Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền lực xe hybrid

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN VÀ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC XE HYBRID... CẢM TẠ Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÔ PHI LONG

NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN VÀ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG

TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC XE HYBRID

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116

S K C0 0 4 6 5 8

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN VÀ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG

TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC XE HYBRID

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Ngô Phi Long Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 06/11/1978 Nơi sinh:Tiền Giang Quê quán: 230, xã Tân Thành,Gò Công Đông, Tiền Giang Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giáo viên – Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng TPHCM

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 58/5/3, đường số 5, P Linh Trung, Q Thủ Đức,

TP HCM

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0919446877

Fax: E-mail: ngophilong@caothang.edu.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 10/ 2002

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học SPKT Tp Hồ Chí Minh

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 24/10/2015, Trường Đại học SPKT Tp Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Lâm Mai Long

Ngày & nơi bảo vệ:

5 Trình độ ngoại ngữ : Trình độ anh văn B

6 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2002-nay Trường CĐKT Cao Thắng Giáo viên

IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN Ngày 17 tháng 10 năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 08 năm 2015

Ký tên

CẢM TẠ

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự

nổ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Tiến Sĩ Lâm Mai Long, người thầy đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này Xin gởi lời tri ân sâu sắc nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập

và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình

và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2015

Học viên thực hiện

TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền lực xe Hybrid

Thời gian nghiên cứu: từ 23/02/2015 đến 23/08/2015

Địa điểm nghiên cứu: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Trên ô tô Hybrid, sử dụng phương án dẫn động hỗn hợp vừa nối tiếp vừa song song Tùy theo tốc độ mà xe sử dụng phương án nối tiếp hoặc kết hợp lực kéo Tốc độ thấp, cụ thể tốc độ xe nhỏ hơn 40 km/h Xe sử dụng phương án nối tiếp Động cơ xăng dẫn động máy phát điện nạp điện cho accu, tiếp theo accu cung cấp điện cho động cơ điện để truyền lực kéo đến cầu chủ động Ở trạng thái đường đặc tuyến là moment xoắn của động cơ điện

Ở đây, ta có sự tổn hao năng lượng như sau: Toàn bộ cơ năng của động cơ xăng

chuyển thành điện năng nhờ máy phát điện, từ điện năng chuyển thành hóa năng, từ hóa năng của accu lại chuyển thành điện năng để cung cấp cho động cơ điện Cuối cùng còn tổn hao truyền động cơ khí đến cầu chủ động

Tốc độ cao, cụ thể tốc độ xe lớn hơn 40 km/h Xe chạy ở chế độ kết hợp lực kéo của động cơ điện và động cơ xăng Động cơ xăng truyền động dến cần dẫn bộ truyền bánh răng hành tinh Tại đây, một phần cơ năng tuyền động trực tiếp đến vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh, qua truyền động cơ khí đến cầu chủ động Phần năng lượng còn lại dẫn động bánh răng mặt trời, truyền động cho máy phát để cung cấp điện cho accu và động cơ điện Động cơ điện truyền động cho vành răng

bộ truyền bánh răng hành tinh, qua truyền động cơ khí đến cầu chủ động

Ở đây, ta có sự tổn hao năng lượng theo hai hướng:

- Tổn hao một phần cơ năng từ động cơ xăng từ cần dẫn bộ truyền bánh răng

hành tinh truyền động qua máy phát điện để chuyển thành điện năng, từ điện năng chuyển thành hóa năng, từ hóa năng của accu lại chuyển thành điện năng để cung cấp cho động cơ điện, moment từ động cơ điện dẫn động vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh

- Phần cơ năng còn lại của động cơ xăng từ cần dẫn bộ truyền bánh răng hành

tinh, truyền động trực tiếp đến vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh

- Công suất kết hợp của động cơ xăng và động cơ điện tại vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh, qua truyền lực cơ khí đến cầu chủ động Từ vành răng

bộ truyền bánh răng hành tinh đến cầu chủ động, ta còn có tổn hao truyền động cơ khí

Hệ thống này có nhiều ưu điểm so với các phiên bản chế tạo trước đây Sử dụng đặc tuyến moment của động cơ điện ở tốc độ thấp để đáp ứng các chế độ moment xoắn cực đại Công suất của 2 loại động cơ được phối hợp tại cầu chủ động, ở tốc

độ cao để đáp ứng các chế độ công suất tối đa

ABSTRACT

Thesis: Research on transmission and loss of energy on Hybrid’s powertrain

Research time: FromFebruary 23th, 2015toAugust 23th, 2015

Research location: HCMC University of Technology and Education

The second generation Hybrid uses two ways of transmitting power, series and parallel Depending on vehicle speed, it will use the compatible way

At low speed, in particular below 40 km/h, the vehicle will use the series way

of transmitting The Gasoline engine drives the generatorand charges the battery, and then the battery will provide electricity to the motor to drive wheels

In this case, there are energy losses as follows: Total energy of Gasoline engine

is converted to electricity by generator, that electricity transforms into battery’s chemical energy, and then chemical energy transforms into electricity to provide for motor Finally, the last loss is on powertrain

At high speed, in particular above 40 km/h, the vehicle combines torque of both motor and Gasoline engine Gasoline engine transmits energy to planetary carrier Here, a part of energy is directly transmitted to ring gear and then to drive axle through mechanical transmission The remaining energy drives sun gear, then drivesgenerator to supply electricity for the battery and motor The motor drives ring gear and then drive axle due to mechanical transmission

In this case, there are two ways of losing energy:

- A part of Gasoline engine’s energy is lost because of a complex transmitting process from mechanical energy into electricity and then from electricity back into mechanical energy to create torque to drive ring gear

- The remaining of Gasoline engine’s energy is transmitted to ring gear from planetary carrier

- Total energy of ring gear supplied by Gasoline engine and motor is transmitted to drive axle due to mechanical transmission There is another loss from ring gear to drive axle, that is loss of mechanical transmission This system has many advantages over some early versions It uses moment curve of electric motor at low speed to create maximum torque Total power of both Gasoline engine and electric motor is combined at drive axle to meet operating conditions with maximum power at high speed

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan iii

Cảm tạ iv

Tóm tắt v

Abstract vii

Mục lục ix

Danh sách cách chữ viết tắt xii

Danh sách các hình xiii

Danh sách các bảng xv

Chương I TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài 1

1.2.1 Khái quát về xe Hybrid II 1

1.2.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài nước ngoài 2

1.2.3 Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài trong nước 2

1.3 Mục đích của đề tài 3

1.4 Nhận định và đề xuất hướng nghiên cứu 3

1.5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 4

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.7 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 4

Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu chung 5

2.2 Khái niệm về sự tổn hao trong hệ thống truyền lực 8

2.2.1 Sơ đồ biến đổi năng lượng 8

2.2.2 Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống chuyển động 12

2.2.3 Thông số động học (TSĐH) của hệ thống truyền lực 13

2.2.4 Sự tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền lực 14

2.2.5 Sự tổn hao năng lượng trên ô tô Hybrid II 18

2.2.5.1 Ô tô vận hành ở tốc độ thấp 18

2.2.5.2 Ô tô chuyển động ở tốc độ cao 19

2.2.6 Tính toán tổn hao năng lượng các cụm chi tiết trong hệ thống truyền lực xe Hybrid II 20

2.2.6.1 Máy phát điện MG1 20

2.2.6.2 Ắc quy điện áp cao HV 21

2.2.6.3 Động cơ điện MG2 23

Chương III SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC XE HYBRID II 26

3.1 Tổng quát hệ thống truyền lực trên ô tô 26

3.2 Tổng quát hệ thống truyền lực xe Hybrid II 26

3.3 Các kí hiệu qui ước 29

3.3.1 Động cơ đốt trong 29

3.3.2 Động cơ điện (MG2) 29

3.3.3 Máy phát (MG1) 30

3.4 Các trạng thái chuyển động của xe 30

3.4.1 Khởi động động cơ 30

3.4.2 Dẫn động bằng động cơ điện MG2 32

3.4.3 Tăng tốc nhẹ bằng động cơ xăng 34

3.4.4 Xe chạy ở tải nhỏ 35

3.4.5 Xe chuyển động ở trạng thái tăng tốc mạnh 36

3.4.6 Xe chạy lùi 38

4.1.1 Quan hệ moment 42

4.1.2 Quan hệ vận tốc góc 42

4.2 Tổ hao năng lượng trong quá trình chuyển động của ô tô 44

4.2.1 Xe vận hành và tăng tốc nhẹ 44

4.2.1.1 Moment kéo tại cầu chủ động và đường đặc tính 45

4.2.1.2 Hiệu suất truyền động và tổn hao năng lượng 46

4.2.2 Vận tốc xe trên 40 km/h 47

4.2.2.1 Công suất kéo kết hợp hai loại động cơ và đường đặc tính 48

4.2.2.2 Hiệu suất hệ thống truyền động và tổn hao năng lượng 51

Chương V CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ BẢN 55

5.1 Phương trình cân bằng lực kéo và đồ thị 55

5.1.1 Phương trình cân bằng lực kéo 55

5.1.2 Đồ thị cân bằng lực kéo 57

5.2 Các thông số động lực học 60

5.2.1 Xác định vận tốc cực đại của xe Vmax 60

5.2.2 Xác định gia tốc cực đại của ô tô jmax 61

5.2.3 Xác định khả năng leo dốc cực đại của ô tô max 62

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BMTL : Biến mô thủy lực

CVT : Continuously Variable Transmission – Hộp số tự động vô cấp

ECU : Electronic Control Unit - Bộ điều khiển bằng điện tử

HS : Hộp số

HTTL : Hệ thống truyền lực

HV : High – Voltage Ắc quy điện áp cao

LHTL : Ly hợp thủy lực

MG1 : Motor Generator 1- Máy phát điện MG1

MG2 : Motor Generator 2- Động cơ điện MG2

TSĐH : Thông số động học

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Hình dạng xe Pirus II 5

Hình 2.2: Màn hình đa thông tin 6

Hình 2.3: Toyota Prius - xe tiết kiệm nhiên liệu nhất tại Mỹ 7

Hình 2.4: Các đặc tính vào và ra tại các điểm khác nhau trong hệ thống truyền lực 8 Hình 2.5: Sơ đồ dòng năng lượng trên xe Hybrid II 9

Hình 2.6: Đường đặc tuyến moment của động cơ xăng 10

Hình 2.7: Đường đặc tuyến moment tại vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh ở trang thái không tải 11

Hình 2.8: Đường đặc tuyến moment kéo kết hợp tại cầu chủ động 11

Hình 2.10: Biến thiên lý thuyết của M, ,  phụ thuộc vào tốc độ góc 16

Hình 2.11: Sơ đồ tổn hao năng lượng khi xe vận hành 18

Hình 2.12: Sơ đồ đường truyền moment ở tốc độ thấp 19

Hình : 2.13: Năng lượng truyền đến cầu chủ động 19

Hình 2.14: Sơ đồ đường truyền moment ở tốc độ cao 20

Hình 2.15: Ắc quy điện áp cao (HV) 22

Hình 2.16: Động cơ điện 3 pha rotor nam châm vĩnh cửu 24

Hình 2.17: Cụm truyền động cơ khí đến cầu chủ động 25

Hình 3.1: Sơ đồ truyền lực đến cầu chủ động 26

Hình 3.2: Cụm truyền động xe Hybrid II 27

Hình 3.3: Các cụm chi tiết hệ thống truyền lực xe hybrid II 28

Hình 3.4: Bánh đà và khớp nối giảm chấn 28

Hình 3.5: Công suất khởi động động cơ 30

Hình 3.6: Biểu đồ moment truyền động khởi động 31

Hình 3.7: Sơ đồ truyền động và biểu đồ moment khi phát điện 32

Hình 3.8: Sơ đồ truyền lực và biểu đồ moment từ động cơ điện MG2 32

Hình 3.9: Xe vận hành bằng MG2 và khởi động động cơ 33

Hình 3.10: Sơ đồ truyền năng lượng và biểu đồ moment theo kiểu song song 34

Hình 3.11: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment kết hợp 35

Hình 3.12: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở trạng thái tải nhỏ 36

Hình 3.13: Năng lƣợng bổ sung cho trạng thái gia tốc cực đại 37

Hình 3.14: Sơ đồ tuyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở chế độ tăng tốc 37

Hình 3.15: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở trạng thái chạy lùi 38

Hình 3.16: Năng lƣợng đƣợc tái sinh 39

Hình 3.17: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở trạng thái giảm tốc 40

Hình 3.18: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở trạng thái phanh bằng động cơ 41

Hình 4.1: Bánh răng hành tinh của hộp số Hybrid II 43

Hình 4.2: Ô tô vận hành bằng động cơ điện MG2 44

Hình 4.3: Sự truyền năng lƣợng khi xe khởi hành 45

Hình 4.4: Đặc tuyến moment 46

Hình 4.5: Lực kéo kết hợp từ 2 nguồn năng lƣợng 48

Hình 4.7: Sơ đồ dòng năng lƣợng 49

Hình 4.9: Sơ đồ truyền năng lƣợng 52

Hình 5.1 : Sơ đồ phân phối moment của động cơ 55

Hình 5.2 : Đồ thị cân bằng lực kéo 58

Hình 5.3: Moment tại vành răng bộ truyền hành tinh 59

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số động cơ đốt trong 29 Bảng 3.2: Thông số động cơ điện 29 Bảng 3.3: Thông số máy phát 30

Chương 1

TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Cách đây hơn thế kỷ, các mẫu xe tương tự như xe Hydrid ngày nay đã ra đời tại Pháp, Áo… Trong giai đoạn nửa đầu thế kỷ trước, còn có nhiều tên tuổi khác tham gia chế tạo xe Hybrid như General Electric và Woods Motor Vehicle ( đều của Mỹ), Siemenns-Schukert (Đức) Nhìn chung, những mẫu xe Hybrid của thế kỷ trước nhằm mục đích tăng tốc độ xe, đồng thời với giá nhiên liệu rẻ lúc bấy giờ, và không

có bất cứ quy định nào về khí thải khiến cho người sử dụng ô tô và xe máy đều không quan tâm tới các hệ thống động cơ lạ này

Ngày nay, phương tiện ô tô phát triển mạnh, cũng chính vì thế mà tình trạng ô nhiễm không khí do khí thải từ ô tô ngày nay trầm trọng hơn Tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống là mối đe doạ cho nền kinh tế các nước Do đó, nhiều giải pháp kỹ thuật đã được ra đời như : ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên liệu, động cơ khí nén v.v tuy nhiên, những kỹ thuật kể trên vẫn chưa thể đưa vào sử dụng vì còn nhiều giới hạn về công nghệ

Bên cạnh những giải pháp trên, các nhà kỹ thuật quan tâm đến công nghệ Hybrid Đây là giải pháp được coi là thành công hiện nay nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng hiệu suất động cơ Các ô tô Hybrid này đã

và đang được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển như châu Âu, Mỹ , Nhật… vì vậy, nghiên cứu công nghệ ôtô hybrid là cần thiết, nên tôi quyết định chọn đề tài

nghiên cứu là : “Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền

lực xe Hybrid”

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài