Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống truyền lực cho xe hybrid song song

Tài liệu đồ án thiết kế hệ thống truyền lực cho xe hybrid song song. Phân tích, tính toán chi tiết bộ kết nối, hộp số và xây dựng đặc tính kéo.

• Tác giả: Trần Văn Quang
• Người hướng dẫn: Phạm Hữu Nam
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Viện Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Lực Cho Xe Hybrid Mắc Nối Theo Sơ Đồ Nối Ghép Song Song
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và đặc điểm xe Hybrid song song

Xe hybrid song song là dòng ôtô sử dụng hệ thống truyền lực hybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện. Trong cấu hình này, cả hai động cơ được kết nối song song với nhau, có khả năng truyền lực kéo đến bánh xe một cách độc lập hoặc đồng thời. Bộ điều khiển điện tử thông minh sẽ quyết định thời điểm sử dụng động cơ nào, từ đó tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải.

Đặc điểm chính của xe hybrid mắc nối song song là có khả năng hoạt động linh hoạt với ba chế độ: chỉ dùng động cơ đốt trong, chỉ dùng động cơ điện, hoặc vận hành đồng bộ cả hai nguồn động lực. Điều này giúp tối ưu hiệu suất năng lượng và giảm tiêu thụ nhiên liệu so với các xe thông thường.

1.1. Định nghĩa hệ thống truyền lực hybrid

Hệ thống truyền lực hybrid là tập hợp các cơ cấu cơ khí và điện tử hoạt động phối hợp để truyền lực kéo từ nguồn động lực đến bánh xe. Trong xe hybrid song parallel, hệ thống này gồm: động cơ xăng, động cơ điện, hộp số tự động, bộ kết nối, pin ắc quy và bộ điều khiển ECU. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa năng lượng và hiệu suất hoạt động của toàn bộ xe.

1.2. Ưu điểm của cấu hình song song

Cấu hình song song mang lại nhiều lợi thế vượt trội. Khả năng tái tạo năng lượng thông qua phanh tái sinh giúp sạc pin hiệu quả. Công suất tức thời cao hơn khi cả hai động cơ hoạt động cùng lúc. Chi phí sản xuất thấp hơn so với cấu hình nối tiếp. Ngoài ra, độ bền động cơ điện được cải thiện nhờ không phải chạy liên tục, và hiệu suất nhiên liệu được nâng cao đáng kể so với xe thông thường.

II. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động hệ thống

Hệ thống truyền lực hybrid song song được thiết kế với cấu trúc phức tạp nhưng hoạt động hiệu quả. Động cơ xăng và động cơ điện được nối với nhau thông qua bộ kết nối momên hoặc bộ kết nối tốc độ, giúp điều phối công suất giữa hai nguồn. Hộp số tự động được tối ưu hóa để hoạt động với cả chế độ hybrid và chế độ động cơ đơn.

Nguyên tắc hoạt động dựa trên chiến lược điều khiển thông minh của bộ điều khiển ECU. Khi xe ở tốc độ thấp hoặc dừng, chỉ động cơ điện hoạt động. Ở tốc độ trung bình, động cơ xăng bắt đầu vào cuộc. Ở tốc độ cao, cả hai động cơ hoạt động cùng lúc để đạt công suất tối đa.

2.1. Các thành phần chính trong hệ thống

Động cơ xăng là nguồn năng lượng chính, cung cấp công suất ổn định cho xe. Động cơ điện là nguồn năng lượng phụ, cung cấp lực kéo bổ sung và có khả năng tái tạo năng lượng. Pin ắc quy lithium lưu trữ năng lượng điện để cấp cho động cơ điện. Bộ kết nối liên kết hai động cơ với bánh xe. Hộp số điều chỉnh tỷ số truyền để tối ưu hiệu suất.

2.2. Các chế độ vận hành khác nhau

Chế độ EV (Electric Only): Chỉ động cơ điện hoạt động, lý tưởng cho di chuyển thành phố. Chế độ Hybrid: Cả hai động cơ hoạt động phối hợp, tối ưu tiêu thụ nhiên liệu. Chế độ HV (Engine Only): Chỉ động cơ xăng hoạt động khi pin yếu. Chế độ Charging: Động cơ xăng chạy để sạc pin trong khi xe di chuyển.

III. Thiết kế bộ kết nối và hộp số

Bộ kết nối là thành phần then chốt trong hệ thống truyền lực hybrid song parallel, có trách nhiệm ghép nối lực kéo từ cả hai động cơ. Thiết kế bộ kết nối phải đảm bảo độ chính xác cao, khả năng chịu lực lớn, và tính ổn định trong quá trình chuyển tiếp. Hộp số tự động được tối ưu hóa với số tay số phù hợp để giảm tiêu thụ nhiên liệu và tăng hiệu suất toàn hệ thống.

Quá trình thiết kế bao gồm tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật như tỷ số truyền, mô men xoắn tối đa, tốc độ quay tối đa. Mô phỏng và thử nghiệm được thực hiện để xác minh hiệu suất. Vật liệu chọn lựa phải có độ bền cao, khả năng chịu mài mòn tốt, và chi phí sản xuất hợp lý.

3.1. Tính toán tỷ số truyền tối ưu

Tỷ số truyền được tính toán dựa trên yêu cầu hiệu suất và đặc tính kéo mong muốn. Phương pháp tối ưu xem xét tiêu thụ nhiên liệu, vận tốc tối đa, khả năng gia tốc. Tỷ số truyền cơ sở được chọn để cân bằng giữa lực kéo ban đầu và vận tốc tối đa. Các tay số trung gian được xác định để cải thiện hiệu suất trong các dải tốc độ khác nhau.

3.2. Thiết kế chi tiết bộ kết nối momên

Bộ kết nối momên được thiết kế để phân chia công suất giữa hai động cơ dựa trên yêu cầu tức thời. Bánh răng hành tinh là cơ cấu chính, cho phép linh hoạt trong việc kết hợp công suất. Tính toán thiết kế bao gồm xác định số răng, kích thước bánh răng, chất liệu, độ chính xác. Thử nghiệm đảm bảo bộ kết nối hoạt động ổn định dưới các điều kiện tải khác nhau.

IV. Đặc tính kéo và hiệu suất xe hybrid

Đặc tính kéo của xe hybrid song parallel được xây dựng dựa trên đặc tính của từng động cơ và chiến lược điều khiển. Lực kéo tối đa đạt được khi cả hai động cơ hoạt động cùng lúc ở chế độ tối đa công suất. Hệ số hiệu suất được cải thiện nhờ khả năng tối ưu hóa các chế độ hoạt động tùy theo tốc độ và tải xe.

Phân tích hiệu suất cho thấy tiêu thụ nhiên liệu giảm 20-30% so với xe thông thường. Khí thải CO₂ giảm đáng kể khi sử dụng chế độ EV trong thành phố. Khả năng gia tốc tăng lên nhờ lực kéo bổ sung từ động cơ điện. Độ tin cậy được nâng cao nhờ thiết kế dự phòng - nếu một động cơ gặp sự cố, xe vẫn có thể tiếp tục hoạt động.

4.1. Xây dựng đặc tính kéo trong các chế độ

Chế độ EV: Lực kéo bị giới hạn bởi công suất động cơ điện, phù hợp với tốc độ thành phố. Chế độ Hybrid: Lực kéo kết hợp từ cả hai nguồn, đạt giá trị cao nhất. Chế độ Engine: Lực kéo từ động cơ xăng, ổn định ở tốc độ cao. Đồ thị đặc tính cho thấy đường cong lực kéo được tối ưu hóa cho cả điều kiện thành phố và đường trường.

4.2. Đánh giá tiêu thụ năng lượng

Tiêu thụ năng lượng được đánh giá bằng lít/100km và Wh/km. Vòng kiểm tra tiêu chuẩn như WLTP cho thấy hiệu suất thực tế. Phanh tái sinh giúp phục hồi 20-30% năng lượng khi hãm phanh. Quản lý pin thông minh đảm bảo pin luôn ở trạng thái tối ưu. Kết quả thử nghiệm chứng minh xe hybrid tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Đặc điểm xe Hybrid 1. Định nghĩa xe Hybrid Ôtô hybrid là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Động cơ hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một nguồn năng lượng khác. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định sử dụng nguồn năng lượng nào, tức là khi nào dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng nguồn năng lượng kia, khi nào dùng vận hành đồng bộ.

Các loại xe Hybrid HEVs là viết tắt của Hybrid E lectric V ehicles, là loại xe hybrid sử dụng tổ hợp động cơ đốt trong và động cơ điện .Với loại xe HEVs, có khả năng tái sinh năng lượng khi phanh hoặc xe xuống dốc, lúc này động cơ điện hoạt động như một máy phát điện tận dụng năng lượng sinh ra khi phanh để nạp cho ắc quy. PHEV là viết tắt của P lugin Hybrid E lectric V ehicles, cũng tương tự như HEVs sử dụng tổ hợp động cơ đốt trong và động cơ điện. Nhưng trên loại xe PHEV không có khả năng tái sinh năng lượng, do đó ắc quy cần được nạp điện từ nguồn bên ngoài. HEV và PHEV sử dụng nguồn năng lượng điện là nguồn năng lượng sạc Năng lượng điện được cấp từ ắc quy, và có thể tái sinh được thông qua quá phanh hay khi xe xuống dốc, hoặc được nạp từ lưới điện bên ngoài .Hệ truyền đ điện ít tổn hao và hiệu suất cũng cao.

HHV là viết tắt củaHybrid Hydraulic V ehicles, là loại xe hybrid sử dụng kết hợp giữa động cơ đốt trong với mô tơ thủy lực. Các chế độ hoạt động cũng như vận hành của loại xe này cũng tương tự như loại sử dụng động cơ điện. Nguồn năng lượng thủy lực cũng là một trong những nguồn năng lượng sạch. Tuy nhiên thống thủy lực lại tổn hao nhiều năng lượng trên đường truyền.

-7- Trên các loại xe hybrid hiện nay, nguồn năng lượng từ động cơ đốt trong cũng có thể được cải tiến : Hoàn thiện động cơ đốt trong : bao hệgồmthống common rail điều khiển điện tử, xử lý khí thải trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng ca lượng nhiên liệu, sử dụng diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Nhiên liệu trên ô ngày nay còn được thay thế bằng nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, hay dung đồng th (dual fuel). Sử dụng pin nhiên liệu – pin hydrogen : là hệ thống điện hóa biến đổi trực t hóa năng trong pin thành điện năng. Do không xảy ra quá trình cháy nên nhiên liệu ôtô là sạch.

Tuy nhiên việc nạp hydro dưới áp suất cao vẫn rất khó khăn. Ưu điểm của xe Hybrid Về mặt đặc tính động lực học của xe : ở chế độ khởi hành, xe chỉ dùng động cơ điện. Đặc tính mômen cơ của động cơ điện như h1.1 cho ta thấy tại số vòng quay nhỏ mômen của động cơ cao, do đó sử dụng động cơ điện để khởi hành rất thích hợp. Còn khi số vòng quay vượt quá số vòng quay định mức thì khi tiếp tục tăng, đường mômen là đường hypebol bậc 2 (số vòng quay tăng thì mômen giảm) đường này cũng phù hợp với đặc tính động lực học của xe.1: Đặc tính mômen cơ của động cơ điện.

-8- Về tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm : dựa trên đặc tính của động cơ đốt trong, ta thấy được dải hoạt động của mômen xoắn chưa tối ưu. Ở tốc độ quay động cơ thấp, mômen nhỏ không đáp ứng được điều kiện cản, do đó xe ô thông thường cần phải có hộp số. Hơn nữa, đặc tính mức tiêu thụ nhiên liệu động cơ cho thấy chỉ có một vùng động cơ hoạt động tối ưu với mômen lớn va tiêu thụ nhiên liệu nhỏ. Xe hybrid giải quyết được vấn đề này, bộ điều khiể quyết định trạng thái hoạt động của động cơ để điều chỉnh dải làm việc của trong vùng tối ưu của nó.2 là đặc tính kinh tế nhiên liệu của động cơ CR12DE,củaxeNissan Cube.

Đặc tính thể hiện được đường công suất ngoài và đường mức tiêu thụ nhiên liệ động cơ thu được qua băng thử. Từ công suất ngoài và mức tiêu thụ nhiên liệu c động cơ, ta xác định được đường kinh tế nhiên liệu của xe (đường nét gạnh t H1. Trên đường này ta có công suất của động cơ lớn và mức tiêu thụ nhiên liê nhỏ, khi động cơ hoạt động trong vùng này sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và có phát thải độc hại ít.2:Đặc tính của động cơ đốt trong -9- 4. Đặc điểm xe HEVs H1.3:Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hybrid Trên đây là sơ đồ nguyên lý hoạt động chung của loại xe HEVs.

Động cơ điện được sử dụng để khởi động xe, trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành động cơ đốt trong, khi cần tăng tốc cực đại hay vượt dốc thì hai động cơ vận hành đ bộ. Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe tăng tốc cực đại hoặc leo dốc. Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc quy. Không giống như các phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ HEVs không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy khi cần thiết.

Các chế độ làm việc của hệ thống Hybrid : - Động cơ đốt trong một mình truyền năng lượng để đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng trong vùng tối ưu của động cơ đốt trong. Khi xe đạt đến một tốc độ được xác định từ đặc tính động cơ, động cơ sẽ được khởi động và khi động được số vòng quay ở vùng tối ưu thì động cơ điện sẽ tắt và xe được chạy ho bằng động cơ đốt trong. - Động cơ điện một mình truyền năng lượng để đẩy xe chạy.

Chế độ này được sử dụng khi xe chạy ở chế độ khởi hành, vận hành xe ở tốc độ thấp, hay địa hình -10- hạn chế phát thải ô nhiễm. Do đặc tính của động cơ điện có mômen lớn ở số vòn quay thấp nên tận dụng được mômen. Khi ở số vòng quay thấp động cơ đốt trong mức tiêu thụ nhiên liệu lớn do đó sử dụng động cơ điện sẽ tiết kiệm nhiên liê không phát sinh phát thải độc hại. - Cả hai động cơ đốt trong và điện truyền năng lượng để đẩy xe chạy.

Chế độ này được sử dụng trong quá trình tăng tốc hay leo dốc. Khi xe tăng tốc đến tốc độ mà động cơ đốt trong vượt ra khỏi dải tối ưu thì động cơ điện lại được khởi đô sung năng lượng giúp đẩy xe. Công suất hai động cơ được kết nối đẩy xe tăng tô cực đại hay cần mômen để vượt dốc. - Ắc quy thu năng lượng từ tải (phanh tái sinh).

Trong quá trình phanh năng lượng được thu hồi và lưu tại pin để tái sử dụng sau thông qua một động cơ điện. Năng lượng sinh ra khi phanh trên xe thông thường chuyển hóa thành nhiệt năng, còn trên xe hybrid hệ thống phanh được cải tiến để thu hồi năng lượng chuyể thành điện năng nạp điện cho ắc quy. - Ắc quy thu năng lượng từ động cơ đốt trong. Chế độ mà động cơ đốt trong nạp năng lượng cho pin khi xe dừng lại lúc đó không có năng lượng đi tới tải hoặc khi ắc quy cần nạp điện.

Khi xe dừng lại động cơ đốt trong có thể được tắt, nh nếu ắc quy cần nạp điện thì năng lượng từ động cơ không truyền tới bánh xe truyền qua động cơ điện để nạp cho ắc quy. - Ắc quy thu năng lượng từ động cơ đốt trong và từ tải đồng thời. Khi xe xuống dốc, năng lượng từ động cơ tới động cơ điện do không có cản, lúc này lư cản quán tính sẽ âm. Năng lượng do lực này sinh ra sẽ cấp điện nạp cho ắc quy.

- Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới tải và ắc quy đồng thời. Khi ắc quy cần nạp điện (sắp hết điện), dòng năng lượng từ động cơ chia thành hai dòn động cơ điện để nạp cho ắc quy và tới bánh xe chủ động. - Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới ắc quy và động cơ điện nhận năng lượng từ ắc quy truyền tới tải. - 11 - - Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới tải và tải truyền năng lượng tới ắc quy thông qua động cơ điện.

Các bộ phần chính trên xe hybrid - Động cơ đốt trong : là nguồn động lực chính trong động cơ hybrid; có thể sử dụng động cơ xăng; động cơ diesel, động cơ hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu. - Động cơ điện : là nguồn năng lượng bổ sung .Động cơ điện nhận năng lượng điện từ ắc quy và chuyển thành năng lượng cơ khí dẫn động bánh xe ,nhận năng lượng cơ khí từ động cơ đốt trong hay phanh tái sinh và chuyển năng lượng điện để nạp cho ắc quy. Ưu điểm của động cơ điện là cho mô-men lớn ở số vòng quay nhỏ, hoạt động êm, hiệu suất cao. - Hộp số : truyền và biến đổi mômen ,tốc độ giữa 2 nguồn động lực .Với ô tô hybrid có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau.

Bốn loại hộp số thường dùng là: hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp số tay, hộp số tự động thông thường với bộ chuyển đổi mô-men. - Ắc quy: là một thành phần quan trọng của động cơ hybrid, đảm bảo các yêu cầu như tạo dòng lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh, độ bền cao. Hiện nay thường sử dụng ắc quy Nickel Metal Hydride thay thế cho ắc quy chì axit thông thường .Với những ưu điểm như : tuổi thọ cao ,trọng lượng nhỏ ,phù hợp cả khi sử dụng ở vùng công suất cao và nhiệt độ thấp ; loại ắc quy này đang được sử dụng rộng rãi trên ôtô điện và hybrid hiện nay .Ngoài ra ,pin Lithinum-ion và Lithinum-polyme cũng có nhiều triển vọng áp dụng trong tương lai. - Bộ phận điều khiển: điều khiển các chế độ hoạt động và sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện.4:Xe hybrid với động cơ xăng và điện .4 giới thiệu các bộ phận chính trên một chiếc xe hybrid hiện nay cũng như bố trí, sắp đặt các bộ phận này trên xe.

Các phương án truyền động của xe Hybrid Tuỳ theo sự phối hợp giữa động cơ nhiệt và động cơ điện mà có bốn dạng hệ thống kết nối sau đây được sử dụng. Kiểu hybrid nối tiếp : Động cơ điện truyền lực đến bánh xe, 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 .