1.2. Mục tiêu Hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết của xe hybrid. Mô phỏng và phân tích được sự vận hành của xe bằng phần mềm MatlabSimulink. Phân tích được các đồ thị và dữ liệu. Đánh giá được kết quả thực hiện. 1.3. Mục đích Nghiên cứu về đề tài để tạo nền tảng phát triển và khắc phục nhược điểm của xe hybrid. Làm nguồn tài liệu tham khảo về xe Hybrid. 1.4. Kết quả dự kiến Tìm hiểu và nắm được nguyên lý và cấu tạo của xe Hybrid. Đưa ra được bộ điều khiển dựa trên mức SOC. Mô phỏng được hệ thống Hybrid trên phần mềm Matlab Simulink. Đưa ra được kết quả vận tốc, moment, SOC, suất nhiên liệu tiêu hao. Phân tích được số liệu sau khi mô phỏng trên phần mềm. 1.5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp quan sát khoa học. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và tiếp thu những kiến thức từ sách nghiên cứu, internet và các thầy cô để thực hiện đề tài. Phương pháp thực nghiệm khoa học: Áp dụng những kiến thức đã học để mô phỏng trên phần mềm MatlabSimulink. Phương pháp phân tích tổng hợp. 1.6. Giới hạn và phạm vi đề tài Không gian thực hiện đề tài: Tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Thời gian thực hiện đề tài: 8 tuần. Phạm vi đề tài: nghiên cứu cơ sở lí thuyết, mô phỏng và phân tích Sử dụng ứng dụng MatlabSimulink. 1.7. Nội dung thực hiên 1.7.1.Tìm hiểu chung về xe hybrid Giới thiệu chung về xe Hybrid Khái niệm về xe Hybrid Ưu và nhược điểm của xe Hybrid Phương pháp truyền động + Nối tiếp + Song song 3 + Hỗn hợp + Tỉ lệ sử dụng động cơ và motor điện trong mỗi hệ thống Các bộ phận chính của xe Hybrid 1.7.2 Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết Nguyên lý hoạt động của xe hybrid Phanh tái sinh Các thành phần của hệ thống điều khiển xe Hybrid Hệ thống hybrid nối tiếp + Các thành phần của hệ thống + Phương pháp điều khiển Hệ thống hybrid song song + Các thành phần của hệ thống + Phương pháp điều khiển Hệ thống hybrid hỗn hợp + Các thành phần của hệ thống + Phương pháp điều khiển Điều khiển hệ thống phanh tái sinh Tính toán mô phỏng xe hybrid bằng phần mềm MatlabSimulink Thông số xe mô phỏng Lưu đồ thuật toán Mô hình mô phỏng Kết quả mô phỏng
Lý do chọn đề tài
Ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu Nguyên nhân chính của tình trạng này là do khí thải từ hoạt động của con người, bao gồm CO, CO2, SOx và NOx, làm ô nhiễm không khí Hệ quả của ô nhiễm không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn đe dọa sự tồn tại của nhiều loài sinh vật khác.
Khí CO gây ngộ độc cho con người bằng cách cản trở quá trình vận chuyển Oxy trong máu Khi bị ngộ độc, khí CO gắn chặt vào hemoglobin, chiếm chỗ của Oxy, dẫn đến việc máu không thể cung cấp Oxy cho các tế bào, gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho sức khỏe.
Khí CO2 gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, biến đổi khí hậu và là một phần tạo nên hiện tượng mưa axit
Khí SOx khi bị oxy hóa trong không khí và phản ứng với nước mưa sẽ tạo ra axit H2SO4 và các muối sulfate, dẫn đến hiện tượng mưa axit, gây hại cho sự phát triển của thực vật Sự hiện diện của SOx trong không khí cũng là nguyên nhân gây ăn mòn kim loại, bê tông và các công trình kiến trúc.
Khí NOx không chỉ gây hại cho tế bào phổi mà còn tương tác với các phân tử trong không khí, ảnh hưởng đến tầng ozone Hít phải khí NOx có thể làm nặng thêm các bệnh hô hấp như hen suyễn và viêm phổi, đồng thời có thể dẫn đến các vấn đề về tim mạch.
Cần thiết phải thiết lập các quy định nghiêm ngặt về khí thải toàn cầu, trong đó tiêu chuẩn EURO5 và EURO6 là những tiêu chuẩn phổ biến nhất dành cho các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Sự giảm dần trữ lượng dầu mỏ toàn cầu đã tạo ra nhu cầu cấp thiết về các phương tiện tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt là trong bối cảnh dầu mỏ là nguồn năng lượng có hạn và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế Các sản phẩm từ dầu như xăng, dầu diesel và nhựa đường đều ảnh hưởng đến hoạt động vận chuyển và sản xuất hàng hóa Trong bối cảnh này, xe Hybrid đã trở thành một lựa chọn khả thi để cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải Vì vậy, nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài “Mô hình hóa và kiểm soát xe điện Hybrid” nhằm khám phá sâu hơn về công nghệ xe điện.
Mục tiêu
- Hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết của xe hybrid
- Mô phỏng và phân tích được sự vận hành của xe bằng phần mềm
- Phân tích được các đồ thị và dữ liệu
- Đánh giá được kết quả thực hiện.
Mục đích
- Nghiên cứu về đề tài để tạo nền tảng phát triển và khắc phục nhược điểm của xe hybrid
- Làm nguồn tài liệu tham khảo về xe Hybrid.
Kết quả dự kiến
- Tìm hiểu và nắm được nguyên lý và cấu tạo của xe Hybrid
- Đưa ra được bộ điều khiển dựa trên mức SOC
- Mô phỏng được hệ thống Hybrid trên phần mềm Matlab/ Simulink
- Đưa ra được kết quả vận tốc, moment, SOC, suất nhiên liệu tiêu hao
- Phân tích được số liệu sau khi mô phỏng trên phần mềm.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp quan sát khoa học
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và tiếp thu những kiến thức từ sách nghiên cứu, internet và các thầy cô để thực hiện đề tài
- Phương pháp thực nghiệm khoa học: Áp dụng những kiến thức đã học để mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink
- Phương pháp phân tích tổng hợp.
Giới hạn và phạm vi đề tài
- Không gian thực hiện đề tài: Tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
- Thời gian thực hiện đề tài: 8 tuần
- Phạm vi đề tài: nghiên cứu cơ sở lí thuyết, mô phỏng và phân tích
- Sử dụng ứng dụng Matlab/Simulink.
Nội dung thực hiên
1.7.1.Tìm hiểu chung về xe hybrid
- Giới thiệu chung về xe Hybrid
- Khái niệm về xe Hybrid
- Ưu và nhược điểm của xe Hybrid
+ Tỉ lệ sử dụng động cơ và motor điện trong mỗi hệ thống
- Các bộ phận chính của xe Hybrid
1.7.2 Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết
*Nguyên lý hoạt động của xe hybrid
*Các thành phần của hệ thống điều khiển xe Hybrid
- Hệ thống hybrid nối tiếp
+ Các thành phần của hệ thống
- Hệ thống hybrid song song
+ Các thành phần của hệ thống
- Hệ thống hybrid hỗn hợp
+ Các thành phần của hệ thống
*Điều khiển hệ thống phanh tái sinh
*Tính toán mô phỏng xe hybrid bằng phần mềm Matlab/Simulink
- Thông số xe mô phỏng
Kế hoạch thực hiện
1 Tìm hiểu tổng quan đề tài
Khôi, Hưng, Khánh, Thông, Trí
2 Xây dựng cơ sở lý thuyết
3 Lựa chọn vấn đề cần giải quyết và làm proposal
Matlab/Simulink và ứng dụng phần mềm
Matlab/Simulink mô phỏng hoạt động
5 Tính toán mô phỏng xe Hybrid bằng
Khôi, Hưng, Khánh, Thông, Trí
Bảng 1 1: Bảng kế hoạch thực hiện
Giới thiệu chung về xe Hybrid
Được phát minh vào khoảng 300 năm trước bởi nhà phát minh người Pháp Nicolas
Joseph Cugnot (1725-1804) đã mở đường cho sự phát triển của ô tô, một phương tiện giao thông thiết yếu trong xã hội hiện đại Tuy nhiên, ô tô cũng góp phần gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng do khí thải Để giải quyết vấn đề này, ô tô hybrid đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học và nhà sản xuất, với nhiều mẫu xe hybrid mới xuất hiện trên thị trường Mặc dù có nhiều giải pháp kỹ thuật hứa hẹn như ô tô điện và động cơ khí nén, nhưng những công nghệ này vẫn gặp khó khăn trong việc triển khai do hạn chế về thời gian sạc và yêu cầu lưu trữ đặc biệt Những thách thức này tạo ra khoảng cách giữa nhu cầu bảo vệ môi trường và công nghệ ô tô truyền thống Công nghệ Hybrid hiện nay được xem là giải pháp hiệu quả, giúp tiết kiệm năng lượng không tái sinh và bảo vệ môi trường, đã được áp dụng rộng rãi tại các nước phát triển như châu Âu, châu Mỹ và Nhật Bản.
Ngành công nghiệp ô tô toàn cầu đang đối mặt với thách thức lớn trong việc sản xuất xe ô tô thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng Các loại xe như ô tô Hydro, ô tô điện và ô tô pin mặt trời vẫn còn nhiều khó khăn trong việc triển khai Tuy nhiên, ô tô Hybrid, với nguồn năng lượng tổ hợp, đã cung cấp một giải pháp khả thi, giúp giảm đáng kể lượng khí thải độc hại và tiết kiệm tới 50% nhiên liệu tiêu thụ.
Khái niệm xe Hybrid
Xe Hybrid (xe lai điện) là loại ô tô kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện, cho phép xe hoạt động bằng cả xăng và điện Việc sử dụng đồng thời hai nguồn năng lượng này giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ, mang lại hiệu quả tiết kiệm hơn cho người dùng.
Xe hybrid tiết kiệm nhiên liệu hơn so với xe sử dụng xăng và dầu, cung cấp sức mạnh và hiệu suất tiêu hao nhiên liệu tốt hơn, đồng thời giảm lượng khí thải Hơn nữa, năng lượng dư thừa khi xe hoạt động hoặc phanh sẽ được sử dụng để sạc pin.
Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ "Phương Tiện Giao Thông Ghép" thường được sử dụng để chỉ các phương tiện kết hợp năng lượng từ điện và xăng, được gọi là "Petroleum Electric Hybrid Vehicle" (PEHV) hoặc viết tắt là HEV (Hybrid Electric Vehicle) Trong tiếng Việt, chúng ta thường gọi chúng là "Xe điện xăng" hay "Hybrid Car" trong tiếng Anh.
Ưu điểm và nhược điểm của xe Hybrid
Khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ, động cơ điện hoạt động như một máy phát điện, giúp tận dụng năng lượng phanh để tạo ra dòng điện nạp cho ắc-quy.
Động cơ Hybrid giúp giảm đáng kể lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, với mức tiêu thụ chỉ bằng một nửa so với động cơ đốt trong thông thường.
Động cơ điện thường được sử dụng trong các chế độ gia tốc hoặc khi có tải lớn, trong khi đó, động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ, dẫn đến kích thước của động cơ đốt trong nhỏ gọn hơn.
Sử dụng vật liệu nhẹ giúp giảm khối lượng tổng thể của ô tô, cho phép xe hoạt động hiệu quả và mạnh mẽ như những ô tô chạy xăng truyền thống.
- Xe Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian
Xe Hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn so với ô tô chạy xăng truyền thống nhờ vào động cơ điện có hiệu suất cao Động cơ Hybrid tiết kiệm năng lượng hơn 100% so với động cơ xăng thông thường.
- Chi phí sản xuất và chi phí cho thành phẩm cao
- Chi phí bảo dưỡng cao
- Chi phí thay pin khá tốn kém
- Khó khăn về vấn đề xử lý và tái chế pin
- Xe nặng hơn do có nhiều loại động cơ hơn, nên khi hết điện thì động cơ đốt trong phải gánh tải nặng hơn
Phân loại
2.4.1.Theo phương pháp truyền động
2.4.1.1 Nối tiếp Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc quy hoặc cung cấp cho động cơ điện
Dòng điện được chia thành hai phần: một phần để nạp ắc quy và phần còn lại để chạy động cơ điện Động cơ điện không chỉ vận hành mà còn hoạt động như máy phát điện tái sinh năng lượng khi xe xuống dốc và phanh Ưu điểm của hệ thống này là động cơ đốt trong không hoạt động ở chế độ không tải, giúp giảm ô nhiễm môi trường Ngoài ra, động cơ đốt trong có thể hoạt động ở chế độ tối ưu, phù hợp với nhiều loại ô tô Tuy nhiên, động cơ nhiệt chỉ hoạt động hiệu quả khi xe di chuyển quãng đường dài hơn mức quy định cho ắc quy, và sơ đồ này có thể không cần hộp số.
Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như:
Kích thước và dung tích của ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, khiến động cơ đốt trong phải làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp điện cho ắc quy, dẫn đến nguy cơ quá tải cao.
Hình 2 1: Hệ thống Hybrid nối tiếp [1]
Hình 2 2: Sơ đồ truyền động hệ thống nối tiếp [1]
Dòng năng lượng được truyền tới bánh xe chủ động một cách song song, với cả động cơ nhiệt và motor điện cùng cung cấp lực cho trục bánh xe Trong hệ thống này, động cơ nhiệt là nguồn năng lượng chính truyền moment, trong khi motor điện chỉ hỗ trợ khi cần tăng tốc hoặc vượt dốc.
Kiểu này không cần máy phát điện riêng vì động cơ điện có khả năng giao hoán lưỡng dụng, vừa nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình thường, vừa khởi động động cơ đốt trong và hoạt động như máy phát điện Ưu điểm của hệ thống này là công suất ô tô mạnh hơn nhờ sử dụng cả hai nguồn năng lượng, trong khi mức độ hoạt động của động cơ điện thấp hơn động cơ nhiệt, giúp dung lượng ắc quy nhỏ gọn và trọng lượng xe nhẹ hơn so với các kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp.
Động cơ điện và bộ phận điều khiển của nó có cấu trúc phức tạp và giá thành cao Đặc biệt, động cơ nhiệt cần được thiết kế với công suất lớn hơn so với kiểu lai nối tiếp Hơn nữa, tính ô nhiễm môi trường và hiệu quả kinh tế nhiên liệu vẫn chưa đạt yêu cầu cao.
Hình 2 3: Hệ thống Hybrid song song [1]
Hình 2 4: Sơ đồ truyền động hệ thống song song [1]
Hệ thống hỗn hợp kết hợp cả hai phương pháp nối tiếp và song song, giúp tối ưu hóa các ưu điểm và khắc phục nhược điểm của từng hệ thống Đây là loại hệ thống được ưu tiên trong việc chế tạo xe hybrid hiện nay.
Hệ thống lai nối tiếp kết hợp cả hai mô hình nối tiếp và song song, tối ưu hóa lợi ích từ cả động cơ nhiệt và động cơ điện Thiết bị phân chia công suất trong hệ thống này cho phép chuyển giao liên tục tỷ lệ công suất đến các bánh xe chủ động Đặc biệt, xe có thể hoạt động êm ái chỉ với động cơ điện Đây là một giải pháp ưu việt trong việc phát triển xe hybrid.
Hình 2 5: Hệ thống Hybrid hỗn hợp [1]
Hình 2 6: Sơ đồ truyền động hệ thống hỗn hợp [1]
2.4.1.4 So sánh 3 kiểu phối hợp công suất
Sự tiết kiệm nhiên liệu Sự thực hiện truyền động
Sự dừng không tái sinh
Hoạt động hiệu suất cao
Tổng hiệu suất Gia tốc
Công suất phát ra cao liên tục Nối tiếp
Bảng 2 1: Bảng so sánh ưu nhược điểm 3 kiểu phối hợp công suất [1]
Ghi chú: Tuyệt vời Tốt Có bất lợi
2.4.1.5 Tỉ lệ sử dụng động cơ và motor điện trong mỗi hệ thống
Vì hệ thống nối tiếp sử dụng động cơ xăng để sinh ra điện cho mô-tơ vận hành bánh xe, chúng có cùng lượng công việc như nhau
Hệ thống song song sử dụng động cơ xăng làm nguồn năng lượng chính, trong khi mô-tơ điện chỉ đóng vai trò hỗ trợ, dẫn đến việc động cơ xăng được sử dụng nhiều hơn.
Hệ thống hỗn hợp sử dụng một bộ phận điều chỉnh liên tục tỷ lệ công suất giữa động cơ xăng và các trục lái Mô-tơ điện không chỉ vận hành xe mà còn tạo ra dòng điện để nạp lại, do đó, nó được sử dụng nhiều hơn so với động cơ xăng.
Hình 2 7: Tỉ lệ sử dụng động cơ và motor điện trong mỗi hệ thống Hybrid [1]
Xe full hybrid, hay còn gọi là xe hybrid song song, là loại xe kết hợp động cơ điện và động cơ đốt trong, cho phép hai hệ thống này hoạt động độc lập hoặc phối hợp tùy theo điều kiện vận hành Pin của động cơ điện có khả năng tự sạc nhờ năng lượng từ động cơ đốt trong.
Xe mild hybrid (xe lai nhẹ) là loại xe hybrid kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong, nhưng động cơ điện không thể hoạt động độc lập Trong xe mild hybrid, động cơ điện chỉ hỗ trợ cho động cơ đốt trong, khác với xe full hybrid, nơi động cơ điện có thể vận hành độc lập.
Xe plug-in hybrid (xe lai sạc điện) là loại phương tiện kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong Khác với xe hybrid thông thường, pin của động cơ điện được sạc từ nguồn điện bên ngoài thông qua phích cắm, không phụ thuộc vào động cơ đốt trong.
Range extender hybrid là một loại xe hybrid kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong Đặc điểm nổi bật của loại xe này là động cơ đốt trong không trực tiếp truyền động cho bánh xe, mà chỉ có nhiệm vụ sạc pin cho động cơ điện Nhờ vậy, xe hybrid này có khả năng hoạt động liên tục mà không cần dừng lại để sạc điện.
Các bộ phận chính của xe Hybrid
2.5.1 Động Cơ Nhiệt Động cơ nhiệt là một trong hai nguồn công suất của xe Hybrid
Dùng để kéo bánh xe hoặc quay máy phát điện hoặc làm cả 2 nhiệm vụ trên Động cơ nhiệt trên xe hybrid thường sử dụng chu trình Atkinson
Chu trình Atkinson, do James Atkinson đề xuất, cho phép thiết lập độc lập trong suốt kỳ nén và kỳ giản nỡ Những cải tiến của R H Miller đã cho phép điều chỉnh thời điểm đóng mở van nạp, nâng cao hiệu suất của chu trình này.
Mặc dù động cơ có hiệu suất nhiệt cao, nhưng khả năng cung cấp công suất lớn của nó còn hạn chế, dẫn đến việc ứng dụng thực tế chủ yếu chỉ khi kết hợp với bơm tăng áp.
Trong các động cơ truyền thống, thể tích kỳ nén và thể tích kỳ giãn nở gần như tương đương, dẫn đến tỷ số nén và tỷ số giãn nở cũng gần như giống nhau Việc tăng tỷ số giãn nở đồng nghĩa với việc tăng tỷ số nén, gây ra hiện tượng kích nổ và giới hạn tỷ số giãn nở Để khắc phục điều này, thời điểm đóng van nạp được trì hoãn, cho phép một phần hòa khí trong xi lanh được đẩy trở lại ống nạp Nhờ vậy, tỷ số giãn nở có thể tăng mà không làm tăng tỷ số nén thực tế Giải pháp này cũng cho phép mở bướm ga rộng hơn, giảm áp suất có hại trong ống nạp trong thời gian tải cục bộ, đồng thời giảm tổn thất nạp.
2.5.2 Máy Phát MG1 và Motor Điện MG2:
MG1 sử dụng ở loại hybrid nối tiếp và hỗn hợp
MG2 sử dụng ở 3 loại truyền động hybrid
Cả MG1 và MG2 có kích thướt nhỏ, trọng lượng nhẹ, đạt hiệu quả cao của loại motor điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu xoay chiều 3 pha
MG1 và MG2 kết hợp hiệu quả để thực hiện chức năng của cả máy phát đồng bộ xoay chiều và động cơ điện Chúng hoạt động như nguồn cung cấp hỗ trợ lực kéo 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 hiệu quả điều khiển sự truyền động vô cấp Ngoài ra, MG1 còn hoạt động như một máy khởi động.
MG2 và động cơ xăng kết hợp với nhau để dẫn động bánh xe, với đặc tính mômen lớn của MG2 giúp tối ưu hóa hoạt động động lực học Trong quá trình phanh tái sinh, MG2 chuyển đổi động năng thành năng lượng điện, lưu trữ trong accu HV, hoạt động như một máy phát điện.
Motor nam châm vĩnh cửu:
Khi dòng điện xoay chiều 3 pha đi qua cuộn dây stato, nó tạo ra một từ trường quay trong motor điện Từ trường này được điều chỉnh để phù hợp với vị trí và tốc độ quay của rôto Nam châm vĩnh cữu trong rôto bị từ trường quay hút, tạo ra mô men Mô men này tỉ lệ thuận với lượng dòng điện qua cuộn stato và tốc độ quay được điều khiển bởi tần số dòng 3 pha.
Mômen được tạo ra phục vụ cho nhiều mục đích thực tiễn, tỷ lệ với cường độ dòng điện và tốc độ quay được điều chỉnh bởi tần số của dòng điện xoay chiều Để đạt được tốc độ cao, mức mômen xoắn cần thiết có thể được tạo ra hiệu quả thông qua việc điều khiển chính xác từ trường quay và các góc của nam châm rôto.
Hình 2 8: Mô tơ nam châm vĩnh cửu [5]
Máy phát điện là một loại motor đồng bộ xoay chiều, tương tự như motor Để cung cấp đủ công suất cho các motor công suất cao, máy phát cần được quay với tốc độ cao hơn so với máy phát truyền thống, nhằm tăng cường công suất đầu ra.
Cảm biến tốc độ/Bộ phân tích:
Cảm biến với kết cấu gọn nhẹ và độ tin cậy cao giúp xác định chính xác vị trí cực từ của nam châm vĩnh cửu, từ đó là cơ sở để điều khiển MG1 và MG2.
Stato của cảm biến bao gồm ba cuộn dây, trong đó cuộn dây tín hiệu B và C được sắp xếp lệch nhau một góc 90° Với hình dạng ô van của rôto, khoảng cách giữa stato và rôto sẽ thay đổi khi rôto quay Khi dòng điện xoay chiều được cung cấp cho cuộn dây A, vị trí của rôto sẽ được xác định.
14 cảm biến được tạo ra ở cuộn B và C Vị trí tuyệt đối có thể xác định từ tín hiệu phát ra của 2 cảm biến này
ECU HV sử dụng cảm biến này để đo tốc độ vòng/phút, thông qua việc tính toán số lượng biến thiên vị trí trong khoảng thời gian xác định.
Hình 2 9: Cảm biến tốc độ [5]
2.5.7 Cụm Chuyển Đổi Điện ( INVERTER)
Bộ đổi điện chuyển điện áp một chiều của ắc quy HV thành điện xoay chiều 3 pha để dẫn động MG1 và MG2
ECU HV đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển sự kích hoạt của các tranzito công suất, giúp bật hoặc tắt chúng Đồng thời, bộ đổi điện truyền tải thông tin cần thiết cho việc điều khiển dòng điện, bao gồm cường độ dòng điện và điện áp ra, đến ECU HV.
Hình 2 10: Bộ chuyển đổi điện [5]
Cùng với MG1 và MG2, bộ đổi điện được làm mát bằng két nước chuyên dụng của hệ thống làm mát được tách riêng ra khỏi động cơ
Trong trường hợp bị đâm xe, cảm biến bộ ngắt mạch phát hiện một tín hiệu va chạm để ngừng hệ thống
Bộ kích trong bộ đổi điện nâng điện áp đầu ra của ắc quy HV từ 201.6V lên tối đa 500V Sau khi điện áp được tăng, bộ đổi điện sẽ chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều.
Các mạch cầu cho MG1 và MG2 cùng với bộ xử lý tín hiệu và chức năng bảo vệ đã được tích hợp vào một mô-đun công suất thông minh (IPM) gọn nhẹ, phục vụ cho việc dẫn động xe.
Hình 2 11: Sơ đồ cụm chuyển đổi điện [5]
Nguyên lý hoạt động của xe Hybrid
Xe Hybrid hoạt động bằng cách sử dụng động cơ điện để khởi động và vận hành đồng bộ trong quá trình chạy Động cơ điện không chỉ hỗ trợ gia tốc và leo dốc mà còn tái nạp điện cho ắc quy khi phanh hoặc xuống dốc Khác với xe điện thuần túy, động cơ Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài vì động cơ đốt trong cung cấp năng lượng cho ắc quy Sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện giúp mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và mô-men lớn ở vòng quay thấp, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Phanh tái sinh
Phanh tái sinh là hệ thống phanh được sử dụng trong các dòng xe điện và hybrid, cũng như trong một vài dòng xe chạy xăng hiện nay
Phanh tái sinh chuyển đổi động năng, nhiệt năng và lực quán tính của xe ô tô thành năng lượng điện, từ đó nâng cao hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu.
Trên các mẫu xe truyền thống, hệ thống phanh thông thường gây lãng phí một lượng lớn năng lượng do nhiệt từ ma sát giữa bề mặt phanh và trống hoặc má phanh Để khắc phục điều này, các xe hybrid và xe điện được trang bị motor điện, cho phép chúng hoạt động như máy phát điện khi xe di chuyển theo quán tính Quá trình này giúp giữ lại năng lượng cơ học, tạo ra lực kéo trên các bánh xe và sản sinh điện năng hiệu quả hơn.
Khi người lái nhấn bàn đạp phanh, máy phát điện sẽ sản xuất điện năng để tăng cường lực cản, giúp làm chậm tốc độ xe Dòng điện này được lưu trữ trong bộ ắc quy, không chỉ hỗ trợ việc tăng tốc cho xe mà còn cung cấp năng lượng cho các hệ thống khác.
Các thành phần của hệ thống điều khiển xe hybrid
- 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 truyền kết quả tính toán đến ECM, cụm biến đổi, ECU ắc quy và ECU, nhằm điều khiển hiệu quả 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 quy phụ, lưu trữ 12V DC cho hệ thống điều khiển xe.
Hệ thống điều khiển
Hệ thống hybrid kết hợp hai loại truyền động, bao gồm động cơ và MG2, nhằm tối ưu hóa hiệu suất lái xe Bằng cách khéo léo sử dụng hai nguồn lực này theo các điều kiện lái xe khác nhau, hệ thống này không chỉ tăng cường độ lớn của mỗi lực truyền động mà còn bù đắp cho những thiếu sót của chúng Kết quả là, hệ thống hybrid mang lại độ thích ứng cao, hiệu suất động cơ vượt trội, đồng thời giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu và khí thải.
ECU HV đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin từ các cảm biến và các ECU khác Nó phân tích và tính toán dữ liệu, sau đó phát ra lệnh điều khiển cho các bộ phận chấp hành trong hệ thống.
ECU HV phát hiện độ lớn của lực tác dụng lên bàn đạp ga theo các tín hiệu từ bàn đạp ga cung cấp
ECU HV nhận tín hiệu tốc độ từ cảm biến trong MG1 và MG2, đồng thời xác định vị trí số thông qua cảm biến vị trí số.
ECU HV xác định điều kiện lái xe và tối ưu hóa lực dẫn động của MG1, MG2 và động cơ để cải thiện công suất, mô-men xoắn, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải ECU ắc quy liên tục theo dõi tình trạng nạp (SOC) của ắc quy HV và truyền thông tin này đến ECU HV Khi SOC giảm xuống dưới mức tối thiểu, ECU HV sẽ tăng công suất phát ra từ động cơ để vận hành MG1 và nạp lại cho ắc quy HV Trong quá trình khởi động, MG1 sẽ hoạt động để khởi động động cơ, sau đó động cơ sẽ sử dụng MG1 để nạp lại cho ắc quy HV.
Khi SOC thấp hoặc nhiệt độ của ắc quy HV, MG1 hoặc MG2 vượt quá mức tiêu chuẩn, ECU HV sẽ tự động hạn chế lực dẫn động lên các bánh xe dẫn động cho đến khi các chỉ số này trở lại giá trị bình thường.
Một cảm biến nhiệt độ nằm trong MG2 trực tiếp phát hiện nhiệt độ MG2 ECU
HV tính toán nhiệt độ của MG1
Hình 3 2: Điều khiển kiểm soát hệ thống [5]
3.4.3 Điều Khiển Ngừng Hoạt Động
MG1 và MG2 thường ngừng hoạt động khi cần số ở vị trí “N” do yêu cầu ngắt điện bằng cách ngắt lực phát động Ngoài ra, MG2 còn được kết nối cơ khí với bánh trước.
Chức năng ngừng hoạt động bị hủy dưới các trường hợp sau:
Khi lái xe, nếu nhấn phanh và một bên bánh xe bị khóa, hệ thống ABS kết hợp EBD sẽ được kích hoạt Sau đó, MG2 yêu cầu mức mô-men xoắn thấp để khởi động lại và làm quay bánh xe, ngay cả khi vị trí số vẫn đang ở.
Chức năng ngừng hoạt động “N” đã bị hủy bỏ để cho phép bánh xe quay Khi bánh xe đã quay, hệ thống phục hồi chức năng ngừng hoạt động của nó.
Khi xe đang ở vị trí số “D” hoặc “B” và người lái nhấn phanh, chức năng phanh sẽ hoạt động Nếu cần số được chuyển sang vị trí “N”, áp suất phanh sẽ tăng lên khi moment yêu cầu của phanh tái sinh giảm, giúp xe không có cảm giác phanh chậm dần Sau đó, hệ thống sẽ ngừng hoạt động.
+ Khi MG1 và MG2 hoạt động ở tốc độ cao hơn mức tiêu chuẩn, thì chức năng ngừng hoạt động bị hủy bỏ
3.4.4 Điều Khiển Hỗ Trợ Khi Lên Dốc Điều này tránh cho xe khỏi bị trượt xuống khi nhả phanh trong khi khởi hành trên dốc Vì motor có một cảm biến tốc độ với độ nhạy cao, nó cảm nhận tương ứng với góc nghiêng và độ nghiêng của xe và đảm bảo an toàn bằng cách tăng moment của motor
Khi áp dụng điều khiển hỗ trợ khi lên dốc, hệ thống phanh sẽ hoạt động trên các bánh xe phía sau để ngăn xe bị trượt lùi Lúc này, ECU HV gửi tín hiệu điều khiển phanh phía sau đến ECU điều khiển trượt để đảm bảo an toàn cho xe.
3.4.5 Điều Khiển Lực Kéo Của Motor
Khi các bánh xe dẫn động trượt trên đường trơn, MG2 có thể quay quá nhanh, làm tăng tốc độ quay tương đối của bộ truyền hành tinh Tình trạng này có thể gây hư hỏng cho các vùng đỡ trong bộ truyền hành tinh, thậm chí dẫn đến kẹt hoàn toàn Trong một số trường hợp, MG1 có thể phát ra dòng điện quá lớn Do đó, nếu ECU HV phát hiện MG2 quay tự do quá nhanh thông qua các tín hiệu cảm biến tốc độ, ECU HV sẽ kích hoạt lực phanh để ngăn chặn sự quay của bộ truyền hành tinh.
Hơn nữa, nếu chí có một trong các bánh xe dẫn động quay trơn quá nhanh, ECU
Hệ thống HV kiểm soát sự chênh lệch tốc độ giữa hai bánh xe bên phải và bên trái thông qua tín hiệu từ cảm biến tốc độ ECU HV sẽ gửi lệnh đến ECU điều khiển trượt để áp dụng lực phanh vào bánh xe quay quá nhanh, giúp duy trì sự ổn định Các điều kiện này hoạt động tương tự như hệ thống TRC trong kiểm soát phanh.
Khi các bánh xe chủ động mất lực kéo, tốc độ quay của MG2 sẽ thay đổi đáng kể Điều này dẫn đến sự chênh lệch lớn trong tốc độ quay tương đối của bộ truyền hành tinh, vì động cơ không thể theo kịp sự dao động quay nhỏ của MG2.
Hình 3 3: Nguyên lý hoạt động của bộ truyền bánh rang hành tinh [5]
ECU HV kiểm soát sự thay đổi đột ngột về tốc độ thông qua các tín hiệu từ cảm biến tốc độ trong MG2, nhằm tính toán lượng trượt của các bánh xe dẫn động.
HV điều khiển lực phát động bằng cách triệt sự quay của MG2 theo sự tính toán trượt
3.4.6 Điều Khiển SMR ( Rơle chính của hệ thống)
Điều khiển hệ thống phanh tái sinh
Khi lực phanh cần thiết vượt quá moment cực đại mà động cơ có thể sản xuất, cả phanh tái sinh từ động cơ kéo và phanh cơ khí sẽ được sử dụng Ngược lại, nếu moment yêu cầu không cao, chỉ cần sử dụng phanh tái sinh.
Thông số xe mô phỏng
Number of wheels per axle 2
Horizontal distance from CG to front axle 1.3 m
Horizontal distance from CG to rear axle 1.4 m
Bảng 4 1 Bảng thông số xe mô phỏng
Các khối sử dụng cho mô phỏng xe Hybrid
Hình 4 1: Mô hình mô phỏng vehicle
Khối vehicle tính toán tốc độ của xe mô phỏng dựa trên các thông số cơ bản, bao gồm tốc độ của cầu xe và bán kính lốp xe.
Khối Driver được thiết kế với đầu vào là chu trình lái xe tiêu chuẩn Khối sẽ đưa ra tốc độ xe yêu cầu đến bộ điều khiển
Khối Drive Cycle Source FTP-75 mô phỏng chu trình lái xe trong nội thành theo chu trình FTP-75
Khối Drive Cycle Source Highway mô phỏng chu trình lái xe ở cao tốc theo chu trình HWFET
Hình 4 2: Mô hình mô phỏng driver
Khối mô phỏng động cơ đốt trong nhận đầu vào là tốc độ động cơ yêu cầu và xuất ra moment quay cho máy phát Động cơ được điều khiển bằng bộ điều khiển PI với tham số Kp=0.01 và Ki=0.1, trong đó đầu ra của bộ điều khiển là độ mở bướm ga alpha.
Suất tiêu hao nhiên liệu sẽ được tính toán dựa vào khối này với đầu vào là moment và tốc độ của động cơ
Công suất tối đa: 65 kW/6000
Hình 4 3: Mô hình mô phỏng động cơ
Hình 4 4: Mô hình mô phỏng Accu
Khối Accu có chức năng quan trọng trong việc tính toán lượng điện năng được tạo ra từ máy phát và phanh tái sinh, đồng thời cho phép kiểm tra dung lượng hiện tại của nó Điện áp của Accu là 1.6 (V).
4.2.4 Bộ chuyển đổi DC-DC
Hình 4 5: Mô hình mô phỏng bộ chuyển đổi DC-DC
Khối có chức năng biến đổi điện áp từ 201.6V từ Accu thành 500V và ngược lại
4.2.5 Khối chứa một bộ điều khiển PID
Hình 4 6: Mô hình mô phỏng khối chứa một bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID có chức năng tính toán sai số bằng cách so sánh giá trị đo thực tế với giá trị đặt mong muốn Nó điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào cho động cơ điện nhằm giảm thiểu sai số một cách tối đa.
Hình 4 7: Mô hình mô phỏng MG1
Khối này hoạt động như một máy phát điện, nhận đầu vào là mô men từ động cơ và xuất ra điện áp cho bộ chuyển đổi DC to DC.
Hình 4 8: Mô hình mô phỏng MG2
Khối có chức năng mô phỏng động cơ điện với đầu vào là tín hiệu điều khiển và đầu ra là moment quay đi đến hộp số
-Công suất tối đa: 50 kW
Hình 4 9: Mô hình mô phỏng phanh tái sinh
Hệ thống phanh tái sinh kiểm tra moment ở cầu xe và tín hiệu bàn đạp phanh gửi tín hiệu điều khiển đến Motor MG2
Hệ thống điều khiển trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Hình 4 10: Mô hình mô phỏng hệ xe Hybrid kiểu nối tiếp
Motor MG2 truyền moment và tốc độ góc đến cầu xe qua hộp số, với điện áp 201.6 V từ khối Battery qua bộ biến áp 201.6 – 500 Bộ điều khiển cung cấp tín hiệu cho Motor MG2, đảm bảo moment và tốc độ góc đáp ứng yêu cầu của bộ Driver.
Hình 4 11: Lưu đồ giải thuật điều khiển xe Hybrid theo SOC kiểu nối tiếp
Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ Accel để điều chỉnh tốc độ cho cả MG2 và động cơ nhiệt Khi mức SOC đạt từ 0.72 trở lên, động cơ nhiệt sẽ không hoạt động Ngược lại, khi SOC dưới 0.68, động cơ nhiệt sẽ hoạt động và cung cấp 90% mô-men xoắn cho máy phát nhằm sạc cho ắc quy HV.
4.3.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển
Hình 4 12: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển xe Hybrid kiểu nối tiếp
Hình 4 13: Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga theo chu trình Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ so sánh giữa bàn đạp ga và tốc độ xe cho thấy hệ thống chưa hoàn hảo, nhưng đã đạt được tốc độ yêu cầu một cách nhanh chóng Mặc dù vẫn còn độ sai lệch khoảng 5% trong quá trình tăng và giảm tốc, nhưng kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể.
Hình 4 14: Biểu đồ State of Charge và moment của Motor theo chu trình Urban
(FTP-75) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG2 được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ SOC cho thấy sự tăng trưởng vượt mức 0.72, sau đó giảm xuống dưới 0.68 và lại tăng trở lại Mô men của động cơ nằm trong giới hạn T < Tmax = 400 N.m.
Hình 4 15: Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC theo chu trình Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC được thể hiện ở hình trên
Khi SOC lớn hơn 0.72, động cơ sẽ không hoạt động Tuy nhiên, khi SOC giảm xuống 0.68, động cơ sẽ khởi động lại để cung cấp moment cho máy phát, nhằm nạp lại điện cho ắc quy HV.
Hình 4 16: Biểu đồ tốc độ động cơ và moment của máy phát điện MG1 theo chu trình Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Biểu đồ tốc độ động cơ và moment của máy phát điện MG1 được thể hiện ở hình trên
Ta thấy được máy phát nhận khoảng 90% lượng moment của động cơ phát ra (Moment tối đa của động cơ 111 N.m/3500-4200)
Hình 4 17: Khối mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu theo chu trình
Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Kết quả cho ra lượng nhiêu liệu tiêu thụ: 4.681 L/100km Gần đúng với kết quả cho xe ở thực tế ở mức tiêu thụ nhiên liệu từ 4 – 6.6L/ 100km
Hình 4 18: Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga theo chu trình Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ so sánh giữa bàn đạp ga và tốc độ xe cho thấy hệ thống vẫn chưa hoàn thiện, nhưng đã đạt được tốc độ yêu cầu một cách nhanh chóng Tuy nhiên, vẫn tồn tại độ sai lệch khoảng 5% trong quá trình tăng và giảm tốc.
Hình 4 19: Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG2 theo chu trình
Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG2 được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ SOC cho thấy sự tăng trưởng đến giá trị 0.72 trước khi giảm xuống dưới 0.68, sau đó lại tiếp tục tăng Mô-men của động cơ luôn nằm trong giới hạn T < Tmax = 400 N.m.
Hình 4 20: Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC theo chu trình Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC được thể hiện ở hình trên
Khi SOC vượt quá 0.72, động cơ sẽ ngừng hoạt động Khi SOC giảm xuống còn 0.68, động cơ sẽ khởi động lại để cung cấp mô-men cho máy phát, nhằm nạp điện cho ắc quy HV.
Hình 4 21: Biểu đồ tốc độ động cơ và moment của máy phát điện MG1 theo chu trình Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Biểu đồ tốc độ động cơ và moment của máy phát điện MG1 được thể hiện ở hình trên
Ta thấy được máy phát nhận khoảng 90% lượng moment của động cơ phát ra (Moment tối đa của động cơ 111 N.m/3500-4200)
Hình 4 22: Khối mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu theo chu trình Highway
(HWFET) trên xe Hybrid kiểu nối tiếp
Kết quả cho thấy lượng nhiên liệu tiêu thụ là 7.416 L/100km, gần đúng với mức tiêu thụ thực tế của xe từ 4 – 6.6 L/100km Sự chênh lệch này chủ yếu do xe hoạt động chủ yếu ở chu trình cao tốc, nơi có ít phanh tái sinh, trong khi chu trình đô thị yêu cầu nạp nhiên liệu nhiều hơn, dẫn đến động cơ phải hoạt động nhiều hơn.
Hệ thống điều khiển trên xe Hybrid kiểu song song
Hình 4 23: Mô hình mô phỏng xe Hybrid kiểu song song
Motor MG2 truyền moment và tốc độ góc đến cầu xe thông qua hai hộp số Điện áp cung cấp cho Motor MG2 là 201.6 V từ khối Battery, qua bộ biến áp 201.6 – 500 Bộ điều khiển gửi tín hiệu điều khiển đến Motor MG2 và động cơ để đáp ứng yêu cầu của bộ Driver về moment và tốc độ góc cho cầu xe.
Hình 4 24: Lưu đồ giải thuật điều khiển xe Hybrid theo SOC kiểu song song
Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ Accel để điều chỉnh moment cho MG2 và tốc độ cho động cơ nhiệt Khi SOC đạt 0.71 trở lên, MG2 hoạt động bình thường và cung cấp moment cho xe Tuy nhiên, khi SOC giảm xuống dưới 0.69, MG2 chuyển sang chế độ máy phát, yêu cầu 50% moment từ động cơ nhiệt để sạc cho pin HV.
4.4.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển
Hình 4 25: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển xe Hybrid kiểu song song
4.4.3 Sơ đồ điều khiển moment
Bằng cách theo dõi tốc độ và moment của động cơ trong quá trình hoạt động, bộ điều khiển có thể phát hiện khi tốc độ và moment động cơ rơi vào vùng nguy hiểm (trên đường màu đỏ) do moment giảm Khi đó, bộ điều khiển sẽ lệnh cho động cơ điện hoạt động để bổ sung moment, giúp nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống.
Hình 4 26: Sơ đồ điều khiển moment trên xe Hybrid kiểu song song
Hình 4 27: Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga theo chu trình Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu song song
Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ so sánh giữa bàn đạp ga và tốc độ xe cho thấy hệ thống chưa hoàn hảo, nhưng đã đạt được tốc độ yêu cầu một cách nhanh chóng Mặc dù vẫn còn độ sai lệch khoảng 5% trong quá trình tăng và giảm tốc, nhưng kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất.
Hình 4 28: Biểu đồ State of Charge và công suất của Motor MG2 theo chu trình
Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu song song
Biểu đồ State of Charge và công suất của Motor MG2 được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ SOC cho thấy sự gia tăng lên giá trị 0.71, sau đó giảm xuống dưới 0.69 trước khi tăng trở lại Công suất của Motor luôn nằm trong giới hạn, với Pm nhỏ hơn Pmmax là 50kW.
Khi công suất MG2 dương, động cơ điện hỗ trợ moment cho động cơ Ngược lại, khi công suất MG2 âm, động cơ điện hoạt động như một máy phát, nạp lại năng lượng cho hệ thống.
Hình 4 29: Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC theo chu trình Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu song song
Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC được thể hiện ở hình trên
Ta thấy động cơ vẫn hoạt động để cung cấp moment xoắn cho cầu xe dù trong điều kiện nào
Hình 4 30: Khối mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu theo chu trình Urban (FTP-
75) trên xe Hybrid kiểu song song
Kết quả cho thấy lượng nhiên liệu tiêu thụ là 7.518 L/100km, gần đúng với mức tiêu thụ thực tế của xe từ 4 – 6.6L/100km Xe Hybrid kiểu song song chủ yếu hoạt động bằng động cơ nhiệt, trong khi động cơ điện chỉ hoạt động khi cần thiết và khi pin đủ mức để bổ sung mô-men cho động cơ nhiệt.
Hình 4 31: Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga theo chu trình Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu song song
Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ bàn đạp ga và tốc độ xe cho thấy hệ thống chưa hoàn hảo, nhưng đã đạt được tốc độ yêu cầu một cách nhanh chóng Mặc dù vẫn còn độ sai lệch khoảng 5% trong quá trình tăng và giảm tốc, nhưng hiệu suất chung là khả quan.
Hình 4 32: Biểu đồ State of Charge và công suất của Motor MG2 theo chu trình
Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu song song
Biểu đồ State of Charge và công suất của Motor MG2 được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ SOC cho thấy sự tăng trưởng đến giá trị 0.71 trước khi giảm xuống dưới 0.69 và sau đó lại tăng trở lại Đồng thời, công suất của motor luôn nằm trong giới hạn, với Pm nhỏ hơn Pmmax là 50kW.
Khi MG2 có công suất dương, động cơ điện hỗ trợ tăng moment cho động cơ Ngược lại, khi MG2 có công suất âm, động cơ điện hoạt động như một máy phát điện để nạp lại năng lượng.
Hình 4 33: Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC theo chu trình Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu song song
Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC được thể hiện ở hình trên
Ta thấy động cơ vẫn hoạt động để cung cấp moment xoắn cho cầu xe dù trong điều kiện nào
Hình 4 34: Khối mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu theo chu trình Highway
(HWFET) trên xe Hybrid kiểu song song
Kết quả cho thấy lượng nhiên liệu tiêu thụ là 8.494 L/100km, gần đúng với mức tiêu thụ thực tế của xe từ 4 – 6.6L/100km Xe Hybrid kiểu song song chủ yếu hoạt động bằng động cơ nhiệt, trong khi động cơ điện chỉ hoạt động khi cần thiết và đủ mức pin để hỗ trợ thêm moment cho động cơ nhiệt.
Hệ thống điều khiển trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Hình 4 35: Mô hình mô phỏng xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Motor MG2 truyền moment và tốc độ góc đến cầu xe, trong khi động cơ nhiệt cũng truyền moment và tốc độ góc đến cầu xe và máy phát điện MG1 Điện áp cấp cho Motor MG2 được cung cấp từ khối Battery (201.6 V) qua bộ biến áp (201.6 – 500) Bộ điều khiển gửi tín hiệu điều khiển đến Motor MG2 và động cơ để cung cấp moment và tốc độ góc theo yêu cầu của bộ Driver Khi SOC thấp hơn ngưỡng, bộ điều khiển yêu cầu trích một phần moment của động cơ nhiệt cho máy phát điện để đảm bảo điện áp cho MG1 hoạt động ổn định.
Hình 4 36: Lưu đồ giải thuật mô phỏng xe Hybrid theo SOC kiểu hỗn hợp
Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ Accel để điều chỉnh tốc độ cho MG2 và động cơ nhiệt Khi SOC đạt 0.71 trở lên, máy phát điện MG1 không cần moment từ động cơ nhiệt Ngược lại, khi SOC dưới 0.69, MG1 yêu cầu 27% moment từ động cơ nhiệt để sạc cho ắc quy HV.
4.5.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển
Hình 4 37: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển xe Hybrid kiểu hỗn hợp
4.5.3 Sơ đồ điều khiển moment
Bằng cách theo dõi tốc độ và mô-men xoắn của động cơ trong quá trình hoạt động, bộ điều khiển có thể phát hiện khi tốc độ và mô-men xoắn rơi vào vùng nguy hiểm Khi mô-men xoắn bắt đầu giảm, bộ điều khiển sẽ kích hoạt động cơ điện để bổ sung mô-men xoắn, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hình 4 38: Sơ đồ điều khiển moment trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Hình 4 39: Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga theo chu trình Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ so sánh giữa bàn đạp ga và tốc độ xe cho thấy hệ thống vẫn chưa hoàn hảo, nhưng đã đạt được tốc độ yêu cầu nhanh chóng Mặc dù vẫn còn độ sai lệch khoảng 5% trong quá trình tăng và giảm tốc, nhưng hiệu suất tổng thể đã được cải thiện.
Hình 4 40: Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG2 theo chu trình
Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG2 được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ SOC cho thấy sự gia tăng lên giá trị 0.71, sau đó giảm xuống dưới 0.68 và lại tiếp tục tăng Moment của Motor duy trì trong giới hạn T < Tmax = 400 N.m.
Hình 4 41: Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC theo chu trình Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC được thể hiện ở hình trên
Ta thấy động cơ vẫn hoạt động để cung cấp moment xoắn cho cầu xe dù trong điều kiện nào
Hình 4 42: Biểu đồ SOC và moment của máy phát điện MG1 theo chu trình
Urban (FTP-75) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Biểu đồ SOC và moment của máy phát điện MG1 được thể hiện ở hình trên
Khi chỉ số SOC đạt từ 0.71 trở lên, máy phát không cần nhận moment từ động cơ Ngược lại, khi SOC giảm xuống dưới 0.69, máy phát sẽ nhận khoảng 27% moment từ động cơ, với moment tối đa của động cơ là 111 N.m trong khoảng 3500-4200 vòng/phút.
Hình 4 43: Khối mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu theo chu trình Urban (FTP-
75) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Kết quả cho thấy lượng nhiên liệu tiêu thụ là 5.872 L/100km, gần sát với mức tiêu thụ thực tế của xe, dao động từ 4 đến 6.6 L/100km Xe Hybrid kiểu hỗn hợp hoạt động đồng thời cả động cơ nhiệt và động cơ điện.
Hình 4 44: Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga theo chu trình Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ so sánh giữa bàn đạp ga và tốc độ xe cho thấy hệ thống chưa hoàn hảo, nhưng đã đạt được tốc độ yêu cầu nhanh chóng Tuy nhiên, độ sai lệch vẫn còn khoảng 5% trong quá trình tăng và giảm tốc.
Hình 4 45: Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG1 theo chu trình
Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG1 được thể hiện ở hình trên
Ta thấy biểu đồ SOC giảm nhiều do yêu cầu moment từ motor MG1 cao Moment của Motor nằm trong giới hạn T < Tmax = 400 N.m
Hình 4 46: Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC theo chu trình Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC được thể hiện ở hình trên
Ta thấy động cơ vẫn hoạt động để cung cấp moment xoắn cho cầu xe dù trong điều kiện nào
Hình 4 47: Biểu đồ SOC và moment của máy phát điện MG1 theo chu trình
Highway (HWFET) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Biểu đồ SOC và moment của máy phát điện MG1 được thể hiện ở hình trên
Ta thấy do SOC chưa cao hơn 0.71, máy phát yêu cầu nhận khoảng 27% lượng moment của động cơ phát ra (Moment tối đa của động cơ 111 N.m/3500-4200)
Hình 4 48: Khối mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu theo chu trình Highway
(HWFET) trên xe Hybrid kiểu hỗn hợp
Kết quả cho thấy lượng nhiên liệu tiêu thụ là 3.139 L/100km, gần sát với mức tiêu thụ thực tế của xe, dao động từ 4 – 6.6L/100km Xe Hybrid kiểu hỗn hợp hoạt động đồng thời cả động cơ nhiệt và động cơ điện.
4.5.4.3 Chu trình Urban (FTP-75) – EV mode
Hình 4 49: Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga theo chu trình Urban (FTP-75) –
Biểu đồ vận tốc xe và bàn đạp ga được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ so sánh giữa bàn đạp ga và tốc độ xe cho thấy hệ thống vẫn chưa hoàn hảo, nhưng đã đạt được tốc độ yêu cầu một cách nhanh chóng Mặc dù vậy, độ sai lệch trong quá trình tăng và giảm tốc vẫn còn khoảng 5%.
Hình 4 50: Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG2 theo chu trình
Biểu đồ State of Charge và moment của Motor MG2 được thể hiện ở hình trên
Biểu đồ SOC cho thấy sự giảm và tăng do yêu cầu moment từ bộ điều khiển và hệ thống phanh tái sinh Moment của Motor được duy trì trong giới hạn T < Tmax = 400 N.m.
Hình 4 51: Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC theo chu trình Urban (FTP-75) – EV mode
Biểu đồ tốc độ động cơ và SOC được thể hiện ở hình trên
Ta thấy động cơ không hoạt động do đang trong chế độ EV – Mode
Tính mới
Do được sử dụng kết hợp cả 2 động cơ đốt trong và động cơ điện nên xe lai sở hữu những điểm mạnh của cả 2 loại động cơ gồm:
Xe điện mang lại nhiều lợi ích đáng chú ý, bao gồm khả năng giảm thiểu lượng khí thải độc hại, giảm tiếng ồn trong môi trường đô thị và hạn chế việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt.
Xe sử dụng động cơ đốt trong có nhiều điểm mạnh như khả năng vận hành trên quãng đường dài và thời gian chờ nạp nhiên liệu ngắn, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Đặc biệt, xe lai kết hợp hai loại động cơ, mang lại công suất lớn hơn, đáp ứng nhu cầu di chuyển hiệu quả hơn.
So sánh 3 loại đường truyền công suất xe Hybrid
Bảng 5 1 : Bảng so sánh mức tiêu hao nhiên liệu Đơn vị : lít/100km
Từ bảng so sánh ta có thể rút ra kết luận như sau:
Xe Hybrid loại nối tiếp tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn trên đường cao tốc so với trong đô thị, do khả năng sử dụng phanh tái sinh nhiều hơn trong nội thành, giúp động cơ nhiệt hoạt động ít hơn.
Xe Hybrid loại song song tiếp có mức tiêu hao nhiêu liệu ở chu trình
Đường cao tốc có hiệu suất tốt hơn đường đô thị vì trong khu vực nội thành, có thể sử dụng nhiều phanh tái sinh hơn Điều này dẫn đến việc động cơ điện hoạt động nhiều hơn, từ đó cung cấp mô-men xoắn bổ sung cho động cơ nhiệt.
Xe Hybrid loại hỗn hợp có mức tiêu hao nhiên liệu thấp hơn khi di chuyển trên đường cao tốc so với trong nội thành Nguyên nhân là do tốc độ xe trong đô thị thường thấp, dẫn đến việc SOC (State of Charge) tăng nhanh hơn, và khi đạt đủ điều kiện, máy phát không cần yêu cầu mô-men xoắn từ động cơ Trong ba loại phương pháp truyền động, loại hỗn hợp được xem là tối ưu nhất cho cả hai môi trường Highway và Urban.
Ưu điểm và hạn chế
Nhóm đã hoàn thành các mục tiêu đã đề ra
- Tìm hiểu và nắm được nguyên lý và cấu tạo của xe Hybrid
- Đưa ra được bộ điều khiển dựa trên mức SOC
- Mô phỏng được hệ thống Hybrid trên phần mềm Matlab/ Simulink
- Đưa ra được kết quả vận tốc, moment, SOC, suất nhiên liệu tiêu hao
- Phân tích được số liệu sau khi mô phỏng trên phần mềm
- Phần mềm Matlab/Simulink của từng thành viên trong nhóm là những phiên bản khác nhau nên gây cản trở trong việc phối hợp hoàn thành công việc
- Chưa thiết kế được bộ điều khiển dựa trên moment yêu cầu
- Các chu trình thử nghiệm chưa đúng hoàn toàn với chu trình tiêu chuẩn của nhà sản xuất đề ra