Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird TT

MỞ ĐẦU i Lý chọn đề tài Cùng với phát triển xã hội, nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông ngày tăng số lượng, đa dạng chủng loại phương tiện sử dụng động đốt (ĐCĐT) nguồn động lực cho nhiều ngành kinh tế khác nhau, đặc biệt ngành giao thông vận tải Song song với phát triển nhu cầu lượng tiêu thụ ngày tăng, trữ lượng nhiên liệu hóa thạch dần bị cạn kiệt [1] Mặt khác, bầu khơng khí bị nhiễm cách trầm trọng khói bụi, chất độc hại thải từ q trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch, phương tiện giao thơng (PTGT) sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngun nhân gây nhiễm môi trường [2,3], đặc biệt đô thị Với trình độ cơng nghệ có xét từ góc độ bảo vệ mơi trường xe chạy động điện (ĐCĐ) giải pháp triệt tình trạng nhiễm khí thải xe giới Thực tế có hàng loạt mẫu xe giới chạy điện sinh từ pin mặt trời gắn trực tiếp xe chạy điện từ ắc quy thiết kế chế tạo [4] Tuy nhiên, xét cách toàn diện, thay phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐT sang phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐ, khả phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế tạo lắp ráp ĐCĐT dẫn đến lãng phí thiệt hại cho nhà chế tạo lắp ráp phương tiện giao thông, với kết hợp phát triển ngành sử dụng ĐCĐT ảnh hưởng không nhỏ tới thay Do việc giảm tính phụ thuộc vào nhiên liệu có nguồn gốc từ hóa thạch phát triển công nghệ tiết kiệm nhiên liệu giảm ô nhiễm môi trường khí thải gây cần phát triển vai trò quan trọng kinh tế Phát triển xe hybrid xem giải pháp độ nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm mức độ gây nhiễm mơi trường khí thải ĐCĐT trang bị xe giới [5] Xe hybrid phương tiện di động có hệ thống động lực cấu thành từ hai nhiều nguồn động lực khác biệt Các loại phương tiện coi xe hybrid xe đạp điện chạy cách sử dụng bàn đạp động điện, xe ô tô trang bị ĐCĐT ĐCĐ để dẫn động bánh xe chủ động, xe lửa trang bị ĐCĐ để chạy điện lưới động diesel để chạy khu vực khơng có lưới điện Xe hybrid có hệ động lực cấu thành từ ĐCĐT ĐCĐ chế tạo từ năm cuối kỷ XVIII tạo ấn tượng mạnh mẽ giai đoạn đầu phát triển nhờ tính vượt trội so với tơ truyền thống [6] Tuy nhiên, vận hành sửa chữa đơn giản hơn, giá thành ĐCĐT ngày giảm sản xuất hàng loạt, nhu cầu sử dụng ngày rộng Xe truyền thống chiếm lĩnh gần toàn thị trường xe hybrid giai đoạn trước năm 1990 Dưới áp lực ngày tăng yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch tiêu chuẩn khí thải ngày khắt khe, xe hybrid lại quan tâm trở lại từ đầu năm 1990 đạt thành tựu đáng kể Bên cạnh ưu điểm vốn có phương án hybrid, với tiến vượt bậc cơng nghệ chế tạo khí, điện - điện tử, thông tin,… xem yếu tố quan trọng góp phần làm nên thành cơng xe hybrid đại Trong trình khai thác kỹ thuật, giải pháp hybrid hóa tơ đạt tối ưu hóa chế độ làm việc nguồn lượng Đây vấn đề thuộc nội hàm khái niệm tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn lượng hệ động lực xe hybrid Qua tìm hiểu tài liệu cho thấy đến thời điểm nay, Việt Nam chưa có cơng trình khoa học chun sâu cơng bố hệ động lực xe hybrid Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu nước xe hybrid cịn chưa nhiều tính đề cập đến khái niệm giới thiệu thành tựu hãng chế tạo xe hybrid hay thiết kế chế tạo cụm thiết bị nên nhiều vấn đề nghiên cứu cần giải Mặt khác, công nghệ chế tạo đánh giá hiệu nguồn động lực hybrid bí số hãng chế tạo xe hybrid hàng đầu giới Do vậy, đề tài “Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybird” góp phần bổ sung kiến thức cơng nghệ liên quan đến lĩnh vực xe hybrid Việt Nam ii Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án - Đưa giải pháp công nghệ phối hợp nguồn động lực ĐCĐT ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid - Áp dụng giải pháp quy trình để tính tốn thiết kế mơ hình hệ động lực xe hybrid iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu Mơ hình xe hybrid phối hợp kiểu hỗn hợp với hệ động lực cấu thành từ ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy iv Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp kết hợp nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ nghiên cứu thực nghiệm, đó: • Nghiên cứu lý thuyết để đưa giải pháp phối hợp nguồn động lực theo kiểu hỗn hợp sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid • Nghiên cứu mơ phỏng, gồm: - Tính tốn thiết kế truyền dẫn hệ động lực phần mềm Inventor ; - Nghiên cứu mơ mơ hình xe hybrid kiểu hỗn hợp theo chu trình thử phần mềm AVL - Cruise • Nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm để đánh giá khả phối hợp nguồn động lực xe hybrid v Phạm vi giới hạn nghiên cứu - Nghiên cứu tính tốn thiết kế, chế tạo hệ động lực xe hybird phối hợp kiểu hỗn hợp, gồm ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy cỡ nhỏ - Việc nghiên cứu thực nghiệm thực Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội vi Ý nghĩa khoa học đề tài - Luận án đưa quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid áp dụng quy trình để tính tốn thiết kế hệ động lực cho xe hybrid chỗ ngồi - Luận án sử dụng thành công phần mềm AVL - Cruise tính tốn mơ động học, động lực học tính kinh tế, kỹ thuật phát thải xe hybrid theo chu trình thử - Đã thành công thiết kế, chế tạo thử nghiệm để đánh giá khả phối hợp nguồn động lực hệ động lực xe hybrid - Kết luận án giải pháp lựa chọn để góp phần giảm phát thải ô nhiễm môi trường tiêu hao nhiên liệu cho phương tiện tham gia giao thông nội đô vii Bố cục luận án Thuyết minh luận án trình bày gồm phần sau: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid - Chương 3: Tính tốn thiết kế mơ hệ động lực xe hybrid - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm - Kết luận chung hướng phát triển Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan phương tiện giao thông ô nhiễm môi trường Theo số liệu Cục Đăng kiểm Việt Nam, năm 2020 tồn quốc có 41.941.332 phương tiện (4.180.478 xe ô tô, 37.760.854 xe mô tô, xe máy) [7,8] Tính đến tháng 7/2020, thành phố Hồ Chí Minh có 8,94 triệu phương tiện cá nhân, tăng gần 7% so với kỳ năm 2018 Trong đó, có 825.000 ô tô (tăng gần 16%) 8,12 triệu xe máy (tăng 6%) Như vậy, khoảng 10 năm (từ năm 2010 đến nay) tăng thêm triệu phương tiện giao thơng Theo thống kê, bình qn tháng có 30.000 phương tiện giao thơng đăng ký mới, tức ngày có 1.000 phương tiện đăng ký [7] Về số lượng xe điện xe hybrid, Việt Nam số lượng nhập bán xe cịn hạn chế so với xe thơng thường 1.2 Nguồn động lực thay ĐCĐT Sử dụng nguồn lượng sạch, thân thiện với môi trường hướng mà nhà khoa học thực nhằm giải vấn đề giảm phụ thuộc nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày cạn kiệt, giảm ô nhiễm môi trường ĐCĐT gây 1.2.1 Động điện 1.2.2 Động sử dụng khí nén áp suất cao 1.2.3 Nguồn động lực hybrid 1.3 Các phương án phối hợp nguồn động lực xe hybrid 1.3.1 Xe hybrid kiểu nối tiếp 1.3.2 Xe hybrid song song 1.3.3 Xe hybrid hỗn hợp 1.4 Ưu nhược điểm xe hybrid Xe hybrid sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm vượt trội so với phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT truyền thống Cụ thể như: - Thu hồi lượng: với hiệu suất chuyển hóa lượng từ hóa sang cách hiệu hơn, xe hybrid thiết kế nhằm thu hồi lượng bị tổn hao trình vận hành Đối với xe thông thường phanh lại, lượng chuyển hóa từ sang nhiệt làm nóng đĩa phanh Trong đó, xe hybrid, chuyển hóa thành điện nạp vào ắc quy, nhiều lượng hao phí q trình vận hành xe thu hồi tái sử dụng Tuy nhiên xe hybrid trang bị hệ thống phanh xe thông thường trường hợp người lái cần phanh khẩn cấp [10,15] - Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu: xe hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu nhiều so với ĐCĐT thơng thường nhờ có chiến lược phối hợp nguồn động lực cách hợp lý Ngoài ra, vận hành đường trường, nguồn động lực ĐCĐT hoạt động chế độ có hiệu suất cao nên giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu [5] - ĐCĐ dùng chế độ gia tốc tải lớn nên ĐCĐT cần cung cấp công suất vừa đủ giúp làm giảm kích thước hệ thống - Phạm vi vận hành rộng tính kỹ thuật đảm bảo phương tiện sử dụng ĐCĐT truyền thống - Xe hybrid dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành quan tâm tới vấn đề nạp điện cho ắc quy - Xe hybrid có mức phát thải nhiễm mơi trường thấp xe sử dụng ĐCĐT thông thường Trong trình vận hành có phối hợp hai nguồn động lực, ĐCĐT hạn chế vận hành chế độ chuyển tiếp nhờ giảm đáng kể lượng phát thải độc hại [43] Tuy nhiên, xe hybrid có khuyết điểm chất lượng, tuổi thọ, giá thành thời gian sạc ắc quy 1.5 Các thành phần chính xe hybrid 1.5.1 Động đốt 1.5.2 Động điện 1.5.3 Ắc-quy 1.5.4 Hệ thống truyền lực 1.6 Một số vấn đề quản lý lượng xe hybrid a) Tối ưu hóa ĐCĐT b) Giảm thiểu động lực học ĐCĐT c) Tối ưu hóa tốc độ hoạt động ĐCĐT d) Giảm thiểu thời gian bật/tắt ĐCĐT e) Quản lý tối ưu trạng thái sạc pin (SOC) 1.7 Nghiên cứu ngồi nước Một số nghiên cứu có tính chất điển hình trình bày sau đây: Nhóm nghiên cứu gồm Saurabh Mahapatra cộng đưa sở thiết kế yêu cầu kiểu xe hybrid [17] Nhóm nghiên cứu đưa quy trình thiết kế nguồn động lực hybrid dựa tảng Matlab Simulink Nhóm nghiên cứu gồm Feng Wang, Xiaojian Mao Bin Zhuo thực cơng trình nghiên cứu tích hợp ly hợp điện điều khiển phân phối mô men xe bus hybrid [18] Năm 2004, nhóm nghiên cứu K.David Huang cộng nghiên cứu xây dựng hệ dẫn động Hybrid song song [19] Tác giả Han cộng thực nghiên cứu hệ thống phân phối lượng hệ động lực hybrid [22] 1.8 Nghiên cứu nước Dưới số kết nghiên cứu đạt thời gian qua Việt Nam xe hybrid: Nhóm nghiên cứu tác giả Bùi Văn Ga thực nghiên cứu thiết kế hệ thống động lực xe hybrid chỗ ngồi [24] Năm 2009, nhóm nghiên cứu tác giả Bùi Văn Ga tiếp tục nghiên cứu tính tốn thiết kế chế tạo thử nghiệm xe máy Hybrid điện – LPG Cũng năm 2009, tác giả Hồ Sĩ Xuân Diệu nghiên cứu chế tạo hệ thống động lực ô tô hybrid chỗ ngồi với nguồn động lực ĐCĐT sử dụng nhiên liệu LPG [26] Tác giả Nguyễn Văn Định – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang thực nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình xe hybrid hai chỗ ngồi [27] 1.9 Các dòng xe hybrid thị trường [28] 1.10 Phương pháp tiếp cận đề tài Thơng qua việc tìm hiểu hệ thống hybrid cho thấy hệ thống hybrid hỗn hợp ngày sử dụng phổ biến kết hợp ưu điểm hệ thống hybrid nối tiếp hybrid song song xe chạy đô thị xa lộ Tuy nhiên, vấn đề thách thức hệ thống hybrid hỗn hợp phối hợp cơng suất chiến lược phối hợp công suất ĐCĐ ĐCĐT Đây hai nội dung mà NCS nghiên cứu nội dung luận án 1.11 Kết luận - Xe hybrid thân thiện mơi trường có nhiều ưu điểm sử dụng cho ĐCĐT giúp nâng cao hiệu suất giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường - Hiện nay, nguồn lượng hóa thạch ngày suy kiệt, thêm vào quy định ngặt nghèo kiểm sốt khí thải từ phương tiện giao thông truyền thống (sử dụng ĐCĐT) để giải vấn đề liên quan đến khí thải từ phương tiện giao thơng nhà nghiên cứu đưa nhiều phương án khác phương án sử dụng nguồn động lực thay lựa chọn tối ưu cả, đồng thời nguồn động lực cho xe hybrid nghiên cứu phát triển phù hợp giai đoạn với nhiều sản phẩm đưa vào sản xuất hàng loạt có doanh số đáng kể nhiều thị trường khó tính châu Âu thị trường vốn quen với việc sử dụng phương tiện truyền thống châu Á Luận án tập trung nghiên cứu, tính tốn thiết kế xe hybrid hai chỗ ngồi xây dựng hệ phối hợp công suất ĐCĐ ĐCĐT, đồng thời đưa chiến lược vận hành tối ưu cho hệ xe hybrid tiến hành kiểm nghiệm lại việc tính tốn thiết kế phịng thí nghiệm Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID 2.1 Quan điểm quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid Xe hybrid sử dụng nguồn động lực, gồm ĐCĐT ĐCĐ, ĐCĐT ln đảm bảo làm việc vùng có tiêu hao nhiên liệu thấp, hiệu suất cao Đây yếu tố quan trọng định tăng hiệu suất hệ động lực xe hybrid so với xe truyền thống Vì tính tốn thiết kế chọn nguồn động lực chiến lược sử dụng nguồn động lực xe hybrid phải đảm bảo ĐCĐT làm việc vùng có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, hiệu suất cao 2.1.2 Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid Q trình nghiên cứu phối hợp hiệu nguồn động lực hybrid địi hỏi cần có sơ đồ quy trình thực rõ ràng mạch lạc Sơ đồ phải bao gồm bước thực đưa tiêu chuẩn để đánh giá kết thu - Bước 1: Xác định quan điểm thiết kế - Bước 2: Lựa chọn phương pháp để phối hợp công suất - Bước 3: Thiết kế, tính tốn hệ thống phối hợp nguồn động lực xe hybrid - Bước 4: Song song với việc thiết kế hệ thống phối hợp bước việc xây dựng chiến lược sử dụng quản lý nguồn động lực - Bước 5: Tính tốn thơng số đặc trưng, xây dựng đường đặc tính nguồn động lực ĐCĐ ĐCĐT - Bước 6: Đưa thơng số tính tốn, chọn lựa vào phần mềm AVL-Cruise để tiến hành mô đưa kết mô - Bước 7: Đánh giá kết chạy mô phần mềm AVLCruise sử dụng điều kiện suất tiêu hao nhiên liệu lượng phát thải ĐCĐT Nếu thỏa mãn chuyển sang bước kế tiếp, cịn khơng thỏa mãn phải quay lại bước bước - Bước 8: Nếu thỏa mãn điều kiện bước đến bước chế tạo sản phẩm theo thông số mô tinh chỉnh phần mềm AVL-Cruise - Bước 9: Cuối đưa sản phẩm thử nghiệm lấy thông số thử nghiệm để kiểm nghiệm lại mơ hình mơ 2.2 Cơ sở tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 2.2.1 Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid a) Trường hợp có ĐCĐ làm việc b) Trường hợp ĐCĐT nạp điện cho ắc quy ĐCĐ làm việc c) Trường hợp có ĐCĐT làm việc d) Trường hợp ĐCĐT ĐCĐ làm việc e) Trường hợp phanh tái sinh 2.2.2 Cơ sở xác định kết cấu phối hợp nguồn động lực xe hybrid 2.2.2.1 Hệ thống phối hợp kiểu kết nối mô men tốc độ a) Hệ phối hợp kiểu kết nối mô men b) Hệ thống phối hợp kiểu kết nối tốc độ c) Hệ phối hợp công suất kiểu hỗn hợp 2.2.2.2 Xác định kết cấu phối hợp công suất - Lựa chọn kiểu kết hợp công suất: + Bộ kết hợp công suất kiểu mô men; + Bộ kết hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ; + Bộ kết hợp công suất kiểu hỗn hợp (nối cứng vi sai tốc độ) 2.2.2.3 Cơ sở tính tốn thiết kế truyền đai 2.2.3 Cơ sở tính tốn nguồn động lực xe hybrid 2.2.3.1 Sơ đồ thiết kế hệ động lực a) Các quy định ban hành tốc độ điều kiện làm việc xe b) Thiết kế hệ động lực hybrid Hình 2.14 Sơ đồ hệ động lực hybrid hỗn hợp Hệ động lực hybrid cần phải đảm bảo yêu cầu sau: - Bộ phối hợp nguồn động lực phải đảm bảo hoạt động ổn định, tin cậy, kết hợp dễ dàng hai nguồn động lực ĐCĐ ĐCĐT - Trong trình làm việc, tốc độ thấp, nguồn động lực từ ĐCĐ hoạt động chính, tốc độ trung bình ĐCĐT hoạt động, cịn tăng tốc leo dốc hai nguồn động lực hoạt động Nguồn ắc quy nạp từ máy phát điện sạc bên 2.2.3.2 Cơ sở tính tốn xác định cơng suất nguồn động lực, ĐCĐT, ĐCĐ, ắc quy a) Tính tốn xác định cơng suất xe Hybrid b) Tính tốn xác định cơng suất ĐCĐ c) Phân chia tỷ lệ cơng suất d) Tính tốn ĐCĐT e) Tính cơng suất hệ động lực (ĐCĐT kết hợp với ĐCĐ) xe làm việc Vmax f) Cơ sở tính tốn thiết kế hệ thống nạp điện cho ắc quy 2.2.4 Chiến lược phối hợp nguồn động lực 2.2.4.1 Chiến lược phối hợp nguồn động lực xe Hybrid a) Các quy tắc Để thỏa mãn yêu cầu hiệu suất, phát thải tính nhịp nhàng việc kết hợp cơng suất ĐCĐ ĐCĐT phải thỏa mãn quy tắc sau: - Quy tắc 1: Ở chế độ khơng có ĐCĐT ĐCĐ hoạt động độc lập - Quy tắc 2: ĐCĐT làm việc vùng công suất tốc độ có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, đặc tính phát thải thấp - Quy tắc 3: ĐCĐT nguồn động lực chính, ĐCĐ nguồn động lực bổ sung, lợi dụng linh hoạt ĐCĐ để bù đắp cho ĐCĐT - Quy tắc 4: Ở chế độ cần công suất cao, ĐCĐ ĐCĐT hoạt động - Quy tắc 5: ĐCĐT sử dụng để chạy máy phát sạc điện cho ắc quy b) Sơ đồ tổng quan chiến lược phối hợp nguồn động lực xe Hybrid 2.2.4.2 Chiến lược sạc ắc quy xe hybrid a) Các quy tắc Chiến lược quản lý việc sạc ắc quy xe hybrid tuân theo quy tắc sau: - Quy tắc 1: ĐCĐT hoạt động để kéo máy phát nhằm sạc ắc quy SOC ắc quy thấp ngưỡng cho phép 10 - Quy tắc 2: Công suất hệ động lực phải đảm bảo sạc ắc quy - Quy tắc 3: Ở chế độ cần cơng suất cao khơng sạc ắc quy để đảm bảo công suất đầu cho xe - Quy tắc 4: Ngưỡng SOC max, tính tốn cho q trình sạc nhanh, tuổi thọ cho ắc quy đảm bảo b) Sơ đồ tổng quan chiến lược sạc ắc quy xe hybrid 2.3 Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Cruise 2.3.1 Phạm vi AVL-Cruise Điểm bật phần mềm AVL-Cruise [41,42]: - Tối ưu hóa thiết kế kết cấu xe (tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu suất xe) - Định nghĩa nhiều loại cấu hình xe hệ thống truyền lực gồm HEV, BEV FCE - Mơ hình hóa loại xe đại (ví dụ: xe điện hybrid, pin nhiên liệu, xe điện) - Phân tích hiệu ứng hệ thống truyền lực xe - Thiết kế hệ quản trị nguồn lượng cho phương tiện - Mơ-đun trình điều khiển thông minh để mô thực tế vận hành xe 2.3.2 Phương pháp tính toán AVL-Cruise [13,41,42] Trong AVL Cruise, mô thực số giải thuật độ lợi (Variable Step Size) để tính tốn tốn Euler, dùng tính tốn mơ hệ xe hybrid Đối với phương pháp VSS bước thời gian mô tối đa đặt 0,05s 2.3.2.1 Các chế độ tính tốn phần mềm AVL Cruise a) Tính tốn trạng thái tĩnh b) Tính tốn bán tĩnh c) Mơ d) Giao diện tính tốn phần mềm 2.3.2.2 Tính tốn cho ĐCĐT a) Chế độ khởi động ĐCĐT b) Chế độ tắt ĐCĐT c) Chế độ không tải d) Chế độ ĐCĐT làm việc e) Tính tốn tiết kiệm nhiên liệu tính tốn phát thải [13,58] 2.3.2.3 Tính tốn cho ĐCĐ 11 a) Khi ĐCĐ hoạt động chế độ đẩy b) Động hoạt động chế độ phanh tái sinh 2.3.2.4 Cơ sở tính tốn ắc quy a) Mơ hình hóa đặc tính lượng ắc quy b) Cơ sở tính tốn trạng thái nạp (SOC) 2.3.3 Tạo chu trình thử phần mềm AVL-Cruise 2.3.4 Các bước thực mô phần mềm AVLCruise - Bước 1: Tạo file cho dự án mô - Bước 2: Tạo mơ hình xe cần mơ phỏng: xe hybrid - Bước 3: Tạo mô đun phận mơ hình - Bước 4: Nhập liệu cho mơ hình - Bước 5: Tạo liên kết thành phần - Bước 6: Tạo thư mục nhiệm vụ, thêm nhiệm vụ để mô - Bước 7: Thiết lập cài đặt mô - Bước 8: Chạy mô - Bước 9: Thu nhận đánh giá kết 2.4 Cơ sở liên kết phần mềm Matlab/Simulink phần mềm AVL-Cruise 2.5 Kết luận Trên sở lý thuyết nguồn động lực mô xe hybrid Chương đưa được: - Sơ đồ bước thực đề tài nghiên cứu đánh giá hệ động lực hybrid - Xây dựng sở lý thuyết cho việc tính tốn nguồn động lực tỷ lệ phân chia cơng suất nguồn động lực xe hybrid - Xây dựng lưu đồ chiến lược điều khiển nguồn động lực, nạp điện ắc quy cho xe hybrid - Xây dựng sở cho nguồn động lực, nạp điện mô AVL- Cruise cho xe hybrid - Xây dựng hàm nhiên liệu tiêu thụ khí thải cho nguồn động lực xe hybrid Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID 3.1 Tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid a) Yêu cầu chung 12 b) Thiết kế kết hợp cơng suất Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế xe hybrid 3.1.2 Tính toán xác định nguồn động lực cho xe hybrid 3.1.2.1 Các chế độ vận hành xe hybrid Chế độ 1, tốc độ tối đa cho phép xe thành phố khu vực đơng dân cư V1= 30 (km/h), có ĐCĐ làm việc Chế độ 2, trường hợp có tốc độ giao động từ V1 đến V2 tức từ 30 đến 40 km/h, chế độ này, có ĐCĐT hoạt động tương ứng V2 = 40 (km/h) Chế độ 3, tốc độ xe chạy khu vực ngoại V3 = 4060 (km/h), xe sử dụng phối hợp hai nguồn động lực Chế độ 4, tốc độ cực đại xe chạy hai nguồn động lực ĐCĐT ĐCĐ, tốc độ Vmax = 6080 km/h 3.1.2.2 Tính tốn xác định cơng suất hệ động lực xe hybrid 3.1.2.3 Tính tốn cơng suất ĐCĐ a) Hiệu điện ĐCĐ b) Lựa chọn máy phát điện 3.1.2.4 Tính tốn xác định cơng suất ĐCĐT 3.1.2.5 Xác định thông số cho ắc quy 3.2 Chiến lược điều khiển nguồn động lực xe hybrid 3.2.1 Chiến lược phối hợp nguồn động lực xe hybrid 13 3.2.1.1 Chọn khoảng tốc độ 3.2.1.2 Xây dựng chiến lược chi tiết phối hợp nguồn động lực Hình 3.4 Sơ đồ chiến lược phối hợp nguồn động lực 3.2.1.3 Chiến lược phân phối nguồn động lực 3.2.2 Chiến lược sạc ắc quy xe hybrid 3.2.2.1 Các cận tình trạng nạp ắc quy 3.2.2.2 Xây dựng chiến lược sạc ắc quy xe hybrid 3.2.2.3 Chiến lược sạc ắc quy xe hybrid 3.2.3 Chiến lược điều khiển chế độ chuyển tiếp xe hybrid 3.2.3.1 Đưa chiến lược điều khiển chế độ chuyển tiếp 3.2.3.2 Chiến lược điều khiển chế độ chuyển tiếp 3.2.4 Chiến lược điều khiển dựa theo mô men 3.2.4.1 Đưa chiến lược điều khiển dựa theo mô men 3.2.4.2 Chiến lược điều khiển theo mô men 3.2.5 Chu trình tắt khởi động ĐCĐT 3.3 Tính toán thiết kế cấu phối hợp hệ động lực 3.3.1 Tính tốn truyền CVT a) Tính tốn dải tỷ số truyền truyền đai b) Tính tốn kích thước puly hộp số 3.3.2 Tính tốn, thiết kế truyền đai truyền động trục CVT trục chính 3.3.3 Tính toán, thiết kế truyền đai truyền động ĐCĐ trục chính 14 3.3.4 Tính toán, thiết kế trục chính 3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid 3.3.5.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chức làm việc khối điều khiển Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử nguồn động lực xe hybrid 3.3.5.2 Khối đo thông số đầu vào a) Bộ xử lí trung tâm – ECU b) Cảm biến vị trí bàn đạp ga c) Cảm biến tốc độ d) Cảm biến vị trí bàn đạp phanh 3.3.6.3 Khối đầu a) Mạch điều khiển ĐCĐT b) Mạch điều khiển nạp ắc quy 3.3.6 Hiệu suất xe hybrid 3.4 Tính tốn mơ hệ động lực xe hybrid phần mềm AVL – Cruise 15 3.4.1 Mơ hình tổng chung xe truyền thống xe hybrid Hình 3.23 Mô xe hybrid dùng đồng tốc kết hợp CVT Hình 3.22 Bố trí chi tiết mơ xe truyền thống 3.4.2 Thông số đầu vào xe hybrid xe truyền thống a) Thông số xe b) Nguồn động lực ĐCĐT c) Nguồn động lực ĐCĐ d) Ắc quy 3.4.3 Chu trình chạy sử dụng chu trình mô xe hybrid xe truyền thống AVL-Cruise 3.4.3.1 Chu trình thử UDC 3.4.3.2 Các chu trình thử với tốc độ không đổi 3.4.4 Kết chạy mô Bảng 3.12 Bảng thống kê kết sau chạy Loại xe STT Hybrid Xe truyền thống Đơn vị 0,0134 0,009 0,0008 0,0027 0,0063 0,89 5,29 0,0534 0,0282 0,0181 0,0008 0,0063 1,87 19,84 kg kg kg kg kg kWh g g Nội dung Tổng tiêu hao nhiên liệu Tổng tiêu hao nhiên liệu không tải Tổng tiêu hao nhiên liệu tăng tốc Tổng tiêu hao nhiên liệu tốc độ không đổi Tổng tiêu hao nhiên liệu giảm tốc Tổng lượng điện tiêu thụ Phát thải NOx Phát thải CO 16 10 Phát thải HC Phát thải CO2 0,23 59,933 0,54 211,29 g g/km 3.4.4.1 Kết đánh giá so sánh tốc độ xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.2 Kết đánh giá so sánh mô men xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.3 Kết đánh giá so sánh công suất xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.4 Kết đánh giá HC xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.5 Kết đánh giá CO xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.6 Kết đánh giá NOx xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.7 Kết đánh giá lượng nhiên liệu tiêu thụ xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.8 Kết đánh giá gia tốc xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.9 Kết đánh giá lực kéo xe truyền thống xe hybrid 3.4.4.10 Kết đánh giá lực cản khơng khí xe truyền thống xe hybrid 3.4.5 Kết chạy mô với chu trình có tốc độ ổn định 3.5 Kết luận Đã tính tốn thiết kế hệ động lực cho xe hybrid chỗ ngồi có cơng suất P = 8,7kW, đạt tốc độ tối đa Vmax = 80 km/h, gồm: Sử dụng phương án phối hợp kiểu hỗn hợp theo phương pháp đồng tốc độ kết hợp với CVT đảm bảo: ĐCĐ làm việc chế độ không tải tốc độ thấp V1 = 40km/h; ĐCĐT làm việc V2 = 40÷60 km/h; hai nguồn động lực ĐCĐ ĐCĐT làm việc Vmax = 80 km/h đồng tốc độ mômen phối hợp công suất ĐCĐT với ĐCĐ chế độ tốc độ cao; máy phát làm việc ĐCĐT không làm việc chế độ tăng tốc tốc độ cao Tính tốn nguồn động lực, ĐCĐT với công suất PĐCĐT = 5,7 kW, ĐCĐ với công suất PĐCĐ = kW, Máy phát P = 1,5 kW ắc quy U = 48V (4 bình ắc quy 12 V) 17 Tính tốn xây dựng chiến lược viết chương trình điều khiển phối hợp nguồn động lực phanh tái sinh xe hybrid, với chế độ: Khởi động tắt ĐCĐT, không tải, tốc độ ổn định, tăng tốc, giảm tốc phanh tái sinh Tính tốn thiết kế điều khiển hệ động lực xe hybrid: điều khiển trung tâm, điều khiển ĐCĐT, nạp ắc quy Xây dựng mơ hình tiến hành mơ hệ động lực xe hybrid phần mềm AVL-Cruise, thực chạy mơ theo chu trình thử UDC chu trình có tốc độ xe khơng đổi, kết mơ theo chu trình UDC cho thấy: - Suất tiêu hao nhiên liệu xe hybrid giảm 38,68% so với xe thông thường (với xe hybrid 3,71 (lít/km), cịn xe truyền thống 6,05 lít/km) - Các thành phần khí thải xe hybrid giảm so với xe truyền thống 52,41% với NOx, 73,34% với CO 57,41% với HC Chương 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 4.1 Mục tiêu phạm vi thử nghiệm 4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm Quá trình thử nghiệm phối hợp băng thử mục đích đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải ĐCĐT sau đưa vào nguồn ĐCĐT xe hybrid Kết thử nghiệm so sánh với ĐCĐT nguyên ĐCĐT phối nguồn xe hybrid phần mềm AVL - Cruise, để từ khẳng định lại tính xác mơ hình mơ 4.1.2 Đối tượng phạm vi thử nghiệm Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm xây dựng đặc tính động xăng Piaggio 150cc nguyên làm sở phân tích đối chứng sau phối hợp nguồn động lực Ngoài ra, số liệu sở sử dụng làm thơng số đầu vào cho tốn mô phần mềm AVL-Cruise Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ phối hợp nguồn động lực phù hợp lắp băng thử Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải - Viện Cơ khí động lực – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để đánh giá lại ĐCĐT đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải hệ động lực 18 Các thông số làm việc ĐCĐ ĐCĐT thông số chung hệ động lực đo đạc xác định thiết bị chuyên dụng Thử nghiệm khảo sát tiêu kinh tế, lượng phát thải nguồn động lực xe hybrid 4.2 Nội dung thử nghiệm Mô hình hệ thống phối hợp nguồn động lực ĐCĐ ĐCĐT thiết kế sở phương án phối hợp kiểu nối tiếp – song song Hệ thống gồm ĐCĐT ĐCĐ, máy phát sạc điện cho ắc quy Thành phần khí thải HC, CO, NOx lượng CO2 đo đạc đánh giá để làm rõ lợi ích mặt phát thải hệ thống hybrid 4.3 Trang thiết bị thử nghiệm - Băng thử phanh kiểu dịng điện xốy - Thiết bị phân tích khí thải - Thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S - Thiết bị đo tiêu thụ dịng điện 4.3.1 Lắp đặt mơ hình lên băng thử 4.3.2 Băng thử phanh kiểu dịng điện xốy 4.3.3 Thiết bị phân tích khí thải 4.3.4 Thiết bị đo tiêu hao hiên liệu 4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ 4.3.6 Nhiên liệu thử nghiệm 4.3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm Hình 4.12 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 19 4.3.8 Chế độ thử nghiệm Nghiên cứu thử nghiệm thực theo phương pháp đối chứng trường hợp: chạy độc lập ĐCĐT, độc lập ĐCĐ phối hợp ĐCĐT-ĐCĐ Trong đó, trường hợp chạy phối hợp, ĐCĐ cung cấp lượng để thay 30%, 50% 70% công suất ĐCĐT Quá trình thử nghiệm thực hai đường đặc tính: (i) Đặc tính tốc độ: tốc độ ĐCĐT thay đổi khoảng làm việc từ 1000 v/ph đến 7000 v/ph, tương ứng tốc độ phanh từ 150 đến 1200 v/ph (ii) Đặc tính tải tốc độ ĐCĐT 7000, 6000 4000 v/ph mô men phanh điều chỉnh mức từ 1, 3, 7, 12Nm Mỗi điểm đo thực lần, kết trung bình cộng lần đo Phụ tải thay đổi thông qua điều khiển lực phanh cách điều chỉnh điện áp cấp vào cuộn dây phanh Các thông số đo đạc bao gồm: mức tiêu thụ nhiên liệu xăng, dòng điện tiêu thụ chế độ phối hợp chạy độc lập ĐCĐ, tốc độ ĐCĐT, tốc độ băng thử, mô men phanh thành phần phát thải CO, CO2, HC NOx 4.4 Kết thử nghiệm thảo luận 4.4.1 Đánh giá tính kinh tế lượng Hình 4.14 thể kết so sánh tiêu hao lượng chế độ tốc độ khác Tại tốc độ động ổn định 7000 v/ph thay đổi lực phanh, cắt giảm mô men ĐCĐT 30%, 50% 70% đồng thời bổ sung lượng qua ĐCĐ thiêu thụ lượng có xu hướng giảm 3,34%, 13,18% 21,53% Tương tự, tốc độ làm việc khác, mức tiêu hao lượng hoạt động chế độ phối hợp có xu hướng giảm Cụ thể, 6000 v/ph, tiêu hao lượng giảm 1,38%, 9,8% 35,88%; 4000 v/ph, giá trị tăng 23,45%, 14,08% 2,43% 20 Hình 4.14 So sánh đặc tính tiêu hao lượng chế độ tốc độ khác a) nđcđt = 4000 v/ph; b) nđcđt = 6000 v/ph; c) nđcđt = 7000 v/ph 4.4.2 Đánh giá thành phần khí thải động a) Phát thải CO Tại tốc độ 7000 v/ph, phát thải CO giảm trung bình 64,07%, 70,51% 81,04% ĐCĐ cung cấp 30%, 50% 70% cho nguồn động lực chung Tại tốc độ 4000 v/ph, phát thải CO giảm trung bình từ 33,2%, 57%và 79,1% Tại tốc độ 6000 v/ph, phát thải CO giảm 6,1%, 21,8% 64,5% phối hợp hai nguồn động lực b) Phát thải HC Tại tốc độ 7000 v/ph, phát thải HC có xu hướng giảm mạnh hệ thống hoạt động chế độ phối hợp HC giảm 29,7%, 42,4% 59,1% ĐCĐ đóng góp 30%, 50% 70% nguồn lực Trong đó, vùng tốc độ thấp hơn, 6000 v/ph 4000 v/ph phát thải HC có xu hướng giảm Cụ thể, HC giảm 23,3%, 33,8% 64,7% tốc độ 6000 v/ph 10,8%, 31,2% 53,3% tốc độ 4000 v/ph c) Phát thải NOx Khi ĐCĐ đóng góp 30% cơng suất cho hệ thống phát thải NOx có giảm chút so với trường hợp sử dụng nguồn động lực 21 ĐCĐT, 21,2%, 36,1% 45,3% Tuy nhiên, ĐCĐ đóng góp phần lượng lớn vào hệ thống, 50% 70% thành phần NOx có xu hướng giảm ĐCĐT làm việc vùng tải nhỏ Tại tốc độ 7000 v/ph, NOx giảm 43,3%, 69,5% ứng với tỷ lệ phân phối công suất ĐCĐ 50% 70% Tại tốc độ 6000 v/ph 4000 v/ph giá trị 33% 54,4% 36,1% 45,3% 4.5 So sánh kết mô thử nghiệm 4.5.1 Các cơng thức tính tốn thực nghiệm 4.5.2 So sánh kết thực nghiệm mô Tổng hợp lại ta thấy sai lệch mô AVL - Cruise thử nghiệm không lớn nằm mức chấp nhận Do đó, nói mơ hình xây dựng có độ tin cậy cao 4.6 Kết luận Từ nội dung thực Chương rút số kết luận sau: - Đã lắp đặt mơ hình băng thử đấu nối với thiết bị đo kiểm thực đo kiểm - Thử nghiệm chứng minh tính đắn sở lý thuyết Chương mơ hình mô Chương - Hệ thống động lực thiết kế chế tạo ổn định hoạt động kết hợp hai nguồn động lực hoạt động riêng lẻ nguồn động lực - Khi hoạt động tốc độ thấp nguồn lượng điện sử dụng việc phát thải ô nhiễm khơng có, sử dụng ĐCĐT mức phát thải giảm đáng kể so với chạy nguồn lượng ĐCĐT cho xe truyền thống - Kết thử nghiệm cho thấy chế độ đo kiểm ĐCĐT xe truyền thống ĐCĐT xe hybrid tương đối khác mức độ tiêu thụ nhiên liệu, phát thải công suất - Từ kết thử nghiệm, ta thấy lượng phát thải xe hybrid giảm đáng kể ĐCĐ hỗ trợ nguồn động lực ĐCĐT với NOx giảm từ 16,1% đến 63,3%, HC giảm từ 3% đến 66,9%, CO giảm từ 30,6% đến tối đa 85,3% chế độ phối hợp khác ĐCĐT ĐCĐ so với xe truyền thống - Lượng tiêu hao lượng xe hybrid giảm so với xe truyền thống từ 3,3% đến 38,6% so với xe truyền thống 22 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Qua nội dung trình bày, phân tích đánh giá xuyên suốt toàn nội dung luận án đồng thời qua trình nghiên cứu đánh giá mô phỏng, lý thuyết thử nghiệm ta đến kết luận sau: (1) Nghiên cứu phát triển dòng xe hybrid theo hướng tối ưu quãng đường phát thải hướng đắn có nhiều triển vọng thời gian tới (2) Có nhiều phương pháp kết hợp nguồn động lực để tạo hiệu suất cao giảm phát thải gây nhiễm mơi trường, NCS sử dụng phương pháp phối hợp hỗn hợp để phối hợp nguồn động lực ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy, phương pháp hiệu quả, có nhiều ưu điểm trội chứng minh thực tế (3) Việc chế tạo công nghệ nước xe hybrid chỗ ngồi tốc độ tối đa 80 km/h hoàn toàn khả thi cách phối hợp ĐCĐ chiều công suất kW ĐCĐT công suất 5,7 kW Cơ sở tính tốn phối hợp nguồn động lực trình bày Chương làm tiền đề cho nghiên cứu xe hybrid sau (4) Sử dụng thành cơng phần mềm AVL-Cruise tính tốn mơ động học, động lực học tính kinh tế, kỹ thuật phát thải xe hybrid theo chu trình thử Những kết nghiên cứu sau xem đóng góp thực tiễn luận án: Luận án xác định vùng làm việc thường xuyên tối ưu động xăng xe hybrid mà có tiêu hao nhiên liệu phát thải thấp Luận án xây dựng lưu đồ thực luận án lưu đồ chiến lược điều khiển nguồn động lực, nạp điện ắc quy cho xe hybrid, lưu đồ điều khiển xe hybrid theo độ biến thiên tốc độ độ biến thiên mơ men góp phần nâng cao hiệu khai thác sử dụng nguồn động lực xe hybrid Luận án tiến hành tính toán nguồn lượng cho ĐCĐT ĐCĐ để xe làm việc cách hiệu Luận án chế tạo thành công phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid cỡ nhỏ tiến hành chạy thực nghiệm Luận án xây dựng mô đun mơ thực nghiệm tối ưu hóa độ lớn nguồn lượng phần mềm AVL-Cruise 23 (5) Xe hybrid lắp đặt hệ động lực thiết kế có ưu điểm vượt trội mặt phát thải, kinh tế nhiên liệu: Từ kết thử nghiệm, ta thấy lượng phát thải xe hybrid giảm đáng kể ĐCĐ hỗ trợ nguồn động lực ĐCĐT với NOx giảm từ 16,1% đến 63,3%, HC giảm từ 3% đến 66,9%, CO giảm từ 30,6% đến tối đa 85,3% chế độ phối hợp khác ĐCĐT ĐCĐ so với xe truyền thống Lượng tiêu hao lượng xe hybrid giảm so với xe truyền thống từ 3,3% đến 38,6% (6) Hệ thống động lực sử dụng CVT kết hợp với khớp chiều cho phép kết hợp hai nguồn động lực, phân chia cơng suất hợp lí nguồn động lực ĐCĐ ĐCĐT Xe hybrid phối hợp theo kiểu hỗn hợp thiết kế chế tạo luận án hồn tồn nghiên cứu phát triển thêm để đưa vào ứng dụng sản xuất ô tô hybrid cỡ nhỏ Việt Nam Tuy vậy, kết nghiên cứu chưa thực mong muốn NCS, nhiều điểm hạn chế, lớn việc dừng mức chạy thử nghiệm phịng thí nghiệm chưa chạy điều kiện vận hành thực tế đường Trong tương lai, NCS mong muốn tiếp tục phát triển hồn thiện nghiên cứu để đưa sản phẩm xe hybrid cỡ nhỏ vào sản xuất hàng loạt Việt Nam HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nội dung nghiên cứu trình bày luận án tiếp tục phát triển hoàn thiện theo hướng sau đây: (1) Ứng dụng công nghệ điện tử vào lập trình giải tốn chiến lược điều khiển hệ động lực hybrid cách tối ưu (2) Tiến hành chạy thử nghiệm xe hybrid đường thực tế nhằm mục đích kiểm định kết mơ thực nghiệm trình bày luận án tinh chỉnh phần mềm AVL-Cruise phục vụ mô thực nghiệm nội dung nghiên cứu liên quan sau (3) Nâng cao hiệu việc sử dụng phanh tái sinh để sạc điện ắc quy (4) Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ truyền động, giảm tổn thất giới 24 ... PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID 3.1 Tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid a) Yêu cầu chung 12 b) Thiết kế kết hợp cơng suất Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế. .. quan vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid - Chương 3: Tính tốn thiết kế mơ hệ động lực xe hybrid - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm - Kết luận chung... sở tính tốn thiết kế truyền đai 2.2.3 Cơ sở tính tốn nguồn động lực xe hybrid 2.2.3.1 Sơ đồ thiết kế hệ động lực a) Các quy định ban hành tốc độ điều kiện làm việc xe b) Thiết kế hệ động lực