Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  TRẦN VĂN ĐĂNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID Ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số : 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS KHỔNG VŨ QUẢNG TS TRẦN ĐĂNG QUỐC HÀ NỘI - 2022 LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực Bộ môn Động đốt cho phép thực đề tài nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phòng Đào tạo Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng TS Trần Đăng Quốc hướng dẫn tơi tận tình chu tơi thực hồn thành luận án Tơi xin trân trọng biết ơn Thầy, Cô Bộ môn Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực Thầy, Cô Khoa hậu thuẫn động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy, Cô phản biện, Thầy, Cô hội đồng đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận án Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tham gia nghiên cứu thực nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Trần Văn Đăng MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu Danh mục biểu bảng Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan phương tiện giao thông ô nhiễm môi trường 1.2 Nguồn động lực thay ĐCĐT… 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 1.5 Các thành phần 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 1.7 Nghiên cứu nước 1.8 Nghiên cứu nước 1.9 Các dòng xe hybrid thị trường 1.10 Phương pháp tiếp cận đề tài 24 1.11 Kết luận 25 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID 26 2.1 Quan điểm quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid 26 2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid 26 2.1.2 Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 27 2.2 Cơ sở tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 29 2.2.1 Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid 29 2.2.2 Cơ sở xác định kết cấu phối hợp nguồn động lực xe hybrid 31 2.2.3 Cơ sở tính toán nguồn động lực xe hybrid 38 2.2.4 Chiến lược phối hợp nguồn động lực 46 2.3 Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Cruise 50 2.3.1 Phạm vi AVL – Cruise 50 2.3.2 Phương pháp tính tốn AVL – Cruise… 51 2.3.3 Tạo chu trình thử phần mềm AVL-Cruise… 62 2.3.4 Các bước thực mô phần mềm AVL-Cruise… .63 2.4 Cơ sở liên kết phần mềm Matlab/Simulink phần mềm AVLCruise… 64 2.5 Kết luận 64 Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC 65 XE HYBRID 3.1 Tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 65 3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid 65 3.1.2 Tính tốn xác định nguồn động lực cho xe hybrid 66 3.2 Chiến lược điều khiển nguồn động lực xe hybrid 72 3.2.1 Chiến lược phối hợp nguồn động lực xe hybrid 72 3.2.2 Chiến lược sạc ắc quy xe hybrid 75 3.2.3 Chiến lược điều khiển chế độ chuyển tiếp xe hybrid 78 3.2.4 Chiến lược điều khiển dựa theo mô men 81 3.2.5 Chu trình tắt khởi động ĐCĐT 83 3.3 Tính tốn thiết kế cấu phối hợp hệ động lực 3.3.1 Tính tốn truyền CVT 85 85 3.3.2 Tính tốn, thiết kế truyền đai truyền động trục CVT trục 88 3.3.3 Tính tốn, thiết kế truyền đai truyền động ĐCĐ trục 90 3.3.4 Tính tốn, thiết kế trục 91 3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid 92 3.3.6 Hiệu suất xe hybrid 97 3.4 Tính tốn mơ hệ động lực xe hybrid phần mềm AVL – Cruise 99 3.4.1 Mơ hình tổng chung xe truyền thống xe hybrid 99 3.4.2 Thông số đầu vào xe hybrid xe truyền thống 100 3.4.3 Chu trình chạy sử dụng chu trình mơ xe hybrid xe truyền thống AVL-Cruise 103 3.4.4 Kết chạy mô theo chu trình UDC 104 3.4.5 Kết chạy mơ với chu trình có tốc độ ổn định 117 3.5 Kết luận 118 Chương 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 119 4.1 Mục tiêu phạm vi thử nghiệm 119 4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm 119 4.1.2 Đối tượng phạm vi thử nghiệm 119 4.2 Nội dung thử nghiệm 119 4.3 Trang thiết bị thử nghiệm 120 4.3.1 Lắp đặt mơ hình lên băng thử 120 4.3.2 Băng thử phanh kiểu dịng điện xốy 121 4.3.3 Thiết bị phân tích khí thải 122 4.3.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 124 4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ 125 4.3.6 Nhiên liệu thử nghiệm 125 4.3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm 126 4.3.8 Chế độ thử nghiệm 127 4.4 Kết thử nghiệm thảo luận 127 4.4.1 Đánh giá tính kinh tế lượng 127 4.4.2 Đánh giá thành phần khí thải động 129 4.5 So sánh kết mô thử nghiệm 135 4.5.1 Các cơng thức tính tốn thử nghiệm 135 4.5.2 So sánh kết thử nghiệm mô 136 4.6 Kết luận 141 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ……………………………… Danh mục cơng trình cơng bố Tài liệu tham khảo Phụ lục 142 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 trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch, phương tiện giao thơng (PTGT) sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngun nhân gây ô nhiễm môi trường [2,3], đặc biệt đô thị Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch giảm nhiễm mơi trường khí thải ĐCĐT áp lực rất lớn nhà thiết kế chế tạo xe giới 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 tấm 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 mơi 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, máy bay trang bị động phản lực để bay ĐCĐ để di chuyển đường băng, tàu ngầm điện - diesel trang bị ĐCĐ để chạy tàu lặn động diesel để chạy tàu mặt nước 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 ô tô 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 công nghệ chế tạo khí, điện - điện tử, thơng tin,… xem yếu tố quan trọng góp phần làm nên thành công 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 có số cơng trình nghiên cứu hoán cải mẫu xe sử dụng phổ biến Việt Nam nghiên cứu thiết kế cụm chi tiết thiết bị đươc đánh giá cao tính ứng dụng 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 cịn bí số hãng chế tạo xe hybrid hàng đầu giới Với mục đích nghiên cứu lý thuyết thực tiễn nhằm xây dựng quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực cho xe hybrid mô hoạt động xe hybrid để đánh giá mức độ tin cậy việc thiết kế chế tạo hệ động lực làm sở cho nghiên cứu phát triển công nghệ xe hybrid Do vậy, đề tài “Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybird” góp phần bổ sung kiến thức công nghệ liên quan đến lĩnh vực xe hybrid Việt Nam ii Mục tiêu đề tài - 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 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 toán thiết kế, chế tạo hệ động lực xe hybrid 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 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 - Đã thành cơng 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 nhiễm mơi 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 - Chương1: 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 mô hệ động lực xe hybrid - Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm - Kết luận chung hướng phát triển Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan phương tiện giao thông nhiễm mơi trường Ơ nhiễm mơi trường trở thành vấn đề không quốc gia, khu vực mà mối quan tâm chung tồn nhân loại Q trình phát triển kinh tế xã hội quốc gia giới gây ảnh hưởng nặng nề đến môi trường Nó làm cho mơi trường sống lồi người bị biến đổi ngày xuống cấp Đó biến đổi khí hậu - nóng lên tồn cầu, suy giảm tầng ơzơn mưa axít,…và đặc biệt nhiễm khơng khí hoạt động giao thơng vận tải gây Hình 1.1 Phương tiện tham gia giao thông thành phố lớn Việt Nam Ở Việt Nam, nhiễm khơng khí địa bàn đô thị lớn trở thành vấn đề cấp bách Sự ô nhiễm xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, gia tăng số lượng phương tiện tham gia giao thông thành phố lớn thể Hình 1.1 coi nguyên nhân chính, mức độ nhiễm khơng khí tỷ lệ thuận với số lượng phương tiện tham gia giao thông Theo số liệu Cục Đăng kiểm Việt Nam, năm 2020 toàn quốc có 41.941.332 phương tiện (4.180.478 xe tơ, 37.760.854 xe mơ tơ, 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 tơ (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 thông đăng ký mới, tức ngày có 1.000 phương tiện đăng ký [7] Cịn theo phịng CSGT Hà Nội, tính đến Q 1/2019, CSGT Hà Nội phải quản lý 6.649.596 phương tiện Trong có 739.731 ô tô, 5.761.436 xe máy xe máy điện 148.429 Đánh giá tổng hợp 2014 - 2019 cho thấy, năm 2017, số Phụ lục 3.13 Mơ hình điều khiển Matlab/Simulink Hình 12 Hình 13 Bảng 3.14 Kết mô xe truyền thống Thời gian 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 Bảng 3.15 Kết mô xe hybrid Thời gian 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 22 Phụ lục 4.1 Kết thử nghiệm Tại 4000 v/ph, có ĐCĐT hoạt động: TT nđcđt 4000 4000 4000 4000 4000 TT nđcđt 4000 4000 4000 4000 4000 TT nđcđt 4000 4000 4000 4000 4000 (V/ph) Tại 4000 v/ph + 30%ĐCĐ: (V/ph) Tại 4000 v/ph + 50% ĐCĐ: (V/ph) Tại 4000 v/ph + 70% ĐCĐ: TT nđcđt 4000 4000 4000 4000 4000 (V/ph) 23 Tại 6000 v/ph, có ĐCĐT hoạt động: TT Tại 6000 v/ph + 30% ĐCĐ: TT Tại 6000 v/ph +50% ĐCĐ: TT Tại 6000 v/ph +70% ĐCĐ: TT 24 Tại 7000 v/ph, có ĐCĐT hoạt động: TT Tại 7000 v/ph+ 30%ĐCĐ TT Tại 7000 v/ph + 50% ĐCĐ: TT Tại 7000 v/ph + 70% ĐCĐ: TT 25 Phụ lục 5.1: Một số hình ảnh thử nghiệm Hình ảnh cố định mơ hình vào băng thử Hình ảnh chạy thử mơ hình 26 ... trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 26 2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid 26 2.1.2 Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid 27 2.2 Cơ sở tính. .. quan vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid - Chương 3: Tính tốn thiết kế mơ hệ động lực xe hybrid - Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm - Kết luận chung... quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực cho xe hybrid mô hoạt động xe hybrid để đánh giá mức độ tin cậy việc thiết kế chế tạo hệ động lực làm sở cho nghiên cứu phát triển công nghệ xe hybrid