Nghiên cứu tính toán hệ động lực cho ô tô hybrid

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lương Quang Huy Nghiên cứu tính tốn hệ động lực cho tơ hybrid Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Khổng Vũ Quảng Hà Nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Lƣơng Quang Huy 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 Bộ mơn Động đốt cho phép thực luận văn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học Viện Cơ khí động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng hướng dẫn tận tình chu đáo mặt chuyên mơn để tơi thực hồn thành luận văn Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, Bộ mơn Phịng thí nghiệm Động đốt - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông, Ban chủ nhiệm Khoa Cơng nghệ Tự động hóa thầy Khoa hậu thuẫn động viên suốt q trình học tập Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận văn đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận văn Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích suốt thời gian học tập Tuy nhiên cịn có hạn chế thời gian việc sử dụng AVL-Cruise phần mềm hoàn toàn nên đề tài tơi cịn nhiều thiếu sót Tơi mong nhận góp ý thầy cô hội đồng, người đọc thầy cô Bộ môn Động đốt để giúp tơi hồn thiện luận văn Học viên Lƣơng Quang Huy MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 11 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ Ô TÔ HYBRID 13 1.1 Khái quát công nghệ hybrid xe 13 1.1.1 Khái niệm chung 13 1.1.2 Xu hướng phát triển ô tô hybrid 16 1.2 Các phương pháp phối hợp nguồn động lực hệ động lực ô tô hybrid 18 1.2.1 Phối hợp nguồn động lực kiểu nối tiếp 18 1.2.2 Phối hợp nguồn động lực kiểu song song 19 1.2.3 Phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp 20 1.3 Lợi việc sử dụng ô tô hybrid 21 1.4 Kết luận chương I 22 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN NGUỒN ĐỘNG LỰC 24 2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp phối hợp nguồn động lực cho ô tô hybrid 24 2.2 Chiến lược sử dụng nguồn lượng 25 2.2.1 Phối hợp nguồn động lực kiểu nối tiếp 25 2.2.2 Phối hợp nguồn động lực kiểu song song 26 2.2.3 Phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp 28 2.3 Cơ sở lý thuyết tính tốn nguồn động lực phối hợp 31 2.3.1 Cơ sở tính tốn nguồn động lực 31 2.3.2 Cơ sở tính tốn phối hợp 33 2.4 Kết luận chương II 35 CHƢƠNG III: TÍNH TỐN NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO Ơ TƠ HYBRID 37 3.1 Lựa chọn đối tượng 37 3.1.1 Lý lựa chọn đối tượng 37 3.1.2 Thông số đối tượng 37 3.2 Xác định phương pháp phối hợp nguồn động lực cho ô tô hybrid 37 3.2.1 Xác định phương pháp phối hợp nguồn động lực 37 3.2.2 Lựa chọn phối hợp công suất 37 3.3 Chiến lược điều khiển 38 3.3.1 Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn ắc quy 38 3.3.2 Chiến lược điều khiển bật tắt ĐCĐT 39 3.4 Tính toán nguồn động lực 40 3.4.1 Tính tốn lựa chọn ĐCĐT 40 3.4.2 Tính tốn lựa chọn ĐCĐ 41 3.4.3 Tính tốn lựa chọn ắc quy 42 3.5 Tính tốn phối hợp 44 3.6 Kết luận chương III 45 CHƢƠNG IV: MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Ơ TƠ HYBRID 46 4.1 Giới thiệu phần mềm AVL-Cruise 46 4.2 Các tính phần mềm hỗ trợ 46 4.1.2 Các tính AVL-Cruise 46 4.1.3 Một số phần mềm hỗ trợ 47 4.3 Các thành phần phần mềm 47 4.4 Các bước xây dựng mơ hình 48 4.4.1 Tạo project 48 4.4.2 Các thông số thành phần 49 4.4.3 Một số thành phần mở rộng 64 4.4.4 Tạo liên kết thành phần 68 4.4.5 Thiết lập mơ hình 71 4.4.6 Chạy mơ hình mơ 71 4.4.7 Kết mô (Result manager) 71 4.5 Ứng dụng phần mềm AVL-Cruise vào chạy mơ mơ hình 73 4.5.1 Các bước xây dựng mơ hình 73 4.5.2 Lựa chọn chế độ chạy 76 4.5.3 Kết chạy thử nghiệm 79 4.5.4 Nhận xét 80 4.6 Kết luận chương IV 81 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHỤ LỤC 85 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải AVL – Cruise Phần mềm mô hãng AVL (Áo) CO Mônôxit cácbon NOx Ơxít nitơ PM Chất thải dạng hạt TN Thực nghiệm ĐCĐT Động đốt MP Máy phát ĐCĐ Động điện DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động Piaggio 150cc 41 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật ĐCĐ 42 Bảng 4.1: Thông số đặc trưng số chu trình thử phổ biến 77 Bảng 4.2: Giới hạn nồng độ chất ô nhiễm khí thải 78 Bảng 4.3: Bảng thống kê kết sau chạy thử nghiệm 80 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu động xăng [4] 13 Hình 1.2: Đặc tính ngồi động đốt [4] 14 Hình 1.3: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động xe [4] 14 Hình 1.4: Đặc tính ĐCĐ [4] 15 Hình 1.5: Lực kéo xe có động xăng với hộp số cấp mô-tơ điện với hệ dẫn động cấp [4] 15 Hình 1.6: Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ xe đường dốc [4] 16 Hình 1.7: Dự đốn phát triển mẫu xe tương lai gần [11] 17 Hình 1.8: Phối hợp nguồn động lực kiểu nối tiếp [2] 18 Hình 1.9: Sơ đồ phương pháp phối hợp nguồn động lực kiểu nối tiếp áp dụng cho xe Chevrolet Volt [9] 19 Hình 1.10: Phối hợp nguồn động lực kiểu song song [2] 20 Hình 1.11: Phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp [2] 21 Hình 1.12: Sơ đồ phương pháp phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp xe Toyota Prius [9] 21 Hình 2.1: Sơ đồ hệ dẫn động hybrid kiểu hỗn hợp 29 Hình 2.2: Sơ đồ phối hợp kết nối mô men [2] 34 Hình 2.3: Sơ đồ phối hợp kết nối tốc độ [2] 34 Hình 2.4: Sơ đồ phối hợp kết nối hỗn hợp mô men tốc độ [2] 35 Hình 3.1: Bộ phối hợp cơng suất kết nối tốc độ 38 Hinh 3.2: Lưu đồ thuật toán điều khiển trạng thái nạp lớn ắc quy 39 Hình 3.3: Minh hoạ điều khiển đóng ngắt ĐCĐT [4] 39 Hình 3.4: Động điện HPM3000B [10] 42 Hình 3.5: Hình ảnh phối hợp kết nối tốc độ 44 Hình 4.1: Giao diện phần mềm tạo project 48 Hình 4.2: Đặt tên cho project 48 Hình 4.3: Chọn load mở mơ hình 49 Hình 4.4: Lựa chọn mô đun xe 49 Hình 4.5: Lựa chọn đặc tính xe 50 Hình 4.6: Nhập thơng số xe 51 Hình 4.7: Lựa chọn ĐCĐT 51 Hình 4.8: Các thông số ĐCĐT 52 Hình 4.9: Đồ thị thông số đặc trưng ĐCĐT 53 Hình 4.10: Đồ thị thông số đặc trưng ĐCĐT 53 Hình 4.11: Chọn truyền động 54 Hình 4.12: Đặc tính truyền động 54 Hình 4.13: Các thông số truyền động 55 Hình 4.14: Các thơng số truyền động 55 Hình 4.15: Chọn mơ đun ly hợp 56 Hình 4.16: Đặc tính ly hợp 56 Hình 4.17: Các thơng số ly hợp 57 Hình 4.18: Các thơng số ly hợp 57 Hình 4.19: Mô đun truyền đơn 58 Hình 4.20: Đặc tính truyền đơn 58 Hình 4.21: Các thơng số truyền đơn 59 Hình 4.22: Chọn mơ đun vi sai 59 Hình 4.23: Đặc tính vi sai 60 Hình 4.24: Các thơng số vi sai 60 Hình 4.25: Chọn mơ đun phanh 60 Hình 4.26: Đặc tính phanh 61 Hình 4.27: Các thơng số mô đun phanh 61 Hình 4.28: Chọn mơ đun bánh xe 62 Hình 4.29: Đặc tính bánh xe 62 Hình 4.30: Các thơng số bánh xe 63 Hình 4.31: Chọn mơ đun khoang lái 63 Hình 4.32: Đặc tính khoang lái 63 Hình 4.33: Thơng số khoang lái 64 41,2km/h Giai đoạn kéo dài 867s Khi bắt đầu thử, động khởi động trạng thái nguội sau đêm để nhiệt độ môi truờng (20 °C) Giai đoạn giống giai đoạn khởi động lại sau dừng động 10 phút kể từ lúc kết thúc giai đoạn Quãng đường tương ứng tổng cộng 17,86km với tốc độ trung bình 34,1km/h Lượng khí nhiễm đo riêng giai đoạn kết chung tính g/km với hệ số điều chỉnh 0,43 giai đoạn đầu, giai đoạn 0,57 giai đoạn Hình 4.61: Đặc tính vận tốc chu trình FTP75 theo thời gian Ví dụ tính lượng CO phát thải trình thử: (CO) = 0,43.(CO)gd1 + 1.(CO)gd2 + 0,57.(CO)gd3 (g/km) 4.5.3 Kết chạy thử nghiệm Kết chạy thử nghiệm thể bảng 4.3: 79 Bảng 4.3: Bảng thống kê kết sau chạy thử nghiệm Ô tô thông thường Ô tô hybrid 3,74 1,62  CO2:  88,235  38,343  NOx:  0,81  0,22  CO:  9,74  3,538  HC:  0,3  0,156  Không tải:  0,1573  0,0000  Tăng tốc:  0,1315  0,1106  Tốc độ không  0,0801  0,0359  Giảm tốc:  0,0835  0,0690 0,4524 0,2155 Loại mơ hình Suất tiêu nhiên liệu: (l/km) hao Phát thải: (g/km) Thành phần lượng tiêu hao nhiên liệu quãng đường được: (kg) đổi:  Tổng tiêu hao nhiên liệu: Chi tiết biểu đồ kết phát thải tiêu hao nhiên liệu thể phần Phụ lục [PL17, PL18, PL19, PL20] 4.5.4 Nhận xét - Suất tiêu hao nhiên liệu ô tô hybrid giảm 56,68% so với ô tô thông thường (ở hybrid 1,62 (l/km) so với 3,74 (l/km)) - Các thành phần khí thải tô hybrid giảm so với ô tô truyền thống 56,5% với CO2, 72,8% với NOx, 63,67% với CO 48% HC - Từ bảng trình tiêu hao nhiên liệu ứng với thời điểm nhận ô tô hybrid không tiêu tốn nhiên liệu vào q trình khơng tải xe 80 4.6 Kết luận chƣơng IV Sau tính tốn thông số phận nguồn động lực, tiến hành thực mô mô hình phần mềm AVL-Cruise Chương cung cấp tính phần mềm AVL-Cruise bước xây dựng mơ hình mơ Trên sở thơng số có, sử dụng phần mềm AVL-Cruise để tiến hành xây dựng mơ hình mơ với u cầu đề Từ kiểm chứng tính ưu việt ô tô hybrid với khả phát thải thấp so với ô tô thông thường 81 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN CHUNG Với việc nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt, tình trạng nhiễm mơi trường mức báo động nhu cầu sử dụng tơ ngày gia tăng việc tạo xe có khả tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường yêu cầu cấp thiết Có nhiều loại xe thân thiện với mơi trường hãng xe giới đưa Trong cơng nghệ tơ hybrid lên lựa chọn hàng đầu Có nhiều phương pháp phối hợp nguồn động lực ô tô hybrid, hãng xe khác áp dụng phương pháp khác tùy vào mục đích thiết kế họ Tuy vậy, việc lựa chọn phương pháp để tính tốn luận văn cần phù hợp với điều kiện nghiên cứu thực tế luận văn Sau tính tốn thơng số thành phần hệ động lực tiến hành mơ mơ hình phần mềm AVL-Cruise, thấy ô tô sử dụng động hybrid kiểu song song có nhiều tính vượt trội so với ô tô thường như: - Sử dụng phương pháp tái sinh lượng để tạo dòng điện nạp cho ắc quy - Có thiết kế ĐCĐT nhỏ gọn - Giảm lượng tiêu thụ nhiệt liệu (ơ tơ hybrid có lượng tiêu thụ nhiên liệu nhiều so với ô tô sử dụng ĐCĐT thông thường) - Giảm lượng phát thải gây ô nhiễm môi trường HƢỚNG PHÁT TRIỂN Do bước đầu sử dụng phần mềm AVL-Cruise để mô hệ động lực hybrid nên không tránh khỏi hạn chế Từ trình làm luận văn em xin có số đề xuất: - Nghiên cứu ứng dụng Matlab vào việc mô liên kết thành phần xe đồng thời ứng dụng phần mềm mở rộng khác AVL 82 Boost… nhằm tận dụng hết khả đơn giản hóa việc lập mơ hình phần mềm AVL-Cruise - Tìm hiểu pin nhiên liệu sử dụng ô tô hybrid loại nhiên liệu dùng cho động nhiệt - Tính tốn thiết kế ô tô hybrid tất hệ thống, tính tốn tính kinh tế - Tính tốn tối ưu phối hợp công suất 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] AVL guide, AVL Cruise software version 2009 [2] C.C Chan, K.T Chau, Modern electric vehicle technology, 2001 [3] Khổng Vũ Quảng, Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình phối hợp nguồn động lực điện động đốt trong”, Hà Nội, 2014 [4] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E.Gay, Ali Emadi, Modern electric, Hybrid electric, and Fuel cell vehicles, 2005 [5] Nguyễn Khắc Trai cộng sự, Kết Cấu Ơ Tơ, NXB Bách khoa Hà Nội, 2010 [6] Phạm Minh Tuấn, Khí thải động ô nhiễm môi trường, Nhà XB Khoa học Kỹ Thuật Hà Nội, 2009 [7] Quy hoạch phát triển ngành dầu khí Việt Nam giai đoạn 2006 -2015 Định hướng đến năm 2025, Bộ Công nghiệp, 2007 [8] Toyota Hybrid system, tài liệu Toyota [9] https://www.wikipedia.org/ [10] http://www.goldenmotor.com/ [11] http://www.yole.fr/ 84 PHỤ LỤC Stt Thơng số Kí hiệu Đơn vị Giá trị Tự trọng G0 Kg 400 Trọng lượng toàn tải Ga Kg 560 Chiều dài sở L mm 1850 Chiều rộng tổng thể B mm 1490 Chiều cao tổng thể H mm 1480 Chiều dài tổng thể L0 mm 2660 Khoảng sáng gầm xe mm 200 PL1 Thông số đối tượng nghiên cứu PL2 Cửa sổ giao diện cài đặt cấu hình cho project 85 PL3 Đặc điểm hệ thống truyền động PL4 Các chế độ chạy PL5 Giao diện chế độ chạy 86 PL6 Các thông số điều kiện PL7 Thơng số chu trình thử 87 PL8 Giao diện thông số người lái PL9 Giao diện tính tốn 88 PL10 Giao diện ma trận tính tốn PL11 Thay đổi thành phần PL12 Giao diện tính toán thay đổi thành phần 89 PL13 Giao diện tính tốn hỗn hợp PL14 Giao diện thơng tin mơ hình 90 PL15 Mơ hình tơ thơng thường PL16 Mơ hình tơ hybrid 91 PL17 Biểu đồ phát thải ô tô thông thường PL18 Biểu đồ phát thải ô tô hybrid 92 PL19 Tổng lượng phát thải ô tô thông thường PL20 Tổng lượng phát thải ô tô hybrid 93 ... hệ động lực ô tô hybrid Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Xe ô tô hybrid chỗ ngồi sử dụng hai nguồn động lực động đốt (sử dụng nhiên liệu xăng) động điện Nghiên cứu thực mô phối hợp nguồn động lực cho. .. 1: Tổng quan chung ô tô hybrid - Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn nguồn động lực cho tơ hybrid - Chương 3: Tính tốn nguồn động lực cho ô tô hybrid - Chương 4: Mô hình mơ tơ hybrid - Kết luận... sử dụng phần mềm AVL-Cruise để thực việc nghiên cứu mô hệ thống động lực ô tô hybrid, qua bước góp phần vào việc làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo ô tô hybrid Việt Nam V Các nội dung đề tài Nội