INTRODUCTION
Lí do chọn đề tài
Xe hybrid là một trong những giải pháp tối ưu cho ngành công nghiệp ô tô, giúp giải quyết các vấn đề về nhiên liệu và bảo vệ môi trường Sự gia tăng phổ biến của loại xe này trên thị trường ô tô toàn cầu phản ánh nhu cầu ngày càng cao về các phương tiện thân thiện với môi trường.
Xe hybrid là loại phương tiện kết hợp giữa động cơ đốt trong truyền thống và động cơ điện, nhằm tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu suất Ô tô hybrid sử dụng năng lượng từ xăng hoặc Diesel kết hợp với điện năng từ ắc-quy cao áp Đặc biệt, ắc-quy được nạp điện thông qua cơ chế thông minh như phanh tái tạo năng lượng, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tái sinh điện năng khi cần thiết.
Sự phát triển phương tiện giao thông trên toàn cầu có sự khác biệt giữa các quốc gia, với mỗi nước áp dụng quy định riêng về khí thải Tuy nhiên, xu hướng chung là cải tiến và chế tạo ô tô với mức ô nhiễm thấp nhất, đồng thời giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu Điều này trở nên cấp thiết khi nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, dẫn đến giá dầu tăng cao trong khi thu nhập của người dân không tăng đáng kể.
Xe chạy bằng Diesel, xăng và các nhiên liệu khác đang gây ô nhiễm môi trường và làm suy giảm chất lượng bầu khí quyển Sự thay đổi của hệ sinh thái là một hệ quả nghiêm trọng Do đó, việc tìm kiếm giải pháp để giảm thiểu khí thải ô nhiễm đang trở thành một vấn đề cấp bách cần được chú trọng trong ngành ô tô và trong cộng đồng.
Ôtô hybrid, xuất hiện từ đầu những năm 1990, đã được nghiên cứu và phát triển như một giải pháp hiệu quả cho kinh tế và môi trường Công nghệ hybrid được xem là chìa khóa mở ra kỷ nguyên mới cho ô tô, với mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm và hướng tới ô tô sinh thái.
Ôtô hybrid đang thu hút sự chú ý từ nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô toàn cầu nhờ vào những ưu điểm nổi bật Sự gia tăng mẫu mã ôtô hybrid trên thị trường và số lượng người tiêu dùng lựa chọn loại xe này ngày càng tăng.
Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu về phần mềm Matlab Simulink để ứng dụng vào việc mô phỏng SERIES HYBRID TRANSMISSION.
Biết được những phương pháp và công cụ để khảo sát đặc tính của đồ thị công suất của SERIES HYBIRD.
Làm quen với việc ứng dụng khoa học công nghệ vào việc thiết kế và mô phỏng
Trao dồi thêm nhiều kiến thức bổ ích cho bản thân về nghành học cũng như có thể ứng dụng cho công việc trong tương lai.
FUNDAMENTIALS
Series hybrid là gì?
Hybrid nối tiếp (series hybrid) là loại xe sử dụng mô tơ điện để dẫn động trực tiếp tới bánh xe, trong khi động cơ đốt trong chỉ có chức năng chạy máy phát điện Đây là hình thức nguyên sơ của động cơ hybrid Tuy nhiên, do khả năng vận hành không tốt và hiệu quả năng lượng chỉ ở mức trung bình, nên loại hybrid này hiện nay không còn phổ biến.
Mô hình Series Hybrid là dạng hybrid lâu đời nhất, đã được ứng dụng trên đầu máy xe lửa và tàu thủy từ thế kỷ trước Trong xe sử dụng nền tảng này, động cơ điện trực tiếp truyền lực cho bánh xe, yêu cầu động cơ điện phải có sức mạnh lớn, dẫn đến kích thước của nó rất to Mặc dù chạy bằng động cơ điện, xe Series Hybrid vẫn được xem là xe hybrid vì vẫn sử dụng động cơ xăng để tạo ra điện cho động cơ điện, hoạt động như một máy phát điện thực thụ.
Hiện nay, hầu hết các mẫu xe Hybrid không còn sử dụng nền tảng cũ này Tuy nhiên, nền tảng này vẫn được áp dụng cho những chiếc xe chạy bằng năng lượng từ pin nhiên liệu Hydrogen, thay vì sử dụng động cơ xăng truyền thống để sản xuất điện.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
2.2.1 Giới thiệu về PMSM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motors - PMSM) là một dạng đặc biệt của máy điện đồng bộ Động cơ đồng bộ thông thường có cuộn dây quấn phần ứng và cuộn dây quấn kích từ ở rotor được cấp dòng điện một chiều qua chổi than và vành trượt Điều đó gây tổn hao rotor, thường xuyên phải bảo dưỡng chổi than, làm giảm tuổi thọ máy Đây là lý do chính đòi hỏi phải phát triển PMSM Nhằm khắc phục những nhược điểm của máy điện đồng bộ thông thường như đã trình bày ở trên, người ta thay cuộn kích từ, nguồn kích từ một chiều, chổi than vành trượt bằng một nam châm vĩnh cửu Vì thế máy PMSM cần phải có sđđ cảm ứng hình sin, dòng điện phải có dạng hình sin để tạo ra mô men điện từ không đổi giống như ở máy đồng bộ thông thường. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có rất nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác đang sử dụng cho truyền động điện xoay chiều Ở động cơ dị bộ dòng stator vừa để tạo từ trường vừa để tạo mô men, Khi sử dụng nam châm vĩnh cửu ở rotor, động cơ PMSM không cần cấp một dòng điện kích từ qua stator để tạo từ thông không đổi ở khe hở không khí, dòng stator chỉ cần để tạo mô men Như vậy, với cùng một đại lượng ra động cơ PMSM sẽ làm việc với hệ số cos lớn vì không cần dòng kích từ, dần đến hiệu suất động cơ sẽ cao hơn.
Động cơ đồng bộ một chiều không có cổ góp (BLDC - Brushless DC Motor) là một loại động cơ khác bên cạnh động cơ PMSM Sự khác biệt chính giữa PMSM và BLDC nằm ở hình dạng của sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stator; trong khi PMSM có dạng hình sin, thì BLDC lại có dạng hình thang Cấu tạo cuộn dây stator khác nhau ở hai loại động cơ này ảnh hưởng đến dạng sức phản điện động của chúng.
Cấu tạo cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) tương tự như động cơ đồng bộ thông thường Stato của PMSM sử dụng các lá thép kỹ thuật được ghép lại, bên trong có các rãnh để đặt dây quấn Động cơ PMSM được thiết kế với 3 cuộn dây quấn phân tán hình sinh trên chu vi stato.
Cuộn dây được cung cấp điện áp xoay chiều ba pha, với dòng điện trong cuộn dây có dạng sóng hình sin hoặc gần giống hình sin Từ thông phân bố trong khe hở không khí cũng có hình dạng tương tự, thể hiện sự đồng nhất trong cấu trúc từ trường.
Rotor của PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu với cấu trúc phân bố độ tự cảm hình sin, thường được làm từ các vật liệu đất hiếm như Samarium Cobalt (SmCo) và Neodymium Iron Boride (NdFeB) Những nam châm này có suất năng lượng cao, khả năng chống khử từ và được lắp đặt bên trong hoặc bên ngoài lõi thép roto để đảm bảo độ bền cơ khí tối ưu Đặc biệt, khi hoạt động ở tốc độ cao, khe hở không khí giữa các nam châm có thể được gia cố bằng vật liệu từ và bọc bên ngoài bằng vật liệu có độ bền cao như sợi thủy tinh hoặc gắn chặt bằng vít.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của PMSM
Khởi động động cơ PMSM tương tự như khởi động động cơ đồng bộ thông thường, nhưng không cần cấp nguồn kích từ vào rotor do rotor sử dụng nam châm vĩnh cửu.
Khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện từ trường quay với tốc độ n = 60f/p, trong đó f - tần số dòng điện, p là số đôi cực.
Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường không đổi, và sự tương tác giữa từ trường quay và từ trường không đổi tạo ra mô men dao động với giá trị trung bình bằng 0 Để máy điện hoạt động, nam châm vĩnh cửu cần quay với tốc độ tương ứng với tốc độ của từ trường, lúc này mô men trung bình của động cơ sẽ khác 0 Phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thông thường là đưa nam châm vĩnh cửu đạt tốc độ từ trường, nhưng phương pháp này thường sử dụng động cơ sơ cấp lai ngoài, tốn kém và cồng kềnh Phương pháp khởi động đồng bộ phổ biến hơn, cho phép đặt tải lên động cơ sau khi khởi động Do đó, máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoạt động khi nam châm quay đồng bộ với từ trường quay.
Phần lớn các nghiên cứu về động cơ đồng bộ vĩnh cửu (PMSM) tập trung vào việc cung cấp điện từ lưới Để khởi động động cơ, cuộn dây dập dao động được sử dụng theo nguyên lý của máy dị bộ, sau đó kết hợp với mô men dao động và mô men đồng bộ từ nam châm vĩnh cửu để đưa máy vào trạng thái đồng bộ Trong quá trình khởi động, nam châm vĩnh cửu tạo ra mô men hãm, chống lại mô men do cuộn dập dao động sinh ra Do đó, mô men từ cuộn ổn định cần lớn hơn mô men hãm, tải và quán tính để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả.
Các chế độ phân chia công suất
Trong điều kiện bình thường, động cơ điện khởi động ngay lập tức với tốc độ 1000 vòng/phút Tuy nhiên, nếu trạng thái sạc (SOC) của mô-đun ắc quy cao áp quá thấp, nhiệt độ quá lạnh hoặc có sự cố trong hệ thống động cơ, động cơ đốt trong sẽ được khởi động bởi bộ khởi động 12V thông thường.
Trong quá trình tăng tốc, dòng điện từ mô-đun pin được biến tần chuyển đổi thành AC để cung cấp cho động cơ, tối đa hóa công suất đầu ra Công suất này bổ sung cho động cơ, đảm bảo hiệu suất tăng tốc tối ưu Đồng thời, dòng điện từ mô-đun ắc quy cũng được chuyển đổi thành 12VDC để cung cấp cho hệ thống điện của xe, giảm tải cho máy phát điện thông thường và cải thiện khả năng tăng tốc Tuy nhiên, khi trạng thái sạc pin giảm xuống mức tối thiểu, sự hỗ trợ sẽ không còn khả dụng, chỉ được cung cấp khi bướm ga mở rộng (WOT) khi trạng thái sạc còn đủ.
Khi xe di chuyển và pin cần sạc, động cơ đốt trong (ICE) sẽ điều khiển động cơ điện hoạt động như một máy phát điện Dòng điện đầu ra từ máy phát được sử dụng để sạc pin và cung cấp năng lượng cho hệ thống điện của xe Khi pin cao áp đã được sạc đầy, ICE sẽ dẫn động động cơ điện, biến đổi dòng điện tạo ra thành 12VDC để phục vụ cho hệ thống điện.
Trong quá trình giảm tốc, động cơ điện hoạt động nhờ vào lực kéo của bánh xe, giúp tái sinh năng lượng Năng lượng tái sinh này được sử dụng để sạc pin cao áp, góp phần vào hiệu suất hoạt động của xe Một số mẫu xe hiện nay đã hoàn toàn loại bỏ động cơ đốt trong (ICE).
Trong quá trình phanh, lượng phục hồi cao hơn được phép, giúp tăng lực giảm tốc và người lái sẽ tự động điều chỉnh lực trên bàn đạp phanh Chế độ này cũng cho phép sạc battery nhiều hơn Nếu hệ thống ABS đang điều khiển việc khóa bánh xe, tín hiệu 'ABS bận' sẽ được gửi đến mô-đun điều khiển động cơ, ngay lập tức dừng phanh tái sinh để tránh can thiệp vào hệ thống ABS.
Trong chế độ cầm chừng, dòng năng lượng tương tự như chế độ cruising Khi ắc quy yếu, vòng tua máy sẽ tăng lên 1100rpm Đối với các dòng xe có động cơ điện mạnh, động cơ đốt trong (ICE) hiếm khi hoạt động ở chế độ cầm chừng, trong khi motor điện sẽ được sử dụng để di chuyển và khởi động xe khi cần thiết.
SIMULATION MODEL
Điều kiện thí nghiệm
Ví dụ này minh họa kiến trúc cơ bản của hệ thống truyền tải hỗn hợp nối tiếp, trong đó toàn bộ cơ năng từ động cơ được chuyển đổi thành điện năng qua máy phát điện Trong thử nghiệm, xe tăng duy trì tốc độ cao trước khi giảm tốc trở lại mức ban đầu Chiến lược quản lý năng lượng chỉ sử dụng điện năng dự trữ để vận hành động cơ, trong khi động cơ đốt chỉ cung cấp năng lượng cần thiết để duy trì tốc độ ban đầu.
Chi tiết về các khối lệnh (blocks) được sử dụng trong model và các điều kiên đầu vào và đầu ra
Các kí hiệu trong các khối Enigne:
- Rpm_dem: tốc độ động cơ mong muốn.
- Rpm: tốc độ động cơ thực tế.
- T: độ mở cánh bướm ga.
- S PS, PS S: khối chuyển đổi tín hiệu vật lý sang dạng số để phù hợp cho việc tính toán.
- P: công suất của động cơ.
- FC: lượng nhiên liệu tiêu hao.
- F: tín hiệu quay trục khủy.
- B: vỏ động cơ nối mát.
Khối cài đặt tốc độ động cơ và mô men máy phát yêu cầu:
Mô men máy phát cần được cài đặt ở điều kiện động cơ đốt trong (ICE) khởi động, đảm bảo công suất đủ để xe di chuyển với tốc độ không đổi, trong khi công suất pin mất mát là bằng 0 Tốc độ động cơ yêu cầu để hoạt động ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu là 2000 v/ph.
- Tốc độ yêu cầu được đưa vào 2000 v/ph, sau đó đi qua một khối (-K-) nhân với hệ số 1.08 sau đó xuất ra đưa vào khối ref_engine_speed.
Khối cài đặt tốc độ và mô ment máy phát yêu cầu
Khối tính toán động cơ:
- Cơ cấu tính toán bên trong gồm có 2 thành phần chính:
Một khối tính toán sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ để so sánh với yêu cầu thực tế, từ đó xuất ra tín hiệu độ mở bướm ga nhằm phục vụ cho việc tính toán động học của động cơ.
Một khối Engine nhận tín hiệu từ độ mở cánh bướm ga và sử dụng chương trình toán học để tính toán dựa trên mối quan hệ giữa công suất, mô men và tốc độ động cơ.
Cơ cấu tính toán các thông số động cơ dựa vào tín hiệu đầu vào từ độ mở cánh bướm ga (T) và tín hiệu tốc độ động cơ thực tế (rpm) Tín hiệu tốc độ động cơ thực tế (rpm) sau đó được đưa vào khối quản lý động cơ (Engine management) cùng với tín hiệu tốc độ động cơ yêu cầu để thực hiện tính toán và cho ra tín hiệu đầu ra.
Sơ đồ các khối tính toán bên trong khối Engine thể hiện độ mở cánh bướm ga (T), cho thấy đây là một vòng lặp tính toán liên tục thay đổi theo thời gian trong quá trình hoạt động của động cơ.
Khối động cơ tính toán độ mở cánh bướm ga:
Để xuất tín hiệu độ mở cánh bướm ga (T), cần lấy tốc độ động cơ yêu cầu (rpm_dem) trừ đi tốc độ động cơ hiện tại, sau đó nhân với một hệ số nhất định.
Khối tính toán quản lý động cơ có hệ số Kp được cài đặt mặc định là 1e-3 Độ mở cánh bướm ga được giới hạn trong khoảng từ 0 đến 1 thông qua khối Saturation.
Khối tính toán các thông số động học động cơ:
Sơ đồ tính toán của động cơ bao gồm các thông số quan trọng như công suất động cơ (Pm_engine), lượng tiêu hao nhiên liệu (Fuel) và tốc độ thực tế của động cơ (rpm) Những thông số này đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của động cơ.
Khối động cơ chung (Generic Engine):
Chế độ động cơ chung hoạt động dựa trên mối quan hệ được lập trình giữa mô men và tốc độ động cơ, được điều chỉnh thông qua tín hiệu độ mở bướm ga.
Một mô hình động cơ chung
Mô hình này đại diện cho hai loại động cơ chính: động cơ đốt trong (SI) và động cơ dầu diesel (CI) Nó được thiết kế để hỗ trợ tính toán các thông số cơ bản của động cơ, giúp người dùng hiểu rõ hơn về hiệu suất và hoạt động của từng loại động cơ.
- Cổng F và B là 2 tín hiệu được liên kết với vỏ độc cơ đảm bảo suất ra tín hiệu chuyển động quay của trục khuỷu động cơ.
- Cổng P và FC là 2 đầu ra tín hiệu vật lý tương ứng là công suất động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu.
Tín hiệu đầu vào độ mở bướm ga và mô men xoắn yêu cầu từ động cơ là hai giá trị quan trọng trong việc đạt được mô men xoắn cực đại Khi tốc độ động cơ giảm xuống dưới mức dừng, mô men xoắn sẽ trở về 0 Ngược lại, nếu tốc độ động cơ vượt quá tốc độ cực đại, quá trình mô phỏng sẽ dừng lại và hiển thị lỗi Các giá trị như mô men xoắn cực đại, tốc độ đạt được khi mô men xoắn cực đại, tốc độ cực đại và tốc độ dừng đều được cài đặt theo giá trị mặc định.
Cài đặt thông số cơ bản động cơ *
Cài đặt thông số động lực học động cơ
Cài đặt các thông số về mức tiêu thụ nhiên liệu
Cài đặt bộ điều khiển tốc độ cầm chừng
Trong bài mô phỏng mô hình hybrid series, điều kiện được thiết lập là xe tăng tốc từ 15 m/s lên 20 m/s và sau đó giảm tốc về lại 15 m/s Do đó, chế độ mặc định không sử dụng bộ điều khiển tốc độ cầm chừng.
Khối cảm biến tốc độ động cơ:
Khối cảm biến tốc độ bao gồm một cảm biến chuyển động quay lý tưởng, nhận tín hiệu từ cổng F Sau đó, tín hiệu này được chuyển đổi từ dạng vật lý sang dạng số, cho phép xuất ra giá trị tốc độ động cơ thực tế (engine_rpm).
Cấu tạo khối cảm biến tốc độ (Ideal Rotational Motion Sensor):
Cảm biến chuyển động quay lý tưởng là một thiết bị chuyển đổi biến ngang đo giữa hai nút quay cơ học thành tín hiệu điều khiển tỷ lệ với vận tốc góc hoặc góc Nó được coi là lý tưởng vì không bị ảnh hưởng bởi quán tính, ma sát, độ trễ hay tiêu thụ năng lượng.
- Cổng R và C là 2 chân của cảm biến tương ứng kết nối với cổng F và B nối mát vỏ động cơ.
- Cổng W và A là 2 tín hiệu vật lý đầu ra tương ứng với vận tốc góc (ω) và độ dịch chuyển góc.
Hình 9 Cấu tạo khối cảm biến tốc độ động cơ
Cài đặt giá trị góc quay trục khuỷu ban đầu
Khối này mô phỏng một chiếc lốp hoạt động trên đường dọc, dựa trên sự bám của bánh xe thông qua một phương trình thực nghiệm với bốn hệ số phù hợp Hướng dọc của lốp tương ứng với hướng chuyển động khi lăn trên bề mặt đường.
Kết quả mô phỏng – phân tích
Nhóm chúng em đang tìm hiểu và sẽ phân tích ý nghĩa của đồ thị và sẽ bổ sung choThầy sau ạ.