CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Nội dung của chương này trình bày, phân tích đặc điểm cấu tạo của các loại ô tô hybrid, so sánh giữa các loại ô tô hybrid với nhau, so sánh ô tô hybrid và ô tô truyền thống về phương diện cấu trúc, tính kinh tế nhiên liệu, mức độ phát thải gây ô nhiễm môi trường. Trong chương này cũng giới thiệu một số công trình nghiên cứu liên quan đến việc phân phối và sử dụng công suất trên ô tô hybrid, trên cơ sở đó xác định vấn đề mô phỏng kết hợp các nguồn lực trên ô tô Hybrid với sơ đồ truyền lực kiểu hỗn hợp. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID 1. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Ô TÔ HYBRID Ô tô điện được ra đời lần đầu tiên vào năm 1834.
Trong suốt những thập kỷ nửa sau thế kỷ 19, nhiều công ty đã sản xuất ô tô điện ở Hoa Kỳ, Anh, và Pháp. Những xe ô tô đầu tiên mà con người sử dụng là ô tô điện. Tuy nhiên, do những hạn chế về công nghệ ắc quy và đặc biệt là do sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ động cơ đốt trong, ô tô điện đã dần bị thay thế và hầu như không còn tồn tại từ sau những năm 1930. Tới những năm đầu của thập kỷ 70 thế kỷ trước, hai vấn đề lớn của nhân loại là ô nhiễm môi trường do khí thải và an ninh năng lượng do sự hữu hạn của các nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, và khí đốt) đã dần trở nên bức thiết.
Người ta bắt đầu quan tâm trở lại đến ô tô điện như một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề này. Thời gian đầu, ô tô điện vẫn chỉ là một đối tượng nghiên cứu; các mẫu xe điện đều là sự chuyển đổi từ xe ô tô thông thường dùng động cơ đốt trong. Ngày nay, các nhà sản xuất ô tô lớn đều đã và đang cho ra đời các sản phẩm ô tô điện được thiết kế và chế tạo với những công nghệ đặc thù cho xe điện, chứ không phải là một sản phẩm hoán cải như trước. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Vào đầu thế kỷ 20 các nhà sản xuất xe của Mỹ đã sử dụng động cơ xăng, điện và hơi nước một cách song song.
Họ sớm nhận ra rằng hai hay nhiều động cơ kết hợp lại sẽ làm tăng tính hiệu quả của động cơ. Và kết quả của giả thuyết đó là động cơ hybrid (động cơ xăng điện) ra đời vào năm 1905 do một kỹ sư người Mỹ phát minh. Thời kỳ đó phát minh này không được mấy người quan tâm bởi vì động cơ đốt trong khi đó còn khá rẻ so với động cơ xăng điện có cùng công xuất. Sau 70 năm, khi cuộc khủng hoảng dầu lửa xảy ra, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu mới được quan tâm nhiều và đây chính là lý do để động cơ hybrid được nghiên cứu lại.
Tuy nhiên, 30 năm trước, do một số quy định nên động cơ hybrid đã bị trì hoãn. Ngày hôm nay những chiếc xe như Toyota Prius hay Honda Accord loại hybrid đã trở nên phổ biến, được nhiều người tiêu dùng yêu thích. Liệu hybrid có phải là xu hướng của xe trong tương lai? Một trong những lý do nữa khiến hybrid ngày càng được quan tâm đó là môi trường sống. Như chúng ta biết động cơ đốt trong sẽ thải ra khí carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) và khí hydro-carbon (HC) chưa đốt, đây là những nhân tố chính gây ô nhiễm môi trường.
Các hiện tượng như sự nóng lên của toàn cầu hay hiện tượng “El Nino” xảy ra một phần là hậu quả của việc sử dụng động cơ dầu diesel và xăng. Sự phát triển của công nghệ hybrid sẽ giúp hạ giá thành nhiên liệu, theo ước tính lượng xe hybrid được sản xuất sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, một dự báo rất lạc quan trong tương lai. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA Ô TÔ HYBRID Hệ thống động lực của ô tô hybrid phổ biến hiện nay được cấu thành từ một động cơ đốt trong (ĐCĐT) và một hoặc nhiều động cơ điện (ĐCĐ). Trong các tài liệu chuyên ngành bằng tiếng Anh, các thuật ngữ: "hybrid car","hybrid vehicle", "hybrid road vehicle" và "hybrid electric vehicle" thường được sử dụng để chỉ loại ô tô hybrid có hệ thống động lực như vậy.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Trong luận văn này, sử dụng thuật ngữ "xe hybrid" và "ô tô hybrid" khi đề cập đến các ô tô có hệ thống truyền lực có đặc điểm cấu tạo như trên. Căn cứ vào cách thức liên kết giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, tỷ lệ công suất của động cơ đốt trong và của động cơ điện được sử dụng để dẫn động bánh xe chủ động, sự phân công về thời gian làm việc của ĐCĐT và của ĐCĐ trong quá trình vận hành, ô tô hybrid hiện đại được phân thành 3 loại [6,7, 14,15]: ô tô hybrid kiểu nối tiếp, ô tô hybrid kiểu song song và ô tô hybrid kiểu hỗn hợp. Ô TÔ HYBRID KIỂU NỐI TIẾP Ô tô hybrid kiểu nối tiếp ( Series Hybrid Electric Vehicle), sau đây viết tắt là S-HEV. Các thành tố cơ bản của hệ động lực của S-HEV bao gồm: một ĐCĐT, một hoặc một số ĐCĐ, một MF, bộ AQ, bộ chuyển đổi điện và cặp bánh răng giảm tốc (xem Hình 1.
Về cơ bản, hệ động lực của S-HEV chỉ khác hệ động lực của ô tô điện ở chỗ có thêm một ĐCĐT và MF. Sơ đồ hệ thống động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp Ở S-HEV, ĐCĐT chỉ có chức năng lai MF để cung cấp điện cho ĐCĐ hoặc nạp điện cho AQ, ĐCĐ đảm bảo 100% công suất yêu cầu để dẫn động LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 các bánh xe chủ động thông qua một cặp bánh răng giảm tốc. ĐCĐ chạy bằng điện từ AQ hoặc trực tiếp từ MF. Trong hệ truyền động của S-HEV chỉ cần một cặp bánh răng giảm tốc bố trí giữa ĐCĐ và vi sai, thay cho hộp số nhiều cấp ở ô tô truyền thống.
Trong trường hợp ĐCĐ được bố trí trực tiếp trong các moayơ của bánh xe chủ động, SHEV thực tế không có hệ truyền động cơ khí, thay vào đó là hệ truyền động điện gọn nhẹ hơn và tiêu hao ít năng lượng hơn. ĐCĐ trên S-HEV nói riêng và trên các loại ô tô hybrid khác nói chung, thường được thiết kế để có thể hoạt động như một máy phát điện (sau đây gọi là môtơ-máy phát điện liên hợp, viết tắt là MG) để có thể tận dụng động năng của ô tô trong quá trình phanh hoặc xuống dốc. Một số mẫu S-HEV cho phép nạp điện AQ bằng điện lưới trong thời gian ô tô không hoạt động nhằm mục đích giảm chi phí vận hành do giá điện lưới thường thấp hơn giá điện được sản xuất bằng ĐCĐT trên xe. Ưu điểm: - Động cơ tách rời nên mô men nên tốc độ và mô men của động cơ độc lập với tốc độ và mô men theo yêu cầu, đồng thời có thể luôn được duy trì làm việc ở vùng làm việc tối ưu của nó với sự tiêu thụ nhiên liệu và phát thải nhỏ nhất.
- Sự ngắt nối giữa động cơ và bánh xe còn cho phép động cơ có thể hoạt động ở vùng hiệu suất cao. - Khả năng gia tốc tốt. - Cấu tạo đơn giản. Nhược điểm: - Năng lượng bị biến đổi qua lại nhiều lần gây tổn thất đáng kể.
- Động cơ điện phải có công suất lớn. - Kết cấu cồng kềnh. Ô TÔ HYBRID KIỂU SONG SONG LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Ô tô hybrid kiểu song song (P-HEV) có các nguồn động lực tương tự như ở S-HEV, tức là cũng bao gồm một ĐCĐT và một MG. ĐCĐT và MG của P-HEV được liên kết với bánh xe chủ động thông qua các ly hợp sao cho bánh xe chủ động có thể được dẫn động chỉ bằng ĐCĐT hoặc chỉ bằng MG hoặc bằng cả hai đồng thời.
ĐCĐT và MG có thể được liên kết với nhau theo các phương án như sau: ĐCĐT và MG liên kết song song trên một trục (xem Hình 1-2): Ở phương án này, tốc độ quay của ĐCĐT và MG phải được đồng bộ hóa, momen quay truyền đến bánh xe chủ động là tổng momen quay của ĐCĐT và MG. Khi chỉ một nguồn động lực làm việc, nguồn động lực còn lại phải hoạt động ở chế độ không tải hoặc không hoạt động nếu được trang bị các ly hợp một chiều. ĐCĐT và MG liên kết nối tiếp trên một trục: ĐCĐT và MG phải có cùng tốc độ quay. Nếu MG nằm giữa ĐCĐT và hộp số thì MG có thể có momen quay dương hoặc âm, tùy thuộc vào chế độ vận hành.
Honda Insight là mẫu P- HEV điển hình áp dụng phương án này. Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu song song ĐCĐT và MG liên kết qua mặt đường: ĐCĐT truyền momen quay đến bánh xe chủ động qua hệ truyền động cơ khí truyền thống, MG được liên kết với LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 bánh xe chủ động qua một trục khác. AQ được MG nạp điện nhờ tận dụng động năng của xe khi phanh hoặc động năng của xe ở chế độ hành trình. Trong trường hợp này, công suất của ĐCĐT được truyền đến MG thông qua mặt đường.
Phương án này có ưu điểm đặc biệt trong trường hợp ô tô nhiều cầu chủ động, trong đó ĐCĐT và MG sẽ liên kết cơ khí với các cầu khác nhau. Xe đạp máy có ĐCĐ tích hợp trong moayơ của bánh xe trước và pedal quay bánh sau là ví dụ về kiểu hybrid song song có các nguồn động lực liên kết qua mặt đường. Hầu hết các mẫu P-HEV hiện nay được trang bị ĐCĐT với vai trò là nguồn động lực chính, còn MG chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc leo dốc. Với cấu hình như vậy, cả ĐCĐT và MG đều hoạt động với khoảng 50% công suất cực đại khi ô tô chạy với tốc độ trung bình, ĐCĐT phát công suất gần tối đa và MG phát khoảng 50 % công suất hoặc nhỏ hơn ở tốc độ lớn.
Trên thị trường hiện nay, P-HEV có thị phần lớn hơn so với S-HEV. Honda Insight, Honda Civic and Honda Accord là những mẫu P-HEV điển hình và chiếm thị phần đáng kể trong thời gian gần đây. General Motors Parallel Hybrid Truck (PHT), Saturn VUE Hybrid, Aura Greenline Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid cũng là những ô tô hybrid được xếp vào nhóm P-HEV. Ưu điểm: - Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng.