Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền lực xe Hybrid

Nội dung text: Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền lực xe Hybrid

1. NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN VÀ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC XE HYBRID RESEARCH ON TRANSMISSION AND LOSS OF ENERGY ON HYBRID’S POWERTRAIN KS. Ngô Phi Long Học Viên Lớp Cao Học Khóa : 2013 – 2015B Khoa Cơ Khí Động lực Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật cao Thắng Email: ngophilong@caothang.edu.vn TÓM TẮT Trên ô tô Hybrid, sử dụng phương án phát điện, từ điện năng chuyển thành hóa dẫn động hỗn hợp vừa nối tiếp vừa song năng, từ hóa năng của accu lại chuyển song. Tùy theo tốc độ mà xe sử dụng thành điện năng để cung cấp cho động phương án nối tiếp hoặc kết hợp lực kéo. cơ điện. Cuối cùng còn tổn hao truyền động cơ khí đến cầu chủ động. Tốc độ thấp, cụ thể tốc độ xe nhỏ hơn 40 km/h. Xe sử dụng phương án nối Tốc độ cao, cụ thể tốc độ xe lớn hơn tiếp. Ở đây, ta có sự tổn hao năng lượng 40 km/h. Xe chạy ở chế độ kết hợp lực như sau: Toàn bộ cơ năng của động cơ kéo từ động cơ điện và động cơ xăng. xăng chuyển thành điện năng nhờ máy ABSTRACT The second generation Hybrid vehicle speed, it will use the compatible uses two ways of transmitting power, way. series and parallel. Depending on
2. At low speed, in particular below chemical energy, and then chemical 40 km/h, the vehicle will use the series energy transforms into electricity to way of transmitting. provide for motor. Finally, the last loss is on powertrain. In this case, there are energy losses as At high speed, in particular above 40 follows: Total energy of Gasoline engine km/h, the vehicle combines torque of both is converted to electricity by generator, motor and Gasoline engine. that electricity transforms into battery’s 1. Lời nói đầu 2010 như sau: Ngày nay, phương tiện ô tô phát triển Theo cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ - mạnh. Tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu Fed, trong số những chiếc xe đang được bán truyền thống là mối đe doạ cho nền kinh tế ra tại Mỹ thì Toyota Prius vẫn là chiếc xe các nước. Do đó, nhiều giải pháp kỹ thuật đã tiết kiệm nhiên liệu nhất. được ra đời như : ô tô chạy điện, ô tô dùng 3. Tổn hao năng lượng trong quá trình pin nhiên liệu, động cơ khí nén v.v tuy chuyển động của ô tô. nhiên, những kỹ thuật kể trên vẫn chưa thể đưa vào sử dụng vì còn nhiều giới hạn về 3.1. Xe vận hành và tăng tốc nhẹ. công nghệ. Moment kéo tại cầu chủ động và đường Bên cạnh những giải pháp trên, các nhà đặc tính. kỹ thuật quan tâm đến công nghệ Hybrid. Đây là giải pháp được coi là thành công hiện nay nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng hiệu suất động cơ. 2. Giới thiệu chung Để góp phần cho việc tiết kiệm nhiên Hình 1: Sự truyền năng lượng khi xe khởi liệu. Xe ô tô Hybrid nghiên cứu phương án hành truyền lực song song đến cầu chủ động tận Ta có sơ đồ truyền năng lượng như hình dụng được tối đa cơ năng do động cơ phát vẽ. Động cơ vận hành máy phát điện MG1, ra. phát điện qua bộ đổi điện nạp cho ắc quy Việc tiết kiệm nhiên liệu được công bố
3. HV, ắc quy cung cấp điện cho động cơ điện - Hiệu suất của động cơ nhiệt truyền qua máy phát MG1. MG2. Động cơ điện MG2 truyền cơ năng N MG1 NMG1 = Ne.MG1. cho vành răng của bộ truyền bánh răng mặt  MG1 N e trời, qua truyền động xích đến bánh răng : Hiệu suất công suất truyền từ bánh trung gian và vỏ vi sai. Tại đây ta có lực kéo  MG1 tại cầu chủ động Fk. răng mặt trời qua máy phát điện MG1. Moment kéo tại cầu chủ động là moment Ns: Công suất được phân phối tại bộ của động cơ điện. truyền bánh răng hành tinh. Mk. = MMG2 .itl. tl. [N.m] NMG1: Công suất tiêu thụ và phát điện của Trong đó: máy phát điện MG1 Mk: moment kéo tại cầu chủ động. - Hiệu suất nạp và phóng điện của accu MMG2: Moment phát ra của động cơ điện HV (accu điện áp cao) MG2. N ac Nac = NMG1.ac .  ac tl : Hiệu suất của hệ thống truyền lực. N MG1 i : tỷ số truyền của hệ thống truyền lực. tl ac: Hiệu suất nạp và phóng điện của ắc quy HV M Nac: Công suất nạp - phóng điện của ắc max M MG2 quy HV. - Hiệu suất giữa ắc quy HV và động cơ điện MG2. N MG2 NMG2 = Nac.MG2  MG2 N ac min M MG2 NMG2: Công suất của động cơ điện MG2. 0 max  MG2 - Hiệu suất từ vành răng bánh răng Hình 2: Đặc tuyến moment. mặt trời truyền đến cầu chủ động ck Hiệu suất truyền động và tổn hao N k Nk = NMG2.ck  ck năng lượng. N MG2 Ta có: Nk = Ne.MG1.ac.MG2.ck.
4. - Hiệu suất của hệ thống truyền lực được truyền động đến vỏ vi sai. . Từ động cơ đến cầu chủ động. Quan hệ moment. N k  . . . . Moment kéo tại cầu chủ động Mk  MG1  ac  MG2  ck N e Mk. = (Mr + MMG2) itl. [N.m]  tl Nk: Công suất kéo tại cầu chủ động. Ne: Công suất của động cơ phát ra. itl: tỷ số truyền của hệ thống truyền lực. i = i .i 3.2. Vận tốc xe trên 40 km/h. tl x o ix: tỷ số truyền của truyền động xích. Lực kéo tại cầu chủ động được kết hợp từ io: tỷ số truyền của truyền lực chính. hai nguồn động lực song song. Một lực từ tl: hiệu suất của hệ thống truyền lực. động cơ truyền động trực tiếp đế vỏ vi sai. Mr: Moment từ động cơ đốt trong truyền Lực còn lại là động cơ điện MG2. Được mô đến vành răng bộ truyền bánh răng mặt trời. tả qua hình vẽ sau : MMG2: Moment của động cơ điện. Mk: moment kéo tại cầu chủ động. Me: moment từ động cơ đốt trong truyền đến vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh. rr Mk. = ( . + MMG2). itl. [N.m] Hình 3: Sự truyền năng lượng khi ô tô chuyển M e rr r s động với tốc độ cao Quan hệ công suất: Khi xe chuyển động với tốc độ cao, bộ Nk = (Nr + NMG2).tl [w] truyền bánh răng hành tinh sẽ chia lực Nk : Công suất kéo tại cầu chủ động. truyền động của động cơ. Một phần lực Nr: Công suất động cơ đốt trong truyền truyền động này được truyền động trực tiếp đến vành răng bộ truyền bánh răng hành đến vỏ vi sai, và phần lực còn lại sẽ được sử tinh. dụng để phát ra điện qua MG1. Nhờ việc sử NMG2: Công suất phát ra của động cơ dụng điện của bộ đổi điện, điện lượng này điện. Kết hợp truyền động cho vành răng của sẽ được gửi đến MG2 để phát ra một lực bộ truyền bánh răng hành tinh. chuyển động MG2, truyền moment kéo qua vành răng bánh răng mặt trời, từ đây cũng
5. Từ các phương trình ta có đồ thị phối hợp N ac  Nac = NMG1.ac lực kéo của động cơ điện và công suất của ac N MG1 động cơ nhiệt. ac: Hiệu suất nạp và phóng điện của ắc Fk quy HV Fk(V) Nac: Công suất phóng điện của ắc quy. Accu no - Hiệu suất giữa accu HV và động cơ F + Accu hết f điện MG2. điện Fw Fw N MG2 NMG2 = Nac.MG2.  MG2 Ff N ac 0 VI VII max max V [m/s] NMG2: Công suất của động cơ điện MG2. Hình 4: Đồ thị cân bằng lực kéo Hiệu suất hệ thống truyền động và - Hiệu suất từ vành răng bánh răng tổn hao năng lượng. mặt trời truyền đến cầu chủ động ck N k - Hiệu suất của động cơ nhiệt truyền  Nk = (Nr+NMG2).ck. ck N r N MG2 qua máy phát MG1. N MG1 Nk = [Nr + (Ns.MG1.ac.MG2)].ck. NMG1 = Ns.MG1.  MG1 N s Nk: Công suất kéo tại cầu chủ động. : Hiệu suất truyền từ bánh răng mặt  MG1 Ns: Công suất của động cơ đốt trong trời qua máy phát điện MG1. truyền đến bánh răng mặt trời. Ns: Công suất được phân phối tại bộ Nr: Công suất của động cơ đốt trong truyền bánh răng hành tinh. truyền đến vành răng bánh răng hành tinh. NMG1: Công suất tiêu thụ và phát điện của máy phát điện MG1 - Hiệu suất nạp và phóng điện của accu HV (accu điện áp cao)
6. 4. Tính toán tổn hao năng lượng các cụm - Tổn hao phụ do do dòng điện xoáy ở chi tiết trong hệ thống truyền lực xe thanh dẫn của các dây quấn stato và Hybrid. các bộ phận khác của máy dưới tác dụng của từ trường tản do dòng điện 4.1. Máy phát điện MG1. phần ứng sinh ra. Tổn hao và hiệu suất của máy phát điện - Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề 3 pha nam châm vĩnh cửu. mặt của lõi thép rotor Khi làm việc trong máy phát điện 3 pha - Tổn hao ở cực từ stator do sự va đập nam châm vĩnh cửu có các tổn hao: tổn hao ngang và dọc do từ thông chính và do đồng, tổn hao sắt, tổn hao kích từ, tổn hao các sóng điều hòa bậc cao với các tần phụ và tổn hao cơ. số f khác nhau. Tổn hao đồng ( Ncu) là công Tổn hao cơ ( Nco ) bao gồm: suất mất mát trên phần tĩnh với - Tổn hao công suất cần thiết để làm giả thiết là mật độ dòng điện phân mát máy phát. bố điều trên tiết diện của dây dẫn. - Tổn hao công suất do ma sát ở ổ trục Tổn hao này phụ thuộc vào trị số và các bề mặt rotor và stator khi rotor mật độ dòng điện. quay. Tổn hao sắt ( Nfe) là tổn hao Nt1 = Ncu + Nfe + Nkt + Nph + Nco công suất mất mát trên mạch từ do Hiệu suất máy phát điện MG1 từ trường biến đổi hình sin. Tổn hao này phụ thuộc vào trị số tần N ac N ac N ac  MG1 số trọng lượng lõi thép, chất N s N ac N t1 N ac N cu N Fe N kt N ph N co lượng của tôn silic, trình độ chế Trong đó: tạo lỗi thép. Nac: Công suất nạp ắc quy. Ns: Công suất từ động cơ đốt trong Tổn hao kích từ ( Nkt) là công truyền đến bánh răng mặt trời. suất tổn hao trên điện trở của dây Nt1: công suất mất mát của máy phát quấn kích thích và của các chổi điện MG1. than. Tổn hao phụ ( Nph) bao gồm các tổn hao sau:
7. 4.2. Ắc quy điện áp cao HV. Ua = Eo – IpRo. Ua: Điện áp của 1 ắc quy đơn. Công suất của ắc quy Nac: Eo: sức điện động của 1 ắc quy đơn xác Nac = IE = I(IR + IRa) định theo thực nghiệm. R: là điện trở tải bên ngoài. Inm: dòng ngắn mạch lúc Ua = 0. Ra: Điện trở trong của ắc quy. Ubđ - InmRo = 0 I: Cường độ dòng điện phóng-nạp của n: là số ắc quy đơn. ắc quy. 2 2 n= 168 Nac = I R + I Ra Inm: cường độ dòng điện đi qua một Công suất đưa ra mạch ngoài (đưa vào tải bản cực dương lúc ngắn mạch. điện) 2 U bđ Nac = IEac - I Ra Vậy: Ro I nm Eac: Sức điện động của ắc quy. Như vậy khi R = R , accu sẽ cho công a Ro: Điện trở trong của 1 ắc quy đơn. suất lớn nhất. R = n.R =168.R . Công suất mất mát ắc quy: a o o 2 Nt2 = I .Ra. Ắc quy làm việc trên ôtô theo chế độ phóng nạp liên tục tùy theo tải của xe. Để đánh giá mức cân bằng năng lượng trên xe, người ta xem xét hệ số cân bằng Kcb: tn i dt  n n K 0 cb t p i dt Hình 5: Ắc quy điện áp cao (HV). p 0 Xác định Ra trên ô tô Hybrid Ăc quy HV của ô tô Hybrid II là ắc quy tn, tp: thời gian phóng nạp điện của ắc quy Niken-Hidrua viết tắc NiMH gồm có 168 ắc HV quy đơn. Mỗi ắc quy đơn có điện áp 1,2V. ip, in: Cường độ dòng điện phóng nạp của Được ghép nối tiếp với nhau có điện áp danh ắc quy. nghĩa là 201,6V. Nếu Kcb > 1: ắc quy được nạp đủ.
8. Nếu Kcb < 1: ắc quy bị phóng điện. Nt3 = Nfe + Nco + Ncu + Ntan + Nst. n : Hiệu suất nạp. Hiệu suất của động cơ điện MG2 4.3. Động cơ điện MG2. N MG2 N MG2 N MG2  MG2 N ac N MG2 N t3 N MG2 N Fe N co N cu N tan N st Tổn hao trong động cơ điện MG2 bao gồm: Tổn hao cơ bản và tổn hao phụ. N : Công suất truyền đến vành răng bộ truyền Tổn hao cơ bản lại được chia thành MG2 bánh răng mặt trời. tổn hao không đổi và tổn hao biến đổi. - Tổn hao không đổi bao gồm tổn hao sắt Nac: Công suất phát ra của ắc quy. từ ( Nfe) và tổn cơ ( Nco). Nt3: Công suất mất mát của động cơ - Tổn hao biến đổi là tổn hao phụ thuộc điện MG2. vào tải đó là tổn hao đồng phần ứng 4.4. Công suất mất mát truyền động cơ ( Ncu). khí. Tổn hao phụ bao gồm: Tổn hao do từ thông tản ( Ntan) Nt4 = Nx + 2 Ntg. - Tổn hao do sóng bậc cao của sức điện Nx: Tổn hao công suất trong truyền động Stator ( Nst) động xích. Ntg: Tổng hao công suất trong bộ truyền bánh răng trung gian. Hình 6: Động cơ điện 3 pha rotor nam châm vĩnh cửu Hình 7: Cụm truyền động cơ khí đến cầu Tổn hao: chủ động. - Hiệu suất của hệ thống truyền động cơ
9. khí ck: - Tính toán hiệu suất của hệ thống - Hiệu suất của bộ truyền động xích: x = truyền lực ở các trạng thái chuyển động 0,95  0,97. của xe. - Hiệu suất của bộ truyền bánh răng trụ: tr TÀI LIỆU THAM KHẢO = 0,96  0,98. [1] GS. TS Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc N MG2 N r N MG2 N r N MG2 N r  Thịnh, Phạm Minh Thái, Lê Thị ck 2 N K N MG2 N r N t4 N MG2 N r N x N tg Vàng, Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà NMG2: Công suất từ động cơ điện truyền đến vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh. Nội 1998. N : Công suất từ động cơ đốt trong r [2] GS.TSKH Bùi Văn Ga, Nghiên cứu hệ truyền đến vành răng bộ truyền bánh răng thống động lưc cho ô tô Hybrid, Đại hành tinh. học Đà Nẵng – 2005. Nt4: Công suất mất mát của hệ thống truyền động cơ khí. [3] TS Lâm Mai Long, Giáo trình Cơ học 5. Kết luận chuyển động của ô tô, Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2001, 112 - Nguồn công suất phát ra từ động cơ trang. xăng, có đặc tính khác xa so với đặc tính lý tưởng. Công suất này được truyền đến cầu [4 PGS. TS Đỗ Văn Dũng, Từ điển Anh- chủ động, bằng động cơ điện hoặc phối hợp Việt chuyên ngành công nghệ ô tô, công suất giữa động cơ xăng và động cơ nhà xuất bản thống kê, 2003. điện. Do đó đặc tính kéo tại cầu chủ động gần với đặc tính lý tưởng. Điều này đã cải thiện được một số tính năng của ô tô như: tốc độ cực đại, khả năng tăng tốc, khả năng leo dốc - Tính toán tổn hao năng lượng qua quá trình chuyển đổi năng lượng và các cụm chi tiết truyền lực.
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.