Nghiên cứu mô phỏng nguồn động lực xe hybrid trên phần mềm AVL-Cruise

Bài viết Nghiên cứu mô phỏng nguồn động lực xe hybrid trên phần mềm AVL-Cruise trình bày về việc xác định phương pháp phối hợp nguồn động lực của xe hybrid, tính toán các thông số của động cơ đốt trong, động cơ điện.

TNU Journal of Science and Technology 227(11): 20 - 28 SIMULATION STUDY OF AN ENERGY SOURCE OF A HYBRID ELECTRIC VEHICLES USING AVL-CRUISE SOFTWARE * Luong Quang Huy TNU - University of Information and Communication Technology ARTICLE INFO Received: 12/5/2022 Revised: 24/6/2022 Published: 24/6/2022 KEYWORDS Hybrid electric vehicles Electric motor Internal combustion engine Power divider AVL-Cruise software ABSTRACT Nowadays, the use of hybrid cars is increasingly popular in Vietnam as well as around the world Researching to master hybrid vehicle technology is a highly practical matter Especially, the study of the driving force of hybrid vehicles is the most important topic The power sources of hybrid vehicles include internal combustion engine and electric motor The content of the article presents the determination of the method of combining the driving force of the hybrid vehicle, calculating the parameters of the internal combustion engine and electric motor Then, the parameters of hybrid vehicles and vehicles using conventional internal combustion engines were set and simulated on AVL-Cruise software The simulation results show that the total emissions (including NOx, CO, HC) of hybrid vehicles were significantly reduced compared to cars using conventional internal combustion engines Specifically, after running the simulation by FTP75 cycle on AVL-Cruise software, NOx emissions decreased by 69%, CO emissions decreased by 58% and HC emissions decreased by 44% NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG NGUỒN ĐỘNG LỰC XE HYBRID TRÊN PHẦN MỀM AVL-CRUISE Lương Quang Huy Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thơng – ĐH Thái Ngun THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 12/5/2022 Ngày hoàn thiện: 24/6/2022 Ngày đăng: 24/6/2022 TỪ KHÓA Xe Hybrid Động điện Động đốt Bộ chia điện Phần mềm AVL-Cruise TÓM TẮT Hiện nay, việc sử dụng xe hybrid ngày phổ biến Việt Nam tồn giới Việc nghiên cứu để làm chủ cơng nghệ xe hybrid vấn đề có tính thực tiễn cao Trong đó, việc nghiên cứu nguồn động lực xe hybrid đề tài quan trọng hàng đầu Các nguồn động lực xe hybrid bao gồm: động đốt trong, động điện Nội dung báo trình bày việc xác định phương pháp phối hợp nguồn động lực xe hybrid, tính tốn thơng số động đốt trong, động điện Sau đó, thơng số xe hybrid xe sử dụng động đốt thông thường thiết lập mô phần mềm AVL-Cruise Kết mô cho thấy tổng lượng phát thải (bao gồm khí NOx, CO, HC) xe hybrid giảm đáng kể so với xe sử dụng động đốt thông thường Cụ thể, sau chạy xong mơ theo chu trình FTP75 phần mềm AVL-Cruise cho thấy lượng phát thải NOx giảm 69%, lượng phát thải CO giảm 58% lượng phát thải HC giảm 44% DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5971 * Email: lqhuy@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 20 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 20 - 28 Giới thiệu Những năm gần đây, trình phát triển kinh tế xã hội quốc gia giới gây hậu nghiêm trọng đến môi trường Ở Việt Nam, ô nhiễm môi trường thành phố lớn trở thành vấn đề cấp bách Một nguyên nhân gây nhiễm mơi trường đến từ khí thải phương tiện giao thơng giới Hình thể tỷ lệ đóng góp khí thải SO2, NO2, CO bụi (TSP, PM10, PM2,5) phương tiện giao thơng giới đường Hình Tỷ lệ đóng góp phát thải chất gây nhiễm khơng khí phương tiện giao thơng giới đường tồn quốc năm 2019 [1] Để bảo vệ mơi trường nâng cao chất lượng khơng khí thành phố lớn, phủ nước đưa quy định tiêu thụ nhiên liệu khí thải phương tiện giao thông giới đường Các hãng xe đầu tư phát triển công nghệ thân thiện với mơi trường cho dịng sản phẩm mình, phải kể đến xe điện (EV) xe điện hybrid (HEV) [2]-[4] Xe EV ngày trở nên phổ biến có nhiều ưu điểm vượt trội so với xe sử dụng động đốt (ĐCĐT) như: khả di chuyển mượt mà, đặc tính kéo vượt trội khơng gây nhiễm môi trường [5]-[7] Tuy nhiên, xe EV tồn nhiều nhược điểm khả lưu trữ lượng ắc quy thấp, thời gian lần sạc kéo dài, pin có tuổi thọ sử dụng ngắn, giá thành cao Đặc biệt Việt Nam, hệ thống trạm sạc điện chung chưa đáp ứng nhu cầu phát triển xe EV Chính vậy, xe HEV với việc sử dụng phối hợp hai nguồn động lực động điện (ĐCĐ) ĐCĐT đánh giá giải pháp phù hợp với tình hình Việt Nam [8], [9] Do xe HEV có công nghệ phức tạp kết cấu hệ thống điều khiển, nên việc sử dụng, bảo dưỡng gặp nhiều khó khăn Chính vậy, việc nghiên cứu để làm chủ công nghệ xe HEV Việt Nam cần thiết Bài báo tập trung nghiên cứu thiết kế tính tốn mơ hệ động lực xe HEV phần mềm AVL-Cruise Các phương pháp phối hợp nguồn động lực xe HEV Căn vào cách thức liên kết ĐCĐT ĐCĐ, nguồn động lực xe HEV chia thành kiểu chính: xe HEV kiểu nối tiếp, xe HEV kiểu song song xe HEV kiểu hỗn hợp [2]-[4] - Xe HEV kiểu nối tiếp: ĐCĐT hoạt động truyền chuyển động kéo cho máy phát điện (MPĐ) làm việc Dòng điện sinh từ MPĐ chia làm hai phần, phần để sạc ắc quy phần để cung cấp lượng cho ĐCĐ ĐCĐ truyền công suất mô men xoắn đến bánh xe chủ động để giúp xe di chuyển - Xe HEV kiểu song song: Cả ĐCĐT ĐCĐ cung cấp lượng đến bánh xe chủ động Trong ĐCĐT cung cấp công suất mô men xoắn đến bánh xe chủ động giống xe sử dụng ĐCĐT http://jst.tnu.edu.vn 21 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 20 - 28 TNU Journal of Science and Technology truyền thống ĐCĐ vừa cung cấp lượng đến bánh xe, vừa hoạt động MPĐ để sạc lại cho ắc quy trình phanh tái sinh - Xe HEV kiểu hỗn hợp: Cả ĐCĐT ĐCĐ cung cấp lượng đến bánh xe chủ động Trong đó, ĐCĐT vừa cung cấp công suất mô men xoắn cho bánh xe chủ động, vừa truyền chuyển động kéo cho MPĐ Dòng điện sinh từ MPĐ dùng để sạc ắc quy cung cấp lượng cho ĐCĐ hoạt động Ngày nay, hãng xe thường lựa chọn sản xuất xe HEV kiểu song song xe HEV kiểu hỗn hợp Xe HEV kiểu hỗn hợp có nhiều ưu điểm kết cấu phức tạp giá thành sản xuất cao so với xe HEV kiểu song song Để làm chủ công nghệ xe HEV, việc nghiên cứu tính tốn xe HEV kiểu song song coi bước khởi đầu Vì vậy, báo nghiên cứu tính tốn mơ nguồn động lực xe HEV kiểu song song phần mềm AVLCruise Hình thể mơ hình phối hợp nguồn động lực xe HEV kiểu song song Hình Nguồn động lực xe HEV kiểu song song [4] Tính tốn mơ nguồn động lực xe HEV phần mềm AVL-Cruise 3.1 Yêu cầu thiết kế đối tượng nghiên cứu Yêu cầu đối tượng mô xe ô tô tự chế chỗ có thơng số ghi bảng Bảng Thông số xe ô tơ chỗ Kí hiệu Đơn vị Giá trị Tự trọng Thông số G0 Kg 400 Trọng lượng toàn tải Ga Kg 560 Chiều dài sở Chiều rộng tổng thể Chiều cao tổng thể L B H mm mm mm 1850 1490 1480 Chiều dài tổng thể L0 mm 2660 Khoảng sáng gầm xe mm 200 Stt 3.2 Tính tốn nguồn động lực xe HEV 3.2.1 Tính tốn lựa chọn ĐCĐT Cơng suất ĐCĐT tính theo cơng thức [4]: PDCDT  V 1000.t ,e    Gt g f r   a CD A f V  Gt g i  (kW )   (1) Trong đó: Gt: tổng khối lượng xe (kg); Gt = 560 (kg) V: Vận tốc tối đa mà ĐCĐT giúp xe đạt được, V = 80 (km/h) = 22,2 (m/s) http://jst.tnu.edu.vn 22 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 20 - 28 TNU Journal of Science and Technology ɳt,e, Hiệu suất ĐCĐT; ɳt,e = 0,9 g: Gia tốc trọng trường g = 9,8 (m/s2) ρa: Khối lượng riêng khơng khí ρa = 1,202 (kg/m3) CD: Hệ số cản khí động; CD = 0,3 (Ns2/m4) i: Độ dốc mặt đường, chọn xe đường nên i = Af: Diện tích mặt trước xe; Af = 1,907 (m2) fr: Hệ số cản lăn lốp xe; fr tính theo công thức sau:   V2  22, 222  f r  f  1    0, 018  1    0, 0239 1500  1500    (2) Thay thông số vào cơng thức (1), ta có: PDCDT  22, 22    560.9,8.0, 0239  1, 202.0, 3.1, 907.22, 22   7, 43( kW ) 1000.0, 9.0, 95   Trên sở tính toán nêu, tác giả xét thấy động Piaggio 150cc có thơng số thể bảng phù hợp với yêu cầu đề Bảng Thông số kỹ thuật ĐCĐT Piaggio 150cc [1] Số thứ tự Đặc tính kỹ thuật Kiểu động Số xi lanh/ cách bố trí Loại nhiên liệu Cơng suất cực đại Mô men cực đại Tỷ số nén Số kỳ Dung tích cơng tác Đường kính x Hành trình Đơn vị i kW/rpm N.m/rpm cm3 mm x mm Giá trị V3ie 150cc xăng 8,7/7500 12/5000 10.5:1 154,8 58,0 x 58,6 3.2.2 Tính tốn lựa chọn ĐCĐ Cơng suất ĐCĐ tính theo cơng thức sau [4]:  G (3) Pm  m t (V f2  Vb2 ) 2.t ,m ta Trong đó: Vf: Tốc độ tối đa mà ĐCĐ giúp xe đạt được; Vf = 40 (km/h) = 11,11 (m/s) Vb: Tốc độ mà ĐCĐ giúp xe đạt được; Vb = 20 (km/h) = 5,55 (m/s) δm: hệ số khối lượng kèm theo ĐCĐ; δm = 1,04 ɳt,m = 0,95 ta: thời gian tăng tốc xe; ta = 15 (s) Thay thơng số vào cơng thức (3), ta có: Pm  1, 04.560 (11,112  5, 552 )  3,1(kW ) 2.0, 95.15 Trên sở tính tốn nêu, tác giả xét thấy động HPM3000B có thơng số thể bảng phù hợp với yêu cầu đề Bảng Thông số kỹ thuật ĐCĐ [1] Tên gọi: HPM3000B High Power BLDC Motor Cơng suất định mức 3kW Số vịng quay định mức 3000 vòng/phút Số vòng quay cực đại 5000 vòng/phút Mô men xoắn cực đại 25 Nm Hiệu điện 48V Khối lượng kg http://jst.tnu.edu.vn 23 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 20 - 28 3.3 Chiến lược phối hợp nguồn động lực xe HEV 3.3.1 Chiến lược điều khiển nguồn động lực xe HEV kiểu song song Trên sở quy định tốc độ xe giới công suất nguồn động lực, chiến lược điều khiển nguồn động lực xe HEV kiểu song song thể hình Hình Lưu đồ chiến lược điều khiển nguồn động lực xe HEV kiểu song song [4] 3.3.2 Các chế độ làm việc xe HEV kiểu song song - Chế độ kết hợp ĐCĐ ĐCĐT: Công suất tải yêu cầu lớn cơng suất ĐCĐT tạo ra, ĐCĐT ĐCĐ đồng thời phải truyền công suất tới bánh xe Trong trường hợp này, ĐCĐT điều khiển để làm việc vùng tối ưu Cơng suất u cầu cịn lại cung cấp ĐCĐ - Chế độ có ĐCĐ làm việc: Tốc độ xe nhỏ giá trị chọn trước Vxemin tốc độ xe mà ĐCĐT hoạt động không ổn định không tối ưu Trong trường hợp có ĐCĐ truyền cơng suất tới bánh xe, ĐCĐT tắt chạy khơng tải - Chế độ có ĐCĐT làm việc: Khi công suất tải yêu cầu nhỏ cơng suất ĐCĐT sinh làm việc vùng tối ưu, hệ thống nạp ắc quy không làm việc Trong trường hợp này, hệ thống điện tắt, ĐCĐT hoạt động để cung cấp cơng suất thích hợp với cơng suất tải yêu cầu - Chế độ nạp ắc quy: Khi công suất tải yêu cầu nhỏ công suất ĐCĐT sinh vùng làm việc tối ưu nó, tình trạng nạp ắc quy mức cao Trong trường hợp này, ĐCĐ điều khiển điều khiển thực chức máy phát điện, cung cấp lượng cơng suất cịn lại ĐCĐT - Chế độ phanh tái sinh: Khi xe cần phanh yêu cầu công suất phanh nhỏ công suất phanh tái sinh lớn mà hệ thống điện cung cấp ĐCĐ điều khiển để thực chức MPĐ, sản sinh công suất phanh công suất phanh yêu cầu Trong trường hợp này, ĐCĐT tắt đặt chế độ tạm ngưng hoạt động - Chế độ phanh kết hợp: Khi công suất phanh yêu cầu lớn công suất phanh tái sinh lớn mà hệ thống điện cung cấp, phanh khí phải kích hoạt Trong trường hợp này, ĐCĐ điều khiển để tạo công suất phanh tái sinh lớn nhất, hệ thống phanh khí đảm nhận sinh mơ men phanh yêu cầu lại http://jst.tnu.edu.vn 24 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 20 - 28 3.4 Mô nguồn động lực xe HEV phần mềm AVL-Cruise 3.4.1 Phần mềm AVL-Cruise AVL-Cruise AVL Advance Simulation Technologies mắt phiên vào năm 1997, phần mềm mô sử dụng để nghiên cứu đặc điểm lái, mức tiêu thụ nhiên liệu lượng khí thải Nhờ mơ đun cho trước người dùng thiết lập mơ hình xe AVL-Cruise sử dụng chủ yếu cho việc tính tốn tối ưu: Mức tiêu thụ nhiên liệu khí thải, khả vận hành; tính tốn tỉ số truyền, hiệu suất phanh, tải trọng tập trung tính tốn ứng suất, rung động gây Các mơ đun AVL-Cruise cho phép mơ tất mẫu xe tương lai [10] 3.4.2 Xây dựng mơ hình mơ Tác giả xây dựng mơ hình mơ nguồn động lực xe HEV kiểu song song phần mềm AVL-Cruise thể hình Hình Mơ hình mơ nguồn động lực xe HEV kiểu song song phần mềm AVL-Cruise Hình Mơ hình mơ xe thông thường phần mềm AVL-Cruise http://jst.tnu.edu.vn 25 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 20 - 28 Các chế độ hoạt động nguồn động lực xe HEV sau: + Tốc độ xe 20km/h: có ĐCĐ hoạt động + Tốc độ xe từ 20km/h đến 80km/h: có ĐCĐT hoạt động + Tốc độ xe từ 80km/h trở lên: ĐCĐ ĐCĐT hoạt động Để so sánh lượng phát thải xe HEV với xe sử dụng ĐCĐT truyền thống, tác giả xây dựng mơ hình mơ nguồn động lực xe thông thường phần mềm AVL-Cruise thể hình Xe sử dụng ĐCĐT truyền thống dùng ĐCĐT có thơng số xe HEV Thiết lập thơng số cho chu trình thử FTP 75 hình Hình Thiết lập thơng số cho chu trình thử FTP 75 Kết mơ Sau chạy mơ hình mơ xe thơng thường xe HEV kiểu song song phần mềm AVL-Cruise, tác giả thu biểu đồ tổng lượng phát thải ô tô thông thường hình biểu đồ tổng lượng phát thải xe HEV hình Hình Tổng lượng phát thải tơ thơng thường http://jst.tnu.edu.vn 26 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 20 - 28 TNU Journal of Science and Technology Hình Tổng lượng phát thải xe HEV Kết mô cho thấy tổng lượng phát thải (bao gồm khí NO x, CO, HC) xe HEV giảm đáng kể so với xe thông thường Cụ thể tổng lượng phát thải sau chạy xong mơ theo chu trình FTP75 phần mềm AVL-Cruise thể bảng Bảng Tổng lượng phát thải xe thông thường xe HEV kiểu song song Tổng phát thải NOx Tổng phát thải CO Tổng phát thải HC Xe thông thường 0,00377 (kg) 0,0449 (kg) 0,00137 (kg) Xe HEV kiểu song song 0,001173 (kg) 0,01905 (kg) 0,00078 (kg) Kết luận Bài báo trình bày kết tính tốn lựa chọn ĐCĐT, ĐCĐ có thơng số phù hợp theo yêu cầu thiết kế Thiết lập chế độ hoạt động nguồn động lực xe HEV sau: + Tốc độ xe 20km/h: có ĐCĐ hoạt động + Tốc độ xe từ 20km/h đến 80km/h: có ĐCĐT hoạt động + Tốc độ xe từ 80km/h trở lên: ĐCĐ ĐCĐT hoạt động Chạy mơ thành cơng mơ hình xe HEV phần mềm AVL-Cruise Kết cho thấy tổng lượng phát thải xe HEV giảm đáng kể so với xe thông thường (chỉ sử dụng ĐCĐT) Cụ thể: NOx giảm 69%, CO giảm 58%, HC giảm 44% Lời cảm ơn Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Khổng Vũ Quảng – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp tác giả hoàn thành báo TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] V D Tran, V Q Khong, D Q Tran, and K T A Nguyen, "Research design and manufacture of power distribution control unit for hybrid vehicles," Journal of Marine Science and Technology, special issue, pp 202-210, 2021 [2] C C Chan and K T Chau, Modern electric vehicle technology Oxford University Press, 2001 [3] I Husain, Electric and Hybrid Vehicles – Design Fundamentas CRC Press – Taylor & Francis, 2005 [4] M Ehsani, Y Gao, and A Emadi, Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles CRC Press – Taylor & Francis, 2010 [5] Z Li, A Khajepour, and J Song, "A comprehensive review of the key technologies for pure electric vehicles," Energy, vol 182, pp 824-839, 2019 http://jst.tnu.edu.vn 27 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 20 - 28 [6] B Ghanishtha, H Mohan, and R R Singh, "Towards the future of smart electric vehicles: Digital twin technology," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 141, 2021, doi: 10.1016/j.rser 2021.110801 [7] K Mariusz, "Prospects for the use of electric vehicles in public transport on the example of the city of czechowice-dziedzice," Transportation Research Procedia, vol 44, pp 110-114, 2020 [8] B Xu, D Rathod, D Zhang, A Yebi, X Zhang, X Li, and Z Filipi, "Parametric study on reinforcement learning optimized energy management strategy for a hybrid electric vehicle," Applied Energy, vol 259, pp 114-200, 2020 [9] Y.-S Chen, I.-M Chen, and T Liu, "A design approach for multi-configuration hybrid transmission mechanisms," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, vol 234, no.12, pp 2744-2758, 2020 [10] Engelbert Loibner, Multi-Disciplinary system simulation high quality model reuse in powertrain development, AVL List GmbH, 2013 http://jst.tnu.edu.vn 28 Email: jst@tnu.edu.vn ... - 28 3.4 Mô nguồn động lực xe HEV phần mềm AVL-Cruise 3.4.1 Phần mềm AVL-Cruise AVL-Cruise AVL Advance Simulation Technologies mắt phiên vào năm 1997, phần mềm mô sử dụng để nghiên cứu đặc điểm... đầu Vì vậy, báo nghiên cứu tính tốn mơ nguồn động lực xe HEV kiểu song song phần mềm AVLCruise Hình thể mơ hình phối hợp nguồn động lực xe HEV kiểu song song Hình Nguồn động lực xe HEV kiểu song... nguồn động lực xe HEV 3.3.1 Chiến lược điều khiển nguồn động lực xe HEV kiểu song song Trên sở quy định tốc độ xe giới công suất nguồn động lực, chiến lược điều khiển nguồn động lực xe HEV kiểu