- i: Hệ số sử dụng của tải Các phụ tải hoạt động không liên tục được
3.1.2 Mơ hình động cơ điện
Để mô phỏng chắnh xác được hoạt động của động cơ điện một chiều không chổi than BLDC như phần 2.1.3 đã lựa chọn, ta cần xây dựng các khối điều khiển động cơ, khối dòng pha, khối sức điện động, Ầ rất phức tạp và nằm ngoài khối lượng nghiên cứu của đề tài. Với yêu cầu cần mô phỏng được đặc tắnh mô men đầu ra khi công suất điện đầu vào thay đổi, phù hợp với điều kiện chuyển động của xe; tác giả đã mô phỏng đường đặc tắnh ngồi của động cơ sau đó xây dựng thuật tốn mơ men đầu ra. Mơ hình động cơ điện cũng tắnh tốn cường độ dịng điện yêu cầu cung cấp thông qua điện áp thực tế của ắc quy.
3.1.2.1 Xây dựng đường đặc tắnh ngoài
Từ phần 2.1.4.1 xây dựng đường đặc tắnh ngoài của động cơ điện BLDC, ta biết rằng mô men tối đa Tmax của động cơ điện là hàm đơn giản của tốc độ góc. Trong hầu hết các trường hợp, khi tốc độ góc nhỏ, mơ men là tối đa và không đổi, khi tốc độ động cơ đạt đến giá trị đủ lớn ωc thì mơ men giảm. Trong động cơ một chiều có chổi than và khơng có chổi than, mơ men giảm tuyến tắnh khi tốc độ tăng; mô men xoắn giảm nhưng cơng suất hầu như khơng thay đổi.
SĐ Đ
Hình 3.4: Đặc tắnh cơng suất, mô men động cơ điện một chiều
Sơ đồ thuật toán xây dựng đặc tắnh ngồi theo mơ men như Hình 3.4.
- Khi tốc độ góc của roto động cơ nhỏ hơn tốc độ quay chuyển đổi ω ≤ ωc,mô men động cơ đạt giá trị lớn nhất Tc = Tmax;
- Khi tốc độ góc của roto động cơ lớn hơn tốc độ quay chuyển đổi ω > ωc thì mơ men động cơ tỷ lệ nghịch với tốc độ góc roto ;
Hinh 3.4: Sơ đồ thuật tốn xây dựng đường đặc tắnh động cơ điện
Các điều kiện này được mô phỏng bằng khối ỘCharacteristic line SwitchỢ như trong Hình 3.6.
3.1.2.2 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 như khi xe chạy ổn định ở vùng tốc độ thấp, mô men phát ra phải phù hợp với đặc tắnh tải. Do đó ta phải xây dựng thuật tốn lựa chọn mô men đầu ra như Hình 3.5.
- Khi mơ men yêu cầu lớn hơn hoặc bằng mô men đặc tắnh của động cơ Tr ≥ Tc
thì mơ men phát ra chắnh là mơ men đặc tắnh T = Tc;
S
Đ ω ≤ ωc
- Khi mô men yêu cầu nhỏ hơn mô men đặc tắnh của động cơ Tr< Tc, mô men phát ra chỉ bằng mô men yêu cầu T = Tr;
Hình 3.5: Sơ đồ thuật tốn lựa chọn mơ men đầu ra
Trong đó:
Tr: mơ men u cầu, [Nm].
Tc: mơ men đặc tắnh ngồi của động cơ, [Nm].
Các điều kiện này được mô phỏng bằng khối ỘChoice Torque SwitchỢ như trong Hình 3.6.
S
Đ T ≥ Tc
Hình 3.6: Mơ hình động cơ điện một chiều khơng chổi than.
Như vậy chỉ cần biết các thông số đặc tắnh động cơ, tốc độ góc động cơ, mơ men yêu cầu, điện áp ắc quy và các thuật tốn mơ men, ta xác định được chắnh xác mô men xoắn động cơ phát ra và cường độ dòng điện yêu cầu ắc quy cần cung cấp. Mơ hình động cơ điện một chiều khơng chổi than như trên Hình 3.6.
Tham số để mơ phỏng mơ hình động cơ điện một chiều khơng chổi than gồm: mơ men lớn nhất (Tmax), vận tốc góc tại đó mơ men bắt đầu bị thay đổi ( ). Tắn hiệu đầu vào gồm: mô men yêu cầu (require Torque), vận tốc góc của roto động cơ (omega motor), điện áp ắc quy (Votage). Tắn hiệu đầu ra là mô men động cơ điện phát ra (Torque), cường độ dòng điện yêu cầu (require current).
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 tương đương. Mạch tương này khơng mơ hình hóa trực tiếp các đặc tắnh hóa học bên trong bình ắc quy chì Ờ axit; mạch tương đương được thiết lập theo kinh nghiệm gần đúng với hoạt động của ắc quy. Cấu trúc này bao gồm 2 nhánh: nhánh chắnh mô tả cho hoạt động chắnh của ắc quy, nhánh kắ sinh mô tả phản ứng của ắc quy tại thời điểm điện thế ắc quy cao.
[Nhánh kắ sinh] [Nhánh chắnh]
Im
Ip
Hình 3.7: Mạch tương đương ắc quy
Mạch tương đương mô tả một ngăn pin trong ắc quy. Điện thế đầu ra phải nhân với 24 (số lượng ngăn pin) để có mơ hình 48V phục vụ xe điện trong đề tài. Trong Hình 3.15, số lượng ngăn pin đã được đưa vào trong khối Gain với giá trị ỘnsỢ.
Mỗi phần tử mạch tương đương là nền tảng xây dựng các phương trình phi tuyến bao gồm tham số và biến. Các tham số trong phương trình là các hằng số xác định theo kinh nghiệm. Các biến bao gồm: nhiệt độ dung dịch bình ắc quy, dung lượng, điện áp và cường độ dịng điện tại nút mạch. Các phương trình tắnh tốn được mô tả trong các phần sau.
3.1.3.1 Điện áp nhánh chắnh
Phương trình (3.7) tắnh tốn sức điện động trong (Emf) hay điện áp mạch hở của một pin. Giá trị suất điện động trong được đo tại hai đầu cực khi chưa có phụ tải. Do đó, suất điện động này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái nạp SOC của ắc quy.
Việc tắnh toán được thực hiện bên trong khối ỘCompute EmỢ ở Hình 3.8.
(3.7) Trong đó:
Em: Điện thế mạch hở (EMF) [V];
Em0: Điện thế mạch hở khi ắc quy được sạc đầy [V]; KE: Hằng số[V/ồC];
θ: Nhiệt độ dung dịch điện phân [ồC]; SOC: Trạng thái nạp ắc quy;
Từ phương trình (3.7) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mơ hình mơ phỏng điện áp nhánh chắnh như trên Hình 3.8.
Hình 3.8: Mơ hình mơ phỏng điện áp nhánh chắnh
3.1.3.2 Điện trở đầu cực R0
Phương trình tắnh (3.8) tốn điện trở đầu cực,. Đây chắnh là điện trở của các xương bản cực hợp kim chì. Điện trở này có giá trị gần như là hằng số tại tất cả trạng thái nhiệt và trạng thái nạp. Việc tắnh tốn được thực hiện bên trong khối ỘCompute R0Ợ ở Hình 3.9
(3.8) Trong đó:
R0: Điện trở đầu cực [Ω]; R00: Giá trị R0 tại SOC = 1, [Ω]; A0: Hằng số. A0 = -0,6;
SOC: Trạng thái nạp ắc quy;
Từ phương trình (3.8) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mơ hình mơ phỏng điện trở đầu cực như trên Hình 3.9.
3.1.3.3 Điện trở nhánh chắnh R1
Phương trình (3.9) tắnh tốn điện trở trong nhánh chắnh của ắc quy. Điện trở này là của các vật liệu hoạt tắnh nằm trên các xương cực. Giá trị điện trở phụ thuộc vào điện lượng còn lại theo dịng điện phóng DOC - là một thơng số điều chỉnh điện lượng ắc quy cho dịng phóng. Điện trở này tăng theo hàm mũ khi ắc quy trong q trình phóng điện. Việc tắnh tốn được thực hiện bên trong khối ỘCompute R1Ợ Hình 3.10.
(3.9) Trong đó:
R1: Điện trở nhánh chắnh [Ω]; R10: Hằng số [Ω];
DOC: Điện lượng còn lại theo dịng phóng;
Từ phương trình (3.9) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mơ hình mơ phỏng điện trở nhánh chắnh khi phóng như trên Hình 3.10.
Hình 3.10: Mơ hình mơ phỏng điện trở nhánh chắnh khi phóng
3.1.3.4 Dịng điện ký sinh
Phương trình (3.10) tắnh tốn dịng điện ký sinh tổn hao khi ắc quy được 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 trường hợp ắc quy ở trạng thái nạp SOC cao. Việc tắnh toán được thực hiện bên trong khối ỘCompute IpỢ
(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 [ồC ]. θf: Nhiệt đóng băng dung dịch bình ắc [ồC].
Từ phương trình (3.10) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mơ hình mơ phỏng điện trở nhánh chắnh khi nạp như trên Hình 3.11.
Hình 3.11: Mơ hình mơ phỏng dịng điện ký sinh
3.1.3.5 Điện lượng và dung lượng
Khối ỘCharge and CapacityỢ Hình 3.12 theo dõi dung lượng ắc quy, trạng thái điện lượng và điện lượng theo dịng phóng. Dung lượng được xác định lượng lớn nhất q trình sạc mà ắc quy có thể lưu trữ. Trạng thái điện lượng SOC được xác định bằng tỉ lệ giữa giá trị điện lượng trên dung lượng ban đầu. Điện lượng theo dịng phóng
DOC được xác định qua tỷ số điện lượng ắc quy trên dung lượng có ắch, bởi vì dung
lượng có ắch giảm khi dịng điện phóng tăng. Các phương trình theo dõi dung lượng
SOC và DOC như sau:
a. Dung lượng phóng
Phương trình (3.11) theo điện lượng thốt ra trong q trình ắc quy hoạt động. Dung lượng của ắc quy tắnh bằng tắch phân đơn giản theo dịng điện.
(3.11) Trong đó:
Qe: Nhiệt thốt ra trong q trình nạp, [A-s]; Im: Dịng điện nhánh chắnh, [A];
τ: Biến thời gian lấy tắch; t: Thời gian mô phỏng, [s];
b. Tổng dung lượng C
Phương trình (3.12) tắnh tốn dung lượng ắc quy dựa trên dịng điện phóng và nhiệt dung dịch bình ắc quy. Tuy nhiên sự phụ thuộc dung lượng phụ thuộc vào dịng điện chỉ trong q trình phóng. Trong q trình nạp, dịng điện phóng được thiết lập về khơng trong phương trình (3.12) cho kết quả tắnh tốn tổng dung lượng.
Ắc quy ô tô được kiểm tra trong suốt một phạm vi rộng nhiệt môi trường. Các kết quả thắ nghiệm trên tồn bộ phạm vi kiểm tra dịng cho thấy dung lượng ắc quy đã bắt đầu giảm tại nhiệt độ trên khoảng 60ồC. Bảng tra cứu (LUT) biến số Kt trong phương trình (3.12) được sử dụng để thực nghiệm mơ hình phụ thuộc nhiệt độ của dung lượng ắc quy.
(3.12)
Trong đó:
Kc: Hằng số;
C0*: Dung lượng không tải tại nhiệt độ 0ồC[As];
Kt: Hằng số phụ thuộc của nhiệt độ. Thông số kinh nghiệm này được tra qua
bảng LUT (phụ lục);
θ: Nhiệt độ dung dịch bình ắc [ồC]; I: Cường độ dòng điện [A];
I*: Cường độ dòng điện danh nghĩa [A]; δ: Hằng số;
c. Trạng thái điện lượng SOC, điện lượng theo dịng phóng DOC
Phương trình (3.13) tắnh toán SOC và DOC bằng tỷ số của biến điện lượng trên tổng dung lượng ắc quy. Trạng thái điện lượng SOC được xác định bằng tỷ số điện lượng còn lại. Điện lượng theo dịng phóng DOC tắnh theo tỷ số của điện lượng có ắch cịn lại, điện lượng này được cho bởi cường độ dịng điện phóng trung bình. Cường độ dịng phóng lớn hơn làm điện lượng của ắc quy hao hụt nhanh hơn, vì vậy DOC ln nhỏ hơn hoặc bằng SOC.
(3.13)
Trong đó:
SOC: Trạng thái điện lượng ăc quy;
DOC: Trạng thái điện lượng theo dịng phóng; Qe: Q trình nạp ắc [As];
C: Dung lượng ăc [As];
θ: Nhiệt độ dung dịch bình ắc [ồC];
Iavg: Cường độ dịng phóng trung bình [A];
d. Cường độ dịng điện trung bình ước lượng
Trong q trình q độ Cường độ dịng điện trung bình được dự tắnh trong cơng thức (3.14).
(3.14) Trong đó:
Iavg: Cường độ dịng điện phóng có nghĩa [A]; Im: Cường độ dịng điện mạch trong [A]; τ1: Hằng số thời gian [s];
Từ các phương trình từ (3.11) đến (3.14) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mơ hình mơ phỏng khối dung lượng như trên Hình 3.12.
Hình 3.12: Mơ hình dung lượng ắc quy
3.1.3.6 Mơ hình nhiệt
Phương trình (3.15) được 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 trường. 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 [ồC]; θa: Nhiệt độ môi trường [ồC];
θinit : Nhiệt độ ban đầu bình ắc [ồC], giả thiết bằng nhiệt độ mơi trường xung
quanh;
Ps Năng lương mất tổn hao trên R0và R2 [W]; Rθ : Hệ số truyền nhiệt đối lưu, [ồC/W]; Cθ : Nhiệt dung nhiệt [J/ồC];
τ: Biến thời gian tắch phân; t: Thời gian mơ phỏng [s];
Từ phương trình (3.15) sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mơ hình nhiệt độ ắc quy như trên Hình 3.13.
3.1.3.7 Khối tắnh tốn mạch
Khối mơ hình này sử dụng kết quả tắnh tốn phần tử mạch, kết hợp các công thức cơ bản mạch điện để đưa ra tắn hiệu điện áp, cường độ dịng điện, cơng suất, Ầ cần thiết. Tắn hiệu đầu vào là suất điện động mạch hở (Em), điện trở nhánh chắnh (R1), điện trở đầu cực (R0), cường độ dòng điện dòng kắ sinh (Ip), cường độ dịng điện mạch ngồi (I). Tắn hiệu đầu ra gồm điện áp mạch ngoài (V), điện áp nhánh kắ sinh (Vpn), công suất nhiệt hao phắ (Ps), cường độ dòng điện mạch chắnh (Im).
Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta xây dựng được mơ hình nhiệt độ ắc quy như trên Hình 3.14.
Sơ đồ cấu trúc tổng thể mơ hình ắc quy được thể hiện trên Hình 3.15, bao gồm 7 khối chắnh đã được trình bày ở các phần trên. Tắn hiệu đầu vào gồm: nhiệt độ môi trường (ambient temp), cường độ dòng điện yêu cầu (require current). Tắn hiệu đầu ra gồm: điện áp ắc quy (Votage), nhiệt độ bình ắc quy (temp battery) và các trạng thái điện lượng của ắc quy (DOC_SOC).
Hình 3.15. Mơ hình mơ phỏng ắc quy chì - axit
3.1.4 Mơ hình điều khiển động cơ điện
Mục đắch nhằm biến đổi tắn hiệu vị trắ tay ga thành tắn hiệu mô men yêu cầu động cơ phát ra. Đo đó đồ án 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 như trên Hình 3.16.
Hình 3.16: Mơ hình điều khiển động cơ điện
Tham số động cơ điện một chiều gồm: mô men lớn nhất (Tmax), thời gian trễ (Tau2). Tắn hiệu đầu vào là vị trắ bàn đạp ga (pedal position). Tắn hiệu đầu ra là mô men yêu cầu (require Torque).
3.1.5 Mơ hình truyền động xe điện
Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống được đề xuất như 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 tương ứng trong Hình 3.17.
Hình 3.17: Mơ hình mơ phỏng hệ thống truyền động xe điện
Sau khi xây dựng mơ hình hệ thống truyền động xe điện trên Matlab Simulink, đồ án xây dựng các phương án khảo sát nhằm đánh giá khả năng làm việc của xe với nhu cầu của người sử dụng. Do đó, tác giả đã đề xuất khảo sát theo 3 phương 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.
Dựa vào kết quả của các đề tài xe điện đã thực hiện trước 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:
Bảng 3.1 Tham số mô phỏng truyền động xe
Khối Thông số Giá trị Đơn vị Khối
Thông số Giá trị Đơn vị Ắc quy Dung lượng 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 0.00083 9 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
Motor control Motor model Battery model Vehicle model Pin Trq T ω toa DOC/SOC/ V/taq/ V v/ ω/a ns 24
Các tham số được nhập vào chương trình qua file Ộdata_EVM.mỢ được mô tả trong trang đắnh kèm.