Ô tô điện, bên cạnh những lợi ích của việc phát thải bằng 0 và hiệu suất cao của động cơ điện, dung lượng pin hạn chế và quãng đường đi được sau mỗi lần nạp là điểm yếu khi cạnh tranh với ô tô động cơ đốt trong truyền thống. Tối ưu năng lượng sử dụng là một vấn đề đặt ra đối với ô tô điện. Tối ưu năng lượng sử dụng của ô tô điện liên quan đến giảm nhẹ kết cấu ô tô, kỹ thuật điều khiển động cơ điện và điều khiển hệ thống truyền lực. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, ô tô điện có hệ thống truyền lực nhiều cấp số có thể giảm tiêu thụ năng lượng đến 28% do đó các ô tô điện hiện nay đều được trang bị hệ thống truyền lực nhiều cấp. Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền lực và chiến lược thay đổi số truyền theo điều kiện chuyển động của ô tô để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng của ô tô điện có là chủ đề nghiên cứu thu hút được sự quan tâm của doanh nghiệp ô tô và các nhà nghiên cứu. Nghiên cứu tối ưu hóa năng lượng sử dụng của ô tô điện đồng nghĩa với tăng quãng đường di chuyển được sau mỗi lần nạp của ô tô điện với cùng một dung lượng pin, khắc phục nhược điểm của ô tô điện. Đây là chủ đề có ý nghĩa và tính cấp thiết để hoàn thiện ô tô điện. Đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu sử dụng hệ thống truyền lực SEAMLESS nhằm mục đích nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng điện của ác quy trên ô tô điện phù hợp với xu hướng nghiên cứu và có ý nghĩa khoa học, tính cấp thiết trong nghiên cứu phát triển ô tô điện.
TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN
Tổng quan về ô tô điện
1.1.1 Khái niệm về ô tô điện
Xe ô tô điện là loại phương tiện được cung cấp năng lượng bởi động cơ điện. Thay vì sử dụng các động cơ đốt trong với các nhiên liệu như xăng hoặc dầu diesel, ô tô điện sử dụng năng lượng được cung cấp từ một bộ pin sạc. Ô tô chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện gọi là xe điện thuần tuý (EV). Ngoài ra, loại xe ô tô vừa có thể chạy bằng điện, vừa có thể chạy bằng các nhiên liệu khác được gọi là xe điện lai - xe hybrid (HEV).
1.1.2 Sơ lược về lịch sử hình thành ô tô điện Ô tô điện có lịch sử lâu đời, nhưng từ khoảng 2 thập kỷ trở lại đây mới phát triển trở lại mạnh mẽ nhằm giải quyết 2 vấn đề lớn của nhân loại: sự cạn kiệt dần dần của nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự ô nhiễm môi trường gây ra bởi ô tô chạy xăng, dầu. Ô tô điện được ra đời lần đầu tiên vào năm 1834 Trong suốt những thập kỷ nửa sau thế kỷ 19, nhiều công ty đã sản xuất ô tô điện ở Hoa Kỳ, Anh, và Pháp. Những xe ô tô đầu tiên mà con người sử dụng là ô tô điện Tuy nhiên, do những hạn chế về công nghệ ắc quy và đặc biệt là do sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ động cơ đốt trong, ô tô điện đã dần bị thay thế và hầu như không còn tồn tại từ sau những năm 1930.
Những chiếc ô tô điện sản xuất hàng loạt đầu tiên xuất hiện ở Mỹ vào đầu những năm 1900 Năm 1902, Công ty ô tô Studebaker bước vào lĩnh vực kinh doanh ô tô với ô tô điện, mặc dù họ cũng tham gia vào thị trường xe chạy xăng vào năm 1904 Tuy nhiên, với sự ra đời của dòng xe lắp ráp giá rẻ của Ford, sự phổ biến của ô tô điện đã giảm đáng kể.
Do hạn chế của pin lưu trữ vào thời điểm đó, ô tô điện không phổ biến nhiều; tuy nhiên, tàu điện đã trở nên phổ biến rộng rãi do tính kinh tế và tốc độ có thể đạt được của chúng Đến thế kỷ 20, vận tải đường sắt điện trở nên phổ biến do những tiến bộ trong phát triển đầu máy điện Theo thời gian, mục đích thương mại sử dụng chung của chúng giảm xuống các vai trò chuyên gia như xe nâng, xe cứu thương, máy kéo và phương tiện giao hàng trong đô thị, chẳng hạn như phao sữa mang tính biểu tượng của Anh; Trong phần lớn thế kỷ 20, Vương quốc Anh là quốc gia sử dụng phương tiện giao thông đường bộ chạy điện nhiều nhất thế giới. Ô tô điện là một trong những loại ô tô xuất hiện sớm nhất, và trước sự ưu việt của động cơ đốt trong nhẹ, mạnh mẽ, ô tô điện đã giữ nhiều kỷ lục về tốc độ và quãng đường trên đất liền vào đầu những năm 1900 Chúng được sản xuất bởi Baker Electric, Columbia Electric, Detroit Electric, và những công ty khác, và có thời điểm trong lịch sử, xe chạy bằng xăng đã bán hết Năm
1900, 28% ô tô lưu thông trên đường ở Mỹ là ô tô điện Ô tô điện phổ biến đến mức Tổng thống Woodrow Wilson và các nhân viên mật vụ của ông đã đi tham quan Washington, D.C trong Milburn Electrics của họ, với quãng đường 60–70 dặm (100 - 110 km) cho mỗi lần sạc.
Tới những năm đầu của thập kỷ 70 thế kỷ trước, hai vấn đề lớn của nhân loại là ô nhiễm môi trường do khí thải và an ninh năng lượng do sự hữu hạn của các nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, và khí đốt) đã dần trở nên bức thiết Người ta bắt đầu quan tâm trở lại đến ô tô điện như một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề này Thời gian đầu, ô tô điện vẫn chỉ là một đối tượng nghiên cứu; các mẫu ô tô điện đều là sự chuyển đổi từ xe ô tô thông thường dùng động cơ đốt trong Ngày nay, các nhà sản xuất ô tô lớn đều đã và đang cho ra đời các sản phẩm ô tô điện được thiết kế và chế tạo với những công nghệ đặc thù cho ô tô điện, chứ không phải là một sản phẩm hoán cải như trước.
Tính đến tháng 3 năm 2018, có khoảng 45 chiếc ô tô chạy điện hoàn toàn có khả năng sản xuất trên đường cao tốc được sản xuất ở nhiều quốc gia khác nhau. Tính đến đầu tháng 12 năm 2015, Leaf, với 200.000 chiếc bán ra trên toàn thế giới, là chiếc ô tô điện chạy trên đường cao tốc bán chạy nhất mọi thời đại, tiếp theo là Tesla Model S với lượng giao hàng toàn cầu khoảng 100.000 chiếc. Doanh số toàn cầu của Leaf đạt 300.000 vào tháng 1 năm 2018.
Tính đến tháng 5 năm 2015, hơn 500.000 xe du lịch chạy điện hoàn toàn có thể chạy trên đường cao tốc và các phương tiện tiện ích hạng nhẹ đã được bán trên toàn thế giới kể từ năm 2008, trong tổng doanh số toàn cầu là khoảng 850.000 ô tô điện plug-in hạng nhẹ Tính đến tháng 5 năm 2015, Hoa Kỳ có đội ô tô điện plug-in chạy 4 trên đường cao tốc lớn nhất trên thế giới, với khoảng 335.000 ô tô điện plug-in hợp pháp trên đường cao tốc được bán tại nước này kể từ năm 2008 và chiếm khoảng 40% toàn cầu cổ phần California là thị trường khu vực dành cho ô tô plug-in lớn nhất trong cả nước, với gần 143.000 chiếc được bán từ tháng 12 năm 2010 đến tháng 3 năm 2015, chiếm hơn 46% tổng số ô tô plug-in được bán tại Hoa Kỳ đã vượt qua mốc 1 triệu đơn vị vào tháng 9 năm 2016.
Trước đây, ô tô điện được chuyển đổi từ xe sử dụng động cơ đốt trong chủ yếu là việc thay thế động cơ đốt trong và thùng chứ nhiên liệu thành động cơ điện và pin chứa năng lượng điện, trong khi đó chúng ta giữ nguyên các bộ phận khác như hình 1.1 Những mặt hạn chế như trọng lượng của xe nặng, độ linh hoạt kém, hiệu suất giảm khiến cho việc sử dụng ô tô điện ngày càng mai một. Thay vào đó, ô tô điện hiện đại được chế tạo có chủ đích, và dựa trên các thiết kế khung theo nguyên bản Điều này đáp ứng yêu cầu về cấu trúc dành riêng cho ô tô điện và tận dụng được tính linh hoạt cao hơn của động cơ điện.
Hệ truyền động trên xe ô tô điện
Trước đây, ô tô điện được cải tiến từ loại xe sử dụng Motor nhiệt, vì vậy Motor nhiệt và bình xăng chủ yếu được thay thế bằng mô tơ điện và ắc quy điện, các bộ phận khác được giữ nguyên bản Những hạn chế như trọng lượng của xe, tính linh hoạt kém và hiệu suất giảm khiến việc sử dụng xe điện không được ưa chuộng Thay vào đó, các phương tiện hiện nay được chế tạo có mục đích và dựa trên thiết kế khung nguyên bản Điều này đáp ứng các yêu cầu về kết cấu dành riêng cho xe điện và tận dụng tính linh hoạt cao hơn của động cơ điện.
Hình 1 2 Sơ đồ hệ truyền động của xe ô tô điện
Một chiếc ô tô điện cơ bản bao gồm 3 hệ thống chính: hệ thống động lực điện, hệ thống điện, hệ thống phụ Hệ thống truyền động của xe điện không chỉ được cải tiến về mặt cơ khí mà để đáp ứng được yêu cầu sử dụng và tăng hiệu suất làm việc của xe điện thì phải có hệ thống điều khiển, thiết bị điện tử yêu cầu độ chính xác cao, xử lý được hầu hết các điều kiện lái xe khi xe di chuyển trên đường.
Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc ô tô điện hiện đại
Dựa trên đầu vào điều khiển từ bàn đạp ga và bàn đạp phanh, hệ thống động lực điện cung cấp tín hiệu điện thích hợp đến bộ chuyển đổi năng lượng điện, có chức năng điều chỉnh dòng điện giữa động cơ và nguồn điện Năng lượng được tái tạo trong quá trình phanh có thể được đưa vào nguồn năng lượng chính Hầu hết pin EV đều có khả năng dễ dàng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo này Bộ phận quản lý năng lượng phối hợp với bộ phận điều khiển phương tiện thực hiện phanh tái tạo Bộ phận sạc điện cũng được giám sát bởi bộ phận quản lý năng lượng để theo dõi việc sử dụng năng lượng.
Các hệ thống phụ có chức năng cung cấp nguồn điện cần thiết với các mức điện áp khác nhau cho tất cả các bộ phận phụ trợ của xe như: Điều hòa, trợ lực lái, hệ thống chiếu sáng, v.v…
1.2.2 Tổng quan về hệ thống truyền lực trên ô tô điện
Năng lượng điện trên xe cung cấp hai hệ thống chính là hệ thống truyền lực và hệ thống phụ trợ Cấu trúc chung của ô tô điện gồm 3 hệ thống chính: Hệ thống truyền lực điện, hệ thống quản lý năng lượng và hệ thống phụ trợ Hệ thống truyền lực điện: bộ điều khiển, bộ chuyển đổi năng lượng, động cơ điện, hộp số cơ khí đến bánh xe chủ động Hệ thống cung cấp năng lượng liên quan đến nguồn năng lượng, bộ quản lý năng lượng và đơn vị cung cấp năng lượng.
Hệ thống phụ trợ bao gồm bộ phận điều khiển, các bộ phận hỗ trợ phanh, treo, lái, các hệ thống phụ trợ như hệ thống đèn chiếu sáng thông tin, hoặc giải trí và tiện nghi Xét riêng về hệ thống truyền lực, các mô hình đã và đang tồn tại, hiện đang được nghiên cứu phát triển gồm 6 mô hình cơ bản: Hệ thống truyền lực kiểu truyền thống; hệ thống truyền lực với động cơ điện đặt dọc xe; hệ thống truyền lực với động cơ điện đặt ngang xe; hệ thống truyền lực đặt ngoài bánh xe; hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe và hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe không có bộ giảm tốc.
Hệ thống truyền lực kiểu truyền thống:
Hình 1.4a là sơ đồ hệ thống truyền lực kiểu truyền thống được sử dụng trên ô tô điện, trong đó đơn giản là động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong của hệ thống truyền động trên xe thông thường Nó bao gồm một động cơ điện, ly hợp, hộp số và vi sai Ly hợp và hộp số có thể được thay thế bằng hộp số tự động Ly hợp được sử dụng để kết nối hoặc ngắt dòng công suất Hộp số cung cấp một bộ các tỷ số truyền để biến đổi mô men xoắn, và tốc độ theo yêu cầu tải.
Bộ vi sai phân chia dòng công suất tối bánh xe chủ động Phương án này hiện nay không được sử dụng vì phức tạp.
Hệ thống truyền lực với động cơ đặt dọc xe:
Hình 1.4b là sơ đồ hệ thống truyền lực với động cơ điện đặt dọc xe với động cơ điện có công suất không đổi hoạt động ở dải tốc độ rộng, hộp số không cần yêu cầu hộp số đa cấp và giảm nhu cầu ly hợp Cấu hình này không chỉ làm giảm kích thước và trọng lượng của hộp số cơ học, nó còn đơn giản hóa việc điều khiển hệ thống truyền lực.
Hình 1 4 Các kiểu hệ thống truyền lực trên ô tô điện
M: Động cơ điện; HS: Hộp số; VS: Truyền lực chính và vi sai; GT: Hộp giảm tốc
Hệ thống truyền lực với động cơ đặt ngang xe:
Tương tự như hệ thống truyền động ở phương án hình 1.4b, hình 1.4c là sơ đồ hệ thống truyền lực với động cơ đặt ngang xe Trong sơ đồ này, thường sử dụng hộp số 1 cấp cố định hoặc hai cấp cùng với bộ vi sai để phân phối mô men ra các bánh xe chủ động Toàn bộ hệ thống truyền lực với phương án động cơ đặt ngang này đã được đơn giản hóa đáng kể.
Hệ thống truyền lực đặt ngoài bánh xe:
Hình 1.4d là sơ đồ hệ thống truyền lực đặt ngoài bánh xe Hệ thống truyền lực này sử dụng hai động cơ điện, với hai hệ truyền lực riêng biệt truyền tới từng bánh xe Kết cấu của hệ thống phức tạp, các động cơ và bộ giảm tốc đòi hỏi phải tương đồng với nhau.
Hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe (hình 1.4e): Để đơn giản hơn nữa trong hệ thống truyền động, động cơ điện và hộp số có thể gộp làm một cụm và đặt trong bánh xe Sự bố trí này được gọi bánh xe chủ động Một bộ bánh răng hành tinh có thể được sử dụng để giảm tốc độ động cơ và tăng mô men xoắn Bộ bánh răng hành tinh có lợi thế về khả năng biến đổi tốc độ lớn, đơn giản và nhỏ gọn về mặt bố trí của bộ bánh răng hành tinh.
Hệ thống truyền lực đặt trong bánh xe không có bộ giảm tốc (hình 1.4f):
Phương án này loại bỏ hoàn toàn truyền động bánh răng giữa động cơ điện và bánh xe chủ động, đầu ra roto của một động cơ điện tốc độ thấp đặt bên trong bánh xe có thể được kết nối trực tiếp với các bánh xe Việc kiểm soát tốc độ của động cơ điện tương đương với việc kiểm soát tốc độ của bánh xe, và vì thế tốc độ của xe được điều khiển Tuy nhiên, việc sắp xếp đòi hỏi các động cơ điện phải có một mô-men xoắn cao hơn để khởi động và tăng tốc xe.
1.2.3 Hệ thống truyền động trên xe ô tô điện Porsche Taycan Turbo S
1 Bản vẽ tuyến hình ô tô điện Porsche Taycan Turbo S.
Hình 1 5 Bản vẽ tuyến hình ô tô điện Porsche Taycan Turbo S
2 Hệ thống truyền động: Hiệu suất thuần túy.
Những con số tăng tốc đáng kinh ngạc, lực kéo đặc trưng của xe thể thao và công suất đầu ra vượt trội Đây là những khía cạnh phải được đáp ứng nếu bạn muốn nói về một chiếc xe thể thao thực sự Taycan mới đáp ứng được những yêu cầu này.
Hình 1 6 Tổng quan về Porsche Taycan Turbo S
Taycan được khởi động bằng cách kích hoạt chế độ lái trong khi nhấn bàn đạp phanh Ngoài ra, điều này cũng có thể được thực hiện bằng cách nhấn một nút Giống như khóa điện trên các mẫu xe Porsche thông thường, nút nguồn nằm ở bên trái phía sau vô lăng.
Hình 1 7 Động cơ điện của Porsche Taycan Turbo S
Không phải loại động cơ điện nào cũng thích hợp để làm động lực cho xe. Porsche sử dụng máy đồng bộ kích thích vĩnh cửu (Permanently excited Synchronous Machine – PSM) So với thiết kế chủ yếu được sử dụng – máy không đồng bộ (Asynchronous Machine – ASM) rẻ hơn – PSM cung cấp đầu ra liên tục cao hơn vì nó ít dễ bị quá nhiệt hơn và do đó không phải giảm xuống. PSM của Porsche được cung cấp và điều khiển thông qua thiết bị điện tử công suất với điện áp xoay chiều ba pha: tốc độ của động cơ được xác định bởi tần số tại đó điện áp xoay chiều dao động quanh điểm 0 từ cộng đến trừ Trong động cơ Taycan, bộ biến tần xung đặt tần số của trường quay trong stato, do đó điều chỉnh tốc độ của rôto.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ ĐIỆN HỘP SỐ SEAMLESS 2 CẤP
Cấu Tạo Của Hệ Truyền Động Đề Xuất
Vì các bộ truyền bánh răng hành tinh là thành phần chính của bộ truyền động được đề xuất nên ta có sơ đồ hoá của hộp số hành tinh hai cấp dưới đây:
Hình 2 1 Sơ đồ hộp số hai cấp liền mạch
Sơ đồ trên mô tả đường truyền động của ô tô điện được trang bị hộp số hành tinh hai cấp được đề xuất Như ta có thể thấy trên hình 2.1 trục vào của bộ truyền động là bộ phận cần dẫn của bánh răng hành tinh đầu vào, hộp số được gắn vào động cơ điện để truyền momen Trục ra là cần dẫn của bánh răng hành tinh đầu ra được truyền với bánh xe thông qua truyền lực chính Hai tỷ số truyền khác nhau có thể được thu bằng cách phanh các BRMT và BTV bằng phanh mặt trời và phanh vòng Như ta đã thấy rõ trên hình 2.1, dưới sự điều khiển của phanh có thể được thực hiện theo cách chuyển số liền mạch và không có bất kỳ sự gián đoạn momen xoắn nào.
Nguyên lý làm việc của hộp số:
Tay số 1: Bánh răng vòng bị khóa, bánh răng mặt trời mở
Công suất sẽ được truyền từ động cơ điện đến trục đầu vào của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào, thông qua bánh răng mặt trời công suất được truyền đến bộ bánh răng hành tinh đầu ra và đi đến cần dẫn của nó, cuối cùng dòng công suất từ trục đầu ra thông qua truyền lực chính và giúp các bánh xe chuyển động.
Hình 2 2 Hộp số hoạt động ở tay số 1
Tay số 2: Bánh răng mặt trời bị khóa, bánh răng vòng mở
Công suất sẽ được truyền từ động cơ điện đến trục đầu vào của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào, thông qua bánh răng vòng công suất được truyền đến bộ bánh răng hành tinh đầu ra và đi đến cần dẫn của nó, cuối cùng dòng công suất từ trục đầu ra thông qua truyền lực chính và giúp các bánh xe chuyển động.
Hình 2 3 Hộp số hoạt động ở tay số 2
Phân Tích Động Học Của Hệ Truyền Động Đề Xuất
Trong phần này, các phương trình động học của bộ bánh răng hành tinh hai cấp và các tỷ số truyền có thể đạt được được nghiên cứu để sử dụng trong mô hình động học của hộp số được đề xuất Mối quan hệ động học giữa các thành phần của bộ bánh răng hành tinh hai cấp, chẳng hạn như Cần dẫn (C), Mặt trời (S), Hành tinh (P) và Vòng (R) được biểu diễn phương trình (2.1) và (2.2):
+ , ,r r r S P R lần lượt là bán kính góc của bánh răng Mặt trời, Hành tinh và Vòng. + r C là bán kính góc của Cần dẫn bánh răng hành tinh.
+ R , , P S l ầ n l ượ t l à v ậ n t ố c g ó c c ủ a b á nh r ă ng V ò ng, H à nh tinh, M ặ t tr ờ i +� � l à v ậ n t ố c g ó c c ủ a C ầ n d ẫ n b á nh r ă ng h à nh tinh.
Bằng cách loại bỏ r P và P ra khỏi hai phương trình (2.1) và (2.2), ta thu được mối quan hệ động học giữa Vòng, Mặt trời và Cần dẫn như phương trình (2.3):
r R r S C r S S r R R (2.3) Để đơn giản hoá công thức, tỷ lệ bán kính góc của Vòng r R và Mặt trời
r S ở đầu vào và đầu ra của bộ truyền động được coi là:
Hình 2 4 Các thành phần của hộp số hai cấp liền mạch
Ta có thể thấy là R 1 v à R 2 l ớ n h ơ n 1 v ì b á n k í nh b ướ c c ủ a b á nh r ă ng v ò ng lu ô n lớn hơn bánh răng mặt trời.
Bằng cách xem xét C input in T , v à C output out T , Trong đó :
Do đó, các phương trình (2.4), (2.5) thay vào phương trình (2.3) có thể được viết lại như sau:
Các phương trình (2.6) và (2.7) là các phương trình động học chính của hệ sẽ được sử dụng để suy ra các phương trình chuyển động.
Các tỷ số truyền của hộp số có thể đạt được dựa vào phương trình (2.6), tỷ số truyền của hộp số (tỷ số tốc độ đầu vào với tốc độ đầu ra) được biểu diễn như sau:
Theo phương trình (2.8) có thể đạt được ba tỷ số truyền khác nhau:
+ Nếu bánh răng vòng được khoá chặt hoàn toàn � � = 0 :
+ Nếu bánh răng mặt trời được khoá chặt hoàn toàn � � = 0 :
+ Nếu cả bánh răng mặt trời và vòng không được khoá chặt hoàn toàn � � ≠
GR 1 và GR 2 : được gọi là tỷ số truyền thứ nhất và thứ hai.
GR T : Là tỷ số truyền nhất thời từ tỷ số truyền thứ nhất sang tỷ số truyền thứ hai trong quá trình chuyển số.
Nếu cả bánh răng vòng và mặt trời đều được khoá chặt thì hệ thống sẽ bị khoá Mặc dù các tỷ số truyền đều phụ thuộc nhau nhưng vẫn có thể giải phương trình (2.9) và (2.10) cho R 1 và R 2 để thu được giá trị GR 1 và GR 2 mong muốn.
Trong bài mô phỏng điều khiển hộp số này Chọn R 1 2 và R 2 8 thuđược tỷsốtruyền của số thứ nhất GR 1 3vàtỷsốtruyền của sốthứhai GR 2 0.75, tỷ sốtruyền lực chính i o 3.
Mô Hình Động Lực Học Động Cơ Điện Và Trục Đầu Vào
Động cơ điện là nguồn năng lượng duy nhất được sử dụng trong hệ truyền động này Động lực học của động cơ có thể được biểu thị bằng cách sử dụng phương trình momen được biểu diễn ở phương trình (2.12) Ở đây, I M và T eM momen quán tính và momen xoắn điện từ của động cơ điện, T d được coi là momen truyền động có thể được coi là tải trên động cơ và được tính bằng công thức (2.13) Trong đó, K d và B d là độ cứng xoắn tương đương và hằng số giảm chấn của trục đầu vào, eM và M là chuyển vị góc của động cơ và trục cần dẫn đầu vào.
Mô Hình Động Lực Học Hộp Số 2 Cấp Liền Mạch
Trong phần này, phương trình động học của hệ thống truyền động được trình bày nhằm mục đích điều khiển. Đầu tiên, phương trình công suất của hệ thống được chỉ ra Ở đây, việc ngắt công suất là do hai loại phanh của hộp số gây ra Do đó, công suất đầu vào được bố trí trên Vòng và Mặt trời mà không bị tổn thất và công suất đầu ra của hệ bằng tổng công suất đầu ra của Vòng và Mặt trời Vì thế:
, , , in T in R in S out T out R out S
Trong đó: P in T , : Công suất đầu vào của động cơ điện.
P P : Công suất được truyền tới Vòng và Mặt trời từ phía đầu vào của bộ truyền động.
P : Công suất đầu ra truyền từ hộp số tới tải.
P P : Công suất được truyền từ Vòng và Mặt trời tới đầu ra của bộ truyền động.
Công suất đầu ra của bộ truyền động có thể nhỏ hơn công suất đầu vào khi nó ở trường hợpGR T Điều này xảy ra khi S 0 và R 0.
Công suất của động cơ điện được tính bằng tích của vận tốc góc và momen xoắn P T Do đó, có thể viết lại phương trình (2.14) như sau:
. in T in T in R in R in S in S out T out T out R out R out S out S
T in R và T in S , : là các momen xoắn tác dụng lên Vòng và Mặt trời từ Cần dẫn đầu vào.
T và T out S , : là các momen xoắn tác dụng từ tải lên Vòng và Mặt trời.
Từ các phương trình (2.6), (2.7), (2.14), (2.15) có thể dễ dàng kết luận rằng:
1; 1 in T out T in R out R in T out T in S out S
Hình 2 5 Sơ đồ vật thể tự do của Bánh trăng Vòng và Mặt trời
Bây giờ, bằng cách biết sự phân bố momen đầu vào và đầu ra trên Mặt trời và Vòng, ta có thể rút ra các phương trình động học cho toàn bộ hệ thống Dựa vào sơ đồ vật thể tự do của Mặt trời và Vòng (Hình 2.5), các phương trình chuyển động có thể được dễ dàng rút ra như sau:
. in R BR out R R R in S BS out S S S
(2.17) Ở đây, I R và I S lần lượt là momen quán tính của Vòng và Mặt trời.
T BR và T BS lần lượt là momen phanh tác dụng lên Vòng và Mặt trời. Khi bề mặt phanh bị trượt, momen phanh có thể tìm được là:
(2.18) Ở đây, C R và C Ss là các hằng số ma sát của Vòng và Mặt trời, là hàm số của , , A r
với là hệ số ma sát,A là diện tích ma sát hữu hiệu,r là bán kính ma sát hữu hiệu, N BR và N BS là lực phanh bình thường.
Từ phương trình (2.16) và (2.17) có thể dễ dàng suy ra rằng:
(2.19) Đối với động cơ điện kết nối với trục đầu vào và đối với tải kết nối với trục đầu ra, phương trình chuyển động được coi là:
Trong đó: T d : momen điện từ của động cơ điện.
T o : momen của tải tác dụng lên trục đầu ra.
I M và I L : momen quán tính của động cơ điện và tải.
Ta có thể thấy rõ ràng là M in T , và O out T , , bằng cách loại bỏ T in T , và
T ra khỏi phương trình (2.19), (2.20) và cũng như ra khỏi các phương trình (2.6), (2.7), ta có thể tìm được phương trình chuyển động của hệ.
Từ các phương trình (2.6) và (2.7) ta có thể tìm được R , , S in T , và out T ,
Từ phương trình (2.20), ta có thể rút ra được T in T , và T out T ,
Trong quá trình sang số, hộp số hai tốc độ liền mạch có 2 bậc tự do nhưng ở đây có sẵn 4 tốc độ phụ thuộc lẫn nhau ( R , , S M và O ) Do đó cần phải chọn
2 trong số chúng để rút ra phương trình chuyển động Ở đây, hai hệ phương trình được chọn để rút ra các giá trị tốc độ như sau:
Tương tự vậy, ta có thể tìm được R và S :
Trong hệ phương trình (2.21) coi M và O , trong hệ phương trình (2.22) coi R và S là các giá trị động học cần tìm.
Mô Hình Động Lực Học Trục Đầu Ra
Bằng cách sử dụng phương pháp gộp khối lượng và cân bằng momen xoắn phương trình, động lực học của xe được biểu diễn bằng phương trình (2.23). Trong đó, I L là momen quán tính của ô tô quy dẫn về bánh xe, i o là tỷ số truyền lực chính, T v là momen cản của bánh xe được tính từ phương trình (2.24) Trong đó: R w , , , , , , , , m v C A f g d f o lần lượt là bán kính bánh xe, độ dốc của đường, khối lượng của xe, vận tốc của xe, mật độ không khí, hệ số hình dạng khí động học, diện tích cản chính diện, hệ số cản lăn ứng với tốc độ chuyển động của xe, gia tốc trọng trường.
T R V C A m g m g f (2.24) Độ trượt của lốp bị bỏ qua nên V R w w có thể được tính bằng tích giữa vận tốc góc của ô tô và bán kính bánh xe Momen đầu ra của hộp số được kí hiệu là T o , có thể được tính toán bằng phương trình (2.24) Ở đây, K o và B o là độ cứng xoắn tương đương và hằng số giảm chấn của trục đầu ra, o và w là chuyển vị góc của trục đầu ra và của bánh xe,ω o và ω w là vận tốc góc của trục đầu ra và của bánh xe.
M ô H ì nh Độ ng C ơ Đ i ệ n Cho H ệ Truy ề n Độ ng
Trong đồ án này, momen xoắn của động cơ điệnT d được xây dựng dựa trên mạch động cơ điện đơn giản như sau:
Hình 2 6 Sơ đồ mạch điện của động cơ điện
Phương trình của động cơ điện: g
Trong đó: E là điện áp truyền vào động cơ, E g là điện áp cảm ứng, R là nội trở, Ilà cường độ dòng điện.
Momen đầu ra của động cơ điện T d sẽ được xác định như sau: d t
Trong đó: K t là hằng số momen. Điện áp cảm ứng E g được xác định bằng công thức: g e d
Trong đó: K e là hằng số điện áp cảm ứng, m là tốc độ quay của động cơ.
Từ các phương trình (2.26) - (2.28), điện áp của động cơ được tính như sau:
Ngoài ra hằng số thời gian được xác định thông qua phương trình:
Bảng 2-1: Các thông số của xe tham khảo Porsche Taycan Turbo S
TT Tên Ký hiệu Thông số
1 Khối lượng toàn bộ xe m 2870 kg
3 Hệ số cản lăn tương ứng f o 0,012
4 Diện tích cản chính diện A f 1,8 m 2
5 Hệ số cản không khí C d 0,18
6 Mật độ không khí 1,2 kg m 2
8 Momen xoắn cực đại M e max 1050 Nm
9 Tốc độ tối đa v max 260 km h /
10 Công suất tối đa P max 560 kW
Mô Hình Chuyển Động Của Ô Tô
Hình 2 7 Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động
Xét theo phương dọc xe, ô tô di chuyển được theo phương chuyển động của chính nó phụ thuộc toàn bộ vào tất cả các lực tác dụng lên nó theo phương dọc xe Trên (Hình 2.7) biểu hiện toàn bộ các lực tác dụng xe khi xe chuyển động. Lực kéo F t được tạo ra ở tất cả các bánh xe chủ động được truyền từ động cơ thông qua hệ thống truyền lực, lực kéo tương ứng sinh ra ở bánh trước và bánh sau là F tr và F tf Khi xe di chuyển, có các lực tác động làm cản trở chuyển động của ô tô Các lực cản tác động lên xe theo phương chuyển động của xe gồm có lực cản lăn F f , lực cản lên dốc F i , lực cản không khí F w
Từ sơ đồ trên, ta có phương trình cân bằng lực như sau:
Khi xe chuyển động trên mặt đường sẽ có lực cản lăn tác dụng song song với mặt đường và ngược chiều chuyển động tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường Lực cản lăn phát sinh là do sự biến dạng của lốp và đường, do sự tạo thành các vết bánh xe trên đường và do sự ma sát ở bề mặt tiếp xúc của lốp và đường Ta coi hệ số cản lăn ở tất cả các bánh xe là như nhau, công thước tính lực cản lăn tác động lên xe được tính như sau:
Trong đó: m : Khối lượng toàn bộ xe kg g: Gia tốc trọng trường m s / 2 f : Hệ số cản lăn
Hệ số cản lăn f thay đổi phụ thuộc vào các yêu tố vật liệu làm lốp và mặt đường, phụ thuộc vào trạng thái tiếp xúc, điều kiện làm việc giữa mặt đường và bánh xe Hệ số cản lăn được tính bằng công thức sau:
Trong đó: v : Vận tốc của ô tô m s / f o : Hệ số cản lăn phụ thuộc vào loại đường
Khi xe di chuyển trên một đoạn đường có độ dốc thì xuất hiện một lực tác động ngược chiều với hướng chuyển động khi xe lên dốc, cùng chiều nếu xe xuống dốc Khi xe di chuyển lên dốc, yêu cầu động cơ cần phải cung cấp một công suất lớn hơn khi đi đường bằng, vì lúc này lực này đóng vai trò là lực cản chuyển động, thành phần lực này góp phần đáng kể vào tổng lực cản chuyển động, ta gọi đó là lực cản lên dốc ông thức để tính lực cản lên dốc như sau:
Khi Ô tô chuyển động sẽ làm thay đổi áp suất không khí trên bề mặt của nó, làm xuất hiện các dòng xoáy không khí ở phần sau của Ô tô và gây ra ma sát giữa không khí với bề mặt của chúng, do đó phát sinh ra lực cản không khí
F w Lực cản không khí đặt tại tâm của diện tích cản chính diện của Ô tô cách mặt đường độ cao là h w như (Hình 2.7) Công thức tính lực cản không khí như sau:
Trong đó: K: Hệ số cản không khí Nm s / 2
F: Diện tích cản chính diện m 2 v : Vận tốc tại thời điểm tính toán m s /
Kết Luận Chương 2
Tùy theo mục đích nghiên cứu mà cần có các giả thiết để đơn giản hóa mô hình mà không làm mất đi tính chất cần nghiên cứu của đối tượng Trong chương này phân tích các phương trình động lực học để tiến hành mô phỏng nghiên cứu hộp số được đề xuất Trong chương 3 trình bày kết quả mô phỏng động lực học của hộp số liền mạch hai cấp được đề xuất.
THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN SỐ
Giới Thiệu Phần Mềm Mô Phỏng
Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kĩ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty "The MATHWORKS" viết ra Thuật ngữ MATLAB có được là do hai từ MATRIX và LABORATORY ghép lại Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán của các bài toán kĩ thuật như: Lý thuyết điều khiển tự động, kĩ thuật thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu, dự báo chuổi quan sát, v.v…Matlab được điều khiển bởi tập các bộ lệnh, tương tác bằng bàn phím trên cửa sổ điều khiển, đồng thời Matlab còn cho phép khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh hay còn gọi là script file Các lệnh, bộ lệnh của Matlab lên đến con số hang trăm và ngày càng được mở rộng bơi các phần Tools box trợ giúp hay các hàm ứng dụng tạo ra bởi người dùng.
Các lệnh của Matlab rất mạnh và hiệu quả cho phép giải các loại hình toán khác nhau và đặc biệt hiệu quả cho các hệ phương trình tuyến tính cũng như thao tác trên các bài toán ma trận Không những thế, Matlab còn rất hữu hiệu trong việc trợ giúp thao tác và truy xuất đồ hoạ trong không gian 2D cũng như 3D cũng khả năng tạo hoạt cảnh cho việc mô tả bài toán một cách sinh động. Cùng với trên 25 Tools box (thư viện trợ giúp) khác nhau Matlab đưa đến cho người sử dụng sự lựa chọn hoàn chỉnh và phong phú về các công cụ trợ giúp đắc lực cho những lĩnh vực khác nhau trên con đường nghiên cứu đã lựa chọn.
Matlab là chương trình phần mềm trợ giúp cho việc tính toán và hiển thị. Matlab có thể chạy trên hầu hết các hệ máy tính từ máy tính cá nhân đến các hệ máy tính lớn super computer.
MATLAB 5.1, 5.2, 6.5, 7.0… hoạt động trong môi trường WINDOWS.
Chương trình Matlab có thể chạy liên kết với các chương trình ngôn ngữ cấp cao như C, C++, Fortran,…Việc cài đặt MATLAB thật dễ dàng và ta cần chú ý việc dùng thêm vào các thư viện trợ giúp hay muốn liên kết phần mềm này với một vài ngôn ngữ cấp cao.
Sau khi khởi động màn hình MATLAB có giao diện như hình 3.1.
+ Cửa sổ thư mục hiện tại Current Directory Browser (1): giúp người sử dụng có thể nhanh chóng nhận biết, chuyển đổi thư mục hiện tại của môi trường công tác, mở file, tạo thư mục mới.
+ Cửa sổ Command Windows (2): Đây là cửa sổ chính của Matlab Tại đây ta thực hiện toàn bộ công việc nhập dữ liệu và xuất kết quả tính toán Dấu nhấp nháy >> báo hiệu chương trình sẵn sàng hoạt động.
+ Cửa sổ Command history (3): Lưu trữ tất cả các lệnh đã thực hiện trong cửa sổ Command Windows (2) có thể lặp lại lệnh cũ bằng cách nháy kép chuột vào lệnh đó Cũng có thể cắt, sao hoặc xoá cả nhóm lệnh hoặc từng lệnh riêng rẽ.
+ Cửa sổ Workspace browser (4): Tất cả các biến, các hàm tồn tại trong môi trường công tác đều được hiện tại cửa sổ này.
+ Cửa sổ Editor: soạn thảo chương trình
Ngoài ra còn có Cửa sổ trợ giúp Help rất phong phú giúp người sử dụng trong quá trình tính toán Bằng câu lệnh Help [command]
Các phím chức năng đặc biệt (chuyên dùng) và các lệnh dùng cho hệ thống:
+ Ctrl + P hoặc ↑: Gọi lại lệnh vừa thực hiện trước đó từ cửa sổ lệnh của MATLAB
+Ctrl + n hoặc ↓: Gọi lại lệnh đã đánh vào trước đó
+Ctrl + f hoặc →: Chuyển con trỏ sang phải một ký tự
+Ctrl + b hoặc ←: Chuyển con trỏ sang trái một ký tự
+Ctrl + l hoặc Ctrl + →: Chuyển con trỏ sang phải một từ
+Ctrl + r hoặc Ctrl + ←: Chuyển con trỏ sang trái một từ
+Ctrl + a hoặc HOME: Chuyển con trỏ về đầu dòng
+Ctrl + k: Xóa đến dòng cuối cùng
Các câu lệnh trên cũng như sau đây được viết từ cửa sổ lệnh của MATLAB:
+Casesen off: Bỏ thuộc tính phân biệt chữ hoa và chữ thường
+Casesen on: Bỏ thuộc tính phân biệt chữ hoa và chữ thường
+Clc: Xóa cửa sổ dòng lệnh
+Clf : Xóa cửa sổ đồ họa
+Exit hoặc quit: Thoát ra khỏi chương trình MATLAB
+Ctrl + C: Dừng chương trình khi nó rơi vào tình trạng lặp không kết thúc
+Input: Nhập dữ liệu từ bàn phím
+Load: Tải các biến đã lưu trong một file đưa vào vùng làm việc
+Pause: Ngừng tạm thời chương trình
+Save: Lưu giữ các biến vào file có tên là matlab.mat
+ Demo: Lệnh cho phép xem các chương trình mẫu (minh họa khả năng làm việc của MATLAB).
+Edit: Lệnh đề vào cửa sổ soạn thảo (dùng để viết một chương trình).
+Tệp * m: Tệp soạn thảo chương trình Scrippts, hàm function, lưu trữ số liệu;
+ Tệp *.mat: Tệp lưu trữ số liệu (ở cửa sổ Workspace ) >> save ; >> load
+Tệp *.fig: tệp lưu trữ các tệp đồ hoạ;
+Tệp *.mdl : Tệp sơ đồ khối Simulink;
MATLAB có các công cụ hết sức hữu hiệu để hiển thị các véc tơ và ma trận ở dạng đồ thị cũng như việc chú thích và in ấn đồ thị này một cách trực quan.
Matlab là một phần mềm rất được ưa chuộng cho các lập trình tính toán trong kỹ thuật hiện nay Nó hầu như được phổ biến rộng khắp trong các trường đại học ở nhiều nước Với Matlab công việc tính toán trở nên đơn giản và nhẹ nhàng hơn so với nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhờ đã thiết kế sẵn các toolbox giúp cho người sử dụng:
+ Control System Tollbox: là nền tảng của họ toolbox thiết kế điều khiển bằng Matlab Nó chứa các hàm cho việc mô phỏng, phân tích và thiết kế các hệ thống trong tự động điều khiển.
+ Frequency Domain System Identification Tollbox: Bao gồm các M -file giúp cho việc mô phỏng các hệ thống tuyến tính trên cơ sở phép đo đáp ứng tần số của hệ thống.
+ Fuzzy Logic Tollbox: Cung cấp một tập hợp đầy đủ các công cụ cho việc thiết kế, mô phỏng và phân tích các hệ thống logic mờ (Fuzzy Inferencs).
+ Higher Order Spectral Analysis Toolbox: cung cấp các công cụ cho việc xử lý tín hiệu dùng phổ bậc cao Các phương này đặc biệt hữu dụng cho phân tích các tín hiệu có nguồn gốc từ một quá trình phi tuyến hay bị nhiễu phi Gaussian (non-Gaussian noise) xâm nhập.
+ Image Processing Toolbox: chứa các công cụ cho việc xử lý ảnh Nó bao gồm các công cụ cho việc thiết kế các bộ lọc và lưu trữ ảnh, nâng cấp ảnh, phân tích và thống kê.
+ Model Predictive Control Tollbox: đặc biệt hữu dụng cho các ứng dụng điều khiển với nhiều biến ngõ vào (input) và ngõ ra (output) mà phần lớn có các giới hạn nhất là trong kỹ thuật hóa chất.
+ Mu-Analysis And Syntheris Tollbox: chứa các công cụ chuyên môn hóa cho điều khiển tối ưu hóa; Đặc biệt trong lĩnh vực robot cao cấp và các hệ thống đa biến tuyến tính.
Điều Khiển Chuyển Số Hộp Số SEAMLESS Hai Cấp
Mô hình chuyển số được thực hiện trong trường hợp quá trình chuyển số từ số 1 (bánh răng vòng được khóa và bánh răng mặt trời được mở) sang số 2 (bánh răng vòng được mở và bánh răng mặt trời được khóa) Thời điểm xảy ra chuyển số ở giây thứ 4.
Hình 3 2 Sơ đồ mô phỏng thuật toán của hộp số
3.2.1 Lý thuyết bộ điều khiển PID
Sơ đồ mô phỏng động sử dụng 3 khối điều khiển PID để điều khiển giá trị vận tốc góc đầu ra của động cơ, bánh răng vòng và bánh răng mặt trời.
Nguyên lý của bộ điều khiển PID là các giá trị vận tốc góc đầu ra của động cơ, bánh răng vòng, bánh răng mặt trời có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi 3 tham số P,I,D của bộ điều khiển: P - Độ lợi tỉ lệ, I - Độ lợi tích phân, D - Độ lợi đạo hàm
+ Độ lợi tỉ lệ (P) tạo ra đầu ra tỉ lệ thuận với tín hiệu lỗi, tức là chênh lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị xử lý thực tế Việc tăng mức tỉ lệ sẽ làm tăng phản ứng của bộ điều khiển đối với những thay đổi trong tín hiệu lỗi, điều này có thể cải thiện tín hiệu phản hồi Tuy nhiên, nếu độ lợi tỷ lệ được đặt quá cao, nó có thể dẫn đến sự mất ổn định trong hệ thống.
+ Độ lợi tích phân (I) tạo ra đầu ra tỉ lệ với tích phân của tín hiệu lỗi theo thời gian Điều này giúp loại bỏ các lỗi ở trạng thái ổn định và có thể cải thiện phản ứng của hệ thống đối với nhiễu loạn Tuy nhiên, việc tăng độ lợi tích phân quá nhiều có thể dẫn đến tình trạng quá vọt hoặc mất ổn định trong hệ thống.
+ Độ lợi đạo hàm (D) tạo ra đầu ra tỉ lệ với tốc độ sự thay đổi tín hiệu lỗi. Điều này có thể giúp làm giảm tình trạng quá vọt và làm giảm phản ứng của hệ thống.
Công thức của bộ điều khiển PID:
dt Ở đây: u t l à đầ u ra c ủ a b ộ đ i ề u khi ể n.
1 Bộ điều khiển tốc độ xe
Hình 3 3 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ xe
Chênh lệch giữa giá trị đầu ra w và wdesired sẽ trở thành tín hiệu e w và được gửi tới bộ điều khiển PID Sau đó, PID sẽ gửi tín hiệu điều khiển dựa trên tín hiệu trước đó vào hộp số để điều chỉnh giá trị của T eM để kiểm soát vận tốc góc đầu ra w và duy trì nó ở giá trị mong muốn.
Các thông sốP, I, D của bộ điều khiển được điều chỉnh như sau:
1 Bộ điều khiển tốc độ bánh răng vòng
Hình 3 4 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng vòng
Chênh lệch giữa giá trị đầu ra R và Rdesired sẽ trở thành tín hiệu e R và được gửi tới bộ điều khiển PID Sau đó, PID sẽ gửi tín hiệu điều khiển dựa trên tín hiệu trước đó vào hộp số để điều chỉnh giá trị của T BR để kiểm soát vận tốc góc đầu ra R và duy trì nó ở giá trị mong muốn Ví dụ, khi quá trình chuyển số diễn ra, hộp số chuyển từ số 1 sang số 2, bộ ly hợp của bánh răng vòng sẽ được nhả ra Điều này có nghĩa là momen hãm của ly hợp bị giảm mạnh về giátrị 0, giátrị vận tốc góc của bánh răng vòng tăng lên và ổnđịnhở giá trị mong muốn (được điều khiển bởi bộ điều khiển PID) Khi hộp số từ số
2 vềlại số1, thì điều này sẽdiễn ra ngược lại.
Các thông sốP, I, Dcủa bộ điều khiển được điều chỉnh như sau:
2 Bộ điều khiển tốc độ bánh răng mặt trời
Hình 3 5 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng mặt trời
Chênh lệch giữa giá trị đầu ra S và Sdesired sẽ trở thành tín hiệu e S và được gửi tới bộ điều khiển PID Sau đó, PID sẽ gửi tín hiệu điều khiển dựa trên tín hiệu trướcđó vào hộp số để điều chỉnh giá trịcủa T BS đểkiểm soát vận tốc góc đầu ra S và duy trì nó ở giá trị mong muốn Ví dụ, khi quá trình chuyển số diễn ra, hộp số chuyển từ số 1 sang số 2, bộ ly hợp của bánh răng mặt trời sẽ khoả lại Dođó, momen hãm của ly hợp tăng lên và giá trị vận tốc góc của bánh răng mặt trời giảm về giá trị 0 Khi hộp số từ số 1 sang số 2, thì điều này sẽdiễn ra ngược lại.
Các thông sốP, I, Dcủa bộ điều khiển được điều chỉnh như sau:
Vận tốc góc của động cơ điện ( � �� ):
Hình 3 6 Vận tốc góc của động cơ điện
Nhận xét: Trong sơ đồ trên, ở thời điểm từ 0-4s xe đang đi ở số 1, vận tốc góc của động cơ điện tăng đến 350 rad/s, khi bắt đầu thực hiện chuyển số 2 (4-5s) tốc độ của động cơ điện giảm xuống 140 rad/s sau đó từ 5 -10s về lại tốc độ mong muốn là 155 rad/s.
Vận tốc góc của trục đầu ra đến bánh xe chủ động ( � � ):
Hình 3 7 Vận tốc góc của trục đầu ra đến bánh xe chủ động
Nhận xét: Trong sơ đồ trên, ở thời điểm từ 0-4s xe đang đi ở số 1, vận tốc góc của bánh xe tăng đến 40 rad/s, khi bắt đầu thực hiện chuyển số 2 (4-5s) tốc độ của bánh xe giảm xuống 36 rad/s sau đó từ 5 -10s tăng đến tốc độ mong muốn là 70 rad/s.
Vận tốc góc của Cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào ( � � ):
Hình 3 8 Vận tốc góc của Cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào
Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu ra ( � � ):
Hình 3 9 Tốc độ góc của cần dẫn bộ bánh 1 răng hành tinh đầu ra
Vận độ góc của bánh răng vòng ( � � ):
Hình 3 10 Vận tốc góc của bánh răng vòng
Vận độ góc của bánh răng mặt trời ( � � ):
Hình 3 11 Vận tốc góc của bánh răng mặt trời
Nhận xét: Nhìn vào sơ đồ vận tốc góc của Vòng và Mặt trời, ta có thể thấy rõ ràng khi xe đang đi ở số 1 thì Vòng bị khoá lại ( R = 0 rad/s), vận tốc góc của Mặt trời tăng từ 0 đến khoảng 1000 rad/s Tại thời điểm chuyển số từ 4-5s, lúc này xe chuyển sang số 2 nên Mặt trời bị khoá lại ( S =0 rad/s)và vận tốc góc của Vòng tăng từ 0 đến 250 rad/s.
Mô men tác dụng lên phanh bánh răng vòng ( � �� ):
Hình 3 12 Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng vòng
Mô men tác dụng lên phanh bánh răng mặt trời ( � �� ):
Hình 3 13 Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng mặt trời
Nhận xét : Khi xe di chuyển ở số 1, phanh của Mặt trời mở ra nên mô men khoả của nó giảm mạnh về giá trị 0, mô men khoá phanh của Vòng tăng đến 270
Nm làm cho Vòng bị khoá lại Trong quá trình chuyển số, phanh của Vòng nhả ra nên mô men khoá của nó giảm mạnh về giá trị 0, mô men của Mặt trời tăng đến 140 Nm sau đó giảm về giá trị mong muốn là 40 Nm (điều này được điều khiển hoàn toàn bằng bộ điều khiển PID). Độ giật Jerk khi chuyển số (J):
Hình 3 14 Độ giật khi chuyển số
Tại thời điểm chuyển số từ 4-5s, ta có thể thấy xe đạt được độ êm dịu khi chuyển số khá ổn định, độ giật Jerk: J < 10 m/s 3
Mô Phỏng Thuật Toán Hộp Số Được Đề Xuất Theo Chu Trình Lái
Hình 3 15 Sơ đồ mô phỏng động lực hệ thống truyền động
1 Bộ điều khiển tốc độ bánh răng vòng
Hình 3 16 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng vòng
Các thông số P I D , , của bộ điều khiển được điều chỉnh như sau:
2 Bộ điều khiển tốc độ bánh răng mặt trời
Hình 3 17 Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ bánh răng mặt trời
Các thông sốP, I, Dcủa bộ điều khiển được điều chỉnh như sau:
3 Bộ điều khiển tốc độ động cơ
Tương tự như bộ điều khiển PIDs, trong mô hình mô phỏng hộp số này sử dụng khối Longitudinal Driver để điều khiển momen của đầu ra của động cơ, đây là bộ điều khiển theo dõi tốc độ dọc của xe, dựa vào vận tốc tham chiếu (VelRef) được lấy từ chu trình lái xe thử WLTP class 3 và vận tốc phản hồi (VelFdbk) từ vận tốc của xe, nó tạo ra các lệnh tăng tốc và phanh chuẩn hóa (AccelCmd) có thể thay đổi từ 0 đến 1 Trong mô hình được nhân thêm với 180 để giới hạn momen của động cơ điện được sử dụng từ 0 đến 180 Nm.
Hình 3 18 Bộ điều khiển tốc độ động cơ Longitudinal Driver
Bộ điều khiển sử dụng tham số loại điều khiểnP,I để kiểm soát độ lợi tỷ lệ - tích phân, các thông số của khối được điều chỉnh như sau:
K p = 65, K i = 5,K ff = 05,K g (1/deg)= 01, v nom (VelUnits)= 100,K aw = 1, t auerr (s)= 03
3.2.2 Chu Trình Lái Xe Thử Nghiệm
Tại nhiều quốc gia, ô tô được kiểm tra khả năng tiết kiệm nhiên liệu thông qua các quy trình tiêu chuẩn trước khi được ủy quyền bán Mức tiêu thụ nhiên liệu ô tô thường được đo bằng cách cho một chiếc xe thử nghiệm chạy trên một thiết bị đo chuyên dùng Tuy nhiên, phương pháp kiểm tra, bao gồm các chu kỳ kiểm tra là khác nhau giữa các quốc gia và khu vực Các chu kỳ thử nghiệm mô phỏng một loạt các điều kiện lái xe khác nhau, ở tốc độ đường cao tốc, đường đồ thị với các tốc độ điển hình khác. Ở hầu hết các nền kinh tế đang phát triển, các phương tiện không được kiểm tra khả năng tiết kiệm nhiên liệu trong các phòng thí nghiệm, không có các chu trình thử nghiệm đặc thù của nước đó Các chính phủ thường sẽ dựa vào các dữ liệu của nhà sản xuất đã công bố khi tính toán mức tiết kiệm nhiên liệu dự trữ của xe và đưa ra cách thiết lập một loại đường cơ sở riêng Trong trường hợp không có thử nghiệm quốc gia, các tổ chức người tiêu dùng, chẳng hạn như câu lạc bộ Ô tô, có đủ khả năng để phát triển các quy trình thử nghiệm và tự tiến hành hoặc tài trợ thử nghiệm, công bố kết quả vì sự quan tâm của các thành viên.
Các bài kiểm tra tiết kiệm nhiên liệu cho các loại xe mới khác nhau giữa các vùng Điều này phù hợp trong trường hợp điều kiện lái xe điển hình khác nhau giữa các khu vực về một số khía cạnh ảnh hưởng đến mức tiêu thụ nhiên liệu Điều này bao gồm các kiểu lái xe phổ biến ở đô thị so với các vùng ngoại ô, vùng có nhiệt độ môi trường khác nhau cũng ảnh hưởng đến mức tiêu thu nhiên liệu khác nhau do phải chạy các thiết bị phụ trợ khác, đặc biệt là điều hòa không khí.
Một chu kỳ lái xe là một lịch trình hoạt động cố định của xe cho phép tiến hành thử nghiệm khí thải hoặc tính tiết kiệm nhiên liệu trong các điều kiện có thể tái tạo Chu kỳ lái xe thường được xác định theo tốc độ và việc lựa chọn cấp như một hàm theo thời gian Một người lái xe đã qua đào tạo được tuyển dụng để tuân theo chu trình lái xe trên thiết bị thử Một thiết bị hỗ trợ người lái được cung cấp để đảm bảo rằng vận tốc thực tế càng gần với chu trình thử nghiệm càng tốt Mức độ phát thải phụ thuộc nhiều vào thông số, bao gồm các yếu tố liên quan đến xe như kiểu dáng, kích thước, loại nhiên liệu, trình độ công nghệ và quãng đường đi được, các yếu tố vận hành như tốc độ, gia tốc, lựa chọn số phù hợp, và các lực cản môi trường tác động vào xe Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các chu kỳ thử nghiệm khác nhau được phát triển cho các loại phương tiện khác nhau như Ô tô hạng nhẹ, xe tải hạng nặng, xe bus và xe máy Chu trình thử nghiệm được sử dụng cho xe có thể sử dụng với các mục đích khác nhau, việc kiểm tra tính tiết kiệm nhiên liệu là một mục đích điển hình mà hiện nay tất cả các phương tiện đưa ra thị trường đều phải công bố thông số này Ngoài ra,chu trình còn sử dụng cho các mục đích khác như kiểm tra độ bền của động cơ. a) Chu trình NEDC
Chu trình NEDC (New European Driving Cycle) là một chu trình đã được cách điệu hóa cao, với khoảng thời gian tăng tốc và giảm tốc liên tục, ít liên quan đến điều kiện lái thực tế Tuy nhiên, nó là một chu trình được thiết kế đặc biệt để kiểm duyệt các kiểu xe hạng nhẹ ở Châu Âu như Hình 3.4.
Hình 3 19 Chu trình lái xe NEDC
Chu trình mô phỏng vận tốc chuyển động trên loại đường hỗn hợp, trong nội đô và ngoài đô thị, thời gian chuyển động trong nội đô chiếm khoảng 2/3 thời gian, còn lại 1/3 thời gian là chuyển động ngoài đô thị. b) Chu trình lái xe thực tế
Chu trình thử nghiệm như Hình 3.5 là một chu kỳ lái xe thực tế dựa trực tiếp vào dữ liệu thu thập được từ các phương tiện khi chúng đang vận hành trên đường Trong một số trường hợp, chu kỳ trong thế giới thực có thể được lấy từ dữ liệu của một chuyến đi cụ thể nào đó Một số trường hợp khác, để mang tính tổng quát, các phân đoạn dữ liệu từ một số chuyến đi có thể được kết hợp với nhau để tạo ra một chu kỳ đại diện Sự tương phản giữa các chu kỳ thực và chu kỳ giả lập và rõ ràng.
Hình 3 20 Chu trình lái xe thực tế c) Chu trình lái xe WLTP
Chu trình WLTP (Worldwide Harmonized Light-duty Test Procedure) được thay thế cho chu trình NEDC từ tháng 9 năm 2017 Nước Đức là nước đi đầu trong công cuộc phát triển và thay đổi chu trình cũ Nó đã được thông qua bởi Ủy ban vận tải nội địa của Ủy ban Kinh tế liên hộp quốc tại Châu Âu (UNECE), một thỏa thuận được chấp thuận vởi Trung Quốc, Hoa Kỳ, Nhật bản và các nước trong liên minh châu Âu.
WLTP kiểm tra tốt hơn những vấn đề về phát thải sinh ra của xe và tính tiết kiệm nhiên liệu của xe gần với thực tế hơn nhiều so với NEDC Phiên bản cuối của được phát hành vào năm 2015 Một trong những mục tiêu chính của WLTP là phù hợp hơn với các ước tính trong phòng thí nghiệm về mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải và việc kiểm tra thực tế trên đường Nó còn có mục tiêu khác rõ ràng ở chính tên gọi của nó là nhằm mục đích hài hòa với các quy trình kiểm tra đã xuất hiện trên toàn thế giới chỉ phục vụ cho từng khu vực địa phương, biến nó thành một chu trình kiểm tra ở cấp độ quốc tế và thiết lập một sân chơi bình đẳng trên thị trường Ô tô toàn cầu.
Quy trình kiểm tra được hướng dẫn và thực hiện nghiêm ngặt với bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm bằng bang thử tải (Kiểm tra lực kế khung xe) WLTP có 3 loại chu trình thử nghiệm khác nhau tùy thuộc vào từng loại xe được xác định bởi tỷ lệ công suất động cơ/ trọng trượng xe.
Hầu hết các Ô tô phổ thông hiện nay đều có có tỷ lệ lớn hơn 40W/kg, do đó thường áp dụng chu trình WLTP loại 3 (WLTP-class-3) để áp dụng kiểm tra Xe tải hạng nặng và xe buyt có thể dùng loại 2 WLTP cũng nhằm mục tích trở thành bài kiểm tra thực tế cho các dòng xe điện, xe Hybrid Tất cả các loại xe điện đều được sử dụng chu trình WLTP-class-3 để làm chu trình chạy thử nghiệm.
Hình 3 21 Chu trình lái xe WLTP
Chu trình WLTP-class-3 được chia làm 4 giai đoạn được trình bày như hình 3.6, giai đoạn đầu chạy với tốc độ thấp sau đó là sang các giai đoạn tốc độ trung bình, tốc độ cao, và rất cao Đặc điểm của chu trình này sát với thực tế thể hiện hành vi điều khiển xe thực tế của người lái và điều kiện lái thực tế trên đường, vận tốc biến đổi liên tục, gia tốc thay đổi đột ngột.
Trong luận văn sử dụng chu trình lái xe thử nghiệm WLTP class 3 làm đầu vào mô phỏng đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng.
Vận tốc góc của động cơ điện ( � �� ):
Hình 3 22 Vận tốc góc của động cơ điện
Vận tốc góc của trục đầu ra đến bánh xe chủ động ( � � ):
Hình 3 23 Vận tốc góc của trục đầu ra đến bánh xe chủ động
Nhận xét: Trong sơ đồ trên, mô phỏng kéo dài từ 0 - 1700s được mô phỏng theo chu trình thử nghiệm WLTP class 3 với các vận tốc di chuyển gần như giống với thực tế, khi xe dừng thì vận tốc của động cơ điện và bánh xe giảm mạnh về 0, khi xe chuyển động thì tương ứng với các giá trị như 2 sơ đồ trên Ở thời điểm t = 1570s thì xe thực hiện chuyển từ số 1 sang số 2, ta nhận thấy độ êm dịu khi chuyển số tạm ổn, điều này còn phụ thuộc vào bộ điều khiển vận tốc được thể hiện trên mô hình điều khiển hộp số (hình 3.2).
Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào ( � � ):
Hình 3 24 Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu vào
Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu ra ( � � ):
Hình 3 25 Vận tốc góc của cần dẫn bộ bánh răng hành tinh đầu ra
Vận độ góc của bánh răng vòng ( � � ):
Hình 3 26 Vận tốc góc của bánh răng vòng
Vận độ góc của bánh răng mặt trời ( � � ):
Hình 3 27 Vận tốc góc của bánh răng mặt trời
Nhận xét: Trong sơ đồ trên, mô phỏng kéo dài từ 0 - 1700s được mô phỏng theo chu trình thử nghiệm WLTP class 3 với các vận tốc di chuyển gần như giống với thực tế, khi xe di chuyển với số 1 trong thời gian từ 0 - 1570s, lúc này phanh của Vòng đang khoá nên vận tốc góc của Vòng sẽ giảm mạnh về 0, phanh của Mặt trời đang được nhả ra nên vận tốc góc của Mặt trời lúc này sẽ hoạt động từ 0 đến gần 3000 rad/s Ở thời điểm t = 1570 - 1700s thì xe thực hiện chuyển từ số 1 sang số 2, phanh của Mặt trời sẽ thực hiện khoá lại và Vòng sẽ nhả ra, làm cho vận tốc góc của Mặt trời giảm về 0 và vận tốc góc của Vòng sẽ quay đến giá trị mong muốn là 450 rad/s, điều này hoàn toàn được điều khiển bằng bộ điều khiển PIDs.
Mô men tác dụng lên phanh bánh răng vòng ( � �� ):
Hình 3 28 Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng vòng
Mô men tác dụng lên phanh bánh răng mặt trời ( � �� ):
Hình 3 29 Mô men tác dụng lên ly hợp của bánh răng mặt trời
Nhận xét: Tương tự như đã giải thích ở sơ đồ vận tốc góc của Vòng và Mặt trời, khi xe di chuyển ở số 1 thì mô men khoá của phanh Vòng tăng đến khoảng 12.10 4 Nm và của Mặt trời giảm về 0 Khi xe di chuyển ở số 2 thì ngược lại mô men khoá của phanh Mặt trời đạt giá trị khá lớn là gần 13.10 5 Nm còn của Vòng giảm mạnh về 0 Nm, và điều này được điều khiển bằng bộ điều khiển PIDs cùng với thuật toán chuyển số theo chu trình thử nghiệm WLTP class 3.
Tăng, giảm số theo chu trình lái xe thử WLTP class 3:
Hình 3 30 Biểu đồ tăng, giảm số theo chu trình lái xe thử WLTP Class 3
Giải thích kết quả mô phỏng:
Qúa trình mô phỏng được thử nghiệm trong khoảng từ 0 - 1700 giây.
Kết Luận Chương 3
Trong chương cuối này, mô hình động lực học của hộp số hai cấp SEAMLESS được đề xuất, được mô phỏng bằng MATLAB/SIMULINK Sự mô phỏng kết quả cho thấy dao động của các vận tốc đầu ra trong quá trình chuyển số không quá lớn, điều này hoàn toàn phụ thuộc vào định luật điều khiển sang số Hai hệ thống phanh trong hộp số đề xuất không chỉ mang lại khả năng sang số liền mạch mà còn giúp đồng bộ hóa tốc độ động cơ với hệ thống truyền động, từ đó có thể giảm được thời gian sang số Có thể dễ dàng chỉ ra rằng thuật toán điều khiển cho việc chuyển số xuống có thể được thực hiện theo cách tương tự như khi chuyển số lên, sự khác biệt chính nằm ở trình tự của các pha quán tính và mô men xoắn.