BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Ô TÔ HYBRID

I. Xu thế phát triển phương tiện giao thông và giới thiệu ô tô Hybrid: Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau nhưng đều có xu thế chung là, từng bước ô tô hóa dần các quãng đường dịch chuyển. 1.Sơ lược về lịch sử ô tô: + Những chiếc ôtô đầu tiên: Trang sử ngành ôtô thế giới bắt đầu vào ngày 29011886 khi Karl Benz (người Đức) nhận bằng sáng chế số DRP 37435 cho chiếc xe ba bánh gắn máy của ông.

I Xu thế phát triển phương tiện giao thông và giới thiệu ô tô Hybrid:

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau nhưng đều có xu thế chung là, từng bước ô tô hóa dần các quãng đường dịch chuyển

1.Sơ lược về lịch sử ô tô:

+ Những chiếc ôtô đầu tiên:

Trang sử ngành ôtô thế giới bắt đầu vào ngày 29/01/1886 khi Karl Benz (người Đức) nhận bằng sáng chế số DRP 37435 cho chiếc xe ba bánh gắn máy của ông

Hình 1: Chiếc xe năm 1886

Tuy nhiên trước đó, chiếc xe có thể gọi là chiếc ôtô đầu tiên là chiếc Fardier của Bộ Trưởng Bộ Quốc Phòng Pháp, do Nicolas Joesph Cugnot phát minh vào năm 1771 Đây

là một chiếc xe ba bánh, trang bị động cơ hơi nước tốc độ 2,3 dăm/giờ Cỗ máy kồng kềnh này chưa bao giờ được sản xuất bởi nó quá chậm chạp và nặng nề so với một chiếc

xe ngựa

Hình 2: Chiếc xe của Nicolas Joesph Cugnot

Năm 1889 đã đánh dấu một bước ngoặt trong lịch sử ngành ôtô thế giới khi chiếc xe

do Gottlied Daimler và Wilhelm Mayback phát minh được sản xuất tại Đức Chiếc xe nàyđược trang bị động cơ xăng 1,5 sức ngựa, hai xi lanh hộp số 4 tốc độ, và tốc độ tối đa 10 dặm một giờ Cùng năm đó, người ta cũng chứng kiến sự ra đời của động cơ xăng cũng

do một người Đức, Karl Benz phát minh Ôtô với động cơ xăng do mới được sản xuất với

số lượng rất ít tại Châu Âu và Châu Mỹ

Tuy không phải là đất nước phát minh ra ôtô nhưng Mỹ lại là miền đất cho sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp ôtô khi mà ở những năm cuối của thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 đã có đến 30 hãng sản xuất ôtô ở đất nước này, với nhiều thương hiệu nổi tiếng như: Ford, Chevrolet, Chresler, Cadillac, Dogde,…

2 Nhu cầu ô tô hiện nay và xu hướng ô tô sạch:

Xã hội ngày càng phát triển, như cầu đi lại ngày càng tăng, kéo theo đó là nhu cầu ô tô ngày càng tăng vì sự linh hoạt cũng như tiện nghi mà chúng đem lại

Với những vấn đề về môi trường và cùng với đó là sự cạn kiệt dần của nguồn năng lượng hóa thạch đã tạo ra thách thức, thế giới cần phải có 1 loại xe ô tô mới để giải quyết những khó khăn trên Từ đó ô tô điện và ô tô Hybrid ra đời

Ô tô điện có tính ưu việt vượt trội nhưng giá thành cao, chỉ một số ít người mới tiếp cậnđược cùng với đó là các vấn đề về bin, chính vì vậy ô tô Hybrid ở hiện tại đang là ứng cử viên được nhiều hãng phát triển, tuy vẫn còn 1 số hạn chế do vẫn còn dùng động cơ đốt trong

3.Giới thiệu về ô tô Hybid:

Một chiếc xe có hai hoặc nhiều hơn các nguồn năng lượng và hệ thống chuyển đổi nănglượng được gọi là xe Hybrid Hybrid tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường hơn so với xe truyền thống vì có thêm động cơ điện hỗ trợ tạo năng lượng và động cơ đốttrong nhỏ gọn hơn

Thông thường , ô tô Hybrid có không quá hai nguồn động lực, khi sử dụng hơn hai nguồn động lực, cơ cấu phối hợp công suất trở nên rất phức tạp Với mục đích thu hồi năng lượng phanh, năng lượng bị mất đi dưới dạng nhiệt năng đối với ô tô sử dụng động

cơ đốt trong truyền thống, hệ thống động lực của xe Hybrid thường có bộ chuyển đổi năng lượng hai chiều

Có nhiều phương án phối hợp công suất khác nhau để đạt được chế độ tải yêu cầu:+ Một mình nguồn động lực 1 cung cấp năng lượng cho tải

+ Một mình nguồn động lực 2 cung cấp năng lượng cho tải

+ Cả 2 nguồn động lực 1 và 2 cung cấp năng lượng cho tải cùng một lúc

+ Nguồn động lực 2 nhận năng lượng từ tải ( phanh tái sinh )

+ Nguồn động lực 2 nhận năng lượng từ nguồn động lực 1

+ Nguồn động lực 2 nhận năng lượng từ nguồn động lực 1 và từ tải cùng một lúc

+ Nguồn động lực 1 cung cấp năng lượng cho tải và cho nguồn động lực 2 cùng một lúc+ Nguồn động lực 1 cung cấp công suất cho nguồn động lực 2 và nguồn động lực 2 cungcấp năng lượng cho tải

+ Nguồn động lực 1 cung cấp công suất cho tải và tải cung cấp công suất cho nguồn động lực 2

II Các cách bố trí hệ thống truyền động ô tô Hybrid:

Có 3 cách bố trí thông dụng.

1.Cách bố trí nối tiếp – Series:

Hình 3: Minh họa bố trí kiểu nối tiếp

Trong sơ đồ bố trí hai nguồn công suất theo kiểu nối tiếp, công việc duy nhất của động

cơ nhiệt là kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ăc-quy hoặc máy phátđiện có thể cung cấp trực tiếp cho động cơ điện

Lực kéo ở bánh xe chủ động không được tạo ra bởi mô-men xoắn từ độngcơ nhiệt Chỉ

có động cơ điện truyền lực đến bánh xe chủ động, và do đó đặc tínhlực kéo ở bánh xe chủđộng do mô-men điện từ của máy điện tạo nên

Kiểu bố trí nối tiếp có dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc bình ắc quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện

Động cơ điện ở đây là một máy điện đặc biệt, còn đóng vai trò như một máy phátđiện khi xe chạy xuống dốc, khi xe giảm tốc do phanh hoặc xe chạy lăn trơn

Ưu điểm:

+ Cấu trúc đơn giản ( Theo 1 chiều: Động cơ => máy phát điện => mô tơ điện => truyền

+ 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)

2 Bố trí song song – Parallel:

Hình 5: Bố trí kiểu song song

Hình 6: Bố trí kiểu song song (tách rời cầu trước cầu sau)

Khác với hệ thống động lực ôtô hybrid nối tiếp, hệ thống động lực ôtô hybrid song song cho phép cả động cơ nhiệt và động cơ điện cung cấp năng lượng cơ học cho bánh xechủ động Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền mômen

chính còn môtơ điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc Những ưu điểm chính của cấu hình song song và cấu hình nối tiếp là:

- Không cần máy phát điện

- Động cơ điện xe hybrid song song nhỏ hơn động cơ điện hybrid nối tiếp

- Bộ biến đổi công suất đa năng từ động cơ nhiệt đến bánh xe chủ động là không cần thiết

Do đó, hiệu suất tổng cộng của ô tô hybrid song song cao hơn ô tô hybrid nối tiếp Tuy nhiên hệ thống điều khiển ô tô hybrid phức tạp hơn hệ thống điều khiển ô tô hybrid nối tiếp do cơ cấu kết nối giữa động cơ nhiệt và bánh xe chủ động

Ưu điểm:

+ Khắc phục các nhược điểm của kiểu nối tiếp: Sử dụng hiệu quả công suất máy Côngsuất chung 100 kW => Chia động cơ đốt trong X%, còn lại động cơ điện (100-X)% Tổngtrọng lượng cụm máy gần như không tăng

+ Giảm mạnh ô nhiễm: Thay thế %[W] MOTOR => Giảm %[ô nhiễm]

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 nhiên liệu Vẫn cho đặc tính gia tốc tốt nhờ đặc tính tốt

(2): Sử dụng động cơ đốt trong 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 động cơ đốt trong và động cơ điện

(4): Khi điện ở Ác quy yếu => Chạy động cơ đốt trong – động cơ điện/ máy phát điện

=> 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 động cơ đốt trong => Dùng hộp số

- Còn lãng phí nhiên liệu và gây ô nhiễm (còn dùng động cơ đốt trong ); còn

CO2 => gây hiệu ứng nhà kính

3 Bố trí kiểu hỗn hợp:

Hình 7: Bố trí ô tô Hybrid kiểu hỗn hợp

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đacác lợi ích được sinh ra Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phânchia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt vàđộng cơ điện đến các bánh xe chủ động Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu êm dịu"chỉ với một mình động cơ điện Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xehybrid

- Việc sữa chữa phức tạp

III Vẽ sơ đồ và tính các thông số cơ bản:

Chọn sơ đồ bố trí hệ thống truyền động ô tô Hybrid kiểu song song.

3.1 Tính công suất chung – phân chia công suất động cơ điện – động cơ đốt trong:

3.1.1 Số liệu ban đầu:

 Loại ôtô cần tìm hiểu: Xe du lịch

 Trọng lượng toàn bộ của xe: 2800 [kg]

 Tốc độ cực đại của xe: Vmax=175 [km/h]

 Bán kính bánh xe: Rbx=0.37 [m]

 Động cơ điện có thông số: Nmax/nN/nB=20/3600/600

 Hệ số thích ứng theo mô-men quay của động cơ đốt trong: kM=1,225

 Hệ số thích ứng theo số vòng quay của động cơ đốt trong: kω=1.785

 Tốc độ giả lập nN của động cơ đốt trong: nN = 5500-7000 v/ph

3.1.2 Các thông số cần chọn:

- Diện tích cản chính diện của xe:

Vì là xe du lịch nên ta chọn diện tích cản chính của xe là : A = 2,2 [m2]

- Hệ số cản không khí : k = 0,25 [Ns2/m4]

Hệ số cản lăn : f= a + b.v = 32+v2 800

a = 280032 b = 28001

- Hiệu suất truyền lực: ηt=0,9

3.1.3 Công suất ứng với tốc độ Vmax (Công suất tổng) :

- Lực cản tại vận tốc lớn nhất :

Vmax= 175 [km/h] = 48,611 [m/s]

Fv = G.(a+b.Vmax)+k.A.Vmax

3.1.4 Chia công suất cho động cơ đốt trong và động cơ điện:

- Động cơ điện:

+ Công suất của động cơ điện: P1=20 [kw]=20000 [w]

+ Tốc độ của động cơ điện:

3

= 381,14 [rad/s]

+ Moment xoắn tại nơi động cơ đạt công suất cực đại:

+ Moment xoắn cực đại của động cơ:

Memax = MN kM = 136,567.1,225=167,29 567 [N.m]

3.2 Tính các thông số cơ bản của hệ thống truyền lực kết hợp song song kiểu hành tinh:

Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động ô tô Hybrid kiểu song song

R R

=

1 2

Chọn Zh= 31 răng Giải (1) và (2) ta được Z1=17, Z2 =79 răng.

3.3 Tính và vẽ đặc tính lực kéo riêng cho động cơ điện và động cơ đốt trong :

- Tỷ số truyền của bộ giảm tốc cho động cơ đốt trong:

igt =

2 1

N N

 b + 2.c λ =0

 [a + b

N N

P

 (a+b+c) => a+b+c=1 (4)

Memax =

max N

Me

M = [a + b

1

M N

Gỉai (3),(4),(5) ta được:

a = 0,859874

b = 1,303501

c = -1,63375

- Moment của động cơ Me = MN2.(a+b.λ+cλ2)

Lực kéo do động cơ đốt trong sinh ra:



+ Khi đó khi ikh2 = 1 thì Fk =

0 .gt t

bx

Me i i R

Chọn Δλ = 0,025 với λ =

2 2

e N



 => ωe2 = λ.ωN2 với ωN2= 680,33 [rad/2]

V21, Fk21 và V22, Fk22 lần lượt là vận tốc và lực kéo ứng với ikh2=1 và ikh2=1,215

Ta có bảng đặc tính lực kéo riêng của động cơ đốt trong khi ikh2=1 và ikh2=1,215

[rad/s] Me2 [N.m]

V21[m/s]

3.3.2 Xây dựng đường đường đặc tính lực kéo riêng cho động cơ điện:

- Moment của động cơ:

+ Khi tốc độ của động cơ điện ne≤nB = 600 [v/ph] thì Me1=Memax=318,47 [N.m]

+ Khi tốc độ của động cơ điện ne

¿

nB = 600 [v/ph] thì Me1=

1 1

N e

N



- Lực kéo do động cơ đốt trong sinh ra:

Fk =

1 .kh1 0 t

bx

Me i i h R

+ Khi đó khi ikh1 = 1 thì Fk =

bx

Me i h R

[N.m]

+ Vận tốc của xe: V2 = 1 0

e kh

V11, Fk11 và V12, Fk12 lần lượt là vận tốc và lực kéo ứng với ikh1 = 1 và ikh1 = 1,215

Ta có bản đặc tính lực kéo riêng của động cơ đốt trong khi ikh1 = 1 và ikh1 = 1,215

3.3.3 Xây dựng đường đặc tính lực kéo tổng hợp cho 2 nguồn động cơ điện và động cơđốt trong ( với : ikh=1):

- Lực kéo khi kết hợp cả 2 nguồn công suất từ động cơ:

Me2[N.m] Pe1 [W]

0,600 226,08 408,20 88,46 20000 167,04 68187,00 29,17 3020,540,625 235,50 425,21 84,93 20000 166,63 70851,55 30,38 2947,680,650 244,92 442,22 81,66 20000 166,01 73414,14 31,60 2878,660,675 254,34 459,23 78,63 20000 165,20 75864,66 32,81 2812,890,700 263,76 476,23 75,83 20000 164,19 78192,95 34,03 2749,840,725 273,18 493,24 73,21 20000 162,98 80388,90 35,24 2689,100,750 282,60 510,25 70,77 20000 161,57 82442,36 36,46 2630,260,775 292,02 527,26 68,49 20000 159,97 84343,21 37,67 2573,010,800 301,44 544,27 66,35 20000 158,16 86081,30 38,89 2517,040,825 310,86 561,28 64,34 20000 156,16 87646,51 40,10 2462,110,850 320,28 578,28 62,45 20000 153,95 89028,71 41,32 2407,990,875 329,70 595,29 60,66 20000 151,55 90217,75 42,53 2354,480,900 339,12 612,30 58,98 20000 148,95 91203,51 43,75 2301,400,925 348,54 629,31 57,38 20000 146,15 91975,85 44,97 2248,590,950 357,96 646,32 55,87 20000 143,16 92524,64 46,18 2195,920,975 367,38 663,33 54,44 20000 139,96 92839,74 47,40 2143,251,000 376,80 680,33 53,08 20000 136,57 92911,03 48,61 2090,47

Đồ thị đặc tính lực kéo khi kết hợp 2 nguồn công suất