tiểu luận kỹ thuật ô tô hybrid ô tô điện

Xe hybrid, kết hợp giữa động cơ đốt trong truyền thống và hệ thống điện, đã mở đầu cho kỷ nguyên mới của công nghệ ô tô, cung cấp một bước chuyển tiệm năng lượng hiệu quả và giảm thiểu t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

TIỂU LUẬN KỸ THUẬT Ô TÔ HYBRID – Ô TÔ ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn : GS Bùi Văn Ga

Sinh viên thực hiện : Đoàn Minh Tông

Lời nói đầu Trong những thập kỷ gần đây, ngành công nghiệp ô tô đã chứng kiến một cuộc cách mạng về công nghệ, với sự phát triển nhanh chóng của xe hybrid và

xe điện (EV) Sự chuyển dịch này không chỉ phản ánh nhu cầu ngày càng tăng của xã hội đối với các phương tiện giao thông bền vững và thân thiện với môi trường, mà còn là một phần của nỗ lực toàn cầu nhằm giảm phát thải carbon và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch

Xe hybrid, kết hợp giữa động cơ đốt trong truyền thống và hệ thống điện,

đã mở đầu cho kỷ nguyên mới của công nghệ ô tô, cung cấp một bước chuyển tiệm năng lượng hiệu quả và giảm thiểu tác động môi trường Các xe này không chỉ giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải CO2, mà còn giữ được khả năng hoạt động và phạm vi di chuyển tương tự như xe động cơ đốt trong mà không cần đến việc sạc điện ngoại vi

Mặt khác, xe điện hoàn toàn (EV) đại diện cho một bước tiến xa hơn trên con đường hướng tới một tương lai không phát thải Với hệ thống truyền động hoàn toàn dựa vào năng lượng điện, xe điện loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về nhiên liệu hóa thạch, đồng thời giảm đáng kể tiếng ồn và phát thải ô nhiễm không khí

Dù còn đối mặt với một số thách thức như hạ tầng sạc và phạm vi hoạt động, công nghệ xe điện tiếp tục phát triển với tốc độ chóng mặt, hứa hẹn về một giải pháp giao thông vận tải bền vững lâu dài

Sinh viên thực hiện

Bài 1: Ô tô Hybird song song có hệ thống động lực bố trí theo phương án kết hợp tốc độ như hình 1 Cho biết các thông số của bộ bánh răng hành tinh (hình 2):

1 50

2 200

3 125

Bảng 1.1: Động cơ đốt trong có đường đặc tnh momen như sau:

Hộp số sau ly hợp động cơ đốt trong có 3 cấp: 𝑖1= 4, 𝑖2 = 2, 𝑖3= 1

Tỉ số truyền động (giảm tốc) giữa động cơ điện và vàng răng của bộ bánh răng hành tinh 𝑖4= 3

Tốc độ cực đại của động cơ điện 8000v/ph

1 Xác định mômen cực đại và tốc độ ứng với mômen cực đại của động cơ đốt trong theo các cấp tốc độ 1, 2 và 3 của hộp số

➢ Mômen cực đại là 230 Nm tại 3000 v/ph

➢ Tốc độ ứng với mômen cực đại theo các cấp số:

• Cấp số 1: 𝑇1𝑚𝑎𝑥= 230.i1 = 230.4 = 920Nm

• Cấp số 2: 𝑇2𝑚𝑎𝑥= 230.i1= 230.2 = 460Nm

• Cấp số 3: 𝑇3𝑚𝑎𝑥= 230.i1= 230.1 = 230Nm

➢ Tốc độ động cơ đốt trong ứng với mômen cực đại:

• Cấp số 1: 𝑛1𝑚𝑎𝑥= 3000

𝑖 1 = 3000

4 = 750 v/ph

• Cấp số 2: 𝑛2𝑚𝑎𝑥= 3000

𝑖2 = 3000

2 = 1500 v/ph

• Cấp số 3: 𝑛3𝑚𝑎𝑥= 3000

𝑖3 = 3000

1 = 3000 v/ph

2 Tính tốc độ cực đại ở đầu ra bộ bánh răng hành tinh ứng với các cấp hộp

số 1, 2 và 3

➢ Tốc độ cực đại của động cơ điện: 𝑛𝑑𝑚𝑎𝑥= 8000 v/ph

➢ Tốc độ cực đại của động cơ đốt trong: 𝑛𝑒𝑚𝑎𝑥= 5000 v/ph

➢ Tỉ số truyền động giữa động cơ điện và vành răng của bộ bánh răng hành tinh: 𝑖4= 3

➢ Tốc độ của động cơ điện:

max

4

8000

2666, 67 / 3

d

m

n

i

➢ Tốc độ cực đại của động cơ đốt trong ứng theo các cấp số:

• Cấp số 1: 𝑛1𝑚𝑎𝑥′ = 5000

𝑖1 = 5000

4 = 1250 v/ph

• Cấp số 2: 𝑛2𝑚𝑎𝑥′ = 5000

𝑖2 = 5000

2 = 2500 v/ph

➢ Tốc độ cực đại ở đầu ra bộ bánh răng hành tinh:

1

1

3

50

0, 2

2 2.125

R

k

R

2

3

200

0,8

2 2.125

R k R

𝜔 = 2𝜋𝑛

60

➢ Cấp số 1: 𝜔 3 = (𝜔 1 𝑘 1 + 𝜔 2 𝑘 2 ) = (1250.0,2 + 2666,67.0,8).𝜋

30 = 249,58 rad/s

➢ Cấp số 2: 𝜔 3 = (𝜔 1 𝑘 1 + 𝜔 2 𝑘 2 ) = (2500.0,2 + 2666,67.0,8).𝜋

30 = 275,76 rad/s

➢ Cấp số 3: 𝜔3= (𝜔1 𝑘1+ 𝜔2 𝑘2) = (5000.0,2 + 2666,67.0,8).𝜋

30 = 328,13 rad/s

3 Tính mômen cực đại ở đầu ra bộ bánh răng hành tinh và tốc độ tương ứng với các cấp số 1, 2 và 3 của hộp số

➢ Mômen cực đại ở đông cơ đốt trong:

• Cấp số 1: 𝑇1𝑖𝑛 = 920 Nm

• Cấp số 2: 𝑇2𝑖𝑛 = 460 Nm

• Cấp số 3: 𝑇3𝑖𝑛 = 230 Nm

➢ Momen tương ứng của bộ hành tinh:

• Cấp số 1: 𝑇1𝑜𝑢𝑡 =𝑇1𝑖𝑛

0,2 = 4600 Nm

• Cấp số 2: 𝑇2𝑜𝑢𝑡 = 𝑇2𝑖𝑛

𝑘1 =460

0,2 = 2300 Nm

• Cấp số 3: 𝑇3𝑜𝑢𝑡 = 𝑇3𝑖𝑛

0,2 = 1150 Nm

4 Tính mômen do động cơ điện cung cấp theo tốc độ động cơ đốt trong ứng với số 3

Momen cực đại 𝑇3𝑜𝑢𝑡 = 1150𝑁𝑚

Momen cực đại của động cơ điện: 𝑇2 =𝑇3𝑜𝑢𝑡.𝑘2 = 1150.0,8 = 920𝑁𝑚

Momen của động cơ điện cung cấp cho động cơ:𝑇2′= 𝑇2

𝑖3 = 920

3 = 306,67𝑁𝑚

5 Giả sử ở tốc độ cực đại của động cơ điện thì momen do nó phát ra vừa đủ

hỗ trợ momen cho hệ thống động lực ở tốc độ động cơ đốt trong cực đại

Động cơ điện có hệ số tốc độ X=5 Hãy vẽ đường đặc tnh T(n), P(n) của động

cơ điện

- Hệ số tốc độ của động cơ điện X = 5

➢ Tốc độ cực đại của động cơ điện: 𝑛𝑑𝑚𝑎𝑥= 8000 v/ph

➢ Tốc độ tương ứng 𝑛𝑏 =𝑛𝑑𝑚𝑎𝑥

𝑋 =8000

5 = 1600 v/ph

➢ Momen không đổi từ 0 → 𝑛𝑏

➢ Công suất không đổi từ 𝑛𝑏 → 𝑛𝑑𝑚𝑎𝑥

𝑃𝑖 = 𝑇𝑖 𝜔𝑖 với 𝜔 = 2𝜋𝑛

60

Ta được bảng tính

Bảng 1.2

Hình 1.1: Đường đặc tính momen, công suất theo tốc độ

0 10 20 30 40 50 60

0

50

100

150

200

250

300

350

Tốc độ (v/ph) Đường đặc tính P(n), T(n) của động cơ điện

Các chế độ làm việc của hệ thống động lực hybrid:

• Chế độ động cơ đốt trong làm việc độc lập: Khóa 1 đóng, Khóa 2 mở: Trong chế độ này, động cơ đốt trong cung cấp toàn bộ sức mạnh cho xe thông qua hộp số Động cơ điện không tham gia vào quá trình truyền động Chế độ này thường được sử dụng khi xe cần tốc độ cao hoặc khi cần sức kéo mạnh, như khi lưu thông trên đường cao tốc

• Chế độ động cơ điện làm việc độc lập: Khóa 1 mở, Khóa 2 đóng: Chỉ động cơ điện hoạt động và cung cấp sức mạnh trực tiếp cho bánh xe, trong khi động cơ đốt trong được tách rời khỏi hệ thống truyền động Chế độ này phù hợp cho việc di chuyển ngắn hoặc trong khu vực đô thị để giảm tiếng ồn và khí thải

• Chế độ kết hợp: Cả Khóa 1 và Khóa 2 đều đóng: Cả hai động cơ đốt trong

và động cơ điện cùng cung cấp sức mạnh cho xe Sự phối hợp này tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và cung cấp đủ sức mạnh cho các tình huống đòi hỏi tăng tốc đột ngột hoặc khi cần thêm sức kéo

• Chế độ phanh tái sinh: Khi phanh, động cơ điện chuyển sang chế độ máy phát và tái tạo năng lượng từ quá trình giảm tốc của xe, chuyển hóa năng lượng động thành điện năng lưu trữ trong bộ pin Điều này giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của xe

• Chế độ nạp pin: Trong một số trường hợp, động cơ đốt trong có thể được

sử dụng để nạp lại bộ pin khi các điều kiện lái xe và hiệu quả năng lượng cho phép, ví dụ như khi xe đang chạy với tốc độ đều trên đường cao tốc

Bài 2: Cho sơ đồ hệ thống động lực ô tô hybird tích hợp phối hợp moment

và phối hợp tốc độ (hình 3):

1 Giải thích các chế độ làm việc khi phối hợp moment:

Khi chế độ vận hành phối hợp moment được chọn làm chế độ hiện tại, khóa 2 sẽ khóa vành răng của bộ bánh răng hành tinh, trong khi ly hợp 1 và 3 được gài và ly hợp 2 được ngắt Moment của động cơ và động cơ điện được gộp lại bằng cách cộng các moment của chúng lại với nhau theo công thức:

𝑇𝑜𝑢𝑡 = 𝑘1𝑇𝑖𝑛1+ 𝑘2𝑇𝑖𝑛2 Sau đó moment tổng được truyền tới các bánh dẫn động Trong trường hợp này, mômen động cơ và động cơ điện tách rời nhau nhưng tốc độ của chúng

có mối quan hệ cố định

2 Giải thích các chế độ làm việc khi phối hợp tốc độ:

Khi chế độ phối hợp tốc độ được chọn làm chế độ vận hành, ly hợp 1 được gài, trong khi ly hợp 2 và 3 được ngắt, đồng thời khóa 1 và 2 nhả bánh răng mặt trời và vành răng của bộ bánh răng hành tinh Tốc độ của cần dẫn của bộ

bánh răng hành tinh nối với các bánh dẫn động là sự kết hợp giữa tốc độ động

cơ và tốc độ động cơ điện theo mối liên hệ:

𝜔𝑜𝑢𝑡 = 𝑘1𝜔𝑖𝑛1 + 𝑘2𝜔𝑖𝑛2 Nhưng moment của động cơ, momen của động cơ điện và momen của các bánh dẫn động được biểu diễn bởi mối quan hệ cố định:

𝑇𝑜𝑢𝑡 =𝑇𝑖𝑛1

𝑘1 =

𝑇𝑖𝑛2

𝑘2

3 Sơ đồ định tính đặc tính moment tại các nút 1,2 và 3:

Nút 1: Tại nút 1, chỉ có động cơ đốt trong cung cấp moment nên đặc tính

moment tại nút 1 chính là đặc tính moment của động cơ đốt trong Hộp số sau ly hợp động cơ đốt trong có 3 cấp I, II, III

Hình 2.1: Đặc tính moment tại nút 1

Nút 2: Tại nút 2, chỉ có động cơ điện cung cấp moment nên đặc tính

moment tại nút 2 chính là đặc tính momnet của động cơ điện

Hình 2.2: Đặc tính moment tại nút 2

Nút 3: Tại nút 3, cả động cơ đốt trong và động cơ điện đều cung cấp

moment nên đặc tính moment là đặc tính phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện:

Hình 2.3: Đặc tính moment tại nút 3

Câu 3

1 Tìm hiểu hệ thống động lực ô tô hybrid Toyota Prius

Toyota Prius 2010 là một mẫu hatchback 5 cửa, thế hệ thứ 3 của Prius

Bảng 3.1: Thông số động cơ Toyota Prius 2010

2ZR-FXE 1.8lit, hợp kim nhôm Công suất 98HP

Công suất 80HP Tổng công suất ròng của hệ thống Hybrid 134HP (100kW)

Sự truyền lực Hộp số vô cấp điều khiển điện tử eCVT

Thể tích bình chứa nhiên liệu 45lit

Chỉ số tiết kiệm nhiên liệu Trong thành phố: 4,7lit/100km

Đường cao tốc: 4,8lit/100km

Ngoại trừ capo và cửa làm bằng nhôm

Động cơ được trang bị trên Prius 2010 là động cơ 2ZR-FXE thay thế cho động cơ 1NZ-FXE trên thế hệ trước Động cơ được thiết kế với dung tích 1.8lit DOHC 16 valve chu trình Atkinson với các công nghệ cam thông minh VVT-I,

hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS, hệ thống điêuf khiển bướm ga điện tử ETCS-I

và hệ thống điều khiển làm mát EGR

Hình 3.1: Động cơ 2ZR-FXE trên Toyota Prius 2010 Động cơ cung cấp công suất tối đa 98hp tại 5200 vg/ph, momen xoắn cực đại 142N.m tại 4000vg/ph

Trên các mẫu động cơ Prius máy nén được trang bị là áy nén điện sử dụng năng lượng từ pin cao áp, đồng thời hệ thống trợ lực lái thuỷ lực trên mẫu cũ cũng được thay thế bằng trợ lực motor điện kết hợp với bơm nước của động cơ điện từ đó giúp động cơ 2ZR-FXE trên Prius 2010 trở thành động cơ không dây đai đầu tiên của Toyota

Chu trình Atkinson kết hợp với động cơ điện giúp cho Prius 2010 tối ưu hoá nhiên liệu, chi phí và giảm tối đa phát thải ra môi trường Kết hợp với hệ thống hồi lưu khí thải EGR giúp cho Prius 2010 giảm tối đa phát thải và đạt tiêu chuẩn phát thải và đạt tiêu chuẩn EURO 5

Bộ truyền lực của hệ thống Hybrid là một bộ tổng hợp giữa các thiết bị tạo ra công suất, phân chia công suất và tái sinh công suất So với thế hệ trước,

ở thế hệ Prius này đã có rất nhiều cải tiến để giảm trọng lượng xe cũng như tăng

sự tối ưu công suất cũng như tiết kiệm nhiên liệu hơn Bộ phận phân chia công suất (PSD) được tích hợp them bộ giảm tốc giúp tăng momen xoắn đầu ra cũng như loại bỏ truyền động bằng xích giữa bộ PSD và trục vào của vi sai vầu sau thauy vào đó là truyền động bánh răng các bộ phận chính trong bộ truyền lực của

hệ thống Hybrid bao gồm các bộ phận:

- Motor Generator 1 (MG1)

- Motor Generator 2 (MG2)

- Resolver (cảm biến tốc độ)

- Cảm biến nhiệt độ MG1, MG2

- Bộ phận chia công suất (PSD)

Motor Generator 1 (MG1) được sử dụng trên Toyota Prius 2010 là động

cơ điện nam châm vĩnh cửu, hoạt động ở điện áp tối đa 6500V AC, được làm mát bằng chất lỏng

Hình 3.2: MG1 Động cơ điện MG1 có chức năng như một máy phát điện để chuyển năng

MG1 có 4 nam châm nhỏ với kích thước 0,691mm x 21,066mm x 6,35mm xếp chồng lên nhau và kết hợp lại tạo thành một nam châm dài 27,64mm (1,08’’) Với mỗi nam châm nặng 28 gam (bốn nam châm 7 gam), tổng khối lượng nam châm trong MG1 của Toyota Prius 2021 là 448 gam Khối lượng của rôtr và statot MG1 lần lượt là 3,93kg và 8,58kg có tổng khối lượng là 12,5kg

Hình 3.3: Rotor và stator của MG1 Motor Generator 2 (MG2) được sử dụng trên Toyota Prius 2010 là động

cơ điện nam châm vĩnh cửu, hoạt động ở điện áp tối đa 6500V AC, được làm mát bằng chất lỏng

Hình 3.4: MG2 MG2 có chức năng tạo ra động lực cho xe bằng việc sử dụng năng luộng

từ pin cao áp và năng lượng MG1 và trong lúc không đạp bàn đạp ga hoặc trong trường hợp phanh – giảm tốc, MG2 đóng vai trò như một máy phát điẹn thu năng lượng phanh dưới dạng động năng của xe chuyển thành năng lượng điện sạc lại cho pin cao áp

Resolver là một cảm biến được sử dụng để phát hiện các cực từ trong rotor của MG1 và MG2 để có thể điều khiến chính xác MG1 và MG2 Trong hệ thống Hybrid của Prius 2010 được tích hợp hai Resolver, một trên MG1 và một trên MG2 Trên mỗi stator của Resolver có một cuộn dây kích từ và hai cuộn dây phát hiện là S,C Rotor của Resolver có hình bầu dục, khi quay khe hở giữa rotor

và stator thay đổi

Hình 3.5: Resolver

Bộ phận chia công suất (PSD): Bộ bánh răng hành tinh phân chia công suất của động cơ và motor để truyền cho phương tiện và máy phát Bộ bánh răng hành tinh giảm tốc motor Giảm tốc độ quay của MG2 để phù hợp với bộ bánh răng hành tinh, từ đó để giúp tăng momen xoắn đầu ra

Inventer: Dùng để chuyển đổi dòng điện một chiều từ bộ Boost Converter thành dòng điện xoay chiều cung cấp cho MG1, MG2 và ngược lại (từ AC sang DC)

Boost Converter: Tăng điện áp của pin cao áp từ 201,6V lên tối đa 650V

và ngược lại giảm từ 650V xuống 201,6V

Hình 3.7: Sơ đồ mạch Boost Converter

Bộ chuyển đổi DC/DC: Có vai trò giảm điện áo từ 201,6V của pịn cao áp xuống xấp xỉ 14V để cung cấp cho các thiết bị phụ cũng như cung cấp điẹn cho

ắc quy 12V

Hình 3.8: Bộ chuyển đổi DC/DC

2 Giải thích các chế độ vận hành phối hợp momen, phối hợp tốc độ của sơ

đồ hệ thống động lực hybrid (hình 4)

Các chế độ vận hành của HEV được chọn lần lượt

Chế độ lái động cơ điện: Chế độ này được thực hiện ở tốc độ thấp của HEV, được hiểu là tốc độ tối thiểu mà động cơ đốt trong không thể hoạt động ổn định Trong trường hợp này, động cơ điện cung cấp năng lượng cho các bánh xe trong khi động cơ đốt trong tắt hoặc không hoạt động

Chế độ lái hybrid (đông cơ điện + động cơ đốt trong): Khi tải trọng lớn hơn công suất mà động cơ đốt trong có thể cung cấp có thể cung cấp, cả động cơ đốt trong và động cơ điện phải cùng cung cấp năng lượng cho các bánh xe Chế

độ này được gọi là chế độ lái hybrid Trong trường hợp này, động cơ đốt trong được điều chỉnh để hoạt động ở chế độ tối ưu để đạt được công suất Pe Công suất còn lại cần thiết được cung cấp bởi động cơ điện

động cơ đốt trong tiếp tục hoạt động ở chế độ tối ưu, tạo ra công suất Pe Trong trường hợp này, động cơ điện được điều khiển bởi bộ điều khiển của nó để hoạt động như một máy phát, được điều khiển bởi công suất dư của động cơ đốt trong

Chế độ lái động cơ đốt trong: Khi tải trọng nhỏ hơn công suất mà động

cơ đôt trong có thể cung cấp ở chế độ tối ưu, và tỷ lệ tải mức năng lượng của pin

đã đạt đến giá trị tối đa, động cơ chính được thực hiện bởi động cơ đốt trong Trong trường hợp này, động cơ điện được tắt và động cơ đốt trong cung cấp toàn

bộ công suất để di chuyển HEV

Chế độ phanh tái tạo: Khi HEV dừng lại và công suất phanh yêu cầu thấp hơn công suất phanh tái tạo tối đa mà động cơ điện cung cấp, thì động cơ điện được chuyển từ bộ điều khiển để hoạt động trong chế độ máy phát và tạo ra công suất phanh bằng với công suất phanh đã thiết lập Trong trường hợp này, động

cơ đốt trong tắt hoặc chạy không tải

Chế độ phanh Hybrid: Khi công suất phanh yêu cầu lớn hơn công suất phanh tái tạo tối đa mà động cơ điện cung cấp trong chế độ máy phát, hệ thống phanh cơ học phải được áp dụng Trong trường hợp này, động cơ điện phải được điều khiển bởi bộ điều khiển để tạo ra công suất phanh tái tạo tối đa, và hệ thống phanh cơ học phải cung cấp phần còn lại của công suất phanh

Chế độ khởi động - dừng: Chế độ này có thể được sử dụng ở các tốc độ

di chuyển thấp và khi giảm tốc độ Khi động cơ đốt trong đang hoạt động, thuật toán duy trì mức năng lượng tối đa của pin Khi mức năng lượng của pin đạt giá trị tối đa, động cơ đốt trong sẽ được tắt và HEV chỉ được vận hành bằng động

cơ điện Khi mức năng lượng của pin giảm xuống mức tối thiểu cho phép, động

cơ đốt trong sẽ được khởi động và thuật toán được lặp lại

3 Giải thích tác dụng của máy điện MG1 trên sơ đồ hệ thống động lực hybrid (hình 4)

Chức năng của MG1: