Luận văn Nghiên cứu mô phỏng nguồn động lực xe điện hybrid (hev) kiểu kết hợp bằng phần mềm GT - Suite

ng 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 ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô dùng động cơ lai (hybrid)... Trong số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao. 1.3. Giới thiệu về xe hybrid 1.3.1 Nguồn gốc ra đời của xe hybrid Sự bùng nổ dân số, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghiệp, mức sống con người ngày càng nâng cao làm cho nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn hơn. Theo đánh giá của các chuyên gia môi trường, ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70%. Lưu lượng xe lớn và chất lượng nhiên liệu sử dụng chưa tốt (hàm lượng benzen khoảng 5% so với 1% ở các nước trong khu vực; hàm lượng lưu huỳnh trong 10 diesel chiếm từ 0,5 ÷ 1% so với 0,05% ở các nước trong khu vực) ngoài ra còn nhiều khí thải độc hại khác như: CO, NOx, PM, là những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm [3]. Tiêu thụ xăng dầu là một trong những nguyên nhân phát thải các chất độc hại như CO, hơi xăng dầu (CmHn, VOC), SO2, PM (chất thải rắn), chì, benzen... Phát thải những chất này liên quan chặt chẽ đến chất lượng xăng dầu. Trong cơ cấu tiêu thụ xăng dầu của quốc gia thì giao thông vận tải chiếm tỷ trọng lớn nhất, là nguồn phát thải lớn nhất các chất khí ô nhiễm kể trên. Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí do các phương tiện vận tải gây ra chúng ta phải thực hiện đồng thời nhiều giải pháp, chẳng hạn như: Siết chặt tiêu chuẩn khí phát thải đối với các loại phương tiện lưu thông (từ ngày 01 tháng 7 năm 2007, toàn bộ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ sẽ phải tuân thủ theo tiêu chuẩn EURO II về khí thải) và đối với tất cả các loại ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4 từ 01/01/2018; nâng cao phẩm cấp của nhiên liệu truyền thống bằng cách sử dụng công nghệ hiện đại xử lý sâu trong các nhà máy lọc dầu kết hợp với việc sử dụng động cơ thế hệ mới hoặc sử dụng các loại nhiên liệu “sạch”. Trong đó việc sử dụng xe lai (hybrid) kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong nổi lên như là một sự lựa chọn tối ưu trong thời kỳ mà xe điện vẫn chưa có điều kiện thuận lợi để phát triển. 1.3.2. Định nghĩa về xe hybrid Hybrid nghĩa là lai, xe hybrid (Hybrid Electric Vehicle - HEVs) là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, là một phương tiện giao thông mà được sử dụng bằng hai nguồn năng lượng trở lên. Ví dụ như sự kết hợp giữa: Hệ thống “Chứa năng lượng nạp lại được” (Rechargeabe Energy Storage Systemhay RESS, hoặc cụ thể hơn là Pin nạp lại được) và nguồn nhiên liệu hóa thạch. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng 11 động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau. Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ này (Hybrid Vehicle) thường dùng để nói đến “Phương tiện giao thông ghép” kết hợp năng lượng từ điện và xăng (Petroleum Hybrid Electric Vehicle) hay viết tắt trong tiếng anh là PHEV, và cũng có thể được viết tắt là HEV (Hybrid Electric Vehicle). Theo ngôn ngữ phổ thông tiếng Việt thường dùng ta có thể gọi là “Xe điện xăng”, hay tiếng Anh là hybrid Car. 1.4. So sánh đặc tính tốc độ của động cơ điện và động cơ đốt trong Trên hình 1.6 có thể thấy rằng đặc tính của ĐCĐT khác biệt khá xa so với đặc tính lý tưởng do vậy cần phải dùng hộp số đa cấp hay hộp số tự động để có đặc tính tốt hơn như thể hiện trên hình 1.7 [3], [12], [15]. Điều này làm tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số. Hình 1.6. Đặc tính lực kéo - tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng 12 Hình 1.7. Đặc tính lực kéo - tốc độ với hộp số tự động của một xe Trên hình 1.8 ta có thể thấy động cơ đốt trong làm việc tối ưu trong một vùng tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600 [v/ph] tới 3400 [v/ph] với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 255 [g/kW.h] [12], [15] Hình 1.8. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng Đối với mô-tơ điện, đặc tính được thể hiện trên hình 1.9. Có thể thấy rằng mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng. Thông thường mô-tơ điện khởi động từ tốc độ bằng 0. Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theo trong khi dòng không đổi. Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp 13 không đổi còn dòng thì yếu đi. Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi mô-men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ. Do đó một hệ dẫn động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo yêu cầu của xe [12], [15]. Hình 1.9. Đặc tính của một mô-tơ điện Trên hình 1.10 cho thấy sự so sánh cụ thể của một mô-tơ điện và một động cơ đốt trong. Để có đặc tính sát với lý tưởng thì động cơ đốt trong cần hộp số 4 cấp còn mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp. Ngoài vai trò giúp cho động cơ đốt trong có thể hoạt động ở vùng tối ưu, mô-tơ điện trong xe hybrid có một vai trò quan trọng thứ hai là nó có thể thu hồi lại năng lượng (động năng) cho xe để nạp lại vào ắc quy trong quá trình xe giảm tốc hay phanh, chức năng “phanh tái sinh” [12], [15]. 14 Hình 1.10. Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp 1.5. Xu hướng phát triển xe hybrid Xe hybrid đã được nghiên cứu từ rất sớm. Chiếc xe hybrid được trưng bày đầu tiên tại một salon ở Paris vào năm 1899. Nó được chế tạo bởi H.Pieper. Các xe hybrid đầu tiên được thiết kế chỉ nhằm mục đích hỗ trợ về công suất, tốc độ của những động cơ đốt trong còn yếu lúc bấy giờ. Chúng được chế tạo với những công nghệ điện cơ bản, đã có những sáng tạo lớn trong những thiết kế đó, nhưng những chiếc xe hybrid đầu tiên này đã không thể cạnh tranh với những động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống được cải tiến một cách mạnh mẽ. Khái niệm xe hybrid được quan tâm nhất trong suốt những năm 1990 khi nó trở nên sạch và hiệu quả hơn so với các phương tiện dùng động cơ đốt trong thông thường. Việc nghiên cứu và phát triển xe hybrid 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 xe sinh thái. 15 Nỗ lực đáng kể nhất trong phát triển và thương mại hóa xe hybrid được thực hiện bởi các hãng sản xuất xe của Nhật Bản. Năm 1997, hãng Toyota đã giới thiệu mẫu sedan Prius ở Nhật. Hãng Honda cũng đã giới thiệu mẫu hybrid của mình là Insight và Civic. Những chiếc xe này bây giờ đã có mặt khắp nơi trên thế giới. Chúng đã đạt được mức tiêu hao nhiên liệu tuyệt vời. Toyota Prius và Honda Insight được xem là những chiếc xe hybrid có giá trị lịch sử, vì chúng là những chiếc hybrid đầu tiên được thương mại hóa rộng rãi trên thế giới trong kỷ nguyên hiện đại và đã trả lời được câu hỏi về vấn đề tiết kiệm tiêu hao nhiên liệu cho các phương tiện cá nhân. Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, xe hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất xe trên thế giới. Ngày càng có nhiều mẫu xe hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại xe này. Dự báo cuối năm 2016 các phương tiện vận tải xe hybrid sẽ có thị phần tăng mạnh ở Mỹ do giá xăng dầu ngày càng leo thang, các nhà nghiên cứu dự đoán các xe hơi sử dụng động cơ thân thiện với môi trường này sẽ chiếm phần lớn các thị trường và liên tục tăng qua các năm. Điều đó đã khẳng định xu thế phát triển mạnh mẽ của xe hybrid trong mục tiêu tiến tới xe sinh thái của nhân loại. 1.5.1. Giới thiệu một số mẫu xe hybrid Có rất nhiều mẫu xe của các hãng sản xuất trên thế giới sử dụng công nghệ lai Hybrid như: Toyota Prius, Camry Hybrid, Honda Civic hybrid, Honda Insigh, Huyndai Sotana Hybrid, Nissan Altima Hybrid, Ford Escape Hybrid, Saturn Vue Green Line Dưới đây giới thiệu một số mẫu xe hybrid tiết kiệm nhiên liệu và ăn khách nhất thế giới. - Toyota Prius Toyota tuyên bố doanh số mẫu Prius trên thị trường toàn cầu đã vượt mốc 2 triệu chiếc. Đây là một trong những dòng xe bán chạy nhất của Toyota 16 tại 70 quốc gia trên thế giới, đặc biệt là ở Nhật Bản và Bắc Mỹ. Tính đến thời điểm cuối tháng 9/2010, tổng số xe Prius tiêu thụ được đã đạt mức 2.012.000 chiếc. Toyota bắt đầu phân phối Prius tại Nhật Bản vào năm 1997, tiếp đến là châu Âu, Bắc Mỹ và hơn 200 quốc gia khác. Thế hệ Prius thứ 2 trình làng vào năm 2003, đến năm 2009, Toyota giới thiệu Prius thế hệ thứ 3. Ngoài ra theo Cơ quan bảo vệ môi trường và Bộ Năng lượng Mỹ, công bố bảng xếp hạng tiêu thụ nhiên liệu (Fuel Economy Guide) của các xe phiên bản 2011. Theo đó, tại Mỹ, Toyota Prius 2011 vẫn đứng đầu bảng về độ tiết kiệm nhiên liệu, với mức tiêu thụ 4,6 lít/100km đường thành phố và 4,9 lít/100km đường cao tốc. Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) là được coi là đơn vị đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô đáng tin cậy nhất, có giá trị tham khảo rất cao đối với người mua xe không chỉ tại Mỹ mà còn ở nhiều nước khác. - Honda Civic Hybrid Honda Civic Hybrid là một mẫu xe hybrid có hình dáng đẹp và tiết kiệm nhiên liệu và bán chạy chỉ đứng sau Toyota Prius. Civic Hybrid và Toyota Prius cùng kết hợp giữa hai động cơ xăng và động cơ điện. Tuy nhiên, nếu Prius có thể ngừng động cơ xăng và chỉ vận hành bằng động cơ điện thì Civic Hybrid lại không làm được điều này. Vấn đề này đã được Honda khắc phục thông qua công nghệ điều khiển van biến thiên iVTEC và đây thực sự là giải pháp không thể tốt hơn. Khi cần thiết, i-VTEC đóng toàn bộ các van, ngăn không cho nhiên liệu vào xi-lanh. Do đó, động cơ xăng của Civic vẫn chạy, trục khuỷu và piston vận hành lên-xuống bình thường nhưng không tiêu hao nhiên liệu. Dưới đây là quá trình vận hành của hệ thống hybrid ở các chế độ: + Khi xe trong chế độ nghỉ: Động cơ tắt và mức tiêu hao nhiên liệu là không; + Khởi động và tăng tốc: Động cơ hoạt động ở chế độ đóng mở van vòng tua thấp, có mô tơ trợ giúp; 17 + Khi xe tăng tốc nhanh: Động cơ hoạt động, van điều chỉnh tốc độ cao, có mô tơ trợ giúp; + Khi xe vận hành với tốc độ thấp: Xu páp của cả 4 xi lanh trong động cơ sẽ được đóng lại, quá trình đốt cháy tạm dừng. Lúc này mô tơ điện đảm nhiêm vai trò vận hành chính; + Khi xe tăng tốc nhẹ nhàng và chạy với tốc độ cao: Xe được vận hành nhờ động cơ hoạt động trong điều kiện xu páp điều chỉnh ở tốc độ thấp; + Giảm tốc: Xu páp của 4 xi lanh trong động cơ bị đóng kín, quá trình cháy tạm ngưng. Mô tơ thu hồi tối đa năng lượng giải phóng nhờ quá trình giảm tốc để nạp điện cho ắc quy. 1.5.2. Ưu, nhược điểm của xe hybrid  Ưu điểm của xe hybrid 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. Tùy thuộc vào điều kiện địa hình, xe hybrid sẽ sử dụng hai nguồn năng lượng theo các cách khác nhau để tạo nên sự vận hành mạnh mẽ mà vẫn đạt hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu tối ưu. Tổ hợp động cơ hybrid có những ưu điểm sau: + Tận dụng năng lượng khi phanh: khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ, động cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện nạp cho ắc quy. + Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa). + Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ nên động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn. + Có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của ôtô. 18 + Ô tô hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian. + Tiết kiệm năng lượng trên đường trường: khi vận hành ô tô hybrid trên đường trường, nguồn động lực chính lại là động cơ đốt trong bởi vì động cơ đốt trong đạt hiệu suất cao hơn khi chạy đường dài và công suất mạnh hơn động cơ điện. Cách thiết kế này giúp ô tô hybrid đạt được gia tốc mạnh và vận tốc cao tương tự như các loại ô tô truyền thống khác. + Thu hồi năng lượng: ngoài tiết kiệm năng lượng trong quá trình chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, ô tô hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi lượng năng lượng bị hao phí qua quá trình vận hành. Đối với ô tô thông thường khi được hãm lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng cơ cấu phanh. + Ô tô hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn ô tô chạy xăng bình thường bởi vì động cơ điện có hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ xăng. Động cơ điện thường tiết kiệm hơn 100% so với động cơ xăng truyền thống.  Nhược điểm của xe hybrid Khuyết điểm chính của công nghệ hybrid là hệ thống nạp pin ắc quy (Rechargable Battery). Giá thành của mỗi bộ pin này rất đắt là một điều đáng ngại đối với người dùng, nhất là những người dùng ô tô hybrid cũ. Tuy nhiên, các nhà sản xuất đã vẫn đang nghiên cứu và phát triển nhiều giải pháp cho vấn đề này như: tái chế pin cũ, phát triển kỹ thuật pin mới, nâng cao tuổi thọ của pin v.v... hứa hẹn mang lại nhiều cải tiến mới, giảm giá thành sản phẩm, đưa kỹ thuật hybrid đến với nhiều tầng lớp người dân có thu nhập thấp trong xã hội nhằm mục đích thay thế dần những phương tiện giao thông cũ, giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường. 19 1.6. Kết luận chương 1 Qua nghiên cứu tổng quan ở trên có thể rút ra một số kết luận như sau: + Xe hybrid là bước trung gian trong tiến trình tiến tới sử dụng phương tiện có mức phát thải bằng 0, đó chính là ô tô điện. + Xe hybrid là có ưu điểm nổi bật là tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện môi trường, vận hành mạnh mẽ và yên tĩnh. + Ô tô sạch không gây ô nhiễm 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, một trong những giải pháp đó là xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao. 20 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHỐI HỢP NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO XE HYBRID 2.1. Các thuật ngữ thường dùng trên xe hybrid  Mô-tơ điện (hay còn gọi là động cơ điện): là một bộ phận rất quan trọng, nó đóng nhiều vai trò trong một chiếc xe Hybrid như hỗ trợ động cơ xăng khi chiếc xe cần tăng tốc nhanh, đóng vai trò như một máy phát điện, giúp chuyển đổi năng lượng từ động cơ xăng và hệ thống tái tạo năng lượng phanh thành điện năng tích trữ trong bộ pin... Ngoài ra, động cơ điện còn có thể giúp khởi động động cơ xăng một cách tức thì trong trường hợp cần thiết. Một vài mẫu xe Hybrid có đến 2 hay thậm chí có thể là 3 động cơ điện.  Chức năng khởi động/dừng tự động (Automatic Star/Stop): là bộ phận được trang bị trên hầu hết các mẫu xe Hybrid, nó có chức năng ngắt động cơ xăng mỗi khi xe dừng lại (ví dụ như khi dừng đèn đỏ) và khởi động lại động cơ mỗi khi xe cần di chuyển (ví dụ như khi đèn xanh bật lên) một cách hoàn toàn tự động, tương tự như hệ thống “Idling Stop” trên các loại xe máy của Honda hiện tại. Chức năng này tỏ ra rất hiệu quả khi chiếc xe phải di chuyển nhiều trong thành phố, lý do là lượng nhiên liệu lãng phí khi động cơ phải chạy không tải được cắt giảm hoàn toàn.  Hệ thống tái tạo năng lượng phanh (Regenerative Braking): Một chức năng quan trọng của mô-tơ điện là tạo ra dòng điện để sạc lại cho bộ pin của xe. Ngoài việc chuyển đổi động năng từ động cơ xăng, mô-tơ điện còn hấp thụ một phần lực quán tính mỗi khi xe đang giảm tốc hoặc "thả dốc" và chuyển đổi thành dòng điện tích trữ trong bộ pin của xe. Thông thường thì những xe chạy xăng hay diesel đơn thuần đều không tận dụng được nguồn năng lượng này và nó được chuyển đổi thành một dạng năng lượng vô ích (thậm chí là có hại) khác, đó chính là nhiệt năng tỏa ra trên hệ thống phanh. 21  Chức năng vận hành thuần điện (Electric Drive): Động cơ điện còn có một chức năng quan trọng khác, đó chính là hỗ trợ động cơ xăng trong những tình huống cần bổ sung thêm năng lượng như tăng tốc, vượt xe hay leo đèo Ngoài ra trong một số trường hợp, động cơ điện còn đảm nhiệm luôn nhiệm vụ của động cơ xăng. Ví dụ như khi đi trong thành phố với tốc độ thấp, một mình động cơ điện sẽ cung cấp lực kéo, đến khi bộ pin gần cạn thì động cơ xăng sẽ được khởi động để cung cấp lực kéo cho ô tô, đồng thời tạo ra năng lượng sạc lại cho bộ pin.v.v... Cứ thế, cả hai bộ phận được hoán đổi nhiệm vụ cho nhau một cách linh hoạt và tạo ra hiệu quả cao trong việc sử dụng nhiên liệu. 2.2. Các phương pháp phối hợp nguồn động lực hybrid 2.2.1. Phương pháp phối hợp nối tiếp Khi động cơ (engine) hoạt động, nó truyền năng lượng cho một máy phát điện. Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc bình ắc quy và một sẽ chạy một mô-tơ điện (motor), bộ phận sẽ truyền năng lượng tới các trục xe. Đó được gọi là hệ thống nối tiếp vì năng lượng truyền theo một quá trình liên tục (hay nói cách khác, hoạt động của động cơ và của mô-tơ điện tiến hành lần lượt). Một hệ thống hybrid nối tiếp gồm có hai mô-tơ, một chính là mô-tơ điện và một là máy phát điện có cấu trúc tương tự. Trong sơ đồ nối tiếp, động cơ đốt trong (động cơ xăng, động cơ diesel hoặc pin nhiên liệu) kéo máy phát cung cấp điện cho ắc quy và động cơ điện, ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn động lực và bánh xe. Năng lượng được chuyển đổi từ hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng làm quay rô- to của máy phát tạo ra điện năng và từ điện năng lại chuyển sang cơ năng làm quay bánh xe [3], [12], [15]. 22 Hình 2.1. Kiểu nối tiếp Ưu điểm của sơ đồ này là: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường, động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ô tô. Đối với loại này có thể không cần hộp số. Tuy nhiên, hệ thống ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như: Kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với hệ thống ghép song song; động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ tải nặng để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị quá tải. 2.2.2. Phương pháp phối hợp song song Trong hệ thống song song, cả động cơ và mô-tơ điện cùng truyền lực tới các trục bánh xe, mức độ tùy theo các điều kiện khác nhau. Đó được gọi là hệ thống song song vì dòng năng lượng tới các bánh đi song song. Hệ thống này chỉ có một mô-tơ điện, do vậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe, vừa nạp điện vào bình ắc quy. Khi nào mô-tơ làm nhiệm vụ của một máy phát điện, dòng điện từ ắc quy sẽ thay thế vai trò của mô-tơ điện. Đối với loại hệ thống này, cả hai nguồn động lực (điện và xăng) đều được kết nối trực tiếp vào bánh xe và có thể truyền động lực một cách độc lập hoặc đồng thời. Nói một cách đơn giản là bánh xe có thể được dẫn động một cách riêng biệt bằng động cơ điện hoặc động cơ xăng, hoặc cả hai. Động cơ điện có 23 hai chức năng chính. Chức năng thứ nhất là chuyển hóa điện năng được cung cấp từ ắc quy thành cơ năng. Chức năng thứ hai là chuyển hóa ngược lại từ cơ năng thành điện năng để nạp lại cho ắc quy. Hầu hết các hãng sản xuất ô tô hybrid hiện nay đều thiết kế theo cách này vì có thể tận dụng cả hai nguồn năng lượng một cách hiệu quả nhất. Trong sơ đồ này, ngoài sự liên hệ cơ khí trực tiếp giữa động cơ đốt trong và bánh xe như ô tô thông thường còn có thêm động cơ điện truyền động đến bánh xe. Khi ô tô chạy trên xa lộ, nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốt trong, động cơ điện sẽ dùng khi gia tốc ô tô còn khi chạy trong thành phố nguồn dẫn động chủ yếu là động cơ điện. Sơ đồ này có ưu điểm là: Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, không cần dùng máy phát riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán, lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian. Động cơ điện được sử dụng ở đây là loại đặc biệt có tính năng lưỡng dụng, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy, cung cấp năng lượng trong trường hợp xe cần gia tốc hoặc lên dốc [3], [12], [15]. Hình 2.2. Kiểu song song 2.2.3. Phương pháp phối hợp nối tiếp - song song Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa năng lượng có ích được sinh ra. Nó có hai mô-tơ và tùy từng điều 24 kiện khác nhau mà xe lắp hệ thống kết hợp sẽ sử dụng đồng thời cả mô-tơ điện và động cơ hay chỉ sử dụng năng lượng nguồn điện để thu được hiệu quả cao nhất. Thậm chí, khi cần thiết, hệ thống này vừa vận hành các trục bánh xe trong khi vẫn có thể nạp điện vào máy phát. Hệ thống này tận dụng được ưu điểm của 2 hệ thống kể trên, nhưng có nhiều bộ phận hơn và chế tạo lắp đặt khó khăn hơn [3], [12], [15]. Hình 2.3. Kiểu kết hợp 2.3. Các chế độ làm việc của xe hybrid 2.3.1. Chế độ chạy tăng tốc nhẹ Ở chế độ tăng tốc nhẹ với điều kiện tình trạng ắc quy là bình thường thì chỉ có động cơ điện hoạt động và làm xe di chuyển với tốc độ thấp hoặc khi xe bắt đầu di chuyển. Ắc quy cung cấp điện cho động cơ điện hoạt động. 2.3.2. Chế độ chạy ổn định Ở chế độ chạy ổn định chỉ có động cơ đốt trong hoạt động trong tình trạng tối ưu cung cấp nguồn động lực cho xe. Động cơ đốt trong là bộ phận cung cấp nguồn động lực chính cho xe hoạt động. Do đó, đây là chế độ hoạt động chính của xe khi xe chạy ở tốc độ ổn định. Ắc quy ở trạng thái nghỉ. 2.3.3. Chế độ tăng tốc và leo dốc Trong trường hợp điều kiện lái yêu cầu mô men dẫn động cao hơn khi xe chỉ chạy với động cơ đốt trong như khi tăng tốc tối đa hoặc khi leo dốc thì 25 ắc quy sẽ cung cấp điện cho động cơ điện nhằm làm tăng thêm công suất hỗ trợ cho động cơ đốt trong bảo đảm cho động cơ đốt trong hoạt động tối ưu. 2.3.4. Chế độ nạp ắc quy khi xe chuyển động Ở chế độ này, lợi dụng quán tính của quá trình giảm tốc độ hoặc quá trình phanh để biến động năng thành điện năng nạp cho ắc quy thông qua động cơ điện. Dòng điện do động cơ điện sinh ra là dòng xoay chiều AC sẽ đi qua bộ chuyển đổi điện và được chuyển thành dòng một chiều trước khi nạp cho ắc quy. 2.3.5. Chế độ nạp ắc quy khi xe đứng yên Chế độ này, khi mức năng lượng của ắc quy xuống thấp dưới mức cho phép thì động cơ đốt trong sẽ chạy ở chế độ không tải khi xe đang đứng yên làm quay máy khởi động (lúc này đóng vai trò như máy phát điện) để tạo ra dòng điện nạp cho ắc quy. 26 2.4. Đường truyền công suất ở các chế độ làm việc 2.4.1. Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai trong sơ đồ nguồn động lực kiểu kết hợp Hình 2.4. Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai 1. Động cơ nhiệt; 2. Bình chứa nhiên liệu; 3. Bộ kết hợp công suất; 4. Bánh xe; 5. Hộp phân phối; 6. Động cơ điện; 7. Bộ điều khiển tốc độ động cơ điện; 8. Bộ nguồn ắc quy; 9. Trục thứ cấp; 10. Bánh răng trung tâm; 11. Bánh răng hành tinh; 12. Bánh răng bao. + 1: Vận tốc góc động cơ nhiệt; + 2: Vận tốc góc động cơ điện; + 3: Vận tốc góc trục thứ cấp bộ kết hợp công suất; + L1: Ly hợp động cơ nhiệt; + L2: Ly hợp động cơ điện; + Z1: Số bánh răng trung tâm; + Z2: Số bánh răng bao; + Z3: Số bánh răng hành tinh. Sơ đồ bố trí tổng thể hai nguồn động cơ nhiệt và động cơ điện cùng với bộ truyền kết hợp công suất có thể chỉ ra trên hình 2.4, động cơ nhiệt thông qua ly hợp L1 (ở trạng thái đóng) để truyền công suất đến bộ truyền kết hợp (3). Còn động cơ điện thông qua ly hợp L2 (ở trạng thái đóng), qua bộ giảm tốc (Z1/Z2) rồi mới truyền công suất đến bộ truyền kết hợp (3). Như vậy, động cơ 27 điện có tốc độ cao hơn động cơ nhiệt mặc dầu công suất có thể bằng hoặc khác nhau. 2.4.2. Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ nhiệt Hình 2.5. Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi chỉ truyền công suất của động cơ nhiệt Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ nhiệt, ly hợp L1 đóng, L2 mở, mô men được truyền từ động cơ nhiệt đến L1 các bánh răng hành tinh truyền đến trục thứ cấp của hộp vi sai, truyền đến hộp phân phối (5) và đến bánh xe (4). Sơ đồ bố trí và đường truyền công suất như hình 2.5. Đường truyền mô men là đường đen đậm. 28 2.4.3. Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ điện Hình 2.6. Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi chỉ truyền công suất của động cơ điện Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ điện, ly hợp L1 mở, L2 đóng, mô men được truyền từ động cơ điện đến L2 đến bánh răng trung tâm qua các bánh rang hành tinh truyền đến trục thứ cấp của hộp vi sai, truyền đến hộp phân phối (5) và đến bánh xe (4). Sơ đồ bố trí và đường truyền công suất như hình 2.6. Đường truyền mô men là đường đen đậm. 2.4.4. Khi truyền công suất bằng 2 nguồn công suất Hình 2.7. Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai khi truyền công suất bằng cả 2 nguồn 29 Khi truyền bằng 2 nguồn công suất, ly hợp L1 đóng, L2 đóng, mô men được truyề