1.2.1.4 .Tính tốn thơng số các thành phần chính
1.2.2.2. Các chiến lược điều khiển của hệ dẫn động hybrid song song
Những dạng hoạt động có hiệu quả của hệ dẫn động hybrid song song chủ yếu gồm: chỉ có ĐCĐT kéo; chỉ có mơ-tơ điện kéo; cả ĐCĐT và mô-tơ điện cùng kéo; phanh tái sinh và ắc quy được nạp từ ĐCĐT. Trong quá trình hoạt động, các dạng hoạt động thích hợp sẽ được sử dụng để đáp ứng mô-men kéo yêu cầu, đạt hiệu suất tổng cao, duy trì tình trạng nạp cho ắc quy ở mức hợp lí, và thu hồi năng lượng phanh càng nhiều càng tốt.
Chiến lược điều khiển tổng thể gồm có hai mức. Một bộ điều khiển cấp độ hệ thống của xe (điều khiển cấp độ cao) thực hiện chức năng như một bộ chỉ huy điều khiển và đưa ra các lệnh, đưa yêu cầu mô-men đến bộ điều khiển cấp độ thấp (điều khiển cục bộ hoặc từng thành phần) được căn cứ trên lệnh hoạt động (lái xe), các đặc điểm riêng của từng bộ phận, và thông tin phản hồi từ các bộ phận. Chiến lược điều khiển tổng thể của hệ truyền động hybrid song song thể hiện trên sơ như trong hình 1.28. Nó gồm có một bộ điều khiển xe, bộ điều khiển ĐCĐT, bộ điều khiển mô-tơ điện, và bộ điều khiển phanh cơ khí.
Bộ điều khiển hệ thống, nó thu thập dữ liệu từ người lái và tất cả các bộ phận, thí dụ như mơ-men yêu cầu, tốc độ xe, tình trạng nạp của ắc quy, tốc độ động cơ và vị trí bướm ga, tốc độ mô-tơ điện, ... Dựa và những dữ liệu này, đặc tính các bộ phận, chiến lược điều khiển được định trước. Bộ điều khiển xe đưa ra những tín hiệu điều khiển của nó tới mỗi bộ điều khiển thành phần (bộ điều khiển cục bộ). Mỗi bộ điều khiển thành phần điều khiển hoạt động của bộ phận tương ứng để phù hợp với yêu cầu dẫn động. Bộ điều khiển xe đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của hệ dẫn động. Bộ điều khiển xe phải đưa ra các dạng hoạt động khác nhau, tùy theo điều kiện lái, dữ liệu được tập hợp từ các bộ phận, mệnh lệnh của người lái và phải đưa ra mệnh lệnh chính xác tới bộ điều khiển thành phần. Hơn nữa, điều khiển chiến lược định trước quyết định hoạt động của hệ dẫn động.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51 28 Bộ điều khiển xe Bộ điều khiển động cơ Động cơ Bộ truyền động
Bộ điều khiển mơ tơ
Mơ tơ điện
Bộ điều khiển phanh cơ khí Phanh cơ khí Bánh xe Bánh xe Tín hiệu từ chân ga Tín hiệu từ chân phanh Tốc độ xe Tình trang nạp của ắc quy Cơng suất động cơ
yêu cầu Công suất mô tơ yêu cầu
Cơng suất cơ khí u cầu
Cơng suất động cơ
Cơng suất mô tơ
Công suất
phanh tái sinh
Công suất phanh cơ khí
Dạng kéo Dạng phanh
+ + + +
Hình 1.28: Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ dẫn động hybrid song song.
a) Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất của ắc quy.
Khi xe đang hoạt động ở dạng dừng – đi, ắc quy phải truyền công suất của nó tới hệ dẫn động thường xun. Vì vậy, ắc quy có xu hướng phóng điện nhanh. Trong trường hợp này, cần thiết duy trì một trạng thái nạp ở mức cao trong ắc quy để đảm bảo hoạt động của xe ổn định. Do đó, chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất của ắc quy có thể là lựa chọn thích hợp .
Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất của ắc quy có thể được trình bày như hình 29.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
29
Hình 1.29: Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu
Dạng chỉ có mơ tơ điện kéo xe
Tốc độ xe nhỏ hơn một giá trị chọn trước Vxe,min, tốc độ của xe mà ở đó ĐCĐT hoạt động khơng ổn định và không tối ưu. Trong trường hợp này chỉ có mơ-tơ điện truyền cơng suất của nó tới các bánh xe, trong khi ĐCĐT được tắt hoặc chạy không tải. Công suất ĐCĐT, công suất của mơ-tơ điện và cơng suất phóng điện của ắc quy có thể được tính như sau:
Pđc = 0; (1.14) , t m t m P P ; (1.15) m aq p m P P (1.16) Ở đó, Pđc là công suất ra của ĐCĐT,
Pm là công suất ra của mô-tơ điện,
Pt là công suất tải yêu cầu trên các bánh xe,
Paq-p là cơng suất phóng điện của ắc quy,
t,m là hiệu suất truyền động từ mô-tơ điện tới các bánh xe, m là hiệu suất của mơ-tơ điện.
Chú thích:
1: Cơng suất lớn nhất với dạng hybrid 2: Công suất lớn nhất khi chỉ có mơ-tơ điện kéo
3: Cơng suất động cơ trên đường hoạt động tối ưu của nó
4: Cơng suất động cơ với một phần tải 5: Công suất lớn nhất khi mô tơ là máy phát
Ptải: Công suất tải (kéo hoặc phanh) Pđc: Công suất động cơ
Pn,aq: Công suất nạp ắc quy Pm: Công suất mô tơ kéo Pph,ts: Công suất phanh tái sinh Pph,ck: Cơng suất phanh cơ khí
Vxe,min: Vận tốc của xe ứng với vận tốc
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
30
Dạng kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện
Công suất tải yêu cầu được đại diện bằng điểm A trên hình 1.29, nó lớn hơn cơng suất của ĐCĐT có thể tạo ra, khi đó cả ĐCĐT và mô-tơ điện đồng thời phải truyền công suất của chúng tới các bánh xe. Trong trường hợp này, sự hoạt động của ĐCĐT được đặt ở chế độ hoạt động tối ưu của nó. Cơng suất u cầu cịn lại được cung cấp bởi mô-tơ điện. Công suất ra của mô-tơ và cơng suất phóng điện của ắc quy được tính như sau:
c , c , . t đ t đ m t m P P P (1.17) aq p m m P P (1.18) Trong đó, t,đc là hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới các bánh xe.
Dạng ắc quy nạp
Khi công suất tải yêu cầu thể hiện ở điểm B của hình 1.29 nhỏ hơn cơng suất của ĐCĐT sinh ra ở mức làm việc tối ưu của nó, và tình trạng nạp của ắc quy dưới mức cao nhất, ĐCĐT được hoạt động ở vùng làm việc tối ưu, sinh ra công suất Pđc. Trong trường hợp này, mô-tơ điện được điều khiển bởi bộ điều khiển của nó và thực hiện chức năng như một máy phát điện, được cung cấp năng lượng là cơng suất cịn lại của ĐCĐT. Cơng suất ra của mô-tơ điện và công suất nạp của ắc quy được tính như sau:
c , c, , c . . t m đ t đ m m tđ P P P (1.19) Paq p Pm (1.20) Trong đó, t,đc,m là hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới mơ-tơ điện.
Dạng chỉ có ĐCĐT kéo xe.
Khi công suất tải yêu cầu thể hiện bởi điểm B trên hình1.29 nhỏ hơn cơng suất của ĐCĐT có thể sinh ra trong khi làm việc ở mức tối ưu, và tình trạng nạp của ắc quy đã đạt tới mức cao nhất, dạng chỉ có ĐCĐT đẩy đi được sử dụng. Trong trường hợp này, hệ thống điện được tắt, ĐCĐT được hoạt động để cung cấp cơng suất thích hợp với cơng suất tải yêu cầu. Đường cong công suất ra của ĐCĐT được thể hiện bằng đường nét đứt trên hình 1.29. Công suất ĐCĐT, công suất mô-tơ điện, công suất ắc quy được trình bày như sau:
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51 31 c , c t đ tđ P P (1.21) Pm = 0 (1.22) Paq = 0. (1.23)
Dạng chỉ có phanh tái sinh.
Khi xe cần phải phanh và yêu cầu công suất phanh nhỏ hơn công suất phanh tái sinh lớn nhất mà hệ thống điện có thể cung cấp như trình bày trong hình 1.29 bởi điểm D, mô-tơ điện được điều khiển để thực hiện chức năng như một máy phát, sản sinh ra một công suất phanh bằng công suất phanh yêu cầu. Trong trường hợp này, ĐCĐT tắt hoặc đặt ở chế độ tạm ngưng hoạt động. Công suất ra của mô-tơ điện và cơng suất nạp của ắc quy được tính như sau:
Pph,ts = Pt.t,m.m (1.24)
Paq-n = Pph,ts (1.25)
Dạng phanh hỗn hợp.
Khi công suất phanh được yêu cầu lớn hơn công suất phanh tái sinh lớn nhất mà hệ thống điện có thể cung cấp như trình bày trong hình 1.29 bởi điểm C, thì phanh cơ khí phải được kích hoạt. Trong trường hợp này, mô-tơ điện sẽ được điều khiển để tạo ra công suất phanh tái sinh lớn nhất, và hệ thống phanh cơ khí sẽ đảm nhận sinh ra mơ-men phanh u cầu cịn lại. Cơng suất ra của mô-tơ điện, công suất nạp của ắc quy, cơng suất phanh cơ khí là:
Pph,ts = Pph,ts-max.m (1.26)
Paq-n = Pph,ts (1.27)
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
32
Hình 1.30: Sơ đồ điều khiển logic cho tình trạng nạp của ắc quy.
Hình 1.31: Minh họa điều khiển đóng – ngắt ĐCĐT [6] b) Chiến lược điều khiển bật-tắt của ĐCĐT.
Tương tự như được sử dụng trong hệ dẫn động hybrid nối tiếp, chiến lược điều khiển bật-tắt của ĐCĐT có thể được sử dụng trong một vài điều kiện hoạt động với tốc độ thấp và gia tốc thấp. Trong chiến lược điều khiển này, hoạt động
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
33
của ĐCĐT được điều khiển bởi tình trạng nạp của ắc quy, như trình bày trong
hình1.31.
Trong giai đoạn bật động cơ, đó là chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy. Khi tình trạng nạp của ắc quy đạt tới mức cao của nó, ĐCĐT sẽ được ngắt và xe được đẩy đi chỉ bằng mơ-tơ điện. Khi tình trạng nạp của ắc quy ở mức thấp thì ĐCĐT được bật và hệ thống lại quay trở lại chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy như đã trình bày ở trên.