1. z
Mô hình hoá ô tô điện và kiểm soát
tốc độ bằng matlab simulink
2. z
I.Mục tiêu
Thiết lập mô hình Toán học của một chiếc ô tô điện dựa trên
mẫu Tesla Model S P85.
Thiết kế mô hình SIMULINK mô phỏng động lực học hoàn chỉnh
của mẫu Tesla Model S P85.
Kiểm soát tốc độ xe Tesla bằng Bộ điều khiển tốc độ sử dụng
thuật toán PID.
3. z
II. Về mẫu xe điện Tesla model S P85
• Các thông số tính toán cơ
bản:
• Trọng lượng : 2,108 kg
• Hệ số cản khí động học :
0.24
• Diện tích cản không khí
phía trước : 2.34 m^2
• Công xuất động cơ điện :
343kW / 460HP /
omega=8600RMP
• Mômen xoắn : 600Nm
• Hệ số cản lăn trên đường
nhựa : 0.02
4. z
III. Các thành phần cơ bản
Phương trình động lực học phương
dọc:
Fkéo ≥ Σ𝐹cản = Fi + Fa +Fr
6. z
V. Ý nghĩa các
khối block
Speed controller: mô phỏng
mối quan hệ giữa vị trí chân
ga ga và so sánh với vận tốc
thực để xuất ra một xung
điều khiển momen yêu cầu
(Tyc)
DC motor : khối này mô
phỏng lại đặc tính hoạt động
của động cơ điện một chiều
từ thông số momen yêu cầu,
vận tốc góc động cơ xuất ra
tín hiệu momen chủ động
truyền tới các bánh xe
7. z
Vehicle model : dùng để
mô phỏng khả năng động
lực học phương dọc của xe
khi được cấp mô men chủ
động từ động cơ điện
Battery block : khối mô
phỏng hoạt động của ắc
quy trong quá trình phóng
điện dựa vào tín hiệu
momen động cơ và nhiệt
độ môi trường
8. z
VI. Quá trình thiết kế
Từ các thông số cơ bản suy ra các biểu thức toán học cho
từng phần của mô hình .
Mô hình hoá các biểu thức này sang mô hình MATLAB /
SIMULINK.
Sử dụng mô hình này để lập trình bộ điều khiển tốc độ.
Kiểm nghiệm kết quả và so sánh với các ví dụ trong thực
tế.
10. z
1.Các lực phát sinh khi xe chuyển động
Lực kéo : là lực được chuyển hóa năng lượng từ điện năng sang cơ
năng thông qua động cơ và bánh xe.
Lực cản khí động học: dịch chuyển của không khí khi chuyển động
hoặc do gió giật.
Lực cản lăn: sự biến dạng của lốp trên mặt đất do trọng lượng của
xe hơi.
cản quán tính của ô tô: đặc tính cố hữu của khối lượng để chống lại
những thay đổi trong chuyển động.
Thực tế còn có thêm lực cản dốc , Nhưng ở đây để đơn giản hoá mô
hình của ta chỉ xét chạy trên đường bằng nên ta bỏ qua cản dốc
11. z
A,lực kéo
Các bánh xe chuyển đổi mô-men
xoắn do động cơ tạo ra thành lực
tịnh tiến nhờ ma sát tạo ra bởi lốp
của chúng. Lực này có thể được
biểu thị bằng công thức :
Ff=
T
L
∗ Gr
Ở đây, 𝐿 = 48/2 = 24𝑐𝑚 và 𝐺r = 9,73 nên
suy ta :
Trong thực tế hiện tượng trượt có thể
xảy ra nhưng mình sẽ bỏ qua nó trong
trường hợp này . Hiện tượng trượt mình
sẽ giải thích ở tập khác.
F=40.5*T
12. z
B, lực cản khí
động học
Xảy ra trên bất kỳ vật thể chuyển
động nào trong chất lưu và do
sự dịch chuyển và ma sát giữa
vật thể và chất lưu.
Biểu thức : D=
1
2
𝜌 *V2
*S*𝐶D
Với 𝜌 là mật độ không khí
V là vận tốc xe
S là diện tích phía trước của xe
𝐶D là hệ số cản khí động của xe
13. z
Xét ở độ cao bằng với mực
nước biển ta có : 𝜌
=1.225
kg
m3
Ở đây với Tesla model S
P85 ta có diện tích phía
trước xe là: S= 2.3 (m2)
Hệ số cản khí động học CD=
0.24
Suy ra lực cản không khí ở
đây là :
D=0.3381*(V^2)
14. z
C.lực cản lăn
Hậu quả của tổn thất cơ học
do sự biến dạng của lốp xe
khi tiếp xúc với mặt đất.
Được biểu diễn qua công
thức :
Fr= mt* Cr*g * cos 𝛼
𝛼 góc dốc
Cr hệ số cản lăn
mt tổng khối lượng của xe
g là hằng số hấp dẫn
15. z
Xét lốp xe khô và đường là đường nhựa ta có : Cr=0.02
Tổng khối lượng của tesla model s : m=2108 (kg)
Hằng số hấp dẫn g=9,81 m/s^2
Suy ra :
Fr= 2108* 0.02*9.81= 413 N
16. z
D. Cản quán tính
Định nghĩa : là lực sinh
ra khi xe ở trạng thái
tăng tốc hoặc giảm tốc
Biểu thức : Fq = m*j*𝛿i
Trong đó : m là khối
lương xe
j là gia tốc của xe
𝛿i = 1,05 + 0,0015*𝐺r2
( Gr là tỉ số truyền)
17. z
Thay số với thông số kỹ thuật của xe tesla model S P85 có :
M = 2108 (kg)
Gr =9,73
Nên ta có biểu thức của cản quán tính :
Fq = 2108 * j * (1,05 + 0,0015*9,73^2)
Fq = 2513 * j (N)
19. z
I. Tesla model S P85
battery
Pin của Tesla model S được ghép bởi 7.104 cell pin mã
18650 bao gồm 16 module mỗi module gồm 444 cell có
khả năng lưu trữ năng lượng lên 85kWh.
16 module được mắc nối tiếp , mỗi module chứa 6 nhóm
mỗi nhóm gồm 74 cell mắc //.
Tổng công suất của nó là 85.000Wh và nó nặng 540kg.
Mỗi cell NCR18650B có công suất trung bình là 3300
mah, điện áp danh nghĩa 3,6V / 11,9Wh.
Điện áp tối đa của chúng là 4,2V và được phóng điện ở
2,5V.
20. z
II. Hiệu suất pin
Trong một đoạn mạch mắc nối tiếp, Hiệu điện thế của đoạn mạch
là tổng các Hiệu điện thế của các thành phần của nó nhưng cường
độ dòng điện không đổi.
Trong một đoạn mạch mắc song song, điện áp của đoạn mạch là
như nhau trong suốt nhưng cường độ dòng điện là tổng của dòng
điện đi qua tất cả các thành phần của nó được mắc song song.
Do đó, chúng ta có thể tính toán điện áp danh định của pin:
𝑉 = 3.6 ∗ 16 ∗ 6 = 346𝑉
Dòng điện tối đa sẽ được thiết lập thông qua mô-men xoắn cực đại.
21. z
III. Kết luận
Phân tích pin này đã cho chúng ta biết điện áp hoạt động tối đa
mà chúng ta sẽ lấy ở đây là 346V để xem xét mức trung bình
trong một lần xả pin. Điện áp tối đa và mức phóng điện tối đa
này đã cho ta giới hạn đối với các giá trị tối đa mà hệ thống của
chúng ta có thể đạt được, cả về điện áp và dòng điện. Tất cả
các thông số này sẽ được thực hiện một cách thích hợp trong
SIMULINK.
22. z
Lưu ý : Do cấu tạo phức tạp của pin lithium (cấu
tạo bởi 7104 tế bào pin cell 3,7v) nên để
mô hình hoá pin điện của xe là một chủ đề
phức tạp cần phải dựa vào phương trình
đối lưu nhiệt trong nội hệ thống và nhiệt độ
môi trường , …… dẫn đến thời lượng bài
giảng sẽ rất dài.
ở đây chủ đề của bài giảng tập trung vào
mô hình hoá động lực học và để không mất
tính tổng quát chúng ta sẽ lấy điện áp danh
định của pin là 346 V trong suốt thời gian
mô phỏng để xem xét mức trung bình trong
1 lần xả pin.
Chủ đề “ mô hình hoá hệ thống pin xe điện
Lithium” sẽ được giới thiệu ở bài giảng
khác
Minh hoạ mô hình pin lithium
80 cell , 350 (V)
24. z
I. Động cơ
Tesla Model S sử dụng
động cơ cảm ứng ba pha
xoay chiều bốn cực.
Những điều này đòi hỏi
điều khiển toán học và điện
tử phức tạp nhưng sẽ cho
ta hiệu quả cao.
Nên để đơn giản, chúng ta
sẽ sử dụng động cơ DC có
chổi than mà chúng ta sẽ
biểu diễn toán học sao cho
phù hợp với động cơ Tesla
nhất có thể.
25. z
II. Mô hình toán
học
Sụt áp rơi trên điện trở : ir=I*R
Sụt áp rơi trên cuộn cảm:
IL=L*(di/dt)
Theo định luật Kirchhoff, tổng
của tất cả các điện áp trên một
đường dẫn kín trong mạch
bằng 0 ta có:
𝑉=𝐼(𝑡)∗𝑅+𝐿*(di/dt) +𝐸(𝑡) (1)
26. z
Mô-men xoắn trong động
cơ điện một chiều có thể
được viết:
Với 𝐾t hằng số mô-men
xoắn của động cơ xác định
các đặc tính chế tạo của
nó.
Tương tự ta có hiệu điện
thế rơi trên động cơ cho
bởi công thức:
E(t)=Ke*𝜔(𝑡)
Ke là hằng số động cơ ,
𝜔(𝑡) là tốc độ quay của đc
(rad/s)
T(t)=Kt*I(t)
27. z
Do đó , chúng ta viết lại phương
trình (1):
𝑉=𝐼(𝑡)∗𝑅 + 𝐿*(di/dt) + Ke*𝜔(𝑡)
Chuyển vế rút di/dt :
di
dt
=
V − I t ∗R − Ke∗𝜔(𝑡)
L
(1)
28. z
III. Biểu diễn phương trình trong môi trường
matlab simulink
T(t)=Kt*I(t) di
dt
=
V − I t ∗R − Ke∗𝜔(𝑡)
L
(1)
29. z
Phân tích dữ liệu trực tuyến, ta có thể
lấy các thông số cơ bản :
𝑅 = 5.3 ∗ 10^(-3) 𝑂h𝑚
𝐿 = 493 ∗ 10^(-9) 𝐻𝑒𝑛𝑟𝑦𝑠
𝐾e = 0.12 𝑉𝑠/𝑟𝑎𝑑 𝐸
𝐾𝑇 = 0.25 𝑁𝑚/𝐴𝑚𝑝
di
dt
=
V − I t ∗R − Ke∗𝜔(𝑡)
L
(1)
T(t)=Kt*I(t)
30. z
Lưu ý:
+ cách biểu diễn trên giúp ta hiểu rõ
bản chất nhưng khi gặp các bài toán
mô hình lớn sẽ dẫn đến rất cồng kềnh
và rắc rối.
+ Ngoài cách biểu diễn 2 phương trình
di/dt, T(t) ở trên chúng ta có thể dùng
một phương pháp toán học rất hữu ích
đó là biến đổi laplace phương trình
di/dt để suy ra 1 phương trình hàm
truyền biểu diễn mỗi quan hệ giữa
T,V,omega . Ưu điểm của phương
pháp này cho ta một phương trình
hàm truyền duy nhất dẫn đến khi mô
hình hoá rất đơn giản và ngắn gọn chỉ
với duy nhất công cụ transfer funtion (
sẽ được giới thiệu trong bài mô hình
khác )
Công cụ tranfer function trong matlab simulink
32. z
1. Tổng kết lại
Lực kéo từ động cơ : Ff =
40.5T*0.7(70% hiệu suất
tổng thể)
Lực cản lăn :
Fr=413N
Cản khí động học :
D=0.3381v^2
Cản quán tính :
Fq = 2513 * j (N)
Inertial drag
33. z
2. Điều kiện chuyển động của xe
Từ hình vẽ ta có điều kiện chuyển động của xe:
Fkéo ≥ Σ𝐹cản
Chiếu phương trình trên lên trục Ox chiều
dương là chiều tịnh tiến của xe :
Ff = Fr + D + Fq
40,5*0.7*T = 413 + 0.3381*v^2 + 2513*j
Inertial drag
34. z 3. kết luận
Phương trình động lực học dọc thân xe :
dv
dt
=
0.7 ∗ 40.5T − 413 − 0.3381v^2
2513
35. z
4.Mô hình hoá trong matlab simulink
dv
dt
=
0.7∗40.5T−413−0.3381v^2
2513
37. z
Kết quả thu được
Đồ thị vận tốc
Mô hình đạt vận tốc cực đại
là 254 Km/h ( đã đúng với
mô hình xe thực tế )
Đặc tính momen
của động cơ
Chưa đúng với
đường đặc tính
momen của ĐC
điện
38. z
Ô tô điện tesla model s p85 đạt vận tốc 100 km/s với 4.4 s . Mô hình đã đúng với thực
Tế về phương diện khả năng tăng tốc
+ cần hoàn thiện thêm mô hình hoá pin điện lithium , module
kiểm soát tốc độ bằng thuật toán PID
+ mô hình hoá chi tiết động học bánh xe , hệ thống truyền lực,
hệ thống treo.
