So sánh hiệu suất truyền động và tính kinh tế nhiên liệu của các dạng cấu hình của xe hybrid 271298
- 58 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------
TRỊNH HÙNG VĨ
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN :
SO SÁNH HIỆU SUẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ TÍNH KINH TẾ
NHIÊN LIỆU CỦA CÁC DẠNG CẤU HÌNH XE HYBRID.
CHUYÊN NGÀNH:
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.ĐÀM HOÀNG PHÚC
Hà Nội – Năm 2013
1
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo TS. ĐÀM HOÀNG PHÚC đề tài được thực hiện tại bộ môn Ô tô và xe
chuyên dụng, viện cơ khí động lực Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các số
liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào tại Việt nam.
Hà Nội, ngày 02 tháng 01 năm 2013
Tác giả
Trịnh Hùng Vĩ
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... 2
Các chữ viết tắt. ...........................................................................................................6
Danh mục các ký hiệu .................................................................................................6
Danh mục các bảng .....................................................................................................7
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG XE HYBRID .......... 10
1.1- Khái niệm chung về xe Hybrid. .........................................................................10
1.2- Ưu điểm xe Hybrid. ...........................................................................................10
1.3- Nhược điểm xe Hybrid. .....................................................................................10
1.4- Các loại xe Hybrid. ............................................................................................10
1.5- Các bộ phận chính trên xe Hybrid. ....................................................................11
1.5.1- Động cơ Hybrid.......................................................................................12
1.5.2- Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle). ..........................13
1.5.3- Mô tơ điện và máy phát điện. ..................................................................14
1.5.4- Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter). ...............................15
1.5.5- Ắc quy điện áp cao. (HV Battery - High Volt Battery). ..........................16
1.5.6- Cáp nguồn. ...............................................................................................16
1.5.7- Ắc quy phụ. ..............................................................................................17
1.5.8- Các bộ phận khác có công dụng hỗ trợ trên ôtô Hybrid. .........................17
1.6- Khái niệm về hệ thống truyền động Hybrid. .....................................................20
1.7- Tính linh hoạt của hệ thống truyền động xe Hybrid. .........................................21
1.8- Phân tích các cấu hình khác nhau của hệ thồng truyền động. ...........................23
1.8.1- Cấu hình truyền động Hybrid nối tiếp. ....................................................25
1.8.2- Cấu hình truyền động Hybrid song song. ................................................28
1.8.3- cấu hình truyền động Hybrid kết hợp. .....................................................29
1.9- Đánh giá ưu nhược điểm các cấu hình khác nhau của hệ thống truyền động. ..30
3
1.10- Tỷ lệ sử dụng động cơ và mô tơ điện trong mỗi cấu hình truyền động Hybrid.
...................................................................................................................................31
1.11- Đặc tính của các cấu hình truyền động Hybrid................................................32
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ LÀM TĂNG TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU
XE HYBRID............................................................................................................................ 33
2.1- Phanh tái tạo. ......................................................................................................33
2.2- Giảm công suất động cơ (động cơ thu gọn). ......................................................33
2.3- Mô tơ hỗ trợ. ......................................................................................................37
2.4- Tắt động cơ. .......................................................................................................37
2.5- Điều chỉnh công suất tiêu tốn do các thiết bị phụ trợ. .......................................38
2.6- Ngắt nhiên liệu và khóa biến mô. ......................................................................40
2.7- Khởi động. .........................................................................................................41
2.8- Tính toán tính kinh tế nhiên liệu của Plug – in Hybrid. ....................................41
CHƯƠNG 3 : SO SÁNH, TÍNH TOÁN CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA XE
HYBRID .................................................................................................................................. 44
3.1- Tính năng vận hành của xe Hybrid. ...................................................................44
3.1.1- Điều khiển bằng điện. ..............................................................................44
3.1.2- Làm ấm nhanh. .........................................................................................44
3.1.3- Khí động học. ...........................................................................................44
3.1.4- Sức cản lăn của lốp. .................................................................................44
3.1.5- Trọng lượng xe. ........................................................................................45
3.1.6- Hiệu suất động cơ.....................................................................................45
3.1.7- Hệ thống truyền lực..................................................................................46
3.1.8- Cải thiện chất bôi trơn: Ma sát và chất ăn mòn. ......................................47
3.1.9- Nhiên liệu được cải thiện. ........................................................................47
3.2- Vận tốc cực đại và khả năng vượt dốc. ..............................................................48
3.3- Tính toán tính kinh tế nhiên liệu của các chế độ hoạt động xe Hybrid,so sánh
với xe trang bị động cơ đốt trong ..............................................................................49
3.3.1- Xe sử dụng thuần nhiên liệu. ...................................................................50
4
3.3.2- Hybrid chế độ chỉ dùng điện. ...................................................................51
3.3.3- Hybrid :Tất cả năng lượng chuyển qua ắc quy. .......................................52
3.3.4- Hybrid :Bỏ qua ắc quy. ............................................................................53
3.3.5- Kết luận sau khi tính toán các chế độ. .....................................................54
KẾT LUẬN.............................................................................................................................. 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 58
5
Các chữ viết tắt
MG1 Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 1
MG2 Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 2
4WD Hệ thống dẫn động bốn bánh chủ động
DC Điện một chiều
AWD Hệ thống dẫn động tất cả các bánh xe
CVT Hộp số vô cấp
HTTL Hệ thống truyền lực
HTTĐ Hệ thống truyền động
ĐCĐT Động cơ đốt trong
KTNL Kinh tế nhiên liệu
Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu Nội dung Đơn vị
FE Tính kinh tế nhiên liệu [ mpg]
DT Quãng đường, tổng quãng đường đi [dặm]
D0 Quãng đường, chỉ dùng điện [dặm]
DE Quãng đường, động cơ hoạt động [dặm]
G mức tiêu hao nhiên liệu [gallons]
FED Tính kinh tế nhiên liệu khi sử dụng plug-in Hybrid [mpg]
D Lực cản không khí [N]
ρ Khối lượng riêng của không khí [kg/m3]
V Tốc độ của xe [m/s]
CD Hệ số lực cản \
6
A diện tích cản chính diện của xe [m2]
M khối lượng của xe [kg]
G Gia tốc trọng trường [m/ ]
η Hiệu suất \
Θ độ dốc, so với phương ngang. \
P công suất [kW]
N lượng nhiên liệu ở thùng chứa [Gallon]
EG năng lượng của bình chứa đầy nhiên liệu [kWh]
∆SOC Trạng thái nạp ắc quy %
EG năng lượng của ắc quy [kWh]
Danh mục các bảng
Số hiệu Tên bảng Trang
bảng
1.1 So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp 30
Danh mục cácsuất.
công hình vẽ, đồ thị
Số hiệu Tên hình vẽ Trang
hình
1.1vẽ Mô hình tổng quát của ôtô Hybrid. 12
1.2 Động cơ Hybrid Honda 3-stage i-VTEC. 13
1.3 Động cơ Hybrid của hãng Ford. 13
1.4 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất. 14
1.5 Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động. 16
1.6 Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius. 17
1.7 Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg. 17
1.8 Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao. 18
1.9a Ắc quy phụ trên ôtô Hybrid 21
1.9b Các chế độ hoạt động của hệ thống truyền động xe Hybrid. 21
7
1.10 Phân loai xe Hybrid 24
1.11 Cấu hình truyền động xe Hybrid nối tiếp 25
1.12 Cấu hình truyền động Hybrid song song 28
1.13 Cấu hình truyền động Hybrid kết hợp 29
1.14 Các chế độ hoạt động của hệ thống truyền động Hybrid 30
Tỷ lệ sử dụng động cơ và mô tơ điện trong mỗi cấu hình
1.15 31
truyền động
Vì sao động cơ Hybrid cải thiện được tính kinh tế nhiên
2.1 33
liệu
2.2 Lợi ích của việc giảm công suất động cơ 34
Biểu diễn hiệu suất và công suất tiêu tốn cho các thiết bị
2.3 phụ trợ cải thiện để làm giảm công suất tiêu tốn bởi các 39
tiện nghi là cách làm hiệu quả để làm tăng KTNL.
Các thành phần và hiệu suất cho một chiếc xe thuần nhiên
3.1 50
liệu
Các thành phần và hiệu suất của xe Hybrid cấu hình nối
3.2 51
tiếp
C ác t h àn h ph ầ n và hi ệ u su ấ t xe Hybrid cấ u h ì nh n ố i
3.2 52
ti ế p v ớ i ắc quy đư ợ c b ỏ qu a
8
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển công nghiệp và đời sống đô thị dựa trên “nền văn minh dầu
mỏ” đang làm không khí bị ô nhiễm bởi các chất thải khí HC,SO2, NO2, CO, hơi
chì, mồ hóng, tro và các chất bụi lơ lửng khác sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên
liệu hay các chất cháy khác...
Trước những thách thức lớn để khắc phục những vần đề khó khăn
đó, ngành công nghiệp nói chung cũng như ngành công nghiệp ôtô đã tìm cách
cải tiến công nghệ, tìm các giải pháp mới. Đã có một số công nghệ hiện đại được áp
dụng cho xe hơi, trong số đó thì công nghệ Hybrid đã và đang được áp dụng rộng
rãi trong ngành chế tạo ôtô.Các thương hiệu ô tô lớn đều đã mang công nghệ
Hybrid vào các dòng xe của họ:Lexus, BMV, Mercedes, Volkswagen, Porsche,
Audi, Toyota, Honda, Ferrari …Trong khi đó, ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu
về công nghệ Hybrid trên ôtô còn hạn chế.
Với sự thành công hứa hẹn của công nghệ Hybrid như đã nêu trên.Tôi
đã mạnh dạn chọn đề tài nghiên cứu “So sánh hiệu suất truyền động và tính kinh tế
nhiên liệu của các dạng cấu hình của xe Hybrid” làm đề tài luận văn.
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động Hybrid.
Chương 2: Phân tích các yếu tố làm tăng tính kinh tế nhiên liệu của xe Hybrid.
Chương 3: So sánh, tính toán các chế độ hoạt động của xe Hybrid
Phần kết luận: Về những kết quả nghiên cứu đạt được của đề tài.
Đề tài hoàn thành, ngoài sự cố gắng của bản thân cùng với sự hướng dẫn
tận tình, hết lòng của thầy giáo hướng dẫn TS. Đàm Hoàng Phúc Tôi đã hoàn
thành được đề tài này.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài, không tránh khỏi những thiếu
sót, Tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các độc giả
quan tâm.
Hà Nội, ngày 02 tháng 01 năm 2013
9
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ
THỐNG TRUYỀN ĐỘNG XE HYBRID
1.1- Khái niệm chung về xe Hybrid.
Ô tô Hybrid là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Động cơ Hybrid là sự kết
hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một nguồn năng lượng khác. Bộ điều
khiển điện tử sẽ quyết định sử dụng nguồn năng lượng nào, tức là khi nào dùng
động cơ đốt trong, khi nào dùng nguồn năng lượng kia, khi nào dùng vận hành đồng
bộ, đảm bảo hiệu suất tổng hợp của hệ thống là cao nhất [1].
1.2- Ưu điểm xe Hybrid.
-Xe Hybrid làm giảm ô nhiễm môi trường của động cơ, thân thiện với môi trường.
-Xe Hybrid đem lại tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với xe động cơ đốt trong.
-Xe Hybrid đáng tin cậy hơn so với xe điện, vì có xăng là một nhiên liệu thay
thế.
- Xe điện bị hạn chế hành trình do dung lượng sạc ắc quy có hạn.
-Xe Hybrid ít phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống.
-Xe Hybrid có động cơ nhỏ hơn.
-Xe Hybrid tận dụng năng lượng khi phanh.
- Xe Hybrid đã được công nhận và sẽ phát triển, phổ biến trong tương lai.
1.3- Nhược điểm xe Hybrid.
-Chi phí cao: hiện nay xe Hybrid có giá cao hơn giá xe động cơ đốt trong cùng
phiên bản.
-Trọng lượng xe lớn hơn xe thường do có thêm hệ thống ắc quy.
-Trong trường hợp tai nạn, có nguy cơ tiếp xúc với dây điện áp cao.
-Xe Hybrid có công nghệ phức tạp, khó sửa chữa bảo dưỡng.
-Phụ tùng thay thế chưa phổ biến có thể khó tìm và giá thành đắt.
1.4- Các loại xe Hybrid.
10
HEVs là viết tắt của Hybrid Electric Vehicles, là loại xe Hybrid sử dụng tổ
hợp động cơ đốt trong và động cơ điện .Với loại xe HEVs, có khả năng tái sinh
năng lượng khi phanh hoặc xe xuống dốc, lúc này động cơ điện hoạt động như một
máy phát điện tận dụng năng lượng sinh ra khi phanh để nạp cho ắc quy.
PHEV là viết tắt của Plugin Hybrid Electric Vehicles, cũng tương tự như
HEVs sử dụng tổ hợp động cơ đốt trong và động cơ điện. Bên cạnh đó PHEV còn
có có khả năng nạp điện cho ắc quy từ nguồn điện bên ngoài.
HEV và PHEV sử dụng nguồn năng lượng điện là nguồn năng lượng sạch.
Năng lượng điện được cấp từ ắc quy, và có thể tái sinh được thông qua quá trình
phanh hay khi xe xuống dốc, hoặc được nạp từ lưới điện bên ngoài .Hệ truyền động
điện ít tổn hao và hiệu suất cũng cao.
HHV là viết tắt của Hybrid Hydraulic Vehicles, là loại xe Hybrid sử dụng
kết hợp giữa động cơ đốt trong với mô tơ thủy lực. Các chế độ hoạt động cũng như
vận hành của loại xe này cũng tương tự như loại sử dụng động cơ điện. Nguồn năng
lượng thủy lực cũng là một trong những nguồn năng lượng sạch. Tuy nhiên hệ
thống thủy lực lại tổn hao nhiều năng lượng trên đường truyền.
Trên các loại xe Hybrid hiện nay, nguồn năng lượng từ động cơ đốt trong cũng có
thể được cải tiến :
Hoàn thiện động cơ đốt trong : bao gồm hệ thống common rail điều khiển
điện tử, xử lý khí thải trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao
chất lượng nhiên liệu, sử dụng diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Nhiên liệu trên
ôtô ngày nay còn được thay thế bằng nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, hay dùng đồng
thời (dual fuel).
Sử dụng ắc quy nhiên liệu – ắc quy hydrogen : là hệ thống điện hóa biến đổi
trực tiếp hóa năng trong ắc quy thành điện năng. Do không xảy ra quá trình cháy
nên nhiên liệu ôtô là sạch. Tuy nhiên việc nạp hydro dưới áp suất cao vẫn rất khó
khăn[2].
1.5- Các bộ phận chính trên xe Hybrid.
11
Hình 1.1: Mô hình tổng quát của ôtô Hybrid.
1.5.1- Động cơ Hybrid.
Xe ôtô chạy động cơ Hybrid đã kết hợp (lai) giữa hai loại nói trên. Động cơ
Hybrid kết hợp hai nguồn năng lượng là động cơ đốt trong và động cơ điện. Mặc
dù Hybrid có sử dụng động cơ điện, nhưng nó cũng không cần phải nạp điện từ bên
ngoài. Là nguồn động lực chính, ở ôtô Hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ
Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng ...hoặc ắc quy nhiên liệu.
12
Hình 1.2: Động cơ Hybrid Honda 3-stage i-VTEC.
Hình 1.3:Động cơ Hybrid của hãng Ford.
1.5.2- Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle).
Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ chia công
suất có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạm
gọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh của nó có
13
thể truyền công suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xe
chủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau. Các bánh răng hành tinh này hoạt
động như một cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously Variable
Transmission).
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất.
1.5.3- Mô tơ điện và máy phát điện.
Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 1 (MG1-Mô tơ Generater 1) có nhiệm vụ
nạp điện trở lại cho ắc quy điện áp cao (HV Battery), đồng thời cấp điện năng để
dẫn động cho máy phát số 2 (MG2-Mô tơ Generater 2). máy phát số 1 (MG1) hoạt
động như một môtơ để khởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số
truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh gần giồng như một CVT[5,6].
14
Tổ hợp môtơ điện – máy phát số 2 (MG2) có nhiệm vụ dẫn động cho các
bánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2
hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm tái
sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc quy điện áp cao.
Trên Toyota dùng một môtơ đồng bộ xoay chiều 3 pha, là một môtơ không
chổi than DC hiệu suất cao với dòng AC. Các nam châm vĩnh cửu và một rôto được
làm bằng các tấm thép điện từ ghép lại thành một môtơ công suất cao. Hơn nữa, bởi
sự bố trí các nam châm vĩnh cửu theo một dạng tối ưu, mômen dẫn động được cải
thiện và công suất được tăng lên. Cả MG1 và MG2 đều có kích thước gọn, nhẹ và là
loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều hiệu quả cao[5].
1.5.4- Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter).
Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc quy điện áp cao (HV
Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay môtơ điện hoặc biến dòng xoay chiều từ
máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc quy.
Hình 1.5: Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động.
Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung
cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng một chiều để
15
nạp điện cho ắc quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp điện
cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
1.5.5- Ắc quy điện áp cao. (HV Battery - High Volt Battery).
Ắc quy chính của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắc
chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Thường gồm 120-
250 cặp cực ắc quy với điện áp chuẩn là 144V-350 Volt (1,2V/cặp cực ắc quy) được
nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ
hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng. Ford Escape Hybrid, Honda
Insight, Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử dụng những ắc quy hyđrua kim loại
kiềm (NiMH), công nghệ ắc quy giống như trong điện thoại di động và máy tính
xách tay[3,4].
Hệ thống Hybrid của Prius là sự kết hợp của 38 mô đun chứa 228 cặp cực
ắc quy điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6 V. Xe của Honda thì dùng
120 cặp cực ắc quy điện, tổng công suất 144 V; Ford 250 cặp cực ắc quy, công suất
330 V[3,4].
Hình 1.6a Hình 1.6b
Hình 1.6a: Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius.
Hình 1.6b: Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg.
1.5.6- Cáp nguồn.
Cáp nguồn hay cáp công suất trong xe Hybrid dùng để truyền dòng điện có
cường độ và điện áp cao giữa các thiết bị như ắc quy điện cao áp, bộ chuyển đổi,
16
các tổ hợp MG1, MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa. Đường dây cao áp và
các giắc nối được đánh dấu bằng mầu da cam như trong hình (1.7).
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao.
1.5.7- Ắc quy phụ.
Loại ắc quy DC12V này được bố trí cố định phía sau xe, duy trì và cung
cấp dòng điện một chiều ổn định cho các thiết bị như đèn xe, hệ thống âm thanh,
các ECU điều khiển.v.v…
Hình 1.8: Ắc quy phụ trên ôtô Hybrid.
1.5.8- Các bộ phận khác có công dụng hỗ trợ trên ôtô Hybrid.
17
Ngoài ra trong ôtô Hybrid còn kết hợp một số công nghệ hiện đại khác để
nhằm tăng khả năng vận hành, giảm khí thải gây ô nhiễm và tối đa hóa khả năng tiết
kiệm nhiên liệu.
1.5.8.1- Khí động lực học/ hệ số kéo thấp
Để có được những bề mặt nhẵn, các kỹ sư chế tạo xe Hybrid thường phải
viện đến những đặc điểm thiết kế không theo quy ước nhằm tối đa hóa khả năng khí
động lực học. Ví dụ, Honda Insight có một hệ số cản gió vô cùng thấp (0,25) do bề
mặt nhẵn và dáng vẻ thon ở phía sau[4].
Ngay cả Toyota Prius, trông có vẻ bình thường trong mắt những người
không chuyên nghiệp, cũng có hệ số cản gió chỉ 0,29 do các kỹ sư đã tìm cách để
làm nó trơn tru nhất[6]. Tất cả các nhà sản xuất đều cố gắng giảm hệ số cả gió ở bất
cứ nơi đâu có thể bởi vì một chiếc xe với hệ số cản thấp cần ít công suất (và nhiên
liệu) hơn để vận hành.
1.5.8.2- Ngắt tự động động cơ xăng
Để giảm tiêu thụ nhiên liệu, tất cả các xe Hybrid đều cố gắng hạn chế tối đa
động cơ xăng trong suốt quá trình hoạt động. Nó không chỉ tiết kiệm nhiên liệu và
giảm khí thải mà còn ngừng tiêu thụ điện năng. Tương tự như một chiếc xe ngựa hai
bánh, mô tơ điện khởi động lại động cơ xăng khi lái xe nhấn lại pê đan tăng tốc.
Đây là một hoạt động khá liền mạch, hầu như không có sự trì hoãn hay mất khả
năng vận hành cho lái xe.
1.5.8.3- Hộp số biến thiên vô cấp (CVT- Continuously Variable Transmission)
CVT là một loại hộp số tự động mới (thực tế đã xuất hiện hơn 100 năm nay
nhưng gần đây mới được ứng dụng trong ngành ô tô) không có bánh răng, ly hợp
ma sát, dầu thủy lực hoặc biến mô. Thay vì thế, nó sử dụng một thiết kế dây curoa
và puli đơn giản, giúp kết hợp chặt chẽ số truyền với phạm vi tốc độ tối ưu của động
cơ để đạt được công suất lớn hơn và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu[2].
1.5.8.4- Hệ thống kiểm soát cầm chừng xylanh (Cylinder Idling System)
Honda Civic Hybrid sử dụng hệ thống này để giảm sự phanh của động cơ
và cho phép mô tơ điện giành được nhiều năng lượng nhất trong suốt quá trình
18
phanh tái tạo năng lượng. Một động cơ xăng thông thường phanh động cơ trong quá
trình xuống dốc bằng hoạt động bơm của xylanh. Hoạt động này sẽ giành năng
lượng từ động cơ điện để nạp ắc quy. Có thể tránh sự phanh động cơ bằng cách đưa
khớp ly hợp vào xe với một hộp số sàn hoặc đặt xe ở số không với một CVT. Hệ
thống vô hiệu xylanh của Honda thực hiện điều này bằng cách mở van hút và xả
trên 3 trong 4 xylanh, cho phép pít tông di chuyển tự do trong xylanh, vì vậy có thể
giảm sự phanh động cơ và tối đa hóa năng lượng mà mô tơ điện thu được[2].
1.5.8.5- Tối ưu hóa đường khí thải
Integrated Exhaust Manifold: được đặt trực tiếp vào đầu xylanh nhằm giảm
khối lượng và tối ưu hóa dòng khí xả, vì vậy giúp tăng vận hành và khả năng tiết
kiệm nhiên liệu.
1.5.8.6- Pít tông ma sát nhỏ
Thông qua một quá trình rèn đặc biệt, sự ma sát ở thành xylanh giảm làm
tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Kết hợp với công nghệ Offset Cylinder Bores
nhằm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm ma sát của pít tông khi
chúng di chuyển bên trong xylanh[2,4].
1.5.8.7- Công nghệ biến thiên lưu lượng khí nạp
Thực hiện đưa hỗn hợp nhiên liệu vào đủ tương ứng với từng chế độ hoạt
động của động cơ để đạt được cháy hoàn toàn, nhằm tối ưu hóa quá trình cháy để
thực hiện tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm do khí xả.
1.5.8.8- Sử dụng những vật liệu tiên tiến
Việc sử dụng những vật liệu tiên tiến như magie, hợp kim nhôm và nhựa
dẻo làm giảm khối lượng của xe. Việc giảm khối lượng làm tăng khả năng tiết kiệm
nhiên liệu, giảm khí thải và giúp vận hành hiệu quả hơn.
Với tất cả những công nghệ tiên tiến, khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm
khí thải của mình, ôtô Hybrid được xem là những chiếc xe của tương lai. Chắn
chắn, với những model Hybrid mới xuất hiện và những model đang được phát triển,
công nghệ này sẽ là đóng vai trò chính trong bức tranh của ngành ô tô những năm
sắp tới[2,4].
19
1.6- Khái niệm về hệ thống truyền động Hybrid.
Về cơ bản, bất kỳ Hệ thống truyền lực nào đều phải đảm bảo:
- Truyền công suất để đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật;
- Truyền động cho hệ thống lái;
- Có hiệu suất cao;
- Phát thải ít chất gây ô nhiễm.
Nói chung, một chiếc xe có thể có nhiều hơn một hệ thống truyền lực. Ở
đây hệ thống truyền lực được định nghĩa là sự liên kết các nguồn năng lượng và
năng lượng chuyển đổi hoặc nguồn công suất, chẳng hạn như nhiên liệu diesel-hệ
thống động cơ đốt trong, hệ thống ắc quy nhiên liệu hydro-mô tơ điện, hệ thống mô
tơ điện dùng ắc quy hóa học.
Như vậy:
- Một chiếc xe có hai hoặc nhiều hệ thống truyền lực gọi là một chiếc xe Hybrid.
- Một xe Hybrid với một hệ thống truyền lực điện gọi là HEV.
- Hệ thống truyền động của một chiếc xe được định nghĩa là tập hợp của tất cả các
hệ thống truyền lực.
- Hệ thống truyền động trên xe Hybrid thông thường bao gồm không quá hai hệ
thống truyền lực bởi tính phức tạp. Với mục đích thu hồi nhiệt năng bị tiêu tán trong
hệ thống phanh ma sát trên động cơ nhiệt thông thường.
- Hệ thống truyền động trên xe Hybrid thường có một Hệ thống truyền lực cho phép
năng lượng có thể “chảy” thuận nghịch (vừa sinh công suất vừa có thể hấp thụ công
suất). Hình (1.9) cho các khái niệm của một hệ thống truyền động Hybrid và các
“dòng chảy” công suất khác nhau.
20
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------
TRỊNH HÙNG VĨ
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN :
SO SÁNH HIỆU SUẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ TÍNH KINH TẾ
NHIÊN LIỆU CỦA CÁC DẠNG CẤU HÌNH XE HYBRID.
CHUYÊN NGÀNH:
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.ĐÀM HOÀNG PHÚC
Hà Nội – Năm 2013
1
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo TS. ĐÀM HOÀNG PHÚC đề tài được thực hiện tại bộ môn Ô tô và xe
chuyên dụng, viện cơ khí động lực Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các số
liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào tại Việt nam.
Hà Nội, ngày 02 tháng 01 năm 2013
Tác giả
Trịnh Hùng Vĩ
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... 2
Các chữ viết tắt. ...........................................................................................................6
Danh mục các ký hiệu .................................................................................................6
Danh mục các bảng .....................................................................................................7
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG XE HYBRID .......... 10
1.1- Khái niệm chung về xe Hybrid. .........................................................................10
1.2- Ưu điểm xe Hybrid. ...........................................................................................10
1.3- Nhược điểm xe Hybrid. .....................................................................................10
1.4- Các loại xe Hybrid. ............................................................................................10
1.5- Các bộ phận chính trên xe Hybrid. ....................................................................11
1.5.1- Động cơ Hybrid.......................................................................................12
1.5.2- Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle). ..........................13
1.5.3- Mô tơ điện và máy phát điện. ..................................................................14
1.5.4- Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter). ...............................15
1.5.5- Ắc quy điện áp cao. (HV Battery - High Volt Battery). ..........................16
1.5.6- Cáp nguồn. ...............................................................................................16
1.5.7- Ắc quy phụ. ..............................................................................................17
1.5.8- Các bộ phận khác có công dụng hỗ trợ trên ôtô Hybrid. .........................17
1.6- Khái niệm về hệ thống truyền động Hybrid. .....................................................20
1.7- Tính linh hoạt của hệ thống truyền động xe Hybrid. .........................................21
1.8- Phân tích các cấu hình khác nhau của hệ thồng truyền động. ...........................23
1.8.1- Cấu hình truyền động Hybrid nối tiếp. ....................................................25
1.8.2- Cấu hình truyền động Hybrid song song. ................................................28
1.8.3- cấu hình truyền động Hybrid kết hợp. .....................................................29
1.9- Đánh giá ưu nhược điểm các cấu hình khác nhau của hệ thống truyền động. ..30
3
1.10- Tỷ lệ sử dụng động cơ và mô tơ điện trong mỗi cấu hình truyền động Hybrid.
...................................................................................................................................31
1.11- Đặc tính của các cấu hình truyền động Hybrid................................................32
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ LÀM TĂNG TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU
XE HYBRID............................................................................................................................ 33
2.1- Phanh tái tạo. ......................................................................................................33
2.2- Giảm công suất động cơ (động cơ thu gọn). ......................................................33
2.3- Mô tơ hỗ trợ. ......................................................................................................37
2.4- Tắt động cơ. .......................................................................................................37
2.5- Điều chỉnh công suất tiêu tốn do các thiết bị phụ trợ. .......................................38
2.6- Ngắt nhiên liệu và khóa biến mô. ......................................................................40
2.7- Khởi động. .........................................................................................................41
2.8- Tính toán tính kinh tế nhiên liệu của Plug – in Hybrid. ....................................41
CHƯƠNG 3 : SO SÁNH, TÍNH TOÁN CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA XE
HYBRID .................................................................................................................................. 44
3.1- Tính năng vận hành của xe Hybrid. ...................................................................44
3.1.1- Điều khiển bằng điện. ..............................................................................44
3.1.2- Làm ấm nhanh. .........................................................................................44
3.1.3- Khí động học. ...........................................................................................44
3.1.4- Sức cản lăn của lốp. .................................................................................44
3.1.5- Trọng lượng xe. ........................................................................................45
3.1.6- Hiệu suất động cơ.....................................................................................45
3.1.7- Hệ thống truyền lực..................................................................................46
3.1.8- Cải thiện chất bôi trơn: Ma sát và chất ăn mòn. ......................................47
3.1.9- Nhiên liệu được cải thiện. ........................................................................47
3.2- Vận tốc cực đại và khả năng vượt dốc. ..............................................................48
3.3- Tính toán tính kinh tế nhiên liệu của các chế độ hoạt động xe Hybrid,so sánh
với xe trang bị động cơ đốt trong ..............................................................................49
3.3.1- Xe sử dụng thuần nhiên liệu. ...................................................................50
4
3.3.2- Hybrid chế độ chỉ dùng điện. ...................................................................51
3.3.3- Hybrid :Tất cả năng lượng chuyển qua ắc quy. .......................................52
3.3.4- Hybrid :Bỏ qua ắc quy. ............................................................................53
3.3.5- Kết luận sau khi tính toán các chế độ. .....................................................54
KẾT LUẬN.............................................................................................................................. 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 58
5
Các chữ viết tắt
MG1 Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 1
MG2 Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 2
4WD Hệ thống dẫn động bốn bánh chủ động
DC Điện một chiều
AWD Hệ thống dẫn động tất cả các bánh xe
CVT Hộp số vô cấp
HTTL Hệ thống truyền lực
HTTĐ Hệ thống truyền động
ĐCĐT Động cơ đốt trong
KTNL Kinh tế nhiên liệu
Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu Nội dung Đơn vị
FE Tính kinh tế nhiên liệu [ mpg]
DT Quãng đường, tổng quãng đường đi [dặm]
D0 Quãng đường, chỉ dùng điện [dặm]
DE Quãng đường, động cơ hoạt động [dặm]
G mức tiêu hao nhiên liệu [gallons]
FED Tính kinh tế nhiên liệu khi sử dụng plug-in Hybrid [mpg]
D Lực cản không khí [N]
ρ Khối lượng riêng của không khí [kg/m3]
V Tốc độ của xe [m/s]
CD Hệ số lực cản \
6
A diện tích cản chính diện của xe [m2]
M khối lượng của xe [kg]
G Gia tốc trọng trường [m/ ]
η Hiệu suất \
Θ độ dốc, so với phương ngang. \
P công suất [kW]
N lượng nhiên liệu ở thùng chứa [Gallon]
EG năng lượng của bình chứa đầy nhiên liệu [kWh]
∆SOC Trạng thái nạp ắc quy %
EG năng lượng của ắc quy [kWh]
Danh mục các bảng
Số hiệu Tên bảng Trang
bảng
1.1 So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp 30
Danh mục cácsuất.
công hình vẽ, đồ thị
Số hiệu Tên hình vẽ Trang
hình
1.1vẽ Mô hình tổng quát của ôtô Hybrid. 12
1.2 Động cơ Hybrid Honda 3-stage i-VTEC. 13
1.3 Động cơ Hybrid của hãng Ford. 13
1.4 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất. 14
1.5 Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động. 16
1.6 Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius. 17
1.7 Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg. 17
1.8 Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao. 18
1.9a Ắc quy phụ trên ôtô Hybrid 21
1.9b Các chế độ hoạt động của hệ thống truyền động xe Hybrid. 21
7
1.10 Phân loai xe Hybrid 24
1.11 Cấu hình truyền động xe Hybrid nối tiếp 25
1.12 Cấu hình truyền động Hybrid song song 28
1.13 Cấu hình truyền động Hybrid kết hợp 29
1.14 Các chế độ hoạt động của hệ thống truyền động Hybrid 30
Tỷ lệ sử dụng động cơ và mô tơ điện trong mỗi cấu hình
1.15 31
truyền động
Vì sao động cơ Hybrid cải thiện được tính kinh tế nhiên
2.1 33
liệu
2.2 Lợi ích của việc giảm công suất động cơ 34
Biểu diễn hiệu suất và công suất tiêu tốn cho các thiết bị
2.3 phụ trợ cải thiện để làm giảm công suất tiêu tốn bởi các 39
tiện nghi là cách làm hiệu quả để làm tăng KTNL.
Các thành phần và hiệu suất cho một chiếc xe thuần nhiên
3.1 50
liệu
Các thành phần và hiệu suất của xe Hybrid cấu hình nối
3.2 51
tiếp
C ác t h àn h ph ầ n và hi ệ u su ấ t xe Hybrid cấ u h ì nh n ố i
3.2 52
ti ế p v ớ i ắc quy đư ợ c b ỏ qu a
8
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển công nghiệp và đời sống đô thị dựa trên “nền văn minh dầu
mỏ” đang làm không khí bị ô nhiễm bởi các chất thải khí HC,SO2, NO2, CO, hơi
chì, mồ hóng, tro và các chất bụi lơ lửng khác sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên
liệu hay các chất cháy khác...
Trước những thách thức lớn để khắc phục những vần đề khó khăn
đó, ngành công nghiệp nói chung cũng như ngành công nghiệp ôtô đã tìm cách
cải tiến công nghệ, tìm các giải pháp mới. Đã có một số công nghệ hiện đại được áp
dụng cho xe hơi, trong số đó thì công nghệ Hybrid đã và đang được áp dụng rộng
rãi trong ngành chế tạo ôtô.Các thương hiệu ô tô lớn đều đã mang công nghệ
Hybrid vào các dòng xe của họ:Lexus, BMV, Mercedes, Volkswagen, Porsche,
Audi, Toyota, Honda, Ferrari …Trong khi đó, ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu
về công nghệ Hybrid trên ôtô còn hạn chế.
Với sự thành công hứa hẹn của công nghệ Hybrid như đã nêu trên.Tôi
đã mạnh dạn chọn đề tài nghiên cứu “So sánh hiệu suất truyền động và tính kinh tế
nhiên liệu của các dạng cấu hình của xe Hybrid” làm đề tài luận văn.
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động Hybrid.
Chương 2: Phân tích các yếu tố làm tăng tính kinh tế nhiên liệu của xe Hybrid.
Chương 3: So sánh, tính toán các chế độ hoạt động của xe Hybrid
Phần kết luận: Về những kết quả nghiên cứu đạt được của đề tài.
Đề tài hoàn thành, ngoài sự cố gắng của bản thân cùng với sự hướng dẫn
tận tình, hết lòng của thầy giáo hướng dẫn TS. Đàm Hoàng Phúc Tôi đã hoàn
thành được đề tài này.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài, không tránh khỏi những thiếu
sót, Tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các độc giả
quan tâm.
Hà Nội, ngày 02 tháng 01 năm 2013
9
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ
THỐNG TRUYỀN ĐỘNG XE HYBRID
1.1- Khái niệm chung về xe Hybrid.
Ô tô Hybrid là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Động cơ Hybrid là sự kết
hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một nguồn năng lượng khác. Bộ điều
khiển điện tử sẽ quyết định sử dụng nguồn năng lượng nào, tức là khi nào dùng
động cơ đốt trong, khi nào dùng nguồn năng lượng kia, khi nào dùng vận hành đồng
bộ, đảm bảo hiệu suất tổng hợp của hệ thống là cao nhất [1].
1.2- Ưu điểm xe Hybrid.
-Xe Hybrid làm giảm ô nhiễm môi trường của động cơ, thân thiện với môi trường.
-Xe Hybrid đem lại tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với xe động cơ đốt trong.
-Xe Hybrid đáng tin cậy hơn so với xe điện, vì có xăng là một nhiên liệu thay
thế.
- Xe điện bị hạn chế hành trình do dung lượng sạc ắc quy có hạn.
-Xe Hybrid ít phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống.
-Xe Hybrid có động cơ nhỏ hơn.
-Xe Hybrid tận dụng năng lượng khi phanh.
- Xe Hybrid đã được công nhận và sẽ phát triển, phổ biến trong tương lai.
1.3- Nhược điểm xe Hybrid.
-Chi phí cao: hiện nay xe Hybrid có giá cao hơn giá xe động cơ đốt trong cùng
phiên bản.
-Trọng lượng xe lớn hơn xe thường do có thêm hệ thống ắc quy.
-Trong trường hợp tai nạn, có nguy cơ tiếp xúc với dây điện áp cao.
-Xe Hybrid có công nghệ phức tạp, khó sửa chữa bảo dưỡng.
-Phụ tùng thay thế chưa phổ biến có thể khó tìm và giá thành đắt.
1.4- Các loại xe Hybrid.
10
HEVs là viết tắt của Hybrid Electric Vehicles, là loại xe Hybrid sử dụng tổ
hợp động cơ đốt trong và động cơ điện .Với loại xe HEVs, có khả năng tái sinh
năng lượng khi phanh hoặc xe xuống dốc, lúc này động cơ điện hoạt động như một
máy phát điện tận dụng năng lượng sinh ra khi phanh để nạp cho ắc quy.
PHEV là viết tắt của Plugin Hybrid Electric Vehicles, cũng tương tự như
HEVs sử dụng tổ hợp động cơ đốt trong và động cơ điện. Bên cạnh đó PHEV còn
có có khả năng nạp điện cho ắc quy từ nguồn điện bên ngoài.
HEV và PHEV sử dụng nguồn năng lượng điện là nguồn năng lượng sạch.
Năng lượng điện được cấp từ ắc quy, và có thể tái sinh được thông qua quá trình
phanh hay khi xe xuống dốc, hoặc được nạp từ lưới điện bên ngoài .Hệ truyền động
điện ít tổn hao và hiệu suất cũng cao.
HHV là viết tắt của Hybrid Hydraulic Vehicles, là loại xe Hybrid sử dụng
kết hợp giữa động cơ đốt trong với mô tơ thủy lực. Các chế độ hoạt động cũng như
vận hành của loại xe này cũng tương tự như loại sử dụng động cơ điện. Nguồn năng
lượng thủy lực cũng là một trong những nguồn năng lượng sạch. Tuy nhiên hệ
thống thủy lực lại tổn hao nhiều năng lượng trên đường truyền.
Trên các loại xe Hybrid hiện nay, nguồn năng lượng từ động cơ đốt trong cũng có
thể được cải tiến :
Hoàn thiện động cơ đốt trong : bao gồm hệ thống common rail điều khiển
điện tử, xử lý khí thải trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao
chất lượng nhiên liệu, sử dụng diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Nhiên liệu trên
ôtô ngày nay còn được thay thế bằng nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, hay dùng đồng
thời (dual fuel).
Sử dụng ắc quy nhiên liệu – ắc quy hydrogen : là hệ thống điện hóa biến đổi
trực tiếp hóa năng trong ắc quy thành điện năng. Do không xảy ra quá trình cháy
nên nhiên liệu ôtô là sạch. Tuy nhiên việc nạp hydro dưới áp suất cao vẫn rất khó
khăn[2].
1.5- Các bộ phận chính trên xe Hybrid.
11
Hình 1.1: Mô hình tổng quát của ôtô Hybrid.
1.5.1- Động cơ Hybrid.
Xe ôtô chạy động cơ Hybrid đã kết hợp (lai) giữa hai loại nói trên. Động cơ
Hybrid kết hợp hai nguồn năng lượng là động cơ đốt trong và động cơ điện. Mặc
dù Hybrid có sử dụng động cơ điện, nhưng nó cũng không cần phải nạp điện từ bên
ngoài. Là nguồn động lực chính, ở ôtô Hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ
Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng ...hoặc ắc quy nhiên liệu.
12
Hình 1.2: Động cơ Hybrid Honda 3-stage i-VTEC.
Hình 1.3:Động cơ Hybrid của hãng Ford.
1.5.2- Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle).
Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ chia công
suất có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạm
gọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh của nó có
13
thể truyền công suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xe
chủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau. Các bánh răng hành tinh này hoạt
động như một cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously Variable
Transmission).
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất.
1.5.3- Mô tơ điện và máy phát điện.
Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 1 (MG1-Mô tơ Generater 1) có nhiệm vụ
nạp điện trở lại cho ắc quy điện áp cao (HV Battery), đồng thời cấp điện năng để
dẫn động cho máy phát số 2 (MG2-Mô tơ Generater 2). máy phát số 1 (MG1) hoạt
động như một môtơ để khởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số
truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh gần giồng như một CVT[5,6].
14
Tổ hợp môtơ điện – máy phát số 2 (MG2) có nhiệm vụ dẫn động cho các
bánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2
hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm tái
sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc quy điện áp cao.
Trên Toyota dùng một môtơ đồng bộ xoay chiều 3 pha, là một môtơ không
chổi than DC hiệu suất cao với dòng AC. Các nam châm vĩnh cửu và một rôto được
làm bằng các tấm thép điện từ ghép lại thành một môtơ công suất cao. Hơn nữa, bởi
sự bố trí các nam châm vĩnh cửu theo một dạng tối ưu, mômen dẫn động được cải
thiện và công suất được tăng lên. Cả MG1 và MG2 đều có kích thước gọn, nhẹ và là
loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều hiệu quả cao[5].
1.5.4- Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter).
Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc quy điện áp cao (HV
Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay môtơ điện hoặc biến dòng xoay chiều từ
máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc quy.
Hình 1.5: Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động.
Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung
cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng một chiều để
15
nạp điện cho ắc quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp điện
cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
1.5.5- Ắc quy điện áp cao. (HV Battery - High Volt Battery).
Ắc quy chính của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắc
chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Thường gồm 120-
250 cặp cực ắc quy với điện áp chuẩn là 144V-350 Volt (1,2V/cặp cực ắc quy) được
nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ
hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng. Ford Escape Hybrid, Honda
Insight, Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử dụng những ắc quy hyđrua kim loại
kiềm (NiMH), công nghệ ắc quy giống như trong điện thoại di động và máy tính
xách tay[3,4].
Hệ thống Hybrid của Prius là sự kết hợp của 38 mô đun chứa 228 cặp cực
ắc quy điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6 V. Xe của Honda thì dùng
120 cặp cực ắc quy điện, tổng công suất 144 V; Ford 250 cặp cực ắc quy, công suất
330 V[3,4].
Hình 1.6a Hình 1.6b
Hình 1.6a: Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius.
Hình 1.6b: Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg.
1.5.6- Cáp nguồn.
Cáp nguồn hay cáp công suất trong xe Hybrid dùng để truyền dòng điện có
cường độ và điện áp cao giữa các thiết bị như ắc quy điện cao áp, bộ chuyển đổi,
16
các tổ hợp MG1, MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa. Đường dây cao áp và
các giắc nối được đánh dấu bằng mầu da cam như trong hình (1.7).
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao.
1.5.7- Ắc quy phụ.
Loại ắc quy DC12V này được bố trí cố định phía sau xe, duy trì và cung
cấp dòng điện một chiều ổn định cho các thiết bị như đèn xe, hệ thống âm thanh,
các ECU điều khiển.v.v…
Hình 1.8: Ắc quy phụ trên ôtô Hybrid.
1.5.8- Các bộ phận khác có công dụng hỗ trợ trên ôtô Hybrid.
17
Ngoài ra trong ôtô Hybrid còn kết hợp một số công nghệ hiện đại khác để
nhằm tăng khả năng vận hành, giảm khí thải gây ô nhiễm và tối đa hóa khả năng tiết
kiệm nhiên liệu.
1.5.8.1- Khí động lực học/ hệ số kéo thấp
Để có được những bề mặt nhẵn, các kỹ sư chế tạo xe Hybrid thường phải
viện đến những đặc điểm thiết kế không theo quy ước nhằm tối đa hóa khả năng khí
động lực học. Ví dụ, Honda Insight có một hệ số cản gió vô cùng thấp (0,25) do bề
mặt nhẵn và dáng vẻ thon ở phía sau[4].
Ngay cả Toyota Prius, trông có vẻ bình thường trong mắt những người
không chuyên nghiệp, cũng có hệ số cản gió chỉ 0,29 do các kỹ sư đã tìm cách để
làm nó trơn tru nhất[6]. Tất cả các nhà sản xuất đều cố gắng giảm hệ số cả gió ở bất
cứ nơi đâu có thể bởi vì một chiếc xe với hệ số cản thấp cần ít công suất (và nhiên
liệu) hơn để vận hành.
1.5.8.2- Ngắt tự động động cơ xăng
Để giảm tiêu thụ nhiên liệu, tất cả các xe Hybrid đều cố gắng hạn chế tối đa
động cơ xăng trong suốt quá trình hoạt động. Nó không chỉ tiết kiệm nhiên liệu và
giảm khí thải mà còn ngừng tiêu thụ điện năng. Tương tự như một chiếc xe ngựa hai
bánh, mô tơ điện khởi động lại động cơ xăng khi lái xe nhấn lại pê đan tăng tốc.
Đây là một hoạt động khá liền mạch, hầu như không có sự trì hoãn hay mất khả
năng vận hành cho lái xe.
1.5.8.3- Hộp số biến thiên vô cấp (CVT- Continuously Variable Transmission)
CVT là một loại hộp số tự động mới (thực tế đã xuất hiện hơn 100 năm nay
nhưng gần đây mới được ứng dụng trong ngành ô tô) không có bánh răng, ly hợp
ma sát, dầu thủy lực hoặc biến mô. Thay vì thế, nó sử dụng một thiết kế dây curoa
và puli đơn giản, giúp kết hợp chặt chẽ số truyền với phạm vi tốc độ tối ưu của động
cơ để đạt được công suất lớn hơn và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu[2].
1.5.8.4- Hệ thống kiểm soát cầm chừng xylanh (Cylinder Idling System)
Honda Civic Hybrid sử dụng hệ thống này để giảm sự phanh của động cơ
và cho phép mô tơ điện giành được nhiều năng lượng nhất trong suốt quá trình
18
phanh tái tạo năng lượng. Một động cơ xăng thông thường phanh động cơ trong quá
trình xuống dốc bằng hoạt động bơm của xylanh. Hoạt động này sẽ giành năng
lượng từ động cơ điện để nạp ắc quy. Có thể tránh sự phanh động cơ bằng cách đưa
khớp ly hợp vào xe với một hộp số sàn hoặc đặt xe ở số không với một CVT. Hệ
thống vô hiệu xylanh của Honda thực hiện điều này bằng cách mở van hút và xả
trên 3 trong 4 xylanh, cho phép pít tông di chuyển tự do trong xylanh, vì vậy có thể
giảm sự phanh động cơ và tối đa hóa năng lượng mà mô tơ điện thu được[2].
1.5.8.5- Tối ưu hóa đường khí thải
Integrated Exhaust Manifold: được đặt trực tiếp vào đầu xylanh nhằm giảm
khối lượng và tối ưu hóa dòng khí xả, vì vậy giúp tăng vận hành và khả năng tiết
kiệm nhiên liệu.
1.5.8.6- Pít tông ma sát nhỏ
Thông qua một quá trình rèn đặc biệt, sự ma sát ở thành xylanh giảm làm
tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Kết hợp với công nghệ Offset Cylinder Bores
nhằm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm ma sát của pít tông khi
chúng di chuyển bên trong xylanh[2,4].
1.5.8.7- Công nghệ biến thiên lưu lượng khí nạp
Thực hiện đưa hỗn hợp nhiên liệu vào đủ tương ứng với từng chế độ hoạt
động của động cơ để đạt được cháy hoàn toàn, nhằm tối ưu hóa quá trình cháy để
thực hiện tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm do khí xả.
1.5.8.8- Sử dụng những vật liệu tiên tiến
Việc sử dụng những vật liệu tiên tiến như magie, hợp kim nhôm và nhựa
dẻo làm giảm khối lượng của xe. Việc giảm khối lượng làm tăng khả năng tiết kiệm
nhiên liệu, giảm khí thải và giúp vận hành hiệu quả hơn.
Với tất cả những công nghệ tiên tiến, khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm
khí thải của mình, ôtô Hybrid được xem là những chiếc xe của tương lai. Chắn
chắn, với những model Hybrid mới xuất hiện và những model đang được phát triển,
công nghệ này sẽ là đóng vai trò chính trong bức tranh của ngành ô tô những năm
sắp tới[2,4].
19
1.6- Khái niệm về hệ thống truyền động Hybrid.
Về cơ bản, bất kỳ Hệ thống truyền lực nào đều phải đảm bảo:
- Truyền công suất để đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật;
- Truyền động cho hệ thống lái;
- Có hiệu suất cao;
- Phát thải ít chất gây ô nhiễm.
Nói chung, một chiếc xe có thể có nhiều hơn một hệ thống truyền lực. Ở
đây hệ thống truyền lực được định nghĩa là sự liên kết các nguồn năng lượng và
năng lượng chuyển đổi hoặc nguồn công suất, chẳng hạn như nhiên liệu diesel-hệ
thống động cơ đốt trong, hệ thống ắc quy nhiên liệu hydro-mô tơ điện, hệ thống mô
tơ điện dùng ắc quy hóa học.
Như vậy:
- Một chiếc xe có hai hoặc nhiều hệ thống truyền lực gọi là một chiếc xe Hybrid.
- Một xe Hybrid với một hệ thống truyền lực điện gọi là HEV.
- Hệ thống truyền động của một chiếc xe được định nghĩa là tập hợp của tất cả các
hệ thống truyền lực.
- Hệ thống truyền động trên xe Hybrid thông thường bao gồm không quá hai hệ
thống truyền lực bởi tính phức tạp. Với mục đích thu hồi nhiệt năng bị tiêu tán trong
hệ thống phanh ma sát trên động cơ nhiệt thông thường.
- Hệ thống truyền động trên xe Hybrid thường có một Hệ thống truyền lực cho phép
năng lượng có thể “chảy” thuận nghịch (vừa sinh công suất vừa có thể hấp thụ công
suất). Hình (1.9) cho các khái niệm của một hệ thống truyền động Hybrid và các
“dòng chảy” công suất khác nhau.
20