nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT HEV Ôtô hybrid Hybrid Electric Vehicle S-HEV Ôtô hybrid kiểu nối tiếp Series Hybrid Electric Vehicle P-HEV Ôtô hybrid kiểu song song Parallel Hybrid

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN TRÍ THÀNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM

BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRANG BỊ TRÊN

MÔ HÌNH XE HYBRID KIỂU HỖN HỢP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khánh Hòa - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN TRÍ THÀNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM

BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRANG BỊ TRÊN

MÔ HÌNH XE HYBRID KIỂU HỖN HỢP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả, số liệu nêu trong luận văn là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào

Tác giả

Nguyễn Trí Thành

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận văn này

Trước hết tôi xin kính gửi đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông và Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang sự kính trọng, sự tự hào được học tập và nghiên cứu tại trường trong những năm qua

Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được giành cho thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhận

- Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Nam Việt đã tận tình hướng dẫn, động viên để tôi hoàn thành luận văn

Xin cám ơn: Thầy PGS TS Trần Gia Thái – Trưởng khoa Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang và các thầy cô phản biện đã cho tôi những lời khuyên quí báu để công trình nghiên cứu được hoàn thành có chất lượng

Đặc biệt xin được ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Nghề Phú Yên, quí thầy cô giáo trong Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông và Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang, gia đình và bạn bè thân thiết luôn luôn chia sẻ cùng tôi trong quá trình nghiên cứu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT ÔTÔ HYBRID 3

1.1.TỔNGQUANTÌNHHÌNHNGHIÊNCỨU 3

1.1.1 Trong nước 3

1.1.2 Ngoài nước 3

1.2.SƠLƯỢCLỊCHSỬPHÁTTRIỂNXEHYBRID 3

1.3.ĐẶCĐIỂMCẤUTẠOCỦAÔTÔHYBRID 4

1.3.1 Ôtô hybrid kiểu nối tiếp 5

1.3.2 Ôtô hybrid kiểu song song 6

1.3.3 Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp 7

1.4.BỘPHÂNPHỐICÔNGSUẤT 8

1.4.1 Đặc điểm cấu tạo 8

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của hệ động lực Hybrid 11

1.4.2.1 Chạy với MG2 12

1.4.2.2 Chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng 13

1.4.2.3 Tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15

1.4.2.4 Chạy tốc độ thấp ổn định 16

1.4.2.5 Tăng tốc hoàn toàn 17

1.4.2.6 Chạy tốc độ cao ổn định 19

1.4.2.7 Chạy ở tốc độ tối đa 20

1.4.2.8 Giảm tốc hoặc phanh 22

1.4.2.9 Chạy lùi 23

1.5.CÁCCÔNGTRÌNHCÓLIÊNQUANĐẾNBỘPHÂNPHỐICÔNG SUẤT 25

1.6.SOSÁNHGIỮACÁCKIỂUÔTÔHYBRID 26

Chương 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT CHO XE HYBRID 2 CHỖ KIỂU HỖN HỢP 28

2.1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ PHÂN PHỐICÔNGSUẤTKIỂUVISAITỐCĐỘ 28

2.1.1 Phương án 1:Chế tạo theo mẫu của Nhà sản xuất 28

2.1.2 Phương án 2: Cải hoán sử dụng các chi tiết có sẵn trên thị trường 29

2.1.3 Phương án 3: Thiết kế và chế tạo mới toàn bộ mô hình 29

2.2.LỰACHỌNPHƯƠNGÁN 30

2.3.THIẾTKẾBỘPHÂNCHIACÔNGSUẤT–PSD 30

2.3.1 Cơ sở tính toán thiết kế 30

2.3.1.1 Lực và mô men tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động 30

2.3.1.2 Các yếu tố cơ bản khi tính toán thiết kế 31

2.3.1.4 Tính chọn động cơ nhiệt: 33

2.3.2 Cơ sở tính toán thiết kế bộ phân phối công suất kiểu vi sai tốc độ 34

2.3.3 Các thông số đầu vào và các thông số đầu ra ở các chế độ hoạt động 36

2.3.3.1 Khi truyền động chỉ sử dụng nguồn động cơ điện (MG2) 36

2.3.3.2 Khi truyền động chỉ sử dụng nguồn động cơ xăng 36

2.3.3.3 Khi truyền động kết hợp cả hai nguồn công suất động cơ xăng và động cơ điện (MG1) 36

2.3.4 Tính toán thiết kế bộ phân phối công suất 37

2.3.4.1 Điều kiện đồng trục 38

2.3.4.2 Điều kiện lắp 39

2.3.4.3 Điều kiện kề 39

2.3.2 Tính toán thiết kế 39

2.3.2.1 Tính chọn bánh răng của bộ phân phối công suất 39

2.3.2.2 Tính toán thiết kế các trục của bộ phân phối công suất 48

2.3.2.3 Chọn then 50

2.4.CÔNGNGHỆCHẾTẠO 50

2.4.1 Các chi tiết, bộ phận cần chế tạo 50

2.4.2 Phương án chế tạo, lắp ráp 52

2.4.3 Qui trình gia công 52

2.4.3.1 Qui trình gia công bánh răng 52

2.4.4 Thiết bị gia công 56

2.4.5 Lắp đặt hoàn thiện mô hình PSD (hình 2.17) 58

3.1.THỬNGHIỆMCÁCCHẾĐỘHOẠTĐỘNGCỦABỘPHÂNCHIA CÔNGSUẤTTRÊNMÔHÌNHXEHYBRID2CHỖ 60

3.2.XÂYDỰNGCÁCBÀITHỰCHÀNHTHỰCTẬPTRÊNMÔHÌNH XEHYBRIDĐƯỢCLẮPBỘPSD 62

3.2.1 Bài 1: Cấu tạo các bộ phận của bộ phân phối công suất - PSD 62

3.2.1.1 Nội dung 62

3.2.1.2 Yêu cầu thực hiện 62

3.2.2 Bài 2: Nguyên lý hoạt động của bộ phân phối công suất – PSD và các thiết bị động lực trên mô hình xe hybrid 63

3.2.2.1 Nội dung 63

3.2.2.2 Yêu cầu thực hiện 63

3.2.3 Bài 3: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các hệ thống lái, phanh, treo, truyền lực 63

3.2.3.1 Nội dung 63

3.2.3.2 Yêu cầu thực hiện 63

3.2.3 Bài 4: Vận hành mô hình xe hybrid 64

3.2.3.1 Nội dung 64

3.2.3.2 Yêu cầu thực hiện 64

3.2.4 Bài 5: Bảo dưỡng, sửa chữa và chẩn đoán kỹ thuật 64

3.2.4.1 Nội dung 64

3.2.4.2 Yêu cầu thực hiện 64

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

4.1.KẾTQUẢĐẠTĐƯỢCVÀHẠNCHẾ 65

4.1.1 Kết quả đạt được 65

4.1.2 Hạn chế 65

4.2.KIẾNNGHỊ 65

PHỤ LỤC 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

HEV Ôtô hybrid (Hybrid Electric Vehicle)

S-HEV Ôtô hybrid kiểu nối tiếp (Series Hybrid Electric Vehicle)

P-HEV Ôtô hybrid kiểu song song (Parallel Hybrid Electric Vehicle) SP-HEV Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle)

ICE Động cơ đốt trong

MG1 Máy phát-Môtơ điện liên hợp trong THS

MG2 Môtơ-Máy phát điện liên hợp trong THS

PSD Bộ phân phối công suất (Power Split Device)

Rpm số vòng quay của trục trong 1 phút

THS Hệ động lực hybrid của ôtô Toyota Prius (Toyota Hybrid System)

c Tỷ số nén của động cơ đốt trong

e Tỷ số dãn nở của động cơ đốt trong

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh ƣu nhƣợc điểm của 3 loại ôtô hybrid 27

Bảng 2.1 Thông số hình học của bánh răng bao 45

Bảng 2.2 Thông số hình học của bánh răng trung tâm 46

Bảng 2.3 Thông số hình học của bánh răng hành tinh 46

Bảng 2.4 Thông số then bằng 50

Bảng 2.5 Qui trình gia công bánh răng 52

Bảng 2.6 Qui trình gia công trục 54

Bảng 3.1 Thử nghiệm các chế độ hoạt động của bộ phân phối công suất (PSD) 61

Bảng 3.2 Xây dựng các bài tập thực hành 62

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH

Hình 1.1 Lohner-Porsche Mixte [19] 4

Hình 1.2 Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu nối tiếp 5

Hình 1.3 Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu song song 6

Hình 1.4 Hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius 8

Hình 1.5 Cấu tạo hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius 10

Hình 1.6 Sơ đồ hệ động lực Hybrid 11

Hình 1.7 Điều kiện của ôtô chạy với MG2 12

Hình 1.8 Biểu đồ monographic và hoạt động của PSD khi chạy với MG2 12

Hình 1.9 Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy với MG2 12

Hình 1.10 Điều kiện của ôtô khi chạy với MG2 và khởi động động cơ xăng 13

Hình 1.11 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD khi chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng 13

Hình 1.12 Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng 14

Hình 1.13 Điều kiện của ôtô khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15

Hình 1.14 Monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15

Hình 1.15 Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15

Hình 1.16 Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ thấp ổn định 16

Hình 1.17 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD chạy tốc độ thấp ổn định 16

Hình 1.18 Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy tốc độ thấp ổn định 17

Hình 1.19 Điều kiện của ôtô khi tăng tốc hoàn toàn 17

Hình 1.20 Khi tăng tốc hoàn toàn 18

Hình 1.21 Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất tăng tốc hoàn toàn 18

Hình 1.22 Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ cao ổn định 19

Hình 1.23 Monographic khi chạy tốc độ cao ổn định 19

Hình 1.24 Sơ đồ đường truyền năng lượng và công suất chạy tốc độ cao ổn định 20

Hình 1.25 Điều kiện của ôtô khi chạy ở tốc độ tối đa 20

Hình 1.26 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD khi chạy ở tốc độ tối đa 21

Hình 1.27 Sơ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy ở tốc độ tối đa 21

Hình 1.28 Điều kiện của ôtô khi chạy giảm tốc hoặc phanh 22

Hình 1.29 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD khi

giảm tốc hoặc phanh 22

Hình 1.30 Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi giảm tốc hoặc phanh 23

Hình 1.31 Điều kiện của ôtô khi chạy lùi 23

Hình 1.32 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi chạy lùi 24

Hình 1.33 Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy lùi 24

Hình 1.34 Mô hình ôtô hybrid kiểu song song 25

Hình 2.1 Lực và mô men tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động 30

Hình 2.2 Bộ phân phối công suất kiểu vi sai tốc độ 34

Hình 2.3 Mô hình bộ phân phối công suất 35

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán cơ cấu bộ chia công suất PSD 37

Hình 2.5a Sơ đồ tính toán điều kiện đồng trục, điều kiện lắp, điều kiện kề của bộ chia công suất PSD 38

Hình 2.5b Sơ đồ tính toán điều kiện đồng trục, điều kiện lắp, điều kiện kề của bộ chia công suất PSD 38

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán tỉ số truyền i1C của bộ phân phối công suất 40

Hình 2.7 Sơ đồ tính toán khoảng cách trục của bộ chia công suất PSD 42

Hình 2.8 Sơ đồ kết cấu bộ phân phối công suất 48

Hình 2.9 Bánh răng bao của bộ phân phối công suất 50

Hình 2.10 Bánh răng hành tinh của bộ chia công suất PSD 51

Hình 2.11 Bánh răng trung tâm của bộ chia công suất PSD 51

Hình 2.12 Cần C (Chạc mang bánh răng hành tinh) của bộ chia công suất PSD 51

Hình 2.13 Máy tiện T16 và máy phay vạn năng 56

Hình 2.14 Máy cắt dây CNC 56

Hình 2.15 Cụm ăn khớp bánh răng trung tâm - bánh răng hành tinh 57

Hình 2.16 Cụm bánh răng bao trên máy cắt dây CNC 57

Hình 2.17 Mô hình lắp ráp hoàn thiện 58

Hình 2.18 lắp đặt cân chỉnh bộ PSD lên mô hình xe hybrid 59

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ôtô hybrid được nghiên cứu từ những năm 1990, đến năm 1997 chiếc ôtô hybrid đầu tiên Toyota Prius ra đời tại Nhật Bản, từ đó đến nay ôtô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ôtô hàng đầu trên thế giới như Toyota, Honda, Ford đã tung ra thị trường những thế hệ ôtô mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể lượng chất thải gây ô nhiểm môi trường được gọi là ôtô Hybrid

Những chiếc ôtô petrol-electric hybrid chạy bằng sự kết hợp giữa một động cơ xăng truyền thống và một mô-tơ điện được điều khiển bằng một thiết bị chứa năng lượng như một bộ pin Ở những điều kiện đơn giản, chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc: một mô-tơ điện cung cấp năng lượng ở tốc độ thấp như khi lái ôtô trong thành thị,

và chuyển sang dùng xăng khi lái ở những vận tốc cao hơn

Các công nghệ hybrid cải thiện hiệu quả nhiên liệu và vì thế tiết kiệm nhiên liệu đáng kể so với một chiếc ôtô chạy bằng xăng thông thường, cũng như thải ra ít carbon hơn

Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ôtô này Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào

kỷ nguyên mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ôtô sinh thái (The ultimate eco-car)

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 hiện nay là một tổ hợp trang thiết bị cơ khí, điện, điện tử hiện đại

Đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị

trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽ tạo được điều kiện thuận lợi quan sát rõ

phần phối hợp công suất”Bộ PSD”và làm cho việc tiếp cận sâu hơn trong lĩnh vực ôtô hybrid

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽ giúp cho sinh viên dễ tiếp cận về nguyên lý hoạt động ôtô hybrid

6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết từ đó ứng dụng vào thực nghiệm chế tạo thử nghiệm mô hình

7 Bố cục của luận văn

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

Chương 1: Tổng quan về bộ phân phối công suất ô tô hybrid

Chương 2: Thiết kế, chế tạo mô hình bộ phân phối công suất cho ôtô hybrid 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT ÔTÔ HYBRID 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1.1 Trong nước

Ở nước ta, ôtô hybrid đã được nghiên cứu trong những năm gần đây qua những

đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trường Đại Học Nha Trang, luận văn thạc sĩ, đề tài NCKH của giáo viên Trường Đại Học Đà Nẵng, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuât Một trong những hướng nghiên cứu mới đó là các loại xe thân thiện với môi trường như xe Hybrid, xe sử dụng năng lượng mặt trời…Tuy nhiên do giá thành của các phương tiện này khá cao nên chưa được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam Cho đến nay, ôtô hybrid chưa được chế tạo hoặc lắp ráp ở thị trường Việt Nam

1.1.2 Ngoài nước

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật Các hãng xe hơi luôn nghiên cứu, cải tiến sản phẩm của mình ngày càng hoàn hảo hơn để phục vụ nhu cầu của người tiêu dùng

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 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

1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XE HYBRID

Lohner-Porsche Mixte do Ferdinand Porsche - kỹ sư ôtô người Đức (1875 –

1951) - chế tạo vào năm 1899, được xem là chiếc xe hybrid đầu tiên trên thế giới

Lohner-Porsche Mixte được trang bị 2 môtơ điện bố trí trong mayơ của 2 bánh trước,

một bộ ắc qui và 1 động cơ xăng Động cơ xăng chỉ có chức năng dẫn động dynamo

để phát điện nạp ắc qui Mỗi môtơ điện có công suất 1,9 2,6 kW, cực đại là 5,2 kW,

trực tiếp quay các bánh xe phía trước Lohner-Porsche Mixte không có hệ truyền động

cơ khí Khi xuất hiện lần đầu tiên tại Triễn lãm quốc tế tại Pari vào tháng 4 năm 1900,

Lohner-Porsche Mixte đã làm kinh ngạc giới hâm mộ ôtô thời đó 300 chiếc Lohner Porsche Mixte đã được chế tạo Sáng chế này sau đó đã được bán cho Emil Jellinek - người sáng lập hãng chế tạo ôtô Mercedes hiện nay [20]

Hình 1.1 Lohner-Porsche Mixte [19]

Thiết kế của Lohner-Porsche Mixte đã được Boeing và NASA nghiên cứu và

ứng dụng cho xe tự hành trên Mặt trăng trong chương trình Apollo của Hoa Kỳ trong những năm 1960 Ý tưởng hệ thống hybrid nối tiếp của Ferdinand Porsche đã được sử dụng làm cơ sở để phát triển hàng loạt đầu máy xe lửa và ôtô hybrid hiện đại

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 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

1.3 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA ÔTÔ HYBRID

Mặc dù đã được chế tạo từ đầu thế kỷ XX và rất đa dạng về đặc điểm cấu tạo

cũng như nguyên lý hoạt động, nhưng cho đến nay, chỉ có ôtô hybrid với động cơ đốt

trong (Internal Combustion Engine - ICE) và môtơ điện (Electric Motor - EM) đã được

thương mại hóa và chiếm thị phần đáng kể trên phạm vi toàn thế giới

Căn cứ vào cách thức liên kết giữa ICE và EM, tỷ lệ công suất của ICE và của

EM được sử dụng để dẫn động bánh xe chủ động, sự phân công về thời gian làm việc của ICE và của EM trong quá trình vận hành ôtô, ôtô hybrid hiện đại được phân thành

3 loại: ôtô hybrid kiểu nối tiếp, kiểu song song và kiểu hỗn hợp

1.3.1 Ôtô hybrid kiểu nối tiếp

Ôtô hybrid kiểu nối tiếp, tiếng Anh là Series Hybrid Electric Vehicle (sau đây

viết tắt là S-HEV) còn được gọi là ôtô điện có cự ly hoạt động được mở rộng

(extended-range electric vehicles - EREV hoặc range-extended electric vehicles - REEV)

Các thành tố cơ bản của hệ động lực của S-HEV gồm có: một ICE, một hoặc một số EM, một máy phát điện, bộ ắcqui và chuyển đổi điện Về cơ bản, hệ động lực của S-HEV chỉ khác hệ động lực của ôtô điện ở chỗ có thêm một ICE và máy phát điện

Hình 1.2 Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu nối tiếp

Ở S-HEV, ICE chỉ có chức năng lai máy phát điện để cung cấp điện cho EM hoặc nạp điện cho ắcqui, EM cung cấp 100 % công suất yêu cầu để dẫn động các bánh xe chủ động thông qua một cặp bánh răng giảm tốc (Hình 1.13) hoặc các EM được bố trí ngay trong mayơ của các bánh xe chủ động EM chạy bằng điện từ ắcqui hoặc trực tiếp từ máy phát điện Trong hệ truyền động của S-HEV chỉ cần một cặp bánh răng giảm tốc bố trí giữa EM và vi sai thay cho hộp số nhiều cấp ở ôtô truyền thống Trong trường hợp EM được bố trí trực tiếp trong các mayơ của bánh xe chủ

động, S-HEV thực tế không có hệ truyền động cơ khí, thay vào đó là hệ truyền động điện gọn nhẹ hơn và tiêu hao ít năng lượng hơn

EM trên S-HEV nói riêng và trên các loại HEV khác nói chung, thường được

thiết kế để có thể hoạt động như một máy phát điện (sau đây viết tắt là EM hai chiều)

để tận dụng động năng của ôtô trong quá trình phanh hoặc khi xuống dốc Một số mẫu S-HEV cho phép nạp điện ắcqui bằng điện lưới trong thời gian ôtô không hoạt động nhằm mục đích giảm chi phí vận hành do giá điện lưới thường thấp hơn giá điện được sản xuất bằng động cơ xăng

1.3.2 Ôtô hybrid kiểu song song

Trong hệ động lực của ôtô hybrid kiểu song song (viết tắt là P-HEV), ICE và EM

được liên kết với bánh xe chủ động thông qua các ly hợp sao cho bánh xe chủ động có thể

được dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng EM hoặc bằng cả hai đồng thời

Hình 1.3 Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu song song

ICE và EM có thể được liên kết với nhau theo các phương án như sau:

+ ICE và EM liên kết song song trên một trục (Hình 1.3): Ở phương án này,

tốc độ quay của ICE và EM phải được đồng bộ hóa, momen quay truyền đến bánh xe chủ động là tổng momen quay của ICE và EM Khi chỉ một nguồn động lực làm việc, nguồn động lực còn lại phải hoạt động ở chế độ không tải hoặc không hoạt động nếu được trang bị các ly hợp một chiều Hầu hết xe đạp máy sử dụng phương án liên kết nói trên

+ ICE và EM liên kết nối tiếp trên một trục: ICE và EM phải có cùng tốc độ

quay Nếu EM nằm giữa ICE và hộp số thì EM có thể có momen quay dương hoặc âm, tùy thuộc vào chế độ vận hành Honda Insight là mẫu P-HEV điển hình sử dụng phương án này

+ ICE và EM liên kết qua mặt đường: ICE truyền momen quay đến bánh xe chủ

động qua hệ truyền động cơ khí truyền thống, EM hai chiều được liên kết với bánh xe chủ động qua một trục khác Ắcqui được EM hai chiều nạp điện nhờ tận dụng động năng của xe khi phanh hoặc động năng của xe ở chế độ hành trình Trong trường hợp này, công suất của ICE được truyền đến EM thông qua mặt đường Phương án này có

ưu điểm đặc biệt trong trường hợp ôtô nhiều cầu chủ động, trong đó ICE và EM sẽ liên kết cơ khí với các cầu khác nhau Xe đạp máy có môtơ điện tích hợp trong mayơ của bánh xe trước và pedal quay bánh sau là ví dụ về kiểu hybrid song song có các nguồn động lực liên kết qua mặt đường

Hầu hết các mẫu P-HEV hiện nay được trang bị ICE với vai trò là nguồn động lực chính, còn EM chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc Công suất của

EM trên P-HEV hiện nay thường không quá 20 kW Với cấu hình như vậy, cả ICE và

EM đều hoạt động với khoảng 50 % công suất cực đại khi xe chạy với vận tốc trung bình, ICE phát công suất gần tối đa và EM phát khoảng 50 % công suất hoặc nhỏ hơn khi xe chạy ở vận tốc cao

Trên thị trường hiện nay, P-HEV có thị phần lớn hơn so với S-HEV Honda Insight, Honda Civic and Honda Accord là những mẫu P-HEV điển hình và chiếm thị phần đáng kể trong thời gian gần đây General Motors Parallel Hybrid Truck (PHT), Saturn VUE Hybrid, Aura Greenline Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid cũng được xếp vào nhóm P-HEV

1.3.3 Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp

Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp (Combined Hybrid Electric Vehicle), còn được gọi là ôtô hybrid chia công suất (Power-Split Hybrid Electric Vehicle) hoặc ôtô hybrid kiểu nối tiếp-song song (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle) (sau đây viết tắt là SP-HEV)

Hình 1.4 Hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius

Hệ động lực của SP-HEV cho phép ôtô hoạt động theo kiểu hybrid song song, tức là các bánh xe chủ động có thể được dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng EM hoặc bằng ICE và EM đồng thời Ngoài ra, nhờ sự liên kết giữa các nguồn động lực

của SP-HEV thông qua một cơ cấu đặc biệt gọi là bộ phân phối công suất và quá trình

hoạt động của hệ động lực được tự động hóa ở mức độ rất cao, ICE trên SP-HEV có thể thường xuyên hoạt động ở những chế độ tối ưu về tiêu hoa nhiên liệu và mức độ phát thải (xem mục 1.9)

1.4 BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT

1.4.1 Đặc điểm cấu tạo

Toyota Prius là mẫu SP-HEV (series-parallel hybrid vehicle - ôtô hybrid kiểu hỗn hợp) đầu tiên trên thế giới được bán ở thị trường Nhật Bản vào năm 1997 Đến

tháng 6 năm 2013, khoảng 3 triệu Toyota Prius đã được bán ở 80 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới [4] Hệ động lực của Toyota Prius (thường được viết tắt là THS -

Toyota Hybrid System) khác biệt với hệ động lực của S-HEV (ôtô hybrid kiểu nối

tiếp) và của P-HEV (ôtô hybrid kiểu song song) ở chỗ THS được trang bị một cơ cấu

đặc biệt có tên gọi là bộ phân phối công suất (Power Split Device - PSD)

Mặc dù trên thị trường hiện nay đã xuất hiện nhiều mẫu SP-HEV của nhiều hãng chế tạo ôtô khác nhau và THS cũng đã có một số thay đổi về các thông số tính năng của các thành tố cơ bản (ICE, EM, ắcqui, v.v.) so với THS nguyên thủy, nhưng

PSD trong hệ động lực của Toyota Prius vẫn được xem là thành tố đặc trưng và điển hình nhất của ôtô hybrid kiểu hỗn hợp hiện nay

Hệ động lực hybrid của Toyota Prius (THS), được cấu thành từ các thành tố cơ bản với chức năng sau đây:

Động cơ xăng 4 kỳ (ICE) hoạt động theo chu trình Atkinson có dung tích công tác VD = 1, 5 dm3, công suất danh nghĩa Nen = 42,5 kW, momen quay danh nghĩa

Men = 102 Nm, tốc độ quay danh nghĩa nn = 4000 rpm, tỷ số dãn nở e = 13,5 ICE có

chức năng dẫn động các bánh xe chủ động và lai máy phát điện MG1;

Môtơ-máy phát điện liên hợp (MG2) có công suất cực đại Nmax = 30 kW, tốc độ quay n = 940 2000 rpm, momen cực đại Mmax = 305 Nm MG2 có chức năng chính là phối hợp với ICE dẫn động các bánh xe chủ động và chức năng phụ là phát điện nạp cho ắcqui trong quá trình phanh MG2 có tính năng động lực học cao để đảm bảo ôtô rời chỗ nhẹ nhàng và tăng tốc tốt

Máy phát-môtơ điện liên hợp (MG1) có chức năng chính là phát điện nạp cho ắcqui và cung cấp cho MG2, chức năng phụ là khởi động động cơ xăng;

Bộ chia công suất (PSD);

Ắcqui cao áp và ắcqui phụ Ắcqui phụ 12 V có chức năng duy trì hoạt động của hệ thống điều khiển Ắcqui cao áp có điện thế danh nghĩa 273,6 V có chức năng cung cấp điện cho MG2 Ắcqui cao áp thường xuyên được nạp điện từ máy phát MG1 trong quá trình ôtô chạy và từ MG2 trong quá trình phanh

a)

b)

Hình 1.5 Cấu tạo hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius

Toyota Prius được chế tạo từ năm 2004 về sau sử dụng hệ động lực có cấu trúc

và nguyên lý hoạt động tương tự nhưng các thành tố cơ bản như ICE, MG1, MG2 và ắcqui cao áp được nâng cấp hoặc điều chỉnh một số thông số tính năng

PSD có cấu trúc và hoạt động tương tự như một hộp số bánh răng hành tinh Giá của các bánh răng hành tinh liên kết với ICE và được xem như đầu vào của hộp

số, bánh răng mặt trời liên kết với MG1, vành răng liên kết với MG2 (Hình 1.5b)

THS được quản lý bằng bộ vi xử lý trong suốt quá trình làm việc của hệ thống

Có thể phân biệt các chế độ hoạt động đặc trưng như sau:

1) Chế độ điện - Ôtô bắt đầu chuyển động và chạy từ từ hoặc xả dốc trên đoạn

đường có độ dốc nhỏ ICE không hoạt động, MG2 chạy bằng điện từ ắcqui Toyota Prius được trang bị ắcqui cao áp có điện dung vừa phải (khoảng 6,5 Ah) nên chỉ cho phép hoạt động ở chế độ điện trong một thời gian tương đối ngắn;

2) Chế độ hành trình - Chế độ hành trình, còn gọi là chế độ chạy bình thường,

là chế độ ôtô chạy trên đường dài Công suất của ICE được chia cho bánh xe chủ động

và máy phát điện MG1 với tỷ lệ sao cho ICE làm việc ở vùng có hiệu suất tối ưu MG2 chạy bằng điện từ máy phát Nếu điện dung của ắc qui thấp, một phần công suất của máy phát dùng để nạp điện cho ắcqui;

3) Chế độ trợ lực - còn gọi là chế độ gia tốc tối đa Trong các điều kiện mà ICE

không đáp ứng được (tăng tốc để vượt xe phía trước, leo dốc, v.v.), MG2 sẽ chạy bằng điện từ ắcqui để trợ lực cho ICE Toyota khẳng định rằng, Prius có thể tăng tốc từ v =

0 đến vmax = 160 km/h trên quãng đường 400 m trong thời gian 19,4 s;

4) Chế độ nạp ắc qui - còn gọi là chế độ giảm tốc và phanh Ắcqui đƣợc nạp

điện trong quá trình phanh hoặc xả dốc bằng điện từ MG2 hoặc bằng điện từ MG1 ở chế độ hành trình ECU đảm bảo ắcqui phải luôn đƣợc nạp đầy, tức là không yêu cầu nạp điện thủ công đối với Toyota Prius;

5) Chế độ chia công suất ngược: Xe chạy ở chế độ hành trình và ắcqui đầy

điện Ắcqui cung cấp điện cho cả MG2 để dẫn động bánh xe và cho cả MG1 MG1 sẽ làm ICE quay chậm hơn với mục đích giảm tiêu hao nhiên liệu trong khi momen quay không đổi

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của hệ động lực Hybrid

1 K

- Chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng

- Tăng tốc nhẹ với động cơ xăng

- Chạy tốc độ thấp ổn định

- Tăng tốc hoàn toàn

- Chạy ở tốc độ cao ổn định

- Chạy ở tốc độ tối đa

- Giảm tốc hoặc phanh

- Chế độ lùi

1.4.2.1 Chạy với MG2

Vehicle Speed

0

Time

Hình 1.7 Điều kiện của ôtô chạy với MG2

Hình 1.8 Biểu đồ monographic và hoạt động của PSD khi chạy với MG2

Engine MG1

Planetary Gears & Final Drive MG2

Inverter ECUHV

HV Battery

Hình 1.9 Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy với MG2

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)

MG2 Engine (Caàn C)

MG1 -

cung cấp cho MG2 hoạt động ở chế độ động cơ và truyền công suất cho ôtô hoạt động qua bánh răng bao

Ở chế độ này bánh răng hành tinh sẽ quay tại chỗ theo chiều quay của bánh răng bao, cần C sẽ đứng yên do mômen cản của động cơ lớn và bánh răng trung tâm sẽ quay theo chiều quay phù hợp với chiều quay của bánh răng hành tinh, roto MG1 sẽ quay lòng không trong stato MG1 cân bằng với chiều quay của bánh răng bao

Ở chế độ hoạt động này MG2 phát công suất nên công suất đầu ra bằng công suất của MG2 và tốc độ góc đầu ra bằng tốc độ góc MG2

1.4.2.2 Chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng

30 mph Vehicle

MG1 -

+

0

Hình 1.11 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD

khi chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng

Khi ôtô đạt tốc độ khoảng 48 km/h (30 dặm/giờ) thì ECU HV sẽ kích hoạt pin

HV bổ sung thêm năng lƣợng cho bộ chuyển đổi và cấp điện cho MG1 hoạt động ở chế độ động cơ để khởi động động cơ xăng

Engine MG1

Planetary Gears & Final Drive MG2

Inverter ECUHV

HV Battery

Hình 1.12 Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy

với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng

- Tốc độ góc cần C được xác định theo công thức sau:

3 1

1 1 3 3

Z Z

Z Z

C (2.1) Trong đó: C- Tốc độ góc của cần C;

1-Tốc độ góc của MG1;

3- Tốc độ góc của MG2;

Z1- Số răng của bánh răng trung tâm;

Z3- Số răng của bánh răng bao

Nếu có một trong những hạng mục do ECU HV kiểm soát như tình trạng SOC, nhiệt độ ắc quy, nhiệt độ nước làm mát và điều kiện tải điện lệch so với mức tiêu chuẩn thì MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động cơ xăng

: Đường truyền năng lượng : Đường truyền công suất

1.4.2.3 Tăng tốc nhẹ với động cơ xăng

Vehicle Speed

0

Time

Hình 1.13 Điều kiện của ôtô khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng

MG2 Engine (Caàn C)

MG1 -

+

0

Hình 1.14 Monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng

Engine MG1

Planetary Gears & Final Drive MG2

Inverter ECUHV

HV Battery

Hình 1.15 Sơ đồ tổng quát đường truyền năng lượng điện và công suất khi tăng

tốc nhẹ với động cơ xăng

: Đường truyền năng lượng : Đường truyền công suất

Ở chế độ này động cơ xăng truyền công suất cho MG1, MG1 hoạt động ở chế

độ máy phát cấp điện đến bộ chuyển đổi hổ trợ điện năng cấp cho MG2 hoạt động ở chế độ động cơ

- Tốc độ góc của bánh răng trung tâm được xác định theo công thức sau:

1

3 3

1

3 1

Z

Z Z

Z

C (2.2)

Ở chế độ này điện năng do MG1 phát ra được chuyển đến bộ chuyển đổi điện

và chuyển đến cung cấp cho MG2 Một cách gián tiếp từ động cơ xăng đến MG2

1.4.2.4 Chạy tốc độ thấp ổn định

Vehicle Speed

0

Time

Hình 1.16 Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ thấp ổn định

MG2 Engine (Caàn C)

MG1 -

+

0

Hình 1.17 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD chạy tốc độ thấp ổn định

Ở chế độ này MG1 vẫn hoạt động ở chế độ máy phát cấp điện bổ sung thêm cho MG2 tăng công suất, và một phần được nạp lại cho pin HV nếu có một trong những hạng mục do ECU kiểm soát như tình trạng SOC, nhiệt độ ắc quy, nhiệt độ nước làm mát và điều kiện tải điện lệch so với mức tiêu chuẩn

Engine MG1

Planetary Gears & Final Drive MG2

- Tốc độ góc của roto MG1 được xác định theo công thức sau:

1

3 3

1

3 1

Z

Z Z

Z

C (2.3)

1.4.2.5 Tăng tốc hoàn toàn

Vehicle Speed

0

Time

Hình 1.19 Điều kiện của ôtô khi tăng tốc hoàn toàn

: Đường truyền năng lượng : Đường truyền công suất

MG2 Engine (Caàn C) MG1

Planetary Gears & Final Drive MG2

Inverter ECUHV

HV Battery

Hình 1.21 Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất tăng tốc hoàn toàn

Ở chế độ này pin HV cung cấp thêm năng lượng để cung cấp thêm cho MG2 phát huy tối đa công suất, MG1 hoạt động ở chế độ máy phát cũng cung cấp điện

bổ sung cho MG2

Ở chế độ này do giá trị tốc độ góc của cần C lớn hơn giá trị tốc độ góc của bánh răng bao nên bánh răng hành tinh sẽ vừa quay (vừa tịnh tuyến) theo chiều quay ngược với bánh răng bao và bánh răng trung tâm quay theo chiều cân bằng với chiều quay của bánh răng hành tinh

: Đường truyền năng lượng : Đường truyền công suất

1.4.2.6 Chạy tốc độ cao ổn định

Vehicle Speed

0

Time

Hình 1.22 Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ cao ổn định

MG2 Engine (Caàn C)

MG1 -

+

0

Hình 1.23 Monographic khi chạy tốc độ cao ổn định

Ở chế độ này bánh răng trung tâm đƣợc khóa và động cơ xăng hoạt động truyền công suất đến các bánh xe chủ động

- Tốc độ góc đầu ra trên bánh răng bao đƣợc xác định theo công thức sau:

3

1 3

Z Z

C (2.4)

MG1 Locked

HV Battery

HV ECU Inverter

MG2

Planetary Gears & Final Drive

Engine

Hình 1.24 Sơ đồ đường truyền năng lượng và công suất chạy tốc độ cao ổn định

- Mômen xoắn đầu ra trên bánh răng bao được xác định theo công thức sau:

3 1

3 2 3

.

Z Z

Z M

M (2.5) Trong đó: M3 - Mômen xoắn trên bánh răng bao (đầu ra);

M2 - Mômen xoắn trên cần C

1.4.2.7 Chạy ở tốc độ tối đa

MG2 Engine (Caàn C)

MG1 -

+

0

Hình 1.26 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD

khi chạy ở tốc độ tối đa

Ở chế độ này MG1 hoạt động ở chế độ động cơ phối hợp công suất với động cơ xăng và được truyền ra ngoài qua bánh răng bao MG2 hoạt động ở chế độ máy phát lấy bớt một phần công suất trên bánh răng bao (đầu ra) và phát điện đến bộ chuyển đổi

hỗ trợ điện năng cấp cho MG1

HV Battery

HV ECU Inverter

MG2

Planetary Gears & Final Drive

MG1 Engine

Hình 1.27 Sơ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy ở tốc độ tối đa

- Tốc độ góc của bánh răng bao (đầu ra) được xác định theo công thức sau:

3 1 3

1

Z

Z Z

Z

C (2.6)

- Mômen xoắn trên bánh răng bao (đầu ra) được xác định theo công thức sau:

: Đường truyền năng lượng : Đường truyền công suất

1 3 1 3

1

2 2 1 1 3

1

Z

Z Z

Z

M M

0

Time

Hình 1.28 Điều kiện của ôtô khi chạy giảm tốc hoặc phanh

MG2 Engine (Caàn C) MG1

-+

0

Hình 1.29 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD

khi giảm tốc hoặc phanh

Ở chế độ này MG2 đƣợc kích hoạt làm việc ở chế độ máy phát, động cơ xăng không hoạt động, MG1 không hoạt động MG2 lấy động lực từ bánh xe chuyển thành điện năng cung cấp cho bộ chuyển đổi chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cung cấp cho pin HV

HV Battery

HV ECU Inverter

MG2

Planetary Gears & Final Drive

Engine

Hình 1.30 Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi giảm tốc hoặc phanh

Do ôtô bị mất động lực để kéo máy phát điện nên quãng đường phanh được rút ngắn hơn và thời gian phanh được rút ngắn Thay vì để làm mất động năng chúng

ta phải phanh và toàn bộ động năng được chuyển thành nhiệt năng làm nóng má phanh vô ích thì nay ta lại lấy phần năng lượng này làm thành năng lượng có ích nạp điện cho pin HV dự trữ

1.4.2.9 Chạy lùi

Vehicle Speed

0

Time

Hình 1.31 Điều kiện của ôtô khi chạy lùi

: Đường truyền năng lượng : Đường truyền công suất

MG2 Engine (Caàn C)

MG1 -

+

0

Hình 1.32 Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi chạy lùi

Ở chế độ này khi ECU HV nhận biết tín hiệu lùi của người điều khiển thì ECU

HV sẽ kích hoạt pin HV nạp điện đến MG2, MG2 hoạt động ở chế độ động cơ nhưng

do bị đổi cực nên chiều quay của MG2 lúc này là chiều quay ngược lại nên dẫn động bánh xe quay ngược Động cơ xăng và MG1 không hoạt động

HV Battery

HV ECU Inverter

MG2

Planetary Gears & Final Drive

Hình 1.33 Sơ đồ đường truyền năng lượng điện và công suất khi chạy lùi

Như vậy, có thể liệt kê một số đặc điểm của THS như sau:

1) THS phép ôtô hoạt động theo kiểu hybrid song song, tức là các bánh xe chủ động có thể được dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng EM hoặc bằng ICE và EM đồng thời

: Đường truyền năng lượng : Đường truyền công suất

2) Mặc dù ICE, MG1 và MG2 được liên kết với nhau thông qua một hộp số cơ khí, nhưng PSD hoạt động như một hộp số vô cấp, cho phép ICE thường xuyên làm việc ở vùng có momen quay lớn và suất tiêu thụ nhiên liệu tối ưu

3) THS có cấu trúc đơn giản về phương diện cơ khí nhưng có nhược điểm là hiệu suất truyền lực phụ thuộc nhiều vào lượng công suất được chia cho đường điện (MG1) vì năng lượng được biến đổi qua lại nhiều lần (động năng điện năng động năng) Ở những chế độ như vậy, hiệu suất chỉ đạt khoảng 70 % so với 98 % ở chế độ cơ khí thuần túy

1.5 CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT

Trong những năm gần đây một số Trường Đại học trong nước đã nghiên cứu, chế tạo mô hình ôtô hybrid để phục vụ cho việc giảng dạy cho sinh viên của nhà trường nhưng mới chỉ nghiên cứu chế tạo mô hình hybrid ở dạng song song và dùng động cơ nhiệt là khí hóa lỏng của Trường Đại Học Đà Nẵng [7] Mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi, phục vụ tại Trường Đại Học Nha Trang cũng chỉ mới nghiên cứu chế tạo ở dạng ôtô hybrid kiểu song song [6]

Hình 1.34 Mô hình ôtô hybrid kiểu song song

Chính vì vậy Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối

công suất trang bị trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp” sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho

sinh viên bộ môn kỹ thuật ôtô Trường Đại Học Nha Trang hiểu rõ về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ phân phối công suất và cả hệ thống động lực ôtô hybrid kiểu hỗn hợp

1.6 SO SÁNH GIỮA CÁC KIỂU ÔTÔ HYBRID

1) ICE của S-HEV có hiệu suất cao hơn - Do chỉ có chức năng lai máy phát

điện nên ICE trên S-HEV làm việc ở tốc độ quay không đổi với suất tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất, không phụ thuộc vào tốc độ của ôtô Hiệu suất của động cơ xăng trên S-HEV có thể đạt đến trị số gần giới hạn lý thuyết (khoảng 37 %), trong khi hiệu suất trung bình của động cơ xăng trên ôtô truyền thống đạt khoảng 20 %;

2) Hệ truyền động của S-HEV đơn giản và gọn nhẹ hơn - Do chỉ có EM có

liên hệ cơ khí với bánh xe chủ động nên không cần trang bị hộp số nhiều cấp cho HEV, thay vào đó chỉ cần một cặp bánh răng giảm tốc bố trí giữa EM và vi sai Do chỉ có truyền động điện giữa tổ hợp ICE-máy phát điện với EM nên có nhiều lựa chọn về vị trí bố trí tổ hợp ICE-máy phát điện Những đặc điểm trên cho phép dễ dàng bố trí các thành tố của hệ động lực để tăng không gian của cabin và tối ưu hóa phân bố trọng lượng xe;

S-3) EM của S-HEV phải có công suất lớn hơn - EM của S-HEV phải có công

suất lớn, đảm bảo ôtô đạt được các thông số tính năng động lực học tối đa theo thiết kế (tốc độ cực đại, gia tốc cực đại, khả năng leo dốc, v.v.), trong khi phần lớn các chế độ vận hành yêu cầu công suất thấp hơn;

4) Bộ ắcqui và EM của P-HEV có công suất nhỏ - Với P-HEV và S-HEV có

tính năng động lực tương đương, P-HEV được trang bị bộ ắcqui và EM nhỏ hơn do có ICE cùng làm việc khi yêu cầu công suất lớn;

5) Tính kinh tế nhiên liệu - Khi hoạt động trên đường cao tốc, P-HEV có mức

tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn do không cần biến đổi cơ năng của ICE thành điện năng để cung cấp cho EM

Bảng 1.1 So sánh ƣu nhƣợc điểm của 3 loại ôtô hybrid

Loại ôtô

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

S-HEV

P-HEV

SP-HEV

Ghi chú: - Rất tốt - Tốt - Không tốt

Chương 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT

CHO XE HYBRID 2 CHỖ KIỂU HỖN HỢP

2.1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT KIỂU VI SAI TỐC ĐỘ

Để có thể truyền hai nguồn công suất cùng lúc, nhất thiết phải có bộ truyền động phối hợp công suất; qua đó bộ truyền có thể nhận cả hai nguồn động lực hoặc chỉ nhận riêng lẻ một trong hai nguồn động lực trước khi truyền đến cầu chủ động của ôtô

Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ phân phối công suất sử dụng kiểu vi sai hình trụ một dãy của xe ôtô Prius 2004, đề tài tập trung nghiên cứu sâu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thiết kế, chế tạo mô hình bộ phân phối công suất khai triển thể hiện trên mô hình dàn trải gắn trên mô hình xe hyrbid 2 chỗ của trường Đại học Nha Trang Thực hiện thử nghiệm các chế độ hoạt động trên mô hình Điều này nhằm mục đích tạo điều kiện cho người học dễ dàng tiếp cận được công nghệ mới của loại xe ôtô hybrid vì trên thực tế chúng ta rất ít có cơ hội tiếp xúc trực tiếp hiểu được cách phối hợp công suất với loại xe ôtô hybrid này

Để chọn đúng phương án thiết kế, gia công chế tạo lắp ráp mô hình hoàn chỉnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có kinh phí, điều kiện trang thiết bị, công nghệ

2.1.1 Phương án 1:Chế tạo theo mẫu của Nhà sản xuất

* Ưu điểm:

- Giảm thời gian thiết kế

- Chi tiết mới đúng tiêu chuẩn nhà sản xuất ôtô

- Có khả năng cải hoán lắp ráp vào mô hình tổng thành ôtô tại xưởng Bộ môn ôtô