Bộ phận chuyển đổi điện

Hình 3.9. Bộ chuyển đổi điện

Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc quy cao áp thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho mô tơ hoạt động hoặc biến dòng điện xoay chiều từ máy phát để nạp cho ắc quy cao áp.

3.2.4. Ắc quy cao áp.

Hình 3.10. Ắc quy cao áp trên xe Toyota Prius

Ắc quy được gắn trên xe là loại pin niken-hydrua (NiMH), thường gồm 120-250 cặp cực với điện áp chuẩn là 144-350 Votl ( 1,2 V trên cặp cực ). Được nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình phanh tái sinh năng lượng.

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của xe phục vụ cho quá trình tính toán và mô phỏng.

Các thông số cơ bản Giá trị

Khối lượng bản thân xe [Kg] 1360

Chiều dài cơ sở [mm] 2700

Chiều cao trọng tâm [mm] 500

Động cơ đốt trong Dung lích xy lanh [cc] Công suất động cơ cực đại [kW]

1497 57 (5000 rpm) Máy phát điện [MG1]

Công suất cực đại [KW] Tốc độ cực đại [rpm] Mô men xoắn cực đại [Nm]

30 10000 160 (0-1800 rpm) Động cơ điện [MG2]

Công suất cực đại [KW] Tốc độ cực đại [rpm] Mô men xoắn cực đại [Nm]

50 6000 400 (0-1200 rpm) Ắc quy NiMh

Số mô đun

Năng lượng ắc quy [kWh] Điện áp của ắc quy [V]

28 1,3 201,6 Điện áp cực đại của bộ chuyển đổi điện [V] 510

Bộ bánh răng hành tinh

(Vòng ngoài,hành tinh,mặt trời) (78/23/30)

3.3. Cơ sở lí thuyết và xây dựng mô hình thuật toán

Để có cơ sở tính toán và thiết kế các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh trước tiên ta hãy đi phân tích động lực học cũng như công suất phanh cần thiết đối với một chiếc xe khi phanh hoặc giảm tốc. Trước tiên ta đi xét phương trình động lực học tổng quát của ô tô khi chuyển động trên đường. Mô hình khảo sát là mô hình phanh ½ khi phanh xe trên đường bằng có hệ thống thu hồi năng lượng phanh kết hợp với hệ thống phanh thủy lực. Từ đó lập các hệ phương trình tính toán hệ thống phanh thủy lực thông thường, hệ thống phanh thu hồi và điều khiển hệ thống theo thuật toán. Khi đó các lực tác dụng lên xe được trình bày như trong hình 3.11.

Hình 3.11. Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh

Trong đó:

Lực Fx1 và Fx2 : Là lực dọc của bánh xe cầu trước và cầu sau.

Với lực dọc bánh xe cầu trước là : Fx1 = Fp1 + Ff1 (3.1) Và lực dọc bánh xe cầu sau là : Fx2 = Fp2 + Ff2 (3.2) Fp1 và Fp2 là lực phanh các bánh xe cầu trước và bánh xe cầu sau.

Lực pháp tuyến Z1 và Z2 : là các phản lực từ mặt đường lên các bánh xe cầu trước và cầu sau.

Lực cản gió Fω.

ω1 và ω2 là vận tốc góc của bánh trước và bánh sau. V là vận tốc của Ô tô.

Fqt là lực quán tính của Ô tô khi phanh.

 Mô men phanh bánh trước Mp1 và bánh sau Mp2. Với Mp1 = Mth + Mck1 (3.3) Mth là lực phanh của hệ thống phanh thu hồi trên cầu trước.

Mck1 là lực phanh của hệ thống phanh thủy lực trên bánh trước.

3.3.1. Tính toán động lực quá trình phanh.

Phương trình cân bằng lực kéo trong trường hợp khi phanh xe trên đường bằng: =F

G , G

.v .j +F +F +F +F

p p1 p2 f1 f2 ω

g  g (3.4) Lực cản gió Fω được tính theo công thức : Fω = w.F.v2tđ [N]

Với w là hệ số cản không khí ta chọn w = 0,36 [Ns2/m4] F là diện tích cản chính diện [m2]

vtd là vận tốc tương đối giữa Ô tô và không khí. vtđ = V ± vg vg là vận tốc gió. Chọn vận tốc gió vg = 0. Nên vtđ = V. [m/s] jp là gia tốc phanh [m/s2]

Lực cản lăn được tính theo công thức: F +F =f Z +Zf1 f2  1 2 (3.5) = j .h a p g Z m.g. + 1 L g.L         [N] (3.6) Z = m.g. b- j .hp g 2 L g.L         [N] (3.7) Trong đó: m là khối lượng của xe [kg]; g là gia tốc trọng trường [m/s2]; hg là chiều cao trọng tâm xe [m]; L là chiều dài cơ sở của ô tô [m]

 Xác định mô men quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc.

đi các lực cản gió, lực cản lăn… Lúc này mô men đặt vào bánh xe chủ động (xe cầu sau chủ động) sẽ là:

Mô men tại bánh xe chủ động = Mô men quán tính của xe – Mô men cản lăn – Mô men cản gió. ω M = M - M - Mb j f (3.8) Trong đó: M = f.m.g.rf b với rblà bán kính bánh xe [Nm] (3.9) M = w .Vω .F td2.rb [Nm] (3.10) Mj là mô men quán tính của xe được quy về bánh xe chủ động bao gồm mô men quán tính của chuyển động tịnh tiến và mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay trong hệ thống truyền lực bao gồm từ động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng và bánh xe chủ động.

j j b b i

dv M =F .r = r .m .δ

dt [Nm] (3.11)

i: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động. Hệ số i có thể xác định theo 2 cách: Đó là theo công thức thực nghiệm và theo thực nghiệm.

3.3.2. Tính toán mô hình ắc quy.

Hình 3.12. Mô hình ắc quy

Công suất sạc của ắc quy: P = -V .I

batt batt batt (3.12) Trong đó Pbatt là công suất sạc [W]

Vbatt tổngđiện áp của ắc quy Ibatt dòngđiện của mỗi mô đun.

Theo đó Vbatt và Ibatt được xác định theo công thức: 1 out batt V V s    [V] (3.13) in batt p I I N  [Ah] (3.14) τ: hằng số chuyển đổi theo thời gian [s]

Iin: dòng điện sạc [Ah]

Np: số cặp cực mắc song song

Trạng thái sạc của ắc quy được tính theo công thức: t 1 SOC= I dt batt Cap 0 batt  (3.15) Capbatt: dung lượng ban đầu của pin [Ah]

Để giảm hư hỏng cho ắc quy, công suất sạc cho ắc quy phải được giới hạn. Khi dòng điện sạc đạt cực đại Iinmax thì công suất sạc cực đại được tính theo công thức:

P =I .V -I .E

battmax inmax batt inmax m (3.16) Với Em: điện áp mở mạch của ắc quy [V]

3.3.3. 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,