nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền lực xe hybrid

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÔ PHI LONG

NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN VÀ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC XE HYBRID

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116

S K C0 0 4 6 5 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÔ PHI LONG

NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN VÀ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC XE HYBRID

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

Hướng dẫn khoa học:
TS. LÂM MAI LONG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

LÝ LỊCH KHOA HỌC

Dán hình
3x4 & đóng
mộc giáp lại
hình

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Ngô Phi Long
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 06/11/1978
Nơi sinh:Tiền Giang
Quê quán: 230, xã Tân Thành,Gò Công Đông, Tiền Giang
Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Giáo viên – Khoa Cơ Khí
Động Lực – Trƣờng Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng TPHCM
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 58/5/3, đƣờng số 5, P. Linh Trung, Q. Thủ Đức,
TP HCM
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0919446877
Fax:
E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 10/ 2002
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học SPKT Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ khí động lực
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: MÔ HÌNH HỆ THỐNG KHÓA
KHỞI ĐỘNG
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 05/2002, tại trƣờng Đại
Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn: TS. ĐỖ VĂN DŨNG
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2013 đến 10/ 2015
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học SPKT Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Tên luận văn: NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN VÀ TỔN HAO NĂNG LƢỢNG
TRÊN Ô TÔ HYBRID

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang i

Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 24/10/2015, Trƣờng Đại học SPKT Tp. Hồ Chí Minh
Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Lâm Mai Long
4. Tiến sĩ:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Tại (trƣờng, viện, nƣớc):
Tên luận án:
Ngƣời hƣớng dẫn:
Ngày & nơi bảo vệ:
5. Trình độ ngoại ngữ : Trình độ anh văn B
6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
2002-nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Trƣờng CĐKT Cao Thắng

Giáo viên

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN
(Ký tên, đóng dấu)

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Ngày 17 tháng 10 năm 2015
Ngƣời khai ký tên

Trang ii


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 08 năm 2015
Ký tên

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang iii


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

CẢM TẠ
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự
nổ lực cố gắng của bản thân còn có sự hƣớng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng

nhƣ sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên
cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Tiến Sĩ Lâm Mai Long, ngƣời thầy đã
hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin
gởi lời tri ân sâu sắc nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong Trƣờng
Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những
kiến thức quý báu cũng nhƣ tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá
trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những ngƣời đã không ngừng
động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập
và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và các bạn
đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và
thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận đƣợc những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2015
Học viên thực hiện

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang iv


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng trong hệ thống
truyền lực xe Hybrid
Thời gian nghiên cứu: từ 23/02/2015 đến 23/08/2015
Địa điểm nghiên cứu: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí
Minh.
Trên ô tô Hybrid, sử dụng phƣơng án dẫn động hỗn hợp vừa nối tiếp vừa song
song. Tùy theo tốc độ mà xe sử dụng phƣơng án nối tiếp hoặc kết hợp lực kéo.
Tốc độ thấp, cụ thể tốc độ xe nhỏ hơn 40 km/h. Xe sử dụng phƣơng án nối tiếp.
Động cơ xăng dẫn động máy phát điện nạp điện cho accu, tiếp theo accu cung cấp
điện cho động cơ điện để truyền lực kéo đến cầu chủ động. Ở trạng thái đƣờng đặc
tuyến là moment xoắn của động cơ điện.
Ở đây, ta có sự tổn hao năng lƣợng nhƣ sau: Toàn bộ cơ năng của động cơ xăng
chuyển thành điện năng nhờ máy phát điện, từ điện năng chuyển thành hóa năng, từ
hóa năng của accu lại chuyển thành điện năng để cung cấp cho động cơ điện. Cuối
cùng còn tổn hao truyền động cơ khí đến cầu chủ động.
Tốc độ cao, cụ thể tốc độ xe lớn hơn 40 km/h. Xe chạy ở chế độ kết hợp lực kéo
của động cơ điện và động cơ xăng. Động cơ xăng truyền động dến cần dẫn bộ
truyền bánh răng hành tinh. Tại đây, một phần cơ năng tuyền động trực tiếp đến
vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh, qua truyền động cơ khí đến cầu chủ động.
Phần năng lƣợng còn lại dẫn động bánh răng mặt trời, truyền động cho máy phát để
cung cấp điện cho accu và động cơ điện. Động cơ điện truyền động cho vành răng
bộ truyền bánh răng hành tinh, qua truyền động cơ khí đến cầu chủ động.
Ở đây, ta có sự tổn hao năng lƣợng theo hai hƣớng:
-

Tổn hao một phần cơ năng từ động cơ xăng từ cần dẫn bộ truyền bánh răng
hành tinh truyền động qua máy phát điện để chuyển thành điện năng, từ điện
năng chuyển thành hóa năng, từ hóa năng của accu lại chuyển thành điện
năng để cung cấp cho động cơ điện, moment từ động cơ điện dẫn động vành
răng bộ truyền bánh răng hành tinh.

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang v


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
-

Phần cơ năng còn lại của động cơ xăng từ cần dẫn bộ truyền bánh răng hành
tinh, truyền động trực tiếp đến vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh.

-

Công suất kết hợp của động cơ xăng và động cơ điện tại vành răng bộ truyền
bánh răng hành tinh, qua truyền lực cơ khí đến cầu chủ động. Từ vành răng
bộ truyền bánh răng hành tinh đến cầu chủ động, ta còn có tổn hao truyền
động cơ khí.

Hệ thống này có nhiều ƣu điểm so với các phiên bản chế tạo trƣớc đây. Sử dụng
đặc tuyến moment của động cơ điện ở tốc độ thấp để đáp ứng các chế độ moment
xoắn cực đại. Công suất của 2 loại động cơ đƣợc phối hợp tại cầu chủ động, ở tốc
độ cao để đáp ứng các chế độ công suất tối đa.

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang vi

Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

ABSTRACT
Thesis: Research on transmission and loss of energy on Hybrid’s powertrain
Research time: FromFebruary 23th, 2015toAugust 23th, 2015
Research location: HCMC University of Technology and Education.
The second generation Hybrid uses two ways of transmitting power, series and
parallel. Depending on vehicle speed, it will use the compatible way.
At low speed, in particular below 40 km/h, the vehicle will use the series way
of transmitting. The Gasoline engine drives the generatorand charges the battery,
and then the battery will provide electricity to the motor to drive wheels.
In this case, there are energy losses as follows: Total energy of Gasoline engine
is converted to electricity by generator, that electricity transforms into battery’s
chemical energy, and then chemical energy transforms into electricity to provide for
motor. Finally, the last loss is on powertrain.
At high speed, in particular above 40 km/h, the vehicle combines torque of both
motor and Gasoline engine. Gasoline engine transmits energy to planetary carrier.
Here, a part of energy is directly transmitted to ring gear and then to drive axle
through mechanical transmission. The remaining energy drives sun gear, then
drivesgenerator to supply electricity for the battery and motor. The motor drives
ring gear and then drive axle due to mechanical transmission.
In this case, there are two ways of losing energy:
-

A part of Gasoline engine’s energy is lost because of a complex

transmitting process from mechanical energy into electricity and then from
electricity back into mechanical energy to create torque to drive ring gear.
-

The remaining of Gasoline engine’s energy is transmitted to ring gear

from planetary carrier.

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang vii


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
-

Total energy of ring gear supplied by Gasoline engine and motor is

transmitted to drive axle due to mechanical transmission. There is another
loss from ring gear to drive axle, that is loss of mechanical transmission.
This system has many advantages over some early versions. It uses moment
curve of electric motor at low speed to create maximum torque. Total power of both
Gasoline engine and electric motor is combined at drive axle to meet operating
conditions with maximum power at high speed.

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang viii


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hƣớng dẫn
Lý lịch khoa học ........................................................................................................... i
Lời cam đoan ............................................................................................................. iii
Cảm tạ ........................................................................................................................ iv
Tóm tắt ........................................................................................................................ v
Abstract .....................................................................................................................vii
Mục lục ....................................................................................................................... ix
Danh sách cách chữ viết tắt .......................................................................................xii
Danh sách các hình.................................................................................................. xiii
Danh sách các bảng ................................................................................................... xv
Chƣơng I. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ...................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài. ......................................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và nƣớc ngoài. ................................................1
1.2.1. Khái quát về xe Hybrid II..................................................................................1
1.2.2. Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài nƣớc ngoài. .......................2
1.2.3. Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài trong nƣớc. ........................2
1.3. Mục đích của đề tài. .............................................................................................3
1.4. Nhận định và đề xuất hƣớng nghiên cứu. ............................................................3
1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu. ..............................................................................4
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ............................................................4
1.7. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu. ....................................................................4
Chƣơng II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................5
2.1. Giới thiệu chung. ..................................................................................................5
2.2. Khái niệm về sự tổn hao trong hệ thống truyền lực. ............................................8
2.2.1. Sơ đồ biến đổi năng lƣợng ................................................................................8
2.2.2. Sự biến đổi năng lƣợng trong hệ thống chuyển động. ....................................12
2.2.3. Thông số động học (TSĐH) của hệ thống truyền lực. ....................................13

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang ix


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
2.2.4.

Sự tổn hao năng lƣợng trong hệ thống truyền lực. .....................................14

2.2.5. Sự tổn hao năng lƣợng trên ô tô Hybrid II. .....................................................18
2.2.5.1. Ô tô vận hành ở tốc độ thấp. ........................................................................18
2.2.5.2. Ô tô chuyển động ở tốc độ cao. ....................................................................19
2.2.6. Tính toán tổn hao năng lƣợng các cụm chi tiết trong hệ thống truyền lực xe
Hybrid II. ...................................................................................................................20
2.2.6.1. Máy phát điện MG1. ...................................................................................20
2.2.6.2. Ắc quy điện áp cao HV. ...............................................................................21
2.2.6.3. Động cơ điện MG2. ......................................................................................23
Chƣơng III. SỰ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN
LỰC XE HYBRID II ..............................................................................................26
3.1. Tổng quát hệ thống truyền lực trên ô tô. ............................................................ 26
3.2. Tổng quát hệ thống truyền lực xe Hybrid II. .....................................................26
3.3. Các kí hiệu qui ƣớc. ...........................................................................................29
3.3.1. Động cơ đốt trong ...........................................................................................29
3.3.2. Động cơ điện (MG2) .......................................................................................29
3.3.3. Máy phát (MG1) .............................................................................................30
3.4. Các trạng thái chuyển động của xe. ...................................................................30
3.4.1. Khởi động động cơ. .........................................................................................30

3.4.2. Dẫn động bằng động cơ điện MG2. ................................................................32
3.4.3. Tăng tốc nhẹ bằng động cơ xăng. ...................................................................34
3.4.4. Xe chạy ở tải nhỏ. ...........................................................................................35
3.4.5. Xe chuyển động ở trạng thái tăng tốc mạnh. ..................................................36
3.4.6. Xe chạy lùi. .....................................................................................................38
3.5. Các trạng thái tái tạo năng lƣợng. ......................................................................38
3.5.1. Xe giảm tốc. ....................................................................................................38
3.5.2. Phanh bằng động cơ. .......................................................................................40
Chƣơng IV. SỰ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG VÀ

TỔN HAO TRÊN XE

HYBRID II. ..............................................................................................................42

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang x


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
4.1. Năng lƣợng từ động cơ truyền qua bộ truyền bánh răng hành tinh. ..................42
4.1.1. Quan hệ moment. ............................................................................................42
4.1.2. Quan hệ vận tốc góc. .......................................................................................42
4.2. Tổ hao năng lƣợng trong quá trình chuyển động của ô tô. ...............................44
4.2.1. Xe vận hành và tăng tốc nhẹ. ..........................................................................44
4.2.1.1. Moment kéo tại cầu chủ động và đƣờng đặc tính. ......................................45
4.2.1.2. Hiệu suất truyền động và tổn hao năng lƣợng. ............................................46
4.2.2. Vận tốc xe trên 40 km/h. .................................................................................47
4.2.2.1. Công suất kéo kết hợp hai loại động cơ và đƣờng đặc tính. ........................48

4.2.2.2. Hiệu suất hệ thống truyền động và tổn hao năng lƣợng. .............................51
Chƣơng V. CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ BẢN...............................55
5.1. Phƣơng trình cân bằng lực kéo và đồ thị. ..........................................................55
5.1.1. Phƣơng trình cân bằng lực kéo. ......................................................................55
5.1.2. Đồ thị cân bằng lực kéo. .................................................................................57
5.2. Các thông số động lực học. ................................................................................60
5.2.1. Xác định vận tốc cực đại của xe Vmax. ............................................................60
5.2.2. Xác định gia tốc cực đại của ô tô jmax. ............................................................61
5.2.3. Xác định khả năng leo dốc cực đại của ô tô max............................................62
KẾT LUẬN ..............................................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................64

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang xi


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BMTL : Biến mô thủy lực.
CVT

: Continuously Variable Transmission – Hộp số tự động vô cấp.

ECU

: Electronic Control Unit - Bộ điều khiển bằng điện tử

HS

: Hộp số.

HTTL

: Hệ thống truyền lực.

HV

: High – Voltage. Ắc quy điện áp cao.

LHTL

: Ly hợp thủy lực.

MG1

: Motor Generator 1- Máy phát điện MG1

MG2

: Motor Generator 2- Động cơ điện MG2

TSĐH

: Thông số động học.

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang xii


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Hình dạng xe Pirus II ................................................................................. 5
Hình 2.2: Màn hình đa thông tin ................................................................................ 6
Hình 2.3: Toyota Prius - xe tiết kiệm nhiên liệu nhất tại Mỹ .................................... 7
Hình 2.4: Các đặc tính vào và ra tại các điểm khác nhau trong hệ thống truyền lực. 8
Hình 2.5: Sơ đồ dòng năng lƣợng trên xe Hybrid II .................................................. 9
Hình 2.6: Đƣờng đặc tuyến moment của động cơ xăng. .......................................... 10
Hình 2.7: Đƣờng đặc tuyến moment tại vành răng bộ truyền bánh răng hành tinh ở
trang thái không tải.................................................................................................... 11
Hình 2.8: Đƣờng đặc tuyến moment kéo kết hợp tại cầu chủ động. ........................ 11
Hình 2.10: Biến thiên lý thuyết của M  ,  , phụ thuộc vào tốc độ góc .................. 16
Hình 2.11: Sơ đồ tổn hao năng lƣợng khi xe vận hành. ........................................... 18
Hình 2.12: Sơ đồ đƣờng truyền moment ở tốc độ thấp. ........................................... 19
Hình : 2.13: Năng lƣợng truyền đến cầu chủ động .................................................. 19
Hình 2.14: Sơ đồ đƣờng truyền moment ở tốc độ cao. ............................................ 20
Hình 2.15: Ắc quy điện áp cao (HV). ...................................................................... 22
Hình 2.16: Động cơ điện 3 pha rotor nam châm vĩnh cửu ...................................... 24
Hình 2.17: Cụm truyền động cơ khí đến cầu chủ động............................................ 25
Hình 3.1: Sơ đồ truyền lực đến cầu chủ động .......................................................... 26
Hình 3.2: Cụm truyền động xe Hybrid II ................................................................. 27
Hình 3.3: Các cụm chi tiết hệ thống truyền lực xe hybrid II .................................. 28
Hình 3.4: Bánh đà và khớp nối giảm chấn ............................................................... 28
Hình 3.5: Công suất khởi động động cơ ................................................................... 30
Hình 3.6: Biểu đồ moment truyền động khởi động.................................................. 31

Hình 3.7: Sơ đồ truyền động và biểu đồ moment khi phát điện .............................. 32
Hình 3.8: Sơ đồ truyền lực và biểu đồ moment từ động cơ điện MG2 .................... 32
Hình 3.9: Xe vận hành bằng MG2 và khởi động động cơ ....................................... 33
Hình 3.10: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment theo kiểu song song ....... 34

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang xiii


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
Hình 3.11: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment kết hợp ........................... 35
Hình 3.12: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở trạng thái tải nhỏ ......... 36
Hình 3.13: Năng lƣợng bổ sung cho trạng thái gia tốc cực đại. ............................... 37
Hình 3.14: Sơ đồ tuyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở chế độ tăng tốc ............. 37
Hình 3.15: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở trạng thái chạy lùi ....... 38
Hình 3.16: Năng lƣợng đƣợc tái sinh. ...................................................................... 39
Hình 3.17: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở trạng thái giảm tốc ...... 40
Hình 3.18: Sơ đồ truyền năng lƣợng và biểu đồ moment ở trạng thái phanh bằng
động cơ. ..................................................................................................................... 41
Hình 4.1: Bánh răng hành tinh của hộp số Hybrid II ............................................... 43
Hình 4.2: Ô tô vận hành bằng động cơ điện MG2 ................................................... 44
Hình 4.3: Sự truyền năng lƣợng khi xe khởi hành ................................................... 45
Hình 4.4: Đặc tuyến moment. .................................................................................. 46
Hình 4.5: Lực kéo kết hợp từ 2 nguồn năng lƣợng. ................................................. 48
Hình 4.7: Sơ đồ dòng năng lƣợng ............................................................................ 49
Hình 4.9: Sơ đồ truyền năng lƣợng. ......................................................................... 52
Hình 5.1 : Sơ đồ phân phối moment của động cơ. ................................................... 55
Hình 5.2 : Đồ thị cân bằng lực kéo. ......................................................................... 58

Hình 5.3: Moment tại vành răng bộ truyền hành tinh .............................................. 59

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang xiv


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thông số động cơ đốt trong .....................................................................29
Bảng 3.2: Thông số động cơ điện .............................................................................29
Bảng 3.3: Thông số máy phát ...................................................................................30

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang xv


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

Chƣơng 1

TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài.
Cách đây hơn thế kỷ, các mẫu xe tƣơng tự nhƣ xe Hydrid ngày nay đã ra đời tại
Pháp, Áo… Trong giai đoạn nửa đầu thế kỷ trƣớc, còn có nhiều tên tuổi khác tham
gia chế tạo xe Hybrid nhƣ General Electric và Woods Motor Vehicle ( đều của Mỹ),

Siemenns-Schukert (Đức). Nhìn chung, những mẫu xe Hybrid của thế kỷ trƣớc
nhằm mục đích tăng tốc độ xe, đồng thời với giá nhiên liệu rẻ lúc bấy giờ, và không
có bất cứ quy định nào về khí thải khiến cho ngƣời sử dụng ô tô và xe máy đều
không quan tâm tới các hệ thống động cơ lạ này.
Ngày nay, phƣơng tiện ô tô phát triển mạnh, cũng chính vì thế mà tình trạng ô
nhiễm không khí do khí thải từ ô tô ngày nay trầm trọng hơn. Tình trạng cạn kiệt
nguồn nhiên liệu truyền thống là mối đe doạ cho nền kinh tế các nƣớc. Do đó, nhiều
giải pháp kỹ thuật đã đƣợc ra đời nhƣ : ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên liệu,
động cơ khí nén v.v.. tuy nhiên, những kỹ thuật kể trên vẫn chƣa thể đƣa vào sử
dụng vì còn nhiều giới hạn về công nghệ.
Bên cạnh những giải pháp trên, các nhà kỹ thuật quan tâm đến công nghệ
Hybrid. Đây là giải pháp đƣợc coi là thành công hiện nay nhằm tiết kiệm nhiên liệu,
giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng và tăng hiệu suất động cơ. Các ô tô Hybrid này đã
và đang đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc phát triển nhƣ châu Âu, Mỹ , Nhật… vì
vậy, nghiên cứu công nghệ ôtô hybrid là cần thiết, nên tôi quyết định chọn đề tài
nghiên cứu là : “Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền
lực xe Hybrid”.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và nƣớc ngoài.
1.2.1. Khái quát về xe Hybrid.
Xe Hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong, động cơ điện dùng năng lƣợng
từ ắc quy và máy phát điện. 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 vận hành đồng bộ.
Xe Hybrid đạt hiệu suất cao so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong, giảm thiểu ô
GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang 1


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

nhiễm môi trƣờng. Các hệ thống Hybrid kết hợp hai nguồn động lực khác nhau, một
động cơ xăng và một động cơ điện cùng đƣợc lắp trên một ô tô. Mục đích của việc
này là tận dụng tối đa lợi ích của các nguồn động lực khác nhau, hạn chế những
thiếu sót của chúng, nhằm đạt đƣợc hiệu quả cao nhất.
1.2.2. Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài nƣớc ngoài.
Năm 1990 các kỹ sƣ đã nghĩ tới việc kết hợp các nguồn năng lƣợng khác nhau
lại với nhau. Vào năm 1905, kỹ sƣ ngƣời Mỹ tên Hiper đã đề nghị cấp bằng sáng
chế về một dạng động cơ kết hợp giữa xăng và điện nhƣ các động cơ Hybrid ngày
nay. Nhờ phát minh ra hệ thống khởi động điện năm 1913, động cơ xăng trở nên
phổ biến bởi nó dễ khởi động và tốt hơn so với động cơ hơi nƣớc và động cơ điện,
lúc đó xe Hybrid tạm thời mất vị trí đứng đầu. Nhƣng với việc tăng giá dầu đột biến
năm 1970 và những vấn đề về môi trƣờng ngày càng nghiêm trọng do khí thải xe
hơi thải ra, thì ngành công nghiệp ô tô lại quay về với phát minh của 70 năm trƣớc
và xe Hybrid chính thức trở thành hiện thực năm 2000.
Song song với sự ra đời của xe Hybrid, đã có không ít những phát minh và đề tài
nghiên cứu về xe ô tô sử dụng nguyồn năng lƣợng phi truyền thống khác nhƣ gas,
hidro, nƣớc… tuy nhiên, xe Hybrid ngày càng phổ biến trên thới giới. Các hãng xe
Toyota, Honda, Ford… lần lƣợt cho ra đời những mẫu xe Hybrid. Hầu nhƣ các nhà
phân tích công nghiệp dự đoán xe Hybrid vẫn là xu hƣớng đúng đắn cho tƣơng lại
và đƣợc phát triển trong những năm tới.
1.2.3. Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài trong nƣớc.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu nguồn nguyên liệu phi truyền thống ( năng lƣợng
mặt trời, điện, gas, khí đốt tự nhiên,…) vì vấn đề môi trƣờng nhằm làm giảm ô
nhiễm và làm cho môi trƣờng sạch hơn. Hiện nay đã có nhiều đề tài nghiên cứu ô tô
sử dụng gas, điện tại các trƣờng học, các viện nghiên cứu ở Việt Nam.
Ô tô Hybrid đã xuất hiện khá nhiều ở nƣớc ta. Mặt khác nguồn năng lƣợng
truyền thống không phải là vô hạn. Tiến hành nghiên cứu các phƣơng án phối hợp
động cơ xăng – điện trên ô tô trên quan điểm đảm bảo động lực học chuyển động là
việc làm khả thi ở nƣớc ta hiện nay, vì các hãng xe trên thế giới đã thành công và

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang 2


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
bán ra thị trƣờng. Từ việc nghiên cứu này sẽ cho ta thấy ô tô Hybrid vừa tận dụng
tối ƣu nguyồn năng lƣợng để chạy xe, đồng thời giảm ô nhiễm môi trƣờng.
Ở Việt Nam, ô tô Hybrid sẽ ngày càng chiếm ƣu thế hơn so với các loại xe
khác. Chính vì thế các nghiên cứu về xe Hybrid sẽ ngày càng nhiều hơn và ứng
dụng một cách hiệu quả các nghiên cứu này trên các đời xe Hybrid về sau.
1.3. Mục đích của đề tài.
Động cơ xăng đặt trên ô tô có đặc tính công suất khác xa so với đặc tính công
suất lý tƣởng. Nhƣ vậy, khi hai nguồn công suất động cơ xăng và động cơ điện
đƣợc dùng chung trên ô tô, chúng đƣợc kết hợp lại theo phƣơng án nào và nó có ảnh
hƣởng nhƣ thế nào đến tính chất động lực học chuyển động của ô tô. Trên cơ sở đó,
tôi phân tích, đánh giá và so sánh các phƣơng án để đề xuất phƣơng án tối ƣu nhất.
Qua đó cũng đánh giá đƣợc sự tổn hao năng lƣợng trong quá trình truyền năng
lƣợng, trong quá trình chuyển đổi năng lƣơng.
1.4. Nhận định và đề xuất hƣớng nghiên cứu.
Tôi chọn đề tài trong lĩnh vực này nhằm đạt đƣợc các mục tiêu sau khi sau khi
thực hiện:
- Sự truyền năng lƣợng trên xe Hybrid hoạt động nhƣ thế nào.
- Đặc tính kết hợp song song công suất của động cơ xăng, động cơ điện có ảnh
hƣởng nhƣ thế nào đến tính chất kéo của xe.
- Tính chất động lực học của xe Hybrid phối hợp công suất giống và khác nhau
nhƣ thế nào so với xe thông thƣờng.
- Sự tổn hao khi khi truyền năng lƣợng đến cầu chủ động.
Các đề tài nghiên cứu trƣớc đây chỉ giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý hoạt

động của ô tô Hybrid một cách chung, không đi sâu vào một vấn đề cụ thể là phối
hợp hai động cơ xăng và điện nhƣ thế nào để truyền năng lƣơng đảm bảo động lực
học chuyển động của ô tô.
Sự tổn hao công suất nhƣ thế nào trong quá trình truyền năng lƣợng. Để ôtô
Hybrid có hiệu suất cao hơn ô tô sử dụng động cơ xăng.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì việc lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang 3


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
lý thuyềt đối với xe ô tô sử dụng nguồn năng lƣợng xăng và điện là phù hợp.
Phƣơng pháp tính toán lý thuyết sẽ đƣa ra những kết luận đánh giá mang tính khoa
học về loại xe ôtô đƣợc sử dụng nhiều ở Việt Nam trong tƣơng lai gần.
1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu.
Trên cơ sở tôi nghiên cứu ô tô Hybrid song song về mặt lý thuyết theo quan
điểm:
- Xe truyền năng lƣợng từ động cơ điện khi công suất kéo nhỏ (năng lƣợng lấy
từ accu điện áp cao).
- Sự truyền năng lƣợng kết hợp từ động cơ nhiệt, động cơ điện khi công suất
kéo lớn.
- Sự tổn hao năng lƣợng khi vận hành máy phát, năng lƣợng nạp accu, chuyển
đổi điện áp để cung cấp cho động cơ điện.
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Đề tài này là bƣớc khởi đầu mà tiếp theo là đi vào tính toán thiết kế và chế tạo ô
tô mới tại Việt Nam với mục tiêu là:
- Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu.

- Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trƣờng.
- Góp phần cho việc nghiên cứu về tính kinh nhiên liệu ô tô.
1.7. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu.
Đề tài nghiên cứu dựa trên các kiến thức sau:
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền lực xe Toyota Pirus II.
- Nghiên cứu sự truyền năng lƣợng.
- Nghiên cứu tổn hao trong quá trình truyền năng lƣợng.

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang 4


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu chung.
Để góp phần cho việc tiết kiệm nhiên liệu. Xe ô tô Hybrid nghiên cứu phƣơng
án truyền lực song song đến cầu chủ động tận dụng đƣợc tối đa cơ năng do động cơ
phát ra.
Việc tiết kiệm nhiên liệu đƣợc công bố 2010 nhƣ sau:
Con số 4.9 lít/100 km đi trong thành phố và 4.6 lít/100 km đi trên đƣờng
trƣờng, có thể làm chúng ta chƣa tin ngay, nhƣng đó là sự thực đã đƣợc nhiều nhà
chuyên môn hàng đầu trên thế giới kiểm chứng. Trên xe Toyota Prius II thị trƣờng
Mỹ.

Hình 2.1: Hình dạng xe Pirus II

Sự tiện dụng của việc khởi động xe, mẫu Prirus mà chúng ta khảo sát có trang
bị hệ thống khóa Smart Key System. Chỉ cần nhấn nhẹ vào nút khởi động (Start
engine), không có tiếng động bộ phận đề, cũng không nghe tiếng máy nổ, bởi Prius
khởi động bằng ắc quy kết hợp với mô tơ điện. Ngồi trong khoang xe, phải nhìn vào
hệ thống thông tin trên xe mới biết rằng xe đã s n sàng lên đƣờng. Nhẹ nhàng nhả
phanh, Prius từ từ lăn bánh, mãi đến khi tăng ga đến vận tốc khoảng 40 km/h thì
động cơ xăng bắt đầu hoạt động. Việc điều khiển Prius cũng không khó khăn gì vì

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang 5


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
xe sử dụng hộp số tự động (CVT). Hộp số kết hợp truyền lực kéo từ động cơ xăng
và động cơ điện, các chế độ cài số có chút khác biệt là vị trí P (chế độ dùng khi đỗ
xe) là một phím bấm nằm tách biệt ngay trên cần cài các chế độ còn lại: D, R, N.

Hình 2.2: Màn hình đa thông tin
Việc thay nhớt, lọc nhớt, dầu phanh hay dầu hộp số... cho xe. Chỉ cần 3 lần
truy cập vào menu, để thực hiện việc ghi ngày tháng thay nhớt, lọc nhớt... thao tác
ghi lịch này tƣơng đƣơng nhƣ việc đặt lịch nhắc nhở công việc trong chiếc mobie.
Còn khi muốn theo d i quá trình hoạt động của động cơ, lƣợng tiêu thụ nhiên liệu...
thì chỉ việc truy cập vào menu Info/Energy, chu trình làm việc sẽ thể hiện ngay lên
màn hình và kiểm tra ngay lƣợng tiêu thụ nhiên liệu đã đi sau một hành trình.
Prius II sẽ là ƣu tiên số một của hãng Toyota trong quá trình “Hybrid hóa” toàn
bộ dòng sản phẩm.
Trong năm nay, hãng Toyota sẽ sản xuất một triệu hệ dẫn động Hybrid để trang
bị cho Prius và Auris HSD. Dự kiến, đến năm 2020, toàn bộ dòng xe Toyota đều

đƣợc trang bị hệ dẫn động “xanh” tƣơng tự.
Tuy nhiên, việc phát triển một hệ dẫn động mới cho dòng xe Hybrid tƣơng lai
không phải là nhiệm vụ dễ đối với Toyota vì phải cân nhắc đến lợi thế về chi phí
sản xuất và độ tin cậy của hệ thống pin niken-kim loại-hyđrua kết hợp với môtơ
điện và động cơ xăng 1,8 lít hiện tại.

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang 6


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid

Hình 2.3: Toyota Prius - xe tiết kiệm nhiên liệu nhất tại Mỹ
 So sánh mức tiêu hao nhiên liệu với các dòng xe khác
Theo cơ quan bảo vệ môi trƣờng Mỹ - Fed, trong số những chiếc xe đang đƣợc
bán ra tại Mỹ thì Toyota Prius vẫn là chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu nhất.
Đây là thông tin vừa đƣợc cơ quan bảo vệ môi trƣờng Mỹ - Fed công bố. Trong
số những chiếc xe sẽ đƣợc xuất xƣởng tại Mỹ trong năm 2010, Toyota Prius vẫn là
chiếc xe đạt đƣợc hiệu quả sử dụng nhiên liệu tốt nhất, đây là lần thứ hai liên tiếp
chiếc xe Hybrid của Toyota đạt đƣợc danh hiệu này.
Toyota Prius II đƣợc trang bị động cơ 1.8 lít – bốn xi-lanh, công suất tối đa 98
mã lực, momen xoắn cực đại trên 150 Nm. Hệ thống mô-tơ điện của xe có thể sản
sinh ra công suất 80 mã lực, momen xoắn 220 Nm. Toyota Prius sử dụng hệ thống
truyền động cầu trƣớc. Khi sử dụng kết hợp động cơ xăng với mô-tơ điện, chiếc
Hybrid có thể đạt hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu 4.9 lít xăng cho 100 km khi đi trong
thành phố và 4.6 lít cho 100 km khi đi trên đƣờng trƣờng.
Cũng trong bảng danh sách đƣợc Fed đƣa ra còn có hai chiếc xe của Ford là
Ford Fusion và Mercury Milan, hai chiếc xe này đạt đƣợc hiệu xuất 5.7 lít cho 100

km đƣờng thành phố và 6.5 lít trên đƣờng trƣờng. Đây là những chiếc sedan hạng
trung có mức tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả nhất.Trong bảng danh sách do Fed cung
cấp năm 2010, còn có những cái tên khác nhƣ Honda Civic Hybrid, Honda Insight,

GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang 7


Nghiên cứu sự truyền và tổn hao năng lƣợng ô tô Hybrid
Lexus HS 250h, Nissan Altima Hybrid, Ford Escape Hybrid, Maserati Tribute,
Mercury Mariner Hybrid, Toyota Camry Hybrid và Lexus RX 450h…
Hiện nay Toyota tập đoàn có lƣợng xe Hybrid xuất xƣởng cao nhất, trong đó
chiếc Prius II là chiếc xe Hybrid có doanh số cao nhất của hãng.
2.2. Khái niệm về sự tổn hao trong hệ thống truyền lực.
2.2.1. Sơ đồ biến đổi năng lƣợng
Đƣợc mô tả đối với hai trƣờng hợp điển hình nhƣ hình vẽ dƣới đây:

Hình 2.4: Các đặc tính vào và ra tại các điểm khác nhau trong hệ thống truyền lực.
Ha- HTTL với hộp số cơ khí.
GVHD: TS. Lâm Mai Long
HVTH : Ngô Phi Long

Trang 8