CHƯƠN G2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XE HYBRID
2.2.2 Cách điều khiển
❖ Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển hoạt động nhờ vào bộ điều khiển (VCU). Khi đó, VCU sẽ nhận lệnh kéo hoặc phanh từ người lái thông qua bàn đạp ga hoặc bàn đạp phanh. Ngoài ra, các thông tin hoạt động cần thiết khác từ khác cảm biến chẳng hạn như mức sạc (SOC) của ắc quy (PPS) và tốc độ xe cũng được gửi đến VCU. Dựa trên các thiết lập có sẵn trên VCU và các thông tin thời gian thực nhận được như trên, VCU sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển để điều khiển động cơ, động cơ / máy phát điện, động cơ kéo, cũng như bộ ly hợp và các khóa để điều khiển hệ thống truyền động một cách thích hợp nhất.
❖ Phương pháp kiểm soát tốc độ động cơ
Dễ thấy rằng, tốc độ động cơ có thể được kiểm soát thông qua việc điều khiển tốc độ motor/ máy phát (nm/g) ở một tốc độ tại bánh xe chủ động (ndw). Quá trình kiểm soát sẽ được thực hiện thông qua việc điều khiển góc mở bướm ga và momen xoắn của motor/máy phát.
Hình 2.22 Đồ thị moment và số vòng quay động cơ
Theo như hình, giả sử động cơ đang hoạt động tại điểm a với tốc độ ne,a, momen xoắn Te,1 với góc mở bướm ga 60%. Lúc này motor/máy phát sẽ tạo momen xoắn Tm/g,1=Te,1/kys (trong điều kiện bỏ qua tổn hao năng lượng) để cân bằng momen xoắn của động cơ. Khi ta cố định momen của motor/ máy phát, do đó sẽ cố định momen động cơ, ta tăng góc mở bướm ga sẽ làm tốc độ động cơ tăng lên. Ví dụ như ở điểm b với góc mở bướm ga 70%. Do vậy, tốc độ động cơ có thể được kiểm soát trong phạm vi tối ưu bằng cách điều khiển bướm ga hoặc điểm khiển moment motor/máy phát.
❖ Phương pháp kiểm soát moment
Moment tại bánh xe chủ động là tổng của các moment được truyền từ bánh răng bao của bộ bánh răng hành tinh và motor kéo được thể hiện qua công thức:
Ttdw = irwηrwTr + imwηmwTm
Trong đó: Ttdw là tổng moment tại bánh xe chủ động; Tr là momen đầu ra tại bánh răng bao của bộ bánh răng hành tinh với đầu vào là động cơ và motor, máy phát; irw, ηrw lần lượt là tỉ số truyền , hiệu suất truyền từ bánh răng bao đến bánh xe chủ động; Tm là momen của motor kéo, imw, ηmw lần lượt là tỉ số truyền và hiệu suất truyền từ motor kéo đến bánh xe chủ động.
Tổng momen tại bánh xe chủ động (Ttdw) sẽ được điều khiển bởi người lái thông qua bàn đạp ga và lệnh điều khiển sẽ được đáp ứng bằng moment đầu ra từ bánh răng bao (Tr) và motor kéo (Tm).
Hình dưới đây thể hiện kết quả mô phỏng của một hệ thống truyền động với bướm ga mở hoàn toàn và momen xoắn motor cực đại ứng với số vòng quay của nó.
Theo mô phỏng, ứng với tốc độ xe thấp thì động cơ sẽ hoạt động với tốc độ không đổi (chẳng hạn: 1200 vòng/phút) và motor/máy phát sẽ hoạt động với tốc độ dương. Khi tốc độ xe trung bình, motor/ máy phát sẽ bị khóa với sườn xe, khi đó tốc độ xe sẽ tăng tuyến tính với tốc độ động cơ. Khi xe ở tốc độ cao, động cơ một lần nữa hoạt động ở tốc độ không đổi (chẳng hạn: 3500 vòng/phút), motor/máy phát lúc này sẽ hoạt động ở tốc độ âm (quay ngược hướng với động cơ).
Tương tự như kiểu truyền động nối tiếp và song song, momen xoắn cực đại trên xe lai kiểu hỗn hợp sẽ tương ứng với vị trí bàn đạp ga lớn nhất, góc mở bướm ga lớn nhất, công suất motor kéo lớn nhất. Mặt khác, khi xe chỉ yêu cầu một phần tải thì cả động cơ và motor kéo đều phải giảm moment của chúng để đáp ứng được moment kéo yêu cầu. Vì thế, một chiến lược kiểm soát moment là cần thiết để phân bố đúng tải trọng công suất yêu cầu, tránh tổn hao năng lượng k cần thiết.
Hình 2.23 Mối liên hệ giữa vận tốc moment
❖ Chiến lược điều khiển hệ thống truyền động
Trên xe lai kiểu hỗn hợp, tốc độ động cơ và mô men xoắn có thể được tách riêng hoàn toàn khi truyền đến bánh xe thông qua khớp nối tốc độ và khớp nối mômen.Vì thế kiểu hệ thống truyền động này mang tính tính linh hoạt hơn hệ thống truyền động song song trong việc lựa chọn các chế độ hoạt động. Do vậy, hệ thống truyền động trên sẽ mang tính tiềm năng hơn trong việc cải thiện hiệu quả hoạt động với một hiệu suất cao. Tuy nhiên, công việc đó sẽ phụ thuộc rất nhiều vào sự điều khiển hệ thống. Sẽ có nhiều chiến lược
kiểm soát do có nhiều chế độ hoạt động. Tuy vậy, các mục tiêu kiểm soát cũng giống như trong hệ thống truyền động nối tiếp và song song, đó là phải mang tính kinh tế nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, phải đáp ứng được yêu cầu moment từ người lái (Kéo và phanh) và (luôn luôn duy trì SOC của PPS ở mức hợp lý, ví dụ, khoảng 70% và không bao giờ thấp hơn 30%).
❖ Chiến lược kiểm soát tốc độ động cơ
Tốc độ xe sẽ được chia thành 3 vùng tốc độ: thấp, trung bình, cao. Ngăn cách giữa vùng thấp và trung bình là giá trị VL, VH sẽ ngăn cách vùng tốc độ trung bình và cao.
Khi xe có tốc độ thấp hơn giá trị VL thì chế độ ghép nối tốc độ sẽ được sử dụng để tránh tốc độ động cơ quá thấp. Giá trị VL được xác định bởi tốc độ động cơ thấp nhất cho phép khi tốc độ motor/máy phát bằng 0
Trong đó, ne-min là tối độ thấp nhất cho phép của động cơ (vòng/phút), rw
là bán kính bánh xe (m).
Lúc này tốc độ của motor/máy phát được tính bằng công thức:
Với V là tốc độ xe (V ≤ VL)
Khi xe chạy với tốc độ lớn hơn VL nhưng nhỏ hơn giá trị VH, lúc này motor/máy phát sẽ không hoạt động ( bánh răng mặt trời của bộ bánh răng hành tinh sẽ bị khóa vào sườn xe). Hệ thống truyền động sẽ hoạt động với khớp nối moment, tốc độ động cơ sẽ tỉ lệ với tốc độ xe. Giá trị VH được tính bằng công thức:
Trong đó ne-max là tốc độ tối đa cho phép của động cơ. Ở chế độ này, toàn bộ công suất của động cơ sẽ được truyền đến banh xe.
Khi xe có tốc độ cao hơn VH, để giữ tốc độ động cơ không vượt quá tốc độ tối đa cho phép ne-max thì motor/máy phát sẽ hoạt động theo hướng ngược lại với tốc độ động cơ và được thể hiện bằng công thức :
Với V ≥ VH
❖ Chiến lược kiểm soát moment kéo
Hình 2.24 Phương pháp kiểm soát moment
❖ Ở vùng tốc độ xe thấp:
Như đã đề cập ở trên, khi tốc độ xe thấp hơn VL, động cơ vận hành ở một tốc độ định trước ne-min. Khi đó động cơ có hiệu quả sử dụng nhiên liệu tối đa ở tốc độ này. Bướm ga động cơ nằm gần điểm mở lớn nhất.
Điểm A biểu diễn momen kéo yêu cầu được điều khiển bởi người lái xe, lớn hơn mô-men xoắn mà động cơ có thể tạo ra với bướm ga động cơ tối ưu. Trong trường hợp này, động cơ một mình không thể đáp ứng moment yêu cầu này, và cần sự trợ giúp của motor và động cơ nên được kiểm soát với góc mở bướm ga tối ưu như thể hiện bởi điểm B. Tuy nhiên, momen xoắn mà motor kéo có thể tạo ra cũng phụ thuộc vào mức năng lượng của PPS. Khi SOC của PPS là thấp hơn một giá trị quy định SOCL (ví dụ 30%), PPS không cung cấp năng lượng nữa. Trong trường hợp này, sức mạnh tối đa của motor kéo Là công suất phát ra từ motor / máy phát , lúc này bộ bánh răng hành tinh, motor/ máy phát điện và motor kéo hoạt động với nhau như một EVT, bởi vì không có năng lượng đi vào hoặc đi ra của PPS.
Khi SOC cao hơn SOCL, có nghĩa là, PPS đã đủ năng lượng để hỗ trợ motor kéo, lúc này motor kéo sẽ được điều khiển để tạo ra mô-men xoắn Ttm, để đáp ứng được lệnh Mô-men kéo từ người lái tại điểm A. Khi yêu cầu moment Tt-com, nhỏ hơn mô-men xoắn của động cơ được tạo ra với góc mở bướm ga tối ưu như được chỉ ra bởi điểm B lúc này sẽ có một vài lựa chọn trong việc điều khiển động cơ và motor kéo:
Với các SOC của PPS thấp hơn SOCL, động cơ có thể được vận hành với tốc độ ne-min và tăng bướm ga tối ưu (điểm B). PPS được sạc bởi motor / máy phát điện với công suất Pm / g
Với SOC của PPS nằm giữa SOCL và SOCH (SOCL <SOC <SOCH), động cơ và motor máy phát điện có thể được điều khiển để động cơ hoạt động với tốc độ của ne-min và tạo ra moment đáp ứng được moment yêu cầu . motor kéo sẽ chạy không tải (hoặc không hoạt động). PPS chỉ sạc bởi motor / máy phát điện.
Với SOC của PPS cao hơn SOCH, động cơ được đóng lại và motor kéo sẽ làm việc một mình để sinh mômen đáp ứng moment kéo cần thiết.
❖ Ở vùng tốc độ xe trung bình
Khi xe có tốc độ cao hơn VL nhưng thấp hơn VH thì lúc này chỉ có khớp nối moment (theo kiểu xe lai song song) được sử dụng, có nghĩa là khóa bánh răng mặt trời của bộ bánh răng hành tinh (trục của motor / máy phát điện) vào khung xe cố định.Trong chế độ này, tốc độ motor là tỷ lệ thuận với tốc độ xe. Động cơ và chiến lược kiểm soát motor kéo, dựa trên mô men kéo được chỉ định và SOC của PPS, hoàn toàn giống với xe lai kiểu song song.
❖ Tốc độ xe cao
Khi xe có tốc độ cao hơn VH tốc độ động cơ được điều khiển ở tốc độ cực đại ne-max. Trong trường hợp này, motor / máy phát điện hoạt động ở chế độ kéo , lấy năng lượng từ PPS và đưa nó vào hệ thống truyền động. Momen xoắn của động cơ và motor kéo được kiểm soát dựa trên momen xoắn yêu cầu và mức năng lượng của PPS. Khi momen xoắn yêu cầu Tt-com lớn hơn momen xoắn mà động cơ có thể tạo ra với bướm ga tối ưu của nó tại tốc độ ne-max, và SOC của PPS thấp hơn SOCL, nghĩa là, các PPS không thể cung cấp năng lượng để hỗ trợ vận hành motor/ máy phát điện và motor kéo, động cơ bị buộc phải vận hành với tốc độ cao hơn tốc độ quy định, ne-max, để tạo ra công suất lớn hơn.Trong trường hợp này, có hai lựa chọn: một là sử dụng chế độ động cơ đơn với chỉ có khớp nối moment giống như trong phạm vi tốc độ xe trung bình. Hai là điều khiển động cơ hoạt động với tốc độ cao hơn tốc độ tương ứng của xe trong chế độ khớp nối tốc độ và moment. Với:
Bằng cách này, motor /Máy phát điện có thể được vận hành ở chế độ sạc để tạo ra năng lượng nạp cho động cơ kéo tạo ra moment bổ sung. Chế độ hoạt động này là chế độ EVT như đã nói ở trên. Nếu SOC của PPS ở mức
trung bình và cao, nghĩa là SOC>SOCL, động cơ được điều khiển ở tốc độ quy định ne-max, với góc mở bướm ga tối ưu. Motor kéo tạo ra momen cùng với momen động cơ để đáp ứng moment kéo yêu cầu .Trong trường hợp moment kéo yêu cầu nhỏ hơn momen của động cơ và SOC của PPS nằm dưới SOCL, động cơ sẽ được hoạt động và motor kéo cũng hoạt động để sạc PPS. Nếu SOC trong mức (SOCL <SOC <SOCH), motor kéo có thể không hoạt động, chỉ có động cơ hoạt động độc lập.
Nếu SOC của PPS là ở mức cao (SOC> SOCH), động cơ sẽ đóng và motor kéo độc lập.
❖ Điều khiển phanh tái sinh
Tương tự như kiểu truyền động song song, khi lực phanh yêu cầu moment lớn hơn momen cực đại mà motor có thể tạo ra trong quá trình hoạt động thì cả phanh tái sinh tạo bởi motor kéo và phanh cơ khí được áp dụng. Nếu không, chỉ sử dụng phanh tái sinh.