ứng dụng matlap simulink trong mô phỏng điều khiển xe lai điện kiểu hỗn hợp

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa toàn cầu, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng cao Việc tiết kiệm nhiên liệu và đảm bảo an toàn môi trường trở thành ưu tiên hàng đầu cho các quốc gia và ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành ô tô Để đáp ứng yêu cầu này, giải pháp kết hợp linh hoạt giữa động cơ xăng và động cơ điện, cùng với các hệ thống bảo tồn và chuyển đổi năng lượng hiệu quả, đã được đưa ra Xe lai điện Hybrid xuất hiện như một giải pháp tối ưu nhằm giải quyết vấn đề năng lượng trong ngành ô tô.

Xe Plug-in Hybrid (thuần motor điện) đang trở thành xu hướng nổi bật nhờ khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, tại Việt Nam, hạ tầng phục vụ cho loại xe này vẫn còn hạn chế, ảnh hưởng đến sự phát triển của thị trường.

Dưới sự phân công của Bộ môn Hệ thống điều khiển tự động ô tô thuộc Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TpHCM và dưới sự hướng dẫn của ThS Nguyễn Trung Hiếu, nhóm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: Ứng dụng.

Matlap/Simulink trong mô phỏng điều khiển xe lai điện kiểu hỗn hợp.

 Nắm vững cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động của dòng xe Hybrid.

 Xây dựng mô hình mô phỏng xe lai kiểu hỗn hợp trên phần mềm

 Điều khiển và chạy được mô hình đó phù hợp với chu trình thử nghiệm.

 Chỉ mô phỏng trên Matlab Simulink, chưa tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm.

 Sử dụng cơ sở lí thuyết của các nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng mô hình mới.

 Tính toán những thông số cần thiết đến mô hình hoặc tham khảo từ những thông số xe có sẵn trên thực tế để tiến hành mô phỏng.

 Sử dụng Matlab Simulink để xây dựng mô hình theo các chu trình thực nghiệm.

TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID

1.2.1 Giới thiệu chung và nguyên nhân ra đời xe Hybrid Được phát minh vào khoảng 300 năm trước bởi nhà phát minh người Pháp Nicolas - Joseph Cugnot (1725-1804), xe ô tô ngày nay đã trở thành một trong những phương tiện giao thông không thể thiếu trong xã hội loài người. Cũng chính vì thế mà tình trạng ô nhiễm không khí trầm trọng do khí thải từ động cơ ô tô đang là một trong những vấn đề nhức nhối của nhiều quốc gia hiện nay.

Ôtô hybrid đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên toàn thế giới nhờ vào những ưu điểm nổi bật của nó Sự xuất hiện ngày càng nhiều của các mẫu ôtô hybrid trên thị trường cho thấy xu hướng tiêu dùng đang chuyển dịch Để giảm ô nhiễm môi trường từ ô tô, nhiều giải pháp kỹ thuật hứa hẹn như ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên liệu và động cơ khí nén đã được nghiên cứu Tuy nhiên, các công nghệ này vẫn gặp nhiều hạn chế, như ô tô điện cần thời gian sạc lâu, giới hạn tầm sử dụng, và công nghệ fuel cell yêu cầu hydro lỏng phải được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp, chỉ phù hợp với những quốc gia có khí hậu lạnh Cả hai công nghệ này đều cần xây dựng lại hệ thống cung cấp nhiên liệu, tạo ra khoảng trống giữa nhu cầu bảo vệ môi trường và công nghệ ô tô truyền thống.

Gần đây, một kỹ thuật chế tạo ô tô mới đã được phát triển nhằm tiết kiệm năng lượng không tái sinh và bảo vệ môi trường, trong khi công nghệ fuel cell và pin điện đang được hoàn thiện Công nghệ Hybrid hiện đang được coi là một giải pháp thành công và đã được áp dụng rộng rãi tại các quốc gia phát triển như châu Âu, châu Mỹ và Nhật Bản.

Hình 1.1 Cấu tạo một chiếc xe Hybrid

Ngành công nghiệp ôtô toàn cầu đang đối mặt với thách thức lớn về việc sản xuất xe ôtô thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng Mặc dù ôtô Hydro, ôtô điện và ôtô pin mặt trời còn nhiều khó khăn trong việc triển khai, nhưng ôtô Hybrid đã xuất hiện như một giải pháp khả thi Với việc sử dụng nguồn năng lượng tổ hợp, ôtô Hybrid không chỉ giảm đáng kể lượng khí thải độc hại mà còn giúp tiết kiệm tới một nửa nhiên liệu tiêu thụ.

Ôtô Hybrid (Hybrid Electric Vehicle - HEV) là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện Khái niệm "Hybrid" đã xuất hiện từ lâu, với định nghĩa là phương tiện giao thông sử dụng hai nguồn năng lượng trở lên, như hệ thống pin nạp lại và nhiên liệu xăng hoặc dầu diesel Bộ điều khiển điện tử trong xe sẽ quyết định thời điểm sử dụng động cơ điện hay động cơ đốt trong, cũng như khi nào cần nạp điện cho ắc quy.

Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ "Phương Tiện Giao Thông Ghép" thường được sử dụng để chỉ các loại xe kết hợp năng lượng từ điện và xăng, hay còn gọi là xe điện xăng Tên viết tắt trong tiếng Anh là PEHV (Petroleum Electric Hybrid Vehicle) hoặc HEV (Hybrid Electric Vehicle).

1.2.3 Nguyên lý hoạt động ô tô Hybrid Ôtô Hybrid hoạt động theo nguyên tắc: Động cơ điện được sử dụng để khởi động xe, trong đó trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ. Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe gia tốc hoặc leo dốc Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc quy Không giống như các phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy Với sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ Hybrid được mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động cơ cao, mô-mem lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Tổ hợp động cơ Hybrid có những ưu điểm sau:

Khi xe phanh hoặc giảm tốc độ, động cơ điện hoạt động như một máy phát điện, chuyển đổi năng lượng phanh thành điện năng để sạc ắc-quy.

 Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ Hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa).

Động cơ điện thường được sử dụng trong các chế độ gia tốc hoặc khi chịu tải lớn, trong khi động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ Điều này giúp động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn hơn.

Việc sử dụng vật liệu nhẹ giúp giảm khối lượng tổng thể của ô tô, mang lại khả năng vận hành xa và mạnh mẽ tương tự như các ô tô chạy xăng truyền thống.

 Ô tô Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian.

Ô tô Hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn so với ô tô chạy xăng truyền thống nhờ vào hiệu suất cao của động cơ điện Động cơ Hybrid có khả năng tiết kiệm nhiên liệu vượt trội, tiết kiệm hơn 100% so với động cơ xăng thông thường.

Theo phương pháp truyền động, động cơ Hybrid được chia thành hai loại chính: tổ hợp ghép nối tiếp và tổ hợp ghép song song Hệ thống Hybrid kết hợp bao gồm cả hai phương thức này, mang lại hiệu suất tối ưu cho phương tiện.

1.2.5.1 Tổ hợp ghép nối tiếp

Hybrid nối tiếp là hệ thống trong đó động cơ điện là nguồn động lực chính, chịu trách nhiệm xoay bánh xe Động cơ đốt trong chỉ có vai trò phát điện để sạc pin và cung cấp năng lượng cho động cơ điện.

Trong sơ đồ nối tiếp, động cơ đốt trong (bao gồm động cơ xăng, động cơ diesel hoặc pin nhiên liệu) kéo máy phát điện, cung cấp điện cho ắc quy và động cơ điện, mà không có liên hệ cơ khí giữa nguồn động lực và bánh xe Năng lượng từ nhiên liệu được chuyển đổi thành cơ năng thông qua việc quay rô-to của máy phát, tạo ra điện năng, sau đó chuyển đổi lại thành cơ năng để làm quay bánh xe Ưu điểm của sơ đồ này là động cơ đốt trong luôn hoạt động ở chế độ tối ưu, giảm ô nhiễm môi trường và có thể không cần hộp số, phù hợp với nhiều loại ô tô.

Tổ hợp ghép nối tiếp có nhược điểm như kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, đồng thời động cơ đốt trong phải hoạt động ở chế độ nặng để cung cấp điện cho ắc quy, dẫn đến nguy cơ quá tải.

Hình 1.2 Sơ đồ truyền động kiểu nối tiếp 1.2.5.2 Tổ hợp ghép song song

HỆ THỐNG HYBRID HỖN HỢP

Động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong trên xe Hybrid là một trong hai nguồn động lực chính, thường có kích thước nhỏ hơn so với động cơ trên xe chỉ sử dụng động cơ đốt trong Chức năng chính của động cơ này là hỗ trợ gia tốc và tạo ra năng lượng để sạc ắc quy điện cao áp.

Hình 2.2 Thông số động cơ đốt trong xe Hybrid

Động cơ đốt trong của xe Hybrid có công suất và momen xoắn tối đa nhỏ hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường Ngoài ra, cả hai đại lượng này đạt cực đại ở số vòng tua máy thấp hơn so với các xe dùng động cơ thuần đốt trong.

Hộp số

Trong các dòng xe Hybrid, việc sử dụng hộp số vô cấp là cần thiết để tối ưu hóa nguồn năng lượng từ động cơ đốt trong trong các điều kiện đường khác nhau Hộp số này cho phép động cơ hoạt động ở tốc độ hiệu quả nhất, giúp đẩy xe hoặc sạc pin mà không bị giới hạn bởi tỷ số truyền cố định Đồng thời, khi động cơ điện được ưu tiên sử dụng trên hầu hết các loại đường và chế độ lái, hộp số cũng hỗ trợ việc chuyển đổi sang chế độ chạy hoàn toàn bằng động cơ điện.

Hộp số E-CVT của Toyota sử dụng hệ thống bánh răng hành tinh kết hợp với motor điện và máy phát điện (MG1, MG2), thay vì áp dụng đai kim loại và puley có đường kính biến thiên như các hộp số vô cấp truyền thống Điều này giúp E-CVT hoạt động hiệu quả và linh hoạt hơn trong việc truyền động.

 Cụm bánh răng hành tinh cung cấp tỉ số truyền vô cấp và cũng đảm nhận việc chia công suất.

 Bộ truyền xích nối MG2 và bộ vi sai.

Hình 2.3 Cụm truyền động Hybrid của Toyota 2.1.3 MG1 và MG2

Cả MG1 và MG2 đều cần kích thước nhỏ, nhẹ và phải có công suất lớn

MG1 có vai trò nạp điện cho ắc quy cao áp (HV Battery) và cung cấp năng lượng cho MG2 Nó hoạt động như động cơ khởi động chính của xe và điều khiển tỷ số truyền trong bộ bánh răng hành tinh.

MG2 có khả năng dẫn động các bánh xe, cho phép xe di chuyển tiến hoặc lùi Khi xe giảm tốc hoặc phanh, MG2 hoạt động như một máy phát, hấp thu năng lượng từ bánh xe và chuyển hóa thành điện năng để sạc lại ắc quy.

Như vậy cả MG1 và MG2 sẽ là motor đồng bộ xoay chiều 3 pha – loại sử dụng nam châm vĩnh cửu có hiệu quả dòng xoay chiều cao.

Hình 2.4 Sơ đồ motor/ máy phát MG1 và MG2 2.1.4 Bộ chia công suất (Power-Split Device)

Yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả và giá trị của xe Hybrid là khả năng điều tiết hoạt động của động cơ đốt trong để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu khí thải Đồng thời, cần điều khiển động cơ điện hoạt động phù hợp với các chế độ chạy khác nhau Do đó, sự hiện diện của bộ chia công suất với cấu trúc bánh răng hành tinh là rất cần thiết.

Bộ bánh răng hành tinh của bộ phân chia công suất có khả năng thay thế sự phân chia công suất bằng cách kết nối các nguồn động lực và máy phát ở các cấp độ bánh răng khác nhau, khác với bộ bánh răng hành tinh trong hộp số tự động.

 Động cơ đốt trong được kết nối với cần dẫn.

 MG1 kết nối với bánh răng mặt trời.

Hình 2.5 Bộ bánh răng hành tinh

Tốc độ của động cơ đốt trong (ICE) và MG2 có thể thay đổi do sự tương tác giữa các bánh răng, với MG2 hoạt động như cả motor và máy phát kết nối với bánh xe chủ động Khi tốc độ truyền từ MG2 đến vòng răng thay đổi, tốc độ xe cũng thay đổi, trong khi thay đổi tốc độ ICE (MG2=0) không ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ xe ICE có thể điều chỉnh tốc độ tùy theo công suất cần thiết, và với sự hỗ trợ từ MG2, xe có thể hoạt động liên tục Tốc độ quay của MG1, MG2 và ICE phụ thuộc lẫn nhau, với MG2 có thể đạt tối đa 6500 v/p và MG1 lên đến 10000 v/p, trong khi ICE bị giới hạn từ 800 v/p đến 4500 v/p Khi ICE không hoạt động hiệu quả ở tốc độ dưới 800 v/p, ECU sẽ dừng ICE và khởi động lại khi cần công suất cao hơn ICE được kết nối với cần dẫn, và khi cần dẫn quay, các bánh răng hành tinh sẽ tác động đến bánh răng mặt trời và bánh răng bao, với tỷ lệ phân phối momen là 72% cho bánh răng bao và 28% cho bánh răng mặt trời.

2.1.5 Bộ chuyển đổi DC-DC Đa phần các thiết bị phụ trên xe xài nguồn cấp điện 12V DC, nhưng điện áp đầu ra của máy phát là dòng 201.6V Dc Nên sẽ cần bộ chuyển đổi để chuyển dòng 201.6V DC thành dòng 12V DC để nạp vào ắc quy phụ.

Hình 2.6 Mạch bộ chuyển đổi DC-DC

Hình 2.7 Mạch của bộ chuyển đổi A/C

Trong bộ chuyển đổi A/C, mạch biến tần kết nối với motor/máy phát điện qua cảm biến, giúp giảm tiêu thụ và hao phí điện năng Biến tần cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua các dải tần số khác nhau, từ đó tối ưu hóa việc điều khiển động cơ theo các chế độ tải.

2.1.7 Nguồn cao áp Ắc quy HV cần phải cung cấp được cả về mật độ công suất và độ bền tốt nhất, trọng lượng nhẹ Hệ thống Hybrid cần phải điều khiển tỉ lệ nạp và phóng để giữ cho ắc quy HV ở tình trạng nạp ổn định Bộ ắc quy HV, ECU ắc quy, và bộ relay cần được bố trí làm sao để tiết kiệm được không gian xe Ắc quy

HV gồm nhiều mô đun nhỏ Các ngăn trong ắc quy kết nối với nhau tạo thành

1 mô đun ECU ắc quy điều khiển quạt làm mát để tản nhiệt cho ắc quy, giám sát dòng điện nạp/phóng

Cáp nguồn được bảo vệ nhằm giảm thiểu nhiễu điện từ, với bộ dây dẫn cao áp và đầu nối được định dạng bằng màu cam để dễ dàng phân biệt với dây dẫn hạ áp thông thường.

Bộ cáp nguồn trong hệ thống điện năng lưu trữ năng lượng trong ắc quy, được phục hồi bởi MG2 trong quá trình phanh tái sinh và tạo ra năng lượng bởi MG1 Ắc quy này cung cấp điện cho motor điện khi khởi động hoặc khi cần tăng cường công suất.

2.2 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG

Xe Hybrid có khả năng hoạt động với nhiều chế độ khác nhau nhờ vào cấu tạo hệ thống truyền động kiểu hỗn hợp Việc lựa chọn chế độ hoạt động tối ưu và thời điểm sử dụng là rất quan trọng Hệ thống này bao gồm bánh răng hành tinh, tạo thành khớp nối tốc độ giữa động cơ và motor/máy phát điện Động cơ và motor/máy phát điện được kết nối với cần dẫn và bánh răng mặt trời Các bánh răng hành tinh liên kết với bánh lái thông qua cần dẫn và bộ vi sai, trong khi một motor kéo cũng kết nối với bánh lái qua bánh răng khác, giúp kết hợp momen xoắn đầu ra của cả bánh răng bao và motor kéo.

Trong cấu hình này, hệ thống bao gồm một ly hợp và hai khoá, với ly hợp giúp kết nối hoặc ngắt kết nối động cơ với cần dẫn của bánh răng hành tinh Khoá 1 có chức năng khoá hoặc nhả bánh răng mặt trời và trục của motor/máy phát điện đến sườn xe, trong khi Khoá 2 thực hiện nhiệm vụ khoá hoặc nhả cần dẫn đến sườn xe Qua việc điều khiển ly hợp và các khoá, động cơ, motor/máy phát điện và motor kéo có thể hoạt động trong nhiều chế độ khác nhau.

Hình 2.9 Sơ đồ của hệ thống truyền động

 Chế độ khớp nối tốc độ:

Ly hợp chỉ hoạt động khi động cơ đang hoạt động, kết nối động cơ với cần dẫn Khi đó, một khóa sẽ giữ bánh răng mặt trời cố định với sườn xe, dẫn đến việc motor hoặc máy phát điện không hoạt động.

Hình 2.10 Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ tốc độ khi chỉ có động cơ hoạt động

Bộ chuyển đổi DC-DC

Hầu hết các thiết bị phụ trên xe sử dụng nguồn điện 12V DC, trong khi điện áp đầu ra của máy phát là 201.6V DC Do đó, cần có bộ chuyển đổi để hạ điện áp từ 201.6V DC xuống 12V DC nhằm nạp cho ắc quy phụ.

Hình 2.6 Mạch bộ chuyển đổi DC-DC

Bộ chuyển đổi A/C

Hình 2.7 Mạch của bộ chuyển đổi A/C

Trong bộ chuyển đổi A/C, mạch biến tần kết nối với motor/máy phát điện qua cảm biến, giúp giảm tiêu thụ và hao phí điện năng Biến tần cho phép thay đổi tốc độ động cơ thông qua các dải tần số khác nhau, từ đó điều khiển động cơ phù hợp với các chế độ tải.

Nguồn cao áp

Ắc quy HV cần đảm bảo mật độ công suất cao, độ bền tốt và trọng lượng nhẹ Hệ thống Hybrid phải kiểm soát tỷ lệ nạp và phóng để duy trì tình trạng nạp ổn định cho ắc quy Việc bố trí bộ ắc quy HV, ECU ắc quy và bộ relay cần được thực hiện hợp lý để tiết kiệm không gian trong xe.

HV gồm nhiều mô đun nhỏ Các ngăn trong ắc quy kết nối với nhau tạo thành

1 mô đun ECU ắc quy điều khiển quạt làm mát để tản nhiệt cho ắc quy, giám sát dòng điện nạp/phóng

Cáp nguồn được thiết kế với lớp bảo vệ nhằm giảm thiểu nhiễu điện từ Để dễ dàng nhận diện, bộ dây dẫn cao áp và đầu nối được đánh dấu bằng màu cam, giúp phân biệt rõ ràng với dây dẫn hạ áp thông thường.

Bộ cáp nguồn trong hệ thống điện năng bao gồm ắc quy, được phục hồi năng lượng bởi MG2 trong quá trình phanh tái sinh, trong khi MG1 tạo ra năng lượng Ắc quy này cung cấp điện cho motor điện khi khởi động hoặc khi cần tăng cường công suất.

CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG

Xe Hybrid có khả năng hoạt động với nhiều chế độ khác nhau nhờ vào cấu tạo của hệ thống truyền động hỗn hợp Việc lựa chọn chế độ hoạt động tối ưu phụ thuộc vào thời điểm sử dụng Hệ thống bánh răng hành tinh đóng vai trò kết nối động cơ và motor/máy phát điện, tạo thành khớp nối tốc độ Động cơ và motor được kết nối với cần dẫn và bánh răng mặt trời tương ứng, trong khi các bánh răng hành tinh liên kết với bánh lái thông qua cần dẫn và bộ vi sai Một motor kéo cũng được kết nối với bánh lái qua bánh răng khác và bộ vi sai, giúp kết hợp momen xoắn đầu ra từ bánh răng bao và motor kéo.

Trong cấu hình này, một ly hợp và hai khóa được sử dụng để điều khiển hoạt động của hệ thống Ly hợp kết nối hoặc ngắt kết nối động cơ với cần dẫn của bánh răng hành tinh Khoá 1 có chức năng khóa hoặc nhả bánh răng mặt trời và trục của motor/máy phát điện đến sườn xe, trong khi Khoá 2 thực hiện nhiệm vụ khóa hoặc nhả cần dẫn đến sườn xe Qua việc điều khiển ly hợp, khóa, động cơ, motor/máy phát điện và motor kéo, hệ thống có thể hoạt động theo nhiều chế độ khác nhau.

Hình 2.9 Sơ đồ của hệ thống truyền động

 Chế độ khớp nối tốc độ:

Ly hợp chỉ hoạt động khi động cơ đang hoạt động, kết nối động cơ với cần dẫn Khi khóa một bánh răng mặt trời vào sườn xe, động cơ hoặc máy phát điện sẽ không hoạt động.

Hình 2.10 Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ tốc độ khi chỉ có động cơ hoạt động

Trong chế độ chỉ có motor/máy phát điện hoạt động, động cơ sẽ tắt, trong khi bộ ly hợp có thể hoạt động hoặc không Khóa 1 sẽ nhả bánh răng mặt trời và trục của motor/máy phát điện từ sườn xe, trong khi khóa 2 khóa cần dẫn vào sườn xe Như vậy, xe sẽ được vận hành hoàn toàn bởi motor/máy phát điện.

Hình 2.11 Sơ độ dòng năng lượng ở chế độ chỉ có motor/máy phát hoạt động

 Động cơ, motor/máy phát cùng hoạt động: trong chế độ này khóa 1 và

2 đều mở Xe được vận hành bởi motor/máy phát điện và động cơ.

Hình 2.12 Dòng năng lượng có thể có khi khóa 1 và 2 đều mở

 Chế độ khớp nối momen:

Khi motor kéo được nạp năng lượng, mô men xoắn sẽ được cộng thêm vào mô men xoắn đầu ra của bánh răng bao, tạo thành chế độ khớp nối mô men Khi motor kéo hoạt động ở chế độ motor hoặc phát điện, nó sẽ tạo ra các chế độ hoạt động cơ bản khác nhau.

 Động cơ độc lập kết hợp với motor kéo: chế độ này giống như chế độ kiểu song song.

Hình 2.13 Sơ đồ truyền năng lượng ở chế độ động cơ độc lập kết hợp với motor kéo

Động cơ độc lập kết hợp với motor máy phát điện hoạt động tương tự như chế độ nguồn công suất cực đại, nơi năng lượng được sạc từ động cơ trong hệ thống truyền động Hybrid.

Hình 2.14 Chế độ động cơ độc lập kết hợp với máy phát điện

Khớp nối tốc độ kết hợp với motor kéo sử dụng cả chức năng khớp nối tốc độ và mô-men, cho phép động cơ hoạt động hiệu quả hơn Sơ đồ năng lượng ở chế độ này có thể tham khảo Hình 2-12, trong đó Hình 2-12 a thích hợp cho xe ở tốc độ cao, còn Hình 2-12 b phù hợp với xe ở tốc độ thấp Nhờ vào chế độ kết hợp này, động cơ có thể hoạt động ở tốc độ thấp hơn tốc độ trung bình của nó, giúp tránh tình trạng tốc độ quá thấp và nâng cao hiệu quả hoạt động Motor/máy phát điện sẽ hấp thụ một phần năng lượng từ động cơ để tối ưu hóa hiệu suất.

 Motor/máy phát điện kết hợp với motor kéo: chế độ này động cơ được thay bằng motor/máy phát điện.

Hình 2.15 Dòng năng lượng khi kết hợp motor/máy phát với motor kéo

Khớp nối tốc độ kết hợp với motor máy phát điện cho phép động cơ và motor/máy phát điện hoạt động đồng bộ Trong quá trình này, motor sẽ hoạt động chủ yếu ở chế độ phát điện, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.

Phanh tái sinh là quá trình khi xe đang phanh, motor kéo hoặc máy phát điện có thể tạo ra mô men phanh và thu hồi một phần năng lượng từ phanh để sạc cho hệ thống PPS Trong trường hợp này, động cơ sẽ tạm ngừng hoạt động.

Hình 2.16 Dòng năng lượng sạc lại khi ở chế độ phanh tái sinh

MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN

MÔ HÌNH XE HYBRID TRÊN SIMULINK

Để nghiên cứu và điều khiển xe hybrid, trước tiên cần thiết kế một mô hình hệ thống mô phỏng Mô hình này sẽ được điều chỉnh theo mục đích sử dụng và mức độ chính xác mong muốn, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc tính toán hiệu quả.

Trong bài viết này, nhóm chúng em nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho xe sử dụng mô hình hybrid "Two Mode Hybrid Transmission" Mô hình mô phỏng trên Matlab 2021 cho thấy cấu trúc cơ bản của một chiếc xe hybrid hoạt động giữa hai chế độ: phân chia công suất và tay số cố định, với thiết kế hộp số bao gồm 3 bộ bánh răng hành tinh và 4 khớp ly hợp Công đoạn phân chia công suất hỗ trợ xe có gia tốc lớn, trong khi tay số cố định tăng hiệu quả cho hành trình lái Khi xe chuyển sang chế độ phân chia công suất, chỉ có 1 khớp ly hợp được ép vào, còn khi cả 2 khớp ly hợp cùng hoạt động, xe đang sử dụng tay số cố định.

Trong quá trình điều khiển mô phỏng, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh sự chuyển tiếp giữa các chế độ hoạt động dựa trên yêu cầu tốc độ, tình trạng pin và các thông số thiết kế của động cơ và thiết bị motor.

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng trên Simulink 3.1.1 Khối Transmission (Bộ truyền lực, hộp số):

Sơ đồ mô phỏng hệ thống truyền lực và hộp số cho thấy đầu vào của khối hộp số được kết nối với các khối motor/máy phát A, B và động cơ đốt trong, trong khi đầu ra được kết nối với khối thân xe Các khối chức năng trong sơ đồ này được lấy từ thư viện “Simscape Driveline” bao gồm quán tính, bộ bánh răng hành tinh, ly hợp và cảm biến tốc độ quay của trục truyền động (RPM Sensor) Bộ bánh răng hành tinh 1 có tỷ số truyền giữa bánh răng bao và bánh răng mặt trời là R1 = 2, bộ bánh răng hành tinh 2 có tỷ số truyền là R2 = 1.7.

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng khối thân xe

Các khối chức năng trong sơ đồ khối thân xe được lấy từ thư viện “Simscape Driveline”, trong đó khối “Final Drive Ratio” là một cặp bánh răng với tỷ số truyền R fd = 3 và bán kính bánh xe là 0.3 m cho hai bánh xe chủ động cầu sau Trọng lượng xe được giả định là 2000 kg và vận tốc ban đầu V 0 = 0 (m/s) Tín hiệu tốc độ mô phỏng đầu ra sẽ được gửi đến bộ điều khiển để thực hiện hệ thống điều khiển vòng kín thông qua đường tín hiệu từ hai khối Goto và From.

3.1.3 Khối động cơ đốt trong:

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng động cơ đốt trong

Khối động cơ đốt trong bao gồm động cơ, khối giảm chấn và khối cảm biến chuyển động quay Đầu ra F của động cơ là trục khuỷu, trong khi T nhận tín hiệu từ bướm ga, P là công suất và FC là nhiên liệu tiêu thụ Cảm biến tốc độ quay của trục khuỷu gửi tín hiệu đến bộ điều khiển bướm ga, thiết kế để nhận các tín hiệu như tốc độ quay mong muốn, tốc độ thực tế và chế độ động cơ Từ đó, bộ điều khiển có thể chuyển chế độ hoạt động từ tốc độ sang momen dựa trên tín hiệu T Động cơ khởi động với tốc độ quay ban đầu là 1000 vòng/phút.

3.1.4 Khối motor/máy phát điện:

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng motor/máy phát A

Motor/máy phát A được mô phỏng từ thư viện “Simscape Driveline” là một motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu, với đầu vào điện áp từ pin qua bộ chuyển đổi DC-DC và đầu ra cơ năng ở trục (đầu R) Bộ điều khiển motor điều chỉnh hoạt động của motor A dựa trên các tín hiệu đầu vào như tốc độ quay trục đo được từ cảm biến, momen yêu cầu, chế độ hoạt động và tốc độ quay mong muốn, nhằm điều khiển chế độ hoạt động của motor ở cả tốc độ và momen thông qua tín hiệu đầu ra là momen mong muốn.

Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng motor/máy phát B

MGB có thiết kế tương tự như MGA, với các thông số và bộ điều khiển giống nhau Sự khác biệt nằm ở việc MGB kết nối với hộp số qua bộ bánh răng hành tinh 3 ở bánh răng mặt trời, và sử dụng khớp ly hợp số 4 để kết nối với cần trục (C) của hai bộ bánh răng hành tinh 1 và 2 Ngược lại, MGA và động cơ được liên kết với bánh răng mặt trời và bánh răng bao của bộ bánh răng hành tinh 1.

3.1.5 Khối bộ chuyển đổi DC-DC:

Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng bộ DC-DC converter

Bộ chuyển đổi DC-DC, hoạt động như một bộ biến áp, được mô phỏng trong Simulink bằng khối “Ideal Transformer” trong thư viện “Simscape Electrical” Đầu ra của bộ chuyển đổi này kết nối với hai motor MGA và MGB, trong khi đầu vào liên kết với pin Tỷ số biến áp trong mô hình này được thiết lập là 1.

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng khối pin

Khối pin được mô phỏng từ các khối chưc năng khác trong thư viện

Simscape Electrical bao gồm một bộ pin (Battery Table-Based) với điện áp không tải tối đa 350 V Hệ thống này có cảm biến điện áp và cảm biến cường độ dòng điện, cho phép tính toán công suất, công suất tổn hao và lượng điện sạc theo thời gian thông qua bộ tính toán.

Nhằm cải thiện khả năng tính toán tình trạng sạc của pin (SOC), nhóm chúng tôi đã thay đổi thiết kế khối pin từ nguồn cấp điện đơn giản sang bộ pin Battery (Table-Based, Instrumented) Thiết kế mới cho phép tùy chỉnh điện lượng phóng ra (12 Ah) và tích hợp cổng đầu ra hỗ trợ tính toán SOC hiệu quả hơn.

BỘ ĐIỀU KHIỂN

Mô hình hybrid sẽ được điều khiển bởi bộ điều khiển với tín hiệu đầu vào là các yêu cầu về tốc độ và gia tốc được thiết lập trong khoảng thời gian mô phỏng 95 giây Việc thiết lập quá trình chạy mô phỏng kết hợp với tín hiệu tốc độ thực tế từ mô hình hybrid cho phép bộ điều khiển PI điều chỉnh sai số ổn định một cách hiệu quả Sử dụng tín hiệu tốc độ làm đầu vào giúp điều khiển các tín hiệu điện áp ở pin cũng như tốc độ quay của các trục motor A, B và trục khuỷu động cơ một cách dễ dàng hơn.

Hình 3.9 Sơ đồ khối Controller

Tín hiệu tốc độ sau khi điều chỉnh từ bộ điều khiển PI đã được chuyển đổi thành tốc độ quay của trục truyền động chính tại các bánh xe, giúp dễ dàng điều chỉnh tín hiệu chế độ hoạt động mong muốn Các phương pháp thực hiện chế độ này ở mô hình hybrid được quản lý thông qua các khối điều khiển “Shift state” và “Strategy” Từ khối “Strategy”, tín hiệu điều khiển sẽ được chuyển đến các mô hình cơ cấu chấp hành như “Engine”, “MGA”, “MGB” và hộp số.

Quy trình hoạt động của mô hình hybrid dựa vào việc chuyển đổi giữa chế độ tay số cố định và chế độ phân chia công suất Tín hiệu đại diện cho các tay số được ký hiệu là “G”, với giá trị tương ứng.

G = 1 và G = 2 sẽ tương ứng với tay số 1 và tay số 2 Do đó, chúng ta cần thiết lập các bước chuyển bằng chế độ phân chia công suất ở các giá trị thập phân như G = 1.5, G = 2.5, v.v.

Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển cho các chế độ mô phỏng, bước tiếp theo là thiết lập các phương án và chiến lược hoạt động nhằm đáp ứng các điều kiện yêu cầu phù hợp với xe trong từng chế độ.

Hình 3.10 Sơ đồ thiết lập chiến lược hoạt động ở chế độ phân chia công suất

Từ hình 3.10, có thể thấy được thông số thiết lập ở chiến lược hoạt động ở một chế độ phân chia công suất Ở thiết lập này ta có:

 CL1 (khớp ly hợp 1) (= 200): khớp ly hợp được ép lại.

 CL2, CL3, CL4 (= 0): các khớp này không được ép lại.

 MGA, MGB mode (= 1): motor đang ở chế độ điều khiển tốc độ.

 Engine mode (= 0): động cơ đang ở chế độ điều khiển momen.

 Ref MGA rpm (= 0): tốc độ quay yêu cầu của motor A bằng 0.

 Ref MGB rpm: có đầu vào được lấy từ tốc độ quay mong muốn từ bộ điều khiển sau khi đã qua hộp truyền động và trục truyền động.

 Ref engine rpm (= rpm0 = 1000 rpm).

 Ref MGB, MGA torque: momen sinh ra yêu cầu ở các trục của motor

 Ref engine throttle (= 0.11): độ mở bướm ga yêu cầu.

Có thể thiết lập các chiến lược lái phù hợp với chế độ chạy, cần chú ý đến việc kết hợp sự ép chặt ở các khớp ly hợp để tương thích với chế độ phân chia công suất và chế độ tay số cố định.

Trong quá trình nghiên cứu, nhóm chúng em đã thử nghiệm thêm thông số tín hiệu SOC vào bộ thiết lập chế độ Chúng em thiết kế chế độ chạy cho xe khi mức pin dưới 30%, với mục tiêu tiết kiệm năng lượng và để động cơ đốt trong đảm nhận tải chính Tín hiệu này giúp biểu thị chế độ hoạt động hiệu quả hơn.

G, chúng em đã thêm vào mức tín hiệu G = 0.75 khi mức pin xuống đến mức30% trở xuống, lúc này xe sẽ chạy ở chế độ phân chia công suất và được nạp lại thông qua truyền động từ động cơ đến motor đến mức từ 60% thì có thể tiếp tục xài ở các chế độ khác

Hình 3.11 Chiến lược chạy khi xe từ 30% pin trở xuống

Hình 3.12 Đồ thị vận tốc xe khi chạy đến mức 30% pin

Hình 3.13 Tình trạng pin của xe