Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ động lực xe hybird

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------



------------

TRẦN VĂN ĐĂNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ
HỆ ĐỘNG LỰC XE HYBRID

Ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số : 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.

PGS. TS KHỔNG VŨ QUẢNG

2.

TS TRẦN ĐĂNG QUỐC
HÀ NỘI - 2022

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện đề
tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phịng Đào
tạo và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi thực
hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và TS Trần Đăng Quốc
đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tơi có thể thực hiện và hồn thành
luận án.
Tơi xin trân trọng biết ơn Thầy, Cô trong Bộ môn và Trung tâm nghiên cứu
Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội đã luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để tơi
hồn thành luận án này.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên,
Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực và các Thầy, Cô trong Khoa đã hậu thuẫn và
động viên tơi trong suốt q trình nghiên cứu học tập.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô phản biện, các Thầy, Cô
trong hội đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hồn
chỉnh luận án này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp
và những người đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian tơi tham gia
nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2022

Nghiên cứu sinh

Trần Văn Đăng

MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục và các ký hiệu
Danh mục các biểu bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU........................................................................................................
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................
1.1.

Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường...

1.2.

Nguồn động lực thay thế ĐCĐT….............................................

1.2.1 Động cơ điện.....................................................................................
1.2.2 Động cơ sử dụng khí nén áp suất cao................................................
1.2.3 Nguồn động lực hybrid.....................................................................
1.3.

Các phương án phối hợp nguồn động lực của xe hybrid............

1.3.1 Xe hybrid kiểu nối tiếp......................................................................
1.3.2

Xe hybrid song song .....................

1.3.3

Xe hybrid hỗn hợp.........................

1.4.

Ưu và nhược điểm của xe hybrid................................................

1.5.

Các thành phần chính trong xe hybrid.......................................

1.5.1

Động cơ đốt trong..........................

1.5.2

Động cơ điện.................................

1.5.3

Ắc-quy...........................................

1.5.4

Hệ thống truyền lực.......................

1.6.

Một số vấn đề quản lý năng lượng xe hybrid..............................

1.7. Nghiên cứu ngoài nước............................................................................
1.8. Nghiên cứu trong nước.............................................................................
1.9. Các dòng xe hybrid trên thị trường..........................................................


1.10. Phương pháp tiếp cận của đề tài.................................................................................. 24
1.11. Kết luận................................................................................................................................. 25
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ ĐỘNG
LỰC XE HYBRID....................................................................................................................... 26
2.1. Quan điểm và quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid..................... 26
2.1.1 Quan điểm thiết kế hệ động lực xe hybrid.......................................................... 26
2.1.2 Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid......................27
2.2. Cơ sở tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid......................................................... 29
2.2.1 Các chế độ phối hợp nguồn động lực xe hybrid............................................... 29
2.2.2 Cơ sở xác định kết cấu bộ phối hợp các nguồn động lực xe
hybrid ..............................................................................................................

31

2.2.3 Cơ sở tính tốn các nguồn động lực xe hybrid................................................. 38
2.2.4 Chiến lược phối hợp nguồn động lực................................................................... 46
2.3. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Cruise...................................................................... 50
2.3.1 Phạm vi của AVL – Cruise........................................................................................ 50
2.3.2 Phương pháp tính tốn trong AVL – Cruise….................................................. 51
2.3.3 Tạo chu trình thử mới trong phần mềm AVL-Cruise…................................. 62
2.3.4 Các bước thực hiện mô phỏng bằng phần mềm AVL-Cruise….................63
2.4. Cơ sở liên kết giữa phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm AVLCruise… ..........................................................................................................

64

2.5. Kết luận.................................................................................................................................... 64
Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ ĐỘNG LỰC
65
XE HYBRID ..................................................................................................
3.1. Tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid..................................................................... 65
3.1.1 Thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực xe hybrid............................................... 65
3.1.2 Tính tốn xác định nguồn động lực cho xe hybrid.......................................... 66
3.2. Chiến lược điều khiển các nguồn động lực trên xe hybrid.................................. 72
3.2.1 Chiến lược phối hợp các nguồn động lực trên xe hybrid.............................. 72
3.2.2 Chiến lược sạc ắc quy trên xe hybrid................................................................... 75


3.2.3 Chiến lược điều khiển ở các chế độ chuyển tiếp của xe hybrid.......

78

3.2.4 Chiến lược điều khiển dựa theo mơ men........................................

81

3.2.5 Chu trình tắt và khởi động ĐCĐT....................................................

83

3.3. Tính toán thiết kế cơ cấu phối hợp của hệ động lực................................

3.3.1 Tính tốn bộ truyền CVT..................................................................

85

85

3.3.2 Tính tốn, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa trục ra CVT và
trục chính.........................................................................................................

88

3.3.3 Tính tốn, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa ĐCĐ và trục
chính................................................................................................................

90

3.3.4 Tính tốn, thiết kế trục chính.............................................................

91

3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid...................

92

3.3.6 Hiệu śt xe hybrid...........................................................................

97

3.4. Tính tốn mơ phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm AVL –
Cruise.............................................................................................................

99

3.4.1 Mô hình tổng chung của xe truyền thống và xe hybrid...................

99

3.4.2 Thông số đầu vào xe hybrid và xe truyền thống............................

100

3.4.3. Chu trình chạy sử dụng trong chu trình mơ phỏng xe hybrid và xe
truyền thống trong AVL-Cruise.....................................................................

103

3.4.4 Kết quả chạy mơ phỏng theo chu trình UDC..................................

104

3.4.5. Kết quả chạy mơ phỏng với chu trình có tốc độ ổn định.................

117

3.5. Kết luận....................................................................................................

118

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM..................................................

119

4.1. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm.............................................................

119

4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm.........................................................................

119

4.1.2 Đối tượng và phạm vi thử nghiệm...................................................

119

4.2. Nội dung thử nghiệm..............................................................................

119

4.3. Trang thiết bị thử nghiệm........................................................................

120

4.3.1. Lắp đặt mơ hình lên băng thử........................................................

120

4.3.2 Băng thử phanh kiểu dịng điện xốy...............................................

121


4.3.3 Thiết bị phân tích khí thải......................................................................................... 122
4.3.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu................................................................................. 124
4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ.................................................................................. 125

4.3.6 Nhiên liệu thử nghiệm................................................................................................ 125
4.3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm........................................................................... 126
4.3.8 Chế độ thử nghiệm....................................................................................................... 127
4.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận................................................................................... 127
4.4.1 Đánh giá tính năng kinh tế năng lượng................................................................ 127
4.4.2 Đánh giá về thành phần khí thải của động cơ.................................................... 129
4.5. So sánh kết quả mô phỏng và thử nghiệm................................................................. 135
4.5.1 Các cơng thức tính tốn khi thử nghiệm............................................................. 135
4.5.2 So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng.......................................................... 136
4.6. Kết luận................................................................................................................................... 141
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ………………………………...
Danh mục các cơng trình cơng bố
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

142


MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng các phương tiện giao thông
ngày một tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại trong đó phương tiện sử dụng
động cơ đốt trong (ĐCĐT) vẫn là nguồn động lực chính cho nhiều ngành kinh tế
khác nhau, đặc biệt là ngành giao thơng vận tải. Song song với sự phát triển đó là
nhu cầu về năng lượng tiêu thụ ngày một tăng, trong khi đó trữ lượng nhiên liệu hóa
thạch đang dần bị cạn kiệt [1]. Mặt khác, bầu khơng khí bị ô nhiễm một cách trầm
trọng do khói bụi, chất độc hại thải ra từ quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch,
trong đó phương tiện giao thơng (PTGT) sử dụng nhiên liệu hóa thạch là ngun
nhân chính gây ơ nhiễm môi trường [2,3], đặc biệt tại các đô thị.
Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ơ nhiễm mơi trường do khí thải của

ĐCĐT đã và đang là áp lực rất lớn đối với các nhà thiết kế và chế tạo xe cơ giới. Với
trình độ cơng nghệ hiện có và nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ mơi trường thì xe chạy bằng
động cơ điện (ĐCĐ) là giải pháp triệt để cho tình trạng ơ nhiễm bởi khí thải của xe cơ
giới hiện nay. Thực tế đã có hàng loạt mẫu xe cơ giới chạy bằng điện được sinh ra từ
các tấm pin mặt trời gắn trực tiếp trên xe hoặc chạy bằng điện từ ắc quy đã được thiết
kế và chế tạo [4]. Tuy nhiên, nếu xét một cách toàn diện, khi thay thế phương tiện sử
dụng nguồn động lực ĐCĐT sang phương tiện sử dụng nguồn động lực ĐCĐ, thì khả
năng phải huỷ bỏ hàng ngàn dây chuyền chế tạo và lắp ráp ĐCĐT dẫn đến lãng phí và
thiệt hại cho các nhà chế tạo và lắp ráp phương tiện giao thông, cùng với các sự kết hợp
phát triển các ngành sử dụng ĐCĐT cũng ảnh hưởng không nhỏ tới sự thay thế này. Do
vậy việc giảm tính phụ thuộc vào nhiên liệu có nguồn gốc từ hóa thạch và phát triển
cơng nghệ tiết kiệm nhiên liệu cùng giảm sự ơ nhiễm mơi trường do khí thải gây ra vẫn
cần được phát triển và vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Phát triển xe hybrid được
xem là một trong những giải pháp quá độ nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm
mức độ gây ô nhiễm môi trường bởi khí thải của ĐCĐT trang bị trên xe cơ giới [5]. Xe
hybrid là phương tiện di động có hệ thống động lực được cấu thành từ hai hoặc nhiều
nguồn động lực khác biệt nhau. Các loại phương tiện có thể coi là xe hybrid như xe đạp
điện chạy bằng cách sử dụng bàn đạp và bằng động cơ điện, xe ô tô được trang bị cả
ĐCĐT và ĐCĐ để dẫn động bánh xe chủ động, xe lửa được trang bị cả ĐCĐ để chạy
bằng điện lưới và động cơ diesel để chạy ở những khu vực khơng có lưới điện, máy bay
được trang bị động cơ phản lực để bay và ĐCĐ để di chuyển trên đường băng, tàu
ngầm điện - diesel được trang bị ĐCĐ để chạy khi tàu lặn và động cơ diesel để chạy
khi tàu nổi trên mặt nước.
Xe hybrid có hệ động lực được cấu thành từ ĐCĐT và ĐCĐ đã được chế tạo từ
những năm cuối thế kỷ XVIII và đã tạo được ấn tượng mạnh mẽ trong giai đoạn đầu
mới phát triển nhờ các tính năng vượt trội so với ô tô truyền thống [6]. Tuy nhiên, do
vận hành và sửa chữa đơn giản hơn, giá thành ĐCĐT ngày càng giảm do được sản xuất
hàng loạt, nhu cầu sử dụng ngày càng rộng. Xe truyền thống đã chiếm lĩnh gần như
toàn bộ thị trường của xe hybrid trong giai đoạn trước năm 1990. Dưới áp lực ngày
càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và các tiêu chuẩn về khí thải ngày

càng khắt khe, xe hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990 và đã đạt
được những thành tựu đáng kể. Bên cạnh những ưu điểm vốn có của phương
1


án hybrid, cùng với đó là những tiến bộ vượt bậc của cơng nghệ chế tạo như cơ khí,
điện - điện tử, thông tin,… cũng được xem là yếu tố quan trọng góp phần làm nên
thành cơng của xe hybrid hiện đại.
Trong quá trình khai thác kỹ thuật, giải pháp hybrid hóa ơ tơ chỉ có thể đạt
được khi tối ưu hóa được các chế độ làm việc của các nguồn năng lượng. Đây là vấn
đề thuộc nội hàm của khái niệm tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng
của hệ động lực trên xe hybrid. Qua tìm hiểu tài liệu cho thấy đến thời điểm hiện
nay, ở Việt Nam đã có một số cơng trình nghiên cứu về hoán cải một mẫu xe đang
được sử dụng phổ biến tại Việt Nam hoặc nghiên cứu thiết kế cụm chi tiết thiết bị
đươc đánh giá cao về tính ứng dụng.
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trong nước về xe hybrid vẫn cịn ít và chưa
nhiều về tính mới chỉ đề cập đến những khái niệm cơ bản hoặc giới thiệu những
thành tựu mới của các hãng chế tạo xe hybrid hay thiết kế chế tạo cụm thiết bị nên
vẫn còn nhiều vấn đề nghiên cứu cần được giải quyết. Mặt khác, công nghệ chế tạo
cũng như đánh giá hiệu quả các nguồn động lực hybrid vẫn còn là bí quyết của một
số hãng chế tạo xe hybrid hàng đầu trên thế giới.
Với mục đích nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn nhằm xây dựng quy trình tính
tốn và thiết kế hệ động lực cho xe hybrid cũng như mô phỏng sự hoạt động của xe
hybrid để đánh giá mức độ tin cậy của việc thiết kế và chế tạo hệ động lực làm cơ
sở cho nghiên cứu phát triển công nghệ xe hybrid.
Do vậy, đề tài “Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybird” góp
phần bổ sung những kiến thức và công nghệ liên quan đến lĩnh vực xe hybrid ở Việt
Nam.
ii.

Mục tiêu của đề tài
- Đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp nguồn động lực ĐCĐT - ĐCĐ - Máy
phát - Ắc quy và quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid.
- Áp dụng giải pháp và quy trình trên để tính tốn thiết kế một mơ hình hệ

động lực trên xe hybrid.
iii.

Đối tượng nghiên cứu

Mơ hình xe hybrid phối hợp kiểu hỗn hợp với hệ động lực được cấu thành từ
ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy.
iv.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ
phỏng và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó:
• Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra giải pháp phối hợp các nguồn động lực theo

kiểu hỗn hợp và cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid.

• Nghiên cứu mơ phỏng, gồm:
- Tính tốn thiết kế các bộ truyền dẫn của hệ động lực trên phần mềm

Inventor;

2

- Nghiên cứu mơ phỏng mơ hình xe hybrid kiểu hỗn hợp theo chu trình

thử bằng phần mềm AVL - Cruise.

• Nghiên cứu thực nghiệm trong phịng thí nghiệm để đánh giá khả năng phối

hợp các nguồn động lực trên xe hybrid.

v.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
- Nghiên cứu tính tốn thiết kế, chế tạo hệ động lực xe hybrid phối hợp kiểu

hỗn hợp, gồm ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy cỡ nhỏ.

- Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu

Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.
vi.

Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Luận án đã đưa ra quy trình tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid và áp dụng

quy trình để tính tốn thiết kế một hệ động lực cho xe hybrid 2 chỗ ngồi.
- Luận án sử dụng thành công phần mềm AVL - Cruise trong tính tốn mơ

phỏng động học, động lực học và tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của
xe hybrid theo chu trình thử.

- Đã thành cơng trong thiết kế, chế tạo và thử nghiệm để đánh giá khả năng

phối hợp các nguồn động lực trong hệ động lực xe hybrid.

- Kết quả của luận án là một trong những giải pháp có thể lựa chọn để góp

phần giảm phát thải ô nhiễm môi trường và tiêu hao nhiên liệu cho các
phương tiện tham gia giao thông nội đô.

vii.

Bố cục của luận án
Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ động lực xe hybrid
- Chương 3: Tính tốn thiết kế và mơ phỏng hệ động lực xe hybrid
- Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm
- Kết luận chung và hướng phát triển

3


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường
Ơ nhiễm mơi trường đã trở thành một vấn đề không chỉ của một quốc gia, một

khu vực mà là mối quan tâm chung của tồn nhân loại. Q trình phát triển kinh tế xã hội của các quốc gia trên thế giới đã gây ra những ảnh hưởng nặng nề đến mơi
trường. Nó làm cho mơi trường sống của lồi người bị biến đổi và ngày càng xuống
cấp. Đó là sự biến đổi của khí hậu - nóng lên tồn cầu, sự suy giảm tầng ơzơn và

mưa axít,…và đặc biệt là ơ nhiễm khơng khí do hoạt động giao thơng vận tải gây ra.

Hình 1.1 Phương tiện tham gia giao thông tại thành phố lớn ở Việt Nam
Ở Việt Nam, ơ nhiễm khơng khí trên địa bàn các đơ thị lớn đã và đang trở

thành một vấn đề cấp bách. Sự ô nhiễm này xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác
nhau, trong đó sự gia tăng về số lượng phương tiện tham gia giao thông tại các
thành phố lớn như thể hiện trên Hình 1.1 được coi là một trong những ngun nhân
chính, bởi mức độ ơ nhiễm khơng khí tỷ lệ thuận với số lượng phương tiện tham gia
giao thông. Theo số liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam, năm 2020 tồn quốc có
41.941.332 phương tiện (4.180.478 xe ô tô, 37.760.854 xe mô tô, xe máy) [7,8].
Tính đến tháng 7/2020, thành phố Hồ Chí Minh có 8,94 triệu phương tiện cá
nhân, tăng gần 7% so với cùng kỳ năm 2018. Trong đó, có hơn 825.000 ơ tơ (tăng
gần 16%) và 8,12 triệu xe máy (tăng hơn 6%). Như vậy, chỉ trong khoảng 10 năm
(từ năm 2010 đến nay) đã tăng thêm hơn 4 triệu phương tiện giao thông. Theo thống
kê, bình qn mỗi tháng có 30.000 phương tiện giao thơng đăng ký mới, tức mỗi
ngày có 1.000 phương tiện đăng ký mới [7].
Còn theo phòng CSGT Hà Nội, tính đến Quý 1/2019, CSGT Hà Nội phải quản
lý 6.649.596 phương tiện. Trong đó có 739.731 ơ tơ, 5.761.436 xe máy và xe máy
điện là 148.429 chiếc. Đánh giá tổng hợp 2014 - 2019 cho thấy, trong năm 2017, số
4


lượng phương tiện tăng 5,3%, đến năm 2018 tăng 4,2% và năm 2019 so với 2018 đã
tăng 1,5%. Theo số liệu phương tiện được phòng CSGT thống kê, xe máy đang
chiếm đến 86% lượng phương tiện giao thông đang tham gia ở Hà Nội [7].
Ngoài ra, chất lượng của các phương tiện giao thông cũng là một vấn đề rất đáng
bàn. Hình 1.2 cho thấy hầu hết những loại xe ô tô cũ và xe máy sau một thời gian lưu
hành đều có mức phát thải cao ra mơi trường do nhiều người tham gia giao thơng tại
Việt Nam cịn chưa có thói quen bảo dưỡng phương tiện định kỳ theo khuyến cáo của

nhà sản x́t [7]. Chính vì vậy làm giảm chất lượng quá trình cháy, tăng mức tiêu thụ
nhiên liệu và đồng nghĩa với đó là tăng phát thải ơ nhiễm mơi trường.

Hình 1.2 Ơ nhiễm mơi trường trong hoạt động giao thông vận tải

Đứng trước thực trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do các hoạt động giao
thông vận tải, gây tác động tiêu cực đến cuộc sống sinh hoạt và sức khỏe của con
người, đã có nhiều biện pháp được triển khai thực hiện. Trong đó, vào năm 2019 Thủ
tướng ban hành Quyết định 16/2019 quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối
với xe ô tô và xe ô tô đã qua sử dụng nhập khẩu. Theo đó, các mức tiêu chuẩn áp
dụng cho xe ô tô được nâng lên so với mức quy định tại Quyết định 249/2005 và áp
dụng từ ngày 1/1/2020. Để cải thiện chất lượng khí thải thì một trong những giải pháp
đem lại hiệu quả từ những phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng hoặc diesel
là sử dụng nhiên liệu thay thế như xăng sinh học, diesel sinh học, khí CNG, LPG, …[7]
Những ưu điểm vượt trội về khía cạnh phát thải của nhiên liệu sinh học so với nhiên
liệu hóa thạch là khơng thể phủ nhận, tuy vậy vẫn còn tồn tại những hạn chế cần phải
xem xét đến như: quá trình để sản xuất nhiên liệu sinh học cũng gây phát thải khí CO 2;
việc phá rừng để có diện tích canh tác các loại cây trồng làm nhiên liệu
5


sản xuất nhiên liệu sinh học làm giảm diện tích rừng tự nhiên, làm tăng thêm lượng
phát thải khí CO2; việc canh tác các loại cây nhiên liệu cần nước để tưới tiêu hợp lý,
điều này có thể tạo sức ép lên nguồn nước ngầm của địa phương và khu vực; để tinh
chế nhiên liệu sinh học thành năng lượng hiệu quả hơn cần xây dựng các nhà máy
sản xuất cần thiết để tăng sản lượng nhiên liệu sinh học, thường đòi hỏi một khoản
đầu tư ban đầu cao, khiến giá thành của nó hiện tại cịn tương đối cao; việc sử dụng
các loại cây trồng biến đổi gen để tăng năng suất sản xuất nhiên liệu sinh học tạo ra
nguy cơ gây biến đổi gen sẽ di truyền gây hại cho các loại cây nông nghiệp khác và
sự du nhập của các lồi xâm lấn thơng qua trồng trọt làm thức ăn chăn ni cũng có

thể gây hại...Vì những lí do đó thì bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu thay thế việc
hướng tới phương tiện giao thông sử dụng nguồn năng lượng điện hoặc hydro cũng
là một hướng đi giàu tiềm năng [10]. Trong những năm gần đây, xu hướng sử dụng
các loại xe sử dụng nhiên liệu thay thế, năng lượng điện, hydro cũng đã có những sự
gia tăng đáng kể. Bên cạnh đó trên thế giới những nghiên cứu về vấn đề này cũng
được chú trọng và đang rất phát triển góp phần nâng cao sự hồn thiện về mặt kĩ
thuật của những dịng xe này. Hơn nữa, việc đầu tư cải tạo hệ thống cơ sở hạ tầng
giao thông cũng hết sức được chú trọng. Vì vậy ta có thể tin rằng trong tương lai
chắc chắn nhu cầu sử dụng dòng xe này sẽ còn tiếp tục tăng cao.
Tuy nhiên để sử dụng năng lượng điện hoặc hydro trên phương tiện giao thông
cần một trong hai giải pháp đó là thay thế hồn tồn nguồn năng lượng từ ĐCĐT
(xe thuần điện (BEV) hoặc xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV)) hoặc phối hợp nguồn
năng lượng từ ĐCĐT với ĐCĐ (xe hybrid) [11].

Hình 1.3 Doanh số xe điện – hybrid toàn cầu

Trên thế giới lượng xe có yếu tố “điện” (xe điện, xe hybrid và xe sử dụng pin
nhiên liệu) được bán trên toàn cầu đạt 1,3 triệu xe, chiếm hơn 6% lượng xe tiêu thụ
toàn cầu. Mẫu xe Tesla Model 3 chạy hoàn toàn bằng điện là mẫu xe bán chạy thứ 11
ở Mỹ năm 2018 và đặc biệt là vào thời điểm cuối năm. Khả năng lớn Tesla sẽ còn
6


đẩy được doanh số bán mạnh mẽ hơn nữa trong thời gian tới. Hình 1.3 cho thấy xu
hướng thay đổi như vậy có thể coi là đã rõ ràng, có thể sẽ cần nhiều thời gian nữa để
những thay đổi này được áp dụng ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Lợi ích
to lớn về mơi trường của xe điện là khơng thể chối cãi. Q trình từ sản xuất, vận
hành đến loại bỏ một xe điện tạo ra lượng khí thải chỉ bằng một nửa xe chạy xăng
thơng thường, tính cả ơ nhiễm từ việc sản x́t pin.

Hình 1.4. Qng đường di chuyển đối với xe thơng thường, xe hybrid
(HEV), xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV) và xe thuần điện (BEV)

Quãng đường di chuyển của xe điện trên một lần sạc là thấp hơn so với xe truyền
thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Xe hybrid lại có quãng đường di chuyển tương
đương với xe truyền thống như thể hiện ở Hình 1.4. Trong đó, xe Hyundai Tucson và
xe Mercedes-Benz GLK250 là xe thông thường; xe Toyota Highlander là xe hybrid; xe
Hyundai 2015 là xe fuel cell và xe RAV4 2014 là xe điện thuần. Tuy nhiên xe điện vẫn
còn nhiều thách thức để trở nên thông dụng. Thời gian sạc điện lâu là một trong những
hạn chế của xe điện, xe điện cần trạm sạc điện chuyên dụng mà thời gian chờ sạc lại
lâu, điều này được thể hiện rõ ràng trên Hình 1.5. Chi phí để lắp đặt trạm sạc điện cao.
Bên cạnh đó, hiện nay giá thành xe điện cao do sử dụng công nghệ cao và quy mô thị
trường chưa đủ lớn. Khối pin sau nhiều năm sử dụng cần thay mới chi phí cao có thể
chiếm đến 20% giá trị chiếc xe lúc mua vào. Việc sửa chữa, thay thế, bảo dưỡng xe
điện cũng gặp khó khăn do chưa phổ biến. Ngồi ra, người dùng cịn chịu hạn chế trong
việc sử dụng các ứng dụng trên xe do yếu tố khấu hao pin. Đó là những thách thức cơ
bản, khiến xe điện còn chưa được sử dụng rộng rãi trên thế giới đặc biệt là một quốc
gia còn đang phát triển như Việt Nam. Chính vì vậy để phù hợp với mục tiêu giảm ô
nhiễm môi trường mà không làm ảnh hưởng nhiều đến thói quen sử dụng cũng như địi
hỏi một sự thay đổi đồng bộ về cơ sở hạ tầng giao thơng thì việc phát triển xe hybrid ở
Việt Nam là một hướng đi phù hợp trong
7


giai đoạn hiện nay, nhất là đối với các phương tiện cá nhân thì xu hướng này hồn
tồn phù hợp với chiến lược phát triển phương tiện giao thông “sạch” được thể hiện
trên Hình 1.6. Do đó, việc ưu tiên nghiên cứu phát triển về xe hybrid cũng là một
hướng đi cần được chú trọng trong thời gian tới.

Hình 1.5. Thời gian cung cấp nhiên liệu cho xe thông thường và xe

sử dụng pin nhiên liệu (FCV) và thời gian sạc điện cho xe

Hình 1.6. Chiến lược phát triển xe sử dụng năng lượng điện và hydro

8


1.2. Nguồn động lực thay thế ĐCĐT
Sử dụng nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường đang là hướng đi
mà các nhà khoa học đã và đang thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề như giảm sự
phụ thuộc nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt, giảm ô nhiễm môi
trường do ĐCĐT gây ra. Cùng xu hướng phát triển chung của các ngành khoa học,
ngành cơ khí động lực cũng có những bước phát triển đáng kể, nhiều công nghệ
thân thiện với môi trường đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, trong đó phải
kể đến xu hướng dùng động cơ điện, động cơ sử dụng pin nhiên liệu, động cơ khí
nén để thay thế một phần ĐCĐT trên các trang bị động lực [10,13,14]. Các vấn đề
này sẽ được trình bày chi tiết trong các nội dung nghiên cứu dưới đây.
1.2.1 Động cơ điện
Với đặc tính được thể hiện trên Hình 1.7. Có thể thấy rằng mơ-tơ điện có đặc
tính gần sát với đặc tính kéo lý tưởng của ơ tơ. Thơng thường mô-tơ điện khởi động
từ tốc độ bằng 0. Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theo trong khi dịng
khơng đổi. Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp khơng đổi cịn dịng thì yếu
đi. Kết quả này cho cơng śt đầu ra không đổi trong khi mô men giảm theo đường
hyperbol theo tốc độ. Do đó hệ dẫn động từ động cơ đến cầu chủ động chỉ cần đơn
cấp hay hai cấp đủ để thỏa mãn lực kéo yêu cầu, trong khi ĐCĐT lại cần phải có bộ
truyền đa cấp. Đây chính là ưu điểm của ĐCĐ so với ĐCĐT khi trang bị trên các
phương tiện vận tải [10,14].

Hình 1.7 Đặc tính của một ĐCĐ

1.2.2 Động cơ sử dụng khí nén áp śt cao
Với mục tiêu khơng khí thải, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giải pháp động cơ sử
dụng khí nén có áp śt cao để thay thế cho ĐCĐT. Phương án này sử dụng khí có áp
śt cao đưa vào xilanh để giãn nở sinh công, như vậy khí nén cần được tích trong bình
có áp śt cao tới 300 bar và thể tích đủ lớn để đảm bảo cung cấp cho động cơ làm việc
trong khoảng thời gian cần thiết. Tuy nhiên lưu trữ khí có áp suất cao vẫn còn nhiều
vấn đề cần tiếp tục phải nghiên cứu giải quyết, vì vậy hiện nay giải pháp này vẫn đang
trong q trình nghiên cứu và có nhiều hứa hẹn trong tương lai [9,10].
9


1.2.3 Nguồn động lực hybrid
Để phát huy các ưu điểm cũng như hạn chế các vấn đề còn tồn tại của động cơ
điện khi dùng trên phương tiện vận tải, các nhà khoa học đã đưa ra giải pháp phối
hợp giữa ĐCĐ với ĐCĐT, hay thường gọi là xe hybrid. Với phương án này, không
chỉ giải quyết được vấn đề hạn chế của động cơ điện mà còn phát huy được lợi thế
của ĐCĐT. Như vậy nguồn động lực hybrid là sử dụng ít nhất 2 nguồn động lực bổ
sung cho nhau trong quá trình hoạt động của phương tiện. Với các ưu điểm vượt trội
về hiệu suất của nguồn động lực hybrid cũng như khả năng tương thích về mơ men
kéo của hệ động lực hybrid với đặc tính kéo của phương tiện, như thể hiện trên Hình
1.8.

Hình 1.8 Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc

Như vậy có thể thấy rằng, ơ tơ sử dụng hydro, ô tô điện, ô tô chạy bằng năng
lượng mặt trời, ơ tơ chạy bằng khí nén... cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm
nhất định mà chưa dễ thực hiện với thực trạng kinh tế kỹ thuật hiện nay. Trong bối cảnh
đó thì xe hybrid (nhiệt - điện) kết hợp giữa ĐCĐT và ĐCĐ được coi là phù hợp nhất
trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ô tô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt
khe về môi trường đô thị và nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch [10,13].

Chính vì vậy, để có thể làm chủ cơng nghệ xe hybrid và khai thác hiệu quả
cũng như định hướng phát triển công nghệ xe hybrid, việc nghiên cứu về xe hybrid
cần được quan tâm và đẩy mạnh hơn nữa.
1.3. Các phương án phối hợp nguồn động lực của xe hybrid
Về cơ bản có ba kiến trúc phối hợp khác nhau:
(a) Xe hybrid nối tiếp, trong đó động cơ, kết hợp với máy phát điện, cung cấp
năng lượng sạc cho pin và cung cấp năng lượng điện cho ĐCĐ, ĐCĐ cung cấp mômen xoắn cho các bánh xe.

10


(b) Xe hybrid song song sử dụng ĐCĐT hoặc ĐCĐ hoặc cả hai để dẫn động

bánh xe, ĐCĐ hoạt động như một máy phát điện để sạc lại pin trong quá trình
phanh tái sinh hoặc khi ĐCĐT sản xuất nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để dẫn
động bánh xe [10,11,15].
(c) Xe hybrid kết hợp giữa nối tiếp và song song sử dụng ĐCĐT hoặc ĐCĐ
hoặc cả hai để dẫn động bánh xe. Mặc dù sở hữu các tính năng ưu việt của cả xe
hybrid nối tiếp và song song, xe hybrid hỗn hợp tương đối phức tạp và tốn kém hơn.
Tuy nhiên, hệ thống này đã được sử dụng trong một số xe hybrid hiện đại vì các
cơng nghệ điều khiển và sản xuất tiên tiến có thể được áp dụng.

1.3.1 Xe hybrid kiểu nối tiếp

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo xe hybrid nối tiếp

Xe hybrid kiểu nối tiếp được thể hiện trên Hình 1.9 cho thấy, ĐCĐ sẽ là nguồn
động lực chính dẫn động bánh xe, cịn ĐCĐT có nhiệm vụ dẫn động máy phát điện
để cung cấp năng lượng cho ĐCĐ và sạc điện cho ắc quy [5,10,13]. Như vậy, với

phương pháp phối hợp kiểu nối tiếp cho phép ĐCĐT luôn hoạt động ở vùng tải
trọng và tốc độ tối ưu, nhờ đó nâng cao được hiệu suất nhiệt của động cơ. Hơn nữa,
mô men xoắn truyền đến các bánh xe do ĐCĐ sinh ra nên việc điều khiển tốc độ
của xe tương đối đơn giản. Thêm vào đó, cấu trúc đơn giản của dịng truyền cơng
śt (thẳng) nên không cần thiết phải thiết kế bộ truyền, vì thế nên xe có cấu tạo đơn
giản. Tuy nhiên, hệ thống phối hợp nối tiếp cần sử dụng ĐCĐ có cơng śt lớn để
đáp ứng được cơng śt của xe nên dẫn đến kích thước ĐCĐ lớn và đặc biệt kích
thước và dung tích ắc quy khá lớn để cung cấp đủ năng lượng cho xe hoạt động.
Hơn nữa do phải thực hiện nhiều q trình chuyển hóa năng lượng, gồm chuyển từ
hóa năng của nhiên liệu sang cơ năng của ĐCĐT và tiếp tục chuyển sang điện năng
của máy phát và nạp vào ắc quy ở dạng điện năng, cuối cùng chuyển sang cơ năng ở
ĐCĐ, do vậy có thể làm giảm hiệu suất tổng của hệ thống.

11


1.3.2 Xe hybrid song song
Sơ đồ cấu tạo xe hybrid kiểu song song được thể hiện trên Hình 1.10, với kiểu
phối hợp này cho phép ĐCĐT và ĐCĐ có thể độc lập dẫn động bánh xe hoặc cùng
phối hợp nguồn động lực để dẫn động bánh. Chính vì thế phương án phối hợp song
song khơng cần ĐCĐ có kích thước lớn và không cần các khâu biến đổi năng lượng
từ ĐCĐT tới các bánh xe, do đó hiệu suất hệ thống có thể cao hơn so với phương án
phối hợp nối tiếp [12,14,15].

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo xe hybrid song song

Ngoài ra, với hệ thống phối hợp song song có thể cho phép cơng śt định mức
của ĐCĐ nhỏ hơn nhiều cơng śt định mức của ĐCĐT vì đặc tính mơ men – tốc độ
của ĐCĐ tốt hơn so với đặc tính mơ men – tốc độ của ĐCĐT. Hơn nữa bộ truyền động
từ hệ thống phối hợp đến cầu chủ động có thể chỉ cần lựa chọn bộ truyền một cấp là

phù hợp. Với phương án này, phương tiện sử dụng nguồn động lực hybrid song song sẽ
có khả năng leo dốc, gia tốc tốt, tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất tổng cao.

Tuy nhiên, việc điều khiển hệ thống dẫn động hybrid song song phức tạp hơn
nhiều so với hệ dẫn động nối tiếp vì hệ thống phối hợp nguồn động lực giữa ĐCĐT
và ĐCĐ với cầu chủ động khá phức tạp. Khớp nối cơ học giữa động cơ và bánh xe
chủ động khiến các điểm làm việc của động cơ khơng thể duy trì trong một dải tốc
độ hẹp.
1.3.3 Xe hybrid hỗn hợp
Trong xe hybrid kiểu hỗn hợp, ĐCĐ, máy phát điện, ĐCĐT và bánh xe của xe có
thể được liên kết với nhau thơng qua một hoặc nhiều bộ bánh răng hành tinh hoặc các
thiết bị khác. Hình 1.11 cho thấy sơ đồ hệ thống hybrid hỗn hợp. Trong đó năng lượng
do ĐCĐT và ĐCĐ cung cấp được phân chia và truyền đến các bánh xe thông qua hai
đường dẫn: nối tiếp và song song. Các đường dẫn dẫn qua máy phát điện được kết nối
với hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) tới ĐCĐ đến các bánh xe. Trong đường dẫn này,
năng lượng cơ học của ĐCĐT được chuyển đổi thành năng lượng điện thơng qua máy
phát điện và năng lượng điện có thể một phần năng lượng sạc
12


cho ắc quy và một phần năng lượng thông qua ĐCĐ để dẫn động bánh xe hoặc toàn bộ
năng lượng đến ĐCĐ để dẫn động bánh xe. Trong đường dẫn song song, động cơ được
kết nối thông qua bánh răng cùng với hệ thống truyền lực liên kết. Trong đường dẫn
này, năng lượng cơ học của ĐCĐT được truyền một phần hoặc toàn bộ cơ học đến các
bánh xe, và phần không được truyền tới các bánh xe sẽ được chuyển đổi thành năng
lượng điện thông qua máy phát điện để sạc ắc quy. Nếu công suất ĐCĐT không thể đáp
ứng công suất yêu cầu của xe, hệ thống truyền động ĐCĐ sẽ cung cấp thêm mô men
xoắn cho các bánh xe. Xe hybrid kiểu hỗn hợp hoạt động mọi lúc như là sự kết hợp của
nối tiếp và song song. Nó cho phép hệ thống truyền động động cơ điện điều chỉnh tải
động cơ để đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu tối ưu [10,13,15].

Như vậy xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽ phát huy được ưu điểm của xe hybrid kiểu
nối tiếp khi chạy trong thành phố và ưu điểm của xe hybrid kiểu song song khi chạy
ngoài xa lộ mang lại hiệu quả cao cho xe hybrid trong khi với xe hybrid nối tiếp hay
song song chỉ phát huy được ưu điểm đối với một dạng địa hình nhất định.

Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo xe hybrid hỗn hợp

1.4. Ưu và nhược điểm của xe hybrid
Xe hybrid đã và đang được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm vượt trội so
với phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT truyền thống. Cụ thể như:
- Thu hồi năng lượng: với hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ hóa năng sang

cơ năng một cách hiệu quả hơn, xe hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi năng
lượng bị tổn hao trong q trình vận hành. Đối với xe thơng thường khi được phanh
lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa phanh.
Trong khi đó, đối với xe hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóa thành điện năng và
nạp vào ắc quy, vì thế rất nhiều năng lượng hao phí trong q trình vận hành xe
được thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên xe hybrid vẫn được trang bị hệ thống phanh
như xe thông thường trong trường hợp người lái cần phanh khẩn cấp [10,15].
- Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu: xe hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều

so với ĐCĐT thơng thường nhờ có các chiến lược phối hợp nguồn động lực một cách
13


hợp lý. Ngoài ra, khi vận hành trên đường trường, nguồn động lực chính là ĐCĐT hoạt
động ở chế độ có hiệu suất cao nên sẽ giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu [5].
- ĐCĐ được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên ĐCĐT chỉ cần

cung cấp công suất vừa đủ giúp làm giảm được kích thước của hệ thống.

- Phạm vi vận hành rộng và tính năng kỹ thuật đảm bảo như những phương

tiện sử dụng ĐCĐT truyền thống.

- Xe hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải

quan tâm tới vấn đề nạp điện cho ắc quy.

- Xe hybrid có mức phát thải ơ nhiễm mơi trường thấp hơn xe sử dụng ĐCĐT
thơng thường. Trong q trình vận hành sẽ có sự phối hợp giữa hai nguồn động lực,
do đó ĐCĐT sẽ được hạn chế vận hành ở các chế độ chuyển tiếp nhờ đó sẽ giảm
được đáng kể lượng phát thải độc hại [43].

Tuy nhiên, xe hybrid vẫn có những khuyết điểm như chất lượng, tuổi thọ, giá
thành và thời gian sạc của ắc quy. Các nhà sản xuất đã và đang nghiên cứu nhiều
giải pháp cho vấn đề này như tái chế ắc quy cũ, phát triển các thế hệ ắc quy mới,
nâng cao tuổi thọ của ắc quy,... Trong tương lai gần, những nghiên cứu này hứa hẹn
mang lại nhiều kết quả hữu ích để giảm giá thành sản phẩm nhằm mục đích thay thế
dần những phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT thế hệ cũ.

1.5. Các thành phần chính trong xe hybrid
So với một chiếc xe truyền thống thì xe hybrid gồm: ắc quy, ĐCĐT, ĐCĐ hệ
thống truyền động và mô đun điện tử công suất như bộ chuyển đổi DC - DC và bộ
biến tần DC - AC trong hệ thống xe hybrid.
1.5.1 Động cơ đốt trong
Đối với hệ động lực xe hybrid kiểu hỗn hợp, ĐCĐT chính là nguồn động lực
chính cung cấp năng lượng vận hành cho cả hệ thống. ĐCĐT sử dụng trên xe
hybrid thường có tỷ số nén cao hơn động cơ thơng thường, do đó hiệu śt và cơng

śt riêng cao hơn động cơ thông thường [10,15].
1.5.2 Động cơ điện
ĐCĐ cũng đóng vai trị quan trọng trong cơng nghệ hybrid. Tùy thuộc vào
cấu trúc của xe hybrid, ĐCĐ có thể được sử dụng làm thiết bị điều chỉnh công suất
cực đại, thiết bị chia sẻ tải hoặc nguồn mô men xoắn nhỏ. ĐCĐ trong xe hybrid cần
hoạt động tốt ở hai chế độ bình thường và mở rộng. Ở chế độ bình thường, động cơ
sẽ tạo ra mơ men xoắn không đổi trong phạm vi tốc độ định mức. Trên tốc độ định
mức, động cơ chuyển sang chế độ kéo, trong đó mơ men xoắn giảm theo tốc độ.
Trong xe hybrid, ĐCĐ cung cấp mô men xoắn cần thiết để tăng tốc đầy đủ trong chế
độ bình thường trước khi nó chuyển sang chế độ mở rộng để có tốc độ ổn định.
Chức năng thứ hai của ĐCĐ là thu năng lượng từ phanh.
ĐCĐ là một trong những thành phần quan trọng nhất trong một chiếc xe hybrid.
Động cơ DC không chổi than và động cơ cảm ứng AC được sử dụng rộng rãi do hiệu
quả cao hơn, chi phí thấp hơn, bảo trì ít hơn và tuổi thọ dài hơn. Động cơ cảm ứng có
vẻ khơng phù hợp với nguồn DC của xe hybrid vì nó u cầu nguồn cung cấp AC,
14


nhưng AC có thể dễ dàng bị đảo ngược từ nguồn DC do những tiến bộ trong điện tử
công suất hiện đại.
Do điện áp DC thay đổi theo trạng thái sạc của ắc quy (SOC) và điều kiện hoạt
động trong xe điện hybrid, nên động cơ BLDC hoặc động cơ cảm ứng AC phải làm
việc với bộ chuyển đổi DC/DC hoặc biến tần DC/AC, để chuyển đổi điện áp DC
thành mức điện áp hoạt động cần thiết của động cơ điện. Hiệu suất cần thiết của bộ
chuyển đổi DC/DC hoặc biến tần DC/AC thường trên 95% trong các ứng dụng xe
hybrid [9,10,15].
Trong thiết kế hệ thống xe hybrid, cần biết các đường đặc tính mơ men/ cơng
śt so với đường viền tốc độ như thể hiện trên Hình 1.12

Hình 1.12 Đường cong điển hình của mơ men xoắn/cơng suất so với tốc

độ của hệ thống động cơ BLDC

1.5.3 Ắc quy
Một trong những hệ thống quan trọng trong xe hybrid, ắc quy ảnh hưởng trực
tiếp đến hiệu quả của phương tiện. Trong xe hybrid, ắc quy có mật độ năng lượng cao,
độ bền bên trong thấp, chu kỳ dài và tuổi thọ ngắn. Tùy thuộc vào mục tiêu thiết kế, ắc
quy có mật độ năng lượng cao hơn thường được sử dụng cho xe hybrid truyền thống và
sạc ngoài. Một thành phần lưu trữ năng lượng khác là tụ điện, tồn tại vơ thời hạn có tốc
độ sạc và xả cực nhanh. Những ưu điểm này làm cho tụ điện trở nên lý tưởng cho việc
cung cấp các mức năng lượng cần thiết để tăng tốc một phương tiện chạy bằng điện và
tích lũy điện tích hiệu quả trong q trình phanh hãm tái sinh. [15]
1.5.4 Hệ thống truyền lực
Xe hybrid phải có khả năng quản lý ĐCĐT, ĐCĐ và kết hợp cả hai. Về mặt
chức năng, hệ thống truyền lực hỗ trợ các chức năng dừng khởi động, phanh tái sinh
và chuyển phạm vi làm việc ĐCĐT; do đó, nhiệm vụ chuyển đổi cũng phải có khả
năng điều chỉnh các thơng số của nó để phù hợp với các chiến lực thực tế.
Hệ thống truyền lực thực hiện các chức năng sau:
- Đạt được sự chuyển đổi từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động;
- Chuyển đổi mô men xoắn và tốc độ quay từ động cơ để đáp ứng các yêu

cầu lực kéo nhất thời của xe cung cấp cho chuyển động tiến và lùi;
15


- Có tính kinh tế nhiên liệu tốt nhất và lượng khí thải tối thiểu trong khi đáp
ứng yêu cầu lái xe.
Vì một chiếc xe hybrid có hai hoặc nhiều động cơ chính với các đặc điểm khác
nhau, nên việc truyền tải đóng vai trị quan trọng hơn so với một chiếc xe thông
thường. Để đạt được hiệu quả tối đa và hiệu suất tối ưu, một bộ truyền được thiết kế
đặc biệt là cần thiết cho một cấu hình hệ thống xe hybrid nhất định. Bộ truyền động

bằng điện (EVT) và bộ truyền phân chia công suất (PST) là hai dạng truyền động
được sử dụng phổ biến trên xe hybrid [10,13].

1.6. Một số vấn đề quản lý năng lượng xe hybrid
Quản lý năng lượng trên xe hybrid bao gồm việc quyết định lượng điện năng
được cung cấp tại mỗi thời điểm bởi các nguồn năng lượng có trong xe khi tồn tại
một số ràng buộc (như duy trì giá trị SOC của ắc quy theo một giá trị quy định). Để
đạt được điều này thì bài tốn quản lí năng lượng trên xe hybrid có thể chuyển thành
một bài tốn tối ưu trong đó các giá trị tối ưu bao gồm chủ yếu là dòng năng lượng
của hệ thống, nguồn năng lượng, ĐCĐT và ĐCĐ. Bài toán trên dẫn đến một số vấn
đề kiểm sốt xe hybrid điển hình như sau: [10,13,16]
a. Tối ưu hóa ĐCĐT: mỗi ĐCĐT đều có điểm tối ưu về mơ men, tiết kiệm nhiên
liệu và khí thải. Nếu ĐCĐT hoạt động ở những điểm này, có thể đạt được mức tối
đa về tiết kiệm nhiên liệu, lượng khí thải tối thiểu. Đồng thời gia tăng tuổi thọ của
ĐCĐT qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng của phương tiện.
b. Giảm thiểu động lực học ĐCĐT: vì ĐCĐT có qn tính, năng lượng bổ sung
được tiêu thụ để tạo ra tốc độ hoạt động thay đổi. Do đó, tốc độ hoạt động của
ĐCĐT nên được giữ cố định càng nhiều càng tốt và nên tránh mọi thay đổi nhanh.
c. Tối ưu hóa tốc độ hoạt động của ĐCĐT: theo nguyên tắc làm việc của ĐCĐT,
hiệu suất nhiên liệu của nó thấp nếu ĐCĐT hoạt động ở vùng tốc độ thấp. Tốc độ
ĐCĐT có thể được kiểm soát độc lập với tốc độ xe và thậm chí có thể tắt khi tốc độ
của nó thấp hơn một giá trị nhất định để đạt được lợi ích tối đa.
d. Giảm thiểu thời gian bật/tắt ĐCĐT: ĐCĐT trong xe hybrid có thể được bật và tắt
thường xun vì nó có nguồn điện thứ cấp; hơn nữa, khi bật/tắt ĐCĐT có thể được
xác định dựa trên phương pháp kiểm soát tối ưu để giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên
liệu và khí thải.
e. Quản lý tối ưu trạng thái sạc pin (SOC): SOC của pin cần được kiểm soát tối ưu
để cung cấp năng lượng cho xe và chấp nhận năng lượng tái tạo trong quá trình
phanh hoặc xuống dốc cũng như tối đa hóa tuổi thọ của nó. Chiến lược điều khiển
đơn giản nhất là tắt ĐCĐT nếu SOC của pin quá cao và bật ĐCĐT nếu SOC quá

thấp. Chiến lược kiểm sốt tiên tiến hơn sẽ có thể điều chỉnh công suất đầu ra của
ĐCĐT dựa trên mức SOC thực tế của ắc quy.

1.7. Nghiên cứu ngoài nước
Để phát huy những ưu điểm và hạn chế nhược điểm, cũng như áp dụng các công
nghệ phối hợp nguồn động lực giữa ĐCĐT và ĐCĐ cũng như những chiến lược sử
dụng các nguồn năng lượng cho xe hybrid, nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
đã được tiến hành. Trong thời gian qua có nhiều hãng sản x́t ơ tơ và các nhà nghiên
cứu trên thế giới đã đầu tư nhiều thời gian và công sức cho việc nghiên cứu để đưa ra
16


những giải pháp tối ưu cho công nghệ hybrid và đã đạt được những thành cơng nhất
định. Trong đó, có một số nghiên cứu có tính chất điển hình được trình bày sau đây.
Nhóm nghiên cứu gồm Saurabh Mahapatra và các cộng sự đã đưa ra cơ sở
thiết kế và các yêu cầu cơ bản của các kiểu xe hybrid [17]. Nhóm nghiên cứu đã đưa
ra quy trình thiết kế nguồn động lực hybrid dựa trên nền tảng Matlab Simulink.
Nghiên cứu đưa ra các yêu cầu thông số đầu vào cho bài tốn mơ phỏng hệ động lực
hybrid bao gồm các mơ hình như hệ thống phân phối động lực, cơ cấu truyền động,
ĐCĐT, ắc quy, ĐCĐ và các thông số chung của xe hybrid. Chiến lược điều khiển
phối hợp nguồn động lực hybrid đã được đưa ra để nâng cao hiệu quả sử dụng năng
lượng của phương tiện.

Hình 1.13 Mơ hình hybrid hỗn hợp đưa ra bởi Saurabh Mahapatra

Hình 1.13 thể hiện sơ đồ hệ thống động lực hybrid kiểu song song đưa ra bởi
nhóm tác giả.
Nhóm nghiên cứu gồm Feng Wang, Xiaojian Mao và Bin Zhuo đã thực hiện cơng
trình nghiên cứu tích hợp ly hợp điện điều khiển phân phối mô men trên xe bus Hybrid
[18]. Nghiên cứu này đưa ra một phương pháp ngắt nối ĐCĐT với bộ truyền

Hình 1.14 Sơ đồ hệ thống ly hợp điều khiển điện tử [18]
17


lực và ĐCĐ thông qua một bộ ly hợp được điều khiển đóng ngắt bằng điện. Sơ đồ
hệ thống ly hợp điều khiển điện tử được thể hiện trên Hình 1.14.
Hệ thống này sẽ giúp ĐCĐT có thể được ngắt và kết nối tức thì với hệ truyền
động, nhờ đó ĐCĐT luôn hoạt động ở chế độ tối ưu .
Năm 2004, nhóm nghiên cứu của K.David Huang và các cộng sự đã nghiên
cứu xây dựng một hệ dẫn động Hybrid song song mới như Hình 1.15 [19]. Hệ thống
này bao gồm hai phần chính, một thiết bị phân bố năng lượng ĐCĐT và một bộ kết
hợp năng lượng của ĐCĐ và ĐCĐT. Bộ phận phân bố năng lượng đảm bảo ĐCĐT
có thể hoạt động liên tục ở chế độ tối ưu, hiệu suất nhiệt là lớn nhất và mức phát
thải độc hại nhỏ nhất. Trong khi đó, ĐCĐ có nhiệm vụ bổ sung thêm năng lượng khi
công suất của ĐCĐT không đáp ứng đủ chế độ tải yêu cầu. Đặc biệt, nhóm nghiên
cứu đã thiết kế bộ vi sai gồm ba bánh răng cơn xoắn để tích hợp mơ men xoắn. Nhờ
thiết kế này mà năng lượng của ĐCĐT và ĐCĐ có thể tách riêng biệt hoặc kết hợp
lại với nhau. Đến năm 2020, nhóm nghiên cứu của K.David Huang tiếp tục phát
triển thêm một hệ thống phối hợp kiểu song song có sử dụng bộ bánh răng hành tinh
dùng trên xe hybrid vận hành trong điều kiện thành phố. Hệ thống được thiết kế bao
gồm một ĐCĐT, ĐCĐ và một máy phát điện. Hệ thống này sẽ phát huy được ưu
điểm đặc tính mơ men của ĐCĐ và ln đảm bảo duy trì cho ĐCĐT được hoạt động
ở vùng làm việc tối ưu khi tải ngoài thay đổi [20].
Puly

Trục ra cơng śt

Khớp 1 chiều

Động
cơ

PCM

Trục đầu ra ĐCĐ

Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống hybrid loại song song kiểu mới [19]

Yuan-Yong Hsu và cộng sự [21] đã cải tiến xe máy thơng thường thành xe máy
hybrid kiểu song song. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hệ thống phối hợp
nguồn năng lượng trên xe. Sơ đồ hệ thống phối hợp nguồn động lực và xe máy hybrid


18