Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển tối ưu hóa hệ thống quản lý năng lượng trên xe lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG QUẢN
LÝ NĂNG LƯỢNG TRÊN XE LAI

MÃ SỐ: T2018-18TĐ

SKC 0 0 6 4 7 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LOGIC MỜ
TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG
QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRÊN XE LAI
MÃ SỐ:

T2018-18TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Huỳnh Quốc Việt

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2019


BM 08TĐ. Thông tin kết quả nghiên cứu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Tp. HCM, Ngày 10 tháng 4 năm 2019

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển tối ưu hóa hệ thống quản
lý năng lượng trên xe lai.
- Mã số: T2018-18TĐ
- Chủ nhiệm: Huỳnh Quốc Việt
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 12 tháng
2. Mục tiêu:
Nghiên cứu, tính tốn, mơ phỏng quá trình quản lý năng lượng trên xe lai. Ứng dụng logic mờ
trong điều khiển tối ưu quá trình quản lý năng lượng này để cải thiện tính năng và hiệu suất làm
việc của xe.
1. Tính mới và sáng tạo:

Đề tài đã sử dụng cơng cụ tính tốn, mơ phỏng là Matlab/Simulink trong đó tích hợp phương
pháp điều khiển Fuzzy logic để duy trì trạng thái nạp tối ưu cho hệ thống tích trữ năng lượng.
2. Kết quả nghiên cứu:
Ứng dụng Matlab/Simulink trong tính tốn, mơ phỏng giải quyết các bài toán thiết kế, điều
khiển tối ưu.
Ứng dụng fuzzy logic thiết kế các chiến thuật mô phỏng cho bộ điều khiển phân phối lực kéo
và lực phanh cho bộ điều khiển nhằm vận hành xe lai một cách tối ưu.
3. Sản phẩm:
-

Bài báo đăng tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật
Bản thuyết minh về nội dung đề tài

6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
Với chương trình mơ phỏng, thiết kế bộ điều khiển bằng logic mờ sẽ rút ngắn thời gian, cơng
sức và tối ưu hóa trong việc điều khiển xe lai.
Với kết quả nghiên cứu đề tài, sản phẩm của đề tài đáp ứng nhu cầu cần thiết trong các bài tốn
tối ưu cho xe lai nói riêng và trên ơ tơ nói chung.
Trưởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)
Huỳnh Quốc Việt


BM 09TĐ. Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:

Project title: Applying fuzzy logic for optimizing the energy management system on hybrid
electric vehicle
Code number: T2018-18TĐ
Coordinator:

Huynh Quoc Viet

Implementing institution:

HCMC University of Technology and Education

Duration: from 05/ 2018 to 05/ 2019
2. Objective(s):
Applying the calculated toolbox to model and simulate the energy management system on
HEVs. Especially, using the fuzzy logic to design the traction torque and braking torque controller
improving performances of HEV.
3. Creativeness and innovativeness:
The project has applied MatLab/ Simulink software and fuzzy logic toolbox to maintain
the optimized SOC range for the energy management system on HEVs
4. Research results:
- Using MatLab/Simulink to model and simulate the design and optimization problems.
- Using Fuzzy logic toolbox to design the traction torque and braking torque controller satisfying
the require driver.
5. Products:
- Paper publics on Journal of Technical Education Science

- Distinguished project report.
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

- With the results of project, the effort to design the controller on hybrid electric vehicle

will be shortening.
- And, the project will be background to research energy optimized problems on HEVs.


MỤC LỤC
Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG HYBRID HỖN
HỢP ....................................................................................................................................... 1
1.1. Động cơ 1NZ-FXE .......................................................................................................... 2
1.2. Hộp số Hybrid ................................................................................................................ 4
1.3. MG1 và MG2 ................................................................................................................... 5
1.4. Bộ phân chia công suất (Power-Split Device) ............................................................... 6
1.5. Bộ chuyển đổi điện ......................................................................................................... 9
1.6. Nguồn cao áp ................................................................................................................ 10
1.7. Chiến thuật điều khiển ................................................................................................ 12
1.8. Điều khiển phanh tái sinh ........................................................................................... 18
1.9. Giảm tốc của xe và hệ số bám của mặt đường. .......................................................... 19

Chương 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG XE LAI KIỂU HỖN HỢP ... 20
2.1. Thơng số xe mơ phỏng .................................................................................................. 20
2.2. Mơ hình mơ phỏng ........................................................................................................ 20

Chương 3. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ................................................................ 34
3.1. Đáp ứng yêu cầu của người lái..................................................................................... 34
3.2. Suất tiêu hao nhiên liệu ................................................................................................ 34
3.3. Duy trì trạng thái hoạt động của ắc qui. ..................................................................... 37
3.4. Kết luận .......................................................................................................................... 38
3.5. Kết quả đạt được ........................................................................................................... 38


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống .................................................................................... 1
Hình 1.2. Động cơ 1NZ-FXE .......................................................................................... 2
Hình 1.3. Hộp số Hybrid ................................................................................................ 4
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển MG1, MG2 ................................................................ 6
Hình 1.5. Bộ bánh răng hành tinh ........................................................................................ 7
Hình 1.6. Bộ phận chia cơng suất ......................................................................................... 8
Hình 1.7. Bộ chuyển đổi DC-DC ........................................................................................... 9
Hình 1.8. Bộ chuyển đổi AC ................................................................................................ 10
Hình 1.9. Ắc qui HV ............................................................................................................. 11
Hình 1.10. Đồ thị moment theo số vịng quay động cơ ..................................................... 12
Hình 1.11. Mối liên hệ giữa vân tốc moment ..................................................................... 14
Hình 1.12. Phương pháp kiểm sốt moment ..................................................................... 16
Hình 1.13. Phân bố lực phanh giữa bánh trước và bánh sau .......................................... 19
Hình 2.1. Tổng quan mơ hình trên matlab/simulink ........................................................ 20
Hình 2.2. Khối Driver .......................................................................................................... 21
Hình 2.3. Khối Vehicle ......................................................................................................... 22
Hình 2.4. Thành phần của khối Hybrid Systems .............................................................. 23
Hình 2.5. Khối Electrical ..................................................................................................... 23
Hình 2.6. Khối Engine ......................................................................................................... 24
Hình 2.7. Khối PSD .............................................................................................................. 25
Hình 2.8. Sơ đồ chiến thuật điều khiển .............................................................................. 28
Hình 2.9. Mơ men kéo u cầu ............................................................................................ 29
Hình 2.10. Tín hiệu đầu vào SOC ....................................................................................... 30
Hình 2.11. Tín hiệu đầu vào tốc độ xe ................................................................................ 30
Hình 2.12. Tín hiệu đầu ra mơ men của ICE .................................................................... 30
Hình 2.13. Tín hiệu đầu ra tốc độ của ICE ........................................................................ 31
Hình 2.14. Chiến thuật phân phối mơ men phanh trên cầu trước / sau ......................... 32


Hình 2.15. Tín hiệu đầu vào mơ men phanh ..................................................................... 32

Hình 2.16. Tín hiệu đầu vào tốc độ xe ................................................................................ 33
Hình 2.17. Tín hiệu đầu vào trạng thái sạc ........................................................................ 33
Hình 2.18. Đầu ra của bộ điều khiển phanh ...................................................................... 33
Hình 3.1. Vận tốc mơ phỏng và vận tốc mong muốn của xe trong chu trình NEDC .... 34
Hình 3.2. Tỷ số mô men phanh tái sinh và mô men cần phanh. ...................................... 35
Hình 3.3. Các điểm hoạt động của ICE.............................................................................. 35
Hình 3.4. Các điểm hoạt động của EM .............................................................................. 36
Hình 3.5. Các điểm hoạt động của EG ............................................................................... 36
Hình 3.6. Sự thay đổi SOC của ắc qui trong chu trình ECE-15 ...................................... 37


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc điểm thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FXE .......................................... 3
Bảng 1.2. Thông số kĩ thuật của hộp số Hybrid .................................................................. 4
Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật của MG1 ................................................................................. 5
Bảng 1.4. Thông số kỹ thuật của MG2 ................................................................................. 6
Bảng 1.5. Mối quan hệ giữa các thành phần trong bộ phân chia công suất ..................... 8
Bảng 1.6. Mối liên hệ giữa tốc độ xe và công suất ứng với tốc độ quay động cơ và mô tơ ... 9
Bảng 2.7. Bảng thông số xe mô phỏng................................................................................ 21
Bảng 3.1. Tiêu hao nhiên liệu và hiệu năng. ...................................................................... 38


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ký Hiệu

Chữ viết tắt

AGM

Absorbed Glass Mat

CVT

Continuously Variable Transmission

ECM

Electronic Control Module

ECU

Electronic Control Unit

EVT

Electric Variable Transmission

GB

Gear Box

HEV

Hybrid Electric Vehicle

HV

High Voltage

ICE

Internal Combustion Engine

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

M/G

Motor/ Generator

MG1

Motor Generator 1

MG2

Motor Generator 2

PEHV

Petroleum Electric Hybrid Vehicle

PLG

Planetary Gear

PPS

Peaking Power Source

PSD

Power Split Device

RESS

Rechargeable Energy Storage System

SMR

System Main Relay

SOC

State Of Charge

SOCH

State Of Charge Hight

SOCL

State Of Charge Low

THS

Toyota Hybrid System

TM

Traction Motor

RPM

Revolutions Per Minute


Phần 1.
ĐẶT VẤN ĐỀ
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đề tài “nghiên cứu, ứng dụng logic mờ để quản lý dòng năng lượng trong mô
phỏng điều khiển xe lai điện kiểu hỗn hợp” là một đề tài theo hướng tính tốn tối ưu
trong thiết kế, điều khiển; Hiện nay, ngành ô tô nước ta chỉ dừng lại trong việc khai
thác và bảo trì, chưa có nhiều tài liệu nghiên cứu tính tốn các thông số để điều khiển
tối ưu ô tô, đặc biệt là ơ tơ lai. Vì vậy, đề tài là việc nghiên cứu ứng dụng các phần
mềm Matlab/ Simulink tính tốn, mơ phỏng, mơ hình hóa dịng năng lượng trên xe
lai. Bên cạnh đó, việc kết hợp thêm với cơng cụ logic mờ giúp người nghiên cứu thiết
kế các bộ điều khiển giúp ô tô lai phân phối công suất một cách hiệu quả, cũng như
tăng cường hiệu quả tái tạo năng lượng khi phanh. Đối tượng nghiên cứu trực tiếp của
đề tài là xe lai, phần mềm simulink/matlab và các công cụ hỗ trợ khác như fuzzy
logic.
Do điều kiện thời gian và tài liệu tham khảo có hạn, trong phạm vi đề tài này
người nghiên cứu chỉ tính tốn, mơ phỏng phân phối dòng năng lượng trong xe lai
kiểu hỗn hợp. Ở đây, người nghiên cứu sẽ tính tốn tối ưu theo thơng số có sẵn trên
xe lai Toyota Prius 2004. Từ kết quả đó, ta có thể làm cơ sở để chúng ta mở rộng tính
tốn, thiết kế bộ điều khiển cho tất cả các loại ô tô lai du lịch nói chung.
I.

Hệ thống xe lai hiện nay đang là xu hướng phát triển mạnh mẽ trên thế giới, nhưng

tại Việt Nam chưa có nghiên cứu nào đề cập đến. Vấn đề của xe lai đặt ra là tối ưu hóa năng
lượng cho hệ thống. Để theo kịp sự phát triển về công nghệ, đề tài nghiên cứu ứng dụng
những ưu việc của logic mờ trong điều khiển để tối ưu hóa việc truyền động cơng suất cũng
như lưu trữ năng lượng theo chế độ hoạt động thực tế.

Với nội dung nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết các kiểu truyền động sử dụng trên xe lai.
- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển về logic mờ.
- Nghiên cứu lý thuyết về tính tốn, mơ phỏng bằng simulink/Matlab.
- Thực hiện chương trình tính tốn mơ phỏng xe lai.
- Thực hiện chương trình tối ưu hóa năng lượng cho xe lai
- Chạy chương trình mơ phỏng và phân tích kết quả mô phỏng.
- Viết báo cáo
II. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Cách tiếp cận
- Tiếp cận bằng lý thuyết: đề tài dựa trên phân tích hệ thống điều khiển xe lai thực tế, các
tính tốn thiết kế hệ thống xe lai bằng phần mềm chuyên ngành.
- Tiếp cận bằng mô phỏng: trên cơ sở lý thuyết, tiến hành mô hình hố và tính tốn mơ
phỏng số để tối ưu hoá hệ thống quản lý năng lượng.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu phân tích và tổng hợp lý thuyết
- Phương pháp mơ hình hố
- Phương pháp tốn học
- Phương pháp giả thuyết
- Phương pháp điều tra
I


III. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC.
Cùng với xu hướng phát triển của thế giới, khoa học kỹ thuật và công nghệ

cũng phát triển không ngừng, nhiều thành tựu nổi bật góp phần thúc đẩy sự phát triển
các ngành công nghiệp. Nền công nghiệp ô tô cũng không nằm ngồi quy luật đó, từ
những năm 80 của thế kỷ XX, công nghệ điện tử đã được ứng dụng trên ô tô dần dần
thay thế các cơ cấu điều khiển bằng cơ khí. Qua nhiều thập niên, điện tử trở thành
một trong những nhân tố quan trọng không thể thiếu được trên ơ tơ. Nó khơng những
giúp động cơ ô tô điều khiển chính xác hơn nhằm giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm
nhiên liệu, tăng công suất động cơ mà cịn là thước đo giá trị về tính êm dịu, mức độ
tiện nghi của chiếc ô tô hiện đại, từ đó, quyết định khả năng sống cịn của chiếc ơ tơ
đó.
Tuy nhiên, ở Việt Nam chúng ta chỉ dừng lại ở việc khai thác, bảo trì, chẩn
đốn, sửa chữa mà chưa có nhiều nghiên cứu đề câp đến việc thiết kế hay cải tiến tối
ưu bỡi chúng ta thiếu các phịng thí nghiệm để tìm được các giải thuật tối ưu trong
điều khiển. Với sự hỗ trợ của các phần mềm tính tốn mơ phỏng hiện nay chúng ta có
thể thực hiện được các phép tính và mơ phỏng hoạt động trước khi thiết kế, chế tạo
sản phẩm thật. Matlab là một phần mềm mạnh được người nghiên cứu chọn lựa để
thực hiện tính tốn, mơ phỏng, mơ hình hóa nhằm tìm kiếm các giải thuật điều khiển
tối ưu trên xe lai.
IV. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI
Hiện nay, trong các nghiên cứu của các chuyên gia nước ngồi thì các tính
tốn mơ phỏng được ứng dụng rất rộng rãi cho việc nghiên cứu, tuy nhiên ở Việt Nam
chưa có nhiều cơng trình thực hiện việc tính tốn mơ phỏng cho xe lai xăng điện. Vì
vậy, tuy có một số cơng trình đã chế tạo thử xe lai nhưng hồn tồn ở dạng tự phát,
thiếu các cơng trình tính tốn lý thuyết, chứng minh. Đặc biệt là các chiến thuật cho
bộ điều khiển phân phối lực kéo và bộ điều khiển thu hồi năng lượng phanh. Do đó,
các xe lai chưa đạt đến trạng thái tối ưu khi kéo cũng như hiệu quả thu hồi năng lượng
phanh chưa đạt mức tối đa. Với đề tài này, người nghiên cứu hy vọng nó cơ sở để
chúng ta tiếp tục tính tốn xây dựng được các chiến thuật điều khiển tối ưu cho xe lai,
bảo đảm các thành phần chính như động cơ, mô tơ, máy phát và ắc qui đều được vận
hành trong vùng tối ưu nhất có thể.

II


1

PHẦN 2.

NỘI DUNG

Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
HYBRID HỖN HỢP
Hệ thống Hybrid kiểu hỗn hợp có 2 nguồn dẫn động: động cơ xăng và mơ tơ điện. Hệ
thống điều khiển Hybrid lựa chọn sự kết hợp tốt nhất của hai nguồn dẫn động trên tương
ứng với những điều kiện lái.

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống
Các thành phần của hệ thống hybrid hỗn hợp


Hộp số Hybrid bao gồm MG1, MG2 và cụm bánh răng hành tinh.



Động cơ 1NZ-FXE.



Ắc qui cao áp.



Cụm bộ chuyển đổi bao gồm: một bộ chuyển đổi DC-DC, và một bộ chuyển đổi A/C.



ECU HV là bộ não của xe, ECM động cơ, ECU ắc quy, ECU điều khiển phanh tái


2
sinh, ECU điều khiển trượt.


Ắc qui phụ, lưu trữ 12V DC cho hệ thống điều khiển xe.

1.1. Động cơ 1NZ-FXE

Hình 1.2. Động cơ 1NZ-FXE
1NZ-FXE là một trong hai nguồn công suất của xe Prius. 1NZ-FXE là một động cơ
thẳng hàng 4 xy lanh 1.5l với hệ thống VVT-I (hệ thống điều khiển thời điểm nạp thông
minh) và hệ thống ETCS-I (hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh). 1NZ-FXE
bao gồm một số sự điều chỉnh giúp đặc tính cân đối, tính kinh tế về nhiên liệu và khí thải
được sạch hơn đối với xe Hybrid.
Một dạng độc đáo của động cơ 1NZ-FXE đó là thời điểm phối khí chu trình Atkinson
cho phép động cơ giảm khí thải nhờ vào sự thay đổi mối tương quan giữa thì nén và thì
giãn nỡ. Một đặc trưng khác được đưa vào trên các xe hybdrid thế hệ ’04 về sau là hệ
thống tích nhiệt cho nước làm mát. Nó thu hồi nước nóng từ động cơ và chứa chúng trong
một thùng cách nhiệt và giữ nhiệt nóng lên đến ba ngày. Về sau, một bơm điện luân chuyển
nước nóng xuyên qua động cơ để giảm khí thải HC tại thời điểm động cơ còn lạnh (lúc
khởi động).

3
 Đặc điểm thông số kỹ thuật:
Bảng 1.1. Đặc điểm thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FXE
Loại động cơ

1NZ-FXE

Số lượng xi lanh và cách bố trí

4-xi lanh, thẳng hàng

Cơ cấu van

16 van DOHC, xích dẫn động (với VVT-i)

Buồng đốt

Kiểu vát nghiêng

Đường ống nạp

Dịng chéo

Hệ thống nhiên liệu

SFI

Thể tích cơng tác cm3(cu.in)

1497 (91.3)

Đường kính x hành trình mm

75.0 x 84.7

Tỉ số nén

13.0 : 1

Công suất cực đại (SEA-NET)

57kW tại 5000 v/p

Mơmen cực đại (SEA-NET)

111 N.m tại 4200 v/p

Van nạp
Thời
điểm
đóng mở van
Van xả

Mở

18o --- -15o BTDC

đóng

72o --- 105o ABDC

Mở

34o BBDC

đóng

2o ATDC

Thứ tự đánh lửa

1-3-4-2

Trị số ốc tan xác định theo phương
pháp nghiên cứu RON

91 hoặc cao hơn

Trị số ốc tan

87 hoặc cao hơn

Cấp dầu

API SJ, SL, EC hoặc ILSAC

Tuần hồn khí thải ống pơ

SULEV

Tuần hồn khí thải bay hơi

AT-PZEV, ORVR


4
1.2. Hộp số Hybrid
Bao gồm:


Một cụm bánh răng hành tinh, cung cấp tỉ số truyền vô cấp và điều khiển như một bộ

phân chia công suất.
 Một bộ giảm tốc bao gồm bộ truyền động xích, bộ bánh răng giảm tốc và bộ truyền
lực cuối cùng.


Bộ vi sai.

Hình 1.3. Hộp số Hybrid
Thông số kĩ thuật của hộp số Hybrid:
Bảng 1.2. Thông số kĩ thuật của hộp số Hybrid
Loại hộp số

P111 đời Prius 2010
Số răng của bánh răng mặt trời

78

Bộ bánh răng

Số răng của bánh răng hành tinh 23

hành tinh

Số răng của bánh răng bao

Tỉ số truyền của bộ vi sai

Xích dẫn động

30
3.905

Số mắt xích

74

Bánh xích chủ động

39


5
Bánh xích bị động

36

Bộ bánh răng

Bánh răng chủ động

30

giảm tốc

Bánh răng bị động

44

Bộ truyền động
cuối cùng

Bánh răng chủ động

26

Bánh răng bị động

75

Dung tích dầu

Lít (US qts, Imp qts)

4.6(4.9, 4.0)

Loại dầu

ATF T-IV hoặc đẳng trị

1.3. MG1 và MG2
 Cả MG1 và MG2 có kích thướt nhỏ, trọng lượng nhẹ, đạt hiệu quả cao của loại mô tơ
điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu xoay chiều 3 pha.
 Chức năng của MG1 và MG2 kết hợp hiệu quả cao cả máy phát đồng bộ xoay chiều
và mô tơ điện. MG1 và MG2 hoạt động như nguồn cung cấp hỗ trợ lực kéo giúp động cơ
xăng khi cần thiết.


MG1: nạp lại cho ắc qui HV và cung cấp điện năng dẫn động MG2. Ngoài ra bằng

việc điều chỉnh lượng điện năng phát ra, MG1 điều khiển hiệu quả sự truyền động vô cấp.
MG1 cũng làm việc như một máy khởi động.
 MG2: MG2 và động cơ xăng làm việc lẫn nhau để dẫn động bánh xe, ngồi ra đặc tính
mơmen lớn hơn của MG2 giúp đạt được hoạt động động lực học tối ưu. Trong thời gian
phanh tái sinh, MG2 biến đổi động năng thành năng lượng điện lưu trữ trong ắc qui HV.
MG2 hoạt động như một máy phát.


Một hệ thống làm mát thông qua bơm nước làm mát MG1 và MG2.
 Thông số kỹ thuật của MG1:
Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật của MG1
Loại động cơ

Động cơ nam châm vĩnh cữu

Chức năng

Máy phát; máy khởi động

Điện áp cực đại (V)

AC 273.6

Hệ thống làm mát

Làm mát bằng nước


6

 Thông số kỹ thuật của MG2:
Bảng 1.4. Thông số kỹ thuật của MG2
Loại động cơ

Động cơ nam châm vĩnh cữu

Chức năng

Máy phát; dẫn động bánh xe

Điện áp cực đại (v)

AC 273.6

Công suất cực đại kW(PS)/(v/p)

33(45)/1040-5600

Mômen cực đại N.m(Kgf.m)/(v/p)

400(35.7)/0-400

Hệ thống làm mát

Làm mát bằng nước

 Sơ đồ hệ thống:

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển MG1, MG2
1.4. Bộ phân chia công suất (Power-Split Device)
 Trái tim của hệ thống Hybrid là một thiết bị nhỏ gọn được gọi là bộ phân chia công
suất PSD (Power Split Device). PSD là bộ bánh răng hành tinh có kết cấu giống như bộ
bánh răng hành tinh của hộp số tự động nhưng hoạt động thì khác hồn tồn.
 Sự sắp xếp của các bánh răng hành tinh trong bộ phân chia công suất và cách ăn khớp
giữa các bánh răng với nhau. Bánh răng ở trung tâm gọi là bánh răng mặt trời, các bánh
răng bao xung quanh nó gọi là bánh răng hành tinh, các trục của bánh răng hành tinh được
cố định với cần dẫn và nó quay xung quanh tâm của bánh răng mặt trời. Tất cả bánh răng
hành tinh đều có kích thước bằng nhau và có cùng khoảng cách so với tâm quay. Vòng


7
răng ở ngồi cùng gọi là bánh răng bao, nó ăn khớp với các bánh răng hành tinh.
 Trong hệ thống Hybrid. Bộ bánh răng hành tinh dùng để phân chia công suất. Động
cơ đốt trong (ICE) được kết nối với cần dẫn, mô tơ máy phát 1 (MG1) được kết nối với
bánh răng mặt trời và mô tơ máy phát 2 (MG2) được kết nối với bánh răng bao.

Hình 1.5. Bộ bánh răng hành tinh
 Tất cả các bánh răng trên đều quay tròn khác nhau và tốc độ thay đổi. Theo kiểu này

thì tốc độ của ICE và MG2 có thể thay đổi. MG2 vừa là mơ tơ vừa là máy phát có tốc độ
thay đổi lớn đến 6,500 v/p, MG2 được kết nối với các bánh xe chủ động qua hệ thống
truyền động. Khi tốc độ lực truyền từ MG2 đến vịng răng thay đổi thì tốc độ của xe sẽ
thay đổi, trong khi nếu thay đổi tốc độ trực tiếp của ICE (MG2=0) thì tốc độ của xe khơng
trực tiếp thay đổi. ICE có thể quay chậm hoặc nhanh tùy thuộc vào công suất cần thiết phải
phát ra và khi có sức cản hoặc sự trợ giúp từ động cơ máy phát thì xe có thể chạy trong
suốt quá trình động cơ hoạt động.
 Tốc độ quay của MG1, MG2 và ICE phụ thuộc lẫn nhau. Tốc độ quay của MG1 sẽ
thay đổi khi thay đổi MG2 hoặc ICE hoặc thay đổi cả hai. Tốc độ MG1 có thể đạt tới
10,000 v/p.
 ICE bị giới hạn tốc độ giữa 800 v/p đến 4,500 v/p. Nó cũng có thể dừng hẳn, nhưng ở
tốc độ khoảng từ 0 đến 800 v/p thì ICE khơng thể hoạt động có hiệu quả. ECU nhận biết
và nó dừng ICE. ICE sẽ được khởi động trở lại bởi MG1 khi cần công suất cao hơn hoặc
số vòng quay cao hơn.
 Động cơ đốt trong ICE được kết nối với cần dẫn. Khi cần dẫn quay, các bánh răng
hành tinh ăn khớp có xu hướng tác động đến bánh răng mặt trời và bánh răng bao làm bánh
răng mặt trời và bánh răng bao quay cùng chiều với nó. Bằng cách lựa chọn cẩn thận số
răng của bánh răng mặt trời và bánh răng bao. Hãng Toyota tìm được kích thước bộ phân
chia cơng suất hợp lý, qua đó xác lập tỉ lệ phân phối là 72% mô men truyền đến bánh răng


8
bao và 28% mô men truyền đến bánh răng mặt trời.
Tính tốn:
Mối quan hệ về vận tốc góc, moment xoắn trong bộ phân chia cơng suất:
 Vận tốc góc:

𝑛𝑦 =

1

1
𝑛𝑠 +
𝑛
1 + 𝑖𝑔
1 + 𝑖𝑔 𝑟

Hình 1.6. Bộ phận chia cơng suất
Trong đó: ny, ns, nr lần lượt là vận tốc góc của cần dẫn, bánh răng mặt trời, bánh răng
bao.
 Moment xoắn:
Ty = -kysTs = -kyrTr
Trong đó: Ty, Ts, Tr lần lượt là moment xoắn của cần dẫn, bánh răng mặt trời, bánh
răng bao. Và kys = 1+ig ; kyr =

1
1+𝑖𝑔

Khi một trong các bộ phận bộ bánh răng hành tinh bị khóa, lúc này nó bộ bánh răng
hành tinh sẽ trở thành bộ bánh răng thường với một đầu vào và một đầu ra. Mối quan hệ
đó được biểu diễn dưới đây:
Bảng 1.5. Mối quan hệ giữa các thành phần trong bộ phân chia công suất
Thành phần
Bánh răng mặt trời
Bánh răng bao

Tốc độ

Moment
𝑛𝑦 =

1
𝑛
𝑘𝑦𝑟 𝑟

𝑇𝑦 = −𝑘𝑦𝑟 𝑇𝑟

𝑛𝑦 =

1
𝑛
𝑘𝑦𝑠 𝑠

𝑇𝑦 = −𝑘𝑦𝑠 𝑇𝑠


9
Cần dẫn

𝑛𝑠 = −

𝑘𝑦𝑠
𝑛
𝑘𝑦𝑟 𝑟

𝑇𝑠 =

𝑘𝑦𝑟
𝑇
𝑘𝑦𝑠 𝑟

Đối với xe lai kiểu hỗn hợp sử dụng bộ bánh răng hành tinh làm khớp nối tốc độ, sẽ
có rất nhiều lựa chọn khác nhau trong việc kết nối các bộ phận của bộ bánh răng hành tinh
đến hệ thống truyền động:
Tuy nhiên, qua tính tốn việc kết nối động cơ-cần dẫn, bánh răng bao-bánh xe chủ
động, bánh răng mặt trời-motor sẽ là sự lựa chọn hợp lý. Ở cách kết nối này, động cơ sẽ
hoạt động tối ưu, giảm được kích thước của motor/máy phát, tiết kiệm chi phí, hiệu suất
hoạt động tốt.
Lúc này, moment xoắn của động cơ (Te), motor ( Tm) sẽ có mối liên hệ: Te = -kysTm
Bảng 1.6. Mối liên hệ giữa tốc độ xe và công suất ứng với tốc độ quay động cơ và mô tơ
Tốc độ xe

Cơng suất

Tốc độ động cơ

Tốc độ MG1

40 dặm/giờ

3.6kW

1,300 vịng/phút

1,470 vòng/phút

50 dặm/giờ

5.9kW

1,500 vòng/phút

2,003 vòng/phút

60 dặm/giờ

9.2kW

1.5. Bộ chuyển đổi điện
Bộ chuyển đổi DC-DC:

Hình 1.7. Bộ chuyển đổi DC-DC


10


Nguồn điện cung cấp cho những thiết bị phụ thêm của xe (như là đèn, hệ thống âm

thanh, quạt làm mát A/C, ECUs, ...) thì được dựa trên hệ thống nguồn một chiều 12V. điện
áp đầu ra máy phát THS-II là 201.6V DC. Bộ chuyển đổi biến đổi điện áp từ 201.6V DC
thành 12V DC nạp vào ắc qui phụ.
Bộ chuyển đổi A/C:

Hình 1.8. Bộ chuyển đổi AC
Cụm bộ chuyển đổi bao gồm 1 bộ chuyển đổi dành riêng cho hệ thống điều hịa khơng
khí để biến đổi điện áp một chiều ắc qui HV 201.6V thành điên áp xoay chiều 201.6V
cung cấp cho máy nén điện của hệ thống điều hịa khơng khí.
1.6. Nguồn cao áp
 Cơng nghệ ắc quy Niken-kim loại hydrua đã phát triển cho hệ thống Hybrid cung cấp
cả về mật độ công suất và độ bền tốt nhất, trọng lượng nhẹ thích hợp với những đặc điểm

của hệ thống Hybrid. Hệ thống Hybrid điều khiển tỉ lệ nạp và phóng để giữ cho ắc quy HV
ở tình trạng nạp tối ưu.
 Ắc quy HV của Prius thế hệ 04 bao gồm 168 ngăn (1.2V x 6 ngăn) x 28 môđun) với
điện áp là 201.6V.


Ắc quy nikel-kim loại hydrua HV:

 Sử dụng loại Niken- kim loại hydrua (ắc qui hydrua kim lọai kiềm (NiNH)). Công
nghệ ắc qui giống như điện thoại và máy tính xách tay.
 Bộ ắc qui HV gồm 6 ngăn Niken-kim loại hydrua 1.2V được mắc nối tiếp tạo thành
1 môđun.


11


28 môđun được kết nối cho điện áp định mức 201.6V. Những ngăn được kết nối song

song để làm nhỏ điện trở bên trong của ắc qui.


Bản điện cực trong ắc qui HV làm từ Niken xốp và hỗn hợp kim loại hydrua.

 Điện năng được lưu trữ trong ắc qui được phục hồi bởi MG2 trong thời gian phanh tái
sinh và tạo năng lượng bởi MG1. Ắc qui cung cấp điện đến mô tơ điện khi đã khởi động
hoặc khi cần tăng cơng suất.

Hình 1.9. Ắc qui HV
ECU ắc qui

Chức năng
Trạng thái nạp: (SOC)
 ECU ắc qui kiểm tra sự ổn định của nhiệt độ, điện áp, dòng điện của ắc qui HV. Nó
cũng kiểm tra sự rị rỉ của ắc qui HV.
 Trong khi xe chuyển động, ắc qui HV chịu đựng sự lặp lại chu trình nạp/phóng khi
nó trở nên được phóng bởi MG2 trong thời gian tăng tốc, và được nạp bởi phanh tái
sinh trong thời gian giảm tốc.
 ECU ắc qui đánh giá dịng nạp/phóng và cơng suất nạp/phóng u cầu đến ECU
HV để duy trì trạng thái nạp tại mức trung tâm.
 Mục đích của SOC là 60%. Khi SOC giảm dưới giá trị trên thì ECU ắc qui truyền
tín hiệu đến ECU HV. Sau đó ECU HV gởi đến ECM động cơ để tăng công suất nạp
ắc qui HV. Nếu SOC dưới 20%, động cơ không tạo ra công suất.


12
 Delta SOC: bình thường sai số SOC là 20%. Nếu SOC vượt quá 20%, điều này
nghĩa là ECU ắc qui HV khơng thể điều chỉnh hoặc duy trì nhiều giá trị SOC trong giới
hạn cho phép.
1.7. Chiến thuật điều khiển
Hệ thống điều khiển hoạt động nhờ vào bộ điều khiển (VCU). Khi đó, VCU sẽ nhận
lệnh kéo hoặc phanh từ người lái thông qua bàn đạp ga hoặc bàn đạp phanh. Ngồi ra, các
thơng tin hoạt động cần thiết khác từ khác cảm biến chẳng hạn như mức sạc (SOC) của ắc
quy (PPS) và tốc độ xe cũng được gởi đến VCU. Dựa trên các thiết lập có sẵn trên VCU
và các thông tin thời gian thực nhận được như trên, VCU sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển để
điều khiển động cơ, động cơ / máy phát điện, động cơ kéo, cũng như bộ ly hợp và các khóa
để điều khiển hệ thống truyền động một cách thích hợp nhất.
Phương pháp kiểm soát tốc độ động cơ
Dễ thấy rằng, tốc độ động cơ có thể được kiểm sốt thông qua việc điều khiển tốc độ
motor/ máy phát (nm/g) ở một tốc độ tại bánh xe chủ động (ndw). Q trình kiểm sốt sẽ
được thực hiện thơng qua việc điều khiển góc mở bướm ga và moment xoắn của

motor/máy phát.

Hình 1.10. Đồ thị moment theo số vịng quay động cơ


13
Theo như hình, giả sử động cơ đang hoạt động tại điểm a với tốc độ ne,a, moment xoắn
Te,1 với góc mở bướm ga 60%. Lúc này motor/máy phát sẽ tạo moment xoắn Tm/g,1=Te,1/kys
(trong điều kiện bỏ qua tổn hao năng lượng) để cân bằng moment xoắn của động cơ. Khi
ta cố định moment của motor/ máy phát, do đó sẽ cố định moment động cơ, ta tăng góc
mở bướm ga sẽ làm tốc độ động cơ tăng lên. Ví dụ như ở điểm b với góc mở bướm ga
70%. Do vậy, tốc độ động cơ có thể được kiểm soát trong phạm vi tối ưu bằng cách điều
khiển bướm ga hoặc điểm khiển moment motor/máy phát.
Phương pháp kiểm soát moment
Moment tại bánh xe chủ động là tổng của các moment được truyền từ bánh răng bao
của bộ bánh răng hành tinh và motor kéo được thể hiện qua công thức:
Ttdw = irwηrwTr + imwηmwTm
Trong đó: Ttdw là tổng moment tại bánh xe chủ động; Tr là moment đầu ra tại bánh răng
bao của bộ bánh răng hành tinh với đầu vào là động cơ và motor, máy phát; irw, ηrw lần lượt
là tỉ số truyền , hiệu suất truyền từ bánh răng bao đến bánh xe chủ động; Tm là moment
của motor kéo, imw, ηmw lần lượt là tỉ số truyền và hiệu suất truyền từ motor kéo đến bánh
xe chủ động.
Tổng moment tại bánh xe chủ động (Ttdw) sẽ được điều khiển bởi người lái thông qua
bàn đạp ga và lệnh điều khiển sẽ được đáp ứng bằng moment đầu ra từ bánh răng bao (Tr)
và motor kéo (Tm).
Hình dưới đây thể hiện kết quả mơ phỏng của một hệ thống truyền động với bướm ga
mở hoàn toàn và moment xoắn motor cực đại ứng với số vòng quay của nó.
Theo mơ phỏng, ứng với tốc độ xe thấp thì động cơ sẽ hoạt động với tốc độ khơng đổi
(chẳng hạn: 1200 vịng/phút) và motor/máy phát sẽ hoạt động với tốc độ dương. Khi tốc
độ xe trung bình, motor/ máy phát sẽ bị khóa với sườn xe, khi đó tốc độ xe sẽ tăng tuyến

tính với tốc độ động cơ. Khi xe ở tốc độ cao, động cơ một lần nữa hoạt động ở tốc độ
không đổi (chẳng hạn: 3500 vòng/phút), motor/máy phát lúc này sẽ hoạt động ở tốc độ âm
(quay ngược hướng với động cơ).
Tương tự như kiểu truyền động nối tiếp và song song, moment xoắn cực đại trên xe
lai kiểu hỗn hợp sẽ tương ứng với vị trí bàn đạp ga lớn nhất, góc mở bướm ga lớn nhất,
công suất motor kéo lớn nhất. Mặt khác, khi xe chỉ yêu cầu một phần tải thì cả động cơ và
motor kéo đều phải giảm moment của chúng để đáp ứng được moment kéo yêu cầu. Vì


14
thế, một chiến lược kiểm soát moment là cần thiết để phân bố đúng tải trọng công suất yêu
cầu, tránh tổn hao năng lượng k cần thiết.

Hình 1.11. Mối liên hệ giữa vân tốc moment