Nghiên cứu phân tích hiệu suất năng lượng của ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA Ô TÔ LÊ HUỆ TÀI MINH bkminh.lht@gmail.com Ngành Kỹ thuật Ơ tơ Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Đàm Hồng Phúc Chữ ký GVHD Viện: Cơ khí động lực HÀ NỘI – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung trình bày luận văn tơi thực với hướng dẫn khoa học PGS.TS Đàm Hồng Phúc, thầy, giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với giúp đỡ bạn bè, đồng nghiệp Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đăng ký phê duyệt Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết luận văn trung thực Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Lê Huệ Tài Minh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 12 1.1 Giới thiệu ô tô điện 12 1.1.1 Sơ lược lịch sử ô tô điện 12 1.1.2 Tình hình sản xuất sử dụng tơ điện 13 1.1.3 Ưu, nhược điểm sử dụng ô tô điện 26 2.1 Một số hướng nghiên cứu thành tựu điển hình giới 28 2.1.1 Ứng dụng công nghệ nano giảm thời gian nạp ắc quy 28 2.1.2 Công nghệ nạp điện không dây 29 2.1.3 Phát triển sở hạ tầng cho trạm nạp ắc quy 31 2.2 Một số loại nguồn lượng sử dụng cho ô tô điện 32 2.2.1 Nguồn hỗn hợp cho xe Hybrid 32 2.2.2 Ắc quy chì - axít 32 2.2.3 Ắc quy NiMH 33 2.2.4 Ắc quy Ion Li 34 2.2.5 Ắc quy Li-Polyme 38 2.2.6 Công nghệ Fuel Cell nhiên liệu 39 2.2.7 Siêu tụ điện - Ultra - Capacitor 45 CHƯƠNG II:XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CỦA XE 48 2.1 Tham số phương trình cân cơng suất bánh xe 48 2.1.1 Công suất tải trung bình bánh xe 48 2.1.2 Tổn thất trung bình phanh 49 2.2 Các thơng số chu trình lái 52 2.3 Mất mát hệ thống truyền lực 55 2.3.1 Hệ thống truyền lực chung 56 2.3.2 Hệ thống truyền lực xe sử dụng động đốt (ICV) 59 2.3.3 Hệ thống truyền lực loại xe điện 60 2.3.4 Hệ thống truyền lực loại xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu hydro (Fuel Cell) 61 CHƯƠNG III:ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG 62 3.1 Giới thiệu tính phương pháp sử dụng phần mềm ADVISOR: 62 3.1.1 Giới thiệu tính 62 3.1.2 Hướng dẫn sử dụng ADVISOR 62 3.2 Đánh giá mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ xe cách so sánh với phần mềm ADVISOR 66 3.2.1 Tính tốn theo mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ xe 66 3.2.2 Số liệu mô phần mềm ADVISOR 68 3.2.3 So sánh kết - đánh giá phương pháp tính tốn lượng tiêu thụ xe 70 3.3 So sánh hiệu suất lượng loại ô tơ 71 3.3.1 Tính toán lượng tiêu thụ xe điện 71 3.3.2 Tính tốn lượng tiêu thụ xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu 74 3.3.3 So sánh hiệu suất mô hình xe vừa tính tốn 78 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Giải thích ký tự Đơn vị IEA Cơ quan lượng quốc tế VRLA Ắc quy chì- axit không bảo dưỡng KAIST Viện Khoa học Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc DC Điện chiều EV Xe ô tô điện HEV Xe ô tô hybrid điện AGM ắc quy chì - axit sử dụng sợi thủy tinh hấp thụ OCV Điện áp mạch hở VARTA 10 PAFC Tế bào nhiên liệu axit photphoric 11 PEMFC Tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton 12 IC Động đốt 13 PEM Màng bán thấm 14 CNG Lưu trữ khí tự nhiên nén 15 POX Phản ứng ơxi hóa phần 16 PROX Q trình ơxi hóa ưu tiên 17 A Diện tích cản gió 18 PWM Điều chỉnh độ rộng xung 19 PWM Phương pháp điều biến độ rộng xung 20 pure Evs Mẫu xe điện 21 𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 Cơng suất tải W Cơng suất cản khí động W Công suất cản lăn W 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 Công suất tăng tốc W 𝑃𝑃𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 Công suất cản dốc W v Vận tốc xe m/s 27 a Gia tốc xe m/s2 28 ρ Tỉ trọng khơng khí kg/m3 29 CD Hệ số cản khơng khí 30 A Diện tích cản xe 22 23 24 25 26 Ký tự 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 V Tên Công ty Đức: phân phối, sạc, sửa chữa, vận chuyển ắc quy m2 m2 31 𝐶𝐶𝑅𝑅𝑅𝑅 Hệ số cản lăn Tổng khối lượng xe kg g Gia tốc trọng trường m/s2 34 Z Độ cản dốc % 35 km Hệ số kể đến quán tính quay hệ thống truyền lực 36 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 Vận tốc trung bình 32 33 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑣𝑣𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 Vận tốc trung bình bậc Λ Tỉ lệ vận tốc chu kì lái 𝑎𝑎𝑒𝑒 Gia tốc tương đương m/s2 Cơng suất qn tính xe W 𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 PKE Giá trị đo lường gia tốc cần thiết chu kì lái 𝑣𝑣𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 Vận tốc xuất phát m/s Vận tốc kết thúc m/s 𝑣𝑣𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 ã gia tốc đặc trưng 𝑃𝑃𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 Công suất hệ thống phanh W Công suất đầu bán trục xe W 𝑃𝑃𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑−𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 NYDC Chu trình lái Thành phố New York 48 NEDC Chu trình lái Châu Âu 49 UDDS Chu trình lái thành phố 50 HWFET Chu trình lái đường cao tốc 51 52 ICV BEV 53 HSED Thiết bị lượng riêng cao 54 HSPD Thiết bị công suất riêng cao 55 𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 Động trung bình hấp thụ hệ thống truyền 47 56 57 58 m/s Các phương tiện sử dụng động đốt thông Các loại xe điện chạy pin W lực phanh tái tạo 𝑃𝑃𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑−𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 η Công suất tổn thất trung bình hệ thống truyền ADVISOR Phần mềm mô xe W Hiệu suất thành phần xe DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 1-1 Các chi phí liên quan đến bảo trì ắc quy 33 Bảng 1-2 Sự phát triển hệ thống ắc quy Li-ion 38 Bảng 1-3 Bảng 1-4 So sánh kiểu chất điện phân, dải nhiệt độ hoạt động hiệu suất chúng Chi từ năm 1992 2000 cho chương trình hidro Bảng 2-1 Thơng số số chu trình lái khảo sát thực tế 55 Bảng 3-1 Thông số xe sở (xe xăng) 66 Bảng 3-2 Thông số hiệu suất mục tiêu xe (xe xăng) 66 Bảng 3-3 Thông số chu trình lái NEDC 67 Bảng 3-4 So sánh kết thu tính tốn cho xe xăng 70 Bảng 3-5 Thông số xe sở (xe điện) 71 Bảng 3-6 Thông số hiệu suất mục tiêu xe (xe điện) 71 Bảng 3-7 Thơng số chu trình lái NEDC 71 Bảng 3-8 So sánh kết thu tính tốn cho xe điện 74 Bảng 3-9 Thơng số xe sở (xe pin nhiên liệu) 74 Bảng 3-10 Thông số hiệu suất mục tiêu xe (xe pin nhiên liệu) Bảng 3-11 Thơng số chu trình lái NEDC Bảng 3-12 So sánh kết thu tính toán cho xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu Kết tính tốn cơng suất xe Bảng 3-13 42 45 74 74 77 78 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ, đồ thị Số hiệu Hình 1.1 Ơ tơ điện thời kỳ đầu Hình 1.2 Mức độ phát thải khí CO2 tương đuơng loại động đốt điện Hình 1.3 Hiệu suất lượng tương đương loaị động đốt điện Hình 1.4 Mức độ phát thải tương đương loại động đốt điện Hình 1.5 Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện Hoa Kỳ từ năm 2009 Trang 12 14 15 15 16 Hình 1.6 Cấu hình hệ truyền động cho xe điện 16 Hình 1.7 Minh họa hệ thống lượng phân phối xe 17 Hình 1.8 Cấu hình xe plug-in hybrid 18 Hình 1.9 Lộ trình 40 năm nghiên cứu tơ điện Mitsubishi Motors 19 Hình 1.10 Xe tơ điện i-MiEV đưa thị trường 19 Hình 1.11 Xe điện OLEV nạp điện không dây online KAIST 20 Hình 1.12 Xe bus điện sử dụng siêu tụ Thượng Hải 21 Hình 1.13 Chỉ số sử dụng lượng xe ô tô động xăng điện 22 Hình 1.14 Xe điện mui hở 25 Hình 1.15 Xe điện chạy thành phố Nga 25 Hình 1.16 Xe-M.GO mắt triển lãm tơ Paris 2008 26 Hình 1.17 Xe Zap 26 Hình 1.18 Hình 1.19 Cơng nghệ vật liệu nano làm giảm thời gian nạp ắc quy Lithium-ion Thí nghiệm truyền điện khơng dây Hori-lab Hình 1.20 Xe điện OLEV nạp điện khơng dây online KAIST 31 Hình 1.21 The EV Project-dự án phát triển sở hạ tầng hệ thống trạm nạp Hoa Kỳ 31 Hình 1.22 Minh họa cấu trúc hệ truyền động nguồn lượng xe tơ hybrid Ngun lý hóa học Fuel Cell Hình 1.23 29 30 32 39 Hình 1.24 Minh họa hệ thống Fuel Cell xe ô tô điện 40 Hình 1.25 Cấu tạo siêu tụ điện 45 Hình 1.26 Sự khác biệt cấu tạo siêu tụ điện tụ điện thông thường Sản phẩm siêu tụ điện Maxwell Technology module tụ lớn thị trường Mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ xe phân chia công suất tải thành thành phần cản lăn cản quán tính để ước lượng tổn thất phanh Mơ hình lái giả thiết với giá trị thông số sau: vavg =10(m/s), Λ=1.1 ã=0.1m/s2 Chu kì lái giả thiết với giá trị thông số sau: vavg =10.5m/s (tăng lên 5%) , Λ=1.1 ã=0.1m/s2 Chu kì lái giả thiết với giá trị thơng số sau: vavg =10m/s , Λ=1.155 ( tăng lên 5%) ã=0.1m/s2 Chu kì lái giả thiết với giá trị thông số sau: vavg =10m/s , Λ=1.1 ã=0.105m/s2 (tăng lên 5%) Sơ đồ hệ thống truyền lực chung Hình 1.27 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 46 47 52 53 54 54 54 56 57 Hình 2.8 Sự tách rời cơng cản cơng qn tính tính tốn tổn thất hệ thống truyền lực Sơ đồ hệ thống truyền lực xe dùng động đốt Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống truyền lực xe điện 60 Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống truyền lực xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu 61 Hình 3.1 Giao diện phần mềm ADVISOR 62 Hình 3.2 Giao diện khởi động ADVISOR 63 Hình 3.3 Giao diện nhập thơng số xe 64 Hình 3.4 Giao diện nhập thơng số chu trình lái 65 Hình 3.5 Giao diện hiển thị kết 65 Hình 3.6 Giao diện kết thể công suất tiêu thụ xe 66 Hình 3.7 Hình 3.8 Kết tính tốn mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ với xe sử dụng nhiên liệu truyền thống Lựa chọn thơng số kỹ thuật xe Hình 3.9 Thống số chu trình lái lựa chọn 69 Hình 3.10 Kết mơ phần mềm ADVISOR 69 Hình 3.11 Kết tính tốn xe điện 72 Hình 3.12 Kết mô ADVISOR khối lượng hệ thống thành phần xe điện Kết mô ADVISOR lượng tiêu thụ xe điện Hình 2.7 Hình 3.13 60 67 68 73 73 Hình 3.14 Kết tính tốn xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu 76 Hình 3.15 Kết mô ADVISOR khối lượng hệ thống thành phần xe pin nhiên liệu 76 Hình 3.16 Kết mô ADVISOR công suất tiêu thụ xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu 77 Hình 3.6 Giao diện kết thể công suất tiêu thụ xe 3.2 Đánh giá mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ xe cách so sánh với phần mềm ADVISOR 3.2.1: Tính tốn theo mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ xe Xét xe sở với thông số sau: Bảng 3-1: Thông số xe sở (xe xăng) Trọng lượng không tải 1585 kg Tổng trọng lượng xe 1665 kg (1 hành khách nặng 80kg) Hệ số cản khí động 0.29 Diện tích cản diện 2.3 Hệ số cản lăn 0.009 Hiệu suất hệ thống truyền lực(𝑛𝑛𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ) 87% Hiệu suất chuyển hóa nhiên liệu(𝑛𝑛𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 ) 16.67% Vận tốc cực đại 144 km/h Thời gian gia tốc từ 0km/h-100km/h 11.5 s Khả leo dốc vận tốc 100km/h 6.5% Phạm vi lái mục tiêu 195 km Thông số hiệu suất mục tiêu xe thiết kế Bảng 3-2: Thông số hiệu suất mục tiêu xe (xe xăng) 66 Trên chu trình lái NEDC, ta có thơng số đầu vào sau: Bảng 3-3: Thơng số chu trình lái NEDC Vận tốc trung bình bậc (vavg) 33.04 km/h = 9.2 m/s Vận tốc trung bình bậc ba (vrmc) 53.62 km/h = 14.9 m/s Gia tốc đặc trưng (ã) 0.112 m/s2 Từ thông số đầu vào cho ta tiến hành tính tốn cơng suất xe xăng dự đoán khối lượng thành phần xe  Tính tốn cơng suất bánh xe: Từ cơng thức (1-8) ta tính cơng suất trung bình đầu bánh xe: Pawp = ρ𝐶𝐶𝐷𝐷 AΛ3 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 + 𝐶𝐶𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 g𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 2676(w) (3-1) Cơng suất trung bình hệ thống phanh tính theo cơng thức:  avg =1887(w) Pabp = km mtotal av (3-2) Cơng suất mát trung bình tính theo biểu thức: = Padl − ηtrans ( Proad + Pinertia ) = 682(w) ηtrans (3-3) Công suất động sinh trung bình tính bằng: PHPU = Pawp + Pabp + Padl + Paccessory = 5945(w) (3-4) Công suất nhiên liệu xăng sinh ra: Pfuel = PHPU =35663(w) ηtrans (3-5) Cơng suất hao phí: Plosses = Pfuel − PHPU =29718(w) (3-6)  Sau tính tốn ta lập bảng số liệu sau: Xe xăng Thông số xe sở Đơn vị Kết Cơng suất trung bình đầu Trọng lượng không tải 1585 kg (Average wheel power) Tổng trọng lượng xe (1 hành khách nặng Cơng suất trung bình hệ thống 1665 kg 80 kg) phanh (Average brake power) Công suất mát trung bình Hệ số cản khí động 0.29 (Average drive losses) Công suất phụ tải (Accessory Diện tích cản diện 2.3 m2 power) Cơng suất trung bình động sinh Hệ số cản lăn 0.009 (Average HPU power) Cơng suất hao phí (Average HPU Hiệu suất hệ thống truyền lực 87% losses) Công suất nhiên liệu xăng sinh Hiệu suất chuyển hóa nhiên liệu 16.67% (Average fuel flow) Thông số chu trình lái Vận tốc trung bình bậc (v avg ) Vận tốc trung bình bậc ba (v rmc ) Gia tốc đặc trưng (ã ) 9.2 Đơn vị m/s 14.9 0.112 m/s m/s2 Đơn vị Đơn vị 2676 W 80.99 Whpkm 1887 W 57.11 Whpkm 682 W 20.64 Whpkm 700 W 21.19 Whpkm 5945 W 179.93 Whpkm 29718 W 899.46 Whpkm 35663 W 1079.39 Whpkm Hình 3.7 Kết tính tốn mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ với xe sử dụng nhiên liệu truyền thống 67 3.2.2 Số liệu mô phần mềm ADVISOR  Ta chọn thông số đầu vào xe sau: Ta có: 𝑚𝑚𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 Hình 3.8: Lựa chọn thơng số kỹ thuật xe = 269 (kg), 𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 91(kg), 𝑚𝑚𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 = 24(kg), 𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 1666 (kg)  Thông số chu trình lái 68 Hình 3.9 Thống số chu trình lái lựa chọn  Kết q trình mơ phần mềm ADVISOR Hình 3.10 Kết mơ phần mềm ADVISOR Từ kết ta có: Tổng lượng xe cần cung cấp suốt chu trình NEDC E=44319(KJ) Trong thời gian xe chạy hết chu trình t=1184(s) Như cơng suất trung bình cần thiết xe là: 69 E =37431(w) (3-7) t 3.2.3 So sánh kết - đánh giá phương pháp tính tốn lượng tiêu thụ xe Ta có bảng so sánh kết tính tốn phương pháp PAMVEC mơ phần mềm Advisor sau: Bảng 3-4: So sánh kết thu tính tốn cho xe xăng Mơ hình tính tốn lượng ADVISOR tiêu thụ xe Padvisor = Công suất (W) PFuel 35663 37431 Từ bảng kết thu ta thấy kết tính tốn mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ xe không sai lệch nhiều so với kết thu mô từ phần mềm ADVISOR Tuy nhiên ta thấy việc sử dụng phương pháp trình bày luận văn đơn giản nhiều, ta tường tận q trình tính tốn, cịn phần mềm ADVISOR khơng 70 3.3 So sánh hiệu suất lượng loại tơ: 3.3.1 Tính tốn lượng tiêu thụ xe điện: Xét xe sở với thông số sau: Bảng 3-5: Thông số xe sở (xe điện) Trọng lượng không tải 1585kg Tổng trọng lượng xe 1665kg (1 hành khách nặng 80kg) Hệ số cản khí động 0.29 Diện tích cản diện 2.3 Hệ số cản lăn 0.009 Hiệu suất hệ thống truyền lực (𝑛𝑛𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ) 86% Hiệu suất pin (𝑛𝑛𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 ) 95% Hiệu suất sạc (𝑛𝑛𝑐𝑐ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ) 95% Hiệu suất motor/controller (𝑛𝑛𝑚𝑚𝑚𝑚 ) 79% Vận tốc cực đại 144km/h Thời gian gia tốc từ 0km/h - 100km/h 11.5s Khả leo dốc vận tốc 100km/h 6.5% Phạm vi lái mục tiêu 195km Thông số hiệu suất mục tiêu xe thiết kế: Bảng 3-6: Thông số hiệu suất mục tiêu xe (xe điện) Trên chu trình lái NEDC, ta có thơng số đầu vào chu trình lái sau: Bảng 3-7: Thông số chu trình lái NEDC Vận tốc trung bình bậc (vavg) 33.04km/h =9.2m/s Vận tốc trung bình bậc (vrmc) 53.62km/h =14.9m/s Gia tốc đặc trưng (ã) 0.112m/s2 Từ thông số đầu vào cho ta tiến hành tính tốn cơng suất xe điện dự đốn khối lượng xe Cơng suất qn tính tính theo cơng thức (1-17):  avg =1887(w) Pinertia = km mtotal av (3-8) Năng lượng trung bình hấp thụ hệ thống truyền lực tính theo cơng thức (1-20):  avg =1132(w) Pregen = kregen km mtotal av (3-9) Từ cơng thức (1-8) ta tính cơng suất trung bình đầu bánh xe: Proad = ρ𝐶𝐶𝐷𝐷 AΛ3 vavg + 𝐶𝐶𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 g𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 =2676(w) (3-10) Cơng suất trung bình phanh tính theo công thức (1-18):  avg =755(w) Pbrake= (1 − kregen ) km mtotal av (3-11) 71 Công suất mát trung bình hệ thống truyền lực tính theo biểu thức (1-34): − ηtrans ηmc Pdrive −loss ( Proad + Pinertia ) + Pregen (1 − ηtrans ηmc ) = ηtrans ηmc =2430(w) Công suất mát acquy tính theo cơng thức (1-35): Pbattery −loss = (3-12) (1 − ηbattery )(1 + kregen ) P inertia =68(w) (3-13) Từ giá trị xác định ta tính cơng suất trung bình acquy theo biểu thức (1-36): P battery = P road + P brake + P drive −loss + P battery −loss + P accessory =6636(w) Tổng lượng đầu vào tính sau: P elec = P battery ηCh arg erη Battery (3-14) =7353(w) (3-15) Đối với xe điện mối quan hệ lượng dự trữ công suất đầu trung bình ắc quy xác định sau: Energy = Range P battery =39165(wh) vavg − kph (3-16) Sau xác định thông số sở xe ta lập bảng excel sau: Xe điện Thông số xe sở Trọng lượng không tải 1585 Tổng trọng lượng xe (1 hành khách nặng 80 kg) 1665 Hệ số cản khí động 0.29 Diện tích cản diện Hệ số kể đến hấp thụ lượng hệ thống truyền động phanh tái tạo 2.3 Hệ số cản lăn Hiệu suất hệ thống truyền lực Hiệu suất pin (ncharger) Hiệu suất sạc (nbattery) Hiệu suất motor/controller Thơng số chu trình lái Vận tốc trung bình bậc (v avg ) Vận tốc trung bình bậc ba (v rmc ) Gia tốc đặc trưng (ã ) 0.6 0.009 87% 95.00% 95.00% 79.00% Đơn vị Kết Cơng suất trung bình đầu (Average wheel kg power) Cơng suất trung bình hệ thống phanh kg (Average brake power) Công suất mát trung bình hệ thống truyền lực(Average drive losses) m2 Công suất phụ tải (Accessory power) Công suất mát động điện (Pbattery-loss) Cơng suất trung bình động điện sinh (Pbattery) Tổng công suất đầu vào (Pelec) 9.2 Đơn vị m/s 14.9 0.112 m/s m/s2 Đơn vị W 80.99 Whpkm 755 W 22.85 Whpkm 2430 W 73.55 Whpkm 700 W 21.19 Whpkm 75 W 2.27 Whpkm 6636 W 200.85 Whpkm 7353 W 222.55 Whpkm Hình 3.11 Kết tính tốn xe điện 72 Đơn vị 2676 Mô với phần mềm ADVISOR với thông số đầu vào ta thu kết mơ phỏng: Hình 3.12 Kết mơ ADVISOR khối lượng hệ thống thành phần xe điện Hình 3.13 Kết mơ Advisor lượng tiêu thụ xe điện 73 *Từ kết ta có: Tổng lượng xe cần cung cấp suốt chu trình lái NEDC E=8466(KJ) Trong thời gian xe chạy hết chu trình t=1184(s) Như cơng suất trung bình cần thiết xe là: E = 7150(w) (3-17) t Ta có bảng so sánh kết tính tốn mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ xe mô phần mềm ADVISOR sau: Bảng 3-8: So sánh kết thu tính tốn cho xe điện Mơ hình tính tốn ADVISOR lượng tiêu thụ xe �������� Công suất (W) 𝑃𝑃 7374 7150 𝚤𝚤𝚤𝚤𝚤𝚤𝚤𝚤𝚤𝚤 Padvisor = 3.3.2 Tính tốn lượng tiêu thụ xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu: Xét xe sở với thông số sau: Bảng 3-9: Thông số xe sở (xe pin nhiên liệu) Trọng lượng không tải 1585kg Tổng trọng lượng xe 1665kg (1 hành khách nặng 80kg) Hệ số cản khí động 0.29 Diện tích cản diện 2.3 Hệ số cản lăn 0.009 Hiệu suất hệ thống truyền lực (𝑛𝑛𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ) 86% Hiệu suất pin (𝑛𝑛𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 ) 56.6% Hiệu suất motor/controller (𝑛𝑛𝑚𝑚𝑚𝑚 ) 79% Vận tốc cực đại 144km/h Thời gian gia tốc từ 0km/h - 100km/h 11.5s Khả leo dốc vận tốc 100km/h 6.5% Phạm vi lái mục tiêu 195km Thông số hiệu suất mục tiêu xe thiết kế: Bảng 3-10: Thông số hiệu suất mục tiêu xe (xe pin nhiên liệu) Trên chu trình lái NEDC, ta có thơng số đầu vào sau: Bảng 3-11: Thơng số chu trình lái NEDC Vận tốc trung bình bậc (Vavg) 33.04km/h =9.2m/s Vận tốc trung bình bậc (Vrmc) 53.62km/h =14.9m/s Gia tốc đặc trưng (ã) 0.112m/s2 74 Từ thông số đầu vào cho ta tiến hành tính tốn cơng suất xe điện dự đốn khối lượng xe Cơng suất qn tính tính theo cơng thức (1-17):  avg =1887(w) Pinertia = km mtotal av (3-18) Từ cơng thức (1-8) ta tính cơng suất trung bình đầu bánh xe: Proad = ρ𝐶𝐶𝐷𝐷 AΛ3 𝑣𝑣𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 + 𝐶𝐶𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑚𝑚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 gvavg =2634(w) (3-19)  avg =1883(w) P brake= (1 − kregen ) km mtotal av (3-20) Công suất trung bình phanh tính theo cơng thức (1-18): Biểu thức tính lượng trung bình đầu hệ thống truyền lực tính tốn thơng qua biểu thức sau: ρ CD AΛ 3vavg + CRR mtotal gvavg + km mtotal ãvavg = 4563(w) (3-21) Công suất mát hệ thống truyền lực tính theo (1-40): − ηtrans ηmc ( Proad + Pinertia ) = 2153(w) Pdrive −loss = (3-22) ηtrans ηmc Pdrive − out = Năng lượng trung bình Pin nhiên liệu tính theo cơng thức (1-41): PFC = Pdrive − out + Pdrive −loss + Paccessory = 7416(w) (3-23) Từ ta tính tốn lượng đầu vào cần thiết xe Fuel cell theo biểu thức (1-42): PFuel = Pdrive − out = 13102(w) ηFC (3-24) Đối với xe điện mối quan hệ lượng dự trữ cơng suất đầu trung bình ắc quy xác định sau: Energy = Range P Fuel = 95151(wh) vavg − kph (3-25) Sau xác định thông số sở xe ta lập bảng excel sau: 75 Xe sử dụng pin nhiên liệu Thông số xe sở Trọng lượng không tải 1585 Tổng trọng lượng xe (1 hành khách nặng 80 kg) 1665 Hệ số cản khí động 0.29 Diện tích cản diện Hệ số kể đến hấp thụ lượng hệ thống truyền động phanh tái tạo 2.3 Hệ số cản lăn 0.009 Hiệu suất hệ thống truyền lực Hiệu suất pin (nfc) Hiệu suất motor/controller Thơng số chu trình lái Vận tốc trung bình bậc (v avg ) Vận tốc trung bình bậc ba (v rmc ) Gia tốc đặc trưng (ã ) 86% 56.60% 79.00% Đơn vị Kết Cơng suất trung bình đầu (Average wheel kg power) Cơng suất trung bình hệ thống phanh kg (Average brake power) Cơng suất mát trung bình hệ thống truyền lực(Average drive losses) m2 Công suất phụ tải (Accessory power) Công suất đầu hệ thống truyền lực (Pdrive-out) Cơng suất trung bình tế bào pin nhiên liệu sinh ra(Pfc) Tổng công suất đầu vào (Pfuel) 9.2 Đơn vị m/s 14.9 0.112 m/s m/s2 Đơn vị Đơn vị 2676 W 80.99 Whpkm 1887 W 57.11 Whpkm 2153 W 65.16 Whpkm 700 W 21.19 Whpkm 4563 W 138.11 Whpkm 7416 W 224.46 Whpkm 13102 W 396.55 Whpkm Hình 3.14 Kết tính tốn xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu Mô với phần mềm ADVISOR với thông số đầu vào ta thu kết mơ phỏng: Hình 3.15 Kết mơ ADVISOR khối lượng hệ thống thành phần xe pin nhiên liệu Khối lượng thành phần mô ADVISOR sau: 𝑀𝑀𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 =50 (kg), 𝑀𝑀𝑚𝑚𝑚𝑚 = 69 (kg) , 𝑀𝑀𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 =242(kg), 𝑀𝑀𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 1643 (kg) 76 Kết mô cơng suất trung bình: Hình 3.16 Kết mơ ADVISOR công suất tiêu thụ xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu Từ kết ta có: Tổng lượng xe cần cung cấp suốt chu trình NEDC E=15582(KJ) Trong thời gian xe chạy hết chu trình t=1184(s) Như cơng suất trung bình cần thiết xe là: E = 13160(w) (3-26) t Ta có bảng so sánh kết tính tốn mơ hình tính tốn lượng tiêu thụ xe mơ phần mềm ADVISOR sau: Bảng 3-12: So sánh kết thu tính tốn cho xe sử dụng tế bào pin nhiên liệu Mơ hình tính tốn lượng ADVISOR tiêu thụ xe Cơng suất (W) 13102 13160 𝑃𝑃�fuel Padvisor = 77 3.3.3 So sánh hiệu suất mơ hình xe vừa tính tốn Từ kết tính được, ta có bảng giá trị công suất sau: Bảng 3-13: Kết tính tốn cơng suất xe Xe truyền thống sử Xe cải biên chạy Xe cải biên chạy dụng nhiên liệu tế bào pin điện (whpkm) xăng (whpkm) nhiên liệu (whpkm) Cơng suất trung bình đầu vào (W) Cơng suất trung bình sử dụng (W) Hiệu suất sử dụng lượng 1079 223 397 180 201 224 16,7% 90,1% 56,4% Từ bảng cơng suất ta thấy với khối lượng hệ thống động lực cơng suất hữu dụng sinh xe gần Tuy nhiên ta thấy hiệu suất xe điện cao ( > 90%) , sau đến xe sử fuel cell ( ~ 56%) cuối xe xăng ( ~17%) Mặc dù số chưa thể đánh giá tính kinh tế mà mơ hình xe mang lại, chi phí để sản xuất pin xe điện hay tế bào pin nhiên liệu hydro vô tốn chưa hồn thiện, chưa kể q trình xử lý chất thải cơng nghệ vơ khó khăn 78 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ luận văn cao học, đề tài giải vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan tình hình sử dụng tơ điện giới Việt Nam Tổng kết số nghiên cứu ưu nhược điểm mức độ ứng dụng ô tô điện tương lai Đưa số loại lượng sử dụng cho ô tơ điện ưu nhược điểm loại Trình bày phương pháp để mơ hình hóa tính tốn mức độ tiêu thụ lượng phương tiện giao thơng đường Trên sở tính tốn mức độ tiêu thụ lượng, luận văn đưa kết luận hiệu suất sử dụng lượng xe Qua Luận văn này, tơi hy vọng phương pháp tính tốn lượng tiêu thụ xe mà tơi tìm hiểu giúp ích thầy bạn việc giảng dạy học tập Bộ môn ô tô xe chuyên dụng môn khác Tơi cố gắng tìm hiểu phát triển thêm để phương pháp ứng dụng thực tế Cảm ơn thầy cô bạn quan tâm đến Luận văn 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO C Mi, B Li, D Buck, and N Ota, “Advanced Electro-Thermal Modeling of Lithium-Ion Battery System for Hybrid Electric Vehicle Application,” 2007, pp 107-111 Maxwell Technology Co., BMOD0063 Ultracapacitor Module Datasheet, http://www.maxwell.com H He, R Xiong, X Zang, F Sun, “State-of-Charge Estimation of the LithiumIon Battery Using an Adaptive Extended Kalman Filter Based on an Improved Thevenin Model,” IEEE Trans Veh Technol., vol 60, no 4, May 2011, pp 14611469 http://olev.kaist.ac.kr/en/index.php Joel Schindall, “The Charge of The Ultra-Capacitors”, IEEE Spectrum, November 2007, pp 42-46 The EV Project Online: http://www.theevproject.com/ Andrew G Simpson, “Parametric Modelling Of Energy Consumption In Road Vehicles”, 2005 Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, “Bài giảng lý thuyết ô tô”, 1993 Nguyễn Khắc Trai, Nguyễn Trọng Hoan, Hồ Hữu Hải, Phạm Huy Hường, Nguyễn Văn Chưởng, Trịnh Minh Hồng, “Giáo trình kết cấu tơ”, 2010 80 ... ? ?Nghiên cứu phân tích hiệu suất lượng tơ” Luận văn trình bày mơ hình để tính toán lượng suất tiêu hao nhiên liệu tương đương xe ô tô sử dụng nhiều nguồn lượng khác Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu. .. trung tâm cho ô tô điện (đều chưa nghiên cứu trước Việt Nam) Các kết nghiên cứu không ứng dụng cho ô tô điện mà cịn mở rộng cho ứng dụng công nghiệp lượng tái tạo c Một số loại ô tô điện sử dụng... Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Ô tô điện Edison California năm 2009, tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama công bố khoản đầu tư 2,4 tỷ ? ?ô- la Mỹ cho việc thúc đẩy nghiên cứu ô tô điện Khoản đầu tư phân bố