Xe hybrid sử dụng 2 nguồn động lực, gồm ĐCĐT và ĐCĐ, trong đó ĐCĐT là nguồn động lực chính còn ĐCĐ là nguồn động lực phụ trợ. Vì vậy trong tính toán thiết kế chọn nguồn động lực và chiến lược sử dụng nguồn động lực trên xe hybrid phải đảm bảo ĐCĐT luôn làm việc trong vùng có suất tiêu hao nhiên liệu kinh tế nhất và có hiệu suất cao bởi đây là một trong các yếu tố quan trọng quyết định tăng hiệu suất của hệ động lực xe hybrid so với xe truyền thống, ví dụ như đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ĐCĐT thể hiện trên Hình 2.1. Với các giá trị thể hiện trên Hình 2.1 cho thấy, ĐCĐT sẽ làm việc kinh tế nhất với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 250 g/kWh, tương đương với hiệu suất đạt 34,3%.
Hình 2.1. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong (động cơ xăng) [10,62]
Trong quá trình vận hành xe thực tế, thời lượng sử dụng phanh xe sẽ khá nhiều để đảm bảo an toàn trong điều kiện vận hành thực, như vậy phần năng lượng phanh sẽ bị lãng phí. Tuy nhiên đối với xe hybrid, một phần năng lượng phanh xe có thể được tận dụng thông qua phanh tái sinh để thực hiện chuyển hóa từ cơ năng sang điện
27
năng nạp cho ắc quy. Đây được coi là một trong những ưu điểm của xe hybrid so với xe truyền thống trong việc tăng hiệu suất của xe. Do vậy, tính toán phanh tái sinh cần phải được thực hiện trong quá trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid.
Điều kiện giao thông trong nội đô và ngoại thành cùng với các quy định về thiết kế xe như: tốc độ tối đa; khả năng leo dốc; gia tốc xe, được coi là một trong những thông số quan trọng để thực hiện tính toán thiết kế các nguồn động lực và chiến lược sử dụng nguồn động lực trên xe hybrid.
Do điều kiện và nhu cầu sử dụng, nên tốc độ xe thay đổi, vì vậy công suất do nguồn động lực xe cung cấp cũng phải thường xuyên thay đổi. Thông thường trong thiết kế chiến lược sử dụng nguồn động lực xe hybrid, thì ở chế độ khởi động, không tải và ở dải tốc độ thấp chỉ có ĐCĐ làm việc, còn khi xe đạt tốc độ giới hạn cho phép ĐCĐT làm việc ở vùng kinh tế thì chỉ có ĐCĐT làm việc. Trong trường hợp xe cần công suất lớn, khi đó cả ĐCĐT và ĐCĐ cùng làm việc [13]. Để đảm bảo việc đóng ngắt và phối hợp ĐCĐT với ĐCĐ theo đúng chiến lược sử dụng nguồn động lực, thì hệ phối hợp các nguồn động lực đóng vai trò rất quan trọng và thậm chí được coi như là chìa khóa công nghệ quyết định hiệu suất và hiệu quả của xe hybrid. Do vậy việc tính toán thiết kế bộ phối hợp cần phải được thiết kế sao cho đảm bảo các yêu cầu về đóng ngắt và phối hợp các nguồn động lực theo đúng chiến lược điều khiển, tổn thất cơ giới thấp, công nghệ không quá phức tạp để đảm bảo tính khả thi trong quá trình triển khai chế tạo.
2.1.2 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid
Quá trình nghiên cứu phối hợp hiệu quả nguồn động lực hybrid đòi hỏi cần có một sơ đồ quy trình thực hiện rõ ràng và mạch lạc. Sơ đồ phải bao gồm các bước thực hiện cũng như đưa ra các tiêu chuẩn để đánh giá các kết quả thu được. Qua đó ta sẽ hình thành cơ sở, định hướng để thực hiện luận án cũng như để làm tài liệu cho các công trình khoa học sau này. Từ các vấn đề trên, NCS tiến hành xây dựng sơ đồ quy trình thực hiện luận án như Hình 2.2.
Như thể hiện trên Hình 2.2, cho thấy, việc tiến hành bao gồm 9 bước được xây dựng dưới dạng sơ đồ tư duy dạng khối, các bước thực hiện được diễn giải như sau:
- Bước 1: Xác định quan điểm thiết kế, đã có rất nhiều quan điểm thiết kế cho
xe hybrid của các hãng xe và các nhà nghiên cứu khác nhau, nhưng trong luận án này NCS chọn quan điểm thiết kế lấy ĐCĐT là nguồn động lực chính, ĐCĐ là nguồn động lực phụ trợ vì trong điều kiện vận hành có vận tốc và mô men thay đổi liên tục như trong thành phố, cần có ĐCĐT làm nguồn động lực chính để có thể đáp ứng được mọi nhu cầu của người sử dụng.
- Bước 2: Tiến hành lựa chọn phương pháp để phối hợp công suất của các
nguồn động lực từ các phương pháp đã được sử dụng trong thực tế và các nghiên cứu khoa học.
28
- Bước 3: Thiết kế, tính toán hệ thống phối hợp các nguồn động lực trên xe
hybrid.
- Bước 4: Song song với việc thiết kế hệ thống phối hợp ở bước 3 là việc xây
dựng chiến lược sử dụng và quản lý các nguồn động lực.
- Bước 5: Tính toán các thông số đặc trưng, xây dựng các đường đặc tính của
các nguồn động lực là ĐCĐ và ĐCĐT.
- Bước 6: Đưa các thông số đã tính toán, chọn lựa vào phần mềm AVL-Cruise
để tiến hành mô phỏng và đưa ra kết quả mô phỏng.
- Bước 7: Đánh giá kết quả chạy mô phỏng của phần mềm AVL-Cruise sử
dụng các điều kiện về suất tiêu hao nhiên liệu và lượng phát thải của ĐCĐT. Nếu thỏa mãn thì sẽ chuyển sang bước kế tiếp, còn nếu không thỏa mãn thì phải quay lại bước 3 và bước 4.
- Bước 8: Nếu thỏa mãn điều kiện ở bước 7 thì sẽ đến bước chế tạo sản phẩm
theo thông số mô phỏng và đã tinh chỉnh của phần mềm AVL-Cruise.
- Bước 9: Cuối cùng là đưa sản phẩm đi thử nghiệm và lấy các thông số thử
nghiệm để kiểm nghiệm lại mô hình mô phỏng của phần mềm AVL-Cruise.
29
2.2. Cơ sở tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid
2.2.1 Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid
Với các ưu điểm vượt trội cả về tính kinh tế và hiệu quả nên hiện nay phương pháp phối hợp kiểu hỗn hợp đang được nghiên cứu và áp dụng phổ biến trên các xe hybrid thương mại hóa [9,10,29,63]. Vì vậy, trong khuôn khổ nghiên cứu này, NCS sẽ chỉ tập trung đến phương pháp phối hợp kiểu hỗn hợp.
Thông thường một hệ động lực hybrid kiểu hỗn hợp sẽ gồm các nguồn động lực: 01 ĐCĐT; 01 ĐCĐ; 01 máy phát, các nguồn động lực được liên kết với nhau thông qua 1 hoặc nhiều liên kết cơ khí, liên kết điện hoặc các thiết bị khác, như thể hiện trên Hình 1.11 (Chương 1). Trong quá trình xe hoạt động, hệ phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp phải luôn đảm bảo thực hiện được các chế độ ứng với các trường hợp sau:
a)Trường hợp chỉ có ĐCĐ làm việc
Khi xe chạy với tốc độ thấp và có công suất nhỏ hơn công suất ĐCĐT thì ĐCĐT không làm việc, ly hợp mở. Trong Hình 2.3 xe được đẩy nhờ ĐCĐ lấy năng lượng điện từ ắc quy truyền tới bánh xe. Trường hợp này phù hợp khi xe chạy trong thành phố.
b) Trường hợp cả ĐCĐT nạp điện cho ắc quy và ĐCĐ làm việc
Từ Hình 2.4 ta thấy trong trường hợp này ĐCĐT làm việc ở miền tiêu thụ nhiên liệu ít nhất và mô men lớn nhất. Máy phát điện được dẫn động từ ĐCĐT nạp điện cho
Hình 2.3. Chỉ có ĐCĐ làm việc
30
ắc quy khi điện áp ắc quy thấp hơn điện áp cho phép. Lúc này ly hợp mở, đồng thời ĐCĐ lấy năng lượng điện từ ắc quy hoặc máy phát để thực hiện truyền công suất tới bánh xe.
c) Trường hợp chỉ có ĐCĐT làm việc
Trường hợp này tốc độ và công suất xe yêu cầu lớn hơn tốc độ cho phép chạy trong
đường thành phố khi đó ĐCĐ được ngắt, ly hợp đóng và xe được đẩy đi nhờ ĐCĐT theo Hình 2.5. Chế độ này còn được sử dụng khi tình trạng nạp của ắc quy ở mức cao.
d) Trường hợp ĐCĐT và ĐCĐ làm việc
Khi công suất xe yêu cầu lớn hơn công suất ĐCĐT hoặc khi leo dốc, lúc này ly hợp đóng, cả hai nguồn động lực ĐCĐT và ĐCĐ cùng truyền năng lượng tới bánh xe, như thể hiện trên Hình 2.6.
e) Trường hợp phanh tái sinh
Hình 2.5. Chỉ có ĐCĐT làm việc
Hình 2.6. Cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc
31
Khi xe thực hiện chuyển động xuống dốc hoặc phanh xe, ly hợp mở bộ điều khiển sẽ điều khiển để ĐCĐ có chức năng hoạt động như một máy phát hấp thụ năng lượng phanh để thành năng lượng điện, như thể hiện trên Hình 2.7.
2.2.2 Cơ sở xác định kết cấu bộ phối hợp các nguồn động lực xe hybrid
Trong quá trình xe hoạt động, việc đóng ngắt các kết nối và phối hợp hai nguồn động lực diễn ra liên tục. Trong đó, việc phối hợp nguồn động lực ĐCĐT với ĐCĐ được coi là phức tạp nhất, quyết định hiệu suất và hiệu quả của cả hệ động lực. Do vậy trong quá trình tính toán thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực cần phải tính toán đưa ra kết cấu bộ phối hợp công suất ĐCĐT và ĐCĐ.
2.2.2.1 Hệ phối hợp kiểu kết nối mô men và tốc độ a. Hệ phối hợp kiểu kết nối mô men [10]
Kết nối mô men phối hợp mô men xoắn từ ĐCĐT và ĐCĐ hoặc chia mô men động cơ thành hai phần sinh công đẩy xe và dùng để nạp ắc quy. Dựa trên Hình 2.8 cho thấy một khớp nối mô men cơ khí có hai đầu vào, một từ ĐCĐT và một từ ĐCĐ. Đầu ra của khớp nối cơ khí này được kết nối với hộp số cơ khí.
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ giới thì mô men xoắn đầu ra và tốc độ đầu ra có thể được diễn tả bằng biểu thức
Hình 2.8 Khớp nối mô men
32 1 1 2 2 1 2 1 2 out in in in in out M k M k M k k = + = = (2.1)
Trong đó k1 và k2 là hằng số được xác định bởi các thông số của bộ kết nối mô men. Một hệ phối hợp kiểu khớp nối mô men có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau như ví dụ trên Hình 2.9 chia thành hai dạng thiết kế chủ yếu là thiết kế hai trục và một trục. Ở mỗi dạng kết cấu, bộ truyền có thể được đặt ở các vị trí khác nhau và sử dụng các dạng bánh răng khác nhau, dẫn đến các đặc tính về lực kéo khác nhau. Để đưa ra một thiết kế tối ưu cần dựa trên các yêu cầu về lực kéo, kích thước động cơ và đặc tính động cơ, kích thước động cơ và đặc tính động cơ,...
b. Hệ phối hợp kiểu kết nối tốc độ [10]
Công suất từ ĐCĐT và ĐCĐ có thể được kết nối cùng nhau hệ phối hợp nối theo tốc độ của chúng, như trình bày ở Hình 2.10. Các đặc tính của khớp nối tốc độ có thể được diễn tả bởi:
1 1 2 2 1 2 1 2 out in in in in out k k M M M k k = + = = (2.2)
Trong đó k1 và k2 là các hằng số ảnh hưởng bởi thiết kế thực tế.
Trên Hình 2.11 là một số cơ cấu cơ khí sử dụng kiểu phối hợp này.
Hình 2.10 Khớp nối tốc độ
33
c. Hệ phối hợp công suất kiểu hỗn hợp
Bằng cách kết hợp hai kiểu phối hợp công suất theo mô men xoắn và khớp nối tốc độ với nhau, có thể tạo thành một hệ truyền động hybrid trong đó các trạng thái khớp nối tốc độ hay mô men xoắn có thể chuyển đổi qua lại. Hình 2.12 thể hiện một ví dụ về kiểu phối hợp này. Khi chế độ khớp nối mô men xoắn hoạt động, khóa 2 cố định bánh răng bao vào khung xe, khi đó ly hợp 1 và 3 mở và ly hợp 2 ngắt. Công suất của ĐCĐT và ĐCĐ được cộng lại với nhau bằng cách cộng mô men của chúng với nhau và sau đó được chuyển đến các bánh xe dẫn động. Trong trường hợp này, mô men xoắn của ĐCĐT và ĐCĐ được tách rời, nhưng giữa tốc độ của chúng có mối quan hệ cố định. Khi chế độ khớp nối tốc độ làm việc, ly hợp 1 mở, trong khi ly hợp 2 và 3 ngắt, khóa 1 và 2 nhả bánh răng mặt trời và bánh răng bao. Tốc độ của cần dẫn kết nối với các bánh xe là sự kết hợp giữa tốc độ ĐCĐT và ĐCĐ.
2.2.2.2 Xác định kiểu phối hợp công suất
- Lựa chọn kiểu phối hợp công suất:
+ Phối hợp công suất kiểu mô men cho phép biến đổi linh hoạt tốc độ lẫn
mô men 2 nguồn động lực nhưng rất phức tạp về mặt kết cấu lẫn tính toán động lực học;
+ Phối hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ có kết cấu rất đơn giản nhưng không thể kết hợp linh hoạt tốc độ hai nguồn động lực, lại có sự mất mát công suất lớn khi hai nguồn động lực không có sự đồng bộ về dải tốc độ làm việc;
34
+ Phối hợp công suất kiểu hỗn hợp (nối cứng và vi sai tốc độ) có được ưu
điểm của cả hai kiểu kết hợp công suất loại nối cứng và kiểu vi sai tốc độ, nhưng lại rất phức tạp về mặt kết cấu lẫn việc điều khiển.
Do tồn tại các nhược điểm nói trên nên NCS không sử dụng 3 kiểu kết hợp công suất đã nêu trên, ở đây NCS chọn kết hợp công suất theo kiểu vi sai tốc độ vì đây là bộ truyền cơ khí có kết cấu không phức tạp và có thể đảm bảo sự kết hợp linh hoạt tốc độ của hai nguồn động lực. Để kết hợp công suất theo kiểu vi sai tốc độ một cách hiệu quả, ta phải hạn chế mặt còn tồn tại của bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ là tình trạng làm việc không ổn định ở phạm vi tốc độ không có sự thỏa mãn biểu thức về tỷ lệ mô men giữa hai nguồn động lực [10, 13].
Như thể hiện trên Hình 2.10, khi sử dụng bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, thì công suất được tính theo các biểu thức (2.3) và (2.4) [10] trong đó, nguồn A là ĐCĐ và nguồn B là ĐCĐT:
𝑛𝑟𝑎 = 𝑛𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝑁. 𝑘2 (2.3) 𝑀𝑟𝑎 =𝑀𝐷
𝑘1 =𝑀𝑁
𝑘2 (2.4)
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