Song song với việc sửdụng các nguồn nhiên liệu mới ít hoặc không gây ô nhiễm, cải tiến động cơ đốttrong nhằm nâng cao hiệu suất và giảm ô nhiễm thì sử dụng công nghệ Hybrid cũng là một b
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
- Có rất nhiều hãng xe lớn trên thế giới đang tập trung vào các dòng xe hybrid như hãng Toyota, Honda, Kia, BMW,
Năm 2015, Toyota đã đề ra 6 thách thức về môi trường đến năm 2050, trong đó đặt mục tiêu phát triển các loại xe mới có phát thải CO2 về 0% Để đạt được mục tiêu này, Toyota đã và đang mở rộng dòng xe điện hóa bao gồm xe Hybrid không sạc ngoài (HEV), xe Hybrid có sạc ngoài (PHEV), xe thuần điện (BEV) và xe chạy bằng khí Hydro (FCEV), hướng tới sự bền vững và giảm thiểu tác động môi trường.
Năm 2019, tại Hà Nội, Công ty Honda Việt Nam phối hợp cùng Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải thực hiện nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng xe máy điện tại Việt Nam Công ty Honda Việt Nam đã hỗ trợ nghiên cứu bằng cách cho mượn 180 xe mô tô điện Honda PCX để khảo sát việc sử dụng và phân tích các ưu nhược điểm của xe điện hai bánh trong điều kiện Việt Nam.
Các trường đại học có chuyên ngành về cơ khí động học đã bắt đầu thúc đẩy sinh viên nghiên cứu về lĩnh vực xe hybrid, mở ra nhiều cơ hội phát triển công nghệ xanh Nhiều nhóm sinh viên, như nhóm 4 bạn tại Đại học Đà Nẵng năm 2018 dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Bùi Văn, đã tham gia vào các dự án nghiên cứu về xe hybrid, góp phần nâng cao kiến thức thực tế và góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô thân thiện môi trường tại Việt Nam.
Ga đã thực hiện thành công đề tài cải tạo xe Cub 50 thành xe gắn máy hybrid.
Mặc dù đề tài về xe điện và xe hybrid đã phổ biến toàn cầu, nhưng ở Việt Nam, đây vẫn còn là lĩnh vực mới mẻ Hiện tại, đất nước đã tiến hành nghiên cứu và ứng dụng các phương tiện giao thông hoàn toàn bằng điện; tuy nhiên, việc sử dụng xe máy hybrid vẫn chưa phổ biến và còn tiềm năng phát triển lớn.
Nhóm muốn phát triển xe có khả năng kết hợp sử dụng động cơ xăng và điện cùng lúc, phù hợp cho các xe có dung tích xy-lanh nhỏ chủ yếu vận hành trong đô thị Mô hình này không chỉ đảm bảo công suất tốt để đáp ứng nhu cầu di chuyển hàng ngày mà còn giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả Đồng thời, việc sử dụng hệ thống hybrid này góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường, là hướng đi bền vững và thân thiện với môi trường.
Mục đích và ý nghĩa của đề tài
Lượng xe gắn máy ở nước ta trong những năm gần đây gia tăng nhanh chóng, vượt xa dự báo của các cơ quan quản lý nhà nước, do tính cơ động cao và giá cả phù hợp với khả năng kinh tế của phần lớn người dân Phương tiện này vẫn giữ vai trò thiết yếu trong di chuyển của con người trong tương lai gần Đa số các phương tiện vận chuyển cơ giới sử dụng động cơ nhiệt là nguồn phát thải chính gây ô nhiễm không khí, nên việc giảm ô nhiễm từ xe cộ luôn được các nhà sản xuất ô tô, xe gắn máy quan tâm Các giải pháp công nghệ tiên tiến, như ô tô động cơ thông minh tiết kiệm nhiên liệu của các hãng lớn như Toyota, Honda, đang được đánh giá cao và áp dụng để nâng cao hiệu quả giảm phát thải.
Các hãng xe duy trì hoạt động trong nền kinh tế cạnh tranh cao nhờ vào các căn cứ mạnh mẽ, trong đó việc nghiên cứu cải tiến xe gắn máy là một hướng đi quan trọng Đề tài tập trung vào chuyển đổi xe gắn máy chạy động cơ xăng đơn thuần sang sử dụng kết hợp hai nguồn năng lượng là động cơ đốt trong và động cơ điện, nhằm giảm thiểu thời gian hoạt động của động cơ đốt trong để tiết kiệm nhiên liệu Việc sử dụng đồng thời động cơ đốt trong và động cơ điện không chỉ giúp giảm khí thải ô nhiễm ra môi trường mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế của phương tiện.
TỔNG QUAN VỀ XE GẮN MÁY HYBRID
Xe gắn máy hybrid
Lượng xe gắn máy tại Việt Nam những năm gần đây tăng nhanh và vượt xa dự báo của các cơ quan quản lý nhà nước Xe máy vẫn giữ vai trò quan trọng trong phương tiện di chuyển của người dân nhờ tính cơ động cao và phù hợp với túi tiền của đa số người lao động Sự gia tăng này phản ánh rõ ràng xu hướng sử dụng phương tiện cá nhân nhẹ, linh hoạt trong bối cảnh đô thị phát triển nhanh chóng.
Công nghệ hybrid bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng trên mô tô từ những năm đầu của thế kỷ 21 Năm 2005, Honda đã chính thức giới thiệu mẫu xe scooter hybrid, nổi bật với khả năng giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu.
Xe hybrid này kết hợp động cơ đốt trong phun xăng điện tử 50cc với động cơ điện xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau, giúp tối ưu hiệu suất vận hành Hệ thống lưu trữ năng lượng sử dụng bình ắc quy cao cấp, cho phép xe di chuyển lâu hơn và tiết kiệm nhiên liệu Khi chạy trên đường bằng phẳng trong đô thị, xe chủ yếu hoạt động bằng động cơ điện, giúp giảm lượng khí thải và tiêu thụ nhiên liệu Đây là giải pháp thân thiện với môi trường, phù hợp cho việc di chuyển trong thành phố và nâng cao trải nghiệm lái xe tiết kiệm nhiên liệu.
Trong các tình huống cần lực phát động lớn như tăng tốc hoặc leo dốc, động cơ đốt trong kết hợp với động cơ điện qua bộ truyền động đai vô cấp để tăng công suất kéo xe Khi xe giảm tốc hoặc đi xuống dốc, động cơ điện sẽ hoạt động như một máy phát điện, sinh ra năng lượng và sạc lại ắc-quỳ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho xe.
Các loại xe máy hybrid hiện nay kết hợp động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng với động cơ điện chạy bằng acquy, giúp tối ưu hóa công suất và nâng cao tính năng tiết kiệm nhiên liệu Nhờ đó, hiệu quả kinh tế của động cơ nhiệt được cải thiện rõ rệt, giảm đáng kể mức tiêu hao nhiên liệu và khí thải độc hại ra môi trường Xe vận hành mạnh mẽ, êm ái, mang lại cảm giác phấn khích cho người lái khi sử dụng trên đường.
Ưu điễm nổi bật của xe gắn máy hybrid
Ngoài tính kinh tế nhiên liệu cao và lượng phát thải thấp, xe hybrid còn có đặc điểm là sức mạnh và sự yên tĩnh.
Hình 1: Ưu điểm của xe hybrid
- Công nghệ hybrid có tính kinh tế nhiên liệu cao đồng thời cũng góp phần giảm lượng khí thải CO2.
- Một lợi ích khác của xe hybrid là cực kỳ yên tĩnh, bởi không cần phải sử dụng động cơ mọi lúc để vận hành.
- Xe hybrid sử dụng cả động cơ xăng và mô tơ điện trong quá trình tăng tốc góp phần tăng tốc mượt mà, nhẹ nhàng và liền mạch.
Xu hướng phát triển của xe mô tô hybrid
Các phương tiện giao thông trên thế giới ngày càng phát triển với các quy định riêng về khí thải nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường Xu hướng hiện nay hướng tới việc cải tiến và chế tạo xe có mức phát thải thấp nhất, giảm tiêu hao nhiên liệu tối đa Điều này trở nên cấp thiết khi môi trường ngày càng ô nhiễm nặng nề, nguồn tài nguyên dầu mỏ khan hiếm, dẫn đến giá xăng dầu tăng cao trong khi thu nhập của người dân không tăng theo kịp.
Hiện nay, xe mô tô hybrid cũng trở thành mục tiêu nghiên cứu và sản xuất của các nhà phát triển ô tô, bên cạnh xe ô tô truyền thống Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, dự kiến trong tương lai, đa phần người tiêu dùng sẽ chuyển sang sử dụng xe chạy bằng động cơ điện hoặc xe lai, hạn chế dần việc sử dụng động cơ đốt trong Tại khu vực Đông Nam Á, Thái Lan nổi bật với chính sách hỗ trợ và khuyến khích người dân sử dụng các loại xe xanh, nhằm thúc đẩy nền công nghiệp ô tô thân thiện môi trường Trong cuộc họp báo trước thềm Triển lãm ô tô Bangkok Motor Show 2017, bà Hirunya Suchinai nhấn mạnh sự thúc đẩy của Chính phủ Thái Lan trong việc phát triển các phương tiện giao thông bền vững.
Chủ tịch Ủy ban Đầu tư Thái Lan cho biết, cơ quan này đã phê duyệt các ưu đãi về thuế nhằm thúc đẩy sản xuất ba loại xe chạy điện tại Thái Lan Chính sách hỗ trợ này nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô điện trong nước, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà sản xuất mở rộng hoạt động Những ưu đãi thuế này sẽ giúp thu hút đầu tư vào lĩnh vực xe điện, góp phần phát triển nền công nghiệp xanh và hiện đại của Thái Lan.
Chính sách phát triển sản xuất xe hybrid và hybrid chạy điện (plug-in hybrid) tại Thái Lan sẽ được triển khai ngay trong năm nay, nhằm thúc đẩy chuyển đổi năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính Chính phủ Thái Lan đặt mục tiêu tăng cường sản xuất xe tiết kiệm năng lượng, đồng thời khuyến khích người tiêu dùng chuyển qua các dòng xe thân thiện với môi trường Đối với xe chạy hoàn toàn bằng điện, chính sách dự kiến sẽ bắt đầu triển khai vào năm 2018, tạo đà cho sự phát triển của thị trường ô tô điện tại quốc gia này Các biện pháp hỗ trợ bao gồm ưu đãi thuế và xây dựng hạ tầng sạc điện để thúc đẩy tiêu thụ xe điện tại Thái Lan.
Tại thị trường Việt Nam, xe hybrid còn là dòng xe mới và chưa phổ biến, nhưng nhờ sở hữu nhiều công nghệ tiên tiến, đặc biệt về khả năng tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường, dự kiến sẽ trở thành xu hướng hot trong tương lai.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TẠO XE GẮN MÁY THÀNH XE GẮN MÁY HYBRID
Thiết kế cải tạo xe gắn máy có sẵn thành xe gắn máy hybrid
STT Tên sản phẩm ĐV Số Đơn giá Thành tiền lượng VNĐ VNĐ
2 Xe máy tay ga 50cc Chiếc 1 23.699.000 23.699.000
Bảng 1: Bảng dự trù kinh phí cho đề tài
3.1.1 Phân tích lựa chọn loại xe cần cải tạo
Trong phương án phối hợp công suất của động cơ điện và động cơ nhiệt, xe gắn máy không cần động cơ có công suất lớn, phù hợp với yêu cầu về kết cấu nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ Vì điều kiện kinh tế còn nhiều hạn chế và cần đảm bảo tính tiện lợi, nhóm em đã chọn xe máy tay ga để cải tạo thành xe gắn máy hybrid Động cơ phù hợp là loại có công suất nhỏ nhất hiện phổ biến, với dung tích xilanh 50cc và công suất tối đa 3,5 kW ở tốc độ 7500 vòng/phút, giúp đảm bảo hiệu quả vận hành mà không làm tăng trọng lượng của xe.
Hình 2: xe máy tay ga 50CC
3.1.2 Phân tích các phương án lắp đặt động cơ nhiệt và động cơ điện
Cải tạo xe gắn máy và lắp đặt động cơ được thực hiện theo nguyên tắc giảm thiểu tối đa sự thay đổi kết cấu của xe, nhằm bảo vệ độ cứng vững ban đầu của khung xe Việc này giúp duy trì tính ổn định và an toàn khi vận hành, đồng thời hạn chế mức độ ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của xe Ngoài ra, quy trình cải tạo còn giúp giảm thiểu chi phí và đảm bảo tiết kiệm ngân sách cho người sửa chữa.
Lắp đặt động cơ nhiệt mới cho xe gắn máy cần giữ nguyên hệ thống điều khiển động cơ như ban đầu để đảm bảo hoạt động ổn định Quá trình cải tạo không ảnh hưởng đến phần dẫn động ra lốp sau và khung gầm, giúp duy trì cấu trúc vững chắc của xe Việc giữ nguyên các thành phần này giúp giảm thiểu thời gian thi công và đảm bảo hiệu suất của hệ thống động cơ nhiệt mới.
Phân tích Lắp động cơ điện:
Lắp động cơ điện phía sau dẫn động lốp sau
- Ưu điểm: Giữ được cảm giác lái và tính ổn định ban đầu của xe.
Nhược điểm của thiết kế này là động cơ điện đặt phía sau, gây khó khăn trong việc bố trí và lắp đặt cơ cấu truyền động Điều này làm hạn chế khả năng kết hợp công suất của động cơ điện và động cơ nhiệt, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống truyền động.
Lắp động cơ điện ở giữa dẫn động lốp sau
- Ưu điểm: giữ được trạng thái cân bằng.
- Nhược điểm: chiếm phần lớn diện tích người lái khó khăn trong việc bố trí và lắp cơ cấu truyền động.
Lắp động cơ điện phía trước dẫn động lốp trước
Xe máy hybrid có nhiều ưu điểm nổi bật như dễ dàng kết hợp công suất của hai động cơ, cho phép tách riêng các chế độ hoạt động của từng động cơ và sạc lại ắc quy một cách hiệu quả Với khả năng tăng tính cơ động, xe linh hoạt hơn trong vận hành Đồng thời, thiết kế này giúp hạn chế tối đa sự thay đổi kết cấu khung xe, giữ được tính bền vững ban đầu và giảm thiểu chi phí bảo trì, nâng cao hiệu quả kinh tế cho người dùng.
Một trong những nhược điểm của xe điện là có thể gây mất tính ổn định khi vận hành Điều này chủ yếu do kích thước của bánh xe trước và bánh xe sau không đồng đều, khiến xe mất đi sự cân đối ban đầu, ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát và trải nghiệm lái xe an toàn.
Qua phân tích, nhóm chúng em nhận thấy việc lắp đặt một động cơ điện phía trước là giải pháp phù hợp, đáp ứng đa số yêu cầu về công suất và giữ nguyên cấu trúc, hình dáng của xe Phương án này giúp tiết kiệm chi phí phát sinh, dễ dàng trong quá trình lắp đặt và bố trí hệ thống điện, đồng thời không làm phức tạp hệ thống dẫn động Vì vậy, nhóm lựa chọn lắp đặt động cơ điện phía trước để thiết kế và cải tạo xe máy hybrid một cách hiệu quả.
3.1.3 Thiết kế bố trí động cơ điện
Sử dụng 1 động cơ điện và bố trí ở bánh trước vì:
- Dễ dàng lắp đặt và bố trí hệ thống điện, không gây phức tạp hệ thống dẫn động.
Vì phải thực hiện cải tạo ở bánh sau, phương án này giúp giảm thiểu tối đa khả năng ảnh hưởng của động cơ điện trong quá trình thay đổi dẫn động của xe hybrid Điều này đảm bảo hiệu suất vận hành ổn định và nâng cao độ bền cho hệ thống truyền động của xe.
- Giữ nguyên được kết cấu và hình dáng.
- Tăng khả năng cơ động cho xe Nguyên lí hoạt động :
Trong chế độ sử dụng động cơ nhiệt, động cơ hoạt động dẫn động bánh sau, giúp xe vận hành như bình thường Đây là chế độ lý tưởng để xe di chuyển trên quãng đường dài, sử dụng nhiên liệu xăng hiệu quả và đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- Phối hợp sử dụng cả 2 động cơ khi lên dốc: Hai động cơ sẽ hoạt động song song nhau.
Hình 3: Sơ đồ bố trí trên xe
- Trong đó: 1: Vị trí động cơ điện; 2: Vị trí động cơ nhiệt; 3: Vị trí bố trí bình acquy
Thiết kế bố trí hệ thống truyền động điện cho xe gắn máy hybrid
3.2.1 Phân tích, lựa chọn phương án phối hợp công suất
+ Hệ thống truyền lực hoạt động như hệ thống truyền lực điện.
+ Có thể sử dụng không cần hộp số.
+ Động cơ đốt trong có thể chọn chế độ hoạt động tối ưu.
+ Năng lượng từ động cơ bị biến đổi hai lần làm giảm công suất.
+ Khối lượng xe tăng: máy phát, pin, động cơ điện.
+ Động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc Kiểu song song
+ Công suất của xe có thể sử dụng riêng lẻ (dùng động cơ nhiệt hay động cơ điện phù thuộc vào chủ xe).
+ Trọng lượng bản thân xe mạnh hơn so với kiểu nối tiếp.
+ Bộ phận điều khiển có kết cấu mạch điện phức tạp hơn.
+ Sử dụng nhiều nguồn ắc-quy (ắc-quy của động cơ nhiệt và động cơ điện).+ Giá thành sản phẩm có khả năng cạnh tranh Kết luận
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- Có thể khắc phục và nghiên cứu thêm về hệ thống điều khiển để giảm bớt độ phức tạp của xe trong lúc hoạt động.
Thiết kế bố trí lắp đặt các hệ thống bổ sung
Hình 6 mô tả về hệ thống động cơ điện đặt phía trước của xe, gần như không cần thay đổi nhiều so với lốp xe máy tay ga 50cc vì chúng có kết cấu tương tự với lốp xe điện Đặc điểm nổi bật của loại bánh xe điện là động cơ được tích hợp trực tiếp trên bánh xe và cố định chặt vào trục bánh, khác với bánh xe thông thường có trục riêng được luồng qua lỗ của phuộc khi lắp đặt Do đó, phương pháp lắp đặt truyền thống qua lỗ phuộc không phù hợp với bánh xe điện, vì trục đã được cố định cứng với bánh xe.
Bạn có thể lắp hai phuộc vào hai đầu trục bánh xe điện trước và sau, sau đó gắn đầu phuộc vào chắn ba ngã sau Phương pháp này giúp duy trì tính bền chắc và độ cứng ban đầu của phuộc, nhưng lại gây khó khăn trong việc bảo dưỡng và sửa chữa bánh xe điện về sau, vì cần tháo toàn bộ phần đầu trước của xe hybrid mới có thể tháo bánh xe ra.
Cải tạo phuộc trước để lắp bánh xe điện dễ dàng hơn mà không cần sử dụng phương pháp truyền thống Quá trình này bao gồm xẻ rãnh trên phuộc với độ rộng bằng với đường kính của lỗ lắp trục bánh xe điện Điều này giúp lắp trục bánh xe từ phía dưới lên một cách thuận tiện và chính xác.
Phuộc trước khi cải tạo Phuộc sau khi cải tạo
Bố trí lắp đặt ắc-quy cho động cơ điện
Động cơ điện phía trước có công suất lớn yêu cầu bộ ắc-quy đi theo cũng phải có dung lượng phù hợp để đảm bảo hiệu suất hoạt động Hệ thống sử dụng điện áp 24V, gồm hai bình ắc-quỳ loại 12V, 14Ah, được kết nối song song nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng Mỗi bình ắc-quỳ có kích thước dài 150mm, rộng 98mm, cao 95mm và trọng lượng khoảng 7kg Việc bố trí ắc-quỳ cho động cơ điện cần dựa trên các tiêu chí về kích thước, trọng lượng và khả năng cung cấp điện ổn định để đảm bảo hiệu quả vận hành của phương tiện.
- Tận dụng được các khoảng không gian trống trải của xe để lắp đặt.
- Không gây vướng víu cho người lái và người ngồi sau
- Có tính thẩm mĩ cao.
- Khi đi dưới trời mưa hộp chưa ắc-quy phải đảm bảo không đọng nước.
Qua các tiêu chí trên, phương án bố trí ắc-quy trên xe gắn máy hybrid của nhóm em đó là tiến hành bỏ trong cốp xe.
Vì thể tích trong cốp xe khá rộng đủ chỗ để đặt được 2 bình acquy loại này.
Hình 7: Acquy được bố trí trên xe
Tính toán, kiểm tra sức bền toàn hệ thống khung sau khi cải tạo
Xe sau khi đã được cải thiện động cơ điện được gắn thẳng và lốp xe và bình acquy được gắn vào trong cốp xe.
Ta có các thông số đầu vào:
Bảng: Các thông số đầu vào tính toán bền khung xe
STT Tên gọi Thông số
1 Khối lượng đặt lên yên trước 60kg
2 Khối lượng đặt lên yên sau 60kg
3 Khối lượng của bộ ắc-quy 14kg/2 bình
4 Khối lượng của khối động cơ 25kg
5 Ứng suất uốn cho phép 160.10 4 [N/m 2 ]
Hình 8: Sơ đồ lực tác dụng lên khung
P 1 : tập trung của người lái tác dụng lên yên trước
P 2 : Lực tâp trung của người ngồi sau và bộ ắc-quy tác dụng lên yên sau P 2 = m.g = 60.9,81 = 588,6 [N]
P 3 : Lực tập trung của khối động cơ tác dụng lên khung P 3 = m.g = 25.9,81 = 245.25 [N]
Dựa vào phương trình cân bằng lực và momen, xác định các phản lực liên kết tại A và F, ta có:
Phương pháp mặt cắt giúp xác định chính xác các thành phần nội lực trên các đoạn từ A đến F, là bước quan trọng để phân tích cấu trúc Nhờ đó, có thể dễ dàng vẽ biểu đồ momen uốn lên khung, phản ánh phân bố nội lực một cách rõ ràng Việc này rất cần thiết trong quá trình kiểm tra độ bền và đảm bảo an toàn cho kết cấu Sử dụng phương pháp mặt cắt mang lại hiệu quả cao trong việc phân tích các trạng thái chịu lực phức tạp của cấu trúc.
Hình 9: Biểu đồ momen uốn lên khung xe
Dựa vào biểu đồ momen ta xác định được momen cực đại tác dụng lên khung
Khung được chế tạo từ thép ống có mặt cắt ngang hình vành khăn, giúp xác định chính xác ứng suất uốn cực đại trong khung Momen kháng uốn của mặt cắt hình vành khăn đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán độ bền của cấu kiện Ứng suất uốn cực đại của khung được tính bằng công thức σ umax = M max, đảm bảo an toàn và độ tin cậy của kết cấu thép trong các ứng dụng xây dựng.
Khung xe được chế tạo từ thép dập CT3 có : [ σ u ¿ = 160.10 4 [N/m2] > σ umax
Như vậy, khung xe đảm bảo điều kiện bền.
Phân tích tính toán động cơ điện và đánh giá hiệu năng của xe
3.6.1 Xác định động cơ điện.
Chúng ta sẽ tính toán thiết kế xe gắn máy hybrid có khối lượng tổng cộng là
220 kg (chở 2 người) chạy với vận tốc là 50km/h Và riêng xe chạy sử dụng mỗi động cơ điện là 20 km/h.
Công suất cần thiết của động cơ điện được xác định dựa trên các yếu tố như lực kéo FM phải vượt qua lực cản lăn của mặt đường FL, lực cản khi lên dốc FD, lực cản gió FG và lực cản khi tăng tốc FQ Hiểu rõ các yếu tố này giúp lựa chọn động cơ phù hợp, tối ưu hóa hiệu suất vận hành của phương tiện Việc tính toán chính xác công suất đảm bảo xe hoạt động hiệu quả, an toàn và tiết kiệm năng lượng trong mọi điều kiện phía trước.
Phương trình cân bằng lực như sau:
Lực cản lăn của xe được tính bằng công thức Ff = f × G, trong đó f là hệ số cản lăn và G = 2200 N là trọng lượng tải của xe, bao gồm trọng lượng xe, bình acquy, người ngồi, động cơ và bộ truyền động Vì xe chủ yếu hoạt động trên đường nhựa, hệ số cản lăn được chọn là f = 0,02 Do đó, lực cản lăn của xe được tính là Ff = 0,02 × 2200 N, đảm bảo chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế.
Lực cản lên dốc được tính: F i = G sinα với sinα là độ dốc mặt đường, với độ dốc là 20% thì sinα = 0,2, ta có F i = 2200.0,2 = 440N.
Lực cản gió được tính bằng công thức Fw = k · S · v², trong đó k là hệ số cản không khí và S là diện tích cản chính diện của xe Đối với xe gắn máy, hệ số k dao động từ 0,4 đến 0,5 Ns²/m⁴, và diện tích S từ 0,5 đến 0,7 m² Khi chọn k = 0,4 Ns²/m⁴ và vận tốc xe là 20 km/h (tương đương 5,56 m/s), lực cản gió đạt khoảng 6,18 N.
Lực quán tính Fj = M.a, với M là khối lượng toàn bộ và a là gia tốc của xe. Chọn gia tốc a = 1 m/s 2 ta có: F j = 220.1= 220N.
Để hạn chế công suất của động cơ điện, không cho phép xe hoạt động đồng thời trong cả 4 lực cản, giúp giảm tải cho hệ thống truyền động Khi xe lên dốc, chỉ cho phép xe chạy đều với vận tốc thấp, bỏ qua lực quán tính và lực cản gió để đảm bảo hiệu quả vận hành Ngược lại, khi xe đang chạy với tốc độ tối đa, lực cản lên dốc và lực quán tính được xem như không tồn tại, giúp duy trì hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.
Như vậy, lực cần thiết của động cơ điện ở 2 trường hợp này được tính lại là:
Cả 2 trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe Trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa được xem là xe sử dụng hết công suất động cơ điện, trường hợp xe leo dốc tuy trương hợp này lực cản có lớn hơn nhưng lúc này ta chạy với vận tốc rất bé thì công suất phụ tải cũng sẽ lớn hơn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa Ta chọn trường hợp xe chạy tối đa khi sử dụng mỗi động cơ điện để xác đinh cân bằng công suất động cơ, khi đó FM=FM2 = 50.18N và vận tốc của xe là 5.56 m/s Ta có công suất cản của xe lúc này là:
Công suất cản của xe khi sử dụng mỗi động cơ điện đạt 279W, được tính dựa trên giá trị PM = FM.v = 50, 18.5, 56 Trong trường hợp này, công suất cần thiết để động cơ điện cân bằng với lực cản của xe là 279W, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định của hệ thống truyền động điện trên xe.
P k = PM/ η, với η là hiệu suất hệ thống truyền lực, chọn sơ bộ η = 0,95, ta được:
Chọn động cơ điện 300W => chọn hiệu điện thế 24V- 13Ah là thích hợp Ta có xe chạy theo 2 chế độ.:
- Sử dụng mỗi động cơ điện chạy với tốc độ lớn nhất v km/h = 5,56 m/s
- Momen kéo tại bánh xe do động cơ điện sinh ra Mm = Pm/w
+ Trong đó: w là vận tốc góc của bánh xe(rad/s); w=v/r từ thông số của lốp là 100/90-10 => bán kính bánh xe r = 0.17m vậy w = 5.56/0,17 = 32.7 (rad/s)
- Momen kéo của xe trong trường hợp này M k = P k /w = 293/32,7 = 8.96N/m
Trong trường hợp này, ta nhận thấy rằng nếu Mm > M, lý thuyết động cơ xăng không cần hoạt động, do đó không tiêu thụ nhiên liệu Điều này giúp tối ưu hoá hiệu suất hoạt động của động cơ và tiết kiệm nhiên liệu một cách hiệu quả.
Xe sử dụng chế độ hibrid với tốc độ lớn nhất v = 50km/h = 13.8 m/ s Khi đó w 1 = v/r 8/0.17 = 81,17 rad/s
Trong khi đó công suất cản của xe lúc này PM = FM.v = 50,18*13,8 692,484W
P k = PM/ η, với η là hiệu suất hệ thống truyền lực
Momen kéo cần thiết tại bánh xe để thắng được lực cản trong trường hợp này là: Mk = Pk/w1 = 728,93/81,17 = 8,96N/m
Như vậy nếu momen kéo của động cơ điện là 3,7N/m thì momen kéo của động cơ xăng chỉ cần M x = M k - M m = 8,96 - 3,7 = 5,26N/m.
Trong trường hợp này, xe lai có thể tiết kiệm tới 58,7% momen kéo của động cơ xăng, cho thấy tính kinh tế vượt trội so với xe chạy bằng nhiên liệu thông thường Điều này chứng minh rằng xe lai mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu đáng kể, giúp giảm chi phí vận hành và thân thiện hơn với môi trường Tính tiết kiệm năng lượng của xe lai là một lợi thế lớn trong xu hướng ngày càng chú trọng đến bảo vệ môi trường và tối ưu hóa chi phí sử dụng xe.
3.6.2 Tính toán động cơ nhiệt Để đơn giản trong quá trình tính toán ta xét lúc xe chuyển động ổn định trên đường bằng, có nghĩa là góc nghiêng của đường lúc này α=0 và lực quán tính chuyển động của xe là bằng 0 tức là Pj = 0 (N).
Vậy lúc này ta có phương trình cân bằng lực tác dụng lên ô tô có dạng là:
Fc : Lực cản lớn nhất ở bánh xe chủ động [N]
G : Tổng trọng lượng của xe [N]
K : Hệ số dạng khí động của xe [N.s 2 /m 4 ] F : Diện tích cản chính diện của xe [m 2 ] v : Vận tốc của xe [m/s] f : Hệ số cản lăn f = 32+ v
Với các số liệu đã có: G = 220 [KG] = 220.9,81 !58,2 [N]; vmax = 20 [km/h] = 5,56 [m/s]; và đối với xe du lịch theo tài liệu thì các thông số khác được chọn như sau:
Hệ số dạng khí động của xe K = (0,4 ÷ 0,5) chọn K= 0,4 [N.s 2 / m 4 ] Diện tích cản chính diện của xe F = 0,6 [m 2 ]
Vậy công suất cản ở bánh xe :
Cống suất ra của động cơ ứng với tốc độ vmax.
Ndc : Công suất động cơ [kW]
Nc : Công suất cản ở bánh xe [kW] η t : Hiệu suất của hệ thống truyền lưc Theo tài liệu đối với xe du lịch ta chọn η t = 0,95
Từ công thức suy ra công suất ra của động cơ ứng với vận tốc vmax là:
Vậy ta chọn được động cơ như sau:
Chọn động cơ nhiệt của xe 50cc có thông số hoạt động như sau:
STT Đặc Điểm Giá Trị Đơn Vị:
1 Loại Đông cơ xăng 4 kỳ,1 xylanh
6 Công suất tối đa 5HP/7000 rpm
Thiết kế mạch điện điều khiển cho xe mới cải tạo
Hình 10: Sơ đồ khối điều khiển
Hình 11: Lưu đồ thuật toán điều khiển Arduino
Hình 12: Sơ đồ mạch điện tổng quát sau khi cải tạo
Hình 13: Sơ đồ mạch điều khiển của xe sau khi cải tạo
* Theo sơ đồ trên, xe máy Hybrid sẽ hoạt động ở 3 chế độ theo sơ đồ hình
- Xe hybrid hoạt động bằng động cơ điện.
- Xe hybrid hoạt động bằng động cơ nhiệt.
- Xe hybrid hoạt động bằng động cơ nhiệt-điện.
Chế độ hoạt động bằng động cơ nhiệt cho phép xe vận hành bình thường khi động cơ nhiệt cung cấp mô-men kéo Khi khóa K1 ở vị trí cao nhất, mạch điều khiển không hoạt động, đảm bảo an toàn cho quá trình khởi động Để khởi động, người lái nhấn giữ công tắc Start, giúp xe hoạt động như chưa qua cải tạo, duy trì hiệu quả vận hành ổn định.
Chế độ hoạt động bằng động cơ điện sử dụng năng lượng từ accu để vận hành, giúp động cơ nhiệt không hoạt động Khi chỉnh khóa K1 ở vị trí trung bình, nguồn Vcc và dây chia của bộ điều tốc 24V được nối với nhau, từ đó điều chỉnh và điều khiển động cơ điện bằng điều tốc 24V một cách hiệu quả.
Chế độ hoạt động kết hợp động cơ nhiệt-điện tối ưu hóa khả năng tăng tốc và vận hành của xe, bằng cách phối hợp moment kéo của hai động cơ ở các tốc độ khác nhau Dưới 20km/h, động cơ điện hoạt động để mang lại khả năng tăng tốc nhanh chóng với moment kéo lớn, trong khi trên 20km/h, động cơ nhiệt bắt đầu cung cấp moment kéo để duy trì vận tốc cao hơn Khi đó, khóa K1 ở vị trí thấp nhất, arduino nhận tín hiệu từ cảm biến để điều khiển rơ-le RL2, RL7, bật tắt động cơ điện hoặc động cơ nhiệt, nhằm phối hợp công suất của cả hai nguồn lực một cách hiệu quả Để xe tăng tốc mượt mà, động cơ nhiệt cần vận hành trước tại điểm chuyển tiếp, đảm bảo sự liên kết liên tục và ổn định trong quá trình vận hành của hệ thống hybrid.
Thiết kế mạch sạc cho xe cải tạo
Hình 14: Sơ đồ mạch nạp cho acquy
Khi xe chạy ở chế độ động cơ nhiệt hoặc kết hợp giữa nhiệt và điện, Arduino sẽ nhận tín hiệu điện áp từ ắc quy Nếu điện áp của ắc quy giảm xuống dưới 20%, Arduino sẽ kích hoạt rơ-le RL6 để mở mạch sạc, giúp hệ thống nạp lại điện cho ắc quy, đảm bảo xe luôn có đủ năng lượng vận hành.