Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ DC Brushless cho mô hình ô tô Hybrid kiểu song song

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ



NGÔ VĂN SƠN


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHỐI
HỢP GIỮA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐỘNG CƠ DC
BRUSHLESS CHO MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRID KIỂU
SONG SONG



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành Công Nghệ Cơ điện tử



Nha Trang, tháng 06 năm 2013



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ

NGÔ VĂN SƠN


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHỐI
HỢP GIỮA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐỘNG CƠ DC
BRUSHLESS CHO MÔ HÌNH ÔTÔ HYBRID KIỂU
SONG SONG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành Công Nghệ Cơ điện tử


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. PGS. TS. NGUYỄN VĂN NHẬN
2. KS. NGUYỄN VĂN ĐỊNH

Nha Trang, tháng 06 năm 2013

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: NGÔ VĂN SƠN
Lớp: 51CKCD
Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử
Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong và động
cơ DC Brushless cho mô hình ôtô Hybrid kiểu song song.
Số trang: 78 Số chương: 04
Hiện vật: 02 Báo cáo, 02 đĩa CD, 01 mô hình ôtô Hybrid
NHẬN XÉT

KẾT LUẬN







Nha Trang, Ngày Tháng Năm 2013
Cán bộ hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI
Họ và tên sinh viên: NGÔ VĂN SƠN
Lớp: 51CKCD
Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử
Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong và động
cơ DC Brushless cho mô hình ôtô Hybrid kiểu song song.
Số trang: 78 Số chương: 04
Hiện vật: 02 Báo cáo, 02 đĩa CD, 01 mô hình ôtô Hybrid
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

KẾT LUẬN



Nha Trang, Ngày Tháng Năm 2013
Cán bộ phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)



Nha Trang, Ngày Tháng Năm 2013
Chủ tịch hội đồng
(Ký và ghi rõ họ tên)
Điểm phản biện
Bằng số Bằng chữ

Điểm phản biện
Bằng số Bằng chữ

i

LỜI CÁM ƠN
Sau một thời gian nghiêm cứu với lỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận
tình của các quý Thầy cô và bạn bè thân quen, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp trong
thời gian quy định.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy trong bộ môn Cơ điện tử, cũng như các

Thầy cô trong Khoa cơ khí trường Đại học Nha Trang đã hết lòng truyền đạt, giảng dạy
cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học. Các Thầy đã tạo điều kiện
tốt nhất để chúng em được học tập, nghiên cứu, sử dụng thiết bị bộ môn để hoàn thành
đồ án tốt và nhanh nhất.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới hai Thầy Nguyễn Văn
Nhận và Nguyễn Văn Định. Các Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và góp ý trong
suốt quá trình thực hiện đồ án.
Xin cảm ơn các bạn bè lớp 51CKCD đã giúp đỡ cũng như đóng góp ý kiến giúp
em hoàn thiện bài khóa luận này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và xin gửi tới quý Thầy cô trong nhà
trường, các bạn bè người thân đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua lời chúc tốt đẹp
nhất.
Em xin chân thành cảm ơn!
ii

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID
1
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 2
1.1.1. Ôtô Hybrid là gì? 2
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của ôtô Hybrid 2
1.1.3. Các bộ phận chính của ôtô Hybrid 3
1.1.4. Ưu nhược điểm của ôtô Hybrid 5
1.1.4.1. Ưu điểm 5
1.1.4.2. Nhược điểm 5
1.1.5. Phương pháp truyền động 6
1.1.5.1. Hệ thống truyền động nối tiếp 6
1.1.5.2. Hệ thống truyền động song song 7
1.1.5.3. Hệ thống truyền động kết hợp 8
1.2. XU THẾ PHÁT TRIỂN CỦA ÔTÔ HYBRID 9

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
11
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 14
2.2.1. Cơ sở lý thuyết phần cơ khí 14
2.2.1.1. Động lực học bánh xe 14
2.2.1.2. Thiết kế, chế tạo 21
2.2.2. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 25
2.2.2.1. Cơ sở lý thuyết 25
2.2.2.2. Thiết kế 44
2.2.2.3. Lưu đồ giải thuật điều khiển 56
CHƯƠNG 3 : THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
59
3.1. SẢN PHẨM THỰC TẾ 60
3.2. CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH 62
3.2.1. Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động 62
3.2.1.1. Kiểm tra ắc quy 62
3.2.1.2. Kiểm tra mạch điều khiển 63
iii

3.2.1.3. Kiểm tra phần cơ khí 64
3.2.1.4. Kiểm tra động cơ (điện và xăng) 64
3.2.2. Mô hình ô tô lúc hoạt động 64
3.2.2.1. Khi ô tô chạy ở tốc độ trung bình 64
3.2.2.3. Khi ô tô tăng tốc hoặc lên dốc 65
3.2.2.4. Khi ô tô giảm tốc và xuống dốc 65
3.2.2.4. Khi ô tô vào khúc cua 65
3.2.2.5. Chế độ sạc của ắc quy 65
3.2.3. Xác định một số thông số tính năng cơ bản của mô hình ôtô hybrid 65
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

67
4.1. KẾT LUẬN 68
4.1.1. Kết quả đạt được 68
4.1.2. Kết quả chưa đạt được 68
4.2. ĐỀ XUẤT 68
4.2.1. Đề xuất phần cứng 68
4.2.2. Đề xuất phần mềm 69
4.2.4. Đề xuất cả hệ thống 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO
70
PHỤ LỤC
71
iv

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Một dạng ôtô Hybrid kiểu phối hợp công suất song song
3
Hình 1.2: Sơ đồ các bộ phận của ôtô Hybrid kiểu hỗn hợp
3
Hình 1.3: Các bộ phận cơ bản của hệ thống truyền động trên ôtô
4
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống truyền động nối tiếp
6
Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống truyền động song song
7
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống truyền động kết hợp
8
Hình 1.7: Toyota Prius
10
Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống mô hình ôtô Hybrid

12
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống truyền động của mô hình ôtô Hybrid
13
Hình 2.3: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe khi chuyển động lên dốc trong trường hợp
tổng quát
14
Hình 2.4: Sơ đồ minh họa sự lăn của bánh xe đàn hồi
16
Hình 2.5: Mô tả các loại góc của bánh xe
17
Hình 2.6: Góc camber
18
Hình 2.7: Sự thay đổi góc camber khi quay vòng
19
Hình 2.8: Sơ đồ biến dạng của đất khi bánh xe chủ động lăn
19
Hình 2.9: Sơ đồ các lực tác dụng lên xe khi chuyển động
20
Hình 2.10: Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc
22
Hình 2.11: Sơ đồ chân vi điều khiển atmega8
27
Hình 2.12: Sơ đồ chân
28
Hình 2.13: Cấu tạo và hình dáng của DIODE bán dẫn.
29
Hình 2.14: Điện trở
29
Hình 2.15: Hình ảnh thực tế
30

Hình 2.16: Tụ điện phân cực và không phân cực
30
Hình 2.17: Ký hiệu của Transistor
31
Hình 2.18: Transistor
31
Hình 2.19: Linh kiện OPTO
31
Hình 2.20: Linh kiện IRF9540
32
Hình 2.21: Sơ đồ chân của RƠLE
32
v

Hình 2.22: Cấu tạo của encoder
33
Hình 2.23: Hai kênh A và B lệch pha trong encoder
34
Hình 2.24: Encoder quang tuyệt đối với 8 track.
35
Hình 2.25: Encoder quang tương đối có 3 track
35
Hình 2.26: Sức phản điện động dạng hình thang
36
Hình 2.27: Mặt cắt bằng của một BLDC
37
Hình 2.28: Stator động cơ BLDC
37
Hình 2.29: Rotor động cơ BLDC
38

Hình 2.30: Động cơ Brushless có cảm biến Hall
38
Hình 2.31: Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường
38
Hình 2.32: Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường
39
Hình 2.33: Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ
39
Hình 2.34: Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC
40
Hình 2.35: Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC
40
Hình 2.36: Phương pháp khởi động động cơ đốt trong tự động
44
Hình 2.37: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
45
Hình 2.38: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển
46
Hình 2.39: Sơ đồ nguyên lý khối khởi động động cơ đốt trong
47
Hình 2.40: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD
48
Hình 2.41: Sơ đồ nguyên lý khối phân áp đóng ngắt động cơ
48
Hình 2.42: Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu từ encoder
49
Hình 2.43: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
50
Hình 2.44: Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển
51

Hình 2.45: Sơ đồ nguyên lý khối công suất của mạch sạc bình ắc quy
52
Hình 2.46: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý áp đầu vào từ máy phát điện
53
Hình 2.47: Sơ đồ mạch in của bộ sạc
54
Hình 2.48: Sơ đồ mạch in của bộ điều khiển trung tâm
55
Hình 2.49: Lưu đồ giải thuật khởi động động cơ đốt trong
56
Hình 2.50: Lưu đồ giải thuật điều khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong với động cơ
điện brushless DC
57
vi

Hình 2.51: Lưu đồ gải thuật sạc pin
58
Hình 3.1: Mô hình ôtô Hybrid
60
Hình 3.2: Mạch công suất điều khiển BLDC
60
Hình 3.3: Khối điều khiển trung tâm
61
Hình 3.4: Mạch sạc ắc quy 48VDC
61
Hình 3.5: Mạch điều khiển trung tâm
62
Hình 3.6: Kiểm tra bình ắc quy
62
Hình 3.7: Kiểm tra mạch điều khiển

63
Hình 3.8: Kiểm tra động cơ điện
64
vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường bằng phẳng
.66
Bảng 3.2: Các thông số thực nghiệm mô hình ôtô hybrid trên mặt đường dốc
66

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ĐCĐT: Động cơ đốt trong
BLDC: Động cơ điện Brushless DC
PWM: Pluse Witdth Modulation
ADC: Analog to Digital Converter
USART: Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter
ix

LỜI NÓI ĐẦU
Thế giới đang đối mặt với biến đổi khí hậu toàn cầu rình rập đe dọa khắp nơi,
nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường
từ ô tô, từ lâu đã có nhiều giải pháp kỹ thuật mang nhiều hứa hẹn như: Ôtô chạy điện, ô
tô dùng pin nhiên liệu, động cơ khí nén v.v Tuy nhiên, những công nghệ kể trên vẫn
chưa thể đưa vào sử dụng được vì còn nhiều giới hạn về công nghệ. Đối với ôtô chạy
điện, việc nạp lại pin cần đến ít nhất 4 giờ đồng hồ, khuyết điểm này giới hạn tầm sử
dụng của ô tô chạy điện. Đối với công nghệ fuel cell, hydro lỏng phải được lưu trữ ở
nhiệt độ cực thấp, vì thế chỉ có thể thích hợp với những quốc gia có khí hậu băng giá.

Cả hai cộng nghệ trên cùng vướng phải một vấn đề chung đó là phải xây dựng lại toàn
bộ hệ thống cơ sở cung cấp nhiên liệu. Những sự giới hạn trên của hai công nghệ tương
lai này tạo ra một khoảng trống giữa nhu cầu bảo về môi trường và công nghệ ôtô
truyền thống.
Ôtô Hybrid là giải pháp tốt nhất hiện nay của ngành công nghiệp ôtô trước các vấn
đề về nhiên liệu và bảo vệ môi trường. Với những ưu điểm mà nó mang lại:
- Tận dụng năng lượng khi phanh: Khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ, động
cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo
ra dòng điện nạp cho ắc-quy.
- Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu.
- Giảm ô nhiễm môi trường.
Nhằm tiếp cận với công nghệ ôtô Hybrid, đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều
khiển phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ DC Brushless cho mô hình ôtô
Hybrid kiểu song song”, là sự kết hợp giữa thiết kế, chế tạo cơ khí với điều khiển tự
động, nhằm tạo ra một sản phẩm hoàn thiện có ứng dụng cao trong đời sống với tiêu
chí hạn chế ô nhiễm môi trường đến mức nhỏ nhất.
Mục đích lớn nhất của đề tài là giúp sinh viên làm chủ được công nghệ mới, hoàn
thiện kỹ năng, củng cố kiến thức, nâng cao tay nghề, làm tư liệu học tập cho sinh viên
về sau.
1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ
HYBRID
2

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.1. Ôtô Hybrid là gì?
Hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid (Hybrid Electric Vehicle-HEVs) là dòng ôtô sử
dụng động cơ tổ hợp. Thật ra, ý tưởng “Hybrid” đã có từ rất lâu đời. Theo Bách Khoa
Toàn Thư mở Wikipedia thì Hybrid Vehicle, tạm dịch là Phương Tiện Giao Thông
Ghép, là một phương tiện giao thông mà được động lực bằng hai nguồn năng lượng trở
lên.
Động cơ Hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động
cơ điện dùng năng lượng ắc quy. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng
động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và
khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của ôtô Hybrid
Ôtô hybrid hoạt động theo nguyên tắc: Động cơ điện được sử dụng để khởi động
xe, trong đó trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ. Động cơ điện còn
có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe gia tốc hoặc leo dốc. Khi phanh
xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc
quy. Không giống như các phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid
không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc
quy. Với sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ Hybrid được
mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ
hợp động cơ cao, mô men lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
3


Hình 1.1: Một dạng ôtô Hybrid kiểu phối hợp công suất song song

1.1.3. Các bộ phận chính của ôtô Hybrid

Hình 1.2: Sơ đồ các bộ phận của ôtô Hybrid kiểu hỗn hợp
1. Động cơ đốt trong 2. Máy phát điện 3. Ắc quy cao áp 4. Bộ chuyển đổi
5. Động cơ điện một chiều 6. Bộ chia công suất 7. Hộp giảm tốc
4


Hình 1.3: Các bộ phận cơ bản của hệ thống truyền động trên ôtô
Động cơ đốt trong: Là nguồn động lực chính trong động cơ Hybrid, có nhiệm vụ
dẫn động trực tiếp bánh xe chủ động và nạp điện cho ắc quy cao áp, có thể sử dụng
động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu.
Động cơ điện: Xe Hybrid sử dụng động cơ điện một chiều không chổi than, nó có
nhiệm vụ nhận năng lượng điện từ ắc quy, chuyển thành năng lượng cơ khí dẫn động
bánh xe chủ động. Ưu điểm của động cơ điện là cho mô men lớn ở số vòng quay nhỏ,
hoạt động êm, hiệu suất cao.
Ắc quy: Là một thành phần quan trọng của động cơ Hybrid, đảm bảo các yêu cầu
như tạo dòng lớn cho phép nạp điện trong quá trình phanh, độ bền cao. Ắc quy có
nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho bugi đánh lửa và cung cấp năng lượng điện
cho motor điện khi cần. Các loại ắc quy được sử dụng là ắc quy chì, ắc quy ino –
lithium, ắc quy polyme – lithium.
Hộp số: Ôtô Hybrid có thể sử dụng nhiều loại hộp số khác nhau. Bốn loại thường
dùng là: Hộp số vô cấp, hộp số tự động sang số, hộp số tay, hộp số tự động thông
thường với bộ chuyển đổi mô men.
Bộ phận điều khiển: Điều khiển các chế độ hoạt động và sự phối hợp giữa động
cơ đốt trong và động cơ điện. Tức là lúc nào thì chỉ động cơ đốt trong hoạt động, lúc
nào thì chỉ động cơ điện hoạt động hoặc lúc nào thì cả động cơ đốt trong và động cơ
điện đồng thời hoạt động.
Hệ thống xử lý khí thải: Khí thải của động cơ luôn là vấn đề được đặt ra. Ôtô
Hybird có thể giảm lượng khí thải do tốn ít nhiên liệu, sử dụng những nguồn nhiên liệu

sạch, cải tiến chất lượng của động cơ và công nghệ xử lý khí thải.
5

Hệ thống làm mát: Có nhiệm vụ làm mát động cơ đốt trong, nhiên liệu và ắc quy.
Nhiệt của nước làm mát có thể sử dụng để sấy nóng ca bin xe ở vùng nhiệt độ thấp
hoặc dùng cho các thiết bị khác.
Máy phát: Có cấu tạo tương tự như động cơ điện, nhưng nó hoạt động chỉ để tạo
ra điện nạp cho ắc quy. Ngoài ra nó còn được dùng để khởi động động cơ đốt trong.
Bộ chuyển đổi: Biến dòng điện một chiều từ ắc quy điện áp cao thành dòng xoay
chiều làm quay mô tơ điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện
một chiều để nạp điện cho ắc quy. Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để
tăng điện áp được cung cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển
đổi dòng một chiều để nạp điện cho ắc quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng
xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
1.1.4. Ưu nhược điểm của ôtô Hybrid
1.1.4.1. Ưu điểm
- Tận dụng năng lượng khi phanh: Khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ, động
cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra
dòng điện nạp cho ắc-quy.
- Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn
nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa)
- Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơ đốt
trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ nên động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn.
- Có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của ôtô
- Có thể chạy xa và mạnh mẽ được giống như những ô tô chạy xăng bình thường.
- Ô tô Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo
việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian.
- Ô tô Hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn ô tô chạy xăng bình thường bởi vì
động cơ điện có hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ xăng.
1.1.4.2. Nhược điểm

Khuyết điểm chính của công nghệ Hybrid là hệ thống Pin Nạp Lại Được
(Rechargable Battery). Giá thành của mỗi bộ pin này rất đắt là một điều đáng ngại đối
6

với người dùng, nhất là những người dùng ô tô Hybrid cũ, giá trị trung bình mỗi bộ pin
này là trên dưới năm nghìn dollar.
Tuy nhiên, các nhà sản xuất đã vẫn đang nghiên cứu và phát triển nhiều giải pháp
cho vấn đề này như: Tái chế pin cũ, phát triển kỹ thuật pin mới, nâng cao tuổi thọ của
pin v.v hứa hẹn mang lại nhiều cải tiến mới, giảm giá thành sản phẩm, đưa kỹ thuật
hybrid đến với nhiều tầng lớp người dân có thu nhập thấp trong xã hội nhằm mục đích
thay thế dần những phương tiện giao thông cũ, giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm
môi sinh.
1.1.5. Phương pháp truyền động
1.1.5.1. Hệ thống truyền động nối tiếp

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống truyền động nối tiếp
Động cơ đốt trong hoạt động, nó truyền năng lượng cho một máy phát điện. Dòng
điện sinh ra từ máy phát được chia làm hai phần, một phần để sạc bình ắc quy và một
phần sẽ chạy một motor điện (bộ phận sẽ truyền công suất tới các trục bánh xe). Motor
điện quay sẽ dẫn động bánh xe chuyển động. Đó được coi là hệ thống nối tiếp vì năng
lượng truyền theo một quá trình liên tục (hay nói cách khác, hoạt động của động cơ và
của mô tơ điện tiến hành lần lượt). Ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn
động lực là động cơ đốt trong và bánh xe. Năng lượng được chuyển đổi từ hóa năng
của nhiên liệu thành cơ năng là quay rôto của máy phát, máy phát tạo ra điện năng và
từ điện năng lại chuyển sang cơ năng làm quay bánh xe.
7

Ưu điểm của hệ thống này là: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở
chế độ không tải (động cơ đốt trong luôn làm việc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy)
nên giảm được ô nhiễm môi trường. Ở động cơ xăng có bộ chế hòa khí sử dụng biện

pháp điều chỉnh lượng hòa khí, ở chế độ không tải bướm ga được đóng bớt, tạo cản đối
với dòng khí nạp, qua đó làm giảm lượng hòa khí đi vào xilanh. Nhưng khi đó do
lượng khí sót còn lại trong buồng cháy thay đổi không nhiều, làm tăng hệ số khí sót,
qua đó làm gia tăng độ loãng của hòa khí và tăng thời gian cháy trễ (được tính từ lúc
đánh lửa đến khi áp suất p tăng đột ngột), quá trình cháy trở nên chậm chạp, kết quả là
làm tăng thời gian quá trình cháy sẽ làm giảm áp suất cháy, tiêu tốn nhiên liệu và ô
nhiễm môi trường. Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp
với các loại ôtô. Sơ đồ này có thể không cần hộp số vì vậy giảm được khối lượng của
xe tiết kiệm được nhiên liệu.
Nhược điểm của hệ thống : Kích thước và dung tích ắc quy lớn, động cơ đốt trong
luôn làm việc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị quá tải. Vì công suất dẫn
động bánh xe chủ động là chỉ do động cơ điện cung cấp. Động cơ điện được truyền
năng lượng từ ắc quy cao áp nên động cơ đốt trong luôn luôn phải làm việc để cung
cấp năng lượng cho ắc quy vì vậy không thể tránh được trường hợp bị quá tải.
1.1.5.2. Hệ thống truyền động song song

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống truyền động song song
8

Trong hệ thống song song, cả động cơ và motor điện cùng truyền lực tới các trục
bánh xe, mức độ tùy theo các điều kiện vận hành khác nhau. Đó được gọi là hệ thống
song song vì dòng năng lượng tới các bánh đi song song. Hệ thống này chỉ có một
motor điện do vậy không thể cùng lúc vừa vận hành các bánh xe, vừa nạp điện cho ắc
quy. Khi nào motor làm nhiệm vụ của một máy phát điện, dòng điện từ ắc quy sẽ thay
thế vai trò của motor điện. Trong sơ đồ này, ngoài sự liên hệ cơ khí trực tiếp giữa động
cơ đốt trong và bánh xe như ôtô thông thường còn có thêm động cơ điện truyền động
đến bánh xe. Khi ôtô chạy trên xa lộ, nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốt trong,
động cơ điện sẽ dùng khi gia tốc ôtô còn khi chạy trong thành phố nguồn dẫn động chủ
yếu là động cơ điện.
Ưu điểm của hệ thống: Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn

năng lượng, không cần dùng máy phát riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán, sẽ
làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất
cho các cơ cấu truyền động trung gian. Động cơ điện được sử dụng ở đây là loại đặc
biệt có khả năng đảm nhận được hai nhiệm vụ, nó có thể khởi động động cơ đốt trong
và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy, cung cấp năng lượng trong
trường hợp xe cần gia tốc hoặc lên dốc.
1.1.5.3. Hệ thống truyền động kết hợp

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống truyền động kết hợp
9

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống kết hợp và song song nhằm tận dụng tối đa
các ưu điểm của hai hệ thống truyền động trên đồng thời khắc phục được các nhược
điểm của hai hệ thống đó. Nó có hai motor, và tùy từng điều kiện khác nhau mà xe lắp
hệ thống kết hợp sẽ sử dụng đồng thời cả motor điện và động cơ đốt trong hay chỉ sử
dụng năng lượng nguồn điện để thu được hiệu quả cao nhất. Thậm chí, khi cần thiết, hệ
thống này vừa vận hành các trục bánh xe trong khi vẫn có thể nạp điện vào máy phát.
Động cơ đốt trong vừa có thể dẫn động trực tiếp các bánh xe chủ động vừa có thể nạp
điện cho máy phát. Động cơ đốt trong có thể tự động ngừng hoạt động ở chế độ tốc độ
thấp khi đó chỉ có động cơ điện dẫn động các bánh xe chủ động nhằm tiết kiệm nhiên
liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Một bộ điều khiển được gắn trong xe dùng để giám
sát hệ thống điện, và khi xe lao xuống dốc hoặc phanh, hệ thống sẽ đảo ngược cực của
nó, biến động cơ điện thành máy phát điện. Lúc đó, đà tiến về phía trước và phanh xe
chuyển từ cơ năng sang điện năng và truyền tới ắc quy để tích trữ năng lượng. Hệ
thống kết hợp hiện chiếm ưu thế trong chế tạo xe Hybrid.
1.2. XU THẾ PHÁT TRIỂN CỦA ÔTÔ HYBRID
Vào đầu thế kỷ 20 các nhà sản xuất xe của Mỹ đã sử dụng động cơ xăng, điện và
hơi nước một cách song song. Họ sớm nhận ra rằng hai hay nhiều động cơ kết hợp lại
sẽ làm tăng tính hiệu quả của động cơ. Và kết quả của giả thuyết đó là động cơ Hybrid
(động cơ xăng điện) ra đời vào năm 1905 do một kỹ sư người Mỹ phát minh. Thời kỳ

đó phát minh này không được mấy người quan tâm bởi vì động cơ đốt trong khi đó còn
khá rẻ so với động cơ xăng điện có cùng công suất. Sau 70 năm, khi cuộc khủng hoảng
dầu lửa xảy ra, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu mới được quan tâm nhiều và đây chính là lý
do để động cơ Hybrid được nghiên cứu lại. Tuy nhiên, 30 năm trước, do một số quy
định nên động cơ Hybrid đã bị trì hoãn. Ngày hôm nay những chiếc xe như Toyota
Prius hay Honda Accord loại Hybrid đã trở nên phổ biến, được nhiều người tiêu dùng
yêu thích. Liệu Hybrid có phải là xu hướng của xe trong tương lai?
Một trong những lý do nữa khiến Hybrid ngày càng được quan tâm đó là môi
trường sống. Như chúng ta biết động cơ đốt trong sẽ thải ra khí carbon monoxide (CO),
carbon dioxide (CO2) và khí hydro-carbon (HC) chưa đốt, đây là những nhân tố chính
10

gây ô nhiễm môi trường. Các hiện tượng như sự nóng lên của toàn cầu hay hiện tượng
“El Nino” xảy ra một phần là hậu quả của việc sử dụng động cơ dầu diesel và xăng.
Sự phát triển của công nghệ Hybrid sẽ giúp hạ giá thành nhiên liệu, theo ước tính
lượng xe Hybrid được sản xuất sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, một dự báo rất lạc quan là
vào năm 2007 hay 2008 sẽ có khoảng một triệu xe Hybrid được tiêu thụ tại thị trường
Mỹ. Nhưng chúng ta không nên quên rằng doanh số của các loại xe thông thường cũng
sẽ tăng lên, ví dụ như nếu hiện nay có 200 ngàn chiếc xe tại Mỹ, thì sau 20 năm con số
đó có thể sẽ là 300 ngàn chiếc.

Hình 1.7: Toyota Prius
Năm 2006, thị trường Mỹ có 10 mẫu xe Hybrid khác nhau có giá từ 19,000 đôla
tới 53,000 đôla. Chiếc Honda Civic và Toyota Prius được coi là những chiếc xe thông
dụng nhất có giá dưới 30,000 đôla. Mức giá đó có thể là không phải là thấp đối với một
chiếc compact sedan nhưng cũng không quá cao. Trong vòng 5 năm tới số xe Hybrid
sẽ lên đến 50 chiếc gồm nhiều hình dáng, kích thước và giá cả.
11

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI
DUNG NGHIÊN CỨU
12

2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho mô hình ôtô
Hybrid dựa trên tính toán lý thuyết và kết hợp tham khảo những mô hình có sẵn trên thị
trường.
Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển trên mô hình ôtô Hybrid được thể hiện trong
hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống mô hình ôtô Hybrid
MOTOR
BRUSHLESS DC
CẢM BIẾN

VI ĐIỀU KHIỂN
MCU
ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG
MẠCH CÔNG

SUẤT
MÁY PHÁT
ĐIỆN
MẠCH SẠC
ẮC QUY

BỘ ĐIỀU
KHIỂN MOTOR
BRUSHLESS DC