Phư ng pháp điều khiển mờ được giới thiệu trong [19] dựa trên kinh nghiệm của kỹ sư thiết kế để đưa ra định lượng công suất cho cả siêu tụ và acquy. Thông tin về điện áp siêu tụ điện áp acquy dòng điện nghịch lưu được thu thập và luật mờ sẽ quyết định bao nhiêu năng lượng sẽ do acquy cung cấp, bao nhiêu do siêu tụ cung cấp. Phư ng án này tỏ ra hiệu quả khi không có mô hình hệ thống hoặc mô hình không chính xác. Ngoài ra phư ng pháp chỉ cần dựa trên các thông tin về điện của hệ HESS mà không cần thông tin về tốc độ dài của xe cũng như các thông tin về điều kiện vận hành xe.
Chư ng 4 – Thuật toán phân phối năng lượng
-65-
Dù vậy, việc áp dụng điều khiển mờ cho điều khiển phân phối năng lượng trong hệ HESS có thể không hiệu quả trong mọi trường hợp do chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của kỹ sư thiết kế. Trong khi đó xe điện vận hành trong những tình huống hoàn toàn ngẫu nhiên, ở các điều kiện ngẫu nhiên mà kinh nghiệm có thể không lường hết được.
4.2. Đề xuất thuật toán phân phối năng lƣợng
Trong các phư ng pháp kể trên phư ng pháp điều khiển dòng năng lượng theo luật phân phối tỏ ra tư ng đối đ n giản và hiệu quả. Thuật toán do luận văn này đề xuất cũng được xây dựng theo phư ng pháp đó để điều khiển phân phối năng lượng cho s đồ cấu trúc của hệ thống HESS mô tả trong hình 4.3.
Hình 4.3. Cấu trúc hệ HESS đề xuất
Hệ HESS mô tả trong hình 4.3 gồm hệ thống acquy có điện áp vaq tạo ra bus DC nối thẳng tới đầu vào bộ nghịch lưu DC AC để cấp điện cho động c M; siêu tụ điện có điện áp vsc được nối tới DC-Bus thông qua bộ DC/DC 2 chiều đã thiết kế trong chư ng trước; iinv, iaq, icnv lần lượt là dòng điện nghịch lưu dòng điện acquy và dòng điện đầu ra của bộ DC/DC; isc là dòng điện siêu tụ. Theo định luật Kirhoff 2, tại nút nối bộ DC/DC vào DC-Bus, tổng các dòng điện bằng 0:
Chư ng 4 – Thuật toán phân phối năng lượng
-66-
Giả thiết bộ DC/DC có hiệu suất 100% dòng điện đầu ra bộ DC/DC icnv và dòng điện siêu tụ isc có quan hệ mô tả theo phư ng trình (4.2):
Thay (4.2) vào (4.1) và chuyển vế phư ng trình (4.3) mô tả quan hệ dòng điện acquy theo dòng điện siêu tụ khi biết điện áp siêu tụ điện áp acquy và dòng điện nghịch lưu:
Trong phư ng trình (4.3) dòng điện nghịch lưu iinv được xác định từ nhu cầu về năng lượng của bộ DC AC và hoàn toàn độc lập với acquy và hệ DC/DC - siêu tụ; tham số điện áp acquy có thể coi gần đúng là một hằng số; tham số điện áp siêu tụ vsc biến thiên phụ thuộc vào dòng điện siêu tụ isc. Do đó trong hệ HESS bán chủ động siêu tụ dòng điện acquy iaq hoàn toàn có thể được điều khiển một cách gián tiếp thông qua việc điều khiển dòng điện siêu tụ isc.
4.2.1. Xây dựng luật phân phối năng lượng
Hình 4.4 mô tả s đồ cấu trúc thuật toán phân phối năng lượng đề xuất cho hệ HESS hình 4.3. Xuất phát từ các mục tiêu:
i) giảm thiểu thành phần xoay chiều trong đáp ứng dòng điện acquy nhằm giảm bớt tổn hao
ii) giới hạn biên độ dòng điện trong dải cho phép nhằm cực đại hóa tuổi thọ acquy
luận văn này đề xuất: dòng điện siêu tụ sẽ được điều khiển bám theo giá trị i*sc sao cho dòng điện acquy bám theo giá trị i*
aq xác định theo phư ng trình (4.4):
Chư ng 4 – Thuật toán phân phối năng lượng
-67-
Hình 4.4. S đồ cấu trúc thuật toán phân phối năng lượng đề xuất
Trong phư ng trình (4.4) một bộ lọc thông thấp có hàm truyền LF(s) được sử dụng để tách thành phần tần số thấp khỏi dòng điện nghịch lưu yêu cầu và cho trao đổi qua acquy. Nhờ có bộ lọc thông thấp LF(s), mục tiêu i) kể trên hoàn toàn có thể đạt được khi dòng điện acquy có tốc độ biến thiên chậm h n các thành phần tần số cao được loại bớt do đó giảm thiểu tổn hao phát nóng do sóng hài trên acquy. Việc xác định hằng số thời gian của LF(s) sẽ được trình bày trong phần sau.
Từ (4.4) dòng điện đặt cho siêu tụ cũng chính là dòng điện đặt cho bộ DC/DC 2 chiều có thể được xác định theo phư ng trình (4.5):
( ) Đặt HF(s) = 1-LF(s) phư ng trình (4.5) trở thành:
Chư ng 4 – Thuật toán phân phối năng lượng
-68-
trong đó HF(s) là hàm truyền bộ lọc thông cao có cùng tần số cắt với bộ lọc thông thấp LF(s). Mặt khác như đã phân tích trong mục 3.1.1 dòng điện trao đổi qua acquy nên được giới hạn trong khoảng từ -IaqMax đến IaqMax, (IaqMax = 100A), nhằm đảm bảo tuổi thọ acquy. Gọi F(iinv) là hàm xác định giá trị dòng điện i* aq đặt cho acquy có kể đến giới hạn IaqMax. F(iinv) được xác định theo phư ng trình (4.7): { Từ (4.4) và (4.7): [ ]
Thay (4.7) vào (4.8) thu được phư ng trình (4.9) xác định dòng điện đặt cho siêu tụ i*sc: { [ ] [ ]
Bằng việc điều khiển dòng điện isc bám theo dòng điện i*sc mô tả trong (4.9) với các bộ điều khiển được thiết kế trong chư ng 3 dòng điện acquy không những được loại bỏ các thành phần hài bậc cao mà còn được giới hạn biên độ không vượt IaqMax, nhờ đó sẽ bảo đảm tuổi thọ acquy theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất.
4.2.2. Xác định tham số các bộ lọc
Như đã phân tích ở trên, bộ lọc thông thấp LF(s) được sử dụng để làm giảm tốc độ biến thiên của dòng điện acquy. Hàm truyền đạt của LF(s) được xác định theo (4.10):
Chư ng 4 – Thuật toán phân phối năng lượng
-69-
trong đó KL là hệ số khuếch đại của bộ lọc được chọn bằng 1 và fL [Hz] là tần số cắt của bộ lọc.
Hình 4.5. Biểu đồ Bode của các bộ lọc
Mặt khác, tốc độ biến thiên dòng điện acquy phụ thuộc vào một số nguyên nhân:
- Tốc độ biến thiên mặt đường
- Tốc độ biến thiên sức cản không khí
- Tốc độ biến thiên tác động điều khiển của người lái - Thời gian đáp ứng của bản thân hệ thống acquy
10-1 100 101 102 -90 -45 0 45 90 P h a s e ( d e g ) Bode Diagram Frequency (rad/s) -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 M a g n itu d e ( d B ) LF HF
Chư ng 4 – Thuật toán phân phối năng lượng
-70-
trong đó tốc độ biến thiên của mặt đường, sức cản không khí tác động điều khiển thường dài h n rất nhiều so với thời gian đáp ứng của bản thân acquy. Theo [20], thời gian đáp ứng của acquy Li-ion cỡ khoảng vài chục ms đến vài trăm ms. Do đó luận văn này đề xuất chọn hằng số thời gian của bộ lọc thông thấp bằng 1s hay tần số cắt của bộ lọc fL bằng 1 Hz. Từ đó bộ lọc thông thấp LF(s) và bộ lọc thông cao HF(s) được xác định theo (4.11). Biểu đồ Bode của các bộ lọc được mô tả trong hình 4.5. {
4.2.3. Khởi tạo điện áp siêu tụ Do có sự tham gia của các bộ lọc và khâu giới hạn dòng điện acquy, siêu tụ sẽ phải tham gia cung cấp năng lượng cho nghịch lưu từ đầu. Vì vậy, siêu tụ phải được nạp trước đến một điện áp nào đó. Năng lượng nạp cho siêu tụ được lấy từ acquy và quá trình nạp được thực hiện bắt đầu từ khi bật khóa điện của xe điện. Như đã phân tích trong phần trước, khác với acquy điện áp siêu tụ thay đổi trên một dải rất rộng từ 0 đến điện áp định mức 250V. Mặt khác do dòng điện đi qua bộ biến đổi bị hạn chế, công suất huy động từ siêu tụ suy giảm ở điện áp thấp. Do đó năng lượng ban đầu nạp cho siêu tụ phải đảm bảo khi xe tăng tốc từ 0 đến tốc độ cực đại, siêu tụ phóng công suất cực đại 15,5 kW và kết thúc thời gian tăng tốc, điện áp siêu tụ vẫn đạt bằng điện áp cực tiểu VscMin bằng 65V. Theo thông tin từ nhà sản xuất, thời gian tăng tốc từ 0 đến 100km/h của i- MiEV bằng 14s. Gọi điện áp ban đầu nạp cho acquy bằng Vsco, Vsco được tính theo phư ng trình (4.12): √
√
Chư ng 4 – Thuật toán phân phối năng lượng
-71-
Lấy hệ số dự trữ về áp bằng 1,25 lần cho điện áp khởi tạo của siêu tụ, Vsco khi đó bằng:
4.2.3. Giám sát điện áp siêu tụ
Khi xe hãm tính sinh, nếu dòng điện đủ lớn, ngoài trả năng lượng về acquy, một phần năng lượng còn được trả về siêu tụ điện. Nếu thời gian hãm đủ dài điện áp siêu tụ tăng lên và đạt bằng điện áp siêu tụ cực đại VscMax bằng 200V như đã tính trong phần trước. Lúc này để đảm bảo an toàn cho siêu tụ, siêu tụ sẽ không tham gia hỗ trợ acquy nữa. Điều này khiến cho dòng điện đi vào acquy có thể vượt ngoài khoảng giá trị mong đợi như thiết kế ở trên.
Ngược lại, khi xe chạy tốc độ cao h n 130km h dòng điện nghịch lưu yêu cầu lớn h n hai lần giá trị dung lượng do đó siêu tụ điện sẽ tham gia phóng điện khiến điện áp siêu tụ giảm dần. Nếu thời gian chạy tốc độ cao kéo dài điện áp siêu tụ có thể giảm về nhỏ h n VscMin bằng 65V khi đó công suất huy động từ siêu tụ giảm. Khi điện áp siêu tụ bằng 0, siêu tụ hoàn toàn không tham gia hỗ trợ acquy nữa. Lúc này dòng điện acquy sẽ vượt ngoài khoảng giá trị mong đợi.
Dù vậy, trên thực tế quãng đường xuống dốc thường không quá dài. Bên cạnh đó do giới hạn tốc độ quy định bởi luật giao thông đường bộ, tốc độ tối đa cho phép của xe ô tô khi tham gia giao thông thường không quá 100km/h cho nên các thiết kế và tính chọn ở trên vẫn có thể cho phép kiểm soát tốt dòng điện acquy.
Chư ng 5 – Kết quả mô phỏng
-72-
CHƢƠNG 5 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1. Mô hình mô phỏng
Các kết quả mô phỏng trong chư ng này được thực hiện trên máy tính bằng phần mềm Matlab – Simulink 2013a. Mô hình mô phỏng hệ HESS đề xuất được thể hiện trong hình 5.1.
Hình 5.1. Mô hình mô phỏng hệ HESS bán chủ động siêu tụ
S đồ mô tả trong hình 5.1 sử dụng các mô hình acquy Lithium – ion, mô hình siêu tụ van MOSFET động c của Matlab. Để đ n giản động c sử dụng trong mô hình mô phỏng là động c điện một chiều có công suất 47kW thay cho động c IPM của xe điện mà không làm giảm tính tổng quát của kết quả mô phỏng.
Chư ng 5 – Kết quả mô phỏng
-73-
Hình 5.2 mô tả s đồ mô phỏng hệ điều khiển động c điện có kể đến mô hình xe quy về một bánh với tác động của cản gió trượt dọc. Động c được điều khiển ổn định dòng điện bằng một bộ điều khiển PI. Các tham số mô hình bánh xe và mặt đường sử dụng trong mô phỏng được cho trong bảng 5.1.
Hình 5.2. Mô hình điều khiển động c
Kết quả mô phỏng được trình bày thành 2 phần: mô phỏng bộ biến đổi và mô phỏng thuật toán phân phối năng lượng trong 2 trường hợp: có và không có sự tham gia của siêu tụ.
Chư ng 5 – Kết quả mô phỏng
-74-
Bảng 5.1. Tham số mô hình mô phỏng
STT Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Tốc độ gió vg 0 m/s2 2 Góc dốc mặt đường 0o 3 Trọng lượng xe và tải M 1171 kg
4 Điều kiện mặt đường (đường nhựa) k 0.7
5 Tần số đóng cắt mạch vòng dòng điện động c fs 10 kHz 6 Hệ số khuếch đại bộ điều khiển dòng điện động
c
Kp 0,2086
7 Hằng số thời gian bộ điều khiển dòng điện động c
Ti 0,73 ms
5.2. Kết quả mô phỏng bộ biến đổi
Hình 5.3 mô tả mô hình mô phỏng bộ biến đổi DC DC được thiết kế trong chư ng 3 và hình 5.4 mô tả đáp ứng dòng điện các pha. Từ kết quả mô phỏng, dòng điện các pha ổn định với độ quá điều chỉnh không đáng kể khi áp đặt dòng điện 60A và -60A như được mô tả trong hình 5.4a. Bên cạnh đó sự đóng cắt xen kẽ được thể hiện rõ ở hình 5.4b khi các pha có biên độ như nhau và lệch pha 60o. Ngoài ra, hình 5.4b còn cho thấy nhấp nhô dòng điện khoảng 20A, bằng 33% dòng điện trung bình pha do đó hoàn toàn phù hợp với các thiết kế ở chư ng 3.
Chư ng 5 – Kết quả mô phỏng
-75-
Hình 5.3. Mô hình mô phỏng bộ biến đổi DC/DC hai chiều sáu pha
(a) (b) Hình 5.4. Đáp ứng dòng điện các pha
Chư ng 5 – Kết quả mô phỏng
-76-
5.3. Kết quả mô phỏng thuật toán phân phối năng lƣợng
5.3.1. Kết quả mô phỏng hệ ESS
Hình 5.5. Lượng đặt dòng điện ứng với lượng nhấn/nhả chân ga
Dòng điện đặt cho mạch vòng điều khiển dòng điện động c được giả lập tín hiệu nhấn/nhả ga của người lái và được mô tả trong hình 5.5. Trong mô phỏng, giả thiết người lái nhấn hết hành trình chân ga sau đó nhả chân ga với các khoảng thời gian đạp/nhả ga và mức độ nhả chân ga thay đổi. Khi người lái nhấn ga hết hành trình dòng điện đặt cho động c bằng dòng điện định mức; khi người lái nhả ga, dòng điện đảo dấu động c thực hiện hãm tái sinh. Mức độ hãm tái sinh và mối liên quan giữa biên độ dòng điện hãm với mức độ nhả chân ga nằm ngoài phạm vi quyển luận văn này.
Hình 5.6 mô tả kết quả mô phỏng tốc độ dòng điện nghịch lưu (dòng điện acquy) và dung lượng acquy khi không có sự tham gia của siêu tụ. Với đặc tính dòng điện ứng với mức độ nhấn, nhả ga như mô tả trong hình 5.5, tốc độ dài của xe tăng dần từ 0 đến 68km h trong 10s đầu tiên sau đó giảm tốc trong 5s xuống khoảng 56km/h rồi tiếp tục tăng tốc lên 84km/h ở giây thứ 25 trước khi giảm tốc về 62km/h trong 5 giây tiếp theo và cuối cùng tăng tốc lên 85km/h trong gần 10s còn lại.
0 10 20 30 40 -150 -100 -50 0 50 100 150 Thoi gian (s) D o n g d ie n ( A )
Chư ng 5 – Kết quả mô phỏng
-77-
Hình 5.6. Kết quả mô phỏng hệ ESS không có siêu tụ điện
Với việc tăng giảm tốc như mô tả trong hình 5.5 dòng điện acquy ban đầu cần huy động đến 134A, gấp 2,68 lần giá trị dung lượng acquy. Trong các quá trình hãm tái sinh dòng điện trả về acquy lần lượt là -33A và -62A. Do trong mô phỏng, thao tác nhấn/nhả chân ga được giả thiết thực hiện với thời gian chu kỳ 15s nên trong các đáp ứng tốc độ và dòng điện, tồn tại một thành phần hài chu kỳ 15s. Kết thúc quá trình 40s mô phỏng dung lượng acquy giảm từ 50% ban đầu xuống còn 48,13%. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 X: 10.59 Y: 67.77 Van toc V a n t o c ( k m /h ) X: 14.48 Y: 56.2 X: 24.34 Y: 83.79 X: 29.59 Y: 61.53 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -100 -50 0 50 100 150 X: 8.725 Y: 134.1 I invf, I batf D o n g d ie n ( A ) X: 12.48 Y: -32.77 X: 26.65 Y: -61.98 X: 32.55 Y: 133.7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 48 48.5 49 49.5 50 X: 39.14 Y: 48.13