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.........................................................................................................
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
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
Memax
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)
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 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
129
Hình 4.15. So sánh phát thải CO tại các tốc độ làm việc của ĐCĐT
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