GIÁO TRÌNH - KỸ THUẬT Ô TÔ HYBRID (TS. LÊ VĂN TỤY)

EngineKỸ THUẬT Ô TÔ HYBRIDKỸ THUẬT Ô TÔ HYBRIDKỸ THUẬT Ô TÔ HYBRIDKỸ THUẬT Ô TÔ HYBRIDKỸ THUẬT Ô TÔ HYBRIDKỸ THUẬT Ô TÔ HYBRIDKỸ THUẬT Ô TÔ HYBRID

KỸ THUẬT Ô TÔ HYBRID

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Ô TÔ HYBRID

Ô TÔ HYBRID là gì? >> DÙNG 2 NGUỒN NĂNG LƯỢNG

A) Nhắc lại CẤU TRÚC Ô TÔ TRUYỀN THỐNG

Hình A: Minh họa CẤU TRÚC Ô TÔ TRUYỀN THỐNG

Ưu nhược điểm Ô TÔ TRUYỀN THỐNG

+ Quen dùng theo truyền thống xưa nay;

+ Phương tiện giao thông Thuận lợi, Đa năng & Linh hoạt (chở bất kỳ thứ gì & đi được bất kỳ đâu…)

- Nhược điểm: Hiệu suất ĐCĐT (Engine) rất thấp (Xăng : khoảng 37%;

Diesel khoang 40%; Còn lại thải ra môi trường)

- Gây ô nhiễm cho con người: CO, HC, NOx… Cho bầu khí quyển CO2

(trung bình sử dụng 01 lít Fuel => Thải ra 2 kg CO 2 – Chứng minh ở dưới – màu đỏ )

] [ 2 9

] [

6 ].

32 [ ] [ 6 ].

12 [ ]

[ 18 ].

1 [ ] [ 8 ].

Ô TÔ HYBRID >> có 3 CÁCH BỐ TRÍ:

 CÁCH 1 (BỐ TRÍ NỐI TIẾP – SERIES )

Hình 1: CẤU TRÚC BỐ TRÍ Ô TÔ HYBRID KIỂU NỐI TIẾP

Hình 1B: Minh họa BỐ TRÍ Ô TÔ HYBRID KIỂU NỐI TIẾP

Ưu điểm: + Cấu trúc đơn giản (Theo 1 chiều: Engine => Máy phát điện =>

+ ĐCĐT duy trì một chế độ tốc độ vận hành cho máy phát điện => TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU (Suất tiêu hao nhiên liệu g e_min ) => GIẢM Ô NHIỄM Nhược điểm:

- Sử dụng thiết bị kém hiệu quả : Nếu dùng ĐCĐT 100 kW => phải

dùng máy phát 100 kW (giả thiết hiệu suất = 1) => phải dùng thêm một động cơ điện 100 kW (giả thiết hiệu suất = 1) Như vậy khối lượng thiết

bị phát công suất tăng gấp 3 lần so với chỉ có ĐCĐT

- Ô nhiễm môi trường CO, HC, NOx và CO2 (Chỉ giảm chút ít nhờ vận hành ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu ge_min)

KẾT LUẬN:

* Chỉ sử dụng hiệu quả và phù hợp cho TÀU LỬA (Khối lượng 3 cụm máy là không đáng kể < > ĐOÀN TÀU CÓ KHỐI LƯỢNG RẤT LỚN – CẢ 100 NGHÌN TẤN)

 Sử dụng cho các XE CẨU VỚI TẢI TRỌNG RẤT LỚN (1OO TẤN)

Hình 2: CẤU TRÚC BỐ TRÍ Ô TÔ HYBRID KIỂU SONG SONG

Hình 2b: CẤU TRÚC BỐ TRÍ Ô TÔ HYBRID KIỂU SONG SONG

(Tách rời Cầu trước – Cầu sau)

Hình 2D: CẤU TRÚC BỐ TRÍ Ô TÔ HYBRID KIỂU SONG SONG

(Tách rời Cầu trước – Cầu sau)

Ưu điểm: + Khắc phục các nhược điểm của KIỂU NỐI TIẾP: Sử dụng hiệu quả công suất máy Công suất chung 100 kW => Chia ENGINE X%, còn lại MOTOR (100-X)% Tổng trọng lượng cụm máy gần như không tăng

Ngoài ra còn có các ưu điểm nổi trội khác sau:

 (1): Sử dụng MOTOR Điện chạy trong thành phố => Giảm ô nhiễm nội đô CO, HC… & không tốn Fuel Vẫn cho đặc tính GIA TỐC TỐT

nhờ đặc tính TỐT

 (2): Sử dụng ENGINE chạy ngoài thành phố => Giảm áp lực ô nhiễm

 (3): Khi cần phát huy hết công suất (chạy Vmax hay vượt dốc lớn nhất)

=> Chạy cả 2 nguồn ENGINE & MOTOR

 (4): Khi điện ở Ác quy yếu => Chạy ENGINE & MOTOR/ GENERATOR => nạp điện lại cho Ắc-quy (Máy điện làm việc 2 chiều: Mô – tơ & máy phát)

 (5): Tận dung năng lượng tái sinh: khi xuống dốc , khi lăn trơn , khi

phanh… => nạp điện cho ắc quy hoặc tích trữ W vào thiết bị phụ…

Nhược điểm:

- Cấu trúc hơi phức tạp, cồng kềnh

- Đặc tính kéo không tối ưu khi còn dùng ENGINE

- Còn lãng phí Fuel & gây ô nhiễm (còn dùng ENGINE); còn CO2 =>

gây hiệu ứng nhà kính

Hình 3: CẤU TRÚC BỐ TRÍ Ô TÔ HYBRID KIỂU HỖN HỢP

1.2.1 Vì ô tô truyền thống (xăng dầu) vừa LÃNG PHÍ W & gây Ô NHIỄM

* LÃNG PHÍ: Vì hiệu suất sử dụng nhiên liệu của ĐCĐT <40%

* Ô NHIỄM: Vì sử dụng 01 Lít nhiên liệu => xấp xỉ 02 kg CO2

C8H18 + O2 => to => QW + H2O + CO2 + CO

C8H18 + 12.O2 => to => QW + 9.H2O + 6.CO2 + 2.CO

C8*[12] + H18*[1] => to => 6*C*[12] + 6*O2*[32]

 8*[12] + 18*[1] => 6*[12] + 6*[32]

 114 gam [Fuel] => 252 gam [CO2]

Dùng 1 kg Fuel => Thải ra hơn 2 kg CO2

KẾT LUẬN:

Ô TÔ HYBRID NHIỆT-ĐIỆN còn dùng ĐCĐT (Engine)

=> còn LÃNG PHÍ & gây Ô NHIỄM

( FUEL CELL HYBRID VEHICLE- FCHV ) hoặc Ô TÔ ĐIỆN

Hình 3: CẤU TRÚC Ô TÔ FUEL CELL HYBRID

Hình 3B: Minh họa Hybrid Vehicle & Fuel Cell Hybrid Vehicle

a) Lý thuyết, khi công suất động cơ không đổi => đặc tính lý tưởng

C P

V F M

Pemax    t  k *  emaxt 

Pemax : Basic  N

C P

V

Fk *  emaxt 

V

C V

E E

N B

E E

P M

P M

R

i M

 (4)

Hình 4B: Đặc tính kéo với hệ thống truyền lực có 5 CẤP SỐ TRUYỀN

Phương trình Mô-men ĐCĐT (ENGINE)

N N

N

e e

M P

c b

a

P M

Xe Hybrid với Engine => sử dụng hộp số tự động (Automatic Transmission) =>

goomg Bộ biến mô thủy lực (Torque Converter) + Hộp số hành tinh (Planetary Gear)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hữu Cẩn và đồng nghiệp (2003): Lý thuyết Ô tô Máy kéo NXB:

Khoa học & Kỹ thuật Hà Nội – 2003

[2] Lê Văn Tụy (2007) : Kỹ thuật ô tô Hybrid Giáo trình lưu hành nội bộ

ĐHBK ĐN Đà Nẵng – 2007

[3] Bùi văn Ga, Trần Văn Nam (2010): Ô tô không truyền thống NXB : Giao dục Việt Nam Đà Nẵng – 2010

[4] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E Gay, Ali Emadi (2005): Modern

Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory and Design CRC PRESS LLC, New York (USA) - 2005

[5] David Crolla, Behrooz Mashadi: Vehicle Powertrain Systems John Wiley &

Sons, Ltd Chichester, United Kingdom – 2012

BÀI 2:

Yêu cầu của bài học:

+ Xác định phương trình toán học mô tả đặc tính tốc độ động cơ;

+ Vẽ các đường đồ thị của chúng (với bất kỳ giá trị tốc độ nào)

2.1 XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ NGOÀI ĐỘNG CƠ ĐT (ENGINE)

2.1.1 Dữ liệu biết trước của ĐCĐT

Dữ liệu về thông số kỹ thuật của động cơ đốt trong cần phải biết để xây dựng đặc tính tốc độ ngoài có thể nhận được theo 2 cách:

a) Biết trước 2 điểm giá trị đặc trưng về thông số kỹ thuật của động cơ:

+ Công suất lớn nhất & tốc đô tương ứng: Pemax[kW], nN[rpm]

+ Mô-men cực đại & tốc độ tương ứng: Memax[N.m], nM[rpm]

Hình 2.1: Các điểm đặc trưng (Pemax, wN), (Memax, wM) trên đồ thị (??/??)

b) Có tập dữ liệu thí nghiệm M=f(n)

Trong trường hợp chưa có cặp thông số kỹ thuật về đặc tính động cơ, cần thiết phải tiến hành thực nghiệm để đo diễn biến mô-men M[N.m] theo tốc độ n[rpm] khi vị trí cung cấp nhiên liệu là 100%

Giả sử tập dữ liệu nhận được từ thực nghiệm như bảng 1:

Bảng 1: Số liệu thực nghiệm đo M = f(n) khi vị trí cung cấp fuel ở 100%

e

 [rad/s] 57.6 115.2 172.8 230.4 288.0 345.6 403.2 460.8 518.4 576.0 M[N.m] 173.6 188.9 200.4 208.0 211.8 211.8 208.0 200.4 188.9 173.6

Hình 2.1b: Đồ thị biểu thị diễn biến M = f(w) và P = f(w) theo tốc độ

(Các điểm đặc trưng (Pemax, wN), (Memax, wM) ??)

Bằng phương pháp tính bình phương cực tiểu, thông qua công cụ AddTrendLine của MS Excel, ta được đa thức bặc 2 như sau:

M = A0 + A1e + A2 2

e

Với: A0 = 154.5246; A1 = 0.36475; A2 = -0.00058

Suy ra M đạt Memax tại e = M khi: dM/de = 0

Hay: A1 +2.A2*M = 0 => M = - A1/(2*A2) = - 0.36475/(2*[-0.00058])

e N

e N

e e e e

N

e N

e N

e e

c b

a

P M

P

c b

a

P M

2 max

2 max

Hay :

2 max

N

e N

e N

e e

e

N

e N

e N

e e

c b

a P P

c b

a

P M

Trong đó: các hằng số Lây-dec-man a, b và c phải được xác định cụ thể cho

từng động cơ theo hai cặp giá trị đặc trưng đã biết của động cơ (Pemax , N) và (Memax , M) như sau:

c) Trình tự tính toán:

Bước 1: Xác định phương trình toán học; tức là tìm a, b, c =???

Xác định các hằng số a, b và c theo các đặc trưngực nghiệm kM và kw của động cơ đốt trong:

212,1).5,01(1

894,01)2.(

1)2.(

b k c

k

a b

k k

k k

226.18.172

4.314

max

max max

M N

N e

e N

e M

k

P

M M

M k

Chú ý: các hằng số thực nghiệm a,b và c cũng có thể suy ra từ sự đồng nhất

của phương trình (1) và (3) đối với các số hạng của biến số e như sau:

574 00058 , 0

212 , 1 99184

574 36475 0

894 , 0 99184

574 5246 154

3

max

3 2

2

max

2 1

max 0

e N e N e N

P A c

P A b

P A a

Hình 2.2: Đồ thị đặc tính tốc độ ngoài động cơ đốt trong

2.2 XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ MÔ-TƠ (ELECTRIC MOTOR)

2.2.1 Dữ liệu biết trước của MOTOR

Dữ liệu cần thiết của động cơ đót trong để xây dựng đặc tính tốc độ ngoài có thể nhận được theo 2 cách:

a) Biết trước 2 điểm giá trị đặc trưng về thông số kỹ thuật của động cơ:

+ Công suất lớn nhất & tốc đô tương ứng: PEmax[kW], nN[rpm]

+ Mô-men cực đại (hoặc TỐC ĐỘ CƠ BẢN): MEmax[N.m] (hay nB[rpm])

Hình 2.4: Các điểm đặc trưng (PEmax, wN), (MEmax, wB) trên đồ thị (??/??)

b) Có tập dữ liệu thí nghiệm M=f(n)

Trong trường hợp chưa có cặp thông số kỹ thuật về đặc tính động cơ điện, cần thiết phải tiến hành thực nghiệm để đo diễn biến mô-men M[N.m] theo tốc độ

n[rpm] khi vị trí phát công suất là 100% (thông số điều khiển thường U[Volt])

Giả sử tập dữ liệu nhận được từ thực nghiệm như bảng 3:

Bảng 3: Số liệu thực nghiệm đo M = f(n) khi nguồn U là định mức 100%

M[N.m] 251

0 2500 2490 1667 1250 1000 833 714 625 556 500

Hình 2.4b: Đồ thị biểu thị diễn biến M = f(w) và P = f(w) theo tốc độ

(Các điểm đặc trưng (PEmax, wN), (MEmax, wM) ??)

Chú ý rằng: trên đồ thị 2.4b với đặc tính tốc độ của động cơ điện là hàm không liên tục Thường gồm 2 đoạn: đoạn có mô men lớn nhất & bằng hằng số (trong

phạm vi tốc độ nhỏ của Mô-tơ; nhanhd còn lại có dạng đường Hyperbol)

Vì vậy, chia dữ liệu thành hai nhóm (chủ yếu tìm M=f(w); còn P = M.w)

+ Thứ nhất, chọn nhóm dữ liệu có giá trị gần như là hằng số để xấp xỉ hàm

M = Const Ví dụ trên bảng 3, chọn 3 dữ liệu đầu với   B= 40[rad/s] xấp xỉ hàm bởi hằng số, với giá trị là trung bình cộng của tập giá trị đã đo:

25003

24902500

2510

1 max      



n

M M

n

i i

Bằng công cụ Add TrendLine trong MS Excel, dễ dàng có được các hằng

số xấp xỉ a & b của hàm Hyperbol M = f() như minh họa trên hình 2.5 như sau:

Hình 2.5: Hàm M = f() xấp xỉ nhờ công cụ Add TrendLine của MS Excel

Bao gồm các bước như sau:

Bước 1: Chọn dữ liệu (từ với  = 40 đến 200) & vẽ đồ thị như trên hình 2.5

Bước 2: Click Right (kích chuột phải) vào đường đồ thị để mở menu trãi

xuống từ đồ thị như hình 2.6

Hình 2.6: Click Right (kích chuột phải) vào đường đồ thị để mở menu trãi xuống

Bước 3: Chọn mục Add Trendline (trên hình 2.6) để vào màn hình (Form

cửa sổ) tìm hàm xu hướng (hàm xấp xỉ) như hình 2.7

Hình 2.7: Màn hình để tìm hàm xấp xỉ (đường xu hướng)

Bước 4: Ở màn hình tìm hàm xu hướng (Format Trendline) như hình 2.7, tại vùng chọn hàm xu hướng Trendline Option, hãy chọn hàm mũ (ký hiệu Power);

đồng thời Click chuột vào ô vuông kiểm tra có ký hiệu: Display Equation on

Chart để cho hiển thị hàm xấp xỉ lên đồ thị (xem hình 2.7) ở gần cuối cửa sổ

Bước 5: Click chuột vào nút lệnh Close (hoặc OK tùy thuộc phần mềm MS

Excel) để kết thúc việc tìm hàm (xác định hàm bởi công cụ Add trendline của MS

Excel) thông qua các hằng số a & b cho hàm M  a.b (xem hình 2.5)

Từ kết quả xấp xỉ hàm, có được: a = 100000 & b = -1; nghĩa là:

40];

.[2500

M E x

(10) Nghĩa là ta có:

[2500

]/[200];

[100000

max

max

s rad M

s rad W

P

B x

E

N E

[2500

]/[200];

[100000

max

max

s rad M

s rad W

P

B x

E

N E

max

;

E E

E

P

P M

P

P M

;

max

max max

E

E B

E

M M

P

M

P M

Bước 3: Tính các giá trị mô-men M và giá trị công suất P = M.theo (12)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hữu Cẩn và đồng nghiệp (2003): Lý thuyết Ô tô Máy kéo NXB:

Khoa học & Kỹ thuật Hà Nội – 2003

[2] Lê Văn Tụy (2007) : Kỹ thuật ô tô Hybrid Giáo trình lưu hành nội bộ

ĐHBK ĐN Đà Nẵng – 2007

[3] Bùi văn Ga, Trần Văn Nam (2010): Ô tô không truyền thống NXB : Giao

dục Việt Nam Đà Nẵng – 2010

[4] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E Gay, Ali Emadi (2005): Modern

Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory and Design CRC PRESS LLC, New York (USA) - 2005

BÀI 3:

ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ CHO HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ HYBRID

(CÓ CẤU TRÚC SONG SONG)

Yêu cầu của bài học:

+ Phân tích các cấu trúc bố trí Hệ thống truyền động HYBRID song song (Bộ truyền động kết hợp 2 nguồn công suất);

+ Xác định các thông số cơ bản của hệ thống truyền động

3.1.1 Sơ đồ bố trí nối cứng tốc độ (kết hợp trục cứng – không có vi sai)

3.1.1.1 Cấu tạo:

Hình 3.1: Sơ đồ truyền đồng kết hợp song song kiểu kiểu nối kết cứng

Chú thích hình 3.1: 1: Nguồn công suất thứ nhất; 2: Nguồn công suất thứ hai; 3:

Bộ truyền giảm tốc; 4: Trục kết hợp công suất; w 1 : Tốc độ nguồn thứ nhất; w 3 : Tốc

độ nguồn thứ hai; w 3 : Tốc độ chung của hai nguồn công suất; L 1 : Ly hợp thứ nhất;

L 2 : Ly hợp thứ hai; L 1 ; Z 1 : Số răng bánh răng chủ động của bộ giảm tốc; Z 2 : Số răng bánh răng bị động của bộ giảm tốc

3.1.1.2 Nguyên lý làm việc:

a) Khi chỉ sử dụng nguồn công suất (1):

Công suất từ nguồn (1) truyền qua ly hợp L1 (trạng thái đóng), rồi truyền thẳng đến trục (3) để đến cầu hộp số + chủ động với tốc độ góc 31 & M3 = M1

Lúc này ly hợp L2 ngắt, bánh răng Z2 và Z1 quay lồng không trên trục (3)

b) Khi chỉ truyền nguồn công suất (2):

Khi chỉ truyền mỗi nguồn công suất (2) thì ly hợp L1 mở, L2 đóng để nối truyền động đến bánh răng Z1 rồi qua Z2 trên trục (3)

Công suất từ nguồn (2) truyền qua ly hợp L2 (đóng), rồi truyền qua bộ giảm tốc (Z2/Z1) Tốc độ góc trục (3) sẽ bằng :

2 3

Z

c) Khi truyền động kết hợp cả hai nguồn công suất (1) và (2):

Khi truyền động kết hợp cả hai nguồn động lực (1) và (2) thì cả hai ly hợp

L1 và L2 đều đóng, trục (3) sẽ nhận đồng thời hai nguồn công suất (1) và (2)

Tốc độ trục (3) luôn luôn bằng tốc độ góc của trục (1) : 3  1; trong khi tốc độ của trục (2) cũng phải luôn luôn bị kéo theo tốc độ bởi trục (3); tức là:

3 1 21

2

i    



Nghĩa là tốc độ hai guồn sẽ kéo nhau; phụ thuộc vào tốc độ phụ tải 3

Mômen kết hợp lúc này có thể được xác định bằng phương trình cân bằng công suất truyền đến bộ kết hợp (3):

3 1 21

Nếu bỏ qua ma sat thì: Vậy M3 = M1 + M2.i21 (3.4)

Với i21 là tỷ số truyền của bộ giảm tốc từ nguồn (2) truyền đến trục (3)

Ưu điểm: + Kết cấu đơn giản;

Nhược điểm:

- Chỉ đồng bộ một chế độ thiết kế với w2/w1 = igt; ở các chế độ khác, khi vận hành thay đổi, khó khăn trong việc duy trì đồng bộ giữa hai nguồn luôn luôn đạt tỷ số w2/w1 = igt (?) Một trong hai nguồn bị kéo theo

(nguồn công suất nhỏ hơn bị kéo theo = > tổn hao công suất nguồn kéo)

 Điều khiển đồng bộ bằng cách w2 = w1*igt

- Cần thiết phải có thêm hộp số chung! Điều này lại không phù hợp khi

vận hành riêng cho từng nguồn công suất

3.1.2 Sơ đồ bố trí nối mềm tốc độ (kết hợp kiểu vi sai)

3.1.2.1 Cấu tạo :

Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ có thể được chỉ ra trên hình 3.2

Hình 3.2: Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ

1 : Nguồn động lực thứ nhất ; 2 : Nguồn động lực thứ hai ; 3 : Bộ giảm tốc ; 4 : Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ ; 5 : Trục thứ cấp của bộ kết hợp ; R 1 - Bán kính vòng chia bánh răng trung tâm, R 2 -Bán kính vòng chia vành răng bao, R 3 - Bán kính vòng tròn qua tâm trục các bánh vệ tinh : 1 : Tốc độ góc trục quay của

nguồn (1); 2 : Tốc độ trục quay của nguồn (2); 3 : Tốc độ góc trục thứ cấp của

bộ kết hợp; Z 1 , Z 2 - Số răng của bộ giảm tốc từ nguồn (2) về bộ kết hợp: L 1 , L 2 : Các ly hợp tương ứng với các nguồn (1) và nguồn (2)

3.1.2.2 Nguyên lý :

a) Khi truyền động kết hợp cả hai nguồn công suất (1) và (2):

 Mômen xoắn ở trục thứ cấp (3) được xác định như sau :

Gọi F1 là lực vòng tương tác giữa bánh răng trung tâm (có bán kính vòng chia R1) và bánh răng hành tinh (4)

Gọi F2 là lực vòng tương tác giữa bánh răng bao (có bán kính vòng chia R2)

và các bánh răng hành tinh (4)

Mômen xoắn của trục trung tâm: M1 = F1.R1 (3.5)

Mômen xoắn của vành răng bao: M2 = F2.R2 (3.5B)

Xét bánh răng hành tinh (4) có hai lực tác dụng là F1 và F2, nên lực tổng hợp tác dụng lên trục di động của nó là:

M3 = F3.R3 = (F1 + F2).R3 (3.6B) Thay F1 và F2 từ (3.5) vào (3.5B) ta có:

2 2

1

1

R R

M R

3

M R

R M R

R

Đặc biệt, khi các momen từ bánh răng trung tâm M1 và từ vành răng bao M2

truyền đến các bánh răng hành tinh theo tỷ lệ :

2 1

2

1

R

R M

3 1 1

3

R

R 2 M R

R 2