Tài liệu Ứng dụng matlab trong mô phỏng điều khiển xe lai kiểu song song

LỜI CẢM ƠN Sau khi học tập và nghiên cứu trong bốn năm học tại trường, chúng tôi đã vận dụng những kiến thức đã học để làm đồ án ‘‘Ứng dụng matlab trong mổ phỏng xe lai kiểu song song’’. Trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm để hoàn thành đồ án tốt nghiệp chuyên ngành này, bước đầu đã gặp không ít khó khăn, bỡ ngỡ. Nhưng với sự nỗ lực của chúng tôi cùng với sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của GV. Th.S Huỳnh Quốc Việt và một số thầy khác trong khoa Cơ Khí Động Lực. Giờ đây, sau một thời gian làm việc, nghiêm túc nghiên cứu và tìm hiểu, chúng tôi đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp ‘‘Ứng dụng matlab trong mổ phỏng xe lai kiểu song song’’. Tuy nhiên do đây là lần đầu tiên chúng tôi vận dụng lý thuyết đã học vào tính toán một đề tài mới nên gặp rất nhiều khó khăn và không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, chúng tôi rất mong được sự xem xét, giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy để tôi hoàn thành đồ án một cách tốt nhất, đồng thời cũng qua đó rút ra kinh nghiệm, bài học để làm giàu kiến thức chuyên môn và khả năng tự nghiên cứu của mình. Cũng qua đồ án này chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với GV. Th.S Huỳnh Quốc Việt, cùng các thầy giáo trong khoa. Các thầy đã giúp đỡ, hướng dẫn tận tình và đóng góp ý kiến quý báu giúp chúng tôi hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất và đúng tiến độ. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn và rất mong được sự giúp đỡ nhiều hơn nữa của quý thầy trong khoa! 1 TÓM TẮT Xe lai là xe sử dụng từ 2 nguồn năng lượng trở lên để tạo ra lực kéo. Xe lai sử dụng phổ biến hiện nay là loại trang bị một động cơ đốt trong truyền thống, một bình chứa nhiên liệu, một ắc quy và một hay nhiều động cơ điện. Xe lai được chế tạo để kết hợp động cơ xăng và động cơ điện một cách hợp lý nhằm đạt được những yêu cầu khác nhau như: cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu, gia tăng công suất hoặc cung cấp thêm năng lượng cho những thiết bị điện tử. Trước hết, tóm tắt một cái nhìn tổng quan về xe lai, cấu hình xe lai, các chế độ vận hành của động cơ truyền thống và động cơ điện, chiến lược điều khiển của xe lai, thiết kế tính toán các thông số, sau đó tiến hành mô phỏng bằng phần mềm matlab để có cái nhìn trực quan về cách vận hành của một chiếc xe lai. Đồ án này chứng minh xe lai tiết kiệm nhiên liệu và tối ưu hơn một chiếc xe chỉ sử dụng động cơ truyền thống. Lượng nhiên liệu tiết kiệm từ xe lai sẽ góp phần giảm giá thành vận hành, giảm ô nhiễm môi trường và làm chậm quá trình nóng lên toàn cầu. Vì vậy, sử dụng xe lai sẽ tác động tích cực đến ngành công nghiệp ô tô. 2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ........................................... i DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... ii DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... vi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................1 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................1 1.2. KHÁI NIỆM .....................................................................................................1 1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN .......................................................................................1 1.4. PHÂN LOẠI......................................................................................................6 1.5. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI ...........................................................................................7 1.6. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................7 1.7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................................................................7 1.8. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .....................................7 1.9. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .............................................................................................7 1.10. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC .......................................................................7 1.11. BỐ CỤC ĐỒ ÁN ..............................................................................................8 1.12. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ..................................................................................8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................9 2.1. SƠ ĐỒ KHỐI CÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG SONG .............................................................................................................................9 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG SONG...........10 2.2.1. Phương pháp điều khiển trạng thái nạp cực đại ...................................11 2.2.2. Phương pháp điều khiển động cơ ON-OFF .........................................15 2.2.3. Chiến lược kiểm soát cân bằng ............................................................16 2.3. CÁC CÁCH BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC LAI SONG SONG ...................................................................................................................19 2.3.1. Cấu trúc hai trục, hai hộp số.................................................................19 2.3.2. Cấu trúc hai trục, một hộp số ...............................................................19 2.3.3. Cấu trúc một trục ..................................................................................20 3 2.3.4. Cấu trúc chia theo cầu dẫn động ..........................................................21 2.4. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XE LAI KIỂU SONG SONG...................................21 2.4.1. Tính toán thiết kế công suất động cơ ...................................................22 2.4.2. Tính toán thiết kế truyền động .............................................................25 2.4.3. Tính toán thiết kế động cơ điện............................................................26 2.4.4. Tính toán thiết kế PPS ..........................................................................30 CHƯƠNG 3. CHỌN VÀ THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SIMULINK XE LAI KIỂU SONG SONG ..........................................................................33 3.1. CHỌN ĐỘNG CƠ ............................................................................................33 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MOTOR ..................................................................35 3.3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BATTERY ...............................................................36 3.4. MÔ PHỎNG SIMULINK HỆ THỐNG XE LAI KIỂU SONG SONG ..........................37 3.4.1. MÔ PHỎNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG XE LAI KIỂU SONG SONG ................37 3.4.2. KHỐI DRIVER.........................................................................................38 3.4.3. KHỐI CONTROLLER ...............................................................................39 3.4.4. KHỐI MOTOR .........................................................................................50 3.4.4. KHỐI ENGINE.........................................................................................51 3.4.6. KHỚP NỐI MÔMEN (TORQUE COUPLING) ...............................................52 3.4.7. KHỐI HỘP SỐ (TRANSMISSION) ..............................................................53 3.4.8. BỘ TRUYỀN LỰC CUỐI (DIFFIENTIAL GEAR) ..........................................55 3.4.9. KHỐI VEHICLE .......................................................................................55 3.4.10. KHỐI BATTERY....................................................................................59 3.5. KẾT QUẢ ĐỒ THỊ VÀ NHẬN XÉT ....................................................................60 3.5.1. Chu trình thử ECE-15 ..........................................................................60 3.5.2. Chu trình thử HighWay........................................................................66 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ....................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................72 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU HEV: Hybrid Electric Vehicle SOC: State Of Charge PPS : Peaking Power Source GM: General Motors SUV: Sport Utility Vehicle TL: Torque Large TM: Torque Medium TS: Torque Small Tchg: Torque Charge Tb: Torque Brake Tc: Torque Traction Te-opt : Torque engine optimum Tm: Motor torque V: Vehicle speed Veb : Vehicle speed corresponding to the engine minimum rpm PL : Load power, traction or braking Pe : Engine power Pm: Motor traction power Pmb: Motor braking power Pmc: PPS charging power Pmf : Mechanical braking power Ppps-d: PPS discharge power ηm: Motor efficiency Ppps: PPS charge power Pave: Average power Ps: Energy capacity power Epps: Energies drawn from the PPS Eengine: Energies drawn from the Engine 5 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền lực lai song song ............................10 Hình 2.2. Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống truyền lực lai kiểu song song 11 Hình 2.3. Đồ thị các chế độ hoạt động khác nhau dựa vào sự yêu cầu công suất ..12 Hình 2.4. Lưu đồ điều khiển Max.SOC-of-PPS .....................................................15 Hình 2.5. Minh họa phương pháp điều khiển động cơ On-Off. .............................16 Hình 2.6. Chiến lược kiểm soát một phần tải .........................................................17 Hình 2.7. Tóm tắt kiểm soát từng trường hợp hoạt động của động cơ theo mô-men yêu cầu và SOC của PPS ........................................................................18 Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc hai trục, hai hộp số ..........................................................19 Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc hai trục, hai hộp số ..........................................................19 Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc một trục .........................................................................20 Hình 2.11. Sơ đồ cách bố trí khác của cấu trúc một trục ........................................20 Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc chia theo cầu dẫn động .................................................21 Hình 2.13. Đồ thị thể hiện công suất động cơ khi xe chạy trên đường bằng phẳng và dường dốc 5% .....................................................................................22 Hình 2.14. Đồ thị thể hiện sự tiêu thụ năng lượng tại mỗi tay số để phân tích ảnh hưởng của truyền động bánh răng đến hiệu suất của xe ..........................23 Hình 2.15. Đồ thị cho biết tốc độ xe, sức tải tức thời và công suất trung bình với phanh tái sinh hoàn toàn và phanh cơ khí ở một số chu trình lái xe .......24 Hình 2.16. Đồ thị thể hiện công suất động cơ và công suất trung bình khi mở hoàn toàn bướm ga ở một số chu trình thử của một chiếc xe sử dụng hộp số đơn cấp .....................................................................................................25 Hình 2.17. Sơ đồ hộp số tự động Simpson .............................................................26 Hình 2.18. Đồ thị thể hiện biên dạng lực kéo- tốc độ của một motor ....................27 6 Hình 2.19. Đồ thị thể hiện phần công suất còn lại cần đáp ứng cho quá trình tăng tốc với công suất cản gồm cản lăn và kéo khí động học ứng với 2 kiểu truyền động đa cấp và đơn cấp ................................................................28 Hình 2.20. Đồ thị thể hiện lực kéo và tốc độ của xe ở các chế độ hoạt động khác nhau của xe( chỉ động cơ, chỉ motor và cả hai). ......................................29 Hình 2.21. Đồ thị cho biết xe đạt tốc độ 100km/h chỉ trong 10.7s và khoảng cách di chuyển được là 167m ..........................................................................30 Hình 2.22. Đồ thị thể hiện năng lượng tiêu thụ từ PPS và động cơ sử dụng trong quá trình tăng tốc .....................................................................................31 Hình 2.23. Đồ thị thể hiện với một chiếc xe hành khách chạy trong chu trình FTP75 với chiến thuật điều khiển Max SOC ............................................32 Hình 3.1. Xe Toyota vios 1.5G 2013 ......................................................................33 Hình 3.2. Mặt cắt ngang của hộp số U340E ...........................................................34 Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển của một chiếc xe lai kiểu song song dưới dạng Simulink ...................................................................................................37 Hình 3.4. Sơ đồ các giá trị yêu cầu của người lái ...................................................38 Hình 3.5. Sơ đồ các tín hiệu bàn đạp ga, bàn đạp phanh ........................................38 Hình 3.6. Sơ đồ điều khiển của bộ controller .........................................................39 Hình 3.7. Lưu đồ giải thuật bộ Controller ..............................................................40 Hình 3.8. Sơ đồ Simulink điều khiển quá trình kéo ...............................................41 Hình 3.9. Sơ đồ điều khiển của bộ controller khi Vx nhỏ hơn 9m/s ......................41 Hình 3.10. Sơ đồ điều khiển của bộ controller khi Vx lớn hơn 9m/s .....................42 Hình 3.11. Sơ đồ điều khiển khi mức SOC thấp ....................................................43 Hình 3.12. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mô-men thấp ...............44 Hình 3.13. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mô-men trung bình và cao ............................................................................................................45 Hình 3.14. Sơ đồ điều khiển khi tín hiệu SOC ở mức trung bình ..........................45 7 Hình 3.15. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mô-men thấp ...............46 Hình 3.16. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mô-men trung bình và cao ............................................................................................................47 Hình 3.17. Sơ đồ điều khiển khi mức SOC cao và mô-men yêu cầu ở vùng thấp ..... ..............................................................................................................47 Hình 3.18. Sơ đồ điều khiển khi mô-men yêu cầu ở vùng mô-men trung bình và cao ............................................................................................................48 Hình 3.19. Sơ đồ điều khiển của bộ controller đáp ứng quá trình phanh ...............49 Hình 3.20. Sơ đồ điều khiển của khối motor ..........................................................50 Hình 3.21. Sơ đồ điều khiển của khối engine .........................................................51 Hình 3.22. Sơ đồ thực hiện hành động bằng Simulink của khối khớp mô-men .....52 Hình 3.23. Sơ đồ điều khiển bằng Simulink của khối transmission .......................53 Hình 3.24. Sơ đồ thể hiện tỉ số truyền ở những tay số khác nhau ..........................53 Hình 3.25. Sơ đồ thể hiện tỉ số truyền ở tay số 1 ....................................................54 Hình 3.26. Sơ đồ thực hiện hành động của bộ truyền lực cuối bằng Simulink ......55 Hình 3.27. Sơ đồ điều khiển của khối vehicle ........................................................55 Hình 3.28. Sơ đồ tính toán lực cản lăn và lực cản dốc bằng Simulink ...................56 Hình 3.29. Sơ đồ tính toán lực cản không khí bằng Simulink ................................57 Hình 3.30. Sơ đồ tính toán lực quán tính bằng Simulink .......................................57 Hình 3.31. Sơ đồ tính toán phản lực pháp tuyến ở cầu trước bằng Simulink .........58 Hình 3.32. Sơ đồ tính toán phản lực pháp tuyến ở cầu sau bằng Simulink ............58 Hình 3.33. Sơ đồ tính toán khối Battery .................................................................59 Hình 3.34. Đồ thị kết quả mô phỏng vận tốc trong chu trình thử ECE-R15 ..........60 Hình 3.35. Đồ thị mô-men xoắn của động cơ trong chu trình thử ECE-R15 .........61 Hình 3.36. Đồ thị số vòng quay của động cơ trong chu trình thử ECE-R15 ..........61 Hình 3.37. Đồ thị mô-men xoắn của motor trong chu trình thử ECE-R15 ............62 8 Hình 3.38. Đồ thị số vòng quay của motor trong chu trình thử ECE-R15 .............62 Hình 3.39. Đồ thị công suất của motor trong chu trình thử ECE-R15 ...................63 Hình 3.40. Đồ thị mức SOC của bình trong chu trình thử ECE-R15 .....................64 Hình 3.41. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của xe trong chu trình thử ECE-R15 ...65 Hình 3.42. Đồ thị so sánh kết quả mô phỏng vận tốc trong chu trình thử FPThighway ...................................................................................................66 Hình 3.43. Đồ thị mô-men xoắn của động cơ trong chu trình thử FPT-highway...67 Hình 3.44. Đồ thị số vòng quay của động cơ trong chu trình thử FPT-highway ...67 Hình 3.45. Đồ thị mô-men xoắn của motor trong chu trình thử FPT-highway ......68 Hình 3.46. Đồ thị số vòng quay của motor trong chu trình thử FPT-highway.......68 Hình 3.47. Đồ thị công suất của motor trong chu trình thử FPT-highway .............69 Hình 3.48. Đồ thị thể hiện mức SOC của bình trong chu trình thử FPT-highway ..... .................................................................................................................69 Hình 3.49. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ trong chu trình thử FPThighway ...................................................................................................70 9 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của xe Toyota vios 1.5G 2013 ............................................. 33 Bảng 3.2. Thông số hộp số U340E ................................................................................... 34 Bảng 3.3. Tóm tắt cho từng trường hợp khi điều khiển ở chế độ engine ( động cơ) ........ 40 Bảng 3.4. Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của xe vios 1.5G .............................................. 70 10 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Lý do chọn đề tài: Hiện nay, nguồn nhiên liệu hóa thạch được khai thác quá mức và dần cạn kiệt nên các nhà phát minh đã tìm ra những nguồn năng lượng mới sạch và vô tận để thay thế nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi. Hiện nay, để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch đặc biệt là ngành ô tô thì các hãng ô tô đã và đang phát triển dòng xe lai. Xe lai tận dụng tối ưu động cơ truyền thống và động cơ điện để tiết kiệm nhiên liệu một cách tốt nhất và góp một phần không nhỏ vào việc bảo vệ môi trường. Trên thực tế hiện nay thì thị trường châu âu được sử dụng khá phổ biến dòng xe này tuy nhiên ở việt nam thì chưa được sử dụng rộng rãi. Vì vậy, để hiểu hơn về xe lai cũng như các chế độ hoạt động của dòng xe này và có một cái nhìn trực quan về nó đồ án này sẽ dùng matlab để mô phỏng Simulink cho từng chế độ khi xe vận hành và đồ án sẽ giúp hỗ trợ cho quá trình dạy và học về xe lai kiểu song song. 1.2. Khái niệm. Một chiếc xe được gọi là "Hybrid – xe lai" nếu nó sử dụng từ 2 nguồn năng lượng trở lên để tạo ra lực kéo. Xe lai sử dụng phổ biến hiện nay là loại trang bị một động cơ đốt trong truyền thống, một bình chứa nhiên liệu, một ắc qui và một hay nhiều động cơ điện. Xe lai được chế tạo để kết hợp động cơ xăng và động cơ điện một cách hợp lý nhằm đạt được những yêu cầu khác nhau như: cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu, gia tăng công suất và giảm ô nhiễm môi trường. 1.3. Lịch sử phát triển. Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, các nhà phát minh đã tìm ra nhiều giải pháp để tìm kiếm nguồn năng lượng giúp ôtô vận hành như điện, nhiên liệu hóa thạch, hơi nước và sau đó kết hợp tất cả với nhau. Tuy nhiên, phải tới khoảng thời gian ngắn sau bình minh của thế kỷ 20, xe lai mới ra đời. Dưới đây là các mốc thời gian đáng chú ý: Năm 1900: Chiếc xe có tên gọi Lohner-Porsche Elektromobil trình làng tại triển lãm Paris Exposition. Khởi đầu là một chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện song nhà thiết kế 11 Ferdinand Porsche đã nhanh chóng bổ sung thêm động cơ đốt trong để sạc lại pin năng lượng cho xe và đó là khi nó trở thành chiếc xe lai (động cơ lai) đầu tiên trên thế giới. Năm 1917: Woods Motor Company giới thiệu Woods Dual Power, mẫu xe điện “lai” được trang bị thêm động cơ đốt trong 4 xylanh. Dual Power đạt vận tốc tối đa khoảng 56,3 km/h và không phải là một thiết kế thành công. Giai đoạn thập niên 60 - 70: Kỹ sư điện Victor Wouk thiết kế nguyên mẫu động cơ HEV dựa trên Buick Skylark. Khi chính phủ Mỹ quyết định dừng đầu tư vào việc phát triển xa hơn chiếc xe này, Wouk trở nên khánh kiệt và buộc phải từ bỏ dự án. 12 Năm 1968: General Motors đã phát triển GM 512, một mẫu xe thử nghiệm chạy bằng điện tốc độ thấp và chạy xăng tốc độ cao. Năm 1989: Audi trình diễn chiếc Audi Duo thử nghiệm. Đây là mẫu xe kết hợp giữa động cơ điện công suất 12 mã lực và động cơ đốt trong công suất 139 mã lực. Audi đã phát triển các thế hệ tiếp theo của Duo trong 10 năm sau đó. Năm 1997: Nhằm đối phó với thách thức từ Phó chủ tịch điều hành Akihiro Wadi trong việc phát triển các dòng xe “uống” ít nhiên liệu hơn, Toyota ra mắt Prius và bắt đầu tiếp thị mẫu xe này tại Nhật Bản. Năm 1999: Honda ra mắt chiếc xe lai có tên Insight. Năm 2000: Toyota bắt tay phát triển Prius (dưới dạng phiên bản 2001) tại thị trường Mỹ. 13 Năm 2002: Xe lai dần trở nên phổ biến trên thị trường. Honda đã trình làng Accord Hybrid vào giai đoạn này và vài năm sau đó, nhiều mẫu xe lai cũng được vén màn. Năm 2004: Ford giới thiệu mẫu SUV hybrid đầu tiên: Ford Escape 2005. Trái với suy đoán của nhiều người, chiếc xe đầu tiên sử dụng động cơ hybrid không phải là Toyota Prius và nó cũng không phải được phát minh vào thập niên 90 hay đầu những năm 2000. Trên thực tế, mọi chuyện bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20 khi động cơ đốt trong trở nên quá ô nhiễm và có mùi độc hại. Một thợ đóng xe ngựa đến từ Viên (Áo) tên là Jacob Lohner cảm thấy những chiếc xe hơi chạy xăng quá ồn ào và độc hại. Để tìm ra giải pháp khắc phục, Lohner đã tìm đến một kỹ sư người Áo có tên Ferdinand Porsche. Năm 1896, ở tuổi 21, Porsche đã phát minh ra động cơ có bánh xe chạy bằng điện, đây là động cơ chạy pin được thiết kế vừa khít với trục (moayơ) của bánh xe. Lohner đã yêu cầu Porsche kết hợp các động cơ đặt trong bánh xe với một trong những chiếc xe ngựa của mình. Kết quả là tác phẩm có tên Lohner-Porsche Elektromobil ra đời. Chiếc xe này ra mắt công chúng lần đầu tại triển lãm Paris Exposition năm 1900. Dù ban đầu là một chiếc xe chạy điện hoàn toàn song Elektromobil đã nhanh chóng trở thành mẫu xe lai đầu tiên trong lịch sử. Để đảm bảo Elektromobil không bao giờ cạn pin, Porsche đã lắp thêm động cơ đốt trong giữ vai trò của một máy phát và từ đây, Elektromobil đã trở thành chiếc xe đầu tiên kết hợp giữa động cơ điện và động cơ xăng. Xe có thể đạt vận tốc tối đa 61,2 km/h. Chủ sở hữu đầu tiên của Elektromobil là E.W. Hart 14 đến từ Luton (Anh), người đã yêu cầu Porsche lắp động cơ trên cả 4 bánh xe. Porsche đã làm theo và Elektromobil không những trở thành chiếc xe lai đầu tiên mà cũng là mẫu xe đầu tiên sử dụng hệ dẫn động 4 bánh (4WD) . Elektromobil không phải là chiếc xe đưa ra khái niệm xe “xanh” hay xe “sạch” bởi cùng thời điểm đó, trên thị trường cũng đã xuất hiện những chiếc xe hơi chạy hoàn toàn bằng điện. Tuy nhiên, chính Elektromobil là chiếc xe cho thấy khi điện và xăng kết hợp hoàn hảo cùng nhau, sẽ làm giảm lượng nhiên liệu tiêu hao. Lohner và Porsche sau đó đã bán được 300 chiếc Elektromobil và ý tưởng về một chiếc xe lai chạy xăng – điện đã rơi vào quên lãng trong một vài năm. Cái tên Porsche được nhắc tới nhiều nhất không chỉ bởi ông đã lập nên doanh nghiệp có tên gọi Porsche SE mà còn bởi ông là nhà thiết kế đã tạo nên “chú bọ trứ danh” Volkswagen Beetle nguyên mẫu. Trong vòng 100 năm sau đó, ý tưởng về một chiếc xe ôtô kết hợp động cơ xăng – điện đã hồi sinh trở lại một vài lần song Toyota đã khiến nó trường tồn khi tạo nên Prius. Ra mắt tại Nhật Bản vào năm 1997 và các thị trường khác năm 2001, Toyota sau đó đã bán ra 1 triệu chiếc Prius vào năm 2007 trên thị trường toàn cầu. Ngược lại, chiếc xe lai Lohner-Porsche Elektromobil đã bị công chúng lãng quên và cho dù cầm cự trong một vài năm cũng như thi thoảng góp mặt tại một vài triển lãm xe cổ, Elektromobil đã không còn trụ vững. Prius tồn tại và tạo nên dấu mốc đáng nhớ ở thị trường xe lai. Tuy nhiên, Porsche và Lohner vẫn xứng đáng được tôn vinh cho ý tưởng táo bạo của họ, đã đi trước thời đại gần 100 năm. Dù tiết kiệm mức nhiên liệu tiêu hao và góp phần bảo vệ môi trường, động cơ “sạch”, song quá trình sản xuất những chiếc xe lai cũng khá giống các mẫu xe thông thường. Một chiếc xe lai sẽ được lắp ráp tại dây chuyền sản xuất theo một loạt quy trình tỉ mỉ. Tiếp đến, băng tải sẽ chuyển các bộ phận và sau đó, thang máy đặt các chi tiết rời rạc vào đúng vị trí. Đây là quy trình sản xuất có sự tham gia của cả máy móc và con người. Khác biệt duy nhất trong việc tạo ra những mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu nằm ở pin ắc quy. Pin của động cơ hybrid thường khá lớn, có thể sạc lại và chiếm kha khá diện tích. Pin này thường là sản phẩm của các công ty chuyên cung cấp pin như Panasonic hay Sanyo, chủ yếu đặt tại Nhật Bản. Hầu hết các xe lai ngày nay đều sử dụng pin niken hidrua kim loại (NiMH) . Tuy nhiên, một số xe lai mới nhất sử dụng các pin lithium-ion (Li-ion) cao 15 cấp hơn. Để làm ra sản phẩm pin Li-ion này, người ta tiến hành ép phôi lithium dưới áp suất cao vào một tấm có bề rộng chỉ 0,254 mm, sau đó dùng máy để thổi những tấm này thành các pin cuộn chặt. Những tấm được thổi và cuộn này sẽ được nung ở nhiệt độ cao và kim loại nóng chảy sau đó sẽ được phun xịt lên bề mặt các tấm bằng thiết bị tự động – đây là quá trình “tạo màng”. Một số bộ ắc quy được tạo màng sẽ được xếp chồng lên nhau trong một mô-đun. 1.4. Phân loại. Xe lai được phân thành ba loại chính: - Xe lai kiểu nối tiếp. - Xe lai kiểu song song. - Xe lai kiểu hỗn hợp. Trong đó xe lai kiểu song song nghĩa là gồm động cơ đốt trong và động cơ điện truyền lực song song hoặc phối hợp nhau, khi ắc qui cao áp cạn năng lượng thì động cơ điện đóng vai trò là một máy phát điện để nạp cho ắc qui cao áp.  Ưu điểm: - Tiết kiệm nhiên liệu. - Không cần máy phát. - Motor kéo nhỏ hơn xe lai nối tiếp. - Hiệu suất cao hơn xe lai nối tiếp.  Nhược điểm: - Cấu trúc phức tạp so với xe lai nối tiếp. - Động cơ hoạt động không tối ưu trong một vài trường hợp. Có nhiều cấu trúc cho truyền lực lai kiểu song song như: cấu trúc hai trục hai hộp số, hai trục một hộp số, một trục, chia theo cầu dẫn động. Mỗi phương pháp thiết kế theo cấu trúc riêng biệt chỉ có thể ứng dụng cho một môi trường hoạt động và yêu cầu về khí thải cụ thể. Phần này sẽ tập trung vào phương pháp thiết kế hệ thống truyền lực kiểu song song với khớp nối mô-men hoạt động trên nguyên lý động cơ cung cấp công suất đáp ứng tải cơ bản (hoạt động tại tốc độ không đổi định trước trên đường bằng phẳng và các đoạn đường có độ dốc nhỏ, hoặc tại chế độ tải trung bình khi chuyển sang trạng thái dạng đường hoạt động- ngừng) và động cơ điện cung cấp công suất để đáp ứng yêu cầu tải cực đại. 16 1.5. Mục đích đề tài:  Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng Simulink cho xe lai kiểu song song. 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:  Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết xe lai, phần mền matlab, mô phỏng simulink xe lai kiểu song song.  Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng Simulink matlab cho phương pháp điều khiển trên xe lai kiểu song song. 1.7. Phương pháp nghiên cứu:  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các lý thuyết và các công trình nghiên cứu về xe lai và thực hiện đề tài.  Phương pháp thực nghiệm: thực nghiệm xác định các số liệu dùng cho mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả mô phỏng.  Phương pháp mô phỏng: mô phỏng phương pháp điều khiển xe lai bằng matlab từ các thông số thực tế. 1.8. Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết của đề tài: Đề tài “Ứng dụng matlab mô phỏng xe lai điều khiển kiểu song song” để hiểu hơn về xe lai cũng như các chế độ hoạt động của dòng xe lai và có một cái nhìn trực quan cho từng chế độ khi xe vận hành, hỗ trợ cho quá trình dạy và học về xe lai kiểu song song. 1.9. Giới hạn đề tài:  Nghiên cứu lý thuyết xe lai và mô phỏng Simulink matlab cho phương điều khiển trên xe lai kiểu song song. 1.10. Kết quả dự kiến đạt được:  Trình bày cách vận hành, các chiến thuật điều khiển của xe lai kiểu song song, cách bố trí động cơ điện và mô phỏng cho từng chế độ của xe lai kiểu song song trong Simulink matlab. 1.11. Bố cục đồ án:  Chương 1: Tổng quan.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết.  Chương 3: Tính toán, thiết kế và mô phỏng xe lai kiểu song song. 17  Chương 4: Mô phỏng Simulink.  Tài liệu tham khảo 1.12. Kế hoạch thực hiện: Trong quá trình tìm hiểu, học hỏi và thực hiện đề tài, người thực hiện đề tài đề xuất các phương án thực hiện như sau:  Nghiên cứu sử dụng Matlab để mô phỏng.  Viết báo cáo, hoàn thiện đồ án. 18 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Sơ đồ khối và mục tiêu thiết kế hệ thống truyền lực lai song song. Cấu trúc của hệ thống truyền động lai song song được trình bày trong hình 2.1. Hệ thống điều khiển của bộ truyền động bao gồm bộ điều khiển xe, bộ điều khiển động cơ để điều khiển công suất động cơ đốt trong, động cơ điện, bộ điều khiển phanh cơ học và bộ điều khiển ly hợp. Bộ điều khiển xe là bộ điều khiển trung tâm. Nó nhận lệnh vận hành từ người lái thông qua chân ga, bàn đạp phanh và thu thập các tín hiệu bao gồm tốc độ xe, tốc độ động cơ, vị trí bàn đạp ga, SOC của PPS. Dựa trên thuật toán, bộ điều khiển trung tâm xử lý tất cả các tín hiệu nhận được, sau đó ra lệnh điều khiển các bộ điều khiển thành phần tương ứng. Các bộ điều khiển thành phần kiểm soát các thành phần tương ứng để thực hiện các lệnh đến từ bộ điều khiển trung tâm. Trong thiết kế hệ thống truyền động, các yếu tố quan trọng là công suất của động cơ, mô tơ, PPS, hộp số và quan trọng hơn là chiến thuật điều khiển của hệ thống truyền động. Các mục tiêu thiết kế như sau: - Đáp ứng các yêu cầu về tính năng vận hành (độ dốc, gia tốc và tốc độ tối đa) . - Đạt được hiệu suất cao. - Duy trì SOC của PPS ở mức hợp lý trong khi xe vận hành trên xa lộ và ở khu vực đô thị mà không cần phải sạc PPS từ bên ngoài xe. - Thu hồi năng lượng phanh càng nhiều càng tốt trong khi vẫn bảo đảm tính an toàn. 19 Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền lực lai song song. 2.2. Phương pháp điều khiển hệ thống truyền lực lai song song. Các chế độ hoạt động chính gồm: động cơ kéo, motor điện kéo, kéo kết hợp (động cơ và motor), phanh tái sinh và động cơ nạp cho ắc qui (PPS). Suốt quá trình hoạt động, các chế độ hoạt động thích hợp sẽ được dùng để đáp ứng yêu cầu về mô-men kéo, đạt hiệu suất cao, duy trì mức độ SOC của PPS phù hợp, và phục hồi năng lượng phanh nhiều nhất có thể. Sơ đồ điều khiển tổng thể gồm hai cấp độ. Cấp độ điều khiển hệ thống trung tâm (điều khiển cấp cao) có chức năng như một bộ phận chỉ huy và đưa yêu cầu mô-men đến cấp điều khiển thấp (bộ điều khiển các bộ phận) dựa trên các yêu cầu của người điều khiển, đặc tính các bộ phận và các tín hiệu phản hồi. Các thiết bị điều khiển cấp độ thấp như điều khiển động cơ, điều khiển motor, điều khiển hộp số, điều khiển các thiết bị tương ứng để chúng hoạt động đúng. 20