L ời cam đoan
3.3.4 Tính toán, thiết kế trục chính
Chọn vật liệu, khai báo vị trí lắp ổlăn và các tải trọng tác dụng lên trục chính NCS chọn vật liệu chế tạo trục là thép CT45 với giới hạn chảy Sy = 300 MPa,
modul đàn hồi E = 206.103(N/mm2), mô đun đàn hồi trượt G = 8.104 (N/mm2), hệ số
biến dạng ngang Poisson μ = 0,3.
Sau khi chọn vật liệu chế tạo trục chính ta cần khai báo vị trí lắp các ổ lăn và đặt các tải trọng đã biết tác dụng lên trục chính. Hình PL 3.4 mô tả vị trí lắp đặt các
ổlăn trên trục chính.
Các hình PL 3.5 và 3.6 thể hiện các tải trọng đã biết tác động lên trục chính gồm lực do bộ truyền đai. Và lực do các bộ truyền và các chi tiết máy khác cũng được thực hiện tương tự, do đó có sơ đồđặt lực được thể hiện trên hình PL 3.7 trong phụ lục.
Sau khi khai báo vị trí lắp các ổ lăn và các tải trọng đã biết tác dụng lên trục,
chương trình sẽ tính lực tác dụng của các ổ lăn tác dụng lên trục chính đồng thời đề
xuất biểu đồ đường kính lý tưởng của trục, như thể hiện trên hình PL 3.8 trong phụ
lục. Với đường kính này trục chính làm việc đảm bảo độ bền đồng thời có đường kính nhỏ nhất. Từ biểu đồđường kính lý tưởng, có thể chọn đường kính trục chính d = 25 (mm) cho hệđộng lực.
Ngoài việc kiểm nghiệm độ bền của trục chính, xuất biểu đồ đường kính lý
tưởng, phần mềm còn đưa ra các biểu đồ nội lực và ứng suất, như thể hiện trên hình PL 3.9 và các kết quả cho thấy trục đảm bảo đủ bền theo yêu cầu.
92
3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid
Trong phần này, NCS sẽ triển khai các nội dung theo trình tự sau:
Nghiên cứu, xây dựng phương án điều khiển để phối kết hợp các nguồn động lực gồm ĐCĐT, ĐCĐ, máy phát và các phụ tải khác được phối hợp theo kiểu hỗn hợp.
Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển các thiết bị của hệđộng lực.
Thiết kế mạch điều khiển ĐCĐT, mạch nạp ắc quy, mạch điều khiển trung tâm mô hình [10, 13, 50,51,56,57].
3.3.5.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và chức năng làm việc của các khối điều khiển
Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là khối đầu vào, khối xử lí trung tâm và khối đầu ra, như thể hiện trên Hình 3.14. Nhiệm vụ của khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường từ các cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bịđiều khiển và gửi tới bộ xử lí trung tâm. Bộ xử lí trung tâm sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến hành chuyển đổi, tính toán, phân tích và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu ra bao gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ cấu chấp hành.
93
3.3.5.2 Khối đo thông sốđầu vào a) Bộ xử lí trung tâm – ECU
Đây chính là bộ não của hệ thống điều khiển điện tử, ECU chứa các thuật toán
điều khiển lập trình được viết và cài đặt sẵn trong bộ nhớthường là EFROM của ECU
như trên Hình 3.15, một mạch điều khiển trung tâm thực tếđược mô tả trên Hình 3.16 Trong quá trình làm việc, ECU sẽ tiến hành thu thập các thông sốđầu vào (input), tính toán chuyển đổi và phân tích các giá trị này. Tùy thuộc vào bộ giá trị các thông
Hình 3.15Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển trung tâm
94
số này mà ECU sẽ quyết định lựa chọn chương trình thích hợp và chuyển đổi thành các xung tín hiệu điều khiển ởđầu ra (output) cho các mạch điều khiển ĐCĐ, ĐCĐT,
mạch nạp và cuộn dây điện từ khóa mở máy phát.
Đểđảm bảo khảnăng điều khiển của hệ thống, ta lựa chọn phương án xây dựng bộ xử lí trung tâm bằng vi điều khiển. Các vi điều khiển được lựa chọn thích hợp cho các thiết kế nhỏ, với các thành phần thêm vào tối thiểu nhằm thực hiện các hoạt động
hướng điều khiển. Một vi điều khiển là một mạch đơn chứa bên trong một CPU và các mạch khác để tạo nên một hệmáy tính đầy đủ. Ngoài CPU, các bộvi điều khiển còn chứa bên trong chúng các bộ nhớ RAM, ROM, mạch giao tiếp nối tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ định thời gian và các mạch điều khiển ngắt. Tất cảđều hiện diện bên trong một vi mạch. Một đặc trưng quan trọng của bộ vi điều khiển là hệ
thống ngắt được thiết kế bên trong chip. Vì vậy, trong các thiết kếhướng điều khiển các bộvi điều khiển đáp ứng với các tác động bên ngoài theo thời gian thực.
b) Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Bàn đạp ga thể hiện mong muốn của người sử dụng về mức phát công suất của hệđộng lực. Cảm biến sẽ chuyển đổi tín hiệu cơ học thành tín hiệu điện phù hợp đưa đến chân ECU. Tùy thuộc vào chương trình điều khiển, ECU sẽcăn cứ vào mức độ điện áp hồi về từ cảm biến mà điều khiển mức độ phát công suất phù hợp với yêu cầu
người điều khiển
c) Cảm biến tốc độ
Cảm biến này có nhiệm vụ gửi xung tín hiệu về ECU khi mô hình làm việc, trên
cơ sở tín hiệu xung gửi về, ECU sẽ tính toán giá trị của tốc độ quay theo góc quay thực tế. Và tốc độ n là giá trị tham chiếu quan trọng trong quá trình điều khiển toàn hệđộng lực. Đối với ĐCĐT, ECU căn cứ vào giá trịnày để quyết định thay đổi lượng cấp nhiên liệu đảm bảo cho động cơ làm việc trong vùng có hiệu suất có lợi nhất.
d) Cảm biến vị trí bàn đạp phanh
Cảm biến này có nhiệm vụ gửi xung tín hiệu về ECU khi hoạt động phanh hãm xảy ra. Khi nhận được xung tín hiệu này, ECU sẽ lập tức ngắt động cơ nhiệt, chuyển chếđộ làm việc của động cơ điện từ chếđộ động cơ sang chếđộ máy phát, sử dụng
95
3.3.6.3 Khối đầu ra
a) Mạch điều khiển ĐCĐT
Mạch này có nhiệm vụ nhận thông tin điều khiển từ ECU, vận hành ĐCĐT theo
yêu cầu của ECU, sơ đồ thiết kế mạch được thể hiện trên Hình 3.17. Mạch điều khiển
ĐCĐT sẽđảm nhận các chức năng sau:
Khởi động ĐCĐT: Khi nhận được tín hiệu cho phép làm việc, mạch điều khiển sẽ kiểm tra tình trạng của động cơ, nếu động cơ chưa làm việc, chức năng khởi động sẽ kích hoạt động cơ làm việc. Chức năng này sẽđiều khiển một rơle cho phép đóng
ngắt động cơ đề của ĐCĐT.
Hình 3.17Sơ đồ mạch điều khiển ĐCĐT
96
Dừng ĐCĐT: Chức năng này tương tựnhư khóa điện trên các ô tô thông thường, mạch sẽđiều khiển đóng mở một công tắc điện. Công tắc sẽ cấp điện cho IC đánh lửa
khi ĐCĐT làm việc. Khi có tín hiệu dừng ĐCĐT, mạch điều khiển sẽ ngắt công tắc
điện.
Điều khiển bướm ga: Chức năng này có nhiệm vụ điều khiển thay đổi vị trí
bướm ga theo yêu cầu về mức phát công suất của ECU. Cơ cấu chấp hành của chức
năng này là một động cơ điện được kết nối với bướm ga động cơ. Trong chức năng
này mạch điều khiển sẽ làm việc theo hai thông sốcơ bản là yêu cầu mức tải từ ECU và tốc độ hồi về của ĐCĐT. Khi vận hành trong vùng tải nhỏ và vừa, mạch điều khiển sẽcăn cứ vào tốc độđộng cơ phản hồi về từ cảm biến tốc độđểđiều khiển bướm ga nhằm đảm bảo động cơ làm việc trong vùng có suất tiêu hao nhiên liệu là thấp nhất.
b) Mạch điều khiển nạp ắc quy
Mạch này có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và kiểm soát quá trình nạp ắc-quy của xe. Mạch điều khiển nạp sẽ tựđiều chỉnh dòng nạp, kiểm tra dung
lượng của ắc-quy và ngừng nạp khi ắc-quy đầy. Đểđảm bảo điện áp nạp, mạch điều khiển được cấp điện áp từ máy phát 12 V và chuyển đổi lên điện áp lớn hơn 48 V
thông qua bộ Invertor. Trên Hình 3.19 là sơ đồ thiết kế mạch điều khiển nạp ắc quy.
97
3.3.6 Hiệu suất xe hybrid
Hình 3.21 Sơ đồtính toán trường hợp phối hợp hai nguồn động lực
Ta sử dụng loại lốp 155/70R14. Bề rộng mặt lốp tiếp xúc với mặt đường 155 mm.
98
Tỉ lệ chiều cao thành lốp với bề rộng lốp 70% Chiều cao thành lốp: 0,70.155 = 108,5 mm
R = Radial, kiểu mành lốp tỏa tròn hình tia mặt trời
Đường kính lazang: 14 inch ~ 355,6 mm Đường kính lốp: 355,6+108,5.2= 572,6 mm
Vận tốc lớn nhất của xe đạt được trong trường hợp này là 80 (km/h) = 22,22 (m/s). 22, 22 2 . .n 12, 415 0, 57 2 . 2.3,14. 2 bx bx v r v n r = = = = (v/s) = 745 (v/ph)
Tốc độ trên trục khi đó là 3278 (v/ph) = 343,2 (rad/s). Ở Chương 2 ta đã lựa chọn nguyên lí phối hợp công suất theo kiểu vi sai tốc độ, vậy nên ta có các công thức sau:
{𝑀𝜔𝑡 = 𝑘1𝑀Đ𝐶Đ + 𝑘2𝑀Đ𝐶Đ𝑇 (1) 𝑡 =𝜔𝑘Đ𝐶Đ
1 =𝜔Đ𝑘𝐶Đ𝑇 2 (2)
Với đó k1 và k2 là các hằng số ảnh hưởng bởi thiết kế thực tế. Ở đây k1=1, k2=2.
Từđó ta tính được ÐCÐ =t =343, 2 (rad/s), ÐCÐT =2t =686, 4(rad/s)
Mặt khác, theo thiết kếđã chọn có tỷ lệ HF (tỷ lệ chia công suất) là 0,35 nên
ta tính được công suất ĐCĐ và ĐCĐT lần lượt là 3,018 (kW) và 5,725 (kW).
Công suất trên các trục quay được xác định bởi: P = M, từ(2) tính được mô men trên các trục lần lượt là 𝑀Ð𝐶Ð𝑇 = 8,79 (Nm) và 𝑀Ð𝐶Ð = 8,34(Nm)
Phần công suất tổn thất khi truyền từ trục tới bánh xe là: 𝑃𝑡− 𝑃𝑡𝜂𝑡 = 8,743 − 8,743.0,93 (t là hiệu suất chung của các chi tiết cơ khí)
99
3.4. Tính toán mô phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm
AVL–Cruise
3.4.1 Mô hình tổng chung của xe truyền thống và xe hybrid
Trong phần này, NCS tiến hành thiết lập mô hình mô phỏng xe sử dụng ĐCĐT truyền thống với bộ truyền CVT và mô hình xe hybrid với hệ phối hợp công suất theo
vi sai tốc độ. Hai mô hình mô phỏng được mô tả trong Hình 3.21 và Hình 3.22 như
sau:
➢ Xe truyền thống sử dụng ĐCĐT nguyên bản có các phần tử liên kết như thể hiện
trên Hình 3.21
Hình 3.22Bố trí chi tiết trong mô phỏng xe truyền thống
Xe (1), ĐCĐT (2), Ly hợp CVT (3), Truyền lực cuối cùng (4), Bánh xe phía trước bên phải
(5, 6), Bánh xe phía sau (7, 8), Hệ thống phanh (9, 10,11,12), Bộ vi sai (13), Buồng lái
100
➢ Xe hybrid các phần tửđược liện kết như thể hiện trên Hình 3.22
Hình 3.23 Mô phỏng xe hybrid dùng bộ đồng tốc kết hợp CVT
Xe (1), ĐCĐT (2), Ly hợp CVT (3), Bộ phối hợp (4), Bánh xe phía trước bên phải (5, 6), Bánh xe phía sau (7, 8), Hệ thống phanh (9,10,11,12), ĐCĐ (13), Máy phát (14), Bộ vi sai
(15), Buồng lái (17), ASC (18), Ắc quy (19), Matlab (20), Màn hình (21).
3.4.2 Thông sốđầu vào xe hybrid và xe truyền thống
a) Thông số xe
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật xe
TT Tên Xe truyền thống Xe hybrid Đơn
vị
1 Thểtích bình xăng 0,05 0,05 m3
2 Chiều dài xe từmóc đến trục trước 3000 3000 mm
3 Chiều dài cơ sở 2340 2340 mm
4 Khoảng cách đến trọng tâm không
tải/nửa tải/toàn tải 1020/1020/1020 1020/1020/1020 mm
5 Chiều cao đến trọng tâm không
tải/nửa tải/toàn tải 569/569/569 569/569/569 mm
6 Chiều cao của móc không tải/nửa
tải/toàn tải 400/400/400 400/400/400 mm
7 Áp suất lốp trước 2 2 bar
8 Áp suất lốp sau 2,2 2,2 bar
101
10 Trọng lượng toàn tải 800 860 kg
11 Diện tích mặt trước 1,746 1,746 m2
12 Hệ số kéo 0,3 0,3
b) Nguồn động lực ĐCĐT
Bảng 3.8Thông số ĐCĐT nhập vào mô hình mô phỏng
TT Tên Xe truyền thống Xe hybrid Đơn
vị
1 Thể tích ĐCĐT 154,8 154,8 cm3
2 Số lượng xi lanh 1 1
3 Số kỳ 4 4
4 Vận tốc không tải/tối đa 1750/7500 1750/7500 v/ph
5 Mô men quán tính 0,1 0,1 kg*m2
6 Thời gian phản hồi 0,1 0,1 s
7 Nhiệt trị thấp của xăng 43500 43500 kJ/kg 8 Khối lượng riêng của nhiên liệu 0,749 0,749 kg/l
c) Nguồn động lực ĐCĐ
Bảng 3.9Thông số ĐCĐ nhập vào mô hình mô phỏng
TT Tên Giá trị Đơn vị
1 Loại máy PSM -
2 Đường đặc tính Motor -
3 Định mức điện áp 48 V
4 Mô men quán tính 0,0226 kg*m2
5 Dòng điện tối đa Motor 100 A
6 Khối lượng máy 14,5 kg
7 Nhiệt độ ban đầu 70 oC
8 Độ dẫn nhiệt 2250 W/m.K
9 Nhiệt độ bố trí 70 oC
10 Tốc độ tối đa 5000 v/ph
102
12 Dòng điện tối đa máy phát 50 A
13 Thời gian nhiệt độ không đổi ở công suất tối đa 1 s
14 Nhiệt độ tối đa 95 oC
15 Nhiệt dung riêng 430 J/KgK
16 Hệ số nhiệt độ của cảm ứng từ -0,002 1/K
d) Ắc quy
Bảng 3.10 Thông sốắc quy dùng cho xe hybrid
TT Tên Giá trị Đơn vị
1 Sạc tối đa 6,5 Ah
2 Hiệu điện thế danh nghĩa 7,2 V
3 Hiệu điện thế tối đa 9 V
4 Sạc ban đầu 50 %
5 Hiệu điện thế tối thiếu 6 V 6 Số lượng cell trong 1 hàng 40 -
7 Số lượng hàng 1 -
8 Nhiệt độ làm việc 25 oC
9 Khối lượng 1 cell 0,998 kg
10 Độ dẫn nhiệt 0,7 W/m.K
11 Nhiệt dung riêng 800 J/kgK
12 Điện trở trong 0,027 Ohm
Các thông số của các phần tử còn lại của mô hình sẽđược đưa ra trong PL 3.10 đến PL 3.12.
Mô hình điều khiển trong MatLab/Simulink trong AVL- Cruise được thể hiện trong PL3.13
103
3.4.3 Chu trình chạy sử dụng trong chu trình mô phỏng xe hybrid và xe truyền thống trong AVL-Cruise
3.4.3.1 Chu trình thử UDC
Bảng 3.11 Thông số chi tiết của chu trình thử UDC (Urban Driving Cycle) [64]
Chế độ vận hành Chế độ vận hành Pha Gia tốc (m/s2) Vận tốc (km/h)
Thời gian Thời
gian tích lũy (s) Quãng đường chạy (m) Vận hành (s) Pha (s) 1 Không tải 1 0 0 11 11 11 0 2 Tăng tốc 2 1,04 0 đến 15 4 3 15 8 3 Tốc độ không đổi 3 0 15 8 8 23 34 4 Giảm tốc 4 -0,69 15 đến 10 2 5 25 7 5 Giảm tốc, cắt ly hợp -0,92 10 đến 0 3 28 4 6 Không tải 5 0 0 21 21 49 0 7 Tăng tốc 6 0,74 0 đến 32 12 12 61 54 8 Tốc độ không đổi 7 0 32 24 24 85 214 9 Giảm tốc 8 -0,75 32 đến 10 8 11 93 48 10 Giảm tốc, cắt ly hợp -0,92 10 đến 0 3 96 4 11 Không tải 9 0 0 21 21 117 0 12 Tăng tốc 10 0,53 0 đến 50 26 26 143 183 13 Tốc độ không đổi 11 0 50 12 12 155 167 14 Giảm tốc 12 -0,52 50 đến 35 8 8 163 95 15 Tốc độ không đổi 13 0 35 13 13 176 127 16 Giảm tốc 14 -0,63 35 đến 10 9 12 185 64 17 Giảm tốc, cắt ly hợp -0,92 10 đến 0 3 188 4 18 Không tải 15 0 0 7 7 195 0 Tổng quãng đường 1013
104
Từ Bảng 3.11 diễn giải chi tiết các giai đoạn của chu trình thử UDC ta thấy được trong chu trình có các chếđộ chạy: - Chếđộ không tải; - Chếđộ chạy ổn định; - Chếđộ chạy tăng tốc; - Chếđộ chạy giảm tốc. 3.4.3.2 Các chu trình thử với tốc độkhông đổi
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu có sử dụng các phần mềm mô phỏng, yêu cầu tiên quyết đặt ra cho các nhà nghiên cứu là phải kiểm tra độ tin cậy của mô hình mô phỏng của mình. Để có thể kiểm tra được độ chính xác của mô hình mô phỏng trên phần mềm AVL-Cruise sử dụng trong nghiên cứu này, NCS sử dụng phương
pháp so sánh kết quả chạy mô phỏng với kết quả thử nghiệm. Tuy nhiên các mô hình mô phỏng trên phần mềm AVL-Cruise chỉ có sẵn các chu trình chạy được cài đặt
trước, không phù hợp để so sánh với quá trình thực nghiệm. Vậy nên NCS phải tạo một chu trình mới sử dụng công cụRandom Cycle Generator nhưđã đề cập ở Chương
2.
Chu trình được tạo sẽ có mức tốc độổn định của xe là 40 và 60 km/h để phù