Hcmute nghiên cứu và chọn lựa phương án tích hợp công nghệ hybrid cho xe gắn máy với mô tơ điện đặt tại bánh sau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ CHỌN LỰA PHƯƠNG ÁN TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ HYBRID CHO XE GẮN MÁY VỚI MÔ-TƠ ĐIỆN ĐẶT TẠI BÁNH SAU MÃ SỐ: T2018-26TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU VÀ CHỌN LỰA PHƯƠNG ÁN TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ HYBRID CHO XE GẮN MÁY VỚI MÔ-TƠ ĐIỆN ĐẶT TẠI BÁNH SAU Mã số: T2018-26TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG TP HCM, 04/2019 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU VÀ CHỌN LỰA PHƯƠNG ÁN TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ HYBRID CHO XE GẮN MÁY VỚI MÔ-TƠ ĐIỆN ĐẶT TẠI BÁNH SAU Mã số: T2018-26TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG TP HCM, 04/2019 Luan van MỤC LỤC Danh mục hình Danh mục bảng Danh mục ký hiệu Thông tin kết nghiên cứu Chương TỔNG QUAN 1.1 Tình hình mơi trường giao thông 1.2 Các kết nghiên cứu liên quan 13 1.3 Tính cấp thiết đề tài 18 1.4 Mục tiêu đề tài 16 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 20 1.6 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 20 1.7 Nội dung nghiên cứu 21 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 2.1 Khái niệm xe lai 22 2.2 Phân loại xe lai 23 2.3 Hệ thống lưu trữ lượng xe hybrid xăng – điện 27 2.4 Hệ thống truyền lực xe Honda Wave 110cc 35 Chương THIẾT KẾ VÀ CẢI TẠO TRUYỀN ĐỘNG LAI 40 3.1 Chọn lựa dòng xe để cải tạo 40 3.2 Các thông số xe Honda Wave 42 3.3 Các cấu hình truyền động lai xe máy 43 3.4 Xác định công suất động điện 45 3.5 Xây dựng đặc tính động nhiệt 48 3.6 Xây dựng đồ đặc tính động điện 52 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55 4.1 Xác định cụm chi tiết cần cải tảo 55 4.2 Chọn lựa hệ thống lưu trữ lượng 55 4.3 Động điện BLDC 58 4.4 Bộ điều khiển động điện cho xe lai 63 4.5 Các trường hợp thử nghiệm 64 4.6 Kết luận 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Luan van DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Số lượng xe máy/ 1.000 dân thành phố Việt Nam năm 2006 … 10 Hình 1.2: Tình hình kẹt xe Hà Nội TP.HCM 10 Hình 1.3: Thống kê điểm kẹt xe Tp.HCM Hà Nội 11 Hình 1.4: Gia tăng dân số TPHCM Hà Nội 11 Hình 1.5: Tốc độ tăng trưởng phương tiện TPHCM Hà Nội 11 Hình 1.6: Số liệu so sánh phương tiện cá nhân TPHCM Và Hà Nội 12 Hình 1.7: Diện tích đất dành cho giao thông TPHCM Hà Nội 12 Hình 1.8: Tỉ lệ phát thải loại phương tiện giao thông Việt Nam 13 Hình 2.1: Hệ thống hybrid nối tiếp 24 Hình 2.2: Hệ thống hybrid song song 25 Hình 2.3: Hệ thống hybrid hỗn hợp 26 Hình 2.4: Hệ thống tuyền động hybrid plug-in hỗn hợp 27 Hình 2.5: Mặt cắt ngang pin Li-ion trụ 32 Hình 2.6: Phần đầu điện cực pin Li-ion lăng trụ phẳng 32 Hình 2.7: BLDC Motor Honda Civic Hybrid 32 Hình 2.8: Các thành phần động BLDC 35 Hình 2.9: Hệ thống truyền động xe máy 35 Hình 2.10: Cấu tạo ly hợp xe gắn máy 37 Hình 2.11: Cấu tạo hộp số xe gắn máy 38 Hình 2.12: Bộ truyền xích xe gắn máy 39 Hình 3.1: Mẫu xe Honda Wave lựa chọn cho nghiên cứu 41 Hình 3.2: Các cấu hình truyền động lai cho xe máy 43 Hình 3.3: Dịng truyền cơng suất động xăng 44 Hình 3.4: Dịng truyền cơng suất động BLDC 44 Hình 3.5: Động điện BLDC dùng cho xe thực nghiệm 45 Hình 3.6: Kích thước động điện BLDC loại đặt phía sau 46 Hình 3.7: Động điện BLDC 46 Hình 3.8: Vị trí lắp động điện xe lai 47 Hình 3.9: Đồ thị đặc tính ngồi động nhiệt 50 Hình 3.10: Đồ thị lực kéo tay số dải tốc độ 54 Hình 4.1: Vị trí lắp thiết bị động điện xe 55 Hình 4.2: Khối Pin Lithium 55 Luan van Hình 4.3: Động điện BLDC chưa cải tạo 60 Hình 4.4: Động điện BLDC cải tạo 60 Hình 4.5: Hình 4.5: a) Gấp chưa cải tạo b) Gấp cải tạo 61 Hình 4.6: Cải tạo lại bánh sau có thêm động điện 62 Hình 4.7: Tay ga điều khiển động 63 Hình 4.8: Xe lai sau cải tạo từ xe Honda Wave 100cc 63 Hình 4.9: Sơ đồ khối điều khiển động BLDC 64 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý đường truyền công suất xe lai 64 Hình 4.11: So sánh chi phí vận hành sử dụng xăng điện 67 Hình 4.12: So sánh chi phí vận hành quãng đường 47 km 68 Hình 4.13: Thử nghiệm xe chạy chế độ động điện 68 Hình 4.14: Thử nghiệm xe chạy chế độ động điện 70 Luan van DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 So sánh loại accu sử dụng cho xe hybrid 29 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật ly hợp 36 Bảng 3.1 Bảng thông số xe gắn máy Honda Wave Alpha 42 Bảng 3.2 Khối lượng phân bố xe thiết kế 48 Bảng 3.2 Bảng giá trị mômen xoắn công suất động nhiệt 49 Bảng 3.3 Bảng giá trị lực kéo(Fk)và vận tốc (V) động nhiệt 51 Bảng 3.4 Bảng giá trị α mô men xoắn theo giá trị thay đổi ωđ 53 Bảng 4.1 Mơ tả vùng làm việc an tồn số loại pin 56 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật pin xe đạp điện HKBIKE 56 Bảng 4.3 Quãng đường sử dụng Pin Lithium 56 Bảng 4.4 So sánh chi phí vận hành sử dụng xăng điện 57 Bảng 4.5 Đo công suất động điện DC 69 Luan van DANH MỤC KÝ HIỆU Af Diện tích cản gió (m2) α Góc dốc (rad) ρ Khối lượng riêng khơng khí (kg/m3) Cx Hệ số cản khí động học fc Hệ số cản lăn Fi Lực cản leo dốc (N) Ff Lực cản lăn (N) Fw Lực cản gió (N) Fj Lực cản tăng tốc (N) Fk Lực kéo bánh xe chủ động (N) Fd Lực kéo dư (N) g Gia tốc trọng trường (m/s2) γ Trọng số độ chênh lệch SOC hàm chi phí tức thời gfuel Lượng nhiên liệu tiêu hao đơn vị thời gian (g/s) Gfuel Tổng lượng nhiên liệu tiêu hao (g) i Dòng điện (A) ih Tỉ số truyền hộp số Jmotor Moment quán tính motor (kg.m2) k1, k2 Hằng số chia công suất Me Mô-men xoắn động (N.m) Mm Mô-men xoắn động điện (N.m) m Khối lượng xe người lái (kg) Ne Công suất động (kW) Nemax Cơng suất có ích cực đại động (kW) ne Tốc độ quay trục khuỷu (v/ph) Luan van hbat Hệ số Coulombic ắc quy hp Hiệu suất truyền động Pc Công suất động điện Pbrake Công suất phanh (W) Pcharge Cơng suất nạp ắc quy (W) cấu hình xe máy lai có chế độ sạc Pdemand Cơng suất kéo yêu cầu (W) Pe Công suất kéo phân phối bánh sau (W) Peff_min Giới hạn công suất vùng hiệu suất cao động đốt (W) Peff_max Giới hạn công suất vùng hiệu suất cao động đốt (W) Pelec Công suất điện yêu cầu ắc quy (W) Qi Dung lượng ắc quy chế độ dịng phóng i (Ah) r Điện trở ắc quy (Ω) SOC0 Giá trị SOC thời điểm ban đầu SOCmin Giới hạn SOC cho phép SOCmax Giới hạn SOC cho phép t Thời gian (s) θth Độ mở bướm ga (%) Te Moment xoắn động (Nm) Te min, Te max Giới hạn moment xoắn động (Nm) Tin1, Tin2 Moment hai đầu vào chia công suất (Nm) Tk Moment kéo bánh sau (Nm) Tloss Moment tổn thất motor điện (Nm) Tm Moment xoắn motor điện (Nm) Tm_demand Moment xoắn yêu cầu bánh trước (Nm) Tm_min, Tm_max Moment xoắn cực tiêu cực đại motor (Nm) Luan van Tout _ CVT Moment cản pulley bị động hộp số CVT Tout Moment đầu chia cơng suất (Nm) u Vector tín hiệu điều khiển UHV Điện áp đặt vào hai đầu motor (V) UOC Điện áp hở mạch hai đầu ắc quy (V) Ur Sụt áp điện trở ắc quy (V) V Vận tốc đạt xe (m/s) ωe Tốc độ động (rad/s) ωe min, ωe max Giới hạn hoạt động tốc động động (rad/s) ωm Tốc độ motor điện (rad/s) AC Alternating Current DC Direct Current BLDC BrushLess DC BEMF Back Electromotive Force BSFC Brake Specific Fuel Consumption CVT Continuously Variable Transmission ESS Energy Storage System EV Electric Vehicle HEM Hybrid Electric Motorcycle HEV Hybrid Electric Vehicle ICE Internal Combusion Engine PHEV Plug – in Hybrid Electric Vehicle SOC State Of Charge THS Toyota Hybrid System Luan van 1kW/giờ điện có giá bán 2.136 đồng giá điện cho lần sạc đầy: 1.53 x 1.858 = 2.843 VND Các bước thử nghiệm: Chống xe chân chống Ngắt tín hiệu báo phanh khỏi điều khiển Đạp phanh chân giữ bánh xe sau đứng yên Kẹp Amp kềm vào dây dương động điện Bật công tắc kích hoạt cho động điện hoạt động Kéo tay ga lên vị trí cao So sánh kết thử nghiệm Xăng E5 RON92: 18.932 đ/lít, xe chạy 47km/lít xăng Điện: 1.800 VNĐ/kW, thời gian sạc 3,5 giờ, tiêu thụ 1,5 kW điện, xe chạy quảng đường 19 km/lần nạp Biểu đồ so sánh chi phí xe chạy với quãng đường 47 km Hình 4.13: So sánh chi phí vận hành Bảng 4.11 So sánh chi phí vận hành sử dụng xăng điện Quãng đường 47km Chạy động đốt (lít) 18.932VND (E5 RON92) 100% Chạy động điện 3,784 (kW) 6812,53 VND (1800/kW) 36% Chi phí tiết kiệm 64% 67 Luan van Hình 4.12: So sánh chi phí vận hành qng đường 47 km Bảng 4.3 Tiêu hao nhiên liệu 47 km 28km chạy xăng 0.595 (lít) 19km chạy động điện 59,57% 1.5 (kW) 40,4% Chi phí tiết kiệm 26,16% Theo bảng 4.3, 47km xe lai chạy kết hợp motor điện động đốt tiết kiệm chi phí 26,16% 4.5.5 Chế độ hoạt động có động điện Hình 4.13: Thử nghiệm xe chạy chế độ động điện Trong chế độ động đốt không hoạt động, hộp số phải đặt ví trí số N Và Pin Lithium-ion nguồn lượng cung cấp cho động điện hoạt động Chế độ động đốt khơng hoạt động nên khơng phát khí thải, động điện đạt tốc độ 30km/h chế độ phù hợp chạy môi trường đô thị nội thành 68 Luan van Kết thử nghiệm Từ giá trị đo thơng qua q trình thử nghiệm ta có thơng số với bảng thông số sau: Bảng 4.5: Đo công suất động điện DC Tốc độ (km/h) Dòng điện (A) Điện áp (V) Công suất P (W) 10 2.7 38.3 102.6 20 3.7 47.8 176.86 30 4.6 49.5 227.7 45 6.8 56.9 386.92 Từ bảng 4.4 ta thấy cho xe chạy tốc độ 45km/h hệ thống cần cung cấp dòng điện 6.8A, điện áp 56.9 vơn, … Trong q trình thử nghiệm người nghiên cứu nhận thấy cho xe vận hành ổn định khơng tăng tốc đột ngột trị số vơn, ampe đo thấp không đủ điện áp nạp nạp lại cho Pin Vì nghiên cứu phải lắp thêm mạch nâng áp nhằm nạp đủ điện áp cho Pin xe hoạt đột tốc độ thấp Thử mạch bảo vệ dòng Các bước thử nghiệm - Chống xe chân chốnggiữa - Ngắt tín hiệu báo phanh khỏi điềukhiển - Đạp phanh chân giữ bánh xe sau đứngyên - Kẹp Amp kềm vào dây dương động cơđiện - Bật công tắc kích hoạt cho động điện hoạtđộng - Kéo tay ga lên vị trí caonhất 4.5.6 Chế độ động đốt hoạt động Động điện không hoạt động Và chế độ xe máy lai hoạt động xe máy số trước cải tạo Chế độ máy phát điện hoạt động, để cung cấp điện cho hệ thống điện xe, nạp điện ắc quy nạp điện cho pin HK bike Chế độ xe phải sử dụng động đốt trong, tốc độ xe nên chạy 40km/h lúc động sử dụng nhiên liệu cách hiệu quả, giảm khí thải, tiết kiệm nhiên liệu mà đạt hiệu cao 69 Luan van Chế độ phù hợp chạy nơi giao thông thưa thớt ngoại thành, vùng nơng thơn Hình 4.14: Thử nghiệm động chế độ động đốt 70 Luan van 4.6 Kết luận Kết cấu đơn giản dễ thực mang lại hiệu cao việc bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng Ngoài phụ tùng thay dễ dàng mua thị trường giá thành phù hợp Dễ dàng chuyển đổi xe máy xe lai với thao tác đơn giản Với thiết kế giá thành chuyển đổi xe máy thành xe lai không cao, với triệu đồng khơng tính xe máy để cải tạo, phù với nước phát triển Việt Nam Sử dụng động điện để dẫn động bánh xe giảm thiểu khí thải xe hoạt động cách đáng kể, làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường Với xe máy chạy động đốt với qng đường 54km tốn hết lít xăng, cịn với động điện xe chạy 60 km ta phải sạc pin Tiết kiệm nhiên liệu cho động đốt trong, làm giảmchi phí cho người sử dụng Việc chuyển đổi chế độ xe cịn thủ cơng khơng thuận lợi cho người sử dụng Vì xe lai xe máy số nên người sử dụng cần lưu ý vấn đề sang số sử dụng → Hoàn thiện lại cách điều khiển xe máy lai Vì hộp số sàn nên việc cải tạo xe máy số thành xe lai có chế độ lai kết hợp động đốt với động điện khó Vì xe máy lai lúc hoạt động chế độ kết hợp mà ta hạ ga động đốt trở thành phanh động ghì khơng cho động điện chạy kéo dài động điện hư hỏng → Nghiên cứu chế độ kết hợp xe máy lai Trong nghiên cứu có vài lý nên thiết kế không áp dụng phanh tái sinh xe máy lai, mà cải tạo lại hệ thống nạp động để nạp cho pin động đốt hoạt động hướng nghiên cứu sau tích hợp phanh tái sinh để nạp bổ sung cho pin 71 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Adak, P., Sahu R., Elumalai, S.P., 2016 Development of emission factors for motorcycles and shared auto-rickshaws using real-world driving cycle for a typical Indian city Science of the Total Environment 544, 2016 [2] Silva C, Ross M, Farias T Evaluation of energy consumption, emissions and cost of plug-in hybrid vehicles Energy Convers Manag; Vol 50, No 7, pp 1635-1643, 2009 [3] Syahri, S.; Resosudarmo, B.P.; Tomo, H.S Study on Air Quality in Jakarta,Indonesia—Future Trends, Health Impacts, Economic value and PolicyOptions; Asian Development Bank: Metro Manila Philippines, 2002 [4] Phạm Thúy Châu, Takayuki Kameda, Akira Toriba, Kazuichi Hayakawa, Polycyclic aromatic hydrocarbons and nitropolycyclic aromatic hydrocarbons in particulates emitted by motorcycles, Volume 183, December 2013, Pages 175-183, Kanazawa University, Japan [5] Phan Thị Quỳnh Ý tưởng nghiên cứu giảm thiểu nhiễm khơng khí Tp.Hồ Chí Minh, 2007 [6] GS.TSKH Vũ Ngọc Đăng, Thực trạng ô nhiễm không khí thị Việt Nam, 2010 [7] Bo-Chiuan Chen, Yuh-Yih Wu, Ying-Da Huang, and Chung-Neng Huang Modeling and Control of Hybrid Electric Motorcycle with Direct-Driven Wheel Motor, SAE Technical Paper 2004-01-1054, 2004 [8] W K Yap, and V Karri Modeling and Simulation of a Hybrid Scooter International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing EngineeringVol.2, No.11, pp.1229-1234, 2008 [9] W K Yap and V Karri Performance simulation and predictive model for a multimode parallel hybrid electric scooter drive.International Journal of Energy Resources, Vol.34, pp.67–83, 2010 [10] Kuen-Bao Sheu Simulation for the analysis of a hybrid electric scooter powertrain.Applied Energy, Vol 85, pp.589–606, 2008 72 Luan van [11] Jinming Liu and Huei Peng Modeling and Control of a Power-Split Hybrid Vehicle IEEE transactions on control systems technology, Vol 16, No 6, pp.1242 – 1251, 2008 [12] Chan-Chiao Lin, Huei Peng, and J.W Grizzle A Stochastic Control Strategy for Hybrid Electric Vehicles.American Control Conference, 2004 [13] Jeffrey Daniel Wishart Modelling, Simulation, Testing, and Optimization of Advanced Hybrid Vehicle Powertrains University of Victoria, 2008 [14] Yuliang Leon Zhou Modeling and Simulation of Hybrid Electric Vehicles University of Victoria, 2007 [15] Yuliang Leon Zhou Modeling and Simulation of Hybrid Electric Vehicles University of Victoria, 2007 [16] Đào Trọng Cường, Thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai, luân văn thạc sĩ Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Tp.HCM tháng 11 năm 2014 [17] Phạm Quốc Phong Nghiên cứu thiết kế lắp đặt động lai xe gắn máy, luân văn thạc sĩ Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Tp.HCM 2007 [18] Huỳnh Thanh Bảnh, Nghiên cứu số giải pháp tiết kiệm, nhiên liệu giảm ô nhiễm môi trường xe gắn máy luân văn thạc sĩ Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Tp.HCM tháng 11 năm 2014 [19] Huỳnh Thịnh, Nghiên cứu mơ hình hóa mơ hệ thống truyền lực xe lai, luân văn thạc sĩ Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Tp.HCM tháng năm 2016 [20] GS TS Bùi Văn Ga cộng Trường Đại học Đà Nẵng, thiết kế xe gắn máy Hybrid, Motorcycle Hybrid Design [21] Phan Văn Tuân, Nghiên cứu hiệu số giải pháp nạp điện bổ sung cho xe máy điện, luân văn thạc sĩ Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Tp.HCM tháng 10 năm 2015 [22] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E Gay and Ali Emadi Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory, and Design CRC Press LLC, 2005 73 Luan van [23] Wei Liu Introduction to Hybrid Vehicle System Modeling and Control John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2013 [24] John M Miller Propulsion Systems for Hybrid Vehicles, 2nd Edition The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom, 2010 [25] Sheldon S Williamson.Energy Management Strategies for Electric and Plug-in Hybrid Electric Vehicles.Springer New York, 2013 [26] What’s the Best Battery? Internet: http://batteryuniversity.com/learn/archive/whats_the_best_battery, 01/09/2016 [27] Andrzej Łebkowski, ELECTRIC MOTORCYCLEPOWERTRAIN ANALYSIS, IEEE Chapter, July 2016 74 Luan van PHỤ LỤC DANH MỤC BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC ĐĂNG 75 Luan van 76 Luan van 77 Luan van 78 Luan van 79 Luan van THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆT 80 Luan van S K L 0 Luan van ... ngày 18 tháng 08 năm 2017 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHỌN LỰA PHƯƠNG ÁN TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ HYBRID CHO XE GẮN MÁY VỚI MÔ-TƠ ĐIỆN ĐẶT TẠI BÁNH SAU - Mã... TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU VÀ CHỌN LỰA PHƯƠNG ÁN TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ HYBRID CHO XE GẮN MÁY VỚI MÔ-TƠ ĐIỆN ĐẶT TẠI BÁNH SAU Mã số: T2018-26TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN... phạm vi nghiên cứu 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu Phân tích tổng quan chọn lựa phương án cải tạo hệ thống truyền lực laic ho xe gắn máy với mô- tơ điện đặt bánh sau Thử nghiệm đánh giá kết sau cải