Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình ôtô hybrid hai chỗ ngồi phục vụ đào tạo tại trường Đại học Nha Trang

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRID HAI CHỖ NGỒI PHỤC VỤ ĐÀO TẠO TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG DESIGN AND FABRICATION OF A TWO-PASSENGER HYBRID CAR USED FOR TEACHING AT NHA TRANG UNIVERSITY Nguyễn Văn Định1, Nguyễn Văn Nhận2, Vũ Thăng Long3 Ngày nhận bài: 20/5/2013; Ngày phản biện thông qua: 23/9/2013; Ngày duyệt đăng: 10/12/2013 TÓM TẮT Bài báo này tóm tắt kết quả thiết kế và chế tạo mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi phục vụ đào tạo tại Trường Đại học Nha Trang. Các bộ phận chính của hệ động lực bao gồm một máy phát xoay chiều 12V, một động cơ đốt trong có dung tích 110cc dẫn động bánh sau và máy phát, hai động cơ có công suất mỗi cái 350W được tích hợp bên trong bánh xe trước. Máy phát điện có vai trò sản sinh ra điện để nạp cho ắc qui khi tình trạng nạp ắc qui thấp. Hệ thống điều khiển điện tử được thiết kế cho phép ôtô phối hợp công suất các động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau. Quá trình thử nghiệm đã được tiến hành để xác định một số thông số tính năng cơ bản trên đường của ô tô thiết kế. Từ khóa: ôtô hybrid, ôtô lai ABTRACT This paper summarizes fi ndings on the design and fabrication of two-passenger hybrid cars to serve teaching at Nha Trang University. The main components of the vehicle powertrain are composed of a 12V three-phase alternator, an 110cc internal combustion engine used for driving the rear wheels and the alternator, and two 350W in-wheel brushless DC motors to provide power for the front wheels. The alternator plays the role of recharging the batteries while the state of charge is low. An electronic control system is designed to combine the power between the electric motors and ICE in different operation regimes. The experiment was conducted to obtain some basic performance parameters of the hybrid electric vehicle. Keywords: hybrid car, hybrid vehicle I. ĐẶT VẤN ĐỀ ôtô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực Ôtô hybrid (hybrid automobile) là loại ôtô có hệ ôtô hybrid. Dòng ôtô hybrid hiện đại đầu tiên có tên động lực được cấu thành từ hai hoặc nhiều nguồn Toyota Prius xuất hiện trên thị trường Nhật Bản vào động lực khác biệt nhau. Loại ôtô hybrid phổ biến năm 1997, sau đó là Honda Insight vào năm 1999. nhất hiện nay có hệ động lực gồm một động cơ Hiện nay, hầu hết các hãng chế tạo ôtô hàng đầu đốt trong và một hoặc nhiều động cơ điện [2]. Bởi đều đã cho ra đời các phiên bản ôtô hybrid của mình vậy, thuật ngữ “hybrid car”, “hybrid vehicle”, “hybrid và ôtô hybrid đã được khẳng định là một phần cốt lõi electric vehicles - HEVs” thường được hiểu là loại của thị trường ôtô trong tương lai [4]. phương tiện có hệ động lực như vậy [5]. Ở Việt Nam, mặc dù chưa chế tạo sản xuất Do nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, giá nhưng ôtô hybrid đã được quan tâm nghiên cứu nhiên liệu ngày càng tăng, áp lực ngày càng lớn từ đầu những năm 2000 thể hiện qua các đồ án của vấn đề ô nhiễm môi trường,... ôtô hybrid đã trở tốt nghiệp bậc đại học, luận văn thạc sĩ, đề tài thành một trong những hướng phát triển của ngành nghiên cứu khoa học của giáo viên và sinh viên, công nghiệp ôtô được nhiều nước quan tâm [2]. nhất là ở trường đại học. Hiện nay, công nghiệp ô Toyota và Honda được xem là những hãng chế tạo tô là ngành rất quan trọng đang được ưu tiên phát 1 Nguyễn Văn Định: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang 2 PSG.TS. Nguyễn Văn Nhận, 3 ThS. Vũ Thăng Long: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang 10 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 triển để góp phần phục vụ có hiệu quả quá trình tư liệu và thiết bị góp phần nâng cao chất lượng đào công nghiệp hoá, hiện đại hoá và xây dựng tiềm lực tạo kỹ sư các ngành kỹ thuật ôtô và công nghệ cơ an ninh, quốc phòng của đất nước [1]. Ngành kỹ điện tử. thuật ô tô và công nghệ cơ điện tử của Trường Đại học Nha Trang là một trong những ngành góp phần II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU đào tạo nguồn nhân lực cho phát triển nhanh nền Nhằm mục tiêu phục vụ đào tạo tại Trường Đại công nghiệp ô tô nội địa. Trong chiến lược phát triển học Nha Trang, mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi của Trường Đại học Nha Trang, các ngành kỹ thuật được nghiên cứu chế tạo dựa trên phương pháp cũng hướng tới các sản phẩm có tính ứng dụng cao tính toán lý thuyết, đồng thời kế thừa kinh nghiệm gắn liền với phương châm làm chủ về công nghệ của những mô hình có sẵn trên thực tế. Bên cạnh chế tạo sản xuất. đó, kết hợp với mục tiêu đào tạo của khối ngành kỹ Đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thuật ô tô và ngành công nghệ cơ điện tử. Đối tượng ôtô hybrid hai chỗ ngồi sẽ tạo điều kiện cho việc và phương pháp nghiên cứu được thực hiện theo tiếp cận sâu hơn trong lĩnh vực ôtô hybrid bổ sung trình tự như hình 1. Hình 1. Phương pháp và trình tự thực hiện III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Kết cấu tổng thể của ôtô hybrid Sau khi khảo sát, tính toán các yêu cầu kỹ thuật, tác giả đã xây dựng được phương án chế tạo mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi có kết cấu tổng thể như hình 2. Trong đó, kích thước chiều Dài x Rộng x Cao tối đa là 1800 x 1400 x 1500 (mm). Phần khung làm bằng thép mạ kẽm, đảm bảo độ cứng vững và an toàn. (1)- Khung xe; (2)- Modun động cơ điện + bánh xe; (3)- Động cơ đốt trong; (4)- Máy phát điện; (5)- Trục các đăng; (6)- Vi sai và các bán trục. Hình 2. Kết cấu tổng thể của ôtô hybrid 2 chỗ ngồi TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 11 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 Động cơ đốt trong (ICE): Dùng để khởi Ắc quy: Tích trữ điện và cung cấp cho việc điều động cho máy phát, là quá trình khởi tạo năng khiển 2 động cơ ở 2 bánh xe. lượng điện ECU: Bộ điều khiển trung tâm. Điều khiển quá Máy phát: Khi hoạt động sẽ cung cấp năng trình khởi động/ngắt ICE, mạch công suất (PCB) để lượng điện để nạp vào acquy, phục vụ cho việc cung phân phối điện năng đến động cơ bánh trái và động cấp điện cho 2 động cơ ở 2 bánh xe. cơ bánh phải. Khi ắc quy đã nạp đầy, ECU có nhiệm Ly hợp: Có nhiệm vụ kết nối/ngắt truyền động vụ ngắt ICE và máy phát. Khi điện áp ắc quy xuống giữa động cơ đốt trong và trục các đăng. thấp thì ECU có nhiệm vụ khởi động ICE và máy phát Vi sai: Phân phối lực dẫn động từ động cơ đến để nạp điện vào cho ắc quy. Đồng thời ECU còn làm 2 bánh sau. nhiệm vụ điều khiển tốc độ cho 2 động cơ điện. Trong Modun động cơ điện + bánh trái, phải: Truyền suốt quá trình tăng tốc và leo dốc, cả ICE và động cơ chuyển động ra 2 bánh xe, có thể thay đổi tốc độ điện sẽ cung cấp năng lượng đến các bánh xe nhằm đảm bảo được công suất tốt nhất. theo ý muốn của người sử dụng. Chọn động cơ điện Brushless DC có sẵn trên thị trường. 2. Mạch điều khiển Trục các đăng: Kết nối truyền động giữa ICE 2.1. Mạch công suất điều khiển điều khiển động cơ và vi sai. Brushless DC [3] Hình 3. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Brushless DC Để điều khiển được động cơ Brushless DC phải của nó bằng cách đưa các tín hiệu kích vào các chân cấp nguồn cho từng pha của động cơ để đảo pha ở 3 điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation). đầu cuộn dây động cơ theo những trạng thái đảo pha Tốc độ của động cơ phụ thuộc vào tần số đảo pha. 12 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 2.2. Mạch giám sát và điều khiển trung tâm Hình 4. Mạch điều khiển trung tâm Mạch sử dụng vi điều khiển ATmega32, dùng như hình 4. Sản phẩm được chế tạo có những tính để hiển thị các thông số như: điện áp ắc quy, vị trí năng sau: bàn đạp chân ga, tốc độ xe. Dựa vào các thông số Hệ thống truyền động: 02 động cơ điện dẫn trên, mạch sẽ điều khiển tự động khi nào sử dụng động 02 bánh trước, động cơ nhiệt (xăng) dẫn động động cơ điện, khi nào sử dụng động cơ đốt trong bánh sau thông qua bộ truyền các đăng - vi sai. Hệ hoặc khi nào cần sử dụng cả hai. truyền động hoạt động êm dịu. Hệ thống điều khiển dùng trên mô hình xe ô tô hybrid bao gồm: + Máy biến áp để kích điện áp từ 12VAC (của máy phát) thành 60VAC, thông qua mạch nạp để nạp cho acquy 48VDC. + Các cảm biến: đo tốc độ ôtô, vị trí bàn đạp chân ga. + Hệ thống kiểm tra trạng thái của động cơ nhiệt và dung lượng của acquy 48V. + Hệ thống khởi động/ngắt động cơ nhiệt. + Bộ điều khiển động cơ Brushless DC. Hình 5. Mô hình ôtô hybrid sau khi chế tạo Kết quả thực nghiệm: 2.3. Mô hình ô tô hybrid hai chỗ ngồi và kết quả Mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi với tổng khối lượng thực nghiệm 2 người ngồi tối đa là 130kg sau khi chế tạo đã được Mô hình ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế tạo chạy thử nghiệm và thu được kết quả như sau: TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 13 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 Bảng 1. Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường bằng phẳng (ắc qui đầy điện) Nguồn động lực Thời gian tăng Điều kiện hoạt Tốc độ tốc từ động Động cơ đốt Động cơ Động cơ đốt trong và động lớn nhất (km/h) 0-100m (s) trong điện cơ điện x 16 35 Đường bằng x 20 25 phẳng x 14 40 Bảng 2. Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường dốc (ắc qui đầy điện) Nguồn động lực Điều kiện hoạt Góc vượt dốc Tốc độ lớn động Động cơ đốt Động cơ Động cơ đốt trong và động (độ) nhất (km/h) trong điện cơ điện x 25 Đường dốc x 10 15 x 30 x 18 Đường dốc x 15 10 x 22 x 12 Đường dốc x 18 5 x 16 Kết quả thu được cho thấy, trong tất cả các chế Trên cơ sở xe mô hình, tác giả cũng đã xây độ hoạt động của mô hình ôtô hybrid, khi sử dụng dựng được các bài thực hành phục vụ việc đào tạo. phối hợp cả 2 nguồn động lực (nhiệt, điện) thì tốc Đây là những bài thực hành bám sát với nội dung độ ôtô cao hơn so với khi sử dụng từng nguồn động và mục tiêu đào tạo. Hơn hết, sản phẩm của nghiên lực riêng lẻ. cứu là mô hình trực quan, giúp sinh viên tiếp thu kiến thức của các học phần chuyên ngành kỹ thuật IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ô tô và cơ điện tử một cách dễ dàng hơn. 1. Kết quả đạt được và hạn chế 1.2. Hạn chế 1.1. Kết quả đạt được Mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế Sản phẩm của nghiên cứu là mô hình xe ô tô tạo lần đầu tiên tại Trường Đại học Nha Trang đã hybrid hai chỗ ngồi, có đầy đủ tính năng quay trở đạt được kết quả thiết thực, có thể ứng dụng ngay và có thể chạy với vận tốc tối đa là 40km/h trong địa vào việc đào tạo cũng như nghiên cứu khoa học. hình bằng phẳng, có khả năng di chuyển được trong Tuy nhiên, tốc độ tối đa của xe mô hình còn thấp, địa hình dốc lên đến 18%. Nguồn năng lượng của khả năng leo dốc còn hạn chế do công suất của xe hybrid là sự kết hợp của động cơ xăng và năng động cơ nhiệt và động cơ điện còn nhỏ. Khi chuyển lượng từ bình ắc quy. phối hợp giữa động cơ điện và nhiệt chưa được êm Mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế do thiếu bộ phận ly hợp. Bên cạnh đó, mô hình xe ô tô hybrid chưa thực hiện được nhiều chế độ phối tạo mang tính đột phá và mở ra một kỷ nguyên hợp điều khiển. mới cho việc nghiên cứu xe hybrid tại Trường Đại học Nha Trang. Có thể nói, kết quả của nghiên 2. Kiến nghị cứu này là nền tảng cho các nghiên cứu khác về Để phát triển mô hình này vào thực tế ứng dụng xe hybrid. cần cải tiến và bổ sung thêm các yếu tố như sau: 14 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 - Sử dụng động cơ nhiệt và động cơ điện có Để mảng nghiên cứu về xe ô tô hybrid này thực công suất lớn hơn để tăng tốc độ của ôtô. sự phát triển cần có sự đầu tự thật sự cả về tài - Thêm ly hợp để đóng/ngắt truyền động giữa chính lẫn thời gian nghiên cứu hướng tới đào tạo động cơ và trục các đăng. nguồn nhân lực có thể làm chủ về công nghệ chế - Thử nghiệm thêm các chế độ phối hợp điều tạo sản xuất xe ô tô nói chung cũng như xe ô tô khiển giữa ĐCĐT và động cơ điện. hybrid nói riêng cho xã hội. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bùi Văn Ga, Nguyễn Quân, 2009. Thiết kế bố trí hệ thống động lực trên ô tô hybrid 2 chỗ ngồi. Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng. 2. Đào Thanh Lý, Lê Quang Khải, 2011. Thiết lập mô hình bộ phân phối công suất cho ô tô hybrid. Trường Đại học Nha Trang. 3. Dương Kim Thành, Hoàng Trọng Quỳnh, Phạm Quốc Dũng, 2012. Thiết kế chế tạo mô hình ô tô điện. Trường Đại học Nha Trang. 4. Bộ Công nghiệp, 2004. Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn đến 2020. Tiếng Anh 5. Toyota Hybrid system, 2007. Toyota Technical training. Toyota Motor Corporation. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 15