L ời cam đoan
1.3.3 Xehybrid hỗn hợ p
Trong xe hybrid kiểu hỗn hợp, ĐCĐ, máy phát điện, ĐCĐT và bánh xe của xe có thểđược liên kết với nhau thông qua một hoặc nhiều bộ bánh răng hành tinh hoặc các thiết bị khác. Hình 1.11 cho thấy sơ đồ hệ thống hybrid hỗn hợp. Trong đó năng lượng do ĐCĐT và ĐCĐ cung cấp được phân chia và truyền đến các bánh xe thông
qua hai đường dẫn: nối tiếp và song song. Các đường dẫn dẫn qua máy phát điện
được kết nối với hệ thống lưu trữnăng lượng (ESS) tới ĐCĐ đến các bánh xe. Trong
đường dẫn này, năng lượng cơ học của ĐCĐT được chuyển đổi thành năng lượng
điện thông qua máy phát điện và năng lượng điện có thể một phần năng lượng sạc
13
cho ắc quy và một phần năng lượng thông qua ĐCĐ để dẫn động bánh xe hoặc toàn bộnăng lượng đến ĐCĐ để dẫn động bánh xe. Trong đường dẫn song song, động cơ được kết nối thông qua bánh răng cùng với hệ thống truyền lực liên kết. Trong đường dẫn này, năng lượng cơ học của ĐCĐT được truyền một phần hoặc toàn bộ cơ học
đến các bánh xe, và phần không được truyền tới các bánh xe sẽ được chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua máy phát điện để sạc ắc quy. Nếu công suất ĐCĐT
không thểđáp ứng công suất yêu cầu của xe, hệ thống truyền động ĐCĐ sẽ cung cấp thêm mô men xoắn cho các bánh xe. Xe hybrid kiểu hỗn hợp hoạt động mọi lúc như
là sự kết hợp của nối tiếp và song song. Nó cho phép hệ thống truyền động động cơ điện điều chỉnh tải động cơ đểđạt được mức tiết kiệm nhiên liệu tối ưu [10,13,15].
Như vậy xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽphát huy được ưu điểm của xe hybrid kiểu nối tiếp khi chạy trong thành phốvà ưu điểm của xe hybrid kiểu song song khi chạy ngoài xa lộ mang lại hiệu quả cao cho xe hybrid trong khi với xe hybrid nối tiếp hay song song chỉ phát huy được ưu điểm đối với một dạng địa hình nhất định.
1.4. Ưu và nhược điểm của xe hybrid
Xe hybrid đã và đang được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm vượt trội so với phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT truyền thống. Cụ thể như:
- Thu hồi năng lượng: với hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ hóa năng sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, xe hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi năng lượng bị tổn hao trong quá trình vận hành. Đối với xe thông thường khi được phanh lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa phanh. Trong khi đó, đối với xe hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóa thành điện năng và nạp vào ắcquy, vì thế rất nhiều năng lượng hao phí trong quá trình vận hành xe được thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên xe hybrid vẫn được trang bị hệ thống phanh như xe
thông thường trong trường hợp người lái cần phanh khẩn cấp [10,15].
- Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu: xe hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với ĐCĐT thông thường nhờ có các chiến lược phối hợp nguồn động lực một cách
14
hợp lý. Ngoài ra, khi vận hành trên đường trường, nguồn động lực chính là ĐCĐT hoạt động ở chế độ có hiệu suất cao nên sẽ giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu [5]. - ĐCĐ được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên ĐCĐT chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ giúp làm giảm được kích thước của hệ thống.
- Phạm vi vận hành rộng và tính năng kỹ thuật đảm bảo như những phương tiện sử dụng ĐCĐT truyền thống.
- Xe hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải quan tâm tới vấn đề nạp điện cho ắc quy.
- Xe hybrid có mức phát thải ô nhiễm môi trường thấp hơn xe sử dụng ĐCĐT thông thường. Trong quá trình vận hành sẽ có sự phối hợp giữa hai nguồn động lực, do đó ĐCĐT sẽ được hạn chế vận hành ở các chế độ chuyển tiếp nhờ đó sẽ giảm được đáng kể lượng phát thải độc hại [43].
Tuy nhiên, xe hybrid vẫn có những khuyết điểm như chất lượng, tuổi thọ, giá thành và thời gian sạccủa ắcquy. Các nhà sản xuất đã và đang nghiên cứu nhiều giải pháp cho vấn đề này như tái chế ắcquy cũ, phát triển các thế hệ ắcquy mới, nâng cao tuổi thọ của ắcquy,... Trong tương lai gần, những nghiên cứu này hứa hẹn mang lại nhiều kết quả hữu ích để giảm giá thành sản phẩmnhằm mục đích thay thế dần những phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT thế hệ cũ.
1.5. Các thành phần chính trong xe hybrid
So với một chiếc xe truyền thống thì xe hybrid gồm: ắc quy, ĐCĐT, ĐCĐ hệ
thống truyền động và mô đun điện tử công suất như bộ chuyển đổi DC - DC và bộ
biến tần DC - AC trong hệ thống xe hybrid.
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