Nghiên cứu hệ thống điều khiển trên ôtô hybrid

1 MỤC LỤC Trang DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ .………………………………………… .1 DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………….……………… 3 2 LỜI NÓI ĐẦU Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới phải đối mặt với những vấn đề lớn như ô nhiễm môi trường, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch. Một loạt các ảnh hưởng và tác động xấu được bắt nguồn từ các vấn đề trên. Để khắc phục những vần đề khó khăn nói trên, cùng với các ngành khoa học công nghệ khác thì ngành công nghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu công nghệ khắp nơi trên thế giới đã tìm cách cải tiến và thay thế các công nghệ trên xe hơi. Mục đích của các nghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát thải ô nhiễm và giảm sự tiêu hao hoặc thay thế nhiên liệu truyền thống. Đã có một vài công nghệ hiện đại và tối ưu hơn được áp dụng cho xe hơi, trong số đó thì công nghệ hybrid electric đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô. Với những ưu điểm và hiệu quả của nó, công nghệ hybrid đang là một lựa chọn phù hợp cho các nhà sản xuất xe hơi trong hiện tại và tương lai. Có rất nhiều mẫu xe hơi của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khi tung ra thị trường như: Toyota Prius, Honda Insight . Với những thành công và sự cần thiết của công nghệ hybrid như đã nêu trên, do đó em nghiên cứu đã mạnh dạn chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển trên ôtô hybrid” làm đề tài tốt nghiệp. Với sự nỗ lực và cố gắng của mình, cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy Thân Quốc Việt, em đã thực hiện và hoàn thành các khối lượng theo yêu cầu. Tuy nhiên, do đây là một đề tài mới và phạm vi rộng cũng như còn hạn chế nhiều về tài liệu và kiến thức thực tế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo cùng các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Hà Nội, Ngày 18 tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện Đỗ Văn Tuấn 3 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID 1.1. Khái niệm chung Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thông thường (xăng, Diesel…) với động cơ điện lấy năng lượng điện từ một ắc-quy cao áp hoặc phối hợp hai nguồn nhiên liệu như giữa xăng và diesel, giữa xăng và khí ga hay giữa xăng và biodiesel. Nhưng trong phạm vi đề tài em chỉ tập trung nghiên cứu vào cách phối hợp giữa động cơ chạy bằng xăng và động cơ điện lấy năng lượng từ một ắc quy cao áp. Điểm đặc biệt là ắc-quy được nạp điện với cơ chế nạp “thông minh” như khi xe phanh, xuống dốc…, gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng. Nhờ vậy mà ôtô có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết. 1.2. Xu hướng phát triển của ôtô hybrid 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 khí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ 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 Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường 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 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. Ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô 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, 4 điện, pile nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid) . Phạm vi bài viết này chỉ bàn về ôtô hybrid. 1.3. Những nhược điểm mà ôtô hybrid khắc phục được so với ôtô thông thường Ôtô hybrid khi sinh ra nó đã khắc phục được rất nhiều những nhược điểm của ôtô thông thường như tổn thất năng lượng khi khởi động nguội, tổn thất khi phanh, lượng phát thải lớn ở chế độ không tải, tổn hao khi chuyển các tay số,…. Chúng ta sẽ đi tìm hiểu về một số tổn hao này. - Tổn thất khi khởi động nguội: đối với động cơ nhiệt thông thường khi ngừng hoạt động trong một thời gian lâu thì việc khởi động lại động cơ tiêu tốn rất nhiều năng lượng cho việc sởi ấm động cơ, hòa khí đậm khi khởi động nguội dẫn đến hiện tượng cháy không hoàn toàn. Ôtô khởi động bằng động cơ điện nên đã gần như khắc phục được điệu này. - Tổn thất khi phanh: khi chúng ta phanh động cơ, một nguồn năng lượng rất lớn từ động cơ đã bị bỏ phí vì nó không có tác dụng kéo động cơ. Ở ôtô hybrid khắc phục điều này bằng cách sử dụng phanh tái sinh năng lượng - Lượng phát thải lớn ở chế độ không tải: chế độ không là một trong những chế độ phát thải lớn của động cơ thông thường. Trong chế độ này động cơ chỉ hoạt động để sinh ra năng lượng để thắng được các lực cản của động cơ. Ôtô hybrid đã khắc khục được điều này bằng cách sử dụng động cơ điện cho chế độ chạy không tải. - Tổn hao khi chuyển các tay số: để khắc phục điều này thì một số ôtô hybrid đã dùng động cơ điện để thay đổi tốc độ xe cũng như mô men kéo động cơ. Vậy nên có thể loại bỏ hộp số của động cơ thông thường. 1.4. Phân loại ôtô hybrid 1.4.1. Theo thời điểm phối hợp công suất 1.4.1.1. Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm Khi ôtô bắt đầu khởi hành, motor điện sẽ hoạt động cung cấp công suất giúp xe chuyển động và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h) trước khi động cơ xăng tự khởi động. Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng phải khởi động ngay lập tức mới có thể cung cấp công suất tối đa. Ngoài ra, motor điện và 5 động cơ xăng cũng hỗ trợ cho nhau khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như khi leo dốc, leo núi hoặc vượt qua xe khác. Do motor điện được sử dụng nhiều ở tốc độ thấp, nên loại này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đường phố hơn là khi đi trên đường cao tốc. Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai dòng điển hình thuộc loại này. 1.4.1.2. Phối hợp khi cần công suất cao Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xe khác, còn trong điều kiện bình thường xe vẫn chạy bằng động cơ xăng. Do đó, những chiếc hybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đường cao tốc vì đó là khi động cơ xăng ít bị gánh nặng nhất. Điển hình là Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộc loại thứ hai. Cả hai loại này đều lấy công suất từ ắc-quy khi motor điện được sử dụng và đương nhiên nó sẽ làm yếu công suất của ắc-quy. Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid không cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc. 1.4.2. Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện 1.4.2.1. Kiểu nối tiếp Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, 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 . Hình 1.1a. Hệ thống hybrid nối tiếp 6 Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc-quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện. Động cơ điện ở đây còn có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh. Hình 1.1b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp 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 ăcquy. 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. 1.4.2.2. Kiểu song song Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song. Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc. Kiểu này không cần dùng máy phát điện 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 7 động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy. Hình 1.2a. Hệ thống hybrid song song 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 hỗn hợp. Nhược điểm: Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor 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. Hình 1.2b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song 8 1.4.2.3. Kiểu hỗn hợp 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 lai 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. Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe hybrid. Hình 1.3a. Hệ thống hybrid hỗn hợp 9 Hình 1.3b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp. 1.4.2.4. So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất Bảng 1: So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống 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 Hỗn hợp 10 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ÔTÔ HYBRID 2.1. Sơ đồ tổng quát của đường truyền công suất trên ôtô hybrid Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền công suất