Nghiên cứu mô phỏng nguồn động lực xe điện hybrid (hev) kiểu kết hợp bằng phần mềm gt suite

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ TẤT TÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG NGUỒN ĐỘNG LỰC XE ĐIỆN HYBRID (HEV) KIỂU KẾT HỢP BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Thái Nguyên - Năm 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun, Phịng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực cho phép thực luận văn Xin cảm ơn Phịng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tô Máy động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi học tập làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Dương Thế Hùng hướng dẫn tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn lãnh đạo, đồng nghiệp Cơ quan nơi công tác tạo điều kiện động viên tơi suốt q trình học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận văn đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tơi học tập Tuy nhiên cịn có hạn chế thời gian kiến thức thân nên đề tài tơi cịn nhiều thiếu sót Tơi mong nhận góp ý để luận văn hoàn thiện Học viên ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: * Ý nghĩa thực tiễn: Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Các nội dung đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nhiên liệu ô nhiễm môi trường 1.2 Tổng quan phát triển nguồn động lực cho phương tiện giao thông 1.3 Giới thiệu xe hybrid 1.3.1 Nguồn gốc đời xe hybrid 1.3.2 Định nghĩa xe hybrid 10 1.4 So sánh đặc tính tốc độ động điện động đốt 11 1.5 Xu hướng phát triển xe hybrid 14 1.5.1 Giới thiệu số mẫu xe hybrid 15 1.5.2 Ưu, nhược điểm xe hybrid 17 1.6 Kết luận chương 19 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHỐI HỢP 20 NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO XE HYBRID 20 2.1 Các thuật ngữ thường dùng xe hybrid 20 iii 2.2 Các phương pháp phối hợp nguồn động lực hybrid 21 2.2.1 Phương pháp phối hợp nối tiếp 21 2.2.2 Phương pháp phối hợp song song 22 2.2.3 Phương pháp phối hợp nối tiếp - song song 23 2.3 Các chế độ làm việc xe hybrid 24 2.3.1 Chế độ chạy tăng tốc nhẹ 24 2.3.2 Chế độ chạy ổn định 24 2.3.3 Chế độ tăng tốc leo dốc 24 2.3.4 Chế độ nạp ắc quy xe chuyển động 25 2.3.5 Chế độ nạp ắc quy xe đứng yên 25 2.4 Đường truyền công suất chế độ làm việc 26 2.4.1 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai sơ đồ nguồn động lực kiểu kết hợp 26 2.4.2 Khi truyền công suất động nhiệt 27 2.4.3 Khi truyền công suất động điện 28 2.4.4 Khi truyền công suất nguồn công suất 28 2.5 Chiến lược phối hợp nguồn động lực 29 2.6 Kết luận chương 31 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH XE HYBRID KIỂU KẾT HỢP 32 BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE 32 3.1 Giới thiệu phần mềm GT-Suite 32 3.1.1 Giới thiệu chung 32 3.1.2 Các tính 33 3.1.3 Các thành phần, mơ đun phần mềm 33 3.2 Cơ sở lý thuyết 34 3.2.1 Chiến lược điều khiển nạp điện cho ắc quy 34 3.2.2 Sơ đồ làm việc hệ thống truyền lực 35 iv 3.2.3 Chế độ vận hành xe HEV sử dụng nguồn động lực kết hợp 35 3.3 Xây dựng mơ hình mơ 36 3.3.1 Các bước xây dựng mơ hình 36 3.3.2 Mục đích xây dựng mơ hình 39 3.4 Kết mô động lắp xe thường xe hybrid 43 3.4.1 Tốc độ động 43 3.4.2 Tiêu hao nhiên liệu 45 3.4.3 Phát thải NOx 47 3.4.4 Phát thải CO 50 3.4.5 Phát thải HC 52 3.5 Kết luận chương 55 KẾT LUẬN CHUNG 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ĐCĐ ĐCĐT EV HEV Diễn giải Động điện Động đốt Ơ tơ điện Ơ tơ lai điện USHC Chu trình thử xe xa lộ Mỹ FTP-75 Chu trình thử xe đường thành phố Mỹ vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các thống số xe thường xe hybrid 37 Bảng 3.2 Các thông số chu trình thử xe 40 cho đường thành phố Mỹ 40 Bảng 3.3 Các thông số chu trình thử FTP-75 USHC 41 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Số lượng tơ xe máy hoạt động hàng năm Việt Nam Hình 1.2 Tỷ lệ phát thải khí gây nhiễm theo nguồn phát thải Việt Nam năm 2011 Hình 1.3 Lượng khí thải CO phương tiện giới đường gây Hình 1.4 Tỷ lệ phát thải chất nhiễm phương tiện giới đường Hình 1.5 Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử dụng Hà Nội năm 2011 Hình 1.6 Đặc tính lực kéo - tốc độ với cơng suất u cầu 11 động xăng 11 Hình 1.7 Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động xe 12 Hình 1.8 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu động xăng 12 Hình 1.9 Đặc tính mơ-tơ điện 13 Hình 1.10 Lực kéo xe có động xăng với hộp số cấp 14 mô-tơ điện với hệ dẫn động cấp 14 Hình 2.1 Kiểu nối tiếp 22 Hình 2.2 Kiểu song song 23 Hình 2.3 Kiểu kết hợp 24 Hình 2.4 Bộ kết hợp cơng suất kiểu vi sai 26 Hình 2.5 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai truyền công suất 27 động nhiệt 27 Hình 2.6 Bộ kết hợp cơng suất kiểu vi sai truyền công suất 28 động điện 28 Hình 2.7 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai truyền công suất 28 nguồn 28 Hình 2.8 Thuật toán điều khiển xe HEV 30 Hình 3.1 Cửa sổ giao diện phần mềm GT-Suite mô đun ứng dụng 32 viii Hình 3.2 Phương pháp “thermostat ON-OFF” 34 để điều khiển nạp điện cho ắc quy 34 Hình 3.3 Sơ đồ làm việc điều khiển hệ thống truyền lực 35 Hình 3.4 Chế độ vận hành xe HEV sử dụng nguồn động lực kết hợp 36 Hình 3.5 Mơ hình xe thơng thường 38 Hình 3.6 Mơ hình xe hybrid kiểu kết hợp nối tiếp - song song 38 Hình 3.7 Chu trình thử FTP-75 39 Hình 3.8 Chu trình thử xe xa lộ Mỹ, USHC 41 Hình 3.9 Chu trình thử FTP-75 thiết lập mơ hình mơ 42 Hình 3.10 Chu trình thử USHC thiết lập mơ hình mơ 42 Hình 3.11 Tốc độ động thường động lắp xe hybrid 44 chạy theo chu trình lái FTP-75 44 Hình 3.12 Tốc độ động thường động lắp xe hybrid 44 chạy theo chu trình lái USHC 44 Hình 3.13 Tiêu hao nhiên liệu động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 45 Hình 3.14 Tiêu hao nhiên liệu động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái USHC 46 Hình 3.15 Lượng nhiên liệu tiêu thụ động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC, [kg/h] 46 Hình 3.16 Lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 100 km động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC, [lít/100km] 47 Hình 3.17 Phát thải NOx động thường động lắp xe hybrid 48 chạy theo chu trình lái FTP-75 48 Hình 3.18 Phát thải NOx động thường động lắp xe hybrid 49 chạy theo chu trình lái USHC 49 ix Hình 3.19 Phát thải NOx động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC, [kg/h] 49 Hình 3.20 Phát thải CO động thường động lắp xe hybrid 51 chạy theo chu trình lái FTP-75 51 Hình 3.21 Phát thải CO động thường động lắp xe hybrid 51 chạy theo chu trình lái USHC 51 Hình 3.22 Phát thải CO động thường động lắp xe hybrid 52 chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC 52 Hình 3.23 Phát thải HC động thường động lắp xe hybrid 53 chạy theo chu trình lái FTP-75 53 Hình 3.24 Phát thải HC động thường động lắp xe hybrid 54 chạy theo chu trình lái USHC 54 Hình 3.25 Phát thải CO động thường động lắp xe hybrid 54 chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC 54 x 3.4.2 Tiêu hao nhiên liệu Với kết trình bày hình từ hình 3.13 đến hình 3.16, nhận thấy động lắp xe hybrid cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu chu trình thử nghiệm Cụ thể, lượng tiêu thụ nhiên liệu tổng động lắp xe hybrid giảm 69,06% 74,36% chạy theo chu trình FTP-75 USHC (hình 3.15) Trong đó, so sánh theo lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 100 km động lắp xe hybrid giảm 68,79% 42,50% chạy theo chu trình FTP-75 USHC (hình 3.16) Mặt khác, với kết hình 3.13 3.14 nhận thấy: + Khi xe dừng, động xe thường chạy không tải, suất tiêu hao nhiên liệu tương đối lớn, cịn động lắp xe hybrid ngắt + Khi tăng tốc, động xe thường phải đảm nhiệm toàn động làm việc với chế độ không ổn định bù ga nên tiêu hao nhiên liệu mức cao Hình 3.13 Tiêu hao nhiên liệu động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 45 Hình 3.14 Tiêu hao nhiên liệu động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái USHC Hình 3.15 Lượng nhiên liệu tiêu thụ động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC, [kg/h] 46 Hình 3.16 Lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 100 km động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC, [lít/100km] 3.4.3 Phát thải NOx Qua đồ thị hình 3.17 hình 3.18 ta thấy, phát thải NOx xe hybrid hầu hết thấp đáng kể so với phát thải xe thường, trừ giai đoạn chuyển tiếp từ động chí ngắt động Điều giải thích sau: động xe hybrid tránh chế độ tăng tốc, giảm tốc động Hơn nữa, tốc độ xe xe hybrid cho phép ngắt động đốt Ngoài ra, xe hybrid thực điều khiển động đốt tốt vùng tiêu thụ nhiên liệu thấp, tăng tốc, động xe thường phải đảm nhiệm toàn nên động làm việc với chế độ không ổn định bù ga nên tiêu hao nhiên liệu mức cao Vì vậy, tất trường hợp động đốt lắp xe hybrid giảm tải (giảm công suất) làm giảm nhiệt độ chu trình cơng tác Vì vậy, NOx giảm Tuy nhiên, giai đoạn chuyển tiếp từ động điện sang động đốt phải khởi động tăng nhanh công suất để đảm bảo tốc độ ổn định 47 xe nên lượng nhiên liệu chu trình tăng nhanh làm tăng nhiệt độ trung bình xilanh chu trình cơng tác làm tăng NOx Hình 3.17 Phát thải NOx động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 48 Hình 3.18 Phát thải NOx động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái USHC Hình 3.19 Phát thải NOx động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC, [kg/h] 49 Trên hình 3.19 phát thải NOx tổng cộng động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC Lượng phát thải NOx tổng cộng xe hybrid giảm thử theo chu trình FTP75 USHC 25,58% 54,88% 3.4.4 Phát thải CO Phát thải CO sinh cháy thiếu Oxy, qua đồ thị trên hình 3.20 đến hình 3.22 ta thấy, phát thải CO xe hybrid thấp nhiều so với phát thải xe thường chạy theo chu trình FTP-75 Cụ thể, lượng phát thải CO tổng cộng tồn chu trình thử FTP-75 xe hybrid giảm 67,48% so với xe thường Có đảo chiều phát thải CO giai đoạn chuyển tiếp từ động điện sang động đốt trong, điều động đốt phải khởi động tăng công nhanh công suất để đảm bảo tốc độ ổn định xe lượng khơng khí khơng kịp bổ sung đủ theo u cầu làm tăng khả thiếu ôxy, làm tăng CO Tuy nhiên, chạy theo chu trình thử xa lộ USHC phát thải CO lại đột ngột tăng đột biến giữ không đổi khoảng thời gian hình 3.21; điều chuyển đột ngột từ động điện sang động đốt trong, phải tăng tốc phương tiện thời gian ngắn thử theo chu trình USHC 50 Hình 3.20 Phát thải CO động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 Hình 3.21 Phát thải CO động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái USHC 51 Hình 3.22 Phát thải CO động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC 3.4.5 Phát thải HC Phát thải HC sản phẩm phần nhiên liệu chưa cháy thiếu ô xy thành phần hỗn hợp không đồng Cũng phát thải CO, qua đồ thị hình 3.23 đến hình 3.25 ta thấy, thử theo chu trình FTP-75 phát thải HC xe hybrid hầu hết thấp đáng kể so với phát thải xe thường Tuy nhiên, chế độ chuyển tiếp từ động điện sang động đốt chiều ngược lại cho phát thải HC tăng, giai đoạn phải tăng nhanh nhanh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình lượng khơng khí khơng kịp bổ sung đủ theo u cầu làm tăng khả thiếu ơxy, dẫn đến tăng HC Mặt khác, giai đoạn chuyển tiếp từ động đốt sang động điện, lúc động điện điều khiển làm việc đạt nhanh công suất, tốc độ mô men đảm bảo cho xe hoạt động bình thường, đồng thời ngắt động đốt Tuy nhiên, giai đoạn vài giây, việc nhiên liệu phun vào trước xupap nạp đến hàng chục lần nên động thực trình thải khí qt khí góc trùng điệp nên lượng 52 không nhỏ nhiên liệu phun vào chưa cháy thoát khỏi đường thải làm HC tăng Tuy nhiên, thử theo chu trình xa lộ USHC lượng phát thải HC xe hybrid có xu hướng tăng đột ngột giai đoạn đầu cuối chu trình thử, điều giai đoạn đầu chu trình USHC (khoảng  50s) lượng phát thải xe hybrid không xe sử dụng động điện để khởi động, sau động đốt khởi động để phương tiện đạt tốc độ cao thời gian ngắn nên lượng nhiên liệu phun vào lúc cần nhiều, nhiên lượng khơng khí lại không cung cấp đủ dẫn tới phát thải HC lớn Hình 3.23 Phát thải HC động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 53 Hình 3.24 Phát thải HC động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái USHC Hình 3.25 Phát thải CO động thường động lắp xe hybrid chạy theo chu trình lái FTP-75 USHC 54 3.5 Kết luận chương Sau hoàn thành nội dung chương 3, rút số kết luận sau: - Đã thiết lập mơ hình mô ô tô thường ô tô hybrid sử dụng nguồn động lực kiểu kết hợp (nối tiếp song song) phần mềm GT-Suite - Thông qua mô hình xây dựng, mơ tơ theo chu trình lái mong muốn, chu trình thử FTP-75 chu trình USHC - Qua kết trình bày trên, nhận thấy thành phần tiêu thụ nhiên liệu phát thải xe hybrid thấp đáng kể so với phát thải xe thường 55 KẾT LUẬN CHUNG Qua thời gian nghiên cứu, luận văn thực xong nội dung đề tài: “Nghiên cứu mô nguồn động lực xe điện hybrid (HEV) kiểu kết hợp phần mềm GT- SUITE”, thơng qua q trình tính tốn mơ khảo sát đưa số kết luận sau: - Các thành phần tiêu thụ nhiên liệu phát thải xe hybrid thấp đáng kể so với phát thải xe thường Do động xe hybrid cho phép ngắt động đốt xe dừng, việc điều khiển động đốt tốt vùng tiêu thụ nhiên liệu thấp; tăng tốc, động xe ổn định nên tiêu hao nhiên liệu mức thấp - Tiêu thụ nhiên liệu giảm tới 74,36% thử với chu trình USHC, phát thải NOx giảm 54,88% thử theo chu trình USHC, phát thải CO HC giảm  68% chạy theo chu trình FTP-75; nhiên, thành phần phát thải lại có xu hướng tăng lên so với xe thường chạy theo chu trình lái USHC - Xét cách tổng thể, tất trường hợp động đốt xe hybrid giảm công suất làm giảm tiêu thụ nhiên liệu phát thải giai đoạnchuyển tiếp từ động điện sang động đốt tiêu hao nhiên liệu phát thải tăng thời gian ngắn - Với việc sử dụng kiểu phối hợp nguồn động lực kiểu kết hợp (nối tiếp song song), nhận thấy ưu điểm vượt trội xe hybrid so với xe thường tiêu kinh tế nhiên liệu phát thải chất ô nhiễm Hướng phát triển đề tài: + Tính tốn tối ưu tham số điều khiển cho xe hybrid + Nghiên cứu tối ưu nguồn động lực để điểm làm việc xe hybrid nằm vùng làm việc tối ưu 56 Do khả điều kiện kinh phí có hạn, trang thiết bị thực nghiệm không đảm bảo nên kết luận văn cịn có sai sót, hạn chế định, mong giúp đỡ đóng góp ý kiến thầy bạn đồng nghiệp 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Văn Đăng, Khổng Vũ Quảng, Trần Đăng Quốc, Trần Tuấn Anh (2016), "Nghiên cứu mô nguồn động lực xe hybrid kiểu song song phần mềm AVL-Cruise" [2] Báo cáo môi trường quốc gia năm 2012 [3] PGS.TS Khổng Vũ Quảng, Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình phối hợp nguồn động lực điện động đốt trong”, Hà Nội 2014 Tiếng Anh [4] Joeri Van Mierlo, Peter Van den Bossche, Gaston Maggetto (2003), "Models of energy sources for EV and HEV: fuel cells, batteries, ultracapacitors, flywheels and engine-generators", Journal of Power Sources, Elsevier [5] Simone Formentin, Jacopo Guanetti, Sergio M Savaresi (2015), "Least costly energy management for series hybrid electric vehicles", Control Engineering Practice, Elsevier [6] Jiaen Du (2016), etc "Testing and Analysis of the Control Strategy of Honda Accord Plug-in HEV", ScienceDirect [7] Yanjun Huang (2016), etc "Model predictive control power management strategies for HEVs: A review", Journal of Power Sources, Elsevier [8] Yunjung Oh (2017), etc "Estimation of CO2 reduction by parallel hardtype power hybridization for gasoline and diesel vehicles", Science of the Total Environment, Elsevier [9] R Trigui, E Vinot, B Jeanneret, "Backward Modeling and Energy Management Optimization of a Two-Clutches Series-Parallel HEV for Efficiency Assessment" 58 [10] Zhen Wei, John Xu, Dunant Halim (2016), "HEV power management control strategy for urban driving", Applied Energy, Elsevier [11] Amir Khajepour, Saber Fallah, Avesta Goodarzi (2014), “Electric and Hybrid Vehicles - Technologies, Modeling and Control - A Mechatronic Approach”, WILEY [12] Antoni Szumanowski (2013), “Hybrid Electric Power Train Engineering and Technology: Modeling, Control, and Simulation”, Engineering Science Reference [13] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E.Gay, Ali Emadi (2005), “Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles: Fundamentals, theory, and design”, CRC Press LLC [14] Hilda Bridges (2015), “Hybrid Vehicles and Hybrid Electric Vehicles: New Developments, Energy Management and Emerging Technologies”, Nova Science Publishers, Inc [15] Thomas J Böhme, Benjamin Frank (2017), “Hybrid Systems, Optimal Control and Hybrid Vehicles: Theory, Methods and Applications”, Springer [16] Weiliu (2013), “Introduction to Hybrid Vehicle System Modeling and Control” -John Wiley & Sons, Inc Publication [17] John M.Miller (2010), “Propulsion Systems for Hybrid Vehicles - 2nd Edition”, Pulished by The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom [18] Michael Nikowitz Editor (2016), “Advanced Hybrid and Electric Vehicles: System Optimization and Vehicle Integration”, Springer [19] Iqbal Husain (2006), “Electric and Hybrid Vehicles - Design Fundamentals”, CRC Press LLC [20] Gamma Technologies (2016), GT-SUITE Tutorial Ver 7.3 [21] www.gtisoft.com 59