Nghiên cứu và ứng dụng xe lai (hybrid) trên xe gắn máy tay ga

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN LƯƠNG THỤY NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG XE LAI (HYBRID) TRÊN XE GẮN MÁY TAY GA Chun ngành: Kỹ thuật Ơ tơ - máy kéo LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009 ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS-TS ĐỖ VĂN DŨNG Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng …… năm 2009 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 02 tháng 02 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN LƯƠNG THỤY Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12-03-1979 Nơi sinh : Đồng Nai Chun ngành: Kỹ thuật Ơ tơ- máy kéo MSHV: 01307263 I- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Chương I: Tổng quan Chương II: Khảo sát đánh giá xe gắn máy tay ga sử dụng phổ biến cấu tạo, công suất, tiêu hao nhiên liệu ô nhiễm môi trường Chương III: sở lý thuyết Chương IV: Thiết kế kết hợp công suất động đốt động điện xe lai Chương V: Thử nghiệm xe lai so sánh kết với lý thuyết Chương VI: Kết luận, hướng phát triển đề tài III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02-2009 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-11-2009 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS-TS ĐỖ VĂN DŨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH PGS-TS ĐỖ VĂN DŨNG Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thơng qua Ngày……tháng ……năm 2009 TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Trần Lương Thụy LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Đỗ Văn Dũng giúp tơi hồn thành đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng xe lai xe gắn máy tay ga (hybrid scooter)” Kết đề tài sản phẩm ứng dụng có ý nghĩa mặt nghiên cứu khoa học đem vào ứng dụng vào thực tiễn Để ứng dụng cải tạo xe gắn máy tay ga thành xe lai tay ga tự động điều hoàn toàn không dễ dàng kết cấu xe máy tay ga nguyên thủy tương đối hoàn chỉnh bố trí kết cấu khơng gian.Tuy nhiên, nhờ nghiên cứu công nghệ xe máy hãng xe máy khác tơi tìm vị trí bố trí thích hợp để xe lai hoạt động hiệu Xin chân thành cảm ơn Phịng Đào Tạo Sau Đại Học ĐHBK-TP.HCM, thầy cơ, bạn đồng nghiệp tận tình giúp đỡ tơi hai năm học vừa qua Đặc biệt, đặc biệt biết ơn thầy Nguyễn Trọng Thức khoa Cơ khí Động lực ĐH.SPKT TP.HCM đóng góp ý kiến q báu tơi thực luận văn Xin chân thành cảm ơn anh Phạm Thế Khoa trưởng phòng thiết kế động cơ, anh Nguyễn Tiến Nam chủ nhiệm phịng thử nghiệm cơng ty VMEP đóng góp ý kiến q báu giúp đỡ tơi thời gian thực luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, vợ trai tơi cổ vũ động viên tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Lần tơi trân trọng ghi nhận cơng lao người giúp tơi hồn thành luận văn Biên Hòa, ngày 19 tháng 11 năm 2009 Trần Lương Thụy Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Trần Lương Thụy TÓM TẮT Sự cạn kiệt dần nguồn nhiên liệu truyền thống, vấn đề ô nhiễm môi trường tiếng ồn phương tiện vận tải giao thông gây quan tâm toàn giới Ở Việt Nam, nguồn lượng dự trữ cạn kiệt dần nước ta nước nhập lượng vào năm 2010 Mặt khác vấn đề ô nhiễm khơng khí trầm trọng phương tiện giao thơng đặc biệt xe gắn máy có mật độ giao thơng dày đặc TP.HCM Để góp phần nhỏ vào việc tạo phương tiện giao thông xanh hơn, đề xuất đề tài“ Nghiên cứu ứng dụng xe lai xe gắn máy tay ga (hybrid scooter)” mục đích kích thích nghiên cứu sâu rộng ứng dụng phương tiện giao thông cho TP.HCM Sản phẩm luận văn xe máy tay ga tận dụng ưu điểm hai nguồn lượng xăng điện, xe chạy tốc độ thấp nhỏ 30km/h chạy điện tốc độ cao xe tự động chuyển sang chạy xăng Mặt khác, xe trang bị truyền động biến thiên liên tục dạng đai kiểm sốt điện tử có trang bị cảm biến tốc độ xe, tốc độ động cơ, cảm biến vị trí bướm ga, máy phát điện thu hồi lượng giảm tốc phanh xe nên đảm bảo xe lai vận hành chế độ tối ưu nhất, kết thử nghiệm xe lai cho thấy xe lai tiết kiệm nhiên liệu so với xe chưa cải tạo xe chạy thành phố 30% 10% xe chạy đường cao tốc Hệ thống khí có kết cấu vững đảm bảo điều kiện vận hành xe Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Trần Lương Thụy MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN 10 1.1 Giới thiệu đề tài nghiên cứu 10 1.2 Mục tiêu đề tài nghiên cứu 10 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước, nước .10 1.4 Tính cấp thiết đề tài: 13 1.5 Ý nghĩa tính khoa học đề tài: .13 1.6 Tính thực tiễn đề tài: .14 1.7 Tình trạng đề tài: .14 1.8 Phạm vi đối tượng nghiên cứu: 14 1.9 Phương pháp nghiên cứu: .14 CHƯƠNG II KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ XE GẮN MÁY TAY GA ĐANG SỬ DỤNG PHỔ BIẾN HIỆN NAY VỀ CẤU TẠO, CÔNG SUẤT, 16 TIÊU HAO NHIÊN LIỆU VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 2.1 Giới thiệu xe gắn máy tay ga 16 2.2 Hình dáng, cấu tạo số phận xe gắn máy tay ga .16 2.3 Công suất số loại xe gắn máy tay ga sử dụng phổ biến Việt Nam: 17 2.4 Tiêu hao nhiên liệu số loại xe gắn máy tay ga sử dụng phổ biến Việt Nam: 19 2.5 Khí thải số loại xe gắn máy tay ga sử dụng phổ biến Việt Nam: 20 2.6 Nhận xét chung: 21 CHƯƠNG III CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 A- NGHIÊN CỨU TỔNG THỂ VỀ XE LAI 22 3.1 Xe lai gì, phân loại xe lai 22 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Trần Lương Thụy 3.2 Lịch sử phát triển xe lai: 28 3.3 Những phận xe lai: 29 3.4 Xe lai Honda (Japan) triển lãm Việt Nam năm 2004: .33 3.5 Xe lai Piagio (Italy) 36 3.6 Một số loại xe lai khác .37 3.7 Giới thiệu động điện: 39 3.8 Động điện chiều có chổi than (brushed DC motor): 39 3.9 Động điện chiều không chổi than (brushless DC motor) 40 3.10 Động bước: .42 3.11 Máy phát điện xoay chiều AC: .44 3.12 Nguồn cung cấp lượng (ắcqui): 46 3.13 Khảo sát vi điều khiển Atmega8 .50 3.14 Giới thiệu cấu trúc phần cứng Atmega8 57 3.15 Bộ chuyển đổi A/D bên Atmega8 64 3.16 Tổng quan ngơn ngữ lập trình Assembly 73 3.17 Cảm biến sử dụng cho thiết kế xe lai: .75 C- NGHIÊN CỨU CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA XE GẮN MÁY TAY GA NỀN ATTILA 125cc CẦN CẢI TIẾN THÀNH XE LAI 76 3.18 Thông số kỹ thuật xe SYM-Attila 76 3.19 Sơ đồ hệ thống điện xe SYM-Attila 81 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ KẾT HỢP CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRÊN XE LAI TRÊN CƠ SỞ XE GẮN MÁY 83 TAY GA NỀN ATTILA 125cc 4.1 Sơ đồ bố trí phận xe lai 83 4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển xe lai 84 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Trần Lương Thụy 4.3 Mô tả chế độ hoạt động xe máy tay ga lai 91 4.4 Tính tốn lựa chọn động điện để lắp đặt xe Attila 125cc .92 4.5 Xác định thông số, lựa chọn bố trí accu xe: 98 4.6 Thiết kế phanh nạp sử dụng xe lai: 99 4.7 Thiết kế chế tạo cấu truyền động tích hợp truyền động vô cấp CVT(bộ truyền động đai biến thiên liên tục kiểm sốt điện tử) 99 4.8 Tính kiểm bền khung xe lai 107 CHƯƠNG V THỬ NGHIỆM XE LAI 111 5.1 Mục đích yêu cầu thử nghiệm .111 5.2 Mô tả thiết bị thử nghiệm: 111 5.3 Hình dáng xe lai thử nghiệm: 113 5.4 Kết cấu phận xe lai thử nghiệm: 114 5.5 Nội dung thử nghiệm .118 CHƯƠNG VI KẾT LUẬN-HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga 123 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Trần Lương Thụy BẢNG BIỂU-HÌNH ẢNH Hình I-1: Sự phát triển xe điện (EV) xe lai (HEV) Mỹ từ năm 1995 đến năm 2005 .11 Hình I-2: Sự phát triển xe lai Nhật Bản từ năm 1999 đến năm 2005 11 Hình I-3: Biểu đồ so sánh doanh số bán theo tháng thương hiệu xe khác Nhật Bản .12 Hình I-4: Mơ tả dịng xe lai nghiên cứu phát triển công ty Toyota từ năm 1997 đến năm 2006 .12 Hình II-1: Hình dáng bố trí chung phận xe gắn máy tay ga 16 Hình II-2 Biểu đồ cơng suất loại xe khác hãng xe Honda, Yamaha, SYM-VMEP 17 Hình II-3 Biểu đồ mơ tả mối liên hệ tốc độ động tốc độ xe loại xe máy tay ga khác 18 Hình II-4 Biểu đồ tiêu hao nhiên liệu loại xe máy tay ga ứng với tốc độ xe khác .19 Hình II-5:Biểu đồ khí thải CO ứng với tốc độ động khác loại xe máy tay ga khác 20 Hình III-1: Các chế độ vận hành điển hình xe lai 22 Hình III-2: Sơ đồ dịng lượng kéo xe dòng lượng điện xe lai tổ hợp mắc nối tiếp 23 Hình III-3: Sơ đồ dòng lượng kéo xe dòng lượng điện xe lai tổ hợp mắc song song 24 Hình III-4: Sơ đồ dịng lượng kéo xe dòng lượng điện xe lai tổ hợp mắc hỗn hợp .25 Hình III-5: Bộ phân phối công suất Toyota Prius 26 Hình III-6: So sánh tỉ lệ sử dụng động nhiệt động điện tổ hợp xe lai .27 Hình III-7: Những hình ảnh thủa sơ khai xe lai 29 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Trần Lương Thụy Hình III-8: Một cách hình dung xe lai thơng qua hình ảnh người .30 Hình III-9: Tình trạng sử dụng lượng tích trữ lượng xe lai ứng với chế độ vận hành khác .30 Hình III-10: Xe Toyota Prius hình vẽ mặt cắt động .31 Hình III-11: Hình dáng chuyển đổi điện 32 Hình III-12: Hình dáng ắcqui xe Toyota Prius 32 Hình III-13: Mức khí thải xe xếp theo tiêu chuẩn châu âu 33 Hình III-14: Xe lai Honda (Japan) triển lãm Việt Nam năm 2004 33 Hình III-15: Bố trí phận xe lai Honda 34 Hình III-16: Mặt cắt ngang động xe lai Honda 34 Hình III-17: Màn hình hiển thị có đèn báo chế độ vận hành xe lai Honda 35 Hình III-18: Bố trí kết cấu khay Pin cách thức làm mát cho Pin xe chạy xe lai Honda 35 Hình III-19: Vị trí ECU mạch cơng suất xe lai Honda 36 Hình III-20: Xe lai Piagio (Italy) 36 Hình III-21: Động xe lai Piagio (Italy) 36 Hình III-22: Xe điện Honda 37 Hình III-23: Hình mặt cắt ngang động xe điện Honda 37 Hình III-24: Sơ đồ mạch điều khiển động xe điện Honda 38 Hình III-25: Biểu đồ cơng suất, mơmen, số vịng quay xe điện Honda ứng với chế độ thử nghiệm khác 38 Hình III-26: Biểu đồ mơmen động điện hãng Polaron’s Nelco division 40 Hình III-27: Động Gemini series có vịng tiếp điện hai đầu phần ứng 40 Hình III-28: Động biến từ trở .43 Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga 117 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Trần Lương Thụy 1 Trục truyền động bánh vít Bánh nhỏ cặp bánh thay đổi tỷ số truyền Bánh lớn cặp bánh thay đổi tỷ số truyền Nửa puli di động làm thay đổi bề rộng rãnh đai cụm puli chủ động Dây đai Nửa puli cố định cụm puli chủ động Hình V-9: Kết cấu bố trí hệ thống truyền động thay đổi độ rộng rãnh đai (thay đổi tỷ số truyền) Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng 118 HVTH: Trần Lương Thụy Trục bánh từ hộp giảm tốc Puly máy phát điện Cơ cấu ly hợp chiều Máy phát điện 48V Dây đai máy phát điện Hình V-10: Kết cấu bố trí hệ thống truyền động từ bánh xe tới máy phát điện 48V 5.5 Nội dung thử nghiệm 5.5.1 Thử nghiệm chế độ vận hành động điện EV (electric driving mode) Tiến hành thử: ƒ Tổng khối lượng xe 271 kg (bản than xe 120kg, người ngồi xe 120kg, truyền động điện+ắcqui+động điện 39kg) ƒ Đường nhựa phẳng ƒ Bật công tắc xe ƒ Vặn tay ga góc khoảng 15° Kết quả: Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng 119 HVTH: Trần Lương Thụy ƒ Xe tăng tốc độ từ 0~30 km/h thời gian 10 giây ƒ Lúc động nhiệt không khởi động ƒ Giữ nguyên vị trí tay ga xe giữ vận tốc chạy ổn định 30 km/h vòng Tuy nhiên, dung lượng ắcqui thấp ECU xuất tín hiệu điều khiển xe chuyển sang vận hành động nhiệt 5.5.2 Thử nghiệm khả chuyển đổi từ chế độ vận hành động điện sang chế độ vận hành động nhiệt Tiến hành thử: ƒ Khi xe vận hành chế độ động điện ƒ Người điều khiển xe vặn tay ga góc lớn 15° Kết quả: ƒ Xe chạy động điện, động nhiệt bắt đầu khởi động tăng tốc độ quay 0~3000 vòng/phút, lúc khớp ly hợp ly tâm chưa ăn khớp chưa truyền mômen quay từ trục khuỷu tới cụm puly chủ động Mômen bánh xe nhận động điện ƒ Khi tốc độ quay động nhiệt đạt mức 3000 vòng/phút, lúc khớp ly hợp ly tâm bắt đầu ăn khớp truyền mômen quay từ trục khuỷu tới cụm puly chủ động để dẫn động đai tới puly bị động qua hộp giảm tốc tới bánh xe sau ƒ Động điện sau nhận tín hiệu từ ECU để ngưng hoạt động, lúc khớp ly hợp chiều tự động ngắt truyền động từ động điện tới cụm puly chủ động 5.5.3 Thử nghiệm chế độ vận hành động nhiệt (engine driving mode) Tiến hành thử: ƒ Khi xe vận hành chế độ động nhiệt (tốc độ xe >30 km/h) ƒ Động điện dừng hoạt động Kết quả: Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xe lai (Hybrid) xe gắn máy tay ga GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng 120 HVTH: Trần Lương Thụy ƒ Xe chạy động nhiệt, động nhiệt có tốc độ quay >3000 vòng/phút, lúc khớp ly hợp ly tâm ăn khớp truyền mômen quay từ trục khuỷu tới cụm puly chủ động Mômen bánh xe nhận động nhiệt ƒ Tăng dần tốc độ động nhiệt từ 3000 vòng/phút đến 7000 vòng/phút quan sát đồng hồ tốc độ xe, thấy kim đồng hồ tốc độ xe mức 35~70 km/h 5.5.4 Thử nghiệm khả chuyển đổi từ chế độ vận hành động nhiệt trở chế độ vận hành động điện xe giảm tốc xuống mức thấp 30km/h trường hợp tải nhỏ lúc ECU thay đổi bề rộng rãnh đai làm cho bề rộng rãnh đai hẹp nhất, tỷ số truyền xe mức cao ƒ Khi tốc độ xe 4000 vòng/phút, ECU thay đổi bề rộng rãnh đai làm cho bề rộng rãnh đai rộng nhất, tỷ số truyền tỷ số truyền xe mức thấp 5.5.6 Thử nghiệm khả nạp điện xe giảm tốc hay phanh Tiến hành thử: ƒ Khi xe vận hành chế độ động điện hay động nhiệt ƒ Người lái xe trả tay ga để giảm tốc độ xe hay người lái xe phanh xe Kết quả: ƒ ECU nhận tín hiệu từ công tắc phanh hay cảm biến bướm ga vị trí mở ga thấp, ECU xuất tín hiệu điện áp đến cuộn dây kích từ máy phát điện, lúc ắcqui nạp từ máy phát điện ƒ Khi người lái xe tăng tốc độ xe lên không phanh xe nữa, ECU điều khiển thơi khơng cấp điện cho cuộn dây kích từ lúc máy phát điện khơng nạp cho ắcqui 5.5.7 Thử nghiệm tiêu hao lượng điện cho 100km: Tiến hành thử: ƒ Nạp đầy ắcqui ƒ Cho xe chạy điện liên tục tốc độ