Nghiên cứu phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid bằng phần mềm AVL cruise

Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, me

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí động lực và Bộ môn động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận văn tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động

cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ô tô và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập

Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như việc sử dụng AVL-Cruise

là một phần mềm hoàn toàn mới nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót Tôi mong sẽ nhận được sự góp ý của người đọc cũng như các thầy cô trong Bộ môn Động cơ đốt trong để giúp em có thể hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC B ẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU x

I Lý do chọn đề tài x

II Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài x

i) Mục đích nghiên cứu x

ii) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xi

III Phương pháp nghiên cứu xi

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn xi

V Các nội dung chính trong đề tài xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Nhiên liệu và các vấn đề môi trường 1

1.2 Tổng quan về phát triển nguồn động lực cho phương tiện giao thông 4

1.3 Giới thiệu về xe hybrid 5

1.3.1 Nguồn gốc ra đời của xe hybrid 5

1.3.2 Định nghĩa về xe hybrid 6

1.4 So sánh đặc tính tốc độ của động cơ điện và động cơ đốt trong 6

1.5 Xu hướng phát triển xe hybrid 9

1.5.1 Giới thiệu một số mẫu xe hybrid 10

1.5.2 Ưu, nhược điểm của xe hybrid 12

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHỐI HỢP NGUỒN ĐỘNG LỰC 14

2.1 Các phương pháp phối hợp nguồn động lực hybrid 14

2.1.1 Phương pháp phối hợp nối tiếp 14

2.1.2 Phương pháp phối hợp song song 15

2.1.3 Phương pháp phối hợp song song – nối tiếp 16

2.2 Cơ sở lựa chọn phương pháp phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid 17

2.2.1 Lựa chọn xe tham khảo 17

2.2.2 Lựa chọn phương pháp phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid 18

2.2.3 Lựa chọn bộ kết hợp công suất cho hệ phối hợp hybrid kiểu song song 19

2.3 Tính toán xác định nguồn động lực cho xe hybrid 20

2.3.1 Tính toán công suất tổng 20

2.3.2 Phân chia tỷ lệ công suất 22

2.3.3 Tính toán lựa chọn động cơ đốt trong 23

2.3.4 Tính toán lựa chọn động cơ điện 23

2.3.5 Tính toán lựa chọn máy phát điện 27

2.3.6 Tính toán lựa chọn ắc quy 28

2.3.7 Tính toán lựa chọn hộp phân phối 31

2.4 Các chế độ làm việc 31

2.4.1 Xây dựng các chế độ làm việc 31

2.4.2 Đường truyền công suất ở các chế độ làm việc 34

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE HYBRID 37

3.1 Giới thiệu về phần mềm AVL – Cruise 37

3.1.1 Giới thiệu chung 37

3.1.2 Các tính năng chính 37

3.1.3 Các phần mềm hỗ trợ 38

3.1.4 Các thành phần, mô đun chính của phần mềm 38

3.2 Cơ sở lý thuyết 39

3.2.1 Xây dựng sơ đồ làm việc của ắc quy 39

3.2.2 Xây dựng sơ đồ làm việc của hệ thống truyền lực 40

3.2.3 Xây dụng sơ đồ làm việc của các chế độ vận hành 40

3.3 Xây dựng mô hình 42

3.3.1 Các bước xây dựng mô hình 42

3.3.2 Mục đích xây dựng mô hình 44

3.4 So sánh các kết quả mô phỏng khi động cơ được lắp trên xe thường và xe hybrid 45

3.4.1 Tốc độ động cơ 45

3.4.2 Tiêu hao nhiên liệu 46

3.4.3 Phát thải 46

3.4.4 Kết quả tổng thể so sánh 2 loại xe 50

KẾT LUẬN VÀ HƯ ỚNG PHÁT TRIỂN 51

KẾT LUẬN 51

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51

PHỤ LỤC 53

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Diễn giải

AVL – Cruise Phần mềm mô phỏng phối hợp nguồn động lực trên xe ô

tô của hãng AVL (Áo)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số xe tham khảo 18

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FE 23

Bảng 2.3 Đặc tính của môtơ- máy phát số 1 27

Bảng 2.4 Đặc tính của môtơ- máy phát số 2 28

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam [1] 1

Hình 1.2 Tỷ lệ phát thải các khí gây ô nhiễm theo các nguồn phát thải chính của Việt Nam năm 2011[1] 2

Hình 1.3 Lượng khí thải CO do các phương tiện cơ giới đường bộ gây ra[1] 2

Hình 1.4 Tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm do các phương tiện cơ giới đường bộ[1] 3

Hình 1.5 Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử dụng tại Hà Nội năm 2011[1] 4

Hình 1.6 Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng [2] 7

Hình 1.7 Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe [2] 7

Hình 1.8 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng [2] 8

Hình 1.9 Đặc tính của một mô-tơ điện [2] 8

Hình 1.10 Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp [2] 9

Hình 2.1 Kiểu nối tiếp 14

Hình 2.2 Kiểu song song 16

Hình 2.3 Kiểu kết hợp 17

Hình 2.4 Hình chiếu đứng ô tô hybrid 7 chỗ ngồi sử dụng động cơ nhiệt – điện 17

Hình 2.5 Sơ đồ phối hợp nguồn động lực kiểu song song 19

Hình 2.6 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai 19

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 24

Hình 2.8 Sơ đồ mạch tương ứng của động cơ điện kích từ nối tiếp 25

Hình 2.9 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện 26

Hình 2.10 Động cơ điện một chiều MES 200-175 to 200-150 27

Hình 2.11 Mạch điện sạc tự động dùng trên xe 31

Hình 2.12 Chế độ chạy tăng tốc nhẹ 32

Hình 2.13 Chế độ chạy ổn định 32

Hình 2.14 Chế độ tăng tốc và leo dốc 33

Hình 2.15 Chế độ nạp ắc quy 34

Hình 2.16 Chế độ nạp ắc quy khi xe đứng yên 34

Hình 2.17 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi chỉ truyền công suất của động cơ nhiệt[6]35 Hình 2.18 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi chỉ truyền công suất của động cơ điện[6] 35 Hình 2.19 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi chỉ truyền cả 2 nguồn[6] 36

Hình 3.1 Sơ đồ làm việc của ắc quy 39

Hình 3.2 Sơ đồ làm việc của bộ điều khiển hệ thống truyền lực 40

Hình 3.3 Sơ đồ làm việc của các chế độ vận hành 41

Hình 3.4 Các bước xây dụng mô hình 42

Hình 3.5 Mô hình xe thông thường 43

Hình 3.6 Mô hinh xe hybrid 43

Hình 3.7 Chu trình thử NEDC 44

Hình 3.9 Tiêu hao nhiên liệu 46

Hình 3.10 Phát thải NOx 47

Hình 3.11 Phát thải CO 48

Hình 3.12 Phát thải HC 49

Hình 3.13 Kết quả tổng thể so sánh 2 loại xe 50

Hình PL1 Tạo thư mục chương trình 53

Hình PL2 Đặt tên chương trình 53

Hình PL3 Chọn load để mở mô hình 53

Hình PL4 Lựa chọn xe 54

Hình PL5 Lựa chọn đặc tính của xe 54

Hình PL6 Hiển thị các thông số cơ bản của xe 55

Hình PL7 Lựa chọn động cơ 55

Hình PL8 Các thông số cơ bản của động cơ 56

Hình PL9 Đồ thị biểu diễn các thông số đặc trưng của động cơ 57

Hình PL10 Đồ thị biểu diễn các thông số đặc trưng của động cơ 57

Hình PL11 Chọn bộ truyền động 58

Hình PL12 Thông số hiệu suất và tổn hao mô- men xoắn 58

Hình PL13 Ly hợp 58

Hình PL14 Thông số của ly hợp 59

Hình PL15 Chọ bộ truyền đơn 59

Hình PL16 Chọn vi sai 60

Hình PL17 Các thông số vi sai 60

Hình PL18 Chọn Phanh 61

Hình PL19 Các thông số phanh 61

Hình PL20 Chọn bánh xe 62

Hình PL21 Đặc tính bánh xe 62

Hình PL22 Các thông số bánh xe 62

Hình PL23 Chọn khoang lái 63

Hình PL24 Đặc tính khoang lái 63

Hình PL25 Các thông số khoang lái 63

Hình PL26 Chọn động ơ điện 64

Hình PL27 Các thông số động cơ điện 64

Hình PL28 Chọn Ắc quy 65

Hình PL29 Các thông số ắc quy 65

Hình PL30 Chọn màn hình hiển thị 65

Hình PL31 Mô hình đầy đủ các mô đun 66

Hình PL32 Các liên kết bus dữ liệu 66

Hình PL33 Các tín hiệu vào và ra 67

Hình PL34 Cửa sổ giao diện cài đặt cấu hình cho project 67

Hình PL35 Đặc điểm hệ thống truyền động 68

Hình PL36 Giao diện chế độ chạy 68

Hình PL37 Các thông số điều kiện 69

Hình PL38 Giao diện các thông số người lái 69

Hình PL39 Các kiểu tính toán 70

Hình PL40 Giao diện tính toán 70

Hình PL41 Giao diện ma trận tính toán 71

Hình PL42 Giao diện tính toán khi thay đổi thành phần 71

Hình PL43 Giao diện khi tính toán hỗn hợp 72

Hình PL44 Giao diện thông tin về mô hình 72

Hình PL45 Biểu đồ kết quả 73

Hình PL46 Thông tin mô hình 73

Hình PL47 Các đồ thị kết quả sau khi chạy 74

mà thế giới đã dùng trong hơn thế kỷ qua

Cùng xu hướng phát triển của các ngành khoa học và công nghệ, trong thời gian qua ngành công nghiệp ô tô thế giới đã không ngừng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng các công nghệ mới và hiện đại để đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải ngày càng ngặt nghèo cũng như yêu cầu cao về tiêu thụ nhiên liệu đối với các dòng xe mới Hybrid đang là xu thế phát triển trên các dòng xe hiện nay Cùng với

xu hướng đó Việt Nam đã xuất hiện nhiều dòng xe hybrid của các hãng Tuy nhiên đây là công nghệ mới, hiện đại, phức tạp, đặc biệt công nghệ hybrid vẫn là bí mật của các hãng Chính vì vậy đã ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình sử dụng, sửa chữa và bảo dưỡng các dòng xe này

Để từng bước làm chủ công nghệ cũng như nâng cao hiệu quả khai thác dòng

xe hybrid, hiện nay trong nước đã có một số nghiên cứu về vấn đề này tuy nhiên chưa nhiều

ii) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Xe ô tô hybrid 7 chỗ ngồi và được sử dụng hai nguồn động lực là động cơ xăng và động cơ điện

Nghiên cứu được thực hiện trên mô phỏ

-Cruise Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

III Phương pháp nghiên cứu

Sư dụng phần mềm AVL-Cruise để mô phỏng hệ động lực xe hybrid

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đã xây dựng thành công mô hình xe hybrid và xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong thông thường trên phần mềm AVL-Cruise và thực hiện chạy mô phỏng theo chu trình thử NEDC để đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật, mức tiêu hao nhiên liệu

và phát thải

Kết quả của đề tài là cơ sở bước đầu sử dụng phần mền AVL - Cruise để mô phỏng hệ động lực hybrid góp phần từng bước làm chủ về công nghệ xe hybrid

V Các nội dung chính trong đề tài

Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần như sau:

 Mở đầu

 Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

 Chương 2: Nghiên cứu phương pháp phối hợp nguồn động lực

 Chương 3: Xây dựng mô hình xe hybrid

 Kết luận và hướng phát triển

số lượng ô tô tại Việt Nam là khoảng 990 nghìn chiếc và tập trung chủ yếu ở hai thành phố lớn là TP Hồ Chí Minh và Thủ đô Hà Nội như trên hình 1.1 Theo thống kê mới nhất của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe ô tô tính đến tháng 6 năm 2011 là 1,428 triệu xe[1]

Hình 1.1 Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam [1]

Với tốc độ tăng trung bình khoảng 10% số lượng xe ô tô như hiện nay chính là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường cũng như lượng tiêu thụ nhiên liệu Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2011, hoạt động giao thông đóng góp gần 85% lượng khí CO, 95% lượng VOCs trên toàn quốc và chiếm khoảng 70% nguồn gây ô nhiễm không khí ở các khu đô thị lớn thể hiện trên hình 1.2

0 200000

Chiếc

Năm

Hình 1.2 Tỷ lệ phát thải các khí gây ô nhiễm theo các nguồn phát thải chính của

Việt Nam năm 2011[1]

Tại các đô thị, giao thông vận tải là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất đối với không khí, đặc biệt là sự phát thải các khí CO, VOC, NO2 Lượng khí thải này tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển về số lượng và các phương tiện giao thông đường bộ như trên hình 1.3

Hình 1.3 Lượng khí thải CO do các phương tiện cơ giới đường bộ gây ra[1]

Xét trên từng phương tiện tham gia giao thông thì lượng khí thải từ xe máy là tương đối nhỏ, trung bình một xe máy xả ra lượng khí thải chỉ bằng 1/4 so với xe ô tô

Các ngành công nghiệp khác, dịch vụ, sinh hoạt Giao thông vận tải

0 100000

con Tuy nhiên do số lượng xe máy tham gia giao thông chiếm tỷ lệ lớn hơn và chất lượng nhiều loại xe đã xuống cấp nên xe máy vẫn là nguồn đóng góp chính các loại khí ô nhiễm, đặc biệt đối với các khí thải như CO và VOCs Trong khi đó, xe tải và xe khách các loại lại thải nhiều SO2 và NO2 (Hình 1.4)

Hình 1.4 Tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm do các phương tiện cơ giới đường bộ[1]

Với mật độ các loại phương tiện giao thông lớn, chất thải các loại phương tiện giao thông kém và hệ thống giao thông chưa tốt thì lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường không khí từ giao thông vận tải đang có xu hướng gia tăng Xe ô tô, xe máy ở Việt Nam bao gồm nhiều chủng loại Nhiều xe đã qua nhiều năm sử dụng nên có chất lượng kỹ thuật thấp, có mức tiêu thụ nhiên liệu và nồng độ chất độc hại trong khí xả cao, tiếng ồn lớn Ngay tại các thành phố lớn, tỷ lệ những xe đã qua sử dụng nhiều năm vẫn cao thể hiện trong hình 1.5

Vì vậy với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông, số lượng, chất lượng các phương tiện giao thông như ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung thì vấn đề tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra vẫn đang là một trong những vấn

đề được Nhà nước, các tổ chức quan tâm nhất để cải thiện môi trường cũng như năng lượng

Hình 1.5 Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử dụng tại Hà Nội năm 2011[1]

Trong những năm qua, Nhà nước phải dùng ngân sách để bù lỗ cho xăng dầu để đảm bảo ổn định giá mặt hàng thiết yếu này nhằm ổn định giá cả của các mặt hàng khác Tuy nhiên hiện nay giá dầu thô trên thế giới không ổn định, vì thế Nhà nước không còn khả năng bù lỗ, giá xăng dầu đã tăng và trong tương lai, mức độ tăng giá xăng dầu sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn do nguồn dự trữ dầu thô đã cạn kiệt Việc sử dụng nhiên liệu khí thay cho nhiên liệu lỏng truyền thống là giải pháp hữu hiệu nhằm giảm bớt sự lệ thuộc vào dầu mỏ hiện nay

Với sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại, khoa học ngày càng được cải tiến để phù hợp với nhu cầu của thời đại, ngành công nghiệp ô tô vẫn không ngừng phát triển, tìm tòi các công nghệ mới để áp dụng trên ô tô phù hợp xu thế của ngày nay

là bảo vệ môi trường và tiết kiệm nhiên liệu

Làm thế nào để sản xuất được loại xe ô tô không làm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng? Ô tô hydro, ô tô điện, ô tô pin mặt trời đều không dễ thực hiện Nhưng giờ đây ô tô hybrid - dòng ôtô dùng nguồn năng lượng tổ hợp - đã trả lời câu hỏi hóc búa trên Ô tô hybrid giảm hẳn lượng khí thải độc hại và giảm tới một nửa lượng tiêu thụ nhiên liệu

1.2 Tổng quan về phát triển nguồn động lực cho phương ti ện giao thông

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung

không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về nồng độ phát thải khí thải của

xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra xe điện Điều đó càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể

Các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trường và là một trong số những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và mọi người nói chung

Ô tô sạch không gây ô nhiễm là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô dùng động cơ lai (hybrid) Trong số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao

1.3 Giới thiệu về xe hybrid

1.3.1 Nguồn gốc ra đời của xe hybrid

Sự bùng nổ dân số, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghiệp, mức sống con người ngày càng nâng cao làm cho nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn hơn Theo đánh giá của các chuyên gia môi trường, ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70% Lưu lượng xe lớn và chất lượng nhiên liệu sử dụng chưa tốt (hàm lượng benzen khoảng 5% so với 1% ở các nước trong khu vực; hàm lượng lưu huỳnh trong diesel chiếm từ 0,5-1% so với 0,05% ở các nước trong khu vực) ngoài ra còn nhiều khí thải độc hại khác như: CO, NOx, PM,… là những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm [3] Tiêu thụ xăng dầu là một trong những nguyên nhân phát thải các chất độc hại như CO, hơi xăng dầu (Cm Hn, VOC), SO2, P-M (chất thải rắn), chì, benzen Phát thải những chất này liên quan chặt chẽ đến chất lượng xăng dầu Trong cơ cấu tiêu thụ xăng dầu của quốc gia thì giao

thông vận tải chiếm tỷ trọng lớn nhất, là nguồn phát thải lớn nhất các chất khí ô nhiễm

kể trên

Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí do các phương tiện vận tải gây ra chúng

ta phải thực hiện đồng thời nhiều giải pháp, chẳng hạn như: Siết chặt tiêu chuẩn khí phát thải đối với các loại phương tiện lưu thông (từ ngày 01 tháng 07 năm 2007, toàn

bộ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ sẽ phải tuân thủ theo tiêu chuẩn EUROII về khí thải), nâng cao phẩm cấp của nhiên liệu truyền thống bằng cách sử dụng công nghệ hiện đại xử lý sâu trong các nhà máy lọc dầu kết hợp với việc sử dụng động cơ thế hệ mới hoặc sử dụng các loại nhiên liệu “sạch” Trong đó việc sử dụng xe lai (hybrid) kết hợp giữa điện và động cơ đốt trong nổi lên như là một sự lựa chọn tối

ưu trong thời kỳ mà xe điện vẫn chưa có điều kiện thuận lợi để phát triển

1.3.2 Định nghĩa về xe hybrid

Hybrid nghĩa là lai, xe hybrid (Hybrid Electric Vehicle-HEVs) là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, là một phương tiện giao thông mà được sử dụng bằng hai nguồn năng lượng trở lên Ví dụ như sự kết hợp giữa: Hệ thống “Chứa năng lượng nạp lại được” (Rechargeabe Energy Storage Systemhay RESS, hoặc cụ thể hơn là Pin nạp lại được) và nguồn nhiên liệu hóa thạch

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

Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ này (Hybrid Vehicle) thường dùng để nói đến

“Phương tiện giao thông ghép” kết hợp năng lượng từ điện và xăng (Petroleum Hybrid Electric Vehicle) hay viết tắt trong tiếng anh là PHEV, và cũng có thể được viết tắt là HEV (Hybrid Electric Vehicle) Theo ngôn ngữ phổ thông tiếng Việt thường dùng ta

có thể gọi là “Xe điện xăng”, hay tiếng Anh là hybrid Car

1.4 So sánh đặc tính tốc độ của động cơ điện và động cơ đốt trong

Trên hình 1.6 có thể thấy rằng đặc tính của ĐCĐT khác biệt khá xa so với đặc tính lý tưởng do vậy cần phải dùng hộp số đa cấp hay hộp số tự động để có đặc tính tốt

hơn như thể hiện trên hình 1.7 Điều này làm tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số

Hình 1.6 Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng [2]

Hình 1.7 Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe [2]

Trên hình 1.8 ta có thể thấy động cơ đốt trong làm việc tối ưu trong một vùng tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600v/ph tới 3400v/ph với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 255 (g/kWh)

Hình 1.8 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng [2]

Còn với mô-tơ điện, đặc tính được thể hiện trên hình 1.9 Có thể thấy rằng mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng Thông thường mô-tơ điện khởi động từ tốc độ bằng 0 Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theo trong khi dòng không đổi Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp không đổi còn dòng thì yếu đi Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi mô-men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ

Do đó một hệ dẫn động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo yêu cầu của xe

Hình 1.9 Đặc tính của một mô-tơ điện [2]

Trên hình 1.10 cho thấy sự so sánh cụ thể của một mô-tơ điện và một động cơ đốt trong Để có đặc tính sát với lý tưởng thì động cơ đốt trong cần hộp số 4 cấp còn mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp Ngoài vai trò giúp cho động cơ đốt trong có thể hoạt động ở vùng tối ưu mô-tơ điện trong xe hybrid có một vai trò quan trọng thứ hai là nó

có thể thu hồi lại năng lượng (động năng) cho xe để nạp lại vào ắc quy trong quá trình

xe giảm tốc hay phanh, chức năng “phanh tái sinh”

Hình 1.10 Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn

động 1 cấp [2]

1.5 Xu hướng phát triển xe hybrid

Xe hybrid đã được nghiên cứu từ rất sớm Chiếc xe hybrid được trưng bày đầu tiên tại một salon ở Paris vào năm 1899 Nó được chế tạo bởi H.Pieper Các xe hybrid đầu tiên được thiết kế chỉ nhằm mục đích hỗ trợ về công suất, tốc độ của những động

cơ đốt trong còn yếu lúc bấy giờ Chúng được chế tạo với những công nghệ điện cơ bản, đã có những sáng tạo lớn trong những thiết kế đó, nhưng những chiếc xe hybrid đầu tiên này đã không thể cạnh tranh với những động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống được cải tiến một cách mạnh mẽ

Khái niệm xe hybrid được quan tâm nhất trong suốt những năm 1990 khi nó trở nên sạch và hiệu quả hơn so với các phương tiện dùng động cơ đốt trong thông thường Việc nghiên cứu và phát triển xe hybrid như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào

kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là xe sinh thái

Nỗ lực đáng kể nhất trong phát triển và thương mại hóa xe hybrid được thực hiện bởi các hãng sản xuất xe của Nhật Bản Năm 1997, hãng Toyota đã giới thiệu mẫu sedan Prius ở Nhật Hãng Honda cũng đã giới thiệu mẫu hybrid của mình là Insight và Civic Những chiếc xe này bây giờ đã có mặt khắp nơi trên thế giới Chúng đã đạt được mức tiêu hao nhiên liệu tuyệt vời Toyota Prius và Honda Insight được xem là những chiếc xe hybrid có giá trị lịch sử, vì chúng là những chiếc hybrid đầu tiên được thương mại hóa rộng rãi trên thế giới trong kỷ nguyên hiện đại và đã trả lời được câu hỏi về vấn đề tiết kiệm tiêu hao nhiên liệu cho các phương tiện cá nhân

Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, xe hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất xe trên thế giới Ngày càng

có nhiều mẫu xe hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại xe này Dự báo cuối năm 2016 các phương tiện vận tải xe hybrid sẽ có thị phần tăng mạnh ở Mỹ do giá xăng dầu ngày càng leo thang, các nhà nghiên cứu dự đoán các xe hơi sử dụng động cơ thân thiện với môi trường này sẽ chiếm phần lớn các thị trường và liên tục tăng qua các năm Điều đó đã khẳng định xu thế phát triển mạnh

mẽ của xe hybrid trong mục tiêu tiến tới xe sinh thái của nhân loại

1.5.1 Giới thiệu một số mẫu xe hybrid

Có rất nhiều mẫu xe của các hãng sản xuất trên thế giới sử dụng công nghệ lai Hybrid như: Toyota Prius, Camry Hybrid, Honda Civic hybrid, Honda Insigh, Huyndai Sotana Hybrid, Nissan Altima Hybrid, Ford Escape Hybrid, Saturn Vue Green Line… Dưới đây giới thiệu một số mẫu xe hybrid tiết kiệm nhiên liệu và ăn khách nhất thế giới

- Toyota Prius

Toyota tuyên bố doanh số mẫu Prius trên thị trường toàn cầu đã vượt mốc 2 triệu chiếc Đây là một trong những dòng xe bán chạy nhất của Toyota tại 70 quốc gia trên thế giới, đặc biệt là ở Nhật Bản và Bắc Mỹ Tính đến thời điểm cuối tháng 9/2010, tổng số xe Prius tiêu thụ được đã đạt mức 2.012.000 chiếc [7] Toyota bắt đầu phân phối Prius tại Nhật Bản vào năm 1997, tiếp đến là châu Âu, Bắc Mỹ và hơn 200 quốc gia khác Thế hệ Prius thứ 2 trình làng vào năm 2003, đến năm 2009, Toyota giới thiệu Prius thế hệ thứ 3

Ngoài ra theo Cơ quan bảo vệ môi trường và Bộ Năng lượng Mỹ, công bố bảng xếp hạng tiêu thụ nhiên liệu (Fuel Economy Guide) của các xe phiên bản 2011 Theo

đó, tại Mỹ, Toyota Prius 2011 vẫn đứng đầu bảng về độ tiết kiệm nhiên liệu, với mức tiêu thụ 4,6 lít/100km đường thành phố và 4,9 lít/100km đường cao tốc Cơ quan bảo

vệ môi trường Mỹ (EPA) là được coi là đơn vị đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu của ô

tô đáng tin cậy nhất, có giá trị tham khảo rất cao đối với người mua xe không chỉ tại

Mỹ mà còn ở nhiều nước khác

- Honda Civic Hybrid

Honda Civic Hybrid là một mẫu xe hybrid có hình dáng đẹp và tiết kiệm nhiên liệu và bán chạy chỉ đứng sau Toyota Prius Civic Hybrid và Toyota Prius cùng kết hợp giữa hai động cơ xăng và động cơ điện Tuy nhiên, nếu Prius có thể ngừng động

cơ xăng và chỉ vận hành bằng động cơ điện thì Civic Hybrid lại không làm được điều này Nếu không có phương pháp xử lý, rõ ràng công nghệ hybrid trên Civic trở thành

vô nghĩa Bởi nếu cả động cơ xăng và điện luôn luôn phải làm việc cùng nhau thì xe vẫn "ăn" xăng như thường Honda đã nhờ cậy công nghệ điều khiển van biến thiên i-VTEC và đây thực sự là giải pháp không thể tốt hơn Khi cần thiết, i-VTEC đóng toàn

bộ các van, ngăn không cho nhiên liệu vào xi-lanh Do đó, động cơ xăng của Civic vẫn chạy, trục khuỷu và piston vận hành lên-xuống bình thường nhưng không hề tốn một giọt nhiên liệu nào[9]

Quá trình đóng van được Honda chương trình hóa, dựa trên các thông số về tốc

độ và tải trọng Chẳng hạn ở tốc độ 30-40 km/h trên mặt đường phẳng, động cơ xăng

bị "vô hiệu hóa" và một mô-tơ điện sẽ đóng vai trò cung cấp động năng cho xe Khi giảm tốc, i-VTEC cũng có những tác động tương tự

Dưới đây là quá trình vận hành của hệ thống hybrid ở các chế độ:

Khi xe trong chế độ nghỉ: Động cơ tắt và mức tiêu hao nhiên liệu là không Khởi động và tăng tốc: Động cơ hoạt động ở chế độ đóng mở van vòng tua thấp, có mô tơ trợ giúp

Khi xe tăng tốc nhanh: Động cơ hoạt động, van điều chỉnh tốc độ cao, có mô

tơ trợ giúp

Khi xe vận hành với tốc độ thấp: Van của cả 4 xi lanh trong động cơ sẽ được đóng lại, quá trình đốt cháy tạm dừng Lúc này mô tơ điện đảm nhiêm vai trò vận hành chính

Khi xe tăng tốc nhẹ nhàng và chạy với tốc độ cao: Xe được vận hành nhờ động cơ hoạt động trong điều kiện van điều chỉnh ở tốc độ thấp

Giảm tốc : Van của 4 xi lanh trong động cơ bị đóng kín, quá trình cháy tạm ngưng Mô tơ thu hồi tối đa năng lượng giải phóng nhờ quá trình giảm tốc để nạp điện cho ắc quy

1.5.2 Ưu, nhược điểm của xe hybrid

1.5.2.1 Ưu điểm của xe hybrid

Tổ hợp động cơ hybrid có những ưu điểm sau:

- 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

kế này giúp ô tô hybrid đạt được gia tốc mạnh và vận tốc cao tương tự như các loại ô

tô truyền thống khác

- Thu hồi năng lượng: ngoài tiết kiệm năng lượng trong quá trình chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, ô tô hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi lượng năng lượng bị hao phí qua quá trình vận hành Đối với ô

tô thông thường khi được hãm lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa thắng

- 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 Động cơ điện thường tiết kiệm hơn 100% so với động cơ xăng truyền thống

1.5.2.2 Nhược điểm của xe hybrid

Khuyết điểm chính của công nghệ hybrid là hệ thống nạp pin ắc quy (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 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

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHỐI HỢP

NGUỒN ĐỘNG LỰC

2.1 Các phương pháp phối hợp nguồn động lực hybrid

2.1.1 Phương pháp phối hợp nối tiếp

Khi động cơ (engine) hoạt động, nó truyền năng lượng cho một máy phát điện Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc bình ắc quy và một sẽ chạy một mô-tơ điện (motor), bộ phận sẽ truyền năng lượng tới các trục xe Đó được gọi 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) Một hệ thống hybrid nối tiếp gồm

có hai mô-tơ, một chính là mô-tơ điện và một là máy phát điện có cấu trúc tương tự Trong sơ đồ nối tiếp, động cơ đốt trong (động cơ xăng, động cơ diesel hoặc pin nhiên liệu) kéo máy phát cung cấp điện cho ắc quy và động cơ điện, ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn động lực và bánh xe Năng lượng được chuyển đổi từ hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng làm quay rô-to của máy phát tạo ra điện năng

và từ điện năng lại chuyển sang cơ năng làm quay bánh xe [2]

Hình 2.1 Kiểu nối tiếp

Động cơ đốt trong

ắc quy Động cơ điện

Ưu điểm của sơ đồ này là: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế

độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường, động cơ đốt trong có thể chọn ở chế

độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ô tô Đối với loại này có thể không cần hộp

số

Tuy nhiên, hệ thống ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như: Kích thước

và dung tích ắc quy lớn hơn so với hệ thống ghép song song; động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ tải nặng để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị quá tải

2.1.2 Phương pháp phối hợp song song

Trong hệ thống song song, cả động cơ và mô-tơ điện cùng truyền lực tới các trục bánh xe, mức độ tùy theo các điều kiện 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 mô-tơ điện, do vậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe, vừa nạp điện vào bình ắc quy Khi nào mô-tơ làm nhiệm vụ của một máy phát điện, dòng điện từ ắc quy sẽ thay thế vai trò của mô-tơ điện

Đối với loại hệ thống này, cả hai nguồn động lực (điện và xăng) đều được kết nối trực tiếp vào bánh xe và có thể truyền động lực một cách độc lập hoặc đồng thời Nói một cách đơn giản là bánh xe có thể được dẫn động một cách riêng biệt bằng động cơ điện hoặc động cơ xăng, hoặc cả hai Động cơ điện có hai chức năng chính Chức năng thứ nhất là chuyển hóa điện năng được cung cấp từ ắc quy thành cơ năng Chức năng thứ hai là chuyển hóa ngược lại từ cơ năng thành điện năng để nạp lại cho ắc quy Hầu hết các hãng sản xuất ô tô hybrid hiện nay đều thiết kế theo cách này vì có thể tận dụng cả hai nguồn năng lượng một cách hiệu quả nhất

Trong sơ đồ này, ngoài sự liên hệ cơ khí trực tiếp giữa động cơ đốt trong và bánh

xe như ô tô thông thường còn có thêm động cơ điện truyền động đến bánh xe Khi ô tô chạy trên xa lộ, nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốt trong, động cơ điện sẽ dùng khi gia tốc ô tô còn khi chạy trong thành phố nguồn dẫn động chủ yếu là động cơ điện

Sơ đồ này có ưu điểm là: 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, lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình

thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian Động cơ điện được sử dụng

ở đây là loại đặc biệt có tính năng lưỡng dụng, 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[2]

2.1.3 Phương pháp phối hợp song song – nối tiếp

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa năng lượng có ích được sinh ra Nó có hai mô-tơ và tùy từng điều kiện khác nhau mà

xe lắp hệ thống kết hợp sẽ sử dụng đồng thời cả mô-tơ điện và động cơ 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

Hệ thống này tận dụng được ưu điểm của 2 hệ thống kể trên, nhưng có nhiều bộ phận hơn và chế tạo lắp đặt khó khăn hơn [2]

Hình 2.2 Kiểu song song

Động cơ đốt trong

ắc quy Động cơ điện

Hình 2.3 Kiểu kết hợp

2.2 Cơ sở lựa chọn phương pháp phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid

2.2.1 Lựa chọn xe tham khảo

Hình 2.4 Hình chiếu đứng ô tô hybrid 7 chỗ ngồi sử dụng động cơ nhiệt – điện

Xe tham khảo được lựa chọn là xe Toyota Prius+ 2015, 7 chỗ sử dụng phối hợp

466 466

285 285

Động cơ đốt trong

ắc quy Động cơ điện

nguồn động lực theo kiểu song song với các thong số cho ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số xe tham khảo

2.2.2 Lựa chọn phương pháp phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid

Với điều kiện giao thông ở Việt Nam, xe chạy ít trên xa lộ, tốc độ tối đa không quá 120 km/h, khoảng cách gia tốc khoảng 200m, khả năng leo dốc trong phạm vi 150điều kiện mặt đường chất lượng thấp, trong thành phố động cơ luôn phải thay đổi chế

độ làm việc Do đó, bộ truyền động được lựa chọn bố trí kiểu song song nhằm đảm bảo các yêu cầu trên hình 2.5 Trên xa lộ, nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốt trong, động cơ điện sẽ dùng khi gia tốc Khi chạy trong thành phố nguồn dẫn động chủ yếu là động cơ điện Việc lựa chọn này có ưu thế cho phép công suất của xe lớn nhất

do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, động cơ điện được sử dụng kiểu lưỡng dụng, 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

Hình 2.5 Sơ đồ phối hợp nguồn động lực kiểu song song

2.2.3 Lựa chọn bộ kết hợp công suất cho hệ phối hợp hybrid kiểu song song

Hình 2.6 Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai

1 1

L L

1 1

3 3

Z

Z 11

2 2

8

L1 : Ly hợp động cơ nhiệt

L2 : Ly hợp động cơ điện

Z1 : Số răng bánh răng trung tâm

Z2 : Số răng bánh răng bao

+ Zv : Số răng bánh răng hành tinh

Sơ đồ bố trí tổng thể hai nguồn động cơ nhiệt và động cơ điện cùng với bộ truyền kết hợp công suất có thể chỉ ra trên hình 2.6, động cơ nhiệt thông qua ly hợp

L1 (ở trạng thái đóng) để truyền công suất đến bộ truyền kết hợp (3) Còn động cơ điện thông qua ly hợp L2 (ở trạng thái đóng), qua bộ giảm tốc (Z1/Z2) rồi mới truyền công suất đến bộ truyền kết hợp (3) Như vậy, động cơ điện có tốc độ cao hơn động cơ nhiệt mặc dầu công suất có thể bằng hoặc khác nhau

Bộ truyền kết hợp công suất (3) có thể có nhiều dạng khác nhau Tuy nhiên thì chọn kiểu vi sai cho hệ phối hợp hybrid kiểu song song (biến đổi tốc độ) là phù hợp

2.3 Tính toán xác định nguồn động lực cho xe hybrid

2.3.1 Tính toán công suất tổng

Xác định công suất của động cơ ứng với vận tốc cực đại của ô tô khi ô tô di chuyển trên mặt đường thì công suất ứng với vận tốc cực đại được tính theo biểu thức:

3 max max

1

t edc

-21-

Hiệu suất của hệ thống truyền lực, t= 0.9

Trọng lượng toàn bộ của ô tô, G a

Trọng lượng toàn bộ của ô tô được xác định theo biểu thức sau:

Trong đó :

G 0 = 1500[kg ] trọng lượng bản thân ô tô

Gt = (m1 + m2).n : Tải trọng chuyên chở

m1 = 60 [kg] : Trọng lượng của một người

m2 = 10 [kg] : Trọng lượng hành lý của một người

n = 7 : Lượng người theo thiết kế

Gt = (m1 + m2).n = ( 60 + 10)×7 Gt =490 [kg]

Thế vào biểu thức (2.2) suy ra trọng lượng toàn bộ của ô tô :

Ga = (Gt + G0) = 1990 [kg]

Vận tốc: Xe thiết kế chạy trong thành phố với tốc độ không quá 50km/h Còn khi chạy

ở ngoại thành thì tốc độ tối đa là 120km/h (theo quy định của Bộ giao thông vận tải trong Thông tư số 13/2009/TT-BGTVT) Khi tính chọn công suất tổng ta tính ở chế độ chạy với vận tốc tối đa là 150km/h = 41,67 [m/s]

B0 = 1770 mm – chiều rộng cơ sở của ô tô thiết kế, [m]

H = 1745 mm – chiều cao toàn bộ của ô tô thiết kế, [m]

67 41 1 015 , 0 1500 1

2 2

0

v f

1

t edc

1990 9,81 0,0324 41,67 0,7413 41,67 max 0,9

2.3.2 Phân chia tỷ lệ công suất

Chọn công suất điện bằng 1/4 công suất tổng

- N1 : công suất điện

- N2 : công suất động cơ nhiệt

Có : N1= 1/4 = 25- 28,4[kW], N2= 3/4N_emax =75- 85,3 [kW]

-23-

2.3.3 Tính toán lựa chọn động cơ đốt trong

Công suất cần thiết của động cơ nhiệt phải đủ lớn để đảm bảo xe có thể chạy ngoài thành phố với tốc độ cực đại Nemax= ( 75- 85.3) Lựa chọn động cơ 1NZ-FE của TOYOTA được sử dụng rất phổ biến hiện nay Với thông số kỹ thuật như trong (Bảng 2.2) :

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FE

0

BBDC

2.3.4 Tính toán lựa chọn động cơ điện

Hiện nay, động cơ điện trang bị trên ô tô có rất nhiều loại khác nhau như: động

cơ một chiều có chổi than, động cơ xoay chiều không đồng bộ, động cơ xoay chiều đồng bộ, động cơ xoay chiều từ trở và động cơ một chiều không chổi than Xét về đặc tính cơ của động cơ điện thì động cơ điện một chiều sẽ cung cấp một momen kéo tốt hơn động cơ điện xoay chiều Tuy nhiên loại động cơ điện một chiều có chổi than thì tuổi thọ không cao, trong quá trình vận hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than Còn động cơ điện một chiều không chổi than thì có rất nhiều ưu điểm tuy giá thành hơi cao Động cơ xoay chiều có nhược điểm là hệ thống điều khiển phức tạp,

-24-

cần có bộ biến tần để biến đổi điện một chiều (DC) từ ắc quy thành dòng điện xoay chiều (AC) để cung cấp cho động cơ Ta chọn loại động cơ điện một chiều không

có chổi than làm nguồn động lực cho xe thiết kế

Theo cách kích thích từ thì động cơ điện một chiều có rất nhiều loại Theo cách phân loại này thì có các loại động cơ điện như hình 2.7:

(a) (b) (c) (d)

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

(a): Kích thích độc lập (b) : Kích thích song song.(c) : Kích thích nối tiếp

(d): Kích thích hỗn hợp

+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: bao gồm động cơ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay kích thích điện từ Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cữu chỉ dùng cho các loại động cơ có công suất nhỏ (cỡ vài chục W) Loại kích thích điện từ có dây quấn lấy điện từ ắc quy lưới điện một chiều và được dùng trong trường hợp điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, công suất lớn và điện áp thấp hoặc điện áp cao

+ Động cơ điện một chiều tự kích thích: tuỳ theo cách nối các dây quấn kích thích ta có: động cơ điện một chiều kích thích song song, động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp và động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp

Đối với động cơ điện một chiều kích thích độc lập mặc dù nó có ưu điểm là khả năng điều chỉnh dòng kích thích thuận lợi và kinh tế Tuy nhiên, ta phải sử dụng thêm một nguồn kích thích phụ bên ngoài, điều này sẽ gây khó khăn trong việc bố trí và sắp xếp các chi tiết nên ta không chọn loại động cơ điện loại này

R dc I t

-25-

Trong các loại động cơ điện tự kích thích do phạm vi hoạt động của xe thiết kế chủ yếu chạy ở thành phố nên kiểu động cơ điện kích thích nối tiếp phù hợp nhất vì

có tốc độ quay không tải lý tưởng lớn nên có thể tái sinh năng lượng khi động cơ

ở trạng thái hãm Không những thế động cơ điện kích từ nối tiếp còn có khả năng quá tải lớn về mômen, khi có cùng một hệ số quá tải dòng điện như nhau thì mômen của động cơ điện kích từ nối tiếp lớn hơn, mặt khác dòng điện cho phép của động

cơ điện loại này có thể lớn đến 2,5 Iđm Do vậy ta chọn loại động cơ điện này để lắp cho xe đang thiết kế

Động cơ điện kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Vì dòng kích từ bằng dòng điện phần ứng (Ikt = Iư = I) nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, ít vòng dây và điện trở nhỏ Mạch điện tương đương trên hình với Rtn điện trở của dây quấn kích từ nối tiếp

Hình 2.8 Sơ đồ mạch tương ứng của động cơ điện kích từ nối tiếp

Tuỳ theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc Trong các loại đặc tính thì quan trọng nhất là đặc tính cơ: Là đặc tính biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và momen

n = f(M) khi U = const

Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng của đường hyperbol bậc hai Ta thấy rằng ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ (n) giảm rất nhanh khi momen (M) tăng và khi mất tải (I = 0, M = 0) có trị số rất lớn Cũng vì vậy mà thường ít dùng động cơ điện một chiều trong các trường hợp

dễ xảy ra mất tải như dùng đai truyền Vì khi xảy ra mất tải thì tốc độ của động cơ

R tn

U

E-R

-

I-M T¶i n I

-26-

sẽ tăng đột ngột rất nguy hiểm Với đặc tính cơ mềm mại như vậy, động cơ điện một chiều rất có ưu việt trong những điều kiện cần mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một phạm vi rộng Ví dụ ở các đầu máy kéo tải (xe điện, đầu máy điện, cần trục )

Hình 2.9 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện

n0 - Số vòng quay không tải lý tưởng

nđm - Số vòng quay định mức(hay số vòng quay cơ bản )

M0- Mômen của động cơ ở tốc độ không tải lý tưởng

Mđm - Mômen định mức.nđm<< n0

Phân tích lựa chọn hiệu điện thế cho động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Với cùng một công suất, nếu tăng hiệu điện thế của động cơ điện thì dòng điện chạy trong mạch và khối lượng của động cơ điện sẽ giảm Tuy nhiên số lượng bình

ắc quy sẽ tăng theo nhằm đảm bảo hiệu điện thế cần thiết đồng thời đòi hỏi tốt hơn vấn đề an toàn điện Theo thống kê thực tế, khối lượng bình ắc quy tỷ lệ thuận với dung lượng của nó Do đó, khối lượng tổng cộng của bộ nguồn ắc quy không phụ thuộc vào điện áp của hệ thống mà chỉ phụ thuộc vào công suất cần cung cấp

Từ những ràng buộc trên, đồng thời dựa vào thống kê mức điện áp của các loại động cơ điện có trên thị trường chọn loại động cơ điện một chiều trên website:

-27-

Số vòng quay cực đại: 9000 vòng/phút

Hiệu điện thế: 185V

Khối lượng: 61 kg

Hình 2.10 Động cơ điện một chiều MES 200-175 to 200-150

2.3.5 Tính toán lựa chọn máy phát điện

2.3.5.1 MG1 (môtơ-máy phát số1)

Được dẫn động bởi động cơ Có nhiệm vụ tạo ra dòng điện cao thế cung cấp cho MG2 hay nạp cho ắc quy Ngoài ra nó còn có chức năng như là một máy khởi động để khởi động động cơ

Song hành với việc nâng cao rôto loại không dùng chổi than của MG1, vùng tốc độ quay của nó để đạt được công suất ra lớn nhất có thể đã tăng từ 6,500 đến 10,000 vòng/phút, vì vậy khả năng nạp của nó đã được cải thiện

Bảng 2.3 Đặc tính của môtơ-máy phát số 1

2.3.6 Tính toán lựa chọn ắc quy

Chọn loại pin nhiên liệu dùng trên xe hybrid là pin NiMH (pin niken hiđrua kim loại) vì nó là loại pin rất bền, có thể tái sử dụng được 500-1000 lần nếu dùng đúng kỹ thuật Pin Ni-MH, là một kiểu pin sạc tương tự như pin niken cadmi (NiCd) nhưng sử dụng hỗn hợp hấp thu hiđrua cho anốt thay cho cadmi, vốn là một chất độc hại, vì thế, nó không gây ô nhiễm nhiều cho môi trường Pin NiMH có khả năng chứa năng lượng nhiều hơn rất nhiều so với pin NiCd, tuy nhiên các dòng pin

có năng lượng càng cao thì vòng đời càng giảm (cụ thể là pin >2500mAh thì chỉ sạc-xả ~500 lần, theo nguồn wiki)

Vì dung lượng pin được sản xuất theo tiêu chuẩn và với hiệu điện thế của động

cơ điện là 185V, ta chọn loại pin NWH11 ở dạng cell có thông số kĩ thuật của mỗi ô như sau:

-29-

Hiệu điện thế mỗi cell: 1,2 V, 6 cell được nối tiếp trong 1 gói có hiệu điện thế là 7,2 V

Hiệu điện thế của động cơ điện là U = 185 [V]

Vậy số gói cần thiết sẽ là: x =

2,7

185 = 25,7 các gói này phải mắc nối tiếp

Chọn số gói là : x = 32 gói

Số cell cần thiết trên pin là : Số cell = 32 × 6 = 196 [cell]

Hiệu điện thế mỗi gói là : 32 × 7,2 = 230,4 [V]

Dung lượng 1 cell là 6,5 [A.h]

Dung lượng của pin là : E = 196 × 6,5 = 1247 [A.h]

Dung lượng ắc quy được xác định như sau:

- P : Công suất của động cơ điện [N]

Chọn sơ bộ xe chạy được 150 (km) là hết bình ứng với công suất lớn nhất và

xe chạy với vận tốc lớn nhất mà vận tốc lớn nhất của xe là 50 (km/h) nên ta có thể xem số giờ xe chạy hết bình là 3h (một giờ)

Công suất động cơ khi làm việc ở chế độ lớn nhất:

E

=

6 486

1247

= 2.563[h]

Mặt khác, ta có :

Do có các tổn hao trong quá trình nạp nên điện dung nạp thường phải lớn hơn

so với điện dung phóng (10 % - 15 %) Tức là:

Q1 và Q1 dẫn điện và bão hoà, điện áp ngang qua chúng rất thấp và mức điện áp của

C không còn đủ kích SCR hoạt động nên SCR ngưng dẫn và cắt nguồn điện nạp vào bình ăc quy Lúc bấy giờ đèn báo L cháy sáng hơn vì điện áp ngang qua Q1 và Q2rất nhỏ Tuy nhiên lúc đó dòng điện ngang qua đèn báo L nạp vào bình ăc quy Phương pháp nạp này phù hợp cho cả hai trường hợp là nạp điện ngay trên xe

từ máy phát và nạp điện từ điện lưới Vì đây là phương pháp nạp điện tự động nên trong quá trình nạp người sử dụng không cần phải canh giờ để xem bình đã nạp đầy hay chưa Nó rất phù hợp với xe cần nạp điện liên tục thiết kế