đồ án nghiên cứu công nghệ hybrid trên ô tô

Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển rất nhanh mang lại lợi ích rất to lớn cho con người cả về vật chất lẫn tinh thần. Để nâng cao đời sống của nhân dân và hòa nhập sự phát triển chung của đất nước trong thời kì mới. Nhà nước ta đã đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại_hóa đất nước. Một trong những mục tiêu đặt ra là đẩy mạnh sự phát triển của động cơ đốt trong phục vụ cho các ngành công nghiệp như giao thông đường bộ, đường sắt, đường thủy, đường hàng không, cũng như trong một số ngành công nghiệp khác. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu người ta chia động cơ đốt trong cũng như trong ô tô ra nhiều hệ thống như hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát... trong đó mỗi hệ thống đều có tầm quan trọng nhất định, hệ thống làm mát đóng vài trò rất quan trọng cho động cơ. Việc khảo sát một hệ thống bất kỳ trên động cơ sẽ giúp cho sinh viên củng cố lại nhũng kiến thức đã học và biết đi sâu tìm hiểu những hệ thống khác.

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 kếthợp giữa động cơ đốt trong (xăng, diesel, khí hóa lỏng…) với mô-tơ điện lấynăng lượng điện từ một ắc quy cao áp Mục đích chính là dùng mô-tơ điện hỗ trợhoặc thay thế động cơ đốt trong (ĐCĐT) để kéo xe ở những thời điểm mà ĐCĐTlàm 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 choĐCĐT 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 điệnkhởi động từ tốc độ bằng 0 Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theotrong khi dòng không đổi Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp không đổicòn dòng thì yếu đi Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi

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 cầnhộp 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 lạinăng lượng (động năng) cho xe để nạp lại vào ắc quy trong quá trình xe giảm tốchay 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 nóichung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về nồng độ phát thảikhí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra loạiôtô mà mức phát thải và ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiênliệu Điều đó càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nayngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dânlại 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

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 nămgần đây, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệukhông 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 sốnhững giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứngdụng 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 đượcnghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môitrường Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷnguyên mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô hạn chế tối đa việc gây ô nhiễm môitrường, 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 tâmnghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thếgiới Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng cónhiều người tiêu dùng sử dụng loại ôtô này

Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời mặttrời cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, chưa dễ thực hiệnvới thực trạng như đất nước ta Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid (nhiệt - điện) kếthợp 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 đôthị 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 trongphạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đườngdài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng Chứ không thể sử dụng ôtô hybridthay 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 lànguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho mô-tơ điện, vì nếu dùng loại ắc quythông 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 dòngôtô hybrid (nhiệt-điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện là loại ôtô hybridthông 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-tơđiện 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.

Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồnắcqui 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 khicông suất tải yêu cầu lớn hoặc nạp cho ắc quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ vàdung lượng ắc quy thấp.

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

Sự hoạt động của xe (gia tốc, khả năng leo dốc, tốc độ lớn nhất) được quyếtđịnh hoàn toàn bởi kích thước và đặc tính của mô-tơ kéo dẫn động Với sơ đồ kếtnối 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 điềukhiển 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 nănglượng của cả cụm ĐCĐT/MP và nguồn năng lượng từ ắc quy cùng cấp nănglượng cho mô-tơ điện hoạt động Trong trường hợp này, động cơ đốt trong sẽđược điều khiển để làm việc ở vùng tối ưu của nó Nguồn năng lượng từ ắc quycung 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)

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

Trong trường hợp này, chỉ có nguồn ắc quy cung cấp công suất của nó để đápứng với công suất yêu cầu, thường là trong giai đoạn khởi động và gia tốc từ khởiđộng 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 đểđáp ứng công suất yêu cầu, giai đoạn xe chạy ở tốc độ ổn định, chế độ lái bìnhthường Năng lượng điện được kết nối trực tiếp từ cụm ĐCĐT/MP tới mô-tơ kéo

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 ắcquy 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 làmhai 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 phầnđộng 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 bộphận, và điều khiển chiến lược cài đặt trước của hệ thống dẫn động Những bộphận được điều khiển để phù hợp với công suất yêu cầu của người lái xe, hoạtđộng của mỗi bộ phận với hiệu suất tối ưu, thu lại năng lượng phanh càng nhiềucàng 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 ralệnh hoạt động cho mỗi bộ phận Bộ điều khiển xe nhận những lệnh hoạt động từlái xe và tín hiệu phản hồi từ hệ thống dẫn động (HTDĐ) cùng tất cả các bộ phậnsau 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 sửdụng trong những chiếc xe với các yêu cầu nhiệm vụ khác nhau Ở đây chỉ xétđến hai kiểu chiến lược điều khiển đặc trưng của động cơ: Trạng thái nạp lớnnhất 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 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

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 lượcđiều khiển này được tính toán để phù hợp thiết kế cho các xe hoạt động chủ yếudựa vào nguồn năng lượng của ắc quy Một trạng thái nạp ở mức độ cao sẽ đảmbảo 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 lượcyêu cầu trong chế độ kéo hay phanh Điểm A cho thấy yêu cầu công suất kéo lớnhơn công suất mà cụm ĐCĐT/MP sinh ra Trong trường hợp này, nguồn nănglượng của ắc quy phải đưa ra năng lượng của nó bù đắp cho năng lượng thiếu hụtcủa ĐCĐT/MP Điểm B cho thấy năng lượng được yêu cầu nhỏ hơn năng lượngĐCĐT/MP sinh ra khi nó làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó Trongtrường hợp này, hai dạng năng lượng được sử dụng phụ thuộc vào chế độ nạp ắcquy Nếu như độ sụt năng lượng của ắc quy thấp hơn mức của nó thì ắc quy đượcnạp tức là ĐCĐT vừa kéo xe vừa nạp Mặt khác nếu ắcqui đã được nạp đầy thìđộng cơ chỉ kéo máy phát và được điều chỉnh để công sất sinh ra bằng công suấtyêu cầu còn ắc quy làm việc ở chế độ chờ Điểm C mô tả công suất phanh cầntheo yêu cầu từ người lái lớn hơn công suất phanh mà mô-tơ điện sinh ra (nănglượng 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 thiếtnhỏ 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 đếntrạng thái nạp cho ắc quy ở mức cao Tuy nhiên, trong một vài điều kiện lái nhưthời gian kéo dài với tải trọng thấp như khi lái xe trên đường cao tốc Tốc độvòng quay lớn, ổn định thì ắc quy có thể dễ dàng được nạp đầy và cụmĐCĐT/MP buộc phải làm việc với một năng lượng sinh ra nhỏ hơn trong điềukiện làm việc tối ưu của nó Hơn nữa, hiệu suất của hệ dẫn động bị giảm Trongtrường 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 trạngnạp của ắc quy Khi tình trạng nạp của ắc quytrong phạm vi trên mức cần phảinạp thì ĐCĐT ngừng hoạt động, khi tình trạng nạp của ắc quy ở mức cần nạp thìĐCĐT 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 ưucủa nó

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 phầnnày là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc thiết kế toàn bộ hệ thống Khithiết kế các thành phần này, bắt buộc phải tính đến các vấn đề bao gồm: khả nănggia tốc của xe, khả năng leo dốc, điều kiện lái trên đường cao tốc, trong đô thị vàcân 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, đặcđiểm của mô-tơ điện, đặc điểm của hệ truyền động Đầu tiên khi tính toán, côngsuất định mức của động cơ dẫn động có thể được ước lượng, tùy theo quá trìnhthực hiện gia tốc (thời gian tăng tốc của xe từ tốc độ 0 tới tốc độ ước tính) Sửdụng công thức tính toán dưới đây:

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 sốhạng 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

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 xácđịnh 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]

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) trạngthái xe thường xuyên dừng-đi (trong thành phố).

Với kiểu dẫn động (a), cụm ĐCĐT/MP và hệ thống truyền động hoạt độngkhông dựa vào năng lượng của ắc quy, ĐCĐT/MP đã có đủ khả năng phát racông 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 khiểnchiến lược đã trình bày ở trên

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

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

tốc độ không đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất cần cho sự gia tốc như phươngtrình (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 cụmĐCĐT/MP sinh ra có thể bằng hoặc lớn hơn công suất tải trung bình để mà duytrì sự cân bằng với năng lượng của ắc quy Công suất tải trung bình được tínhtheo 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 thểthu 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]

T

T

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 đổi trênđường 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 thờiđiểm Đồng thời, ắc quy cũng phải dự trữ đủ năng lượng để ngăn ngừa việckhông 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 ắcquy 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:

T

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 quyđược 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:

E aq

 Emax

SOC tr  SOC d (1.10)



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]

2.2.1.1 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 ở vùnglàm việc tối ưu của nó với sự tiêu thụ nhiên liệu và phát thải nhỏ nhất Hiệu suất

và sự phát thải của động cơ còn được cải thiện hơn nữa bởi thiết kế tối ưu tùy vàođiều 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 cứu cho

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

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 giá thành

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:

 .n r

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 cácthông 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 mứccủa 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 cácthông 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 Kếtquả này có thể hiểu, với một chiếc xe, công suất cần thiết cho quá trình tăng tốcthường lớn hơn công suất cần thiết cho sự leo dốc đó là điều đầu tiên quyết địnhcông suất định mức của mô-tơ kéo

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 suấtmáy 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%

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 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 vớicông suất vào của mô-tơ kéo:

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 chiếnlược điều khiển Trong phần tính toán này, vì công suất sinh ra của cụmĐCĐT/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 thànhphố Trong quá trình điều khiển, cho phép sự biến đổi năng lượng trong ắc quy là0,5 kWh Giả sử rằng công suất cực đại cho phép hoạt động trong phạm vi trạngthái nạp là 0,2 Sử dụng ắc quy hoạt động trong phạm vi 0,4÷0,6 của trạng tháinạp sẽ có hiệu suất tối ưu nhất

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

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 xethông thường thì hiệu quả làm việc cao hơn, đặc biệt trong điều kiện thườngxuyên dừng - đi Lí do chính là hiệu suất làm việc tối ưu của động đốt trong và ýnghĩa 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 chínhcủa loại hình song song hơn loại hình nối tiếp là có thể không yêu cầu máy phátđiện, mô-tơ kéo nhỏ, không cần nhiều sự biến đổi công suất từ ĐCĐT tới cácbánh xe Hơn nữa, hiệu suất tổng có thể cao hơn Tuy nhiên, việc điều khiển hệthống 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

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 chodạng khác và kết quả tính toán cho riêng dạng này có thể được áp dụng cho duynhất điều kiện hoạt động đưa ra và nhiệm vụ yêu cầu Trong chương này sẽ tậptrung vào phương pháp tính toán của hệ truyền động song song với sự phối hợpmô-men, chúng hoạt động trên nguyên tắc điện cực đại, đó là, ĐCĐT cung cấpcông 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-tơđiện 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 địnhmức của ĐCĐT nhỏ hơn nhiều công suất định mức của mô-tơ kéo Do đặc tínhmômen – 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

Các mục tiêu tính toán gồm:

- Duy trì trạng thái nạp của ắc quy ở mức phù hợp trong toàn bộ chu trình vậnhành 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 chủyếu gồm: chỉ có ĐCĐT kéo; chỉ có mô-tơ điện kéo; cả ĐCĐT và mô-tơ điệncùng 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 yêucầu, đạt hiệu suất tổng cao, duy trì tình trạng nạp cho ắc quy ở mức hợp lí, và thuhồi 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 huyđiều khiển và đưa ra các lệnh, đưa yêu cầu mô-men đến bộ điều khiển cấp độthấp (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 bộphận 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 bộphận, thí dụ như mô-men yêu cầu, tốc độ xe, tình trạng nạp của ắc quy, tốc độđộng cơ và vị trí bướm ga, tốc độ mô-tơ điện, Dựa và những dữ liệu này, đặctính các bộ phận, chiến lược điều khiển được định trước Bộ điều khiển xe đưa ranhững tín hiệu điều khiển của nó tới mỗi bộ điều khiển thành phần (bộ điều khiểncục bộ) Mỗi bộ điều khiển thành phần điều khiển hoạt động của bộ phận tươngứng để phù hợp với yêu cầu dẫn động Bộ điều khiển xe đóng vai trò trung tâmtrong hoạt động của hệ dẫn động Bộ điều khiển xe phải đưa ra các dạng hoạtđộng 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 khiểnthành phần Hơn nữa, điều khiển chiến lược định trước quyết định hoạt động của

hệ dẫn động

Tín hiệu từ chân phanh

Dạng phanh

Công suất động cơ

yêu cầu Công suấtmô tơ yêu cầu

Bộ điều khiển mô tơ

Công suất cơ khí yêu cầu

Bộ điều khiển phanh cơ khí

Mô tơ điện

Phanh cơ khí Công suất đ

Công suất

mô tơ Công suấtphanh tái sinh

Công suất phanh

cơ khí

Động cơ ộng cơ

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 ắcquy để đảm bảo hoạt động của xe ổn định Do đó, chiến lược điều khiển trạngthái 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.

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 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

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 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.

 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 thờiphải truyền công suất của chúng tới các bánh xe Trong trường hợp này, sự hoạtđộng của ĐCĐT được đặt ở chế độ hoạt động tối ưu của nó Công suất yêu cầucòn lại được cung cấp bởi mô-tơ điện Công suất ra của mô-tơ và công suấtphóng điện của ắc quy được tính như sau:

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 ắcquy dưới mức cao nhất, ĐCĐT được hoạt động ở vùng làm việc tối ưu, sinh ra

khiển của nó và thực hiện chức năng như một máy phát điện, được cung cấpnăng lượng là công suất còn lại của ĐCĐT Công suất ra của mô-tơ điện vàcông 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 nạpcủa 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 cungcấp 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 máyphát, sản sinh ra một công suất phanh bằng công suất phanh yêu cầu Trongtrường hợp này, ĐCĐT tắt hoặc đặt ở chế độ tạm ngưng hoạt động Công suất racủa mô-tơ điện và công suất nạp của ắc quy được tính như sau:

P ph,ts = P t  t,m  m (1.24)

 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 đượcđiều 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)

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 lượcđiều khiển bật-tắt của ĐCĐT có thể được sử dụng trong một vài điều kiện hoạtđộng với tốc độ thấp và gia tốc thấp Trong chiến lược điều khiển này, hoạt động

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 đầutrong thiết kế, các thông số này sẽ được ước lượng dựa trên yêu cầu thực hiện cơbản của xe

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 trungbình mà không có sự trợ giúp của ắc quy Đồng thời, ĐCĐT phải có khả năngsinh ra công suất trung bình lớn hơn công suất tải trung bình khi xe hoạt động ởkiểu 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 thiếttrình bày như sau:

1  .C A V 2  M g.i  (kW) (1.28)

đc

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.

T

T

T

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 suấttrung 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:

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

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

Những điểm hoạt động hợp lí của ĐCĐT khi bướm ga mở hoàn toàn và

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 suấtcực đại tới bộ truyền động Trong tính toán công suất mô-tơ, quá trình thực hiệngia tốc và công suất tải cực đại trong các chu trình vận hành đặc trưng là nhữngmối quan tâm chủ yếu

Điều đó khó có thể tính toán trực tiếp công suất mô-tơ từ quá trình gia tốctheo lý thuyết Công suất dự trữ của mô-tơ cần thiết để làm cơ sở đánh giá tốtdựa 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 ởtrạng thái dừng (cản lăn và ma sát khí động học) được đảm nhiệm bởi ĐCĐT vàtải trọng động học (tải trọng quán tính khi gia tốc) được đảm nhận bởi mô-tơđiện Với giả thiết này, gia tốc liên quan trực tiếp tới mô-men ra của mô-tơ điệncho bởi công thức:

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

mức của mô-tơ điện được tính như sau:

P   m M v (V 2  V 2

m

Cho một chiếc xe với khối lượng 1500 kg, tốc độ lớn nhất là 160 km/h,

tốc độ cơ bản là 50 km/h, tốc độ gia tốc cuối là 100 km/h, thời gian gia tốc là

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 hơiquá 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 suấtcản (cản lăn, ma sát khí động học, công suất mất trong bộn truyền động) và bộtruyền động bánh răng đơn được vẽ theo thời gian gia tốc Công suất trung bìnhcòn lại của động cơ để tăng tốc cho xe có thể được tính như sau:

t a

a i t i

Điều phải chú ý là công suất ĐCĐT truyền tới các bánh xe được kết hợpvới 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

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