Các điều kiện này đƣợc mô phỏng bằng khối “Characteristic line Switch” nhƣ trong Hình 3.7.
b. Xây dựng thuật tốn mơ men đầu ra
Trong quá trình vận hành xe, lúc xe tăng tốc hay chạy ở vùng tốc độ cao, mô men động cơ phát ra phải lớn; cũng nhƣ khi xe chạy ổn định ở vùng tốc độ thấp, mô men phát ra phải phù hợp với đặc tính tải. Do đó ta phải xây dựng thuật tốn lựa chọn mơ men đầu ra nhƣ Hình 3.6.
- Khi mơ men yêu cầu lớn hơn hoặc bằng mơ men đặc tính của động cơ Tr ≥
Tc thì mơ men phát ra chính là mơ men đặc tính T = Tc;
- Khi mô men yêu cầu nhỏ hơn mô men đặc tính của động cơ Tr< Tc, mô men phát ra chỉ bằng mô men yêu cầu T = Tr;
Hình 3.6. Sơ đồ thuật tốn lựa chọn mô men đầu ra
ω ≤ ωc Tc = Tmax Đ S T ≥ Tc T = Tc T = Tr Đ S
36
Trong đó:
Tr: mơ men u cầu, [Nm].
Tc: mơ men đặc tính ngồi của động cơ, [Nm].
Các điều kiện này đƣợc mô phỏng bằng khối “Choice Torque Switch” nhƣ trong Hình 3.7.
Hình 3.7. Mơ hình động cơ điện một chiều không chổi than.
Nhƣ vậy chỉ cần biết các thơng số đặc tính động cơ, tốc độ góc động cơ, mơ men u cầu, điện áp ắc quy và các thuật tốn mơ men, ta xác định đƣợc chính xác mơ men xoắn động cơ phát ra và cƣờng độ dịng điện u cầu ắc quy cần cung cấp. Mơ hình động cơ điện một chiều khơng chổi than nhƣ trên Hình 3.6.
Tham số để mô phỏng mơ hình động cơ điện một chiều không chổi than gồm: mô men lớn nhất (Tmax), vận tốc góc tại đó mơ men bắt đầu bị thay đổi ( ). Tín hiệu đầu vào gồm: mơ men u cầu (require Torque), vận tốc góc của roto động cơ (omega motor), điện áp ắc quy (Votage). Tín hiệu đầu ra là mơ men động cơ điện phát ra (Torque), cƣờng độ dòng điện yêu cầu (require current).
37
3.1.3 Mơ hình mơ phỏng ắc quy chì - axit
Nhiệm vụ đầu tiên trong việc mô phỏng sự làm việc của ắc quy là xây dựng một mạch tƣơng đƣơng. Mạch tƣơng này không mô hình hóa trực tiếp các đặc tính hóa học bên trong bình ắc quy chì – axit; mạch tƣơng đƣơng đƣợc thiết lập theo kinh nghiệm gần đúng với hoạt động của ắc quy. Cấu trúc này bao gồm 2 nhánh: nhánh chính mơ tả cho hoạt động chính của ắc quy, nhánh kí sinh mơ tả phản ứng của ắc quy tại thời điểm điện thế ắc quy cao.
Hình 3.8. Mạch tƣơng đƣơng ắc quy
Mạch tƣơng đƣơng mô tả một ngăn pin trong ắc quy. Điện thế đầu ra phải nhân với 24 (số lƣợng ngăn pin) để có mơ hình 48V phục vụ xe điện trong đề tài.Mỗi phần tử mạch tƣơng đƣơng là nền tảng xây dựng các phƣơng trình phi tuyến bao gồm tham số và biến. Các tham số trong phƣơng trình là các hằng số xác định theo kinh nghiệm. Các biến bao gồm: nhiệt độ dung dịch bình ắc quy, dung lƣợng, điện áp và cƣờng độ dịng điện tại nút mạch. Các phƣơng trình tính tốn đƣợc mơ tả trong các phần sau.
a. Điện áp nhánh chính
Phƣơng trình (3.7) tính tốn sức điện động trong (Emf) hay điện áp mạch hở của một pin. Giá trị suất điện động trong đƣợc đo tại hai đầu cực khi chƣa có phụ tải. Do đó, suất điện động này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái nạp SOC của ắc quy. Việc tính tốn đƣợc thực hiện bên trong khối “Compute Em” ở Hình 3.9.
I Im
Ip
38
(3.7) Trong đó:
Em: Điện thế mạch hở (EMF) [V];
Em0: Điện thế mạch hở khi ắc quy đƣợc sạc đầy [V];
KE: Hằng số[V/°C];
θ: Nhiệt độ dung dịch điện phân [°C]; SOC: Trạng thái nạp ắc quy;
Từ phƣơng trình (3.7) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng đƣợc mơ hình mơ phỏng điện áp nhánh chính nhƣ trên Hình 3.9.
Hình 3.9. Mơ hình mơ phỏng điện áp nhánh chính b. Điện trở đầu cực R0 b. Điện trở đầu cực R0
Phƣơng trình tính (3.8) tốn điện trở đầu cực,. Đây chính là điện trở của các xƣơng bản cực hợp kim chì. Điện trở này chỉ phụ thuộc theo hàm bậc nhất đối với trạng thái nạp SOC. Giá trị R0o chính là điện trở R0 ở trạng thái SOC = 1. Việc tính toán đƣợc thực hiện bên trong khối “Compute R0” ở Hình 3.10.
(3.8)
Trong đó:
R0: Điện trở đầu cực [Ω]; R00: Giá trị R0 tại SOC = 1, [Ω]; A0: Hằng số. A0 = -0,6;
39
Từ phƣơng trình (3.8) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng đƣợc mơ hình mơ phỏng điện trở đầu cực nhƣ trên Hình 3.10.
Hình 3.10. Mơ hình mơ phỏng điện trở đầu cực c. Điện trở nhánh chính R1 c. Điện trở nhánh chính R1
Phƣơng trình (3.9) tính tốn điện trở trong nhánh chính của ắc quy. Điện trở này là của các vật liệu hoạt tính nằm trên các xƣơng cực. Giá trị điện trở phụ thuộc vào điện lƣợng cịn lại theo dịng điện phóng DOC - là một thông số điều chỉnh điện lƣợng ắc quy cho dịng phóng. Điện trở này tăng theo hàm mũ khi ắc quy trong q trình phóng điện. Việc tính tốn đƣợc thực hiện bên trong khối “Compute R1” Hình 3.11.
(3.9)
Trong đó:
R1: Điện trở nhánh chính [Ω];
R10: Hằng số [Ω];
DOC: Điện lƣợng cịn lại theo dịng phóng;
Từ phƣơng trình (3.9) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng đƣợc mơ hình mơ phỏng điện trở nhánh chính khi phóng nhƣ trên Hình 3.11.
Hình 3.11. Mơ hình mơ phỏng điện trở nhánh chính khi phóng d. Dịng điện ký sinh 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 ơ tơ 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 khơng 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 toán 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 mơi 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 mơ 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 dòng điện dịng kí sinh (Ip), cƣờng độ dịng điện mạch ngồi (I). Tín hiệu đầu ra gồm điện áp mạch ngồi (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 mơi 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