nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN TRÍ THÀNH




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM
BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRANG BỊ TRÊN
MÔ HÌNH XE HYBRID KIỂU HỖN HỢP






LUẬN VĂN THẠC SĨ







Khánh Hòa - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG




NGUYỄN TRÍ THÀNH



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM
BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRANG BỊ TRÊN
MÔ HÌNH XE HYBRID KIỂU HỖN HỢP


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Mã số: 60520116


NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN VĂN NHẬN






Khánh Hòa - 2014

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số
liệu nêu trong luận văn là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công
trình nào.

Tác giả





Nguyễn Trí Thành

ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn này
Trƣớc hết tôi xin kính gửi đến Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Nha Trang, Ban
Chủ nhiệm Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông và Khoa Cơ khí - Trƣờng
Đại học Nha Trang sự kính trọng, sự tự hào đƣợc học tập và nghiên cứu tại trƣờng
trong những năm qua.
Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin đƣợc giành cho thầy PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận
- Hiệu trƣởng Trƣờng Cao đẳng Nghề Nam Việt đã tận tình hƣớng dẫn, động viên để
tôi hoàn thành luận văn.
Xin cám ơn: Thầy PGS. TS Trần Gia Thái – Trƣởng khoa Khoa Kỹ thuật Giao
thông, Trƣờng Đại học Nha Trang và các thầy cô phản biện đã cho tôi những lời
khuyên quí báu để công trình nghiên cứu đƣợc hoàn thành có chất lƣợng.
Đặc biệt xin đƣợc ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: Ban Giám hiệu Trƣờng
Cao đẳng Nghề Phú Yên, quí thầy cô giáo trong Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật

Giao thông và Khoa Cơ khí - Trƣờng Đại học Nha Trang, gia đình và bạn bè thân thiết
luôn luôn chia sẻ cùng tôi trong quá trình nghiên cứu.











iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH viii
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT ÔTÔ HYBRID 3
1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3
1.1.1. Trong nƣớc 3
1.1.2. Ngoài nƣớc 3
1.2. SƠ LƢỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XE HYBRID 3
1.3. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA ÔTÔ HYBRID 4
1.3.1. Ôtô hybrid kiểu nối tiếp 5

1.3.2. Ôtô hybrid kiểu song song 6
1.3.3. Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp 7
1.4. BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT 8
1.4.1. Đặc điểm cấu tạo 8
1.4.2. Nguyên lý hoạt động của hệ động lực Hybrid 11
1.4.2.1. Chạy với MG2 12
1.4.2.2. Chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng 13
1.4.2.3. Tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15
1.4.2.4. Chạy tốc độ thấp ổn định 16
1.4.2.5. Tăng tốc hoàn toàn 17
1.4.2.6. Chạy tốc độ cao ổn định 19
1.4.2.7. Chạy ở tốc độ tối đa 20
1.4.2.8. Giảm tốc hoặc phanh 22
1.4.2.9. Chạy lùi 23
1.5. CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN BỘ PHÂN PHỐI CÔNG
SUẤT 25
iv

1.6. SO SÁNH GIỮA CÁC KIỂU ÔTÔ HYBRID 26
Chƣơng 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT
CHO XE HYBRID 2 CHỖ KIỂU HỖN HỢP 28
2.1. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ PHÂN
PHỐI CÔNG SUẤT KIỂU VI SAI TỐC ĐỘ 28
2.1.1. Phƣơng án 1:Chế tạo theo mẫu của Nhà sản xuất 28
2.1.2. Phƣơng án 2: Cải hoán sử dụng các chi tiết có sẵn trên thị trƣờng 29
2.1.3. Phƣơng án 3: Thiết kế và chế tạo mới toàn bộ mô hình 29
2.2. LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN 30
2.3. THIẾT KẾ BỘ PHÂN CHIA CÔNG SUẤT – PSD 30
2.3.1. Cơ sở tính toán thiết kế 30
2.3.1.1. Lực và mô men tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động 30

2.3.1.2. Các yếu tố cơ bản khi tính toán thiết kế 31
2.3.1.4. Tính chọn động cơ nhiệt: 33
2.3.2. Cơ sở tính toán thiết kế bộ phân phối công suất kiểu vi sai tốc độ 34
2.3.3. Các thông số đầu vào và các thông số đầu ra ở các chế độ hoạt động 36
2.3.3.1. Khi truyền động chỉ sử dụng nguồn động cơ điện (MG2) 36
2.3.3.2. Khi truyền động chỉ sử dụng nguồn động cơ xăng 36
2.3.3.3. Khi truyền động kết hợp cả hai nguồn công suất động cơ
xăng và động cơ điện (MG1) 36
2.3.4. Tính toán thiết kế bộ phân phối công suất 37
2.3.4.1. Điều kiện đồng trục 38
2.3.4.2. Điều kiện lắp 39
2.3.4.3. Điều kiện kề 39
2.3.2. Tính toán thiết kế 39
2.3.2.1. Tính chọn bánh răng của bộ phân phối công suất 39
2.3.2.2. Tính toán thiết kế các trục của bộ phân phối công suất 48
2.3.2.3. Chọn then 50
2.4. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 50
2.4.1. Các chi tiết, bộ phận cần chế tạo 50
2.4.2. Phƣơng án chế tạo, lắp ráp 52
2.4.3. Qui trình gia công 52
v

2.4.3.1. Qui trình gia công bánh răng 52
2.4.4. Thiết bị gia công 56
2.4.5. Lắp đặt hoàn thiện mô hình PSD (hình 2.17) 58
3.1. THỬ NGHIỆM CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ PHÂN CHIA
CÔNG SUẤT TRÊN MÔ HÌNH XE HYBRID 2 CHỖ 60
3.2. XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH THỰC TẬP TRÊN MÔ HÌNH
XE HYBRID ĐƢỢC LẮP BỘ PSD 62
3.2.1. Bài 1: Cấu tạo các bộ phận của bộ phân phối công suất - PSD 62

3.2.1.1. Nội dung 62
3.2.1.2. Yêu cầu thực hiện 62
3.2.2. Bài 2: Nguyên lý hoạt động của bộ phân phối công suất – PSD và
các thiết bị động lực trên mô hình xe hybrid 63
3.2.2.1. Nội dung 63
3.2.2.2. Yêu cầu thực hiện 63
3.2.3. Bài 3: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các hệ thống lái, phanh,
treo, truyền lực 63
3.2.3.1. Nội dung 63
3.2.3.2. Yêu cầu thực hiện 63
3.2.3. Bài 4: Vận hành mô hình xe hybrid 64
3.2.3.1. Nội dung 64
3.2.3.2. Yêu cầu thực hiện 64
3.2.4. Bài 5: Bảo dƣỡng, sửa chữa và chẩn đoán kỹ thuật 64
3.2.4.1. Nội dung 64
3.2.4.2. Yêu cầu thực hiện 64
Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65
4.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HẠN CHẾ 65
4.1.1. Kết quả đạt đƣợc 65
4.1.2. Hạn chế 65
4.2. KIẾN NGHỊ 65
PHỤ LỤC 68
vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

HEV
Ôtô hybrid (Hybrid Electric Vehicle)
S-HEV
Ôtô hybrid kiểu nối tiếp (Series Hybrid Electric Vehicle)

P-HEV
Ôtô hybrid kiểu song song (Parallel Hybrid Electric Vehicle)
SP-HEV
Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle)
EM
Motor điện
ICE
Động cơ đốt trong
MG1
Máy phát-Môtơ điện liên hợp trong THS
MG2
Môtơ-Máy phát điện liên hợp trong THS
PSD
Bộ phân phối công suất (Power Split Device)
Rpm
số vòng quay của trục trong 1 phút
THS
Hệ động lực hybrid của ôtô Toyota Prius (Toyota Hybrid System)
c

Tỷ số nén của động cơ đốt trong
e

Tỷ số dãn nở của động cơ đốt trong

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh ƣu nhƣợc điểm của 3 loại ôtô hybrid 27
Bảng 2.1. Thông số hình học của bánh răng bao 45

Bảng 2.2. Thông số hình học của bánh răng trung tâm 46
Bảng 2.3. Thông số hình học của bánh răng hành tinh 46
Bảng 2.4. Thông số then bằng 50
Bảng 2.5. Qui trình gia công bánh răng 52
Bảng 2.6. Qui trình gia công trục 54
Bảng 3.1. Thử nghiệm các chế độ hoạt động của bộ phân phối công suất (PSD) 61
Bảng 3.2. Xây dựng các bài tập thực hành 62








viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH
Hình 1.1. Lohner-Porsche Mixte [19] 4
Hình 1.2. Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu nối tiếp 5
Hình 1.3. Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu song song 6
Hình 1.4. Hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius 8
Hình 1.5. Cấu tạo hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius 10
Hình 1.6. Sơ đồ hệ động lực Hybrid 11
Hình 1.7. Điều kiện của ôtô chạy với MG2 12
Hình 1.8. Biểu đồ monographic và hoạt động của PSD khi chạy với MG2 12
Hình 1.9. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy với MG2 12
Hình 1.10. Điều kiện của ôtô khi chạy với MG2 và khởi động động cơ xăng 13
Hình 1.11. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD khi
chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng 13

Hình 1.12. Sơ đồ tổng quát đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy với MG2
và MG1 khởi động động cơ xăng 14
Hình 1.13. Điều kiện của ôtô khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15
Hình 1.14. Monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15
Hình 1.15. Sơ đồ tổng quát đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi tăng tốc nhẹ
với động cơ xăng 15
Hình 1.16. Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ thấp ổn định 16
Hình 1.17. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD chạy tốc độ thấp ổn định 16
Hình 1.18. Sơ đồ tổng quát đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy tốc độ
thấp ổn định 17
Hình 1.19. Điều kiện của ôtô khi tăng tốc hoàn toàn 17
Hình 1.20. Khi tăng tốc hoàn toàn 18
Hình 1.21. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất tăng tốc hoàn toàn 18
Hình 1.22. Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ cao ổn định 19
Hình 1.23. Monographic khi chạy tốc độ cao ổn định 19
Hình 1.24. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng và công suất chạy tốc độ cao ổn định 20
Hình 1.25. Điều kiện của ôtô khi chạy ở tốc độ tối đa 20
Hình 1.26. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD khi
chạy ở tốc độ tối đa 21
Hình 1.27. Sơ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy ở tốc độ tối đa 21
Hình 1.28. Điều kiện của ôtô khi chạy giảm tốc hoặc phanh 22
ix

Hình 1.29. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD khi
giảm tốc hoặc phanh 22
Hình 1.30. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi giảm tốc hoặc phanh 23
Hình 1.31. Điều kiện của ôtô khi chạy lùi 23
Hình 1.32. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi chạy lùi 24
Hình 1.33. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy lùi 24
Hình 1.34. Mô hình ôtô hybrid kiểu song song 25

Hình 2.1. Lực và mô men tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động 30
Hình 2.2. Bộ phân phối công suất kiểu vi sai tốc độ 34
Hình 2.3. Mô hình bộ phân phối công suất 35
Hình 2.4. Sơ đồ tính toán cơ cấu bộ chia công suất PSD 37
Hình 2.5a. Sơ đồ tính toán điều kiện đồng trục, điều kiện lắp, điều kiện kề của bộ chia
công suất PSD 38
Hình 2.5b. Sơ đồ tính toán điều kiện đồng trục, điều kiện lắp, điều kiện kề của bộ chia
công suất PSD 38
Hình 2.6. Sơ đồ tính toán tỉ số truyền i
1C
của bộ phân phối công suất 40
Hình 2.7. Sơ đồ tính toán khoảng cách trục của bộ chia công suất PSD 42
Hình 2.8. Sơ đồ kết cấu bộ phân phối công suất 48
Hình 2.9. Bánh răng bao của bộ phân phối công suất 50
Hình 2.10. Bánh răng hành tinh của bộ chia công suất PSD 51
Hình 2.11. Bánh răng trung tâm của bộ chia công suất PSD 51
Hình 2.12. Cần C (Chạc mang bánh răng hành tinh) của bộ chia công suất PSD 51
Hình 2.13. Máy tiện T16 và máy phay vạn năng 56
Hình 2.14. Máy cắt dây CNC 56
Hình 2.15. Cụm ăn khớp bánh răng trung tâm - bánh răng hành tinh 57
Hình 2.16. Cụm bánh răng bao trên máy cắt dây CNC 57
Hình 2.17. Mô hình lắp ráp hoàn thiện 58
Hình 2.18. lắp đặt cân chỉnh bộ PSD lên mô hình xe hybrid 59


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ôtô hybrid đƣợc nghiên cứu từ những năm 1990, đến năm 1997 chiếc ôtô

hybrid đầu tiên Toyota Prius ra đời tại Nhật Bản, từ đó đến nay ôtô hybrid đã luôn
đƣợc nghiên cứu và phát triển nhƣ là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi
trƣờng. Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ôtô hàng đầu trên thế giới nhƣ
Toyota, Honda, Ford đã tung ra thị trƣờng những thế hệ ôtô mới có hiệu suất cao và
giảm đáng kể lƣợng chất thải gây ô nhiểm môi trƣờng đƣợc gọi là ôtô Hybrid.
Những chiếc ôtô petrol-electric hybrid chạy bằng sự kết hợp giữa một động cơ
xăng truyền thống và một mô-tơ điện đƣợc điều khiển bằng một thiết bị chứa năng
lƣợng nhƣ một bộ pin. Ở những điều kiện đơn giản, chúng hoạt động dựa trên nguyên
tắc: một mô-tơ điện cung cấp năng lƣợng ở tốc độ thấp nhƣ khi lái ôtô trong thành thị,
và chuyển sang dùng xăng khi lái ở những vận tốc cao hơn.
Các công nghệ hybrid cải thiện hiệu quả nhiên liệu và vì thế tiết kiệm nhiên
liệu đáng kể so với một chiếc ôtô chạy bằng xăng thông thƣờng, cũng nhƣ thải ra ít
carbon hơn.
Với các ƣu điểm nổi bật nhƣ đã nêu, ôtô hybrid đang đƣợc sự quan tâm nghiên
cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới. Ngày
càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trƣờng và càng có nhiều ngƣời tiêu
dùng sử dụng loại ôtô này. Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào
kỷ nguyên mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô không gây ô nhiễm môi trƣờng hay còn
gọi là ôtô sinh thái (The ultimate eco-car).
Ở Việt Nam, ôtô hybrid đã đƣợc 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 tài NCKH của giáo
viên và sinh viên ở một vài trƣờng đại học. Cho đến nay, ôtô hybrid chƣa đƣợc chế tạo
hoặc lắp ráp tại Việt Nam, tuy nhiên hiện đã có một số lƣợng đáng kể ôtô du lịch
hybrid đƣợc nhập khẩu và tham gia giao thông.
Ôtô hybrid hiện nay là một tổ hợp trang thiết bị cơ khí, điện, điện tử hiện đại.
Đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị
trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽ tạo đƣợc điều kiện thuận lợi quan sát rõ
2

phần phối hợp công suất”Bộ PSD”và làm cho việc tiếp cận sâu hơn trong lĩnh vực

ôtô hybrid.
2. Mục tiêu
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ phân phối công suất – PSD phục vụ vào việc học
tập, nghiên cứu cho sinh viên tại Trƣờng Đại học Nha Trang
3. Đối tƣợng
Bộ phân phối công suất ôtô hybrid
4. Phạm vi nghiên cứu
Bộ phân phối công suất ôtô hybrid trên mô hình ôtô hybrid 2 chỗ ngồi tại
Trƣờng Đại học Nha Trang
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị
trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽ giúp cho sinh viên dễ tiếp cận về nguyên lý
hoạt động ôtô hybrid
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết từ đó ứng dụng vào thực nghiệm chế tạo thử
nghiệm mô hình.
7. Bố cục của luận văn
Nội dung chính của luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng nhƣ sau:
Chương 1: Tổng quan về bộ phân phối công suất ô tô hybrid
Chương 2: Thiết kế, chế tạo mô hình bộ phân phối công suất cho ôtô hybrid 2
chỗ kiểu hỗn hợp
Chương 3: Thử nghiệm mô hình bộ phân phối công suất trên xe hybrid 2 chỗ
kiểu hỗn hợp
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
3

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT ÔTÔ HYBRID
1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1.1. Trong nƣớc
Ở nƣớc ta, ôtô hybrid đã đƣợc nghiên cứu trong những năm gần đây qua những

đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trƣờng Đại Học Nha Trang, luận văn thạc sĩ, đề tài
NCKH của giáo viên Trƣờng Đại Học Đà Nẵng, Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuât. Một
trong những hƣớng nghiên cứu mới đó là các loại xe thân thiện với môi trƣờng nhƣ xe
Hybrid, xe sử dụng năng lƣợng mặt trời…Tuy nhiên do giá thành của các phƣơng tiện
này khá cao nên chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Cho đến nay, ôtô hybrid
chƣa đƣợc chế tạo hoặc lắp ráp ở thị trƣờng Việt Nam.
1.1.2. Ngoài nƣớc
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật. Các hãng xe
hơi luôn nghiên cứu, cải tiến sản phẩm của mình ngày càng hoàn hảo hơn để phục vụ
nhu cầu của ngƣời tiêu dùng.
Do giá nhiên liệu ngày càng tăng, áp lực ngày càng lớn của vấn đề ô nhiễm môi
trƣờng, v.v., ôtô hybrid đã trở thành một trong những hƣớng phát triển của ngành công
nghiệp ôtô đƣợc nhiều nƣớc quan tâm. Toyota và Honda đƣợc 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 trƣờng 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 đƣợc khẳng định
là một phần cốt lõi của thị trƣờng ôtô trong tƣơng lai.
1.2. SƠ LƢỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XE HYBRID
Lohner-Porsche Mixte do Ferdinand Porsche - kỹ sƣ ôtô ngƣời Đức (1875 –
1951) - chế tạo vào năm 1899, đƣợc xem là chiếc xe hybrid đầu tiên trên thế giới.
Lohner-Porsche Mixte đƣợc trang bị 2 môtơ điện bố trí trong mayơ của 2 bánh trƣớc,
một bộ ắc qui và 1 động cơ xăng Động cơ xăng chỉ có chức năng dẫn động dynamo
để phát điện nạp ắc qui. Mỗi môtơ điện có công suất 1,9 2,6 kW, cực đại là 5,2 kW,
trực tiếp quay các bánh xe phía trƣớc. Lohner-Porsche Mixte không có hệ truyền động
cơ khí. Khi xuất hiện lần đầu tiên tại Triễn lãm quốc tế tại Pari vào tháng 4 năm 1900,
4

Lohner-Porsche Mixte đã làm kinh ngạc giới hâm mộ ôtô thời đó. 300 chiếc Lohner
Porsche Mixte đã đƣợc chế tạo. Sáng chế này sau đó đã đƣợc bán cho Emil Jellinek -

ngƣời sáng lập hãng chế tạo ôtô Mercedes hiện nay. [20]


Hình 1.1. Lohner-Porsche Mixte [19]
Thiết kế của Lohner-Porsche Mixte đã đƣợc Boeing và NASA nghiên cứu và
ứng dụng cho xe tự hành trên Mặt trăng trong chƣơng trình Apollo của Hoa Kỳ trong
những năm 1960. Ý tƣởng hệ thống hybrid nối tiếp của Ferdinand Porsche đã đƣợc sử
dụng làm cơ sở để phát triển hàng loạt đầu máy xe lửa và ôtô hybrid hiện đại.
Ôtô hybrid đã không đƣợc sử dụng phổ biến cho đến đầu những năm 90 của
thế kỷ XX.
Do giá nhiên liệu ngày càng tăng, áp lực ngày càng lớn của vấn đề ô nhiễm môi
trƣờng, v.v., ôtô hybrid đã trở thành một trong những hƣớng phát triển của ngành công
nghiệp ôtô đƣợc nhiều nƣớc quan tâm. Toyota và Honda đƣợc 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 trƣờng 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 đƣợc khảng định
là một phần cốt lõi của thị trƣờng ôtô trong tƣơng lai.
1.3. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA ÔTÔ HYBRID
Mặc dù đã đƣợc chế tạo từ đầu thế kỷ XX và rất đa dạng về đặc điểm cấu tạo
cũng nhƣ nguyên lý hoạt động, nhƣng cho đến nay, chỉ có ôtô hybrid với động cơ đốt
trong (Internal Combustion Engine - ICE) và môtơ điện (Electric Motor - EM) đã đƣợc
thƣơng mại hóa và chiếm thị phần đáng kể trên phạm vi toàn thế giới.
5

Căn cứ vào cách thức liên kết giữa ICE và EM, tỷ lệ công suất của ICE và của
EM đƣợc sử dụng để dẫn động bánh xe chủ động, sự phân công về thời gian làm việc
của ICE và của EM trong quá trình vận hành ôtô, ôtô hybrid hiện đại đƣợc phân thành
3 loại: ôtô hybrid kiểu nối tiếp, kiểu song song và kiểu hỗn hợp.
1.3.1. Ôtô hybrid kiểu nối tiếp

Ôtô hybrid kiểu nối tiếp, tiếng Anh là Series Hybrid Electric Vehicle (sau đây
viết tắt là S-HEV) còn đƣợc gọi là ôtô điện có cự ly hoạt động được mở rộng
(extended-range electric vehicles - EREV hoặc range-extended electric vehicles -
REEV).
Các thành tố cơ bản của hệ động lực của S-HEV gồm có: một ICE, một hoặc
một số EM, một máy phát điện, bộ ắcqui và chuyển đổi điện. Về cơ bản, hệ động
lực của S-HEV chỉ khác hệ động lực của ôtô điện ở chỗ có thêm một ICE và máy
phát điện.

Hình 1.2. Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu nối tiếp
Ở S-HEV, ICE chỉ có chức năng lai máy phát điện để cung cấp điện cho EM
hoặc nạp điện cho ắcqui, EM cung cấp 100 % công suất yêu cầu để dẫn động các
bánh xe chủ động thông qua một cặp bánh răng giảm tốc (Hình. 1.13) hoặc các EM
đƣợc bố trí ngay trong mayơ của các bánh xe chủ động. EM chạy bằng điện từ ắcqui
hoặc trực tiếp từ máy phát điện. Trong hệ truyền động của S-HEV chỉ cần một cặp
bánh răng giảm tốc bố trí giữa EM và vi sai thay cho hộp số nhiều cấp ở ôtô truyền
thống. Trong trƣờng hợp EM đƣợc bố trí trực tiếp trong các mayơ của bánh xe chủ
6

động, S-HEV thực tế không có hệ truyền động cơ khí, thay vào đó là hệ truyền động
điện gọn nhẹ hơn và tiêu hao ít năng lƣợng hơn.
EM trên S-HEV nói riêng và trên các loại HEV khác nói chung, thƣờng đƣợc
thiết kế để có thể hoạt động nhƣ một máy phát điện (sau đây viết tắt là EM hai chiều)
để tận dụng động năng của ôtô trong quá trình phanh hoặc khi xuống dốc. Một số mẫu
S-HEV cho phép nạp điện ắcqui bằng điện lƣới trong thời gian ôtô không hoạt động
nhằm mục đích giảm chi phí vận hành do giá điện lƣới thƣờng thấp hơn giá điện đƣợc
sản xuất bằng động cơ xăng.
1.3.2. Ôtô hybrid kiểu song song
Trong hệ động lực của ôtô hybrid kiểu song song (viết tắt là P-HEV), ICE và EM
đƣợc liên kết với bánh xe chủ động thông qua các ly hợp sao cho bánh xe chủ động có thể

đƣợc dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng EM hoặc bằng cả hai đồng thời.


Hình 1.3. Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu song song
ICE và EM có thể đƣợc liên kết với nhau theo các phƣơng án nhƣ sau:
+ ICE và EM liên kết song song trên một trục (Hình. 1.3): Ở phƣơng án này,
tốc độ quay của ICE và EM phải đƣợc đồng bộ hóa, momen quay truyền đến bánh xe
chủ động là tổng momen quay của ICE và EM. Khi chỉ một nguồn động lực làm việc,
nguồn động lực còn lại phải hoạt động ở chế độ không tải hoặc không hoạt động nếu
đƣợc trang bị các ly hợp một chiều. Hầu hết xe đạp máy sử dụng phƣơng án liên kết
nói trên.
7

+ ICE và EM liên kết nối tiếp trên một trục: ICE và EM phải có cùng tốc độ
quay. Nếu EM nằm giữa ICE và hộp số thì EM có thể có momen quay dƣơng hoặc âm,
tùy thuộc vào chế độ vận hành. Honda Insight là mẫu P-HEV điển hình sử dụng
phƣơng án này.
+ ICE và EM liên kết qua mặt đường: ICE truyền momen quay đến bánh xe chủ
động qua hệ truyền động cơ khí truyền thống, EM hai chiều đƣợc liên kết với bánh xe
chủ động qua một trục khác. Ắcqui đƣợc EM hai chiều nạp điện nhờ tận dụng động
năng của xe khi phanh hoặc động năng của xe ở chế độ hành trình. Trong trƣờng hợp
này, công suất của ICE đƣợc truyền đến EM thông qua mặt đƣờng. Phƣơng án này có
ƣu điểm đặc biệt trong trƣờng hợp ôtô nhiều cầu chủ động, trong đó ICE và EM sẽ liên
kết cơ khí với các cầu khác nhau. Xe đạp máy có môtơ điện tích hợp trong mayơ của
bánh xe trƣớc và pedal quay bánh sau là ví dụ về kiểu hybrid song song có các nguồn
động lực liên kết qua mặt đƣờng.
Hầu hết các mẫu P-HEV hiện nay đƣợc trang bị ICE với vai trò là nguồn động
lực chính, còn EM chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vƣợt dốc. Công suất của
EM trên P-HEV hiện nay thƣờng không quá 20 kW. Với cấu hình nhƣ vậy, cả ICE và
EM đều hoạt động với khoảng 50 % công suất cực đại khi xe chạy với vận tốc trung

bình, ICE phát công suất gần tối đa và EM phát khoảng 50 % công suất hoặc nhỏ hơn
khi xe chạy ở vận tốc cao.
Trên thị trƣờng hiện nay, P-HEV có thị phần lớn hơn so với S-HEV. Honda
Insight, Honda Civic and Honda Accord là những mẫu P-HEV điển hình và chiếm thị
phần đáng kể trong thời gian gần đây. General Motors Parallel Hybrid Truck (PHT),
Saturn VUE Hybrid, Aura Greenline Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid cũng đƣợc xếp
vào nhóm P-HEV.
1.3.3. Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp
Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp (Combined Hybrid Electric Vehicle), còn đƣợc gọi là
ôtô hybrid chia công suất (Power-Split Hybrid Electric Vehicle) hoặc ôtô hybrid
kiểu nối tiếp-song song (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle) (sau đây viết tắt là
SP-HEV)
8



Hình 1.4. Hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius
Hệ động lực của SP-HEV cho phép ôtô hoạt động theo kiểu hybrid song song,
tức là các bánh xe chủ động có thể đƣợc dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng EM
hoặc bằng ICE và EM đồng thời. Ngoài ra, nhờ sự liên kết giữa các nguồn động lực
của SP-HEV thông qua một cơ cấu đặc biệt gọi là bộ phân phối công suất và quá trình
hoạt động của hệ động lực đƣợc tự động hóa ở mức độ rất cao, ICE trên SP-HEV có
thể thƣờng xuyên hoạt động ở những chế độ tối ƣu về tiêu hoa nhiên liệu và mức độ
phát thải (xem mục 1.9).
1.4. BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT
1.4.1. Đặc điểm cấu tạo
Toyota Prius là mẫu SP-HEV (series-parallel hybrid vehicle - ôtô hybrid kiểu
hỗn hợp) đầu tiên trên thế giới đƣợc bán ở thị trƣờng Nhật Bản vào năm 1997. Đến
tháng 6 năm 2013, khoảng 3 triệu Toyota Prius đã đƣợc bán ở 80 quốc gia và vùng
lãnh thổ trên thế giới [4]. Hệ động lực của Toyota Prius (thƣờng đƣợc viết tắt là THS -

Toyota Hybrid System) khác biệt với hệ động lực của S-HEV (ôtô hybrid kiểu nối
tiếp) và của P-HEV (ôtô hybrid kiểu song song) ở chỗ THS đƣợc trang bị một cơ cấu
đặc biệt có tên gọi là bộ phân phối công suất (Power Split Device - PSD).
Mặc dù trên thị trƣờng hiện nay đã xuất hiện nhiều mẫu SP-HEV của nhiều
hãng chế tạo ôtô khác nhau và THS cũng đã có một số thay đổi về các thông số tính
năng của các thành tố cơ bản (ICE, EM, ắcqui, v.v.) so với THS nguyên thủy, nhƣng
9

PSD trong hệ động lực của Toyota Prius vẫn đƣợc xem là thành tố đặc trƣng và điển
hình nhất của ôtô hybrid kiểu hỗn hợp hiện nay.
Hệ động lực hybrid của Toyota Prius (THS), đƣợc cấu thành từ các thành tố cơ
bản với chức năng sau đây:
Động cơ xăng 4 kỳ (ICE) hoạt động theo chu trình Atkinson có dung tích
công tác V
D
= 1, 5 dm
3
, công suất danh nghĩa N
en
= 42,5 kW, momen quay danh nghĩa
M
en
= 102 Nm, tốc độ quay danh nghĩa n
n
= 4000 rpm, tỷ số dãn nở
e
= 13,5. ICE có
chức năng dẫn động các bánh xe chủ động và lai máy phát điện MG1;
Môtơ-máy phát điện liên hợp (MG2) có công suất cực đại N
max

= 30 kW,
tốc độ quay n = 940 2000 rpm, momen cực đại M
max
= 305 Nm. MG2 có chức năng
chính là phối hợp với ICE dẫn động các bánh xe chủ động và chức năng phụ là phát
điện nạp cho ắcqui trong quá trình phanh. MG2 có tính năng động lực học cao để đảm
bảo ôtô rời chỗ nhẹ nhàng và tăng tốc tốt.
Máy phát-môtơ điện liên hợp (MG1) có chức năng chính là phát điện nạp
cho ắcqui và cung cấp cho MG2, chức năng phụ là khởi động động cơ xăng;
Bộ chia công suất (PSD);
Ắcqui cao áp và ắcqui phụ. Ắcqui phụ 12 V có chức năng duy trì hoạt động
của hệ thống điều khiển. Ắcqui cao áp có điện thế danh nghĩa 273,6 V có chức năng
cung cấp điện cho MG2. Ắcqui cao áp thƣờng xuyên đƣợc nạp điện từ máy phát MG1
trong quá trình ôtô chạy và từ MG2 trong quá trình phanh.
a)

10

b)

Hình 1.5. Cấu tạo hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius
Toyota Prius đƣợc chế tạo từ năm 2004 về sau sử dụng hệ động lực có cấu trúc
và nguyên lý hoạt động tƣơng tự nhƣng các thành tố cơ bản nhƣ ICE, MG1, MG2 và
ắcqui cao áp đƣợc nâng cấp hoặc điều chỉnh một số thông số tính năng.
PSD có cấu trúc và hoạt động tƣơng tự nhƣ một hộp số bánh răng hành tinh.
Giá của các bánh răng hành tinh liên kết với ICE và đƣợc xem nhƣ đầu vào của hộp
số, bánh răng mặt trời liên kết với MG1, vành răng liên kết với MG2 (Hình. 1.5b).
THS đƣợc quản lý bằng bộ vi xử lý trong suốt quá trình làm việc của hệ thống.
Có thể phân biệt các chế độ hoạt động đặc trƣng nhƣ sau:
1) Chế độ điện - Ôtô bắt đầu chuyển động và chạy từ từ hoặc xả dốc trên đoạn

đƣờng có độ dốc nhỏ. ICE không hoạt động, MG2 chạy bằng điện từ ắcqui. Toyota
Prius đƣợc trang bị ắcqui cao áp có điện dung vừa phải (khoảng 6,5 Ah) nên chỉ cho
phép hoạt động ở chế độ điện trong một thời gian tƣơng đối ngắn;
2) Chế độ hành trình - Chế độ hành trình, còn gọi là chế độ chạy bình thường,
là chế độ ôtô chạy trên đƣờng dài. Công suất của ICE đƣợc chia cho bánh xe chủ động
và máy phát điện MG1 với tỷ lệ sao cho ICE làm việc ở vùng có hiệu suất tối ƣu. MG2
chạy bằng điện từ máy phát. Nếu điện dung của ắc qui thấp, một phần công suất của
máy phát dùng để nạp điện cho ắcqui;
3) Chế độ trợ lực - còn gọi là chế độ gia tốc tối đa. Trong các điều kiện mà ICE
không đáp ứng đƣợc (tăng tốc để vƣợt xe phía trƣớc, leo dốc, v.v.), MG2 sẽ chạy bằng
điện từ ắcqui để trợ lực cho ICE. Toyota khẳng định rằng, Prius có thể tăng tốc từ v =
0 đến v
max
= 160 km/h trên quãng đƣờng 400 m trong thời gian 19,4 s;
11

4) Ch np c qui - cũn gi l ch gim tc v phanh. cqui c np
in trong quỏ trỡnh phanh hoc x dc bng in t MG2 hoc bng in t MG1
ch hnh trỡnh. ECU m bo cqui phi luụn c np y, tc l khụng yờu cu
np in th cụng i vi Toyota Prius;
5) Ch chia cụng sut ngc: Xe chy ch hnh trỡnh v cqui y
in. cqui cung cp in cho c MG2 dn ng bỏnh xe v cho c MG1. MG1 s
lm ICE quay chm hn vi mc ớch gim tiờu hao nhiờn liu trong khi momen quay
khụng i.
1.4.2. Nguyờn lý hot ng ca h ng lc Hybrid
A
1
K
R3
R1

Engine
Boọ giaỷm chaỏn
MG1
MG2

Hỡnh 1.6. S h ng lc Hybrid
Trong ú: 1-B chia cụng sut; K-Khúa; MG1-T hp ng c mỏy phỏt s 1;
MG2-T hp ng c mỏy phỏt s 2; Engine-ng c xng.
Cỏc ch hot ng h ng lc bao gm:
- Chy vi MG2
- Chy vi MG2 v MG1 khi ng ng c xng
- Tng tc nh vi ng c xng
- Chy tc thp n nh
- Tng tc hon ton
- Chy tc cao n nh
- Chy tc ti a
- Gim tc hoc phanh
- Ch lựi
12

1.4.2.1. Chạy với MG2
Vehicle
Speed
0
Time

Hình 1.7. Điều kiện của ôtô chạy với MG2

Hình 1.8. Biểu đồ monographic và hoạt động của PSD khi chạy với MG2
Engine
MG1
Planetary Gears & Final Drive
MG2
Inverter
HV
ECU
HV Battery

Hình 1.9. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy với MG2
Ở chế độ này ECU HV sẽ kích hoạt cho pin HV cung cấp điện cho bộ
chuyển đổi điện chuyển đổi điện áp một chiều (DC) thành điện áp xoay chiều (AC)
MG2
Engine (Caàn C)
MG1
-
+
0

: Đƣờng truyền năng lƣợng
: Đƣờng truyền công suất
13

cung cấp cho MG2 hoạt động ở chế độ động cơ và truyền công suất cho ôtô hoạt
động qua bánh răng bao.
Ở chế độ này bánh răng hành tinh sẽ quay tại chỗ theo chiều quay của bánh

răng bao, cần C sẽ đứng yên do mômen cản của động cơ lớn và bánh răng trung tâm sẽ
quay theo chiều quay phù hợp với chiều quay của bánh răng hành tinh, roto MG1 sẽ
quay lòng không trong stato MG1 cân bằng với chiều quay của bánh răng bao.
Ở chế độ hoạt động này MG2 phát công suất nên công suất đầu ra bằng công
suất của MG2 và tốc độ góc đầu ra bằng tốc độ góc MG2.
1.4.2.2. Chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng
30 mph
Vehicle
Speed
0
Time

Hình 1.10. Điều kiện của ôtô khi chạy với MG2 và khởi động động cơ xăng
MG2
Engine (Caàn C)
MG1
-
+
0


Hình 1.11. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD
khi chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng
Khi ôtô đạt tốc độ khoảng 48 km/h (30 dặm/giờ) thì ECU HV sẽ kích hoạt pin
HV bổ sung thêm năng lƣợng cho bộ chuyển đổi và cấp điện cho MG1 hoạt động ở
chế độ động cơ để khởi động động cơ xăng.
14

Engine
MG1

Planetary Gears & Final Drive
MG2
Inverter
HV
ECU
HV Battery

Hình 1.12. Sơ đồ tổng quát đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy
với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng
- Tốc độ góc cần C đƣợc xác định theo công thức sau:

31
1133
ZZ
ZZ
C
(2.1)
Trong đó:
C
- Tốc độ góc của cần C;

1
-Tốc độ góc của MG1;

3
- Tốc độ góc của MG2;

1
Z
- Số răng của bánh răng trung tâm;

3
Z
- Số răng của bánh răng bao.
Nếu có một trong những hạng mục do ECU HV kiểm soát nhƣ tình trạng SOC,
nhiệt độ ắc quy, nhiệt độ nƣớc làm mát và điều kiện tải điện lệch so với mức tiêu
chuẩn thì MG1 sẽ đƣợc kích hoạt để khởi động động cơ xăng.
: Đƣờng truyền năng lƣợng
: Đƣờng truyền công suất