3. Bảng thông số khảo sát cách thức phanh
Đầu vào Step (%) 20 40 60 80 100
Ramp (s) 10 20 30 40 50
Điều kiện dừng v = 3.6 (km/h)
Bảng 3.3 thể hiện cách thức đạp phanh ở chế độ “Step” và “Ramp” . Ở chế độ
“Step” là đạp phanh đột ngột và giữ lại tại các mức tương đương 20 % - 100% . Ở
chế độ“Ramp” là đạp phanh từ từ đến hết hành trình trong khoảng thời gian từ 10 (s) đến 50 (s).
3.2.1. Khảo sát phanh dạng “Step”
3.2.1.1. Khảo sát theo hành trình chân phanh và vận tốc của xe dạng “Step”
Hình 3.22b. Đồ thị khảo sát vận tốc của xe dạng “Step”
Hình 3.22a cho ta thấy cách thức đạp chân phanh theo từng mức khác nhau từ 20 % đến 100% .
Theo hình 3.22b , tại vị trí chân phanh tương đương 20% , xe sẽ mất 30,01(s)
để có thể dừng lại . Tại vị trí chân phanh tương đương 100% , xe sẽ mất 10,87(s) để
có thể dừng lại .
Để so sánh thời gian phanh của các trường hợp đạp phanh khác nhau, luận văn sử dụng tỉ suất thời gian phanh và được tính theo công thức :
với tolà giá trị tại Step10 , tn tương ứng với thời gian tại các mức chân phanh
Tỉ suất thời gian phanh tại Step 0.2 đạt 36,22 % , kém gần 3 lần so với mức Step 10
Bảng 3.4. Mối liên quan giữa hành trình chân phanh và thời gian phanh xe dạng “Step”
Step 0.2 0.4 0.6 0.8 10
Vị trí chân phanh (%) 20 40 60 80 100 Thời gian phanh ( s ) 30,01 18,33 13,66 11,77 10,87
Tỉ suất thời gian
phanh (%) 36,22 59,30 79,57 92,35 100
Bảng 3.4 cho thấy, khi đạp chân phanh tức thời tới các vị trí khác nhau rồi giữ lại cho tới khi xe dừng lại , thời gian phanh cũng sẽ giảm dần theo tỉ lệ nghịch
với vị trí chân phanh . Do vậy, phanh bằng mô tơ điện cũng có khả năng chép hình lực phanh như hệ thống phanh cơ khí.
3.2.1.2 Khảo sát theo gia tốc xe khi phanhdạng “Step”
Hình 3.23. Đồ thị khảo sát gia tốc xe khi phanh dạng “Step”
Theo hình 3.23 , tại vị trí chân phanh tương đương 20% , gia tốc cực đại của xe khi phanh đạt -0,3862 (m/s2) . Tại vị trí chân phanh tương đương 100% , gia tốc cực đại của xe khi phanh đạt -1,185 (m/s2) .
Để so sánh gia tốc xe khi phanh của các trường hợp đạp phanh khác nhau, luận văn sử dụng tỉ suất gia tốc phanh cực đại và được tính theo công thức :
với aolà giá trị tại Step10 , an tương ứng với gia tốc tại các mức chân phanh
Theo hình 3.23ta thấy khi đạp chân phanh đột ngột hết hành trình , gia tốc đạt cực
đại sau đó sẽ tăng dần và duy trì .Sở dĩ đồ thị có được như vậy là do đặc tính momen động cơ xe theo như hình 3.24. Khi bắt đầu đạp chân phanh , momen tăng
đột ngột do nằm trong vùng không chịu ảnh hưởng của vòng quay động cơ . Tiếp đó , từ 1(s) đến 8(s) momen tăng dần đều theo đường đặc tính của động cơ sau đó duy trì. Tương tự với vị trí chân phanh tại 80% và 60% . Với các mức 20% và 40% , lúc