Đồ án tìm hiểu và mô phỏng công nghệ hybrid trên ôtô - ĐH Bách Khoa

Đồ án bảo vệ tốt nghiệp đề tài nghiên cứu công nghệ hybrid trên ôtô. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, ưu điểm và ứng dụng trong thực tế ngành công nghiệp ô tô

• Tác giả: Nguyễn Đăng Quyết
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Động cơ đốt trong
• Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng công nghệ hybrid trên ôtô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ hybrid trên ôtô

Công nghệ hybrid trên ôtô kết hợp hai nguồn động lực: động cơ đốt trong (xăng/diesel) và mô-tơ điện. Mục tiêu chính là tối ưu hóa hiệu suất hoạt động bằng cách sử dụng mô-tơ điện hỗ trợ hoặc thay thế động cơ đốt trong trong các điều kiện không hiệu quả như khởi động, tăng tốc hoặc tăng tốc. Hệ thống hybrid tận dụng ưu điểm của cả hai loại động cơ: động cơ đốt trong cung cấp công suất lớn ở tốc độ ổn định, trong khi mô-tơ điện cung cấp momen xoắn tức thì và hiệu quả năng lượng cao ở tốc độ thấp. Sự kết hợp này giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí độc hại, đồng thời cải thiện trải nghiệm lái xe thông qua khả năng phanh tái sinh thu hồi năng lượng.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động

Công nghệ hybrid hoạt động dựa trên nguyên lý phân phối công suất linh hoạt giữa động cơ đốt trong và mô-tơ điện thông qua hệ thống điều khiển thông minh. Động cơ đốt trong hoạt động tối ưu ở tốc độ vòng quay 2600-3400 vòng/phút, trong khi mô-tơ điện cung cấp momen xoắn ngay từ tốc độ 0. Hệ thống hybrid có thể vận hành ở năm chế độ chính: chỉ động cơ đốt trong hoạt động, chỉ mô-tơ điện hoạt động, nạp ắc quy, phanh tái sinh và hoạt động hỗn hợp. Mỗi chế độ được kích hoạt dựa trên điều kiện vận hành thực tế như trạng thái nạp ắc quy, tốc độ xe và yêu cầu công suất từ người lái.

1.2. Phân loại hệ thống hybrid

Hệ thống hybrid được phân loại thành ba loại chính: nối tiếp, song song và hỗn hợp. Hệ hybrid nối tiếp sử dụng động cơ đốt trong để dẫn động máy phát điện, cung cấp điện cho mô-tơ điện kéo xe. Hệ hybrid song song cho phép cả động cơ đốt trong và mô-tơ điện truyền công suất trực tiếp đến bánh xe. Hệ hybrid hỗn hợp kết hợp ưu điểm của cả hai loại, cho phép linh hoạt hơn trong phân phối công suất. Mỗi loại hệ thống có những ưu nhược điểm riêng về hiệu suất, chi phí và độ phức tạp trong điều khiển.

II. Những thách thức của công nghệ hybrid

Công nghệ hybrid đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế. Về mặt kỹ thuật, hệ thống hybrid đòi hỏi sự phối hợp phức tạp giữa động cơ đốt trong và mô-tơ điện, cùng với hệ thống điều khiển thông minh. Điều này dẫn đến tăng chi phí sản xuất và bảo trì. Ngoài ra, dung lượng và tuổi thọ của ắc quy cao áp vẫn là vấn đề nan giải, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Về mặt kinh tế, giá thành cao hơn so với xe truyền thống là rào cản lớn đối với người tiêu dùng. Cuối cùng, hạ tầng sạc cho xe hybrid, đặc biệt là hybrid sạc ngoài, vẫn chưa phát triển đồng bộ ở nhiều khu vực.

2.1. Hiệu suất và chi phí sản xuất

Hiệu suất của hệ thống hybrid phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dung lượng ắc quy, công suất động cơ đốt trong và mô-tơ điện, cũng như chiến lược điều khiển. Chi phí sản xuất cao do yêu cầu về linh kiện chất lượng cao, hệ thống điều khiển phức tạp và chi phí nghiên cứu phát triển. Theo ước tính, hệ thống hybrid có thể tăng 30-50% chi phí sản xuất so với xe truyền thống. Tuy nhiên, chi phí này có thể được bù đắp qua thời gian nhờ tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải.

2.2. Vấn đề về ắc quy và hạ tầng

Ắc quy cao áp trong xe hybrid có tuổi thọ giới hạn khoảng 8-10 năm, sau đó cần thay thế với chi phí cao. Dung lượng ắc quy ảnh hưởng trực tiếp đến quãng đường xe có thể vận hành bằng điện. Hơn nữa, hạ tầng sạc chưa phát triển đồng bộ, đặc biệt ở các khu vực nông thôn hoặc thành phố nhỏ. Việc thiếu trạm sạc công cộng buộc người dùng phải phụ thuộc vào sạc tại nhà, gây bất tiện. Ngoài ra, quá trình sản xuất và tái chế ắc quy lithium cũng đặt ra thách thức về môi trường.

III. Phương pháp mô phỏng hệ thống hybrid

Mô phỏng hệ thống hybrid là công cụ quan trọng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm chuyên dụng như MATLAB/Simulink, AVL CRUISE hoặc GT-SUITE để mô hình hóa động cơ đốt trong, mô-tơ điện, ắc quy và hệ thống truyền động. Mô phỏng cho phép đánh giá hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí độc hại trong các điều kiện vận hành khác nhau. Ngoài ra, mô phỏng còn giúp tối ưu hóa chiến lược điều khiển, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy. Phương pháp này tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm thực tế.

3.1. Mô hình hóa hệ thống truyền động

Mô hình hóa hệ thống truyền động hybrid bao gồm ba thành phần chính: mô hình động cơ đốt trong, mô hình mô-tơ điện và mô hình ắc quy. Động cơ đốt trong được mô hình hóa dựa trên đặc tính công suất, momen xoắn và tiêu hao nhiên liệu. Mô-tơ điện được mô hình hóa dựa trên đặc tính momen xoắn, công suất và hiệu suất. Ắc quy được mô hình hóa dựa trên dung lượng, điện áp và trạng thái sạc. Sự tương tác giữa các thành phần này được mô phỏng thông qua hệ thống điều khiển logic, xác định chế độ hoạt động tối ưu cho từng điều kiện vận hành.

3.2. Đánh giá hiệu suất qua mô phỏng

Đánh giá hiệu suất hệ thống hybrid qua mô phỏng bao gồm nhiều chỉ tiêu như tiêu hao nhiên liệu, phát thải khí độc hại, gia tốc và quãng đường vận hành bằng điện. Mô phỏng cho phép so sánh hiệu suất giữa các cấu hình hybrid khác nhau (nối tiếp, song song, hỗn hợp) và tối ưu hóa thông số hệ thống. Ngoài ra, mô phỏng còn giúp đánh giá độ tin cậy và tuổi thọ của ắc quy, cũng như hiệu quả của hệ thống phanh tái sinh. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn cấu hình hệ thống và chiến lược điều khiển phù hợp.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Công nghệ hybrid trên ôtô mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí độc hại. Việc kết hợp động cơ đốt trong và mô-tơ điện giúp tối ưu hóa hoạt động của động cơ, đồng thời tận dụng ưu điểm của phanh tái sinh để thu hồi năng lượng. Mặc dù còn đối mặt với những thách thức về chi phí và hạ tầng, công nghệ hybrid ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ôtô. Các nghiên cứu và phát triển liên tục được thực hiện nhằm cải thiện hiệu suất, giảm chi phí sản xuất và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Trong tương lai, công nghệ hybrid sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang phương tiện giao thông xanh và bền vững.

4.1. Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm chính của công nghệ hybrid là tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí độc hại, góp phần bảo vệ môi trường. Hệ thống hybrid cũng cải thiện trải nghiệm lái xe nhờ khả năng gia tốc tức thì và hoạt động êm ái. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất là chi phí sản xuất cao do yêu cầu về linh kiện chất lượng và hệ thống điều khiển phức tạp. Ngoài ra, tuổi thọ ắc quy và hạ tầng sạc chưa phát triển đầy đủ cũng là những thách thức cần giải quyết.

4.2. Triển vọng tương lai

Tương lai của công nghệ hybrid gắn liền với sự phát triển của ắc quy và hệ thống điều khiển. Với những tiến bộ trong công nghệ pin (như pin thể rắn), tuổi thọ và dung lượng ắc quy sẽ được cải thiện đáng kể. Hơn nữa, sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và học máy sẽ giúp tối ưu hóa chiến lược điều khiển, nâng cao hiệu suất hệ thống. Công nghệ hybrid cũng là bước đệm quan trọng hướng tới xe điện thuần túy, khi mà hạ tầng sạc và công nghệ pin đạt đến mức độ trưởng thành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HYBRID 1. Khái quát công nghệ hybrid trong xe hơi 1. Khái niệm chung Xe hybrid là dòng xe sử dụng tổ hợp hai nguồn động lực, thường là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong (xăng, diesel, khí hóa lỏng…) với mô-tơ điện lấy năng lượng điện từ một ắc quy cao áp. Mục đích chính là dùng mô-tơ điện hỗ trợ hoặc thay thế động cơ đốt trong (ĐCĐT) để kéo xe ở những thời điểm mà ĐCĐT làm việc không hiệu quả (suất tiêu hao nhiên liệu cao, phát thải lớn, gia tốc kém) như quá trình khởi động, gia tốc và tăng tốc.

Hay nói cách khác là giúp cho ĐCĐT luôn làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó. Như trên hình 1.2 ta có thể thấy ĐCĐT làm việc tối ưu trong một vùng tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600v/ph tới 3400v/ph với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 255 (g/kWh). Còn như thể hiện trên hình 1.1 có thể thấy rằng đặc tính của ĐCĐT khác biệt khá xa so với đặc tính lý tưởng do vậy cần phải dùng hộp số đa cấp hay hộp số tự động để có đặc tính tốt hơn như thể hiện trên hình 1. Điều này làm tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số.1: Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng [6] SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội 2 www.info iZibook ĐỒ ÁN TỐT Bộ môn: Động cơ đốt trong NGHIỆP Hình 1.2: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng [6] Hình 1.3: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe [6] Còn với mô-tơ điện, đặc tính được thể hiện trên hình 1.

Có thể thấy rằng mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng. Thông thường mô-tơ điện khởi động từ tốc độ bằng 0. Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theo trong khi dòng không đổi. Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp không đổi còn dòng thì yếu đi.

Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi mô- men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ. Do đó một hệ dẫn động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo yêu cầu của xe. SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội www.info iZibook ĐỒ ÁN TỐT Bộ môn: Động cơ đốt trong NGHIỆP Hình 1.4: Đặc tính của một mô-tơ điện [6] Hình 1.5: Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp [6] SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội 4 www.info iZibook ĐỒ ÁN TỐT Bộ môn: Động cơ đốt trong NGHIỆP Hình 1.5 cho thấy sự so sánh cụ thể của một mô-tơ điện và một ĐCĐT. Để có đặc tính sát với lý tưởng thì ĐCĐT cần hộp số 4 cấp còn mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp.

Ngoài vai trò giúp cho ĐCĐT có thể hoạt động ở vùng tối ưu mô- tơ điện trong xe hybrid có một vai trò quan trọng thứ hai là nó có thể thu hồi lại năng lượng (động năng) cho xe để nạp lại vào ắc quy trong quá trình xe giảm tốc hay phanh, chức năng “phanh tái sinh”. Khi kết hợp hai nguồn động lực như vậy kết quả đầu ra sẽ cho đặc tính như thể hiện trên hình 1.6: Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc [6]. Xu hướng phát triển của xe 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 nồng độ phát thải khí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra loại ôtô mà mức phát thải và ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay 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 nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trường và là một trong số những tác nhân lớn 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 thải gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ôtô nói riêng và mọi người nói chung. SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội 5 www.info iZibook ĐỒ ÁN TỐT Bộ môn: Động cơ đốt trong NGHIỆP Ôtô sạch không gây ô nhiễm 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, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô dùng động cơ lai (hybrid).

Trong số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao. 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 ôtô, đó là ôtô hạn chế tối đa việc gây ô nhiễm môi trường, giảm tiêu hao nhiên liệu tối thiểu hay còn gọi là ôtô “sinh thái” mà vẫn sử dụng ĐCĐT, loại động cơ chưa thể thay thế trong nhiều năm tới.7: Mô hình một xe hybrid. 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 ôtô này. Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời mặt trời. cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, chưa dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta. Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid (nhiệt - điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ôtô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về môi trường đô thị và nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch.

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội 6 www.info iZibook ĐỒ ÁN TỐT Bộ môn: Động cơ đốt trong NGHIỆP Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid 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 ôtô hybrid thay hẳn các loại ôtô khác vì khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau và tính công nghệ còn nhiều hạn chế, trong đó cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho mô-tơ điện, vì nếu dùng loại ắc quy thông thường thì số lượng bình rất nhiều, kích thước và khối lượng rất lớn. Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này chúng em chỉ tìm hiểu nghiên cứu dòng ôtô hybrid (nhiệt-điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện là loại ôtô hybrid thông dụng nhất hiện nay. Tìm hiều một số dạng dẫn động hybrid.

Hệ thống hybrid nối tiếp 1. Hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp (Series hybrid electric drive train) là hệ thống dẫn động cho xe hybrid trong đó xe chỉ được kéo bởi mô-tơ điện. Mô-tơ điện này được cung cấp năng lượng từ hai nguồn là: Ắc quy và máy phát điện được dẫn động bởi ĐCĐT. Hệ thống dẫn động nối tiếp đơn giản nhất như hình 1.8: Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội 7 www.info iZibook ĐỒ ÁN TỐT Bộ môn: Động cơ đốt trong NGHIỆP Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện.

Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồn ắcqui hoặc máy phát được dẫn động bởi ĐCĐT. Cụm ĐCĐT/máy phát (ĐCĐT/MP) có nhiệm vụ giúp ắc quy bổ sung năng lượng cho mô-tơ kéo khi công suất tải yêu cầu lớn hoặc nạp cho ắc quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ và dung lượng ắc quy thấp. Bộ điều khiển mô-tơ để điều khiển mô-tơ kéo sinh ra năng lượng phù hợp với yêu cầu của xe. Sự hoạt động của xe (gia tốc, khả năng leo dốc, tốc độ lớn nhất) được quyết định hoàn toàn bởi kích thước và đặc tính của mô-tơ kéo dẫn động.

Với sơ đồ kết nối như vậy thì đặc tính của xe hybrid có dạng như ví dụ của một mô-tơ điện thể hiện trên hình 1.9: Đặc tính tốc độ - mômen và công suất – mômen của một mô-tơ điện [6] 1. Nguyên lý hoạt động. Trong hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp, cụm ĐCĐT/MP là phần cơ khí được tách rời với trục bánh xe. Tốc độ và mô-men của ĐCĐT không phụ thuộc vào tốc độ và mômen kéo yêu cầu của xe, nó có thể được điều khiển ở bất kì điểm làm việc nào trên vùng tốc độ - mômen của nó.

Thông thường động cơ đốt trong sẽ được điều khiển ở vùng làm việc tối ưu của nó, ở vùng mà nhiên liệu tiêu thụ và khí thải phát ra của động cơ là nhỏ nhất, thể hiện trong hình 1. Lí do tách rời phần cơ khí của ĐCĐT với trục bánh xe nhằm để ĐCĐT có thể làm việc SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội 8 www.info iZibook ĐỒ ÁN TỐT Bộ môn: Động cơ đốt trong NGHIỆP ở vùng tối ưu và đặc tính của ĐCĐT được thay bằng đặc tính của mô-tơ điện. Tuy nhiên, nó phụ thuộc nhiều vào các chế độ làm việc của động cơ và điều khiển chiến lược của hệ dẫn động.10: Đặc tính ĐCĐT và các vùng hoạt động [6] a/ Chế độ kéo hỗn hợp Khi cần yêu cầu một công suất lớn (khi lái xe đạp sâu chân ga) lúc này năng lượng của cả cụm ĐCĐT/MP và nguồn năng lượng từ ắc quy cùng cấp năng lượng cho mô-tơ điện hoạt động. Trong trường hợp này, động cơ đốt trong sẽ được điều khiển để làm việc ở vùng tối ưu của nó.

Nguồn năng lượng từ ắc quy cung cấp công suất thêm để đáp ứng công suất kéo yêu cầu.