Nghiên cứu thiết kế và tính toán phối hợp nguồn động lực trong xe hybrid

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

Lời nói đầu
Trong nhiều năm trở lại đây, thế

giới phải

đối

mặt với những vấn đềlớn

như ô nhiễm môi trường, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, mà những vấn đề này liên quan
tới việc sản

xuất

rất

nhiều

và sử dụng ngày càng rộng rãi của

các phương tiện cơ giới, đặc biệt là xe hơi. Một loạt các ảnh hưởng và tác động xấu được bắt nguồn từ các vấn đề
trên, đó là, sự ấm lên của Trái Đất gây ra các hiện tượng thiên nhiên bất thường, khí thải độc hại ảnh hưởng tới sức
khỏe con người, sự tăng giá của xăng dầu ảnh hưởng tới sự ổn định và phát triển của các quốc gia.
Để khắc phục những vần đề khó khăn nói trên, cùng với các ngành khoa học công nghệ khác thì ngành công
nghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu công nghệ khắp nơi trên thế giới đã tìm cách cải tiến và
thay thế các công nghệ trên xe hơi. Mục đích của các nghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát
ô nhiễm

thải

và giảm sự tiêu hao hoặc phụ thuộc vào nhiên liệu

xăng dầu khi xe hoạt động. Đã có một vài công nghệ hiện đại và tối ưu hơn được áp dụng cho xe hơi, trong số đó
thì công nghệ hybrid electric đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô. Với những ưu điểm và hiệu
quả của nó, công nghệ hybrid đang là một lựa chọn phù hợp cho các nhà sản xuất xe hơi trong hiện tại và tương lai.
Có rất nhiều mẫu xe hơi của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khi tung ra thị trường như: Toyota
Prius, Honda Insight, Chevrolet Silverado Hybrid,... Trong khi đó, ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu về công nghệ
hybrid trên ôtô trong các trường đại học, các trung tâm nghiên cứu khoa học còn hạn chế. Với những thành công và
sự cần thiết của công nghệ hybrid như đã nêu trên, do vậy nhóm nghiên cứu đã mạnh dạn chọn đề tài ''"Nghiên cứu
thiết kế và tính toán phối hợp nguồn động lực trong xe hybrid" làm đề tài tốt nghiệp. Với sự nỗ lực và cố gắng của nhóm nghiên cứu,
cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo Khổng Vũ Quảng, nhóm nghiên cứu đã thực hiện và hoàn thành các khối
lượng theo yêu cầu. Tuy nhiên, do đây là một đề tài mới, cũng như còn hạn chế nhiều về tài liệu và kiến thức thực
tế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, nhóm nghiên cứu mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy
cô giáo và các bạn sinh viên.

1


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 1.2: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng [6]
Hình 1.1: Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng [6]

2
Hình 1.3: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe [6]


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

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
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.

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]

3

yếu


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

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
mô- tơ 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 hlnh 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
đề

khí

thải

gây ô nhiễm

môi trường

là

một

vấn

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

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

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.

5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

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 trữnăng lượng
điện,

vì

nếu dùng loại

điện

để cấpcho

mô-tơ

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 thốngdẫn động nối tiếp đơn giản nhất như hình

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

^ Tín hiệu

1.8.
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.

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

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.

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

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:
P

yc = Pđcđt/mp + Paq(PPS)

(1 1)

.

Ở đó, P là công suất yêu cầu bởi người lái (đạp chân ga)
yc

P

đcđt/mp

là công suất của cụm ĐCĐT/MP P là công suất nguồn ắc quy.
aq

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,
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.

8

giai


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
P

yc

P

Bộ môn: Động cơ đốt trong

đcđt/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.
P

yc 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 hìnhl.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

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
tính của HTDĐ

Bộ môn: Động cơ đốt trong

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.

5
Ծ
W
)
ặ
'Ọ
O

Công suất lớn nhất của mô tơ kéo

Trong đó:
A – Dạng kéo kết hợp P — Công suất yêu cầu.
yc

P — Công suất ắc quy.
aq

Pđc/mp — Công suất cụm động cơ/máy phát.
B – Dạng chỉ có ĐCĐT kéo hoặc dạng nạp ắc quy. P — Công suất nạp choắc quy.
n-aq

C – Dạng phanh kết hợp.
P
P

ph

ts

— Công suất phanh tái sinh.

ph

Ck

— Công suất phanh cơ khí.

D – Dạng phanh tái sinh.

1
0


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

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 hoặcđiềukhiển
Chiến lược điều khiển này được minh họa ở hình 1.13.

1
1

nhiệt phải

phù

hợp.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn: Động cơ đốt trong

Hìnhl. 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


1.2.1.4.

Tinh toán thông số các thành phần chính.

Các bộ phận chinh 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) Tinh toán công suất định mức của mô-tơ kéo.

Công suấtnày 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:
(1.5)
Trong đó :
Mv: là tổng khối lượng của xe (kg).
tf: 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).
g: gia tốc trọng trường g = 9,8
(m/s2) f: Hệ số cản lăn của lốp xe.
: khối lượng riêng của không khí = 1,202 (kg/m3)

Pa

Af : Diện tích mặt trước của xe (m2)
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.


Hinh 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 = Vbl. 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
Hinh 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.

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:
PfctiVmp =
- -----ÍM,-S-f, +1 P„C D A V 1 ](kW)
1
1000.rr V
2 J
p

(1.6)

f

r t vàr m là hiệu suất của hệ thống dẫn động và mô-tơ kéo.
Hinh 1.10 là một ví dụ cho công suất phụ tải (không bao gồm phần uốn do

r t vàr 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:
1T/
1
\
1T
dV
Pb =

T

J|v,

g./r + 2 Pa .C .A V
D

r

2

Ỵdt

+

T

fSM.dV-Jt (1.7)


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.

Ăc 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

suất định

hơn hoặc bằng

mức lớn

công

nhất của

mô-tơ điện. Theo đó, công suất dự trữ của ắc quycó thể được xác định như
sau:
(1 8)

P > Pm,max _ P

aq

•

đcđt/mp

hm

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

A£ = J

(1.9)

P

O

aqdt

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.
Hinh 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:

E

=

AE

max
aq

(1.10
SOCr _ SOCd )


SOCtrvà SOCd

là trạng thái nạp cao nhấtvà thấp nhất. Hiệu quả nạp tối
ưu

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]
1.2.1.5.

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.

1.2.1.6.

Ví dụ tính toán.
• Các thông số kỹ thuật:


-

Tổng khối lượng của xe: 1500 (kg)
Hệ số cản lăn:

0,01

Hệ số kéo khí động học: 0,3


-

Diện tích mặt trước:

2 (m2)

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. Hinh 1.20 trình bày quan hệ

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

Ở đó,

n

m max

_

Tĩ.n

.r

m,max

Vax

30

là tốc độ lớn nhất của mô-tơ (v/ph).

(1.11)


Vmax là tốc độ lớn nhất của xe (m/s).


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
công

được

không phù hợp với yêucầu thiết

kế,

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) Tinh toán công suất cụm ĐCĐT/máyphát 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. Hinh 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%.
Hinh 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:


P
82 5
Paq =— - Pđcđt/mp =֊֊ ֊ 32,5.0,9 = 67,8kW
q
0,85
Ղո

(1.12)

Hình 1.25: Kết quả mô phỏng cho chu trình FPT75 trong thành phố [6]

Hình 1.26: Kết quả mô phỏng cho chu trình FPT75 đường
cao tốc [6]