d. Dịng điện ký sinh
Phƣơng trình (3.10) tính tốn dịng điện ký sinh tổn hao khi ắc quy đƣợc sạc. Dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch ắc quy và điện thế tại nhánh ký sinh. Dòng điện này rất nhỏ trong hầu hết các điều kiện, ngoại trừ trong trƣờng hợp ắc quy ở trạng thái nạp SOC cao. Việc tính tốn đƣợc thực hiện bên trong khối
40
(3.10)
Trong đó:
Ip: Dịng điện tổn hao trong nhánh ký sinh. [A] VPN: Điện áp nhánh ký sinh [V].
Gp0: Hằng số [s].
τp: Hằng số thời gian [s].
VP0: Hằng số [V]. Ap: Hằng số.
θ: Nhiệt dung dịch bình ắc quy [°C ]. θf: Nhiệt đóng băng dung dịch bình ắc [°C].
Từ phƣơng trình (3.10) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng đƣợc mơ hình mơ phỏng điện trở nhánh chính khi nạp nhƣ trên Hình 3.12.
41
e. Điện lƣợng và dung lƣợng
Khối “Charge and Capacity” Hình 3.13 theo dõi dung lƣợng ắc quy, trạng thái điện lƣợng và điện lƣợng theo dịng phóng. Dung lƣợng đƣợc xác định lƣợng lớn nhất q trình sạc mà ắc quy có thể lƣu trữ. Trạng thái điện lƣợng SOC đƣợc
xác định bằng tỉ lệ giữa giá trị điện lƣợng trên dung lƣợng ban đầu. Điện lƣợng theo dịng phóng DOC đƣợc xác định qua tỷ số điện lƣợng ắc quy trên dung lƣợng có ích, bởi vì dung lƣợng có ích giảm khi dịng điện phóng tăng. Các phƣơng trình theo dõi dung lƣợng SOC và DOC nhƣ sau:
Dung lƣợng phóng
Phƣơng trình (3.11) theo điện lƣợng thoát ra trong quá trình ắc quy hoạt động. Dung lƣợng của ắc quy tính bằng tích phân đơn giản theo dịng điện.
(3.11) Trong đó:
Qe: Điện lƣợng thốt ra trong q trình phóng, [A-s]; Im: Dịng điện nhánh chính, [A];
τ: Biến thời gian lấy tích phân; t: Thời gian mô phỏng, [s];
Tổng dung lƣợng C
Phƣơng trình (3.12) tính tốn dung lƣợng ắc quy dựa trên dịng điện phóng và nhiệt dung dịch bình ắc quy. Tuy nhiên sự phụ thuộc dung lƣợng phụ thuộc vào dịng điện chỉ trong q trình phóng. Trong q trình nạp, dịng điện phóng đƣợc thiết lập về khơng trong phƣơng trình (3.12) cho kết quả tính tốn tổng dung lƣợng.
Ắc quy ô tô đƣợc kiểm tra trong suốt một phạm vi rộng nhiệt mơi trƣờng. Các kết quả thí nghiệm trên tồn bộ phạm vi kiểm tra dòng cho thấy dung lƣợng ắc quy đã bắt đầu giảm tại nhiệt độ trên khoảng 60°C. Bảng tra cứu (LUT) biến số Kt trong phƣơng trình (3.12) đƣợc sử dụng để thực nghiệm mơ hình phụ thuộc nhiệt độ của dung lƣợng ắc quy.
(3.12)
Trong đó:
42
C0*: Dung lƣợng không tải tại nhiệt độ 0°C[As];
Kt: Hằng số phụ thuộc của nhiệt độ. Thông số kinh nghiệm này đƣợc tra qua
bảng LUT (phụ lục);
θ: Nhiệt độ dung dịch bình ắc [°C]; I: Cƣờng độ dòng điện [A];
I*: Cƣờng độ dòng điện danh nghĩa [A]; δ: Hằng số;
Trạng thái điện lƣợng SOC, điện lƣợng theo dịng phóng DOC
Phƣơng trình (3.13) tính tốn SOC và DOC bằng tỷ số của biến điện lƣợng trên tổng dung lƣợng ắc quy. Trạng thái điện lƣợng SOC đƣợc xác định bằng tỷ số điện lƣợng còn lại. Điện lƣợng theo dịng phóng DOC tính theo tỷ số của điện lƣợng có ích cịn lại, điện lƣợng này đƣợc cho bởi cƣờng độ dịng điện phóng trung bình. Cƣờng độ dịng phóng lớn hơn làm điện lƣợng của ắc quy hao hụt nhanh hơn, vì vậy DOC ln nhỏ hơn hoặc bằng SOC.
(3.13)
Trong đó:
SOC: Trạng thái điện lƣợng ăc quy;
DOC: Trạng thái điện lƣợng theo dịng phóng; Qe: Q trình nạp ắc [As];
C: Dung lƣợng ăc [As];
θ: Nhiệt độ dung dịch bình ắc [°C];
Iavg: Cƣờng độ dịng phóng trung bình [A];
Cƣờng độ dịng điện trung bình ƣớc lƣợng
Trong q trình q độ Cƣờng độ dịng điện trung bình đƣợc dự tính trong cơng thức (3.14).
(3.14)
Trong đó:
Iavg: Cƣờng độ dịng điện phóng có nghĩa [A]; Im: Cƣờng độ dịng điện mạch trong [A];
43
τ1: Hằng số thời gian [s];
Từ các phƣơng trình từ (3.11) đến (3.14) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng đƣợc mơ hình mơ phỏng khối dung lƣợng nhƣ trên Hình 3.13.
Hình 3.13. Mơ hình dung lƣợng ắc quy g. Mơ hình nhiệt g. Mơ hình nhiệt
Khối “Themal Model” trong Hình 3.14 theo dõi nhiệt độ dung dịch bình ắc quy. Phƣơng trình (3.15) đƣợc mơ hình hóa để đánh giá nhiệt độ dung dịch bình ắc quy, do tổn thất trên điện trở trong và nhiệt tỏa ra mơi trƣờng. Mơ hình nhiệt bao gồm một phép tốn vi phân, các tham số điện trở và điện dung nhiệt.
(3.15) Trong đó:
θ: Nhiệt độ bình ắc quy [°C]; θa: Nhiệt độ môi trƣờng [°C];
44
quanh;
Ps Năng lƣơng mất tổn hao trên R0và R1 [W]; Rθ : Hệ số truyền nhiệt đối lƣu, [°C/W]; Cθ :Nhiệt dung nhiệt [J/°C];
τ: Biến thời gian tích phân; t: Thời gian mô phỏng [s];
Từ phƣơng trình (3.15) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng đƣợc mơ hình nhiệt độ ắc quy nhƣ trên Hình 3.14.
Hình 3.14. Mơ hình nhiệt ắc quy
h. Khối tính tốn mạch điện
Khối mơ hình này sử dụng kết quả tính tốn phần tử mạch, kết hợp các cơng thức cơ bản mạch điện để đƣa ra tín hiệu điện áp, cƣờng độ dịng điện, cơng suất, … cần thiết. Tín hiệu đầu vào là suất điện động mạch hở (Em), điện trở nhánh chính (R1), điện trở đầu cực (R0), cƣờng độ dịng điện dịng kí sinh (Ip), cƣờng độ dịng điện mạch ngồi (I). Tín hiệu đầu ra gồm điện áp mạch ngoài (V), điện áp nhánh kí sinh (Vpn), cơng suất nhiệt hao phí (Ps), cƣờng độ dịng điện mạch chính (Im).
45
Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng đƣợc mơ hình nhiệt độ ắc quy nhƣ trên Hình 3.15.
Hình 3.15. Mơ hình khối tính tốn mạch điện
Sơ đồ cấu trúc tổng thể mơ hình ắc quy đƣợc thể hiện trên Hình 3.15, bao gồm 7 khối chính đã đƣợc trình bày ở các phần trên. Tín hiệu đầu vào gồm: nhiệt độ môi trƣờng (ambient temp), cƣờng độ dịng điện u cầu (require current). Tín hiệu đầu ra gồm: điện áp ắc quy (Votage), nhiệt độ bình ắc quy (temp battery) và các trạng thái điện lƣợng của ắc quy (DOC_SOC).
46
Hình 3.16. Mơ hình mơ phỏng ắc quy chì - axit
3.1.4 Mơ hình điều khiển động cơ điện
Mục đích nhằm biến đổi tín hiệu vị trí tay ga thành tín hiệu mơ men u cầu động cơ phát ra. Đo đó luận văn khơng đi sâu vào sự chuyển đổi trong mạch điện, mà chỉ xây dựng thuật toán đơn giản dựa vào các tham số động cơ điện nhƣ trên Hình 3.17.
Hình 3.17. Mơ hình điều khiển động cơ điện
Tham số động cơ điện một chiều gồm: mô men lớn nhất (Tmax), thời gian trễ (Tau2). Tín hiệu đầu vào là vị trí tay ga (pedal position). Tín hiệu đầu ra là mơ men yêu cầu (require Torque).
47
3.1.5 Mơ hình truyền động xe điện
Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống đƣợc đề xuất nhƣ trên Hình 3.1, đồ án xây dựng mơ hình mơ phỏng các khối nhờ phần mềm Matlab-Simulink. Mơ hình mơ phỏng hệ thống truyền động xe điện với các khối tƣơng ứng trong Hình 3.18.
48
3.2 Khảo sát và phân tích kết quả
Sau khi xây dựng mơ hình hệ thống truyền động xe điện trên Matlab Simulink, tác giả xây dựng các phƣơng án khảo sát và phân tích kết quả. Mục đích nhằm đánh giá khả năng sử dụng của xe điện hay là nghiên cứu những yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng sử dụng của xe điện. Trong phần này ta đi khảo sát :Tay ga, tốc độ di chuyển trung bình của xe, khả năng sử dụng của xe điện là quãng đƣờng xe đi đƣợc, ta sẽ đi tìm mối quan hệ đó với nhau nhƣ thế nào. Do đó, tác giả đã đề xuất khảo sát theo 3 phƣơng án sau:
- Khảo sát cách thức tăng tốc tới khả năng làm việc của xe.
- Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc tới khả năng làm việc của xe. - Khảo sát ảnh hưởng của gia tốc tới khả năng làm việc của xe.
Phƣơng án thứ nhất:
- Khảo sát cách thức tăng tốc tới khả năng làm việc của xe.
Tay ga ngƣời lái vặn theo 2 cách thức: Vặn từ từ và đột ngột, vận tốc di chuyển của xe từ thấp đến cao có khả năng ảnh hƣởng đến lƣơng điện năng tiêu thụ của ắc quy nhƣ thế nào hoặc quãng đƣờng cực đại mà xe có thể đi đƣợc là bao nhiêu. Với cách thức tăng ga khác nhau thì cƣờng độ dịng điện khác nhau nhƣ thế nào, ảnh hƣởng đến dung lƣợng thực tế của ắc quy ra sao ,với cách thức tăng ga nào tốt để đảm bảo ắc quy tiêu tốn ít điện năng mà lại có hiệu quả nhất. Do vậy ta đặt giả thiết ngƣời lái chỉ có 2 cách thức tăng ga sau: Một là, ngƣời lái tăng tốc từ từ, tăng dần đến hết tay ga (Ramp). Hai là, ngƣời lái tăng tốc vặn tay ga đột ngột tới khi hết tay ga (Step).
Tăng đột ngột ở mức lớn hay mức nhỏ, lớn nhất là 100% và nhỏ là bao nhiêu nhƣ vây trên cơ sở đó ta đƣa ra có hình thức tăng ga nhƣ sau, số lƣợng khảo sát và phƣơng án là nhƣ sau:
Ramp là ngƣời lái tăng tốc từ từ, tăng dần đến hết tay ga (Ramp) 2s đến 50s Setp là ngƣời lái tăng tốc vặn tay ga đột ngột tới khi hết tay ga (Step), tăng 20% đến 100%
49
Ta khảo sát cách thức tăng tốc theo bảng tổng hợp sau với điêu kiện dừng là khi vận tốc đạt tốc độ 40 Km/giờ dƣớ đây là 2 cách thức tăng tôc:
a b
Hình 3.19. Cách thức tăng tốc
Bảng 3.1. Bảng thông số khảo sát cách thức tăng tốc
Đầu vào
Step 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Ramp (tram)s 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Điều kiện dừng v = 40 (km/h)
Phƣơng án hai:
- Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc tới khả năng làm việc của xe.
Khi muốn tăng tốc hay giữ tại một tốc độ ổn định nào đó, ngƣời lái chỉ cần thay đổi vị trí tay ga đến khi xe đạt tốc độ mong muốn, vận tốc càng lớn thì cơng suất huy động sẽ càng lớn dẫn tới năng lƣợng tiêu hao sẽ càng nhiều.
Mục tiêu phần này nhằm khảo sát ảnh hƣởng của yếu tố vận tốc, gia tốc tới khả năng làm việc của xe. Do đó, cần xây dựng thêm một mơ hình ngƣời lái; mơ hình này chuyển đổi tín hiệu vận tốc, gia tốc mong muốn thành tín hiệu vị trí tay ga.
50
Bằng việc ứng dụng bộ điều khiển PID trong Matlab-Simulink. Ta đi tìm vùng vận tốc tối ƣu khi ma xe chuyển động, khi đó xe di chuyển đƣợc quãng đƣờng tối đa là bao nhiêu trong cùng một điều kiện lƣợng tiêu thụ điện năng là DOC= 0,5 tức là đi hết 50% của bình ắc quy,với phƣơng an khảo sát xe chạy với vận tốc từ 2Km/h, 5Km/h….39Km/h . Thời gian từ 1.026(s)….20(s) với cùng một gia tốc là 0.542(m/s2) và điều kiện dừng là DOC= 50% đƣợc tổng kết theo bảng sau:
Bảng 3.2. Bảng thông số khảo sát vận tốc Khảo sát vận tốc Khảo sát vận tốc Đầu vào v (km/h) 2 5 10 15 20 25 30 35 39 ta (s) 1.026 2.564 5.128 7.692 10.256 12.821 15.385 17.949 20 a (m/s2) 0.542
Điều kiện dừng DOC = 0.5
Phƣơng an ba:
- Khảo sát ảnh hưởng của gia tốc tới khả năng làm việc của xe.
Khảo sát gia tốc ảnh hƣởng tới tính năng làm việc của xe điện nhƣ thế nào, phƣơng thức tăng tốc nếu nhƣ tăng tốc nhanh hay tăng tốc chậm thì lƣợng điện tiêu thụ khác nhau nhƣ thế nào, khả năng tăng tốc của xe hay khả năng đáp ứng gia tốc của xe này sẽ ra sao, để nhƣ vậy xe này sẽ đƣợc tăng tốc với các mức
Gia tốc là: 0,2 (m/s2) ,0,3 (m/s2)……….1,2 (m/s2) Thời gian là: 55,56 (s) , 37,04 (s)………9,26 (s) Với điều kiệ dừng là :V= 40 (Km/giờ)
51
Bảng 3.3. Bảng thông số khảo sát gia tốc
Khảo sát gia tốc
Đầu vào
a (m/s2) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
ta (s) 55.56 37.04 27.78 22.22 18.51 15.87 13.89 12.35 11.11 10.10 9.26
Điềukiện dừng v = 40 (km/h)
Dựa vào kết quả của các đề tài xe điện đã thực hiện trƣớc đó và các kết quả thực nghiệm của tác giả Massimo Ceraolo về mô phỏng ắc quy. Tác giả lựa chọn các tham số cơ bản của xe điện 3 bánh, cụ thể có trong bảng sau:
52
Bảng 3.4. Tham số mô phỏng truyền động xe
Các tham số đƣợc nhập vào chƣơng trình qua file “data_EVM.m” đƣợc mơ tả trong trang đính kèm phụ lục
Khối Thông số Giá trị Đơn vị Khối Thông số Giá trị Đơn vị
Ắc quy Dung lƣợng 200 Ah Mơ hình xe m 1000 kg Cθ 400 J/oC igb 7.6 Rθ 0.5 W/Km^2 muygb 0.9 Kc 1.11 rw 0.25 m Δ 0.8 g 9.81 m/s^2 I* 10 A ro 1.25 kg/m^3 Θf -40 oC A 2.08 m^2 Ep 1.95 V Cd 0.45 Gp0 2.10^-11 muyrr 0.01 Vp0 0.1 V alpha 0 độ Ap 2 vmax 100/9 m/s Τp 0.5 S Mơ hình động cơ Tmax 45 Nm Em0 2.18 V omegac 125.6 rad/s Ke 0.000839 V/oC Pmax 5700 W A0 -0.2 Mơ hình điều khiển động cơ τ2 0.02 s R00 0.002 Ω R10 0.0004 Ω A21 -8 A22 -8.4 R20 0.01 Ω τ1 7200 S Ns 24
53
3.2.1 Khảo sát cách thức tăng tốc tới khả năng làm việc của xe
Trong phần này đồ án sẽ khảo sát sự hoạt động của mơ hình nhằm tìm ra ảnh hƣớng của cách thức tăng tốc tới khả năng vận hành của xe. Sử dụng mơ hình nhƣ Hình 3.18.
Hình 3.20. Mơ hình khảo sát cách thức tăng tốc xe điện
Luận văn khảo sát theo 2 cách thức tăng tốc phổ biến. Một là, ngƣời lái tăng tốc từ từ, tăng dần đến hết tay ga (Ramp). Hai là, ngƣời lái tăng tốc vặn tay ga đột ngột tới khi hết tay ga (Step). Hai cách tăng tốc này đƣợc khảo sát theo dữ liệu Bảng 3.5 và Hình 3.21 dƣới đây. Motor control Motor model Battery model Vehicle model Pin Trq T ω toa DOC/SOC/ V/taq/ V v/ ω/a
54
a b Hình 3.21. Cách thức tăng tốc
Bảng 3.5. Bảng thông số khảo sát cách thức tăng tốc
Đầu vào
Step 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Ramp (tram)s 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Điều kiện dừng v = 40 (km/h)
55
a. Khảo sát theo phƣơng án (a) tay ga dạng “Ramp”
Hình 3.22. Đồ thị khảo sát tay ga dạng “Ramp”
Nhìn vào đồ thị ta thấy, khi ngƣời lái vặn đều tay ga càng nhanh, khi đó mơ men của xe sẽ tăng dần đến một giá trị cực đại giữ mơ men đó một khoảng thời gian sau đó mơ men sẽ giảm dần , gia tốc cũng vậy lúc đầu thì tăng từ từ sau đó nó cũng tăng đến một giá trị cực đại giống nhƣ đƣờng mơ men tại đó gia tốc sẽ giữ một khoảng thời gian không đổi nhƣ trên phần bằng giá trị lớn nhất của gia tốc sau đó gia tốc sẽ giảm dần.
Nhìn vào đồ thị SOC ta thấy với thời gian thay đổi nhƣng điện lƣợng tiêu thụ gần nhƣ không thay đổi.
56
b. Khảo sát theo phƣơng án (b) tay ga dạng “Step”
Hình 3.23. Đồ thị khảo sát tay ga dạng “Step”
Nhìn trên đồ thị khi tay ga ở vị trí càng lớn thì xe đạt vận tốc yêu cầu càng nhanh và gia tốc ban đầu cũng đạt đến giá trị cực đại, điện lƣợng tiêu thụ càng ít.
57
Do vậy để đánh giá đƣợc hiệu quả của hai cách thức tăng tốc, tác giả đề xuất đánh giá qua thời gian tăng tốc của ắc quy và điện lƣợng còn lại của ắc quy SOC. SOC đƣợc xác định tại thời điểm kết thúc quá trình tăng tốc. Đồ thị dƣới đây mô tả mối liên hệ giữa thời gian tăng tốc và SOC.
Hình 3.24. Đồ thị liên hệ giữa thời gian tăng tốc và trạng thái điện lƣợng SOC
Từ đồ thị ta rất dễ nhận ra, với cùng một giá trị thời gian , điện lƣợng tiêu thụ ở hai cách thức tăng tốc là khác nhau. Nếu ngƣời lái cần tăng tốc nhanh thì vặn ga đột ngột 100% là tốt nhất.Tăng 100% là tốt hơn. Nếu muốn tăng tốc chậm thì ngƣời