4.3.2.1. Nội dung thiết kế
- Thiết kế nút điều khiển chương trình.
- Hiển thị dữ liệu trên các đồng hồ đo bao gồm các tín hiệu về tốc độ động cơ, nhiệt độ dầu động cơ và tín hiệu báo mực xăng.
- Hiển thị dữ liệu điện áp Acquy bao gồm điện áp từng Acquy, điện áp tổng và các cảnh báo tương ứng với các mức dung lượng Acquy.
- Hiển thị dữ liệu dưới dạng đồ thị trực quan để theo dõi kết quả trong quá trình thực nghiệm bao gồm tín hiệu dòng điện nạp và tín hiệu vị trí góc mở bướm ga.
4.3.2.2. Kết quả thiết kế
Các tín hiệu nhiệt độ dầu động cơ, tốc độ động cơ, mực xăng được thiết kế bằng các khối “Gauge” qua điều chỉnh thang số và màu sắc phù hợp.
Hình 4. 8: Giao diện hiển thị dạng đồng hồ và điều khiển chương trình
Bên cạnh đó có thiết kế hai nút “START”, “STOP” cho việc điều khiển bắt đầu, kết thúc giao tiếp nhận và hiển thị. Các nút được lập trình trạng thái, cho phép truy cập đúng quy trình. Bao gồm trạng thái chuẩn bị giao tiếp, chỉ sử dụng được nút “START” và trạng thái đang hoạt động quá trình giao tiếp, chỉ sử dụng được nút “STOP”.
81
Hình 4. 9: Giao diện nút điều khiển
Giao diện hiển thị điện áp Acquy tổng và điện áp từng Acquy đơn được thiết kế riêng phần cho người xem dễ phân biệt và quan sát.
Hình 4. 10: Giao diện hiển thị giá trị điện áp Acquy
Bên cạnh đó với mỗi giá trị điện áp đều được lập trình màu sắc để cảnh báo về tình trạng của Acquy. Màu vàng cho Acquy tổng thể hiện điện áp mức thấp và chuẩn bị được sạc. Màu đỏ cho các Acquy đơn cảnh báo Acquy hư hỏng, sụt áp cao, cần sửa chữa, thay thế. Màu xanh lá cho tất cả các giá trị điện áp báo Acquy đang ổn định. Các màu này được lập trình thay đổi tương ứng với giá trị điện áp thực thu thập về. Ngoài ra, mức dung lượng của Acquy còn được thể hiện qua các mức thang đo bên dưới để dễ dàng quan sát sự cân bằng dung lượng của các Acquy.
Và để đảm bảo trực quan nhất cho việc đánh giá, nhóm thiết kế một biểu đồ cho giá trị dòng điện nạp và một đồ thị cho khả năng đáp ứng của mô tơ kéo bướm ga.
82
Hình 4. 11: Giao diện hiển thị tín hiệu theo đồ thị
Tất cả các nội dung thiết kế được sắp xếp phù hợp tạo nên một giao diện tổng thể, hiển thị đầy đủ dữ liệu động cơ trong các chu trình thực nghiệm.
83
84
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 5.1. Nội dung thực hiện
- Đặt ra các bài toán dựa trên điều kiện thực tế của mô hình và đưa ra hướng giải quyết. - Xây dựng chương trình mô phỏng Simulink dựa trên mô hình thực tế.
- Tiến hành mô phỏng chương trình với các bài toán đặt ra để đánh giá kết quả.
5.2. Tiến trình thực hiện
5.2.1. Bài toán thực tiễn và hướng giải quyết
Đối với mô hình xe E-REV sử dụng hệ thống nguồn gồm 5 Acquy mắc nối tiếp, yêu cầu của bộ điều khiển sạc là tối ưu quá trình sạc và giám sát hệ thống các Acquy. Để đáp ứng yêu cầu đó, thì cần giải quyết những bài toán dưới đây:
- Khởi động sạc. - Điện áp và dòng sạc.
- Giám sát và cân bằng Acquy. - Kết thúc sạc.
- Đánh giá quá trình sử dụng xe song song với sạc Acquy.
5.2.1.1. Thời điểm khởi động sạc
Để kéo dài tuổi thọ của Acquy, mức SOC tối thiểu khi sử dụng là khoảng 30%. Chính vì thế, để tối ưu quá trình sạc song song với sử dụng xe và bảo vệ Acquy, ta nên tiến hành khởi động sạc khi SOC trung bình của Acquy thấp hơn 40%.
85
Hình 5. 1: Lưu đồ thuật toán khởi động
5.2.1.2. Điện áp và dòng sạc
Để đảm bảo thời gian sạc thì dòng sạc phải đủ lớn và không vượt quá dòng sạc tối đa là 19,5A (theo thông số Acquy) ở các mức SOC khác nhau. Ta tiến hành mô phỏng quá trình sạc tại các mức điện áp sạc khác nhau và quan sát dòng sạc sao cho hợp lý. Sau khi mô phỏng và chọn được mức điện áp hợp lý, ta tiến hành chọn dòng kích từ và độ mở bướm ga để đạt được mức điện áp đó.
5.2.1.3. Giám sát và cân bằng Acquy
Mức điện áp và SOC của mỗi Acquy luôn được giám sát nhằm phát hiện sự chênh lệch SOC giữa các Acquy. Khi có sự chênh lệch quá giới hạn cho phép, mạch cân bằng Acquy sẽ hoạt động.
Để đạt hiệu suất sạc và tính kinh kế cao ta nên cân bằng tại Acquy có mức SOC cao nhất và độ chênh lệch (giữa Acquy có SOC lớn nhất và nhỏ nhất) cao. Nhóm chọn độ chênh lệch cần cân bằng là 30% SOC (tương đương 1.6V) và mức SOC tại Acquy đó lớn hơn 60% SOC. Ngoài ra, Acquy nào có mức SOC lớn hơn 80% cũng cần được cân bằng.
86
Hình 5. 2: Lưu đồ thuật toán cân bằng
5.2.1.4. Thời điểm kết thúc
Đối với phương pháp sạc điện áp không đổi, dòng sạc sẽ giảm dần về 0 khi dung lượng tăng. Để tối ưu hiệu suất sạc ta kết thúc sạc khi SOC trung bình trên 75%, khi đó ta tiến hành ngắt kích từ và tắt động cơ.
Lưu đồ thuật toán giải quyết:
87
5.2.1.5. Giám sát quá trình sạc song song với sử dụng xe
Để đảm bảo tối ưu quá trình sử dụng xe khi mức SOC xuống thấp thì máy phát sẽ hoạt động như một nguồn phụ cung cấp cho motor điện. Nếu công suất máy phát lớn hơn công suất motor điện thì xe có thể vận hành tốt mà không ảnh hưởng nhiều đến Acquy. Ngược lại, nếu công suất máy phát nhỏ hơn công suất motor điện, ta hạn chế công suất tiêu thụ bằng cách hạn chế tốc độ xe ở các trường hợp khác nhau.
5.2.2. Xây dựng chương trình mô phỏng Simulink
Hình 5. 4: Mô hình mô phỏng
Dựa theo mô hình thực tế và các bài toán thực tế ở trên, chương trình mô phỏng bao gồm các khối dưới đây:
- Bộ điều khiển PID cho bướm ga của động cơ xăng.
88 - Khối động cơ xăng và hệ thống dẫn động máy phát.
Hình 5. 6: Mô phỏng động cơ xăng
- Khối máy phát.
Hình 5. 7: Mô phỏng máy phát điện
89
Hình 5. 8: Mô phỏng Acquy
- Mạch cân bằng bị động dung lượng Acquy.
90 - Khối hệ thống truyền lực.
Hình 5. 10: Mô phỏng hệ thống truyền lực
5.3. Kết quả mô phỏng
5.3.1. Mô phỏng quá trình khởi động sạc
Mô phỏng trường hợp xe E-REV có mức SOC trung bình dưới 40% và quá trình sạc bắt đầu.
Mục đích:
- Quan sát sự thay đổi độ mở bướm ga. - Quan sát tốc độ động cơ xăng.
- Quan sát điện áp đầu ra máy phát.
Điều kiện mô phỏng:
- Mức SOC giảm xuống dưới 40% tại giây thứ 5 của mô phỏng, lúc này quá trình sạc bắt đầu.
91
Kết quả mô phỏng:
Hình 5. 11: Mức SOC giảm xuống dưới 40%
92
Hình 5. 13: Sự thay đổi của tốc độ động cơ xăng
93
Đánh giá kết quả:
- Với phương pháp điều khiển PID (Hình 5.14), độ mở bướm ga thay đổi từ 0% lên 20% sau khi SOC giảm xuống dưới 40%, tốc độ phản hồi và độ vọt lố đáp ứng yêu cầu (đường màu đỏ).
- Tốc độ động cơ xăng ổn định sau khoảng 15s (xấp xỉ 5300v/p), nằm trong vùng hiệu suất hoạt động tốt (5000-6000v/p).
- Điện áp đầu ra ổn định 80V như mong muốn.
5.3.2. Mô phỏng quá trình sạc
Mô phỏng quá trình sạc ở các mức SOC khác nhau.
Mục đích:
- Quan sát dòng sạc ở các mức SOC khác nhau để lựa chọn điện áp sạc phù hợp (80V).
Điều kiện mô phỏng:
- Trường hợp 1: SOC trung bình 35%. - Trường hợp 2: SOC trung bình 50%. - Trường hợp 3: SOC trung bình 70%.
Kết quả mô phỏng:
94
Hình 5. 15: Dòng sạc của từng Acquy
95 - Trường hợp 2:
Hình 5. 17: Dòng sạc của từng Acquy
96 - Trường hợp 3:
Hình 5. 19: Dòng sạc của từng Acquy
Hình 5. 20: SOC của từng Acquy Đánh giá kết quả:
- Với điện áp 80V, dòng điện sạc tại các mức SOC khác nhau nằm trong giới hạn cho phép là dưới 19.5A.
- Với mức SOC là 35%, dòng điện sạc tại các Acquy là 10-12A. - Với mức SOC là 50%, dòng điện sạc tại các Acquy là 4-5A.
97 - Với mức SOC là 70%, dòng điện sạc tại các Acquy là dưới 3A.
5.3.3. Mô phỏng quá trình giám sát và cân bằng Acquy
Mô phỏng quá trình giám sát và cân bằng của từng Acquy để đánh giá sức khỏe và bảo vệ tuổi thọ Acquy.
Mục đích:
- Quan sát hoạt động của mạch cân bằng Acquy (thông qua SOC và dòng điện) để đánh giá, lựa chọn linh kiện phù hợp.
Điều kiện mô phỏng:
- Trường hợp 1: SOC Acquy 1 = 70%, SOC Acquy 2, Acquy 3, Acquy 4, Acquy 5 = 35%. Acquy có SOC lớn nhất chênh lệch lớn hơn 30% so với các Acquy còn lại. - Trường hợp 2: SOC Acquy 1 = 83%, SOC Acquy 2 = 81%, SOC Acquy 3, Acquy
4, Acquy 5 = 35%. Acquy có SOC lớn nhất (83%) chênh lệch hơn 30% so với Acquy có SOC thấp nhất (35%). Ngoài ra, Acquy 2 có mức SOC lớn hơn 80%.
Kết quả mô phỏng:
- Trường hợp 1:
98
Hình 5. 22: Dòng sạc của từng Acquy
- Trường hợp 2:
99
Hình 5. 24: Dòng sạc của từng Acquy Đánh giá kết quả:
- Trường hợp 1:
+ Dòng sạc của Acquy lớn nhất còn lại 4-6A, so với 10-12A ở các Acquy còn lại. - Trường hợp 2:
+ Dòng sạc của 2 Acquy 1 và 2 còn lại 1-3A, so với 7-8A ở các Acquy còn lại. - Mạch cân bằng hoạt động với dòng điện xả phù hợp như đã tính toán (khoảng 6-
7A).
- Thuật toán cân bằng hoạt động tốt tại các trường hợp khác nhau.
5.3.4. Mô phỏng quá trình kết thúc sạc
Mô phỏng trường hợp xe E-REV đang sạc có mức SOC 75% và quá trình sạc kết thúc.
Mục đích :
- Quan sát mô phỏng và đánh giá thuật toán kết thúc sạc.
100 - Mức SOC trung bình lớn hơn 75% tại khoảng giây thứ 8 của mô phỏng, lúc này
quá trình sạc kết thúc.
Kết quả mô phỏng:
101
Hình 5. 26: Sự thay đổi của độ mở bướm ga
102
Hình 5. 28: Sự thay đổi của dòng sạc Acquy Đánh giá kết quả:
- Sau khi mức SOC lớn hơn 75%, độ mở bướm ga giảm từ 20% về 0% (đường màu đỏ - Hình 5.28).
- Tốc độ động cơ xăng giảm dần về 0.
- Dòng điện sạc giảm dần về 0A trong 7 giây.
5.3.5. Mô phỏng quá trình sạc song song với sử dụng xe
Mô phỏng trường hợp sử dụng xe khi SOC dưới mức cần sạc.
Mục đích:
- Đánh giá khả năng đáp ứng của máy phát với dòng tiêu thụ của động cơ DC nhằm điều chỉnh điều kiện sử dụng xe phù hợp.
Điều kiện mô phỏng:
- Mức SOC trung bình là 39%, xe đang được sạc và tốc độ ban đầu là 0km/h, điều kiện mặt đường có độ dốc bằng 0.
- Tại giây thứ 3 đến giây thứ 11, tốc độ xe mong muốn tăng từ 0 – 30 km/h sau đó giữ nguyên tốc độ mong muốn trong suốt 50 giây mô phỏng.
103
Hình 5. 29: Tốc độ mong muốn của xe Kết quả mô phỏng:
104
Hình 5. 31: Tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế của xe
105
Hình 5. 33: Mức SOC của Acquy Đánh giá kết quả:
- Tốc độ thực tế của xe (đường màu đỏ - Hình 5.33) ổn định tại 30km/h sau 50 giây mô phỏng.
- Với dòng cung cấp từ máy phát là 10-12A khi sạc tại 39% SOC , dòng tiêu thụ của động cơ điện khi tốc độ ổn định (xấp xỉ 30km/h) là khoảng 9-10A. Lúc này Acquy vẫn đang được sạc lại với dòng sạc 1-2A.
- Ở điều kiện sử dụng xe này, xe sử dụng năng lượng chính từ máy phát, dòng xả tức thời khi xe tăng tốc nằm trong giá trị cho phép và xe vẫn có thể di chuyển với tốc độ 30km/h. Điều kiện sử dụng xe trên đáp ứng được vấn đề bảo vệ Acquy cũng như tốc độ di chuyển của xe.
106
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1. Kết luận
Trải qua quá trình làm việc, nhóm nghiên cứu đã thiết kế thành công hộp giao tiếp thu thập, hiển thị các tín hiệu và mạch cân bằng bị động dung lượng Acquy. Nhóm đã điều khiển động cơ Honda Wave Fi theo tải là máy phát, sạc về cho Acquy cao áp theo mô hình xe Hybrid kiểu nối tiếp (E-REV). Dữ liệu từ các cảm biến động cơ, dòng điện nạp Acquy và giá trị điện áp Acquy được thu thập đầy đủ, ổn định. Từ các thông số trên, Acquy luôn được giám sát và cân bằng dung lượng khi cần thiết, giúp bảo vệ và tăng tuổi thọ cho Acquy.
Đối với mô hình thực nghiệm, các tín hiệu được hiển thị trong giao diện máy tính bằng AppDesigner giúp người xem theo dõi được tình trạng động cơ một cách dễ dàng. Động cơ có thể tự thay đổi góc mở bướm ga theo quy trình đã định sẵn trên chương trình Arduino. Động cơ tự động bật, tắt để kéo máy phát theo yêu cầu mô hình xe đang chạy liên tục để sạc song song với cân bằng Acquy.
Đối với quá trình mô phỏng, nhóm đã thiết kế được mô hình mô phỏng Simulink dựa trên mô hình thực tế. Bên cạnh đó, nhóm đã mô phỏng được các trường hợp tương tự như quá trình điều khiển thực tế trên Arduino.
Việc ứng dụng Matlab và Arduino trong mô phỏng, thiết kế là tiền đề phục vụ cho các chương trình phức tạp và khối lượng lớn hơn. Đồng thời việc chế tạo bộ điều khiển sạc theo mô hình xe Hybrid kiểu nối tiếp (E-REV) đơn giản và phù hợp với nhu cầu phục vụ giảng dạy cho sinh viên.
6.2. Hướng phát triển
- Thiết kế bổ sung thêm các chức năng cho quá trình quản lý Acquy như giám sát nhiệt độ, chu kỳ xả,…
107
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [2] https://automation.net.vn/Cong-nghe-Ung-dung/Nguon-nang-luong-cho-O-TO- dien.html [3] http://www.xedien.info/cong-nghe/Acquy-va-ung-dung/705-cac-phuong-phap- nap-Acquy.html [4] https://text.123doc.org/document/2318198-chuong-3-he-thong-nap.htm
[6] Công thức 8.29 trang 296, sách “Lý thuyết điều khiển tự động” Nguyễn Thị Phương Hà, giáo trình Bách Khoa TP. HCM. [11] http://arduino.vn/ Tiếng Anh [1] https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/extended-range-electric-vehicle [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_management_system#Electric_vehicle_syste ms:_energy_recovery [7] http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=MotorSpeed§ion=Sy stemModeling
Niederlinski, A (1971). “A heuristic approach to the design of linear multivariable interacting controls systems”. Automatic. 7(4), pp. 691-701.
[8] http://www.ni.com/tutorial/12944/en/
[9] L. A. Perisoara, I. C. Guran, D. C. Costache, “A passive battery management system for fast balancing of four LiFePO4 Cells,” 2018 IEEE International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging, Romania, pp. 390-393, Oct. 25- 28, 2018.
[10] https://www.mathworks.com/help/matlab/matlab_external/getting-started-with-