Mô phỏng Tiêu thụ Nhiên liệu Xe Hybrid Song Song Dùng Matlab Simulink

Đồ án ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng mức tiêu thụ nhiên liệu xe hybrid nối tiếp song song. Tìm hiểu mô hình hóa và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nhiên liệu.

Chuyên ngành

Automotive Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Graduation Project

2023

104
1
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Hướng dẫn tổng quan mô hình hóa xe hybrid trên Matlab Simulink

Mô hình hóa xe hybrid là bước đầu quan trọng trong nghiên cứu và phát triển các phương tiện tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện môi trường. Qua Matlab Simulink mô phỏng, việc xây dựng mô hình hóa xe hybrid giúp hiểu rõ bản chất hoạt động của các hệ thống truyền động hybrid, bao gồm cả mô hình hóa hệ thống truyền động hybrid loại series, parallel và series-parallel. Mô hình được dựa trên các thành phần chính như động cơ đốt trong, động cơ điện, bộ chia công suất (Power Split Device), ắc quy cao áp (HV Battery), và bộ điều khiển thông minh. Đây là môi trường lý tưởng giúp mô phỏng các tình huống vận hành thực tế của xe hybrid, thao tác điều khiển năng lượng cũng như nghiên cứu khả năng tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu.

1.1. Mô hình hóa hệ thống truyền động hybrid trong Matlab Simulink

2-trong-1: Mô phỏng hiệu suất và kiểm soát năng lượng xe hybrid.

1.2. Tổng quan về bộ giải thuật điều khiển năng lượng hybrid trong mô hình

Thuật toán tối ưu hóa điều khiển trong Matlab Simulink đóng vai trò trong kiểm soát hệ thống hybrid.

II. Phương pháp mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu xe hybrid hiệu quả trên Matlab Simulink

Phương pháp mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu trên Matlab Simulink mô phỏng cho xe hybrid phụ thuộc vào việc xây dựng các mô hình động học, mô hình nhiên liệu động cơ, và bảng điều khiển năng lượng phù hợp với chu trình vận hành thực tế. Việc mô phỏng này yêu cầu lập mô hình chính xác của mô hình động cơ đốt trong, mô hình động cơ điện, cũng như các thiết bị chuyển đổi như bộ phân tách công suất và pin hybrid. Đồng thời, cần áp dụng phương pháp tính toán tiêu thụ nhiên liệu dựa trên chế độ tải động cơ và mô phỏng chu kỳ lái xe tiêu chuẩn để đánh giá hiệu suất.

2.1. Thiết lập mô hình động cơ đốt trong và điện trong Matlab Simulink

Mô hình hóa đầy đủ giúp phân tích chi tiết ảnh hưởng tới tiêu hao nhiên liệu xe hybrid.

2.2. Mô phỏng chu kỳ lái tiêu chuẩn để đánh giá tiêu thụ nhiên liệu hybrid

Chu kỳ lái tiêu chuẩn giúp đánh giá chính xác hiệu suất vận hành và tiêu hao nhiên liệu thực tế.

III. Bí quyết tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu và kiểm soát năng lượng xe hybrid bằng Matlab Simulink

Tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu là mục tiêu trọng tâm của các nghiên cứu mô phỏng xe hybrid. Ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng giúp huấn luyện các thuật toán điều khiển để lựa chọn nguồn năng lượng phù hợp, duy trì động cơ đốt trong ở dải hoạt động hiệu quả nhất và sử dụng mô tơ điện để hỗ trợ hoặc thay thế khi cần thiết. Ngoài ra, việc thiết kế và mô phỏng chiến lược điều khiển phanh hồi sinh, hệ thống pin hybrid, cũng góp phần quan trọng trong quản lý năng lượng tổng thể.

3.1. Phương pháp kiểm soát năng lượng tối ưu trong hệ thống hybrid series parallel

Kiểm soát năng lượng hybrid giúp tối ưu hóa biến đổi năng lượng và giảm phát thải.

3.2. Ứng dụng hệ thống phanh hồi sinh trong mô phỏng tiết kiệm nhiên liệu

Hệ thống phanh hồi sinh tăng hiệu quả năng lượng và giảm tiêu hao nhiên liệu cho xe hybrid.

IV. Phân tích kết quả mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu xe hybrid trên Matlab Simulink thực tiễn

Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink cho thấy hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu của xe hybrid phụ thuộc lớn vào chiến lược điều khiển năng lượng và các chu kỳ vận hành tiêu chuẩn. Qua các bài thử nghiệm như UN/ECE Extra-Urban hay HWFET, mô hình mô phỏng xe Toyota Camry Hybrid cho kết quả tiêu hao nhiên liệu thấp hơn đáng kể so với xe động cơ đốt trong truyền thống. Bên cạnh đó, việc phân tích từng trạng thái hoạt động như khởi động, tăng tốc, phanh và giữ ga cũng giúp đánh giá chi tiết hiệu quả của các mô hình và thuật toán điều khiển.

4.1. So sánh hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô hình và dữ liệu thực tế

Việc so sánh dữ liệu mô phỏng và thực tế giúp khẳng định độ tin cậy của mô hình.

4.2. Đánh giá tác động của thuật toán điều khiển đến hiệu quả nhiên liệu

Thuật toán điều khiển đóng vai trò thiết yếu trong cải thiện tiết kiệm nhiên liệu.

V. Phân tích thách thức và giải pháp mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu xe hybrid trên Matlab Simulink

Mặc dù Matlab Simulink mô phỏng cung cấp nền tảng mạnh để nghiên cứu, vẫn tồn tại nhiều thách thức khi áp dụng thực tiễn như tính phức tạp của mô hình, yêu cầu tính chính xác cao và độ tin cậy của thuật toán điều khiển. Mô hình phải cân bằng giữa độ chi tiết và thời gian tính toán để đảm bảo khả năng ứng dụng vào thiết kế và thực nghiệm. Giải pháp tối ưu bao gồm việc sử dụng các thuật toán điều khiển adaptive, tinh chỉnh hệ số mô hình và phát triển mô hình pin hybrid chi tiết, song song với cải tiến kỹ thuật mô phỏng.

5.1. Thách thức trong mô hình hóa chi tiết hệ thống pin và động cơ điện

Mô hình hóa chi tiết pin và động cơ điện là yếu tố khó khăn cần xử lý trong mô phỏng.

5.2. Giải pháp nâng cao độ chính xác mô phỏng và thuật toán điều khiển tối ưu

Phương pháp hiện đại giúp khắc phục hạn chế và nâng cao hiệu quả mô phỏng xe hybrid.

VI. Kết luận và tương lai phát triển mô phỏng tiêu thụ nhiên liệu xe hybrid trên Matlab Simulink

Qua nghiên cứu mô phỏng trên Matlab Simulink, mô hình xe hybrid series-parallel đã chứng minh khả năng giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải hiệu quả. Công nghệ mô phỏng giúp nâng cao hiểu biết về hoạt động của hệ thống, tối ưu hóa chiến lược điều khiển và thiết kế hệ thống pin, phanh hồi sinh. Tương lai, mô phỏng sẽ tiếp tục được ứng dụng rộng rãi với sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo, tối ưu hóa đa mục tiêu và mô hình vật lý sâu hơn, nhằm phát triển các dòng xe hybrid thế hệ mới thân thiện với môi trường và kinh tế hơn.

6.1. Tầm quan trọng của mô phỏng Matlab Simulink trong nghiên cứu động cơ lai điện hiện đại

Mô phỏng Matlab Simulink là công cụ không thể thiếu trong phát triển xe hybrid ngày nay.

6.2. Xu hướng phát triển và ứng dụng mô phỏng xe hybrid trong tương lai gần

Ứng dụng công nghệ mới vào mô phỏng giúp cải thiện hiệu năng và giảm chi phí phát triển xe hybrid.

16/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT APPLICATION OF MATLAB/SIMULINK IN FUEL CONSUMPTION SIMULATION ON SERIES-PARALLEL HYBRID VEHICLES HO KHANH DAT Student ID: 19145143 NGUYEN TA HOANG DUONG Student ID: 19145142 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Advisor: NGUYỄN VĂN LONG GIANG, PhD. Ho Chi Minh City, July 2023 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July 10, 2023 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Nguyễn Tạ Hoàng Dương Student ID: 19145142 Student name: Hồ Khánh Đạt Student ID: 19145143 Major: Automotive Engineering Class: 19145CLA Advisor: Nguyễn Văn Long Giang, PhD Phone number: _________________ Date of assignment: _____________________ Date of submission: _____________ 1. Project title: APPLICATION OF MATLAB/SIMULINK IN FUEL CONSUMPTION SIMULATION ON SERIES-PARALLEL HYBRID VEHICLES 2. Initial materials provided by the advisor: ___________________________________ 3.

Content of the project: _________________________________________________ 4. Final product: ________________________________________________________ CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) i THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July 7, 2023 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Nguyễn Tạ Hoàng Dương Student ID: 19145142 Student name: Hồ Khánh Đạt Student ID: 19145143 Major: Automotive Engineering. Project title: APPLICATION OF MATLAB/SIMULINK IN FUEL CONSUMPTION SIMULATION ON SERIES-PARALLEL HYBRID VEHICLES Name of Reviewer:. Content and workload of the project.

Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, July 10, 2023 REVIEWER (Sign with full name) iii Disclaimer The authors, Ho Khanh Dat and Nguyen Ta Hoang Duong, we thus certify that the works included in this thesis are original works of ours. The numbers and data in the thesis are accurate and have not been previously released. We promise that we have properly referenced every piece of information we have gleaned from another source, including the author of the material. v Acknowledgements During the time of studying and researching for our graduation thesis, with the support of teachers of the Faculty of High Quality Education, family, predecessors, and colleagues.

We are deeply indebted to PhD. Nguyen Van Long Giang, who encouraged and guided us during the graduation project. We want to thank the Board of Directors of Ho Chi Minh City University of Technology and Education and the Faculty of Vehicle and Energy Engineering instructor for their assistance and guidance during our studies. We learned many new things that will support us in the future, as in our graduation thesis.

The thesis still needs to be improved, despite the fact that there have been numerous attempts made during the implementation process. Because of our limited professional knowledge and experience, we anticipate the invaluable contributions of instructors and students. Colleagues are still exchanging ideas and providing input to assist us refine the thesis. Additionally, we want to thank our friends and coworkers for their support and encouragement in getting this graduation thesis done.

vi Table of Contents Disclaimer. vi Table of Contents. vii List of Figures. x List of Tables.

xiii List of acronyms. xv Chap 1: INTRODUCTION. Overview of Topic. The reason to choose this topic.

Object and scope of the study. Some related research. Overview of HEV. Working Principle of Hybrid Vehicle.

Types of tranmission. Series – Parallel Hybrid. Comparing Hybrid Vehicle with ICE Vehicle. Hybrid Vehicles in Viet Nam and The World.

9 Chap 2: THEORITICAL BASIC OF SERIES-PARALLEL HYBRID SYSTEM. The components of Series-Parallel Hybrid vehicle system. 2AZ-FXE engine. MG1 and MG2.

Power Split Device. Motor Speed Reduction Planetary Gear. DC-DC Converter. Cooling Fan Control for HV Battery.

Sealed Nickel Metal Hydride Battery. Battery Smart Unit. THS ECU Control. Auxiliary Battery Charging Control.

Inverter Assembly Control. Skid Control ECU Control. Operation mode of serries-parallel hybrid vehicle. Selection of simulation methods to study the Series – Parallel Hybrid Vehicles 49 2.

The simulation method involves establishing a mathematical model to simulate the operation of a hybrid powertrain system with a Series - Parallel configuration. Simulation with specialized software .53 Chapter 3: Modeling and Simulation HEV with MATLAB/Simulink software. MATLAB/Simulink software. Modeling Series – Parallel HEV.

Internal Combustion Engine. Power Split Device .67 Chapter 4: MATLAB SIMULATION RESULTS. Vehicle simulation parameters. Driving cycle test.

The UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle (Low Powered Vehicles) is an alternative for Low-Powered Vehicles. The Highway Fuel Economy Driving Schedule (HWFET).15 Mode Driving Schedule for Exhaust Measurement and Fuel Economy Test Procedure. Results of simulation. Results of the UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle (Low Powered Vehicles) 74 4.

Results of the Highway Fuel Economy Driving Schedule. Results of the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule. Comparing fuel efficiency. Research and Development Directions.

86 ix List of Figures Figure 1.1 System Lohner-Porsche Mixte.2 Toyota Camry Hybrid.3 Working principle of Hybrid Vehicle.4 Series Hybrid Structure.5 Parallel Hybrid Structure.6 Series - Parallel Hybrid Structure.7 Toyota Corolla Cross is one of the best-selling hybrid models in Vietnam.1 The structure of Hybrid system.2 2AZ-FXE engine.3 The gear box of hybrid vehicles.4 Control system diagram MG1, MG2.5 Planetary Gear Unit.6 Power Split Device.8 Starting engine when the car stops mode.9 Engine Started mode.10 Acceleration and Overhill mode.11 Hold the throttle at high speed mode.13 Movement from stop on slope mode.14 Slow down and EV mode.15 Reverse Driving Mode.17 DC-DC converter system diagram.18 Boost Converter system diagram.19 HV Battery Unit.21 SMR (System Main Relay) Control diagram.22 Cooling Fan system.23 Battery Smart Unit.24 THS ECU diagram.25 SOC Control method.26 Auxiliary Battery Charging system.27 Motor Drive Operation diagram.28 Generator Drive Operation diagram.29 Inverter Assembly Control diagram.30 Voltage Boost Conversion Function.31 Voltage Drop Conversion Function.32 Skid Control ECU Control system.33 Diagram of a series-parallel hybrid powertrain system.1 Hybrid vehicle model in Simulink using Simscape.2 ICE model block.3 Electrical model block.4 Structure of Electrical block.5 Torque coupling devices.6 Speed coupling device.7 Simulink model for planetary gear set speed coupling device.8 Free body diagram of vehicle.10 Control Block Structure.11 Stateflow decision logic.12 Engine speed controller.13 Generator speed controller.14 Motor speed controller.15 Battery charge controller.1 Simulated velocity in UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle.2 Simulated acceleration in UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle.3 Evaluated the modes of hybrid vehicle in UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle.4 Fuel consumption in UN/ECE Extra-Urban Driving Cycle.5 Evaluated the modes of hybrid vehicle in Highway Fuel Economy Driving Schedule.6 Fuel consumption in the Highway Fuel Economy Driving Schedule.7 Simulated velocity in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule.8 Simulated ICE in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule.9 Simulated motor in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule.10 Simulated generator in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule.11 Fuel consumption in the Japanese 10.15 Mode Driving Schedule.82 xii List of Tables Table 2.1 2AZ-FXE Engine Specification.2 Gear Box specifications.5 The relationship between components in PSD.6 HV Battery specifications.1 Vehicle simulation parameters.2 Compare fuel economy. 83 xiii List of acronyms EV – Electric Vehicles HEV – Hybrid Electric Vehicles SHEV – Series Hybrid Electric Vehicles PHEV – Parallel Hybrid Electric Vehicles ICE – Internal Conbustion Engine EM – Electric Motor MG – Motor Generator MG1 – Motor Generator 1 MG2 – Motor Generator 2 PSD – Power Split Devices SOC – State of Charge SPHEV – Series Parallel Hybrid Electric Vehicles THS – Toyota Hybrid System SMR – System Main Relay xiv Abstract Automakers are trying to innovate their science to meet consumers' demands due to concerns about environmental pollution and fuel consumption. One of them could be a hybrid vehicles – the vehicles combine an internal combustion engine with an electric motor. Our team understands the significance and viability of consumers while utilizing hybrid vehicles to reduce fuel consumption based on what they need.

As a result, we decided to proceed with the project to show that hybrid vehicles are viable in terms of fuel usage. This project simulates a Toyota Camry Hybrid by using MATLAB/Simulink software. xv Chap 1: INTRODUCTION 1. Overview of Topic 1.

The reason to choose this topic Today, due to the strong growth in the number of road vehicles, the air pollution caused by the emissions of these vehicles has become more and more serious, especially in urban areas. To save the environment and improve air quality in big cities, governments have introduced strict regulations on fuel consumption and vehicle emissions. This is the main driving force for automakers to invest in developing new, environmentally friendly technologies for their product lines, including electric vehicles. However, the use of electric motors as a power source still has some problems, such as limited battery capacity, short battery life, large volume of electric motor and battery, long-time charging, high cost.

Therefore, the current use of electric motors as an alternative source of motivation for motors is still limited, only used in a few specific and necessary cases. In order to promote the advantages as well as limit the remaining problems of electric motors when used in vehicles, scientists have come up with a solution to combine electric motors with internal combustion engines, or commonly referred to as hybrid vehicles. The powertrains system of hybrid is known for 3 types: series, parallel and series – parallel. Regardless of the type of powertrain, a hybrid system must include components such as an internal combustion engine, an electric motor, a generator and a high-voltage battery.

To find out how hybrid vehicles can reduce fuel consumption, our team decided to choose the topic: “Application of MATLAB in fuel consumption simulation of series-parallel hybrid vehicles”. Objective - Understanding the theoretical basis and operating principle of hybrid vehicles. - Research, simulate the model of series-parallel hybrid vehicles for fuel consumption. - Comparing the simulation result with parameters of manufactures.

Object and scope of the study - The purpose of this research is the MATLAB simulation model of series-parallel hybrid vehicles. - Scope of the study: Research a series-parallel hybrid vehicles model and simulation the fuel consumption of model on MATLAB. Research method - Using the theoretical basis of reference sources to research models. 1 - Apply or refer to the available vehicle parameters in reality to conduct simulations.

- Using MATLAB to simulate fuel consumption with different driving cycles. Some related research Currently, more and more hybrid vehicles are used, there is a lot of research with the goal of modernizing and minimizing fuel consumption. have studied “Hierarchical control structures for hybrid vehicles – modelling, simulation, and optimization”. Based on parallel and serial hybrid vehicle control sequence models through the DSL dynamics system language and Camel software environment, an arithmetic analysis, e., nonlinear system dynamics simulation, was made.

For different levels of the hierarchical control structure, different optimization strategies have been applied to reduce fuel consumption and emissions, and the processes are optimized based on Nonlinear simulation was used. Mohamed Awadallah, Peter Tawadros, Paul Walker, Nong Zhang studied the “Dynamic modelling and simulation of a manual transmission based mild hybrid vehicle”. By combining a powertrain with a manual transmission and a secondary power source in the form of an electric motor driving the output shaft of the gearbox, the authors have researched the creation of a mild hybrid powertrain. The dynamic performance of conventional and lightweight hybrid powertrains is compared using mathematical models of the two systems.

During the system development process, this mathematical model is used to run a variety of simulations for the gearshift control algorithm design, enabling researchers to assess the performance that can be expected and how much is dependent on the system's characteristics. Pham Quoc Thai and Huynh Duc Tri have studied "Modeling and simulating electric vehicle powertrain." This study describes the implementation of modeling and simulation of an electric powertrain on a 5-seater electric car. The models of inverters, asynchronous motors, dynamic models, and load characteristics are built on Matlab/Simulink software. The response parameters of the asynchronous motor, such as speed, torque, and amperage on the stator and rotor corresponding to the moving terrain, are analyzed, and evaluated.

Simulation results show that the transmission system operates accurately, stably, and efficiently, with good dynamics.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ