Xây dựng mô hình tính toán động lực học xe hybrid có cấu hình truyền động song song

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH:CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC XE HYBRID CĨ CẤU HÌNH TRUYỀN ĐỘNG SONG SONG ĐỖ TIẾN QUYẾT NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS-TS Phạm Hữu Nam HÀ NỘI - 4/2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, tơi nghiên cứu thực với hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Hữu Nam Thông tin số liệu tham khảo sử dụng luận văn trích dẫn đầy đủ nguồn tài liệu danh mục tài liệu tham khảo trung thực Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đăng ký phê duyệt hiệu trưởng trường Đại học Bách khoa Hà nội Tác giả luận văn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên Công suất động đốt Momen động đốt Số vòng quay trục khuỷu Lực kéo động đốt Nhân tố động lực học động đốt Vận tốc xe Gia tốc xe dùng động đốt Thời gian tăng tốc xe dùng động đốt Quãng đường tăng tốc xe dùng động đốt Công suất mô tơ điện Momen mô tơ điện Lực kéo mô tơ điện Nhân tố động lực học mô tơ điện Gia tốc xe dùng mô tơ điện Thời gian tăng tốc xe dùng mô tơ điện Quãng đường tăng tốc xe dùng mô tơ điện Nhân tố động lực học chế dộ hybrid Gia tốc xe chế độ hybrid Thời gian tăng tốc xe chế độ hybrid Quãng đường tăng tốc xe chế độ hybrid Khối lượng xe Gia tốc trọng trường Hệ số cản không khí Diện tích cản diện Hệ số cản lăn Bán kính bánh xe Hiệu suất hệ thống truyền lực Tỷ số truyền lực Tỷ số truyền số i Ký hiệu Ne Me ne Pk D v j t S Nmotor Mmotor Pm Dm jm tm Sm Dh jh th Sh m g k F f rbx ηt i0 ihi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Xe hybrid Hình 1.1 Lượng tiêu thụ nhiên liệu năm Hình 1.3 Lượng tiêu thụ dầu mỏ giới Bảng 1.4 Thống kê nguồn lượng năm 2000 Bảng 1.5 Tiêu chuẩn Mỹ tơ du lịch (tính theo g/dặm quy trình FTP75) Bảng 1.6 Tiêu chuẩn Cộng Đồng Châu Âu ô tô tải hạng nhẹ Bảng 1.7 Tiêu chuẩn Nhật Bản ô tô du lịch sử dụng động xăng Hình 1.8 Đặc tính động đốt Hình 1.9:Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hybrid Hình 1.10 Hệ thống hybrid nối tiếp Hình 1.11 Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp Hình 1.12 Hệ thống hybrid song song Hình 1.13 Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song Hình 1.14 Hệ thống hybrid hỗn hợp Hình 1.15 Phân loại xe hybrid Hình 2.1 Sơ đồ chung truyền lực hybrid Hình 2.2 Đường đặc tính ngồi động xăng Hình 2.3 Đường đặc tính cục động xăng Hình 2.4 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu động xăng Hình 2.5 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào cơng suất sử dụng Hình 2.6: Đường đặc tính ba loại động điện Hình2.7:Sơ đồ nguyên lý hoạt động động điện chiều Hình2.8:Đường đặc tính loại động điện chiều Hình 2.9:Sơ đồ mạch tương ứng động điện kích từ nối tiếp Hình 2.10 Bánh hành tinh Hình 2.11 Đặc tính cơng suất ắc quy Hình 2.12 Đặc tính ắc quy với điện áp trung bình 12 36V Bảng 2.13 Đặc điểm loại ắc quy Hình 2.14 Mơ hình ắc quy xe hybrid Hình 2.15 Mơ hình tính ắc quy Hình 2.16 Bộ kết nối momen Hình2.17:Một số thiết bị kết nối mơmen Hình 2.18:Cấu hình trục Hình 2.19:Cấu hình trục Hình 2.20: Kết nối tốc độ Hình 2.21:Hệ bánh hành tinh Willson Hình 2.21:Transmoto Hình 2.22:Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng kết nối tốc độ kiểu hệ bánh hành tinh Hình 2.23:Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng kết nối tốc độ kiểu transmoto Hình 2.24 : Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid xen kẽ mômen tốc độ với hệ bánh hành tinh Hình 2.25 Sơ đồ hệ thống hybrid song song kết nối momen Hình 2.26 Chương trình điều khiển tống thể hệ thống truyền lực hybrid song song kết nối khí Hình 2.27 Biểu diễn chế độ làm việc sở cơng suất u cầu Hình 2.28 Biểu đồ chiến lược điều khiển Max.SOC-of-PPS Hình 2.29 Minh họa chiến lược tắt mở động Hình 3.2 Đặc tính cơng suất động đốt Hình 3.3 Đồ thị cơng suất động đốt Hình 3.4 Đồ thị momen động đốt Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid cấu hình song song sử dụng kết nối momen Hình 3.6 Đồ thị lực kéo bánh xe chủ động theo tay số truyền Hình 3.7 Đồ thị nhân tố động lực học động đốt Hình 3.8 Đồ thị 1/j động đốt Đồ thị 3.9 Thời gian tăng tốc xe Hình 3.10 Đồ thị quãng đường tăng tốc xe Hình 3.11 Đồ thị cơng suất mơ tơ điện Hình 3.12 Đồ thị momen mơ tơ điện Hình 3.13 Đồ thị lực kéo mơ tơ điện Hình 3.14 Đồ thị nhân tố động lực học mơ tơ điện Hình 3.15 Đồ thị 1/j mô tơ điện Đồ thị 3.16 Thời gian tăng tốc xe Hình 3.17 Đồ thị quãng đường tăng tốc xe Hình 3.18 Đồ thị lực kéo chế độ hybrid Hình 3.19 Đồ thị nhân tố động lực học chế độ hybrid Hình 3.20 Đồ thị 1/j chế độ hybrid Hình 3.21 Thời gian tăng tốc xe MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID 10 1.1 Khái niệm xe hybrid 10 1.2 Tiền đề phát triển xe hybrid 11 1.3 Ý nghĩa xe hybrid 12 1.3.1 Tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt 12 1.3.2 Giảm lượng khí xả ô nhiễm môi trường 16 1.4 Đặc điểm xe Hybrid HEV 20 1.5 Phân loại HEV 22 1.5.1 Cấu hình nối tiếp 22 1.5.2 Cấu hình song song 24 1.5.3 Cấu hình hỗn hợp 25 1.6 Mức độ Hybrid 26 1.7.Đặt vấn đề nghiên cứu 27 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID SONG SONG 30 2.1 Sơ đồ truyền lực hybrid song song 30 2.2.Các chê độ hoạt động xe hybrid song song 31 2.3Các cụm chi tiết cấu hình hybrid song song 31 2.3.1Động nhiệt: 31 2.3.2 Mô tơ điện 35 2.3.3Hệ thống truyền lực 38 2.3.4 Ắc quy 39 2.3.5 Bộ kết nối 44 2.4 Chiến lược điều khiển hệ thống truyền lực hybrid 53 2.4.1 Mục tiêu chiến lược điều khiển 53 2.4.2 Chiến lược điều khiển 54 2.4.3 Chiến lược điều khiển nạp điện ắc quy cực đại 56 2.4.4 Chiến lược điều khiển động On-Off 60 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG, ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE HBYRID CẤU HÌNH SONG SONG 62 3.1Mục tiêu xây dựng, đánh giá tính chất động lực học xe hybrid cấu hình song song 62 3.2 Phương pháp xây dựng, đánh giá tính chất động lực học xe hybrid cấu hình song song 62 3.3 Nội dung xây dựng tính chất động lực học xe hybrid cấu hình song song 62 3.3.1 Xây dựng tính chất động lực học động đốt 62 3.3.2 Xây dựng nhân tố động lực học cho mô tơ điện 70 3.3.3 Xây dựng tính chất động lực học xe chế độ hybrid 76 KẾT LUẬN 82 PHỤ LỤC 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 LỜI NÓI ĐẦU Nước ta bước cơng nghiệp hóa đại hóa, với q trình ngành cơng nghiệp tơ đóng vai trị to lớn cơng xây dựng đất nước Ơ tơ dần trở thành phương tiện sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên nguồn lượng dầu mỏ dần cạn kiệt trở thành mối lo ngại lớn cho tương lai ngành cơng nghiệp tơ Khi có nguồn nhiên liệu thay hoàn toàn cho nhiên liệu dầu mỏ việc nâng cao tính tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô vô cấp thiết Một giải pháp để nâng cao tính tiết kiệm nhiên liệu ô tô sử dựng ô tô hybrid Với mong muốn giúp cho kỹ thuật viên, người lái xe hiểu biết xe hybrid PHEV, có thêm nguồn tài liệu tham khảo xe PHEV Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết thơng qua việc xây dựng mơ hình tính tốn động lực học xe hybrid có cấu hình song song Đề tài “Xây dựng mơ hình tính tốn động lực học xe hybrid có cấu hình truyền động song song’’ thực với mục tiêu sau : -Đặc điểm hệ truyền động chế độ sử dụng nguồn lượng xe hybird -Cấu hình truyền động song song xe hybrid; -Xây dựng mơ hình tính tốn động lực học xe hybrid có cấu hình truyền động song song Đề tài thực Bộ mơn Ơ tơ xe chun dụng, Viện khí động lực trường Đại học Bách khoa Hà nội hướng dẫn PGS.TS Phạm Hữu Nam Tác giả xin chần thành cám ơn hướng dẫn tận tụy PGS.TS Phạm Hữu Nam thầy Bộ mơn Ơ tơ xe chun dụng Do thời gian, trình độ cịn hạn chế định nên đề tài tránh khỏi thiếu sót Kính mong quan tâm, đóng góp ý kiến thầy bạn đồng nghiệp để đề tài hồn thiện q trình nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày tháng năm 9000 Ph1 Ph2 Ph3 8000 7000 Luc keo (N) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 20 40 60 80 100 Toc (km/h) 120 140 160 Hình 3.18 Đồ thị lực kéo chế độ hybrid 3.3.3.2 Xây dựng đồ thị nhân tố động lực học cho chế độ hybrid Nhân tố động lực học tơ tính theo cơng thức sau = Dh 1 Ph − Pω  M hitηt =  − Wv  G  rb G 77 180 0.7 Dh1 Dh2 Dh3 0.6 Nhan to dong luc hoc 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 20 40 60 80 100 Toc xe (km/h) 120 140 160 180 Hình 3.19 Đồ thị nhân tố động lực học chế độ hybrid 3.3.3.3 Xây dựng đồ thị thời gian tăng tốc chế độ hybrid Từ nhân tố động lực học D, ta tính gia tốc theo công thức sau = jh ( Dh −ψ ) g δi Xét xe chạy đường thẳng khơng dốc j tính jh = ( Dh − f ) g δi → δi = jh g ( Dh − f ) Dựa vào chương trình mơ Matlab, ta có đồ thị 1/j, đồ thị thời gian tăng tốc sau 78 1.4 1/jh1 1/jh2 1/jh3 1.2 1/j 0.8 0.6 0.4 0.2 0 20 40 60 80 100 Toc xe (km/h) 120 140 Hình 3.20 Đồ thị 1/j chế độ hybrid 3.3.2.3 Xây dựng đồ thị thời gian tăng tốc chế độ hybrid Từ giá trị 1/j ta tính thời gian tăng tốc xe sau v2 th = ∫ v1 dv jh Ta có đồ thị tính thời gian tăng tốc sau 79 160 180 30 th1 th2 th3 25 Thoi gian (s) 20 15 10 0 20 40 60 80 100 Toc xe (km/h) 120 140 160 180 Hình 3.21 Thời gian tăng tốc xe Nhận xét: Khi xe tăng tốc từ đến 100 km gần 10 giây tăng tốc xe đạt giá trị vận tốc cực đại khoảng 25giây 3.3.3.4 Xây dựng đồ thị quãng đường tăng tốc chế độ hybrid Từ đồ thị thời gian tăng tốc ta tính quãng đường tăng tốc theo công thứ sm = tm ∫ vdt tm 80 m 500 sh1 sh2 sh3 450 Quang duong tang toc (m) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 20 40 60 80 100 Toc xe (km/h) 120 140 160 180 Hình 3.22 Đồ thị quãng đường tăng tốc xe Nhận xét: Quãng đường xe tăng tốc từ đến vận tốc 100km/h khoảng 110m, quãng đường xe tăng tốc từ đến vận tốc tối đa khoảng 470m 81 KẾT LUẬN Đề tài thực nhiệm vụ nêu ban đầu có ý nghĩa khoa học thực tiến gồm: Khái niệm xe hybrid, ý nghĩa xe hybrid điều kiện sử dụng Các chế độ làm việc xe hybrid;các phận truyền lực hybrid như: động đốt trong, động điện, ắc quy, kết nối, hộp số; chiến lược điều khiển trình làm việc xe hybrid Xây dựng tính chất động lực học tơ như: lực kéo bánh xe chủ động, nhân tố động lực học, gia tốc, thời gian tăng tốc, quãng đường tăng tốc động đốt trong, mô tơ điện chế độ hybrid Từ đánh giá thơng số động lực học Kết đề tài sở lý thuyết ban đầu giúp cho việc nghiên cứu tính động lực học xe hybrid cấu hình song song 82 PHỤ LỤC clear all %Cac thong so cua xe %Kich thuoc cua xe M=1325; g=9.81; G=M*g; k=0.11;F=1.9; f=0.018; rbx=0.3;nt=0.9; %Thong so dong co dot a=1;b=1;c=1; Nemax=43000; nN=4000; %Thong so dong co dien %Thong so he thong truyen luc %Bo ket noi k1=1;k2=1; %Hop so ih1=2;ih2=1.4;ih3=1; %Truyen luc chinh i0=3.3; %Dac tinh Ne-ne,Me-ne ne=[80:10:5000]; t=ne/nN; Ne=Nemax*(a.*t+b.*t.*t-c.*t.*t.*t); Me=(10.*Ne)./(1.047.*ne); %Dac tinh Nk-v,Pk-v Pk1=Me.*(ih1*i0*nt/rbx); v1=(2*pi*rbx/(60*i0*ih1)).*ne*3.6; Pk2=Me.*(ih2*i0*nt/rbx); v2=(2*pi*rbx/(60*i0*ih2)).*ne*3.6; Pk3=Me.*(ih3*i0*nt/rbx); v3=(2*pi*rbx/(60*i0*ih3)).*ne*3.6; Pf=f*G; Pomega=k*F.*(v3/3.6).^2; %Dac tinh D-v,J-v D1=(Pk1-Pomega)/G; D2=(Pk2-Pomega)/G; 83 D3=(Pk3-Pomega)/G; l=length(ne); for i=1:l for j=1:l if (abs(v1(i)-v2(j))