CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN TỬ Ô TÔ PHANH TÁI SINH TRÊN XE HYBRID

Ø Công su ất và năng lượng phanh ở bánh trước và bánh sau Ø Sự kết hợp phanh cơ khí và phanh tái sinh trên xe lai điện... Phương trình sau cho thấy công suất đầu ra từ motor/máy phát

CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN TỬ Ô TÔ

PHANH TÁI SINH TRÊN XE HYBRID

Chương 1

SỰ TÍCH HỢP MÁY KHỞI ĐỘNG VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN TRÊN XE LAI ĐIỆN

Ø M ục đích của sự tích hợp máy khởi động và máy phát điện trên xe lai

Ø Qúa trình điện từ trong máy phát điện một chiều

Ø K ết cấu chung của hệ thống ISG

Ø Các điều kiện trong thiết kế lắp đặt hệ thống ISG

Ø Các loại máy điện ISG

Ø C ấu trúc cơ bản của máy điện ISG

Nội dung

1.1.Mục đích

• Loại bỏ máy khởi động

• Loại bỏ máy phát

• Tăng công suất phát điện

• Tăng momen khởi động

Chức năng của ISG:

Ưu điểm của ISG:

• Giảm được tiếng ồn và độ rung động cải thiện tính tiện nghi

• ISG không bị hao mòn và giảm chi phí bảo trì vì thiết kế không chổi than

• ISG có khả năng thực hiện làm êm mô-men xoắn của đường truyền lực

• ISG có thể lắp đặt dễ dàng trên hầu hết các xe

• ISG có thể khởi động ICE trong điều kiện nhiệt độ rất

thấp

1.2 Qúa trình điện từ trong máy phát điện một

SDD của dây quấn phần ứng:

)

( 60

pN e

Fđt = Btb.l.iư, với iư = Iư/2a

=> Fđt = Btb.l.iư/2a

Và M = NfD/2 với D = 2pt/p

và Btb = fd / tl

Ta có: M = CMfd Iư (N/m) Trong đó CM = pN/2pa là hệ số mômen

81 ,

9

1

m kg

l C

Trong chế độ máy phát:

M ngược chiều n

Eư cùng chiều iư Chế độ động cơ ngược lại

M cùng chiều n

Eư ngược chiều iư

Công suất điện từ:

Đây là công suất ứng với M lấy vào ở chế độ máy phát và đưa ra ở chế độ động cơ

Pđt = M.w

a

pN I

60 2

Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng:

Tổn hao trong máy điện 1 chiều:

Tổn hao cơ (p cơ )

Tổn hao sắt (pFe) Tổn hao không tải Tổn hao đồng (pCu), Tổn hao phụ (pf)

Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng:

Công suất điện đưa ra bé hơn công suất điện từ một lượng tổn hao trên Rư

P2 = Pđt - Pcu.ư = Eư.Iư - I2ư.Rư = U.IưVậy ta được phương trình điện áp:

U = Eư - Iư Rư

P2 = Pđt – P0 Hay Pđt = P2 + p0

Hoặc Mw = M2w + M0w

Ta có phương trình cân bằng mômen:

M = M2 + M

Từ sự phân tích trên ta vẽ được giản đồ năng lượng:

Giản đồ năng lượng động cơ

Tính chất thuận nghịch của máy điện một chiều:

Giả sử máy đang làm việc với chế độ máy phát với:

R

U

E I

E ư > U và M là mômen hãm

Nếu giảm I t thì ft giảm xuống, dẫn tới E ư giảm xuống, cho tới khi E ư < U thì I ư đổi dấu, máy chuyển sang chế độ động cơ

1.3 Kết cấu chung của hệ thống ISG:

Bố trí ISG trong

hệ thống truyền lực HEV

ISG kiểu dẫn động đai

ISG kiểu dẫn động trục

1.4 Các điều kiện quan trọng trong việc thiết kế

lắp đặt hệ thống ISG:

• Mô-men khởi động lớn ở hầu hết các điều kiện hoạt động của xe

• Dải tốc độ trong chế độ máy phát điện rộng

• Hiệu quả cao trong dải tốc độ rộng (600 ÷ 8000 rpm)

• Phải chịu được rung động cao

• Độ bền cao (trên 10 năm)

• Nhiệt độ hoạt động: -30 ° C đến 115 ° C môi trường xung quanh, 180 ° C dưới mui xe

• Phải bảo trì thuận lợi, độ tin cậy cao, chi phí chấp nhận được

1.5 Các loại máy điện ISG:

Máy điện cảm ứng (IM),

Máy điện nam châm vĩnh cửu đồng bộ (PMSM),

Máy điện không chổi than (BDCM)

Động cơ từ trở biến thiên (VRM)

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG PHANH TÁI

SINH TRÊN XE HYBRID

Ø Các ch ỉ tiêu đánh giá hệ thống phanh.

Ø Tính toán n ăng lượng trên phanh tái sinh

Ø S ự phân bố lực phanh trên xe hybrid

Ø Công su ất và năng lượng phanh ở bánh trước

và bánh sau

Ø Sự kết hợp phanh cơ khí và phanh tái sinh trên xe

lai điện

2.1 Các chỉ tiêu đánh giá hệ thống phanh trên xe hybrid:

Ø Gia tốc phanh,

Ø Thời gian phanh,

Ø Quãng đường phanh,

Ø Lực phanh và lực phanh riêng

Ø Năng lượng thu hồi khi phanh

2.2 Tính toán năng lượng trên phanh

tái sinh:

Ta có phương trình cân bằng lực kéo của xe:

x r

f t

G M r

f t

driveline r

t w v

rr aero

r

N N

I r

N N

I r

I m

F F

ö ç

ç è

æ

+ +

+ +

+

2 2

/ 2

2 2

Hoặc

÷

÷ ø

ö ç

ç è

æ

÷

÷ ø

ö ç

ç è

æ

+ +

+ +

+

r

f t

G M

r

f t

driveline

r

t w v

rr aero

r

N N I

r

N N I

r

I m

F F

V

2 2 /

2

2 2 2

/4

§ Công suất kéo P dương, thì xe được kéo

§ Công suất kéo P là âm, thì xe đang giảm tốc

§ Công suất kéo P bằng không, thì xe dừng hoặc

xuống dốc

Công suất và năng lượng kéo yêu cầu từ nguồn

ắc quy:

Trong thực tế ta chỉ cần tính toán trường hợp kéo

xe chỉ từ motor

Áp dụng phương pháp tính ngược từ mặt đất đến nguồn công suất

{ aero rr v x }

out t

Hình 1 Biểu đồ dòng năng lượng kéo trên xe AWD

Hình 2 Biểu đồ dòng năng lượng kéo trên xe FWD

Hình 3 Biểu đồ dòng năng lượng đẩy trên xe RWD

Công suất quán tính quay của cụm bánh xe / lốp phải được thêm vào:

þ ý

ü î

è

æ

+ +

+

r

t w v

rr aero

out

r

I m

F F

cần được xem xét Phương trình sau cho thấy công suất đầu ra từ motor/máy phát (M/G), trong đó bao gồm các hiệu suất của truyền lực, truyền lực cuối cùng và năng lượng quán tính của vi sai

ú

ú û

ù ê

ê ë

é

+ þ ý

ü î

è

æ

+ +

+

r

f t

driveline x

r

t w v

rr aero

f t

I a

r

I m

F F

V

2 2

2

/ ,

h h

M / G có hiệu suất sử dụng phụ thuộc với mô-men xoắn và tốc độ, do đó nó cũng có hao phí một mức năng lượng nhất định Một lần nữa, công suất thực tế

từ các nguồn công suất sử dụng, một phần nào của

nó được dùng để tăng tốc M / G Cuối cùng, xem xét hiệu suất và năng lượng quán tính vi sai của M / G cho ta năng lượng kéo thực tế cần thiết để đẩy xe bao gồm các thành phần quay như sau

x r

f t MlG x

r

f t driveline x

r

t w v

rr aero

f t G M

out

r

N N

I a

r

N N

I a

r

I m

F F

V

2 2 2

2 2 2

/ /

ú

ú û

ù ê

ê ë

é

+ þ ý

ü î

è

æ

+ +

+

=

h h h

Từ Pb out, năng lượng của ắc quy được tính như sau:

ò

=

opulsion

out b out

E

Pr

, ,

Tổn thất công suất trong quá trình kéo xe:

Tương tự như hình 1, hình 2 và hình 3 tổn thất

năng lượng do M/G và hiệu suất truyền lực, hai phương trình sau thể hiện công suất mất mát của riêng đường truyền lực và tại M/G

ú û

ù ê

ê ë

é

+ þ ý

ü î

è

æ

+ +

+ -

r

f t driveline x

r

t w v

rr aero

f t

f t loss

r

N N

I a

r

I m

F F

V

2 2 2

/

h h

ù ê

ê ë

é

+ þ ý

ü î

è

æ

+ +

+ -

r

f t driveline x

r

t w v

rr aero

f t

f t loss

r

N N

I a

r

I m

F F

V

2 2 2

/

h h

h h

1.3 Công suất phanh tái sinh:

Công suất phanh tái sinh và năng lượng phanh:

Để có được năng lượng phanh tái sinh, giá trị của công suất kéo P luôn luôn âm Ví dụ, nếu năng lượng keó từ M/G thấp hơn tải trên đường nhưng không phải

là số không, thì xe được giảm tốc vì không có đủ năng lượng để kéo xe tăng tốc hay giữ nguyên tốc độ Trong tình huống này, hệ thống phanh tái sinh không thu được năng lượng phanh tái sinh trong khi công suất kéo P vẫn còn Có nghĩa là M / G và hệ thống

truyền lực vẫn đang được vận hành để đẩy xe nhưng

xe chậm lại Vì vậy, khi giá trị của công suất kéo P là

âm, năng lượng ắc quy thu được từ phanh tái sinh, có thể tính được Nhân năng lượng tính được với tỷ lệ lực phanh tái sinh với lực phanh cơ khí, tỉ số truyền lực cuối cùng, tỉ số truyền lực và hiệu suất motor cho

ta công suất nạp vào ắc quy Hình 4, 5 và 6 hiển thị sơ

đồ dòng công suất của phanh tái sinh cho AWD, FWĐ

và RWD cho từng trường hợp tương ứng

Hình 4 Biểu đồ dòng năng lượng phanh tái sinh trên xe

AWD

Hình 5 Biểu đồ dòng năng lượng phanh tái sinh

trên xe FWD

Hình 6 Sơ đồ dòng năng lượng phanh tái sinh trên xe

RWD

Một số vấn đề cần lưu ý:

Thứ nhất, tổng của lực cản và lực quán tính tịnh tiến cho ta năng lượng đầu vào cụm bánh xe / lốp xe

tại mặt đất, Pw tin/ , khi phanh

lực phanh của phanh trước lớn hơn phanh phía sau,

để tránh bị khóa cứng bánh xe khi phanh Do đó, giá trị tỉ lệ của fb ( 0 < fb < 1 ) được nhân với P w tin/ Nếu xe là AWD, thì tỉ lệ lực phanh có thể là 1, bởi vì hai cầu chủ động (bốn bánh) có thể được ứng dụng phanh tái sinh năng lượng Tuy nhiên, trong trường hợp của một FWD hoặc RWD, chỉ một trục (hai bánh xe) có thể áp dụng phanh tái sinh năng lượng, do đó fb nhỏ hơn 1,

phương trình sau cho được Pbrake in,

:

þ ý

ü î

è

æ

+ +

rr aero

b in

r

I m

F F

V f

þ ý

ü î

è

æ

+ +

+

r

t w v

rr aero

b in

r

I m

F F

V kf

ùê

êë

é

+þý

üî

è

æ

++

+

r

f t

driveline x

r

t w v

rr aero

b f

t in

G

r

N N

I a

r

I m

F F

kf V

2 2 2

/ ,

Công suất đầu vào nạp cho ắc quy bởi quá trình phanh tái sinh

x r

f t G M x

r

f t driveline x

r

t w v

rr aero

b G

M in

r

N N

I a

r

N N

I a

r

I m

F F

kf V

2 2 /

2

2 2 2

/ /

ú

ú û

ù ê

ê ë

é

+ þ ý

ü î

è

æ

+ +

Công suất tổn thất trong quá trình phanh tái sinh:

þ ý

ü î

è

æ

+ +

+ -

=

r

t w v

rr aero

b loss

axle

r

I m

F F

V f

Trong trường hợp của xe AWD, (giá trị của

,

undriven axle loss

P - là bằng không) Tuy nhiên xe FWD

hoặc xe RWD công suất mất mát là khác không:

þ ý

ü î

è

æ

+ +

+ -

r

t w v

rr aero

b loss

r

I m

F F

V f k

ú û

ù ê

ê ë

é

+ þ ý

ü î

è

æ

+ +

+ -

2 2 2

/ , ( 1 ) 4

r

f t driveline x

r

t w v

rr aero

b f

t loss

driveline

r

N N

I a

r

I m

F F

kf V

Công suất phát ra từ máy phát trong quá trình phanh

tái sinh được nạp cho ắc quy với giả thuyết hiệu suất bằng 1 Ta có công suất vào của ắc quy trong quá trình phanh tái sinh

2 2 2 2

/ /

Như vậy, trong quá trình kéo ta tính được công suất

phát ra từ ắc quy Pb/out , quá trình phanh tái sinh ta có

công suất nạp lại cho ắc quy Pb/in Đây là hai phương

trình quan trọng giúp tính toán thiết kế hệ thống phanh

tái sinh và hệ thống truyền lực trên xe lai điện

2.3 Công suất và năng lượng phanh ở bánh trước

và bánh sau:

Giả định rằng sự phân bố phanh ở bánh trước và bánh sau theo đường cong Ibỏ qua lực cản xe, lực phanh ở bánh trước và bánh sau có thể được biểu diễn như sau:

÷÷

ø

ö çç

L

jM

2.4 Thuật toán điều khiển lực phanh trên xe hybrid:

Bánh trước bị khóa ?

đường cong phân bố lực phanh

Lưu đồ thuật toán điều khiển phân

bố lực phanh phân phối cho hệ thống phanh cơ khí

và tái sinh

2.7 Các mối quan hệ giữa các yếu tố của hệ

thống phanh tái sinh:

Mối quan

hệ giữa lệnh

lực phanh và lực phanh tái sinh

Mối quan hệ giữa tốc độ xe và lực phanh tái sinh:

Mối quan hệ giữa tốc độ xe, ắc quy SOC và lực motor

Mối quan hệ giữa lệnh điều khiển lực phanh tái sinh,

nhiệt độ ắc quy và lực motor

2.8 Các phương pháp thiết kế và điều khiển trên

hệ thống phanh tái sinh:

Có ba kiểu điều khiển phanh khác nhau:

Ø Phanh nối tiếp với cảm giác phanh tối ưu;

Ø Phanh nối tiếp với năng lượng thu lại tối ưu;

Ø Phanh song song

Nối tiếp – cảm giác phanh tối ưu:

Phanh nối tiếp – sự tái sinh năng lượng tối ưu:

Phanh song song:

Hình 3.26 Lực phanh biến thiên với hệ số giảm tốc

2.9 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

phanh tái sinh trên xe hybrid:

Điều khiển motor BLDC:

Hai kiểu riêng biệt (giai đoạn) là bắt buộc để điều khiển một motor BLDC: một kiểu năng lượng và một kiểu điều khiển Một motor BLDC đòi hỏi một nguồn điện áp DC được sử dụng cho các cuộn dây stator trong một trình tự để duy trì luân phiên Điều này được thực hiện bằng công tắc điện tử sử dụng một biến tần như thể hiện trong hình 3.30 Các mạch biến tần sử dụng một cầu phân áp cho mỗi cuộn dây stator

Hình 3.30 Mạch đảo dòng điện

Trong trường hợp một motor BLDC với ba cuộn dây stato, mỗi cặp công tắc chuyển mạch phải được bật tuần tự theo thứ tự đúng để vận hành mỗi cặp cuộn dây Trình tự đảo mạch này được thể hiện trong bảng 3.3, với NC (không kết nối) chỉ định các cặp cuộn dây stator (giai đoạn) mà không được vận hành trong bảng 3.3 dãy đảo mạch phía trước quá trình đảo mạch này Bảng 3.4 cho thấy trình tự chuyển đổi tương ứng

Bảng 3.3 Trạng thái đảo thuận

Hoạt động đảo dòng thuận

Bảng 3.4 Trạng thái đảo ngược

Hoạt động đảo dòng ngược

Hình 3.31 Dòng điện từ ắc quy đi qua motor

Phanh tái sinh sử dụng BLDC:

Phanh tái sinh có thể thực hiện bởi sự đảo chiều dòng điện trong mạch ắc quy motor khi giảm tốc độ

xe, tận dụng lợi thế của motor hoạt động như một máy phát điện, đảo chiều dòng điện nạp vào ắc quy Các mạch điện của hình 3.30 được sử dụng trên phanh tái sinh Một phương pháp đơn giản và hiệu quả là chuyển mạch độc lập kết hợp với điều khiển xung để thực hiện điều khiển lực phanh

Hình 3.32 BLDC với trình tự công tắc chuyển mạch tương

ứng.

Hình 3.33 cho thấy đường dẫn dòng điện trong thời gian ngắn mạch, khi đó không có dòng điện nạp cho acquy Ta gọi đây là chế độ ngắn mạch

Trong chế độ phanh tái sinh, dòng điện trong các cuộn dây pha đảo ngược và cung cấp trở lại vào ắc quy Trong chế độ này, tất cả các công tắc điện tử được tắt và dòng điện có thể chạy qua các điốt

Lực phanh tái sinh tối đa đạt được khi các công tắc thấp đều tắt Do chu kỳ xung làm việc rất đa dạng từ cao đến thấp Chỉ đơn giản điều khiển chu kỳ xung bằng mạch biến tần phanh tái sinh sẽ tạo ra lực phanh theo yêu cầu

Phanh tái sinh cũng có thể được ứng dụng chuyển mạch như thể hiện trong bảng 3.8

Bảng 3.8 Dãy chuyển mạch phanh tái sinh

Trạng thái đảo dòng nghịch

2.12 Sự kết hợp phanh cơ khí và phanh tái sinh

trên xe lai điện:

Sự phân chia lực phanh giữa phanh cơ khí và phanh tái sinh trên xe hybrid theo phương pháp điều khiển tái sinh năng lượng tối đa của hệ thống phanh nối tiếp

Tác động vào việc phân phối lực phanh:

Hình 3.41 Tổ hợp phanh tái sinh, đặc tính máy phát điện và kết quả giảm tốc

phanh ma sát

Sự phân phối lực phanh:

Hình 3.42 Đồ thị phân phối lực phanh

2.13 Sự kết hợp của phanh tái sinh và hệ thống phanh thủy lực trên xe hybrid:

Hình 3.43 Sơ

đồ kết cấu hệ thống truyền lực HEV với hệ thống phanh tái sinh kết hợp phanh thủy lực

Hình 3.44 Sơ đồ phanh tái sinh kiểu cơ khí - thủy lực

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Modern Electric, Hybrid Electric & Fuel Cells Vehicles Muhammad H Rashid University of West Florida, USA, 2010

2 Brake System for Hybrid and Electric Vehicles, Christian von Albrichsfeld and Jürgen Karner, Continental Division Chassis & Safety, USA, 2009

3 C v Albrichsfeld and A Eckert: Electro-Hydraulic-Brake (EHB) being a motor for the development of advanced hydraulic brakes, in German; VDI-Conference “Hydraulik im Kfz”, 2003

4 S Stölzl, R Schmidt, W Kling, T Sticher, G Fachinger, A Klein, B Giers, H Fennel: Das Elektro-Hydraulische Bremssystem von Continental Teves – eine neue Herausforderung für die Systemund Methodenentwicklung in der Serie, VDI-Tagung Elektronik im Kraftfahrzeug, Baden-Baden, 2011

5 Continental Hybrid Survey: Hybrid and Electric Vehicles Gaining Recognition Worldwide, Continental Press Release, 27th of June 2008