Tổng quan về ô tô hybrid
1.1.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Ô TÔ HYBRID Ô tô điện được ra đời lần đầu tiên vào năm 1834 Trong suốt những thập kỷ nửa sau thế kỷ 19, nhiều công ty đã sản xuất ô tô điện ở Hoa Kỳ, Anh, và Pháp Những xe ô tô đầu tiên mà con người sử dụng là ô tô điện Tuy nhiên, do những hạn chế về công nghệ ắc quy và đặc biệt là do sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ động cơ đốt trong, ô tô điện đã dần bị thay thế và hầu như không còn tồn tại từ sau những năm 1930
Vào những năm 70 của thế kỷ trước, ô nhiễm môi trường và an ninh năng lượng trở thành hai vấn đề cấp bách của nhân loại, khiến ô tô điện được xem như một giải pháp tiềm năng Ban đầu, ô tô điện chỉ là đối tượng nghiên cứu và là phiên bản chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong Ngày nay, các nhà sản xuất ô tô lớn đã phát triển những mẫu xe điện hoàn toàn mới, được thiết kế và chế tạo với công nghệ chuyên biệt, không còn là sản phẩm cải tiến từ xe truyền thống.
Vào đầu thế kỷ 20, các nhà sản xuất xe Mỹ đã song song sử dụng động cơ xăng, điện và hơi nước, nhận ra rằng việc kết hợp nhiều động cơ sẽ nâng cao hiệu quả Động cơ hybrid, ra đời năm 1905 do một kỹ sư Mỹ phát minh, ban đầu không được chú ý do động cơ đốt trong rẻ hơn Tuy nhiên, sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ 70 năm sau, sự quan tâm đến tiết kiệm nhiên liệu gia tăng, dẫn đến việc nghiên cứu lại động cơ hybrid Mặc dù bị trì hoãn do quy định 30 năm trước, hiện nay các mẫu xe hybrid như Toyota Prius và Honda Accord đã trở nên phổ biến Xu hướng này còn được thúc đẩy bởi mối quan tâm đến môi trường, khi động cơ đốt trong thải ra khí độc hại như CO, CO2 và HC, góp phần vào ô nhiễm và các hiện tượng như nóng lên toàn cầu và "El Nino".
Sự phát triển của công nghệ hybrid dự kiến sẽ giảm giá thành nhiên liệu, với ước tính sản lượng xe hybrid sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, cho thấy triển vọng rất lạc quan trong tương lai.
1.1.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA Ô TÔ HYBRID
Hệ thống động lực của ô tô hybrid hiện nay bao gồm một động cơ đốt trong và một hoặc nhiều động cơ điện Trong tài liệu chuyên ngành tiếng Anh, các thuật ngữ như "hybrid car", "hybrid vehicle", "hybrid road vehicle" và "hybrid electric vehicle" được sử dụng để chỉ loại ô tô hybrid với cấu trúc động lực này.
Trong bài viết này, thuật ngữ "xe hybrid" và "ô tô hybrid" được sử dụng để chỉ các loại ô tô có hệ thống truyền lực với cấu trúc đặc trưng như đã nêu.
Ô tô hybrid hiện đại được phân thành 3 loại dựa trên cách liên kết giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, cùng với tỷ lệ công suất của chúng khi dẫn động bánh xe chủ động và sự phân công thời gian làm việc Ba loại này bao gồm ô tô hybrid kiểu nối tiếp, ô tô hybrid kiểu song song và ô tô hybrid kiểu hỗn hợp Ô tô hybrid kiểu nối tiếp, viết tắt là S-HEV, là một trong những loại chính trong phân loại này.
Hệ động lực của S-HEV bao gồm các thành phần chính như ĐCĐT, một hoặc nhiều ĐCĐ, MF, bộ AQ, bộ chuyển đổi điện và cặp bánh răng giảm tốc Sự khác biệt cơ bản giữa hệ động lực của S-HEV và ô tô điện là sự hiện diện của ĐCĐT và MF trong S-HEV.
Hệ thống động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp (S-HEV) sử dụng động cơ điện (ĐCĐ) để cung cấp năng lượng cho động cơ điện (ĐC) hoặc nạp điện cho ắc quy (AQ), đảm bảo 100% công suất dẫn động các bánh xe thông qua bánh răng giảm tốc ĐC hoạt động bằng điện từ AQ hoặc trực tiếp từ động cơ chính (MF), và chỉ cần một cặp bánh răng giảm tốc giữa ĐCĐ và vi sai, thay cho hộp số nhiều cấp như ô tô truyền thống Nếu ĐCĐ được lắp đặt trực tiếp trong moayơ bánh xe, S-HEV thực sự không có hệ truyền động cơ khí, mà thay vào đó là hệ truyền động điện nhẹ và tiết kiệm năng lượng ĐCĐ trên S-HEV và các loại ô tô hybrid khác thường được thiết kế để hoạt động như máy phát điện, tận dụng động năng trong quá trình phanh hoặc xuống dốc Một số mẫu S-HEV cho phép nạp điện AQ từ điện lưới khi ô tô không hoạt động, giúp giảm chi phí vận hành do giá điện lưới thường thấp hơn.
Động cơ tách rời cho phép mô men và tốc độ hoạt động độc lập với yêu cầu, giúp duy trì hiệu suất tối ưu với mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải thấp nhất.
- Sự ngắt nối giữa động cơ và bánh xe còn cho phép động cơ có thể hoạt động ở vùng hiệu suất cao
- Khả năng gia tốc tốt
- Năng lượng bị biến đổi qua lại nhiều lần gây tổn thất đáng kể
- Động cơ điện phải có công suất lớn
Ô tô hybrid kiểu song song (P-HEV) có cấu trúc tương tự như S-HEV, với động cơ điện (ĐCĐT) và mô-tơ điện (MG) kết hợp Hệ thống này cho phép bánh xe chủ động được dẫn động bằng ĐCĐT, MG, hoặc cả hai đồng thời thông qua các ly hợp Sự linh hoạt trong cách kết nối ĐCĐT và MG mang lại hiệu suất tối ưu cho P-HEV.
Động cơ điện đồng bộ và máy phát điện liên kết trên một trục yêu cầu tốc độ quay của cả hai phải được đồng bộ hóa Mô men quay truyền đến bánh xe chủ động là tổng hợp của mô men từ động cơ điện và máy phát điện Khi chỉ có một nguồn động lực hoạt động, nguồn động lực còn lại cần hoạt động ở chế độ không tải hoặc không hoạt động nếu được trang bị ly hợp một chiều.
ĐCĐT và MG cần phải có tốc độ quay đồng nhất trên cùng một trục để hoạt động hiệu quả Khi MG được đặt giữa ĐCĐT và hộp số, nó có thể tạo ra momen quay dương hoặc âm, tùy thuộc vào chế độ vận hành của hệ thống Một ví dụ tiêu biểu cho phương pháp này là mẫu xe Honda Insight, một loại P-HEV.
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu song song
ĐCĐT và MG được liên kết qua mặt đường, với ĐCĐT truyền momen quay đến bánh xe chủ động thông qua hệ truyền động cơ khí truyền thống, trong khi MG kết nối với bánh xe chủ động qua một trục khác MG được nạp điện nhờ tận dụng động năng của xe khi phanh hoặc khi di chuyển ở chế độ hành trình Công suất của ĐCĐT được truyền đến MG qua mặt đường, phương án này đặc biệt ưu việt cho ô tô nhiều cầu chủ động, cho phép liên kết cơ khí giữa ĐCĐT và MG với các cầu khác nhau Ví dụ điển hình là xe đạp máy với ĐCĐT tích hợp trong moayơ bánh xe trước và pedal quay bánh sau, thể hiện kiểu hybrid song song với các nguồn động lực kết nối qua mặt đường.
Hiện nay, hầu hết các mẫu P-HEV được trang bị động cơ đốt trong (ĐCĐT) làm nguồn động lực chính, trong khi motor điện (MG) chỉ hỗ trợ khi tăng tốc hoặc leo dốc Cả ĐCĐT và MG đều hoạt động với khoảng 50% công suất cực đại khi xe chạy ở tốc độ trung bình, với ĐCĐT phát công suất gần tối đa và MG phát khoảng 50% công suất hoặc nhỏ hơn ở tốc độ cao Trên thị trường, P-HEV chiếm thị phần lớn hơn so với S-HEV, với các mẫu điển hình như Honda Insight, Honda Civic và Honda Accord Ngoài ra, các xe hybrid như General Motors Parallel Hybrid Truck (PHT), Saturn VUE Hybrid, Aura Greenline Hybrid và Chevrolet Malibu Hybrid cũng thuộc nhóm P-HEV.
- Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng
- Mức hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ đốt trong nên dung lượng ắc quy nhỏ và gọn nhẹ hơn
Tổng quan về nghiên cứu phối hợp các nguồn động lực trên ô tô hybrid 15 1.3 Kết luận
Nghiên cứu về ô tô Hybrid tại Việt Nam đã cho ra đời một mô hình ô tô 2 chỗ ngồi phục vụ đào tạo kỹ sư ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật ô tô Mô hình này là một ô tô 4 bánh với hệ động lực hybrid, bao gồm động cơ xăng 110 cm3, máy phát điện 1kW và hai môtơ điện tổng công suất 960W Quá trình hoạt động của động cơ xăng và nạp điện cho ắcqui được tự động hóa nhờ vi mạch do tác giả thiết kế Tuy nhiên, do chưa có li hợp để ngắt nguồn động lực từ động cơ điện với bánh xe chủ động, mô hình này chưa thể hiện đầy đủ chức năng của ô tô hybrid và chỉ phục vụ cho việc đào tạo sinh viên.
Hình 1.4 Mô hình bộ phân phối công suất thuộc đề tài
NCKH của Đại học Nha Trang [5]
Trong luận văn thạc sĩ của Nguyễn Trí Thành, đề tài "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp" kế thừa từ nghiên cứu TR2002-13-05 Bộ chia công suất (PSD) được thiết kế theo cấu trúc của Toyota Prius, với việc tính chọn công suất cho máy phát điện MF và lắp ráp trên mô hình ô tô 2 chỗ ngồi Động cơ xăng và máy phát điện được kết nối qua ly hợp điện từ, mô phỏng cơ chế hoạt động của hệ động lực hybrid Tuy nhiên, do mục tiêu phục vụ dạy-học, các bộ phận được chế tạo với kích thước lớn và dễ quan sát, khiến bộ PSD này không thể sử dụng cho xe thật trên đường.
Hình 1.5 minh họa sơ đồ hệ thống động lực hybrid được thiết kế bởi GS.TSKH Bùi Văn Ga và Nguyễn Quân từ Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
Ô tô thiết kế hai chỗ ngồi với khối lượng 500kg và vận tốc tối đa đạt 70km/h Cơ cấu truyền động của ô tô được phân thành hai nhóm chính: phát điện và bộ truyền động kết nối với cầu chủ động.
Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid 2 chỗ[3]
Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:
- Ở chế độ bình thường, ĐCĐ kéo bánh xe chủ động quay thông qua bộ bánh răng giảm tốc và bộ vi sai;
- Ở chế độ giảm tốc khi cần dừng xe hoặc khi xe xuống dốc, người lái nhả bàn đạp ga, ĐCĐ được cắt điện;
Khi lái xe đường dài, người điều khiển chuyển sang chế độ "phụ trợ" để tối ưu hóa hiệu suất Trong chế độ này, động cơ điện hoạt động cùng với máy phát điện và bình ắc quy, cung cấp năng lượng cho hệ thống điện của xe.
Khi xe di chuyển trên đường dốc, người lái có thể kích hoạt chế độ "vượt dốc" để động cơ điện hỗ trợ kéo xe Động cơ một chiều ZYT145/06-90 của Trung Quốc hoạt động ở hiệu điện thế 90V, với tốc độ 3.000 vòng/phút và mô men xoắn tối đa 60 Nm Xe gắn máy sử dụng động cơ 110cm3 và máy phát điện xoay chiều G263-A với điện áp 28V và công suất 4,5kW Động cơ gốc 110cm3 chạy bằng xăng đã được cải tiến để sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng Các bộ phận của ô tô hybrid có sẵn trên thị trường, cho phép việc chế tạo trở nên khả thi, đặc biệt là động cơ xăng chuyển đổi sang khí dầu mỏ hóa lỏng Tuy nhiên, vấn đề tối ưu hóa nguồn năng lượng và tham số điều khiển cho hệ động lực hybrid vẫn chưa được nghiên cứu sâu, thường được giải quyết bằng phương pháp "thử và sai" hoặc kinh nghiệm cá nhân.
Năm 2016 tác giả Trần Tuấn Anh trong đề tài luận văn thạc sĩ của mình
[6] Nghiên cứu phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid bằng phần mềm AVL
Cruise đã thành công trong việc phát triển mô hình xe hybrid kiểu song song sử dụng phần mềm AVL-Cruise, cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu giảm 30% so với xe thông thường cùng cấu hình Kết quả mô phỏng cũng chỉ ra rằng lượng phát thải ô nhiễm môi trường giảm đáng kể, với NOx giảm 60%, CO giảm 25% và HC giảm 25% Ở nước ngoài, nghiên cứu về ô tô hybrid đã được thực hiện từ lâu tại các viện nghiên cứu và trường đại học, như tại trường Đại học Tổng hợp kỹ thuật Quốc Gia Matxcova MAMI, nơi đã phát triển thành công xe hybrid KVAN dựa trên nền xe UAT-5335, với bộ kết hợp công suất kiểu kết nối mô men cho phép hoạt động ở chế độ hai cầu chủ động.
Hình 1.6 – Ô tô hybrid Kvan trường Đại học MGTU MAMI
Tại trường này, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển bệ thử hybrid kiểu nối tiếp – song song, sử dụng động cơ đốt trong ZMZ 5243 và hai máy điện 4APA 2E160M Nghiên cứu này nhằm mục tiêu phân tích đặc tính tốc độ kéo, hiệu quả nhiên liệu và mức độ ô nhiễm môi trường của xe tải.
Hình 1.7 – Bệ thử kết hợp nguồn công suất hybrid kiểu nối tiếp – song song tại trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Quốc Gia MGTU MAMI
Trường đại học Tổng hợp kỹ thuật Nhiznhi Novgorod đã chế tạo thành công xe hybrid dựa trên nền tảng xe IZ 2106 “Oda”, mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu từ 24% đến 32% trong các chế độ hoạt động khác nhau.
Hình 1.8 – Bộ kết hợp công suất trên xe IZ 2106 - Oda
Ô tô hybrid hiện đang là giải pháp tiềm năng cho việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường Có ba sơ đồ kết nối chính cho ô tô hybrid: nối tiếp, song song và hỗn hợp, trong đó sơ đồ hỗn hợp được ưa chuộng hơn vì kết hợp ưu điểm của cả hai sơ đồ còn lại Nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được thực hiện liên quan đến thiết kế và chế tạo bộ kết hợp công suất cho ô tô hybrid Tại Việt Nam, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc phát triển các mô hình thực nghiệm phục vụ đào tạo Tuy nhiên, để tối ưu hóa các thông số kết cấu, việc nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt là thông qua phương pháp mô phỏng, là rất cần thiết.
Trong chương 2, tác giả sẽ đi sâu vào cơ sở lý thuyết về việc kết hợp công suất và phân tích các phương pháp, công cụ mô phỏng nhằm nghiên cứu sự kết hợp các nguồn động lực trong ô tô hybrid kiểu hỗn hợp.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT KẾT HỢP CÁC NGUỒN CÔNG SUẤT
Chương này nghiên cứu cơ sở lý thuyết về việc kết hợp công suất giữa các nguồn động lực Nó phân tích các phương pháp mô phỏng nghiên cứu kết hợp công suất trên ô tô hybrid và lựa chọn phương pháp phù hợp để nghiên cứu sự kết hợp công suất của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp.
2.1 Các thiết bị kết nối tốc độ và mô men trên ô tô hybrid Để kết nối các nguồn động lực trên xe hybrid người ta sử dụng các bộ kết nối mô men và kết nối tốc độ Việc sử dụng các bộ kết nối này sẽ tùy thuộc vào phương án bố trí hệ thống truyền lực trên xe [7,8]
2.1.1 Đối với hệ thống truyền lực hybrid kiểu nối tiếp
Hệ thống truyền lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp sử dụng hai nguồn năng lượng cho động cơ điện, bao gồm động cơ đốt trong kết nối với máy phát điện và một bộ ác quy thông qua bộ chuyển đổi DC/DC Đầu ra của máy phát điện được kết nối với nguồn điện nhờ bộ chỉnh lưu, cung cấp năng lượng cho bộ điều khiển của động cơ kéo Động cơ kéo có khả năng hoạt động ở chế độ động cơ hoặc máy phát, cho phép thay đổi chiều di chuyển Để duy trì hoạt động, hệ thống này cần một bộ sạc để nạp điện cho ác quy từ lưới điện Ô tô với hệ thống truyền lực kiểu nối tiếp có thể vận hành ở nhiều chế độ khác nhau.
- Chế độ thuần điện: động cơ đốt trong tắt, ô tô được kéo từ ác qui
Chế độ thuần động cơ là khi công suất kéo của ô tô được cung cấp hoàn toàn từ động cơ – máy phát, trong đó ắc quy không tham gia cung cấp hay nhận năng lượng từ hệ thống truyền động Trong chế độ này, các máy điện hoạt động như hệ thống truyền lực, chuyển tải năng lượng từ động cơ đến các bánh xe bị động.
- Chế độ hybrid: công suất kéo được rút ra từ cả động cơ- máy phát và ác qui
Chế độ động cơ kéo và nạp cho ác quy là hệ thống mà cụm động cơ máy phát không chỉ cung cấp năng lượng cho việc nạp ác quy mà còn đảm bảo năng lượng cho xe di chuyển.
- Chế độ phanh tái sinh: Cụm động cơ – máy phát tắt, động cơ kéo hoạt động như một máy phát Năng lượng sinh ra được nạp cho ác qui
- Chế độ nạp ác qui: Động cơ kéo không nhận năng lượng và cụm động cơ – máy phát nạp cho ác qui
- Chế độ nạp ác qui hybrid: cả cụm động cơ máy phát và động cơ kéo hoạt động như một máy phát để cùng nạp cho ác qui
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp
Sơ đồ hệ thống truyền lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp cho thấy sự kết hợp giữa các nguồn năng lượng sơ cấp và thứ cấp được thực hiện thông qua điện mà không cần kết nối cơ khí.
2.1.2 Đối với hệ thống truyền lực kiểu song song
Hệ thống truyền động hybrid kiểu song song khác với sơ đồ nối tiếp, vì nó kết hợp các nguồn động lực thông qua kết nối cơ khí Trong hệ thống này, động cơ cung cấp năng lượng qua bộ truyền cơ khí đến các bánh xe chủ động, tương tự như ô tô sử dụng động cơ đốt trong thông thường Để thực hiện việc này, có thể áp dụng bộ kết nối mô men hoặc bộ kết nối tốc độ.
Hình 2.2 Sơ đồ song song a Sơ đồ song song dùng bộ kết nối mômen
Hình 2.3 Sơ đồ bộ kết nối mômen
Sơ đồ bộ kết nối mô men trong hình 2.3 bao gồm 3 cổng và 2 bậc tự do Cổng 1 là đầu vào đơn hướng, trong khi cổng 2 và 3 có khả năng ra hoặc vào 2 chiều nhưng không thể cùng hoạt động như cổng vào đồng thời Cổng 1 được kết nối trực tiếp với động cơ đốt trong hoặc thông qua một hộp số cơ khí, cổng 2 kết nối với trục của mô tơ điện hoặc qua một hộp số cơ khí, và cổng 3 kết nối với bánh xe chủ động qua liên kết cơ khí.
Nếu bỏ qua tổn thất và giả sử cổng 2 đang là cổng vào thì năng lượng ra bánh xe là :
Mômen ở cổng ra có thể được biểu diễn :
T3 = k1T1+k2T2 (2.1) với k1 và k2 là tham số cấu trúc của bộ kết nối mômen
Vận tốc góc ω1, ω2 và ω3 quan hệ với nhau : ω3 = ω1/k1 = ω2/k2 (2.2)
Các thiết bị kết nối mômen rất đa dạng, bao gồm bộ truyền bánh răng, bộ truyền xích, bộ truyền đai và mô tơ điện Mỗi loại thiết bị này sẽ cung cấp các giá trị thông số k1 và k2 khác nhau.
Hình 2.4 Một số thiết bị kết nối mômen
Hệ thống truyền lực hybrid song song có nhiều sơ đồ khác nhau do tính đa dạng của bộ kết nối mômen Tùy thuộc vào bộ kết nối mômen được sử dụng, có thể áp dụng sơ đồ 1 hoặc 2 trục Mỗi sơ đồ cho phép hộp số được đặt ở các vị trí khác nhau, từ đó tạo ra các đặc tính kéo khác nhau.
Hình 2.5 Sơ đồ hai trục với hộp số đặt trước
Hình 2.6 Sơ đồ hai trục với bộ kết nối mô men đặt trước hộp số
Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng sơ đồ 2 trục với bộ kết nối là hộp giảm tốc có 2 cặp bánh răng ăn khớp ngoài Hộp số được lắp đặt giữa bộ kết nối mômen và bánh xe chủ động, có chức năng tăng cường mômen cho cả động cơ và mô tơ điện với tỷ lệ giống nhau Sơ đồ này phù hợp cho các ứng dụng sử dụng động cơ và mô tơ điện có kích thước tương đối nhỏ.
Hình 2.7 Sơ đồ 1 trục với hộp số đặt sau động cơ
Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống truyền lực song song với động cơ điện đặt sau hộp số
Cấu trúc đơn giản của bộ kết nối mômen trong ô tô hybrid kiểu song song được thể hiện qua hình 2.7 và 2.8, với mô tơ điện hoạt động như một bộ kết nối mômen giữa động cơ và hộp số hoặc giữa hộp số và truyền lực cuối Mô tơ điện và động cơ cần có dải tốc độ tương đồng, và mô hình này thường áp dụng cho các mô tơ nhỏ trong hệ thống truyền lực hybrid nhẹ, nơi mô tơ điện đóng vai trò như máy khởi động và máy phát điện.
1 động cơ phụ và cho phanh tái sinh
Ưu điểm của sơ đồ:
- 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 của sơ đồ:
Hệ thống truyền lực hybrid yêu cầu nguồn động lực có dải tốc độ đồng nhất, vì tốc độ trục ra phải tương ứng với tốc độ của cả động cơ đốt trong và động cơ điện Để đạt được điều này, hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ.
Hình 2.9 Sơ đồ bộ kết nối tốc độ
Năng lượng được cung cấp từ một nguồn năng lượng được kết nối bằng cách cộng tốc độ của chúng Bộ kết nối tốc độ, giống như bộ kết nối mômen, bao gồm 3 cổng với 2 bậc tự do Cổng 1 kết nối với động cơ đốt trong và nhận dòng năng lượng đơn hướng, trong khi cổng 2 và 3 có thể kết nối với mô tơ điện hoặc truyền lực cuối, cả hai đều sử dụng dòng năng lượng.
Bộ kết nối tốc độ cơ khí có thuộc tính: ω3 = ω1k1 + ω2k2 (2.3) với k 1 và k 2 là hằng số kết hợp với cấu trúc và hình học được thiết kế
Hệ bánh răng hành tinh Willson cho phép điều khiển độc lập hai giá trị tốc độ ω1, ω2 và ω3 ở các khâu khác nhau Tuy nhiên, do nguyên tắc bảo toàn năng lượng, mômen xoắn giữa các khâu này phải được liên kết chặt chẽ với nhau.
Một thiết bị kết nối tốc độ điển hình là hệ bánh răng hành tinh như trình bày trên hình 2.10
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 ig = R2/R1 = Z2/Z1 ta có mối quan hệ tốc độ và mômen như sau :
MÔ PHỎNG SỰ KẾT HỢP CÔNG SUẤT CỦA Ô TÔ HYBRID KIỂU
HỐN HỢP BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK
Chương này giới thiệu phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng nghiên cứu sự kết hợp công suất trên xe hybrid với cấu hình hỗn hợp, sử dụng công cụ Simulink và Simscape Bài viết cũng trình bày kết quả mô phỏng tính toán sự kết hợp công suất của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp dựa trên 5 chu trình thử nghiệm của ECE.
3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp Để mô phỏng hoạt động của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp, tác giả đã xây dựng sơ đồ mô phỏng hoạt động của xe hybrid dựa trên việc thừa kế các mô hình mẫu và bổ xung xây dựng thêm các khối chức năng nhờ sự hỗ trợ của công cụ Simscape, Simulink trong phần mềm Matlab Mô hình gồm các khối hình 3.1:
1 Khối động cơ đốt trong
2 Khối động cơ điện/máy phát gồm: modul động cơ điện/máy phát, modul chuyển đổi DC và bộ ác qui;
4 Khối điều khiển gồm các môdul: modul logic để chọn chế độ; các mo đul điều khiển ĐCĐT; điều khiển ĐCĐ/Máy phát; Điều khiển nạp acqui;
5 Khối động lực học ô tô
Hình 3.1 - Sơ đồ Simulink mô phỏng hoạt động của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp
Hình 3.2 mô tả sơ đồ mô phỏng xây dựng, trong khi hình 3.3 trình bày sơ đồ cấu trúc khối điều khiển được thiết kế dựa trên chiến lược điều khiển đã được nêu trong phần trước.
Hình 3.2– Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển
Để mô phỏng hoạt động của ô tô hybrid, một mô hình đã được xây dựng nhằm nghiên cứu quy trình làm việc của ô tô hybrid theo chu trình thử mẫu Hình 3.3 thể hiện sơ đồ logic chế độ làm việc của các động cơ trong hệ thống này.
UN/ECE Trên hình trình bày cấu trúc Simulink lựa chọn chu trình thử
Để kiểm soát acqui, một mô hình mô phỏng đã được xây dựng bằng Simulink, như thể hiện trong hình 3.6.
Hình 3.5 - Sơ đồ Simulink kiểm soát quá trình nạp của acqui
Mỗi trạng thái làm việc của động cơ được xác định thông qua các thông số chi tiết, được tính toán bởi các khối điều khiển Trong mô phỏng, ba khối điều khiển riêng biệt cho động cơ đốt trong, động cơ và máy phát đã được xây dựng Hình 3.7 minh họa sơ đồ Simulink mô phỏng việc xác định độ mở bướm ga.
Hình 3.6 thể hiện sơ đồ Simulink dùng để xác định độ mở bướm ga của động cơ đốt trong trong các trạng thái làm việc khác nhau Để thực hiện mô phỏng, tác giả đã áp dụng mô hình được xây dựng trong phần 3.1 Luận văn này nghiên cứu sự kết hợp giữa các nguồn động lực trên xe hybrid kiểu hỗn hợp nối tiếp - song song, sử dụng quy trình thử nghiệm theo tiêu chuẩn ECE với 5 chu trình thử khác nhau.
Chu trình thử đô thị 1 theo tiêu chuẩn ECE có tổng quãng đường gần 1 km (0,994 km) và tốc độ trung bình của xe đạt 18,35 km/h trong thời gian 195 giây.
Hình 3.7 Chu trình đô thị loại 1 theo chuẩn UN/ECE []
Các thông số đầu vào dùng để mô phỏng tính toán, cụ thể như sau:
- Chu trình thử: thực hiện theo 5 chu trình thử đô thị loại 1, đô thị loại 2, 3, 4, 5 theo tiêu chuẩn UN/ECE
- Các thông số của modul thân xe
- Các thông số của động cơ đốt trong
- Các thông số của động cơ điện:
Bảng 3.1 -Các thông số ô tô
STT Thông số Giá trị
1 Khối lượng của ô tô [kg] 1200
2 Diện tích cản chính diện [m 2 ] 2,16
4 Mô men quán tính bánh xe [kg.m 2 ] 0.1
5 Công suất cực đại của ĐCĐT[W] 114000
5 Tốc độ của động cơ ứng với công suất cực đại [v/p] 5000
6 Số vòng quay không tải của ĐCĐT [v/p] 500
7 Số vòng quay lớn nhất của ĐCĐT [v/p] 5000
Hình 3.8 - Đặc tính của động cơ điện Kết quả mô phỏng theo chu trình thử đô thị loại 1
Hình 3.9 – Chu trình thử đô thị loại 1 ECE trong sơ đồ mô phỏng bằng
Dựa trên chu trình tiêu chuẩn hóa của ECE, luận văn đã xây dựng chu trình thử nghiệm để áp dụng vào mô hình mô phỏng Hình 3.9 thể hiện kết quả mô phỏng chu trình thử đô thị loại 1, cho phép thu thập các thông số quan trọng về hoạt động của xe hybrid Các thông số này bao gồm gia tốc của ô tô, công suất cần cung cấp từ động cơ điện và động cơ đốt trong trong từng giai đoạn của chu trình, cũng như sự thay đổi mức nạp ác quy Ngoài ra, các thông số làm việc của động cơ/máy phát, động cơ đốt trong và bộ kết hợp cũng được phân tích để phân chia công suất hiệu quả.
Hình 3.10 trình bày kết quả tính toán sự thay đổi gia tốc của ô tô theo chu trình thử đô thị loại 1 ECE Kết quả mô phỏng cho thấy gia tốc cần đạt được của ô tô ở mỗi giai đoạn thay đổi theo quy luật vận tốc, với gia tốc lớn nhất đạt khoảng 0,21 m/s² trong khoảng thời gian từ 143 đến 155 giây.
Hình 3.10– Sự thay đổi của gia tốc ô tô theo chu trình thử loại 1
Hình 3.11– Kết quả mô phỏng công suất cần thiết của ĐCĐ và ĐCĐT theo chu trình thử đô thi loại 1
Kết quả mô phỏng cho thấy mức tiêu thụ công suất của các động cơ trên xe hybrid được xác định theo chu trình thử đô thị loại 1 UN/ECE, như được trình bày trong hình.
3.11 cho thấy, ở 54s đầu tiên của chu trình, ô tô chỉ cần lấy công suất từ động cơ điện, khi gia tốc ô tô cần đạt >0,1 s cần thêm hỗ trợ công suất của động cơ đốt trong Ở giai đoạn tiếp theo khi cần gia tốc ô tô từ vận tốc 30 đến 50 km/s
(ở khoảng thời gian t0s) cần thêm hỗ trợ của động cơ đốt trong
Như vậy, về cơ bản theo chu trình thử đô thị UN/ECE loại 1, xe hybrid sử dụng ở chế độ động cơ điện là chủ yếu
Hình 3.12 – Sự thay đổi các thông số ĐCĐT theo chu trình thử đô thị
Hình 3.12 và 3.13 minh họa sự thay đổi các thông số của ĐCĐT, trong khi hình 3.13 tập trung vào kết quả mô phỏng các thông số của động cơ điện theo chu trình thử đô thị loại 1 Các kết quả bao gồm sự biến đổi của tốc độ, mô men xoắn trên trục động cơ và độ mở bướm ga.
Hình 3.13– Sự thay đổi các thông số ĐCĐ theo chu trình thử đô thị loại 1
Chương trình mô phỏng được xây dựng cho phép nghiên cứu các thông số khác của hệ thống, bao gồm trạng thái nạp của acqui và mức tiêu thụ nhiên liệu trong chu trình.
Hình 3.14 trình bày kết quả mô phỏng động học của các thành phần trong bộ kết hợp công suất, cho thấy vận tốc của bánh răng bao, bánh răng mặt trời và cần.
Trên hình 3.15 là đồ thị biểu diễn sự thay đổi của mức sạc acqui theo chu trình thử
Hình 3.14 Động học của bộ chia công suất PD khi ô tô hoạt động theo chu trình thử đô thị loại 1 ECE
Hình 3.15 Sự thay đổi các thông số của acqui khi ô tô hoạt động theo chu trình thử đô thị loại 1
Kết quả mô phỏng tính toán theo chu trình thử loại 2