Hệ thống truyền lực ô tô hybrid song song

Hệ dẫn động hybrid song song cho phép cả hai động cơ điện (ĐCĐ) và động cơ đốt trong (ĐCĐT) cùng cung cấp năng lượng song song tới cầu xe: Trong đó ĐCĐT cung cấp năng lượng cơ học đến các bánh xe giống như các xe ĐCĐT truyền thống, ĐCĐ nó được nối với hệ thống truyền lực qua khớp cơ khí. Do đó, tốc độ quay của ĐCĐT phụ thuộc vào quãng đường xe chạy, vì vậy ĐCĐT có thể hoạt động dựa trên miền làm việc tối ưu và nạp điện cho ắc quy.

Hình 1. Cấu trúc bố trí Hybrid kiểu song song

1. Hoạt động: Những dạng hoạt động có hiệu quả của hệ dẫn động hybrid song song chủ yếu gồm: Chỉ có ĐCĐT kéo; chỉ có ĐCĐ kéo; cả ĐCĐT và ĐCĐ cùng kéo; phanh tái sinh và ắc quy được nạp từ ĐCĐT. Trong quá trình hoạt động, các dạng hoạt động thích hợp sẽ được sử dụng để đáp ứng mô-men kéo yêu cầu, đạt hiệu suất tổng cao, duy trì tình trạng nạp cho ắc quy ở mức hợp lí và thu hồi năng lượng phanh càng nhiều càng tốt.

Hình 2. Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid song song

Ưu điểm:

+ Sử dụng motor điện chạy trong thành phố => Giảm ô nhiễm nội đô CO, HC… & không tốn Fuel. Vẫn cho đặc tính gia tốc tốt nhờ đặc tính tốt.

+ Sử dụng ĐCĐT chạy ngoài thành phố => Giảm áp lực ô nhiễm.

+ Khi cần phát huy hết công suất (chạy V_max hay vượt dốc lớn nhất) => Chạy cả 2 nguồn ĐCĐT & ĐCĐ.

+ Khi điện ở Ác quy yếu => Chạy ĐCĐT & ĐCĐ/ Máy phát=> nạp điện lại cho Ắc-quy (Máy điện làm việc 2 chiều: Mô – tơ & máy phát).

+ Tận dung năng lượng tái sinh: khi xuống dốc, khi lăn trơn, khi phanh…=> nạp điện cho ắc quy hoặc tích trữ W vào thiết bị phụ …

Nhược điểm:

- Cấu trúc hơi phức tạp, cồng kềnh.

- Đặc tính kéo không tối ưu khi còn dùng ĐCĐT.

- Còn lãng phí Fuel & gây ô nhiễm (còn dùng ĐCĐT); còn CO2 => gây hiệu ứng nhà kính.

2. Các chiến lược điều khiển

Chiến lược điều khiển tổng thể gồm có hai mức: Một bộ điều khiển cấp độ hệ thống của xe (điều khiển cấp độ cao) thực hiện chức năng như một bộ chỉ huy điều khiển và đưa ra các lệnh, đưa yêu cầu mô-men đến bộ điều khiển cấp độ thấp (điều khiển cục bộ hoặc từng thành phần) được căn cứ trên lệnh hoạt động (lái xe), các đặc điểm riêng của từng bộ phận và thông tin phản hồi từ các bộ phận. Chiến lược điều khiển tổng thể của hệ truyền động hybrid song song thể hiện trên sơ đồ như trong hình 6. Nó gồm có một bộ điều khiển xe, bộ điều khiển ĐCĐT, bộ điều khiển mô-tơ điện, và bộ điều khiển phanh cơ khí.

Hình 3. Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ dẫn động hybrid song song.

Bộ điều khiển hệ thống, nó thu thập dữ liệu từ người lái và tất cả các bộ phận, thí dụ như mô-men yêu cầu, tốc độ xe, tình trạng nạp của ắc quy, tốc độ động cơ và vị trí bướm ga, tốc độ mô-tơ điện, ... Dựa và những dữ liệu này, đặc tính các bộ phận, chiến lược điều khiển được định trước. Bộ điều khiển xe đưa ra những tín hiệu điều khiển của nó tới mỗi bộ điều khiển thành phần (bộ điều khiển cục bộ). Mỗi bộ điều khiển thành phần điều khiển hoạt động của bộ phận tương ứng để phù hợp với yêu cầu dẫn động, bộ điều khiển xe đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của hệ dẫn động. Bộ điều khiển xe phải đưa ra các dạng hoạt động khác nhau, tùy theo điều kiện lái, dữ liệu được tập hợp từ các bộ phận, mệnh lệnh của người lái và phải đưa ra mệnh lệnh chính xác tới bộ điều khiển thành phần. Hơn nữa, điều khiển chiến lược định trước quyết định hoạt động của hệ dẫn động.

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

Khi xe đang hoạt động ở dạng dừng- đi, ắc quy phải truyền công suất của nó tới hệ dẫn động thường xuyên. Vì vậy, ắc quy có xu hướng phóng điện nhanh. Trong trường hợp này, cần thiết duy trì một trạng thái nạp ở mức cao trong ắc quy để đảm bảo hoạt động của xe ổn định. Do đó, chiến lược điều khiển trạng  thái nạp lớn nhất của ắc quy có thể là lựa chọn thích hợp .

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

* Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu

- Dạng chỉ có mô tơ điện kéo xe

Tốc độ xe nhỏ hơn một giá trị chọn trước Vxe, min, tốc độ của xe mà ở đó ĐCĐT hoạt động không ổn định và không tối ưu. Trong trường hợp này chỉ có mô-tơ điện truyền công suất của nó tới các bánh xe, trong khi ĐCĐT được tắt hoặc chạy không tải.

- Dạng kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện

Công suất tải yêu cầu được đại diện bằng điểm A, nó lớn hơn công suất của ĐCĐT có thể tạo ra, khi đó cả ĐCĐT và mô-tơ điện đồng thời phải truyền công suất của chúng tới các bánh xe, trong trường hợp này, sự hoạt động của ĐCĐT được đặt ở chế độ hoạt động tối ưu của nó, công suất yêu cầu còn lại được cung cấp bởi mô-tơ điện.

- Dạng ắc quy nạp

Khi công suất tải yêu cầu thể hiện ở điểm B nhỏ hơn công suất của ĐCĐT sinh ra ở mức làm việc tối  ưu của nó, và tình trạng nạp  của ắc  quy dưới mức cao nhất, ĐCĐT được hoạt động ở vùng làm việc tối ưu, sinh ra công suất Pđc. Trong trường hợp này, mô-tơ điện được điều khiển bởi bộ  điều khiển của nó và thực hiện chức năng như một  máy phát  điện,  được cung cấp năng lượng là công suất còn  lại của ĐCĐT.  

- Dạng chỉ có ĐCĐT kéo xe.

Khi công suất tải yêu cầu thể hiện bởi điểm B trên hình 7 nhỏ hơn công suất của ĐCĐT có thể sinh ra trong khi làm việc ở mức tối ưu, và tình trạng nạp của ắc quy đã đạt tới mức cao nhất, dạng chỉ có ĐCĐT đẩy đi được sử dụng. Trong trường hợp này, hệ thống điện được tắt, ĐCĐT được hoạt động để cung cấp công suất thích hợp với công suất tải yêu cầu. Đường cong công suất ra của ĐCĐT được thể hiện bằng đường nét đứt trên hình 7.

- Dạng chỉ có phanh tái sinh.

Khi xe cần phải phanh và yêu cầu công suất phanh nhỏ hơn công suất phanh tái sinh lớn nhất mà hệ thống điện có thể cung cấp như trình bày trong hình 7 bởi điểm D, mô-tơ điện được điều khiển để thực hiện chức năng như một máy phát, sản sinh ra một công suất phanh bằng công suất phanh yêu cầu, trong trường hợp này, ĐCĐT tắt hoặc đặt ở chế độ tạm ngưng hoạt động.

- Dạng phanh hỗn hợp.

Khi công suất phanh được yêu cầu lớn hơn công suất phanh tái sinh lớn nhất mà hệ thống điện có thể cung cấp như trình bày trong hình 7 bởi điểm C, thì phanh cơ khí phải được kích hoạt. Trong trường hợp này mô-tơ điện sẽ được điều khiển để tạo ra công suất phanh tái sinh lớn nhất và hệ thống phanh cơ khí sẽ đảm nhận sinh ra mô-men phanh yêu cầu còn lại.

Hình 5. Minh họa điều khiển đóng – ngắt ĐCĐT

* Chiến lược điều khiển bật-tắt của ĐCĐT.

Tương tự như được sử dụng trong hệ dẫn động hybrid nối tiếp, chiến lược điều khiển bật- tắt của ĐCĐT có thể được sử dụng trong một vài điều kiện hoạt động với tốc độ thấp và gia tốc thấp, trong chiến lược điều khiển này, hoạt động của ĐCĐT được điều khiển bởi tình trạng nạp của ắc quy.

Trong giai đoạn bật động cơ, đó là chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy. Khi tình trạng nạp của ắc quy đạt tới mức cao của nó, ĐCĐT sẽ được ngắt và xe được đẩy đi chỉ bằng mô-tơ điện. Khi tình trạng nạp của ắc quy ở mức thấp thì ĐCĐT được bật và hệ thống lại quay trở lại chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất của ắc quy như đã trình bày ở trên.