Tài liệu Tìm hiểu tổng quan về xe hybrid prius toyota

Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TÊN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID PRIUS TOYOTA CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM KĨ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: Th.s NGUYỄN MẪU LÂM Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HOÀI ANH HÀ NỘI 5-2011 1 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý, các thầy giáo, cô giáo trong khoa và tổ Vật lý Kỹ thuật Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Mẫu Lâm đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn giúp đỡ, cổ vũ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề tài khóa luận. Hà nội, Ngày..... tháng…..năm 2011 Tác giả Nguyễn Hoài Anh 2 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài khóa luận do tôi tự nghiên cứu, tự tìm hiểu dưới sự giúp đỡ, góp ý, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Mẫu Lâm, kết quả đề tài do tôi tìm hiểu dựa trên kết quả tôi tìm hiểu được, không trùng với kết quả của bất kì đề tài nào. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà nội, Ngày...... tháng...... năm 2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hoài Anh 3 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................Error! Bookmark not defined. 1. Lý do chọn đề tài ....................................................... Error! Bookmark not defined. 2. Mục đích nghiên cứu ................................................. Error! Bookmark not defined. 3. Đối tượng nghiên cứu ................................................ Error! Bookmark not defined. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu................................................. Error! Bookmark not defined. 5. Phương pháp ngiên cứu ............................................. Error! Bookmark not defined. 6. Đóng góp của luận văn .............................................. Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID.................... Error! Bookmark not defined. 1. Khái quát về ôtô Hybrid............................................. Error! Bookmark not defined. 2. Lịch sử phát triển của xe Hybird ................................ Error! Bookmark not defined. 3. Các hệ thống được sử dụng trên các xe Hybrid hiện nay .......... Error! Bookmark not defined. 3.1. Hệ thống nối tiếp (Series Hybrid System) ........... Error! Bookmark not defined. 3.2. Hệ thống song song (Hybrid Parallel System) ..... Error! Bookmark not defined. 3.3. Hệ thống kết hợp (Series/Parallel Hybrid System)............. Error! Bookmark not defined. 4. Ưu điểm và nhược điểm............................................. Error! Bookmark not defined. 4.1. Tỷ lệ sử dụng động cơ và môtơ điện trong mỗi hệ thống ... Error! Bookmark not defined. 4.2. Ưu điểm của ôtô Hybrid...................................... Error! Bookmark not defined. 4.3. Hạn chế của xe Hybrid........................................ Error! Bookmark not defined. 5. Nguyên lý hoạt động của xe Hybrid ........................... Error! Bookmark not defined. 5.1 Các bộ phận chính của ôtô Hybrid ....................... Error! Bookmark not defined. 5.2 Nguyên lý hoạt động của ôtô Hybrid (bổ sung thêm quá trình khởi động) ... Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU XE HYBRID PRIUS............... Error! Bookmark not defined. 1. Lịch sử phát triển dòng xe Hybrid Prius của Toyota... Error! Bookmark not defined. 1.1. Khái quát về Hybrid Prius Toyota ....................... Error! Bookmark not defined. 4 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp 1.2. Lịch sử phát triển dòng xe Hybrid Prius của Toyota .......... Error! Bookmark not defined. 1.3. Bộ sưu tập giải thưởng: ....................................... Error! Bookmark not defined. 2. Tổng quan ................................................................. Error! Bookmark not defined. 3. Các bộ phận chính của xe Hybrid Prius gồm.............. Error! Bookmark not defined. 3.1 Động cơ ............................................................... Error! Bookmark not defined. 3.2. Mô tơ1 (MG1) .................................................... Error! Bookmark not defined. 3.3. Môtơ 2 ................................................................ Error! Bookmark not defined. 3.4 Bộ bánh răng hành tinh ........................................ Error! Bookmark not defined. 3.5 Bộ chuyển đổi (converter).................................... Error! Bookmark not defined. 3.6 Ắcquy .................................................................. Error! Bookmark not defined. 3.7 Bộ dập tắt dao động ............................................. Error! Bookmark not defined. 4. Kích thước và thông số kĩ thuật của xe....................... Error! Bookmark not defined. 4.1. Kích thước .......................................................... Error! Bookmark not defined. 4.2. Thông số kỹ thuật ............................................... Error! Bookmark not defined. 5. Hệ thống truyền lực ................................................... Error! Bookmark not defined. 5.1. Tổng quát............................................................ Error! Bookmark not defined. 5.2 Hoạt động cơ bản của hộp số................................ Error! Bookmark not defined. 5.3. Hoạt động của hệ thống....................................... Error! Bookmark not defined. KẾT LUẬN........................................................................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................... Error! Bookmark not defined. 5 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Phương tiện giao thông là một trong những nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Phương tiện giao thông không những gây ra ô nhiễm môi trường về khí thải mà còn gây ô nhiễm về tiếng ồn, những tác nhân gây ô nhiễm đã là mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học từ rất lâu. Đã có rất nhiều phương pháp được đưa ra để giảm mức độ ô nhiễm về khí thải và tiếng ồn như thay thế nguồn nhiên liệu hay hoàn thiện hơn về động cơ. Các phương pháp này càng cần thiết khi giá dầu thô đang tăng rất nhanh và rất khó kiểm soát được như hiện nay. Trong những năm qua nhà nước phải dùng ngân sách bù lỗ xăng dầu với mục đích ổn định giá cả của mặt hàng này trên thị trường nhằm ổn định giá cả của các mặt hàng khác. Tuy vậy, hiện nay giá cả của dầu thô trên thị trường thế giới ngày càng tăng cao, nhà nước đã không còn khả năng bù lỗ. Mặt khác, dự trữ dầu thô trên thế giới ngày càng cạn kiệt. Chính vì vậy việc sử dụng năng lượng mới thay thế hoặc kết hợp với nhiên liệu lỏng là giải pháp hữu hiệu nhất hiện nay. Với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, những thành tựu đó đã giúp cho ngành công nghiệp ôtô phát triển vượt bậc, hiện nay đã có những công nghệ mới áp dụng trên các loại ôtô nhằm bảo vệ môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Vậy làm thế nào để sản xuất được loại ôtô không gây ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu ? Ôtô sử dụng năng lượng điện, pin,… đều không dễ thực hiện. Hiện nay, ôtô Hybrid là dòng ôtô dùng nguồn năng lượng tổng hợp để giải quyết các vấn đề trên. Ôtô Hybrid đã giảm lượng khí thải ra ngoài môi trường, giảm tiếng ồn và giảm tới một nửa lượng nhiên liệu tiêu thụ. Vì những lí do trên chúng tôi thực hiện nghiên cứu đề tài: “Tìm hiểu tổng quan về xe Hybrid Prius Toyota”. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan về xe Hybrid. 6 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp - Làm tiền đề cho người đi sau có cơ hội tìm hiểu cụ thể về xe Hybrid. 3. Đối tượng nghiên cứu - Xe ôtô Hybrid Prius Toyota. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu về xe Hybrid Prius Toyota. 5. Phương pháp ngiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết. 6. Đóng góp của luận văn - Tìm hiểu về công nghệ xe ôtô Hybrid và xe Hybrid Prius Toyota. - Làm tài liệu cho những người quan tâm. 7 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID 1. Khái quát về ôtô Hybrid Hybrid là một từ tiếng anh và tạm dịch là lai, đây là loại xe ôtô mà động cơ sử dụng kết hợp hai dạng năng lượng đó là năng lượng điện và nhiên liệu xăng, ôtô Hybrid (Hybrid Electric Vehicle-HEVs) là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Theo Bách Khoa Toàn Thư mở Wikipedia thì Hybrid Vehicle, tạm dịch là: Phương tiện giao thông sử dụng động cơ ghép, nghĩa là một phương tiện giao thông mà động cơ được dùng bằng hai nguồn năng lượng kết hợp. - Thứ nhất là hệ thống chứa năng lượng nạp lại được (Rechargeable Energy Storage System hay RESS, hoặc cụ thể hơn là Pin nạp lại được). - Thứ hai là nguồn năng lượng nhiên liệu xăng, dầu điezen,... Để sử dụng được hai nguồn năng lượng kết hợp trên dòng xe Hybrid có bộ điều khiển điện tử, bộ điều khiển này sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào vận hành đồng bộ cả hai và khi nào nạp điện vào ắcquy để sử dụng về sau. Hình 1.1. Ảnh minh họa xe ôtô Hybrid Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ này Hybrid Vehicle thường dùng để nói đến phương tiện giao thông sử dụng động cơ ghép kết hợp năng lượng giữa điện và 8 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp xăng (Petroleum Electric Hybrid Vehicle) hay viết tắt trong tiếng anh là PEHV, và cũng có thể được viết tắt là HEV (Hybrid Electric Vehicle).[5, 7] 2. Lịch sử phát triển của xe Hybird Xe ôtô được phát minh vào khoảng 300 năm trước, xe ôtô ngày nay đã trở thành một trong những phương tiện giao thông không thể thiếu trong xã hội loài người. Cũng chính vì thế mà tình trạng ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính do khí thải từ động cơ ôtô đang là một trong những vấn đề nhức nhối của nhiều quốc gia hiện nay. Để có thể giảm tối thiểu được ô nhiễm môi trường từ ôtô, từ lâu đã có nhiều giải pháp kỹ thuật mang nhiều hứa hẹn như: Ôtô chạy điện, ôtô dùng pin nhiên liệu, động cơ khí nén,.... Tuy nhiên, những công nghệ kể trên vẫn chưa thể đưa vào sử dụng rộng rãi vì còn nhiều hạn chế về mặt công nghệ. Đối với ôtô chạy điện, việc nạp lại pin cần đến ít nhất 4 giờ đồng hồ, khuyết điểm này giới hạn tầm sử dụng của ôtô chạy điện. Đối với công nghệ Fuel Cell, Hydro lỏng phải được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp, vì thế chỉ có thể thích hợp với những quốc gia có khí hậu băng giá. Cả hai công nghệ trên cùng vướng mắc phải một vấn đề chung đó là phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống cơ sở cung cấp nhiên liệu. Với những giới hạn trên của hai công nghệ tương lai này tạo ra một khoảng trống giữa nhu cầu bảo vệ môi trường và công nghệ chế tạo ôtô truyền thống. Hình 1.2. Xe Hybrid với cơ cấu hai động cơ xăng và điện 9 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp Ngành công nghiệp ôtô trên thế giới đang đứng trước một câu hỏi lớn: Làm thế nào để sản xuất được loại xe ôtô không làm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng? Gần đây ngành công nghiệp ôtô đã phát triển kỹ thuật chế tạo ôtô mới nhằm phần nào tiết kiệm nguồn năng lượng không tái sinh được (dầu hỏa) cũng như bảo vệ môi trường. Đó là công nghệ chế tạo xe Hybrid, một giải pháp được coi là thành công hiện nay. Và công nghệ đó đã được đưa vào sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản,... Hơn một thế kỷ trước, theo nghiên cứu của Toyota, một người tên Piper đã đề nghị cấp bằng sáng chế về một dạng động cơ kết hợp giữa xăng và điện như các hệ thống động cơ của xe Hybrid ngày nay. Mục đích của Piper lúc đó là làm sao giúp chiếc xe tăng tốc lên 40 km/h trong khoảng chưa đến 10 giây, vào thời buổi mà tốc độ xe ôtô trung bình phải mất hơn nửa phút để đạt tới con số trên. Ý tưởng hết sức độc đáo nhưng Piper đã không gặp thời. Vì đầu thế kỉ trước sự bùng nổ xe gắn máy hai bánh đã khiến sáng chế của Piper rơi vào quên lãng. Do tại thời điểm này giá nhiên liệu rẻ, đồng thời không có bất cứ quy định nào về khí thải khiến cho người sử dụng ôtô và xe máy đều không quan tâm tới các hệ thống động cơ mới vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa giảm lượng khí thải ra môi trường. Nghiên cứu của Toyota còn chỉ ra rằng tại Pháp, công ty “Paris Electric Cars” đã chế tạo một loạt xe điện và xe Hybrid trong những năm cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỉ 20. Như vậy, các nhà sản xuất xe của nước Pháp thực sự là những người đi tiên phong trong ngành công nghiệp xe hơi. Đất nước này từng là nơi chế tạo ôtô lớn nhất thế giới cho tới khi ngành công nghiệp chế tạo ôtô của nước Mỹ phát triển mạnh mẽ vượt bậc và dần chiếm mất vị trí đầu bảng của Pháp. Cho nên, lúc đó những hãng xe lớn nhất nước Pháp lại hoàn toàn vắng bóng ở thị trường Bắc Mỹ. Một trong số những xe Hybrid của công ty “Paris Electric Cars”, mang tên Kreiger, là xe dẫn động bánh trước và có tay lái trợ lực. Trong buổi bình minh của ngành công nghiệp ôtô, một công ty tại Áo mang tên Lohner đã chế tạo một mẫu xe, trong đó động cơ điện được gắn gần bánh xe và 10 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp truyền lực thẳng tới các bánh. Một người nổi tiếng về sau này trong ngành công nghiệp xe hơi, Ferdinand Porsche, lúc đó có mặt trong số các công nhân tham gia hoàn thiện mẫu xe này. Chính ông là người sẽ thực hiện những kỳ công với xe Volkswagen Beetle và lập ra hiệu xe thể thao nổi tiếng mang tên mình Porsche. Sự tham gia của Porsche chắc chắn là rất đáng kể bởi vì những chiếc xe này được gọi là Lohner-Porsche. Mẫu xe rất gần với xe Hybrid ngày nay do động cơ xăng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Vì thế, các nhà nghiên cứu của Toyota đã coi về cơ bản đây là một chiếc xe Hybrid. Hình 1.3. Một chiếc Lohner-Porsche trong bảo tàng Trong giai đoạn nửa đầu của thế kỷ trước, còn có nhiều tên tuổi khác tham gia chế tạo xe Hybrid như General Electric và Woods Motor Vehicle (Mỹ), Siemens-Schukert (Đức). Woods đã giới thiệu mẫu xe Dual Power vào năm 1917, kết hợp động cơ điện và xăng để đạt vận tốc 56 km/h. Nếu chỉ sử dụng động cơ điện chiếc xe cũng có tốc độ chừng 32 km/h. Thậm chí, một công ty tên Walker tại Chicago còn cho ra mắt cả xe tải Hybrid vào đầu những năm 1940. Galt Motor là công ty đầu tiên của Canada trong lĩnh vực này. Năm 1914, công ty Galt Motor xuất xưởng chiếc Galt sử dụng động cơ xăng hai thì có hai xilanh, công suất 10 mã lực và một máy phát điện 40V-90A. Theo công ty này, người lái chạy được liên tục 112 km mà chỉ tiêu tốn hơn 3,5 lít nhiên liệu và có thể thêm khoảng 30 km nữa với bình điện. Nhưng tốc độ tối đa 48 km/h của xe không gây ấn 11 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp tượng được với khách hàng, vào thời điểm đó họ đã chọn kiểu xe sử dụng động cơ truyền thống thường để đạt được tốc độ cao hơn. Mẫu xe Hatchback Toyota Prius đời 2005 có động cơ xăng 78 mã lực và động cơ điện 67 mã lực. Hai động cơ này kết hợp trong hệ thống mà Toyota gọi là "Hybrid Synergy Drive". Hệ thống cho phép xe sử dụng động cơ điện hay động cơ xăng tùy vào từng thời điểm nên đã biến xe Prius thành một chiếc xe Hybrid thật sự. Xe sử dụng động cơ xe Hybrid có một lịch sử lâu đời hơn phần lớn chúng ta biết và có thể những người đi tiên phong sẽ rất ngạc nhiên nếu họ biết rằng đầu thế kỷ 21 công nghệ mà họ từng ứng dụng này lại nhận được sự chấp thuận rộng rãi.[5] 3. Các hệ thống được sử dụng trên các xe Hybrid hiện nay 3.1. Hệ thống nối tiếp (Series Hybrid System) Khi động cơ (engine) hoạt động, nó truyền năng lượng cho một máy phát điện. Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một phần để sạc bình ắcquy và một phần sẽ chạy một môtơ điện (motor), bộ phận sẽ truyền năng lượng tới các trục xe. Đó được gọi là hệ thống nối tiếp vì năng lượng truyền theo một quá trình liên tục (hay nói cách khác, hoạt động của động cơ và của môtơ điện tiến hành lần lượt). Một hệ thống Hybrid nối tiếp gồm có hai môtơ, một môtơ chính là môtơ điện và một môtơ có cấu trúc như là máy phát điện. Sơ đồ: Hình 1.4. Kiểu nối tiếp 12 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp Trong sơ đồ nối tiếp trên, động cơ đốt trong kéo máy phát cung cấp điện cho ắcquy và động cơ điện, ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn động lực và bánh xe. Năng lượng được chuyển đổi từ hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng làm quay rôto của máy phát tạo ra điện năng và từ điện năng lại chuyển sang cơ năng làm quay bánh xe. Ưu điểm của sơ đồ (hình 1.4) là: - Động cơ đốt trong sẽ rất ít hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường. - Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô. - Đối với loại này có thể không cần hộp số. Tuy nhiên, hệ thống ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như sau: - Kích thước, dung tích bình ắcquy lớn hơn so với hệ thống ghép song song và động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ tải nặng để cung cấp nguồn điện cho ắcquy nên dễ bị quá tải.[3, 10, 11, 18] 3.2. Hệ thống song song (Hybrid Parallel System) Trong hệ thống song song, cả động cơ và môtơ điện cùng truyền lực tới các trục bánh xe, mức độ tùy theo các điều kiện khác nhau. Đó được gọi là hệ thống song song vì dòng năng lượng tới các bánh xe là song song. Hệ thống này chỉ có một môtơ điện, do vậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe, vừa nạp điện vào bình ắcquy. Chính vậy mà khi nào môtơ làm nhiệm vụ của một máy phát điện thì dòng điện từ ắcquy sẽ thay thế vai trò của môtơ điện. Đối với loại hệ thống này, cả hai nguồn động lực (điện và xăng) đều được kết nối trực tiếp vào bánh xe và có thể truyền động lực một cách độc lập hoặc đồng thời. Nói một cách đơn giản là bánh xe có thể được dẫn động một cách riêng biệt bằng động cơ điện hoặc động cơ xăng, hoặc cả hai. Động cơ điện có hai chức năng chính. Chức năng thứ nhất: Là chuyển hóa điện năng được cung cấp từ ắcquy thành cơ năng. Chức năng thứ hai: Là chuyển hóa ngược lại từ cơ năng thành điện năng 13 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp để nạp lại cho ắcquy. Hầu hết các hãng sản xuất ôtô Hybrid hiện nay đều thiết kế theo cách này vì có thể tận dụng cả hai nguồn năng lượng một cách hiệu quả nhất. Hình 1.5. Kiểu song song Trong sơ đồ này, ngoài sự liên hệ cơ khí trực tiếp giữa động cơ đốt trong và bánh xe như ôtô thông thường còn có thêm động cơ điện truyền động đến bánh xe. Khi ôtô chạy trên xa lộ nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốt trong, động cơ điện sẽ dùng khi tăng tốc ôtô còn khi chạy trong thành phố nguồn dẫn động chủ yếu là động cơ điện. Sơ đồ này có ưu điểm là: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, không cần dùng máy phát riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán, lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắcquy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian. Động cơ điện được sử dụng ở đây là loại đặc biệt có tính năng lưỡng dụng, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắcquy, cung cấp năng lượng trong trường hợp xe cần gia tốc hoặc lên dốc.[3, 10, 11, 12, 18] 3.3. Hệ thống kết hợp (Series/Parallel Hybrid System) Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa năng lượng có ích được sinh ra. Nó có hai môtơ, và tùy vào từng điều kiện khác nhau mà xe lắp hệ thống kết hợp sẽ sử dụng đồng thời cả môtơ điện và động 14 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp cơ hay chỉ sử dụng năng lượng nguồn điện để thu được hiệu quả cao nhất. Thậm chí khi cần thiết, hệ thống này vừa vận hành các trục bánh xe trong khi vẫn có thể nạp điện vào máy phát. Hệ thống kết hợp hiện chiếm ưu thế trong chế tạo xe Hybrid. Hệ thống này tận dụng được ưu điểm của hai hệ thống kể trên, nhưng có nhiều bộ phận hơn và chế tạo lắp đặt khó khăn hơn.[3, 10, 11, 12, 18] Hình 1.6. Kiểu kết hợp 4. Ưu điểm và nhược điểm 4.1. Tỷ lệ sử dụng động cơ và môtơ điện trong mỗi hệ thống Vì hệ thống nối tiếp sử dụng động cơ để sinhh ra điện năng cung cấp cho môtơ vận hành bánh xe, nên chúng có cùng lượng công việc như nhau. Hệ thống song song dùng động cơ như nguồn năng lượng chính, còn môtơ điện chỉ để trợ giúp, nên động cơ được sử dụng nhiều hơn. Với hệ thống kết hợp, có một bộ phận liên tục thay đổi tỷ lệ công suất từ động cơ tới các trục lái. Vì môtơ điện có thể vừa vận hành xe, vừa làm nhiệm vụ tạo ra dòng điện nạp nên so với động cơ, nó được sử dụng nhiều hơn.[3] Hình 1.7. Tỷ lệ sử dụng môtơ điện 15 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp 4.2. Ưu điểm của ôtô Hybrid Tổ hợp động cơ của xe Hybrid có những ưu điểm sau: Tận dụng năng lượng khi phanh: Khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ, động cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện nạp cho ắcquy. Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ của xe Hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa) Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ nên động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn. Có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của ôtô. Có thể chạy xa và mạnh mẽ được giống như những ôtô chạy xăng bình thường. Ôtô Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian. Tiết kiệm năng lượng trên đường trường: Khi vận hành ôtô Hybrid trên đường trường, nguồn động lực chính lại là động cơ đốt trong bởi vì động cơ đốt trong đạt hiệu suất cao hơn khi chạy đường dài và công suất mạnh hơn động cơ điện. Cách thiết kế này giúp ôtô Hybrid đạt được gia tốc mạnh và vận tốc cao tương tự như các loại ôtô truyền thống khác. Thu hồi năng lượng: Ngoài tiết kiệm năng lượng trong quá trình chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, ôtô Hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi lượng năng lượng bị hao phí qua quá trình vận hành. Đối với ôtô thông thường khi được hãm lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa phanh (rotor). Đối với ôtô Hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóa thành điện năng và nạp lại vào pin điện, vì thế rất nhiều năng lượng hao phí trong quá trình vận hành xe 16 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp được thu hồi vào tái sử dụng. Tuy nhiên ôtô Hybrid vẫn được trang bị bộ phanh đĩa (break pad) như ôtô thông thường trong trường hợp người lái cần hãm khẩn cấp. Ôtô Hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn ôtô chạy xăng bình thường bởi vì động cơ điện có hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ xăng. Động cơ của xe ôtô Hybrid thường tiết kiệm hơn 100% so với động cơ xăng truyền thống.[5, 11] 4.3. Hạn chế của xe Hybrid Khuyết điểm chính của công nghệ Hybrid là hệ thống Pin Nạp Lại Được (Rechargable Battery). Giá thành của mỗi bộ pin này rất đắt đây chính là một điều đáng ngại đối với người dùng, nhất là những người dùng ôtô Hybrid cũ, giá trị trung bình mỗi bộ pin này là trên dưới năm nghìn dollar. Tuy nhiên, các nhà sản xuất đã vẫn đang nghiên cứu và phát triển nhiều giải pháp cho vấn đề này như: Tái chế pin cũ, phát triển kỹ thuật pin mới, nâng cao tuổi thọ của pin,... và hứa hẹn mang lại nhiều cải tiến mới, giảm giá thành sản phẩm, đưa ôtô Hybrid đến với nhiều tầng lớp người dân có thu nhập thấp trong xã hội nhằm mục đích thay thế dần những phương tiện giao thông cũ, giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường.[11] 5. Nguyên lý hoạt động của xe Hybrid 5.1 Các bộ phận chính của ôtô Hybrid Hệ thống làm mát có nhiệm vụ làm mát động cơ đốt trong, nhiên liệu và ắcquy. Nhiệt của nước làm mát có thể sử dụng để sấy nóng cabin xe ở vùng nhiệt độ thấp hoặc dùng cho các thiết bị nhiệt khác. Động cơ điện: Nhận năng lượng điện từ ắcquy, chuyển thành năng lượng để dẫn động bánh xe. Ưu điểm của động cơ điện: Là cho mômen lớn ở số vòng quay nhỏ, hoạt động êm dịu, hiệu suất cao. 17 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.8. Các bộ phận chính của xe Hybrid[18] Hộp số: Ôtô Hybrid có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau. Bốn loại hộp số thường dùng là: Hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp số tay, hộp số tự động thông thường với bộ chuyển đổi mômen. Hệ thống xử lý khí xả: Khí thải của động cơ ôtô luôn là vấn đề được đặt ra. ôtô Hybrid có thể giảm lượng khí thải do tốn ít nhiên liệu, sử dụng những nguồn nhiên liệu sạch, cải tiến chất lượng của động cơ và công nghệ xử lý khí thải. Bộ phận điều khiển: Điều khiển các chế độ hoạt động và sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện. Ắcquy: Là một thành phần quan trọng của động cơ của xe Hybrid, đảm bảo các yêu cầu như tạo dòng lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh, độ bền cao. Hiện nay thường sử dụng ắcquy axit chì, trong tương lai hai loại ắcquy ino-lithium và polyme-lithium có nhiều triển vọng áp dụng cho xe Hybrid. Động cơ đốt trong: Là nguồn động lực chính trong động cơ xe Hybrid, có thể sử dụng động cơ xăng, động cơ điêzel, động cơ hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu.[11, 18] 18 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp 5.2 Nguyên lý hoạt động của ôtô Hybrid (bổ sung thêm quá trình khởi động) Hình 1.9. Sơ đồ khối hệ thống của động cơ ôtô Hybrid Ôtô Hybrid hoạt động theo nguyên tắc: Động cơ điện được sử dụng để khởi động xe, trong đó trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ. Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe tăng tốc hoặc leo dốc. Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắcquy. Không giống như các phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ của ôtô Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắcquy. Với sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ của ôtô Hybrid được mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động cơ cao, mômen lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.[4] 19 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoa Vật lí Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.10. Sơ đồ truyền động của động cơ xe Hybrid Quá trình tăng tốc nhẹ: Xe sẽ di chuyển với tốc độ thấp. MG2 cung cấp lực dẫn động chính. Khi tốc độ lên tới 15-20 vòng/phút thì động cơ khởi động. Động cơ có hiệu suất thấp khi hoạt động ở chế độ nhỏ. Hình 1.11. Quá trình tăng tốc nhẹ Quá trình chạy ổn định: Công suất đầu ra của động cơ được phân chia thành hai phần. Một phần dẫn động bánh xe, phần còn lại dẫn động MG1 để tạo ra điện. Điện được tạo ra dùng để dẫn động MG2 và MG2 thì dẫn động bánh xe. 20 Nguyễn Hoài Anh K33-SPKT