CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.1. Thiết lập chung cho xe EV
EV có thể có các cấu hình khác nhau Hình 2.10a mô tả một chiếc xe dẫn động cầu trước chỉ sử dụng ICE được thay thế bằng động cơ điện. Nó có hộp số và ly hợp
Hệ thống con: Động lực
Bàn đạp ga
18
cho phép mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp và mô-men xoắn thấp ở tốc độ cao. Ngoài ra còn có một bộ vi sai cho phép các bánh xe quay ở các tốc độ khác nhau. Hình 2.
10b cho thấy một cấu hình với việc bỏ qua ly hợp. Nó có một bánh răng cố định thay cho hộp số làm cho đặc tính mômen-tốc độ không đạt được tối đa. Cấu hình của Hình 2. 10c có động cơ, bánh răng và bộ vi sai là một khối duy nhất dẫn động cả hai bánh.
Nissan Leaf, cũng như Chevrolet Spark, sử dụng động cơ điện lắp ở phía trước để dẫn động cầu trước. Trong Hình 2.10d, e, các cấu hình cần lấy hành động vi sai bằng cách sử dụng hai động cơ cho hai bánh xe được hiển thị. Tương tác cơ học có thể giảm hơn nữa bằng cách đặt các mô-tơ bên trong bánh xe để tạo ra “ổ đĩa trong bánh xe”. Một mạng lưới hệ thống bánh răng được sử dụng ở đây vì những lợi thế như tỷ lệ giảm tốc độ cao và sự sắp xếp của các trục đầu vào và đầu ra. Hệ thống bánh răng cơ khí được loại bỏ hoàn toàn trong lần cuối cùng cấu hình (Hình 2.10f) bằng cách lắp động cơ tốc độ thấp với cấu hình rôto bên ngoài trên vành bánh xe. Điều khiển tốc độ động cơ do đó điều khiển tốc độ bánh xe và tốc độ xe. Các loại xe EV cũng có thể được chế tạo với cấu hình dẫn động cầu sau. Phiên bản động cơ duy nhất của Tesla Model S sử dụng cấu hình này (Hình 2.11). Nissan Blade Glider là một EV dẫn động bánh sau với sự sắp xếp động cơ trong bánh xe. Việc sử dụng động cơ này cho phép nó áp dụng số lượng khác nhau mô-men xoắn ở một trong hai bánh sau để cho phép vào cua tốt hơn.
19
Hình 2.10. Các cấu hình EV dẫn động bánh trước khác nhau. (a) Xe dẫn động cầu trước với ICE được thay thế bằng một động cơ điện; (b) Cấu hình xe không có ly hợp;
(c) Cấu hình với động cơ, hộp số và bộ vi sai được kết hợp thành một khối duy nhất để dẫn động bánh trước; (d) Cấu hình với các động cơ riêng lẻ với sợ cố định cho bánh trước để có được tác động vi sai; (e) Cấu hình sửa đổi của Hình 2. 10d với sự bố trí bánh răng cố định được đặt trong các bánh xe; (f) Cấu hình với hệ thống bánh răng cơ khí được loại bỏ bằng cách lắp động cơ tốc độ thấp vào vành bánh xe.
C: Ly hợp D: Vi sai FG: Bộ truyền bánh răng GB: Hộp số M: Động cơ điện
20
Hình 2.11. Tesla Model S, cấu hình dẫn động cầu sau [22,24]
Để có thêm khả năng điều khiển về công suất, các cấu hình dẫn động bốn bánh (AWD) cũng có thể được sử dụng, mặc dù đi kèm với chi phí, trọng lượng và độ phức tạp tăng thêm. Trong trường hợp này, hai động cơ có thể được sử dụng để dẫn động phía trước và các trục sau. Cấu hình dẫn động bốn bánh được thể hiện trong Hình 2.12. Cấu hình AWD hữu ích để cung cấp khả năng bám đường tốt hơn trong điều kiện trơn trượt, chúng cũng có thể sử dụng vectơ mô-men xoắn để đạt được hiệu suất và khả năng xử lý khi vào cua tốt hơn. Cấu hình AWD cũng có thể được thực hiện cho các hệ thống động cơ bánh xe. Nó có thể tỏ ra khá hữu ích cho những chiếc xe trong thành phố như Hiriko Fold (Hình 2.13) có hệ thống lái, bộ truyền động, hệ thống treo, phanh và một động cơ đều được tích hợp trong mỗi bánh xe. Sự sắp xếp như vậy có thể cung cấp đánh lái tất cả các bánh hiệu quả, tất cả các vô lăng cùng với việc dễ dàng đỗ xe và vào cua.
Hình 2.12. Tesla Model S, cấu hình dẫn động bốn bánh [24]
21
Hình 2.13. Hiriko Fold một chiếc xe sử dụng động cơ bánh xe
Cấu hình động cơ bố trí trong bánh xe khá thuận tiện vì chúng giảm trọng lượng của quá trình truyền động bằng cách loại bỏ động cơ trung tâm, bộ truyền động liên quan, bộ vi sai, khớp nối vạn năng và trục truyền động[25]. Chúng cũng cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn, khả năng quay vòng tốt hơn và nhiều không gian hơn cho pin, tế bào nhiên liệu, nhưng trong trường hợp này động cơ được kết nối với hệ thống điện và điều khiển thông qua dây dẫn có thể bị hỏng do môi trường khắc nghiệt, rung động và gia tốc, do đó gây ra rắc rối nghiêm trọng. Sato và cộng sự, đã đề xuất một hệ thống mô-tơ bánh xe không dây (W-IWM) [26] trên một chiếc xe thử nghiệm (thể hiện trong Hình 2. 14). Nói một cách đơn giản, các dây được thay thế bằng hai cuộn dây có thể truyền điện ở giữa chúng. Do các rung động do điều kiện đường xá gây ra, động cơ và xe có thể bị lệch và có thể gây ra sự thay đổi điện áp phía thứ cấp.
Cấu hình động cơ bánh xe được thể hiện trong Hình 2. 15, trong khi hiệu suất ở các giai đoạn khác nhau của hệ thống như vậy được thể hiện trong Hình 2. 16. Trong các điều kiện như thế này, ghép cộng hưởng từ được ưu tiên cho truyền điện không dây [27] vì nó có thể khắc phục được các vấn đề liên quan đến sự sai lệch đó [28]. Việc sử dụng bộ so sánh độ trễ và áp dụng công suất biến tần thứ cấp cho bộ điều khiển để chống lại sự thay đổi của điện áp thứ cấp cũng được đề xuất trong [28]. Truyền công
22
suất không dây (WPT) sử dụng ghép cộng hưởng từ theo kiểu sắp xếp song song nối tiếp có thể cung cấp hiệu suất truyền 90% theo cả hai hướng ở mức 2 kW [29]. Do đó, W-IWM cũng phù hợp với phanh tái tạo. .
Hình 2. 14. Xe thí nghiệm với hệ thống W-IWM [26]
Hình 2.15. IWM thông thường và không dây. Trong thiết kế không dây, các cuộn dây được sử dụng thay vì dây để truyền điện từ ắc-quy sang động cơ [26].
23
Hình 2.16. Thiết kế W-IWM cho thấy hiệu suất tham chiếu ở mô-men xoắn 100%.
2.2.2 Thiết kế trên HEV
HEV sử dụng cả hệ thống động cơ điện và ICE. Nhiều cách khác nhau mà giữa chúng có thể được thiết lập để quay các bánh xe tạo ra các cấu hình khác nhau, có thể được tổng hợp thành bốn loại [26]:
(1) Phép lai nối tiếp (2) Phép lai song song (3) Lai song song nối tiếp (4) Lai hỗn hợp
2.2.2.1 Lai nối tiếp
Cấu hình này là cấu hình đơn giản nhất để tạo HEV. Ở đây chỉ có động cơ được kết nối với các bánh xe, động cơ được sử dụng để chạy máy phát điện cung cấp năng lượng điện. Nó có thể được đặt dưới dạng EV được hỗ trợ bởi bộ tạo ICE. Hệ
24
thống truyền động hỗn hợp nối tiếp được thể hiện trong Hình 2.17. Bảng 2.2 cho thấy giá trị và điểm yếu của cấu hình này.
Hình 2.17. Truyền động của hệ thống hybrid nối tiếp. Động cơ chỉ được sử dụng để tạo ra điện và cung cấp cho động cơ thông qua bộ chỉnh lưu. Nguồn từ pin đi đến động cơ thông qua bộ chuyển đổi DC-DC [30].
Bảng 2.2. Ưu điểm và hạn chế của cấu hình lai nối tiếp [8]
Ưu điểm
Hiệu quả và tối ưu hóa điện năng Dòng ổ đĩa được tối ưu hóa Thời gian tồn tại lâu dài Công nghệ hoàn thiện Phản ứng nhanh
Có khả năng không gây phát xạ
Hạn chế
Hệ thống truyền động lực kéo lớn Yêu cầu các thuật toán thích hợp Nhiều bước chuyển đổi năng lượng
25 2.2.2.2 Lai song song
Cấu hình này kết nối cả ICE và động cơ song song với các bánh xe. Một trong hai hoặc cả hai tham gia vào việc cung cấp lực. Nó có thể được coi là một chiếc xe động cơ IC với trợ lực điện [4]. Năng lượng tích trữ trong một chiếc xe như vậy có thể được sạc bằng động cơ điện bằng phương tiện phanh tái tạo hoặc bằng ICE khi nó tạo ra nhiều hơn công suất cần thiết để truyền động các bánh xe. Hệ thống truyền động hỗn hợp song song được thể hiện trong Hình 2.18. Bảng 2.3 cho thấy các ưu điểm và nhược điểm của cấu hình này, trong khi Bảng 2.4 so sánh chuỗi và hệ thống song song.
Hình 2.18. Truyền động của hệ thống lai song song. Máy phát điện và động cơ đều có thể chạy thông qua khớp nối cơ khí [30]
Bảng 2.3. Ưu điểm và hạn chế của cấu hình lai song song [30]
Ưu điểm Có khả năng không gây phát xạ
Linh hoạt hơn Hạn chế
Đắt
Kiểm soát phức tạp
Yêu cầu thuật toán phù hợp
Cần điện áp cao để đảm bảo hiệu quả
26
Bảng 2.4. So sánh cấu hình lai song song và nối tiếp [8]
Các thông số Song song HEV Nối tiếp HEV Điện áp 14 V, 42 V, 144 V, 300
V
216V,274V, 300V, 350V, 550V, 900V
Yêu cầu về nguồn điện
3 KW–40 KW >50 KW
Mức tăng tương đối trong tiết kiệm nhiên
liệu (%)
5–40 >75
2.2.2.3 Lai nối tiếp – song song
Trong nỗ lực kết hợp cấu hình song song và nốp tiếp, hệ thống này có được một liên kết cơ học bổ sung so với loại nối tiếp hoặc một máy phát điện phụ khi so sánh với loại song song. Nó cung cấp những ưu điểm của cả hai hệ thống nhưng tốn kém hơn và phức tạp hơn[30]. Hình 2.19 cho thấy sự sắp xếp bánh răng hành tinh:
bánh răng mặt trời được kết nối với máy phát điện, trục đầu ra của động cơ được kết nối với bánh răng, ICE được kết nối với giá bánh răng vệ tinh và bánh răng trụ giữ cho toàn bộ hệ thống được kết nối. Một giải pháp thay thế ít phức tạp hơn đối với hệ thống này là sử dụng một máy biến áp. Trong hệ thống này, động cơ được gắn vào stato, và rôto vẫn được kết nối với bánh xe dẫn động thông qua bánh răng. Tốc độ động cơ là tốc độ tương đối giữa rôto và stato và điều khiển nó sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ đối với bất kỳ tốc độ xe cụ thể nào [30].
27
Hình 2.19. Hệ thống bánh răng hành tinh [31]
Hình 2.20. Truyền động của hệ thống lai song song nối tiếp sử dụng bộ bánh răng hành tinh. Bộ bánh răng hành tinh kết hợp giữa động cơ, máy phát điện và động cơ [30].
Hình 2.21. Truyền động của hệ thống lai song song nối tiếp sử dụng biến trở. Hệ thống bánh răng hành tinh không xuất hiện trong sơ đồ này [30].
28 2.2.2.4. Lai hỗn hợp
Hệ thống này có một điểm khác biệt chính với hệ thống song song, đó là nó cho phép dòng công suất hai chiều trong khi song song nối tiếp chỉ có thể cung cấp dòng công suất một chiều. Tuy nhiên hiện tại, cấu hình này cũng được biểu thị là hệ thống song song nối tiếp. Độ phức tạp và chi phí cao là nhược điểm của hệ thống này, nhưng nó được một số phương tiện sử dụng động cơ đẩy hai trục áp dụng [4]. Hộp số biến thiên liên tục (CVT) có thể được sử dụng để chia điện trong một hệ thống hybrid phức tạp hoặc lựa chọn giữa các nguồn năng lượng để dẫn động các bánh xe. Sự sắp xếp về điện có thể được sử dụng cho các quy trình như vậy và điều này được gọi là e-CVT, đã được phát triển và được giới thiệu bởi Toyota Motor Co. (Toyota City, Aichi Prefecture 471-8571, Nhật Bản) [32]. CVT có thể được thực hiện bằng thủy lực, cơ khí, thủy cơ hoặc cơ điện. Các cơ chế phân tách và cung cấp mô tả về các hệ thống e-CVT được áp dụng bởi các nhà sản xuất được thể hiện trong Hình 2.22 và 2.23. Các HEV chia điện như vậy yêu cầu hai máy phát điện, bánh xe, động cơ và bánh răng hành tinh (PG), kết hợp tất cả chúng có thể được thực hiện theo hai mươi bốn cách khác nhau. Cấu hình dẫn động bốn bánh (4WD) có lợi từ việc sử dụng cấu hình lai hai động cơ vì nó vô hiệu hóa nhu cầu truyền tải điện hệ thống đến các bánh sau (vì chúng có động cơ riêng) và cung cấp lợi thế về năng lượng. Sinh ra bằng phương pháp hãm tái sinh. Cấu trúc HEV dẫn động bốn bánh được thể hiện trong Hình 2.24.
29
Hình 2.22. Hệ thống e-CVT phân chia đầu vào [32]
Hình 2.23. Hệ thống e-CVT [32]
30
Hình 2.24. Kết cấu cho HEV dẫn động bốn bánh. Hệ thống cụ thể này sử dụng bộ điều khiển xe sử dụng một số cảm biến để nhận biết tình trạng lái xe và giữ cho xe ổn định bằng cách kiểm soát điều khiển phanh và các đơn vị điều khiển động cơ [32].