ứng dụng MATLAB trong mô phỏng điều khiển xe lai kiểu song song

LỜI CẢM ƠN
Sau khi học tập và nghiên cứu trong bốn năm học tại trường,
chúng tôi đã vận dụng những kiến thức đã học để làm đồ án ‘‘Ứng
dụng matlab trong mổ phỏng xe lai kiểu song song’’. Trong quá
trình mơ phỏng và thực nghiệm để hồn thành đồ án tốt nghiệp
chun ngành này, bước đầu đã gặp khơng ít khó khăn, bỡ ngỡ. Nhưng
với sự nỗ lực của chúng tôi cùng với sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình
của GV. Th.S Huỳnh Quốc Việt và một số thầy khác trong khoa Cơ Khí
Động Lực. Giờ đây, sau một thời gian làm việc, nghiêm túc nghiên cứu
và tìm hiểu, chúng tơi đã hồn thành xong đồ án tốt nghiệp ‘‘Ứng
dụng matlab trong mổ phỏng xe lai kiểu song song’’. Tuy nhiên
do đây là lần đầu tiên chúng tôi vận dụng lý thuyết đã học vào tính
tốn một đề tài mới nên gặp rất nhiều khó khăn và khơng tránh khỏi
những sai sót. Vì vậy, chúng tơi rất mong được sự xem xét, giúp đỡ, chỉ
bảo của các thầy để tơi hồn thành đồ án một cách tốt nhất, đồng
thời cũng qua đó rút ra kinh nghiệm, bài học để làm giàu kiến thức
chuyên môn và khả năng tự nghiên cứu của mình.
Cũng qua đồ án này chúng tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với GV.
Th.S Huỳnh Quốc Việt, cùng các thầy giáo trong khoa. Các thầy đã
giúp đỡ, hướng dẫn tận tình và đóng góp ý kiến q báu giúp chúng tơi
hồn thành đồ án này một cách tốt nhất và đúng tiến độ.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn và rất mong được sự giúp đỡ
nhiều hơn nữa của quý thầy trong khoa!

1


TÓM TẮT
Xe lai là xe sử dụng từ 2 nguồn năng lượng trở lên để tạo ra lực
kéo. Xe lai sử dụng phổ biến hiện nay là loại trang bị một động cơ đốt
trong truyền thống, một bình chứa nhiên liệu, một ắc quy và một hay

nhiều động cơ điện.
Xe lai được chế tạo để kết hợp động cơ xăng và động cơ điện một
cách hợp lý nhằm đạt được những yêu cầu khác nhau như: cải thiện
mức tiêu hao nhiên liệu, gia tăng công suất hoặc cung cấp thêm năng
lượng cho những thiết bị điện tử.
Trước hết, tóm tắt một cái nhìn tổng quan về xe lai, cấu hình xe
lai, các chế độ vận hành của động cơ truyền thống và động cơ điện,
chiến lược điều khiển của xe lai, thiết kế tính tốn các thơng số, sau đó
tiến hành mơ phỏng bằng phần mềm matlab để có cái nhìn trực quan
về cách vận hành của một chiếc xe lai.
Đồ án này chứng minh xe lai tiết kiệm nhiên liệu và tối ưu hơn một
chiếc xe chỉ sử dụng động cơ truyền thống.
Lượng nhiên liệu tiết kiệm từ xe lai sẽ góp phần giảm giá thành
vận hành, giảm ơ nhiễm mơi trường và làm chậm q trình nóng lên
tồn cầu. Vì vậy, sử dụng xe lai sẽ tác động tích cực đến ngành cơng
nghiệp ơ tơ.

2


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1.5. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
1.6. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.8. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
1.9. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
1.10. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC
1.11. BỐ CỤC ĐỒ ÁN

1.12. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. SƠ ĐỒ KHỐI CÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG SONG
CHƯƠNG 3. CHỌN VÀ THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SIMULINK XE LAI
KIỂU SONG SONG
3.1. CHỌN ĐỘNG CƠ
3.2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MOTOR
3.3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ BATTERY
3.4.1. MÔ PHỎNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG XE LAI KIỂU SONG SONG
3.4.2. KHỐI DRIVER
3.4.3. KHỐI CONTROLLER
3.4.4. KHỐI MOTOR
3


3.4.4. KHỐI ENGINE
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
HEV: Hybrid Electric Vehicle

SOC: State Of Charge
PPS : Peaking Power Source
GM: General Motors
SUV: Sport Utility Vehicle
TL: Torque Large
TM: Torque Medium
TS: Torque Small
Tchg: Torque Charge
Tb: Torque Brake

Tc: Torque Traction
Te-opt : Torque engine optimum
Tm: Motor torque
V: Vehicle speed
Veb : Vehicle speed corresponding to the engine minimum rpm
PL : Load power, traction or braking
Pe : Engine power
Pm: Motor traction power
Pmb: Motor braking power
Pmc: PPS charging power
Pmf : Mechanical braking power
Ppps-d: PPS discharge power
ηm: Motor efficiency
Ppps: PPS charge power
Pave: Average power
4


Ps: Energy capacity power
Epps: Energies drawn from the PPS
Eengine: Energies drawn from the Engine

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền lực lai song song
Hình 2.2. Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống truyền lực lai kiểu
song song
Hình 2.3. Đồ thị các chế độ hoạt động khác nhau dựa vào sự yêu cầu
công suất
Hình 2.5. Minh họa phương pháp điều khiển động cơ On-Off.
Hình 2.7. Tóm tắt kiểm sốt từng trường hợp hoạt động của động cơ

theo mơ-men
u cầu và SOC của PPS
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc hai trục, hai hộp số
Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc hai trục, hai hộp số
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc một trục
Hình 2.11. Sơ đồ cách bố trí khác của cấu trúc một trục
Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc chia theo cầu dẫn động
Hình 2.13. Đồ thị thể hiện công suất động cơ khi xe chạy trên đường
bằng phẳng
và dường dốc 5%
Hình 2.14. Đồ thị thể hiện sự tiêu thụ năng lượng tại mỗi tay số để
phân tích ảnh
hưởng của truyền động bánh răng
đến hiệu suất của xe
Hình 2.15. Đồ thị cho biết tốc độ xe, sức tải tức thời và cơng suất trung
bình với
phanh tái sinh hồn tồn và phanh cơ khí ở một số
chu trình lái xe

5


Hình 2.16. Đồ thị thể hiện cơng suất động cơ và cơng suất trung bình
khi mở hồn
tồn bướm ga ở một số chu trình thử của một
chiếc xe sử dụng hộp số
đơn cấp
Hình 2.17. Sơ đồ hộp số tự động Simpson
Hình 2.18. Đồ thị thể hiện biên dạng lực kéo- tốc độ của một motor
Hình 2.19. Đồ thị thể hiện phần cơng suất cịn lại cần đáp ứng cho q

trình tăng
tốc với công suất cản gồm cản lăn và kéo khí
động học ứng với 2 kiểu
truyền động đa cấp và đơn cấp
Hình 2.20. Đồ thị thể hiện lực kéo và tốc độ của xe ở các chế độ hoạt
động khác
nhau của xe( chỉ động cơ, chỉ motor và cả hai).
Hình 2.21. Đồ thị cho biết xe đạt tốc độ 100km/h chỉ trong 10.7s và
khoảng cách
di chuyển được là 167m
Hình 2.22. Đồ thị thể hiện năng lượng tiêu thụ từ PPS và động cơ sử
dụng trong
quá trình tăng tốc
Hình 2.23. Đồ thị thể hiện với một chiếc xe hành khách chạy trong chu
trình
FTP75 với chiến thuật điều khiển Max SOC
Hình 3.1. Xe Toyota vios 1.5G 2013
Hình 3.2. Mặt cắt ngang của hộp số U340E
Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển của một chiếc xe lai kiểu song song dưới dạng
Simulink
Hình 3.4. Sơ đồ các giá trị yêu cầu của người lái
Hình 3.5. Sơ đồ các tín hiệu bàn đạp ga, bàn đạp phanh
Hình 3.6. Sơ đồ điều khiển của bộ controller
Hình 3.7. Lưu đồ giải thuật bộ Controller
Hình 3.8. Sơ đồ Simulink điều khiển quá trình kéo

6


Hình 3.9. Sơ đồ điều khiển của bộ controller khi Vx nhỏ hơn 9m/s

Hình 3.10. Sơ đồ điều khiển của bộ controller khi Vx lớn hơn 9m/s
Hình 3.11. Sơ đồ điều khiển khi mức SOC thấp
Hình 3.12. Sơ đồ điều khiển khi mơ-men u cầu ở vùng mơ-men thấp
Hình 3.13. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mơ-men trung bình và
cao
Hình 3.14. Sơ đồ điều khiển khi tín hiệu SOC ở mức trung bình
Hình 3.15. Sơ đồ điều khiển khi mơ-men u cầu ở vùng mơ-men thấp
Hình 3.16. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mơ-men trung bình và
cao
Hình 3.17. Sơ đồ điều khiển khi mức SOC cao và mô-men yêu cầu ở vùng thấp
Hình 3.18. Sơ đồ điều khiển khi mơ-men u cầu ở vùng mơ-men trung bình và
cao
Hình 3.19. Sơ đồ điều khiển của bộ controller đáp ứng quá trình phanh
Hình 3.20. Sơ đồ điều khiển của khối motor
Hình 3.21. Sơ đồ điều khiển của khối engine
Hình 3.22. Sơ đồ thực hiện hành động bằng Simulink của khối khớp mơ-men
Hình 3.23. Sơ đồ điều khiển bằng Simulink của khối transmission
Hình 3.24. Sơ đồ thể hiện tỉ số truyền ở những tay số khác nhau
Hình 3.25. Sơ đồ thể hiện tỉ số truyền ở tay số 1
Hình 3.26. Sơ đồ thực hiện hành động của bộ truyền lực cuối bằng Simulink
Hình 3.27. Sơ đồ điều khiển của khối vehicle
Hình 3.28. Sơ đồ tính tốn lực cản lăn và lực cản dốc bằng Simulink
Hình 3.29. Sơ đồ tính tốn lực cản khơng khí bằng Simulink
Hình 3.30. Sơ đồ tính tốn lực qn tính bằng Simulink

7


Hình 3.31. Sơ đồ tính tốn phản lực pháp tuyến ở cầu trước bằng Simulink
Hình 3.32. Sơ đồ tính tốn phản lực pháp tuyến ở cầu sau bằng Simulink

Hình 3.33. Sơ đồ tính tốn khối Battery
Hình 3.34. Đồ thị kết quả mơ phỏng vận tốc trong chu trình thử ECE-R15
Hình 3.35. Đồ thị mô-men xoắn của động cơ trong chu trình thử ECE-R15
Hình 3.36. Đồ thị số vịng quay của động cơ trong chu trình thử ECE-R15
Hình 3.37. Đồ thị mơ-men xoắn của motor trong chu trình thử ECE-R15
Hình 3.38. Đồ thị số vịng quay của motor trong chu trình thử ECE-R15
Hình 3.39. Đồ thị cơng suất của motor trong chu trình thử ECE-R15
Hình 3.40. Đồ thị mức SOC của bình trong chu trình thử ECE-R15
Hình 3.41. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của xe trong chu trình thử ECE-R15
Hình 3.42. Đồ thị so sánh kết quả mơ phỏng vận tốc trong chu trình thử FPThighway
Hình 3.43. Đồ thị mơ-men xoắn của động cơ trong chu trình thử FPT-highway
Hình 3.44. Đồ thị số vòng quay của động cơ trong chu trình thử FPT-highway
Hình 3.45. Đồ thị mơ-men xoắn của motor trong chu trình thử FPT-highway
Hình 3.46. Đồ thị số vịng quay của motor trong chu trình thử FPT-highway
Hình 3.47. Đồ thị cơng suất của motor trong chu trình thử FPT-highway
Hình 3.48. Đồ thị thể hiện mức SOC của bình trong chu trình thử FPT-highway
Hình 3.49. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ trong chu trình thử FPThighway

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của xe Toyota vios 1.5G 2013
Bảng 3.2. Thông số hộp số U340E

33

34

Bảng 3.3. Tóm tắt cho từng trường hợp khi điều khiển ở chế độ engine ( động cơ) 40

Bảng 3.4. Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của xe vios 1.5G

70

9


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1.Lý do chọn đề tài:
Hiện nay, nguồn nhiên liệu hóa thạch được khai thác quá mức và
dần cạn kiệt nên các nhà phát minh đã tìm ra những nguồn năng
lượng mới sạch và vô tận để thay thế nhưng chưa được ứng dụng rộng
rãi. Hiện nay, để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch đặc biệt là
ngành ô tô thì các hãng ô tô đã và đang phát triển dòng xe lai.
Xe lai tận dụng tối ưu động cơ truyền thống và động cơ điện để
tiết kiệm nhiên liệu một cách tốt nhất và góp một phần không nhỏ vào
việc bảo vệ môi trường. Trên thực tế hiện nay thì thị trường châu âu
được sử dụng khá phổ biến dòng xe này tuy nhiên ở việt nam thì chưa
được sử dụng rộng rãi. Vì vậy, để hiểu hơn về xe lai cũng như các chế
độ hoạt động của dịng xe này và có một cái nhìn trực quan về nó đồ
án này sẽ dùng matlab để mơ phỏng Simulink cho từng chế độ khi xe
vận hành và đồ án sẽ giúp hỗ trợ cho quá trình dạy và học về xe lai
kiểu song song.
1.2. Khái niệm.
Một chiếc xe được gọi là "Hybrid – xe lai" nếu nó sử dụng từ 2 nguồn năng lượng
trở lên để tạo ra lực kéo. Xe lai sử dụng phổ biến hiện nay là loại trang bị một động cơ
đốt trong truyền thống, một bình chứa nhiên liệu, một ắc qui và một hay nhiều động cơ
10

điện.
Xe lai được chế tạo để kết hợp động cơ xăng và động cơ điện một cách hợp lý nhằm
đạt được những yêu cầu khác nhau như: cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu, gia tăng công
suất và giảm ô nhiễm môi trường.
1.3. Lịch sử phát triển.
Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, các nhà phát minh đã tìm ra nhiều giải pháp để tìm
kiếm nguồn năng lượng giúp ôtô vận hành như điện, nhiên liệu hóa thạch, hơi nước và
sau đó kết hợp tất cả với nhau. Tuy nhiên, phải tới khoảng thời gian ngắn sau bình minh
của thế kỷ 20, xe lai mới ra đời. Dưới đây là các mốc thời gian đáng chú ý:
Năm 1900: Chiếc xe có tên gọi Lohner-Porsche Elektromobil trình làng tại triển
lãm Paris Exposition. Khởi đầu là một chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện song nhà thiết
kế Ferdinand Porsche đã nhanh chóng bổ sung thêm động cơ đốt trong để sạc lại pin
năng lượng cho xe và đó là khi nó trở thành chiếc xe lai (động cơ lai) đầu tiên trên thế
giới.

Năm 1917: Woods Motor Company giới thiệu Woods Dual Power, mẫu xe điện
“lai” được trang bị thêm động cơ đốt trong 4 xylanh. Dual Power đạt vận tốc tối đa
khoảng 56,3 km/h và không phải là một thiết kế thành công.

11


Giai đoạn thập niên 60 - 70: Kỹ sư điện Victor Wouk thiết kế nguyên mẫu động
cơ HEV dựa trên Buick Skylark. Khi chính phủ Mỹ quyết định dừng đầu tư vào việc
phát triển xa hơn chiếc xe này, Wouk trở nên khánh kiệt và buộc phải từ bỏ dự án.

Năm 1968: General Motors đã phát triển GM 512, một mẫu xe thử nghiệm chạy
bằng điện tốc độ thấp và chạy xăng tốc độ cao.

Năm 1989: Audi trình diễn chiếc Audi Duo thử nghiệm. Đây là mẫu xe kết hợp
giữa động cơ điện công suất 12 mã lực và động cơ đốt trong công suất 139 mã lực. Audi
đã phát triển các thế hệ tiếp theo của Duo trong 10 năm sau đó.

12


Năm 1997: Nhằm đối phó với thách thức từ Phó chủ tịch điều hành Akihiro Wadi
trong việc phát triển các dịng xe “uống” ít nhiên liệu hơn, Toyota ra mắt Prius và bắt đầu
tiếp thị mẫu xe này tại Nhật Bản.
Năm 1999: Honda ra mắt chiếc xe lai có tên Insight.
Năm 2000: Toyota bắt tay phát triển Prius (dưới dạng phiên bản 2001) tại thị
trường Mỹ.

Năm 2002: Xe lai dần trở nên phổ biến trên thị trường. Honda đã trình làng Accord
Hybrid vào giai đoạn này và vài năm sau đó, nhiều mẫu xe lai cũng được vén màn.
Năm 2004: Ford giới thiệu mẫu SUV hybrid đầu tiên: Ford Escape 2005.
Trái với suy đoán của nhiều người, chiếc xe đầu tiên sử dụng động cơ hybrid không
phải là Toyota Prius và nó cũng khơng phải được phát minh vào thập niên 90 hay đầu
những năm 2000. Trên thực tế, mọi chuyện bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20 khi động
cơ đốt trong trở nên quá ô nhiễm và có mùi độc hại. Một thợ đóng xe ngựa đến từ Viên
(Áo) tên là Jacob Lohner cảm thấy những chiếc xe hơi chạy xăng quá ồn ào và độc hại.
Để tìm ra giải pháp khắc phục, Lohner đã tìm đến một kỹ sư người Áo có tên Ferdinand
Porsche. Năm 1896, ở tuổi 21, Porsche đã phát minh ra động cơ có bánh xe chạy bằng
điện, đây là động cơ chạy pin được thiết kế vừa khít với trục (moayơ) của bánh xe.
Lohner đã yêu cầu Porsche kết hợp các động cơ đặt trong bánh xe với một trong những
chiếc xe ngựa của mình. Kết quả là tác phẩm có tên Lohner-Porsche Elektromobil ra
đời. Chiếc xe này ra mắt công chúng lần đầu tại triển lãm Paris Exposition năm 1900.
13

Dù ban đầu là một chiếc xe chạy điện hoàn tồn song Elektromobil đã nhanh chóng
trở thành mẫu xe lai đầu tiên trong lịch sử. Để đảm bảo Elektromobil không bao giờ cạn
pin, Porsche đã lắp thêm động cơ đốt trong giữ vai trò của một máy phát và từ đây,
Elektromobil đã trở thành chiếc xe đầu tiên kết hợp giữa động cơ điện và động cơ xăng.
Xe có thể đạt vận tốc tối đa 61,2 km/h. Chủ sở hữu đầu tiên của Elektromobil là E.W.
Hart đến từ Luton (Anh), người đã yêu cầu Porsche lắp động cơ trên cả 4 bánh xe.
Porsche đã làm theo và Elektromobil không những trở thành chiếc xe lai đầu tiên mà
cũng là mẫu xe đầu tiên sử dụng hệ dẫn động 4 bánh (4WD) .
Elektromobil không phải là chiếc xe đưa ra khái niệm xe “xanh” hay xe “sạch” bởi
cùng thời điểm đó, trên thị trường cũng đã xuất hiện những chiếc xe hơi chạy hồn tồn
bằng điện. Tuy nhiên, chính Elektromobil là chiếc xe cho thấy khi điện và xăng kết hợp
hoàn hảo cùng nhau, sẽ làm giảm lượng nhiên liệu tiêu hao. Lohner và Porsche sau đó đã
bán được 300 chiếc Elektromobil và ý tưởng về một chiếc xe lai chạy xăng – điện đã rơi
vào quên lãng trong một vài năm. Cái tên Porsche được nhắc tới nhiều nhất không chỉ
bởi ơng đã lập nên doanh nghiệp có tên gọi Porsche SE mà cịn bởi ơng là nhà thiết kế đã
tạo nên “chú bọ trứ danh” Volkswagen Beetle nguyên mẫu.
Trong vịng 100 năm sau đó, ý tưởng về một chiếc xe ôtô kết hợp động cơ xăng –
điện đã hồi sinh trở lại một vài lần song Toyota đã khiến nó trường tồn khi tạo nên Prius.
Ra mắt tại Nhật Bản vào năm 1997 và các thị trường khác năm 2001, Toyota sau đó đã
bán ra 1 triệu chiếc Prius vào năm 2007 trên thị trường toàn cầu. Ngược lại, chiếc xe lai
Lohner-Porsche Elektromobil đã bị công chúng lãng quên và cho dù cầm cự trong một
vài năm cũng như thi thoảng góp mặt tại một vài triển lãm xe cổ, Elektromobil đã khơng
cịn trụ vững. Prius tồn tại và tạo nên dấu mốc đáng nhớ ở thị trường xe lai. Tuy nhiên,
Porsche và Lohner vẫn xứng đáng được tôn vinh cho ý tưởng táo bạo của họ, đã đi trước
thời đại gần 100 năm.
Dù tiết kiệm mức nhiên liệu tiêu hao và góp phần bảo vệ mơi trường, động cơ
“sạch”, song quá trình sản xuất những chiếc xe lai cũng khá giống các mẫu xe thông
thường. Một chiếc xe lai sẽ được lắp ráp tại dây chuyền sản xuất theo một loạt quy trình
tỉ mỉ. Tiếp đến, băng tải sẽ chuyển các bộ phận và sau đó, thang máy đặt các chi tiết rời

14


rạc vào đúng vị trí. Đây là quy trình sản xuất có sự tham gia của cả máy móc và con
người.
Khác biệt duy nhất trong việc tạo ra những mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu nằm ở pin
ắc quy. Pin của động cơ hybrid thường khá lớn, có thể sạc lại và chiếm kha khá diện tích.
Pin này thường là sản phẩm của các công ty chuyên cung cấp pin như Panasonic hay
Sanyo, chủ yếu đặt tại Nhật Bản. Hầu hết các xe lai ngày nay đều sử dụng pin niken
hidrua kim loại (NiMH) . Tuy nhiên, một số xe lai mới nhất sử dụng các pin lithium-ion
(Li-ion) cao cấp hơn. Để làm ra sản phẩm pin Li-ion này, người ta tiến hành ép phôi
lithium dưới áp suất cao vào một tấm có bề rộng chỉ 0,254 mm, sau đó dùng máy để thổi
những tấm này thành các pin cuộn chặt. Những tấm được thổi và cuộn này sẽ được nung
ở nhiệt độ cao và kim loại nóng chảy sau đó sẽ được phun xịt lên bề mặt các tấm bằng
thiết bị tự động – đây là quá trình “tạo màng”. Một số bộ ắc quy được tạo màng sẽ được
xếp chồng lên nhau trong một mô-đun.
1.4. Phân loại.
Xe lai được phân thành ba loại chính:
- Xe lai kiểu nối tiếp.
- Xe lai kiểu song song.
- Xe lai kiểu hỗn hợp.
Trong đó xe lai kiểu song song nghĩa là gồm động cơ đốt trong và động cơ điện
truyền lực song song hoặc phối hợp nhau, khi ắc qui cao áp cạn năng lượng thì động cơ
điện đóng vai trị là một máy phát điện để nạp cho ắc qui cao áp.




Ưu điểm:

- Tiết kiệm nhiên liệu.
- Không cần máy phát.
- Motor kéo nhỏ hơn xe lai nối tiếp.
- Hiệu suất cao hơn xe lai nối tiếp.
Nhược điểm:
- Cấu trúc phức tạp so với xe lai nối tiếp.
- Động cơ hoạt động khơng tối ưu trong một vài trường hợp.
Có nhiều cấu trúc cho truyền lực lai kiểu song song như: cấu trúc hai trục hai hộp

số, hai trục một hộp số, một trục, chia theo cầu dẫn động. Mỗi phương pháp thiết kế theo
cấu trúc riêng biệt chỉ có thể ứng dụng cho một môi trường hoạt động và yêu cầu về khí
15


thải cụ thể. Phần này sẽ tập trung vào phương pháp thiết kế hệ thống truyền lực kiểu song
song với khớp nối mô-men hoạt động trên nguyên lý động cơ cung cấp công suất đáp ứng
tải cơ bản (hoạt động tại tốc độ không đổi định trước trên đường bằng phẳng và các đoạn
đường có độ dốc nhỏ, hoặc tại chế độ tải trung bình khi chuyển sang trạng thái dạng
đường hoạt động- ngừng) và động cơ điện cung cấp cơng suất để đáp ứng u cầu tải cực
đại.
1.5.Mục đích đề tài:


Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng Simulink cho xe lai kiểu song

song.
1.6.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:


Đối tượng nghiên cứu:

Cơ sở lý thuyết xe lai, phần mền matlab, mô phỏng simulink xe lai

kiểu song song.


Phạm vi nghiên cứu:
Mô phỏng Simulink matlab cho phương pháp điều khiển trên xe lai

kiểu song song.
1.7.Phương pháp nghiên cứu:


Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các lý thuyết và

các cơng trình nghiên cứu về xe lai và thực hiện đề tài.

Phương pháp thực nghiệm: thực nghiệm xác định các số liệu
dùng cho mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả mô phỏng.

Phương pháp mô phỏng: mô phỏng phương pháp điều khiển xe
lai bằng matlab từ các thông số thực tế.
1.8.Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết của đề tài:
Đề tài “Ứng dụng matlab mô phỏng xe lai điều khiển kiểu
song song” để hiểu hơn về xe lai cũng như các chế độ hoạt động của
dịng xe lai và có một cái nhìn trực quan cho từng chế độ khi xe vận
hành, hỗ trợ cho quá trình dạy và học về xe lai kiểu song song.
1.9.Giới hạn đề tài:
16



Nghiên cứu lý thuyết xe lai và mô phỏng Simulink matlab cho

phương điều khiển trên xe lai kiểu song song.
1.10.


Kết quả dự kiến đạt được:

Trình bày cách vận hành, các chiến thuật điều khiển của xe lai kiểu

song song, cách bố trí động cơ điện và mơ phỏng cho từng chế độ của
xe lai kiểu song song trong Simulink matlab.
1.11.






Bố cục đồ án:

Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Tính tốn, thiết kế và mơ phỏng xe lai kiểu song song.
Chương 4: Mô phỏng Simulink.
Tài liệu tham khảo

1.12.

Kế hoạch thực hiện:

Trong quá trình tìm hiểu, học hỏi và thực hiện đề tài, người thực
hiện đề tài đề xuất các phương án thực hiện như sau:



Nghiên cứu sử dụng Matlab để mơ phỏng.
Viết báo cáo, hồn thiện đồ án.

17


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Sơ đồ khối và mục tiêu thiết kế hệ thống truyền lực lai song song.
Cấu trúc của hệ thống truyền động lai song song được trình bày trong hình 2.1. Hệ
thống điều khiển của bộ truyền động bao gồm bộ điều khiển xe, bộ điều khiển động cơ để
điều khiển công suất động cơ đốt trong, động cơ điện, bộ điều khiển phanh cơ học và bộ
điều khiển ly hợp. Bộ điều khiển xe là bộ điều khiển trung tâm. Nó nhận lệnh vận hành từ
người lái thông qua chân ga, bàn đạp phanh và thu thập các tín hiệu bao gồm tốc độ xe,
tốc độ động cơ, vị trí bàn đạp ga, SOC của PPS. Dựa trên thuật toán, bộ điều khiển trung
tâm xử lý tất cả các tín hiệu nhận được, sau đó ra lệnh điều khiển các bộ điều khiển thành
phần tương ứng. Các bộ điều khiển thành phần kiểm soát các thành phần tương ứng để
thực hiện các lệnh đến từ bộ điều khiển trung tâm.
Trong thiết kế hệ thống truyền động, các yếu tố quan trọng là công suất của động
cơ, mô tơ, PPS, hộp số và quan trọng hơn là chiến thuật điều khiển của hệ thống truyền
động. Các mục tiêu thiết kế như sau:

- Đáp ứng các yêu cầu về tính năng vận hành (độ dốc, gia tốc và tốc độ tối đa) .
- Đạt được hiệu suất cao.
- Duy trì SOC của PPS ở mức hợp lý trong khi xe vận hành trên xa lộ và ở khu vực
đô thị mà không cần phải sạc PPS từ bên ngoài xe.
- Thu hồi năng lượng phanh càng nhiều càng tốt trong khi vẫn bảo đảm tính an
tồn.

18


Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền lực lai song song.
2.2. Phương pháp điều khiển hệ thống truyền lực lai song song.
Các chế độ hoạt động chính gồm: động cơ kéo, motor điện kéo, kéo kết hợp (động
cơ và motor), phanh tái sinh và động cơ nạp cho ắc qui (PPS). Suốt quá trình hoạt động,
các chế độ hoạt động thích hợp sẽ được dùng để đáp ứng yêu cầu về mô-men kéo, đạt
hiệu suất cao, duy trì mức độ SOC của PPS phù hợp, và phục hồi năng lượng phanh
nhiều nhất có thể.
Sơ đồ điều khiển tổng thể gồm hai cấp độ. Cấp độ điều khiển hệ thống trung tâm
(điều khiển cấp cao) có chức năng như một bộ phận chỉ huy và đưa yêu cầu mô-men đến
cấp điều khiển thấp (bộ điều khiển các bộ phận) dựa trên các yêu cầu của người điều
khiển, đặc tính các bộ phận và các tín hiệu phản hồi. Các thiết bị điều khiển cấp độ thấp
như điều khiển động cơ, điều khiển motor, điều khiển hộp số, điều khiển các thiết bị
tương ứng để chúng hoạt động đúng.

19


Hình 2.2. Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống truyền lực lai kiểu song song.
Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống truyền lực lai kiểu song song được thể hiện
ở hình 2.2 bao gồm bộ điều khiển xe, điều khiển động cơ, điều khiển motor điện, điều

khiển phanh cơ khí. Bộ điều khiển xe chiếm vị trí cao nhất. Nó thu thập dữ liệu từ người
lái xe và tất cả các thiết bị như yêu cầu về mô-men xoắn, tốc độ motor điện,… Dựa trên
các dữ liệu, các đặc tính thiết bị và các phương án điều khiển đặt trước, bộ điều khiển xe
sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị điều khiển, điều khiển cục bộ. Mỗi thiết bị điều
khiển sẽ điều khiển các hoạt động của các thiết bị tương ứng để đáp ứng yêu cầu của hệ
thống truyền lực. Bộ điều khiển xe đóng vai trị trung tâm trong hệ thống truyền lực. Nó
sẽ thi hành các chế độ hoạt động khác nhau theo điều kiện dẫn động và các dữ liệu thu
thập được từ các thiết bị và yêu cầu của người điều khiển sẽ đưa ra sự điều khiển đúng
đến các thiết bị điều khiển bộ phận. Do vậy, phương pháp điều khiển định trước là chìa
khóa để tối ưu hoạt động của hệ thống truyền lực.
2.2.1. Phương pháp điều khiển trạng thái nạp cực đại.
Khi xe đang hoạt động trong chế độ hoạt động-ngừng, PPS phải phân phối công
suất đến hệ thống truyền lực thường xuyên. Dần dần, PPS có xu hướng phóng hết điện rất
nhanh.
Trong trường hợp này, duy trì SOC cao trong PPS là cần thiết để đảm bảo hoạt động
của xe.
20


Hình 2.3. Đồ thị các chế độ hoạt động khác nhau dựa vào sự yêu cầu công suất.
Phương pháp điều khiển cực đại có thể được giải thích bởi hình 2.3. Trong hình này,
đường cong cơng suất cực đại cho chế độ kéo kết hợp (động cơ cộng motor điện), động
cơ kéo, motor điện kéo và chế độ phanh tái sinh được phát họa theo sự thay đổi tốc độ xe.
Công suất yêu cầu trong các điều kiện khác nhau được phát họa, được biểu diễn bằng các
điểm A, B, C và D. Các chế độ hoạt động của hệ thống truyền lực được giải thích dưới
đây:
- Chế độ motor kéo: Tốc độ xe thấp hơn giá trị được đặt trước V eb là tốc độ thấp
mà động cơ không thể hoạt động ổn định. Trong trường hợp này, motor điện một
mình phân phối cơng suất đến các bánh xe chủ động, trong khi động cơ không
hoạt động hoặc chạy cầm chừng. Công suất động cơ, công suất điện và cơng suất

phóng điện PPS được tính như sau:
Pe =0 (3.1)
Pm =PL (3.2)
Ppps-d = Pmηm (3.3)
Trong đó: Pe là cơng suất đầu ra động cơ, P L là công suất tải yêu cầu ở các bánh xe,
ηt,m là hiệu suất hộp số từ motor đến bánh xe chủ động, P m là công suất đầu ra của motor
điện, Ppps-d là công suất phóng điện của PPS, ηm hiệu suất motor.
- Chế độ kéo kết hợp: Yêu cầu công suất tải được thể hiện tại điểm A trong hình
3.2 lớn hơn cơng suất của động cơ có thể phát ra, cả động cơ và motor phải phân
21


phối công suất đến các bánh xe chủ động cùng lúc. Trong trường hợp này, sự
hoạt động động cơ được cài đặt hoạt động trên đường hoạt động tối ưu bằng cách
điều khiển cánh bướm ga để phát ra công suất Pe. Phần cơng suất tải cịn lại được
cung cấp bởi motor điện. Công suất đầu ra motor và công suất phóng điện PPS
được tính như sau:
Pm =PL−Pe (3.4)
Ppps-d = Pmηm (3.5)
Trong đó ηt,e là hiệu suất truyền lực từ động cơ đến các bánh xe chủ động.
- Chế độ nạp PPS: Khi công suất tải yêu cầu (được đại diện bởi điểm B trên hình
2.3) thấp hơn cơng suất động cơ phát ra khi động cơ hoạt động trên đường hoạt
động tối ưu, và SOC của PPS thì ở phía dưới đường trên cùng, thì động cơ phát
ra cơng suất Pe. Trong trường hợp này, motor điện được điều khiển bởi bộ điều
khiển làm cho nó hoạt động như một máy phát, nó được dẫn động từ phần cơng
suất cịn lại của động cơ.
Cơng suất đầu ra của motor điện và công suất PPS là:
Pm = (Pe−PL) ηt,e,m (3.6)
Ppps-c =Pmηm (3.7)
Trong đó: ηt,e,m là hiệu suất truyền lực từ động đến motor điện.

- Chế độ động cơ kéo: Khi công suất tải yêu cầu (điểm B) thấp hơn công suất động
cơ có thể phát ra khi nó hoạt động tối ưu và SOC của PPS đã đạt đến đường trên
cùng thì chế độ động cơ kéo một mình được sử dụng. Trong trường hợp này, hệ
thống điện ngưng hoạt động và động cơ hoạt động để cung cấp công suất đáp
ứng công suất tải yêu cầu. Đường cong công suất đầu ra của động cơ ứng với chế
độ một phần tải được biểu diễn bằng đường nét đứt trên hình 2.3. Cơng suất động
cơ, cơng suất điện và cơng suất ắc qui có thể được thể hiện:
Pe =PL (3.8)
Pm =0 (3.9)
Ppps =0 (3.10)
- Chế độ phanh tái sinh: Khi xe phanh và công suất phanh thấp hơn công suất
phanh nạp cực đại, cơng suất mà hệ thống điện có thể cung cấp (được thể hiện
22


trên hình 2.3 tại điểm D) thì motor điện được điều khiển có chức năng như một
máy phát điện để cung cấp một công suất phanh bằng với công suất phanh yêu
cầu. Trong trường hợp này, động cơ không hoạt động hoặc chạy cầm chừng.
Công suất đầu ra motor và công suất nạp PPS là:
Pmb = PLηm (3.11)
Ppps-c = Pmb (3.12)
- Chế độ phanh kết hợp: Khi công suất phanh yêu cầu lớn hơn công suất phanh
nạp cực đại, công suất mà hệ thống điện có thể cung cấp (được thể hiện trên hình
2.3 tại điểm C) thì phanh cơ khí phải được hoạt động. Trong trường hợp này,
motor điện sẽ được điều khiển để cung cấp công suất phanh nạp cực đại, và hệ
thống phanh cơ khí sẽ giải quiết phần cịn lại. Cơng suất đầu ra, cơng suất nạp ắc
qui, và cơng suất phanh cơ khí là:
Pmb = Pmb-maxηm (3.13)
Ppps-c = Pmb (3.14)
Pmf = PL − Pmb (3.15)

Chú ý: để đặc tính phanh tốt hơn thì sự phân bố lực phanh phía trước lên bánh trước
và bánh sau tỉ lệ với sự phân bố tải trọng trên các bánh xe. Vì vậy, việc điều khiển cơng
suất phanh có thể được điều chỉnh cho phù hợp theo từng chế độ để bảo đảm tính ổn định
cũng như an tồn của xe.

23


Hình 2.4. Lưu đồ điều khiển Max.SOC-of-PPS.
Ưu điểm của chiến thuật: tái sinh được năng lượng phanh tiết kiệm nhiên liệu, động
cơ ít tốn cơng suất nạp cho ắc qui cao áp.
Nhược điểm của chiến thuật: thời gian nạp cho ắc qui cao áp lâu và năng lượng nhỏ
do dòng nạp chủ yếu từ phanh tái sinh.
2.2.2. Phương pháp điều khiển động cơ ON-OFF.
Tương tự như trong trường hợp sử dụng hệ thống truyền lực lai kiểu nối tiếp, thì
phương pháp điều khiển động cơ ON–OFF được áp dụng trong một vài tình trạng hoạt
động với tốc độ thấp và gia tốc thấp. Trong phương pháp điều khiển động cơ ON–OFF
thì sự hoạt động của động cơ được điều khiển bởi SOC của PPS được thể hiện ở hình 2.5.

24


Hình 2.5. Minh họa phương pháp điều khiển động cơ On-Off.
Trong quãng thời gian động cơ hoạt động (ON) thì sử dụng phương pháp điều khiển
SOC của PPS cực đại. Khi SOC của PPS đạt đến đường trên cùng của nó thì động cơ
ngưng hoạt động (OFF) và xe chỉ được hoạt động bởi motor điện. Khi SOC của PPS đạt
đến SOC cực tiểu thì động cơ phải hoạt động trở lại và điều khiển SOC của PPS cực đại
trở lại.
Ưu điểm của chiến lược này: năng lượng ắc qui cao áp luôn được đảm bảo trong
mức cho phép, thời gian ắc qui cao áp được nạp đầy nhanh hơn so với chiến lược điều

khiển Max.SOC of PPS.
Nhược điểm của chiến lược này: khi nạp năng lượng cho ắc qui cao áp thì động cơ
đốt trong vừa nạp cho ắc qui cao áp vừa vận hành xe.
2.2.3. Chiến lược kiểm soát cân bằng.
Chiến lược kiểm soát cân bằng nhằm điều phối giữa chiến lược kiểm soát Max.
SOC-of-PPS và chiến lược kiểt soát tắt mở động cơ. Nguyên tắc của chiến lược kiểm soát
này là đưa ra thời điểm tắt mở động cơ trong chiến lược kiểm soát Max.SOC-PPS để xe
vận hành tối ưu nhất. Khi xe hoạt động trong vùng tốc độ nhỏ hơn Veb, chế độ kéo lai
(điểm A), chế độ phanh tái sinh kết hợp phanh cơ khí (điểm C), chế độ phanh tái sinh
(điểm D) sẽ được điều khiển như hình 2.3. Tuy nhiên, khi ở chế độ một phần tải (điểm B)
trong hình 2.3, có nghĩa là công suất tải nhỏ hơn công suất tối ưu của động cơ. Chế độ
này động cơ có thể hoạt động ở các trường hợp bướm ga tối ưu, một phần ga hoặc tắt, tùy
thuộc vào SOC của PPS. Chiến lược kiểm soát ở chế độ một phần tải này được giải thích
25