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
chuyên ngành này, bước đầu đã gặp không 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 tơi 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 lịng 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 ô
nhiễm môi trường và làm chậm quá trình nóng lên tồn cầu. Vì vậy, sử dụng xe lai sẽ tác
động tích cực đến ngành cơng nghiệp ơ tô.

2


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ........................................... i
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... vi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................1
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................1
1.2. KHÁI NIỆM .....................................................................................................1
1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN .......................................................................................1
1.4. PHÂN LOẠI......................................................................................................6
1.5. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI ...........................................................................................7
1.6. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................7
1.7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................................................................7
1.8. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .....................................7
1.9. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .............................................................................................7
1.10. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC .......................................................................7
1.11. BỐ CỤC ĐỒ ÁN ..............................................................................................8
1.12. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ..................................................................................8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................9

2.1. SƠ ĐỒ KHỐI CÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG SONG
.............................................................................................................................9
2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG SONG...........10
2.2.1. Phương pháp điều khiển trạng thái nạp cực đại ...................................11
2.2.2. Phương pháp điều khiển động cơ ON-OFF .........................................15
2.2.3. Chiến lược kiểm soát cân bằng ............................................................16
2.3. CÁC CÁCH BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG
SONG ...................................................................................................................19

2.3.1. Cấu trúc hai trục, hai hộp số.................................................................19
2.3.2. Cấu trúc hai trục, một hộp số ...............................................................19
2.3.3. Cấu trúc một trục ..................................................................................20
3


2.3.4. Cấu trúc chia theo cầu dẫn động ..........................................................21
2.4. CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ XE LAI KIỂU SONG SONG...................................21
2.4.1. Tính tốn thiết kế cơng suất động cơ ...................................................22
2.4.2. Tính tốn thiết kế truyền động .............................................................25
2.4.3. Tính tốn thiết kế động cơ điện............................................................26
2.4.4. Tính tốn thiết kế PPS ..........................................................................30
CHƯƠNG 3. CHỌN VÀ THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SIMULINK XE LAI
KIỂU SONG SONG ..........................................................................33
3.1. CHỌN ĐỘNG CƠ ............................................................................................33
3.2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MOTOR ..................................................................35
3.3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ BATTERY ...............................................................36
3.4. MÔ PHỎNG SIMULINK HỆ THỐNG XE LAI KIỂU SONG SONG ..........................37
3.4.1. MÔ PHỎNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG XE LAI KIỂU SONG SONG ................37
3.4.2. KHỐI DRIVER.........................................................................................38
3.4.3. KHỐI CONTROLLER ...............................................................................39

3.4.4. KHỐI MOTOR .........................................................................................50
3.4.4. KHỐI ENGINE.........................................................................................51
3.4.6. KHỚP NỐI MÔMEN (TORQUE COUPLING) ...............................................52
3.4.7. KHỐI HỘP SỐ (TRANSMISSION) ..............................................................53
3.4.8. BỘ TRUYỀN LỰC CUỐI (DIFFIENTIAL GEAR) ..........................................55
3.4.9. KHỐI VEHICLE .......................................................................................55
3.4.10. KHỐI BATTERY....................................................................................59
3.5. KẾT QUẢ ĐỒ THỊ VÀ NHẬN XÉT ....................................................................60
3.5.1. Chu trình thử ECE-15 ..........................................................................60
3.5.2. Chu trình thử HighWay........................................................................66
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ....................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................72

4


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

5


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền lực lai song song ............................10
Hình 2.2. Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống truyền lực lai kiểu song song 11
Hình 2.3. Đồ thị các chế độ hoạt động khác nhau dựa vào sự yêu cầu cơng suất ..12
Hình 2.4. Lưu đồ điều khiển Max.SOC-of-PPS .....................................................15
Hình 2.5. Minh họa phương pháp điều khiển động cơ On-Off. .............................16
Hình 2.6. Chiến lược kiểm sốt một phần tải .........................................................17
Hình 2.7. Tóm tắt kiểm sốt từng trường hợp hoạt động của động cơ theo mô-men
yêu cầu và SOC của PPS ........................................................................18
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc hai trục, hai hộp số ..........................................................19

Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc hai trục, hai hộp số ..........................................................19
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc một trục .........................................................................20
Hình 2.11. Sơ đồ cách bố trí khác của cấu trúc một trục ........................................20
Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc chia theo cầu dẫn động .................................................21
Hình 2.13. Đồ thị thể hiện công suất động cơ khi xe chạy trên đường bằng phẳng
và dường dốc 5% .....................................................................................22
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 ..........................23
Hình 2.15. Đồ thị cho biết tốc độ xe, sức tải tức thời và công suất trung bình với
phanh tái sinh hồn tồn và phanh cơ khí ở một số chu trình lái xe .......24
Hình 2.16. Đồ thị thể hiện công suất động cơ và công 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 .....................................................................................................25
Hình 2.17. Sơ đồ hộp số tự động Simpson .............................................................26
Hình 2.18. Đồ thị thể hiện biên dạng lực kéo- tốc độ của một motor ....................27

6


Hình 2.19. Đồ thị thể hiện phần cơng suất cịn lại cần đáp ứng cho q trình tăng
tốc với cơng suất cản gồm cản lăn và kéo khí động học ứng với 2 kiểu
truyền động đa cấp và đơn cấp ................................................................28
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). ......................................29
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 ..........................................................................30
Hình 2.22. Đồ thị thể hiện năng lượng tiêu thụ từ PPS và động cơ sử dụng trong
quá trình tăng tốc .....................................................................................31
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 ............................................32

Hình 3.1. Xe Toyota vios 1.5G 2013 ......................................................................33
Hình 3.2. Mặt cắt ngang của hộp số U340E ...........................................................34
Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển của một chiếc xe lai kiểu song song dưới dạng
Simulink ...................................................................................................37
Hình 3.4. Sơ đồ các giá trị yêu cầu của người lái ...................................................38
Hình 3.5. Sơ đồ các tín hiệu bàn đạp ga, bàn đạp phanh ........................................38
Hình 3.6. Sơ đồ điều khiển của bộ controller .........................................................39
Hình 3.7. Lưu đồ giải thuật bộ Controller ..............................................................40
Hình 3.8. Sơ đồ Simulink điều khiển quá trình kéo ...............................................41
Hình 3.9. Sơ đồ điều khiển của bộ controller khi Vx nhỏ hơn 9m/s ......................41
Hình 3.10. Sơ đồ điều khiển của bộ controller khi Vx lớn hơn 9m/s .....................42
Hình 3.11. Sơ đồ điều khiển khi mức SOC thấp ....................................................43
Hình 3.12. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mô-men thấp ...............44
Hình 3.13. Sơ đồ điều khiển khi mơ-men u cầu ở vùng mơ-men trung bình và
cao ............................................................................................................45
Hình 3.14. Sơ đồ điều khiển khi tín hiệu SOC ở mức trung bình ..........................45
7


Hình 3.15. Sơ đồ điều khiển khi mơ-men u cầu ở vùng mơ-men thấp ...............46
Hình 3.16. Sơ đồ điều khiển khi mơ-men u cầu ở vùng mơ-men trung bình và
cao ............................................................................................................47
Hình 3.17. Sơ đồ điều khiển khi mức SOC cao và mơ-men u cầu ở vùng thấp .....
..............................................................................................................47
Hình 3.18. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mô-men trung bình và
cao ............................................................................................................48
Hình 3.19. Sơ đồ điều khiển của bộ controller đáp ứng quá trình phanh ...............49
Hình 3.20. Sơ đồ điều khiển của khối motor ..........................................................50
Hình 3.21. Sơ đồ điều khiển của khối engine .........................................................51
Hình 3.22. Sơ đồ thực hiện hành động bằng Simulink của khối khớp mơ-men .....52

Hình 3.23. Sơ đồ điều khiển bằng Simulink của khối transmission .......................53
Hình 3.24. Sơ đồ thể hiện tỉ số truyền ở những tay số khác nhau ..........................53
Hình 3.25. Sơ đồ thể hiện tỉ số truyền ở tay số 1 ....................................................54
Hình 3.26. Sơ đồ thực hiện hành động của bộ truyền lực cuối bằng Simulink ......55
Hình 3.27. Sơ đồ điều khiển của khối vehicle ........................................................55
Hình 3.28. Sơ đồ tính tốn lực cản lăn và lực cản dốc bằng Simulink ...................56
Hình 3.29. Sơ đồ tính tốn lực cản khơng khí bằng Simulink ................................57
Hình 3.30. Sơ đồ tính tốn lực qn tính bằng Simulink .......................................57
Hình 3.31. Sơ đồ tính tốn phản lực pháp tuyến ở cầu trước bằng Simulink .........58
Hình 3.32. Sơ đồ tính toán phản lực pháp tuyến ở cầu sau bằng Simulink ............58
Hình 3.33. Sơ đồ tính tốn khối Battery .................................................................59
Hình 3.34. Đồ thị kết quả mô phỏng vận tốc trong chu trình thử ECE-R15 ..........60
Hình 3.35. Đồ thị mơ-men xoắn của động cơ trong chu trình thử ECE-R15 .........61
Hình 3.36. Đồ thị số vịng quay của động cơ trong chu trình thử ECE-R15 ..........61
Hình 3.37. Đồ thị mơ-men xoắn của motor trong chu trình thử ECE-R15 ............62
8


Hình 3.38. Đồ thị số vịng quay của motor trong chu trình thử ECE-R15 .............62
Hình 3.39. Đồ thị cơng suất của motor trong chu trình thử ECE-R15 ...................63
Hình 3.40. Đồ thị mức SOC của bình trong chu trình thử ECE-R15 .....................64
Hình 3.41. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của xe trong chu trình thử ECE-R15 ...65
Hình 3.42. Đồ thị so sánh kết quả mô phỏng vận tốc trong chu trình thử FPThighway ...................................................................................................66
Hình 3.43. Đồ thị mơ-men xoắn của động cơ trong chu trình thử FPT-highway...67
Hình 3.44. Đồ thị số vịng quay của động cơ trong chu trình thử FPT-highway ...67
Hình 3.45. Đồ thị mơ-men xoắn của motor trong chu trình thử FPT-highway ......68
Hình 3.46. Đồ thị số vịng quay của motor trong chu trình thử FPT-highway.......68
Hình 3.47. Đồ thị cơng suất của motor trong chu trình thử FPT-highway .............69
Hình 3.48. Đồ thị thể hiện mức SOC của bình trong chu trình thử FPT-highway .....
.................................................................................................................69

Hình 3.49. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ trong chu trình thử FPThighway ...................................................................................................70

9


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của xe Toyota vios 1.5G 2013 ............................................. 33
Bảng 3.2. Thông số hộp số U340E ................................................................................... 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

10


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 ơ tơ thì các hãng ơ tơ 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 mô 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 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 ơtơ 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

11


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.
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.

12

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.

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.

13


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 khơng
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 q ơ 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.

Dù ban đầu là một chiếc xe chạy điện hồn 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

14


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 hoàn toàn
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
ông 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 ngun 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 q 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 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
15


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 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 công suất để đáp ứng yêu cầu tải cực đại.
16


1.5. Mục đích đề tài:


Nghiên cứu lý thuyết và mơ 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:


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 mô 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.
17




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.

18


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.

19


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.

20


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.
21


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 Veb 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, PL là công suất tải yêu cầu ở các bánh xe,
ηt,m là hiệu suất hộp số từ motor đến bánh xe chủ động, Pm là công suất đầu ra của motor
điện, Ppps-d là cơng 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 phối
công suất đến các bánh xe chủ động cùng lúc. Trong trường hợp này, sự hoạt động
22


động cơ được cài đặt hoạt động trên đường hoạt động tối ưu bằng cách điều khiển
cánh bướm ga để phát ra cơng suất Pe. Phần cơng suất tải cịn lại được cung cấp
bởi motor điện. Công suất đầu ra motor và cơng 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 công 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
công 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 cơng 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, công suất mà hệ thống điện có thể cung cấp (được thể hiện trên hình
2.3 tại điểm D) thì motor điện được điều khiển có chức năng như một máy phát
23


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, cơng 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 toàn của xe.

24


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.

25