tính toán động học động lực học và mô phỏng chế độ làm việc của bộ phân phối

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

THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC - ĐỘNG LỰC HỌC
VÀ MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
CỦA BỘ PHÂN PHỐI
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2010 - 27

S KC 0 0 2 9 6 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
_______
oo0oo _______
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Thuyết minh đề tài NCKH cấp trường
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ
MÔ PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ
PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRÊN XE LAI
MÃ SỐ: T 2010 – 27

CHỦ TRÌ:

Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG
Tháng 08 - 2010
Tháng 12/2005


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay nước ta có hiệp hội sản xuất xe hơi gọi tắt là VAMA gồm rất nhiều cơng
ty trong đó có các cơng ty lớn như Toyota, Ford, Honda, GM, Mercedes benz,
Isuzu…Các cơng ty này đang làm ăn rất phát đạt, đơn cử như Toyota ln dẫn đầu thị
trường về số lượng xe bán ra. Bên cạnh đó, cũng đã xuất hiện các doanh nghiệp của

người Việt Nam cũng đang ngày càng khẳng định tên tuổi của mình trong thị trường ơ tơ
như Trường Hải, Samco…Đây chính là dấu hiệu cho thấy sự khởi sắc của thị trường ơ tơ
Việt Nam. Cùng với chính sách ủng hộ của Nhà Nước, nhiều chun gia dự đốn thị
trường ơ tơ của Việt Nam sẽ còn tiếp tục tăng trưởng cao trong nhiều năm tới, nền cơng
nghiệp ơ tơ của Việt Nam sẽ có điều kiện tiến xa hơn nữa.
Tuy nhiên kéo theo sự phát triển đó là những lo ngại về cơ sở hạ tầng khơng đáp
ứng kịp, khơng khí ơ nhiễm (do nước ta chưa áp dụng các tiêu chuẩn khí thải cao mà chỉ
mới áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 2). Đại đa số xe tại thị trường nước ta khơng lắp
bộ xử lí khí thải vì nó làm tăng giá thành của xe, bên cạnh đó ta còn nhập xe cũ từ nước
ngồi nên chất lượng của xe có thể khơng đạt tiêu chuẩn khí thải.
Hiện nay, xu hướng sử dụng xe tiết kiệm nhiên liệu và khơng gây ơ nhiễm mơi
trường đang rất thịnh hành tại nhiều nước phát triển. Chính từ nhu cầu rất lớn đó, mà các
hãng trên thế giới đều có chương trình nghiên cứu riêng, như hãng Toyota đã rất thành
cơng với dự án G21, từ dự án này hãng đã trình làng chiếc xe lai rất nổi tiếng là Toyota
Prius. Hiện nay, nhu cầu sử dụng xe lai rất cao và hứa hẹn trong vài năm tới sẽ thay thế
dần dòng xe truyền thống.
Tại Việt Nam xe lai vẫn còn là một khái niệm khá mới, hệ thống truyền động xe
lai là một bộ phận quan trọng quyết định tới hiệu suất của xe. Chính vì vậy, đề tài “TÍNH
TỐN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
CỦA BỘ PHÂN PHỐI CƠNG SUẤT TRÊN XE LAI” bắt nguồn từ nhu cầu thực tế đó
để giúp cho mọi người có khái niệm và cái nhìn tồn diện về dòng xe lai từ đó có sự tính
tốn thích hợp theo u cầu của mình. Đề tài này sẽ đi sâu vào phân tích động học, động
lực học và mơ phỏng các chế độ làm việc khác nhau của bộ phân phối cơng suất trong hệ
thống tryuyền động của xe lai.
Đề tài này sẽ là một nguồn tài liệu tham khảo có giá trị cho những đối tượng đang
học tập, làm việc và nghiên cứu trong lĩnh lực ơ tơ nói chung và cho sinh viên ngành Cơ
khí Động lực tại trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh nói riêng.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2010
Chủ nhiệm đề tài

ThS. Nguyễn Văn Trạng

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 1


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

MỤC LỤC
Trang
LỜI NĨI ĐẦU ........................................................................................................ 1
PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ......................................................................................... 3
I.

Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 3

II. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ............................................... 3
III. Những vấn đề còn tồn tại.......................................................................... 5
PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .......................................................................... 8
I.

Mục đích của đề tài .................................................................................. 8

II. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 8
III. Nội dung .................................................................................................. 9
III.1. Giới thiệu các bộ phận chính của xe lai ....................................... 9
III.2. Các hệ thống truyền động của xe lai ...........................................15
III.3. Tính tốn động học và mơ phỏng các chế độ làm việc của bộ phân

phối cơng suất (Power Split Device) ...........................................27
IV. Kết quả nghiên cứu .................................................................................50
PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................51
I.

Kết luận ..................................................................................................51

II. Đề nghị ..................................................................................................51
III. Hướng phát triển của đề tài .....................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................52

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 2


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
I. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Các chun gia kinh tế cho rằng thị trường ơ tơ tiềm năng trong thế kỉ 21 sẽ chuyển
dịch từ các nước Đơng Âu và Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đơng Nam Á, Trung Á,
và cuối cùng là Châu Phi. Theo dự báo số lượng ơ tơ ở Châu Á Thái Bình Dương sẽ tăng
từ 0,7 chiếc/1.000 dân năm 1985 lên 10 chiếc/1.000 dân vào năm 2020 và lên 20 chiếc
/1.000 dân vào năm 2060. Sự gia tăng mật độ ơ tơ dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết
đó là sự q tải của cơ sở hạ tầng và ơ nhiễm mơi trường.
Xe lai có rất nhiều ưu điểm so với xe hơi truyền thống. Thứ nhất, là khả năng tích
lũy năng lượng tạm thời của ắc-quy để có thể sử dụng khi nhu cầu về điện năng lớn.
Động cơ đốt trong cũng có thể được sử dụng hiệu quả hơn ở các chế độ tải cao vì thế góp

phần làm cho việc sử dụng nhiên liệu tốt hơn.
Một đặc điểm quan trong khác là động cơ đốt trong có thể kết hợp với các nguồn
năng lượng khác, do đó có thể sử dụng động cơ đốt trong có kích thước và cơng suất nhỏ
hơn nhưng vẫn đảm bảo cơng suất của xe, từ đó giảm bớt được sự tiêu thụ nhiên liệu và
thải ra ít khí thải hơn. Động cơ đốt trong ln được hoạt động tại chế độ tải và số vòng
quay tối ưu do đó động cơ đốt trong đạt hiệu suất rất cao, đồng thời tiêu thụ nhiên liệu
cũng ít hơn.
Thêm vào đó với cơng nghệ phục hồi lực phanh, giúp cho xe lai nâng cao được hiệu
suất hoạt động. Khi phanh động cơ điện sẽ có chức năng như là máy phát giúp cho xe
giảm tốc độ động thời biến đổi lượng nhiệt năng bị mất mát khi xảy ra ma sát giữa má
phanh và trống phanh thành điện năng và tích lũy cho ắc-quy điện áp cao. Động cơ đốt
trong trên xe lai khơng phải lúc nào cũng làm việc, khi khơng cần thiết nó có thể ngừng
hoạt động do đó tiết kiệm được nhiên liệu.
Từ những lý do như trên nên việc nghiên cứu, tiềm hiểu về hệ thống truyền động và
tiến xa hơn là chế tạo xe lai phù hợp với điều kiện Việt Nam là việc làm cần thiết và đó
cũng chính là đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài.
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC
Ngay nay, cơng nghệ chế tạo ơ tơ phát triển rất nhanh, ngày càng hồn thiện và đi
theo các hướng sau:
● Hồn thiện hệ thống điều khiển, nâng cao tốc độ xử lí và trang bị thêm tiện nghi
trong xe.
● Nâng cao hiệu suất của xe và giảm chất thải gây ơ nhiễm mơi trường.
● Sử dụng các nguồn năng lượng mới trên ơ tơ thay thế cho nguồn năng lượng hóa
thạch.
Hiện nay có rất nhiều hãng ơ tơ lớn trên thế giới đi sâu vào nghiên cứu và phát
triển dòng xe hơi sạch khơng gây ơ nhiễm mơi trường, hiệu suất cao. Trong đó có “xe lai”
mà đi tiên phong là hãng Toyota, Honda…Sự ra đời của ơ tơ lai được xem là bước tiến
vuợt bậc đã mở ra kỷ ngun mới cho ngành cơng nghiệp ơ tơ thế kỉ 21.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 3


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Xu hướng phát triển ơ tơ trên thế giới
HSD: Hybrid Synergy Drive – Dẫn động trợ lực lai.
FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle – Xe lai dùng pin nhiên liệu.
HV: Hybrid Vehicle – Xe lai.
THS: Toyota Hybrid System – Hệ thống lai của Toyota.
DPNR: Diesel Particulate NOX Reduction – Giảm NOx và muội than trên động cơ
Diesel.
D-4: Direct Injection 4 stroke – Động cơ 4 kỳ phun trực tiếp.
Lean Burn: Động cơ đốt nghèo.
DPR: Diesel Particulate active Reduction System – Hệ thống giảm thiểu muội than
trên động cơ Diesel.
EV: Electric Vehicle – Xe điện.
CNG: Compressed Natural Gas – Khí thiên nhiên hóa lỏng.
VVT-i: Variable Valve Timing with intelligence – Hệ thống đóng mở xú-páp thơng
minh.
Theo hình trên ta thấy ơ tơ hiện nay có thể được phân ra làm bốn dạng: động cơ
xăng, động cơ Diesel, động cơ điện và động cơ sử dụng năng lượng thay thế. Trong đó,
động cơ xăng và động cơ dầu đã có nguồn gốc lâu đời, và ngày nay đang được cải tiến rất
nhiều về mặt cơng nghệ chế tạo lẫn tính năng nên hiệu suất hoạt động được nâng lên khá
cao. Nhưng do q phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, nên sự phát triển bị hạn
chế và nhường chỗ cho các phương tiện sạch.
Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 4


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Động cơ điện và động cơ ga tuy còn nhiều hạn chế trong cơng nghệ nhưng triển
vọng để phát triển là rất lớn. Hiện nay xe lai được xem là loại tốt nhất khi nó có sự kết
hợp những ưu điểm nổi bật của động cơ đốt trong và động cơ điện. Với khả năng tiết
kiệm nhiên liệu và ít gây ơ nhiễm mơi trường nó ln nằm trong chiến lược hỗ trợ của
các chính phủ (như Mỹ, Thụy Điển, Đức). Với sự hỗ trợ từ chính phủ và chính sách phát
triển dòng xe lai của các hãng xe trên thế giới, theo các chun gia dự đốn thế kỉ 21 sẽ là
kỷ ngun của dòng xe lai.

Tuy nhiên với sự khủng hoảng kinh tế, giá nhiên liệu biến động khơng ngừng thì
những xe có cơng suất lớn, tiêu tốn nhiều nhiên liệu sẽ khơng phù hợp với điều kiện của
nước ta. Do đó, dòng xe lai với khả năng tiết kiệm nhiên liệu, ít ơ nhiễm mơi trường sẽ là
sự lựa chọn thích hợp với người dân vì giá thành của nó cũng chỉ ngang với xe Innova
nhưng hiệu quả lại cao hơn.
Tuy việc nghiên cứu và ứng dụng xe lai của Việt Nam chưa có những kết quả khả
thi nhưng trong thời gian gần đây tại Tp. Hồ Chí Minh đã xuất hiện một vài chiếc xe lai
với nhãn hiệu Lesux như RX400h, giá của nó khi nhập vào Việt Nam cũng khơng đắt
hơn bao nhiêu so với Camry 3.5Q. Điều này hứa hẹn xe lai rất có cơ sở để tiếp tục là sự
lựa chọn của người dân Việt Nam.
III. NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI
Sự phát triển ngành giao thơng vận tải và cơng nghiệp chế tạo ơ tơ ở các nước đều
theo hướng giảm nhẹ sự tác động đến hai vấn đề kinh tế -xã hội và đời sống.
1. Giảm tải cho cơ sở hạ tầng
Giải quyết vấn đề này liên quan đến cơng tác quy hoạch đơ thị và nâng cấp hệ
thống giao thơng, mở rộng đường, thiết kế các nút giao thơng, xây dựng các bãi đậu xe,

và mặt khác cần lựa chọn kích cỡ ơ tơ phù hợp. Ở đây ta chỉ bàn đến kích cỡ của ơ tơ.
Trong vài năm gần đây kích cỡ và kiểu dáng ơ tơ thay đổi rất đáng kể, người ta
chọn ơ tơ nhỏ vì nó gọn nhẹ, chiếm ít diện tích trong gara và chịu thuế thấp hơn. Chính vì
thế các loại xe nhỏ gọn như Peugeot 205, Ford KA … bán rất chạy. Trên thị trường Châu
Á các nhà sản xuất ơ tơ cũng rất quan tâm trong việc chế tạo các dòng xe nhỏ như chiếc
Matiz của GM là một ví dụ điển hình.
Trong điều kiện cơ sở hạ tầng của nước ta chưa phát triển kịp với tốc độ dân số và
phương tiện lưu thơng thì ơ tơ nhỏ là một lựa chọn hợp lý nhất.
2. Giảm ơ nhiễm mơi trường - xu hướng ơ tơ sạch
Dân số của thế giới ngày càng tăng và nhu cầu muốn sở hữu một chiếc ơ tơ riêng
ngày càng nhiều. Chính điều đó đã dẫn đến một vấn đề đáng lo ngại là sự ơ nhiễm mơi
trường, hiệu ứng nhà kính và sự leo thang của giá nhiên liệu.
Cụ thể:
Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 5


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

 Khơng khí bị ơ nhiễm và sự ấm dần lên của trái đất
Sự ấm lên của trái đất được xem là mối nguy hiểm lớn nhất đang đe dọa đến thế
giới của chúng ta. Ngun nhân chính gây ra sự thay đổi khí hậu chính là từ các chất khí
độc thuộc nhóm “khí nhà kính”, trong đó khí cơ bản gây nên sự nóng lên của trái đất là
Carbon Dioxide (CO2). Việc sử dụng các nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch như
than, dầu mỏ hay gaz đã thải ra mơi trường một lượng lớn khí CO 2 và điều đó gây ra hiệu
ứn nhà kính.
Kéo theo sự ấm lên của trái đất, thời tiết khí hậu cũng diễn biến ngày càng phức
tạp, thường xun xuất hiện các cơn bão nhiệt đới, hạn hán, lũ lụt ngày càng trầm trọng

hơn. Sự thay đổi của khí hậu cũng ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người, số
người mắc bệnh ung thư ngày càng nhiều. Ngày nay các căn bệnh lạ xuất hiện nhiều hơn,
đe dọa sức khoẻ và tính mạng của con người.
Một trong những ngun nhân chính gây ra điều này bắt nguồn từ lượng khí thải
của động cơ đốt trong trên xe. Chỉ riêng tại Châu Âu lượng khí CO2 mà xe hơi thải ra
chiếm 15% trong tổng số khí gây hiệu ứng nhà kính (theo Eurostat 2004), tại Mỹ lượng
khí CO2 xe hơi thải ra chiếm 1/3 lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (theo Cheon 2003).
 Sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu khơng thể tái sinh
Nền kinh kinh tế ngày nay, trong đó ngành cơng nghiệp còn phụ thuộc q nhiều
vào nguồn nhiên liệu khơng tái sinh. Hiện nay, chúng ta phụ thuộc hồn tồn vào nguồn
nhiên liệu hóa thạch và chủ yếu trong ngành cơng nghiệp điện, ngành giao thơng vận tải
và cơng nghiệp sản xuất. Vấn đề chính là nguồn nhiên liệu này có giới hạn và cách duy
nhất để duy trì sự cung cấp này là con người phải tìm ra nhiều mỏ dầu khác.
Chính từ nhu cầu bức thiết đó đòi hỏi chính phủ các nước khơng có sự lựa chọn
nào khác là phải hạn chế sự phụ thuộc q nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu
là dầu mỏ. u cầu tiên quyết được đặt ra là phải tìm ra nguồn năng lượng mới thay thế
từng bước nguồn nhiên liệu hố thạch.
 Tạo ra các phương tiện vận tải thân thiện với mơi trường
Chính từ ngun nhân gây ấm lên của trái đất, giá nhiên liệu leo thang và các quy
định nghiêm ngặt về khí thải của các nước đối với xe hơi, các cơng ty sản xuất ơ tơ lâm
vào tình trạng khủng hoảng trong việc kinh doanh. Để vượt qua thời kì khó khăn này
buộc các cơng ty phải nghiên cứu chế tạo ra các dòng xe hơi mới thỏa mãn hai tiêu chí:
● Giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hố thạch.
● Giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính và ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Từ đó đã có rất nhiều ý tưởng và khái niệm mới hình thành nhằm đáp ứng các u
cầu trên. Ta biết xe hơi dùng nhiên liệu hóa thạch trong q trình dẫn động là một trong
những nguồn đóng góp lớn nhất trong việc gây ơ nhiễm mơi trường, đồng thời cũng là
nguồn tiêu thụ nhiều nhiên khá nhiều. Chính vì thế ơ tơ sạch khơng gây ơ nhiễm mơi
trường (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ơ tơ hiện
nay. Có nhiều giải pháp đã được cơng bố trong những năm gần đây đó là sử dụng các loại

nhiên liệu khơng truyền thống cho ơ tơ như khí hố lỏng LPG, khí thiên nhiên, điện, pin
nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ơ tơ lai (hybrid).

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 6


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Trong giai đoạn này, có thể nói cách giải quyết tối ưu nhất là sử dụng xe lai điện
(Hybrid Electric Vehicle - HEV) đây là dòng ơ tơ dùng nhiều nguồn năng lượng theo
cơng thức:
Động cơ đốt trong + động cơ điện = dòng xe lai HV (Hybrid Vehicle)
Nhưng tại sao lại khơng dùng xe điện thuần túy (Electric Vehicle - EV). Đây có lẽ
là loại ơ tơ sạch nhất vì khơng có khí thải nhưng tiếc thay xu hướng phát triển này lại
khơng có triển vọng nhiều bởi những trở ngại chính như sự hạn chế của hành trình, ắcquy ngày nay dung lượng chưa đủ lớn để thỏa mãn một hành trình dài mà khơng cần nạp
lại và thời gian tái nạp khá lâu. Sự ra đời của xe lai chính là nhằm khắc phục sự hạn chế
về hành trình của xe điện đồng thời nó cũng đã chứng minh được khả năng tuyệt vời
trong việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải gây hiệu ứng nhà kính.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 7


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Giảm ơ nhiễm mơi trường do khí thải động cơ ơ tơ phát ra, giảm sự phụ thuộc vào
nguồn nhiên liệu hố thạch, nâng cao cơng suất và hiệu suất của xe. Đây là mơt loạt
những vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học mà hầu như khơng bao giờ có được đáp số
cuối cùng. Tiếp tục nghiên cứu, cải tiến, hồn thiện là những việc làm trước mắt và trong
tương lai của ngành cơng nghiệp ơ tơ.
Trong điều kiện Việt Nam, để theo kịp với xu hướng của thế giới. Nhà nước phải
có những chính sách hợp lý, các nhà chun mơn phải có những nghiên cứu hiệu quả
cùng chung tay phát triển ngành giao thơng nước nhà theo hướng kinh tế và thân thiện
với mơi trường. Đề tài này “TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ
PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ PHÂN PHỐI CƠNG SUẤT TRÊN XE
LAI” khơng nằm ngồi mục đích trên và nó mang tính cơ sở cho các bước nghiên cứu
tiếp theo.
II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tham khảo tài liệu và thực hiện mơ phỏng:
 Tham khảo các tài liệu, các kết quả nghiêu cứu và các phát phát minh, sáng
chế trong lĩnh vực xe lai từ Internet.
 Tính tốn động học và động lực học của bộ phân phối cơng suất nhằm đưa
ra quan hệ tỉ số truyền, mơmen, cơng suất và hiệu suất truyền động ở các
chế độ khác nhau.
 Biên tập nội dung, viết kịch bản.
 Thực hiện mơ phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối cơng suất bằng
phần mềm Macromedia Flash.
 Thiết kế các Slide trình chiếu trên Microsoft Powerpoint có liên kết các
hình động đã mơ phỏng.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 8


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

III. NỘI DUNG
III.1. Giới thiệu các bộ phận chính của xe lai
Một chiếc xe lai có rất nhiều bộ phận, nhưng quan trong nhất là các bộ phận sau:
-

Động cơ đốt trong.

-

Động cơ điện.

-

Máy phát.

-

Bộ phân chia cơng suất (PSD – power split devide)

-

Bộ điều khiển cơng suất (PCU – power control unit).

-

Ắc-quy điện áp cao.

-

Bên cạnh đó cũng có một vài bộ phận khơng kém phần quan trọng như hệ thống
làm mát.
Cảm biến vị trí số

Bộ xử lý trung
tâm (ECU HV)

Ắc-quy điện
cao áp

Bộ xử lý
động cơ
(ECM)

Hộp điều khiển
phanh
Bộ chuyển đổi
cơng suất

Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Hệ thống truyền động

1. Động cơ đốt trong
Trên xe lai của hãng Toyota sử dụng động cơ đốt trong có thể kết hợp với động cơ
điện khi làm việc để đạt đến hiệu suất cao nhất, đồng thời có khả năng chạy tiết kiệm khi

đang sử dụng động cơ điện dẫn động. Đối với xe của hãng Toyota cũng như nhiều hãng
sản xuất xe lai khác, đã ứng dụng những cơng nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất, cụ thể:
 Giảm kích cỡ của động cơ.
Đối với xe lai nhà chế tạo dùng động cơ có kích thước nhỏ hơn so với với các
động cơ truyền thống. Động cơ đốt trong ở đây khơng được thiết kế để tạo ra cơng suất
lớn nhất theo u cầu khi xe tăng tốc hay khi leo dốc đứng. Khi cần một chạy với tốc độ
cao trong qng đường dài hay chỉ cần vượt xe khác hoặc khi cần leo dốc cao, thì hệ
thống điều khiển của xe sẽ u cầu sự giúp đỡ từ động cơ điện nhằm cung cấp thêm cơng
suất hỗ trợ cho động cơ.
Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 9


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

 Chu kì có tỉ số giản nở cao (chu kì Atkinson/Miller)
Áp suất
trong
xylanh
P
(MN/m2)

Đối với các xe truyền thống thì động cơ đốt trong sử dụng chu trình Otto. Đối với
xe lai, hãng Toyota qua nhiều lần thực nghiệm đã quyết định sử dụng động cơ có dung
tích 1.5 lít đối với xe Prius vì nó đem lại nhiều ưu điểm nhất, bên cạnh đó nó sử dụng chu
trình Atkinson thay vì sử dụng chu trình Otto, đây là một trong những chu trình có hiệu
suất nhiệt và tỉ số giãn nở cao nhất. Bởi tỉ số giãn nở [(thể tích kì giãn nở + thể tích buồng
cháy)/(thể tích buồng cháy)] đã được tăng lên bằng cách giảm thể tích buồng cháy của

động cơ đốt trong, và buồng đốt được cách li chỉ sau khi lực sinh cơng của kì nổ vừa kết
thúc, điều đó làm nâng cao cơng suất do kì nổ tạo ra.
Ở các động cơ truyền thống, thể tích kì giãn nở và thể tích kì nén gần như là một
giá trị đồng nhất, tỉ số nén [(thể tích kì nén + thể tích buồng cháy)/(thể tích buồng cháy)]
và tỉ số giản nở về cơ bản là tương đồng với nhau, đây là điểm khơng thuận lợi của các
động cơ dùng chu trình Otto. Do đó khi chúng ta cố gắng thay đổi tỉ số giản nở của động
cơ thì đồng thời nó cũng làm gia tăng tỉ số nén của động cơ. Vì vậy kết quả tất yếu xảy ra
là gây kích nổ và đó chính là điểm giới hạn cho việc gia tăng tỉ số giãn nở.
Ở chu trình Atkinson thì việc đóng xú-páp nạp được thực hiện trễ lại, và trong
hành trình đầu tiên của kì nén (khi piston bắt đầu đi lên), xu-páp nạp vẫn mở, khi đó một
phần lượng khí nạp đã vào xy-lanh quay ngược trở lại cổ góp nạp, có tác dụng làm trì
hỗn thời gian bắt đầu kì nén của động cơ. Theo biện pháp này, ta thay đổi tỉ số giãn nở
nhưng khơng làm thay đổi tỉ số nén của động cơ.
 Hiệu quả cao.
Động cơ được trang bị hệ thống VVT-I (Variable Valve Timing-intelligent) để
điều chỉnh thời gian đóng mở xu-páp theo điều kiện hoạt động của xe, để xe ln đạt hiệu
suất cao nhất. Ngồi ra, động cơ dùng buồng đốt có kết cấu đặc biệt giúp cho sự lan
truyền tia lữa điện nhanh chóng trong tồn bộ buồng đốt trong. Với hiệu suất nhiệt cao
kết hợp với sự giảm cả về kích cỡ và trong lượng của thân động cơ qua việc sử dụng xylanh chế tạo bằng hợp kim nhơm, và cổ ống hút gọn, v.v.giúp cải thiện khả năng tiết kiệm
nhiên liệu của động cơ.
Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 10


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

 Nâng cao cơng suất đầu ra.
Tốc độ của động cơ tăng từ 4500v/ph lên 5000v/ph, do đó cải thiện được cơng

suất đầu ra. Một số bộ phận như xéc-măng có độ căng thấp hơn, lò xo xu-páp thì làm nhỏ
lại, kết quả làm giảm sự mất mát cơng suất do ma sát. Xa hơn, việc tăng số vòng quay lên
thêm 500 v/ph đã làm cho số vòng quay của máy phát nhanh hơn, gia tăng lực dẫn động
trong suốt q trình khi xe tăng tốc và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.

2. Động cơ điện
Động cơ điện đã và đang được phát triển dựa
trên những cơng nghệ mà hãng Toyota đã phát triển
trong q trình nghiên cứu dòng xe điện. Hệ thống
THS-II (Toyota hybrid system II) sử dụng động cơ
điện đồng bộ xoay chiều có khả năng tạo ra momen
cao tại tốc độ thấp và có cơng suất đầu ra cao. Nó
được thiết kế khơng có chổi than, sử dụng dòng
điện xoay chiều, và nam châm vĩnh cửu; rotor được
làm từ các lá thép kỹ thuật điện làm cho nó có hiệu
suất cao. Ngồi ra, với cách xắp xếp các nam châm
vĩnh cửu theo cách tối ưu nhất dưới dạng hình chữ
V, vì thế momen dẫn động được cải thiện rõ rệt và
cơng suất đầu ra được tăng lên đáng kể.
Điều đó cộng với việc kết hợp được cơng Sơ đồ mặt cắt ngang động cơ điện
suất đầu ra lớn hơn bằng cách gia tăng cơng suất do
điện áp cao cung cấp (điện áp cung cấp có thể lên
tới 500V). Do đó, cơng suất đầu ra tăng lên gấp 1.5 lần so với hệ thống trước đó là THS,
cơng suất đạt đến 50kW từ 33kW của hệ thống trước đó, ngay cả với mơ-tơ có cùng kích
cỡ, nó cũng tạo ra cơng suất lớn nhất trên một đơn vị khối lượng hay trên một đơn vị thể
tích.
Để điều khiển được động cơ điện, người ta đã phát triển một hệ thống điều khiển
q trình điều biến hoạt động khi mơ-tơ đang ở dãy tốc độ trung bình, thêm vào đó nó
cũng tồn tại các phương pháp điều khiển khi mơ-tơ hoạt động tại tốc độ thấp và tốc độ
cao. Với cách thức thay đổi bề rộng của xung, làm cho cơng suất đầu ra của mơ-tơ khi

hoạt động tại dãy tốc độ trung bình được tăng lên, lớn nhất có thể tăng xấp xĩ đến 30%.

Mơ-tơ điện của xe Toyota Prius
Trên xe lai hiện nay động cơ điện được lắp đặt theo các cách sau:
Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 11


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

- Mỗi bánh xe gắn một mơ-tơ điện: Trong cách bố trí này nhà chế tạo sẽ gắn động
cơ có cơng suất khoảng 50 mã lực vào mỗi bánh xe, cách thiết kế này giúp cho việc kiểm
sốt momen đến mỗi bánh xe được dễ dàng. Ngồi ra, điều này giúp làm giảm bớt các bộ
phận cơ khí phức tạp (hộp số, vi sai…). Các bộ phận, mơ-tơ và ổ trục bánh xe sẽ được
chuyển đổi một cách nhanh chóng và dễ dàng mà khơng tốn nhiều dây dẫn và vật liệu.
Tuy nhiên, với cách xắp xếp này lại cần nhiều hơn các hệ thống phân phối cơng suất điện
và một số thiết bị khác. Do đó, giá thành của xe sẽ rất cao.
- Mỗi trục gắn một mơ-tơ: Trong cách bố trí này người ta sẽ gắn trên mỗi trục một
động cơ có cơng suất 100 mã lực. Nó sẽ có sự linh động thấp hơn so với loại trên và cũng
cần có vi sai ở mỗi trục, nhưng giá thành của xe sẽ giảm.
- Trên xe chỉ cần một mơ-tơ điện: Đây là cách bố trí phổ biến nhất hiện nay, và nó
thường đặt ở cầu trước để dẫn động các bánh xe. Trong thực tế có bao gồm cả ắc-quy HV
nên nó chiếm nhiều diện tích hơn so với các xe thơng thường chỉ dẫn động với duy nhất
động cơ điện.

3. Máy phát
Cũng giống như động cơ điện, máy phát của xe cũng dùng loại đồng bộ xoay
chiều. Để có thể cung cấp cho đầu ra của động cơ điện một cơng suất đầy đủ thì máy phát

phải quay ở tốc độ rất cao, qua đó để có thể gia tăng cơng suất đầu ra. Cách thức được
dùng là tăng số vòng quay lên cao nhất có thể từ 6.500v/ph lên tới 10.000v/ph. Với tốc độ
quay rất cao như vậy, bên trong có chứa 8 cực nam châm vĩnh cữu, nó có khả năng tạo ra
một lượng cơng sưất rất lớn cho q trình nạp ắc-quy và cung cấp thêm cơng suất theo
u cầu từ động cơ điện. Ngồi ra, máy phát còn có chức năng như một bộ phận khởi
động động cơ. Khi khởi động, máy phát làm quay bánh răng mặt trời trong bộ phân chia
cơng suất do đó tạo ra momen làm quay động cơ.
Với tốc độ rất cao của máy phát nó làm gia tăng khả năng cung cấp cơng suất cho
xe tại dãi tốc độ cao, qua đó gia tăng hiệu suất tăng tốc của xe khi xe chạy tại tốc độ thấp
và trung bình. Kết quả, khả năng kết hợp tối ưu giữa cơng suất đầu ra của mơ-tơ điện và
của động cơ đốt trong được cải thiện rõ ràng.
Momen

Momen

Tốc độ (vòng/phút)

Tốc độ (vòng/phút)

Đồ thị quan hệ momen, cơng suất và tốc độ của máy phát

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 12


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

4. Bộ phân phối cơng suất (Power Split Device – PSD)

Hệ thống truyền động chính của xe lai bao gồm bộ phân chia cơng suất (bộ bánh
răng hành tinh), máy phát, động cơ điện và hệ thống bánh răng giảm chấn. Nhiệm vụ của
bộ phân chia cơng suất là cho phép cơng suất từ động cơ đốt trong đến dẫn động máy
phát và các bánh xe chủ động cùng một lúc. Theo cách thức này cơng suất từ động cơ
được đi theo hai con đường, một là theo truyền động cơ khí, hai là theo truyền động điện.
Ngồi ra nó còn lấy momen của động cơ điện để dẫn động các bánh xe chủ động.
Trong q trình hoạt động, trục truyền cơng suất của động cơ đốt trong được thơng qua
cần dẫn bộ bánh răng hành tinh. Khi cần dẫn quay nó sẽ truyền chuyển động đến bánh
răng bao và bánh răng mặt trời thơng qua các bánh răng hành tinh. Trục quay của bánh
răng bao được nối trực tiếp với động cơ điện và truyền lực để dẫn động kéo bánh xe chủ
động, trong khi đó trục quay của bánh răng mặt trời được nối với máy phát.

Động cơ

Bánh răng mặt
trời nối (MG1)

Máy phát

Bánh
răng mặt
hành
tinh

Mơ-tơ

Bánh răng bao
nối (MG2)

Cần dẫn nối trục

khuỷu động cơ

Bộ bánh răng
hành tinh

Cấu tạo bộ phân phối cơng suất (PSD-Power Split Device)

5. Bộ điều khiển cơng suất điện tử
Bao gồm các thiết bị sau:
-

Bộ đổi điện động cơ điện.

-

Bộ đổi điện máy phát.

-

Thiết bị tăng điện áp.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 13


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Bộ điều khiển điện tử được xem như là bộ não của một chiếc xe lai. Nó đảm nhận

việc phân phối cơng suất giữa ắc-quy, máy phát, động cơ điện và bộ phân chia cơng suất.
Nhiệm vụ của bộ chuyển đổi điện là điều khiển và biến đổi dòng điện một chiều từ
ắc quy thành dòng điện xoay chiều để dẫn động động cơ điện, và biến đổi ngược lại thành
dòng có điện áp 12V để nạp cho ắc-quy phụ. Thêm vào đó với việc tích hợp mạch cơng
suất điện áp cao vào bộ chuyển đổi, nó làm tăng điện áp cung cấp từ 202V lên tới điện áp
cực đại là 500V. Dựa trên mối quan hệ cơng suất = điện áp* dòng điện, với việc tăng điện
áp ta có thể giảm dòng điện cung cấp, từ đó tạo điều kiện cho nhà thiết kế chế tạo bộ đổi
điện có kích thước nhỏ gọn hơn.
 Mạch cơng suất điện áp cao
Với việc tích hợp mạch điện áp cao trong bộ chuyển đổi cơng suất, điện áp của động
cơ điện và máy phát đã được tăng từ 274V (đối với hệ thống THS ban đầu) lên 500V đối
với hệ thống truyền động thế hệ mới “lai trợ lực” (Hybrid synergy drive-HSD). Thiết bị
IGBT (insulated Gate Bipolar Transistor) sẽ chuyển đổi dòng điện có điện áp 202V của
mạch ban đầu lên 500V. Kết quả, chỉ cần sử dụng dòng điện nhỏ đối với động cơ điện,
qua đó góp phần nâng cao hiệu suất của hệ thống.

6. Ắc-quy HV
Trên xe lai thế hệ mới của hãng Toyota đang sử dụng loại ắc-quy có hiệu suất cao,
đó là ắc-quy nickel-metal hydride. Nó nhẹ hơn so với các loại ắc-quy trên xe lai thế hệ cũ
đến 14% và dung luợng đầu vào/ đầu ra của nó cao hơn 35%. Với những cải tiến về cơng
nghệ đã làm cho ắc-quy trên xe lai trở thành ắc-quy có dung lượng lớn nhất so với các ắcquy có cùng trọng lượng và kích cỡ.
Đạt được điều đó là do nhà chế tạo đã làm giảm đi rất nhiều điện trở trong của ắcquy bằng cách sử dụng các vật liệu có cấu trúc hồn tồn mới làm cầu nối giữa các ngăn
của ắc-quy, hay cải tiến các vật liệu để chế tạo điện cực. Bên trong ắc-quy gồm 28 ngăn
nhỏ gọi là ắc-quy đơn, mỗi ắc-quy đơn có điện áp 7.2V được mắc nối tiếp với nhau, do
đó điện áp thực sự của ắc-quy là 201.6V. Nó cung cấp điện năng để dẫn động động cơ
điện và nạp điện năng từ máy phát, do đó nó khơng cần phải nạp điện ngồi như các ắcquy thơng thường. Cơng suất đầu ra của ắc-quy là 21 kW.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 14

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Thêm một đặc điểm rất quan trọng là sự sụt áp đã giảm đi 23% so với các ắc-quy
thơng thường. Vì thế, ắc-quy giữ được điện năng lâu hơn khi nó khơng sử dụng. Hiện
nay, hãng Toyota cũng trang bĩ bộ xử lí ắc-quy ECU, tích hợp trên ắc-quy điện áp cao, nó
có nhiệm vụ kiểm sốt điều kiện nạp của ắc-quy và điều khiển hoạt động của hệ thống
quạt làm mát.

7. Hệ thống làm mát cho bộ chuyển đổi điện áp, MG1 và MG2
Hệ thống làm mát này sử dụng bơm nước để làm mát bộ đổi điện, MG1, MG2. Hệ
thống này được phân ra từ hệ thống làm mát của động cơ. Nó hoạt động khi người tài xế
bật cơng tắc máy. Bộ tản nhiệt của nó được tích hợp với bộ tản nhiệt của động cơ.
Bình chứa

Bộ tản nhiệt
cho động cơ

Bộ tản nhiệt
cho bộ đổi
điện

Bơm nước

Sơ đồ hệ thống làm mát

8. Bộ xử lý HV ECU
Để điểu khiển hoạt động của ắc-quy HV, động cơ điện, máy phát trên xe lai sử

dụng bộ xử lí ECU HV (Electronic control unit hybrid vehicle). Đây là thiết bị thu nhận
thơng tin từ các cảm biến, sau đó xử lí các tín hiệu này và gửi thơng tin đến các cơ cấu
chấp hành như ECM (Electronics Control Module), thiết bị đổi điện, bộ xử lí ECU của
ắc-quy và hệ thống điều khiển phanh trung tâm để từ đó đưa ra phương thức điều khiển
tương ứng với điều kiện chuyển động của xe.
HV ECU điều khiển hoạt động của MG1, MG2, động cơ đốt trong theo momen. Sự
hoạt động của nó chủ yếu dựa trên những thơng tin từ cảm biến tốc độ, cảm biến vị trí
bàn đạp ga. Nếu bộ xử lí gặp trục trặc thì nó sẽ điều khiển sự hoạt động của xe theo dữ
liệu đã được mặc định trong bộ nhớ.
III.2. Các hệ thống truyền động của xe lai
Hiện nay có nhiều biện pháp kỹ thuật ứng dụng đối với hệ thống truyền động lai,
những chiếc xe lai được sản xuất trong thời gian gần đây được phát triển theo ba hướng:
đó là sự tích hợp máy khởi động – máy phát của hãng GM, còn hãng Honda thì phát triển
hệ thống tích hợp mơ-tơ phụ trợ và cuối cùng là hãng Toyota vẫn đang theo đuổi hướng
dẫn động lai hiệp trợ.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 15


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

1. Hệ thống tích hợp máy phát – máy khởi động (BSG – Belt StarterGenerator)
Hệ thống này sử dụng một động cơ điện kết hợp với việc sử dụng ắc-quy có dung
lượng nhỏ hơn so với các hệ thống truyền động khác đang được ứng dụng trên ơ tơ lai
cùng loại có mặt trên thị trường. Nó có một sự khác biệt với kiểu dẫn động truyền thống
thường thấy trên ơ tơ (động cơ dẫn động máy phát bằng dây đai), hệ thống này sử dụng
kiểu dẫn động mới có cơng suất cao hơn đó là dẫn động tích hợp giữa máy khởi động với

máy phát. Bên cạnh đó hệ thống này có điểm rất đáng chú ý là nó sử dụng hệ thống điện
42 V (hãng Honda sử dụng hệ thống điện 150V, Toyota sử dụng hệ thống điện 300V).
Điều này đã đem lại một số thuận lợi như giảm được kích cỡ của hệ thống truyền động,
hay loại bỏ được bộ chuyển đổi momen cho hộp số tự động.
Tuy nhiên nó cũng còn mắc phải những hạn chế chẳng hạn như: sự kết hợp giữa
máy khởi động-máy phát tạo ra cơng suất tương đối thấp từ chỉ từ 10 kW đến 12 kW, hệ
thống này cũng có khả năng phục hồi lực phanh nhưng tương đối ít. Chính vì vậy, ở một
mức độ nào đó hệ thống này khơng còn gây được sự quan tâm của các nhà sản suất ơ tơ
như trước đây. Tuy nhiên vẫn còn một số nhà sản xuất sử dụng hệ thống này để ứng dụng
ở các dòng xe nhỏ, tiêu biểu là hãng GM với chiếc xe Saturn Vue SUV.

Động cơ điện/
Máy phát

Bộ đổi điện

Ắc-quy

Bánh xe
Động cơ
Hộp số

Truyền động
cuối cùng

Hệ thống tích hợp máy phát – máy khởi động
(BSG – Belt Starter-Generator)
2. Hệ thống tích hợp mơ-tơ phụ trợ của hãng Honda (IMA – Honda
Intergrate Motor Assist)
Trên hệ thống này nhà thiết kế dùng một trục có đường kính nhỏ để gắn động cơ

điện với trục khuỷu của động cơ thành một cụm và cụm chi tiết này được nối với hộp số
thơng qua bộ chuyển đổi momen hay ly hợp. Động cơ điện trên hệ thống IMA có nhiệm
vụ chính là giúp khởi động xe và giúp máy phát thu hồi năng lượng khi xe chạy tại tốc độ
thấp. Bên cạnh đó nó cũng đóng vai trò như một máy khởi động và đồng thời còn là nơi
cung cấp điện chủ yếu cho các hệ thống khác trong xe. Do động cơ điện được nối cứng
với động cơ đốt trong nên khi mơ tơ điện quay thì động cơ đốt trong cũng quay theo,
nhưng lúc đó động cơ đốt trong khơng cần thiết phải sinh cơng.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 16


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Trên chiếc Honda Civic Hybrid nhà chế tao đã cho ba trong bốn xy-lanh của động
cơ ngừng làm việc trong q trình xe đang giảm tốc. Hiện nay với những tiến bộ về cơng
nghệ, các nhà chế tạo có thể cho cả bốn xy-lanh của động cơ ngừng làm việc khi xe đang
giảm tốc và chạy ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu, và điều này đã được ứng dụng thành cơng
trên chiếc Honda Civic 2006. Ngồi Honda Civic thì Honda Accord cũng ứng dụng cơng
nghệ này, tuy nhiên nó chỉ có thể làm mất tác dụng ba trong sáu xy-lanh của động cơ V6
khi xe chạy ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu và giảm tốc.
Bánh xe

Bộ đổi điện

Ắc-quy

Động cơ điện/

Máy phát

Động cơ

Hộp số

Truyền động
cuối cùng

Hệ thống tích hợp mơ-tơ phụ của hãng Honda
(IMA – Honda Intergrate Motor Assist)
3. Hệ thống dẫn động trợ lực của Toyota (HSD – Toyota Hybrid Synergy
Drive)
Đây là một hệ thống đang được sử dụng trên xe Toyota Prius, hệ thống này có đặc
điểm hồn tồn khác so với hệ thống IMA của hãng Honda. Bộ phận chính của hệ thống
này là hệ thống phân chia cơng suất mà đã được phát triển bởi hãng Aisin và Toyota. Hệ
thống HSD cũng đang được áp dụng trên các dòng xe sang trọng và dòng xe địa hình như
Lesux RX400h, Toyota Highlander và Ford Escape. Hệ thống phân chia cơng suất thay
thế hệ thống truyền động của xe với bộ bánh răng hành tinh đơn và mơ-tơ điện /máy phát.
Song song đó, hệ thống còn trang bị mơ-tơ điện /máy phát có cơng suất lớn hơn và được
gắn cố định với bộ truyền động cuối cùng của xe ln chuyển động với bánh xe. Bộ bánh
răng hành tinh phân chia momen xoắn của động cơ cho mơ-tơ điện/máy phát thứ nhất
(MG1) với động cơ điện dẫn động (MG2).

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 17


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các

chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Mơ-tơ điện /máy phát một (MG1) sử dụng momen của động cơ để làm hai nhiệm vụ
là nạp điện cho ắc-quy và hỗ trợ một phần điện năng đến mơ-tơ dẫn động (MG2). Tốc độ
của mơ-tơ điện/máy phát thứ nhất (MG1) sẽ quyết định đến mối quan hệ về tốc độ giữa
động cơ đốt trong với các bánh xe dẫn động. Trong trường hợp này bộ bánh răng hành
tinh cho phép tốc độ hoạt động của động cơ đốt trong hồn tồn độc lập với tốc độ của
xe, giống như truyền động vơ cấp.
Bộ bánh răng
hành tinh
Động cơ

Bánh xe
MG2
Truyền động
cuối cùng

MG1

Bộ đổi điện

Ắc-quy

Sơ đồ hệ thống dẫn động trợ lực của hãng Toyota
HSD – Toyota Hybrid Synergy Drive.
Ngồi ra, bộ phân chia cơng suất còn có ưu điểm là giúp cho xe tiết kiệm nhiên liệu
đáng kể khi xe thường xun di chuyển trong thành phố. Tuy nhiên khi xe chạy trên
đường cao tốc nó vẫn chưa đáp ứng được u cầu như mong đợi do mơ-tơ điện /máy phát
đầu tiên (MG1) phải ln quay ở tốc độ tương đối cao để duy trì tỷ số truyền hợp lý.
4. Hệ thống truyền động kép của hãng GM (GM Dual-Mode Hybrid system)

Đây là một dự án lớn của hãng GM và Daimler Chrysler (gần đây có sự tham gia
của hãng BMW) nhằm phát triển một hệ thống xe lai mới trong tương lai trên cơ sở kế
thừa hệ thống truyền động đã được hãng GM phát triển và ứng dụng cho dòng xe tải nặng
như xe bus trong thành phố. Hệ thống này sử dụng truyền động ly hợp kết hợp với hai
động cơ điện. Cũng tương tự như hệ thống phân chia cơng suất của hãng Toyota, những
động cơ điện trên hệ thống này cũng có khả năng điều khiển tỉ số tốc độ giữa động cơ đốt
trong với tốc độ của xe

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 18


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

M/G1
Bộ đổi điện

M/G2
Bộ bánh răng
hành tinh 2

Truyền động
cuối cùng

Động cơ
Bộ bánh
răng hành
tinh 1

Ly hợp 2

Ly hợp 1

Ắc-quy
Bánh xe

Sơ đồ hệ thống truyền động kép của hãng GM
GM Dual-Mode Hybrid system
Trên đây là các hệ thống truyền động đã và đang được ứng dụng trên các ơ tơ lai
hiện nay. Tuy mỗi hệ thống có những cách bố trí truyền động khác nhau nhưng nhìn
chung các ơ tơ lai hiện nay đều được bố trí theo hai cách chính. Phần bên dưới sẽ trình
bày chi tiết hai cách phân loại cấu hình truyền động thơng dụng trên xe lai.
 Phân loại truyền động lai theo cấu trúc truyền động
Các loại xe lai đang có mặt trên thị trường hiện nay phổ biến nhất vẫn là sự kết hợp
giữa động cơ đốt trong và tối thiểu có một động cơ điện. Động cơ đốt trong có thể là
động cơ xăng hay Diesel, cùng với nó là các bộ phận tích trữ năng lượng và ở đây chính
là bình ắc-quy hố học, hoặc cũng có thể là ắc-quy cơ học như bánh đà, tụ điện.
Hệ thống truyền động của xe bao gồm động cơ điên, động cơ đốt trong, ly hợp, hộp
số và có rất nhiều cách thức bố trí.
1. Truyền động song song
Hiện nay cấu hình truyền động song song là loại cấu hình được ứng dụng khá phổ
biến trên xe lai. Ở hình thức truyền động song song, cả động cơ đốt trong hay động cơ
điện hoặc có thể cả hai là nguồn cung cấp momen xoắn, trực tiếp đến dẫn động đến các
bánh xe.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 19

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai
Bộ
điều
khiển

Ắc-quy

Ly hợp
Vi sai
Động cơ điện
Động cơ đốt
trong

Hộp số

Sơ đồ truyền động song song
Ngun lí làm việc cơ bản của hệ thống truyền động song song, là động cơ điện
dùng để giúp xe khởi động và chuyển động ở tốc độ thấp, còn tốc độ của động cơ đốt
trong được lựa chọn với tay số truyền hợp lý để giúp cho tốc độ của nó ln nằm trong
giới hạn cho phép. Sau đó động cơ điện được dùng để hỗ trợ thêm momen cho động cơ
đốt trong nhằm giúp nó ln hoạt động với hiệu suất cao nhất. ngồi ra động cơ điện còn
được dùng để tái sinh lực phanh và dùng năng lượng đó nạp cho ắc-quy. Đối với cấu hình
này các nhà thiết kế đã tích hợp thêm trên nó rất nhiều hệ thống ích lợi cho người sử
dụng, vì thế việc điều khiển và vạch ra các phương pháp điều khiển giữ một vị trí rất
quan trọng.
Chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển chính là làm cho hệ thống truyền động
của xe ln phù hợp với điều kiện truyền động thực tế của khi xe di chuyển trên đường.
Ví dụ, động cơ đốt trong sẽ khơng bao giờ được phép hoạt động tại chế độ cầm chừng.

Còn khi xe đang dừng hay giảm tốc thì động cơ đốt trong sẽ ở trạng thái khơng hoạt
động, chỉ có duy nhất mỗi động cơ điện là nguồn cung cấp momen xoắn chủ yếu cho việc
dẫn động xe trên đường. Trong trường hợp cần phải đáp ứng momen kéo lớn hơn như khi
xe tăng tốc, leo dốc thì cả động cơ đốt trong và động cơ điện sẽ hoạt động kết hợp với
nhau. Khơng phải chỉ khi cần cung cấp momen kéo lớn hơn mà còn khi xe tận dụng năng
lượng từ việc phục hồi lực phanh cũng cần sự kết hợp của cả hai nguồn động lực trên.
Tuỳ thuộc vào thiết kế mà các yếu tố tác động đến hoạt động của xe cũng biến đổi
khác nhau. Tuy nhiên người thiết kế phải chọn lựa một yếu tố là tốc độ thấp nhất của xe
mà tại đó động cơ đốt trong được tách ra khỏi hệ thống truyền động của xe. Ngồi ra họ
cũng phải quyết định momen xoắn tối thiểu để đủ khả năng làm quay động cơ đốt trong.
Bên cạnh đó các hệ thống phụ trên xe như hệ thống lái, hệ thống điều hồ có thể
hoạt động độc lập với động cơ, tức là khơng cần động cơ kéo thơng qua đai dẫn động.
Các hệ thống này hoạt động nhờ điện năng cung cấp bởi động cơ điện, điều đó giúp các
hệ thống này hoạt động hiệu quả hơn, bởi khi đó các hệ thống này ln quay tại tốc độ
khơng đổi khơng phụ thuộc vào tốc độ động cơ nhanh hay chậm.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 20


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Trong các kiểu truyền động song song đang tồn tại hiện nay có nhiều cách thức bố
trí khác nhau. Tuy nhiên, chỉ có ba cách thức bố trí phổ biến nhất:
 Kiểu thứ nhất
Ở cấu hình truyền động kiểu cổ điển, có sự kết hợp giữa truyền động truyền thống là
động cơ đốt trong kết hợp với truyền động „ắc quy-động cơ điện‟. Cả hai hệ thống truyền
động này được nối trực tiếp với cần dẫn động của hộp số hay với bánh xe dẫn động. Hầu

hết những chiếc xe sử dụng cấu hình này đều có thể chạy ở các chế độ riêng biệt như: chỉ
duy nhất với động cơ đốt trong, hay chế độ kết hợp giữa động cơ và mơ tơ điện hoặc có
thể chạy như một chiếc xe điện đơn thuần.
Trong lúc động cơ đốt trong là nguồn cung cấp momen dẫn động chính cho xe thì
động cơ điện giữ nhiệm vụ tái sinh lực phanh và nạp điện cho ắc quy. Chế độ kết hợp chỉ
được thực hiện khi người sử dụng có những u cầu về momen kéo lớn. Khi chạy trong
thành phố với u cầu nghiêm ngặt về khí thải và tiết kiệm nhiên liệu thì xe hoạt động
như một chiếc xe điện thơng thường.

TR:

Hộp số.

ICE: Động cơ đốt trong.
EM:

Động cơ điện.

BAT: Ắc quy.
Whells: Các bánh xe.

Hệ thống truyền động song song kiểu 1

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 21


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

Hệ thống truyền động song song kiểu 2

Hệ thống truyền động song song kiểu 3

● Kiểu thứ hai: thường được gọi là động cơ phụ “engine assist”.
Trong cấu hình truyền động này một động cơ điện được gắn trên bánh đà của động
cơ đốt trong. Động cơ này giúp dẫn động xe khi xe chạy ở tốc độ thấp và ở trạng thái khí
xả là khơng. Nó còn có chức năng như là máy khởi động cho động cơ đốt trong, ngồi ra
động cơ điện còn hỗ trợ thêm momen xoắn cho động cơ đốt trong tại số vòng quay thấp
và cung cấp thêm một phần cơng suất tối đa khi cần thiết. Trong q trình phanh, vào lúc
động cơ đốt trong đang dẫn động thì động cơ điện hoạt động như là một máy phát khi đó
nó chuyển đổi cơ năng thành điện năng rồi nạp cho ắc quy.
● Kiểu thứ ba: là kiểu truyền động đang trong q trình thử nghiệm và hiện nay
chỉ được sử dụng trên các mẫu xe thử nghiệm, nhưng hứa hẹn sẽ phát triển trong thời
gian tới. Hệ thống này bao gồm hai hệ thống truyền động riêng biệt, một hệ thống dẫn
động bánh trước còn hệ thống còn lại dẫn động bánh sau.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 22


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Tính toán động học-động lực học và mô phỏng các
chế độ làm việc của bộ phân phối công suất trên xe lai

2. Truyền động nối tiếp
Bộ
điều
khiển 1

Động cơ
đốt trong

Bộ
điều
khiển 2

M/G1

Ắc-quy

M/G2

Vi sai

Sơ đồ truyền động nối tiếp

Sự ra đời của xe lai truyền động kiểu nối tiếp xuất phát từ mong muốn giải quyết
vấn đề về hành trình của dòng xe điện trước đây.
Trong kiểu truyền động nối tiếp thì động cơ đốt trong được nối trực tiếp với máy
phát và chỉ có duy nhất động cơ điện là nguồn động lực duy nhất dẫn động bánh xe.
Động cơ đốt trong sẽ chuyển nhiệt năng thành cơ năng, sau đó được biến đổi thành điện
năng bởi máy phát và nạp cho ắc-quy thơng qua bộ chuyển đổi cơng suất. Điện năng này
được động cơ điện sử dụng để chuyển đổi thành cơ năng dẫn động bánh xe.
Thơng thường động cơ đốt trong chỉ đáp ứng một phần cơng suất để hỗ trợ, phần
lớn cơng suất cung cấp cho động cơ điện là từ ắc-quy. Khi xe cần đáp ứng cơng suất kéo
lớn hơn, động cơ điện lấy điện năng từ cả bình ắc-quy và máy phát. Động cơ điện được
thiết kế ln tạo ra cơng suất lớn nhất trong khi máy phát được thiết kế theo cơng suất
của động cơ đốt trong. Trong hệ thống này, động cơ đốt trong được thiết kế ln hoạt

động trong vùng đạt hiệu suất cao nhất, hay vùng khí thải là thấp nhất.
Hiện nay có rất nhiều cách thức điều khiển được ứng dụng đối với cấu hình truyền
động nối tiếp. Động cơ đốt trong được điều khiển để hoạt động ở chế độ hiệu suất tối ưu
nhất cả về việc tiết kiệm nhiên liệu và kiểm sốt lượng khí xả ở mức thấp nhất. Còn về hệ
thống máy phát–máy khởi động về mặt thiết kế được xem xét kĩ về cách thức dùng hay
khơng dùng chế độ “nạp phụ thuộc” hay “tự duy trì”. Ở chế độ “nạp phụ thuộc” thì xe
phải dựa vào nguồn điện năng từ bên ngồi nạp vào, nhưng ngược lại ở chế độ “tự duy
trì” thì xe khơng phải làm như vậy. Do đó những chiếc xe dùng cách thức “nạp phụ
thuộc” thì rất giống với chiếc xe điện thơng thường, với lượng khí thải đưa ra ngồi mơi
trường rất thấp, nhưng đối với xe “tự duy trì” thì nó lại cho thấy khả năng duy trì được
quảng đường di chuyển dài hơn. Ngồi ra đối với xe “tự duy trì” thì đòi hỏi phải có một
máy phát có dung lượng lớn hơn, còn đối với xe “nạp phụ thuộc” lại đòi hỏi ắc-quy phải
có dung lượng lớn hơn.

Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng

Trang 23