TỔNG QUAN
L Ý DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay, do nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt, các nhà phát minh đã tìm ra các nguồn năng lượng mới sạch và vô tận, nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi Để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt trong ngành ô tô, các hãng xe đang phát triển dòng xe lai.
Xe lai kết hợp động cơ truyền thống và động cơ điện, giúp tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường Mặc dù xe lai đã phổ biến tại châu Âu, nhưng tại Việt Nam vẫn chưa được sử dụng rộng rãi Để hiểu rõ hơn về xe lai và các chế độ hoạt động của nó, đồ án này sẽ sử dụng MATLAB để mô phỏng Simulink cho từng chế độ vận hành, hỗ trợ quá trình dạy và học về xe lai kiểu song song.
K HÁI N IỆM
Xe hybrid, hay còn gọi là xe lai, là loại xe sử dụng từ hai nguồn năng lượng trở lên để tạo ra lực kéo Hiện nay, xe lai phổ biến thường được trang bị một động cơ đốt trong truyền thống, một bình chứa nhiên liệu, một ắc quy và một hoặc nhiều động cơ điện.
Xe lai được thiết kế để kết hợp động cơ xăng và động cơ điện một cách hiệu quả, nhằm cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu, tăng cường công suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
L ỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các nhà phát minh đã phát triển nhiều giải pháp năng lượng cho ôtô, bao gồm điện, nhiên liệu hóa thạch và hơi nước, và sau đó kết hợp chúng Xe lai chính thức ra đời vào đầu thế kỷ 20, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp ôtô Dưới đây là các mốc thời gian đáng chú ý trong quá trình phát triển này.
Năm 1900: Chiếc xe có tên gọi Lohner-Porsche Elektromobil trình làng tại triển lãm
Paris Exposition Khởi đầu là một chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện song nhà thiết kế
Ferdinand Porsche đã phát triển động cơ đốt trong để sạc pin năng lượng cho xe, biến nó thành chiếc xe lai đầu tiên trên thế giới.
Năm 1917, Woods Motor Company ra mắt mẫu xe điện “lai” Woods Dual Power, được trang bị động cơ đốt trong 4 xylanh Mặc dù đạt vận tốc tối đa khoảng 56,3 km/h, nhưng thiết kế của Dual Power không được coi là thành công.
Giai đoạn thập niên 60 - 70: Kỹ sư điện Victor Wouk thiết kế nguyên mẫu động cơ
HEV được phát triển dựa trên mẫu xe Buick Skylark, nhưng khi chính phủ Mỹ quyết định ngừng đầu tư vào dự án này, Wouk đã rơi vào tình trạng khánh kiệt và buộc phải từ bỏ ý tưởng phát triển xe.
Năm 1968: General Motors đã phát triển GM 512, một mẫu xe thử nghiệm chạy bằng điện tốc độ thấp và chạy xăng tốc độ cao
Năm 1989, Audi đã giới thiệu mẫu xe thử nghiệm Audi Duo, kết hợp động cơ điện 12 mã lực và động cơ đốt trong 139 mã lực Trong suốt 10 năm tiếp theo, Audi tiếp tục phát triển các thế hệ mới của Duo.
Năm 1997, để ứng phó với thách thức từ Phó chủ tịch điều hành Akihiro Wadi về việc phát triển các dòng xe tiết kiệm nhiên liệu, Toyota đã cho ra mắt mẫu xe Prius và bắt đầu tiếp thị tại Nhật Bản.
Năm 1999: Honda ra mắt chiếc xe lai có tên Insight
Năm 2000: Toyota bắt tay phát triển Prius (dưới dạng phiên bản 2001) tại thị trường
Năm 2002: Xe lai dần trở nên phổ biến trên thị trường Honda đã trình làng Accord
Hybrid vào giai đoạn này và vài năm sau đó, nhiều mẫu xe lai cũng được vén màn
Năm 2004: Ford giới thiệu mẫu SUV hybrid đầu tiên: Ford Escape 2005
Trái với suy đoán phổ biến, chiếc xe đầu tiên sử dụng động cơ hybrid không phải là Toyota Prius và cũng không được phát minh vào thập niên 90 hay đầu những năm 2000 Thực tế, sự phát triển này bắt nguồn từ những năm đầu thế kỷ 20, khi động cơ đốt trong gây ô nhiễm và có mùi độc hại Jacob Lohner, một thợ đóng xe ngựa tại Viên, đã nhận thấy rằng xe hơi chạy xăng quá ồn ào và độc hại Để khắc phục vấn đề này, Lohner đã hợp tác với kỹ sư Ferdinand Porsche, người đã phát minh ra động cơ điện vào năm 1896 Porsche thiết kế động cơ chạy bằng điện vừa khít với trục của bánh xe, và kết quả là chiếc Lohner-Porsche Elektromobil ra đời, được giới thiệu lần đầu tại triển lãm Paris Exposition năm 1900.
Dù khởi đầu là một chiếc xe điện hoàn toàn, Elektromobil đã trở thành mẫu xe lai đầu tiên trong lịch sử nhờ vào việc Porsche trang bị thêm động cơ đốt trong để hoạt động như một máy phát điện Điều này giúp Elektromobil trở thành chiếc xe đầu tiên kết hợp động cơ điện và động cơ xăng, đảm bảo không bao giờ cạn pin.
Xe có thể đạt vận tốc tối đa 61,2 km/h Chủ sở hữu đầu tiên của Elektromobil là E.W Hart
Một người đến từ Luton, Anh đã yêu cầu Porsche trang bị động cơ cho cả bốn bánh xe Porsche đã đáp ứng yêu cầu này, biến Elektromobil thành chiếc xe lai đầu tiên và cũng là mẫu xe đầu tiên sử dụng hệ dẫn động bốn bánh (4WD).
Elektromobil không phải là khái niệm đầu tiên về xe “xanh” hay xe “sạch”, vì cùng thời điểm đó đã có xe hơi chạy hoàn toàn bằng điện Tuy nhiên, Elektromobil thể hiện sự kết hợp hoàn hảo giữa điện và xăng, giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ Lohner và Porsche đã bán được 300 chiếc Elektromobil, nhưng ý tưởng về xe lai xăng – điện đã bị lãng quên trong một thời gian Tên tuổi Porsche được biết đến không chỉ vì ông sáng lập doanh nghiệp Porsche SE mà còn vì là nhà thiết kế của Volkswagen Beetle nguyên mẫu.
Trong suốt 100 năm qua, ý tưởng về chiếc xe ôtô kết hợp động cơ xăng và điện đã được tái hiện nhiều lần, nhưng Toyota đã thành công trong việc giữ cho ý tưởng này sống mãi với việc ra mắt mẫu xe Prius.
Ra mắt tại Nhật Bản năm 1997 và mở rộng ra thị trường toàn cầu vào năm 2001, Toyota đã bán được 1 triệu chiếc Prius vào năm 2007, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong ngành xe lai Trong khi đó, chiếc Lohner-Porsche Elektromobil, mặc dù từng nổi bật, đã dần bị quên lãng và không còn đủ sức cạnh tranh sau một thời gian ngắn Prius không chỉ tồn tại mà còn khẳng định vị thế của mình trong thị trường xe lai, trong khi Porsche và Lohner xứng đáng được ghi nhận vì ý tưởng tiên phong của họ, đã đi trước thời đại gần 100 năm.
Mặc dù xe lai giúp tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường, quá trình sản xuất của chúng tương tự như xe thông thường Xe lai được lắp ráp qua một quy trình tỉ mỉ trên dây chuyền sản xuất, nơi băng tải chuyển các bộ phận và thang máy đặt chúng vào vị trí chính xác Quy trình này kết hợp sự tham gia của cả máy móc và con người.
Sự khác biệt chính trong việc chế tạo xe tiết kiệm nhiên liệu nằm ở pin ắc quy, thường lớn và có khả năng sạc lại, chiếm nhiều không gian Các pin này chủ yếu đến từ các nhà sản xuất nổi tiếng như Panasonic và Sanyo tại Nhật Bản Hiện nay, hầu hết xe lai sử dụng pin niken hidrua kim loại (NiMH), trong khi một số mẫu xe lai mới nhất đã chuyển sang sử dụng pin lithium-ion (Li-ion) tiên tiến hơn.
Để sản xuất pin Li-ion, quy trình bắt đầu bằng việc ép phôi lithium dưới áp suất cao thành tấm mỏng 0,254 mm Sau đó, các tấm này được thổi và cuộn chặt thành pin Tiếp theo, chúng được nung ở nhiệt độ cao, và kim loại nóng chảy sẽ được phun lên bề mặt tấm thông qua thiết bị tự động, tạo ra quá trình "tạo màng" Cuối cùng, một số bộ ắc quy đã được tạo màng sẽ được xếp chồng lên nhau trong một mô-đun.
P HÂN LOẠI
Xe lai được phân thành ba loại chính:
- Xe lai kiểu nối tiếp
- Xe lai kiểu song song
- Xe lai kiểu hỗn hợp
Xe lai kiểu song song kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện hoạt động đồng thời, cho phép chúng phối hợp hiệu quả Khi ắc quy cao áp hết năng lượng, động cơ điện sẽ hoạt động như một máy phát điện, cung cấp năng lượng để nạp lại cho ắc quy.
- Motor kéo nhỏ hơn xe lai nối tiếp
- Hiệu suất cao hơn xe lai nối tiếp
- Cấu trúc phức tạp so với xe lai nối tiếp
- Động cơ hoạt động không tối ưu trong một vài trường hợp
Hệ thống truyền lực lai kiểu song song có nhiều cấu trúc khác nhau như hai trục hai hộp số, hai trục một hộp số và một trục, được phân chia theo cầu dẫn động Mỗi thiết kế chỉ phù hợp với một môi trường hoạt động và yêu cầu khí thải cụ thể Bài viết này sẽ tập trung vào phương pháp thiết kế hệ thống truyền lực kiểu song song, sử dụng khớp nối mô-men, hoạt động dựa trên nguyên lý động cơ cung cấp công suất cho tải cơ bản ở tốc độ không đổi trên đường bằng phẳng và đoạn đường có độ dốc nhỏ, cũng như động cơ điện cung cấp công suất cho tải cực đại.
M ỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng Simulink cho xe lai kiểu song song.
Đ ỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Cơ sở lý thuyết xe lai, phần mền matlab, mô phỏng simulink xe lai kiểu song song
Mô phỏng Simulink matlab cho phương pháp điều khiển trên xe lai kiểu song song.
P HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các lý thuyết và các công trình nghiên cứu về xe lai và thực hiện đề tài
Phương pháp thực nghiệm: thực nghiệm xác định các số liệu dùng cho mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả mô phỏng
Phương pháp mô phỏng: mô phỏng phương pháp điều khiển xe lai bằng matlab từ các thông số thực tế.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài "Ứng dụng MATLAB mô phỏng xe lai điều khiển kiểu song song" nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về xe lai và các chế độ hoạt động của nó Bài viết này giúp người đọc hiểu rõ hơn về cách thức vận hành của xe lai, đồng thời hỗ trợ quá trình giảng dạy và học tập liên quan đến loại xe này.
G IỚI HẠN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu lý thuyết xe lai và mô phỏng Simulink matlab cho phương điều khiển trên xe lai kiểu song song.
K ẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC
Bài viết này trình bày cách vận hành và các chiến thuật điều khiển của xe lai kiểu song song, bao gồm việc bố trí động cơ điện và mô phỏng cho từng chế độ hoạt động của xe trong Simulink MATLAB Việc sử dụng Simulink MATLAB giúp mô phỏng hiệu quả các chế độ vận hành, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và khả năng điều khiển của xe lai kiểu song song.
B Ố CỤC ĐỒ ÁN
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Tính toán, thiết kế và mô phỏng xe lai kiểu song song
K Ế HOẠCH THỰC HIỆN
Trong quá trình tìm hiểu, học hỏi và thực hiện đề tài, người thực hiện đề tài đề xuất các phương án thực hiện như sau:
Nghiên cứu sử dụng Matlab để mô phỏng
Viết báo cáo, hoàn thiện đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
P HƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG SONG
Các chế độ hoạt động chính bao gồm động cơ kéo, motor điện kéo, kéo kết hợp, phanh tái sinh và động cơ nạp cho ắc qui (PPS) Những chế độ này được sử dụng trong suốt quá trình hoạt động để đáp ứng yêu cầu về mô-men kéo, tối ưu hóa hiệu suất, duy trì mức độ SOC của PPS và phục hồi năng lượng từ phanh một cách hiệu quả nhất.
Sơ đồ điều khiển tổng thể bao gồm hai cấp độ: cấp độ điều khiển hệ thống trung tâm và cấp độ điều khiển thấp Cấp độ điều khiển hệ thống trung tâm thực hiện vai trò như một bộ phận chỉ huy, truyền yêu cầu mô-men đến cấp điều khiển thấp dựa trên các yêu cầu của người điều khiển, đặc tính của các bộ phận và tín hiệu phản hồi Trong khi đó, các thiết bị điều khiển cấp độ thấp, như điều khiển động cơ, motor và hộp số, đảm bảo rằng các thiết bị hoạt động chính xác và hiệu quả.
Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống truyền lực lai kiểu song song
Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống truyền lực lai kiểu song song bao gồm bộ điều khiển xe, điều khiển động cơ, điều khiển motor điện và điều khiển phanh cơ khí Bộ điều khiển xe, ở vị trí cao nhất, thu thập dữ liệu từ người lái và các thiết bị như yêu cầu mô-men xoắn và tốc độ motor điện Dựa trên dữ liệu và đặc tính thiết bị, nó gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị tương ứng để đảm bảo hoạt động của hệ thống truyền lực Bộ điều khiển xe đóng vai trò trung tâm, thực hiện các chế độ hoạt động khác nhau theo điều kiện dẫn động và yêu cầu của người điều khiển, từ đó tối ưu hóa hoạt động của hệ thống truyền lực thông qua phương pháp điều khiển định trước.
2.2.1 Phương pháp điều khiển trạng thái nạp cực đại
Trong chế độ hoạt động-ngừng, PPS cần liên tục phân phối công suất cho hệ thống truyền lực Tuy nhiên, PPS có xu hướng tiêu thụ điện năng rất nhanh chóng.
Trong trường hợp này, duy trì SOC cao trong PPS là cần thiết để đảm bảo hoạt động của xe
Hình 2.3 Đồ thị các chế độ hoạt động khác nhau dựa vào sự yêu cầu công suất
Phương pháp điều khiển cực đại được minh họa trong hình 2.3, cho thấy đường cong công suất cực đại cho chế độ kéo kết hợp giữa động cơ và motor điện, cùng với động cơ kéo và chế độ phanh tái sinh theo sự thay đổi tốc độ xe Công suất yêu cầu trong các điều kiện khác nhau được biểu diễn qua các điểm A, B, C và D, và các chế độ hoạt động của hệ thống truyền lực sẽ được giải thích chi tiết hơn dưới đây.
Chế độ motor kéo cho phép xe hoạt động ở tốc độ thấp hơn giá trị đã định trước, trong khi động cơ không thể hoạt động ổn định Khi đó, động cơ điện sẽ cung cấp công suất cho các bánh xe chủ động, trong khi động cơ chính có thể không hoạt động hoặc chỉ chạy cầm chừng Công suất của động cơ, công suất điện và công suất phóng điện (PPS) được tính toán dựa trên các thông số kỹ thuật cụ thể.
Công thức Ppps-d = Pmηm mô tả mối quan hệ giữa công suất đầu ra động cơ (Pe) và công suất tải yêu cầu ở các bánh xe (PL) Trong đó, ηt,m là hiệu suất của hộp số từ motor đến bánh xe chủ động, Pm là công suất đầu ra của motor điện, và ηm là hiệu suất của motor.
Chế độ kéo kết hợp yêu cầu công suất tải tại điểm A (hình 3.2) phải lớn hơn công suất mà động cơ có thể phát ra Cả động cơ và motor cần phân phối công suất đồng thời đến các bánh xe chủ động.
23 động cơ hoạt động hiệu quả trên đường hoạt động tối ưu nhờ vào việc điều khiển cánh bướm ga để tạo ra công suất Pe Phần công suất tải còn lại được cung cấp bởi động cơ điện Công suất đầu ra của động cơ và công suất phóng điện PPS được tính toán như sau:
Ppps-d = Pmηm (3.5) Trong đó ηt,e là hiệu suất truyền lực từ động cơ đến các bánh xe chủ động
- Chế độ nạp PPS: Khi công suất tải yêu cầu (được đại diện bởi điểm B trên hình
Khi động cơ hoạt động ở đường hoạt động tối ưu và SOC của PPS thấp hơn đường trên cùng, công suất phát ra của động cơ là Pe Trong tình huống này, motor điện được điều khiển bởi bộ điều khiển hoạt động như một máy phát, sử dụng phần công suất còn lại của động cơ để vận hành.
Công suất đầu ra của motor điện và công suất PPS là:
Ppps-c =Pmηm (3.7) Trong đó: ηt,e,m là hiệu suất truyền lực từ động đến motor điện
Chế độ động cơ kéo được áp dụng khi công suất tải yêu cầu (điểm B) thấp hơn công suất tối đa mà động cơ có thể phát ra Khi SOC của PPS đạt đến mức tối đa, hệ thống điện sẽ ngưng hoạt động và động cơ sẽ tự cung cấp công suất cần thiết cho tải Đường cong công suất đầu ra của động cơ trong chế độ một phần tải được thể hiện bằng đường nét đứt trong hình 2.3, cho thấy mối quan hệ giữa công suất động cơ, công suất điện và công suất ắc quy.
Chế độ phanh tái sinh cho phép xe sử dụng motor điện như một máy phát khi phanh, đặc biệt khi công suất phanh thấp hơn công suất nạp cực đại mà hệ thống điện có thể cung cấp Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và tăng cường khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho xe.
Để cung cấp công suất phanh tương ứng với yêu cầu, cần 24 điện Trong tình huống này, động cơ sẽ không hoạt động hoặc chỉ chạy ở chế độ cầm chừng Công suất đầu ra của motor và công suất nạp PPS là yếu tố quan trọng cần xem xét.
Chế độ phanh kết hợp là khi công suất phanh yêu cầu vượt quá công suất phanh nạp cực đại mà hệ thống điện có thể cung cấp Trong tình huống này, phanh cơ khí sẽ được kích hoạt để hỗ trợ Motor điện sẽ được điều khiển để cung cấp công suất phanh nạp cực đại, trong khi hệ thống phanh cơ khí đảm nhận phần còn lại Công suất đầu ra, công suất nạp ắc quy và công suất phanh cơ khí sẽ được tính toán để đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu.
Để cải thiện đặc tính phanh, lực phanh cần được phân bố hợp lý giữa bánh trước và bánh sau, tương ứng với tải trọng trên các bánh xe Việc điều chỉnh công suất phanh theo từng chế độ là cần thiết để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho xe.
C ÁC CÁCH BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG
2.3.1 Cấu trúc hai trục, hai hộp số:
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc hai trục, hai hộp số Ưu điểm: Thay đổi được tỉ số truyền của mô tơ và động cơ 1 cách độc lập
Nhược điểm: Cấu trúc rất phức tạp
2.3.2 Cấu trúc hai trục, một hộp số:
Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc hai trục, một hộp số Ưu điểm: Cấu trúc đơn giản hơn cấu trúc 2 hộp số
Nhược điểm: Không thay đổi được tỷ số truyền của mô tơ và động cơ 1 cách độc lập
Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc một trục Ưu điểm:
- Bỏ được khớp nối mô-men
- Cấu trúc đơn giản hơn so với cấu trúc 2 trục
- Do động cơ và mô tơ đặt kề bên nên ít mất mát năng lượng trong quá trình nạp hoặc vận hành
Nhược điểm: Khi động cơ quay thì mô tơ cũng quay trơn theo do đó động cơ bị mất 1 phần công suất nhỏ
Cách bố trí khác của cấu trúc 1 trục:
Hình 2.11 Sơ đồ cách bố trí khác của cấu trúc một trục
2.3.4 Cấu trúc chia theo cầu dẫn động:
Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc chia theo cầu dẫn động Ưu điểm:
- Cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế
Nhược điểm: Năng lượng phanh tái sinh thu hồi không lớn
Để cải tạo xe có sẵn, chúng ta sẽ dựa vào sơ đồ bố trí cấu trúc 1 trục Trong thiết kế cải tạo này, vị trí đặt mô tơ điện nên được bố trí càng gần bánh xe càng tốt.
C Ơ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XE LAI KIỂU SONG SONG
Để tính toán hiệu suất của một chiếc xe lai kiểu song song, cần xem xét các thông số quan trọng như công suất động cơ, công suất động cơ điện, tỷ số truyền động và dung lượng ắc quy cao áp Những thông số này có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hoạt động của xe.
- Hệ số ma sát lăn: fr
- Diện tích phía trước: Af
- Hệ số tác động khí động học: CD
- Hiệu suất truyền tải từ động cơ đến ổ bánh xe: ηte
- Hiệu suất truyền tải từ motor đến bánh xe: ηtm
2.4.1 Tính toán thiết kế công suất động cơ
Công suất động cơ được thể hiện qua công thức:
- 𝑃 𝑒 : công suất của động cơ
- i: tỉ số truyền lực chính
Hình 2.13 Đồ thị thể hiện công suất động cơ khi xe chạy trên đường bằng phẳng và đường dốc 5% Đồ thị cho thấy:
Tỉ số truyền số có ảnh hưởng đáng kể đến công suất động cơ và vận tốc của xe Chẳng hạn, khi ở số 1, xe chỉ đạt vận tốc 10km/h với công suất động cơ 13kw Tuy nhiên, khi chuyển sang số 4, xe có thể đạt vận tốc lên tới 40km/h mà vẫn giữ nguyên mức công suất này.
- Xe đạt vận tốc càng cao khi ở tay số lớn Nhưng ở các tay số thấp thì xe có mô men lớn hơn
Đồ thị cho thấy rằng độ dốc ảnh hưởng đáng kể đến vận tốc xe Cụ thể, khi di chuyển trên đường dốc 5% ở số 4, xe có thể đạt vận tốc tối đa 103 km/h, trong khi ở số 3, vận tốc có thể lên tới 110 km/h.
Hình 2.14 Đồ thị thể hiện sự tiêu thụ năng lượng tại mỗi tay số để phân tích ảnh hưởng của truyền động bánh răng đến hiệu suất của xe
Công suất được thiết kế ở trên phải đáp ứng yêu cầu tải trung bình trong quá trình xe dừng và chạy
Công suất tải trung bình được thể hiện qua công thức:
- 𝑃 𝑎𝑣𝑒 : công suất tải trung bình
- 𝛿: hệ số quán tính quay
- T: là tổng thời gian xe chạy trong một chu trình thử
Đồ thị trong Hình 2.15 thể hiện tốc độ xe, sức tải tức thời và công suất trung bình khi sử dụng phanh tái sinh hoàn toàn và phanh cơ khí trong các chu trình lái xe khác nhau.
Phanh tái sinh và phanh cơ khí ảnh hưởng đến công suất trung bình của hệ thống Kết quả cho thấy công suất tải trung bình của phanh cơ khí vượt trội hơn so với phanh tái sinh.
Trong thiết kế công suất động cơ thì công suất trung bình động cơ sinh ra phải lớn hơn công suất tải trung bình như trong hình 2.15
Truyền động của xe lai kiểu song song cho phép động cơ kết nối trực tiếp với các bánh xe, mang lại hiệu suất tối ưu Công suất tối đa trung bình đạt được khi bướm ga được mở hoàn toàn.
- 𝑃 𝑚𝑎𝑥−𝑎𝑣𝑒 : công suất tối đa trung bình khi mở hoàn toàn bướm ga
- 𝑃 𝑒 (𝑉): công suất động cơ khi mở hoàn toàn bướm ga
- T: là tổng thời gian thực hiện một chu trình
Đồ thị trong Hình 2.16 minh họa công suất động cơ và công suất trung bình khi bướm ga được mở hoàn toàn trong các chu trình thử nghiệm của một chiếc xe sử dụng hộp số đơn cấp.
Thực tế công suất trung bình khi sử dụng truyền động hộp số đa cấp sẽ lớn hơn truyền động hộp số đơn cấp
2.4.2 Tính toán thiết kế truyền động
Hiệu quả trực tiếp của việc sử dụng hộp số đa cấp là giảm thời gian tăng tốc và nạp cho ắc qui cao áp
Tuy nhiên sử dụng hộp số đa cấp sẽ làm phức tạp hệ thống truyền động, hệ thống kiểm soát (phải có bộ điều khiển điều khiển sang số)
Truyền động đơn cấp đáp ứng được độ bền của PPS, SOC Đối với động cơ cỡ nhỏ thì truyền động đa cấp là tốt nhất
Hiệu suất động cơ không cải thiện nhiều khi sử dụng hộp số đa cấp Động cơ chỉ đạt tốc độ tối đa ở số lớn nhất, nhưng khi ở số cao và tốc độ thấp, động cơ không hoạt động ổn định Lúc này, sức kéo của motor điện lại lớn hơn so với các số khác.
Ví dụ về sơ đồ truyền động của loại hộp số sử dụng trên xe lai kiểu song song
Hình 2.17 Sơ đồ hộp số tự động Simpson
2.4.3 Tính toán thiết kế động cơ điện
Động cơ điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng và sạc cho ắc quy cao áp Khi thiết kế động cơ điện, cần chú ý đến hiệu suất tăng tốc cũng như khả năng tải trọng tối đa trong mỗi chu kỳ hoạt động.
Cách tiếp cận hiệu quả trong thiết kế động cơ là bắt đầu bằng việc ước tính công suất ban đầu dựa trên hiệu suất tăng tốc được chỉ định, sau đó hoàn thiện thiết kế cuối cùng thông qua mô phỏng.
Sự tăng tốc liên quan đến trực tiếp đến mô-men đầu ra của động cơ điện:
- Tm là mô-men xoắn
- itm là tỷ số truyền cặp bánh răng từ motor ra bánh xe
- ηtm là hiệu quả truyền động từ motor đến bánh xe
- δm là hệ số quán tính quay của motor
Công suất động cơ điện:
- 𝑡 𝑎 : thời gian xác định tăng tốc
- 𝑣 𝑓 : vận tốc cuối cùng của quá trình tăng tốc
- 𝑣 𝑏 : vận tốc cơ sở từ đặc tuyến tốc độ của mỗi motor
Hình 2.18 Đồ thị thể hiện biên dạng lực kéo-tốc độ của một motor
Với một chiếc xe du lịch nặng 1500kg, tốc độ tối đa đạt được là 160 km/h, trong khi vận tốc cơ sở là 50 km/h Vận tốc cuối cùng của xe được xem xét trong một khoảng thời gian tăng tốc.
𝑣 𝑓 = 100𝑘𝑚/ℎ, thời gian đạt được vận tốc 𝑣 𝑓 là 𝑡 𝑎 = 10𝑠, hệ số quán tính quay 𝛿 𝑚 1.04 thì công suất của motor điện vào khoảng 𝑃 𝑚 = 74𝑘𝑤
Công suất cản 𝑃 𝑟 (cản lăn, kéo khí động học, công suất mất trong quá trình truyền lực)
Công suất trung bình động cơ sử dụng cho quá trình tăng tốc:
Đồ thị trong hình 2.19 thể hiện công suất còn lại cần thiết cho quá trình tăng tốc, bao gồm cả công suất cản từ cản lăn và lực kéo khí động học So sánh giữa hai kiểu truyền động đa cấp và đơn cấp cho thấy sự khác biệt trong hiệu suất năng lượng.
Tóm lại, việc tính toán thiết kế công suất cho động cơ và motor cần đảm bảo hai yếu tố quan trọng: tốc độ tối đa và khả năng tăng tốc.
Thực nghiệm cho thấy khi sử dụng hộp số đa cấp sẽ làm giảm công suất động cơ điện cấp cho việc tăng tốc
Đồ thị thể hiện lực kéo và tốc độ của xe ở các chế độ hoạt động khác nhau (động cơ, motor, và cả hai) cho thấy điểm A tương ứng với độ dốc 42% (22,8 độ) cho phép xe đạt tốc độ tối ưu là 40km/h.
Tại vận tốc 100km/h, xe có ba điểm B, C, D với các độ dốc khác nhau Ở điểm B với độ dốc 10,28, xe hoạt động ở chế độ lai và lực kéo bánh xe đạt 3.1kN Tại điểm C với độ dốc 5.91, xe sử dụng chế độ motor điện, lực kéo bánh xe giảm xuống còn 2.1kN Cuối cùng, ở điểm D với độ dốc 2.95, khi xe chạy ở chế độ động cơ, lực kéo bánh xe chỉ còn 1.1kN.
Xe đạt tốc độ lớn nhất 160km/h khi chạy ở đường bằng phẳng với chế độ động cơ (điểm E)
Hình 2.21 Đồ thị cho thấy xe đạt tốc độ 100km/h chỉ trong 10.7s và khoảng cách di chuyển được là 167m
Sự hoạt động của xe thể hiện qua hình 2.20 và 2.21 chỉ ra rằng quá trình thiết kế động cơ và motor là phù hợp, chính xác
2.4.4 Tính toán thiết kế PPS:
Công suất của PPS phải lớn hơn công suất của động cơ điện:
Trong giai đoạn tăng tốc, năng lượng tiêu hao từ PPS và động cơ có thể được tính toán bằng thời gian tăng tốc và khoảng cách
CHỌN VÀ THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SIMULINK XE LAI KIỂU SONG SONG
C HỌN ĐỘNG CƠ
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của xe Toyota vios 1.5G 2013
Kích thước Chiều dài cơ sở 2550 mm
Chiều rộng cơ sở (trước/sau)
Bán kính bánh xe 255 mm
Diện tích phía trước xe 2.0 𝑚 2 Trọng lượng không tải 1100 kg Trọng lượng toàn tải 1500 kg Loại động cơ 4 xy lanh thẳng hàng,16
44 van DOHC, Dual VVT - i Động cơ Dung tích công tác 1496 cc (1.5l)
Công suất cực đại 79kW tại 6000 vòng/phút Moomen xoắn cực đại 140 Nm tại 4200 vòng/phút Dung tích bình nhiên liệu 42l
Hộp số Tự động 4 cấp (U340E) 68.5 kg
Hộp số: Tự động 4 cấp U340E
Hình 3.2 Mặt cắt ngang của hộp số U340E
Bảng 3.2 Thông số hộp số U340E
T ÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MOTOR
Việc tính toán và thiết kế motor điện phải đáp ứng được các yêu cầu của xe mà nhóm đã chọn
- Vận tốc cực đại của xe: 180km/h
Để đảm bảo động cơ đáp ứng tốt cho quá trình khởi động và tăng tốc của xe, nhóm đã quyết định chọn hệ số tốc độ cần thiết cho động cơ là x=6.
Vận tốc cơ sở của motor:
- 𝑉 𝑚𝑎𝑥 : là vận tốc cực đại của xe mà motor phải đáp ứng được (km/h)
- 𝑉 𝑏 : là vận tốc cơ sơ của motor (km/h)
- 𝑥: là hệ số tốc độ của motor
- 𝛿 = 1.05: là hệ số quán tính của xe
- 𝑀00: là khối lượng của xe (kg)
- 𝜂 = 0.95: là hiệu suất truyền động của motor
- 𝑡 𝑎 = 13.8: là thời kết thúc quá trình tăng tốc mà nhóm xét (s)
- 𝑉 𝑓 = 100: là vận tốc kết thúc quá trình tăng tốc mà nhóm xét (km/h)
T ÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BATTERY
Công suất của PPS phải lớn hơn công suất của motor điện:
0.95 → 𝑃 𝑃𝑃𝑆 ≥ 53𝑘𝑊 Năng lượng tiêu hao từ PPS trong quá trình tăng tốc:
Vì vậy nhóm xem xét chọn battery có công suất 60kW là hợp lí với công suất của motor đã thiết kế.
M Ô PHỎNG SIMULINK HỆ THỐNG XE LAI KIỂU SONG SONG
3.4.1 Mô phỏng tổng quan hệ thống xe lai kiểu song song
Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển của một chiếc xe lai kiểu song song dưới dạng Simulink
Sơ đồ điều khiển thể hiện sự liên kết giữa các khối
Sơ đồ được chia làm 4 phần chính:
The input block consists of the driver module, which processes various characteristics of test cycles such as FPT_Highway, ECE_R15, and City Additionally, it handles driver request signals including speed and gear selection.
Khối điều khiển nhận dữ liệu từ vận tốc yêu cầu của người lái (Vc), tín hiệu vận tốc của xe (Vx) và dung lượng pin (SOC) để xử lý và điều chỉnh tốc độ của xe theo yêu cầu.
Khối chấp hành trong hệ thống cơ khí bao gồm motor, động cơ và hộp số, hoạt động dựa trên tín hiệu sức kéo từ bộ điều khiển Các khối chấp hành sẽ đáp ứng yêu cầu này và truyền mô-men thông qua khớp mô-men, hộp số và truyền lực vi sai tới bánh xe.
- Khối đầu ra (output): khối vehicle, battery nhận tín hiệu lực kéo, công suất và tính toán vận tốc xe, mức SOC của bình
Hình 3.4 Sơ đồ các giá trị yêu cầu của người lái
Các giá trị cần thiết của người lái bao gồm vận tốc và tay số, được lấy từ dữ liệu vòng lặp đã được lưu trong không gian làm việc Chúng ta tiến hành các phép toán để tính toán quãng đường và gia tốc.
Hình 3.5 Sơ đồ các tín hiệu bàn đạp ga, bàn đạp phanh
Tín hiệu từ bàn đạp ga và bàn đạp phanh được xác định dựa trên sự chênh lệch giữa vận tốc yêu cầu của người lái (Vc) và vận tốc thực tế của xe (Vx), thông qua việc điều chỉnh của bộ PID Kết quả là mô-men đầu ra yêu cầu (Tc) được tính toán từ hai tín hiệu này.
Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển của bộ controller
Sau khi nhận tín hiệu vận tốc yêu cầu (Vc) từ khối driver, khối controller sẽ đánh giá tín hiệu vận tốc thực tế của xe (Vx) cùng với mức bình (SOC) để điều khiển động cơ, nhằm cung cấp mô-men đáp ứng yêu cầu vận tốc từ người lái.
Lưu đồ điều khiển của xe:
Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật bộ Controller
Bảng 3.3 Tóm tắt cho từng trường hợp khi điều khiển ở chế độ engine ( động cơ)
Đáp ứng quá trình kéo (traction):
Hình 3.8 Sơ đồ Simulink điều khiển quá trình kéo
Nếu vận tốc của xe (Vx) lúc này nhỏ hơn 9m/s thì controller chỉ điều khiển motor hoạt động (chế độ motor alone)
Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển của bộ controller khi Vx nhỏ hơn 9m/s
Khi SOC lớn hơn 0.4, bộ điều khiển sẽ điều khiển động cơ kéo ở chế độ motor alone để đáp ứng yêu cầu của người lái Ngược lại, nếu SOC nhỏ hơn 0.4, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh động cơ để đảm bảo đáp ứng nhu cầu này.
Khi vận tốc xe (Vx) vượt quá 9m/s, bộ điều khiển sẽ kích hoạt động cơ, đảm nhận vai trò quan trọng trong quá trình kéo Bộ điều khiển kết hợp tín hiệu SOC của bình ắc quy và số vòng quay của động cơ để điều chỉnh hoạt động của xe ở các chế độ khác nhau, nhằm tối ưu hiệu suất.
Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển của bộ controller khi Vx lớn hơn 9m/s
Khi mô-men yêu cầu từ người lái vượt quá vùng mô-men hoạt động tối ưu của động cơ, bộ controller sẽ chuyển xe sang chế độ lai (hybrid) Trong chế độ này, động cơ sẽ được điều khiển để hoạt động ở vùng tối ưu, và phần mô-men thiếu hụt sẽ được bù đắp bởi motor, nhằm đáp ứng nhu cầu của người lái.
Khi mô-men yêu cầu từ người lái nằm trong vùng tối ưu, động cơ sẽ hoạt động bình thường ở chế độ "engine alone" Trong quá trình này, bộ điều khiển sẽ theo dõi tín hiệu mức SOC và mô-men yêu cầu để tối ưu hóa hoạt động của động cơ.
Bộ controller điều khiển động cơ hoạt động (chế độ engine alone):
Khi SOC nhỏ hơn 0.4, thuộc mức bình thấp, và mô-men yêu cầu của người lái ở mức thấp (Tc < Te-small), bộ điều khiển sẽ điều chỉnh động cơ hoạt động đến vùng tối ưu, trong khi phần mô-men dư sẽ được nạp vào ắc quy.
Hình 3.11 Sơ đồ điều khiển khi mức SOC thấp
Hình 3.12 Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mô-men thấp
Khi SOC dưới 0.4 (mức bình thấp) và mô-men yêu cầu của người lái nằm trong khoảng trung bình (Te-small