Chế tạo thử nghiệm ô tô Hybrid trên cơ sở hoán cải một số mẫu xe thường dùng ở Việt Nam

Để có thể tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu được ô nhiễm môi trường từ ô tô, từ lâu đã có nhiều đề tài kỹ thuật mang nhiều hứa hẹn như: ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên liệu, động cơ khí nén v.v… Nhưng những đề tài kể trên vẫn chưa thể đưa vào sử dụng được vì còn nhiều giới hạn về công nghệ. Hơn nữa, cả hai công nghệ trên đều đòi hỏi phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống cơ sở cung cấp nhiên liệu. Công nghệ hybrid được coi là thành công hiện nay và nhiều hãng sản xuất ô tô nổi tiếng trên thế giới đã có những sản phẩm thuộc dòng xe Hybrid. Những chiếc Hybrid này có ưu điểm là tiết kiệm nhiên liệu và giảm tối đa lượng phát thải khí gây ô nhiễm môi trường, rất phù hợp khi lưu hành trong các đô thị lớn.

Hệ thống giao thông ở các đô thị lớn Việt Nam tương đối nhỏ hẹp, có rất nhiều điểm giao cắt, ít có cầu vượt, hầm chui, đường dành riêng cho người đi bộ…, đồng thời ý thức chấp hành luật lệ giao thông của người Việt Nam chưa thật cao khiến cho tình trạng ùn tắc giao thông thường xuyên xảy ra, và phương tiện giao thông luôn phải thay đổi tốc độ, chế độ làm việc, tốc độ lưu thông của các phương tiện chậm. Đây là những yếu tố làm cho tăng lượng phát thải khí xả và lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong. Với mức độ tăng trưởng phương tiện giao thông đô thị như kể trên, lượng tiêu thụ nhiên liệu và lượng phát thải khí ô nhiễm cũng tăng đáng kể.

Tuy nhiên xe Hybrid chưa được sử dụng nhiều ở các thành phố lớn của Việt Nam. Lý do chủ yếu là giá thành của những chiếc xe này rất cao, chưa phù hợp với đa số người tiêu dùng. Một trong những sự lựa chọn của giao thông đô thị Việt Nam là “Hybridize”- nghĩa là Hybrid hóa các xe truyền thống để khi tắc nghẽn giao thông hoặc chạy trong đô thị và phải dừng đỗ liên tục thì dùng động cơ điện thay thế cho động cơ xăng.

Dự án chế tạo xe hybrid trên cơ sở hoán cải mẫu xe Dawoo Matiz 2008 do tác giả cùng với các cán bộ, giảng viên trường Đại học Giao thông vận tải thực hiện đã cho thấy hoàn toàn có thể cải tạo cơ cấu truyền động của xe ôtô truyền thống để trở thành hệ thống truyền động kết hợp xăng – điện. Mô hình đạt hiệu quả có thể nhân rộng đại trà cho các loại xe khác

Các bước tiến hành thực hiện đề tài

Để thiết kế, chế tạo xe hybrid trên cơ sở hoán cải mẫu xe Dawoo Matiz 2008 tác giả và nhóm nghiên cứu đã tiến hành các bước sau:

Bước 1: Phân tích khả năng hoán cải một số mẫu xe đang được dùng phổ biến tại các thành phố lớn ở Việt Nam thành xe hybrid điện khẳng định đây là đề tài kinh tế và hiệu quả

Bước 2: Khảo sát đánh giá lựa chọn mẫu xe điển hình làm đối tượng hoán cải, mẫu xe Deawoo Matiz 2008 được sử dụng để thử nghiệm. Kết quả hoàn toàn có thể áp dụng cho các mẫu xe tương tự đang được dùng phổ biến tại Việt Nam.

Hình II.1. Kiểu dáng bên ngoài xe Matiz

Bước 3: Thiết kế hệ thống truyền động cho xe Hybrid điện

Sau khi phân tích các dạng truyền động kết hợp với điều kiện thực tế tác giả lựa chọn dạng truyền động cho xe Hybrid là dạng song song

Hình II. 2. Sơ đồ hệ thống Hybrid song song

Động cơ đốt trong
Máy phát điện
Bộ gom công suất
Ắc quy
Bộ biến đổi điện áp
Động cơ điện
Cầu xe
Trục láp
Bánh xe

Khi áp dụng sơ đồ song song cho xe Dawoo Matiz 2008 sơ đồ được mô tả như sau:

Hình II.3. Sơ đồ hệ thống Hybrid song song

Bước 4: Tính toán lựa chọn động cơ điện

Qua việc tìm hiểu sử dụng động cơ điện của các hãng trên xe hybrid và điều kiện thực tế của ô tô khi hoán cải tác giả và nhóm nghiên cứu đã sử dụng động cơ điện một chiều cho nguồn động lực điện, có thông số như sau: Công suất N = 7,5 kW ; tốc độ n = 4600 vg/ph; điện áp U = 48 v

Bước 5: Tính toán lựa chọn ắc qui cho xe Hybrid

Qua phân tích các loại ắc quy trên ô tô , tác giả và nhóm nghiên cứu đã sử dụng ắc quy thường cho ô tô hybrid đã hoán cải vì giá thành rẻ và phù hợp với công việc nghiên cứu.

Với công suất của động cơ là 7,5 (Kw) chọn ắc quy có thông số là: 12V, 150Ah

Do 4 ắc quy 12V dung lượng 150Ah ghép nối tiếp

Thời gian sử dụng liên tục ắc quy ở công suất 7,5 Kw là

® = = 0,96 (h)

Bước 6: Tính toán lựa chọn máy phát điện cho xe Hybrid

Qua việc phân tích các loại máy phát điện dùng cho ô tô thường và ô tô hybrid kết hợp với loại ắc quy đã chọn tác giả lựa chọn máy phát 3 pha thông thường hay sử dụng trên ô tô. Vì 4 ắc quy có thông số 12v; 150Ah mắc nối tiếp do đó máy phát 13,2V để nạp nối tiếp cho 4 ắc quy. Dòng điện nạp có giá trị: I_n = (0,1 ¸ 0,2)C_p = (0,1 ¸ 0,2).150 = (15 ¸ 30) (A). Theo khuyến cáo của nhà sản xuất I_n = 20 (A). Vậy: I_mp = 20 (A)

Ta chọn máy phát có điện áp là: 12V; (15 ¸ 60)A

Công suấtcủa máy phát khoảng 1,5kW

Để nạp no 4 bình ắc quy mất thời gian là:

t = = = 7,5 h

Bước 7: Nghiên cứu lý thuyết về sự phối hợp đặc tính làm việc của động cơ đốt trong và đặc tính làm việc của động cơ điện trên xe hybrid và đưa ra các phương án phối hợp truyền động

– Trường hợp xe dừng hoặc bắt đầu lăn bánh hoặc chạy với tốc độ thấp trên đường bằng phẳng thì (chỉ một mình động cơ điện dẫn động bánh xe chủ động):

– Trường hợp xe chạy với tốc độ ổn định trung bình trên đường bằng phẳng ít có độ dốc (một mình động cơ nhiệt dẫn động bánh xe chủ động)

– Trường hợp dẫn động hybrid (cả hai động cơ cùng dẫn động bánh xe chủ động)

+ Hybrid ở chế độ tốc độ cao (khi xe tăng tốc trên đường cao tốc, khi xe chạy với tốc độ cao giả sử trên 70 km/h),

+ Hybrid ở chế độ tốc độ thấp : khi xe chạy trong đô thị (giả sử dưới 50 km/h) nhưng ắc qui không có đủ năng lượng cấp cho động cơ điện thì động cơ nhiệt vẫn hoạt động ở dải vòng quay kinh tế (2000 – 3400 vg/ph) để đủ công suất dẫn động bánh xe chủ động. Một phần công suất dư thừa sẽ được tính toán để nạp năng lượng cho ắc qui.

Bước 8 : Thiết kế chế tạo bộ điều khiển phối hợp đặc tính làm việc trên xe Hybrid (ECU).

Trên cơ sở phân tích chế độ làm việc của xe Hybrid, cụ thể là sự phối hợp làm việc của động cơ nhiệt và động cơ điện đề xuất phương án phối hợp và điều khiển của hệ thống.

* Các chi tiết của bộ truyền động và điều khiển trên xe hybrid hoán cải

– Hai khớp 1 chiều để chống phản hồi của mô men

– Hai ly hợp để ngắt nguồn động lực khi vào số (1 ly hợp cơ khí, 1 ly hợp điện từ)

– Hộp số sau bộ gom công suất có thể thay đổi mô men tùy theo tải

Hình II.4. Sơ đồ điều khiển phối hợp xe hybrid

– Trên cơ sở phân tích lý thuyết về những nguyên lý cơ bản và các đặc trưng đo lường, phân tích quá trình xử lý tín hiệu vào của ECU, phân tích quá trình điều khiển ra của ECU để lựa chọn các cảm biến.

* Lựa chọn vi xử lý chính và các vi xử lý phụ cho bộ điều khiển

+ Vi xử lý chính: Lựa chọn vi xử lý AT90S8535

+ Vi xử lý phụ: Vi xử lý phụ được chọn ở đây là vi mạch 89C2051.

* Các linh kiện điện tử khác:

– Vi mạch phát thu BUS 8bit 74LS245: Làm bộ đệm giữa vi xử lý chính và máy tính PC, cho phép truyền giữa 2 BUS theo cả hai hướng. Nhiệm vụ: đọc 8 bit dữ liệu từ máy tính gửi tới.

– Vi mạch 4049 làm nhiệm vụ đệm từ vi xử lý chính tới mạch công suất.

– Thiết kế và chế tạo các bo mạch của bộ điều khiển

* Thiết kế mạch tiếp nhận các tín hiệu tương tự: mạch tín hiệu ON/OFF được thiết kế đồng thời trên mạch tương tự với mục đích tiếp nhận các tín hiệu đóng ngắt động cơ điện.

* Thiết kế mạch tiếp nhận các tín hiệu dạng xung: cả hai tín hiệu đầu ra của 2 vi mạch 4046 đều được đưa vào chân 8 và 9 của vi xử lý 89C2051, tại đây cả hai tín hiệu đều được đếm trong một khoảng thời gian để xác định tần số xung. Giá trị này được gửi về vi xử lý chính thông qua đường dữ liệu 8bit từ data0 đến data7 kết hợp với 2 đường báo gửi và báo nhận.

* Thiết kế mạch chính điều khiển các mạch vào/ra, điều khiển hệ thống: Board mạch chính được thiết kế với 2 vi xử lý là 89C52 và AT90S8535 kết hợp với vi mạch EEPROM 24C16

* Viết chương trình điều khiển cho các vi xử lý

Bước 9. Lập thiết kế tổng thể

– Nghiên cứu hệ thống truyền động của ô tô Daewoo Matiz_2008

– Nghiên cứu hệ thống truyền động và khoang buồng máy xe Dawoo Matiz 2008

Bước 10: Lắp ráp hoàn chỉnh xe hybrid

Công tác chuẩn bị trước khi lắp ráp

– Nghiên cứu kỹ kết cấu và các hướng dẫn kỹ thuật trước khi lắp ráp, tránh việc tháo rỡ không đúng làm hư hỏng các chi tiết khác, không thực hiện các công việc thừa, không cần thiết làm giảm năng suất lao động.

– Phải vệ sinh sạch sẽ toàn bộ xe và động cơ trước khi tháo.

– Phải kiểm tra dấu và thứ tự của các chi tiết, các nhóm chi tiết trước khi tháo.

– Phải kiểm tra lực xiết của các chi tiết quan trọng trước khi tháo.

– Phải tuân thủ các quy tắc an toàn lao động, phòng chống cháy nổ và ô nhiễm môi trường.

Lập quy trình lắp ráp và giải thích quy trình

– Lập bảng nguyên công

Bảng II.1. Bảng nguyên công lắp ráp hoàn chỉnh xe Hybrid

STT	Tên nguyên công	Dụng cụ, thiết bị	Vị trí,địa điểm
1	Chuẩn bị	Thước lá, thước thẳng, banme, máy tiện, máy mài, máy hàn…	Tại phân xưởng
2	Bộ phối hợp công suất, hộp số	Clê, Khẩu, kìm	Tại phân xưởng
3	Động cơ nhiệt, hộp số và bộ phối hợp công suất	Pa lăng, kích, clê, khẩu, kìm	Tại phân xưởng
4	Lắp ráp động cơ + Hộp số + bộ phối hợp công suất vào khoang máy	Pa lăng, kích, clê, khẩu, kìm	Tại phân xưởng
5	Lắp đặt động cơ điện	Clê, khẩu, kìm	Tại phân xưởng
6	Lắp đặt hệ thống điện	Clê, khẩu, kìm, bút thử điện	Tại phân xưởng
7	Lắp đặt bộ điều khiển	Clê, khẩu, kìm, bút thử điện	Tại phân xưởng
8	Tổng kiểm tra	Vận hành và quan sát	Tại phân xưởng

Bước 11: Vận hành thử nghiệm và đánh giá các tính năng kỹ thuật, bảo vệ môi trường

Xe hybrid sau khi hoán cải đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật
Bộ phối hợp công suất đạt hiệu suất cao đạt khoảng 83 %
Xe hybrid hoạt động tin cậy với khả năng tăng tốc nhanh

Ứng dụng đề tài

Là đề tài công nghệ cho vấn đề giao thông đô thị Việt Nam hiện nay và trong tương lai.

Thành công của đề tài chứng minh khả năng hoán cải các mẫu xe tương tự thành xe hybrid điện, là tiền đề cho việc sản xuất hàng loạt xe hybrid trên cơ sở hoán cải những xe thông thường đang được lưu hành tại Việt Nam.

Là một nguồn tài liệu tham khảo rất tiện ích cho giáo viên, sinh viên, và các nhà nghiên cứu các chuyên ngành liên quan, góp phần nâng cao nhận thức của cộng đồng về bảo vệ môi trường, đưa công nghệ hybrid từ nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu ứng dụng đến sản xuất thử nghiệm và sản xuất hàng loạt.

Kết luận

Có nhiều đề tài cải thiện ô nhiễm môi trường và sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả. Đề tài hoán cải mẫu xe Matiz, là dòng xe rất thông dụng ở giao thông đô thị Việt Nam, mô hình này có thể ứng dụng cho các dòng xe 4 chỗ khác như: Getz, Kia Morning…hoặc các dòng xe có kích thước, công suất và tải trọng lớn hơn.

Việc nhân rộng mô hình chế tạo xe hybrid trên cơ sở hoán cải mẫu xe đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam sẽ góp phần quan trọng trong nhiệm vụ giảm phát thải ô nhiễm do các phương tiện cơ giới đường bộ ở Việt Nam và chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả.

MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ QUÁ TRÌNH LẮP RÁP HOÀN THIỆN XE HYBRID XĂNG – ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ HOÁN CẢI MẪU XE DAWOO MATIZ 2008

Nguyên công 1: Chuẩn bị mặt bằng, các chi tiết, cụm chi tiết lắp ráp