Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí động lực: Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird" nhằm đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp nguồn động lực ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy và quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid; Áp dụng giải pháp và quy trình trên để tính toán thiết kế một mô hình hệ động lực trên xe hybrid.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí động lực: Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird

MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng các phương tiện giao thông ngày một tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại trong đó phương tiện sử dụng động cơ đốt trong (ĐCĐT) vẫn là nguồn động lực chính cho nhiều ngành kinh tế khác nhau, đặc biệt là ngành giao thông vận tải. Song song với sự phát triển đó là nhu cầu về năng lượng tiêu thụ ngày một tăng, trong khi đó trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt [1]. Mặt khác, bầu không khí bị ô nhiễm một cách trầm trọng do khói bụi, chất độc hại thải ra từ quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch, trong đó phương tiện giao thông (PTGT) sử dụng nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường [2,3], đặc biệt tại các đô thị. Với trình độ công nghệ hiện có và nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ môi trường thì xe chạy bằng động cơ điện (ĐCĐ) là giải pháp triệt để cho tình trạng ô nhiễm bởi khí thải của xe cơ giới hiện nay. Thực tế đã có hàng loạt mẫu xe cơ giới chạy bằng điện được sinh ra từ các tấm pin mặt trời gắn trực tiếp trên xe hoặc chạy bằng điện từ ắc quy đã được thiết kế và chế tạo [4]. Tuy nhiên, nếu xét một cách toàn diện, khi thay thế phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐT sang phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐ, thì khả năng phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế tạo và lắp ráp ĐCĐT dẫn đến lãng phí và thiệt hại cho các nhà chế tạo và lắp ráp phương tiện giao thông, cùng với các sự kết hợp phát triển các ngành sử dụng ĐCĐT cũng ảnh hưởng không nhỏ tới sự thay thế này. Do vậy việc giảm tính phụ thuộc vào nhiên liệu có nguồn gốc từ hóa thạch và phát triển công nghệ tiết kiệm nhiên liệu cùng giảm sự ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra vẫn cần được phát triển và vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Phát triển xe hybrid được xem là một trong những giải pháp quá độ nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm mức độ gây ô nhiễm môi trường bởi khí thải của ĐCĐT trang bị trên xe cơ giới [5]. Xe hybrid là phương tiện di động có hệ thống động lực được cấu thành từ hai hoặc nhiều nguồn động lực khác biệt nhau. Các loại phương tiện có thể coi là xe hybrid như xe đạp điện chạy bằng cách sử dụng bàn đạp và bằng động cơ điện, xe ô tô được trang bị cả ĐCĐT và ĐCĐ để dẫn động bánh xe chủ động, xe lửa được trang bị 1
cả ĐCĐ để chạy bằng điện lưới và động cơ diesel để chạy ở những khu vực không có lưới điện. Xe hybrid có hệ động lực được cấu thành từ ĐCĐT và ĐCĐ đã được chế tạo từ những năm cuối thế kỷ XVIII và đã tạo được ấn tượng mạnh mẽ trong giai đoạn đầu mới phát triển nhờ các tính năng vượt trội so với ô tô truyền thống [6]. Tuy nhiên, do vận hành và sửa chữa đơn giản hơn, giá thành ĐCĐT ngày càng giảm do được sản xuất hàng loạt, nhu cầu sử dụng ngày càng rộng. Xe truyền thống đã chiếm lĩnh gần như toàn bộ thị trường của xe hybrid trong giai đoạn trước năm 1990. Dưới áp lực ngày càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và các tiêu chuẩn về khí thải ngày càng khắt khe, xe hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990 và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Bên cạnh những ưu điểm vốn có của phương án hybrid, cùng với đó là những tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo như cơ khí, điện - điện tử, thông tin,… cũng được xem là yếu tố quan trọng góp phần làm nên thành công của xe hybrid hiện đại. Trong quá trình khai thác kỹ thuật, giải pháp hybrid hóa ô tô chỉ có thể đạt được khi tối ưu hóa được các chế độ làm việc của các nguồn năng lượng. Đây là vấn đề thuộc nội hàm của khái niệm tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực trên xe hybrid. Qua tìm hiểu tài liệu cho thấy đến thời điểm hiện nay, ở Việt Nam chưa có công trình khoa học chuyên sâu nào đã công bố về hệ động lực xe hybrid. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trong nước về xe hybrid vẫn còn ít và chưa nhiều về tính mới chỉ đề cập đến những khái niệm cơ bản hoặc giới thiệu những thành tựu mới của các hãng chế tạo xe hybrid hay thiết kế chế tạo cụm thiết bị nên vẫn còn nhiều vấn đề nghiên cứu cần được giải quyết. Mặt khác, công nghệ chế tạo cũng như đánh giá hiệu quả các nguồn động lực hybrid vẫn còn là bí quyết của một số hãng chế tạo xe hybrid hàng đầu trên thế giới. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird” góp phần bổ sung những kiến thức và công nghệ liên quan đến lĩnh vực xe hybrid ở Việt Nam. ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án - Đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp nguồn động lực ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy và quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid. 2
- Áp dụng giải pháp và quy trình trên để tính toán thiết kế một mô hình hệ động lực trên xe hybrid. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mô hình xe hybrid phối hợp kiểu hỗn hợp với hệ động lực được cấu thành từ ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy. iv. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: • Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra giải pháp phối hợp các nguồn động lực theo kiểu hỗn hợp và cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid. • Nghiên cứu mô phỏng, gồm: - Tính toán thiết kế các bộ truyền dẫn của hệ động lực trên phần mềm Inventor ; - Nghiên cứu mô phỏng mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp theo chu trình thử bằng phần mềm AVL - Cruise. • Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid. v. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu - Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ động lực xe hybird phối hợp kiểu hỗn hợp, gồm ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy cỡ nhỏ. - Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội. vi. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Luận án đã đưa ra quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid và áp dụng quy trình để tính toán thiết kế một hệ động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi. - Luận án sử dụng thành công phần mềm AVL - Cruise trong tính toán mô phỏng động học, động lực học và tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe hybrid theo chu trình thử. - Đã thành công trong thiết kế, chế tạo và thử nghiệm để đánh giá khả năng phối hợp các nguồn động lực trong hệ động lực xe hybrid. - Kết quả của luận án là một trong những giải pháp có thể lựa chọn để góp phần giảm phát thải ô nhiễm môi trường và tiêu hao nhiên liệu cho các phương tiện tham gia giao thông nội đô. 3
vii. Bố cục của luận án Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid - Chương 3: Tính toán thiết kế và mô phỏng hệ động lực xe hybrid - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm - Kết luận chung và hướng phát triển Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường Theo số liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam, năm 2020 toàn quốc có 41.941.332 phương tiện (4.180.478 xe ô tô, 37.760.854 xe mô tô, xe máy) [7,8]. Tính đến tháng 7/2020, thành phố Hồ Chí Minh có 8,94 triệu phương tiện cá nhân, tăng gần 7% so với cùng kỳ năm 2018. Trong đó, có hơn 825.000 ô tô (tăng gần 16%) và 8,12 triệu xe máy (tăng hơn 6%). Như vậy, chỉ trong khoảng 10 năm (từ năm 2010 đến nay) đã tăng thêm hơn 4 triệu phương tiện giao thông. Theo thống kê, bình quân mỗi tháng có 30.000 phương tiện giao thông đăng ký mới, tức mỗi ngày có 1.000 phương tiện đăng ký mới [7]. Về số lượng xe điện và xe hybrid, tại Việt Nam số lượng nhập và bán xe vẫn còn rất hạn chế so với xe thông thường. 1.2 Nguồn động lực thay thế ĐCĐT Sử dụng nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường đang là hướng đi mà các nhà khoa học đang thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề như giảm sự phụ thuộc nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt, giảm ô nhiễm môi trường do ĐCĐT gây ra. 1.2.1 Động cơ điện 1.2.2 Động cơ sử dụng khí nén áp suất cao 1.2.3 Nguồn động lực hybrid 1.3 Các phương án phối hợp nguồn động lực của xe hybrid 4
1.3.1 Xe hybrid kiểu nối tiếp 1.3.2 Xe hybrid song song 1.3.3 Xe hybrid hỗn hợp 1.4 Ưu và nhược điểm của xe hybrid Xe hybrid đã và đang được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm vượt trội so với phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT truyền thống. Cụ thể như: - Thu hồi năng lượng: với hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ hóa năng sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, xe hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi năng lượng bị tổn hao trong quá trình vận hành. Đối với xe thông thường khi được phanh lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa phanh. Trong khi đó, đối với xe hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóa thành điện năng và nạp vào ắc quy, vì thế rất nhiều năng lượng hao phí trong quá trình vận hành xe được thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên xe hybrid vẫn được trang bị hệ thống phanh như xe thông thường trong trường hợp người lái cần phanh khẩn cấp [10,15]. - Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu: xe hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với ĐCĐT thông thường nhờ có các chiến lược phối hợp nguồn động lực một cách hợp lý. Ngoài ra, khi vận hành trên đường trường, nguồn động lực chính là ĐCĐT hoạt động ở chế độ có hiệu suất cao nên sẽ giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu [5]. - ĐCĐ được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên ĐCĐT chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ giúp làm giảm được kích thước của hệ thống. - Phạm vi vận hành rộng và tính năng kỹ thuật đảm bảo như những phương tiện sử dụng ĐCĐT truyền thống. - Xe hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải quan tâm tới vấn đề nạp điện cho ắc quy. - Xe hybrid có mức phát thải ô nhiễm môi trường thấp hơn xe sử dụng ĐCĐT thông thường. Trong quá trình vận hành sẽ có sự phối hợp giữa hai nguồn động lực, do đó ĐCĐT sẽ được hạn chế vận hành ở các chế độ chuyển tiếp nhờ đó sẽ giảm được đáng kể lượng phát thải độc hại [43]. Tuy nhiên, xe hybrid vẫn có những khuyết điểm như chất lượng, tuổi thọ, giá thành và thời gian sạc của ắc quy. 1.5 Các thành phần chính trong xe hybrid 5
1.5.1 Động cơ đốt trong 1.5.2 Động cơ điện 1.5.3 Ắc-quy 1.5.4 Hệ thống truyền lực 1.6 Một số vấn đề quản lý năng lượng xe hybrid a) Tối ưu hóa ĐCĐT b) Giảm thiểu động lực học ĐCĐT c) Tối ưu hóa tốc độ hoạt động của ĐCĐT d) Giảm thiểu thời gian bật/tắt ĐCĐT e) Quản lý tối ưu trạng thái sạc pin (SOC) 1.7 Nghiên cứu ngoài nước Một số nghiên cứu có tính chất điển hình được trình bày sau đây: Nhóm nghiên cứu gồm Saurabh Mahapatra và các cộng sự đã đưa ra cơ sở thiết kế và các yêu cầu cơ bản của các kiểu xe hybrid [17]. Nhóm nghiên cứu đã đưa ra quy trình thiết kế nguồn động lực hybrid dựa trên nền tảng Matlab Simulink. Nhóm nghiên cứu gồm Feng Wang, Xiaojian Mao và Bin Zhuo đã thực hiện công trình nghiên cứu tích hợp ly hợp điện điều khiển phân phối mô men trên xe bus hybrid [18]. Năm 2004, nhóm nghiên cứu của K.David Huang và các cộng sự đã nghiên cứu xây dựng một hệ dẫn động Hybrid song song mới [19]. Tác giả Han và cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu về hệ thống phân phối năng lượng trên hệ động lực hybrid [22]. 1.8 Nghiên cứu trong nước Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu đã đạt được trong thời gian qua ở Việt Nam về xe hybrid: Nhóm nghiên cứu của tác giả Bùi Văn Ga đã thực hiện nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực trên xe hybrid 2 chỗ ngồi [24]. Năm 2009, nhóm nghiên cứu của tác giả Bùi Văn Ga tiếp tục nghiên cứu tính toán thiết kế và chế tạo thử nghiệm xe máy Hybrid điện – LPG. Cũng trong năm 2009, tác giả Hồ Sĩ Xuân Diệu đã nghiên cứu chế tạo hệ thống động lực ô tô hybrid 2 chỗ ngồi với nguồn động lực ĐCĐT sử dụng nhiên liệu LPG [26]. 6
Tác giả Nguyễn Văn Định – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang đã thực hiện nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình xe hybrid hai chỗ ngồi [27]. 1.9 Các dòng xe hybrid trên thị trường [28] 1.10 Phương pháp tiếp cận của đề tài Thông qua việc tìm hiểu về các hệ thống hybrid cho thấy hệ thống hybrid hỗn hợp ngày càng được sử dụng phổ biến do sự kết hợp được ưu điểm của hệ thống hybrid nối tiếp và hybrid song song khi xe chạy cả trong đô thị và ngoài xa lộ. Tuy nhiên, một trong những vấn đề thách thức hiện nay đối với hệ thống hybrid hỗn hợp đó là bộ phối hợp công suất và chiến lược phối hợp công suất giữa ĐCĐ và ĐCĐT. Đây cũng chính là hai nội dung mà NCS sẽ nghiên cứu trong nội dung của luận án. 1.11 Kết luận - Xe hybrid thân thiện môi trường và có nhiều ưu điểm khi sử dụng cho ĐCĐT giúp nâng cao hiệu suất và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường. - Hiện nay, các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng suy kiệt, thêm vào đó là các quy định ngặt nghèo về kiểm soát khí thải từ các phương tiện giao thông truyền thống (sử dụng ĐCĐT) do đó để giải quyết các vấn đề liên quan đến khí thải từ các phương tiện giao thông các nhà nghiên cứu đã đưa ra rất nhiều phương án khác nhau trong đó phương án sử dụng nguồn động lực thay thế là sự lựa chọn tối ưu hơn cả, đồng thời nguồn động lực cho xe hybrid đã được nghiên cứu và phát triển phù hợp trong giai đoạn hiện nay với nhiều sản phẩm đã được đưa vào sản xuất hàng loạt và có doanh số đáng kể trên nhiều thị trường khó tính như châu Âu và cả các thị trường vốn quen với việc sử dụng các phương tiện truyền thống như châu Á. Luận án tập trung nghiên cứu, tính toán thiết kế xe hybrid hai chỗ ngồi cũng như xây dựng hệ phối hợp công suất giữa ĐCĐ và ĐCĐT, đồng thời đưa ra chiến lược vận hành tối ưu cho hệ xe hybrid và tiến hành kiểm nghiệm lại việc tính toán thiết kế trong phòng thí nghiệm. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID 2.1 Quan điểm và quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid 2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid 7
Xe hybrid sử dụng 2 nguồn động lực, gồm ĐCĐT và ĐCĐ, trong đó ĐCĐT luôn được đảm bảo làm việc ở vùng có tiêu hao nhiên liệu thấp, hiệu suất cao. Đây là một trong các yếu tố quan trọng quyết định tăng hiệu suất của hệ động lực xe hybrid so với xe truyền thống. Vì vậy trong tính toán thiết kế chọn nguồn động lực và chiến lược sử dụng nguồn động lực trên xe hybrid phải đảm bảo ĐCĐT luôn làm việc trong vùng có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, hiệu suất cao. 2.1.2 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid Quá trình nghiên cứu phối hợp hiệu quả nguồn động lực hybrid đòi hỏi cần có một sơ đồ quy trình thực hiện rõ ràng và mạch lạc. Sơ đồ phải bao gồm các bước thực hiện cũng như đưa ra các tiêu chuẩn để đánh giá các kết quả thu được. - Bước 1: Xác định quan điểm thiết kế. - Bước 2: Lựa chọn phương pháp để phối hợp công suất. - Bước 3: Thiết kế, tính toán hệ thống phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid. - Bước 4: Song song với việc thiết kế hệ thống phối hợp ở bước 3 là việc xây dựng chiến lược sử dụng và quản lý các nguồn động lực. - Bước 5: Tính toán các thông số đặc trưng, xây dựng các đường đặc tính của các nguồn động lực là ĐCĐ và ĐCĐT. - Bước 6: Đưa các thông số đã tính toán, chọn lựa vào phần mềm AVL-Cruise để tiến hành mô phỏng và đưa ra kết quả mô phỏng. - Bước 7: Đánh giá kết quả chạy mô phỏng của phần mềm AVL- Cruise sử dụng các điều kiện về suất tiêu hao nhiên liệu và lượng phát thải của ĐCĐT. Nếu thỏa mãn thì sẽ chuyển sang bước kế tiếp, còn nếu không thỏa mãn thì phải quay lại bước 3 và bước 4. - Bước 8: Nếu thỏa mãn điều kiện ở bước 7 thì sẽ đến bước chế tạo sản phẩm theo thông số mô phỏng và đã tinh chỉnh của phần mềm AVL-Cruise. - Bước 9: Cuối cùng là đưa sản phẩm đi thử nghiệm và lấy các thông số thử nghiệm để kiểm nghiệm lại mô hình mô phỏng. 2.2 Cơ sở tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid 2.2.1 Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid a) Trường hợp chỉ có ĐCĐ làm việc b) Trường hợp cả ĐCĐT nạp điện cho ắc quy và ĐCĐ làm việc c) Trường hợp chỉ có ĐCĐT làm việc 8
d) Trường hợp ĐCĐT và ĐCĐ làm việc e) Trường hợp phanh tái sinh 2.2.2 Cơ sở xác định kết cấu bộ phối hợp các nguồn động lực xe hybrid 2.2.2.1 Hệ thống phối hợp kiểu kết nối mô men và tốc độ a) Hệ phối hợp kiểu kết nối mô men b) Hệ thống phối hợp kiểu kết nối tốc độ c) Hệ phối hợp công suất kiểu hỗn hợp 2.2.2.2 Xác định kết cấu bộ phối hợp công suất - Lựa chọn kiểu bộ kết hợp công suất: + Bộ kết hợp công suất kiểu mô men; + Bộ kết hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ; + Bộ kết hợp công suất kiểu hỗn hợp (nối cứng và vi sai tốc độ). 2.2.2.3 Cơ sở tính toán thiết kế bộ truyền đai 2.2.3 Cơ sở tính toán các nguồn động lực xe hybrid 2.2.3.1 Sơ đồ thiết kế hệ động lực a) Các quy định ban hành về tốc độ và điều kiện làm việc của xe b) Thiết kế hệ động lực hybrid Hình 2.14 Sơ đồ hệ động lực hybrid hỗn hợp Hệ động lực hybrid cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Bộ phối hợp các nguồn động lực phải đảm bảo hoạt động ổn định, tin cậy, kết hợp dễ dàng hai nguồn động lực ĐCĐ và ĐCĐT. - Trong quá trình làm việc, khi ở tốc độ thấp, nguồn động lực từ ĐCĐ hoạt động chính, ở tốc độ trung bình thì ĐCĐT hoạt động, còn 9
khi tăng tốc hoặc leo dốc thì cả hai nguồn động lực cùng hoạt động. Nguồn ắc quy được nạp từ máy phát điện và sạc bên ngoài. 2.2.3.2 Cơ sở tính toán xác định công suất của nguồn động lực, ĐCĐT, ĐCĐ, ắc quy a) Tính toán xác định công suất xe Hybrid b) Tính toán xác định công suất ĐCĐ c) Phân chia tỷ lệ công suất d) Tính toán ĐCĐT e) Tính công suất hệ động lực (ĐCĐT kết hợp với ĐCĐ) khi xe làm việc ở Vmax f) Cơ sở tính toán thiết kế hệ thống nạp điện cho ắc quy 2.2.4 Chiến lược phối hợp nguồn động lực 2.2.4.1 Chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe Hybrid a) Các quy tắc Để thỏa mãn các yêu cầu về hiệu suất, phát thải và tính nhịp nhàng thì việc kết hợp công suất của ĐCĐ và ĐCĐT phải thỏa mãn các quy tắc sau: - Quy tắc 1: Ở các chế độ không có ĐCĐT thì ĐCĐ sẽ hoạt động độc lập. - Quy tắc 2: ĐCĐT chỉ làm việc trong các vùng công suất và tốc độ có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, đặc tính phát thải thấp. - Quy tắc 3: ĐCĐT là nguồn động lực chính, ĐCĐ là nguồn động lực bổ sung, lợi dụng sự linh hoạt của ĐCĐ để bù đắp cho ĐCĐT. - Quy tắc 4: Ở các chế độ cần công suất cao, cả ĐCĐ và ĐCĐT sẽ cùng hoạt động. - Quy tắc 5: ĐCĐT còn được sử dụng để chạy máy phát sạc điện cho ắc quy. b) Sơ đồ tổng quan về chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe Hybrid 2.2.4.2 Chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid a) Các quy tắc Chiến lược quản lý việc sạc ắc quy trên xe hybrid sẽ tuân theo các quy tắc sau: - Quy tắc 1: ĐCĐT sẽ hoạt động để kéo máy phát nhằm sạc ắc quy khi SOC của ắc quy thấp dưới ngưỡng cho phép. 10
- Quy tắc 2: Công suất của hệ động lực phải được đảm bảo khi sạc ắc quy. - Quy tắc 3: Ở chế độ cần công suất cao thì sẽ không sạc ắc quy để đảm bảo công suất đầu ra cho xe. - Quy tắc 4: Ngưỡng SOC max, min sẽ được tính toán sao cho trong quá trình sạc nhanh, tuổi thọ cho ắc quy sẽ được đảm bảo. b) Sơ đồ tổng quan về chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid 2.3 Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Cruise 2.3.1 Phạm vi của AVL-Cruise Điểm nổi bật của phần mềm AVL-Cruise [41,42]: - Tối ưu hóa thiết kế và kết cấu của xe (tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu suất của xe) - Định nghĩa nhiều loại cấu hình xe và hệ thống truyền lực gồm HEV, BEV và FCE - Mô hình hóa các loại xe hiện đại (ví dụ: xe điện hybrid, pin nhiên liệu, xe điện) - Phân tích các hiệu ứng hệ thống truyền lực của xe - Thiết kế hệ quản trị nguồn năng lượng cho phương tiện - Mô-đun trình điều khiển thông minh để mô phỏng thực tế vận hành của xe 2.3.2 Phương pháp tính toán trong AVL-Cruise [13,41,42] Trong AVL Cruise, mô phỏng được thực hiện bằng một số giải thuật độ lợi (Variable Step Size) để tính toán đối với bài toán của Euler, dùng trong tính toán mô phỏng hệ xe hybrid. Đối với phương pháp VSS bước thời gian mô phỏng tối đa được đặt là 0,05s. 2.3.2.1 Các chế độ tính toán trong phần mềm AVL Cruise a) Tính toán ở trạng thái tĩnh b) Tính toán bán tĩnh c) Mô phỏng d) Giao diện tính toán của phần mềm 2.3.2.2 Tính toán cho ĐCĐT a) Chế độ khởi động ĐCĐT b) Chế độ tắt ĐCĐT c) Chế độ không tải d) Chế độ ĐCĐT làm việc e) Tính toán tiết kiệm nhiên liệu và tính toán phát thải [13,58] 2.3.2.3 Tính toán cho ĐCĐ 11
a) Khi ĐCĐ hoạt động ở chế độ đẩy b) Động cơ hoạt động ở chế độ phanh tái sinh 2.3.2.4 Cơ sở tính toán ắc quy a) Mô hình hóa đặc tính năng lượng của ắc quy b) Cơ sở tính toán trạng thái nạp (SOC) 2.3.3 Tạo chu trình thử mới trong phần mềm AVL-Cruise 2.3.4 Các bước thực hiện mô phỏng bằng phần mềm AVL- Cruise - Bước 1: Tạo một file cho dự án mô phỏng. - Bước 2: Tạo mô hình xe cần mô phỏng: xe hybrid. - Bước 3: Tạo các mô đun bộ phận trong mô hình. - Bước 4: Nhập dữ liệu cho mô hình. - Bước 5: Tạo liên kết giữa các thành phần. - Bước 6: Tạo thư mục nhiệm vụ, thêm nhiệm vụ để mô phỏng. - Bước 7: Thiết lập các cài đặt mô phỏng. - Bước 8: Chạy mô phỏng. - Bước 9: Thu nhận và đánh giá kết quả. 2.4 Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVL-Cruise 2.5 Kết luận Trên cơ sở lý thuyết về nguồn động lực và mô phỏng xe hybrid Chương 2 đã đưa ra được: - Sơ đồ các bước thực hiện đề tài nghiên cứu và đánh giá một hệ động lực hybrid. - Xây dựng được cơ sở lý thuyết cho việc tính toán nguồn động lực và tỷ lệ phân chia công suất giữa các nguồn động lực xe hybrid. - Xây dựng được lưu đồ chiến lược điều khiển nguồn động lực, nạp điện ắc quy cho xe hybrid. - Xây dựng được cơ sở cho nguồn động lực, nạp điện trong mô phỏng AVL- Cruise cho xe hybrid. - Xây dựng được hàm nhiên liệu tiêu thụ và khí thải cho nguồn động lực xe hybrid. Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID 3.1 Tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid 3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid a) Yêu cầu chung 12
b) Thiết kế bộ kết hợp công suất Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế xe hybrid 3.1.2 Tính toán xác định nguồn động lực cho xe hybrid 3.1.2.1 Các chế độ vận hành của xe hybrid Chế độ 1, tốc độ tối đa cho phép khi xe đi trong thành phố và khu vực đông dân cư là V1= 30 (km/h), khi đó chỉ có ĐCĐ làm việc Chế độ 2, trường hợp có tốc độ giao động từ V1 đến V2 tức từ 30 đến 40 km/h, ở chế độ này, chỉ có ĐCĐT hoạt động tương ứng V2 = 40 (km/h). Chế độ 3, tốc độ khi xe chạy ở khu vực ngoại ô là V3 = 4060 (km/h), khi đó xe sử dụng phối hợp cả hai nguồn động lực. Chế độ 4, tốc độ cực đại khi xe chạy bằng cả hai nguồn động lực ĐCĐT và ĐCĐ, tốc độ Vmax = 6080 km/h. 3.1.2.2 Tính toán xác định công suất hệ động lực xe hybrid 3.1.2.3 Tính toán công suất ĐCĐ a) Hiệu điện thế của ĐCĐ b) Lựa chọn máy phát điện 3.1.2.4 Tính toán xác định công suất của ĐCĐT 3.1.2.5 Xác định các thông số cho ắc quy 3.2 Chiến lược điều khiển các nguồn động lực trên xe hybrid 3.2.1 Chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid 13
3.2.1.1. Chọn các khoảng tốc độ 3.2.1.2. Xây dựng chiến lược chi tiết phối hợp các nguồn động lực Hình 3.4 Sơ đồ chiến lược phối hợp các nguồn động lực 3.2.1.3 Chiến lược phân phối các nguồn động lực 3.2.2 Chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid 3.2.2.1 Các cận của tình trạng nạp ắc quy 3.2.2.2 Xây dựng chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid 3.2.2.3 Chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid 3.2.3 Chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp của xe hybrid 3.2.3.1 Đưa ra chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp 3.2.3.2 Chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp 3.2.4 Chiến lược điều khiển dựa theo mô men 3.2.4.1 Đưa ra chiến lược điều khiển dựa theo mô men 3.2.4.2 Chiến lược điều khiển theo mô men 3.2.5 Chu trình tắt và khởi động ĐCĐT 3.3 Tính toán thiết kế cơ cấu phối hợp của hệ động lực 3.3.1 Tính toán bộ truyền CVT a) Tính toán dải tỷ số truyền bộ truyền đai b) Tính toán kích thước puly hộp số 3.3.2 Tính toán, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa trục ra CVT và trục chính 3.3.3 Tính toán, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa ĐCĐ và trục chính 14
3.3.4 Tính toán, thiết kế trục chính 3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid 3.3.5.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và chức năng làm việc của các khối điều khiển Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử nguồn động lực xe hybrid 3.3.5.2 Khối đo thông số đầu vào a) Bộ xử lí trung tâm – ECU b) Cảm biến vị trí bàn đạp ga c) Cảm biến tốc độ d) Cảm biến vị trí bàn đạp phanh 3.3.6.3 Khối đầu ra a) Mạch điều khiển ĐCĐT b) Mạch điều khiển nạp ắc quy 3.3.6 Hiệu suất xe hybrid 3.4 Tính toán mô phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm AVL – Cruise 15
3.4.1 Mô hình tổng chung của xe truyền thống và xe hybrid Hình 3.22 Bố trí chi tiết Hình 3.23 Mô phỏng xe trong mô phỏng xe truyền hybrid dùng bộ đồng tốc thống kết hợp CVT 3.4.2 Thông số đầu vào xe hybrid và xe truyền thống a) Thông số xe b) Nguồn động lực ĐCĐT c) Nguồn động lực ĐCĐ d) Ắc quy 3.4.3 Chu trình chạy sử dụng trong chu trình mô phỏng xe hybrid và xe truyền thống trong AVL-Cruise 3.4.3.1 Chu trình thử UDC 3.4.3.2 Các chu trình thử với tốc độ không đổi 3.4.4 Kết quả chạy mô phỏng Bảng 3.12 Bảng thống kê kết quả sau khi đã chạy Loại xe Xe truyền Đơn STT Hybrid thống vị Nội dung 1 Tổng tiêu hao nhiên liệu 0,0134 0,0534 kg 2 Tổng tiêu hao nhiên liệu không tải 0 0,0282 kg 3 Tổng tiêu hao nhiên liệu tăng tốc 0,009 0,0181 kg 4 Tổng tiêu hao nhiên liệu tốc độ không đổi 0,0008 0,0008 kg 5 Tổng tiêu hao nhiên liệu giảm tốc 0,0027 0,0063 kg 6 Tổng năng lượng điện tiêu thụ 0,0063 0 kWh 7 Phát thải NOx 0,89 1,87 g 8 Phát thải CO 5,29 19,84 g 16
9 Phát thải HC 0,23 0,54 g 10 Phát thải CO2 59,933 211,29 g/km 3.4.4.1 Kết quả đánh giá so sánh tốc độ giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.2 Kết quả đánh giá so sánh mô men giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.3 Kết quả đánh giá so sánh công suất giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.4 Kết quả đánh giá về HC giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.5 Kết quả đánh giá về CO giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.6 Kết quả đánh giá về NOx giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.7 Kết quả đánh giá về lượng nhiên liệu tiêu thụ giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.8 Kết quả đánh giá về gia tốc giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.9 Kết quả đánh giá về lực kéo giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.4.10 Kết quả đánh giá về lực cản không khí giữa xe truyền thống và xe hybrid 3.4.5 Kết quả chạy mô phỏng với chu trình có tốc độ ổn định 3.5 Kết luận Đã tính toán thiết kế được hệ động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi có công suất P = 8,7kW, đạt tốc độ tối đa Vmax = 80 km/h, gồm: Sử dụng phương án phối hợp kiểu hỗn hợp theo phương pháp đồng tốc độ kết hợp với bộ CVT đảm bảo: ĐCĐ làm việc ở chế độ không tải và tốc độ thấp V1 = 40km/h; ĐCĐT làm việc ở V2 = 40÷60 km/h; khi cả hai nguồn động lực ĐCĐ và ĐCĐT cùng làm việc Vmax = 80 km/h đồng tốc độ và mômen khi phối hợp công suất ĐCĐT với ĐCĐ ở chế độ tốc độ cao; máy phát làm việc khi ĐCĐT không làm việc ở chế độ tăng tốc hoặc tốc độ cao. Tính toán các nguồn động lực, ĐCĐT với công suất PĐCĐT = 5,7 kW, ĐCĐ với công suất PĐCĐ = 3 kW, Máy phát P = 1,5 kW và ắc quy U = 48V (4 bình ắc quy 12 V). 17
Tính toán xây dựng chiến lược và viết chương trình điều khiển phối hợp các nguồn động lực và phanh tái sinh của xe hybrid, với các chế độ: Khởi động và tắt ĐCĐT, không tải, tốc độ ổn định, tăng tốc, giảm tốc và phanh tái sinh. Tính toán thiết kế bộ điều khiển hệ động lực xe hybrid: điều khiển trung tâm, điều khiển ĐCĐT, nạp ắc quy. Xây dựng được mô hình và tiến hành mô phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm AVL-Cruise, trong đó thực hiện chạy mô phỏng theo chu trình thử UDC và các chu trình có tốc độ xe không đổi, kết quả mô phỏng theo chu trình UDC cho thấy: - Suất tiêu hao nhiên liệu của xe hybrid giảm được 38,68% so với xe thông thường (với xe hybrid là 3,71 (lít/km), còn xe truyền thống là 6,05 lít/km). - Các thành phần khí thải của xe hybrid cũng giảm so với xe truyền thống lần lượt là 52,41% với NOx, 73,34% với CO và 57,41% với HC. Chương 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 4.1 Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm 4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm Quá trình thử nghiệm của bộ phối hợp trên băng thử mục đích đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của ĐCĐT sau khi đưa vào nguồn ĐCĐT của xe hybrid. Kết quả thử nghiệm được so sánh với ĐCĐT nguyên bản và ĐCĐT của bộ phối nguồn xe hybrid trong phần mềm AVL - Cruise, để từ đó khẳng định lại tính chính xác của mô hình mô phỏng. 4.1.2 Đối tượng và phạm vi thử nghiệm Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm xây dựng đặc tính của động cơ xăng Piaggio 150cc nguyên bản làm cơ sở phân tích đối chứng sau khi phối hợp nguồn động lực. Ngoài ra, bộ số liệu cơ sở này được sử dụng làm thông số đầu vào cho bài toán mô phỏng trên phần mềm AVL-Cruise. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ phối hợp nguồn động lực phù hợp lắp trên băng thử tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải - Viện Cơ khí động lực – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để đánh giá lại ĐCĐT cũng như đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của hệ động lực. 18
Các thông số làm việc của ĐCĐ và ĐCĐT cũng như thông số chung của hệ động lực được đo đạc xác định bằng các thiết bị chuyên dụng. Thử nghiệm khảo sát các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và phát thải của các nguồn động lực xe hybrid. 4.2 Nội dung thử nghiệm Mô hình hệ thống phối hợp nguồn động lực giữa ĐCĐ và ĐCĐT được thiết kế trên cơ sở phương án phối hợp kiểu nối tiếp – song song. Hệ thống gồm một ĐCĐT một ĐCĐ, máy phát và bộ sạc điện cho ắc quy. Thành phần khí thải HC, CO, NOx và lượng CO2 được đo đạc và đánh giá để làm rõ được lợi ích về mặt phát thải của hệ thống hybrid. 4.3 Trang thiết bị thử nghiệm - Băng thử phanh kiểu dòng điện xoáy - Thiết bị phân tích khí thải - Thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S - Thiết bị đo tiêu thụ dòng điện 4.3.1 Lắp đặt mô hình lên băng thử 4.3.2 Băng thử phanh kiểu dòng điện xoáy 4.3.3 Thiết bị phân tích khí thải 4.3.4 Thiết bị đo tiêu hao hiên liệu 4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ 4.3.6 Nhiên liệu thử nghiệm 4.3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm Hình 4.12 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 19
4.3.8 Chế độ thử nghiệm Nghiên cứu thử nghiệm được thực hiện theo phương pháp đối chứng giữa 3 trường hợp: chạy độc lập ĐCĐT, độc lập ĐCĐ và phối hợp ĐCĐT-ĐCĐ. Trong đó, ở trường hợp chạy phối hợp, ĐCĐ lần lượt cung cấp năng lượng để thay thế 30%, 50% và 70% công suất của ĐCĐT. Quá trình thử nghiệm được thực hiện trên hai đường đặc tính: (i) Đặc tính tốc độ: tốc độ ĐCĐT thay đổi trong khoảng làm việc từ 1000 v/ph đến 7000 v/ph, tương ứng tốc độ của phanh từ 150 đến 1200 v/ph. (ii) Đặc tính tải ở tốc độ ĐCĐT 7000, 6000 và 4000 v/ph và mô men phanh được điều chỉnh ở các mức từ 1, 3, 7, 9 và 12Nm. Mỗi điểm đo được thực hiện 3 lần, kết quả là trung bình cộng của 3 lần đo. Phụ tải ngoài được thay đổi thông qua bộ điều khiển lực phanh bằng cách điều chỉnh điện áp cấp vào cuộn dây của phanh. Các thông số đo đạc bao gồm: mức tiêu thụ nhiên liệu xăng, dòng điện tiêu thụ ở chế độ phối hợp hoặc chạy độc lập ĐCĐ, tốc độ ĐCĐT, tốc độ băng thử, mô men phanh và các thành phần phát thải CO, CO2, HC và NOx. 4.4 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 4.4.1 Đánh giá tính năng kinh tế năng lượng Hình 4.14 thể hiện kết quả so sánh tiêu hao năng lượng ở các chế độ tốc độ khác nhau. Tại tốc độ động cơ ổn định 7000 v/ph và thay đổi lực phanh, khi cắt giảm mô men của ĐCĐT đi lần lượt 30%, 50% và 70% đồng thời bổ sung năng lượng qua ĐCĐ thì thiêu thụ năng lượng có xu hướng giảm 3,34%, 13,18% và 21,53%. Tương tự, tại các tốc độ làm việc khác, mức tiêu hao năng lượng khi hoạt động ở chế độ phối hợp đều có xu hướng giảm. Cụ thể, tại 6000 v/ph, tiêu hao năng lượng giảm 1,38%, 9,8% và 35,88%; tại 4000 v/ph, giá trị này tăng lần lượt là 23,45%, 14,08% và 2,43% 20