nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi, phục vụ đào tạo tại trường đại học nha trang

Trong Luật Giao thông đường bộ số 26/2001/QH10 được Quốc hội thông qua tại kỳ họp 9 khóa X có một số định nghĩa liên quan như sau: Phương tiện giao thông cơ giới đường bộ sau đây gọi là

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN VĂN ĐỊNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRID 2 CHỖ NGỒI, PHỤC VỤ ĐÀO TẠO

TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ÔTÔ – MÁY KÉO

Mã số: 60 52 35

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Nhận

Nha Trang - 2013

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn cũng như để có được kết quả như ngày hôm nay, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên và hướng dẫn của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi cũng xin cảm ơn các Thầy/Cô Khoa Sau Đại học và Khoa Kỹ thuật Giao thông Trương Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện thuận lợi và cung cấp những kiến thức bổ ích để tôi hoàn thành đề tài

Dù đã có nhiều cố gắng nhưng chắc rằng đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót và

có những hạn chế nhất định Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy/Cô và bạn bè để đề tài hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang – 2013

Nguyễn Văn Định

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tôi cũng xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Văn Định

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ XE CƠ GIỚI VÀ ÔTÔ HYBRID 3

1.1 Tổng quan về xe cơ giới 4

1.1.1 Định nghĩa và phân loại xe cơ giới 4

1.1.2 Một số khái niệm và thông số cơ bản của ôtô 6

1.1.3 Cấu trúc tổng quát của xe cơ giới 10

1.2 Tổng quan về ôtô hybrid 12

1.2.1 Định nghĩa và phân loại ôtô hybrid 12

1.2.2 Sơ lược lịch sử phát triển ôtô hybrid 18

Chương 2 THIẾT KẾ ÔTÔ HYBRID 2 CHỖ NGỒI 19

2.1 Sơ đồ tổng quát mô hình ô tô hybrid 20

2.2 Lựa chọn phương án ôtô hybrid 2 chỗ ngồi 21

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo hệ động lực hybrid 21

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ động lực hybrid 26

2.3 Thiết kế các hệ thống cơ bản của ôtô hybrid 2 chỗ ngồi 41

2.3.1 Các lực và momen tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động 41

2.3.2 Các yếu tố cơ bản khi tính toán thiết kế 46

2.4 Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển 50

2.4.1 Động cơ Brushless DC Mortor 50

2.4.2 Khối LCD hiển thị 55

2.4.3 Giới thiệu về Vi điều khiển ATmega32 55

2.4.4 Thiết kế mạch 60

Chương 3 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRID 2 CHỖ NGỒI 65

3.1 Chế tạo mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi 66

3.2 Xác định một số thông số tính năng cơ bản của mô hình ôtô hybrid 72

3.3 Xây dựng các bài thực hành 73

3.3.1 Bài 1: Hệ động lực ôtô hybrid 73

3.3.2 Bài 2: Điều khiển điện áp cho máy phát điện 74

3.3.3 Bài 3: Điều khiển mạch nạp acquy ôtô hybrid 74

3.3.4 Bài 4: Điều khiển tốc độ động cơ DC Brushless (BLDC) 75

3.3.5 Bài 5: Phối hợp điều khiển giữa động cơ đốt trong (ĐCĐT) và động cơ điện 75

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

4.1 Kết quả đạt được và hạn chế 77

4.1.1 Kết quả đạt được 77

4.1.2 Hạn chế 77

4.2 Kiến nghị 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC 79

- MG1: Motor Generater 1 – Tổ hợp động cơ Máy phát 1

- MG2: Motor Generater 2 – Tổ hợp động cơ Máy phát 2

- PCB: Power Circuit Board – Mạch công suất

- VS: Vi sai

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại tổng quát xe cơ giới [2] 5 Bảng 1.2: Hệ số bám của một số loại mặt đường [2] 9 Bảng 1.3: Phân loại tổng quát phương tiện hybrid [7] 13 Bảng 3.1: Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường bằng phẳng

72

Bảng 3.2: Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường dốc 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các kích thước đặc trưng của ôtô [8] 6

Hình 1.2: Trọng lượng của ôtô [8] 7

Hình 1.3: Vùng tiếp xúc (1) và tâm tiếp xúc (2) [8] 8

Hình 1.4: Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số bám [8] 10

Hình 1.5: Cấu trúc tổng quát của ôtô [2] 11

Hình 1.6: Một số loại phương tiện hybrid [15] 14

Hình 1.7: Hệ thống động lực hybrid nối tiếp [7] 15

Hình 1.8: Hệ thống động lực hybrid song song [7] 16

Hình 1.9: Hệ động lực hybrid hỗn hợp [7] 17

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát ôtô hybrid 20

Hình 2.2: Sơ đồ hệ động lực ôtô hybrid kiểu hỗn hợp [7] 21

Hình 2.3: Ôtô hybrid Toyota Prius [12] 22

Hình 2.4: Động cơ đốt trong, hộp số của ôtô hybrid (Toyota Prius) [12] 22

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hộp số và bộ phân phối công suất [16] 23

Hình 2.6: Motor điện và máy phát điện ôtô hybrid (Toyota Prius) [12] 24

Hình 2.7: Bộ chuyển đổi điện [12] 24

Hình 2.8: Ắcquy điện áp cao trên Toyota Prius [12] 25

Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao [16] 25

Hình 2.10: Bố trí Ắc-quy phụ trên ôtô hybrid [12] 26

Hình 2.11: Sơ đồ hệ động lực Hybrid [7] 26

Hình 2.12: Điều kiện ôtô ở chế độ Ready On [7] 27

Hình 2.13: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD ở chế độ Ready On [7] 27

Hình 2.14: Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất trên ôtô [7] 27 Hình 2.15: Điều kiện của ôtô chạy với MG2 [7] 28

Hình 2.16: Biểu đồ monographic và hoạt động của PSD khi chạy với MG2 [7] 28

Hình 2.17: Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy với MG2 [7] 28 Hình 2.18: Điều kiện của ôtô khi chạy với MG2 và khởi động động cơ xăng [7] 29

Hình 2.19: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD 29

Hình 2.20: Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng [7] 30

Hình 2.21: Điều kiện của ôtô khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng [7] 30

Hình 2.22:Monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng [7] 31

Hình 2.23: Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất 31

khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng [7] 31

Hình 2.24: Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ thấp ổn định [7] 32

Hình 2.25: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD chạy tốc độ thấp ổn định [7] 32

Hình 2.26: Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất 33

khi chạy tốc độ thấp ổn định [7] 33

Hình 2.27: Điều kiện của ôtô khi tăng tốc hoàn toàn [7] 33

Hình 2.28: Monographic khi tăng tốc hoàn toàn [7] 34

Hình 2.29: Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất tăng tốc hoàn toàn [7] 34

Hình 2.30: Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ cao ổn định [7] 35

Hình 2.31: Monographic khi chạy tốc độ cao ổn định [7] 35

Hình 2.32: Sơ đồ đường truyền năng lượng và công suất chạy tốc độ cao ổn định [7] 35

Hình 2.33: Điều kiện của ôtô khi chạy ở tốc độ tối đa [7] 36

Hình 2.34: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD 36

Hình 2.35: Sơ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy ở tốc độ tối đa [7] 37

Hình 2.36: Điều kiện của ôtô khi chạy giảm tốc hoặc phanh [7] 37

Hình 2.37: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD 38

Hình 2.38: Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi giảm tốc hoặc phanh [7] 38

Hình 2.39: Điều kiện của ôtô khi chạy lùi [7] 39

Hình 2.40: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi chạy lùi [7] 39

Hình 2.41: Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy lùi [7] 40

Hình 2.42: Lực và momen tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động [8] 41

Hình 2.43: Trọng lượng [8] 41

Hình 2.44: Phản lực của mặt đường lên các bánh xe trước [8] 42

Hình 2.45: Khái niệm độ dốc của đường [15] 43

Hình 2.46: Sơ đồ biểu diễn lực kéo [8] 45

Hình 2.47: Bố trí hệ thống truyền lực 47

Hình 2.48: Các lực tác dụng lên ôtô khi lên dốc [7] 47

Hình 2.49: Sức phản điện động dạng hình thang [15] 51

Hình 2.50: Mặt cắt bằng của một BLDC [15] 51

Hình 2.51: Stator động cơ BLDC [15] 52

Hình 2.52: Rotor động cơ BLDC [15] 52

Hình 2.53: Động cơ Brushless có cảm biến Hall [15] 52

Hình 2.54: Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường [15] 53

Hình 2.55: Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường [15] 53

Hình 2.56: Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ [15] 53

Hình 2.57: Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC [15] 54

Hình 2.58: Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC [15] 54

Hình 2.59: Khối LCD hiển thị [15] 55

Hình 2.60: Sơ đồ chân của ATmega32 [13] 56

Hình 2.61: Hình dạng bên ngoài của ATmega32 [15] 57

Hình 2.62: Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển ATmega32 [13] 57

Hình 2.63: Thanh ghi DDRA [13] 58

Hình 2.64: Thanh ghi PORTA [13] 58

Hình 2.65: Thanh ghi PINA [13] 58

Hình 2.66: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit [13] 59

Hình 2.67: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16bit [13] 59

Hình 2.68: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch điều khiển 60

Hình 2.69: Sơ đồ khối kết nối cảm biến hall và biến trở 60

Hình 2.70: Sơ đồ nguyên lý khối LCD 61

Hình 2.71: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Brushless DC 62

Hình 2.72: Sơ đồ nguyên lý khối đảo chiều động cơ 63

Hình 2.73: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy 12V 63

Hình 2.74: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy 48V 64

Hình 2.75: Mạch điều khiển trung tâm 64

Hình 3.1: Bánh trước và nồi bi bánh trước 66

Hình 3.2: Cụm bánh trước 66

Hình 3.3: Cơ cấu giảm xóc bánh trước 67

Hình 3.4: Bánh sau và phanh 67

Hình 3.5: Mặt ngoài bánh sau 68

Hình 3.6: Cầu sau và cơ cấu giảm xóc bánh sau 68

Hình 3.7: Động cơ đốt trong và máy phát điện 69

Hình 3.8: Khớp nối trục các đăng 69

Hình 3.9: Cảm biến đo tốc độ xe 70

Hình 3.10: Cảm biến bàn đạp ga 70

Hình 3.11: Mạch điều khiển trung tâm 71

Hình 3.12: Tổng thể mô hình 71

Hình 3.13: Sơ đồ bố trí hệ động lực mô hình ôtô hybrid 73

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ôtô hybrid (hybrid automobile) là loại ôtô có hệ động lực được cấu thành từ hai

hoặc nhiều nguồn động lực khác biệt nhau Loại ôtô hybrid phổ biến nhất hiện nay có

hệ động lực gồm một động cơ đốt trong và một hoặc nhiều động cơ điện Bởi vậy,

thuật ngữ "hybrid car", "hybrid vehicle", "hybrid electric vehicles - HEVs" thường

được hiểu là loại phương tiện có hệ động lực như vậy

Chiếc ôtô hybrid đầu tiên trên thế giới có tên Lohner-Porsch Mixte Hybrid được trình diễn tại Paris Auto Show vào năm 1901 Mixte được trang bị 1 động cơ xăng 2,5

HP dẫn động máy phát điện nạp cho acqui Bộ acqui có công suất 5,22 kW cho phép ôtô đạt vận tốc tối đa 50 km/h và chạy được 65 km không cần nạp điện Ôtô hybrid đã không được sử dụng phổ biến cho đến đầu những năm 90 của thế kỷ XX

Do giá nhiên liệu ngày càng tăng, áp lực ngày càng lớn của vấn đề ô nhiễm môi trường, v.v., ôtô hybrid đã trở thành một trong những hướng phát triển của ngành công nghiệp ôtô được nhiều nước quan tâm Toyota và Honda được xem là những hãng chế tạo ôtô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực ôtô hybrid Dòng ôtô hybrid hiện đại đầu tiên có tên Toyota Prius xuất hiện trên thị trường Nhật Bản vào năm 1997, sau

đó là Honda Insight vào năm 1999 Đến tháng 2 năm 2012 đã có 2,5 triệu ôtô du lịch hybrid nhãn hiệu Toyota Prius được bán ra trên toàn thế giới Hiện nay, hầu hết các hãng chế tạo ôtô hàng đầu đều đã cho ra đời các phiên bản ôtô hybrid của mình và ôtô hybrid đã được khẳng định là một phần cốt lõi của thị trường ôtô trong tương lai

Ở Việt Nam, ôtô hybrid đã được quan tâm nghiên cứu từ đầu những năm 2000 thể hiện qua các đồ án tốt nghiệp bậc đại học, luận văn thạc sĩ, đề tài NCKH của giáo viên và sinh viên ở một vài trường đại học Cho đến nay, ôtô hybrid chưa được chế tạo hoặc lắp ráp tại Việt Nam, tuy nhiên hiện đã có một số lượng đáng kể ôtô du lịch hybrid được nhập khẩu và tham gia giao thông

Ôtô hybrid thương mại hiện nay là một tổ hợp trang thiết bị cơ khí, điện, điện tử hiện đại Đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình ôtô hybrid tại ĐHNT sẽ tạo điều kiện cho việc tiếp cận sâu hơn trong lĩnh vực ôtô hybrid, bổ sung tư liệu và thiết

bị góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư các ngành Kỹ thuật ôtô và Công nghệ

cơ điện tử

Xuất phát từ những lý do trên mà tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế

tạo mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi phục vụ đào tạo tại trường Đại học Nha Trang”

để làm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của mình

2 Mục tiêu nghiên cứu

Chế tạo mô hình ôtô hybrid cỡ nhỏ và thiết kế một số bài thực hành trong lĩnh vực Kỹ thuật ôtô và Công nghệ cơ điện tử

3 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát yêu cầu kỹ thuật của xe ôtô hybrid

- Tính toán các yếu tố lực tác động lên xe, các yêu cầu về tốc độ của xe, từ đó thiết kế sơ bộ mô hình

- Xây dựng phương án chế tạo mô hình cho phù hợp với yêu cầu đặt ra

- Tính toán thiết kế mạch điều khiển dựa vào yêu cầu kỹ thuật của xe

- Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn chỉnh

4 Đối tượng nghiên cứu

Ôtô hybrid cỡ nhỏ

5 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

- Ứng dụng nguyên lý hệ động lực ôtô hybrid dạng song song để chế tạo (không

có bộ chia công suất – PSD)

- Phối hợp điều khiển ĐCĐT và động cơ điện ở trường hợp đường bằng, lên dốc

- Phối hợp điều khiển chế độ nạp ắc quy

- Chế tạo bộ điều khiển có mã nguồn mở, giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận và thực tập

6 Bố cục của luận văn

Nội dung chính của luận văn được chia thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về xe cơ giới và ôtô hybrid

Chương 2: Thiết kế ôtô hybrid 2 chỗ ngồi

Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ XE CƠ GIỚI

VÀ ÔTÔ HYBRID

1.1 Tổng quan về xe cơ giới

1.1.1 Định nghĩa và phân loại xe cơ giới

Xe cơ giới, tiếng Anh là motor vehicle, là loại phương tiện tự hành trên bộ dùng

để vận chuyển người, hàng hoá hoặc để sử dụng vào những mục đích đặc biệt khác

Trong các tài liệu chuyên ngành, chúng ta có thể gặp một số thuật ngữ khác có

nội hàm tương đương như: road vehicle, ground vehicle, v.v Xe máy hai bánh, môtô

ba bánh, xe buýt, xe ca, xe đò, xe hơi, ôtô tải, ôtô con, máy kéo bánh xích hoặc bánh

hơi, xe tăng, v.v đều được xếp vào đối tượng xe cơ giới

"Ôtô" là thuật ngữ thường dùng chỉ những loại xe cơ giới có từ 4 bánh trở lên

Trong Luật Giao thông đường bộ số 26/2001/QH10 được Quốc hội thông qua tại kỳ họp 9 khóa X có một số định nghĩa liên quan như sau:

Phương tiện giao thông cơ giới đường bộ (sau đây gọi là xe cơ giới) - gồm ôtô,

máy kéo, xe gắn máy 2 hoặc 3 bánh và các loại xe tương tự, bao gồm cả xe cơ giới dùng cho người tàn tật

Phương tiện giao thông thô sơ đường bộ (sau đây gọi là xe thô sơ) - gồm các

loại xe không di chuyển bằng sức động cơ như xe đạp, xe xích lô, xe súc vật kéo và các loại xe tương tự

Phương tiện giao thông đường bộ - gồm phương tiện giao thông cơ giới đường

bộ và phương tiện giao thông thô sơ đường bộ

Xe máy chuyên dùng - gồm xe máy thi công, xe máy nông nghiệp, lâm nghiệp

có tham gia giao thông đường bộ

Phương tiện tham gia giao thông đường bộ - gồm phương tiện giao thông

đường bộ và xe máy chuyên dùng

Bảng 1.1: Phân loại tổng quát xe cơ giới [2]

Sơ đồ bố trí

hệ thống truyền lực

1.1.2 Một số khái niệm và thông số cơ bản của ôtô

1.1.2.1 Kích thước cơ bản của ôtô

1) Chiều dài cơ sở (L) - Đối với xe 2 cầu, chiều dài cơ sở của xe hai cầu là

khoảng cách giữa 2 đường tâm của cầu trước và cầu sau Đối với xe nhiều cầu, chiều dài cơ sở là khoảng cách giữa 2 đường tâm của 2 cầu cách xa nhau nhất

2) Chiều dài bao (L max ) - khoảng cách giữa 2 mặt phẳng ngang đi qua hai điểm

cách xa nhau nhất của xe

3) Chiều rộng cơ sở (B) - khoảng cách giữa 2 tâm tiếp xúc của 2 bánh xe trên

cùng một cầu Chiều rộng cơ sở ở phía trước và phía sau không nhất thiết phải bằng nhau Đối với xe có hơn 2 lốp trên cùng một cầu, cần phân biệt chiều rộng cơ sở cặp

bánh ngoài, cặp bánh trong và chiều rộng trung bình

4) Chiều rộng bao (B max ) - khoảng cách giữa hai mặt phẳng dọc đi qua 2 điểm

xa nhau nhất của xe

5) Chiều cao đặt hàng (H S ) - khoảng cách từ sàn vỏ xe đến mặt đường

6) Chiều cao cực đại (H) - khoảng cách từ mặt đường đến điểm cao nhất của

1.1.2.2 Trọng lượng của ôtô

Có thể phân biệt các khái niệm liên quan đến trọng lượng của xe như sau:

vào trọng lượng khô của xe vì mỗi loại xe có số lốp dự phòng khác nhau Những thiết

bị phụ như thiết bị nghe nhìn, sưởi ấm, thông gió, v.v sẽ được tính vào trọng lượng khô nếu chúng được ghi trong tài liệu thiết kế của xe

xe đã nạp đầu đủ dầu bôi trơn, dầu thuỷ lực, nhiên liệu, nước làm mát và những trang thiết bị phụ trợ như: lốp dự phòng, dụng cụ đồ nghề, thiết bị nghe nhìn, v.v

ích

T Gϕ

Hình 1.2: Trọng lượng của ôtô [8]

G - trọng lương; G b1 - trong lượng phân bố trên các bánh xe trước;

G b2 - trong lượng phân bố trên các bánh xe sau; G ϕ - trọng lượng bám của xe;

Z 1 - lực đỡ bánh xe trước; Z 2 - lực đỡ bánh xe sau

thống treo, bao gồm: khối lượng của khung xe, vỏ xe và các bộ phận lắp đặt trên đó, một phần khối lượng của hệ thống treo Trong quá trình xe hoạt động, khối lượng treo

sẽ dao động quanh các trục dao động của xe

lượng của các bộ phận thuộc hệ thống treo không được đặt trên các bộ đàn hồi

đường

1.1.2.3 Trọng tâm của ôtô

Trọng tâm của xe là điểm đặt hợp lực của lực hút của trái đất tác dụng lên các

phần tử của xe Trọng tâm của xe được xác định thông qua các thông số sau (H 1.2-2):

đường tâm cầu trước

đường tâm cầu sau

bên phải nhìn từ phía sau xe

bên trái nhìn từ phía sau xe

1.1.2.4 Vùng tiếp xúc và tâm tiếp xúc của bánh xe

Trong thực tế, cả bánh xe và mặt đường đều không phải là những vật cứng tuyệt đối nên bánh xe và mặt đường không tiếp xúc nhau ở một điểm hay một đường hình học mà tiếp xúc nhau ở vô số điểm Tập hợp tất cả các điểm tiếp xúc giữa bánh xe và

mặt đường được gọi là vùng tiếp xúc (tire-ground contact patch), điểm đặt của lực tổng hợp tất cả các phản lực thành phần từ mặt đường tác dụng lên bánh xe gọi là tâm

tiếp xúc (contact center)

G b

b)

2

Hình 1.3: Vùng tiếp xúc (1) và tâm tiếp xúc (2) [8]

a- khi xe đứng yên và không có lực ngang; b- khi xe chuyển động

và không có lực ngang tác dụng lên xe, c- khi xe chuyển động và có lực ngang

1.1.2.5 Hệ số bám và lực bám

Lực bám (Fϕ) là lực chống lại hiện tượng trượt của bánh xe trên mặt đường

Hệ số bám (ϕ) là đại lượng đặc trưng cho khả năng bám (hay khả năng chống

trưng cho khả năng chống lại hiện tượng trượt trong mặt phẳng ngang Về mặt định lượng, hệ số bám được xác định theo các công thức sau:

G

F k x

Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến hệ số bám - Hệ số bám phụ thuộc vào

những yếu tố sau đây:

Cho đến nay vẫn chưa có phương pháp giải tích nào cho phép xác định một cách chính xác hệ số bám bởi vì trị số của hệ số bám phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau, bởi vậy người ta thường xác định hệ số bám bằng phương pháp thực nghiệm Khi tính toán có thể chọn trị số hệ số bám trung bình trong các bảng

Bảng 1.2: Hệ số bám của một số loại mặt đường [2]

Loại đường và tình trạng mặt đường Hệ số bám ( ϕ x )

Đường nhựa hoặc đường bê tông:

• ướt Đường đất:

• ướt Đường cát:

1- Đường khô, 2- Đường ướt

p - áp suất trong lốp xe, Z- Tải trọng thẳng đứng trên bánh xe ,

v - Vận tốc của xe, s - Độ trượt của bánh xe chủ động

1.1.3 Cấu trúc tổng quát của xe cơ giới

Hình 1.5: Cấu trúc tổng quát của ôtô [2]

Xe cơ giới là một đối tượng kỹ thuật phức tạp về phương diện cấu trúc, đa dạng

về tính năng và mục đích sử dụng Từ đối tượng cơ khí truyền thống ở giai đoạn đầu của lịch sử phát triển, xe cơ giới hiện đại là một tổ hợp các thiết bị cơ khí, điện, điện tử

và công nghệ thông tin Mức độ điện tử hóa và hàm lượng công nghệ thông tin chiếm

tỷ lệ ngày càng lớn trên các loại xe cơ giới hiện đại

Tuỳ theo mục đích sử dụng, mức độ hiện đại hoá, giá cả, v.v., xe cơ giới có cấu trúc và được trang bị khác nhau Tuy nhiên, mỗi xe cơ giới đều được cấu thành từ những thành tố cơ bản sau đây:

1.2 Tổng quan về ôtô hybrid

1.2.1 Định nghĩa và phân loại ôtô hybrid

Trong tiếng Anh, từ hybrid có nghĩa là lai / ghép / kết hợp, thuật ngữ hybrid

vehicle được định nghĩa là phương tiện có hệ động lực được cấu thành từ hai hoặc nhiều nguồn động lực khác biệt nhau

Theo định nghĩa như vậy, các loại phương tiện như: xe đạp máy có thể chạy bằng đạp pedal và bằng động cơ (điện hoặc xăng), xuồng có thể chạy bằng động cơ hoặc chèo tay, ôtô có thể chạy bằng cả nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí, xe lửa được trang bị cả động cơ điện và diesel, máy bay có thể sử dụng chạy bằng động cơ điện, máy bay được trang bị động cơ điện để di chuyển trên đường băng và động cơ nhiệt để

bay, tàu ngầm điện-diesel, v.v đều được xếp vào đối tượng hybrid vehicle

Bảng 1.3: Phân loại tổng quát phương tiện hybrid [7] Tiêu chí phân loại Các loại phương tiện hybrid

Nguồn năng lượng

Loại phương tiện

Phương thức phối hợp

các loại động cơ

Hình 1.6: Một số loại phương tiện hybrid [15]

a) xe đạp Velosolex; b) ôtô Honda Insight;

c) đầu máy xe lửa HB-E300 của East Japan Railway Company

Loại ôtô hybrid phổ biến nhất hiện nay có hệ động lực gồm một động cơ đốt

trong và một hoặc nhiều động cơ điện Bởi vậy, các thuật ngữ "ôtô hybrid", "hybrid

car", "hybrid vehicle", "hybrid electric vehicles - HEVs" thường được hiểu là loại

phương tiện có hệ động lực như vậy

Về phương diện cấu trúc, ôtô hybrid và ôtô cổ điển chỉ khác nhau cơ bản ở hệ

thống động lực Theo cách thức phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện có

thể phân biệt 3 kiểu hệ động lực của ôtô hybrid là: kiểu nối tiếp, kiểu song song và kiểu

hỗn hợp

1.2.1.1 Kiểu nối tiếp

Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc-quy hoặc cung cấp cho động cơ điện

Hình 1.7: Hệ thống động lực hybrid nối tiếp [7]

Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc-quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện Động cơ điện ở đây còn có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi ôtô xuống dốc và thực hiện quá trình phanh

* Ưu điểm

Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được

ô nhiễm môi trường, động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu ôtô chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy Sơ đồ này có thể không cần hộp số

* Nhược điểm

Kích thước và dung tích ắc-quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quy nên dễ

bị quá tải

1.2.1.2 Kiểu song song

Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc

Hình 1.8: Hệ thống động lực hybrid song song [7]

Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc-quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi

động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy

* Ưu điểm

Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc-quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của ôtô nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp

* Nhược điểm

Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nối tiếp Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao

1.2.1.3 Kiểu hỗn hợp

Hình 1.9: Hệ động lực hybrid hỗn hợp [7]

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối

đa các lợi ích được sinh ra Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động Tuy nhiên ôtô có thể chạy theo "kiểu

êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo ôtô hybrid

Bảng 1.4: So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất [7]

Sự tiết kiệm nhiên liệu Sự truyền động

Kiểu lai Sự dừng

không tái sinh

Lấy lại năng lượng

Hoạt động hiệu suất cao

Tổng hiệu suất

Gia tốc

Công suất phát ra cao liên tục Nối tiếp

Song song

Hỗn hợp

1.2.2 Sơ lược lịch sử phát triển ôtô hybrid

Chiếc ôtô hybrid đầu tiên trên thế giới có tên Lohner-Porsch Mixte Hybrid

xăng 2,5 HP dẫn động máy phát điện nạp cho acqui Bộ acqui có công suất 5,22 kW cho phép ôtô đạt vận tốc tối đa 50 km/h và chạy được 65 km không cần nạp điện Ôtô hybrid đã không được sử dụng phổ biến cho đến đầu những năm 90 của thế kỷ XX

Do giá nhiên liệu ngày càng tăng, áp lực ngày càng lớn của vấn đề ô nhiễm môi trường, v.v., ôtô hybrid đã trở thành một trong những hướng phát triển của ngành công nghiệp ôtô được nhiều nước quan tâm Toyota và Honda được xem là những hãng chế tạo ôtô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực ôtô hybrid Dòng ôtô hybrid hiện đại đầu tiên có tên Toyota Prius xuất hiện trên thị trường Nhật Bản vào năm 1997, sau

đó là Honda Insight vào năm 1999 Đến tháng 2 năm 2012 đã có 2,5 triệu ôtô du lịch hybrid nhãn hiệu Toyota Prius được bán ra trên toàn thế giới Hiện nay, hầu hết các hãng chế tạo ôtô hàng đầu đều đã cho ra đời các phiên bản ôtô hybrid của mình và ôtô hybrid đã được khảng định là một phần cốt lõi của thị trường ôtô trong tương lai

Chương 2

THIẾT KẾ ÔTÔ HYBRID 2 CHỖ NGỒI

2.1 Sơ đồ khối tổng quát ô tô hybrid

Ghi chú:

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát ôtô hybrid

Động cơ đốt trong (ĐCĐT): Dùng để khởi động cho máy phát, là quá trình khởi

tạo năng lượng điện

Máy phát: Khi hoạt động sẽ cung cấp năng lượng điện để nạp vào acquy, phục

vụ cho việc cung cấp điện cho 2 động cơ ở 2 bánh xe

Ly hợp: Có nhiệm vụ kết nối/ngắt truyền động giữa động cơ đốt trong và trục

cácđăng

Vi sai: Phân phối lực dẫn động từ động cơ đến 2 bánh sau

Liên kết bằng cơ học Liên kết bằng điện

ĐỘNG CƠ ĐỐT

PHẢI

BÁNH SAU

TRÁI

BÁNH SAU

PHẢI

VI SAI

ACQUY

ECU: Bộ điều khiển trung tâm Điều khiển quá trình khởi động/ngắt động cơ đốt

trong, mạch công suất (PCB) để phân phối điện năng đến động cơ bánh trái và động cơ bánh phải Khi acquy đã nạp đầy, ECU có nhiệm vụ ngắt động cơ đốt trong và máy phát Khi điện áp acquy xuống thấp thì ECU có nhiệm vụ khởi động động cơ và máy phát để nạp điện vào cho acquy Đồng thời ECU còn làm nhiệm vụ điều khiển tốc độ cho 2 động cơ điện

Ắc quy: Tích trữ điện và cung cấp cho việc điều khiển 2 động cơ ở 2 bánh xe Động cơ bánh trái, phải: Truyền chuyển động ra 2 bánh xe, có thể thay đổi tốc

độ dễ dàng theo ý muốn của người sử dụng

Trong suốt quá trình tăng tốc và leo dốc, cả ĐCĐT và động cơ điện sẽ cung cấp năng lượng đến các bánh xe nhằm đảm bảo được công suất tốt nhất

2.2 Lựa chọn phương án ôtô hybrid 2 chỗ ngồi

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo hệ động lực hybrid

Hình 2.3: Ôtô hybrid Toyota Prius [12]

Hệ động lực hybrid bao gồm bộ phận chính sau đây:

(1)- Engine: Động cơ đốt trong

(2),(5)- Hybrid Transaxle: Hộp số kết hợp với bộ phân phối công suất PSD, bao gồm cả tổ hợp động cơ điện máy phát MG1 và MG2

(3)- High Volt Battery: Ắc quy điện áp cao

(4)- Inverter with Converter: Bộ chuyển đổi điện

2.2.1.2 Hộp số và bộ phân phối công suất PSD (Hybrid Transaxle)

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hộp số và bộ phân phối công suất [16]

Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trị như một bộ chia công suất

có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của ôtô thành hai thành phần tạm gọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện

Các bánh răng hành tinh của nó có thể truyền công suất đến động cơ chính, động

cơ điện-máy phát và các bánh xe chủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau Các bánh răng hành tinh này hoạt động như một cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously Variable Transmission)

2.2.1.3 Motor điện và máy phát điện

Tổ hợp motor điện-máy phát số 1 (MG1- Motor Generater 1) có nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ắc-quy điện áp cao (HV Battery), đồng thời cấp điện năng để dẫn động cho MG2 (MG2- Motor Generater 2) MG1 hoạt động như một motor để khởi động động cơ chính của ôtô đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh gần giống như một CVT

a Tổ hợp MG1-Motor Generater b.Tổ hợp MG2-Motor Generater 2

Hình 2.6: Motor điện và máy phát điện ôtô hybrid (Toyota Prius) [12]

Tổ hợp motor điện-máy phát số 2 (MG2) có nhiệm vụ dẫn động cho các bánh

xe chủ động tiến hoặc lùi Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh ôtô, MG2 hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm tái sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc-quy điện áp cao

Trên Toyota dùng một môtơ đồng bộ xoay chiều 3 pha, là một môtơ không chổi than DC hiệu suất cao với dòng AC Các nam châm vĩnh cửu và một rôto được làm bằng các tấm thép điện từ ghép lại thành một môtơ công suất cao

2.2.1.4 Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter)

Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc-quy điện áp cao thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy

Hình 2.7: Bộ chuyển đổi điện [12]

Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng một chiều để nạp điện cho ắc-quy phụ của ôtô và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của ôtô hoạt động

2.2.1.5 Ắcquy điện áp cao (HV Battery-High Volt Battery)

Ắcquy chính của ôtô được bảo vệ trong một vỏ niken kim loại hyđrua chắc chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường Thường gồm 120-250 cặp cực ắcquy với điện áp chuẩn là 144-350 Volt (1,2V/cặp cực ắcquy) được nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi ôtô chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng

Ford Escape Hybrid, Honda Insight, Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử dụng những pin hyđrua kim loại kiềm (NiMH) Hệ thống hybrid của Prius là sự kết hợp của

38 mô đun chứa 228 pin điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6 V Ôtô của Honda thì dùng 120 pin điện, tổng công suất 144 V; Ford 250 pin, công suất 330 V

Hình 2.8: Ắcquy điện áp cao trên Toyota Prius [12]

2.2.1.6 Cáp nguồn

Cáp nguồn hay cáp công suất trong ôtô hybrid dùng để truyền dòng điện có cường độ và điện áp cao giữa các thiết bị như ắcquy điện cao áp, bộ chuyển đổi, các tổ hợp MG1, MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa Đường dây cao áp và các giắc nối được đánh dấu bằng mầu da cam như trong hình bên dưới

Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao [16]

2.2.1.7 Ắcquy phụ

Loại ắcquy DC12V này được bố trí cố định phía sau ôtô, duy trì và cung cấp dòng điện một chiều ổn định cho các thiết bị như đèn ôtô, hệ thống âm thanh, các ECU điều khiển vv…

Hình 2.10: Bố trí Ắc-quy phụ trên ôtô hybrid [12]

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ động lực hybrid

1 K

Trong đó: (1)- Bộ chia công suất; (K)- Khóa; (MG1)- Tổ hợp động cơ máy phát số 1;

(MG2)- Tổ hợp động cơ máy phát số 2; (Engine)- Động cơ xăng

Các chế độ hoạt động hệ động lực bao gồm:

Ø Chế độ sẵn sàng

Ø Chạy với MG2

Ø Chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng

Ø Tăng tốc nhẹ với động cơ xăng

Ø Chạy tốc độ thấp ổn định

Ø Tăng tốc hoàn toàn

Ø Chạy ở tốc độ cao ổn định

Ø Chạy ở tốc độ tối đa

Ø Giảm tốc hoặc phanh

Ø Chế độ lùi

2.2.2.1 Ready On- Chế độ sẵn sàng

Vehicle Speed

0

Time

Hình 2.12: Điều kiện ôtô ở chế độ Ready On [7]

MG2 Engine (Caàn C)

MG1 -

2.2.2.2 Chạy với MG2

Vehicle Speed

0

Time

Hình 2.15: Điều kiện của ôtô chạy với MG2 [7]

MG2 Engine (Caàn C)

MG1 -

Hình 2.17: Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy với MG2 [7]

Ở chế độ này ECU HV sẽ kích hoạt cho pin HV cung cấp điện cho bộ chuyển đổi điện chuyển đổi điện áp một chiều (DC) thành điện áp xoay chiều (AC) cung cấp

: Đường truyền công suất