Những đặc tính chung của ô tô Hybrid

Chương 1. TỔNG QUAN ÔTÔ HYBRID 1.1. Khái niệm chung Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thông thường (xăng, Diesel…) với động cơ điện lấy năng lượng điện từ một ắc-quy cao áp. Điểm đặc biệt là ắc-quy được nạp điện với cơ chế nạp “thông minh” như khi xe phanh, xuống dốc…, gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng. Nhờ vậy mà ôtô có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết. 1.2. Xu hướng phát triển của ôtô hybrid Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể. Các xe chạy bằng Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và mọi người nói chung. Ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như: hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid)... Phạm vi bài viết này chỉ bàn về ôtô hybrid. Ôtô hybrid Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường. Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái. Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới. Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ô tô này. Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô pin mặt trời... cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, không dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta. Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ôtô sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu. Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid nhiệt điện hoạt động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường dài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng... Chứ không thể sử dụng ô tô hybrid nhiệt điện thay hẳn các loại ôtô khác vì tính công nghệ lai còn nhiều hạn chế, mà cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho động cơ điện, vì nếu dùng bình ăcquy thông thường thì số lượng bình rất nhiều. Trong phạm vi bài viết này chỉ bàn về dòng ôtô hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) là loại ôtô hybrid thông dụng nhất hiện nay. 1.3. Phân loại ôtô hybrid 1.3.1. Theo thời điểm phối hợp công suất 1.3.1.1. Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm Khi ôtô bắt đầu khởi hành, motor điện sẽ hoạt động cung cấp công suất giúp xe chuyển động và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h) trước khi động cơ xăng tự khởi động. Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng phải khởi động ngay lập tức mới có thể cung cấp công suất tối đa. Ngoài ra, motor điện và động cơ xăng cũng hỗ trợ cho nhau khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như khi leo dốc, leo núi hoặc vượt qua xe khác. Do motor điện được sử dụng nhiều ở tốc độ thấp, nên loại này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đường phố hơn là khi đi trên đường cao tốc. Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai dòng điển hình thuộc loại này. 1.3.1.2. Phối hợp khi cần công suất cao Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xe khác, còn trong điều kiện bình thường xe vẫn chạy bằng động cơ xăng. Do đó, những chiếc hybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đường cao tốc vì đó là khi động cơ xăng ít bị gánh nặng nhất. Điển hình là Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộc loại thứ hai. Cả hai loại này đều lấy công suất từ ắc-quy khi motor điện được sử dụng và đương nhiên nó sẽ làm yếu công suất của ắc-quy. Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid không cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc. 1.3.2. Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện 1.3.2.1. Kiểu nối tiếp Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc-quy hoặc cung cấp cho động cơ điện . Hình 1a. Hệ thống hybrid nối tiếp Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc-quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện. Động cơ điện ở đây còn có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh. Hình 1b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường, Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy. Sơ đồ này có thể không cần hộp số. Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như: Kích thước và dung tích ắc-quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quy nên dễ bị quá tải. 1.3.2.2. Kiểu song song Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song. Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc. Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc-quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy. Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc-quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp. Nhược điểm: Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nối tiếp. Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao. Hình 2a. Hệ thống hybrid song song Hình 2b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song 1.3.2.3. Kiểu hỗn hợp Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa các lợi ích được sinh ra. Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động. Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện. Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe hybrid. Hình 3a. Hệ thống hybrid hỗn hợp Hình 3b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp. 1.3.2.4. So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất Bảng 1. So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất Kiểu lai Sự tiết kiệm nhiên liệu Sự thực hiện truyền động Sự dừng không tái sinh Lấy lại năng lượng Hoạt động hiệu suất cao Tổng hiệu suất Gia tốc Công suất phát ra cao liên tục Nối tiếp Song song Hỗn hợp Chương 2. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ÔTÔ HYBRID 2.1. Mô hình tổng quát của ôtô hybrid Hình 4. Một dạng ôtô Hybrid kiểu phối hợp công suất song song Hình 5. Sơ đồ ôtô hybrid kiểu hỗn hợp Hình 6. Một dạng ôtô hybrid kiểu hỗn hợp Ghi chú: 1. Engine: Động cơ đốt trong 2. ECM: Electric Control Module - Bộ phận điều khiển điện tử cho động cơ. 3. HV ECU: Hybrid Vehicle ECU- ECU điều khiển kết hợp trên ôtô hybrid. 4. Shift Postion Sensor: Cảm biến vị trí tay số. 5. Brake ECU: ECU điều khiển phanh. 6. HV Battery: High Volt Battery- Ắc-quy điện áp cao. 7. Inverter with Converter: Bộ chuyển đổi điện. 8. Hybrid Transaxle: Hộp số kết hợp với bộ phân phối công suất. 9. Acceleration Pedal Position Sensor: Cảm biến vị trí bàn đạp ga. 2.2. 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 pin nhiên liệu. Hình 6. Động cơ đốt trong, hộp số của ôtô hybrid (Toyota Prius) Hình 7. Ôtô VW Touareg Hybrid 2009 2.3. 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). Hình 8. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất 2.4. Motor điện và máy phát điện Tổ hợp motor điện – máy phát số 1 (MG1-Motor 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 MG2 (MG2-Motor Generater 2). MG1 hoạt động như một motor 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. Tổ hợp motor 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. 2.5. 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 motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy. Hình 9. 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 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. 2.6. 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 pin hyđrua kim loại kiềm (NiMH), công nghệ pin giống như trong điện thoại di động và máy tính xách tay. Hệ thống hybrid của Prius là sự kết hợp của 38 mô đun chứa 228 pin điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6 V. Xe của Honda thì dùng 120 pin điện, tổng công suất 144 V; Ford 250 pin, công suất 330 V. Hình 10a Hình 10b 10a. Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius 10b. Ắc-quy điện áp cao trên VW Touareg 2.7. 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, 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 trên. Hình 11. Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao 2.8. 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 12. Ắc-quy phụ trên ôtô hybrid 2.9. Các bộ phận khác có công dụng hỗ trợ trên ôtô hybrid 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. 2.9.1. 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. Ví dụ, Honda Insight có một hệ số kéo vô cùng thấp (0,25) do bề mặt nhẵn và dáng vẻ kỳ dị ở bánh sau. Ngay cả Toyota Prius, trông có vẻ bình thường trong mắt những người không chuyên nghiệp, cũng có hệ số kéo chỉ 0,29 do các kỹ sư đã tìm cách để làm nó trơn tru nhất. Tất cả các nhà sản xuất đều cố gắng giảm hệ số kéo ở bất cứ nơi đâu có thể bởi vì một chiếc xe với hệ số kéo thấp cần ít công suất (và nhiên liệu) hơn để vận hành. 2.9.2. 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, motor 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. 2.9.3. 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 vòng/phút tối ưu của động cơ để đạt được công suất lớn hơn và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp ánh sáng nhưng những tiến bộ gần đây trong vật liệu và công nghệ mạch vi xử lý đã khiến CVT phù hợp hơn với ngành ô tô. 2.9.4. Hệ thống kiểm soát cầm chừng xylanh (Cylinder Idling System) Honda Civic Hybrid sử dụng hệ thống này để giảm sự kéo của động cơ và cho phép motor điện giành được nhiều năng lượng nhất trong suốt quá trình 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 kéo 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 đóng 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 kéo động cơ và tối đa hóa năng lượng mà motor điện thu được. 2.9.5. 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. 2.9.6. 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 đẩy của pít tông khi chúng di chuyển bên trong xylanh. 2.9.7. 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. 2.9.8. 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. Chương 3. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC 3.1. Khởi động động cơ khi xe đang chạy Nếu mômen dẫn động yêu cầu tăng lên khi xe chạy chỉ với MG2, MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động cơ. Tương tự, nếu có một trong những hạng mục do ECU kiểm soát như tình trạng SOC, nhiệt độ ắc quy, nhiệt độ nước và điều kiện tải điện lệch so với mức tiêu chuẩn, thì MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động cơ (MG1 hoạt động ở chế độ động cơ). 3.2. Tăng tốc nhẹ với động cơ Ở tốc độ trung bình (15-40 mph), động cơ đốt trong sẽ hoạt động và cung cấp năng lượng, MG2 sẽ hoạt động đồng thời như một động cơ điện sử dụng một lượng điện năng hổ trợ. MG1 cũng quay đồng thời với động cơ (được kéo bởi động cơ) và đóng vai trò như một máy phát điện, cung cấp năng lượng cho MG2. 3.3. Tốc độ thấp ổ định Khi xe đang chạy ở chế độ tải thấp, bộ truyền hành tinh sẽ chia công suất động cơ ra hai phần. Một phần truyền đến các bánh xe chủ động, phần còn lại kéo MG1 để phát điện đến bộ biến đổi cấp cho MG2 hoạt động bổ sung công suất đến các bánh xe chủ động. 3.4. Tăng tốc tối đa Khi xe được chuyển từ chế độ tải thấp sang chế độ tăng tốc mạnh, hệ thống này sẽ bổ sung điện của ắc quy HV vào lực truyền động của MG2. 3.5. Tốc độ cao ổn định Khi xe chạy ở tốc độ cao ổn định động cơ và MG2 hoạt động, MG1 hoạt động ở chế độ phanh (MG1 không quay). 3.6. Tốc độ tối đa Khi tốc độ ôtô cao (>100mph) thì MG2 sẽ hoạt động để bổ sung công suất cho động cơ đốt trong, lúc này HV Battery sẽ cung cấp điện cho hoạt động của MG2, MG1 cũng nhận một phần năng lượng điện từ HV Battery và quay ngược chiều với MG2 tạo một tỷ số truyền tăng cho phép ôtô chạy với tốc độ cao. Nhận xét: Phạm vi tiểu luận này chỉ nghiên cứu trạng thái làm việc của ôtô khi phối hợp hai dòng công suất (công suất sinh ra từ động cơ đốt trong và động cơ điện MG2). Chương 4. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ HYBRID KHI PHỐI HỢP HAI DÒNG CÔNG SUẤT 4.1. Bộ truyền bánh răng hành tinh (planetary gear) Hình 4.1. Các bộ phận của bộ truyền bánh răng hành tinh Trong ôtô Hybrid, 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). Nếu ký hiệu các thành phần của bộ truyền hành tinh là: - Bánh răng bao: phần tử (R) - Cần dẫn: phần tử (C) - Bánh răng mặt trời: phần tử (S) Lúc này có các quan hệ: Trong đó: MC, MS, MR: Moment xoắn của cần dẫn, bánh răng mặt trời và bánh răng bao, [Nm]; Nc, Ns, Nr: Công suất của cần dẫn, bánh răng mặt trời và bánh răng bao, [W]; c, s, r : Vận tốc góc của cần dẫn, bánh răng mặt trời và bánh răng bao, [rad/s]; rc, rs, rr : Bán kính của cần dẫn, bánh răng mặt trời và bánh răng bao, [m] 4.2. Sơ đồ tổng quát của đường truyền công suất trên ôtô hybrid Hình 4.2. Sơ đồ khối hệ thống truyền công suất Hình 4.3. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền công suất 4.3. Xác định công suất sinh ra sau khi phối hợp hai động cơ Khi ôtô phối hợp hai dòng công suất động cơ đốt trong và động cơ điện – MG2, lúc này để xác định công suất chung sau khi phối hợp, mô hình tính toán được chọn là mô hình đấu nối hai động cơ khác công suất. Hình 4.4. Mô hình phối hợp công suất từ hai động cơ Gọi: Trục E là trục nhận công suất từ động cơ đốt trong sau khi qua bộ truyền hành tinh, có các thông số trên trục lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc: Me, Ne, we [Nm], [N], [rad/s]. Trục T là trục nhận công suất từ động cơ điện MG2, có các thông số trên trục lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc của động cơ điện (MG2): Mm, Nm, wm [Nm], [N], [rad/s] Mt, Nt, wt: lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc sau khi phối hợp, [Nm], [N], [rad/s]; Ta sẽ xác định các thông số Mt, Nt, wt từ hai trục thành phần (trục E, trục M), bằng cách: a) Các thông số trên trục M (Mm, Nm, wm) Hình 4.5a. Sơ đồ truyền công suất của trục M Trục M là trục phát công suất từ động cơ điện MG2, nên các thông số trên trục sẽ được xác định qua đặc tính ngoài của động cơ điện MG2 (đã biết), có dạng như sau: Hình 4.5b. Đường đặc tính ngoài động cơ điện b) Các thông số trên trục E (Me, Ne, we) Trục E (được nối với phần tử (c) của bộ truyền hành tinh) là trục phát công suất từ động cơ đốt trong qua bộ truyền hành tinh, tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh được điều khiển vô cấp bằng tốc độ của MG1. Hình 4.6. Sơ đồ truyền công suất của trục E Để xác định được các thông số phát ra trên trục E thì ta cần phải xác định được tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh. Gọi Me’, Ne’, we’: lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc của động cơ đốt trong, [Nm], [N], [rad/s]; Trong trường hợp này có các giả thiết: Đã biết trước dãy vận tốc wc của phần tử (c) nối với động cơ đốt trong. Thật vậy, để đạt được công suất, moment, tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm do khí xả,… là tối ưu nên khi thiết kế người ta qua thực nghiệm đã chọn trước số vòng quay động cơ xăng (we’). Có wc=we’ vì cùng trục. Biết trước được dãy vận tốc và chiều quay của MG1. Thật vậy, MG1 ngoài việc phát điện để nạp vào ắc quy còn đóng vai trò là bộ phận điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh, do đó ứng với từng chế độ vận hành của ôtô mà người ta sẽ điều khiển cho MG1 quay với các số vòng quay và chiều quay khác nhau. Tức, biết trước vận tốc của phần tử bánh răng mặt trời (ws). ws=wMG1 Vì đã biết trước dãy vận tốc làm việc của hai phần tử bánh răng mặt trời ws và cần dẫn wc. Mặc dù, các vận tốc này được xác định bởi một dãy vận tốc hữu hạn, nhưng ứng với từng chế độ hoạt động cụ thể mà chúng sẽ có các giá trị cụ thể và xác định. Do đó, thông qua mối quan hệ của bộ truyền hành tinh: Ta sẽ xác định được các thông số của phần tử (c), tức đã xác định được các thông số trên trục E (Me, Ne, we). Đường đặc tính của trục E sẽ có cùng dạng với đặc tính động cơ đốt trong, vì ứng với từng chế độ hoạt động cụ thể của ôtô thì tỷ số truyền bộ truyền hành tinh là các hằng số khác nhau. Dạng đặc tính trục E: Hình 4.7. Đặc tính của trục E có cùng dạng với đặc tính ngoài của động cơ xăng, sau khi nhân với tỳ số truyền là hằng số. c) Các thông số sau khi phối hợp hai nguồn công suất (Mt, Nt, wt) Hình 4.8. Sơ đồ khi phối hợp công suất Có thể xác định công suất (và moment) tổng cộng của hai động cơ sau khi phối hợp bằng phương pháp cộng đồ thị: Như đã biết, để đạt được công suất (và moment) sau khi phối hợp là tối ưu (về công suất, về moment, về tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm do khí xả,…), cần phải chọn trước số vòng quay động cơ xăng we’ và số vòng quay động cơ điện wm để vùng công suất (và moment) sau khi phối hợp đạt được lớn nhất. Việc này có thể dễ dàng thực hiện bằng thực nghiệm. Gọi w1 và w2 là khoảng giới hạn của tốc độ, khi đó xác định được: Nt=Ne+Nm Thật vậy, trên ôtô hybrid người ta đã thực nghiệm trước để động cơ xăng và động cơ điện luôn luôn hoạt động trong dãy công suất phù hợp nhất ứng với dãy tốc độ we và wm nào đó nhằm tiết kiệm nhiên liệu và điện năng tối đa. Vì thế, công suất tổng Nt (và moment tổng Mt) có thể biểu diễn bằng một hàm số phụ thuộc hai biến we’ và wm: Hình 4.9. Xác định công suất tổng sau khi phối hợp Và làm hoàn toàn tương tự để xác định moment tổng sau khi phối hợp. Ví dụ đặc tính trên ôtô của hãng VW: Hình 4.10. Đặc tính moment và công suất sau khi phối hợp của VW Touareg 4.4. Đặc tính kéo tại bánh xe chủ động 4.4.1. Xác định lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động (Fk) Bằng công thức: , [N] (II.1.1) Trong đó: Fk - Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động. [N] Mt - Moment tổng sau khi phối hợp hai nguồn công suất. [W] itl - Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực. itl=iht.i0 với: iht - Tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh; i0 - Tích số của tỷ số truyền bộ truyền lực chính trong cầu xe và bộ truyền giảm tốc trong hộp số. htl - Hiệu suất của hệ thống truyền lực. r - Bán kính bánh xe chủ động. [m] 4.4.2. Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh phụ thuộc vào các chế độ hoạt động của ôtô như sau: a. Ở chế độ tăng tốc nhẹ: Ở chế độ này MG1 quay cùng chiều và lớn hơn tốc độ của động cơ, tức: ws>wc b. Ở chế độ tốc độ tối đa: MG1 nhận năng lượng từ ắc-quy và quay ngược, tức ws<0. c. Chế độ tăng tốc tối đa: Lúc này ôtô hoạt động với nguồn moment phát ra từ hai động cơ là cực đại. Do đó: (II.1.2) với: [rad/s] wt - Vận tốc của hai nguồn công suất khi moment tổng cực đại. d. Tốc độ cao ổn định: MG1 ở chế độ phanh, tức ws=0 Và thông qua mối quan hệ: Þ (II.1.2)’ Với moment tổng Mt đã biết (xác định trong phần trên) và các thông số khác đã biết ta hoàn toàn xác định được lực kéo tiếp tuyến Fk tại bánh xe chủ động. 4.4.3. Xác định công suất kéo tại bánh xe chủ động (Pk) Pk = Fk.v = Mt.wt.htl = Pt.htl , [W] (II.1.3) Với: v: vận tốc của ôtô, ở đây giả thiết không có trượt ở bánh xe chủ động, Tính bằng: [m/s] Mt, Pt - Moment và công suất tổng sau khi phối hợp công suất, [Nm], [W] htl - Hiệu suất của hệ thống truyền lực. wt - Vận tốc góc của hai nguồn công suất sau khi phối hợp, [rad/s]; r: bán kính bánh xe chủ động. [m] Fk: Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động. [N] 4.4.4. Xây dựng đặc tính kéo tại bánh xe chủ động Từ đặc tính công suất Pt (và moment Mt) sau khi phối hợp công suất, áp dụng công thức: Pk = Fk.v = Mt.wt.htl = Pt.htl , [W] (II.1.3) Và Ta sẽ xây dựng được đặc tính Fk theo v. Do tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh là một hàm số phụ thuộc số vòng quay của MG1, MG2 và của động cơ, được điều khiển gần như vô cấp. Cho nên dạng của hàm Fk theo v: Hình 4.11. Dạng đồ thị mô tả lực kéo tiếp tiếp tại bánh xe chủ động 4.5. Phương pháp xác định các thông số động lực học cơ bản 4.5.1. Xác định các lực cản chuyển động a. Lực cản lăn: Lực cản lăn sinh ra chủ yếu do biến dạng đàn hồi của bánh xe và một phần do ma sát trong ổ trục bánh xe [N] (III.1.1) Trong đó : m : khối lượng ôtô [kg] g : gia tốc trọng trường [m/s2] : góc dốc của mặt đường [độ] f: hệ số cản lăn b. Lực cản gió: Lực cản gió đặt tại tâm diện tích cản chính diện [N] (III.1.2) Trong đó : : Hệ số cản gió, phu thuộc và hình dáng khí động học và bề mặt thân xe. S: diện tích cản gió [m2] V: vận tốc chuyển động của ôtô [m/s] c. Lực cản quán tính: Lực cản quán tính đặt tại trọng tâm ôtô và sinh ra khi ôtô tăng hay giảm tốc. [N] (III.1.3) Trong đó: m : khối lượng tĩnh ôtô [kg] : hệ số xét đến khối lượng các chi tiết chuyển động quay của ôtô; a: gia tốc của ôtô [m/s2] d. Lực cản leo dốc: Lực cản leo dốc đặt tại trọng tâm ôtô, cùng chiều chuyển động nếu ôtô xuống dốc và ngược chiều chuyển động nếu ôtô lên dốc [N] (III.1.4) Với: : góc dốc của mặt đường [độ] 4.5.2. Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo a. Phương trình cân bằng lực kéo và đặc tính kéo tại bánh xe chủ động: Ta có phương trình cân bằng lực kéo [N] (III.2.1) Với đường đặc tính kéo của bánh xe chủ động đã xây dựng được trong phần trên. b. Xây dựng các đường đồ thị lực cản chuyển động ôtô: - Đồ thị lực cản lăn: ; + Khi ôtô chuyển động với tốc độ thấp : f = f0 = const nên đồ thị lực cản lăn Of là đường nằm ngang. + Khi ôtô chuyển động với tốc độ cao: f = f0 + const nên đồ thị lực cản lăn Of là đường cong bậc hai phụ thuộc vào vận tốc V. - Đồ thị lực cản gió: là đường cong bậc hai phụ thuộc vào vận tốc V. Ò Cộng hai đồ thị lực cản lăn Of và đồ thị lực cản gió, ta có đồ thị lực cản tổng cộng của mặt đường + Ta không vẽ đồ thị lực cản leo dốc và đồ thị lực cản quán tính . Vì khi ôtô chuyển động với một vận tốc V bất kỳ, khi chiếu lên đồ thị ta xác định được . Từ đó xác định được tổng của lực cản leo dốc và lực cản quán tính: Ò Khoảng cách giữa đường Fk và đường chính là tổng của lực cản lên dốc và lực cản quán tính: + Ôtô chỉ có thể đạt được vận tốc cực đại khi chuyển trên đường bằng và chỉ có thể leo dốc cực đại khi chuyển động đều nên: Vì vậy chỉ có thể đặc trưng cho một trong hai yếu tố hay Hình 4.12. Đồ thị cân bằng lực kéo 4.5.3. Ứng dụng đồ thị cân bằng lực kéo để xác định các thông số động lực học cơ bản của ôtô Mục đích của đồ thị cân bằng lực kéo là xác định vận tốc cực đại Vmax, độ dốc cực đại và gia tốc cực đại amax. a. Xác định vận tốc cực đại của ôtô: Ôtô đạt vận tốc cực khi: + Chuyển trên đường thẳng, không leo dốc: lực cản leo dốc + Tốc độ ổn định, không thể tăng tốc được nữa: lực cản quán tính + Lực kéo Fk do hai nguồn công suất sinh ra truyền tới bánh xe chủ động không lớn hơn lực bám: Ò Lực cản chuyển động ôtô lúc này chỉ còn lực cản lăn và lực cản gió. Ò Phương trình cân bằng lực kéo: Gọi A là giao điểm của đường đồ thị lực kéo và đường độ thị lực cản tổng hợp .Tại A, lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động bằng lực cản tổng cộng của mặt đường nên ôtô không thể tăng tốc được nữa. Từ điểm A, chiếu vuông góc xuống trục vận tốc V, ta xác định được vận tốc cực đại mà ôtô có thể đạt được. b. Xác định độ leo dốc cực đại: Ôtô đạt được độ leo dốc cực đại khi: + Chuyển động với vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực cản gió: + Chuyển động với vận tốc ổn định: lực cản quán tính + Giả thiết không xảy ra trượt ở bánh xe chủ động. + Nguồn năng lượng phối hợp có moment xoắn cực đại (Mtmax): Ò Lực cản chuyển động ôtô lúc này chỉ còn lực cản lăn và lực cản leo dốc Ò Phương trình cân bằng lực kéo: Khi tốc độ giảm thì moment tổng Mt do hai nguồn công suất sinh ra tăng nên lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động cũng tăng. Khi n Ò 0 thì Mt Ò nên khi v Ò 0 thì Fk Ò. Ta có thể nói khả năng leo dốc của ôtô với nguồn năng lượng phối hợp là vô cùng lớn. Tuy nhiên, ôtô chuyển động còn chịu giới hạn bởi khả năng bám của mặt đường nên lực kéo tiếp tuyến cực đại chỉ có thể nhỏ hơn bằng lực bám. Vì vậy để xác định khả năng leo dốc cực đại của ôtô, ta chọn tại thời điểm giới hạn bám. c. Xác định gia tốc cực đại: Ôtô đạt gia tốc cực đại khi: + Chuyển trên đường thẳng, không leo dốc: lực cản leo dốc + Ở chế độ gia tốc cực đại thì vận tốc nhỏ, lực cản gió không đáng kể, có thể bỏ qua lực cản gió: + Giả thiết không xảy ra trượt ở bánh xe chủ động + Nguồn năng lượng phối hợp có moment xoắn cực đại (Mtmax): Ò Lực cản chuyển động ôtô chỉ còn lực cản lăn và lực cản quán tính Ò Phương trình cân bằng lực kéo: Vì khi tốc độ giảm thì moment do nguồn năng lượng phối hợp tăng nên lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động cũng tăng. Khi n Ò 0 thì Mt Ò nên khi v Ò 0 thì Fk Ò. Về mặt lý thuyết, có thể nói ôtô với nguồn năng lượng phối hợp có khả năng tăng tốc với gia tốc a =. Tuy nhiên, ôtô chuyển động còn chịu giới hạn bám của mặt đường nên lực kéo tiếp tuyến cực đại chỉ có thể nhỏ hơn bằng lực bám . Vì vậy để xác định khả năng tăng tốc cực đại của ôtô, ta chọn tại thời điểm giới hạn bám. Khi xe chuyển động ở vận tốc V bất kỳ nào đó thì vẫn còn kéo dư dùng để leo dốc với độ dốc hay tăng tốc với gia tốc = lực cản lăn = lực cản gió = lực cản tổng cộng của mặt đường = lực kéo dư Ò Từ đồ thị cân bằng lực kéo bên trên có thể xác định được các thành phần lực cản ở vận tốc V bất kỳ. Chương 5. KẾT LUẬN Ôtô hybrid với những tính năng vượt trội như: Sử dụng phương pháp tái sinh năng lượng để tạo ra dòng điện nạp cho ắc-quy; Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa); Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ do đó có thể thiết kế động cơ có kích thước nhỏ gọn. Mặt khác, do tính toán chọn trước dãy tốc độ phù hợp nên công suất và moment của động cơ đốt trong được chọn trong vùng hoạt động tối ưu; Nguồn công suất và moment sau khi phối hợp giữa hai động cơ cho được gần như lý tưởng vì thế đã làm thay đổi nhiều đến đặc tính kéo của bánh xe chủ động. Điều này đã cải thiện được một số tính năng của ôtô như khả năng tăng tốc, khả năng leo dốc… Vì thế, ôtô hybrid được xem như là một xu thế phát triển của công nghệ ôtô trong tương lai.