Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai

Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai

TÓM TẮT

Nghiên cứu thực hiện trên đối tượng xe máy lai xăng – điện được cải tạo từ xe

nền Honda Lead 110cc với động cơ điện không chổi than đặt trực tiếp tại bánh trước

Bánh sau được dẫn động bằng hệ dẫn động nguyên bản của xe Cả hai bánh đều có

khả năng cung cấp công suất độc lập hoặc đồng thời cho xe khi di chuyển trên đường

Nghiên cứu tập trung vào xây dựng mô hình toán và mô phỏng hoạt động hệ thống

truyền lực, hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe bằng phần mềm Matlab – Simulink

với thuật toán điều khiển phân phối công suất Rule – based control Kết quả mô phỏng

được sử dụng dự đoán tính năng động lực học và tính hiệu quả kinh tế nhiên liệu của

xe cải tiến Đồng thời là cơ sở để giải bài toán tối ưu hóa phân phối công suất giữa

hai nguồn động lực

Kết quả mô phỏng theo các chu trình chạy thử với phương pháp điều khiển

phân phối công suất đề xuất cho thấy tính năng động lực học của xe lai không thua

kém xe nền, trong khi mức tiêu thụ nhiên liệu tăng thêm 0,15 l/100 km Khi xe chạy

mà không có chế độ sạc trên xe, từ khi nạp ắc quy đầy và chạy đến khi ắc quy còn

một nửa thì xe tiêu thụ trung bình 2,38 l/100 km trên quãng đường 84,8 km, thấp hơn

0.31 l so với xe nền Điều đó cho thấy phương pháp cải tạo xe nền theo cấu trúc plug

– in hybrid, cấu trúc lai có sạc từ nguồn điện ngoài, có tính kinh tế hơn

Kết quả tối ưu hóa điều khiển phân phối công suất làm mức nhiên liệu tiêu thụ

của xe plug – in hybrid còn 2,11 l/100 km, giảm 0,58 l/100 km so với xe nền Quãng

đường đi được ngắn hơn, 48,49 km nhưng vẫn thỏa mãn điều kiện di chuyển đặt ra

ABSTRACT

This study presents a research related to Hybrid Electric Motorcycle (HEM) with a direct-driven front wheel motor renovated from Honda Lead 110cc While the rear wheel is driven by powertrain integrated with a continuously variable transmission (CVT) as its origin Both of them are able to provide propulsion torque separately or simultaneously Developing mathematical model and simulation of hybrid powertrain system and energy storage systems of HEM are purpose of this study A rule-based structure is used to design the power split controller of the proposed HEM Fuel economy and performance characteristics of the proposed design will be evaluated by a dynamic simulation model in Matlab /Simulink In addition, optimal control problems of HEM will be solved

The results of simulation in Matlab/Simulink using 4 typical urban driving cycles show that HEM’s performance characteristics are as well as original one However, it consumes 0,15 l of fuel per 100 km more than the others Unless using charging mode, the improvement of fuel consumption will be 0,31 l/100 km over a distance of 84,8 km Therefore, renovating a traditional motorcycle as a plug – in HEM is a better choice

The results of power split optimization show that fuel consumption of plug –

in HEM is just 2,11 l per 100 km now and 0,58 l less than original motorcycle Beside that, the total using distance of plug – in HEM is 48,49 km It satisfies regular using conditions in Vietnamese cities

MỤC LỤC

TRANG

1.4.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết 5

1.5 Tình hình nghiên cứu đề tài trong và ngoài nước 5

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 6

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ

PHỎNG XE HYBRID

11

2.2 Cấu trúc hệ thống truyền lực hybrid xăng – điện 13

2.3 Các thành phần của hệ thống truyền lực và hệ thống lưu trữ năng

2.4 Phương pháp cải tạo xe nền Honda Lead 110cc thành xe máy

2.5 Cơ sở lý thuyết về mô hình hóa và mô phỏng 33

2.5.1 Các khái niệm cơ bản về mô hình hóa và mô phỏng 33

2.5.2 Vai trò của phương pháp mô hình hóa hệ thống 34

Chương 3: MÔ HÌNH HÓA XE MÁY HYBRID XĂNG – ĐIỆN VÀ

MÔ PHỎNG VỚI THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHÂN PHỐI

CÔNG SUẤT RULE – BASED CONTROL

37

3.2 Mô hình hóa động cơ đốt trong và hệ thống truyền lực 38

3.5 Mô hình hóa động lực học thân xe 43

3.6 Mô hình hóa bộ điều khiển phân phối công suất kiểu Rule – based

3.7 Mô phỏng xe máy hybrid với bộ điều khiển dùng Rule – based

Chương 4: TỐI ƯU HÓA THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHÂN

4.2 Phương pháp quy hoạch động giải bài toán tối ưu rời rạc 57

4.2.1 Bài toán điều khiển tối ưu hóa động rời rạc 57

4.2.2 Phương pháp quy hoạch động giải bài toán điều khiển tối

4.3 Ứng dụng phương pháp quy hoạch động giải bài toán tối ưu phân

phối công suất xe máy plug – in hybrid xăng – điện 58

4.3.1 Bài toán tối ưu hóa phân phối công suất xe máy plug – in

hybrid xăng – điện theo một quá trình chạy biết trước 59

4.3.2 Bài toán tối ưu hóa điều khiển phân phối công suất xe máy

PHỤ LỤC 1: MÔ HÌNH VÀ CODE TRONG CHƯƠNG TRÌNH

PHỤ LỤC 2: HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CÁC

BẢNG TRA SỐ LIỆU

89

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT/KÝ HIỆU KHOA

e Sai lệch giữa vận tốc chu trình và vận tốc mô phỏng

Gfuel Tổng lượng nhiên liệu tiêu hao (g)

Jπ Giá trị hàm mục tiêu khi thực hiện theo quy luật

điều khiển π

Jk* Cực tiểu của hàm mục tiêu J tại trạng thái thứ k

P và công suất yêu cầu thời điểm ngay sau đó

là j demand

P trong các chu trình chạy thử được khảo sát

có chế độ sạc

l

i demand

P sang j

demand

P tại tốc độ Vl

p xx’ Xác suất chuyển từ trạng thái x sang x’

Tin1, Tin2 Moment tại hai đầu vào bộ chia công suất (Nm)

_

Tout CVT Moment cản tại pulley bị động hộp số CVT

ωin1, ωin2 Tốc độ góc tại hai đầu vào bộ chia công suất (rad/s)

ωe min, ωe max Giới hạn hoạt động của tốc động động cơ (rad/s)

_

in CVT

out Tốc độ góc tại đầu ra bộ chia công suất (rad/s)

WCO, WHC, WNOx Nồng độ khí thải CO, HC, NOx

AC – Alternating Current Dòng điện xoay chiều

ADVISOR – ADvanced

VehIcle SimulatOR

Công cụ mô phỏng xe hybrid ADVISOR

BLDC – BrushLess DC Động cơ điện một chiều không chổi than

BEMF –

Back Electromotive Force

Suất điện động ngược

BSFC - Brake Specific Fuel

DC – Direct Current Dòng điện một chiều

ESS – Energy Storage System Hệ thống lưu trữ năng lượng

EV – Electric Vehicle Xe điện

HEM – Hybrid Electric

Motorcycle

Xe môtô lai điện

HEV – Hybrid Electric

Xe lai điện có thể sạc bằng nguồn điện ngoài

SOC – State Of Charge Trạng thái nạp

THS – Toyota Hybrid System Hệ thống hybrid của hãng Toyota

Hình 1.2: Mô hình cơ bản trong nghiên cứu của Patrick Wilson Cross 9

Hình 1.3: Mô hình xe Honda Insight trong ADVISOR 10

Hình 2.1: Bản đồ suất tiêu hao nhiên liệu và điểm hoạt động của động

cơ trong chu trình vận hành ở đường đô thị EPA FTP75

12

Hình 2.2: Bản đồ suất tiêu hao nhiên liệu và điểm hoạt động của động

cơ trong chu trình vận hành ở đường cao tốc EPA FTP75

12

Hình 2.4: Hệ thống truyền lực hybrid kiểu nối tiếp trên ô tô 15

Hình 2.5: Hệ thống truyền lực hybrid song song với động cơ điện đặt

đồng trục với trục khuỷu, phía trước hộp số trên xe Honda Insight

Hình 2.8: Hệ thống truyền lực plug – in hybrid hỗn hợp 19

Hình 2.9: Một số loại khớp nối moment trên xe hybrid 23

Hình 2.10: Một số loại khớp nối tốc độ trên xe hybrid 24

Hình 2.11: Motor BLDC trên Honda Civic Hybrid 25

Hình 2.12: Phương pháp điều khiển BLDC motor trên xe hybrid 26

Hình 2.13: Motor điện xoay chiều cảm ứng trên Toyota Prius 27

Hình 2.14: Đồ thị moment xoắn motor theo độ trượt ứng với giá trị

điện áp khác nhau

27

Hình 2.15: Động cơ điện tích hợp trong bánh xe của xe điện hai bánh 28

Hình 2.16: Xe máy điện với động cơ điện tích hợp trong bánh xe sau 28

Hình 2.17: Phương án cải tạo xe nền Honda Lead 110cc thành xe

hybri

31

Hình 2.18: Cấu trúc của xe hybrid sau cải tạo 31

Hình 3.1: Các bản đồ động cơ và hệ thống truyền lực Honda Lead

110cc

39

Hình 3.2: Bản đồ hiệu suất và moment xoắn cực đại motor điện 41

Hình 3.3: Sơ đồ khối motor điện khi sinh ra công suất kéo 41

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán phân phối công suất 46

Hình 3.5: Bản đồ suất tiêu hao nhiên liệu và giới hạn công suất Peff_min

– Peff_max

47

Hình 3.6: Mô hình xe máy hybrid trong Matlab/Simulink 48

Hình 3.7: So sánh giữa tốc độ mô phỏng và tốc độ chu trình ECE 48

Hình 3.8: Phân phối công suất giữa motor điện và động cơ đốt trong ở

Hình 3.12: So sánh tốc độ tiêu hao nhiên liệu (g/s) của động cơ xăng

trên xe nền và trên xe hybrid ở chế độ bình thường

52

Hình 3.13: So sánh tốc độ tiêu hao nhiên liệu (g/s) của động cơ xăng

trên xe nền và trên xe hybrid ở chế độ sạc

52

Hình 4.1: Ví dụ bài toán đường đi ngắn nhất 55

Hình 4.2: Ví dụ bài toán đường đi ngắn nhất 56

Hình 4.3: Đồ thị xác suất chuyển công suất ở tốc độ 20 km/h đối với

xe hybrid khi có một người trên xe

62

Hình 4.4: Đồ thị xác suất chuyển công suất ở tốc độ 40 km/h đối với

xe hybrid khi có một người trên xe

Hình 4.9: So sánh tốc độ chu trình JAPAN 10 – 15 MODE với tốc độ

mô phỏng với thuật toán phân phối công suất tối ưu

65

Hình 4.10: So sánh tốc độ chu trình JAPAN 10 – 15 MODE với tốc độ

mô phỏng với thuật toán phân phối Rule – based control

65

Hình 4.11: Phân phối công suất giữa động cơ đốt trong và motor điện

khi chạy theo chu trình JAPAN 10 – 15 MODE với thuật toán phân

phối công suất tối ưu

66

Hình 4.12: Phân phối công suất giữa động cơ đốt trong và motor điện

khi chạy theo chu trình JAPAN 10 – 15 MODE với thuật toán phân

phối Rule – based control

66

Hình 4.13: Sự thay đổi mức SOC, lượng tiêu hao nhiên liệu trên 1s và

tổng lượng nhiên liệu tiêu hao sau một chu trình JAPAN 10 – 15

MODE với thuật toán phân phối công suất tối ưu

67

Hình 4.14: Sự thay đổi mức SOC, lượng tiêu hao nhiên liệu trên 1s và

tổng lượng nhiên liệu tiêu hao sau một chu trình JAPAN 10 – 15

MODE với thuật toán phân phối công suất Rule – based control

68

Hình 4.15: So sánh tốc độ chu trình WVUCITY với tốc độ mô phỏng

với thuật toán phân phối công suất tối ưu

69

Hình 4.16: So sánh tốc độ chu trình WVUCITY với tốc độ mô phỏng

với thuật toán phân phối Rule – based control

69

Hình 4.17: Phân phối công suất giữa động cơ đốt trong và motor điện

khi chạy theo chu trình WVUCITY với thuật toán phân phối công suất

tối ưu

70

Hình 4.18: Phân phối công suất giữa động cơ đốt trong và motor điện

khi chạy theo chu trình WVUCITY với thuật toán phân phối Rule –

based control

70

Hình 4.19: Sự thay đổi mức SOC, lượng tiêu hao nhiên liệu trên 1s và

tổng lượng nhiên liệu tiêu hao sau một chu trình WVUCITY với thuật

toán phân phối công suất tối ưu

71

Hình 4.20: Sự thay đổi mức SOC, lượng tiêu hao nhiên liệu trên 1s và

tổng lượng nhiên liệu tiêu hao sau một chu trình WVUCITY với thuật

toán phân phối công suất Rule – based control

71

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 : So sánh các loại ắc quy sử dụng cho xe hybrid 20

Bảng 2.2: Thông số của xe nền Honda Lead 110cc và xe hybrid sau

Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng xe máy plug – in hybrid với bộ điều

khiển dùng thuật toán phân phối công suất tối ưu

72

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài:

Nồng độ các khí nhà kính trong bầu khí quyển vẫn đang đều đặn tăng thêm từng năm trong khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ thì ngày càng cạn kiệt Các nghiên cứu gần đây cho thấy gần một phần ba khí thải nhà kính trên thế giới có nguồn gốc từ quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch của động cơ đốt trong dùng trên các phương tiện giao thông vận tải [1] Ở các thành phố lớn của Việt Nam, do không gian hạn chế, mật độ dân số cao, cùng với chi phí kinh tế và tính tiện lợi cao hơn các phương tiện giao thông khác, xe máy được sử dụng làm phương tiện di chuyển cá nhân mang tính phổ biến Nguồn phát thải của phương tiện này hiện nay chiếm một phần lớn trong tổng phát thải của các phương tiện giao thông Lượng khí thải, bụi… gây ô nhiễm cũng tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển về số lượng của các phương tiện giao thông đường bộ Việc gia tăng số lượng ô tô, xe máy mỗi năm tăng lượng phát thải các phần tử CO lên 18%, SOx là 24%, NOx lên tới 90% [2]

Hình 1.1: Tỉ lệ phát thải của các loại phương tiện giao thông ở Việt Nam

Sự phát thải của các phương tiên xe cơ giới không chỉ phụ thuộc vào số lượng

mà còn phụ thuộc vào chất lượng các loại xe Đối với các phương tiện như xe ô tô,

xe máy qua nhiều năm sử dụng có chất lượng thấp, hiệu quả sử dụng năng lượng thấp, nồng độ chất gây ô nhiễm và bụi trong khí xả cao… là nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng Xét trên cùng một chiều dài quãng đường di chuyển, xe máy có lượng tiêu hao nhiên liệu và phát thải thấp hơn so với xe ô tô [3] Nhưng xét về mặt hiệu quả năng lượng, suất tiêu hao nhiên liệu BSFC (g/kWh) của xe máy lại cao hơn ô tô, nguyên nhân chủ yếu là do kết cấu động cơ dung tích nhỏ kém tối ưu hơn Đồng thời

xe máy chủ yếu được sử dụng trong điều kiện đường thành phố với dải tốc độ và tải thấp, tăng giảm tốc độ liên tục; do đó động cơ xăng hầu như không thể duy trì hoạt động ở vùng hiệu suất cao Cùng với việc không thể trang bị bộ xử lý khí thải như trên xe ô tô nên khí thải của xe máy chứa nhiều thành phần độc hại không được xử lý trước khi phát thải trực tiếp ra môi trường Do vậy, kinh tế nhiên liệu và giảm thiểu phát thải là bài toán cấp thiết đặt ra đối với phương tiện giao thông, đặc biệt là đối với xe máy, phương tiện giao thông phổ biến nhất

Xe lai, hay xe hybrid, được định nghĩa là xe có sử dụng kết hợp hai nguồn năng lượng, được xem là một sự chuyển đổi lý tưởng từ xe chạy bằng nhiên liệu dầu

mỏ sang xe chạy bằng nhiên liệu thay thế Trong đó, xe hybrid xăng – điện là loại phổ biến và thực tiễn nhất hiện nay Xe hybrid đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, tính kinh tế nhiên liệu tăng lên đáng kể trong khi tính năng vận hành không thay đổi nhiều so với xe truyền thống Sự kết hợp ưu điểm của hai nguồn động lực tạo ra từ xăng và điện giúp khắc phục nhược điểm tồn tại của mỗi nguồn khi hoạt động riêng rẽ Giải pháp cải tạo xe máy truyền thống thành xe máy hybrid là một giải pháp khả thi, tận dụng được lượng xe máy vẫn đang hoạt động, chuyển đổi để đạt hiệu quả kinh tế nhiên liệu và phát thải tốt hơn mà không cần chế tạo phương tiện giao thông hoàn toàn mới

Các nghiên cứu về xe máy hybrid hai bánh cũng thu hút được sự quan tâm của các hãng sản xuất xe máy và các nhà khoa học trên thế giới Gần đây vào năm 2012, hãng xe máy Ấn Độ Hero Motor đã giới thiệu dòng xe tay ga hybrid mới Hero Leap, động cơ chạy xăng có thể vừa giúp xe chạy, vừa sạc được pin cho xe Ở trong nước, trong khuôn khổ đề tài mã số C2015-20-35, trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí

Minh đề xuất phương án tích hợp công nghệ hybrid trên xe nền Honda Lead 110cc Phương án đưa ra là sử dụng động cơ điện đặt trong bánh trước làm nguồn động lực thứ hai, bên cạnh bánh sau được dẫn động bằng động cơ đốt trong nguyên bản Vấn

đề đặt ra là với sự thay đổi về kích thước, trọng lượng, công suất… của xe sau cải tạo, liệu xe có đáp ứng được tính năng động lực học yêu cầu như xe nguyên bản hay không? Phương án điều khiển phân phối công suất là gì và hiệu quả kinh tế nhiên liệu cũng như phát thải của xe sau cải tạo ra sao? Và thuật toán điều khiển tốt nhất để nâng cao các chỉ tiêu động lực học, kinh tế nhiên liệu, phát thải là gì? Trước khi thi công cải tạo, chuyển đổi xe nền thành xe hybrid, các vấn đề này cần phải được làm rõ để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của việc chuyển đổi, tránh việc thực hiện mò mẫm, lãng phí

Việc tiến hành mô hình hóa sử dụng công cụ mô phỏng như Matlab – Simulink

là một trong những cách tiếp cận hiệu quả để đánh giá tính năng động lực học, tính hiệu quả kinh tế của xe sau cải tạo so với xe nền Trong nghiên cứu này, mô hình hệ thống truyền lực hybrid và hệ thống lưu trữ năng lượng được xây dựng thông qua các liên hệ toán học và bản đồ thực nghiệm Mô hình được mô phỏng bằng công cụ Matlab – Simulink để đánh giá tính hiệu quả và khả thi của xe sau cải tạo Ngoài ra, một phương pháp điều khiển giản đơn và cơ sở lý thuyết cho chiến lược quản lý và phân phối năng lượng hiệu quả sẽ được đề xuất nhằm mục đích cuối cùng là tối ưu hóa tính kinh tế nhiên liệu và giảm mức phát thải của xe máy hybrid Các kết quả mô phỏng sẽ được đánh giá theo các chu trình chạy thử nghiệm gồm: Japan 10 – 15 Mode, ECE R15, INDIA URBAN và WVUCITY Các chu trình này khá phù hợp với điều kiện giao thông thành phố tại Việt Nam, xét về giới hạn tốc độ, tần số tăng – giảm tốc độ, quãng đường duy trì tốc độ ổn định và thời gian cầm chừng, v.v… Các nội dung mà mô phỏng quan tâm bao gồm: Mức độ đáp ứng tốc độ yêu cầu của chu trình, công suất kéo yêu cầu, công suất cung cấp bởi động cơ, công suất cung cấp bởi motor tại từng thời điểm của chu trình, sự thay đổi mức SOC, hàm lượng các khí thải, tiêu hao nhiên liệu và quãng đường di chuyển khi xe chạy theo chu trình đó Các kết quả này được so sánh giữa xe nền, xe máy hybrid với thuật toán điều khiển đề xuất và xe

máy hybrid với thuật toán điều khiển là lời giải bài toán tối ưu hóa Qua đó, đánh giá được tính hiệu quả, khả thi của phương án cải tạo và đề xuất được hướng cải tạo phù hợp

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài:

1.2.1 Mục tiêu của đề tài:

Mục tiêu của đề tài này gồm ba phần:

 Đầu tiên là phát triển mô hình động lực học của hệ thống truyền lực và

hệ thống lưu trữ năng lượng của xe máy hybrid được đề xuất

 Hai là mô phỏng hoạt động của xe máy hybrid theo các chu trình chạy thử nghiệm với thuật toán điều khiển phân phối đề xuất và thuật toán điều khiển tối

ưu Qua đó, đưa ra các đánh giá về tính hiệu quả của xe hybrid và ứng dụng trong việc mô phỏng, thiết kế xe hybrid

1.2.2 Nhiệm vụ của đề tài:

 Nghiên cứu lý thuyết về xe hybrid, phân loại, cấu trúc và hoạt động của

xe hybrid, xe máy hybrid và cơ sở lý thuyết của mô hình hóa và mô phỏng

 Xây dựng mô hình toán học các bộ phận trong hệ thống truyền lực xe máy hybrid, mô hình toán học hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe và đề xuất phương pháp điều khiển phân phối công suất

 Giải bài toán tối ưu hóa thuật toán phân phối công suất

 Thực hiện mô phỏng mô hình toán xe hybrid bằng Matlab/Simulink với các phương pháp điều khiển phân phối công suất được nghiên cứu

 So sánh kết quả và đưa ra kết luận về các kết quả mô phỏng

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu:

 Hệ thống truyền lực và hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe máy hybrid

xăng điện được cải tạo từ xe nền Honda Lead 110cc

 Mô hình toán học các bộ phận trong hệ thống truyền lực và lưu trữ năng

lượng trên xe cải tạo

 Phương pháp điều khiển phân phối công suất Rule – based control

 Phương pháp quy hoạch động giải bài toán tối ưu hóa

 Công cụ tính toán và mô phỏng Matlab/Simulink

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu trong giới hạn mô hình hóa, mô phỏng và điều khiển xe máy hybrid xăng điện được cải tạo trên nền Honda Lead 110cc đang được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong tại trường Đại học Bách Khóa Tp Hồ Chí Minh

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

1.4.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết:

Mục đích: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về xe hybrid và phương pháp mô hình hóa

và mô phỏng

Cách tiến hành: Tham khảo, nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu đã được công nhận có liên quan đến đề tài

1.4.2 Phương pháp toán học:

Mục đích: Xử lý các kết quả nghiên cứu

Cách tiến hành: Sử dụng toán học như một công cụ thống kê để đánh giá, phân tích kết quả mô phỏng

1.4.3 Phương pháp mô hình hóa:

Mục đích: Xây dựng mô hình toán các bộ phận trong hệ thống

Cách tiến hành: Tính toán, xây dựng mô hình toán hệ thống truyền lực và hệ thống lưu trữ năng lượng và điều khiển trên xe hybrid Tiến hành mô phỏng từ các

mô hình toán này bằng công cụ Matlab/Simulink

1.4.4 Phương pháp thực nghiệm:

Mục đích: Xây dựng các bản đồ thực nghiệm các bộ phận

Cách tiến hành: Đo đạc, thử nghiệm trên băng thử động cơ, động cơ điện, ắc quy… để thu được bảng số liệu xây dựng bản đồ thực nghiệm

1.5 Tình hình nghiên cứu đề tài trong và ngoài nước:

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Theo như tìm hiểu của tác giả thì ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào về mô hình hóa hay mô phỏng xe hybrid Trong lĩnh vực xe hybrid hai bánh, đã

có một số đề tài tiến hành chế tạo, cải tạo nhưng thiếu cơ sở tính toán, đánh giá hiệu quả của sản phẩm Mặc khác chưa đưa ra được phương pháp điều khiển phù hợp cho

xe hybrid Nói rộng ra cho cả lĩnh vực xe điện và xe hybrid, nước ta hiện đang rất thiếu các công trình nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Trên thế giới, các nghiên cứu về mô hình hóa và mô phỏng xe lai đã được thực hiện nhiều cho cả ô tô và xe máy ; trong đó, các nghiên cứu về xe máy lai chủ yếu tập trung ở các quốc gia có lượng phương tiện này cao như Trung Quốc, Đài Loan Hầu hết các công trình công bố chưa đưa ra được đáp án tổng thể cho bài toán tối ưu hóa phân phối công suất trên xe máy lai; hơn nữa, các mô phỏng thực hiện theo các điều kiện vận hành có thể không phù hợp với điều kiện giao thông tại Việt Nam Một

số công trình tiêu biểu:

 “Modeling and Control of Hybrid Electric Motorcycle with Driven Wheel Motor” – Bo-Chiuan Chen, Yuh-Yih Wu, Ying-Da Huang, and Chung-Neng Huang

Direct-Một xe máy hybrid xăng – điện với động cơ điện đặt trực tiếp ở bánh trước được đề xuất trong nghiên cứu Bánh sau được dẫn động bằng động cơ đốt trong thông qua hệ thống truyền lực đã được điều chỉnh kết cấu Cấu trúc của xe là kiểu hybrid song song Cả hai bánh xe có thể cung cấp lực kéo đồng thời để dẫn động xe khi cần thiết Thuật toán Rule – based control được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển phân phối công suất cho xe hybrid đề xuất Đặc tính kinh tế của xe được đánh giá thông qua mô phỏng trong Matlab/Simulink theo chu trình chạy thử ECE R40 Kết quả cho thấy xe máy hybrid xăng – điện cho hiệu quả tiêu hao nhiên liệu tốt hơn xe nền nhưng không đáng kể Kết quả chỉ thu được khi mô phỏng theo một chu trình nên chưa thuyết phục Nghiên cứu cũng chưa đưa ra được phương pháp phân phối công suất hiệu quả hơn và cũng chưa tính tới cấu hình plug – in hybrid

 “Modeling and Simulation of a Hybrid Scooter” – W K Yap, and V Karri

Nghiên cứu trình bày mô hình xe hybrid xăng – điện đã được phát triển và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink Xe có cấu trúc hybrid song song, với hai nguồn động lực gồm động cơ đốt trong hai thì dẫn động bánh sau qua bộ truyền lực CVT và động cơ điện đặt đồng trục bánh xe trước Phương pháp để đánh giá và phát triển phương pháp điều khiển phân phối công suất là mô phỏng trên nhiều chu trình khác nhau Các kết quả chỉ ra rằng mô hình được phát triển khả thi và có giá trị Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc phân tích các chế độ hoạt động, sự phân phối công suất trong quá trình chạy theo chu trình Tính kinh tế nhiên liệu chưa được đánh giá và phương pháp điều khiển tối ưu chưa được xây dựng

 “Simulation for the analysis of a hybrid electric scooter powertrain” – Kuen-Bao Sheu

Bài báo này mô tả các mô hình toán học, phân tích và mô phỏng một hệ thống truyền lực mới được xây dựng cho xe tay ga Điểm nổi bật của hệ thống truyền lực hybrid này là sử dụng một bộ phận phân phối công suất gồm một bộ bánh răng hành tinh một bậc tự do và một bộ bánh răng hành tinh hai bậc tự do để kết hợp sức mạnh của hai nguồn động lực Mô hình chi tiết các bộ phận được thiết lập trong Matlab/Simulink Một phương pháp điều khiển phân phối công suất đơn giản được

đề xuất Hiệu quả được đánh giá qua việc mô phỏng theo bốn chu trình đề xuất Các kết quả mô phỏng chứng minh xe hybrid đề xuất có khả năng hoạt động hiệu quả dưới nhiều điều kiện khác nhau

 “A Stochastic Control Strategy for Hybrid Electric Vehicles” – Chiao Lin, Huei Peng, and J.W Grizzle

Chan-Trong nghiên cứu này, vấn đề quản lý và phân phối công suất trên ô tô hybrid được giải quyết trên quan điểm ngẫu nhiên Hàm tối ưu hóa động lực ngẫu nhiên vô hạn được xây dựng Yêu cầu công suất của người lái được mô phỏng như một quá trình Markov ngẫu nhiên Sau đó, bài toán tối ưu hóa được giải theo phương pháp quy hoạch động ngẫu nhiên Kết quả mô phỏng theo các chu trình chuẩn và chu trình

ngẫu nhiên được trình bày để chứng minh hiệu quả của phương pháp thu được từ lời giải bài toán tối ưu hóa Tuy nhiên, nghiên cứu thực hiện trên mô hình ô tô hybrid xăng – điện và nhiều chu trình từ thành phố đến cao tốc nên khó áp dụng kết quả cho

mô hình xe máy hybrid và cũng không phù hợp với điều kiện giao thông đô thị Việt Nam

 “Modeling and Control of a Power-Split Hybrid Vehicle” – Jinming Liu and Huei Peng

Hệ thống hybrid của Toyota – THS – hiện đang được sử dụng trên xe hybrid bán chạy nhất hiện nay là Toyota Prius Hệ thống truyền lực hybrid này gồm một bộ bánh răng hành tinh phân chia công suất giữa động cơ đốt trong và động cơ điện trong bài báo này, tác giả đã phát triển một mô hình động lực học của hệ thống truyền lực THS để xây dựng thuật toán phân phối công suất Hai thuật toán điều khiển được giới thiệu là: dựa vào phương pháp quy hoạch động ngẫu nhiên, và thuật toán khác là dựa vào phương pháp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ tương đương Cả hai thuật toán đều xác định công suất động cơ từ hiệu quả tổng thể xe và sử dụng động cơ điện để tối ưu hóa hoạt động của động cơ đốt trong Kết quả được so sánh để tạo ra các tiêu chuẩn lý thuyết cho điều khiển tối ưu phân phối công suất hệ thống THS Các hệ thống truyền lực hybrid kiểu khác không được nghiên cứu trong bài báo này

 “Modeling and Simulation for Hybrid Electric Vehicles” - Xiaoling He and Jeffrey W Hodgson

Bài viết đề cập đến một mô hình dành cho mô phỏng xe hybrid xăng điện song song và mô hình cụm pin trên xe Mô hình cũng được mở rộng đến xe điện và xe ô

tô truyền thống Qua đó, định hướng các kết quả dự đoán về hiệu suất xe và phát triển

hệ thống điều khiển thông minh cho xe và hệ thống nguồn Tuy nhiên, phạm vị của nghiên cứu chỉ tập trung nhiều vào bộ nguồn cao áp trên xe hybrid song song trên ô

tô

 “Modeling and simulation of the complete electric power train of a Hybrid electric vehicle” - Prathviraj Shetty and S Dawnee

Bài báo trình bày mô hình toàn bộ hệ thống truyền lực điện của xe hybrid, chủ yếu là lựa chọn, thử nghiệm motor điện có đặc tính phù hợp nhất với hoạt động của

xe hybrid Trong nghiên cứu này là motor đồng bộ dùng nam châm vĩnh cửu Các mô hình và mô phỏng được xây dựng bằng Matlab/Simulink và kết quả thu được là một

hệ thống truyền công suất điện hiệu quả cho các ứng dụng trên xe hybrid xăng điện

 “System modeling and energy management strategy development for series hybrid vehicles” - Patrick Wilson Cross

Hình 1.2: Mô hình cơ bản trong nghiên cứu của Patrick Wilson Cross

Đề tài thạc sĩ khoa học của Patrick Wilson Cross tại George W Woodruff School of Mechanical Engineering trình bày một phương pháp mô hình hóa và mô phỏng xe hybrid nối tiếp bằng Matlab Simulink Mô hình này đã được sử dụng để thử nghiệm nhiều chiến lược quản lý năng lượng trên xe hybrid nối tiếp Tuy nhiên mô hình chỉ giới hạn động cơ đốt trong ở 2 trạng thái là ON và OFF Trong khi đó, việc điều khiển sao cho động cơ hoạt động ở vùng hiệu suất tối ưu mới đem lại hiệu quả cao nhất cho xe hybrid

 “Modelling, Simulation, Testing, and Optimization of Advanced

Hybrid Vehicle Powertrains” – Jeffrey Daniel Wishar

Đề tài nghiên cứu sinh của tác giả Jeffrey Daniel Wishar tại trường đại học

Victoria xây dựng các mô hình toán các khối bộ phận trong cấu trúc xe hybrid Với

sự giúp đỡ của phần mềm ADVISOR Kết quả đề tài là phương pháp xây dựng chiến

lược quản lý năng lượng và điều khiển để đạt mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất Tuy

nhiên, đề tài phải phụ thuộc vào công cụ ADVISOR, vẫn thiếu chiến lược điều khiển

động cơ đốt trong tối ưu

 “Modeling and Simulation of Hybrid Electric Vehicles” – Yuliang

Leon Zhou

Đề tài thạc sĩ tại University of Science & Tech Beijing của tác giả Yuliang

Leon Zhou đã xây dựng các mô hình toán và mô phỏng hệ thống truyền lực hybrid

trên 2 nền tảng Matlab/Simulink và Modelica/Dymola Tuy nhiên, mô hình tích hợp

cả hệ thống vẫn chưa được hoàn thiện và tác giả chỉ mới đánh giá được hiệu quả ở 2

chế độ hoạt động của xe

 Phần mềm mô phỏng xe hybrid ADVISOR:

ADVISOR (NREL’s ADvanced VehIcle SimulatOR) là một tập hợp các mô

hình, dữ liệu và tập lệnh trong Matlab/Simulink Nó được sử dụng để phân tích nhanh

chóng tính năng và hiệu quả của một số xe điện và xe hybrid cụ thể Rất nhiều trường

đại học cũng như các tập đoàn ô tô thế giới sử dụng ADVISOR ADVISOR là một

công cụ để phân tích, không phải để thiết kế, cải tiến Mô hình hệ thống sử dụng trong

ADVISOR chỉ phù hợp nhất với xe ô tô hybrid loại power-split

Hình 1.3: Mô hình xe Honda Insight trong ADVISOR

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ

PHỎNG XE HYBRID

2.1 Khái niệm xe hybrid

Nhìn chung, trên một chiếc xe có thể có hơn một nguồn năng lượng và bộ chuyển đổi năng lượng (nguồn công suất), chẳng hạn như một hệ thống động cơ nhiệt dùng xăng (hoặc diesel), hệ thống hydrogen – pin nhiên liệu – motor điện, hệ thống

ắc quy điện hóa – motor điện,…Một xe mà có hai hoặc hơn hai nguồn năng lượng và

bộ chuyển đổi năng lượng thì được gọi là xe lai, hay hybrid Một chiếc xe hybrid với một bộ dẫn động điện thì được gọi là xe lai điện – HEV

Các phương tiện truyền thống với động cơ đốt trong cho đặc tính hoạt động tốt và thời gian hoạt động lâu dài nhờ vào ưu điểm của nhiên liệu từ dầu mỏ Tuy nhiên, các phương tiện sử dụng ICE có nhược điểm về tính kinh tế nhiên liệu và ô nhiễm không khí Lý do chính gây nên tính kinh tế nhiên liệu kém là:

 Đặc tuyến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ không phù hợp với yêu cầu

hoạt động thực tế (thể hiện trên Hình 2.1 và Hình 2.2).

 Động năng của xe bị mất đi trong suốt quá trình phanh, đặc biệt khi xe chạy trong thành thị

 Hiệu suất của hộp số truyền động thủy lực thấp đối với các xe thường xuyên hoạt động ở chế ngừng liên tục

Mặt khác, các xe điện có một số ưu điểm hơn động cơ đốt trong truyền thống như hiệu suất năng lượng cao hơn và không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, về đặc tính hoạt động, đặc biệt giới hạn hoạt động trên một lần sạc ắc quy thì thua xa so với xe sử dụng ICE, do năng lượng chứa trong ắc quy thấp hơn so với năng lượng chứa trong xăng Xe hybrid điện sử dụng hai nguồn năng lượng – một nguồn năng lượng sơ cấp và một nguồn năng lượng thứ cấp – nó có ưu điểm của cả hai xe sử dụng

EV và ICE đồng thời khắc phục được các nhược điểm của chúng

Hình 2.1: Bản đồ suất tiêu hao nhiên liệu và điểm hoạt động của động cơ trong chu

trình vận hành ở đường đô thị EPA FTP75 [5]

Hình 2.2: Bản đồ suất tiêu hao nhiên liệu và điểm hoạt động của động cơ trong chu

trình vận hành ở đường cao tốc EPA FTP75 [5]

Một động cơ đốt trong có hiệu suất tốt nhất khi hoạt động ở chế độ bướm ga

mở rộng, theo đường hoạt động tối ưu thể hiện trên Hình 2.1 và 2.2 Hoạt động ngoài

phạm vi đó hiệu suất của xe sẽ giảm rất nhiều Mặt khác, sự giảm hiệu suất của motor điện thì không gây hại nhiều so với ICE khi hoạt động ngoài vùng tối ưu Công suất tải của xe thay đổi ngẫu nhiên trong quá trình hoạt động thực tế do sự tăng tốc, giảm tốc, và lên dốc xuống dốc xảy ra thường xuyên Có thể xem công suất tải này gồm hai thành phần: một là công suất trung bình có giá trị không đổi và công suất động học có giá trị trung bình bằng không [4] Trong định hướng phát triển xe hybrid, một

bộ phận truyền công suất có xu hướng hoạt động với chế độ không đổi, như động cơ

đốt trong – pin nhiên liệu có thể được dùng để cung cấp công suất trung bình Mặt khác, bộ truyền công suất còn lại như motor điện có thể được dùng để cung cấp công suất động lực Tổng năng lượng đầu ra từ bộ truyền công suất động lực bằng không trong cả chu trình dẫn động Trên xe hybrid, công suất ổn định có thể được cung cấp bởi ICE, động cơ Stirling, pin nhiên liệu Động cơ đốt trong hoặc pin nhiên liệu có thể bé hơn nhiều so với động cơ trong mẫu thiết kế sử dụng một động cơ bởi vì công suất động lực được lấy từ nguồn công suất động lực, và có thể hoạt động ổn định trong phạm vi hoạt động hiệu quả của nó Công suất động lực có thể được cung cấp bởi motor điện được cấp nguồn bởi ắc quy điện hóa, siêu tụ, bánh đà, hoặc hợp giữa chúng

Hình 2.3: Hai thành phần của công suất tải [4]

2.2 Cấu trúc hệ thống truyền lực hybrid xăng – điện:

Về cơ bản có ba kiểu cấu trúc truyền lực hybrid xăng điện khác nhau:

 Truyền lực hybrid điện kiểu nối tiếp, trong đó động cơ dẫn động một máy phát điện, công suất phát ra của máy phát điện dùng để sạc pin và/hoặc cung cấp năng lượng điện cho motor điện Motor cung cấp moment xoắn tới các bánh xe

 Truyền lực hybrid điện song song, bánh xe được cung cấp moment bởi hoặc động cơ hoặc motor điện hoặc cả hai Các động cơ điện hoạt động như một máy phát điện để sạc pin trong thời gian phanh tái tạo hoặc khi động cơ được sản xuất nhiều công suất hơn công suất cần thiết để đẩy xe

 Truyền lực hybrid điện kiểu phức hợp: Sở hữu những ưu điểm của cả hai kiểu truyền lực nối tiếp và song song, nhưng kết cấu khá phức tạp và tốn kém

Gần đây, nhiều nghiên cứu ngành công nghiệp giao thông vận tải tập trung vào các xe Plug – in hybrid – PHEV PHEV là xe hybrid điện nhưng có thể được sạc và lưu trữ năng lượng từ lưới điện (hoặc một nguồn năng lượng tái tạo), để sinh công suất kéo cho xe Sự thay đổi chức năng đơn giản này cho phép một PHEV có thể sử dụng năng lượng điện đa nguồn để thay dầu khí, bao gồm cả các nguồn năng lượng tái tạo như gió và năng lượng mặt trời Sự thay đổi như vậy có tác động quan trọng mang lại lợi ích về tiêu thụ dầu mỏ toàn ngành giao thông vận tải, tổng lượng phát thải PHEV được xem là một trong những loại phương tiện có triển vọng nhất để cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và phát thải

2.2.1 Truyền lực hybrid điện nối tiếp:

Một kiểu HEV nối tiếp được thể hiện trong Hình 2.4 Các hệ thống truyền

động điện chỉ có nhiệm vụ cung cấp công suất kéo các bánh xe chủ động, còn cặp bộ phận động cơ – máy phát điện sạc điện cho hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) cung cấp năng lượng cho các hệ thống truyền động điện Vì thế, nhìn chung một chiếc xe hybrid điện nối tiếp là một chiếc xe điện với một máy phát điện để cung cấp năng lượng điện khi pin của xe thiếu năng lượng để vận hành Tuy nhiên, kiểu cấu trúc này đòi hỏi: dung lượng ắc quy lớn, động cơ điện cần có công suất lớn để có thể leo dốc

và tăng tốc, máy phát có công suất lớn mới có thể vừa nạp cho ắc quy vừa cung cấp điện cho động cơ điện hoạt động Khi ứng dụng lên xe máy hybrid, yêu cầu hộp số CVT của xe nền Honda Lead sẽ không được sử dụng để dẫn động bánh xe sau mà được hoán cải để truyền cơ năng đến máy phát Mô hình này thích hợp hơn với động

cơ có dung tích nhỏ (chẳng hạn 50cc), và không phù hợp với xe Honda Lead sử dụng động cơ 110cc

Hình 2.4: Hệ thống truyền lực hybrid kiểu nối tiếp trên ô tô [5]

2.2.2 Truyền lực hybrid điện song song:

Đối lập với kiểu nối tiếp, một HEV song song kết hợp công suất đầu ra ICE với công suất cơ của motor/máy phát điện Việc kết hợp công suất rất linh động, tùy thuộc vào trạng thái của các thành phần Thông thường, công suất tối đa của hệ thống truyền động điện là nhỏ hơn so với các hệ thống động từ động cơ Hệ thống truyền thông thường phải có khả năng cung cấp đầy đủ mô-men xoắn linh hoạt và hiệu quả khi kết hợp với mô-men xoắn từ động cơ điện có thể đáp ứng các yêu cầu moment xoắn để kéo xe Động cơ có thể được bật và tắt thường xuyên để đáp ứng với các thuật toán kiểm soát hệ thống Một số kiểu cấu hình HEV song song như:

 Motor/máy phát điện đặt trước hộp số

Hình 2.5: Hệ thống truyền lực hybrid song song với động cơ điện đặt đồng trục với

trục khuỷu, phía trước hộp số trên xe Honda Insight [6]

 Motor/máy phát điện đặt sau hộp số

Hình 2.6: Hệ thống truyền lực hybrid kiểu song song với động cơ điện nằm phía

sau hộp số [5]

 Motor/máy phát điện đặt trong bánh xe: Một cấu trúc đặc biệt khác của

hệ thống truyền lực hybrid song song là cấu trúc 4 bánh chủ động Thiết kế này thường

có 2 bánh sau được dẫn động bởi động cơ ICE, còn 2 bánh trước thì do motor dẫn động

Hình 2.7: Hệ thống truyền lực hybrid song song dẫn động 4 bánh trên ô tô

Trong cải tạo xe máy nền, bằng cách sử dụng motor điện đặt trong bánh trước,

cả hai bánh xe trước và sau đều có khả năng cung cấp công suất độc lập hoặc đồng thời cho xe khi di chuyển trên đường Ở dạng cấu trúc hybrid này, động cơ nhiệt sẽ dẫn động bánh sau thông qua hộp số giống cấu hình xe nguyên bản; trong khi đó, động cơ điện có hai chức năng chính, một là chuyển hóa điện năng được cung cấp từ pin thành cơ năng, hai là chuyển hóa ngược lại từ cơ năng thành điện năng để nạp lại cho pin trong chế độ phanh hãm tái sinh thông qua bộ điều khiển và phân phối công suất Ưu điểm của hybrid kiểu song song gồm: công suất của xe sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng trong trường hợp xe cần tăng tốc hoặc lên dốc, không cần dùng máy phát riêng do động cơ điện có tính lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp pin cho ắc quy, ít tổn thất cho các hệ thống truyền động trung gian, và không phải thay đổi nhiều kết cấu xe nền

2.2.3 Truyền lực hybrid điện phức hợp:

Ở loại này, xe có thể hoạt động như một chiếc hybrid nối tiếp, một chiếc hybrid song song hoặc kết hợp cả hai Kiểu cấu trúc này phụ thuộc vào sự hiện diện của hai motor/máy phát và sự kết nối giữa chúng, có thể bằng điện hoặc cơ khí Khớp nối cơ khí thường sử dụng bộ bánh răng hành tinh, được gọi là thiết bị chia công suất Một trong những ưu điểm của kiểu cấu trúc này là động cơ có thể tách ra hoàn toàn khỏi

hệ thống truyền lực Ưu điểm này bù đắp một phần cho những tổn thất trong việc chuyển đổi giữa cơ năng từ động cơ và năng lượng điện

Có nhiều biến thể khác nhau của cấu trúc hybrid phức hợp Trong đó được biết đến nhiều nhất là cấu trúc Toyota THS được sử dụng đầu tiên trên chiếc Toyota Prius Đối với xe máy, sự khác biệt của kiểu truyền động này so với kiểu hybrid song song

là sự tích hợp thêm của một máy phát riêng rẽ; động cơ nhiệt có thể dẫn động máy phát để cung cấp công suất cho động cơ điện và nạp pin cho ắc quy khi mức dung lượng xuống thấp Hệ thống là sự kết hợp cả hai hệ thống hybrid nối tiếp và song song nhằm tận dụng các lợi ích cộng gộp của mỗi hệ thống bao gồm:

 Điều khiển được động cơ nhiệt hoạt động ở chế độ tối ưu, ít phát thải khí ô nhiễm và giảm tiêu hao nhiên liệu ngay cả chế độ dẫn động máy phát

 Công suất của xe sẽ mạnh mẽ hơn do sử dụng cả 02 nguồn năng lượng kết hợp điện-xăng

 Mức độ hoạt động của động cơ điện và động cơ đốt trong cân bằng hơn

so với kiểu truyền động hybrid song song

 Bình ắc quy nhỏ gọn và nhẹ hơn so với kiểu nối tiếp

Kiểu truyền động này phù hợp với những xe máy hoạt động tần suất cao ở điều kiện đường thành phố do chế độ động cơ điện với hiệu suất cao hơn động cơ nhiệt được ưu tiên hoạt động hơn

Hình 2.8: Hệ thống truyền lực plug – in hybrid hỗn hợp [7]

2.3 Các thành phần của hệ thống truyền lực và hệ thống lưu trữ năng lượng

xe hybrid xăng – điện

So với một chiếc xe truyền thống, các thành phần chính của một chiếc xe hybrid xăng – điện bao gồm: hệ thống lưu trữ năng lượng, động cơ điện, động cơ đốt trong và hệ thống truyền lực và bộ điều khiển điện tử

2.3.1 Hệ thống lưu trữ năng lượng:

Hệ thống lưu trữ năng lượng là một trong những hệ thống quan trọng nhất trong chiếc xe hybrid, trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả của chiếc xe Có nhiều loại thiết bị tích trữ năng lượng đã được đề xuất ứng dụng trên xe hybrid xăng điện Các thiết bị tích trữ năng lượng chính gồm: ắc quy hóa học, các siêu tụ và các bánh đà cao tốc Hiện nay, ắc quy hóa học vẫn là thiết bị lưu trữ năng lượng phổ biến của xe lai điện Có rất nhiều các yêu cầu cho các thiết bị tích trữ năng lượng ứng dụng trên một phương tiện giao thông như: chỉ số năng lượng riêng, công suất riêng, hiệu suất, yêu cầu bảo dưỡng, bảo quản, giá cả, sự thích ứng thân thiện với môi trường, và an toàn Đối với trên HEV thì chỉ số năng lượng riêng ít quan trọng hơn và chỉ số công suất riêng thì được quan tâm đầu tiên Bởi vì tất cả năng lượng thì xuất phát từ nguồn hóa

năng của nhiên liệu nên việc tạo ra đủ công suất là cần thiết để đảm bảo cho tính năng hoạt động của xe, đặc biệt trong suốt quá trình tăng tốc, leo dốc, và phanh tái sinh

Ắc quy là thiết bị điện hóa chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng hóa

học suốt quá trình nạp, và chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện suốt quá trình phóng điện Một thông số quan trọng của ắc quy là trạng thái nạp – SOC SOC được định nghĩa như là tỉ số của dung lượng điện đang duy trì với dung lượng điện khi nạp đầy Với định nghĩa này thì một ắc quy nạp đầy có SOC là 100% và khi

ắc quy hoàn toàn phóng hết điện thì có SOC bằng 0% Sự thay đổi SOC trong một

khoảng thời gian dt, với dòng phóng hay dòng nạp i có thể được biểu diễn như sau:

3600

bat i

i dt SOC

i dt SOC SOC

Q



Với SOC0 là giá trị ban đầu của SOC

Các ắc quy sử dụng hiệu quả trên EV và HEV bao gồm ắc quy axit-chì, ắc quy Nickel (Ni/Fe, Ni/Cd và Ni/hydrua kim loại) và ắc quy lithium như lithium- polymer

và các ắc quy lithium-ion

Bảng 2.1 : So sánh các loại ắc quy sử dụng cho xe hybrid [8]

Acid Li-ion

Li-ion polymer Mật độ năng lượng

theo khối lượng

200 – 300 Pin 6V

<100

Ắc quy 12V

150 – 250 Pin 7,2V

200 – 300 Pin 7,2V

5C

≤0,5C

5C 0,2C

Không yêu cầu

Giá

(US$)

$50 (7,2V)

$60 (7,2V)

$25 (6V)

$100 (7,2V)

$100 (7,2V)

Giá/chu kì(US$) $0,04 $0,12 $0,10 $0,14 $0,29

Thương mại hóa từ

2.3.2 Nguồn công suất chính

Nguồn công suất chính là nguồn công suất ổn định trên xe hybrid, thông thường là động cơ đốt trong hay fuel cells Việc lựa chọn nguồn công suất chính phụ thuộc chủ yếu vào yêu cầu về tính năng lái, kinh tế nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Động cơ xăng là loại động cơ phổ biến nhất chuyển đổi năng lượng hóa thạch để

thành cơ năng để đẩy một chiếc xe Các ưu điểm chính của động cơ xăng là công suất riêng cao (tỉ lệ công suất/ trọng lượng cao), dải tốc độ lớn, và hiệu suất cao Để thực hiện thiết kế hệ thống truyền lực hybrid và phân tích hiệu suất, cần phải có được đặc tính moment xoắn hoặc công suất động cơ theo tốc độ và tiêu thụ nhiên liệu và khí thải

Hệ thống truyền lực trên xe hybrid có nhiệm vụ:

 Chuyển đổi moment xoắn và tốc độ quay từ nguồn động lực để đáp ứng công suất kéo yêu cầu của phương tiện

 Cung cấp công suất để xe tiến và lùi

 Phối hợp công suất các nguồn động lực để đạt tính kinh tế nhiên liệu và giảm lượng khí thải trong khi vẫn đáp ứng yêu cầu động lực học

Vì một chiếc xe hybrid có hai hoặc nhiều nguồn động lực với các đặc tính khác nhau, hệ thống truyền lực đóng một vai trò quan trọng hơn trong một chiếc xe thông thường để có được hiệu quả tối đa và hiệu suất tối ưu Đối với cấu trúc xe hybrid song song có động cơ điện đặt trước hộp số hoặc động cơ điện đặt ở bánh xe, cấu tạo hệ thống truyền lực của xe hybrid không khác nhiều so với xe truyền thống Nhưng đối với loại hybrid phức hợp hay kiểu song song mà động cơ điện đặt sau hộp số, cấu trúc bộ truyền trở nên phức tạp

Bộ truyền vô cấp và bộ chia công suất thường được sử dụng trong HEV Bộ chia công suất thường là các khớp nối cơ khí có thể kết nối moment hoặc tốc độ Kết nối moment làm tăng moment xoắn của động cơ và motor điện hoặc chia moment động cơ thành hai phần: dùng để đẩy xe và dùng để nạp ắc quy Một khớp nối moment bằng cơ khí có hai đầu vào Một từ động cơ và một từ motor điện Đầu ra của khớp nối cơ khí này được nối với hộp số cơ khí Nếu bỏ qua các mất mát thì moment xoắn đầu ra và tốc độ đầu ra có thể được diễn tả bằng:

Trong đó k1 và k2 là hằng số được xác định bởi các thông số của kết nối

moment Hình 2.9 liệt kê một vài loại khớp nối moment tiêu biểu

Hình 2.9: Một số loại khớp nối moment trên xe hybrid [4]

Công suất từ hai động cơ còn có thể được kết nối cùng nhau bằng khớp nối tốc

độ Các đặc tính của khớp nối tốc độ có thể được diễn tả bằng:

Trong đó k1 và k2 là các hằng số kết nối với thiết kế thực tế

Hình 2.10 thể hiện hai thiết bị kết nối tốc độ tiêu biểu: một là bộ bánh răng hành tinh

và bộ còn lại là một motor điện với stator thay đổi được

Hình 2.10: Một số loại khớp nối tốc độ trên xe hybrid [4]

2.3.3 Động cơ điện

Đông cơ điện là nguồn công suất thứ hai trong hệ thống truyền lực xe hybrid Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) và động cơ điện xoay chiều cảm ứng (AC Induction Motor) là hai loại nguồn công suất điện được sử dụng phổ biến nhất hiện nay vì các ưu điểm hiệu suất cao, ít cần bảo dưỡng và tuổi thọ lâu dài Ngoài

ra, động cơ điện tích hợp trong bánh xe được sử dụng khá nhiều trong các xe điện và

xe hybrid hai bánh và đang là xu hướng mới trong thiết kế nguồn động lực điện xe hybrid bốn bánh

2.3.3.1 Động cơ điện một chiều không chổi than:

Động cơ DC không chổi than cũng tương tự như một động cơ DC có chổi than, nhưng chức năng của rotor và stator được đảo ngược Rotor được tạo thành từ một

bộ nam châm vĩnh cửu và stator là nam châm điện được điều khiển Động cơ không chổi than không còn chổi than và cổ góp, tia lửa điện sinh ra giữa chúng cũng được loại bỏ với thiết kế không chổi than Tia lửa điện này không chỉ làm giảm tuổi thọ sử dụng của động cơ, mà còn tạo ra nhiễu điện từ Điều đó ảnh hưởng không tốt cho các

hệ thống điều khiển điện tử hiện đại

Thay thế cho chổi than, một mạch điện tử điều khiển dòng điện vào các cuộn dây stator khác nhau khi cần thiết để giữ cho rotor quay Sự đảo chiều của dòng điện

qua các cuộn dây được thực hiện bởi các transistor công suất điều khiển chuyển đổi theo vị trí của rotor Nhiều động cơ DC không chổi than sử dụng cảm biến Hall để theo dõi vị trí của rotor Một số động cơ khác giám sát BEMF trong cuộn dây để xác định vị trí của rotor Hiện nay để điều khiển dòng điện qua các cuộn dây stator, phương pháp điều chế độ rộng xung được sử dụng chủ yếu

Động cơ không chổi than, khi so sánh với động cơ có chổi than, đáng tin cậy hơn, mạnh hơn, nhưng cũng đắt hơn Chi phí cao chủ yếu là do các chi phí của các thiết bị điều khiển điện tử

Hình 2.11: Motor BLDC trên Honda Civic Hybrid

Hình 2.12: Phương pháp điều khiển BLDC motor trên xe hybrid [5]

2.3.3.2 Động cơ điện xoay chiều cảm ứng:

Các động cơ điện công nghiệp phổ biến nhất là các động cơ xoay chiều cảm ứng ba pha (hay còn goi là động cơ không đồng bộ 3 pha) Động cơ này có chi phí thấp và thiết kế đơn giản Động cơ hoạt động trên nguyên tắc luân chuyển từ trường trong cuộn dây stator Stator có ba cuộn dây phân cách bằng 1200 Stator nối với nguồn điện và các rotor.Dòng điện xoay chiều 3 pha tạo ra một từ trường quay xung quanh stator Rotor là các nam châm vĩnh cửu và là trục ra của động cơ

Trong một động cơ cảm ứng, rotor phải quay ở tốc độ chậm hơn so với các từ trường quay Sự khác biệt giữa tốc độ này được gọi là trượt Trượt là tỷ lệ thuận với tải trọng trên động cơ Khi tải trọng trên trục của rotor tăng, rotor có xu hướng chậm lại và độ trượt tăng Sự trượt làm tăng dòng điện cảm ứng trong rotor và làm rotor quay với moment xoắn lớn hơn, nhưng tốc độ chậm hơn và do đó tạo ra ít BEMF