Chiến lược phối hợp nguồn động lực

Trong đó 𝑀𝑟𝑎, 𝑛𝑟𝑎: mô men và tốc độ vòng quay trục ra của bộ kết hợp công

suất;

𝑀𝐷, 𝑛𝐷: mô men và tốc độ vòng quay của ĐCĐ truyền đến trục và bộ kết hợp

công suất;

35

𝑀𝑁, 𝑛𝑁: mô men và tốc độ vòng quay của ĐCĐT truyền đến trục và bộ kết hợp

công suất;

k1, k2: hệ số phụ thuộc đường kính vòng chia (hoặc số răng) của các bánh răng bộ kết hợp công suất.

Ta xét quan hệ mô men 𝑀𝐷

𝑘1 và 𝑀𝑁

𝑘2 theo tốc độ hai thành phần nguồn lực ĐCĐ và

ĐCĐT. Quan hệ𝑀𝐷

𝑘1 và 𝑀𝑁

𝑘2 theo tốc độ có nhiều dạng khác nhau của bộ kết hợp công

suất kiểu vi sai tốc độ ta hãy khảo sát đồ thị 𝑀𝐷

𝑘1 và 𝑀𝑁

𝑘2 theo tốc độ kiểu đơn giản nhất (đường 𝑀𝐷

𝑘1 và 𝑀𝑁

𝑘2 ở điểm cực đại của 𝑀𝑁

𝑘2) được thể hiện theo Hình 2.13 [13]: Nhận thấy có hai vùng làm việc:

• Khi 𝑛𝐷 và 𝑛𝑁 ≥ 𝑛0:

Dưới tác dụng của mô men cản từ bên ngoài, thì trục ra của bộ kết hợp công suất sẽ dễ dàng tìm đến một điểm làm việc ổn định A nào đó trên đồ thị (có thể gọi là

một chế độ dừng của cả hai nguồn động lực: ĐCĐ và ĐCĐT) đáp ứng sự cân bằng

của mô men cản và lúc này mô men trục ra tại A giá trị thỏa mãn biểu thức (2.4) tức

là: 𝑀𝑟𝑎𝐴 =𝑀𝐴𝐷

𝑘1 =𝑀𝐴𝑁 𝑘2

Tương ứng với tốc độ thỏa mãn biểu thức (2.3): 𝑛𝐴

𝑟𝑎= 𝑛𝐴

𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝐴 𝑁. 𝑘2

Vì vậy, đây là vùng làm việc ổn định của bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ.

• Khi nDvà nN < n0: Giá trị 𝑴𝑫

𝒌𝟏 lớn trong khi 𝑴𝑵

𝒌𝟐 nhỏ trục ra bộ kết hợp công suất không thể tìm đến được một điểm làm việc ổn định nào để có thể thỏa mãn tỉ lệ về mô men giữa hai nguồn động lực theo biểu thức (2.4) ở trên. Đây là vùng làm việc không ổn định của bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ. Ngoài ra ta còn nhận thấy rằng:

+ Ta xét khi nn < na:

Khi ta bắt đầu nhấn ga để làm chuyển động ô tô, ở thời điểm này tốc độ nra=

0, ĐCĐ phát ra mô men MD, thì ở trục vào bộ kết hợp công suất từ phía ĐCĐT vẫn

chưa tạo được mô men, do trong giai đoạn này nN chưa đạt đến tốc độ vòng quay na

= 0 (na = 0 là tốc độ vòng quay mà ĐCĐT bắt đầu truyền mô men đến trục vào bộ

kết hợp công suất thông qua ly hợp). Trong lúc đó, mô men cản (lúc ô tô bắt đầu chuyển động) của trục ra khá lớn, theo đặc tính của bộ vi sai, mô men từ mô tơ điện sẽ làm quay ngược bánh răng dẫn động từ nguồn ĐCĐT. Điều này có thể giải thích bằng biểu thức (2.3), do nra = 0 nên: 𝑛𝑟𝑎 = 𝑛𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝑁. 𝑘2 = 0

Vậy: 𝑛𝐷. 𝑘1= −𝑛𝑁. 𝑘2 (Đây là điều bất hợp lý cần phải tránh) + Ta xét tiếp khi na nNn0:

36 Lúc này do 1 D M k lớn so với 2 N M

k , MD có khuynh hướng giảm xuống để có thể

đảm bảo tỉ lệ mô men giữa hai nguồn theo biểu thức (2.4). Theo đồ thị Hình 2.13, để

D

M giảm xuống thì nDphải tăng lên, nhưng để đảm bảo biểu thức (2.3), trong lúc nra

chưa thay đổi thì nN phải giảm xuống, vì vậy ĐCĐT bị cưỡng bức chuyển về trạng

thái làm việc không ổn định. Đây cũng là điều mà ta cần phải tránh.

Vì thế, ta phải tìm cách giải quyết để bộ kết hợp công suất có thể làm việc ổn định ở phạm vi tốc độ khi nD và nN ≤ n0.

Các phương pháp để bộ kết hợp làm việc ổn định:

• Phương pháp kỹ thuật số:

ĐCĐT và trục ra của bộ kết hợp công suất. ĐCĐT được thiết kế chỉ hoạt động ở vùng có hiệu suất cao nhất và bộ xử lý trung tâm sẽ điều khiển ĐCĐ để luôn cung cấp một mô men thỏa mãn biểu thức:

𝑀𝐷

𝑘1 = 𝑀𝑟𝑎 =𝑀𝑁

𝑘2 (2.5)

Với phương pháp này chân ga của xe sẽ không tác dụng trực tiếp vào bướm ga, mà chân ga chỉ có chức năng đưa tín hiệu vào bộ xử lý trung tâm, sau khi nhận và xử lý thông tin, bộ xử lý thông tin sẽ đưa ra các tín hiệu để điều khiển ĐCĐ và ĐCĐT [10,26,30].

• Phương pháp dùng khớp nối một chiều:

Theo phân tích ở trên:

- Trong vùng hoạt động ổn định: khi nD và nn > n0, nN > nD;

- Trong vùng hoạt động không ổn định: khi nDvà nN<n0. Lúc nn < na và na < nN < n0;

- nN đều có khuynh hướng bị giảm xuống tạo nên tình trạng mất ổn định của

ĐCĐT (trong vùng này nN < nD).

Như vậy, việc cần làm là không để xảy ra tình trạng nNbị giảm xuống, tức là

phải cưỡng bức tốc độ nN theo nD, điều này có thể được giải quyết bằng cách bố trí thêm khớp một chiều (được lắp đặt để nối trục ĐCĐ với bánh răng dẫn động từ ĐCĐT). ĐCĐ và ĐCĐT sẽ phối hợp với nhau theo hai giai đoạn:

- Khi nD và nN < n0:

Khớp một chiều sẽ làm việc, nối cứng tốc độ hai nguồn động lực (có tác dụng hoàn toàn giống như bộ kết hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ). Khi đó:

{𝑛𝑟𝑎 = 𝑛𝐷 = 𝑛𝑁

𝑀𝑟𝑎 = 𝑀𝐷+ 𝑀𝑁 (2.6)

- Khi nD và nN > n0:

Khi khớp một chiều sẽ không còn làm việc, hộp vi sai sẽ phát huy tác dụng kết hợp theo kiểu vi sai tốc độ hai nguồn động lực. Lúc này:

37 { 𝑛𝑟𝑎 = 𝑛𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝑁. 𝑘2 𝑀𝑟𝑎 =𝑀𝐷 𝑘1 =𝑀𝑁 𝑘2 (2.7)

Với phương pháp này, chân ga của xe sẽ cùng một lúc điều khiển việc dẫn động trực tiếp bướm ga ĐCĐT và bộ điều khiển tốc độ ĐCĐ. Ta nhận thấy, phương pháp kỹ thuật số là rất hiệu quả trong việc phối hợp hai nguồn động lực nhưng lại rất phức tạp trong việc thiết kế, chế tạo, đặc biệt là phải có đường đặc tính ngoài và các đường đặc tính bộ phận mô men – tốc độ của ĐCĐ và ĐCĐT. Phương pháp dùng khớp một chiều đơn giản về kết cấu nhưng vẫn bảo đảm giải quyết trở ngại khi bộ kết hợp công suất làm việc trong vùng nD và nN < n0, vì thế NCS chọn phương pháp bố trí thêm một khớp một chiều để nối trục ĐCĐ với bánh răng dẫn động của ĐCĐT. Thực tế là khi lắp thêm khớp một chiều vào bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, kể từ lúc khởi động ô tô, khớp một chiều sẽ bắt đầu làm việc, nối cứng hai nguồn động lực. Sự làm việc này của khớp một chiều sẽ luôn xảy ra (do nN < nD) và chỉ bắt đầu chấm dứt ngay khi nD và nN vừa đủ lớn hơn n0 (tức là khi nN> nD). Lúc này, bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ đã có đủ điều kiện để tìm đến một điểm làm việc ổn định khác thoản mãn biểu thức (2.3) và (2.4), có thể biểu diễn bằng điểm B trên đồ thị Hình 2.13 (điểm B là điểm có nD và nN vừa đủ lớn hơn n0) mà ở đó:

{𝑀𝑟𝑎 𝐵 =𝑀𝐵𝐷 𝑘1 =𝑀𝐵𝑁 𝑘2 𝑛𝐵 𝑟𝑎 = 𝑛𝐵 𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝐵 𝑁. 𝑘2 (2.8)

Dễ dàng thấy trên đồ thị Hình 2.13 là tại điểm B khớp một chiều đã không còn làm việc, bộ kết hợp công suất kiểu vi sai bắt đầu phát huy tác dụng, kết hợp vi sai tốc độ độc lập của hai nguồn ĐCĐ và ĐCĐT. Tùy theo giá trị của mô men cản, bộ kết hợp sẽ tìm đến các điểm làm việc tương tự như điểm B, tức thỏa mãn biểu thức về quan hệ mô men và tốc độ giữa các trục ra và các trục vào (biểu thức 2.3 và 2.4). Trên đồ thị mô men – tốc độ (ứng với một chế độ tải nào đó của ĐCĐ và ĐCĐT), điểm O là điểm kết thúc quá trình làm việc của khớp một chiều và là điểm bắt đầu quá trình phát huy tác dụng của hộp vi sai, bộ kết hợp công suất. Trong các trường hợp khác, khi đồ thị 𝑀𝐷

𝑘1 và 𝑀𝑁

𝑘2 theo tốc độ không thuộc dạng như đã mô tả ở Hình 2.13

(tức là khi đường 𝑀𝐷

𝑘1 cắt 𝑀𝑁

𝑘2 trước và sau cực đại của 𝑀𝑁 𝑘2):

- Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ cũng sẽ có 2 vùng làm việc ổn định

và không ổn định giống như trường hợp đồ thị Hình 2.13, ngoài ra sẽ tồn tại thêm một vùng đệm trung gian giữa hai vùng nói trên.

- Khi bố trí thêm khớp một chiều, thì khớp một chiều sẽ vẫn có tác dụng khắc

phục được vùng làm việc ổn định như trường hợp đồ thị Hình 2.13. Chỉ khác là điểm kết thúc quá trình làm việc của khớp một chiều là bắt đầu quá trình phát huy tác dụng

của hộp vi sai thường không nằm tại điểm O (điểm giao nhau của hai đường 𝑀𝐷

𝑘1và

𝑀𝐷

𝑘2) như đối với Hình 2.13, mà sẽ là tập hợp những điểm khác nằm trong vùng đệm.

Tuy nhiên, việc phân tích vùng đệm này rất phức tạp, chưa có điều kiện để đi sâu nghiên cứu.

38

Như vậy, khi sử dụng bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, ứng với các dạng đồ thị 𝑀𝐷

𝑘1 và 𝑀𝑁

𝑘2 theo tốc độ khác nhau đều tồn tại vùng làm việc không ổn định và

chúng ta có thể sử dụng khớp một chiều để khắc phục vùng làm việc không ổn định này.

Khi bố trí thêm khớp một chiều vào bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ ta cũng có thể xem đây là một biến thể khác của bộ kết hợp kiểu hỗn hợp, trong đó ly hợp được thay bằng khớp một chiều hay còn gọi là ly hợp một chiều (One Way Clutch). Như vậy bộ kết hợp công suất thiết kế tuy có kết cấu đơn giản nhưng vẫn có được ưu điểm của bộ kết hợp công suất kiểu hỗn hợp. Ở tốc độ thấp, khớp một chiều làm việc nối cứng 2 nguồn động lực, mô men kéo có giá trị lớn, xe có khả năng leo dốc và tăng tốc cao. Ở tốc độ lớn hơn sau đó, khớp một chiều không còn làm việc, hộp vi sai phát huy tác dụng, kết hợp linh hoạt tốc độ độc lập của ĐCĐ và ĐCĐT cho phép xe chuyển động với tốc cao.

Khớp một chiều có nhiều loại khác nhau, nhưng để đơn giản NCS sử dụng loại khớp kiểu bi trụ là loại khớp một chiều rất phổ biến trong thực tế.

Tóm lại, qua phân tích, NCS đã chọn được bộ kết hợp công suất thiết kế theo kiểu vi sai tốc độ kết hợp có bố trí thêm khớp một chiều.

2.2.2.3 Cơ sở tính toán thiết kế bộ truyền đai

Trong hệ phối hợp hybrid kiểu hỗn hợp, ngoài việc sử dụng ly hợp hay khớp một chiều để kết nối công suất, thì với trường hợp các nguồn động lực không đồng trục thì có thể dùng bộ truyền đai để kết nối. Khi đó truyền động đai được sử dụng để truyền chuyển động và mô men xoắn giữa các trục xa nhau. Đai được mắc vòng qua hai bánh đai với lực căng ban đầu Fo, nhờ đó có thể tạo ra lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa đai và bánh đai và nhờ lực ma sát mà tải trọng được truyền đi [30,31].

Thiết kế truyền đai gồm các bước: Chọn loại đai, tiết diện đai; xác định các kích thước và thông số bộ truyền; xác định các thông số của đai theo chỉ tiêu về khả năng kéo của đai và về tuổi thọ; xác định lực căng đai và lực tác dụng trên trục.

Theo tiết diện đai ta có thể phân loại thành: đai dẹt (tiết diện chữ nhật), đai hình thang, đai hình lược và đai răng.

2.2.3 Cơ sở tính toán các nguồn động lực xe hybrid

2.2.3.1 Sơ đồ thiết kế hệ động lực

a. Các quy định ban hành về tốc độ và điều kiện làm việc của xe

Việc tính toán hệ động lực xe hybrid bao gồm: tính năng kỹ thuật của xe, kích thước và khối lượng của các thành phần cấu thành hệ động lực, đặc điểm đường xá, thói quen lái xe, sở thích của người dùng, giá thành,... Tính năng động lực học của xe được chọn làm điều kiện ràng buộc trong bài toán tối ưu hóa đặt ra ở trên vì nó có quan hệ mật thiết tới mục tiêu tối ưu hóa về phương diện kỹ thuật. Đặc điểm đường

39

xá và thói quen lái xe ở Việt Nam sẽ được tính đến trong các tiêu chí về tính năng động lực học của xe và trong chu trình vận hành do các cơ quan hoặc tổ chức của Việt Nam ban hành. Ngoài ra, thói quen lái xe ở Việt Nam cũng được tính đến là một phần trong thành phần chiến lược điều khiển của mô hình khi thiết kế. Các điều kiện ràng buộc khác có thể được xem xét đến trong tính toán với các nguồn động lực xe hybrid.

Các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học của xe cơ giới do một quốc gia, một nhóm các quốc gia hoặc các tổ chức liên quan quy định. Chương trình hợp tác giữa chính phủ Hoa Kỳ và các hãng chế tạo ô tô hàng đầu trên thế giới về nghiên cứu phát triển các thế hệ mới xe cơ giới có tên Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV) đã xây dựng các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học của xe cơ giới được giới thiệu trong Bảng 2.1.

Ở Việt Nam hiện nay chưa có quy chuẩn riêng quy định thống nhất các chỉ tiêu về tính năng động lực học áp dụng cho từng loại xe cơ giới như xe hybrid. Tuy nhiên, có thể xác định một cách gián tiếp ba tiêu chí cơ bản nhất đánh giá tính năng động lực học của xe cơ giới được thể hiện trong các văn bản do cơ quan có thẩm quyền ở Việt Nam ban hành là vận tốc tối đa, khả năng leo dốc của xe và thời gian tăng tốc từ khi khởi hành cho đến khi xe chạy được 200m.

Bảng 2.2 Vận tốc thiết kế của các cấp đường theo tiêu chuẩn TCVN 4054: 2005 [32]

Cấp thiết kế I II III IV V VI Địa hình Đồng bằng Đồng bằng Đồng bằng Núi Đồng bằng Núi Đồng bằng Núi Đồng bằng Núi Tốc độ thiết kế, Vtk (km/h) 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20

Vận tốc tối đa của xe cơ giới lưu thông ở Việt Nam được quy định trong luật giao thông đường bộ và theo loại đường giao thông, thể hiện trong Bảng 2.2 và theo độ dốc tối đa cho phép đối với đường giao thông trong Bảng 2.3.

Bảng 2.1 Các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học của xe cơ giới theo PNGV [47]

Tiêu chí Yêu cầu

Thời gian tăng tốc

Thời gian tăng tốc từ 0 đến 96,6 km/h ≤ 12 s Thời gian tăng tốc từ 64,4 đến 96,6 km/h ≤ 5,3 s Thời gian tăng tốc từ 0 đến 136,8 km/h ≤ 23,4 s Khả năng leo dốc Leo được dốc có độ dốc 6,5 % với tốc độ 88,5 km/h và mang theo khối lượng 272 kg trong 20 phút Vận tốc tối đa ≥ 137 km/h

Gia tốc tối đa ≥ 5 m/s2 Quãng đường tăng tốc trong 5 s ≥ 42,7 m

40

Bảng 2.3 Độ dốc lớn nhất của đường theo tiêu chuẩn TCVN 4054: 2005[32]

Cấp thiết kế I II III IV V VI Địa hình Đồng bằng Đồng bằng Đồng bằng đồi Núi Đồng bằng, đồi Núi Đồng bằng, đồi Núi Đồng bằng đồi Núi Độ dốc lớn nhất 3 4 5 7 6 8 7 10 9 11 b. Thiết kế hệ động lực hybrid

Ngoài việc đáp ứng được các quy định về động học và điều kiện hoạt động của xe như trình bày ở trên, đối với hệ động lực hybrid cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Bộ phối hợp các nguồn động lực phải đảm bảo hoạt động ổn định, tin cậy,

kết hợp dễ dàng hai nguồn động lực ĐCĐ và ĐCĐT.

- Trong quá trình làm việc, khi ở tốc độ thấp, nguồn động lực từ ĐCĐ hoạt

động chính, ở dải tốc độ trung bình của xe thì ĐCĐT hoạt động, còn khi tăng tốc hoặc