TỔNG QUAN
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Trong bối cảnh công nghiệp hoá và hiện đại hoá toàn cầu, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao, đặt ra yêu cầu cấp thiết về tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường cho các quốc gia và ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành ô tô Giải pháp hiệu quả được đề xuất là kết hợp linh hoạt giữa động cơ xăng và động cơ điện, cùng với các cơ cấu chuyển đổi năng lượng Xe lai điện Hybrid đã ra đời như một giải pháp tối ưu để giải quyết những thách thức này.
Xe Plug-in Hybrid đang trở thành xu hướng nổi bật nhờ khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, Việt Nam vẫn thiếu cơ sở hạ tầng cần thiết để hỗ trợ sự phát triển của loại xe này.
Nhóm chúng em, dưới sự phân công của Bộ môn Động cơ ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô thuộc khoa Đào tạo chất lượng cao – Trường Đh Sư Phạm Kỹ Thuật TpHCM và sự hướng dẫn của ThS Huỳnh Quốc Việt, đã nghiên cứu đề tài ứng dụng MATLAB trong mô phỏng điều khiển xe lai điện kiểu hỗn hợp, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn cao của ngành giao thông vận tải tại Việt Nam.
1.1.2 Mục tiêu của đề tài
Nắm vững cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động của dòng xe Hybrid.
Xây dựng mô hình mô phỏng xe lai kiểu hỗn hợp trên phần mềm Matlap/Simulink
Điều khiển và chạy được mô hình đó phú hợp với chu trình thử nghiệm.
Chỉ mô phỏng trên Matlab Simulink và Fuzzy logic, chưa tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm.
Sử dụng cơ sở lí thuyết của các nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng mô hình mới.
Tính toán những thông số cần thiết đến mô hình hoặc tham khảo từ những thông số xe có sẵn trên thực tế để tiến hành mô phỏng.
Sử dụng Matlab Simulink để xây dựng mô hình theo các chu trình thực nghiệm.
TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID
1.2.1 Giới thiệu chung và nguyên nhân ra đời xe Hybrid Được phát minh vào khoảng 300 năm trước bởi nhà phát minh người Pháp Nicolas - Joseph Cugnot (1725-1804), xe ô tô ngày nay đã trở thành một trong những phương tiện giao thông không thể thiếu trong xã hội loài người Cũng chính vì thế mà tình trạng ô nhiễm không khí trầm trọng do khí thải từ động cơ ô tô đang là một trong những vấn đề nhức nhối của nhiều quốc gia hiện nay.
Ô tô hybrid đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ô tô trên toàn cầu nhờ vào những ưu điểm nổi bật Sự gia tăng mẫu mã và người tiêu dùng sử dụng ô tô hybrid cho thấy xu hướng này đang phát triển Để giảm ô nhiễm môi trường từ ô tô, nhiều giải pháp kỹ thuật hứa hẹn như ô tô điện, ô tô dùng pin nhiên liệu và động cơ khí nén đã được nghiên cứu Tuy nhiên, các công nghệ này vẫn gặp nhiều hạn chế, chẳng hạn như ô tô điện cần ít nhất 4 giờ để sạc pin, làm hạn chế tầm sử dụng Công nghệ fuel cell yêu cầu hydro lỏng phải được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp, chỉ phù hợp với những quốc gia có khí hậu lạnh Cả hai công nghệ này đều phải xây dựng lại hệ thống cung cấp nhiên liệu, tạo ra khoảng trống giữa nhu cầu bảo vệ môi trường và công nghệ ô tô truyền thống.
Gần đây, công nghệ Hybrid đã ra đời như một giải pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng không tái sinh và bảo vệ môi trường Công nghệ này đang được áp dụng rộng rãi tại các nước phát triển như châu Âu, châu Mỹ và Nhật Bản, trong khi chờ đợi sự hoàn thiện của công nghệ pin điện và fuel cell.
Hình 1.1 Cấu tạo một chiếc xe Hybrid
Ngành công nghiệp ôtô toàn cầu đang đối mặt với thách thức lớn về việc sản xuất xe không gây ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng Các loại xe như ôtô Hydro, ôtô điện và ôtô pin mặt trời đều gặp nhiều khó khăn trong việc triển khai Tuy nhiên, ôtô Hybrid, với nguồn năng lượng kết hợp, đã cung cấp giải pháp khả thi cho vấn đề này Ôtô Hybrid không chỉ giảm đáng kể lượng khí thải độc hại mà còn cắt giảm tới 50% mức tiêu thụ nhiên liệu, mang lại lợi ích cho môi trường và người tiêu dùng.
Ôtô Hybrid (Hybrid Electric Vehicle - HEV) là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, kết hợp hai nguồn năng lượng trở lên Khái niệm "Hybrid" đã tồn tại từ lâu, và theo Wikipedia, Hybrid Vehicle được hiểu là phương tiện giao thông sử dụng năng lượng từ hệ thống chứa năng lượng nạp lại được (RESS) và nguồn năng lượng nhiên liệu như xăng hoặc dầu diesel.
Xe đạp điện là phương tiện sử dụng sức người kết hợp với động cơ điện, ví dụ như xe đạp điện và tàu buồm kết hợp mô-tơ điện Động cơ Hybrid kết hợp động cơ đốt trong với động cơ điện sử dụng năng lượng từ ắc quy Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định thời điểm sử dụng động cơ điện, động cơ đốt trong, vận hành đồng bộ và nạp điện cho ắc quy để sử dụng sau này.
Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ "Phương Tiện Giao Thông Ghép" thường chỉ các loại xe kết hợp năng lượng từ điện và xăng, được gọi là Phương Tiện Giao Thông Ghép điện xăng (Petroleum Electric Hybrid Vehicle), viết tắt là PEHV hoặc HEV (Hybrid Electric Vehicle) Trong tiếng Việt, chúng ta thường gọi chúng là “Xe điện xăng”, trong khi tiếng Anh sử dụng thuật ngữ "Hybrid Car".
1.2.3 Nguyên lý hoạt động Ôtô Hybrid Ôtô Hybrid hoạt động theo nguyên tắc: Động cơ điện được sử dụng để khởi động xe, trong đó trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe gia tốc hoặc leo dốc Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc quy Không giống như các phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy Với sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ Hybrid được mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động cơ cao, mô-mem lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Tổ hợp động cơ Hybrid có những ưu điểm sau:
Khi phanh hoặc giảm tốc độ, động cơ điện hoạt động như một máy phát điện, giúp tận dụng năng lượng phanh để tạo ra điện năng nạp cho ắc-quy.
Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ Hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa).
Động cơ điện thường được sử dụng trong các chế độ gia tốc hoặc khi phải chịu tải lớn Do đó, động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ, dẫn đến kích thước của động cơ đốt trong trở nên nhỏ gọn hơn.
Sử dụng vật liệu nhẹ giúp giảm khối lượng tổng thể của ô tô, đồng thời vẫn đảm bảo khả năng vận hành xa và mạnh mẽ như những chiếc ô tô chạy xăng thông thường.
Ô tô Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian.
Ô tô Hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn so với ô tô chạy xăng truyền thống nhờ vào hiệu suất cao của động cơ điện Động cơ Hybrid tiết kiệm nhiên liệu hơn 100% so với động cơ xăng thông thường, góp phần giảm thiểu tác động xấu đến môi trường.
Theo phương pháp truyền động, động cơ Hybrid được chia thành hai loại chính: tổ hợp ghép nối tiếp và tổ hợp ghép song song Hệ thống Hybrid kết hợp này sử dụng cả hai phương pháp để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
1.2.5.1 Tổ hợp ghép nối tiếp
Hệ thống hybrid nối tiếp sử dụng động cơ điện làm nguồn động lực chính để xoay bánh xe Động cơ này chỉ có nhiệm vụ phát điện, nhằm nạp pin và cung cấp năng lượng cho động cơ điện, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho xe.
Trong sơ đồ nối tiếp, động cơ đốt trong (xăng, diesel hoặc pin nhiên liệu) kéo máy phát điện cung cấp năng lượng cho ắc quy và động cơ điện, không có liên hệ cơ khí giữa nguồn động lực và bánh xe Năng lượng được chuyển đổi từ hóa năng của nhiên liệu thành cơ năng qua quá trình quay rô-to máy phát, tạo ra điện năng và sau đó chuyển đổi thành cơ năng để quay bánh xe Ưu điểm của sơ đồ này bao gồm việc động cơ đốt trong không hoạt động ở chế độ không tải, giúp giảm ô nhiễm môi trường; có thể chọn chế độ hoạt động tối ưu cho từng loại ôtô; và không cần hộp số.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG HYBRID HỖN HỢP
CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG HYBRID HỖN HỢP
Hộp số Hybrid bao gồm MG1, MG2 và cụm bánh răng hành tinh.
Cụm bộ chuyển đổi bao gồm: một bộ chuyển đổi DC-DC, và một bộ chuyển đổi A/C.
ECU HV thu thập tín hiệu từ các cảm biến và gửi kết quả tính toán đến ECM, cụm biến đổi, ECU ắc quy và ECU để điều khiển hệ thống Hybrid.
Cảm biến vị trí số.
Cảm biến vị trí bàn đạp ga, biến đổi góc mở bướm ga thành tín hiệu điện.
ECU điều khiển trượt, điều khiển phanh tái sinh.
ECU ắc quy, kiểm tra tình trạng nạp của ắc quy HV và điều khiển sự hoạt động của quạt làm mát.
SMR (System Main Relay), nối và ngắt mạch công suất cao áp.
Ắc qui phụ, lưu trữ 12V DC cho hệ thống điều khiển xe.
Hình 2.9 Động cơ 1NZ-FXE
Động cơ 1NZ-FXE là một trong hai nguồn công suất chính của xe Prius, sở hữu thiết kế 4 xy lanh thẳng hàng với dung tích 1.5l Nó được trang bị hệ thống VVT-I, giúp điều khiển thời điểm nạp thông minh, cùng với hệ thống ETCS-I cho phép kiểm soát bướm ga điện tử hiệu quả Những cải tiến này mang lại cho 1NZ-FXE đặc tính cân đối, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải, góp phần nâng cao hiệu suất cho xe Hybrid.
Động cơ 1NZ-FXE sử dụng chu trình Atkinson, cho phép giảm khí thải nhờ thay đổi mối quan hệ giữa thì nén và thì giãn nỡ Các xe hybrid thế hệ 2004 trở đi còn được trang bị hệ thống tích nhiệt cho nước làm mát, giúp thu hồi nước nóng từ động cơ và lưu giữ trong thùng cách nhiệt lên đến ba ngày Hệ thống này sử dụng bơm điện để luân chuyển nước nóng qua động cơ, nhằm giảm khí thải HC khi động cơ khởi động còn lạnh.
Đặc điểm thông số kỹ thuật:
Loại động cơ 1NZ-FXE
Số lượng xi lanh và cách bố trí 4-xi lanh, thẳng hàng
Cơ cấu van 16 van DOHC, xích dẫn động ( với VVT-i)
Buồng đốt Kiểu vát nghiêng Đường ống nạp Dòng chéo
Hệ thống nhiên liệu SFI
Thể tích công tác cm3(cu.in) Đường kính x hành trình mm (in)
Công suất cực đại (SEA-NET) 57kW tại 5000 v/p
Mômen cực đại (SEA-NET) 111 N.m tại 4200 v/p
Thời điểm đóng mở van
Trị số ốc tan xác định theo phương pháp 91 hoặc cao hơn nghiên cứu RON
Trị số ốc tan 87 hoặc cao hơn
Cấp dầu API SJ, SL, EC hoặc
Tuần hoàn khí thải ống pô SULEV
Tuần hoàn khí thải bay hơi AT-PZEV, ORVR Bảng 2.1 Đặc điểm thông số kỹ thuật của động cơ1NZ-FXE
Một cụm bánh răng hành tinh, cung cấp tỉ số truyền vô cấp và điều khiển như một bộ phân chia công suất.
Một bộ giảm tốc bao gồm bộ truyền động xích, bộ bánh răng giảm tốc và bộ truyền lực cuối cùng.
Thông số kĩ thuật của hộp số Hybrid:
Loại hộp số P111 đời Prius 2010
Bộ bánh răng hành tinh
Số răng của bánh răng mặt trời 78
Số răng của bánh răng hành tinh 23
Số răng của bánh răng bao 30
Tỉ số truyền của bộ vi sai 3.905
Bộ bánh răng giảm tốc
Bộ truyền động cuối cùng Bánh răng chủ động 26
Dung tích dầu Lít(US qts, Imp qts) 4.6(4.9, 4.0)
Loại dầu ATF T-IV hoặc đẳng trị
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật của hộp số Hybrid
Cả MG1 và MG2 có kích thướt nhỏ, trọng lượng nhẹ, đạt hiệu quả cao của loại mô tơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu xoay chiều 3 pha.
MG1 và MG2 kết hợp hiệu quả giữa máy phát đồng bộ xoay chiều và mô tơ điện, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lực kéo hỗ trợ cho động cơ xăng khi cần thiết.
MG1 có chức năng nạp lại cho ắc quy HV và cung cấp điện năng cho MG2 Bằng cách điều chỉnh lượng điện năng phát ra, MG1 điều khiển hiệu quả sự truyền động vô cấp Ngoài ra, MG1 còn hoạt động như một máy khởi động, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
MG2 hoạt động kết hợp với động cơ xăng để dẫn động bánh xe, với đặc tính mômen lớn giúp tối ưu hóa hiệu suất động lực học Trong quá trình phanh tái sinh, MG2 chuyển đổi động năng thành điện năng để lưu trữ trong ắc quy HV, đồng thời hoạt động như một máy phát điện.
Một hệ thống làm mát thông qua bơm nước làm mát MG1 và MG2.
Thông số kỹ thuật của MG1:
Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu
Chức năng Máy phát; máy khởi động Điện áp cực đại (V) AC 273.6
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của MG1
Thông số kỹ thuật của MG2:
Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu
Chức năng Máy phát; dẫn động bánh xe Điện áp cực đại (v) AC 273.6
Công suất cực đại kW(PS)/(v/p) 33(45)/1040-5600
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của MG2
Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển MG1, MG2
2.1.4 Bộ phân chia công suất (Power-Split Device)
Trái tim của hệ thống Hybrid là bộ phân chia công suất PSD (Power Split Device), một thiết bị nhỏ gọn và quan trọng PSD hoạt động như một bộ bánh răng hành tinh, tương tự như trong hộp số tự động, nhưng có nguyên lý hoạt động hoàn toàn khác.
Bánh răng hành tinh trong bộ phân chia công suất được sắp xếp một cách tinh vi, với bánh răng mặt trời ở trung tâm và các bánh răng hành tinh xung quanh Các trục của bánh răng hành tinh được gắn cố định với cần dẫn, cho phép chúng quay quanh tâm bánh răng mặt trời Tất cả các bánh răng hành tinh có kích thước và khoảng cách đồng nhất so với tâm quay, trong khi vòng răng ngoài cùng, gọi là bánh răng bao, tương tác trực tiếp với các bánh răng hành tinh.
Hình 2.12 Bộ bánh răng hành tinh
Trong hệ thống Hybrid, bộ bánh răng hành tinh đóng vai trò quan trọng trong việc phân chia công suất Động cơ đốt trong (ICE) kết nối với cần dẫn, trong khi mô tơ máy phát 1 (MG1) liên kết với bánh răng mặt trời và mô tơ máy phát 2 (MG2) kết nối với bánh răng bao.
Tất cả các bánh răng trong hệ thống đều quay với tốc độ khác nhau, cho phép điều chỉnh tốc độ của ICE và MG2 MG2, hoạt động như mô tơ và máy phát, có thể đạt tốc độ lên đến 6,500 vòng/phút và được kết nối với các bánh xe chủ động qua hệ thống truyền động Khi tốc độ truyền từ MG2 đến vòng răng thay đổi, tốc độ của xe cũng thay đổi, trong khi việc thay đổi tốc độ trực tiếp của ICE (khi MG2=0) không ảnh hưởng ngay lập tức đến tốc độ xe ICE có khả năng quay chậm hoặc nhanh tùy thuộc vào công suất cần thiết, và với sự hỗ trợ từ động cơ máy phát, xe có thể hoạt động liên tục trong suốt quá trình động cơ hoạt động.
Tốc độ quay của MG1, MG2 và ICE có mối quan hệ tương tác chặt chẽ Khi tốc độ của MG2 hoặc ICE thay đổi, tốc độ quay của MG1 cũng sẽ điều chỉnh theo MG1 có khả năng đạt tốc độ lên tới 10,000 vòng/phút.
ICE hoạt động hiệu quả trong khoảng tốc độ từ 800 đến 4,500 vòng/phút Khi tốc độ giảm xuống dưới 800 vòng/phút, ICE không thể duy trì hiệu suất, dẫn đến việc ECU nhận biết và dừng hoạt động của ICE Khi cần công suất hoặc tốc độ cao hơn, MG1 sẽ khởi động lại ICE.
Động cơ đốt trong (ICE) được kết nối với cần dẫn, khi cần dẫn quay, các bánh răng hành tinh tác động đến bánh răng mặt trời và bánh răng bao, khiến chúng quay cùng chiều Toyota đã lựa chọn cẩn thận số răng của bánh răng mặt trời và bánh răng bao để xác lập kích thước bộ phân chia công suất hợp lý, với tỉ lệ phân phối mô men là 72% cho bánh răng bao và 28% cho bánh răng mặt trời.
Mối quan hệ về vận tốc góc, moment xoắn trong bộ phân chia công suất:
Hình 2.13 Bộ phận chia công suất
Trong đó: n y , n s , n r lần lượt là vận tốc góc của cần dẫn, bánh răng mặt trời, bánh răng bao.
Trong đó: T y , T s , T r lần lượt là moment xoắn của cần dẫn, bánh răng mặt trời, bánh răng bao Và k ys = 1+i g ; k yr =
Khi một bộ phận của bánh răng hành tinh bị khóa, nó sẽ chuyển đổi thành bánh răng thường với một đầu vào và một đầu ra Mối quan hệ này được thể hiện rõ ràng trong cấu trúc hoạt động của hệ thống bánh răng.
Thành phần Tốc độ Moment
Bánh răng mặt trời Bánh răng bao Cần dẫn
Bảng 2.5 trình bày mối quan hệ giữa các thành phần trong bộ phân chia công suất Đối với xe lai kiểu hỗn hợp, việc sử dụng bộ bánh răng hành tinh làm khớp nối tốc độ mang đến nhiều lựa chọn kết nối khác nhau cho các bộ phận của hệ thống truyền động.
Hình 2.14 Các cách bố trí sơ đồ truyền động
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.2.1 Các chế độ hoạt động
Hệ thống truyền động kiểu hỗn hợp bao gồm khớp nối moment và khớp nối tốc độ, trong đó đơn vị bánh răng hành tinh tạo ra khớp nối tốc độ để kết nối động cơ với motor/máy phát điện Động cơ và motor/máy phát điện được kết nối với cần dẫn và bánh răng mặt trời tương ứng, trong khi các bánh răng của bánh răng hành tinh liên kết với bánh lái thông qua cần dẫn nối với bánh răng Z1, Z2, Z4, Z5 và bộ vi sai Motor kéo kết nối với bánh lái thông qua bánh răng Z3, Z2, Z4, Z5 và bộ vi sai, giúp kết hợp các momen xoắn đầu ra của bánh răng bao và motor kéo.
Trong cấu hình này, hệ thống bao gồm một ly hợp và hai khóa, với ly hợp có chức năng kết nối hoặc ngắt kết nối động cơ với cần dẫn của bánh răng hành tinh Khóa 1 đảm nhiệm việc khóa hoặc nhả bánh răng mặt trời cùng trục của motor/máy phát điện đến sườn xe, trong khi Khóa 2 được sử dụng để khóa hoặc nhả cần dẫn đến sườn xe Qua việc điều khiển ly hợp, khóa, động cơ, motor/máy phát điện và motor kéo, nhiều chế độ hoạt động khác nhau có thể được thực hiện.
Hình 2.14 Sơ đồ của hệ thống truyền động
Chế độ khớp nối tốc độ: Trong chế độ này, motor kéo sẽ không hoạt động các chế độ hoạt động như sau:
Ly hợp chỉ hoạt động khi động cơ đang hoạt động, kết nối động cơ với cần dẫn và khóa bánh răng mặt trời vào sườn xe, do đó motor hoặc máy phát điện sẽ không hoạt động Dòng năng lượng được thể hiện trong hình dưới đây.
Hình 2.15 Dòng năng lượng ở chế độ chỉ có động cơ hoạt động
PLG: Bánh răng hành tinh M/G: Motor/ máy phát TM: Motor kéo
Hộp số PPS và ắc quy đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp mô men xoắn cho bánh xe chủ động Trong trường hợp này, động cơ tự cung cấp mô men xoắn, tạo ra mối quan hệ tốc độ hiệu quả giữa động cơ và bánh xe.
Với n_dw và n_e lần lượt là tốc độ của bánh xe chủ động và động cơ, tỷ số truyền từ bánh răng bao đến bánh xe được thể hiện qua i_rw.
Trong đó Z1, Z2, Z4, và Z5 là số răng của bánh răng Z1, Z2, Z4, và Z5.
Mối quan hệ mômen giữa bánh lái và động cơ :
Mô-men xoắn tại bánh xe được tạo ra từ moment xoắn động cơ, với hiệu suất từ cần dẫn đến bánh răng bao và hiệu suất từ bánh răng bao đến bánh lái.
Trong chế độ chỉ có motor/máy phát điện kéo, động cơ sẽ tắt và bộ ly hợp có thể hoạt động hoặc không Khóa 1 sẽ nhả bánh răng mặt trời và trục của motor/máy phát điện từ sườn xe, trong khi Khóa 2 khóa cần dẫn vào sườn xe Khi đó, xe sẽ được vận hành hoàn toàn bởi motor/máy phát điện.
Dòng năng lượng được thể hiện trong hình sau.
Hình 2.16 Dòng năng lượng ở chế độ chỉ có motor / máy phát điện kéo
Mối quan hệ tốc độ và momen xoắn giữa motor / máy phát và bánh lái :
Với T dw là mômen kéo trên bánh lái được tạo ra bởi mô men xoắn motor / máy phát điện
T m/g , và η sr là hiệu suất từ bánh răng mặt trời đến bánh răng bao.
Cần lưu ý rằng motor / máy phát điện phải được vận hành ở góc phần tư thứ ba, nghĩa là vận tốc góc âm (ngược hướng với chiều quay động cơ).
Động cơ và motor / máy phát điện cùng hoạt động : Trong chế độ này khóa 1 và 2
Và mômen xoắn có mối quan hệ
Trong đó, b là hằng số xác định dòng công suất từ motor hoặc máy phát điện đến bánh răng mặt trời; nếu n m/g < 0, thì b = 1, ngược lại, b = -1 Phương trình này cho thấy rằng với một tốc độ xe nhất định, tốc độ của động cơ có thể được điều chỉnh thông qua tốc độ của motor hoặc máy phát điện.
Mô men động cơ, mô men của motor/máy phát điện và mô men tải trên bánh xe dẫn động luôn duy trì một mối quan hệ cố định Điều này có nghĩa là bất kỳ sự thay đổi nào trong một thành phần moment xoắn đều sẽ dẫn đến sự thay đổi trong hai thành phần còn lại, từ đó làm thay đổi các điểm hoạt động của động cơ và motor/máy phát điện.
Dòng năng lượng được trình bày trong hình sau.
Hình 2.17 Dòng năng lượng ở chế độ động cơ và motor / máy phát điện cùng hoạt động
Chế độ khớp nối mô-men cho phép motor kéo nạp năng lượng và kết hợp mô men xoắn với bánh răng bao, tạo ra chế độ khớp nối moment Khi motor kéo hoạt động ở chế độ motor hoặc phát điện, sẽ có sáu chế độ hoạt động cơ bản được hình thành.
Động cơ độc lập kết hợp với motor kéo : Chế độ này giống như chế độ kiểu song song Dòng năng lượng được thể hiện trong hình 2.26
Hình 2.18 Dòng năng lượng ở chế độ động cơ độc lập kết hợp với motor kéo
Động cơ độc lập kết hợp với motor phát điện hoạt động tương tự như chế độ PPS trong hệ thống truyền động Hybrid, cho phép sạc từ động cơ Dòng năng lượng được thể hiện rõ ràng trong hình ảnh kèm theo.
Hình 2.19 Dòng năng lượng ở chế độ động cơ độc lập kết hợp với motor phát điện
Motor hoặc máy phát điện hoạt động kết hợp với motor kéo, trong đó động cơ được thay thế bằng motor hoặc máy phát điện Dòng năng lượng trong hệ thống này được thể hiện rõ ràng trong hình ảnh đi kèm.
Hình 2.20 Dòng năng lượng ở chế độ Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor kéo
Motor và máy phát điện hoạt động cùng nhau trong chế độ kết hợp, nhưng chế độ này thường không được sử dụng do tạo ra vòng tròn năng lượng Trong quá trình này, motor/máy phát điện hoạt động nhờ vào PPS và cuối cùng trở lại PPS thông qua motor/máy phát điện và moto kéo.
Hình 2.21 Dòng năng lượng ở chế độ Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor phát điện
Khớp nối tốc độ kết hợp với motor kéo: Chế độ này sử dụng các chức năng đầy đủ của khớp nối tốc độ và khớp nối mô-men.
Motor và máy phát điện có hai trạng thái hoạt động chính: chế độ motor và chế độ phát điện Trong chế độ quay, đặc biệt là ở tốc độ xe cao, động cơ có thể hoạt động với tốc độ thấp hơn mức trung bình để tránh hiệu suất hoạt động kém do tốc độ quá cao Máy phát điện hỗ trợ hệ thống truyền động, giúp duy trì tốc độ xe cao, như minh họa trong hình 2.31a.
Tương tự, các trạng thái hoạt động trong Hình 2.31b có thể được sử dụng trong trường hợp tốc độ xe thấp
Hình 2.22 Dòng năng lượng ở chế độ Khớp nối tốc độ kết hợp với motor kéo
Trong tình huống này, động cơ có thể hoạt động ở tốc độ thấp hơn mức trung bình để tránh tình trạng tốc độ quá thấp, điều này có thể dẫn đến hiệu suất hoạt động kém Motor hoặc máy phát điện sẽ hấp thụ một phần năng lượng từ động cơ.
FUZZY LOGIC
KẾT NỐI FUZZY LOGIC VỚI SIMULINK
4.1 THÔNG SỐ XE MÔ PHỎNG Động cơ (1NZ-FXE) 1.5L Công suất cực đại 57kW tại 5000 vòng/phút
Mô men xoắn cực đại 115N.m tại 4200 vòng/phút
Công suất cực đại 50 kW tại 1200-1540 vòng/phút
Mô men xoắn cực đại 400N.m tại 0-1540 vòng/phút
Máy phát (MG1) Công suất cực đại 30kW
Mô men xoắn cực đại 160N.m Tốc độ quay cực đại 10000 vòng/ phút Ắc quy (Nickel-metal hybride) Công suất đầu ra 21kW
Bảng 4.7 Bảng thông số xe mô phỏng 4.2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
Hình 4.2 Tổng quan mô hình trên matlab/simulink
Yêu cầu của mô hình mô phỏng xe hybrid:
- Chúng ta dựa vào yêu cầu của về mô-men và vận tốc của tài xế.
- Trạng thái mức sạc của bình ắc quy cao áp trong khoảng (0.5 - 0.7).
- Sạc nhiều nhất có thể.
- Có gắng chạy động cơ trong khoảng tối ưu.
TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG XE LAI KIỂU HỖN HỢP BẰNG MATLAB/SIMULINK
THÔNG SỐ XE MÔ PHỎNG
Động cơ (1NZ-FXE) 1.5L Công suất cực đại 57kW tại 5000 vòng/phút
Mô men xoắn cực đại 115N.m tại 4200 vòng/phút
Công suất cực đại 50 kW tại 1200-1540 vòng/phút
Mô men xoắn cực đại 400N.m tại 0-1540 vòng/phút
Máy phát (MG1) Công suất cực đại 30kW
Mô men xoắn cực đại 160N.m Tốc độ quay cực đại 10000 vòng/ phút Ắc quy (Nickel-metal hybride) Công suất đầu ra 21kW
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
Hình 4.2 Tổng quan mô hình trên matlab/simulink
Yêu cầu của mô hình mô phỏng xe hybrid:
- Chúng ta dựa vào yêu cầu của về mô-men và vận tốc của tài xế.
- Trạng thái mức sạc của bình ắc quy cao áp trong khoảng (0.5 - 0.7).
- Sạc nhiều nhất có thể.
- Có gắng chạy động cơ trong khoảng tối ưu.
Mô hình áp dụng các chu trình lái xe tiêu chuẩn từ các nước phát triển vào khối Driver, qua đó xác định mô men yêu cầu (mô men kéo-Tcommand, mô men phanh-Tbrake) dựa trên tốc độ xe hiện tại (Vx) Mô men và phanh được truyền vào khối Hybrid System qua bộ điều khiển, giúp điều chỉnh hoạt động của motor, động cơ và máy phát để cung cấp mô men mong muốn Cuối cùng, quá trình tính toán sẽ cho ra lực kéo chủ động (Fx), từ đó tính toán vận tốc xe (Vx) sau khi thông qua khối Vehicle để phản hồi lại khối Driver.
Khối Driver được phát triển để xử lý chu trình lái xe tiêu chuẩn và vận tốc xe Vx Nó thực hiện việc so sánh giữa tốc độ yêu cầu và tốc độ thực tế của xe, từ đó áp dụng thuật toán PID nhằm điều chỉnh nhu cầu tăng tốc hoặc giảm tốc để đạt được tốc độ mong muốn Các tham số PID được thiết lập lần lượt là 0.9, 0.01 và 0, được cấu hình thông qua Matlab Simulink.
Dữ liệu Driver Cycle sẽ được tải lên bằng file mat trên matlab.
Hình 4.15 Thành phần của khối Hybrid Systems
Trong khối này sẽ bao gồm 4 bộ phần chính:
Khối controller có nhiệm vụ điều khiển và phân phối mô men yêu cầu đến động cơ, motor, và máy phát Bộ controller hoạt động dựa trên các tín hiệu đầu vào như trạng thái ắc quy (SOC), vận tốc xe (Vx), và mô men yêu cầu (Tcom, Tbrake).
- Nguyên lý hoạt động của bộ controller dựa trên nguyên tắc cân bằng trạng thái sạc của ắc quy
- Chúng ta có thể điều khiển mô hình mô phỏng này bằng 2 phương thức điều khiển:
+ Rule based control + Fuzzy based control
Hình 4.17 Sơ đồ chiến thuật điều khiển
Nếu điện áp Vx thấp và mức SOC lớn hơn giới hạn dưới, công suất sẽ được cung cấp bởi động cơ Ngược lại, khi SOC thấp hơn giới hạn dưới, động cơ không chỉ cung cấp công suất mà còn trích một phần năng lượng để nạp vào acquy cao áp Tuy nhiên, việc này phụ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ và thuật toán điều khiển, cho phép động cơ hoạt động hiệu quả ngay cả khi SOC trung bình ở mức cao.
Nếu Vx trung bình, công suất yêu cầu thấp hơn công suất tối ưu của động cơ khi SOC < SOCH, động cơ sẽ đáp ứng yêu cầu công suất và sạc aquy bằng máy phát Cần lưu ý lượng nạp lại SOC, không nên nạp quá nhiều, giữ mức nạp từ 0.5 đến 0.7 so với mức tối đa là 1 Trong trường hợp yêu cầu mô men cao nhưng SOC trung bình, có thể sử dụng đồng thời cả động cơ và motor.
Khi Vx cao, nếu công suất yêu cầu nhỏ hơn công suất tối ưu của động cơ ở mức sạc thấp, động cơ sẽ hoạt động chủ yếu Ngược lại, nếu công suất động cơ lớn hơn công suất tối ưu tại mức sạc trung bình, chúng ta có thể điều khiển động cơ và mô tơ để cung cấp mô-men cần thiết Trong trường hợp sạc cao, xe chỉ sử dụng mô tơ và tắt động cơ.
Khối electrical có nhiệm vụ tính toán công suất tiêu hao của động cơ và công suất nạp cho acquy cao áp dựa vào các tín hiệu moment đầu vào được phân phối bởi Controller.
Suất tiêu hao nhiên liệu sẽ được tính toán trong khối này với đầu vào là moment được điều khiển bởi khối controller.
Khối có chức năng phân phối và ghép nối các nguồn công suất, đồng thời tính toán truyền lực cuối và tốc độ của máy phát.
Chức năng của khối là tính toán vận tốc xe dựa trên lực kéo ở bánh xe chủ động theo công thức:
-Lực cản lăn và lực cản dốc: F rd = F f + Fi -Lực cản quán tính:
Với : 𝜌: mật độ không khí : lực kéo có ích
: diện tích cản gió : lực cản gió
: hệ số cản gió V W : vận tốc gió
: lực quán tính i : hệ số quán tính
: tổng lực cản lăn và lực cản dốc M: khối lượng xe : lực kéo từ bánh xe chủ động độ dốc g: gia tốc trọng trường
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Vận tốc
Hình 5.1 Vận tốc mô phỏng
Đường màu đen: biểu diễn vận tốc xe mong muốn ở chu trình ICE_R15 (m/s)
Đường màu đỏ: biểu diễn vận tốc xe đạt được (m/s) do mô phỏng.
Cả hai đường màu đen và đỏ gần như trùng khớp, chứng tỏ mô hình đã đạt được vận tốc xe mong muốn một cách chính xác, cho thấy hiệu quả hoạt động của bộ điều khiển.
Trạng thái sạc PPS (SOC)
Khi xe hoạt động trong khoảng thời gian từ 0-100 giây, vận tốc xe Vx nhỏ hơn VL, chỉ có motor cung cấp công suất kéo, dẫn đến việc giảm lượng SOC SOC chỉ tăng khi xe giảm tốc và phanh, nhưng mức tăng này tương đối ít Khi Vx vượt quá VL, sự luân phiên hoạt động của động cơ kéo và máy phát giúp nạp điện vào PPS, làm cho SOC tăng dần đến giới hạn trên là SOCH=0.55.
Mức SOC được điều khiển luôn nằm trong giới hạn cho phép (0.49