- Phát triển hệ thống điều khiển thông minh: Tích hợp các cảm biến tiên tiến và sử dụng trí tuệ nhân tạo AI để tối ưu hóa quá trình điều khiển tỷ số truyền, nâng cao hiệu suất và độ ổn đ
TỔNG QUAN
Giới thiệu
Hộp số CVT, viết tắt của Continuous Variable Transmission, là một thành tựu đáng kinh ngạc trong lĩnh vực công nghệ ô tô, mang lại sự linh hoạt và hiệu suất vượt trội trong việc truyền động cho các phương tiện di chuyển So với hộp số truyền thống sử dụng bánh răng cố định với các tỷ số truyền cố định, hộp số CVT sử dụng một cơ chế không ngừng để tạo ra tỷ số truyền động liên tục, linh hoạt
Nguyên lý hoạt động của hộp số CVT dựa trên việc sử dụng một dây đai hoặc một hệ thống con lăn để kết nối hai bánh đĩa, mỗi bánh đĩa được kết nối với một cục biến đổi hoặc máy bom dầu Thay vì có các bậc số rời rạc, như trong hộp số truyền thống, hộp số CVT có thể tạo ra tỷ số truyền động liên tục trong phạm vi một dải rộng, từ tỷ số nhỏ nhất đến tỷ số lớn nhất, tùy thuộc vào điều kiện lái xe và yêu cầu của người lái Trong chương này, chúng ta sẽ đào sâu vào lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi của đồ án tốt nghiệp.
Lý do chọn đề tài
Lựa chọn nghiên cứu về hộp số CVT được thúc đẩy bởi nhiều yếu tố quan trọng Trước hết, trong thời đại tăng cường ý thức về vấn đề môi trường và nguyên liệu, việc tối ưu hóa hệ thống truyền động để giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải là vô cùng quan trọng Thứ hai, sự phát triển của công nghệ ô tô và yêu cầu về trải nghiệm lái xe ngày càng cao đòi hỏi các hệ thống truyền động linh hoạt và hiệu quả Cuối cùng, tiềm năng phát triển thị trường ô tô điện cũng là một động lực mạnh mẽ cho nghiên cứu và phát triển hộp số CVT, vì chúng có thể cung cấp sự tương thích linh hoạt với các động cơ điện.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá hiệu suất hoạt động của hộp số CVT thông qua các bài báo nghiên cứu mới nhất, tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng và đề xuất các phương pháp tối ưu hóa để cải thiện hoạt động của hộp số Cụ thể, nghiên cứu sẽ tập trung vào các khía cạnh sau:
- Đánh giá hiệu suất và hiệu quả năng lượng của hộp số CVT trong các điều kiện vận hành khác nhau
- Nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hộp số, bao gồm cấu trúc cơ học, điều khiển, và vật liệu
- Phát triển các phương pháp tối ưu hóa thiết kế và điều khiển hộp số CVT để cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hộp số CVT trong các phương tiện di động như ô tô và máy móc
- Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hộp số CVT và các phương pháp tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng thông qua các bài nghiên cứu mới nhất.
Phân tích và đánh giá các hướng nghiên cứu đã có
Các nghiên cứu trước đây về hộp số CVT đã tập trung vào nhiều khía cạnh khác nhau, bao gồm thiết kế cấu trúc, điều khiển và quản lý, tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ nhiên liệu Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế và thách thức cần được giải quyết, bao gồm tính ổn định và độ bền của hộp số, hiệu suất tải cao, và tính ứng dụng trong các điều kiện khác nhau.
Vấn đề cần tập trung nghiên cứu giải quyết
Đề tài này sẽ tập trung vào nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:
- Tối ưu hóa cấu trúc và thiết kế của hộp số CVT để cải thiện hiệu suất và độ bền
- Phát triển các thuật toán điều khiển mới để tăng hiệu suất và đảm bảo tính ổn định của hộp số
- Nghiên cứu về các vật liệu và công nghệ sản xuất mới để giảm trọng lượng và tổn thất năng lượng
- Nghiên cứu này dự kiến sẽ đóng góp vào sự phát triển của công nghệ hộp số CVT và ngành công nghiệp ô tô, đồng thời hỗ trợ các nỗ lực trong việc cải thiện hiệu suất và bảo vệ môi trường.
TỔNG HỢP PHÂN TÍCH CÁC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỘP SỐ CVT
Các nghiên cứu về thay đổi hình dạng kết cấu cải tiến
2.1.1 Hiệu suất của một EVT được vận hành bằng CVT được Đánh Giá Thực Nghiệm
So với Half-Toroidal và Push-Belt CVTs
Bài nghiên cứu này được thực hiện bởi 4 tác giả: Joachim Druant, Hendrik Vansompel, Frederik De Belie, và Peter Sergeant
2.1.1.1 Giới thiệu Ứng dụng ô tô, hệ thống hộp số biến phôi liên tục (CVT) phổ biến trong trong lĩnh vực ô tô, các hệ thống Hộp số Biến Phôi Liên Tục (CVT) phổ biến nhất là CVT sử dụng dây đai kim loại và CVT sử dụng hệ thống truyền động nửa cầu Trong số này, phiên bản sử dụng dây đai đã chứng minh có khả năng tăng cường sự thoải mái khi lái và giảm tiêu thụ nhiên liệu khoảng 5–15% trung bình so với hộp số tự động trước Do đó, hệ thống này có thể coi là tiêu chuẩn ngành công nghiệp Tuy nhiên, những hệ thống cơ này có thể gặp phải một số vấn đề quan trọng Cả hai hệ thống CVT truyền tải mô-men xoắn dựa trên liên lạc cơ học, gây ra trượt và ma sát Điều này đòi hỏi sự bôi trơn và sự cần thiết của chất lỏng truyền động để truyền mô-men xoắn giữa các bộ phận kim loại Tỷ lệ truyền động bị hạn chế do ràng buộc hình học của thiết kế, yêu cầu một cụm ly hợp hoặc bộ chuyển mô-men xoắn để đạt được tình trạng đứng yên và một đơn vị đảo chiều để thay đổi hướng quay Hơn nữa, việc thay đổi tỷ lệ truyền động thường chậm và có thể gây ra mài mòn
Ngược lại, các hệ thống điện từ có thể mang lại lợi ích từ việc giảm bảo dưỡng và tăng hiệu suất do không có tiếp điểm trượt, các hệ thống bơm để bôi trơn và làm việc, cũng như việc loại bỏ bộ chuyển mô-men xoắn hoặc bộ đảo chiều Hơn nữa, động lực học nhanh chóng có thể được kì vọng tự nhiên trong các hệ thống điều khiển điện Ví dụ, hệ thống truyền động diesel-electric bao gồm một máy phát điện, một bộ làm phẳng được điều khiển và một hoặc nhiều biến tần và động cơ điện Nguyên tắc này hiện nay được sử dụng trong hệ thống truyền động cho tàu thủy, xe lửa và máy móc nặng Nhược điểm chính của nó là toàn bộ công suất đầu ra cần phải được chuyển đổi bởi ít nhất hai máy điện và hai bộ chuyển đổi điện năng
Các hệ thống CVT điện từ khác cố gắng vượt qua nhược điểm này bằng cách kết hợp một bộ hộp số hành tinh với hai máy điện Hệ thống này có ưu điểm là một phần của công suất đầu vào được truyền trực tiếp đến trục đầu ra, trong khi chỉ có một phần được chuyển đổi theo cách điện Trong các bài viết khác, đã được đề xuất một giải pháp thay thế để cải thiện sự nhỏ gọn và hiệu quả chi phí của hệ thống bằng cách thay thế hai máy điện bằng một máy đôi-rotor Tuy nhiên, tất cả các giải pháp đã được đề cập trước đó vẫn yêu cầu một hộp số cơ
Hệ thống CVT điện từ với máy đôi-rotor mà bài báo này mô tả cũng chỉ chuyển đổi một phần của công suất đầu vào thông qua các biến tần, trong khi tránh việc sử dụng bộ hộp số hành tinh Hệ thống này dựa trên một Hộp số Biến Phôi Điện (EVT), đã được mô tả trước đó, có thể được xem xét như là một máy điện có hai rotor tập trung, như được minh họa theo cách mô tả ở Hình 2.1 Stator và rotor bên trong thường được trang bị dây cuộn ba pha, mỗi cái được cung cấp bởi biến tần riêng Để cung cấp nguồn điện cho các rotor quay, cần có vòng trơn Các biến tần được kết nối với một DC-bus (hệ thống dòng điện một chiều) chung, được hỗ trợ bởi hệ thống tụ DC-bus Rotor ngoại cùng có thể được thiết kế dạng lồng, rotor nam châm vĩnh cửu (PM), hoặc là sự kết hợp của PMs (nam châm vĩnh cửu) với một dây đặc trường DC- field như trong trường hợp của bài báo này
Hình 2 1 Sơ đồ của một PM EVT được sử dụng như một hộp số biến đổi liên tục (CVT) giữa động cơ đốt cháy và bánh xe
Hình 2 2 Phần cắt ngang của EVT, thể hiện stator (chỉ số s), rotor ngoại (chỉ số r2) và rotor trong (chỉ số r1)
Các tính toán cho một EVT được sử dụng như một thiết bị chia công suất với chức năng lưu trữ và được áp dụng trong một xe ô tô điện hỗn hợp (HEV) được đề cập và thảo luận, trong đó tập trung chủ yếu vào điều khiển hệ thống ở mức cao hơn Trong bài báo này, máy được xem xét mà không có lưu trữ pin, và DC-bus được sử dụng để cung cấp nguồn điện cho thiết bị bổ sung Trước khi giới thiệu dữ liệu về hiệu suất của EVT, có yêu cầu phải mô tả nguyên tắc hoạt động của máy khi sử dụng như một CVT, tập trung vào việc tạo mô-men xoắn của các bộ phận EVT khác nhau và dòng điện trong máy và biến tần Điều này được thực hiện trong phần đầu tiên của bài báo này Tiếp theo, thiết bị thử nghiệm EVT được giới thiệu, và dữ liệu về hiệu suất và dòng điện được đưa ra để hỗ trợ các kết luận lý thuyết Cuối cùng, hiệu suất của EVT được so sánh với kết quả về dữ liệu CVT dây đai và CVT hình nửa cầu như được mô tả trong văn kiện nghiên cứu
2.1.1.2 Hệ thống truyền động điện
Một phần cắt ngang một cặp cực của hệ thống truyền động điện (EVT) đang được xem xét trong bài báo này được thể hiện trong Hình 2.2, trong đó cả rotor và stator đều có thể được nhìn thấy Cả stator và dây cuộn rotor trong được cung cấp bởi một bộ biến tần được kết nối nghịch với một bus-dc chung Rotor ngoại chứa một kết hợp của từ tính vĩnh cửu và một dây cuộn trường dc
Hình 2 3 Đường truyền năng lượng và quy ước dấu Làm ví dụ, tốc độ của rotor ngoại bằng một nửa tốc độ đầu vào
Dây cuộn trường dc kết hợp với một cầu flux cho phép chúng ta thay đổi liên kết flux của stator Dây cuộn stator được sử dụng mỗi khi có sự khác biệt về mô-men xoắn giữa cả hai trục Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp tăng tốc từ đứng yên, trong đó cần có mô-men xoắn stator cao Tuy nhiên, nếu sự khác biệt về mô-men xoắn giữa cả hai trục đủ thấp, như trong khu vực truyền động trực tiếp, chỉ cần mô-men xoắn stator giới hạn Trong những khoảng thời gian như vậy, thường là lâu, việc liên kết một lượng nhỏ của flux từ tính vĩnh cửu với stator là hiệu quả hơn, giảm thiểu các mất mát sắt trong stator Ngoài ra, vì việc điều chế trường từ tính của stator được thực hiện với sự giúp đỡ của dây cuộn trường dc, thay vì thông qua dòng điện stator, nên có thể sử dụng một bộ biến tần stator nhỏ hơn
Trong phần này, nguyên tắc hoạt động của máy được mô tả dựa trên các phương trình dòng điện đơn giản và bằng cách bỏ qua các tổn thất trong máy Mặc dù có những ước lượng được thực hiện, những phương trình này mang lại sự hiểu biết rất tốt về hoạt động của máy ở các điểm vận hành khác nhau Những phương trình này được mô tả chi tiết ở đây cho một EVT không có lưu trữ pin Ngoài ra, tác động của hệ thống lấy công suất (PTO) lên dòng điện trong máy cũng được thể hiện
Trong trường hợp của một xe hỗn hợp (HEV), rotor trong của EVT thường được kết nối với động cơ đốt trong (ICE), trong khi rotor ngoại được kết nối với hệ thống truyền động cuối
7 cùng, như trong Hình 2.3 Trong hình này, quy ước dấu cho dòng điện tích cực được đưa ra Mô-men xoắn điện từ stator tới rotor ngoại, được ký hiệu là Ts trong bài báo này, là tổng của hai đóng góp Đầu tiên, có tương tác mô-men xoắn từ từ stator tới rotor ngoại, được gọi là 𝑇 𝑆 Tiếp theo, có tương tác mô-men xoắn từ rotor trong tới rotor ngoại, được ký hiệu là 𝑇 𝑟1
Tích của mô-men xoắn và tốc độ của trục rotor trong bằng công suất cơ động đầu vào
𝑃 𝑚,𝑟1 = 𝑇 𝑟1 𝑟1 đến EVT Nếu không tính các tổn thất, điều này sẽ được chuyển đổi thành công suất điện 𝑃 𝑝𝑡𝑜 và thành công suất cơ động 𝑃 𝑚,𝑟2 = 𝑇 𝑟2 𝑟2
Hình 2 4 Công suất được chuyển đổi bởi các bộ biến tần kết nối với stator và rotor trong do (a) công suất cơ động tại đầu ra và (b) do hệ thống lấy công suất (PTO)
Tỉ lệ giữa tốc độ đầu vào và đầu ra là có thể biến đổi liên tục Tùy thuộc vào tỉ số tốc độ giữa cả hai rotor và công suất cần thiết từ hệ thống lấy công suất (PTO), phân phối dòng điện trong máy sẽ thay đổi Công suất cơ động 𝑃 𝑚,𝑟1 ở đây được chia thành hai phần khi đi vào EVT
Phần một, như được thể hiện trong Hình 2.3, trực tiếp chuyển đến trục rotor ngoại thông qua mô-men xoắn điện 𝑇 𝑟1 do rotor trong tác động lên rotor ngoại quay với tốc độ góc 𝑟2
Phần còn lại được chuyển đổi điện tử bằng cách sử dụng bộ biến tần kết nối với rotor trong Kết hợp (2) với (4) sẽ thu được
Công suất điện stator 𝑃 𝑒𝑙,𝑠 bằng với công suất điện của rotor trong 𝑃 𝑒𝑙,𝑟1 từ (5) trừ đi công suất điện từ hệ thống lấy công suất PTO
Phân chia công suất trong (5) và (6) chỉ ra rằng chỉ một phần nhỏ của công suất cơ động được chuyển đổi theo hình thức điện
Trong thực tế, moment xoắn trên cả hai rotor của EVT được kiểm soát, thay vì luồng công suất là kết quả của moment xoắn và tốc độ Ở các tốc độ cụ thể của cả hai rotor, moment xoắn của rotor ngoại 𝑇 𝑟2 có thể được kiểm soát dẫn đến một công suất 𝑃 𝑚,𝑟2 đến bánh xe Moment xoắn của rotor ngoại này là kết quả của các đóng góp moment cảm ứng liên quan đến stator 𝑇 𝑆 và rotor trong 𝑇 𝑟1 , như được mô tả trong (1)
2.1.1.3.1 Đóng góp của momen xoắn
Momen xoắn của rotor trong 𝑇 𝑟1 , tải trọng động cơ đốt trong (ICE) và xác định công suất đầu vào cơ cho EVT Momen xoắn này không thể được lựa chọn độc lập mà được kiểm soát bởi bộ điều khiển dc-bus, để đảm bảo rằng, bất cứ lúc nào, cân bằng công suất hoặc
Các nghiên cứu về truyền động vô cấp điện tử (E-CVT)
2.2.1 Tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên Tiến hóa vi phân cho hệ thống truyền động Vô cấp điện tử
Bài nghiên cứu này được thực hiện bởi các tác giả: Yuan Mao, Shuangxia Niu, Yun Yang và học viên (thuộc thành viên IEEE)
Mối quan tâm ngày càng tăng về ô nhiễm từ xe chạy bằng xăng đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của xe điện (EVs) Có bốn loại chính của EVs, bao gồm xe điện hỗn hợp (HEVs), xe điện dùng pin (BEVs), xe điện hỗn hợp cắm sạc, và xe điện dùng pin nhiên liệu BEVs không có động cơ xăng và không gây ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính, vì chúng chỉ được chạy bằng điện năng lưu trữ trong pin trên xe Tuy nhiên, BEVs chỉ có thể chạy khoảng 60 đến 80 dặm mỗi lần sạc theo giới hạn dung lượng của pin Do đó, BEVs không được ưa chuộng trong gia đình EV hiện nay
Hình 2 20 Sơ đồ hệ thống Toyota Prius E-CVT
HEVs khắc phục nhược điểm của cả xe chạy bằng động cơ đốt trong (ICE) và BEVs thuần túy, không phải chỉ chạy bằng điện Ưu điểm của HEVs bao gồm việc lái xe khoảng cách dài với lượng khí thải thấp hơn và giá cả chấp nhận được cho công chúng Một HEV chứa một ICE, một động cơ điện, và một bình pin Bình pin không thể được sạc từ bên ngoài Thay vào đó, bình pin chỉ có thể được sạc bằng năng lượng chuyển đổi từ ICE khi lái xe xuống
43 dốc hoặc phanh Trong đó, hệ thống truyền động vô cấp điện tử (E-CVT) là công nghệ cốt lõi chuyển đổi năng lượng động học thành năng lượng điện, và ngược lại
Toyota Prius tạo ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực hiện đại của HEV sử dụng E-CVT bao gồm một hệ thống bánh răng hành tinh cắt nguồn và hai máy điện và các biến tần điện liên quan Trong hệ thống E-CVT này, bánh răng hành tinh được kết nối với ICE, bánh răng mặt trời được kết nối với một máy điện, và bánh răng vòng được kết nối với máy điện khác Thiết kế này cung cấp hiệu quả một hệ thống cung cấp năng lượng tích hợp hoàn toàn để thực hiện việc thu thập, lưu trữ, và chuyển đổi năng lượng, trong khi thiết kế bánh răng cơ khí có thể dẫn đến mài mòn, tiếng ồn, và không ổn định Do đó, hệ thống E-CVT không dùng bánh răng dần dần được phát triển để thay thế cho hệ thống E-CVT thông thường với bánh răng cơ khí Một hệ thống E-CVT không chổi than với hai rotor và một stator được đề xuất để sở hữu mật độ mô-men xoắn cao, giảm chiều dài cuối của stator, và giảm tổn thất và sau đó được áp dụng vào hệ thống chuyển đổi năng lượng
Hình 2 21 Sơ đồ hệ thống E-CVT
Thành phần cốt lõi của hệ thống E-CVT là một máy từ trường vĩnh cửu (PM) hai rotor Một thiết kế tốt hơn của máy PM có thể dẫn đến mật độ mô-men xoắn cao hơn, hiệu suất năng lượng cao hơn, và dao động mô-men xoắn thấp hơn Ba mục tiêu của phương pháp là tối ưu hóa mục tiêu đơn về mô-men xoắn, hiệu suất năng lượng, dao động mô-men xoắn
Tiến hóa vi phân (DE) đã được chứng minh là tối ưu hóa hiệu quả các hàm mục tiêu đa cực trị thực Nên phương pháp DE đa mục tiêu với FEM được áp dụng để tối ưu hóa máy PM để cải thiện thêm hiệu suất của hệ thống E-CVT dưới các yêu cầu kỹ thuật khác nhau
Hình 2 22 Cấu hình máy PM (a) Cấu trúc 3-D của máy (b) Mặt trước của máy
2.2.1.2 Cấu hình và vận hành máy từ trường vĩnh cửu (PM) trong hệ thống E-CVT đã nghiên cứu
Cấu hình của máy PM đã nghiên cứu
Cấu hình của máy (PM) trong hệ thống E-CVT bao gồm một stator, hai rotor và hai bộ cuộn dây Hai bộ cuộn dây có số lượng khe bằng nhau được đặt trong stator Cấu trúc của
45 động cơ có thể được coi là sự tích hợp của máy từ trường vĩnh cửu (PM) với hai rotor vernier (DVPM) (Rotor Vernier: một cấu trúc răng cưa hoặc răng lược phức tạp trên rotor để tạo ra một sự tương tác từ tính tinh vi giữa rotor và stator (phần cố định của máy), giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của máy), và máy PM khe phân đoạn đa cực (MFPM)
Máy DVPM bao gồm các cuộn dây chính tương tác với cả rotor bên trong và bên ngoài Hoạt động của máy DVPM tương tự như hoạt động của bánh răng từ tính (MGs) Sự khác biệt duy nhất là trường từ quay bên trong của máy DVPM được cung cấp bởi cuộn dây ba pha cố định MGs là một số mảng khác nhau của PMs và cực điều chỉnh ferrite (một vật liệu từ tính, thường được sử dụng trong các cấu trúc máy từ để tăng cường hiệu suất và giảm nhiễu) Loại mảng này của PMs và cực điều chỉnh ferrite của MG để tạo ra mật độ mô-men xoắn cao Theo hoạt động của MG, máy DVPM được điều khiển bởi:
PP s 1 = N ro − N ri (1) trong đó N ri và N ro là số cực PM của rotor bên trong và rotor bên ngoài, tương ứng, và PP s 1 là số cặp cực từ của cuộn dây chính
Ngoài ra, tốc độ quay của rotor bên trong và rotor bên ngoài được ký hiệu là ri và ro , tương ứng Tốc độ quay của dòng từ của cuộn dây chính là s 1 Sau đó, các phép dẫn xuất toán học của tốc độ quay và số cặp cực có thể được đưa ra như sau:
−N ri ri +N ro ro +PP s 1 s 1 =0 (2) và tần số của dòng điện cuộn dây chính có thể được biểu thị như:
Cuộn dây thứ cấp tương tác với rotor bên ngoài như một máy đồng bộ từ vĩnh cửu thông thường Số cặp cực từ của cuộn dây thứ cấp PP s 2 , số cực PM của rotor bên ngoài N ro , và số khe của stator Z thỏa mãn:
Z =2PP s 2 2k (5) trong đó k là ước số chung lớn nhất của PP s 2 và Z
Bản chất của hệ thống E-CVT là để lưu trữ và giải phóng năng lượng điện trong các chế độ lái xe khác nhau Khác với BEVs, HEVs không thể cắm sạc từ bên ngoài Khi lái xe xuống dốc hoặc phanh, công suất động cơ vượt quá công suất cần thiết để lái xe, sau đó năng lượng dư thừa được lưu trữ trong hệ thống lưu trữ năng lượng Một khi HEV lái xe lên dốc hoặc tăng tốc, đường truyền yêu cầu thêm công suất, sau đó hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ được xả để cung cấp thêm năng lượng Bằng cách áp dụng hệ thống E-CVT trong HEVs, năng lượng dư thừa thường bị lãng phí trong các xe thông thường có thể được tiết kiệm
Vận hành máy PM đã nghiên cứu
Hoạt động của HEVs có thể được phân loại chung thành ba chế độ, cụ thể là chế độ lái thuần điện, chế độ lái hỗn hợp, và chế độ sạc pin
Chế độ lái thuần điện
Trong chế độ này, năng lượng điện đã lưu trữ hỗ trợ toàn bộ đường truyền mà không cần chạy ICE:
Trong đó P c là công suất tiêu thụ để lái bánh xe và P s là công suất cung cấp bởi thiết bị lưu trữ năng lượng Do đó, tốc độ quay của rotor bên trong ri là 0 Công suất định mức của máy PM cho hệ thống E-CVT được đặt là 1.2 kW Tần số của cuộn dây chính và cuộn dây thứ cấp lần lượt là 100 và 200 Hz Số cực PM của rotor bên trong và rotor bên ngoài lần lượt là 17 và 28 Theo (3), ro có thể được suy ra là 428.6 vòng/phút (r/min)
= (7) trong đó P rate là công suất định mức, mô-men xoắn định mức T rate có thể được suy ra là 26.7 Nãm
Chế độ lái hỗn hợp
Các nghiên cứu về tiêu thụ năng lượng
2.3.1 Tiêu thụ năng lượng của một xe ô tô điện sử dụng pin với hộp số vô cấp vô cùng
Bài nghiên cứu này được thực hiện bởi 4 tác giả: Francesco Bottiglione, Stefano De Pinto, Giacomo Mantriota and Aldo Sorniotti
Xe hybrid điện (HEVs) và xe điện sử dụng pin (BEVs) đang trở thành những giải pháp khả thi, đặc biệt là cho việc di chuyển ở đô thị, nhờ vào hiệu suất môi trường của chúng, bao
83 gồm việc lái xe không phát thải HEVs và BEVs được đặc trưng bởi các kiến trúc khác nhau tùy thuộc vào bố trí hệ thống truyền động và số lượng động cơ đẩy Cả HEVs và BEVs đều sử dụng động cơ điện (EMs) làm nguồn cơ học chính hoặc phụ So với động cơ đốt trong bên trong (ICEs), EMs có đặc tính về mô-men xoắn tốt hơn Trong thực tế, ở tốc độ thấp, bao gồm cả tốc độ không, chúng có thể hoạt động ở mô-men xoắn cực đại của chúng, mà không cần cầu ly hợp ma sát và các hệ thống phụ trợ liên quan, trong khi ở tốc độ cao, việc vận hành bị hạn chế bởi một vùng công suất không đổi Thường thì HEVs và BEVs hoạt động ở nhiều trạng thái: ví dụ như chế độ lai (có thể bao gồm nhiều trạng thái con), chế độ toàn điện, chế độ phục hồi phanh và chế độ sạc pin Đặc biệt, chế độ toàn điện có thể gây ra các hạn chế về tốc độ tối đa của xe hoặc hiệu suất tăng tốc và vượt dốc giảm, phụ thuộc vào tốc độ và mô- men xoắn tối đa của EM
Hiện nay, các EM cho BEVs thường được kết nối với hộp số một tốc độ ngay cả khi cấu hình này hạn chế hiệu suất của chúng, đặc biệt là trong trường hợp các động cơ điện có một phạm vi tốc độ hạn chế Vì lý do này, nghiên cứu ô tô đang di chuyển hướng đến các hệ thống truyền động có thể cải thiện hiệu suất của EM trong HEVs và BEVs
Một giải pháp đầu tiên có thể để tăng hiệu suất của hệ truyền động điện là sử dụng các hệ thống truyền động hai tốc độ, trong đó hai tỷ số bánh răng được chọn với tập trung đặc biệt vào hiệu suất tăng tốc và khả năng vượt dốc (bánh răng thứ nhất) và tốc độ tối đa (bánh răng thứ hai) Hơn nữa, vì hiệu suất của hệ truyền động điện là một hàm số của mô-men xoắn và tốc độ, một hệ thống truyền động hai tốc độ tăng sự linh hoạt trong việc lựa chọn vùng hoạt động, từ đó mang lại lợi ích tiết kiệm năng lượng tiềm năng
Trong một nghiên cứu gần đây, Yang và cộng sự mô tả việc phát triển một hệ truyền động mới với hai chế độ truyền động biến đổi liên tục, dựa trên việc vận hành của hai động cơ điện và một hệ thống côn và phanh Hệ thống này là sự sửa đổi của hệ truyền động hybrid điện 2 chế độ truyền động của General Motors, với việc thêm vào hai chế độ mới chỉ với điện mục tiêu là tăng mô-men xoắn và hiệu suất tăng tốc trong chế độ lai và, đồng thời, đạt được hiệu suất toàn điện tốt nhất Hiệu suất hệ truyền động có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các hộp số biến đổi liên tục (CVTs) trong HEVs và BEVs với các kiến trúc khác nhau, như hệ thống của Honda Civic Hybrid mới, sử dụng ICE với một CVT dây đẩy và một động cơ đồng
84 bộ từ tính cố định Trong thực tế, so với hộp số sàn hoặc tự động, CVT tăng hiệu suất của hệ truyền động điện vì tỷ số tốc độ liên tục biến đổi, do đó duy trì điều kiện vận hành của động cơ điện gần với vùng hiệu suất tốt nhất
Tuy nhiên, mặc dù theo định nghĩa CVTs cho phép biến đổi tỷ số bánh răng mượt mà, sự chấp nhận của thị trường thế giới đối với chúng đã khá hạn chế vì các đặc tính vận hành đặc biệt của chúng Trong các xe hybrid điện (HEVs), động cơ điện có thể được kết nối với ICE hoặc trực tiếp với bánh xe thông qua các thiết bị chia nguồn có thể tăng số lượng điều kiện vận hành có thể Nói chung, thiết bị chia nguồn là một hộp số vô cấp vô cùng (IVT) có thể là cơ khí hoặc điện với một (Toyota Prius, Lexus CT200h, Ford C-Max) hoặc hai (Chevrolet Tahoe Hybrid) động cơ điện Hộp số biến đổi liên tục (CVTs) có một phạm vi tỷ số tốc độ xác định rõ ràng với một giá trị tối thiểu lớn hơn không, trong khi IVTs được đặc trưng bởi một giới hạn dưới của phạm vi tỷ số tốc độ có thể là không hoặc âm, loại bỏ nhu cầu sử dụng côn ma sát trong trường hợp của ICEs
Trong nghiên cứu trước đây, các thiết bị chia nguồn khác nhau đã được phân tích lý thuyết với trọng tâm là hiệu suất và trong một số trường hợp, chúng đã được thực nghiệm triển khai và đánh giá trên các phương tiện Ví dụ, đã thực nghiệm xác minh một số cấu hình chia nguồn trên một thiết bị thử nghiệm, cũng được sử dụng để mô tả các điều kiện vận hành cụ thể, như chế độ truyền tải trống trong, và đánh giá các bố trí truyền động mới có thể trong Trong HEVs và BEVs với IVTs, trong quá trình tái tạo phanh, hộp số hoạt động ở chế độ ngược, với hiệu suất thấp hơn so với chế độ trực tiếp Mặc dù đã đề xuất nhiều kiến trúc hệ truyền động khác nhau, không tìm thấy tài liệu nào liên quan đến BEVs trang bị IVTs
Mục tiêu của công việc này là so sánh tiêu thụ năng lượng của một xe ô tô điện pin đô thị trang bị các bố trí truyền động khác nhau: một tốc độ (1G), hai tốc độ (2G), nửa hình toroidal CVT (HT), toàn bộ hình toroidal CVT (FT), chuỗi-IVT với luồng năng lượng Loại I (IVT-I), và song song-IVT với luồng năng lượng Loại II (IVT-II) Tiềm năng tiết kiệm năng lượng của mỗi bố trí được tính toán bằng một mô hình mô phỏng đối diện ngược, trong điều kiện tốc độ không đổi và dọc theo chu trình lái xe đô thị (UDC) và chu trình lái xe đô thị 10-
15 của Nhật Bản Việc lựa chọn tỷ số bánh răng được thực hiện dựa trên bảng tra cứu, phát sinh từ một thuật toán tối ưu hóa ngoại tuyến Bằng cách sử dụng mô hình số của mỗi hộp số,
85 việc tối ưu hóa ngoại tuyến tối đa hóa hiệu suất của hệ truyền động cho tất cả các điều kiện vận hành có thể Hiệu suất IVT được đánh giá thông qua phương pháp đơn giản trong và xem xét tác động của các điều kiện vận hành đối với hiệu suất CVT
2.3.1.2 Mô hình mô phỏng BEV:
Xe điển hình trong trường hợp nghiên cứu là một ô tô hành khách đô thị, được thực hiện dưới dạng một mô hình vật lý trong dự án Liên minh Châu Âu FP7 PLUS-MOBY Mô hình mô phỏng được phát triển theo phương pháp đối diện ngược Nó bao gồm lực kéo không khí, lực cản cuộn của lốp và hiệu suất của các thành phần cơ khí Mô hình này thích hợp cho việc tính toán tiêu thụ năng lượng với các bố trí truyền động khác nhau, tất cả đều kết hợp với một hộp số giảm tốc cuối cùng có tỷ số bánh răng cố định Bảng 2.12 Khối lượng của xe được thay đổi tùy theo loại hộp số Bảng 2.13 để đảm bảo sự công bằng trong việc đánh giá kết quả về tiêu thụ năng lượng
Bảng 2 12 Các thông số của phương tiện
Bảng 2 13 Trọng lượng hộp số và phương tiện
Trong nghiên cứu này, các bố trí truyền động sau được so sánh:
(v) CVT HT trong một chuỗi-IVT với luồng năng lượng Loại I;
(vi) CVT HT trong một song song-IVT với luồng năng lượng Loại II
Các BEVs hiện có trên thị trường thường sử dụng hệ thống hộp số 1G, bởi vì tính đơn giản và các đặc tính mô-men xoắn của EM đã được thiết kế sẵn tốt Các mẫu nguyên mẫu hộp số với tỷ số bước (đa phần là hộp số 2G) cho BEVs cung cấp các chuyển số mượt mà, để không ảnh hưởng đến hiệu suất tăng tốc của xe nếu chuyển số được kích hoạt trong vùng công suất không đổi của động cơ điện
CVTs và IVTs cho phép biến đổi liên tục không bước của tỷ số bánh răng giữa các giới hạn do thiết kế phần cứng áp dụng Điều này cho phép EM hoạt động gần với vùng hiệu suất tốt nhất trong khi tốc độ xe và yêu cầu mô-men xoắn đang thay đổi
Hình 2 44 Bố trí xe với (a) CVT và (b) IVT (a) Sơ đồ của BEV với một CVT; (b) Sơ đồ của BEV với một IVT
Bố trí truyền động phổ biến nhất của BEV bao gồm một động cơ điện trung tâm với một hộp số 1G và một hộp chia công suất, để giảm chi phí sản xuất và trọng lượng Mặc dù các BEV hiện có thường sử dụng hộp số một tốc độ, cấu hình này hạn chế hiệu suất của chúng, đặc biệt là trong trường hợp của các động cơ điện có phạm vi tốc độ hạn chế Trong thực tế, tỷ số bánh răng đơn được chọn là một sự cân đối giữa khả năng vượt dốc, đòi hỏi một giá trị tỷ số bánh răng thấp, và tốc độ tối đa, đòi hỏi một giá trị tỷ số bánh răng cao
Nghiên cứu thay đổi phương pháp điều khiển
2.4.2 Điều khiển dự đoán dữ liệu truyền tải của hệ thống hộp số biến thiên vô cấp CVT để cải thiện hiệu quả năng lượng của Xe tự hành
Bài nghiên cứu được thực hiện bởi các tác giả: Mirhamed Mola, Ali Moradi Amani, Mahdi Jalili, Senior and Hamid Khayyam, Senior (thuộc thành viên IEEE)
Mặc dù có nền tảng toán học vững chắc về các phương pháp điều khiển dựa trên mô hình, các hệ thống ô tô thực sự bao gồm CVT luôn phải tuân theo phi tuyến và các tham số thay đổi theo thời gian do các lý do khác nhau như tuổi thọ động cơ Trong các phương tiện thông thường, nhiều hạn chế này có thể được bù đắp bởi người lái xe Tuy nhiên, mức độ thông minh cao hơn được mong đợi trong các xe tự hành để giải quyết những vấn đề này Trên thực tế, hệ thống nên tự thích ứng mà không cần bất kỳ hoạt động trung gian nào Điều khiển theo hướng dữ liệu (DDC) là một lĩnh vực hoạt động trong kỹ thuật điều khiển tập trung vào việc học từ dữ liệu thay vì gắn bó với một mô hình cố định được xác định trước Do những tiến bộ trong cảm biến và công nghệ truyền thông, một lượng lớn dữ liệu có độ phân giải cao có thể được thu thập từ các quy trình Ý tưởng này đã được sử dụng rộng rãi trong một thời gian dài trong một lớp các hệ thống điều khiển thích ứng, nơi bộ điều khiển được điều chỉnh dựa trên mô hình được trích xuất từ các phép đo trực tuyến
Hình 2 52 Sơ đồ hệ thống hộp số CVT
Hình 2 53 Sơ đồ làm việc của các puli trong hộp số CVT
CVT bao gồm phần "Điều khiển" và phần "Bị điều khiển", mỗi phần đều có puly cố định và có thể di chuyển được Ngoại lực, được gọi là lực ép trục F ax , được tác dụng lên puly di động trong khi các puly khác được cố định Lực này có thể được tạo ra bởi các cơ sở khác nhau như hệ thống thủy lực phụ trợ và hệ thống điện từ Lực ép tác dụng dẫn đến sự dịch chuyển của puly, từ đó làm thay đổi bán kính làm việc của puly sơ cấp và thứ cấp là R p và
R s , tương ứng Do đó, Hộp số CVT có các mô-men xoắn vào (incoming) và ra (outgoing)
T Nm và T cvt out , (Nm), tương ứng, có thể được xử lý thích hợp
Hình 2.53 lưu ý rằng p và s lần lượt là vận tốc góc của puly dẫn và puly bị dẫn, c là khoảng cách trung tâm không đổi của trục và là góc thẳng đứng giữa nón generatrix và trục ròng rọc Tỷ số truyền, i, của CVT được cho bởi công thức: min max s p i R i i i
= R (1) trong đó i min và i max thể hiện các ràng buộc thấp hơn và cao hơn của tỷ số truyền tương ứng Quy trình tăng tốc độ của xe ô tô cùng với sự giảm đi trong tỷ số truyền của hộp số CVT hoặc ngược lại Điều khiển CVT thường có hai phần Đầu tiên thực hiện điều chỉnh thích hợp tỷ số truyền i, dựa trên điều kiện lái xe bao gồm tốc độ hiện tại hay tốc độ mong muốn, gia tốc, độ giật và điều kiện môi trường Bước tạo tỷ số truyền mong muốn thường được giả định là có sẵn trong tài liệu dựa trên các tính toán tỷ số truyền ngược, mặc dù giá trị tối ưu hóa của tín hiệu này đóng một vai trò không thể thiếu trong hiệu quả của CVT Tỷ số truyền mong muốn i sau đó
100 được áp dụng cho một bộ điều khiển được thiết kế phù hợp
Hình 2 54 Bản đồ mô-men xoắn phanh của động cơ đốt trong dựa trên thông số kỹ thuật của xe trong
Hệ thống đẩy của xe ô tô có thể được phân loại thành ba nhóm chính: Động cơ đốt trong (ICE), động cơ điện và hệ thống điện hybrid Phương pháp nghiên cứu tập trung vào ICE Hoạt động của ICE dựa trên sự thay đổi trong độ mở góc của bướm ga, dẫn đến sự thay đổi tốc độ động cơ e (rad s/ ) Quá trình này được mô hình hóa như sau,
P = f (3) trong đó T Nm e ( )và P kW e ( )biểu thị mô-men xoắn động cơ và công suất tương ứng Hơn nữa,
P e f đại diện cho mô-men xoắn động cơ tương ứng và các chức năng công suất, tương ứng
Thu thập dữ liệu và tạo các bảng tra cứu thích hợp là những chiến lược phổ biến trong phân tích hoạt động của ICE, bao gồm các động lực phi tuyến tinh vi của chúng Bản đồ mô- men xoắn phanh của Hình 2.54 cho thấy cùng một mô-men xoắn chỉ huy không nhất thiết dẫn đến cùng một mô-men xoắn đầu ra được tạo ra trong mọi điều kiện xe Ở hình 2.54 mối quan hệ phi trơn tru và phi tuyến giữa tín hiệu mô-men xoắn cần có
101 và thực tế ở các tốc độ động cơ khác nhau Mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ cũng được lấy từ bảng tra cứu thu được dựa trên tốc độ động cơ và tín hiệu mô-men xoắn như công thức:
Trong đó Q t là mức tiêu thụ nhiên liệu thoáng qua của xe tính bằng ( / )L h và Q đại diện cho nhiên liệu tích lũy Hơn nữa, nhiên liệu tiêu thụ của xe trên một trăm km,
(5) trong đó V v biểu thị tốc độ của xe ô tô tính bằng (km / h)
Mô hình toán học CVT:
Sử dụng lý thuyết ma sát của đai kim loại CVT Ta có:
Trong đó F t là ma sát giữa đai kim loại và puli sơ cấp, F N n ( )là lực ép thẳng đứng ở mặt cuối của puli sơ cấp và biểu thị hệ số ma sát giữa đai kim loại và puli Kết hợp kết quả
Trong đó F ax ( )N biểu thị lực ép dọc trục tác dụng lên ròng rọc thứ cấp Mômen tác dụng lên ròng rọc sơ cấp và thứ cấp có thể được tính như sau:
Mặt khác, hai phương trình động lực học chính của CVT có thể được viết là: p p p p e cvt
Trong đó J p và J s lần lượt là mômen quán tính của puly sơ cấp và thứ cấp tính bằng (kg m 2), C p và C s là hệ số giảm xóc của ròng rọc sơ cấp và thứ cấp tính bằng (Nm rad s/ / )) tương ứng, T cvt (Nm)là mô-men xoắn truyền của đai kim loại CVT, và T Nm r ( )là mô-men xoắn cản trở của trục truyền động xe được chuyển đổi thành trục phụ của CVT Mô-men xoắn động cơ T e và tỷ lệ tốc độ CVT i ,là hai tín hiệu điều khiển cần được thao tác thích hợp để xử lý quy trình điều khiển tổng thể
Hình 2.55 trong đó nếu i f biểu thị tỷ lệ truyền động cuối cùng thì v (rad s/ )đại diện cho vận tốc góc của các bánh xe và T r biểu thị mô-men xoắn nhiễu
Giả sử rằng người lái xe đặt tín hiệu tham chiếu tốc độ xe thành V m s r ( / )cũng có thể được tính toán tự động bởi bộ điều khiển điện tử (ECU) theo điều kiện môi trường
Nếu tin rằng tốc độ thực tế của xe V m s v ( / ), liên quan đến vận tốc góc của ròng rọc thứ cấp thì:
Hình 2 55 Sơ đồ hệ thống truyền lực tổng thể của một chiếc xe ô tô
Tín hiệu lỗi theo dõi tốc độ được xác định bởi, n r v e = − V V (15)
Theo dõi tín hiệu tham chiếu tốc độ xe hoặc giảm thiểu tín hiệu lỗi được xác định trong (15) là một trong những mục tiêu kiểm soát phổ biến
2.4.1.3 Điều khiển dữ liệu truyền tải của hộp số CVT (Data driven control of CVT)
Hình 2 56 Cấu trúc điều khiển toàn diện được thiết kế
Hình 2.56 trong đó hệ thống truyền động đầy đủ của xe ô tô bao gồm động cơ và hệ thống truyền động CVT được tính đến Lưu ý rằng khối "Speed Ref." đại diện cho tín hiệu tham chiếu tốc độ của xe trong hình này
Hình 2 57 Sơ đồ khối khung Framework DDC
Làm cho chiếc xe theo dõi quỹ đạo tham chiếu tốc độ với lỗi theo dõi tối thiểu có thể là một trong những mục tiêu kiểm soát chính Cấu trúc điều khiển được đề xuất bao gồm hai
104 khối điều khiển song song để đạt được các mục tiêu mong muốn: điều khiển mô-men xoắn và khối khung DDC
ĐỀ XUẤT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HỘP SỐ BIẾN THIÊN VÔ CẤP (CVT) VỀ HIỆU SUẤT VÀ TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG
Sử dụng vật liệu tiên tiến
Trong việc cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho CVT, việc sử dụng vật liệu tiên tiến đóng một vai trò quan trọng Trong những năm gần đây, nhiều loại vật liệu mới đã được nghiên cứu và ứng dụng trong hộp số vô cấp (CVT) nhằm nâng cao hiệu suất, độ bền và tuổi thọ của các bộ phận Dưới đây là một số vật liệu nổi bật:
Composite Carbon Ưu điểm: Composite carbon có trọng lượng nhẹ, độ cứng cao và khả năng chịu lực tốt Những đặc tính này giúp giảm trọng lượng tổng thể của hộp số, cải thiện hiệu suất truyền động và tiết kiệm nhiên liệu Ứng dụng: Composite carbon thường được sử dụng trong sản xuất các bộ phận như dây đai và puli, nơi cần sự kết hợp giữa độ bền và trọng lượng nhẹ
Tài liệu: "Advanced Composite Materials for Automotive Applications: Structural Integrity and Crashworthiness" - Tác giả: Ahmed Elmarakbi
Dẫn chứng: Tài liệu này đề cập đến việc sử dụng composite carbon trong các bộ phận ô tô, bao gồm cả hệ thống truyền động như CVT, giúp giảm trọng lượng và tăng hiệu suất
Hợp kim nhôm và magie Ưu điểm: Hợp kim nhôm và magie có trọng lượng nhẹ và khả năng chịu lực tốt, giúp giảm trọng lượng tổng thể của hệ thống truyền động và tăng khả năng tản nhiệt, từ đó cải thiện hiệu suất hoạt động của hộp số CVT Ứng dụng: Các bộ phận như vỏ hộp số và các chi tiết truyền động thường được làm từ hợp kim nhôm và magie để tận dụng ưu điểm về trọng lượng và độ bền
Tài liệu: "Lightweight Materials for Automotive Applications" - Tác giả: P.K Mallick Dẫn chứng: Cuốn sách này thảo luận về việc ứng dụng hợp kim nhôm và magie trong công nghiệp ô tô, bao gồm việc sử dụng trong vỏ hộp số và các bộ phận truyền động nhằm giảm trọng lượng và cải thiện hiệu suất nhiệt
Vật liệu gốm (Ceramics) Ưu điểm: Vật liệu gốm có độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn tốt và chịu nhiệt cao Những đặc tính này giúp các bộ phận làm từ gốm có tuổi thọ dài hơn và giảm ma sát, từ đó tăng hiệu suất hoạt động của hộp số Ứng dụng: Gốm thường được sử dụng cho các chi tiết như các lớp phủ bề mặt của puli và các thành phần chịu ma sát cao khác
Tài liệu: "Ceramic Materials: Science and Engineering" - Tác giả: C Barry Carter, M Grant Norton
Dẫn chứng: Tài liệu này trình bày về các đặc tính của vật liệu gốm và ứng dụng của chúng trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là các chi tiết trong hộp số như các lớp phủ bề mặt puli
Thép hợp kim tiên tiến Ưu điểm: Thép hợp kim tiên tiến có độ cứng cao, khả năng chịu lực và mài mòn tốt hơn so với thép truyền thống Điều này giúp các bộ phận như bánh răng và trục có độ bền cao hơn và khả năng chịu tải tốt hơn Ứng dụng: Thép hợp kim tiên tiến thường được sử dụng trong các bộ phận chịu lực lớn và chịu mài mòn như bánh răng và trục của hệ thống truyền động CVT
Tài liệu: "Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies" - Tác giả: George E Totten
Dẫn chứng: Cuốn sách cung cấp thông tin chi tiết về thép hợp kim tiên tiến và việc sử dụng chúng trong các bộ phận chịu tải cao như bánh răng và trục trong hộp số CVT
Polyamide (Nylon) gia cố Ưu điểm: Polyamide gia cố có trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chịu mài mòn tốt Vật liệu này cũng có khả năng tự bôi trơn, giảm ma sát giữa các bộ phận Ứng dụng: Polyamide gia cố thường được sử dụng trong các bộ phận như con lăn và các chi tiết cần giảm ma sát trong hệ thống truyền động
Tài liệu: "Plastics Technology Handbook" - Tác giả: Manas Chanda, Salil K Roy Dẫn chứng: Tài liệu này mô tả việc sử dụng polyamide gia cố trong các ứng dụng công nghiệp, bao gồm các bộ phận của hệ thống truyền động ô tô nhằm giảm ma sát và mài mòn
Những vật liệu mới này không chỉ cải thiện hiệu suất và độ bền của hộp số CVT mà còn giúp giảm trọng lượng và tăng tính hiệu quả của các phương tiện sử dụng hệ thống truyền động này Việc áp dụng các vật liệu tiên tiến vào sản xuất hộp số CVT đã và đang mang lại những lợi ích đáng kể trong ngành công nghiệp ô tô, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất và độ tin cậy.
Thiết kế tối ưu hình học
Thiết kế hình học của các thành phần như ròng rọc và dây đai đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của CVT Sử dụng các công cụ mô phỏng số như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo sự tiếp xúc tối ưu giữa dây đai và ròng rọc, giảm ma sát và tổn thất năng lượng Áp dụng thực tế:
Hộp số XTRONIC CVT với D-Step Logic Control của Nissan
Mô tả: Nissan đã phát triển thế hệ thứ ba của hộp số XTRONIC CVT với D-Step Logic Control Đây là một phần mềm điều khiển sử dụng các thông số động như tốc độ xe, vị trí bàn đạp ga và tốc độ ứng dụng để xác định tỷ số truyền lý tưởng, mang lại khả năng tăng tốc mượt mà và liên tục Các cải tiến này cũng làm cho CVT nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn, giúp tăng hiệu suất nhiên liệu khoảng 10%
Dẫn chứng: Thông tin từ trang web chính thức của Nissan cho thấy công nghệ này đã được áp dụng trên nhiều mẫu xe của hãng như Altima, Murano và Maxima (Nissan USA)
Hộp số CVT cải tiến trên Nissan Sentra 2024
Mô tả: Nissan Sentra 2024 được trang bị hộp số CVT mới được tinh chỉnh để cải thiện hiệu suất lái xe và hiệu suất nhiên liệu Thiết kế mới nhằm mang lại cảm giác lái tự nhiên hơn, giống như hộp số tự động truyền thống, trong khi vẫn giữ được những lợi ích của CVT như tăng tốc mượt mà và tiết kiệm nhiên liệu
Dẫn chứng: Theo thông tin từ các bài đánh giá xe hơi, các cải tiến trên hộp số CVT của Nissan Sentra 2024 đã được ghi nhận là mang lại trải nghiệm lái xe tốt hơn.
Điều khiển thông minh
Áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) giúp tối ưu hóa hoạt động của CVT Các hệ thống điều khiển này có khả năng dự đoán
115 và điều chỉnh tỷ số truyền động một cách chính xác, từ đó tăng hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng
Dẫn chứng là dựa trên các phương pháp đã phân tích: Tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên Tiến hóa Vi phân cho Hệ thống Truyền động Vô cấp Điện tử của các tác giả: Yuan Mao, Shuangxia Niu, Member, IEEE, and Yun Yang, Student Member, IEEE Bằng cách sử dụng phương pháp tối ưu hóa tiến hóa vi phân (DE) mô-men xoắn rotor ngoài của máy PM có thể được tối ưu hóa (cải thiện khoảng 2.6%) Hiệu suất năng lượng của máy PM được tối ưu hóa (cải thiện 0.1%) Rung mô-men xoắn của máy PM được tối ưu hóa (cải thiện 7.1%) Điều khiển theo hướng dữ liệu (DDC) ở phương pháp: Điều khiển dự đoán dữ liệu truyền tải của hệ thống hộp số biến thiên vô cấp CVT để cải thiện hiệu quả năng lượng của Xe tự hành của các tác giả: Mirhamed Mola, Ali Moradi Amani, Membe, IEEE, Mahdi Jalili, Senior Membe, IEEE, and Hamid Khayyam, Senior Member, IEEE cơ chế dự đoán DDC được đề xuất để tính tỷ số truyền có thể cải thiện hiệu quả tiết kiệm năng lượng lên 1-5% Và phương pháp phân tích tối ưu hóa thiết kế bộ chuyển đổi cần số của các tác giả: Wootaek Kim, Daekuk Kim, Doyeong Lee, Hjoo Moon và Jinwool Lee đã cải thiện hiệu suất năng lượng của xe điện với CVT khoảng 5,11% khi hộp số biến thiên liên tục được áp dụng thông qua mô phỏng lái xe kết hợp
Trong lĩnh vực cải tiến hộp số CVT (Continuously Variable Transmission), nhiều hệ thống điều khiển thông minh mới đã được phát triển và áp dụng nhằm nâng cao hiệu suất, độ bền, và trải nghiệm lái xe Dưới đây là một số hệ thống điều khiển thông minh mới đã được ứng dụng cụ thể:
Toyota ECT-i (Electronic Control Transmission with intelligence)
Toyota đã phát triển hệ thống điều khiển ECT-i cho hộp số tự động của họ, cho phép điều khiển tổng thể mô-men xoắn của động cơ và áp lực thủy lực của ly hợp trong quá trình chuyển số Hệ thống này đảm bảo quá trình chuyển số mượt mà và không thay đổi trong suốt vòng đời của hộp số Bên cạnh đó, ECT-i còn sử dụng bộ biến mô "Super Flow" với thiết kế hình học tối ưu, đạt hiệu suất cao nhất thế giới (SAE Mobility)
Nissan đã ứng dụng công nghệ Xtronic CVT trong nhiều dòng xe của mình, từ xe cỡ nhỏ đến xe sang công suất cao Hộp số CVT của Nissan cung cấp trải nghiệm lái mượt mà và tiết kiệm nhiên liệu nhờ việc thay đổi tỷ số truyền liên tục và không có bước nhảy giữa các số Hệ thống điều khiển thông minh trong Xtronic CVT giúp tối ưu hóa việc điều chỉnh đường kính của các pulley (ròng rọc), đảm bảo khả năng truyền lực hiệu quả và giảm thiểu tiêu hao năng lượng (Official ASEAN Newsroom)
Hyundai Intelligent Variable Transmission (IVT):
Hyundai đã giới thiệu hệ thống IVT, một dạng cải tiến của CVT truyền thống, trong dòng xe Elantra 2023 Hệ thống này sử dụng một thuật toán điều khiển thông minh để tối ưu hóa tỷ số truyền dựa trên điều kiện lái xe thực tế, giúp cải thiện khả năng tăng tốc và tiết kiệm nhiên liệu IVT của Hyundai cũng tích hợp các chế độ lái xe khác nhau, mang lại trải nghiệm lái xe đa dạng và linh hoạt hơn (Auto User Guide)
Những hệ thống điều khiển thông minh này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của hộp số CVT mà còn nâng cao trải nghiệm lái xe, đồng thời góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các hệ thống này là cần thiết để duy trì và nâng cao lợi thế cạnh tranh trong ngành công nghiệp ô tô.
Hệ thống bôi trơn cải tiến
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển hộp số vô cấp (CVT), các hệ thống bôi trơn tiên tiến đã được ứng dụng để cải thiện hiệu suất và độ bền Các hệ thống bôi trơn mới này được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu độc đáo của hộp số CVT, nơi mà sự ma sát và mài mòn giữa các thành phần kim loại có thể rất cao
Một trong những ví dụ điển hình là chất lỏng CVT tổng hợp toàn phần của hãng Advanced Lubrication Specialties Chất lỏng này được thiết kế để cung cấp sự bảo vệ vượt trội cho các hộp số CVT hiện đại, bao gồm cả loại dây đai và loại xích Nó có khả năng chống mài mòn, ổn định dưới áp suất và nhiệt độ cao, và duy trì đặc tính bôi trơn tốt ở nhiệt độ thấp (Advanced Lubes)
Ngoài ra, các nhà sản xuất như Q8Oils cũng đã phát triển các loại dầu bôi trơn đặc biệt cho hộp số CVT Các chất lỏng này được tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống, giúp giảm mài mòn và kéo dài tuổi thọ của các bộ phận truyền động Các sản phẩm của họ còn được chứng nhận phù hợp với nhiều tiêu chuẩn của các nhà sản xuất ô tô lớn trên thế giới (Q8Oils)
Những tiến bộ này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất và độ bền của hộp số CVT mà còn đóng góp vào việc nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu khí thải CO2, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt
Như vậy, việc áp dụng các hệ thống bôi trơn cải tiến đã và đang đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ hộp số CVT, mang lại lợi ích to lớn cho cả nhà sản xuất và người sử dụng.
Các đề xuất cải tiến tiếp theo
3.5.1 Tích hợp hệ thống phản hồi theo thời gian thực
Tích hợp các cảm biến hiện đại để giám sát và điều chỉnh hoạt động của CVT theo thời gian thực Hệ thống này sẽ cung cấp thông tin về tốc độ, nhiệt độ và độ mòn của các bộ phận, giúp điều chỉnh kịp thời để duy trì hiệu suất tối ưu
3.5.2 Sử dụng hệ thống điều khiển dự đoán
Sử dụng các thuật toán điều khiển dự đoán dựa trên mô hình (MPC) để quản lý hoạt động của CVT MPC có khả năng dự đoán các tình huống lái xe và điều chỉnh tỷ số truyền động một cách chủ động, từ đó tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng
3.5.3 Tối ưu hóa phần mềm điều khiển
Phát triển phần mềm điều khiển tối ưu dựa trên các nghiên cứu mô phỏng và thử nghiệm thực tế Phần mềm này sẽ tích hợp các thuật toán học máy để tự động điều chỉnh tỷ số truyền động và các thông số vận hành khác của CVT, giúp tăng hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng
3.5.4 Phát triển hệ thống tái tạo năng lượng
Tích hợp hệ thống tái tạo năng lượng từ quá trình phanh và giảm tốc để cung cấp năng lượng cho CVT Điều này giúp giảm tải cho hệ thống pin và tăng hiệu suất tổng thể của xe điện
3.5.5 Nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới
Tiếp tục nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới với đặc tính cơ học và nhiệt tốt hơn, giảm trọng lượng và tăng độ bền cho các bộ phận của CVT Các vật liệu này sẽ giúp giảm ma sát, tăng hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của CVT.
Các đề xuất cải tiến tiếp theo
Chúng em cũng đã đề xuất một số phương pháp cải tiến tiếp theo, bao gồm tích hợp hệ thống phản hồi theo thời gian thực, sử dụng hệ thống điều khiển dự đoán, tối ưu hóa phần mềm điều khiển, phát triển hệ thống tái tạo năng lượng và nghiên cứu các vật liệu mới.
Đánh giá
Tăng hiệu suất: Cải tiến các thành phần và thiết kế hình học giúp tăng hiệu suất hoạt động của hộp số CVT, từ đó giảm tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất của phương tiện Tiết kiệm năng lượng: Sử dụng các thuật toán điều khiển thông minh và hệ thống bôi trơn tiên tiến đã giúp giảm tiêu hao năng lượng, từ đó tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng của phương tiện
Giảm Ma sát và Nhiệt độ: Các biện pháp cải tiến về vật liệu và bôi trơn giúp giảm ma sát và nhiệt độ trong hộp số CVT, từ đó kéo dài tuổi thọ của hệ thống
3.7.2 Hạn chế và thách thức
Chi phí cao: Sử dụng các vật liệu tiên tiến và công nghệ mới có thể làm tăng chi phí sản xuất, làm cho phương tiện cuối cùng có giá thành cao hơn
Khả năng sửa chữa phức tạp: Các phương tiện được trang bị hộp số CVT có thể cần kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ, và việc sửa chữa có thể phức tạp và đắt đỏ
Tính ổn định và Độ tin cậy: Đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hộp số CVT trong điều kiện hoạt động đa dạng và khắc nghiệt là một thách thức lớn
Tính tương thích: Đối với việc tích hợp hộp số CVT vào các hệ thống động cơ và xe hơi hiện đại, cần phải đảm bảo tính tương thích và hiệu suất tối ưu
Sự chấp nhận của thị trường: Sự chấp nhận của thị trường đối với công nghệ mới và các biện pháp tiết kiệm năng lượng có thể là một thách thức, đặc biệt là khi chi phí ban đầu cao
Luật pháp và quy định: Các quy định về tiêu chuẩn an toàn và môi trường có thể đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với các hộp số CVT, làm tăng chi phí và thách thức cho việc tuân thủ.
Kết Luận
Cải tiến hiệu suất và tiêu thụ năng lượng của hộp số biến thiên vô cấp (CVT) đòi hỏi sự tích hợp của nhiều yếu tố từ vật liệu, thiết kế đến điều khiển Sự kết hợp giữa các phương pháp hiện tại và các đề xuất cải tiến sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng của
CVT, đồng thời đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp ô tô.