Tính toán công suất tổn hao trên hệ thống truyền lực hybrid 271300
- 80 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
HOÀNG TRỌNG HIẾU
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT TỔN HAO
TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội- Năm 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
HOÀNG TRỌNG HIẾU
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT TỔN HAO
TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 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 2012
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 21 tháng 12 năm 2012
Tác giả
Hoàng Trọng Hiếu
2
MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ ......................................................................................................... 1
Lời cam đoan .......................................................................................................... 2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .................................................................. 5
Danh mục các bảng ................................................................................................ 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................. 7
Lời mở đầu ............................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID ................................................ 13
1.1.Khái niệm chung .............................................................................................. 13
1.2.Ưu điểm của xe Hybrid .................................................................................... 13
1.3.Đặc điểm hệ thống truyền động xe Hybrid ...................................................... 15
1.4.Các bộ phận chính trên xe Hybrid ................................................................... 18
1.5.Phân loại ô tô hybrid ........................................................................................ 25
1.5.1.Theo thời điểm phối hợp công suất .......................................................... 25
1.5.2.Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện ......... 26
1.6.Giới thiệu một số dạng dẫn động hybrid .......................................................... 30
1.6.1.Dẫn động hybrid nối tiếp .......................................................................... 30
1.6.2.Hệ thống hybrid song song ....................................................................... 31
1.6.3.Hệ dẫn động hybrid hỗn hợp song song – nối tiếp ................................... 32
CHƯƠNG 2 - CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG KHÁC NHAUCỦA HỆ THỐNG
TRUYỀN LỰC HYBRID ...................................................................................... 33
2.1.Các dạng kết nối công suất trong công nghệ hybrid ........................................ 33
2.1.1.Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối mô men ............................... 33
2.1.2.Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ .................................. 35
2.2.Các chế độ làm việc khác nhau của HTTL hybrid ........................................... 38
2.2.1.Hệ thống hybrid nối tiếp ........................................................................... 38
2.2.2.Hệ thống hybrid song song ....................................................................... 42
3
CHƯƠNG 3 -THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
TỔN HAO TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID .................................. 47
3.1.Tính toán công suất tổn hao HTTL hybrid ở chế độ chỉ có ĐCĐT tạo công suất
kéo .......................................................................................................................... 49
3.2.Tính toán công suất tổn hao HTTL hybrid ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa kéo
máy phát ................................................................................................................. 52
3.2.1.Tính toán các giá trị công suất tổn hao ..................................................... 54
3.2.2.Tính toán nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 58
3.3.Chế độ hoạt động hỗn hợp ............................................................................... 61
3.3.1.Tính toán công suất tổn hao ...................................................................... 62
3.3.2.Tính toán nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 64
3.4.Chế độ chỉ có động cơ điện sinh công suất kéo ............................................... 67
3.4.1.Tính toán công suất tổn hao ...................................................................... 68
3.4.2.Tính toán nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 69
3.5.Chế độ phanh tái sinh ....................................................................................... 73
3.5.1.Tổn thất RTM ........................................................................................... 74
3.5.2.Tổn thất ắc quy trong quá trình nạp .......................................................... 74
Bảng tóm tắt kết quả toàn bộ quá trình tính toán ................................................... 77
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79
4
a)Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt:
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
T [Nm] Mô men kết nối
I [A] Cường độ dòng điện
R [] Điện trở nạp hoặc phóng của ắc quy
[rad/s] Vận tốc góc
k - Tham số cấu trúc của bộ kết nối mô men
Me [Nm] Mô men động cơ
Myc [Nm] Mô men yêu cầu
ne [v/p] Số vòng quay động cơ
Pyc [kW] Công suất yêu cầu
Pđcdt/mp [kW] Công suất cụm động cơ đốt trong – máy phát
Pđc [kW] Công suất của động cơ
Pắc quy [kW] Công suất nguồn ắc quy
Pn-ắc quy [kW] Công suất nạp cho ắc quy
Pph,ts [kW] Công suất phanh tái sinh
Pph,ck [kW] Công suất phanh cơ khí
Ptải [kW] Công suất tải
Pm [kW] Công suất mô tơ kéo
Pắc quy-p [kW] Công suất phóng điện của ắc quy
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦
𝑃𝑙ý 𝑡ưở𝑛𝑔 [kW] Công suất lý tưởng của ắc quy
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦
𝑃𝑡ổ𝑛 ℎ𝑎𝑜 [kW] Công suất tổn hao của ắc quy
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦
𝑃𝑑ự 𝑡𝑟ữ [kW] Công suất dự trữ của ắc quy
𝑛𝑙
𝑃ℎỗ 𝑡𝑟ợ [kW] Công suất hỗ trợ của nhiên liệu
Vxe,min [m/s] Vận tốc của xe ứng với vận tốc nhỏ nhất của động cơ
Pm [kW] Công suất ra của mô tơ điện
Pe [kW] Công suất cơ khí đầu ra động cơ
5
𝑜
𝑃𝑛𝑙 [kW] Lượng nhiên liệu quy đổi
𝐵𝐴𝑆
𝑃𝑖𝑛 [kW] Công suất cơ khí đầu vào cho motor phía trước (BAS)
𝐵𝐴𝑆
𝑃𝑜𝑢𝑡 [kW] Công suất cơ khí đầu ra cho motor phía trước (BAS)
𝑅𝑇𝑀
𝑃𝑖𝑛 [kW] Công suất cơ khí đầu vào cho motor phía sau (RTM)
𝑅𝑇𝑀
𝑃𝑜𝑢𝑡 [kW] Công suất cơ khí đầu ra cho motor phía sau(RTM)
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦
𝑃𝑜𝑢𝑡 [kW] Công suất đầu ra của ắc quy
∆𝑃𝐺𝐵𝐴𝑆 [kW] Tổn thất của motor BAS
∆𝑃𝐺𝑅𝑇𝑀 [kW] Tổn thất của motor RTM
∆Pe [kW] Công suất tổn hao của động cơ
MBAS [Nm] Mô men trên trục motor phía trước (BAS)
t,m - Hiệu suất truyền động từ mô tơ điện tới các bánh xe
e - Hiệu suất động cơ
m - Hiệu suất truyền động của mô tơ điện
BAS - Hiệu suất làm việc của motor phía trước (BAS)
𝑛𝑙
𝑐đ - Hiệu suất hỗ trợ nhiên liệu
t,đc - Hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới các bánh xe
t,đc,m - Hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới mô tơ điện
ắ𝑐
𝑝ℎ
𝑞𝑢𝑦
- Hiệu suất làm việc của ắc quy
ắ𝑐
𝑛ạ𝑝
𝑞𝑢𝑦
- Hiệu suất nạp của ắc quy
𝑛𝑙
ℎỗ 𝑡𝑟ợ - Hiệu suất hỗ trợ nhiên liệu
HTTL - Hệ thống truyền lực
HTTĐ - Hệ thống truyền động
ĐCĐT - Động cơ đốt trong
MP - Máy phát
CVT - Hộp số biến thiên vô cấp
MG - Tổ hợp mô tơ điện- máy phát
6
BAS - Motor điện phía trước
RTM - Motor điện phía sau
b)Danh mục các bảng:
Số hiệu
Tên bảng Trang
bảng
So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp
1.1
công suất. 29
3.1 Thông số Chevrolet Equinox REVLSE 47
3.2 Thông số của ắc quy 48
3.3 Các chế độ hoạt động 49
3.4 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ chỉ có ĐCĐT kéo xe 51
3.5 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ ĐCĐT kéo cả máy phát
59
Hiệu suất chuyển đổi ở 1 vài tốc độ và momen nhất định,
3.6
với momen BAS= -10(Nm) 60
3.7 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ hoạt động hỗn hợp 66
3.8 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ chỉ có mô tơ điện kéo xe
72
3.9 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ phanh tái sinh 76
3.10 Tóm tắt kết quả toàn bộ quá trình tính toán 77
Danh mục các hình vẽ, đồ thị:
Số hiệu
Tên hình vẽ Trang
hình vẽ
1.1 Đặc tính công suất, mô men của động cơ đốt trong 13
1.2 Đặc tính công suất, mô men của động cơ điện 14
1.3 Hệ thống truyền động xe Hybrid 16
1.4 Mô hình tổng quát của ô tô Hybrid 18
7
1.5 Động cơ đốt trong, hộp số của ô tô hybrid ( Toyota Prius) 19
1.6 Động cơ Hybrid của hãng Ford. 19
1.7 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất 20
1.8 Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động 21
1.9a Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius 22
1.9b Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg 22
1.10 Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao 22
1.11 Ắc quy phụ trên ô tô hybrid 23
1.12 Hệ thống hybrid nối tiếp 26
1.13 Hệ thống hybrid song song 28
1.14 Hệ thống hybrid hỗn hợp 29
1.15 Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp 30
1.16 Hệ thống dẫn động hybrid song song 31
Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với bộ ghép nối bánh
1.17
răng hành tinh 32
2.1 Sơ đồ một thiết bị kết nối mô men 33
2.2 Một số thiết bị kết nối mô men 34
2.3 Cấu hình 2 trục 34
Cấu hình hybrid song song sử dụng kết nối mô men kiểu
2.4
mô tơ điện 35
2. 5 Sơ đồ một thiết bị kết nối tốc độ 35
2.6 Bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng hành tinh 36
2.7 Bộ kết nối tốc độ kiểu Transmotor 36
HTTĐ hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh
2.8
răng hành tinh 37
2.9 HTTĐ hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu transmotor 37
2.10 Hệ dẫn động hybrid sử dụng kết nối mô men tốc độ 38
2.11 Các chế độ làm việc của hệ thống hybrid nối tiếp 38
8
2.12 Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp 40
2.13 Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe hybrid nối tiếp 41
Minh họa về điều khiển đóng-ngắt động cơ của hệ thống
2.14
hybrid nối tiếp 42
2.15 Các chế độ làm việc của hệ thống hybrid song song 42
2.16 Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu 43
2.17 Sơ đồ điều khiển logic cho tình trạng nạp của ắc quy 46
Minh họa điều khiển đóng – ngắt ĐCĐT của hệ thống
2.18
hybrid song song 46
3.1 Chevrolet Equinox REVLSE (Challenge X) 47
3.2 Model COBASYS NiMHax 336-70 48
Hệ dẫn động hybrid song song trên Chevrolet Equinox
3.3
REVLSE 48
3.4 Sơ đồ dòng năng lượngở chế độ chỉ ĐCĐT kéo 50
3.5 Minh họa bài toán ở chế độ chỉ ĐCĐT kéo 50
3.6 Hiệu suất của động cơ theo vận tốc và mô men 52
So sánh chuyển đổi năng lượng cơ khí thành năng lượng
3.7
điện khi sử dụng RTM và BAS 53
Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa
3.8
kéo máy phát 53
Minh họa bài toán ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa kéo
3.9
máy phát 54
3.10 Hiệu suất của máy phát theo mô men và số vòng quay
60
3.11 Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ hoạt động hỗn hợp 61
3.12 Minh họa bài toán ở chế độ hoạt động hỗn hợp 62
Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ chỉ có động cơ điện sinh
3.13
công suất kéo 68
9
Minh họa bài toán ở chế độ chỉ có động cơ điện sinh
3.14
công suất kéo 68
Hiệu suất của motor RTM theo số vòng quay ở chế độ
3.15 73
chỉ có động cơ điện tạo công suất kéo
3.16 Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ phanh tái sinh 73
3.17 Minh họa bài toán ở chế độ phanh tái sinh 74
10
LỜI MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới phải đối mặt với những vấn đề lớn như
ô nhiễm môi trường, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch. Để khắc phục những
vần đề khó khăn nói trên, cùng với các ngành khoa học công nghệ khác thì ngành
công nghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu công nghệ khắp nơi
trên thế giới đã tìm cách cải tiến và thay thế các công nghệ trên xe ô tô. Mục đích
của các nghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát thải ô nhiễm và giảm sự
tiêu hao hoặc sự phụ thuộc vào nhiên liệu xăng dầu khi xe hoạt động. Đã có một vài
công nghệ hiện đại và tối ưu hơn được áp dụng cho xe ô tô, trong số đó thì công
nghệ hybrid đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô, hứa hẹn là
công nghệ cho tương lai.
Có rất nhiều mẫu xe của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khi tung
ra thị trường như: Toyota Prius, Honda Insight, Chevrolet Silverado Hybrid,…
Trong khi đó, ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu về công nghệ hybrid trên ôtô còn
hạn chế. Với những thành công và sự cần thiết của công nghệ hybrid như đã nêu
trên, do vậy tôi đãchọn đề tài “Tính toán công suất tổn hao trên hệ thống truyền lực
hybrid”cho luận văn tốt nghiệp cao học.
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về ô tô Hybrid.
Chương 2: Các chế độ hoạt động khác nhau của hệ thống truyền lực Hybrid.
Chương 3: Thiết lập mô hình tính toán công suất tổn hao trên hệ thống
truyền lực Hybrid.
Phần kết luận: Về những kết quả nghiên cứu đạt được của đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, với trình độ và thời gian hạn chế, cũng như
hạn chế nhiều về tài liệu và kiến thức thực tế, chắc chắn không thể tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong Hội đồng và
các bạn đồng nghiệp.
11
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn TS.Đàm Hoàng Phúc cùng các thầy
trong Viện cơ khí động lực đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài này.
Ngày 21 tháng 12 năm 2012
Hoàng Trọng Hiếu
12
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID
1.1.Khái niệm chung
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 của xe Hybrid
Về tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm: dựa trên đặc tính của động cơ
đốt trong, ta thấy được dải hoạt động của mô men xoắn chưa tối ưu. Ở tốc độ vòng
quay động cơ thấp, mô men nhỏ không đáp ứng được điều kiện cản, do đó xe ôtô
thông thường cần phải có hộp số. Hơn nữa, đặc tính mức tiêu thụ nhiên liệu của
động cơ cho thấy chỉ có một vùng động cơ hoạt động tối ưu với mô men lớn và mức
tiêu thụ nhiên liệu nhỏ. Xe hybrid giải quyết được vấn đề này, bộ điều khiển sẽ
quyết định trạng thái hoạt động của động cơ để điều chỉnh dải làm việc của động cơ
trong vùng tối ưu của nó.
Hình 1.1: Đặc tính công suất, mô men của động cơ đốt trong
Hình 1.1 là đặc tính ngoài của động cơ đốt trong. Đặc tính thể hiện được
đường công suất ngoài và đường mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ thu được qua
13
băng thử. Từ công suất ngoài và mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ, ta xác định
được đường kinh tế nhiên liệu tối ưu của xe (đường nét gạch trên hình 1.1). Trên
đường này ta có công suất của động cơ lớn và mức tiêu thụ nhiên liệu nhỏ, khi động
cơ hoạt động trong vùng này sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và có lượng phát thải độc
hại ít. Tuy nhiên vùng hoạt động tối ưu của động cơ đốt trong chỉ giới hạn trong
khoảng nhỏ (khi động cơ hoạt động ở số vòng quay trung bình và mô men lớn) và
xe không làm việc nhiều trong vùng này. Nhìn vào hình 1.1 ta thấy: vùng hiệu suất
cao nằm tại điểm (*), vùng hiệu suất thất nằm tại điểm (1) và (2). Vấn đề đặt ra là
phải đưa vùng hiệu suất thấp về vùng có hiệu suất cao. Xe hybrid giải quyết được
vấn đề này, với sự hỗ trợ của động cơ điện, động cơ đốt trong tránh được vùng làm
việc có hiệu quả thấp. Do vậy, với sự hỗ trợ hoạt động của động cơ điện, ta có thể
thu hẹp dải làm việc của động cơ đốt trong trong vùng hoạt động tối ưu xác định để
tăng tính kinh tế nhiên liệu của xe.
Hình 1.2: Đặc tính công suất, mô men của động cơ điện
Về mặt đặc tính động lực học của xe: ở chế độ khởi hành, xe chỉ dùng động
cơ điện. Đặc tính mô men cơ của động cơ điện như hình 1.2 cho ta thấy tại số vòng
quay nhỏ mô men của động cơ cao, do đó sử dụng động cơ điện để khởi hành rất
thích hợp. Còn khi số vòng quay vượt quá số vòng quay định mức thì khi tiếp tục
tăng, đường mô men là đường hypebol bậc 2 (số vòng quay tăng thì mô men giảm)
14
đường này cũng phù hợp với đặc tính tải tại bánh xe. Do vậy nếu kết hợp được động
cơ đốt trong và động cơ điện trên xe hybrid sẽ tăng được hiệu suất làm việc của xe,
tăng đặc tính động lực học của xe [2].
1.3.Đặc điểm hệ thống truyền động xe 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;
- 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
HTTL 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 HTTL gọi là một chiếc xe
Hybrid. Một xe Hybrid với một HTTL điện gọi là HEV. HTTĐ của một chiếc xe
được định nghĩa là tập hợp của tất cả các HTTL.
Hệ thống truyền động trên xe Hybrid 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 HTTL cho phép năng lượng có thể “chảy” thuận nghịch
hoặc vừa thuận nghịch vừa có thể chỉ một chiều. Hình 1.3 cho các khái niệm của
một hệ thống truyền động Hybrid và các “dòng chảy” công suất khác nhau.
15
Hình 1.3: Hệ thống truyền động xe Hybrid
Trên đây là sơ đồ dòng năng lượng của loại xe HEVs. Động cơ điện được sử
dụng để khởi động xe, trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành động cơ đốt
trong, khi cần tăng tốc cực đại hay vượt dốc thì hai động cơ vận hành đồng bộ.
Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe tăng tốc cực
đại hoặc leo dốc. Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như
một máy phát để nạp điện cho ắc quy. Không giống như các phương tiện sử dụng
động cơ điện khác, động cơ HEVs không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt
trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy khi cần thiết. Dòng năng lượng đi ra từ
động cơ đốt trong là dòng năng lượng đơn hướng, còn ắc quy có khả năng tích hoặc
phóng năng lượng nên có dòng năng lượng hai chiều. Phối hợp sự chuyển hóa năng
lượng trong sơ đồ sẽ tạo ra các chế độ làm việc khác nhau trên xe.
Các chế độ làm việc của hệ thống truyền động xe Hybrid :
1. HTTL 1 chịu tải một mình: Động cơ đốt trong một mình truyền năng lượng
để đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng trong vùng tối ưu của động cơ đốt trong.
Khi xe đạt đến một tốc độ đã được xác định từ đặc tính động cơ, động cơ sẽ được
khởi động và khi động cơ đạt được số vòng quay ở vùng tối ưu thì động cơ điện sẽ
tắt và xe được chạy hoàn toàn bằng động cơ đốt trong.
16
2. HTTL 2 chịu tải một mình: Động cơ điện một mình truyền năng lượng để
đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng khi xe chạy ở chế độ khởi hành, vận hành xe
ở tốc độ thấp, hay địa hình hạn chế phát thải ô nhiễm. Do đặc tính của động cơ điện
có mô men lớn ở số vòng quay thấp nên tận dụng được mômen. Khi ở số vòng quay
thấp động cơ đốt trong có mức tiêu thụ nhiên liệu lớn do đó sử dụng động cơ điện
sẽ tiết kiệm nhiên liệu, và không phát sinh phát thải độc hại.
3. HTTL 1 và 2 cùng chịu tải đồng thời: Cả hai động cơ đốt trong và điện
truyền năng lượng để đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng trong quá trình tăng
tốc hay leo dốc. Khi xe tăng tốc đến tốc độ mà động cơ đốt trong vượt ra khỏi dải
tối ưu thì động cơ điện lại được khởi động bổ sung năng lượng giúp đẩy xe. Công
suất hai động cơ được kết nối đẩy xe tăng tốc cực đại hay cần mô men để vượt dốc.
4. HTTL 2 thu được năng lượng từ tải: Ắc quy thu năng lượng từ tải (phanh tái
sinh). Trong quá trình phanh năng lượng được thu hồi và lưu tại ắc quy để tái sử
dụng sau thông qua một động cơ điện. Năng lượng sinh ra khi phanh trên xe thông
thường chuyển hóa thành nhiệt năng, còn trên xe hybrid hệ thống phanh được cải
tiến để thu hồi năng lượng chuyển thành điện năng nạp điện cho ắc quy.
5. HTTL 2 thu được năng lượngtừ HTTL1: Ắc quy thu năng lượng từ động cơ
đốt trong. Chế độ mà động cơ đốt trong nạp năng lượng cho ắc quy khi xe dừng lại
lúc đó không có năng lượng đi tới tải hoặc khi ắc quy cần nạp điện. Khi xe dừng lại
động cơ đốt trong có thể được tắt, nhưng nếu ắc quy cần nạp điện thì năng lượng từ
động cơ không truyền tới bánh xe mà truyền qua động cơ điện để nạp cho ắc quy.
6. HTTL 2 thu được năng lượng cả từ HTTL1 và từ tải đồng thời: Ắc quy thu
năng lượng từ động cơ đốt trong và từ tải đồng thời. Khi xe xuống dốc, năng lượng
từ động cơ tới động cơ điện do không có cản, lúc này lực cản quán tính sẽ âm. Năng
lượng do lực này sinh ra sẽ cấp điện nạp cho ắc quy.
7. HTTL 1 cung cấp công suất để tải và HTTL 2 đồng thời: Động cơ đốt trong
truyền năng lượng tới tải và ắc quy đồng thời. Khi ắc quy cần nạp điện (sắp hết
điện), dòng năng lượng từ động cơ chia thành hai dòng tới động cơ điện để nạp cho
ắc quy và tới bánh xe chủ động.
17
8. HTTL 1 cung cấp công suất đến HTTL 2, HTTL2 cung cấp công suất để tải:
Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới ắc quy và động cơ điện nhận năng lượng
từ ắc quy truyền tới tải.
9. HTTL 1 cung cấp công suất của nó để tải, tải cung cấp năng lượng cho
HTTL 2: Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới tải và tải truyền năng lượng tới
ắc quy thông qua động cơ điện.
1.4.Các bộ phận chính trên xe Hybrid
Hình 1.4: Mô hình tổng quát của ôtô hybrid
1.4.1.Động cơ đốt trong
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.
18
Hình 1.5: Động cơ đốt trong, hộp số của ôtô hybrid (Toyota Prius)[3]
Hình 1.6:Động cơ Hybrid của hãng Ford.[5]
1.4.2.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
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).
19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
HOÀNG TRỌNG HIẾU
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT TỔN HAO
TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội- Năm 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
HOÀNG TRỌNG HIẾU
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT TỔN HAO
TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 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 2012
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 21 tháng 12 năm 2012
Tác giả
Hoàng Trọng Hiếu
2
MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ ......................................................................................................... 1
Lời cam đoan .......................................................................................................... 2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .................................................................. 5
Danh mục các bảng ................................................................................................ 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................. 7
Lời mở đầu ............................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID ................................................ 13
1.1.Khái niệm chung .............................................................................................. 13
1.2.Ưu điểm của xe Hybrid .................................................................................... 13
1.3.Đặc điểm hệ thống truyền động xe Hybrid ...................................................... 15
1.4.Các bộ phận chính trên xe Hybrid ................................................................... 18
1.5.Phân loại ô tô hybrid ........................................................................................ 25
1.5.1.Theo thời điểm phối hợp công suất .......................................................... 25
1.5.2.Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện ......... 26
1.6.Giới thiệu một số dạng dẫn động hybrid .......................................................... 30
1.6.1.Dẫn động hybrid nối tiếp .......................................................................... 30
1.6.2.Hệ thống hybrid song song ....................................................................... 31
1.6.3.Hệ dẫn động hybrid hỗn hợp song song – nối tiếp ................................... 32
CHƯƠNG 2 - CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG KHÁC NHAUCỦA HỆ THỐNG
TRUYỀN LỰC HYBRID ...................................................................................... 33
2.1.Các dạng kết nối công suất trong công nghệ hybrid ........................................ 33
2.1.1.Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối mô men ............................... 33
2.1.2.Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ .................................. 35
2.2.Các chế độ làm việc khác nhau của HTTL hybrid ........................................... 38
2.2.1.Hệ thống hybrid nối tiếp ........................................................................... 38
2.2.2.Hệ thống hybrid song song ....................................................................... 42
3
CHƯƠNG 3 -THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
TỔN HAO TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID .................................. 47
3.1.Tính toán công suất tổn hao HTTL hybrid ở chế độ chỉ có ĐCĐT tạo công suất
kéo .......................................................................................................................... 49
3.2.Tính toán công suất tổn hao HTTL hybrid ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa kéo
máy phát ................................................................................................................. 52
3.2.1.Tính toán các giá trị công suất tổn hao ..................................................... 54
3.2.2.Tính toán nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 58
3.3.Chế độ hoạt động hỗn hợp ............................................................................... 61
3.3.1.Tính toán công suất tổn hao ...................................................................... 62
3.3.2.Tính toán nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 64
3.4.Chế độ chỉ có động cơ điện sinh công suất kéo ............................................... 67
3.4.1.Tính toán công suất tổn hao ...................................................................... 68
3.4.2.Tính toán nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 69
3.5.Chế độ phanh tái sinh ....................................................................................... 73
3.5.1.Tổn thất RTM ........................................................................................... 74
3.5.2.Tổn thất ắc quy trong quá trình nạp .......................................................... 74
Bảng tóm tắt kết quả toàn bộ quá trình tính toán ................................................... 77
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79
4
a)Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt:
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
T [Nm] Mô men kết nối
I [A] Cường độ dòng điện
R [] Điện trở nạp hoặc phóng của ắc quy
[rad/s] Vận tốc góc
k - Tham số cấu trúc của bộ kết nối mô men
Me [Nm] Mô men động cơ
Myc [Nm] Mô men yêu cầu
ne [v/p] Số vòng quay động cơ
Pyc [kW] Công suất yêu cầu
Pđcdt/mp [kW] Công suất cụm động cơ đốt trong – máy phát
Pđc [kW] Công suất của động cơ
Pắc quy [kW] Công suất nguồn ắc quy
Pn-ắc quy [kW] Công suất nạp cho ắc quy
Pph,ts [kW] Công suất phanh tái sinh
Pph,ck [kW] Công suất phanh cơ khí
Ptải [kW] Công suất tải
Pm [kW] Công suất mô tơ kéo
Pắc quy-p [kW] Công suất phóng điện của ắc quy
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦
𝑃𝑙ý 𝑡ưở𝑛𝑔 [kW] Công suất lý tưởng của ắc quy
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦
𝑃𝑡ổ𝑛 ℎ𝑎𝑜 [kW] Công suất tổn hao của ắc quy
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦
𝑃𝑑ự 𝑡𝑟ữ [kW] Công suất dự trữ của ắc quy
𝑛𝑙
𝑃ℎỗ 𝑡𝑟ợ [kW] Công suất hỗ trợ của nhiên liệu
Vxe,min [m/s] Vận tốc của xe ứng với vận tốc nhỏ nhất của động cơ
Pm [kW] Công suất ra của mô tơ điện
Pe [kW] Công suất cơ khí đầu ra động cơ
5
𝑜
𝑃𝑛𝑙 [kW] Lượng nhiên liệu quy đổi
𝐵𝐴𝑆
𝑃𝑖𝑛 [kW] Công suất cơ khí đầu vào cho motor phía trước (BAS)
𝐵𝐴𝑆
𝑃𝑜𝑢𝑡 [kW] Công suất cơ khí đầu ra cho motor phía trước (BAS)
𝑅𝑇𝑀
𝑃𝑖𝑛 [kW] Công suất cơ khí đầu vào cho motor phía sau (RTM)
𝑅𝑇𝑀
𝑃𝑜𝑢𝑡 [kW] Công suất cơ khí đầu ra cho motor phía sau(RTM)
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦
𝑃𝑜𝑢𝑡 [kW] Công suất đầu ra của ắc quy
∆𝑃𝐺𝐵𝐴𝑆 [kW] Tổn thất của motor BAS
∆𝑃𝐺𝑅𝑇𝑀 [kW] Tổn thất của motor RTM
∆Pe [kW] Công suất tổn hao của động cơ
MBAS [Nm] Mô men trên trục motor phía trước (BAS)
t,m - Hiệu suất truyền động từ mô tơ điện tới các bánh xe
e - Hiệu suất động cơ
m - Hiệu suất truyền động của mô tơ điện
BAS - Hiệu suất làm việc của motor phía trước (BAS)
𝑛𝑙
𝑐đ - Hiệu suất hỗ trợ nhiên liệu
t,đc - Hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới các bánh xe
t,đc,m - Hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới mô tơ điện
ắ𝑐
𝑝ℎ
𝑞𝑢𝑦
- Hiệu suất làm việc của ắc quy
ắ𝑐
𝑛ạ𝑝
𝑞𝑢𝑦
- Hiệu suất nạp của ắc quy
𝑛𝑙
ℎỗ 𝑡𝑟ợ - Hiệu suất hỗ trợ nhiên liệu
HTTL - Hệ thống truyền lực
HTTĐ - Hệ thống truyền động
ĐCĐT - Động cơ đốt trong
MP - Máy phát
CVT - Hộp số biến thiên vô cấp
MG - Tổ hợp mô tơ điện- máy phát
6
BAS - Motor điện phía trước
RTM - Motor điện phía sau
b)Danh mục các bảng:
Số hiệu
Tên bảng Trang
bảng
So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp
1.1
công suất. 29
3.1 Thông số Chevrolet Equinox REVLSE 47
3.2 Thông số của ắc quy 48
3.3 Các chế độ hoạt động 49
3.4 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ chỉ có ĐCĐT kéo xe 51
3.5 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ ĐCĐT kéo cả máy phát
59
Hiệu suất chuyển đổi ở 1 vài tốc độ và momen nhất định,
3.6
với momen BAS= -10(Nm) 60
3.7 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ hoạt động hỗn hợp 66
3.8 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ chỉ có mô tơ điện kéo xe
72
3.9 Tóm tắt kết quả tính toán chế độ phanh tái sinh 76
3.10 Tóm tắt kết quả toàn bộ quá trình tính toán 77
Danh mục các hình vẽ, đồ thị:
Số hiệu
Tên hình vẽ Trang
hình vẽ
1.1 Đặc tính công suất, mô men của động cơ đốt trong 13
1.2 Đặc tính công suất, mô men của động cơ điện 14
1.3 Hệ thống truyền động xe Hybrid 16
1.4 Mô hình tổng quát của ô tô Hybrid 18
7
1.5 Động cơ đốt trong, hộp số của ô tô hybrid ( Toyota Prius) 19
1.6 Động cơ Hybrid của hãng Ford. 19
1.7 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất 20
1.8 Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động 21
1.9a Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius 22
1.9b Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg 22
1.10 Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao 22
1.11 Ắc quy phụ trên ô tô hybrid 23
1.12 Hệ thống hybrid nối tiếp 26
1.13 Hệ thống hybrid song song 28
1.14 Hệ thống hybrid hỗn hợp 29
1.15 Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp 30
1.16 Hệ thống dẫn động hybrid song song 31
Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với bộ ghép nối bánh
1.17
răng hành tinh 32
2.1 Sơ đồ một thiết bị kết nối mô men 33
2.2 Một số thiết bị kết nối mô men 34
2.3 Cấu hình 2 trục 34
Cấu hình hybrid song song sử dụng kết nối mô men kiểu
2.4
mô tơ điện 35
2. 5 Sơ đồ một thiết bị kết nối tốc độ 35
2.6 Bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng hành tinh 36
2.7 Bộ kết nối tốc độ kiểu Transmotor 36
HTTĐ hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh
2.8
răng hành tinh 37
2.9 HTTĐ hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu transmotor 37
2.10 Hệ dẫn động hybrid sử dụng kết nối mô men tốc độ 38
2.11 Các chế độ làm việc của hệ thống hybrid nối tiếp 38
8
2.12 Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp 40
2.13 Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe hybrid nối tiếp 41
Minh họa về điều khiển đóng-ngắt động cơ của hệ thống
2.14
hybrid nối tiếp 42
2.15 Các chế độ làm việc của hệ thống hybrid song song 42
2.16 Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu 43
2.17 Sơ đồ điều khiển logic cho tình trạng nạp của ắc quy 46
Minh họa điều khiển đóng – ngắt ĐCĐT của hệ thống
2.18
hybrid song song 46
3.1 Chevrolet Equinox REVLSE (Challenge X) 47
3.2 Model COBASYS NiMHax 336-70 48
Hệ dẫn động hybrid song song trên Chevrolet Equinox
3.3
REVLSE 48
3.4 Sơ đồ dòng năng lượngở chế độ chỉ ĐCĐT kéo 50
3.5 Minh họa bài toán ở chế độ chỉ ĐCĐT kéo 50
3.6 Hiệu suất của động cơ theo vận tốc và mô men 52
So sánh chuyển đổi năng lượng cơ khí thành năng lượng
3.7
điện khi sử dụng RTM và BAS 53
Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa
3.8
kéo máy phát 53
Minh họa bài toán ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa kéo
3.9
máy phát 54
3.10 Hiệu suất của máy phát theo mô men và số vòng quay
60
3.11 Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ hoạt động hỗn hợp 61
3.12 Minh họa bài toán ở chế độ hoạt động hỗn hợp 62
Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ chỉ có động cơ điện sinh
3.13
công suất kéo 68
9
Minh họa bài toán ở chế độ chỉ có động cơ điện sinh
3.14
công suất kéo 68
Hiệu suất của motor RTM theo số vòng quay ở chế độ
3.15 73
chỉ có động cơ điện tạo công suất kéo
3.16 Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ phanh tái sinh 73
3.17 Minh họa bài toán ở chế độ phanh tái sinh 74
10
LỜI MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới phải đối mặt với những vấn đề lớn như
ô nhiễm môi trường, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch. Để khắc phục những
vần đề khó khăn nói trên, cùng với các ngành khoa học công nghệ khác thì ngành
công nghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu công nghệ khắp nơi
trên thế giới đã tìm cách cải tiến và thay thế các công nghệ trên xe ô tô. Mục đích
của các nghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát thải ô nhiễm và giảm sự
tiêu hao hoặc sự phụ thuộc vào nhiên liệu xăng dầu khi xe hoạt động. Đã có một vài
công nghệ hiện đại và tối ưu hơn được áp dụng cho xe ô tô, trong số đó thì công
nghệ hybrid đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô, hứa hẹn là
công nghệ cho tương lai.
Có rất nhiều mẫu xe của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khi tung
ra thị trường như: Toyota Prius, Honda Insight, Chevrolet Silverado Hybrid,…
Trong khi đó, ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu về công nghệ hybrid trên ôtô còn
hạn chế. Với những thành công và sự cần thiết của công nghệ hybrid như đã nêu
trên, do vậy tôi đãchọn đề tài “Tính toán công suất tổn hao trên hệ thống truyền lực
hybrid”cho luận văn tốt nghiệp cao học.
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về ô tô Hybrid.
Chương 2: Các chế độ hoạt động khác nhau của hệ thống truyền lực Hybrid.
Chương 3: Thiết lập mô hình tính toán công suất tổn hao trên hệ thống
truyền lực Hybrid.
Phần kết luận: Về những kết quả nghiên cứu đạt được của đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, với trình độ và thời gian hạn chế, cũng như
hạn chế nhiều về tài liệu và kiến thức thực tế, chắc chắn không thể tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong Hội đồng và
các bạn đồng nghiệp.
11
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn TS.Đàm Hoàng Phúc cùng các thầy
trong Viện cơ khí động lực đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài này.
Ngày 21 tháng 12 năm 2012
Hoàng Trọng Hiếu
12
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID
1.1.Khái niệm chung
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 của xe Hybrid
Về tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm: dựa trên đặc tính của động cơ
đốt trong, ta thấy được dải hoạt động của mô men xoắn chưa tối ưu. Ở tốc độ vòng
quay động cơ thấp, mô men nhỏ không đáp ứng được điều kiện cản, do đó xe ôtô
thông thường cần phải có hộp số. Hơn nữa, đặc tính mức tiêu thụ nhiên liệu của
động cơ cho thấy chỉ có một vùng động cơ hoạt động tối ưu với mô men lớn và mức
tiêu thụ nhiên liệu nhỏ. Xe hybrid giải quyết được vấn đề này, bộ điều khiển sẽ
quyết định trạng thái hoạt động của động cơ để điều chỉnh dải làm việc của động cơ
trong vùng tối ưu của nó.
Hình 1.1: Đặc tính công suất, mô men của động cơ đốt trong
Hình 1.1 là đặc tính ngoài của động cơ đốt trong. Đặc tính thể hiện được
đường công suất ngoài và đường mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ thu được qua
13
băng thử. Từ công suất ngoài và mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ, ta xác định
được đường kinh tế nhiên liệu tối ưu của xe (đường nét gạch trên hình 1.1). Trên
đường này ta có công suất của động cơ lớn và mức tiêu thụ nhiên liệu nhỏ, khi động
cơ hoạt động trong vùng này sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và có lượng phát thải độc
hại ít. Tuy nhiên vùng hoạt động tối ưu của động cơ đốt trong chỉ giới hạn trong
khoảng nhỏ (khi động cơ hoạt động ở số vòng quay trung bình và mô men lớn) và
xe không làm việc nhiều trong vùng này. Nhìn vào hình 1.1 ta thấy: vùng hiệu suất
cao nằm tại điểm (*), vùng hiệu suất thất nằm tại điểm (1) và (2). Vấn đề đặt ra là
phải đưa vùng hiệu suất thấp về vùng có hiệu suất cao. Xe hybrid giải quyết được
vấn đề này, với sự hỗ trợ của động cơ điện, động cơ đốt trong tránh được vùng làm
việc có hiệu quả thấp. Do vậy, với sự hỗ trợ hoạt động của động cơ điện, ta có thể
thu hẹp dải làm việc của động cơ đốt trong trong vùng hoạt động tối ưu xác định để
tăng tính kinh tế nhiên liệu của xe.
Hình 1.2: Đặc tính công suất, mô men của động cơ điện
Về mặt đặc tính động lực học của xe: ở chế độ khởi hành, xe chỉ dùng động
cơ điện. Đặc tính mô men cơ của động cơ điện như hình 1.2 cho ta thấy tại số vòng
quay nhỏ mô men của động cơ cao, do đó sử dụng động cơ điện để khởi hành rất
thích hợp. Còn khi số vòng quay vượt quá số vòng quay định mức thì khi tiếp tục
tăng, đường mô men là đường hypebol bậc 2 (số vòng quay tăng thì mô men giảm)
14
đường này cũng phù hợp với đặc tính tải tại bánh xe. Do vậy nếu kết hợp được động
cơ đốt trong và động cơ điện trên xe hybrid sẽ tăng được hiệu suất làm việc của xe,
tăng đặc tính động lực học của xe [2].
1.3.Đặc điểm hệ thống truyền động xe 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;
- 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
HTTL 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 HTTL gọi là một chiếc xe
Hybrid. Một xe Hybrid với một HTTL điện gọi là HEV. HTTĐ của một chiếc xe
được định nghĩa là tập hợp của tất cả các HTTL.
Hệ thống truyền động trên xe Hybrid 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 HTTL cho phép năng lượng có thể “chảy” thuận nghịch
hoặc vừa thuận nghịch vừa có thể chỉ một chiều. Hình 1.3 cho các khái niệm của
một hệ thống truyền động Hybrid và các “dòng chảy” công suất khác nhau.
15
Hình 1.3: Hệ thống truyền động xe Hybrid
Trên đây là sơ đồ dòng năng lượng của loại xe HEVs. Động cơ điện được sử
dụng để khởi động xe, trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành động cơ đốt
trong, khi cần tăng tốc cực đại hay vượt dốc thì hai động cơ vận hành đồng bộ.
Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe tăng tốc cực
đại hoặc leo dốc. Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như
một máy phát để nạp điện cho ắc quy. Không giống như các phương tiện sử dụng
động cơ điện khác, động cơ HEVs không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt
trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy khi cần thiết. Dòng năng lượng đi ra từ
động cơ đốt trong là dòng năng lượng đơn hướng, còn ắc quy có khả năng tích hoặc
phóng năng lượng nên có dòng năng lượng hai chiều. Phối hợp sự chuyển hóa năng
lượng trong sơ đồ sẽ tạo ra các chế độ làm việc khác nhau trên xe.
Các chế độ làm việc của hệ thống truyền động xe Hybrid :
1. HTTL 1 chịu tải một mình: Động cơ đốt trong một mình truyền năng lượng
để đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng trong vùng tối ưu của động cơ đốt trong.
Khi xe đạt đến một tốc độ đã được xác định từ đặc tính động cơ, động cơ sẽ được
khởi động và khi động cơ đạt được số vòng quay ở vùng tối ưu thì động cơ điện sẽ
tắt và xe được chạy hoàn toàn bằng động cơ đốt trong.
16
2. HTTL 2 chịu tải một mình: Động cơ điện một mình truyền năng lượng để
đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng khi xe chạy ở chế độ khởi hành, vận hành xe
ở tốc độ thấp, hay địa hình hạn chế phát thải ô nhiễm. Do đặc tính của động cơ điện
có mô men lớn ở số vòng quay thấp nên tận dụng được mômen. Khi ở số vòng quay
thấp động cơ đốt trong có mức tiêu thụ nhiên liệu lớn do đó sử dụng động cơ điện
sẽ tiết kiệm nhiên liệu, và không phát sinh phát thải độc hại.
3. HTTL 1 và 2 cùng chịu tải đồng thời: Cả hai động cơ đốt trong và điện
truyền năng lượng để đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng trong quá trình tăng
tốc hay leo dốc. Khi xe tăng tốc đến tốc độ mà động cơ đốt trong vượt ra khỏi dải
tối ưu thì động cơ điện lại được khởi động bổ sung năng lượng giúp đẩy xe. Công
suất hai động cơ được kết nối đẩy xe tăng tốc cực đại hay cần mô men để vượt dốc.
4. HTTL 2 thu được năng lượng từ tải: Ắc quy thu năng lượng từ tải (phanh tái
sinh). Trong quá trình phanh năng lượng được thu hồi và lưu tại ắc quy để tái sử
dụng sau thông qua một động cơ điện. Năng lượng sinh ra khi phanh trên xe thông
thường chuyển hóa thành nhiệt năng, còn trên xe hybrid hệ thống phanh được cải
tiến để thu hồi năng lượng chuyển thành điện năng nạp điện cho ắc quy.
5. HTTL 2 thu được năng lượngtừ HTTL1: Ắc quy thu năng lượng từ động cơ
đốt trong. Chế độ mà động cơ đốt trong nạp năng lượng cho ắc quy khi xe dừng lại
lúc đó không có năng lượng đi tới tải hoặc khi ắc quy cần nạp điện. Khi xe dừng lại
động cơ đốt trong có thể được tắt, nhưng nếu ắc quy cần nạp điện thì năng lượng từ
động cơ không truyền tới bánh xe mà truyền qua động cơ điện để nạp cho ắc quy.
6. HTTL 2 thu được năng lượng cả từ HTTL1 và từ tải đồng thời: Ắc quy thu
năng lượng từ động cơ đốt trong và từ tải đồng thời. Khi xe xuống dốc, năng lượng
từ động cơ tới động cơ điện do không có cản, lúc này lực cản quán tính sẽ âm. Năng
lượng do lực này sinh ra sẽ cấp điện nạp cho ắc quy.
7. HTTL 1 cung cấp công suất để tải và HTTL 2 đồng thời: Động cơ đốt trong
truyền năng lượng tới tải và ắc quy đồng thời. Khi ắc quy cần nạp điện (sắp hết
điện), dòng năng lượng từ động cơ chia thành hai dòng tới động cơ điện để nạp cho
ắc quy và tới bánh xe chủ động.
17
8. HTTL 1 cung cấp công suất đến HTTL 2, HTTL2 cung cấp công suất để tải:
Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới ắc quy và động cơ điện nhận năng lượng
từ ắc quy truyền tới tải.
9. HTTL 1 cung cấp công suất của nó để tải, tải cung cấp năng lượng cho
HTTL 2: Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới tải và tải truyền năng lượng tới
ắc quy thông qua động cơ điện.
1.4.Các bộ phận chính trên xe Hybrid
Hình 1.4: Mô hình tổng quát của ôtô hybrid
1.4.1.Động cơ đốt trong
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.
18
Hình 1.5: Động cơ đốt trong, hộp số của ôtô hybrid (Toyota Prius)[3]
Hình 1.6:Động cơ Hybrid của hãng Ford.[5]
1.4.2.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
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).
19