Thuyet minh DATN hybrid hoan chinhvvx

a/ Chế độ kéo hỗn hợpKhi cần yêu cầu một công suất lớn khi lái xe đạp sâu chân ga lúc này năng lượng của cả cụm ĐCĐT/MP vànguồn năng lượng từ ắc quy cùng cấp năng lượng cho mô-tơ điện ho

Lời nói đầu

Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới phải đối mặt với những vấn đềlớn

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 củacác phương tiện cơ giới, đặc biệt là xe hơi Một loạt các ảnh hưởng và tác động xấu được bắt nguồn từ các vấn đềtrên, đó là, sự ấm lên của Trái Đất gây ra các hiện tượng thiên nhiên bất thường, khí thải độc hại ảnh hưởng tới sứckhỏe 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 côngnghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu công nghệ khắp nơi trên thế giới đã tìm cách cải tiến vàthay 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 liệuxăng 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 đóthì công nghệ hybrid electric đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô Với những ưu điểm và hiệuquả 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: ToyotaPrius, Honda Insight, Chevrolet Silverado Hybrid, Trong khi đó, ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu về công nghệhybrid 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 thànhcác khối lượng theo yêu cầu Tuy nhiên, do đây là một đề tài mới, cũng như còn hạn chế nhiều về tài liệu và kiếnthức thực tế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, nhóm nghiên cứu mong nhận được sự đóng góp ý kiến củacác thầy cô giáo và các bạn sinh viên

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 cáchkhác 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.

1

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 áptăng 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 khimô- 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

2

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]

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bộ môn: Động cơ đốt trong

3

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 ưumô- 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 hlnh 1.6:

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 chếtạo 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 trởnên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồnthu 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 nhânlớn gây ô nhiễm môi trường , làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi Vì thế việc tìm ra

đề cần đượcquan tâm nhất hiện nay của ngành ôtô nói riêng và mọi người nói chung

Ôtô sạch không gây ô nhiễm là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay Có nhiềugiải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loạinhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, nănglượng mặt trời, ôtô dùng động cơ lai (hybrid) Trong số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệhybrid 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 làmột giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiếnvào kỷ nguyên mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô hạn chế tối đa việc gây ô nhiễm môi trường, giảm tiêu hao nhiên

4

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

liệu tối thiểu hay còn gọi là ôtô “sinh thái” mà vẫn sử dụng ĐCĐT, loại động cơ chưa thể thay thế trong nhiều nămtới.

Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiềunhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường vàcàng 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 sốnhược 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

5

Hình 1.7: Mô hình một xe hybrid.

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 sửdụng ôtô hybrid thay hẳn các loại ôtô khác vì khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau và tính công nghệcòn nhiều hạn chế, trong đó cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữnăng lượng điện để cấpcho mô-tơ

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 hợpgiữa 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 thốngdẫn động nối tiếp đơn giản nhất như hình

1.8.

Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồn ắcqui hoặc máy phát được dẫn độngbởi ĐCĐT Cụm ĐCĐT/máy phát (ĐCĐT/MP) có nhiệm vụ giúp ắc quy bổ sung năng lượng cho mô-tơ kéo khi côngsuất 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

6

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

^ Tín hiệu

Sự hoạt động của xe (gia tốc, khả năng leo dốc, tốc độ lớn nhất) được quyết định hoàn toàn bởi kích thước vàđặc 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 hiện trên hình 1.3

1.2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Trong hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp, cụm ĐCĐT/MP là phần cơ khí được tách rời với trục bánh xe Tốc độ vàmô-men của ĐCĐT không phụ thuộc vào tốc độ và mômen kéo yêu cầu của xe, nó có thể được điều khiển ở bất kìđiểm làm việc nào trên vùng tốc độ - mômen của nó Thông thường động cơ đốt trong sẽ được điều khiển ở vùnglàm việc tối ưu của nó, ở vùng mà nhiên liệu 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 củađộng cơ và điều khiển chiến lược của hệ dẫn động

7

Hình 1.9: Đặc tính tốc độ - mômen và công suất - mômen của một mô-tơ điện [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 vànguồn năng lượng từ ắc quy cùng cấp năng lượng cho mô-tơ điện hoạt động Trong trường hợp này, động cơ đốttrong 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:

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

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

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

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

thường Năng lượng điện được kết nối trực tiếp từ cụm ĐCĐT/MP tới mô-tơ kéo

8

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

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 nănglượng điện để nạp cho ắc quy

Như trình bày trong hìnhl.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 dẫnđộng Những bộ phận được điều khiển để phù hợp với công suất yêu cầu của người lái xe, hoạt động của mỗi bộphận 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 Bộđiều khiển xe nhận những lệnh hoạt động từ lái xe và tín hiệu phản hồi từ hệ thống dẫn động (HTDĐ) cùng tất cảcác bộ phận sau đó đưa ra các quyết định để sử dụng dạng hoạt động phù hợp Tất nhiên, đặc

9

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 cácyêu cầu nhiệm vụ khác nhau Ở đây chỉ xét đến hai kiểu chiến lược điều khiển đặc trưng của động cơ: Trạng tháinạp 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

D – Dạng phanh tái sinh

1 0

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 tháinạp cho ắc quy ở một mức cao nhất Chiến lược điều khiển này được tính toán để phù hợp thiết kế cho các xe hoạtđộng 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, nguồnnăng lượng của ắc quy phải đưa ra năng lượng của nó bù đắp cho năng lượng thiếu hụt của ĐCĐT/MP Điểm B chothấy 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 sụtnăng lượng của ắc quy thấp hơn mức của nó thì ắc quy được nạp tức là ĐCĐT vừa kéo xe vừa nạp Mặt khác nếuắcqui đã được nạp đầy thì động cơ chỉ kéo máy phát và được điều chỉnh để công sất sinh ra bằng công suất yêucầu 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 côngsuất phanh mà mô-tơ điện sinh ra (năng lượng phanh tái sinh lớn nhất) Trong trường hợp này, dạng phanh hỗn hợpđược sử dụng và mô-tơ điện sinh ra năng lượng phanh lớn nhất của nó và phanh cơ khí bù đắp phần công suất cầnthiết 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 mộtnăng 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 hoặcđiềukhiển nhiệt phải phù hợp

Chiến lược điều khiển này được minh họa ở hình 1.13

1 1

Hìnhl 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 nạpcủa ắc quytrong phạm vi trên mức cần phải nạp thì ĐCĐT ngừng hoạt động, khi tình trạng nạp của ắc quy ở mứccần nạp thì ĐCĐT được bật cho hoạt động Ắc quy được nạp năng lượng từ cụm ĐCĐT/MP Với cách này, động cơkhông phải lúc nào cũng được làm việc trong vùng tối ưu của nó

1 2

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

1.2.1.4 Tinh toán thông số các thành phần chính.

Các bộ phận chinh trong hệ dẫn động hybrid nối tiếp bao gồm: mô-tơkéo, cụm ĐCĐT/MP và ắc quy Thiết kế công suất định mức của những thànhphần này là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc thiết kế toàn bộ hệthống Khi thiết kế các thành phần này, bắt buộc phải tính đến các vấn đề baogồm: khả năng gia tốc của xe, khả năng leo dốc, điều kiện lái trên đường caotốc, trong đô thị và cân bằng năng lượng trong ắc quy

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

Công suấtnày phụ thuộc vào yêu cầu về khả năng gia tốc của xe, đặcđiểm 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 quátrình thực hiện gia tốc (thời gian tăng tốc của xe từ tốc độ 0 tới tốc độ ướctính) Sử dụng công thức tính toán dưới đây:

(1.5)

Trong đó :

M v : là tổng khối lượng của xe (kg).

tf: Thời gian gia tốc dự kiến (s)

Vb: Vận tốc của xe tương đương với tốc độ cơ bản của mô-tơ điện (m/s)

Vf: Vận tốc cuối cùng của xe sau khi gia tốc (m/s)

g: gia tốc trọng trường g = 9,8

(m/s2) f: Hệ số cản lăn của lốp xe

P a: khối lượng riêng của không khí = 1,202 (kg/m3)

A f : Diện tích mặt trước của xe (m2)

C D : Hệ số cản khí động

Số hạng đầu của phương trình (1.5) đại diện cho công suất được sửdụng để gia tốc xe, số hạng thứ hai đại diện cho công suất để thắng sức cảnlăn và số hạng thứ ba đại diện cho công suất để thắng lực cản khí động

Hinh 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 bl 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 b 2

Hinh 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 xácđịnh qua (1.5) chỉ là ước lượng để phù hợp với quá trình gia tốc

Trong thiết kế cụm ĐCĐT/MP hai điều kiện dẫn động được chú ý: (a) Dẫn

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.

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:

p1000.rr 1V 2fJ

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

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

rtvàrm) 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.

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:

Pb = T J | v,g./r + 2 P a .CD Ar V2Ỵ dt+T f SM.dV-Jt (1.7)

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

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

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]

Trong việc tính toán cụm ĐCĐT/MP, công suất dự trữ sẽ lớn hơn hoặcbằng công suất cần thiết cấp cho xe khi vận hành với tốc độ không đổitrên

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.

Ăc quy phải có khả năng cung cấp đủ công suất cho mô-tơ kéo ở mọithời điểm Đồng thời, ắc quy cũng phải dự trữ đủ năng lượng để ngăn ngừaviệc không cung cấp đủ năng lượng khi diễn ra tình trạng không được nạpkéo dài

• Công xuất dự trữ của ắc quy.

Để sử dụng hoàn toàn công suất của mô-tơ điện thì công suất tổngcủa ắc quy và ĐCĐT/MP phải lớn hơn hoặc bằng công

suất định mức lớn nhất củamô-tơ điện Theo đó, công suất dự trữ của ắc quycó thể được xác định nhưsau:

• Năng lượng dự trữ của ắc quy.

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

T

O

Trong đó, Paq là công suất của ắc quy

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

Hinh 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 nạpcho ắc quy được duy trì nếu ắc quy làm việc giữa trạng thái nạp (SOC) lớnnhất và nhỏ nhất Năng lượng dự trữ của ắc quycó thể tính toán theo côngthức dưới đây:

SOC tr và SOC d là trạng thái nạp cao nhấtvà thấp nhất Hiệu quả

(1.10)

nạp tối ưutrong khoảng (0,4 ^ 0,7) và giới hạn biến đổi năng lượng trong vùng (0,8 ^1).

1.2.1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp

a) Ưu điểm.

1 Động cơ tách rời với bánh dẫn nên tốc độ và mô-men của động cơ độclập với tốc độ và mô-men yêu cầu và có thể luôn được duy trì làm việc ởvùng làm việc tối ưu của nó với sự tiêu thụ nhiên liệu và phát thải nhỏnhất Hiệu suất và sự phát thải của động cơ còn được cải thiện hơn nữabởi 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 thểhoạt 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 giáthành có thể giảm

5 Có thể thay thế bộ vi sai bằng các mô-tơ điện nên có thể nghiên cứucho hệ dẫn động lái 4 bánh và không cần cần điều khiển làm phức tạpcho 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 đảmbảo yêu cầu kéo xe nên có thể làm tăng đáng kể trọng lượng và giáthành

1.2.1.6 Ví dụ tính toán

• Các thông số kỹ thuật:

- Tổng khối lượng của xe: 1500 (kg)

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

khiển tình trạng nạp cao nhất [6]

- Hệ số cản lăn: 0,01

- Hệ số kéo khí động học: 0,3

a) Tính toán công suất mô-tơ kéo.

Sử dụng phương trình (1.5) và giả sử động cơ truyền tốc độ có tỉ lệx=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 Hinh 1.20 trình bày quan

hệ tốc độ - mômen và tốc độ-công suất của mô-tơ

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:

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 yêucầu thiết kế,

công suất định mứccủa mô-tơ thì phải thiết kế lại

d) Kiểm tra khả năng leo dốc.

Sử dụng đặc tính mômen – vận tốc của mô-tơ, tỉ số truyền bánh răng vàcác 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 tínhtoán Kết quả này có thể hiểu, với một chiếc xe, công suất cần thiết cho quátrình tăng tốc thường lớn hơn công suất cần thiết cho sự leo dốc đó là điều đầutiên quyết định công suất định mức của mô-tơ kéo

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

e) Tinh toán công suất cụm ĐCĐT/máyphát 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 Hinh 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 hiệusuất máy phát là 90%

Hinh 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 cụmĐCĐT/MP là công suất trung bình khi lái với một vài chế độ đặc biệt “dừng-đi”

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

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]

P 82 5

P aq = — - Pđcđt/mp =֊֊ ֊ 32,5.0,9 = 67,8kW (1.12)

q

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 tínhtoán 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 Hinh 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 lượngtrong 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 Sửdụng 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,

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 lạinăng 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 thếchính của loại hình song song hơn loại hình nối tiếp là có thể không yêu cầu máy phát điện, mô-tơ kéo nhỏ, khôngcần nhiều sự biến đổi công suất từ ĐCĐT tới các bánh xe Hơn nữa, hiệu suất tổng có thể cao hơn Tuy nhiên, việcđiều khiển hệ thống dẫn động hybrid song song phức tạp hơn nhiều so với hệ dẫn động nối tiếp, do sự kết hợp cơkhí giữa ĐCĐT và các bánh xe

E aq

AE max

SOCr - SOC d

= 05 = 2,5(kWh) 0,2

(1.13)

Phương pháp tính toán cho riêng dạng này có thể không được áp dụng cho dạng khác và kết quả tínhtoán 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 cơbản (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 đườngcao 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 bánhrăng một cấp cho mô-tơ là một lựa chọn phù hợp

Các mục tiêu tính toán gồm:

- Thỏa mãn các yêu cầu hoạt động: Khả năng leo dốc, gia tốc, khả năng tiết kiệm nhiên liệu

- Đạt được hiệu suất tổng cao

- Duy trì trạng thái nạp của ắc quy ở mức phù hợp trong toàn bộ chu trình vận hành mà không nạp từ bênngoài 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 cómô-tơ điện kéo; cả ĐCĐT và mô-tơ điện cùng kéo; phanh tái sinh và ắc quy được nạp từ ĐCĐT Trong quá trình hoạtđộng, các dạng hoạt động thích hợp sẽ được sử dụng để đáp ứng mô-men kéo yêu cầu, đạt hiệu suất tổng cao, duy

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

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 điềukhiển cấp độ thấp (điều khiển cục bộ hoặc từng thành phần) được căn cứ trên lệnh hoạt động (lái xe), các đặc điểmriêng 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 liệunày, đặc tính các bộ phận, chiến lược điều khiển được định trước Bộ điều khiển xe đưa ra những tín hiệu điều khiểncủa nó tới mỗi bộ điều khiển thành phần (bộ điều khiển cục bộ) Mỗi bộ điều khiển thành phần điều khiển hoạtđộng của bộ phận tương ứng để phù hợp với yêu cầu dẫn động Bộ điều khiển xe đóng vai trò trung tâm trong hoạtđộng của hệ dẫn động Bộ điều khiển xe phải đưa ra các dạng hoạt động khác nhau, tùy theo điều kiện lái, dữ liệuđược tập hợp từ các bộ phận, mệnh lệnh của người lái và phải đưa ra mệnh lệnh chính xác tới bộ điều khiển thànhphần Hơn nữa, điều khiển chiến lược định trước quyết định hoạt động của hệ dẫn động

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

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

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

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

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 Vxemin, 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:

Ở đó, P đc là công suất ra của ĐCĐT,

P mlà công suất ra của mô-tơ điện,

P tlà công suất tải yêu cầu trên các bánh xe,

P aq-plà công suất phóng điện của ắc quy,

r t,mlà hiệu suất truyền động từ mô-tơ điện tới các bánh xe,

r là hiệu suất của mô-tơ điện

P = P •

m

P

P = _m

aq ֊ p r

m

(1.16)

• 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

Trong đó, r 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 nạp của ắc quy được tính như sau:

Trong đó, ^tđc m là hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới mô-tơ điện

• Dạng chỉ có ĐCĐT kéo xe.

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 sửdụng 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:

• 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 tắthoặc đặt ở chế độ tạm ngưng hoạt động Công suất ra của mô-tơ điện và công suất nạp của ắc quy được tính nhưsau:

• 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 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:

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

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

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

hìnhl.31.

Trong giai đoạn bật động cơ, đó là chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy Khi tình trạngnạp của ắc quy đạt tới mức cao của nó, ĐCĐT sẽ được ngắt và xe được đẩy đi chỉ bằng mô-tơ điện Khi tình trạngnạp của ắc quy ở mức thấp thì ĐCĐT được bật và hệ thống lại quay trở lại chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớnnhất của ắc quy như đã trình bày ở trên

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 răngcủa hệ dẫn động, công suất và năng lượng dự trữ của ắc quy, đó là những thông số trọng yếu Tuy nhiên, như cácbước 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 pa = 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 ^tm =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 bìnhthường trên đường bằng phẳng hoặc trung bình mà không có sự trợ giúp của ắc quy Đồng thời, ĐCĐT phải có khảnăng 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 bằngphằng hoặc trung bình, công suất cần thiết trình bày như sau:

Pc = V f-M v gf + \.p a C Af V 2 + M v g.i 1 (kW) (1.28)

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.

Hinh 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 kiềudừng-đi Trong một chu trình vận hành, công suất tải trung bình của xe có thể được tính:

Pb = T í (M,.g J 1 V + ị.p,C D A f V 1+ S.M, V.d-)dt (1.29)Công suất trung bình biến đổi theo mức độ phanh tái sinh Trong trường hợp phanh tái sinh hoàn toàn, thuhồi tất cả năng lượng tiêu hao trong quá trình phanh và năng lượng trung bình được tính toán bởi công thức (1.29).Tuy nhiên, khi xe không có quá trình phanh tái sinh, công suất trung bình lớn hơn khi có quá trình phanh tái sinhtoàn bộ, nó có thể được tính toán từ công thức (1.29), khi công suất tức thời nhỏ hơn 0 thì nó cho là bằng 0.

Hinh 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 1500kg

Trong phần tính toán công suất ĐCĐT, công suất trung bình mà động cơ có thể sinh ra phải lớn hơn côngsuất tải trung bình Trong dẫn động hybrid song song, ĐCĐT được kết nối cơ khí tới các bánh xe, hơn nữa, tốc độquay của động cơ biến đổi theo tốc độ của xe Mặt khác, công suất động cơ khi bướm ga mở hoàn toàn biến đổitheo tốc độ vòng quay động cơ Do vậy, việc xác định công suất động cơ để phụ hợp với công suất trung bình trongmột chu trình vận hành không phức tạp bằng hệ dẫn động hybrid nối tiếp, trong hệ dẫn động này hoạt động củaĐCĐT có thể được định trước Công suất trung bình mà ĐCĐT có thể sinh ra khi bướm ga mở hoàn toàn được tínhtoán như sau:

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 hlnh 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 hinh 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 Trongtính toán công suất mô-tơ, quá trình thực hiện gia tốc và công suất tải cực đại trong các chu trình vận hành đặctrưng 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 trữcủa 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 cùngthông 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 đảmnhận 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:

T m ' i t,m T t,m dV

= 8 m M v

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

ỗ 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 0đến tốc độ cao cuối cùng Vf, , công suất định mức của mô-tơ điện

được tính như sau:

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 hìnhl.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 Côngsuất trung bình còn lại của động cơ để tăng tốc cho xe có thể được tính như sau:

1 ^ a

PcJ b = —֊ J(Pđc - P ) d t (1.33)

^a tị ti

Trong đó, Pđc và Pc lần lượt là công suất ĐCĐT và công suất cản

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.

(131)

(132)

Khi đó công suất định mức của ĐCĐT và mô-tơ điện được tính toán lúc đầu cần một sự tính toán chính xác đểthực hiện đánh giá hoạt động của xe, tốc độ lớn nhất chủ yếu, khả năng leo dốc, sự gia tốc Tốc độ lớn nhất và khảnăng leo dốc có thể đạt được từ đồ thị lực kéo và cản với tốc độ xe.

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 % (2,65°) ở dạng chỉ có

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

[ 6 ]

cơ trong; 10,36 % ( 5,910) (10,280) ĐCĐT

mô-tơ

của xe với các khả năng leo dốc [ 6 ] gia tố [ 6 ]

c) Tính toán

Với giả thiết mô-tơ điện cung cấp công suất cao và mô-men cao ở tốc độ thấp Một hệ truyền động bánh

răng đơn cấp giữa mô-tơ điện và bánh xe giúp tạo 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 đượcnạp 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 suấtcủa 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 chuyểnđổi số phức tạp

e) Tính toán bộ ắc quy.

mô-tơ ; 18,14 %

1.38 là trìnhcho kết quả, 10,7 s 167 m xe tăng

gia cho 0

100 km/h

xe

Kh oả

ng các

h gia (m )

Tính toán bộ ắc quy chủ yếu bao gồm là tính toán công suất và năng lượng dự trữ Tính toán công suất dữtrữ có phần đơn giản, công suất đầu ra của bộ ắc quy phải lớn hơn công suất đầu vào mô-tơ kéo.

ỉ P_

= í m dt (35)

0 Im

= í Pcdt (36)

E aq và E ĩc là năng lượng lấy từ bộ ắc quy và động cơ

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

Hinh 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

(34)

Năng lượng dự trữ của ắc quy phải thỏa mãn yêu cầu trong điều kiện lái dừng- đi ở những chu trình lái thôngthường Năng lượng của bộ ắc quy có thể được tính:

t

E aq-Jt =KP aq -n - P aq -p ) dt (1.37)

0

P aq- «và P aq- P là năng lượng nạp và phóng của ắc quy.

Khi đưa ra một chiến lược điều khiển thì công suất nạp- phóng của ắc quy có thể thấy được qua mô phỏng hệ dẫnđộng

Hinh 1.40 cho thấy kết quả mô phỏng cho một xe trong một chu trình lái đô thị FTP75 với điều khiển trạng

thái nạp cao nhất cho ắc quy Có thể thấy rằng sự biến đổi năng lượng tối đa trong bộ lưu trữ khoảng 0.11kW, thấphơn so với khi gia tốc toàn tải (0,3kWh) Tuy nhiên năng lượng tiêu thụ khi gia tốc toàn tải quyết định năng lượng dữtrữ của bộ ắc quy

Trên thực tếkhông phải lúc nào tất cả năng lượng lưu trữ trong ắc quy

cũng được sử dụng để cấp hoàn toàn cho hệ dẫn động Trong trường hợp ắc quy được sử dụng như bộ lưu trữ nănglượng, trạng thái nạp thấp sẽ hạn chế công suất ra của chúng và cho hiệu quả nạp thấp ở cùng thời điểm

f) Mô phỏng

Khi tất cả các bộ phận chính được thiết kế, hệ thống dẫn động sẽ được mô phỏng bởi chương trình môphỏng Mô phỏng trong những chu trình lái cơ bản

có thể đưa ra nhiều thông tin hữu ích về hệ dẫn động như công suất động cơ, công suất mô-tơ điện, thay đổi

động của động cơ, những điểm hoạt động của mô-tơ điện, tiêu hao nhiên liệu

Hình 1.40 cho thấy tốc độ xe, công suất động cơ và mô-tơ điện, thay đổi năng lượng trong bộ lưu trữ với thời

gian lái như ví dụ một xe trong chu trình lái trong đô thị FTP75 hình 1.41 và hình 1.42 cho thấy những điểm làm việc

của động cơ và mô-tơ Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu của ví dụ đó là 4,66 lit/100km

Hình 1.40: Chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy trong chu trình thử

đô thị FTP75 [ 6 ]