Nghiên cứu thiết kế hệ thống phối hợp nguồn động lực trong động cơ hybrid

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

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỐI HỢP NGUỒN

ĐỘNG LỰC TRONG ĐỘNG CƠ HYBRID

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN MẠNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỐI HỢP NGUỒN ĐỘNG

LỰC TRONG ĐỘNG CƠ HYBRID

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Văn Mạnh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Công thức xác định tốc độ, mô men của hệ bánh răng hành tinh

Bảng 2.1 Một dạng điều khiển logic

Bảng 2.2: Các thông số đầu vào khi tính toán cho xe

Bảng 2.3 Giá trị mômen chống uốn tại các tiết diện

Bảng 2.4: Bảng trị số an toàn

Bảng 3.1: Thông số đầu vào của phần mềm về suất tiêu hao nhiên liệu của một động cơ (g/kWh)

Bảng 3.2: Chu trình thử ECE R40

Bảng 3.3: Kết quả so sánh giữa xe thông thường và xe hybrid

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1 Mô hình một loại xe hybrid 5

Hình 1-2 Mô hình một thiết bị kết nối mô men 6

Hình 1-3 Một thiết bị kết nối mô men 6

Hình 1-4 Cấu hình 2 trục 7

Hình 1-5 Cấu hình 1 trục 8

Hình 1-6 Mô hình một thiết bị kết nối tốc độ 9

Hình 1-7 Hệ bánh răng hành tinh Willson 10

Hình 1-8 Mô-tơ có sato động 11

Hình 1-9 Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ hệ bánh răng hành tinh 11

Hình 1-10 Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu Mô-tơ có sato động 12

Hình 1-11 Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid xen kẽ mô men và tốc độ với hệ bánh răng hành tinh 13

Hình 2-1 Sơ đồ một phương pháp phối hợp nối tiếp 15

Hình 2-2 Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp 16

Hình 2-3 Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe máy hybrid nối tiếp 17

Hình 2-4 Minh họa về điều khiển đóng-ngắt động cơ [6] 19

Hình 2-5 Hệ thống hybrid song song với bộ ghép nối mô men 20

Hình 2-6 Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ dẫn động hybrid song song 22

Hình 2-7 Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu 23

Hình 2-8 Sơ đồ điều khiển logic cho tình trạng nạp của ắc quy 26

Hình 2-9 Minh họa điều khiển đóng – ngắt ĐCĐT [6] 27

Hình 2-10 Sơ đồ cấu tạo hệ dẫn động hybrid song song một trục 28

Hình 2-11 Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với bộ ghép nối bánh răng hành tinh 31

Hình 2-12 Sơ đồ một bộ bánh răng hành tinh 32

Hình 2-13 Mô-men trên vành răng và cầu dẫn (mô-men ĐCĐT và mô-men tới bộ truyền động) thay đổi với tỉ số truyền, R, tại mô-men đưa ra trên bánh răng mặt trời (mô-men mô-tơ điện) 33

Hình 2-14 Nạp ắc quy và chỉ có ĐCĐT kéo, phụ thuộc vào tình trạng nạp của ắc quy [6] 34

Hình 2-15 Hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với mô-tơ có stato động 34

Hình 2-16 Một mô-tơ điện với stato động 35

Hình 2-17 Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp cho xe máy 36

Hình 2-18 Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ đứng yên 37

Hình 2-19 Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ khởi động 38

Hình 2-20 Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ bình thường 38

Hình 2-21 Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ gia tốc lớn và vận tốc cao 39

Hình 2-22 Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ giảm tốc và phanh 40

Hình 2-23 Đồ thị hiệu suất và thành phần phát thải của động cơ chọn mô phỏng 41

Hình 2-24 Đồ thị đặc tính của mô-tơ chọn mô phỏng 42

Hình 2-25 Tính toán bộ truyền động bánh răng hành tinh 43

Hình 2-26 Sơ đồ các lực tác dụng lên bộ truyền Wilson 51

Hình 3-1 Biểu đồ hiệu suất của động cơ Geo 1.0L 61

Hình 3-2 Sơ đồ khối một mô hình trong ADVISOR 63

Hình 3-3 Sơ đồ mô phỏng trong ADVISOR 63

Hình 3-4 Cửa sổ chọn thông số ban đầu của mô hình xe 65

Hình 3-5 Cửa sổ cài đặt mô phỏng 65

Hình 3-6 Cửa sổ trình bày kết quả mô phỏng 66

Hình 3-7 Giao diện trực quan mô phỏng quá trình hoạt động của xe 67

Hình 3-8 Chu trình thử ECE R40 67

Hình 3-9 Sơ đồ khối của xe máy hybrid mô phỏng 69

Hình 3-10 Cửa sổ thiết lập mô phỏng của phần mềm 70

Hình 3-11 Cửa sổ hiển thị kết quả chạy mô phỏng được 71

Hình 3-12 Đồ thị các điểm làm việc của động cơ (kí hiệu: X- mô-men đầu ra trục khuỷu; ∆- điểm hoạt động thực tế) 72

Hình 3-13 Đồ thị các điểm làm việc của mô-tơ kéo 72

Hình 3-14 a) Hiệu suất phóng của ắc quy; b) Hiệu suất nạp của ắc quy 73

Hình 3-15 Sơ đồ khối xe máy với hệ dẫn động thông thường 73

Hình 3-16 Cửa sổ kết quả mô phỏng cho xe thông thường 74

Hình 3-17 Đồ thị các điểm làm việc của động cơ trong xe máy thông thường 75

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt Nội dung

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 PHÁT THẢI ĐỘC HẠI TỪ CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1.1 Các thành phần độc hại trong khí thải của động cơ

Sản phẩm cháy được thải ra từ động cơ đốt trong gồm ôxit nitơ (NOx), mônôxit cácbon (CO), hyđrô cácbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđêhit, là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm không khí Động cơ đốt trong là nguồn đóng góp xấp xỉ một nửa lượng chất ô nhiễm NOx, CO, và HC trong không khí [19] Các chất ô nhiễm này gây nhiều tác hại khác nhau cho sức khỏe và môi trường Ví dụ, NOx phản ứng với hơi nước tạo thành axit nitric và phản ứng với bức xạ ánh sáng mặt trời tạo thành khí ôzôn trong khí quyển, cả hai sản phẩm này đều gây ra các vấn đề đối với

hệ hô hấp Mônôxit cácbon có ái lực đối với hêmôglôbin lớn hơn khoảng 200 lần so với ôxy, bởi vậy nó có thể gây trở ngại cho sự vận chuyển khí ôxy trong hệ tuần hoàn của con người Ngoài ra, các hyđrô cácbon có thể gây ra sự đột biến tế bào và cũng góp phần hình thành ôzôn trong khí quyển

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, phương pháp hình thành hỗn hợp và cháy, và tình trạng của động cơ mà nồng độ các thành phần phát thải của các động

cơ khác nhau Trong khi động cơ xăng có hàm lượng các thành phần phát thải CO

và HC cao thì động cơ diesel lại được biết đến với các thành phần phát thải PM và

NOx lớn

NOx được sinh ra trong buồng cháy trong quá trình cháy do phản ứng hóa học giữa nguyên tử ôxy và nitơ của không khí Các phản ứng tạo thành NOx phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Bởi vậy lượng NOx thải ra từ động cơ thường tỷ lệ thuận với tải của động cơ [19] Ở chế độ khởi động và chạy ấm máy, lượng NOx thải ra tương đối thấp, trong khi ở chế độ tải càng tăng thì lượng phát thải NOx càng lớn do nhiệt độ của quá trình cháy cũng như nhiệt độ của động cơ tăng cao

PM (phát thải hạt) bao gồm các nhân cácbon (bồ hóng), bám dính trên nó là các hợp chất hữu cơ Hầu hết phát thải hạt là kết quả của quá trình cháy không hoàn

toàn hyđrô cácbon nhiên liệu, một phần là do dầu bôi trơn Thành phần của PM phụ thuộc vào tình trạng của khí thải và hệ thống đường ống thải của động cơ Ở nhiệt

độ trên 5000

C, các hạt riêng biệt là một chuỗi những hạt cácbon hình cầu hoặc tương tự hình cầu (kết hợp với một lượng nhỏ hyđrô cácbon) với đường kính của các hạt tương tự hình cầu khoảng 15 đến 30 nm Khi nhiệt độ giảm xuống dưới

5000C, các hạt này sẽ được phủ bởi các hợp chất hữu cơ bám đọng có trọng lượng khá lớn bao gồm: hyđrô cácbon, hyđrô cácbon có chứa phân tử ôxy (ketones, este, axít hữu cơ) và hyđrô cácbon thơm đa nhân Các thành phần bám đọng còn có những thành phần không phải hữu cơ như ôxít lưu huỳnh, ôxít nitơ và axít sunfuríc [26]

1.1.2 Tình hình phát thải ô nhiễm của phương tiện giao thông ở Việt Nam

Trong giai đoạn hiện nay với xu thế hội nhập, hợp tác trên quy mô toàn cầu Kinh tế nước ta cũng đang từng bước chuyển sang nền kinh tế thị trường và không ngừng quốc tế hoá Từ sau những năm đất nước xoá bỏ cơ chế bao cấp, chuyển đổi sang nền kinh tế thị trường đất nước ta đã có những bước chuyển mình mạnh mẽ cả

về kinh tế và xã hội Những mặt tích cực của sự chuyển biến này có thể nhìn thấy rất rõ như cơ sở vật chất, kết cấu hạ tầng cơ sở đã và đang không ngừng được xây dựng và kiến thiết Nền kinh tế đã không còn phụ thuộc hoàn toàn vào nông nghiệp

mà đang từng bước chuyển dần cán cân tỷ trọng giữa nông nghiệp và công nghiệp Một loạt các dự án các khu công nghiệp cao, khu công nghiệp mũi nhọn và trọng điểm đã được đầu tư và đang từng bước đi vào hoạt động và bước đầu đạt được những thành công mới Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, của công nghiệp thì

số lượng các phương tiện giao thông cũng tăng nhanh với tốc độ chóng mặt Nó vượt xa và nhanh hơn rất nhiều so với sự phát triển chung Bên cạnh đó quá trình đô thị hóa đang diễn ra mạnh mẽ tại các đô thị lớn của Việt Nam, đặc biệt là tại 2 thành phố lớn là Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh Quá trình này luôn kéo theo sự bùng nổ về dân số và sự phát triển không gian tại các đô thị nhanh hơn sự phát triển hạ tầng kỹ thuật đô thị: lưu lượng xe lưu thông nhanh, khả năng quản lý xây dựng và cải tạo đô thị chưa tăng kịp đà phát triển dẫn tới các nguồn gây ô nhiễm không khí chưa được kiểm soát cũng gia tăng rất nhanh, tạo áp lực làm biến đổi chất lượng không khí

chưa được kiểm soát cũng gia tăng nhanh, tạo áp lực biến đổi chất lượng không khí theo chiều hướng không tốt, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và tác động đến sức khỏe con người

Tại Hà Nội, tốc độ phát triển các phương tiện giao thông cơ giới những năm gần đây tăng mạnh Trung bình lượng ô tô hàng năm tăng 11%, xe máy tăng 15% Theo số liệu thống kê, số lượng xe máy của Hà Nội năm 2003 khoảng 1,2 triệu xe, năm 2005 lên khoảng 1,5 triệu xe và đến nay đã vượt 2,4 triệu xe (chưa tính đến gần

500 nghìn xe máy vãng lai của các tỉnh phụ cận hoạt động trên địa bàn) Mật độ xe của 2 thành phố này là khoảng 2-3 người/xe Với tình trạng phương tiện cũ, quá niên hạn sử dụng vẫn lưu hành dẫn đến tình trạng khói, bụi thải gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Lượng phát thải gây ô nhiễm từ các loại xe cơ giới nói chung và xe máy nói riêng không hoàn toàn phụ thuộc vào số lượng xe cũng như lượng nhiên liệu tiêu thụ mà chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng nhiên liệu, công nghệ giảm khí thải được

áp dụng trên xe, chế độ bảo dưỡng, sửa chữa và chế độ vận hành xe trong sử dụng Thực tế cho thấy trung bình một xe máy tiêu thụ nhiên liệu chỉ bằng 1/5 xe ô tô con nhưng lại có thể thải ra lượng khí độc hại gấp nhiều lần nếu như xe máy đó là loại

có kết cấu, công nghệ lạc hậu

Theo khảo sát, nồng độ bụi và tiếng ồn trong không khí ở Hà Nội và TP.HCM luôn cao hơn tiêu chuẩn Việt Nam, đặc biệt tại các nút giao thông và khu vực đang xây dựng Nguồn gây ô nhiễm chủ yếu là do các hoạt động giao thông vận tải (chiếm đến 70%), từ hoạt động công nghiệp (chiếm 20%)…Vấn đề ô nhiễm không khí do các phương tiện tham gia giao thông đặc biệt là cơ giới đường bộ đang ngày càng đáng báo động Chất lượng không khí ngày càng bị ô nhiễm một cách trầm trọng hơn, nếu cứ với tốc độ gia tăng các phương tiện tham gia giao thông như hiện nay cùng với chất lượng xuống cấp nhanh chóng của các phương tiện đã quá cũ và lạc hậu về công nghệ thì vấn đề ô nhiễm không khí sẽ trở thành một vấn đề mang tính cấp thiết, sống còn cần phải giải quyết ngay để đảm bảo cho người dân có một cuộc sống trong lành hơn Nếu không giải quyết ngay thì cũng phải từng bước giảm

thiểu sự ô nhiễm không khí bằng các biện pháp kỹ thuật, công nghệ để cải tiến và giảm bớt được nồng độ các chất độc hải từ khí xả động cơ Áp dụng các phương tiện thân thiện hơn với môi trường vv…

1.2 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO PHƯƠNG TIỆN THAM GIA GIAO THÔNG

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về nồng độ phát thải khí thải của xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra loại ôtô mà mức phát thải và ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu Điều đó càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể Các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trường và là một trong số những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường , làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ôtô nói riêng và mọi người nói chung

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

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

Hình 1.1: Mô hình một xe hybrid

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

Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời mặt trời cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, chưa dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid (nhiệt - điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ôtô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về môi trường đô thị và nguy

cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch

Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid hoạt động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường dài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng Chứ không thể sử dụng ôtô hybrid thay hẳn các loại ôtô khác vì khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau và tính công nghệ còn nhiều hạn chế, trong đó cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho mô-tơ điện, vì nếu dùng loại ắc quy thông thường thì số lượng bình rất nhiều, kích thước và khối lượng rất lớn

Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp này em chỉ tìm hiểu nghiên cứu dòng ôtô hybrid (nhiệt-điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện là loại ôtô hybrid thông dụng nhất hiện nay

1.3 HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG HYBRID

1.3.1 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối mômen

Hình 1.2: Sơ đồ một thiết bị kết nối mô-men

Một thiết bị kết nối mô-men như sơ đồ hình 1.2 gồm có 3 cổng và có 2 bậc

tự do Cổng 1 là đầu vào đơn hướng, cổng 2 và 3 là cổng ra hoặc vào 2 chiều, nhưng cả 2 không cùng là cổng vào một lúc Cổng 1 kết nối trực tiếp với ĐCĐT hoặc thông qua 1 hộp số cơ khí Cổng 2 kết nối trực tiếp với trục của mô-tơ điện hoặc qua 1 hộp số cơ khí Cổng 3 kết nối với bánh xe chủ động qua liên kết cơ khí

Hình 1.3:Một số thiết bị kết nối mô-men

Nếu bỏ qua tổn thất và giả sử cổng 2 đang là cổng vào thì năng lượng ra bánh xe là:

T 3 ω 3 = T 1 ω 1+ T 2 ω 2 (1.1) Mô-men kết nối có thể được biểu diễn:

T 3 = k 1 T 1 +k 2 T 2 (1.2) Với k1 và k2 là tham số cấu trúc của bộ kết nối mô-men

Vận tốc góc ω1 ,ω2 và ω3 quan hệ với nhau:

ω 3 = ω 1 /k 1 = ω 2 /k 2 (1.3)

Thiết bị kết nối mô-men có rất nhiều dạng khác nhau, hình 1.3 cho thấy một

số thiết bị cơ bản như: truyền động bánh răng, đai hay sử dụng trực tiếp mô-tơ điện Mỗi thiết bị sẽ cho một thông số về k1 và k2 khác nhau Do tính đa dạng của bộ kết nối mô-men nên hệ thống truyền lực hybrid song song có nhiều cấu hình khác nhau Dựa trên bộ kết nối mô-men được dùng , cấu hình 1 hay 2 trục sẽ được sử dụng Trong mỗi cấu hình, hộp số có thể được đặt tại các vị trí khác nhau dẫn đến đặc tính kéo khác nhau

Hình 1.4:Cấu hình 2 trục

Trên đây là 1 cấu hình 2 trục của hệ thống truyền lực hybrid, trong đó bộ kết nối được sử dụng là kiểu hộp giảm tốc với 2 cặp bánh răng ăn khớp ngoài Hộp số được đặt giữa bộ kết nối mô-men và bánh xe chủ động Hộp số tăng cường mô-men

của cả động cơ và mô tơ điện với cùng tỷ lệ.Cấu hình này sẽ thích hợp khi động cơ

và mô-tơ điện tương đối nhỏ được sử dụng

Hình 1.5:Cấu hình 1 trục

Hình 1.5 là cấu trúc đơn giản và gọn nhẹ nhất của bộ kết nối mô-men của

kiểu hybrid song song, cấu hình 1 trục, roto của mô-tơ điện có chức năng như 1 bộ kết nối mô-men (với k1=1 và k2=1) Mô-tơ điện có thể đặt giữa động cơ và hộp số hoặc ở giữa hộp số và truyền lực cuối Trong hình trên mô-men của cả động cơ và mô-tơ điện được biến đổi bởi hộp số Tuy nhiên, động cơ va mô-tơ điện được yêu cầu có dải tốc độ như nhau.Cấu hình này được dùng với loại mô-tơ nhỏ, được gọi là

hệ thống truyền lực hybrid êm dịu, trong đó chức năng của mô-tơ điện như 1 máy khởi động, 1 máy phát điện, 1 động cơ phụ và cho phanh tái sinh

Ưu điểm: kết cấu nhỏ gọn, đơn giản Đặc tính kéo của xe gần giống với đặc

tính tối ưu Hiệu suất cao do ít tổn hao qua bộ truyền

Nhược điểm: hai nguồn động lực cần có dải tốc độ như nhau do ở chế độ

hybrid tốc độ trục ra phải tỉ lệ với cả tốc độ của ĐCĐT và mô-tơ điện

1.3.2 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ

Hình 1.6: Sơ đồ một thiết bị kết nối tốc độ

Năng lượng được cung cấp bởi một nguồn năng lượng có được kết nối cùng nhau bằng cách cộng tốc độ của chúng Tương tự bộ kết nối mô-men, bộ kết nối tốc

độ có sơ đồ như hình 1.6 cũng gồm 3 cổng – 2 bậc tự do Cổng 1 kết nối với ĐCĐT

với dòng năng lượng đơn hướng Cổng 2 và 3 có thể kết nối với mô-tơ điện hoặc truyền lực cuối, cả 2 đều với dòng năng lượng 2 chiều

Bộ kết nối tốc độ cơ khí có thuộc tính:

ω 3 = ω 1 k 1 + ω 2 k 2 (1.4)

Với k1 và k2 là hằng số kết hợp với cấu trúc và hình học được thiết kế Trong

số 3 tốc độ ,ω1 , ω2 và ω3 ,2 trong số chúng độc lập với nhau và có thể điều khiển độc lập Do sự ràng buộc của bảo toàn năng lượng, mô-men xoắn được liên kết cùng nhau bởi biểu thức:

T 3 = T 1 /k 1 = T 2 /k 2 (1.5)

 Bộ bánh răng hành tinh

Một thiết bị kết nối tốc độ điển hình là hệ bánh răng hành tinh như hình 1.7:

Hình 1.7: Hệ bánh răng hành tinh Willson

Hệ bánh răng hành tinh gồm 3 cổng đơn vị: bánh răng mặt trời, bánh răng bao và cần dẫn được đánh số 1,2,3 tương ứng trên hình

Với i g = R 2 /R 1 = Z 2 /Z 1 ta có mối quan hệ tốc độ và mô-men như sau:

Bảng 1.1: Công thức xác định tốc độ, mô men của hệ bánh răng hành tinh

1

g g

i i

i i

ngoài, rô-to trong và khoảng không khí là 3 cổng như Hình 1.8:

dụ dưới đây hình 1.9 và hình 1.10

Hình 1.9: Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng

hành tinh

Như đã phân tích về bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng hành tinh ở trên, để thay đổi chế độ hoạt động của xe ta bố trí thêm cơ cấu khóa 1 và 2 Khi khóa 1 hoạt động, năng lượng truyền từ ĐCĐT sẽ bị ngắt, còn khi khóa 2 hoạt động bánh răng bao của hệ hành tinh đứng yên tức là năng lượng truyền từ mô-tơ điện bị ngắt Khi

cả hai khóa mở, xe hoạt động chế độ hybrid, cả hai động cơ cùng truyền năng lượng tới bánh xe dẫn động

Hình 1.10: Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu Mô-tơ có

stato động

Cũng hoàn toàn tương tự với sơ đồ hình 1.9, trên hình 1.10 khóa 1 và ly hợp

2 được sử dụng để khóa rôto ngoài với khung và rô-to ngoài với rô-to trong tương ứng Trạng thái của 2 ly hợp và khóa quyết định đến chế độ hoạt động của xe

- Ưu điểm: đảm bảo tính linh hoạt về phương diện tốc độ của động cơ và

mô-tơ, tránh được hiện tượng cưỡng bức tốc độ của 1 trong 2 nguồn khi tốc độ làm việc khác nhau

- Nhược điểm: kết cấu hệ bánh băng hành tinh cồng kềnh, còn mô-tơ có stato

động phức tạp yêu cầu chế tạo chính xác cao

1.3.3 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối hỗn hợp mô-men và tốc độ

Bằng kết nối tổ hợp mô-men và tốc độ, có thể thiết lập hệ thống truyền lực hybrid mà trong đó trạng thái kết nối mô-men và kết nối tốc độ có thể đƣợc lựa

Khi chế độ kết nối tốc độ đƣợc chọn là chế độ hoạt động hiện hành, ly hợp 1

và 2 đóng trong khi ly hợp 3 mở, và khóa 1 và 2 giải phóng bánh răng mặt trời và bánh răng bao Tốc độ của cần dẫn, kết nối tới bánh xe chủ động ,là sự kết hợp của tốc độ động cơ và mô-tơ Nhƣng mô-men của động cơ, của mô-tơ điện và trên bánh

xe chủ động giữ quan hệ cố định với nhau:

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

- Thiết kế, tính toán hệ thống phối hợp nguồn động lực cho xe máy hybrid

- Đánh giá được các tính năng kinh tế, kỹ thuật và mức phát thải của xe máy hybrid

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Thiết kế, tính toán hệ thống phối hợp nguồn động lực hybrid

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính

1.4.4 Nội dung nghiên cứu:

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHỐI

HỢP NGUỒN ĐỘNG LỰC XE MÁY HYBRID

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỐI HỢP NGUỒN LỰC HYBRID

2.1.1 Phương pháp phối hợp nối tiếp

2.1.1.1 Khái quát về dạng Hybrid nối tiếp

Phương pháp phối hợp 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 Phương pháp phối hợp nối tiếp đơn giản nhất như hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ một phương pháp phối hợp nối tiếp

Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồn ắcqui hoặc máy phát được dẫn động bởi ĐCĐT Cụm ĐCĐT/máy phát (ĐCĐT/MP)

có nhiệm vụ giúp ắc quy bổ sung năng lượng cho mô-tơ kéo khi công suất tải yêu cầu lớn hoặc nạp cho ắc quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ và dung lượng ắc quy thấp

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

Trong thực tế, đó là một dải của bộ chiến lƣợc điều khiển mà có thể đƣợc sử dụng trong những chiếc xe với các yêu cầu nhiệm vụ khác nhau Ở đây chỉ xét đến hai kiểu chiến lƣợc điều khiển đặc trƣng của động cơ: Trạng thái nạp lớn nhất cho

ắc quy và điều khiển đóng ngắt động cơ đốt trong

Công suất của động

cơ với tải lớn nhất

Công suất của ắc qui

Công suất động cơ với một phần tải

P yc – Công suất yêu cầu

P aq – Công suất ắc quy

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

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

P n-aq – Công suất nạp cho ắc quy

C – Dạng phanh kết hợp

P ph,ts – Công suất phanh tái sinh

P ph,ck – Công suất phanh cơ khí

D – Dạng phanh tái sinh

hiến ược điều khiển trạng thái nạp ớn nhất cho ắc quy

Mục đích của điều khiển là thỏa mãn công suất yêu cầu đƣợc yêu cầu bởi lái xe đồng thời duy trì trạng thái nạp cho ắc quy ở một mức cao nhất Chiến lƣợc điều khiển này đƣợc tính toán để phù hợp thiết kế cho các xe hoạt động chủ yếu dựa vào nguồn năng lƣợng 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 lƣợc điều khiển tình trạng nạp lớn nhất cho

Không

Kéo hỗn hợp (ĐC/MP+Ắc quy)

Không

Chỉ có cụm ĐC/MP kéo

Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe hybrid nối tiếp

Các điểm A, B, C, D thể hiện công suất yêu cầu mà điều khiển chiến lƣợc yêu cầu trong chế độ kéo hay phanh Điểm A cho thấy yêu cầu công suất kéo lớn hơn

công suất mà cụm ĐCĐT/MP sinh ra Trong trường hợp này, nguồn năng lượng của

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

việc Sơ đồ điều khiển logic minh họa ở hình 2.3

b) Chiến ược điều khiển đóng - ngắt Đ ĐT

Chiến lược điều khiển ở chế độ nạp lớn nhất của ắc quy chú trọng đến trạng thái nạp cho ắc quy ở mức cao Tuy nhiên, trong một vài điều kiện lái như thời gian kéo dài với tải trọng thấp như khi lái xe trên đường cao tốc Tốc độ vòng quay lớn,

ổn định thì ắc quy có thể dễ dàng được nạp đầy và cụm ĐCĐT/MP buộc phải làm việc với một năng lượng sinh ra nhỏ hơn trong điều kiện làm việc tối ưu của nó Hơn nữa, hiệu suất của hệ dẫn động bị giảm Trong trường hợp này, ĐCĐT được đóng-ngắt hoặc điều khiển nhiệt phải phù hợp Chiến lược điều khiển này được

minh họa ở hình 2.4

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

Hình 2.4: Minh họa về điều khiển đóng-ngắt động cơ [6]

2.1.1.3 Ưu nh c i m của hệ thống dẫn ộng hybrid nối tiếp

Ưu điểm

1 Động cơ tách rời với bánh dẫn nên tốc độ và mô-men của động cơ độc lập với tốc độ và mô-men yêu cầu và có thể luôn đƣợc duy trì làm việc ở vùng làm việc tối ƣu của nó với sự tiêu thụ nhiên liệu và phát thải nhỏ nhất Hiệu suất và sự phát thải của động cơ còn đƣợc cải thiện hơn nữa bởi thiết kế tối ƣu tùy vào điều kiện hoạt động

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

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

1 Năng lƣợng 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 lƣợng nhất định để đảm bảo yêu cầu kéo xe nên có thể làm tăng đáng kể trọng lƣợng và giá thành

2.1.2 Hệ d n động hybrid song song

2.1.2.1 Khái quát về dạng hybrid song song

nh 2.5: Hệ thống hybrid song song với bộ ghép nối mô-men

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

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

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

Phương pháp tính toán cho riêng dạng này có thể không được áp dụng cho dạng khác và kết quả tính toán cho riêng dạng này có thể được áp dụng cho duy nhất điều kiện hoạt động đưa ra và nhiệm vụ yêu cầu Trong chương này sẽ tập trung vào phương pháp tính toán của hệ truyền động song song với sự phối hợp mô-

men, chúng hoạt động trên nguyên tắc điện cực đại, đó là, ĐCĐT cung cấp công suất của nó phù hợp với tải cơ bản (hoạt động ở tốc độ không đổi cho trước, trên mức đường bằng phẳng; hoặc tải trung bình ở kiểu lái dừng - đi) và mô-tơ điện cung cấp công suất phù hợp với tải cực đại yêu cầu

Tải trọng cơ bản thấp hơn nhiều tải trọng cực đại trong điều kiện lái trên đô thị bình thường và trên đường cao tốc Giả thiết này cho thấy công suất định mức của ĐCĐT nhỏ hơn nhiều công suất định mức của mô-tơ kéo Do đặc tính mômen – tốc độ của mô-tơ điện tốt hơn so với đặc tính mômen – tốc độ ĐCĐT, bộ truyền động bánh răng một cấp cho mô-tơ là một lựa chọn phù hợp

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 bên ngoài xe

- Thu hồi năng lượng phanh cao nhất

2.1.2.2 ác chiến c iều hi n của hệ dẫn ộng hybrid song song

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

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

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

trong h nh 2.6 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 xe

Bộ điều khiển động cơ

Động cơ

Bộ truyền động

Bộ điều khiển mô tơ

Mô tơ điện

Bộ điều khiển phanh cơ khí

Phanh cơ khí

Bánh xe Bánh xe

Tín hiệu từ chân ga

Tín hiệu từ chân phanh Tốc độ xe

Tình trang nạp của ắc quy Công suất động cơ

yêu cầu Công suất mô tơ yêu

Công suất phanh

cơ khí

nh 2.6: Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ dẫn động hybrid song song

Bộ điều khiển hệ thống, nó thu thập dữ liệu từ người lái và tất cả các bộ phận, thí dụ như mô-men yêu cầu, tốc độ xe, tình trạng nạp của ắc quy, tốc độ động

cơ và vị trí bướm ga, tốc độ mô-tơ điện, Dựa và những dữ liệu này, đặc tính các

bộ phận, chiến lược điều khiển được định trước Bộ điều khiển xe đưa ra những tín hiệu điều khiển của nó tới mỗi bộ điều khiển thành phần (bộ điều khiển cục bộ) Mỗi bộ điều khiển thành phần điều khiển hoạt động của bộ phận tương ứng để phù hợp với yêu cầu dẫn động Bộ điều khiển xe đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của hệ dẫn động Bộ điều khiển xe phải đưa ra các dạng hoạt động khác nhau, tùy theo điều kiện lái, dữ liệu được tập hợp từ các bộ phận, mệnh lệnh của người lái và phải đưa ra mệnh lệnh chính xác tới bộ điều khiển thành phần Hơn nữa, điều khiển chiến lược định trước quyết định hoạt động của hệ dẫn động

a) hiến ược điều hiển trạng thái nạp ớn nhất củ ắc quy

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

nó tới hệ dẫn động thường xuyên Vì vậy, ắc quy có xu hướng phóng điện nhanh Trong trường hợp này, cần thiết duy trì một trạng thái nạp ở mức cao trong ắc quy

để đảm bảo hoạt động của xe ổn định Do đó, chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất của ắc quy có thể là lựa chọn thích hợp

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

như h nh 2.7

1

2 3 4

C

D d

nh 2.7: Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu

 ạng ch có mô tơ điện kéo xe

Tốc độ xe nhỏ hơn một giá trị chọn trước Vxe,min, tốc độ của xe mà ở đó ĐCĐT hoạt động không ổn định và không tối ưu Trong trường hợp này chỉ có mô-tơ điện truyền công suất của nó tới các bánh xe, trong khi ĐCĐT được tắt hoặc chạy không tải Công suất ĐCĐT, công suất của mô-tơ điện và công suất phóng điện của ắc quy

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

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

P tải: Công suất tải (kéo hoặc phanh)

P đc : Công suất động cơ

P n,aq: Công suất nạp ắc quy

P m: Công suất mô tơ kéo

P ph,ts: Công suất phanh tái sinh

P ph,ck: Công suất phanh cơ khí

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

t m

t m

P P



  (2.3)

Ở đó, P đc là công suất ra của ĐCĐT,

P m là công suất ra của mô-tơ điện,

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

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

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

m là hiệu suất của mô-tơ điện

 ạng ết hợp giữ Đ ĐT v mô-tơ điện

Công suất tải yêu cầu được đại diện bằng điểm A trên h nh 2.7, nó lớn hơn

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

ắc quy được tính như sau:

c , c ,

t đ t đ m



  (2.5)

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

 ạng ắc quy nạp

Khi công suất tải yêu cầu thể hiện ở điểm B của h nh 2.7 nhỏ hơn công suất

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

suất còn lại của ĐCĐT Công suất ra của mô-tơ điện và công suất nạp của ắc quy được tính như sau:

Khi công suất tải yêu cầu thể hiện bởi điểm B trên h nh 2.7 nhỏ hơn công

suất của ĐCĐT có thể sinh ra trong khi làm việc ở mức tối ưu, và tình trạng nạp của

ắc quy đã đạt tới mức cao nhất, dạng chỉ có ĐCĐT đẩy đi được sử dụng Trong trường hợp này, hệ thống điện được tắt, ĐCĐT được hoạt động để cung cấp công suất thích hợp với công suất tải yêu cầu Đường cong công suất ra của ĐCĐT được

thể hiện bằng đường nét đứt trên h nh 2.7 Công suất ĐCĐT, công suất mô-tơ điện,

công suất ắc quy được trình bày như sau:

c

, c

t đ

t đ

P P



 (2.8)

P m = 0 (2.9)

P aq = 0 (2.10)

 ạng ch 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 h nh 2.7 bởi

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

P ph,ts = P t t,m m (2.11)

P aq-n = P ph,ts (2.12)

 ạng phanh h n 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 h nh 2.7 bởi điểm C, thì phanh

cơ khí phải được kích hoạt Trong trường hợp này, mô-tơ điện sẽ được điều khiển

để tạo ra công suất phanh tái sinh lớn nhất, và hệ thống phanh cơ khí sẽ đảm nhận sinh ra mô-men phanh yêu cầu còn lại Công suất ra của mô-tơ điện, công suất nạp của ắc quy, công suất phanh cơ khí là:

Dạng nạp cho

ắc quy

Dạng chỉ có phanh tái sinh

Dạng chỉ có động cơ kéo

Dạng phanh kết hợp

Công suất kéo

yêu cầu, P k,yc

Công suất phanh

yêu cầu, P ph,yc

Có

Không C/suất của động cơ

trong vùng làm việc

Không Tình trạng nạp của

nh 2.9: Minh họa điều khiển đóng – ngắt Đ ĐT [6]

b) hiến ược điều hiển bật-tắt củ Đ ĐT

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

ĐCĐT được điều khiển bởi tình trạng nạp của ắc quy, như trình bày trong h nh 2.9

Trong giai đoạn bật động cơ, đó là chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy Khi tình trạng nạp 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 trạng nạp của ắc quy ở mức thấp thì ĐCĐT được bật và hệ thống lại quay trở lại chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy như đã trình bày ở trên

2.1 3 ệ dẫn động hybrid song song một trục

Các phương tiện hybrid hoàn chỉnh với dạng nối tiếp hay song song có thể giảm bớt tiêu thụ nhiên liệu bởi hoạt động tối ưu của động cơ và hiệu quả phanh tái sinh Tuy nhiên công suất điện yêu cầu cao nên đòi hỏi ắc quy mang năng lượng phải rất lớn và nặng, đồng nghĩa với năng lượng mất mát trong cản lăn tăng, không gian của hệ thống dẫn động ở dưới mui xe sẽ lớn và khả năng mang tải của xe giảm xuống Hệ dẫn động hybrid hoàn chỉnh có những cấu trúc hoàn toàn khác với hệ dẫn động thông thường Để thay đổi hoàn toàn từ hệ dẫn động thông thường sang hệ

dẫn động hybrid hoàn chỉnh cần có sự đầu tư lớn về thời gian và chi phí Biện pháp

là đưa ra một sản phẩm trung gian, để dễ thay đổi từ các sản phẩm hiện nay và mang lại hiệu quả hoạt động cao hơn cho chúng Một giải pháp là đặt một mô-tơ điện nhỏ ở giữa động cơ với hệ truyền động để tạo thành hệ dẫn động hybrid song

song một trục (Mild hybrid electric drive train) Mô-tơ điện nhỏ này có thể hoạt

động giống như là một máy khởi động hay một máy phát điện Nó có thể chỉ thêm vào công suất bổ xung cho hệ dẫn động khi đòi hỏi công suất cao và có thể biến đổi năng lượng phanh thành năng lượng điện Mô-tơ điện nhỏ này có khả năng thay thế cho ly hợp hay bộ chuyển đổi mô-men, những thành phần làm việc với hiệu suất thấp khi hệ số trượt cao

Hình 2.10: Sơ đồ cấu tạo hệ dẫn động hybrid song song một trục

Hệ dẫn động hybrid này không cần bộ lưu trữ năng lượng lớn (ắc quy), vì mô-tơ có công suất định mức nhỏ Một hệ thống điện 42V có thể được đáp ứng để

thỏa mãn nhu cầu Những hệ thống phụ của xe thông thường như động cơ, bộ truyền động (hộp số), phanh không cần thay đổi nhiều

Trong phần này giới thiệu hai dạng điển hình của hệ dẫn động hybrid song song một trục Điều khiển và tính toán các thông số của chúng được trình bày cùng với một ví dụ tính toán

2.1.3.1 ấu tạo

Mô-tơ nhỏ có chức năng như động cơ khởi động như Hình 2.10, mô-tơ kéo

được đặt giữa động cơ và một bộ truyền động đa cấp hay tự động (hộp số) Ly hợp được sử dụng để ngắt kết nối hộp số với động cơ khi cần, như trong quá trình chuyển số và xe ở tốc độ thấp Công suất định mức của mô-tơ điện có thể nằm trong khoảng 10% công suất định mức của động cơ Mô-tơ điện này có thể được điều khiển để hoạt động ở bất kỳ mô-men hay tốc độ vòng quay nào Theo đó, sự cách ly giữa mô-tơ điện và bộ truyền động là không cần thiết Hoạt động của hệ dẫn động

và mỗi thành phần trong đó được điều khiển bởi bộ điều khiển hệ dẫn động và các

bộ điều khiển thành phần

2.1.3.2 Hoạt ộng và chiến c iều hi n

Hệ dẫn động có nhiều dạng hoạt động khác nhau tùy thuộc vào hoạt động của động cơ và mô-tơ điện

 Dạng nạp cho ắc quy:

Trong trường hợp này mô-tơ điện hoạt động như một máy phát và được dẫn động bởi động cơ để nạp cho ắc quy

 Dạng phanh tái sinh:

Trong dạng này động cơ ngắt và ly hợp mở Mô-tơ điện được hoạt động để sinh

ra mô-men phanh tới bánh xe Một phần động năng của động cơ được thu lại dưới dạng năng lượng điện và được lưu trữ trong ắc quy

 Dạng làm việc h n hợp:

Cả động cơ và mô-tơ đưa ra công suất cho hệ dẫn động

Những dạng hoạt động ở trên được sử dụng trong hoạt động thực tế phụ thuộc vào công suất yêu cầu Nó được yêu cầu bởi lái xe qua bàn đạp ga hay phanh, trạng thái nạp của ắc quy và tốc độ của xe

Chiến lược điều khiển là sự thiết lập điều khiển logic trong bộ điều khiển hệ dẫn động Nó nhận tín hiệu từ người lái (chân ga, phanh) và tín hiệu từ các bộ phận

riêng biệt như thể hiện trên hình 2.10 sau đó đưa ra lệnh làm việc cho từng bộ phận,

tùy theo thiết lập của điều khiển logic

Bảng 2.1 Một dạng điều khiển logic

Chạy không tải Cả động cơ và mô-tơ bi ngắt

Tốc độ dưới 10km/h Chỉ động cơ kéo

Công suất yêu cầu cao (lớn hơn công

suất động cơ có thể sản sinh)

2.1.4 Hệ dẫn ộng hybrid hỗn h p song song – nối tiếp

2.1.4.1 Hình dáng hệ truyền ộng với bộ bánh răng hành tinh

Hình 2.11: Sơ đồ hệ dẫn động hybrid h n hợp với bộ ghép nối bánh răng hành tinh

Hình 2.11 trình bày hình dạng của một bộ truyền động hybrid hỗn hợp song

song – nối tiếp, nó dùng một bộ bánh răng hành tinh để kết nối ĐCĐT, mô-tơ điện

và bộ truyền động với nhau ĐCĐT đƣợc kết nối với vành răng của bộ bánh răng hành tinh qua li hợp 1, nó đƣợc sử dụng để nối hoặc ngắt ĐCĐT với vành răng Mô-

tơ điện đƣợc nối với bánh răng mặt trời Khóa 1 dùng để khóa bánh răng mặt trời và rôto của mô-tơ điện với khung xe Li hợp 2 dùng để nối hoặc tách bánh răng mặt trời với vành răng Bộ truyền động đƣợc dẫn động bởi cầu dẫn của bộ bánh răng

hành tinh qua một bánh răng trung gian

Bộ bánh răng hành tinh là một bộ tốc độ tổng hợp, nó là một bộ 3 cửa Ba cửa này là bánh răng mặt trời, vành răng, và cầu dẫn Những vận tốc góc của ba thành phần này là có liên quan với nhau nhƣ công thức sau: