Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật Ô tô, máy kéo: Nghiên cứu đánh giá tính năng động lực học xe Hybdrid bằng phương pháp mô phỏng

Từ đó, việc phát triển xe Hybrid, một dòng xe lai giữa xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống và xe chạy bằng điện, đã được thực hiện từ nhiều năm trước, nhằm giảm phụ thuộc vào dầu m

Tổng Quan Về Ôto Hybrid Và Toyota Hybrid

Giới thiệu xe hybrid

2.1.1 Lịch sử xe hybrid ắ Xe hybrid được phỏt triển từ rất sớm nhưng khi xăng dầu được phỏt hiện và cú giá rẻ thì động cơ đốt trong phát triển nhanh chóng Năm 1896, chiếc xe hybrid đầu tiên được chế tạo bởi Peiper và được triển lãm ở Paris salon năm 1899 Là xe hybrid kiểu song song với một động cơ xăng nhỏ làm mát bằng gió được hỗ trợ thêm một động cơ điện và các ắc quy chì

Hình 2.1: Xe hybrid đầu tiên (1899) ắ Vào năm 1899, một chiếc xe hybrid khỏc được giới thiệu tại Paris salon, là xe hybrid kiểu nối tiếp đầu tiên ắ Năm 1903, Camille Jenatzy đó giới thiệu một xe hybrid kiểu song song tại Paris salon Chiếc xe này kết hợp động cơ xăng 6hp và động cơ điện 14hp ắ Từ năm 1899 đến 1914, cỏc xe lai khỏc cả kiểu song song và nối tiếp lần lượt ra đời Mặc dù phanh điện được sử dụng trong thiết kế trong thời gian đầu nhưng lại không đề cập đến phanh tái sinh (phanh phục hồi năng lượng) Và năm 1903 chiếc Lohner- Porsche đã được sản xuất

Hình 2.2: Xe hybrid Lohner- Porsche ắ Những xe lai thế hệ đầu được chế tạo để hỗ trợ thờm cho cỏc động cơ đốt trong hoặc mở rộng tầm hoạt động của xe điện Chúng ứng dụng những công nghệ điện có sẵn mặc dù có nhiều sáng tạo trong các thiết kế, nhưng những chiếc xe lai này không thể cạnh tranh nổi với các động cơ xăng được cải tiến đáng kể sau Chiến tranh Thế Giới I Động cơ xăng có sự cải tiến vượt bậc về công suất, các động cơ trở nên nhỏ gọn, hiệu quả hơn và không cần sự hỗ trợ thêm của động cơ điện trong thời gian dài Sự tăng giá do thêm động cơ điện và sự độc hại từ ắc qui chì làm cho xe lai bị lãng quên

Hình 2.3: Xe hybrid Owen Magnetic Model 60 Touring (1921) ắ Năm 1975, Dr Victor Wouk (được biết đến như một nhà nghiờn cứu trong trào lưu xe điện) cùng với các đồng nghiệp đã chế tạo một phiên bản xe hybrid kiểu song song của chiếc Buick Skylark Động cơ được sử dụng là động cơ quay của Mazda kết hợp với số thường Nó được hỗ trợ bởi động cơ điện DC riêng biệt 15hp được đặt phía trước hộp số 8 ắc qui 12V được sử dụng để dự trữ năng lượng Tốc độ tối đa đạt được là 80mph (129km/h), khả năng tăng tốc từ 0 đến 60 mph trong 16s

7 Hình 2.4: xe hybrid Victor Wuck (1975) ắ Trải qua hai cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 và năm 1977, vấn đề mụi trường ngày càng được quan tâm, nhưng chẳng có chiếc xe lai nào xuất hiện trên thị trường Các nhà nghiên cứu bị thu hút bởi xe điện, vì vậy có nhiều mẫu xe được sản xuất trong thập niên 80 Xe lai thiếu sự quan tâm trong thời kỳ này là do thiếu sự phát triển của điện tử công suất ứng dụng, động cơ điện hiện đại và công nghệ ắc qui ắ Vào thập niờn 80 xe lai được quan tõm trở lại khi một điều trở nờn chắc chắn rằng xe điện không bao giờ đạt đến mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu Tập đoàn Ford Motor khởi động chương trình “Thách thức xe lai điện Ford” thu hút những nỗ lực từ các trường đại học nhằm phát triển phiên bản xe lai cho sản xuất ô tô ắ Nỗ lực của người Chõu Âu được thể hiện qua chiếc French Renault Next, là chiếc xe lai điện cỡ nhỏ sử dụng động cơ đốt cháy cưỡng bức 750cc và 2 động cơ điện ắ Sự nỗ lực đỏng kể nhất trong sự phỏt triển và thương mại húa xe lai điện được tạo ra bởi các nhà sản xuất người Nhật Năm 1997 Toyota đã cho ra mắt dòng sedan Prius ở Nhật Honda cũng cho ra dòng xe Insight hybrid và Civic hybrid

Những chiếc xe này hiện đang được lưu thông trên thế giới Các dòng xe Toyota Prius và Honda Insight có giá trị lịch sử vì chúng là những chiếc xe lai đầu tiên đi vào thương mại hóa trong kỷ nguyên hiện đại để đáp ứng vấn đề tiêu thụ nhiên liệu trên xe

Xe hybrid (HEV: hybrid electric vehicle) thường được gọi là xe lai hay xe lai điện, là một chiếc xe trong đó có hiều hơn một nguồn năng lượng, các bộ lưu trữ, các bộ đổi điện có thể phân phối năng lượng điện Xe lai hoạt động nhờ sự kết hợp hay hoạt động riêng lẻ giữa động cơ đốt trong và động cơ điện Có các thiết bị kiểm soát và điều khiển hai nguồn động lực để giúp xe hoạt động ở chế độ tốt nhất

Xe hybrid là giải pháp giải quyết cho vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay và khắc phục được phạm vi giới hạn hoạt động của xe điện Đặc biệt, ắc qui có thể được nạp điện lại với cơ chế nạp nhờ vào quá trình phanh, xe xuống dốc,…gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng nhờ vậy mà xe tiết kiệm được lượng nhiên liệu để sạc ắc qui

Khi hoạt động trong đô thị với tốc độ thấp, phương tiện hybrid có thể chạy hoàn toàn bằng động cơ điện, nhờ đó tiết kiệm đáng kể nhiên liệu và giảm thiểu khí thải Thêm vào đó, khi dừng lại tại đèn đỏ hoặc tắc đường, cả động cơ điện và động cơ xăng đều ngắt, loại bỏ hoàn toàn việc tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí độc hại.

2.1.3 Các hệ thống truyền động xe hybrid

Xe hybrid hiện nay áp dụng 3 cấu hình truyền động chính với cơ chế hoạt động khác biệt Hai cấu hình cơ bản bao gồm: truyền động nối tiếp và song song Ngoài ra, còn có cấu hình hỗn hợp, kết hợp ưu điểm của cả hai loại truyền động trên.

2.1.3.1 Hệ thống hybrid nối tiếp (Series hybrid system)

Hệ thống nối tiếp là loại đơn giản, động cơ điện truyền lực tới tất cả các bánh xe chủ động, một động cơ đốt trong nhỏ gọn chỉ kéo máy phát điện để sinh ra điện năng cung cấp cho động cơ điện, và sạc lại ắc qui khi mức năng lượng thấp hơn mức qui định

Hình 2.6: Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp

Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc-quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện Động cơ điện ở đây còn có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh

Hệ thống lai nối tiếp có ưu điểm nổi bật là cho phép bố trí động cơ nhiệt và động cơ điện dễ dàng, giảm thiểu độ phức tạp của hệ thống truyền động Do đó, giải pháp này phù hợp với những chuyến đi quãng đường ngắn.

10 Nhược điểm: ắ Trờn xe luụn tồn tại 3 động cơ: động cơ đốt trong (ICE), mỏy phỏt điện (generator) và động cơ điện (motor) ắ Động cơ phải được thiết kế cho hoạt động ở cụng suất tối đa khi cần thiết như khỉ phải leo lên dốc cao Động cơ hoạt động liên tục trong quá trình xe chạy ắ Kớch thước của động cơ đốt trong, ắc qui, mỏy phỏt điện phải đủ lớn để hoạt động đường dài, bền vững và khi cần cho xe chạy ở tốc độ cao

2.1.3.2 Hệ thống hybrid song song (Parallel hybrid system)

Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động và tùy thuộc vào điều kiện hoạt động mà nguồn lực này được truyền tới khác nhau Động cơ nhiệt và động cơ điện được kết nối với nhau thông qua bộ ly hợp riêng biệt Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền moment chính còn động cơ điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc

Tình hình sử dụng xe hybrid

Với mục tiêu góp phần giải quyết các vấn đề môi trường, tập đoàn ô tô Toyota (TMC: Toyota Motor Corp) luôn nỗ lực để đẩy mạnh nhu cầu thị trường đối với việc sử dụng các mẫu xe hybrid, doanh số xe hybrid chiếm 15% tổng doanh số bán hàng của TMC trên toàn cầu Và tính đến thời điểm 30/04/2012 thì xe hybrid bán được đạt ngưỡng 4 triệu chiếc (theo Toyota Việt Nam)

15 Bảng 2.2: Tổng số lượng xe Toyota hybrid bán được

Tính đến tháng 3 năm 2012, Hoa Kỳ là quốc gia có số lượng xe hybrid lưu hành nhiều nhất thế giới, đạt 2.263.924 triệu chiếc Trong số đó, Toyota Prius chiếm thị phần áp đảo với 1.151.508 triệu chiếc, tương đương 51% Các mẫu xe hybrid phổ biến khác tại Hoa Kỳ bao gồm Honda Civic với 211.312 triệu chiếc (chiếm 9%).

Hình 2.13 : Các loại xe hybrid bán được ở thị trường Mỹ từ năm 1999- 2012

Toyota và Toyota hybrid

2.3.1 Thông số kỹ thuật các dòng xe phổ biến

Một số thông số kỹ thuật cơ bản của các dòng xe phổ biến

Hình 2.14: Toyota Innova Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của các loại xe Innova

Innova G Innova V Innova J Động cơ

Loại động cơ 2,0 lít (1TR-FE) 2,0 lít (1TR-FE) 2,0 lít (1TR-FE)

Kiểu 4 xi lanh thẳng hàng, 16 van, cam kép với VVT - i

4 xi lanh thẳng hàng, 16 van, cam kép với VVT - i

4 xi lanh thẳng hàng, 16 van, cam kép với VVT – i

Dung tích xy lanh (cc) 1998 1998 1998

Công suất cực đại (Hp) 100/5200 (rpm) 100/5600 (rpm) 100/5600 (rpm) Momen xoắn cực đại (N.m) 182/4000 (rpm) 186/4000 (rpm) 186/4000 (rpm)

Loại nhiên liệu Xăng Xăng Xăng

Hệ thống nạp nhiên liệu EFI EFI EFI

Dung tích bình nhiên liệu (lít) 55 55 55

Kích thước và trọng lượng

Kích thước tổng thể (mm) 4580 x 1810 x

Chiều dài cơ sở (mm) 2750 2750 2750

Chiều rộng cơ sở trước/ sau 1510/1510 1510/1510 1510/1510

Khoảng sáng gầm xe (mm) 191 191 191

Trọng lượng không tải (kg) 1605 - 1660 1530- 1550 1530- 1550

Trọng lượng toàn tải (kg) 2250 2130 2170

Bán kính quay vòng tối thiểu (m)

Vành mâm xe Mâm đúc Mâm đúc Mâm đúc

Hộp số 5 số tay 4 số tự động 5 số tay

Hình 2.15: Toyota Fortuner Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của các loại xe Fortuner

Fortuner 2.5G (4x2) MT Fortuner 2.7V (4x2) AT Động cơ

Loại động cơ 2KD - FTV 2TR-FE

Kiểu 2,5l diesel common rail tăng áp, 4 xylanh thẳng hàng, 16 van, DOHC

2,7l gasoline, 4 xylanh thẳng hàng, 16 van, DOHC, VVT-i

Dung tích xy lanh (cc) 2494 2694

Công suất cực đại (Hp) 100,5/3600 (rpm) 158/5200 (rpm) Momen xoắn cực đại (N.m) 26,51/1600-2400 (rpm) 24,57/3800 (rpm)

Loại nhiên liệu Diesel Xăng

Hệ thống nạp nhiên liệu EFI EFI

Dung tích bình nhiên liệu (lít) 55 65

Kích thước và trọng lượng

Kích thước tổng thể (mm) 4695 x 1840 x 1850 4695 x 1840 x 1850

Chiều dài cơ sở (mm) 2750 2750

Chiều rộng cơ sở trước/ sau (mm) 1540/1540 1540/1540

Khoảng sáng gầm xe (mm) 220 220

Trọng lượng không tải (kg) 1790- 1810 1840- 1850

Trọng lượng toàn tải (kg) 2380 2450

Bán kính quay vòng tối thiểu (m) 5,4 5,9

Vành mâm xe Mâm đúc Mâm đúc

Hộp số 5 số tay 4 số tự động

Toyota Prius thuộc dòng Compact Hybrid car được sản xuất dành riêng cho thị trường Mỹ Dòng xe này là sự kết hợp hoàn hảo của động cơ xăng 1.5i 177 hp với động cơ điện 50 kW (68hp) Ra mắt thị trường tháng 12 năm 1997 với kiểu xe Sedan, đầu năm 2003 giới thiệu phiên bản mới có 05 cửa và 05 chỗ ngồi

19 Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật Toyota Prius I

Thông Số Kỹ Thuật TOYOTA Prius 1.5 Hybrid 110 hp 2003 Động cơ

Loại động cơ 1.5 Hybrird, 4 xilanh

Dung tích xi lanh (cm3) 1496

Công suất cực đại (hp/ rpm) 110/ 5000 Momen xoắn cực đại (Nm/ rpm) 115/4000

Tốc độ tối đa (Km/ h) 170

Hộp số 4 cấp số tay

Truyền động Cầu trước Kích thước trọng lượng Dài x Rộng x Cao (mm) 4455 x 1725 x 1490

Chiều dài cơ sở (mm) 2700

Khoảng sáng gầm xe (mm) 142

Tự trọng không tải (Kg) 1260

Trọng lượng tối đa (Kg) 1725

Sử dụng nhiên liệu Xăng, điện

Tiêu thụ nhiên liệu (city, L/ 100Km) 5 Tiêu thụ nhiên liệu (highway, L/ 100Km) 4,2 Tiêu thụ nhiên liệu (combined, L/ 100Km) 4,3

Hệ thống phanh trước/sau Đĩa hỗ trợ ABS

Số cửa 5 Số chỗ ngồi 5 Năm bắt đầu sản xuất 2003 Nơi sản xuất Nhật Bản

Hình 2.17: Toyota Prius (2009) Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật Toyota Prius II

Thông Số Kỹ Thuật TOYOTA Prius II 1.8L 4Xyl Hybrid 2010 Động Cơ

Loại động cơ 1.8 Hybrid, 4 xilanh

Dung tích xi lanh (cm3) 1,798

Công suất cực đại (hp/ rpm) 134hp (36hp từ mô-tơ điện)/ 5,200 Momen xoắn cực đại (Nm/ rpm) 142 / 4,000 (động cơ xăng)

Hộp số Vô cấp biến thiên liên tục điều khiển điện tử - EC Truyền động Cầu trước

Chiều dài cơ sở (mm) 2,700

Khoảng sáng gầm xe (mm) 140

Tự trọng không tải (Kg) 1,380

Nhiên liệu Sử dụng nhiên liệu Xăng, điện

Tiêu thụ nhiên liệu (city, L/ 100Km) 4.6 Tiêu thụ nhiên liệu (highway, L/ 100Km) 4.9 Tiêu thụ nhiên liệu (combined, L/ 100Km) 4.7

21 Hệ thống phanh trước/sau Đĩa tản nhiệt với caliper trượt pit-tông đơn

Số cửa 05 Số chỗ ngồi 05 Năm bắt đầu sản xuất 2009

Nơi sản xuất Nhật Bản

Toyota Prius, dòng xe hybrid bán chạy nhất thế giới, bước sang thế hệ thứ 3 với những cải tiến theo xu thế chung của các dòng xe Toyota làm cho Prius 2011 mang một nét mới lạ và cuốn hút Toyota Prius 2011 được trang bị động cơ 4 xylanh và một động cơ điện, công suất có thể lên tới hơn 134 mã lực

22 Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật của Toyota Prius 2011

Chiều dài cơ sở (mm) 2.779

Dung tích xylanh (lít) Động cơ xăng 1.8L

Kiểu động cơ L4 DOHC, VVTI

Hộp số Số tự động vô cấp điều khiển điện tử ECVT

Tổng công suất lớn nhất (hp/rpm) 134/5.200 Momen xoắn lớn nhất (lb/rpm) 153/4.000 Loại nhiên liệu Xăng – Điện Dung tích bình nhiên liệu 45

Kiểu dẫn động Cầu trước (FWD)

Chương Trình Mô Phỏng Advisor

Giới thiệu về chương trình Advisor

3.1.1 Tầm quan trọng của mô phỏng xe

Mô phỏng dựa trên sự phân tích hiệu suất của xe là rất quan trọng cho sự phát triển của xe hybrid kể từ khi sử dụng những mẫu thử tốn kém và không thực tế Do sự bất tiện của phương pháp nhiều mô hình đơn lẻ, cho nên các công cụ mô hình hóa tích hợp sẽ thuận tiện hơn và được khuyến khích phát triển, quá trình này đẩy nhanh việc nghiên cứu và cải thiện độ chính xác

Mô phỏng xe là một phương pháp nhanh, chính xác và có hệ thống, có thể thay đổi nhiều tùy chọn khác nhau như là nhiên liệu, pin, hệ thống truyền lực, pin nhiên liệu hay là nhiên liệu thay thế … trong việc thiết kế và phát triển sàn phẩm Hiện tại, một vài công cụ mô phỏng dựa trên những nền tảng mô hình hóa khác nhau có sẵn mặc dù không có chương trình nào là có đủ tất cả các tùy chọn cho thiết kế xe Những công cụ này luôn tập trung vào một ứng dụng cụ thể với những mối quan tâm chính

Trong quá trình nghiên cứu và phát triển không ngừng nhiều năm qua, các nhà khoa học vẫn nỗ lực cải tiến các công cụ mô phỏng mang đặc tính nhanh, chính xác và linh hoạt Một trong những công cụ được sử dụng phổ biến nhất cho việc mô phỏng và phân tích xe là dựa trên nền tảng Matlab/Simulink và Modelica/Dymola Ngoài ra, Advisor là một chương trình mô phỏng dựa trên nền tảng Matlab.

3.1.2 Chương trình mô phỏng Advisor

Advisor (Advance Vehicle Simulator) là chương trình mô phỏng được phát triển bởi phòng thí nghiệm Năng Lượng Tái Tạo Quốc Gia Mỹ vào những năm cuối thập niên 90 Nó lần đầu tiên được phát triển để hỗ trợ Bộ Năng Lượng Mỹ trong việc nghiên cứu một động cơ hybrid (động cơ lai) Advisor đã được sử dụng rộng rải bởi các nhà sản xuất oto, các trường đại học và các viện nghiên cứu Việc có nhiều người sử dụng đã tạo nên rất nhiều dữ liệu cho thư viện

24 Advisor Với một giao diện thân thiện với người dùng, Advisor được phát triển trên nền Matlab/Simulink sử dụng trong việc mô hình hóa, mô phỏng và phân tích hệ thống động lực Nó hỗ trợ cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến tính, mô hình hóa trong thời gian liên tục, có khả năng tính toán nhiều thứ cùng lúc như là nhiều bộ phận khác nhau được lấy mẫu và cập nhật với các tốc độ khác nhau

Phương pháp mô hình hóa Advisor

Advisor sử dụng cả hai phương pháp mô hình ngược và xuôi Phương pháp tiếp cận ngược bắt đầu từ một chu trình lái xe, và ghi lại lượng điện năng cần thiết thông qua các mô hình hệ thống truyền lực để tìm thấy bao nhiêu thành phần liên quan phải thực hiện Một lưu đồ (sơ đồ khối) của quá trình này

Hình 3.1 Sơ đồ phương pháp tiếp cận ngược

Mô hình này sử dụng phương pháp tính toán trực tiếp công suất tại các bánh xe từ dấu vết tốc độ theo thời gian, thay vì sử dụng các động tác lái thông thường Sau đó, công suất này được chuyển đổi thành mômen xoắn và tốc độ để xác định công suất nguồn, chẳng hạn như công suất của động cơ đốt trong.

Tập hợp các phần lại với nhau, công suất này sẽ được tính toán thông qua hệ thống truyền lực, có thể xét đến hao phí công suất Cuối cùng, việc sử dụng nhiên liệu hay năng lượng điện sẽ được tính toán ghi lại tốc độ hay chu trình lái

25 Mô phỏng xe bằng phương pháp xuôi bao gồm một mô hình điều khiển và một mô hình truyền lực Mô hình điều khiển sẽ so sánh tốc độ yêu cầu và tốc độ hiện tại để quyết định ga và phanh phù hợp (bằng cách sử dụng bộ điều khiển PI) Lệnh ga sẽ được gửi tới để điều chỉnh momen xoắn tại công suất nguồn (động cơ hay motor) Trong khi phanh thì lệnh này cũng sẽ được gửi tới để điều chỉnh lực ma sát ở bánh xe Momen xoắn được cung cấp bằng công suất nguồn thông qua hệ thống truyền lực đến bánh xe, tốc độ xe sẽ được tính toán và gửi lại trình điều khiển như tốc độ hiện tại

Hình 3.2 Sơ đồ khối 2 chế độ chạy của xe

Advisor cung cấp việc truy cập dễ dàng và nhanh chóng nắm bắt được các thao tác đối với chương trình này thông qua một giao diện đồ họa (GUI interface) Có 3 cửa sổ sẽ hướng dẫn người sử dụng từ các thiết lập ban đầu đến kết quả cuối cùng Cửa sổ đầu tiên được sử dụng để nhập dữ liệu liên quan đến chiếc xe ban đầu (hình 3.3) Cửa sổ thứ hai cung cấp một số tùy chọn mô phỏng mà có thể lựa chọn từ đó (hình 3.4 Cửa số cuối cùng thể hiện kết quả mô phỏng (hình 3.5) Ở cửa sổ đầu vào, hệ thống truyền động của chiếc xe được cấu hình (như là loại, kiểu bố trí, thông thường …vv…) được qui định cụ thể cũng như các thành phần hệ thống truyền lực khác Bản đồ thể hiện đặc tính hiệu suất cho các thành phần hệ thống truyền lực khác nhau có thể truy cập bằng cách sử dụng menu liên kết Kích thước của một thành phần (như là công suất lớn nhất và số lượng các mo-dun) có thể được sửa đổi bằng cách chỉnh sửa các giá trị đặc trưng hiển thị trong các khung Do phương pháp tiếp cận đơn giản, Advisor nhanh hơn rất nhiểu Bất kỳ tham số vô hướng nào cũng có thể được sửa đổi bằng các trình đơn ở bên phải của cửa sổ Tất cả các tham số cấu hình của chiếc xe có thể được lưu lại để sử dụng trong tương lai

Hình 3.3: Giao diện các thông số đầu vào của Advisor

Sau khi những đặc tính đầu vào của xe được qui định cụ thể, giao diện tiếp theo là cửa sổ thiết lập mô phỏng (hình 3.4) Trong cửa sổ thiết lập mô phỏng, người dùng sẽ xác định những trường hợp, thông số nào trên xe là được mô phỏng Một số thông số được kiểm tra trong chu trình lái, tăng tốc và một số chu trình đặc biệt khác Ví dụ, khi có một chu trình lái xe được chọn, biểu đồ tốc độ có thể được xem ở phần trên bên trái của cửa sổ và phân tích thống kê của chu trình ở phần dưới bên trái Với cấu hình các thông số mô phỏng, mô phỏng có thể được chạy và kết quả sẽ được trình bày sau khi hoàn thành

Hình 3.4: Giao diện thiết lập mô phỏng

Cửa sổ kết quả (hình 3.5) sẽ hiển thị các đánh giá về đặc tính của xe, biểu đồ tích hợp cả chu kỳ hay từng thời điểm bất kỳ nào trong chu kỳ Các kết quả bao gồm đặc tính xe, mức tiêu hao nhiên liệu và khí thải Chi tiết kết quả theo thời gian có thể được vẽ lại với những mức độ khác nhau của chi tiết (như là tốc độ động cơ, momen xoắn của động cơ, điện áp ắc-quy …) Ở phần bên phải của cửa sổ, kết quả tóm tắt như là mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải nhất định Ở bên trái là biểu đồ chi tiết theo thời gian Những kết quả này có thể được thay đổi để hiển thị những chi tiết khác bằng cách sử dụng các menu ở phần trên bên phải

28 Hình 3.5: Cửa sổ kết quả mô phỏng

Khả năng và hạn chế của Advisor

Advisor được phát triển như là một công cụ phân tích đơn giản, công cụ này có thể được sử dụng để nhanh chóng xác định số lượng tương đối các ảnh hưởng của các công nghệ tiên tiến trên xe Nó nhanh chóng phát triển thành một công cụ với hàng loạt các khả năng

Những tính năng chính: sau đây là một số tính năng chính mà nhờ đó nó được sử dụng rộng rãi

• Giao diện trực quan và dễ sử dụng

• Các giải pháp nhanh chóng

• Phân phối như mã nguồn mở

• Mô hình hóa các thành phần mở rộng

• Hỗ trợ khách hàng tốt, bảo trì phần mềm và cung cấp tài liệu

• Miễn phí và phát hành rộng rãi

• Tham số mô hình cao

• Cung cấp các giải pháp mạnh mẽ

Advisor được thiết kế một cách linh hoạt và mở, công nghệ mới, chiến lược quản lý năng lượng độc đáo, chiếc xe mô phỏng được cấu hình dễ dàng và được đánh giá trong một hệ thống mô hình Người sử dụng nhận được tất cả các mã nguồn khi các gói phần mềm được tải về Các kiến trúc mở và sẵn có của mã nguồn cho phép một số lượng tùy biến đáng kể Người dùng có thể thay thế các thành phần hiện có bằng các mô hình chi tiết hơn nếu thấy cần thiết

Giao diện đồ họa của Advisor được thể hiện một cách rất trực quan, cung cấp các tính năng dễ dàng, thay đổi các thông số nhanh chóng và đánh giá được nhiều tình huống xe khác nhau

Advisor lần đầu tiên được phát hành rộng rãi và miễn phí thông qua internet vào tháng 9 năm 1998 Người sử dụng đã được giải đáp những câu hỏi về cách sử dụng và các tính năng của chương trình Advisor đã đạt được và duy trì sự tin tưởng của những người sử dụng phần mềm cho những dự án phân tích hệ thống xe

Cuối cùng, hầu hết mọi thứ trong Advisor đã được tham số hóa, giúp các thành phần dễ dàng tùy chỉnh trong quá trình nghiên cứu phát triển và sản xuất xe mới.

Hai tiến trình mô phỏng phổ biến nhất là phân tích chu trình lái và thực hiện kiểm tra Một chu trình lái bao gồm một loạt các tốc độ xe khác nhau theo thời gian Hiện có hơn 40 chu trình lái khác nhau để lựa chọn trong cơ sở dữ liệu của Advisor Dữ liệu này được thu thập bởi các kỹ sư sử dụng các dữ liệu có sẵn để mô phỏng xe, xác định các đặc tính hoạt động của xe, mô phỏng các tình huống trong thế giới thực của xe Một thử nghiệm đặc tính cho phép người sử dụng xác định khả năng tăng tốc của xe và các đặc tính khác như công suất, mức tiêu hao nhiên liệu… Các thử nghiệm này thường cung cấp nhiều thiết lập thông số tùy biến chạy thử nghiệm với hoặc không có pin nguồn (battery) đối với xe hybrid

Ngoài ra, các thử nghiệm có thể được chạy bằng cách sử dụng các phương tiện có trọng lượng khác với trọng lượng thực tế của phương tiện Các bài thử xác định đặc tính đã được thiết kế để cung cấp nhiều tùy chọn linh hoạt đáng kể trong việc xác định các đặc tính của phương tiện.

Hình 3.6: Kết quả thử nghiệm tăng tốc của một chiếc xe thông thường

31 Quy trình thử nghiệm đặc biệt cũng được phát triển xây dựng dựa trên việc phân tích các chu trình lái tiêu chuẩn và phân tích nhiều chu trình tại một thời gian cùng lúc với thực hiện các tính toán đặc biệt Các qui trình thử nghiệm có sẵn bao gồm các thứ sau đây:

• Quy trình kiểm tra phân loại

• Quy trình thử nghiệm gia tốc

• Quy trình thử nghiệm FTP (Federal Test Procedure)

• Quy trình thử nghiệm FTP cho xe hybrid

• Quy trình thử nghiệm trên thành phố và đường cao tốc

• Quy trình thử nghiệm trên thành phố và đường cao tốc cho hybrid

• Quy trình thử nghiệm SAE J1711

• Quy trình thử nghiệm trong thế giới thực (real world)

Sự cân bằng của trạng thái nạp (SOC: state of charge) là một khía cạnh quan trọng trong việc đánh giá xe hybrid, nếu sự thay đổi trạng thái nạp của pin (battery) giữa bắt đầu và kết thúc của một chu trình là quá lớn thì tiêu hao nhiên liệu của xe rất cao hoặc rất thấp do việc nạp hoặc không nạp pin, theo đó Advisor cung cấp hai phương pháp để đảm bảo SOC cân bằng ắ Phương phỏp đầu tiờn được sử dụng là phương phỏp tuyến tớnh gần đỳng Đầu tiên chiếc xe được mô phỏng khi bắt đầu ở trạng thái nạp cao, sau đó là ở trạng thái thấp Nội suy tuyến tính của tiêu hao nhiên liệu và khí thải giữa hai mô phỏng được sử dụng để xác định kết quả không thay đổi trong trạng thái nạp ắ Phương phỏp thứ hai là một phương phỏp lặp đi lặp lại của phương phỏp tiếp cận zero-delta Advisor lặp đi lặp lại các thay đổi điều kiện ban đầu của pin cho đến khi trạng thái cuối cùng nằm trong dung sai qui định so với trạng thái ban đầu Mặc dù phương pháp tiếp cận zero-delta thường yêu cầu mô phỏng nhiều lần hơn so với phương pháp tiệm cận tuyến tính nhưng nó đảm bảo kết quả sát với thực tế hơn và mang tính thực thể vật lý hơn là các dự đoán toán học với phương pháp tuyến tính gần đúng

Trong các phiên bản trong tương lai, Advisor bao gồm SOC cân bằng thường xuyên để đảm bảo rằng lượng nhiên liệu năng lượng thay đổi của SOC của pin ít hơn so với quy định một tỷ lệ phần trăm của tổng số nhiên liệu tiêu thụ trong một chu trình

Advisor đã được phát triển như một công cụ phân tích, không phải là một công cụ thiết kế Mô hình hóa các thành phần của nó gần như tĩnh và không nên dùng một mình để dự đoán các tình huống trong một quy mô thời gian nhỏ Ví dụ như Advisor không nên được sử dụng để định lượng các rung động vật lý, dao động điện trường và các động lực nhanh Tuy nhiên, Advisor có khả năng liên kết với các công cụ khác mà có khả năng thực hiện việc phân tích động lực Các công cụ như Saber cho mô hình hóa hệ thống điện và Adams/car cho việc phân tích động lực đều có thể kết nối với Advisor Những công cụ mô hình hóa động lực này tập trung vào phần phân tích còn Advisor thực hiện phần còn lại Ví dụ, một pin được mô hình hóa trong Saber có thể được cấu hình để giao tiếp với các phần khác trong Advisor trong suốt quá trình mô phỏng xe

Cơ Sở Tiến Hành Mô Phỏng Xe Hybrid

Cấu trúc tổng quát của xe Toyoto Innova

4.1.1 Kích thước khung xe (Dimensions & Vehicle Weight)

Hình 4.1: Toyota Innova (1TR – FE)

Overall Width (mm) 1810 (GL) / 1760 (DLX) Overall Height (mm) 1745

Interior Length (mm) 2750 Interior Width (mm) 1490 Interior Height (mm) 1240 Ground Clearance (mm) 168 Kerb Weight (kg) 1605-1660 (Automatic transmission) / 1560-1650

(Manual transmission) Gross Vehicle Weight (kg) 2270 (Automatic transmission) / 2250 (Manual transmission) Min Turning Radius (Tyres) (m) 5.4

Fuel Tank Capacity (litres) 65 Tyres 205/65R15

4.1.2 Động cơ và khung gầm (Engine and Chassis) Động cơ (Engine)

Hình 4.2: Động cơ Toyota 1TR - FE

Engine Type 2.0-litre Gasoline (1TR-FE )

Type 4-cyl, in-line Twin Cam 16-valve

Max Output (SAE net, leaded) (kW/rpm) 100/5200 Max Torque (SAE net, leaded) (N.m/rpm) 182/4000

Fuel System Electronic Fuel Injection

Hình 4.3: Khung gầm Toyota Innova

Transmission 4-speed automatic / 5-speed manual Brake Type Front Ventilated discs

Brake Type Rear Drums Suspension Type Front Double Wishbone (Coil springs, with a stabiliser bar) Suspension Type Rear 4-Link + lateral rod (Coil springs)

Lựa chọn hệ thống hybrid cho ô tô Innova

Để nghiên cứu khả thi về việc tích hợp hệ thống hybrid vào Toyota Innova, các kỹ sư đã sử dụng phần mềm mô phỏng Advisor Advisor sở hữu dữ liệu hệ thống hybrid của Toyota Prius, mẫu xe cùng hãng với Innova Do đó, việc mô phỏng trên hệ thống hybrid của Prius cung cấp nhiều thuận lợi và cho phép đối chiếu với kết cấu tương đồng của Innova.

Hệ thống hybrid của xe Toyota Prius là một hệ thống tiên tiến Nó có một bộ phân chia công suất (power split device) hay còn được gọi là bộ truyền dẫn liên tục (continously variable transmission CVT), bao gồm một hệ bánh răng hành tinh xoay quanh bánh răng mặt trời Máy phát điện được kết nối với bánh răng mặt trời, motor điện kết nối với bánh răng bao và động cơ được kết nối với bánh răng hành tinh Motor điện và máy phát điện sẽ cung cấp hoặc đưa công suất tới bộ phân chia công suất phụ thuộc vào các chế độ hoạt động khác nhau

Hình 4.4: Mô hình hệ thống hybrid của Toyota Prius Để thuận tiện thì việc bố trí các bộ phận trên xe cũng theo như cung cấp của Advisor đối với Toyota Prius Những khác biệt so với Toyota Innova sẽ được tùy chỉnh lại thông số cho phù hợp

37 Hình 4.5: Sơ đồ cấu tạo hệ thồng hyrid của Toyota Prius trong Advisor

1: Bình nhiên liệu (fuel tank) 4: Máy phát điện (Generator) 2: Pin (Energy Storage) 5: Bộ chia công suất (Power Split Device) 3: Motor điện 6: Động cơ (Fuel Converter)

Các bộ phận chính trong hệ thống Hybrid dùng trên xe Toyota Innova

4.3.1 Động cơ đốt trong (internal combustion engine)

4.3.1.1 Động cơ đốt trong của Toyota (Toyota engine)

Toyota Motor Corporation đã sản xuất hàng loạt các loại động cơ cho ô tô Cách đặt tên cho các loại động cơ cũng rất đơn giản

1 Các ký tự số đầu tiên xác định thế hệ của động cơ

2 Tiếp theo là một hoặc hai ký tự xác định dòng động cơ

3 Các hậu tố thể hiện cụ thể tính năng của động cơ

Một số hậu tố (suffix) thường gặp:

• A: Valvematic, variable lift intake head

• B: Twin Su-Style side-draff carburetor

• F: Economy narrow-angle valve DOHC

• G: Performance wide-angle valve DOHC

• H: High compression / High pressure charged

• J: Autochoke (early model) or unknown pollution control

• R: Low compression (for 87 an below octane fuel)

• U: with catalytic converter Japan-spec emission

- 4 là thế hệ động cơ thứ tư

- G là trục cam kép góc rộng (wide-angle dual camshaft)

- E là phun nhiên liệu điện tử (electronic fuel injection)

Một số loại động cơ xăng của Toyota:

• 1978 - A - SOHC/DOHC o 1978-1979 - 1.5 L (1452 cc) 1A o 1979-1986 - 1.3 L (1295 cc) 2A o 1979-1988 - 1.5 L (1452 cc) 3A o 1979-1998 - 1.6 L (1587 cc) 4A o 1987-1998 - 1.5 L (1498 cc) 5A o 1989-1992 - 1.4 L (1397 cc) 6A o 1993-1998 - 1.8 L (1762 cc) 7A o 2004 - 1.3 L (1342 cc) 8A

• 1982 - S - SOHC/DOHC o 1982-1988 - 1.8 L (1832 cc) 1S o 1982-1987 - 2.0 L (1995 cc) 2S o 1985-2005 - 2.0 L (1998 cc) 3S o 1987-1998 - 1.8 L (1838 cc) 4S o 1990-2001 - 2.2 L (2164 cc) 5S

• 1985 - E - SOHC/DOHC o 1985-1994 - 1.0 L (999 cc) 1E o 1985-1998 - 1.3 L (1295 cc) 2E o 1986-1994 - 1.5 L (1456 cc) 3E o 1989-1998 - 1.3 L (1331 cc) 4E o 1991-1999 - 1.5 L (1497 cc) 5E

• 1997 - ZZ - DOHC o 1997-2007 - 1.8 L (1794 cc) 1ZZ o 1999-2006 - 1.8 L (1796 cc) 2ZZ o 2000 - 1.6 L (1598 cc) 3ZZ o 2000 - 1.4 L (1398 cc) 4ZZ

• 1989 - RZ - SOHC/DOHC o 1989 - 2.0 L (1998 cc) 1RZ o 1989 - 2.4 L (2400 cc) 2RZ o 1995 - 2.7 L (2693 cc) 3RZ

• 1999 - SZ - DOHC (by Daihatsu) o 1999 - 1 L (997 cc) 1SZ o 2006 - 1.5 L (1495 cc) 3SZ

• 1997 - NZ - DOHC o 1997 - 1.5 L (1497 cc) 1NZ o 1999 - 1.3 L (1298 cc) 2NZ

• 2000 - AZ - DOHC o 2000 - 2.0 L (1998 cc) 1AZ o 2000 - 2.4 L (2362 cc) 2AZ

• 2003 - TR - DOHC o 2003 - 2.0 L (1998 cc) 1TR o 2003 - 2.7 L (2694 cc) 2TR

• 2007 - ZR - DOHC o 2007 - 1.6 L (1598 cc) 1ZR o 2007 - 1.8 L (1797 cc) 2ZR o 2007 - 2.0 L (1986 cc) 3ZR

• 2008 - NR - DOHC o 2008 - 1.33 L (1329 cc) 1NR o 2010 - 1.5 L (1496 cc) 2NR o 2011 - 1.2 L (1197 cc) 3NR

• 1965 - M - SOHC/DOHC o 1965-1985 - 2.0 L (1988 cc) M o 1966-1972 - 2.3 L (2253 cc) 2M o 1966-1971 - 2.0 L (1988 cc) 3M o 1972-1980 - 2.6 L (2563 cc) 4M o 1979-1988 - 2.8 L (2759 cc) 5M o 1984-1987 - 3.0 L (2954 cc) 6M o 1986-1992 - 3.0 L (2954 cc) 7M

• 1993 - FZ - DOHC o 1993-2007 4.5 L (4477 cc) 1FZ o 1990 - JZ - DOHC

• 1987 - VZ - DOHC/SOHC o 1987 - 1993 2.0 L (1992 cc) 1VZ o 1987-1991 - 2.5 L (2496 cc) 2VZ o 1987-1997 - 3.0 L (2958 cc) 3VZ o 1993-1998 - 2.5 L (2496 cc) 4VZ o 1995-2004 - 3.4 L (3378 cc) 5VZ

• 2003 - GR - DOHC o 2002 - 4.0 L (3955 cc) 1GR o 2006 - 3.5 L (3456 cc) 2GR o 2003 - 3.0 L (2994 cc) 3GR o 2006 - 2.5 L (2499 cc) 4GR o 2005 - 2.5 L (2497 cc) 5GR

4.3.1.2 Chọn động cơ đốt trong sử dụng trên xe hybrid

Khi cải tạo xe Toyota Innova thành xe hybrid thì ta lựa chọn động cơ đốt trong có công suất nhỏ hơn động cơ ban đầu (công suất ban đầu là 100 kW) Để phù hợp về hệ thống thì ta chọn động cơ đốt trong của Toyota có công suất nhỏ hơn động cơ 1TR- FE

Khi lựa chọn hệ thống truyền động, có ba phương án mô hình động cơ cho xe hybrid, gồm: động cơ đốt trong, động cơ điện và động cơ tổng hợp Các phương án này là cơ sở để mô phỏng và đánh giá hiệu suất vận hành cũng như mức độ phát thải khí thải của xe hybrid.

• Phương án (80 – 20): động cơ đốt trong công suất 80 kW và động cơ điện công suất 20 kW

• Phương án (73 – 27): động cơ đốt trong công suất 73 kW và động cơ điện công suất 27 kW

• Phương án (60 – 40): động cơ đốt trong công suất 70 kW và động cơ điện công suất 40 kW Ứng với từng phương án ta lựa chọn động cơ đốt trong như sau: ắ Động cơ Toyota 3SZ-VE, là động cơ cú dung tớch xylanh 1,5 L (1495 cc), tỷ số nén 10:1, có công suất lớn nhất là 80 kW tại 6000rpm và momen đạt 141 N.m tại 4400 rpm Một số xe sử dụng động cơ này như là: Toyota bB, Toyota Passo Sette, Toyota Avanza, Toyota Rush …

Hình 4.6: Toyota 3SZ-VE engine ắ Động cơ Toyota 2ZR-FXE, là động cơ cú dung tớch xylanh là 1,8 L (1798 cc), tỷ số nén là 13:1, công suất cực đại là 73 kW tại 5200 rmp và momen cực đại 142 N.m tại 4000 rpm Một số loại xe dùng động cơ này như là: Lexus CT200h, Toyota Auris, Toyota Prius …

Hình 4.7: Toyota 2ZR-FXE engine

44 ắ Động cơ Toyota 3NR-FE, là động cơ cú dung tớch xylanh 1,2L (1197 cc), cú công suất lớn nhất là 60 kW tại 5600 rpm, momen lớn nhất là 104 N.m tại 3100rpm Xe sử dụng động cơ này là Toyota Elios Liva

Hình 4.8: Toyota 3NR-FE engine

4.3.2 Chọn động cơ điện cho xe hybrid Để chọn động cơ điện, ta cũng chọn theo từng phương án đã nêu, các động cơ điện cho xe điện hoặc xe hybrid có sẵn trên thị trường ắ Brushless HH-DC 20: là động cơ điện cú cụng suất 20 kW, điện thế 120V, tốc độ động cơ cao nhất là 4700 rpm

Hình 4.9: Động cơ điện Brushless HH-DC 20

45 ắ Brushless BLT11/27: là động cơ điện cú cụng suất 27 kW, điện thế 216V, tốc độ động cơ cao nhất là 5000 rpm

Hình 4.10: Động cơ điện Brushless BLT11/27 ắ Brushless GLMP15L0: là động cơ điện cú cụng suất 40 kW, điện thế 200 – 400V, tốc độ động cơ cao nhất là 9000 rpm

Hình 4.11: Động cơ điện Brushless GLMP15L0

46 4.3.3 Chọn bộ tích trữ năng lượng (battery) cho xe hybrid

Việc sử dụng battery trên Toyota Innova ta chọn loại battery mà Toyota Prius đã sử dụng Battery trên Toyota Prius là pin do Panasonic sản xuất, thuộc loại nickel – metal hydride battery (NiMH), có trọng lượng 53,3 kg, dung lượng là 6,5 Ah

Hình 4.12: Battery cho Toyota Prius

4.3.4 Chọn bộ phân chia công suất (power split device) cho xe hybrid

Tiếp tục sử dụng bộ chia công suất của Prius trong hệ thống cải tiến làm cho sự gắn kết và đồng bộ với các bộ phận khác trở nên dễ dàng hơn.

Hình 4.13: Bộ phân chia công suất

Tiến Hành Mô Phỏng

Các thông số mô phỏng

5.1.1 Các thông số đầu vào (Advisor input variables)

Drive Cycle: là một chu trình lái xe, bao gồm một loạt các điểm dữ liệu đại diện cho tốc độ của xe theo thời gian Chu trình lái xe được xây dựng khác nhau ở các quốc gia và các tổ chức khác nhau để đánh giá hiệu quả hoạt động của xe trong nhiều cách khác nhau như là tiêu thụ nhiên liệu, khí thải, tăng tốc …

Hình 5.1: Drive Cycle input variables

Hệ thống lưu trữ năng lượng, còn được gọi là pin, là thiết bị dùng để lưu trữ năng lượng điện Hệ thống này cung cấp nguồn điện cho xe điện và có thể được sạc lại bằng máy phát điện, nơi chuyển đổi năng lượng từ nhiên liệu thành điện năng.

Energy storage system có rất nhiều loại và rất nhiều thông số kèm theo khi thiết lập các giá trị đầu vào phù hợp Ví dụ như : Energy Storage System—Rint, Energy Storage System—RC, Energy Storage System Neural Network Battery Model, Energy Storage System Fundamental Battery Model …

48 Hình 5.2: Energy storage system input variables

Fuel Converter: là bộ chuyển nhiên liệu thành năng lượng, hay trong trường hợp này thì nó là động cơ đốt trong (internal combustion engine) sử dụng nhiên liệu xăng (gasoline) Bao gồm các thông số của động cơ như là công xuất, momen xoắn, tốc độ động cơ …

Hình 5.3: Fuel Converter input variables

Hệ thống truyền lực (Transmission) là một tổ hợp các thành phần được kết nối với nhau để truyền công suất từ động cơ đến bộ truyền động cuối cùng thông qua hệ thống trục và bánh răng Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo năng lượng được truyền hiệu quả và phù hợp với nhu cầu vận hành của xe.

Vehicle Definition: định dạng kiểu xe Ở đây các thông số thể hiện kiểu xe, tải trọng, kích thước …

Hình 5.5: Vehicle Definition input variables

Wheel/Axle: Bánh xe và trục xe, các thông số thể hiện khoảng cách giữa các trục, kích thước của bánh xe …

Hình 5.6: Wheel/Axle input variables

Accessories: phụ tùng, các thông số phụ của xe

Exhaust System (& Catalyst): hệ thống xả và bộ lọc xúc tác nhằm giảm bớt ô nhiễm do động cơ gây ra

Hình 5.8: Exhaust system input variables

Generator: máy phát điện, lấy năng lượng từ động cơ để chạy và cung cấp điện cho battery và hệ thống điện

Motor: dùng nguồn điện từ pin hoặc máy phát điện để tạo công suất, truyền đến hệ thống truyền lực

52 5.1.2 Các thông số đầu ra (Advisor output variables)

Drive cycle (chu trình lái)

Energy Storage (bộ chứa năng lượng)

Wheel/Axle (bánh xe và trục xe)

Continuously Variables Transmission (Hệ thống truyền lực biến đổi liên tục)

Exhaust System (hệ thống khí thải) Ngoài ra còn có hệ thống biểu đồ thể hiện chu trình lái, khí thải, khả năng tăng tốc … sau khi mô phỏng.

Tiến hành mô phỏng

5.2.1 Mô phỏng xe chạy động cơ truyền thống (conventional) 5.2.1.1 Thiết lập các thông số ban đầu trên Advisor cho xe truyền thống

Trong khuôn khổ đề tài, chúng tôi đã chạy mô phỏng Toyota Innova để đánh giá đặc tính động lực học của xe, bao gồm khả năng tăng tốc, tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí thải.

Chọn kiểu xe truyền thống ở cửa sổ thiết lập ban đầu

Hình 5.11: Chọn kiểu xe truyền thống trong Advisor

Chọn các thông số phù hợp với xe Toyota Innova

• Vehicle: xác lập các thông số cơ bản của xe như: khối lượng không tải của

(mass of the vehicle without components), hệ số khí cản động lực học (coefficient of aerodynamic drag), hệ số lực cản lăn (coefficient of rolling resistance), hệ số tải trọng của xe ở cầu trước khi xe không di chuyển (fraction of total vehicle mass supported by front axle when vehicle is not moving), chiều cao của trọng tâm xe (height of the vehicle center of gravity), tải trọng xe (cargo mass) …

54 Trong mục Vehicle, đối với xe Toyota Innova là dòng xe đa dụng 8 chỗ ngồi, có trọng lượng kích thước khá tương đồng với kiểu xe SUV (Sport Unility Vehicle) nên trong mục này ta chọn kiểu Vehice là SUV

Hình 5.12: Chọn kiểu xe SUV trong mục Vehicle Để điều chỉnh các thông số cho phù hợp với xe Toyota Innova ta có thể chỉnh sửa lại các thông số (đây là khả năng tùy biến rất hay của Advisor) Nhấp chọn vào Vehicle, chọn View/Edit để có thể tùy chỉnh các thông số

Hình 5.13: Chỉnh sửa các thông số trong Vehicle

55 Khung thể hiện các thông số hiện ra, ta có thể điều chỉnh lại các thông số cho phù hợp, bằng cách thay đổi giá trị ở từng mục được quy định sẵn Để có thể biết được từng mục quy định thông số gì thì ta có thể tham khảo bảng giá trị các thông số đầu vào (Advisor input variables)

Hình 5.14: Khung điều chỉnh các thông số Vehicle

- Veh_glider_mass: Đây là thông số thể hiện khối lượng của xe khi không tải Giá trị là (3997/2,205) - 611 kg Trong đó 3997 là khối lượng xe toàn tải tính bằng pound được quy đổi ra kg và trừ cho tải trọng của xe là 611 kg, được khối lượng không tải Đối với Toyota Innova thì trọng lượng toàn tải là 4519 pound tương đương 2050 kg, tải trọng xe là 650 kg Vì vậy ta sẽ sửa đổi các thông số trong mục này như sau: (4519/2.205) -650 (kg)

- Veh_CD: hệ số lực cản khí động học, ta giữ nguyên theo mặc định của chương trình là 0.44

- Veh_FA: diện tích mặt trước xe, giữ nguyên theo mặc định là 2.7 m2

- Veh_1st_rrc và veh_2nd_rrc: hệ số lực cản lăn bánh trước và sau, giữ nguyên theo mặc định

56 - Veh_front_wt_frac: hệ số tải trọng xe ở cầu trước, giữ nguyên theo mặc định là 0.555

- Veh_cg_height: chiều cao trọng tâm xe, giữ nguyên theo mặc định là 0.7 m

- veh_wheelbase: khoảng cách giữ hai trục xe, giữ nguyên theo mặc định vì giống với xe Toyota Innova, 2.75 m

- Veh_cargo_mass: khối lượng chở hàng của xe, giữ nguyên là 136 kg

• Fuel Converter: xác lập các thông số của động cơ như dải tốc độ động cơ

(speed range og the engine), dải momen xoắn của động cơ (torque range of the engine), bản đồ nhiên liệu sử dụng (fuel use indexed), bản đồ khí thải (emissions indexed) … Đối với việc lựa chọn động cơ thì ở đây ta giữ nguyên theo kiểu động cơ mặc định dành cho xe SUV là FC_SI63_emis, động cơ là động cơ xăng kiểu đánh lữa cưỡng bức Để xem và chỉnh sửa các thông số ta làm tương tự, nhấp vào mục Fuel Converter chọn View/Edit

Hình 5.15: Chỉnh sửa các thông số trong Fuel Converter

Chỉnh sửa lại các mục cho phù hợp với xe Toyota Innova, cũng giống như trên, tham khảo mục Advisor input variables để có thể biết được các mục thể hiện giá trị gì mà điều chỉnh cho chính xác

57 Hình 5.16: Khung điều chỉnh Fuel Converter

- Fc_map_spd và fc_map_trq: bản đồ tốc độ và momen xoắn của động cơ

- Fuel Use and Emissions Maps: bản đồ lượng nhiên liệu sử dụng và lượng khí thải

Hình 5.17: Bản đồ nhiên liệu sử dụng và khí thải

58 - fc_max_trq: dải momen xoắn cực đại

- fc_ext_sarea: diện tích bề mặt bên ngoài của động cơ

- fc_max_pwr: công suất cực đại của động cơ, với xe Toyota Innova là 100 kW

- fc_mass: tổng khối lượng của động cơ

- fc_ext_sarea: diện tích bề mặt của động cơ

Hình 5.18: Khung điều chỉnh thông số động cơ

- fc_fuel_den: mật độ nhiên liệu

- fc_fuel_lhv: nhiệt trị thấp của nhiên liệu

- fc_tstat: nhiệt độ bắt đầu nước làm mát

Các thông số động cơ giữ nguyên mặc định của chương trình Advisor Công suất cực đại của động cơ Innova là 100 kW

• Exhaust Aftertreat: hệ thống khí thải có bộ lọc xúc tác, ta có thể tùy chỉnh để phần này có hoạt động hay không bằng cách thay đổi giá trị tại mục ex_calc, cho giá trị bằng 1 là có, còn giá trị bằng 0 là không sử dụng bộ lọc này

59 Hình 5.19: Khung điều chỉnh thông số Exhaust Aftertreat

- ex_mass: khối lượng của hệ thống khí xả

- ex_cat_mass: khối lượng của bộ lọc xúc tác

- ex_cat_mon_sarea: diện tích bề mặt bên ngoài của khối catalyst

Hình 5.20: Các thông số chuyển đổi của bộ xúc tác Các thông số quy đổi của bộ xúc tác này khá phức tạp vì vậy nên để nguyên theo mặc định của chương trình, không thay đổi gì thêm

• Transmission: các thông số của hệ thống truyền lực, ở đây theo mặc định dành cho xe SUV là xe số sàn, 5 cấp (manual 5-speed), kiểu TX_5SPD

Hình 5.21: Khung điều chỉnh các thông số Transmission Đối với hệ thống truyền lực này cũng vậy, giữ nguyên theo mặc định của chương trình, vì các thông số cụ thể về hệ thống truyền lực của Innova cũng tương tự như SUV

• Wheel/Axle: các thông số của bánh xe và trục xe, kèm thêm các chi tiết tại bánh xe như là phanh

- wh_slip_force_coeff: tỷ số lực kéo trên bánh trước và trọng lượng có tải trên lốp xe trước

- wh_axle_loss_trq: phanh trước vào trục chịu momen xoắn

- wh_radius: bán kính bánh xe

- wh_inertia: quán tính quay của bánh xe

- wh_fa_dl_brake_frac: phanh được thực hiện bởi đường truyền lực thông qua trục trước - wh_fa_fric_brake_frac: phanh được thực hiện bởi hệ thống phanh ma sát trục phía trước

61 Hình 5.22: Khung điều chỉnh thông số Wheel/Axle

• Accessory: thông số của các thành phần phụ, như là công suất phụ tải hay hiệu suất sử dụng …

Hình 5.23: Khung điều chỉnh Accessory

62 - acc_mech_pwr: tải phụ cơ khí, trích từ động cơ

- acc_elec_pwr: tải phụ điện, trích từ máy phát điện

- acc_mech_eff: hiệu suất của phụ tải

• Powertrain control: thông số điều khiển của toàn bộ hệ thống truyền lực như ly hợp, hộp số …

Hình 5.24: khung điều chỉnh Clutch & Engine Control

- vc_launch_spd: điều khiển tốc độ của động cơ

- vc_idle_bool: điều khiển chạy cầm chừng Ở mục này ta lựa chọn powertrain control là loại PTC_CONV, điều khiển hệ thống truyền lực dành cho kiểu xe truyền thống

5.2.1.2 Chọn chu trình chạy cho xe (drive cycle) Ở cửa sổ chọn chu trình test cho xe, ta có thể lựa chọn rất nhiều các chu trình test khác nhau Để cho phù hợp với các tiêu chuẩn thì ta chọn chu trình test của Mỹ (FTP) cho tất cả các lần test (tiêu chuẩn FTP cũng là một trong những tiêu chuẩn chính trong chu trình test dành cho passenger car hoặc SUV), nhằm dễ dàng so sánh các tính năng động lực học của xe truyền thống và xe hybrid sau cải tạo

63 Hình 5.25: Cửa sổ lựa chọn chu trình test

Ngoài ra trong cửa sổ này, ta chọn thêm ở mục Additional Tests để kiểm tra khả năng tăng tốc cũng như khả năng leo dốc của xe Ở mục Elec Aux Loads ta cũng chọn để thêm phụ tải điện khi xe hoạt động, ta có thể tùy chỉnh các thành phần phụ tải điện này trong cửa sổ điều chỉnh

Hình 5.26: Tùy chỉnh các phụ tải điện

Kết luận

Sau khi thực hiện các mô phỏng, phân tích và đánh giá kết quả thu được của việc mô phỏng xe truyền thống (Toyota Innova) và xe hybrid (Toyota Innova cải tạo) thì ta có những kết luận sau: ắ Xe truyền thống cú mức tiờu hao nhiờn liệu cao hơn xe hybrid và khớ thải gõy ra ô nhiễm môi trường cao hơn tuy nhiên lại có khả năng tăng tốc cao hơn, khả năng leo dốc tốt hơn ắ Xe hyrid: xe hybrid cú mức tiờu hao nhiờn liệu khỏ thấp, lượng khớ thải gõy ra ụ nhiễm môi trường giảm, ngược lại thì khả năng tăng tốc của xe giảm đôi chút so với xe truyền thống chỉ chạy bằng động cơ đốt trong, bên cạnh đó thì khả năng leo dốc cũng giảm khá nhiều ắ Với ba phương ỏn lựa chọn cụng suất cho động cơ điện và động cơ đốt trong dùng trong xe hybrd thì ta thấy phương án dùng động cơ đốt trong có công suất 73 kW và động cơ điện có công suất là 27 kW là tối ưu nhất Ở phương án này thì mức tiêu hao nhiên liệu khá thấp, 7,9L/100 km, lượng khí thải thấp tuy vẫn cao hơn phương án 60 – 40 nhưng không đáng kể, ngược lại khả năng tăng tốc của phương án này lại tốt hơn nhiều so với hai phương án còn lại, khả năng leo dốc cũng đảm bảo

Vì vậy, đối với công suất động cơ đốt trong và động cơ điện cho xe hybrid cải tạo từ xe Toyota Innova thì phương án 73 – 27, tức là động cơ đốt trong 73 kW và động cơ điện 27 kW là phương án tối ưu nhất

Kết luận

9 Đề tài đã nêu rõ được lịch sử phát triển và cấu tạo chung của xe hybrid cũng như Toyota Prius, các thông số cơ bản của Toyota Innova

9 Đề tài đã nêu được khả năng cũng như hạn chế của chương trình mô phỏng Advisor, chương trình dùng để mô phỏng đánh giá tính năng động lực và khí thải của xe hybrid

9 Đề tài đã trình bày rõ ràng các thông số của chương trình Advisor cũng như ý nghĩa của từng thông số

9 Phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng đạt được, so sánh kết quả ở các phương án khác nhau

9 Dựa vào phân tích đánh giá kết quả các phương án, lựa chọn phương án tối ưu cho việc cải tạo xe Toyota Innova thành xe hybrid.

Hướng phát triển của đề tài

9 Hoàn thiện thêm các thông số đầu vào phù hợp với Toyota Innova nhằm tăng độ chính xác trong kết quả mô phỏng

9 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm nếu có điều kiện hoặc so sánh kết quả khi sử dụng với chương trình mô phỏng khác.