2. Nội dung đồ án:
2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.2.1 Các chế độ hoạt động
Hình trên cho thấy cấu hình chi tiết của hệ thống truyền động kiểu hỗn hợp ( khớp nối moment và khớp nối tốc độ). Đơn vị bánh răng hành tinh tạo thành khớp nối tốc độ để kết nối động cơ và motor / máy phát điện với nhau. Động cơ và motor / máy phát điện được kết nối với cần dẫn và bánh răng mặt trời tương ứng. Các bánh răng của bánh răng hành tinh được kết nối với bánh lái thông qua cần dẫn nối với bánh răng Z1, Z2, Z4, Z5, và bộ vi sai. Một motor kéo được kết nối với bánh lái thông qua bánh răng của Z3, Z2, Z4, Z5, và bộ vi sai để kết hợp các momen xoắn đầu ra của bánh răng bao và motor kéo lại với nhau.
Trong cấu hình này, một ly hợp và hai khóa được sử dụng. Ly hợp phục vụ cho việc kết nối hoặc ngắt kết nối động cơ với cần dẫn của bánh răng hành tinh. Khóa 1 được sử dụng để khóa hoặc nhả bánh răng mặt trời và trục của motor/ máy phát điện đến sườn xe. Khoá 2 được sử dụng để khóa hoặc nhả cần dẫn đến sườn xe. Bằng việc điều khiển ly hợp, khóa, động cơ, motor / máy phát điện và motor kéo, nhiều chế độ hoạt động được sử dụng:
Hình 2.14 Sơ đồ của hệ thống truyền động
Chế độ khớp nối tốc độ: Trong chế độ này, motor kéo sẽ không hoạt động. các chế độ
hoạt động như sau:
Chỉ có động cơ hoạt động: ly hợp làm việc ở chế độ hợp để kết nối động cơ đến cần
dẫn, khóa 1 khóa bánh răng mặt trời đến sườn xe do vậy motor / máy phát điện khơng hoạt động. Dịng năng lượng được thể hiện dưới hình sau.
Hình 2.15 Dịng năng lượng ở chế độ chỉ có động cơ hoạt động PLG: Bánh răng hành tinh M/G: Motor/ máy phát TM: Motor kéo GB: Hộp số PPS: Ắc quy
Trong trường hợp này, động cơ tự cung cấp mô men xoắn cho bánh xe chủ động. Mối quan hệ tốc độ giữa động cơ và bánh xe:
Với ndw và ne là tốc độ của bánh xe chủ động và động cơ, và irw là tỷ số truyền từ bánh răng bao đến bánh xe được thể hiện :
Trong đó Z1, Z2, Z4, và Z5 là số răng của bánh răng Z1, Z2, Z4, và Z5. Mối quan hệ mômen giữa bánh lái và động cơ :
Với Tdw là mô-men xoắn tạo ra tại bánh xe bởi moment xoắn động cơ Te, ηyr là hiệu suất từ cần dẫn đến bánh răng bao, và ηrw là hiệu suất từ bánh răng bao đến bánh lái.
Chỉ có motor / máy phát điện kéo: Trong chế độ này, động cơ sẽ tắt ; bộ ly hợp có
thể hoạt động hoặc khơng và khóa 1 nhả bánh răng mặt trời và trục của motor / máy phát điện từ sườn xe; Khóa 2 khóa cần dẫn vào sườn xe. Trong trường hợp này, xe được vận hành bởi motor / máy phát điện.
Dịng năng lượng được thể hiện trong hình sau.
Hình 2.16 Dịng năng lượng ở chế độ chỉ có motor / máy phát điện kéo
Mối quan hệ tốc độ và momen xoắn giữa motor / máy phát và bánh lái :
Và:
Với Tdw là mômen kéo trên bánh lái được tạo ra bởi mô men xoắn motor / máy phát điện Tm/g, và ηsr là hiệu suất từ bánh răng mặt trời đến bánh răng bao.
Cần lưu ý rằng motor / máy phát điện phải được vận hành ở góc phần tư thứ ba, nghĩa là vận tốc góc âm (ngược hướng với chiều quay động cơ).
Động cơ và motor / máy phát điện cùng hoạt động : Trong chế độ này khóa 1 và 2
Và mơmen xoắn có mối quan hệ
Trong đó b là một hằng số khi dịng cơng suất chạy từ motor /máy phát điện đến bánh răng mặt trời, nghĩa là nm/g <0, b = 1, ngược lại b = -1. Phương trình chỉ ra với tốc độ xe nhất định, tốc độ động cơ có thể được điều chỉnh bằng tốc độ motor / máy phát điện.
Phương trình trên chỉ ra rằng mơ men động cơ, mô men motor / máy phát điện, mô men tải trên bánh xe dẫn động luôn luôn giữ một mối quan hệ cố định. Điều này ngụ ý rằng sự thay đổi bất kì thành phần moment xoắn nào đều sẽ gây ra thay đổi hai thành phần moment xoắn còn lại, làm cho các điểm hoạt động của động cơ và motor /máy phát điện thay đổi.
Dịng năng lượng được trình bày trong hình sau.
Hình 2.17 Dịng năng lượng ở chế độ động cơ và motor / máy phát điện cùng hoạt động
Chế độ khớp nối mô-men: Khi motor kéo được nạp năng lượng, mơ men xoắn có thể
được thêm vào moment xoắn đầu ra của bánh răng bao để tạo thành chế độ khớp nối moment. Khi motor kéo được điều khiển ở chế độ motor hoặc phát điện, tạo ra sáu chế độ hoạt động cơ bản như sau:
Động cơ độc lập kết hợp với motor kéo : Chế độ này giống như chế độ kiểu song
song . Dòng năng lượng được thể hiện trong hình 2.26
Hình 2.18 Dịng năng lượng ở chế độ động cơ độc lập kết hợp với motor kéo
Động cơ độc lập kết hợp với motor phát điện: Chế độ này giống như chế độ PPS
sạc từ động cơ trong hệ thống truyền động Hybrid. Dịng năng lượng được hiển thị trong hình sau:
Hình 2.19 Dịng năng lượng ở chế độ động cơ độc lập kết hợp với motor phát điện
Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor kéo: Chế độ này động cơ
Hình 2.20 Dịng năng lượng ở chế độ Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor kéo
Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor phát điện:Chế độ này động
cơ được thay bằng motor / máy phát điện. Chế độ này có thể khơng bao giờ được sử dụng vì nó sẽ tạo thành vịng trịn năng lượng, motor / máy phát điện hoạt động nhờ PPS và cuối cùng đến PPS thông qua motor/ máy phát điện và moto kéo như trong hình sau:
Hình 2.21 Dịng năng lượng ở chế độ Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor phát điện
Khớp nối tốc độ kết hợp với motor kéo: Chế độ này sử dụng các chức năng đầy đủ
của khớp nối tốc độ và khớp nối mơ-men.
Có hai trạng thái hoạt động của motor / máy phát điện: motor và phát điện như trong hình 2.31. Các trạng thái hoạt động của motor / máy phát điện trong chế độ quay (Hình 2.31a) có thể được sử dụng tại tốc độ xe cao. Trong trường hợp này, tốc độ động cơ có thể bị giới hạn để thấp hơn tốc độ trung bình của nó, tránh tốc độ động cơ quá cao gây ra hiệu quả hoạt động thấp. Máy phát điện đóng góp tốc độ cho hệ thống truyền động để hỗ trợ tốc độ xe cao như trong hình 2.31a.
Tương tự, các trạng thái hoạt động trong Hình 2.31b có thể được sử dụng trong trường hợp tốc độ xe thấp.
Hình 2.22 Dịng năng lượng ở chế độ Khớp nối tốc độ kết hợp với motor kéo
Trong trường hợp này, động cơ có thể được vận hành tại tốc độ thấp hơn tốc độ trung bình của nó để tránh tốc độ q thấp, hiệu quả hoạt động có thể thấp. Motor / máy phát điện hấp thụ một phần năng lượng từ động cơ.
Khớp nối tốc độ kết hợp với motor phát điện: Động cơ và motor / máy phát điện
hoạt động trong chế độ khớp nối tốc độ. Nhưng motor hoạt động trong chế độ phát điện được thể hiện như trong hình 2.32.
Phanh tái sinh: Khi xe đang phanh, motor kéo, motor / máy phát điện, hoặc cả hai có
thể tạo ra mơ men phanh và lấy lại một phần năng lượng phanh để sạc PPS. Trong trường hợp này , động cơ sẽ được ngắt. Dịng năng lượng được thể hiện trong hình 2.33.
Hình 2.24 Dịng năng lượng ở chế độ phanh tái sinh
Như đã thảo luận ở trên, có một số chế độ hoạt động có sẵn để sử dụng. Trong thiết kế chương trình điều khiển, khơng phải tất cả các chế độ trên đều được sử dụng, mà tùy vào thiết kế hệ thống truyền động, điều kiện lái xe, đặc điểm vận hành của các thành phần chính… mà quyết định dùng các chế độ hoạt động nào.
2.2.2 Chiến thuật điều khiển
2.2.2.1 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. Ngồi ra, các thơng 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 gởi đến VCU. Dựa trên các thiết lập có sẵn trên VCU và các thơng 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.
2.2.2.2 Phương pháp kiểm sốt tốc độ động cơ
Dễ thấy rằng, tốc độ động cơ có thể được kiểm sốt thơng qua việc điều khiển tốc độ motor/ máy phát (nm/g) ở một tốc độ tại bánh xe chủ động (ndw). Quá trình kiểm sốt sẽ được thực hiện thơng qua việc điều khiển góc mở bướm ga và moment xoắn của motor/máy phát.
Hình 2.25 Đồ thị moment và số vịng quay động cơ
Theo như hình, giả sử động cơ đang hoạt động tại điểm a với tốc độ ne,a, moment xoắn Te,1 với góc mở bướm ga 60%. Lúc này motor/máy phát sẽ tạo moment xoắn Tm/g,1=Te,1/kys (trong điều kiện bỏ qua tổn hao năng lượng) để cân bằng moment xoắn của động cơ. Khi ta cố định moment của motor/ máy phát, do đó sẽ cố định moment 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 sốt trong phạm vi tối ưu bằng cách điều khiển bướm ga hoặc điểm khiển moment motor/máy phát.
2.2.2.3 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 moment 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 moment của motor kéo, imw, ηmw lần lượt là tỉ số truyền và hiệu suất truyền từ motor kéo đến bánh xe chủ động.
Tổng moment 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 mơ phỏng của một hệ thống truyền động với bướm ga mở hoàn toàn và moment xoắn motor cực đại ứng với số vịng quay của nó.
Theo mơ phỏng, ứng với tốc độ xe thấp thì động cơ sẽ hoạt động với tốc độ khơng đổi (chẳng hạn: 1200 vịng/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, moment 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, cơng 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 sốt moment là cần thiết để phân bố đúng tải trọng công suất yêu cầu, tránh tổn hao năng lượng k cần thiết.
2.2.2.4 Chiến lược điều khiển hệ thống khiển hệ thống truyền động
Trên xe lai kiểu hỗn hợp, tốc độ động cơ và mơ men xoắn có thể được tách riêng hồn tồn khi truyền đến bánh xe thông qua khớp nối tốc độ và khớp nối mơmen.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, cơng việc đó sẽ phụ thuộc rất nhiều vào sự điều khiển hệ thống. Sẽ có nhiều chiến lược kiểm sốt 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 ơ nhiễm môi trường, phải đáp ứng được yêu cầu moment từ người lái (Kéo và phanh) và (ln ln duy trì SOC của PPS ở mức hợp lý, ví dụ, khoảng 70% và không bao giờ thấp hơn 30%).
2.2.2.5 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 tri 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 (vịng/phút), rw là bán kính bánh xe (m).
Lúc này tốc độ của motor/máy phát được tính bằng cơng 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 cơng thức:
Trong đó ne-max là tốc độ tối đa cho phép của động cơ. Ở chế độ này, tồn bộ cơng 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 qua 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
2.2.2.6 Chiến lược kiểm sốt moment kéo
Hình 2.27 Phương pháp kiểm sốt moment
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 môment 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 khơng thể đáp ứng moment u cầu này, và cần sự trợ giúp của motor và động cơ nên được kiểm sốt với góc mở bướm ga tối ưu như thể hiện bởi điểm B. Tuy nhiên, môment 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 khơng 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