Hệ thống truyền lực ô tô hybrid nối tiếp

Hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp (Series hybrid electric drive train) là hệ thống dẫn động cho xe hybrid trong đó xe chỉ được kéo bởi mô-tơ điện. Mô-tơ điện này được cung cấp năng lượng từ hai nguồn là: Ắc quy và máy phát điện được dẫn động bởi ĐCĐT.

Hình 1. Cấu trúc bố trí Hybrid kiểu nối tiếp

Hình 2. Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp

Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện. Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồn ắc quy hoặc máy phát được dẫn động bởi ĐCĐT. Cụm ĐCĐT/máy phát (ĐCĐT/MP) có nhiệm vụ giúp ắc quy bổ sung năng lượng cho mô-tơ kéo khi công suất tải yêu cầu lớn hoặc nạp cho ắc quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ và dung lượng ắc quy thấp.

Bộ điều khiển mô-tơ để điều khiển mô-tơ kéo sinh ra năng lượng phù hợp với yêu cầu của xe.

Trong hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp, cụm ĐCĐT/MP là phần cơ khí được tách rời với trục bánh xe. Tốc độ và mô-men của ĐCĐT không phụ thuộc vào tốc độ và mômen kéo yêu cầu của xe, nó có thể được điều khiển ở bất kì điểm làm việc nào trên vùng tốc độ - mômen của nó. Thông thường động cơ đốt trong sẽ được điều khiển ở vùng làm việc tối ưu của nó, ở vùng mà nhiên liệu tiêu thụ và khí thải phát ra của động cơ là nhỏ nhất. Lí do tách rời phần cơ khí của ĐCĐT với trục bánh xe nhằm để ĐCĐT có thể làm việc ở vùng tối ưu và đặc tính của ĐCĐT được thay bằng đặc tính của mô-tơ điện. Tuy nhiên, nó phụ thuộc nhiều vào các chế độ làm việc của động cơ và điều khiển chiến lược của hệ dẫn động.

Hình 3. Đặc tính ĐCĐT và các vùng hoạt động

1. Hoạt động

- Chế độ kéo hỗn hợp: Khi cần yêu cầu một công suất lớn lúc này năng lượng của cả cụm ĐCĐT/MP và nguồn năng lượng từ ắc quy cùng cấp năng lượng cho mô-tơ điện hoạt động. Trong trường hợp này, động cơ đốt trong sẽ được điều khiển để làm việc ở vùng tối ưu của nó. Nguồn năng lượng từ ắc quy cung cấp công suất thêm để đáp ứng công suất kéo yêu cầu.

- Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của ắc quy cung cấp cho mô-tơ  điện: Trong trường hợp này, chỉ có nguồn ắc quy cung cấp công suất của nó để đáp ứng với công suất yêu cầu, thường là trong giai đoạn khởi động và gia tốc từ khởi động tới khi xe đạt tới tốc độ cơ bản.

- Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của cụm ĐCĐT/MPcung cấp cho mô-tơ  điện: Trong trường hợp này, chỉ có cụm ĐCĐT/MP cung cấp công suất của nó để đáp ứng công suất yêu cầu, giai đoạn xe chạy ở tốc độ ổn định, chế độ lái bình thường. Năng lượng điện được kết nối trực tiếp từ cụm ĐCĐT/MP tới mô-tơ kéo.

- Chế độ ắc quy, nạp năng lượng cho ắc quy từ cụm ĐCĐT/MP: Khi năng lượng của ắc quy giảm xuống dưới một mức qui định nào đó thì ắc quy phải được nạp. Ắc quy có thể được nạp từ máy phát hay quá trình phanh tái sinh. Thường thì máy phát nạp khi phanh tái sinh nạp không đủ. Trong trường hợp này, công suất của động cơ đốt trong được chia làm hai phần: Một để kéo xe, phần còn lại để dẫn động máy phát nạp điện cho ắc  quy. Dạng hoạt động này chỉ có hiệu quả khi năng lượng của cụm ĐCĐT/MP sinh ra lớn hơn công suất tải yêu cầu.

- Chế độ phanh tái sinh: Khi xe phanh, mô-tơ kéo có chức năng như một máy phát điện, biến đổi phần động năng của xe thành năng lượng điện để nạp cho ắc quy.

Bộ điều khiển xe điều khiển hoạt động của mỗi bộ phận tùy theo công suất kéo yêu cầu từ người lái, tín hiệu phản hồi từ mỗi bộ phận và điều khiển chiến lược cài đặt trước của hệ thống dẫn động. Những bộ phận được điều khiển để phù hợp với công suất yêu cầu của người lái xe, hoạt động của mỗi bộ phận với hiệu suất tối ưu, thu lại năng lượng phanh càng nhiều càng tốt, duy trì trạng thái nạp cho ắc quy.

2. Các chiến lược điều khiển

Đây là quy tắc điều khiển được cài đặt trước trong bộ điều khiển xe, nó ra lệnh hoạt động cho mỗi bộ phận. Bộ điều khiển xe nhận những lệnh hoạt động từ lái xe và tín hiệu phản hồi từ hệ thống dẫn động (HTDĐ) cùng tất cả các bộ phận sau đó đưa ra các quyết định để sử dụng dạng hoạt động phù hợp. Tất nhiên, đặc tính của HTDĐ phụ thuộc chủ yếu chất lượng điều khiển, trong đó điều khiển chiến lược giữ vai trò quyết định.

Trong thực tế, đó là một dải của bộ chiến lược điều khiển mà có thể được sử dụng trong những chiếc xe với các yêu cầu nhiệm vụ khác nhau. Ở đây chỉ xét đến hai kiểu chiến lược điều khiển đặc trưng của động  cơ: Trạng thái nạp lớn nhất cho ắc quy và điều khiển đóng ngắt động cơ đốt trong.

Hình 4. Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp

Trong đó:

A- Dạng kéo kết hợp,         B - Dạng chỉ có ĐCĐT kéo hoặc dạng nạp ắc quy.

C - Dạng phanh kết hợp.    D - Dạng phanh tái sinh.

Pyc- Công suất yêu cầu.    Paq-  Công suất ắc quy.       

Pđc/mp - Công suất cụm động cơ/máy phát.

Pn-aq - Công suất nạp cho ắc quy.   

Pph,ts - Công suất phanh tái sinh.     Pph,ck - Công suất phanh cơ khí.

* Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất cho ắc quy.

Mục đích của điều khiển là thỏa mãn công suất yêu cầu được yêu cầu bởi lái xe đồng thời duy trì trạng thái nạp cho ắc quy ở một mức cao nhất. Chiến lược điều khiển này được tính toán để phù hợp thiết kế cho các xe hoạt động chủ yếu dựa vào nguồn năng lượng của ắc quy. Một trạng thái nạp ở mức độ cao sẽ đảm bảo sự hoạt động cao của xe ở mọi thời điểm. Chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất cho ắc quy được mô tả như hình 3.

Các điểm A, B, C, D thể hiện công suất yêu cầu mà điều khiển chiến lược yêu cầu trong chế độ kéo hay phanh.

Điểm A cho thấy yêu cầu công suất kéo lớn hơn công suất mà cụm ĐCĐT/MP sinh ra. Trong trường hợp này, nguồn năng lượng của ắc quy phải đưa ra năng lượng của nó bù đắp cho năng lượng thiếu hụt của ĐCĐT/MP.

 Điểm B cho thấy năng lượng được yêu cầu nhỏ hơn năng lượng ĐCĐT/MP sinh ra khi nó làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó. Trong  trường hợp này, hai dạng năng lượng được sử dụng phụ thuộc vào chế độ nạp ắc quy. Nếu như độ sụt năng lượng của ắc quy thấp hơn mức của nó thì ắc quy được nạp tức là ĐCĐT vừa kéo xe vừa nạp. Mặt khác nếu ắc quy đã được nạp đầy thì động cơ chỉ kéo máy phát và được điều chỉnh để công sất sinh ra bằng công suất yêu cầu còn ắc quy làm việc ở chế độ chờ.

Điểm C mô tả công suất phanh cần theo yêu cầu từ người lái lớn hơn công suất phanh mà mô-tơ điện sinh ra (năng lượng phanh tái sinh lớn nhất). Trong trường hợp này, dạng phanh hỗn hợp được sử dụng và mô-tơ điện sinh ra năng lượng phanh lớn nhất của nó và phanh cơ khí bù đắp phần công suất cần thiết còn lại.

 Điểm D mô tả công suất phanh cần thiết nhỏ hơn công suất phanh lớn nhất mà mô-tơ điện sinh ra, trong trường hợp này chỉ có phanh tái sinh làm việc.

* Chiến lược điều khiển đóng - ngắt ĐCĐT.

Hình 5. Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe hybrid nối tiếp

Chiến lược điều khiển ở chế độ nạp lớn nhất của ắc quy chú trọng đến trạng thái nạp cho ắc quy ở mức cao. Tuy nhiên, trong một vài điều kiện lái như thời gian kéo dài với tải trọng thấp như khi lái xe trên đường cao tốc.  Tốc độ vòng quay lớn, ổn định thì ắc quy có thể dễ dàng được nạp đầy và cụm ĐCĐT/MP buộc phải làm việc với một năng lượng sinh ra nhỏ hơn trong điều kiện làm việc tối ưu của nó. Hơn nữa, hiệu suất của hệ dẫn động bị giảm, trong trường hợp này, ĐCĐT được đóng- ngắt hoặc điều khiển nhiệt phải phù hợp.

Hoạt động của cụm ĐCĐT/MP được điều khiển hoàn toàn bởi tình trạng nạp của ắc quy. Khi tình trạng nạp của ắc quy trong phạm vi trên mức cần phải nạp thì ĐCĐT ngừng hoạt động, khi tình trạng nạp của ắc quy ở mức cần nạp thì ĐCĐT được bật cho hoạt động. Ắc quy được nạp năng lượng từ cụm ĐCĐT/MP. Với cách này, động cơ không phải lúc nào cũng được làm việc trong vùng tối ưu của nó.

Ưu điểm:

 + Cấu trúc đơn giản (Theo 1 chiều: Engine => Máy phát điện => Motor điện => Truyền lực chính/cuối cùng => Vi sai => Bánh xe chủ động.

+ Đặc tính kéo F_k = f(V) chỉ do mô-tơ điện => đặc tính lý tưởng.

+ ĐCĐT duy trì một chế độ tốc độ vận hành cho máy phát điện => tiết kiệm nhiên liệu (Suất tiêu hao nhiên liệu g_e min ) => giảm ô nhiễm.

Nhược điểm:

- Sử dụng thiết bị kém hiệu quả: Nếu dùng ĐCĐT 100 kW => phải dùng máy phát 100 kW (giả thiết hiệu suất = 1) => phải dùng thêm một động cơ điện 100 kW (giả thiết hiệu suất = 1). Như vậy khối lượng thiết bị phát công suất tăng gấp 3 lần so với chỉ có ĐCĐT.

- Ô nhiễm môi trường CO, HC, NO_x và CO₂ (Chỉ giảm chút ít nhờ vận hành ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu g_e_min).

Kết luận: Chỉ sử dụng hiệu quả và phù hợp cho tàu lửa (Có khối lượng rất lớn 100 nghìn tấn), Sử dụng cho các xe cẩu với tải trọng rất lớn (100 tấn).