Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVL-

L ời cam đoan

2.4. Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVL-

AVL-Cruise

Phần mềm Matlab/Simulink là phần mềm sử dụng để thiết kế, lập trình bộđiều khiển tuyến tính có thểđược áp dụng cho các phần tử trong hệ thống mô phỏng của phần mềm AVL-Cruise. Hình 2.29 thể hiện sơ đồ tổng quan liên kết giữa Matlab/Simulink và AVL-Cruise. Các thông sốnhư suất tiêu hao nhiên liệu, tốc độ

của xe, tốc độ của các nguồn động lực, độ mở bướm ga, tình trạng phát thải sẽđược

đưa vào làm thông số đầu vào cho trình điều khiển. Các thông số này sẽ được đưa

qua các bộ chuyển đổi dữ liệu đểđịnh dạng lại dữ liệu cho phù hợp, sau đó chúng sẽ được đưa qua các cổng logic để xử lý. Các tín hiệu xử lý sẽđược chuyển đến các khối làm việc như ĐCĐ hay ĐCĐT ởđầu ra, nhờ các tín hiệu này, phần mềm AVL-Cruise sẽ thực hiện được các mô phỏng với nguồn động lực hybrid[13,41,42].

2.5. Kết luận

Trên cơ sở lý thuyết về nguồn động lực và mô phỏng xe hybrid, Chương 2 đã đạt được các thành tựu sau:

- Quy trình các bướcthực hiện đề tài nghiên cứu và đánh giá một hệ động lực

hybrid.

- Xây dựng được cơ sở lý thuyết cho việc tính toán nguồn động lực cũng như tỷ lệ phân chia công suất giữa các nguồn động lực xe hybrid.

- Xây dựng được lưu đồ thực hiện luận án cũng như lưu đồ tổng quan chiến lược điều khiển nguồn động lực, nạp điện ắc quy cho xe hybrid để chuẩn bị cho các nội dung ở chương sau khi nói về các chiến lược chi tiết.

- Xây dựng được cơ sở lý thuyết tính toán cho nguồn động lực, nạp điện trong mô phỏng AVL-Cruise cho xe hybrid.

- Tìm hiểuđược hàm tính toán nhiên liệu tiêu thụ và khí thải cho nguồn động lực xe hybrid.

Hình 2.29 Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVL- Cruise

65

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ

ĐỘNG LỰC XE HYBRID

Trên cơ sở lý thuyết đã nêu ở Chương 2, Chương 3 sẽ thực hiện tính toán thiết kế hệđộng lực xe hybrid 2 chỗ ngồi, sau đó thực hiện xây dựng mô hình và mô phỏng xe hybrid trên phần mềm AVL-Cruise.

3.1. Tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid

3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid

a) Yêu cầu chung

Trong quá trình thiết kế xe truyền thống, công suất cực đại của động cơ được

xác định trên cơ sở một sốtính năng kỹ thuật của xe, ví dụ như: tính năng động lực học, tính năng khi chạy việt dã, v.v. được đặt ra khi thiết kế. Đối với xe hybrid, các nguồn động lực khác nhau cần có sự phối hợp sao cho tổng công suất cung cấp cho bánh xe chủđộng phải bằng công suất cực đại của động cơ ở xe truyền thống có tính

năng kỹ thuật tương đương, mà công suất của mỗi nguồn động lực còn phải được lựa chọn sao cho cả hệ thống làm việc với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - phát thải tốt nhất có thể.

Để thực hiện đánh giá tính khả thi của phương án phối hợp nguồn động lực giữa

ĐCĐT vàĐCĐ, cần thiết phải cóbước tính toán các nguồn động lực.

Sự cần thiết của việc quản lý năng lượng các nguồn động lực xe hybrid được

xác định là một mục tiêu quan trọng và được tính toán theo một chiến lược cụ thể

nhằm đảm bảo cho sự hoạt động liên tục và hiệu quả của hệ phối hợp.

So sánh đối chứng giữa xe sử dụng ĐCĐT trên xe truyền thống với xe hybrid nhằm đánh giá mức phát thải và tiêu hao nhiên liệu.

Chính vì những yêu cầu trên chương này sẽ tập trung thể hiện các nội dung trong quá trình tính toán xác định nguồn động lực, cũng như thực hiện thiết kế, chế tạo hệ

thống phối hợp nguồn động lực xe hybrid, lập mô hình mô phỏng xe hybrid và xe truyền thống bằng phần mềm AVL-Cruise [48,49,50], đánh giá so sánh kết quả giữa xe hybrid và xe truyền thống.

b) Thiết kế bộ kết hợp công suất

Trong mục 2.2.2.2 của Chương 2, NCS đã phân tích các ưu, nhược điểm của các bộ kết hợp công suất cơ bản và đã chọn bộ kết hợp công suất kiểu kết nối tốc độ

và công suất vì đây là bộ truyền cơ khí có kết cấu không phức tạp và đảm bảo được sự kết hợp linh hoạt giữa tốc độ của hai nguồn động lực [13,50,51].

Trên quan điểm mô hình hybrid được tính toán thiết kế để đánh giá khả năng

phối hợp nguồn động lực giữa ĐCĐT và ĐCĐ theo phương pháp hỗn hợp kiểu kết hợp cả tốc độ và mô men, có sử dụng bộ truyền vô cấp và ly hợp một chiều như thể

hiện trên Hình 3.1. Do vậy mô hình yêu cầu được thiết kế nhỏ gọn, thuận lợi trong việc thử nghiệm đánh giá khả năng phối hợp nguồn động lực của hệ thống ứng với

66

các giả thiết điều kiện làm việc khác nhau. Trên cơ sở lý thuyết đã nêu ở Chương 2,

nguồn động lực được tính toán cụ thểở các phần tiếp theo của chương này.

3.1.2. Tính toán xác định nguồn động lực cho xe hybrid

3.1.2.1 Các chếđộ vận hành của xe hybrid

Trên cơ sởđưa ra ở Bảng 2.2 và chiến lược phối hợp các nguồn động lực ở Chương

2, các chếđộ vận hành xe được chia ra như sau:

Chếđộ 1, tốc độ tối đa cho phép khi xe đi trong thành phố và khu vực đông dân cư là V1 = 30 (km/h), khi đó chỉcó ĐCĐ làm việc.

Chếđộ2, trường hợp có tốc độ dao động từV1đến V2 tức từ 3040 km/h, ở chế độ này, chỉ có ĐCĐT hoạt động tương ứng V2 = 40 (km/h).

Hình 3.1 Sơđồ thiết kế xe hybrid

1- ĐCĐT; 2- Bộ CVT; 3- Cảm biến tốc độ ĐCĐT; 4- Dây đai; 5- Bộ điều khiển trung

tâm; 6 –Bộ chuyển đổi; 7 –Bộ nạp ắc quy; 8 –Bộ phối hợp; 9- Ly hợp một chiều;

10- Cảm biến tốc độ trục chính; 11 –Cảm biến tốc độ ĐCĐ; 12 – Ly hợp 1 chiều; 13

67

Chếđộ 3, tốc độ khi xe chạy ở khu vực ngoại ô là V3 = 4060 (km/h), khi đó xe sử dụng phối hợp cả hai nguồn động lực.

Chế độ 4, tốc độ cực đại khi xe chạy bằng cả hai nguồn động lực ĐCĐT và ĐCĐ, tốc độVmax = 6080 km/h.

3.1.2.2 Tính toán xác định công suất hệ động lực xe hybrid

Khi xe làm việc ở Vmax, công suất nguồn động lực của xe được tính theo công

thức (2.17). Trong đó, G là khối lượng toàn bộ của xe và được tính theo công thức

(2.19):

G = (Gt + G0 + Gđcđt + Gđcđ + Gaq + Gkhác)

Theo thiết kế, G0 = 300 (kg) là khối lượng bản thân xe; Gđcđt= 35 (kg) là khối

lượng ĐCĐT;Gđcđ = 25 (kg) là khối lượng ĐCĐ;Gaq = 120 (kg) là khối lượng bình

ắc quy; Gkhác = 20 (kg) là khối lượng các thành phần khác; Gt= (m1+m2)n (kg) là tải trọng chuyên chở.

Giả thiết: m1 = 60 (kg) là trọng lượng của một người; m2 = 15 (kg) là trọng lượng hành lý của một người; n= 2 là lượng người theo thiết kế. Với thiết kế xe 2 chỗ, nên

Gt = 150 (kg). Từ các giá trị trên thay vào công thức ta có G = 650 (kg).

Diện tích cản chính diện của xe F = 0,8.B0.H. Trong đó các thông sốđược xác

định như sau: chiều rộng cơ sở của xe thiết kế là B0 = 1495 mm; chiều cao toàn bộ

của xe thiết kế là H = 1485 mm. Thay số vào công thức ta có F = 0,8.1495 .1485=1776060 (mm2). Với hệ số liên quan đến hình dạng khí động học (K) trong khoảng 0,020 ÷ 0,035 (Ns2/m4) nên ta chọn K = 0,02 (Ns2/m4).

Lực cản tổng cộng  = f  i = f với f là hệ số cản lăn của đường, f xác định theo (2.20): 2 0 1 1500 v f f   =  + 

 . Ở đây, chọn f0 = 0,018 (trong điều kiện đường nhựa tốt), Vmax= 80 (km/h) = 22 (m/s). Vậy 2 22 0, 018 1 0, 0238 1500 f =  + =     =  Vậy max 3 1 650.0, 0238.80 0, 02.1, 776.80 10,87 0,9 270 3500 eV P   =  + =   (ml) = 8,11 (kW)

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật của ĐCĐT - Piaggio 150cc

TT Đặc tính kỹ thuật Đơn vị/ký hiệu Giá trị

1 Kiểu động cơ V3ie 150cc

2 Số xi lanh/cách bố trí Kiểu i 1

3 Loại nhiên liệu xăng

4 Công suất cực đại SAE-Net kW/v/ph 8,7/7500 5 Mô men cực đại SAE-Net N.m/v/ph 12/5000

68 7 Số kỳ 4 8 Dung tích công tác cm3 154,8 9 Đường kính x Hành trình mm x mm 58,0 x 58,6 10 Pha phối khí Nạp Mở 350 BTDC 11 Đóng 850 ABDC 12 Xả Mở 800 BBDC 13 Đóng 450 ATDC 14 Hệ thống phân phối khí 3 xupáp, 2 nạp 1 xả

Trên cơ sở kết quả tính toán ở trên, ta xét thấy động cơ Piaggio 150cc với các thông số thể hiện trên Bảng 3.1 là phù hợp để lựa chọn tiến hành nghiên cứu.

3.1.2.3 Tính toán công suất ĐCĐ

ĐCĐ phát huy được vận tốc lớn nhất khi nó chạy trên đường bằng, không kéo móc, khi ấy vận tốc tối đa là 30 (km/h). Áp dụng công thức (2.17) với:

- G = 650 kg là trọng lượng toàn tải. - f = 0,018 là hệ số cản lăn của đường.

- VĐCĐ = 30 (km/h) là tốc độ cực đại của xe ở tay số truyền thẳng khi chạy trên

đường tốt, nằm ngang.

- K = 0,02 (N.s2 /m4) là hệ số cản không khí. Thay số vào công thức trên, ta tính được:

3 1 650.0, 0238.30 0, 02.1, 776.30 2, 2 0,9 270 3500 v P   =  + =   (kW) Vậy công suất ĐCĐ cần dùng là 2,2 (kW).

ĐCĐ 1 chiều sẽ cung cấp mô men kéo tốt hơn ĐCĐ xoay chiều;

ĐCĐ 1 chiều có chổi than là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ;

69

Đới với ĐCĐ một chiều dùng cho mô hình xe hybrid thì ĐCĐ một chiều không chổi than là phương án sử dụng tốt nhất về mặt công suất cũng như tính an toàn.

Công suất được chọn có Pechon>Pv như vậy với ĐCĐ có Ped = 3kW hoàn toàn phù hợp với công suất được chọn. Đồ thị đặc tính mô men, công suất theo tốc độ ĐCĐ được thể hiện trên Hình 3.2.

Bảng 3.2Thông số kỹ thuật của ĐCĐ

TT Tên Giá trị Đơn vị

1 HPM3000B BLDC Motor 2 Công suất định mức 3 kW 3 Số vòng quay định mức 3500 v/ph 4 Số vòng quay cực đại 6000 v/ph 5 Hiệu điện thế 48 V 6 Dòng điện định mức 100 A 7 Khối lượng 25 kg a) Hiệu điện thế của ĐCĐ

Nếu chọn hiệu điện thế của ĐCĐ lớn thì dòng điện chạy trong mạch và khối

lượng của ĐCĐ sẽ giảm, tuy nhiên sốlượng bình ắc quy 12V sẽtăng và phải có biện pháp bảo đảm an toàn cao [10]. Ta chọn loại ĐCĐ có hiệu điện thế U = 48V là vì:

- Sốlượng bình ắc-quy không quá nhiều, khối lượng ắc-quy tương đối nhỏ; - ĐCĐ loại 48V thuộc loại tương đối phổ biến, có thể tìm mua trên thị trường

Việt Nam;

- Thích hợp với việc sử dụng điện áp 48V (4 bình ắc quy 12V mắc nối tiếp);

b) Lựa chọn máy phát điện

70

Do được dẫn động bởi ĐCĐT và có nhiệm vụ tạo ra dòng điện cao thế cung cấp

cho động cơ điện và nạp điện cho ắc quy cũng như có chức năng như là một máy khởi

động để khởi động động cơ, vì vậy máy phát điện được chọn với các thông số thể

hiện trong Bảng 3.3.

3.1.2.4 Tính toán xác định công suất của ĐCĐT

Theo công thức (2.18) ở Chương 2 với PĐCĐ = 3kW, Ptong = 8,7kW thì HF được

tính như sau:

𝐻𝐹 = 𝑃Đ𝐶Đ

𝑃Đ𝐶Đ+𝑃Đ𝐶Đ𝑇 =𝑃 3

𝑡𝑜𝑛𝑔=8,73 = 0,35

Với HF = 0,35 thì PĐCĐT = 5,7kW.

Dựa theo mục 3.1.2.2, ĐCĐT có Vmaxđược tạo dựng như Hình 3.3. Hình 3.3 thể

hiện mối quan hệ giữa tốc độ, mô men và tiêu hao nhiên liệu của ĐCĐT, có thể thấy dải tốc độ có suất tiêu hao nhiên liệu thấp và mô men cao nhất là dải tốc độ từ 4000

 6000 v/ph. Dải tốc độ này là vùng làm việc tối ưu của ĐCĐT. Tuy nhiên, ở tốc độ

3000 v/ph, với các chếđộ làm việc có mô men thấp thì lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng ở mức thấp, trong khoảng từ 250  340 g/kWh. Vì vậy, dải tốc độ từ 3000  4000 v/ph có thểđược sử dụng ở các chế độ không cần công suất cao mà vẫn có thể đạt suất tiêu hao nhiên liệu thấp. Vậy ĐCĐT sẽ có dải làm việc từ 3000  6000 v/ph, ở

các chếđộ cần công suất và tốc độ cao thì ĐCĐT có thể làm việc ở ngoài vùng làm việc tối ưu đểưu tiên cho công suất đầu ra của xe hybrid.

Như vậy dựa vào phân tích trên thì ĐCĐT dùng cho xe hybrid được chọn là động cơ Piaggio 150cc làm việc tại vùng có n = 3000  6000 v/ph có P = 2,8  6,3 kW; M = 9,6  11,7 Nm.

Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật của máy phát điện

STT Máy phát điện

1 Máy phát điện ô tô Toyota Vios

2 Công suất định mức 14V- 50A

3 Tốc độ vòng quay 18003000 v/ph

4 Công suất 1500 W

71

Hình 3.3Đồ thị 3D mối quan hệ giữa tốc độ, Me và ge của ĐCĐT

3.1.2.5 Xác định các thông số cho ắc quy

Dung lượng của ắc quy được xác định như sau: Qp I tp. p P tp U

  = =    .

Trong đó: Qp là dung lượng của ắc quy (A.h); Iplà dòng điện phóng (A); tp là thời gian phóng (h); P là công suất ĐCĐ (W).

Ta chọn sơ bộ khi xe chạy được 100 km thì sẽ hết bình xăng ứng với công suất lớn nhất của xe mà xe chạy trong thành phố với vận tốc 30  40 km/h nên số giờ chạy hết bình xăng ít nhất chọn là 2,5h. Công suất ĐCĐ là P = 3 kW: . p p p p P Q I t t U   = =    = (3000/48).2,5= 156,25 (Ah)

Do xe có công suất nhỏ do vậy ta chọn ắc quy 12 (V), dung lượng 100 (Ah), và thời gian xe chạy khi ĐCĐ hoạt động thực tếđược 1,6h và phải đảm bảo nguồn điện cung cấp cho xe gồm 4 bình 12 (V) mắc nối tiếp nhau.

72

3.2. Chiến lược điều khiển các nguồn động lực trên xe hybrid

3.2.1 Chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid

3.2.1.1 Chọn các khoảng tốc độ

Dựa trên chiến lược phối hợp tổng quan các nguồn động lực trên xe hybrid đã được nêu ra ở phần 2.2.4.1 và Hình 2.13, NCS tiến hành xây dựng chiến lược phối hợp chi tiết các nguồn động lực trên xe hybrid. Căn cứ theo tiêu chuẩn TCVN 4054: 2005 (Bảng 2.2) quy định vận tốc tối đa của xe cơ giới trên đường bộvà đường đặc tính của các nguồn động lực, NCS chọn các khoảng tốc độkhác nhau đểđưa ra chiến

lược phối hợp các nguồn động lực như sau:

- Khoảng 1: Vxe = 0 (km/h) là chếđộ không tải.

-Khoảng 2: Vxe nằm trong khoảng từ0 đến 30 km/h là vùng vận tốc thấp nằm ngoài vùng làm việc có suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải thấp của ĐCĐT,

là vận tốc xe thấp đi trong nội đô tương ứng với V1 ở phần Chương 2.

-Khoảng 3: Vxe nằm trong khoảng từ30 đến 40 km/h là vùng vận tốc trung bình và nằm trong vùng làm việc có suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải thấp của

ĐCĐT, là vận tốc xe cao đi trong nội đô.

-Khoảng 4: Vxe nằm trong khoảng từ 40 đến 60 km/h là vùng vận tốc cao và nằm trong vùng làm việc có suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải thấp của

ĐCĐT, là vận tốc xe đi ở vùng thưa dân cư và ngoại ô tương ứng với V3 ở

phần Chương 2.

-Khoảng 5: Vxe nằm trong khoảng từ60 đến 80 km/h là vùng vận tốc rất cao và nằm ngoài vùng làm việc có suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải thấp của

ĐCĐT, là vận tốc xe đi trên cao tốc, quốc lộtương ứng với Vmaxở phần Chương

2.

Trong các chiến lược được đềra dưới đây, giả thiết rằng tải trọng của xe không

73

3.2.1.2 Xây dựng chiến lược chi tiết phối hợp các nguồn động lực