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
Dung luong Acquy
D u n g l u o n g ( % ) Thoi gian (s)
Chư ng 5 – Kết quả mô phỏng
-78-
5.3.2. Kết quả mô phỏng hệ HESS
Hệ HESS bán chủ động siêu tụ được mô phỏng với cùng điều kiện vận hành của xe mô tả trong bảng 5.1 cũng như cùng thao tác nhấn/nhả chân ga mô tả trong hình 5.5. Kết quả mô phỏng hệ HESS với thuật toán phân phối năng lượng đề xuất và bộ biến đổi DC/DC 2 chiều thiết kế trong chư ng 3 được mô tả trong hình 5.7.
Do được mô phỏng với cùng tác động điều khiển, đặc tính tăng giảm tốc tốc độ và đồ thị dòng điện nghịch lưu yêu cầu hoàn toàn giống với các đáp ứng tư ng ứng của hệ ESS ban đầu. Điều này chứng tỏ, việc thêm hệ thống siêu tụ và luật phân phối năng lượng không gây ra ảnh hưởng đến bộ nghịch lưu và động c .
Nhờ có sự tham gia của siêu tụ và bộ biến đổi DC/DC hai chiều dòng điện acquy đã được giới hạn ở 100A theo cả hai chiều tức là hai lần giá trị dung lượng Caq. Trong khoảng thời gian từ 0 đến 2s dòng điện nghịch lưu tăng dần từ 0 đến 100A. Mặc dù lúc này dòng điện acquy nhỏ h n 100A nhưng nhờ có tác dụng của bộ lọc thông cao HF(s) dòng điện siêu tụ vẫn được phóng ra để hỗ trợ acquy làm giảm bớt tốc độ tăng trưởng dòng điện acquy. Trong khoảng thời gian từ giây thứ 2 đến giây thứ 5 dòng điện nghịch lưu yêu cầu lớn h n 100A dòng điện siêu tụ tăng mạnh để duy trì dòng acquy phóng ra ở 100A.
Tại giây thứ 10 dòng điện đảo dấu. Mặc dù dòng điện nghịch lưu đã giảm nhỏ h n 100A dòng siêu tụ vẫn đảo dấu ngay và tăng dần nhằm làm giảm bớt tốc độ suy giảm dòng điện của acquy. Vào thời điểm giây thứ 12 khi dòng điện acquy có giá trị bằng dòng điện nghịch lưu (-32,77A), do giá trị dòng điện này vẫn nằm trong khoảng mong muốn, siêu tụ không cần tham gia hỗ trợ acquy nữa cho nên dòng điện siêu tụ giảm về bằng 0. Năng lượng tái sinh được trả hết về acquy. Quá trình tư ng tự diễn ra trong phần còn lại của thời gian mô phỏng.
Chư ng 5 – Kết quả mô phỏng
-79-
Hình 5.7. Kết quả mô phỏng hệ HESS với thuật toán phân phối năng lượng đề xuất Kết thúc thời gian mô phỏng 40s dung lượng acquy vẫn còn khoảng 48,6% trong khi ở hệ ESS mô tả phía trên sau 40s dung lượng acquy còn 48,13%. Như vậy, với cùng một quy trình tăng giảm tốc như nhau hệ ESS cần sử dụng đến 1 87% dung lượng acquy trong khi hệ HESS với cấu trúc mạch lực và cấu trúc điều khiển phân phối năng lượng đề xuất chỉ sử dụng 1 4% dung lượng acquy. Nói cách khác, mức độ tiêu hao năng lượng của hệ HESS đề xuất chỉ bằng khoảng 75% so với hệ ESS, tiết kiệm 25%.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 Van toc V a n t o c ( k m /h ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40