Động cơ điệ n

L ời cam đoan

1.2.1 Động cơ điệ n

Với đặc tính được thể hiện trên Hình 1.7. Có thể thấy rằng mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính kéo lý tưởng của ô tô. Thông thường mô-tơ điện khởi động từ tốc độ bằng 0. Khi tăng tới tốc độcơ sở của nó, điện áp tăng theo trong khi dòng không đổi. Khi tốc độ cao hơn tốc độcơ bản thì điện áp không đổi còn dòng thì yếu

đi. Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi mô men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ. Do đó hệ dẫn động từđộng cơ đến cầu chủ động chỉ cần đơn

cấp hay hai cấp đủđể thỏa mãn lực kéo yêu cầu, trong khi ĐCĐT lại cần phải có bộ

truyền đa cấp. Đây chính là ưu điểm của ĐCĐ so với ĐCĐT khi trang bị trên các

phương tiện vận tải [10,14].

1.2.2 Động cơ sử dụng khí nén áp suất cao

Với mục tiêu không khí thải, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giải pháp động cơ

sử dụng khí nén cóáp suất cao để thay thếcho ĐCĐT. Phương án này sử dụng khí

có áp suất cao đưa vào xilanh để giãn nở sinh công, như vậy khí nén cần được tích trong bình cóáp suất cao tới 300 bar và thể tích đủ lớn đểđảm bảo cung cấp cho động

cơ làm việc trong khoảng thời gian cần thiết. Tuy nhiên lưu trữ khí cóáp suất cao vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục phải nghiên cứu giải quyết, vì vậy hiện nay giải pháp này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và có nhiều hứa hẹn trong tương lai [9,10].

1.2.3 Nguồn động lực hybrid

Để phát huy các ưu điểm cũng như hạn chế các vấn đề còn tồn tại của động cơ điện khi dùng trên phương tiện vận tải, các nhà khoa học đã đưa ra giải pháp phối hợp giữa ĐCĐ với ĐCĐT, hay thường gọi là xe hybrid. Với phương án này, không

chỉ giải quyết được vấn đề hạn chế của động cơ điện mà còn phát huy được lợi thế

của ĐCĐT. Như vậy nguồn động lực hybrid là sử dụng ít nhất 2 nguồn động lực bổ

sung cho nhau trong quá trình hoạt động của phương tiện. Với các ưu điểm vượt trội về hiệu suất của nguồn động lực hybrid cũng như khảnăng tương thích về mô men kéo của hệđộng lực hybrid với đặc tính kéo của phương tiện, như thể hiện trên Hình 1.8.

Như vậy có thể thấy rằng, ô tô sử dụng hydro, ô tô điện, ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời, ô tô chạy bằng khí nén... cho đến nay đều tồn tại một sốnhược điểm nhất định mà chưa dễ thực hiện với thực trạng kinh tế kỹ thuật hiện nay. Trong bối cảnh đó thì xe hybrid (nhiệt - điện) kết hợp giữa ĐCĐT và ĐCĐ được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ô tô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe vềmôi trường đô thịvà nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch [10,13].

Chính vì vậy, để có thể làm chủ công nghệ xe hybrid và khai thác hiệu quả cũng

như định hướng phát triển công nghệ xe hybrid, việc nghiên cứu về xe hybrid cần

được quan tâm và đẩy mạnh hơn nữa.

1.3. Các phương án phối hợp nguồn động lực của xe hybrid

Vềcơ bản có ba kiến trúc phối hợp khác nhau:

(a) Xe hybrid nối tiếp, trong đó động cơ, kết hợp với máy phát điện, cung cấp

năng lượng sạc cho pin và cung cấp năng lượng điện cho ĐCĐ, ĐCĐ cung cấp mô- men xoắn cho các bánh xe.

(b) Xe hybrid song song sử dụng ĐCĐT hoặc ĐCĐ hoặc cả hai để dẫn động bánh xe, ĐCĐ hoạt động như một máy phát điện để sạc lại pin trong quá trình phanh tái sinh hoặc khi ĐCĐT sản xuất nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để dẫn động bánh xe [10,11,15].

hoặc cả hai để dẫn động bánh xe. Mặc dù sở hữu các tính năng ưu việt của cả xe hybrid nối tiếp và song song, xe hybrid hỗn hợp tương đối phức tạp và tốn kém

hơn. Tuy nhiên, hệ thống này đã được sử dụng trong một số xe hybrid hiện đại vì các công nghệđiều khiển và sản xuất tiên tiến có thểđược áp dụng.

1.3.1 Xe hybrid kiểu nối tiếp

Xe hybrid kiểu nối tiếp được thể hiện trên Hình 1.9 cho thấy, ĐCĐ sẽ là nguồn

động lực chính dẫn động bánh xe, còn ĐCĐT có nhiệm vụ dẫn động máy phát điện

để cung cấp năng lượng cho ĐCĐ và sạc điện cho ắc quy [5,10,13]. Như vậy, với

phương pháp phối hợp kiểu nối tiếp cho phép ĐCĐT luôn hoạt động ở vùng tải trọng và tốc độ tối ưu, nhờ đó nâng cao được hiệu suất nhiệt của động cơ. Hơn nữa, mô men xoắn truyền đến các bánh xe do ĐCĐ sinh ra nên việc điều khiển tốc độ của xe

tương đối đơn giản. Thêm vào đó, cấu trúc đơn giản của dòng truyền công suất (thẳng) nên không cần thiết phải thiết kế bộ truyền, vì thế nên xe có cấu tạo đơn giản. Tuy nhiên, hệ thống phối hợp nối tiếp cần sử dụng ĐCĐ có công suất lớn đểđáp ứng được công suất của xe nên dẫn đến kích thước ĐCĐ lớn và đặc biệt kích thước và dung tích ắc quy khá lớn để cung cấp đủnăng lượng cho xe hoạt động. Hơn nữa do phải thực hiện nhiều quá trình chuyển hóa năng lượng, gồm chuyển từ hóa năng của nhiên liệu sang cơ năng của ĐCĐT và tiếp tục chuyển sang điện năng của máy phát và nạp vào ắc quy ở dạng điện năng, cuối cùng chuyển sang cơ năng ởĐCĐ, do vậy có thể

làm giảm hiệu suất tổng của hệ thống.

1.3.2 Xe hybrid song song

Sơđồ cấu tạo xe hybrid kiểu song song được thể hiện trên Hình 1.10, với kiểu phối hợp này cho phép ĐCĐT và ĐCĐ có thểđộc lập dẫn động bánh xe hoặc cùng phối hợp nguồn động lực để dẫn động bánh. Chính vì thếphương án phối hợp song song không cần ĐCĐ có kích thước lớn và không cần các khâu biến đổi năng lượng từĐCĐT tới các bánh xe, do đó hiệu suất hệ thống có thểcao hơn so với phương án

phối hợp nối tiếp [12,14,15].

Ngoài ra, với hệ thống phối hợp song song có thể cho phép công suất định mức của ĐCĐ nhỏhơn nhiều công suất định mức của ĐCĐT vìđặc tính mô men – tốc độ

của ĐCĐ tốt hơn so với đặc tính mô men – tốc độ của ĐCĐT. Hơn nữa bộ truyền

động từ hệ thống phối hợp đến cầu chủđộng có thể chỉ cần lựa chọn bộ truyền một cấp là phù hợp. Với phương án này, phương tiện sử dụng nguồn động lực hybrid song song sẽ có khảnăng leo dốc, gia tốc tốt, tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất tổng cao.

Tuy nhiên, việc điều khiển hệ thống dẫn động hybrid song song phức tạp hơn

nhiều so với hệ dẫn động nối tiếp vì hệ thống phối hợp nguồn động lực giữa ĐCĐT và ĐCĐ với cầu chủđộng khá phức tạp. Khớp nối cơ học giữa động cơ và bánh xe chủđộng khiến các điểm làm việc của động cơ không thể duy trì trong một dải tốc

độ hẹp.

1.3.3 Xe hybrid hỗn hợp

Trong xe hybrid kiểu hỗn hợp, ĐCĐ, máy phát điện, ĐCĐT và bánh xe của xe có thểđược liên kết với nhau thông qua một hoặc nhiều bộ bánh răng hành tinh hoặc các thiết bị khác. Hình 1.11 cho thấy sơ đồ hệ thống hybrid hỗn hợp. Trong đó năng lượng do ĐCĐT và ĐCĐ cung cấp được phân chia và truyền đến các bánh xe thông

qua hai đường dẫn: nối tiếp và song song. Các đường dẫn dẫn qua máy phát điện

được kết nối với hệ thống lưu trữnăng lượng (ESS) tới ĐCĐ đến các bánh xe. Trong

đường dẫn này, năng lượng cơ học của ĐCĐT được chuyển đổi thành năng lượng

điện thông qua máy phát điện và năng lượng điện có thể một phần năng lượng sạc

cho ắc quy và một phần năng lượng thông qua ĐCĐ để dẫn động bánh xe hoặc toàn bộnăng lượng đến ĐCĐ để dẫn động bánh xe. Trong đường dẫn song song, động cơ được kết nối thông qua bánh răng cùng với hệ thống truyền lực liên kết. Trong đường dẫn này, năng lượng cơ học của ĐCĐT được truyền một phần hoặc toàn bộ cơ học

đến các bánh xe, và phần không được truyền tới các bánh xe sẽ được chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua máy phát điện để sạc ắc quy. Nếu công suất ĐCĐT

không thểđáp ứng công suất yêu cầu của xe, hệ thống truyền động ĐCĐ sẽ cung cấp thêm mô men xoắn cho các bánh xe. Xe hybrid kiểu hỗn hợp hoạt động mọi lúc như

là sự kết hợp của nối tiếp và song song. Nó cho phép hệ thống truyền động động cơ điện điều chỉnh tải động cơ đểđạt được mức tiết kiệm nhiên liệu tối ưu [10,13,15].

Như vậy xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽphát huy được ưu điểm của xe hybrid kiểu nối tiếp khi chạy trong thành phốvà ưu điểm của xe hybrid kiểu song song khi chạy ngoài xa lộ mang lại hiệu quả cao cho xe hybrid trong khi với xe hybrid nối tiếp hay song song chỉ phát huy được ưu điểm đối với một dạng địa hình nhất định.

1.4. Ưu và nhược điểm của xe hybrid

Xe hybrid đã và đang được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm vượt trội so với phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT truyền thống. Cụ thể như:

- Thu hồi năng lượng: với hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ hóa năng sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, xe hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi năng lượng bị tổn hao trong quá trình vận hành. Đối với xe thông thường khi được phanh lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa phanh. Trong khi đó, đối với xe hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóa thành điện năng và nạp vào ắcquy, vì thế rất nhiều năng lượng hao phí trong quá trình vận hành xe được thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên xe hybrid vẫn được trang bị hệ thống phanh như xe

thông thường trong trường hợp người lái cần phanh khẩn cấp [10,15].

- Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu: xe hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với ĐCĐT thông thường nhờ có các chiến lược phối hợp nguồn động lực một cách

hợp lý. Ngoài ra, khi vận hành trên đường trường, nguồn động lực chính là ĐCĐT hoạt động ở chế độ có hiệu suất cao nên sẽ giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu [5]. - ĐCĐ được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên ĐCĐT chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ giúp làm giảm được kích thước của hệ thống.

- Phạm vi vận hành rộng và tính năng kỹ thuật đảm bảo như những phương tiện sử dụng ĐCĐT truyền thống.

- Xe hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải quan tâm tới vấn đề nạp điện cho ắc quy.

- Xe hybrid có mức phát thải ô nhiễm môi trường thấp hơn xe sử dụng ĐCĐT thông thường. Trong quá trình vận hành sẽ có sự phối hợp giữa hai nguồn động lực, do đó ĐCĐT sẽ được hạn chế vận hành ở các chế độ chuyển tiếp nhờ đó sẽ giảm được đáng kể lượng phát thải độc hại [43].

Tuy nhiên, xe hybrid vẫn có những khuyết điểm như chất lượng, tuổi thọ, giá thành và thời gian sạccủa ắcquy. Các nhà sản xuất đã và đang nghiên cứu nhiều giải pháp cho vấn đề này như tái chế ắcquy cũ, phát triển các thế hệ ắcquy mới, nâng cao tuổi thọ của ắcquy,... Trong tương lai gần, những nghiên cứu này hứa hẹn mang lại nhiều kết quả hữu ích để giảm giá thành sản phẩmnhằm mục đích thay thế dần những phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT thế hệ cũ.

1.5. Các thành phần chính trong xe hybrid

So với một chiếc xe truyền thống thì xe hybrid gồm: ắc quy, ĐCĐT, ĐCĐ hệ

thống truyền động và mô đun điện tử công suất như bộ chuyển đổi DC - DC và bộ

biến tần DC - AC trong hệ thống xe hybrid.

1.5.1 Động cơ đốt trong

Đối với hệ động lực xe hybrid kiểu hỗn hợp, ĐCĐT chính là nguồn động lực chính cung cấp năng lượng vận hành cho cả hệ thống. ĐCĐT sử dụng trên xe hybrid

thường có tỷ số nén cao hơn động cơ thông thường, do đó hiệu suất và công suất

riêng cao hơn động cơ thông thường [10,15].

1.5.2 Động cơ điện

ĐCĐ cũng đóng vai trò quan trọng trong công nghệ hybrid. Tùy thuộc vào cấu trúc của xe hybrid, ĐCĐ có thểđược sử dụng làm thiết bị điều chỉnh công suất cực

đại, thiết bị chia sẻ tải hoặc nguồn mô men xoắn nhỏ. ĐCĐ trong xe hybrid cần hoạt

động tốt ở hai chếđộ bình thường và mở rộng. Ở chếđộbình thường, động cơ sẽ tạo ra mô men xoắn không đổi trong phạm vi tốc độ định mức. Trên tốc độ định mức,

động cơ chuyển sang chếđộkéo, trong đó mô men xoắn giảm theo tốc độ. Trong xe hybrid, ĐCĐ cung cấp mô men xoắn cần thiết để tăng tốc đầy đủ trong chếđộ bình

thường trước khi nó chuyển sang chếđộ mở rộng để có tốc độổn định. Chức năng

thứ hai của ĐCĐ là thu năng lượng từ phanh.

ĐCĐ là một trong những thành phần quan trọng nhất trong một chiếc xe hybrid.

Động cơ DC không chổi than và động cơ cảm ứng AC được sử dụng rộng rãi do hiệu quảcao hơn, chi phí thấp hơn, bảo trì ít hơn và tuổi thọdài hơn. Động cơ cảm ứng có vẻ không phù hợp với nguồn DC của xe hybrid vì nó yêu cầu nguồn cung cấp AC,

nhưng AC có thể dễ dàng bịđảo ngược từ nguồn DC do những tiến bộtrong điện tử

công suất hiện đại.

Do điện áp DC thay đổi theo trạng thái sạc của ắc quy (SOC) và điều kiện hoạt

động trong xe điện hybrid, nên động cơ BLDC hoặc động cơ cảm ứng AC phải làm việc với bộ chuyển đổi DC/DC hoặc biến tần DC/AC, để chuyển đổi điện áp DC thành mức điện áp hoạt động cần thiết của động cơ điện. Hiệu suất cần thiết của bộ

chuyển đổi DC/DC hoặc biến tần DC/AC thường trên 95% trong các ứng dụng xe hybrid [9,10,15].

Trong thiết kế hệ thống xe hybrid, cần biết các đường đặc tính mô men/ công suất so với đường viền tốc độnhư thể hiện trên Hình 1.12

1.5.3 Ắc quy

Một trong những hệ thống quan trọng trong xe hybrid, ắc quy ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của phương tiện. Trong xe hybrid, ắc quy có mật độ năng lượng

cao, độ bền bên trong thấp, chu kỳ dài và tuổi thọ ngắn. Tùy thuộc vào mục tiêu thiết kế, ắc quy có mật độnăng lượng cao hơn thường được sử dụng cho xe hybrid truyền thống và sạc ngoài. Một thành phần lưu trữnăng lượng khác là tụđiện, tồn tại vô thời hạn có tốc độ sạc và xả cực nhanh. Những ưu điểm này làm cho tụ điện trở nên lý

tưởng cho việc cung cấp các mức năng lượng cần thiết đểtăng tốc một phương tiện chạy bằng điện và tích lũy điện tích hiệu quả trong quá trình phanh hãm tái sinh. [15]

1.5.4 Hệ thống truyền lực

Xe hybrid phải có khả năng quản lý ĐCĐT, ĐCĐ và kết hợp cả hai. Về mặt chức năng, hệ thống truyền lực hỗ trợ các chức năng dừng khởi động, phanh tái sinh và chuyển phạm vi làm việc ĐCĐT;do đó, nhiệm vụ chuyển đổi cũng phải có khả năng điều chỉnh các thông số của nó để phù hợp với các chiến lực thực tế.

Hệ thống truyền lực thực hiện các chức năng sau:

- Đạt được sự chuyển đổi từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động; - Chuyển đổi mô men xoắn và tốc độ quay từ động cơ để đáp ứng các yêu

cầu lực kéo nhất thời của xe cung cấp cho chuyển động tiến và lùi;

Hình 1.12 Đường cong điển hình của mô men xoắn/công suất so với tốc độ

Hệ thống truyền lự c

Nghiên cứu ngoài nướ c