ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC Ô TÔ HYBRID GVHD GS TSKH Bùi Văn Ga SVTH Lê Võ Văn Nhật Nhóm 18 17 MSSV 103180040 Đà Nẵng, ngày 20 11 2021 Mục lục Phần 1 Lịch sử phát triền accu và dự báo khả năng lưu trữ và giá thành accu trong tương lai 4 1 1 Lịch sử phát triển accu 4 1 2 Khả năng lưu trữ của accu hiện nay và dự báo trong tương lai 19 1 3 Giá thành pin 20 Phần 2 Thiết kế sơ bộ xe máy hybrid 23 2 1 Vấn đề đặt ra 23 2 2 Tính toán thiết kế xe.
Lịch sử phát triển accu
Năm 1740 Pin đầu tiên trên thế giới:
Trước khi Benjamin Franklin phát hiện điện vào những năm 1740, khái niệm về pin có thể đã xuất hiện từ hai nghìn năm trước Năm 1983, một nhóm các nhà khảo cổ học đã phát hiện ở Khujut Rabu, một ngôi làng gần Baghdad, một bộ sưu tập lọ đất nung chứa các tấm đồng được cuộn quanh một thanh sắt Wilhelm Künnig cho rằng cấu trúc này có thể là một dạng tế bào galvanic được dùng làm pin cổ đại; khi ngâm trong dung dịch axit, sự kết hợp giữa đồng và sắt có thể sinh ra dòng điện Người ta cho rằng dạng pin này có thể được dùng để mạ vàng cho các đồ tạo tác của nền Văn minh Parthia, vương triều tồn tại từ 250 trước Công nguyên đến 250 sau Công nguyên.
Hình 1-1 mô tả viên pin của người Parthian Quan điểm cho rằng đây là một viên pin cổ đại đã gặp nhiều sự phản đối, đặc biệt của Alessandro Volta, người cho rằng hiện tượng này thực ra là do sự ghép nối của hai kim loại khác nhau và một chất dẫn điện ẩm Volta đã xác minh khái niệm này thông qua một thí nghiệm được ông công bố vào năm 1791.
Hình 1-2.Các điện cực chạm vào một con ếch và chân co lại theo vị trí hướng lên
(Nguồn ảnh: Trang web Wikipedia)
Năm 1800: "Pin Volta" - Pin đầu tiên của nhân loại ra đời.
Alessandro Volta (1745-1827) là giáo sư vật lý tại Đại học Pavia ở Ý Trước đó, Volta đã có nhiều nghiên cứu nhằm tăng cường tính điện của chiếc chai Leyden Ông đề xuất một mô hình mang tên "khẩu súng lục bắn điện" để thực hiện liên lạc đường dài Khẩu súng lục điện được nối với một sợi dây sắt đặt trên các cọc gỗ kéo dài từ Milan đến Como Đầu dây sắt được nối với một chai chứa khí methane Khi gửi một thông điệp được mã hóa, khẩu súng lục điện sẽ bắn tia lửa điện và người nhận có thể đọc được các thông điệp trên chai methane Tuy nhiên, mô hình này chưa từng được chế tạo trong thực tế.
Hình 1-3.Alessandro Volta (1745-1827) là giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy, cha đẻ của pin.
Vào năm 1800, Volta thực hiện loạt thí nghiệm với kẽm, chì, thiếc và sắt làm tấm tích điện âm (cathode) và đồng, bạc, vàng, than chì làm tấm tích điện dương (anode) Sau đó, ông xếp các tấm trái cực xen kẽ với nhau, được ngăn cách bởi miếng giấy xốp thấm dung dịch muối ăn Cuối cùng, ông nối đầu và cuối của hệ bằng một sợi dây dẫn và nhận thấy có một dòng điện chạy qua Đây là viên pin đầu tiên của nhân loại mang tên pin Volta Danh từ pin, hay pile, được đặt cho thiết bị này vì nó là một chồng các miếng kim loại tròn bằng đồng và kẽm có hình dáng như một chiếc cọc.
Hình 1-4.Mô hình pin đầu tiên của Volta còn được bảo tồn đến ngày nay.
Năm 1820: Pin di động Daniell.
Nhà hóa học người Anh John Frederic Daniell đã phát minh ra tế bào Daniell, mở đường khắc phục hạn chế của các loại pin trước đây Tế bào Daniell sử dụng dung dịch đồng sunphat và điện cực kẽm, được đặt trong một bình đất nung xốp cho phép các ion di chuyển giữa hai dung dịch mà ngăn chúng trộn lẫn Thiết kế này giúp duy trì sự phân cách giữa hai dung dịch, giảm sự ăn mòn và tạo ra điện áp ổn định Tế bào này tạo ra khoảng 1,1 volt và ban đầu được dùng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị liên lạc.
Năm 1838: Tế bào nồi xốp.
John Dancer, một nhà sản xuất nhạc cụ tại Liverpool, đã ứng dụng thiết kế của tế bào Daniell Tế bào Daniell gồm cực âm là thanh kẽm ngâm trong dung dịch ZnSO4, đặt trong một bình đất nung xốp; bình đất nung này được nhúng vào dung dịch CuSO4 chứa thanh đồng ở bên trong lon đồng, nơi đồng hoạt động như cực dương của tế bào Các ion di chuyển qua lớp rào cản xốp và hai dung dịch ZnSO4 và CuSO4 không trộn lẫn với nhau, nhờ lớp chắn xốp.
Năm 1859: Sự xuất hiện của pin axit chì.
Trước đây, mọi loại pin đều là tế bào chính và bị tiêu hao vĩnh viễn sau khi các phản ứng hóa học kết thúc Gaston Planté đã khắc phục nhược điểm này bằng phát minh pin axit-chì có thể sạc lại, cho phép cung cấp năng lượng lâu hơn nhờ chu kỳ sạc và xả liên tục Camille Alphonse Faure tiếp tục cải tiến bằng cách thiết kế một ô gồm một mạng lưới chì, trong đó bột chì oxit được ép thành Các lớp của các tấm hợp chất này được xếp chồng lên nhau để tăng hiệu suất Mô hình đầu tiên của pin axit-chì gồm hai tấm chì được ngăn cách bởi các dải cao su, tạo thành hình xoắn ốc Pin axit-chì lần đầu được sử dụng để cấp nguồn cho đèn chiếu sáng trên toa tàu.
Hình 1-7 Pin ướt có thể sạc được của nhà vật lý người Pháp Gaston Planté.
Năm 1866: Tế bào Leclanché, Pin kẽm carbon.
Nhà khoa học Pháp Georges Leclanché đã phát minh ra loại pin gồm cực dương kẽm và cực âm mangan dioxide được bọc trong một lớp vật liệu xốp, với dung dịch ammonium chloride làm chất điện phân Khi mangan dioxide được trộn thêm carbon, loại pin này có khả năng tích điện nhanh hơn và có tuổi thọ lâu hơn Leclanché sau đó cải tiến bằng cách thay thế chất điện phân lỏng bằng một phiên bản paste, từ đó hình thành pin khô đầu tiên Loại pin khô này có thể được sử dụng theo nhiều hướng và vận chuyển mà không bị rò rỉ.
Năm 1886: Phiên bản tế bào Leclanché của Carl Gassner.
Pin khô là một loại pin điện được dùng phổ biến cho các thiết bị điện di động Nó được phát triển vào năm 1886 bởi nhà khoa học người Đức Carl Gassner, sau khi Georges Leclanché giới thiệu pin kẽm‑carbon ướt vào năm 1866 Thiết kế của pin khô loại bỏ nước và chất điện phân lỏng, giúp tăng tính di động và an toàn, đồng thời trở thành nền tảng cho các loại pin dùng trong đồng hồ, đèn pin và các thiết bị điện tử tiêu dùng ngày nay.
1866 Phiên bản hiện đại được phát triển bởi Sakizō Yai người Nhật Bản vào năm 1887.
Trong công nghệ pin, tế bào khô dùng chất điện phân dạng sệt với lượng nước vừa đủ để cho dòng điện chạy qua; vì không chứa chất lỏng tự do, ô khô có thể hoạt động theo mọi hướng mà không bị đổ, nên rất phù hợp với thiết bị di động Ngược lại, tế bào ướt ban đầu thường là hộp thủy tinh dễ vỡ với thanh chì treo ở trên và cần được xử lý cẩn thận để tránh rơi vỡ Pin axit-chì không đạt được mức an toàn và tính di động của tế bào khô cho tới khi pin gel ra đời; trong khi tế bào ướt vẫn được dùng cho các ứng dụng cần tiêu thụ nhiều nước, như khởi động động cơ đốt trong, vì việc ức chế dòng điện nói chung sẽ làm giảm khả năng cung cấp điện.
Một loại tế bào khô phổ biến là tế bào kẽm-cacbon, đôi khi còn được gọi là tế bào Leclanché khô, với điện áp danh định 1,5 vôn và có đặc điểm tương tự như tế bào kiềm.
Waldermar Jungner, một nhà khoa học người Thụy Điển, đã phát minh ra pin niken-cadmium (NiCd) đầu tiên Đây là một loại pin có thể sạc lại, chứa nickel và cadmium và được ngâm trong dung dịch kali hydroxit (KOH) Đây là loại pin đầu tiên sử dụng chất điện phân kiềm, mang lại mật độ năng lượng cao hơn so với pin axit-chì.
Pin Ni-Cd (NiCad) hay còn gọi là pin có thể sạc lại được, được cấu tạo từ hai tấm niken oxyhydroxit và cadmium ghép lại và cuộn thành hình trụ Trong pin NiCad, niken oxyhydroxit đóng vai trò cực dương và cadmium là cực âm Dung dịch điện phân kali hydroxit (KOH) tạo ra sự tích điện giữa hai cực, cho phép pin Ni-Cd tích trữ và giải phóng năng lượng khi sạc và xả.
Hình 1-9 Thành phần pin niken cadmium.
Thomas Edison, một nhà khoa học nổi tiếng người Mỹ, đã tiếp nhận thiết kế tế bào niken-sắt của Jungner và cho ra một phiên bản cải tiến được cấp bằng sáng chế Trong cấu hình Edison, sắt là cực âm và niken oxit hydroxit là cực dương, dùng dung dịch kiềm potassium hydroxide làm chất dẫn điện Ban đầu Edison dự định dùng pin này cho ô tô điện, nhưng thực tế nó được ứng dụng nhiều hơn trong công nghiệp và đường sắt nhờ độ bền và khả năng chịu quá tải và xả sâu, phù hợp với điều kiện làm việc khi sạc quá mức hoặc xả kiệt.
Năm 1955: Sự xuất hiện của pin kiềm.
Pin kiềm, có chất điện phân kiềm chứ không phải axit, được phát triển lần đầu bởi Waldemar Jungner năm 1899 và sau đó Thomas Edison làm việc độc lập vào năm 1901 Loại pin khô kiềm hiện đại dựa trên hóa học kẽm/mangan đioxit được phát triển bởi kỹ sư người Canada Lewis Urry vào những năm 1950 tại Canada trước khi ông gia nhập bộ phận Pin Eveready của Union Carbide ở Cleveland, OH, dựa trên công việc của Edison Vào ngày 9 tháng 10 năm 1957, Urry, Karl Kordesch và PA Marsal đã nộp bằng sáng chế Hoa Kỳ số 2.960.558 cho pin kiềm; bằng sáng chế được cấp vào năm 1960 và được giao cho Union Carbide Corporation.
Giá thành pin
Pin Lithium-ion (Li‑ion) là công nghệ pin được sử dụng phổ biến nhất hiện nay Pin Li‑ion có mật độ năng lượng cao hơn so với pin Ni‑Cd cũ và không gặp hiện tượng hiệu ứng bộ nhớ, giúp duy trì dung lượng lưu trữ khi liên tục sạc và xả Nhờ những ưu điểm này, Li‑ion được ứng dụng rộng rãi trong điện thoại di động, máy tính xách tay và các thiết bị điện tử khác, mang lại hiệu suất ổn định và thời gian sử dụng dài hơn.
Pin NCA là công nghệ pin riêng do hãng phát triển, trong khi lithium-niken-mangan-coban (NMC) phổ biến ở phần còn lại của lĩnh vực xe điện và được sản xuất bởi các hãng như LG Chem và SK Innovation.
Thật không may, tuổi thọ của pin Li-ion không dài mãi và dung lượng của nó suy giảm đáng kể sau vài năm đầu tiên; sau khoảng năm năm sử dụng phổ biến, pin có thể ở mức còn lại khoảng 70–90% dung lượng ban đầu Pin Li-ion vẫn là một nguồn năng lượng có chi phí cao, với giá chuẩn công nghiệp khoảng 137 USD cho mỗi kWh vào năm 2020, trong khi các cell NCA tiên tiến của Tesla được cho là có giá gần 100 USD/kWh Điều này cho thấy chi phí lưu trữ năng lượng đã trải qua một chặng đường dài.
2010, giá pin là 1.100 USD / kWh, giảm 90% trong vòng mười năm Nhưng sự sụt giảm đó không bền vững trong thập kỷ tới.
Hình 1-18.Giảm chi phí pin theo thời gian tính bằng đô la trên mỗi kilowatt giờ.
Theo Bloomberg New Energy Finance (BNEF), ngưỡng 101 USD/kWh được xem là mức giá để xe điện cạnh tranh với động cơ đốt trong Dự báo cho thấy ngưỡng này có thể được vượt qua trong giai đoạn từ 2023 đến 2025, mở ra cơ hội giảm chi phí xe điện ở quy mô lớn Tuy nhiên, câu hỏi vẫn tồn tại về khả năng cải thiện công nghệ pin Li-ion và mức độ giảm giá pin trong tương lai để duy trì lợi thế cạnh tranh và đà tăng trưởng của thị trường xe điện.
Theo báo cáo, giá trung bình của gói pin Lithium-ion đạt khoảng 132 USD cho mỗi kWh vào năm 2021, giảm so với mức 140 USD/kWh của năm 2020 Giá theo cơ sở cell được ghi nhận ở khoảng 101 USD/kWh.
Giá nguyên liệu thô tăng đẩy giá lên và theo báo cáo, dự đoán giá gói trung bình lên tới 135 USD/kWh cho năm 2022, làm tăng chi phí sản xuất và tác động đến thị trường xe điện Điều này có nghĩa là ngưỡng dưới 100 USD/kWh — một cột mốc quan trọng cho khả năng chi trả của xe điện — sẽ bị trì hoãn hai năm.
Dự đoán giá cell pin trung bình sẽ giảm xuống dưới 100 USD / kwh vào năm
Trong năm 2024, các hãng ô tô được phép sản xuất ô tô điện với mức giá ngang bằng xe chạy xăng, tạo điều kiện cho xe điện cạnh tranh mạnh hơn trên thị trường Tuy vậy, một nghiên cứu năm 2020 cho thấy chi phí vẫn là rào cản lớn nhất đối với việc áp dụng xe điện, đặt thách thức lên quá trình phổ biến hóa ô tô điện và đòi hỏi tối ưu hóa chi phí sản xuất và chi phí sở hữu.
Việc sản xuất pin đang thắt chặt nguồn cung coban do phần lớn hoạt động khai thác do Cộng hòa Dân chủ Congo (DRC) chi phối, gây ra lo ngại về tính bền vững của chuỗi cung ứng Những câu hỏi về trách nhiệm môi trường và xã hội trong quá trình khai thác coban khiến các nhà sản xuất cân nhắc nguồn cung thay thế và các biện pháp đảm bảo chuỗi cung ứng có trách nhiệm Để duy trì sản xuất pin và đáp ứng yêu cầu ESG, các hãng sẽ cần đa dạng hóa nguồn coban và tìm kiếm các nguồn cung thay thế hoặc các chuỗi cung ứng được kiểm soát tốt hơn.
Đã ghi nhận một số sự cố an toàn khiến công chúng e ngại khi sử dụng súng, dù các trường hợp quá nhiệt của pin Lithium hiếm gặp so với số lượng thiết bị đang được vận hành Đây là nhược điểm của công nghệ vốn được xem là tiên tiến cách đây không lâu và cho thấy rủi ro vẫn tồn tại ngay cả khi mức độ phổ biến cao.
Các nhà khoa học tin rằng tương lai - loại pin 50 USD / kWh trở xuống - nằm ở nơi khác.
Nghiên cứu công nghệ thể rắn đang tiến hành và các nguyên mẫu đang được phát triển, nhưng có thể mất một thập kỷ trước khi một thiết bị thể rắn có sẵn cho nhu cầu tiêu dùng công cộng; các chuyên gia ước tính công nghệ thể rắn sẽ có giá từ 800 USD/kWh đến khoảng 400 USD/kWh vào năm 2026.
Thiết kế sơ bộ xe máy hybrid
Vấn đề đặt ra
Việt Nam là một quốc gia điển hình ở khu vực và trên thế giới về sử dụng xe mô tô, xe gắn máy khi chiếm tới 95% tổng số xe cơ giới Đây là loại phương tiện được nhiều người dân lựa chọn bởi dễ sử dụng, khả năng cơ động và giá thành hợp lý Kết quả điều tra sơ bộ tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh cho thấy người dân sử dụng xe mô tô, xe gắn máy di chuyển từ 2-4 lượt/ngày; trung bình mỗi người dân Hà Nội di chuyển 20-25 km/ngày và khoảng 7250 km/năm, còn người dân thành phố Hồ Chí Minh di chuyển 25-30 km/ngày và khoảng 8.700 km/năm bằng xe mô tô, xe gắn máy.
Bên cạnh những lợi ích mà xe môtô, xe gắn máy mang lại thì đây cũng là nguồn chính thải ra các chất độc hại như CO, HC, VOC, NOx, gây ô nhiễm không khí đặc biệt là ở các đô thị nơi có mật độ phương tiện tham gia giao thông lớn
Dưới tác động của môi trường ngày càng lớn, phương tiện giao thông ngày ngày được các nước khắc khe hơn trong việc giảm khí thải ô nhiễm, chính vì lẽ thế giải pháp được các hãng xe lớn đưa ra là mô tô Hybrid Tất cả các động cơ hybrid đều cho phép chúng ta tận hưởng cả hai phần của từng loại động cơ Một mặt, chúng ta có sức mạnh và quyền tự chủ mà nhiên liệu hóa thạch mang lại cho chúng ta và mặt khác, tính bền vững của năng lượng tái tạo Cũng giống như chúng ta đã nói về ô tô điện và ô tô hybrid, hôm nay chúng ta phải nói về xe máy hybrid Hiện nay các hãng sản xuất xe máy như Honda, Yamaha, Kawasaki, điều đang chú trọng đến sản phẩm mô tô hybird của mình
Honda đã phát triển chiếc xe máy hybrid đầu tiên trên thế giới, PCX Hybrid, trang bị hệ thống hybrid độc quyền của Honda để mang lại trải nghiệm di chuyển mới đầy thú vị Pin công suất cao và động cơ khởi động ACG hỗ trợ động cơ nhận biết mô-men xoắn ở mức cao trong một gói thiết kế gọn nhẹ, không lớn hơn PCX thông thường Bên cạnh đó, PCX Hybrid cân bằng phản ứng ga nhanh nhạy và hiệu suất cao với sự tiện lợi vượt trội.
Hình 2-19 Xe PCX Hybrid của hãng HONDA.
2019 Honda PCX Hybrid Specs, có thông số kỹ thuật. Động cơ đốt trong:
- Công suất cực đại: 12,1 mã lực @ 8500 vòng / phút
- Mô men xoắn cực đại: 8,9 ft / lbs @ 5000 vòng / phút
Xe hybrid này kết hợp động cơ đốt trong phun xăng điện tử 124cc với một động cơ điện xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau, sử dụng pin 48V lithium-ion để lưu trữ năng lượng Khi di chuyển trên đường bằng phẳng ở đô thị, động cơ điện có thể dẫn động xe với tốc độ lên tới khoảng 60 km/h Khi cần lực kéo mạnh như tăng tốc hoặc lên dốc, động cơ đốt trong sẽ phối hợp với động cơ điện qua truyền động bằng đai vô cấp để tăng công suất Để tận dụng nguồn năng lượng, trong lúc giảm tốc hoặc xuống dốc, động cơ điện sẽ hoạt động như máy phát sạc cho ắc quy Những đặc điểm này cho thấy ưu thế của hệ thống hybrid trên xe máy và phù hợp với nhu cầu thị trường ở Việt Nam và Lào.
Trong tương lai, mô tô hybrid được dự báo sẽ dần thay thế động cơ đốt trong nhờ những tiến bộ liên tục của công nghệ hybrid Sự phát triển của công nghệ hybrid luôn nhận được sự quan tâm sâu sắc từ người dùng và các nhà sản xuất vì mang lại hiệu suất cao và lượng phát thải được giảm đáng kể Để nắm bắt cái nhìn khái quát về thiết kế moto hybrid, chúng ta sẽ đi sâu vào các phần tiếp theo của bài viết để làm rõ nguyên lý hoạt động và các yếu tố thiết kế chính.
Tính toán thiết kế xe gắn máy hybird
Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 14:2015/BGTVT, khối lượng tính toán cho một người ngồi trên xe được xác định theo quy định của nhà sản xuất nhưng không nhỏ hơn 65 kg đối với xe bố trí hai chỗ ngồi và không nhỏ hơn 75 kg đối với xe bố trí một chỗ ngồi Như vậy, tính cả xe và người, khối lượng tổng cộng cho xe chở hai người ước khoảng 240 kg Tốc độ quy định tối đa của loại xe này là 60 km/h.
2.2.1 Xác định động cơ điện
Công suất cần thiết của động cơ để tạo ra lực kéo FM nhằm thắng các lực cản trên đường là FL (lực cản lăn của mặt đường), FD (lực cản lên dốc), FG (lực cản gió) và FQ (lực quán tính khi tăng tốc) Công suất này được tính theo P = FM × v, và ở trạng thái cân bằng FM gần bằng tổng FL + FD + FG + FQ, nên P ≈ (FL + FD + FG + FQ) × v.
Phương trình cân bằng lực được viết như sau:
Công thức FM = FL + FD + FG + FQ cho thấy lực đẩy toàn phần của hệ thống được tính bằng tổng các thành phần: lực cản lăn FL, lực cản chữ FD, FG và FQ Lực cản lăn FL được tính bằng FL = f · G, với f là hệ số cản lăn và G (N) là tổng trọng tải của xe Với f = 0,02 trên đường nhựa khô và G = 2400 N, ta có FL = 0,02 × 2400 = 48 N Do đó FM được xác định bằng tổng FL + FD + FG + FQ.
Lực cản lên dốc được tính: FD = G.sinα với sinα là độ dốc của mặt đường, nếu độ dốc chọn là 10% (sinα = 0,1), ta có FD = 2400.0,1 $0(N).
Lực cản gió FG được tính theo công thức FG = k · S · v^2, trong đó k là hệ số cản không khí, S là diện tích cản chính diện và v là vận tốc của xe Đối với xe gắn máy, hệ số k thường dao động từ 0,4 đến 0,5 (đơn vị N·s^2/m^4), và S là diện tích mặt trước của xe cho phép ước lượng lực cản gió khi xe di chuyển với vận tốc v Mô hình này cho thấy lực cản gió tăng theo bình phương vận tốc và phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và hình dạng mặt trước của xe.
= 0,4÷0,6(m2) Chọn k = 0,5(Ns2/m4), S = 0,4(m2) và vận tốc xe được chọn v 60(km/h)= 16,7(m/s) ta có
Lực quán tính: FQ = M.a với M là khối lượng toàn bộ và a là gia tốc của xe.
Chọn gia tốc a = 1(m/s2) ta có
Từ những tính toán trên, thay các giá trị tính được vào biểu thức (1) ta có:
FM = 48 + 240 + 55,778 + 240 = 583,778 N Đây là trường hợp cực đoan của công suất Trong thực tế, bốn lực cản này thường không xảy ra đồng thời; chẳng hạn khi xe lên dốc chạy đều và vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực quán tính và lực cản gió, hoặc khi xe đang chạy ở vận tốc tối đa thì xem như không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính Vì vậy, lực cần thiết của động cơ ở hai trường hợp này được tính lại dựa trên các yếu tố còn lại, cho ra các giá trị tương ứng cho từng tình huống.
FMD = FL + FD = 48 + 240 = 288(N) FMG = FL + FG = 48 + 55,778= 103.778(N)
Cả hai trường hợp này có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe Trường xe chạy ở tốc độ tối đa được xem là đang sử dụng hết công suất của động cơ điện Trong trường hợp xe leo dốc, lực cản có thể lớn hơn, nhưng khi xe chạy với vận tốc rất nhỏ thì công suất phụ tải cũng sẽ nhỏ hơn so với trường hợp chạy ở vận tốc tối đa Vì vậy, ta có thể chọn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ, khi đó FMG = 103,778 N và vận tốc của xe v = 16,7 m/s Công suất cản của xe lúc này có thể được tính từ các tham số trên.
PMG = FMG Vận tốc v = 103,778 Công suất cản của xe là 16,7, tương đương 1733 W Đây là công cản của xe; công suất cần thiết của động cơ để cân bằng với công cản của xe trong trường hợp này là PM = PMG / η, với η là hiệu suất của hệ thống truyền lực Ta chọn sơ bộ η = 0,95 và ta được PM = PMG / 0,95.
PM = 1733 / 0,95 ≈ 1825 W Để đảm bảo xe gắn máy đạt đúng các thông số thiết kế, chúng ta chọn động cơ điện có công suất tổng PM khoảng 1825 W Hiện nay trên thị trường có sẵn các loại động cơ điện có công suất phù hợp, đáp ứng yêu cầu thiết kế và vận hành của xe.
Hình 2-20 Động cơ một chiều không chổi than 8724ZWW
Động cơ điện gắn trực tiếp lên bánh xe (động cơ điện trên vành) được thiết kế để truyền động hiệu quả và tối giản hệ truyền động Để hạn chế sự chênh lệch lớn về phân bố tải trọng giữa hai bánh xe, hệ thống sử dụng một động cơ điện công suất 500W lắp ở bánh trước và một động cơ điện công suất 1400W lắp ở bánh sau, cho tổng công suất 1900W Thiết kế này giúp tăng cường lực kéo và khả năng tăng tốc, đồng thời duy trì sự cân bằng giữa cầu trước và cầu sau trong quá trình vận hành.
Trong phương án phối hợp động lực cho xe máy hybrid này, chúng tôi dùng động cơ nhiệt để nạp điện cho accu đồng thời cung cấp thêm momen hỗ trợ cho các động cơ điện khi cần thiết, ví dụ như khi xe leo dốc cao Vì vậy công suất của động cơ nhiệt có thể nhỏ hơn công suất tổng mà xe yêu cầu trong nhiều tình huống vận hành Tuy nhiên để xe có thể chạy quãng đường dài mà không bị ràng buộc bởi thời gian nạp điện cho nguồn accu, ta có thể chọn công suất động cơ nhiệt bằng tổng công suất của các động cơ điện.
Hình 2-21 Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG cho động cơ GX80.
Hình 2-22 Lắp đặt van cung cấp LPG cho động cơ GX80.
Từ các điều kiện nêu trên, phù hợp nhất là lựa chọn động cơ nhiệt Honda GX80 có công suất 2200W tại vòng quay 3000 vòng/phút Động cơ GX80 được cải tạo sang chạy bằng LPG nhờ bộ phụ kiện kèm sơ đồ giới thiệu trên hình 2-3 Bộ điều tốc nguyên thủy của động cơ được nâng cấp để nó có thể tác động đồng thời lên độ mở của hệ thống ga, từ đó tối ưu hóa việc điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu và công suất.
Nhờ thiết kế động cơ LPG và hệ thống nhiên liệu khí, động cơ có thể vận hành ổn định ở tốc độ định mức 3000 vòng/phút khi tải bên ngoài thay đổi Khi chuyển sang nhiên liệu khí LPG, công suất giảm khoảng 10% so với khi chạy bằng xăng, nhưng động cơ vẫn duy trì hiệu suất và độ ổn định Do đó động cơ nhiệt LPG đảm bảo phát công suất điện 2000W, cung cấp cho hai động cơ lắp ở hai bánh xe.
2.2.2 Sơ đồ nguyên lý phối hợp 2 nguồn động lực.
Sơ đồ tổng quát của các cơ cấu này được thể hiện trên hình 6 Nguyên lý hoạt động chung của các cơ cấu này như sau
Hệ thống truyền động cơ khí hoạt động theo nhiều chế độ để đáp ứng các điều kiện vận hành Trong chế độ bình thường, động cơ điện quay và kéo bánh xe chủ động qua ly hợp điện từ và bộ truyền động xích; khi chưa cấp điện cho cuộn dây điện từ thì liên kết này bị ngắt; ở chế độ xe chạy bình thường, ly hợp điện từ ở trạng thái ngắt, công suất của động cơ điện được dùng để làm xe chuyển động mà không bị ảnh hưởng bởi máy phát điện Ở chế độ giảm tốc khi cần dừng xe hoặc xuống dốc, người lái nhả ga, động cơ điện được cắt nguồn và công tắc cuối hành trình tay ga điều khiển ly hợp điện từ đóng lại, bánh xe chủ động kéo máy phát điện quay thông qua bộ truyền động xích; động năng của xe được chuyển thành điện năng nạp lại ắc quy Vì mối liên hệ giữa động cơ LPG và máy phát điện có ly hợp ly tâm chỉ truyền công suất theo một chiều nên khi máy phát điện quay nó không kéo động cơ LPG; nếu người lái tiếp tục vặn ga, ly hợp điện từ sẽ ngắt và động cơ điện được cấp điện, xe tiếp tục vận hành ở chế độ bình thường Hệ thống phanh tái sinh chỉ có thể làm giảm tốc chứ không thể dừng xe, do đó cần thêm hệ thống phanh tay cơ khí Trong chế độ chạy đường dài, người lái chọn chế độ phụ trợ: LPG 50cc nạp nhiên liệu cho động cơ và động cơ này kéo máy phát điện để hỗ trợ cùng bình ắc quy cấp năng lượng cho động cơ điện; công suất của tổ hợp LPG-máy phát được cân bằng với động cơ điện để xe có thể chạy lâu mà không làm hết ắc quy, và LPG được điều khiển ở tốc độ cố định để tối ưu phát thải Khi LPG-máy phát hoạt động, ly hợp điện từ được ngắt nên máy phát quay mà không làm ảnh hưởng đến quay của bánh xe sau Khi cần giảm tốc độ, người lái nhả ga, tín hiệu từ công tắc cuối hành trình điều khiển điều tốc khiến LPG chạy ở tốc độ cầm chừng, ly hợp ly tâm ngắt và ngắt truyền động giữa LPG và máy phát, đồng thời ly hợp điện từ đóng lại để máy phát làm phanh tái sinh; nếu người lái tiếp tục vặn ga, hệ thống sẽ quay về trạng thái vận hành như trước Khi xe lên đường đèo dốc lớn và ga bị đẩy tới giới hạn nhưng tốc độ vẫn không vượt quá 20 km/h, hệ thống tự động khởi động LPG, ly hợp điện từ đóng và dòng kích từ của máy phát được cắt để ngừng phát; LPG hỗ trợ động cơ điện kéo xe lên dốc, và khi tốc độ vượt quá 20 km/h hoặc ga không bị đầy, hệ thống tự động ngắt truyền động từ máy phát đến bánh xe sau bằng cách đóng ly hợp điện từ và cấp kích từ cho máy phát để nạp ắc quy.
Tất cả mọi chế độ hoạt động của xe sẽ được một bộ điều khiển trung tâm (gọi tắt là ECC - Electronic Control Center)
2.2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ.
Toàn bộ hoạt động của hệ thống động cơ lai được điều khiển bởi một bộ điện tử gọi tắt là ECC (Electronic Control Center) Bộ ECC nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí tay ga, từ công tắc chuyển đổi chế độ hoạt động giữa “bình thường” và “phụ trợ”, và từ cảm biến tốc độ xe Sau đó nó xử lý các tín hiệu và điều khiển: bộ thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện, cuộn dây điện từ của ly hợp điện từ và rơ-le đóng/ngắt mạch kích từ của máy phát điện Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được thể hiện ở hình 2-6.
Hình 2-24 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ
Nguyên lý điều khiển của bộ ECC được mô tả bằng bảng trạng thái hoạt động của các bộ phận thành phần, được trình bày trong Bảng 1 Theo bảng này, công tắc tay ga bật ON khi người lái đạp ga và chuyển sang OFF khi người lái buông chân ga Bộ điều tốc của động cơ LPG hoạt động dựa trên những tín hiệu từ bảng trạng thái, điều phối hoạt động của động cơ ở chế độ tương ứng với trạng thái điều khiển hiện tại.