Để phát huy những ưu điểm và hạn chế nhược điểm, cũng như áp dụng các công nghệ phối hợp nguồn động lực giữa ĐCĐT và ĐCĐ cũng như những chiến lược sử dụng các nguồn năng lượng cho xe hybrid, nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được tiến hành. Trong thời gian qua có nhiều hãng sản xuất ô tô và các nhà nghiên cứu trên thế giới đã đầu tư nhiều thời gian và công sức cho việc nghiên cứu để đưa ra
17
những giải pháp tối ưu cho công nghệ hybrid và đã đạt được những thành công nhất định. Trong đó, có một số nghiên cứu có tính chất điển hình được trình bày sau đây.
Nhóm nghiên cứu gồm Saurabh Mahapatra và các cộng sự đã đưa ra cơ sở thiết kế và các yêu cầu cơ bản của các kiểu xe hybrid [17]. Nhóm nghiên cứu đã đưa ra quy trình thiết kế nguồn động lực hybrid dựa trên nền tảng Matlab Simulink. Nghiên cứu đưa ra các yêu cầu thông số đầu vào cho bài toán mô phỏng hệ động lực hybrid bao gồm các mô hình như hệ thống phân phối động lực, cơ cấu truyền động, ĐCĐT, ắc quy, ĐCĐ và các thông số chung của xe hybrid. Chiến lược điều khiển phối hợp nguồn động lực hybrid đã được đưa ra để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của phương tiện.
Hình 1.13 thể hiện sơ đồ hệ thống động lực hybrid kiểu song song đưa ra bởi nhóm tác giả.
Nhóm nghiên cứu gồm Feng Wang, Xiaojian Mao và Bin Zhuo đã thực hiện công trình nghiên cứu tích hợp ly hợp điện điều khiển phân phối mô men trên xe bus Hybrid [18]. Nghiên cứu này đưa ra một phương pháp ngắt nối ĐCĐT với bộ truyền
Hình 1.13 Mô hình hybrid hỗn hợp đưa ra bởi Saurabh Mahapatra
18
lực và ĐCĐ thông qua một bộ ly hợp được điều khiển đóng ngắt bằng điện. Sơ đồ hệ thống ly hợp điều khiển điện tử được thể hiện trên Hình 1.14.
Hệ thống này sẽ giúp ĐCĐT có thể được ngắt và kết nối tức thì với hệ truyền động, nhờ đó ĐCĐT luôn hoạt động ở chế độ tối ưu .
Năm 2004, nhóm nghiên cứu của K.David Huang và các cộng sự đã nghiên cứu xây dựng một hệ dẫn động Hybrid song song mới như Hình 1.15 [19]. Hệ thống này bao gồm hai phần chính, một thiết bị phân bố năng lượng ĐCĐT và một bộ kết hợp năng lượng của ĐCĐ và ĐCĐT. Bộ phận phân bố năng lượng đảm bảo ĐCĐT có thể hoạt động liên tục ở chế độ tối ưu, hiệu suất nhiệt là lớn nhất và mức phát thải độc hại nhỏ nhất. Trong khi đó, ĐCĐ có nhiệm vụ bổ sung thêm năng lượng khi công suất của ĐCĐT không đáp ứng đủ chế độ tải yêu cầu. Đặc biệt, nhóm nghiên cứu đã thiết kế bộ vi sai gồm ba bánh răng côn xoắn để tích hợp mô men xoắn. Nhờ thiết kế này mà năng lượng của ĐCĐT và ĐCĐ có thể tách riêng biệt hoặc kết hợp lại với nhau. Đến năm 2020, nhóm nghiên cứu của K.David Huang tiếp tục phát triển thêm một hệ thống phối hợp kiểu song song có sử dụng bộ bánh răng hành tinh dùng trên xe hybrid vận hành trong điều kiện thành phố. Hệ thống được thiết kế bao gồm một ĐCĐT, ĐCĐ và một máy phát điện. Hệ thống này sẽ phát huy được ưu điểm đặc tính mô men của ĐCĐ và luôn đảm bảo duy trì cho ĐCĐT được hoạt động ở vùng làm việc tối ưu khi tải ngoài thay đổi [20].
Yuan-Yong Hsu và cộng sự [21] đã cải tiến xe máy thông thường thành xe máy hybrid kiểu song song. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hệ thống phối hợp nguồn năng lượng trên xe. Sơ đồ hệ thống phối hợp nguồn động lực và xe máy hybrid
Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống hybrid loại song song kiểu mới [19]
Trục ra công suất Khớp 1 chiều
Bánh răng côn xoắn
Bánh răng côn xoắn Bánh răng côn xoắn Puly
Puley căng đai
Đai Đai Puly Khớp một chiều PCM Động cơ Máy phát Pin Trục đầu ra ĐCĐ Đầu ra động cơ Khớp một chiều Đai Puly Li hợp
19
được thể hiện trên Hình 1.16. Xe máy hybrid được thử nghiệm theo chu trình thử ECE – R40 để đánh giá một số tính năng vận hành của xe.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, hệ thống hybrid đã cải thiện được khả năng lên dốc của xe và mở rộng được phạm vi hoạt động so với xe máy hybrid thông thường. Nguồn năng lượng được phân phối hiệu quả nhờ bộ điều khiển phối hợp. Trạng thái của ắc quy được theo dõi và tự động điều khiển chế độ sạc theo dòng không đổi hoặc áp không đổi. Nhờ bộ phối hợp công suất này, khi thử nghiệm theo chu trình ECE- R40, ĐCĐT chỉ hoạt động khoảng 52,5% tổng thời gian của chu trình thử, nhờ đó cắt giảm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ cũng như phát thải độc hại.
Tác giả Han và cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu về hệ thống phân phối năng lượng trên hệ động lực hybrid [22]. Sơ đồ hệ thống được thể hiện trên Hình 1.17. Nguồn động lực ĐCĐT và máy phát điện theo kiểu nối tiếp được kết hợp với ĐCĐ. Hệ thống bánh răng hành tinh được sử dụng để phân phối công suất đầu ra của
Hình 1.17 Sơ đồ phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp [22]
Biến tần Ắc qui ĐCĐ Bánh răng hành tinh Phanh Máy phát Khớp 1 chiều ĐCĐT
20
ĐCĐT đến phụ tải và máy phát. Nghiên cứu đã tối ưu hóa được công suất sạc ắc quy theo chế độ vận hành của xe hybrid như thể hiện trên Hình 1.18. Đồ thị thể hiện ba vùng phân chia theo tình trạng của ắc quy (SOC - State of Charge). Những vùng hoạt động yêu cầu mô men nhỏ và trạng thái ắc quy chưa đầy sẽ được ưu tiên nạp ắc-quy.
Một số nghiên cứu khác như [23] tập trung đưa ra giải pháp tối ưu hóa quá trình phân phối nguồn năng lượng trên nguồn động lực hybrid. Trong đó phải kể đến nghiên cứu của Yaobin Chen về chiến lược quản lý năng lượng trên xe hybrid. Quá trình này được thực hiện gồm 4 bước. Bước 1 là xây dựng hệ thống điều khiển trên mô hình liên tục và rời rạc dựa trên lý thuyết hệ động lực học hybrid. Bước 2 tối ưu hóa quá trình phân phối năng lượng dựa trên chương trình SQP (The Sequencial Quadratic Programing) và PD (Dynamic Programing). Tại bước 3, một hệ thống dựa trên quy tắc và hệ thống quy tắc mờ được phát triển dựa trên các giải thuật thống kê số rút ra từ bước 2. Cuối cùng là bước 4, tối ưu hóa mô hình tổng thể hệ động lực hybrid dựa trên các thông số tối ưu.
Maxim Idriss cùng các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu động lực học phi tuyến tính của dao động xoắn của hệ thống truyền lực bằng cách xem xét ảnh hưởng của tốc độ quay, dao động tải và dao động đường lên động lực học của mô hình mô phỏng [56]. Kết quả thu được là hàm năng lượng Hamilton của mô hình được giới thiệu đã được tính toán để chỉ ra sự phụ thuộc của các biến trạng thái và định lý Helmholtz đã được kiểm định.
Qifang Liu và nhóm nghiên cứu đã đưa ra chiến lược điều khiển các nguồn năng lượng của xe hybrid kiểu song song dựa trên các dự đoán về điều kiện vận hành của xe [57]. Tuy vẫn cần nhiều cải tiến, nhưng nghiên cứu này là một giải pháp hứa hẹn nhằm điều khiển và phối hợp hiệu quả các nguồn động lực của xe hybrid.
21