2.2.1. Chế độ một mình động cơ đốt trong đẩy xe
- Khi đó ly hợp ly tâm C1 và ly hợp điện từ C3 đóng, ly hợp điện từ C2 mở đƣờng truyền công suất nhƣ sau: Công suất của động cơ đốt trong truyền tới trục kết hợp mô men thông qua hộp số CVT, từ trục kết hợp mô men truyền tới hộp giảm tốc rồi truyền tới bánh xe.
Năng lƣợng ra của bánh xe sẽ là : T3ω3= T1ω1
2.2.2. Chế độ mô tơ điện một mình kéo xe
Động cơ điện một mình truyền năng lƣợng để đẩy xe chạy: Khi làm việc ở chế độ này thì động cơ đốt trong không làm việc và ly hợp ly tâm mở các ly hợp điện từ C2, C3 đóng. Năng lƣợng điện từ pin (ắc quy) truyền tới bộ chuyển đổi rồi truyền tới động cơ điện, động cơ điện làm việc công suất đƣợc truyền tới trục kết hợp mô men thông qua bộ truyền động đai rồi truyền tới hộp giảm tốc sau đó truyền tới bánh xe.
Năng lƣợng ra của bánh xe sẽ là : T3ω3= T2ω2
2.2.3. Chế độ hybrid
Khi làm việc ở chế độ này cả ba ly hợp C1, C2, C3 đều đóng, công suất của động cơ đốt trong và động cơ điện đều truyền tới trục kết hợp mô men thong qua hộp số CVT và bộ truyền đai, sau đó công suất từ trục kết hợp mô men đƣợc truyền tới hộp giảm tốc rồi truyền tới bánh xe.
Năng lƣợng ra của bánh xe sẽ là: T3ω3= T1ω1 + T2ω2
Mô men kết nối có thể đƣợc biểu diễn:
40
2.2.4. Chế độ chỉ sử dụng phanh tái sinh
- Khi làm việc ở chế độ này năng lƣợng từ bánh xe đƣợc truyền tới trục kết hợp mô men thông qua hộp giảm tốc rồi thông qua bộ truyền đai dẫn động cho động cơ điện quay. Ở chế này động cơ điện có vai trò là một máy phát, điện năng sinh ra đƣợc đƣa tới bộ chuyển đổi rồi nạp cho ắc quy.
2.2.5. Chế độ phanh hybrid
- Khi năng lƣợng phanh cần lớn hơn so với năng lƣợng phanh tái tạo lớn nhất mà hệ thống điện có thể cung cấp phanh cơ khí phải đƣợc sử dụng. Trong trƣờng hợp này động cơ điện phải đƣợc kiểm soát để có thể sinh ra năng lƣợng phanh tái sinh tối đa và hệ thống phanh cơ khí sẽ thực hiện phần còn lại
2.2.6. Chế độ sạc pin
- Động cơ đốt trong truyền năng lƣợng tới tải và ắc quy đồng thời. Khi ắc quy cần nạp điện (sắp hết điện), dòng năng lƣợng từ động cơ chia thành hai dòng tới động cơ điện để nạp cho ắc quy và tới bánh xe chủ động. Khi đó ly hợp C2, C3 đều đóng và động cơ điện có vai trò là một máy phát để sinh ra điện áp nạp cho ắc quy.
- Hoặc khi xe đứng yên không chuyển động (vị trí tay ga của xe Pin=0) nhƣng năng lƣợng ắc quy cần nạp bổ xung, khi đó bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển bộ điều khiển động cơ để điều khiển động cơ hoạt động ở vùng tối ƣu, ly hợp C3 mở, C2 đóng động cơ điện có vai trò là một máy phát biến đổi năng lƣợng từ động cơ đốt trong thành điện năng nạp cho ắc quy.
2.3. Đặc tính động lực học.
2.3.1. Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo ở chế độ chỉ động cơ đốt trong kéo xe xe
Phƣơng trình cân bằng lực kéo của xe:
PK = Pf Pi + PW Pj
41 Pf = f*G*cos (N) - lực cản lăn PW =K*F*v2 (N) - lực cản gió Pj = j g G j* * (N) - lực cản tăng tốc Lực kéo bánh xe chủ động Pk đƣợc tính: Pk = = (N) C1 = (N) - hằng số tính toán Điều kiện chuyển động: xe chạy trên đƣờng bằng (0), đầy tải.
Pk = Pf + PW + Pd Pk=
vi = 0.377
Lực kéo dƣ: Pd = Pi Pj dùng để leo dốc hoặc tăng tốc.
Vì hộp số CVT thay đổi tỷ số truyền liên tục theo vận tốc của xe nên để vẽ đồ thị cân bằng lực kéo của xe ta giả sử xe có các tỷ số truyền phân bố theo cấp số nhân và xây dựng đƣợc đồ thị cân bằng lực kéo với các tỉ số truyền:
√ Với: ih1= icvtmax =2.53 Vậy ta có: ih2 = √ = √ = 1.86 ih3 = √ = √ = 1.36 ih4 = 1 ih5= icvtmin= 0.84
42
Trƣớc hết, ta vẽ đồ thị cân bằng lực kéo với các tỷ số truyền nhƣ trên ta có đồ thị cân bằng lực kéo với các tỉ số tryền nhƣ hình 2.10.
Hình 2.10: Đồ thị cân bằng lực kéo với các tỉ số truyền
Bằng phƣơng pháp vẽ đồ thị 2.10 ta vẽ đƣờng tiếp tuyến với các đƣờng cong vừa vẽ ta sẽ đƣợc đồ thị cân bằng lực kéo với tỷ số truyền thay đổi liên tục thể hiện trên hình 2.11. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 Pk1 Pk2 Pk3 Pk4 Pk5 Pk
43
Hình 2.11: Đồ thị cân bằng lực kéo động cơ xăng
Căn cứ vào mối quan hệ giữa lực kéo Pk và vận tốc, đối chiếu với đồ thì đặc tính ngoài của động cơ (thể hiện mối quan hệ giữa Me và ne), ta sẽ xác định đƣợc tỉ số truyền tƣơng ứng với các nút vận tốc và lực kéo trên đồ thị lực kéo Pk, đƣợc thể hiện ở bảng 2.1
v 2,11 3,17 3,70 4,23 5,28 6,34 7,14 8,12 10,06 14,74 20,05 21,40 23,87 26,26
Pk 859 891 897 897 878 833 763 700 550 370 270 251 230 210
ih 2,53 2,34 2,16 2 1,86 1,72 1,59 1,47 1,36 1,36 1,26 1,17 1 0,84
Bảng 2.2: Mối quan hệ tương ứng giữa vận tốc, tỉ số truyền và lực kéo Pk của động cơ xăng
2.3.2. Xây dựng đường đặc tính cân bằng lực kéo chỉ động cơ điện kéo xe
Lực kéo của động cơ điện đƣợc tính theo công thức
Pk= 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 Pk
44
vi = 0.377
Ta có đồ thị cân bằng lực kéo của động cơ điện thể hiện trên hình 2.12
Hình 2.12: Đồ thị cân bằng lực kéo động cơ điện
2.3.3. Kết hợp cả động cơ đốt trong và động cơ điện
- Lực kéo tổng hợp của xe ở chế độ hybrid là:
Ptong=Pk+Pm
Trong đó:
Pk: lực kéo động cơ đốt trong
Pm: lực kéo động cơ điện
Dựa vào lực kéo tổng hợp của xe ở chế độ hybrid ta vẽ đƣợc đồ thì lực kéo ở chế độ hybrid nhƣ ở hình 2.13. 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 Pm
45 Hình 2.13: Đồ thị lực kéo ở chế độ hybrid 2.3.4. Đồ thị nhân tố động lực học và đồ thị đặc tính tăng tốc 2.3.4.1. Đồ thị nhân tố động lực học Từ công thức tính nhân tố động lực học: D= = Ta xây dựng đƣợc đồ thị nhân tố động lực học ở hình 2.14
Hình 2.14: Đồ thị nhân tố động lực học của xe hybrid
2.3.4.2. Đồ thị gia tốc của xe
Gia tốc của xe khi chuyển động không ổn định đƣợc tính nhƣ sau: 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 30 Ptong 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 D
46 j=( )
Khi tính gia tốc trên đƣờng bằng i=0; = f.
i: hệ số tính đến ảnh hƣởng của các khối lƣợng quay, có thể tính theo công thức kinh nghiệm: i = 1.03 + a*i2h
Chọn a = 0.05 => ih2
Vì D là hàm số của vận tốc, nên j cũng là một hàm tƣơng tự. Từ các số liệu của bảng 2.1, gia tốc j=f(v) và gia tốc ngƣợc 1/j=g(v) ta có đƣợc đồ thị gia tốc của xe hybrid ở hình 2.15. Ta có bảng v, P tổng, Pω, j, 1/j: V (m/s) Ptong (N) D ih j (m/s2) 1/j (s2/m) 0,00 239,70 0,10 2,53 0,00 0,00 2,11 1009,02 0,40 2,53 2,84 0,35 3,17 1040,96 0,42 2,34 3,03 0,33 3,70 1047,35 0,42 2,16 3,15 0,32 4,23 1047,35 0,42 2,00 3,23 0,31 5,28 1040,96 0,41 1,86 3,27 0,31 6,34 983,47 0,39 1,72 3,14 0,32 7,40 897,38 0,35 1,59 2,89 0,35 8,12 842,67 0,33 1,47 2,74 0,37 10,06 644,7 0,25 1,36 2,04 0,49 14,74 430 0,15 1,36 1,18 0,84 20,05 320,39 0,09 1,26 0,66 1,52 21,40 294,00 0,08 1,17 0,52 1,92 23,87 261,06 0,05 1,00 0,32 3,15 26,26 237,46 0,03 0,84 0,13
47
Bảng 2.3: Các thông số V, Ptong, D, ih, j
Căn cứ vào các thông số trên bảng 2.2 ta vẽ đƣợc đồ thị gia tốc ở chế độ hybrid nhƣ hình 2.15
Hình 2.15: Đồ thị gia tốc ở chế độ Hybrid
2.3.4.2. Đồ thị thời gian và quãng đƣờng tăng tốc của xe Thời gian tăng tốc của xe từ tốc độ v1 đến vận tốc v2 là: Thời gian tăng tốc của xe từ tốc độ v1 đến vận tốc v2 là:
t = ∫
Tích phân này có thể đƣợc giải bằng đồ thị dựa trên cơ sở đặc tính động lực học. Ta giả thiết xây dựng đồ thị động lực học f(v)=1/j, ta lấy một phần diện tích nào đó tƣơng ứng với khoảng biến thiên vận tốc dv, sẽ biể thị thời gian tăng tốc của xe. Tổng cộng các diện tích này lại, ta có đƣợc thời gian tăng tốc của xe từ cận tốc
v1 đến v2 lập đƣợc bảng thông số thời gian tăng tốc tƣơng ứng với vận tốc của bảng 2.2. 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 j
48
v 2,11 3,17 3,70 4,23 5,28 6,34 7,40 8,12 10,06 14,74 20,05 21,40 23,87 26,26 t 0 0,36 0,53 0,69 1,02 1,35 1,70 1,96 2,78 5,91 12,20 14,52 20,79 33,44
Bảng 2.4: Các thông số v, t của chế độ hybrid
Dựa vào các thông số trên bảng 2.2 ta xây dựng đƣợc đồ thị thời gian tăng tốc xe hybrid ở hình 2.16
Hình 2.16: Đồ thị thời gian tăng tốc xe máy hybrid
Quãng đƣờng tăng tốc của xe từ tốc độ v1 đến vận tốc v2 là:
S = ∫
Tích phân này không đƣợc giải bằng phƣơng pháp giải tích tƣơng tự nhƣ cách tính thời gian tăng và ta đƣợc bảng thông số quan hệ giữa quãng đƣờng tăng tốc và vận tốc ở bảng 2.3
v 2,11 3,17 3,70 4,23 5,28 6,34 7,40 8,12 10,06 14,74 20,05 21,40 23,87 26,26 s 0 0,19 0,42 0,75 1,65 2,91 4,53 5,85 10,45 30,82 78,92 96,94 140,62 205,36
Bảng 2.5: Các thông số v, s của chế độ hybrid
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 t
49
Dựa vào bảng thông số 2.3 ta xây dựng đƣợc đồ thị quãng đƣờng tăng tốc của xe hybrid nhƣ hình 2.17
Hình 2.17: Đồ thị quãng đường tăng tốc của xe hybrid
Nhận xét: Ta nhận thấy rằng với chiếc xe hybrid để đạt đƣợc vận tốc tối đa 95km/h chỉ cần 33,4s và đạt đƣợc quãng đƣờng dài 205,36m 0 50 100 150 200 250 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 s
50
CHƢƠNG III: CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
3.1. Cấu hình và mục tiêu thiết kế của xe
Hình 3.1: Cấu hình hệ thống truyền lực xe hybrid song song dùng bộ kết nối mô men
Hệ thống điều khiển của hệ truyền lực bao gồm bộ điều khiển xe (bộ điều khiển trung tâm) quyết định các chế độ làm việc của động cơ, mô tơ bộ và phanh tái sinh. Bộ điều khiển động cơ để kiểm soát công suất động cơ, bộ điều khiển động cơ điện kiểm soát công suất của động cơ điện theo sự điều khiển của bộ điều khiển trung tâm.
Từ tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ ne và tín hiệu vị trí tay ga, tín hiệu ne, dựa vào engine map bộ điều khiển trung tâm sẽ xác định đƣợc công suất công suất yêu cầu của ngƣời lái. Trên cơ sở chế độ làm việc của xe bộ điều khiển trung tâm sẽ tính toán tối ƣu chế độ làm việc của động cơ đốt trong và mô tơ hoặc quá trình phanh nhằm đáp ứng đúng công suất của ngƣời lái. Vì vậy khi ngƣời sử dụng lái xe máy hybrid sẽ có cảm giác nhƣ lái một chiếc xe máy sử dụng động cơ đốt trong mà không cảm thấy có sự khác biệt.
51
Bộ điều khiển trung tâm là bộ điều khiển cấp độ cao nhất, nó nhận đƣợc lệnh hoạt động từ trình điều khiển thông qua gia tốc và bàn đạp phanh, và các biến vận hành khác của chiếc xe bao gồm tốc độ xe, tốc độ động cơ, vị trí bƣớm ga, trạng thái sạc của pin... Bằng cách xử lý tất cả các tín hiệu nhận đƣợc, trên cơ sở thuật toán điều khiển gắn vào hệ thống truyền lực, bộ điều khiển chiếc xe tạo ra các lệnh điều khiển và gửi lệnh cho các bộ điều khiển thành phần tƣơng ứng. Các bộ điều khiển thành phần kiểm soát các thành phần tƣơng ứng để thực hiện lệnh từ bộ điều khiển xe. Trong thiết kế hệ thống truyền lực, các yếu tố quan trọng là công suất của động cơ đốt trong, động cơ điện, hộp số, pin và dung lƣợng của nó, quan trọng hơn là các cách thức điều khiển của hệ thống truyền lực. Mục tiêu thiết kế nhƣ sau:
- Đáp ứng yêu cầu thực hiện: khả năng leo dốc, tăng tốc, và tốc độ chạy tối đa;
- Đạt đƣợc hiệu quả tổng thể cao ở các tình huống;
- Duy trì trạng thái sạc của pin ở mức hợp lý trong quá trình lái xe trên đƣờng cao tốc và các khu vực đô thị mà không cần sạc pin từ bên ngoài;
- Năng lƣợng phanh tái sinh nhiều nhất có thể.
3.2. Cách trạng thái hoạt động
Các chế độ hoạt động của hệ thống truyền lực xe hybrid song song với bộ kết nối mô men chủ yếu bao gồm các trƣờng hợp sau
3.2.1. Chế độ một mình mô tơ kéo xe
Khi tốc độ xe thấp hơn 1 giá trị định sẵn (30km/h), đƣợc gọi là đƣờng thấp nhất của tốc độ xe mà tại đó động cơ đốt trong không hoạt động ổn định, hoặc tiêu thụ nhiên liệu, phát thải cao, chỉ có động cơ điện kéo xe, động cơ đốt trong tắt. Khi đó năng lƣợng của các bộ phận nhƣ sau:
52
Pm= PL
Ppps-d=
Trong đó: PPPS-d: năng lƣợng đƣợc pin phát ra
ηm: hiệu suất của động cơ
Hình 3.2: Mô tả các chế độ hoạt động khác nhau dựa trên công suất yêu cầu
Khi xe hoạt động ở chế độ này trạng thái của các tín hiệu đầu vào gửi tới bộ điều khiển trung tâm gồm có:
- Tín hiệu vị trí tay ga Pin >0, trạng thái nạp ắc quy SOC >50% và tốc độ xe V<30km/h và tín hiệu phanh không có.
53
- Tín hiệu đầu ra gồm: tín hiệu điều khiển ly hợp C2, C3 mở, tín hiệu điều khiển động cơ ở trạng thái OFF và tín hiệu điều khiển mô tơ ở trạng thái ON.
3.2.2. Chế độ hybrid
Khi công suất kéo PL đƣợc sinh ra dƣới sự điều khiển của ngƣời lái xe lớn hơn năng lƣợng mà động cơ có thể sinh ra (đƣợc mô tả nhƣ điểm A trong hình 3.2), cả động cơ đốt trong và động cơ điện phải cung cấp năng lƣợng tới bánh xe chủ động cùng lúc. Trong trƣờng hợp này, hoạt động của động cơ nằm trên đƣờng tối ƣu của nó (điểm a) bằng cách kiểm soát bƣớm ga của động cơ để sinh ra công suất Pe. Nguồn công suất còn lại đƣợc cung cấp bởi động cơ điện. Công suất động cơ điện và năng lƣợng phát ra của pin đƣợc tính nhƣ sau:
Pm= PL - Pe
PPPS-d = Ppps-d =
Khi hoạt động ở chế độ này trạng thái của các tín hiệu đầu vào gửi tới bộ điều khiển trung tâm gồm :
- Tín hiệu vị trí tay ga Pin≥60%, trạng thái nạp ắc quy >50%, vận tốc của xe V>60km/h và tín hiệu phanh không có.
Các tín hiệu đầu ra đƣợc điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm: Các tín hiệu điều khiển ly hợp điện từ C2, C3, động cơ và mô tơ đều ở trạng thái ON.
3.2.3. Chế độ sạc pin
Khi công suất kéo đƣợc lái xe điều khiển PLthấp hơn công suất mà động cơ có thể sinh ra khi hoạt động trên đƣờng tối ƣu của nó và ắc quy chƣa đƣợc sạc đầy (đƣợc mô tả bằng điểm B trên hình 3.2), động cơ hoạt động trên đƣờng tối ƣu của nó sinh ra công suất Pe(điểm b). Trong trƣờng hợp này, động cơ điện đƣợc điều khiển để hoạt động ở chế độ máy phát, chạy bằng phần năng lƣợng còn lại của động