Quá trình làm việc của các thiết bị động lực trên ô tô hybrid đều phụ thuộc vào hệ thống điều khiển. Hình 1.16 là sơ đồ mạch của hệ thống điều khiển nguồn động lực của ô tô hybrid hỗn hợp được sử dụng trên các ô tô hybrid của hãng TOYOTẠ Trong sơ đồ này, ECU hybrid sẽ kết nối liên lạc với 4 ECU khác, gồm:
- ECU – động cơ điện (Motor ECU): Có nhiệm vụ điều khiển động cơ điện làm việc ở chế độ động cơ hoặc máy phát cũng như mức độ cấp công suất của động cơ thông qua các bộ chuyển đổi điện áp động cơ (inverter motor) và chuyển đổi điện áp máy phát (inverter generator).
- ECU – động cơ nhiệt (Engine ECU): Có nhiệm vụ điều khiển mức phát công suất của động cơ nhiệt. ECU – động cơ nhiệt luôn giữ động cơ nhiệt làm việc theo hai chế độ, chế độ tiết kiệm (suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất) và chế độ phát công suất cực đại đảm bảo yêu cầu làm ở vùng tải lớn.
- ECU – phanh (Brake – ECU): Có nhiệm vụ điều khiển hệ thống phanh thủy lực đến các cơ cấu chấp hành phanh xẹ
- ECU – Accu (Battery ECU): Có chức năng điều khiển dòng nạp accu theo yêu cầu về dung lượng cần thiết cho accụ
ECU hybrid giữ các chương trình vận hành đã được cài đặt trước đó trong bộ nhớ. Các chương trình này đã được nghiên cứu và thử nghiệm riêng cho các chủng loại và đời xe khác nhau, đảm bảo điều khiển nguồn động lực làm việc ở chế độ hợp lý nhất. Căn cứ vào chế độ làm việc mong muốn, vị trí điều khiển của bàn đạp ga và các thông số hồi về từ các cảm biến, ECU hybrid sẽ truyền các tín hiệu đến các ECU khác để vận hành các thiết bị động lực làm việc theo chương trình điều khiển.
* Nhận xét:
Khi xem xét các hệ thống động lực sử dụng trên ô tô hybrid, nhận thấy rằng: hệ thống động lực hybrid kiểu hỗn hợp có tính năng vượt trội so các các hệ thống động lực hybrid kiểu song song và kiểu nối tiếp, thỏa mãn được các tính năng yêu cầu của nguồn động lực ô tô. Cụ thể:
- Về tính năng động lực học: Với việc kết hợp năng lượng từ hai nguồn động lực của động cơ điện và động cơ nhiệt, cộng với khả năng tự sạc để duy trì năng lượng điện của accu luôn trong ngưỡng giá trị cho phép, giúp nguồn động lực hybrid kiểu
hỗn hợp huy động hợp lý công suất trong các trường hợp cần tăng tốc, leo dốc hay làm việc với phụ tải cực đạị
- Về tính năng kinh tế năng lượng: Đặc trưng là khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng duy trì hoạt động của xe:
+ Ô tô hybrid sử dụng năng lượng kết hợp cho phép động cơ nhiệt luôn làm việc trong vùng hiệu suất tối ưu, sử dụng năng lượng thừa nạp lại cho accu dự trữ, qua đó nâng cao hiệu suất làm việc đáng kể so với các dòng ô tô hybrid sử dụng hệ thống động lực kiểu nối tiếp và song song.
+ Với việc sử dụng tổ hợp động cơ điện – máy phát (MG1 và MG2), công nghệ hybrid kiểu hỗn hợp cho phép các nguồn năng lượng thừa phát sinh từ hoạt động phanh, giảm tốc của ô tô được “thu gom” để chuyển hóa thành điện năng nạp cho accụ
+ Ô tô hybrid sử dụng hệ động lực kiểu hỗn hợp cho phép lựa chọn các thiết bị động lực chính như động cơ nhiệt, động cơ điện và accu có kích thước nhỏ gọn hơn, qua đó giảm được chi phí đầu tư ban đầu và phí tổn trong quá trình vận hành xẹ
Điểm khác biệt cơ bản giữa nguồn động lực hybrid kiểu hỗn hợp với hybrid kiểu nối tiếp và song song là sự có mặt của bộ chia công suất – PSD (Power Split Device). PSD có cấu tạo gồm các bánh răng hành tinh, bánh răng mặt trời và bánh răng bao, làm việc như một bộ truyền tự động vô cấp; giúp cho việc tiếp nhận công suất từ hai nguồn độc lập là động cơ nhiệt và động cơ điện, chuyển hóa nó thành các năng lượng cơ học cần thiết phục vụ cho chuyển động của xe và lai máy phát để sạc cho accụ Tuy nhiên, PSD chỉ là thiết bị cho phép nguồn động lực hoạt động “mềm dẻo” hơn trong các chế độ làm việc đã chọn; Nó chỉ giúp cho khả năng tiếp nhận năng lượng từ động cơ nhiệt và động cơ điện với các tốc độ quay độc lập, không phụ thuộc vào nhau; phân chia thành tốc độ xe và tốc độ quay máy phát theo một tỷ lệ nhất định. Các tính năng vượt trội của hybrid hỗn hợp có được là nhờ hệ thống điều khiển điện tử.
Việc huy động các nguồn động lực trên ô tô hybrid hỗn hợp phụ thuộc rất nhiều vào các bộ điều khiển điện tử, trong đó, bộ điều khiển trung tâm chính là linh hồn của ô tô hybrid hỗn hợp; bộ điều khiển này sẽ tiếp nhận thông tin thông qua các thông số
vận hành và chế độ làm việc từ người điều khiển để điều khiển các thiết bị động lực làm việc theo đúng yêu cầu đề ra, đảm bảo được các tính năng đã nêu trên.
Ở Việt Nam, các nghiên cứu gần đây về ô tô hybrid thường chú trọng nghiên cứu tính chọn hệ thống động lực và chế tạo, lắp ráp các hệ thống truyền động như nghiên cứu của nhóm tác giả GS.TS Bùi Văn Ga và Nguyễn Quân (2008), Thiết kế, bố trí hệ thống động lực trên ôtô hybrid 2 chỗ ngồi; nghiên cứu của tác giả Nguyễn Quân (2004), Thiết kế hệ thống động lực ôtô lai điện – nhiệt hai chỗ ngồi; nghiên cứu của tác giả Nguyễn Văn Định (2013), Nghiên cứu thiết kế, bố trí hệ thống động lực trên ôtô hybrid 2 chỗ, phục vụ đào tạo tại Trường Đại Học Nha Trang, … Các nghiên cứu này cũng ít nhiều có đề cập đến hệ thống điều khiển nhưng chưa trình bày rõ ràng, chi tiết hệ thống điều khiển, hoặc có trình bày nhưng lại sử dụng cho đối tượng khác như của tác giả Nguyễn Văn Định.
Việc ứng dụng công nghệ hybrid, đặc biệt là dòng hybrid kiểu hỗn hợp cho các dòng ô tô ở Việt Nam sẽ không đạt được kết quả mong muốn, không đảm bảo được các tính năng yêu cầu của nguồn động lực hybrid kết hợp nếu không có những nghiên cứu sâu về hệ thống điều khiển nguồn động lực nàỵ Với ý nghĩa đó, tác giả đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều khiển nguồn động lực áp dụng cho mô hình ô tô hybrid kiểu hỗn hợp hai chỗ ngồị Trong điều kiện điều kiện nghiên cứu và trình độ có hạn, tác giả hy vọng các nghiên cứu của mình sẽ đạt được các yêu cầu tối thiểu về đảm bảo các tính năng của nguồn động lực hybrid hỗn hợp, qua đó tạo tiền đề nghiên cứu sâu hơn cho các hệ thống điều khiển nguồn động lực hybrid sau nàỵ
Chương 2. TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO MÔ HÌNH Ô TÔ HYBRID HAI CHỖ KIỂU HỖN HỢP
Theo đề cương nghiên cứu được Hội đồng xét duyệt thông qua tháng 11/2013, đối tượng triển khai thực tế của đề tài là mô hình ô tô hybrid 2 chỗ ngồi hiện có của Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang. Đây là mô hình thuộc sản phẩm đề tài luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình ô tô hybrid hai chỗ ngồi phục vụ đào tạo kỹ sư ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật ô tô” của học viên cao học Nguyễn Văn Định thực hiện năm 2013. Trên cơ sở kế thừa các thông số tính toán thiết kế và chế tạo của mô hình, trong phạm vi đề tài này sẽ không thực hiện các tính toán cơ bản về kết cấu của mô hình mà chỉ căn cứ vào đó để thực hiện các tính toán cần thiết phục vụ cho mục tiêu chính của đề tài được duyệt. Cụ thể trong nội dung này, tác giả căn cứ vào các kết quả tính toán lực cản chuyển động có trước từ kết cấu có sẵn của mô hình ô tô hybrid được kế thừa để tính toán các thông số cần thiết như lực kéo, mô men yêu cầu của cụm thiết bị theo nguyên lý hoạt động mới (hybrid kiểu hỗn hợp) nhằm đáp ứng các chế độ làm việc đã chọn; trên cơ sở đó tính chọn, thiết kế lắp ráp các thiết bị động lực chính cho mô hình ô tô hybrid hỗn hợp hai chỗ ngồị
Trình tự triển khai các nội dung của phần này gồm:
- Nghiên cứu tính năng động lực học của mô hình trên cơ sở tính toán các thông số cơ bản theo thông số đầu vào đã chọn.
- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển ô tô hybrid kiểu hỗn hợp thực tế. Từ đó, đề xuất phương án điều khiển phù hợp cho hiện trạng của mô hình.
- Tham khảo, tính chọn các thiết bị động lực hiện có trên thị trường để trang bị cho mô hình.
- Lập phương án bố trí các thiết bị của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp để lắp đặt trên mô hình ô tô hybrid 2 chỗ ngồi hiện có tại Trường Đại học Nha Trang.
2.1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH Ô TÔ HYBRID 2 CHỖ NGỒI
Một số đặc điểm về kết cấu chính và các thông số cơ bản của mô hình ô tô hybrid tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang.
Hình 2.1. Kết cấu tổng thể của ô tô hybrid 2 chỗ ngồi
(1)- Khung xe; (2)- Module động cơ điện + bánh xe; (3)- Động cơ đốt trong; (4)- Máy phát điện; (5)- Trục các đăng; (6)- Vi sai và các bán trục.
- Các thông số thiết kế cơ bản của mô hình [7]: + Xe chở được 2 nguời, có tổng khối lượng 150 kg + Vận tốc lớn nhất: 50 km/h
+ Khoảng sáng gầm xe: > 200 mm + Góc vượt dốc lớn nhất: 180
- Các thông số tính toán cơ bản [7]: + Mô hình tính:
Để xác định công suất cần thiết của nguồn động lực, cần xác định được tổng lực cản của mô hình ở các chế độ làm việc khác nhaụ Cụ thể: khi xe làm việc các lực cản chuyển động tác dụng lên xe bao gồm lực cản lăn Ff, lực cản gió Fw, lực cản quán tính Fa và lực cản dốc Fα.
* Lực cản lăn - Ff : Lực cản lăn sinh ra chủ yếu do biến dạng đàn hồi của bánh xe và một phần do ma sát trong ổ trục bánh xẹ Lực cản lăn được xác định như sau:
α cos . . .g f m Ff = [N] (2.1) Trong đó :
m : khối lượng ô tô [kg] g : gia tốc trọng trường [m/s2] α : góc dốc của mặt đường [độ] f : hệ số cản lăn
Theo [7], lực cản lăn của mô hình được tính như sau: + Tổng trọng lượng của ô tô: G = 400.10 = 4000 (N) + Hệ số cản lăn được tính cho đường đất cứng: f = 0,025
Lực cản lăn Ff tính theo (2.1): Ff = f.G = 4000.0,025 = 100 (N)
* Lực cản gió - Fw:Lực cản gió đặt tại tâm diện tích cản chính diện
2 . . . 63 , 0 C S v Fw = x [N] (2.2) Trong đó: x
C : Hệ số cản gió, phụ thuộc vào hình dáng khí động học và bề mặt thân xẹ S: diện tích cản gió [m2]
V: vận tốc chuyển động của ôtô [m/s]
Theo [7], với vận tốc làm việc đã chọn (Vgió= 50 km/h = 13,89 m/s)
Lực cản gió Fw của xe mô hình theo (2.2) là: Fw = 0,63.Cx.S.v2 = 103,41 (N)
* Lực cản quán tính - Fa: Lực cản quán tính đặt tại trọng tâm mô hình và sinh ra khi ô tô tăng hay giảm tốc.
a m
Fa = .δa. [N] (2.3) Trong đó:
m : khối lượng tĩnh của mô hình [kg]
δa: hệ số xét đến khối lượng các chi tiết chuyển động quay của mô hình; a: gia tốc của ô tô [m/s2]
Lực quán tính Fa (với gia tốc a = 1 m/s2) theo (2.3) là: Fa = m.a = 400 (N)
* Lực cản dốc - Fα: Lực cản dốc đặt tại trọng tâm của mô hình, cùng chiều chuyển động nếu xuống dốc và ngược chiều chuyển động nếu lên dốc.
Fα =m.g.sinα [N] (2.4) Với: α - góc dốc của mặt đường [độ]
Lực cản dốc (ứng với góc nghiêng α = 180 tương ứng với độ dốc 33 %) theo (2.4): Fα = G.sinα = 4000.0,33 = 1320 (N)
* Phương trình cân bằng lực kéo tại bánh xe chủ động được xác định như sau: + Lực kéo cần thiết Fk: Fk= Ff + Fα + Fa + Fw (2.5) Khi tính toán thiết kế, thông thường người ta sẽ không tính chọn thiết bị động lực khi xe hoạt động ở chế độ 4 lực cản xảy ra cùng lúc, cụ thể:
- Trường hợp mô hình hoạt động ở chế độ leo dốc cực đại, khi đó:
+ Chuyển động với vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực cản gió: Fw = 0 + Chuyển động với vận tốc ổn định: lực cản quán tính Fa = 0 + Giả thiết không xảy ra trượt ở bánh xe chủ động.
+ Nguồn năng lượng phối hợp có mô men xoắn cực đại (Mtmax):
max
t
t M
Mα = (2.6) Lúc này, lực cản chuyển động của mô hình chỉ còn lực cản lăn Ff và lực cản dốc Fα. Do đó, phương trình cân bằng lực kéo (2.5) được viết lại như sau:
Fk= Ff + Fα (2.7)
+ Khi ô tô vượt dốc, mô men yêu cầu tại bánh xe chủ động là:
Mbx = Fk . R (2.8)
- Trường hợp mô hình hoạt động ở tốc độ tối đa, khi đó:
+ Chuyển trên đường thẳng(α =0), không leo dốc: lực cản dốc Fα = 0 + Tốc độ ổn định, không thể tăng tốc được nữa: lực cản quán tính Fa = 0
+ Lực kéo FM do hai nguồn công suất sinh ra truyền tới bánh xe chủ động không lớn hơn lực bám: FM <Pϕ (2.9)
Lúc này, lực cản chuyển động chỉ còn lực cản lăn Ff và lực cản gió Fw. Do đó, phương trình cân bằng lực kéo (2.5) được viết lại như sau:
Fk= Ff + Fw (2.10) Công suất cản của ô tô khi chạy ở tốc độ tối đa lúc này là:
PCG = Fkbx . V (2.11)
2.2. TÍNH CHỌN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC PHÙ HỢP (TỐI ƯU) CHO MÔ HÌNH 2.2.1. Đặc điểm cấu tạo của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp 2.2.1. Đặc điểm cấu tạo của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp
Khi tổng hợp các nghiên cứu trước đây về đặc điểm làm việc của các nguồn động lực của ô tô hybrid, đối với ô tô hybrid có kích thước nhỏ, Ron Hodkinson đã đề nghị mô hình hệ động lực như sau [15]
Hình 2.3. Đề xuất sơ đồ cấu tạo hệ thống động lực ô tô hybrid hỗn hợp cỡ nhỏ bởi Ron Hodkinson [15]
Trong hình 2.3, các thành phần của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp bao gồm: - Động cơ điện (Motor): có chức năng cung cấp năng lượng khi ô tô chạy tiến và chạy lùi, khởi động xẹ Động cơ điện tham gia quá trình làm việc trong toàn bộ quá trình chạy xẹ
- Động cơ nhiệt (Gasoline engine): cung cấp năng lượng chạy xe ở chế độ chạy tiến và trực tiếp cung cấp năng lượng cho máy phát điện để sạc cho accu trong trường hợp xe tiêu thụ không hết công suất của động cơ nhiệt.
- Bộ phân phối hay bộ chia công suất (hình b): được sử dụng để đảm bảo việc phối hợp công suất của các nguồn động lực trong toàn hệ thống, cung cấp năng lượng cho xe và cho máy phát điện.
- Máy phát điện (Generator): đảm nhận chức năng chuyển đổi năng lượng cơ học từ động cơ nhiệt thành năng lượng điện để cung cấp cho accu của xẹ
- Bộ chuyển đổi năng lượng điện (Inverter): với chức năng chính là biến dòng điện một chiều từ accu thành dòng xoay chiều để dẫn động động cơ điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát điện thành dòng điện một chiều để nạp điện cho accụ
- Nguồn dự trữ năng lượng điện (Battery/Accu): cung cấp năng lượng cho động cơ điện và các phụ tải sử dụng điện khác của mô hình.
Với đặc điểm cấu tạo trên, ô tô hybrid sử dụng hệ động lực kiểu hỗn hợp đã kết hợp được các ưu điểm và khắc phục được các nhược điểm của các hệ động lực hybrid nối tiếp và song song, cụ thể:
- Cho phép sử dụng nguồn năng lượng điện dự trữ từ accu, từ đó có thể cho phép giảm trọng lượng xe nhưng vẫn đảm bảo được nhiều tính năng khác như khả năng tải, tốc độ và khả năng tăng tốc của xẹ
- Cho phép duy trì được năng lượng của accu mà vẫn đảm bảo khả năng hoạt