Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hydrid

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

------------Y
Y”Z------------

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

------------Y
Y”Z------------

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........................................................................................................

1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................

4

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

4

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

9

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

9

1.2.2 Động cơ sử dụng khí nén áp suất cao................................................

9

1.2.3 Nguồn động lực hybrid.....................................................................

10

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

10

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

11

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

12

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

12

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

13

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

14

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

14

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

14

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

15

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

15

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

16

1.7. Nghiên cứu ngoài nước............................................................................

16

1.8. Nghiên cứu trong nước............................................................................

21

1.9. Các dòng xe hybrid trên thị trường..........................................................

23


1.10. Phương pháp tiếp cận của đề tài...........................................................

25

1.11. Kết luận.................................................................................................

26

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG
LỰC XE HYBRID.........................................................................................

27

2.1. Quan điểm và quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid...........

27

2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid........................................

27

2.1.2 Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid............

28

2.2. Cơ sở tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid........................................

30

2.2.1 Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid................................

30

2.2.2 Cơ sở xác định kết cấu bộ phối hợp các nguồn động lực xe
hybrid..............................................................................................................

32

2.2.3 Cơ sở tính tốn các nguồn động lực xe hybrid..................................

40

2.2.4 Chiến lược phối hợp nguồn động lực................................................

47

2.3. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Cruise..................................................

52

2.3.1 Phạm vi của AVL – Cruise................................................................

52

2.3.2 Phương pháp tính tốn trong AVL – Cruise….................................

53

2.3.3 Tạo chu trình thử mới trong phần mềm AVL-Cruise…....................

63

2.3.4 Các bước thực hiện mô phỏng bằng phần mềm AVL-Cruise….......

64

2.4. Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVLCruise…..........................................................................................................

65

2.5. Kết luận....................................................................................................

66

Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC
XE HYBRID..................................................................................................

67

3.1. Tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid................................................

67

3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid...............................

67

3.1.2 Tính tốn xác định nguồn động lực cho xe hybrid...........................

68

3.2. Chiến lược điều khiển các nguồn động lực trên xe hybrid......................

74

3.2.1 Chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid..................

74

3.2.2 Chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid................................................

77


3.2.3 Chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp của xe hybrid.......

80

3.2.4 Chiến lược điều khiển dựa theo mơ men..........................................

83

3.2.5 Chu trình tắt và khởi động ĐCĐT....................................................

85

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

87

3.3.1 Tính tốn bộ truyền CVT..................................................................

87

3.3.2 Tính tốn, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa trục ra CVT và
trục chính.........................................................................................................

90

3.3.3 Tính tốn, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa ĐCĐ và trục
chính................................................................................................................

92

3.3.4 Tính tốn, thiết kế trục chính.............................................................

93

3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid...................

94

3.3.6 Hiệu suất xe hybrid...........................................................................

99

3.4. Tính tốn mơ phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm AVL –
Cruise.............................................................................................................

101

3.4.1 Mô hình tổng quan chung của xe hybrid..........................................

101

3.4.2 Thơng số đầu vào xe hybrid.............................................................

101

3.4.3. Quy trình mơ phỏng xe hybrid trong AVL-Cruise...........................

104

3.4.4 Tính tốn mơ phỏng hệ động lực hybrid...........................................

104

3.5. Kết luận....................................................................................................

110

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM................................................

111

4.1. Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm...........................................................

111

4.1.1 Mục tiêu thực nghiệm.......................................................................

111

4.1.2 Đối tượng và phạm vi thực nghiệm..................................................

111

4.2. Nội dung thực nghiệm.............................................................................

111

4.3. Trang thiết bị thực nghiệm......................................................................

112

4.3.1. Lắp đặt mơ hình lên băng thử..........................................................

112

4.3.2 Băng thử phanh kiểu dịng điện xốy................................................

113

4.3.3 Thiết bị phân tích khí thải................................................................

114

4.3.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu...........................................................

116


4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ............................................................

118

4.3.6 Nhiên liệu thực nghiệm.....................................................................

119

4.3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thực nghiệm....................................................

120

4.3.8 Chế độ thực nghiệm...........................................................................

121

4.4. Kết quả thực nghiệm và thảo luận..........................................................

122

4.4.1 Đánh giá tính năng kinh tế năng lượng.............................................

122

4.4.2 Đánh giá về thành phần khí thải của động cơ....................................

124

4.5. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm.............................................

129

4.5.1 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm .....................................

129

4.5.2 Nhận xét các kết quả.........................................................................

134

4.6. Kết luận...................................................................................................

134

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ………………………………...

135

Danh mục các cơng trình cơng bố
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đại lượng

Ga

Hệ số xét đến khối lượng các chi tiết chuyển động quay của
mơ hình

Kt

Hiệu suất hệ truyền lực

peff

Cơng suất đầu ra

E

Góc ơm
୅

୅ ୰ୟ ǡ ୰ୟ

Đơn vị

kW
⁰

Mơ men và tốc độ vịng quay trục ra tại điểm A

ୈ ǡ ୈ

Mơ men và tốc độ vòng quay của ĐCĐ truyền đến trục và bộ
kết hợp công suất

୒ ǡ ୒

Mô men và tốc độ vòng quay của ĐCĐT truyền đến trục và bộ
kết hợp cơng suất

୰ୟ ǡ ୰ୟ

Mơ men và tốc độ vịng quay trục ra của bộ kết hợp công suất

ୣ୫ୟ୶

Mô men xoắn cực đại

Nm

ɘ୧୬

Tốc độ đầu vào

rad/s

ɘ୭୳୲

Tốc độ đầu ra

rad/s

‫ܯ‬୧୬

Mô men đầu vào

Nm

‫ܯ‬௢௨௧

Mô men đầu ra

Nm

a
a,b

Khoảng cách trục

m

Khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục bánh xe trước và bánh
xe sau

m

i

AC
AVL Cruise

Alternating Current
Phần mềm mô phỏng phối hợp nguồn động lực trên xe ô tô của
AVL

B

Chiều rộng bánh đai

m

B0

Chiều rộng cơ sở của xe thiết kế

m

BEV
Cl

Battery Electric Vehicle
Hệ số ảnh hưởng bởi chiều dài đai

CNG

Compressed Natural Gas

CO2

Khí Cacbonic

CPU

Central Processing Unit

Cu
CVT

%

Hệ số ảnh hưởng bởi tỉ số truyền
Continuously Variable Transmission

Cz

Hệ số ảnh hưởng bởi tải trọng

Cα

Hệ số ảnh hưởng bởi góc ơm đai

D1

Đường kính ngồi của puly chủ động

m

d1

Đường kính bám đai của puly chủ động

m

D2

Đường kính ngồi của puly bị động

m

d2

Đường kính bám đai của puly bị động

m

DC

Direct Current

DC – AC

Bộ đổi điện từ 1 chiều thành xoay chiều

DC – DC

Bộ đổi dòng 1 chiều từ mức điện áp này sang mức điện áp khác

ĐCĐ

Động cơ điện

ii


ĐCĐT

Động cơ đốt trong

DLL

Dynamic Link Library

ECE

European Community Emission

ECU

Electronic Control Unit

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
EPA

Environmental Protection Agency

EPi

Khối lượng của khí thải thứ i

ESC

European Stationary Cycle

ESS

Energy Storage System

EVi,d

Nồng độ theo thể tích của khí khơ thứ i

ppm

EVi,w

Nồng độ theo thể tích của khí ướt thứ i

ppm

EVT

Electric Variable Transmission

g/kWh

f

Hệ số cản lăn vì giả thiết mặt đường bê tơng

F

Diện tích cản gió

m2

Fa

Lực cản qn tính đặt tại trọng tâm mơ hình và sinh ra khi ô tô
tăng hay giảm tốc

N

FC

Tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ

g

FCV

Fuel Cell Vehicle
Lực cản lăn sinh ra chủ yếu do biến dạng đàn hồi của bánh xe
và một phần do ma sát trong ổ trục bánh xe

N

Lực cản lăn tại bánh xe 1 và 2

N

Fg

Lực cản lên dốc

N

Fj

Lực cản quán tính

N

Ff

Ff1 , Ff2

iii


Fk

Lực kéo tại bánh chủ động

N

Fm

Lực kéo móc

N

Fr1

Lực tác dụng lên trục bánh đai chủ động

N

Fr2

Lực tác dụng lên trục bánh đai bị động

N

FTP

Federal Test Procedure

Fv1

Lực căng ban đầu trên bánh đai chủ động

N

Fv2

Lực căng ban đầu trên bánh đai bị động

N

Fw

Lực cản khí động

N

Fw

Lực cản gió đặt tại tâm diện tích cản chính diện

N

G

Khối lượng tổng cộng của xe

kg

g

Gia tốc trọng trường

G0

Khối lượng bản thân xe

kg

Gaq

Khối lượng bình ắc quy

kg

Gđcđ

Khối lượng ĐCĐ

kg

Gđcđt

Khối lượng ĐCĐT

kg

ge

m/s2

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

g/kWh

Gkhác

Khối lượng các thành phần khác

kg

H

Chiều cao cơ sở của xe thiết kế

m

HEV

Hybrid Electric Vehicle

HF

Hệ số hybrid

hg

Tọa độ chiều cao trọng tâm xe

HiL

m

Hardware-in-the-Loop
iv


hm

Khoảng cách từ mặt đường tới điểm đặt lực kéo móc

m

hw

Khoảng cách từ mặt đường đến điểm đặt lực cản khơng khí

m

i
Imax

Tỉ số truyền
Dịng điện cực đại

A

In

Dịng điện nạp

A

Ip

Dịng điện phóng

A

J

Mơ men qn tính

kgm2

K

Hệ số cản gió

k

Hằng số ảnh hưởng bởi thiết kế

k

Hệ số ma sát giữa dây đai và puly

k1 , k 2

Hằng số được xác định bởi các thông số của kết nối mô men

L

Chiều dài cơ sở xe

m

Lm

Khoảng cách từ trục bánh sau tới điểm đặt lực kéo móc

m

LPG

Liquified Petroleum Gas

LPI

Liquefied Petroleum Injected

lsb

Chiều dài đai sơ bộ

m

m

Khối lượng xe

kg

M

Mô men

Nm

m1

Trọng lượng hành lý của 1 người

Kg

m2

Trọng lượng 1 người

kg

Me

Mơ men động cơ

Nm

mexh

Lưu lượng khối lượng khí thải

kg/h
v


Mexh,d

Khối lượng phân tử của khí ướt

g/mol

Mexh,w

Khối lượng phân tử của khí ướt

g/mol

Mơ men cản lăn tại bánh xe 1 và 2

Nm

Mi

Khối lượng mole thành phần khí thải thứ i

g/mol

Mk

Mơ men kéo tại bánh xe chủ động

Nm

Mf1 , Mf2

MPG
n

Miles Per Gallon
Tốc độ quay

NCS

Nghiên cứu sinh

NDIR

Nondispersive infrared sensor

NEDC

New European Driving Cycle

v/ph

NOx, CO, Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ đốt trong bị
khống chế trong tiêu chuẩn khí thải
HC
OEMs
P
PD
PĐCĐ,
PĐCĐT

ppm

Original Equipment Manufacturing
Cơng suất ĐCĐ

kW

Dynamic Programing
Cơng suất lớn nhất của ĐCĐ và ĐCĐT

kW

Cơng suất có ích của động cơ

kW

Pechon

Cơng suất lựa chọn

kW

PID

Proportional Integral Derivative

Pmf

Công suất máy phát

Pe

PNVG

W

Nghiên cứu phát triển các thế hệ mới xe cơ giới (Partnership
for a New Generation of Vehicles)

vi


PST

Power Split Transmission

Ptong

Tổng công suất yêu cầu của xe

kW

Qn

Điện lượng mà ắc quy tiếp nhận được trong quá trình nạp

Ah

Qp

Dung lượng ắc quy

Ah

RAM

Random Access Memory

ROM

Read-Only Memory

SAE

Society of Automotive Engineers

sgn

Hàm signum

SiL

Software-in-the-Loop

SOC

State of Charge

SQP

The Sequencial Quadratic Programing

T
TCVN

tn
tomax
tp
UDC
UDDS

Nhiệt độ
Tiêu chuẩn Việt Nam
Thời gian nạp

h

Nhiệt độ cực đại của máy phát
Thời gian phóng

h

Urban Driving Cycle
Urban Dynamometer Driving Schedule

Uđm

Điện áp định mức

uHC

Unburnt hydrocarbon

V

⁰C

V

Vận tốc xe

km/h

vii


V1

Vận tốc xe phù hợp với cận dưới trong dải làm việc tối ưu của
ĐCĐT và vận tốc cho phép xe chạy trong khu vực đông dân
cư tương ứng với Vxe khi có ĐCĐ chạy độc lập.

km/h

V2

Vận tốc xe phù hợp với cận trên trong dải làm việc tối ưu của
ĐCĐT và vận tốc cho phép xe chạy ngoài khu vực đơng dân
cư tương ứng với Vxe khi có ĐCĐT chạy độc lập.

km/h

V3

Vận tốc xe chạy ngoài khu vực dân cư hoặc chạy trên đường

cao tốc tương ứng với trường hợp cả hai nguồn động lực cùng
làm việc.

km/h

Vmax

Vận tốc lớn nhất xe có thể đạt được

km/h

VSS

Variable Step Size

YO

Đai thang hẹp (Narrow Belt)

z
Z1,Z2
α
δ (t)

Số đai
Phản lực pháp tuyến tại bánh xe 1 và 2

N

Góc dốc của mặt đường

Hàm delta Dirac

ε

Hệ số trượt đai

λ

Hệ số dư lượng khơng khí

ρ

Khối lượng riêng của nhiên liệu

kg/m3

ω

Tốc độ góc

rad/s

߰

Lực cản tổng cộng

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Tên bảng

Trang

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

40

Bảng 2.4. Hệ số hybrid của một số ô tô thương mại

46

Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của ĐCĐT - Piaggio 150cc

69

Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của ĐCĐ

71

Bảng 3.3. Các thông số kỹ thuật của máy phát điện

72

Bảng 3.4. Kích thước đai thang hẹp kiểu YO (SPZ Narrow DIN 7753)

91

Bảng 3.5. Thông số bộ truyền đai giữa ĐCĐT và trục chính

92

Bảng 3.6. Thơng số bộ truyền đai nối giữa ĐCĐ và trục chính

93

Bảng 3.7. Thơng số kỹ thuật xe

101

Bảng 3.8. Thơng số ĐCĐT nhập vào mơ hình mơ phỏng

102

Bảng 3.9. Thơng số ĐCĐ nhập vào mơ hình mơ phỏng

102

Bảng 3.10. Thông số ắc quy dùng cho xe hybrid

103

Bảng 3.11. Các thông số mô phỏng ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc (Kết
quả mơ phỏng ở tốc độ 40km/h)
Bảng 3.12. Các thông số mô phỏng ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc

106

Bảng 3.13 Kết quả mơ phỏng ở tốc độ 60km/h

108

Bảng 3.14 Các thông số mô phỏng ở chế độ chỉ có ĐCĐT và ĐCĐ làm
việc
Bảng 4.1. Đặc tính kĩ thuật của Horiba Mexa 584L

108

Bảng 4.2. Tính chất vật lý của nhiên liệu xăng RON 95 [65]

120

Bảng 4.3. Các thơng số khi tính tốn mơ phỏng và thực nghiệm với trường
hợp khi chỉ có ĐCĐT làm việc và Vxe (km/h) =40km/h, nbăng (v/ph) =
240 vòng/phút
Bảng 4.4. Bảng 4.4 Các thơng số khi tính tốn mơ phỏng và thực nghiệm
với trường hợp khi có cả ĐCĐT & ĐCĐ làm việc và Vxe (km/h) =
60km/h, nbăng (v/ph) = 360 vòng/phút

129

ix

41
41

106

116

132


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên hình

Trang

Hình 1.1. Phương tiện tham gia giao thơng tại thành phố lớn ở Việt Nam

4

Hình 1.2. Ơ nhiễm mơi trường trong hoạt động giao thơng vận tải

5

Hình 1.3. Doanh số xe điện – hybrid tồn cầu

6

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)

7

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

8

Hình 1.6. Chiến lược phát triển xe sử dụng năng lượng điện và hydro

8

Hình 1.7. Đặc tính của một ĐCĐ

9

Hình 1.8. Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc

10

Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo xe hybrid nối tiếp

11

Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo xe hybrid song song

12

Hình 1.11. Sơ đồ cấu tạo xe hybrid hỗn hợp

13

Hình 1.12. Đường cong điển hình của mơ men xoắn/cơng suất so với tốc độ

của hệ thống động cơ BLDC

15

Hình 1.13. Mơ hình hybrid hỗn hợp đưa ra bởi Saurabh Mahapatra

17

Hình 1.14. Sơ đồ hệ thống ly hợp điều khiển điện tử

17

Hình 1.15. Sơ đồ hệ thống hybrid loại song song kiểu mới

18

Hình 1.16. Sơ đồ phối hợp nguồn động lực và xe máy hybrid sau khi cải tạo

19

x


Hình 1.17. Sơ đồ phối hợp nguồn động lực kiểu hỗn hợp

19

Hình 1.18. Phân chia vùng hoạt động theo tình trạng của ắc quy

20

Hình 1.19. Sơ đồ bố trí hệ thống hybrid LPG - điện

21

Hình 1.20. Xe hybrid LPG - điện 2 chỗ ngồi

22

Hình 1.21. Mơ hình xe hybrid hai chỗ ngồi

22

Hình 2.1. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong (Động cơ xăng)

27

Hình 2.2. Lưu đồ quy trình thực hiện tính tốn thiết kế hệ thống hybrid

29

Hình 2.3. Chỉ có ĐCĐ làm việc

30

Hình 2.4. ĐCĐT nạp điện cho ắc quy và ĐCĐ làm việc

30

Hình 2.5. Chỉ có ĐCĐT làm việc

31

Hình 2.6. Cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc

31

Hình 2.7. Phanh tái sinh làm việc

32

Hình 2.8. Khớp nối mơ men

32

Hình 2.9. Các cơ cấu sử dụng ngun lí phối hợp kiểu mơ men

32

Hình 2.10. Khớp nối tốc độ

33

Hình 2.11. Một số cơ cấu sử dụng nguyên lí phối hợp kiểu tốc độ

34

Hình 2.12. Phối hợp cơng suất theo ngun lí phối hợp hỗn hợp

34

Hình 2.13. Đồ thị quan hệ MD/k1, MN/k2 theo tốc độ

36

Hình 2.14. Sơ đồ hệ động lực hybrid hỗn hợp

42

Hình 2.15. Mơ hình tính lực và mô men cho xe hybrid cỡ nhỏ

43

xi


Hình 2.16. Lưu đồ chiến lược điều khiển tổng quan xe hybrid

49

Hình 2.17. Lưu đồ chiến lược sạc pin của xe hybrid

50

Hình 2.18. Lưu đồ chiến lược điều khiển theo mơ men

51

Hình 2.19. Giao diện tính tốn trên phần mềm AVL - Cruise

54

Hình 2.20. Định nghĩa chu trình lái cho mơ hình

55

Hình 2.21. Tính tốn điều khiển động cơ ở chế độ khơng tải

58

Hình 2.22. Sơ đồ tổng qt tính tốn phát thải và tiết kiệm nhiên liệu cho
ĐCĐT

60

Hình 2.23. Sơ đồ tính tốn mơ hình động cơ điện khi hoạt động ở chế độ đẩy

61

Hình 2.24. Sơ đồ điện mạch tương đương

62

Hình 2.25. Sơ đồ tính tốn nhiệt cho mơ hình ắc quy

63

Hình 2.26. Cơng cụ Random Cycle Generator của phần mềm AVL-Boost

64

Hình 2.27. Chu trình thử mới được nạp vào mơ hình mơ phỏng trong phần
mềm AVL-Boost

64

Hình 2.28. Các bước thực hiện mơ phỏng bằng phần mềm AVL-Cruise

65

Hình 2.29 Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm
AVL-Cruise

65

Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế xe hybrid

68

Hình 3.2. Đồ thị đặc tính mơ men, cơng suất theo tốc độ ĐCĐ

71

Hình 3.3. Đồ thị 3D mối quan hệ giữa tốc độ, Me và ge của ĐCĐT

73

Hình 3.4. Sơ đồ chiến lược phối hợp các nguồn động lực

75

xii


Hình 3.5. Chiến lược sạc ắc quy

79

Hình 3.6. Chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp

82

Hình 3.7. Lưu đồ chiến lược điều khiển theo mơ men

83

Hình 3.8. Chu trình khởi động ĐCĐT

86

Hình 3.9. Chu trình tắt ĐCĐT

86

Hình 3.10. Sơ đồ bộ truyền đai kim loại

87

Hình 3.11. Đường kính làm việc của hai puly

88

Hình 3.12. Vận tốc đai ở tỉ số truyền thấp

89

Hình 3.13. Vận tốc đai ở tỉ số truyền cao

90

Hình 3.14. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử nguồn động lực xe hybrid

94

Hình 3.15. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển trung tâm

95

Hình 3.16. Mạch điều khiển trung tâm

95

Hình 3.17. Sơ đồ mạch điều khiển ĐCĐT

97

Hình 3.18. Mạch điều khiển ĐCĐT

97

Hình 3.19. Sơ đồ thiết kế mạch sạc ắc quy

98

Hình 3.20. Mạch sạc ắc quy

99

Hình 3.21. Sơ đồ tính tốn trường hợp phối hợp hai nguồn động lực

99

Hình 3.22. Mơ phỏng xe hybrid dùng bộ đồng tốc kết hợp CVT

101

Hình 3.23. Chu trình mơ phỏng ở tốc độ 40km/h

104

Hình 3.24. Chu trình mơ phỏng ở tốc độ 60km/h

104

xiii


Hình 3.25. Đồ thị tiêu hao năng lượng

106

Hình 3.26. Đồ thị phát thải HC

107

Hình 3.27. Đồ thị phát thải CO

107

Hình 3.28. Đồ thị phát thải NOx

107

Hình 3.29. Đồ thị thể hiện sự tiêu hao năng lượng

108

Hình 3.30. Đồ thị thể hiện sự phát thải HC

109

Hình 3.31. Đồ thị thể hiện sự phát thải CO

109

Hình 3.32. Đồ thị thể hiện sự phát thải NOx

109

Hình 3.33. Thay đổi tải trọng của xe

110

Hình 4.1. Hệ phối hợp nguồn động lực hybrid được lắp đặt trên băng thử

112

Hình 4.2. Mơ hình lắp hồn thiện cùng các thiết bị đo đạc

113

Hình 4.3. Băng thử tải kiểu dịng điện xốy

113

Hình 4.4. Kiểm tra độ đồng tâm giữa thiết bị và mơ hình

114

Hình 4.5. Lắp đặt khớp nối các đăng

114

Hình 4.6. Thiết bị phân tích khí thải Horiba Mexa 584L

115

Hình 4.7. Sơ đồ lắp đặt thiết bị đo khí xả ĐCĐT

115

Hình 4.8. Thiết bị AVL Fuel Balance 733S

117

Hình 4.9. Sơ đồ cung cấp nhiên liệu cho ĐCĐT khi thực nghiệm

117

Hình 4.10. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S

118

Hình 4.11. Cấu tạo của ampe kìm

119

xiv


Hình 4.12. Sơ đồ hệ thống thực nghiệm

120

Hình 4.13. Hình ảnh thực tế tại phịng thí nghiệm

121

Hình 4.14. So sánh đặc tính tiêu hao năng lượng ở các chế độ tốc độ khác
nhau

124

a)

nđcđt = 4000 v/ph; b) nđcđt = 6000 v/ph; c) nđcđt = 7000 v/ph

Hình 4.15. So sánh phát thải CO tại các tốc độ làm việc của ĐCĐT

125

a) nđcđt = 4000 v/ph; b) nđcđt = 6000 v/ph; c) nđcđt = 7000 v/ph
Hình 4.16. So sánh phát thải HC tại các tốc độ làm việc của ĐCĐT

127

a) nđcđt = 4000 v/ph; b) nđcđt = 6000 v/ph; c) nđcđt = 7000 v/ph
Hình 4.17. So sánh phát thải NOx tại các tốc độ làm việc của ĐCĐT

128

a) nđcđt = 4000 v/ph; b) nđcđt = 6000 v/ph; c) nđcđt = 7000 v/ph
Hình 4.18. So sánh tiêu hao năng lượng giữa mô phỏng và thực nghiệm

130

Hình 4.19. So sánh phát thải CO giữa mơ phỏng và thực nghiệm

130

Hình 4.20. So sánh phát thải HC giữa mơ phỏng và thực nghiệm

131

Hình 4.21. So sánh phát thải NOx giữa mơ phỏng và thực nghiệm

131

Hình 4.22. So sánh tiêu hao năng lượng giữa mô phỏng và thực nghiệm

132

Hình 4.23. So sánh phát thải CO giữa mơ phỏng và thực nghiệm

133

Hình 4.24. So sánh phát thải HC giữa mơ phỏng và thực nghiệm

133

Hình 4.25. So sánh phát thải NOx giữa mô phỏng và thực nghiệm

133

xv


MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng các phương tiện giao thông

ngày một tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại trong đó phương tiện sử dụng động
cơ đốt trong (ĐCĐT) vẫn là nguồn động lực chính cho nhiều ngành kinh tế khác nhau,
đặc biệt là ngành giao thơng vận tải. Song song với sự phát triển đó là nhu cầu về
năng lượng tiêu thụ ngày một tăng, trong khi đó trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang
dần bị cạn kiệt [1]. Mặt khác, bầu khơng khí bị ô nhiễm một cách trầm trọng do khói
bụi, chất độc hại thải ra từ quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch, trong đó phương
tiện giao thơng (PTGT) sử dụng nhiên liệu hóa thạch là ngun nhân chính gây ơ
nhiễm môi trường [2,3], đặc biệt tại các đô thị.
Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ơ nhiễm mơi trường do khí thải của
ĐCĐT đã và đang là áp lực rất lớn đối với các nhà thiết kế và chế tạo xe cơ giới. Với
trình độ cơng nghệ hiện có và nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ mơi trường thì xe chạy
bằng động cơ điện (ĐCĐ) là giải pháp triệt để cho tình trạng ơ nhiễm bởi khí thải của
xe cơ giới hiện nay. Thực tế đã có hàng loạt mẫu xe cơ giới chạy bằng điện được sinh
ra từ các tấm pin mặt trời gắn trực tiếp trên xe hoặc chạy bằng điện từ ắc quy đã được
thiết kế và chế tạo [4]. Tuy nhiên, nếu xét một cách toàn diện, khi thay thế phương
tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐT sang phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐ,
thì khả năng phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế tạo và lắp ráp ĐCĐT dẫn đến
lãng phí và thiệt hại cho các nhà chế tạo và lắp ráp phương tiện giao thông, cùng với
các sự kết hợp phát triển các ngành sử dụng ĐCĐT cũng ảnh hưởng không nhỏ tới
sự thay thế này. Do vậy việc giảm tính phụ thuộc vào nhiên liệu có nguồn gốc từ hóa
thạch và phát triển cơng nghệ tiết kiệm nhiên liệu cùng giảm sự ơ nhiễm mơi trường
do khí thải gây ra vẫn cần được phát triển và vai trò quan trọng trong nền kinh tế.
Phát triển xe hybrid được xem là một trong những giải pháp quá độ nhằm tiết kiệm
nhiên liệu hóa thạch và giảm mức độ gây ô nhiễm môi trường bởi khí thải của ĐCĐT
trang bị trên xe cơ giới [5]. Xe hybrid là phương tiện di động có hệ thống động lực
được cấu thành từ hai hoặc nhiều nguồn động lực khác biệt nhau. Các loại phương
tiện có thể coi là xe hybrid như xe đạp điện chạy bằng cách sử dụng bàn đạp và bằng
động cơ điện, xe ô tô được trang bị cả ĐCĐT và ĐCĐ để dẫn động bánh xe chủ động,
xe lửa được trang bị cả ĐCĐ để chạy bằng điện lưới và động cơ diesel để chạy ở
những khu vực khơng có lưới điện, máy bay được trang bị động cơ phản lực để bay

và ĐCĐ để di chuyển trên đường băng, tàu ngầm điện - diesel được trang bị ĐCĐ để
chạy khi tàu lặn và động cơ diesel để chạy khi tàu nổi trên mặt nước.
Xe hybrid có hệ động lực được cấu thành từ ĐCĐT và ĐCĐ đã được chế tạo từ
những năm cuối thế kỷ XVIII và đã tạo được ấn tượng mạnh mẽ trong giai đoạn đầu
mới phát triển nhờ các tính năng vượt trội so với ô tô truyền thống [6]. Tuy nhiên, do
vận hành và sửa chữa đơn giản hơn, giá thành ĐCĐT ngày càng giảm do được sản
xuất hàng loạt, nhu cầu sử dụng ngày càng rộng. Xe truyền thống đã chiếm lĩnh gần
như toàn bộ thị trường của xe hybrid trong giai đoạn trước năm 1990. Dưới áp lực
ngày càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và các tiêu chuẩn về khí
thải ngày càng khắt khe, xe hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990
và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Bên cạnh những ưu điểm vốn có của phương
1


án hybrid, cùng với đó là những tiến bộ vượt bậc của cơng nghệ chế tạo như cơ khí,
điện - điện tử, thông tin,… cũng được xem là yếu tố quan trọng góp phần làm nên
thành cơng của xe hybrid hiện đại.
Trong quá trình khai thác kỹ thuật, giải pháp hybrid hóa ơ tơ chỉ có thể đạt được
khi tối ưu hóa được các chế độ làm việc của các nguồn năng lượng. Đây là vấn đề
thuộc nội hàm của khái niệm tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ
động lực trên xe hybrid. Qua tìm hiểu tài liệu cho thấy đến thời điểm hiện nay, ở Việt
Nam đã có một số cơng trình nghiên cứu về hoán cải một mẫu xe đang được sử dụng
phổ biến tại Việt Nam hoặc nghiên cứu thiết kế cụm chi tiết thiết bị đươc đánh giá
cao về tính ứng dụng.
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trong nước về xe hybrid vẫn cịn ít và chưa
nhiều về tính mới chỉ đề cập đến những khái niệm cơ bản hoặc giới thiệu những thành
tựu mới của các hãng chế tạo xe hybrid hay thiết kế chế tạo cụm thiết bị nên vẫn còn
nhiều vấn đề nghiên cứu cần được giải quyết. Mặt khác, công nghệ chế tạo cũng như
đánh giá hiệu quả các nguồn động lực hybrid vẫn còn là bí quyết của một số hãng chế
tạo xe hybrid hàng đầu trên thế giới.

Với mục đích nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn nhằm xây dựng quy trình tính
tốn và thiết kế hệ động lực cho xe hybrid cũng như mô phỏng sự hoạt động của xe
hybrid để đánh giá mức độ tin cậy của việc thiết kế và chế tạo hệ động lực làm cơ sở
cho nghiên cứu phát triển công nghệ xe hybrid.
Do vậy, đề tài “Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybird” góp
phần bổ sung những kiến thức và công nghệ liên quan đến lĩnh vực xe hybrid ở Việt
Nam.

ii. Mục tiêu của đề tài
- Đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp nguồn động lực ĐCĐT - ĐCĐ - Máy
phát - Ắc quy và quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid.
- Áp dụng giải pháp và quy trình trên để tính tốn thiết kế một mơ hình hệ động
lực trên xe hybrid.

iii. Đối tượng nghiên cứu
Mơ hình xe hybrid phối hợp kiểu hỗn hợp với hệ động lực được cấu thành từ
ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ
phỏng và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó:
x Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra giải pháp phối hợp các nguồn động lực theo
kiểu hỗn hợp và cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid.
x Nghiên cứu mơ phỏng, gồm:
- Tính tốn thiết kế các bộ truyền dẫn của hệ động lực trên phần mềm
Inventor;
2