Thiết kế hệ thống truyền lực cho oto điện tốc độ chậm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY
------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC
CHO Ô TÔ ĐIỆN TỐC ĐỘ CHẬM

GVHD : PGS.TS Đặng Văn Nghìn
SVTH : Trương Phúc Hòa
MSSV : 20600827

Tp HCM, Tháng 1/ 2011
i


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Số: _ /BKĐT

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Khoa

: CƠ KHÍ

Bộ mơn: CHẾ TẠO MÁY

1.

HỌ VÀ TÊN: Trƣơng Phúc Hịa

MSSV: 20600827

NGÀNH

LỚP

: Kỹ thuật chế tạo

: CK06TCM1

Đề tài luận văn:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC
CHO Ơ TƠ ĐIỆN TỐC ĐỘ CHẬM

2.
-

Nhiệm vụ:
Tìm hiểu tổng quan về ô tô điện và hệ thống truyền lực.
Phân tích lựa chọn các nguồn năng lƣợng sử dụng cho ơ tơ điện.
Phân tích lựa chọn động cơ dùng cho ơ tơ điện.
Tính tốn cơng suất động cơ điện và bộ nguồn ắc quy.
Tính tốn các thơng số động học của ơ tơ điện tốc độ chậm.

Tính tốn thiết kế các bộ phận truyền động cơ khí.

Số bản vẽ dự kiến: 3 A0 , 1 A1 dự kiến gồm các bản vẽ về sơ đồ bố trí các bộ phận truyền động
trên ô tô điện, nguyên lý hệ thống điều khiển ô tô điện, các phƣơng án truyền động trên ô tô điện và
bản vẽ lắp cầu chủ động của ơ tơ điện.
3.
4.
5.

Ngày giao nhiệm vụ: 20/9/2010
Ngày hồn thành nhiệm vụ: 27/12/2010
Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Đặng Văn Nghìn, BM Chế tạo máy.
Nội dung và yêu cầu LVTN đã đƣợc thông qua Bộ môn.
Ngày 30 tháng 12 năm 2010

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN

PGS. TS Đặng Văn Nghìn

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MƠN
Ngƣời duyệt (chấm sơ bộ):
Đơn vị:
Ngày bảo vệ:
Điểm tổng kết:
Nơi lƣu trữ luận văn:


LỜI CÁM ƠN

Xin gửi lời chân thành biết ơn sâu sắc đến:
Phó Giáo sƣ – Tiến sĩ Đặng Văn Nghìn đã trực tiếp tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện
thuận lợi trong quá trình thực tập tốt nghiệp và thực hiện luận văn này.
Các thầy cô thuộc khoa Cơ khí đã tận tình dạy bảo, giúp đỡ tơi trong suốt những năm
học tập, trang bị kiến thức chuyên nghành và tạp điều kiện thuận lợi giúp đở tơi hồn thành
luận văn này.
Các Thầy cô trƣờng Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã dạy dỗ và truyền đạt những kiến
thức vô cùng quý báu và bổ ích để làm hành trang trong cho tơi cuộc sống.
Cùng gia đình, bạn bè và nhất là Cha Mẹ đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần, tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tơi có thể hồn thành tốt chương trình đại học.
Tp Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2010
Sinh viên thực hiện

Trƣơng Phúc Hòa

ii


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Ngày nay vấn đề về môi trường và phát triển bền vững là vấn đề được mọi người quan
tâm. Đứng trước vấn đề ô nhiễm môi trường cấp bách và cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa
thạch các nhà khoa học trên thế giới đã và đang đưa ra những sáng kiến mới có ích trong cuộc
sống của con người mà ít ảnh hưởng đến mơi trường tự nhiên nhất. Trong bối cảnh đó ơ tơ
điện được xem như một giải pháp hữu ích trong việc đi lại của con người. Ơ tơ điện khơng
trực tiếp thải các chất thải độc hại và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo được đang được quan
tâm phát triển trên thế giới. Với những thành tựu đó ơ tơ điện có thể coi là phương tiện giao
thơng bền vững trong tương lai
Với đề tài luận văn là “Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm”, mục
đích là phân tích đánh giá các nguồn năng lượng và thiết bị động lực cho ô tô điện, từ đó thiết

kế hệ thống truyền lực cho ơ tơ điện. Luận văn bắt đầu bằng việc tìm hiểu cấu trúc của ơ tơ
điện từ đó chọn ra phương án truyền động thích hợp với nội dung thiết kế. Sau đó là việc phân
tích các loại ắc quy sử dụng trên ơ tơ điện đã được các tập đồn ô tô trên thế giới ứng dụng
trên ô tô điện để chọn ra loại ắc quy thích hợp nhất. Tiếp theo là phân tích các loại động cơ
điện một chiều và động cơ điện xoay chiều về đặc điểm cấu tạo, đặc tính cơ và điều chỉnh tốc
độ. Nội dung chính của luận văn là tính tốn các thơng số của ơ tơ điện tốc độ chậm, từ đó
thiết kế các bộ phận truyền động cơ khí trong hệ thống truyền lực của ô tô.
Tôi mong rằng kết quả của luận văn sẽ đóng góp một phần nhỏ trong sự phát triển của ơ
tơ điện ở nước ta góp phần giải quyết các vấn đề cấp bách hiện nay. Cuối cùng tơi mong nhận
được những ý kiến đóng góp q báu từ Thầy Cô và các bạn.

iii


MỤC LỤC
Đề mục

Trang

Trang bìa ........................................................................................................................i
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Tóm tắt luận văn........................................................................................................... iii
Mục lục......................................................................................................................... iv
Danh sách hình vẽ ....................................................................................................... vii
Danh sách bảng biểu .................................................................................................... ix
Danh Sách các từ viết tắt ...............................................................................................x
CHƢƠNG 1: XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA Ô TÔ ĐIỆN ........................................... 1
1.1 Lịch sử phát triển của ô tô điện................................................................................. 1
1.2 Những động cơ thúc đẩy việc phát triển ô tô điện ................................................... 4

1.2.1 Sự gia tăng số lượng ô tô .................................................................................. 4
1.2.2 Vấn đề ô nhiễm mơi trường .............................................................................. 5
1.2.3 Sự cạn kiệt nguồn năng hóa thạch ................................................................... 6
1.3 Xu hướng phát triển ô tô sạch................................................................................... 8
CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC .......... 12
2.1 Tổng quan về ô tô điện và hệ thống truyền lực....................................................... 12
2.1.1 Khái niệm ........................................................................................................ 12
2.1.2 Cấu trúc hệ thống truyền lực ô tô điện ............................................................ 12
2.2 Phân tích lựa chọn phương án truyền động cho ô tô điện....................................... 14
2.2.1 Phương án 1 .................................................................................................... 14
2.2.2 Phương án 2 .................................................................................................... 15
2.2.3 Phương án 3 .................................................................................................... 16
2.2.4 Phương án 4 .................................................................................................... 17
2.3 Bố trí hệ thống truyền lực và hệ thống điều khiển.................................................. 18
2.3.1 Phân tích, chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực .................................... 18
2.3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ điện cho ô tô hai chỗ ngồi ...................... 19
iv


CHƢƠNG 3 : PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG SỬ DỤNG
CHO Ô TÔ ĐIỆN .............................................................................................................. 21
3.1 Giới thiệu các loại ắc quy dùng cho ô tô điện......................................................... 21
3.1.1 Ắc quy chì- a xít ............................................................................................. 24
3.1.2 Ắc quy Ni-MH ................................................................................................ 27
3.1.3 Ắc quy Li- ion ................................................................................................. 28
3.1.4 Pin nhiên liệu - ( Fuel Cell) ............................................................................ 30
3.2 Lựa chọn ắc quy dùng cho ô tô điện ....................................................................... 33
CHƢƠNG 4 : PHÂN TÍCH LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ DÙNG CHO Ơ TƠ ĐIỆN .......... 35
4.1 Động cơ điện một chiều ........................................................................................... 35
4.1.1 Động cơ điện một chiều dùng chổi than ......................................................... 35

4.1.2 Động cơ một chiều không chổi than – ( BLDC) ............................................ 41
4.2 Động cơ điện xoay chiều ......................................................................................... 44
4.2.1 Động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ ................................................... 44
4.2.2 Động cơ điện đồng bộ .................................................................................... 47
4.3 Phân tích lựa chọn động cơ truyền động cho ô tô điện............................................ 48
4.3.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 48
4.3.2 Yêu cầu về mặt kinh tế ................................................................................... 49
4.3.3 Yêu cầu về mặt kỹ thuật ................................................................................. 49
4.3.4 Kết luận .......................................................................................................... 51
CHƢƠNG 5 : TÍNH TỐN CƠNG SUẤT CỤM ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ BỘ NGUỒN
ẮC QUY.............................................................................................................................. 53
5.1 Xác định động cơ điện và bộ nguồn ắc quy............................................................. 53
5.1.1 Xác định các thông số của động cơ điện......................................................... 53
5.1.2 Xác định các thông số cho bộ nguồn ắcquy.................................................... 57
5.2 Tính tốn các thơng số động học của ơ tơ điện tốc độ chậm ................................... 59
5.2.1 Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ............................................... 59
5.2.2 Xác định vận tốc lớn nhất của xe .................................................................... 60
5.2.3 Khả năng leo dốc của ô tô - độ dốc cực đại .................................................... 60
CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ ...................... 62
6.1 Sơ đồ tổng quát các cơ cấu truyền động cơ khí ....................................................... 62
6.2 Thiết kế bộ truyền lực chính và vi sai cầu chủ động ............................................... 62
v


6.2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống truyền lực................................................................... 62
6.2.2 Thiết kế cơ cấu truyền lực chính cầu chủ động .............................................. 63
6.2.3. Chọn bộ vi sai và bán trục cầu chủ động ....................................................... 69
6.3 Thiết kế trục, gối đở, vỏ cầu và bôi trơn.................................................................. 70
6.3.1 Thiết kế trục sơ cấp ......................................................................................... 70
6.3.2 Tính tốn chọn ổ lăn........................................................................................ 74

6.3.3 Vỏ cầu chủ động ............................................................................................. 76
6.3.4 Bơi trơn ........................................................................................................... 76
6.4 Bố trí lắp đặt các bộ phận truyền lực trên ô tô điện................................................. 77
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................... 78
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................... 79

vi


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1: Ơ tơ điện EV1................................................................................................. 2
Hình 1.2: Ơ tơ NEV của GM.......................................................................................... 3
Hình 1.3: Biểu đồ sự phát triển của các loại ơ tơ ........................................................... 3
Hình 1.4: Sự gia tăng số lượng ô tô ở Việt Nam............................................................ 5
Hình 1.5: Phân bố lượng ơ nhiễm Cacbon dioxide từ 1980 đến 1999 ........................... 6
Hình 1.6: Trữ lượng dầu phát hiện và nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ ..................................... 7
Hình 1.7: Trữ lượng dầu cịn lại của các vùng khác nhau trên thế giới ......................... 7
Hình 1.8: Nhu cầu tiêu thụ dầu của các phương tiện giao thông vận tải. ...................... 8
Hình 2.1: Hệ thống truyền lực ơ tơ điện ............................................................................. 13

Hình 2.2: Các thành phần của ơ tơ điện ....................................................................... 13
Hình 2.3: Hệ thống truyền động dùng hộp số cơ khí ................................................... 15
Hình 2.4: Hệ thống truyền động dùng động cơ điện, truyền lực chính và vi sai ......... 15
Hình 2.5: Hệ thống truyền động dùng hai động cơ điện .............................................. 16
Hình 2.6: Hệ thống truyền động chỉ dùng động cơ điện .............................................. 17
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ điện ...................................................... 19
Hình 3.1: Ắc quy khơ loại kín của cơng ty tia sáng ..................................................... 23
Hình 3.2: Cấu tạo ắc quy axít chì ................................................................................. 24

Hình 3.3: Cấu tạo ắc quy NiMH .................................................................................. 27
Hình 3.4: Quá trình sạc và phóng điện ắc quy Lithium- ion ......................................... 30
Hình 3.5: Mơ hình cấu tạo pin nhiên liệu..................................................................... 31
Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu....................................................... 32
Hình 4.1: Mặt cắt ngang động cơ điện một chiều ........................................................ 35
Hình 4.2: Lá thép rotor ................................................................................................. 35
Hình 4.3: Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ......................................... 37
Hình 4.4: Mạch điện động cơ kích từ song song.......................................................... 37

vii


Hình 4.5: Đường đặt tính cơ của động cơ kích từ song song ....................................... 38
Hình 4.6: Đường đặt tính làm việc của động cơ kích từ song song ............................. 38
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ song song....................... 39
Hình 4.8: Đường đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ........................ 40
Hình 4.9: Mạch điện động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp .................................... 40
Hình 4.10: Đường đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ song song .................. 41
Hình 4.11: Stator động cơ BLDC ................................................................................. 42
Hình 4.12: Các dạng rotor động cơ BLDC ................................................................. 42
Hình 4.13: Hình vẽ minh họa cấu tạo BLDC của Microchip ....................................... 43
Hình 4.14: Đặc tính cơ momen – tốc độ của động cơ BLDC ...................................... 43
Hình 4.15: Nguyên lý làm việc động cơ điện khơng đồng bộ ...................................... 46
Hình 4.16: Các đường đặc tính làm việc của động cơ khơng đồng bộ ........................ 47
Hình 4.17: Mặt cắt ngang động cơ điện đồng bộ ......................................................... 47
Hình 4.18: Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ .......................................... 48
Hình 4.19: Độ cứng đặc tính cơ và sự ổn định tốc độ .................................................. 51
Hình 4.20: Đường đặc tính của ba loại động cơ điện................................................... 51
Hình 5.1: Các lực cản tác dụng lên xe khi lên dốc ....................................................... 53
Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối tiếp 6 bình ắcquy (12V- 50AH) ............................................ 57

Hình 5.3: Kết cấu của động cơ điện HPM5000B......................................................... 58
Hình 5.4: Sơ đồ hệ thống truyền lực ............................................................................ 59
Hình 6.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động cơ khí .............................................. 62
Hình 6.2: Sơ đồ cấu tạo hệ thống truyền lực ................................................................ 63
Hình 6.3: Đồ thị biểu diễn thay đổi tải trọng theo chu kỳ............................................ 63
Hình 6.4: Kết cấu bộ vi sai ........................................................................................... 70
Hình 6.5: Sơ đồi nội lực ............................................................................................... 71
Hình 6.6: Sơ đồ đặt lực của trục sơ cấp ....................................................................... 74
Hình 6.7: Mức dầu bơi trơn trong cầu chủ động ............................................................. 76
Hình 6.8: Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động trên ơ tơ điện hai chỗ ngồi ......................... 77

viii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Tỷ lệ phát thải các chất ơ nhiễm ở Mỹ (tính theo %) .................................... 5
Bảng 3.1: Kết hợp giá thành với việc chăm sóc và bảo dưỡng ắc quy ........................ 26
Bảng 3.2: Năng lượng riêng và mật độ năng lượng của một số loại ắc quy ................ 34
Bảng 5.1: Tổng hợp các thông số động học của ô tô ................................................... 61
Bảng 6.1: Số liệu trục sơ cấp........................................................................................ 72
Bảng 6.2 Kiểm nghiệm hệ số an toàn s: ....................................................................... 73
Bảng 6.3: Kiểm nghiệm độ bền then............................................................................ 74

ix


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AGM - Absorbed Glass Mat: ắc quy khô loại tấm hút.

VRLA - The Valve Regulated Lead-Acid Battery: ắc quy axít chì có van điều chỉnh.
NiMH - Nickel Metal Hydride: ắc quy dùng Nickel.
PEM - Proton Exchange Membrane: tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton.
BLDC - Brushless DC Motor: động cơ điện một chiều không chổi than.
NEV – Neighborhood Electric Vehicle: ô tô điện chạy tốc độ chậm.
ZEV - Zero-emissions vehicle : ô tô khơng phát ra khí thải.

x


Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hòa

CHƢƠNG 1: XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA
Ơ TƠ ĐIỆN

1.1 Lịch sử phát triển của ơ tơ điện:
Ơ tơ điện đã có lịch sử phát triển trước cả những ô tô trang bị động cơ đốt trong. Vào
năm 1835, Thomas Davenport đã chế tạo ra chiếc ô tô điện đầu tiên chạy bằng nguồn năng
lượng của ắc quy. Việc điều khiển và khởi động động cơ điện được thực hiện một cách dễ
dàng cộng với tình trạng khan hiếm các trạm cung cấp nhiên liệu lúc bấy giờ đã thúc đẩy việc
dùng ô tô điện chạy bằng năng lượng của ắc quy. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của
động cơ đốt trong cùng với việc phát minh động cơ khởi động bằng điện đã ngăn cản sự phát
triển của kỹ thuật ô tô điện. Việc sử dụng ô tô điện bị hạn chế với số lượng nhỏ các xe ô tô và
xe tải nhỏ để phân phát hàng hóa.
Năm 1920 hàng ngàn chiếc xe điện được sản xuất: xe hơi, xe tải nhỏ, xe taxi, xe buýt.
Tuy nhiên lúc này lượng dầu mỏ được khai thác với giá rẻ nên đã thu hút được các nhà sản
xuất đầu tư phát triển xe động cơ đốt trong. Ngồi ra một lý do khác là cơng nghiệp pin thời
điểm này chưa phát triển mạnh mẽ, để tạo ra một công suất quay như động cơ đốt trong thì

khối lượng pin rất cồng kềnh khó có thể đặt trên xe.
Tình trạng ơ nhiễm ngày càng gia tăng vào cuối những thập niên 60 của thế kỷ trước đã
thúc đẩy cho việc phát triển của ô tô điện thử nghiệm. Nhưng nghành cơng nghiệp ơ tơ lúc đó
đã phát triển cùng với các phương pháp giảm lượng khí thải, lại một lần nữa ngăn cản sự phát
triển của ô tô điện. Vào những năm 1970, việc thiếu xăng dầu từ hậu quả của việc cấm vận
dầu mỏ của người Ả Rập đã gây nên một cuộc khủng hoảng năng lượng. Người ta đã chú ý
nhiều hơn đến ô tô điện, nhưng chỉ được sản xuất với một số lượng nhỏ không đáp ứng được
nhu cầu về giao thông cho tồn xã hội. Ngồi ra bán kính hoạt động của ô tô điện còn bé là
một trong những lý do kiềm hãm sự phát triển của ô tô điện.
Ngày nay chính phủ các nước quan tâm nhiều hơn tới vấn đề môi trường cũng như về
vấn đề sử dụng năng lượng có thể tái tạo được. Ở Mỹ các các nước Châu Âu đã có các đạo
luật, các tiêu chuẩn về khí thải đưa ra để hạn chế các loại xe gây ô nhiễm môi trường. Hiện
thời chiếc ô tô điện là phương tiện có thể làm được việc “ không gây ô nhiễm”. Việc bắt buộc
phải giảm ô nhiễm khơng khí đã thúc đẩy mãnh liệt những chương trình nghiên cứu về ô tô

1


Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hòa

điện. Các hãnh sản xuất ô tô lớn trên thế giới đang bắt tay vào việc sản xuất ra những chiếc ô
tô điện ngày càng hoàn thiện hơn để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng.
Những năm đầu thập kỷ 90, Hãng GM đã đổ hàng tỷ USD vào nghiên cứu xe điện và cho ra đời
mẫu xe điện đầu tiên của hãng - EV1. Thế hệ đầu tiên của EV1 gắn ắc quy chì - axit, giới hạn chạy từ
120 đến 160 km. Thế hệ thứ 2 thay bằng ắc quy niken hydrua nâng giới hạn chạy lên 120 đến 240 km
nhưng vẫn không đáp ứng được nhu cầu của người dùng khi đó. Mặc dù được coi là chiếc xe điện tốt
nhất thế giới nhưng EV1 vẫn không thể so sánh với động cơ đốt trong. Ngồi ra vì giá thành chiếc xe
quá cao, GM chỉ cho phép thuê EV1 trong 3 năm hoặc 48000 km với giá từ 34 nghìn đến 44 nghìn

USD. Vì khơng có tính kinh tế nên EV1 khơng thể phát triển và dừng sản xuất sau đó.

Hình 1.1 Ơ tơ điện EV1.
Năm 2008, Chrysler đã đầu tư vào hãng sản xuất xe điện Global Electric Motocar họ
nhận thấy tiềm năng của thị trường xe điện tốc độ thấp hay còn gọi là NEV (Neighborhood
electric vehicle). Mặc dù chỉ có vận tốc tối đa 40 km/h và giới hạn chạy 48 km nhưng những
chiếc xe của GEM được ứng dụng khá rộng rãi và phù hợp yêu cầu của nhiều loại hình cơng
việc. Sáu mẫu xe cơ bản của GEM là e2 (2 chỗ), e4 (4 chỗ), e6 (6 chỗ), eS, eL, eL XD (thêm
giá chở hàng phía sau) được sử dụng hàng ngày trong các mục đích như đi dạo, tuần tra
đường phố hoặc công viên, chở khách du lịch, bán hàng lưu động, sử dụng trong bệnh viện,
sân bay hay sân gơn…Đến nay, hơn 35 nghìn chiếc GEM đã được sản xuất và tiêu thụ và tiềm
năng của GEM vẫn còn rất lớn.

2


Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hịa

Hình 1.2. Ơ tơ NEV của GM.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp xe điện đang hứa
hẹn một tiềm năng rất lớn. Các nhà chế tạo không ngừng nghiên cứu để nâng cao phạm vi
hoạt động của ô tô điện cũng như về khả năng tăng tốc của ô tô. Vấn đề giá thành là một trong
những khó khăn lớn nhất cho sự phát triển của ô tô điện hiện nay cũng đang được các nhà
chức trách quan tâm đúng mức. Hình 1.3 biểu diễn xu hướng phát triển của các loại xe, ô tô
điện cùng với các loại xe tiết kiệm nhiên liệu khác đang phát triển mạnh mẽ phù hợp với sự
phát triển của nhân loại.

Động cơ hơi

nước ( 17701920)

Dầu được tìm thấy
lần đầu năm 1859.

Xe điện
(1830 – tương lai)

Giá dầu cao hơn
100$/ 1 thùng

Động cơ đốt trong
( 1885- bao lâu?)

Ơ tơ điện được cải
tiến, số lượng ô tô
điện và ô tô hybrid
tăng mạnh

ZEV cùng với xe
dùng pin nhiên
liệu, xe hybrid
được khuyến
khích phát triển
năm 2008

Hình 1.3. Biểu đồ sự phát triển của các loại ô tô.

3

Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hòa

1.2 Những động cơ thúc đẩy việc phát triển ô tô điện:
1.2.1 Sự gia tăng số lƣợng ơ tơ :
Giao thơng vận tải nói chung và vận tải ơ tơ nói riêng là một nghành quan trọng của quá
trình phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia cũng như trên toàn thế giới. Con người và các
sản phẩm sản xuất trong xã hội ln có xu thế dịch chuyển từ nơi này đến nơi khác. Chính vì
vậy mà nghành giao thơng vận tải đã ra đời và trở thành mạch máu của nền kinh tế quốc dân.
Ơ tơ với đặc điểm có tính cơ động và linh hoạt cao đã trở thành phương tiện rất cần thiết
trong nghành giao thơng vận tải. Có thể nói, ơ tơ là một thành viên khơng thể thiếu của xã hội
con người. Ơ tơ đã đóng góp một vai trị quan trọng trong sự phát triển cơng nghiệp và kinh
tế, đồng thời nó là phương tiện nâng cao tiện nghi đời sống con người và hỗ trợ giao lưu phát
triển văn hóa xã hội.
Chính vì vai trị quan trọng như vậy số lượng ô tô được sử dụng hiện nay trên thế giới
khoảng 740 triệu chiếc và dự đoán sẽ tiếp tục tăng thêm. Sự phát triển phương tiện giao thông
ở các khu vực trên thế giới nói chung khơng giống nhau nhưng đều có xu thế chung là ơ tơ
hóa dần qng đường dịch chuyển. Tốc độ gia tăng số lượng ô tô trên thế giới rất lớn đặc biệt
là khu vực Đông Nam Á, chẳng hạn Hàn Quốc tốc độ tăng hàng năm là 20%, Malaysia tốc độ
này là 70%... Cùng với việc gia tăng số lượng ơ tơ thì số lượng xe gán máy giảm dần. Các dự
báo cho thấy rằng thị trường ô tô tiềm năng trong thế kỷ 21 sẽ chuyển từ các nước Đông Âu
và Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đông Nam Á, Trung Á và cuối cùng là Châu Phi. Cũng
theo dự báo số lượng ô tô ở Châu Á Thái Bình Dương sẽ tăng từ 0,7chiếc/1000 người dân
năm 1985 lên 10 chiếc/1000 người dân năm 2020 và 20 chiếc/1000 người dân vào năm 2060.
Việt Nam chúng ta cũng khơng nằm ngồi xu thế đó đặc biệt khi nền kinh tế chúng ta
bước vào thời kỳ hội nhập và phát triển với tốc độ cao cùng với đó mức sống của người dân
ngày được nâng cao (GDP/người tăng), đồng thời cơ sở hạ tầng giao thông được nâng cấp và
xây dụng mới thì nhu cầu sử dụng ơ tơ thay cho xe máy để tăng tính tiện nghi, tính an tồn

trong giao thơng là xu thế tất yếu và lúc đó số lượng ơ tơ sẽ tăng rất nhanh.
Nhưng sự phát triển tất yếu đó cũng đặt ra cho thế giới cũng như Việt Nam chúng ta
nhiều vấn đề cần giải quyết để sự phát triển đó thực sự bền vững và hiệu quả. Nhưng nỗi bật
lên 2 vấn đề bức xúc nhất hiện nay là ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn dầu mỏ.

4


Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hịa

Hình Error! No text of specified style in document..4 Sự gia tăng số lượng ô tô ở Việt Nam.
1.2.2 Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng:
Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp Hydrocacbon với khơng khí chỉ sinh ra CO 2 , H2 O
và N 2 . Vì sự khơng đồng nhất của hỗn hợp một cách lý tưởng cũng như do tính nhất phức tạp
của các hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ ơ tơ luôn
chứa một hàm lượng đáng kể các chất độc hại như oxyde nitơ (NO, NO 2 , N 2 O, gọi chung là
NOx ), monoxydecarbon(CO), các Hydrocacbon chưa cháy (HC) và các hạt rắn đặc biệt là bồ
hóng. Ngồi ra nếu trong nhiên liệu có lẫn các tạp chất như lưu huỳnh thì sẽ có thêm SO 2
hoặc nếu để tăng tính chống kích nỗ của nhiên liệu người ta pha thêm vào Pb(C2 H5 )4 thì trong
khí thải cịn có thêm các hạt chì lơ lững trong khơng khí. Nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí
xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành.
Bảng 1.1: Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mỹ (tính theo %)
Nguồn phát phát ơ nhiễm

CO

HC

NO x

Ơ tơ

64.7

45.7

36.6

Các phương tiện giao thơng khác

9.0

7.2

10.5

Q trình cháy cơng nghiệp

9.1

16.8

42.8

Cơng nghiệp dầu mỏ

5.2

5.3

1.7

Các hoạt động khác

12

25

8.4

Tổng cộng

100

100

100

5


Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hịa

Cùng với q trình phát triển cơng nghiệp nói chung trong đó sự gia tăng nhanh số lượng
ơ tơ đóng một vài trị quan trọng làm gia tăng một cách đáng ngại của một số chất gây ơ
nhiễm trong bầu khí quyển. Đến nay người ta đã xác định được các chất gây ô nhiễm khơng

khí mà phần lớn những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong. Người ta đã xác
định được nồng độ các chất gây ô nhiễm các hoạt động của con người như bảng trên.
Ngoài các chất ơ nhiễm trên trong khí thải động cơ có một lượng lớn khí CO 2 cùng với
sự gia tăng nhanh về số lượng ô tô trên thế giới làm cho khối lượng khí này thải vào khí
quyển ngày càng gia tăng và chiếm một tỷ lệ lớn trong lượng phát thải CO 2 của toàn thế giới.
Tỷ lệ lượng CO2 thải ra hàng năm thể hiện qua đồ thị sau :

Hình 1.5 Phân bố lượng ơ nhiễm Cacbon dioxide từ 1980 đến 1999.
1.2.3 Sự cạn kiệt nguồn năng hóa thạch:
Như chúng ta đã biết năng lượng hóa thạch đã chiếm một vị trí quan trọng trong q trình
phát triển của nhân loại đặc biệt trong thời kỳ các cuộc cách mạng cơng nghiệp trong đó các
phương tiện giao thơng tăng mạnh đã tiêu thụ một lượng lớn năng lượng hóa thạch và đẩy
nguồn năng lượng này đứng trước nguy cơ cạn kiệt trong một thời gian ngắn.
Năm 1970 người ta đã dự báo dầu mỏ đủ dùng trong 30 năm nữa với tốc độ tiêu thụ 2,4
tỷ tấn/năm. Trữ lượng dầu còn khoảng 72 tỷ tấn, như vậy năm 2000 sẽ khơng cịn dầu nữa. Vì
vậy vào năm 1973 đã xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng trầm trọng giá dầu tăng gấp 4 lần.

6


Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hịa

Tỷ thùng

80
70
60

Trữ lượng
dầu mỏ

50

Nhu cầu

40
Sử dụng năng
lượng mới

30
20
10
0
1900

1920

1940

1960

1980

2000

2020

2040

Năm

Hình 1.6 Trữ lượng dầu phát hiện và nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ.
Tuy vậy tính đến năm 2005 thế giới đã tiêu thụ 110 tỷ tấn dầu, nhưng vẫn còn 140 tỷ tấn
và còn khai thác được trong vòng 36 năm với nhu cầu tiêu thụ như hiện nay (theo đó đến năm
2040 dầu mỏ sẽ hết) đây được xem là một dự báo chính xác hơn những dự báo năm 1970 do
sự phát triển của khoa học kĩ thuật như thể hiện ở hình trên. Mặc dù vậy nhu cầu sử dụng dầu
mỏ vẫn tăng cao và tăng liên tục kéo theo trữ lượng khai thác hàng năm và giá dầu liên tục
tăng. Đặc biệt giá dầu trong những năm gần đây tăng nhanh và liên tục lập những kỷ lục mới
nhiều lúc đã vượt qua ngưỡng 100USD/thùng đặc biệt trong năm 2008 này dầu thô đã có lúc
lên đến 115USD/ thùng đặt kinh tế thế giới trước nhiều thách thức của khủng hoảng kinh tế.
80

81

Năm

60
41

40

41
32

28
20

12

Bắc Mỹ

9

14

Liên Xô Châu Âu Trung Châu Phi Châu Á- Thế Giới
Mỹ
TBD
Đơng
cũ
La Tinh

Hình 1.7. Trữ lượng dầu cịn lại của các vùng khác nhau trên
thế giới ( BP Statistical Review, 2007).

7


Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hịa

Các loại năng lượng hóa thạch khác như than đá tuy còn thời hạn sử dụng nhiều hơn (
than đá còn 114 năm sử dụng ) nhưng so với dầu mỏ thì nó có nhiều nhược điểm đặc biệt khi
sử dụng trên các phương tiện giao thơng sẽ gây rất nhiều bất lợi và nó chỉ được sử dụng trong
thời kỳ trước khi khoa học công nghệ chưa phất triển vào thời kỳ động cơ hơi nước. Tuy
nhiên than đá khơng có tương lai trong ngành giao thơng vận tải vì vậy đối với giao thông vận
tải sử dụng các phương tiện truyền thống dầu mỏ vẫn là nhiên liệu quan trọng nhất mà cho

đến nay tìm được một nguồn nhiên liệu nhằm thay thế hồn tồn dầu mỏ.

Hình 1.8 Nhu cầu tiêu thụ dầu của các phương tiện giao thông vận tải.

1.3 Xu hƣớng phát triển ô tô sạch :
Đứng trước 2 vấn đề lớn là : ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng truyền
thống ngày càng cạn kiệt các nhà chế tạo ô tô đang nghiên cứu để ô tô ngày càng thân thiện
với mơi trường. Ơ tơ sạch khơng gây ô nhiễm (Zero emission) là mục tiêu hướng tới của các
nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được cơng bố trong những
năm gần đây, tập trung vào việc hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại
nhiên liệu khơng truyền thống cho ơ tơ như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol,
biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid). Xu hướng phát triển ô tơ
sạch có thể tổng hợp như sau:

8


Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm

SVTH: Trương Phúc Hịa

+ Hồn thiện động cơ đốt trong:
Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ động cơ đốt trong đã cho phép nâng cao rõ rệt
tính năng của nó bao gồm áp dụng hệ thống phun ray chung (common rail) điều khiển điện tử,
lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất
lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp. Việc dùng động cơ
đốt trong sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng cũng là một giải pháp nâng cao
tính năng của động cơ đốt trong.
+ Ơ tơ chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế:
Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza,... có nguồn từ thực vật.

Do thành phần Carbon trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ơ nhiễm có gốc
carbon, đặc biệt là giảm CO 2 , chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Ngày nay việc ứng dụng các
loại nhiên liệu lỏng thay thế trên phương tiện vận tải nói chung và trên xe bt nói riêng vẫn
cịn rất hạn chế do giá thành của nhiên liệu còn cao. Tuy nhiên giải pháp này có lợi ở những
nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên được chiết xuất từ các chất
thải của quá trình sản xuất công nghiệp.
Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây được công bố là Dimethyl ether (DME)
được chế tạo từ khí thiên nhiên. Đây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể dùng cho động
cơ diesel giống như LPG. Thử nghiệm trên ô tô cho thấy, ơ tơ dùng DME có mức độ phát ơ
nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ô tô phát ô nhiễm cực thấp California ULEV. Nếu
việc sản xuất DME trên qui mơ cơng nghiệp thành hiện thực thì trong tương lai nó sẽ là nhiên
liệu lỏng lý tưởng nhất vì khí thiên nhiên phân bố đều khắp trên trái đất và có trữ lượng tương
đương dầu mỏ.
+ Ơ tơ chạy bằng khí thiên nhiên:
Sử dụng ơ tơ chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách rất hữu ích về năng lượng thay
thế trong tương lai, đặc biệt về phương diện giảm ô nhiễm môi trường trong thành phố. Cho
tới nay có hai giải pháp sử dụng khí thiên nhiên trên xe bt, đó là khí thiên nhiên dưới dạng
khí và khí thiên nhiên dưới dạng lỏng. Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng
lượng này chưa được áp dụng rộng rãi trên phương tiện vận tải là vấn đề lưu trữ khí thiên
nhiên (dạng khí hay dạng lỏng) trên ơ tơ. Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã
được cải thiện nhiều cả về cơng nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia
cố bằng sợi carbon.

9