Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ DC Brushless cho mô hình ô tô Hybrid kiểu song song

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: NGÔ VĂN SƠN Lớp: 51CKCD Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt tron

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

NGÔ VĂN SƠN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP GIỮA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐỘNG CƠ DC BRUSHLESS CHO MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRID KIỂU

SONG SONG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngành Công Nghệ Cơ điện tử

Nha Trang, tháng 06 năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

NGÔ VĂN SƠN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP GIỮA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐỘNG CƠ DC BRUSHLESS CHO MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRID KIỂU

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: NGÔ VĂN SƠN

Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong và động

cơ DC Brushless cho mô hình ôtô Hybrid kiểu song song

Hiện vật: 02 Báo cáo, 02 đĩa CD, 01 mô hình ôtô Hybrid

NHẬN XÉT

KẾT LUẬN

Nha Trang, Ngày Tháng Năm 2013

Cán bộ hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh viên: NGÔ VĂN SƠN

Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong và động

cơ DC Brushless cho mô hình ôtô Hybrid kiểu song song

Hiện vật: 02 Báo cáo, 02 đĩa CD, 01 mô hình ôtô Hybrid

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

KẾT LUẬN

Nha Trang, Ngày Tháng Năm 2013

Cán bộ phản biện (Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, Ngày Tháng Năm 2013

Chủ tịch hội đồng (Ký và ghi rõ họ tên)

Điểm phản biện

Điểm phản biện

LỜI CÁM ƠN

Sau một thời gian nghiêm cứu với lỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các quý Thầy cô và bạn bè thân quen, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp trong thời gian quy định

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy trong bộ môn Cơ điện tử, cũng như các Thầy cô trong Khoa cơ khí trường Đại học Nha Trang đã hết lòng truyền đạt, giảng dạy cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học Các Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất để chúng em được học tập, nghiên cứu, sử dụng thiết bị bộ môn để hoàn thành

đồ án tốt và nhanh nhất

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới hai Thầy Nguyễn Văn

Nhận và Nguyễn Văn Định Các Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và góp ý trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Xin cảm ơn các bạn bè lớp 51CKCD đã giúp đỡ cũng như đóng góp ý kiến giúp

em hoàn thiện bài khóa luận này

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và xin gửi tới quý Thầy cô trong nhà trường, các bạn bè người thân đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua lời chúc tốt đẹp nhất

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1.1 Ôtô Hybrid là gì? 2

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ôtô Hybrid 2

1.1.3 Các bộ phận chính của ôtô Hybrid 3

1.1.4 Ưu nhược điểm của ôtô Hybrid 5

1.1.4.1 Ưu điểm 5

1.1.4.2 Nhược điểm 5

1.1.5 Phương pháp truyền động 6

1.1.5.1 Hệ thống truyền động nối tiếp 6

1.1.5.2 Hệ thống truyền động song song 7

1.1.5.3 Hệ thống truyền động kết hợp 8

1.2 XU THẾ PHÁT TRIỂN CỦA ÔTÔ HYBRID 9

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 11

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 14

2.2.1 Cơ sở lý thuyết phần cơ khí 14

2.2.1.1 Động lực học bánh xe 14

2.2.1.2 Thiết kế, chế tạo 21

2.2.2 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 25

2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết 25

2.2.2.2 Thiết kế 44

2.2.2.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển 56

CHƯƠNG 3 : THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 59

3.1 SẢN PHẨM THỰC TẾ 60

3.2 CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH 62

3.2.1 Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động 62

3.2.1.1 Kiểm tra ắc quy 62

3.2.1.2 Kiểm tra mạch điều khiển 63

3.2.1.3 Kiểm tra phần cơ khí 64

3.2.1.4 Kiểm tra động cơ (điện và xăng) 64

3.2.2 Mô hình ô tô lúc hoạt động 64

3.2.2.1 Khi ô tô chạy ở tốc độ trung bình 64

3.2.2.3 Khi ô tô tăng tốc hoặc lên dốc 65

3.2.2.4 Khi ô tô giảm tốc và xuống dốc 65

3.2.2.4 Khi ô tô vào khúc cua 65

3.2.2.5 Chế độ sạc của ắc quy 65

3.2.3 Xác định một số thông số tính năng cơ bản của mô hình ôtô hybrid 65

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 67

4.1 KẾT LUẬN 68

4.1.1 Kết quả đạt được 68

4.1.2 Kết quả chưa đạt được 68

4.2 ĐỀ XUẤT 68

4.2.1 Đề xuất phần cứng 68

4.2.2 Đề xuất phần mềm 69

4.2.4 Đề xuất cả hệ thống 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Một dạng ôtô Hybrid kiểu phối hợp công suất song song 3

Hình 1.2: Sơ đồ các bộ phận của ôtô Hybrid kiểu hỗn hợp 3

Hình 1.3: Các bộ phận cơ bản của hệ thống truyền động trên ôtô 4

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống truyền động nối tiếp 6

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống truyền động song song 7

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống truyền động kết hợp 8

Hình 1.7: Toyota Prius 10

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống mô hình ôtô Hybrid 12

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống truyền động của mô hình ôtô Hybrid 13

Hình 2.3: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe khi chuyển động lên dốc trong trường hợp tổng quát 14

Hình 2.4: Sơ đồ minh họa sự lăn của bánh xe đàn hồi 16

Hình 2.5: Mô tả các loại góc của bánh xe 17

Hình 2.6: Góc camber 18

Hình 2.7: Sự thay đổi góc camber khi quay vòng 19

Hình 2.8: Sơ đồ biến dạng của đất khi bánh xe chủ động lăn 19

Hình 2.9: Sơ đồ các lực tác dụng lên xe khi chuyển động 20

Hình 2.10: Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc 22

Hình 2.11: Sơ đồ chân vi điều khiển atmega8 27

Hình 2.12: Sơ đồ chân 28

Hình 2.13: Cấu tạo và hình dáng của DIODE bán dẫn. 29

Hình 2.14: Điện trở 29

Hình 2.15: Hình ảnh thực tế 30

Hình 2.16: Tụ điện phân cực và không phân cực 30

Hình 2.17: Ký hiệu của Transistor 31

Hình 2.18: Transistor 31

Hình 2.19: Linh kiện OPTO 31

Hình 2.20: Linh kiện IRF9540 32

Hình 2.21: Sơ đồ chân của RƠLE 32

Hình 2.22: Cấu tạo của encoder 33

Hình 2.23: Hai kênh A và B lệch pha trong encoder 34

Hình 2.24: Encoder quang tuyệt đối với 8 track. 35

Hình 2.25: Encoder quang tương đối có 3 track 35

Hình 2.26: Sức phản điện động dạng hình thang 36

Hình 2.27: Mặt cắt bằng của một BLDC 37

Hình 2.28: Stator động cơ BLDC 37

Hình 2.29: Rotor động cơ BLDC 38

Hình 2.30: Động cơ Brushless có cảm biến Hall 38

Hình 2.31: Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường 38

Hình 2.32: Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường 39

Hình 2.33: Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ 39

Hình 2.34: Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC 40

Hình 2.35: Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC 40

Hình 2.36: Phương pháp khởi động động cơ đốt trong tự động 44

Hình 2.37: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 45

Hình 2.38: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 46

Hình 2.39: Sơ đồ nguyên lý khối khởi động động cơ đốt trong 47

Hình 2.40: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 48

Hình 2.41: Sơ đồ nguyên lý khối phân áp đóng ngắt động cơ 48

Hình 2.42: Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu từ encoder 49

Hình 2.43: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 50

Hình 2.44: Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển 51

Hình 2.45: Sơ đồ nguyên lý khối công suất của mạch sạc bình ắc quy 52

Hình 2.46: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý áp đầu vào từ máy phát điện 53

Hình 2.47: Sơ đồ mạch in của bộ sạc 54

Hình 2.48: Sơ đồ mạch in của bộ điều khiển trung tâm 55

Hình 2.49: Lưu đồ giải thuật khởi động động cơ đốt trong 56

Hình 2.50: Lưu đồ giải thuật điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong với động cơ điện brushless DC 57

Hình 2.51: Lưu đồ gải thuật sạc pin 58

Hình 3.1: Mô hình ôtô Hybrid 60

Hình 3.2: Mạch công suất điều khiển BLDC 60

Hình 3.3: Khối điều khiển trung tâm 61

Hình 3.4: Mạch sạc ắc quy 48VDC 61

Hình 3.5: Mạch điều khiển trung tâm 62

Hình 3.6: Kiểm tra bình ắc quy 62

Hình 3.7: Kiểm tra mạch điều khiển 63

Hình 3.8: Kiểm tra động cơ điện 64

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐCĐT: Động cơ đốt trong

BLDC: Động cơ điện Brushless DC

PWM: Pluse Witdth Modulation

ADC: Analog to Digital Converter

USART: Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter

LỜI NÓI ĐẦU

Thế giới đang đối mặt với biến đổi khí hậu toàn cầu rình rập đe dọa khắp nơi, nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường

từ ô tô, từ lâu đã có nhiều giải pháp kỹ thuật mang nhiều hứa hẹn như: Ôtô chạy điện, ô

tô dùng pin nhiên liệu, động cơ khí nén v.v Tuy nhiên, những công nghệ kể trên vẫn chưa thể đưa vào sử dụng được vì còn nhiều giới hạn về công nghệ Đối với ôtô chạy

điện, việc nạp lại pin cần đến ít nhất 4 giờ đồng hồ, khuyết điểm này giới hạn tầm sử

dụng của ô tô chạy điện Đối với công nghệ fuel cell, hydro lỏng phải được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp, vì thế chỉ có thể thích hợp với những quốc gia có khí hậu băng giá

Cả hai cộng nghệ trên cùng vướng phải một vấn đề chung đó là phải xây dựng lại toàn

bộ hệ thống cơ sở cung cấp nhiên liệu Những sự giới hạn trên của hai công nghệ tương lai này tạo ra một khoảng trống giữa nhu cầu bảo về môi trường và công nghệ ôtô truyền thống

Ôtô Hybrid là giải pháp tốt nhất hiện nay của ngành công nghiệp ôtô trước các vấn

đề về nhiên liệu và bảo vệ môi trường Với những ưu điểm mà nó mang lại:

cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo

ra dòng điện nạp cho ắc-quy

Nhằm tiếp cận với công nghệ ôtô Hybrid, đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ DC Brushless cho mô hình ôtô Hybrid kiểu song song”, là sự kết hợp giữa thiết kế, chế tạo cơ khí với điều khiển tự

động, nhằm tạo ra một sản phẩm hoàn thiện có ứng dụng cao trong đời sống với tiêu

chí hạn chế ô nhiễm môi trường đến mức nhỏ nhất

Mục đích lớn nhất của đề tài là giúp sinh viên làm chủ được công nghệ mới, hoàn thiện kỹ năng, củng cố kiến thức, nâng cao tay nghề, làm tư liệu học tập cho sinh viên

về sau

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ

HYBRID

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Ôtô Hybrid là gì?

Hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid (Hybrid Electric Vehicle-HEVs) là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp Thật ra, ý tưởng “Hybrid” đã có từ rất lâu đời Theo Bách Khoa Toàn Thư mở Wikipedia thì Hybrid Vehicle, tạm dịch là Phương Tiện Giao Thông Ghép, là một phương tiện giao thông mà được động lực bằng hai nguồn năng lượng trở lên

Động cơ Hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động

cơ điện dùng năng lượng ắc quy Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng

động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và

khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ôtô Hybrid

Ôtô hybrid hoạt động theo nguyên tắc: Động cơ điện được sử dụng để khởi động

xe, trong đó trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ Động cơ điện còn

có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe gia tốc hoặc leo dốc Khi phanh

xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc quy Không giống như các phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy Với sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ Hybrid được

mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động cơ cao, mô men lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Hình 1.1: Một dạng ôtô Hybrid kiểu phối hợp công suất song song

1.1.3 Các bộ phận chính của ôtô Hybrid

Hình 1.2: Sơ đồ các bộ phận của ôtô Hybrid kiểu hỗn hợp

1 Động cơ đốt trong 2 Máy phát điện 3 Ắc quy cao áp 4 Bộ chuyển đổi

5 Động cơ điện một chiều 6 Bộ chia công suất 7 Hộp giảm tốc

Hình 1.3: Các bộ phận cơ bản của hệ thống truyền động trên ôtô

Động cơ đốt trong: Là nguồn động lực chính trong động cơ Hybrid, có nhiệm vụ

dẫn động trực tiếp bánh xe chủ động và nạp điện cho ắc quy cao áp, có thể sử dụng

động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu

Động cơ điện: Xe Hybrid sử dụng động cơ điện một chiều không chổi than, nó có

nhiệm vụ nhận năng lượng điện từ ắc quy, chuyển thành năng lượng cơ khí dẫn động bánh xe chủ động Ưu điểm của động cơ điện là cho mô men lớn ở số vòng quay nhỏ, hoạt động êm, hiệu suất cao

Ắc quy: Là một thành phần quan trọng của động cơ Hybrid, đảm bảo các yêu cầu

như tạo dòng lớn cho phép nạp điện trong quá trình phanh, độ bền cao Ắc quy có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho bugi đánh lửa và cung cấp năng lượng điện cho motor điện khi cần Các loại ắc quy được sử dụng là ắc quy chì, ắc quy ino – lithium, ắc quy polyme – lithium

Hộp số: Ôtô Hybrid có thể sử dụng nhiều loại hộp số khác nhau Bốn loại thường dùng là: Hộp số vô cấp, hộp số tự động sang số, hộp số tay, hộp số tự động thông thường với bộ chuyển đổi mô men

Bộ phận điều khiển: Điều khiển các chế độ hoạt động và sự phối hợp giữa động

cơ đốt trong và động cơ điện Tức là lúc nào thì chỉ động cơ đốt trong hoạt động, lúc nào thì chỉ động cơ điện hoạt động hoặc lúc nào thì cả động cơ đốt trong và động cơ

điện đồng thời hoạt động

Hệ thống xử lý khí thải: Khí thải của động cơ luôn là vấn đề được đặt ra Ôtô Hybird có thể giảm lượng khí thải do tốn ít nhiên liệu, sử dụng những nguồn nhiên liệu sạch, cải tiến chất lượng của động cơ và công nghệ xử lý khí thải

Hệ thống làm mát: Có nhiệm vụ làm mát động cơ đốt trong, nhiên liệu và ắc quy Nhiệt của nước làm mát có thể sử dụng để sấy nóng ca bin xe ở vùng nhiệt độ thấp hoặc dùng cho các thiết bị khác

Máy phát: Có cấu tạo tương tự như động cơ điện, nhưng nó hoạt động chỉ để tạo

ra điện nạp cho ắc quy Ngoài ra nó còn được dùng để khởi động động cơ đốt trong

Bộ chuyển đổi: Biến dòng điện một chiều từ ắc quy điện áp cao thành dòng xoay chiều làm quay mô tơ điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc quy 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 xe và một bộ chuyển đổi dòng

xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động

1.1.4 Ưu nhược điểm của ôtô Hybrid

1.1.4.1 Ưu điểm

- Tận dụng năng lượng khi phanh: Khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ, động

cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện nạp cho ắc-quy

- Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa)

- Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ nên động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn

- Có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của ôtô

- Có thể chạy xa và mạnh mẽ được giống như những ô tô chạy xăng bình thường

- Ô tô Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian

- Ô tô Hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn ô tô chạy xăng bình thường bởi vì

động cơ điện có hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ xăng

1.1.4.2 Nhược điểm

Khuyết điểm chính của công nghệ Hybrid là hệ thống Pin Nạp Lại Được (Rechargable Battery) Giá thành của mỗi bộ pin này rất đắt là một điều đáng ngại đối

với người dùng, nhất là những người dùng ô tô Hybrid cũ, giá trị trung bình mỗi bộ pin này là trên dưới năm nghìn dollar

Tuy nhiên, các nhà sản xuất đã vẫn đang nghiên cứu và phát triển nhiều giải pháp cho vấn đề này như: Tái chế pin cũ, phát triển kỹ thuật pin mới, nâng cao tuổi thọ của pin v.v hứa hẹn mang lại nhiều cải tiến mới, giảm giá thành sản phẩm, đưa kỹ thuật hybrid đến với nhiều tầng lớp người dân có thu nhập thấp trong xã hội nhằm mục đích thay thế dần những phương tiện giao thông cũ, giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi sinh

1.1.5 Phương pháp truyền động

1.1.5.1 Hệ thống truyền động nối tiếp

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống truyền động nối tiếp

Động cơ đốt trong hoạt động, nó truyền năng lượng cho một máy phát điện Dòng điện sinh ra từ máy phát được chia làm hai phần, một phần để sạc bình ắc quy và một

phần sẽ chạy một motor điện (bộ phận sẽ truyền công suất tới các trục bánh xe) Motor

điện quay sẽ dẫn động bánh xe chuyển động Đó được coi là hệ thống nối tiếp vì năng

lượng truyền theo một quá trình liên tục (hay nói cách khác, hoạt động của động cơ và của mô tơ điện tiến hành lần lượt) Ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn

động lực là động cơ đốt trong và bánh xe Năng lượng được chuyển đổi từ hóa năng

của nhiên liệu thành cơ năng là quay rôto của máy phát, máy phát tạo ra điện năng và

từ điện năng lại chuyển sang cơ năng làm quay bánh xe

Ưu điểm của hệ thống này là: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở

chế độ không tải (động cơ đốt trong luôn làm việc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy) nên giảm được ô nhiễm môi trường Ở động cơ xăng có bộ chế hòa khí sử dụng biện pháp điều chỉnh lượng hòa khí, ở chế độ không tải bướm ga được đóng bớt, tạo cản đối với dòng khí nạp, qua đó làm giảm lượng hòa khí đi vào xilanh Nhưng khi đó do lượng khí sót còn lại trong buồng cháy thay đổi không nhiều, làm tăng hệ số khí sót, qua đó làm gia tăng độ loãng của hòa khí và tăng thời gian cháy trễ (được tính từ lúc

đánh lửa đến khi áp suất p tăng đột ngột), quá trình cháy trở nên chậm chạp, kết quả là

làm tăng thời gian quá trình cháy sẽ làm giảm áp suất cháy, tiêu tốn nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô Sơ đồ này có thể không cần hộp số vì vậy giảm được khối lượng của

xe tiết kiệm được nhiên liệu

Nhược điểm của hệ thống : Kích thước và dung tích ắc quy lớn, động cơ đốt trong luôn làm việc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị quá tải Vì công suất dẫn

động bánh xe chủ động là chỉ do động cơ điện cung cấp Động cơ điện được truyền

năng lượng từ ắc quy cao áp nên động cơ đốt trong luôn luôn phải làm việc để cung cấp năng lượng cho ắc quy vì vậy không thể tránh được trường hợp bị quá tải

1.1.5.2 Hệ thống truyền động song song

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống truyền động song song

Trong hệ thống song song, cả động cơ và motor điện cùng truyền lực tới các trục bánh xe, mức độ tùy theo các điều kiện vận hành khác nhau Đó được gọi là hệ thống song song vì dòng năng lượng tới các bánh đi song song Hệ thống này chỉ có một motor điện do vậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe, vừa nạp điện cho ắc quy Khi nào motor làm nhiệm vụ của một máy phát điện, dòng điện từ ắc quy sẽ thay thế vai trò của motor điện Trong sơ đồ này, ngoài sự liên hệ cơ khí trực tiếp giữa động

cơ đốt trong và bánh xe như ôtô thông thường còn có thêm động cơ điện truyền động

đến bánh xe Khi ôtô chạy trên xa lộ, nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốt trong, động cơ điện sẽ dùng khi gia tốc ôtô còn khi chạy trong thành phố nguồn dẫn động chủ

yếu là động cơ điện

Ưu điểm của hệ thống: Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn

năng lượng, không cần dùng máy phát riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán, 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 Động cơ điện được sử dụng ở đây là loại đặc biệt có khả năng đảm nhận được hai nhiệm vụ, nó có thể khởi động động cơ đốt trong

và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy, cung cấp năng lượng trong trường hợp xe cần gia tốc hoặc lên dốc

1.1.5.3 Hệ thống truyền động kết hợp

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống truyền động kết hợp

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống kết hợp và song song nhằm tận dụng tối đa các ưu điểm của hai hệ thống truyền động trên đồng thời khắc phục được các nhược

điểm của hai hệ thống đó Nó có hai motor, và tùy từng điều kiện khác nhau mà xe lắp

hệ thống kết hợp sẽ sử dụng đồng thời cả motor điện và động cơ đốt trong hay chỉ sử dụng năng lượng nguồn điện để thu được hiệu quả cao nhất Thậm chí, khi cần thiết, hệ thống này vừa vận hành các trục bánh xe trong khi vẫn có thể nạp điện vào máy phát

Động cơ đốt trong vừa có thể dẫn động trực tiếp các bánh xe chủ động vừa có thể nạp điện cho máy phát Động cơ đốt trong có thể tự động ngừng hoạt động ở chế độ tốc độ

thấp khi đó chỉ có động cơ điện dẫn động các bánh xe chủ động nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường Một bộ điều khiển được gắn trong xe dùng để giám sát hệ thống điện, và khi xe lao xuống dốc hoặc phanh, hệ thống sẽ đảo ngược cực của

nó, biến động cơ điện thành máy phát điện Lúc đó, đà tiến về phía trước và phanh xe chuyển từ cơ năng sang điện năng và truyền tới ắc quy để tích trữ năng lượng Hệ thống kết hợp hiện chiếm ưu thế trong chế tạo xe Hybrid

1.2 XU THẾ PHÁT TRIỂN CỦA ÔTÔ HYBRID

Vào đầu thế kỷ 20 các nhà sản xuất xe của Mỹ đã sử dụng động cơ xăng, điện và hơi nước một cách song song Họ sớm nhận ra rằng hai hay nhiều động cơ kết hợp lại

sẽ làm tăng tính hiệu quả của động cơ Và kết quả của giả thuyết đó là động cơ Hybrid (động cơ xăng điện) ra đời vào năm 1905 do một kỹ sư người Mỹ phát minh Thời kỳ

đó phát minh này không được mấy người quan tâm bởi vì động cơ đốt trong khi đó còn

khá rẻ so với động cơ xăng điện có cùng công suất Sau 70 năm, khi cuộc khủng hoảng dầu lửa xảy ra, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu mới được quan tâm nhiều và đây chính là lý

do để động cơ Hybrid được nghiên cứu lại Tuy nhiên, 30 năm trước, do một số quy

định nên động cơ Hybrid đã bị trì hoãn Ngày hôm nay những chiếc xe như Toyota

Prius hay Honda Accord loại Hybrid đã trở nên phổ biến, được nhiều người tiêu dùng yêu thích Liệu Hybrid có phải là xu hướng của xe trong tương lai?

Một trong những lý do nữa khiến Hybrid ngày càng được quan tâm đó là môi trường sống Như chúng ta biết động cơ đốt trong sẽ thải ra khí carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) và khí hydro-carbon (HC) chưa đốt, đây là những nhân tố chính

gây ô nhiễm môi trường Các hiện tượng như sự nóng lên của toàn cầu hay hiện tượng

“El Nino” xảy ra một phần là hậu quả của việc sử dụng động cơ dầu diesel và xăng

Sự phát triển của công nghệ Hybrid sẽ giúp hạ giá thành nhiên liệu, theo ước tính lượng xe Hybrid được sản xuất sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, một dự báo rất lạc quan là vào năm 2007 hay 2008 sẽ có khoảng một triệu xe Hybrid được tiêu thụ tại thị trường

Mỹ Nhưng chúng ta không nên quên rằng doanh số của các loại xe thông thường cũng

sẽ tăng lên, ví dụ như nếu hiện nay có 200 ngàn chiếc xe tại Mỹ, thì sau 20 năm con số

đó có thể sẽ là 300 ngàn chiếc

Hình 1.7: Toyota Prius Năm 2006, thị trường Mỹ có 10 mẫu xe Hybrid khác nhau có giá từ 19,000 đôla tới 53,000 đôla Chiếc Honda Civic và Toyota Prius được coi là những chiếc xe thông dụng nhất có giá dưới 30,000 đôla Mức giá đó có thể là không phải là thấp đối với một chiếc compact sedan nhưng cũng không quá cao Trong vòng 5 năm tới số xe Hybrid

sẽ lên đến 50 chiếc gồm nhiều hình dáng, kích thước và giá cả

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI

DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho mô hình ôtô Hybrid dựa trên tính toán lý thuyết và kết hợp tham khảo những mô hình có sẵn trên thị trường

Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển trên mô hình ôtô Hybrid được thể hiện trong hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống mô hình ôtô Hybrid

MOTOR BRUSHLESS DC

CẢM BIẾN

VI ĐIỀU KHIỂN MCU

ĐỘNG CƠ

ĐỐT TRONG

MẠCH CÔNG SUẤT

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống truyền động của mô hình ôtô Hybrid

Nội dung:

Phân tích các yếu tố ảnh hướng tới chuyển động của ôtô bao gồm: Lực cản chuyển động, tải trọng, khối lượng, vận tốc, gia tốc, tính ổn định Từ đó xác định kích thước, kết cấu của ôtô, vị trí đặt nguồn động lực, phương pháp điều khiển cho phù hợp

Năng lượng điện

ĐỘNG CƠ

BÁNH TRƯỚC

PHẢI

BÁNH SAU

TRÁI

BÁNH SAU

PHẢI

VI SAI

ẮC QUY

Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện: Việc thử nghiệm ôtô sẽ được tiến hành trên

đường bằng để kiểm tra khả năng hoạt động ổn định của xe, độ cứng vững , chính xác

cao, linh hoạt trong lắp rắp và sửa chữa Chạy ôtô ở nhiều chế độ khác nhau, cường độ thay đổi khác nhau Quá trình được tiến hành lại nhiều lần nhằm phát hiện và sửa chữa các nhược điểm nảy sinh Sau khi thử nghiệm thành công trên đường bằng, sẽ thử nghiệm trên địa hình gồ ghề, lên dốc, xuống dốc, số liệu sẽ được ghi chép lại để làm cơ

sở đánh giá

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.2.1 Cơ sở lý thuyết phần cơ khí

2.2.1.1 Động lực học bánh xe

Khi ôtô chuyển động trên đường trong nhiều trường hợp khác nhau: Chuyển động lên dốc, xuống dốc, trên đường nằm ngang, chuyển động trong điều kiện thời tiết tình trạng mặt đường thay đổi

Sau đây ta xét trường hợp tổng quát khi ôtô chuyển động lên dốc, không ổn định, một cầu chủ động

Hình 2.3: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe khi chuyển động lên dốc trong trường hợp

tổng quát

Trong đó:

G: Trọng lượng toàn bộ của xe

đường và mô men cẳn lăn Mf

Phương trình mô men với điểm A:

Để đơn giản: hα = hg

Pi = G.sinα

Trị số các phản lực và momem này ảnh hưởng đến chỉ tiêu kĩ thuật của ôtô:

Lực ngang:

Hình 2.4: Sơ đồ minh họa sự lăn của bánh xe đàn hồi khi không có lực ngang tác dụng

và khi có lực ngang tác dụng

dụng của các lực Gb, lực đẩy Px, lực cẳn lăn Pf Điểm B của lốp sẽ tiếp xúc với mặt

đường ở B1, điểm C ở C1 Quỹ đạo mặt phẳng quay của bánh xe trùng với đường

bánh xe

mặt phẳng giữa của bánh xe bị di chuyển so với tâm của viết tiếp xúc một khoảng b1

vậy gọi là sự lăn lệch và δ1 gọi là góc lệch bên

lực bám)

Py = kδ.δ1Trong đó:

Sự lăn của bánh xe đàn hồi khị chịu tác dụng của lực ngang sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng dẫn hướng và ổn định của xe

Hình 2.6: Góc camber Chức năng của góc camber: Đa số các xe trước đây, các bánh xe được bố trí gắn với khung xe tạo thành góc camber dương Mục đích của việc tạo ra góc camber này,

để cải thiện độ bền của cầu trước và lốp sẽ tiếp xúc vuông góc với mặt đường, để hạn

chế sự mòn không đều của lốp

Ở những loại xe được thiết kế hiện nay, hệ thống treo được thiết kế rất cứng

vững nên đảm bảo được độ bền của cầu trước Vì vậy, các góc camber được thiết kế gần bằng 0, có loại xe góc camber bằng 0 Mặc khác, người ta còn tạo ra góc camber cho một số xe, để cải thiện tính năng quay vòng của xe

Quá trình thay đổi góc camber khi quay vòng: Khi xe chuyển động trên đường vòng, vì lực đẩy ngang có tác dụng giảm lực quay vòng Lực ly tâm xuất hiện làm cho thân xe bị nghiêng dưới tác dụng của lò xo thuộc hệ thống treo Chính vì thế, góc camber thay đổi khi xe quay vòng

Hình 2.7: Sự thay đổi góc camber khi quay vòng

Sự trượt bánh xe chủ động

Nguyên nhân, bản chất của sự trượt: khi bánh xe lăn, dưới tác dụng của mô men xoắn ở bánh chủ động, bánh xe ép đất theo phương ngang, chiều ngược chiều chuyển

động của bánh xe làm đất bị nén về phía sau một đoạn b Làm cho trục bánh xe dịch

chuyển về phía sau làm giảm vận tốc tịnh tiến của xe gây ra sự trượt của bánh xe

Hình 2.8: Sơ đồ biến dạng của đất khi bánh xe chủ động lăn

Các lực cản chuyển động ôtô

Hình 2.9: Sơ đồ các lực tác dụng lên xe khi chuyển động Lực cản lăn: Khi xe chuyển động do sự biến dạng của lốp và đường, do sự tạo thành viết bánh xe trên đường và do sự ma sát giữa bề mặt tiếp xúc giữa bánh với mặt

đường mà phát sinh ra lực cản lăn Kí hiệu Pf

Pf = Pf1+Pf2Với:

Pf1 = Z1.f1

Pf2 = Z2.f2Lực cản lên dốc: Khi ôtô chuyển động lên dốc thì trọng lượng G được phân tích thành hai thành phần: Thành phần G.cosa sẽ tác dụng lên mặt đường và gây các phản

là lực cản lên dốc

Pi = G.sinα Lực cản không khí: Khi xe chuyển động thì sẽ gây ra ma sát với các phần thử

Pa = K.F.v02Trong đó:

K: Hệ số cản không khí, phụ thuộc vào dạng ôtô, chất lượng bề mặt, mật độ không khí

F: Diện tích cản chính diện của ôtô

Lực cản quán tính: Do ôtô chuyển động không ổn định (lúc tăng tốc, lúc giảm tốc) làm xuất hiện lực quán tính

- Xe phải có tính động lực cao, thời gian và quãng đường gia tốc ngắn

- Xe phải có tính an toàn cao

- Xe phải đảm bảo tính tiện nghi, thao tác dễ dàng

- Xe chạy êm, không ồn, giảm tối đa lượng khí thải độc hại

- Ít tiêu tốn năng lượng, đạt hiệu quả cao

b Chọn động cơ truyền động

tốc FQ

Hình 2.10: Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc Phương trình cân bằng lực như sau:

FM = FL + FD + FG + FQLực cản lăn được tính:

FL = f.G Trong đó:

f: Là hệ số cản lăn Theo phạm vi hoạt động thường xuyên của xe là đường trải nhựa, hệ số cản lăn được tính cho đường đất cứng với f = 0,025 ÷ 0,035 Chọn f = 0,025

G: Là tổng trọng lượng của xe, ở đây G = 400.10 = 4000 (N)

Suy ra: FD = 4000.0,33 =1320 (N)

Lực cản gió được tính:

FG = k.S.v2 Trong đó:

= 0,4 (Ns2/m4)

B: Chiều rộng toàn bộ ôtô, B = 1,5 (m)

H: Chiều cao toàn bộ của ôtô, H = 1,4 (m)

M: Là khối lượng toàn bộ, M = 400 (kg)

Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe Ta chọn trường hợp xe vượt dốc để xác

định mô men yêu cầu tại bánh xe và chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công

suất cho động cơ điện

Khi ôtô vượt dốc momen yêu cầu tại bánh xe được tính:

Vậy ta chọn động cơ điện một chiều có công suất tại số vòng quay lớn nhất của

nó lớn hơn 2,69 kW Và mô men yêu cầu phải đảm bảo khả năng vượt dốc lớn nhất của

xe

Do sử dụng 2 động cơ điện cho xe nên ta chỉ cần động cơ có công suất 1,3(kw)

Động cơ đốt trong ta chỉ cần dùng động cơ xăng của xe máy LIFAN 4 cấp tốc độ, 110

phân khối, tốc độ tối đa 100km/h

Vì dung lượng ắc quy được sản xuất theo tiêu chuẩn, chọn loại bình có hiệu điện thế 12(V) và dung lượng 20- >50(Ah) Để điều khiển động cơ ta cần dùng 4 bình hiệu

điện thế 12(V) để đạt mức điện áp 48 (V) theo yêu cầu Dung lượng acquy bằng tích

giữa dòng điện phóng và thời gian phóng điện : Ah = IM t Theo đặc tuyến của acquy thì dòng phóng định mức bằng dung lượng của acquy và dòng phóng cho phép có thể

đạt gấp 3 lần dòng định mức

Như vậy chọn 4 bình ắc quy 12V 20Ah mắc nối tiếp để làm nguồn nuôi động cơ

điện

2.2.2 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển

2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết

a Một số vi điều khiển trong mạch điều khiển

Giới thiệu họ AVR

AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất AVR là chip vi điều khiển

8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC (Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí Vi điều khiển AVR do hãng Atmel sản xuất được gới thiệu lần đầu năm 1996 AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR (như AT tiny 13, AT tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít

bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR (chẳn hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega (như ATmega32, ATmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR) Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chính là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau

So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:

AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các khối thạch anh)

vài điện trở là có thể làm được một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chip bằng bootloader không cần mạch nạp…

internet

Hầu hết các chip AVR có những tính năng (features) sau:

- Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên

đến 8 MHz (sai số 3%)

có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM

Vi điều khiển atmega8

Tính năng:

AVR và nhỏ gọn

- Đống vỏ 28 chân, trong đó có 23 chân vào ra dữ liệu

Sơ đồ chân:

Hình 2.11: Sơ đồ chân vi điều khiển atmega8 Atmega8 có 28 chân, gồm 23 chân O/I chia làm 3 PORTx

Mô tả các chân

dụng làm điện áp so sánh Khi đó chân này phải được cấp một điện áp cố định

qua một quận cảm lên VCC với mục đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi

Vi điều khiển atmega32

ATMEGA32 có đầy đủ tính năng của họ AVR, có giá thành vừa phải, phù hợp để thiết kế những hệ thống vừa và nhỏ

Tính năng cơ bản: