Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho ô tô điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô "Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho ô tô điện" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về đề tài; xây dựng mô hình hệ thống động lực học người - xe điện; thực nghiệm xác định thông số đặc tính xe điện và kiểm chứng mô hình;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu điều khiển hệ thống động lực nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho ô tô điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THANH NHÀN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC NHẰM CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO Ô TÔ ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ HÀ NỘI – 2024 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THANH NHÀN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC NHẰM CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO Ô TÔ ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật ô tô Mã số: 9520130 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đàm Hoàng Phúc PGS.TS. Nguyễn Thành Công HÀ NỘI – 2024 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, Ngày tháng năm 2024 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS. TS. Đàm Hoàng Phúc PGS. TS Nguyễn Thành Công Lê Thanh Nhàn i
LỜI CẢM ƠN NCS xin trân trọng cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Đào tạo, Trường Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực, Nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng đã tạo điều kiện cho NCS thực hiện luận án tại Đại học Bách khoa Hà Nội. NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tập thể hướng dẫn là PGS.TS. Đàm Hoàng Phúc và PGS.TS. Nguyễn Thành Công, những người hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra giúp thực hiện và hoàn thành luận án. Xin cảm ơn Ban Giám hiệu và quý Thầy, Cô Trường Cao đẳng Kỹ nghệ II đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin Cảm ơn quý Thầy, Cô, các nhà khoa học trong và ngoài trường đã ủng hộ và giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu của NCS. Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên khuyến khích giúp đỡ trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................. xi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 4 1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 4 1.2. Ảnh hưởng của hành vi người lái và xây dựng mô hình người lái ...................... 5 1.2.1. Ảnh hưởng của người lái đến động lực học và năng lượng ........................... 5 1.2.2. Mô hình người lái và ứng dụng ...................................................................... 8 1.3. Mô phỏng và điều khiển ô tô điện ..................................................................... 15 1.3.1. Mô phỏng ô tô điện....................................................................................... 15 1.3.2. Phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng của xe thuần điện (BEV) .............. 18 1.3.3. Nghiên cứu điều khiển ô tô điện ................................................................... 20 1.4. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 25 1.4.1. Xây dựng mô hình xe .................................................................................... 25 1.4.2. Mô hình đạp ga của người lái ...................................................................... 25 1.5. Các tiêu chí đánh giá hành vi lái xe và tiêu thụ năng lượng ô tô điện ............. 25 1.5.1. Mức độ tăng tốc ............................................................................................ 25 1.5.2. Mức độ điều khiển của người lái.................................................................. 26 1.5.3. Mức tiêu hao năng lượng ............................................................................. 27 1.6. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 27 1.7. Mục tiêu chung .................................................................................................. 27 1.8. Mục tiêu cụ thể .................................................................................................. 28 1.9. Nội dung và bố cục của luận án ........................................................................ 28 1.10. Kết luận chương 1 ........................................................................................... 28 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỜI- XE ĐIỆN ................................................................................................. 30 2.1. Xây dựng mô hình xe điện ................................................................................. 30 2.1.1. Mô hình ĐLH xe ........................................................................................... 31 2.1.2. Mô hình động cơ điện ................................................................................... 35 2.1.3. Mô hình phanh.............................................................................................. 41 2.1.4. Mô hình pin .................................................................................................. 44 2.1.5. Thông số đầu vào của xe điện VF e34 ......................................................... 47 iii
2.2. Khảo sát ảnh hưởng một số thông số đến ĐLH và năng lượng ........................ 49 2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của hệ số bám đến ĐLH và năng lượng ..................... 49 2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của phương thức đạp ga đến ĐLH và năng lượng ..... 52 2.3. Xây dựng mô hình đạp ga của người lái ........................................................... 63 2.4. Khảo sát đánh giá mô hình đạp ga của người lái ............................................. 66 2.4.1. Kịch bản khảo sát ......................................................................................... 66 2.4.2. Kết quả khảo sát đánh giá hoạt động của mô hình người lái ...................... 67 2.4.3. Kết quả khảo sát mối quan hệ hành vi người lái đến ĐLH và năng lượng tiêu thụ của xe......................................................................................................... 70 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 78 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐẶC TÍNH XE ĐIỆN VÀ KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH ............................................................................ 80 3.1. Mục tiêu thí nghiệm ........................................................................................... 80 3.2. Đối tượng thí nghiệm ......................................................................................... 80 3.3. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................. 81 3.3.1. Thiết bị AHS Easy Swing [52] ...................................................................... 81 3.3.2. Thiết bị kiểm tra công suất AHS [53] .......................................................... 81 3.4. Thí nghiệm xác định đường đặc tính momen và công suất ............................... 82 3.4.1. Mục tiêu thí nghiệm ...................................................................................... 82 3.4.2. Lựa chọn thiết bị........................................................................................... 83 3.4.3. Phương pháp thí nghiệm .............................................................................. 83 3.4.4. Quy trình thí nghiệm..................................................................................... 84 3.4.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu .............................................................. 85 3.5. Thí nghiệm xác định tải trọng và thông số hình học của xe .............................. 86 3.5.1. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................... 86 3.5.2. Lựa chọn thiết bị thí nghiệm......................................................................... 87 3.5.3. Phương pháp thực hiện ................................................................................ 87 3.5.4. Quy trình thí nghiệm..................................................................................... 88 3.5.5. Kết quả khảo sát ........................................................................................... 88 3.6. Thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng ................................... 89 3.6.1. Mục tiêu thí nghiệm ...................................................................................... 89 3.6.2. Lựa chọn thiết bị thí nghiệm. ....................................................................... 89 3.6.3. Phương pháp thí nghiệm .............................................................................. 89 3.6.5. Kết quả thí nghiệm ....................................................................................... 90 3.7. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 91 iv
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG NGƯỜI - Ô TÔ ĐIỆN ............................................................................................ 92 4.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 92 4.2. Mô hình toán học bộ điều khiển hệ thống Người - Xe điện ............................... 94 4.2.1. Xây dựng phương trình ................................................................................ 94 4.2.2. Xây dựng phương trình không gian trạng thái hệ thống Người - Xe điện ... 98 4.3. Xây dựng thuật toán điều khiển ĐLH hệ thống Người - Xe điện .................... 101 4.3.1. Phương pháp điều khiển LQR .................................................................... 101 4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển LQR xác định tín hiệu bàn đạp ga ......................... 103 4.3.3. Phương pháp đánh giá hiệu quả bộ điều khiển ......................................... 104 4.4. Mô phỏng đánh giá lựa chọn bộ thông số cho bộ điều khiển ......................... 105 4.4.1. Kịch bản mô phỏng..................................................................................... 105 4.4.2. Kết quả khảo sát ĐLH ở vận tốc 60 km/h và 120 km/h .............................. 106 4.4.3. Khảo sát khả năng bắt vận tốc ................................................................... 108 4.4.4. Sự tương quan giữa tiêu chí khả năng bắt vận tốc và suất tiêu thụ năng lượng..................................................................................................................... 110 4.5. Mô phỏng đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển ............................................. 111 4.5.1. Kịch bản mô phỏng..................................................................................... 111 4.5.2. Kết quả khảo sát ......................................................................................... 112 4.6. Mô phỏng đánh giá kết quả tổng thể cho một chu trình.................................. 118 4.6.1. Chọn chu trình khảo sát ............................................................................. 118 4.6.2. Kịch bản khảo sát ....................................................................................... 121 4.6.3. Kết quả khảo sát ......................................................................................... 121 4.7. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 134 v
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa 𝑎 mm Khoảng cách trọng tâm đến cầu trước amax m/s2 Gia tốc lớn nhất atb m/s2 Gia tốc trung bình A m2 Diện tích phía trước của xe ACC Hệ thống điều khiển kiểm soát hành trình thích ứng  O Góc dốc 𝑏 mm Khoảng cách trọng tâm đến cầu sau BEV Xe thuần điện (Battery Electric Vehicle) 𝐶 kWh, Ah Dung lượng pin c Hệ số cản tổng cộng Cx Hệ số cản khí động học D km Quãng đường ĐLH Động lực học E Wh/km Suất tiêu thụ năng lượng 𝑒𝑣 m/s Sai số vận tốc của hai xe EUDC Chu trình lái ngoài đô thị (Extra Urban Driving Cycle) f Hệ số cản lăn Fa N Lực quán tính tổng cộng Fc N Lực cản tổng cộng Fr_air N Lực cản gió Frf N Lực cản lăn tại bánh trước của xe Frr N Lực cản lăn tại bánh sau của xe Fxf N Lực dọc ở bánh xe cầu trước Fxr N Lực dọc ở bánh xe cầu sau g m/s2 Gia tốc trọng trường HDOL Giới hạn động lực mức cao vi
HEV Hybrid Electric Vehicle ℎ𝑔 m Chiều cao trọng tâm Chu trình lái xe trên cao tốc (Highway Fuel Economy HWEFT Test) f % Hiệu suất của truyền lực chính g % Hiệu suất của hộp giảm tốc I A Cường độ dòng điện Xe sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion ICE Engine) 𝑖 Tỷ số truyền tổng 𝑖𝑔 Tỷ số truyền của hộp giảm tốc i0 Tỷ số truyền truyền lực chính Momen quán tính truyền lực chính và momen quán 𝐽𝑓 Kgm2 tính trục quay 𝐽𝑔 Kgm2 Momen quán tính hộp giảm tốc 𝐽𝑚 Kgm2 Momen quán tính mô tơ 𝐽 𝑤ℎ𝑓 Kgm2 Momen quán tính của bánh trước 𝐽 𝑤ℎ𝑟 Kgm2 Momen quán tính của bánh sau K Ma trận phản hồi trạng thái 𝐾𝑣 Hệ số cảm nhận sai lệch vận tốc của người lái kregen Nm Hệ số tái tạo phụ thuộc vào vận tốc L m Khoảng cách hai xe Lo m Khoảng cách ban đầu giữa hai xe 𝑙 mm Chiều dài cơ sở LDOL Giới hạn động lực mức thấp Thuật toán điều khiển tối ưu phản hồi tuyến tính LQR (Linear Quadratic Regulator) 𝑚 kg Khối lượng xe Mbr_f Nm Momen phanh bánh trước vii
Mbr_max Nm Momen phanh lớn nhất Mbr_r Nm Momen phanh bánh sau Mbr_regen Nm Momen phanh tái sinh Mc Nm Momen động cơ tại số vòng quay chuyển đổi me kg Khối lượng tương đương các chi tiết quay Mfdin Nm Momen của truyền lực chính 𝑀 𝑚𝑎𝑥 Nm Momen cực đại của động cơ Mmt Nm Momen động cơ Mmech Nm Momen phanh cơ khí Mregen_re Nm Momen phanh yêu cầu MT Môi trường f Hệ số truyền lực dọc của bánh trước r Hệ số truyền lực dọc của bánh sau NCS Nghiên cứu sinh NEDC Chu trình lái NEDC (New european driving cycle) PI Thuật toán điều khiển PI (Proportional-Integral Controller) Pin % Tín hiệu điều khiển ga Ph % Mức ga Pout kW Công suất pin cung cấp Pthpin kW Công suất tổn thất trong pin Pqt kW Công suất quán tính Pmt kW Công suất động cơ 𝑃 𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 kW Công suất định mức của động cơ Pr kW Công suất tổn hao do điện trở trong của pin Pyc kW Công suất điện yêu cầu Q Ma trận trọng số Q R Ma trận trọng số R Ramp Phương thức đạp ga với tốc độ khác nhau viii
RPA Chỉ số RPA đặc trưng cho gia tốc dương trung bình Rt  Điện trở trong của pin rwh m Bán kính của bánh xe s Độ trượt S m Khả năng bắt vận tốc Step Phương thức đạp ga với các mức ga khác nhau SOC % Trạng thái sạc U V Hiệu điện thế giữa 2 đầu cực của pin V m/s Vận tốc xe Vdes m/s Vận tốc mong ước t s Thời gian d s Độ trễ mô tơ h s Thời gian trễ 𝜑 Hệ số bám của đường  rad/s Vận tốc góc động cơ điện 𝜔𝑐 rad/s Tốc độ góc độ góc chuyển đổi của động cơ 𝜔 𝑟𝑤ℎ rad/s Vận tốc góc bánh xe sau 𝜔 𝑓𝑤ℎ rad/s Vận tốc góc bánh xe trước 𝜔 𝑚𝑎𝑥 rad/s Tốc độ góc cực đại của động cơ wh rad/s Vận tốc góc của bánh xe W kWh Năng lượng tiêu thụ Wthpin kWh Năng lượng tổn thất trong pin Wqt kWh Năng lượng quán tính Wregen kWh Năng lượng tái sinh x Hệ số tải Chu trình lái WLTP (Worldwide Harmonized Light WLTP Vehicles Test Procedure) ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tiêu chí phân loại hành vi người lái theo ĐLH của xe.............................. 7 Bảng 1.2. Kết quả ước lượng các trạng thái hoạt động của xe................................ 12 Bảng 1.3. Hiệu suất năng lượng theo tốc độ xe và hành trình bàn đạp ga (APS). .. 20 Bảng 2.1. Thông số động cơ điện ............................................................................. 37 Bảng 2.2. Giá trị các hệ số của đường hiệu suất ở chế độ động cơ và chế độ máy phát [30] ................................................................................................................... 40 Bảng 2.3. Thông số của pin ô tô điện VF e34 [44] .................................................. 44 Bảng 2.4. Thông số đầu vào mô hình ....................................................................... 47 Bảng 2.5. Thông số giả định ..................................................................................... 49 Bảng 3.1. Thông số cần xác định để xây dựng đường đặc tính động cơ ................. 84 Bảng 3.2. Thông số kết quả đo và xử lý số liệu ........................................................ 86 Bảng 3.3. Thông số đầu vào của xe VF e34 ............................................................. 88 Bảng 3.4. Điều kiện mô phỏng và thí nghiệm .......................................................... 89 Bảng 3.5. Kết quả so sánh kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm ....................... 91 Bảng 4.1. Thông số các bộ điều khiển khảo sát ..................................................... 106 Bảng 4.2. Quan hệ giữa trọng số điều khiển vận tốc và khả năng bắt vận tốc ...... 109 Bảng 4.3. Thông số các bộ điều khiển được lực chọn cho các vùng vận tốc ......... 110 Bảng 4.4. Thông số bộ điều khiển khảo sát ............................................................ 111 Bảng 4.5. Thông số của các chu trình lái tiêu chuẩn [56] ..................................... 120 x
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Đồ thị giới hạn động lực mức cao HDOL .................................................. 6 Hình 1.2. Đồ thị giới hạn động lực mức thấp LDOL ................................................. 7 Hình 1.3. Đồ thị suất tiêu thụ năng lượng theo đặc tính người lái ............................ 7 Hình 1.4. Các dạng mô hình người lái [14] ............................................................... 9 Hình 1.5. Phân loại các trạng thái lái xe đi thẳng ................................................... 11 Hình 1.6. Kết quả ước lượng các trạng thái hoạt động của xe [23] ........................ 11 Hình 1.7. Mô tả tình huống đi theo xe phía trước .................................................... 12 Hình 1.8. Sơ đồ mô hình người lái ........................................................................... 13 Hình 1.9. Giả thiết tình huống xây dựng mô hình người lái .................................... 14 Hình 1.10. Dòng năng lượng trong các bộ phận chính của xe điện ........................ 16 Hình 1.11. Giao diện phần mềm Advisor xe Toyota Prius ....................................... 17 Hình 1.12. Giao diện Inputs đầu vào của mô hình FASTsim ................................... 17 Hình 1.13. Bản đồ hiệu suất năng lượng theo tốc độ và gia tốc của xe [35]. ......... 19 Hình 1.14. Đồ thị suất tiêu thụ năng lượng theo tốc độ ........................................... 19 Hình 1.15. Hoạt động của hệ thống “ECO pedal” của Nissan [37] ....................... 21 Hình 1.16. Sơ đồ lắp đặt bộ điều khiển hiệu chỉnh tính hiệu bàn đạp ga [39] ........ 22 Hình 1.17. A) Bàn đạp ga điện tử chưa cài đặt SmartPedalTM, B) SmartPedalTM được kết nối với kết nối bộ dây của bàn đạp ga ....................................................... 23 Hình 1.18. Mô tả hiệu chỉnh tín hiệu bàn đạp ga SmartPedalTM [40] ................... 23 Hình 1.19. Sơ đồ các nội dung thực hiện của luận án ............................................. 24 Hình 1.20. Thông số đánh giá khả năng bắt vận tốc của người lái ......................... 26 Hình 2.1. Mô hình các khối chính trên ô tô điện VF e34 ......................................... 30 Hình 2.2. Các lực tác dụng lên xe ............................................................................ 31 Hình 2.3. Khối mô hình ĐLH phương dọc thân xe .................................................. 32 Hình 2.4. Các lực tác dụng lên bánh xe trước ......................................................... 33 Hình 2.5. Khối mô hình ĐLH bánh trước................................................................. 33 Hình 2.6. Các lực tác dụng lên bánh xe sau ............................................................. 34 Hình 2.7. Khối mô hình ĐLH bánh sau .................................................................... 34 Hình 2.8. Đồ thị mối quan hệ giữa độ trượt của lốp xe và hệ số truyền lực dọc ..... 35 Hình 2.9. Đồ thị mối quan hệ mức ga và độ mở bướm ga của xe sử dụng động cơ đốt trong ở các chế độ làm việc [40] ....................................................................... 36 Hình 2.10. Sơ đồ thuật toán điều khiển ba chế độ của xe ô tô điện ......................... 36 Hình 2.11. Đồ thị mối quan hệ giữa tín hiệu ga (Pin) và momen của động cơ (Mmax) ........................................................................................................................ 37 Hình 2.12. Đường đặc tính của động cơ PMSM ...................................................... 38 Hình 2.13. Sơ đồ thuật toán xây dựng đường đặc tính động cơ điện ....................... 38 xi
Hình 2.14. Khối mô hình động cơ ............................................................................ 39 Hình 2.15. Bản đồ hiệu suất động cơ điện [35] ....................................................... 39 Hình 2.16. Đặc tính hiệu suất của động cơ VF e34 ................................................. 41 Hình 2.17. Đặc tính momen động cơ ở chế độ máy phát ......................................... 41 Hình 2.18. Chiến lược phanh tái sinh theo tốc độ xe ............................................... 42 Hình 2.19. Khối mô hình phanh ............................................................................... 44 Hình 2.20. Sơ đồ mạch tương đương........................................................................ 44 Hình 2.21. Đồ thị mối quan hệ SOC và điện áp U ................................................... 45 Hình 2.22. Đồ thị mối quan hệ SOC và Rt ............................................................... 45 Hình 2.23. Khối mô hình Pin .................................................................................... 46 Hình 2.24. Sơ đồ mô hình xe .................................................................................... 47 Hình 2.25. Sơ đồ khảo sát mô hình xe điện ở các điều kiện hệ số bám khác nhau .. 49 Hình 2.26. Đồ thị ĐLH ở các mức ga khác nhau trên đường có hệ số bám khác nhau. ......................................................................................................................... 50 Hình 2.27. Đồ thị mối quan hệ giữa gia tốc trung bình và suất tiêu thụ năng lượng ở các đường hệ số bám khác nhau .............................................................................. 51 Hình 2.28. Các phương thức đạp ga của người lái .................................................. 52 Hình 2.29. Sơ đồ khảo sát mô hình xe điện .............................................................. 52 Hình 2.30. Đồ thị các thông số động lực học của động cơ điện ở các mức ga (step) ......................................................................................................................... 53 Hình 2.31. Đồ thị hiệu suất động cơ ở các mức ga (step) ........................................ 54 Hình 2.32. Đồ thị tỷ lệ thời gian động cơ làm việc vùng hiệu suất thấp ở các mức ga (step) ......................................................................................................................... 54 Hình 2.33. Đồ thị mối quan hệ gia tốc trung bình và suất tiêu thụ năng lượng ở các mức ga (step). ........................................................................................................... 55 Hình 2.34. Đồ thị các thông số ĐLH của động cơ điện khi tốc độ đạp ga khác nhau .......................................................................................................................... 56 Hình 2.35. Đồ thị hiệu suất động cơ ở các tốc độ đạp ga khác nhau ...................... 56 Hình 2.36. Đồ thị tỷ lệ thời gian động cơ làm việc vùng hiệu suất thấp ở các tốc độ đạp ga khác nhau ...................................................................................................... 57 Hình 2.37. Đồ thị mối quan hệ gia tốc trung bình và suất tiêu thụ năng lượng ở các tốc độ đạp ga khác nhau ........................................................................................... 57 Hình 2.38. Đồ thị mối quan hệ giữa gia tốc trung bình và suất tiêu hao năng lượng ở các phương thức đạp ga ........................................................................................ 58 Hình 2.39. Đồ thị so sánh các thông số động lực học của động cơ điện ở các phương thức đạp ga .................................................................................................. 59 Hình 2.40. Đồ thị so sánh hiệu suất động cơ ở các phương thức đạp ga ................ 60 Hình 2.41. Đồ thị so sánh các thông số điện năng ở các phương thức đạp ga ....... 61 Hình 2.42. Đồ thị so sánh tổn thất công suất trong pin ở các phương thức đạp ga 61 xii
Hình 2.43. Đồ thị so sánh các thông số động lực học của động cơ điện ở các phương thức đạp ga .................................................................................................. 62 Hình 2.44. Đồ thị so sánh suất tiêu thụ năng lượng ở các phương thức đạp ga ..... 62 Hình 2.45. Sơ đồ vị trí mô hình đạp ga người lái trong hệ thống Người – Xe điện . 63 Hình 2.46. Sơ đồ trường hợp đi theo xe phía trước ................................................. 64 Hình 2.47. Sơ đồ mô hình đạp ga của người lái ...................................................... 65 Hình 2.48. Sơ đồ khảo sát mô hình hệ thống Người – Xe điện ................................ 66 Hình 2.49. Đồ thị ĐLH của hệ thống người và xe trường hợp các người lái có hệ số cảm nhận khoảng cách Kl khác nhau ....................................................................... 67 Hình 2.50. Đồ thị ĐLH của hệ thống người và xe trường hợp các người lái có hệ số cảm nhận khoảng cách Kv khác nhau ...................................................................... 68 Hình 2.51. Đồ thị đặc trưng hành vi đạp ga của người lái ...................................... 69 Hình 2.52. Đồ thị mong muốn giữ khoảng cách với xe phía trước của người lái ... 70 Hình 2.53. Đồ thị so sánh các thông số động lực học của động cơ điện khi vận hành với hai người lái khác nhau ...................................................................................... 71 Hình 2.54. Đồ thị so sánh hiệu suất động cơ khi vận hành với hai người lái khác nhau .......................................................................................................................... 72 Hình 2.55. Đồ thị so sánh các thông số điện năng khi vận hành với hai người lái khác nhau .................................................................................................................. 72 Hình 2.56. Đồ thị so sánh công suất tổn hao trong pin khi vận hành với hai người lái khác nhau ............................................................................................................ 73 Hình 2.57. Đồ thị so sánh các thông số động lực học và năng lượng khi vận hành với hai người lái khác nhau ...................................................................................... 73 Hình 2.58. Đồ thị khả năng bắt vận tốc của người lái ............................................. 75 Hình 2.59. Đồ thị khả năng bắt vận tốc của những người lái cùng Kv hoặc Kl ....... 75 Hình 2.60. Đồ thị mối quan hệ giữa người lái và năng lượng ................................. 76 Hình 2.61. Đồ thị năng lượng của những người lái cùng Kv hoặc Kl ...................... 76 Hình 2.62. Đồ thị mối quan hệ giữa khả năng bắt vận tốc và năng lượng .............. 77 Hình 3.1. Đối tượng thí nghiệm xe điện VF e34 ...................................................... 80 Hình 3.2. Thiết bị đo trọng lượng xe ........................................................................ 81 Hình 3.3. Giao diện hiển thị kết quả đo của thiết bị kiểm tra công suất AHS ......... 81 Hình 3.4. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm đo công suất AHS ............................................. 82 Hình 3.5. Đường đặc tính lý thuyết của động cơ PMSM [60, 61] ........................... 83 Hình 3.6. Lắp đặt xe trên thiết bị đo công suất ........................................................ 85 Hình 3.7. Bộ điều chỉnh lực cản ............................................................................... 85 Hình 3.8. Đường đặc tính động cơ ........................................................................... 86 Hình 3.9. Sơ đồ thí nghiệm xác định trọng tâm xe ................................................... 87 Hình 3.10. Sơ đồ thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của mô hình ................................ 90 xiii
Hình 4.1. Sơ đồ vị trí bộ điều khiển trong hệ thống Người - Xe .............................. 92 Hình 4.2. Sơ đồ khối quy trình thiết kế bộ điều khiển .............................................. 93 Hình 4.3. Đồ thị tuyến tính hóa từng phần của lực cản theo vận tốc ...................... 95 Hình 4.4. Sơ đồ tuyến tính hóa ĐLH phương dọc của ô tô ...................................... 95 Hình 4.5. Mô hình động cơ điện ............................................................................... 96 Hình 4.6. Sơ đồ quan hệ tín hiệu đạp ga của người lái và tín hiệu điều khiển ga ... 97 Hình 4.7. Sơ đồ điều khiển hệ thống Người – Xe điện ............................................. 97 Hình 4.8. Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống Người – Xe [62,63] ..................... 104 Hình 4.9. Sơ đồ kịch bản đánh giá chọn bộ thông số cho bộ điều khiển ............... 105 Hình 4.10. Đồ thị ĐLH của hệ thống Người – Xe điện với các bộ điều khiển [LQR1- LQR6] trường hợp vận tốc mong ước 60 Km/h ..................................................... 107 Hình 4.11. Đồ thị ĐLH của hệ thống Người - Xe điện với các bộ điều khiển [LQR1- LQR6] trường hợp vận tốc mong ước 120 Km/h ................................................... 108 Hình 4.12. Quan hệ giữa trọng số điều khiển vận tốc và khả năng bắt vận tốc .... 109 Hình 4.13. Đánh giá sự tương quan giữa khả năng bắt vận tốc và suất tiêu thụ .. 110 Hình 4.14. Sơ đồ kịch bản mô phỏng đánh giá bộ điều khiển ................................ 111 Hình 4.15. Đồ thị so sánh các thông số động lực học của động cơ điện khi có điều khiển và không điều khiển ...................................................................................... 112 Hình 4.16. Đồ thị so sánh hiệu suất động cơ khi có điều khiển và không điều khiển........................................................................................................................ 113 Hình 4.17. Đồ thị so sánh các thông số điện năng khi có điều khiển và không điều khiển........................................................................................................................ 113 Hình 4.18. Đồ thị so sánh công suất tổn hao trong pin khi có điều khiển và không điều khiển ................................................................................................................ 114 Hình 4.19. Đồ thị so sánh các thông số động lực học của động cơ điện khi có điều khiển và không điều khiển ...................................................................................... 114 Hình 4.20. So sánh mức tín hiệu ga........................................................................ 115 Hình 4.21. So sánh tốc độ biến thiên tín hiệu ga.................................................... 116 Hình 4.22. So sánh độ sai lệch vận tốc................................................................... 117 Hình 4.23. So sánh khả năng bắt vận tốc ............................................................... 117 Hình 4.24. So sánh suất tiêu thụ năng lượng ......................................................... 118 Hình 4.25. Các chu trình lái tiêu chuẩn [56] ......................................................... 119 Hình 4.26. Sơ đồ kịch bản mô phỏng đánh giá tổng thể cho một chu trình ........... 121 Hình 4.27. Đồ thị so sánh các thông số động lực học và hiệu suất của động cơ điện khi có điều khiển và không điều khiển khi khảo sát theo chu trình ........................ 122 Hình 4.28. Đồ thị so sánh các thông số điện năng khi có điều khiển và không điều khiển khi khảo sát theo chu trình EUDC ................................................................ 122 Hình 4.29. Đồ thị so sánh các thông số ĐLH và năng lượng của xe khi có điều khiển và không điều khiển theo chu trình EUDC ............................................................. 123 Hình 4.30. So sánh suất tiêu thụ năng lượng khi khảo sát theo chu trình EUDC . 124 xiv
TÓM TẮT Xe điện ngày càng được thiết kế tối ưu về mặt năng lượng, nhưng có nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra hành vi khác nhau của người lái sẽ ảnh hưởng đến suất tiêu thụ năng lượng và tạo ra sự phân tán và chênh lệch lớn về tiêu hao năng lượng giữa những người lái có hành vi lái xe khác nhau trên cùng một điều kiện vận hành. Do đó luận án này muốn đi tìm hiểu sâu hơn về lý do của sự sai khác này và đề xuất các giải pháp để giảm bớt ảnh hưởng của hành vi người lái đến suất tiêu thụ năng lượng trên ô tô điện. Với phương pháp mô phỏng có thể thực hiện được theo nhiều chu trình và điều kiện lái xe đa dạng hơn, từ đó có được kết quả phong phú về mức độ ảnh hưởng của hành vi lái xe đến mức tiêu thụ năng lượng của xe ô tô điện. Mô hình mô phỏng bao gồm mô hình xe và mô hình đạp ga của người lái, mô hình kết hợp hệ thống người và xe có thể tái tạo được quy luật thay đổi năng lượng, thể hiện được bản chất sự sai khác năng lượng của những người lái khác nhau trong tình huống giao thông cụ thể. Luận án này đã đánh giá tác động của hành vi lái xe đến mức tiêu thụ năng lượng của xe điện trong tình huống giao thông khi xe chạy thẳng và bám theo xe phía trước (car following). Từ kết quả mô phỏng, thể hiện được mối quan hệ hành vi người lái, động lực học (ĐLH) của xe và năng lượng. Từ đó luận án đã đề xuất thuật toán điều khiển để tiết kiệm năng lượng và giảm sự chênh lệch về suất tiêu hao năng lượng giữa những người lái trong tình huống giao thông đi theo xe phía trước. Kết quả luận án đã xây dựng được mô hình xe điện, mô hình đã thể hiện mối quan hệ về mặt ĐLH và năng lượng của xe điện trong các điều kiện xe chạy trên các loại đường có hệ số bám khác nhau và dưới tác dụng của các phương thức đạp ga khác nhau. Luận án đã xây dựng mô hình đạp ga của người lái sử dụng các hệ số cảm nhận sai lệch vận tốc và khoảng cách làm thông số đặc trưng của người lái. Bằng việc thay đổi các thông số đặc trưng này, mô hình đã tái tạo được đặc trưng hành vi đạp ga (mức đạp ga và tốc độ đạp ga) của nhiều người lái trong tình huống xe đi theo xe phía trước. Mô hình kết hợp giữa mô hình người lái và mô hình xe có thể mô phỏng, đánh giá tác động của hành vi lái xe khác nhau đến kết quả động lực học và năng lượng của xe. Kết quả khảo sát cho thấy sự phân tán chênh lệch về mặt năng lượng của những người lái khác nhau là 20%, kết quả này tương đồng với các kết quả thực nghiệm đã công bố. Luận án sử dụng phương pháp tuyến tính hóa mô hình hệ thống Người – Xe điện và áp dụng thuật toán LQR để xây dựng bộ điều khiển động lực học ô tô điện. Sau đó sử dụng bộ điều khiển được thiết kế kết hợp mô hình xe điện phi tuyến để mô phỏng đánh giá hiệu quả bộ điều khiển và kết quả cho thấy đã cải thiện được khả năng điều khiển vận tốc và sự tiêu hao năng lượng của ô tô với các hành vi lái xe khác nhau. Khảo sát trong 1600 giây theo chu trình EUDC bộ điều khiển đã giảm sự ảnh hưởng hành vi của những người lái khác nhau đến sự phân tán, chênh lệch suất tiêu thụ năng lượng từ 15,9% xuống còn 1,3%. Bộ điều khiển có thể cải thiện được 16,7% suất tiêu thụ năng lượng của nhóm người lái có khả năng điều khiển vận tốc kém. 1
MỞ ĐẦU Hằng năm thế giới ghi nhận sự phát thải trong ngành công nghiệp giao thông là rất lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến bầu khí quyển cũng như môi trường xung quanh con người. Điều đó thúc đẩy ngành công nghiệp xanh, sạch phát triển như một điều tất yếu, trong đó có ô tô điện. Ô tô điện được biết đến là một giải pháp giảm phát thải từ phương tiện giao thông và được kì vọng sẽ giải quyết được vấn đề nhiên liệu hoá thạch trong tương lai. Ô tô điện nhằm cải thiện ô nhiễm môi trường nhưng đang gặp phải khó khăn về vấn đề năng lượng. Việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng trên xe sẽ giúp cải thiện được vấn đề lớn của xe điện ngày nay. Trong bối cảnh, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ô tô điện và mục tiêu toàn cầu về giảm khí thải và tiết kiệm năng lượng, các nghiên cứu nhằm giảm suất tiêu hao năng lượng trên ô tô điện đều được quan tâm nghiên cứu. Mỗi người lái tùy theo sở thích, phong cách, sức khỏe, tâm lý mà có hành vi đạp ga khi điều khiển ô tô khác nhau khi gặp cùng một tình huống. Có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng hành vi đạp ga khác nhau của người lái sẽ cho ra kết quả động lực học của xe khác nhau dẫn đến suất tiêu hao năng lượng cũng khác nhau. Vì vậy đề tài đặt ra mục tiêu “nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển động lực học (ĐLH) dọc của xe theo hành vi người lái, nhằm giảm ảnh hưởng của phương thức đạp ga của người lái đến suất tiêu thụ năng lượng ô tô điện trong tình huống đi theo xe phía trước”. Trong luận án này NCS chọn đối tượng nghiên cứu là xe thuần điện (BEV), các thông số được tham khảo của xe điện VF e34. Để giảm tiêu hao năng lượng chỉ điều khiển tác động vào các thông số ĐLH của xe mà không tác động trực tiếp vào năng lượng. Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng kết hợp với thực nghiệm đánh giá tính chính xác của mô hình. Đây là phương pháp nghiên cứu có độ tin cậy và đang được sử dụng phổ biến hiện nay. + Nghiên cứu bắt đầu bằng việc mô hình hóa hoạt động của xe điện với các hành vi đạp ga khác nhau của người lái. Luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng hành vi đạp ga của người lái trong tình huống giao thông cụ thể là đi theo xe phía trước. Kết hợp mô hình xe và mô hình đạp ga của người lái, mô phỏng được hoạt động của hệ thống Người – Xe, từ đó tìm hiểu được mối quan hệ giữa giữa hành vi người lái, ĐLH và năng lượng tiêu hao của xe. Từ đó xác định được các thông số ĐLH có thể điều khiển để giảm tiêu hao năng lượng. Luận án tiến hành tuyến tính hóa mô hình Người – Xe điện để áp dụng thuật toán LQR xây dựng bộ điều khiển trong trường hợp xe đi theo xe phía trước và sử dụng mô hình xe điện phi tuyến được xây dựng qua thực nghiệm để mô phỏng đánh giá kết quả hoạt động của bộ điều khiển. 2
+ Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được thực hiện trong phòng thí nghiệm ĐLH ô tô (Nhà khung – Đại học Bách khoa Hà Nội) đối với xe điện VF e34. Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thông số và đặc tính làm việc của xe điện để xây dựng mô hình mô phỏng và để đánh giá độ tin cậy của mô hình xe điện được xây dựng. Do quá trình hoạt động của xe điện là quá trình rất phức tạp với nhiều tình huống khác nhau, xe vận hành với nhiều chế độ khác nhau. Trong nghiên cứu này bộ điều khiển được thiết kế trong tình huống giao thông cụ thể là đi theo xe phía trước. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Xe điện ngày càng được thiết kế tối ưu về mặt năng lượng, nhưng có nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra hành vi khác nhau của người lái sẽ ảnh hưởng đến suất tiêu thụ năng lượng và tạo ra sự phân tán và chênh lệch lớn về tiêu hao năng lượng giữa những người lái có hành vi lái xe khác nhau trên cùng một điều kiện vận hành. Việc tìm hiểu sâu hơn về lý do của sự sai khác này và đề xuất các giải pháp để giảm bớt ảnh hưởng của hành vi người lái đến suất tiêu thụ năng lượng trên ô tô điện có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn. Những kết quả mới của luận án: Luận án xây dựng mô hình người lái và mô hình xe có thể mô phỏng, đánh giá tác động của hành vi lái xe khác nhau đến kết quả động lực học và năng lượng của xe. Kết quả khảo sát trong 1600 giây theo chu trình EUDC cho thấy sự phân tán chênh lệch về mặt năng lượng của những người lái khác nhau là 15,9%, kết quả này tương đồng với các kết quả thực nghiệm đã công bố. Bộ điều khiển đã giảm sự ảnh hưởng hành vi của những người lái khác nhau đến sự phân tán, chênh lệch suất tiêu thụ năng lượng từ 15,9% xuống còn 1,3%. Bộ điều khiển có thể cải thiện được 16,7% suất tiêu thụ năng lượng của nhóm người lái có khả năng điều khiển vận tốc kém. Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất trong quá trình cải tiến hoặc thiết kế mới nhằm chế tạo hệ thống điều khiển hỗ trợ người lái điều khiển tốt ĐLH và giảm suất tiêu thụ năng lượng. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Theo nghiên cứu của Viện Sức khoẻ nghề nghiệp và môi trường Việt Nam, khí thải từ phương tiện giao thông là nguyên nhân chính dẫn tới sự gia tăng ô nhiễm không khí ở các đô thị, chiếm tới 70% tổng lượng bụi và khí thải vào môi trường không khí. Không chỉ vậy, bụi mịn, muội than, … và các chất gây ô nhiễm khác trong quá trình sản xuất chế tạo xe động cơ đốt trong cũng góp phần gia tăng tình trạng ô nhiễm [1]. Sự nóng lên toàn cầu và ô nhiễm môi trường đã dẫn đến việc áp đặt các quy định nghiêm ngặt hơn về khí CO2 đối với ngành giao thông vận tải, nhằm cắt giảm lớn lượng khí thải CO2 một cách nhanh chóng và bền vững [2]. Hội nghị thượng đỉnh COP26 đã đưa ra mục tiêu giảm 45% lượng phát thải CO2 vào năm 2030 so với mức năm 2010 và về 0% vào khoảng giữa thế kỷ này, cũng như giảm sâu phát thải các khí nhà kính khác. Trong bối cảnh này, các xe thuần điện (BEV) đã trở thành một lựa chọn thay thế cho các phương tiện truyền thống vì chúng cung cấp một lựa chọn không phát thải [3]. Ngoài ra, chúng còn rẻ hơn khi sạc lại vì điện năng rẻ hơn xăng, dầu diesel và cũng có thể phục hồi năng lượng nhờ phanh tái sinh trên các xe điện [4]. Hiện nay, ngành công nghiệp ô tô điện đang phát triển mạnh mẽ, chủ yếu được thúc đẩy bởi những động lực như cần thiết phải giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra một môi trường sống sạch sẽ, ít khói bụi hơn. Hiện nay, xe ô tô điện không chỉ là một xu hướng, mà thực tế ngày càng phổ biến và đã góp phần tích cực vào cải thiện chất lượng môi trường sống của cộng đồng. Tuy nhiên, mặc dù đã và đang có sự tiến triển, vấn đề quản lý và điều khiển ô tô điện vẫn đặt ra nhiều thách thức đối với cộng đồng nghiên cứu và các nhà sản xuất. Cần có sự tập trung vào nghiên cứu để hoàn thiện hiệu suất, tính an toàn và độ tin cậy của ô tô điện, nhằm đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao từ người sử dụng và đồng thời đảm bảo tính ổn định và an toàn của công nghệ này trong thực tế vận hành. Như đã biết, một trong những hạn chế quan trọng của ô tô điện là giới hạn về quãng đường di chuyển. Vì vậy, nhiều nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc giải quyết vấn đề này bằng cách nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của ô tô điện như tối ưu hóa quản lý năng lượng của xe [5], phanh tái sinh và các thông số vận hành khác trên ô tô điện [6]. Một phương pháp quan trọng để giảm suất tiêu thụ năng lượng của BEV là điều chỉnh hành vi của người lái. Nói chung, việc giảm mức ga cao, ít phanh hơn, duy trì 4