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:
- Ở chế độ tốc độ tối đa được lựa chọn cho mô hình là 75 km/h + Lực cản lăn: Ff = f.G = 100 (N) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Lực cản gió ứng với vận tốc lớn nhất V = 75 km/h = 20,83 (m/s)
Fw = 0,4.1,34.20,832 = 232,64 (N)
Từ (2.11), công suất cản của mô hình khi chạy ở tốc độ tối đa lúc này là: PCG = FkGbx . V = (Ff + Fw) = (100 + 232,64). 20,83 = 6928 (W)
Nếu chọn hiệu suất của hệ truyền động cơ khí của mô hình là 0,9 thì ta tính được công suất yêu cầu là: Py/c = PCG / η = 6928/0,9 = 7698 (W)
Chọn động cơ nhiệt là động cơ xăng 110 cc với công suất cực đại 6220 W, cùng với công suất của động cơ điện tổng công suất của hai nguồn động lực sẽ là 8720 W, với công suất này sẽ đảm bảo được cho mô hình hoạt động ở yêu cầu cấp công suất cực đạị Lượng công suất thừa nhằm mục đích dự trữ để đảm bảo tốc độ thiết kế khi trạng thái kỹ của mô hình giảm sút.
Các thông số kỹ thuật của động cơ xăng như sau:
- Công suất lớn nhất của động cơ: 6,22 kW tại tốc độ quay 8000 rpm. Hình 2.17. Hình dáng bên ngoài của
- Mô men xoắn cực đại: 8,47 Nm tại tốc độ quay 5500 rpm.
- Suất tiêu thụ nhiên liệu nhỏ nhất: 335,03 g/kW.h tại tốc độ quay 5500 rpm. Dưới đây là các đặc tính kỹ thuật xuất xưởng của chủng loại động cơ này:
Hình 2.18. Đặc tính công suất – tốc độ của động cơ HONDA 110CC
Hình 2.20. Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu – tốc độ của động cơ HONDA 110CC Căn cứ vào các đường đặc tính chuẩn do nhà sản xuất cung cấp nói trên, để cho động cơ nhiệt hoạt động trong miền công suất đảm bảo cả về tính hiệu quả kinh tế lẫn tính năng kỹ thuật, tác giả sẽ tính toán, thiết kế bộ điều khiển điện tử để cài đặt cho động cơ nhiệt chủ yếu làm việc trong vùng tốc độ từ (5300 – 5700) rpm.
2.3.3. Tính chọn nguồn dự trữ accu
So với các ô tô điện thông thường thì nguồn năng lượng dữ trữ của ô tô hybrid yêu cầu nhỏ hơn vì nó được sạc lại liên tục từ động cơ nhiệt. Yêu cầu về dung lượng cần thiết của accu thường phải đảm bảo thời gian lưu thông trong thành phố của ô tô bằng động cơ điện độc lập khi đòi hỏi phát thải độc hại từ xe bằng không. Với khoảng cách lưu thông ngắn, thời gian lưu thông không nhiều, thường thì lượng dự trữ của accu không đòi hỏi quá lớn. Với dòng cực đại của động cơ điện là 75 A, lựa chọn cụm accu có tổng dung lượng 100 Ah sẽ cho phép ô tô vận hành liên tục với công suất tối đa là gần 1,5 giờ.
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Pin điện khác nhau, các ô tô điện thường sử dụng các loại Pin Lithium có mật độ năng lượng lớn lên đến 700 đến 1000 Wh/kg. Sử dụng các loại Pin này cho phép giảm được khối lượng xe nhưng vẫn đảm bảo được thời gian vận hành. Tuy nhiên việc sử dụng Pin có giá thành khá cao cho mô hình này là không kinh tế. Vì vậy, tác giả quyết định chọn các accu có sẵn trên thị trường với giá thành chấp nhận được. Ngoài ra, lựa chọn accu còn phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động điện so với tổng khối lượng mô hình theo tỷ lệ tối ưu là
không quá 30%. Với các yêu cầu đã nêu trên, tôi chọn 5 bình accu 12 V – 60 Ah đấu nối tiếp để cấp điện cho động cơ điện.
2.3.4. Tính chọn máy phát điện (Generator)
Với yêu cầu chọn máy phát điện phải thỏa mãn cấp điện nạp cho cụm 5 bình accuc 12 V – 60 Ah đấu nối tiếp trong khoảng thời gian hoạt động trên thực tế của mô hình. Tác giả đã chủ động lựa chọn loại máy phát sẵn có trên thị trường như sau:
- Nhãn hiệu: BOSCH - Dòng phát: 12V – 65A
Hình 2.21. Hình dáng bên ngoài của máy phát được chọn
Chương 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO MÔ HÌNH Ô TÔ HYBRID 2 CHỖ KIỂU HỖN HỢP
Trong phần này, tác giả sẽ triển khai các nội dung theo trình tự sau:
- Nghiên cứu, xây dựng phương án điều khiển để phối kết hợp các thiết bị động lực của mô hình gồm động cơ xăng, máy phát, động cơ điện và các phụ tải khác theo nguyên lý hybrid kiểu hỗn hợp.
- Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển các thiết bị của hệ động lực.
- Chế tạo bộ điều khiển điện tử và mạch công suất để điều khiển các thiết bị theo các phương án phối hợp đã tính toán, lựa chọn.
- Tiến hành lắp đặt bộ điều khiển điện tử lên mô hình.
- Vận hành thử nghiệm và đo đạc các thông số hoạt động của hệ động lực mô hình ô tô hybrid kiểu hỗn hợp.
3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
Các nguyên lý điều khiển được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm:
- Nguyên lý so sánh độ lệch: Bộ điều khiển hoạt động theo nguyên lý này dựa vào sai số: ε(t) = g(t) – y(t)
Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển theo nguyên lý so sánh độ lệch (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hệ thống điều khiển làm việc theo nguyên lý nhiễu loạn: Trong nguyên lý này, đối tượng điều khiển y(t) đóng vai trò quan trọng nhất, người điều khiển đưa ra yêu cầu bằng việc tác động vào bàn đạp chân ga, bộ chuyển đổi sẽ đưa ra một giá trị đầu vào tương ứng để phần tử cảm biến so sánh với các thông số được cài đặt và xử lý theo chương trình định sẵn. Bộ phận phát động g(t) Phần tử so sánh Phần tử trung gian Phần tử thừa hành Đối tượng điều khiển Phần tử cảm ứng g(t) ε(t) y(t)
Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển theo nguyên lý nhiễu loạn - Hệ thống điều khiển làm việc theo nguyên lý kết hợp:
Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển theo nguyên lý kết hợp
Trong phạm vi đề tài này, tác giả khái quát sơ lược về hệ thống điều khiển làm việc theo chương trình: Nguyên tắc này giữ tín hiệu đầu ra y = y(t) theo một chương trình đã định sẵn. Để một tín hiệu ra nào đó thực hiện theo một chương trình, cần phải sử dụng máy tính hay thiết bị lưu trữ chương trình. Trong điều kiện hiện nay, việc xây dựng hệ thống điều khiển làm việc theo chương trình có nhiều ưu điểm: hệ thống nhỏ gọn, làm việc tin cậy, các linh kiện và thiết bị dễ tìm kiếm, dễ mua với giá thành phù hợp và dễ dàng sửa đổi thiết kế trong quá trình thử nghiệm.
3.2. PHƯƠNG ÁN VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
Như đã trình bày ở mục 1.3.3, hệ thống điều khiển điện tử có vai trò vô cùng quan trọng trong việc phối hợp hoạt động các thiết bị của hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp. Hệ thống này nhận tín hiệu điều khiển từ người sử dụng, căn cứ vào các yêu cầu làm việc phản hồi về từ các cảm biến để điều khiển các thiết bị động lực làm việc ở chế độ hợp lý nhất.
Đối với hệ thống điều khiển điện tử ứng dụng cho mô hình này cần đạt các yêu