1.2.1.4 .Tính tốn thơng số các thành phần chính
1.2.2.3. Tính tốn các thơng số của bộ truyền động
Các thông số của hệ dẫn động song song bao gồm: Công suất ĐCĐT, công suất mô-tơ điện, tỉ số bánh răng của hệ dẫn động, công suất và năng lượng dự trữ của ắc quy, đó là những thơng số trọng yếu. Tuy nhiên, như các bước đầu trong thiết kế, các thông số này sẽ được ước lượng dựa trên yêu cầu thực hiện cơ bản của xe.
Các thông số của xe được sử dụng trong tính tốn. khối lượng của xe Mv = 1500 kg; hệ số cản lăn fr = 0,01; mật độ khơng khí a = 1,205 kg/m3; diện tích mặt trước Af = 2 m2; hệ số cản khí động học Cd = 0,3; bán kính bánh xe r = 0,2794 m; hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới các bánh xe t,e = 0,9, và từ mô-tơ điện tới các bánh xe t,m = 0,95.
a) Tính tốn cơng suất dự trữ của ĐCĐT
ĐCĐT phải có khả năng cung cấp đủ công suất để đáp ứng hoạt động của xe ở chế độ tốc độ khơng đổi bình thường trên đường bằng phẳng hoặc trung bình mà khơng có sự trợ giúp của ắc quy. Đồng thời, ĐCĐT phải có khả năng sinh ra cơng suất trung bình lớn hơn cơng suất tải trung bình khi xe hoạt động ở kiểu dừng-đi.
Cũng như yêu cầu trong chế độ lái bình thường trên đường cao tốc ở tốc độ không đổi với cấp đường bằng phằng hoặc trung bình, cơng suất cần thiết trình bày như sau:
2 c , c 1 . . . . . . . . . 1000. 2 đ v r a D f v tđ V P M g f C A V M g i (kW) (1.28).
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
34
Hình 1.32: Cơng suất yêu cầu của ĐCĐT tại tốc độ không đổi trên đường bằng phẳng và đường có độ dốc 5% [6]
Hình 1.33: Cơng suất tức thời và cơng suất trung bình khi khơng phanh và phanh tái sinh hoàn toàn trên một vài chu trình thử thơng thường.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
35
Hình 1.32 biểu diễn cơng suất tải của một chiếc xe với khối lượng 1500 kg.
Công suất ĐCĐT được tính tốn trên đây được tính đề phù hợp với cơng suất trung bình yêu cầu trong khi lái ở kiều dừng-đi. Trong một chu trình vận hành, cơng suất tải trung bình của xe có thể được tính:
3 0 1 1 ( . . . . . . . . . ). 2 T tb v r a D f v dV P M g f V C A V M V dt T dt (1.29)
Cơng suất trung bình biến đổi theo mức độ phanh tái sinh. Trong trường hợp phanh tái sinh hoàn toàn, thu hồi tất cả năng lượng tiêu hao trong quá trình phanh và năng lượng trung bình được tính tốn bởi cơng thức (1.29). Tuy nhiên, khi xe khơng có q trình phanh tái sinh, cơng suất trung bình lớn hơn khi có q trình phanh tái sinh tồn bộ, nó có thể được tính tốn từ công thức (1.29), khi công suất tức thời nhỏ hơn 0 thì nó cho là bằng 0.
Hình 1.33 trình bày tốc độ xe, công suất tải tức thời và công suất trung bình với quá trình phanh tái sinh toàn bộ và khơng có q trình phanh tái sinh trong một số chu trình vận hành đặc trưng của chiếc xe trọng lượng 1500 kg.
Trong phần tính tốn cơng suất ĐCĐT, cơng suất trung bình mà động cơ có thể sinh ra phải lớn hơn cơng suất tải trung bình. Trong dẫn động hybrid song song, ĐCĐT được kết nối cơ khí tới các bánh xe, hơn nữa, tốc độ quay của động cơ biến đổi theo tốc độ của xe. Mặt khác, công suất động cơ khi bướm ga mở hồn tồn biến đổi theo tốc độ vịng quay động cơ. Do vậy, việc xác định công suất động cơ để phụ hợp với cơng suất trung bình trong một chu trình vận hành khơng phức tạp bằng hệ dẫn động hybrid nối tiếp, trong hệ dẫn động này hoạt động của ĐCĐT có thể được định trước. Cơng suất trung bình mà ĐCĐT có thể sinh ra khi bướm ga mở hồn tồn được tính tốn như sau:
,max c 0 1 ( ). T tb đ P P v dt T (1.30) Ở đây, T - là tổng thời gian trong chu trình vận hành;
Pđc – là công suất ĐCĐT khi bướm ga mở hồn tồn
Nhữngđiểm hoạt động hợp lí của ĐCĐT khi bướm ga mở hoàn toàn và cơng suất trung bình lớn nhất có thể đạt được trong một số chu trình vận hành đặc trưng trình bày như trong hình 1.34, trong hình minh họa đó, cơng suất lớn nhất của động cơ là 42kW và bộ truyền động là đơn cấp. So sánh các cơng suất trung bình có thể đạt được này với các cơng suất tải trung bình như trong hình
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
36
1.33, có thể kết luận rằng công suất ĐCĐT là đủ để cung cấp cho hoạt động của
xe trong những chu trình vận hành đặc trưng này.
Hình 1.34: Những điểm hoạt động lớn nhất có thể của ĐCĐT và cơng suất trung bình lớn nhất trong một vài chu trình thử [6]
b) Tính tốn cơng suất của mơ-tơ điện
Trong xe hybrid, chức năng chủ đạo của mô-tơ điện là cung cấp công suất cực đại tới bộ truyền động. Trong tính tốn cơng suất mơ-tơ, q trình thực hiện gia tốc và công suất tải cực đại trong các chu trình vận hành đặc trưng là những mối quan tâm chủ yếu.
Điều đó khó có thể tính tốn trực tiếp cơng suất mơ-tơ từ q trình gia tốc theo lý thuyết. Công suất dự trữ của mô-tơ cần thiết để làm cơ sở đánh giá tốt dựa trên yêu cầu gia tốc lý thuyết, và sau đó làm tính tốn cuối cùng thơng qua mơ phỏng chính xác. Theo điều kiện ban đầu, có thể giả thiết rằng tải trọng ở trạng thái dừng (cản lăn và ma sát khí động học) được đảm nhiệm bởi ĐCĐT và tải trọng động học (tải trọng quán tính khi gia tốc) được đảm nhận bởi mô-tơ điện. Với giả thiết này, gia tốc liên quan trực tiếp tới mô-men ra của mô-tơ điện cho bởi công thức:
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
37
(1.31)
Trong đó, Tm là mơ men của mơ tơ điện
δm là hệ số khối lượng kèm theo với mô-tơ điện.
Sử dụng các đặc tính ra của mơ-tơ điện như trình bày ở hình 1.31, và thời gian gia tốc lý thuyết ta, từ tốc độ 0 đến tốc độ cao cuối cùng Vf, , công suất định mức của mô-tơ điện được tính như sau:
2 2 , . ( ) 2. . m v m f b t m a M P V V t (1.32)
Cho một chiếc xe với khối lượng 1500 kg, tốc độ lớn nhất là 160 km/h, tốc độ cơ bản là 50 km/h, tốc độ gia tốc cuối là 100 km/h, thời gian gia tốc là ta = 10 s, Vblà vận tốc của xe tương đương với tốc độ cơ bản của mô-tơ điện (m/s), Vf là vận tốc cuối cùng của xe sau khi gia tốc (m/s) và δm = 1,04; công suất định mức của mô tơ điện là 74 kW thể hiện trong hình 1.35.
Điều phải chú ý là công suất mô-tơ đạt được như trên được yêu cầu hơi quá cao. Trên thực tế, ĐCĐT có chút cơng suất để giúp mô-tơ điện tăng tốc cho xe như trình bày trong hình1.32. Điều này cũng được trình bày trong hình 1.36, trong hình đó, tốc độ xe, cơng suất ĐCĐT khi bướm ga mở hồn tồn, cơng suất cản (cản lăn, ma sát khí động học, cơng suất mất trong bộn truyền động) và bộ truyền động bánh răng đơn được vẽ theo thời gian gia tốc. Cơng suất trung bình cịn lại của động cơ để tăng tốc cho xe có thể được tính như sau:
c, c 1 ( ). a i t đ tb đ c a i t P P P dt t t (1.33) Trong đó, Pđc và Pc lần lượt là công suất ĐCĐT và công suất cản.
Điều phải chú ý là công suất ĐCĐT truyền tới các bánh xe được kết hợp với bộ truyền động, đó là, số bánh răng và tỉ số truyền các bánh răng. Rõ ràng từ
hình 1.32, bộ truyền động bánh răng đa cấp sẽ tăng hiệu quả cơng suất cịn lại tới
các bánh xe, do vậy giảm công suất mô-tơ điện yêu cầu cho tăng tốc.
Sử dụng các số liệu về công suất ĐCĐT và các thông số của xe đã đề cập ở trên, cơng suất cịn lại của ĐCĐT như trình bày ở hình 1.36, đạt được là 17kW. Do vậy, công suất mtơ điện được yêu cầu cuối cùng là: 74–17 = 57 kW.
, , . . . . m t m t m m v T i dV M r dt
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
38
Hình 1.35: Lực kéo- tốc độ của một xe được kéo bởi mô-tơ điện [6]
Hình 1.36: Tốc độ, cơng suất và khoảng cách gia tốc của ĐCĐT với thời gian gia tốc [6]
Khi đó cơng suất định mức của ĐCĐT và mơ-tơ điện được tính tốn lúc đầu cần một sự tính tốn chính xác để thực hiện đánh giá hoạt động của xe, tốc độ lớn nhất chủ yếu, khả năng leo dốc, sự gia tốc. Tốc độ lớn nhất và khả năng leo dốc có thể đạt được từ đồ thị lực kéo và cản với tốc độ xe.
Đồ thị hình 1.37 là ví dụ trình bày kết quả tính tốn của một chiếc xe. Nó cho kết quả, xe ở 100 km/h có khả năng leo dốc là 4,6 % (2,65o) ở dạng chỉ có
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
cơ trong; 10,36 % ( 5,91o) mô-tơ ; 18,14 % (10,28o) ĐCĐT mô-tơ .
1.38 là trình gia cho xe.
cho kết quả, 10,7 s 167 m xe tăng 0 100 km/h.
c) Tính tốn
Với giả thiết mô-tơ điện cung cấp công suất cao và mô-men cao ở tốc độ thấp. Một hệ truyền động bánh răng đơn cấp giữa mô-tơ điện và bánh xe giúp tạo ra mơ-men có khả năng gia tốc và leo dốc tốt, thể hiện như hình 1.37. Tuy nhiên, với việc sử dụng hộp số đa cấp giữa động cơ và bánh xe sẽ tạo ra hiệu quả cao hơn.
Sử dụng hộp số đa cấp như hình 1.32 có thể làm tăng hiệu quả thu lại công suất động cơ do đó làm hồn thiện hơn đặc tính của xe (tăng tốc và leo dốc) mặt khác bộ ắc quy có thể được nạp với năng lượng cao từ động cơ. Vấn đề tiết kiệm nhiên liệu cho xe được thỏa mãn nhờ lựa chọn hộp số đa cấp để tạo ra tỷ số truyền thích hợp. Nó cho phép động cơ hoạt động trong vùng hoạt động tối ưu của nó. Cơng suất của động cơ được thu hồi nhanh chóng từ trạng thái nạp thấp tới cao.
Tuy nhiên hộp số đa cấp phức tạp, cồng kềnh, nặng hơp so với hộp số đơn cấp và vấn đề điều khiển chuyển đổi số phức tạp.
e) Tính tốn bộ ắc quy.
1.37: Biểu đồ lực kéo-tốc độ của xe với các khả năng leo dốc [6]
1.38 ện
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
40
Tính tốn bộ ắc quy chủ yếu bao gồm là tính tốn cơng suất và năng lượng dự trữ. Tính tốn cơng suất dữ trữ có phần đơn giản, cơng suất đầu ra của bộ ắc quy phải lớn hơn công suất đầu vào mô-tơ kéo.
m aq m P P (34)
Tính tốn năng lượng dự trữ của bộ ắc quy gắn liền với sự tiêu thụ năng lượng trong các kiểu vận hành khác nhau, ở chế độ tồn tải và các chu trình lái thơng thường. Trong suốt q trình gia tốc các nguồn năng lượng lấy từ động cơ và bộ lưu trữ được tính tốn để đáp ứng thời gian và khoảng cách gia tốc:
0 a t m aq m P E dt (35) c c 0 a t đ đ E P dt (36) c và aq đ
E E là năng lượng lấy từ bộ ắc quy và động cơ.
c
và
aq đ
P P là công suất lấy từ bộ ắc quy và động cơ.
Hình 1.39 cho thấy nguồn năng lượng lấy từ ắc quy và động cơ trong giai
đoạn gia tốc của xe. Tại tốc độ cuối 120km/h năng lượng lấy từ bộ ắc quy không quá 0,3kWh.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
41
Năng lượng dự trữ của ắc quy phải thỏa mãn yêu cầu trong điều kiện lái dừng- đi ở những chu trình lái thơng thường. Năng lượng của bộ ắc quy có thể được tính: 0 t aq dt aq n aq p E P P dt (1.37) à aq n aq p
P v P là năng lượng nạp và phóng của ắc quy.
Khi đưa ra một chiến lược điều khiển thì cơng suất nạp- phóng của ắc quy có thể thấy được qua mơ phỏng hệ dẫn động.
Hình 1.40 cho thấy kết quả mơ phỏng cho một xe trong một chu trình lái
đơ thị FTP75 với điều khiển trạng thái nạp cao nhất cho ắc quy. Có thể thấy rằng sự biến đổi năng lượng tối đa trong bộ lưu trữ khoảng 0.11kW, thấp hơn so với khi gia tốc toàn tải (0,3kWh). Tuy nhiên năng lượng tiêu thụ khi gia tốc toàn tải quyết định năng lượng dữ trữ của bộ ắc quy.
Trên thực tế không phải lúc nào tất cả năng lượng lưu trữ trong ắc quy cũng được sử dụng để cấp hoàn toàn cho hệ dẫn động. Trong trường hợp ắc quy được sử dụng như bộ lưu trữ năng lượng, trạng thái nạp thấp sẽ hạn chế công suất ra của chúng và cho hiệu quả nạp thấp ở cùng thời điểm.
Hình 1.40: Chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy trong chu trình thử đơ thị FTP75 [6]
f) Mơ phỏng
Khi tất cả các bộ phận chính được thiết kế, hệ thống dẫn động sẽ được mô phỏng bởi chương trình mơ phỏng. Mơ phỏng trong những chu trình lái cơ bản
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
42
có thể đưa ra nhiều thông tin hữu ích về hệ dẫn động như cơng suất động cơ, công suất mô-tơ điện, thay đổi năng lượng trong bộ lưu trữ, những điểm hoạt động của động cơ, những điểm hoạt động của mô-tơ điện, tiêu hao nhiên liệu…
Hình 1.40 cho thấy tốc độ xe, cơng suất động cơ và mô-tơ điện, thay đổi năng lượng trong bộ lưu trữ với thời gian lái như ví dụ một xe trong chu trình lái trong đơ thị FTP75. hình 1.41 và hình 1.42 cho thấy những điểm làm việc của động cơ và mô-tơ. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu của ví dụ đó là 4,66 lit/100km.
Hình 1.41: Các điểm hoạt động của động cơ trong chu trình thử đơ thị FTP75 với chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất cho ắc quy [6]
Hình 1.42: Các điểm hoạt động của mơ-tơ trong chu trình thử đơ thị FTP75 với chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất cho ắc quy [6]
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc Lớp: Động cơ-K51
43