Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------



------------

TRẦN VĂN ĐĂNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ
HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------



------------

TRẦN VĂN ĐĂNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ

HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID

Ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số : 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.

PGS. TS KHỔNG VŨ QUẢNG

2.

TS TRẦN ĐĂNG QUỐC
HÀ NỘI - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tôi, Trần Văn Đăng, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Khổng Vũ Quảng và TS Trần Đăng Quốc. Các số
liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các
cơng trình nào khác!

Hà Nội, tháng

năm 2022

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

Người hướng dẫn 1

Người hướng dẫn 2

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Khổng Vũ Quảng

TS Trần Đăng Quốc

Trần Văn Đăng


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện đề
tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phịng Đào
tạo và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi thực
hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và TS Trần Đăng Quốc
đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tơi có thể thực hiện và hồn thành
luận án.
Tơi xin trân trọng biết ơn Thầy, Cô trong Bộ môn và Trung tâm nghiên cứu
Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội đã luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để tơi
hồn thành luận án này.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên,
Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực và các Thầy, Cô trong Khoa đã hậu thuẫn và
động viên tơi trong suốt q trình nghiên cứu học tập.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô phản biện, các Thầy, Cô

trong hội đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hồn
chỉnh luận án này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp
và những người đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian tơi tham gia
nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2022

Nghiên cứu sinh

Trần Văn Đăng


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục và các ký hiệu
Danh mục các biểu bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU........................................................................................................
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................
1.1.

Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường...

1.2.

Nguồn động lực thay thế ĐCĐT….............................................

1.2.1 Động cơ điện.....................................................................................
1.2.2 Động cơ sử dụng khí nén áp suất cao................................................
1.2.3 Nguồn động lực hybrid.....................................................................
1.3.

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

1.3.1 Xe hybrid kiểu nối tiếp......................................................................
1.3.2

Xe hybrid song song .....................

1.3.3

Xe hybrid hỗn hợp.........................

1.4.

Ưu và nhược điểm của xe hybrid................................................

1.5.

Các thành phần chính trong xe hybrid.......................................

1.5.1

Động cơ đốt trong..........................

1.5.2

Động cơ điện.................................

1.5.3

Ắc-quy...........................................

1.5.4

Hệ thống truyền lực.......................

1.6.

Một số vấn đề quản lý năng lượng xe hybrid..............................

1.7. Nghiên cứu ngoài nước............................................................................
1.8. Nghiên cứu trong nước.............................................................................
1.9. Các dòng xe hybrid trên thị trường..........................................................


1.10. Phương pháp tiếp cận của đề tài.................................................................24
1.11. Kết luận......................................................................................................25
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG
LỰC XE HYBRID....................................................................................................................... 26
2.1. Quan điểm và quy trình tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid..................... 26
2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid.......................................................... 26
2.1.2 Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid......................27
2.2. Cơ sở tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid......................................................... 29
2.2.1 Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid............................................... 29
2.2.2 Cơ sở xác định kết cấu bộ phối hợp các nguồn động lực xe
hybrid ..............................................................................................................

31

2.2.3 Cơ sở tính tốn các nguồn động lực xe hybrid................................................. 38
2.2.4 Chiến lược phối hợp nguồn động lực................................................................... 46
2.3. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Cruise...................................................................... 50
2.3.1 Phạm vi của AVL – Cruise........................................................................................ 50
2.3.2 Phương pháp tính tốn trong AVL – Cruise….................................................. 51
2.3.3 Tạo chu trình thử mới trong phần mềm AVL-Cruise…................................. 62
2.3.4 Các bước thực hiện mô phỏng bằng phần mềm AVL-Cruise….................63
2.4. Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVLCruise… ..........................................................................................................

64

2.5. Kết luận.................................................................................................................................... 64
Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC
65
XE HYBRID ..................................................................................................
3.1. Tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid..................................................................... 65
3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid............................................... 65
3.1.2 Tính tốn xác định nguồn động lực cho xe hybrid.......................................... 66
3.2. Chiến lược điều khiển các nguồn động lực trên xe hybrid...........................72
3.2.1 Chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid.............................. 72
3.2.2 Chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid................................................................... 75


3.2.3 Chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp của xe
hybrid.......
3.2.4 Chiến lược điều khiển dựa theo mô men........................................
3.2.5 Chu trình tắt và khởi động

ĐCĐT....................................................
3.3. Tính tốn thiết kế cơ cấu phối hợp của hệ động lực................................

3.3.1 Tính tốn bộ truyền
CVT..................................................................
3.3.2 Tính tốn, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa trục ra CVT và
trục chính.........................................................................................................
3.3.3 Tính tốn, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa ĐCĐ và trục
chính................................................................................................................
3.3.4 Tính tốn, thiết kế trục chính.............................................................
3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid...................

3.3.6 Hiệu suất xe
hybrid...........................................................................
3.4. Tính tốn mơ phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm AVL –
Cruise............................................................................................................
.
3.4.1 Mơ hình tổng chung của xe truyền thống và xe
hybrid...................
3.4.2 Thông số đầu vào xe hybrid và xe truyền thống............................
3.4.3. Chu trình chạy sử dụng trong chu trình mơ phỏng xe hybrid và
xe
truyền thống trong AVLCruise.....................................................................
3.4.4 Kết quả chạy mơ phỏng theo chu trình UDC..................................
3.4.5. Kết quả chạy mơ phỏng với chu trình có tốc độ ổn
định.................
3.5. Kết luận....................................................................................................

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỬ
NGHIỆM..................................................

4.1. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm.............................................................
4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm.........................................................................

4.1.
2
Đối
tượn
g và
phạ
m vi
thử
nghi
ệm..
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......


4.2. Nội dung thử
nghiệm..............................................................................
4.3. Trang thiết bị thử nghiệm........................................................................

4.3.1. Lắp đặt mơ hình lên băng thử........................................................
4.3.2 Băng thử phanh kiểu dịng điện
xốy...............................................

78
81
83
85
85
88
90
91
92
97
99
99
10
0
10
3
10
4
117
118
119
119
119
119
119
12
0


120

12
1


4.3.3 Thiết bị phân tích khí thải...................................................................... 122
4.3.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu................................................................ 124
4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ................................................................ 125
4.3.6 Nhiên liệu thử nghiệm........................................................................... 125
4.3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm........................................................... 126
4.3.8 Chế độ thử nghiệm................................................................................. 127
4.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận................................................................. 127
4.4.1 Đánh giá tính năng kinh tế năng lượng.................................................. 127
4.4.2 Đánh giá về thành phần khí thải của động cơ........................................129
4.5. So sánh kết quả mô phỏng và thử nghiệm................................................... 135
4.5.1 Các cơng thức tính tốn khi thử nghiệm............................................................. 135
4.5.2 So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng.......................................................... 136
4.6. Kết luận................................................................................................................................... 141
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ………………………………...
Danh mục các cơng trình cơng bố
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

142


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
a

Hệ số xé
mơ hình

t

Hiệu s

p

Cơng s

eff

Góc ơm

A

nA

ra

Mơ men

,M

ra

Mơ men v
MD, nD

kết hợp c

Mô men v
MN, nN

kết hợp c

Mô men v
M ,n
ra

ra

Mô men

M

emax

ω

in

Tốc độ
Tốc độ

ω

out

Mô men

in

Mô men
a

Khoảng

a,b

Khoảng c


xe sau
AC

Alternatin


AVL Cruise

Phần mềm
AVL

B

Chiều rộn

B0

Chiều rộn

BEV

Battery E

Cl

Hệ số ảnh

CNG

Compres

CO2

Khí Cacb

CPU

Central P

Cu

Hệ số ảnh

CVT

Continuo

Cz

Hệ số ảnh

Cα

Hệ số ảnh

D1

Đường kí

d1

Đường kí

D2

Đường kí

d2

Đường kí

DC

Direct Cu

DC–AC

Bộ đổi đi

DC–DC

Bộ đổi dò

ĐCĐ

Động cơ

ĐCĐT

Động cơ

ii


DLL

Dynamic

ECE

European

ECU

Electroni

EEPROM

Electrical

EPA

Environm

EPi

Khối lượ

ESC

European

ESS

Energy S

EVi,d

Nồng độ

EVi,w

Nồng độ

EVT

Electric V

f

Hệ số cản

F

Diện tích

Fa

Lực cản q
tăng hay

FC

Tổng lượ

FCV

Fuel Cell

Ff

Lực cản l

và một ph
Ff1 , Ff2

Lực cản l

Fg

Lực cản l

Fj

Lực cản q

Fk

Lực kéo t


iii


Fm

Lực kéo m

Fr1

Lực tác d

Fr2

Lực tác d

FTP

Federal T

Fv1

Lực căng

Fv2

Lực căng

Fw

Lực cản k

Fw

Lực cản g

G

Khối lượ

g

Gia tốc tr

G0

Khối lượ

Gaq

Khối lượ

Gđcđ

Khối lượ

Gđcđt

Khối lượ

ge

Suất tiêu

Gkhác

Khối lượ

H

Chiều cao

HEV

Hybrid E

HF

Hệ số hyb

hg

Tọa độ ch

HiL

Hardware

hm

Khoảng c

iv


hw

Khoảng c

i

Tỉ số truy

Imax

Dịng điệ

In

Dịng điệ

Ip

Dịng điệ

J

Mơ men

K

Hệ số cản

k

Hằng số ả

k

Hệ số ma

k 1 , k2

Hằng số đ

L

Chiều dà

Lm

Khoảng c

LPG

Liquified

LPI

Liquefied

lsb

Chiều dà

m

Khối lượ

M

Mô men

m1

Trọng lượ

m2

Trọng lượ

Me

Mô men

mexh

Lưu lượn

Mexh,d

Khối lượ

v


Mexh,w

Khối lượ

Mf1 , Mf2

Mô men

Mi

Khối lượ

Mk

Mô men

MPG

Miles Per

n

Tốc độ qu

NCS

Nghiên c

NDIR

Nondispe

NEDC

New Eur

NOx, CO,

Hàm lượn

HC

khống ch

OEMs

Original

P

Công suấ

PD

Dynamic

PĐCĐ,
PĐCĐT

Công suấ

Pe

Công suấ

Pechon

Công suấ

PID

Proportio

Pmf

Công suấ

PNVG

Nghiên c
for a New

PST

Power Sp


vi


Ptong

Tổng côn

Qn

Điện lượ

Qp

Dung lư

RAM

Random

ROM

Read-On

SAE

Society o

sgn

Hàm sign

SiL

Software

SOC

State of C

SQP

The Sequ

T

Nhiệt độ

TCVN

Tiêu chuẩ

tn

Thời gian

o

max

Nhiệt độ

tp

Thời gian

UDC

Urban Dr

UDDS

Urban Dy

Uđm

Điện áp

uHC

Unburnt

V

Vận tốc

V1

Vận tốc x
ĐCĐT v
cư tươn

t


V2

Vận tốc x
ĐCĐT và
cư tương

V3

Vận tốc x

cao tốc tư
làm việc.

Vmax

Vận tốc l

VSS

Variable S

YO

Đai thang

z

Số đai

Z1,Z2

Phản lực

α

Góc dốc

δ (t)

Hàm delt

ε

Hệ số trư

λ

Hệ số dư

ρ

Khối lượ

ω

Tốc độ gó

Lực cản t

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Tên bảng
Bảng 2.1. Các tiêu chí đánh giá tính năng động lực học của xe cơ giới theo
PNGV
Bảng 2.2. Vận tốc thiết kế của các cấp đường theo tiêu chuẩn TCVN 4054 :
2005
Bảng 2.3. Độ dốc lớn nhất của đường theo tiêu chuẩn TCVN 4054 : 2005
Bảng 2.4. Hệ số hybrid của một số ô tô thương mại

Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của ĐCĐT - Piaggio 150cc
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của ĐCĐ
Bảng 3.3. Các thông số kỹ thuật của máy phát điện
Bảng 3.4. Kích thước đai thang hẹp kiểu YO (SPZ Narrow DIN 7753)
Bảng 3.5. Thông số bộ truyền đai giữa ĐCĐT và trục chính
Bảng 3.6. Thơng số bộ truyền đai nối giữa ĐCĐ và trục chính
Bảng 3.7. Thơng số kỹ thuật xe
Bảng 3.8. Thơng số ĐCĐT nhập vào mơ hình mơ phỏng
Bảng 3.9. Thơng số ĐCĐ nhập vào mơ hình mơ phỏng
Bảng 3.10. Thông số ắc quy dùng cho xe hybrid
Bảng 3.11. Thơng số chi tiết của chu trình thử UDC (Urban Driving Cycle)
Bảng 3.12. Bảng thống kê kết quả sau khi đã chạy
Bảng 3.13 Kết quả mô phỏng ở tốc độ 40km/h
Bảng 3.14 Kết quả mô phỏng ở tốc độ 60km/h
Bảng 4.1. Các thông số thử nghiệm ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc
Bảng 4.2. Các thơng số mơ phỏng ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc
Bảng 4.3. Các thơng số thử nghiệm ở chế độ có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm
việc
Bảng 4.4. Các thông số mô phỏng ở chế độ có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên hình
Hình 1.1. Phương tiện tham gia giao thơng tại thành phố lớn ở Việt Nam
Hình 1.2. Ơ nhiễm mơi trường trong hoạt động giao thơng vận tải
Hình 1.3. Doanh số xe điện – hybrid tồn cầu
Hình 1.4. Qng đường di chuyển đối với xe thơng thường, xe hybrid (HEV),

xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV) và xe thuần điện (BEV)
Hình 1.5. Thời gian cung cấp nhiên liệu cho xe thông thường và xe sử dụng
pin nhiên liệu (FCV) và thời gian sạc điện cho xe
Hình 1.6. Chiến lược phát triển xe sử dụng năng lượng điện và hydro
Hình 1.7. Đặc tính của một ĐCĐ
Hình 1.8. Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc
Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo xe hybrid nối tiếp
Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo xe hybrid song song
Hình 1.11. Sơ đồ cấu tạo xe hybrid hỗn hợp
Hình 1.12. Đường cong điển hình của mơ men xoắn/cơng śt so với tốc độ
của hệ thống động cơ BLDC
Hình 1.13. Mơ hình hybrid hỗn hợp đưa ra bởi Saurabh Mahapatra
Hình 1.14. Sơ đồ hệ thống ly hợp điều khiển điện tử
Hình 1.15. Sơ đồ hệ thống hybrid loại song song kiểu mới
Hình 1.16. Sơ đồ phối hợp nguồn động lực và xe máy hybrid sau khi cải tạo

x


Hình 1.17. Sơ đồ phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp
Hình 1.18. Phân chia vùng hoạt động theo tình trạng của ắc quy
Hình 1.19. Sơ đồ bố trí hệ thống hybrid LPG - điện
Hình 1.20. Xe hybrid LPG - điện 2 chỗ ngồi
Hình 1.21. Mơ hình xe hybrid hai chỗ ngồi
Hình 2.1. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong (Động cơ xăng)
Hình 2.2. Lưu đồ quy trình thực hiện tính tốn thiết kế hệ thống hybrid
Hình 2.3. Chỉ có ĐCĐ làm việc
Hình 2.4. ĐCĐT nạp điện cho ắc quy và ĐCĐ làm việc
Hình 2.5. Chỉ có ĐCĐT làm việc
Hình 2.6. Cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc

Hình 2.7. Phanh tái sinh làm việc
Hình 2.8. Khớp nối mơ men
Hình 2.9. Các cơ cấu sử dụng ngun lí phối hợp kiểu mơ men
Hình 2.10. Khớp nối tốc độ
Hình 2.11. Một số cơ cấu sử dụng nguyên lí phối hợp kiểu tốc độ
Hình 2.12. Phối hợp cơng śt theo ngun lí phối hợp hỗn hợp
Hình 2.13. Đồ thị quan hệ MD/k1, MN/k2 theo tốc độ
Hình 2.14. Sơ đồ hệ động lực hybrid hỗn hợp
Hình 2.15. Mơ hình tính lực và mô men cho xe hybrid cỡ nhỏ

xi


Hình 2.16. Lưu đồ chiến lược điều khiển tổng quan xe hybrid
Hình 2.17. Lưu đồ chiến lược sạc pin của xe hybrid
Hình 2.18. Lưu đồ chiến lược điều khiển theo mơ men
Hình 2.19. Giao diện tính tốn trên phần mềm AVL - Cruise
Hình 2.20. Định nghĩa chu trình lái cho mơ hình
Hình 2.21. Tính tốn điều khiển động cơ ở chế độ khơng tải
Hình 2.22. Sơ đồ tổng qt tính tốn phát thải và tiết kiệm nhiên liệu cho
ĐCĐT
Hình 2.23. Sơ đồ tính tốn mơ hình động cơ điện khi hoạt động ở chế độ đẩy
Hình 2.24. Sơ đồ điện mạch tương đương
Hình 2.25. Sơ đồ tính tốn nhiệt cho mơ hình ắc quy
Hình 2.26. Cơng cụ Random Cycle Generator của phần mềm AVL-Boost
Hình 2.27. Chu trình thử mới được nạp vào mơ hình mơ phỏng trong phần
mềm AVL-Boost
Hình 2.28. Các bước thực hiện mơ phỏng bằng phần mềm AVL-Cruise
Hình 2.29 Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm
AVL-Cruise

Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế xe hybrid
Hình 3.2. Đồ thị đặc tính mơ men, cơng śt theo tốc độ ĐCĐ
Hình 3.3. Đồ thị 3D mối quan hệ giữa tốc độ, Me và ge của ĐCĐT
Hình 3.4. Sơ đồ chiến lược phối hợp các nguồn động lực

xii