Khai thác đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của xe Hibrid

tuthienbao.com Đề tài Khai thác đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động xe Hibrid GVHD: Khổng Văn Nguyên SVTH : NGUYỄN ĐỨC DOANH Mục lục Chương TỔNG QUAN ÔTÔ HYBRID 1.1 Khái niệm chung………………………………… 1.2 Xu hướng phát triển ôtô hybrid……………………………………….…4 1.3 Phân loại ôtô hybrid……………………………………………………… ….5 1.3.1 Theo thời điểm phối hợp công suất……………………………………… 1.3.1.1 Chỉ sử dụng motor điện tốc độ chậm……………………………….….5 1.3.1.2 Phối hợp cần công suất cao……………………………………… …6 1.3.2 Theo cách phối hợp công suất động nhiệt động điện…… 1.3.2.1 Kiểu nối tiếp………………………………………………………… … 1.3.2.2 Kiểu song song…………………………………………………………… 1.3.2.3 Kiểu hỗn hợp………………………………………………………… ….8 1.3.2.4 So sánh ba kiểu phối hợp công suất…………………………… ….9 Chương CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ƠTƠ HYBRID 2.1 Mơ hình tổng qt ơtơ hybrid…………………………………….….…10 2.2 Động đốt trong……………………………………………………… … 11 2.3 Hộp số phân phối công suất (Hybrid Transaxle)……………….… 12 2.4 Motor điện máy phát điện…………………………………………….….13 2.5 Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter)…………………… 13 2.6 Ắc-quy điện áp cao (HV Battery - High Volt Battery)………………… 14 2.7 Cáp nguồn……………………………………………………………… … 14 2.8 Ắc quy phụ…………………………………………………………… …….15 2.9 Các phận khác có cơng dụng hỗ trợ ơtơ hybrid……………….… 15 2.9.1 Khí động lực học/ hệ số kéo thấp……………………………………….…15 2.9.2 Ngắt tự động động xăng…………………………………………… .16 2.9.3 Hộp số biến thiên vô cấp (CVT-Continuously Variable Transmission) 16 2.9.4 Hệ thống kiểm soát cầm chừng xylanh (Cylinder Idling System)………16 2.9.5 Tối ưu hóa đường khí thải…………………………………………………17 2.9.6 Pít tơng ma sát nhỏ…………………………………………………………17 2.9.7 Cơng nghệ biến thiên lưu lượng khí nạp…………………………… … 17 2.9.8 Sử dụng vật liệu tiên tiến……………………………………… …17 Chương CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC 3.1 Khởi động động xe chạy……………………………………….18 3.2 Tăng tốc nhẹ với động cơ…………………………………………………….18 3.3 Tốc độ thấp ổ định…………………………………………………… …….19 3.4 Tăng tốc tối đa………………………………………………………….…….19 3.5 Tốc độ cao ổn định……………………………………………………… .19 3.6 Tốc độ tối đa…………………………………………………………….… 20 Chương XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ƠTƠ HYBRID KHI PHỐI HỢP HAI DỊNG CÔNG SUẤT 4.1 Bộ truyền bánh hành tinh (planetary gear)…………………….…….21 4.2 Sơ đồ tổng quát đường truyền công suất ôtô hybrid………….…22 4.3 Xác định công suất sinh sau phối hợp hai động cơ……………… 23 4.4 Đặc tính kéo bánh xe chủ động………………………………….………29 4.4.1 Xác định lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động (Fk)……….…………29 4.4.2 Xác định công suất kéo bánh xe chủ động (Pk)…………… ……… 30 4.4.3 Xây dựng đặc tính kéo bánh xe chủ động………………… ………….30 4.5 Phương pháp xác định thông số động lực học bản……… ……… 31 4.5.1 Xác định lực cản chuyển động………………………………….…… 31 4.5.2 Xây dựng đồ thị cân lực kéo……………………………… …….32 4.5.3.Ứng dụng đồ thị cân lực kéo để xác định thông số động lực học Chương KẾT LUẬN………………………………… …………37 Chương TỔNG QUAN ÔTÔ HYBRID 1.1 Khái niệm chung Ơ tơ hybrid dòng xe sử dụng động tổ hợp, kết hợp động chạy lượng thông thường (xăng, Diesel…) với động điện lấy lượng điện từ ắc-quy cao áp Điểm đặc biệt ắc-quy nạp điện với chế nạp “thông minh” xe phanh, xuống dốc…, gọi trình phanh tái tạo lượng Nhờ mà ơtơ tiết kiệm nhiên liệu vận hành động điện đồng thời tái sinh lượng điện để dùng cần thiết 1.2 Xu hướng phát triển ôtô hybrid Sự phát triển phương tiện giao thông khu vực giới nói chung khơng giống nhau, nước có quy định riêng khí thải xe , có xu hướng bước cải tiến chế tạo loại ôtô mà mức ô nhiễm thấp giảm tối thiểu tiêu hao nhiên liệu Điều cấp thiết mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập người dân lại tăng không đáng kể Các xe chạy Diesel, xăng nhiên liệu khác tràn ngập thị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí ngày xấu đi, hệ sinh thái thay đổi Vì việc tìm phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây nhiễm mơi trường vấn đề cần quan tâm ngành ô tơ nói riêng người nói chung Ơtơ không gây ô nhiễm (zero emission) mục tiêu hướng tới nhà nghiên cứu chế tạo ôtô ngày Có nhiều giải pháp cơng bố năm gần đây, như: hồn thiện q trình cháy động cơ, sử dụng loại nhiên liệu khơng truyền thống cho ơtơ LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid) Phạm vi viết bàn ơtơ hybrid Ơtơ hybrid Xuất từ đầu năm 1990 nay, ôtô hybrid nghiên cứu phát triển giải pháp hiệu tính kinh tế mơi trường Có thể nói, cơng nghệ hybrid chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên tơ, tơ khơng gây ô nhiễm môi trường hay gọi ô tô sinh thái Với ưu điểm bật nêu, ôtô hybrid quan tâm nghiên cứu chế tạo nhiều nhà khoa học hãng sản xuất ơtơ giới Ngày có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất thị trường có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại tơ Ơtơ sử dụng Hydrogen, ơtơ điện, ơtơ pin mặt trời tồn số nhược điểm định, không dễ thực với thực trạng đất nước ta Trong bối cảnh ơtơ hybrid nhiệt điện (kết hợp động đốt động điện) coi phù hợp giai đoạn đón đầu xu phát triển ơtơ sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe mơi trường thị, tính nguy cạn kiệt nhiên liệu Tuy nhiên sử dụng loại xe hybrid nhiệt điện hoạt động phạm vi thành phố, khu du lịch vận hành loại đường dài hàng trăm kilômet tương đối phẳng Chứ sử dụng ô tô hybrid nhiệt điện thay hẳn loại ơtơ khác tính cơng nghệ lai nhiều hạn chế, mà khó vấn đề nguồn dự trữ lượng điện để cấp cho động điện, dùng bình ăcquy thơng thường số lượng bình nhiều Trong phạm vi viết bàn dòng ơtơ hybrid nhiệt điện (kết hợp động đốt động điện) loại ôtô hybrid thông dụng 1.3 Phân loại ôtô hybrid 1.3.1 Theo thời điểm phối hợp công suất 1.3.1.1 Chỉ sử dụng motor điện tốc độ chậm Khi ôtô bắt đầu khởi hành, motor điện hoạt động cung cấp công suất giúp xe chuyển động tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h) trước động xăng tự khởi động Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động xăng phải khởi động cung cấp cơng suất tối đa Ngồi ra, motor điện động xăng hỗ trợ cho điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, leo dốc, leo núi vượt qua xe khác Do motor điện sử dụng nhiều tốc độ thấp, nên loại có khả tiết kiệm nhiên liệu lái đường phố đường cao tốc Toyota Prius Ford Escape Hybrid hai dòng điển hình thuộc loại 1.3.1.2 Phối hợp cần công suất cao Motor điện hỗ trợ động xăng điều kiện lái u cầu nhiều cơng suất, q trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, leo dốc vượt qua xe khác, điều kiện bình thường xe chạy động xăng Do đó, hybrid loại tiết kiệm nhiên liệu đường cao tốc động xăng bị gánh nặng Điển hình Honda Civic Hybrid Honda Insight thuộc loại thứ hai Cả hai loại lấy công suất từ ắc-quy motor điện sử dụng đương nhiên làm yếu công suất ắc-quy Tuy nhiên, xe hybrid không cần phải cắm vào nguồn điện để sạc có khả tự sạc 1.3.2 Theo cách phối hợp công suất động nhiệt động điện 1.3.2.1 Kiểu nối tiếp Động điện truyền lực đến bánh xe chủ động, công việc động nhiệt kéo máy phát điện để phát sinh điện nạp cho ắc-quy cung cấp cho động điện Hình 1a Hệ thống hybrid nối tiếp Dòng điện sinh chia làm hai phần, để nạp ắc-quy dùng chạy động điện Động điện có vai trò máy phát điện (tái sinh lượng) xe xuống dốc thực trình phanh Hình 1b Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp Ưu điểm: Động đốt không hoạt động chế độ không tải nên giảm ô nhiễm mơi trường, Động đốt chọn chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với loại ôtô Mặt khác động nhiệt hoạt động xe chạy đường dài quãng đường quy định dùng cho ăcquy Sơ đồ khơng cần hộp số Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp tồn nhược điểm như: Kích thước dung tích ắc-quy lớn so với tổ hợp ghép song song, động đốt làm việc chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quy nên dễ bị tải 1.3.2.2 Kiểu song song Dòng lượng truyền tới bánh xe chủ động song song Cả động nhiệt motor điện truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo điều kiện hoạt động khác Ở hệ thống động nhiệt đóng vai trò nguồn lượng truyền moment motor điện đóng vai trò trợ giúp tăng tốc vượt dốc Kiểu không cần dùng máy phát điện riêng động điện có tính giao hoán lưỡng dụng làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc-quy chế độ hoạt động bình thường, tổn thất cho cấu truyền động trung gian, khởi động động đốt dùng máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy Ưu điểm: Công suất ôtô mạnh sử dụng hai nguồn lượng, mức độ hoạt động động điện động nhiệt nên dung lượng bình ắc-quy nhỏ gọn nhẹ, trọng lượng thân xe nhẹ so với kiểu ghép nối tiếp hỗn hợp Nhược điểm: Động điện phận điều khiển motor điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt động nhiệt phải thiết kế công suất lớn kiểu lai nối tiếp Tính nhiễm mơi trường tính kinh tế nhiên liệu khơng cao Hình 2a Hệ thống hybrid song song Hình 2b Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song 1.3.2.3 Kiểu hỗn hợp Hệ thống kết hợp hai hệ thống nối tiếp song song nhằm tận dụng tối đa lợi ích sinh Hệ thống lai nối tiếp có phận gọi "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao tỷ lệ biến đổi liên tục công suất động nhiệt động điện đến bánh xe chủ động Tuy nhiên xe chạy theo "kiểu êm dịu" với động điện Hệ thống chiếm ưu việc chế tạo xe hybrid Hình 3a Hệ thống hybrid hỗn hợp Hình 3b Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp 1.3.2.4 So sánh ba kiểu phối hợp công suất Bảng So sánh ưu nhược điểm kiểu hệ thống phối hợp công suất Sự thực truyền Sự tiết kiệm nhiên liệu Kiểu lai Sự dừng Lấy lại Hoạt không tái động hiệu sinh lượng suất cao động Công suất Tổng hiệu suất Gia tốc phát cao liên tục Nối tiếp Song song Hỗn hợp Chương CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ƠTƠ HYBRID 2.1 Mơ hình tổng qt ơtơ hybrid Hình Một dạng ơtơ Hybrid kiểu phối hợp công suất song song 10 4.3 Xác định công suất sinh sau phối hợp hai động Khi ơtơ phối hợp hai dòng cơng suất động đốt động điện – MG2, lúc để xác định công suất chung sau phối hợp, mơ hình tính tốn chọn mơ hình đấu nối hai động khác cơng suất Hình 4.4 Mơ hình phối hợp cơng suất từ hai động Gọi: - Trục E trục nhận công suất từ động đốt sau qua truyền hành tinh, có thơng số trục moment xoắn, cơng suất, vận tốc góc: Me, Ne, e - [Nm], [N], [rad/s] Trục T trục nhận cơng suất từ động điện MG2, có thông số trục moment xoắn, công suất, vận tốc góc động điện (MG2): Mm, Nm, m - [Nm], [N], [rad/s] Mt, Nt, t: moment xoắn, cơng suất, vận tốc góc sau phối hợp, [Nm], [N], [rad/s]; Ta xác định thông số Mt, Nt, t từ hai trục thành phần (trục E, trục M), cách: 24 a) Các thơng số trục M (Mm, Nm, m) Hình 4.5a Sơ đồ truyền công suất trục M Trục M trục phát công suất từ động điện MG2, nên thông số trục xác định qua đặc tính ngồi động điện MG2 (đã biết), có dạng sau: Hình 4.5b Đường đặc tính ngồi động điện 25 b) Các thơng số trục E (Me, Ne, e) Trục E (được nối với phần tử (c) truyền hành tinh) trục phát công suất từ động đốt qua truyền hành tinh, tỷ số truyền truyền hành tinh điều khiển vô cấp tốc độ MG1 Hình 4.6 Sơ đồ truyền cơng suất trục E Để xác định thông số phát trục E ta cần phải xác định tỷ số truyền truyền hành tinh Gọi Me’, Ne’, e’: moment xoắn, công suất, vận tốc góc động đốt trong, [Nm], [N], [rad/s]; Trong trường hợp có giả thiết: - Đã biết trước dãy vận tốc c phần tử (c) nối với động đốt Thật vậy, để đạt công suất, moment, tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm khí xả,… tối ưu nên thiết kế người ta qua thực nghiệm chọn trước số vòng quay động xăng (e’) Có c=e’ trục - Biết trước dãy vận tốc chiều quay MG1 Thật vậy, MG1 việc phát điện để nạp vào ắc quy đóng vai trò phận điều khiển tỷ số truyền truyền hành tinh, ứng với chế độ vận hành ôtô mà người ta điều khiển cho MG1 quay với số vòng quay chiều quay khác Tức, biết trước vận tốc phần tử bánh mặt trời (s) s=MG1 26 Vì biết trước dãy vận tốc làm việc hai phần tử bánh mặt trời s cần dẫn c Mặc dù, vận tốc xác định dãy vận tốc hữu hạn, ứng với chế độ hoạt động cụ thể mà chúng có giá trị cụ thể xác định Do đó, thơng qua mối quan hệ truyền hành tinh: M C M S  M R NC N S  N R C  rC  S rS   R rR  Ta xác định thông số phần tử (c), tức xác định thông số trục E (Me, Ne, e) Đường đặc tính trục E có dạng với đặc tính động đốt trong, ứng với chế độ hoạt động cụ thể ơtơ tỷ số truyền truyền hành tinh số khác Dạng đặc tính trục E: Hình 4.7 Đặc tính trục E có dạng với đặc tính ngồi động xăng, sau nhân với tỳ số truyền số 27 c) Các thông số sau phối hợp hai nguồn công suất (Mt, Nt, t) Hình 4.8 Sơ đồ phối hợp cơng suất Có thể xác định cơng suất (và moment) tổng cộng hai động sau phối hợp phương pháp cộng đồ thị: Như biết, để đạt công suất (và moment) sau phối hợp tối ưu (về công suất, moment, tiêu hao nhiên liệu, nhiễm khí xả,…), cần phải chọn trước số vòng quay động xăng e’ số vòng quay động điện m để vùng cơng suất (và moment) sau phối hợp đạt lớn Việc dễ dàng thực thực nghiệm Gọi 1 2 khoảng giới hạn tốc độ, xác định được: Nt=Ne+Nm Thật vậy, ôtô hybrid người ta thực nghiệm trước để động xăng động điện luôn hoạt động dãy công suất phù hợp ứng với dãy tốc độ e m nhằm tiết kiệm nhiên liệu điện tối đa Vì thế, cơng suất tổng Nt (và moment tổng Mt) biểu diễn hàm số phụ thuộc hai biến e’ m: M t  f (e ' ,  m ) N t  f ( e ' ,  m ) 28 Hình 4.9 Xác định cơng suất tổng sau phối hợp Và làm hoàn toàn tương tự để xác định moment tổng sau phối hợp Ví dụ đặc tính ơtơ hãng VW: Hình 4.10 Đặc tính moment cơng suất sau phối hợp VW Touareg 29 4.4 Đặc tính kéo bánh xe chủ động 4.4.1 Xác định lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động (Fk) Bằng công thức: Fk  M t itl tl r , [N] (II.1.1) Trong đó: Fk - Lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động [N] Mt - Moment tổng sau phối hợp hai nguồn công suất [W] itl - Tỷ số truyền hệ thống truyền lực itl=iht.i0 với: iht - Tỷ số truyền truyền hành tinh; i0 - Tích số tỷ số truyền truyền lực cầu xe truyền giảm tốc hộp số tl - Hiệu suất hệ thống truyền lực r - Bán kính bánh xe chủ động [m] 4.4.2 Xác định tỷ số truyền truyền hành tinh Xác định tỷ số truyền truyền hành tinh phụ thuộc vào chế độ hoạt động ôtô sau: a Ở chế độ tăng tốc nhẹ: Ở chế độ MG1 quay chiều lớn tốc độ động cơ, tức: s>c b Ở chế độ tốc độ tối đa: MG1 nhận lượng từ ắc-quy quay ngược, tức s