1
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE LAI CHẠY BẰNG XĂNG VÀ ĐIỆN
Ngô Thanh Bình, Lê Văn Điệp
e – Mail:
[email protected]
Tóm tắt: Bài báo này trình bày thiết kế và thi công hệ thống xe Lai chạy bằng xăng và điện, xe có thể chạy
độc lập ở chế độ xăng,chế độ điện hay cả xăng và điện cùng lúc. Có hệ thống tự sạc điện cho ắc quy khi
xe đang vận hành. Kết quả đạt được trong dải vận tốc từ 30-40Km/h chế độ xăng đạt 55Km/l, chế độ điện
đạt 20Km/lần sạc, kết hợp xăng điện đạt 80Km/l. Xe có thể áp dụng trong hệ thống giao thông hay các
cụm khu công nghiệp, khu du lịch sinh thái.
Keyword: Xe điện, xe hybrid
1.
Giới thiệu
Hiện nay trước nguy cơ nguồn năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt, bên cạnh đó
lượng khí thải thải ra từ phương tiện giao thông ngày càng gia tăng gây ô nhiễm nặng nề tới
môi trường. Chính vì vậy nên việc nghiên cứu phương tiện giao thông có khả năng tiết kiệm
năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp bách. Xe Lai là một trong những
giải pháp tối ưu có thể giải quyết được vấn đề trên.
Alessandro Laio và các công sự đã nghiên cứu và ứng dụng phương pháp QM/MM(Quantum
Mechanics/Molecular Mechanics)trong thiết kế một kiểu xe Lai song song(năm 1899 tại
Pháp)với một động cơ xăng làm mát bằng gió kết hợp với một động cơ điện dùng năng lượng ắc
quy [5].
Bộ điều khiển trung tâm sẽ quyết định khi nào thì động cơ điện hoạt động độc lập, khi nào thì
động cơ xăng hoạt động độc lập, khi nào thì vận hành kết hợp đồng bộ giữa hai động cơ và khi
nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng. Khi công suất dẫn động yêu cầu cao hơn(lên dốc, tăng
tốc…) thì động cơ điện sẽ phối hợp cung cấp thêm công suất cho động cơ xăng hoặc ngược lại
2. Thiết kế hệ thống
Hệ thống xe Lai được thiết kế và chế tạo đảm bảo hoạt động an toàn ổn định trên đường, đáp ứng
đầy đủ các yêu cầu về kỹ thuật và tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu khí thải ra môi trường.
Nguyên lý hoạt động hệ thống xe Lai
Chế độ xăng:Ở chế độ bình thường, bộ điều khiển trung tâm điều khiển hoạt động của động
cơ xăng thông qua các cảm biến đặt tại chân ga. Nó sẽ kéo xe chuyển động qua bộ truyền động
kết hợp trung gian với nhông đơn hướng và tỷ số truyền. Khi đó động cơ điện đứng yên, nó
không chịu ảnh hưởng từ động cơ xăng. Trong trường hợp này động cơ điện chỉ hoạt động hỗ trợ
khi xe tăng tốc, khởi động và bổ sung công suất để xe hoạt động ở vận tốc tối ưu nhất.
Chế độ điện:Ở chế độ bình thường, ắc quy nạp năng lượng cho động cơ điện hoạt động
thông qua bộ điều khiển bằng chân ga, công suất điện kéo bánh xe chủ động làm xe chuyển động
thông qua bộ truyền động kết hợp trung gian với xích đơn hướng và tỷ số truyền là 2.77. Lúc này
động cơ xăng không hoạt động. Ta có thể vận hành động cơ xăng ở chế độ cầm chừng để nạp
thêm năng lượng điện cho ắc quy.
Chế độ kết hợp xăng và điện: Trong chế độ này, hệ thống kết hợp máy điện và xăng cùng
truyền lực đến bộ truyền động kết hợp trung gian thông qua tỷ số truyền từng cơ cấu và hệ thống
nhông xích đơn hướng, nhằm tăng công có ích của cả hai động cơ sử dụng hệ thống nhông xích
đơn hướng để tránh hiện tượng cản trở công suất lẫn nhau của hai nguồn động cơ dẫn động nhằm
đạt được hiệu suất cao nhất khi vận hành xe. Tuy nhiên, sự kết hợp này thường chỉ xảy ra khi xe
đã đạt vận tốc trung bình. Kết quả của quá trình kết hợp này đạt khá cao.
2
Bộ điều khiển trung tâm
Acquy
Bộ điều
khiển
Mạch
sạc
Xăng
Động cơ
nhiệt
MPĐ
Bộ chia
công suất
Động cơ
điện
Truyền động
kết hợp
Bánh
xe
Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống xe Lai
2.1 Hệ thống khung gầm
Trên thực tế có rất nhiều loại khung gầm như: khung hình thang, khung hình ống rỗng, khung
liền khối. Khung là phần rất quan trọng của xe, nó là nơi để gá đỡ tất cả các cơ cấu của xe và chịu
lực rất lớn khi xe di chuyển. Do đó nhóm tác giả đã chọn hệ thống khung gầm hình ống rỗng.
Đặc điểm của khung loại này là rắn chắc từ mọi phía, dễ dàng lắp đặt các bộ phận của xe, nó còn
chịu được lực xoắn cao.
Hình 2: Khung xe
2.2 Hệ thống treo
Hệ thống treo dùng để nối đàn hồi khung hoặc vỏ của xe với hệ thống chuyển động. Nhiệm vụ
chủ yếu của hệ thống treo là giảm các va đập làm xe chuyển động êm dịu khi đi qua các mặt
đường gồ ghề không bằng phẳng[2].
Trong hệ thống treo, bộ phận dẫn hướng xác định tính chất chuyển động tương đối của bánh,
truyền lực dọc, ngang và mô-men tác dụng ngược từ bánh lên khung. Các thiết kế ngày nay đều
cho phép bánh dịch chuyển lên xuống theo phương thẳng đứng. Nếu như hệ thống treo độc lập
cho phép bánh phản ứng độc lập với điều kiện mặt đường thì treo phụ thuộc lại tạo ra sự tương
tác giữa 2 bánh trên cùng một cầu để chống xoắn thân.
3
Hình 3: Hệ thống treo
2.3 Hệ thống phanh
Hệ thống phanh có vai trò giúp chiếc xe giảm tốc độ và dừng lại một cách an toàn. Hệ thống
phanh cho xe hiện nay được chia làm hai loại: phanh tang trống và phanh đĩa.
Với các tính năng của hai loại phanh trên, cùng với thiết kế của xe Lai gồm hai bánh trước và một
bánh sau. Nhóm tác giả đã sử dụng phanh đĩa cho hai bánh trước và phanh tang trống cho bánh
sau.
Hình 4: Hệ thống phanh đĩa
2.4 Hệ thống lái
Hệ thống lái dùng để điều khiển hướng chuyển động của xe, đối với hệ thống xe Lai nhóm tác giả
đã sử dụng hệ thống lái hai bánh trước, có trợ lực. Với hệ thống lái này cho phép người lái điều
khiển xe thông qua vô lăng một cách dễ dàng trên một đơn vị diện tích mặt đường nhỏ, đã đáp
ứng được phần lớn các yêu cầu của hệ thống lái. Hai bánh xe dẫn hướng sẽ tự động quay về trạng
thái chuyển động thẳng chỉ cần tác dụng một lực nhỏ.
Hình 5: Bản vẽ hệ thống lái
Khi muốn quay xe sang trái hoặc phải thì người lái phải xoay vành tay lái sang trái hoặc phải, vô
lăng truyền chuyển động đến trục lái điều khiển hướng cho đầu vào của hộp số lái bằng khớp các
4
đăng. Đầu ra của hộp số lái được nối với thanh chuyển động ngang làm cho hai bánh xe dẫn
hướng quay sang trái hoặc phải.
2.5 Biên dạng thân xe
Biên dạng thân xe là phần bao quát bề ngoài xe, có tác dụng chắn gió, che mưa và che nắng nó
được thiết kế dựa trên những nguyên tắc của khí động học nhằm giảm tối đa ma sát có thể gây ra
cản trở đến vận tốc của xe, biên dạng xe thường chiếm thể tích lớn, trọng lượng cao chính vì vậy
việc chọn vật liệu để làm biên dạng thân xe được tính toán kỹ lưỡng.
Chính từ những lí do nêu trên nhóm tác giả đã phân tích vật liệu làm biên dạng thân xe để có thể
đáp ứng được tối ưu nhất về độ cứng, trọng lượng nhẹ, đảm bảo được tính thẩm mỹ, tính kinh tế
cao mà không ảnh hưởng đến tốc độ cũng như tiêu hao năng lượng của toàn xe. Composite là vật
liệu đáp ứng được tất cả những yêu cầu trên.
Hình 6: Biểu đồ phân tích vật liệu làm thân xe
Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích
tạo ra vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu Composite được cấu
tạo từ nhiều thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết
và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần Composite liên kết, làm việc hài hòa với nhau trên
nhiều khuôn mẫu, nó có các ưu điểm[4]:
Khối lượng nhỏ
Có độ cứng cao
Có độ bền cao
Dễ dàng gia công
Đặc biệt có chi phí gia công thấp
Hình 7: Hình ảnh thân xe
2.6 Tính toán hệ thống động cơ
Động cơ điện
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại động cơ điện. Nhưng đối với động cơ điện của xe Lai
thì được chia làm hai loại chính đó là loại động cơ có chổi than và loại không có chổi than. Ở xe
Lai này nhóm tác giả đã chọn động cơ điện một chiều không chổi than làm động cơ điện chính
cho xe, với những ưu điểm:
5
Moment khởi động cao
Không gây tia lửa điện
Tuổi thọ của động cơ cao
Tính toán công suất cho động cơ điện được tính dựa theo những công thức sau
Phương trình cân bằng lực:
= +
+ +
Lực cản lăn :
= ×
Lực cản lên dốc :
= × sin
Lực cản của gió :
= × ×
Lực quán tinh :
= ×
Từ những công thức tính toán trên ta tính được công suất động cơ điện được sử dụng là 700 W.
Hình 8: Động cơ điện[3]
Động cơ xăng
Đặc điểm động cơ xăng của xe Lai theo hướng chỉ cung cấp đủ sức cho nó chạy trên địa hình
bằng phẳng ở công suất trung bình, chứ không cần đáp ứng yêu cầu vận hành tối đa. Do đó sẽ tiết
kệm nhiên liệu và hiệu quả vận hành cao.
Khi xe cần tăng tốc đột ngột hoặc chạy trên địa hình đồi núi, vượt vật cản, lúc này động cơ xăng
cần sự hỗ trợ công suất, chính động cơ điện và bình ắc quy dung lượng cáo sẽ đảm nhận nhiệm
vụ này thông qua cấp tỷ số truyền.
Khi xe dừng lại, động cơ xăng sẽ tự động nghỉ, trong khi đó động cơ điện vẫn chạy để cung cấp
thêm năng lượng cho bình ắc quy thông qua bộ chuyển đổi.
Hình 9: Động cơ xăng
Nhóm tác giả đã lựa chọn động cơ Honda 110cc Xăng, 4 kỳ, 1 xy-lanh, làm mát bằng không khí,
công suất tối đa 6.0 Kw tại vòng quay 7500 rpm, mô men cực đại 8,67 N.m/5.500 vòng/phút. Nó
6
được cải tạo rất nhiều từ tỷ số truyền đến bướm ga, bên cạnh đó hệ thống điện và bộ chế hòa khí
được thay đổi để đáp ứng với yêu cầu là tiết kiệm xăng nhất khi máy hoạt động.
2.7 Lựa chọn ắc quy cho xe
Bình ắc quy tích trữ một điện tích đủ lớn để có thể cung cấp cho một động cơ điện khi cần thiết
thay thế hay phụ trợ cho động cơ xăng trong quá trình vận hành xe. Việc bố trí hệ thống ắc quy
trên xe phải đảm bảo an toàn,chống cháy nổ, không có sự rò rỉ trong mọi chế độ làm việc của xe.
Thuận tiện cho việc bảo dưỡng, kiểm tra và nạp nhiên liệu.
Dung lượng ắc quy được xác định như sau:
= × =
×
Số giờ xe chạy hết bình :
=
× × .
=
×
× .
= 0.767 (h)
Hình 10: Sơ đồ và ắc quy trang bị cho xe
2.8 Thiết kế truyền động kết hợp
Hệ thống xe Lai sử dụng động cơ tổ hợp, do đó cần phải tính toán kết hợp hai nguồn công suất
dẫn động khác nhau giữa một động cơ xăng thông thường với một động cơ điện dùng năng lượng
ắc quy. Có ba cách phối hợp giữa hai loại động cơ này: Kiểu nối tiếp, kiểu song song hay kiểu
hỗn hợp.
Hình 11: Truyền động kết hơp
Trong hệ thống xe Lai nhóm tác giả sử dụng cách phối hợp giữa hai động cơ theo kiểu kết hợp.
Phương án đặt ra là hệ thống cần một bộ truyền động kết hợp, nhằm gắn kết năng lượng của hai
động cơ lại với nhau một cách hợp lý. Nhông đơn hướng được sử dụng trong phương án này,
nhông đơn hướng có nhiệm vụ giúp hai động cơ không cản trở công suất lẫn nhau.
Ở kiểu kết hợp này riêng lẻ từng động cơ xăng, điện hay phối hợp cả động cơ xăng và động cơ
điện truyền công suất dẫn động qua tỷ số truyền, hệ truyền động kết hợp đến bánh xe chủ động.
Ngoài ra còn có một bộ phận phân chia công suất cho máy phát điện làm nhiệm vụ nạp điện lại
cho ắc quy.
7
Hình 12: Nhông đơn hướng
3. Hệ thống điều khiển
Tất cả mọi chế độ hoạt động của xe sẽ được một bộ điều khiển trung tâm (gọi tắt là ECC Electronic Control Center)[2] điều khiển thông qua các tín hiệu vào từ vị trí các cần hoặc nút điều
khiển, cảm biến vị trí tay ga, công tắc chuyển đổi chế độ hoạt động “bình thường” hoặc “phụ trợ”
của xe. Sau đó nó xử lý tín hiệu và thực hiện điều khiển đến bộ thay đổi điện áp cấp cho động cơ
điện, rơ le đóng ngắt mạch điện, máy phát điện, hay điều khiển ga ở động cơ xăng…
4. Kết quả thực nghiệm
Bảng 1. Kết quả quá trình chạy thử nghiệm
Lực
Tổng
Lực
cản
Lực
Lức
khối
Gia
cản lăn
Mức tiêu
lên
cản
quán
Vận tốc
lượng
tốc
Chế độ chạy
mặt
hao năng
dốc gió FG
tính
(Km/h)
xe
2
đường
lượng
(m/s )
FD
(N)
FQ(N)
F
(N)
L
( kg)
(N)
Xăng
200
1
40
200
20.07
200
30-40
55Km/l
Điện
200
1
40
200
20.07
200
30
20Km/
lần sạc
Xăng+Điện
200
1
40
200
20.07
200
30-40
80Km/l
5. Kết luận
Qua kết quả thực nghiệm đã cho thấy xe vận hành ổn định trên đường với chế độ xăng và điện.
Khi xe vận hành độc lập ở chế độ xăng với vận tốc 40Km/h đạt mức tiêu hao nhiên liệu 55km/l,
khi xe vận hành độc lập ở chế độ điện đạt 20km/lần sạc, khi xe vận hành kết hợp cả xăng và điện
thì đạt mức tiêu hao nhiên liệu 80km/l. Như vậy so với xe xăng bình thường thì xe Lai xăng-điện
đã tiết kiệm mức tiêu hao nhiên liệu hơn.
Xe được thiết kế và thi công hoàn thiện với vỏ bằng vật liệu Composite, khung sườn được làm
bằng thép ống có khả năng chịu lực va đập cao.
8
Hình 13:
Hình ảnh xe Lai
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hoàng Thiện, Lê Minh Tiến : Hệ thống cung cấp
khí biogas cho động cơ cỡ nhỏ. Tuyển tập Hội Nghị Cơ học Thủy khí toàn quốc, Huế, 2628/7/2007, pp. 159-168.
[2] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Hồ Sĩ Xuân Diệu, Nguyễn Quân: Thiết kế hệ thống động lực
cho ô tô hybrid điện-nhiệt hai chỗ ngồi. Tuyển tập Hội Nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VIII, Hà
Nội, 7-8/12/2007.
[3] GS.TSKH. Bùi Văn Ga, Th.S. Nguyễn Quân : Xe gắn máy hybrid điện-gas. Tạp chí Giao
thông Vận tải số 1+2/2008, pp. 49-51 và 68.
[4] Nguyễn Thị Hằng (2009), “Đánh giá độ bền của vật liệu Composite trên cơ sở nhựa
Polyester không no gia cường bằng sợi thủy tinh trong môi trường nước biển”, Đại học Bách
Khoa Đà Nẵng, tr. 38-40.
[5] MEHRDAD EHSANI, YIMIN GAO, SEBASTIEN E.GAY, ALI EMADI. Modern Electric,
Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles-Fundamentals, Theory, and Design. CRC Press LLC,
Washington, 2005.