Thuyet minh DATN hybrid hoan chinh

Chứ không thể sử dụng ôtô hybrid thay hẳn các loại ôtô khác vì khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau và tính công nghệ còn nhiều hạn chế, trong đó cái khó nhất của vấn đề này

Lời nói đầu

Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới phải đối mặt với những vấn đề lớn như ô nhiễm môi trường, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, mà những vấn

đề này liên quan rất nhiều tới việc sản xuất và sử dụng ngày càng rộng rãi của các phương tiện cơ giới, đặc biệt là xe hơi Một loạt các ảnh hưởng và tác động xấu được bắt nguồn từ các vấn đề trên, đó là, sự ấm lên của Trái Đất gây ra các hiện tượng thiên nhiên bất thường, khí thải độc hại ảnh hưởng tới sức khỏe con người, sự tăng giá của xăng dầu ảnh hưởng tới sự ổn định và phát triển của các quốc gia

Để khắc phục những vần đề khó khăn nói trên, cùng với các ngành khoa học công nghệ khác thì ngành công nghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu công nghệ khắp nơi trên thế giới đã tìm cách cải tiến và thay thế các công nghệ trên xe hơi Mục đích của các nghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát thải ô nhiễm và giảm sự tiêu hao hoặc phụ thuộc vào nhiên liệu xăng dầu khi xe hoạt động Đã có một vài công nghệ hiện đại và tối ưu hơn được

áp dụng cho xe hơi, trong số đó thì công nghệ hybrid electric đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô Với những ưu điểm và hiệu quả của nó, công nghệ hybrid đang là một lựa chọn phù hợp cho các nhà sản xuất xe hơi trong hiện tại và tương lai

Có rất nhiều mẫu xe hơi của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khi tung ra thị trường như: Toyota Prius, Honda Insight, Chevrolet Silverado Hybrid,… Trong khi đó, ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu về công nghệ hybrid trên ôtô trong các trường đại học, các trung tâm nghiên cứu khoa học còn hạn chế Với những thành công và sự cần thiết của công nghệ hybrid như

đã nêu trên, do vậy nhóm nghiên cứu đã mạnh dạn chọn đề tài “Nghiên cứu thiết

kế và tính toán phối hợp nguồn động lực trong xe hybrid” làm đề tài tốt nghiệp

Với sự nỗ lực và cố gắng của nhóm nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo Khổng Vũ Quảng, nhóm nghiên cứu đã thực hiện và hoàn thành các khối lượng theo yêu cầu Tuy nhiên, do đây là một đề tài mới, cũng như còn hạn chế nhiều về tài liệu và kiến thức thực tế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, nhóm nghiên cứu mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn sinh viên

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HYBRID 1.1 Khái quát công nghệ hybrid trong xe hơi

1.1.1 Khái niệm chung

Xe hybrid là dòng xe sử dụng tổ hợp hai nguồn động lực, thường là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong (xăng, diesel, khí hóa lỏng…) với mô-tơ điện lấy năng lượng điện từ một ắc quy cao áp Mục đích chính là dùng mô-tơ điện hỗ trợ hoặc thay thế động cơ đốt trong (ĐCĐT) để kéo xe ở những thời điểm mà ĐCĐT làm việc không hiệu quả (suất tiêu hao nhiên liệu cao, phát thải lớn, gia tốc kém) như quá trình khởi động, gia tốc và tăng tốc Hay nói cách khác là giúp cho ĐCĐT luôn làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó

Như trên hình 1.2 ta có thể thấy ĐCĐT làm việc tối ưu trong một vùng

tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600v/ph tới 3400v/ph với suất tiêu hao nhiên

liệu khoảng 255 (g/kWh) Còn như thể hiện trên hình 1.1 có thể thấy rằng đặc

tính của ĐCĐT khác biệt khá xa so với đặc tính lý tưởng do vậy cần phải dùng

hộp số đa cấp hay hộp số tự động để có đặc tính tốt hơn như thể hiện trên hình 1.3 Điều này làm tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số

Hình 1.1: Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng [6]

Hình 1.2: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng [6]

Hình 1.3: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe [6]

Còn với mô-tơ điện, đặc tính được thể hiện trên hình 1.4 Có thể thấy rằng

mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng Thông thường mô-tơ điện khởi động từ tốc độ bằng 0 Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theo trong khi dòng không đổi Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp không đổi còn dòng thì yếu đi Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi

mô- men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ

Do đó một hệ dẫn động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo yêu cầu của xe

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Hình 1.4: Đặc tính của một mô-tơ điện [6]

Hình 1.5: Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn

động 1 cấp [6]

Hình 1.5 cho thấy sự so sánh cụ thể của một mô-tơ điện và một ĐCĐT Để

có đặc tính sát với lý tưởng thì ĐCĐT cần hộp số 4 cấp còn mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp Ngoài vai trò giúp cho ĐCĐT có thể hoạt động ở vùng tối ưu mô-

tơ điện trong xe hybrid có một vai trò quan trọng thứ hai là nó có thể thu hồi lại năng lượng (động năng) cho xe để nạp lại vào ắc quy trong quá trình xe giảm tốc hay phanh, chức năng “phanh tái sinh”

Khi kết hợp hai nguồn động lực như vậy kết quả đầu ra sẽ cho đặc tính như thể

hiện trên hình 1.6:

Hình 1.6: Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc [6]

1.1.2 Xu hướng phát triển của xe hybrid

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về nồng độ phát thải khí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra loại ôtô mà mức phát thải và ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu Điều đó càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể

Các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trường

và là một trong số những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường , làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ôtô nói riêng và mọi người nói chung

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Ôtô sạch không gây ô nhiễm là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu

và chế tạo ôtô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô dùng động cơ lai (hybrid) Trong số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao

1.1.3 Ôtô hybrid

Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô hạn chế tối đa việc gây ô nhiễm môi trường, giảm tiêu hao nhiên liệu tối thiểu hay còn gọi là ôtô “sinh thái” mà vẫn

sử dụng ĐCĐT, loại động cơ chưa thể thay thế trong nhiều năm tới

Hình 1.7: Mô hình một xe hybrid

Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ôtô này

Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời mặt trời cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, chưa dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid (nhiệt - điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu

về xu thế phát triển ôtô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về môi trường đô thị và nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch

Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid hoạt động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường dài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng Chứ không thể sử dụng ôtô hybrid thay hẳn các loại ôtô khác vì khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau

và tính công nghệ còn nhiều hạn chế, trong đó cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho mô-tơ điện, vì nếu dùng loại ắc quy thông thường thì số lượng bình rất nhiều, kích thước và khối lượng rất lớn Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này chúng em chỉ tìm hiểu nghiên cứu dòng ôtô hybrid (nhiệt-điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện là loại ôtô hybrid thông dụng nhất hiện nay

1.2 Tìm hiều một số dạng dẫn động hybrid

1.2.1 Hệ thống hybrid nối tiếp

1.2.1.1 Khái niệm

Hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp (Series hybrid electric drive train) là hệ

thống dẫn động cho xe hybrid trong đó xe chỉ được kéo bởi mô-tơ điện Mô-tơ điện này được cung cấp năng lượng từ hai nguồn là: Ắc quy và máy phát điện

được dẫn động bởi ĐCĐT Hệ thống dẫn động nối tiếp đơn giản nhất như hình 1.8

Hình 1.8: Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồn ắcqui hoặc máy phát được dẫn động bởi ĐCĐT Cụm ĐCĐT/máy phát (ĐCĐT/MP) có nhiệm vụ giúp ắc quy bổ sung năng lượng cho mô-tơ kéo khi công suất tải yêu cầu lớn hoặc nạp cho ắc quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ và dung lượng ắc quy thấp

Bộ điều khiển mô-tơ để điều khiển mô-tơ kéo sinh ra năng lượng phù hợp với yêu cầu của xe

Sự hoạt động của xe (gia tốc, khả năng leo dốc, tốc độ lớn nhất) được quyết định hoàn toàn bởi kích thước và đặc tính của mô-tơ kéo dẫn động Với sơ đồ kết nối như vậy thì đặc tính của xe hybrid có dạng như ví dụ của một mô-tơ điện thể

tiêu thụ và khí thải phát ra của động cơ là nhỏ nhất, thể hiện trong hình 1.4 Lí do

tách rời phần cơ khí của ĐCĐT với trục bánh xe nhằm để ĐCĐT có thể làm việc

ở vùng tối ưu và đặc tính của ĐCĐT được thay bằng đặc tính của mô-tơ điện Tuy nhiên, nó phụ thuộc nhiều vào các chế độ làm việc của động cơ và điều khiển chiến lược của hệ dẫn động

Hình 1.10: Đặc tính ĐCĐT và các vùng hoạt động [6]

a/ Chế độ kéo hỗn hợp

Khi cần yêu cầu một công suất lớn (khi lái xe đạp sâu chân ga) lúc này năng lượng của cả cụm ĐCĐT/MP và nguồn năng lượng từ ắc quy cùng cấp năng lượng cho mô-tơ điện hoạt động Trong trường hợp này, động cơ đốt trong sẽ được điều khiển để làm việc ở vùng tối ưu của nó Nguồn năng lượng từ ắc quy cung cấp công suất thêm để đáp ứng công suất kéo yêu cầu Dạng hoạt động này

có thể được biểu diễn như sau:

P yc = P đcđt/mp + P aq(PPS) (1.1)

Ở đó, P yc là công suất yêu cầu bởi người lái (đạp chân ga)

P đcđt/mp là công suất của cụm ĐCĐT/MP

P aq là công suất nguồn ắc quy

b/ Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của ắc quy cung cấp cho mô-tơ điện

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Trong trường hợp này, chỉ có nguồn ắc quy cung cấp công suất của nó để đáp ứng với công suất yêu cầu, thường là trong giai đoạn khởi động và gia tốc từ khởi động tới khi xe đạt tới tốc độ cơ bản

P yc = P aq (1.2)

c/ Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của cụm ĐCĐT/MPcung cấp cho mô-tơ điện

Trong trường hợp này, chỉ có cụm ĐCĐT/MP cung cấp công suất của nó để đáp ứng công suất yêu cầu, giai đoạn xe chạy ở tốc độ ổn định, chế độ lái bình thường Năng lượng điện được kết nối trực tiếp từ cụm ĐCĐT/MP tới mô-tơ kéo

P yc = P đcđt/mp (1.3)

d/ Chế độ ắc quy nạp năng lượng cho ắc quy từ cụm ĐCĐT/MP

Khi năng lượng của ắc quy giảm xuống dưới một mức qui định nào đó thì ắc quy phải được nạp Ắc quy có thể được nạp từ máy phát hay quá trình phanh tái

sinh (regenerative braking) Thường thì máy phát nạp khi phanh tái sinh nạp

không đủ Trong trường hợp này, công suất của động cơ đốt trong được chia làm hai phần: một để kéo xe, phần còn lại để dẫn động máy phát nạp điện cho ắc quy

P yc = P đc/mp – P aq (1.4)

Dạng hoạt động này chỉ có hiệu quả khi năng lượng của cụm ĐCĐT/MP sinh

ra lớn hơn công suất tải yêu cầu

e/ Chế độ phanh tái sinh

Khi xe phanh, mô-tơ kéo có chức năng như một máy phát điện, biến đổi phần động năng của xe thành năng lượng điện để nạp cho ắc quy

Như trình bày trong hình1.8, bộ điều khiển xe điều khiển hoạt động của mỗi

bộ phận thùy theo công suất kéo yêu cầu từ người lái, tín hiệu phản hồi từ mỗi bộ phận, và điều khiển chiến lược cài đặt trước của hệ thống dẫn động Những bộ phận được điều khiển để phù hợp với công suất yêu cầu của người lái xe, hoạt động của mỗi bộ phận với hiệu suất tối ưu, thu lại năng lượng phanh càng nhiều càng tốt, duy trì trạng thái nạp cho ắc quy

1.2.1.3 Các chiến lược điều khiển

Đây là quy tắc điều khiển được cài đặt trước trong bộ điều khiển xe, nó ra lệnh hoạt động cho mỗi bộ phận Bộ điều khiển xe nhận những lệnh hoạt động từ lái xe và tín hiệu phản hồi từ hệ thống dẫn động (HTDĐ) cùng tất cả các bộ phận sau đó đưa ra các quyết định để sử dụng dạng hoạt động phù hợp Tất nhiên, đặc

tính của HTDĐ phụ thuộc chủ yếu chất lượng điều khiển, trong đó điều khiển chiến lược giữ vai trò quyết định

Trong thực tế, đó là một dải của bộ chiến lược điều khiển mà có thể được sử dụng trong những chiếc xe với các yêu cầu nhiệm vụ khác nhau Ở đây chỉ xét đến hai kiểu chiến lược điều khiển đặc trưng của động cơ: Trạng thái nạp lớn nhất cho ắc quy và điều khiển đóng ngắt động cơ đốt trong

Hình 1.11: Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp

Trong đó:

A – Dạng kéo kết hợp

P yc – Công suất yêu cầu

P aq – Công suất ắc quy

P đc/mp – Công suất cụm động cơ/máy phát

B – Dạng chỉ có ĐCĐT kéo hoặc dạng nạp ắc quy

P n-aq – Công suất nạp cho ắc quy

C – Dạng phanh kết hợp

P ph,ts – Công suất phanh tái sinh

P ph,ck – Công suất phanh cơ khí

D – Dạng phanh tái sinh

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

a) Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất cho ắc quy

Mục đích của điều khiển là thỏa mãn công suất yêu cầu được yêu cầu bởi lái

xe đồng thời duy trì trạng thái nạp cho ắc quy ở một mức cao nhất Chiến lược điều khiển này được tính toán để phù hợp thiết kế cho các xe hoạt động chủ yếu dựa vào nguồn năng lượng của ắc quy Một trạng thái nạp ở mức độ cao sẽ đảm bảo sự hoạt động cao của xe ở mọi thời điểm Chiến lược điều khiển tình trạng

nạp lớn nhất cho ắc quy được mô tả như hình 1.11

Các điểm A, B, C, D thể hiện công suất yêu cầu mà điều khiển chiến lược yêu cầu trong chế độ kéo hay phanh Điểm A cho thấy yêu cầu công suất kéo lớn hơn công suất mà cụm ĐCĐT/MP sinh ra Trong trường hợp này, nguồn năng lượng của ắc quy phải đưa ra năng lượng của nó bù đắp cho năng lượng thiếu hụt của ĐCĐT/MP Điểm B cho thấy năng lượng được yêu cầu nhỏ hơn năng lượng ĐCĐT/MP sinh ra khi nó làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó Trong trường hợp này, hai dạng năng lượng được sử dụng phụ thuộc vào chế độ nạp ắc quy Nếu như độ sụt năng lượng của ắc quy thấp hơn mức của nó thì ắc quy được nạp tức là ĐCĐT vừa kéo xe vừa nạp Mặt khác nếu ắcqui đã được nạp đầy thì động cơ chỉ kéo máy phát và được điều chỉnh để công sất sinh ra bằng công suất yêu cầu còn ắc quy làm việc ở chế độ chờ Điểm C mô tả công suất phanh cần theo yêu cầu từ người lái lớn hơn công suất phanh mà mô-tơ điện sinh ra (năng lượng phanh tái sinh lớn nhất) Trong trường hợp này, dạng phanh hỗn hợp được

sử dụng và mô-tơ điện sinh ra năng lượng phanh lớn nhất của nó và phanh cơ khí

bù đắp phần công suất cần thiết còn lại Điểm D mô tả công suất phanh cần thiết nhỏ hơn công suất phanh lớn nhất mà mô-tơ điện sinh ra, trong trường hợp này

chỉ có phanh tái sinh làm việc Sơ đồ điều khiển logic minh họa ở hình 1.12

b) Chiến lược điều khiển đóng - ngắt ĐCĐT

Chiến lược điều khiển ở chế độ nạp lớn nhất của ắc quy chú trọng đến trạng thái nạp cho ắc quy ở mức cao Tuy nhiên, trong một vài điều kiện lái như thời gian kéo dài với tải trọng thấp như khi lái xe trên đường cao tốc Tốc độ vòng quay lớn, ổn định thì ắc quy có thể dễ dàng được nạp đầy và cụm ĐCĐT/MP buộc phải làm việc với một năng lượng sinh ra nhỏ hơn trong điều kiện làm việc tối ưu của nó Hơn nữa, hiệu suất của hệ dẫn động bị giảm Trong trường hợp này, ĐCĐT được đóng-ngắt hoặc điều khiển nhiệt phải phù hợp

Chiến lược điều khiển này được minh họa ở hình 1.13

Hình1.12: Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe hybrid nối tiếp

Hoạt động của cụm ĐCĐT/MP được điều khiển hoàn toàn bởi tình trạng nạp của ắc quy Khi tình trạng nạp của ắc quytrong phạm vi trên mức cần phải nạp thì ĐCĐT ngừng hoạt động, khi tình trạng nạp của ắc quy ở mức cần nạp thì ĐCĐT được bật cho hoạt động Ắc quy được nạp năng lượng từ cụm ĐCĐT/MP Với cách này, động cơ không phải lúc nào cũng được làm việc trong vùng tối ưu của nó

Hình 1.13: Minh họa về điều khiển đóng-ngắt động cơ [6]

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

1.2.1.4.Tính toán thông số các thành phần chính

Các bộ phận chính trong hệ dẫn động hybrid nối tiếp bao gồm: mô-tơ kéo,

cụm ĐCĐT/MP và ắc quy Thiết kế công suất định mức của những thành phần

này là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc thiết kế toàn bộ hệ thống Khi

thiết kế các thành phần này, bắt buộc phải tính đến các vấn đề bao gồm: khả năng

gia tốc của xe, khả năng leo dốc, điều kiện lái trên đường cao tốc, trong đô thị và

cân bằng năng lượng trong ắc quy

a)Tính toán công suất định mức của mô-tơ kéo

Công suất này phụ thuộc vào yêu cầu về khả năng gia tốc của xe, đặc

điểm của mô-tơ điện, đặc điểm của hệ truyền động Đầu tiên khi tính toán, công

suất định mức của động cơ dẫn động có thể được ước lượng, tùy theo quá trình

thực hiện gia tốc (thời gian tăng tốc của xe từ tốc độ 0 tới tốc độ ước tính) Sử

dụng công thức tính toán dưới đây:

5

1 3

2

.2

f f D a f

r v b

f a

Số hạng đầu của phương trình (1.5) đại diện cho công suất được sử dụng

để gia tốc xe, số hạng thứ hai đại diện cho công suất để thắng sức cản lăn và số

hạng thứ ba đại diện cho công suất để thắng lực cản khí động

Hình 1.14 thể hiện khả năng kéo và công suất kéo với tốc độ xe được có

một bộ truyền động hai cấp Trong quá trình gia tốc, bắt đầu từ bánh răng cấp 1,

lực kéo thể hiện theo đường a-b-d-e và V b V b1 Khi bộ dẫn động một bánh răng được sử dụng thì khả năng kéo thể hiện theo đường c-d-e và V b V b2

Hình 1.15 trình bày một ví dụ cho công suất định mức của một mô-tơ

điện với nhiều tỷ lệ tốc độ Cần chú ý, công suất ước lượng của mô-tơ được xác định qua (1.5) chỉ là ước lượng để phù hợp với quá trình gia tốc

Hình1.14: Đặc tính của mô-tơ điện [6]

Hình 1.15: Công suất và tỷ lệ vận tốc của hệ dẫn động [6]

b) Thiết kế công suất định mức cho cụm ĐCĐT/MP

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Trong thiết kế cụm ĐCĐT/MP hai điều kiện dẫn động được chú ý: (a) Dẫn động trong thời gian dài với vận tốc không đổi (đường cao tốc) và (b) trạng thái xe thường xuyên dừng-đi (trong thành phố)

Với kiểu dẫn động (a), cụm ĐCĐT/MP và hệ thống truyền động hoạt động không dựa vào năng lượng của ắc quy, ĐCĐT/MP đã có đủ khả năng phát ra công suất để cung cấp cho mô-tơ Với chế độ thường xuyên dừng-đi (b) ĐCĐT/MP phải tạo ra đủ công suất để duy trì năng lượng dự trữ cho ắc quy

Việc tiêu thụ năng lựơng ắc quy liên quan chặt chẽ với vấn đề điều khiển chiến lược đã trình bày ở trên

Tại tốc độ không đổi trên đường bằng phẳng công suất tạo ra từ nguồn công suất gồm cụm ĐCĐT/MP có thể được tính như sau:

  là hiệu suất của hệ thống dẫn động và mô-tơ kéo

Hình 1.10 là một ví dụ cho công suất phụ tải (không bao gồm phần uốn

do  t và m) cho xe có khối lượng 1500kg Nó cho thấy công suất yêu cầu tại một tốc độ không đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất cần cho sự gia tốc như phương trình (1.6) thể hiện

Hình 1.16: Công suất phụ tải của xe có khối lượng 1500kg tại tốc độ không đổi [6]

Khi xe đang chạy ở kiều dừng-đi trong thành phố, công suất mà cụm ĐCĐT/MP sinh ra có thể bằng hoặc lớn hơn công suất tải trung bình để mà duy trì sự cân bằng với năng lượng của ắc quy Công suất tải trung bình được tính theo CT sau:

Số hạng thứ nhất là công suất trung bình thắng cản lăn và cản khí động

Số hạng thứ hai là công suất trung bình khi tăng tốc và giảm tốc Khi xe có thể thu hồi năng lượng động năng của xe, kết quả là công suất trung bình của quá

trình tăng, giảm tốc độ bằng 0, thể hiện trong hình 1.17

Hình 1.17: Công suất tiêu thụ trung bình khi phanh tái sinh hoàn toàn, một phần và

không phanh tái sinh [6]

Hình 1.18: Công suất tức thời, công suất trung bình với quá trình phanh tái sinh hoàn

toàn và không phanh tái sinh trong một vài chu trình lái điển hình [6]

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Trong việc tính toán cụm ĐCĐT/MP, công suất dự trữ sẽ lớn hơn hoặc bằng công suất cần thiết cấp cho xe khi vận hành với tốc độ không đổi trên đường cao tốc hay công suất trung bình khi xe chạy trên đường phố

Trong thiết kế thực tế, tính toán công suất trung bình của xe sử dụng một

số dạng đồ thị điển hình như hình 1.18

c) Tính toán ắc quy

Ắc quy phải có khả năng cung cấp đủ công suất cho mô-tơ kéo ở mọi thời điểm Đồng thời, ắc quy cũng phải dự trữ đủ năng lượng để ngăn ngừa việc không cung cấp đủ năng lượng khi diễn ra tình trạng không được nạp kéo dài

 Công xuất dự trữ của ắc quy

Để sử dụng hoàn toàn công suất của mô-tơ điện thì công suất tổng của ắc quy và ĐCĐT/MP phải lớn hơn hoặc bằng công suất định mức lớn nhất của mô-tơ điện Theo đó, công suất dự trữ của ắc quycó thể được xác định như sau:

 Năng lượng dự trữ của ắc quy

Trong một vài điều kiện vận hành, kiểu vận hành thường xuyên tăng giảm tốc độ sẽ cho kết quả là một tình trạng nạp thấp cho ắc quy Năng lượng biến đổi của ắc quycó thể được xác định như sau:

Trong đó, P aq là công suất của ắc quy

Giá trị dương của P aq khi ắc quy được nạp và âm khi ắc quy phóng điện

Hình 1.19 mô tả năng lượng biến đổi theo thời gian của ắc quy, cho thấy

năng lượng biến đổi tối đa trong toàn bộ chu trình lái Quá trình nạp cho ắc quy được duy trì nếu ắc quy làm việc giữa trạng thái nạp (SOC) lớn nhất và nhỏ nhất Năng lượng dự trữ của ắc quycó thể tính toán theo công thức dưới đây:

max

aq

E E

Hình 1.19: Nạp năng lượng trong chu trình lái nội thành cơ bản với chiến lược điều

và sự phát thải của động cơ còn được cải thiện hơn nữa bởi thiết kế tối ưu tùy vào điều kiện hoạt động

2 Sự ngắt kết nối giữa động cơ và bánh xe còn cho phép động cơ có thể hoạt động ở vùng tốc độ cao

3 Khả năng gia tốc tốt khi không có quán tính của hệ dẫn động cơ khí, bánh đà, tuốcbin…

4 Không cần nhiều bánh răng dẫn động nên cấu tạo đơn giản hơn và giá thành có thể giảm

5 Có thể thay thế bộ vi sai bằng các mô-tơ điện nên có thể nghiên cứu cho

hệ dẫn động lái 4 bánh và không cần cần điều khiển làm phức tạp cho quá trình lái

b) Nhược điểm

1 Năng lượng bị biến đổi qua lại nhiều lần gây tổn thất đáng kể

2 Máy phát và mô-tơ điện phải có độ lớn và dung lượng nhất định để đảm bảo yêu cầu kéo xe nên có thể làm tăng đáng kể trọng lượng và giá thành

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

- Tốc độ tối đa:160 km/h

a) Tính toán công suất mô-tơ kéo

Sử dụng phương trình (1.5) và giả sử động cơ truyền tốc độ có tỉ lệ x=4, công suất định mức động cơ truyền có thể đạt được là 82,5 kW với giả thuyết

thời gian gia tốc từ 0 > 100 km/h là 10s Hình 1.20 trình bày quan hệ tốc độ -

mômen và tốc độ-công suất của mô-tơ

Hình 1.20: Đặc tính công suất - mômen với tốc độ vòng quay của mô-tơ [6]

b) Tính toán tỉ số truyền bánh răng

Tỉ số truyền của bánh răng được thiết kế để xe đạt được tốc độ lớn nhất tại tốc độ mô-tơ max, đó là:

max

max ,

.30

V

r n

i g  m

(1.11)

Ở đó, nm, maxlà tốc độ lớn nhất của mô-tơ (v/ph)

V max là tốc độ lớn nhất của xe (m/s)

c) Kiểm tra quá trình thực hiện gia tốc

Dựa vào quan hệ mômen-tốc độ của mô-tơ kéo, tỉ số bánh răng, và các thông số khác của xe, quá trình thực hiện gia tốc của xe (thời gian gia tốc và

quãng đường với tốc độ xe) có thể đạt được như trình bày ở hình 1.15 Nếu thời

gian gia tốc đạt được không phù hợp với yêu cầu thiết kế, công suất định mức của mô-tơ thì phải thiết kế lại

Hình 1.21: Đồ thị thời gian gia tốc, khoảng cách gia tốc với vận tốc xe [6]

d) Kiểm tra khả năng leo dốc

Sử dụng đặc tính mômen – vận tốc của mô-tơ, tỉ số truyền bánh răng và các thông số của xe, kết quả lực kéo và cản Tốc độ xe có thể được tính toán và vẽ

trong một biểu đồ, như trình bày trong hình 1.22a Hơn nữa, khả năng leo dốc của xe có thể được tính toán như trên hình 1.226b Hình 1.22 cho thấy khả năng

leo dốc đã tính toán là lớn hơn nhiều so với giả thuyết trong phần tính toán Kết quả này có thể hiểu, với một chiếc xe, công suất cần thiết cho quá trình tăng tốc thường lớn hơn công suất cần thiết cho sự leo dốc đó là điều đầu tiên quyết định công suất định mức của mô-tơ kéo

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Hình 1.22: Biểu đồ lực kéo, cản-tốc độ [6]

e)Tính toán công suất cụm ĐCĐT /máy phát điện

Công suất định mức của cụm ĐCĐT/MP được thiết kế sao cho nó có khả

năng giúp xe đạt tốc độ liên tục 130km/h trên đường bằng phẳng Hình 1.23

biểu diễn công suất động cơ cần thiết để đạt tốc độ 130 km/h là 32,5kW, trong

đó hiệu suất trong bộ truyền động là 90%, hiệu suất mô-tơ là 85%, và hiệu suất máy phát là 90%

Hình 1.23 cũng cho thấy rằng với công suất động cơ nhiệt 32,5kW thì có

khả năng giúp xe chạy ở tốc độ 78 km/h trên đường có độ dốc 5%

Điều quan tâm khác trong thiết kế công suất định mức của cụm ĐCĐT/MP là công suất trung bình khi lái với một vài chế độ đặc biệt “dừng-đi”

Hình 1.23: Công suất động cơ với tốc độ không đổi trên đường có độ dốc 5% [6]

Hình 1.24: Đồ thị đặc tính của động cơ [6]

So với công suất cần thiết trong hình 1.22, công suất trung bình trong

những chu trình vận hành này là nhỏ Do đó, 32,5kW của động cơ có thể thỏa mãn công suất cần trong những chu trình vận hành này

f) Tính công suất của ắc quy

Tổng công suất sinh ra của ắc quy phải lớn hơn hoặc tối thiều bằng với công suất vào của mô-tơ kéo:

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Hình 1.25: Kết quả mô phỏng cho chu trình FPT75 trong thành phố [6]

Hình 1.26: Kết quả mô phỏng cho chu trình FPT75 đường cao tốc [6]

g) Tính toán năng lượng sinh ra của ắc quy

Năng lượng sinh ra của ắc quy phụ thuộc vào chu trình vận hành và cả chiến lược điều khiển Trong phần tính toán này, vì công suất sinh ra của cụm ĐCĐT/MP là lớn hơn nhiều so với công suất tải trung bình, việc điều khiển

đóng-ngắt ĐCĐT được cho là thích hợp Hình 1.25 thể hiện sự mô phỏng kết

quả trên xe với cách điều khiển động cơ đóng-ngắt trong chu trình vận hành trong thành phố Trong quá trình điều khiển, cho phép sự biến đổi năng lượng trong ắc quy là 0,5 kWh Giả sử rằng công suất cực đại cho phép hoạt động trong phạm vi trạng thái nạp là 0,2 Sử dụng ắc quy hoạt động trong phạm vi 0,4÷0,6 của trạng thái nạp sẽ có hiệu suất tối ưu nhất

Tổng năng lượng nạp cho ắc quy có thể được tính toán bởi CT:

h) Nhiên liệu tiêu thụ

Nhiên liệu tiêu thụ cho các chế độ vận hành khác nhau có thể được tính toán qua phần mềm mô phỏng Trong chu trình FPT75, chế độ lái trong thành

phố, thể hiện trong hình 1.25, mức tiêu thụ nhiên liệu là 17,9 (km/l), và trong chế

độ vận hành trên đường cao tốc, thể hiện trong hình 1.26 là 18,4 (km/h) Điều đó

cho thấy một chiếc xe hybrid với quá trình hoạt động tương tự với một chiếc xe thông thường thì hiệu quả làm việc cao hơn, đặc biệt trong điều kiện thường xuyên dừng - đi Lí do chính là hiệu suất làm việc tối ưu của động đốt trong và ý nghĩa quan trọng của việc thu lại năng lượng bởi phanh tái sinh

1.2.2 Hệ dẫn động hybrid song song

1.2.2.1 Khái quát về dạng hybrid song song

Không giống như hệ dẫn động hybrid nối tiếp, hệ dẫn động hybrid song

song (Parallel hybrid electric drive train) cho phép cả ĐCĐT và mô-tơ kéo cùng

truyền công suất của chúng song song, trực tiếp tới các bánh xe Lợi thế chính của loại hình song song hơn loại hình nối tiếp là có thể không yêu cầu máy phát điện, mô-tơ kéo nhỏ, không cần nhiều sự biến đổi công suất từ ĐCĐT tới các bánh xe Hơn nữa, hiệu suất tổng có thể cao hơn Tuy nhiên, việc điều khiển hệ thống dẫn động hybrid song song phức tạp hơn nhiều so với hệ dẫn động nối tiếp,

do sự kết hợp cơ khí giữa ĐCĐT và các bánh xe

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Hình 1.27: Hệ thống hybrid song song với bộ ghép nối mô-men

Phương pháp tính toán cho riêng dạng này có thể không được áp dụng cho dạng khác và kết quả tính toán cho riêng dạng này có thể được áp dụng cho duy nhất điều kiện hoạt động đưa ra và nhiệm vụ yêu cầu Trong chương này sẽ tập trung vào phương pháp tính toán của hệ truyền động song song với sự phối hợp mô-men, chúng hoạt động trên nguyên tắc điện cực đại, đó là, ĐCĐT cung cấp công suất của nó phù hợp với tải cơ bản (hoạt động ở tốc độ không đổi cho trước, trên mức đường bằng phẳng; hoặc tải trung bình ở kiểu lái dừng - đi) và mô-tơ điện cung cấp công suất phù hợp với tải cực đại yêu cầu

Tải trọng cơ bản thấp hơn nhiều tải trọng cực đại trong điều kiện lái trên

đô thị bình thường và trên đường cao tốc Giả thiết này cho thấy công suất định mức của ĐCĐT nhỏ hơn nhiều công suất định mức của mô-tơ kéo Do đặc tính mômen – tốc độ của mô-tơ điện tốt hơn so với đặc tính mômen – tốc độ ĐCĐT,

bộ truyền động bánh răng một cấp cho mô-tơ là một lựa chọn phù hợp

- Duy trì trạng thái nạp của ắc quy ở mức phù hợp trong toàn bộ chu trình vận hành mà không nạp từ bên ngoài xe

- Thu hồi năng lượng phanh cao nhất

1.2.2.2 Các chiến lược điều khiển của hệ dẫn động hybrid song song

Những dạng hoạt động có hiệu quả của hệ dẫn động hybrid song song chủ yếu gồm: chỉ có ĐCĐT kéo; chỉ có mô-tơ điện kéo; cả ĐCĐT và mô-tơ điện cùng kéo; phanh tái sinh và ắc quy được nạp từ ĐCĐT Trong quá trình hoạt động, các dạng hoạt động thích hợp sẽ được sử dụng để đáp ứng mô-men kéo yêu cầu, đạt hiệu suất tổng cao, duy trì tình trạng nạp cho ắc quy ở mức hợp lí, và thu hồi năng lượng phanh càng nhiều càng tốt

Chiến lược điều khiển tổng thể gồm có hai mức Một bộ điều khiển cấp độ

hệ thống của xe (điều khiển cấp độ cao) thực hiện chức năng như một bộ chỉ huy điều khiển và đưa ra các lệnh, đưa yêu cầu mô-men đến bộ điều khiển cấp độ thấp (điều khiển cục bộ hoặc từng thành phần) được căn cứ trên lệnh hoạt động (lái xe), các đặc điểm riêng của từng bộ phận, và thông tin phản hồi từ các bộ phận Chiến lược điều khiển tổng thể của hệ truyền động hybrid song song thể

hiện trên sơ như trong hình 1.28 Nó gồm có một bộ điều khiển xe, bộ điều

khiển ĐCĐT, bộ điều khiển mô-tơ điện, và bộ điều khiển phanh cơ khí

Bộ điều khiển hệ thống, nó thu thập dữ liệu từ người lái và tất cả các bộ phận, thí dụ như mô-men yêu cầu, tốc độ xe, tình trạng nạp của ắc quy, tốc độ động cơ và vị trí bướm ga, tốc độ mô-tơ điện, Dựa và những dữ liệu này, đặc tính các bộ phận, chiến lược điều khiển được định trước Bộ điều khiển xe đưa ra những tín hiệu điều khiển của nó tới mỗi bộ điều khiển thành phần (bộ điều khiển cục bộ) Mỗi bộ điều khiển thành phần điều khiển hoạt động của bộ phận tương ứng để phù hợp với yêu cầu dẫn động Bộ điều khiển xe đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của hệ dẫn động Bộ điều khiển xe phải đưa ra các dạng hoạt động khác nhau, tùy theo điều kiện lái, dữ liệu được tập hợp từ các bộ phận, mệnh lệnh của người lái và phải đưa ra mệnh lệnh chính xác tới bộ điều khiển thành phần Hơn nữa, điều khiển chiến lược định trước quyết định hoạt động của

hệ dẫn động

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Bộ điều khiển mô tơ

Mô tơ điện

Bộ điều khiển phanh cơ khí

Phanh cơ khí

Tín hiệu từ chân ga

Tín hiệu từ chân phanh Tốc độ xe

Tình trang nạp của ắc quy Công suất động cơ

yêu cầu Công suất mô tơ yêu

Công suất phanh

cơ khí

Hình 1.28: Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ dẫn động hybrid song song

a) Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất của ắc quy

Khi xe đang hoạt động ở dạng dừng – đi, ắc quy phải truyền công suất của

nó tới hệ dẫn động thường xuyên Vì vậy, ắc quy có xu hướng phóng điện nhanh Trong trường hợp này, cần thiết duy trì một trạng thái nạp ở mức cao trong ắc quy để đảm bảo hoạt động của xe ổn định Do đó, chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất của ắc quy có thể là lựa chọn thích hợp

Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất của ắc quy có thể được trình

bày như hình 29

Hình 1.29: Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu

 Dạng chỉ có mô tơ điện kéo xe

Tốc độ xe nhỏ hơn một giá trị chọn trước Vxe,min, tốc độ của xe mà ở đó ĐCĐT

hoạt động không ổn định và không tối ưu Trong trường hợp này chỉ có mô-tơ

điện truyền công suất của nó tới các bánh xe, trong khi ĐCĐT được tắt hoặc chạy

không tải Công suất ĐCĐT, công suất của mô-tơ điện và công suất phóng điện

của ắc quy có thể được tính như sau:

P đc = 0; (1.14)

,

t m

t m

P P



  (1.16)

Ở đó, P đc là công suất ra của ĐCĐT,

P m là công suất ra của mô-tơ điện,

P t là công suất tải yêu cầu trên các bánh xe,

P aq-p là công suất phóng điện của ắc quy,

 t,m là hiệu suất truyền động từ mô-tơ điện tới các bánh xe,

 m là hiệu suất của mô-tơ điện

Chú thích:

1: Công suất lớn nhất với dạng hybrid 2: Công suất lớn nhất khi chỉ có mô-tơ điện kéo

3: Công suất động cơ trên đường hoạt động tối ưu của nó

4: Công suất động cơ với một phần tải 5: Công suất lớn nhất khi mô tơ là máy phát

P tải: Công suất tải (kéo hoặc phanh)

P đc : Công suất động cơ

P n,aq: Công suất nạp ắc quy

P m: Công suất mô tơ kéo

P ph,ts: Công suất phanh tái sinh

P ph,ck: Công suất phanh cơ khí

V xe,min: Vận tốc của xe ứng với vận tốc nhỏ nhất của động cơ

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

 Dạng kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện

Công suất tải yêu cầu được đại diện bằng điểm A trên hình 1.29, nó lớn

hơn công suất của ĐCĐT có thể tạo ra, khi đó cả ĐCĐT và mô-tơ điện đồng thời phải truyền công suất của chúng tới các bánh xe Trong trường hợp này, sự hoạt động của ĐCĐT được đặt ở chế độ hoạt động tối ưu của nó Công suất yêu cầu còn lại được cung cấp bởi mô-tơ điện Công suất ra của mô-tơ và công suất phóng điện của ắc quy được tính như sau:



  (1.18)

Trong đó,  t,đc là hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới các bánh xe

 Dạng ắc quy nạp

Khi công suất tải yêu cầu thể hiện ở điểm B của hình 1.29 nhỏ hơn công

suất của ĐCĐT sinh ra ở mức làm việc tối ưu của nó, và tình trạng nạp của ắc quy dưới mức cao nhất, ĐCĐT được hoạt động ở vùng làm việc tối ưu, sinh ra công suất Pđc Trong trường hợp này, mô-tơ điện được điều khiển bởi bộ điều khiển của nó và thực hiện chức năng như một máy phát điện, được cung cấp năng lượng là công suất còn lại của ĐCĐT Công suất ra của mô-tơ điện và công suất nạp của ắc quy được tính như sau:

Khi công suất tải yêu cầu thể hiện bởi điểm B trên hình1.29 nhỏ hơn công

suất của ĐCĐT có thể sinh ra trong khi làm việc ở mức tối ưu, và tình trạng nạp của ắc quy đã đạt tới mức cao nhất, dạng chỉ có ĐCĐT đẩy đi được sử dụng Trong trường hợp này, hệ thống điện được tắt, ĐCĐT được hoạt động để cung cấp công suất thích hợp với công suất tải yêu cầu Đường cong công suất ra của

ĐCĐT được thể hiện bằng đường nét đứt trên hình 1.29 Công suất ĐCĐT, công

suất mô-tơ điện, công suất ắc quy được trình bày như sau:

c

, c

t đ

t đ

P P



 (1.21)

P m = 0 (1.22)

P aq = 0 (1.23)

 Dạng chỉ có phanh tái sinh

Khi xe cần phải phanh và yêu cầu công suất phanh nhỏ hơn công suất phanh

tái sinh lớn nhất mà hệ thống điện có thể cung cấp như trình bày trong hình 1.29

bởi điểm D, mô-tơ điện được điều khiển để thực hiện chức năng như một máy phát, sản sinh ra một công suất phanh bằng công suất phanh yêu cầu Trong trường hợp này, ĐCĐT tắt hoặc đặt ở chế độ tạm ngưng hoạt động Công suất ra của mô-tơ điện và công suất nạp của ắc quy được tính như sau:

P ph,ts = P t  t,m  m (1.24)

P aq-n = P ph,ts (1.25)

 Dạng phanh hỗn hợp

Khi công suất phanh được yêu cầu lớn hơn công suất phanh tái sinh lớn nhất

mà hệ thống điện có thể cung cấp như trình bày trong hình 1.29 bởi điểm C, thì

phanh cơ khí phải được kích hoạt Trong trường hợp này, mô-tơ điện sẽ được điều khiển để tạo ra công suất phanh tái sinh lớn nhất, và hệ thống phanh cơ khí

sẽ đảm nhận sinh ra mô-men phanh yêu cầu còn lại Công suất ra của mô-tơ điện, công suất nạp của ắc quy, công suất phanh cơ khí là:

P ph,ts = P ph,ts-max  m (1.26)

P aq-n = P ph,ts (1.27)

Sơ đồ chiến lược điều khiển được trình bày ở hình 1.30:

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Hình 1.30: Sơ đồ điều khiển logic cho tình trạng nạp của ắc quy

Hình 1.31: Minh họa điều khiển đóng – ngắt ĐCĐT [6]

b) Chiến lược điều khiển bật-tắt của ĐCĐT

Tương tự như được sử dụng trong hệ dẫn động hybrid nối tiếp, chiến lược điều khiển bật-tắt của ĐCĐT có thể được sử dụng trong một vài điều kiện hoạt động với tốc độ thấp và gia tốc thấp Trong chiến lược điều khiển này, hoạt động

của ĐCĐT được điều khiển bởi tình trạng nạp của ắc quy, như trình bày trong

1.2.2.3 Tính toán các thông số của bộ truyền động

Các thông số của hệ dẫn động song song bao gồm: Công suất ĐCĐT, công suất mô-tơ điện, tỉ số bánh răng của hệ dẫn động, công suất và năng lượng

dự trữ của ắc quy, đó là những thông số trọng yếu Tuy nhiên, như các bước đầu trong thiết kế, các thông số này sẽ được ước lượng dựa trên yêu cầu thực hiện cơ bản của xe

Các thông số của xe được sử dụng trong tính toán khối lượng của xe Mv =

1500 kg; hệ số cản lăn fr = 0,01; mật độ không khí a = 1,205 kg/m3; diện tích mặt trước Af = 2 m2; hệ số cản khí động học Cd = 0,3; bán kính bánh xe r = 0,2794 m; hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới các bánh xe t,e = 0,9, và từ mô-tơ điện tới các bánh xe t,m = 0,95

a) Tính toán công suất dự trữ của ĐCĐT

ĐCĐT phải có khả năng cung cấp đủ công suất để đáp ứng hoạt động của

xe ở chế độ tốc độ không đổi bình thường trên đường bằng phẳng hoặc trung bình mà không có sự trợ giúp của ắc quy Đồng thời, ĐCĐT phải có khả năng sinh ra công suất trung bình lớn hơn công suất tải trung bình khi xe hoạt động ở kiểu dừng-đi

Cũng như yêu cầu trong chế độ lái bình thường trên đường cao tốc ở tốc

độ không đổi với cấp đường bằng phằng hoặc trung bình, công suất cần thiết trình bày như sau:

2 c

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Hình 1.32: Công suất yêu cầu của ĐCĐT tại tốc độ không đổi trên đường bằng phẳng

và đường có độ dốc 5% [6]

Hình 1.33: Công suất tức thời và công suất trung bình khi không phanh và phanh tái

sinh hoàn toàn trên một vài chu trình thử thông thường

Hình 1.32 biểu diễn công suất tải của một chiếc xe với khối lượng 1500 kg.

Công suất ĐCĐT được tính toán trên đây được tính đề phù hợp với công suất trung bình yêu cầu trong khi lái ở kiều dừng-đi Trong một chu trình vận hành, công suất tải trung bình của xe có thể được tính:

3 0

Hình 1.33 trình bày tốc độ xe, công suất tải tức thời và công suất trung

bình với quá trình phanh tái sinh toàn bộ và không có quá trình phanh tái sinh trong một số chu trình vận hành đặc trưng của chiếc xe trọng lượng 1500 kg

Trong phần tính toán công suất ĐCĐT, công suất trung bình mà động cơ

có thể sinh ra phải lớn hơn công suất tải trung bình Trong dẫn động hybrid song song, ĐCĐT được kết nối cơ khí tới các bánh xe, hơn nữa, tốc độ quay của động

cơ biến đổi theo tốc độ của xe Mặt khác, công suất động cơ khi bướm ga mở hoàn toàn biến đổi theo tốc độ vòng quay động cơ Do vậy, việc xác định công suất động cơ để phụ hợp với công suất trung bình trong một chu trình vận hành không phức tạp bằng hệ dẫn động hybrid nối tiếp, trong hệ dẫn động này hoạt động của ĐCĐT có thể được định trước Công suất trung bình mà ĐCĐT có thể sinh ra khi bướm ga mở hoàn toàn được tính toán như sau:

0

1( )

Ở đây, T - là tổng thời gian trong chu trình vận hành;

P đc – là công suất ĐCĐT khi bướm ga mở hoàn toàn

Những điểm hoạt động hợp lí của ĐCĐT khi bướm ga mở hoàn toàn và công suất trung bình lớn nhất có thể đạt được trong một số chu trình vận hành

đặc trưng trình bày như trong hình 1.34, trong hình minh họa đó, công suất lớn

nhất của động cơ là 42kW và bộ truyền động là đơn cấp So sánh các công suất

trung bình có thể đạt được này với các công suất tải trung bình như trong hình

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

1.33, có thể kết luận rằng công suất ĐCĐT là đủ để cung cấp cho hoạt động của

xe trong những chu trình vận hành đặc trưng này

Hình 1.34: Những điểm hoạt động lớn nhất có thể của ĐCĐT và công suất trung bình

lớn nhất trong một vài chu trình thử [6]

b) Tính toán công suất của mô-tơ điện

Trong xe hybrid, chức năng chủ đạo của mô-tơ điện là cung cấp công suất cực đại tới bộ truyền động Trong tính toán công suất mô-tơ, quá trình thực hiện gia tốc và công suất tải cực đại trong các chu trình vận hành đặc trưng là những mối quan tâm chủ yếu

Điều đó khó có thể tính toán trực tiếp công suất mô-tơ từ quá trình gia tốc theo lý thuyết Công suất dự trữ của mô-tơ cần thiết để làm cơ sở đánh giá tốt dựa trên yêu cầu gia tốc lý thuyết, và sau đó làm tính toán cuối cùng thông qua

mô phỏng chính xác Theo điều kiện ban đầu, có thể giả thiết rằng tải trọng ở trạng thái dừng (cản lăn và ma sát khí động học) được đảm nhiệm bởi ĐCĐT và tải trọng động học (tải trọng quán tính khi gia tốc) được đảm nhận bởi mô-tơ điện Với giả thiết này, gia tốc liên quan trực tiếp tới mô-men ra của mô-tơ điện cho bởi công thức:

(1.31)

Trong đó, T m là mô men của mô tơ điện

δ m là hệ số khối lượng kèm theo với mô-tơ điện

Sử dụng các đặc tính ra của mô-tơ điện như trình bày ở hình 1.31, và thời

gian gia tốc lý thuyết ta, từ tốc độ 0 đến tốc độ cao cuối cùng Vf, , công suất định mức của mô-tơ điện được tính như sau:

suất định mức của mô tơ điện là 74 kW thể hiện trong hình 1.35

Điều phải chú ý là công suất mô-tơ đạt được như trên được yêu cầu hơi quá cao Trên thực tế, ĐCĐT có chút công suất để giúp mô-tơ điện tăng tốc cho

xe như trình bày trong hình1.32 Điều này cũng được trình bày trong hình 1.36,

trong hình đó, tốc độ xe, công suất ĐCĐT khi bướm ga mở hoàn toàn, công suất cản (cản lăn, ma sát khí động học, công suất mất trong bộn truyền động) và bộ truyền động bánh răng đơn được vẽ theo thời gian gia tốc Công suất trung bình còn lại của động cơ để tăng tốc cho xe có thể được tính như sau:

Điều phải chú ý là công suất ĐCĐT truyền tới các bánh xe được kết hợp với bộ truyền động, đó là, số bánh răng và tỉ số truyền các bánh răng Rõ ràng từ

hình 1.32, bộ truyền động bánh răng đa cấp sẽ tăng hiệu quả công suất còn lại tới

các bánh xe, do vậy giảm công suất mô-tơ điện yêu cầu cho tăng tốc

Sử dụng các số liệu về công suất ĐCĐT và các thông số của xe đã đề cập

ở trên, công suất còn lại của ĐCĐT như trình bày ở hình 1.36, đạt được là 17kW

Do vậy, công suất mtơ điện được yêu cầu cuối cùng là: 74–17 = 57 kW

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Hình 1.35: Lực kéo- tốc độ của một xe được kéo bởi mô-tơ điện [6]

Hình 1.36: Tốc độ, công suất và khoảng cách gia tốc của ĐCĐT với thời gian gia tốc

Đồ thị hình 1.37 là ví dụ trình bày kết quả tính toán của một chiếc xe Nó

cho kết quả, xe ở 100 km/h có khả năng leo dốc là 4,6 % (2,65o) ở dạng chỉ có

cơ trong; 10,36 % ( 5,91o) mô-tơ ; 18,14 % (10,28o) ĐCĐT mô-tơ

cho kết quả, 10,7 s 167 m xe tăng 0 100 km/h

ra mô-men có khả năng gia tốc và leo dốc tốt, thể hiện như hình 1.37 Tuy nhiên,

với việc sử dụng hộp số đa cấp giữa động cơ và bánh xe sẽ tạo ra hiệu quả cao hơn

Sử dụng hộp số đa cấp như hình 1.32 có thể làm tăng hiệu quả thu lại

công suất động cơ do đó làm hoàn thiện hơn đặc tính của xe (tăng tốc và leo dốc) mặt khác bộ ắc quy có thể được nạp với năng lượng cao từ động cơ Vấn đề tiết kiệm nhiên liệu cho xe được thỏa mãn nhờ lựa chọn hộp số đa cấp để tạo ra tỷ số truyền thích hợp Nó cho phép động cơ hoạt động trong vùng hoạt động tối ưu của nó Công suất của động cơ được thu hồi nhanh chóng từ trạng thái nạp thấp tới cao

Tuy nhiên hộp số đa cấp phức tạp, cồng kềnh, nặng hơp so với hộp số đơn cấp và vấn đề điều khiển chuyển đổi số phức tạp

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51

Tính toán bộ ắc quy chủ yếu bao gồm là tính toán công suất và năng lượng

dự trữ Tính toán công suất dữ trữ có phần đơn giản, công suất đầu ra của bộ ắc quy phải lớn hơn công suất đầu vào mô-tơ kéo

m aq m

P P



 (34)

Tính toán năng lượng dự trữ của bộ ắc quy gắn liền với sự tiêu thụ năng lượng trong các kiểu vận hành khác nhau, ở chế độ toàn tải và các chu trình lái thông thường Trong suốt quá trình gia tốc các nguồn năng lượng lấy từ động cơ

và bộ lưu trữ được tính toán để đáp ứng thời gian và khoảng cách gia tốc:

0

a

t m aq

P P là công suất lấy từ bộ ắc quy và động cơ

Hình 1.39 cho thấy nguồn năng lượng lấy từ ắc quy và động cơ trong giai

đoạn gia tốc của xe Tại tốc độ cuối 120km/h năng lượng lấy từ bộ ắc quy không quá 0,3kWh

Hình 1.39: Tiêu thụ năng lượng của ĐCĐT và ắc quy khi gia tốc [6]