L ời cam đoan
2.2.4 Chiến lược phối hợp nguồn động lự c
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 sốrăng) 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 thị𝑀𝐷
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 dễdàng tìm đến một điểm làm việc ổn định A nào đó trên đồ thị (có thể gọi là một chếđộ 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 =𝑀𝑘𝐴𝐷
1 =𝑀𝑘𝐴𝑁
2
Tương ứng với tốc độ thỏa mãn biểu thức (2.3): 𝑛𝐴𝑟𝑎= 𝑛𝐴𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝐴𝑁. 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 thểtìm 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) ởtrên. 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 từphía ĐCĐT vẫn
chưa tạo được mô men, do trong giai đoạn này nNchưa 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 từmô tơ điện sẽlàm 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 nNn0:
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 đểđảm 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 sẽđiều 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 sẽđưa 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 nDvànN<n0. Lúc nn < na vàna < 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 làkhông để xảy ra tình trạng nNbị giảm xuống, tức là
phải cưỡng bức tốc độ nN theo nD, điều này có thểđược 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 vàĐCĐT sẽ phối hợp với nhau theo hai giai đoạn:
- Khi nD vànN < 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:
{𝑛𝑀𝑟𝑎 = 𝑛𝐷 = 𝑛𝑁
𝑟𝑎 = 𝑀𝐷+ 𝑀𝑁 (2.6)
- Khi nD vànN > 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 {𝑛𝑀𝑟𝑎 = 𝑛𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝑁. 𝑘2 𝑟𝑎 =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 bộđiều khiển tốc độĐCĐ. 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 cóđường đặc tính ngoài và các đường
đặc tính bộ phận mô men – tốc độ của ĐCĐ vàĐCĐT. 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 độđã cóđủđiều 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 làđiểm cónD vànN vừa đủ lớn hơn n0) màở đó:
{𝑀𝑟𝑎 𝐵 =𝑀𝑘𝐵𝐷 1 =𝑀𝑘𝐵𝑁 2 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 độđộc lập của hai nguồn ĐCĐ vàĐCĐT. 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 chếđộ tải nào đó của ĐCĐ vàĐCĐT), điểm O làđiểm kết thúc quá trình làm việc của khớp một chiều và làđiểm bắt đầu quá trình phát huy tác dụng của hộp vi sai, bộ kết hợp công suất. Trong các trường hợp khác, khi đồ thị𝑀𝐷
𝑘1 và𝑀𝑁
𝑘2 theo tốc độ không thuộc dạng như đã mô tảở Hình 2.13 (tức làkhi 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 làđiểm 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
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 thểxem 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 khảnăng 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 độđộc lập của ĐCĐ vàĐCĐT cho
phép xe chuyển động với tốc cao.
Khớp một chiều có nhiều loại khác nhau, nhưng đểđơn 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, khảnăng leo dốc của xe và thời gian tăng tốc từ khi khởi hành cho đến khi xe chạy được 200m.
Bảng 2.2Vận 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 vàtheo 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 2.1Các 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 từ0 đến 96,6 km/h≤ 12 s Thời gian tăng tốc từ64,4 đến 96,6 km/h≤ 5,3 s
Thời gian tăng tốc từ0 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
40
Bảng 2.3Độ 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 leo dốc thì cả hai nguồn động lực cùng hoạt động. Nguồn ắc quy được nạp từ máy phát điện và sạc bên ngoài.
Để đáp ứng các yêu cầu này, một hệ động lực hybrid như thể hiện trên Hình