XE GẮN MÁY HYBRID ĐIỆN-GAS
ELECTRIC-GAS HYBRID MOTORCYCLE
BÙI VĂN GA
Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN QUÂN
Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Huế
TÓM TẮT
Xe gắn máy hybrid sử dụng hai nguồn động lực: động cơ điện và động cơ nhiệt chạy bằng ga
đã được thiết kế chế tạo. Hai nguồn động lực được phối hợp tối ưu trong các điều kiện vận
hành nhờ bộ điều khiển ECC của xe. Nhờ vậy hiệu quả sử dụng năng lượng của xe cao và
mức độ phát thải ô nhiễm thấp.
ABSTRACT
Hybrid motorcycle using two power resources: electrical engine and internal combustion
engine fueled by gas has been designed and manufactured. These two power resources are
combined optimally together by the ECC in different operation conditions of motorcycle. Thus
the vehicle performance is improved and its pollution emission is reduced.
1. Giới thiệu
Phương tiện giao thông là nguồn phát
thải ô nhiễm không khí quan trọng nhất hiện
nay. Phương tiện giao thông không gây ô
nhiễm (zero emission) từ lâu đã là mục tiêu
nghiên cứu của các nhà khoa học. Nhiều giải
pháp đã được đưa ra cả về mặt hoàn thiện kết
cấu động cơ lẫn tìm kiếm các nguồn nhiên
liệu thay thế xăng dầu truyền thống để giảm
mức độ phát thải ô nhiễm. Các nghiên cứu
này trở nên bức thiết khi nguồn dầu lửa ngày
càng cạn kiệt, giá dầu thô thay đổi thất
thường và dường như không còn được kiểm
soát bằng những giải pháp truyền thống mà
thế giới đã dùng trong hơn thế kỷ qua (hình
1).
Trong những năm qua, Nhà nước phải
dùng ngân sách để bù lỗ cho xăng dầu để đảm
bảo ổ định giá mặt hàng thiết yếu này nhằm
ổn định giá cả của các mặt hàng khác. Tuy
nhiên hiện nay giá dầu thô trên thế giới đã
vượt ngưỡng 100USD/thùng, Nhà Nước
không còn khả năng bù lỗ, giá xăng dầu đã
tăng và trong tương lai, mức độ tăng giá xăng
dầu sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn do nguồn dữ
trữ dầu thô đã cạn kiệt. Việc sử dụng nhiên
Bắc Mỹ
Mỹ
La Tinh
Liên Xô
cũ Châu Âu
Trung
Đông Châu Phi
Châu Á-
TBD Thế Giới
20
4
0
6
0
8
0
N
m
12
41
28
9
81
3
2
1
4
41
Hình 1: Trữ lượng dầu năm 2005 của các vùng
khác nhau trên thế giới tính theo năm sản xuất
2005. (Nguồn: BP Statistical Review, 2007)
1900 192
0
1940
1960
1980
2000 2020
2
0
40
60
Lượng dầ
u
tìm thấy
Lượng khí
tìm thấy
Lượng khí
tiêu thụ
Lượng dầu
tiêu thụ
T
ỉ
thù
ng dầ
u mỏ
tư
ơ
ng đ
ư
ơ
ng
Hình 2: Lượng gas và lượng dầu tìm thấy hàng
năm từ năm 1990. (Nguồn: Exxon Mobil, 2002)
liệu khí thay cho nhiên liệu lỏng truyền thống là giải pháp hữu hiệu nhằm giảm bớt sự lệ thuộc
vào dầu mỏ hiện nay (hình 2).
Ở Việt Nam, nguồn gây ô nhiễm chính là xe gắn máy. Hiện có hơn 16 triệu chiếc xe
gắn máy đang lưu hành và trong một thời gian dài trước mắt, xe gắn máy vẫn đóng vai trò là
phương tiện giao thông cá nhân chủ lực ở nước ta. Từ ngày 1-7-2007 nước ta bắt đầu áp dụng
tiêu chuẩn EURO II đối với khí thải các loại phương tiện giao thông mới (hình 3).
Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu một loại phương tiện cá nhân phù hợp với nước ta
để thay thế các loại xe gắn máy đang sử dụng hiện nay thỏa mãn đồng thời hai điều kiện là
phát thải ô nhiễm thấp và sử dụng năng lượng thay thế xăng dầu để đảm bảo an ninh năng
lượng là rất cần thiết [5].
Các giải pháp giảm ô nhiễm môi trường của phương tiện cơ giới có những ưu và nhược
điểm riêng. Hai giải pháp được đánh giá tốt nhất hiện nay là sử dụng pin nhiên liệu (Fuel Cell
Vehicle) và ô tô lai điện - nhiệt (Hybrid). Ô tô sử dụng pin nhiên liệu có ưu điểm là hoàn toàn
không gây ô nhiễm môi trường nhưng nhiên
liệu cung cấp cho nó là khí hydrogen (H2) hiện
đang có trở ngại về vấn đề lưu trữ. Trong tương
lai, khi các nhà khoa học tìm ra được giải pháp
lưu trữ hydrogen đảm bảo cho phương tiện có
thể hoạt động độc lập trong quãng đường chấp
nhận được và sử dụng năng lượng mặt trời để
sản xuất hydrogen thì đây là giải pháp năng
lượng lý tưởng và bền vững nhất.
Ô tô, xe máy hybrid kết hợp được ưu
điểm của động cơ điện và nhiệt đồng thời hạn
chế những nhược điểm của chúng nên tạo ra
được hiệu suất tổng hợp rất cao và mức độ phát
thải ô nhiễm thấp. Vì vậy mà công nghệ lai
trong giai đoạn hiện nay đã được các nhà sản
xuất ô tô trên thế giới tập trung
nghiên cứu phát triển.
Đối với Việt Nam, xe hybrid
điện-nhiệt với động cơ nhiệt sử dụng
nhiên liệu khí là hướng phát triển tốt
nhất. Thật vậy, về mặt năng lượng thì
điện năng của chúng ta được sản xuất
chủ yếu bằng thủy điện (năng lượng
tái sinh) và trữ lượng khí thiên nhiên
của chúng ta còn dồi dào hơn trữ
lượng dầu. Trước mắt, chúng ta có
thể sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng
LPG, sau đó sử dụng khí thiên nhiên
CNG đồng thời nghiên cứu ứng dụng
nhiên liệu tái sinh (biogas,
biodiesel...) trên phương tiện cơ giới
là giải pháp năng lượng phù hợp với
nước ta trong thế kỷ XXI [10]. Trong
các công trình nghiên cứu trước đây
HC g/km
0,98
0,
71
0,
56
0,
30
0,025
0,
0,
0,
25
0,
50
0,
63
0,
87
NOx g/km
CO g/km
1.06
0,64
0,50
H¹ t r¾n g/km
2,88
EURO 1
EURO 2
EURO 3
EURO 4
---- EURO 5
Hình 3: Tiêu chuẩn phát thải ô nhiễm của ô tô
Bộ ly hợp điện từ
Bánh xe sau
Động cơ điện
1000W
Máy phát
điện
Bộ truyền
động đai
Động cơ LPG
Ly hợp ly
tâm
Bánh xe trước
Động cơ điện
500W
Hình 4: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động cơ khí
chúng tôi đã thiết kế hệ thống động lực cho ô tô hybrid điện-nhiệt hai chỗ ngồi [4], [6], [7].
Công trình này sẽ nghiên cứu thiết kế, chế tạo xe gắn máy hybrid điện-gas.
2. Thiết kế xe gắn máy hybrid điện-gas
Yêu cầu đặt ra cho xe gắn máy hybrid như sau:
- Tốc độ cực đại: 80km/h
- Trọng lượng xe: 120kg
- Quãng đường tự hành khi chạy bằng điện: 50-60km
Sau khi tính toán động học và động lực học, chúng tôi chọn hệ thống động lực của xe
gồm: - Hai động cơ điện có tổng công suất 1.500W (động cơ kéo bánh sau 1.000W và
động cơ kéo bánh trước 500W)
- Động cơ nhiệt chạy bằng gas LPG được cải tạo từ động cơ xe gắn máy Honda
50cc
- Máy phát điện một chiều công suất 1.500W
Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền động cơ khí của xe như hình 4. Hệ thống gồm
động cơ điện kéo bánh xe trước, động cơ điện kéo bánh xe sau, máy phát điện và động cơ
nhiệt chạy bằng LPG. Động cơ gas truyền momen cho máy phát điện bằng đai thông qua ly
hợp kiểu ly tâm và momen này được truyền cho bánh sau thông qua ly hợp kiểu điện từ gắn
trên trục máy phát điện. Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau:
a) Ở chế độ bình thường, các động cơ điện truyền momen cho các bánh xe. Ở chế độ
này, 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 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 đai. Động
năng của xe được chuyển thành điện năng nạp lại cho ắc quy. Liên hệ giữa động cơ LPG và
máy phát điện thông qua bộ ly hợp ly tâm. Bộ ly hợp này chỉ đóng khi động cơ nhiệt hoạt
động nên khi máy phát điện quay nó không kéo động cơ LPG quay theo. Nếu người lái 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
Bình chứa LPG
0,8m
Động cơ LPG
Máy
phát
điện
Động cơ điện
(b
ánh
tr
ư
ớc
)
Ắc quy Động cơ điện
(b
ánh
sau)
1,2m
Hình 5: Sơ đồ bố trí tổng thể hệ thống truyền động
của xe gắn máy hybrid
Hình 6: Mô hình cấu tạo xe gắn máy
hybrid
trợ”. Khi đó động cơ Honda 50cc được khởi động kéo máy phát điện 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 ở trạng thái ngắt nên không làm ảnh
hưởng đến 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, nếu người 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 chuyển sang trạng thái đóng và dòng kích từ của máy phát được cắt để ngưng phát điện.
Động cơ LPG hỗ trợ công suất 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 ắc quy.
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.
Sơ đồ bố trí tổng thể hệ thống truyền động của xe gắn máy hybrid được giới thiệu trên
hình 5 và mô hình xe được trình bày trên
hình 6. Khi chạy bằng điện (trong thành
phố), xe không thải ô nhiễm. Khi phối hợp
sử dụng động cơ điện và động cơ LPG, mức
độ phát ô nhiễm tối đa của xe chỉ bằng 20%
so với xe gắn máy chạy xăng cùng cỡ [8].
3. Hệ thống điều khiển xe gắn máy
hybrid
Toàn bộ hoạt động của xe gắn máy
hybrid 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 điều
khiển 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 và bộ điều tốc của động cơ LPG. Sơ
đồ nguyên lý của hệ thống thể hiện ở hình 7.
Bình thường
Phụ trợ
Cảm biến
tốc độ xe
ECC
Bộ điều khiển đ
iện
tử
(Electronic Control
Center) Tay ga
Bánh xe và động
cơ điện
Bộ ly hợp ly tâm
Động cơ LPG
Bộ
điều
tốc
Bộ điều
chỉnh
điện áp
+
Rơ le
Máy phát điện
Bộ tiết
chế
+
Rơ le
Bộ ly hợp
điện lừ
+
Hình 7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ
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 vặn tay
ga, ngược lại khi người lái thả tay 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), tốc độ ứng với mô men cực
đại 4000 (vòng/phút) và tốc độ ứng với
công suất cực đại 7000 (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 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). Sơ đồ
nguyên lý làm việc của cơ cấu tay ga và bộ
thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện như
ở hình 8.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
điều chỉnh tốc độ động cơ điện như
sau: Khi mạch được cấp điện, dòng
điện đi từ cực dương của nguồn qua
điện trở R4 , qua đi ốt D1 , qua biến
trở RX1 , qua tụ điện C, qua điện trở
R2 và về cực âm của nguồn điện.
Dòng điện này phân cực thuận làm
cho trandito T1 dẫn bão hoà và khoá
transitor T2 . Khi T2 khoá thì UR3 = 0
nên thysitor SCR khóa và ngưng cấp
dòng qua động cơ điện. Khi tụ C
được nạp no điện, dòng phân cực
thuận cho T1 bằng 0 và T1 chuyển
sang trạng thái khoá. Khi T1 khoá thì
T2 dẫn bão hoà và tạo ra điện áp trên R3 điều khiển SCR mở dẫn dòng qua động cơ, đồng thời
tụ điện C phóng điện qua RX2 , qua D2 , qua T2 , qua R3 , qua R2 và về lại tụ C. Sau khi tụ điện
C phóng hết điện nó tiếp tục nạp điện trở
lại như ban đầu. Quá trình này được lặp
đi lặp lại như vậy và tạo ra một xung điện
áp UM cấp cho động cơ điện như trên đồ
thị hình 9. Rõ ràng, tỷ lệ thời gian giữa
đóng và ngắt của xung UM phụ thuộc vào
thời gian nạp và phóng điện của tụ điện
C. Vì vậy, thông qua các biến trở RX1 và
RX2 ta có thể thay đổi tỷ lệ giữa thời gian
nạp và phóng điện qua tụ điện C làm thay
T1
T2 SCR
48V
R3
R2
R1
C
D2
D3
RX2
D1
RX1
R5
Bộ thay đổi điện áp cấp
cho động cơ điện
Cơ cấu tay
ga
Đến
bộ
ECC
K
M
R4
Hình 8: Mạch điện điều khiển động cơ điện
UC
Un1
Ux1
Un2
Ux2
UR2
UM1
UM2
t
t
UR3
UM
UR2
UR3
Hình 9: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện áp cấp cho
động cơ điện
Bảng 1: Mô tả hoạt động của hệ thống điều khiển
động cơ
Nhóm tín hiệu vào Nhóm tín hiệu ra
Chế độ
hoạt
động
Công
t
ắc tay
ga
Vượt dốc
(ga cực
đại)
Tốc độ
xe
(Km/h)
Bộ điều
tốc(v/ph)
Rơ le
bộ
tiết
chế
Rơ le ly
hợp
điện từ
ON 060 0 0 0
ON OFF 0
60 0 0 0
1060 0 1 1
Bình
thường
OFF
OFF 010 0 0 0
020 4000 0 1
ON >20 7000 1 0
ON OFF 060 7000 1 0
1060 900 1 1
Phụ trợ
OFF OFF 0
10 7000 1 0