Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình ô tô Hybrrid 2 chỗ ngồi phục vụ đào tạo tại Trường Đại học Nha Trang

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2013<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRID<br /> HAI CHỖ NGỒI PHỤC VỤ ĐÀO TẠO TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> DESIGN AND FABRICATION OF A TWO-PASSENGER HYBRID CAR<br /> USED FOR TEACHING AT NHA TRANG UNIVERSITY<br /> Nguyễn Văn Định1, Nguyễn Văn Nhận2, Vũ Thăng Long3<br /> Ngày nhận bài: 20/5/2013; Ngày phản biện thông qua: 23/9/2013; Ngày duyệt đăng: 10/12/2013<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này tóm tắt kết quả thiết kế và chế tạo mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi phục vụ đào tạo tại Trường Đại học<br /> Nha Trang. Các bộ phận chính của hệ động lực bao gồm một máy phát xoay chiều 12V, một động cơ đốt trong có dung tích<br /> 110cc dẫn động bánh sau và máy phát, hai động cơ có công suất mỗi cái 350W được tích hợp bên trong bánh xe trước. Máy<br /> phát điện có vai trò sản sinh ra điện để nạp cho ắc qui khi tình trạng nạp ắc qui thấp. Hệ thống điều khiển điện tử được<br /> thiết kế cho phép ôtô phối hợp công suất các động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau. Quá trình thử nghiệm đã được tiến<br /> hành để xác định một số thông số tính năng cơ bản trên đường của ô tô thiết kế.<br /> Từ khóa: ôtô hybrid, ôtô lai<br /> <br /> ABTRACT<br /> This paper summarizes findings on the design and fabrication of two-passenger hybrid cars to serve teaching at Nha<br /> Trang University. The main components of the vehicle powertrain are composed of a 12V three-phase alternator, an 110cc<br /> internal combustion engine used for driving the rear wheels and the alternator, and two 350W in-wheel brushless DC motors<br /> to provide power for the front wheels. The alternator plays the role of recharging the batteries while the state of charge is low.<br /> An electronic control system is designed to combine the power between the electric motors and ICE in different operation<br /> regimes. The experiment was conducted to obtain some basic performance parameters of the hybrid electric vehicle.<br /> Keywords: hybrid car, hybrid vehicle<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Ôtô hybrid (hybrid automobile) là loại ôtô có hệ<br /> động lực được cấu thành từ hai hoặc nhiều nguồn<br /> động lực khác biệt nhau. Loại ôtô hybrid phổ biến<br /> nhất hiện nay có hệ động lực gồm một động cơ<br /> đốt trong và một hoặc nhiều động cơ điện [2]. Bởi<br /> vậy, thuật ngữ “hybrid car”, “hybrid vehicle”, “hybrid<br /> electric vehicles - HEVs” thường được hiểu là loại<br /> phương tiện có hệ động lực như vậy [5].<br /> Do nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, giá<br /> nhiên liệu ngày càng tăng, áp lực ngày càng lớn<br /> của vấn đề ô nhiễm môi trường,... ôtô hybrid đã trở<br /> thành một trong những hướng phát triển của ngành<br /> công nghiệp ôtô được nhiều nước quan tâm [2].<br /> Toyota và Honda được xem là những hãng chế tạo<br /> 1<br /> 2<br /> <br /> ôtô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực<br /> ôtô hybrid. Dòng ôtô hybrid hiện đại đầu tiên có tên<br /> Toyota Prius xuất hiện trên thị trường Nhật Bản vào<br /> năm 1997, sau đó là Honda Insight vào năm 1999.<br /> Hiện nay, hầu hết các hãng chế tạo ôtô hàng đầu<br /> đều đã cho ra đời các phiên bản ôtô hybrid của mình<br /> và ôtô hybrid đã được khẳng định là một phần cốt lõi<br /> của thị trường ôtô trong tương lai [4].<br /> Ở Việt Nam, mặc dù chưa chế tạo sản xuất<br /> nhưng ôtô hybrid đã được quan tâm nghiên cứu<br /> từ đầu những năm 2000 thể hiện qua các đồ án<br /> tốt nghiệp bậc đại học, luận văn thạc sĩ, đề tài<br /> nghiên cứu khoa học của giáo viên và sinh viên,<br /> nhất là ở trường đại học. Hiện nay, công nghiệp ô<br /> tô là ngành rất quan trọng đang được ưu tiên phát<br /> <br /> Nguyễn Văn Định: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang<br /> PSG.TS. Nguyễn Văn Nhận, 3 ThS. Vũ Thăng Long: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 10 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> triển để góp phần phục vụ có hiệu quả quá trình<br /> công nghiệp hoá, hiện đại hoá và xây dựng tiềm lực<br /> an ninh, quốc phòng của đất nước [1]. Ngành kỹ<br /> thuật ô tô và công nghệ cơ điện tử của Trường Đại<br /> học Nha Trang là một trong những ngành góp phần<br /> đào tạo nguồn nhân lực cho phát triển nhanh nền<br /> công nghiệp ô tô nội địa. Trong chiến lược phát triển<br /> của Trường Đại học Nha Trang, các ngành kỹ thuật<br /> cũng hướng tới các sản phẩm có tính ứng dụng cao<br /> gắn liền với phương châm làm chủ về công nghệ<br /> chế tạo sản xuất.<br /> Đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình<br /> ôtô hybrid hai chỗ ngồi sẽ tạo điều kiện cho việc<br /> tiếp cận sâu hơn trong lĩnh vực ôtô hybrid bổ sung<br /> <br /> Số 4/2013<br /> tư liệu và thiết bị góp phần nâng cao chất lượng đào<br /> tạo kỹ sư các ngành kỹ thuật ôtô và công nghệ cơ<br /> điện tử.<br /> II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Nhằm mục tiêu phục vụ đào tạo tại Trường Đại<br /> học Nha Trang, mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi<br /> được nghiên cứu chế tạo dựa trên phương pháp<br /> tính toán lý thuyết, đồng thời kế thừa kinh nghiệm<br /> của những mô hình có sẵn trên thực tế. Bên cạnh<br /> đó, kết hợp với mục tiêu đào tạo của khối ngành kỹ<br /> thuật ô tô và ngành công nghệ cơ điện tử. Đối tượng<br /> và phương pháp nghiên cứu được thực hiện theo<br /> trình tự như hình 1.<br /> <br /> Hình 1. Phương pháp và trình tự thực hiện<br /> <br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Kết cấu tổng thể của ôtô hybrid<br /> Sau khi khảo sát, tính toán các yêu cầu kỹ thuật, tác giả đã xây dựng được phương án chế tạo mô hình<br /> xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi có kết cấu tổng thể như hình 2. Trong đó, kích thước chiều Dài x Rộng x Cao tối đa<br /> là 1800 x 1400 x 1500 (mm). Phần khung làm bằng thép mạ kẽm, đảm bảo độ cứng vững và an toàn.<br /> <br /> (1)- Khung xe;<br /> (2)- Modun động cơ điện + bánh xe;<br /> (3)- Động cơ đốt trong;<br /> (4)- Máy phát điện;<br /> (5)- Trục các đăng;<br /> (6)- Vi sai và các bán trục.<br /> <br /> Hình 2. Kết cấu tổng thể của ôtô hybrid 2 chỗ ngồi<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 11<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> Động cơ đốt trong (ICE): Dùng để khởi<br /> động cho máy phát, là quá trình khởi tạo năng<br /> lượng điện<br /> Máy phát: Khi hoạt động sẽ cung cấp năng<br /> lượng điện để nạp vào acquy, phục vụ cho việc cung<br /> cấp điện cho 2 động cơ ở 2 bánh xe.<br /> Ly hợp: Có nhiệm vụ kết nối/ngắt truyền động<br /> giữa động cơ đốt trong và trục các đăng.<br /> Vi sai: Phân phối lực dẫn động từ động cơ đến<br /> 2 bánh sau.<br /> Modun động cơ điện + bánh trái, phải: Truyền<br /> chuyển động ra 2 bánh xe, có thể thay đổi tốc độ<br /> theo ý muốn của người sử dụng. Chọn động cơ điện<br /> Brushless DC có sẵn trên thị trường.<br /> Trục các đăng: Kết nối truyền động giữa ICE<br /> và vi sai.<br /> <br /> Số 4/2013<br /> Ắc quy: Tích trữ điện và cung cấp cho việc điều<br /> khiển 2 động cơ ở 2 bánh xe.<br /> ECU: Bộ điều khiển trung tâm. Điều khiển quá<br /> trình khởi động/ngắt ICE, mạch công suất (PCB) để<br /> phân phối điện năng đến động cơ bánh trái và động<br /> cơ bánh phải. Khi ắc quy đã nạp đầy, ECU có nhiệm<br /> vụ ngắt ICE và máy phát. Khi điện áp ắc quy xuống<br /> thấp thì ECU có nhiệm vụ khởi động ICE và máy phát<br /> để nạp điện vào cho ắc quy. Đồng thời ECU còn làm<br /> nhiệm vụ điều khiển tốc độ cho 2 động cơ điện. Trong<br /> suốt quá trình tăng tốc và leo dốc, cả ICE và động cơ<br /> điện sẽ cung cấp năng lượng đến các bánh xe nhằm<br /> đảm bảo được công suất tốt nhất.<br /> 2. Mạch điều khiển<br /> 2.1. Mạch công suất điều khiển điều khiển động cơ<br /> Brushless DC [3]<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Brushless DC<br /> <br /> Để điều khiển được động cơ Brushless DC phải<br /> cấp nguồn cho từng pha của động cơ để đảo pha ở 3<br /> đầu cuộn dây động cơ theo những trạng thái đảo pha<br /> <br /> 12 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> của nó bằng cách đưa các tín hiệu kích vào các chân<br /> điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation).<br /> Tốc độ của động cơ phụ thuộc vào tần số đảo pha.<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2013<br /> <br /> 2.2. Mạch giám sát và điều khiển trung tâm<br /> <br /> Hình 4. Mạch điều khiển trung tâm<br /> <br /> Mạch sử dụng vi điều khiển ATmega32, dùng<br /> để hiển thị các thông số như: điện áp ắc quy, vị trí<br /> bàn đạp chân ga, tốc độ xe. Dựa vào các thông số<br /> trên, mạch sẽ điều khiển tự động khi nào sử dụng<br /> động cơ điện, khi nào sử dụng động cơ đốt trong<br /> hoặc khi nào cần sử dụng cả hai.<br /> <br /> Hình 5. Mô hình ôtô hybrid sau khi chế tạo<br /> <br /> 2.3. Mô hình ô tô hybrid hai chỗ ngồi và kết quả<br /> thực nghiệm<br /> Mô hình ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế tạo<br /> <br /> như hình 4. Sản phẩm được chế tạo có những tính<br /> năng sau:<br /> Hệ thống truyền động: 02 động cơ điện dẫn<br /> động 02 bánh trước, động cơ nhiệt (xăng) dẫn động<br /> bánh sau thông qua bộ truyền các đăng - vi sai. Hệ<br /> truyền động hoạt động êm dịu.<br /> Hệ thống điều khiển dùng trên mô hình xe ô tô<br /> hybrid bao gồm:<br /> + Máy biến áp để kích điện áp từ 12VAC (của<br /> máy phát) thành 60VAC, thông qua mạch nạp để<br /> nạp cho acquy 48VDC.<br /> + Các cảm biến: đo tốc độ ôtô, vị trí bàn đạp<br /> chân ga.<br /> + Hệ thống kiểm tra trạng thái của động cơ nhiệt<br /> và dung lượng của acquy 48V.<br /> + Hệ thống khởi động/ngắt động cơ nhiệt.<br /> + Bộ điều khiển động cơ Brushless DC.<br /> Kết quả thực nghiệm:<br /> Mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi với tổng khối lượng<br /> 2 người ngồi tối đa là 130kg sau khi chế tạo đã được<br /> chạy thử nghiệm và thu được kết quả như sau:<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 13<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2013<br /> <br /> Bảng 1. Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường bằng phẳng (ắc qui đầy điện)<br /> Điều kiện hoạt<br /> động<br /> <br /> Nguồn động lực<br /> Động cơ đốt<br /> trong<br /> <br /> Động cơ<br /> điện<br /> <br /> Động cơ đốt trong và động<br /> cơ điện<br /> <br /> x<br /> Đường bằng<br /> phẳng<br /> <br /> x<br /> x<br /> <br /> Thời gian tăng<br /> tốc từ<br /> 0-100m (s)<br /> <br /> Tốc độ<br /> lớn nhất (km/h)<br /> <br /> 16<br /> <br /> 35<br /> <br /> 20<br /> <br /> 25<br /> <br /> 14<br /> <br /> 40<br /> <br /> Bảng 2. Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường dốc (ắc qui đầy điện)<br /> Điều kiện hoạt<br /> động<br /> <br /> Nguồn động lực<br /> Động cơ đốt<br /> trong<br /> <br /> Động cơ<br /> điện<br /> <br /> Động cơ đốt trong và động<br /> cơ điện<br /> <br /> Góc vượt dốc<br /> (độ)<br /> <br /> x<br /> Đường dốc<br /> <br /> 25<br /> 10<br /> <br /> x<br /> x<br /> <br /> 18<br /> x<br /> <br /> 15<br /> x<br /> <br /> 12<br /> x<br /> <br /> 18<br /> x<br /> <br /> Kết quả thu được cho thấy, trong tất cả các chế<br /> độ hoạt động của mô hình ôtô hybrid, khi sử dụng<br /> phối hợp cả 2 nguồn động lực (nhiệt, điện) thì tốc<br /> độ ôtô cao hơn so với khi sử dụng từng nguồn động<br /> lực riêng lẻ.<br /> IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> 1. Kết quả đạt được và hạn chế<br /> 1.1. Kết quả đạt được<br /> Sản phẩm của nghiên cứu là mô hình xe ô tô<br /> hybrid hai chỗ ngồi, có đầy đủ tính năng quay trở<br /> và có thể chạy với vận tốc tối đa là 40km/h trong địa<br /> hình bằng phẳng, có khả năng di chuyển được trong<br /> địa hình dốc lên đến 18%. Nguồn năng lượng của<br /> xe hybrid là sự kết hợp của động cơ xăng và năng<br /> lượng từ bình ắc quy.<br /> Mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế<br /> tạo mang tính đột phá và mở ra một kỷ nguyên<br /> mới cho việc nghiên cứu xe hybrid tại Trường Đại<br /> học Nha Trang. Có thể nói, kết quả của nghiên<br /> cứu này là nền tảng cho các nghiên cứu khác về<br /> xe hybrid.<br /> <br /> 14 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> 10<br /> 22<br /> <br /> x<br /> Đường dốc<br /> <br /> 15<br /> 30<br /> <br /> x<br /> Đường dốc<br /> <br /> Tốc độ lớn<br /> nhất (km/h)<br /> <br /> 5<br /> 16<br /> <br /> Trên cơ sở xe mô hình, tác giả cũng đã xây<br /> dựng được các bài thực hành phục vụ việc đào tạo.<br /> Đây là những bài thực hành bám sát với nội dung<br /> và mục tiêu đào tạo. Hơn hết, sản phẩm của nghiên<br /> cứu là mô hình trực quan, giúp sinh viên tiếp thu<br /> kiến thức của các học phần chuyên ngành kỹ thuật<br /> ô tô và cơ điện tử một cách dễ dàng hơn.<br /> 1.2. Hạn chế<br /> Mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế<br /> tạo lần đầu tiên tại Trường Đại học Nha Trang đã<br /> đạt được kết quả thiết thực, có thể ứng dụng ngay<br /> vào việc đào tạo cũng như nghiên cứu khoa học.<br /> Tuy nhiên, tốc độ tối đa của xe mô hình còn thấp,<br /> khả năng leo dốc còn hạn chế do công suất của<br /> động cơ nhiệt và động cơ điện còn nhỏ. Khi chuyển<br /> phối hợp giữa động cơ điện và nhiệt chưa được êm<br /> do thiếu bộ phận ly hợp. Bên cạnh đó, mô hình xe<br /> ô tô hybrid chưa thực hiện được nhiều chế độ phối<br /> hợp điều khiển.<br /> 2. Kiến nghị<br /> Để phát triển mô hình này vào thực tế ứng dụng<br /> cần cải tiến và bổ sung thêm các yếu tố như sau:<br /> <br />