TÌM HIỂU VỀ DÒNG XE HYBRID
Giới thiệu tổng quan về dòng xe Hybrid
Những chiếc xe lai đầu tiên được triển lãm ở Paris Salon năm 1899 Nó được chế tạo bởi Pieper, Liège của Bỉ và công ty truyền tải điện Vendovelli và Priestly của Pháp -Xe Pieper là một kiểu xe lai song song với một động cơ xăng nhỏ làm mát bằng gió được hỗ trợ thêm một động cơ điện và các ắc quy chì.
Một người Pháp tên là Camille Jenatzy đã giới thiệu một chiếc xe lai song song tại Paris Slon vào năm 1903 Chiếc xe này kết hợp một động cơ xăng 6 hp và một động cơ điện 14 hp, nó có thể nạp lại cho ắc quy từ động cơ hoặc có thể hỗ trợ động cơ.
Một người Pháp khác tên là H.Krieger chế tạo một chiếc xe lai kiểu nối tiếp thứ hai vào năm 1902 Thiết kế của ông dùng hai motor DC dẫn động hai bánh trước, chúng lấy năng lượng từ 44 ngăn ắc quy chì, chúng được nạp lại bằng một máy phát điện một chiều dẫn động bởi động cơ sử dụng cồn đánh lửa cưỡng bức.
Những xe lai khác, cả hai kiểu song song và nối tiếp đã được chế tạo suốt khoảng thời gian từ 1899 đến 1914 Mặc dù phanh điện đã được sử dụng trong các thiết kế đầu thời gian này nhưng nó không đề cập đến phanh phục hồi năng lượng Hầu hết, thậm chí tất cả các kiểu xe trên đều sử dụng phanh điện động bằng cách ngắn mạch hoặc lắp đặt điện trở trên phần ứng của motor kéo Chiếc Lohner-
Porsche (1903) là một ví dụ điển hình của phương án này.
- Những chiếc xe lai này không thể cạnh tranh nổi với các động cơ xăng được cải thiện đáng kể sau chiến tranh Thế giới I Động cơ xăng có sự cải thiện tột bậc về công suất -Các động cơ trở nên nhỏ hơn, hiệu quả hơn và không cần sự hỗ trợ của các motor điện trong thời gian dài Sự tăng giá do thêm motor điện và sự độc hại từ ắc quy chì là hai yếu tố then chốt làm xe lai biến mất sau Chiến tranh Thế giới I.
Thiết kế xe lai nối tiếp được hồi sinh bởi giáo sư Dr Ernest H Wakefield năm
1976, khi đang làm việc cho Linear Alpha Inc Các mẫu xe lai khác được chế tạo bởi tập đoàn Electric Auto vào năm 1982 và tập đoàn Briggs & Stratton 1980, cả hai đều theo kiểu bố trí song song.
Sự nỗ lực đáng kể nhất trong sự phát triển và thương mại hóa xe lai điện được tạo ra bởi các nhà sản xuất người Nhật Năm 1997 Toyota đã cho ra mắt dòng sedan Prius ở Nhật, Honda cũng cho ra dòng xe Civic và Civic Hybrid Và tiếp tục phát triển cho đến hiện nay.
1.1.2 Ưu Điểm và nhược điểm: Ưu điểm:
+ Công nghệ Hybrid có tính kinh tế nhiên liệu cao đồng thời cũng góp phần giảm phát thải CO2.
+ Một lợi ích khác của xe Hybrid là cực kỳ yên tĩnh, bởi không cần phải sử dụng động cơ mọi lúc để vận hành.
+ Xe Hybrid sử dụng cả động cơ xăng và mô tơ điện trong quá trình tăng tốc góp phần tăng tốc mượt mà, nhẹ nhàng và liền mạch.
+ Tiết kiệm nhiên liệu Công nghệ Hybrid của Toyota thể hiện hiệu quả nhiên liệu cao hơn so với xe thông thường.
+ Công suất hạn chế hơn so với xe xăng hoặc dầu truyền thống.
Bên cạnh việc bảo dưỡng giống như xe xăng/dầu hiện tại thì cần phải thay pin khi pin đã hết hạn sử dụng.
1.1.3 Xu hướng của hiện tại và tương lai:
Khi mà quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa toàn cầu như hiện nay thì việc di chuyển, vận tải hàng hóa cũng phát triển chóng mặt Do đó nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu xăng, dầu tăng cao Một vấn đề mà chúng ta cần đối mặt chính là nhiên liệu sẽ cạn kiệt trong tương lai Do đó tiết kiệm nhiên liệu và năng lượng là yêu cầu hàng đầu của mỗi quốc gia và thế giới.
Ngành công nghiệp ô tô cũng không nằm ngoài vấn đề cấp thiết trên Nhiều hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới không ngừng tạo ra các mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu Ví dụ Toyota từ cuối 1997 đã ra mắt mẫu xe Hybrid đầu tiên của thế giới Toyota Prius Sau đó Honda vào cuộc sản xuất Civic sửdụng động cơ Hybrid.
Các dạng dẫn động của xe
1.2.1 Hệ thống Hybrid nối tiếp:
Khi động cơ hoạt động, nó truyền năng lương cho một máy phát điện Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc bình ắc-quy và một sẽ chạy motor điện, bộ phận sẽ truyền năng lượng tới các trục xe Đó được gọi là hệ thông nói tiếp vì năng lượng truyền theo một quá trình liên tục (hay nói cách khác hoạt động của động cơ và motor điện tiến hành lần lượt).
Trong sơ đồ nói tiếp, động cơ đốt trong (động cơ xăng, động cơ diesel) kéo máy phát cung cấp điện cho ắc-quy và động cơ điện, ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn động lực và bánh xe Năng lượng được chuyển đội từ hóa năng của nhiên liệu thành cơ năng làm quay rô-to của máy phát tạo ra điện năng và từ điện năng chuyển thành cơ năng của bánh xe.
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống động lực kiểu nối tiếp Ưu điểm:
+ Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường.
+ Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ tối ưu hơn, phù hợp với các loại ô tô
+ Kích thước và dung tích Ắc-quy lớn hơn so với hệ thống song song.
+ Động cơ đôt trong luôn làm việc ở chế độ tải nặng để cung cấp nguồn điện cho ắc- quy nên dễ bị quá tải.
1.2.2 Hệ thống Hybrid song song:
Trong hệ thống song song, cả động cơ và motor điện cùng truyền lực tới các trục bánh xe, mức độ tùy theo các điều kiện khác nhau Đó được gọi là hệ thống song song vì dòng năng lượng tới các bánh xe đi song song Hệ thống này chỉ có 1 motor điện, do vậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe, vừa nạp điện vào bình ắc-quy Khi nào motor điện làm nhiệm vụ của một máy phát điện, dòng điện ắc-quy sẽ thay thế vai trò của motor điện. Đối với loại hệ thống này, cả hai nguồn động lực (điện và xăng hoặc diesel) đều được kết nối trực tiếp vào bánh xe và có thể truyền động lực một cách độc lập hoặc đồng thời Nói đơn giản là bánh xe có thể được dẫn động một cách riêng biệt bằng động cơ điện hoặc động cơ xăng (diesel) hoặc cả hai Động cơ điện có 2 chức năng chính Chức năng thứ nhất là chuyển hóa điện năng được cung cấp từ ắc-quy thành cơ năng Chức năng thứ hai là chuyển hóa ngược lại từ cơ năng thành điện năng để nạp lại cho ắc-quy Vì vậy, hệ thống song song có thể tận dụng cả hai nguồn năng lượng một cách hiệu quả hơn.
Trong sơ đồ này, ngoài sự liên hệ cơ khí trực tiếp giữa động cơ đốt trong và bánh xe như ô tô thông thường còn có thêm động cơ điện truyền động đến bánh xe Khi ô tô chạy trên xa lộ, nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốt trong, động cơ điện sẽ dùng khi gia tốc ô tô còn, khi chạy trong thành phố nguồn dẫn động chủ yếu là động cơ điện.
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống động lực kiểu song song Ưu điểm:
+ Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng.
+ Không cần dùng máy phát riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán, lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc-quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền đông trung gian.
+ Động cơ điện được sử dụng ở đây là loại đặc biệt có tính năng lưỡng dụng, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc- quy, cung cấp năng lượng trong trường hợp xe cần lên dốc hoặc tăng tốc.
+ Phức tạp và chi phí cao.
+ Cần một khớp nối cơ khí giống như vi sai.
1.2.3 Hệ thống Hybrid hỗn hợp:
Hệ thống này kết hợp cả 2 hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa năng lượng có ích được sinh ra Nó có 2 motor, và tùy từng điều kiện khác nhau mà xe lắp hệ thống kết hợp sẽ sử dụng đồng thời cả motor điện và động cơ điện hay chỉ sử dụng năng lượng nguồn điện để thu được hiệu quả cao nhất Thậm chí, khi cần thiết, hệ thống này vừa vận hành các trục bánh xe trong khi vẫn có thể nạp điện vào máy phát Hệ thống hỗn hợp này hiện chiếm ưu thế trong chế tạo xe Hybrid.
Hệ thống này tận dụng được ưu điểm của 2 hệ thống kể trên, nhưng có nhiều bộ phận hơn và chế tạo lắp đặt khó khăn hơn:
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống động lực kiểu hỗn hợp Ưu điểm:
+ Có đầy đủ ưu điểm của cả 2 loại nối tiếp và song song.
+ Chế độ lái linh hoạt ở các điều kiện lái khác nhau Nhược điểm:
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ MÔ HÌNH
Bộ công suất trong động cơ Hybrid
2.1.1 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối momen:
Hình 2.1: Sơ đồ một thiết bị kết nối momen Một thiết bị kết nối mô-men như sơ đồ gồm có 3 cổng và có 2 bậc tự do Cổng 1 là đầu vào đơn hướng, cổng 2 và 3 là cổng ra hoặc vào 2 chiều, nhưng cả 2 không cùng là cổng vào một lúc Cổng 1 kết nối trực tiếp với ĐCĐT hoặc thông qua 1 hộp số cơ khí Cổng 2 kết nối trực tiếp với trục của mô-tơ điện hoặc qua 1 hộp số cơ khí Cổng 3 kết nối với bánh xe chủ động qua liên kết cơ khí Nếu bỏ qua tổn thất và giả sử cổng 2 đang là cổng vào thì năng lượng ra bánh xe là: T3ɷ3=T1ω1+T2ω2
Momen kết nối có thể được biểu diễn: T3 = k1T1 + k2T2
Với k1 và k2 là tham số cấu trúc của bộ kết nối momen Vận tốc góc ω1, ω2 và ω3 quan hệ với nhau: ω3 = ω1/k1 = ω2/k2
Thiết bị kết nối momen có rất nhiều dạng khác nhau, một số thiết bị cơ bản như: truyền động bánh răng, đai hay sử dụng trực tiếp mô-tơ điện Mỗi thiết bị sẽ cho một thông số về k1 và k2 khác nhau.
Hình 2.2: Một số thiết bị kết nối momen Ưu điểm:
+ Kết cấu nhỏ gọn, đơn giản,
+ Đặc tính kéo của xe gần giống với đặc tính tối ưu, hiệu suất cao do ít tổn hao qua bộ truyền.
+ 2 nguồn động lực còn có dãi tốc độ như nhau.
2.1.2 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ:
Hình 2.3: Sơ đồ một thiết bị kết nối tốc độ Năng lượng được cung cấp bởi một nguồn năng lượng có được kết nối cùng nhau bằng cách cộng tốc độ của chúng Tương tự bộ kết nối mô-men bộ kết nối tốc độ có sơ đồ như cũng gồm 3 cổng – 2 bậc tự do Cổng 1 kết nối với ĐCĐT với dòng năng lượng đơn hướng Cổng 2 và 3 có thể kết nối với mô-tơ điện hoặc truyền lực cuối, cả
2 đều với dòng năng lượng 2 chiều.
Bộ kết nối tốc độ cơ khí có thuộc tính: ω3 = ω1k1 + ω2k2
Với k1 và k2 là hằng số kết hợp với cấu trúc và hình học được thiết kế Trong số 3 tốc độ, ω1, ω2 và ω3, 2 trong số chúng độc lập với nhau và có thể điều khiển độc lập Do sự ràng buộc của bảo toàn năng lượng, mô-men xoắn được liên kết cùng nhau bởi biểu thức: T3 = T1/k1 = T2/k2
Một số thiết bị kết nối tốc độ điển hình như: bộ bánh răng hành tinh, mô-tơ có stato động.
Hình 2.4: Hệ bánh răng hành tinh Hình 2.5: Mô tơ có stato độ ng Ưu điểm:
+ Đảm bảo tính linh hoạt về phương diện tốc độ của động cơ mà mô-tơ, tránh được hiện tượng cưỡng bức tốc độ của 1 trong 2 nguồn khi có tốc độ làm việc khác nhau.
+ Kết cấu hệ bánh răng hành tinh cồng kềnh.
+ Mô-tơ có stato động phức tạp yêu cầu chế tạo độ chính xác cao.
2.1.3 Hệ thống truyền lực hybrid hỗn hợp:
Bằng kết nối tổ hợp mô-men và tốc độ, có thể thiết lập hệ thống truyền lực hybrid mà trong đó trạng thái kết nối mô-men và kết nối tốc độ có thể được lựa chọn xen kẽ Ví dụ như sơ đồ Ngoài sơ đồ có rất nhiều sơ đồ sử dụng hỗn hợp kết nối momen và tốc độ bắng cách dùng xen kẽ các cấu hình của hai kiểu bộ kết nối.
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid xen kẽ momen và tốc độ với hệ bánh răng hành tinh Ưu điểm:
+ Cho hiệu quả sử dụng cao hơn ở những điều kiện lại lái khác nhau.
+ Nhiên liệu/điện tiêu hao hợp lý hơn ở những điều kiện xe luôn thay đổi.
+ Công suất phát ra ổn định hơn.
+ Cấu tạo cồng kềnh làm tăng trọng lượng xe.
+ Bộ điều khiển phức tạp.
Mô hình
Mô hình sử dụng mô phỏng là mô hình mẫu cơ bản có sẳn trong Matlab/Simulink. Chúng ta sẽ đọc hiểu và xem xét mô hình, biết được ý nghĩa và giá trị của các khối có trong mô hình từ đó rút ra kết luận giữa 3 loại mô hình là Hybrid nối tiếp, Hybrid song song và Hybrid hỗn hợp về các đường đặc tính công suất, moment, suất tiêu hao nhiên liệu,…v.v
Sau khi hiểu rõ cấu tạo và các thông số thiết lập của mô hình mẫu sẽ có thể tính toán, thay đổi thông số thiết cơ bản và tiến hành một mô phỏng hoàn toàn mới
MÔ PHỎNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Phần mềm mô phỏng
Simulink được coi là phần mở rộng của Matlab Simulink được dùng để mô phỏng các hệ động học, các hệ tuyến tính, phi tuyến, các mô hình trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn Đặc điểm nổi bật của Simulink là lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc, sử dụng các đối tượng đồ họa.
Simulink cung cấp giao diện đồ họa để xây dụng mô hình ở dạng sơ đồ khối Bằng thao tác “nhấn và kéo chuột” người sử dụng có thể kéo các khối chuẩn trong thư viện của Simulink ra vùng làm việc của mình để xây dựng mô hình mô phỏng. Để xây dựng mô hình ta khởi động Matlab và khởi động Simulink, mở thư viện của khối Simulink sau đó chọn các nhóm thích hợp Một số thư viện của Simulink: + Nhóm Math Operations: thư viện các khối tính toán
+ Nhóm Sinks: thư viện các khối xauats và hiển thị dữ liệu
+ Nhóm Sources: thư viện các khối nguồn tính hiệu
+ Nhóm Monlinear: thư viện chứa các khối phi tuyến
+ Nhóm Sinks và Systems: thưu viện chứa các khối công cụ xử lí tín hiệu
+ … Để copy một khối từ thư viện vào cửa sổ của mô hình ta chọn khối, rê chuột để kéo khối đã chọn thả vào cửa sổ mô hình Trong của sổ mô hình, nếu muốn copy một khối, ấn phím Ctrl và rê chuột sang vị trí đặt bản copy, nếu muốn xóa hãy chọn nó và ấn phím Delete.
Khái niệm Stateflow: thực hiện chức năng của một cơ cấu máy hữu hạn trạng thái của một mô hình mô phỏng trong Simulink Một mô hình mô phỏng có thể bao gồm các khối của Simulink, các khối Toolbox và các khối của Stateflow Một sơ đồ Stateflow tập hợp các đối tượng đồ họa và đối tượng phi đồ họa.
Trạng thái (State): mô tả phương thức hệ thống được điều khiển bởi các sự kiện, tình trạng làm việc hay không làm việc của các trạng thái luôn thay đổi theo các điều kiện và sự kiện Có hai loại trạng thái là trạng thái loại trừ (OR) mô tả phương thức loại trừ lẫn nhau, trạng thái ngang hàng (AND).
Chuyển đổi (Transitions): Hành động chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của hệ thống thông qua một đối tượng gọi là “chuyển đổi” Đó là đối tượng đồ hoạ (đối tượng nguồn) nối với một đối tượng khác (đối tượng đích), bằng một đường cong có mũi tên Đối tượng nguồn là nơi chuyển đổi bắt đầu, đối tượng đích là nơi chuyển đổi kết thúc Điểm phân chia một chuyển đổi thành các đoạn (hay nhánh) gọi là điểm nút Chuyển đổi mặc định là một loại chuyển đổi đặc biệt, có đối tượng đích, không có đối tượng nguồn; chuyển đổi mặc định để báo cho Stateflow biết trạng thái con nào sẽ hoạt động ngay sau khi trạng thái mẹ được kích hoạt Nhãn của một chuyển đổi xác định chuyển đổi đó; nhãn này có thể chứa một sự kiện, một điều kiện,một hoạt động có điều kiện hoặc một hoạt động chuyển đổi.
Sự kiện (Events): các sự kiện không phải là một đối tượng đồ hoạ nên không thể hiện trực tiếp trong sơ đồ Stateflow nhưng nó làm cho sơ đồ đó hoạt động Khi sự kiện bắt đầu xảy ra, các trạng thái của sơ đồ Stateflow được đánh giá Sự truyền đi một sự kiện sẽ kích hoạt một chuyển đổi hoặc kích hoạt một hoạt động nào đó.
Dữ liệu (Data): chúng là những đối tượng phi đồ hoạ, được dùng để lưu giữ các giá trị bằng số trong sơ đồ Stateflow. Điều kiện (Condition): là một mệnh đề logic, có giá trị đúng hoặc sai dùng để xác định một chuyển đổi xảy ra nếu mệnh đề đó đúng.
Hành động (Acstions): các hành động xảy ra khi khởi động mô hình Stateflow, đó có thể là hành động chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác hoặc là hành động của một trạng thái Các trạng thái có thể có các hành động đi vào, ở trong, đi ra và hành động nương theo sự kiện.
Matlab – Simulink, Matlab - Stateflow là công cụ hữu hiệu để mô phỏng các hệ thống các (hybrid systems) có bao hàm các quá trình động lực liên tục hoặc gián đoạn và các ứng xử logic phức hợp Với Stateflow có thể thực hiện các hệ thống điều khiển có giám sát các trạng thái và có thể luôn tự thay đổi để phù hợp với đối tượng điều khiển.
Hình 3.1: Sơ đồ khối Strategy Thiết lập tốc độ vòng quay của động cơ và thông qua khối K điều chỉnh trạng thái theo một tỉ lệ nhất định (tỉ lệ của nó là 1.08) và cuối cùng sẽ cho ra được tốc độ đầu vào của động cơ.
Thường tốc độ động cơ được thiết lập là 2000 vòng/phút.
Tương tự moment được thiết lập của máy phát được tính toán và chuyển đổi thành moment đầu vào của máy phát.
Khối này có chức năng như một động cơ đốt trong, Gồm hai khối
Engine management và khối Engine
Hình 3.2.1: Sơ đồ khối Engine management Nhận tín hiệu đầu vào của động cơ (tín hiệu mong muốn) và tín hiệu số vòng quay thực tế của động cơ sau đó tính toán ra góc mở bướm ga phù hợp và đưa tiếp tục vào khối engine Khối engine nhận tín hiệu góc mở bướm ga sau đó lại xuất ra số vòng quay thực tế và tiếp tục đưa lại vào khối engine management, cứ như thế nó sẽ tạo thành một vòng lặp kín để điều khiển động cơ.
Trong khối engine management thì tốc độ tín hiệu đầu vào trừ đi tốc độ thực tế sau đó qua khối điều chỉnh trạng thái theo một tỉ lệ phù hợp tiếp tục qua hàm tích phân và cuối cùng tính ra góc mở bướm ga tương ứng.
Hình 3.2.2: Sơ đồ khối Engine Trong khối engine thì vị trí bướm ga được đưa qua khối SPS để biến tín hiệu vật lí thành tín hiệu số để đưa vào khối Generic engine Từ khối này sẽ xuất ra công suất của động cơ, lượng nhiên liệu tiêu hao và cảm biến tốc độ động cơ.
Hình 3.3: Bảng thông số khối Conguration
Khối này để tính toán phương trình mô phỏng, sẽ bắt đầu mô phỏng với một giá trị an toàn Ở đây giá trị an toàn là từ 1e-9.
Hình 3.4: Tỉ số truyền của khối Power split Dùng phân chia tỉ số truyền Đó là một bộ bánh răng hành tinh gồm có cần dẫn C, bánh răng bao R và bánh răng mặt trời S Có tác dụng thay đổi tỉ số truyền dựa trên sự dẫn động của động cơ và moto điện Ở đây tỉ số truyền là 2.
Hình 3.5: Sơ đồ khối Electric Generator Tín hiệu đầu vào:
Mô hình mô phỏng
3.2.1 Hệ thống Hybird nối tiếp:
Hệ thống Hybrid nối tiếp (Series Hybrid Transmission) là hệ thống dẫn động xe hybrid trong đó xe chỉ được kéo bới mô-tơ điện Mô-tơ điện được cung cấp năng lượng bởi 2 nguồn là ắc-quy và máy phát điện, được dẫn động bởi động cơ đốt trong. Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồn ắc- quy hoặc máy phát điện Cụm động cơ đốt trong và máy phát có nhiệm vụ giúp ắc- quy bổ sung năng lượng cho mo-tơ kéo khi công suất tải yêu cầu lớn và nạp lại cho ắc-quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ hoặc dung lượng ắc-quy thấp.
Hình 3.10: Mô hình hệ thống Hybrid nối tiếp
Hình 3.11: Đồ thị công suất động cơ điện và xăng Hybrid nối tiếp
Battery: Từ 0s -2s thì n engine ổn định, acqui nhận năng lượng từ máy phát, khi tăng tốc thì acqui cung cấp năng lượng cho motor kéo, khi giảm tốc bởi vì động năng từ các bánh xe bị thu hồi và chuyển thành năng lượng điện và sử dụng để sạc cho acqui bởi máy phát Khi duy trì ở tốc độ 20m/s năng lượng từ acqui vẫn cung cấp cho motor điện.
Engine: vì tốc độ động cơ ổn định nên công suất phát ra không đổi.
Hình 3.12: Đồ thị tốc độ trục quay Hybrid nối tiếp Engine: Ban đầu thiết lập ở tốc độ ổn định cho động cơ là 15 m/s là khoảng n 2000v/p.
Generator: Số vòng quay của máy phát luôn bằng số vòng quay của động cơ, do động cơ chỉ dẫn động máy phát để cung cấp năng lượng cho các thành phần khác Motor kéo: khi tăng tốc thì n motor kéo tăng và ngược lại.
Hình 3.13: Đồ thị năng lượng điện hao phí Hybrid nối tiếp Khi tốc độ ổn định 15m/s thì năng lượng của động cơ cung cấp cho các battery, gennerator và motor kéo sẽ đủ dùng, sự mất mát xem như bằng không, khi tăng tốc ở tốc độ cao hơn thì tiêu hao năng lượng từ battery của máy phát sẽ tăng để cung cấp cho motor kéo quay nhanh hơn vì lúc này công suất từ đồng cơ cung cấp không đổi Khi giảm tốc thì tổng năng lượng nạp lại nhận được của battery và motor kéo từ sự thu hồi động năng từ bánh xe nên vẫn mất mát công suất.
Hình 3.14: Đồ thị lượng nhiên liệu sử dụng Hybrid nối tiếp
Do động cơ hoàn toàn tách rời với bánh dẫn động nên động cơ luôn được duy trì ở chế độ làm việc tối ưu nên sự tiêu hao nhiên liệu là nhỏ nhất.
3.2.1.2 Ưu và nhược điểm của hệ thống: Ưu điểm:
+ Động cơ tách rời với bánh dẫn nên tốc độ và momen của động cơ độc lập với tốc độ momen yêu cầu và có thể luôn được duy trì làm việc ở vùng làm việc tối ưu của nó với sự tiêu thụ nhiên liệu và phát thải nhỏ nhất.
+ Sự ngắt kết nối giữa động cơ và bánh xe còn cho phép động cơ có thể hoạt động ở vùng tốc độ cao.
+ Khả năng gia tốc tốt khi không có quán tính của hệ dẫn động cơ khí, bánh đà,… + Không cần nhiều bánh răng dẫn động nên cấu tạo đơn giản hơn.
+ Có thể thay thế bộ vi sai bằng các mô-tơ điện nên có thể nghiên cứu cho hệ dẫn động lái 4 bánh và không cần cần điều khiển làm phức tạp cho quá trình lái.
+ Năng lượng bị biến đổi qua lại nhiều lần gây tổn thất đáng kể.
+ Máy phát và mô-tơ điện phải có độ lớn và dung lượng nhất định để đảm bảo yêu cầu kéo nên có thể làm tăng đáng kể trọng lượng.
3.2.2 Hệ thống Hybrid song song:
Hệ dẫn động song song (Parallel Hybrid Transmission) cho phép động cơ đốt trong và mô-tơ kéo cùng truyền công suất của chung song song, trực tiếp tới bánh xe
So với dẫn động nối tiếp thì loại này không cần máy phát điện, mô-tơ kéo nhỏ và hiệu suất tổng có thể cao hơn Tuy nhiên việc điều khiển lại phức tạp hơn do sự kết hợp cơ khí giữa động cơ đốt trong và các bánh xe.
Hình 3.15: Mô hình hệ thống Hybrid song song
Hình 3.16: Đồ thị công suất động cơ điện và xăng Hybrid song song
Battery: Từ 0s -2s thì xe chủ yếu duy trì tốc độ nhờ vào công suất của engine, khi tăng tốc thì acqui cung cấp năng lượng cho motor kéo, khi giảm tốc bởi vì động năng từ các bánh xe bị thu hồi và chuyển thành năng lượng điện và sử dụng để sạc cho acqui, khi này moto điện đóng vai trò như máy phát Khi duy trì ở tốc độ 20m/s vẫn cần năng lượng cung cấp cho motor kéo vì động cơ không đủ duy trì tốc độ vì công suất phát ra chỉ duy trì ở 15m/s.
Engine: tốc độ đông cơ tăng khi xe tăng tốc và giảm khi xe giảm nên đường công suất của engine có dạng đường cong.
Hình 3.17: Đồ thị tốc độ trục quay Hybrid song song Engine: Ban đầu khi xe duy trì ở tốc độ ổn định là 15m/s thì số vòng quay của engine n = 2000v/ph, còn của moto điện là n = 500v/ph Khi tăng tốc từ (2s – 8s) thì năng lương cung cấp từ acqui cho moto điện tăng làm tăng số vòng quay của moto điện và thông qua hộp số số vòng quay của engine cũng tăng Và ngược lại khi giảm tốc.
Motor điện: khi tăng tốc thì n motor điện tăng và ngược lại.
Hình 3.18: Đồ thị năng lương điện hao phí Hybrid song song
Khi tốc độ ổn định 15m/s thì năng lượng cung cấp cho xe chủ yếu đến từ engine, sự mất mát xem như không có, khi tăng tốc hoặc duy trì ở tốc độ cao hơn thì tiêu hao năng lượng từ battery sẽ tăng để cung cấp cho motor kéo quay nhanh hơn vì lúc này công suất từ đồng cơ cung cấp không đủ dùng Khi giảm tốc thì tổng năng lượng nhận của battery và motor kéo từ sự thu hồi động năng từ bánh xe chuyển thành năng lượng điện nạp lại cho bình acqui bởi moto điện do đó vẫn mất mát công suất.
Hình 3.19: Đồ thị lượng nhiên liệu sử dụng Hybrid song song
Do động cơ được sử dụng song song với moto điện tới trực tiếp bánh dẫn động nên lượng tiêu hao nhiên liệu của hệ thống là lớn nhất.
3.2.2.2 Ưu và nhược điểm của hệ thống: Ưu điểm:
+ Công suất xe mạnh hơn do sử dụng 2 nguồn năng lượng.
+ Bình ắc-quy nhỏ hơn do hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt.
+ Động cơ điện, bộ phận điều khiển mô-tơ điện có kết cấu phức tạp Động cơ nhiệt phải thiết kế lớn hơn kiểu mắc nối tiếp.
+ Tính ô nhiễm môi trường và kinh tế nhiên liệu không cao.
3.2.3 Hệ thống Hybrid hỗn hợp:
Dẫn động hỗn hợp dùng một bộ bánh răng hành tinh để kết nối động cơ đốt trong, mô-tơ điện và bộ truyền động với nhau Động cơ đốt trong được nối với vành răng của bộ bánh răng hành tinh qua li hợp 1, nó được sử dụng để nối hoặc ngắt động cơ đốt trong với vành răng Mô-tơ điện được nối với bánh răng mặt trời Khóa 1 dùng để khóa bánh răng mặt trời và roto của mô-tơ điện với khung xe Ly hợp 2 dùng để nối hoặc tách bánh răng mặt trời với vành răng Bộ truyền động được dẫn động bới cầu dẫn của bộ bánh răng hành tinh qua một bánh răng trung gian.
Hình 3.20: Mô hình hệ thống Hybrid hỗn hợp
Hình 3.21 : Đồ thị công suất động cơ điện và xăng Hybrid hỗn hợp
