Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybrid

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

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

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 tốn 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
XE HYBRID..................................................................................................

65

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.......

78

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

81

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

83

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

85

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

85

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

88

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

90

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

91

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

92

3.3.6 Hiệu śt xe hybrid...........................................................................

97

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

99

3.4.1 Mô hình tổng chung của xe truyền thống và xe hybrid...................

99

3.4.2 Thông số đầu vào xe hybrid và xe truyền thống............................

100

3.4.3. Chu trình chạy sử dụng trong chu trình mơ phỏng xe hybrid và xe
truyền thống trong AVL-Cruise.....................................................................

103

3.4.4 Kết quả chạy mơ phỏng theo chu trình UDC..................................

104

3.4.5. Kết quả chạy mơ phỏng với chu trình có tốc độ ổn định.................

117

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

118

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

119

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

119

4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm.........................................................................

119

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

119

4.2. Nội dung thử nghiệm..............................................................................

119

4.3. Trang thiết bị thử nghiệm........................................................................

120

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

120

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

121


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 ………………………………...

142

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


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đại lượng

a

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

t

Hiệu śt hệ truyền lực

peff

Cơng śt đầu ra



Góc ơm
A

nA ra , Mra

Đơn vị

kW
⁰

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

MD , nD

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

MN , nN

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

Mra , nra

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

Memax

Mô men xoắn cực đại

Nm

ωin

Tốc độ đầu vào

rad/s

ωout

Tốc độ đầu ra

rad/s

𝑀in

Mô men đầu vào

Nm

𝑀𝑜𝑢𝑡

Mô men đầu ra

Nm

a

Khoảng cách trục

m

a,b

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

m

AC

Alternating Current
i


AVL Cruise

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
ĐCĐT

Động cơ điện
Động cơ đốt trong

ii

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

Fk

Lực kéo tại bánh chủ động

N

Ff

Ff1 , Ff2

iii


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
hm

m

Hardware-in-the-Loop
Khoảng cách từ mặt đường tới điểm đặt lực kéo móc

iv

m


hw
i

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

m

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

Imax

k1 , k2

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

Khối lượng phân tử của khí ướt

g/mol

Mexh,d

v


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

Mexh,w
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
HC
khống chế trong tiêu chuẩn khí thải
OEMs
P
PD
PĐCĐ,
PĐCĐT

ppm

Original Equipment Manufacturing
Cơng śt ĐCĐ

kW

Dynamic Programing
Cơng śt lớn nhất của ĐCĐ và ĐCĐT

kW

Cơng śt có ích của động cơ

kW

Pechon

Công suất lựa chọn

kW

PID

Proportional Integral Derivative

Pmf

Công suất máy phát

Pe

PNVG

PST

W

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

vi


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

⁰C

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

V

Vận tốc xe

km/h

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 đơng dân
cư tương ứng với Vxe khi có ĐCĐ chạy độc lập.

km/h

vii


V2

Vận tốc xe phù hợp với cận trên trong dải làm việc tối ưu của
ĐCĐT và vận tốc cho phép xe chạy ngồi 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 không khí

ρ

Khối lượng riêng của nhiên liệu

kg/m3

ω

Tốc độ góc

rad/s

𝜓

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
39
PNGV
Bảng 2.2. Vận tốc thiết kế của các cấp đường theo tiêu chuẩn TCVN 4054 :

39

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

44

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

67

Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của ĐCĐ

69

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

70

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

89

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

90

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

91

Bảng 3.7. Thơng số kỹ thuật xe

100

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

101

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

101

Bảng 3.10. Thông số ắc quy dùng cho xe hybrid

102

Bảng 3.11. Thơng số chi tiết của chu trình thử UDC (Urban Driving Cycle)

103

Bảng 3.12. Bảng thống kê kết quả sau khi đã chạy

104

Bảng 3.13 Kết quả mô phỏng ở tốc độ 40km/h

117

Bảng 3.14 Kết quả mô phỏng ở tốc độ 60km/h

118

Bảng 4.1. Các thông số thử nghiệm ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc

136

Bảng 4.2. Các thơng số mơ phỏng ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc

137

Bảng 4.3. Các thơng số thử nghiệm ở chế độ có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm

139

việc
Bảng 4.4. Các thông số mô phỏng ở chế độ có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc

ix

139


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)
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

7

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 śt 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)

26

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

28

Hình 2.3. Chỉ có ĐCĐ làm việc

29

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

29

Hình 2.5. Chỉ có ĐCĐT làm việc

30

Hình 2.6. Cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc

30

Hình 2.7. Phanh tái sinh làm việc

30

Hình 2.8. Khớp nối mơ men

31

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

31

Hình 2.10. Khớp nối tốc độ

32

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

32

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

33

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

34

Hình 2.14. Sơ đồ hệ động lực hybrid hỗn hợp

40

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

41

xi


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

47

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

48

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

49

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

52

Hình 2.20. Định nghĩa chu trình lái cho mơ hình

53

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

56

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

58

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

59

Hình 2.24. Sơ đồ điện mạch tương đương

60

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

61

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

62

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

62

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

63

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

64

Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế xe hybrid

66

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

69

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

71

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

73

xii


Hình 3.5. Chiến lược sạc ắc quy

77

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

80

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

81

Hình 3.8. Chu trình khởi động ĐCĐT

84

Hình 3.9. Chu trình tắt ĐCĐT

84

Hình 3.10. Sơ đồ bộ truyền đai kim loại

85

Hình 3.11. Đường kính làm việc của hai puly

86

Hình 3.12. Vận tốc đai ở tỉ số truyền thấp

87

Hình 3.13. Vận tốc đai ở tỉ số truyền cao

88

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

92

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

93

Hình 3.16. Mạch điều khiển trung tâm

93

Hình 3.17. Sơ đồ mạch điều khiển ĐCĐT

95

Hình 3.18. Mạch điều khiển ĐCĐT

95

Hình 3.19. Sơ đồ thiết kế mạch sạc ắc quy

96

Hình 3.20. Mạch sạc ắc quy

97

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

97

Hình 3.22. Bố trí chi tiết trong mơ phỏng xe truyền thống

99

Hình 3.23. Mơ phỏng xe hybrid dùng bộ đồng tốc kết hợp CVT

100

Hình 3.24. So sánh tốc độ xe truyền thống và xe hybrid

105

xiii


Hình 3.25. So sánh mơ men xoắn ĐCĐT ở xe hybrid và xe truyền thống

106

Hình 3.26. So sánh cơng śt ĐCĐT xe truyền thống và xe hybrid

107

Hình 3.27. Phát thải HC của xe hybrid và xe truyền thống

109

Hình 3.28. Phát thải CO của xe hybrid và xe truyền thống

110

Hình 3.29. Phát thải NOx của xe hybrid và xe truyền thống

112

Hình 3.30. So sánh lượng nhiên liệu tiêu thụ giữa xe truyền thống và xe
hybrid

113

Hình 3.31. So sánh gia tốc ĐCĐT trên xe truyền thống và xe hybrid

115

Hình 3.32. So sánh lực kéo của ĐCĐT giữa xe truyền thống và xe hybrid

116

Hình 3.33. So sánh lực cản khơng khí giữa xe hybrid và xe truyền thống

117

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

120

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

121

Hình 4.3. Băng thử tải kiểu dịng điện xốy

121

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

122

Hình 4.5. Lắp khớp nối các đăng

122

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

123

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

123

Hình 4.8. Hình ảnh thực tế lắp đặt thiết bị

124

Hình 4.9. Thiết bị AVL Fuel Balance 733S

124

Hình 4.10. Sơ đồ cung cấp nhiên liệu cho ĐCĐT khi thử nghiệm

125

Hình 4.11. Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ

125

xiv


Hình 4.12. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm

126

Hình 4.13. Hình ảnh thực tế tại phịng thí nghiệm

126

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

129

131

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

133

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

134

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 mơ phỏng và thử nghiệm

137

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

137

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

138

Hình 4.21. So sánh phát thải NOx giữa mô phỏng và thử nghiệm

138

Hình 4.22. So sánh tiêu hao năng lượng giữa mơ phỏng và thử nghiệm

139

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

140

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

140

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

141

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:

• 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.
• Nghiên cứu mơ phỏng, gồm:
- Tính tốn thiết kế các bộ truyền dẫn của hệ động lực trên phần mềm
Inventor;
2


- Nghiên cứu mơ phỏng mơ hình xe hybrid kiểu hỗn hợp theo chu trình thử
bằng phần mềm AVL - Cruise.
• Nghiên cứu thực nghiệm trong phịng thí nghiệm để đánh giá khả năng phối
hợp các nguồn động lực trên xe hybrid.

v. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
- Nghiên cứu tính tốn thiết kế, chế tạo hệ động lực xe hybrid phối hợp kiểu hỗn
hợp, gồm ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy cỡ nhỏ.
- Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu
Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.

vi. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Luận án đã đưa ra quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid và áp dụng
quy trình để tính tốn thiết kế một hệ động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi.
- Luận án sử dụng thành công phần mềm AVL - Cruise trong tính tốn mơ phỏng
động học, động lực học và tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe hybrid
theo chu trình thử.
- Đã thành cơng trong thiết kế, chế tạo và thử nghiệm để đánh giá khả năng phối
hợp các nguồn động lực trong hệ động lực xe hybrid.
- Kết quả của luận án là một trong những giải pháp có thể lựa chọn để góp phần
giảm phát thải ơ nhiễm mơi trường và tiêu hao nhiên liệu cho các phương tiện

tham gia giao thông nội đô.

vii. Bố cục của luận án
Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid
- Chương 3: Tính tốn thiết kế và mô phỏng hệ động lực xe hybrid
-

Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm

- Kết luận chung và hướng phát triển

3