Nghiên cứu chiến lược điều khiển chuyển số hệ thống động lực ô tô điện nhằm tăng hiệu suất sử dụng năng lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chiến lược điều khiển chuyển số hệ thống động lực Ơ tơ điện nhằm tăng hiệu suất sử dụng lượng Lê Đình Nghiêm Nghiemldvck@vimaru.edu.vn Ngành Kỹ thuật Ơ tơ Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Hồ Hữu Hải Viện: Cơ khí động lực HÀ NỘI, 08/2020 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Lê Đình Nghiêm Đề tài luận văn: Nghiên cứu chiến lược điều khiển chuyển số hệ thống động lực Ơ tơ điện nhằm tăng hiệu suất sử dụng lượng Chuyên ngành: Kỹ thuật Ơtơ Mã số SV: CA190132 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 29/11/2020 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lỗi chế như: lỗi tả, hình ảnh sai ký hiệu Hình 3.14 Bộ điều khiển bàn đạp gas - Chỉnh sửa phần mơ tả phân tích Hình 1.5 Các phương án phát triển phương tiện giao thông tương lại - Bổ sung liệu mang tính định lượng cho phần kết khảo sát ( Số liệu nêu Bảng : Hiệu suất cải thiện động áp dụng hộp số đa cấp thay cho hộp số cấp theo chu trình thử nghiệm) Ngày tháng 11 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Mẫu 1c ii Lời cảm ơn Được phân công Viện Cơ khí động lực Trường Đại học Bách khoa Hà Nội sư đồng ý Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Hồ Hữu Hải, thực đề tài: “Nghiên cứu chiến lược điều khiển chuyển số hệ thống động lực Ơ tơ điện nhằm tăng hiệu suất sử dụng lượng.” Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới Thầy PGS.TS Hồ Hữu Hải tận tình hướng dẫn giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trần Văn Như – Trưởng Bộ môn Cơ khí Ơtơ – Đại học Giao thơng vận tải, người theo sát hành trình nghiệp theo đuổi khoa học Người giúp vượt qua khó khăn suốt chặng đường, từ việc hình thành ý tưởng đề tài tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn Thầy Bộ mơn Ơtơ xe chun dụng – Viện Cơ khí động lực Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thầy cô công tác Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ tơi trình học tập, làm việc, nghiên cứu Trường Tơi xin chân thành cảm ơn! iii Tóm tắt nội dung luận văn Theo thực trạng ô nhiễm môi trường phương tiện giao thông vận tải gây trở lên nghiêm trọng Nguồn lượng, nguồn nhiên liệu hóa dầu giự trữ dần cạn kiệt, theo dự đoán chuyên gia, nguồn nhiên liệu hết vào năm 2040 Chính phủ nước quan tâm đến vấn đề Chính phủ đầu tư lượng nguồn tài khơng đất nước để phục vụ cho nhà khoa học, nhà sản xuất Ơ tơ thực nghiên cứu, giải pháp thực tiễn để cải thiện ô nhiễm môi trường sức tiêu thụ lượng phương tiện giao thông vận tải gây Nhận thấy yêu tố đáng đưa vào nghiên cứu nhằm phục vụ mục đích góp phần nhỏ vào công cải thiện môi trường đất nước tăng nguồn giự trữ lượng giới, đề tài hướng đến mục tiêu cải thiện hiệu suất sử dụng lượng Ơtơ việc điều khiển chuyển số tối ưu cho hộp số đa cấp Luận văn tập trung nghiên cứu, tìm luật điều khiển tối ưu cho hộp số đa cấp nhằm cải thiện hiệu suất làm việc động điện sử dụng xe du lịch cỡ nhỏ Hệ thống truyền lực mơ với mơ hình mơ dịng cơng suất đơn giản, giả thiết cụ thể nhằm đảm bảo tính tin cậy mơ hình Luật chuyển số xây dựng phương pháp tối ưu rời rạc, truy suất so sánh trực tiếp tên đồ hiệu suất có sẵn động Đường giới hạn vùng làm việc tay số tuyến tính hóa để dễ dàng đưa vào mơ hình điều khiển Để đánh giá hiệu làm việc điều khiển, chu trình thử nghiệm chọn để đưa vào mơ hình Nhưng kết đạt cho thấy luật điều khiển tối ưu phát huy hiệu quả, hiệu suất động cải thiện sử dụng hộp số đa cấp có điều khiển cho hệ thống truyền lực thay cho hộp số cấp Với kết nghiên cứu đạt luận văn, tác giả nhận thấy việc tối hưu dừng lại việc điều khiển chuyển số chưa đủ, cần phải mở rộng nghiên cứu điều khiển hệ thống khác điều khiển tối ưu dòng điện cấp cho động cơ, điều khiển quản lý lượng giự trữ lượng chuyển đổi lượng Sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu khác sử dụng loại hộp số khác để đưa đánh giá phổ quát HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên iv MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tác động tới môi trường giao thông 1.1.1 Ơ nhiễm khơng khí 1.1.2 Sự ấm lên trái đất 1.1.3 Vấn đề cung cấp nhiên liệu chiến lược phát triển phương tiện giao thông vận tải 1.2 Nhu cầu xu hướng pháp triển xe điện 1.2.1 Lịch sử phát triển xe điện 1.2.2 Nhu cầu sử dụng xe điện sách phát triển xe điện nước phát triển 1.2.3 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Mục tiêu, nội dung, phạm vi phương pháp nghiên cứu đề tài 10 1.3.1 Mục tiệu 10 1.3.2 Nội dung 10 1.3.3 Phạm vi nghiên cứu 11 1.3.4 Phương pháp nghiên cứu 11 CHƯƠNG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ ĐIỆN 12 2.1 Cấu trúc chung hệ thống truyền lực xe điện EVs 12 2.2 Các hệ thống truyền động xe điện 13 2.3 Các loại hộp số sử dụng xe điện 16 2.3.1 Hộp số cấp (Single-speed gearbox) 16 2.3.2 Hộp số đa cấp điều khiển tự động (Multi-speed gear box) 18 2.3.3 Hộp số vô cấp (CVT) 20 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHIẾN LƯỢC CHUYỂN SỐ TỐI ƯU CHO HỘP SỐ ĐA CẤP 21 3.1 3.2 Mơ hình động 21 3.1.1 Các động điện sử dụng Ơtơ 21 3.1.2 Lựa chọn mơ hình động sử dụng cho hệ thống truyền lực 22 Tính tốn tỷ số truyền cho hộp số 24 3.2.1 Tính tốn tỉ số truyền hộp số đa cấp 26 3.2.2 Tính tốn tỷ số truyền hộp số cấp 27 v 3.3 Xây dựng mơ hình mơ động lực học hệ thống truyền lực Ơtơ matlab-simulink 28 3.4 3.3.1 Giới thiệu phần mềm mô số SIMULINK 28 3.3.2 Lựa chọn phương pháp mơ hệ thống truyền lực Ơtơ 32 3.3.3 Mơ hình động lực học hệ thống truyền lực 34 3.3.4 Mô hệ thống truyền lực 37 Xây dựng chiến lược chuyển số tối ưu cho hộp số đa cấp 41 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THEO CÁC CHU TRÌNH THỬ NGHIỆM 47 4.1 Các chu trình thử nghiệm 47 4.2 Xe chuyển động với chu trình thử NEDC 49 4.3 Xe chuyển động với chu trình thử WLTP 53 CHƯƠNG KẾT LUẬN 60 5.1 Kết luận 60 5.2 Hướng phát triển đồ án tương lai 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 63 vi DANH MỤC BẢNG Bảng : Các mẫu xe điện thương mại hóa Bảng 2: Bảng so sánh tính phù hợp động để sử dụng cho hệ thống truyền lực 22 Bảng : Thông số kỹ thuật xe 25 Bảng 4: Hiệu suất cải thiện động áp dụng hộp số đa cấp thay cho hộp số cấp chu trình thử nghiệm khác 59 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Thống kê lượng khí thải CO2 lĩnh vực hoạt động tạo Hình 1.2 Thống kê nhiệt độ gia tăng hàng năm Hình 1.3 Mức tiêu lượng nhiêu liệu giự trữ thống kê hàng năm Hình 1.4 Mức tiêu thụ nhiên liệu hàng năm toàn giới lĩnh vưc vận tải lĩnh vực khác Hình 1.5 Các phương án phát triển phương tiện giao thông tương lai Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực xe điện 12 Hình 2.2 Hệ thống truyền lực điện tổng quát 13 Hình 2.3 Hệ thống truyền lực truyền thống 14 Hình 2.4 Hệ thống truyền lực điện sử dụng hộp số cấp động điện đặt dọc 14 Hình 2.5 Hệ thống truyền lực điện sử dụng hộp số cấp động điện đặt ngang 15 Hình 2.6 Xe điện sử dụng nhiều hệ thống truyền lực hoạt động độc lập Hệ thống truyền lực đặt bánh xe 15 Hình 2.7 Xe điện sử dụng nhiều hệ thống truyền lực hoạt động độc lập hệ thống truyền lực đặt bánh xe 15 Hình 2.8 Xe điện truyền động trực tiếp với động đặt bánh xe 16 Hình 2.9 Hệ thống truyền lực cấp Tesla Model-S 17 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống truyền lực cấp 17 Hình 2.11 Hệ thống truyền lực cấp số thực tế xe điện 18 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp 19 Hình 2.13 Hộp số ly hợp kép DCT cấp 19 Hình 2.14 Hệ thống truyền lực hộp số CVT 20 Hình 3.1 Đặc tính làm việc động 23 Hình 3.2 Bản đồ hiệu suất làm việc động 24 Hình 3.3 Bản đồ dòng điện điều khiển động 24 Hình 3.4 Vùng làm việc cấp số 25 Hình 3.5 Đồ thị cân lực kéo hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp 27 Hình 3.6 Đồ thị cân lực kéo hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp 27 Hình 3.7 Đồ thị cân lực kéo hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp 28 Hình 3.8 Giao diện matlab 29 Hình 3.9 Mơ hình hệ thống truyền lực đơn giản 34 Hình 3.10 Sơ đồ lực tác động lên xe theo phương chuyển động 35 Hình 3.11 Sơ đồ mô tả điều khiển hộp số thực tế 37 Hình 3.12 Mơ hình hệ thống truyền lực mơ Matlab-Simulink 38 Hình 3.13 Bản điều khiển momen động thơng qua dịng điện tốc độ động 38 viii Hình 3.14 Bộ điều khiển bàn đạp gas 39 Hình 3.15 Mơ hệ thống động lực học xe 40 Hình 3.16 Tổng lực cản động lên xe thời điêm di chuyển 40 Hình 3.17 khối biến đổi momen vận tốc hệ thống truyền lực 41 Hình 3.18 Bộ điều khiển chuyển số 41 Hình 3.19 Lựa chọn cấp số làm việc nhằm tối ưu hiệu suất làm việc động 42 Hình 3.20 Vùng làm việc tối ưu HTTL sử dụng hộp số cấp 44 Hình 3.21 Đường giới hạn chuyển số HTTL cấp số 45 Hình 3.22 Vùng làm việc tối ưu HTTL sử dụng hộp số cấp 45 Hình 3.23 Đường giới hạn chuyển số HTTL cấp số 46 Hình 4.1 Chu trình thử nghiệm theo thiết kế 48 Hình 4.2 Chu trình lái xe thực tế 49 Hình 4.3 Chu trình lái xe trạng thái ổn định giả lập 49 Hình 4.4 NEDC_ hiệu suất làm việc hộp số cấp hộp số cấp 50 Hình 4.5 Hiệu suất cải thiện dùng hộp số cấp điều khiển tự động thay cho hộp số cấp 50 Hình 4.6 NEDC_Quy luật chuyển số hộp số cấp 51 Hình 4.7 NEDC_ hiệu suất làm việc hộp số cấp hộp số cấp 52 Hình 4.8 Hiệu suất cải thiện dùng hộp số cấp điều khiển tự động thay cho hộp số cấp 52 Hình 4.9 NEDC_Quy luật chuyển số hộp số cấp 52 Hình 4.10 Điểm làm việc thực tế động theo chu trình NEDC 53 Hình 4.11 Chu trình WLTP-class-3 Low speed: Tốc độ thấp Medium speed: Tốc độ trung bình High speed: Tốc độ cao Extra high speed: Tốc độ cao 54 Hình 4.12 WLTP_ hiệu suất làm việc hộp số cấp hộp số cấp 56 Hình 4.13 WLTP_Hiệu suất cải thiện dùng hộp số cấp điều khiển tự động thay cho hộp số cấp 56 Hình 4.14 Quy luật chuyển số hộp số cấp có điều khiển thử nghiệm với chu trình WLTP-class-3 57 Hình 4.15 WLTP_ hiệu suất làm việc hộp số cấp hộp số cấp 57 Hình 4.16 WLTP_Hiệu suất cải thiện dùng hộp số cấp điều khiển tự động thay cho hộp số cấp 57 Hình 4.17 Quy luật chuyển số hộp số cấp có điều khiển thử nghiệm với chu trình WLTP-class-3 58 Hình 4.18 Điểm làm việc thực tế động theo chu trình WLTP-Class-3 59 ix CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tác động tới môi trường giao thơng 1.1.1 Ơ nhiễm khơng khí Như biết, hiên tại, hầu hết tất phương tiện giao thông sử dụng động đốt làm nguồn động lực Động đốt làm việc nhờ việc chuyển hóa hóa thành nhiệt tạo năng, sản phẩm cháy tạo q trình thải trực tiếp vào mơi trường khơng khí Về bản, sản phẩm cháy lý tưởng CO2 H2O Tuy nhiên, tính hịa trộn nhiên liệu đặc tính hoạt động động cơ, khí thải tạo có số loại gây ảnh hưởng lớn tới mơi trường, gây ô nhiêm môi trường cách nghiêm trọng, là: CO, NOx, Sox, sản phẩm khơng cháy…… + NOx: Nitơ oxit (NOx): kết phản ứng nitơ khơng khí oxy Về mặt lý thuyết, nitơ loại khí trơ Tuy nhiên, nhiệt độ áp suất cao động tạo điều kiện thuận lợi cho hình thành oxit nitơ Nhiệt độ thông số quan trọng hình thành oxit nitơ Nitơ tìm thấy phổ biến oxit nitric (NO), lượng nhỏ nitric dioxide (NO2) dấu vết oxit nitơ (N2O) có mặt Sau giải phóng vào khí quyển, NO phản ứng với oxy tạo thành NO2 NO2 sau bị phân hủy xạ cực tím mặt trời trở thành NO nguyên tử oxy phản ứng cao công màng tế bào sống NO2 chịu trách nhiệm phần cho khói bụi; màu nâu làm cho sương mù xuất Nó phản ứng với nước khí để tạo thành axit nitric (HNO3), làm loãng mưa Hiện tượng gọi mưa axit chịu trách nhiệm cho việc phá hủy rừng nước công nghiệp Mưa axit góp phần làm suy thối di tích lịch sử làm đá cẩm thạch + Carbon monoxide (CO): kết trình đốt cháy khơng hồn tồn HC thiếu oxy Nó chất độc hô hấp người động vật Khi carbon monoxide đến tế bào máu, cố định với hemoglobin thay cho oxy, làm giảm lượng oxy đến quan làm giảm khả thể chất tinh thần sinh vật bị ảnh hưởng Chóng mặt triệu chứng ngộ độc carbon monoxide, nhanh chóng dẫn đến chết Carbon monoxide liên kết mạnh với hemoglobin so với oxy Các liên kết mạnh đến mức chức thể bình thường khơng thể phá vỡ chúng Những người bị nhiễm độc carbon monoxide phải điều trị buồng điều áp, áp suất giúp dễ dàng phá vỡ liên kết carbon monoxide - hemoglobin + Sản phẩm không cháy HCs: HC không cháy kết q trình đốt cháy khơng hồn tồn HC Tùy thuộc vào chất chúng, HC khơng cháy gây hại cho sinh vật Một số HCs khơng cháy chất độc trực tiếp hóa chất gây ung thư particulates, benzen chất khác Các HC không cháy chịu trách nhiệm cho khói bụi: tia cực tím tương tác với HC khơng cháy NO khí để tạo thành ozone sản phẩm khác Ozone phân tử hình thành từ ba nguyên tử a So sánh hiệu suất làm việc động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp có điều khiển hộp số cấp theo chu trình NEDC Trong chu trình chạy thành phố ta thấy hiệu suất động hoạt động hộp số hai cấp hiệu quả, cao nhiều so với hộp số cấp, ta thấy rõ Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.4 NEDC_ hiệu suất làm việc hộp số cấp hộp số cấp Hình 4.5 Hiệu suất cải thiện dùng hộp số cấp điều khiển tự động thay cho hộp số cấp 50 - Tại khu vực tốc độ xe đạt 20 km/h: lúc yêu cầu hệ thống truyền lực xe tạo mô men cao bánh xe chủ động cao, rõ ràng ta thấy thời điểm để đáp ứng điều này, hệ thống truyền lực cấp yêu cầu động phải phát momen lớn vòng tua động thấp Theo phân tích mơ hình động Hình 3.2, vùng này, hiệu suất đạt thấp biến đổi lớn khoảng tốc độ động thay đổi nhỏ Để giảm tác động tiêu cực lên động Hộp số hai cấp định chọn tay số có tỷ số truyền cao (iTL=8.2) Kết cho thấy, hiệu suất làm việc động HTTL2 cải hiệu suất làm việc động HTTL1 nhiều, có lúc cải thiện dược 40% Cụ thể, thời điểm giây thứ 30 với vận tốc xe đạt 15 km/h hiệu suất cải thiện lên tới 57% Tại khu vực cấp số có tỷ số truyền cao làm việc gần tồn thời gian, Hình 4.6 - Xét khoảng vận tốc 20 km/h đến 57km/h, đạt chạy tốc độ cao hơn, tốc độ yêu cầu động có xu hướng tăng lên, thời điểm làm việc này, điểm làm việc động sử dụng hộp số cấp dần tiến vào vùng có hiệu suất cao Cho nên, hiệu suất cải thiện lúc đạt khoảng 20% Ở khu vực này, cấp số hộp số hai cấp lựa chọn để hoạt động toàn thời gian, vài điểm chuyển số nhỏ không đáng kể - Tại chu tình EUDC: Ở đường cao tốc, hiệu suất động hệ thống truyền lực dụng hộp số hai cấp cải thiện giây tăng tốc xe tăng tốc từ 0km/k lên đến 70km/h (giây thứ 800 đến 850) Ở giây hiệu suất không cải thiện nhiều Hiệu suất lại không với hộp số cấp Nhìn chung, khu vực xe hoạt động với tốc độ cao, hiệu suất làm việc chúng gần khơng có khác biệt - Với chu trình làm việc ổn định NEDC, việc chuyển số suốt trình làm việc xe gần không đổi, cấp số sử dụng cho hầu hết quãng đường thành phố, cấp số sử dụng cho quãng đường cao tốc Hình 4.6 NEDC_Quy luật chuyển số hộp số cấp b So sánh hiệu suất làm việc động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp có điều khiển hộp số cấp theo chu trình NEDC Về hiệu suất làm việc động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp trường hợp cải thiện Tuy nhiên, ta thấy hiệu suất 51 cải thiện sử dụng hộp số cấp có điều khiển gần không cải thiện so với hệ thống truyền lực sử dụng hốp số cấp có điều khiển Hiệu suất làm việc động trường hợp 14.29 % tổng thời gian di chuyển Trong hiệu suất cải thiện sử dụng hộp số cấp có điều khiển 13,31 % Hình 4.7 NEDC_ hiệu suất làm việc hộp số cấp hộp số cấp Hình 4.8 Hiệu suất cải thiện dùng hộp số cấp điều khiển tự động thay cho hộp số cấp Về quy luật chuyển số hộp số cấp, ta thấy rõ, vai trò cấp số trung gian không sử dụng Hộp số ưu tiên cấp số cấp số để làm việc lái xe theo chu trình NEDC Hình 4.9 NEDC_Quy luật chuyển số hộp số cấp 52 Xét điểm làm việc thực tế chu trình thử NEDC Hình 4.10 Điểm làm việc thực tế động cơ, hộp số cấp thực hoạt động hiệu so với hộp số cấp Điểm làm việc hộp số cấp tập trung giày đặc vùng làm việc tối ưu động (trong khoảng 2000 - 4000 RPM) Hộp số cấp có lúc phải hoạt động vùng có tốc độ cao 4000RPM 6000RPM Điều cho thấy rõ ràng hộp số cấp hoạt động hiệu hộp số cấp Tuy nhiên xét vùng làm việc của, ta thấy hiệu suất chúng lại không thay đổi hiều cho vùng động có hoạt động 3000 RPM, hay cao Chính đặc tính hiệu suất làm việc động vậy, nên dùng hộp số cấp hộp số cấp để cải thiện hiệu suất tương đương Hình 4.10 Điểm làm việc thực tế động theo chu trình NEDC 4.3 Xe chuyển động với chu trình thử WLTP Chu trình WLTP (Worldwide Harmonized Light-duty Test Procedure) thay cho chu trình NEDC từ tháng năm 2017 Nước Đức nước đầu trong công phát triển thay đổi chu trình cũ Nó thơng qua Ủy ban vận tải nội địa Ủy ban Kinh tế liên hộp quốc Châu Âu(UNECE), thỏa thuận chấp thuận vởi Trung Quốc, Hoa Kỳ, Nhật nước liên minh châu Âu WLTP kiểm tra tốt vấn đề phát thải sinh xe tính tiết kiệm nhiên liệu xe gần với thực tế nhiều so với NEDC Phiên cuối phát hành vào năm 2015 Một mục tiêu WLTP phù hợp với ước tính phịng thí nghiệm mức tiêu thụ nhiên liệu lượng khí thải việc kiểm tra thực tế đường Nó cịn có mục tiêu khác rõ ràng tên gọi nhằm mục đích hài hịa với quy trình kiểm tra xuất tồn giới phục vụ cho khu vực địa phương, biến thành chu trình kiểm tra cấp độ quốc tế thiết lập sân chơi bình đẳng thị trường Ơ tơ tồn cầu 53 Quy trình kiểm tra hướng dẫn thực nghiêm ngặt với kiểm tra phịng thí nghiệm bang thử tải (Kiểm tra lực kế khung xe - Chassis dynamometer tests) WLTP có loại chu trình thử nghiệm khác tùy thuộc vào loại xe được xác định tỷ lệ công suất động cơ/ trọng trượng xe Hầu hết Ơ tơ phổ thơng có có tỷ lệ lớn 40W/kg, thường áp dụng chu trình WLTP loại (WLTP-class-3) để áp dụng kiểm tra Xe tải hạng nặng xe buyt dùng loại WLTP nhằm mục tích trở thành kiểm tra thực tế cho dòng xe điện, xe Hybrid Tất loại xe điện sử dụng chu trình WLTP-class-3 để làm chu trình chạy thử nghiệm Hình 4.11 Chu trình WLTP-class-3 Low speed: Tốc độ thấp Medium speed: Tốc độ trung bình High speed: Tốc độ cao Extra high speed: Tốc độ cao Chu trình WLTP-class-3 chia làm giai đoạn trình bày Hình 4.11, giai đoạn chạy ởi tốc độ thấp sau sang giai đoạn tốc độ trinh bình, tốc độ cao, cao Đặc điểm chu trình sát với thực tế thể hành vi điều khiển xe thực tế người lái điều kiện lái thực tế đường, vận tốc biến đổi liên tục, gia tốc thay đổi đột ngột a So sánh hiệu suất làm việc động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp có điều khiển hộp số cấp theo chu trình WLTP-class -3 Giai đoạn (từ 0s -599s): Tốc độ lớn xe đạt 56.5 km/h, tốc độ trung bình 18.9km/h - Từ đến 100 giây đầu tiên: Hiệu suất động HTTL hộp số cấp đạt thấp giây tăng tốc đầu tiên, hiệu suất đạt 50%, có gia tốc hiệu suất đạt 80%( tố độ xe đạt dược 44 km/h giây thứ 35) Tiếp theo vận tốc giảm tốc, hiệu suất động HTTL1 cấp lại giảm xuống 67% giây thứ 57 tốc độ xe đạt 12km/h Trong khoảng thời gian di chuyển này, hiệu suất động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số hai 54 cấp có điều khiển ln ổn định đạt mức 95% Trung bình khoảng này, hiệu suất cải thiện lên tới 22% - Từ giây 100 đến giây 599: Động HTTL1 bất ổn, có thời điểm xuống 60% Trong đó, hiệu suất động HTTL2 đạt mức 95% Giai đoạn (giây thứ 600 đến 1000): Tốc độ lớn xe đạt 76,6 km/h, tốc độ trung bình 39.5 km/h - Từ giây 600 đến giây 759: Tốc độ tăng từ o giây 600 đạt tốc độ lớn 57 km/h giây 650, 50 giây giây này, động HTTL1 làm việc vất vả, hiệu suất mức thấp Từ giây 650 đến giây 759, hiệu suất động HTTL1 tăng lên không ổn định có lúc đạt 50 % Hiệu suất động HTTL2 cấp đạt mở mức ổn định 92% - Từ giây 760 đến giây 1000: Tốc độ đạt cao lên tới 77km/h, tốc độ trung bình 50km/h Trong khoảng thời gian này, với tốc độ xe đạt vậy, hiệu suất động HTTL2 cải thiện động HTTL1 không nhiều 3% Giai đoạn (giây thứ 1000 đến 1450): Tốc độ lớn xe đạt 97,4 km/h, tốc độ trung bình 60,8 km/h Trong giai đoạn này, thời gian tăng tốc giống giai đoạn chạy tốc độ thấp tốc độ trung bình hiệu suất động HTTL2 cải thiện nhiều so với hiệu suất động HTTL1 Khi xe có gia tốc, đạt tốc độ cao hiệu suất khơng gần khơng có cải thiện Tại thời điểm giảm tốc đột ngột, hiệu suất có phần cải thiện khổng 10% Giai đoạn (giây thứ 1450 đến giây thứ 1800): Tốc độ lớn xe đạt 131.3 km/h, tốc độ trung bình 94km/h Trong giai đoạn này, thời điểm tăng tốc giảm tốc hiệu suất cải thiện gống giai đoạn 1, Tuy nhiên đạt tốc độ từ 80 km/h trở nên (từ giây 1540), hiệu suất động HTTL1 lại lớn hiệu suất động HTTL2 không đáng kể Sở dĩ giai đoạn này, hộp số hai cấp buộc phải chọn tay số có tỉ số truyền thấp nhất, đương nhiên tỉ số truyền không hiệu tỉ số truyền hộp số cấp làm việc 55 Hình 4.12 WLTP_ hiệu suất làm việc hộp số cấp hộp số cấp Hình 4.13 WLTP_Hiệu suất cải thiện dùng hộp số cấp điều khiển tự động thay cho hộp số cấp Xét quy luật chuyển số Hình 4.14 ta thấy rõ, di chuyển cung đường với điều kiện vận hành xe chu trình WLTP vậy, để đạt hiệu suất cao ổn định, hộp số phải chuyển số liên tục, vai trò tỉ số truyền cân nhắc tất thời điểm vận hành Tỉ số truyền thấp, 56 chọn quãng đường có vận tốc cao cao (giai đoạn 4) yều cầu đảm bảo vận tốc mong muốn Hình 4.14 Quy luật chuyển số hộp số cấp có điều khiển thử nghiệm với chu trình WLTP-class-3 b So sánh hiệu suất làm việc động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp có điều khiển hộp số cấp theo chu trình WLTP-class – Hình 4.15 WLTP_ hiệu suất làm việc hộp số cấp hộp số cấp Hình 4.16 WLTP_Hiệu suất cải thiện dùng hộp số cấp điều khiển tự động thay cho hộp số cấp Trong giai đoạn ta thấy rõ kết mơ Hình 4.15 Hình 4.16, hiệu suất làm việc động hệ thống truyền lực cấp 57 (HTTL3) điều ổn định đạt mức cao cải thiện nhiều so với động HTTL1 Tuy nhiên, xét với hiệu suất làm việc động HTTL2 khơng có cải thiện nhiều Qua kết mô Hiệu suất động HTTL3 lớn hiệu suất động HTTL2 1% Hình 4.17 Quy luật chuyển số hộp số cấp có điều khiển thử nghiệm với chu trình WLTP-class-3 Xem xét điểm làm việc thực tế động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số cấp, hai cấp hay ba cấp khác chạy theo chu trình WLTP- Class-3, biểu diễn Hình 4.18 Điểm làm việc thực tế động theo chu trình WLTP-Class-3, ta có số nhận xét Đối với Hệ thống truyền lực cấp, điểm làm việc động rải rác toàn giải vận tốc động đạt Điểm làm việc động tập trung nhiều vùng yêu cầu Momen cao từ 60Nm đến 170Nm, vận tốc sử dụng động 2000RPM, vùng ta thấy rõ, hiệu suất biến đổi bất ổn, hiệu suất đạt khơng cao nói thấp Đối với hệ thống truyền lực cấp có điều khiển, hiệu suất động đạt vùng làm việc tốt (hiệu suất đạt 90%) Có số điểm buộc động phải hoạt động vùng có hiệu suất thấp điều kiện lái yêu cầu công suất đạt động thấp (vận tốc thấp – momen lớn vận tốc cao, momen thấp) Đối với hệ thống truyền lực cấp có điều khiển, hiệu suất động đạt quanh vùng làm việc tối ưu động cơ, điểm làm việc tập trung nhiều khu vực có hiệu suất cao động so với hệ thống truyền lực cấp Cho nên, ta đánh giá hiệu suất động HTTL3 cao HTTL2 cấp Tuy nhiên, giống chu trình NEDC, ta thấy vùng động hoạt động hiệu suất cao (Momen từ 20NM đến 170Nm; vận tốc từ 2000RPM đến 6000RPM), hiêu suất không thay đổi nhiều cho dù vận tốc hay momen có thay đổi lớn 58 Hình 4.18 Điểm làm việc thực tế động theo chu trình WLTP-Class-3 Hiệu suất cải hộp số cấp có điều khiển hốp cấp có điều khiển so với hộp số cấp thống kê bảng 4, cho thấy: Hiệu suất động sử dụng hộp số không khác nhiều so với hộp số cấp Xét mặt điều khiển Bảng 4: Hiệu suất cải thiện động áp dụng hộp số đa cấp thay cho hộp số cấp chu trình thử nghiệm khác Loại chu trình Chu trình Tốc độ Hiệu suất cải thiện % trung bình (km/h) 2-1 3-1 4*ECE+EUDC 36.6 13.29 14.29 4*ECE 18.28 17.51 18.31 EUDC 62.41 4.35 4.35 ArtUrban 20.78 20.45 22.01 ArtRoad 54.43 10.32 10 32 WLTP 46.5 11.96 12.96 NEDC Nhận xét chung * Hộp số đa cấp có điều khiển hộp số cấp - Hiệu suất cải thiện đáng kể vùng làm việc có tốc độ thấp cải thiện lên tới 40% - Khi tăng tốc, đáp ứng kịp thời điều kiện lái tức thời, chuyển vùng làm việc hiệu nên hộp số cấp cấp đạt hiệu suất cao - Khi điều kiện làm việc không ổn định, vận tốc thay đổi liên tục bất ổn khoảng thời gian ngắn (giai đoạn giai đoạn chu trình WLTP), hiệu suất làm việc động hệ thống truyền lực sử dụng hộp số đa cấp có điều khiển cao, hộp số cấp lại đạt hiệu suất thấp Trường hợp này, so với thực tế xuất nhiều di chuyển đường thành phố, mật độ 59 động, tần suất người lái phải điều chỉnh bàn đạp ga, điều chỉnh tốc độ cao Cho nên, hộp số đa cấp có điều khiển phát huy hiệu tích cực - Khi giảm tốc hiệu suất làm việc động không cải thiện nhiều - Vùng làm việc tốc độ cao, lớn 80 km/h, hiệu suất động cải thiện thấp, gần không cải thiện đạt khoảng 1% đến 2% khu vực cục bộ, tương đối nhỏ Đôi hiệu suất hộp số lớn hộp số đa cấp - Vùng làm việc ổn định, vận tốc không đổi hiệu suất cải thiện thấp * Hộp số ba cấp có điều khiển hộp số hai cấp có điều khiển - Qua kết phân tích cho thấy hộp số hai cấp ba cấp có điều khiển gần khơng có khác biệt mặt hiệu suất Điều lý giải rõ rằng, khơng có khác biệt hiệu làm việc số trung gian hộp số ba cấp áp dụng với động mà đề tài chọn không phát huy so với cấp số lại Do hiệu suất làm việc động cao, vùng làm việc hiệu suất cao lại rộng, chênh lệch ti số truyền cấp số ba cấp số trung gian không lớn dẫn đến việc cải thiện hiệu suất hai tay số không đáng kể - Xét cụ thể hơn, đề tài đưa giả thiết trình mơ phỏng, khơng kể đến mát lượng đóng mở ly hợp, điều khiển làm việc trơn chu đồng với cấu chấp hành Tuy nhiên, phân tích kết cấu nguyên lý làm việc hộp số cấp, ta thấy rõ ràng rằng, việc điều khiển chuyển số hộp số cấp phải thực hai công việc đóng mở ly hợp gài số Điều khiển đồng thời hai công việc không đơn giản, điều khiển cấu chấp hành không đồng không đáng tin cậy, dẫn tới việc không cải thiện hiệu suất gây không đáp ứng yêu cầu người lái Trên thực tế có báo cáo cụ thể q trình hoạt động khơng hiệu hộp số DCT có thị trường nay, gây khó chịu cho người dùng - Vậy, với đặc tính làm việc động điện sử dụng xe lựa chọn để tính tốn nghiên cứu cho đề tài, có cơng suất 60 KW, momen xoắn cực đại 200Nm, vùng hiệu suất cao động rộng, nên để cải thiện hiệu suất làm việc cho động trường hợp này, ta nên chọn động cấp cho điều khiển để thay cho hộp số cấp thông thường phù hợp CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Luận văn tập trung nghiên cứu, tìm luật điều khiển tối ưu cho hộp số đa cấp nhằm cải thiện hiệu suất làm việc động điện sử dụng xe du lịch hạng nhẹ Hệ thống truyền lực mơ với mơ hình mơ dịng công suất đơn giản với giả thiết cụ thể nhằm đảm bảo tính tin cậy mơ hình Luật chuyển số xây dựng phương pháp tối ưu rời rạc, truy suất 60 so sánh trực tiếp tên đồ hiệu suất có sẵn động Đường giới hạn vùng làm việc tay số tuyến tính hóa để dễ dàng đưa vào mơ hình điều khiển Để đánh giá hiệu làm việc điều khiển, chu trình thử nghiệm chọn để đưa vào mơ hình + Đối với thông số xe, thông số động chọn để thực khảo sát; với tỷ số truyền tính tốn lựa chọn đề tài, điều khiển thực quy luật điều khiển tối ưu xây dựng + Với luật điều khiển xây dựng, hệ thống truyền lực đa cấp phát huy hiệu quãng đường di chuyển với tốc độ thấp, hiệu suất cải thiện 12 -13 % , có thời điểm hiệu suất cải thiện tới 40% Ở tốc độ cao( > 80km/h) hiệu suất cải thiện khơng nhiều, thí có thời điểm hiệu suất động thấp HTTL sử dụng hộp số cấp + Xét yếu tố cải thiện hiệu suất tính phức tạp kết cấu, khả điều khiển hộp số, xe chọn cần sử dụng hộp số cấp để thực tối ưu mà không cần sử dụng đến hộp số cấp • Kết đạt đóng góp luận văn - Nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển tự động hộp số đa cấp - Xây dựng luật điều khiển chuyển số tối ưu nhằm tăng hiệu suất làm việc động làm tăng hiệu sử dụng lượng - Đưa đánh giá cụ thể trạng thái làm việc động cơ, vùng làm việc thường xuyên động áp dụng luật điều khiển tối ưu cho hộp số đa cấp - Đưa lựa chọn phù hợp việc xác định nên sử dụng hộp số cấp hay cấp trang bị cho hệ thống truyền lực điện nghiên cứu đề tài 5.2 Hướng phát triển đồ án tương lai Tuy hộp số cấp có điều khiển cải thiện, nhiên trường hợp thử nghiệm đường chạy thực chưa phát huy hết hiệu tính tốn lý thuyết mô Để giải vấn đề gặp phải tồn tại, hướng phát triển cho đề tài để mục tiêu nhằm tăng hiệu suất động sau: - Xây dựng luật điều khiển theo phương pháp khác phương pháp điều khiển tối ưu rời rạc - Nghiên cứu kết hợp đồng thời việc điều khiển hộp số, điều khiển dòng điện cấp cho động 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B Mashadi D Crolla, “Vehicle Powertrain Systems,” Willey, 2012 [2] Y Z C Mi, Automotive power transmission systems, Wiley, 2018 [3] M Meywerk, Vehicle Dynamics, Wiley, 2015 [4] M M E Md Ragid Ahssan, "Electric Vehicle with Multi-speed transmission," 2018 [5] P D Walker, Modelling, Simulations, and Optimisation of Electric Vehicles for Analysis of Transmission Ratio selection, Advance in Mechanical Engineering, 2013 [6] N D Viet, Gear shift strategies for automotive transmissions, Technische Universiteit Eindhoven, 2012 [7] M Ehsani, Y Gao and A Emadi, Modern electric, Hybrid electric and Fuel Cell Vehicles, CRC Press, 2010 [8] J G.Hayes and G A Goodarzi, Electric Powtrain, Wiley, 2018 [9] N T Hoan, Hệ thống truyền lực Ơ tơ, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2018 [10] N P Khoang, Matlab & Simulink, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005 [11] K Ogata, Modern Control Engineering, Prentice Hall, 2012 62 PHỤ LỤC Các chu trình thử nghiệm điển hình Hình PL_0.1 Chu trình FTP 75 Hình PL_0.2 Chu trình LA92 Hình PL_0.3 Chu trình chạy thử Newyork 63 Điểm làm việc thực tế động sử dụng hộp số khác Hình PL-0.4: Tập hợp tất điểm làm việc động theo chu trình NEDC Hình PL-0.5: Tập hợp điểm làm việc động theo chu trình WLTP-class-3 64 ... lực hệ thống phụ trợ Cấu trúc chung xe điện gồm hệ thống chính: Hệ thống truyền lực điện, hệ thống quản lý lượng hệ thống phụ trợ Hệ thống truyền lực điện: điều khiển, chuyển đổi lượng, động điện, ... Hệ thống truyền lực điện sử dụng hộp số cấp động điện đặt dọc 14 Hình 2.5 Hệ thống truyền lực điện sử dụng hộp số cấp động điện đặt ngang 15 Hình 2.6 Xe điện sử dụng nhiều hệ thống truyền lực. .. việc điều khiển chuyển số chưa đủ, cần phải mở rộng nghiên cứu điều khiển hệ thống khác điều khiển tối ưu dòng điện cấp cho động cơ, điều khiển quản lý lượng giự trữ lượng chuyển đổi lượng Sử dụng