Thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính cho ô tô hybrid bốn chỗ

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 18 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁI SINH NĂNG LƯỢNG TẬN DỤNG QUÁN TÍNH CHO Ô TÔ HYBRID BỐN CHỖ DESIGN OF REGENERATIVE ENERGY UTILIZATION INERTIA SYSTEM ON FOUR-PASSENGER HYBRID CARS SVTH: PHẠM VĂN DƢƠNG Lớp 03C4A, trường Đại học Bách khoa. GVHD: THS. LÊ VĂN TỤY KS. PHẠM QUỐC THÁI Khoa Cơ khí Giao thông, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. TÓM TẮT: Đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng dành cho ô tô Hybrid bốn chỗ theo phương án tận dụng năng lượng quán tính dư thừa của xe (thông thường bị biến thành nhiệt) biến thành năng lượng điện và tái sử dụng. Phương án được thiết kế như sau: Năng lượng quán tính dư thừa được tận dụng để kéo bánh đà, mô men quán tính của bánh đà dùng để kéo máy phát điện cung cấp điện nạp lại cho ắc quy trên xe. ABSTRACT: The Topic study and design of regenerative energy system on four-passenger hybrid cars by virtue of alternate utilization excess inertia energy of cars (normal it modified get heat) get electric power and reuse. Design solution following: excess inertia energy utilized to drive flywheel, inertia moment of flywheel used to drive electric generator delivery energize charge input cars battery. 1. Đặt vấn đề. Năng lƣợng truyền thống (năng lƣợng hóa thạch) đang ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trƣờng ngày càng gia tăng đang là những vấn đề mang tính toàn cầu. Để đáp ứng với tốc độ phát triển ô tô của nhân loại mà lại giải quyết đƣợc hai vấn đề trên, các nhà khoa học đã đƣa ra nhiều giải pháp – cải thiện động cơ Diesel, sử dụng nhiên liệu (lỏng, khí) thay thế, dùng pin nhiên liệu, ô tô lai – trong đó ô tô lai Hybrid (sử dụng hai nguồn động lực là động cơ xăng + động cơ điện bổ sung công suất cho nhau và tự khắc phục nhƣợc điểm của nhau) là giải pháp hữu hiệu nhất đối với thực tại nên đang đƣợc nghiên cứu phát triển rất mạnh. Điều đặc biệt là loại ô tô này có hệ thống tái sinh năng lƣợng tận dụng quán tính nên càng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm hơn nữa, nhƣng còn nhiều nhƣợc điểm nên em chọn đề tài này khai thác thiết kế. 2. Nội dung. 2.1. Phân tích chọn phương án thiết kế. Các loại ô tô Hybrid hiện tại sử dụng phƣơng án tái sinh là tận dụng quán tính để kéo máy điện lƣỡng dụng (động cơ điện trở thành máy phát khi tái sinh) hoặc dùng máy phát điện riêng cho hệ thống tái sinh. Các phƣơng án này có nhƣợc điểm là nối cứng tốc độ máy phát với hệ thống chuyển động nên khi phanh, máy phát biến đổi tốc độ rất nhanh sẽ sinh ra thế hiệu và dòng điện rất lớn do từ thông máy phát biến đổi lớn nhƣng trong một thời gian rất ngắn nên dễ gây hƣ hỏng thiết bị, hiệu suất và công suất tái sinh rất thấp. Phƣơng án tận dụng quán tính vào bánh đà đƣợc phân tích và có thể khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm trên nên đƣợc chọn nghiên cứu thiết kế. Kiểu lai hỗn hợp có khả năng tái sinh năng lƣợng tốt nhất nên chọn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 19 kiểu lai hỗn hợp và phương án tái sinh năng lượng tận dụng quán tính tích trữ vào bánh đà để thiết kế cho đề tài. 2.2. Thiết kế phương án bố trí chung trên xe và bố trí hệ thống tái sinh năng lượng. Qua nghiên cứu và phân tích, em đƣa ra phƣơng án thiết kế hệ thống tái sinh năng lƣợng và bố trí trên xe nhƣ hình 1, vị trí lắp đặt hệ thống là dƣới khung xe. Hình 1. Thiết kế truyền động và bố trí hệ thống tái sinh. a)-Bố trí hệ thống trên xe; b)-Sơ đồ truyền động của hệ thống. 1-Động cơ xăng; 2-Máy phát điện; 3-Bộ bánh răng hành tinh; 4-Động cơ điện; 5-Bánh xe chủ động; 6- Vi sai bán trục; 7-Bánh đà; 8-Máy phát; 9-Truyền động đai thang; 10-Bình nhiên liệu; 11-Ắc quy; 12-Khớp nối; 13-Biến mô thủy lực. Nguyên lý làm việc, xem hình 2: Khi nhả bàn đạp ga đến hết hành trình (xe giảm tốc, chạy trơn, xuống dốc hay phanh) thì cuối hành trình bàn đạp có một công tắc điện 13 điều khiển 14 đóng ly hợp lại. Công suất đƣợc truyền xuống bánh đà để dẫn động máy phát điện của hệ thống tái sinh. Khi tốc độ xe giảm quá nhanh thì biến mô thủy lực sẽ tách nối cứng tốc độ với hệ thống chuyển động và hơn nữa nó vẫn truyền với mô men nhỏ hơn xuống bánh đà nên bánh đà không bị hãm lại theo mà tiếp tục quay theo quán tính, máy phát vẫn quay để cấp điện. Nếu tốc độ (công suất) truyền xuống bánh đà mà lớn hơn tốc độ đang quay của bánh đà thì biến mô 311 12 10 5 A A 2 4 6 7 5 9 8 1 A A 13 14 Maûch âiãöu khiãøn ly håüp 1 Hình 2. Sơ đồ tổng thể của hệ thống tái sinh thiết kế. 1-Ly hợp; 2-Bộ truyền bánh răng nón; 3-Biến mô thủy lực; 4-Bánh đai chủ động giảm tốc; 5-Đai thang; 6-Bánh đà; 7-Bánh đai bị động giảm tốc; 8-Bánh đai chủ động tăng tốc; 9-Bánh đai bị động tăng tốc; 10-Máy phát; 11-Bánh răng bao của vi sai bán trục; 12-Bánh răng truyền lực; 13-Công tắc cuối hành trình bàn đạp; 14-Solenoid. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 20 lại truyền công suất xuống để tăng tốc bánh đà. Hệ thống làm việc hoàn toàn tự động. Xe không còn phanh, giảm tốc, hay xuống dốc thì hệ thống có thể vẫn đang làm việc và cấp điện vào ắc quy. Khi thiết kế hệ thống tái sinh này em chọn một xe cơ sở để thiết kế đó là xe TOYOTA PRIUS 2004 bốn chỗ sử dụng hệ thống lai THS II. Các kích thƣớc cơ bản của xe chọn thiết kế: Lo = 2550 [mm]; L = 4308 [mm]; B = 1694 [mm]; H = 1463 [mm] (chiều cao toàn bộ). Trọng lƣợng Ga = 1574,2 kg. 2.3. Xác định thành phần cung cấp của mỗi nguồn công suất. Chọn tốc độ lớn nhất của xe là Vmax = 160 km/h, ta tính đƣợc công suất cần thiết là Nct = 82 [kW]. Chọn động cơ xăng TOYOTA 1NZ-FXE có công suất 52 [kW], số vòng quay 4500 [v/ph] và động cơ điện MES 200-250 AC có công suất 30 [kW], số vòng quay định mức 8000 [v/ph]. Tính toán ắc quy: Hiệu điện thế và cƣờng độ cung cấp cho động cơ điện: 220V, I = 136A. Để bảo đảm đủ hiệu điện thế với ắc quy Ni-MH (cứ mỗi Cell có: 1,2V; 6,5Ah; năng lƣợng riêng 65Wh/kg; công suất riêng 200W/kg) thì phải cần 184 Cell mắc nối tiếp. Dung lƣợng tổng là Qp = 6,5.184 = 1196 [Ah]. Với dung lƣợng này thì tp = 1196/136 = 8,79 giờ. 2.4. Tính toán và thiết kế bánh đà. Xem hình 3. Xét các trƣờng hợp phanh và giảm tốc độ tự do từ tốc độ tối đa của xe. - Khi phanh: từ tốc độ Vmax=160 km/h đến dừng lại. + Công suất lớn nhất tiêu thụ khi phanh (tính tại bánh xe): P1 = (Lực cản lớn nhất qui dẫn về bánh xe) x V1/2 [W] P1 = W1/tp = W1/ [V1/(p.g)] = ma.V1.g.p/2 = Ga.V1.p/2. + Vậy công suất tận dụng 10% cho bánh đà là: Pbd1 = P1.10% = Ga.V1.p/20 = 28,1 [kW]. + Thời gian phanh là: tp = V1/g.p = 5,52 [s]. - Khi giảm tốc: từ tốc độ Vmax=V1=160 km/h về tốc độ trung bình V2=80 Km/h + Công suất lớn nhất tiêu thụ khi giảm tốc (tính tại bánh xe): P2 = (Lực cản lớn nhất qui dẫn về bánh xe) x (V1-V2)/2 [W] P2 = [Ga.(a+bV) + kFV 2 ].(V1-V2)/2= 15,65 [kW]. + Tận dụng 10% công suất này thì công suất truyền xuống bánh đà là: Pbd2 = 1,56 [kW]. + Thời gian giảm tốc tự do đến dừng xe: Wgt/P2 = 49,6 [s]. Tốc độ quay lớn nhất của trục bánh răng giảm tốc (12, hình 2) với bánh răng bao vi sai bán trục là 4852 [v/p] khi tỷ số truyền lực chính io = 4; bộ truyền bánh răng nón ibr = 3; bộ truyền đai id = 2,5; bộ truyền đai tăng tốc dẫn động máy phát ibdt = 6,36 thì tốc độ bánh đà là nbd = 647 [v/p]. bdmax = 647.3,1416/30 = 67,7 [rad/s]. Hình 3. Kích thước của bánh đà. 10 ø50 ø70 25 ø1200 ø1100 1020 40 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 21 Bánh đà thiết kế thỏa mãn phƣơng trình động năng: Wbd = Jbd. 1 2 /2 = Wbd1 = 51815 [J]. Do   4 . ...2 4 1 4 2 RRbJ bd    . Chọn R2 = 600 [mm]; b = 40 [mm]. Vậy R1 = 537 [mm]. Chọn R1 = 550 [mm] vì thực tế Jbd còn phải tính đến mô men quán tính các cánh bánh đà. Xác định khối lƣợng của bánh đà: mbd = Vbd.bd = 65,63 [kg]. 2.5. Tính chọn máy phát điện cho hệ thống. Hình 4. Máy phát điện và các thông số máy phát của hệ thống lai. Chọn máy phát sử dụng cho hệ thống là máy phát xoay chiều ba pha kích thích kiểu điện từ không có vòng tiếp điện (loại này có tuổi thọ cao). Từ công suất tận dụng đƣợc của bánh đà đã tính toán, ta chọn máy phát điện và thông số của nó nhƣ hình 4. Công suất phát ra của máy phát là:P = U.I = 24.150 = 3600 [W]. Dãy tốc độ làm việc mà máy phát phát sinh điện là 9508000 [v/ph]. Với số vòng quay nhỏ nhất của máy phát nhƣ trên, tốc độ tối thiểu khi xe giảm tốc là 37 [km/h] (tốc độ bánh đà là 149,3 [v/p]) thì hệ thống tái sinh làm việc có hiệu quả, máy phát sinh điện nạp lại ắc quy. 2.6. Nạp điện. Trƣớc khi nạp điện vào ắc quy cần tăng điện áp lên trên 220V (điện áp của ắc quy) và phải là dòng một chiều. Dùng mạch chỉnh lƣu trang bị bộ điều chỉnh điện tử tạo điện áp ổn định và dùng biến thế nâng điện áp từ 24V lên 240V rồi nạp vào ắc quy. 2.7. Thông số của các bộ truyền trong hệ thống. Sau khi tính toán, ta có kích thƣớc các bộ truyền nhƣ hình 5. Ø82 59 Ø5 0Ø2 0 80 40 Ø1200 Ø212 Ø462 22 Ø512 60 529 Ø378,1 Ø134,5 396,2 AA 1 8 9 5 7 6 4 2 A A 5 1034 12 11 3 Hình 5. Kích thƣớc tổng thể hệ truyền động của hệ thống. OUTPUT VOL (V) CURRENT SPEED (rpm) SPEED IN USE(rpm) HOT(20) HOT(20) COLD 24V 150A 24 0 0 (0) 980 2500 5000 950-8000 133 114 (140) 150 127 (157) Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 22 1-Ly hợp; 2-Bộ truyền bánh răng nón; 3-Biến mô thủy lực; 4-Bánh đai chủ động giảm tốc; 5-Đai thang; 6-Bánh đà; 7-Bánh đai bị động giảm tốc; 8-Bánh đai chủ động tăng tốc; 9-Bánh đai bị động tăng tốc; 10-Máy phát; 11-Bánh răng bao của vi sai bán trục; 12-Bánh răng truyền lực. 3. Kết luận và hướng phát triển. Đây là đề tài khá mới mẻ về ô tô Hybrid nên việc nghiên cứu còn rất hạn chế do thiếu tài liệu và tài liệu hiện có hầu hết là Anh ngữ. Đề tài có thể áp dụng chế tạo và lắp đặt trên bất kỳ xe ô tô lai-Hybrid nào. Tuy nhiên, loại ô tô lai mới chỉ đƣợc triển lãm tại Việt Nam nên việc áp dụng đề tài vào thực tiễn chƣa phải là thời điểm hiện tại. Hệ thống cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hơn, nhất là máy phát điện của hệ thống, tính ổn định của xe khi có bánh đà. TÀI LIỆU THAM KHẢO. [1] 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. [2] JAMES LARMINIE, JOHN LOWRY. Electric Vehicle Technology Explained. John Wiley & Sons Ltd, 2003. [3] RON HODKINSON AND JOHN FENTON. Lightweight Electric, Hybrid Vehicle Design. Butterworth-Hememann, Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, 225 Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041, 2001. [4] BUÌI VÀN GA, HÄÖ SYÎ XUÁN DIÃÛU. Ô tô Hybrid: Phƣơng tiện giao thông cá nhân sạch phù hợp với điều kiện Việt Nam. Hội nghị Khoa học-Công nghệ kỷ niệm 40 năm Ngày thành lập Cục Đăng kiểm Việt Nam, pp.165-172, Hà Nội 16-4-2004. [5] Th.s LÊ VĂN TỤY. Hƣớng dẫn thiết kế ô tô (Phần truyền lực trên ô tô). Khoa Cơ khí Giao thông, Trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng: [6] STEVEN J.BOYD. Hybrid Electric Vehicle Control Strategy Based on Power Loss Calculations. Blacksburg, Virginia, August 28, 2006. [7] BÙI VĂN GA, NGUYỄN QUÂN. Nghiên cứu hệ thống động lực cho ô tô Hybrid Việt Nam. [8] TOYOTA. Toyota Hybrid System-Toyota Technical Training, [9] NGUYỄN TRỌNG HIỆP, NGUYỄN VĂN LẪM. Thiết kế Chi tiết máy. NXB Giáo Dục, Công ty Cổ phần in Phúc Yên, 2005. [10] TRƢƠNG QUỐC THÀNH, PHẠM QUANG DŨNG. Máy và Thiết bị nâng. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hƣng Đạo, Hà Nội, 2000. [11] NGUYỄN HOÀNG VIỆT. Trang bị điện và điện tử trên ô tô. Giáo trình môn học lƣu hành nội bộ, khoa Cơ khí Giao thông, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. [12] TRẦN VĂN THỊNH, NGUYỄN THẾ CÔNG, LÊ VĂN DOANH. Điện tử công suất (tập I, II). NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2007.