Mô hình hóa ô tô điện bằng phương pháp EMR với mô hình mở rộng của tương tác bánh xe – mặt đường

- Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 Mô hình hóa ô tô điện bằng phương pháp EMR với mô hình mở rộng của tương tác bánh xe – mặt đường Modeling of Electric Vehicles using EMR with an Extended Model of the Tire – Road Interaction Nguyễn Dũng, Nguyễn Bảo Huy, Võ Duy Thành, Tạ Cao Minh Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ, ĐH Bách Khoa Hà Nội e-Mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Tóm tắt Mô tả hệ thống có sự tương tác giữa các hiện tượng Mô hình hóa một hệ thống đa dạng vật lý vật lý khác nhau luôn đặt ra những thách thức cho các (multiphysics) như ô tô điện là một chủ đề hấp dẫn nhà khoa học.
- Bởi lẽ, khi có sự tham gia của càng luôn thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu.
- Trong gì từ những phương trình đó, quá trình vật lý thực sự bài báo này, chúng tôi thực hiện việc mô hình hóa ô tô đã diễn ra như thế nào.
- Thay thế cách biểu diễn truyền điện sử dụng phương pháp EMR, trong đó có đóng thống, việc mô tả hệ thống lớn bằng những biểu diễn góp một mô hình mở rộng của tương tác bánh xe – hình học (graphical description) bắt đầu được quan mặt đường.
- Tính khả dụng của mô hình được kiểm tâm, khởi đầu là Bond-graph [1] thể hiện được tính chứng bằng mô phỏng trong môi trường nhân quả và tương tác năng lượng vật lý giữa các đối MATLAB/Simulink.
- tượng trong hệ thống.
- Kế thừa những thành quả đó, Từ khóa: Biểu diễn năng lượng vĩ mô, magic formula, phương pháp Causal Ordering Graph (COG) [2] được tương tác bánh xe - mặt đường, ô tô điện, mô hình hóa.
- Hautier ứng dụng trong mô tả hệ thống điện tử công suất và truyền động điện.
- là phương pháp mô hình hóa biểu diễn vĩ mô năng One of new and strong modeling tools in this field is lượng, được tác giả A.
- paper, we develop a model of electric vehicles with an Gắn liền với mục đích ban đầu của một phương pháp extended model of tire-road interaction using EMR.
- biểu diễn hình học, EMR gần như được ứng dụng ngay The effectiveness of this representation is confirmed vào nghiên cứu các hệ thống có tương tác nhiều thành by simulation in MATLAB/Simulink.
- phần vật lý như: điện gió [5], quá trình điện hóa [6] và Keywords: EMR, magic formula, tire-road đặc biệt là hệ thống trao đổi năng lượng trong ô tô interaction, electric vehicles, modeling.
- Trong lĩnh vực ô tô điện, các tác giả công bố những bài báo từ vấn đề nhỏ như mô hình hóa động Ký hiệu cơ, hệ truyền động [7], đến phương thức tổng hợp Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa chỉnh thể một cách cơ bản [8] hay tổng quát hóa [9.
- PM Từ thông nam châm Bài báo này trình bày một mô hình ô tô điện sử dụng [Wb] EMR có thể hiện quá trình tương tác bánh xe - mặt vĩnh cửu P Số cực động cơ đường nhằm phù hợp ứng dụng điều khiển chuyển m [rad/s] Tốc độ góc đầu trục động, điều mà các mô hình EMR công bố trước đó wh [rad/s] Tốc độ góc bánh xe hoặc chưa thỏa mãn những nguyên lý năng lượng [10], hoặc dựa trên công thức phức tạp [11] và không quen vwh [m/s] Vận tốc bánh xe thuộc với những người làm trong lĩnh vực đặc thù này.
- vev [m/s] Vận tốc xe Trong Mục 2, những nguyên lý cơ bản và thư viện phần tử trong EMR được trình bày.
- Bên cạnh mô hình  Tỉ số trượt truyền thống, một mô hình thể hiện sự tương tác bánh Rwh [m] Bán kính bánh xe xe - mặt đường phục vụ những nghiên cứu điều khiển kgear Tỉ số truyền chuyển động cũng được đưa ra trong Mục 3.
- Phương pháp EMR 1.
- Phần mở đầu VCCA-2015 Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 2.1 Nguyên lý cơ bản Hình 1 trình bày các phần tử cơ bản trong phương Dù linh hoạt trong ứng dụng, phương pháp EMR có pháp EMR.
- Như một chú ý nhỏ khi đọc mô hình những nguyên lý cơ bản buộc phải tuân thủ trong quá EMR, ngoài việc phân biệt phần tử theo chức năng trình xây dựng mô hình để thể hiện được ý nghĩa về năng lượng như dưới đây, có một quy ước biểu tượng năng lượng.
- Quy ước này chỉ ra rằng một phần  Nguyên lý tương tác (Interaction principle): Hệ tử mô hình hóa một quá trình chuyển đổi năng lượng thống biểu tượng được trình bày cụ thể trong Tiểu trong một dạng vật lý (mono-physical) sẽ có hình mục 2.2.
- Các phần tử trong hệ thống liên kết hai vuông, mặt khác, phần tử mô hình hóa một quá trình chiều với nhau dựa trên nguyên lý tác động chuyển đổi năng lượng giữa các dạng vật lý khác (action) và phản ứng (reaction).
- Tích giữa giá trị nhau (multi-physical) sẽ được thể hiện bằng hình tròn.
- đại lượng tác động và phản ứng là năng lượng  Nguồn năng lượng / môi trường (energy source / trao đổi giữa các phần tử.
- environment): Các phần tử thuộc dạng này được  Nguyên lý nhân quả (Causality principle): Tính coi là điểm đầu cuối của hệ thống (Hình 1.a).
- nhân quả tích phân được sử dụng trong phương  Phần tử chuyển đổi (Conversion element): Năng pháp, điều này thể hiện trong phần tử tích lũy lượng đi qua phần tử này được bảo toàn.
- vật lý với nhau (Hình 1.c và 1.d).
- Tất cả các loại phần tử còn lại của phương pháp  Phần tử phân tán (Distribution element): Đây là đều dành cho mô tả các mối quan hệ không có sự một dạng của phần tử chuyển đổi, chỉ khác ở phụ thuộc vào thời gian.
- điểm, với phần tử phân tán, luồng năng lượng có  Nguyên lý nghịch đảo (Inversion principle): Với thể được phân chia thành nhiều hướng (Hình 1.e mong muốn thu được giá trị đại lượng đặt vào từ và 1.f).
- đầu ra mong muốn, cấu trúc điều khiển của hệ  Phần tử tích lũy (Accumulation element): Dạng thống xem như mô hình nghịch đảo từng phần tử.
- phần tử cho phép năng lượng trong hệ được tích Có hai loại mô hình nghịch đảo, phụ thuộc vào lũy (Hình 1.b).
- phần tử EMR: Bên cạnh các phần tử cơ bản đã nêu, cùng với sự phát  Mô hình nghịch đảo trực tiếp: áp dụng khi triển theo hướng mở rộng các quá trình có thể mô phần tử EMR không có tính tích lũy.
- hình hóa bằng EMR, thư viện cũng liên tục được đổi  Mô hình nghịch đảo gián tiếp: áp dụng khi mới: Phần tử hình tam giác đã được thay thế bằng phần tử EMR có tính tích lũy (vi-tích phân - hình vuông với chức năng tổng quát hơn (từ thể hiện như đã phân tích), trong trường hợp này, tín quá trình trao đổi cơ năng - điện năng thành thể hiện hiệu đầu vào cần thêm các đại lượng đo trao đổi năng lượng đa dạng vật lý).
- phần tử khuyếch lường từ hệ thống, có thể sử dụng bộ điều đại, phần tử lựa chọn hay phần tử phi tuyến cũng lần khiển kinh điển (ví dụ như PID) trong hệ lượt được tác giả phương pháp chấp nhận đưa vào.
- 2.2 Thư viện các phần tử cơ bản 3.
- Ứng dụng trong mô hình hóa ô tô điện Để đơn giản hóa, hệ thống ô tô điện nghiên cứu trong bài báo này (Hình 2) được chia thành hai hệ thống là hệ thống điện (nguồn điện, biến tần, động cơ IPM) và hệ thống cơ học (hộp số, bánh xe, khung vỏ xe).
- (a) Phần tử nguồn 3.1 Mô hình truyền thống năng lượng / môi trường (b) Phần tử tích lũy  Trong hệ thống, nguồn điện cấp bởi ắc quy được mô hình hóa bằng phần tử nguồn năng lượng, có điện áp là đại lượng mang tính tác động, dòng điện là đại lượng mang tính phản ứng.
- Biến tần được mô hình hóa với điện áp pha ua,b,c đầu ra phụ thuộc vào điện áp một chiều Udc và (c) Phần tử chuyển đổi (d) Phần tử chuyển đổi tín hiệu chuyển mạch Sa,b,c: (đơn dạng vật lý) (đa dạng vật lý) (e) Phần tử phân tán (f) Phần tử phân tán (đơn dạng vật lý) (đa dạng vật lý) H.
- 1 Thư viện các phần tử cơ bản trong EMR H.
- 2 Hệ thống được nghiên cứu VCCA-2015 Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 (a) Mô hình vật lý (b) Mô hình EMR truyền thống (c) Mô hình EMR đề xuất H.
- 3 Mô hình hóa sự tương tác bánh xe - mặt đường éuas ù é 2 - 1 - 1ùéSa ù  Mô hình bánh xe truyền thống, thường được đưa ê ú 1 ê úê ú êu ú= U ê- 1 2 - 1úêS ú, (1) về một phần tử chuyển đổi năng lượng (Hình 3.b): ê bs ú 3 dc ê úê b ú êu ú ê- 1 - 1 2 úêS ú ïíï vev = vwh = wwh Rwh êë cs û ú ë ûëê c û ú ì .
- Mô hình Khung vỏ xe là thành phần thể hiện động éSa ù học dọc trục của thân xe [13]: ê ú I dc = [ias ibs ics ]êêSb úú .
- (9) êS ú dt ëê c û ú trong đó, lực cản không khí Faero và lực cản lăn Froll  Quá trình điện của Động cơ IPM được mô tả dựa được tính như sau: trên hệ phương trình [12]: íï éuds ù éRs + sLd 0 ùéids ù éeds ù ïï Faero = r Cd AF (vev + vwind )2 ê ú= ê úê ú+ ê ú, (3) ì 2 , (10) êu ú ê 0 Rs + sLq ú ê ú êe ú ïï ú ëê ëê qs û úëêiqs û û ú ëê qs û ú ïïî roll F = f F r z với Rs, Ld,q lần lượt là điện trở stator, điện cảm trục với phản lực mặt đường theo phương thẳng đứng: dq của động cơ, eds và eqs là sức phản điện động: Fz = mv g cos(a.
- (11) éeds ù é - Lq iqs ù ê ú= w ê ú, (4) Trong các phương trình (9) và (11), g là gia tốc êe ú e êLd ids + y PM ú trọng trường, α là góc nghiêng của mặt đường mà ëê qs û ú ë û trong đó ωe là tốc độ điện của động cơ.
- Bên cạnh đó, công thức chuyển hệ tọa độ Park từ 3.2 Mô hình phục vụ điều khiển chuyển động hệ trục abc sang hệ trục dq được sử dụng.
- Phần tử Không khó để thấy rằng, việc mô hình hóa bánh xe chuyển đổi đa dạng vật lý cũng được đưa vào (Hình 3.a) chỉ dựa trên cơ sở lý thuyết về phân bố lực nhằm mô tả quá trình chuyển hóa giữa điện năng lên vật thể tròn chuyển động quay quanh trục (như mô và cơ năng trong ô tô điện sinh mômen điện từ: hình truyền thống) không thể hiện được quá trình vật 3P lý đã diễn ra.
- (5) chế khả năng ứng dụng của EMR trong nghiên cứu Ngoài ra, với ký hiệu Tl là mômen tải, J là mô của các nhà khoa học làm về lĩnh vực điều khiển men quán tính của động cơ, quá trình sinh gia tốc chuyển động xe, những người nhìn nhận việc tạo ra thông qua phương trình cơ sau: lực kéo (Ft) giúp xe di chuyển là do tồn tại sự chênh d wm lệch giữa vận tốc bánh và vận tốc xe.
- Theo đó, mô Tem - Tl = J (6) hình quen thuộc nhất thể hiện điều này có thể kể đến dt còn được thể hiện qua phần tử tích lũy.
- là mô hình của Pacejka dựa trên Magic Formula [14]: Bỏ qua khâu vi sai, hệ thống cơ của ô tô được mô tả Ft = Fz D sin(C arctan( Bl - E( Bl - arctan( Bl.
- (12) bởi ba phần tử: với B, C, D, E là các hệ số phụ thuộc vào mặt đường  Mô hình hộp số thể hiện các quan hệ tốc độ góc và và tỉ số trượt quan hệ mômen theo tỷ số truyền kgear < 1 như sau: v - vev l = wh .
- (7) ì ïï Tl = Twh k gear Theo cơ sở này, biểu diễn sự tương tác bánh xe - mặt î với Twh là mômen tác động lên bánh xe.
- 4 Mô hình EMR ô tô điện với mô hình mở rộng của tương tác bánh xe - mặt đường VCCA-2015 Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 Đáng chú ý là tỉ số trượt  (không thứ nguyên) được 4.
- Kết quả mô phỏng đưa vào môi trường như một thông tin (không mang Thư viện EMR trong MATLAB/Simulink cũng được năng lượng).
- Yếu tố này đã giúp tách mặt đường để thành lập [15], bản chất là cung cấp những mặt nạ hệ biểu diễn như môi trường, từ đó, năng lượng thất thống con (sub system) theo các phần tử của phương thoát P  Ft v  Ft (vwh  vev ) được biểu diễn (Hình 4).
- pháp, để người dùng tự do phát triển hệ thống trên Quan trọng hơn, mô hình mới, một cách mềm dẻo, đã nền tảng này.
- Sử dụng thư viện trên, nhóm tác giả bài gợi mở khả năng truyền thông tin trong EMR để tránh báo tiến hành mô phỏng dựa trên những tham số của những vi phạm về nguyên lý năng lượng.
- 5 Kết quả mô phỏng xe i-MiEV VCCA-2015 Bảng 1: Tham số của xe i-MiEV Hình 5 trình bày những kết quả mô phỏng ô tô theo Tham số Giá trị Đơn vị mô hình đề xuất trong Tiểu mục 3.2.
- Đầu tiên, các Khối lượng xe (mv) 1345 [kg] Hình 5.a, 5.b và 5.c tương ứng thể hiện đáp ứng mô men điện từ, mô men tải và tốc độ góc của động cơ.
- Diện tích mặt trước (AF) 2 [m2] Sau đó, sự thay đổi theo thời gian của vận tốc bánh xe Mật độ không khí (ρ) 1.225 (Hình 5.g), vận tốc xe “tác động” (Hình 5.e) và đại lượng tổng lực cản “phản ứng” (Hình 5.f) cũng được Hệ số cản lăn (fr) 0.3 thể hiện.
- Tuy nhiên, điều phải nhấn mạnh ở đây là khi Bán kính bánh xe (Rwh) 0.285 [m] xe đi vào đường trượt, tỉ số trượt tăng mạnh (Hình 5.h) Tỉ số truyền (kgear) 1/7.065 đã khiến lực kéo giảm trong thời gian ngắn (Hình 5.d).
- Chính hiện tượng này tạo nên sự khác biệt giữa mô Góc nghiêng mặt đường (α) 0 [rad] hình Pacejka so với mô hình truyền thống.
- So sánh vận tốc xe và vận tốc bánh thể hiện trong Hình 7.
- Bảng 2: Tham số động cơ Thông số Giá trị Đơn vị Điện áp DC đầu vào 330 V Công suất cực đại 47 kW Điện trở 12 mΩ Điện cảm trục d 140 μH Điện cảm trục q 213 μH Từ thông nam châm vĩnh cửu 0.06 Wb Số cực 8 Bảng 3: Tham số mặt đường [16] B C D E Đường khô Đường trượt 4 2 0.1 1 Các tham số động học xe và tham số động cơ được trình bày tương ứng trong Bảng 1 và Bảng 2.
- 7 Vận tốc xe và vận tốc bánh xe Để bám sát với điều kiện thực tế, thuật toán điều khiển trong những điều kiện mặt đường khác nhau vector (FOC) được sử dụng cho hệ truyền động động cơ IPM.
- Mô phỏng được thực hiện trong điều kiện tạo 5.
- Kết luận một chiến lược đi trên đường nhờ đặt mômen điện từ Mô hình ô tô điện theo phương pháp EMR với mô của động cơ theo các bước: (0) Tại thời điểm khởi hình mở rộng tương tác bánh xe-mặt đường dựa trên động, mômen đặt bằng 150 Nm.
- Lời cảm ơn Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đề tài cấp Nhà nước KC Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ truyền động và điều khiển cho ô tô điện”.
- 6 Điều kiện mặt đường trong mô phỏng M.Pietrzak-David, Multimachine multiconverter VCCA-2015 Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 system: application for electromechanical Nguyễn Dũng sinh năm 1992.
- ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự Delarue, Macro modélisation des convertisseurs động hóa năm 2015 tại Đại học électromécaniques application à la commande des Bách Khoa Hà Nội.
- nghiên cứu chính của anh gồm [5] P.
- Lancigu, Modelling, control and khiển, robot, và ô tô điện.
- nhận bằng Kỹ sư năm 2010 và Pera, From modeling to control of a PEM cell bằng Thạc sĩ Khoa học năm 2015, using Energetic Macroscopic Representation, đều thuộc ngành điều khiển và tự Procee IEEE Transactions on Industrial động hóa tại Đại học Bách Khoa Electronics, vol.
- El trong vai trò một kỹ sư nghiên cứu.
- Fassi, Minimizing Multiphysical modeling and Hiện nay anh đang là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại description of a permanent magnet synchronous học Lille 1 (Pháp) và Đại học Sherbrooke (Canada).
- machine using Enegertic Macroscopic Lĩnh vực nghiên cứu của anh gồm điện tử công suất, Representation for EV/HEV applications, 15th truyền động điện, kỹ thuật điều khiển, và ô tô điện.
- 57, pp.1-10, 2013.
- Sau khi tốt nghiệp đại học chuyên Giraud, B.
- ngành Tự động hóa năm 2004, Lhomme and F.
- Locment, Teching drive control anh đã tham gia một dự án nghiên using Energetic Macroscopic Representation – cứu về điều khiển Robot tại initial level, Europe Conference on Power Nagoya, Nhật Bản.
- Delarue, trường Đại học Bách Khoa Hà D.
- Trigui, Global modeling of Nội năm 2007 chuyên ngành Điều khiển và Tự động different vehicles, Vehicular Technology hóa.
- môn Tự động hóa Công nghiệp, Đại học Bách Khoa [10] K.
- Hướng nghiên cứu chính của anh tập trung antiskid control for electric vehicle using vào các hệ thống nhúng, phối hợp tín hiệu đa cảm behaviour model control based on energetic biến và điều khiển chuyển động cho ô tô điện.
- Tạ Cao Minh tốt nghiệp đại học [11] F.
- current regulator, IEEE Transactions on Industry Minh công tác tại Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Applications, pp.
- Nam: AC motor control and electrical Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công vehicle applications.
- Hướng nghiên cứu của PGS.
- Pacejka, Igo Besselink: Tire and tập trung vào điều khiển các hệ truyền động điện, điện Vehicle Dynamics, Third edition, Elsevier, 2012.
- tử công suất, các ứng dụng cho ô tô điện và năng [15] http://www.emrwebsite.org/library.html lượng mới.
- Minh là Chủ tịch Chi hội IEEE Việt Nam từ 2008 đến 2011, và hiện nay là Tổng Thư ký Hội Tự động hóa Việt Nam nhiệm kỳ .
- VCCA-2015