CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ CỦA XE HYBRID
2.3. Phương pháp xác định các hàm tham số mô hình
2.3.3. Hiệu suất hệ thống cơ điện
Luận án này coi hệ thống cơ điện trên xe hybrid bao gồm pin, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện (mô tơ và máy phát) và hệ bánh răng hành tinh. Để xác định hiệu suất của hệ thống này, cần thiết phải tìm hiểu cấu trúc hệ truyền động trên xe hybrid hỗn hợp. Hình 2.19 minh họa các thành phần chính và đường truyền mô men trên hệ truyền động xe hybrid hỗn hợp.
Hình 2.19. Cấu trúc hệ thống truyền lực của xe hybrid hỗn hợp [48]
Hình 2.19 cho thấy trên xe hybrid hỗn hợp, ĐCĐT được nối với giá đỡ bánh răng hành tinh 2, máy phát MG1 nối với bánh răng mặt trời, mô tơ MG2 nối với bánh răng bao dẫn động đến bánh xe. Bộ phân chia công suất chia ra thành 02 đường truyền công suất: Một đường truyền tạo ra công suất kéo xe chạy, đường còn lại sinh ra công suất dẫn động máy phát MG1. Công suất tại mô tơ MG2 được truyền đến truyền lực chính (vi sai) qua trục trung gian.
Xe hybrid hỗn hợp hoạt động luân chuyển giữa các chế độ, nhưng cơ bản có 05 chế độ như sau:
- Chế độ 1: ĐCĐT khởi động
Hình 2.20. Chế độ hoạt động khi ĐCĐT khởi động [48]
Hình 2.20 mô tả hoạt động của xe khi ĐCĐT bắt đầu hoạt động. Để khởi động xe, máy phát MG1 tạo ra mô men dương lên bánh răng mặt trời để khởi động ĐCĐT. Mô tơ MG2 sinh ra mô men phản ứng để cố định bánh răng bao, chỉ cho cặp bánh răng hành tinh và mặt trời quay. Sau khi đạt đến vòng tua nhất định, ĐCĐT bắt đầu đốt nhiên liệu sinh công và chạy không tải.
- Chế độ 2: Tăng tốc/di chuyển ở dải vận tốc thấp (<15 km/h)
Hình 2.21. Chế độ di chuyển ở vận tốc thấp khi điện tích pin ở mức >39,6% [48]
Hình 2.21 mô tả hoạt động của xe khi tăng tốc hoặc đi đều ở dải vận tốc thấp và điện lượng của pin (SOC) ở mức >39,6%. Lúc này, chỉ có mô tơ MG2 dẫn động cho xe chạy ở vận tốc thấp (thường dưới 15 km/h). ĐCĐT (được nối với giá đỡ bánh răng hành tinh) đứng yên. Máy phát MG1 quay tự do theo hướng ngược lại với trường hợp khởi động xe và không sinh điện.
Hình 2.22. Chế độ di chuyển ở vận tốc thấp khi điện tích pin ở mức <39,6% [48]
Hình 2.22 mô tả hoạt động của xe khi lượng điện lượng pin (SOC) thấp (<39,6%). Lúc này, công suất ĐCĐT chia làm ba phần: Hai phần công suất dẫn đến MG1 và MG2 để sạc pin, phần còn lại trực tiếp truyền đến bánh xe.
- Chế độ 3: Xe tăng tốc/di chuyển ở dải vận tốc trung bình – cao (> 15km/h) Hình 2.23 mô tả hoạt động của xe khi tăng tốc/di chuyển đều ở dải vận tốc trung bình-cao (>15 km/h). Lúc này, ĐCĐT và mô tơ MG2 hoạt động ở chế độ công suất tối đa. MG1 lấy hầu hết công suất dư từ ĐCĐT để sạc lại cho pin.
Hình 2.23. Chế độ di chuyển ở vận tốc cao hoặc 100% bàn đạp ga [48]
- Chế độ 4: Xe giảm tốc (Chế độ phanh tái tạo)
Hình 2.24. Chế độ hoạt động khi xe giảm tốc [48]
Hình 2.24 mô tả hoạt động của xe ở chế độ phanh tái tạo. Khi xe đang hoạt động ở tay số D và đang giảm tốc, ĐCĐT tắt và không sinh công suất kéo xe. Lúc này, lực kéo tại bánh xe truyền đến và làm mô tơ MG2 quay, khiến cho mô tơ MG2 chuyển sang chế độ máy phát và sạc điện cho pin. Đồng thời, mô tơ MG2 tạo ra mô men cản lại chuyển động quay của bánh xe, gây nên hiện tượng “phanh tái tạo”.
- Chế độ 5: Xe chuyển động lùi
Hình 2.25. Chế độ hoạt động khi xe lùi [48]
Khi xe chuyển động lùi, mô tơ MG2 (dẫn động đến bánh xe) quay ngược chiều để bánh xe quay ngược chiều. ĐCĐT lúc này không hoạt động (tắt). Máy phát MG1 quay tự do và không sinh điện. Nếu lượng điện tích trên pin (SOC) thấp (dưới 39,6%), ĐCĐT khởi động, máy phát MG1 sinh điện cung cấp cho mô tơ MG2 chạy.
Từ mô tả nêu trên, có thể phân loại tất cả các chế độ hoạt động của xe hybrid hỗn hợp theo tình trạng sạc/xả của pin, cụ thể như Bảng 2.6.
Bảng 2.6. Phân chia chế độ hoạt động trên xe hybrid theo tình trạng pin TT Tình trạng pin Các chế độ hoạt động
1 Pin nạp điện
Chế độ 2: Xe tăng tốc/di chuyển ở dải vận tốc thấp (khi SOC <
39,6%)
Chế độ 3: Xe tăng tốc/di chuyển ở dải vận tốc trung bình – cao (khi tải nhỏ hoặc SOC < 39,6%)
Chế độ 4: Xe giảm tốc (Chế độ phanh tái tạo) Chế độ 5: Xe chuyển động lùi (khi SOC < 39,6%)
2 Pin xả điện
Chế độ 1: Động cơ xăng khởi động khi xe đứng yên Chế độ 2: Xe tăng tốc/di chuyển ở dải vận tốc thấp
Chế độ 3: Xe tăng tốc/di chuyển ở dải vận tốc trung bình – cao Chế độ 5: Xe chuyển động lùi
Bằng việc phân chia chế độ hoạt động theo tình trạng pin, hiệu suất hệ thống cơ điện trên xe hybrid có thể được xác định một cách đơn giản hơn thông qua việc xác định hiệu suất hệ thống và tỷ lệ thời gian khi pin nạp hoặc xả. Căn cứ theo phân tích về các chế độ hoạt động trên xe hybrid trình bày ở trên, sơ đồ đường truyền năng lượng và công thức xác định hiệu suất trong hai trường hợp được trình bày
như sau:
- Khi Pin trên xe hybrid nạp điện (Hình 2.26): Có hai dòng năng lượng truyền về pin. Dòng thứ nhất từ ĐCĐT dẫn động kéo máy phát MG1 sạc lại cho Pin. Dòng thứ hai chính là năng lượng tái tạo từ hệ thống phanh tái tạo tại bánh xe trong quá trình giảm tốc truyền về pin.
Hình 2.26. Đường truyền năng lượng trong hệ thống cơ điện khi pin nạp
Như vậy, hiệu suất truyền năng lượng của hệ thống cơ điện khi pin nạp được biểu diễn bằng công thức sau:
𝑇
Trong đó: 𝑈𝑝𝑖𝑛 là hiệu điện thế tức thời của pin (V), 𝐼𝑝𝑖𝑛 là cường độ dòng điện tức thời của pin (A), 𝑇𝑀𝐺1 là mô men sinh ra tại máy phát MG1 (Nm), 𝑛𝑀𝐺1 là tốc độ vòng quay của máy phát MG1 (vòng/phút), 𝑇𝑀𝐺2 là mô men sinh ra tại mô tơ MG2 (Nm), 𝑛𝑀𝐺2 là tốc độ vòng quay của mô tơ MG2 (vòng/phút), 𝑇 là thời gian hoàn thành 01 CTDC khảo sát (s).
- Khi Pin trên xe hybrid xả điện (Hình 2.27): Có duy nhất một dòng năng lượng từ pin đến mô tơ MG2 để dẫn động kéo xe chạy.
Hình 2.27. Đường truyền năng lượng trong hệ thống cơ điện khi pin xả
Như vậy, hiệu suất truyền năng lượng của hệ thống cơ điện khi pin xả được biểu diễn bằng công thức sau:
𝑇 π
∫0 𝑇𝑀𝐺2. 𝑛𝑀𝐺2. 30 . 𝑑𝑡|𝑇 >0
𝜂𝑐𝑑−𝑥ả = 𝑇 𝑀𝐺2
∫0 𝑈𝑝𝑖𝑛. 𝐼𝑝𝑖𝑛. 𝑑𝑡 (2.23)
Trong đó: 𝑈𝑝𝑖𝑛 là hiệu điện thế tức thời của pin (V), 𝐼𝑝𝑖𝑛 là cường độ dòng điện tức thời của pin (A), 𝑇𝑀𝐺2 là mô men sinh ra tại mô tơ MG2 (Nm), 𝑛𝑀𝐺2 là tốc độ vòng quay của mô tơ MG2 (vòng/phút), 𝑇 là thời gian hoàn thành 01 CTDC khảo sát (s).
Từ hiệu suất hệ thống cơ điện khi sạc và xả như trên, hiệu suất hệ thống cơ điện trên 01 CTDC bất kỳ được tính trung bình như sau:
∫ |𝑈𝑝𝑖𝑛. 𝐼𝑝𝑖𝑛|. 𝑑𝑡
𝜂𝑐𝑑−𝑛ạ𝑝 = 0
𝑇 π 𝑇 π
∫0 |𝑇𝑀𝐺1. 𝑛𝑀𝐺1. | 𝑑𝑡 + ∫0
|𝑇𝑀𝐺2. 𝑛𝑀𝐺2. | 𝑑𝑡|
30 30 𝑇𝑀𝐺2<0
(2.22)
𝑡𝑐𝑑−𝑛ạ𝑝. 𝜂𝑐𝑑−𝑛ạ𝑝 + 𝑡𝑐𝑑−𝑥ả. 𝜂𝑐𝑑−𝑥ả 𝜂𝑐𝑑 =
2 (2.24)
Trong đó: 𝑡𝑐𝑑−𝑛ạ𝑝 và 𝑡𝑐𝑑−𝑥ả: là tỷ lệ thời gian pin nạp và xả điện trên tổng thời gian xe chạy trên chu trình (%).