TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 271
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK VÀO MÔ PHỎNG
HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH TRÊN Ô TÔ ĐIỆN
APPLYING MATLAB SIMULINK SOFTWARE TO SIMULATE REGENERATIVE
BRAKE SYSTEM ON ELECTRIC CARS
Bùi Văn Thái1,*, Đào Khắc Khánh1,
Đào Viễn Dương1, Nguyễn Trung Kiên2
1Lớp LTCĐ - ĐH Ô tô 01 - K17, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: thaibinh13032000@gmail.com
TÓM TẮT
Hệ thống phanh tái tạo năng lượng, hay phanh tái sinh năng lượng là hệ thống chuyển đổi động năng, nhiệt năng của vật thể
và lực quán tính sinh ra khi phanh thành điện năng lưu trữ trong ắc quy hay pin. Nhóm sử dụng phần mềm Matlab Simulink để
mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe ô tô điện, đánh giá được hiệu suất thu hồi năng lượng phanh. Từ đó, đưa ra một
số giải pháp tăng hiệu quả thu hồi năng lượng phanh.
Từ khóa: Mô phỏng, phần mềm Matlab Simulink, phanh tái sinh, ô tô điện.
ABSTRACT
The regenerative braking system, or regenerative braking, is a system that converts kinetic energy, thermal energy of
objects and inertial forces generated when braking into electricity stored in batteries or batteries. The team used Matlab
Simulink software to simulate the regenerative braking system on electric cars, evaluating the performance of braking
energy recovery. From there, we propose some solutions to increase the efficiency of braking energy recovery.
Keywords: Simulation, Matlab Simulink software, Regenerative Braking, Electric Car.
1. GIỚI THIỆU
Công nghệ xe hơi ngày càng phát triển. Càng ngày con
người càng phát minh ra những công nghệ mới giúp những
chiếc xe chạy nhanh hơn, hay đơn giản chỉ là những công
nghệ mang lại sự thoải mái cho người dùng. Những chiếc
xe ngày càng chạy nhanh hơn đòi hỏi hệ thống phanh của
xe phải liên tục cải tiến để đáp ứng được các yêu cầu của
con người. Tuy nhiên, hệ thống phanh truyền thống sinh
ra nhiều nhiệt lượng thừa từ lực ma sát giữa các chi tiết
phanh cơ khí gây lãng phí nhiên liệu trên xe ô tô, chính
điều này đã đòi hỏi một công nghệ mới để giải quyết
những nhược điểm của hệ thống phanh truyền thống. Do
đó, công nghệ phanh tái tạo năng lượng ra đời. Kết quả thu
được của đề tài giúp đánh giá được hiệu quả của hệ thống
phanh tái sinh trên ô tô điện, đồng thời rút ra kết luận để
thuận tiện hơn cho việc nghiên cứu sâu hơn về đề tài này
trong tương lai.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Mô hình toán học hệ thống thủy lực của hệ thống
phanh ABS ¼
Sơ đồ vào/ra của khối hệ thống thủy lực.
Hình 1. Khối hệ thống thủy lực mô phỏng hệ thống thủy lực phanh
ABS ¼
Các đầu vào:
F1 là lực phanh tác dụng lên pit-tông của xilanh phanh
chính N
Uh là tín hiệu điều khiển van giữ áp, Uh có giá trị bằng 0
hoặc 1, ứng với trạng thái van giữ áp không được cấp điện
và được cấp điện.
Ud là tín hiệu điều khiển van giảm áp, Ud có giá trị bằng
0 hoặc 1, ứng với trạng thái van giảm áp không được cấp
điện và được cấp điện.
Ub là tín hiệu điều khiển bơm, Ub có giá trị bằng 0 hoặc
1, ứng với trạng thái bơm không được cấp điện và được cấp
điện.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 272Đầu ra: Tb là mô men phanh tác dụng lên bánh xe ( Nm).
Trong hệ thống thủy lực của hệ thống phanh ABS ¼ có
các thành phần sau.
● xilanh phanh chính.
● Van giữ áp.
● Van giảm áp.
● xilanh phanh bánh xe và cơ cấu phanh.
● Bình tích áp.
● Bơm.
2.2. Mô phỏng động lực học 1/4 xe
Động lực học phanh ¼ xe gồm có:
● Động lực học bánh xe.
● Mô hình lốp.
● Động lực học thân xe.
Sơ đồ tín hiệu vào/ra của khối động lực phanh ¼ xe được
cho như hình 2.
Hình 2. Sơ đồ tín hiệu vào/ra của khối động lực học phanh ¼
xe
Trong đó:
Tb là mô men phanh (Nm).
Vel là vận tốc thân xe ( m/s).
angvel là vận tốc góc bánh xe (rad/s).
lambda là độ trượt của bánh xe.
Các giả thiết:
● Bỏ qua ảnh hưởng của góc lệch bên bánh xe.
● Phản lực thẳng đứng từ mặt đường không đổi và bằng
trọng lượng của ¼ xe.
● Bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo.
● Bán kính bánh xe không đổi trong quá trình phanh.
2.3. Mô phỏng bộ điều khiển
Sơ đồ tín hiệu vào/ra của bộ điều khiển ABS theo gia
tốc ngưỡng như hình 3.
Hình 3. Sơ đồ vào/ra của bộ điều khiển
Trong đó:
Giatoc là tín hiệu gia tốc góc bánh xe.
PWM1 là tín hiệu PWM điều khiển van giữ áp. Tín hiệu
PWM1 có thể thay đổi từ giá trị min đến giá trị max để điều
khiển độ mở của van giữ áp. Khi PWM1= 0, van giữ áp mở
hoàn toàn. Khi PWM1= 1, van giữ áp đóng hoàn toàn.
PWM2 là tín hiệu PWM điều khiển van giảm áp. Tín
hiệu PWM2 có thể thay đổi từ giá trị min đến giá trị max để
điều khiển độ mở của van giảm áp. Khi PWM2 =0 , van
giảm áp đóng hoàn toàn. Khi PWM2=1, van giảm áp mở
hoàn toàn.
Pump là tín hiệu điều khiển bơm.
Mô phỏng thuật toán bộ điều khiển ABS theo gia tốc
ngưỡng như hình 4.
Hình 4. Mô phỏng bộ điều khiển sử dụng thuật toán đề xuất
Trong giai đoạn tăng áp nhanh ban đầu ABS không làm
việc, do đó tín hiệu điều khiển bơm Pump = 0 chỉ trong giai
đoạn tăng áp đầu tiên. Trong các chu kỳ sau, tín hiệu Pump
= 1 trong tất cả các giai đoạn điều khiển.
Giá trị X1; X2 lần lượt là các độ rộng xung điều khiển
van giữ áp và giảm áp.
2.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển thu hồi năng lượng
phanh
Sơ đồ mô phỏng thu hồi năng lượng phanh được trình
bày như hình 5.
Các thành phần chính bao gồm: 1-Bộ pin; 2-Bộ điều
khiển thu hồi năng lượng phanh; 3-Các mạch biến đổi điện
áp; 4-Động cơ điện; 5-Động lực học bánh xe, thân xe và hệ
thống phanh thủy lực.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 273
Hình 5. Mô phỏng thu hồi năng lượng phanh
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Đề tài tiến hành mô phỏng một quá trình thu hồi năng
lượng phanh với vận tốc ban đầu v0, trạng thái nạp ban đầu
SoC0, gia tốc trung bình khi phanh jp khác nhau để đánh giá
ảnh hưởng của các điều kiện phanh tới hiệu quả thu hồi năng
lượng phanh.
Các vận tốc trước khi phanh được chọn để mô phỏng
gồm các giá trị: 20; 30; 40; 50; 60; 80km/h. Theo [4] gia tốc
phanh của các loại ô tô trong điều kiện phanh rà, mặt đường
tốt ≈ 0,15g như hình 6. Nghiên cứu chọn các giá trị gia tốc
trung bình khi phanh để mô phỏng là 1,5; 2,5; 3,5; 4,5; 5,5;
6,6; 7,5m/s2. Các mốc trạng thái nạp SoC0 trước khi phanh
được chọn để mô phỏng là: 2; 3; 5; 10; 20; 40; 90; 95; 96;
97; 98%.
Hình 6. Gia tốc phanh rà của ô tô
Hình 7 trình bày kết quả mô phỏng cường độ dòng điện
nạp cho bộ pin và vận tốc của ô tô trong trường hợp phanh
gấp, độ trượt mong muốn λmong muốn = 0,2. Trong quá trình
phanh, mômen ma sát MABS thay đổi theo tín hiệu từ bộ điều
khiển ABS làm vận tốc góc bánh xe ωbx dao động theo
hướng giảm dần cùng vận tốc ô tô v.
Trong giai đoạn đầu của quá trình phanh (t < t1 ≈ 1,4 s),
vận tốc góc bánh xe ωbx và rotor động cơ ωr còn đủ để tạo
ra sức điện động ở các cuộn dây pha E0 lớn, đảm bảo cường
độ dòng điện nạp cho bộ pin được không chế ở mức tối đa
cho phép (20A). Giai đoạn này ứng với tốc độ ô tô v > v1 ≈
7,5m/s.
Trong giai đoạn từ t1 đến t2 ≈ 2,05 s ứng với tốc độ ô tô
từ v2 ≈ 5m/s đến v1, sức điện động E0 không đủ để duy trì
cường độ dòng điện nạp. E0 dao động theo ωr dẫn tới cường
độ dòng điện nạp dao động như trong hình 7.
Hình 7. Cường độ dòng điện thu hồi và vận tốc ô tô khi phanh
gấp
Trong giai đoạn tính từ t2 cho tới lúc kết thúc quá trình
phanh, vận tốc ωr giảm thấp khiến E0 giảm thấp dưới mức
SoC của bộ pin, cường độ dòng điện nạp bằng 0.
Như vậy có thể phân quá trình thu hồi năng lượng khi
phanh thành ba giai đoạn như sau:
- Giai đoạn thu hồi ổn định (vận tốc ô tô v > v1), cường
độ dòng điện nạp và công suất thu hồi được điều khiển ổn
định.
- Giai đoạn quá độ (vận tốc ô tô v2 < v < v1), cường độ
dòng điện nạp và công suất thu hồi dao động, có xu hướng
giảm.
- Giai đoạn dừng thu hồi (vận tốc ô tô v > v1), cường độ
dòng điện nạp và công suất thu hồi giảm về 0, lúc này chỉ
còn hệ thống phanh ABS tác động lên bánh xe để phanh
ô tô.
Để tăng hiệu quả thu hồi năng lượng phanh, cần phải
giảm các ngưỡng vận tốc v1 và v2. Điều này có thể thực hiện
thông qua một số giải pháp:
- Thiết kế động cơ có hằng số mômen (hoặc hằng số điện
áp) cao, đồng nghĩa với việc dùng động cơ có công suất
nghịch lớn;
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 274- Sử dụng mạch tăng áp với hệ số tăng áp thích hợp.
Mạch tăng áp có điều khiển làm việc khi vận tốc ô tô v <
v2. Đối với động cơ BLDC, mạch cầu 3 pha của bộ biến đổi
DC – AC có thể làm việc ở chế độ tăng điện áp do động cơ
phát ra trong quá trình thu hồi năng lượng điện. Do vậy
trong quá trình thu hồi năng lượng điện nếu sử dụng thuật
toán phù hợp có thể giảm ngưỡng v2 mà không cần bổ sung
thêm mạch tăng áp rời.
- Sử dụng bộ truyền nhiều cấp từ động cơ tới bánh xe,
trong quá trình thu hồi năng lượng phanh, bộ truyền tự động
chuyển lên tỉ số truyền cao hơn, nhằm tăng ωr và E0 khi vận
tốc ô tô v thấp.
Đồng thời cũng từ hình 8 có thể thấy rằng khi phanh gấp,
mômen MRB do động cơ sinh ra bị giới hạn do cường độ
dòng điện nạp tối đa, do vậy cần phải kích hoạt hệ thống
ABS để hệ thống HBS làm việc ở chế độ song song ngay từ
đầu quá trình phanh. Để giảm công suất phanh do ma sát
của hệ thống ABS gây ra, có thể tăng công suất thu hồi bằng
một số phương pháp như: sử dụng bộ pin có công suất nạp
cao; sử dụng siêu tụ hoặc bánh đà để hấp thụ năng lượng
thu hồi trong khoảng thời gian đầu quá trình phanh.
Hình 9 trình bày kết quả mô phỏng thu hồi năng lượng
phanh khi phanh với các gia tốc trung bình Jp khác nhau ở
điều kiện SoC ban đầu của pin là 20%. Kết quả cho thấy gia
tốc phanh trung bình càng thấp thì hiệu suất thu hồi R càng
cao. Nguyên nhân do giai đoạn thu hồi ổn định kéo dài giúp
bộ pin có nhiều thời gian để hấp thụ năng lượng phanh.
Dạng đồ thị cho thấy hiệu suất thu hồi năng lượng tỉ lệ
nghịch với gia tốc phanh trung bình:
≈
(1)
Hình 8. Hiệu suất thu hồi R và gia tốc phanh Jp
Kết quả mô phỏng hiệu suất thu hồi năng lượng phanh
R (%) ở điều kiện vận tốc trước khi phanh v0 = 80km/h và
trạng thái nạp SoC ban đầu khác nhau được trình bày như
hình 9.
Hình 9. Kết quả mô phỏng hiệu suất thu hồi năng lượng phanh
Kết quả mô phỏng cho thấy khi phanh ở cùng một gia
tốc phanh jp, SoC càng cao thì hiệu suất R càng thấp. Trong
khoảng SoC từ 20% đến 90% đặc tính R – SoC có dạng
tuyến tính. Khi SoC > 90%, R giảm nhanh. Để nâng cao
hiệu quả thu hồi năng lượng phanh, SoC của bộ pin nên nhỏ
hơn 90%.
4. KẾT LUẬN
Đề xây dựng và mô phỏng thành công mô hình hệ thống
phanh 1/4 xe có thu hồi năng lượng phanh. Trong đó hệ
thống phanh thủy lực sử dụng điều khiển theo độ trượt, công
suất thu hồi điều khiển theo cường độ dòng điện nạp.
Kết quả mô phỏng cho thấy trong một quá trình phanh,
hiệu suất thu hồi R có thể lên tới ≈ 24% trong điều kiện gia
tốc phanh trung bình 1,7m/s2. Hiệu quả thu hồi giảm khi
vận tốc phanh trung bình tăng lên.
Kết quả mô phỏng với các điều kiện ban đầu khác nhau
cho thấy hiệu suất thu hồi năng lượng R tỉ lệ nghịch với gia
tốc phanh trung bình và trạng thái nạp của bộ pin. Để đạt
hiệu suất thu hồi cao, trạng thái nạp của bộ pin nên nhỏ hơn
90% và thu hồi ngay khi người lái nhả bàn đạp ga. Ảnh
hưởng của vận tốc xe cũng như các chiến lược phanh thu
tới hiệu suất R cũng có thể được đánh giá thông qua mô
hình đã xây dựng trong các nghiên cứu sau này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. J. Liang, P. D. Walker, J. Ruan, H. Yang and J. Wu, 11. Gear Shift and brake distribution control for regenerative
braking in electric vehicles with dual clutch transmission, Mechanism and Machine Theory, vol. 133, pp. 1-22, 2019.
[2].Y. G. A. E. Mehrdad Ehsani, 2010. Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles - Fundamentals,
Theory, and Design, CRC Press.
[3]. T. L. Skvarenina, 2001, The Power Electronics Handbook, CRC Press.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 275[4]. E. Roenitz, A. Happer, R. Johal and R. Overgaard, 1999. Characteristic Vehicular Deceleration for Known
Hazards, SAE International.
[5]. J. Fenton and R. Hodkinson, 2001. Lightweight Electric/Hybrid Vehicle Design, Butterworth-Heinemann.
[6]. A. Emadi and F. Berthold, 2014. Advanced electric drive vehicles, CRC Press.
[7]. A. Hughes and B. Drury, 2019. Electric Motors and Drives Fundamentals-Types and Applications, Joe Hayton.
[8] . J. H. Harlow, 2005. Electric and Hybrid Vehicles Design Fundamentals, Crc Press.