Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

10 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRIDHAI CHỖ NGỒI PHỤC VỤ ĐÀO TẠO TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

DESIGN AND FABRICATION OF A TWO-PASSENGER HYBRID CAR USED FOR TEACHING AT NHA TRANG UNIVERSITY

Nguyễn Văn Định1, Nguyễn Văn Nhận2, Vũ Thăng Long3

Ngày nhận bài: 20/5/2013; Ngày phản biện thông qua: 23/9/2013; Ngày duyệt đăng: 10/12/2013

TÓM TẮTBài 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

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 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 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 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 hành để xác định một số thông số tính năng cơ bản trên đường của ô tô thiết kế.

Từ khóa: ôtô hybrid, ôtô lai

ABTRACTThis paper summarizes fi ndings on the design and fabrication of two-passenger hybrid cars to serve teaching at Nha

Trang University. The main components of the vehicle powertrain are composed of a 12V three-phase alternator, an 110cc internal combustion engine used for driving the rear wheels and the alternator, and two 350W in-wheel brushless DC motorsto provide power for the front wheels. The alternator plays the role of recharging the batteries while the state of charge is low. An electronic control system is designed to combine the power between the electric motors and ICE in different operationregimes. The experiment was conducted to obtain some basic performance parameters of the hybrid electric vehicle.

Keywords: hybrid car, hybrid vehicle

1 Nguyễn Văn Định: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang2 PSG.TS. Nguyễn Văn Nhận, 3 ThS. Vũ Thăng Long: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang

I. ĐẶT VẤN ĐỀÔtô hybrid (hybrid automobile) là loại ôtô có hệ

động lực được cấu thành từ hai hoặc nhiều nguồn động lực khác biệt nhau. Loại ôtô hybrid phổ biến nhất hiện nay có hệ động lực gồm một động cơ đốt trong và một hoặc nhiều động cơ điện [2]. Bởi vậy, thuật ngữ “hybrid car”, “hybrid vehicle”, “hybrid electric vehicles - HEVs” thường được hiểu là loại phương tiện có hệ động lực như vậy [5].

Do nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, giá nhiên liệu ngày càng tăng, áp lực ngày càng lớn của vấn đề ô nhiễm môi trường,... ôtô hybrid đã trở thành một trong những hướng phát triển của ngành công nghiệp ôtô được nhiều nước quan tâm [2]. Toyota và Honda được xem là những hãng chế tạo

ôtô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực ôtô hybrid. Dòng ôtô hybrid hiện đại đầu tiên có tên Toyota Prius xuất hiện trên thị trường Nhật Bản vào năm 1997, sau đó là Honda Insight vào năm 1999. Hiện nay, hầu hết các hãng chế tạo ôtô hàng đầu đều đã cho ra đời các phiên bản ôtô hybrid của mình và ôtô hybrid đã được khẳng định là một phần cốt lõi của thị trường ôtô trong tương lai [4].

Ở Việt Nam, mặc dù chưa chế tạo sản xuất nhưng ôtô hybrid đã được quan tâm nghiên cứu từ đầu những năm 2000 thể hiện qua các đồ án tốt nghiệp bậc đại học, luận văn thạc sĩ, đề tàinghiên cứu khoa học của giáo viên và sinh viên, nhất là ở trường đại học. Hiện nay, công nghiệp ô tô là ngành rất quan trọng đang được ưu tiên phát

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 11

triển để góp phần phục vụ có hiệu quả quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá và xây dựng tiềm lực an ninh, quốc phòng của đất nước [1]. Ngành kỹ thuật ô tô và công nghệ cơ điện tử của Trường Đại học Nha Trang là một trong những ngành góp phần đào tạo nguồn nhân lực cho phát triển nhanh nền công nghiệp ô tô nội địa. Trong chiến lược phát triển của Trường Đại học Nha Trang, các ngành kỹ thuật cũng hướng tới các sản phẩm có tính ứng dụng cao gắn liền với phương châm làm chủ về công nghệ chế tạo sản xuất.

Đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình ôtô hybrid hai chỗ ngồi sẽ tạo điều kiện cho việc tiếp cận sâu hơn trong lĩnh vực ôtô hybrid bổ sung

tư liệu và thiết bị góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư các ngành kỹ thuật ôtô và công nghệ cơ điện tử.

II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUNhằm mục tiêu phục vụ đào tạo tại Trường Đại

học Nha Trang, mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi được nghiên cứu chế tạo dựa trên phương pháp tính toán lý thuyết, đồng thời kế thừa kinh nghiệm của những mô hình có sẵn trên thực tế. Bên cạnh đó, kết hợp với mục tiêu đào tạo của khối ngành kỹ thuật ô tô và ngành công nghệ cơ điện tử. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu được thực hiện theo trình tự như hình 1.

Hình 1. Phương pháp và trình tự thực hiện

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Kết cấu tổng thể của ôtô hybridSau khi khảo sát, tính toán các yêu cầu kỹ thuật, tác giả đã xây dựng được phương án chế tạo mô hình

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 đalà 1800 x 1400 x 1500 (mm). Phần khung làm bằng thép mạ kẽm, đảm bảo độ cứng vững và an toàn.

Hình 2. Kết cấu tổng thể của ôtô hybrid 2 chỗ ngồi

(1)- Khung xe; (2)- Modun động cơ điện + bánh xe; (3)- Động cơ đốt trong; (4)- Máy phát điện;(5)- Trục các đăng; (6)- Vi sai và các bán trục.

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

12 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Động cơ đốt trong (ICE): Dùng để khởi động cho máy phát, là quá trình khởi tạo nănglượng điện

Máy phát: Khi hoạt động sẽ cung cấp năng lượng điện để nạp vào acquy, phục vụ cho việc cung cấp điện cho 2 động cơ ở 2 bánh xe.

Ly hợp: Có nhiệm vụ kết nối/ngắt truyền động giữa động cơ đốt trong và trục các đăng.

Vi sai: Phân phối lực dẫn động từ động cơ đến 2 bánh sau.

Modun động cơ điện + bánh trái, phải: Truyền chuyển động ra 2 bánh xe, có thể thay đổi tốc độ theo ý muốn của người sử dụng. Chọn động cơ điện Brushless DC có sẵn trên thị trường.

Trục các đăng: Kết nối truyền động giữa ICE và vi sai.

Ắc quy: Tích trữ điện và cung cấp cho việc điều khiển 2 động cơ ở 2 bánh xe.

ECU: Bộ điều khiển trung tâm. Điều khiển quá trình khởi động/ngắt ICE, mạch công suất (PCB) để phân phối điện năng đến động cơ bánh trái và động cơ bánh phải. Khi ắc quy đã nạp đầy, ECU có nhiệm vụ ngắt ICE và máy phát. Khi điện áp ắc quy xuống thấp thì ECU có nhiệm vụ khởi động ICE và máy phát để nạp điện vào cho ắc quy. Đồng thời ECU còn làm nhiệm vụ điều khiển tốc độ cho 2 động cơ điện. Trong suốt quá trình tăng tốc và leo dốc, cả ICE và động cơ điện sẽ cung cấp năng lượng đến các bánh xe nhằm đảm bảo được công suất tốt nhất.

2. Mạch điều khiển2.1. Mạch công suất điều khiển điều khiển động cơ Brushless DC [3]

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Brushless DC

Để điều khiển được động cơ Brushless DC phải cấp nguồn cho từng pha của động cơ để đảo pha ở 3 đầu cuộn dây động cơ theo những trạng thái đảo pha

của nó bằng cách đưa các tín hiệu kích vào các chân điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation).Tốc độ của động cơ phụ thuộc vào tần số đảo pha.

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 13

Mạch sử dụng vi điều khiển ATmega32, dùng để hiển thị các thông số như: điện áp ắc quy, vị trí bàn đạp chân ga, tốc độ xe. Dựa vào các thông số trên, mạch sẽ điều khiển tự động khi nào sử dụng động cơ điện, khi nào sử dụng động cơ đốt trong hoặc khi nào cần sử dụng cả hai.

Hình 5. Mô hình ôtô hybrid sau khi chế tạo2.3. Mô hình ô tô hybrid hai chỗ ngồi và kết quả thực nghiệm

Mô hình ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế tạo

như hình 4. Sản phẩm được chế tạo có những tính năng sau:

Hệ thống truyền động: 02 động cơ điện dẫn động 02 bánh trước, động cơ nhiệt (xăng) dẫn động bánh sau thông qua bộ truyền các đăng - vi sai. Hệ truyền động hoạt động êm dịu.

Hệ thống điều khiển dùng trên mô hình xe ô tô hybrid bao gồm:

+ Máy biến áp để kích điện áp từ 12VAC (của máy phát) thành 60VAC, thông qua mạch nạp để nạp cho acquy 48VDC.

+ Các cảm biến: đo tốc độ ôtô, vị trí bàn đạp chân ga.

+ Hệ thống kiểm tra trạng thái của động cơ nhiệt và dung lượng của acquy 48V.

+ Hệ thống khởi động/ngắt động cơ nhiệt.+ Bộ điều khiển động cơ Brushless DC. Kết quả thực nghiệm:Mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi với tổng khối lượng

2 người ngồi tối đa là 130kg sau khi chế tạo đã được chạy thử nghiệm và thu được kết quả như sau:

2.2. Mạch giám sát và điều khiển trung tâm

Hình 4. Mạch điều khiển trung tâm

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

14 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Kết quả thu được cho thấy, trong tất cả các chế độ hoạt động của mô hình ôtô hybrid, khi sử dụng phối hợp cả 2 nguồn động lực (nhiệt, điện) thì tốc độ ôtô cao hơn so với khi sử dụng từng nguồn động lực riêng lẻ.

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết quả đạt được và hạn chế1.1. Kết quả đạt được

Sản phẩm của nghiên cứu là mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi, có đầy đủ tính năng quay trở và có thể chạy với vận tốc tối đa là 40km/h trong địa hình bằng phẳng, có khả năng di chuyển được trong địa hình dốc lên đến 18%. Nguồn năng lượng của xe hybrid là sự kết hợp của động cơ xăng và năng lượng từ bình ắc quy.

Mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế tạo mang tính đột phá và mở ra một kỷ nguyên mới cho việc nghiên cứu xe hybrid tại Trường Đại học Nha Trang. Có thể nói, kết quả của nghiên cứu này là nền tảng cho các nghiên cứu khác về xe hybrid.

Trên cơ sở xe mô hình, tác giả cũng đã xây dựng được các bài thực hành phục vụ việc đào tạo. Đây là những bài thực hành bám sát với nội dung và mục tiêu đào tạo. Hơn hết, sản phẩm của nghiên cứu là mô hình trực quan, giúp sinh viên tiếp thu kiến thức của các học phần chuyên ngành kỹ thuật ô tô và cơ điện tử một cách dễ dàng hơn.1.2. Hạn chế

Mô hình xe ô tô hybrid hai chỗ ngồi được chế tạo lần đầu tiên tại Trường Đại học Nha Trang đã đạt được kết quả thiết thực, có thể ứng dụng ngay vào việc đào tạo cũng như nghiên cứu khoa học. Tuy nhiên, tốc độ tối đa của xe mô hình còn thấp, khả năng leo dốc còn hạn chế do công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện còn nhỏ. Khi chuyển phối hợp giữa động cơ điện và nhiệt chưa được êm do thiếu bộ phận ly hợp. Bên cạnh đó, mô hình xe ô tô hybrid chưa thực hiện được nhiều chế độ phối hợp điều khiển.

2. Kiến nghịĐể phát triển mô hình này vào thực tế ứng dụng

cần cải tiến và bổ sung thêm các yếu tố như sau:

Bảng 1. Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường bằng phẳng (ắc qui đầy điện)

Điều kiện hoạt động

Nguồn động lực Thời gian tăng tốc từ

0-100m (s)

Tốc độ lớn nhất (km/h)Động cơ đốt

trongĐộng cơ

điệnĐộng cơ đốt trong và động

cơ điện

Đường bằng phẳng

x 16 35

x 20 25

x 14 40

Bảng 2. Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường dốc (ắc qui đầy điện)

Điều kiện hoạt động

Nguồn động lựcGóc vượt dốc

(độ)Tốc độ lớn nhất (km/h)Động cơ đốt

trongĐộng cơ

điệnĐộng cơ đốt trong và động

cơ điện

Đường dốc

x

10

25

x 15

x 30

Đường dốc

x

15

18

x 10

x 22

Đường dốc

x

18

12

x 5

x 16

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 15

- Sử dụng động cơ nhiệt và động cơ điện có công suất lớn hơn để tăng tốc độ của ôtô.

- Thêm ly hợp để đóng/ngắt truyền động giữa động cơ và trục các đăng.

- Thử nghiệm thêm các chế độ phối hợp điều khiển giữa ĐCĐT và động cơ điện.

Để mảng nghiên cứu về xe ô tô hybrid này thực sự phát triển cần có sự đầu tự thật sự cả về tài chính lẫn thời gian nghiên cứu hướng tới đào tạo nguồn nhân lực có thể làm chủ về công nghệ chế tạo sản xuất xe ô tô nói chung cũng như xe ô tô hybrid nói riêng cho xã hội.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt1. Bùi Văn Ga, Nguyễn Quân, 2009. Thiết kế bố trí hệ thống động lực trên ô tô hybrid 2 chỗ ngồi. Trường Đại học Bách khoa

Đà Nẵng.2. Đào Thanh Lý, Lê Quang Khải, 2011. Thiết lập mô hình bộ phân phối công suất cho ô tô hybrid. Trường Đại học Nha Trang.3. Dương Kim Thành, Hoàng Trọng Quỳnh, Phạm Quốc Dũng, 2012. Thiết kế chế tạo mô hình ô tô điện. Trường Đại học

Nha Trang.4. Bộ Công nghiệp, 2004. Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn đến 2020. Tiếng Anh5. Toyota Hybrid system, 2007. Toyota Technical training. Toyota Motor Corporation.