thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính cho ô tô hybrid bốn chỗ

luận văn về thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính cho ô tô hybrid bốn chỗ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁI SINH NĂNG LƯỢNG TẬN DỤNG QUÁN TÍNH CHO Ô TÔ HYBRID BỐN CHỖ

DESIGN OF REGENERATIVE ENERGY UTILIZATION INERTIA SYSTEM ON FOUR-PASSENGER HYBRID CARS

SVTH: PHẠM VĂN DƯƠNG

Lớp 03C4A, trường Đại học Bách khoa

GVHD: THS LÊ VĂN TỤY

KS PHẠM QUỐC THÁI

Khoa Cơ khí Giao thông, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT:

Đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng dành cho ô tô Hybrid bốn chỗ theo phương án tận dụng năng lượng quán tính dư thừa của xe (thông thường bị biến thành nhiệt) biến thành năng lượng điện và tái sử dụng Phương án được thiết kế như sau: Năng lượng quán tính dư thừa được tận dụng để kéo bánh đà, mô men quán tính của bánh đà dùng để kéo máy phát điện cung cấp điện nạp lại cho ắc quy trên xe

ABSTRACT:

The Topic study and design of regenerative energy system on four-passenger hybrid cars by virtue of alternate utilization excess inertia energy of cars (normal it modified get heat) get electric power and reuse Design solution following: excess inertia energy utilized to drive flywheel, inertia moment of flywheel used to drive electric generator delivery energize charge input cars battery

1 Đặt vấn đề

Năng lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch) đang ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng đang là những vấn đề mang tính toàn cầu Để đáp ứng với tốc độ phát triển ô tô của nhân loại mà lại giải quyết được hai vấn đề trên, các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giải pháp – cải thiện động cơ Diesel, sử dụng nhiên liệu (lỏng, khí) thay thế, dùng pin nhiên liệu, ô tô lai – trong đó ô tô lai Hybrid (sử dụng hai nguồn động lực là động cơ xăng + động cơ điện bổ sung công suất cho nhau và tự khắc phục nhược điểm của nhau) là giải pháp hữu hiệu nhất đối với thực tại nên đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh Điều đặc biệt là loại ô tô này có hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính nên càng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm hơn nữa, nhưng còn nhiều nhược điểm nên em chọn đề tài này khai thác thiết kế

2 Nội dung

2.1 Phân tích chọn phương án thiết kế

Các loại ô tô Hybrid hiện tại sử dụng phương án tái sinh là tận dụng quán tính để kéo máy điện lưỡng dụng (động cơ điện trở thành máy phát khi tái sinh) hoặc dùng máy phát điện riêng cho hệ thống tái sinh Các phương án này có nhược điểm là nối cứng tốc độ máy phát với hệ thống chuyển động nên khi phanh, máy phát biến đổi tốc độ rất nhanh sẽ sinh ra thế hiệu và dòng điện rất lớn do từ thông máy phát biến đổi lớn nhưng trong một thời gian rất ngắn nên dễ gây hư hỏng thiết bị, hiệu suất và công suất tái sinh rất thấp Phương án tận dụng quán tính vào bánh đà được phân tích và có thể khắc phục được các nhược điểm trên nên được

chọn nghiên cứu thiết kế Kiểu lai hỗn hợp có khả năng tái sinh năng lượng tốt nhất nên chọn

kiểu lai hỗn hợp vă phương ân tâi sinh năng lượng tận dụng quân tính tích trữ văo bânh

đă để thiết kế cho đề tăi

2.2 Thiết kế phương ân bố trí chung trín xe vă bố trí hệ thống tâi sinh năng lượng

Qua nghiín cứu vă phđn tích, em đưa ra phương ân thiết kế hệ thống tâi sinh

năng lượng vă bố trí trín xe như hình 1, vị trí lắp đặt hệ thống lă dưới khung xe

Hình 1 Thiết kế truyền động vă bố trí hệ thống tâi sinh

a)-Bố trí hệ thống trín xe; b)-Sơ đồ truyền động của hệ thống

1-Động cơ xăng; 2-Mây phât điện; 3-Bộ bânh răng hănh tinh; 4-Động cơ điện; 5-Bânh xe chủ động;

6-Vi sai bân trục; 7-Bânh đă; 8-Mây phât; 9-Truyền động đai thang; 10-Bình nhiín liệu;

11-Ắc quy; 12-Khớp nối; 13-Biến mô thủy lực.

Nguyín lý lăm việc, xem hình 2: Khi nhả băn đạp ga đến hết hănh trình (xe giảm tốc,

chạy trơn, xuống dốc hay phanh) thì cuối hănh trình băn đạp có một công tắc điện 13 điều khiển 14 đóng ly hợp lại Công suất được truyền xuống bânh đă để dẫn động mây phât điện của hệ thống tâi sinh Khi tốc độ xe giảm quâ nhanh thì biến mô thủy lực sẽ tâch nối cứng tốc

độ với hệ thống chuyển động vă hơn nữa nó vẫn truyền với mô men nhỏ hơn xuống bânh đă nín bânh đă không bị hêm lại theo mă tiếp tục quay theo quân tính, mây phât vẫn quay để cấp điện Nếu tốc độ (công suất) truyền xuống bânh đă mă lớn hơn tốc độ đang quay của bânh đă thì biến mô

3 11

12

10 5

A

A

2

4

6

7 5

9 8

1

A A

13 14

Mạch điều khiển ly hợp

1

Hình 2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống tâi sinh thiết kế

1-Ly hợp; 2-Bộ truyền bânh răng nón; 3-Biến mô thủy lực; 4-Bânh đai chủ động giảm tốc; 5-Đai thang; 6-Bânh đă; 7-Bânh đai bị động giảm tốc; 8-Bânh đai chủ động tăng tốc; 9-Bânh đai bị động tăng

lại truyền công suất xuống để tăng tốc bánh đà Hệ thống làm việc hoàn toàn tự động Xe không còn phanh, giảm tốc, hay xuống dốc thì hệ thống có thể vẫn đang làm việc và cấp điện vào ắc quy Khi thiết kế hệ thống tái sinh này em chọn một xe cơ sở để thiết kế đó là xe

TOYOTA PRIUS 2004 bốn chỗ sử dụng hệ thống lai THS II Các kích thước cơ bản của xe

chọn thiết kế: Lo = 2550 [mm]; L = 4308 [mm]; B = 1694 [mm]; H = 1463 [mm] (chiều cao toàn bộ) Trọng lượng Ga = 1574,2 kg

2.3 Xác định thành phần cung cấp của mỗi nguồn công suất

Chọn tốc độ lớn nhất của xe là Vmax = 160

km/h, ta tính được công suất cần thiết là Nct = 82

[kW] Chọn động cơ xăng TOYOTA 1NZ-FXE có công

suất 52 [kW], số vòng quay 4500 [v/ph] và động cơ

điện MES 200-250 AC có công suất 30 [kW], số vòng

quay định mức 8000 [v/ph]

Tính toán ắc quy:

Hiệu điện thế và cường độ cung cấp cho động

cơ điện: 220V, I = 136A Để bảo đảm đủ hiệu điện thế

với ắc quy Ni-MH (cứ mỗi Cell có: 1,2V; 6,5Ah; năng

lượng riêng 65Wh/kg; công suất riêng 200W/kg) thì

phải cần 184 Cell mắc nối tiếp Dung lượng tổng là Qp

= 6,5.184 = 1196 [Ah] Với dung lượng này thì tp =

1196/136 = 8,79 giờ

2.4 Tính toán và thiết kế bánh đà Xem hình 3

Xét các trường hợp phanh và giảm tốc độ tự do từ tốc độ tối đa của xe

- Khi phanh: từ tốc độ Vmax=160 km/h đến dừng lại

+ Công suất lớn nhất tiêu thụ khi phanh (tính tại bánh xe):

P1 = (Lực cản lớn nhất qui dẫn về bánh xe) x V1/2 [W]

P1 = W1/tp = W1/ [V1/(p.g)] = ma.V1.g.p/2 = Ga.V1.p/2

+ Vậy công suất tận dụng 10% cho bánh đà là:

Pbd1 = P1.10% = Ga.V1.p/20 = 28,1 [kW]

+ Thời gian phanh là: tp = V1/g.p = 5,52 [s]

- Khi giảm tốc: từ tốc độ Vmax=V1=160 km/h về tốc độ trung bình V2=80 Km/h + Công suất lớn nhất tiêu thụ khi giảm tốc (tính tại bánh xe):

P2 = (Lực cản lớn nhất qui dẫn về bánh xe) x (V1-V2)/2 [W]

P2 = [Ga.(a+bV) + kFV2].(V1-V2)/2= 15,65 [kW]

+ Tận dụng 10% công suất này thì công suất truyền xuống bánh đà là:

Pbd2 = 1,56 [kW]

+ Thời gian giảm tốc tự do đến dừng xe: Wgt/P2 = 49,6 [s]

Tốc độ quay lớn nhất của trục bánh răng giảm tốc (12, hình 2) với bánh răng bao

vi sai bán trục là 4852 [v/p] khi tỷ số truyền lực chính io = 4; bộ truyền bánh răng nón

ibr = 3; bộ truyền đai id = 2,5; bộ truyền đai tăng tốc dẫn động máy phát ibdt = 6,36 thì tốc độ bánh đà là nbd = 647 [v/p] bdmax = 647.3,1416/30 = 67,7 [rad/s]

Hình 3 Kích thước của bánh đà

10

ø50 ø70 25

ø 1200

ø1100

10 20

40

Bánh đà thiết kế thỏa mãn phương trình động năng: Wbd = Jbd 12/2 = Wbd1 = 51815

4

2

4 1

4

R b

   Chọn R2 = 600 [mm]; b = 40 [mm] Vậy R1 = 537 [mm] Chọn R1 = 550 [mm] vì thực tế Jbd còn phải tính đến mô men quán tính các cánh bánh đà

Xác định khối lượng của bánh đà: mbd = Vbd.bd = 65,63 [kg]

2.5 Tính chọn máy phát điện cho hệ thống

Hình 4 Máy phát điện và các thông số máy phát của hệ thống lai

Chọn máy phát sử dụng cho hệ thống là máy phát xoay chiều ba pha kích thích kiểu điện từ không có vòng tiếp điện (loại này có tuổi thọ cao) Từ công suất tận dụng được của bánh đà đã tính toán, ta chọn máy phát điện và thông số của nó như hình 4 Công suất phát ra của máy phát là:P = U.I = 24.150 = 3600 [W] Dãy tốc độ làm việc mà máy phát phát sinh điện là 9508000 [v/ph] Với số vòng quay nhỏ nhất của máy phát như trên, tốc độ tối thiểu khi xe giảm tốc là 37 [km/h] (tốc độ bánh đà là 149,3 [v/p]) thì hệ thống tái sinh làm việc có hiệu quả, máy phát sinh điện nạp lại ắc quy

2.6 Nạp điện

Trước khi nạp điện vào ắc quy cần tăng điện áp lên trên 220V (điện áp của ắc quy) và phải là dòng một chiều Dùng mạch chỉnh lưu trang bị bộ điều chỉnh điện tử tạo điện áp ổn định và dùng biến thế nâng điện áp từ 24V lên 240V rồi nạp vào ắc quy

2.7 Thông số của các bộ truyền trong hệ thống

Sau khi tính toán, ta có kích thước các bộ truyền như hình 5

Ø82

59

80

Ø1200

Ø212

Ø462

529

Ø378,1

Ø134,5

396,2

A A

1

8

9

5

7

6 4

2

A

A

5

10

12

11

3

Hình 5 Kích thước tổng thể hệ truyền động của hệ thống

(V)

CURRENT

SPEED (rpm)

SPEED

IN USE(rpm) HOT(20) HOT(20) COLD

24V

2500

5000

950-8000

1-Ly hợp; 2-Bộ truyền bânh răng nón; 3-Biến mô thủy lực; 4-Bânh đai chủ động giảm tốc; 5-Đai thang; 6-Bânh đă; 7-Bânh đai bị động giảm tốc; 8-Bânh đai chủ động tăng tốc; 9-Bânh đai bị động tăng

tốc; 10-Mây phât; 11-Bânh răng bao của vi sai bân trục; 12-Bânh răng truyền lực.

3 Kết luận vă hướng phât triển

Đđy lă đề tăi khâ mới mẻ về ô tô Hybrid nín việc nghiín cứu còn rất hạn chế do thiếu tăi liệu vă tăi liệu hiện có hầu hết lă Anh ngữ Đề tăi có thể âp dụng chế tạo vă lắp đặt trín bất kỳ xe ô tô lai-Hybrid năo Tuy nhiín, loại ô tô lai mới chỉ được triển lêm tại Việt Nam nín việc âp dụng đề tăi văo thực tiễn chưa phải lă thời điểm hiện tại Hệ thống cần được tiếp tục nghiín cứu để hoăn thiện hơn, nhất lă mây phât điện của hệ thống, tính ổn định của xe khi có bânh đă

TĂI LIỆU THAM KHẢO

[1] MEHRDAD EHSANI, YIMIN GAO, SEBASTIEN E.GAY, ALI EMADI Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles-Fundamentals, Theory, and Design CRC Press LLC, Washington, 2005

[2] JAMES LARMINIE, JOHN LOWRY Electric Vehicle Technology Explained John Wiley & Sons Ltd, 2003

[3] RON HODKINSON AND JOHN FENTON Lightweight Electric, Hybrid Vehicle Design Butterworth-Hememann, Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, 225 Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041, 2001

[4] BÙI VĂN GA, HỒ SỸ XUÂN DIỆU Ô tô Hybrid: Phương tiện giao thông câ nhđn sạch phù hợp với điều kiện Việt Nam Hội nghị Khoa học-Công nghệ kỷ niệm 40 năm Ngăy thănh lập Cục Đăng kiểm Việt Nam, pp.165-172, Hă Nội 16-4-2004

[5] Th.s LÍ VĂN TỤY Hướng dẫn thiết kế ô tô (Phần truyền lực trín ô tô) Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bâch khoa, Đại học Đă Nẵng: http://www.dut.udn.vn/

[6] STEVEN J.BOYD Hybrid Electric Vehicle Control Strategy Based on Power Loss Calculations Blacksburg, Virginia, August 28, 2006

[7] BÙI VĂN GA, NGUYỄN QUĐN Nghiín cứu hệ thống động lực cho ô tô Hybrid Việt Nam

[8] TOYOTA Toyota Hybrid System-Toyota Technical Training,

http://www.Autoshop101.com/

[9] NGUYỄN TRỌNG HIỆP, NGUYỄN VĂN LẪM Thiết kế Chi tiết mây NXB Giâo Dục, Công ty Cổ phần in Phúc Yín, 2005

[10] TRƯƠNG QUỐC THĂNH, PHẠM QUANG DŨNG Mây vă Thiết bị nđng NXB Khoa học vă Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hă Nội, 2000

[11] NGUYỄN HOĂNG VIỆT Trang bị điện vă điện tử trín ô tô Giâo trình môn học lưu hănh nội bộ, khoa Cơ khí Giao thông, Đại học Bâch khoa, Đại học Đă Nẵng

[12] TRẦN VĂN THỊNH, NGUYỄN THẾ CÔNG, LÍ VĂN DOANH Điện tử công suất (tập

I, II) NXB Khoa học vă Kỹ thuật, Hă Nội 2007