Hệ thống truyền lực tự động trên ô tô

Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Chương 1: HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TỰ ĐỘNG 1.1 Phân loại đặc điểm loại hộp số Hiện giới sử dụng rộng rãi sản xuất nhiều loại hộp số tự động Để biết cách đầy đủ loại hộp số ta trình bày sau: Hộp số tự động Hộp số tự động có cấp Hộp số có cấp loại thường Số tự động loại chuyển số Côn điều khiển thủy lực Số tự động loại thường chuyển số Côn Phanh Điều khiển thủy lực Đặc điểm: Sử dụng biến mô côn để vào số tự động Điều khiển chuyển số thủy lực Đặc điểm: Sử dụng biến mô côn, phanh để chuyển số tự động.Điề u khiển chuyển số Thủy lực Hộp số có cấp loại điện tử Số tự động chuyển số côn điều khiển Thủy lực Điện Tử (ECT, ECU) Đặc điểm: Sử dụng biến mô côn để vào số tự động Chuyển số côn điều khiển Thủy lực Điện Tử (ECT, ECU) Hộp số vô cấp Hộp số vô cấp điều khiển dây đai Hộp số vô cấp điều khiển lăn Đặc điểm: Vận hành hệ thống pu-li, dây đai thông minh, hệ thống cho phép khả biến thiên vô hạn số thấp số cao mà không ngắt quãng số Đặc điểm: Vận hành hệ thống đĩa lăn thông minh, hệ thống cho phép khả biến thiên vô hạn số thấp số cao mà không ngắt quãng số Số tự động chuyển số Côn Phanh điều khiển Thủy lực Điện Tử (ECT, ECU) Đặc điểm: Sử dụng biến mô côn, phanh để chuyển số tự động.Điều khiển chuyển số Thủy lực Điện Tử (ECT, ECU) Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực 1.2 Truyền lực tự động với hộp số có cấp 1.2.1 Các tay số tình sử dụng tay số hộp số tự động a Các loại cần chuyển số Cần chuyển số tương đương với cần chuyển số hộp số thường, người lái xe chọn chế độ chạy xe tiến lùi, số trung gian đỗ xe cách vận hành cần chuyển số Có kiểu cần chuyển số sau đây, tuỳ theo loại xe Hình 1: Các kiểu cần chuyển số Kiểu thẳng Kiểu cột Kiểu cổng Kiểu thẳng có hệ chuyển số hình chữ E Tuân theo quy luật chung, cụm tay số xe có hộp số tự động bố trí cạnh vành tay lái (loại gọi số tay) bố trí sàn xe, ghế lái xe ghế phụ (loại gọi số sàn) Số lượng vị trí cần chọn số tùy thuộc vào cấu trúc hộp số tự động, thông thường xe có số tiến số lùi b) Số tay a) Số sàn Hình Các dạng tay số 2 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực b Tình sử dụng tay số Số “P”: số đỗ xe chỗ Tay số sử dụng dừng xe không lâu bên lề đường chờ khách mà máy nổ Số “R”: số lùi Tay số dùng xe cần lùi Số “N”: số không (hay số MO) Tay số sử dụng dừng xe lâu, xe nghỉ hoạt động Số “D”: tay số tiến Tay số sử dụng để khởi hành xe trường hợp chạy tiến, trừ trường hợp muốn lợi dụng công suất động để phanh ghìm tốc độ xe như: xuống dốc, chạy đường núi, kéo móc, chạy đường trơn lầy, chạy cát, tuyết Ở tay số xe có khả làm việc tất số tiến từ 1, 2, 3, D, O/D Số “3”: tay số với cấp số tiến (chỉ có số xe) Tay số sử dụng số “D” hiệu lực điều khiển O/D Số “2” (ở đa số xe) số S (ở số xe): số ngưỡng chạy tiến Tay số phép sử dụng vùng tốc độ định, muốn lợi dụng động để phanh ghìm bớt tốc độ xe trường hợp như: xe chạy kéo móc, xe tải, lên dốc ngắn, xuống dốc, xe chạy đường núi Ở tay số xe khởi hành số “D” lúc đầu từ cấp số sau tự chuyển sang cấp số vượt đến cấp số 3, hệ điều khiển O/D tác dụng tay số Số “L” (ở đa số xe) số (ở số xe): số ngưỡng chậm Tay số có cấp tốc độ (cấp 1) không vượt đến cấp độ Khi chạy tay số lợi dụng tối đa khả phanh ghìm xe động Tay số sử dụng trường hợp leo dốc ngắn có bậc gồ ghề, xuống dốc dài, chạy đường trơn lầy Nút công tắc “O/D”: công tắc điều khiển số truyền tăng Công tắc có hiệu lực tay số “D” Núm chốt định vị số: dùng để định vị cần chọn vị trí định Khi chuyển vị trí từ “N” sang “R” “P”, từ “P” “R”, từ “D” sang “2”, từ “2” sang “L” phải ấn nút sau vào số nhả tay để định vị số 1.2.2 Sơ đồ nguyên lý HTTL tự động với hộp số điều khiển gài chuyển số côn ma sát ướt a Sơ đồ nguyên lý hộp số Ở hộp số thường muốn chuyển số ta phải gạt đồng tốc để chuyển số, làm cho người điều khiển phải xử lý lúc nhiều tình (quan sát đường, chân côn, 3 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực chuyển số, lựa chọn chuyển số thích hợp) thời gian chuyển số đồng tốc Trong số tự động loại điều khiển côn đồng tốc số thường thay côn chuyển số tự động Các côn đóng mở nhờ dòng dầu số loại người điều khiển việc nhấn chân ga quan sát mặt đường Hình 3: Sơ đồ cấu trúc hộp số tự động điều khiển côn 1- Ly hợp khoá biến mô, 2- Bánh bơm, 3- Khớp chiều, 4- côn giữ, 5- Côn số 3, 6- Côn số 4,7- Côn gài số R, 8- Côn số 2, - Côn số 1, 10 - Bộ truyền lực cuối cùng, 11-Bộ vi sai - Đặc điểm hộp số tự động điều khiển côn + Bộ biến mô phận nhận mô men động tốc độ động (n e), công suất động (Ne) từ động tới hộp số Bộ biến mô có khả thay đổi mô men động lên nhiều lần + Các bánh ăn khớp cố định tạo từ đến cấp số truyền số lùi Để số số hộp số sử dụng côn thuỷ lực, tay số hay tỷ số truyền có côn, côn so sánh với hộp số thường thay cho đồng tốc Như chuyển số không thời gian trình đồng tốc Đây ưu điểm quan trọng hộp số tự động so với hộp số thường + Trong số lùi không sử dụng côn thuỷ lực mà sử dụng ống gài số lùi để chuyển số + Vì hộp số sử dụng cho cho động đặt trước hộp số đặt trước nên hộp số tổ hợp cầu chủ động b, Nguyên lý chuyển số : 4 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4: Nguyên lý hoạt động hộp Số A : Van ga; b: Sơ đồ nguyên lý chuyển số bản; c: Van ly tâm Po: Áp suất chuẩn sau van điều áp sơ cấp; P: Áp suất tạo sau van ga P2 áp suất tạo sau van ly tâm Khi động hoạt động bơm dầu đẩy dầu đến van điều áp sơ cấp, tạo áp suất chuẩn po Sau áp suất P0 đến van ga, van ly tâm qua van cần chuyền số đến van chuyển số Áp suất P1 tạo từ van ga tác động bàn đạp chân ga đến cụm bướm ga tác động đến cam ga đẩy ty đẩy lên tạo áp suất P1( hình 3a) Áp suất P2 tạo văng tác động vào ty đẩy tạo áp suất P2 ( hình 3c) Áp suất P1 áp suất P2 đưa đến van số, van số cân để so sánh áp suất P1, P2 Sau van số định áp suất Po đưa đến côn số để thực số Ví dụ: Hình 5: Các van số 4a: Đi số 2; 4b: Đi số Dòng áp suất Po được chuyển sang số dóng áp suất p p (hình 4a) lúc xe thực số 5 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực (Hình 4b) Dòng áp suất thực chuyển số dòng áp suất (p p ) lúc xe thực số 1.2.3 Sơ đồ nguyên lý HTTL tự động với hộp số điều khiển chuyển số côn, phanh ma sát ướt truyền hành tinh Trong hộp số tự động truyền hành tinh có vai trò quan trọng điều khiển việc giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp tăng tốc Bộ truyền bánh hành tinh gồm bánh hành tinh, ly hợp phanh Thường hộp số có đến vài truyền hành tinh, truyền hành tinh kết nối với ly hợp phanh (là phận kết nối công suất) để tạo số truyền bánh khác vị trí số trung gian Hình : Sơ đồ cấu trúc truyền hành tinh 1, Biến mô; 2, Phanh B1;3, Ly hợp C1;4, Ly hợp C2; 5, Phanh B2; 6, Khớp chiều F1;7, Phanh B3; 8, Khớp chiều F2; 9, Phanh Bo; 10, Khớp chiều F0 Nguyên lý chung: Mômen truyền từ động qua biến mô đến cụm cụm bánh hành tinh, Để truyền mô men đến cặp bánh hành tinh nhờ côn C1,C2 hoạt động truyền đến cụm bánh hành tinh sau thông qua bánh mặt trời Các côn, phanh hoạt động nhờ áp suất dầu hệ thống thuỷ lực điều khiển Sau mô men truyền đến truyền tăng OD Nếu xe tốc độ cao công tắc OD chế độ ON, số tự động chuyển sang số OD Nếu xe tốc độ thấp tốc độ cao công tắc OD chế độ OFF không sang số OD Lúc mômen truyền trục thứ cấp hộp số Ví dụ: Số lùi (hình 11) trục sơ cấp làm quay bánh mặt trời theo chiều kim 6 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực đồng hồ nhờ C2 Ở truyền bánh hành tinh sau cần dẫn sau bị B3 cố định nên bánh bao truyền hành tinh sau quay ngược chiều kim đồng hồ thông qua bánh hành tinh truyền hành tinh sau, trục thứ cấp quay ngược chiều kim đồng hồ Bằng cách này, trục thứ cấp quay ngược lại, xe lùi với tỉ số giảm tốc lớn Việc phanh động xảy hộp số tự động chuyển sang số lùi, số lùi không sử dụng khớp chiều để truyền lực dẫn động Hình 7: Số lùi R 1.2.4 Biến mô thủy lực Bộ biến mô ( hình 17) vừa truyền vừa khuyếch đại mômen từ động vào hộp số (Bộ truyền bánh hành tinh) việc sử dụng dầu hộp số tự động (ATF) môi chất Bộ biến mô gồm bánh bơm, bánh tua bin, khớp chiều, stato vỏ biến mô chứa tất phận Bộ biến đổi đổ đầy ATF bơm dầu cung cấp Động quay bánh bơm quay, dầu bị đẩy từ bánh bơm thành dòng mạnh làm quay bánh tua bin 7 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 8: Bộ biến mô Bộ biến mô gồm phận sau: Bánh bơm: Gắn với vỏ biến mô lắp với trục khuỷu động để truyền mô men, tốc độ động Bánh tua bin: Gắn với trục sơ cấp hộp số nhận mô men từ bánh bơm Bánh phản ứng: Được gắn vào trục hộp số thông qua khớp chiều, có nhiệm vụ đổi chiều đường dẫn dầu từ bánh tua bin quay bánh bơm tạo hệ số khuếch đại mô men Ly hợp khóa biến mô: Gắn với trục hộp số tự động, liên kết bánh bơm bánh tua bin Bánh bơm (hình 18) bố trí nằm vỏ biến mô nối với trục khuỷu qua đĩa dẫn động Nhiều cánh hình cong lắp bên bánh bơm Một vòng dẫn hướng lắp mép cánh để đường dẫn dòng dầu êm 8 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 9: Bánh bơm Bánh tua bin (hình 19) bố trí nằm vỏ biến mô nối với trục sơ cấp hộp số Cấu tạo gồm nhiều cánh lắp lên, bánh tua bin giống trường hợp bánh bơm hướng cong cánh ngược chiều với hướng cong cánh bánh bơm Bánh tua bin lắp trục sơ cấp hộp số cho cánh bên nằm đối diện với cánh bánh bơm với khe hở nhỏ Hình 10: Bánh tua bin Stato (hình 20) lắp với vỏ hộp số qua khớp chiều, dòng dầu trở từ bánh tua bin vào bánh bơm theo hướng cản quay bánh bơm Do đó, stato đổi chiều dòng cho tác động lên phía sau cánh bánh bơm bổ sung thêm lực đẩy cho bánh bơm làm tăng mô men Hình 11: Stato Khớp chiều (hình 21) mặt gắn với vỏ hộp số mặt gắn với stato Khớp chiều cho phép Stato quay theo chiều quay trục khuỷu động Nếu Stato định bắt đầu quay theo chiều ngược lại khớp chiều khoá stato để ngăn không cho quay ngược lại 9 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 12: Khớp chiều Hoạt động biến mô: Khi tốc độ bánh bơm tăng lực li tâm làm cho dầu bắt đầu chảy từ tâm bánh bơm phía Khi tốc độ bánh bơm tăng lên dầu bị ép văng khỏi bánh bơm Dầu va vào cánh bánh tua bin làm cho bánh tua bin bắt đầu quay chiều với bánh bơm Dầu chảy vào dọc theo cánh bánh tua bin Khi chui vào bên bánh tua bin mặt cong cánh đổi hướng dầu ngược lại phía bánh bơm, chu kỳ lại đầu Việc truyền mô men thực nhờ tuần hoàn dầu qua bánh bơm bánh tuabin Hình 13: Sự truyền mô men qua biến mô Việc khuyếch đại mômen biến mô thực cách dẫn dầu lượng sau qua bánh tua bin trở bánh bơm qua cánh Stato Nói cách khác, bánh bơm quay mô men từ động mà mô men lại bổ sung dầu quay từ bánh tua bin Có thể nói bánh bơm khuyếch đại mômen ban đầu để dẫn động bánh tua bin 10 10 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực 4.4.3 Ắc quy Nickel Nickel kim loại nhẹ chì có thuộc tính điện hóa tốt, phù hợp ứng dụng làm ắc quy Có loại ắc quy Nickel khác nhau: Ni-Fe, Ni-Zn, Ni-Cd, Nihydrua kim loại Hệ thống ắc quy Ni-Fe Hệ thống Ni-Fe thương mại hóa vào năm đầu kỷ 20 Chúng ứng dụng xe tải nâng, đầu máy hầm mỏ, xe dạng thoi, đầu máy xe lửa xe tải điều khiển tay có gắn động Hệ thống gồm NiOOH làm cực dương kim loại Fe làm cực âm Dung dịch điện phân dung dịch kali hyđrô (KOH) có nồng độ 240 g/l, chứa lithium hyđrôxít (50 g/l) Các ắc quy Ni-Fe phải chịu đựng vấn đề khí gas, ăn mòn hóa học tượng tự phóng điện Các vấn đề giải phần hoàn toàn mẫu ắc quy đưa giới thiệu thị trường Các ắc quy phức tạp phải trì mức nước việc khử khí hydrogen ôxy thải suốt trình phóng điện Ắc quy Ni-Fe phải chịu đựng đặc tính nhiệt độ ắc quy axit-chì Cuối giá thành Ni đắt nhiều so với chì Ưu điểm lớn chúng mật độ công suất cao so với ắc quy axit-chì khả chịu 2000 lần phóng cạn Hệ thống ắc quy Ni-Cd Hệ thống ắc quy Ni-Cd sử dụng cực dương dung dịch điện phân giống với hệ thống Ni-Fe cực âm làm kim loại Cd Phản ứng điện hóa đưa Bảng 5.1 điện áp mở mạch danh nghĩa 1.4 V Lịch sử phát triển ắc quy giống với ắc quy Ni-Fe chúng có đặc tính tương tự Công nghệ Ni-Cd cải tiến công nghệ lớn có nhiều ưu điểm thể qua nó: lượng riêng cao (> 220 W/kg), chu kỳ vòng đời dài (> 2000 chu kỳ), điện áp rơi nhỏ phạm vi dòng điện phóng thay đổi rộng, khả nạp nhanh (khoảng 40-80% 18 phút), phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng (-40 – 85 oC), mức độ tự phóng điện bé (< 0.5 % ngày), tuổi thọ dài ăn mòn không đáng kể, đa dạng kích thước Tuy nhiên, ắc quy Ni-Cd có vài nhược điểm gồm: giá thành cao, điện áp ngăn tương đối thấp, Cd gây ung thư mối nguy hại cho môi trường Ắc quy Ni-Cd chia làm hai loại chính: loại thông loại kín Loại thông có nhiều kiểu khác Loại ắc quy thông với nung kết công nghệ phát triển nhiều thời gian gần đây, có lượng riêng cao giá thành cao Nó cho đặc tuyến điện áp phóng phẳng, dòng điện phóng cao nhiệt độ hoạt động thấp Loại ắc quy Ni-Cd kín lắp thêm ngăn đặc biệt thiết kế có chức ngăn chặn tăng áp suất bên 92 92 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực ắc quy khí gas sinh trình nạp Như ắc quy không cần phải bão dưỡng Các nhà sản xuất ắc quy cho EV HEV SAFT VARTA Các EV gần cung cấp lượng ắc quy Ni-Cd bao gồm: Chrysler TE Van, Citroen AX, Mazda Roadster, Mitsibishi EV, Peugeot 106, Renault Clio Ắc quy Ni-hydrua kim loại Ắc quy Ni-hydrua kim loại có mặt thị trường từ năm 1992 Đặc tính hoạt động tương tự với ắc quy Ni-Cd Sự khác biệt chúng là việc sử dụng thêm hydrogen hấp thụ thành hydrua kim loại để làm cực âm thay cho kim loại Cd Do lượng riêng cực cao so với ắc quy Ni-Cd độc tố chất gây ung thư nên ắc quy Ni-MH thay dần cho ắc quy Ni-Cd Khi ắc quy phóng, hydrua kim loại cực âm bị oxy hóa tạo thành hợp kim, NiOOH cực dương tạo thành Ni(OH) Trong trình nạp, trình xảy ngược lại Hiện nay, ắc quy Ni-MH có điện áp danh nghĩa 1.2V, đạt lượng riêng 65 Wh/kg công suất riêng 200 W/kg Một thành phần quan trọng ắc quy Ni-MH hợp kim dùng để làm bình chứa hydrogen Chúng thử nghiệm để tìm vật liệu tốt có độ bền lớn, có tuổi thọ dài Có hai loại hợp kim dùng hợp kim lanthanum nickel biết đến AB hợp kim titanium zirconium biết đến AB Hợp kim AB2 có tính cao AB Tuy nhiên, AB5 có xu hướng sử dụng rộng rãi tính trì ổn định tốt Từ ắc quy Ni-MH phát triển ưu điểm tổng hợp từ công nghệ là: có lượng riêng cao (70-95 Wh/kg) công suất riêng cao (200-400 W/kg) loại ắc quy Ni, đồng thời thân thiện với môi trường (không có Cd), đặc tuyến phóng phẳng (điện áp rơi bé), khả nạp lại nhanh Tuy nhiên, ắc quy có giá thành ban đầu cao Nó có hiệu ứng nhớ tỏa giải nhiệt nạp Ắc quy Ni-MH xem lựa chọn quan trọng thời gian gần cho EV HEV Rất nhiều nhà sản suất ắc quy như: GM Ovonic, GP, GS, Panasonic, SAFT, VARTA, YUASA có liên kết việc phát triển công nghệ loại ắc quy này, đặc biệt ứng dụng EV HEV Từ năm 1994, hãng ắc quy Ovonic lắp đặt ắc quy Ni-MH họ Solectic GT Force EV để kiểm tra thử nghiệm Một ắc quy 19 kWh cung cấp 65 Wh/kg, tốc độ tối đa xe 144 km/h, khả tăng tốc từ đến 80 km/h 14 s phạm vi hoạt động cho lần nạp điện 206 km Toyota Honda sử dụng ắc quy Ni-MH HEV họ Prius Insight 93 93 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực 4.4.4 Ắc quy Lithium Lithium kim loại nhẹ kim loại có đặc tính điện hóa thú vị Thật sự, cho điện áp nhiệt động cao điều dẫn đến lượng riêng công suất riêng cao Có hai công nghệ ắc quy lithium là: lithium-polyme lithium-ion Ắc quy lithium-polymer (Li-P) Ắc quy Li-P dùng kim loại Li oxit kim loại chuyển tiếp (M yOz) cho cực âm cực dương Lớp M yOz có cấu trúc tầng, ion Li chèn vào phóng tách nạp Một lớp polyme rắn (SPE) dùng làm chất điện phân, có ưu điểm an toàn làm cho việc thiết kế trở nên linh hoạt Trong phóng điện, ion Li hình thành cực âm di chuyển qua SPE sau chèn vào cấu trúc mạng tinh thể cực dương Khi nạp trình diễn ngược lại Bằng cách sử dụng Li cực dương vanadium oxide (V6O14) cực âm ngăn ắc quy Li/SPE/V 6O14 ắc quy hấp dẫn gia đình ắc quy Li-polyme Nó hoạt động với điện áp cực V lượng riêng 155 Wh/kg, công suất riêng 415 W/kg Các ưu điểm tương ứng mức độ tự phóng điện thấp (khoảng 0.5% tháng), phong phú hình dáng kích thước, thiết kế an toàn (làm giảm độ hoạt động Li chất điện phân rắn) Tuy nhiên, có đặc tính nhiệt độ nhiệt độ phụ thuộc vào truyền nhiệt ion Ắc quy Li-Ion Từ thông báo ắc quy Li-ion vào năm 1991 công nghệ ắc quy Li-ion không ưu tiên phát triển, dường ứng cử viên hứa hẹn cho công nghệ ắc quy nạp lại tương lai Mặc dù giai đoạn phát triển, ắc quy Li-ion thật phù hợp cho ứng dụng EV HEV Ắc quy Li-ion sử dụng lớp lithiated carbon (Li xC) bề mặt cực âm thay kim loại Li, oxit kim loại chuyển tiếp (Li 1-xMyOz) phủ cực dương, dùng dung dịch chất hữu polymer rắn làm chất điện phân Các ion Li di chuyển qua chất điện phân cực dương âm suốt trình phóng nạp Khi phóng điện, ion Li nhả từ cực âm di chuyển qua chất điện phân sau hút vào cực dương Khi nạp trình diễn ngược lại Các vật liệu dùng làm cực dương Li 1-xCoO2, Li1-xNiO2, Li1-xMn2O4, chúng có ưu điểm bền không khí, điện cao, dễ dàng phản ứng thuận nghịch với lớp Li Loại LixC/Li1-xNiO2 viết tắt C/LiNiO gọi đơn giản ắc quy nickel Li-ion có điện áp cực 4V, lượng riêng 120 Wh/kg mật độ 94 94 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực lượng 200 Wh/l, công suất riêng 260 W/kg Loại cobalt có lượng riêng mật độ lượng cao đồng thời giá thành cao mức độ tự phóng điện cao Loại Mangan có giá thành thấp lượng riêng mật độ lượng nằm khoảng loại cobalt loại nickel Dự kiến phát triển cuối ắc quy Li-ion loại ắc quy mangan giá thành thấp, hàm lượng sẵn có nhiều thân thiện với môi trường 4.5 Siêu tụ Do EV HEV hoạt động chế độ chạy – ngừng thường xuyên biên dạng phóng nạp thiết bị tích trữ ắc quy biến thiên lớn Công suất trung bình yêu cầu từ thiết bị tích trữ lượng thấp nhiều công suất cực đại yêu cầu thời gian tương đối ngắn tăng tốc leo dốc Tỉ số công suất cực đại với công suất trung bình 10:1 Thật lượng dùng để tăng tốc giảm tốc thời gian ngắn ngủi xấp xỉ 2/4 tổng lượng toàn chu kỳ hoạt động xe thành phố Trong thiết kế HEV, khả công suất cực đại thiết bị tích trữ lượng quan trọng khả năng lượng riêng chi phối giảm kích thước ắc quy Với công nghệ ắc quy nay, thiết kế ắc quy phải hòa hợp hai số lượng riêng công suất riêng chu kỳ vòng đời Để tương thích giá trị đạt giá trị cao thật khó, nên có vài đề xuất rằng: sử dụng hệ thống tích trữ lượng cho EV HEV kết hợp từ hai nguồn: nguồn lượng, nguồn công suất Nguồn lượng ắc quy pin nhiên liệu có lượng riêng cao, nguồn công suất có công suất riêng cao Nguồn công suất nạp từ nguồn lượng suốt trình dẫn động phanh nạp Nguồn công suất nhận quan tâm rộng rãi siêu tụ 4.5.1 Đặc điểm siêu tụ Siêu tụ có đặc tính công suất riêng cao nhiều so với ắc quy hóa học, có lượng riêng thấp Năng lượng riêng nằm phạm vi vài Wh/kg Tuy nhiên công suất riêng đạt kW/kg cao nhiều so với loại ắc quy Do mật độ lượng riêng thấp phụ thuộc điện áp vào SOC nên thật khó cho siêu tụ hoạt động thiết bị tích trữ lượng cho EVs HEVs Tuy nhiên, siêu tụ có nhiều ưu điểm để làm nguồn công suất phụ trợ Một ứng dụng đầy hứa hẹn gọi nguồn lượng ắc quy - siêu tụ cho EVs HEVs Yêu cầu lượng riêng công suất riêng độc lập với nhau, có thêm hội để thiết kế ắc quy có lượng riêng tương đối, với vòng đời dài mà không cần quan tâm nhiều đến công suất riêng 95 95 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Do mức độ tải trọng ảnh hưởng đến siêu tụ nên dòng phóng cao từ ắc quy dòng nạp đến ắc quy trình phanh tái sinh đạt cực tiểu, lượng tích trữ lâu, độ bền tuổi thọ ắc quy tăng lên đáng kể 4.5.2 Nguyên lý hoạt động siêu tụ Công nghệ tụ hai lớp mấu chốt để hiểu khái niệm siêu tụ Nguyên lý tụ hai lớp minh họa Hình 4.8 Khi hai carbon nhúng vào dung dịch axit sulfuric loãng, ngăn cách với nạp với điện áp tăng từ 1,5V, tượng xảy điện áp lên đến 1V Khi điện áp 1.2V thấy xuất bọt khí nhỏ hai cực Các bọt khí phân ly nước Dưới điện áp phân ly không hình thành dòng điện, “lớp lưỡng cực điện” sau hình thành biên giới cực chất điện phân Các electron trao đổi qua lớp lưỡng cực điện hình thành tụ điện Một lớp lưỡng cực điện làm việc lớp cách điện điện áp thấp điện áp phân ly Năng lượng tích trữ, Ecap thể sau: Ecap = CV 2 Trong C điện dung (F) V điện hiệu dụng (V) Phương trình cho thấy mức điện áp V cao mong muốn cho tụ có mật độ lượng lớn Cho đến nay, điện áp cực đại tụ điện với chất điện phân ngậm nước đạt 0.9V/ngăn, 2.4-4.4 V cho ngăn với chất điện phân khan Có ưu điểm lớn việc sử dụng lớp lưỡng cực điện thay plastic hay oxit nhôm tụ điện lớp lưỡng cực điện mỏng dung lượng diện tích bề mặt lớn 2.5-5 μF/cm2 Thậm chí với giá trị vài μF/cm thu mật độ lượng tụ điện không lớn dùng nhôm Để tăng dung lượng cực phải làm từ vật liệu đặc biệt có diện tích bề mặt lớn than hoạt tính, diện tích bề mặt tiếng với 1000-4000 m2/g Với diện tích bề mặt đó, ion hấp thụ kết dẫn đến tạo 50 F/g (1000 m 2/g ×5 F/cm2×10000 cm2/m2=50 F/g) Giả sử cộng thêm khối lượng chất điện phân thu 25 F/g giá trị mật độ lượng lớn Tuy nhiên mật độ lượng tụ thua xa ắc quy thứ cấp; Các siêu tụ tiêu biểu có lượng riêng khoảng Wh/kg 1/20 40 Wh/kg giá trị ắc quy axit-chì 96 96 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4.8: Nguyên lý tụ kép lưỡng cực điện tiêu biểu 4.6 Bánh đà siêu tốc Sử dụng bánh đà để tích trữ lượng dạng học khái niệm mẻ Cách 25 năm, công ty Oerlikon Engineering Switzerland chế tạo xe bus với giải pháp công suất bánh đà khối lượng Bánh đà có khối lượng 1500 kg, hoạt động tốc độ 4000 rpm nạp điện lại trạm xe bus Các bánh đà truyền thống khối rotor với khối lượng lên đến hàng trăm kg quay với tốc độ khoảng 1000 rpm Ngược lại, bánh đà cải tiến rotor nhẹ khoảng vài chục kg quay với tốc độ 10000 rpm Chúng gọi bánh đà siêu tốc Khái niệm bánh đà siêu tốc xuất phương tiện thỏa mãn yêu cầu nghiêm ngặt cho thiết bị tích trữ lượng cho EV HEV, biết đến lượng riêng cao, công suất riêng cao, chu kỳ dài, hiệu suất lượng cao, nạp nhanh, không cần bảo dưỡng, giá thành phù hợp thân thiện với môi trường 4.6.1 Nguyên lý hoạt động bánh đà siêu tốc Một bánh đà quay tích trữ lượng dạng động năng: Ef = J f ω 2f Trong Jf mômen quán tính bánh đà kgm 2/s ωf vận tốc góc bánh đà rad/s Phương trình (4.19) cho thấy tăng vận tốc bánh đà cách tốt để tăng khả năng lượng giảm khối lượng thể tích bánh đà Hiện nay, tốc độ bánh đà đạt 60000 rpm số mẫu bánh đà siêu tốc Với công nghệ này, thật khó để sử dụng trực tiếp lượng học tích trữ bánh đà để đẩy xe, cần thiết có hộp số vô cấp (CVT) với phạm vi tỉ số truyền rộng Một cách thông thường nối máy điện trực tiếp với bánh đà thông qua hộp số để tạo thành ắc quy khí Máy điện có chức 97 97 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực đường vào đường lượng, chuyển đổi lượng học thành lượng điện ngược lại Ef = J f ω 2f Phương trình cho thấy lượng tích trữ bánh đà tỉ lệ với mômen quán tính bánh đà bình phương vận tốc Một bánh đà khối lượng nhẹ thiết kế để đạt đến số mômen quán tính đơn vị khối lượng đơn vị thể tích thông qua thiết kế hình dáng bánh đà 4.6.2 Công nghệ bánh đà Nguyên lý ứng suất không đổi sử dụng cho thiết kế bánh đà siêu tốc Để đạt giá trị lượng dự trữ cực đại phần tử rotor chịu ứng suất đạt giá trị cực đại Kết làm cho hình dạng bành đà bị mỏng đến biên Do tốc độ quay bánh đà lớn để giảm mát khí động học ma sát bên bánh đà luôn có độ chân không cao làm kín, gối đỡ từ sử dụng Máy điện thiết bị quan trọng hệ thống bánh đà có tính ảnh hưởng định đến hoạt động hệ thống Hiện nay, động nam châm điện (PM) không chổi than chiều thường chấp nhận hệ thống bánh đà Một phần có mật độ công suất cao hiệu suất cao, động có ưu điểm độc không sinh nhiệt bên rotor PM, phận thật cần thiết cho rotor làm việc môi trường chân không để giảm thiểu tối đa mát qua không khí Một động từ trở thay đổi (SRM) ứng cử viên đầy hứa hẹn để ứng dụng hệ thống bánh đà SRM có cấu trúc đơn giản hoạt động hiệu tốc độ cao Hình 4.9: Cấu tạo hệ thống bánh đà tiêu biểu 98 98 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4.10: Cấu tạo hình học bánh đà tiêu biểu Hơn nữa, SRM có công suất không đổi phạm vi tốc độ rộng, điều cho phép cung cấp nhiều lượng cho bánh đà Trong phạm vi tốc độ rộng có dòng kích từ thay đổi điều dễ dàng thực Trái lại, động điện PM không chổi than cho thấy vài khó khăn từ trường PM tạo yếu Khác với ứng dụng bánh đà siêu tốc làm thiết bị tích trữ lượng động tĩnh tại, ứng dụng EV HEV phải chịu hai vấn đề riêng Thứ là: lực hồi chuyển xảy xe lệch khỏi đường thẳng cua vòng lên dốc xuống dốc Các lực thật làm giảm tính tiện dụng xe Thứ hai, bánh đà bị phá hủy, lượng tích trữ dạng học giải phóng thời gian ngắn Công suất tương ứng giải phóng lớn gây phá hủy xe Ví dụ mảnh vỡ bánh đà kWh giải phóng 1-5 s phát công suất từ 720-4600 kW Vì vậy, cố cản trở lớn để lắp đặt EV HEV Hình 4.11: Cấu tạo bánh đà tiêu biểu Cách đơn giản để giảm lực chuyển hồi dùng nhiều bánh đà nhỏ Thông qua hoạt động chúng theo cặp (một quay theo hướng lại quay theo chiều ngược lại) ảnh hưởng lực hồi chuyển khử Thực tế, tồn vấn đề phân bố phối hợp bánh đà Đồng thời lượng riêng công suất riêng tổng hợp nhỏ dùng bánh đà Tương tự, cách đơn giản để giảm thiểu phá hủy bánh đà siêu tụ dùng cụm bánh đà nhỏ hơn, điều đồng nghĩa với giảm lượng riêng công suất riêng 99 99 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực xe Gần đây, có phương pháp đề suất thay giảm độ dày totor đến biên biên rotor làm dày Vì vậy, vùng phía vành bánh đà (một cầu chảy khí ảo) vỡ trước rotor gặp phải hư hỏng Do sử dụng cầu chảy khí nên có vành bánh đà giải phóng phân tán vào vỏ bánh đà (tùy theo hư hỏng) 4.7 VẤN ĐỀ PHANH TÁI SINH 4.7.1 Sự tiêu thụ lượng lúc phanh Một lượng đáng kể lượng sử dụng phanh Quá trình phanh xe có khối lượng 1500 kg từ vận tốc 100 km/h xuống sử dụng khoảng 0.16 kWh ( 0.5 × M ×V ) lượng khoảng cách nhỏ 10 m Nếu lượng lượng sử dụng lúc chạy trớn để thắng lực cản (lực cản lăn lực cản không khí) phanh, xe chuyển động khoảng km, trình bày (Hình 4.12) v Hình 4.12: Quãng đường vận tốc dừng máy Vận tốc cực đại, vận tốc trung bình, tổng lượng kéo, lượng dùng lực cản phanh 100 km quảng đường di chuyển chu kỳ làm việc khác đo bánh xe chủ động Khi xe hoạt động với kiểu ngừng – – chạy khu vực thành phố, lượng lớn lượng sử dụng phanh thường xuyên, điều dẫn đến kết tiêu thụ nhiên liệu cao Hình 4.12 cho biết tổng lượng kéo bánh xe chủ động, lượng tiêu thụ lực cản (lực cản lăn lực cản không khí), phanh xe du lịch khối lượng 1500 kg Năng lượng phanh khu vực thành phố tiêu biểu đạt tới 25% tổng lượng kéo Ở thành phố lớn, New York, đạt tới 70% Điều kết luận hiệu suất phanh tái sinh cải thiện đáng kể tính kinh tế nhiên liệu EVs HEVs 100 100 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực 4.7.2 Hệ thống phanh EVS HEVS Phanh tái sinh EV HEV làm tăng thêm phức tạp thiết kế hệ thống phanh Hai vấn đề đặt ra: làm để phân bố tổng lực phanh yêu cầu phanh tái sinh phanh ma sát khí để thu lại động xe nhiều có thể; hai làm để phân phối tổng lực phanh cầu trước cầu sau để đạt trạng thái phanh ổn định Thông thường, phanh tái sinh có hiệu cầu chủ động Motor kéo phải điều khiển để sinh lượng lực phanh thích hợp để thu lại động đến mức thời gian đó, phanh khí phải điều khiển để đáp ứng lực phanh yêu cầu từ tài xế Về bản, có ba kiểu điều khiển phanh khác nhau: phanh nối tiếp với cảm giác phanh tối ưu; phanh nối tiếp với lượng thu lại tối ưu phanh song song 4.7.2.1 Phanh nối tiếp Hệ thống phanh nối tiếp với cảm giác phanh tối ưu có điều khiển phanh, điều khiển lực phanh bánh trước bánh sau Mục đích điều khiển tạo quãng đường phanh nhỏ cảm giác tối ưu cho tài xế Khoảng cách phanh ngắn cảm giác phanh tốt yêu cầu lực phanh bánh trước bánh sau theo đường cong phân bố lực phanh lý tưởng I Khi điều khiển giảm tốc (được minh họa vị trí bàn đạp phanh) nhỏ 0.2 g, có phanh tái sinh bánh trước ứng dụng, điều giống với chức phanh động xe truyền thống Khi điều khiển giảm tốc lớn 0.2 g, lực phanh bánh trước bánh sau theo phân bố đường cong lực phanh lý tưởng I , trình bày Hình 4.12 nhờ đường nét đậm liên tục 101 101 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4.12: Sự minh họa lực phanh cầu trước sau phanh nối tiếp Lực phanh bánh trước (cầu chủ động) chia thành hai phần: lực phanh tái sinh lực phanh ma sát khí Khi lực phanh yêu cầu nhỏ lực phanh cực đại mà motor điện sinh ra, có phanh tái sinh điện sử dụng Khi điều khiển lực phanh lớn giá trị lực phanh tái sinh, motor điện hoạt động để sinh mômen phanh cực đại, lực phanh lại nhận nhờ hệ thống phanh khí Một điều nên ý lực phanh tái sinh cực đại sinh motor điện có quan hệ mật thiết với tốc độ motor điện Tại tốc độ thấp (nhỏ tốc độ bản), mômen cực đại số Tuy nhiên, tốc độ cao (cao tốc độ bản), mômen cực đại giảm theo đường hyperbol với tốc độ Bởi vậy, mômen phanh khí gia tốc phanh cho trước phải thay đổi theo tốc độ xe 4.7.2.2 Phanh nối tiếp – tái sinh lượng tối ưu Nguyên lý hệ thống phanh nối tiếp với tái sinh lượng tối ưu nhằm thu lại lượng phanh nhiều điều kiện đạt tổng lực phanh yêu cầu giảm tốc cho trước định Khi xe phanh với tỷ lệ gia tốc j g < µ , lực phanh bánh trước bánh sau thay đổi giới hạn đó, miễn Fbf + Fbr = M v j thỏa mãn Phạm vi thay đổi cầu trước sau đường liền nét đậm ab, với µ = 0.9 j g = 0.7 Trong trường hợp này, phanh tái sinh nên ưu tiên sử dụng Nếu giá trị 102 102 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực lực phanh tái sinh (lực phanh cực đại sinh nhờ motor điện) phạm vi này, lực phanh bánh trước nên tăng lên nhờ phanh tái sinh không cần phanh khí Lực phanh bánh sau, minh họa điểm e, nên tăng lên để đạt tổng lực phanh yêu cầu Trên đoạn đường tương tự, giá trị lực phanh tái sinh nhỏ giá trị tương ứng điểm a, motor điện điều khiển để sinh lực phanh tái sinh cực đại Lực phanh trước sau nên điều khiển điểm f nhằm tối ưu cảm giác tài xế giảm quãng đường phanh Trong trường hợp này, lực phanh thêm vào bánh trước phải tăng lên nhờ lượng phanh khí minh họa Fbf −mech , lực phanh cầu sau minh họa điểm h Hình 4.13: Biểu diễn phanh nối tiếp – tái sinh lượng tối ưu Khi tỷ lệ giảm tốc j g điều khiển nhỏ hệ số bám đường (chẳng hạn j g = 0.3 Hình 4.13), lực phanh tái sinh đạt tổng lực phanh yêu cầu, có phanh tái sinh sử dụng phanh khí bánh trước sau Khi tỷ lệ giảm tốc j g điều khiển hệ số bám đường µ điểm hoạt động lực phanh trước sau phải nằm đường cong I Trên đường có hệ số bám cao (chẳng hạn, µ = 0.7 , điểm hoạt động f lực phanh tái sinh cực đại ứng dụng lại cung cấp phanh khí Trên đường với hệ số bám thấp (chẳng hạn, µ = 0.4 , điểm hoạt động k phanh tái sinh sử dụng để tăng lực phanh bánh trước Khi tỷ lệ giảm tốc j g điều khiển lớn hệ số bám đường µ , điều khiển tỷ lệ giảm tốc không đạt hạn chế độ bám đường 103 103 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực a g ) max = µ Sự giảm tốc cực đại mà xe đạt ( Điểm hoạt động lực phanh trước sau nằm đường cong I , tương ứng với µ (chẳng hạn, µ = 0.4 j g > 0.4 điểm hoạt động điểm k hệ số giảm tốc cực đại j g = 0.4 Một điều nên ý phanh nối tiếp với cảm giác tối ưu tái sinh lượng tối ưu cần hoạt động điều khiển lực phanh điện tái sinh lực phanh khí bánh trước sau 4.7.2.3 Phanh song song Hệ thống phanh song song bao gồm phanh điện (phanh tái sinh) phanh khí, chúng sinh lực phanh song song đồng thời Nguyên lý hoạt động minh họa Hình 5.6, có phanh tái sinh sử dụng bánh trước Hệ thống phanh song song có phanh khí truyền thống, phanh có hệ số phân bố lực phanh cố định bánh trước bánh sau Phanh tái sinh làm tăng thêm lực phanh tới bánh trước, kết làm phân bố tổng lực phanh theo đường cong Lực phanh khí cầu trước cầu sau tương ứng với áp suất thủy lực xy lanh Lực phanh tái sinh tăng lên nhờ motor điện hàm áp suất thủy lực xy lanh chính, hàm giảm tốc xe Bởi giá trị lực phanh tái sinh hàm số Tốc độ motor hầu hết động thu lại tốc độ motor thấp, lực phanh tái sinh mức giảm tốc độ xe cao (ví dụ: a g = 0.9 ) thiết kế để trì trạng thái phanh cân Khi giảm tốc yêu cầu nhỏ giảm tốc này, phanh tái sinh có hiệu Khi điều khiển phanh giảm tốc nhỏ giá trị cho trước, chọn 0.15 g, có phanh tái sinh sử dụng Điều giống với phanh động xe truyền thống Hình 5.6 minh họa lực phanh tái sinh Fbf −regen F , lực phanh khí bánh trước bf − mech bánh sau Fbr − mech Cho biết tổng lực phanh, lực phanh tái sinh, lực phanh khí bánh trước lực phanh bánh sau hệ thống phanh song song xe du lịch.Hệ thống phanh song song không cần điều khiển điện tử hệ thống phanh khí Một cảm biến áp suất nhận biết áp suất thủy lực xy lanh chính, tượng trưng cho yêu cầu giảm tốc Tín hiệu áp suất điều chỉnh gởi tới điều khiển motor điện để điều khiển motor điện sinh mômen phanh theo yêu cầu So với phanh nối tiếp cảm giác phanh tối ưu tái sinh lượng tối ưu, hệ thống phanh song song có kết cấu hệ thống điều khiển đơn giản nhiều Tuy nhiên, cảm giác phanh tài xế, lượng lượng thu lại chấp nhận 104 104 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4.14 Sự minh họa kiểu phanh song song Hình 4.15 Lực phanh biến thiên với hệ số giảm tốc 105 105 Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles [2] Tài liệu lý thuyết ô tô – GS.TSKH Nguyễn Hữu Cẩn [4] Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6,Đại học Bách Khoa - Đà Nẵng – 2008 [4] TOYOTA Hybrid System, tác giả: Toyota Motor, Phòng Công Vụ, 4-8 Koraku 1-chome, Bunkyo-ku, Tokyo, 112-8701 Nhật Bản Tháng 05 năm 2004 [5]Validation of Dynamic Model of Hybrid Pneumatic Power System, tác giả: K.David Huang, Hoai Nam- Nguyen National Taipei University of Technology; Khong Vu Quang -Da-Yeh University; Năm 2002 [6] Hybrid technology the benfits of switchinh to a Hybrid vehicle, tác giả: Justin Dittmar, Jenna Santucci, Andy Dobrowski, Nazareth College of Rochester; November 19, 2004 [7] Phân tích hệ thống truyền lực điều khiển xe Hybrid Prius Toyota, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh năm 2008 [8] Tài liệu hãng Toyota, HonDa [9] Các tài liệu truy cập từ Internet 106 106