CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Xác định công suất và lực phanh cần thiết
Để thiết kế và tính toán các thông số của bộ thu hồi năng lượng khi phanh, trước tiên cần phân tích động lực học và công suất phanh cần thiết cho xe Ta xem xét phương trình động lực học tổng quát của ô tô khi di chuyển trên đường, đặc biệt là khi xe đang xuống dốc với góc dốc θ và động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng, không có lực kéo tại bánh xe chủ động Các lực tác động lên xe sẽ được trình bày rõ ràng trong hình vẽ.
Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe.
Khi xe xuống dốc và ly hợp được ngắt, toàn bộ lực quán tính của xe sẽ được truyền vào bộ thu hồi năng lượng thông qua phương trình cân bằng lực kéo.
Lực cản gió (Fa) được tính bằng công thức: Fa = 0.5 * ρ * CD * (V + Vwind)^2, trong đó ρ là mật độ không khí (kg/m³), CD là hệ số cản gió, V là vận tốc của xe (m/s) và Vwind là vận tốc của gió ngược chiều với sự di chuyển của xe (m/s).
Với: Ff1, Ff2: lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]
Trong công thức tính toán, m đại diện cho khối lượng của xe (kg), g là gia tốc trọng trường (m/s²), θ là góc dốc (độ), hg là chiều cao trọng tâm của xe (m), và ha là khoảng cách từ điểm đặt lực cản gió đến mặt đường (m).
F F fmg f là hệ số cản lăn phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác nhau như:
Tính chất cơ lý và trạng thái của mặt đường, cùng với mức độ biến dạng khi bánh xe lăn, là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn.
Tải trọng tác dụng lên bánh xe là trọng lượng của bánh xe ảnh hưởng đến từng bánh Yếu tố này trực tiếp liên quan đến hệ số cản lăn, vì khi tải trọng tăng, nó làm gia tăng biến dạng của lốp và mặt đường, dẫn đến hệ số cản lăn và lực cản lăn cũng tăng theo.
Vật liệu chế tạo lốp và áp suất không khí trong lốp cũng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn
Mômen xoắn tác dụng lên bánh xe chủ động càng lớn thì hệ số cản lăn càng tăng Khi trị số mômen xoắn Mk tăng, các thớ lớp không chỉ bị biến dạng hướng kính mà còn biến dạng tiếp tuyến, dẫn đến tổn thất nội ma sát trong lốp tăng cao và làm tăng hệ số cản lăn.
Những yếu tố gây nên biến dạng riêng của bánh xe như lực ngang Fy , góc lệch bên
l và góc nghiêng của bánh xe so với mặt thẳng đứng, đều ảnh hưởng xấu đến hệ số cản lăn.
Tốc độ của xe là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn Thực nghiệm cho thấy, khi tốc độ ôtô dưới 80km/h (22m/s), hệ số cản lăn hầu như không thay đổi và được tính theo công thức tương ứng với một đoạn đường.
Khi xe di chuyển với tốc độ vượt quá 22,2 m/s (80 km/h), hệ số cản lăn sẽ tăng đáng kể do sự không kịp đàn hồi của các thớ lớp giữa bánh xe và mặt đường, dẫn đến việc chỉ một phần nhỏ năng lượng tiêu hao được phục hồi Đồng thời, khi tốc độ xe tăng, tốc độ biến dạng cũng gia tăng, làm tăng nội ma sát trong lốp Do đó, hệ số cản lăn trong trường hợp này được xác định theo công thức [37].
Với: f0 – hệ số cản lăn ứng với tốc độ chuyển động của xe v – Vận tốc chuyển động của ôtô tính theo m/s
Giá trị của f0 cho một số loại đường xem ở bảng 2.1
- Đặc biệt, trong trường hợp ôtô chuyển động trên đường nhựa bêtông và đường nhựa tốt, hệ số cản lăn còn có thể xác định theo công thức:
Bảng 2.1: Hệ số cản lăn của các loại mặt đường.
Hệ số cản lăn f0 cho các loại đường khi vận tốc ≤ 22,2 m/s (80 km/h) như sau: Đường nhựa tốt có hệ số cản thấp nhất, tiếp theo là đường nhựa bê tông, đường rải đá, đường đất khô, đường đất sau khi mưa, đường cát và cuối cùng là đất sau khi cày có hệ số cản cao nhất.
- Giả sử xe đang chuyển động với vận tốc Vt Khi xe phanh hoặc giảm tốc thì ta có phương trình cân bằng lực như sau:
Fp1, Fp2: là lực phanh tác dụng lên cầu trước, cầu sau [N]
- Công suất phanh tại thời điểm bất kì được tính theo công thức [23]:
Pp(t) là công suất phanh yêu cầu [W]
Vt là vận tốc xe tạo thời điểm t [m/s]
- Công suất phanh của các bánh xe trước, sau [23]:
Đối với các xe trang bị hệ thống phanh tái tạo năng lượng, việc sử dụng hệ thống phanh cơ khí ở bánh xe chủ động là cần thiết để đảm bảo an toàn Do đó, lực phanh Fp2 có thể được tính theo công thức (2.9) [23].
- Công suất phanh tái sinh đối với cầu sau chủ động:
Giả sử xe đang phanh với vận tốc đầu là U và vận tốc cuối là V Do đó, sự biến đổi về động năng được tính theo công thức [23]:
(2.13) Với: ΔE là sự giảm của động năng [J]; EU, EV là động năng tại thời điểm U và V.
Xác định các thông số của bộ thu hồi năng lượng quán tính của xe khi phanh
Theo mô hình nghiên cứu đã đề xuất, các thông số quan trọng của bộ thu hồi năng lượng bao gồm tỷ số truyền của bộ truyền động bánh răng hành tinh, kích thước bánh đà (mô men quán tính), công suất máy phát điện và bộ điều khiển điện tử.
Phương pháp xác định mô men quán tính và tốc độ góc của bánh xe chủ động trong quá trình phanh hoặc giảm tốc dựa trên các phương trình động lực học và thông số của xe thí nghiệm, với tốc độ thử nghiệm giới hạn từ 80 km/h trở xuống Sau khi xác định các giá trị này, sử dụng SimDriveline trong Matlab Simulink để mô phỏng thử nghiệm ở các chế độ khác nhau và lựa chọn hợp lý các thông số như tỷ số truyền và kích thước bánh đà.
Xe được lựa chọn để nghiên cứu, tính toán và thực nghiệm là xe Toyota Hiace với các thông số cơ bản của xe được trình bày trong bảng 2.2:
Bảng 2.2: Thông số cơ bản của xe Toyota Hiace.
Các thông số cơ bản Giá trị
Kích thước và trọng lượng chính
Chiều dài cơ sở(mm) 2570
Chiều rộng cơ sở(mm) 1430
Trọng lượng bản thân xe(kg) 1905
Tốc độ tối đa (km/h) 145
Tốc độ tối đa ở các tay số (km/h)
Công suất tối đa (kW/rpm) 74/5400
Mômen xoắn cực đại (Nm/rpm) 165/2600
Tỷ số truyền ở từng tay số Số 1 4.452
Tỷ số truyền bộ truyền lực cuối
Diện tích cản chính diện (m 2 ) 2.325
2.2.1 Xác định mô men quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc.
Đầu tiên, cần xác định mô men quán tính của xe khi phanh hoặc giảm tốc Khi xe bắt đầu giảm tốc, lực quán tính tác động lên xe là lực chuyển động trừ đi các lực cản như cản gió và cản lăn Lúc này, mô men tác động vào bánh xe chủ động (đối với xe cầu sau chủ động) sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Mô men tại bánh xe chủ động = Mô men quán tính của xe + Mô men cản dốc – Mô men cản lăn – Mô men cản gió.
M f mg r với r b là bán kính bánh xe
Mô men quán tính (M j) của xe được tính toán dựa trên bánh xe chủ động, bao gồm cả mô men quán tính của chuyển động tịnh tiến và các chi tiết quay trong hệ thống truyền lực như động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng và bánh xe chủ động Để xác định mô men quán tính của xe, cần tính toán lực quán tính trong trường hợp này.
- Lực quán tính F j tác động lên ô tô khi chuyển động sẽ là:[37]
Trong đó lực quán tính chuyển động tịnh tiến F j ' được xác định như sau :
F j là lực quán tính của các chi tiết chuyển động quay, phụ thuộc vào số lượng các chi tiết này trong hệ thống Lực quán tính được xác định dựa trên các yếu tố liên quan đến chuyển động quay.
Ie – mômen quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết quay khác của động cơ quy dẫn về trục khuỷu;
In – mômen quán tính của chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đối với trục quay của chính nó.
Ib là mômen quán tính của bánh xe chủ động liên quan đến trục quay của nó, trong khi it là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực Tỷ số truyền in được tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động Hiệu suất của hệ thống truyền lực được ký hiệu là ηt, và hiệu suất tính từ chi tiết quay thứ n đến bánh xe chủ động được ký hiệu là ηn.
Từ đây ta có lực quán tính tổng cộng của xe sẽ là:
Với: I là mô men quán tính tổng cộng của các chi tiết chuyển động quay tính từ động cơ tới bánh xe chủ động.
Do đó lực quán tính tổng cộng của xe sẽ là:
Suy ra mô men quán tính tổng cộng của xe quy về bánh xe chủ động được xác định theo công thức:
Hệ số i là yếu tố quan trọng để tính toán ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay đến bánh xe chủ động Để xác định chính xác mô men quán tính của xe, cần phải xác định hệ số i Hệ số này có thể được xác định qua hai phương pháp khác nhau.
2.2.1.1 Xác định I theo công thức thực nghiệm.
- Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động được xác định theo công thức sau:[39]
Mô men quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết quay khác được quy dẫn về trục khuỷu, được xác định theo công thức.
( ) 2 2.20 e cgi fw c cr c cyl fw
Mô men quán tính của trục khuỷu và các chi tiết gắn trên trục được ký hiệu là Icgi (kg.m²), trong khi mô men quán tính của bánh đà được ký hiệu là Ifw (kg.m²) Khối lượng trục khuỷu được ký hiệu là mc (kg), khối lượng đầu to thanh truyền là mcr (kg), và bán kính quay của trục khuỷu được ký hiệu là Rc (m) Cuối cùng, số xi lanh của động cơ được ký hiệu là ncyl.
- Mô men quán tính của hộp số Ih được xác định theo công thức[39]
Mô men quán tính của trục sơ cấp của hộp số (trục ly hợp) được ký hiệu là II [kg.m²], trong khi mô men quán tính của trục trung gian là III [kg.m²] Tỉ số truyền của cặp bánh răng luôn luôn ăn khớp trong hộp số được ký hiệu là ia Mô men quán tính của bánh răng quay trơn trên trục thứ cấp là Izk [kg.m²], và tỉ số truyền của hộp số tương ứng với cặp bánh răng gài số thứ k được ký hiệu là ik Số lượng bánh răng quay trơn trên trục thứ cấp là m, còn mô men quán tính của bánh răng số lùi là I l [kg.m²] Tỉ số truyền của các bánh răng số lùi tính từ trục sơ cấp đến bánh răng số lùi có quan hệ động học với bánh răng trên trục trung gian được ký hiệu là i l.
Việc xác định chính xác hệ số khối lượng quay rất phức tạp, do đó nhiều nghiên cứu thường áp dụng công thức thực nghiệm để xác định giá trị i.
ih: Tỉ số truyền của hộp số.
Bảng 2.3: Tính i theo công thức thực nghiệm.
Tỷ số truyền ih1= 4,452 ih2= 2.619 ih3= 1.517 ih4= 1 ih5= 0.895
2.2.1.2 Xác định I theo thực nghiệm.
Để đảm bảo kết quả tin cậy cho nghiên cứu, nhóm thực hiện đã tiến hành xác định độ nghiêng (i) thông qua thực nghiệm Thực nghiệm này được thực hiện trên bệ thử con lăn tại phòng thí nghiệm ô tô thuộc Khoa Cơ khí Động lực.
Bảng 2.4: Thông số của bệ thử.
Khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 ru-lô 800 mm
Khoảng cách lớn nhất giữa 2 ru-lô 2300 mm Đường kính bánh xe nhỏ nhất để thử nghiệm 12’’ Đường kính ru-lô 318 mm
Khoảng cách 2 trục lăn 540 mm
Khí nén Tối đa 8 bar
Cung cấp năng lượng 230 V/ 50 Hz
Tốc độ kiểm tra Tốc độ tối đa 260 km/h
Công suất bánh xe Tối đa 260 kW
Lực kéo Tối đa 6 kN
Kiểm tra độ chính xác 2 %
Hình 2.2: Thử nghiệm trên bệ thử xe.
- Mô tả điều kiện thử nghiệm: Xe được đưa lên bệ thử con lăn với bánh xe chủ động
Bánh sau được đặt trên con lăn để kiểm tra hiệu suất của xe ở các tay số khác nhau Mỗi tay số yêu cầu nhấn bàn đạp ga để đạt tốc độ tối đa, từ đó thiết bị sẽ đo công suất kéo tại bánh xe chủ động, tạo nên đường đặc tính số 1 Sau khi nhả ga và ngắt ly hợp, lực làm cho bánh xe quay chủ yếu đến từ lực quán tính của hệ thống truyền lực và quán tính của con lăn, được thể hiện qua đường đặc tính công suất cản.
Thiết bị đo sẽ xác định công suất cản tác động lên con lăn, phản ánh công suất quán tính của hệ thống truyền lực Từ công suất kéo tại bánh xe chủ động, ta có thể suy ra công suất động cơ, như thể hiện trong đường đặc tính số 3 ở hình 2.3.
Hình 2.3: Màn hình hiện thị đo.
Dựa trên kết quả đo ta có:
qt qt 2.23 qt qt t qt qt qt b b t t
Trong quá trình thử nghiệm, vận tốc xe (v) được đo bằng km/h, trong khi công suất kéo của con lăn (P) được xác định bằng kW và lực kéo (F) được tính bằng N từ bệ thử Các tham số khác như mô men ngoại lực tác động lên bánh xe chủ động (M) và gia tốc góc của bánh xe chủ động (ε) được xác định gián tiếp thông qua các thông số đo được từ bệ thử như lực kéo và vận tốc.
Với: Mk, Mc, εk, εc - lần lượt là mô men ngoại lực và gia tốc góc bánh xe chủ động khi con lăn tăng tốc và giảm tốc.
Bảng 2.5: Bảng kết quả tính i theo thực nghiệm.
Tay số Số 1 Số 2 Số 3 Số 4 Số 5
Hình 2.4 : Công suất kéo và công suất cản ở từng tay số. v (km/h) v
Bảng 2.6: Bảng so sánh i lý thuyết và thực nghiệm.
Số 1 Số 2 Số 3 Số 4 Số 5
Tỷ lệ thực nghiệm so lý thuyết (%) 7.91 1.69 0.41 0.47 0.66
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Các nội dung được cải thiện trong mô hình xây dựng lại
- Đưa được hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động vào mô hình mô phỏng.
- Xây dựng được mô hình mô phỏng được theo 4 chu trình ( EUDC, ECE R15, NEDC và FTP-75).
- Mô phỏng được hệ số cản lăn thay đổi theo tốc độ của xe.
- Đưa được tốc độ góc của máy phát vào tính toán tổn hao thuộc về từ tính và cơ khí.
- Tính toán và đưa các giá trị tổn hao chính xác vào mô phỏng.
- Sử dụng PID để điều khiển mô hình mô phỏng theo chu trình đã chọn.
- Tính toán được tổng năng lượng thu hồi được cho bốn chu trình chạy thử nghiệm.
- Tính toán công suất và số vòng quay cực đại của mô tơ điện sử dụng cho mô hình thực nghiệm.
- Đã thu thập, tính toán & thực hiện so sánh số liệu năng lượng thu hồi & năng lượng phụ tải trên xe
- Đã sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển vận tốc của xe bám sát với vận tốc của chu trình thử.
3.2 Mô hình mới được xây dựng lại được mô phỏng bằng Matlab Simulink
3.2.1 Các thông số đầu vào của xe
Hình 3.1: Các thông số đầu vào của xe.
3.2.2 Thông số của động cơ
Hình 3.2: Thông số đầu vào của động cơ.
3.2.3 Các thông số động lực học của xe
Hình 3.3: Các thông số động lực học của xe.
3.2.4 Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng
Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng cụm thu hồi năng lượng.
- Tỉ số truyền ở các tay số của hộp số trong mô phỏng:
Hình 3.5: Tỉ số truyền đầu vào ở tay số 1.
- Đây là dải tốc độ hoạt động ở từng tay số:
Hình 3.6: Dãy tốc độ của tay số 1.
Hình 3.7: Mô hình mô phỏng tính toán lực cản gió.
Ff1, Ff2: lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]
Hình 3.8: Mô hình mô phỏng tính toán lực cản lăn mới 3.2.8 Lực cản dốc
Hình 3.9: Mô hình mô phỏng tính toán lực cản dốc.
Bảng 3.1: Các giá trị i từng tay số.
Tỷ số truyền ih1= 4,452 ih2= 2.619 ih3= 1.517 ih4= 1 ih5= 0.895
- Quá trình vô số dựa theo chu trình.
- Quá trình thay đổi tỉ số truyền dựa theo chu trình.
- Sau đây là thuật toán thay đổi tỉ số truyền dựa trên đồ thị vô số từ đó sử dụng để tính lực quán tính:
Mô hình tính toán lực quán tính thể hiện sự thay đổi hệ số ở từng tay số, như được minh họa trong Hình 3.10 Đồ thị cho thấy sự khác biệt của tay số tại các dãy tốc độ xe khác nhau, giúp người đọc hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa lực quán tính và các tay số trong quá trình vận hành.
Hình 3.11: Sự thay đổi tay số ở mỗi dãy tốc độ.
- Kết quả mô phỏng điều khiển thay đổi hệ số trong chu trình FTP – 75 :
Hình 3.12: Hệ số thay đổi theo chu trình.
3.2.10 Mô phỏng các tổn hao trên mô hình Matlab
- Mô phỏng tổn hao điện:
Hình 3.13: Mô hình mô phỏng tính toán tổn hao về điện.
- Mô phỏng tổn hao về từ tính:
Hình 3.14: Mô hình mô phỏng tính toán tổn hao về từ tính.
- Mô phỏng tổn hao về cơ khí của máy phát:
Hình 3.15: Mô hình mô phỏng tính toán tổn hao về cơ khí của máy phát.
- Tổn hao về cơ khí (của bộ BRHT và bộ truyền xích)
Hình 3.16: Mô hình mô phỏng tính toán tổn hao về cơ khí của bộ truyền xích và BRHT. 3.3 Xây dựng mô phỏng được theo chu trình
3.3.1 Giới thiệu chu trình đưa vào mô phỏng
3.3.1.1 Mô hình được mô phỏng theo chu trình FTP – 75 của Mĩ.
Chu trình thử nghiệm xe trong điều kiện đô thị (Urban) của EPA Federal Test Procedure tại Mỹ là một quy trình quan trọng, tương tự như chu trình FTP – 72 nhưng có thêm 505 giây.
- Đặc điểm chu trình: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 hoạt động của động cơ được chia thành ba giai đoạn chính Giai đoạn 1, hay còn gọi là giai đoạn khởi động lạnh, kéo dài 505 giây, tương ứng với quãng đường 5,78 km và tốc độ trung bình đạt 41,2 km/h Giai đoạn 2, được gọi là giai đoạn chuyển tiếp, kéo dài 867 giây và bắt đầu sau khi động cơ đã ngừng hoạt động hoàn toàn trong 10 phút Cuối cùng, giai đoạn 3 tương tự như giai đoạn 1 và được khởi động lại sau khi động cơ đã dừng hoạt động 10 phút kể từ khi kết thúc giai đoạn 2.
- Quãng đường di chuyển : 17.77 km
- Tốc độ trung bình: 34.1 km/h
Hình 3.17: Chu trình thử FTP – 75.
3.3.1.2 Mô hình được mô phỏng theo chu trình EUDC của Châu Âu
- Giới thiệu chu trình: Là chu trình thử nghiệm thử xe trong điều kiện thành phố của Châu Âu linh hoạt hơn và được giới thiệu vào năm 1990
- Đặc điểm chu trình: Được thiết kế linh hoạt hơn và chế độ lái ở tốc độ cao
- Quãng đường di chuyển : 6.9549 km
- Tốc độ tối đa: 120km/h
Hình 3.18: Chu trình thử EUDC.
3.3.1.3 Mô hình được mô phỏng theo chu trình ECE – R15 của Châu Âu
- Giới thiệu chu trình: Là chu trình thử nghiệm thử xe trong điều kiện thành phố củaChâu Âu được giới thiệu lần đầu vào năm 1970
- Đặc điểm chu trình: Tải động cơ thấp, nhiệt độ khí thải thấp.
- Quãng đường di chuyển : 0.994 km
- Tốc độ tối đa: 50km/h
Hình 3.19: Chu trình thử ECE- R15.
3.3.1.4 Mô hình được mô phỏng theo chu trình NEDC của Châu Âu
- Giới thiệu chu trình: Là chu trình thử nghiệm thử xe trong điều kiện thành phố mới của Châu Âu được cập nhật lần cuối vào năm 1997
Chu trình kiểm tra xe bao gồm hai phần chính: phần đầu tiên là ECE-R15, diễn ra từ 0 đến 780 giây, với tốc độ xe và tải trọng thấp cùng với nhiệt độ khí thải thấp, và được lặp lại 4 lần Phần thứ hai là EUDC, kéo dài từ 781 đến 1180 giây, với tốc độ xe cao.
- Quãng đường di chuyển : 10.9314 km
- Tốc độ tối đa: 120 km/h
Hình 3.20: Chu trình thử NEDC
3.3.2 Điều khiển mô phỏng theo chu trình
- Khối mô phỏng điều khiển mô hình theo chu trình FTP – 75:
Hình 3.21: Khối mô phỏng điều khiển theo chu trình FTP – 75.
- Khối mô phỏng này là một khối Signal Builder điều khiển tốc độ xe theo chu trình FTP – 75.
Hình 3.22: Bên trong khối mô phỏng điều khiển tốc độ xe theo chu trình FTP – 75.
- Khối mô phỏng điều khiển mô hình theo chu trình EUDC:
Hình 3.23: Khối mô phỏng điều khiển theo chu trình EUDC.
- Khối mô phỏng này là một khối Signal Builder điều khiển tốc độ xe theo chu trình EUDC.
Hình 3.24: Bên trong khối mô phỏng điều khiển tốc độ xe theo chu trình EUDC.
- Khối mô phỏng điều khiển mô hình theo chu trình ECE- R15:
Hình 3.25: Khối mô phỏng điều khiển theo chu trình ECE-R15.
- Khối mô phỏng này là một khối Signal Builder điều khiển tốc độ xe theo chu trìnhECE - R15.
Hình 3.26: Bên trong khối mô phỏng điều khiển tốc độ xe theo chu trình ECE-R15
- Khối mô phỏng điều khiển mô hình theo chu trình NEDC:
Hình 3.27: Khối mô phỏng điều khiển theo chu trình NEDC.
- Khối mô phỏng này là một khối Signal Builder điều khiển tốc độ xe theo chu trình NEDC.
Hình 3.28: Bên trong khối mô phỏng điều khiển tốc độ xe theo chu trình NEDC.
3.3.3 Sử dụng bộ điều khiển PID trong Matlab Simulink để điều khiển mô hình mô phỏng theo chu trình FTP – 75, ECE-R15, EUDC và NEDC.
3.3.3.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID
- Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát.
Bộ điều khiển PID có chức năng tính toán giá trị "sai số", là hiệu số giữa giá trị đo thực tế và giá trị mong muốn Mục tiêu của bộ điều khiển là giảm thiểu sai số tối đa bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
Bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên ba thông số chính: tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Giá trị tỉ lệ phản ánh ảnh hưởng của sai số hiện tại, trong khi giá trị tích phân xem xét tổng các sai số trong quá khứ, và giá trị vi phân đánh giá tốc độ thay đổi của sai số.
Những giá trị này làm rõ mối quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I dựa vào tích lũy sai số trong quá khứ, và D dự đoán sai số tương lai dựa trên tốc độ thay đổi hiện tại.
Hình 3.29: Bộ điều khiển PID.
Bằng cách điều chỉnh ba hằng số trong thuật toán của bộ điều khiển PID, người dùng có thể tùy chỉnh bộ điều khiển cho các thiết kế đặc thù Đáp ứng của bộ điều khiển được thể hiện qua độ nhạy với sai số, giá trị vượt quá điểm đặt và mức độ dao động của hệ thống.
Bộ điều khiển PID có thể được phân loại thành các loại khác nhau như PI, PD, P hoặc I, tùy thuộc vào sự hiện diện hay vắng mặt của các tác động Trong số đó, bộ điều khiển PI được ưa chuộng nhờ vào khả năng phản ứng nhạy bén với các nhiễu trong quá trình đo lường Tuy nhiên, nếu thiếu thành phần tích phân, hệ thống có thể không đạt được giá trị mong muốn.
Sơ đồ điều khiển PID được định nghĩa bởi ba thành phần điều chỉnh chính, và tổng hợp của ba thành phần này tạo nên biến điều khiển (MV).
Bộ điều khiển PI rất phổ biến vì khả năng phản ứng nhạy bén với các nhiễu đo lường Tuy nhiên, nếu thiếu giá trị tích phân, hệ thống có thể không đạt được hiệu quả mong muốn.
- Vì vậy trong chu trình FTP75, ECE R15, EUDC, NEDC ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của mô phỏng.
Hình 3.30: Khâu tỉ lệ của bộ PID.
Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến giá trị đầu ra theo tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Để điều chỉnh đáp ứng tỉ lệ, sai số này được nhân với một hằng số Kp, được biết đến như độ lợi tỉ lệ.
- Khâu tỉ lệ được cho bởi:
P out :Thừa số tỉ lệ của đầu ra
K p : Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh e : Sai số, e SP PV t :Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn mang lại sự thay đổi lớn ở đầu ra với sai số đầu vào nhỏ, nhưng nếu độ lợi quá cao, hệ thống sẽ trở nên không ổn định Ngược lại, độ lợi thấp dẫn đến phản ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, làm cho bộ điều khiển kém nhạy và đáp ứng chậm Nếu độ lợi quá thấp, tác động điều khiển có thể không đủ để ứng phó với nhiễu trong hệ thống.
Hình 3.31: Khâu tích phân của bộ PID.
Phân phối của khâu tích phân, hay còn gọi là reset, tỉ lệ thuận với biên độ sai số và khoảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian, hay tích phân sai số, giúp ta có được tích lũy bù đã được hiệu chỉnh Tích lũy sai số này sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả các tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân.
- Thừa số tích phân được cho bởi:
I out : Thừa số tích phân của đầu ra.
K i : Độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh. e : Sai số, e SP PV
:Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
Khâu tích phân, khi kết hợp với khâu tỉ lệ, giúp tăng tốc độ chuyển động của quá trình đến điểm đặt và loại bỏ sai số ổn định theo một tỷ lệ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, do khâu tích phân phản ánh sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể dẫn đến việc giá trị hiện tại vượt quá giá trị đặt, gây ra độ lệch và dao động qua điểm đặt.
- Sau đây là cách thức hoạt động của bộ PI khi điều chỉnh các hệ số Kp,Ki:
- Đường màu đỏ là giá trị mong muốn còn đường màu xanh dương là giá trị biến đổi.
- Với Ki=0 thì : o Khi hệ số Kp=1 o Khi hệ số Kp=2.3 o Khi hệ số Kp=3.9 o Khi hệ số Kp=5
- Ta thấy giá trị biển đổi liên tục lúc ở trạng thái ít biển đổi ( giây 7-8) thì gần về giá trị mong muốn.
- Với Kp=5 thì: o Khi Ki=0.6 o Khi Ki=1.4 o Khi Ki=3
- Ta thấy khi tăng Ki thì trạng thái ít biến đổi từ giây 7-8 càng về xác giá trị mong muốn hơn đồng thời độ vượt quá cũng tăng lên.
- Hàm truyền bộ điều khiển PID:
TS=0,01 : chu kì lấy mẫu
- Hàm truyền của bướm ga:
Ta có: Áp dụng cho:
- Vậy hàm truyền của cả hệ thống điều khiển bướm ga là:
3.3.3.3 Ứng dụng vào mô phỏng
Chi tiết các nội dung được cải thiện
4.1 Tính toán lựa chọn các thông số của mô hình thực nghiệm
- Để thực hiện được các thí nghiệm theo các chu trình lái xe tiêu chuẩn thì mô hình thí nghiệm được đề xuất như trong hình ….
Mô hình thí nghiệm sử dụng mô tơ điện để dẫn động cầu xe và thu hồi năng lượng trong quá trình giảm tốc Mô tơ này được điều khiển tốc độ bằng bộ biến tần, nhằm giả lập tốc độ xe như khi di chuyển trên đường thực tế Các cảm biến mô men được đặt ở các bán trục để đo lực cản trong quá trình hoạt động của xe Bài viết sẽ tiến hành tính toán công suất cần thiết cho mô tơ trong mô hình thí nghiệm.
Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm.
4.2 Cơ sở tính toán các thông số của mô hình thí nghiệm
Dựa trên các kết quả mô phỏng:
Xác định được vận tốc cực đại, Me tại bánh xe ở thời điểm bắt đầu thu hổi năng lượng
Tính toán Me ,we tại trục các đăng
- Trước hết ta đi xác định vận tốc cực đại tại các thời điểm bắt đầu thu hồi năng lượng dựa theo kết quả mô phỏng trong Matlab
Xác định số vòng quay cực đại của mô tơ điện sử dụng cho mô hình thực nghiệm thông qua công thức:
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Tính toán lựa chọn các thông số của mô hình thực nghiệm
- Để thực hiện được các thí nghiệm theo các chu trình lái xe tiêu chuẩn thì mô hình thí nghiệm được đề xuất như trong hình ….
Mô hình thí nghiệm sử dụng mô tơ điện để dẫn động cầu xe và thu hồi năng lượng trong quá trình giảm tốc Mô tơ này được điều khiển tốc độ bằng bộ biến tần, giúp giả lập tốc độ xe như khi chạy trên đường thực tế Tại các bán trục của xe, cảm biến mô men được lắp đặt để đo lực cản trong quá trình hoạt động Bài viết sẽ tính toán công suất cần thiết cho mô tơ trong mô hình thí nghiệm.
Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm.
Cơ sở tính toán các thông số của mô hình thí nghiệm
Dựa trên các kết quả mô phỏng:
Xác định được vận tốc cực đại, Me tại bánh xe ở thời điểm bắt đầu thu hổi năng lượng
Tính toán Me ,we tại trục các đăng
- Trước hết ta đi xác định vận tốc cực đại tại các thời điểm bắt đầu thu hồi năng lượng dựa theo kết quả mô phỏng trong Matlab
Xác định số vòng quay cực đại của mô tơ điện sử dụng cho mô hình thực nghiệm thông qua công thức:
- Xác định moment (Mcđ) và vận tốc góc (wcđ) đặt vào trục các đăng khi xe giảm tốc:
Công suất cực đại của mô tơ điện dùng cho mô hình thực nghiệm, thông qua công thức:
4,3.0,33 bx t t cd tlc tlc bx v v rad s i i r
Đưa vào mô phỏng trên Matlab Simulink
- Xác định số vòng quay cực đại của mô tơ điện:
Hình 4.2: Mô phỏng tính số vòng quay của mô tơ.
- Xác định tốc độ góc (wcđ) đặt vào trục các đăng khi xe giảm tốc:
Hình 4.3: Mô phỏng tính số tốc độ góc.
- Xác định mô men (Mcđ) đặt vào trục các đăng khi xe giảm tốc:
Hình 4.4: Mô phỏng tính mô men tác dụng lên trục các đăng khi xe giảm tốc.
Hình 4.5: Mô phỏng tính công suất phát ra tại trục các đăng khi xe giảm tốc.
Kết quả tính toán lựa chọn động cơ phục vụ thực nghiệm
Sau khi thực hiện mô phỏng ta xác định được số vòng quay và công suất của mô tơ điện đối với từng chu trình như sau:
Số vòng quay trên toàn chu trình FTP 75
Hình 4.6: Số vòng quay trên toàn chu trình FTP 75.
Công suất phát ra tại trục các đăng trên toàn chu trình FTP 75
Hình 4.7: Công suất phát ra tại trục các đăng trên toàn chu trình FTP 75.
Số vòng quay trên toàn chu trình ECE R15
Hình 4.8: Số vòng quay trên toàn chu trình ECE R15.
Công suất phát ra tại trục các đăng trên toàn chu trình ECE R15
Hình 4.9: Công suất phát ra tại trục các đăng trên toàn chu trình ECE R15.
Số vòng quay trên toàn chu trình NEDC
Hình 4.10: Số vòng quay trên toàn chu trình NEDC.
Công suất phát ra tại trục các đăng trên toàn chu trình NEDC
Hình 4.11: Công suất phát ra tại trục các đăng trên toàn chu trình NEDC.
Số vòng quay trên toàn chu trình EUDC
Hình 4.12: Số vòng quay trên toàn chu trình EUDC.
Công suất phát ra tại trục các đăng trên toàn chu trình EUDC
Hình 4.13: Công suất phát ra tại trục các đăng trên toàn chu trình EUDC.
Sau khi phân tích từng chu trình dựa trên đồ thị và bảng tính, chúng tôi đã thu được kết quả về số vòng quay cực đại và công suất cực đại của mô tơ điện cho từng chu trình.
Bảng 4.1: Công suất cực đại và số vòng quay cực đại của mô tơ điện đối với từng chu trình
FTP-75 NEDC EUDC ECE R15 max(W)
Dựa vào bảng số liệu, chúng ta nhận thấy rằng số vòng quay và công suất cực đại của chu trình NEDC đạt mức cao nhất Do đó, thông số này sẽ được sử dụng để lựa chọn động cơ phù hợp cho thực nghiệm.
4.5 Xây dựng mô hình thực tế để vận hành và kiểm chứng kết quả:
Dựa vào những kết quả đã tính được ở trên, chúng em tiến hành xây dựng mô hình thực tế và thu được kết quả như sau:
Hình 4.14 : Mặt trước của mô hình thực nghiệm
- Trên hình bao gồm có các bộ phận:
+ Bộ biến tần: có thể thay đổi tốc độ động cơ dùng để mô phỏng lại quá trình chạy thực tế của xe.
+ Mạch thu thập tín hiệu và điều khiển: thu thập tín hiệu điện áp accu và điều khiển các mạch còn lại.
+ Mạch thu thập tốc độ xe và tốc độ bánh đà.
+ Mạch điều khiển mô tơ của bộ thay đổi tỉ số truyền CVT.
Hình 4.15 : Mặt bên của mô hình thực nghiệm ( phải )
- Trên hình từ trái sang phải có các bộ phận:
+ Cầu sau và hai bán trục
+ Cảm biến tốc độ bánh xe
+ Bộ bánh răng hành tinh kép
Xây dựng mô hình thực tế…………………………………………………………… .1 Cấu tạo
+ Bộ truyền động vô cấp CVT
+ Bộ thay đổi tỉ số truyền của bộ truyền động CVT.
Hình 4.16 : Mặt bên của mô hình thực nghiệm ( trái)
- Ngoài ra còn các bộ phận như:
+ Mô tơ kéo cung cấp công suất và mô men cho cả mô hình hoạt động.
+ Cảm biến tốc độ bánh đà.
+ Bộ truyền động đai chính.
Hình 4.17: Mặt trên của mô hình thực nghiệm
Bộ biến tần điều chỉnh tốc độ mô tơ, mô phỏng quá trình hoạt động thực tế của xe trong các giai đoạn tăng tốc, giảm tốc và duy trì ổn định Mô men được truyền qua bộ truyền động đai đến cầu sau và hệ thống bánh răng hành tinh kép.
Trong quá trình tăng tốc và duy trì trạng thái ổn định, bộ bánh răng hành tinh trước sẽ quay Cần dẫn kết nối với bộ bánh răng hành tinh trước giúp toàn bộ hệ thống bánh răng hành tinh kép cũng quay theo.
Khi chưa tác dụng lực phanh lên hệ thống thu hồi, bánh răng bao bộ BRHT trước và sau quay trơn, trong khi bánh răng mặt trời bộ BRHT trước vẫn đứng yên Điều này dẫn đến mô men không được truyền đến bộ truyền động vô cấp CVT.
Khi bắt đầu quá trình giảm tốc, lực phanh tác động lên hệ thống khiến bánh răng bao bộ BRHT trước và sau bị khóa cứng Bánh răng mặt trời của bộ BRHT trước quay, dẫn đến cần dẫn bộ BRHT sau cũng quay, làm cho các BRHT sau quay theo và bánh răng mặt trời sau cũng quay, từ đó kích hoạt hoạt động của bộ CVT.
- Bộ CVT dẫn động bánh đà quay thông qua dây đai, bánh đà dẫn động máy phát quay sinh ra điện nạp vào accu.
* Nguyên lý hoạt động của bộ thay đổi tỉ số truyền vô cấp CVT:
Khi điều khiển mô tơ, truyền động được gửi đến bộ giảm tốc nhằm giảm tốc độ và tăng mô men Sau khi đi qua hộp giảm tốc, mô men này sẽ làm xoay trục vít, từ đó khiến bánh vít chuyển động tịnh tiến sang trái hoặc sang phải.
Khi bánh vít di chuyển nhờ cơ cấu thanh đẩy, vòng bi ép sẽ tác động chặt hoặc nhả vào má puli của bộ CVT, từ đó điều chỉnh tỉ số truyền trong hệ thống.
Mục đích của việc thay đổi tỉ số truyền là để đảm bảo hiệu suất hoạt động của xe trong các tình huống vận hành khác nhau Khi xe giảm tốc ở tốc độ cao, bánh đà sẽ quay nhanh để thu hồi tối đa năng lượng Ngược lại, khi xe giảm tốc ở tốc độ thấp (dưới 30 km/h), việc điều chỉnh tỉ số truyền là cần thiết để duy trì sự ổn định trong vòng quay của bánh đà.
4.5.3 Mô tả quá trình thí nghiệm
Nạp chu trình lái xe tiêu chuẩn cho bộ biến tần giúp điều khiển mô tơ đạt tốc độ mong muốn Khi tín hiệu giảm tốc xuất hiện, bộ điều khiển sẽ kích hoạt bộ thu hồi năng lượng để bắt đầu quá trình thu hồi Hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính sẽ đo dòng điện và điện áp thu hồi qua phụ tải điện, từ đó tính toán năng lượng thu hồi trong toàn bộ chu trình.
Trong nghiên cứu này, nhóm thực hiện chỉ tập trung vào việc điều khiển tốc độ xe đến một giá trị nhất định và điều khiển bộ thu hồi năng lượng thông qua cần điều khiển phanh bánh răng bao của BRHT, mà chưa triển khai hệ thống điều khiển tự động Kết quả là, năng lượng thu hồi được trong thực nghiệm chỉ là năng lượng gián đoạn ở từng chế độ, không phải năng lượng tổng hợp trên toàn bộ chu trình.
Hình 4.18: Quá trình thử nghiệm mô hình
Hình 4.19: Bảng điều khiển mô hình
4.5.4 Kết quả thu được sau thử nghiệm:
4.5.4.1 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 30km/h
Vận tốc xe khi bắt đầu phanh là 30 km/h Thời điểm t (s)
Tốc độ máy phát (rpm) Điện áp phát ra U (V)
Bảng 4.2 : Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống RBS ở tốc độ xe là 30 km/h
Hình 4.20 minh họa sự biến đổi của dòng điện và điện áp trong hệ thống RBS khi xe phanh ở tốc độ 30 km/h, được thể hiện qua bảng số liệu.
4.5.4.2 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 40 km/h
U(V) I(A) t (s) ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
100 t (s) máy phát (rpm) phát ra U (V) qua tải I(A) đạt được P(W)
Bảng 4.3: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống
RBS ở tốc độ xe là 40 km/h
Hình 4.21 minh họa sự biến đổi của dòng điện và điện áp trong hệ thống RBS khi xe phanh ở tốc độ 40 km/h Biểu đồ này được xây dựng dựa trên bảng số liệu thu thập được, cho thấy rõ mối quan hệ giữa các thông số điện trong quá trình phanh.
4.5.4.3 Xe bắt đầu phanh khi vận tốc của xe bằng 50 km/h
Vận tốc xe khi bắt đầu phanh là 50 km/h Thời điểm Tốc độ Điện áp Dòng điện Công suất t (s)U(V) I (A) t(s) máy phát (rpm) phát ra U (V) qua tải I(A) đạt được P(W)
Bảng 4.4: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống
RBS ở tốc độ xe là 50 km/h
Hình 4.22 minh họa sự biến đổi của dòng điện và điện áp trong hệ thống RBS khi xe phanh ở tốc độ 50 km/h, được thể hiện qua bảng số liệu.
4.5.4.4 Quá trình thu hồi năng lượng tại tốc độ xe bằng 60 km/h
Vận tốc xe khi bắt đầu phanh là 60 km/h
Tốc độ máy phát (rpm) Điện áp phát ra U (V)
Bảng 4.5: Bảng số liệu thu được khi xe bắt đầu phanh bằng hệ thống
RBS ở tốc độ xe là 60 km/h
Hình 4.23 minh họa sự biến đổi của dòng điện và điện áp trong hệ thống RBS khi xe phanh ở tốc độ 60 km/h Biểu đồ được xây dựng dựa trên bảng số liệu, cho thấy mối quan hệ giữa điện áp (U) tính bằng volt và dòng điện (I) tính bằng ampe theo thời gian (t) tính bằng giây.