Báo cáo nghiên cứu khoa học THIẾT kế bố TRÍ hệ THỐNG ĐỘNG lực TRÊN ô tô HYBRID 2 CHỖ NGỒI

THIT K B TR H THNG NG LC TRấN ễ Tễ
HYBRID 2 CH NGI
DESIGN AND INSTALLATION OF POWER TRAIN SYSTEM
ON TWO-PASSENGER CARS

BI VN GA
Trng i hc Bỏch khoa, i hc Nng
NGUYN QUN
Trng Trung cp Thu sn Tha Thiờn - Hu

TểM TT
H thng ng lc ca ụ tụ lai hai ch ngi phự hp vi iu kin vn hnh Vit Nam c tớnh toỏ
v thit k. H thng s dng ng c nhit 110cc chy bng gas LPG v ng c in cú cụng sut
4,5kW chy bng accu.
ABSTRACT
This article presents the calculation, design, and installation of the power train system on two-passenger
cars. The system is composed of a 110cc LPG internal combustion engine and a 4,5kW electrical
engine powered by batteries.

1. Giới thiệu
Cơ giới hóa sự dịch chuyển là xu thế phát triển tất yếu của xã hội loài người. Các
chuyên gia kinh tế cho rằng thị trường ô tô tiềm năng trong thế kỷ 21 sẽ dịch chuyển từ các
nước Đông âu và Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đông Nam á, Trung á và cuối cùng là Châu
Phi [3]. Sự gia tăng mật độ ô tô dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết đó là sự quá tải của
cơ sở hạ tầng và ô nhiễm môi trường.
Giải quyết vấn đề thứ nhất, ngoài việc
làm tốt công tác qui hoạch đô thị, nâng cấp hệ
thống giao thông,... sự lựa chọn kích cỡ ô tô phù hợp
cũng đóng vai trò quan trọng. Kích cỡ và kiểu
dáng ô tô đã có sự thay đổi rất đáng kể trong thế
kỷ qua. Để thuận tiện cho việc di chuyển trong

thành phố và đậu xe, các nhà sản xuất ô tô đã cho
ra đời những ô tô cá nhân có kích thước nhỏ gọn. Ô
tô SMART 2 chỗ ngồi là một ví dụ điển hình
(hình 1) [10].
Hình 1: Ô tô SMART 2 chỗ ngồi
Giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường liên
quan đến công nghệ về ô tô sạch, có nhiều giải
pháp đã được công bố trong những năm gần đây:
hoàn thiện các loại động cơ đốt trong truyền thống, sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như
LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel..., sử dụng ô tô chạy điện, pin nhiên liệu
[4]. Công nghệ ô tô lai (hybrid) kết hợp sự làm việc tối ưu của các nguồn dẫn động khác
nhau đã mở ra triển vọng sáng sủa cho một loại ô tô sinh thái lý tưởng (hình 2). Trên hình vẽ
này, chúng ta thấy ô tô lai sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng bức kết hợp với động cơ điện


vận hành hiệp trợ được xếp loại là loại ô tô có ưu điểm hàng đầu về mặt sinh thái hiện
nay [11].
2. ô tô cá nhân ở Việt Nam
Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, tiềm năng phát triển ô tô ở nước ta là rất lớn,
đặc biệt là các loại ô tô có giá cả ở mức độ thấp và trung bình, phù hợp với túi tiền của đa
số người dân lao động. Trong điều kiện
cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông ở nước
ta chưa được phát triển, nhà ở thành phố
chật hẹp, bãi đậu xe chưa được xây dựng,
các loại ô tô cá nhân cỡ lớn sẽ gây nhiều
phiền hà cho công tác tổ chức giao thông
cũng như cho người sử dụng. Vì vậy việc
xác định một kiểu dáng xe phù hợp với cơ sở
hạ tầng và thỏa mãn các tiêu chí về mức
độ phát ô nhiễm ở nước ta là rất cần thiết.

Ô tô cá nhân ở nước ta trước hết phải là
phương tiện đi lại thông dụng có thể thay
thế xe gắn máy. Vì vậy ô tô phải gọn nhẹ
có tốc độ và quãng đường hoạt động tương
Hình 2: Xu hướng phát triển ô tô sạch
đương với xe gắn máy nhưng an toàn và
tiện nghi hơn, đặc biệt là tránh mưa nắng
và bụi trên đường. Giá thành của xe phải thấp để đại bộ phận người dân có nhu cầu có thể
mua sắm. Trong bối cảnh đó thì ô tô cỡ nhỏ hai chỗ ngồi là phù hợp với nước ta nhất [7].
Về hệ thống động lực của ô tô, từ những phân tích trên đây chúng ta thấy xu thế
phát triển tương lai của ô tô là hướng về ô tô sinh thái, trong đó ô tô lai kết hợp dẫn động
giữa động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ điện có ưu thế lớn nhất hiện nay. Để đón
đầu sự phát triển này, chúng ta chọn hệ thống động lực của ô tô Việt Nam theo kiểu lai
điện-nhiệt, trong đó động cơ điện chạy bằng accu và động cơ nhiệt chạy bằng khí gas
hóa lỏng LPG. Khác với nguyên tắc ô tô lai "vận hành hiệp trợ" của Toyota, ô tô lai hai chỗ
ngồi này vận hành theo nguyên tắc "phụ trợ". Năng lượng điện nạp vào accu chủ yếu lấy từ
lưới điện dân dụng khi ô tô không hoạt động, còn động cơ nhiệt chỉ kéo máy phát điện
cung cấp thêm năng lượng khi xe chạy đường dài hay vượt dốc.
Sử dụng hệ thống động lực như trên đối với ô tô cá nhân ở nước ta sẽ mang lại lợi ích
về nhiều mặt. Thật vậy, phần lớn điện năng của chúng ta được sản xuất bằng thủy điện
(năng lượng tái sinh) không có khí thải gây ô nhiễm. Khí dầu mỏ hoá lỏng LPG là sản
phẩm của quá trình lọc dầu hay tinh luyện khí thiên nhiên có nguồn cung cấp dồi dào ở nước
ta. Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tương lai các nhà máy lọc ở
Dung Quất, Vũng Rô, các nhà máy sản xuất
gas ở các đầu mối tiếp nhận khí thiên nhiên
được xây dựng và đi vào hoạt động thì khả
năng độc lập nhiên liệu LPG của chúng ta sẽ
rất lớn.
3. Thiết kế hệ thống động lực ô tô
lai hai chỗ ngồi điện-nhiệt theo kiểu

"phụ trợ"
Trên cơ sở phân tích điều kiện làm
việc của ô tô lai theo kiểu phụ trợ trên đây,
chúng tôi tính toán thiết kế hệ thống động
Hình 3: Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô
lai thiết kế


lực của ô tô lai điện-nhiệt hai chỗ ngồi có khối lượng tòan bộ xe 500kg, vận tốc cực đại
70km/h và quãng đường tăng tốc 0-70km/h là 286/m.
Hình 3 giới thiệu sơ đồ hệ thống động lực của ô tô lai phụ trợ. Cơ cấu truyền động
cơ khí của ô tô được chia ra làm hai nhóm chính:
- Hệ thống truyền lực ô tô, bao gồm: động cơ điện, hộp giảm tốc (truyền lực
chính), bộ vi sai, các bán trục và bánh xe chủ động.
- Cơ cấu cụm máy phát điện, bao gồm: động cơ LPG, máy phát điện và bộ
truyền động liên kết với cầu chủ động.
Hình 4 giới thiệu sơ đồ hệ thống điều khiển điện của ô tô. Nguyên lý hoạt động
của hệ thống như sau:
a) ở chế độ bình thường, động cơ điện kéo bánh xe chủ động quay thông qua bộ
bánh răng giảm tốc và bộ vi sai. Máy phát điện và cầu chủ động được liên hệ với nhau qua ly
hợp điện từ và bộ truyền động đai. ở chế độ xe chạy bình thường, ly hợp điện từ ở trạng
thái ngắt, cầu chủ động không kéo máy phát điện quay theo. Công suất của động cơ điện
được dùng để kéo xe ô tô chuyển động mà không chịu ảnh hưởng của cụm máy phát điện.
b) ở chế độ giảm tốc khi cần dừng xe hoặc khi xe xuống dốc, người lái nhả bàn đạp
ga, động cơ điện được cắt điện, đồng thời một công tắc cuối hành trình bàn đạp ga sẽ
điều khiển ly hợp điện từ đóng lại, khi đó cầu chủ động sẽ kéo máy phát điện quay theo
thông qua bộ truyền động đai. Động năng của xe được chuyển thành điện năng nạp lại cho
ắc quy. Vì mối liên hệ giữa động cơ LPG và máy phát điện có bộ ly hợp ly tâm chỉ
truyền công suất theo một chiều nên khi máy phát điện quay nó không kéo động cơ LPG
quay theo. Nếu người lái tiếp tục đạp bàn đạp ga, ly hợp điện từ sẽ chuyển sang trạng thái

ngắt, động cơ điện được cấp điện, xe tiếp tục làm việc ở chế độ chạy bình thường.

Hình 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển điện của ô tô lai thiết kế

c) Khi cần chạy đường dài, người lái chuyển điều khiển xe sang hoạt động ở chế độ
"phụ trợ". Khi động cơ LPG hoạt động kéo máy phát điện hỗ trợ cùng bình ắc quy cung cấp
điện năng cho động cơ điện. Vì công suất của cụm động cơ LPG - máy phát điện được
chọn cân bằng với động cơ điện nên có thể chạy xe trong thời gian dài mà không làm hết
bình ắc quy. Động cơ LPG được bộ điều tốc điều khiển chạy ở một tốc độ cố định tương
ứng với công suất phát ra cực đại nên hạn chế phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường. Khi
cụm động cơ LPG - máy phát điện hoạt động, ly hợp điện từ được điều khiển ở trạng thái


1,6 m

ngắt nên sự quay của máy phát điện không làm ảnh hưởng đến sự quay của cầu chủ động.
Trong trường hợp cần giảm tốc độ xe, người lái nhả bàn đạp ga, tín hiệu từ công tắc cuối
hành trình của bàn đạp ga điều khiển bộ điều tốc làm cho động cơ LPG chạy ở tốc độ
cầm chừng, ly hợp ly tâm sẽ chuyển sang trạng thái ngắt để gián đoạn đường truyền công
suất giữa động cơ LPG với máy phát điện, đồng thời ly hợp điện từ được điều khiển đóng
lại và máy phát điện chuyển sang làm việc ở chế độ phanh tái sinh năng lượng. Nếu người
lái tiếp tục đạp bàn đạp ga, hệ thống sẽ chuyển sang hoạt động ở chế độ như trước.
d) Khi xe chạy vào đường có độ dốc lớn, động cơ điện không thể cung cấp đủ mô
men để vượt dốc, người lái nhấn nút "vượt dốc" trên bảng điều khiển, động cơ LPG được khởi
động và ly hợp điện từ được điều khiển chuyển sang trạng thái đóng để động cơ LPG hỗ
trợ với động cơ điện kéo xe vượt dốc. Nếu người lái nhấn nút "vượt dốc" lại một lần nữa, chế
độ vượt dốc sẽ tắt, xe chuyển sang hoạt động ở chế độ như trước.
e) Khi cần phải lùi xe, người lái kéo cần điều khiển chiều chuyển động của xe sang
vị trí "lùi", động cơ điện sẽ được cấp một
Bình

Máy phát
gasLPG
điện
điện áp ngược (đổi chiều cực tính) làm
động cơ điện đổi chiều quay kéo xe chạy
lùi. Trong trường hợp này, động cơ LPG và
động cơ điện sẽ có chiều quay ngược nhau,
Động
Động
cơ
cơ điện
để bảo đảm an toàn cho hệ thống, ly hợp
LPG
Cầu
điện từ phải luôn luôn ở trạng thái ngắt, tức là
Bộ Ly
chủ
hợp
điện
không thể thực hiện phanh tái sinh năng lượng
động
từ
hoặc hỗ trợ vượt dốc. Muốn dừng xe người lái
1,2m
Ghế
phải sử dụng hệ thống phanh thuỷ lực hoặc
ngồi
phanh tay được trang bị trên xe.
Bình
accu

Để đề phòng trường hợp khi xe dừng,
người lái nhả bàn đạp ga và không tắt hệ
thống điện toàn bộ xe, hệ thống phanh tái
sinh năng lượng đang hoạt động, dòng điện
kích từ có thể làm nóng cuộn dây kích từ
của máy phát điện và làm tổn hao năng lượng,
một rơ le điện từ sẽ điều khiển cắt dòng
điện kích từ khi tín hiệu từ cảm biến tốc
độ xe nhỏ hơn mức cho phép.

Hình 5: Thiết kế bố trí các bộ phận của hệ thống
động lực lên chassi ô tô lai

Tất cả mọi chế độ hoạt động của xe sẽ được một bộ điều khiển trung tâm (gọi tắt
là ECC - Electronic Control Center) điều khiển thông qua các tín hiệu vào từ cảm biến
vị trí bàn đạp ga, vị trí các cần hoặc nút điều khiển, cảm biến tốc độ xe và các tín
hiệu ra đến bộ điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ điện, cuộn dây điện từ của bộ ly
hợp điện từ, rơ le đóng ngắt mạch điện kích từ của máy phát điện và bộ điều tốc của
động cơ LPG.
Trên cơ sở phân tích điều
kiện làm việc trên đây của ô tô lai,
chúng tôi đã tính toán thiết kế hệ
thống động lực của ô tô. Hình 5 giới
thiệu sơ đồ bố trí hệ thống động lực
trên xe. Mô phỏng bố trí hệ thống
động lực trong không gian ba chiều
được trình bày trên hình 6. Tỷ lệ
Hình 6: Mô phỏng hệ thống động lực của ô tô lai hai
chỗ ngồi trong không gian ba chiều

phân bố tải trọng giữa hai cầu xe là 50%-50%; cầu xe sử dụng kiểu treo độc lập và cầu
chủ động là cầu trước. Xe có chiều dài 1,6m và chiều rộng 1,2m.
Như chúng ta đã biết, vấn đề nan giải nhất của ô tô chạy điện là lưu trữ điện năng
bằng accu. Muốn tăng quãng đường hoạt động độc lập của ô tô, chúng ta phải tăng khối lượng
accu do đó tự trọng của ô tô sẽ tăng. Hơn nữa, khi sử dụng hết bình ắc quy, thời gian nạp lại
là khá dài, thường kéo dài từ 8 đến 10 giờ đồng hồ. Ô tô lai phụ trợ khắc phục được trở ngại
này bằng cách cho động cơ LPG cung cấp điện nạp cho accu song song với quá trình sử
dụng khi cần thiết. Ưu điểm của động cơ nhiệt kéo máy phát điện là nó luôn làm việc với
chế độ ổn định tối ưu làm tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường [5]. Trong thiết
kế này có thể dùng 8 bình accu Đồng Nai N12V-50AH.
Theo tính toán, để đạt được các tính năng yêu cầu, động cơ điện sử dụng phải có
công suất tối thiểu 4,5kW. Chọn động cơ điện một chiều kiểu ZYT145/06-90 của Trung
Quốc có hiệu điện thế 90V, tốc độ quay định mức 3.000 v/ph và mô men xoắn cực đại
60 Nm. Để hệ thống có thể hoạt động bình thường, chọn cụm động cơ nhiệt - máy phát
điện có công suất tương đương. Với quan điểm ưu tiên sử dụng những thiết bị có sẵn trên
thị trường, chọn động cơ xe gắn máy có dung tích xi lanh 110cc và máy phát điện xoay
chiều 263-A sử dụng trên xe ô tô tải -540 với điện áp 28V công suất 4,5kW. Động
cơ xe gắn máy 110cc nguyên thủy chạy bằng xăng có công suất cực đại 5,5kW được cải tạo
sang chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG [6]. Các thiết bị lựa chọn này có khối lượng nhỏ
hơn các loại khác có công suất tương đương.
4. Kết luận
Ô tô lai hai chỗ ngồi sử dụng động cơ điện chạy bằng accu và động cơ đốt trong
chạy bằng khí gas hóa lỏng LPG là ô tô cá nhân phù hợp với điều kiện Việt Nam cả về
điều kiện sử dụng lẫn khả năng cung cấp năng lượng và bảo vệ môi trường.
Hệ thống động lực của xe đã được tính tóan, thiết kế với việc sử dụng các trang
thiết bị có sẵn cho thấy khả năng chế tạo ô tô nói trên là hiện thực.
Một mô hình ô tô lai điện-nhiệt 2 chỗ ngồi cần được chế tạo để đánh giá tính
năng của ô tô trước khi đưa vào sản xuất.

TI LIU THAM KHO
[1]
[2]
[3]

[4]

[5]

[6]

Bob Brant, Build your own electric vehicle, Mc Graw Hill Book, 1994.
Vn Dng, H thng in v in t trờn ụ tụ hin i, i hc S phm K thut
Thnh ph H Chớ Minh, 2003.
Bựi Vn Ga, Trn Vn Nam, Planning Urban Transport System for Danang City,
ICAT 2002, PROCEEDINGS International conference on automotive technology,
paper 032, Science and Technics publishing house.
Bựi Vn Ga, H Tn Quyn, Nhan Hng Quang, Phng tin giao thụng sch phự
hp vi iu kin Vit Nam, Hi ngh Nghiờn cu Khoa hc, chuyn giao cụng ngh
mụi trng phc v o to v bo v mụi trng cụng nghip, Thnh ph H Chớ
Minh, ngy 22-23/8/2003.
Bui Van Ga, Combustion of LPG-air lean mixture and its application on motorcycle
engines, The ASEM workshop on EU/ASIA Science and Technology co-operation on
clean technology, Hanoi, 3-4 November, 2004.
Bựi Vn Ga, Bựi Th Minh Tỳ, H thng nhiờn liu ca xe gn mỏy chy bng ga
LPG, Tp chớ Giao thụng vn ti, s 10/2004, pp. 23-24 v 27.


[7]

[8]
[9]
[10]
[11]

Bùi Văn Ga, Hồ Sỹ Xuân Diệu, Ô tô hybrid: Phương tiện giao thông cá nhân ô sạch
phù hợp với điều kiện Việt Nam, Hội nghị Khoa học-Công nghệ, Kỷ Niệm 40 năm
Ngày Thành lập Cục Đăng Kiểm Việt Nam, pp. 165-172, Hà Nội 16-4-2004.
Nguyễn Quân, Thiết kế hệ thống động lực ô tô lai điện-nhiệt hai chỗ ngồi, Luận văn
Thạc sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, 2004.
Website: hppt://www.dc-motors.globalspec.com.
Website: hppt://www.smart.com.
Website: hppt://www.toyota.com.