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 động trong thành phố hay duy trì năng lượng tối thiểu để phục vụ các tiện nghi trong xe khi xảy ra tình trạng kẹt xẹ
- Có thể vận hành với khả năng phát thải bằng không khi chạy trong thành phố. - Ngoài ra với hệ động lực kiểu này, động cơ còn có thể chuyển tải năng lượng thừa của xe khi thực hiện quá trình phanh, đổ dốc hoặc giảm tốc để tái tạo thành năng lượng điện cung cấp ngược cho accụ
2.2.2. Các chế độ làm việc của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp
Các mẫu ô tô hybrid sử dụng hệ động lực kiểu hỗn hợp kế thừa từ ý tưởng nghiên cứu trên đều có các chế độ làm việc cơ bản như sau:
2.2.2.1. Chế độ dừng
Lúc này động cơ điện không làm việc, tùy thuộc vào năng lượng của accu mà động cơ nhiệt có thể làm việc hay không. Khi năng lượng tích trữ trong accu quá thấp, động cơ nhiệt sẽ làm việc để lai máy phát điện, qua đó trực tiếp cung cấp năng lượng điện cho accụ
2.2.2.2. Chế độ khởi động (hình 2.4)
Khi khởi động với tải nhẹ và vị trí bướm ga mở vừa phải, động cơ nhiệt sẽ không làm việc. Trường hợp này chỉ có động cơ điện MG2 được cấp năng lượng từ accu để thực hiện quá trình khởi động xe, đồng thời máy phát điện sẽ quay theo chiều ngược lại nhưng ở chế độ không tải, không cung cấp năng lượng điện cho accụ
Hình 2.4. Chế độ khởi động của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp [16]
2.2.2.3. Chế độ tăng tốc nhẹ (hình 2.5)
Khi tốc độ xe đạt đến một ngưỡng giá trị yêu cầu (đối với TOYOTA Prius khoảng 48 km/h) [16], lúc này động cơ nhiệt sẽ được khởi động nhờ nguồn năng lượng điện dự trữ trên xe và tiếp tục tham gia vào quá trình tăng tốc cùng với động cơ điện MG2. Lúc này năng lượng của động cơ nhiệt sẽ vừa cung cấp để chạy xe, vừa lai máy phát để cung cấp năng lượng nạp accụ
2.2.2.4. Chế độ làm việc ổn định ở tốc độ thấp (hình 2.6)
Trong trường hợp này, động cơ điện và động cơ nhiệt cùng vận hành để cùng hỗ trợ cung cấp năng lượng cho xe hoạt động ổn định thông qua bộ phân phối công suất. Ngoài ra, động cơ nhiệt còn giúp máy phát hoạt động để cung cấp năng lượng điện nạp cho accụ
Hình 2.6. Chế độ ổn định ở tốc độ thấp của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp [16]
2.2.2.5. Chế độ tăng tốc hoàn toàn và làm việc toàn tải (hình 2.7)
Để phát huy tối đa công suất của hệ thống ở chế độ tăng tốc hoàn toàn, lúc này động cơ điện MG2 sẽ phát huy tối đa công suất nhờ tận dụng tối đa năng lượng điện cung cấp từ accu cao áp để cùng làm việc với động cơ nhiệt. Trong trường hợp này máy phát điện sẽ cấp năng lượng điện nạp về accu mà cung cấp trực tiếp cho MG2 để hỗ trợ quá trình tăng tốc hoàn toàn. Khi xe làm việc ổn định ở miền tốc độ này thì bộ phân phối công suất sẽ khóa không cho máy phát làm việc.
Hình 2.7. Chế độ tăng tốc và toàn tài của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp [16]
2.2.2.6. Chế độ tốc độ cao ổn định (hình 2.8)
Hình 2.8. Chế độ tốc độ cao ổn định của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp [16] Khi ô tô chạy ở tốc độ cao ổn định thì động cơ nhiệt và động cơ điện MG2 cùng hoạt động để cung cấp công suất cho hệ động lực, khi đó máy phát MG1 hoạt động ở chế độ phanh (MG1 không quay).
2.2.2.7. Chế độ tốc độ cực đại (hình 2.9)
Chế độ làm việc này chỉ xuất hiện ở dòng ô tô hybrid TOYOTA Prius. Lúc này máy phát điện MG1 sẽ làm việc ở chế độ động cơ nhờ nguồn năng lượng điện cung cấp trực tiếp từ accu cao áp và quay ngược chiều với MG2 tạo ra một tỷ số truyền tăng
cho phép ô tô chạy với tốc độ cao, qua đó góp phần cùng với động cơ điện MG2 và động cơ nhiệt đưa tốc độ xe lên đến cực đạị
Hình 2.9. Chế độ tốc độ cực đại của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp [16]
2.2.2.8. Chế độ giảm tốc và phanh (hình 2.10)
Trong trường hợp ô tô thực hiện quá trình phanh, giảm tốc độ thì ngay lập tức động cơ nhiệt ngừng làm việc. Lúc này động cơ điện MG2 đóng vai trò như một máy phát, tận dụng năng lượng thừa từ động năng của xe để chuyển đổi thành năng lượng điện cấp ngược về để sạc cho accu cao áp.
2.2.2.9. Chế độ chạy lùi (hình 2.11)
Ở chế độ này, động cơ điện MG2 sẽ làm việc nhờ nguồn điện lấy từ accu cao áp, cung cấp năng lượng cho xe chạy lùị Động cơ nhiệt không làm việc. Máy phát điện MG1 quay cùng hướng với động cơ điện MG2 nhưng ở chế độ không tải, không sản sinh năng lượng.
Hình 2.11. Chế độ chạy lùi của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp [16]
2.2.3. Lựa chọn chế độ làm việc tối ưu cho mô hình của đề tài
Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này, khái niệm tối ưu được sử dụng ở đây mang ý nghĩa: Chế độ làm việc được lựa chọn phải đảm bảo cho nguồn động lực chính của mô hình (động cơ nhiệt) luôn làm việc trong vùng hiệu suất cao nhất, phù hợp với điều kiện của tải trọng bên ngoài, giảm chi phí vận hành xẹ Ngoài ra, chế độ làm việc của nguồn động lực này phải đáp ứng được các yêu cầu khác đã nêu ở trên như khả năng làm việc với chế độ phát thải độc hại bằng không khi chạy trong thành phố hay khả năng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ quá trình hãm dừng của mô hình. Bên cạnh đó, yếu tố kích thước và trọng lượng của hệ động lực cần nhỏ gọn nhằm làm giảm thể tích và khối lượng toàn xe, giảm chi phí đầu tư ban đầụ
Qua quá trình tính chọn và đặt hàng các thiết bị của hệ động lực có sẵn trên thị trường, đảm bảo tính phù hợp đối với các thông số tính toán, khả năng gá đặt trên mô hình ô tô hybrid hai chỗ ngồi có sẵn đã giúp tiết giảm chi phí và mức độ phức tạp, qua
đó khẳng định việc chọn hệ động lực cho mô hình theo đề nghị của Ron Hodkinson là hợp lý. Theo đó các thành phần của hệ động lực sẽ bao gồm: Động cơ điện, động cơ nhiệt, máy phát điện, accu dự trữ năng lượng điện và bộ phân phối công suất.
- Các chế độ làm việc của hệ động lực mô hình được tác giả đề nghị như sau:
Hình 2.12. Sơ đồ nguồn động lực áp dụng cho mô hình ô tô hybrid 2 chỗ ngồi + Chế độ hoạt động hỗn hợp: Cả động cơ điện và động cơ nhiệt đều tham gia vào quá trình cung cấp năng lượng cho xe hoạt động. Trong chế độ này, động cơ điện sẽ làm nhiệm vụ khởi động máy (vùng 1 – hình 2.13). Để hoàn tất chế độ khởi động, động cơ nhiệt sẽ cùng tham gia với động cơ điện trong quá trình gia tốc và vận hành ổn định ở chế độ tải nhỏ và trung bình (vùng 2 và 3 - hình 2.13). Đồng thời động cơ nhiệt sẽ làm nhiệm vụ lai máy phát điện cung cấp năng lượng để sạc cho accu dữ trữ. Ở vùng này bộ điều khiển cần thiết kế để đảm bảo phối hợp điều khiển công suất từ hai nguồn sao cho động cơ nhiệt luôn làm việc trong vùng tốc độ và tải có suất tiêu hao nhiên liệu là cao nhất. Khi cần tăng tốc và làm việc trong vùng tải nặng - toàn tải (vùng 4, 5 - hình 2.13), động cơ nhiệt cùng với động cơ điện sẽ được đẩy lên mức độ cấp công suất tối đa để đảm bảo năng lượng cần thiết cho xẹ Lúc này, máy phát điện sẽ được tách ra khỏi hệ động lực và không làm việc. Tốc độ cực đại được lựa chọn cho xe ở chế độ này là 75 km/h, phù hợp với tốc độ lưu thông cho phép ở Việt Nam và yêu cầu về kích thước của hệ động lực. Khi xe hãm dừng, động cơ nhiệt sẽ ngừng làm việc, động cơ điện sẽ làm việc ở chế độ máy phát sử dụng năng lượng tái tạo từ quá trình hãm để nạp lại accu dự trữ (vùng 6 - hình 2.13). Bộ vi sai Dòng cơ năng Pin dự trữ Bộ chuyển đổi Máy phát điện Động cơ nhiệt Đ ộn g cơ đ iệ n Bộ chia công suất Dòng điện năng Bánh xe Bánh xe
Hình 2.13. Chế độ làm việc đề xuất của hệ động lực mô hình ô tô hybrid 2 chỗ ngồi + Chế độ hoạt động chỉ với động cơ điện: Chế độ này được sử dụng khi mô hình chạy lùi và khi chạy trong thành phố, tại những vùng mà yêu cầu các phương tiện lưu thông làm việc với phát thải độc hại bằng không. Chế độ này được chọn với tốc độ cực đại bằng 40 km/h.
2.3. TÍNH CHỌN NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO MÔ HÌNH Ô TÔ HYBRID 2 CHỖ NGỒI KIỂU HỖN HỢP
2.3.1. Tính chọn động cơ điện
Theo chế độ làm việc đã chọn, động cơ điện sẽ cung cấp năng lượng khởi động mô hình chạy tiến và chạy lùị Ngoài ra, động cơ điện còn đảm bảo cho mô hình làm việc ở chế độ phát thải bằng không khi làm việc trong thành phố. Với yêu cầu đó, công suất và mô men động cơ điện sinh ra phải đảm bảo cho quá trình khởi động và làm việc với tốc độ đã chọn.
Theo kết quả tính toán có sẵn về lực kéo yêu cầu [7]: - Ở chế độ leo dốc:
+ Lực kéo cần thiết (2.7): Fk= Ff + Fα = 100 + 1320 = 1420 (N) + Mô men yêu cầu tại bánh xe chủ động được tính theo (2.8):
Mbx = Fk . R = 1420. 0,21 = 369,2 (Nm)
- Ở chế độ tốc độ tối đa, tốc độ lựa chọn khi chạy trong thành phố là 40 km/h, lúc này:
+ Lực cản gió Fw ứng với vận tốc lớn nhất: V = 40 (km/h) = 11,11 (m/s) Fw= 0,4.1,34.11,112 = 66,16 (N)
theo (2.10): Fk= Ff + Fw = 100 + 66,16 = 166,16 (N) Công suất cản khi chạy ở tốc độ tối đa lúc này là:
(2.11) PCG = FkGbx . V = 166,16. 11,11 = 1846 (W) Vehicle Speed 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time
Khi vượt dốc, mô hình sẽ làm việc ở miền tốc độ nhỏ và tương đối đềụ Hơn nữa, động cơ điện chỉ làm việc độc lập chủ yếu trong thành phố, nên có thể lựa chọn động cơ điện theo chế độ công suất tối đạ Để đảm bảo động cơ điện đủ công suất làm việc, ta cần xét đến hiệu suất truyền động từ đầu ra của động cơ qua bộ phân phối công suất, qua cơ cấu vi sai và đến bánh xẹ Sơ bộ chọn hiệu suất truyền động cơ khí lúc này là 0,9. Khí đó công suất động cơ điện được xác định lại như sau:
Pđộng cơ điện = PCG / η = 1846/0,9 = 2051 (W)
Với các động cơ điện được sử dụng thông dụng trên xe điện hiện nay bao gồm động cơ điện một chiều có chổi than (Brushless DC motor) và không có chổi than (Brushless DC motor). Động cơ điện được khuyến cáo lựa chọn cho các xe điện tốt nhất là động cơ một chiều không chổi than (BLDC motor) [15]. So với động cơ điện có chổi than, động cơ điện không chổi than có hiệu suất cao hơn hẳn (Hình 2.14). Mặt khác, ở loại động cơ này có vùng công suất không đổi theo tốc độ động cơ tương đối rộng nên rất thích hợp cho các ứng dụng trên xe điện.
Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửụ Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán). Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mô men cao và hiệu suất cao hơn so với động cơ một chiềụ
a) Động cơ DC có chổi than b) Động cơ DC không chổi than Hình 2.14. So sánh hiệu suất của động cơ DC có chổi than và không chổi than [16]
Hình 2.15. Đặc tính công suất – mô men động cơ dùng cho ô tô điện [10]
Về nguyên lý, động cơ điện được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác định vị trí của rotor. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có độ nhấp nhô mô men khá lớn với khoảng xuất hiện 6 xung mô men trong một chu kì. Tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô mô men. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là thuật toán điều khiển giả vector (Pseudo-vector Control – PVC). Cách thức điều khiển động cơ được mô tả trong hình 2.16.
Hình 2.16. Nguyên lý điều khiển động cơ BLDC [10]
Từ các yếu tố phân tích nêu trên, tác giả lựa chọn động cơ điện BLDC có sẵn trên thị trường có công suất là 2500 W (được sử dụng phổ biến cho các dòng xe điện).
Công suất được chọn lớn hơn so với công suất tính toán nhằm mục đích đảm bảo được tốc độ mô hình khi trạng thái kỹ thuật của động cơ cũng như xe giảm sút. Các thông số kỹ thuật của động cơ như sau [20]:
- Loại động cơ: không chổi than DC (Brushless DC) - Nhãn hiệu: Persino
- Xuất sứ: Trung Quốc - Model: Ps-mt60v2500wbl - Công suất đầu ra: 2500 W - Tốc độ quay: 3200 rpm - Mô men xoắn: 50 Nm - Điện áp định mức: 60 V - Dòng điện liên tục: 75 A
2.3.2. Tính chọn động cơ nhiệt
Động cơ nhiệt khi làm việc cùng với động cơ điện ở chế độ hỗn hợp phải đảm bảo khả năng cấp công suất để mô hình đạt được tốc độ cực đại với tải trọng đã lựa chọn. Ứng với tốc độ lớn nhất của mô hình ô tô hybrid 2 chỗ ngồi đã được lựa chọn ban đầu, ta có thể tính sơ bộ tổng công suất yêu cầu như sau: