Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 1 THIẾT KẾ Ô TÔ ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ Ô TÔ BUS HYUNDAI COUNTY ELECTRIC VEHICLE DESIGN IN BASED ON HYUNDAI COUNTY BUS SVTH: Nguyễn Bão Quốc, Phạm Đình Tuệ Lớp 07C4A, khoa Cơ khí Giao thông, trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng GVHD: TS. Lê Văn Tụy Khoa Cơ khí Giao thông, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng TÓM TẮT Mô hình ô tô bus điện là giải pháp hướng tới ô tô sạch của các đô thị lớn ở Việt Nam. Bài báo đã tính toán thay thế nguồn động lực trên xe Hyundai County (động cơ Diesel, ly hợp và hộp số) bằng động cơ điện, mà vẫn giữ nguyên kết cấu và các hệ thống khác của xe. Động cơ điện có hiệu điện thế cao cho phép giảm nhẹ khối lượng của xe nên tiết kiệm năng lượng tiêu thụ. Từ khóa: Ô tô bus điện; nguồn động lực; xe Hyundai County; động cơ điện; hiệu điện thế cao; tiết kiêm năng lượng. ABSTRACT Electric vehicle model is solution towards cleaner cars of the big city in Viet Nam. This reporter has calculated alternative motivation Hyundai County bus (Diesel engine, clutch and gearbox) by electric motor, which remains the structure and other systems of the vehicle. Electric motors have high voltage allows the vehicle’s weight reduction should save energy consumption. Key words: Electric vehicle; alternative motivation; Hyundai County bus; Electric motors; high voltage; save energy. 1.Mở đầu Hiện nay, thế giới đang phải đối mặt với nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên, dầu mỏ và môi trường đang ngày càng ô nhiễm nặng. Đề tài nghiên cứu về hướng xây dựng mô hình ô tô bus điện là một trong những giải pháp hướng tới ô tô sinh thái trong các đô thị lớn ở Việt Nam. Bài báo đã tính toán và thiết kế được đặc tính lực kéo của ô tô bus điện Hyundai County (lực kéo P k , khả năng vượt dốc D, khả năng gia tốc j) và tính toán chọn động cơ điện, nguồn năng lượng cung cấp để đảm bảo được các tính năng nói trên. 2.Nội dung 2.1.Tính toán ô tô bus Hyundai County Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật xe Hyundai County Hình 2.1: Hình dạng và kích thước xe Hyundai County Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 2 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 10 20 30 40 V (m/s) Pk (N) Pk1 Pk2 Pk3 Pk4 Pk5 Pc Nhân tố động lực 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0 10 20 30 40 V(m/s) D D5 D4 D3 D2 D1 Dựa vào các thông số kỹ thuật ở bảng 2.1, cho phép ta tính được đặc tính động lực học của xe Hyundai County chỉ ra ở bảng 2.2. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên các hình 2.2 đến 2.4 Bảng 2.2: Bảng tính lực kéo, nhân tố động lực và gia tốc Số 1 Số 2 Số 3 V1 Pk1 D1 j1 V2 Pk2 D2 j2 V3 Pk3 D3 j3 0.39 13706 0.21 1.94 0.7 7714 0.12 1.04 1.24 4331 0.07 0.53 0.78 16344 0.25 2.34 1.39 9199 0.14 1.26 2.48 5164 0.08 0.65 1.17 18531 0.28 2.66 2.09 10430 0.16 1.44 3.71 5856 0.09 0.75 1.56 20268 0.31 2.92 2.78 11408 0.17 1.59 4.95 6404 0.1 0.82 1.96 21555 0.33 3.11 3.48 12132 0.19 1.69 6.19 6811 0.1 0.88 2.35 22392 0.34 3.24 4.17 12603 0.19 1.76 7.43 7076 0.11 0.91 2.74 22779 0.35 3.29 4.87 12820 0.2 1.79 8.67 7198 0.11 0.92 3.13 22715 0.35 3.28 5.56 12784 0.19 1.78 9.9 7178 0.11 0.9 3.52 22201 0.34 3.2 6.26 12495 0.19 1.73 11.14 7015 0.1 0.87 3.91 21237 0.32 3.05 6.95 11953 0.18 1.64 12.38 6710 0.1 0.81 Số 4 Số 5 V4 Pk4 D4 j4 V5 Pk5 D5 j5 Pc 2.1 2548 0.04 0.26 2.91 1839 0.03 0.15 830 4.21 3038 0.05 0.32 5.83 2193 0.03 0.19 941 6.31 3444 0.05 0.37 8.74 2487 0.04 0.21 1080 8.42 3767 0.06 0.41 11.66 2720 0.04 0.22 1247 10.52 4007 0.06 0.42 14.57 2893 0.04 0.22 1443 12.63 4162 0.06 0.43 17.49 3005 0.04 0.2 1667 14.73 4234 0.06 0.42 20.4 3057 0.04 0.17 1919 16.84 4222 0.06 0.39 23.32 3048 0.03 0.13 2200 18.94 4127 0.05 0.35 26.23 2979 0.03 0.07 2509 21.05 3947 0.05 0.3 29.15 2850 0.02 0 2846 Hình 2.2: Đồ thị đặc tính lực kéo Hình 2.2: Đồ thị đặc tính lực kéo Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 3 Đồ Thị gia tốc 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 0 5 10 15 20 25 30 35 V(m/s) j(m/s2) j1 j2 j3 j4 j5 Hình 2.4: Đồ thị đặc tính gia tốc 2.2.Tính chọn động cơ điện thay thế cho ô tô bus điện Hyundai County Công suất động cơ điện được tính toán thay thế dựa trên cơ sở xe nguyên thủy là Bus Hyundai County với các điều kiện giữ nguyên tốc độ cực đại của xe, duy trì khả năng vượt dốc như cũ. Khối lượng xe dự kiến giảm đôi chút vì loại bỏ toàn bộ cụm động cơ ly hợp và hộp số mà chỉ thay vào đó khối lượng động cơ điện và các bình điện. Kết quả tính toán cho phép ta chọn được động cơ điện với các thông số kỹ thuật được cho trên bảng 2.3 có tên (nguồn: www.brusa.biz ) Bảng 2.3 : Thông số kỹ thuật động cơ điện Brusa Hybridsynchronmotor HSM-6.17.12 2.3.Tính chọn nguồn ắc quy Các loại pin có thể sử dụng sử dụng cho ô tô điện được cho trên bảng 2.4: Bảng 2.4 : So sánh các loại pin chọn làm nguồn năng lượng trên ô tô điện (Nguồn: Internet) Hình 2.5: Đặc tính động cơ điện Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 4 Chọn loại pin nhiên liệu là pin NiMH (Pin Niken Hiđrua kim loại ) vì nó là loại pin bền, có thể tái sử dụng được 500-1000 lần nếu dùng đúng kỹ thuật. Không quá đắt so với pin Litium và khối lượng nhẹ, dung lượng lớn hơn so với pin acid Chì. Đặc tính kỹ thuật của pin NiMH như sau: - Hiệu điện thế mỗi cell: U cell = 1,2 V - Dung lượng mỗi cell: Q = 26Ah - Khối lượng mỗi cell: m = 0,48kg - Số cell cần thiết cho động cơ điện 450V: )(375 2,1 450 cellx  - Dung lượng tổng của hệ thống pin dùng cho ô-tô điện: E = 26x375 = 9750 Ah Để đảm bảo năng lượng cho các hệ thống khác và tăng tuổi thọ của pin ta không nên chạy kiệt mà dự trữ lại 50%. Như vậy, dung lượng cần tiêu thụ là: 9750 / 2 = 4875 Ah. Dòng điện phóng cực đại: I max = A U P 5614,224 95,0.450 96000 .   Thời gian xe chạy được: ht 7,21 5614,224 4875  Dựa vào đặc tính lực kéo của ô tô điện thiết kế ta chọn vận tốc trung bình khi ô tô chạy trong nội thành là là 15m/s (54km/h). Từ đó ta tính quãng đường có thể chạy được: S = 54.22,85 = 1172,285 km 2.4.Tính toán thay thế hệ thống truyền động cho xe bus điện Hyundai County Tỷ số truyền giảm tốc của ô tô điện : i_ T = 630,16 1667,29.30 386,0.4200. . max    V R bxN Ta có tỷ số truyền lực chính của xe Hyundai County là: 5,375; vì thế trước bộ truyền lực chính ta bố trí một bộ giảm tốc hành tinh có tỷ số truyền là: i_ HT = 094,3 375,5 630,16  Khối lượng ô tô điện thiết kế: G = G tt – G 1 + G 2 = 6173 kg Trong đó: G 1 = 840kg : khối lượng của động cơ đốt trong , li hợp và hộp số. G 2 = 353 kg : khối lượng động cơ điện và ắc quy Để đảm bảo tính năng vượt dốc của xe ta kiểm tra nhân tố động lực của xe: 1418,0 38,0.81,9.6173 9,0.63,16.218 . max  bx T RG iM D  < D 1 Trong đó : D 1 = 0,344 là nhân tố động lực cuả xe Hyundai County. Như vậy để đảm bảo tính năng vượt dốc ta bố trí thêm một hộp hành tinh với cặp tỷ số truyền gài số: i 1 = 4704,2 9,0.63,16.218 386,0.35,0.81,9.6173 max   HT bx iM RDG i 2 = 1 (truyền thẳng – khóa cơ cấu vi sai của hành tinh) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 5 Kích thước bộ hành tinh giảm tốc có số răng bánh răng trung tâm Z1 = 38 răng, bánh răng bao Z2 = 80 răng và bánh răng hành tinh Z ht = 21 răng. Suy ra tỷ số truyền : 10,31 38 80 i HT  . Kích thước hộp số kiểu hành tinh hai cấp có số răng bánh răng trung tâm Z1 = 130 răng, bánh răng bao Z2 = 190 răng và bánh răng hành tinh Z ht = 30 răng. Suy ra tỷ số truyền số thấp: 46,21 130 190 i 1  ; i 2 = 1 2.5.Tính lực kéo, khả năng vượt dốc và khả năng tăng tốc ô tô bus điện Dựa vào các thông số kỹ thuật của động cơ điện trên bảng 2.3, thông số của ô tô bus bảng 2.1 và các tỷ số truyền, ta được bảng 2.5 ta tính được đặc tính động lực học của xe điện được thể hiện qua các đồ thị trên các hình 2.7 đến 2.9 V1 (m/s) Fk1 D1 J1 V2 (m/s) Fk2 D2 J2 0.00 21929.13 0.36 3.44 0.00 9898.57 0.16 1.49 0.66 21929.13 0.36 3.44 1.45 9898.57 0.16 1.49 1.31 21929.13 0.36 3.44 2.91 9898.57 0.16 1.48 1.97 21929.13 0.36 3.43 4.36 9898.57 0.16 1.47 2.62 21929.13 0.36 3.43 5.81 9898.57 0.16 1.46 3.28 21929.13 0.36 3.43 7.27 9898.57 0.16 1.45 4.39 21929.13 0.36 3.42 9.74 9898.57 0.16 1.43 4.59 20908.89 0.34 3.25 10.17 9438.04 0.15 1.35 5.25 18060.73 0.30 2.79 11.62 8152.41 0.13 1.13 5.90 15845.49 0.26 2.42 13.08 7152.48 0.11 0.95 6.56 14073.29 0.23 2.13 14.53 6352.53 0.10 0.81 7.21 12623.32 0.21 1.89 15.98 5698.03 0.09 0.69 7.87 11415.00 0.19 1.69 17.44 5152.61 0.08 0.58 8.53 10392.59 0.17 1.52 18.89 4691.10 0.07 0.49 9.18 9516.23 0.15 1.37 20.34 4295.52 0.06 0.40 9.84 8756.72 0.14 1.25 21.80 3952.68 0.05 0.32 10.49 8092.14 0.13 1.13 23.25 3652.70 0.05 0.25 11.15 7505.76 0.12 1.03 24.70 3388.01 0.04 0.19 11.81 6984.52 0.11 0.94 26.16 3152.74 0.03 0.12 12.46 6518.16 0.10 0.86 27.61 2942.22 0.03 0.06 13.12 6098.43 0.10 0.78 29.06 2752.76 0.02 0.00  Đồ thị lực kéo, nhân tố động lực và đồ thị gia tốc: Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 6 Hình 2.9. Đồ thị nhân tố động lực Hình 2.9. Đồ thị đặc tính lực kéo Đồ thị gia tốc 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 10 20 30 40 V(m/s) J1 J2 Hình 2.9. Đồ thị gia tốc 2.6.Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực xe bus điện Hyundai County. Hình 2.10. Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực ô tô điện Hyundai County 2.7. So sánh ô tô bus điện thiết kế và ô tô bus Hyundai County Với kết quả thiết kế được như trên, cho ta có được cấu trúc đơn giản của một ô tô điện so với ô tô truyền thống; được minh họa trên các hình 2.11 và 2.12 J(m/s 2 ) Toyota iQ D Pk(N) Hình 2.11. Ô tô điện Hình 2.11. Ô tô xăng Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 7 3.Kết luận Sau khi tính thiết kế thay thế nguồn động lực bằng điện cho xe bus Hyundai County truyền thống, nhóm tác giả rút ra một số kết luận sau: Xe bus điện Hyundai County có cấu trúc đơn giản : không cần ly hợp và hộp số nhiều cấp mà chỉ cần bộ hành tinh hai cấp; mà tính năng động lực học hầu như không đổi. Động cơ điện có điện áp cao cho phép giảm khối lượng xe nên tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, do còn hạn chế về thời gian và kinh phí nên việc tính toán thiết kế mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết. Cần có sự hổ trợ của thầy cô, doanh nghiệp để đề tài sớm được ứng dụng vào thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Dư Quốc Thịnh (1978), Lý thuyết ô tô – máy kéo, Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp – Hà Nội. [2] PGS. TS Trần Văn Nam, Bài giảng năng lượng và ô nhiễm môi trường, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. [3] TS. Lê Văn Tụy, Kết cấu và tính toán ô tô (phần hệ thống truyền lực), Giáo trình mạng nội bộ trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, tr. 36-37. [4] TS. Khương Quang Đồng , “Tương lai của công nghiệp ô tô điện”, Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 12, (10/2011). [5] Seref Soylu, electric vehicles modelling and simulations. [6] Seth leitman, Bob Brant, Build your own Electric vehicle. [7] Fundamentals, Theory, Modern electric, hybrid electric and fuel cell vehicles. [8] http://baohuy.wordpress.com . [9] http://vi.wikipedia.org/wiki/ôtô . [10] www.brusa.biz . [11] http://www.batteryspace.com . xe bus điện Hyundai County. Hình 2.10. Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực ô tô điện Hyundai County 2.7. So sánh ô tô bus điện thiết kế và ô tô bus Hyundai. động cơ điện thay thế cho ô tô bus điện Hyundai County Công suất động cơ điện được tính toán thay thế dựa trên cơ sở xe nguyên thủy là Bus Hyundai County