(Luận văn) nghiên cứu mô phỏng sự kết hợp các nguồn động lực trên ô tô hybrid kiểu hỗn hợp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN QUANG VINH lu an n va tn to ie gh NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ KẾT HỢP CÁC NGUỒN ĐỘNG LỰC p TRÊN Ô TÔ HYBRID KIỂU HỖN HỢP d oa nl w nf va an lu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC lm ul Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực z at nh oi z m co l gm @ an Lu Thái Nguyên - Năm 2018 n va ac th si ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN QUANG VINH NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ KẾT HỢP CÁC NGUỒN ĐỘNG LỰC lu TRÊN Ô TÔ HYBRID KIỂU HỖN HỢP an n va tn to LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC gh Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC p ie Mã số: 80520116 w NGƯỜI HƯỚNG DẪN oa nl KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA d KHOA HỌC nf va an lu TS Nguyễn Khắc Tuân z at nh oi lm ul PGS.TS Lê Văn Quỳnh PHÒNG ĐÀO TẠO z m co l gm @ an Lu Thái Nguyên - 2018 n va ac th si i LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Trần Quang Vinh Học viên: Lớp cao học K19- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệpĐại học Thái Nguyên Nơi công tác: Công ty TNHH MTV Apatit Việt Nam Tên đề tài luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu mô kết hợp nguồn động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực lu an Mã số: 80520116 n va Sau gần hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trường, em lựa tn to chọn thực đề tài luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu mô kết hợp gh nguồn động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp Được giúp đỡ p ie hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Khắc Tuân nổ lực thân, đề tài hoàn thành đáp nội dung đề tài thạc sĩ kỹ thuật w oa nl khí động lực d Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân em Các lu nf va an số liệu, kết có luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác trừ cơng bố tác giả z at nh oi lm ul Thái Nguyên, ngày… tháng… năm 2018 HỌC VIÊN z m co l gm @ Trần Quang Vinh an Lu n va ac th si ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu làm đề tài luận văn thạc sĩ, em tiếp nhận truyền đạt trao đổi phương pháp tư duy, lý luận quý thầy cô Nhà trường, quan tâm giúp đỡ tận tình tập thể giảng viên Nhà trường, khoa Kỹ thuật Ô tô & MĐL, quý thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –Đại học Thái Nguyên, gia đình đồng nghiệp Em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường, Tổ đào tạo Sau đại học - Phịng đào tạo, q thầy giáo tham gia giảng dạy tận tình lu an hướng dẫn tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn n va Em xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Khắc Tuân tn to tập thể cán giáo viên khoa Kỹ thuật Ơ tơ & MĐL, hội đồng bảo vệ đề gh cương hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn theo kế hoạch nội p ie dung đề Trong trình, thời gian thực có nhiều cố gắng song w oa nl kiến thức kinh nghiệm chuyên môn hạn chế nên chắn luận văn d nhiều thiếu sót, mong đóng góp quý báu q thầy lu hồn thiện nf va an bạn đồng nghiệp tiếp tục trao đổi đóng góp giúp em để luận văn lm ul Xin chân thành cảm ơn! z at nh oi HỌC VIÊN z m co l gm @ an Lu n va ac th si iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VIII PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu CHƯƠNG I lu an TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU n va 1.1 Tổng quan ô tô hybrid 1.1.2 Đặc điểm cấu tạo ô tô hybrid ie gh tn to 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển ô tô hybrid p 1.1.3 So sánh ôtô hybrid với ô tô truyền thống 12 1.1.4 So sánh kiểu ô tô hybrid 14 w oa nl 1.2 Tổng quan nghiên cứu phối hợp nguồn động lực ô tô hybrid 15 d 1.3 Kết luận 19 lu nf va an CHƯƠNG 21 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KẾT HỢP CÁC NGUỒN CÔNG SUẤT 21 lm ul TRÊN Ô TÔ HYBRID 21 z at nh oi 2.1 Các thiết bị kết nối tốc độ mô men ô tô hybrid 21 2.1.1 Đối với hệ thống truyền lực hybrid kiểu nối tiếp 21 z 2.1.2 Đối với hệ thống truyền lực kiểu song song 22 @ gm 2.1.3 Đối với hệ thống truyền lực kiểu hỗn hợp 31 l 2.2 Chiến lược điều khiển xe hybrid kiểu hỗn hợp 35 m co 2.2.2.Kiểm soát ác qui 36 an Lu 2.3.1 Phương pháp mô thông qua thiết lập mơ hình tốn học mơ hoạt động hệ thống truyền lực tơ hybrid với cấu hình hỗn hợp37 n va ac th si iv 2.3.2 Mô phần mềm chuyên dùng 42 CHƯƠNG 49 MÔ PHỎNG SỰ KẾT HỢP CÔNG SUẤT CỦA Ô TÔ HYBRID KIỂU HỐN HỢP BẰNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK 49 3.1 Xây dựng mơ hình mơ hoạt động ô tô hybrid kiểu hỗn hợp 49 3.2 Mô phân tích kết 52 3.3 Kết luận chương 64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống động lực ô tô hybrid kiểu song song Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo hệ động lực chia công suất ô tô hybrid kiểu hỗn hợp - Toyota Prius 11 Hình 1.4 Mơ hình phân phối cơng suất thuộc đề tài 15 NCKH Đại học Nha Trang [5] 15 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống động lực ô tô hybrid chỗ[3] 16 Hình 1.6 – Ơ tơ hybrid Kvan trường Đại học MGTU MAMI 18 lu an Hình 1.7 – Bệ thử kết hợp nguồn công suất hybrid kiểu nối tiếp – song song n va trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Quốc Gia MGTU MAMI 19 tn to Hình 1.8 – Bộ kết hợp công suất xe IZ 2106 - Oda 19 gh Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp 22 p ie Hình 2.2 Sơ đồ song song 23 Hình 2.3 Sơ đồ kết nối mômen 23 nl w oa Hình 2.4 Một số thiết bị kết nối mômen 24 d Hình 2.5 Sơ đồ hai trục với hộp số đặt trước 25 lu nf va an Hình 2.6 Sơ đồ hai trục với kết nối mô men đặt trước hộp số 25 Hình 2.7 Sơ đồ trục với hộp số đặt sau động 26 lm ul Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống truyền lực song song với động điện đặt sau hộp z at nh oi số 26 Hình 2.9 Sơ đồ kết nối tốc độ 27 z Hình 2.10 Hệ bánh hành tinh Willson 28 @ gm Hình 2.11 Động điện có stato khơng cố định 29 l Hình 2.12 Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng kết nối tốc độ kiểu hệ bánh m co hành tinh 29 an Lu Hình 2.13 Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng kết nối tốc độ kiểu transmoto 30 n va ac th si vi Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid xen kẽ mômen tốc độ với hệ bánh hành tinh 31 Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid sử dụng xen kẽ kết nối mô men tốc độ với transmotor 32 Hình 2.17 Sơ đồ kết hợp kết nối mô men tốc độ xe Toyota Prius 33 Hình 2.18 Sơ đồ kết hợp kết nối mơ men sử dụng transmotor 34 Hình 2.19 Sơ đồ hệ thống truyền lực sử dụng kết nối với transmotor35 Hình 2.20 - Sơ đồ hệ thống truyền lực kiểu hỗn hợp nối tiếp - song song 38 Hình 2.21– Cấu trúc khối động đốt trong Simcape 43 lu an Hình 2.22 - Sơ đồ cấu trúc mơ động điện Simcape 43 n va Hình 2.23 – Sơ đồ cấu hình hệ thống truyền lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp tn to ADVISOR 44 ie gh Hình 2.24 – Sơ đồ cấu hình hệ thống truyền lực tô hybrid kiểu nối tiếp p ADVISOR 44 Hình 2.25 – Giao diện phần mềm advisor với cấu hình hybrid song song 45 w oa nl Hình 2.26 – Giao diện phần mềm advisor với cấu hình hybrid song song 45 d Hình 2.27 – Sơ đồ khối mô hoạt động ô tô hybrid 46 an lu kiểu song song ADVISOR 46 nf va Hình 2.28 - Giao diện phần mềm AVL –cruise mô hoạt động ô tô lm ul hybrid 46 z at nh oi Hình 3.1 Chu trình thị loại theo chuẩn UN/ECE [] 53 Hình 3.2 - Sơ đồ Simulink mô hoạt động ô tô hybrid kiểu hỗn hợp50 z Hình 3.3– Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển 50 @ gm Hình 3.4– Sơ đồ logic chế độ làm việc động 51 l Hình 3.5 – Sơ đồ cấu trúc Simulink lựa chọn chu trình thử 51 m co Hình 3.6 - Sơ đồ Simulink kiểm sốt q trình nạp acqui 52 an Lu Hình 3.7 - Sơ đồ Simulink xác định độ mở bướm ga động đốt ứng với trạng thái làm việc 52 n va ac th si vii Hình 3.8 - Đặc tính động điện 54 Hình 3.9 – Chu trình thử thị loại ECE sơ đồ mô Matlab 54 Hình 3.10– Sự thay đổi gia tốc tơ theo chu trình thử loại 55 Hình 3.11– Kết mơ công suất cần thiết 56 ĐCĐ ĐCĐT theo chu trình thử thi loại 56 Hình 3.12 – Sự thay đổi thông số ĐCĐT theo chu trình thử thị 57 Hình 3.13– Sự thay đổi thơng số ĐCĐ theo chu trình thử thị loại 58 Hình 3.14 Động học chia công suất PD ô tô hoạt động theo chu lu an trình thử thị loại ECE 59 n va 59 tn to Hình 3.15 Sự thay đổi thông số acqui ô tô hoạt động theo chu gh trình thử thị loại 59 p ie Hình 3.16- Sự thay đổi vận tốc công suất cần thiết theo yêu cầu chu trình 60 w oa nl Hình 3.17- Sự phân chia cơng suất cho động ứng với giai đoạn d khác chu trình thử loại 60 lu nf va an Hình 3.18 - Sự biến thiên gia tốc ô tơ theo chu trình thử thị loại 261 Hình 3.19 Kết tính tốn phân chia cơng suất ĐCĐ ĐCĐT lm ul làm việc theo chu trình thử thị loại 61 z at nh oi Hình 3.20 Kết tính tốn phân chia cơng suất ĐCĐ ĐCĐT làm việc theo chu trình thử thị loại 62 z Hình 3.21 Kết tính tốn mức độ sạc ác qui ứng với chu trình thử @ m co l gm loại loại 62 an Lu n va ac th si viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT lu Diễn giải S-HEV Ô tô hybrid kiểu nối tiếp P-HEV Ô tô hybrid kiểu song song ĐCĐT Động đốt AQ Ác qui ĐCĐ Động điện MF Máy phát SOC Mức sạc ác qui an Ký hiệu n va gh tn to Hộp giảm tốc hành tinh Bộ chia công suất kiểu hành tinh d oa nl w PD p ie PR nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si 54 Công suất cực đại ĐCĐT[W] Tốc độ động ứng với công suất cực đại [v/p] 5000 Số vịng quay khơng tải ĐCĐT [v/p] 500 Số vòng quay lớn ĐCĐT [v/p] 5000 114000 lu an n va p ie gh tn to w oa nl Hình 3.8 - Đặc tính động điện d Kết mơ theo chu trình thử đô thị loại nf va an lu z at nh oi lm ul z co l gm @ m Hình 3.9 – Chu trình thử thị loại ECE sơ đồ mô an Lu Matlab n va ac th si 55 Dựa chu trình tiêu chuẩn hóa ECE, luận văn xây dựng chu trình thử để đưa vào mơ hình mơ Trên hình 3.9 kết mơ chu trình thử thị loại Khi tiến hành mơ hoạt động xe hybrid theo chu trình thử đô thị loại cho phép ta thu kết thông số mô tả hoạt động xe như: gia tốc ô tô, công suất cần cung cấp động điện động đốt ứng với giai đoạn chu trình, thay đổi mức nạp ác qui…các thông số làm việc động cơ/máy phát, động đốt kết hợp, phân chia cơng suất Trên hình 3.10 kết tính tốn thay đổi gia tốc ô tô làm lu an việc theo chu trình thử thị loại ECE Kết mô thu cho n va thấy, gia tốc cần đạt ô tô giai đoạn theo chu trình thử biến đổi tn to theo qui luật thay đổi vận tốc Gia tốc lớn cần đạt khoảng p ie gh 0,21m/s2 khoảng thời gian t= 143-155 s d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z Hình 3.10– Sự thay đổi gia tốc tơ theo chu trình thử loại m co l gm @ an Lu n va ac th si 56 lu an n va p ie gh tn to oa nl w d Hình 3.11– Kết mơ công suất cần thiết an lu ĐCĐ ĐCĐT theo chu trình thử thi loại nf va Kết mô xác định việc sử dụng công suất động lm ul xe hybrid theo chu trình thử thị loại UN/ECE trình bày hình z at nh oi 3.11 cho thấy, 54s chu trình, tơ chỉ cần lấy công suất từ động điện, gia tốc ô tô cần đạt >0,1 s cần thêm hỗ trợ công suất động đốt Ở giai đoạn cần gia tốc ô tô từ vận tốc 30 đến 50 km/s z gm @ (ở khoảng thời gian t=130s) cần thêm hỗ trợ động đốt Như vậy, theo chu trình thử thị UN/ECE loại 1, xe hybrid m co l sử dụng chế độ động điện chủ yếu an Lu n va ac th si 57 lu an n va p ie gh tn to w oa nl Hình 3.12 – Sự thay đổi thơng số ĐCĐT theo chu trình thử thị d Trên hình 3.12 3.13 trình bày thay đổi thông số lu an ĐCĐT, cịn hình 3.13 trình bày kết mơ thay đổi thông nf va sô động điện theo chu trình thử thị loại kể Các kết thu z at nh oi bướm ga… lm ul gồm thay đổi tốc độ, mô men xoắn trục động cơ, độ mở z m co l gm @ an Lu n va ac th si 58 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w lu an Hình 3.13– Sự thay đổi thơng số ĐCĐ theo chu trình thử thị loại nf va Ngồi ra, tiến hành mơ chương trình xây dựng cho lm ul phep nghiên cứu thông số khác hệ thống: trạng thái nạp z at nh oi acqui, mức tiêu thụ nhiên liệu chu trình… Trên hình 3.14 kết mô động học khâu kết hợp công suất…Kết xác định vận tốc bánh bao, bánh z gm @ mặt trời vận tốc cần… Trên hình 3.15 đồ thị biểu diễn thay đổi mức sạc acqui theo m co l chu trình thử an Lu n va ac th si 59 lu an n va tn to p ie gh Hình 3.14 Động học chia công suất PD ô tô hoạt động theo chu trình thử thị loại ECE d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z co l gm @ m Hình 3.15 Sự thay đổi thơng số acqui ô tô hoạt động theo chu trình thử thị loại an Lu n va ac th si 60 Kết mơ tính tốn theo chu trình thử loại Tương tự với chu trình thử loại 1, tiến hành mơ hoạt động ô tô hybrid kiểu hỗn hợp theo chu trình thử thi loại 2, ta thu số kết biểu diễn thông qua đồ thị sau: Đồ thị kết hợp công suất Sự thay đổi thông số làm việc máy điện Sự thay đổi thông số làm việc động đốt Trang thái nạp ác qui lu an n va p ie gh tn to w d oa nl Hình 3.16- Sự thay đổi vận tốc cơng suất cần thiết theo u cầu chu trình nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu Hình 3.17- Sự phân chia công suất cho động ứng với giai đoạn khác chu trình thử loại n va ac th si 61 lu an va n Hình 3.18 - Sự biến thiên gia tốc tơ theo chu trình thử to tn thị loại ie gh Một số kết tính tốn ứng với chu trình làm việc khác xe hybrid kiểu p song song, nối tiếp trình bày hình 3.19 đến 3.21 d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z co l gm @ m Hình 3.19 Kết tính tốn phân chia cơng suất ĐCĐ an Lu ĐCĐT làm việc theo chu trình thử thị loại n va ac th si 62 lu an n va gh tn to ie Hình 3.20 Kết tính tốn phân chia công suất ĐCĐ ĐCĐT p làm việc theo chu trình thử thị loại d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z co l gm @ m Hình 3.21 Kết tính tốn mức độ sạc ác qui ứng với chu an Lu trình thử loại loại n va ac th si 63 Phân tích đánh giá kết quả: lu an n va p ie gh tn to d oa nl w lu nf va an Hình 3.21 Phân tích chế độ làm việc động điện động đốt xe hoạt động theo chu trình thử ECE lm ul Phân tích đồ thị hình 3.21 cho thấy, ô tô hybrid làm việc theo chu z at nh oi trình thử thị tùy theo tốc độ chuyển động có chế độ làm việc sau: - Chế độ sử dụng chỉ động điện: ứng với giai đoạn 2-3; 4-5; 6-7; z gm @ 10-11; 12-13 18-19 công suất cần thiết để đảm bảo chuyển l động cịn nhỏ ứng với vận tốc tơ