THIẾT KẾ XE GẮN MÁY HYBRID
Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xe gắn máy hybrid được thực hiện tại Đại học Đà Nẵng. Bánh xe trước và bánh xe sau được dẫn động trực tiếp bằng hai động cơ điện có công suất lần lượt 500W và 1000W. Động cơ nhiệt chạy bằng LPG được cải tạo từ động cơ tĩnh tại nguyên thuỷ chạy bằng xăng có công suất 2000W làm nhiệm vụ nạp điện cho bình accu và hỗ trợ công suất cho xe gắn máy khi cần thiết. Xe có thể tận dụng năng lượng phanh để nạp điện cho accu. Hệ thống điều khiển điện tử được thiết kế cho phép xe gắn máy phối hợp công suất các động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau.
Kết quả thử nghiệm cho thấy xe đạt được tốc độ 55km/h khi chạy bằng điện, thấp hơn khoảng 10% so với công suất tính toán. Với bình LPG chứa 1kg nhiên liệu và 4 bình accu N12V-35AH nạp đầy xe có thể chạy được 160km. Hệ thống động lực hybrid điện-LPG cho phép xe gắn máy đạt mức độ phát thải ô nhiễm EURO IV.
1. Giới thiệu
Lượng xe gắn máy ở nước ta trong những năm gần đây gia tăng nhanh chóng, vượt xa so với dự báo của các cơ quan quản lý nhà nước. Hiện tại và trong một tương lai dài trước mắt, loại phương tiện này vẫn đóng vai trò quan trọng trong di chuyển của người dân do tính cơ động cao, giá cả phù hợp với túi tiền của đại đa số người dân lao động.
Phương tiện vận giao thông cơ giới sử dụng động cơ nhiệt nói chung là nguồn phát thải ô nhiễm chính đối với bầu khí quyển. Vì vậy việc làm giảm mức độ phát thải ô nhiễm của chúng luôn là đối tượng nghiên cứu của các nhà sả
n xuất ô tô, xe gắn máy. Có nhiều giải pháp được đề xuất trong đó giải pháp hữu hiệu nhất hiện nay là sử dụng công nghệ. Công nghệ này tỏ ra rất thành công đối với các ô tô của hãng Toyota, Honda. Nhờ vậy các hãng này đã duy trì được sản phẩm của mình trong bối cảnh khủng hoảng tài chính toàn cầu trầm trọng như hiện nay.
Công nghệ hybrid đã bắt đầu nghiên cứu áp dụng trên mô tô trong những năm đầu của thế kỷ 21. Tháng 3 năm 2005, Honda đã giới thiệu mẫu xe hybrid scooter [1] với tính năng nổi bật về giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu (hình 1). Xe hybrid này kết hợp hoạt động của một động cơ đốt trong phun xăng điện tử 50cc và một động cơ điện kiểu xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau của xe. Hệ thống sử dụng một bình ắc quy niken-hyđro để lưu trữ năng lượng. Khi chạy trên đường bằng phẳng trong thành phố, một mình động cơ điện sẽ dẫn động xe chạy với tốc độ đạt 30 km/h. Khi cần lực phát động lớn như tăng tốc hoặc lên dốc thì động cơ đốt trong sẽ kết với động cơ điện thông qua bộ truyền động đai vô cấp để tăng thêm công suất kéo. Để tận dụng năng lượng, khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc thì động cơ điện sẽ trở thành máy phát điện nạp điện vào accu.
Các chủng loại ô tô, xe gắn máy hybrid hiện nay dùng động cơ nhiệt chạy bằng xăng và động cơ điện chạy bằng accu. Nhờ phối hợp sử dụng tối ưu công suất động cơ nên tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ nhiệt được cải thiện đáng kể. Mức độ phát thải ô nhiễm sẽ giảm đi nhiều hơn nữa nếu chúng ta sử dụng động cơ LPG thay cho động cơ xăng trên xe gắn máy hybrid. Trong các công trình trước đây chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết về hệ thống động lực của xe gắn máy hybrid [3], [4]. Công trình này giới thiệu kết quả tính toán thiết kế chế tạo và thử nghiệm thực tế xe gắn máy hybrid điện-LPG.
2. Tính toán công suất các động cơ
– Chọn động cơ điện:
Xe gắn máy hybrid được tính toán thiết kế có khối lượng tổng cộng 240kg (chở 2 người) chạy với vận tốc tối đa 60km/h.
Công suất cần thiết của động cơ dùng để tạo ra lực kéo (kí hiệu FM) thắng lực cản lăn của mặt đường (FL), lực cản lên dốc (FD), lực cản gió (FG) và lực quán tính khi tăng tốc (FQ). Phương trình cân bằng lực được viết như sau:
FM = FL + FD + FG + FQ (1)
Lực cản lăn được tính: FL = f.G với f là hệ số cản lăn và G=2400N là tổng trọng tải của xe, f=0,20 là hệ số cản lăn trên đường nhựa không, do đó FL = 2400.0,020 = 48 (N).
Lực cản lên dốc được tính: FD = G.sinα với sinα là độ dốc của mặt đường, nếu độ dốc là 10% (sinα = 0,1), ta có FD = 2400.0,1 =240(N).
Lực cản gió được tính: FG = k.S.v2 với k là hệ số cản không khí, S là diện tích cản chính diện và v là vận tốc của xe. Đối với xe gắn máy: k = 0,4÷0,5(Ns2/m4) và S = 0,4÷0,6(m2). Chọn k = 0,4(Ns2/m4), S = 0,4(m2) và vận tốc xe được chọn v = 60(km/h) = 16,7(m/s) ta có FG = 0,4.0,4.16,7.16,7 = 45(N).
Lực quán tính: FQ = M.a với M là khối lượng toàn bộ và a là gia tốc của xe. Chọn gia tốc a = 1(m/s2) ta có FQ = 240.1 = 240(N).
Từ những tính toán trên, thay các giá trị tính được vào biểu thức (1) ta có:
FM = 48 + 240 + 45 + 240 = 573(N) (2)
Đó là trường hợp cực đoan của công suất. Trong thực tế 4 lực cản này thường không xảy ra cùng lúc. Chẳng hạn, khi xe lên dốc chạy đều và vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực quán tính và lực cản gió, hoặc khi xe đang chạy ở tốc độ tối đa thì xem như không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính. Như vậy, lực cần thiết của động cơ ở hai trường hợp này được tính lại là:
FMD = FL + FD = 48 + 240 = 288(N) (3)
FMG = FL + FG = 48 + 35 = 83(N) (4)
Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Trường xe chạy ở tốc độ tối đa được xem là sử dụng hết công suất của động cơ điện. Trường hợp xe leo dốc tuy lực cản có lớn hơn nhưng nếu xe chạy với vận tốc rất bé thì công suất phụ tải cũng sẽ bé hơn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa. Vì vậy ta có thể chọn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ, khi đó FMG = 83(N) và vận tốc của xe v = 16,7(m/s). Ta có công suất cản của xe lúc này là:
PMG = FMG . v = 83 . 16,7 = 1386(W) (5)
Đây là công cản của xe, công suất cần thiết của động cơ để cân bằng với công cản của xe trong trường hợp này là: PM = PMG / h với hlà hiệu suất của hệ thống truyền lực, chọn sơ bộ h= 0,95 ta được:
PM = 1386 / 0,95 = 1459(W) (6)
Vì vậy để đảm bảo xe gắn máy đạt được các thông số thiết kế, chúng ta chọn động cơ điện có công suất tổng PM=1500W. Hiện nay, trên thị trường có sẵn loại động cơ một chiều không có chổi than DC EBM08 do Trung Quốc sản xuất với hiệu điện thế định mức DC 48(V) và công xuất từ 120W – 1500W. Loại động cơ điện này được lắp trực tiếp vào may ơ bánh xe (hình 2). Để hạn chế sự chênh lệch lớn về phân bố tải trọng giữa hai bánh xe ta sử dụng một động cơ điện có công suất 500W lắp ở bánh trước và một động cơ điện có công suất 1000W lắp ở bánh xe sau (tổng cộng bằng 1500W theo tính toán thiết kế). Các động cơ điện này được cấp điện bởi 4 bình accu N12V-35AH.
2. Chọn động cơ nhiệt
Trong phương án phối hợp động lực cho xe gắn máy hybrid này chúng tôi sử dụng động cơ nhiệt để nạp điện cho accu đồng thời cung cấp thêm momen hỗ trợ cho các động cơ điện khi cần thiết (như xe leo dốc cao chẳng hạn). Vì vậy công suất của động cơ nhiệt có thể nhỏ hơn công suất cần thiết của xe. Tuy nhiên để xe có thể chạy trên đường dài mà không bị ràng buộc về thời gian nạp điện lại cho bộ nguồn accu, ta có thể chọn công suất động cơ nhiệt bằng công suất tổng cộng của các động cơ điện.
Từ các điều kiện nêu trên, lựa chọn động cơ nhiệt Honda GX80 có công suất 2200W tại vòng quay 3000 vòng/phút (hình 3). Động cơ GX80 được cải tạo sang chạy bằng LPG nhờ bộ phụ kiện có sơ đồ giới thiệu trên hình 4. Bộ điều tốc nguyên thuỷ của động cơ được cải tạo để nó có thể tác động đồng thời lên độ mở của bướm ga và làm thay đổi độ cứng của lò xo van cung cấp LPG (hình 5) tương tự như hệ thống cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ [2]. Khi không có độ chân không tại họng van 3 đóng nhờ lò xo kéo 1. Trong kỳ nạp, độ chân không tại họng hút màng 2, thắng sức căng lò xo 1 và mở van 3 để hút một lượng ga vào đường nạp. Khi tải cản tăng, bộ điều tốc mở lớn bướm ga đồng thời làm tăng sức căng lò xo 5, thông qua dây nối 4 mở rộng van 3 để lượng ga vào đường nạp nhiều hơn. Nhờ vậy động cơ có thể chạy ổn định ở tốc độ định mức (3000 vòng/phút) khi tải bên ngoài thay đổi. Công suất của động cơ khi chuyển sang dùng nhiên liệu khí giảm đi khoảng 10% so với khi chạy bằng xăng. Do vậy động cơ nhiệt LPG đảm bảo phát công suất điện 2000W cung cấp cho 2 động cơ lắp ở hai bánh xe.
3. Sơ đồ nguyên lý phối hợp hai nguồn động lực
Sơ đồ tổng quát của các cơ cấu này được thể hiện trên hình 6. Nguyên lý hoạt động chung của các cơ cấu này như sau:
a) Ở chế độ bình thường, động cơ điện quay nó sẽ kéo bánh xe chủ động quay làm xe chuyển động. Trên sơ đồ tổng quát (hình 6) ta thấy giữa máy phát điện và bánh xe sau được liên lạc với nhau qua ly hợp điện từ và bộ truyền động xích. Khi chưa cấp điện cho cuộn dây điện từ thì mối liên hệ này tạm thời gián đoạn. Ở chế độ xe chạy bình thường, ly hợp điện từ ở trạng thái ngắt, bánh xe chủ động không kéo máy phát điện quay theo. Công suất của động cơ điện được dùng để kéo xe chuyển động mà không chịu ảnh hưởng của cụm máy phát điện.
b) Ở chế độ giảm tốc khi cần dừng xe hoặc khi xe xuống dốc, người lái nhả tay ga, động cơ điện được cắt điện, đồng thời một công tắc cuối hành trình tay ga sẽ điều khiển ly hợp điện từ đóng lại, khi đó bánh xe chủ động sẽ kéo máy phát điện quay theo thông qua bộ truyền động xích. Động năng của xe được chuyển thành điện năng nạp lại cho ắc quy. Vì mối liên hệ giữa động cơ LPG và máy phát điện có bộ ly hợp ly tâm chỉ truyền công suất theo một chiều nên khi máy phát điện quay nó không kéo động cơ LPG quay theo. Nếu người lái tiếp tục vặn tay ga, ly hợp điện từ sẽ chuyển sang trạng thái ngắt, động cơ điện được cấp điện, xe tiếp tục làm việc ở chế độ chạy bình thường. Ở đây chúng ta cần phải lưu ý rằng, hệ thống phanh tái sinh năng lượng chỉ có thể giảm tốc độ xe chứ không dừng được xe. Do đó trên xe cần phải trang bị thêm hệ thống phanh tay bằng cơ khí.
c) Khi cần chạy đường dài, người lái chuyển điều khiển xe sang hoạt động ở chế độ “phụ trợ”. Khi đó ta nạp nhiên liệu LPG cho động cơ Honda 50cc. Động cơ này được vận hành kéo máy phát điện hỗ trợ cùng bình ắc quy cung cấp điện năng cho động cơ điện. Vì công suất của cụm động cơ LPG – máy phát điện được chọn cân bằng với động cơ điện nên có thể chạy xe trong thời gian dài mà không làm hết bình ắc quy. Động cơ LPG được bộ điều tốc điều khiển chạy ở một tốc độ cố định tương ứng với công suất phát ra cực đại nên hạn chế phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường. Khi cụm động cơ LPG – máy phát điện hoạt động, ly hợp điện từ được điều khiển ở trạng thái ngắt nên sự quay của máy phát điện không làm ảnh hưởng đến sự quay của bánh xe sau. Trong trường hợp cần giảm tốc độ xe, người lái nhả tay ga, tín hiệu từ công tắt cuối hành trình của tay ga điều khiển bộ điều tốc làm cho động cơ LPG chạy ở tốc độ cầm chừng, ly hợp ly tâm sẽ chuyển sang trạng thái ngắt để gián đoạn đường truyền công suất giữa động cơ LPG với máy phát điện, đồng thời ly hợp điện từ được điều khiển đóng lại và máy phát điện chuyển sang làm việc ở chế độ phanh tái sinh năng lượng. Nếu người lái tiếp tục vặn tay ga, hệ thống sẽ chuyển sang hoạt động ở chế độ như trước.
d) Khi xe chạy vào đường có độ dốc lớn, nếungười lái vặn hết tay ga mà tốc độ xe không vượt quá 20km/h thì hệ thống tự động điều khiển động cơ LPG khởi động, ly hợp điện từ được điều khiển chuyển sang trạng thái đóng và dòng kích từ của máy phát được cắt để ngưng phát điện. Động cơ LPG hỗ trợ với động cơ điện kéo xe vượt dốc. Khi tốc độ xe lớn hơn 20km/h hoặc tay ga không vặn hết, hệ thống sẽ tự động điều khiển ly hợp điện từ chuyển sang trạng thái ngắt (cắt sự truyền động từ máy phát đến bánh xe sau) và dòng kích từ của máy phát được cấp để phát điện nạp cho accu.
Để đề phòng trường hợp khi xe dừng, người lái nhả tay ga và không tắt hệ thống điện toàn bộ xe, hệ thống phanh tái sinh năng lượng đang hoạt động, dòng điện kích từ có thể làm nóng cuộn dây kích từ của máy phát điện và làm tổn hao năng lượng, một rơ le điện từ sẽ điều khiển cắt dòng điện kích từ khi tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe nhỏ hơn mức cho phép.
Tất cả mọi chế độ hoạt động của xe sẽ được một bộ điều khiển trung tâm (gọi tắt là ECC – Electronic Control Center) điều khiển thông qua các tín hiệu vào từ cảm biến vị trí tay ga, vị trí các cần hoặc nút điều khiển, cảm biến tốc độ xe và các tín hiệu ra đến bộ điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ điện, cuộn dây điện từ của bộ ly hợp điện từ, rơ le đóng ngắt mạch điện kích từ của máy phát điện và bộ điều tốc của động cơ LPG.
4. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ
Toàn bộ hoạt động của hệ thống động cơ lai được điều khiển thông qua một bộ điều khiển điện tử gọi tắt là bộ ECC – Electronic Control Center. Bộ ECC sẽ nhận các tín hiệu vào từ: cảm biến vị trí tay ga, công tắt chuyển đổi chế độ hoạt động “bình thường” hoặc “phụ trợ” và cảm biến tốc độ xe. Sau đó nó xử lý tín hiệu và thực hiện điều khiển đến: bộ thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện, cuộn dây điện từ của bộ ly hợp điện từ, rơ le đóng ngắt mạch điện kích từ của máy phát điện. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thể hiện ở hình 7.
Nguyên lý điều khiển của bộ ECC có thể mô tả bằng bảng trạng thái hoạt động của các bộ phận thành phần ở bảng 1. Trong bảng này, công tắc tay ga bật “ON” khi người lái đạp ga, ngược lại khi người lái buông chân ga thì công tắt này ở trạng thái “OFF”. Bộ điều tốc của động cơ LPG làm việc ở 3 chế độ: tốc độ cầm chừng 900 (vòng/phút) và tốc độ ứng với công suất cực đại 3000 (vòng/phút). Các tín hiệu điều khiển ở trạng thái 1 tức là có dòng điện đến điều khiển các bộ phận thành phần, còn ở trạng thái 0 tức là cắt dòng điện điều khiển.
Ở trong hệ thống này cần lưu ý rằng, tay ga có hai nhiệm vụ riêng biệt là điều khiển đóng ngắt một công tắt và một bộ cảm biến điện trở. Công tắc tay ga gửi tín hiệu đến bộ ECC, còn cảm biến điện trở gửi tín hiệu đến bộ thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện (hoạt động độc lập đối với bộ ECC.
4. Chế tạo và thử nghiệm xe gắn máy hybrid
Như phân tích ở trên, để phân bố tương đối đồng đều về tải trọng giữa bánh xe trước và bánh xe sau, chọn 2 động cơ điện có tổng công suất 1500W để lắp đặt lên xe với động cơ ở bánh xe trước là 500W và động cơ ở bánh xe sau là 1000W. Sơ đồ mô tả như ở hình 8 và ảnh chụp xe gắn máy thử nghiệm sau lắp ráp xong hệ thống động lực được giới thiệu ở hình 9. Động cơ nhiệt và máy phát điện được bố trí ở phía trước và gần động cơ điện ở bánh xe sau để dễ thiết lập kết nối với nhau bằng bộ truyền động đai. Bộ truyền động đai giữa cụm máy phát điện và động cơ điện ở bánh xe sau có 2 chức năng: hỗ trợ lực kéo khi xe vượt dốc cao và thu hồi năng lượng khi cần giảm tốc độ xe (phanh tái sinh năng lượng). Cơ cấu truyền động cơ khí được sử dụng ở đây là bộ truyền động đai với lý do: làm việc êm dịu, không cần bôi trơn và tuổi thọ tương đối cao. Nguồn điện (accu) được bố trí ở khoảng trống để chân phía trước người lái và bình chứa nhiên liệu khí hóa lỏng LPG được lắp đặt ở phía đuôi xe.
Sau khi lắp ráp hoàn thiện, xe đã được chạy thử nghiệm và đạt được vận tốc cực đại 55km/h khi chạy bằng điện, giảm 10% so với giá trị tính toán (60km/h). Quãng đường vận hành độc lập khi chạy bằng điện là 60km với 4 bình accu N12V-35AH. Khi chạy bằng LPG, với bình chứa nhiên liệu 1 kg, xe chạy được khoảng 100km. Như vậy khi nạp đầy accu và bình chứa LPG, quãng đường hoạt động độc lập của xe khoảng 160km. Khi chạy bằng điện, xe không gây ô nhiễm tại nơi sử dụng. Khi chạy bằng LPG, mức độ phát thải các chất ô nhiễm giảm đi 4 lần so với khi chạy bằng xăng. Điều này cho phép xe gắn máy hybrid đạt được tiêu chuẩn ô nhiễm EURO IV (hiện nay nước ta đang áp dụng tiêu chuẩn EURO II).
5. Kết luận
– Xe gắn máy hybrid điện-LPG là loại phương tiện giao thông cá nhân vừa tiết kiệm nhiên liệu, vừa giảm ô nhiễm môi trường, phù hợp với điều kiện sử dụng ở nước ta.
– Bố trí hệ thống phối hợp công suất theo kiểu “hiệp trợ” giữa động cơ LPG và các động cơ điện kèm theo hệ thống thu hồi năng lượng phanh giúp cho xe gắn máy đạt được chế độ vận hành tối ưu trong các điều kiện sử dụng khác nhau.
– Với 4 bình accu N12V-35AH và bình chứa 1kg LPG xe gắn máy hybrid điện-LPG chạy đuợc 160km với mức phát thải ô nhiễm đạt giới hạn EURO IV.
Tài liệu tham khảo
[1]. http://vietbao.vn/O-to-xe-may/Honda-gioi-thieu-xe-than-thien-voi-moi-truong/ 10899459/350/
[2]. 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, 26-28/7/2007, pp. 159-168
[3]. 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
[4]. 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
