Tài liệu Tìm hiểu về công nghệ lai (Hybrid) trên ô tô và xe máy

ECC) được thiết kế theo nguyên lý kỹ thuật số với nền tản của hệ thống là bộ vi điều khiển AT89C51 (Micro-controller), là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành điều khiển các cơ cấu chấp hành. AT89C51 là một hệ vi tính 8 Bit đơn chip CMOS có hiệu suất cao, công suất nguồn tiêu thụ thấp và có 4 KB bộ nhớ Rom Flash xóa được hoặc lập trình được. Chip này được sản xuất dựa vào công nghệ bộ nhớ không mất nội dung có độ tích hợp cao của Atmel. Nó cũng tương thích với tập lệnh và các chân ra của chuẩn công nghiệp MCS-51. 
Hình 5-11: Sơ đồ khối của Chip AT89C51
Flash trên chip cho phép bộ nhớ chương trình được lập trình lại trên hệ thống hoặc bằng bộ lập trình không mất nội dung qui ước. Bằng cách kết hợp một CPU 8 Bit với Flash trên một Chip đơn, ATMEL AT89C51 là một hệ vi tính 8-bit đơn chip mạnh cho ta một giải pháp có hiệu quả về chi phí và rất linh hoạt đối với các ứng dụng điều khiển tự động. Các đặc điểm của AT89C51 được tóm tắt như sau:
	- 4 KB ROM;	- 2 bộ định thời (timer)/đếm 16 Bit;
	- 128 Byte RAM;	- 4 Port xuất /nhập (I/O port) 8 bit;
	- Mạch giao tiếp nối tiếp;	- Không gian nhớ ngoài 64K;
	- Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64K;	- Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit);
	- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ;	- Nhân/chia trong 4ms;
	- 32 đường xuất nhập.
Chú thích sơ đồ khối của Chip AT89C51:
	- Interrupt control: điều khiển ngắt; 	- Other registers: các thanh ghi khác;
	- Timer 2, 1, 0: bộ định thời 2, 1, 0;	- CPU: đơn vị điều khiển trung tâm;
	- Oscillator: mạch dao động;	- Bus control: điều khiển đường truyền;
	- I/O ports: các cổng xuất/nhập;	- Serial port: cổng nối tiếp;
	- Address/data : địa chỉ/dữ liệu;	- RAM/ROM: bộ nhớ xóa/không xóa được;
Từ hình 5-11 đến hình 5-16 mô tả sơ đồ mạch của bộ điều khiển điện tử trung tâm (ECC) sau khi thiết kế với các linh kiện phụ trợ kết nối bên ngoài.
Hình 5-12: Sơ đồ khối mạch nguồn cung cấp.
Hình 5-13: Sơ đồ khối xử lý trung tâm.
Hình 5-14: Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ điện bộ điều tốc.
Hình 5-15: Sơ đồ khối mạch nhận tín hiệu vào.
Hình 5-16: Sơ đồ khối mạch điều khiển cơ cấu chấp hành.
Sau khi thiết kế, tính toán bằng phần mềm chuyên dụng ta được bo mạch của bộ điều khiển điện tử trung tâm (ECC) như mô tả ở hình 5-16 và hình 5-17 mô tả bộ ECC hoàn chỉnh sau khi lắp ghép đầy đủ các linh kiện. Chương trình điều khiển hoạt động của bộ ECC được lập trình bằng ngôn ngữ máy tính C++ và nội dung của chương trình được trình bày ở trong phần Phụ lục 2.
Hình 5-17: Cấu tạo bo mạch của bộ điều khiển điện tử trung tâm (ECC).
Hình 5-18: Cấu tạo của bộ điều khiển điện tử trung tâm (ECC).
3.16. Đo mô men và công suất của bánh xe chủ động:
Sau khi lắp đặt hoàn thiện xe gắn máy lai (hybrid) theo tính toán thiết kế, ta tiến hành khảo sát đường đặt tính kéo của xe bằng thiết bị đo công suất được mô tả như ở hình 6-1 và hình 6-2. Hình 6-3 và hình 6-4 mô tả vị trí kết nối giữa xe gắn máy và thiết bị đo công suất. Kết quả đo được mô tả ở bảng 6-1, các đường đặc tính mô men và công suất của bánh xe chủ động được mô tả ở đồ thị hình 6-5 và đồ thị hình 6-6. Hình 6-7 mô tả đường đặc tính mô men và công suất của động cơ nhiệt (LPG) khi bướm ga mở 100%.
Đồng hồ đo mô men
Đồng hồ đo tốc độ
Tay vặn hãm phanh
Máy phát điện (tạo tải)
Tang trống tiếp nhận
 mô men từ bánh xe
Hình 6-1: Cấu tạo khung sườn bộ đo công suất xe gắn máy.
Cơ cấu điều chỉnh và chỉ báo
Cơ cấu truyền mô men và tạo tải
Hình 6-2: Các cơ cấu chính của bộ đo công suất xe gắn máy.
Hình 6-3: Kết nối xe gắn máy lai trên thiết bị đo công suất.
Bảng 6-1: Tổng hợp kết quả đo mô men và công suất của động cơ điện.
n
(vòng/phút)
Động cơ điện 500W
Động cơ điện 1000W
Kết hợp 2 động cơ điện
M(N.m)
P(W)
M(N.m)
P(W)
M(N.m)
P(W)
0
41,2
0,0
84,9
0,0
126,0
0,0
50
39,9
208,8
79,8
417,8
119,7
626,6
100
35,0
366,3
69,9
731,8
104,9
1098,1
150
27,4
430,2
54,9
861,6
82,3
1291,8
200
22,5
471,0
45,0
941,2
67,5
1412,2
250
18,7
489,3
37,4
979,7
56,1
1469,0
300
15,0
471,0
30,5
957,7
45,5
1428,7
350
11,8
432,3
25,0
914,4
36,8
1346,7
400
8,7
364,2
20,0
837,3
28,7
1201,5
450
6,0
282,6
15,0
708,4
21,0
991,0
500
3,2
167,5
9,9
519,1
13,1
686,6
550
0,0
0,0
5,0
285,5
5,0
285,5
600
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
M(N.m)
n
(vòng/phút)
— Đặc tính mô men tổng hợp của 2 động cơ điện;
--- Đặc tính mô men của động cơ điện 1000W;
...... Đặc tính mô men của động cơ điện 500W;
0
3,8
7,5
11,3
15,0
18,8
22,5
26,3
30,0
33,8
37,5
41,3
45,0
 (km/h)
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
1400,0
1600,0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
n
(vòng/phút)
P(W)
— Đặc tính công suất tổng hợp của 2 động cơ điện;
--- Đặc tính công suất của động cơ điện 1000W;
...... Đặc tính công suất của động cơ điện 500W;
 (km/h)
0
3,8
7,5
11,3
15,0
18,8
22,5
26,3
30,0
33,8
37,5
41,3
45,0
Hình 6-5: Đường đặc tính mô men kéo của động cơ điện.
Hình 6-6: Đường đặc tính công suất kéo của động cơ điện.
0
1 
2
3
4
5
6
7
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
n(vòng/phút)
M(N.m)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
P(W)
Đường đặc tính mô men
Đường đặc tính công suất
n(v/p)
M(N.m)
P(W)
800
0,8
41,9
1000
2,4
157,0
1200
3,9
314,0
1400
5,5
512,9
1600
6,6
711,7
1800
7,3
876,1
2000
7,6
1020,5
2200
7,4
1093,8
2400
6,9
1105,3
2600
6,0
1047,7
2800
4,7
879,2
3000
3,1
628,0
3200
1,6
334,9
Hình 6-7: Đường đặc tính mô men và công suất của động cơ nhiệt.
Đối với trường hợp hệ thống vận hành kết hợp cả động cơ nhiệt và động cơ điện (kiểu lai - hybrid) thì đường đặc tính mô men kéo của bánh xe chủ động được mô tả như ở đồ thị hình 6-8. Đường đặc tổng hợp có bước nhảy tại tốc độ 150 vòng /phút (11,3 km/h) khi kết nối lai song song nhỏ hơn 10 km/h.
0
20
40
60
80
100
120
140
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
M(N.m)
n(v/p)
0
3,8
7,5
11,3
15,0
18,8
22,5
35,0
26,3
30,0
37,5
41,3
45,0
km/h
Đường đặc tính mô men tổng hợp
Đường đặc tính mô men động cơ điện
Hình 6-8: Đường đặc tính mô men tổng hợp của động cơ điện và động cơ nhiệt.
Chương 5:
CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE Ô TÔ (HYBRID) HAI CHỔ NGỒI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KHÍ HOÁ LỎNG LPG
5.1. Ô tô cá nhân ở Việt Nam:
             Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, tiềm năng phát triển ô tô ở nước ta là rất lớn, đặc biệt là các loại ô tô có giá cả ở mức độ thấp và trung bình, phù hợp với túi tiền của đa số người dân lao động. Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông ở nước ta chưa được phát triển, nhà ở thành phố chật hẹp, bãi đậu xe chưa được xây dựng, các loại ô tô cá nhân cỡ lớn sẽ gây nhiều phiền hà cho công tác tổ chức giao thông cũng như cho người sử dụng. Vì vậy việc xác định một kiểu dáng xe phù hợp với cơ sở hạ tầng và thỏa mãn các tiêu chí về mức độ phát ô nhiễm ở nước ta là rất cần thiết. Ô tô cá nhân ở nước ta trước hết phải là phương tiện đi lại thông dụng có thể thay thế xe gắn máy. Vì vậy ô tô phải gọn nhẹ có tốc độ và quãng đường hoạt động tương đương với xe gắn máy nhưng an toàn và tiện nghi hơn, đặc biệt là tránh mưa nắng và bụi trên đường. Giá thành của xe phải thấp để đại bộ phận người dân có nhu cầu có thể mua sắm. Trong bối cảnh đó thì ô tô cỡ nhỏ hai chỗ ngồi là phù hợp với nước ta nhất,
              Về hệ thống động lực của ô tô, từ những phân tích trên đây chúng ta thấy xu thế phát triển tương lai của ô tô là hướng về ô tô sinh thái, trong đó ô tô lai kết hợp dẫn động giữa động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ điện có ưu thế lớn nhất hiện nay. Để đón đầu sự phát triển này, chúng ta chọn hệ thống động lực của ô tô Việt Nam theo kiểu lai điện-nhiệt, trong đó động cơ điện chạy bằng ắc quy và động cơ nhiệt chạy bằng khí gas hóa lỏng LPG. Khác với nguyên tắc ô tô lai "vận hành hiệp trợ" của Toyota, ô tô lai hai chỗ ngồi này vận hành theo nguyên tắc "phụ trợ". Năng lượng điện nạp vào ắc quy chủ yếu lấy từ lưới điện dân dụng khi ô tô không hoạt động, còn động cơ nhiệt chỉ kéo máy phát điện cung cấp thêm năng lượng khi xe chạy đường dài hay vượt dốc.
              Sử dụng hệ thống động lực như trên đối với ô tô cá nhân ở nước ta sẽ mang lại lợi ích về nhiều mặt. Thật vậy, phần lớn điện năng của chúng ta được sản xuất bằng thủy điện (năng lượng tái sinh) không có khí thải gây ô nhiễm. Khí dầu mỏ hoá lỏng LPG là sản phẩm của quá trình lọc dầu hay tinh luyện khí thiên nhiên có nguồn cung cấp dồi dào ở nước ta. Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tương lai các nhà máy lọc ở Dung Quốc, Vũng Rô, các nhà máy sản xuất gas ở các đầu mối tiếp nhận khí thiên nhiên được xây dựng và đi vào hoạt động thì khả độc lập nhiên liệu LPG của chúng ta sẽ rất lớn. 
5.2. Cấu tạo thống động lực ô tô lai hai chỗ ngồi điện-nhiệt tại Việt Nam:
             Hình 3 giới thiệu sơ đồ hệ thống động lực của ô tô lai phụ trợ thiết kế. Cơ cấu truyền động cơ khí của ô tô bao gồm các bộ phận chính: động cơ điện, động cơ LPG, hộp vi sai, hộp giảm tốc (truyền lực chính), cầu xe và bánh xe chủ động.
              Trên sơ đồ hình 3, động cơ điện có công suất 3kW được cung cấp điện từ nguồn ắc quy có sức điện động 48V. Động cơ nhiệt có dung tích xi lanh 125cm3 nguyên thủy lắp trên xe gắn máy tay ga được chuyển đổi sang chạy bằng LPG nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu GA-6. Hai nguồn động lực trên có thể cung cấp cho cầu chủ động của ô tô một cách riêng rẽ hay phối hợp nhờ bộ vi sai (hình 4).  Hộp vi vai nhận mo men truyền từ động cơ điện và động cơ LPG. Các chốt điện từ cho phép người điều khiển xe phối hợp sử dụng hai nguồn động lực điện, nhiệt. Hình 5 là ảnh chụp các bộ phận của bộ vi sai sau khi chế tạo xong.
               Hình 6 là sơ đồ hệ thống truyền lực của ô tô hybrid thiết kế. Động cơ điện dẫn động trực tiếp càng bộ vi sai còn động cơ LPG dẫn động bánh răng hành tinh thông qua bộ truyền xích.
               Hệ thống động lực trên được lắp thử nghiệm trên chassis của ô tô Toyota để vận hành thử nghiệm trên đường thực.
              Kết quả cho thấy tốc độ cực đại của ô tô đạt 35km/h khi chỉ chạy bằng động cơ điện, đạt 45km/h khi chỉ chạy bằng động cơ LPG và đạt 65km/h khi chạy bằng cả hai nguồn động lực. Hình 7 giới thiệu ảnh chụp hệ thống động lực của ô tô hybrid sau khi lắp đặt xong. Hình 8 là ảnh chụp của xe khi đang chạy thử nghiệm.
              Các tính năng của ô tô như trên phù hợp với điều kiện vận hành trong thành phố. Mức độ phát ô nhiễm của ô tô đạt đến mức lý tưởng: ô tô hoàn toàn không phát ô nhiễm khi chạy bằng điện và khi chạy bằng LPG, mức độ phát ô nhiễm của xe chỉ bằng khoảng 20% mức độ phát ô nhiễm của một xe gắn máy.
             Để đơn giản hóa  hệ thống động lực ô tô hybid điện-nhiệt phục vụ nghiên cứu, chúng tôi không lắp hệ thống máy phát điện để nạp điện cho ắc quy cũng như hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh. Khi sản xuất thực tế, các hệ thống này có thể bổ sung để hoàn chỉnh ô tô hybrid.
5.3. Kết luận:
- Ô tô hybrid hai chỗ ngồi sử dụng động cơ điện chạy bằng ắc quy và động cơ đốt trong chạy bằng khí gas hóa lỏng LPG là ô tô cá nhân phù hợp với điều kiện Việt Nam cả về điều kiện sử dụng lẫn khả năng cung cấp năng lượng và bảo vệ môi trường.
- Với các thông số đã chọn của động cơ điện và động cơ nhiệt chạy bằng LPG, tính năng của ô tô hybrid phù hợp với điều kiện vận hành ở đô thị Việt Nam.
- Hệ thống động lực của xe đã được tính toán, thiết kế với việc sử dụng các trang thiết bị có sẵn cho thấy khả năng chế tạo ô tô nói trên là hiện thực.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
	1.	BÙI VĂN GA - Nghiên cứu công nghệ chuyển đổi xe máy sử dụng xăng sang sử dụng khí dầu mỏ hoá lỏng LPG. Đại học Đà nẵng - 2000.
	2.	BÙI VĂN GA, TRẦN VĂN NAM - Quy hoạch mạng lưới giao thông công cộng thành phố Đà Nẵng. Tạp chí Khoa học và Phát triển số 87 - 2002.
	3.	BOB BRANT - Build your own electric vehicle. Mc Graw Hill Book -1994.
	4.	ĐỖ VĂN DŨNG - Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại. Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh - 2003.
	5.	ĐỖ XUÂN TÙNG, TRƯƠNG TRI NGỘ - Điện tử công suất. Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội - Tháng 8 năm 1999.
	6.	HOÀNG CHAOKIANG - Kỹ thuật sửa chữa các loại xe gắn máy đời mới. Nhà xuất bản Trẻ - 1998.
	7.	HỒ SỸ XUÂN DIỆU - Nghiên cứu chế tạo ô tô lai (hybrid) hai chỗ ngồi. Luận án tiến sỹ ngành động cơ nhiệt, Đại học Đà Nẵng - Tháng 12 năm 2009.
	8.	JIMMY WALES - Hybrid electric vehicle. Specific article's Wikipedia - August 2009.
	9.	LÂM MAI LONG - Cơ học chuyển động của ô tô. Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh - 2001.
	10.	LÊ VĂN DOANH - Các bộ cảm biến trong đo lường và điều khiển. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội - Tháng 10 năm 2001.
	11.	MARC HERWALD - Control design and analysis of an advanced induction motor electric vehicle drive. Thesis submitted to the degree of Master of Science in Electrical Engineering of the Virginia Polytechnic Institute and State University, USA - April 1999.
	12.	MATTHEW ALAN MERKL - Variable Bus Voltage Modeling for Series Hybrid Electric Vehicle Simulation. Thesis submitted to the degree of Master of Science in Electrical Engineering of Virginia Polytechnic Institute and State University, USA - December 1997.
	13.	NGÔ DIÊN TẬP - Kỹ thuật vi điều khiển AVR. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội - Tháng 3 năm 2003.
	14.	NGUYỄN CHU TÙNG, NGUYỄN HỮU PHÚC, TÔN THẤT CẢNH HƯNG - Kỹ thuật điện tập 1 và 2. NXB Đại học Quốc gia TpHCM - 2003.
	15.	NGUYỄN HỮU CẪN, DƯ QUỐC THỊNH, PHẠM MINH THÁI, LÊ THỊ VÀNG - Lý thuyết ô tô máy kéo. Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật - 1996.
	16.	NGUYỄN HỮU CẪN, PHAN ĐÌNH KIÊN - Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo. Nhà xuất bản Giáo dục - 1996.
	17.	NGUYỄN NGỌC CẨN - Kỹ thuật điều khiển tự động. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM - Tháng 6 năm 2001.
	18.	NGUYỄN TRỌNG HIỆP, NGUYỄN VĂN LẪM - Thiết kế chi tiết máy. Nhà xuất bản Giáo dục - 1998.
	19.	NGUYỄN VĂN NHỜ - Cơ sở truyền động điện. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh - 2003.
20.	P	HẠM VĂN VẠNG, ĐẶNG THỊ XUÂN MAI - Điều tra kinh tế kỹ thuật và quy hoạch giao thông vận tải. Nhà xuất bản Giao thông vận tải - 2003.
	21.	TỐNG VĂN ON, HOÀNG ĐỨC HẢI - Họ vi điều khiển 8051. Nhà xuất bản Lao động và Xã hội - Tháng 2 năm 2007.
	22.	YONG LI - Unified Zero-Current-Transition Techniques for High-Power Three-Phase PWM Inverters. Dissertation submitted to the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering of the Virginia Polytechnic Institute and State University, USA - March 2002.
	23.	Website: 
	24.	Website: 
	25.	Website: 
	26.	Website: 
27.	Website: 
28. 	Website: 
	29.	Website: 
	30.	Website: 
	31.	Website: 
	32.	Website: 
	33. 	Website: 
	34.	Website: