Giải pháp chuyển đổi xe gắn máy attila thành xe lai xăng - điện

TÓM TẮT:

Bài báo này trình bày giải pháp thiết kế, lắp đặt thêm hệ thống truyền động từ một động cơ điện DC-400W để phối hợp với động cơ xăng dẫn động cho bánh sau trên xe gắn máy Attila. Kết quả thử nghiệm xe hoạt động ở chế độ lai có mức tiêu thụ nhiên liệu ít hơn khoảng 11,3% so với chế độ hoạt động bình thường không có động cơ điện. Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng giải pháp chuyển đổi xe máy lai này rất hiệu quả, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường cho xe gắn máy.

Từ khóa: xe Attila, xe gắn máy lai, ô nhiễm môi trường, hệ thống truyền động.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, do sự tiện dụng của tính năng vận hành, các tiện ích, cũng như tính thời trang, xe tay ga đang được ưa chuộng và sử dụng ngày càng nhiều trên thị trường Việt Nam, nhất là tại các thành phố lớn. Attila là loại xe tay ga đang được ưa chuộng và sử dụng phổ biến vì nó có nhiều ưu điểm như: kiểu dáng thời trang, vận hành dễ dàng, cốp đựng đồ dưới yên có dung tích lớn và nhiều tính tiện dụng khác. Mặt khác, việc khan hiếm dần nguồn nhiên liệu truyền thống, giá nhiên liệu ngày một gia tăng và môi trường ngày một ô nhiễm là những vấn đề được xã hội quan tâm. Do đó, chuyển đổi xe gắn máy sử dụng nhiên liệu truyền thống (xăng) thành xe lai (xăng - điện) là giải pháp cần thiết và có ý nghĩa, nhằm tiết kiệm nhiên liệu và cải thiện môi trường.

Trong thời gian qua có rất nhiều nghiên cứu về xe gắn máy lai như: “Nghiên cứu chế tạo hệ thống phun LPG trên xe gắn máy” [1], trong nghiên cứu này tác giả đã chế tạo và lắp đặt hệ thống phun LPG lên xe Honda City và xe làm việc với hai nguồn nhiên liệu là xăng và LPG. Ưu điểm nổi bật của xe gắn máy chạy bằng LPG là nó có thể tận dụng được đồng thời ưu điểm của LPG về giảm ô nhiễm môi trường và của động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo về hiệu suất sử dụng nhiệt. Trong “Nghiên cứu và thiết kế và lắp đặt động cơ lai trên xe gắn máy” [2], tác giả thực hiện nghiên cứu trên xe Dream 100cc, lắp đặt thêm một động cơ điện 60 VDC. Sản phẩm vừa hoạt động như chiếc xe máy bình thường vừa hoạt động như một chiếc xe điện. Mục đích nhằm giảm lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu và sử dụng năng lượng bằng phanh tái sinh nạp cho ắc quy; hạn chế phát thải nhiệt, giảm tiếng ồn và ô nhiễm cho thành phố, nhưng trọng lượng của xe tăng rất nhiều. Trong “Nghiên cứu một số giải pháp tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường trên xe gắn máy” [3], tác giả chọn xe máy điện SH mi để thực hiện, chọn động cơ và máy phát điện phù hợp lắp đặt lên xe, đồng thời thiết kế chế tạo thêm một bộ nâng điện áp xoay chiều ba pha dạng xung 12V lên 48VDC để nạp cho ắc quy trên xe máy điện. Mục đích phát điện để nạp bổ sung cho ắc quy nhằm kéo dài quãng đường chạy, tuy nhiên trong nghiên cứu này có nhược điểm là phải lắp thêm động cơ đốt trong nên ô nhiễm môi trường là không tránh khỏi. Các nghiên cứu tích hợp truyền động lai cho xe gắn máy với motor điện đặt tại bánh sau [4, 7] hoặc cả bánh trước và sau [5], xe có thể tận dụng năng lượng phanh tái sinh để nạp điện cho ắc quy. Kết quả thử nghiệm cho thấy xe đạt được tốc độ 55 km/h khi chạy bằng điện, thấp hơn khoảng 10% so với công suất tính toán. Với bình LPG chứa 1 kg nhiên liệu và 4 bình ắc quy N12V - 35AH xe có thể chạy được 160 km. Hệ thống động lực hybrid điện - LPG cho phép xe gắn máy đạt mức độ phát thải ô nhiễm EURO IV. Trong “Nghiên cứu hiệu quả một số giải pháp nạp điện bổ sung cho xe máy điện” [6], tác giả đã thiết kế lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống phanh tái sinh làm nguồn nạp bổ sung cho xe máy điện, đảm bảo chắc chắn, an toàn khi vận hành và không làm thay đổi nhiều đến kết cấu, hình dáng của xe nguyên thủy. Mục đích cứu hiệu quả một số giải pháp nạp điện bổ sung cho xe máy điện góp phần vào việc khai thác hiệu quả hơn xe máy điện và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nghiên cứu của hai tác giả Hsu và Lu [8] đã nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý xe máy hybrid sử dụng bộ điều khiển điện tử để tích hợp hai hệ thống truyền lực và động cơ điện của xe tay ga với nhau. Kết quả tăng thời gian hoạt động động cơ điện và giảm thời gian hoạt động của động cơ xăng, làm giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường. Sheu và Hsu [9] đã nghiên cứu sự truyền tải trên xe gắn máy lai hoạt động với 4 chế độ: động cơ điện, động cơ, động cơ tái sinh năng lượng và điện năng; đặc điểm của hệ thống này gồm động cơ điện - máy phát và cơ chế thay đổi chế độ hoạt động được thực hiện bằng bộ ly hợp cơ khí. Nghiên cứu này mô phỏng hệ thống truyền động lai và hệ thống lưu trữ năng lượng với mục đích tối ưu hóa khả năng phân phối năng lượng giữa các nguồn động lực. Trong một nghiên cứu khác, Sheu [10] đã phân tích đánh giá hệ thống truyền tải cho xe lai, thiết kế mới hệ thống truyền động lai kết hợp với truyền tải công suất giữa động cơ điện và xăng, nhằm làm giảm tối thiểu nguồn khí thải và tận dụng tối ưu nguồn năng lượng tái sinh ở các chế độ năng lượng và hãm tái sinh. Ưu điểm của hệ thống này là chỉ dùng một động cơ điện - máy phát điện hoạt động với cơ cấu bánh răng hành tinh không sử dụng bộ ly hợp truyền động phanh.

Các nghiên cứu trên tập trung vào thiết kế hệ thống truyền động và quản lý nguồn năng lượng trong quá trình hoạt động của xe gắn máy. Trong bài báo này, các tác giả trình bày giải pháp chuyển đổi hệ thống truyền động của xe máy Attila thành xe lai được tích hợp giữa 2 nguồn động lực là động cơ xăng và động cơ điện DC đặt tại bánh sau. Kết quả thu được là xe có thể vận hành như một chiếc xe Attila truyền thống và có hỗ trợ mô men truyền động từ động cơ điện sử dụng nguồn điện tích trữ từ ắc quy.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Giải pháp truyền động

Giải pháp truyền động của động cơ điện là kiểu phối hợp truyền mô men quay cùng với động cơ xăng. Khi xe hoạt động thì cả hai động cơ xăng và động cơ điện cùng truyền mô men quay đến trục của bánh xe sau. Trong đó, động cơ xăng đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền mô men chính, còn động cơ điện chỉ đóng vai trò hỗ trợ. Động cơ điện hoạt động bằng nguồn năng lượng từ bình ắc quy. Khi xe hoạt động ở chế độ lai thì cả hai nguồn động lực từ động cơ điện và động cơ xăng cùng truyền chuyển động đến dẫn động bánh xe sau. Khi đó mô men kéo tại bánh xe sau được tăng lên, nên cùng một điều kiện hoạt động thì mức tiêu thụ nhiên liệu của xe lai sẽ thấp hơn so với xe ban đầu. Đồng thời cũng giảm được sự phát thải nhiệt, giảm ô nhiễm môi trường hơn so với xe chỉ chạy bằng động cơ xăng. Kiểu phối hợp truyền động này có thể hiệu quả hơn so với các xe máy cũ đã qua thời gian bảo hành.

2.2. Thông số kỹ thuật của xe gắn máy Attila và chọn động cơ điện

Hình 1: Động cơ Sanyo Denki 400Wz

Bảng 1. Thông số kỹ thuật xe Attila

Dựa vào thông số kỹ thuật của xe Attila (Bảng 1) lựa chọn động cơ điện để thiết kế và lắp đặt lên xe cho phù hợp. Kết quả khảo sát tác giả đã chọn được động cơ điện của hãng Sanyo Denki (Hình 1) có các thông số kỹ thuật như trong Bảng 2 để thực hiện giải pháp.

Hình 2: Vị trí lắp đặt thêm các thiết bị trên xe Attila

Bảng 2. Thông số kỹ thuật động cơ điện Sanyo Denki

2.3. Chọn vị trí lắp đặt động cơ điện trên xe

Sau khi nghiên cứu kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động trên xe Attila, cũng như nghiên cứu một số vị trí có thể lắp thêm động cơ điện, tác giả chọn vị trí lắp động cơ điện liên kết với hệ thống truyền động trên xe là khả thi nhất (Hình 2). Nếu chọn các vị trí liên kết khác sẽ khó truyền động đến bánh xe. Bởi vì, nếu lắp động cơ điện ở vị trí máy khởi động hay ở đầu trục khuỷu thì khi động cơ điện quay nó phải kéo trục khuỷu động cơ xăng. Mặt khác, khi đặt động cơ điện ở xa bánh xe thì hệ thống truyền động sẽ phức tạp, hiệu suất truyền lực của động cơ điện đến bánh xe sẽ giảm.

2.4. Cơ cấu truyền động từ động cơ điện đến bánh xe

Vị trí lắp động cơ điện liên kết với cơ cấu truyền động của xe có không gian nhỏ hẹp, nên không thể lắp động cơ điện trực tiếp để dẫn động bánh răng trục thứ cấp trong cơ cấu truyền động mà cần phải qua hộp truyền động bánh răng trung gian. Hộp này được thiết kế theo kiểu trục và bánh răng ăn khớp ngoài, gồm có hai trục bánh răng với tỷ số truyền là 1:1 (Hình 3) để truyền mô men quay từ động cơ điện đến bánh xe sau.

Hình 3: Sơ đồ cơ cấu truyền động và bộ truyền lực của động cơ điện

Bộ truyền lực của động cơ điện được thiết kế là một cụm chi tiết rời có thể tháo lắp và thay thế nhanh chóng (Hình 3). Các chi tiết cơ bản trong cơ cấu truyền động của động cơ điện gồm có: hộp truyền động, khớp một chiều và các tấm định vị dẫn truyền động từ động cơ điện sang hộp truyền động.

Sau khi chế tạo bộ truyền động, cải tạo lốc máy phần truyền động của xe, ta lắp đặt bộ truyền động và động cơ điện lên xe ở vị trí như Hình 4 để truyền động cho bánh xe sau.

Hình 4: Vị trí lắp đặt cơ cấu truyền động và động cơ điện

2.5. Điều khiển động cơ điện

Vì có hai nguồn công suất khác nhau từ động cơ điện và động cơ xăng cùng phối hợp truyền đến bánh xe, nên cần phải điều khiển tốc độ của động cơ điện tương ứng với tốc độ của bánh xe theo tỉ số truyền trong hộp truyền động bánh răng trung gian. Có nhiều phương pháp để điều khiển tốc độ của động cơ điện DC. Trong giải pháp này, tác giả lựa chọn phương pháp điều tiết độ rộng xung để điều khiển tốc độ của động cơ điện. Kết cấu này gọn nhẹ và hiệu suất cao, bằng cách thiết kế bộ điều khiển động cơ điện trên cơ sở lấy tín hiệu đầu vào từ các cảm biến tốc độ bánh xe và tốc độ của động cơ điện.

Hình 5: Sơ đồ các khối chức năng điều khiển động cơ điện

Bộ điều khiển động cơ điện được thiết kế gồm các khối chức năng như Hình 5. Trong đó: sensor1 là khối cảm biến xung tốc độ của bánh xe; sensor2 là khối cảm biến tốc độ của động cơ điện; FVC1 (Frequency to Voltage Converter) là khối chuyển đổi tần số điện áp từ Sensor1; FVC2 là khối chuyển đổi tần số điện áp từ Sensor2; Khối PID (Proportional Integral Derivative) điều khiển sự sai lệch giữa tốc độ động cơ điện với tốc độ bánh xe; Khối PWM (Pulse Width Modulation) là khối điều chế độ rộng xung để điều khiển tốc độ động cơ DC; Motor drive là khối cách ly và thúc mạch công suất; Motor power là khối điều khiển công suất và khối current limiting nhằm giới hạn dòng điện điều khiển động cơ điện.

Sau khi tính toán, thi công mạch theo Sơ đồ các khối chức năng ở Hình 5 ta được bo mạch như Hình 6 và viết chương trình điều khiển động cơ điện.

Hình 6: Bộ điều khiển thực tế sau khi thi công

3. Kết quả thử nghiệm và thảo luận

3.1. Kiểm tra cơ cấu truyền động và các mạch điều khiển động cơ điện

Kiểm tra cơ cấu truyền động: Tiến hành chống xe bằng chân chống giữa, quay bánh xe sau theo chiều làm việc và quan sát: các bánh răng trong hộp truyền động trung gian quay trơn, nhẹ còn trục động cơ điện đứng yên. Điều này chứng tỏ khớp truyền động một chiều của động cơ điện hoạt động tốt; cơ cấu truyền động của động cơ điện đảm bảo vững chắc an toàn, không bị rung lắc khi hoạt động.

Kiểm tra mạch biến đổi tần số sang điện áp: Chống xe bằng chân chống giữa, khởi động xe và tăng ga cho tới khi bánh xe sau quay theo chiều làm việc, đo xung của cảm biến tốc độ bánh xe và cảm biến tốc độ động cơ điện, kết quả giá trị xung hiển thị ổn định và phù hợp với tốc độ bánh xe.

Kiểm tra mạch điều khiển động cơ điện: Chống xe bằng chân chống giữa, đấu dây điện từ bình ắc quy vào mạch điều khiển và đấu dây từ mạch điều khiển vào động cơ điện. Sử dụng mạch điều chỉnh điện áp để thay đổi hoạt động của mạch điều khiển động cơ điện. Kết quả thử cho thấy: Khi thay đổi điện áp ngõ vào mạch điều khiển động cơ điện thì tốc độ động cơ cũng thay đổi theo, điều này chứng tỏ rằng mạch điều khiển động cơ điện hoạt động tốt.

Kiểm tra mạch PID: Chống xe bằng chân chống giữa, cấp nguồn cho mạch PID, cho điện áp điều chỉnh 2 ngõ vào mạch PID, tiến hành đo điện áp ngõ ra của mạch PID. Kết quả cho thấy:

- Khi điện áp ngõ ra của cảm biến tốc độ bánh xe lớn hơn điện áp ngõ ra của cảm biến tốc độ động cơ điện (xe tăng tốc) thì điện áp ra của mạch PID tăng (điều khiển động cơ điện quay nhanh hơn).

- Khi điện áp ngõ ra của cảm biến tốc độ bánh xe nhỏ hơn điện áp ngõ ra của cảm biến tốc độ động cơ điện (xe giảm tốc) thì điện áp ra của mạch PID giảm (điều khiển động cơ điện quay chậm hơn).

- Khi điện áp ngõ ra của cảm biến tốc độ bánh xe bằng 0V (dừng xe) điện áp ngõ ra của cảm biến tốc độ động cơ điện giảm về 0V thì điện áp ra của mạch PID bằng 0V (động cơ điện dừng hẳn).

3.2. Chạy thử xe trên đườngvà đo mức tiêu hao nhiên liệu

Tiến hành điều khiển xe chạy trên đường nhựa, thử nghiệm ở 2 chế độ: Chế độ chạy bình thường (chạy bằng động cơ xăng) và chế độ chạy lai (chạy bằng động cơ xăng và động cơ điện). Tiến hành chạy thử nghiệm ở các cấp tốc độ khác nhau. Ở mỗi cấp tốc độ chạy thử nghiệm 3 lần và tiến hành đo mức tiêu hao nhiên liệu ở mỗi lần thử. Kết quả thử nghiệm được thể hiện ở Bảng 3 và Bảng 4.

Bảng 3. Kết quả thử nghiệm xe ở chế độ chạy bình thường

Bảng 4. Kết quả thử nghiệm xe ở chế độ chạy lai

Từ kết quả thử nghiệm ta thấy: khi xe hoạt động trong khoảng tốc độ 30 đến 40 km/h thì lượng tiêu thụ nhiên liệu là tiết kiệm nhất. Trên cùng một khoảng tốc độ thử, xe hoạt động ở chế độ lai có mức tiêu thụ nhiên liệu ít hơn khoảng 11,3% so với chế độ hoạt động bình thường. Do đó, lượng phát thải ô nhiễm không khí của xe khi chạy ở chế độ lai cũng thấp hơn nhiều so với khi xe chạy ở chế độ bình thường.

3.3. Thử mạch bảo vệ quá dòng

Tiến hành thử bằng cách chống xe bằng chân chống giữa, kẹp Ampe kềm vào dây dương của động cơ điện, khởi động xe và tăng ga cho bánh xe sau quay, bật công tắc kích hoạt cho động cơ điện hoạt động, bóp phanh tay đột ngột để giữ bánh xe sau đứng yên, đo giá trị trên đồng hồ ampe. Kết quả: Số chỉ thị trung bình trên Amper lớn hơn 10 A thì động cơ điện dừng, chứng tỏ mạch bảo vệ quá dòng có tác động đối với trường hợp động cơ bị quá tải.

4. Kết luận

Bài báo trình bày phương án thiết kế và lắp đặt các bộ phận trong hệ thống nhằm chuyển đổi xe gắn máy Attila thành xe lai xăng và điện với phương thức hoạt động là hai nguồn động lực từ động cơ xăng và động cơ điện hoạt động ở chế độ lai (song song nhau) hỗ trợ cho nhau để truyền động cho bánh xe sau nhằm giảm tải cho động cơ nhiệt, giúp sự phát thải của động cơ giảm ô nhiễm môi trường.

Đánh giá kết quả thử nghiệm về hoạt động của các khối chức năng trong bộ điều khiển, thử nghiệm khi xe chạy trên đường và đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu. Từ kết quả thiết kế, lắp đặt, thực nghiệm trên động cơ xe gắn máy lai nhiệt - điện cho thấy hình dáng tổng thể của xe máy nền ít thay đổi, tiết kiệm chi phí nhiên liệu hơn, lượng phát thải không đáng kể, ít ô nhiễm hơn. Đó là những bằng chứng thực tế cho tính ưu việt của xe lai nhiệt - điện này. Hệ thống xe lai nhiệt - điện mới này sẽ góp một phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trường và giảm sức ép lên nhiên liệu truyền thống. Với kết quả nghiên cứu này, thiết nghĩ trong tương lai xe nhiệt - điện sẽ phát triển mạnh mẽ nếu các cơ quan chức năng có những quan tâm đúng mức. Kết quả nghiên cứu là tiền đề cho những nghiên cứu về xe lai, xe điện, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng xe máy và giảm thiểu hoặc cải thiện vấn đề ô nhiễm không khí từ nguồn xe máy.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Phan Tấn Tài (2012). Nghiên cứu chế tạo hệ thống phun LPG trên xe gắn máy. Đề tài NCKH cấp Trường Đại học Trà Vinh.
2. Phạm Quốc Phong (2007). Nghiên cứu thiết kế và lắp đặt động cơ lai trên xe gắn máy. Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.
3. Huỳnh Thanh Bảnh (2015). Giải pháp tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường trên xe gắn máy. Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
4. Ngô Thanh Hà, Phan Tấn Tài, Tăng Tấn Minh, Huỳnh Thanh Bảnh (2018). Nghiên cứu tích hợp truyền động lai cho xe gắn máy với motor điện đặt tại bánh sau. Tạp chí khoa học Trường Đại học Trà Vinh, 31, 49-57.
5. Bùi Văn Ga, Nguyễn Quân, Nguyễn Hương (2009). Thiết kế xe gắn máy hybrid chạy bằng LPG và điện. Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 4, 88-95.
6. Phan Văn Tuân (2015). Nghiên cứu hiệu quả một số giải pháp nạp điện bổ sung cho xe máy điện. Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
7. Chia-Chang Tong, Wu-Shun Jwo (2007). An assist-mode hybrid electric motorcycle. Journal of Power Sources, Elsevier, 174(1),61-68.
8. Yuan-Yong Hsu, Shao-Yuan Lu (2010). Design and implementation of a hybrid electric motorcycle management system. Applied Energy, Elsevier, 87(11),3546-3551.
9. Kuen-Bao Sheu, Tsung-Hua Hsu (2006). Design and implementation of a novel hybrid-electric-motorcycle transmission. Applied Energy, Elsevier, 83(9), 959-974.
10. Kuen-Bao Sheu (2007). Analysis and evaluation of hybrid scooter transmission systems. Applied Energy, Elsevier, 84(12), 1289-1304.

A SOLUTION TO CONVERT

THE ATTILA MOTORCYCLE INTO HYBRID

GASOLINE-ELECTRIC MOTORCYCLE

• HUYNH THANH BANH¹

• PHAN TAN TAI¹

¹School of Engineering and Technology, Tra Vinh University

ABSTRACT:

This study presents a solution to design and install an additional drive system from a DC-400W electric motor to coordinate with a gasoline engine to drive the rear wheels on the Attila motorcycle. The test results show that the fuel consumption of this motorcycle operating in hybrid mode is 11.3% lower than that of normal operating mode (without the electric motor). The result indicates that this hybrid motorcycle conversion solution is effective, contributing to reducing environmental pollution from motorcycles.

Keywords: Attila motorcycle, hybrid motorcycle, environmental pollution, hybrid transmission.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 4 tháng 2 năm 2023]