đề tài Ứng dụng Matlap/Simulink trong mô phỏng điều khiển xe lai điện kiểu hỗn hợp

Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết địnhkhi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nàodùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau.Trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: NGUYỄN TIẾN HẢI MSSV: 19145370

GVHD: ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 9 năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: NGUYỄN TIẾN HẢI MSSV: 19145370

GVHD: ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 9 năm 2021

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên:1 MSSV:

(Email: Điện thoại: .)

2 MSSV:

(Email: Điện thoại: )

3 MSSV:

(Email: Điện thoại: )

4 MSSV:

(Email: Điện thoại: )

5 MSSV:

(Email: Điện thoại: .)

Ngành:

Khóa: .Lớp:

1.Tên đề tài

2.Nhiệm vụ đề tài

3.Sản phẩm của đề tài

4.Ngày giao nhiệm vụ đề tài

5.Ngày hoàn thành nhiệm vụ

iiiX

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Tên đề tài:

Ngành đào tạo:

Họ và tên GV hướng dẫn:

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhn xét về kết quả thực hiện của ĐA (không đánh máy) 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐA:

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3 Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

3 Đánh giá:

vX

STT Mục đánh giá Điểm tối

đa

Điểm đạt được

1.

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung

2.

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những

ràng buộc thưc tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN (Dành cho giảng viên phản biện) Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Tên đề tài:

Ngành đào tạo:

Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2 Nội dung đồ án:

(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót còn tồn tại của ĐA:

5 Câu hỏi:

6 Đánh giá:

ixX

đa được

1.

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung

2.

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những

ràng buộc thưc tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm

☐ Không được phép bảo vệ

TP HCM, ngày tháng năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

xiX

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV: Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng: Giảng viên hướng dẫn: _ Giảng viên phản biện: _

Tp Hồ Chí minh, ngày tháng năm 2021

xiiiX

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT

xvX

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN xiii

TÓM TẮT xiv

MỤC LỤC xv

DANH MỤC CÁC HÌNH xviii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xx

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.1.3 Giới hạn đề tài 2

1.1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.2 TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID 2

1.2.1 Giới thiệu chung và nguyên nhân ra đời xe Hybrid 2

1.2.2 Ô tô Hybrid là gì? 4

1.2.3 Nguyên lý hoạt động ô tô Hybrid 4

1.2.4 Ưu điểm 5

1.2.5 Phương pháp truyền động 6

1.2.6 Các bộ phận chính của ô tô Hybrid 10

1.2.7 Tính kinh tế của xe Hybrid 11

1.2.8 Xu thế phát triển của xe Hybrid ở các nước phát triển 12

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG HYBRID HỖN HỢP 14

2.1 NHỮNG CHI TIẾT CẦN CHÚ Ý TRONG HỆ THỐNG HYBRID

HỖN HỢP 14

2.1.1 Động cơ đốt trong 15

2.1.2 Hộp số 16

2.1.3 MG1 và MG2 17

2.1.4 Bộ chia công suất (Power-Split Device) 18

2.1.5 Bộ chuyển đổi DC-DC 20

2.1.6 Bộ chuyển đổi A/C 21

2.1.7 Nguồn cao áp 21

2.2 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG 22

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 28

3.1 MÔ HÌNH XE HYBRID TRÊN SIMULINK 28

3.1.1 Khối Transmission (Bộ truyền lực, hộp số): 29

3.1.2 Khối thân xe: 30

3.1.3 Khối động cơ đốt trong: 31

3.1.4 Khối motor/máy phát điện: 31

3.1.5 Khối bộ chuyển đổi DC-DC: 34

3.1.6 Khối Battery (pin): 35

3.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

ASSIGNMENT 49

1 ASSIGNMENT 1 49

2 ASSIGNMENT 2 52 xviiX

2.1 Bài 1 522.2 Bài 2 53

3 ASSIGNMENT 3 73

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu tạo một chiếc xe Hybrid 3

Hình 1.2 Sơ đồ truyền động kiểu nối tiếp 7

Hình 1.3 Sơ đồ truyền động kiểu song song 8

Hình 1.4 Sơ đồ truyền động kiểu hỗn hợp 9

Hình 1.5 Xe Toyota Prius 2010 9

Hình 1.6 Tỷ lệ sử dụng động cơ và mô-tơ 10

Hình 1.7 Các bộ phận chính trên xe Hybrid 11

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển xe Hybrid 15

Hình 2.2 Thông số động cơ đốt trong xe Hybrid 16

Hình 2.3 Cụm truyền động Hybrid của Toyota 17

Hình 2.4 Sơ đồ motor/ máy phát MG1 và MG2 18

Hình 2.5 Bộ bánh răng hành tinh 19

Hình 2.6 Mạch bộ chuyển đổi DC-DC 20

Hình 2.7 Mạch của bộ chuyển đổi A/C 21

Hình 2.8 Bộ cáp nguồn 22

Hình 2.9 Sơ đồ của hệ thống truyền động 23

Hình 2.10 Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ tốc độ khi chỉ có động cơ hoạt động 24

Hình 2.11 Sơ độ dòng năng lượng ở chế độ chỉ có motor/máy phát hoạt động .24

Hình 2.12 Dòng năng lượng có thể có khi khóa 1 và 2 đều mở 25 xixX

Hình 2.13 Sơ đồ truyền năng lượng ở chế độ động cơ độc lập kết hợp với

motor kéo 25

Hình 2.14 Chế độ động cơ độc lập kết hợp với máy phát điện 26

Hình 2.15 Dòng năng lượng khi kết hợp motor/máy phát với motor kéo 26

Hình 2.16 Dòng năng lượng sạc lại khi ở chế độ phanh tái sinh 27

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng trên Simulink 29

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống truyền lực, hộp số 29

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng khối thân xe 30

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng động cơ đốt trong 31

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng motor/máy phát A 32

Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng motor/máy phát B 33

Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng bộ DC-DC converter 34

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng khối pin 35

Hình 3.9 Sơ đồ khối Controller 36

Hình 3.10 Sơ đồ thiết lập chiến lược hoạt động ở chế độ phân chia công suất .37

Hình 3.11 NYCC-18kWh 39

Hình 3.12 NYCC-18kWh-SOC 39

Hình 3.13 NYCC-18kWh-Tốc độ quay các trục động cơ 40

Hình 3.14 NYCC-9kWh-Sơ đồ chế độ chạy 40

Hình 3.15 NYCC-9kWh-Nhiên liệu đốt tiêu hao 41

Hình 3.16 NYCC-9kWh-Công suất độc cơ đốt trong và motor điện 41

Hình 3.17 Artemis motorway-9kWh 42

Hình 3.18 Artemis motorway-9kWh-SOC 42Hình 3.19 Artemis motorway-18kWh 43Hình 3.20 Artemis motorway-18kWh-SOC 43Hình 3.21 Tốc độ quay của các motor và động cơ đốt trong 43Hình 3.22 Chế độ chạy 44Hình 3.23 Nhiên liệu đốt tiêu thụ 44Hình 3.24 Công suất động cơ đốt trong và động cơ điện 45

xxiX

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CVT: Continuously Variable Transmission

ECM: Electronic Control Module

ECU: Electronic Control Unit

EVT: Electric Variable Transmission

GB: Gear Box

HEV: Hybrid Electric Vehicle

HV: High Voltage

ICE: Internal Combustion Engine

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

PPS:Peaking Power Source

PSD: Power Split Device

RESS: Rechargeable Energy Storage System

SMR: System Main Relay

SOC: State Of Charge

SOCH: State Of Charge HightSOCL: State Of Charge LowTHS: Toyota Hybrid SystemTM: Traction Motor

RPM: Revolutions Per Minute

xxiiiX

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại mà quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hóa đang diễn ra ởmọi nơi trên toàn cầu như ngày nay, nhu cầu về năng lượng là vô cùng to lớn.Chính vì thế, việc tiết kiệm nhiên liệu, năng lượng, đảm bảo an toàn về môitrường luôn là yêu cầu hàng đầu được đặt ra cho mỗi quốc gia và mỗi ngànhcông nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô vốn luôn yêu cầu phải thayđổi từng ngày Giải pháp được đưa ra chính là kết hợp một cách linh hoạt giữađộng cơ xăng, động cơ điện và các cơ cấu giúp bảo tồn và chuyển đổi nănglượng một cách hiệu quả Xe lai điện Hybrid ra đời như một cứu cánh để giảiquyết vấn đề đó

Hiện nay, tuy xe Plug-in Hybrid (thuần motor điện) nổi lên như một hiệntượng về dòng xe tiết kiệm nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường Tuynhiên, tại Việt Nam vẫn chưa đủ cơ sở hạ tầng để phục vụ cho dòng xe này

Vì vậy, được sự phân công Bộ môn Hệ thống điều khiển tự động ô tô –Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TpHCM và sự hướng dẫn của

ThS.Nguyễn Trung Hiếu, nhóm chúng em đã nghiên cứu đề tài: Ứng dụng Matlap/Simulink trong mô phỏng điều khiển xe lai điện kiểu hỗn hợp.

1.1.2 Mục tiêu đề tài

 Nắm vững cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động của dòng xe Hybrid

 Xây dựng mô hình mô phỏng xe lai kiểu hỗn hợp trên phần mềm

1.1.4 Phương pháp nghiên cứu

 Sử dụng cơ sở lí thuyết của các nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng

1.2.1 Giới thiệu chung và nguyên nhân ra đời xe Hybrid

Được phát minh vào khoảng 300 năm trước bởi nhà phát minh người PhápNicolas - Joseph Cugnot (1725-1804), xe ô tô ngày nay đã trở thành mộttrong những phương tiện giao thông không thể thiếu trong xã hội loài người.Cũng chính vì thế mà tình trạng ô nhiễm không khí trầm trọng do khí thải từđộng cơ ô tô đang là một trong những vấn đề nhức nhối của nhiều quốc giahiện nay

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

Để có thể giảm thiểu được ô nhiễm môi trường từ ô tô, từ lâu đã có nhiềugiải pháp kỹ thuật mang nhiều hứa hẹn như: ô tô chạy điện, ô tô dùng pinnhiên liệu, động cơ khí nén v.v Tuy nhiên, những công nghệ kể trên vẫnchưa thể đưa vào sử dụng được vì còn nhiều giới hạn về công nghệ Đối với ô

tô chạy điện, việc nạp lại pin cần đến ít nhất một cho đến vài giờ đồng hồ tùytheo từng loại sạc, khuyết điểm này giới hạn tầm sử dụng của ô tô chạy điện.Đối với công nghệ fuel cell, hydro lỏng phải được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp;

vì thế chỉ có thể thích hợp với những quốc gia có khí hậu băng giá Cả haicộng nghệ trên cùng vướng phải một vấn đề chung đó là phải xây dựng lại2

toàn bộ hệ thống cơ sở cung cấp nhiên liệu Những sự giới hạn trên của haicông nghệ tương lai này tạo ra một khoảng trống giữa nhu cầu bảo về môitrường và công nghệ ô tô truyền thống.

Gần đây một kỹ thuật chế tạo ô tô mới đã được ra đời nhằm phần nào tiếtkiệm nguồn năng lượng không tái sinh được cũng như bảo vệ môi trườngtrong lúc công nghệ fuel cell và pin điện được hoàn chỉnh Công nghệ Hybrid

là một giải pháp được coi là thành công hiện nay và đã được đưa vào thịtrường rộng rải ở các nước phát triển như các nước châu Âu, châu Mỹ vàNhật Bản v.v

Hình 1.1 Cấu tạo một chiếc xe Hybrid

Ngành công nghiệp ôtô trên thế giới đang đứng trước một câu hỏi lớn: Làmthế nào để sản xuất được loại xe ôtô không làm ô nhiễm môi trường và tiếtkiệm năng lượng? Ôtô Hydro, ôtô điện, ôtô pin mặt trời đều không dễ thựchiện Nhưng giờ đây ôtô Hybrid - dòng ôtô dùng nguồn năng lượng tổ hợp -

đã trả lời câu hỏi hóc búa trên Ôtô Hybrid giảm hẳn lượng khí thải độc hại vàgiảm tới một nửa lượng tiêu thụ nhiên liệu

1.2.2 Ô tô Hybrid là gì?

Hybrid nghĩa là lai, ôtô Hybrid (Hybrid Electric Vehicle - HEV) là dòng ôtô

sử dụng động cơ tổ hợp Thật ra, ý tưởng “Hybrid” đã có từ rất lâu đời TheoBách Khoa Toàn Thư mở Wikipedia thì Hybrid Vehicle, tạm dịch là PhươngTiện Giao Thông Ghép, là một phương tiện giao thông mà được động lựcbằng hai nguồn năng lượng trở lên Ví dụ như sự kết hợp giữa: Hệ thốngChứa Năng Lượng Nạp Lại Được (Rechargeable Energy Storage System hayRESS, hoặc cụ thể hơn là Pin nạp lại được) và Nguồn Năng Lượng NhiênLiệu (Xăng, dầu diesel v.v )

Động cơ Hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với mộtđộng cơ điện dùng năng lượng ắc quy Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết địnhkhi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nàodùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau.Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ này (Hybrid Vehicle) thường dùng để nóiđến Phương Tiện Giao Thông Ghép kết hợp năng lượng từ điện và xăng(Petroleum Electric Hybrid Vehicle) hay viết tắt trong tiếng anh là PEHV, vàcũng có thể được viết tắt là HEV (Hybrid Electric Vehicle) Theo ngôn ngữphổ thông tiếng Việt thường dùng ta có thể gọi là “Xe điện xăng”, hay tiếngAnh là Hybrid Car

1.2.3 Nguyên lý hoạt động ô tô Hybrid

Ôtô Hybrid hoạt động theo nguyên tắc: Động cơ điện được sử dụng để khởiđộng xe, trong đó trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ.Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe giatốc hoặc leo dốc Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụngnhư một máy phát để nạp điện cho ắc quy Không giống như các phương tiện

sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài,4

động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy Với sự phối hợp giữađộng cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ Hybrid được mở rộng giới hạnlàm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động

cơ cao, mô-mem lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.2.4 Ưu điểm

Tổ hợp động cơ Hybrid có những ưu điểm sau:

 Tận dụng năng lượng khi phanh: khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ,động cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tậndụng để tạo ra dòng điện nạp cho ắc-quy

 Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ Hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu íthơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa)

 Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơđốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ nên động cơ đốt trong có kíchthước nhỏ gọn

 Có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của ôtô Có thểchạy xa và mạnh mẽ được giống như những ô tô chạy xăng bình thường

 Ô tô Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải

lo việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian

 Ô tô Hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn ô tô chạy xăng bình thường bởi

vì động cơ điện có hiệu xuất cao hơn nhiều so với động cơ xăng Động cơHybrid thường tiết kiệm hơn 100% so với động cơ xăng truyền thống

1.2.5 Phương pháp truyền động

Theo phương pháp truyền động, có thể chia động cơ Hybrid thành 2 loạichính: tổ hợp ghép nối tiếp và tổ hợp ghép song song, hệ thống Hybrid kếthợp (nối tiếp/song song)

1.2.5.1 Tổ hợp ghép nối tiếp

Hybrid nối tiếp: Đối với loại hệ thống này, nguồn động lực chính xoay bánh

xe là động cơ điện Trong khi động cơ chỉ làm nhiệm vụ phát ra điện để nạppin và cung cấp cho động cơ điện

Trong sơ đồ nối tiếp, động cơ đốt trong (động cơ xăng, động cơ diesel hoặcpin nhiên liệu) kéo máy phát cung cấp điện cho ắc quy và động cơ điện, ở đây

không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn động lực và bánh xe Năng lượngđược chuyển đổi từ hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng là quay rô-to củamáy phát tạo ra điện năng và từ điện năng lại chuyển sang cơ năng làm quaybánh xe.

Ưu điểm của sơ đồ này là: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ởchế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường; Động cơ đốt trong cóthể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô; Sơ đồ này có thểkhông cần hộp số

Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như: Kíchthước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song; động cơ đốttrong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quynên dễ bị quá tải

Hình 1.2 Sơ đồ truyền động kiểu nối tiếp

1.2.5.2 Tổ hợp ghép song song

Hybrid song song: Đối với loại hệ thống này, cả hai nguồn động lực (điện vàxăng) đều được kết nối trực tiếp vào bánh xe và có thể truyền động lực mộtcách độc lập hoặc đồng thời Nói một cách đơn giản là bánh xe có thể đượcxoay một cách riêng biệt bằng động cơ điện hoặc động cơ xăng, hoặc cả hai.Động cơ điện có hai chức năng chính Chức năng thứ nhất là chuyển hóa điệnnăng được cung cấp từ pin điện thành cơ năng Chức năng thứ hai là chuyểnhóa ngược lại từ cơ năng thành điện năng để nạp lại cho pin Hầu hết các hãng

6

sản xuất Ô tô Hybrid hiện nay đều thiết kế theo cách này vì có thể tận dụng cảhai nguồn năng lượng một cách hiệu quả nhất.

Trong sơ đồ này, ngoài sự liên hệ cơ khí trực tiếp giữa động cơ đốt trong vàbánh xe như ôtô thông thường còn có thêm động cơ điện truyền động đếnbánh xe Khi ôtô chạy trên xa lộ, nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốttrong, động cơ điện sẽ dùng khi gia tốc ôtô còn khi chạy trong thành phốnguồn dẫn động chủ yếu là động cơ điện

Hình 1.3 Sơ đồ truyền động kiểu song song

Sơ đồ này có ưu điểm là: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hainguồn năng lượng, không cần dùng máy phát riêng do động cơ điện có tínhnăng giao hoán, lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong cácchế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trunggian Động cơ điện được sử dụng ở đây là loại đặc biệt có tính năng lưỡngdụng, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện

để nạp điện cho ắc quy, cung cấp năng lượng trong trường hợp xe cần gia tốchoặc lên dốc

1.2.5.3 Hệ thống Hybrid hỗn hợp

Hệ thống này kết hợp hệ thống nối tiếp với hệ thống song song nhằm để cựcđại hoá các sự giúp ích của hai hệ thống Nó có hai môtơ, và tuỳ thuộc vàođiều kiện dẩn động, chỉ dùng môtơ điện hoặc công suất dẩn động từ cả môtơ

điện và động cơ, nhằm để đạt được mức hiệu suất cao nhất Hơn nữa, khi cầnthiết, hệ thống dẩn động các bánh xe trong lúc đồng thời đang phát điện dùngmột máy phát Đây là hệ thống đã dùng ở xe Hybrid Prius và xe HybridEstima.

Hình 1.4 Sơ đồ truyền động kiểu hỗn hợp

Hình 1.5 Xe Toyota Prius 2010

1.2.5.4 Tỷ lệ sử dụng động cơ và mô-tơ điện trong mỗi hệ thống

Vì hệ thống nối tiếp sử dụng động cơ xăng để sinh ra điện cho mô-tơ vậnhành bánh xe, chúng có cùng lượng công việc như nhau Hệ thống song song

8

dùng động cơ xăng như nguồn năng lượng chính, còn mô-tơ điện chỉ để trợgiúp, nên động cơ xăng được sử dụng nhiều hơn.

Với hệ thống hỗn hợp, có một bộ phận liên tục thay đổi tỷ lệ công suất từđộng cơ xăng tới các trục lái Vì mô-tơ điện có thể vừa vận hành xe, vừa làmnhiệm vụ tạo ra dòng điện nạp nên so với động cơ xăng, nó được sử dụngnhiều hơn đôi chút

Hình 1.6 Tỷ lệ sử dụng động cơ và mô-tơ 1.2.6 Các bộ phận chính của ô tô Hybrid

 Hệ thống làm mát có nhiệm vụ làm mát động cơ đốt trong, nhiên liệu

và ắc quy Nhiệt của nước làm mát có thể sử dụng để sấy sóng cabin xe

ở vùng nhiệt độ thấp hoặc dùng cho các thiết bị nhiệt khác

 Động cơ điện: nhận năng lượng điện tử ắc quy, chuyển thành nănglượng cơ khí dẫn động bánh xe Ưu điểm của động cơ điện là cho mô-men lớn ở số vòng quay nhỏ, hoạt động êm, hiệu suất cao

 Hộp số: Ôtô Hybrid có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau Bốn loạihộp số thường dùng là: hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp sốtay, hộp số tự động thông thường với bộ chuyển đổi mô-men

 Hệ thống xử lý khí xả: khí thải của động cơ ôtô luôn là vấn đề được đặt

ra Ôtô Hybrid có thể giảm lượng khí thải do tốn ít nhiên liệu, sử dụngnhững nguồn nhiên liệu sạch, cải tiến chất lượng của động cơ và côngnghệ xử lý khí thải

 Bộ phận điều khiển: điều khiển các chế độ hoạt động và sự phối hợpgiữa động cơ đốt trong và động cơ điện

 Ắc quy: là một thành phần quan trọng của động cơ Hybrid, đảm bảocác yêu cầu như tạo dòng lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh,

độ bền cao Hiện nay thường sử dụng ắc quy axit chì, trong tương laihai loại ắc quy ino- lithium và polyme- lithium có nhiều triển vọng ápdụng cho xe Hybrid

Hình 1.7 Các bộ phận chính trên xe Hybrid 1.2.7 Tính kinh tế của xe Hybrid

 Tiết kiệm năng lượng trên đường trường: Khi vận hành ô tô Hybrid trênđường trường, nguồn động lực chính lại là động cơ máy nổ bởi vì động

cơ máy nổ đạt hiệu xuất cao hơn khi chạy đường dài cũng như mạnh

mẽ hơn động cơ điện Cách thiết kế này giúp ô tô Hybrid đạt được giatốc mạnh và vơận tốc cao tương tự như các loại ô tô truyền thống khác

 Thu hồi năng lượng: Ngoài tiết kiệm năng lượng trong quá trình chuyểnhóa năng lượng từ nhiên liệu sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, ô tôHybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi lượng năng lượng bị hao phíqua quá trình vận hành Đối với ô tô thông thường khi được hãm lại,năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩathắng (rotor) Đối với ô tô Hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóathành điện năng và nạp lại vào pin điện, vì thế rất nhiều năng lượng haophí trong quá trình vận hành xe được thu hồi vào tái sử dụng Tuynhiên ô tô Hybrid vẫn được trang bị bộ thắng đĩa (break pad) như ô tôthông thường trong trường hợp người lái cần hãm khẩn cấp

 Giới hạn: Khuyết điểm chính của công nghệ Hybrid là hệ thống PinNạp Lại Được (Rechargable Battery) Giá thành của mỗi bộ pin này rấtđắt là một điều đáng ngại đối với người dùng, nhất là những ngườidùng ô tô Hybrid cũ; giá trị trung bình mỗi bộ pin này là trên dưới năm10

nghìn dollar Tuy nhiên, các nhà sản xuất đã vẫn đang nghiên cứu vàphát triển nhiều giải pháp cho vấn đề này như: tái chế pin cũ, phát triển

kỹ thuật pin mới, nâng cao tuổi thọ của pin v.v hứa hẹn mang lạinhiều cải tiến mới, giảm giá thành sản phẩm, đưa kỹ thuật Hybrid đếnvới nhiều tầng lớp người dân có thu nhập thấp trong xã hội nhằm mụcđích thay thế dần những phương tiện giao thông cũ, giảm thiểu lượngkhí thải gây ô nhiễm môi sinh

1.2.8 Xu thế phát triển của xe Hybrid ở các nước phát triển

Vào đầu thế kỷ 20 các nhà sản xuất xe của Mỹ đã sử dụng động cơ xăng,điện và hơi nước một cách song song Họ sớm nhận ra rằng hai hay nhiềuđộng cơ kết hợp lại sẽ làm tăng tính hiệu quả của động cơ Và kết quả của giảthuyết đó là động cơ Hybrid (động cơ xăng điện) ra đời vào năm 1905 do một

kỹ sư người Mỹ phát minh Thời kỳ đó phát minh này không được mấy ngườiquan tâm bởi vì động cơ đốt trong khi đó còn khá rẻ so với động cơ xăng điệncó cùng công xuất Sau 70 năm, khi cuộc khủng hoảng dầu lửa xảy ra, vấn đềtiết kiệm nhiên liệu mới được quan tâm nhiều và đây chính là lý do để động

cơ Hybrid được nghiên cứu lại Tuy nhiên, 30 năm trước, do một số quy địnhnên động cơ Hybrid đã bị trì hoãn Ngày hôm nay những chiếc xe như ToyotaPrius hay Honda Accord loại Hybrid đã trở nên phổ biến, được nhiều ngườitiêu dùng yêu thích Liệu Hybrid có phải là xu hướng của xe trong tương lai?Một trong những lý do nữa khiến Hybrid ngày càng được quan tâm đó làmôi trường sống Như chúng ta biết động cơ đốt trong sẽ thải ra khí carbonmonoxide (CO), carbon dioxide (CO2) và khí hydro-carbon (HC) chưa đốt,đây là những nhân tố chính gây ô nhiễm môi trường Các hiện tượng như sựnóng lên của toàn cầu hay hiện tượng “El Nino” xảy ra một phần là hậu quảcủa việc sử dụng động cơ dầu diesel và xăng

Sự phát triển của công nghệ Hybrid sẽ giúp hạ giá thành nhiên liệu, theo ướctính lượng xe Hybrid được sản xuất sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, một dự báo rất

lạc quan là vào năm 2007 hay 2008 sẽ có khoảng một triệu xe Hybrid đượctiêu thụ tại thị trường Mỹ.

Nhưng chúng ta không nên quên rằng doanh số của các loại xe thông thườngcũng sẽ tăng lên, ví dụ như nếu hiện nay có 200 ngàn chiếc xe tại Mỹ, thì sau

20 năm con số đó có thể sẽ là 300 ngàn chiếc

Năm 2006, thị trường Mỹ có 10 mẫu xe Hybrid khác nhau có giá từ 19,000đôla tới 53,000 đôla Chiếc Honda Civic và Toyota Prius được coi là nhữngchiếc xe thông dụng nhất có giá dưới 30,000 đôla Mức giá đó có thể là khôngphải là thấp đối với một chiếc compact sedan nhưng cũng không quá cao.Trong vòng 5 năm tới số xe Hybrid sẽ lên đến 50 chiếc gồm nhiều hình dáng,kích thước và giá cả

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG HYBRID HỖN HỢP

2.1 NHỮNG CHI TIẾT CẦN CHÚ Ý TRONG HỆ THỐNG HYBRID

HỖN HỢP

Hệ thống Hybrid System kiểu hỗn hợp có 2 nguồn dẫn động: động cơ xăng

và motor điện Hệ thống điều khiển Hybrid có thể chia tỷ lệ công suất ở cácđộng cơ trên để tương ứng với những điều kiện lái Các chi tiết thành phầncủa một chiếc xe Hybrid hỗn hợp gồm:

 Động cơ đốt trong

 Các motor điện lưỡng dụng

 Cụm chuyển đổi và biến tần

 HV ECU thu thập tín hiệu cảm biến và gửi các thông tin được xử lýđến ECM; cụm chuyển đổi và biến tần; ECU của hệ thống ABS (điềukhiển phanh tái sinh); ECU điều khiển nguồn cấp điện

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển xe Hybrid 2.1.1 Động cơ đốt trong

Là một trong hai nguồn động lực của xe Hybrid, động cơ đốt trong đượctrang bị trên một chiếc Hybrid hỗn hợp có thể có kích thước nhỏ hơn so vớicác dòng xe chỉ có động cơ đốt trong Vì mục đích của nó chỉ là để giúp giatốc; tạo năng lượng để sạc lại ắc quy điện cao áp

Hình 2.2 Thông số động cơ đốt trong xe Hybrid

Có thể thấy rằng động cơ đốt trong trên các dòng xe Hybrid được thiết kếvới công suất tối đa và momen xoắn tối đa nhỏ hơn so với ở các xe dùng động

cơ đốt trong thông thường Cả hai đại lượng công suất và momen xoắn ở xeHybrid cũng đều đạt cực đại ở số vòng tua máy nhỏ hơn so với các xe sửdụng thuần động cơ đốt trong

2.1.2 Hộp số

Ở các dòng xe Hybrid , để có thể tận dụng hợp lý nguồn năng lượng sinh ra

ở động cơ đốt trong ở các điều kiện đường hay chế độ chạy, người ta hướngđến việc sử dụng hộp số vô cấp Vì nếu không có tác động hạn chế của tỷ sốtruyền cố định, động cơ có thể được vận hành ở tốc độ hiệu quả nhất để đẩy

xe hoặc sạc pin Với việc động cơ điện điện ưu tiên sử dụng ở hầu hết loạiđường và các chế độ lái, hộp số có thể giúp ngắt và chuyển sang chế độ chạyhoàn toàn bằng động cơ điện

Cụ thể, với hộp số E-CVT của Toyota, thay vì sử dụng đai kim loại và cáccặp puley có đường kính biến thiên như các loại hộp số vô cấp truyền thống14

khác, nó lại được trang bị một hệ bánh răng hành tinh kèm với motor điện vàmáy phát điện (MG1, MG2) để hoạt động như một CVT.

Bao gồm:

 Cụm bánh răng hành tinh cung cấp tỉ số truyền vô cấp và cũng đảmnhận việc chia công suất

 Bộ vi sai

 Bộ truyền xích nối MG2 và bộ vi sai

Hình 2.3 Cụm truyền động Hybrid của Toyota 2.1.3 MG1 và MG2

Cả MG1 và MG2 đều cần kích thước nhỏ, nhẹ và phải có công suất lớn

 MG1: có nhiệm vụ nạp điện lại cho ắc quy cao áp (HV Battery) vàcung cấp điện năng dẫn động MG2; vừa hoạt động như motor khởiđộng chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ bánh rănghành tinh

 MG2: sẽ dẫn động các bánh xe chủ động tiến hoặc lùi Khi xe thực hiệngiảm tốc hay phanh, thì MG2 sẽ trở thành 1 máy phát và hấp thu nănglượng truyền từ bánh xe về và chuyển hóa thành điện năng để sạc lại ắcquy

Như vậy cả MG1 và MG2 sẽ là motor đồng bộ xoay chiều 3 pha – loại sửdụng nam châm vĩnh cửu có hiệu quả dòng xoay chiều cao

Hình 2.4 Sơ đồ motor/ máy phát MG1 và MG2 2.1.4 Bộ chia công suất (Power-Split Device)

Yếu tố quan trọng quyết định sự hiệu quả và giá trị của dòng xe Hybridchính là việc có thể điều tiết được hoạt động của động cơ đốt trong sao chođộng cơ đốt trong làm việc ở chế độ tối ưu và giảm thải nhất, đồng thời cũngđiều khiển phần động cơ điện hoạt động dựa phù hợp với các chế độ chạy Dođó, sự có mặt của bộ chia công suất – có kết cấu là 1 bộ bánh răng hành tinh,

là cần thiết

Khác với bộ bánh răng hành tinh của hộp số tự động, bộ bánh răng hành tinhcủa bộ phân chia công suất sẽ thay được sự phân chia công suất dựa trên việckết nối các nguồn động lực và máy phát ở các loại bánh răng khác nhau trongcụm hành tinh:

 Động cơ đốt trong được kết nối với cần dẫn

 MG1 kết nối với bánh răng mặt trời

 MG2 kết nối với bánh răng bao

16