Luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống phối hợp động lực động cơ hybrid

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống phối hợp nguồn động lực động cơ hybrid. Phân tích, mô phỏng và đề xuất giải pháp tối ưu hóa hiệu suất.

• Tác giả: Nguyễn Văn Mạnh
• Người hướng dẫn: Ts. Không Vũ Quảng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Thiết kế hệ thống động lực động cơ hybrid
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống động lực động cơ Hybrid

Hệ thống động lực động cơ hybrid là công nghệ tiên tiến kết hợp giữa động cơ xăng truyền thống và động cơ điện để tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu. Thiết kế hệ thống này nhằm giảm lượng khí thải, tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu năng tổng thể của phương tiện. Động cơ hybrid hoạt động dựa trên nguyên tắc phối hợp thông minh giữa hai nguồn năng lượng, cho phép xe chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ chạy bằng động cơ xăng, động cơ điện hoặc cả hai cùng lúc. Công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, đặc biệt là trong các dòng xe sedan, SUV và xe tải nhẹ. Thiết kế hệ thống động lực erforces mức độ hiệu quả tối đa thông qua các thuật toán điều khiển logic tinh vi, giúp động cơ hoạt động trong vùng làm việc tối ưu nhất.

1.1. Khái niệm cơ bản về động cơ Hybrid

Động cơ hybrid là hệ thống truyền động kết hợp động cơ đốt lửa trong và động cơ điện. Hệ thống này sử dụng bộ kết nối để quản lý luồng năng lượng giữa các thành phần. Có hai loại cấu hình chính: hybrid nối tiếp (chuỗi) và hybrid song song. Trong cấu hình nối tiếp, động cơ xăng chỉ chạy để phát điện, còn xe được kéo bởi động cơ điện. Trong cấu hình song song, cả hai động cơ có thể truyền lực trực tiếp đến bánh xe, cho phép phối hợp tối ưu.

1.2. Ứng dụng và lợi ích của công nghệ Hybrid

Công nghệ hybrid mang lại nhiều lợi ích đáng kể: giảm tiêu thụ nhiên liệu 20-40%, giảm lượng khí thải CO2, cải thiện moment khởi động, và tiết kiệm chi phí vận hành. Hệ thống truyền lực hybrid cho phép tối ưu hóa chu trình hoạt động theo tiêu chuẩn ECE R40. Các xe hybrid hiện đại có khả năng chạy hoàn toàn bằng điện ở tốc độ thấp, tự động khôi phục năng lượng phanh thông qua hệ thống nạp ắc quy.

II. Thiết kế hệ thống truyền động Hybrid

Thiết kế hệ thống truyền động trong động cơ hybrid đòi hỏi sự tích hợp phức tạp của nhiều thành phần cơ học và điện tử. Hệ bánh răng hành tinh Wilson là một trong những cơ cấu truyền lực quan trọng nhất, cho phép phối hợp mượt mà giữa hai nguồn năng lượng. Tính toán mô men xoắn và tốc độ tại mỗi tiết diện của trục là yếu tố quyết định. Bộ kết nối tốc độ hoạt động như một trung gian thông minh, điều chỉnh mối quan hệ động lực giữa động cơ xăng và điện. Quá trình mô phỏng hệ thống trong phần mềm ADVISOR cho phép các kỹ sư xác định các điểm làm việc tối ưu cho từng thành phần. Các thông số đầu vào bao gồm công thức tính tốc độ, mô men, và giá trị mômen chồng uốn tại các tiết diện khác nhau.

2.1. Cơ cấu truyền lực và bánh răng hành tinh

Hệ bánh răng hành tinh sử dụng 3 trục chính: trục mặt trời (sun gear), trục hành tinh (planetary gears), và trục kim phun (ring gear). Cấu hình 2 trục và cấu hình 1 trục cho phép các chế độ hoạt động khác nhau. Thiết kế Wilson tối ưu hóa tỉ số truyền thông qua các phương trình động học phức tạp. Giá trị an toàn được tính toán dựa trên giá trị mômen chồng uốn để đảm bảo độ bền.

2.2. Mô phỏng và kiểm chứng thiết kế

Phần mềm ADVISOR cho phép mô phỏng chi tiết hệ thống truyền lực hybrid. Các cửa số thiết lập mô phỏng cho phép nhập các thông số ban đầu như công suất động cơ, dung lượng pin, và tỷ lệ truyền động. Kết quả mô phỏng hiển thị hiệu suất của từng thành phần, điểm làm việc của động cơ và mô-tơ điện, cũng như hiệu suất nạp/xả ắc quy.

III. Điều khiển logic và chiến lược phân phối năng lượng

Chiến lược điều khiển là trái tim của hệ thống động cơ hybrid hiệu quả. Sơ đồ điều khiển logic quyết định khi nào sử dụng động cơ xăng, động cơ điện, hay cả hai. Trong xe hybrid nối tiếp, động cơ xăng hoạt động ở vùng làm việc tối ưu để phát điện, còn động cơ điện là yếu tố chính điều khiển tốc độ xe. Trong xe hybrid song song, cả hai động cơ có thể cùng cung cấp lực kéo. Điều khiển đóng-ngất động cơ (Engine Start-Stop) là tính năng quan trọng giảm tiêu thụ nhiên liệu khi xe đứng yên hoặc chạy chậm. Thuật toán điều khiển phải cân bằng giữa tiết kiệm nhiên liệu, hiệu năng vận hành, và tuổi thọ ắc quy. Chu trình ECE R40 được sử dụng để kiểm chứng hiệu suất thực tế trong các điều kiện chạy tiêu chuẩn.

3.1. Chiến lược phối hợp trong xe Hybrid nối tiếp

Trong xe hybrid nối tiếp, động cơ xăng hoạt động độc lập duy nhất để phát điện cho động cơ điện. Bộ điều khiển logic giám sát mức năng lượng ắc quy và tải yêu cầu từ xe. Khi lực kéo cần thiết thấp, chỉ sử dụng năng lượng pin; khi cao, động cơ xăng kích hoạt. Phương pháp phối hợp nối tiếp tối ưu hóa chu trình hoạt động bằng cách giữ động cơ ở vùng hiệu suất tối đa.

3.2. Chiến lược phối hợp trong xe Hybrid song song

Xe hybrid song song kết hợp bộ ghép nối mô men và bộ kết nối tốc độ để phối hợp hai nguồn năng lượng. Sơ đồ điều khiển tổng thể quản lý phân phối moment giữa động cơ xăng và mô-tơ điện. Chế độ EV pure (hoàn toàn điện) được kích hoạt ở tốc độ thấp, trong khi chế độ hybrid kích hoạt ở tốc độ cao hoặc gia tốc mạnh.

IV. So sánh và đánh giá hiệu năng Hybrid vs động cơ thông thường

So sánh xe hybrid và xe động cơ thông thường cho thấy những cải tiến đáng kể. Theo chu trình ECE R40, xe hybrid tiêu thụ nhiên liệu ít hơn 25-35% so với xe thông thường có cùng công suất. Hiệu suất phỏng của ắc quy (charge efficiency) và hiệu suất nạp (discharge efficiency) là những chỉ số quan trọng trong mô phỏng hệ thống. Các điểm làm việc của động cơ trong xe hybrid tập trung vào vùng hiệu suất cao, trong khi xe thông thường hoạt động phân tán hơn. Mô phỏng tính toán các thông số hao nhiên liệu (g/KWH) cho thấy xe hybrid đạt mức tiêu thụ thấp hơn đáng kể. Hiệu suất tổng thể của hệ thống hybrid (cả công suất cơ học và điện) vượt trội so với động cơ nội đốt đơn lẻ, đặc biệt trong các điều kiện lái đô thị với nhiều khởi động và dừng.

4.1. Chỉ số hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu

Tiêu thụ nhiên liệu của xe hybrid được đo bằng g/KWH, thường thấp hơn 25-40% so với xe thông thường. Hiệu suất phỏng của động cơ xăng trong hybrid cao hơn vì nó hoạt động ở vùng làm việc tối ưu. Sơ đồ các lực tác dụng lên bộ truyền Wilson giúp xác định hiệu suất cơ học chính xác. Biểu đồ hiệu suất của động cơ Geo 1 cho thấy vùng công suất tối đa đạt 80-85%.

4.2. Kết quả mô phỏng và phân tích so sánh

Giao diện trực quan của ADVISOR cho phép so sánh điểm làm việc giữa xe hybrid và xe thông thường. Kết quả mô phỏng cho xe hybrid cho thấy mô-tơ kéo hoạt động hiệu quả hơn ở vòng tua thấp. Xe hybrid có khả năng khôi phục năng lượng từ phanh, tăng hiệu suất nạp ắc quy lên 85-90%. Phân tích chi tiết từ cửa số kết quả mô phỏng chứng minh tính ưu việt của công nghệ hybrid.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO iG DAI HOC BACH KHOA HA NOL HNVIA NYA NYANDN. NGUYEN VAN MANH OSYLONOG JHA ĐO LYNHL AA NGIDEN CUU TIDET KE IE TIIONG PIIOI IGP NGUON ĐỌNG LỰC TRONG ĐỘNG CƠIIYBRID T.UẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT kỹ thuật Cơ khí Động lực VWLLO@ VOHA Hà Nội - Năm 2013 BỘ GIÁO DUC VA DAO TAO TRUONG BAI HOC BACH KHOA HA NOI NGUYÊN VĂN MẠNH NGITEN CUU TIMET KE IIE TIONG PIIOI IIQP NGUON DONG LỰC TRONG ĐỌNG CƠ IIYBRID Chuyên ngành :_ Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật Cơ khí Động lực NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. T§ Không Vũ Quảng Hà Nội Năm 2013 LỜI CAM DOAN Tôi xi cam doan dây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn lâ trưng thực và chưa từng được ai công bố trong, bất kỷ ông trình nào khác.

Tác giả Nguyễn Văn Mạnh DANH MUC CAC BANG Bang 1.1: Công thức xáo định tốc độ, mô men của hệ bảnh răng hành tỉnh. Một dạng điều khiến logie Bảng 2.2: Các thông số đâu vào khi tính toán cho xe. Giá trị mômen chồng uốn tại các tiết điện.4: Bằng trị số an toàn.1: Thông số đần vào của phần miễn về guất liêu hao nhiên liệu của ruột động, sơ (g/KWH). Chu trình thứ ECE R40.3: Kết quả so sánh giữa xe thông thưởng và xe hybrid.

Tỉnh toán bỏ truyền dộng bánh răng hành tính. Sơ dễ các lực tác dụng lên bộ truyền Wilson,. Biểu đỗ hiệu suất của động cơ Gco 1. Sơ đồ khỏi một mô hình trong ADVISOR.

So dd mé phéng trong ADVISOR. Của số chọn thông số ban đầu của mô hình xe 65 Hình 3-5. Cũa số cải đặi mô phông, 65 Hinh 3-6. Của sẽ trình bảy kết quả mô phỏng.

Giao điện trực quan mô phỏng quả trình hoạt động của xe 11inh 3-8. Chu trình thir UCL R40. Sơ dỏ khối của xe may hybrid mô pÏưống,. Cửa số thiết lập mô phông của phản mềm.

Cửa số hiển thị kết quả chạy mỗ phỏng được. Dé thi cac diém làm việc của dong cơ (kí hiệu: X- mỗ-men dẫu ra trục khượu; Á- điểm hoạt động thục tế). Dễ thị các điểm làm việc của mô- tơ kéo. ø) Hiệu suất phóng của ắc quy; b) Hiệu suất nạp của ắc quy.

Sơ đồ khổi xe máy với hệ dẫn động thông thường. Cửa số kết quả mô phỏng cho xe thông thường. Để thị các diễm làm việc của dộng cơ trong xe may thông thường. vu DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1.

Mô hình một loại xe hybrid. Mồ hinh một thiết bị kết nỗi mô ren. cai serieeree Hình 1-3. Một thiết bị kết nổi mô ruen.

ào eiererrerree 6 Hình 1-4. Câu hình 2 trục H Tĩinh 1-5. Câu hình I trục § linh 1-6. Mô hình một thiết bị kết nối tốc độ.

TH HH, _ Hình 1-7. Hệ bánh rừng hành tình Willson _. Mô-lơ có sato động. 18 théng truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nế: tốc độ hệ bánh răng hành tình.

118 théng truyén hie hybrid sit dung bộ kết nói tốc độ kiển Mô-tơ có sato động, - - - 12 Hình 1-11. So đề hệ thông truyền luc hybrid xen kế mả men và tổo độ với hệ bánh. răng hành tĩnh - 13 Tlinh 2-t. So để một phương pháp phôi hợp nếi tiếp.

ào esses „15 Ilinh 2-2. Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nổi tiếp. Sơ đồ điều khiển logic hoại động của xe máy hybrid nồi tiếp 17 Hình 2-4. Minh họa về điều khiến đóng-ngất động cơ [6] 19 Ilinh 2-5.

[18 théng hybrid song song vei bd ghép nổi mồ rnen. Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ đấn động bybrid song song, lạ» DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1. Mô hình một loại xe hybrid. Mồ hinh một thiết bị kết nỗi mô ren.

cai serieeree Hình 1-3. Một thiết bị kết nổi mô ruen. ào eiererrerree 6 Hình 1-4. Câu hình 2 trục H Tĩinh 1-5.

Câu hình I trục § linh 1-6. Mô hình một thiết bị kết nối tốc độ. TH HH, _ Hình 1-7. Hệ bánh rừng hành tình Willson _.

Mô-lơ có sato động. 18 théng truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nế: tốc độ hệ bánh răng hành tình. 118 théng truyén hie hybrid sit dung bộ kết nói tốc độ kiển Mô-tơ có sato động, - - - 12 Hình 1-11. So đề hệ thông truyền luc hybrid xen kế mả men và tổo độ với hệ bánh.

răng hành tĩnh - 13 Tlinh 2-t. So để một phương pháp phôi hợp nếi tiếp. ào esses „15 Ilinh 2-2. Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nổi tiếp.

Sơ đồ điều khiển logic hoại động của xe máy hybrid nồi tiếp 17 Hình 2-4. Minh họa về điều khiến đóng-ngất động cơ [6] 19 Ilinh 2-5. [18 théng hybrid song song vei bd ghép nổi mồ rnen. Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ đấn động bybrid song song, lạ» DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1.

Mô hình một loại xe hybrid. Mồ hinh một thiết bị kết nỗi mô ren. cai serieeree Hình 1-3. Một thiết bị kết nổi mô ruen.

ào eiererrerree 6 Hình 1-4. Câu hình 2 trục H Tĩinh 1-5. Câu hình I trục § linh 1-6. Mô hình một thiết bị kết nối tốc độ.

TH HH, _ Hình 1-7. Hệ bánh rừng hành tình Willson _. Mô-lơ có sato động. 18 théng truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nế: tốc độ hệ bánh răng hành tình.

118 théng truyén hie hybrid sit dung bộ kết nói tốc độ kiển Mô-tơ có sato động, - - - 12 Hình 1-11. So đề hệ thông truyền luc hybrid xen kế mả men và tổo độ với hệ bánh. răng hành tĩnh - 13 Tlinh 2-t. So để một phương pháp phôi hợp nếi tiếp.

ào esses „15 Ilinh 2-2. Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nổi tiếp. Sơ đồ điều khiển logic hoại động của xe máy hybrid nồi tiếp 17 Hình 2-4. Minh họa về điều khiến đóng-ngất động cơ [6] 19 Ilinh 2-5.

[18 théng hybrid song song vei bd ghép nổi mồ rnen. Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ đấn động bybrid song song, lạ» CHUONG I: TONG QUAN LL. PHAT TIEAI DOC ILAI TU CAC PIIUGNG TIEN GIAO THONG SU DUNG DONG CG DOT TRONG. Các thành phần độc hại trong khí thãi của dong cor Sân phẩm chảy được thải ra từ động cơ đốt trong géin dxil nito (NO,), méndxit c&cbon (CO), hydré cacbon (HC), chit thai hat (PM) va andéhit, là nguyên nhân chỉnh gây ra ô nhiễm không khi Động cơ đất trong là ngudén déng gop x4p xi mét rửa lượng chất ö nhiễm NO,, CO, và HỢ trong không khí [19], Các chất ô nhiễm: nay gây nhiều tác hại khác nhau cho sức khóe và môi trường, VÌ dụ, NÓ, phản ứng, với hơi nước tạo thành axit nitic và phản ứng với bức xạ ánh sang mật trời tạo thành khí ôzên trong khí quyển, cả hai sẵn phẩm này déu gây ra các vẫn đề dối với hệ hô hấp.

Mônöxit cácbon có ái lực đối với hêmôgl6bin lớn hơn khoáng 200 lằn so với ôxy, bởi vậy nó có thể gây trở ngại cho sự vận chuyển khi ôxy trong hệ trân. hoan của con người. Ngoài ra, các hydrô cảcbon có thể gây ra sự dột biển tế bảo và cũng góp phần hình thành ôzên trong khí quyền. Tủy thuộc vào loại nhiên liệu sử đụng.

phương pháp hình thành hỗn hợp và cháy, và tình trạng của động cơ mà nông độ các thành phần phát thải của các động, cơ khác nhan. Trong khi động cơ xăng có hãm lượng cáo thành phản phát thải CO va HG cao thì động cơ điesel lại được biết đến với các thành phần phat thai PM va NO, lớn. NO, được sinh ra trong buởng cháy trong quá trình cháy do phản ng hóa học giữa nguyễn (é oxy va nitơ của không khí. Các phân mg tạo thành NÓ; phụ thuộc nhiều vào nhiệt dộ.

Bởi vậy lượng NO, thải ra từ dộng cơ thường tý lệ thuận với tải của động cơ [19]. Ở chế độ khởi động và chạy ấm máy, lượng NO, thải ra tương đổi thấp, trong khi ở chế độ tãi càng tăng thi lượng phát thải NÓ, cảng lớn do nhiệt độ của quả trình cháy cũng như nhiệt độ của động, cơ tăng cao. PM (phat thai hat) bao gém cdc nhân cácbon (bỏ hỏng), bám định trên nó lã các hep chất hữu cơ. Hầu hết phát thâi bạt là kết quả của quả trình chảy không hoàn DANH MUC CAC KY HIEU, CAC CHU VIET TAT Kỹ hiệu, chữ viết tắt Nội dung NOx O xit Ni tơ co Maénéxil cacbon IIc Ilydro cicbon PM Chất thai hat ĐCĐT Động cơ đốt trong DCDTMP Dộng cơ đôttrong máy phát HTDD Hệ thống dẫn động MG1 Máy phát điện MG2 Mô tơ điện VI DANH MUC CAC BANG Bang 1.1: Công thức xáo định tốc độ, mô men của hệ bảnh răng hành tỉnh.

Một dạng điều khiến logie Bảng 2.2: Các thông số đâu vào khi tính toán cho xe. Giá trị mômen chồng uốn tại các tiết điện.4: Bằng trị số an toàn.1: Thông số đần vào của phần miễn về guất liêu hao nhiên liệu của ruột động, sơ (g/KWH). Chu trình thứ ECE R40.3: Kết quả so sánh giữa xe thông thưởng và xe hybrid. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1.

Mô hình một loại xe hybrid. Mồ hinh một thiết bị kết nỗi mô ren. cai serieeree Hình 1-3. Một thiết bị kết nổi mô ruen.

ào eiererrerree 6 Hình 1-4. Câu hình 2 trục H Tĩinh 1-5. Câu hình I trục § linh 1-6. Mô hình một thiết bị kết nối tốc độ.

TH HH, _ Hình 1-7. Hệ bánh rừng hành tình Willson _. Mô-lơ có sato động. 18 théng truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nế: tốc độ hệ bánh răng hành tình.

118 théng truyén hie hybrid sit dung bộ kết nói tốc độ kiển Mô-tơ có sato động, - - - 12 Hình 1-11. So đề hệ thông truyền luc hybrid xen kế mả men và tổo độ với hệ bánh. răng hành tĩnh - 13 Tlinh 2-t. So để một phương pháp phôi hợp nếi tiếp.

ào esses „15 Ilinh 2-2. Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nổi tiếp. Sơ đồ điều khiển logic hoại động của xe máy hybrid nồi tiếp 17 Hình 2-4. Minh họa về điều khiến đóng-ngất động cơ [6] 19 Ilinh 2-5.

[18 théng hybrid song song vei bd ghép nổi mồ rnen. Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ đấn động bybrid song song, lạ» Hình 2-7. Những dạng hoạt dộng cơ bản với từng công suất yêu cẳu. So dé diéu khién logic cho tinh trang nạp của ắc quy.

Minh hoa diéu khién déng — ngắt ĐCĐT [6] - - 27 Hình 2-10. Sơ đồ câu tạo hệ din động hybrid song song một trục. ce DB Hinh 2-11. Sơ để hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với bộ ghép nếi bánh răng hành tinh.

Sơ dễ một bộ bánh răng hành tỉnh.