Mô hình tính toán quá trình phanh

Mô men phanh của cơ cấu phanh sinh ra:

M = μ.P.π.Ba2.Rm.Npads /4 [Nm] (3.17) Trong đó:

M là mô men do cơ cấu phanh thủy lực sinh ra. [Nm] μ hệ số ma sát của đĩa với má phanh.

P áp suất phanh. [Pa]

Ba hệ số cơ cấu truyền động phanh.

Rm bán kính trung bình từ trục phanh đến má phanh: Rm = Ri + R0 [m] (3.18) Ri là bán kính trong của má phanh. [m]

R0 là bán kính ngoài của má phanh. [m]

Npads số lượng má phanh trong cụm phanh đĩa.

 Tính toán mô men phanh của hệ thống thu hồi năng lượng.

Mô men phanh của hệ thống thu hồi năng lượng được tính theo công thức:

Mth = Mđc.Kv.Ksoc (3.19) Trong đó:

Mth là mô men thu hồi. [Nm]

Mđc là mô men hãm của động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát. [Nm] Kv là hệ số vận tốc.

Ksoc là hệ số % khả năng nạp điện của pin. Mô men hãm của máy phát.

Mmax Nếu ωđc < ωcb

Mđc = (3.20)

Pm / ωđc Nếu ωđc > ωcb

Mmax là mô men cực đại của động cơ điện. Pm là công suất cực đại của động cơ điện. ωcb là vận tốc góc cơ bản của động cơ điện. ωđc là tốc độ trục của động cơ điện.

Hình 3.14. Đường đặc tính của động cơ điện 3 pha có chổi than

 Tính hệ số Kv và Ksoc.

Hệ số Kv

Do đường đặc tính của động cơ điện, khi tốc độ thấp thì công suất thu hồi nhỏ nên hiệu quả thu hồi kém. Vì vậy tốc độ ô tô V < 2.2 Km/h thì hệ thống thu hồi không làm việc.

Kv = 0 Nếu V < 2,2 Km/h

Kv = (3.21) Kv = 1 Nếu V > 4,5 Km/h

Hình 3.15. Quan hệ giữ Kv và vận tốc ô tô

Hệ số Ksoc

Để đảm bảo cho pin không bị quá nạp, khi pin đã được nạp đầy thì không nạp nữa. Do đó khi %SOC = 100% thì hệ thống thu hồi không làm việc. Quan hệ giữa Ksoc và %SOC hình 3.15.

Ksoc = 1 Nếu %SOC < 70%

Ksoc = (3.22) Ksoc = 0 Nếu %SOC =100%

 Năng lượng thu hồi trong quá trình phanh.

Năng lượng thu hồi được trong quá trình phanh là điện năng nạp cho pin. Công suất thu hồi máy phát được tính theo công thức:

Pth = Mth.ω.i (3.23) Pth là công suất thu hồi. [W]

Mth là mô men thu hồi của máy phát. [Nm] ω tốc độ góc bánh xe trước. [rad/s]

i là tỉ số truyền của hệ thống truyền lực.

Công thu được của quá trình thu hồi năng lượng được tính theo công thức: Ath = Pth.t (3.24) Ath là công thu được của quá trình thu hồi [J]

t là thời gian thu hồi. [s]

3.4. Tính toán, mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink

Mô hình được mô phỏng ở đây là xe Hybrid được xây dựng với đầy đủ động cơ đốt trong, cơ cấu truyền động, máy phát điện (MG1), động cơ điện (MG2), và các thuật toán điều khiển hệ thống truyền động liên quan được mô tả như hình 3.18.

Hình 3.18. Mô hình mô tả hệ thống thu hồi năng lượng trên xe điện lai HEV

3.4.1. Các mô hình Matlab – Simulink mô phỏng hệ thống phanh tái sinh.

 Mô hình tổng thể của mô phỏng

Mô hình có thuật toán điều khiển là một vòng lặp mở, với các thông số đầu vào là tốc độ của chu trình thử nghiệm, tốc độ thực tế của ô tô và thông số môi trường. Tốc độ của chu trình sẽ được so sánh với tốc độ thực tế của ô tô trong khối chế độ lái. Từ đó, khối chế độ lái sẽ đưa ra tín hiệu bàn đạp phanh hoặc tín hiệu bàn đạp ga để xe tăng hoặc giảm tốc. Tín hiệu của bàn đạp phanh và bàn đạp ga cùng với thông số môi trường sẽ được đưa vào khối điều khiển để điều khiển động cơ, hệ thống phanh, máy phát điện và mô tơ. Cuối cùng mô hình sẽ đưa ra được tốc độ thực tế của ô tô và các thông số khác để phục vụ cho mục đích nghiên cứu. Cụ thể ở đây sẽ lấy mô men thu hồi, công suất thu hồi của mô tơ, lực phanh tại cầu chủ động, hệ số nạp của ắc quy và mức tiêu hao nhiên liệu của từng chu trình thử nghiệm.

 Mô hình hệ thống chế độ lái xe

Hình 3.21. Mô hình hệ thống chế độ lái xe

Khối chế độ lái sẽ cung cấp tín hiệu bàn đạp phanh và tín hiệu bàn đạp ga dựa vào thông số đầu vào từ chu trình lái xe được cung cấp. Khi tăng tốc, bàn đạp ga được nhấn xuống, một yêu cầu mô men xoắn sẽ được gửi đến xe thông qua nhiều hệ thống như hệ thống phân phối công suất đầu ra và hệ thống điều khiển động cơ động cơ. Sự tái sinh chỉ bắt đầu khi bàn đạp phanh được nhấn, tùy vào vị trí của bàn đạp phanh sẽ tương ứng với một mô men phanh được áp dụng. Mô men phanh này tùy thuộc vào chiến lược kiểm soát lực phanh để phân chia giữa phanh tái sinh và phanh thủy lực.

Trong đề tài này sử dụng 4 chu trình lái xe là FTP 75, NEDC, US06, Artemis Rural Road.

 Chu trình FTP 75

Chu trình FTP-75 là chu trình thử nghiệm xe trong điều kiện thành phố (Urban) của EPA Federal Test Procedure, Mĩ. Giống với chu trình FTP – 72 nhưng cộng thêm 505 giây. Đặc điểm chu trình là khi bắt đầu thử, động cơ được khởi động ở trạng thái nguội sau một đêm để ở nhiệt độ môi trường (20 °C). Chu trình gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1 (Cold start phase) kéo dài trong 505s, tương ứng với quãng đường 5,78km với tốc độ trung bình 41,2km/h.

- Giai đoạn 2 (Transient phase) kéo dài trong 867s và được bắt đầu sau khi tạm dừng (Hot start phase) hoàn toàn động cơ trong 10 phút.

- Giai đoạn 3 giống như giai đoạn 1 của chu trình trước và được khởi động lại sau khi đã dừng động cơ 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn 2.

- Quãng đường di chuyển: 17,77 km - Khoảng thời gian: 1874s

- Tốc độ trung bình: 34,1 km/h

Hình 3.22. Chu trình thử FTP 75

 Chu trình NEDC

Chu trình NEDC là chu trình thử nghiệm xe trong điều kiện thành phố. Đặc điểm của chu trình gồm 2 phần:

- ECE 15 lặp lại 4 lần từ 0-780 giây: tốc độ xe thấp, tải thấp và nhiệt độ khí thải thấp.

- EUDC: 781-1180s: tốc độ xe cao - Quãng đường di chuyển: 10,9314 km - Khoảng thời gian: 1180s

Hình 3.23. Chu trình thử NEDC

 Chu trình US06

Chu trình US06 là chu trình thử nghiệm xe với hành vi lái xe tốc độ cao hoặc tăng tốc cao, dao động tốc độ nhanh.

- Quãng đường di chuyển: 12,8 km - Khoảng thời gian: 600s

- Tốc độ tối đa: 129,2 km/h

 Chu trình Artemis Rural Road

Chu trình Artemis Rural Road là chu trình mô tả thử nghiệm lái xe đường nông thôn ở châu âu.

- Quãng đường di chuyển: 17,275 km - Khoảng thời gian: 1082s

- Tốc độ tối đa: 111,1 km/h - Tốc độ trung bình: 57,5 km/h

Hình 3.25. Chu trình thử Artemis Rural Road

 Mô hình chiến lược kiểm soát lực phanh

Trong đề tài này áp dụng chiến lược phanh nối tiếp. Khi nhấn bàn đạp phanh, một yêu cầu mô men sẽ được gởi đi. Mô men phanh này sẽ đi vào khối chiến lược kiểm soát phanh. Nếu mô men phanh yêu cầu nhỏ hơn hoặc bằng mô men tái sinh tối đa thì xe sẽ được phanh hoàn toàn bằng mô men tái sinh và pin được sạc. Nếu mô men yêu cầu lớn hơn mô men phanh tái sinh thì phanh thủy lực sẽ được áp dụng.

Hình 3.26. Mô hình tính toán mô men thu hồi chiến lược phanh nối tiếp

 Mô hình động cơ điện

Khối Mapped Motor được sử dụng để mô phỏng động cơ điện trên xe Hybrid. Với thông số đầu ra là mô men xoắn của trục được tính toán dựa vào các thông số tham chiếu đầu vào và dòng điện tạo ra khi motor hoạt động ở chế độ máy phát. Khối Mapped Motor được cài đặt để mô phỏng động cơ điện có công suất cực đại là 50 KW, mô men xoắn cực đại là 400 Nm.

 Mô hình thông số môi trường

Hình 3.28. Mô hình thông số môi trường

 Mô hình hệ thống truyền lực

Hình 3.29. Mô hình hộp số liên kết với động cơ, MG1, MG2

 Mô hình hệ thống phanh thủy lực

Mô men phanh của cơ cấu phanh sinh ra được tính theo công thức: M = μ.P.πBa2.Rm.Npads

Thông số đầu vào là áp suất phanh yêu cầu, hệ thống sẽ tính toán ra mô men phanh sinh ra tại bánh xe.

Hình 3.30. Mô hình phanh thủy lực

 Mô hình hệ thống truyền động: hệ thống truyền động có nhiệm vụ phân chia mô

men từ động cơ đốt trong và mô tơ điện đến bánh xe chủ động.

Mô hình tính toán động lực học của xe

Hình 3.32. Mô hình tính toán động lực học của xe

 Mô hình ắc quy và bộ chuyển đổi điện

 Mô hình điều khiển chế độ lái EV - HEV

Hình 3.34. Khối điều khiển chế độ lái EV – HEV

Khi các điều kiện trong khối có một điều kiện đúng thì xe thực hiện chế độ lái HEV, ngược lại nếu tất cả các điều kiện đều sai xe thực hiện chế độ lái EV.

 Mô hình tính toán nhiên liệu

Hình 3.35. Mô hình tính toán lượng nhiên liệu tiêu hao

Từ kết quả thu được ta tính mức tiêu hao nhiên liệu của xe Hybrid, do xe Hybrid sử dụng hai nguồn động lực là động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và động cơ điện nên việc tính lượng nhiên liệu hao trên dòng xe này phải cộng cả hai nguồn năng lượng này lại với nhau. Do đó ta cần quy đổi năng lượng điện sử dụng để cung cấp cho động cơ điện hoạt động thành năng lượng xăng sử dụng.

Theo tiêu chuẩn US EPA [12], năng lượng sinh ra của 1 gal xăng tương đương 33,7 kWh. Từ công suất phát ra của ắc quy ta quy đổi sang lưu lượng nhiên liệu:

33, 7.3600

batt

P

[gal/s] (3.25) Pbatt: công suất phát ra của ắc quy [kW]

3600 (1h = 3600s)

Chuyển đổi từ (gal/s) sang (m3/s) 1 . 33, 7.3600 264,172 batt P [m3/s] (3.26) (1m3 = 264,172 gal)

1 . .739 33, 7.3600 264,172 batt P [kg/s] (3.27) 739 (Khối lượng riêng của xăng) [kg/m3]

- Tính khối lượng xăng phun trong chu trình:

mfuel = Qfuel.D (3.28) Trong đó:

mfuel là lưu lượng nhiên liệu [kg/s]

Qfuel là lưu lượng nhiên liệu thể tích [m3/s] D là khối lượng riêng của xăng (D = 739 kg/m3)

- Tổng lượng nhiên liệu sử dụng trên toàn chu trình trên xe Hybrid: _ 0 .739 33, 7.3600.264,172 t batt f hev fuel P m   m dt      (3.29) - Mức tiêu hao nhiên liệu trên 100km

_ .100

.0, 739

f hev

m

s (lít/100km) (3.30) s: là quãng đường xe di chuyển được

Tương tự như xe hybrid, nhưng xe thường chỉ sử dụng động cơ đốt trong nên ta có công thức tính lượng nhiên liệu sử dụng trên toàn chu trình như sau:

_c 0

t f fuel

Bảng 3.2 Thông số sử dụng trong Matlab Simulink

TT Kí hiệu Giải thích Giá trị Đơn vị

1 T Nhiệt độ môi trường 300 K

2 Pabs Áp suất khí quyển 101325 Pa

3 a Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước 1,08 m

4 b Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau 1,62 m

5 g Gia tốc trọng trường 9,81 m/s2

6 Vw Vận tốc của gió 0 m/s

7 Vd Dung tích xy lanh 0,0015 m3

8 BrkPrsMax Áp suất phanh cực đại 5000000 Pa

9 Ns Số pin mắc nối tiếp 168

10 BattCapInit Dung lượng ắc quy ban đầu 6,5*0,6 Ah

11 Vinit Điện áp đầu ra của ắc quy 201,6 V

12 Plimit Công suất giới hạn của bộ tiết lưu 36400 W 13 Vinitcvt Điện áp đầu vào cực đại của tiết lưu 650 V

14 eff Hiệu suất của bộ tiết lưu 98 %

15 Mottrqmax Mo men xoắn cực đại của motor 400 Nm

16 Motpwrmax Công suất cực đại của motor 50000 W

17 Gentrqmax Mo men xoắn cực đại của máy phát 160 Nm 18 Genpwrmax Công suất cực đại của máy phát 30000 W

19 Nr1 Số răng bánh răng vòng ngoài 78

20 Np1 Số răng bánh răng hành tinh 23

21 Ns1 Số rắng bánh răng mặt trời 30

22 RWheel Bán kính tính toán của bánh xe 0,31075 m

23 m Khối lượng của xe 1360 Kg

24 SOCmin Hệ số nạp thấp nhất để motor hoạt động 50 25 SOCtarget Hệ số nạp mục tiểu motor hoạt động 80

3.5. Các kết quả mô phỏng

Mô tả quá trình hoạt động của mô phỏng: khối chế độ lái xe sẽ nhận tín hiệu tốc độ từ chu trình thử nghiệm và tốc độ thực tế. Hai tín hiệu trên sẽ được so sánh và khối chế độ lái xe sẽ cho ra tín hiệu của bàn đạp phanh hoặc bàn đạp ga. Bộ phận điều khiển động cơ sẽ nhận tín hiệu bàn đạp ga để điều khiển động cơ đốt trong cho ra mô men xoắn của động cơ. Ngoài ra, tín hiệu bàn đạp ga còn được sử dụng trong khối HCM (Hybrid control model), để xem xét xe sẽ chạy ở chế độ EV hay HEV. Bộ phận điều khiển hệ thống phanh nối tiếp sẽ nhận tín hiệu bàn đạp phanh để thực hiện quá trình giảm tốc, từ đó sẽ cho ra kết quả mô men phanh thu hồi và momen phanh thủy lực. Mô men xoắn của động cơ sẽ được truyền cho hệ thống truyền lực, từ đó dẫn động các bánh xe chủ động. Đối với mô men phanh thu hồi sẽ làm quay mô tơ MG2 tạo ra được năng lượng điện nạp cho ắc quy. Các quá trình này sẽ lặp đi lặp lại liên tục cho đến khi kết thúc chu trình thử nghiệm.

Mô hình mô phỏng được thực hiện với bốn chu trình lái xe FTP 75, NEDC, US06, Artemis Rural Road nhằm đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng ở các điều kiện lái xe khác nhau như đường đô thị, nông thôn, đường cao tốc. Kết quả mô phỏng thể hiện qua các thông số: công suất của mô tơ, mô men thu hồi của mô tơ, lực phanh tại cầu chủ động, hệ số nạp SOC.

 Mô men thu hồi của mô tơ.

Hình 3.36. Mô men thu hồi của mô tơ khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

Thời gian thu hồi của motor 760,60 (s), momen thu hồi cực đại đạt 71,24 (Nm) tại giây thứ 616,3 (s), momen thu hồi trung bình trên toàn chu trình 20,83 (Nm). Momen thu hồi của chu trình có sự biến thiên lớn, các giá trị momen được phân bố khá đều do được thử nghiệm trong điều kiện thành phố.

 Lực phanh tại cầu chủ động.

Hình 3.37. Lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

Vì đây là chu trình thử nghiệm xe chạy trong điều kiện thành phố nên phanh được sử dụng liên tục, trong đó lực phanh cực đại của phanh thủy lực là 2246,88 (N), phanh tái sinh là 1975,276 (N). Giữa 2 phanh có sự kết hợp hài hòa với nhau, khi chúng ta đạp phanh, momen phanh thủy lực và momen phanh tái sinh được sinh ra vừa đảm bảo hiệu quả phanh tối ưu vừa đảm bảo hiệu quả thu hồi năng lượng.

 Hệ số nạp SOC.

Hình 3.38. Hệ số nạp khi được mô phỏng theo chu trình FTP 75

Hệ số nạp ban đầu 60, cực đại 61,55, cực tiểu 51,93. Hệ số nạp khi kết thúc chu trình là 57,13. Hệ số nạp trong chu trình không có dao động lớn do ắc quy được nạp xả liên tục.

 Công suất mô tơ.

Hình 3.39. Kết quả công suất mô tơ khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

Công suất kéo của motor là phần nằm phía trên lớn hơn 0, có giá trị cực đại đạt