Đường truyền công suất ở các chế độ làm việc

V. Các nội dung chính trong đề tài

2.4.2 Đường truyền công suất ở các chế độ làm việc

-35-

Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ nhiệt, ly hợp L1 đóng, L2 mở, mô men được truyền từ động cơ nhiệt đến L1 các bánh răng hành tinh truyền đến trục thứ cấp của hộp vi sai, truyền đến hộp phân phối (5) và đến bánh xe (4). Sơ đồ bố trí và đường truyền công suất như hình 2.17. Đường truyền mô men là đường đen đậm.

Hình 2.17 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi chỉ truyền công suất của động cơ nhiệt [6]

b) Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ điện.

Hình 2.18 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi chỉ truyền công suất của động cơ điện[6]

Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ điện, ly hợp L1 mở, L2 đóng, mô men được truyền từ động cơ điện đến L2 đến bánh răng trung tâm qua các bánh răng

1 L1 3 1 2 4 5 2 Z1 2 L 3 6 7 8 10 11 12 9 Z2 Zv 1 L1 3 1 2 4 5 2 Z1 2 L 3 6 7 8 10 11 12 9 Z2 Zv

-36-

hành tinh truyền đến trục thứ cấp của hộp vi sai, truyền đến hộp phân phối (5) và đến bánh xe (4). Sơ đồ bố trí và đường truyền công suất như hình (2.18). Đường truyền mô men là đường đen đậm.

c) Khi chỉ truyền bằng 2 nguồn công suất.

Hình 2.19 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi chỉ truyền cả 2 nguồn[6].

Khi chỉ truyền bằng 2 nguồn công suất, ly hợp L1 đóng, L2 đóng, mô men được truyền từ động cơ điện, nhiệt đến các ly hợp đến bộ kết hợp công suất , truyền đến hộp phân phối (5) và đến bánh xe (4). Sơ đồ bố trí và đường truyền công suất như hình (2.19). Đường truyền mô men là đường đen đậm.

1 L1 3 1 2 4 5 2 Z1 2 L 3 6 7 8 10 11 12 9 Z2 Zv

-37-

CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE HYBRID 3.1 Giới thiệu về phần mềm AVL – Cruise

3.1.1 Giới thiệu chung

AVL-Cruise được AVL Advance Simulation Technologies ra mắt phiên bản đầu tiên vào năm 1997, là phần mềm mô phỏng được sử dụng để nghiên cứu các đặc điểm lái, mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải. Nhờ các mô đun cho trước người dùng có thể thiết lập bất kỳ các mô hình xe.

AVL-Cruise được sử dụng chủ yếu cho việc tính toán và tối ưu: tiêu thụ nhiên liệu và khí thải, khả năng vận hành; tính toán tỉ số truyền, hiệu suất phanh , tải trọng tập trung khi tính toán ứng suất, rung động gây ra. Các mô đun của Cruise cho phép có thể mô phỏng tất cả các mẫu xe hiện tại và tương lai.

AVL-Cruise có thể kết hợp để nghiên cứu khả năng vận hành, mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải của xe trong các điều kiện khác nhau (ví dụ như FTP72, ECE- R15, HDC,...), tăng tốc, tốc độ tối đa, khả năng leo dốc [5].

3.1.2 Các tính năng chính

Xây dựng mô hình các hệ thống truyền lực phức tạp, kết hợp sử dụng các mô hình với mô đun khác nhau. Bên cạnh đó cũng có thể chuyển tiếp, đảo ngược các quá trình theo ý muốn.

Xác định được mức tiêu thụ nhiên liệu xe (đối với mỗi chu kì lái khác nhau), khả năng leo dốc, lực kéo, gia tốc, tốc độ, tăng tốc giảm tốc, lực phanh.

Căn cứ vào mô hình truyền thống dựa trên đó có thể nhanh chóng xây dựng một chiếc xe điện thuần tùy hoặc các mô hình xe hybrid và thông qua Matlab, Cruise thiết kế được chiến lược xe, thuận tiện cho các chế độ truyền tải (AT, AMT, DCT, CTV,…)

Tối ưu hóa kết hợp các hệ thống truyền lực. Sử dụng quản lý cơ sở dữ liệu, bảo mật dữ liệu cũng như tạo thuận lợi cho việc trao đổi dữ liệu giữa các người dùng khác nhau, so sánh dựa trên các thông số sẵn có với các thiết lập riêng của mình.

-38-

Mô phỏng hệ thống xe theo thời gian thực, mô phỏng theo yêu cầu, hệ thống truyền động, ECU và có thể tìm và phát hiện lỗi giúp nâng cao hiệu quả quá trình mô phỏng.

Người dùng có thể sử dụng các mô hình khác nhau được thiết lập sẵn nhằm giảm thiểu các yêu cầu về thông số mô hình.

Kết hợp thông qua AVL - Driver và IPG Carmaker có thể kiểm soát độ bám đường, phân tích lực phanh, độ ổn định trên nhiều phía cạnh khác.

3.1.3 Các phần mềm hỗ trợ

AVL BOOST (tính toán các thông số động cơ, nhiệt động cơ, nhiệt sau khi cháy, khí thải).

AVL - Driver (khả năng vận hành xe). C, FORTRAN (hỗ trợ đọc file DLL). Matlab/Simulink (hệ thống điều khiển) Flowmaster (chu trình mô phỏng dòng chảy).

KULI (mô phỏng làm mát động cơ và hệ thống điều hòa). IPG Carmaker (động lực xe).

3.1.4 Các thành phần, mô đun chính của phần mềm

Một số thành phần chính: - Xe và rơ mooc.

- Động cơ đốt trong, hệ thống xử lý khí thải.

- Ly hợp (ly hợp ma sát, chuyển đổi mô-men xoắn thủy lực, khớp nối nhớt, ly hợp tự động).

- Bộ truyền lực (hộp số nhiều cấp, bộ truyền đơn, bộ vi sai, bánh răng hành tinh, CVT, bộ truyền ly hợp kép)

- Các phần tử điều khiển (điều khiển truyền động, điều khiển hộp số, điều khiển lyhợp, chế độ tự động bật-tắt động cơ, điều khiển phanh, điều khiển hộp số tự động AMT, điều khiển CVT, kiểm soát chống trượt ASC, …).

- Trục (cứng hoặc xoắn đàn hồi). - Bánh xe / lốp xe.

-39-

- Các thành phần điện (động cơ điện, máy phát điện, ắc quy, nguồn điện). - Các thành phần hybrid (động cơ điện, siêu tụ điện, bộ chuyển đổi dòng điện). - Phanh, phanh phụ.

3.2 Cơ sở lý thuyết

3.2.1 Xây dựng sơ đồ làm việc của ắc quy

Hình 3.1 Sơ đồ làm việc của ắc quy

Sơ đồ làm việc của ắc quy được thể hiện trên hình 3.1 được thể hiện như sau: Cơ sở: dung lượng ắc quy phải để mức tối thiểu 10% để phục vụ cho các công việc khác, không tham gia vào hệ thống truyền lực.

Với các mục đích:

- Duy trì hệ thống điều khiển điện tử. - Khởi động động cơ.

- Nuôi các hệ thống khác: đèn tín hiệu, khóa cửa, nâng hạ kính, trợ lực phanh, túi khí….

-40-

- Ăc quy cần phải nạp khi dung lượng từ 20% ÷ 90%. Khi dung lượng ắc quy nắm trong khoảng này.

- Nếu yêu cầu gia tốc, lên dốc thì ắc quy cung cấp điện đến động cơ điện thực hiện.

- Nếu gia tốc < 0 thì thực hiện nạp điện cho ắc quy, tăng công suất của động cơ đốt trong để kéo máy phát nạp điện cho ắc quy.

- Dung lượng của ắc quy 90% chỉ nạp khi xuống dốc và khi phanh nhẹ.

3.2.2 Xây dựng sơ đồ làm việc của hệ thống truyền lực

Sơ đồ làm việc của bộ điều khiển hệ thống truyền lực được thể hiện trong hình 3.2.

Hình 3.2 Sơ đồ làm việc của bộ điều khiển hệ thống truyền lực

Hệ thống truyền lực được xây dựng dựa trên tác tín hiệu đưa vào như tốc độ động cơ, tốc độ xe và bàn đạp ga.

Qua đó đưa ra các điều khiển gài hộp phân phối, gài tỷ số truyền CVT, đóng hoặc mở mạch của ắc quy - động cơ điện, đóng hoặc mở mạch của máy phát điện - ắc quy.

3.2.3 Xây dụng sơ đồ làm việc của các chế độ vận hành

Trên hình 3.3 cho thấy các chế độ vận hành của xe hybrid kiểu song song được thể hiện như sau:

-41-

Hình 3.3 Sơ đồ làm việc của các chế độ vận hành

+ Trường hợp 0 < gia tốc 4 (m/s2) chỉ có động cơ điện hoạt động và truyền tới động lực bánh xe. Khi gia tốc > 4 (m/s2) cả động cơ đốt trong và động cơ điện đều hoạt động truyền công suất tới bộ phân chia sau đó tới động lực của bánh xe.

+ Với gia tốc

và vận tốc < 10 (m/s2) thì chỉ có động cơ điện hoạt động và truyền tới động lực bánh xe. Gia tốc

và vận tốc >10 (m/s2) trường hợp này động cơ đốt trong hoạt động, qua bộ kết hợp phân chia công suất dẫn động máy phát điện nạp điện cho ắc quy.

+ Với trường hợp - 4 (m/s2) ≤ gia tốc < 0 dẫn động máy phát điện nạp điện cho ắc quy. Gia tốc < - 4 (m/s2

) dẫn động máy phát điện nạp điện cho ắc quy và một phần phanh tác dụng lên động lực bánh xe.

-42-

3.3 Xây dựng mô hình

3.3.1 Các bước xây dựng mô hình

Hình 3.4 Các bước xây dụng mô hình

Từ các thông số đã tính toán ở chương 2 ta tiến hành xây dựng mô hình bằng phần mềm AVL-Cruise. Các bước xây dựng mô hình được thể hiện theo trình tự trên sơ đồ như hình 3.4.

-43-

Các mô hình xe thường và xe hybrid được xây dựng bằng phần mềm AVL- Cruise được thể hiện như trên hình 3.5 và 3.6.

Hình 3.5 Mô hình xe thông thường

-44-

3.3.2 Mục đích xây dựng mô hình

- So sánh 2 xe cùng lắp động cơ xăng 4 kỳ, xe hybird lắp thêm động cơ điện và máy phát điện tạo hệ thống động lực hybrid khi chạy theo chu trình NEDC (theo các tiêu chuẩn sau Euro 2) dùng cho xe con và xe tải nhẹ.

Hình 3.7 Chu trình thử NEDC

Thực hiện chương trình thử nghiệm NEDC với 3 pha như trên hình 3.7.

- Pha 1: Chạy ở tốc độ tăng tốc, giữ tốc độ và giảm tốc, dừng ở vùng tốc độ thấp.

+ Ở vùng tốc độ thấp nên hệ thống động lực hybrid sử dụng năng lượng từ ắc quy để kéo động cơ điện, còn hệ thống động lực thông thường sử dụng động cơ đốt trong. Trong đó thấy rõ được ưu điểm của động cơ điện làm việc với hiệu suất cao và nhược điểm của động cơ đốt trong làm việc với hiệu suất thấp với vùng tốc độ thấp và dừng, tức là động cơ chạy không tải.

+ Khi thực hiện việc giảm tốc thì có nạp điện lại cho ắc quy, cũng là yếu tố làm tăng hiệu suất tổng thể của hệ động lực.

- Pha 2 và pha 3 chạy ở vùng tốc độ cao hơn thì động cơ đốt trong trong hệ động lực phải làm việc. Vì vậy hiệu suất cao hơn loại động cơ thường. Đặc biệt với vùng tốc độ xe cao và yêu cầu công suất lớn (tăng tốc) ở pha 3 thì hiệu suất gần bằng nhau. 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 T ốc đ ộ xe ( km /h )

Thời gian (giây)

Pha 2 Pha 1

-45-

3.4 So sánh các kết quả mô phỏng khi động cơ đƣợc lắp trên xe thƣờng và xe hybrid

3.4.1 Tốc độ động cơ

Hình 3.8 Tốc độ động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid

Qua đồ thị trên hình 3.8 ta thấy, tốc độ động cơ lắp trên xe hybrid chạy ổn định hơn khi lắp trên xe thường qua mức độ thay đổi tốc độ khi chạy trên 3 pha là rất nhỏ tránh được các chế độ tăng tốc, giảm tốc động cơ.

Hơn nữa, tại những khi tốc độ xe bằng 0 thì xe hybrid cho phép ngắt động cơ đốt trong, còn xe thường động cơ đốt trong thực hiện chạy không tải.

Thực tế là sự thay đổi tốc độ của xe phần lớn là do động cơ điện, vì vậy cho phép dễ dàng điều khiển mà không ảnh hưởng tới tiêu hao nhiên liệu của động cơ.

Do việc điều khiển tốc độ động cơ điện ít phụ thuộc vào tốc độ xe nên thực hiện điều khiển động cơ đốt trong ở vùng tiêu thụ nhiên liệu thấp, để có thể giảm tiêu thụ nhiên liệu chung của xe.

Trong các phân tích trên đều cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu khi động cơ đốt trong được sử dụng trên xe hybrid.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 50 100 150 200

Thời gian (giây)

T ốc đ ộ độ ng c ơ (v òn g/ ph út ) Xe thường Xe thường Xe hybrid Xe hybrid

-46-

3.4.2 Tiêu hao nhiên liệu

Hình 3.9 Tiêu hao nhiên liệu

Như đã phân tích ở phần tốc độ động cơ, đều cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu ở hầu hết các điểm trên 3 pha thử nghiệm khi động cơ đốt trong được sử dụng trên xe hybrid (Hình 3.9).

Ngoài ra, còn có những trường hợp cụ thể như sau:

+ Khi xe dừng, động cơ xe thường chạy không tải, suất tiêu hao nhiên liệu khi đó tương đối lớn, vào khoảng 2 g/kwh/s. Còn động cơ xe hybrid ngắt.

+ Khi tăng tốc, động cơ xe thường phải đảm nhiệm toàn bộ cho nên động cơ làm việc với chế độ không ổn định bù ga nên tiêu hao nhiên liệu ở mức cao.

3.4.3 Phát thải

3.4.3.1 Phát thải NOx

Qua đồ thị trên hình 3.8 ta thấy, phát thải NOx của xe hybrid hầu hết đều thấp hơn đáng kể so với phát thải của xe thường (trừ giai đoạn chuyển tiếp từ động cơ

0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 Xe thường Xe hybrid

Thời gian (giây)

T iê u h ao n hi ên li ệu ( g/ km )

-47-

điện sang động cơ đốt trong), thậm chí bằng 0 khi ngắt động cơ. Điều này có thể giải thích như sau:

Tương tự như tốc độ và tiêu hao nhiên liệu như đã phân tích, động cơ xe hybrid tránh được các chế độ tăng tốc, giảm tốc động cơ. Hơn nữa, tại những khi tốc độ xe bằng 0 thì xe hybrid cho phép ngắt động cơ đốt trong. Ngoài ra, xe hybrid thực hiện điều khiển động cơ đốt trong rất tốt ở vùng tiêu thụ nhiên liệu thấp, khi tăng tốc, động cơ xe thường phải đảm nhiệm toàn bộ nên động cơ làm việc với chế độ không ổn định và bù ga nên tiêu hao nhiên liệu ở mức cao. Vì vậy, trong tất cả các trường hợp trên đây động cơ đốt trong trên xe hybrid đều được giảm tải (giảm công suất) làm giảm nhiệt độ của chu trình công tác. Vì vậy, NOx giảm.

Tuy nhiên, ở giai đoạn chuyển tiếp từ động cơ điện sang động cơ đốt trong phải khởi động và tăng công nhanh công suất để đảm bảo tốc độ và sự ổn định của xe nên lượng nhiên liệu chu trình tăng nhanh làm tăng nhiệt độ trung bình trong xilanh của chu trình công tác làm tăng NOx.

Hình 3.10 Phát thải NOx 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 50 100 150 200 Xe thường Xe hybrid

Thời gian (giây)

N ồn g độ N O x (g /k m )

-48-

3.4.3.2 Phát thải CO

Hình 3.11 Phát thải CO

Phát thải CO sinh ra là do sự cháy thiếu Oxy, qua đồ thị trên như trên hình 3.11 ta thấy, phát thải CO của xe hybrid hầu hết đều thấp hơn đáng kể so với phát thải của xe thường. Điều này có thể giải thích tương tự như đối với phát thải NOx trên 3 pha thí nghiệm, mức tiêu thụ nhiên liệu đều giảm (trừ giai đoạn chuyển tiếp từ động cơ điện sang động cơ đốt trong) trong khi xe hybrid điều khiển động cơ rất tốt ở chế độ công suất nhỏ, nói cách khác là trong tất cả các trường hợp trên đây động cơ đốt trong trên xe hybrid đều được giảm tải (giảm công suất) lượng CO tổng cộng tính theo g/h sẽ giảm.

Tuy nhiên, ở giai đoạn chuyển tiếp từ động cơ điện sang động cơ đốt trong phải khởi động và tăng công nhanh công suất để đảm bảo tốc độ và sự ổn định của xe trong khi lượng không khí không kịp bổ sung đủ theo yêu cầu làm tăng khả năng thiếu ôxy, làm tăng CO.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 50 100 150 200

Thời gian (giây)

N ồn g độ C O ( g/ km ) Xe thường Xe hybrid

-49-

3.4.3.3 Phát thải HC

Hình 3.12 Phát thải HC

Phát thải HC là sản phẩm của phần nhiên liệu chưa cháy do thiếu ô xy hoặc thành phần hỗn hợp không đồng nhất. Cũng như phát thải CO, qua đồ thị như trên hình 3.12 ta thấy, phát thải HC của xe hybrid hầu hết đều thấp hơn đáng kể so với phát thải của xe thường. Tuy nhiên, ở 2 chế độ chuyển tiếp từ động cơ điện sang động cơ đốt trong và chiều ngược lại đều cho phát thải HC tăng.

Tương tự như phát thải CO, giai đoạn chuyển tiếp từ động cơ điện sang động cơ đốt trong phải tăng nhanh nhanh lượng nhiên liệu chu trình trong khi lượng