đồ án nghiên cứu công nghệ hybrid trên ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC

Đ

Niên khóa: 2006-2011

ĐỒ ÁN BẢO VỆ TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: TÌM

HIỂU VÀ MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ HYBRID TRÊN ÔTÔ

Bản quyền thuộc về i Z i b o o k ★
Copyright © www.izibook.info. All rights reserved


iZibook
ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HYBRID
1.1. Khái quát công nghệ hybrid trong xe hơi
1.1.1. Khái niệm chung
Xe hybrid là dòng xe sử dụng tổ hợp hai nguồn động lực, thường là sự kết
hợp giữa động cơ đốt trong (xăng, diesel, khí hóa lỏng…) với mô-tơ điện lấy
năng lượng điện từ một ắc quy cao áp. Mục đích chính là dùng mô-tơ điện hỗ trợ
hoặc thay thế động cơ đốt trong (ĐCĐT) để kéo xe ở những thời điểm mà ĐCĐT
làm việc không hiệu quả (suất tiêu hao nhiên liệu cao, phát thải lớn, gia tốc kém)
như quá trình khởi động, gia tốc và tăng tốc. Hay nói cách khác là giúp cho

ĐCĐT luôn làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó.
Như trên hình 1.2 ta có thể thấy ĐCĐT làm việc tối ưu trong một vùng
tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600v/ph tới 3400v/ph với suất tiêu hao nhiên
liệu khoảng 255 (g/kWh). Còn như thể hiện trên hình 1.1 có thể thấy rằng đặc
tính của ĐCĐT khác biệt khá xa so với đặc tính lý tưởng do vậy cần phải dùng
hộp số đa cấp hay hộp số tự động để có đặc tính tốt hơn như thể hiện trên hình
1.3. Điều này làm tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số.

Hình 1.1: Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng [6]

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà
Nội
www.izibook.info
2


iZibook
ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

Hình 1.2: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng [6]

Hình 1.3: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe [6]

Còn với mô-tơ điện, đặc tính được thể hiện trên hình 1.4. Có thể thấy rằng
mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng. Thông thường mô-tơ điện
khởi động từ tốc độ bằng 0. Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theo
trong khi dòng không đổi. Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp không đổi

còn dòng thì yếu đi. Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi
mô- men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ.
Do đó một hệ dẫn động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo
yêu cầu của xe.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội

www.izibook.info


iZibook
ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

Hình 1.4: Đặc tính của một mô-tơ điện [6]

Hình 1.5: Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn
động 1 cấp [6]
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà
Nội
www.izibook.info
4


Hình 1.5 cho thấy sự so sánh cụ thể của một mô-tơ điện và một ĐCĐT. Để
có đặc tính sát với lý tưởng thì ĐCĐT cần hộp số 4 cấp còn mô-tơ điện chỉ cần
hộp số 1 cấp.. Ngoài vai trò giúp cho ĐCĐT có thể hoạt động ở vùng tối ưu môtơ điện trong xe hybrid có một vai trò quan trọng thứ hai là nó có thể thu hồi lại
năng lượng (động năng) cho xe để nạp lại vào ắc quy trong quá trình xe giảm tốc
hay phanh, chức năng “phanh tái sinh”.

Khi kết hợp hai nguồn động lực như vậy kết quả đầu ra sẽ cho đặc tính như thể
hiện trên hình 1.6:

Hình 1.6: Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc [6].

1.1.2. Xu hướng phát triển của xe hybrid
Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói
chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về nồng độ phát thải
khí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra loại
ôtô mà mức phát thải và ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên
liệu. Điều đó càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay
ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân
lại tăng không đáng kể.
Các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trường
và là một trong số những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường , làm cho bầu khí
quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phương án để
giảm tối thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được
quan tâm nhất hiện nay của ngành ôtô nói riêng và mọi người nói chung.


Ôtô sạch không gây ô nhiễm là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu
và chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm
gần đây, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu
không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện,
pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô dùng động cơ lai (hybrid)... Trong số
những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứng
dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao.
1.1.3. Ôtô hybrid
Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được
nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi

trường. Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ
nguyên mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô hạn chế tối đa việc gây ô nhiễm môi
trường, giảm tiêu hao nhiên liệu tối thiểu hay còn gọi là ôtô “sinh thái” mà vẫn
sử dụng ĐCĐT, loại động cơ chưa thể thay thế trong nhiều năm tới.

Hình 1.7: Mô hình một xe hybrid.

Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được sự quan tâm
nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế
giới. Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có
nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ôtô này.
Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời mặt
trời... cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, chưa dễ thực hiện
với thực trạng như đất nước ta. Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid (nhiệt - điện) kết
hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu
về xu thế phát triển ôtô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về môi trường đô
thị và nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch.


Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid hoạt động trong
phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường
dài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng... Chứ không thể sử dụng ôtô hybrid
thay hẳn các loại ôtô khác vì khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau
và tính công nghệ còn nhiều hạn chế, trong đó cái khó nhất của vấn đề này là
nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho mô-tơ điện, vì nếu dùng loại ắc quy
thông thường thì số lượng bình rất nhiều, kích thước và khối lượng rất lớn.
Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này chúng em chỉ tìm hiểu nghiên cứu dòng
ôtô hybrid (nhiệt-điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện là loại ôtô hybrid
thông dụng nhất hiện nay.
1.2.

Tìm hiều một số dạng dẫn động hybrid.

1.2.1. Hệ thống hybrid nối tiếp
1.2.1.1. Khái niệm.
Hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp (Series hybrid electric drive train) là hệ
thống dẫn động cho xe hybrid trong đó xe chỉ được kéo bởi mô-tơ điện. Mô-tơ
điện này được cung cấp năng lượng từ hai nguồn là: Ắc quy và máy phát điện
được dẫn động bởi ĐCĐT. Hệ thống dẫn động nối tiếp đơn giản nhất như hình
1.8.

Hình 1.8: Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp


Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện. Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồn
ắcqui hoặc máy phát được dẫn động bởi ĐCĐT. Cụm ĐCĐT/máy phát
(ĐCĐT/MP) có nhiệm vụ giúp ắc quy bổ sung năng lượng cho mô-tơ kéo khi
công suất tải yêu cầu lớn hoặc nạp cho ắc quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ và
dung lượng ắc quy thấp.
Bộ điều khiển mô-tơ để điều khiển mô-tơ kéo sinh ra năng lượng phù hợp với
yêu cầu của xe.
Sự hoạt động của xe (gia tốc, khả năng leo dốc, tốc độ lớn nhất) được quyết
định hoàn toàn bởi kích thước và đặc tính của mô-tơ kéo dẫn động. Với sơ đồ kết
nối như vậy thì đặc tính của xe hybrid có dạng như ví dụ của một mô-tơ điện thể
hiện trên hình 1.3.

Hình 1.9: Đặc tính tốc độ - mômen và công suất – mômen của một mô-tơ điện [6]

1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động.
Trong hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp, cụm ĐCĐT/MP là phần cơ khí

được tách rời với trục bánh xe. Tốc độ và mô-men của ĐCĐT không phụ thuộc
vào tốc độ và mômen kéo yêu cầu của xe, nó có thể được điều khiển ở bất kì
điểm làm việc nào trên vùng tốc độ - mômen của nó. Thông thường động cơ đốt
trong sẽ được điều khiển ở vùng làm việc tối ưu của nó, ở vùng mà nhiên liệu
tiêu thụ và khí thải phát ra của động cơ là nhỏ nhất, thể hiện trong hình 1.4. Lí do
tách rời phần cơ khí của ĐCĐT với trục bánh xe nhằm để ĐCĐT có thể làm việc


ở vùng tối ưu và đặc tính của ĐCĐT được thay bằng đặc tính của mô-tơ điện.
Tuy nhiên, nó phụ thuộc nhiều vào các chế độ làm việc của động cơ và điều
khiển chiến lược của hệ dẫn động.

Hình 1.10: Đặc tính ĐCĐT và các vùng hoạt động [6]

a/ Chế độ kéo hỗn hợp
Khi cần yêu cầu một công suất lớn (khi lái xe đạp sâu chân ga) lúc này năng
lượng của cả cụm ĐCĐT/MP và nguồn năng lượng từ ắc quy cùng cấp năng
lượng cho mô-tơ điện hoạt động. Trong trường hợp này, động cơ đốt trong sẽ
được điều khiển để làm việc ở vùng tối ưu của nó. Nguồn năng lượng từ ắc quy
cung cấp công suất thêm để đáp ứng công suất kéo yêu cầu. Dạng hoạt động này
có thể được biểu diễn như sau:
Pyc = Pđcđt/mp + Paq(PPS)

(1.1)

Ở đó, Pyc là công suất yêu cầu bởi người lái (đạp chân ga)
Pđcđt/mp là công suất của cụm ĐCĐT/MP
Paq là công suất nguồn ắc quy.

b/ Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của ắc quy cung cấp cho mô-tơ điện.

Trong trường hợp này, chỉ có nguồn ắc quy cung cấp công suất của nó để đáp
ứng với công suất yêu cầu, thường là trong giai đoạn khởi động và gia tốc từ khởi
động tới khi xe đạt tới tốc độ cơ bản.
Pyc = Paq

(1.2)

c/ Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của cụm ĐCĐT/MPcung cấp cho mô-tơ điện.
Trong trường hợp này, chỉ có cụm ĐCĐT/MP cung cấp công suất của nó để
đáp ứng công suất yêu cầu, giai đoạn xe chạy ở tốc độ ổn định, chế độ lái bình
thường. Năng lượng điện được kết nối trực tiếp từ cụm ĐCĐT/MP tới mô-tơ kéo.
Pyc = Pđcđt/mp

(1.3)

d/ Chế độ ắc quy nạp năng lượng cho ắc quy từ cụm ĐCĐT/MP
Khi năng lượng của ắc quy giảm xuống dưới một mức qui định nào đó thì ắc
quy phải được nạp. Ắc quy có thể được nạp từ máy phát hay quá trình phanh tái
sinh (regenerative braking). Thường thì máy phát nạp khi phanh tái sinh nạp
không đủ. Trong trường hợp này, công suất của động cơ đốt trong được chia làm
hai phần: một để kéo xe, phần còn lại để dẫn động máy phát nạp điện cho ắc quy.
Pyc = Pđc/mp – Paq

(1.4)

Dạng hoạt động này chỉ có hiệu quả khi năng lượng của cụm ĐCĐT/MP sinh
ra lớn hơn công suất tải yêu cầu.
e/ Chế độ phanh tái sinh

Khi xe phanh, mô-tơ kéo có chức năng như một máy phát điện, biến đổi phần
động năng của xe thành năng lượng điện để nạp cho ắc quy.
Như trình bày trong hình1.8, bộ điều khiển xe điều khiển hoạt động của mỗi
bộ phận thùy theo công suất kéo yêu cầu từ người lái, tín hiệu phản hồi từ mỗi bộ
phận, và điều khiển chiến lược cài đặt trước của hệ thống dẫn động. Những bộ
phận được điều khiển để phù hợp với công suất yêu cầu của người lái xe, hoạt
động của mỗi bộ phận với hiệu suất tối ưu, thu lại năng lượng phanh càng nhiều
càng tốt, duy trì trạng thái nạp cho ắc quy.
1.2.1.3. Các chiến lược điều khiển.
Đây là quy tắc điều khiển được cài đặt trước trong bộ điều khiển xe, nó ra
lệnh hoạt động cho mỗi bộ phận. Bộ điều khiển xe nhận những lệnh hoạt động từ
lái xe và tín hiệu phản hồi từ hệ thống dẫn động (HTDĐ) cùng tất cả các bộ phận
sau đó đưa ra các quyết định để sử dụng dạng hoạt động phù hợp. Tất nhiên, đặc
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà
Nội
www.izibook.info
10


tính của HTDĐ phụ thuộc chủ yếu chất lượng điều khiển, trong đó điều khiển
chiến lược giữ vai trò quyết định.
Trong thực tế, đó là một dải của bộ chiến lược điều khiển mà có thể được sử
dụng trong những chiếc xe với các yêu cầu nhiệm vụ khác nhau. Ở đây chỉ xét
đến hai kiểu chiến lược điều khiển đặc trưng của động cơ: Trạng thái nạp lớn
nhất cho ắc quy và điều khiển đóng ngắt động cơ đốt trong.

Hình 1.11: Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp.

Trong đó:

A – Dạng kéo kết hợp
Pyc – Công suất yêu cầu.
Paq – Công suất ắc quy.
Pđc/mp – Công suất cụm động cơ/máy phát.
B – Dạng chỉ có ĐCĐT kéo hoặc dạng nạp ắc quy.
Pn-aq – Công suất nạp cho ắc quy.
C – Dạng phanh kết hợp.
Pph,ts – Công suất phanh tái sinh.
Pph,ck – Công suất phanh cơ khí.
D – Dạng phanh tái sinh.


a) Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất cho ắc quy.
Mục đích của điều khiển là thỏa mãn công suất yêu cầu được yêu cầu bởi lái
xe đồng thời duy trì trạng thái nạp cho ắc quy ở một mức cao nhất. Chiến lược
điều khiển này được tính toán để phù hợp thiết kế cho các xe hoạt động chủ yếu
dựa vào nguồn năng lượng của ắc quy. Một trạng thái nạp ở mức độ cao sẽ đảm
bảo sự hoạt động cao của xe ở mọi thời điểm. Chiến lược điều khiển tình trạng
nạp lớn nhất cho ắc quy được mô tả như hình 1.11.
Các điểm A, B, C, D thể hiện công suất yêu cầu mà điều khiển chiến lược
yêu cầu trong chế độ kéo hay phanh. Điểm A cho thấy yêu cầu công suất kéo lớn
hơn công suất mà cụm ĐCĐT/MP sinh ra. Trong trường hợp này, nguồn năng
lượng của ắc quy phải đưa ra năng lượng của nó bù đắp cho năng lượng thiếu hụt
của ĐCĐT/MP. Điểm B cho thấy năng lượng được yêu cầu nhỏ hơn năng lượng
ĐCĐT/MP sinh ra khi nó làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó. Trong
trường hợp này, hai dạng năng lượng được sử dụng phụ thuộc vào chế độ nạp ắc
quy. Nếu như độ sụt năng lượng của ắc quy thấp hơn mức của nó thì ắc quy được
nạp tức là ĐCĐT vừa kéo xe vừa nạp. Mặt khác nếu ắcqui đã được nạp đầy thì
động cơ chỉ kéo máy phát và được điều chỉnh để công sất sinh ra bằng công suất
yêu cầu còn ắc quy làm việc ở chế độ chờ. Điểm C mô tả công suất phanh cần

theo yêu cầu từ người lái lớn hơn công suất phanh mà mô-tơ điện sinh ra (năng
lượng phanh tái sinh lớn nhất). Trong trường hợp này, dạng phanh hỗn hợp được
sử dụng và mô-tơ điện sinh ra năng lượng phanh lớn nhất của nó và phanh cơ khí
bù đắp phần công suất cần thiết còn lại. Điểm D mô tả công suất phanh cần thiết
nhỏ hơn công suất phanh lớn nhất mà mô-tơ điện sinh ra, trong trường hợp này
chỉ có phanh tái sinh làm việc. Sơ đồ điều khiển logic minh họa ở hình 1.12.
b) Chiến lược điều khiển đóng - ngắt ĐCĐT.
Chiến lược điều khiển ở chế độ nạp lớn nhất của ắc quy chú trọng đến
trạng thái nạp cho ắc quy ở mức cao. Tuy nhiên, trong một vài điều kiện lái như
thời gian kéo dài với tải trọng thấp như khi lái xe trên đường cao tốc. Tốc độ
vòng quay lớn, ổn định thì ắc quy có thể dễ dàng được nạp đầy và cụm
ĐCĐT/MP buộc phải làm việc với một năng lượng sinh ra nhỏ hơn trong điều
kiện làm việc tối ưu của nó. Hơn nữa, hiệu suất của hệ dẫn động bị giảm. Trong
trường hợp này, ĐCĐT được đóng-ngắt hoặc điều khiển nhiệt phải phù hợp.
Chiến lược điều khiển này được minh họa ở hình 1.13.


Hình1.12: Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe hybrid nối tiếp

Hoạt động của cụm ĐCĐT/MP được điều khiển hoàn toàn bởi tình trạng
nạp của ắc quy. Khi tình trạng nạp của ắc quytrong phạm vi trên mức cần phải
nạp thì ĐCĐT ngừng hoạt động, khi tình trạng nạp của ắc quy ở mức cần nạp thì
ĐCĐT được bật cho hoạt động. Ắc quy được nạp năng lượng từ cụm ĐCĐT/MP.
Với cách này, động cơ không phải lúc nào cũng được làm việc trong vùng tối ưu
của nó.

Hình 1.13: Minh họa về điều khiển đóng-ngắt động cơ [6]


1.2.1.4.Tính toán thông số các thành phần chính.

Các bộ phận chính trong hệ dẫn động hybrid nối tiếp bao gồm: mô-tơ kéo,
cụm ĐCĐT/MP và ắc quy. Thiết kế công suất định mức của những thành phần
này là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc thiết kế toàn bộ hệ thống. Khi
thiết kế các thành phần này, bắt buộc phải tính đến các vấn đề bao gồm: khả năng
gia tốc của xe, khả năng leo dốc, điều kiện lái trên đường cao tốc, trong đô thị và
cân bằng năng lượng trong ắc quy.

a)Tính toán công suất định mức của mô-tơ kéo.
Công suất này phụ thuộc vào yêu cầu về khả năng gia tốc của xe, đặc
điểm của mô-tơ điện, đặc điểm của hệ truyền động. Đầu tiên khi tính toán, công
suất định mức của động cơ dẫn động có thể được ước lượng, tùy theo quá trình
thực hiện gia tốc (thời gian tăng tốc của xe từ tốc độ 0 tới tốc độ ước tính). Sử
dụng công thức tính toán dưới đây:
 .Mv
2 .g. f
(1.5)
1
P=
. V 2 + V 2 + .V
+  .A .V 3
f
.M
.C

(

t

Trong đó :
2.ta

)

b

r

3
v

f

5

a

D

f

f

Mv: là tổng khối lượng của xe (kg).
t f : Thời gian gia tốc dự kiến (s).

Vb : Vận tốc của xe tương đương với tốc độ cơ bản của mô-tơ điện (m/s).
Vf : Vận tốc cuối cùng của xe sau khi gia tốc (m/s).
2

g: gia tốc trọng trường g = 9,8 (m/s )

fr : Hệ số cản lăn của lốp xe.
3

a : khối lượng riêng của không khí = 1,202 (kg/m )
2

Af : Diện tích mặt trước của xe (m )

CD : Hệ số cản khí động.

Số hạng đầu của phương trình (1.5) đại diện cho công suất được sử dụng
để gia tốc xe, số hạng thứ hai đại diện cho công suất để thắng sức cản lăn và số
hạng thứ ba đại diện cho công suất để thắng lực cản khí động.
Hình 1.14 thể hiện khả năng kéo và công suất kéo với tốc độ xe được có
một bộ truyền động hai cấp. Trong quá trình gia tốc, bắt đầu từ bánh răng cấp 1,


lực kéo thể hiện theo đường a-b-d-e và Vb = Vb1 . Khi bộ dẫn động một bánh răng
được sử dụng thì khả năng kéo thể hiện theo đường c-d-e và Vb = Vb 2
Hình 1.15 trình bày một ví dụ cho công suất định mức của một mô-tơ
điện với nhiều tỷ lệ tốc độ. Cần chú ý, công suất ước lượng của mô-tơ được xác
định qua (1.5) chỉ là ước lượng để phù hợp với quá trình gia tốc.

Hình1.14: Đặc tính của mô-tơ điện [6]

Hình 1.15: Công suất và tỷ lệ vận tốc của hệ dẫn động [6]

b)Thiết kế công suất định mức cho cụm ĐCĐT/MP.

Trong thiết kế cụm ĐCĐT/MP hai điều kiện dẫn động được chú ý: (a)
Dẫn động trong thời gian dài với vận tốc không đổi (đường cao tốc) và (b) trạng
thái xe thường xuyên dừng-đi (trong thành phố).
Với kiểu dẫn động (a), cụm ĐCĐT/MP và hệ thống truyền động hoạt động
không dựa vào năng lượng của ắc quy, ĐCĐT/MP đã có đủ khả năng phát ra
công suất để cung cấp cho mô-tơ. Với chế độ thường xuyên dừng-đi (b)
ĐCĐT/MP phải tạo ra đủ công suất để duy trì năng lượng dự trữ cho ắc quy.
Việc tiêu thụ năng lựơng ắc quy liên quan chặt chẽ với vấn đề điều khiển
chiến lược đã trình bày ở trên.
Tại tốc độ không đổi trên đường bằng phẳng công suất tạo ra từ nguồn
công suất gồm cụm ĐCĐT/MP có thể được tính như sau:
(1.6)
1

2
P
=
V
M .g. +  .A .V ( kW
f
)
.C
v
đcđt/mp
1000. . r
2a D
f

t

m





t vàm là hiệu suất của hệ thống dẫn động và mô-tơ kéo.
Hình 1.10 là một ví dụ cho công suất phụ tải (không bao gồm phần uốn
do tvàm ) cho xe có khối lượng 1500kg. Nó cho thấy công suất yêu cầu tại một
tốc độ không đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất cần cho sự gia tốc như phương
trình (1.6) thể hiện.

Hình 1.16: Công suất phụ tải của xe có khối lượng 1500kg tại tốc độ không đổi [6]

Khi xe đang chạy ở kiều dừng-đi trong thành phố, công suất mà cụm
ĐCĐT/MP sinh ra có thể bằng hoặc lớn hơn công suất tải trung bình để mà duy
trì sự cân bằng với năng lượng của ắc quy. Công suất tải trung bình được tính
theo CT sau:


P =

1
T∫


M .g.
f

2

.A .V

1
+ 
.C

T

tb

0




v

r

2

a

D

f

Vdt + 1 T
M

T 0

∫


dV
.dt
v

(1.7)

dt

Số hạng thứ nhất là công suất trung bình thắng cản lăn và cản khí động.
Số hạng thứ hai là công suất trung bình khi tăng tốc và giảm tốc. Khi xe có thể
thu hồi năng lượng động năng của xe, kết quả là công suất trung bình của quá
trình tăng, giảm tốc độ bằng 0, thể hiện trong hình 1.17.

Hình 1.17: Công suất tiêu thụ trung bình khi phanh tái sinh hoàn toàn, một phần và
không phanh tái sinh [6]


Hình 1.18: Công suất tức thời, công suất trung bình với quá trình phanh tái sinh
hoàn toàn và không phanh tái sinh trong một vài chu trình lái điển hình [6]


Trong việc tính toán cụm ĐCĐT/MP, công suất dự trữ sẽ lớn hơn hoặc
bằng công suất cần thiết cấp cho xe khi vận hành với tốc độ không đổi trên
đường cao tốc hay công suất trung bình khi xe chạy trên đường phố.
Trong thiết kế thực tế, tính toán công suất trung bình của xe sử dụng một

số dạng đồ thị điển hình như hình 1.18.
c) Tính toán ắc quy.
Ắc quy phải có khả năng cung cấp đủ công suất cho mô-tơ kéo ở mọi thời
điểm. Đồng thời, ắc quy cũng phải dự trữ đủ năng lượng để ngăn ngừa việc
không cung cấp đủ năng lượng khi diễn ra tình trạng không được nạp kéo dài.
• Công xuất dự trữ của ắc quy.
Để sử dụng hoàn toàn công suất của mô-tơ điện thì công suất tổng của ắc
quy và ĐCĐT/MP phải lớn hơn hoặc bằng công suất định mức lớn nhất của môtơ điện. Theo đó, công suất dự trữ của ắc quycó thể được xác định như sau:
(1.8)
P
m,max
P ≥
−P
aq

đcđt /mp

m

• Năng lượng dự trữ của ắc quy.
Trong một vài điều kiện vận hành, kiểu vận hành thường xuyên tăng giảm
tốc độ sẽ cho kết quả là một tình trạng nạp thấp cho ắc quy. Năng lượng biến đổi
của ắc quycó thể được xác định như sau:
T

∆E = ∫ Paq dt

(1.9)

0

Trong đó, Paq là công suất của ắc quy
Giá trị dương của Paq khi ắc quy được nạp và âm khi ắc quy phóng điện.
Hình 1.19 mô tả năng lượng biến đổi theo thời gian của ắc quy, cho thấy
năng lượng biến đổi tối đa trong toàn bộ chu trình lái. Quá trình nạp cho ắc quy
được duy trì nếu ắc quy làm việc giữa trạng thái nạp (SOC) lớn nhất và nhỏ nhất.
Năng lượng dự trữ của ắc quycó thể tính toán theo công thức dưới đây:
Eaq

SOCtrvà

=

∆Emax
SOCtr − SOCd

(1.10)

SOC là trạng thái nạp cao nhất và thấp nhất. Hiệu quả nạp tối ưu
d


trong khoảng (0,4 ÷ 0,7) và giới hạn biến đổi năng lượng trong vùng (0,8 ÷ 1).


Hình 1.19: Nạp năng lượng trong chu trình lái nội thành cơ bản với chiến lược
điều khiển tình trạng nạp cao nhất [6]

2.2.1.1. Ưu nhược điểm của hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp
a) Ưu điểm.

1. Động cơ tách rời với bánh dẫn nên tốc độ và mô-men của động cơ độc lập với tốc
độ và mô-men yêu cầu và có thể luôn được duy trì làm việc ở vùng làm việc tối
ưu của nó với sự tiêu thụ nhiên liệu và phát thải nhỏ nhất. Hiệu suất và sự phát
thải của động cơ còn được cải thiện hơn nữa bởi thiết kế tối ưu tùy vào điều kiện
hoạt động.
2. Sự ngắt kết nối giữa động cơ và bánh xe còn cho phép động cơ có thể hoạt động ở
vùng tốc độ cao.
3. Khả năng gia tốc tốt khi không có quán tính của hệ dẫn động cơ khí, bánh đà,
tuốcbin…
4. Không cần nhiều bánh răng dẫn động nên cấu tạo đơn giản hơn và giá thành có thể
giảm.
5. Có thể thay thế bộ vi sai bằng các mô-tơ điện nên có thể nghiên cứu cho hệ dẫn
động lái 4 bánh và không cần cần điều khiển làm phức tạp cho quá trình lái.
b) Nhược điểm
1. Năng lượng bị biến đổi qua lại nhiều lần gây tổn thất đáng kể.
2. Máy phát và mô-tơ điện phải có độ lớn và dung lượng nhất định để đảm bảo yêu
cầu kéo xe nên có thể làm tăng đáng kể trọng lượng và giá thành.
2.2.1.2. Ví dụ tính toán.
• Các thông số kỹ thuật:
- Tổng khối lượng của xe: 1500 (kg)
- Hệ số cản lăn:
- Hệ số kéo khí động học: 0,3

0,01


- Diện tích mặt trước:

2

2 (m )

- Hiệu suất bộ truyền động (một bánh răng): 0,9
• Quá trình hoạt động:
- Thời gian gia tốc (từ 0 --> 100km/h): 10 ± 1 (s)
- Khả năng leo dốc lớn nhất: > 30% ở tốc độ thấp và > 5% ở vận tốc 100km/h.
- Tốc độ tối đa:160 km/h.
a) Tính toán công suất mô-tơ kéo.
Sử dụng phương trình (1.5) và giả sử động cơ truyền tốc độ có tỉ lệ x=4,
công suất định mức động cơ truyền có thể đạt được là 82,5 kW với giả thuyết
thời gian gia tốc từ 0 --> 100 km/h là 10s. Hình 1.20 trình bày quan hệ tốc độ mômen và tốc độ-công suất của mô-tơ.

Hình 1.20: Đặc tính công suất - mômen với tốc độ vòng quay của mô-tơ [6]

b) Tính toán tỉ số truyền bánh răng.
Tỉ số truyền của bánh răng được thiết kế để xe đạt được tốc độ lớn nhất tại
tốc độ mô-tơ max, đó là:

 .n .r
m,max
ig =
30.Vmax
Ở đó,

nm,max là tốc độ lớn nhất của mô-tơ

(1.11)

(v/ph).

Vmax là tốc độ lớn nhất của xe (m/s).

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà
Nội
www.izibook.info
22


c) Kiểm tra quá trình thực hiện gia tốc.
Dựa vào quan hệ mômen-tốc độ của mô-tơ kéo, tỉ số bánh răng, và các
thông số khác của xe, quá trình thực hiện gia tốc của xe (thời gian gia tốc và
quãng đường với tốc độ xe) có thể đạt được như trình bày ở hình 1.15. Nếu thời
gian gia tốc đạt được không phù hợp với yêu cầu thiết kế, công suất định mức
của mô-tơ thì phải thiết kế lại.

Hình 1.21: Đồ thị thời gian gia tốc, khoảng cách gia tốc với vận tốc xe [6]

d) Kiểm tra khả năng leo dốc.
Sử dụng đặc tính mômen – vận tốc của mô-tơ, tỉ số truyền bánh răng và các
thông số của xe, kết quả lực kéo và cản. Tốc độ xe có thể được tính toán và vẽ
trong một biểu đồ, như trình bày trong hình 1.22a. Hơn nữa, khả năng leo dốc
của xe có thể được tính toán như trên hình 1.226b. Hình 1.22 cho thấy khả năng
leo dốc đã tính toán là lớn hơn nhiều so với giả thuyết trong phần tính toán. Kết
quả này có thể hiểu, với một chiếc xe, công suất cần thiết cho quá trình tăng tốc
thường lớn hơn công suất cần thiết cho sự leo dốc đó là điều đầu tiên quyết định
công suất định mức của mô-tơ kéo.


Hình 1.22: Biểu đồ lực kéo, cản-tốc độ [6]

e)Tính toán công suất cụm ĐCĐT /máy phát điện.
Công suất định mức của cụm ĐCĐT/MP được thiết kế sao cho nó có khả
năng giúp xe đạt tốc độ liên tục 130km/h trên đường bằng phẳng. Hình 1.23
biểu diễn công suất động cơ cần thiết để đạt tốc độ 130 km/h là 32,5kW, trong
đó hiệu suất trong bộ truyền động là 90%, hiệu suất mô-tơ là 85%, và hiệu suất
máy phát là 90%.
Hình 1.23 cũng cho thấy rằng với công suất động cơ nhiệt 32,5kW thì có
khả năng giúp xe chạy ở tốc độ 78 km/h trên đường có độ dốc 5%.
Điều quan tâm khác trong thiết kế công suất định mức của cụm
ĐCĐT/MP là công suất trung bình khi lái với một vài chế độ đặc biệt “dừng-đi”.


Hình 1.23: Công suất động cơ với tốc độ không đổi trên đường có độ dốc 5% [6]

Hình 1.24: Đồ thị đặc tính của động cơ [6]

So với công suất cần thiết trong hình 1.22, công suất trung bình trong
những chu trình vận hành này là nhỏ. Do đó, 32,5kW của động cơ có thể thỏa
mãn công suất cần trong những chu trình vận hành này.
f) Tính công suất của ắc quy.
Tổng công suất sinh ra của ắc quy phải lớn hơn hoặc tối thiều bằng với
công suất vào của mô-tơ kéo: