TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến thiên nhiên, sức khỏe và đời sống con người, việc sử dụng năng lượng từ nguồn hóa thạch đã góp phần làm trầm trọng thêm tình trạng này Để khắc phục những vấn đề này, các nhà khoa học và nhà sáng chế đã phát triển giải pháp kết hợp hai nguồn động lực khác nhau, dẫn đến sự ra đời của xe hybrid.
Toyota, hãng xe hàng đầu trong lĩnh vực xe hybrid, đã giới thiệu Toyota Prius - mẫu xe hybrid thương mại đầu tiên, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc giải quyết ô nhiễm môi trường Sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện giúp xe hybrid giảm lượng khí thải, tiết kiệm nhiên liệu và mang lại lựa chọn giao thông thân thiện với môi trường.
Nhóm chúng em đã chọn đề tài "Thiết kế hệ thống động lực cho xe hybrid" cho đồ án tốt nghiệp Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu lý thuyết, tính toán và thiết kế hệ thống động lực cho xe hybrid, nhằm tìm ra giải pháp hiệu quả trong việc sử dụng nguồn năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.
Mục tiêu
Dựa trên các thông số và tính năng của xe Toyota Prius, hệ thống động lực của xe hybrid được thiết kế với các đặc điểm nổi bật Vận tốc cực đại được xác định là 140 km/h, mặc dù Toyota Prius 2017 có thể đạt 180 km/h, nhưng trong điều kiện đường xá thực tế và phong cách lái xe của người Việt Nam, tốc độ 140 km/h được coi là hợp lý và an toàn Việc giảm tốc độ tối đa giúp động cơ xăng và động cơ điện hoạt động ở mức công suất thấp hơn, từ đó giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải Thêm vào đó, giảm tốc độ tối đa cũng làm giảm năng lượng cần thiết từ pin, giúp giảm trọng lượng tổng thể của xe Xe có khả năng tăng tốc từ 0 đến 100 km/h trong thời gian không vượt quá 12 giây và có thể leo dốc tối đa 40% (22,6 độ) với tốc độ 30 km/h.
Tính toán và lựa chọn các nguồn động lực thích hợp với xe theo mỗi giai đoạn vận hành
Xây dựng đường đặc tính kéo từ đó đưa ra kết luận khi vận hành xe
Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống động lực của xe hybrid theo kiểu hỗn hợp.
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa tìm hiểu lý thuyết và tính toán các số liệu
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT KẾ HỆ THỐNG HYBRID
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống hybrid hỗn hợp
Hình 2.1 Hệ thống hybrid hỗn hợp Nguyên lí hoạt động:
Chế độ hoạt động chỉ bằng ĐCĐ cho phép xe di chuyển chỉ với nguồn cung cấp từ ĐCĐ, chủ yếu sử dụng để khởi động hoặc chạy ở tốc độ thấp Đặc tính của ĐCĐ ở số vòng quay nhỏ nhưng có momen lớn giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải khi xe khởi hành hoặc vận hành ở tốc độ thấp.
Chế độ hoạt động chỉ bằng ĐCĐT cho phép ĐCĐT hoạt động độc lập, cung cấp năng lượng cho xe khi ở vùng tối ưu Khi xe đạt tốc độ nhất định từ đặc tính động cơ, ĐCĐT sẽ khởi động Sau khi đạt số vòng quay tối ưu, ĐCĐT ngừng hoạt động và xe chuyển hoàn toàn sang động cơ đốt trong Lúc này, ĐCĐT sẽ chuyển sang chế độ máy phát để nạp lại năng lượng cho ắc quy.
Chế độ hoạt động khi động cơ đốt trong (ĐCĐT) và động cơ điện (ĐCĐ) cùng hoạt động là rất quan trọng khi xe tăng tốc hoặc leo dốc Khi xe đạt tốc độ mà ĐCĐT không còn ở vùng tối ưu, ĐCĐ sẽ được kích hoạt để hỗ trợ năng lượng, giúp xe di chuyển hiệu quả hơn Mục tiêu là giữ ĐCĐT hoạt động trong khu vực có hiệu suất cao nhất, trong khi ĐCĐ cung cấp phần công suất còn lại Sự kết hợp của hai động cơ này cho phép xe đạt tốc độ cao và vượt qua các địa hình dốc một cách dễ dàng.
Chế độ nạp điện cho ắc quy được kích hoạt khi xe di chuyển hoặc đứng yên và phát hiện ắc quy yếu Bộ điều khiển sẽ cho ĐCĐT hoạt động, truyền động cho máy phát điện để nạp lại năng lượng cho ắc quy.
Khi ô tô giảm tốc, công suất yêu cầu âm và trạng thái nạp của ắc quy chưa đạt mức tối đa Nếu công suất cần thiết nhỏ hơn công suất cực đại của máy phát, công suất này sẽ được lưu trữ trong ắc quy thông qua phanh tái sinh.
2.1.2 Ưu, nhược điểm Ưu điểm:
Cấu hình hỗn hợp giúp tăng hiệu suất năng lượng bằng cách kết hợp sức mạnh của cả ĐCĐT và ĐCĐ Khi yêu cầu công suất lớn, cả hai động cơ hoạt động đồng thời để cung cấp mô-men xoắn và công suất tối đa Ngược lại, khi cần công suất thấp hơn, ĐCĐ có thể hoạt động độc lập, từ đó tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Cấu hình hỗn hợp trong xe hybrid cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa các chế độ hoạt động, bao gồm chạy hoàn toàn bằng điện, chạy hoàn toàn bằng động cơ đốt trong, hoặc kết hợp cả hai Điều này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất mà còn tiết kiệm nhiên liệu tùy thuộc vào điều kiện vận hành Bên cạnh đó, cấu hình này giúp xe hybrid tăng tốc mạnh mẽ và vượt qua độ dốc cao một cách linh hoạt, nhờ vào sự kết hợp của cả hai động cơ, cung cấp mô-men xoắn và công suất cần thiết để đáp ứng các yêu cầu lái xe trong nhiều tình huống khác nhau.
Cấu hình hỗn hợp giúp ắc quy hoạt động hiệu quả hơn, tăng tuổi thọ và hiệu suất Khi ĐCĐT hoạt động, năng lượng phục hồi từ phanh tái sinh được sử dụng để sạc lại ắc quy, góp phần nâng cao hiệu quả trong quá trình vận hành.
Mặc dù chi phí mua xe hybrid cao hơn so với xe thông thường, nhưng khả năng tiết kiệm nhiên liệu trong nhiều tình huống có thể giúp bù đắp cho khoản chênh lệch này.
Bảo dưỡng xe hybrid hỗn hợp có thể tốn kém do cấu trúc phức tạp của chúng, và chỉ các trung tâm bảo dưỡng chuyên biệt mới đủ khả năng xử lý các sự cố phát sinh.
Trọng lượng của hệ thống hybrid hỗn hợp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành của xe, điều này tạo ra thách thức cho các nhà sản xuất ô tô trong việc tối ưu hóa thiết kế Việc cân bằng giữa trọng lượng và hiệu suất là yếu tố quan trọng để nâng cao trải nghiệm lái xe và tiết kiệm nhiên liệu.
Các loại xe thường sử dụng
Hiện nay, nhiều hãng xe đang áp dụng hệ thống hybrid hỗn hợp, kết hợp giữa hybrid nối tiếp và hybrid song song, nhằm tối ưu hóa lợi ích từ cả hai hệ thống Thiết kế của hệ thống hybrid hỗn hợp được điều chỉnh phù hợp với điều kiện đường xá và phong cách lái xe tại Việt Nam, đồng thời đáp ứng các tiêu chí hiệu suất động lực từ các tổ chức trong nước Do đó, nhóm quyết định lựa chọn hệ thống hybrid hỗn hợp làm phương án thiết kế cuối cùng.
Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và chức năng của các bộ phận chính trong hệ thống
Động cơ điện trong hệ thống hybrid cần có kích thước nhỏ gọn để tối ưu hóa không gian và trọng lượng, đồng thời cung cấp công suất đủ cho xe và cải thiện hiệu suất nhiên liệu Độ tin cậy cao của động cơ điện là yếu tố quan trọng, giúp đảm bảo xe hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết và địa hình.
Động cơ cần phải tích hợp hiệu quả với các thành phần khác trong hệ thống hybrid, như động cơ điện (ĐCĐ) và pin, nhằm đảm bảo đạt được hiệu suất tối ưu.
Để đạt hiệu suất tối ưu, ĐCĐT động cơ cần phải tích hợp một cách hiệu quả với các thành phần khác trong hệ thống hybrid, bao gồm ĐCĐ và pin.
Hình 2.4 Động cơ đốt trong Chức năng:
ĐCĐT có khả năng cung cấp năng lượng cho ĐCĐ khi pin yếu hoặc hết điện, giúp giảm tình trạng chết máy của xe và nâng cao khả năng vận hành linh hoạt.
Chức năng "start-stop" trên ĐCĐT giúp tự động tắt và khởi động lại động cơ, từ đó giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải khi xe dừng đỗ hoặc trong điều kiện đi đêm.
ĐCĐT là một nguồn lực hiệu quả giúp tăng tốc độ xe, đồng thời giảm tải cho ĐCĐ, từ đó nâng cao khả năng tăng tốc của phương tiện.
ĐCĐT giúp nâng cao khả năng vận hành của xe bằng cách cung cấp nguồn lực dự phòng, từ đó đảm bảo xe hoạt động hiệu quả và linh hoạt trong mọi điều kiện.
Khi động cơ hoạt động, hỗn hợp nhiên liệu và khí nạp được đưa vào các xi-lanh để đốt cháy, tạo ra sức đẩy cần thiết cho hoạt động của động cơ.
Khi ĐCĐT kết hợp với hệ thống hybrid, nó có khả năng cung cấp năng lượng không chỉ cho ĐCĐ mà còn trực tiếp cho bánh xe của xe.
Trong chế độ thông thường, khi khối lượng điện cung cấp cho ĐCĐ yếu đi, ĐCĐT sẽ chuyển đổi năng lượng dao động của động cơ thành điện để cung cấp thêm cho hệ thống.
Trong chế độ cần công suất lớn, ĐCĐT giúp tăng tốc độ xe bằng cách cung cấp thêm lực kéo cho bánh xe và giảm tải cho ĐCĐ Khi ĐCĐT hoạt động, hệ thống hybrid tự động điều chỉnh trạng thái làm việc của các động cơ nhằm tối ưu hóa hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.
Khi xe dừng đèn đỏ hoặc di chuyển xuống đèo, ĐCĐT có khả năng tắt hoàn toàn, giúp giảm thiểu hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu và khí thải thừa.
2.2.1.2 Động cơ điện (MG1 và MG2)
Để đạt được hiệu quả hoạt động tối ưu, ĐCĐ cần có hiệu suất cao, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và tối đa hóa khoảng cách di chuyển của xe.
Để đảm bảo lắp đặt linh hoạt trong xe, ĐCĐ cần có trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ gọn Bên cạnh đó, chất lượng và độ bền của ĐCĐ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động ổn định và bền vững cho xe hơi.
ĐCĐ cần có tính linh hoạt và khả năng đáp ứng đa dạng tình huống, từ việc vận hành ở tốc độ thấp cho đến tăng tốc và duy trì hiệu suất ở tốc độ cao, nhằm phục vụ tốt nhất nhu cầu của người dùng.
Chọn các thông số thiết kế
Tham khảo các thông số cơ bản của xe Toyota Prius
Các yếu tố ảnh hưởng (hệ số cản lăn, hệ số cản không khí …)
• Hệ số cản không khí: đối với ô tô con ta lấy Cx=0,4
• Hệ số khối lượng quay: δi=1,08
• Khối lượng riêng của không khí: ρ = 1,25 kg/m 3 (tại nhiệt độ 25 o C và áp suất 0,1013 Mpa)
• Diện tích cản chính diện: S=0,8BH= 0,8.1,725.1,475=2 m
• Thiết kế bánh xe: r0 !5 + 17 25,4 = 430,9 (mm) = 0,4309 (m)
Stt BẢNG THÔNG SỐ KỸ THUẬT
1 Thông tin chung TOYOTA PRIUS
2 THÔNG SỐ VỀ KÍCH THƯỚC
2.2 Chiều dài cơ sở (mm) 2700
2.3 Chiều rộng cơ sở trước/sau 1505/1480
2.4 Khoảng sáng gầm xe (mm) 142
3 THÔNG SỐ VỀ KHỐI LƯỢNG
3.1 Khối lượng bản thân ( kg) 1328
Khối lượng khi có tải (người và hành lý) (kg)
4.1 Kiểu loại động cơ PMSM
4.2 Công suất lớn nhất ( kW)/ Số vòng quay vòng/phút)
4.3 Mô men xoắn lớn nhất (Nm) /
Số vòng quay vòng/phút)
5 THÔNG SỐ VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
5.1 Tên nhà sản xuất và kiểu loại động cơ
5.2 Nhiên liệu, số xi lanh và cách bố trí
5.4 Đường kính xi lanh x Hành trình piston (mm) 80.5 x88.3
5.5 Công suất lớn nhất ( kW)/ Số vòng quay vòng/phút)
5.6 Mô men xoắn lớn nhất (Nm) /
Số vòng quay vòng/phút) 142/3000
6.2 Tỷ số truyền của vi sai 2.834
7 THÔNG SỐ VỀ TÍNH NĂNG CHUYỂN ĐỘNG
7.1 Tốc độ cực đại của xe (km/h) 180
7.2 Độ dốc lớn nhất xe vượt được
7.3 Khả năng tăng tốc từ 0-100s
Bảng 2 1 Bảng thông số kỹ thuật của Toyota Prius
TÍNH TOÁN NGUỒN CÔNG SUẤT
Cơ sở tính toán các nguồn động lực của hệ thống hybrid
Hình 3.1 Sơ đồ phân tích lực
Fk – Lực kéo tiếp tuyến tại các bánh xe chủ động
Ff1 – Lực cản lăn tại các bánh xe bị động
Ff2 – Lực cản lăn tại các bánh xe chủ động
Fω– Lực cản của không khí
Fi – Lực cản khi lên dốc
Fj – Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định (có gia tốc)
Fm – Lực cản tại móc kéo α – Độ dốc của mặt đường
Sau đây ta có giá trị của các lực:
Khi xe di chuyển trên đường có độ dốc nhỏ (không đáng kể), góc α khá nhỏ nên ta coi cosα=1 hoặc khi đường nằm ngang, ta có:
Ff = f.G.cosα= f.G Trong đó: f: hệ số cản lăn
Lực cản leo dốc Fi:
Trong đó: ρ– Khối lượng riêng không khí (kg/m 3 ), ở nhiệt độ 25 o C và tại áp suất 0,1013 MPa ta có ρ=1,25kg/m 3 vo – Vận tốc xe (m/s)
S: diện tích cản chính diện của xe (m 2 )
Cx: hệ số cản không khí (Ns 2 /m 4 )
Lực cản quán tính Fj:
Trong đó: δi: hệ số khối lượng quay j: gia tốc của xe (m/s 2 )
Lực Fi: dấu (+) dùng khi xe lên dốc, dấu (-) dùng khi xuống dốc Lực Fj: dấu (+) dùng khi xe tăng tốc, dấu (-) dùng khi giảm tốc
P k =P f ± P i +Pω ± P j+P m = Fkv Công suất xe Pv:
𝑦 η: hiệu suất của hệ thống truyền động
Tính toán các trạng thái hoạt động khi sử dụng xe
Hình 3.2 Lưu đồ các trạng thái hoạt động của xe
Khi xe bắt đầu khởi hành với tốc độ từ 0-40km/h, động cơ điện (ĐCĐ) sẽ hoạt động độc lập để điều khiển xe Trong giai đoạn này, động cơ chính là ĐCĐ, được điều khiển bởi MG2 (Motor Generator 2), cung cấp lực đẩy và dẫn động chính cho xe Sự kết hợp này giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành trong khoảng tốc độ thấp.
Động cơ điện (ĐCĐ) mang lại hiệu suất tối ưu trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành công suất đẩy Khi xe hybrid khởi động từ trạng thái dừng hoặc ở tốc độ rất thấp, việc sử dụng ĐCĐ giúp tối đa hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Động cơ điện (ĐCĐ) hoạt động êm ái và không gây ra tiếng ồn lớn như động cơ đốt trong (ĐCĐT), mang lại một môi trường lái xe yên tĩnh và thoải mái hơn, đặc biệt trong các khu vực đô thị đông đúc.
Động cơ điện (ĐCĐ) cho phép khởi động nhanh chóng, cung cấp công suất ngay lập tức, giúp xe hybrid tăng tốc từ trạng thái dừng một cách nhanh chóng và nhẹ nhàng.
Sử dụng động cơ đốt trong (ĐCĐ) trong giai đoạn khởi hành giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải, đặc biệt trong điều kiện giao thông đô thị tắc nghẽn so với việc sử dụng động cơ đốt ngoài (ĐCĐT).
Hình 3.3 Chế độ chỉ ĐCĐ hoạt động o Chế độ chạy hoàn toàn bằng ĐCĐ nên ta có:
Khi xe chạy với tốc độ ổn định từ 40-60 km/h và gia tốc 1,5 m/s², hệ thống hybrid thường chỉ sử dụng động cơ điện (ĐCĐT) Điều này xảy ra vì trong khoảng tốc độ này, không cần công suất cao và ĐCĐT hoạt động ở vùng lý tưởng, mang lại hiệu suất tốt ĐCĐT cung cấp đủ công suất để xe di chuyển nhẹ nhàng, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu Việc sử dụng ĐCĐT trong tình huống này giúp tối ưu hóa nguồn năng lượng và đảm bảo xe vận hành hiệu quả.
Hình 3.4 Chế độ chỉ ĐCĐT hoạt động
Xe chạy trên đường ngang nên α=0 ⟹ 𝐹 𝑖 = 0 nên ta có 𝐹 𝑘 = 𝐹 𝑓 + 𝐹 𝑗 + 𝐹 𝜔 Công suất:
Khi xe tăng tốc mạnh mẽ từ 60-100 km/h với gia tốc 1,8 m/s², hệ thống hybrid chuyển sang chế độ kết hợp để đáp ứng nhu cầu công suất và tốc độ Động cơ điện (MG2) hoạt động liên tục để cung cấp công suất và đáp ứng nhanh chóng yêu cầu tăng tốc Đồng thời, động cơ đốt trong (thường là động cơ xăng) cũng được kích hoạt, hoạt động ở vùng công suất cao để cung cấp năng lượng bổ sung và hỗ trợ lực đẩy Sự phối hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong giúp xe đạt hiệu suất tăng tốc cao, đồng thời tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng Qua giai đoạn này, hệ động lực của xe tận dụng và kết hợp hiệu quả hai nguồn năng lượng để đạt hiệu suất tối ưu trong quá trình tăng tốc mạnh.
Hình 3.5 Chế độ cả hai động cơ cùng hoạt động o Tính toán công suất, lực kéo cần thiết Công suất:
Khi xe đạt tốc độ tối đa 140 Km/h, ĐCĐT hoạt động ở công suất cao để cung cấp lực đẩy cần thiết, đảm bảo duy trì tốc độ này ĐCĐT được thiết kế để tối ưu hiệu suất ở tốc độ cao, cung cấp đủ công suất và mô-men xoắn mạnh mẽ cho vận hành ổn định ĐCĐ (MG2) tiếp tục hoạt động ở mức thấp, hỗ trợ công suất và cải thiện hiệu suất tại tốc độ tối đa, đồng thời phản ứng nhanh với yêu cầu mô-men xoắn, giúp tăng cường lực đẩy và tăng tốc Hệ thống động lực hoạt động ở mức cao nhất, đảm bảo xe vận hành ổn định, hiệu suất cao và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.
Hình 3.6 Khi xe chạy ở tốc độ tối đa
Xe chạy trên đường ngang nên α=0 ⟹ 𝐹 𝑖 = 0 nên ta có 𝐹 𝑘 = 𝐹 𝑓 + 𝐹 𝑗 + 𝐹 𝜔 Với v= 140 km/h >80 km/h nên ta có:
Khi xe leo dốc, ĐCĐT hoạt động với công suất và mô-men xoắn tăng để cung cấp động lực, giúp cải thiện hiệu suất leo dốc và duy trì tốc độ xe ĐCĐ (MG1 và MG2) hỗ trợ quá trình này bằng cách cung cấp công suất và mô-men xoắn bổ sung cho bánh xe, giảm tải cho ĐCĐT và nâng cao hiệu suất hệ thống Độ dốc xe được xác định khi xe chuyển động với j=0 và không kéo theo rơmóc, với vận tốc xe nhỏ, có thể coi Fω = 0, từ đó thiết lập phương trình cân bằng lực kéo.
Fk=Ff+Fi=Gfcosα+Gsinα Với: cosα= 1 = 1
Hình 3.7 Khi xe leo dốc
Chế độ giảm tốc và phanh tái sinh giúp mô-tơ kéo hoạt động như máy phát điện, chuyển đổi động năng của xe thành năng lượng điện để nạp cho ắc quy Khi phanh từ 60 km/h đến khi dừng, SOC có thể tăng từ 1-3%, tùy thuộc vào cách đạp phanh Tăng tốc chậm trong chế độ EV từ 0 km/h đến khoảng 40 km/h có thể làm SOC giảm từ 2-3%, tương ứng với lượng điện đã tích lũy khi phanh tái tạo Để nạp năng lượng hiệu quả, nên giảm tốc từ từ và đạp nhẹ bàn đạp phanh, trong khi phanh đột ngột sẽ làm giảm hiệu quả phanh tái tạo do phanh thủy lực thực hiện phần lớn công việc giảm tốc.
Hình 3.8 Chế độ giảm tốc và phanh tái sinh
❖ Chế độ tăng tốc từ 0-100 km/h trong 12s:
100 = 0 + 12𝑗 ⇒ 𝑗 = 2,3 𝑚/𝑠 2 3,6 Để xe đạt được khả năng tăng tốc tốt nhất ta cho xe ở chế độ không tải là m28kg
Dựa vào yêu cầu công suất cho các chế độ hoạt động, công suất ĐCĐ cần đạt tối thiểu Pm≥47 kW và ĐCĐT phải đạt Pe≥61 kW Để đảm bảo khả năng vận hành ở tốc độ cao và tăng tốc từ 0-100 km/h, công suất cần thiết của xe cần được nâng cao Do đó, lựa chọn Pm=50 kW và Pe≥76 kW là hợp lý, đồng thời cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất và mua sắm động cơ Việc chọn động cơ điện với công suất quá lớn sẽ yêu cầu pin có dung lượng lớn hơn, vì vậy lựa chọn này là hợp lý và tiết kiệm.
Tính chọn ĐCĐT
Với công suất yêu cầu là 76 kW ta có thể chọn động cơ 1 NZ-FE của Toyota
Động cơ 1NZ-FE là một động cơ xăng 4 xylanh nổi tiếng do Toyota sản xuất, thường được trang bị trên các mẫu xe nhỏ và trung bình của hãng này.
Động cơ 1NZ-FE có dung tích xilanh khoảng 1.5 lít và hoạt động theo nguyên tắc đốt trong, được thiết kế để mang lại sự kết hợp tối ưu giữa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu Một số đặc điểm nổi bật của động cơ này bao gồm khả năng vận hành mạnh mẽ và hiệu quả năng lượng cao.
Công nghệ Dual VVT-i trên động cơ 1NZ-FE cho phép điều chỉnh thời gian mở và đóng của cả van nạp và van xả, từ đó cải thiện hiệu quả đốt cháy và nâng cao hiệu suất động cơ.
Động cơ 1NZ-FE được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu, với hệ thống điều khiển thông minh giúp giảm mức tiêu hao nhiên liệu đáng kể so với các động cơ cùng dung tích.
Động cơ 1NZ-FE nổi bật với hiệu suất đáng tin cậy, được đánh giá cao về độ bền và khả năng hoạt động ổn định Khi thực hiện bảo dưỡng định kỳ đúng cách, động cơ này đảm bảo hoạt động trơn tru và giảm thiểu sự cố.
Động cơ 1NZ-FE được thiết kế để giảm thiểu tiếng ồn và rung lắc, mang lại trải nghiệm lái êm ái và thoải mái Được sử dụng rộng rãi, động cơ này nhận được đánh giá tích cực từ người lái và chuyên gia ô tô Với sự kết hợp hoàn hảo giữa hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và độ bền, động cơ 1NZ-FE đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu vận hành của các xe Toyota trên thị trường.
Bảng 3.1 Thông số của động cơ đốt trong
Hình 3 10 Đồ thị đặc tính momen của ĐCĐT
Hình 3.11 Đồ thị đặc tính công suất của ĐCĐT
Nhận xét: giống các đường đặc tính lý thuyết
Tính chọn ĐCĐ
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một loại động cơ được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp và xe điện Với thiết kế tối ưu, PMSM mang lại hiệu suất cao, mô-men xoắn lớn và hiệu suất năng lượng vượt trội.
Một số đặc điểm quan trọng của động cơ PMSM bao gồm:
Động cơ PMSM là loại động cơ đồng bộ, với tần số đầu ra đồng bộ với tần số nguồn cấp điện, giúp đảm bảo hiệu suất cao và ổn định trong quá trình vận hành.
Nam châm vĩnh cửu trong động cơ đồng bộ PMSM giúp tạo ra trường từ mạnh, nâng cao hiệu suất và mômen xoắn Việc điều khiển động cơ bằng phương pháp điều khiển vector cho phép điều chỉnh chính xác dòng điện và tốc độ quay, từ đó cải thiện hiệu suất và độ chính xác của động cơ.
Động cơ PMSM mang lại hiệu quả năng lượng cao nhờ sử dụng nam châm vĩnh cửu và phương pháp điều khiển vector, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ điện PMSM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xe điện, máy móc công nghiệp, robot và nhiều ứng dụng khác.
Từ công suất yêu cầu cần thiết là 47 kW ta có thể chọn động cơ 50 kW loại PMSM có các thông số:
Bảng 3.2 Thông số của Động cơ điện
Hình 3.12 Đồ thị đặc tính momen của ĐCĐ
Hình 3.13 Đồ thị đặc tính công suất của ĐCĐT
Mô men của động cơ điện đạt mức cực đại trong khoảng từ 0 đến 2653 [rpm], trong khi công suất của động cơ biến thiên từ 0 đến 50 kW Tuy nhiên, khi tốc độ đạt 2663 [rpm] trở đi, mô men bắt đầu giảm trong khi công suất động cơ vẫn giữ nguyên.
Tính toán ắc quy
Pin Eneloop của Panasonic được lựa chọn cho ĐCĐ với điện áp 380V, với mỗi cell có hiệu điện thế 1,2V Sáu cell được nối tiếp tạo thành một gói có tổng hiệu điện thế là 7,2V, đảm bảo đáp ứng tiêu chuẩn về dung lượng pin.
Hiệu điện thế của ĐCĐ là U = 380 [V]
Vậy số gói cần thiết sẽ là: x = 320 = 52,7 Các gói này phải mắc nối tiếp
Chọn số gói là : x = 53 gói
Số cell cần thiết trên pin là : số cell = 53 × 6 = 318 [cell]
Hiệu điện thế của pin là : 53 × 7,2 = 381,6 [V]
Dung lượng 1 cell là 3 Ah
Dung lượng của pin là: E18 × 3 = 954 Ah
Dung lượng ắc quy được xác định:
𝑝 𝑝 𝑝 𝑈 𝑝 o 𝑄 𝑝 : là dung lượng của ắc quy (Ah) o 𝐼 𝑝 : dòng phóng (A) o 𝑡 𝑝 : thời gian phóng (h) o 𝑃: công suất ĐCĐ (W)
Ta cho xe chạy khoảng 2h thì hết bình:
Công suất động cơ khi làm việc lớn nhất: PP000 (W) Điện áp của ĐCĐ là U80 V
𝑄 𝑝 = 𝐼 𝑝 𝑡 𝑝 = 131,58.2 = 263,16 (𝐴ℎ) Vậy số giờ sử dụng thực tế của bình là 𝑡 = ( ) = 𝐸 954 ) = 3,625 (ℎ)
Do xuất hiện các hao tổn trong quá trình nạp vì thế điện dung nạp thường phải lớn hơn so với điện dung phóng (10 % - 15 %) Tức là:
Theo tiêu chuẩn của Việt Nam thì dòng điện nạp (In) thường bằng 0,1 dung lượng nạp của ắc quy
Như vậy ta có thời gian nạp cho ắc quy: tn = Qn / In = Qn / 0,1.Qn tn = 10 [h]
Với thời gian nạp điện là 10 giờ, ắc quy chỉ có thể được nạp mới bằng phương pháp "thế hiệu không đổi" hoặc nạp no sau khi xe ngừng hoạt động Để xe hoạt động liên tục, cần bổ sung năng lượng đã hao hụt trong quá trình làm việc bằng cách khởi động động cơ, giúp máy phát nạp điện cho ắc quy.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÀ XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH KÉO
Tính toán thiết kế bộ chia công suất
Hình 4.1 Bộ kết nối tốc độ
Bộ kết nối được thiết kế với trục đầu vào từ ĐCĐT kết nối với bánh răng mặt trời, trong khi trục đầu vào từ ĐCĐ nối với cần dẫn của bánh răng hành tinh Bánh răng bao sẽ kết nối với trục sơ cấp của hộp số, tạo nên một hệ thống hoạt động hiệu quả và đồng bộ.
Ta có các thông số đầu vào
Các thông số cần tính:
Với sơ đồ bộ kết nối ta đã chọn nên ta có:
Tính toán hộp số
Hình 4.2 Sơ đồ động của hộp số
Tỉ số truyền lực chính:
𝑛 𝑚𝑎𝑥 = 6000; tốc độ quay tối đa của ĐCDT (rpm)
Tỉ số truyền ở tay số 1: phải thoả mãn lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động phải thắng lực cản tổng cộng của mặt đường
Khi khởi động, chỉ có động cơ điện (ĐCĐ) hoạt động, do đó momen truyền vào hộp số chính chính là momen đầu ra từ bộ kết hợp tốc độ, được truyền từ ĐCĐ.
Mặt khác ta có: lực kéo tiếp tiếp lớn nhất ở các bánh xe chủ động bị hạn chế bởi điều kiện bám
𝐺 𝑏 : Trọng lượng bám lên các bánh xe chủ động
𝜑: hệ số bám dọc giữa các bánhh xe với đường Ta chọn 𝜑 = 0,95
Ta suy ra tỉ số truyền tay số 1 nằm trong khoảng 2,78 ≤ 𝑖 ℎ1 ≤ 3,14 Ta chọn ih1 =3
Tỉ số truyền ở các tay số khác:
Tỉ số truyền tại các tay số còn lại được tính: 𝑖 ℎ𝑘 = √𝑖 ℎ1
Tỉ số truyền tay số 2: 𝑖ℎ2 = √𝑖ℎ1 = √3 = 1,732
Tỉ số truyền ở tay số lùi:
Xây dựng đường đặc tính kéo
Đặc tính kéo khi ĐCĐT hoạt động độc lập
Tính momen Me của ĐCĐT :
Tính lực kéo Fke của ĐCĐT :
Tính vận tốc Ve của ĐCĐT:
Hình 4.3 Đồ thị lực kéo kéo tại các bánh xe chủ động
Đặc tính kéo khi ĐCĐ hoạt động độc lập
Tính momen Me của ĐCĐ:
Tính lực kéo Fke của ĐCĐ:
Tính vận tốc Ve của ĐCĐ:
Hình 4.4 Đồ thị lực kéo khi xe sử dụng motor điện
Đặc tính kéo của ô tô:
Công thức tính lực kéo khi chỉ dùng nguồn ĐCĐ Pk1
𝑅 𝑏𝑥 Công thức tính lực kéo khi chỉ dùng nguồn ĐCĐT Pk2
𝑅 𝑏𝑥 Công thức tính lực kéo khi chỉ dùng nguồn ĐCĐ Pk1 khi truyền thẳng V3 = 𝜆.𝜔 𝑚 𝑅𝑏𝑥
𝑅 𝑏𝑥 Công thức tính lực kéo khi chỉ dùng nguồn ĐCĐ Pk2 khi truyền truyền thẳng
𝑅 𝑏𝑥 Công thức tính lực kéo khi dùng cả 2 nguồn kết hợp Pk5
Hình 4.5 Đồ thị lực kéo
Kết quả và đánh giá
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật giữa ô tô thiết kế và xe tham khảo