CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG NHIÊN LIỆU TIÊU THỤ CỦA XE HYBRID
2.2. Xây dựng mô hình
2.2.1. Công suất tại bánh xe
Công suất tại bánh xe bao gồm hai thành phần: công suất cản do các yếu tố môi trường (bao gồm công suất cản lăn do mặt đường và cản khí động) và công suất quán tính. Công suất cản do các yếu tố môi trường được trung bình hóa như sau:
Theo thông số ĐT Lý thuyết ô tô
Theo thông số ĐT Lý thuyết ô tô
𝑃̅𝑓 = 𝑚𝑔𝜓𝑣𝑎𝑣𝑔 (2.4) Công suất cản khí động được trung bình hóa như sau:
𝑃̅ = 1
𝜌𝐶 𝐴𝑣3 = 1
𝜌𝐶 𝐴𝛬3 𝑣3
𝑤 2 𝑤 𝑟𝑚𝑐 2 𝑤 𝑎𝑣𝑔 (2.5)
Từ công thức 2.4 và 2.5, công suất cản tổng cộng trung bình tính như sau:
𝑃̄ = 𝑃̅ + 𝑃̅ = 𝑚𝑔𝜓𝑣+ 1
𝜌𝐶 𝐴𝑣3
𝑐 𝑓 𝑤 𝑎𝑣𝑔 2 𝑤 𝑟𝑚𝑐 (2.6)
Công suất quán tính được trung bình hóa như sau:
𝑃̅𝑞 = 𝑚𝛿𝑖𝑣𝑎𝑣𝑔𝑎̃ (2.7)
Trong đó: 𝑚 là tổng khối lượng xe (kg), g là gia tốc trọng trường (9,81 m/s2), 𝜓 là hệ số cản tổng cộng của đường, 𝐶𝑤 hệ số cản khí động, A là diện tích cản chính diện của xe (m2), ρ là mật độ không khí (1,2 kg/m3), 𝛿𝑖 là hệ số kể đến quán tính quay của hệ thống truyền lực (𝛿𝑖= 1,05). Các kịch bản chuyển động với gia tốc lớn, như phanh và tăng tốc, có thể ảnh hưởng đến việc tính toán lượng tiêu thụ nhiên liệu của xe do hiện tượng trượt. Tuy nhiên, những kịch bản này ít xảy ra và nếu có, chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng thời gian xe hoàn thành hành trình. Vì vậy, có thể giả thiết rằng quá trình tính toán theo mô hình bỏ qua sự trượt của bánh xe.
2.2.2. Công suất phanh
Với xe hybrid hỗn hợp, quán tính xe bị triệt tiêu bởi hệ thống phanh cơ khí và phanh tái tạo. Công suất phanh cơ khí là công suất mất mát dưới dạng năng lượng nhiệt tiêu tán ra môi trường khi phanh. Công suất phanh tái tạo là công suất thu hồi một phần động năng quán tính trở thành năng lượng điện tích trữ trong pin.
Hình 2.15. Sự phân bố công suất tại bánh xe
Để thống nhất giá trị tính toán công suất phanh là dương và đơn giản hóa quá trình phân tích năng lượng phanh, giả thiết sau được đề xuất: Trên một lần hoàn thành CTDC, vận tốc và vị trí xe khởi hành và kết thúc là như nhau. Với giả thiết này, trong quá trình xe chuyển động, quán tính âm bằng quán tính dương, do
thế năng
và động năng của xe tại điểm đầu và điểm cuối là như nhau. Mô hình sẽ phân tích quá trình phanh khi xe có quán tính âm, tức là khi xe giảm tốc, vì lúc này xuất hiện công suất phanh tái tạo từ mô tơ điện. Nhưng các thành công suất phanh sẽ được tính dương, như phân tích trên Hình 2.15.
Từ giả thiết trên, công suất phanh được tính như sau: Khi xe giảm tốc, quán tính xe bị triệt tiêu bởi lực cản mặt đường và lực cản khí động. Khi phần quán tính này lớn hơn hai lực cản nêu trên thì cần lực phanh để giảm tốc. Như vậy, công suất phanh yêu cầu được trung bình hóa như sau:
𝑇(𝑃 +
𝑃 )| 𝑑𝑡
Trong đó: T là thời gian hoàn thành CTDC (s), v và vtr lần lượt là vận tốc hiện tại và tại bước tính trước đó (m/s).
Năng lượng phanh trên xe hybrid bao gồm hai thành phần: Phanh ma sát sinh ra bởi hệ thống phanh cơ khí và phanh tái tạo do mô tơ điện. Trên thế giới có nhiều nghiên cứu trình bày cách xác định năng lượng hay công suất phanh tái tạo trên mô tơ điện dựa trên hệ số tái tạo năng lượng, với nhiều định nghĩa và cách biểu diễn khác nhau, đã được trình bày trong Chương 1.
Để xác định các thành phần năng lượng phanh, cần thiết phải tiến hành xác định hệ số tái tạo năng lượng (𝑘𝑡𝑡). Phương pháp xác định hệ số này sẽ được trình bày ở Mục 2.3 và kết quả thực nghiệm xác định hệ số trình bày ở Chương 3. Từ hệ số tái tạo năng lượng, công suất phanh tái tạo trung bình được xác định như sau:
𝑃̄𝑝𝑡𝑡 = 𝑘𝑡𝑡. 𝑃̄𝑝 (2.9)
Phần động năng quán tính không được hấp thụ bởi phanh tái tạo sẽ do hệ thống phanh cơ khí tiêu tán dưới dạng nhiệt năng ra môi trường. Như vậy, công suất phanh cơ khí trung bình được tính toán như sau:
𝑃̄𝑝𝑐𝑘 = 𝑃̄𝑝 − 𝑃̄𝑝𝑡𝑡 = (1 − 𝑘𝑡𝑡). 𝑃̄𝑝 (2.10) 2.2.3. Công suất hệ thống truyền lực và hệ thống cơ điện
Xe hybrid có hệ thống truyền động rất phức tạp do dùng nhiều nguồn năng lượng khác nhau để kéo xe chạy. Do đó, cần thiết phải phân chia lại các thành phần trên xe thành từng hệ thống, và xây dựng phương trình tính toán năng lượng của các hệ thống đó. Hình 2.16 trình bày tổng quan sơ đồ truyền công suất trên xe hybrid và cách phân chia lại các hệ thống.
∫0 𝑞 𝑐 (𝑃
𝑞+𝑃𝑐<0), (𝑣−𝑣𝑡𝑟<
𝑃̅𝑝 = −
𝑇
0) (2.8)
Hình 2.16. Phân chia lại các hệ thống trên xe hybrid
Các thành phần điện bao gồm pin, bộ chuyển đổi điện, các ĐCĐ (mô tơ/máy phát) và cơ cấu bánh răng hành tinh thuộc hệ thống cơ điện, còn thành phần cơ khí kết nối từ đầu ra cơ cấu bánh răng hành tinh đến vi sai rồi đến bánh xe thuộc hệ thống truyền lực (HTTL). HTTL chỉ truyền động cơ khí bằng hệ bánh răng, hiệu suất truyền động ít thay đổi và không phụ thuộc vào chế độ tải trọng (theo công bố của tác giả Sungtae Cho về hiệu suất HTTL trên xe hybrid). Do đó, nghiên cứu này giả thiết hiệu suất HTTL có giá trị cố định là 98% [43]. Phương pháp xác định hiệu suất hệ thống cơ điện được trình bày ở Mục 2.3 và kết quả thực nghiệm xác định hiệu suất hệ thống cơ điện thể hiện ở Chương 3.
Với việc phân chia lại hệ thống trên xe hybrid như Hình 2.16, công suất trên HTTL và hệ thống cơ điện được tính toán như sau:
- HTTL đầu ra phải đảm bảo cung cấp đủ công suất cản tổng cộng (𝑃̄𝑐) và công suất phanh cơ khí (𝑃̄𝑝𝑐𝑘 ):
𝑃̄ = 𝑃̄ + 𝑃̄ = 𝑚𝑔𝜓𝑣 + 1
𝜌𝐶 𝐴𝑣3 + (1 − 𝑘 ). 𝑃̄
𝐻𝑇𝑇𝐿−𝑟𝑎 𝑐 𝑝𝑐𝑘 𝑎𝑣𝑔 2 𝑤 𝑟𝑚𝑐 𝑡𝑡 𝑝
(2.11) - Để xác định công suất đầu vào ĐCĐT, cần thiết phải xác định tổn thất công suất trung bình đi qua HTTL và hệ thống cơ điện. Hình 2.17 mô tả đường truyền công suất qua hai hệ thống:
Hình 2.17. Dịch chuyển công suất trên HTTL và hệ thống cơ điện
- Các dòng công suất đi qua HTTL và hệ thống cơ điện gồm có công suất cản tổng cộng trung bình (𝑃̄𝑐), công suất quán tính trung bình (𝑃̅𝑞) và công suất phanh tái tạo trung bình (𝑃̄𝑝𝑡𝑡). Dòng công suất cản và công suất quán tính có hướng từ
động lực truyền đến bánh xe, trong khi đó dòng công suất phanh tái tạo chỉ có hướng từ bánh xe ngược về pin. Do đó, công suất tổn thất trung bình trên HTTL được tính toán như sau:
𝑃̅ = 1 − 𝜂𝐻𝑇𝑇𝐿
(𝑃̄ + 𝑃̄ ) + (1 − 𝜂 )𝑃̄
𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑡ổ𝑛 𝑡ℎấ𝑡 𝜂𝐻𝑇𝑇𝐿 𝑐 𝑞 𝐻𝑇𝑇𝐿 𝑝𝑡𝑡
(2.12) Trong đó: 𝜂𝐻𝑇𝑇𝐿 là hiệu suất của HTTL (=98%) trong một CTDC.
- Công suất tổn thất trên hệ thống cơ điện được xác định như sau:
𝑃̅ = (1 − 𝜂). ( 1
. (𝑃̄ + 𝑃̄ ) + 𝜂 . 𝑃̄
𝑐𝑑_𝑡𝑡) 𝑐𝑑 𝜂𝐻𝑇𝑇𝐿 𝑐 𝑞 𝐻𝑇𝑇𝐿 𝑝𝑡𝑡
(2.13) Trong đó: 𝜂𝑐𝑑 là hiệu suất hệ thống cơ điện. Hiệu suất này sẽ được biểu diễn thành hàm tham số xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào các thông số đặc trưng của CTDC (𝑣𝑎𝑣𝑔, 𝑣𝑟𝑚𝑐, 𝑎̃). Phương pháp xác định hàm tham số hiệu suất hệ thống cơ điện được trình bày ở Mục 2.3 và kết quả thực nghiệm thể hiện ở Chương 3.
- Sau khi có công suất trung bình đầu ra và tổn thất trên HTTL, công suất trung bình đầu vào HTTL được tính như sau:
𝑃̅𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑣à𝑜 = 𝑃̅𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑟𝑎 + 𝑃̅𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑡ổ𝑛 𝑡ℎấ𝑡 (2.14) 2.2.4. Công suất động cơ đốt trong
Như vậy, từ công suất đầu vào HTTL (phương trình 2.14), công suất tổn thất trên hệ thống cơ điện (phương trình 2.13) và căn cứ trên đường truyền công suất trên xe full hybrid, ta tính được công suất mà ĐCĐT cần cung cấp như sau:
𝑃̄𝑒 = 𝑃̅𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑣à𝑜 + 𝑃̅𝑐𝑑_𝑡𝑡 + 𝑃̄𝑝𝑡 (2.15) Trong đó: 𝑃̄𝑝𝑡 là công suất trung bình hệ thống phụ tải.
Năng lượng nhiên liệu cần thiết cho xe hoàn thành CTDC:
𝐸 = 𝑃̄1 𝑒 𝑇
𝜂𝑒 (2.16)
Trong đó: 𝜂𝑒 là hiệu suất ĐCĐT. Hiệu suất này sẽ được biểu diễn thành hàm tham số xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào các thông số đặc trưng của CTDC (𝑣𝑎𝑣𝑔,
𝑣𝑟𝑚𝑐, 𝑎̃). Phương pháp xác định hàm tham số hiệu suất ĐCĐT được trình bày ở Mục 2.3 và kết quả thực nghiệm thể hiện ở Chương 3.
Sau khi xác định được năng lượng nhiên liệu cần thiết cho xe hoàn thành CTDC bất kỳ, lượng nhiên liệu tiêu thụ của xe B (lít/100km) trên một CTDC được quy đổi theo công thức sau:
𝐵 = 𝐸
3,6.106. 𝜆. 𝑣𝑎𝑣𝑔. 𝑇
(2.17)
Trong đó: λ là tỷ lệ quy đổi từ lít xăng sang năng lượng (kWh/l) [44]. Trong quá trình tính toán năng lượng tiêu thụ của xe full hybrid, giả thiết rằng dung lượng pin luôn đủ cho việc dự trữ năng lượng tái tạo khi phanh.
2.2.5. Kết quả tính toán mô hình
Từ tất cả các công thức đã xây dựng, mô hình có thể tính toán công suất trung bình cho xe hybrid điện cho một chu trình cụ thể, ví dụ như trong Bảng 2.5.
Các ô màu vàng biểu thị các thông số đầu vào, trong khi các ô màu cam biểu thị các thông số đầu ra. Bảng 2.5 sử dụng các thông số cơ bản của xe Nissan Kicks e- Power, với tổng trọng lượng xe đã bao gồm 4 người ngồi (mỗi người 70 kg) [45].
Chu trình tiêu chuẩn NYCC được lựa chọn để tính toán các thông số đặc trưng cho điều kiện giao thông, với giá trị các thông số này tham khảo từ tài liệu [5]. Hệ số tái tạo năng lượng và hiệu suất của hệ thống cơ điện được lấy từ phần mềm FASTSim [12], trong khi hiệu suất của động cơ đốt trong dựa trên các công bố về hiệu suất động cơ xe hybrid sử dụng chu trình Atkinson [46]. Để tăng cường độ tin cậy và độ chính xác của mô hình, các tham số in nghiêng (bao gồm hệ số tái tạo năng lượng, hiệu suất hệ thống cơ điện và hiệu suất động cơ đốt trong) cần được hàm hóa theo đặc trưng điều kiện giao thông khu vực. Phương pháp hàm hóa các tham số này được trình bày trong Mục 2.3, và kết quả xác định các hàm bằng thực nghiệm được trình bày trong Chương 3. Kết quả trong Bảng 2.5 cho thấy sự phù hợp với các quy luật vật lý và các nghiên cứu trước đây về tính toán năng lượng trên xe hybrid.
Bảng 2.5. Ví dụ tính toán công suất trung bình cho xe hybrid điện cho 01 chu trình
Thông số cơ bản của xe cơ sở [45] Đơn vị
Tổng trọng lượng xe 1620 kg
Hệ số cản khí động 0,31
Diện tích cản chính diện 2,8424 m2
Tỉ trọng không khí 1,2 kg/m3
Tỷ lệ quy đổi lượng xăng thành năng lượng 8,92 kWh/l
Hệ số kể đến quán tính quay của HTTL 1,05
Hệ số cản mặt đường 0,013
Hiệu suất của hệ thống truyền lực 95 %
Hệ số tái tạo năng lượng [12] 0,66
Hiệu suất của hệ thống cơ điện [12] 95 %
Hiệu suất động cơ đốt trong [46] 29,16 %
Thông số đặc trưng điều kiện giao thông khu vực [5] Đơn vị
Vận tốc trung bình bậc nhất (vavg) 3,16 m/s
Vận tốc trung bình bậc ba (vrmc) 5,73 m/s
Gia tốc đặc trưng (ã) 0,29 m/s2
Thời gian 598 s
Thông số tính toán Đơn vị Công suất cản trung bình tại bánh xe (𝑃̅𝑐) 752 W
Công suất phanh trung bình (𝑃̅𝑝) 815 W
Công suất phanh cơ khí trung bình (𝑃̅𝑝𝑐𝑘 ) 277,1 W Công suất phanh tái tạo trung bình (𝑃̅𝑝𝑡𝑡) 537,9 W
Công suất phụ tải trung bình (𝑃̅𝑝𝑡) 50 W
Công suất quán tính trung bình (𝑃̅𝑞) 1558,8 W
Công suất đầu ra HTTL trung bình (𝑃̅𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑟𝑎) 1029,1 W Công suất tổn thất HTTL trung bình (𝑃̅𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑡ổ𝑛 𝑡ℎấ𝑡 ) 148,52 W Công suất đầu vào HTTL trung bình (𝑃̅𝐻𝑇𝑇𝐿_𝑣à𝑜) 1177,62 W Công suất tổn thất hệ thống cơ điện trung bình (𝑃̅𝑐𝑑𝑡𝑡) 108,02 W
Công suất ĐCĐT trung bình (𝑃̅𝑒) 1335,64 W
Lượng nhiên liệu tiêu thụ 0,085 lít xăng
Lượng tiêu thụ nhiên liệu (𝐵) 4,5 lít/100km