TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
20
THIẾT KẾ XE GẮN MÁY HYBRID
HYBRID MOTORCYCLE DESIGN
Bùi Văn Ga – Nguyễn Quân – Nguyễn Hương
Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo 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.
ABSTRACT
This paper presents results of theoretical and experimental researches on the hybrid
motorcycle at the University of Da Nang. The front wheel and the rear wheel of the motorcycle
are driven directly by 500W electrical engine and 1000W electrical engine respectively. The
LPG thermal engine is converted from a 2000W gasoline stationary engine which is used for
recharging batteries and for supplying an auxiliary power to the motorcycle in case of need.
Brake energy can be converted into electrical energy for batteries recharging. An electronic
control system is designed so as to help the motorcycle combine power of the engines in
different operation regimes.
Test results show that the motorcycle can attain a speed of 55km/h when running with
electrical engines, about 10% lower than the estimated speed. With an LPG cylinder containing
1kg fuel and 4 N12V-35AH batteries, the motorcycle can run at 160km/h. The LPG-electric
hybrid power system can allow the motorcycle to conform with the EURO IV emission
regulation.
1. Đặt vấn đề
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
Hình 1. Hybrid scooter Honda
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
21
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 sản 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
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.
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.
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 độn g 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 (F Q
F
). Phương trình cân bằng lực được
viết như sau:
M = FL + FD + FG + FQ
Lực cản lăn được tính: F
(1)
L = 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
Lực cản lên dốc được tính: F
= 2400.0,020 = 48
(N).
D = 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).
Hình 2. Động cơ điện DC EBM08
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
22
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
Lực quán tính: F
= 0,4.0,4.16,7.16,7 = 45(N).
Q = 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
Từ những tính toán trên, thay các giá trị tính được vào biểu thức (1) ta có:
= 240.1 = 240(N).
FM
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:
= 48 + 240 + 45 + 240 = 573(N) (2)
FMD = FL + FD
F
= 48 + 240 = 288(N)
MG = FL + FG
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:
= 48 + 35 = 83(N)
PMG = FMG
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: P
. v = 83. 16,7 = 1386(W)
M = PMG
P
/ η với η là hiệu suất của hệ thống truyền
lực, chọn sơ bộ η = 0,95 ta được:
M
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
P
= 1386 / 0,95 = 1459(W) (6)
M=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.
Hình 3. Động cơ xăng
Honda GX80
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
23
- 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
Tăng tải
Giảm tải
Gas vào
1
2
3
4
5
Hình 4. Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG
cho động cơ GX80
Hình 5. Lắp đặt van cung
cấp LPG cho động cơ GX80
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
24
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, n ếu 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 được điều khiển chuyển sang trạng thái đóng và dòng kích từ của máy phát
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 6. Sơ đồ tổng quát
hệ thống truyền động cơ khí