NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HYBRID SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY

MỤC LỤC
1. THS. NGUYỄN QUÂN, NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
ĐỘNG LỰC HYBRID SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY……………1
2. THS. LÊ ĐẠI VƯƠNG, CHẾ TẠO BIẾN TỬ LANGEVIN TRÊN CƠ SỞ
HỆ VẬT LIỆU 0,8PB(ZR0,48TI0,52)O3–0,125PB(ZN1/3NB2/3)O3–
3.

4.
5.
6.

7.

8.

0,075PB(MN1/3NB2/3)O3 PHA TẠP CUO ………………………………….14
THS HÀ VĂN TUẤN - THS LÊ MINH TRÍ, NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG
MÔ HÌNH SẤY KẾT HỢP HAI CHẾ ĐỘ NÓNG, LẠNH ĐỂ SẤY THẢO
DƯỢC…………………………………………………………………………..24
THS ĐINH VIẾT THẮNG, HỆ THỐNG GIÁM SÁT MẮT ĐIỀU KHIỂN
ỨNG DỤNG TRÊN MÁY TÍNH DÙNG FPGA…………………………...32
THS TRỊNH NGỌC CHÂU, HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG SỨC GIÓ
KIỂU TĂNG TỐC……………………………………………………………..41
TS LÊ VĂN LUẬN – THS LÊ ĐÌNH HIẾU, NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ,
CHẾ TẠO HỆ THỐNG TƯỚI ĐA NĂNG SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
AVR……………………………………………………………………………...48
THS HÀ VĂN TUẤN, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH
DIỆN TÍCH THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU DÀN CÓ CÁNH TẢN
NHIỆT…………………………………………………………………………..62

THS CAO CHÁNH THÔNG, NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY THÁI
SẮN……………………………………………………………………………...68

9. THS LÊ THỊ XUÂN, TÁCH, LÀM GIÀU YTRI TỪ HỖN HỢP LA, ND, Y
BẰNG HỖN HỢP TRIBUTYL PHOTPHAT VÀ AXIT 2,4,4TRIMELPENTYL 2,4,4-TRIMETYLPENTYL PHOTPHONIC…………79
10. THS HÀ VĂN TUẤN, NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN
PHẨM SẤY NGHỆ VÀNG BẰNG MÁY SẤY NÓNG – LẠNH…………..86
11. THS NGUYỄN NGỌC TRÁC, CHẾ TẠO VẬT LIỆU LÂN QUANG
CAAL2O4: EU2+, GD3+ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ KẾT HỢP KỸ THUẬT
VI SÓNG……………………………………………………………………………94
12. THS NGUYỄN VĂN ANH, TS NGUYỄN HỮU CHÚC, KS HOÀNG PHI
TIẾN, MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN
CNC………………………………………………………………………………………101

13. THS. NGUYỄN THỊ HẢI THƯƠNG, PHƯƠNG PHÁP TRỰC QUAN
TRONG GIẢNG DẠY VĂN HÓA VIỆT NAM: VAI TRÒ BẢO TỒN VÀ
PHÁT TRIỂN VĂN HÓA DÂN TỘC …………………………………………110


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HYBRID SỬ
DỤNG TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY
ThS. Nguyễn Quân
I. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Hiện nay, phương tiện giao thông là một trong những tác nhân lớn gây ô nhiễm
môi trường nghiêm trọng. Do đó, yêu cầu cấp bách đặt ra cho các nhà nghiên cứu
là phải tìm ra nguồn động lực sạch không gây ô nhiễm (zero emission) để trang bị

cho phương tiện giao thông. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm
gần đây như: hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel; cải tiến quá trình cung cấp
nhiên liệu và đánh lửa trên động cơ xăng; sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như:
LPG (Liquid Petroleum Gas), khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện,
pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời; phối hợp nguồn động lực lai (hybrid) điện nhiệt.
Tất cả các giải pháp trên đều có những ưu và nhược điểm riêng. Trong đó, giải
pháp được đánh giá tốt nhất hiện nay là sử dụng nguyên lý lai (hybrid) cho nguồn
động lực sử dụng trên phương tiện giao thông vận tải. Động cơ lai sẽ kết hợp được
ưu điểm của hai động cơ thành phần và hạn chế những nhược điểm của chúng nên
tạo ra được hiệu suất tổng hợp rất cao và đồng thời giảm thiểu phát thải khí gây ô
nhiễm môi trường. Vì vậy mà công nghệ lai đã được các nhà sản xuất ô tô và xe
máy trên thế giới tập trung nghiên rất nhiều trong những năm gần đây.
II. KHẢO SÁT CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ
HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC LAI (HYBRID) TIÊU BIỂU ĐƯỢC SỬ DỤNG
TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY TRONG NHỮNG NĂM GẦN ĐÂY


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 2

1. Piaggio hybrid scooter
Đối với các hãng sản xuất xe máy, công nghệ lai (Hybrid) quả thực là một vấn
đề khó khi áp dụng trên những mẫu xe máy thương mại mang tính chất phổ thông.
Ngoài việc có chi phí sản xuất cao, việc đưa ra giải pháp sử dụng động cơ điện và
động cơ đốt trong có thể phối hợp nhịp nhàng và mang lại hiệu quả cao khi vận
hành luôn là một bài toán khó, đòi hỏi tư duy sáng tạo và công nghệ vượt thời gian
của những nhà sản xuất. Chính vì vậy trong thời điểm hiện tại, những mẫu xe máy
Hybrid mỗi khi xuất hiện chưa thể là một giải pháp hoàn hảo cho các phương tiện
di chuyển cá nhân, thế nhưng nó lại mang ý nghĩa lớn về trình độ và đẳng cấp của

từng hãng xe.
Nhà sản xuất xe máy Italia - Piaggio sẽ trở thành công ty đầu tiên trang bị hệ
truyền động hybrid cho xe scooter (xe hai bánh thiết kế dành cho quý bà). Mới
đây, hãng thông báo kế hoạch phát triển những phiên bản hybrid dành cho Vespa
LX, Piaggio X8 và chiếc scooter 3 bánh Vespa MP3.

Hình 1: Động cơ lai HyS Vespa MP3.

Hệ truyền động lai mang tên HyS (Hybrid Scooter) có thể vận hành ở chế độ
chỉ động cơ điện hoặc ở chế độ kết hợp (hybrid) giữa động cơ xăng với động cơ


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 3

điện. Piaggio HyS là hệ thống lai song song trong đó một động cơ đốt trong và
một động cơ điện tích hợp vào vỏ động cơ chung và đồng thời cũng được điều
khiển chung bằng một hệ thống điện tử. Cả hai động cơ này đồng thời cung cấp
năng lượng cho bánh sau bằng bộ truyền động đai vô cấp. Hệ thống điều khiển
điện tử kết hợp hai động cơ nhằm đem lại khả năng tăng tốc nhanh hơn và giúp
giảm đáng kể việc tiêu thụ nhiên liệu (1,67 lít / 100km), ngoài ra khí thải C02 chỉ
còn 40g/km khi sử dụng 65% chế độ hybrid và 35% chế độ điện. HyS cũng sử
dụng hệ thống phanh tái sinh giúp thu hồi năng lượng thường xuyên bị mất đi
trong quá trình phanh. Ngoài ra, dòng scooter này còn có thể nạp lại ắc quy từ
nguồn điện sinh hoạt 220V. Hộp số tự động, hệ thống đánh lửa điện tử và khởi
động tự động giúp người sử dụng dễ dàng vận hành xe trong đô thị cũng như ở
vùng ngoại thành.
Piaggio HyS sử dụng giải pháp công nghệ vô cùng tân tiến và phức tạp nhưng
vẫn dễ sử dụng. Một công tắc dùng để chọn một trong các chế độ vận hành: hybrid

hoặc điện. Trong chế độ kết hợp, HyS điều khiển công suất đầu ra từ hai động cơ
xăng và điện, thông qua hệ thống điều khiển điện tử (SGE) nhằm tăng công suất
và chọn tỷ số truyền phù hợp với trạng thái vận hành của xe. Suốt quá trình giảm
tốc độ và phanh, hệ thống điều khiển thu hồi công suất bị mất và nạp vào ắc quy.
Công nghệ truyền động điện tử không chỉ cho phép hệ thống điều khiển kiểm soát
năng lượng đầu ra được kết hợp của hai động cơ mà còn điều khiển động cơ nhiệt
vận hành ở chế độ có hiệu suất cao nhất, vì vậy giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và
khí thải gây ô nhiễm môi trường. Tất cả những thông tin về công nghệ này vẫn
còn nằm trong vòng bí mật. Dự kiến, ba phiên bản đầu tiên của Piaggio HyS sẽ là
Vespa LX, Piaggio X8 và MP3 ba bánh. Theo thông tin ban đầu, HyS sử dụng một
động cơ xăng xy lanh đơn, 4 kỳ làm mát bằng chất lỏng, có dung tích 125cm 3,


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 4

công suất cực đại 11kW ở số vòng quay 8.500 vòng/phút, kết hợp với một động
cơ điện có công suất cực đại 2,6kW, sử dụng bộ nguồn ắc quy Lithium-ion gồm
3 bình 12V-26AH. Trên phiên bản X8 và MP3, ắc quy được dấu vào ngăn đựng
hành lý dưới yên xe, tuy nhiên, khoảng không này vẫn đủ lớn để đặt mũ bảo hiểm.
Mẫu Vespa LX hybrid, khoảng không gian phía dưới yên xe chỉ dùng để chứa ắc
quy, cốp đựng hành lý và mũ bảo hiểm sẽ được bố trí ở phía trên sau đuôi xe. Trên
bản điều khiển ở tay lái xe có lắp đặt một đồng hồ báo tình trạng lưu trữ điện của
ắc quy. Thời gian một lần nạp lại đầy bộ nguồn ắc quy bằng lưới điện 220V là
khoảng 3 giờ. Tổng trọng lượng toàn bộ động cơ và ắc quy của hệ thống HyS là
khoảng 30kg.
2. Yamaha HV-X Hybrid Scooter
Được giới thiệu tại triển lãm Tokyo Motor Show 2009, Yamaha HV-X được
xem như mẫu xe máy hybrid có tính thực tế cũng như khả năng vận hành hoàn hảo

trong mọi điều kiện sử dụng. Yamaha HV-X Hybrid được trang bị một động cơ
điện 300V, công suất tối đa 15kW với bộ ắc quy loại Lithium-ion và động cơ đốt
trong xy lanh đơn, 4 kỳ, 250cm3 với bộ truyền động đai vô cấp dẫn động đến
bánh xe sau chủ động.

Hình 2: Sơ đồ cấu tạo xe Yamaha HV-X
Hybrid Scooter.


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 5

Yamaha HV-X Hybrid có cách bố trí các bộ phận trong hệ thống động lực khá
phức tạp. Tại vị trí đặt bình chứa nhiên liệu truyền thống là một hệ thống bộ nguồn
ắc quy cỡ lớn và hệ thống điều khiển điện tử trung tâm (IC điều khiển).
Trong khi đó, bình chứa nhiên liệu dành cho động cơ đốt trong được chuyển xuống
phía đuôi xe. Phía dưới bộ vỏ nhựa là những chi tiết động cơ phức tạp được sắp
xếp dày đặc trên khung xe. Hệ thống động cơ xăng và động cơ điện của HV-X
được điều khiển chung bằng bộ IC trung tâm. Trong điều kiện xe vận hành ở tốc
độ đều hoặc tăng giảm tốc nhẹ (chậm), hệ thống điều khiển điện tử sẽ kích hoạt
động cơ điện và ngắt hệ thống động cơ xăng giúp chiếc xe vận hành ở chế độ êm
dịu, tiết kiệm nhiên liệu. Trong khi đó, khi xe cần vận hành ở công suất tối đa như
leo dốc hoặc vận hành trên đường cao tốc, hệ thống điều khiển trung tâm sẽ kích
hoạt cả hai hệ thống động cơ xăng và động cơ điện cùng hoạt động. Như vậy, có
thể nhận thấy rõ mục đích sử dụng của từng kiểu động cơ trong hệ thống truyền
động lai này là: động cơ điện sẽ được dùng chủ yếu, thường xuyên trong quá trình
xe chạy và khi đi đường trường hoặc vượt dốc thì động cơ xăng mới hoạt động.
Ngoài ra, khi nguồn điện của ắc quy đã hết, xe có
thể chạy bằng động cơ xăng như một chiếc xe máy bình thường khác.

3. Honda Hybrid Scooter
Ngày 24 tháng 8 năm 2004, Honda đã giới thiệu mẫu xe lai đầu tiên kiểu dáng
“scooter” với khả năng giảm khí thải gây ô nhiểm môi trường và tiết kiệm nhiên
liệu. Xe lai này kết hợp hoạt động của một động cơ đốt trong phun xăng điện tử
50cm3 và một động cơ điện kiểu xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau
của xe. Hệ thống sử dụng một bình ắc quy niken - hyđrua kim loại (Ni-MH) để
lưu trữ năng lượng. Khi chạy trên đường bằng phẳng trong thành phố, một mình


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 6

động cơ điện sẽ dẫn động xe chạy với tốc độ đạt 30 km/h. Khi cần lực phát động
lớn như tăng tốc hoặc lên dốc thì động cơ đốt trong sẽ kết với động cơ điện thông
qua bộ truyền động đai vô cấp để tăng thêm công suất kéo. Để tận dụng năng
lượng, khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc thì động cơ điện sẽ trở thành máy phát điện
nạp điện vào ắc quy. Mẫu xe này có hiệu suất rất cao và giảm được 37% nồng độ
CO trong khí thải so với xe máy cùng công suất.

Hình 3: Honda hybrid Scooter.
4. Toyota Hybrid System II (THS II)
Hệ thống gồm có hai loại nguồn công suất, một động cơ xăng hiệu suất cao sử
dụng chu trình nhiệt Atkinson, là một chu trình tỷ số nén cao kết với một động cơ
điện đồng bộ xoay chiều (AC) nam châm vĩnh cửu, một máy phát, nguồn ắc quy
Niken - Hydrua kim loại (Ni - MH) hiệu suất cao và một điều khiển công suất. Bộ
điều khiển công suất này có thiết kế một mạch điện tăng áp cao để nâng điện áp
của hệ thống cung cấp công suất cho động cơ điện và máy phát đến một điện áp
cao đạt 500V, ngoài ra một bộ biến đổi AC-DC để chuyển đổi dòng điện xoay
chiều (AC) sử dụng trên động cơ điện và máy phát thành dòng điện một chiều

(DC) lưu trữ trên nguồn ắc quy và ngược lại. Một bộ phận quan trọng khác nữa là
bộ phân chia công suất sử dụng cơ cấu vi sai, nhằm phân phối mô men quay từ


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 7

động cơ xăng đến động cơ điện và máy phát một cách tối ưu theo mọi chế độ vận
hành của ô tô.

Bộ điều khiển công suất tự động điều khiển một cách chính xác những hoạt
động của động cơ xăng, máy phát và động cơ điện sao cho chế độ làm việc đạt
được hiệu suất cao nhất. Nguyên lý hoạt động của động cơ THS II được chia
thành sáu chế độ đặc trưng và được mô tả như sau:
- Khởi hành từ tốc độ thấp tới trung bình: Động cơ xăng không hoạt động vì
ở vùng tốc độ này hiệu suất nhiệt thấp, lúc này xe chỉ chạy bằng động cơ điện như
mô tả ở hình 4 với dòng truyền công suất "A".
- Vận hành ở điều kiện bình thường: Công suất của động cơ xăng được bộ vi
sai phân phối công suất chia thành hai phần, một phần làm quay máy phát tạo ra
dòng điện cung cấp cho động cơ điện (dòng "B"), phần còn lại của công suất được
truyền động trực tiếp đến bánh xe chủ động (dòng "C"). Tỷ lệ độ lớn của mỗi dòng
công suất "B" và "C" phụ thuộc vào tỉ số truyền trên mỗi nhánh của bộ vi sai. Sự
phân phối công suất theo nguyên lý này giúp động cơ xăng luôn chạy ở tốc độ
quay cao nhưng sức kéo đáp ứng được yêu cầu của lực cản khi xe chạy. Nhờ tránh
được vùng làm việc ở tốc độ quay thấp nên động cơ xăng có hiệu suất cao và giảm
nồng độ khí thải gây ô nhiễm môi trường. Một phần công suất dư thừa của động


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 8

cơ xăng được máy phát thu nhận và nạp điện cho ắc quy lưu trữ để sử dụng khi
cần.
- Gia tốc đột ngột: Khi đạp ga đột ngột, hệ thống điều khiển sử dụng hết công
suất phát ra của động cơ xăng theo dòng "B" và "C", đồng thời nhận thêm
dòng điện từ ắc quy để tăng công suất cho động cơ điện theo dòng "A".

- Giảm tốc độ hoặc phanh lại: Động cơ xăng ngừng hoạt động, động cơ điện
đóng vai trò là một máy phát nhận công suất từ các bánh xe (động năng quán
tính) và tạo ra dòng điện cao áp nạp lại cho ắc quy theo dòng "D".
- Tự nạp lại nguồn ắc quy: Khi dung lượng điện chứa trong ắc quy còn thấp
hơn mức cho phép, động cơ xăng sẽ được kích hoạt chạy và kéo máy phát
điện để tự nạp lại ắc quy theo dòng "E".
- Dừng xe: Động cơ xăng và động cơ điện tự động dừng.
Hệ thống lai THS II có bốn đặc trưng sau:
- Giảm mất mát năng lượng: Hệ thống tự động tắt động cơ xăng khi xe dừng
để giảm bớt sự lãng phí năng lượng khi động cơ chạy không tải.


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 9

- Tái sử dụng lại năng lượng: Năng luợng mà bình thường bị biến thành nhiệt
khi phanh đã được khôi phục thành năng lượng điện nạp lại cho nguồn ắc
quy.
- Động cơ điện hỗ trợ tăng tốc: Động cơ điện cùng kết hợp với động cơ xăng
nhằm tăng công suất trong suốt quá trình gia tốc.

- Điều khiển hoạt động hiệu suất cao: Động cơ điện hoạt động chủ yếu ở tốc
độ thấp và động cơ xăng hoạt động chính ở tốc độ cao nhờ đó mà khắc phụ
được nhược điểm của động cơ xăng khi chạy ở tốc độ thấp.

Thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống lai THS II (HSD) như sau:
- Động cơ xăng 4 kỳ; 4 xi lanh; tổng dung tích xi lanh 1,5 lít; công suất cực
đại 57kW ở số vòng quay 5000 vòng/phút.
- Động cơ điện xoay chiều đồng bộ công suất 50kW, hiệu điện thế 500V.
- Ắc quy: Nickel-metal hydride (Ni-MH), hiệu điện thế 500V-100AH.
5. Honda Hybrid Car
Hệ thống lai mới nhất hiện nay của Honda được thiết kế cho ô tô du lịch NEW
INSIGHT, kiểu động cơ i-VTEC 3-Stage IMA (Integrated Motor Assist).


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 10

Đây là hệ thống lai kiểu kết hợp song song giữa động cơ xăng và động cơ điện.
Động cơ xăng là loại 4 kỳ 4 xi lanh, dung tích xi lanh 1.3 lít, công suất 65kW ở số
vòng quay 5.800 vòng/phút, hệ thống phân phối khí sử dụng công nghệ iVTEC 3Stage với ba chế độ điều khiển xu páp: đóng hoàn toàn tất cả các xu páp ở trạng
thái nghỉ, đóng mở bình thường và đóng mở tăng cường khi chạy ở tốc độ cao.
Động cơ điện là loại một chiều không chổi than (DC brushless motor), hiệu điện
thế 100V, công suất 10kW ở số vòng quay 1.500 vòng/phút. Bộ nguồn ắc quy là
loại Ni-MH (Nickel - Metal Hydride), dung lượng 100V-200AH. Cả động cơ xăng
và động cơ điện được kết hợp nối cứng với nhau và cùng truyền mô men xoắn đến
bánh xe chủ động thông qua bộ truyền động đai vô cấp. Động cơ điện được thiết
kế có kích thước tương đương như một bánh đà và được lắp vào đúng vị trí của
bánh đà động cơ xăng, do đó, rô to của động cơ điện có vai trò tạo quán tính thay
thế bánh đà. Toàn bộ hệ thống được điều khiển hoạt động phối hợp công suất một

cách tự động thông qua bộ điều khiển điện tử PCU (Power Control Unit).
Động cơ xăng
Động cơ điện
Truyền động
đai vô cấp

Động cơ điện

Hình 7: Cấu tạo động cơ Honda Hybrid IMA
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống Honda Hybrid IMA như sau:


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 11

- Khởi hành và chạy với vận tốc chậm: Chỉ một mình động cơ điện hoạt động,
lúc này động cơ xăng ở trạng thái nghỉ. Vì động cơ điện được lắp nối cứng với
động cơ xăng nên trục khuỷu quay theo. Để giảm tổn hao công suất trong các xi
lanh, hệ thống i-VTEC điều khiển cơ cấu phân phối khí đóng hoàn toàn tất cả các
xu páp (cam không điều khiển mở xu páp).
- Chạy bình thường với vận tốc từ trung bình trở lên: Chỉ một mình động cơ
xăng hoạt động, động cơ điện ở trạng thái nghỉ (không cấp nguồn), rô to của động
cơ điện có vai trò là một bánh đà của động cơ xăng. Trong trường hợp này, nếu ắc
quy hết điện, động cơ điện được điều khiển trở thành một máy phát điện và nhận
một phần công suất từ động cơ xăng để nạp điện cho ắc quy.
- Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao: Hệ thống điện tử PCU sẽ điều khiển
cả động cơ xăng và động cơ điện cùng kết hợp công suất để tăng sức kéo cho ô tô.
- Giảm tốc hoặc phanh xe: Động cơ xăng được điều khiển chuyển sang trạng
thái nghỉ (tất cả các xu páp đều đóng) và động cơ điện trở thành một máy phát

điện nhận động năng quán tính từ ô tô biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy.
- Dừng xe: Cả hai động cơ đều ngừng hoạt động.
Cấu tạo theo nguyên tắc này giúp động cơ nhỏ gọn và nhẹ hơn so với hệ thống
THS II của Toyota. Tuy nhiên, do hệ thống IMA chỉ kết hợp lai song song nên
hiệu quả tổng thể sẽ không bằng hệ thống THS II của Toyota.
III. KẾT LUẬN
- Hệ thống truyền động lai (hybrid) phối hợp công suất giữa một động cơ xăng
và một động cơ điện đã đem lại hiệu suất cao và hạn chế khí thải gây ô nhiễm môi
trường cho ô tô và xe máy. Việc kết hợp hoạt động của hai loại động cơ nói trên
nhằm phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của mỗi loại động cơ thành


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 12

phần. Động cơ điện có ưu điểm là hiệu suất cao, vận hành êm dịu, kích thước nhỏ
gọn, thu hồi được năng lượng hao phí trong quá trình giảm tốc, . . . , nhưng có
nhược điểm là năng lượng lưu trữ bằng ắc quy không đủ lớn để xe chạy được lâu
dài và đồng thời việc nạp lại ắc quy thường kéo dài từ 3 đến 6 giờ là vượt quá khả
năng chờ đợi của một chiếc xe đang vận hành. Động cơ xăng có ưu điểm là có thể
chạy lâu dài với lượng xăng lưu trữ trên xe và việc nạp lại nhiên liệu cũng rất đơn
giản, nhưng động cơ xăng có hiệu suất thấp và thải khí cháy gây ô nhiễm môi
trường, đặc biệt tốc độ vận hành càng thấp thì nhược điểm càng tăng. Hiện nay,
động cơ lai (hybrid) đang ngày càng được đầu tư nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi
trên thế giới để sử dụng làm nguồn động lực cho ô tô và xe máy.
- Nhìn chung, các hệ thống lai đều sử dụng động cơ xăng làm nguồn cung cấp
năng lượng chính, các đời xe từ năm 2010 trở đi bắt đầu xuất hiện thêm những hệ
thống lai kiểu "Plug in hybrid", nạp lại ắc quy bằng điện lưới dân dụng 220V.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ĐỖ VĂN DŨNG - Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại. Đại học
Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh - 2003.
[2] HỒ SỸ XUÂN DIỆU - Nghiên cứu chế tạo ô tô lai (hybrid) hai chỗ ngồi.
Luận án tiến sỹ ngành động cơ nhiệt, Đại học Đà Nẵng - Tháng 12 năm 2009.
[3] MARC HERWALD - Control design and analysis of an advanced
induction motor electric vehicle drive. Thesis submitted to the degree of
Master of Science in Electrical Engineering of the Virginia Polytechnic
Institute and State University, USA - April 1999.
[4] Website:
[5] Website: .


Khoa học và Công nghệ số 3
[6] Website: .
[7] Website: .
[8] Website: .
[9] Website: .
[10] Website: .

Trang 13


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 14

CHẾ TẠO BIẾN TỬ LANGEVIN TRÊN CƠ SỞ HỆ VẬT LIỆU
0,8Pb(Zr0,48Ti0,52)O3–0,125Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0,075Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 PHA
TẠP CuO
Ths. Lê Đại Vương - Phan Đình Giớ

TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng hệ vật liệu 0,8Pb(Zr 0,48Ti0,52)O3–
0,125Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0,075Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 (PZT - PZN – PMnN ) pha tạp
CuO để chế tạo các biến tử phát siêu âm kiểu Langevin sử dụng cho máy rửa siêu
âm. Kết quả nghiên cứu các tính chất điện của biến tử hình xuyến cho thấy, hệ
gốm PZT - PZN – PMnN pha tạp CuO rất có triển vọng trong việc ứng dụng để
chế tạo biến tử phát siêu âm công suất. Các mẫu biến tử chế tạo có tính chấp điện
tốt: hệ số liên kết điện cơ kp cao, hệ số phẩm chất Qm lớn, tổn hao nhỏ (tan =
0.004) phù hợp để chế tạo máy rửa siêu âm công suất.
I. MỞ ĐẦU
Siêu âm là một lĩnh vực khoa học đang phát triển nhanh trên thế giới, tuy
nhiên, ở Việt Nam, lĩnh vực này vẫn phát triển ở một phạm vi nhỏ hẹp, chưa thực
sự rộng rãi. Qua những nghiên cứu về siêu âm của các nhà khoa học trên thế giới
cũng như ở Việt Nam, có thể thấy rõ tiềm năng của siêu âm trong việc phục vụ
con người trong nhiều lĩnh vực : nông nghiệp, công nghiệp, địa chất-công trình,
khoa học vật liệu, thăm dò nguồn cá [1, 2, 3, 4].
Vật liệu áp điện cứng chủ yếu được dùng làm các biến tử áp điện bức xạ siêu
âm công suất. Vật liệu thường dùng là PZT. Các hãng sản xuất thiết bị dùng biến
tử áp điện bức xạ siêu âm không công bố thành phần vật liệu mà chỉ dùng các tên
thương mại như PZT4, PZT5, PZT8... do đó việc xác định được thành phần phối
liệu phù hợp là hết sức quan trọng trong quá trình chế tạo biến tử [6,7,8,9].


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 15

Biến tử phát siêu âm sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch biến đổi năng lượng
điện thành năng lượng cơ học thông qua sóng siêu âm. Hiện nay tại bộ môn Vật
lý chất rắn, Khoa Vật lý trường ĐHKH Huế đang quan tâm nghiên cứu chế tạo

các loại biến tử siêu âm nhằm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như làm sạch bằng
sóng siêu âm, máy phát siêu âm công suất đa tần, máy phát siêu âm dưới nước,
biến tử phát siêu âm dùng trong thiết bị kiểm tra không phá huỷ bê tông [2,
5,6,7,8,9]. Có thể nói, biến tử phát siêu âm đã quyết định một phần không nhỏ vào
hiệu quả của thiết bị sử dụng sóng siêu âm hiện nay.
Trong bài này chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo biến tử ghép
phát siêu âm hình xuyến có kích thước lớn (35 x 12 x 6 mm) (43 x 12 x
6mm) từ gốm áp điện PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO và nghiên cứu các tính chất
điện cơ của các biến tử nói trên.
II. THỰC NGHIỆM
Các biến tử được chế tạo theo công nghệ truyền thống kết hợp với phương
pháp

BO

có

công

thức

0,8Pb(Zr0,48Ti0,52)O3–0,125Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–

0,075Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 + 0,1% kl CuO.
Nguyên liệu ban đầu là các oxyt: PbO (99%), ZrO2 (99%), TiO2 (99%),
Nb2O5 (99,9% Merck), ZnO (99%) MnO2 (99%) và CuO (99%). Quá trình tổng
hợp dung dịch rắn PZT–PZN–PMnN bao gồm hai giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Chế tạo hợp chất (Zn,Mn)Nb2(Zr,Ti)O6 (BO): Trộn các oxit
ZrO2, TiO2, ZnO, Nb2O5 và MnO2 nghiền trong 8 giờ và nung ở nhiệt độ 1100 oC
trong 2 giờ.

Giai đoạn 2: Tổng hợp dung dịch rắn PZT-PZN-PMnN: Trộn hỗn hợp BO đã
nghiền 6 giờ với oxyt PbO theo tỷ lệ ứng với mỗi mẫu. Hỗn hợp sau khi nghiền
trộn 8 giờ, được nung sơ bộ tại nhiệt độ 850 oC trong 2 giờ, sau đó nghiền 16 giờ,


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 16

ép thủy lực thành những viên có đường kính 45mm (BT1), 53mm (BT2), thiêu
kết ở các nhiệt độ 1100 oC trong 2 giờ đối với mẫu biến tử và 850oC trong 2 giờ
đối với mẫu nghiên cứu (đường kính 12mm).
Sự hình thành pha của các mẫu được nghiên cứu bởi phương pháp nhiễu xạ
tia X (D8 ADVANCE), hình ảnh vi cấu trúc của các mẫu được chụp bằng kính
hiển vi điện tử quét (HITACHI S-4800). Các biến tử được tạo điện cực bằng bạc
và phân cực trong dầu silicon tại nhiệt độ 130 oC, điện trường 12 kV/6cm trong
30 phút. Các phổ dao động cộng hưởng được đo từ các hệ đo tự động hóa HIOKI
3532.
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8
ADVANCE-Bruker - Sample M3-

850
Hình 1. Phổ nhiễu xạ tia X của
gốm PZT-PZN-PMnN +0,1%

Hình 2. Ảnh SEM của gốm PZT-PZNmẫu
PMnN +0,1%klCuO kl CuO

Hình 1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gốm nghiên cứu PZT-PZN-PMnN
+ 0.1 % kl CuO thiêu kết tại nhiệt độ 850 oC. Từ hình 1 cho thấy gốm có pha


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 17

perovskit với cấu trúc tứ giác không có pha lạ. Kích thước hạt gốm tương đối đồng
đều và xếp chặt được thể hiện như trên ảnh SEM (hình 2).
2. Chế tạo biến tử dạng đĩa

Hình 3. Hình thái bề mặt của các biến tử chế tạo
Trên hình 3 biểu diễn hình thái của các biến tử trước khi phủ điện cực và sau khi
phủ điện cực. Như đã thấy, các biến tử chế tạo gồm 2 nhóm, nhóm biến tử có kích
thước 35 mm (B1) và 43mm (B2) với các thông số hình học được cho ở bảng 1.
Bảng 1. Thông số hình học của các biến tử
Mẫu
Đường kính (mm)

Chiều dày (mm)

BT1

35

6

BT2

43

6

Để xác định tính chất áp điện của các biến tử chế tạo, phổ cộng hưởng radian
của các biến tử đã được đo tại nhiệt độ phòng bằng thiết bị HIOKI 3532 (hình 4).
Từ các phổ dao động, hệ số liên kết điện cơ kp, hệ số phẩm chất Qm đã được
xác định. Kết quả cho ở bảng 2.


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 18

Hình 4. Phổ cộng hưởng áp điện của các biến tử dạng đĩa BT1 và BT2.
Từ các phổ dao động, hệ số liên kết điện cơ kp, hệ số phẩm chất Qm đã được
xác định. Kết quả cho ở bảng 2.
Các biến tử đĩa chế tạo có các thông số áp điện tốt. Hệ số phẩm chất Q m và hệ
số liên kết điện cơ kp có giá trị cao. Đây là một thành công bước đầu của biến tử
chế tạo được trên cơ sở hệ gốm PZT-PZN-PMnN + 0,1%kl CuO. Với các thông số
về điện và cơ như vậy, chúng tôi tiến hành chế tạo các biến tử hình xuyến, chúng
sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo.
Bảng 2. Thông số áp điện của các biến tử
Mẫu

BT-1.1

Mật độ Độ co fr
fp
kp

(g/cm3 ngót
(kHz) (kHz)
)
7.72

BT-1.2 7.72
TB

7.72

Zmin

Qm

tan

(Ω)

19% 63.5

71.9

0.53

6.0

1461

0.005

19% 61.5

71

0.57

6.0

1329

0.005

0.55

6.0

1395

0.005

19% 62.5

71.45

BT-2.1 7.72

20% 50.7

58.4

0.56

5.9

1679

0.005

BT-2.2 7.72

20% 50.4

58.3

0.57

5.2

1865

0.005


Khoa học và Công nghệ số 3
TB

20%

7.72

Trang 19
50.45 58.2

0.57

5.55

1771

0.005

3. Chế tạo biến tử dạng hình xuyến
Từ các biến tử đĩa như ở hình 3, chúng tôi tiến hành dùng máy khoan với mũi
khoan kính để khoan biến tử đĩa trở thành biến tử hình xuyến có các thông số hình
học như ở bảng 3 và hình thái bên ngoài như ở hình 5.
Bảng 3. Thông số hình học của các biến tử xuyến
Đường kính ngoài Đường kính trong
mm)
(mm)
Mẫu
BT-1X
35
12
BT-2X

43

12

Chiều dày

(mm)
6
6

Hình 5. Hình thái bề mặt của các biến tử Langevin
Từ các phổ dao động cộng hưởng radian (hình 6), hệ số liên kết điện cơ k p, hệ số
phẩm chất Qm đã được xác định. Kết quả cho ở bảng 4.


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 20

Hình 6. Phổ cộng hưởng áp điện của các biến tử xuyến BT-1X và BT-2X.
Bảng 4. Thông số áp điện của biến tử dạng xuyến trên cở hệ gốm PZT – PZN PMnN + 0.1%kl CuO

Mẫu

Co ngót fr

fp

kp

Zmin Cs

Qm

D

ε(T)

BT – 1.1X 19%

50.2

54.2

0.43

15.2

1.62

906

0.004

1197

BT – 1.2X 19%

49.2

53.5

0.44

12.3

1.89

902

0.004

1176

BT – 1.3X 19%

49.9

54.2

0.44

12.7

1.65

999

0.004

1104

BT – 1.4X 19%

49.2

54.1

0.47

10.7

1.73

1011

0.004

1119

982

0.003

1110

0.44

955

BT – 2.1X 20%

43.4

47.5

0.46 8.7

BT – 2.2X 20%

43.3

47.5

0.46 9.5

2.72

842

0.004

1125

BT – 2.3X 20%

43.1

47.4

0.47 9.5

2.78

808

0.004

1146

BT – 2.4X 20%

43.1

47.5

0.47 8.8

2.87

828

0.004

1205

2.6


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 21
0.47

865

Từ bảng 4 cho thấy rằng, các biến tử hình xuyến được chế tạo trên hệ gốm
PZTPZN-PMnN pha tap CuO có các tính chất điện cơ tốt. Do đó chúng tôi tiến
hành lắp ghép các biến tử theo kiểu Lange vin “Sandwich” cho ở hình 7. Trong
đó, chúng tôi sử dụng 2 biến tử xuyến bề dày 6mm ghép với nhau và sử dụng lớp
trở kháng âm hợp lý cho trường hợp nửa bước sóng. Tổ hợp như thế dễ chế tạo
hơn và có nhiều ưu điểm như: hệ số phẩm chất cơ học cao hơn so với gốm, kim
loại dẫn nhiệt tốt nên có thể giảm nhiệt độ của biến tử khi hoạt động, hiệu suất làm
việc cao hơn và cải thiện được bức xạ cùng dải băng thông.

Hình 7. Biến tử ghép theo kiểu Langevin
Từ các biến tử lắp ghép trên hình 6, chúng tôi đã đo phổ dao động cộng hưởng,
kết quả cho ở hình 8.


Khoa học và Công nghệ số 3

Trang 22

Hình 8. Phổ cộng hưởng áp điện của các biến tử ghép kiểu Langevin BT-1G và
BT-2G
Với các thông số về điện và cơ như đã thảo luận ở trên, các biến tử Langevin
được chế tạo trên cơ sở hệ gốm PZT-PZN-PMnN + 0,1%kl CuO có khả năng ứng
dụng cao trong việc chế tạo máy rữa siêu âm, siêu âm phát hội tụ và các ứng dụng
khác.
V. KẾT LUẬN
- Bằng công nghệ gốm truyền thống kết hợp với phương pháp BO chúng tôi
đã chế tạo gốm PZT – PZN – PMnN không có pha pyochlore. Các biến tử chế tạo
(35 x 12 x 6 mm) (43 x 12 x 6mm) từ gốm áp điện PZT-PZN-PMnN pha
tạp CuO có các tính chất điện cơ tốt với hệ số liện kết điện cơ cao, tổn hao điện
môi thấp và hệ số phẩm chất Qm cao tổn hao thấp.

- Các biến tử dạng đĩa BT1 (d = 35mm) và BT2 (d = 43mm) có các tính chất
điện cơ tốt với hệ số liện kết điện cơ cao, tổn hao điện môi thấp và hệ số phẩm
chất Qm cao (kp = 0,57, tan = 0,005, Qm >1000, tương ứng)
- Các biến tử hình xuyến BT-1X ((35 x 12 x 6 mm)) và BT-2X ((35 x
12 x 6 mm)) có các tính chất điện cơ tốt với hệ số liện kết điện cơ, tổn hao điện
môi và hệ số phẩm chất Qm là 0,47, tan = 0,004, Qm >850, tương ứng.