Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid 2 chỗ

Đồ án trình bày chi tiết quá trình tính toán, thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi, từ cơ sở lý thuyết đến lựa chọn động cơ.

• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu tính toán, thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hưng Yên

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ động lực xe hybrid 2 chỗ ngồi

Xe hybrid 2 chỗ ngồi là một giải pháp vận tải hiện đại kết hợp hai nguồn động lực: động cơ đốt trong và động cơ điện. Đề tài này tập trung vào việc thiết kế hệ thống truyền lực cho các phương tiện cỡ nhỏ, nhằm giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. Lý do chọn đề tài xuất phát từ xu hướng phát triển ô tô sạch toàn cầu, nơi các nhà sản xuất đang chuyển hướng sang các công nghệ thân thiện môi trường. Mục tiêu chính là thiết kế một hệ động lực hybrid hiệu quả với công suất tối ưu, khối lượng nhẹ và chi phí hợp lý. Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết động lực học, tính toán kỹ thuật và mô phỏng thực tế để đạt được kết quả tốt nhất.

1.1. Lý do chọn đề tài và mục tiêu

Xu hướng phát triển ô tô sạch đang trở thành ưu tiên hàng đầu trong ngành công nghiệp ôtô. Xe hybrid là một giải pháp trung gian hiệu quả giữa xe điện thuần và động cơ đốt trong truyền thống. Đề tài này nhằm nghiên cứu thiết kế hệ động lực hybrid áp dụng cho các phương tiện nhỏ, góp phần giảm thiểu khí thải CO2 và NOx.

1.2. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn

Thiết kế hệ động lực xe hybrid 2 chỗ có ý nghĩa lớn trong việc phát triển công nghệ vận tải bền vững. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và kỹ thuật cho việc sản xuất các phương tiện giao thông thân thiện môi trường, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về khí thải.

II. Các thành phần chính trong hệ động lực hybrid

Hệ động lực xe hybrid 2 chỗ bao gồm năm thành phần cơ bản: động cơ đốt trong (ICE), động cơ điện (EM), hộp số và bộ phân phối công suất, bộ chuyển đổi điện (inverter), và ắc quy cao thế (HV Battery). Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong hoạt động tổng thể của hệ thống. Động cơ đốt trong cung cấp công suất chính khi xe chạy ở tốc độ cao, trong khi động cơ điện hỗ trợ tăng tốc và hoạt động độc lập ở tốc độ thấp. Bộ phân phối công suất (planetary gear) điều phối công suất giữa hai động cơ một cách hiệu quả. Bộ chuyển đổi điện chuyển đổi dòng điện DC thành AC để cấp điện cho motor. Ắc quy cao thế lưu trữ năng lượng từ phanh tái sinh và cung cấp điện cho động cơ điện.

2.1. Động cơ đốt trong và động cơ điện

Động cơ đốt trong cấp công suất chính trong hệ thống, hoạt động tối ưu trong vùng điểm làm việc tốt nhất. Động cơ điện cung cấp mô men cao ngay từ lúc khởi động, giúp tăng tốc nhanh chóng. Hai động cơ hoạt động phối hợp thông qua bộ điều khiển điện tử (ECU) để đạt hiệu suất tối đa.

2.2. Hệ thống năng lượng và truyền động

Ắc quy cao thế (HV Battery) là nguồn năng lượng cho động cơ điện và các hệ thống phụ. Máy phát điện nạp lại ắc quy khi động cơ đốt trong hoạt động hoặc thông qua phanh tái sinh. Bộ bánh răng hành tinh (planetary gear) kết nối hai động cơ, cho phép chúng làm việc độc lập hoặc cùng nhau tùy theo chế độ vận hành.

III. Các phương án phối hợp nguồn động lực hybrid

Có ba phương án phối hợp nguồn động lực chính cho xe hybrid: hybrid nối tiếp (Series), hybrid song song (Parallel), và hybrid hỗn hợp (Combined/Power-Split). Phương án hybrid nối tiếp chỉ động cơ điện chuyển động trực tiếp, trong khi động cơ đốt trong chỉ chạy máy phát điện. Phương án này thích hợp cho đô thị nhưng yêu cầu ắc quy lớn. Hybrid song song cho phép cả hai động cơ cùng cung cấp công suất cho bánh xe, đơn giản hơn về kỹ thuật nhưng cần bộ kết nối hiệu quả. Hybrid hỗn hợp kết hợp ưu điểm của cả hai, cho phép chuyên đổi linh hoạt giữa các chế độ hoạt động, phù hợp với xe hybrid 2 chỗ vì có khả năng tối ưu hóa hiệu suất tổng thể.

3.1. So sánh các phương án hybrid nối tiếp và song song

Hybrid nối tiếp tiết kiệm nhiên liệu tối đa nhưng cần ắc quy công suất cao. Hybrid song song đơn giản hơn, dễ tích hợp vào các xe hiện có, nhưng mức tiết kiệm nhiên liệu thấp hơn. Lựa chọn phương án phụ thuộc vào mục tiêu thiết kế, chi phí và điều kiện sử dụng của xe hybrid 2 chỗ ngồi.

3.2. Chọn phương án hybrid hỗn hợp cho xe nhỏ

Hybrid hỗn hợp được lựa chọn cho xe 2 chỗ vì cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và độ phức tạp. Hệ thống này cho phép động cơ đốt trong tắt ở tốc độ thấp, động cơ điện cung cấp công suất khi cần, và phanh tái sinh lấy năng lượng từ phanh, tối ưu hóa mức tiêu thụ nhiên liệu.

IV. Tính toán và thiết kế hệ động lực hybrid

Quá trình tính toán thiết kế hệ động lực bắt đầu từ việc xác định các thông số đầu vào như khối lượng xe, tốc độ tối đa, độ dốc tối đa và điều kiện sử dụng. Tiếp theo, tính toán công suất động cơ đốt trong dựa trên nhu cầu công suất tổng cộng và hệ số phối hợp. Công suất động cơ điện được xác định để hỗ trợ tăng tốc và hoạt động ở tốc độ thấp. Lựa chọn ắc quy phụ thuộc vào năng lượng cần thiết và điều kiện sạc. Máy phát điện được kích thước để đáp ứng yêu cầu nạp ắc quy. Cuối cùng, bộ truyền bánh răng hành tinh được thiết kế để phối hợp công suất từ hai động cơ một cách tối ưu, đảm bảo hiệu suất cao và mô men đủ cho điều kiện lái xe đa dạng.

4.1. Lựa chọn công suất động cơ và ắc quy

Công suất động cơ đốt trong được tính từ lực cần thiết vượt qua sức cản và leo dốc. Công suất động cơ điện bổ sung công suất chính, hỗ trợ tăng tốc nhanh. Ắc quy được chọn dựa trên năng lượng cần thiết cho hoạt động trong thành phố và khả năng phanh tái sinh lấy năng lượng, đảm bảo tuổi thọ và an toàn.

4.2. Thiết kế bộ phân phối công suất bánh răng hành tinh

Bộ truyền bánh răng hành tinh (Wilson) phối hợp hai động cơ thông qua ba trục: nhập lực từ động cơ điện, nhập lực từ máy phát và xuất lực đến bánh xe. Tỷ số truyền được tính để đạt mô men tối đa và hiệu suất cao, với khả năng điều chỉnh để thích ứng các chế độ lái khác nhau của xe hybrid 2 chỗ ngồi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Nhiều quốc gia đang đối mặt tình trạng ô nhiễm không khí trầm trọng. Các giải pháp mới đã và đang được nghiên cứu, triển khai nhằm phát triển các dòng xe thân thiện với môi trường (xe xanh). Tại Việt Nam cũng đã có những chính sách cụ thể để khuyến khích sản xuất, sử dụng loại phương tiện này nhưng thực tế triển khai vẫn còn có những bất cập.

Xe hybrid - phương tiện sạch, tiết kiệm nhiên liệu Xe hybrid hay còn gọi là xe lai. Đây là loại xe kết hợp sử dụng hai bộ truyền động, một động cơ chạy xăng và một mô tơ chạy điện. Đặc điểm quan trọng nhất của xe hybrid là khả năng tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện môi trường, vận hành mạnh mẽ và yên tĩnh. Hơn nữa, công nghệ pin hybrid là một phần quan trọng tạo nên sự vận hành mạnh mẽ và độ tin cậy cao.

Như vậy, kiểu xe hybrid có thể sử dụng kết hợp hai nguồn năng lượng riêng rẽ từ động cơ xăng và từ mô tơ điện, đồng thời khả năng chuyển hóa động năng dư thừa thành năng lượng điện và lưu trữ trong pin hybrid (thay vì biến thành nhiệt năng hao phí) đã giúp giảm thiểu nhiên liệu tiêu thụ và giảm khí thải ra môi trường. Điển hình như những ưu điểm của động cơ hybrid trên các dòng xe đó là đảm bảo hiệu năng lái xe tương đương với xe sử dụng cùng động cơ đốt trong dung tích tương tự, nhưng mức tiêu hao nhiên liệu giảm chỉ còn một nửa. Trong thời đại mà quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đang diễn ra ở mọi nơi trên toàn cầu như ngày nay, nhu cầu về năng lượng là vô cùng to lớn. Vì thế, việc tiết kiệm nhiên liệu và năng lượng luôn là yêu cầu được đặt ra cho mỗi quốc gia và mỗi ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô.

Giải pháp được đưa ra là kết hợp một cách linh hoạt giữa động cơ xăng, động cơ điện và các cơ cấu giúp bảo tồn và chuyển đổi năng lượng một cách hiệu quả. Nhận thấy những lợi ích mà xe thân thiện với môi trường nói chung và xe hybrid nói riêng mang lại cho môi trường, chính phủ nhiều nước đã đưa ra những quy định và chính sách để thúc đẩy sự phát triển của loại xe này. Cụ thể là một mặt tạo ra điều kiện thuận lợi, khuyến khích các nhà sản xuất ô tô đầu tư vào công nghệ này và thúc đẩy người tiêu dùng tiếp cận loại xe thân thiện với môi trường. Đến nay, các loại xe hybrid đã trở nên phổ biến hơn bao giờ hết.

Lê Anh Tuấn, trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhận định, xe hybrid là một trong những phương tiện sạch góp phần giảm ô nhiễm tại Việt Nam. Tuy nhiên, ông Phó Đức Sơn, Viện trưởng Viện Tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam (Bộ Khoa học và 1 Công nghệ) lại cho rằng, ô nhiễm không khí đang ngày càng trầm trọng tại các thành phố và gây tác động lớn đến kinh tế - xã hội. Đến nay, dù Nhà nước đã ban hành một số chính sách ưu tiên phát triển xe thân thiện với môi trường nhưng số lượng xe hybrid sử dụng trên thực tế còn rất khiêm tốn. Hiện nay, Việt Nam mới chỉ xuất hiện xe hybrid và xe điện với số lượng rất hạn chế, trong đó xe hybrid chiếm đa số do phù hợp hơn với điều kiện cơ sở hạ tầng của Việt Nam.

“Cũng giống các nước khác trên thế giới, cùng với sự phát triển của xã hội, xe thân thiện môi trường sẽ là xu hướng tất yếu của Việt Nam trong tương lai”, ông Sơn cho biết thêm. Theo ông Toru Kinoshita, Tổng giám đốc Toyota Việt Nam: “Để bảo tồn năng lượng, giảm phát khí thải CO2, đóng góp cho sự phát triển môi trường của Việt Nam, các mẫu xe hybrid là giải pháp tốt nhất với nhiều lợi ích phù hợp với tình hình hiện tại của Việt Nam…”. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tính toán, thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi” là một đề tài hay và mang tính ứng dụng thực tế cao. Mục tiêu của đề tài - Tính toán, thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi.

Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu tài liệu trên mạng, trên các webside trong và ngoài nước. - Tham khảo sách, báo, … có trong thư viện trường. - Xin hướng dẫn từ các thầy, cô trong trường và thầy, cô hướng dẫn. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Đồ án đã tính toán và thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi.

- Kết quả của đồ án đem lại đã góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu cho một số phương tiện khi tham gia giao thông. Xu hướng phát triển của ôtô hybrid 1. Xu thế phát triển phương tiện giao thông 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 2 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. Khí thải từ động cơ diesel và xăng. 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). 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 3 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 ắc quy thông thường thì số lượng bình rất nhiều. Xu thế phát triển ô tô sạch Ô tô sạch không gây ô nhiễm (Zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung là hoàn thiện quá trình cháy của động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid).

Xu hướng phát triển ô tô sạch có thể tổng hợp như sau: 1. Hoàn thiện động cơ diesel. Động cơ Diesel cũng sẽ được tiếp tục cải tiến để nâng cao hiệu suất dù hiện nay nó đã có nhiều ưu điểm về mặt này. Về phương diện hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel, các giải pháp kĩ thuật nói chung vẫn còn ở trong giai đoạn thí nghiệm.

Cho tới những năm cuối của thập niên 1990, các kĩ thuật này vẫn còn áp dụng rất hạn chế vì nó đắt tiền và làm việc chưa thật đáng tin cậy. Các giải pháp đó là: + Bộ xúc tác giảm NOx + Lọc bồ hóng Các nghiên cứu cải thiện động cơ Diesel trước hết liên quan đến việc hoàn thiện kĩ thuật phun, đặc biệt là việc áp dụng kĩ thuật phun điều khiển điện tử cho phép nâng cao momen và công suất, giảm ồn, giảm ô nhiễm. Các cải tiến này sẽ liên quan chủ yếu đến áp suất phun, dạng quy luật phun và độ chính xác của lượng nhiên liệu phun. Một ví dụ điển hình về các kĩ thuật phun mới là sự phát triển hệ thống “ray chung” (common-rail).

Trong hệ thống này, áp suất phun có thể được modun hóa một cách tùy ý theo tải và theo tốc độ động cơ. Nói chung, áp suất phun trong trường hợp này cao hơn nhiều so với áp suất phun trong hệ thống cổ điển, nhất là khi đầy tải và tốc độ cao. Theo kĩ thuật này, nhiên liệu được phun với áp suất cao trong thời gian ngắn. Điều này cho phép hạn chế sự phát sinh hạt bồ hóng nhưng lại làm gia tăng lượng NOx.

Khi động cơ làm việc ở chế độ tốc độ thấp và tải cục bộ, có hai xu hướng nghiên cứu. Hướng phổ biến nhất là ưu tiên cho hiệu suất cao: nhiên liệu được phun dưới áp suất rất cao làm tăng momen của động cơ so với động cơ cùng cỡ sử dụng hệ thống phun cổ điển. Hướng thứ hai là giảm mạnh áp suất phun khi động cơ làm việc ở các chế độ này để làm giảm sự phát sinh NO x.