nghiên cứu mô phỏng hệ thống hybri

HEV: Hybrid Electric Vehicle: xe điện laiHV: High Voltage: điện cao áp HWFET: Highway Fuel Economy Test: chu trình mô phỏng điều kiện lái xe trên cao tốc ICE: Internal Combustion Engine:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG HYBRID

Tổng quan về xe Hybrid

2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của ô tô Hybrid Ô tô Hybrid, kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, đã trở thành một trong những giải pháp tiên tiến và hiệu quả nhất cho việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải Lịch sử của ô tô Hybrid bắt đầu từ cuối thế kỷ 19, với những nỗ lực đầu tiên nhằm kết hợp động cơ xăng và động cơ điện để tối ưu hóa hiệu suất

Vào năm 1899, Ferdinand Porsche, khi đó chỉ mới 24 tuổi, đã phát triển chiếc xe Hybrid đầu tiên có tên là Lohner-Porsche Mixte Xe này sử dụng một động cơ xăng để cung cấp năng lượng cho các động cơ điện gắn ở bánh xe, cho phép xe chạy bằng năng lượng điện trong khi động cơ xăng nạp lại pin Tuy nhiên, do công nghệ pin và động cơ điện còn hạn chế, xe Hybrid chưa được thương mại hóa rộng rãi vào thời điểm đó

Hình 2.1 Chiếc xe Hybrid đầu tiên trên thế giới

Mãi đến cuối thế kỷ 20, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ và nhận thức ngày càng tăng về bảo vệ môi trường, ô tô Hybrid mới bắt đầu nhận được sự chú ý đáng kể Năm 1997, Toyota ra mắt mẫu xe Prius, chiếc ô tô Hybrid đầu tiên được sản xuất hàng loạt và thương mại hóa rộng rãi Prius nhanh chóng trở thành biểu tượng của sự đổi mới trong ngành công nghiệp ô tô, với khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải đáng kể Sự thành công của Toyota Prius đã thúc đẩy các hãng xe khác phát triển các

4 mẫu ô tô Hybrid của riêng mình Honda cũng giới thiệu mẫu Insight vào năm 1999, và sau đó là các hãng xe lớn như Ford, General Motors, và nhiều nhà sản xuất ô tô châu Âu và châu Á khác cũng bắt đầu gia nhập thị trường ô tô Hybrid

Trong những thập kỷ đầu thế kỷ 21, ô tô Hybrid tiếp tục được cải tiến với công nghệ ngày càng tiên tiến Các mẫu xe Hybrid hiện đại không chỉ tập trung vào việc tiết kiệm nhiên liệu mà còn hướng tới hiệu suất cao và trải nghiệm lái xe tốt hơn Các hệ thống Hybrid tiên tiến như Hybrid cắm điện (Plug-in Hybrid) cho phép xe chạy hoàn toàn bằng điện, đồng thời vẫn giữ được khả năng hoạt động linh hoạt với động cơ xăng trong những chuyến đi dài

Ngày nay, ô tô Hybrid đã trở thành một lựa chọn phổ biến và được ưa chuộng ở nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam, nhờ những ưu điểm như tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải và phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, ô tô Hybrid tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc hướng tới một tương lai giao thông bền vững và thân thiện với môi trường

2.1.2 Giới thiệu về xe Hybrid

Xe Hybrid (HEV- Hybrid Electric Vehicle) hay còn gọi là xe sử dụng 2 nguồn động lực kết hợp giữa động cơ truyền thống và động cơ điện, là dòng xe sử dụng song song hai hoặc nhiều nguồn năng lượng khác nhau để hoạt động Thông thường, một chiếc xe hybrid kết hợp giữa một động cơ đốt trong truyền thống sử dụng xăng hoặc dầu diesel với một hoặc nhiều motor điện sử dụng năng lượng từ pin Sự kết hợp này giúp xe vận hành đạt hiệu suất cao nhưng vẫn tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải CO2

Một chiếc xe Hybrid thông thường được cấu tạo bởi các thành phần chính sau đây: Động cơ (xăng hoặc diesel), motor điện, máy phát điện, ắc quy, bộ điều khiển năng lượng và thiết bị phân chia công suất Động cơ đốt trong cung cấp năng lượng cho xe, có thể hoạt động độc lập hoặc phối hợp với motor điện, thường nhỏ hơn so với động cơ truyền thống Motor điện hỗ trợ động cơ bằng cách cung cấp thêm năng lượng khi cần thiết, cho phép xe chạy hoàn toàn bằng điện trong một số điều kiện nhất định, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải Máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học từ động cơ thành năng lượng điện để sạc ắc quy và cung cấp năng lượng cho motor điện Ắc quy lưu trữ năng lượng điện

5 được tạo ra từ động cơ và quá trình phanh tái sinh, cung cấp năng lượng cho motor điện và có thể được sạc lại trong khi xe đang chạy Bộ điều khiển năng lượng quản lý việc phân phối năng lượng giữa động cơ đốt trong, motor điện và ắc quy, đảm bảo rằng hệ thống hoạt động hiệu quả nhất Thiết bị phân chia công suất cho phép sự phối hợp linh hoạt giữa động cơ đốt trong và motor điện, cho phép xe chạy bằng một trong hai hoặc cả hai động cơ tùy theo điều kiện vận hành Sự kết hợp của các thành phần này tạo ra một hệ thống Hybrid hiệu quả, giúp tăng hiệu suất nhiên liệu, giảm phát thải và cung cấp một trải nghiệm lái xe mượt mà hơn

Hình 2.2 Cấu tạo chung của xe Hybrid 2.1.3 Phân loại hệ thống Hybrid

2.1.3.1 Hệ thống Hybrid nối tiếp

Trong sơ đồ hệ thống Hybrid nối tiếp, motor điện truyền lực trực tiếp tới trục dẫn động, cung cấp toàn bộ lực đẩy cho bánh xe Động cơ đốt trong không trực tiếp dẫn động bánh xe mà chỉ hoạt động với nhiệm vụ truyền lực quay mát phát điện Máy phát điện này nhận động năng từ động cơ, chuyển đổi thành điện năng cung cấp năng lượng cho motor hoạt động đồng thời nạp điện cho ắc quy

- Ưu điểm của hệ thống này là có cấu trúc hệ thống truyền động đơn giản, giúp dễ dàng bảo trì cũng như sửa chữa Nhờ vào cấu trúc đơn giản có thể linh hoạt bố trí motor điện, động cơ và máy phát Động cơ đốt trong hoạt động ở điều kiện tối ưu, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải khí thải

- Nhược điểm : Do motor điện đóng vai trò là truyền lực chính nên yêu cầu ắc quy phải có dung tích đủ lớn để đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho motor điện hoạt động Khi xe hoạt động ở mức công suất lớn, động cơ đốt trong sẽ phải làm việc liên tục để sản xuất điện, có thể dẫn đến tình trạng quá tải

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống Hybrid nối tiếp

2.1.3.2 Hệ thống Hybrid song song

Hệ thống Hybrid song song là hệ thống trong đó cả động cơ đốt trong và motor điện đều có thể truyền động trực tiếp đến bánh xe Trong sơ đồ này, động cơ đốt trong là nguồn động lực chính cung cấp công suất cho xe Motor điện có hai chức năng, khi hoạt động ở chế độ motor kéo, nó sử dụng năng lượng từ ắc quy cung cấp lực đẩy chính cho bánh xe khi phương tiện hoạt động ở vùng tốc độ thấp hoặc cung cấp momen xoắn cho động cơ khi xe tăng tốc Khi motor điện hoạt động ở chế độ máy phát điện, nó hấp thụ động năng từ trục dẫn động, chuyển đổi thành điện năng nạp cho ắc quy

Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống nối tiếp, công suất của xe được cải thiện nhờ vào việc phối hợp giữa hai nguồn động lực từ động cơ đốt trong và motor điện Motor điện có thể linh hoạt trong các chế độ hoạt động, vừa có thể cung cấp lực kéo vừa có thể phát điện, giúp giảm tải cho động cơ, tối ưu hóa hiệu suất vận hành và tiết kiệm nhiên liệu Tuy nhiên, nó lại có kết cấu khá phức tạp, yêu cầu công nghệ điều khiển tinh vi và chi phí sản xuất cũng như bảo dưỡng khá cao

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống Hybrid song song

2.1.3.3 Hệ thống Hybrid hỗn hợp

Hệ thống này là sự kết hợp của hai hệ thống trên nhắm tối ưu hóa hiệu suất của xe Cả động cơ đốt trong và motor điện đều truyền động lực đến bánh xe thông qua bộ phân chia công suất và hộp số Động cơ đốt trong cung cấp momen xoắn cho máy phát điện, sau đó chuyển đổi thành điện năng và lưu trữ trong ắc quy Motor điện, được cung cấp năng lượng từ ắc quy thông qua bộ chuyển đổi, có thể hoạt động song song với động cơ đốt trong để cung cấp thêm công suất khi tăng tốc hoặc có thể hoạt động độc lập cung cấp lực kéo cho xe Trong quá trình phanh, motor điện hoạt động như một máy phát điện, chuyển đổi động năng thành điện năng và lưu trữ trong ắc quy, giúp thu hồi năng lượng Hệ thống Hybrid hỗn hợp này mang lại sự linh hoạt trong vận hành, tận dụng tối đa các ưu điểm của cả hai loại động cơ để tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu thụ nhiên liệu

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống Hybrid hỗn hợp

2.1.4 Công nghệ pin trong xe Hybrid

Cấu tạo của hệ thống Hybrid trên xe Toyota Prius

Trong bài báo cáo này, xe Toyota Prius sẽ được chọn làm cấu hình chung để mô phỏng hệ thống Hybrid Hệ thống mà xe Toyota Prius sử dụng là hệ thống Hybrid hỗn hợp, bao gồm các thành phần chính như động cơ đốt trong, hai động cơ điện, ắc quy và bộ phận chia công suất Điểm đặc biệt nhất trong hệ thống là bộ phân chia công suất (PSD) được sử dụng như một hộp số chính của xe Động cơ đốt trong và động cơ điện có thể hoạt động độc lập hoặc phối hợp với nhau để cung cấp năng lượng cho xe, giúp tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu và giảm thiểu khí thải

Bộ phân chia công suất đóng vai trò quản lý và phân phối năng lượng giữa động cơ đốt trong và động cơ điện một cách hiệu quả, đảm bảo xe luôn vận hành mượt mà và hiệu quả Cấu tạo của hệ thống bao gồm các bộ phận chính như hình sau:

Hình 2.9 Cấu tạo chung của hệ thống Hybrid trên Toyota Prius 2.2.1 Động cơ xăng NZ-FXE Động cơ 1NZ-FXE là một phiên bản đặc biệt của động cơ 1NZ-FE được Toyota phát triển dành riêng cho các mẫu xe Hybrid, đặc biệt là cho Toyota Prius Đây là một động cơ xăng 1.5 lít, 4 xi-lanh, DOHC (Double Overhead Camshaft), được thiết kế với mục tiêu cải thiện hiệu quả nhiên liệu và giảm phát thải

Hình 2.10 Mô hình thực tế động cơ 1NZ-FXE

12 Động cơ 1NZ-FXE các đặc điểm kỹ thuật và tính năng nổi trội:

- Sử dụng chu trình Atkinson: Khác biệt lớn nhất giữa 1NZ-FXE và các động cơ thông thường là nó hoạt động theo chu trình Atkinson thay vì chu trình Otto truyền thống Chu trình Atkinson giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu bằng cách tăng thời gian mở van nạp, giúp giảm áp suất không cần thiết trong quá trình nén và tối ưu hóa sự mở rộng của khí trong xilanh Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc giảm một phần công suất và mô-men xoắn so với chu trình Otto

Hình 2.11 So sánh giữa chu trình Otto và Atkinson

- Thiết kế tiết kiệm nhiên liệu: Động cơ được tối ưu hóa cho việc tiết kiệm nhiên liệu, giá trị hiệu suất nhiệt tối đa của động cơ đạt khoảng 37% với các tính năng như tỷ số nén cao (13:1), hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, và điều khiển van biến thiên (VVT-i) để cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm phát thải Ngoài ra, động cơ còn đạt được các tiêu chuẩn khí xả Euro 4 và Euro 5

- Thân thiện với môi trường: Bằng việc được thiết kế hoạt động một cách êm ái, ít tiếng ồn và việc được sử dụng chủ yếu cho các loại xe Hybrid khiến cho loại động cơ này giảm thiểu ô nhiễm tiếng ồn và khí thải độc hại, góp phần bảo vệ môi trường sống xung quanh chúng ta

Hình 2.12 Mặt cắt dọc động cơ 1NZ-FXE

Một số thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FXE:

Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FXE

Loại động cơ 1NZ-FXE

Số chu kỳ và sắp xếp 4 xi-lanh, thẳng hàng

Cơ cấu van Mười sáu van DOHC, truyền động bằng xích (với VVTi)

Dạng ống nạp Đường chéo

Hệ thống nhiên liệu SFI

Dung tích (cm³) (in³) 1497 (91.3) Đường kính x hành trình (mm) (in.) 75 x 84.7 (2.95 x 3.33)

Công suất tối đa (SAE-Net) 57 kW tại 5000 vòng/phút (76 mã lực tại 5000 vòng/phút)

Mô-men xoắn tối đa (SAE-Net) 111 Nm tại 4200 vòng/phút (82 ft.lb tại

Thời gian mở van Nạp Mở: 18° đến -15° BTDC Đóng: 72° đến -105° ABDC

Thời gian mở van Xả Mở: 34° trước TDC Đóng: 34° sau TDC

Chỉ số octan 91 trở lên Đánh giá octan 87 trở lên

Khối lượng dịch vụ động cơ (kg) (lb) 86.1 (198.8)

Loại dầu API SJ, SL, EC, hoặc ILSAC

Tuần hoàn khí thải ống pô SULEV

Tuần hoàn khí thải bay hơi AT-PZEV, ORVR

Hộp số của xe Hybrid hỗn hợp sử dụng một thiết kế đặc biệt gọi là Power Split Device (PSD) PSD không chỉ là một "hộp số" theo nghĩa thông thường vì nó không chuyển đổi cấp số theo cách mà một hộp số truyền thống làm Thay vào đó, nó là một cơ cấu phức tạp giúp quản lý và phân chia công suất giữa động cơ xăng và hai mô-tơ điện (MG1 và MG2) PSD kết hợp sử dụng một bộ bánh răng hành tinh để thực hiện điều này Hệ thống này cho phép xe vận hành như một xe điện tại tốc độ thấp, như một xe Hybrid tại tốc độ và điều kiện lái khác nhau, và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong cả hai chế độ

Hộp số Hybrid hỗn hợp bao gồm các thành phần chính:

- Cụm bánh răng hành tinh

- Bộ giảm tốc bao gồm bộ truyền xích, bộ bánh răng giảm tốc và bộ truyền lực cuối cùng

- Bộ giảm chấn hộp số

Hình 2.13 Cấu tạo hộp số Hybrid P112

Thông số kỹ thuật của hộp số Hybrid:

Bảng 2.2 Bảng thông số của hộp số P112

Bộ bánh răng hành tinh

Số răng của bánh răng bao 78

Số răng của bánh răng hành tinh 23

Số răng của bánh răng mặt trời 30

Tỉ số truyền của bộ vi sai 4.113:1

Xích dẫn động Số mắt xích 72

Bộ bánh răng giảm tốc Bánh răng chủ động 30

Bộ truyền động cuối cùng

Loại dầu ATF WS (Toyota

MG1 (Motor generator 1) và MG2 (Motor generator 2) hoạt động như cả máy phát điện và động cơ điện xoay chiều đồng bộ với hiệu suất cao Chúng cũng đóng vai trò như nguồn lực phụ trợ, cung cấp sự hỗ trợ năng lượng cho động cơ khi cần

Hình 2.14 Cụm rotor và stator của MG1 và MG2

MG1 đóng vai trò như máy khởi động cho động cơ đốt trong và máy phát Dòng điện đi ra từ MG1 được chuyển đổi bởi bộ chỉnh lưu (Rectifier) từ dòng điện xoay chiều (AC) sang dòng điện 1 chiều (DC) Khi MG1 được dẫn động, nó sẽ sạch lại ắc quy HV Ngoài ra, bằng cách điều chỉnh lượng điện năng được phát ra (thay đổi giá trị nội trở và tốc độ vòng quay của MG1), MG1 kiểm soát hiệu suất của bánh răng truyền trong hộp số tự động

Tương tự như MG1 nhưng MG2 có kích thước lớn hơn, đóng vai trò như mô tơ kéo, là động cơ truyền động, cung cấp năng lượng cho các bánh xe có hoặc không có sự giúp đỡ của ICE (Internal Combustion Engine - Động cơ đốt trong) Nó cũng có thể chuyển đổi năng lượng động thành năng lượng điện trong quá trình phanh thu hồi để sạc ắc quy HV

Dưới đây là bảng gồm một số thông số cơ bản của MG1 và MG2 phiên bản năm 2004 trên Toyota Prius :

Bảng 2.3 Bảng thông số MG1, MG2

Loại động cơ Động cơ vĩnh cửu Động cơ vĩnh cửu

Chức năng Máy phát, máy khởi động

Máy phát, dẫn động bánh xe Điện áp tối đa (V) AC 500 AC 500

Tốc độ tối đa (rpm) 10,000 10,000

Công suất cực đại kW (PS)/(v/p) 50 (68) / 1,200 ~1,540

Mô men cực đại (kgf.m)/(v/p) 400 (40.8) / 0 ~ 1,200

2.2.4 Cụm bánh răng hành tinh (Bộ phân chia công suất - PSD)

Cụm bánh răng hành tinh trong hệ thống Hybrid là một phần quan trọng của bộ phân chia công suất (PSD), giúp điều chỉnh và phân phối mô-men xoắn giữa động cơ đốt trong và mô tơ điện Nó được đặt giữa động cơ đốt trong và mô-tơ điện (MG1 và MG2) và hoạt động như một trung tâm điều phối, cho phép truyền động Hybrid chuyển đổi mượt mà giữa các chế độ lái khác nhau

MG1 được kết nối với bánh răng mặt trời, MG2 được kết nối với bánh răng bao và trục ra của động cơ được kết nối với cần dẫn như bảng dưới Những thành phần này được sử dụng để cung cấp năng lượng từ động cơ và MG2, và để thu hồi năng lượng vào ắc quy

Bảng 2.4 Bảng bộ phận kết nối với bộ PSD

Bánh răng mặt trời MG1

Cần dẫn Động cơ đốt trong

Hình 2.15 Bộ phận kết nối với PSD

Cụm bánh răng hành tinh cho phép động cơ đốt trong và mô-tơ điện cung cấp mô-men xoắn tới các bánh xe hoặc sử dụng mô-men xoắn từ các bánh xe để phát điện trong quá trình phanh tái sinh Điều này không chỉ giúp tăng hiệu quả nhiên liệu mà còn cải thiện khả năng vận hành của xe, đồng thời giảm lượng khí thải

Hình 2.16 Các mối quan hệ trong bộ bánh răng hành tinh

Một bộ truyền động hành tinh cơ khí có cấu trúc được hiển thị trong Hình 2.8 Với các ký hiệu r, s , p, y lần lượt là bánh răng bao, bánh răng mặt trời, bánh răng hành tinh và cần dẫn Tốc độ quay (vòng/phút) của bánh răng mặt trời ns, bánh răng vành, nr, và cần dẫn ny, có mối quan hệ với nhau như sau:

1+𝑖 𝑔𝑛 𝑟 (2.1) với i_g là tỷ số truyền bánh răng R_r/R_s, trong đó, R_r, R_s lần lượt là bán kính của bánh răng bao và bánh răng mặt trời

𝑖 𝑔 , ta có thể viết lại như sau:

Bỏ qua mất mát năng lượng trong hoạt động ổn định, các momen xoắn tác động lên bánh răng mặt trời, bánh răng vành, và cần dẫn có mối quan hệ như sau:

Cấu hình truyền động và các chế độ hoạt động

Hình 2.25 mô tả chi tiết cấu trúc của hệ thống truyền động Hybrid kết hợp song song và nối tiếp Bộ bánh răng hành tinh hoạt động như một cơ chế kết nối giữa động cơ và mô tơ/máy phát điện Trong hệ thống này, động cơ và mô tơ/máy phát điện được gắn lần lượt vào trục dẫn và bánh răng mặt trời Bánh răng vành của cụm bánh răng hành tinh kết nối với trục đầu ra thông qua các bánh răng Z1, Z2, Z4, Z5 và hệ thống vi sai Thêm vào đó, một mô tơ truyền động khác được kết nối với hệ thống qua các bánh răng Z3, Z2, Z4, Z5 và hệ thống vi sai, tạo sự kết nối giữa mô-men đầu ra của bánh răng vành và mô tơ truyền động

Hình 2.25 Cấu hình hệ thống truyền động sử dụng bộ phân chia công suất (PSD)

Hệ thống này bao gồm một ly hợp và hai khóa Ly hợp có nhiệm vụ kết nối hoặc ngắt động cơ với bộ bánh răng hành tinh Khóa 1 được sử dụng để cố định hoặc giải phóng bánh răng mặt trời khỏi khung xe, trong khi Khóa 2 có chức năng tương tự nhưng với bộ phận khác trong hệ thống Việc điều khiển ly hợp, các khóa, động cơ và mô tơ/máy phát điện cho phép hệ thống hoạt động trong nhiều chế độ khác nhau, như được minh họa trong

2.3.2 Các chế độ hoạt động

Khi công tắc máy được ấn để chuyển từ IG-ON sang READY-ON, HV ECU sẽ điều khiển đóng các rơ le cấp nguồn cao áp cho xe Nếu ắc-quy được sạc đầy và xe không di chuyển, động cơ xe tắt Động cơ sẽ tự động khởi động nếu như ắc-quy cần được sạc

Hình 2.26 Trạng thái A: READY-ON

- Trạng thái B: Khởi động nhẹ

Khi xe bắt đầu di chuyển với tải nhẹ và ga nhẹ, chỉ có MG2 hoạt động để cung cấp động lực Động cơ không hoạt động, và phương tiện chạy hoàn toàn bằng điện MG1 quay lùi và chỉ hoạt động không tải Nó không phát điện, như được minh họa trong Hình

Hình 2.27 Trạng thái B: Khởi động nhẹ

- Trạng thái C: Khởi động động cơ

Khi tốc độ tăng lên trên 24–32 km/h (15–20 mph), động cơ bắt đầu hoạt động Động cơ được khởi động bởi MG1

Hình 2.28 Trạng thái C: Khởi động động cơ

Hình 2.29 Trạng thái D: Tăng tốc nhẹ bằng động cơ

- Trạng thái D: Tăng tốc nhẹ bằng động cơ

Trong chế độ này, động cơ cung cấp năng lượng cho bánh xe và dẫn động MG1, sạc điện lại cho ắc-quy MG2 có thể hỗ trợ động cơ trong việc đẩy nếu cần, tùy thuộc vào công suất của động cơ và nhu cầu vận hành Trong chế độ này, năng lượng điện do MG1 tạo ra có thể bằng với năng lượng cung cấp cho MG2 Hệ thống truyền động hoạt động như một hộp số tự động vô cấp (CVT).Các hoạt động của động cơ, MG1 và MG2 được mô tả trong

- Trạng thái E: Duy trì xe ở tốc độ thấp

Chế độ này tương tự như chế độ tăng tốc nhẹ với động cơ như được mô tả trong Hình

Hình 2.30 Trạng thái E: Duy trì xe ở tốc độ thấp

- Trạng thái F: Tăng tốc tối đa

Trong chế độ này, động cơ truyền năng lượng cho bánh xe và MG1 để sạc lại cho ắc-quy MG2 hỗ trợ động cơ truyền động đến bánh xe, như được mô tả trong Hình 2.31 Năng lượng mà MG2 lấy từ ắc-quy HV lớn hơn năng lượng do MG1 tạo ra Điều này đồng nghĩa với việc sử dụng thêm năng lượng từ ắc-quy khiến mức SOC giảm xuống

Hình 2.31 Trạng thái F: Tăng tốc tối đa

- Trạng thái G: Duy trì ở tốc độ cao

Trong chế độ này, trục của bánh răng hành tinh nối với MG1 được cố định so với khung xe, và hệ thống truyền động được vận hành ở chế độ ghép nối mô-men xoắn thuần túy Cả động cơ và MG2 đều đẩy phương tiện, như được mô tả trong Hình 2.32

Hình 2.32 Trạng thái G: Duy trì ở tốc độ cao

Hình 2.33 Trạng thái H: Lái ở tốc độ tối đa

- Trạng thái H: Lái ở tốc độ tối đa

Trong chế độ này, cả MG1 và MG2 đều nhận năng lượng từ ắc-quy HV và truyền công suất cơ học của đến hệ thống truyền động Trong trường hợp này, MG1 quay ngược hướng, như được mô tả trong Hình 2.33

Hình 2.34 Trạng thái I: Giảm tốc hoặc phanh

- Trạng thái I: Giảm tốc hoặc phanh

Khi phương tiện đang giảm tốc hoặc phanh, động cơ tắt MG2 trở thành máy phát điện và được quay bởi bánh xe, phát ra điện để sạc lại ắc-quy Hoạt động này được mô tả trong

Khi lùi xe, MG2 dẫn động bánh xe quay theo chiều ngược lại Động cơ tắt, MG1 quay theo chiều thuận và chỉ hoạt động không tải, như được mô tả trong Hình 2.35

Hình 2.35 Trạng thái J: Lùi xe

Dưới đây là bảng tổng quát các chế độ hoạt động của xe và các bộ phận hoạt động chính:

Bảng 2.6 Bảng các bộ phận hoạt động chính ở các chế độ lái Điều kiện lái xe Bộ phận hoạt động chính

A READY-ON Khởi động động cơ nếu ắc-quy cần được sạc

B Khởi động nhẹ MG2 dẫn động

C Khởi động động cơ Động cơ, MG2 MG1 khởi động động cơ

D Tăng tốc nhẹ bằng động cơ Động cơ, MG2 MG1 được dẫn động sạc lại ắc quy

E Duy trì ở tốc độ thấp Động cơ, MG2 MG1 được dẫn động sạc lại ắc quy

F Tăng tốc tối đa Động cơ, MG2 MG1 được dẫn động sạc lại ắc quy

G Duy trì ở tốc độ cao Động cơ, MG2

H Lái ở tốc độ tối đa Động cơ, MG2 MG1 quay ngược chiều

I Giảm tốc hoặc phanh MG2 được dẫn động

J Lùi xe MG2 quay ngược chiều

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HYBRID

Mô hình mô phỏng

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng tổng thể của hệ thống Hybrid trong Matlab/Simulink

Tổng thể của mô hình mô phỏng là một vòng lặp kín để xe có thể vận hành liên tục với các tín hiệu đầu vào là các điều kiện của chu trình lái xe tiêu chuẩn, điều kiện vận hành thực tế của xe và điều kiện của môi trường Hai tín hiệu tốc độ của chu trình lái và tốc độ thực tế của xe sẽ được so sánh với nhau để từ đó có thể đưa ra các lệnh điều khiển bàn đạp phanh hoặc bàn đạp ga phù hợp Bộ điều khiển sẽ nhận các tín hiệu này cùng với tín hiệu đầu ra từ các bộ phận chấp hành của xe để tiến hành xử lý và điều khiển bộ chấp hành là động cơ, MG1 và MG2 Các tín hiệu cần thiết sẽ được lấy ra từ mô hình để phục vụ cho việc phân tích và nghiên cứu

Hình 3.2 Mô hình tổng thể bộ chấp hành (Passenger Car)

Hình 3.2 là mô hình tổng thể của bộ phận chấp hành (Passenger Car) gồm động cơ, bộ bánh răng hành tinh, ắc-quy, MG1, MG2, hộp số và bộ phận truyền lực đến bánh xe

3.1.1.1 Chu trình lái (Drive Cycle Source)

Hình 3.3 Khối chu trình lái (Drive Cycle Source)

Chu trình lái (drive cycle) là một dãy dữ liệu đại diện cho tốc độ của phương tiện qua thời gian trong một khoảng thời gian định sẵn Dữ liệu này mô phỏng cách thức lái xe trong các điều kiện khác nhau như: đô thị, cao tốc, hoặc hỗn hợp Mỗi chu trình có mục đích khác nhau và phản ánh các yếu tố khác nhau của hoạt động lái xe Đầu ra của khối này bao gồm thông số chu kỳ lái xe - một loạt các giá trị tốc độ mà xe cần phải theo dõi theo thời gian khi nó di chuyển qua một lộ trình mô phỏng, được dùng để:

- Tính toán lực kéo mà động cơ cần để đảm bảo xe chạy đúng tốc độ mong muốn với lượng nhiên liệu ít nhất

- Tạo ra độ chính xác cao trong việc điều khiển tốc độ xe, bằng cách kết hợp các chỉ thị tăng tốc và phanh

- Kiểm tra và tinh chỉnh việc lái xe để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và độ bền của xe thông qua nhiều bài kiểm tra

- Phát hiện và sửa chữa các lỗi không đạt chuẩn trong việc vận hành xe

Các chu kỳ lái xe khác nhau tương ứng với các loại đường khác nhau, như đô thị hoặc cao tốc, và được sử dụng để đánh giá hiệu suất của xe cộ, bao gồm mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải khí thải Trong mô phỏng và thử nghiệm, chu kỳ lái xe giúp thiết lập

38 một tiêu chuẩn để so sánh giữa các loại xe khác nhau hoặc cùng một loại xe trong các điều kiện vận hành khác nhau

Hiện tại, chu trình kiểm tra phát thải (chu trình lái) được chia làm các tiêu chuẩn chính dành cho xe du lịch tải trọng nhỏ như: Hoa Kỳ, Liên minh Châu Âu, Nhật Bản Mỗi tiêu chuẩn đều có các yêu cầu cụ thể và phương pháp thử nghiệm khác nhau, nhằm phản ánh chính xác hơn mức phát thải và tiêu thụ nhiên liệu trong các tình huống thực tế của từng khu vực khác nhau Ta có một số chu trình lái xe tiêu biểu cho mỗi tiêu chuẩn như sau:

● FTP75 (Federal Test Procedure): Chu trình này mô phỏng điều kiện lái xe đô thị với sự kết hợp của đoạn dừng và khởi động, duy trì tốc độ, và giai đoạn động cơ nóng

● HWFET (Highway Fuel Economy Test): Mô phỏng lái xe trên cao tốc với tốc độ ổn định và không có sự dừng lại

● US06: Chu trình thử nghiệm bổ sung với tốc độ cao và thay đổi nhanh chóng để mô phỏng điều kiện lái xe khắc nghiệt hơn

- Liên minh Châu Âu (EU):

● NEDC (New European Driving Cycle): Bao gồm ECE-15 (lái đô thị) và EUDC (lái ngoại ô) NEDC đã được thay thế dần bởi WLTC từ năm 2017

● WLTC (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure): Gồm các phân đoạn Low, Medium, High và Extra High, mô phỏng đầy đủ hơn các điều kiện lái xe thực tế từ đô thị đến cao tốc

- Nhật Bản (Japan) - C08: Chu trình kiểm tra thực hiện trong môi trường kiểm soát để đánh giá tiêu chuẩn khí thải và tiêu thụ nhiên liệu cho xe giao thông nhẹ, mô phỏng điều kiện lái xe đô thị của Nhật Bản

Cách để điều chỉnh một chu trình ta có các cách sau:

- Chu trình từ các nguồn xác định trước: Mặc định của Drive cycle source là FTP75, để cài đặt thêm các chu trình từ gói hỗ trợ, nhấn vào phần “Install additional drive cycles”

- Thông số mở bướm ga (WOT): Cần điền một số thông tin quan trọng như Tốc độ tham chiếu ban đầu, thời gian bắt đầu và kết thúc mô phỏng, tốc độ tham chiếu mà xe cố gắng đạt được và duy trì

- Các tập tin với đuôi mat, xls, xlsx, txt

- Từ các bộ nhớ tạm

Hình 3.4 Điều chỉnh thông số cho khối Drive Cycle Source

- Để có thể vẽ và kiểm tra chu trình lái, nhấp vào “Plot drive cycle”

- Trước khi chạy một chu trình lái mới, cần phải cập nhật thời gian mô phỏng để phù hợp với thời gian chạy của chu trình Ta nhấp vào Update simulation time

- Khi sử dụng các tệp bên ngoài cần chú ý về đơn vị vận tốc của chu trình và đầu ra yêu cầu của chu trình sau khi đã nhập tệp lên

Hình 3.5 Lưu ý về đơn vị vận tốc đầu vào khi cài đặt chu trình lái

Hình 3.6 Cấu tạo khối Môi trường (Environment)

Khối Environment cung cấp liên quan đến mô phỏng một môi trường cho việc kiểm tra và phân tích xe hơi Trong mô hình mô phỏng, "Environment" đại diện cho các yếu tố và điều kiện bên ngoài ảnh hưởng đến xe, bao gồm nhiệt độ (Temp), áp suất không khí (Baro), độ dốc mặt đường (Grade), hệ số ma sát của mặt đường (lam_mu), và điều kiện gió (Wind) Khối "Environment" là một tín hiệu quan trọng trong mô hình mô phỏng, đóng góp vào việc xác định cách xe phản ứng với các điều kiện bên ngoài và kiểm tra khả năng thích ứng của các hệ thống xe với môi trường đa dạng

3.1.1.3 Khối điều khiển chuyển động (Longitudinal Driver)

Hình 3.7 Cấu tạo khối điều khiển chuyển động (Longitudinal Driver)

Khối "Longitudinal Driver" được hiểu như một tài xế ảo, mô phỏng các quyết định về tăng tốc và giảm tốc dựa trên các điều kiện đường đi và yêu cầu vận hành của xe, nó sử dụng các tín hiệu sau:

Bảng 3.1 Các tín hiệu của khối Longitudinal Driver

Tín hiệu cho biết mục tiêu về tốc độ mà mô hình lái xe sẽ cố gắng đạt được Nó đến từ khối "Drive Cycle Source", cụ thể ở đây là chu trình lái FTP75

Feedback - Tốc độ được phản hồi)

Thông số cấu hình của hệ thống

Quá trình mô phỏng hệ thống Hybrid trên xe Toyota Prius sẽ sử dụng các thông số dưới Bảng 3.7

Bảng 3.7 Bảng thông số cấu hình hệ thống mô phỏng xe Hybrid

TT Kí hiệu Giải thích Giá trị Đơn vị

2 Pabs Áp suất khí quyển 101325 Pa

4 Vw Vận tốc của gió 0 m/s

5 Vd Dung tích xy lanh 0,0015 m 3

7 Cps Số vòng quay trục khuỷu mỗi kỳ nén 2

8 Lhv Giá trị nhiệt thấp nhất của nhiên liệu 43,448*e^6 J/kg

9 BrkPrsMax Áp suất phanh cực đại 5000000 Pa

10 Ns Số pin mắc nối tiếp 168

11 BattCapInit Dung lượng ắc quy ban đầu 6,5*0,6 Ah

12 Vinit Điện áp đầu ra của ắc quy 201,6 V

13 Plimit Công suất giới hạn của bộ tiết lưu 36400 W

14 Vinitcvt Điện áp đầu vào cực đại của tiết lưu 500 V

15 eff Hiệu suất của bộ tiết lưu 98 %

16 Mottrqmax Momen xoắn cực đại của motor 400 Nm

17 Motpwrma x Công suất cực đại của motor 50000 W

18 Gentrqmax Mo men xoắn cực đại của máy phát 160 Nm

19 Genpwrma x Công suất cực đại của máy phát 30000 W

20 Nr1 Số răng bánh răng bao 78

21 Np1 Số răng bánh răng hành tinh 23

22 Ns1 Số rắng bánh răng mặt trời 30

23 SOCmin Hệ số nạp thấp nhất để motor hoạt động 50 %

24 SOCtarget Hệ số nạp mục tiêu motor hoạt động 80 %

25 Engidle Tốc độ cầm chừng của động cơ 78,5 Rad/s

26 EVSpdLmt Tốc độ giới hạn của xe khi ở chế độ chạy điện 16 m/s

27 RWheel Bán kính tính toán của bánh xe 0,31075 m

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Thiết lập các điều kiện mô phỏng

Để nghiên cứu về hoạt động và hiệu suất của xe Hybrid trong các điều kiện lái xe khác nhau, ta cần lựa chọn chu trình thử phù hợp với điều kiện lái thực tế như trong đô thị và cao tốc Hai chu trình đánh giá chính được lựa chọn để mô phỏng là hai chu trình thuộc tiêu chuẩn của Mỹ: FTP75 và HWFET lần lượt tương ứng với điều kiện lái trong đô thị và trên cao tốc

Chu trình Federal Test Procedure (FTP75) là một chuẩn thử nghiệm khí thải và tiêu thụ nhiên liệu cho xe hơi, đặc biệt được thiết kế để mô phỏng một chuỗi các điều kiện lái xe đô thị tiêu chuẩn

Hình 4.1 Đồ thị chu trình FTP75

Chu trình này kéo dài khoảng 2474 giây (hơn nửa giờ) và bao gồm ba pha:

− Pha Khởi Động Lạnh (Cold Start): Xe bắt đầu từ trạng thái nguội và trải qua một loạt các giai đoạn tăng tốc, giảm tốc, và dừng hoàn toàn Pha này mô phỏng việc khởi hành ban đầu và những phút đầu tiên của chuyến đi, nơi động cơ chưa đạt đến nhiệt độ hoạt động tối ưu

− Pha Dừng Đỗ (Transit Stop): Một giai đoạn dừng 10 phút, mô phỏng việc dừng xe mà không tắt máy

− Pha Khởi Động Nóng (Hot Start): Tương tự như pha khởi động lạnh nhưng diễn ra sau khi động cơ đã được làm nóng

Quảng đường di chuyển của cả chu trình là 17,77 km, tốc độ trung bình: 34,12 km/h

Trong mô phỏng này, chú trọng đến việc ghi lại mômen xoắn và công suất được tạo ra trong từng giai đoạn của chu trình, mức tiêu thụ nhiên liệu, SOC của pin, và lượng khí thải, với việc đặc biệt quan sát sự thay đổi của các thông số này từ pha khởi động lạnh sang pha khởi động nóng.

Highway Fuel Economy Test (HWFET) chu trình thử nghiệm tiêu thụ nhiên liệu được thiết kế để mô phỏng điều kiện lái xe trên đường cao tốc với tốc độ ổn định Chu trình này kéo dài 765 giây và mô phỏng lái xe liên tục ở tốc độ cao không thay đổi đáng kể, không có dừng chờ hay tăng tốc đột ngột Tổng quãng đường di chuyển của chu trình là 16,45 km và tốc độ trung bình đạt 77,7 km/h

Hình 4.2 Đồ thị chu trình HWFET

Trong chu trình HWFET, các thông số quan trọng như công suất động cơ, mô-men xoắn, và hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu được đánh giá ở tốc độ cao SOC của pin và lượng

75 khí thải cũng được ghi lại, cung cấp cái nhìn sâu sắc vào hiệu quả hoạt động của hệ thống Hybrid ở tốc độ cao tốc

4.1.3 Các trường hợp mô phỏng cụ thể

Sau khi đã lựa chọn được chu trình mô phỏng phù hợp, cần phải xác định được các trường hợp mô phỏng để có thể phân tích và đánh giá hiệu suất của xe Các trường hợp mô phỏng bao gồm:

- Sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và hai motor (Hybrid): Để đánh giá hiệu quả của sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, bao gồm việc giảm phát thải và tiêu thụ nhiên liệu Mô phỏng giúp hiểu được cách các động cơ làm việc cùng nhau trong các điều kiện lái xe khác nhau, từ đó đánh giá được khả năng tiết kiệm năng lượng và hiệu suất tổng thể của xe

- Công suất của các động cơ: Để so sánh công suất thực tế và hiệu quả vận hành giữa hệ thống Hybrid và động cơ đốt trong truyền thống Mô phỏng này quan trọng trong việc xác định khả năng tăng tốc, công suất tối đa, và độ trễ của động cơ trong các tình huống khác nhau

- Năng lượng thu hồi từ phanh tái sinh: Để phân tích lượng năng lượng có thể thu hồi từ hệ thống phanh tái sinh của xe Hybrid, đây là yếu tố quan trọng giúp tăng hiệu quả nhiên liệu và giảm tần suất sử dụng phanh truyền thống, từ đó kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh và giảm chi phí bảo dưỡng

- Khả năng tăng tốc của xe Hybrid: Đánh giá hiệu quả tăng tốc của xe Hybrid so với xe chỉ dùng động cơ đốt trong, đặc biệt trong các tình huống như vượt xe hay khởi hành từ trạng thái dừng Mô phỏng này giúp xác định phản ứng của xe với các lệnh tăng tốc và đóng góp của động cơ điện trong việc cung cấp mô-men xoắn tức thời

- So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu: Để so sánh chi tiết mức tiêu thụ nhiên liệu giữa xe Hybrid và xe động cơ đốt trong trong các điều kiện lái xe khác nhau (thành phố, cao tốc), từ đó đánh giá tính kinh tế và khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe

- So sánh chi phí bảo dưỡng, sửa chữa: Phân tích chi phí dài hạn liên quan đến việc bảo dưỡng và sửa chữa xe Hybrid so với xe động cơ đốt trong Mô phỏng này giúp hiểu được khoản đầu tư ban đầu so với chi phí duy trì và vận hành lâu dài, từ đó đưa ra quyết định mua xe phù hợp

Kết quả mô phỏng và thảo luận

4.2.1 So sánh các đặc tính của xe Hybrid

4.2.1.1 Sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và hai motor

- Đối với chu trình FTP75:

Hình 4.3 Đồ thị momen của động cơ đốt trong, MG1, MG2 theo chu trình FTP75

Trong Hình 4.3 có thể thấy đồ thị FTP75 thể hiện các giai đoạn tăng, giảm tốc và dừng đỗ của phương tiện khi di chuyển trong thành phố Trong các giai đoạn tăng tốc, động cơ đốt trong hỗ trợ MG2 cung cấp mô-men xoắn chính để đáp ứng yêu cầu về công suất và gia tốc của xe Cụ thể, các đỉnh của momen kéo MG2 thể hiện sự hỗ trợ momen xoắn của

77 motor cho động cơ đốt trong trong các trường hợp xe yêu cầu tăng tốc ngay sau khi vừa dừng đỗ, nghĩa là yêu cầu về gia tốc cao Khi xe giảm tốc hoặc phanh, giá trị vận tốc đi xuống, đồ thị momen của MG2 cũng giảm về giá trị âm tương ứng (đường màu xanh lá) Các giá trị âm này là momen thu hồi của MG2, lúc này MG2 hoạt động như một máy phát điện, bằng phương pháp phanh tái sinh sạc lại điện cho ắc quy Bên cạnh MG2, thì đồ thị của động cơ cũng giảm về giá trị âm (đường màu hồng) chứng tỏ động cơ cũng góp phần vào việc giảm tốc Lúc này nhiên liệu đến động cơ sẽ bị ngắt, trục khuỷu được cản trở bởi áp suất và lực ma sát tạo ra momen xoắn ngược chiều chuyển động hỗ trợ quá trình phanh xe MG1 chỉ có duy nhất một giai đoạn đầu sử dụng momen kéo để khởi động động cơ, còn lại MG1 đều được dẫn động phát điện để sạc lại cho ắc quy, góp phần cung cấp năng lượng cho MG2

- Đối với chu trình HWFET:

Chu trình HWFET mô phỏng quá trình xe tăng tốc và duy trì ở tốc độ cao, không có sự thay đổi về vận tốc quá nhiều Lúc này, do có sự thay đổi vận tốc không quá lớn nên động cơ có sự thay đổi momen không đáng kể Chỉ có các giai đoạn xe giảm tốc, động cơ cũng giảm momen xoắn lại nhưng đa số vẫn là momen để kéo xe chạy ở tốc độ cao Chỉ có ở các giai đoạn giảm tốc nhiều thì động cơ mới chuyển sang chế độ phanh bằng động cơ để hãm xe lại Ở giai đoạn tăng tốc đầu chu trình, MG2 góp phần hỗ trợ động cơ để đạt được vận tốc mong muốn trong khoảng thời gian ngắn Còn lại MG2 đều đóng vai trò như máy phát điện sạc lại cho ắc quy do momen phanh thu hồi của MG2 (đường màu xanh lá) lớn hơn so với momen kéo (đường màu đỏ) MG1 khi này cũng chỉ tạo ra momen xoắn ở đầu giai đoạn giúp khởi động động cơ, còn lại đều là momen thu hồi góp phần vào quá trình phát điện để sạc lại cho ắc quy Momen của chúng được phân tích như Hình 4.4

- So sánh sự phối hợp của các động cơ trong hai chu trình chạy ứng với quá trình chạy trong thành phố và trên cao tốc: Điểm tương đồng: Đối với cả hai chu trình, động cơ đều là nguồn động lực chính để xe chuyển động, MG2 đóng vai trò hỗ trợ động cơ, sạc lại ắc quy khi xe giảm tốc và MG1 được dẫn động để sạc lại cho ắc quy trong suốt quá trình chạy Điểm khác nhau: Do sự khác biệt giữa yêu cầu về tốc độ, công suất và gia tốc khác nhau nên động cơ cũng có sự phân bố momen khác nhau Momen của động cơ ở chu trình

FTP75 tăng giảm nhiều hơn so với chu trình HWFET do yêu cầu dừng đỗ nhiều hơn Điều này cũng đồng nghĩa với việc MG2 phải làm việc nhiều hơn để hỗ trợ động cơ đốt trong trong việc tăng tốc Khác hẳn so với chu trình FTP75 thì ở cao tốc, MG2 hoạt động ít hơn hẳn và sử dụng momen kéo ít hơn mà thay vào đó sử dụng momen thu hồi nhiều hơn Giá trị momen thu hồi trung bình của MG1 trên cao tốc lớn hơn so với chu trình FTP75.

Hình 4.4 Đồ thị momen của động cơ đốt trong, MG1, MG2 theo chu trình HWFET

4.2.1.2 Công suất của các động cơ

- Đồ thị công suất đối với chu trình FTP75:

Hình 4.5 Đồ thị công suất của động cơ đốt trong, MG1, MG2 theo chu trình FTP75

Trong Hình 4.5 ta có thể thấy công suất của động cơ đốt trong và công suất của motor MG2 có những biến động mạnh, phản ánh sự phối hợp giữa hai nguồn động lực để cung cấp công suất cần thiết cho xe di chuyển trong điều kiện thành phố Tương ứng với momen xoắn cao khi xe cần tăng tốc với gia tốc cao, công suất động cũng cơ tăng đột ngột, motor MG2 hỗ trợ thêm công suất kéo Ở các giai đoạn xe giảm tốc hoặc phanh, MG2 phát ra công suất âm, điều này chỉ ra rằng nó đang thu hồi năng lượng thông qua quá trình phanh tái sinh, giúp sạc lại điện cho ắc quy

- Đồ thị công suất đối với chu trình HWFET

Hình 4.6 Các đồ thị công suất của động cơ đốt trong, MG1, MG2 theo chu trình HWFET

Hình 4.6 mô phỏng hoạt động của xe trên đường cao tốc với vận tốc được duy trì ở tốc độ cao Công suất của động cơ đốt trong thể hiện sự thay đổi đáng kể trong suốt quá trình lái xe trên cao tốc Sự biến đổi này cho thấy rằng động cơ đốt trong là nguồn cung cấp năng lượng chính để duy trì tốc độ cao của xe Các đỉnh công suất cao của động cơ tương ứng với các pha tăng tốc, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn Công suất của MG2 có sự biến đổi giữa dương và âm, cho thấy sự kết hợp giữa cả việc hỗ trợ động cơ đốt trong trong các pha tăng tốc hoặc duy trì tốc độ cao và thực hiện phanh tái sinh để thu hồi năng lượng sạc lại điện cho ắc quy Trong quá trình xe chạy trên cao tốc, quá trình giảm tốc ít nhưng do chạy với tốc độ cao nên tuy MG2 làm việc không nhiều nhưng lại phát ra công suất thu hồi trung bình cao hơn so với chu trình FTP75

- So sánh công suất của các động cơ trong hai chu trình:

Trong cả hai chu trình, công suất kéo của động cơ luôn lớn hơn so với MG2 do động cơ đốt trong vẫn là nguồn cung cấp năng lượng chính Tuy nhiên, do ở trong cung đường thành phố, yêu cầu về tốc độ tối đa không quá cao nên công suất kéo của động cơ sẽ thấp hơn của chu trình HWFET Ở chu trình FTP75, MG2 phải làm việc nhiều, yêu cầu công suất kéo lớn hơn để hỗ trợ động cơ trong các pha tăng tốc ngay sau khi dừng đỗ Ở chu trình HWFET, động cơ đốt trong hoạt động là chủ yếu do xe luôn duy trì ở trạng thái tốc độ cao, ít giảm tốc nhưng do chạy với tốc độ cao nên tuy MG2 làm việc không nhiều nhưng lại phát ra công suất thu hồi trung bình cao hơn so với chu trình FTP75

4.2.1.3 Năng lượng thu hồi nạp lại từ phanh tái sinh

Theo đồ thị trên Hình 4.7, công suất thu hồi của motor MG2 thể hiện khả năng thu hồi năng lượng của quá trình phanh tái sinh, giúp sạc lại điện cho ắc quy Công suất thu hồi trung bình trên toàn chu trình là 3906 (W), tổng thời gian thu hồi là 525s

Hình 4.7 Đồ thị công suất thu hồi của MG2 theo chu trình FTP75

Dựa trên kết quả mô phỏng trên toàn bộ chu trình lái, từ đồ thị công suất công suất motor MG2 ta tính được năng lượng thu hồi mỗi khi xe phanh hoặc giảm tốc:

- Ƞ là hiệu suất thu hồi năng lượng của quá trình phanh tái sinh

- 𝐸 𝑡ℎ là năng lượng thu hồi từ phanh tái sinh, đơn vị Joule (J) hoặc Watt giờ (Wh)

- 𝑃(𝑡) là phương trình công suất theo thời gian

Trong công thức tính năng lượng thu hồi, hiệu suất Ƞ phản ánh khả năng chuyển đổi năng lượng từ cơ học sang điện năng để sạc lại pin Toàn bộ năng lượng thu được từ phanh tái sinh không thể chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng lưu trữ do hao hụt năng lượng trong quá trình chuyển đổi và tổn thất nhiệt Theo tài liệu nghiên cứu thì hiệu suất thu hồi năng lượng ƞ đạt khoảng 60%

Tổng phần trăm sạc lại cho ắc quy trong quá trình phanh tái sinh của chu trình FTP75:

Trong đó: 𝐶 là tổng dung lượng của ắc quy, tính bằng watt giờ (Wh)

Trong cả chu trình chạy FTP75 kéo dài khoảng hơn 40 phút, quá trình phanh tái sinh đã sạc lại cho ắc quy được hơn 26% dung lượng pin Giá trị này nhìn chung là khá ít so với khoảng thời gian chạy như vậy Tuy nhiên, do quá trình chạy trong tốc độ không quá cao và thời gian phanh thu hồi cũng nhỏ (525 giây) do dừng đỗ khá nhiều dẫn đến công suất thu hồi nhỏ so với thời gian chạy dài Dựa trên đồ thị công suất của MG2 ở Hình 4.7, MG2 có công suất kéo khá cao trong toàn chu trình, MG1 lúc này vẫn liên tục sạc ắc quy để cung cấp thêm điện năng cho MG2 bên cạnh việc phanh tái sinh

Tương tự với chu trình FTP75, dựa vào đồ thị trên Hình 4.8 công suất thu hồi trung bình trên toàn chu trình HWFET là 4296 (W), tổng thời gian thu hồi là 469s

Dựa trên kết quả mô phỏng trên toàn bộ chu trình lái, từ đồ thị công suất công suất motor MG2 và dữ liệu xuất ra, ta tính được năng lượng thu hồi mỗi khi xe đạp phanh:

Tổng phần trăm sạc lại cho ắc quy trong quá trình phanh tái sinh của chu trình HWFET:

Hình 4.8 Đồ thị công suất thu hồi của MG2 theo chu trình FTP75

Trái với quá trình phanh tái sinh ở chu trình FTP75, phần trăm sạc lại cho ắc quy của chu trình HWFET cũng đạt gần 26% nhưng trong khoảng thời gian ngắn hơn Quá trình phanh tái sinh diễn ra trong gần 8 phút trên tổng thời gian chạy là gần 13 phút, có nghĩa là hơn 60% tổng thời gian chạy của chu trình

Hình 4.9 Các đồ thị trạng thái sạc SOC theo chu trình FTP74 và HWFET