L ời cam đoan
1.5.1 Động cơ đốt trong
Đối với hệ động lực xe hybrid kiểu hỗn hợp, ĐCĐT chính là nguồn động lực chính cung cấp năng lượng vận hành cho cả hệ thống. ĐCĐT sử dụng trên xe hybrid
thường có tỷ số nén cao hơn động cơ thông thường, do đó hiệu suất và công suất
riêng cao hơn động cơ thông thường [10,15].
1.5.2 Động cơ điện
ĐCĐ cũng đóng vai trò quan trọng trong công nghệ hybrid. Tùy thuộc vào cấu trúc của xe hybrid, ĐCĐ có thểđược sử dụng làm thiết bị điều chỉnh công suất cực
đại, thiết bị chia sẻ tải hoặc nguồn mô men xoắn nhỏ. ĐCĐ trong xe hybrid cần hoạt
động tốt ở hai chếđộ bình thường và mở rộng. Ở chếđộbình thường, động cơ sẽ tạo ra mô men xoắn không đổi trong phạm vi tốc độ định mức. Trên tốc độ định mức,
động cơ chuyển sang chếđộkéo, trong đó mô men xoắn giảm theo tốc độ. Trong xe hybrid, ĐCĐ cung cấp mô men xoắn cần thiết để tăng tốc đầy đủ trong chếđộ bình
thường trước khi nó chuyển sang chếđộ mở rộng để có tốc độổn định. Chức năng
thứ hai của ĐCĐ là thu năng lượng từ phanh.
ĐCĐ là một trong những thành phần quan trọng nhất trong một chiếc xe hybrid.
Động cơ DC không chổi than và động cơ cảm ứng AC được sử dụng rộng rãi do hiệu quảcao hơn, chi phí thấp hơn, bảo trì ít hơn và tuổi thọdài hơn. Động cơ cảm ứng có vẻ không phù hợp với nguồn DC của xe hybrid vì nó yêu cầu nguồn cung cấp AC,
15
nhưng AC có thể dễ dàng bịđảo ngược từ nguồn DC do những tiến bộtrong điện tử
công suất hiện đại.
Do điện áp DC thay đổi theo trạng thái sạc của ắc quy (SOC) và điều kiện hoạt
động trong xe điện hybrid, nên động cơ BLDC hoặc động cơ cảm ứng AC phải làm việc với bộ chuyển đổi DC/DC hoặc biến tần DC/AC, để chuyển đổi điện áp DC thành mức điện áp hoạt động cần thiết của động cơ điện. Hiệu suất cần thiết của bộ
chuyển đổi DC/DC hoặc biến tần DC/AC thường trên 95% trong các ứng dụng xe hybrid [9,10,15].
Trong thiết kế hệ thống xe hybrid, cần biết các đường đặc tính mô men/ công suất so với đường viền tốc độnhư thể hiện trên Hình 1.12
1.5.3 Ắc quy
Một trong những hệ thống quan trọng trong xe hybrid, ắc quy ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của phương tiện. Trong xe hybrid, ắc quy có mật độ năng lượng
cao, độ bền bên trong thấp, chu kỳ dài và tuổi thọ ngắn. Tùy thuộc vào mục tiêu thiết kế, ắc quy có mật độnăng lượng cao hơn thường được sử dụng cho xe hybrid truyền thống và sạc ngoài. Một thành phần lưu trữnăng lượng khác là tụđiện, tồn tại vô thời hạn có tốc độ sạc và xả cực nhanh. Những ưu điểm này làm cho tụ điện trở nên lý
tưởng cho việc cung cấp các mức năng lượng cần thiết đểtăng tốc một phương tiện chạy bằng điện và tích lũy điện tích hiệu quả trong quá trình phanh hãm tái sinh. [15]
1.5.4 Hệ thống truyền lực
Xe hybrid phải có khả năng quản lý ĐCĐT, ĐCĐ và kết hợp cả hai. Về mặt chức năng, hệ thống truyền lực hỗ trợ các chức năng dừng khởi động, phanh tái sinh và chuyển phạm vi làm việc ĐCĐT;do đó, nhiệm vụ chuyển đổi cũng phải có khả năng điều chỉnh các thông số của nó để phù hợp với các chiến lực thực tế.
Hệ thống truyền lực thực hiện các chức năng sau:
- Đạt được sự chuyển đổi từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động; - Chuyển đổi mô men xoắn và tốc độ quay từ động cơ để đáp ứng các yêu
cầu lực kéo nhất thời của xe cung cấp cho chuyển động tiến và lùi;
Hình 1.12 Đường cong điển hình của mô men xoắn/công suất so với tốc độ của hệ thống động cơ BLDC
16
- Có tính kinh tế nhiên liệu tốt nhất và lượng khí thải tối thiểu trong khi đáp ứng yêu cầu lái xe.
Vì một chiếc xe hybrid có hai hoặc nhiều động cơ chính với các đặc điểm khác nhau, nên việc truyền tải đóng vai trò quan trọng hơn so với một chiếc xe thông
thường. Đểđạt được hiệu quả tối đa và hiệu suất tối ưu, một bộ truyền được thiết kế đặc biệt là cần thiết cho một cấu hình hệ thống xe hybrid nhất định. Bộ truyền động bằng điện (EVT) và bộ truyền phân chia công suất (PST) là hai dạng truyền động
được sử dụng phổ biến trên xe hybrid [10,13].
1.6. Một số vấn đề quản lý năng lượng xe hybrid
Quản lý năng lượng trên xe hybrid bao gồm việc quyết định lượng điện năng được cung cấp tại mỗi thời điểm bởi các nguồn năng lượng có trong xe khi tồn tại một số ràng buộc (như duy trì giá trị SOC của ắc quy theo một giá trịquy định). Để đạt được điều này thì bài toán quản lí năng lượng trên xe hybrid có thể chuyển thành một bài toán tối ưu trong đó các giá trị tối ưu bao gồm chủ yếu là dòng năng lượng của hệ thống, nguồn năng lượng, ĐCĐT và ĐCĐ. Bài toán trên dẫn đến một số vấn
đề kiểm soát xe hybrid điển hình như sau: [10,13,16]
a. Tối ưu hóa ĐCĐT:mỗi ĐCĐT đều có điểm tối ưu về mô men, tiết kiệm nhiên liệu và khí thải. Nếu ĐCĐT hoạt động ở những điểm này, có thểđạt được mức tối đa về
tiết kiệm nhiên liệu, lượng khí thải tối thiểu. Đồng thời gia tăng tuổi thọ của ĐCĐT qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng của phương tiện.
b. Giảm thiểu động lực học ĐCĐT:vì ĐCĐT có quán tính, năng lượng bổ sung
được tiêu thụđể tạo ra tốc độ hoạt động thay đổi. Do đó, tốc độ hoạt động của ĐCĐT nên được giữ cốđịnh càng nhiều càng tốt và nên tránh mọi thay đổi nhanh.
c. Tối ưu hóa tốc độ hoạt động của ĐCĐT:theo nguyên tắc làm việc của ĐCĐT, hiệu suất nhiên liệu của nó thấp nếu ĐCĐT hoạt động ở vùng tốc độ thấp. Tốc độĐCĐT
có thểđược kiểm soát độc lập với tốc độ xe và thậm chí có thể tắt khi tốc độ của nó thấp hơn một giá trị nhất định đểđạt được lợi ích tối đa.
d. Giảm thiểu thời gian bật/tắt ĐCĐT: ĐCĐT trong xe hybrid có thể được bật và tắt thường xuyên vì nó có nguồn điện thứ cấp; hơn nữa, khi bật/tắt ĐCĐT có thểđược
xác định dựa trên phương pháp kiểm soát tối ưu để giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải.
e. Quản lý tối ưu trạng thái sạc pin (SOC): SOC của pin cần được kiểm soát tối ưu để cung cấp năng lượng cho xe và chấp nhận năng lượng tái tạo trong quá trình phanh hoặc xuống dốc cũng như tối đa hóa tuổi thọ của nó. Chiến lược điều khiển đơn giản nhất là tắt ĐCĐT nếu SOC của pin quá cao và bật ĐCĐT nếu SOC quá thấp. Chiến
lược kiểm soát tiên tiến hơn sẽ có thểđiều chỉnh công suất đầu ra của ĐCĐT dựa trên mức SOC thực tế của ắc quy.
1.7. Nghiên cứu ngoài nước
Để phát huy những ưu điểm và hạn chếnhược 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 đãđầu tư nhiều thời gian và công sức cho việc nghiên cứu đểđưa ra
17
những giải pháp tối ưu cho công nghệ hybrid vàđã 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 sựđãđưa 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 sốđầu vào cho bài toán mô phỏng hệđộng 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 đãđược 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 tửđược 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, nhờđó ĐCĐT luôn hoạt động ở chếđộ tối ưu .
Năm 2004, nhóm nghiên cứu của K.David Huang và các cộng sựđã 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 bốnăng lượng ĐCĐT và một bộ kết hợp
năng lượng của ĐCĐ và ĐCĐT. Bộ phận phân bốnăng lượng đảm bảo ĐCĐT có thể
hoạt động liên tục ở chếđộ 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 chếđộ 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 1.15Sơ đồ hệ thống hybrid loại song song kiểu mới [19]
Trụcra côngsuất
Khớp1chiều
Bánhrăngcôn
xoắn
Bánhrăngcônxoắn
Bánhrăng
cônxoắn
Puly
Puleycăng đai
Đai Đai Puly Khớp một chiều PCM Động cơ Máy phát Pin Trục đầu ra ĐCĐ Đầura độngcơ 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 đểđánh giá một sốtính 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 bộđiều khiển phối hợp. Trạng thái của ắc quy được theo dõi và tựđộng điều khiển chếđộ 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, nhờđó cắt giảm đáng kểlượng nhiên liệu tiêu thụcũng 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 Ắcqui ĐCĐ Bánh răng hành tinh Phanh Máy phát Khớp1chiều ĐCĐT
20
ĐCĐT đến phụ tải và máy phát. Nghiên cứu đã tối ưu hóa được công suất sạc ắc quy theo chếđộ 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 sẽđược 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 kểđến 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 hệđộng 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 mờđược 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 hệđộng lực hybrid dựa trên các thông số tối ưu.
Maxim Idriss cùng các cộng sựđã 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 độquay, dao động tải và dao động đường lên động lực học của mô hình mô phỏng [56]. Kết quảthu 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 dựđoán vềđiều 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
1.8. Nghiên cứu trong nước
Hiện nay, cùng sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, xe hybrid cũng đang được các nhà sản xuất, các trung tâm nghiên cứu và các nhà khoa học trong nước nghiên cứu, phát triển. Mục tiêu chung của các nghiên cứu là phát huy tối đa ưu điểm của xe hybrid và đưa chúng trở thành một
loại phương tiện phổ biến ở Việt
Nam. Dưới đây là một số kết quả
nghiên cứu đã đạt được trong thời gian qua ở Việt Nam về xe hybrid.
Nhóm nghiên cứu của tác giả
Bùi Văn Ga đã thực hiện nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực trên xe hybrid 2 chỗ ngồi [24]. Hệ thống phối hợp được thiết kế theo kiểu nối tiếp, bao gồm ĐCĐT (động cơ xăng)
có dung tích 110cc, công suất cực
đại đạt 5,5 kW sử dụng nhiên liệu LPG (Liquified Petroleum Gas);
ĐCĐ 1 chiều kiểu ZYT145/06-90 của Trung Quốc, điện áp 90V, tốc độ
quay 3000 v/ph, mô men xoắn cực
đại 60 Nm; Máy phát điện xoay chiều R263-A có điện áp 28 V và
công suất 4,5 kW. Tuy nhiên, do hệ
thống được thiết kế theo kiểu nối tiếp, năng lượng điện nạp vào ắc-quy chủ yếu lấy từlưới điện dân dụng khi
xe không hoạt động. ĐCĐT sử dụng nhiên liệu LPG chỉ có nhiệm vụ kéo máy phát
điện cung cấp thêm năng lượng khi xe chạy đường dài hay vượt dốc. Vì vậy, vấn đề ởđây là việc lưu trữnăng lượng điện yêu cầu khối lượng ắc quy lớn nên ảnh hưởng
đến tổng khối lượng xe hybrid. Ngoài ra, để có thể sử dụng được LPG thay thế cho