NGHIÊN CỨU, MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM BẰNG MATLAB SIMULINK

•Lý thuyết Matlab Simulink, xử lý hình ảnh – biểu đồ trên Matlab•Lý thuyết hệ thống điện cảm•Lý thuyết mô phỏng mô hình toán học và mô hình hóa•Lý thuyết về điều khiển tự động•Phương pháp chuyển đổi từ các phương trình vi phân của hệ thống thành các hàm truyền để mô phỏng trong phần mềm Matlab Simulink.•Biên soạn thuyết minh

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM BẰNG

MATLAB SIMULINKGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

I Nội dung:

 Lý thuyết Matlab Simulink, xử lý hình ảnh – biểu đồ trên Matlab

 Lý thuyết hệ thống điện cảm

 Lý thuyết mô phỏng mô hình toán học và mô hình hóa

 Lý thuyết về điều khiển tự động

 Phương pháp chuyển đổi từ các phương trình vi phân của hệ thống thành các hàm truyền để mô phỏng trong phần mềm Matlab Simulink

 Biên soạn thuyết minh

II Trình bày:

01 cuốn thuyết minh đề tài

01 poster Nghiên cứu khoa học

III Thời gian thực hiện:

1 Ngày bắt đầu:

2 Ngày hoàn thành:

Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2020

TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo

ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM

Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2020

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2020

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN

Trải qua 4 năm học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ ThuậtThành phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô,đặc biệt là quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực và khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao,

đã chỉ dạy cho chúng em cả về đạo đức, cách sống lẫn các kiến thức lý thuyếtchuyên môn và kiến thức thực tế để chúng em có thể áp dụng vào công việc và cuộcsống sau khi tốt nghiệp

Trong quá trình học tập tại trường , chúng em đã có cơ hội tiếp thu những kiếnthức chuyên môn về lập trình và mô phỏng, đó là nền tảng giúp chúng em hoànthành đề tài này.Trong quá trình thực hiện đồ án, ngoài sự nổ lực làm việc của bảnthân, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ phía gia đình, thầy cô và tậpthể bạn bè Từ những kết quả đã đạt được, chúng em xin chân thành cám ơn:

- Quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực và khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao đãtruyền đạt những kiến thức chuyên môn bổ ích qua các môn học trong suốt thờigian qua Và đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Phan Nguyễn Quí Tâm

đã tận tình giúp đỡ, luôn theo sát nhóm, trực tiếp chỉ bảo và quan tâm hướng dẫnchúng em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp, giúp chúng em hoàn thành báocáo đúng thời hạn

- Ban Giám Hiệu nhà trường đã tạo mọi điều kiện tốt nhất từ cơ sở vật chất đếnchất lượng giảng dạy để chúng em có được môi trường học tập tốt nhất

- Thầy trưởng ngành đã luôn quan tâm, theo sát và giúp đỡ sinh viên ngànhCNKT Ô Tô và trực tiếp ủng hộ chúng em thực hiện đề tài này

- Tập thể lớp luôn đoàn kết và dành cho chúng em những tình cảm yêu thương,động viên và khích lệ chúng em trong những thời điểm khó khăn của 4 năm Đạihọc

Đề tài nghiên cứu đã đạt được một số kết quả nhất định, tuy nhiên do kiến thứccòn hạn hẹp, thời gian còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rấtmong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, các anh chị đi trước và các bạn đểbáo cáo được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cám ơn

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài:

TÓM TẮT

Nội dung chính của luận văn này là thực hiện nghiên cứu hệ thống năng luợngđiện cảm, mô hình hóa và mô phỏng năng luợng điện cảm trên bobine, kim phun,relay và solenoid Sau đó đánh giá kết quả đạt được dựa trên kết quả thực nghiệmtrên xe Toyota Innova 2007 Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu và mô hình hóanăng luợng điện cảm trên bobine của hệ thống đánh lửa

Nội dung của luận văn sẽ đi theo trình tự: từ mô hình của hệ thống đánh lửa thực

tế trên xe mô hình hóa thành mô hình đơn giản để thuận tiện cho việc tính toán vànghiên cứu, mô hình toán học thành các phương trình vi phân bằng định luậtKirchoff và các phép biến đổi Laplace, lập giao diện liên kết giữa mô phỏng vàgiao điện để người dùng có thể sử dụng để mô phỏng một cách dễ dàng

Kết quả mô phỏng cho ta một giao diện có thể xuất ra các đồ thị miêu tả hệthống năng lượng điện cảm và các thông số đầu ra Phần mềm dùng để mô phỏngtrong luận văn này là Matlab/Simulink và phần mềm thiết kế giao diện làMatlab/Gui (Graphical User Interface)

The main content of this thesis is research about self-induced energy, modelingand simulation of self-induced energy on bobine and injector Then, assess of theachieved results based on experiment results on Toyota Innova 2007 This thesiswill focus on researching and modeling the self-induced energy on ignition system.The content of the thesis will follow the sequence: from the actual igintionsystem model car modeled into a simple model to calculate and research,mathematical model into differential equations by Kirchhoff’s circuit laws andLaplace transforms, create the interface link between the simulation and theinterface to help user who can simulate easily

The simulation results show that a simulation interface can output graphsdescribing the self-induced energy system and outpt parameters The software forconducting simulation in this thesis is Matlab/Simulink and Matlab/Gui (GraphicalUser Interface) to design the interface

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 1

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Các nghiên cứu về năng lượng điện cảm trong và ngoài nước 2

1.5.1 Các nghiên cứu trong nước 2

1.5.2 Các nghiên cứu ngoài nước 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Khái quát về hệ thống năng lượng điện cảm 4

2.1.1 Tổng quan bobine 4

2.1.2 Tổng quan kim phun 6

2.1.3 Tổng quan relay 7

2.1.3 Tổng quan solenoid 8

2.2 Khái quát về mô hình hóa và mô phỏng 9

2.2.1 Mô hình hóa 9

2.2.2 Mô phỏng số 10

2.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

12

2.3 Thiết lập các mô hình toán học cho hệ thống 13

2.3.1 Quá trình hình thành sức điện động tự cảm trên bobine 13

2.3.2 Quá trình hình thành sức điện động tự cảm trên kim phun 18

2.3.3 Quá trình hình thành sức điện động tự cảm cho relay và solenoid 22

2.3.4 Quá trình nạp và phóng điện trên bộ tích trữ 25

2.4 Đánh giá độ ổn định 29

2.4.1 Lý thuyết về điều khiển tự động 29

2.4.2 Khái niệm về đặc tính động học của hệ thống 29

2.4.3 Xây dựng hàm truyền và đánh giá ổn định bằng biểu đồ Bode, Nyquist: .30

2.5 Tổng quan về matlab, simulink & guide 32

2.5.1 Tổng quan về matlab 32

2.5.2 Matlab simulink 33

2.5.3 Matlab GUI (Graphical User Interface) 34

2.6 Lý thuyết bộ tích trữ 34

2.7 Tổng quan về chu trình thử nghiệm ô tô 36

Chương 3: TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM 40

3.1 Tính toán năng luợng điện cảm trên bobine 40

3.1.1 Năng lượng dự trữ 40

3.1.2 Năng lượng tổn hao 42

3.1.3 Năng lượng có khả năng thu hồi 43

3.2 Tính toán năng luợng điện cảm trên kim phun 44

3.2.1 Năng lượng từ trường sinh ra trong quá trình nhấc kim 44

3.2.2 Nhiệt luợng tỏa ra trong quá trình nhấc kim 46

3.2.3 Năng lượng cần thiết cho quá trình nhấc kim 47

3.2.4 Năng lượng sinh ra sức điện động tự cảm 48

3.3 Tính toán năng lượng điện cảm trên relay 50

3.4 Tính toán năng lượng điện cảm trên solenoid 52

3.5 Tính toán năng lượng điện cảm có khả năng thu hồi 54

3.5.1 Năng lượng có khả năng thu hồi từ bobine và kim phun theo tốc độ động cơ 54

3.5.2 Năng lượng có khả năng thu hồi từ relay và solenoid 55

3.5.3 Tổng năng lượng có khả năng thu hồi trong một phút 55

Chương 4: MÔ PHỎNG 57

4.1 Thiết kế mô phỏng Simulink 57

4.2 Mô phỏng trên bobine 59

4.2.1 Cường độ dòng điện 59

4.2.2 Sức điện động 62

4.2.3 Năng lượng điện cảm 63

4.3 Mô phỏng trên kim phun 64

4.4 Mô phỏng trên relay và solenoid 68

4.5 Mô phỏng chu trình thử nghiệm 69

4.5.1 Mô phỏng vận tốc đầu vào của ô tô 69

4.5.2 Mô phỏng bộ truyền gồm truyền lực cuối, hộp số 70

4.5.3 Mô phỏng thu hồi năng lượng theo chu trình chạy thử 71

4.6 Xây dựng giao diện (Matlab/GUI) 72

4.7 Lập trình xử lý số liệu 78

Chương 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 84

5.1 Kết quả giao diện 87

5.2 Kết quả về mô hình hóa và mô phỏng 88

5.3 Kết quả năng lượng có khả năng thu hồi trên bobine 89

5.4 Kết quả năng lượng có khả năng thu hồi trên kim phun 91

5.5 Kết quả năng lượng có khả năng thu hồi trên relay và solenoid 92

5.6 Kết quả năng lượng có khả năng thu hồi theo chu trình thử nghiệm 92

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

6.1 Kết luận 95

6.1.1 Những mục tiêu đã đạt được 95

6.1.2 Những mặt hạn chế 95

6.2 Kiến nghị 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

Phụ Lục 98

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật siêu tụ Maxwell BMOD0058 E016 B02 35

Bảng 3.1: Năng lượng có khả năng thu hồi ở 4 bobine theo tốc độ động cơ 44

Bảng 3.2: Năng lượng có khả năng thu hồi ở kim phun theo tốc độ động cơ 50

Bảng 3.3: Tổng năng lượng thu hồi ở bobine và kim phun theo tốc độ động cơ 55

Bảng 3.4: Tổng năng lượng có khả năng thu hồi trong một phút 56

Bảng 4.1: Tỉ số truyền hộp số 5 cấp Toyota Innova 70

Bảng 5.1: Thông số của các thiết bị điện cảm mô phỏng 84

Bảng 5.2: Kết quả năng lượng có khả năng thu hồi trên relay và solenoid 92

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Cấu tạo Bobine đánh lửa 5

Hình 2.2: Bobine trong sơ đồ nguyên lý mạch đánh lửa 5

Hình 2.3: Cấu tạo kim phun 6

Hình 2.4: Cấu tạo relay 7

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý relay thường mở 8

Hình 2.6: Cấu tạo Solenoid valve 9

Hình 2.7: Ví dụ về một hệ thống 3 khối 10

Hình 2.8: Sơ đồ khối của phương pháp mô phỏng 11

Hình 2.9: Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn) 13

Hình 2.10: Mạch đánh lửa đề xuất tại thời điểm transistor công suất ngắt 15

Hình 2.11: Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn) 18

Hình 2.12: Mạch kim phun đề xuất tại thời điểm transistor công suất ngắt 19

Hình 2.13: Quá trình tích lũy năng lượng 23

Hình 2.14: Mạch điện tại thời điểm công tắc mở 24

Hình 2.15: Sơ đồ nạp điện mạch R, C mắc nối tiếp 25

Hình 2.16: Đồ thị điện áp quá trình nạp 27

Hình 2.17: Sơ đồ phóng điện mạch R, C nối tiếp 27

Hình 2.18: Đồ thị điện áp trong quá trình xả 28

Hình 2.19: Mô hình mô phỏng quá trình nạp, xả bộ tích trữ bằng Matlab Simulink28 Hình 2.20: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 29

Hình 2.21: Biểu đồ Bode của hàm truyền khi transistor ngắt 31

Hình 2.22: Biểu đồ Nyquist của hàm truyền khi transistor ngắt 32

Hình 2.23: Siêu tụ Maxweel 35

Hình 2.24: Khối Drive Cycle trong thư viện Matlab Simulink 37

Hình 2.25: Chu trình chạy thử WLTP CLASS 3 38

Hình 2.26: Chu trình chạy thử ECE R15 38

Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn sự tăng trưởng dòng điện bobine theo thời gian 41

Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn quá trình tích lũy năng lượng trên bobine 41

Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn quá trình tích lũy năng lượng trên bobine với tổn thất nhiệt 20% 43

Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự tăng trưởng dòng điện kim phun theo thời gian 45

Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn quá trình tích lũy năng lượng trên kim phun 46

Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn quá trình sinh nhiệt trên kim phun 47

Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn sự tăng trưởng dòng điện trên relay theo thời gian 51

Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn quá trình tích lũy năng lượng trên relay 52

Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn sự tăng trưởng dòng điện trên solenoid theo thời gian 53

Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn quá trình tích lũy năng lượng trên solenoid 54

Hình 4.1: Sơ đồ khối Gain 57

Hình 4.2: Khối Switch 58

Hình 4.3: Khối Signal Buider 59

Hình 4.4: Sơ đồ khối các thông số đầu vào của bobine 60

Hình 4.5: Sơ đồ khối mô phỏng thời gian ngậm của bobine 60

Hình 4.6: Sơ đồ khối mô phỏng dòng điện trong thời gian ngậm của bobine 61

Hình 4.7: Sơ đồ khối các thông số rút gọn 61

Hình 4.8: Sơ đồ mô phỏng dòng điện quá trình transistor ngắt của bobine 62

Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng sức điện động tự cảm bobine 63

Hình 4.10: Sơ đồ mô phỏng năng lượng dự trữ trên bobine 64

Hình 4.11: Sơ đồ khối các thông số đầu vào của kim phun 65

Hình 4.12: Sơ đồ khối các thông số rút gọn của kim phun 65

Hình 4.13: Sơ đồ khối mô phỏng thời gian ngậm của kim phun 66

Hình 4.14: Sơ đồ khối mô phỏng dòng điện trong thời gian ngậm của kim phun 66

Hình 4.15: Sơ đồ khối mô phỏng dòng điện quá trình transistor ngắt của kim phun .66

Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng sức điện động tự cảm kim phun 67

Hình 4.17: Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống năng lượng điện cảm trên kim phun 67

Hình 4.18: Sơ đồ mô phỏng năng lượng dự trữ trên kim phun 67

Hình 4.19: Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống năng lượng điện cảm trên relay và

solenoid 69

Hình 4.20: Khối mô phỏng vận tốc đầu vào của xe theo chu trình thử nghiệm 69

Hình 4.21: Khối mô phỏng bộ truyền lực gồm truyền lực cuối và hộp số 70

Hình 4.22: Sơ đồ khối mô phỏng bộ truyền 71

Hình 4.23: Khối mô phỏng năng lượng thu hồi 71

Hình 4.24: Sơ đồ khối tính toán năng lượng theo chu trình thử nghiệm 72

Hình 4.25: Khối Pop-up menu trong chương trình mô phỏng 73

Hình 4.26: Khối Panel trong chương trình mô phỏng 73

Hình 4.27: Khối Textbox trong chương trình mô phỏng 73

Hình 4.28: Khối Slider trong chương trình mô phỏng 74

Hình 4.29: Khối Edittext trong chương trình mô phỏng 74

Hình 4.30: Khối Pushbottom trong chương trình mô phỏng 75

Hình 4.31: Khối Checkbox và khối Axes trong chương trình mô phỏng 76

Hình 4.32: Giao diện chương trình mô phỏng hệ thống năng lượng điện cảm bằng Matlab/Gui 77

Hình 4.33: Lưu đồ thuật toán tổng thể tìm thông số tối ưu 80

Hình 4.34: Lưu đồ thuật toán vòng lặp các hệ số Ka, Kb, Kc 82

Hình 5.1: Đồ thị cường độ dòng điện của bobine từ mô phỏng và từ thực nghiệm 85 Hình 5.2: Đồ thị sức điện động của bobine từ mô phỏng và từ thực nghiệm 85

Hình 5.3: Đồ thị cường độ dòng điện của kim phun từ mô phỏng và từ thực nghiệm .86

Hình 5.4: Đồ thị sức điện động của kim phun từ mô phỏng và từ thực nghiệm 86

Hình 5.5: Giao diện chương trình mô phỏng hệ thống năng lượng điện cảm bằng Matlab Simulink 87

Hình 5.6: Đồ thị năng lượng có khả năng thu hồi ở 4 bobine theo tốc độ động cơ trong một phút 90

Hình 5.7: Đồ thị năng lượng có khả năng thu hồi ở 4 kim phun theo tốc độ động cơ trong một phút 91

Hình 5.8: Năng lượng có khả năng thu hồi và tốc độ động cơ theo chu trình thử nghiệm ECE R15 93Hình 5.9: Năng lượng có khả năng thu hồi và tốc độ động cơ theo chu trình thử nghiệm WLTP Class 3 94

Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, khi nền công nghiệp ô tô ngày càng phát triển, mộtchiếc xe ô tô đòi hỏi phải đáp ứng nhiều yêu cầu của người sửdụng như là kiểu dáng thiết kế, công suất, tính năng an toàn vàtiện nghi ngoài ra tính tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môitrường cũng được coi là một mối quan tâm hàng đầu Để giải quyếtvấn đề này, bên cạnh việc cải tiến các hệ thống cũ trên xe ô tô,tận dụng những nguồn năng lượng hao phí để tái sử dụng chonhiều mục đích khác nhau cũng là một xu hướng mới, một trongnhững thành công nổi bật trong xu hướng này là phanh tái sinhtrên xe Hybrid, hệ thống i-Loop của Mazda,…

Trong quá trình tìm hiểu về hệ thống điện ô tô, nhóm làm đề tàinhận thấy trên hệ thống đánh lửa điện cảm, khi transistor côngsuất ngắt, cuộn sơ cấp bobine sẽ sinh ra một sức điện độngkhoảng 100-500V Sức điện động tự cảm này gây hư hỏng cácthiết bị đóng ngắt, ảnh hưởng đến quá trình tăng trưởng dòng sơcấp và gây nhiễu đến các thiết bị khác trên xe

Gần đây cũng có những công trình nghiên cứu về phương phápthu hồi năng lượng điện cảm nhằm tái sử dụng nguồn năng lượngnày cho những chu kỳ đánh lửa tiếp theo hoặc sử dụng cho nhữngmục đích khác trên xe Đánh giá kết quả bước đầu khả năng tiếtkiệm được năng lượng đánh lửa cũng như cải thiện chất lượng tialửa điện ở mỗi chu kỳ

Qua thời gian tìm hiểu nhóm quyết định chọn và hoàn thiện ýtưởng thu hồi năng lượng điện cảm để tái sử dụng Vì vậy chúng

tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, mô hình hóa và mô

phỏng hệ thống năng lượng điện cảm bằng Matlab Simulink”

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu quá trình hình thành và tồn tại các sức điện động

tự cảm

- Đánh giá độ ổn định trong các quá trình

- Đánh giá khả năng thu hồi điện cảm

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nhiệm vụ nghiên cứu trong đề tài này là:

- Tìm hiểu lý thuyết hệ thống điện ô tô

- Tìm hiểu lý thuyết Matlab Simulink, xử lý hình ảnh – biểu đồtrên Matlab

- Tìm hiểu lý thuyết hệ thống điện cảm

- Tìm hiểu lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng số

- Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển tự động

- Tìm hiểu phương pháp chuyển đổi từ các phương trình vi phâncủa hệ thống thành các hàm truyền để mô phỏng trong phầnmềm Matlab Simulink

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện trên ô tô

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về năng lượng điện cảm trênbobine, kim phun, relay, solenoid,…

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng

- Phương pháp lập giao diện

- Phương pháp phân tích và tổng kết

1.5 Các nghiên cứu về năng lượng điện cảm trong và ngoài nước

1.5.1 Các nghiên cứu trong nước

Bài báo “ Nghiên cứu, thi công hệ thống tích lũy năng lượng điệndạng cảm kháng trên hệ thống điện ô tô” của nhóm tác giả PhanNguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Đỗ Quốc Ấm, Nguyễn Bá Hải đăngtrên tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật số 32 Nhóm tác giả đãthiết kế, thi công thiết bị thu hồi năng lượng tự cảm, thiết bị điềukhiển và lưu trữ năng lượng tái sinh vào siêu tụ điện

Bài báo “Tính toán sức điện động tự cảm trên hệ thống đánh lửalai” của nhóm tác giả Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Phan NguyễnQuí Tâm, Lê Khánh Tân đăng ở tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật

số 32 Từ các thông số của hệ thống đánh lửa tác giả đã mô phỏngđược sự tăng trưởng của dòng điện sơ cấp và sức điện động tự cảmtạo ra từ cuộn sơ cấp của bô bin

Bài báo “Ảnh hưởng của các thông số R, L, C đến khả năng tíchlũy năng lượng tự cảm trên hệ thống đánh lửa hybrid” của nhómtác giả Đỗ Văn Dũng, Đỗ Quốc Ấm, Nguyễn Tấn Ngọc Bài báo xemxét sự ảnh hưởng của các thông số điện trở, điện dung và độ tựcảm đến năng lượng tích lũy trên hệ thống đánh lửa Hybrid Cáckết quả mô phỏng và thực nghiệm xác định sự ảnh hưởng của cácthông số trên đến năng lượng tích lũy, đồng thời là căn cứ để hiệuchỉnh phương trình sức điện động tự cảm và cường độ dòng sơcấp

1.5.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu về “Electromagnetic Induction, AC Circuits, and ElectricalTechnologies ” trong sách College Physics của nhóm tác giả OSCRice University

để tính độ tự cảm của một cuộn cảm, tính năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm,tính toán sức điện động được tạo ra trong một cuộn cảm

Nghiên cứu về “Energy Stored in a Magnetic Field” từ trang web “LumenLearning” để mô tả ảnh hưởng của một cuộn cảm khi dòng điện thay đổi và biểu thịnăng lượng được lưu trữ trong từ trường dưới dạng phương trình

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Khái quát về hệ thống năng lượng điện cảm

Cuộn cảm (cuộn dây) là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo

từ một dây dẫn điện với các vòng quấn, sinh ra từ trường khi códòng điện chạy qua Nếu dòng điện qua cuộn cảm thay đổi, sựthay đổi của từ thông tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi dòng điệntheo một yếu tố gọi là độ tự cảm L đo bằng đơn vị Henry (H) Cuộncảm có nhiều công dụng khác nhau nên đây là một trong nhữngthành phần chính trong hệ thống điện và điện tử trên ôtô

Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm:

 Hệ số tự cảm: là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộndây khi có dòng điện biến thiên chạy qua

 Cảm kháng: là một trong những đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòngđiện của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều

 Điện trở thuần của cuộn dây: là điện trở hao tổn do sinh ra nhiệt trong quátrình hoạt động làm cho cuộn dây nóng lên

Khi dòng điện thay đổi nhanh chóng, một điện áp (sức điện động) được tạo ratrong dây dẫn chống lại sự thay đổi của dòng điện, cũng tỷ lệ thuận với sự thay đổicủa từ thông

Trên ô tô các thiết bị điện có sử dụng cuộn cảm tạo ra nguồn năng lượng điệncảm là bobine, kim phun, relay và solenoid…

2.1.1 Tổng quan bobine

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bobine đánh lửa:

Bobine là chi tiết hoạt động như một biến thế Điện thế cao đượcsinh ra do cảm ứng giữa hai cuộn dây Một cuộn có ít vòng đượcgọi là cuộn sơ cấp, cuốn xung quanh cuộn sơ cấp nhưng nhiềuvòng hơn là cuộn thứ cấp Cuộn thứ cấp có số vòng lớn gấp hàngtrăm lần cuộn sơ cấp.

Dòng điện từ nguồn điện chạy qua cuộn sơ cấp của bobine, độtngột dòng điện bị ngắt đi tại thời điểm đánh lửa Khi dòng điện ởcuộn sơ cấp bị ngắt đi, từ trường do cuộn sơ cấp sinh ra giảm độtngột Theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, cuộn thứ cấp sinh ra mộtdòng điện để chống lại sự thay đổi từ trường đó Do số vòng củacuộn thứ cấp lớn gấp rất nhiều lần số vòng dây cuộn sơ cấp nêndòng điện ở cuộn thứ cấp có điện áp rất lớn (có thể đến 100.000V)

Hình 2.1: Cấu tạo Bobine đánh lửa

Hình 2.2: Bobine trong sơ đồ nguyên lý mạch đánh lửa

Nguyên lý hình thành sức điện động tự cảm:

Khi Transistor T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện i1 từaccu đến điện trở phụ Rf, rồi qua L1, đến T rồi về mass Dòng điệni1 tăng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp L1chống lại sự tăng trưởng của dòng điện Mạch thứ cấp của hệthống đánh lửa ở giai đoạn T dẫn này hầu như không bị ảnh hưởngđến quá trình tăng dòng ở mạch sơ cấp

Khi Transistor T ngắt, dòng điện i1 của cuộn sơ cấp và từ thông

đi qua đó bị giảm một cách đột ngột, điều này dẫn đến cuộn thứcấp sẽ sinh ra một hiệu điện thế khoảng 15kV- 40kV

Khi động cơ xăng của ô tô hoạt động thì bobine cũng hoạt động,

có nghĩa là dòng điện từ accu tới cuộn sơ cấp của bobine đượcđóng ngắt một cách liên tục, điều đó dẫn đến sức điện động tựcảm khoảng 300-500V xuất hiện trên cuộn sơ cấp cũng được sinh

ra một cách liên tục Sức điện động này có giá trị khá lớn, đây làmột nguồn năng lượng lãng phí đáng kể xuất hiện trên ôtô, cầnđược thu hồi lại để tránh gây lãng phí

2.1.2 Tổng quan kim phun

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động kim phun

Cấu tạo của kim phun gồm:

 Bộ lọc nhiên liệu: bảo đảm nhiên liệu đi vào kim phun thậtsạch

 Giắc cắm: nối với mạch điện điều khiển

 Cuộn dây: tạo ra từ trường khi có dòng điện

 Pit tông: tác động đến sự đóng mở của van kim

 Lò xo: hồi vị pit tông khi không có từ trường tác động

 Vòi phun: định góc phun và xé tơi nhiên liệu

Hình 2.3: Cấu tạo kim phun

Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận đượcnhững tín hiệu đầu vào từ cảm biến Qua đó, ECU sẽ tính ra thờigian mở kim phun, quá trình mở và đóng của kim phun diễn rangắt quãng ECU gửi tín hiệu đến kim phun trong bao lâu phụthuộc vào độ rộng xung Độ rộng xung thay đổi tùy theo chế độlàm việc của động cơ Khi bướm ga mở lớn lúc tăng tốc, động cơcần nhiều nhiên liệu hơn do đó ECU sẽ tăng độ rộng xung tức làtăng thời gian mở kim phun Điều này có nghĩa là ty kim sẽ giữ lâuhơn trong mỗi lần phun để cung cấp thêm một lượng nhiên liệu.Khi dòng điện đi qua cuộn dây của kim phun sẽ tạo một lực từ

đủ mạnh để thắng sức căng của lò xo, thắng lực trọng trường của

ty kim và thắng áp lực của nhiên liệu đè lên kim, kim sẽ đượcnhích khỏi bệ khoảng 0.1mm nên nhiên liệu được phun ra khỏikim Khi ngắt dòng điện từ trường cũng sẽ biến mất, lúc này lực lò

xo sẽ tác động làm cho ty kim đi xuống đồng thời sinh ra 1 xungsức điện động khoảng 100-120V và kết thúc quá trình phun.

2.1.3 Tổng quan relay

Relay là một thiết bị điện được sử dụng phổ biến trên ô tô Relay có nhiều kích

cở, hình dạng và những ứng dụng khác nhau Relay là một công tắc điện hoạt độngdựa trên hiện tượng điện từ, qua đó công tắc relay được tác động bằng một cuộn dâynam châm điện Trên xe ô tô có khoảng 20 relay hoặc nhiều hơn

Hình 2.4: Cấu tạo relayCấu tạo relay bao gồm: một cuộn dây quấn quanh lõi sắt, mộtphần ứng di động có lò xo kéo về và các tiếp điểm

Các loại relay: tùy theo loại và cách sắp xếp công tắc relay đượcphân loại thành relay thường mở, relay thường đóng và relaychuyển mạch

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý relay thường mởKhi có dòng điện chạy qua cuộn dây điều khiển được quấnquanh lõi sắt tạo ra từ trường hút phần ứng di động và kéo phầnứng xuống, đóng tiếp điểm và cho phép dòng điện đến các tảiđiện Khi ngắt dòng điện chạy qua cuộn dây điều khiển, từ thôngtrong cuộn dây giảm đột ngột đồng thời sinh ra một sức điện động.

2.1.3 Tổng quan solenoid

Solenoid valve còn gọi là van điện tử, một loại van dùng dòng điện để tạo ra từtrường nhằm điều khiển van đóng mở, thường được dùng trong công nghiệp để điềukhiển đóng mở dòng lưu chất như: nước lạnh, nước nóng, khí Gas,… Trên ô tôSolenoid valve được sử dụng nhiều trong hộp số tự động để điều khiển đóng hoặc

mở các đường dầu thủy lực đến để thay đổi sự ăn khớp giữa các bánh răng

Hình 2.6: Cấu tạo Solenoid valveCấu tạo Solenoid valve bao gồm: một cuộn dây quấn quanh 1 lõisắt và 1 lò so được nén vào lõi sắt Trong khi đó, lõi sắt lại tì lênđầu 1 gioăng bằng cao su.

Nguyên lý hoạt động:

Van điện từ gồm có hai loại đó là loại van điện từ thường đóng

và loại van điện từ thường mở Van điện từ hoạt động theo 1nguyên lý chung như sau:

Bình thường khi không có điện thì lò so ép vào lõi sắt và van sẽ ởtrạng thái đóng Nếu như tiếp điện cho van, tức là sẽ có dòng điệnchạy qua, cuộn dây sinh từ trường sẽ tác động làm hút lõi sắt ra vàlực từ trường này có lực đủ mạnh để thắng được lò so, lúc này van

mở ra Khi ngắt dòng điện chạy qua cuộn dây điều khiển, từ thôngtrong cuộn dây giảm đột ngột đồng thời sinh ra một điện áp (sứcđiện động) chống lại sự thay đổi của dòng điện

2.2 Khái quát về mô hình hóa và mô phỏng

2.2.1 Mô hình hóa

Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm cácthu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệmtrên mô hình Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết vềđối tượng gốc gọi lý thuyết mô hình hóa

 Đối tượng (object) là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của conngười có liên quan tới

 Hệ thống (System) là tập hợp các đối tượng (con người, máy móc), sựkiện mà giữa chúng có những mối quan hệ nhất định

 Trạng thái của hệ thống (State of system) là tập hợp các tham số, biến sốdùng để mô tả hệ thống tại một thời điểm và trong điều kiện nhất định

2.2.2.1 Sơ đồ khối của phương pháp mô phỏng

Các mô hình sơ đồ khối gồm hai đối tượng, các đường dây tín hiệu và các khối.Chức năng của đường dây tín hiệu là truyền dẫn tín hiệu, hoặc giá trị, từ điểm gốcban đầu (thường là một khối) tới điểm kết thúc (thường là một khối khác) Hướngcủa dòng tín hiệu được xác định bởi mũi tên trên đường tín hiệu Một hướng chỉđược xác định cho một đường tín hiệu, toàn bộ các tín hiệu truyền trên các nhánhkhác phải theo hướng riêng Mỗi khối là một thành phần xử lý để tác động tới tínhiệu và tham số đầu vào để tạo ra tín hiệu đầu ra Bởi vì các khối chức năng có thể

là phi tuyến cũng như tuyến tính nên tập hợp các khối chức năng riêng về thực tế làkhông giới hạn và hầu như không bao giờ có sự giống nhau giữa các nhà cung cấp

về ngôn ngữ của khối chức năng Tuy nhiên, một sơ đồ ba khối cơ bản phải đượcthiết lập để các ngôn ngữ sơ đồ khối có điểm chung Các khối này là nút cộng, khốikhuếch đại và bộ tích phân Một hệ thống kết hợp chặt chẽ ba khối đó được mô tảnhư hình 2.7

Hình 2.7: Ví dụ về một hệ thống 3 khối

2.2.2.2 Các bước nghiên cứu mô phỏng

Hình 2.8: Sơ đồ khối của phương pháp mô phỏng

Bước 1: Xây dựng mục tiêu mô phỏng và kế hoạch nghiên cứu

Điều quan trọng trước tiên là phải xác định rõ mục tiêu nghiêncứu mô phỏng Mục tiêu đó được thể hiện bằng các chỉ tiêu đánhgiá, bằng hệ thống các câu hỏi cần được trả lời

Bước 2: thu thập dữ liệu và xác định mô hình nguyên lý

Tùy theo mục tiêu mô phỏng thực hiện thu thập các thông tin,các dữ liệu tương ứng của hệ thống S (là hệ thống được mô phỏng)

và môi trường E (là môi trường nơi hệ thống S làm việc) Trên cơ sở

đó xây dựng mô hình nguyên lý Mnl (là mô hình nguyên lý phảnánh bản chất của hệ thống S)

Bước 3: Hợp thức hóa mô hình nguyên lý Mnl

Hợp thức hóa mô hình nguyên lý là kiểm tra tính đúng đắn, hợp

lý của mô hình Mô hình nguyên lý phải phản ánh đúng bản chấtcủa hệ thống S và môi trường E nhưng đồng thời cũng phải tiệndụng, không quá phức tạp cồng kềnh Nếu mô hình nguyên lý Mnlkhông đạt phải thu thập thêm thông tin, dữ liệu để tiến hành xâydựng lại mô hình

Bước 4: Xây dựng mô hình mô phỏng Mmp trên máy tính

Mô hình mô phỏng Mmp là những chương trình chạy trên máytính Các chương trình này được viết bằng các ngôn ngữ thôngdụng như FORTRAN, PASCAL, C++, hoặc các ngôn ngữ chuyêndụng để mô phỏng như GPSS, SIMSCRIPT,

Bước 5: Chạy thử

Sau khi cài đặt chương trình, tiến hành chạy thử xem mô hình

mô phỏng có phản ánh đúng các đặc tính của hệ thống S và môitrường E hay không Ở giai đoạn này cũng tiến hành sửa chữa cáclỗi về lập trình

Bước 6: Kiểm chứng mô hình

Sau khi chạy thử có thể kiểm chứng và đánh giá mô hình môphỏng có đạt yêu cầu hay không, nếu không phải quay lại từ bước

2

Bước 7: Lập kế hoạch thử nghiệm

Ở bước này phải xác định số lần thử nghiệm, thời gian mô phỏngcủa từng bộ phận hoặc toàn bộ mô hình Căn cứ vào kết quả môphỏng (ở bước 9), tiến hành hiệu chỉnh kế hoạch thử nghiệm đểđạt được kết quả với độ chính xác theo yêu cầu

Bước 8: Thử nghiệm mô phỏng

Cho chương trình chạy thử nghiệm theo kế hoạch đã được lập ởbước 7 Đây là bước thực hiện việc mô phỏng, các kết quả lấy ra từbước này

Bước 9: Xử lý kết quả

Thử nghiệm mô phỏng thường cho nhiều dữ liệu có tính thống kêxác suất vì vậy, để có kết quả cuối cùng với độ chính xác theo yêucầu, cần phải thực hiện việc xử lý các kết quả trung gian Bước xử

lý kết quả đóng vai trò quan trọng trong quá trình mô phỏng

Bước 10: Sử dụng và lưu trữ kết quả

Sử dụng kết quả mô phỏng vào mục đích đã định và lưu giữ dướidạng các tài liệu để có thể sử dụng nhiều lần.

2.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp mô hình hóa và

 Giúp hiểu được quá trình vận hành của hệ thống

 Xác định được các nút thắt của hệ thống

 Có thể so sánh, đánh giá các phương án khác nhau của hệ thống

 Có thể nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống

 Có thể tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí

 Mô phỏng tuy không phải là công cụ tối ưu hiệu quả, nhưng lại hiệu quảtrong việc so sánh các phương án từ mô hình để chọn giải pháp tối ưu nhất

2.3 Thiết lập các mô hình toán học cho hệ thống

2.3.1 Quá trình hình thành sức điện động tự cảm trên bobine

a Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn)

Mạch điện khi Transistor dẫn như sau:

Hình 2.9: Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn)Trong đó:

R: Tổng trở của mạch sơ cấp

L1: Hệ số từ cảm của cuộn sơ cấp

I1: Cường độ dòng điện sơ cấp

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch điện hình 2.9 có phươngtrình sau:

Mạch điện khi Transistor ngắt như sau:

Hình 2.10: Mạch đánh lửa đề xuất tại thời điểm transistor công suất ngắt.Trong đó

i1: Dòng điện của điện trở R

Điều kiện biên ¿

Trong đó, I0là cường độ dòng điện của mạch sơ cấp ở cuối thờigian tích trữ năng lượng trong mạch thứ cấp Hệ phương trình (2.6)được viết lại như sau:

{ x=−c2

y=√d− c42

z= b− ac2

√d− c42

Phương trình (2.10) được viết lại:

i1(t)=ae xtcos(yt)+z e xtsin(yt)(2.11)

c Tính toán sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp khi transistor ngắt

Để tính toán sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp khitransistor ngắt, ta dùng phương trình tính toán sau:

xtcos(yt)+(xz−ay)e xtsin(yt)

Thay kết quả vừa tính được ở trên vào phương trình (2.12) tađược phương trình sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp khitransistor ngắt:

V1(t)=−L1[(ax+ zy)e xt cos( yt )+(xz−ay)e xt sin( yt )]

2.3.2 Quá trình hình thành sức điện động tự cảm trên kim phun

a Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn)

Mạch điện khi transistor dẫn:

Hình 2.11: Quá trình tích lũy năng lượng (transistor dẫn)

Gọi i(t) là dòng điện trong mạch hình 2.11

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 dạng toán tử cho mạch điện hình 2.11 ta được:

I (s)= U

s(L s+R+R1)=

U R+R1

Mạch điện kim phun như sau:

Hình 2.12: Mạch kim phun đề xuất tại thời điểm transistor công suất ngắt

Đặt:

i(t) là dòng điện tức thời trong mạch

u(t ) là điện áp tức thời của tụ điện

Điện áp đặt vào cuộn dây:

i=C du(t) dt

Áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch RLC nối tiếp ta được:

L di(t ) dt +R i(t)+u(t)=U (2.15)

Thay i(t)=C du(t)

dt vào biểu thức (2.15) và chia tử và mẫu cho L.C ta được:

u (t) =U +( A1+ A2.t).e −α t

 Khi α <ω0 thì:

s1,2=−α ±√α2−ω02=−α ± bj

Do đó nghiệm của phương trình (2.18) như sau:

u(t)=U +[ A¿¿1 cos (b.t)+A2.sin (b.t)]e −α t¿

Với L,C cố định thì khi chọn giá trị của R phải thỏa: R<√4 L

c Tính toán sức điện động tự cảm trên cuộn dây khi transistor ngắt

Để tính toán sức điện động tự cảm trên cuộn dây sử dụngphương trình tính toán sau:

Hình 2.13: Quá trình tích lũy năng lượngTrong đó:

R: Tổng trở của mạch sơ cấp

L1: Hệ số từ cảm của cuộn dây

I1: Cường độ dòng điện sơ cấp

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mạch điện hình 2.13 ta cóphương trình sau: