TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: 

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Khóa: 

1. Tên đề tài

Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug – in Hybrid.

2. Nhiệm vụ đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tìm kiếm tài liệu.

- Tổng quan về hệ thống phanh tái sinh và xe Plug – in Hybrid.

- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi năng lượng khi phanh.

- Xây dựng mô hình mô phỏng, tính toán và đánh giá hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug - in Hybrid.

3. Sản phẩm của đề tài

- Một quyển thuyết minh đồ án.

- Các đồ thị đánh giá hệ thống.

TÓM TẮT

Trong một thế giới mà việc bảo vệ môi trường và sự bền vững ngày càng được quan tâm, các phương tiện giao thông không nằm ngoài xu hướng này. Những năm gần đây, nhu cầu sử dụng ô tô ngày càng tăng cao. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng giảm dần theo thời gian và tình trạng ô nhiễm môi trường hiện đang ở mức báo động. Do đó, để phát triển ngành công nghiệp ô tô bền vững và ổn định, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực ô tô đã tìm ra những hướng phát triển mới về việc thu hồi năng lượng khi phanh. Triển khai trên những phương tiện sử dụng động cơ đốt trong truyền thống, xe lai điện và xe điện. Và xe Plug – in Hybrid cũng là một lựa chọn khả thi cho những ai muốn sự kết hợp hoàn hảo giữa hiệu quả năng lượng và khả năng vận hành của cả xe điện lẫn xe động cơ đốt trong. Với công nghệ tiên tiến, xe Plug – in Hybrid sẽ mang đến cho người dùng trải nghiệm lái xe thân thiện với môi trường mà không làm giảm hiệu suất hay sự tiện nghi. Từ khả năng sạc pin nhanh chóng tại các trạm sạc hoặc có thể sạc tại nhà đến quãng đường di chuyển dài hơn khi sử dụng kết hợp nhiên liệu hóa thạch và điện, xe Plug – in Hybrid đang mở ra một chương mới trong lĩnh vực ô tô. Mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh được sử dụng trên xe Honda CRV Plug – in Hybrid nhằm phân tích các yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi năng lượng, tính toán năng lượng thu hồi và mức tiết kiệm nhiên liệu của hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug – in Hybrid. Trong đồ án tốt nghiệp này, chúng em sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống phanh tái sinh và mẫu xe Plug – in Hybrid, trình bày về cơ sở lý thuyết tính toán năng lượng thu hồi, suất tiêu hao nhiên liệu và sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng tại mỗi quá trình phanh trên xe Honda CRV Plug – in Hybrid.

MỤC LỤC

                          Trang

LỜI CẢM ƠN........................................................................................... i

TÓM TẮT................................................................................................ ii

MỤC LỤC.............................................................................................. iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................................ vi

DANH MỤC CÁC HÌNH....................................................................... vii

DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................... xii

MỞ ĐẦU.................................................................................................. 1

1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................... 2

3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước......................................................... 2

4. Phương pháp nghiên cứu......................................................................... 3

5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 3

6. Nội dung nghiên cứu............................................................................... 3

Chương 1.TỔNG QUAN......................................................................... 5

1.1. Đặt vấn đề........................................................................................... 5

1.2. Các phương pháp tích trữ năng lượng hệ thống RBS............................... 6

1.2.1. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng.... 6

1.2.2. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực/khí nén.......................................................................... 7

1.2.3. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng bằng bánh đà (Flywheel).......................................................................................... 9

1.2.4. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi................................................................................................... 11

1.3. Hệ thống phanh tái sinh trên xe xăng lai điện HEV và PHEV................. 12

1.3.1. Khái niệm về ô tô Plug-in Hybrid (PHEV)................................. 13

1.3.2. Nguyên lý thu hồi năng lượng trên ô tô xăng lai điện PHEV........ 14

1.4. Hiệu suất thu hồi năng lượng và hiệu suất tích lũy năng lượng của pin lithium – ion trên các xe PHEV................................................................. 17

1.5. Các cấp độ sạc pin trên các xe PHEV................................................... 17

1.6. Vấn đề sử dụng năng lượng và không gian sử dụng của pin lithium-ion trên các xe PHEV........................................................................................... 20

Chương 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG THU HỒI............................................................................................................... 21

2.1. Cơ sở lí thuyết và xây dựng mô hình thuật toán.................................... 21

2.1.1.  Tính toán động lực quá trình phanh.......................................... 21

2.1.2.  Tính toán mô hình ắc quy........................................................ 23

2.1.3.  Mô hình tính toán quá trình phanh........................................... 24

2.2.Các tiêu chí đánh giá quá trình phanh ô tô............................................ 28

2.2.1.  Thời gian phanh..................................................................... 28

2.2.2.  Gia tốc chậm dần khi phanh.................................................... 28

2.2.3.  Quãng đường phanh............................................................... 28

2.3.Phương pháp điều khiển phân phối lực phanh tái sinh và phanh cơ khí đối với xe PHEV        …………………………………………………………………………...29

2.3.1.  Hệ thống thu hồi năng lượng ưu tiên chế độ thu hồi (phương pháp 1)        35

2. 3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng ưu tiên hiệu quả phanh (phương pháp 2)..................................................................................................... 37

2.3.3. Tối ưu hóa phân phối lực phanh (phương pháp 3)....................... 38

Chương 3.XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG........................................................................ 40

3.1. Mô tả sơ lược về chế độ hoạt động của xe Honda CRV PHEV (Plug-in hybrid).................................................................................................... 40

3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng trên xe Honda CRV PHEV....................... 46

3.2.1. Hệ thống truyền lực.................................................................. 46

3.2.2. Động cơ điện........................................................................... 47

3.2.3. Động cơ xăng.......................................................................... 48

3.2.4. Ắc quy cao áp.......................................................................... 49

3.3. Tính toán, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên xe Honda CRV PHEV bằng phần mềm Matlab/Simulink.................................................... 50

3.4. Các kết quả mô phỏng........................................................................ 86

3.4.1. Kết quả mô phỏng đối với chu trình FTP 75 (repeat x2)............... 87

3.4.2. Kết quả mô phỏng đối với chu trình NEDC (repeat x4)................ 92

3.4.3. Kết quả mô phỏng đối với chu trình US06 (repeat x2)................. 97

3.4.4. Tính toán các giá trị năng lượng............................................... 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................ 109

1. Kết luận............................................................................................. 109

2. Kiến nghị........................................................................................... 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 110 

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu và chữ viết tắt	Giải thích ý nghĩa	Ghi chú
AC	Alternating Current	Điện xoay chiều
AMT	Automated Manual Transmission	Hộp số sàn tự động
CVT	Continuously Variable Transmission	Hộp số vô cấp
DC	Direct Current	Điện một chiều
ECE	Economic Commission for Europe	Uỷ ban Kinh tế châu Âu
ECM	Engine Control Module	Hệ thống điều khiển động cơ
EGR	Exhaust Gas Recirculation	Chu trình khí xả
EUDC	Extra Urban Driving Cycle	Chu trình lái xe đô thị mở rộng
EV	Electric Vehicles	Các xe điện
EPA	Enviromental Protection Agency	Cơ quan bảo vệ môi trường
FPT-75	Federal Test Procedure	Chu trình thử nghiệm đường nội thành của Mỹ
HCM	Hybrid Control Module	Hệ thống điều khiển Hybrid
HEV	Hydrid Electric Vehicles	Các xe lai điện
HIL	Hardware in the loop	Nền tảng thử nghiệm
HVB	Hybrid Vehicle Battery	Ắc quy cao áp
ICE	Internal Combustion Engine	Động cơ đốt trong
KERS	Kinetic Energy Recovery System	Hệ thống thu hồi năng lượng động năng
NEDC	New European Driving Cycle	Chu trình thử nghiệm Châu Âu
PHEV	Plug – in Hybrid Electric Vehicles	Các xe lai điện cắm sạc
PI	Proportional and Integral	Bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân
RBS	Regenerative Braking System	Hệ thống phanh tái sinh
SI	Spark Ignition	Đánh lửa cưỡng bức
SOC	State of Charge	Trạng thái sạc
US06	United States 06	Chu trình thử nghiệm đường cao tốc của Mỹ

 

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1. Phát thải CO2 toàn cầu và sự thay đổi hàng năm của chúng 1900 – 2023.......................................................................................................... 1

Hình 1.1. Các phương pháp tích trữ năng lượng khi phanh............................ 6

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng.......................................................................................................... 7

Hình 1.3. Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp. 8

Hình 1.4. Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song.......................................................................................................... 8

Hình 1.5. Dòng Flybrid KERS trên Volvo S60............................................. 9

Hình 1.6. Wiliams Hybrid Power dành cho xe đua F1................................. 10

Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng bằng bánh đà......................... 10

Hình 1.8. Cấu tạo của lò xo cuộn............................................................... 11

Hình 1.9. Mẫu xe HEV và PHEV ............................................................. 13

Hình 1.10. Hệ thống Plug-in Hybrid (PHEV)............................................. 14

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng.......................................... 15

Hình 1.12. Đặc tính momen phanh của động cơ điện................................... 16

Hình 1.13. Bộ sạc cấp độ 1....................................................................... 18

Hình 1.14. Bộ sạc cấp độ 2....................................................................... 19

Hình 1.15. Bộ sạc cấp độ 3....................................................................... 19

Hình 2.1. Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh.......................................... 21

Hình 2.2. Sơ đồ mô hình hóa ắc quy và phụ tải........................................... 23

Hình 2.3. Cấu tạo phanh đĩa...................................................................... 24

Hình 2.4. Đường đặc tính của động cơ điện 3 pha có chổi than.................... 25

Hình 2.5. Quan hệ giữa K_v và vận tốc ô tô.................................................. 26

Hình 2.6. Quan hệ giữa K_soc và %SOC....................................................... 26

Hình 2.7.Thuật toán điều khiển hệ thống phanh......................................... 27

Hình 2.8. Đặc tính phân phối lực phanh..................................................... 29

Hình 2.9.Biểu đồ các phương pháp điều khiển lực phanh tái sinh................ 31

Hình 2.10. Kiểu truyền lực nối tiếp............................................................ 33

Hình 2.11. Kiểu truyền lực song song........................................................ 34

Hình 2 12. Kiểu truyền lực hỗn hợp hãng Honda sử dụng............................ 35

Hình 2.13. Minh hoạ lực phanh ở bánh trước và bánh sau – Sự tái sinh năng lượng tối ưu............................................................................................. 36

Hình 2.14. Minh hoạ lực phanh ở bánh trước và bánh sau – Cảm giác phanh tối ưu .......................................................................................................... 37

Hình 2.15. Minh hoạ lực phanh ở bánh trước và bánh sau – Tối ưu hóa phân phối lực phanh......................................................................................... 38

Hình 3.1. Các chế độ hoạt động của xe Honda CRV PHEV......................... 40

Hình 3.2. Mô tả chế độ vận hành khi xe khởi động hoặc chạy chậm trong thành phố......................................................................................................... 41

Hình 3 3. Mô tả chế độ vận hành khi xe khởi động, chạy chậm trong thành phố, tăng tốc, leo dốc và chạy ở tốc độ cao......................................................... 42

Hình 3.4. Mô tả chế độ vận hành khi xe lên dốc hoặc tăng tốc...................... 43

Hình 3.5. Mô tả chế độ vận hành khi xe chạy ở tốc độ cao........................... 44

Hình 3.6. Mô tả chế độ vận hành khi xe giảm tốc hoặc phanh...................... 45

Hình 3.7. Mô hình hệ thống truyền lực trên xe Honda CRV PHEV.............. 46

Hình 3.8. Động cơ điện trên xe Honda CRV PHEV.................................... 47

Hình 3.9. Đường đặc tính momen của motor điện trên xe Honda CRV PHEV48

Hình 3.10. Động cơ xăng trên Honda CRV PHEV...................................... 48

Hình 3.11. Đường đặc tính ngoài của động cơ Honda CRV PHEV............... 49

Hình 3.12. Pin cao áp trên xe Honda CRV PHEV....................................... 49

Hình 3.13. Mô hình tổng quát................................................................... 51

Hình 3.14. Thuật toán điều khiển của mô phỏng......................................... 51

Hình 3.15. Chu trình thử FTP 75............................................................... 52

Hình 3.16. Chu trình thử NEDC................................................................ 53

Hình 3.17. Chu trình thử US06.................................................................. 54

Hình 3.18. Khối các chu trình lái............................................................... 54

Hình 3.19. Cách chuyển đổi giữa các chu trình........................................... 57

Hình 3.20. Mô hình thông số môi trường................................................... 58

Hình 3.21. Bộ điều khiển theo dõi tốc độ................................................... 58

Hình 3.22. Khối điều khiển chuyển động dọc của xe................................... 58

Hình 3.23. Bộ điều khiển.......................................................................... 62

Hình 3.24. Bộ điều khiển động cơ SI......................................................... 63

Hình 3.25. Sơ đồ khối bộ điều khiển động cơ SI......................................... 64

Hình 3.26. Khối phanh tái sinh kiểu series................................................. 65

Hình 3.27. Các khối tính toán áp suất phanh yêu cầu................................... 65

Hình 3.28. Các khối tính toán tổng momen phanh yêu cầu........................... 66

Hình 3.29. Các khối tính toán momen xoắn cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe........................................................................................ 66

Hình 3.30. Khối đánh giá momen xoắn cực đại của motor điện.................... 66

Hình 3.31.  Kết quả tra cứu momen xoắn motor điện tương ứng với tốc độ của motor điện............................................................................................... 67

Hình 3.32. Các khối tính toán momen thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe........................................................................................ 68

Hình 3.33. Kết quả tra cứu giới hạn thu hồi................................................ 68

Hình 3.34. Các khối tính toán momen thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe bị giới hạn bởi SOC.......................................................... 68

Hình 3.35. Các khối thuật toán để đánh giá giá trị nhỏ hơn từ 3 giá trị (tổng momen phanh yêu cầu, momen xoắn cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe và momen thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe)69

Hình 3.36. Kết quả tra cứu giá trị vận tốc làm phanh tái sinh không hoạt động............................................................................................................... 69

Hình 3.37. Khối xác định yếu tố ảnh hưởng đến tái sinh.............................. 69

Hình 3.38. Các khối tính toán phân phối lực phanh..................................... 70

Hình 3.39. Các khối cấu thành của thuật toán lệnh momen xoắn thu hồi của động cơ điện............................................................................................ 70

Hình 3.40. Các khối thuật toán điều khiển.................................................. 71

Hình 3.41. Khối momen xoắn của động cơ điện.......................................... 71

Hình 3.42. Điều kiện của lệnh momen xoắn của động cơ điện...................... 71

Hình 3.43. Động cơ.................................................................................. 72

Hình 3.44. SI Mapped Engine................................................................... 73

Hình 3.45. Hệ thống điện.......................................................................... 76

Hình 3.46. Motor điện.............................................................................. 76

Hình 3.47. Dữ liệu của ắc quy................................................................... 77

Hình 3.48. Hệ thống truyền động.............................................................. 79

Hình 3.49. Mô hình hệ thống truyền động.................................................. 80

Hình 3.50. Mô hình hộp số trong mô phỏng............................................... 80

Hình 3.51. Mô hình đầu ra của hộp số........................................................ 81

Hình 3.52. Mô hình phanh thủy lực........................................................... 81

Hình 3.53. Các thông số liên quan đến bánh xe........................................... 82

Hình 3.54. Mô hình động lực học.............................................................. 83

Hình 3.55. Các thông số phần thân xe........................................................ 84

Hình 3.56. Đầu ra của xe.......................................................................... 85

Hình 3.57. Mô hình tính toán nhiên liệu..................................................... 85

Hình 3.58. Đồ thị lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình FTP 75........................................................................................................... 87

Hình 3.59. Đồ thị momen của motor khi mô phỏng theo chu trình FTP 75.... 88

Hình 3.60. Đồ thị công suất của motor khi mô phỏng theo chu trình FTP 75. 89

Hình 3.61. Đồ thị hệ số nạp khi mô phỏng theo chu trình FTP 75................. 90

Hình 3.62. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu khi mô phỏng theo chu trình FTP 75............................................................................................................... 91

Hình 3.63. Đồ thị lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình NEDC..................................................................................................... 92

Hình 3.64. Đồ thị momen của motor khi mô phỏng theo chu trình NEDC..... 93

Hình 3.65. Đồ thị công suất của motor khi mô phỏng theo chu trình NEDC.. 94

Hình 3.66. Đồ thị hệ số nạp khi mô phỏng theo chu trình NEDC.................. 95

Hình 3.67. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu khi mô phỏng theo chu trình NEDC............................................................................................................... 96

Hình 3.68. Đồ thị lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình US06....................................................................................................... 97

Hình 3.69. Đồ thị momen của motor khi mô phỏng theo chu trình US06....... 98

Hình 3.70. Đồ thị công suất của motor khi mô phỏng theo chu trình US06.... 99

Hình 3.71. Đồ thị hệ số nạp SOC khi mô phỏng theo chu trình US06.......... 100

Hình 3.72. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu khi mô phỏng theo chu trình US06............................................................................................................. 101

Hình 3.73. Biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng giữa các chu trình................ 102

Hình 3.74. Biểu đồ so sánh nhiên liệu tiết kiệm được nhờ hệ thống RBS giữa các chu trình.......................................................................................... 104

Hình 3.75. Biểu đồ so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa các loại xe trên từng điều kiện khác nhau................................................................................ 105

                       DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.1. Bảng thông số động lực học của Honda CRV PHEV ................... 50

Bảng 3.2. Sử dụng Drive Cycle Source...................................................... 55

Bảng 3.3. Sử dụng tham số External Actions.............................................. 59

Bảng 3.4. Sử dụng tham số Control type, cntrlType.................................... 59

Bảng 3.5. Sử dụng tham số Shift type, shftType.......................................... 60

Bảng 3.6. Bảng giá trị số nguyên của bánh xe chủ động............................... 61

Bảng 3.7. Bảng ký hiệu các biến của SI Engine Controller........................... 64

Bảng 3.8. Bảng thông số cài đặt thông số nhiệt độ động cơ đầu vào khối Mapped SI Engine.................................................................................... 73

Bảng 3.9. Bảng thông số khối công thức tính khối lượng không khí xy lanh khối Mapped SI Engine............................................................................. 74

Bảng 3.10. Bảng thông số công thức tính lưu lượng nhiên liệu khối Mapped SI Engine..................................................................................................... 75

Bảng 3.11. Bảng miêu tả tính toán điện khối Mapped SI Engine................... 75

Bảng 3.12.Thông số pin........................................................................... 78

Bảng 3.13. Bảng miêu tả tính toán điện khối Datasheet Battery.................... 78

Bảng 3.14.Bảng thông số tính toán điện khối Datasheet Battery.................. 78

Bảng 3.15.Thông số kỹ thuật của xe Honda CRV PHEV............................ 83

Bảng 3.16. Năng lượng thu hồi được từ các chu trình................................ 102

Bảng 3.17. Tính toán nhiên liệu tiết kiệm được ở các chu trình................... 103

Bảng 3.18. Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu...................................... 105

Bảng 3.19. Tính toán giá trị năng lượng của motor kéo và động cơ đốt trong............................................................................................................. 107

Bảng 3.20. Kết quả tính toán các giá trị năng lượng................................... 107

 

 

 

 

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, với sự gia tăng vượt trội về các phương tiện giao thông đường bộ nên tình trạng ô nhiễm không khí do khí thải của chúng cũng ngày càng trở nên trầm trọng, đặc biệt là ở các khu vực thành thị. Theo một nghiên cứu của Ủy ban chính phủ về biến đổi khí hậu, các phương tiện tham gia giao thông chiếm 24% tổng lượng khí thải CO₂ trên toàn cầu. Để bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng không khí, chính phủ đã ban hành các quy định nghiêm ngặt về mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải từ các phương tiện [1]. Điều này đã tạo ra nguồn động lực chính để các nhà sản xuất ô tô đầu tư vào việc phát triển các công nghệ mới, thân thiện với môi trường cho các dòng sản phẩm của mình, bao gồm cả xe điện. Tuy nhiên, việc sử dụng động cơ điện vẫn gặp phải một số khó khăn như phạm vi lái xe hạn chế, giá thành cao,… Do đó, việc sử dụng động cơ điện làm nguồn động lực chính hiện nay vẫn còn gặp nhiều hạn chế.

Hình 1.Phát thải CO2 toàn cầu và sự thay đổi hàng năm của chúng 1900 – 2023 [1]

Để tận dụng tối đa những lợi ích và giảm thiểu những khó khăn của động cơ điện khi sử dụng trên ô tô, các nhà nghiên cứu đã tìm ra phương án kết hợp động cơ điện và động cơ đốt trong, đồng thời cho phép sạc tự nguồn điện bên ngoài để cắm sạc như xe điện, được gọi là xe Plug-in Hybrid (PHEV). PHEV là một trong những giải pháp tiềm năng, giúp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Với khả năng tiết kiệm nhiên liệu ấn tượng và khả năng hoạt động linh hoạt, PHEV đang trở thành lựa chọn phổ biến. Sự phát triển của hệ thống sạc nhanh và mạng lưới sạc đang được mở rộng cũng đóng góp vào việc tăng cường sự tiện lợi và khả năng tiếp cận của các phương tiện này với người dùng.

 Một trong những yếu tố quan trọng giúp xe PHEV tiết kiệm nhiên liệu đó là khả năng tái tạo năng lượng khi xe giảm tốc thông qua hệ thống phanh tái sinh (RBS: Regenerative Brake System). Lượng năng lượng thu hồi được trong quá trình phanh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hiệu suất của các thiết bị lưu trữ năng lượng, kỹ thuật điều khiển hệ thống và vận tốc khi xe bắt đầu giảm tốc.

Nhận thấy được tầm quan trọng của hệ thống phanh tái sinh trên xe PHEV, cũng như để nắm bắt rõ hơn về cách hoạt động, hiệu suất thu hồi và khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi sử dụng hệ thống, nhóm chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug-in Hybrid’’. Với những kiến thức đã nghiên cứu được từ giảng đường và sự hướng dẫn tận tâm từ các thầy, chúng em hy vọng đồ án này sẽ là tài liệu hữu ích giúp các bạn sinh viên hiểu rõ hơn về hệ thống phanh tái sinh trên xe Plug- in Hybrid.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Đồ án “Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug-in Hybrid” sẽ tập trung vào các khía cạnh sau:

-  Tìm hiểu tổng quan hệ thống phanh tái sinh và xe Plug – in Hybrid.

-  Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi năng lượng trên xe Plug – in Hybrid.

-  Xây dựng mô hình mô phỏng, tính toán và đánh giá hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug – in Hybrid.

3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước

• Trong nước

Nhìn chung, những kết quả nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh ở Việt Nam đến nay đã khá nhiều, nổi bật trong số đó là :

“Nghiên cứu, mô phỏng hệ thống phanh tái sinh dựa trên chu trình lái xe thực tế” của TS. Dương Tuấn Tùng và nhóm tác giả đã đánh giá được hiệu quả thu hồi năng lượng từ hệ thống phanh tái sinh trên các cung đường khác nhau [2].

Bài báo cáo khoa học “Năng lượng tái tạo và công nghệ lưu trữ năng lượng trên xe điện’’ của Vũ Quang Huy và nhóm tác giả đã chứng minh sự chuyển đổi năng lượng tái tạo thành năng lượng điện, đối với xe điện, xe lai điện sẽ  làm giảm được mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch và khí, vấn đề ô nhiễm do khí thải. Đồng thời phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng mới trong các nhà máy sản xuất điện và trên các phương tiện giao thông theo hướng tận dụng năng lượng dư thừa [3].

• Ngoài nước

Peter Clarke và nhóm tác giả có bài nghiên cứu “Giảm khí thải phương tiện với hệ thống phanh tái sinh” để trình bày và phân tích hệ thống phanh tái sinh của xe như một cách dễ dàng và nhanh chóng để làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải [4].

HiguChi và nhóm tác giả đã có bài nghiên cứu “Phát triển hệ thống Plug-in Hybrid hai động cơ mới” trình bày về chế độ vận hành của xe PHEV trên các dòng xe Honda được gọi là i-MMD, để tối ưu hóa nhiên liệu. Khả năng cắm sạc và pin Li-on dung lượng cao, sơ lược về các bộ phận của hệ thống bao gồm động cơ chu trình Atkinson mới được phát triển, động cơ điện hiệu suất cao kết hợp CVT với động cơ đốt trong ICE và máy phát điện, một loại pin dành riêng cho Plug-in Hybrid cũng được mô tả trong bài nghiên cứu [5].

4. Phương pháp nghiên cứu

Về lý thuyết và tham khảo tài liệu: Đây là bước đầu tiên và cơ bản nhất, bao gồm việc thu thập, chọn lọc, phân tích, tổng hợp các ưu nhược điểm của các công trình trong và ngoài nước, các bài báo đã được đăng gần đây trên các tạp chí khoa học uy tín. Điều này giúp hiểu rõ nguyên lý làm việc và các thành phần chính của hệ thống phanh tái tạo. Từ đó, nhóm chúng em sẽ đề xuất mô hình hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV PHEV để nghiên cứu, tính toán và mô phỏng.

Về mô hình hóa hệ thống: Nghiên cứu được hỗ trợ bởi phần mềm mô phỏng như: Phần mềm MATLAB/Simulink dùng để thiết kế, tính toán, mô phỏng và thu thập dữ liệu trong quá trình nghiên cứu. Các kết quả của mô phỏng cũng có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống.

Bằng cách kết hợp các phương pháp trên, đề tài này có thể cung cấp cái nhìn toàn diện về hiệu suất và khả năng thu hồi của hệ thống phanh tái tạo trên xe Honda CRV PHEV.

 1.   Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Phanh tái sinh trên xe Honda CRV PHEV.

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe ô tô Honda CRV PHEV.

 2.   Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu đề ra của đồ án tốt nghiệp, chúng em sẽ thực hiện với các nội dung như sau:

-        Nghiên cứu tổng quan bao gồm hệ thống Plug-in Hybrid và phanh tái sinh.

-        Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán năng lượng thu hồi của hệ thống phanh tái sinh.

-        Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng trên ứng dụng MATLAB/Simulink, từ đó đánh giá hiệu quả thu hồi và khả năng tiết kiệm nhiên liệu từ hệ thống phanh tái sinh.

Kết luận: Tóm lại, chúng em đã xác định được tính cấp thiết của đề tài, các nghiên cứu trong và ngoài nước, mục tiêu, phương pháp, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu. Trong chương 1, chúng em sẽ nghiên cứu tổng quan về xe Plug – in Hybrid nói chung và hệ thống phanh tái sinh nói riêng.

 

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề

Trong bối cảnh toàn cầu đang đối mặt với những thách thức nghiêm trọng về biến đổi khí hậu và sự cạn kiệt nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch, ngành công nghiệp ô tô đang chuyển hướng mạnh mẽ tới các giải pháp năng lượng tái tạo và bền vững. Một trong những công nghệ nổi bật trong lĩnh vực này là hệ thống phanh tái sinh, đặc biệt là trên các dòng xe Hybrid và Plug – in Hybrid như Honda CRV PHEV.

Hệ thống RBS không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà nó còn giảm lượng khí thải CO2, góp phần bảo vệ môi trường. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên việc thu hồi và chuyển đổi năng lượng từ quá trình phanh thành điện năng để sạc lại cho pin, thay vì mất đi năng lượng này dưới dạng nhiệt. Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất của xe mà còn kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh.

Có nghiên cứu cho thấy: Nếu một chiếc xe ô tô có khối lượng 1600 kg được trang bị hệ thống phanh tái tạo và được tích trữ năng lượng để sử dụng lại thì chiếc xe đó sẽ đạt mức tiết kiệm nhiên liệu về mặt lý thuyết lên tới 23% trên đường bằng phẳng, mức nhiên liệu đó đủ để cho chiếc xe tăng tốc ở quãng đường ngắn.

Hệ thống phanh tái sinh đã được sử dụng rộng rãi trên đường sắt trong nhiều thập kỷ trước. Với công nghệ chế tạo các chi tiết tuyệt đối chính xác và công nghệ kỹ thuật điều khiển đã làm tăng hiệu quả của hệ thống phanh tái sinh trên tàu điện cho thấy có thể giảm được gần 40% năng lượng điện tiêu hao, ít bị hao mòn hơn đối với các bộ phận phanh ma sát và giảm được lượng khí thải CO₂ khoảng 90.000 tấn bằng cách tái tạo 112.500 megawatt giờ điện khi sử dụng phanh tái tạo.

Hiện nay, nhiều loại xe lai điện và xe thuần điện cũng đã sử dụng phanh tái tạo kết hợp với phanh ma sát giúp tối ưu về mặt nhiên liệu. Tuy nhiên, do khối lượng của ô tô nhỏ hơn so với tàu điện nên năng lượng quán tính của nó cũng ít hơn, làm giảm lượng thu hồi và tích trữ trong quá trình phanh. Ngoài ra, cần có các thiết bị chuyển đổi và lưu trữ năng lượng để thực hiện quá trình này. Theo các nghiên cứu gần đây, năng lượng tái tạo, chuyển đổi và lưu trữ có thể tồn tại dưới dạng khác nhau, như trong hình 1.1.

Hình 1.1. Các phương pháp tích trữ năng lượng khi phanh [6]

1.2. Các phương pháp tích trữ năng lượng hệ thống RBS

Quá trình phanh là quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ cấu phanh và làm tiêu tán năng lượng động năng của xe ô tô mà nó phải sử dụng một lượng nhiên liệu nhất định mới đạt được. Từ đó, hệ thống phanh tái sinh RBS (Regenerative Braking System) ra đời với mục đích để tái sử dụng lại năng lượng quán tính của xe trong quá trình giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và đặc biệt là tăng tuổi thọ của cơ cấu phanh. Chúng em đã tìm được bốn kiểu tích trữ năng lượng trên hệ thống RBS.

1.2.1. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng

Trục dẫn động của ô tô được nối với một máy phát điện, sử dụng từ trường để hạn chế chuyển động quay của trục dẫn động, làm cho xe chạy chậm lại và tạo ra điện. Trong trường hợp xe điện và xe lai điện, điện tạo ra sẽ được truyền tới pin để sạc lại.

Cả ô tô điện và ô tô lai điện hiện đại đều sử dụng động cơ điện để cung cấp năng lượng cho ô tô, điều này khiến cho việc áp dụng phanh tái tạo trở nên hiệu quả. Đa số những chiếc ô tô này sẽ được thiết lập sao cho khi người lái giảm tốc hoặc phanh, động cơ điện sẽ tự đảo chiều và tác dụng lực cản lên bánh xe thay vì lực kéo. Năng lượng điện tác dụng lên các bánh xe sau đó sẽ được đưa qua động cơ điện để sạc lại cho pin.

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng [7]

1.2.2. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực/khí nén

Hệ thống RBS tích trữ năng lượng ở dạng thủy lực sử dụng thiết bị lưu trữ thủy lực có dạng hình trụ tích trữ được một lượng dầu áp suất lớn, sử dụng chuyển động cơ học của bánh xe để kéo bơm và sẽ tạo ra được nguồn năng lượng dựa vào khí nén áp suất cao. Thiết bị này lưu trữ năng lượng bằng cách nén một khí (thường là khí Nitơ). Một hệ thống thủy lực hybrid cơ bản bao gồm: một bộ tích năng, một bình chứa dầu và một bơm/motor thủy lực [8].

Có hai kiểu kết cấu hệ thống truyền lực hybrid thủy lực: kiểu nối tiếp và kiểu song song. Kiểu nối tiếp dựa trên hộp số thủy tĩnh thuần túy và yêu cầu hai motor bơm. Nó cho phép phanh tái tạo lưu trữ năng lượng vào bộ tích năng và năng lượng đó được truyền qua hộp số khi xe khi tăng tốc.

Hình 1.3. Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp [9]

Đối với kiểu song song thì chỉ yêu cầu một motor bơm và hộp số CVT. Nó cho phép hỗ trợ động cơ khi tăng tốc.

Hình 1.4. Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song [9]

Khi phanh động năng của bánh xe sẽ dẫn động motor thủy lực hoạt động, chất lỏng sẽ đi từ bình áp suất thấp sang bình áp suất cao và lưu trữ năng lượng tại đây, đồng thời bánh xe cũng được phanh lại. Khi tăng tốc, áp suất của bình áp suất cao sẽ được truyền vào bơm động cơ để dẫn động động cơ hoạt động, chất lỏng sẽ được đưa về bình áp suất thấp. Đến một thời điểm nhất định, áp suất tại bình áp suất cao sẽ giảm đến một mức nhất định và khi đó động cơ đốt trong sẽ hoạt động ở thời điểm tốt nhất vì lúc đó là tải thấp nhất.

Tương tự với xe điện, hệ thống thủy lực hybrid này cũng kém hiệu quả ở tốc độ thấp bởi vì tổn hao cơ lớn. Ưu điểm của hệ thống tích trữ năng lượng kiểu thủy lực là đơn giản, không cần những công nghệ đột phá nên dễ dàng đưa vào sản xuất hàng loạt, hiệu suất thu hồi cao đến 70% lượng thất thoát trong quá trình phanh, chi phí thấp và giảm đến 40% lượng khí thải.

1.2.3. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng bằng bánh đà (Flywheel)

Phương pháp tích trữ năng lượng bằng bánh đà là một hệ thống lưu trữ năng lượng cơ học, sử dụng nguyên lý vận hành của bánh đà quay để tích trữ năng lượng dưới dạng động năng. Năng lượng được tích trữ vào bánh đà được tính theo công thức , trong đó J là momen quán tính và  là tốc độ góc của bánh đà. Năng lượng này tỷ lệ với bình phương tốc độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lượng nhiều hơn. Vì vậy, một bánh đà được sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng, phải được quay với tốc độ rất cao.

Hiện nay, trên thế giới có hai hãng sản suất bánh đà siêu tốc dựa trên công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System) lần đầu tiên được áp dụng trên xe đua F1 đó là hãng Flybird và Williams Hybrid Power.

Hình 1.5. Dòng Flybrid KERS trên Volvo S60 [10]

Hình 1.6. Wiliams Hybrid Power dành cho xe đua F1 [11]

Hệ thống Flybrid sử dụng bánh đà như một cơ cấu cơ khí đơn giản. Bánh đà có thể được kết nối với nhiều bộ phận quay trong hệ thống truyền lực, từ trục tốc độ của động cơ đến bộ vi sai và đồng thời kết nối với hộp số có dải tỷ số truyền rộng để phù hợp với tốc độ động cơ.

Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng bằng bánh đà [12]

Khi phanh, bánh đà thu hồi sẽ năng lượng và sau đó bổ sung động năng thông qua động cơ khi xe tăng tốc, giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu tới 25%. Động cơ 4 xi lanh có thể cung cấp công suất tương đương với động cơ 6 xi lanh [13].

Tuy nhiên, phương pháp này không thể lưu trữ năng lượng lâu dài nên phải kết hợp với một số thiết bị khác để lưu trữ năng lượng lâu hơn.

1.2.4. Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi

Dựa vào nguyên lý làm việc của lò xo nén và nảy thì khi xe bắt đầu giảm tốc hoặc phanh thì nó sẽ nén lò xo lại theo chiều nén và khi tăng tốc thì nó sẽ lấy lực nén của lò xo đó để hỗ trợ bánh xe tăng tốc nhanh hơn tức biến đổi động năng khi phanh của xe và tích trữ dưới dạng thế năng của lò xo.

Hình 1.8. Cấu tạo của lò xo cuộn [9]

Bánh răng mặt trời sẽ được nối cứng với bán trục của xe, liên kết với một bộ bánh răng hành tinh và một bánh răng bao nằm ngoài cùng. Một đầu của lò xo cuộn sẽ được nối với bánh răng bao, đầu còn lại sẽ nối với trống phanh của xe. Khi xe chạy ở tốc độ bình thường thì bánh răng mặt trời sẽ quay làm cho bánh răng hành tinh quay trơn trong lòng của bánh răng bao, khi đó bánh răng bao sẽ đứng yên và lò xo sẽ không được kéo. Khi người lái nhấn phanh, khi đó piston thủy lực làm việc, khóa cần dẫn nối với bánh răng hành tinh, làm cho trục của các bánh răng hành tinh đứng yên. Khí đó, đường truyền công suất sẽ đi từ bánh răng mặt trời qua bánh răng hành tinh và bánh răng bao, làm cho bánh răng bao quay. Khi bánh răng bao quay sẽ kéo một đầu của lò xo nén lại, đầu còn lại kéo trống phanh ngược chiều với chiều chuyển động của xe, khi đó sẽ tạo ra một momen hãm ngược chiều với chiều chuyển động của xe làm cho bánh xe quay chậm lại. Để cho hộp lò xo không quay ngược trở lại thì có ly hợp một chiều có nhiệm vụ giữ cho bánh xe chỉ quay một chiều theo chiều chuyển động. Khi đó, ly – on sẽ được hút vào, ép chặt vào bánh răng bao, đồng thời ly – off khóa ly hợp một chiều lại, làm cho bánh răng bao chỉ quay theo chiều chuyển động của xe mà không quay ngược trở lại và lò xo cũng không thể quay ngược trở lại. Khi nhả phanh, ly hợp một chiều sẽ được hồi về, ly – off mở ra, làm cho hộp lò xo được giải phóng, cung cấp năng lượng để xe tiến về phía trước.

1.3. Hệ thống phanh tái sinh trên xe xăng lai điện HEV và PHEV

Có rất nhiều phương án thu hồi năng lượng, như thu hồi bằng bánh đà và thu hồi bằng động cơ điện, đã được đề xuất cho xe xăng lai điện HEV và PHEV. Tuy nhiên, việc thu hồi bằng bánh đà không đạt hiệu quả cao và năng lượng thu hồi không được lưu trữ trong một thời gian dài như việc thu hồi năng lượng bằng động cơ điện. Sau khi tìm hiểu về các phương pháp và hiệu quả của hệ thống phanh tái tạo trên xe Hybrid, chúng em quyết định nghiên cứu một dạng hybrid cụ thể hơn, đó là xe Plug – in Hybrid (PHEV). Xe PHEV không chỉ sử dụng các hệ thống phanh tái tạo tương tự như đã nêu mà còn có khả năng sạc điện. Theo David Gohlke, nhà phân tích năng lượng và môi trường tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, cho biết hầu hết các xe Hybrid thông thường nó chỉ thể chạy được 2 đến 5 km khi dùng điện. Trong khi đó các xe Plug-in Hybrid mới ngày nay đều có phạm vi hoạt động từ 48 đến 80 km khi dùng điện, đủ đáp ứng nhu cầu đi lại hằng ngày của nhiều người. Vì vậy, xe Plug – in Hybrid sẽ có phạm vi hoạt động lớn hơn và cải thiện hiệu suất sử dụng năng lượng.  Ngoài ra, trên các xe PHEV còn có các kiểu bố trí hệ thống truyền lực khác nhau, tùy thuộc vào cách bố trí để có thể đưa ra phương án thu hồi hiệu quả nhất. Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn về công nghệ này và cách nó góp phần vào xu hướng xe điện hiện đại ngày nay.

Hình 1.9. Mẫu xe HEV và PHEV [15]

1.3.1. Khái niệm về ô tô Plug-in Hybrid (PHEV)

Ô tô Plug – in Hybrid (PHEV) là loại xe hybrid được trang bị động cơ điện và động cơ đốt trong. Pin của động cơ điện được sạc đầy bằng cách kết nói với nguồn điện bên ngoài thông qua phích cắm và có bộ pin lớn hơn so với xe hybrid thông thường, cho phép chạy một quãng đường đáng kể mà không cần đến nhiên liệu hóa thạch, từ đó giảm thiểu khí thải và tiêu hao nhiên liệu. Khả năng sạc từ nguồn điện ngoài giúp người dùng chỉ cần sạc xe tại nhà hoặc tại trạm sạc công cộng, mang lại sự linh hoạt và tiện lợi tối đa. Điểm nổi bật của PHEV là khả năng giảm phát thải khi lái xe chỉ bằng điện, cũng như khả năng hoạt động hiệu quả ở cả hai chế độ: điện hoàn toàn (EV mode) cho các quãng đường ngắn và hỗ trợ bởi động cơ đốt trong khi cần thiết, nhất là trên các chặng đường dài hoặc khi cần thêm công suất và khi hết pin thì chỉ sử dụng động cơ đốt trong để chạy [17].

 

Hình 1.10.Hệ thống Plug-in Hybrid (PHEV) [16]

1.3.2. Nguyên lý thu hồi năng lượng trên ô tô xăng lai điện PHEV

Ô tô xăng lai điện PHEV có hệ thống truyền động sử dụng động cơ điện làm nguồn động lực cho xe chuyển động. Động cơ điện được sử dụng có thể hoạt động ở chế độ máy phát thông qua quá trình phanh.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống thu hồi năng lượng dựa trên đặc tính làm việc của động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát.

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý thu hồi năng lượng

Khi xe giảm tốc hoặc phanh, động cơ điện sẽ chuyển sang chế độ máy phát tạo momen phanh lên bánh xe. Momen phanh này phụ thuộc vào cấu tạo, dòng kích từ và tốc độ của motor điện, được điều khiển bởi bộ điều khiển của hệ thống. Động năng của xe khi phanh sẽ chuyển thành điện năng và được nạp cho ắc quy. Do đó hệ thống phanh thu hồi thường đặt trên cầu chủ động, nơi có sẵn motor điện không chỉ giúp xe di chuyển mà còn thu hồi năng lượng khi phanh.

Đường đặc tính của momen phanh do motor điện hoạt động ở chế độ máy phát thường có dạng như hình 1.17.

Hình 1.12. Đặc tính momen phanh của động cơ điện [17]

Với đặc tính của động cơ điện, momen phanh sẽ tăng dần khi tốc độ xe giảm, trong khi công suất luôn đạt giá trị lớn nhất và không đổi. Do đó, momen này rất phù hợp với quá trình phanh ô tô. Khi xe chạy ở tốc độ thấp, momen phanh thu hồi sẽ đạt giá trị lớn nhất của động cơ điện. Tuy nhiên, trong dải tốc độ này, công suất thu hồi sẽ thay đổi theo quy luật bậc nhất. Vì vậy, hệ thống thu hồi năng lượng không thể đáp ứng được yêu cầu về công suất khi xe chạy ở tốc độ thấp. Trong các xe điện lai PHEV, cần có một ắc quy để lưu trữ điện năng từ quá trình nạp của động cơ đốt trong và hệ thống thu hồi năng lượng. Nếu ắc quy đã đầy mà vẫn tiếp tục nạp, sẽ gây ra tình trạng quá nạp, làm giảm tuổi thọ ắc quy. Do đó, khi thu hồi lực phanh, cần tính đến khả năng nạp của ắc quy. Nếu ắc quy đã đầy, hệ thống thu hồi sẽ ngừng hoạt động. Điều này có nghĩa là hệ thống thu hồi năng lượng phanh không luôn hoạt động liên tục.

Hơn nữa, đường đặc tính của động cơ điện cho thấy tốc độ tăng momen không lớn, nên chỉ sử dụng phanh động cơ điện sẽ làm tăng quãng đường phanh, dẫn đến hiệu quả phanh không cao và gây mất an toàn. Do đó, cần kết hợp hệ thống phanh thu hồi với các hệ thống phanh thông thường như phanh thủy lực hoặc phanh khí nén để đảm bảo cung cấp đủ momen phanh cho mọi chế độ và khi hệ thống thu hồi không hoạt động. Việc kết hợp hai hệ thống phanh cơ khí và phanh thu hồi sẽ mang lại nhiều phương án để đảm bảo hiệu quả phanh tốt nhất.

1.4. Hiệu suất thu hồi năng lượng và hiệu suất tích lũy năng lượng của pin lithium – ion trên các xe PHEV

Trong các xe plug – in hybrid (PHEV), pin lithium – ion đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng để điều khiển xe ở chế độ điện hoàn toàn và hỗ trợ động cơ đốt trong khi cần thiết. Hiệu suất thu hồi năng lượng và hiệu suất tích lũy năng lượng của pin lithium – ion trên các xe PHEV là những chỉ số quan trọng giúp đánh giá khả năng và hiệu quả của pin trong việc cung cấp năng lượng cần thiết.

Hiệu suất thu hồi năng lượng là tỷ lệ giữa năng lượng mà pin thực sự thu được trong quá trình sạc so với năng lượng mà ta cung cấp vào pin trong quá trình sạc. Hiệu suất thu hồi năng lượng thường liên quan đến hệ thống thu hồi năng lượng từ quá trình phanh tái sinh nạp vào cho pin. Hiệu suất thu hồi năng lượng trong xe PHEV có thể dao động tùy thuộc vào công nghệ pin, hệ thống quản lý pin,… Khi hiệu suất thu hồi năng lượng cao thì xe sẽ có tính hiệu quả về mặt nhiên liệu và tăng phạm vi hoạt động khi sử dụng động cơ điện. Hiệu suất thu hồi thường được đo bằng phần trăm. Trong điều kiện lý tưởng, hiệu suất thu hồi năng lượng của pin lithium – ion có thể lên đến khoảng 80% – 90%, nhưng trong thực tế, nó thường dao động từ 70% – 85%  tùy thuộc vào loại pin, điều kiện sử dụng và các yếu tố kỹ thuật khác.

Hiệu suất tích lũy năng lượng là tỷ lệ giữa năng lượng thực tế được lưu trữ trong pin so với năng lượng đã được sử dụng để nạp pin. Hiệu suất tích lũy năng lượng trong xe PHEV đánh giá khả năng của pin trong việc lưu trữ năng lượng được cung cấp qua quá trình sạc. Với hiệu suất tích lũy năng lượng cao, pin có thể tối đa hóa việc sử dụng năng lượng sạc, giảm thiểu mất mát năng lượng trong quá trình lưu trữ. Từ đó, tăng hiệu quả tổng thể của xe và giảm chi phí vận hành. Hiệu suất tích lũy cũng được đo bằng phần trăm.

Tóm lại, một chiếc xe PHEV với hiệu suất thu hồi năng lượng và hiệu suất tích lũy năng lượng cao thì sẽ cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng, kéo dài quãng đường đi được bằng điện, giảm lượng khí thải, chi phí nhiên liệu và giảm tần suất cần sạc pin.

1.5. Các cấp độ sạc pin trên các xe PHEV

Mức sạc của xe Plug – in Hybrid (PHEV) chia thành 3 cấp độ và nói chung cấp độ càng cao, công suất đầu ra càng cao và xe sẽ sạc càng nhanh. Hệ thống bắt đầu với mức sạc thấp nhất, gọi là cấp độ 1. Các cấp độ sạc rất quan trọng, chúng có ưu, nhược điểm khác nhau. Cấp độ 1 có tốc độ sạc chậm nhất, thường được sử dụng khi có nhiều thời gian để sạc. Cấp độ 2 tăng tốc độ sạc, phù hợp với những người cần sạc nhanh hơn nhưng không đòi hỏi hiệu suất cao. Cấp độ 3 hay còn gọi là sạc nhanh, cung cấp tốc độ sạc nhanh nhất, phù hợp với những tình huống cần sạc pin trong thời gian ngắn. Việc lựa chọn cấp độ sạc phù hợp phụ thuộc vào hoàn cảnh sử dụng và thời gian sạc mong muốn. Khi chọn cấp độ sạc nên xem xét các yếu tố như thời gian cần thiết, chi phí và tiện lợi để tối ưu hóa trải nghiệm sạc và hiệu quả của xe.

• Cấp độ 1 (level 1)

Sạc cấp độ 1 thuộc loại sạc AC là lựa chọn sạc phổ biến, nếu có ổ cắm điện trên tường bạn có thể sạc và nó chỉ cung cấp tối đa khoảng 2,3 kW. Điều này có nghĩa là bạn có thể sạc xe tại nhà, tại nơi làm việc hoặc ở bất cứ nơi nào.  Điểm yếu của bộ sạc này là tốc độ sạc chậm, chỉ phù hợp cho việc sạc qua đêm. Do đó, sạc cấp độ 1 thường chỉ được xem là một giải pháp khi không ở gần khu vực có trạm sạc. Chẳng hạn đối với chiếc Honda CRV PHEV: Với tốc độ sạc khoảng 2,3 kW (10A), việc sạc đầy xe từ 0 – 100% với bộ sạc gia đình sẽ mất khoảng 8 giờ.

 

Hình 1.13. Bộ sạc cấp độ 1 [18]

• Cấp độ 2 (level 2)

Sạc cấp độ 2 cũng thuộc loại sạc AC, nó nhanh hơn với điện áp tăng gấp đôi so với cấp độ 1 và nó cung cấp từ 3,4 kW đến 22 kW. Những bộ sạc cấp độ 2 phổ biến ở các trạm sạc công cộng như bãi đậu xe, trung tâm thương mại,… Nhiều nhà sản xuất ô tô đề nghị chủ xe lắp bộ sạc cấp độ 2 trong nhà hoặc garage nếu có thể. Với tốc độ sạc nhanh hơn, sạc cấp độ 2 giúp giảm thời gian chờ đợi khi cần sạc pin trên đường. Chẳng hạn đối với chiếc Honda CRV PHEV: Với tốc độ sạc tối đa là 6,8 kW (32A), việc cắm sạc chiếc xe Honda CRV PHEV với bộ sạc nhanh ở nhà hoặc ở trạm sạc công cộng sẽ giúp chúng ta sạc từ 0 – 100% trong khoảng 2,5 giờ.

 

Hình 1.14. Bộ sạc cấp độ 2 [18]

• Cấp độ 3 (level 3)

Sạc cấp độ 3 thuộc loại sạc DC, bộ sạc DC được sử dụng để sạc trực tiếp cho pin lưu trữ, nó sử dụng nguồn cấp điện riêng, với điện áp hoạt động lên đến 480V và dòng điện hơn 100A. Bộ sạc nhanh DC có thể cung cấp 50 kW đến 350 kW điện, một số nước ở châu âu có thể lên tới 400 kW. Bộ sạc nhanh này thường lắp đặt tại các trạm dừng nghỉ trên cao tốc, các trung tâm mua sắm,… Lưu ý rằng các mẫu xe PHEV không nên sử dụng bộ sạc nhanh DC (cấp độ 3), mà chỉ nên sử dụng bộ sạc AC (cấp độ 1 và 2).

Hình 1.15. Bộ sạc cấp độ 3 [18]

1.6. Vấn đề sử dụng năng lượng và không gian sử dụng của pin lithium-ion trên các xe PHEV

Về vấn đề sử dụng năng lượng: Mặc dù pin lithium – ion có khả năng lưu trữ năng lượng cao nhưng chúng vẫn bị giới hạn bởi mật độ năng lượng hiện tại so với năng lượng mà xăng hoặc dầu diesel có thể cung cấp. Do đó, chúng ta cần các pin có kích thước lớn hơn hoặc nhiều pin hơn để đáp ứng nhu cầu năng lượng cao như xe plug – in hybrid, xe hybrid, xe điện,… Hiệu quả của pin có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường và điều kiện vận hành của xe. Ví dụ: Nhiệt độ lạnh có thể làm giảm đáng kể khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng của pin, đồng thời làm tăng thời gian sạc của pin. Tuổi thọ của pin lithium – ion tốt nhưng do các chu trình sạc và xả liên tục sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin và hiệu suất của pin có thể giảm dần theo thời gian, dẫn đến việc cần phải thay thế.

Về không gian sử dụng: Để đạt được lượng điện năng cần cung cấp cho xe PHEV thì cần trang bị bộ pin có kích thước lớn và nặng, điều này có thể làm giảm không gian cho hành khách và hành lý. Việc thiết kế xe phải đảm bảo rằng không gian bị chiếm dụng bởi pin không làm giảm không gian sử dụng chung và sự thoải mái trong xe. Nhiều xe PHEV thiết kế khoang pin ở vị trí dưới sàn xe ở trục sau để giảm thiểu ảnh hưởng đến không gian hành khách, giữ trọng tâm thấp và giúp cải thiện độ ổn định của xe.

Kết luận chương 1: Trong chương này, chúng em đã phân loại được các hệ thống phanh tái sinh, tìm hiểu được các phương án tích trữ năng lượng của hệ thống phanh tái sinh và các vấn đề sạc trên xe Plug – in Hybrid. Trong chương tiếp theo chúng em sẽ trình bày cơ sở lý thuyết tính toán năng lượng thu hồi.

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG THU HỒI

2.1. Cơ sở lí thuyết và xây dựng mô hình thuật toán

2.1.1.    Tính toán động lực quá trình phanh

Chúng ta sẽ xem xét phương trình động lực học tổng quát của ô tô khi chuyển động trên đường. Mô hình khảo sát là mô hình phanh xe trên đường bằng, có hệ thống thu hồi năng lượng phanh kết hợp với hệ thống phanh thủy lực. Từ đó, chúng ta sẽ thiết lập các hệ phương trình tính toán cho hệ thống phanh thủy lực thông thường, hệ thống phanh và hệ thống phanh thu hồi.

Hình 2.1. Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh [19]

Trong đó:

F_qt: Lực quán tính của ô tô khi phanh;

F_p1 và F_p2: Lực phanh các bánh xe trước và bánh xe sau;

F_f1 và F_f2: Lực cản lăn các bánh xe trước và bánh xe sau;

Z₁ và Z₂: Các phản lực từ mặt đường lên các bánh xe trước và sau;

G là trọng lực;

Lực cản gió F_w;

ω₁ và ω₂: Vận tốc góc của bánh trước và bánh sau;

v: Vận tốc của ô tô.

• Momen phanh bánh trước M_p1 và bánh sau M_p2. Với M_p1 = M_th + M­_ck1          (2.1)

M_th : Momen phanh của hệ thống phanh thu hồi trên bánh trước;

M_ck1 : Momen phanh của hệ thống phanh thủy lực trên bánh trước.

Ta có phương trình cân bằng lực kéo khi phanh trên đường:

                                                                  (2.2)

Khi phanh lực cản không khí F_w và lực cản lăn F_f1, F_f2 không đáng kể, có thể bỏ qua. Từ đồ thị cân bằng lực kéo, ta có thể xác định được các phản lực vuông góc Z₁ và Z₂ tác dụng lên ô tô khi phanh như sau:

                                    [N]                                            (2.3)                           

                                             [N]                                           (2.4)

Trong đó:

m: Khối lượng của xe [kg];

g: Gia tốc trọng trường [m/s²];

L: Chiều dài cơ sở của ô tô [m];

a, b, h_g lần lượt là tọa độ trọng tậm của ô tô [m].

• Xác định momen tác dụng lên bánh xe chủ động trong quá trình phanh hoặc giảm tốc

Ta có momen tác dụng lên bánh xe chủ động ( cầu sau chủ động) là :

                                                                                            (2.5)

Trong đó:

         M_b: Momen tại bánh xe c [Nm];

Momen cản lăn:  [Nm]                                                            (2.6)

Momen cản gió:  [Nm];                                                     (2.7)

Momen quán tính của xe:  [Nm].                               (2.8)

Với:

r_blà bán kính bánh xe [m];          

d_i: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động. Hệ số d_i có thể xác định theo 2 cách: Đó là theo công thức thực nghiệm và theo thực nghiệm.

Momen quán tính của xe được quy về bánh xe chủ động bao gồm momen quán tính của chuyển động tịnh tiến và momen quán tính của các chi tiết chuyển động quay trong hệ thống truyền lực bao gồm từ động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng và bánh xe chủ động.

2.1.2.    Tính toán mô hình ắc quy

Hình 2.2. Sơ đồ mô hình hóa ắc quy và phụ tải

Công suất sạc của ắc quy:                                                   (2.9)

Trong đó:

P_batt:Công suất sạc [W];

V_batt:Tổngđiện áp của ắc quy;

I_batt: Dòngđiện của mỗi mô đun.

Theo đó V­_batt và I_batt được xác định theo công thức:

                   [V]                                               (2.10)

                                            [Ah]                                                 (2.11)

Trong đó:

τ: Hằng số chuyển đổi theo thời gian [s];

I_in: Dòng điện sạc [Ah];

N_p: Số cặp cực mắc song song.

Trạng thái sạc của ắc quy được tính theo công thức:

                                                                                   (2.12)

Trong đó:

       Cap_batt: Dung lượng ban đầu của pin [Ah].

       Để bảo vệ ắc quy khỏi hư hỏng, công suất sạc cần được giới hạn ở mức an toàn. Khi dòng điện sạc đạt cực đại I_inmax, công suất sạc cực đại được tính theo công thức:

                                                                                 (2.13)

Với:

        E_m: Điện áp mở mạch của ắc quy [V].

        R: điện trở của ắc quy [].

 

2.1.3.    Mô hình tính toán quá trình phanh

• Tính toán phanh thủy lực

Hình 2.3. Cấu tạo phanh đĩa

Momen phanh của cơ cấu phanh sinh ra:

                                  M = μ.P. π. Ba². R_m. N_pads /4 [Nm]                                        (2.14)

Trong đó:

M: Momen do cơ cấu phanh thủy lực sinh ra [Nm];

μ: Hệ số ma sát của đĩa với má phanh;

P: Áp suất phanh [Pa];

Ba: Hệ số cơ cấu truyền động phanh;

N_pads:Số lượng má phanh trong cụm phanh đĩa;

R_m: Bán kính trung bình từ trục phanh đến má phanh:   R_m = R_i + R₀ [m]  (2.15)

Trong đó:

R_i: Bán kính trong của má phanh [m];

R₀: Bán kính ngoài của má phanh [m].

• Tính toán mô men phanh của hệ thống thu hồi năng lượng

Mô men phanh của hệ thống thu hồi năng lượng được tính theo công thức:

                                                                      (2.16)

Trong đó:

M_th:Momen thu hồi [Nm];

M_đc: Momen hãm của động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát [Nm];

K_v: Hệ số vận tốc;

K_soc: Hệ số % khả năng nạp điện của pin.

Mô men hãm của động cơ điện hoạt động chế độ máy phát.

                                   M_đc =                   (2.17)

Trong đó:

M_max: Momen cực đại của motor điện;

P_m: Công suất cực đại của motor điện;

w_đc:Tốc độ trục của motor  điện;

w_cb:Tốc độ góc cơ bản của motor điện.

Hình 2.4. Đường đặc tính của động cơ điện 3 pha có chổi than

• Tính hệ số K_v và K_soc

Hệ số K_v

Do đường đặc tính của motor điện, khi tốc độ thấp công suất thu hồi giảm, dẫn đến hiệu quả thu hồi không cao. Vì vậy, khi vận tốc ô tô dưới 0,5 km/h, hệ thống thu hồi năng lượng sẽ không hoạt động.

               K_v =                               (2.18)

     

Hình 2.5. Quan hệ giữa K_v và vận tốc ô tô

          Hệ số K_soc

Để đảm bảo không bị quá nạp cho pin, việc ngừng nạp pin khi pin đã được nạp gần đầy là cần thiết. Cụ thể, khi mức %SOC  đạt 90%, hệ thống thu hồi sẽ ngừng hoạt động. Khi đó quan hệ giữa K_soc và %SOC là:

                               K_soc =                      (2.19)

Hình 2.6. Quan hệ giữa K_soc và %SOC

 

• Năng lượng thu hồi trong quá trình phanh.

Trong quá trình phanh năng lượng sẽ được thu hồi để nạp lại cho ắc qui. Khi đó, công suất thu hồi sẽ được tính theo công thức:

                                                                                                     (2.20)

Trong đó:

P_th: Công suất thu hồi [W];

M_th: Momen thu hồi [W];

w: Tốc độ góc bánh xe trước [rad/s];

i: Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực.

Năng lượng thu hồi được tính theo công thức:

                                                                                                       (2.21)

Trong đó:

A_th: Năng lượng thu hồi được trong quá trình phanh [J];

t: Thời gian thu hồi [s].

• Thuật toán điều khiển hệ thống phanh

Hình 2.7.Thuật toán điều khiển hệ thống phanh

 

 

2.2.         Các tiêu chí đánh giá quá trình phanh ô tô

2.2.1.    Thời gian phanh

Thời gian phanh là khoảng thời gian mà một vật di chuyển từ khi bắt đầu phanh cho đến khi dừng hoàn toàn, là một trong những tiêu chí để đánh giá chất lượng phanh. Thời gian này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ ban đầu của vật, hiệu suất của hệ thống phanh, trạng thái mặt đường, điều kiện thời tiết, khối lượng vật và nhiều yếu tố khác.

Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt. Biểu thức xác định thời gian phanh nhỏ nhỏ:

                                                                  (2.22) Trong đó:

v₁:Vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu phanh;

v₂: Vận tốc của xe tại thời điểm kết thúc phanh;

: Hệ số bám;

: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay;

g: Gia tốc trọng trường.

2.2.2.    Gia tốc chậm dần khi phanh

Gia tốc chậm dần khi phanh là một trong những tiêu chí quan trọng để đánh giá hiệu quả phanh, thể hiện mức độ giảm tốc độ của ô tô trong quá trình phanh. Biểu thức xác định gia tốc chậm dần lớn nhất khi phanh được thể hiện như sau:

                                                                                                         (2.23)

Trong đó:

: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay;

: Hệ số bám;

g: Gia tốc trọng trường.

2.2.3.    Quãng đường phanh

Quãng đường phanh là một trong những tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của ô tô. Điều này giúp người lái hình dung được vị trí mà xe sẽ dừng lại trước khi gặp chướng ngại vật, từ đó giúp tránh tai nạn khi phanh ở tốc độ cao. Do đó, trong quá trình thiết kế kỹ thuật ô tô, các nhà sản xuất thường cung cấp thông tin về quãng đường phanh tương ứng với tốc độ ban đầu khi bắt đầu phanh. So với các tiêu chí khác, quãng đường phanh là yếu tố mà người lái xe có thể nhận biết được một cách trực quan, giúp họ xử lý tốt hơn trong quá trình phanh trên đường. Biểu thức xác định quãng đường phanh nhỏ nhất là:

                                                                                                  (2.24)

Trong đó:

v₁:Vận tốc chuyển động của ô tô lúc bắt đầu phanh;

: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay;

: Hệ số bám;

g: Gia tốc trọng trường.

2.3.         Phương pháp điều khiển phân phối lực phanh tái sinh và phanh cơ khí đối với xe PHEV

Trên xe, lực phanh được quyết định bởi sự phân bố khối lượng và hệ số ma sát. Do có nhiều phương án bố trí hệ thống truyền lực nên tùy thuộc vào từng loại cơ cấu mà ta các phương án thu hồi khác nhau. Một trong những đặc điểm quan trọng của xe sử dụng hệ thống phanh tái sinh là trong trường hợp phanh gấp, momen phanh cần thiết lớn hơn so với momen phanh điện (momen phanh của động cơ điện) nên hệ thống phanh cơ khí phải cùng hoạt động để bổ sung lực phanh, đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách. Để đạt được hiệu suất cao trong phanh tái sinh, việc điều khiển sự phân phối lực phanh tái sinh và lực phanh cơ khí trên xe ô tô là hết sức quan trọng. Sự phân phối lực phanh tối ưu giữa bánh trước và bánh sau để đạt hiệu quả phanh tốt nhất mà không gây ra việc bánh xe bị trượt hoặc mất kiểm soát được mô tả bằng đồ thị Parabol (đường cong màu xanh trong hình 2.8). Nếu sự phân phối lực phanh thực mà ở dưới đường cong phân phối lực phanh lý tưởng (đường Parabol), các bánh xe trước sẽ bị phanh sớm hơn các bánh xe sau. Tình huống này sẽ dẫn đến trạng thái ổn định của xe theo sự điều chỉnh ECE.

                                                                                                             (2.25)

 

Hình 2.8. Đặc tính phân phối lực phanh [2]

Trong đó: F_bf và F_br là lực phanh trên cầu trước và cầu sau (N), W_f và W_r là trọng lượng xe trên trục trước và trục sau.

Tuy nhiên, khi điểm làm việc ở dưới đường cong phân phối lực phanh lý tưởng thì phần lớn lực phanh sẽ được chuyển đến các bánh xe trước và một lượng rất nhỏ lực phanh còn lại được chia cho các bánh sau nhưng điều này sẽ gây ra nguyên nhân làm giảm sự tận dụng khả năng bám của đường.

Để tránh được tình trạng này, một số nguyên tắc phanh được thêm vào. Vì thế, ở đó tồn tại một lực phanh tối đa trên các bánh xe trước được giới hạn bởi sự điều chỉnh bởi liên minh châu Âu ECE (đường cong màu đỏ hình 2.8).

Để giá trị nằm trong khoảng 0.2 và 0.8, sự phân phối lực phanh phải thỏa mãn điều kiện:

                                                            (2.26)

Trong đó:

Z: Tỉ lệ phanh của xe (vô hướng);

: Độ bám của đường (vô hướng).

Theo như xe truyền thống, hệ thống cơ sở phanh ma sát được xác định bằng độ dốc của đường thẳng chấm trong hình 2.8. Mối quan hệ của lực phanh khi các bánh xe trước bị khóa và bánh sau không bị khóa phụ thuộc vào độ bám đường của lốp ().

                                                             (2.27)

Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu phương thức phân phối lực phanh tái sinh được thử nghiệm và áp dụng rộng rãi. Phương pháp điều khiển phanh tái sinh là yếu tố quyết định đến mức năng lượng thu hồi được và hiệu quả phanh của xe.

Trong quá trình chuyển đổi giữa phanh ma sát và phanh tái sinh, có thể xảy ra sự không ổn định trong việc kiểm soát áp suất. Điều này dẫn đến việc áp suất trong hệ thống phanh không được điều chỉnh một cách mượt mà, gây ra cảm giác độ nhạy của chân phanh giảm đi và tệ hơn có thể gây hoảng sợ cho người lái. Rất nhiều hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên xe được trang bị bộ giả lập hành trình chân phanh, giúp tách biệt lực bàn đạp phanh với áp suất trong xylanh chính, điều này giúp tránh được vấn đề nêu trên nhưng sẽ làm tăng chi phí sản xuất và độ phức tạp của hệ thống.

Dựa trên điều kiện hiệu quả năng lượng thu hồi và êm dịu khi phanh, có ba phương pháp phân phối lực phanh khác nhau được thiết kế như trong hình 2.9. Trong tất cả các phương pháp này, có một quy tắc chung để tìm sự phân phối lực phanh.

Như đã đề cập, những phương pháp này được thiết kế cho xe Hybrid hoặc xe điện dẫn động cầu trước, lực phanh bánh sau không có sự tham gia của phanh tái sinh mà chỉ có phanh thủy lực. Khi gặp trường hợp khẩn cấp, momen phanh tái sinh sẽ được điều khiển, giảm về không một cách nhanh chóng khi phanh thủy lực được kích hoạt, tóm lại chỉ có phanh ma sát hoạt động trong trường hợp khẩn cấp.

Hình 2.9.Biểu đồ các phương pháp điều khiển lực phanh tái sinh [20]

Đây là một biểu đồ mô tả cách lực phanh được áp dụng tùy theo hành trình của bàn đạp phanh.

Phương pháp điều khiển 1 (phương pháp điều khiển tối ưu hóa năng lượng thu hồi) như thể hiện trong hình 2.9a. Khi người lái xe bắt đầu đạp vào bàn đạp phanh, có một khoảng hành trình ban đầu mà không có lực phanh được tạo ra đó là hành trình tự do của bàn đạp phanh. Momen phanh tái sinh sẽ được kích hoạt đến khoảng tối đa có thể, lực phanh thủy lực sẽ được kích hoạt ở bánh trước khi momen phanh của motor không đáp ứng đủ momen phanh yêu cầu. Theo lý thuyết, phương pháp này sẽ tối đa hóa việc sử dụng momen phanh tái sinh, đạt được mức năng lượng thu hồi tối đa. Tuy nhiên, khi lực phanh thủy lực cần được cung cấp, việc cung cấp dầu phanh cho xy lanh bánh trước của xy lanh chính sẽ bị giảm một lượng đáng kể dầu phanh trong xy lanh chính, dẫn đến sự giảm áp suất đột ngột trong xy lanh chính. Sự giảm đột ngột áp suất trong xy lanh chính sẽ tạo ra tín hiệu phanh sai lệch so với ý muốn thực của người lái và kết quả là gây ra thay đổi lớn trong quá trình giảm tốc, làm ảnh hưởng đến an toàn khi phanh.

Phương pháp điều khiển 2 (phương pháp mang lại cảm giác chân phanh tốt) như thể hiện ở hình 2.9b. Khi người lái xe bắt đầu đạp vào bàn đạp phanh, có một khoảng hành trình ban đầu mà không có lực phanh được tạo ra đó là hành trình tự do của bàn đạp phanh. Khi bắt đầu quá trình phanh, chỉ có lực phanh ma sát được kích hoạt. Khi áp suất phanh của bánh trước ổn định, momen phanh tái sinh sẽ được kích hoạt. Cùng lúc đó, van đầu vào của xy lanh phanh trước sẽ bị đóng và lượng dầu trong xy lanh phanh trước sẽ được lưu trữ ở bộ tích năng. Khi lực phanh thủy lực cần cung cấp, dầu thủy lực trong bộ tích năng sẽ được bơm vào xy lanh phanh bánh xe thông qua van đầu vào khi đường van chính bị đóng và xy lanh chính bị cách ly với các xy lanh phanh bánh xe để tăng áp suất trong xy lanh phanh bánh xe. Nhờ vậy, áp suất trong xy lanh chính sẽ không dao động khi áp suất trong xy lanh ở bánh xe thay đổi. Độ ổn định của cảm giác bàn đạp phanh và tín hiệu lực phanh của người lái được đảm bảo.

Phương pháp điều khiển 3 (phương pháp kết hợp) như thể hiện ở hình 2.9c. Đây là phương pháp cân bằng hai phương pháp 1 và 2 giúp tối ưu hóa năng lượng thu được đến mức tối đa nhưng vẫn giữ được cảm giác chân phanh tốt. Trong khoảng hành trình tự do của bàn đạp phanh, một lượng momen xoắn nhỏ của motor sẽ được kích hoạt trên cầu trước giống với lực hãm của động cơ đốt trong truyền thống. Khi chân phanh được nhấn đủ sâu, áp suất phanh trên bánh trước sẽ tăng lên một cách chậm rãi, cung cấp một phần trong tổng lực phanh yêu cầu và phanh tái sinh cũng sẽ cung cấp một phần trong tổng lực phanh yêu cầu đó. Sau khi áp suất phanh đạt đến một ngưỡng nhất định, momen phanh tái sinh sẽ được sử dụng đến mức tối đa, van đầu vào của xy lanh phanh trước sẽ bị đóng lại, lượng dầu trong xy lanh phanh trước sẽ được lưu trữ ở bộ tích năng. Đến khi phanh thủy lực phía trước cần được bổ sung áp suất, dầu thủy lực trong bộ tích năng sẽ được bơm vào xy lanh phanh bánh xe trước. Cuối cùng, hệ thống mang lại cảm giác chân phanh tốt, sự ổn định trong tín hiệu lực phanh và sự tối ưu hóa mức năng lượng tái tạo thu được.

Các phương án bố trí hệ thống truyền lực cơ bản trên xe điện lai cắm sạc PHEV bao gồm: kiểu truyền lực nối tiếp, kiểu truyền lực song song và kiểu truyền lực hỗn hợp.

• Kiểu truyền lực nối tiếp

Trong cấu hình truyền lực này, động cơ đốt trong hoạt động chỉ để kéo máy phát điện tạo ra điện năng. Điện năng này sau đó được cung cấp cho động cơ điện để vận hành và một phần được sử dụng để sạc lại cho ắc quy. Động cơ điện đóng hai vai trò: nó hoạt động như một máy kéo giúp xe di chuyển và cũng có thể hoạt động như một máy phát điện để thu hồi năng lượng khi xe bắt đầu phanh.

Hình 2.10. Kiểu truyền lực nối tiếp [21]

• Kiểu truyền lực song song

Trong kiểu bố trí truyền lực này, nguồn năng lượng để dẫn động bánh xe có thể đến từ động cơ đốt trong, động cơ điện hoặc cả hai. Cả động cơ đốt trong và động cơ điện đều có thể truyền lực đến trục bánh xe, tùy thuộc vào điều kiện vận hành cụ thể. Động cơ đốt trong thường đóng vai trò chính trong việc cung cấp momen xoắn giúp xe di chuyển, trong khi động cơ điện hỗ trợ bằng cách cung cấp momen xoắn khi xe chạy ở tốc độ thấp và vừa trong đô thị hoặc khi cần tăng tốc. Hệ thống này không cần máy phát điện riêng biệt, vì động cơ điện cũng đóng vai trò là máy phát điện để nạp điện cho ắc quy khi phanh hoăc giảm tốc, giúp giảm thiểu tổn thất do các cơ cấu trung gian.

Hình 2.11. Kiểu truyền lực song song [21]

• Kiểu truyền lực hỗn hợp

Trong kiểu bố trí truyền lực này, sự kết hợp giữa hệ thống truyền lực nối tiếp và song song cho phép cả động cơ đốt trong và động cơ điện cùng cung cấp năng lượng tới bánh xe chủ động hoặc mỗi động cơ riêng biệt có thể làm điều này. Động cơ đốt trong có thể hoạt động để dẫn động máy phát để tạo ra điện năng, phần lớn điện năng này sẽ được cung cấp trực tiếp cho động cơ điện để dẫn động bánh xe chủ động, trong khi một phần nhỏ sẽ được nạp vào pin. Sự kết hợp này tận dụng các ưu điểm của hệ thống truyền lực nối tiếp và song song để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.

Qua phân tích các kiểu hệ thống truyền lực của xe lai điện, mỗi kiểu đều có những ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, xét về khả năng thu hồi năng lượng, hệ thống truyền lực hỗn hợp tỏ ra ưu việt hơn cả. Do đó, hệ thống này được áp dụng trên xe Honda CRV PHEV và là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài này.

Hình 2 12. Kiểu truyền lực hỗn hợp hãng Honda sử dụng [21]

2.3.1.    Hệ thống thu hồi năng lượng ưu tiên chế độ thu hồi (phương pháp 1)

Phương pháp điều khiển được thể hiện trong hình 2.9a nhằm tối đa hóa năng lượng thu hồi. Momen phanh tái sinh sẽ được kích hoạt mức cao nhất có thể và lực phanh thủy lực sẽ được áp dụng ở bánh trước nếu momen phanh từ động cơ không đủ để đáp ứng yêu cầu. Theo nguyên lý này, việc tối ưu hóa sử dụng momen phanh tái sinh sẽ giúp thu hồi năng lượng ở mức độ lớn nhất có thể.

Nếu giá trị lực phanh tái sinh (lực phanh tối đa từ động cơ điện) nằm trong giới hạn của điểm c hình 2.13, lực phanh ở bánh trước được tăng lên nhờ phanh tái sinh. Trong trường họp trên cùng một đoạn đường mà lực phanh tái sinh thấp hơn giá trị tại điểm a trên hình 2.13, thì động cơ điện nên được điều chỉnh để tạo ra lực phanh tái sinh tối đa. Sư tăng lực phanh thêm vào bánh trước được bổ sung bởi lực phanh cơ khí, được biểu thị qua  F_bf-mech.

Hình 2.13. Minh hoạ lực phanh ở bánh trước và bánh sau – Sự tái sinh năng lượng tối ưu [19]

Khi điều kiện đường có hệ số ma sát cao (chẳng hạn như: µ = 0.7, điểm f trên hình 2.13), lực phanh tái sinh được áp dụng tối đa và phần còn lại được bổ sung bởi phanh cơ khí. Ngược lại, trên đường có hệ số ma sát thấp (chẳng hạn như: µ = 0.4, điểm k trên hình 2.13), chỉ có phanh tái sinh được sử dụng để tăng lực phanh bánh trước.

Phương pháp tối ưu hóa việc thu hồi năng lượng này bao gồm việc xác định các khu vực mà các điểm nằm trên hoặc vượt qua đường thẳng giảm tốc (đường cong màu hồng trong hình 2.8). Sau đó, tính toán năng lượng tái sinh tại mỗi điểm và chọn điểm nào có khả năng lương tái sinh năng lượng cao nhất.

 

2.3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng ưu tiên hiệu quả phanh (phương pháp 2)

Việc phân bố lực phanh giữa phanh cơ khí và hệ thống thu hồi năng lượng phanh được thực hiện bởi một hệ thống điều khiển phân phối lực phanh lên bánh trước và bánh sau. Mục tiêu là để hiệu quả phanh tốt nhất, nghĩa là quãng đường phanh ngắn nhất, phân bố lực phanh tối ưu ra bánh trước và bánh sau được biểu diễn dưới dạng đường cong I hình 2.14.

Hình 2.14. Minh hoạ lực phanh ở bánh trước và bánh sau – Cảm giác phanh tối ưu [19]

 

 

Khi gia tốc phanh nhỏ hơn 0.2g thì chỉ có phanh tái sinh ở bánh trước được áp dụng. Khi gia tốc phanh lớn hơn 0.2g thì lực phanh bánh trước và bánh sau được phân phối theo đường cong I hình 2.14 (Với j/g là tỉ lệ lực phanh trên bánh trước và bánh sau so với tổng trọng lượng của xe).

Lực phanh tác dụng lên bánh trước (cầu chủ động) được chia thành hai phần là lực phanh tái sinh và lực phanh cơ khí. Khi mà lực phanh yêu cầu nhỏ hơn lực phanh cực đại do motor điện có thể sinh ra thì sẽ chỉ áp dụng lực phanh thu hồi năng lượng (phanh tái sinh). Nếu lực phanh yêu cầu lớn hơn lực phanh thu hồi cực đại thì động cơ điện sẽ hoạt động để sinh ra momen phanh cực đại và lực phanh còn lại được cung cấp bởi hệ thống phanh cơ khí.

2.3.3. Tối ưu hóa phân phối lực phanh (phương pháp 3)

Để tối ưu hóa việc phân bố lực phanh, việc điều chỉnh đồng thời cả phanh tái sinh và phanh cơ khí là cần thiết. Quy trình này được biểu diễn trong hình 2.15, nơi chỉ phanh tái sinh được áp dụng cho bánh trước.

Phanh tái sinh tăng cường lực phanh đến bánh trước, từ đó điều chỉnh phân bố lực phanh theo một đường cong nhất định. Lực phanh cơ khí cho cả bánh trước và sau được quy định bởi áp suất thủy lực trong xi lanh chính. Lực phanh tái sinh phụ thuộc vào tốc độ của động cơ điện và phần lớn động năng không thể thu hồi ở tốc độ động cơ thấp. Trong trường hợp yêu cầu giảm tốc thấp hơn tốc độ giảm tốc của động cơ điện, phanh tái sinh trở nên hiệu quả hơn.

Hình 2.15. Minh hoạ lực phanh ở bánh trước và bánh sau – Tối ưu hóa phân phối lực phanh [19]

Kết luận chương 2: Trong chương này, chúng em đã trình bày cơ sở lý thuyết tính toán năng lượng thu hồi từ hệ thống RBS. Qua các phân tích trên, để đạt được hiệu suất cao trong phanh tái sinh, việc điều khiển sự phân phối lực phanh cơ khí và lực phanh tái sinh trên ô tô đồng thời đảm bảo an toàn là rất quan trọng. Vì vậy, chúng em đã mô tả chi tiết phương pháp điều khiển sự phân phối này. 

Chương 3

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG

Chương này đặt ra mục tiêu là thực hiện việc phân tích hệ thống phanh tái sinh trên xe Plug-in Hybrid, xây dựng cơ sở lý thuyết cho mô hình tính toán hệ thống phanh thu hồi năng lượng. Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống, tham khảo thông số của xe Honda CRV PHEV (Plug – in  hybrid) để thực hiện việc tính toán, phân tích, đánh giá khả năng thu hồi năng lượng và so sánh mức tiêu hao nhiên liệu của xe Plug – in Hybrid đối với xe Hybrid và xe chỉ dùng động cơ đốt trong có cùng dung tích xy lanh.

3.1. Mô tả sơ lược về chế độ hoạt động của xe Honda CRV PHEV (Plug-in hybrid)

Về cách thức hoạt động của hệ thống truyền động hybrid trên xe Honda CRV PHEV đang được sử dụng một hệ thống được đặt tên là i – MMD (intelligent Multi Mode Drive). Hệ thống i – MMD của Honda sẽ quản lý, phối hợp hoạt động của hệ thống dẫn động điện, dẫn động hybrid và dẫn động động cơ để đạt hiệu quả cao nhất về nhiên liệu và năng lượng điện khi vận hành. Hệ thống này phối hợp cả các phương thức vận hành nối tiếp và song song (Series hybrid và Parallel hybrid).

 

Hình 3.1. Các chế độ hoạt động của xe Honda CRV PHEV [22]

Khi khởi động, chạy hoặc dừng ở tốc độ thấp i – MMD chỉ điều khiển cho động cơ điện hoạt động vì lúc này động cơ đốt trong hoạt động không hiệu quả.

Động cơ đốt trong tiết kiệm được năng lượng trong quá trình vận hành ở tốc độ thấp hoặc dừng xe chờ đèn đỏ. Năng lượng do nhiên liệu hóa thạch tạo ra từ động cơ được sử dụng để dẫn động các bánh xe và dẫn động máy phát điện, cung cấp điện năng cho động cơ điện để tăng thêm động lực (tăng tốc hoặc lên dốc) hoặc để sạc cho pin cao áp.

• Khi động cơ không hoạt động, ta có thể thấy chế độ sau:

v   Trong quá trình khởi động hoặc chạy chậm trong thành phố khi sử dụng chế độ D/B (i – MMD sẽ điều khiển động cơ điện sao cho tối ưu): Động cơ điện được cung cấp công suất từ pin được mô tả như hình 3.2.

Hình 3.2. Mô tả chế độ vận hành khi xe khởi động hoặc chạy chậm trong thành phố [23]

Trong quá trình xe khởi động hoặc chạy chậm trong thành phố, khi chạy động cơ điện với tốc độ thấp sẽ tiết kiệm năng lượng hơn so với động cơ đốt trong do tải của động cơ điện dẫn động thấp. Việc vận hành động cơ điện cũng giúp giảm bớt khí thải ra ngoài môi trường và động cơ cũng được nghỉ ngơi.

v   Trong quá trình khởi động, chạy chậm trong thành phố, tăng tốc, leo dốc và chạy ở tốc độ cao khi sử dụng chế độ EV (chế độ chạy hoàn toàn bằng điện): Động cơ điện cung cấp công suất được mô tả như hình 3.3.

Hình 3 3. Mô tả chế độ vận hành khi xe khởi động, chạy chậm trong thành phố, tăng tốc, leo dốc và chạy ở tốc độ cao [23]

Trong quá trình xe khởi động, chạy chậm trong thành phố, tăng tốc, leo dốc và chạy ở tốc độ cao, khi chạy động cơ điện sẽ giúp việc vận hành xe êm ái và động cơ có thể nghỉ ngơi lâu hơn giúp tiết kiệm nhiên liệu và không thải các khí độc hại ra ngoài môi trường.

• Khi động cơ hoạt động, ta có thể thấy các chế độ sau: (khi sử dụng chế độ D/B).

v   Trong quá trình tăng tốc hoặc lên dốc: Động cơ đốt trong và động cơ điện cùng cung cấp công suất được mô tả như hình 3.4.

Hình 3.4. Mô tả chế độ vận hành khi xe lên dốc hoặc tăng tốc [23]

Trong quá trình tăng tốc hoặc leo dốc, pin điện áp cao (pin Lithium – ion) cung cấp năng lượng cho động cơ điện MG2, đồng thời động cơ đốt trong hoạt động để dẫn động máy phát điện để cung cấp thêm năng lượng cho động cơ điện giúp bổ sung năng lượng truyền động để xe đạt được momen xoắn cực đại ngay lập tức; qua đó, xe có thể tăng tốc mạnh mẽ và mượt mà. Từ đó, đạt được mức độ cao về hiệu suất lái xe và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Bằng cách kết hợp sức mạnh từ động cơ đốt trong và động cơ điện, i – MMD giúp cung cấp năng lượng tương đương với những chiếc xe có động cơ đốt trong lớn hơn. Nếu nhu cầu sử dụng nhiều hơn nguồn năng lượng mà ắc quy cao áp có thể cung cấp (ắc quy cao áp đạt đến giới hạn không cho xả pin) thì sẽ không có khả năng tăng momen xoắn bổ sung lúc tăng tốc hoặc lên dốc nên lúc này, chỉ có động cơ dẫn động máy phát điện để cung cấp phần lớn điện cho động cơ điện để dẫn động xe, còn một phần để sạc lại cho ắc quy cao áp.

v   Trong quá trình chạy ở tốc độ cao: Động cơ đốt trong được ghép trực tiếp đến bánh xe cung cấp công suất được mô tả như hình 3.5.

Hình 3.5. Mô tả chế độ vận hành khi xe chạy ở tốc độ cao [23]

Trong quá trình chạy ở tốc độ cao, động cơ đốt trong dẫn động trực tiếp đến các bánh xe chủ động cùng motor điện giúp tăng cường hiệu suất và phát huy tối đa sức mạnh của cả hai loại động cơ. Điều này có nghĩa là nó sử dụng nhiên liệu một cách hiệu quả hơn, phát huy tối đa khả năng của nó, đặc biệt khi duy trì tốc độ cao trên đường cao tốc.

• Trong khi xe giảm tốc hoặc phanh: Động cơ điện sẽ chuyển thành máy phát điện để biến động năng thành điện năng và tích ngược lại cho ắc quy cao áp được mô tả như hình 3.6.

Hình 3.6. Mô tả chế độ vận hành khi xe giảm tốc hoặc phanh [23]

Hệ thống i – MMD sẽ điều khiển động cơ điện sử dụng động năng của xe khi giảm tốc hoặc phanh để biến thành điện năng (lúc này động cơ điện hoạt động ở chế độ máy phát điện) và thu hồi năng lượng để sạc lại điện cho ắc quy cao áp.

Hệ thống phanh tái sinh trong hệ thống i – MMD  hấp thụ đáng kể động năng của xe khi phanh, nếu ắc quy đầy hệ thống sẽ chuyển qua phanh cơ khí do pin lithium – ion có giới hạn dung lượng lưu trữ năng lượng và việc tiếp tục nạp điện khi pin đã đầy có thể gây hại cho pin, làm giảm tuổi thọ pin hoặc thậm chí gây nguy hiểm do quá nhiệt hoặc quá tải. Hệ thống phanh thủy lực sẽ hoạt động bình thường như các loại xe không hybrid, tạo ra lực phanh cần thiết mà không phụ thuộc vào việc nạp điện cho pin. Đây là một phần của quá trình quản lý năng lượng thông minh của xe Plug – in Hybrid, nhằm tối ưu hóa hiệu suất của pin.

3.2. Hệ thống thu hồi năng lượng trên xe Honda CRV PHEV

3.2.1. Hệ thống truyền lực

Honda CRV Plug-in Hybrid áp dụng phương pháp kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện. Mô hình này sử dụng động cơ phía trước và dẫn động cầu trước.

Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính, máy phát điện MG1 được kết nối với động cơ xăng thông qua cặp bánh răng ăn khớp có nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ắc quy điện áp cao, đồng thời cung cấp điện năng để dẫn động motor điện MG2 để dẫn động bánh xe. MG1 còn hoạt động như một motor để khởi động động cơ đốt trong và motor điện MG2 có chức năng dẫn động các bánh xe chủ động tiến hoặc lùi. Trong suốt quá trình giảm tốc hoặc phanh, MG2 hoạt động như một máy phát điện đó là nhờ việc hấp thụ động năng của xe khi phanh để chuyển hóa thành điện năng và nạp lại cho ắc quy điện áp cao. Ắc quy cao áp được sạc bởi MG1 được dẫn động từ động cơ đốt trong và MG2 trong suốt quá trình giảm tốc để tái sinh năng lượng.

Hình 3.7. Mô hình hệ thống truyền lực trên xe Honda CRV PHEV [23]

3.2.2. Động cơ điện

Hình 3.8. Động cơ điện trên xe Honda CRV PHEV [24]

Động cơ điện trên xe Plug-in Hybrid có 2 vai trò đặc biệt quan trọng đó là nguồn động lực chính để dẫn động bánh xe và thu hồi năng lượng khi xe phanh hoặc giảm tốc. Động cơ điện được sử dụng là động cơ điện xoay chiều 3 pha có chổi than.

Hình 3.9. Đường đặc tính momen của motor điện trên xe Honda CRV PHEV

3.2.3. Động cơ xăng

Hình 3.10. Động cơ xăng trên Honda CRV PHEV [24]

Honda CRV PHEV sử dụng động cơ 2.0L chu trình Atkinson, phun trực tiếp. Đây là nguồn động lực chính của xe giúp dẫn động bánh xe và máy phát điện MG1 thông qua bộ bánh răng ăn khớp.

Hình 3.11. Đường đặc tính ngoài của động cơ Honda CRV PHEV

3.2.4. Ắc quy cao áp

Ắc quy được gắn trên xe là loại pin Lithium-ion gồm 96 Cell Pin, 17,7 kWh với điện áp chuẩn lên đến 300V. Được nạp điện bởi động cơ đốt trong thông qua tổ hợp máy phát MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp mô tơ điện MG2 trong suốt quá trình phanh và giảm tốc. Còn đối với pin trên xe HEV thì chỉ có dung lượng nằm trong khoảng 1 đến 2 kWh. Từ đó, ta thấy được pin của xe PHEV sẽ lớn hơn nhiều so với xe HEV gấp khoảng 6 đến 10 lần.

Hình 3.12. Pin cao áp trên xe Honda CRV PHEV [23]

Bảng 3.1.Bảng thông số động lực học của Honda CRV PHEV [25]

Các thông số cơ bản	Giá trị
Khối lượng thân xe [kg]	2430
Chiều dài cơ sở [mm]	2701
Động cơ đốt trong Dung tích xy lanh [cc] Công suất động cơ cực đại [kW] Momen xoắn cực đại [Nm]	1993 109 tại 6100 rpm 183 tại 4500 rpm
Máy phát điện [MG1] Công suất cực đại [kW] Momen xoắn cực đại [Nm]	120 tại 19000 rpm 295
Động cơ điện [MG2] Công suất cực đại [kW] Momen xoắn cực đại [Nm]	135 tại 5000 – 8000 rpm 335 tại 0 – 2000 rpm
Pin Lithium ion Số mô đun Năng lượng ắc quy [kWh] Điện áp của ắc quy [V]	96 17,7 300
Tỷ số truyền động cơ	0,708
Tỷ số truyền mô tơ điện	2,231
Tỷ số truyền vi sai	4,438

3.3. Tính toán, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên xe Honda CRV PHEV bằng phần mềm Matlab/Simulink

• Mô hình tổng quát

Ứng dụng tham chiếu xe xăng lai điện plug – in hybrid đại diện cho một mô hình xe xăng lai điện plug – in hybrid đa chế độ (PHEV) hoàn chỉnh với động cơ đốt trong, các bánh răng, hộp số, pin, động cơ điện, máy phát điện, ly hợp, vi sai, bánh xe, phanh và các thuật toán điều khiển hệ thống truyền động liên quan. Sử dụng ứng dụng tham chiếu để phân tích sự phù hợp của hệ thống truyền động và lựa chọn thành phần, thiết kế thuật toán điều khiển và chẩn đoán cũng như kiểm tra phần cứng trong vòng lặp (HIL).

Hình 3.13. Mô hình tổng quát

Mô hình có thuật toán điều khiển là một vòng lặp kín với các thông số đầu vào là tốc độ của chu trình thử nghiệm, tốc độ thực tế của ô tô và thông số môi trường. Tốc độ của chu trình sẽ được so sánh với tốc độ thực tế của ô tô trong khối chế độ lái. Từ đó, khối chế độ lái sẽ đưa ra tín hiệu bàn đạp ga hoặc tín hiệu bàn đạp phanh để xe tăng hoặc giảm tốc. Tín hiệu của bàn đạp ga và bàn đạp phanh cùng với thông số môi trường sẽ được đưa vào khối điều khiển để điều khiển động cơ, hệ thống phanh, máy phát điện và động cơ điện. Cuối cùng, mô hình sẽ đưa ra được tốc độ thực tế của ô tô và các thông số khác để phục vụ cho mục đích nghiên cứu. Cụ thể ở đây sẽ lấy momen thu hồi của motor, công suất thu hồi của motor, lực phanh tại cầu chủ động, hệ số nạp của pin và mức tiêu hao nhiên liệu của từng chu trình thử nghiệm.

Hình 3.14. Thuật toán điều khiển của mô phỏng

Chế độ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu ga và phanh dựa vào các chu trình lái xe được sử dụng. Khi tăng tốc, tín hiệu sẽ được gửi đi, momen xoắn sẽ được gửi đến xe thông qua ECM và HCM. Sự tái sinh chỉ bắt đầu khi nhả bàn đạp ga hoặc bàn đạp phanh được nhấn tùy vào vị trí chân phanh sẽ tương ứng với một momen phanh được áp dụng. Momen phanh này tùy thuộc vào chiến lược kiểm soát lực phanh để phân chia giữa phanh tái sinh và phanh thủy lực.

Trong đề tài này, chúng ta sử dụng 4 chu trình lái xe là FTP 75, NEDC và US06.

• Chu trình FTP 75

Chu trình FTP 75 (Federal Test Procedure 75) là chu trình thử nghiệm cho xe chạy trong điều kiện thành phố của Mỹ. Giống với chu trình FTP 72 nhưng cộng thêm 505 giây. Đặc điểm của chu trình là khi bắt đầu thử, động cơ được khởi động ở trạng thái nguội sau một đêm để ở nhiệt độ môi trường (20⁰C). Chu trình gồm 3 giai đoạn:

-        Giai đoạn 1 (Cold start phase) kéo dài trong 505 giây, tương ứng với quãng đường 5,78 km với tốc độ trung bình là 41,2 km/h.

-        Giai đoạn 2 (Transient phase) kéo dài trong 867 giây và được bắt đầu sau khi tạm dừng hoàn toàn động cơ trong 10 phút.

-        Giai đoạn 3 (Hot start phase) giống như giai đoạn 1 của chu trình trước và được khởi động lại sau khi đã dừng động cơ 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn 2.

-        Quãng đường di chuyển: 17,77 km.

-        Khoảng thời gian: 2474 giây.

-        Tốc độ trung bình: 34,1 km/h.

-        Tối độ tối đa: 90,6 km/h.

Hình 3.15. Chu trình thử FTP 75

• Chu trình NEDC

Chu trình NEDC (New European Driving Cycle) là chu trình thử nghiệm gồm có hai phần: phần đầu tiên là xe chạy trong thành phố với nhiều giai đoạn dừng/bắt đầu và phần thứ hai tương ứng với hành trình ngoại thành. Đặc điểm của chu trình gồm hai phần:

-        ECE R15 lặp lại 4 lần từ 0 – 780 giây: tốc độ thấp, tải thấp và nhiệt độ khí thải thấp.

-        EUDC: từ 781 – 1180 giây: tốc độ xe cao.

-        Quãng đường di chuyển: 10,9314 km.

-        Khoảng thời gian: 1180 giây.

-        Tốc độ trung bình: 33,35 km/h.

-        Tốc độ tối đa: 120 km/h.

Hình 3.16. Chu trình thử NEDC

• Chu trình US06

Chu trình US06 là chu trình thử nghiệm cho xe chạy ngoài thành phố và lái xe trên đường cao tốc với hành vi lái xe tốc độ cao, tăng tốc cao và dao động tốc độ nhanh.

-        Quãng đường di chuyển: 12,8 km.

-        Khoảng thời gian: 600 giây.

-        Tốc độ trung bình: 77,9 km/h.

-        Tốc độ tối đa: 129,2 km/h.

Hình 3.17. Chu trình thử US06

• Drive Cycle Source

Thư viện: Powertrain Blocket / Vehicle Scenario Builder.

Vehicle Dynamics Blocket / Vehicle Scenarios / Drive Cycle and       Maneuvers.

Hình 3.18. Khối các chu trình lái

Khối Drive Cycle Cycle (khối chu trình lái) tạo ra một vòng lặp tiêu chuẩn hoặc do người dùng chỉ định. Đầu ra là tốc độ dọc danh nghĩa của xe, dùng để:

-        Ước tính mức tiêu hao nhiên liệu và moem xoắn của động cơ mà một chiếc xe phải đạt được gia tốc và tốc độ mong muốn ở một tay số nhất định.

-        Tạo ra cơ cấu chuyển số và vận tốc thực với các lệnh tăng tốc và phanh cho các mô hình thiết bị và điều khiển xe.

-        Nghiên cứu, điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, khả năng kiểm soát xe và độ bền của hệ thống qua nhiều chu trình truyền động.

Đối với nhiều chu trình, ta có thể sử dụng:

-        Nhiều chu trình từ các nguồn được xác định trước. Chu trình mặc định là FTP 75. Để cài đặt các chu trình bổ sung từ gói hỗ trợ, hãy chọn Install Drive Cycle Data. Gói hỗ trợ có các chu trình truyền động bao gồm sơ đồ chuyển số, ví dụ JC08 và CUEDC.

-        Các bộ nhớ tạm.

-        Các tập tin có đuôi là: .mat, .xls, .xlsx hoặc .txt.

-        Thông số mở bướm ga (WOT), bao gồm tốc độ ban đầu và danh nghĩa, thời gian bắt đầu giảm tốc và tốc độ tối đa.

Để đạt được các mục tiêu trong bảng 3.2, hãy sử dụng các lệnh tùy chọn sau:

Bảng 3.2. Sử dụng Drive Cycle Source

Mục tiêu	Hoạt động
Lặp lại chu trình nếu thời gian mô phỏng vượt quá độ dài chu trình.	Chọn Repeat cyclically.
Gia tốc đầu ra, được tính bởi phép vi phân của Savitzky-Golay.	Chọn Output acceleration.
Đặt một khoảng thời gian đơn giản cho các ứng dụng rời rạc.	Chọn Output sample period
Cập nhật thời gian mô phỏng sao cho bằng với độ dài của chu kỳ truyền động.	Nhấp vào Update simulation time
Vẽ chu trình truyền động trong MATLAB®.	Nhấp vào Plot drive cycle.
Thiết lập chu trình truyền động bằng cách sử dụng một bộ nhớ tạm.	Nhấp vào Specify variable: Đặt thông số Drive cycle source thành Workspace variable. Bật tham số From workspace.
Thiết lập chu trình truyền động bằng cách sử dụng một tệp.	Nhấp vào Select file: Đặt đuôi Drive cycle source thành .mat, .xls, .xlsx or .txt file. Bật tham số Drive cycle source file.
Chu trình truyền độngtay số đầu ra.	Chỉ định một chu kỳ truyền động có chứa sơ đồ chuyển số. Bạn có thể dùng: Một gói hỗ trợ để cài đặt các chu trình truyền động tiêu chuẩn bao gồm sơ đồ chuyển số, ví dụ như JC08và CUEDC. Các bộ nhớ tạm. Các tập tin có đuôi là . mat, .xls, .xlsx, hoặc là .txt. Nhấp vào Output gear shift data.
Cài đặt các chu trình truyền động bổ sung từ gói hỗ trợ.	Nhấp vào Install additional drive cycles.
Xác định các lỗi chu trình truyền động trong phạm vi dung sai cho phép.	Trên tab Fault Tracking, sử dụng các tham số để tìm lỗi. Nếu tốc độ xe không nằm trong khoảng tốc độ cho phép, khối đặt một điều kiện lỗi.

Cách hiệu chỉnh

Hình 3.19. Cách chuyển đổi giữa các chu trình

• Mô hình thông số môi trường

Hình 3.20. Mô hình thông số môi trường

Mô hình thông số môi trường sẽ bao gồm: nhiệt độ môi trường, độ dốc, tốc độ gió và áp suất khí quyển

• Longitudinal Driver

Hình 3.21. Bộ điều khiển theo dõi tốc độ

Hình 3.22. Khối điều khiển chuyển động dọc của xe

Dưa trên chu trình và vận tốc được phản hồi, bộ điều khiển theo dõi tốc độ sẽ tạo ra lệnh gia tốc từ 0 đến 1 và lệnh giảm tốc cũng từ 0 đến 1. Các bộ điều khác của mô hình sẽ sử dụng dãy gia tốc và giảm tốc này để điều khiển xe.

Cấu hình

• External Actions

Sử dụng các thông số External Actions để tạo các tín hiệu đầu vào có thể vô hiệu hóa, giữ hoặc hủy các lệnh tăng tốc hoặc giảm tốc trong vòng lặp kín. Khối sử dụng thứ tự ưu tiên này cho các lệnh đầu vào: vô hiệu hóa (cao nhất), giữ, hủy.

Bảng 3.3. Sử dụng tham số External Actions

Mục tiêu	Tham số tác động bên ngoài	Cổng đầu vào	Loại dữ liệu
Hủy lệnh tăng tốc bằng lệnh tăng tốc đầu vào.	Hủy bộ tăng tốc	EnablAccelOvr	Boolean
		AccelOvrCmd	Double
Giữ lệnh tăng tốc ở giá trị hiện tại.	Giữ bộ tăng tốc	AccelHld	Boolean
Vô hiệu hóa lệnh tăng tốc.	Vô hiệu hóa bộ tăng tốc	AccelZero	Boolean
Hủy lệnh giảm tốc bằng lệnh giảm tốc đầu vào.	Hủy bộ giảm tốc	EnablDecelOvr	Boolean
		DecelOvrCmd	Double
Giữ lệnh giảm tốc ở giá trị hiện tại.	Giữ bộ giảm tốc	DecelHld	Boolean
Vô hiệu hóa lệnh giảm tốc.	Vô hiệu hóa bộ giảm tốc	DecelZero	Boolean

• Bộ điều khiển

Bảng 3.4. Sử dụng tham số Control type, cntrlType

Cài đặt	Khối bổ sung
PI	Điều khiển tích phântỷ lệ (PI) với tốc độ gió.
Scheduled PI	PI điều khiển với hàmtheo dõi tốc độ xe.
Predictive	Mô hình điều khiển xem trước đơn điểm (nhìn về phía trước) tối ưu được phát triển bởi C. C. MacAdam. Mô hình thể hiện việc kiểm soát tay lái của người lái trong suốt quá trình di chuyển theo đường và tránh chướng ngại vật. Trình điều khiển xem trước (nhìn về phía trước) để đi theo một con đường được xác định trước. Để triển khai mô hình MacAdam, khối này: Biểu thị động lực học dưới dạng phương tiện đơn tuyến tính (xe đạp). Giảm thiểu tín hiệu lỗi tại một điểm trước một khoảng thời gian T*giây. Giải thích độ trễ trình điều khiển từ thuyết cảm giác và thần kinh.

• Tay số

Bảng 3.5. Sử dụng tham số Shift type, shftType

Cài đặt	Khối bổ sung
None	Không có bộ truyền số. Đầura một bánh răng không đổi là 1. Sử dụng cài đặt này để giảm thiểu lượng thông số bạn cần để tạo các lệnh tăng tốc và phanh đểtheo dõi chuyển động phía trước của xe. Cài đặt này không cho phép xe chuyển động ngược lại.
Reverse, Neutral, Drive	Khối sử dụng biểu đồ Stateflow để mô hình hóa sơ đồ chuyển số lùi, số 0 và dẫn động lái. Sử dụng cài đặt này để tạo các lệnh tăng tốc và phanh để theo dõi chuyển động của xe tiến và lùi bằng cách sử dụng sơ đồ chuyển số đơn giản về số lùi, số 0 và sơ đồ chuyển số. Tùy thuộc vào trạng thái xe và vận tốc phản hồi của xe, khối sử dụng số ban đầu và thời gian cần thiết để chuyển số lên số lái hoặc xuống số lùi hoặc số 0. Đối với bánh răng trung gian, khối sử dụng lệnh phanh để kiểm soát tốc độ xe. Đối với số lùi, khối sử dụng lệnh tăng tốc để tạo momen xoắn và lệnh phanh để giảm tốc độ xe.
Scheduled	Khối sử dụng biểu đồ Stateflow để lập mô hình kế hoạch chuyển số lùi, số 0, đỗ xe và số tùy chọn. Sử dụng cài đặt này để tạo ra các lệnh tăng tốc và phanh để theo dõi chuyển động của xe tiến và lùi bằng cách sử dụng sơ đồ chuyển số ở tốc độ ngược, số 0, đỗ xe và số tùy chọn. Tùy thuộc vào trạng thái xe và vận tốc phản hồi của xe, khối sử dụng các thông số này để xác định: Số ban đầu Vị trí bàn đạp ga lên số và giảm số Vận tốc tăng số và giảm số Thời gian sang số Đối với bánh răng trung gian, khối sử dụng lệnh phanh để kiểm soát tốc độ xe. Đối với số lùi, khối sử dụng lệnh tăng tốc để tạo momen xoắn và lệnh phanh để giảm tốc độ xe.
External	Khối sử dụng bánh răng đầu vào, trạng thái của xe và vận tốc phản hồi để tạo ra các lệnh tăng tốc và phanh để theo dõi chuyển động của xe tiến và lùi. Đối với bánh răng trung gian, khối sử dụng lệnh phanh để kiểm soát tốc độ xe. Đối với số lùi, khối sử dụng lệnh tăng tốc để tạo momen xoắn và lệnh phanh để giảm tốc độ xe.

Tín hiệu tay số

Bảng 3.6.Bảng giá trị số nguyên của bánh xe chủ động

Hộp số	Số nguyên
Park – Đỗ	80
Reverse – Lùi	-1
Neutral – Số mo	0
Drive – Lái	1
Gear – Tùy chọn	Gear number

• Controller

Control Module (PCM) chứa một Engine Control Module (ECM) để điều khiển động cơ đốt trog và một Hybrid Control Module (HCM) để phân chia nguồn điện đầu vào, hệ thống này có nhiệm vụ chuyển đổi giữa các chế lái EV và HEV một cách linh hoạt. Ngoài ra, nó còn giúp phân chia công suất giữa motor điện và động cơ đốt trong.

Hình 3.23. Bộ điều khiển

-        SI Engine Controller (nằm trong khối ECM)

Hình 3.24. Bộ điều khiển động cơ SI

Bộ điều khiển động cơ SI (Spark – ignition) đánh lửa bằng tia lửa điện, sử dụng bộ điều khiển momen xoắn để tính các lệnh vòng lặp mở không khí, nhiên liệu và bộ kích hoạt tia lửa để đáp ứng nhu cầu của người lái.

Bạn có thể sử dụng khối điều khiển SI trong thiết kế hoặc hiệu suất điều khiển động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và cân bằng khí thải. Hệ thống cốt lõi của động cơ, van tiết lưu và bộ tăng áp yêu cầu các lệnh được xuất ra từ bộ điều khiển SI.

Khối này sử dụng momen xoắn và tốc độ động cơ để xác định các lệnh của bộ truyền động vòng lặp mở này:

ü  Vị trí mở bướm ga (%).

ü  Góc mở cửa thải (%).

ü  Chiều rộng xung của kim phun.

ü  Đánh lửa sớm.

ü  Góc phaser cam nạp.

ü  Góc phaser cam xả.

ü  Góc mở van tuần hoàn khí thải (EGR) (%).

Bộ điều khiển động cơ SI có hai hệ thống con:

ü  Hệ thống con Controller – Xác định các lệnh dựa trên momen xoắn.

ü  Hệ thống con Estimator – Xác định lưu lượng không khí ước tính, momen xoắn và nhiệt độ khí thải từ áp suất khí đường ống nạp, nhiệt độ khí đường ống nạp, tốc độ động cơ và vị trí cam phaser.

Hình minh họa luồng tín hiệu:

Hình 3.25. Sơ đồ khối bộ điều khiển động cơ SI

Bảng 3.7. Bảng ký hiệu các biến của SI Engine Controller

N	Tốc độ động cơ
MAP	Áp suất đường ống nạp trung bình
IAT	Nhiệt độ khí nạp
Tin,EGR	Nhiệt độ tại đầu vào van EGR
MAT	Nhiệt độ tuyệt đối khí nạp trung bình
φICP, φICPCMD	Góc phaser cam nạp qui ước và tương ứng
φECP, φECPCMD	Góc phaser cam xả qui ước và tương ứng
EGRap, EGRapcmd	Góc mở van EGR và góc mở van tương ứng (%)
ΔPEGR	Độ chênh lệch áp suất tại đầu vào và đầu ra của van EGR
WAPcmd	Góc mở cửa xả tăng áp (%)
SA	Đánh lửa sớm
Pwinj	Chiều rộng xung của kim phun nhiên liệu
TPPcmd	Vị trí góc mở bướm ga

-        Mô hình chiến lược kiểm soát lực phanh (ở trong HCM)

Trong bài báo cáo này, chiến lược phanh tái sinh kiểu series sẽ được áp dụng.

Hình 3.26. Khối phanh tái sinh kiểu series

Đầu tiên, áp suất phanh yêu cầu = giá trị phanh * áp suất phanh tối đa. Trong đó, giá trị phanh (BrkCmd) được lấy từ tín hiệu giảm tốc (DecCmd) trong bộ Longitudinal Driver.

 

Hình 3.27. Các khối tính toán áp suất phanh yêu cầu

Sau đó, tổng momen phanh yêu cầu = Áp suất phanh yêu cầu * (4*(0,2*pi*0,05^2*0.17778*2/4).

Hình 3.28. Các khối tính toán tổng momen phanh yêu cầu

Momen xoắn cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe được tính bằng momen xoắn cực đại của động cơ điện nhân với công thức (Ndiff * MotGbRatio).

Hình 3.29. Các khối tính toán momen xoắn cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe

Trong đó:

Momen xoắn cực đại của motor điện có thể đánh giá từ tốc độ motor:

Hình 3.30. Khối đánh giá momen xoắn cực đại của motor điện

Hình 3.31.  Kết quả tra cứu momen xoắn motor điện tương ứng với tốc độ của motor điện

Momen xoắn thu hồi (tái sinh) cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe được tính bằng (công suất thu hồi cực đại của động cơ điện / tốc độ của động cơ điện) * (Ndiff * MotGbRatio). Trong đó, khối MotSpd sẽ đi qua khối Abs (khối trị tuyệt đối) để MotSpd luôn dương và đi qua khối Saturation để giá trị MotSpd luôn lớn hơn hoặc bằng 1 rad/s nếu có giá trị của MotSpd nhỏ hơn 1 rad/s.

Hình 3.32. Các khối tính toán momen thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe

Giới hạn thu hồi được tính từ SOC bằng cách thực hiện khớp dữ liệu, nội suy hoặc ngoại suy.

Hình 3.33. Kết quả tra cứu giới hạn thu hồi

Sau đó, momen xoắn thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe bị giới hạn bởi SOC để pin không bị sạc quá mức được tính bằng cách nhân momen xoắn thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe với giá trị giới hạn thu hồi.

Hình 3.34. Các khối tính toán momen thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe bị giới hạn bởi SOC

Sau đó, tổng momen phanh yêu cầu, momen xoắn cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe và momen thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe được so sánh với nhau để tìm ra momen xoắn nhỏ hơn.

Hình 3.35. Các khối thuật toán để đánh giá giá trị nhỏ hơn từ 3 giá trị (tổng momen phanh yêu cầu, momen xoắn cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe và momen thu hồi cực đại của động cơ điện truyền đến các bánh xe)

Chuyển sang nhân tố ảnh hưởng đến tái sinh, giá trị cắt phanh tái sinh được tính toán từ tốc độ xe bằng cách thực hiện khớp dữ liệu, nội suy hoặc ngoại suy.

Hình 3.36. Kết quả tra cứu giá trị vận tốc làm phanh tái sinh không hoạt động

Hình 3.37. Khối xác định yếu tố ảnh hưởng đến tái sinh

Tiếp theo, momen xoắn thu hồi của động cơ điện truyền đến các bánh xe = hệ số tái sinh * giá trị nhỏ hơn bắt nguồn từ so sánh phía trên. Sau đó, momen xoắn phanh thủy lực truyền đến các bánh xe = tổng momen phanh yêu cầu – momen xoắn thu hồi của động cơ điện truyền đến các bánh xe. Nếu momen xoắn phanh thủy lực truyền đến các bánh xe nhỏ hơn 0 N.m thì nó sẽ được mặc định bằng 0 N.m. Nguyên nhân là vì thuật toán được thiết lập cho giá trị chạy từ 0 đến vô cực. Cuối cùng, điều khiển phanh sẽ được tính toán bằng cách chia momen xoắn phanh thủy lực truyền đến các bánh xe cho (4*(0,2*pi*0,05^2*0.17778*2/4). Lưu ý rằng lệnh phanh là áp suất phanh thủy lực cần thiết để ngăn mỗi bánh xe quay khi người lái nhấn bàn đạp phanh.

Hình 3.38.Các khối tính toán phân phối lực phanh

 Nếu SOC bằng 90% hoặc tốc độ xe bé hơn hoặc bằng 0,5 m/s, các giá trị đầu ra đó bằng 0 (tức là hệ số tái sinh bằng 0) và momen xoắn tái sinh của động cơ điện truyền đến các bánh xe bằng 0. Tiếp theo, momen xoắn thu hồi của động cơ điện truyền đến các bánh xe được sử dụng để đánh giá điều khiển momen xoắn thu hồi của động cơ điện bằng cách nhân với -1 và công thức (1/(Ndiff * MotGbRatio)) ở trên khối. Lưu ý rằng lệnh momen xoắn thu hồi là momen xoắn cần thiết của quá trình phanh được sử dụng để sạc pin. Nhân với -1 cho nó có giá trị âm để dễ dàng phân biệt với momen kéo của motor điện có giá trị dương.

Hình 3.39. Các khối cấu thành của thuật toán lệnh momen xoắn thu hồi của động cơ điện

Thuật toán điều khiển, phân phối phanh tái sinh và phanh thủy lực

Hình 3.40.Các khối thuật toán điều khiển

Tiếp theo, ta sẽ tìm hiểu điều kiện trong khối momen xoắn của động cơ điện.

Hình 3.41. Khối momen xoắn của động cơ điện

Đây là điều kiện ở bên trong khối momen xoắn của động cơ điện.

Hình 3.42. Điều kiện của lệnh momen xoắn của động cơ điện

Nếu momen xoắn mong muốn của động cơ điện lớn hơn 10^-6 N.m thì tín hiệu sẽ là 1 (True) và nếu momen xoắn mong muốn của động cơ điện nhỏ hơn hoặc bằng 10^-6 N.m thì tín hiệu sẽ là 0 (False). Khi qua khối Accel Decel Switch, nếu tín hiệu là 1 thì sẽ lấy giá trị momen xoắn mong muốn của động cơ điện (vì 1 khác 0 là đúng nên sẽ lấy phía trên) nên lệnh momen xoắn của động cơ điện sẽ là giá trị momen xoắn mong muốn của động cơ điện, còn nếu tín hiệu là 0 thì sẽ lấy giá trị momen xoắn thu hồi của động cơ điện (vì 0 khác 0 là sai nên sẽ lấy phía dưới) nên lệnh momen xoắn của động cơ điện sẽ là giá trị momen xoắn thu hồi của động cơ điện.

• Passenger car

Bên trong khối passenger car gồm có khối động cơ, điện và hệ thống truyền lực.

• Engine

Hình 3.43. Động cơ

-        SI Mapped Engine

Mô hình động cơ đánh lửa.

Thư viện:     Powertrain Blockset/ Propulsion/ Combustion Engines.

                    Vehicle Dynamics Blockset/ Powertrain/ Propulsion.

Hình 3.44. SI Mapped Engine

Động cơ SI sử dụng lưu lượng không khí, nhiệt độ khí thải, lưu lượng nhiên liệu, hiệu suất, công suất và bảng tra cứu hiệu suất khí thải. Bạn có thể sử dụng để:

ü  Thiết kế điều khiển động cơ

ü  Tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất mô phỏng

Khối SI cho phép bạn chỉ định các bảng tra cứu cho các đặc điểm động cơ. Các bảng tra cứu, phát triển với mô hình dựa trên tiêu chuẩn hộp công cụ, là một chức năng của momen xoắn (T_cmd), momen phanh (T_brake) và tốc độ động cơ (N). Nếu bạn chọn Input engine temperature, các bảng này cũng là một hàm của nhiệt độ động cơ (Temp_Eng).

Bảng 3.8. Cài đặt thông số nhiệt độ động cơ đầu vào

Bảng	Cài đặt thông số nhiệt độ động cơ đầu vào
	off	on
Công suất	ƒ(Tcmd,N)	ƒ(Tcmd,N,TempEng)
Không khí	ƒ(Tbrake,N)	ƒ(Tbrake,N,TempEng)
Nhiên liệu
Nhiệt độ
Hiệu quả
HC
CO
NOx
CO2
PM

Khối lượng không khí xy lanh:

Bảng 3.9. Bảng thông số khối công thức tính khối lượng không khí xy lanh khối Mapped SI Engine

L	Khối lượng không khí xi lanh
MNom	Khối lượng không khídanh nghĩa trong xilanh động cơ ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, tính bằng kg
Cps	Số vòng quay trục khuỷu trên mỗi hành trình công suất, vòng quay/hành trình
Pstd	Áp suất tiêu chuẩn
Tstd	Nhiệt độ tiêu chuẩn
Rair	Hằng số khí lý tưởng đối với không khí và hỗn hợp khí đốt cháy
Vd	Thể tích công tác
Ncyl	Số xi lanh
N	Tốc độ động cơ
Lưu lượng khối lượng không khí của động cơ, tính bằng g/s

Lưu lượng nhiên liệu

          Để tính mức tiết kiệm nhiên liệu có độ chính xác, khối này sử dụng lưu lượng nhiên liệu thể tích.

 

Bảng 3.10.Thông số tính lưu lượng nhiên liệu

Khối lượng nhiên liệu
Sgfuel	Trọng lượng riêng của nhiên liệu
Qfuel	Lưu lượng nhiên liệu thể tích

Tính toán điện

Bảng 3.11.Miêu tả tính toán điện khối Mapped SI Engine

Bus Signal			Sự miêu tả	Phương trình
PwrInfo	PwrTrnsfrd _ Năng lượng chuyển giao giữa các khối Các tín hiệu dòng vào tích cực Tín hiệu dòng ra tiêu cực	PwrCrkshft	Công suất trục khuỷu	−τengω
	PwrNotTrnsfrd _ Công suất vượt qua giới hạn khối, nhưng không được chuyển giao Các tín hiệu đầu vào tích cực Tín hiệu hao hụt tiêu cực	PwrFuel	Năng lượng đầu vào nhiên liệu	LHV
		PwrLoss	Công suất hao hụt	τengω−LHV
	PwrStored _ Tốc độ thay đổi năng lượng dự trữ Các tín hiệu gia tăng tích cực Tín hiệu giảm tiêu cực		Không được sử dụng

• Electric Plant

Hình 3.45. Hệ thống điện

-        Motor điện

Khối Mapped Motor được sử dụng để mô phỏng động cơ điện trên xe PHEV. Với thông số đầu ra là momen xoắn được tính toán dựa trên các thông số tham chiếu đầu vào, dòng điện được tạo ra khi nó hoạt động ở chế độ máy phát điện. Khối Mapped Motor được lắp đặt để mô phỏng một động cơ điện có công suất tối đa 135 kW và momen xoắn cực đại 335 Nm.

Hình 3.46. Motor điện

-        Mô hình ắc quy

Thư viện:     Powertrain Blockset / Energy Storage and Auxiliary Drive /

           Datasheet Battery

Hình 3.47. Dữ liệu của ắc quy

Pin lithium – ion có thể sử dụng dữ liệu của nhà sản xuất. Để tạo thông số điện áp hở mạch và điện trở trong hãy xem Generate Parameter Data for Datasheet Battery Block.

Để xác định điện áp đầu ra của pin, khối này sử dụng các bảng tra cứu điện áp hở mạch của pin và điện trở bên trong. Trạng thái sạc (SOC) và nhiệt độ pin, đặc trưng cho hiệu suất của pin ở các điểm hoạt động khác nhau:

 Em = f (SOC)

 Rint = f (T, SOC)

Để tính điện áp, khối thực hiện các phương trình này.

VT =Em+IbattRint

Ibatt =I_in/N_p

Dòng điện dương cho biết pin đã xả. Dòng điện âm cho biết mức sạc pin.

Thông số pin được nhập vào để mô phỏng.

Bảng 3.12.Thông số ắc quy

Loại ắc quy	Lithium Ion
Số mô dun	96
Điện áp tổng	300
Dung lượng	17,7 kWh

-        Tính toán điện

Bảng 3.13. Mô tả tính toán điện khối Datasheet Battery

Đường truyền tín hiệu			Sự miêu tả	Phương trình
PwrInfo	PwrTrnsfrd _ Năng lượng chuyển giao giữa các khối Các tín hiệu dòng tích cực Tín hiệu dòng tiêu cực	PwrLdBatt	Công suất ắc quy	Vbatt =Vout   OR   Pbatt =−VbattIbatt PLdBatt = −Pbatt
	PwrNotTrnsfrd _ Năng lượng vượt quá giới hạn Các tín hiệu đầu vào tích cực Tín hiệu mất mát tiêu cực	PwrLossBatt	Công suất ắc quy tiêu hao	PLossBatt =−NpNsIbatt2Rint
	PwrStored _ Tốc độ thay đổi năng lượng dự trữ Các tín hiệu tích cực gia tăng Tín hiệu tiêu cực giảm	PwrStoredBatt	Công suất ắc quy dự trữ	PstoredBatt=Pbatt+PLossBatt

Bảng 3.14. Thông số tính toán điện khối Datasheet Battery

SOC	Hệ số nạp
Em	Pin hở mạch điện áp
ibatt	Dòng pin trên mỗi mô-đun
PLdBatt	Công suất pin
Pbatt	Năng lượng pin
PLossBatt	Công suất pin hao phí
PStoredBatt	Công suất dự trữ
Iin	Cường độ dòng điện pin
Rint	Điện trở bên trong pin
Ns	Số ô trong chuỗi
Np	Số ô song song
Vout,Vbatt	Điện áp kết hợp của pin
VT	Điện áp pin trên mỗi mô-đun
Capbatt	Dung lượng pin
LdAmpHr	Năng lượng pin

• Drivetrain

Hình 3.48. Hệ thống truyền động

Hình 3.49. Mô hình hệ thống truyền động

-        1 Gear AMT

Hộp số AMT 1 cấp được mô phỏng ở đây được xem như là một bộ bánh răng ăn khớp, kết nối bánh răng động cơ với bánh răng trục trung gian.

Nhóm chúng em đã thay đổi tỷ số truyền cho phù hợp với Honda CRV PHEV, EngDriveRatio = 0,708.

Hình 3.50. Mô hình hộp số trong mô phỏng

-        Transmission Output Interface

Đầu ra của hộp số sẽ được kết nối với motor điện thông qua bộ bánh răng ăn khớp có tỷ số truyền là MotGbRatio =  2,231.

Hình 3.51. Mô hình đầu ra của hộp số

-        Wheels and Brakes

Momen phanh của cơ cấu phanh được tạo ra được tính theo công thức sau:

 [Nm]

Thông số đầu vào là áp suất phanh cần thiết, hệ thống sẽ tính toán mô-men xoắn phanh tạo ra ở bánh xe.

Hình 3.52. Mô hình phanh thủy lực

Nhóm chúng em đã thay thế và tính toán lại các thông số như quán tính bánh xe, bán kính bánh xe,… của bánh trước và sau để phù hợp với mẫu Honda CRV plug-in hybrid.

Thông số bánh xe: 235/60R18

Bán kính không tải bánh xe :

Bán kính tính toán của bánh xe:

Momen quán tính của bánh xe:

Ta có : m_wheel = 12,7 (kg) và

ð     Momen quán tính bánh xe:

                      

Áp suất lốp: P_a = 230000 (Pa)

Hình 3.53. Các thông số liên quan đến bánh xe

Longitudinal Wheel – phía sau 1 ta thay tương tự.

 

-         Tính toán động lực học của xe

Hình 3.54. Mô hình động lực học

Nhóm chúng em đã tính toán lại các thông số để thay cho phù hợp với mẫu xe Honda CRV plug-in hybrid.

Bảng 3.15.Thông số kỹ thuật của xe Honda CRV PHEV

Chiều dài cơ sở	2701 mm
Khối lượng không tải	1919 kg
Khối lượng mô phỏng (toàn tải)	2430 kg
Lốp trước và sau xe	235/60R18

Tính toán khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau của xe :

ð    Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước :

ð    Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau :

Trong đó:

F_z: Trọng lượng toàn tải xe [N];

2430: Khối lượng toàn tải của xe [kg];

l: Chiều dài cơ sở của xe [mm].

Diện tích cản phía trước:

A_f = =  = 2,81 ()

Trong đó :

: Chiều rộng của xe [m];

h: Chiều cao của xe [m].

Hình 3.55. Các thông số phần thân xe

 

 

-        Vehicle Output Interface

Nhóm nghiên cứu tiến hành thay các giá trị R_wheel, Diffratio, EngDriveRatio cho phù hợp với Honda CRV PHEV.

Bán kính tính toán bánh xe. R_wheel = 0,3622.

Tỷ số truyền vi sai DiffRatio = 4,438.

Tỷ số truyền động cơ EngDriveRatio = 0,708.

Hình 3.56. Đầu ra của xe

• Visualization

Khối hiển thị các kết quả phỏng để đưa ra quá trình tính toán và đánh giá hệ thống phanh tái sinh

-        Tính toán nhiên liệu

Hình 3.57. Mô hình tính toán nhiên liệu

Xe Plug – in Hybrid sử dụng hai nguồn năng lượng: một động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và một motor điện dẫn đến nhiên liệu được sử dụng trên xe này là cả xăng và điện. Vì vậy, cần phải đổi năng lượng điện thành năng lượng xăng để dễ dàng tính toán và so sánh:

Ta có: BattPwr có đơn vị là W nên ta đổi sang kW:     (3.1)

Theo tiêu chuẩn EPA của Hoa Kỳ, năng lượng được tạo ra bởi 1 gal xăng tương đương với 33,7 kWh.

Từ công suất đầu ra của pin, nhóm nghiên cứu chuyển đổi thành lưu lượng nhiên liệu:

                                                        [gal/s]                                                (3.2)

Trong đó:

P_batt: Công suất đầu ra của pin [kW];

(1h = 3600s);

Chuyển từ [gal/s] sang [m³/s]

                                                       .  [m³/s]                                     (3.3)

   (1m³ = 264,172 gal).

-        Tổng lưu lượng nhiên liệu được sử dụng trên toàn bộ chu trình trên xe PHEV:

                                   [m³]                    (3.4)

Trong đó:

Q_fuel: Lưu lượng nhiên liệu động cơ đốt trong sử dụng [m³/s];

Q_{f_phev}: Tổng lưu lượng nhiên liệu được sử dụng [m³].

-        Mức tiêu thụ nhiên liệu trên 100 km:

                                            [lít/100km]                                      (3.5)

(1m³ = 1000 lít)

Trong đó:

s: Quãng đường xe di chuyển [km].

3.4. Các kết quả mô phỏng

Mô hình mô phỏng được thực hiện với ba chu trình lái xe, bao gồm: FTP 75, NEDC và US06 nhằm đánh giá hiệu quả thu hồi năng lượng ở các điều kiện lái xe khác nhau như đường nội thành, đường hỗn hợp và đường cao tốc. Kết quả mô phỏng thể hiện qua các thông số như: momen kéo và thu hồi của motor, lực phanh thủy lực và lực phanh tái sinh tại cầu chủ động, công suất kéo và công suất thu hồi của motor, hệ số nạp SOC và suất tiêu hao nhiên liệu. Do đoạn đường của các chu trình trên là quá ngắn không phản ánh được các chế độ hoạt động của xe Honda CRV PHEV nên nhóm chúng em đã lặp lại các chu trình để cho quãng đường dài thêm.

Các chu trình được lặp lại để phản ánh rõ chế độ hoạt động của xe nhưng về đặc tính không có sự thay đổi nên nhóm chúng em chỉ tính toán năng lượng thu hồi, suất tiêu hao nhiên liệu,... của các chu trình không có lặp lại để dễ dàng so sánh hiệu quả thu hồi giữa các điều kiện khác nhau.

3.4.1. Kết quả mô phỏng đối với chu trình FTP 75 (repeat x2)

• Lực phanh tại cầu chủ động

Hình 3.58. Đồ thị lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

Chu trình FTP 75 (Federal Test Procedure 75) được thử nghiệm cho xe chạy trong điều kiện thành phố của Mỹ (tốc độ trung bình là 34,1 km/h) nên phanh được sử dụng liên tục, trong đó lực phanh cực đại của phanh thủy lực là 4952,38 (N) và lực phanh cực đại của phanh tái sinh là 2830,726 (N). Giữa 2 phanh có sự kết hợp linh hoạt với nhau. Khi chúng ta đạp phanh, lực phanh thủy lực và lực phanh tái sinh được sinh ra vừa đảm bảo hiệu quả phanh tối ưu, vừa đảm bảo hiệu quả thu hồi năng lượng.

• Momen của motor

Hình 3.59. Đồ thị momen của motor khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

Momen kéo cực đại của motor đạt 275,91 (Nm) và momen kéo trung bình trên toàn chu trình là 35,56 (Nm).

Momen thu hồi cực đại của motor đạt 231,02 (Nm) và momen thu hồi trung bình trên toàn chu trình là 19,47 (Nm).

Momen thu hồi của chu trình có sự biến thiên lớn, các giá trị momen được phân bố khá đều do được mô phỏng trong điều kiện nội thành, cho thấy hệ thống phanh tái sinh hoạt động với tần suất cao.

• Công suất của motor

Hình 3.60. Đồ thị công suất của motor khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

Công suất kéo của motor có giá trị cực đại đạt 127,133 (kW), công suất kéo trung bình là 12,455 (kW) và thời gian motor kéo là 1112,7 (s).

Công suất thu hồi có giá trị cực đại đạt 10 (kW), công suất thu hồi trung bình là 7,497 (kW) và thời gian motor thu hồi là 344 (s). Công suất thu hồi xuất hiện đều đặn nhưng không đáng kể so với công suất kéo, cho thấy quá trình thu hồi năng lượng diễn ra nhưng ở mức hạn chế.

Trên đồ thị có các đoạn thẳng có giá trị bằng 0, các đoạn thẳng này thể hiện cho việc motor không hoạt động vì khi đó tốc độ xe bằng 0. Các giá trị công suất có mối liên hệ với nhau, khi xe tăng tốc thì motor kéo, motor không thu hồi và ngược lại cho trường hợp khi xe giảm tốc hoặc phanh thì motor thu hồi, motor không kéo.

Dựa trên kết quả mô phỏng của chu trình FTP 75, từ đồ thị công suất motor, ta tính được năng lượng thu hồi.

                                                                                                    (3.6)

Tổng năng lượng thu hồi trên một chu trình FTP 75   với  thời gian thu hồi là 344 (s).

• Hệ số nạp SOC

Hình 3.61. Đồ thị hệ số nạp khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

Hệ số nạp ban đầu 80, cực đại 80 và cực tiểu 50. Hệ số nạp khi kết thúc chu trình là 59,35. Hệ số nạp giảm liên tục cho đến 50, do ở giai đoạn này xe chủ yếu được dẫn động bằng động cơ điện. Mặc dù SOC ở giai đoạn này giảm dần theo thời gian, tuy nhiên vẫn có sự biến thiên ít của SOC nhờ vào hệ thống tái sinh, giúp thu hồi một phần năng lượng từ việc giảm tốc, từ đó giảm bớt mức độ giảm của SOC.

Khi đến 50 thì hệ số nạp tăng lên đến mức 60, do lúc này động cơ đốt trong được kích hoạt để dẫn động máy phát điện nạp lại cho ắc quy cao áp.

• Suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 3.62. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu khi mô phỏng theo chu trình FTP 75

Ban đầu, suất tiêu hao nhiên liệu dao động mạnh mẽ và đạt cực đại là 5,472 (L/100km), sau đó giảm nhanh chóng và dao động nhẹ, cho thấy một sự ổn định sau khi xe vận hành một thời gian.

Suất tiêu hao nhiên liệu trung bình trên toàn chu trình là 2,42 (L/100km). Tại giây 4625, ta thấy suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên 4,43 (L/100km) là vì động cơ được khởi động để kéo máy phát nạp điện lại cho pin và đồng thời cung cấp điện cho motor để kéo xe chạy. Ở đây, do xe chạy trong điều kiện nội thành nên chủ yếu chạy bằng động cơ điện dẫn đến suất tiêu hao nhiên liệu trung bình tương đối ít.

3.4.2. Kết quả mô phỏng đối với chu trình NEDC (repeat x4)

• Lực phanh tại cầu chủ động.

Hình 3.63. Đồ thị lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình NEDC

Chu trình NEDC (New European Driving Cycle) là chu trình thử nghiệm gồm có hai phần: phần đầu tiên là xe chạy trong thành phố với nhiều giai đoạn dừng/bắt đầu và phần thứ hai tương ứng với hành trình ngoại thành với tốc độ tối đa gần 120km/h và tốc độ trung bình là 33,35km/h. Đặc điểm của chu trình gồm 2 phần: ECE R15 lặp lại 4 lần từ 0 – 780 giây: tốc độ xe thấp, tải động cơ thấp và nhiệt độ khí thải thấp; EUDC từ 781 – 1180 giây: tốc độ xe cao.

ECE R15: Vì đây là chu trình xe chạy với tốc độ thấp, tải thấp và nhiệt độ khí thải thấp lặp lại 4 lần chạy trong 780 giây. Do đó, lực phanh thủy lực và lực phanh cực đại được lặp lại. Trong đó, lực phanh cực đại của phanh thủy lực là 3377,276 (N) và phanh tái sinh là 1211,874 (N). Mức dao động của lực phanh thủy lực và phanh tái sinh khá đều, cho thấy việc giảm tốc và phanh xe được thực hiện nhiều lần và ở các mức độ khác nhau.

EUDC: Vì đây là chu trình xe chạy với tốc độ cao nên thời gian phanh rất ít, lực phanh chỉ xuất hiện khi gần đến cuối chu trình. Trong đó, lực phanh cực đại của phanh thủy lực là 3132,21 (N) và phanh tái sinh là 1468,15 (N).

Lực phanh thủy lực có biên độ dao động lớn hơn nhiều so với lực phanh tái sinh, cho thấy phanh thủy lực được sử dụng chủ yếu để giảm tốc, trong khi phanh tái sinh đóng vai trò để hỗ trợ và thu hồi năng lượng.

• Momen của motor

Hình 3.64. Đồ thị momen của motor khi mô phỏng theo chu trình NEDC

ECE R15: Chu trình lặp lại 4 lần nên momen cản và momen kéo của motor cũng được lặp lại 4 lần. Trong đó, momen thu hồi cực đại của motor là 98,9 (Nm) và momen thu hồi trung bình là 37,24 (Nm). Momen kéo cực đại của motor là 138,895 (Nm) và momen kéo trung bình là 37,117 (Nm). Cả momen kéo và momen thu hồi đều có sự xuất hiện đều đặn trong suốt quá trình mô phỏng, trong đó sự suất hiện đều đặn của momen thu hồi cho thấy hệ thống phanh tái sinh hoạt động hiệu quả, giúp thu hồi một phần năng lượng trong quá trình giảm tốc và giảm thiếu tổn thất năng lượng.

EUDC: Momen thu hồi ở giai đoạn này xuất hiện ít do quá trình giảm tốc ít xảy ra cùng với hành vi lái xe tốc độ cao và chỉ xuất hiện khi xe giảm tốc độ ở khoảng cuối chu trình. Trong đó, momen thu hồi cực đại của motor là 119,807 (Nm) và momen thu hồi trung bình là 26,617 (Nm). Momen kéo cực đại của motor là 115,198 (Nm) và momen kéo trung bình là 17,106 (Nm).

• Công suất của motor

Hình 3.65. Đồ thị công suất của motor khi mô phỏng theo chu trình NEDC

ECE R15: Trong chu trình công suất kéo cực đại của motor là 43,988 (kW) và công suất kéo trung bình là 6,6 (kW). Đối với quá trình thu hồi năng lượng, công suất thu hồi cực đại của motor là 10 (kW) và công suất thu hồi trung bình là 7,159 (kW).

EUDC: So với chu trình ECE R15 công suất kéo cực đại của motor lớn hơn do xe chạy tốc độ cao hơn nên yêu cầu một công suất cao hơn, công suất kéo cực đại của motor là 107,575 (kW). Công suất thu hồi cực đại là 10 (kW) và công suất thu hồi trung bình là 7,261 (kW). Ở chu trình này ta thấy công suất thu hồi phân bố rất ít do xe chạy với tốc độ cao, biến thiên vận tốc không lớn.

Ta thấy rằng mặc dù ECE R15 và EUDC là 2 chu trình hoàn toàn khác nhau nhưng công suất thu hồi cực đại là như nhau, bởi vì để tránh công suất thu hồi quá lớn ảnh hưởng đến pin nên bộ điều khiển đã thiết lập công suất thu hồi tối đa là 10 kW.

NEDC: Tổng công suất thu hồi trung bình trên toàn chu trình là 7,2 (kW) với tổng thời gian thu hồi là 166,5 (s). Tổng công suất kéo trung bình trên toàn chu trình là 9,319 (kW).

Dựa trên kết quả mô phỏng của chu trình NEDC, từ đồ thị công suất motor, ta tính được tổng năng lượng thu hồi trên một chu trình  với thời gian thu hồi là 166,5 (s).

• Hệ số nạp SOC

Hình 3.66. Đồ thị hệ số nạp khi mô phỏng theo chu trình NEDC

Hệ số nạp ban đầu 80, cực đại 80 và cực tiểu 50. Hệ số nạp khi kết thúc chu trình là 51,55. Hệ số nạp giảm liên tục cho đến 50 do ở giai đoạn này xe chủ yếu được dẫn động bằng động cơ điện. Khi đến 50 thì hệ số nạp tăng lên đến mức 60 do lúc này động cơ đốt trong được kích hoạt để dẫn động máy phát nạp lại cho ắc quy cao áp. Sau đó, bộ điều khiển cho ngừng động cơ đốt trong, trong khi motor điện vẫn tiếp tục dẫn động xe, làm cho SOC tiếp tục giảm đến 51,55.

ECE R15: Ta có thể thấy là ở chu trình này, có những giai đoạn SOC tăng nhẹ hoặc duy trì ổn định, điều này cho thấy hệ thống phanh tái sinh đã hoạt động và thu hồi một phần năng lượng, giúp duy trì SOC ở mức độ nhất định. Tuy nhiên, năng lượng thu hồi do phanh tái sinh cung cấp không đủ lớn để bù đắp cho mức tiêu hao năng lượng, do đó SOC vẫn giảm dần theo thời gian.

EUDC: Đối với chu trình này xe chạy với tốc độ khá cao nên SOC giảm tương đối nhiều, đồng thời giảm tốc tương đối ít nên không thấy rõ sự biến thiên của SOC. Ở cuối chu trình xe chạy tốc độ cao, sau đó giảm tốc đột ngột nên năng lượng thu hồi được cũng khá nhiều dẫn đến SOC tăng lên.

• Suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 3.67. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu khi mô phỏng theo chu trình NEDC

Ban đầu, mức tiêu nhiên liệu dao động mạnh mẽ và đạt cực đại là 4,582 (L/100km), sau đó giảm nhanh chóng và dao động nhẹ và cho thấy sự ổn định sau khi xe vận hành một thời gian.

Suất tiêu hao nhiên liệu trung bình trên toàn chu trình NEDC là 1,7667 (L/100km). Tại giây 3652, ta thấy suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên 4,05 (L/100km) là vì động cơ được khởi động để kéo máy phát nạp điện lại cho pin và đồng thời cung cấp điện cho motor để kéo xe chạy. Do ở chu trình này được thử nghiệm với vận tốc trung bình khá thấp (v_tb = 33,35 km/h) nên xe sẽ chạy bằng động cơ điện là chủ yếu, cùng với việc thường xuyên giảm tốc nên suất tiêu hao nhiên liệu trung bình ít.

3.4.3. Kết quả mô phỏng đối với chu trình US06 (repeat x2)

• Lực phanh tại cầu chủ động

Hình 3.68. Đồ thị lực phanh tại cầu chủ động khi mô phỏng theo chu trình US06

Chu trình US06 được thử nghiệm cho xe chạy ngoài thành phố và lái xe trên đường cao tốc với tốc độ trung bình là 77,9 km/h. Vì tốc độ xe khá cao nên khi giảm tốc cần một lực phanh lớn. Trong đó, Lực phanh cực đại của phanh thủy lực là 10093,6 (N) và lực phanh cực đại của phanh tái sinh là 2549,052 (N).

• Momen của motor

Hình 3.69. Đồ thị momen của motor khi mô phỏng theo chu trình US06

Momen kéo cực đại của motor đạt 335 (Nm) và momen kéo trung bình trên toàn bộ chu trình là 64,766 (Nm). Momen kéo xuất hiện liên tục trong suốt quá trình mô phỏng, cho thấy tần suất sử dụng motor là rất cao và cần cung cấp nhiều năng lượng để duy trì tốc độ và tăng tốc.

Momen thu hồi cực đại của motor đạt 208,036 (Nm) và momen thu hồi trung bình trên toàn bộ chu trình là 29,599 (Nm). Ở chu trình này, momen thu hồi phân bố khá ít do xe chạy với tốc độ cao, rất ít khi giảm tốc và dẫn đến không có nhiều momen được thu hồi.

• Công suất của motor.

Hình 3.70. Đồ thị công suất của motor khi mô phỏng theo chu trình US06

Công suất kéo của motor có giá trị cực đại đạt 135 (kW), đây cũng là công suất tối đa của motor điện, công suất kéo trung bình là 36,071 (kW) và thời gian motor kéo là 463,7 (s). Công suất kéo của chu trình này khá lớn vì hành vi lái xe tốc độ cao cần nhiều công suất.

Công suất thu hồi của motor có giá trị cực đại đạt 10 (kW), công suất thu hồi trung bình là 8,621 (kW) và thời gian motor thu hồi là 96,5 (s). Ở một số giai đoạn, công suất thu hồi lớn do xe chạy tốc độ cao rồi giảm tốc đột ngột.

Dựa vào kết quả mô phỏng của chu trình US06, từ đồ thị công suất motor, ta tính được tổng năng lượng thu hồi trên một chu trình  với thời gian thu hồi là 96,5 (s).

• Hệ số nạp SOC

Hình 3.71. Đồ thị hệ số nạp SOC khi mô phỏng theo chu trình US06

Hệ số nạp ban đầu 80 cũng là hệ số nạp cực đại và cực tiểu 50. Hệ số nạp khi kết thúc chu trình là 55,76. Hệ số nạp ở giai đoạn đầu giảm khá lớn do xe chạy nhanh cần công suất lớn.

Khi hệ số nạp SOC giảm xuống mức 50 lúc này động cơ đốt trong hoạt động để kéo máy phát điện, một phần cung cấp điện cho motor điện, một phần nạp lại cho pin dẫn đến SOC tăng lên đến mức 60 và sau đó bộ điều khiển cho động cơ đốt trong ngừng hoạt động.

Trong suốt quá trình mô phỏng, có những giai đoạn SOC tăng nhẹ. Điều này cho thấy hệ thống phanh tái sinh đã hoạt động và thu hồi một phần năng lượng. Mặc dù có sự hồi phục nhưng năng lượng thu hồi do phanh tái sinh cung cấp không đủ lớn để bù đắp cho mức tiêu hao năng lượng, do đó SOC vẫn giảm dần theo thời gian cho đến khi động cơ đốt trong được khởi động để kéo máy phát nạp điện lại cho pin.

• Suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 3.72. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu khi mô phỏng theo chu trình US06

Ban đầu, mức tiêu hao nhiên liệu tăng mạnh và đạt cực đại là 22,8822 (L/100km), sau đó giảm nhanh chóng xuống mức 5 (L/100km), cho thấy một sự ổn định sau khi xe vận hành một thời gian.

Suất tiêu hao nhiên liệu trung bình trên toàn chu trình là 5,611 (L/100km). Tại giây 780, ta thấy suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên 9,08 (L/100km) là vì động cơ đốt trong được khởi động để kéo máy phát nạp điện lại cho pin và đồng thời cung cấp điện cho motor để kéo xe chạy. Do ở chu trình này, xe chạy ở tốc độ cao nên ở một số giai đoạn, động cơ đốt trong hoạt động để hỗ trợ motor điện dẫn động bánh xe dẫn đến suất tiêu hao nhiên liệu trung bình ở chu trình này cao.

Bảng 3.16. Năng lượng thu hồi được từ các chu trình

Chu trình mô phỏng	Quãng đường mô phỏng (km)	Thời gian toàn bộ chu trình (s)	Tốc độ trung bình (km/h)	Thời gian RBS hoạt động (s)	Tỷ lệ % thời gian thu hồi năng lượng hoạt động (%)	Công suất thu hồi trung bình (kW)	Tổng năng lượng thu hồi (kJ)
FTP 75	17,77	2474	34,1	344	13,9	7,497	2578,968
NEDC	10,93	1180	33,35	166,5	14,1	7,2	1198,8
US06	12,8	600	77,9	96,5	16,05	8,62	831,926

Hình 3.73. Biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng giữa các chu trình

Dựa vào bảng 3.16, chúng em tính được nhiên liệu tiết kiệm được nhờ hệ thống thu hồi năng lượng ở các chu trình:

Từ công suất thu hồi, theo tiêu chuẩn EPA của Hoa Kỳ, năng lượng được tạo ra bởi 1 gal xăng tương đương với 33,7 kWh. Ta quy đổi như sau:

 

                                           [gal/s]                                                  (3.7)

Trong đó:

P_th: Công suất thu hồi [kW];

(1h = 3600s);

Chuyển đổi từ (gal/s) sang (m³/s)

                                          [m³/s]                                       (3.8)

(1m³ = 264,172 gal).

- Tổng lưu lượng nhiên liệu tiết kiệm được nhờ hệ thống thu hồi trên xe PHEV:

                         =  [m³]           (3.9)

- Tổng nhiên liệu tiết kiệm được nhờ hệ thống RBS trên 100km:

                                 =   [lít/100km]                (3.10)   

             (1m³ = 1000 lít)                    

Trong đó:

E_th: Năng lượng thu hồi được từ hệ thống phanh tái sinh (kJ).

s: Quãng đường xe di chuyển (km).

Q_{fuel_th}: Tổng nhiên liệu tiết kiệm được nhờ hệ thống thu hồi trên xe PHEV theo đơn vị m³.

Từ công thức 3.9, ta có thể tính được tổng nhiên liệu tiết kiệm được ở các chu trình nhờ hệ thống thu hồi năng lượng.

Bảng 3.17.Tính toán nhiên liệu tiết kiệm được ở các chu trình

Chu trình	Tổng năng lượng thu hồi (kJ)	Quãng đường mô phỏng (km)	Tổng nhiên liệu tiêu thụ (lít/100km)	Nhiên liệu tiết kiệm được nhờ hệ thống RBS (lít/100km)
FTP 75	2578,968	17,77	2,46	0,45
NEDC	1198,8	10,93	1,784	0,34
US06	831,926	12,8	5,61	0,2

 

Hình 3.74. Biểu đồ so sánh nhiên liệu tiết kiệm được nhờ hệ thống RBS giữa các chu trình

• Nhận xét:

Xét theo năng lượng thu hồi: Dựa vào hình 3.73, ta thấy rằng năng lượng thu hồi của xe Plug-in Hybrid từ chu trình chạy thử  FTP 75  là nhiều nhất vì quãng đường thử nghiệm là lớn nhất, đồng thời là chu trình chạy trong điều kiện nội thành nên vận tốc trung bình không lớn (34,1 km/h) và sự giảm tốc xảy ra nhiều. Tiếp đến là chu trình NEDC có năng lượng thu hồi cũng khá cao vì đây là chu trình được thử nghiệm với việc giảm tốc cũng tương đối nhiều. Cuối cùng là chu trình US06 mô phỏng hoạt động của xe với vận tốc trung bình tương đối cao (77,9 km/h), sự biến thiên tốc độ không lớn nên năng lượng thu hồi không quá cao.

Xét theo mức tiêu thụ nhiên liệu: ta có thể thấy chu trình NEDC có mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất 1,784 (lít/100km) vì ở chu trình này xe chạy với vận tốc khá chậm, tăng tốc từ từ và tốc độ ổn định nên xe chủ yếu được dẫn động bằng motor điện. Chu trình US06 có mức tiêu thụ nhiên liệu cao nhất 5,61 (lít/100km) chủ yếu là do ở chu trình này xe chạy với vận tốc khá cao thì motor điện sẽ hoạt động ở chế độ kéo kết hợp cùng động cơ đốt trong để đạt tốc độ mong muốn.

Dựa vào hình 3.74, ta thấy được nhờ có hệ thống thu hồi năng lượng mà xe tiết kiệm được một lượng lớn nhiên liệu. Cao nhất là FTP 75 vì xe chạy quãng đường dài trong điều kiện nội thành, tốc độ thấp, thường xuyên giảm tốc. Thấp nhất là US06 vì ở chu trình này xe chạy trong điều kiện ngoại thành, không có sự biến thiên vận tốc lớn,… Từ đó, ta có thể mở rộng hướng nghiên cứu áp dụng hệ thống RBS trên các xe động cơ đốt trong truyền thống để cho xe tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Xét theo hiệu quả thu hồi: Chu trình FTP 75 là chu trình có hiệu quả sử dụng tốt nhất vì nó có năng lượng thu hồi là lớn nhất.

Như vậy, mức tiêu hao nhiên liệu cao hay thấp, năng lượng thu hồi được nhiều hay ít phụ thuộc vào vận tốc tại thời điểm xảy ra quá trình giảm tốc, sự biến thiên của gia tốc cũng như quãng đường và thời gian thử nghiệm. Ngoài ra, năng lượng thu hồi được cũng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như thiết bị tích trữ năng lượng, thuật toán điều khiển hệ thống,…

Bảng 3.18. Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu

Điều kiện	Mức tiêu hao nhiên liệu (lít/100km)
	Xe Plug – in Hybrid	Xe Hybrid	Xe động cơ đốt trong truyền thống
Nội thành	2,46	3,4	9,67
Hỗn hợp	1,784	5,2	7,77
Ngoại thành	5,61	6,3	6,64

Hình 3.75. Biểu đồ so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa các loại xe trên từng điều kiện khác nhau

• Nhận xét

Dựa vào hình 3.75 cho ta thấy xe Plug – in Hybrid có mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn nhiều so với xe Hybrid và xe động cơ đốt trong truyền thống. Nổi bật là trong điều kiện xe chạy đường hỗn hợp,  giảm 65,69% so với xe Hybrid và giảm 77,04% so với xe động cơ đốt trong truyền thống do ở chu trình thử nghiệm này vận tốc trung bình tương đối thấp, xe PHEV chủ yếu dẫn động bằng động cơ điện. Ở điều kiện xe chạy đường ngoại thành mức tiêu hao nhiên liệu của xe PHEV không giảm nhiều so với hai xe còn lại, chỉ giảm 10,95% so với xe Hybrid và giảm 15,51% so với xe động cơ đốt trong vì ở điều kiện này xe chạy với tốc độ cao mà khi xe chạy tốc độ cao thì xe Plug-in Hybrid hay xe Hybrid đều được dẫn động chủ yếu bởi động cơ đốt trong. Từ đó, ta thấy xe Plug – in Hybrid cho hiệu quả nhiên liệu rất tốt, đặc biệt là nội thành và đường hỗn hợp, giúp giảm phát thải khí CO₂ và có thể tiếp cận được với các khách hàng để thúc đẩy xe điện hóa. Một vấn đề quan trọng khác giúp xe Plug – in Hybrid tiết kiệm nhiên liệu là do động cơ điện sử dụng lại năng lượng thu hồi trong quá trình phanh. Và trên đây chúng em đã đưa ra suất tiêu hao nhiên liệu của Honda CRV Plug – in Hybrid dựa theo kết quả mô phỏng được lấy số liệu từ nhà sản xuất với các chu trình mô phỏng có thể khác so với xe Hybrid và động cơ đốt trong được so sánh ở bảng 3.18, nhưng chung quy lại thì xe PHEV vẫn tiết kiệm nhiên liệu nhất trong 3 xe, đặc biệt khi xe chạy ở tốc độ thấp tiêu biểu là ở đường nội thành và hỗn hợp,…

3.4.4. Tính toán các giá trị năng lượng

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có :

-        Năng lượng motor kéo sinh ra:

                                                                            (3.11)

Trong đó:

E_motor: Năng lượng motor kéo (kWh);

P_tb,motor: Công suất kéo trung bình của motor (kW);

t_motor: Thời gian motor kéo hoạt động (giờ);

1 kWh = 3600 kJ.

-        Năng lượng động cơ đốt trong sinh ra:

                                                                                        (3.12)

 

Trong đó:

E_ICE: Năng lượng động cơ đốt trong sinh ra (kWh);

P_tb,ICE: Công suất trung bình của động cơ đốt trong (kW);

t_ICE: Thời gian động cơ đốt trong hoạt động (giờ).

Bảng 3.19. Tính toán giá trị năng lượng của motor kéo và động cơ đốt trong

Chu trình mô phỏng	Công suất kéo trung bình của motor (kW)	Thời gian motor kéo (giờ)	Năng lượng motor kéo sinh ra  (kWh)	Công suất trung bình của động cơ đốt trong (kW)	Thời gian động cơ đốt trong hoạt động (giờ)	Năng lượng động cơ đốt trong sinh ra (kWh)
FTP75	12,455	0,309	3,85	7,986	0,015	0,12
NEDC	12,13	0,18	2,2	10,09	0,01	0,1
US06	36,071	0,13	4,65	10,248	0,03	0,32

 

-        Tổng năng lượng được sử dụng:

                                                                             (3.13)

Ta thấy được rằng hệ số nạp SOC giảm và đến cuối mỗi chu trình FTP 75, NEDC và US06 thì ta có thể sạc lại cho pin bằng nguồn điện AC (cấp độ 1) với công suất 2,3 kW, thời gian sạc đầy từ 0 đến 100% là 8 giờ:

-        Năng lượng sạc lại cho pin:

                           E_recharge  =  %pin cần sạc lại                          (3.14)

Bảng 3.20. Kết quả tính toán các giá trị năng lượng

Chu trình mô phỏng	Năng lượng sạc (kWh)	Năng lượng thu hồi (kWh)	Năng lượng tiêu tốn (kWh)
FTP 75	3,07	0,72	3,97
NEDC	1,84	0,33	2,3
US06	4,416	0,23	4,97

• Nhận xét

Dựa vào bảng 3.20, năng lượng tiêu tốn lớn hơn năng lượng sạc điều này cho chúng ta thấy xe PHEV không chỉ sử dụng năng lượng được sạc từ nguồn điện bên ngoài mà còn tân dụng nguồn năng lượng thu hồi và năng lượng từ động đốt trong để dẫn động bánh xe.

Chu trình NEDC có năng lượng tiêu tốn là thấp nhất 2,3 kWh (động cơ đốt trong chiếm 0,1 kWh). Vì vậy, suất tiêu hao nhiên liệu của chu trình là thấp nhất 1,784 L/100km và năng lượng cần sạc để đáp ứng là 1,84 kWh. Trong khi đó, năng lượng tiêu tốn của chu trình US06 là cao nhất 4,97 kWh (động cơ đốt trong chiếm 0,32 kWh) nên suất tiêu hao nhiên liệu của chu trình này là cao nhất 5,61 L/100km và năng lượng cần sạc để đáp ứng là 4,416 kWh.

Kết luận chương 3: Trong chương này, chúng em đã mô tả được về các chế độ vận hành và cách thu hồi năng lượng từ việc giảm tốc hoặc phanh trên xe Honda CRV PHEV. Từ đó, chúng em sử dụng phần mềm MALTAB/Simulink để thực hiện mô phỏng hệ thống của xe, tham khảo các thông số từ nhà sản xuất trên xe Honda CRV PHEV để tính toán, phân tích và đánh giá được mức tiêu hao nhiên liệu và khả năng thu hồi năng lượng của xe PHEV so với xe HEV và ICE qua từng chu trình.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung đồ án “Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống phanh tái sinh trên xe Honda CRV Plug – in Hybrid” đã được trình bày trong 3 chương, gồm 106 trang. Chúng em đã thực hiện được việc xây dựng mô hình tính toán và mô phỏng dựa trên phần mềm Matlab/Simulink, tính toán năng lượng thu hồi và khả năng tiết kiệm nhiên liệu nhờ vào việc sử dụng hệ thống phanh tái sinh để từ đó đưa ra đánh giá về hệ thống ở từng chu trình khác nhau.

Các kết quả đạt được của đồ án:

-  Tìm hiểu và phân loại về các loại phanh tái sinh trên ô tô. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự thu hồi của hệ thống RBS.

-  Tìm hiểu về các loại truyền động hybrid.

-  Phân tích chi tiết hệ thống truyền động và các chế độ hoạt động của xe Honda CRV Plug – in Hybrid.

-   Xây dựng mô hình tính toán và thuật toán điều khiển hệ thống phanh.

-   Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng, xuất ra các đồ thị lực phanh tại cầu chủ động, momen của motor, công suất của motor, hệ số nạp SOC và suất tiêu hao nhiên liệu. Dựa vào các dữ liệu thu được, chúng em đưa ra đánh giá về hiệu quả thu hồi của hệ thống phanh tái sinh và so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của xe Plug – in Hybrid so với các xe khác.

2. Kiến nghị

Việc nghiên cứu hiệu quả thu hồi năng lượng khi phanh chỉ được thực hiện về mặt lý thuyết. Do đó, cần phải kiểm nghiệm lại bằng phương pháp thực nghiệm để đưa ra đánh giá chính xác nhất.

Trong quá trình tính toán thì các thông số không hoàn toàn chính xác mà chỉ mang tính tương đối so với thực tế. Do đó, chúng ta cần phải nghiên cứu kỹ hơn trong điều kiện thực tế.

Tiếp tục nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi năng lượng khi giảm tốc hoặc phanh. Từ đó, đề xuất hướng đi mới cho việc nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng nhưng vẫn phải đảm bảo an toàn về mặt kỹ thuật.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hannah Ritchie, “Which form of transport has the smallest carbon footprint?”, 2023.

https://ourworldindata.org/travel-carbon-footprint

[2] Duong, T. T., Huynh, P. S., Ho, D. A. D., & Ngo, Q. T. (2023). Nghiên Cứu Mô Phỏng Hệ Thống Phanh Tái Sinh Dựa Trên Chu Trình Lái Xe Thực Tế. Journal of Technical Education Science, 18(2), pp. 76 – 85.

[3] Vũ Quang Huy, Trần Đăng Quốc, Nguyễn Đức Ngọc “Năng lượng tái tạo và công nghệ lưu trữ năng lượng trên xe điện”, Khoa học Kỹ Thuật Thủy Lợi và Môi trường – số 75 (9/2021).

[4] Peter Clarke, Tariq Muneer, Kevin Cullinane, Cutting vehicle emissions with regenerative braking, Transportation Research Part D: Transport and Environment, Volume 15, Issue 3, pp. 160 – 167, May 2010.

[5] Higuchi, N., Sunafa, Y., Tanaka, M, and Shimada, H., “ Development of a New Two-Motor plug-in Hybrid System’’, SAE Int. J. Alt. Power./ Volume 2, Issue 1 (May 2013).

[6]F. J. Thoolen., Development of an advanced high speed flywheel energy storage system. Ph.D. Thesis, Technische Universities Eindhoven, Eindhoven, The Netherlands, 1993.

[7] Fabian Perktold, Research on a regenerative braking system for a golf cart. Research paper of University of Applied Sciences, Campus Wels Innovation- and Product Management, Australia, February 1, 2016.

[8]S.J. Clegg., A Review of Regenerative Brake System, A working paper of Institute of Transport Studies, University of Leeds, Leeds, UK, pp. 08 – 15, 1996.

[9] https://www.youtube.com/watch?v=6WpzMpFHnQQ&t=595s

[10] Matthew Jones, Why we need cars with KERS, March 25, 2014.

[11] New Atlas, Racetrack success for Williams Hybrid Power brings further F1 investment, April 28, 2010.

https://newatlas.com/williams-hybrid-power-brings-further-williams-f1-investment/14918/

[12] Shen, S., Serrarens, A., Steinbuch, M., & Veldpaus, F. (2001). Coordinated control of a mechanical hybrid driveline with a continuously variable transmission. JSAE review, 22(4), pp. 453 – 461.