Nghiên cứu thuật toán điều khiển xe máy hybrid

Để xe máy hybrid hoạt động hiệu quả, đạt được những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện môi trường, khắc phục được các nhược điểm về ắc quy, cung đường sử dụng, … ngoà

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những nội dung trình bày trong luận văn này do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của TS Đàm Hoàng Phúc và các giảng viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng với sự giúp đỡ của các bạn bè, đồng nghiệp Nội dung của luận văn hoàn toàn phù hợp với

Đề tài đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

Hà nội ngày… tháng……năm Tác giả luận văn

Đặng Quang Cảnh

MỤC LỤC

Lời cam đoan ……… 1

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 4

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG 11

1.1 Nhu cầu sử dụng dòng xe tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường………11

1.2 Định nghĩa xe Hybrid……… 13

1.3 Phân loại xe hybrid……….……… 13

1.4 Đặc điểm xe HEVs……… 14

1.5 Các bộ phận chính trên xe hybrid……… ……… 15

1.6 Các phương án truyền động của xe Hybrid……… ………18

1.6.1 Kiểu hybrid nối tiếp : 18

1.6.2 Kiểu hybrid song song: 20

1.6.3 Kiểu hybrid nối tiếp – song song: 21

1.6.4 Kiểu hybrid h n hợp: 22

1.6.5 So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất 23

1.7 Ưu điểm của xe Hybrid……… ……… 23

1.8 Xu hướng phát triển xe hybrid ở Việt Nam 25

1.8.1 Một số kiểu xe máy Hybrid đã được thiết kế chế tạo trên thế giới 25

1.8.1.1 Honda Hybrid Scooter 26

1.8.1.2 eCycle Hybrid 26

1.8.1.3 FA - 801 (Hybrid 80cc - 500W) 27

1.8.1.4 Piaggio MP3 Hybrid 30

1.8.2 Các chế độ làm việc của hệ thống Hybrid : 30

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE 33

2.2 Các chế độ làm việc của xe máy hybrid……… 39

2.2.1 Chế độ một mình động cơ đốt trong đẩy xe 39

2.2.2 Chế độ mô tơ điện một mình kéo xe 39

2.2.3 Chế độ hybrid 39

2.2.4 Chế độ chỉ sử dụng phanh tái sinh 40

2.2.5 Chế độ phanh hybrid 40

2.2.6 Chế độ sạc pin 40

2.3 Đặc tính động lực học……… 40

2.3.1 Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo ở chế độ chỉ động cơ đốt trong kéo xe………40

2.3.2 Xây dựng đường đặc tính cân bằng lực kéo chỉ động cơ điện kéo xe 43

2.3.3 Kết hợp cả động cơ đốt trong và động cơ điện 44

2.3.4 Đồ thị nhân tố động lực học và đồ thị đặc tính tăng tốc 45

2.3.4.2 Đồ thị gia tốc của xe 45

2.3.4.2 Đồ thị thời gian và quãng đường tăng tốc của xe 47

CHƯƠNG III: CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 50

3.1 Cấu hình và mục tiêu thiết kế của xe……… 50

3.2 Cách trạng thái hoạt động……… 51

3.2.1 Chế độ một mình mô tơ kéo xe 51

3.2.2 Chế độ hybrid 53

3.2.3 Chế độ sạc pin 53

3.2.4 Chế độ một mình động cơ đốt trong đẩy xe 54

3.2.5 Chế độ chỉ sử dụng phanh tái sinh 55

3.2.6 Chế độ phanh hybrid 55

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

động cơ điện

mô tơ thủy lực

9 ω 1 rpm Vận tốc góc cổng 1 của bộ kết nối mô men

10 ω 2 rpm Vận tốc góc cổng 2 bộ kết nối mô men

11 ω 3 rpm Vận tốc góc cổng 3 bộ kết nối mô men

12 T 1, T 2, T 3 Nm Mô men cổng 1, cổng 2, cổng 3 của bộ kết

nối mô men

21 n motor Vòng/phút Số vòng quay của trục mô tơ

22 n e Vòng/phút Số vòng quay của trục khuỷu động cơ

31 P mb kW Công suất phanh của mô tơ điện

32 P mc kW Công suất sạc lại cho pin

33 V eb m/s Vận tốc ứng với số vòng quay nhỏ nhất

49 t s Thời gian

50 P PPS-d kW Năng lƣợng ắc quy phát ra

52 P PPS-C kW Năng lƣợng pin sạc

53 Hiệu suất truyền động từ động cơ đốt trong

tới mô tơ

54 P mbmax kW Công suất phanh lớn nhất của mô tơ điện

Danh mục các bảng

Bảng 1.2 Các thành phần khí thải trong đông cơ diesel 12 Bảng 1.3 So sánh ưu nhược điểm của ba kiểu phối hợp công suất 23 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ điện MY1020 37 Bảng 2.2 Mối quan hệ tương ứng giữa vận tốc, tỉ số truyền Mối quan

hệ tương ứng giữa vận tốc, tỉ số truyền

43

Bảng 2.5 Các thông số cả v, s của chế độ hybrid 49

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm ở Việt Nam 12

Hình 1.3 Động cơ đốt trong, hộp số của ô tô hybrid (Toyota Prius) 16 Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân phối công suất 17

Hình 1.6 Bộ chuyển đổi điện áp và nguyên lý hoạt động 18 Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống truyền lực Hybrid mắc nối tiếp 19 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống truyền lực Hybrid mắc song song 20 Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống truyền lực Hybrid mắc nối tiếp – song song 21 Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống truyền lực Hybrid mắc nối kiểu phức tạp 22

Hình 1.11 Đặc tính mô men của động cơ điện 24

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực của xe Hybrid 33

Hình 2.3 Đồ thị đặc tính ngoài động cơ đốt trong 34

Hình 2.10 Đồ thị cân bằng lực kéo với các tỉ số truyền 42

Hình 3.1 Cấu hình hệ thống truyền lực xe hybrid song song dùng bộ

kết nối mô men

51

Hình 3.2 Mô tả các chế độ hoạt động khác nhau dựa trên công suất

yêu cầu

53

MỞ ĐẦU

Thế giới nói chung và Việt nam nói riêng đang phải đối mặt với hai vấn đề lớn tồn tại song song, đó là an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường do các hoạt

động sản xuất và sử dụng năng lượng gây ra

Giá nhiên liệu ngày càng tăng cao, trong những năm qua Nhà nước phải dùng ngân sách để bù l cho xăng dầu Tuy nhiên hiện nay giá dầu thô trên thế giới

đã vượt ngưỡng 100USD/thùng, Nhà Nước không còn khả năng bù l , giá xăng dầu

đã tăng và trong tương lai, mức độ tăng giá xăng dầu sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn do nguồn dữ trữ dầu thô giảm mạnh Bên cạnh đó ở Việt Nam xe máy chiếm với số lượng lớn khoảng 34 triệu xe (ô tô chiếm khoảng 1,7 triệu), xe máy đa phần còn dùng chế hòa khí nên hiệu suất nhiên liệu thấp, khí thải ô nhiễm nhiều

Do đó việc nghiên cứu xe máy hybrid mang tính khả thi cao và phù hợp với tình hình giao thông Việt Nam hiện nay nhằm giảm thải ô nhiễm môi trường, tiết kiệm nhiên liệu góp phần phát triển kinh tế đất nước

Để xe máy hybrid hoạt động hiệu quả, đạt được những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện môi trường, khắc phục được các nhược điểm về ắc quy, cung đường sử dụng, … ngoài việc tính toán, kiểm nghiệm các cơ cấu cơ khí sao cho tối ưu thì việc nghiên cứu lựa chọn các chế độ hoạt động của xe máy hybrid trong từng điều kiện cụ thể khác nhau là rất quan trọng Nó quyết định đến quá trình làm việc của xe như khi nào xe hoạt động ở độ một mình động cơ đốt trong kéo tải hay khi nào động cơ điện một mình kéo tải, khi nào kết hợp cả 2 động cơ, khi nào làm việc ở chế độ phanh tái sinh,….Thông qua sự lựa chọn các chế độ hoạt động sẽ giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển xe nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của xe Với vai trò quan trọng của thuật toán điều khiển xe máy hybrid như trên nên

đề tài chọn là: Nghiên cứu thuật toán điều khiển xe máy hybrid

Nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển xe nhằm thỏa mãn yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải ô nhiễm môi trường luận văn đã tập chung vào các nội dung chính như:

- Nhu cầu sử dụng dòng xe tiết kiệm nhiên liệu và giảm thải ô nhiễm môi trường;

- Định nghĩa, phân loại xe hybrid;

- Trình bày các đặc điểm của xe HEVs;

- Các phương án truyền động của xe hybrid;

- Xu hướng phát triển xe hybrid ở Việt Nam

- Sơ đồ hệ thống truyền lực;

- Các chế độ của xe máy hybrid;

- Đặc tính động lực học

- Cấu hình và mục tiêu thiết kế của xe;

- Các trạng thái hoạt động của xe Hybrid (thuật toán điều khiển)

Nội dung luận văn được gói gọn trong 3 chương:

Chương I: Tổng quan chung:

Chương II: Mô hình động lực học của xe:

Chương III: Thuật toán điều khiển:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG

1.1 Nhu cầu sử dụng dòng xe tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường

- Giao thông, đặc biệt là giao thông đường bộ do sự phát triển kinh tế và những đặc thù của riêng nó đang là một trong những ngành tiêu thụ nhiều năng lượng và do đó gây ô nhiễm lớn hiện nay Theo thống kê trên toàn thế giới lượng nhiên liệu hóa thạch dùng trong giao thông đường bộ tăng trung bình khoảng 8% một năm trong giai đoạn 1980 - 2011 Cùng thời gian trên lượng CO2 do ngành này thải ra tăng từ 2565 triệu tấn lên 5685 triệu tấn, tương đương 2,6% một năm (IEA 2012)

- Tại Việt Nam sự bùng nổ giao thông cơ giới ngày càng mạnh mẽ được thể hiện trong bảng 1.1

Xe đạp

Ô tô, xe máy

GT công cộng

Xe đạp

Ô tô, xe máy

GT công cộng

80% 5% 15% 65% >30% <5% 2-3% 87-88% 10%

Bảng 1.1: Sự bùng nổ giao thông cơ giới (ước tính)

Hình 1.1 Thống kê số lượng ô tô xe máy hoạt động theo từng năm được cục đăng kiểm Việt Nam và Vụ KHCN&MT, Bộ GTVT thống kê vào năm 2009

Hình 1.1: Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam (Nguồn: Cục Đăng kiểm Việt Nam và Vụ KHCN&MT, Bộ GTVT, 2009)

Bảng 1.2 giới thiệu các thành phần khí thải trong động cơ Diezel:

Bảng 1.2: Các thành phần khí thải trong động cơ Diezel

Các thành phần khí thải trong động cơ xăng:

+ CO (carbon monoxide) + NOx (nitơ oxit)

+ SOx (oxit lưu huỳnh) + Bồ hóng

1.2 Định nghĩa xe Hybrid

- Xe hybrid là một chiếc xe sử dụng hai hay nhiều nguồn công suất riêng biệt

để di chuyển xe Thuật ngữ phổ biến nhất là xe lai điện (HEVs), kết hợp một động

cơ đốt trong và một hoặc nhiều mô tơ điện Sự hoạt động của xe hibrid là sự kết

hợp hoạt động giữa các nguồn này sao cho tối ưu nhất: Một bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động, khi nào động cơ điện hoạt động và khi nào cả hai cùng hoạt động

1.3 Phân loại xe hybrid

a HEVs là viết tắt của Hybrid Electric Vehicles, là loại xe hybrid sử dụng tổ

hợp động cơ đốt trong và động cơ điện Với loại xe HEVs, có khả năng tái sinh năng lượng khi phanh hoặc xe xuống dốc, lúc này động cơ điện hoạt động như một máy phát điện tận dụng năng lượng sinh ra khi phanh để nạp cho ắc quy

b PHEV là viết tắt của Plugin Hybrid Electric Vehicles, cũng tương tự như

HEVs sử dụng tổ hợp động cơ đốt trong và động cơ điện Nhưng trên loại xe PHEV

không có khả năng tái sinh năng lượng, do đó ắc quy cần được nạp điện từ nguồn bên ngoài

- HEV và PHEV sử dụng nguồn năng lượng điện là nguồn năng lượng sạch Năng lượng điện được cấp từ ắc quy, và có thể tái sinh được thông qua quá trình phanh hay khi xe xuống dốc, hoặc được nạp từ lưới điện bên ngoài Hệ truyền động điện ít tổn hao và hiệu suất cũng cao

c HHV là viết tắt của Hybrid Hydraulic Vehicles, là loại xe hybrid sử dụng kết

hợp giữa động cơ đốt trong với mô tơ thủy lực Các chế độ hoạt động cũng như vận hành của loại xe này cũng tương tự như loại sử dụng động cơ điện Nguồn năng lượng thủy lực cũng là một trong những nguồn năng lượng sạch Tuy nhiên hệ thống thủy lực lại tổn hao nhiều năng lượng trên đường truyền

Trên các loại xe hybrid hiện nay, nguồn năng lượng từ động cơ đốt trong cũng có thể được cải tiến:

- Hoàn thiện động cơ đốt trong: bao gồm hệ thống common rail điều khiển điện tử, xử lý khí thải trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp Nhiên liệu trên ôtô ngày nay còn được thay thế bằng nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, hay dung đồng thời (dual fuel)

- Sử dụng pin nhiên liệu – pin hydrogen: là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong pin thành điện năng Do không xảy ra quá trình cháy nên nhiên liệu ôtô là sạch Tuy nhiên việc nạp hydro dưới áp suất cao vẫn rất khó khăn

1.4 Đặc điểm xe HEVs

Hình 1.2:Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hybrid

Trên hình 1.2 là sơ đồ nguyên lý hoạt động chung của loại xe HEVs Động cơ điện được sử dụng để khởi động xe, trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành động cơ đốt trong, khi cần tăng tốc cực đại hay vượt dốc thì hai động cơ vận hành đồng bộ Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe tăng tốc cực đại hoặc leo dốc Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc quy Không giống như các phương tiện

sử dụng động cơ điện khác, động cơ HEVs không cần nguồn điện bên ngoài, động

cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy khi cần thiết

1.5 Các bộ phận chính trên xe hybrid

 Động cơ đốt trong (hình 1.3): là nguồn động lực chính trong động cơ

hybrid: có thể sử dụng động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu

Hình 1.3: Động cơ đốt trong, hộp số của ôtô hybrid (Toyota Prius)

 Động cơ điện: là nguồn năng lượng bổ sung Động cơ điện nhận năng lượng

điện từ ắc quy và chuyển thành năng lượng cơ khí dẫn động bánh xe, nhận năng lượng cơ khí từ động cơ đốt trong hay phanh tái sinh và chuyển thành năng lượng điện để nạp cho ắc quy Ưu điểm của động cơ điện là cho mô-men lớn ở số vòng quay nhỏ, hoạt động êm, hiệu suất cao

 Hộp số (hình 1.4): truyền và biến đổi mômen, tốc độ giữa 2 nguồn động lực

Với ô tô hybrid có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau Bốn loại hộp số thường dùng là: hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp số tay, hộp số tự động thông thường với bộ chuyển đổi mô-men

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất

 Ắc quy (hình 1.5a, 1.5b): là một thành phần quan trọng của động cơ hybrid,

đảm bảo các yêu cầu như tạo dòng lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh, độ bền cao Hiện nay thường sử dụng ắc quy Nickel Metal Hydride thay thế cho ắc quy chì axit thông thường Với những ưu điểm như: tuổi thọ cao, trọng lượng nhỏ, phù hợp cả khi sử dụng ở vùng công suất cao và nhiệt độ thấp; loại ắc quy này đang được sử dụng rộng rãi trên ôtô điện và hybrid hiện nay Ngoài ra pin Lithinum-ion

và Lithinum-polyme cũng có nhiều triển vọng áp dụng trong tương lai

Hình 1.5a: Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius

Hình 1.5b Ắc-quy điện áp cao trên VW Touareg

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

động cơ đốt trong và động cơ điện

- Bộ chuyển đổi điện (hình 1.6): biến dòng điện một chiều từ ắc quy điện áp

cao (HV Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy

Hình 1.6: Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động

1.6 Các phương án truyền động của xe Hybrid

Tuỳ theo sự phối hợp giữa động cơ nhiệt và động cơ điện mà có bốn dạng hệ thống kết nối sau đây được sử dụng

1.6.1 Kiểu hybrid nối tiếp :

Động cơ điện truyền lực đến bánh xe, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là

sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc quy hoặc cung cấp cho động cơ điện Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc bình ắc quy và một

sẽ dùng chạy động cơ điện Động cơ điện ở đây có vai trò truyền công suất tới truyền lực chính và bánh xe chủ động để đẩy xe, nhưng nó cũng có thể hoạt động

như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid mắc nối kiểu nối tiếp

Hình 1.7 là sơ đồ nguyên lý chung của kiểu truyền lực mắc nối tiếp Hệ thống truyền lực loại này có các bộ phận chính như: động cơ đốt trong, máy phát, ắc quy,

bộ chuyển đổi điện, động cơ điện, hệ truyền lực và vi sai

Ưu điểm: 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 ôtô Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ắc quy Sơ đồ này có thể không cần hộp số

Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm

như: Kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên

dễ bị quá tải

1.6.2 Kiểu hybrid song song:

Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song Cả động cơ nhiệt và mô tơ điện cùng truyền lực tới trục bánh xe với mức độ tuỳ theo các điều kiện hoạt động khác nhau Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền mômen chính còn môtơ điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc Ở hệ thống lai này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng hai chiều có thể làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế

độ hoạt động bình thường Năng lượng ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, có thể có thêm một động cơ điện nhỏ hơn làm nhiệm vụ khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy

Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid mắc nối kiểu song song

Hình 1.8 là sơ đồ chung của loại xe hybrid mắc nối theo sơ đồ song song Cũng giống như kiểu lai trên, ở đây cũng có đầy đủ các bộ phận chính đảm nhiệm các chức năng của xe hybrid Tuy nhiên, ở sơ đồ này không cần có máy phát, năng lượng truyền từ động cơ đốt trong đến bánh xe chủ động không qua chuyển đổi cơ-điện-cơ

Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng,

mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp

và h n hợp

Nhược điểm: Động cơ điện ( máy điện) cũng như bộ phận điều khiển mô tơ

điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nối tiếp Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao

1.6.3 Kiểu hybrid nối tiếp – song song:

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối

đa các lợi ích được sinh ra Hệ thống hybrid nối tiếp này có một bộ phận gọi là

"thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện

Như đã phân tích ở trên, Hình 1.9 là sơ đồ tổng hợp của hai kiểu lai nối tiếp – song song Các bộ phận chính của cả hai sơ đồ trên đều phải có trên kiểu xe này

Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid mắc nối kiểu nối tiếp-song song

Ưu điểm: hệ thống này có thể hoạt động như hệ thống nối tiếp hay song song

hoặc cả hai tùy thuộc điều kiện lái xe Ở tốc độ cao hệ thống hoạt động ở chế độ song song, công suất truyền trực tiếp từ động cơ đến bánh xe, lúc này động cơ có thể chạy gần như với hiệu quả cao nhất của nó Ở điều kiện chạy chậm hay dừng xe,

hệ thống sẽ chạy ở chế độ nối tiếp, công suất truyền từ động cơ đến máy phát tới mô

tơ, để cho phép nó chạy với hiệu suất cao nhất của nó

Nhược điểm: hệ thống này phức tạp hơn và chi phí cao hơn Bắt buộc phải có

một máy phát điện, và cần thêm vào một hệ thống khớp nối cơ khí như một vi sai

1.6.4 Kiểu hybrid h n h p:

Hệ thống lai h n hợp có cấu trúc tương tự như loại lai nối tiếp – song song Sơ

đồ kiểu hybrid này như Hình 1.10 Khác biệt duy nhất là các kết nối điện được chuyển từ bộ chuyển đổi tới ắc quy và một bộ chuyển đổi nữa sẽ được thêm vào giữa động cơ điện/máy phát và ắc quy Điểm khác biệt này cho phép hệ thống chuyển đổi linh hoạt giữa hai kiểu nối tiếp và song song Hệ thống này cũng có các

ưu, nhược điểm như kiểu lai trên Tuy nhiên ,đó cũng là nhược điểm của hệ thống này kết cấu của hệ thống sẽ phức tạp hơn, yêu cầu của ắc quy cũng đòi hỏi cao và tất nhiên giá thành cũng rất cao

Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid mắc nối kiểu phức tạp

1.6.5 So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất

Dựa trên các tiêu chí về tiết kiệm nhiên liệu và truyền lực chúng ta rút ra được bảng 1.3 so sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất

Kiểu lai

Sự tiết kiệm nhiên liệu Sự thực hiện truyền

động

Sự dừng không tái

sinh

Lấy lại năng lượng

Hoạt động hiệu suất cao

Tổng hiệu suất Gia tốc

Công suất phát ra cao liên tục Nối tiếp

Song

song

H n hợp

Ghi chú: : Tính tối ưu cao : Tốt : Bất lợi

Bảng 1.3: Bảng so sánh ưu nhược điểm của ba kiểu phối hợp công suất

1.7 Ưu điểm của xe Hybrid

Về mặt đặc tính động lực học của xe: Ở chế độ khởi hành, xe chỉ dùng động

cơ điện Đặc tính mômen cơ của động cơ điện như hình 1.11 cho ta thấy tại số vòng quay nhỏ mômen của động cơ cao, do đó sử dụng động cơ điện để khởi hành rất thích hợp Còn khi số vòng quay vượt quá số vòng quay định mức thì khi tiếp tục tăng, đường mômen là đường hypebol bậc 2 (số vòng quay tăng thì mômen giảm)

đường này cũng phù hợp với đặc tính động lực học của xe

Hình 1.11: Đặc tính mômen cơ của động cơ điện

Về tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm: Dựa trên đặc tính của động cơ đốt trong, ta thấy được dải hoạt động của mômen xoắn chưa tối ưu Ở tốc độ vòng quay động cơ thấp, mômen nhỏ không đáp ứng được điều kiện cản, do đó xe ôtô thông thường cần phải có hộp số Hơn nữa, đặc tính mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ cho thấy chỉ có một vùng động cơ hoạt động tối ưu với mômen lớn và mức tiêu thụ nhiên liệu nhỏ Xe hybrid giải quyết được vấn đề này, bộ điều khiển sẽ quyết định trạng thái hoạt động của động cơ để điều chỉnh dải làm việc của động cơ

trong vùng tối ưu của nó

Hình 1.12 là đặc tính kinh tế nhiên liệu của động cơ CR12DE ,của xe Nissan Cube Đặc tính thể hiện được đường công suất ngoài và đường mức tiêu thụ nhiên

liệu của động cơ thu được qua băng thử Từ công suất ngoài và mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ, ta xác định được đường kinh tế nhiên liệu của xe (đường nét gạnh trên Hình 1.12) Trên đường này ta có công suất của động cơ lớn và mức tiêu thụ nhiên liệu nhỏ, khi động cơ hoạt động trong vùng này sẽ tiết kiệm được nhiên liệu

và có lượng phát thải độc hại ít

Hình 1.12: Đặc tính của động cơ đốt trong

1.8 Xu hướng phát triển xe hybrid ở Việt Nam

- Giá nhiên liệu ngày càng tăng cao, trong những năm qua Nhà nước phải dùng ngân sách để bù l cho xăng dầu Tuy nhiên hiện nay giá dầu thô trên thế giới

đã vượt ngưỡng 100USD/thùng, Nhà Nước không còn khả năng bù l , giá xăng dầu

đã tăng và trong tương lai, mức độ tăng giá xăng dầu sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn do nguồn dữ trữ dầu thô giảm mạnh Bên cạnh đó ở Việt Nam xe máy chiếm với số lượng lớn khoảng 34 triệu xe (ô tô chiếm khoảng 1,7 triệu), xe máy đa phần còn dùng chế hòa khí nên hiệu suất nhiên liệu thấp, khí thải ô nhiễm nhiều

Do đó việc nghiên cứu xe máy hybrid mang tính khả thi cao và phù hợp với tình hình giao thông Việt Nam hiện nay nhằm giảm thải ô nhiễm môi trường, tiết kiệm nhiên liệu góp phần phát triển kinh tế đất nước

1.8.1 Một số kiểu xe máy Hybrid đã được thiết kế chế tạo trên thế giới

1.8.1.1 Honda Hybrid Scooter

Ngày 24 tháng 8 năm 2004, Honda đã giới thiệu mẫu xe lai đầu tiên kiểu dáng

“scooter” được giới thiệu ở hình 1.13 với khả năng giảm khí thải gây ô nhiểm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu Xe lai này kết hợp hoạt động của một động cơ đốt trong phun xăng điện tử 50cc và một động cơ điện kiểu xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau của xe

Hình 1.13: Xe Honda hybrid scooter

Hệ thống sử dụng một bình ắc quy niken-hyđro để lưu trữ năng lượng Khi chạy trên đường bằng phẳng trong thành phố, một mình động cơ điện sẽ dẫn động xe chạy với tốc độ đạt 30 km/h Khi cần lực phát động lớn như tăng tốc hoặc lên dốc thì động cơ đốt trong sẽ kết với động cơ điện thông qua bộ truyền động đai vô cấp

để tăng thêm công suất kéo Để tận dụng năng lượng, khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc thì động cơ điện sẽ trở thành máy phát điện nạp điện vào ắc quy Mẫu xe này có hiệu suất rất cao và giảm được 37% nồng độ CO trong khí thải so với xe gắn máy cùng công suất

1.8.1.2 eCycle Hybrid

Xe eCycle giới thiệu ở hình 1.14 được đánh giá sẽ có được công suất của một chiếc xe gắn máy với động cơ 250cc chạy xăng ngoại trừ tốc độ cực đại Khả năng tăng tốc từ 0-100 km/h trong thời gian 6 giây và tốc độ tối đa 120km/h Tiêu thụ

Hình 1.14: Xe eCycle Hybrid

Các chuyên gia hàng đầu về động cơ hybrid cũng khẳng định rằng, eCycle hybrid là chiếc xe máy rất hiện đại với loại vật liệu trọng lượng nhẹ, ít gây ô nhiễm môi trường cũng như khả năng hãm tái sinh năng lượng đạt hiệu quả cao Kết cấu nhẹ của eCycle đều dựa trên một bộ phận trung tâm, nơi đặt động cơ - máy phát, ắc quy và các hệ truyền động Hệ thống lái rất đặc biệt và bộ giảm xóc lò xo để trần mang đến hình ảnh thể thao cho chiếc xe này Hệ thống treo phía trước là dạng càng đơn nằm ngang với một tay đòn lắp một cách chắc chắn với khung trung tâm đơn khối bằng hợp kim nhôm Khối hybrid của eCycle đạt được công suất 42V x 400A

= 16800W Khối lưu trữ điện của chiếc xe này bao gồm ba ắc quy 14V Các bánh

xe mâm đúc bằng nhôm đường kính 40cm, hộp số hai tốc độ và dẫn động bằng xích Khối lượng của những chiếc xe máy hybrid của eCycle khoảng 100 kg

1.8.1.3 FA - 801 (Hybrid 80cc - 500W)

Công ty sản xuất xe gắn máy FUSEN của Thái Lan đã cho ra đời mẫu xe mô tô lai (hybrid) giới thiệu ở hình 1.15 được kết hợp từ một động cơ điện 500W và một động cơ đốt trong 80cc Khi xe chạy từ 0 - 34km/h, động cơ điện sẽ hoạt động Khi

xe đạt tốc độ 35km/h, hộp điều khiển điện tử sẽ khởi động động cơ đốt trong và ngắt động cơ điện, lúc này động cơ đốt trong sẽ thay thế động cơ điện để cung cấp

sức kéo cho xe chạy Khi tốc độ xe thấp hơn 35km/h, hệ thống điều khiển sẽ giúp xe

tự động chuyển sang hoạt động bằng động cơ điện Trên tay lái của xe có nút chọn chế độ chạy xe ở 2 trạng thái: chế độ chạy điện và chế độ chạy lai (hybrid) Loại xe này có các ưu điểm:

- Tiết kiệm nhiên liệu và giảm sự ô nhiễm môi trường khi chạy ở chế độ lai (hybrid)

- Hoạt động êm và không ô nhiễm môi trường khi chạy ở chế độ xe điện

- Giá thành thấp

Các đặc tính kỹ thuật của xe:

- Công suất động cơ điện: 500W có thể kéo xe chạy đạt 50km/h, quãng đường xe chạy hết bình ắc quy là 90km

- Bộ nguồn ắc quy: 12V-17AH x 4bình

- Nạp lại ắc quy: 1,8A trong thời gian từ 4-6 giờ

- Tốc độ cực đại của xe đạt: 90km/h

FA - 801 (Hybrid 80CC -

500W)

Nút lựa chọn chế độ hoạt

động Bảng đồng hồ

Hình 1.15: Xe FA - 801

1.8.1.4 Piaggio MP3 Hybrid

Piaggio MP3 Hybrid được giới thiệu ở hình 1.16 là xe máy sử dụng động cơ hybrid công nghệ “xanh” đang là xu hướng được các hãng ô tô lớn trên thế giới quan tâm và nghiên cứu áp dụng trên các sản phẩm ô tô, với các khoản dự án đầu tư lên đến hàng tỷ USD

MP3 Hybrid sử dụng một động cơ 4 thì, dung tích 124cc phun xăng điện tử kết hợp với motor điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chạy song song, cho tổng công suất tối

đa 15 mã lực (động cơ điện có công suất khoảng 3,5 mã lực) Mẫu xe này có 4 chế

độ lái, bao gồm 2 chế độ sử dụng động cơ hybrid và 2 chế độ sử dụng động cơ điện toàn bộ và được áp dụng một số tính năng tiên tiến của ô tô, như bộ thu hồi năng lượng khi phanh và giảm tốc

Hình 1.16: Xe Piaggio MP3 Hybrid

Ngoài phiên bản này, MP3 Hybrid còn có thêm phiên bản 300 với công suất tối đa 25 mã lực, mức tiêu thụ nhiên liệu 2 lít/100km, lượng khí thải CO2 46g/km, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường Euro 2

1.8.2 Các chế độ làm việc của hệ thống Hybrid :