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 Electric Vehicles, 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 Plugin Hybrid Electric Vehicles, 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 sạch.
Năng lượng điện được cấp từ ắc quy, và có thể tái sinh được thông qua quá trình phanh hay khi xe xuống dốc, hoặc được nạp từ lưới điện bên ngoài .Hệ truyền động điện ít tổn hao và hiệu suất cũng cao. HHV là viết tắt của Hybrid Hydraulic Vehicles, 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 hệ 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 gồm hệ thống common rail điều khiển điện tử, xử lý khí thải trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Nhiên liệu trên ôtô ngày nay còn được thay thế bằng nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, hay dung đồng thời (dual fuel). Sử dụng pin nhiên liệu – pin hydrogen : là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp 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 vòng quay động cơ thấp, mômen nhỏ không đáp ứng được điều kiện cản, do đó xe ôtô thông thường cần phải có hộp số. Hơn nữa, đặc tính mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ cho thấy chỉ có một vùng động cơ hoạt động tối ưu với mômen lớn và mức tiêu thụ nhiên liệu nhỏ.
Xe hybrid giải quyết được vấn đề này, bộ điều khiển sẽ quyết định trạng thái hoạt động của động cơ để điều chỉnh dải làm việc của động cơ trong vùng tối ưu của nó.2 là đặc tính kinh tế nhiên liệu của động cơ CR12DE ,của xe Nissan Cube. Đặc tính thể hiện được đường công suất ngoài và đường mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ thu được qua băng thử. Từ công suất ngoài và mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ, ta xác định được đường kinh tế nhiên liệu của xe (đường nét gạnh trên H1. Trên đường này ta có công suất của động cơ lớn và mức tiêu thụ nhiên liệu nhỏ, khi động cơ hoạt động trong vùng này sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và có lượng 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 đồng 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 đã được xác định từ đặc tính động cơ, động cơ sẽ được khởi động và khi động cơ đạt được số vòng quay ở vùng tối ưu thì động cơ điện sẽ tắt và xe được chạy hoàn toàn 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 vòng quay thấp nên tận dụng được mômen. Khi ở số vòng quay thấp động cơ đốt trong có mức tiêu thụ nhiên liệu lớn do đó sử dụng động cơ điện sẽ tiết kiệm nhiên liệu ,và 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 động bổ sung năng lượng giúp đẩy xe. Công suất hai động cơ được kết nối đẩy xe tăng tốc 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 chuyển 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, nhưng nếu ắc quy cần nạp điện thì năng lượng từ động cơ không truyền tới bánh xe mà 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 lực 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 dòng tới 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.