Nghiên cứu thiết kế hệ thống phối hợp nguồn động lực trong động cơ hybrid

NGUYỄN VĂN MẠNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------

NGUYỄN VĂN MẠNH

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỐI HỢP NGUỒN
ĐỘNG LỰC TRONG ĐỘNG CƠ HYBRID

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHÓA 2011A

Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Hà Nội - Năm 2013

i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN VĂN MẠNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỐI HỢP NGUỒN ĐỘNG
LỰC TRONG ĐỘNG CƠ HYBRID

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
…......................................
Kỹ thuật Cơ khí Động lực

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS Khổng Vũ Quảng

Hà Nội – Năm 2013

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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.

Tác giả

Nguyễn Văn Mạnh

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Công thức xác định tốc độ, mô men của hệ bánh răng hành tinh..........
Bảng 2.1. Một dạng điều khiển logic..............
Bảng 2.2: Các thông số đầu vào khi tính toán cho xe....................

Bảng 2.3. Giá trị mômen chống uốn tại các tiết diện .....................
Bảng 2.4: Bảng trị số an toàn.........................
Bảng 3.1: Thông số đầu vào của phần mềm về suất tiêu hao nhiên liệu của một động
cơ (g/kWh)..................................
Bảng 3.2: Chu trình thử ECE R40.......................
Bảng 3.3: Kết quả so sánh giữa xe thông thƣờng và xe hybrid............................

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1-1. Mô hình một loại xe hybrid........................................................................5
Hình 1-2. Mô hình một thiết bị kết nối mô men ........................................................6
Hình 1-3. Một thiết bị kết nối mô men ......................................................................6
Hình 1-4. Cấu hình 2 trục ...........................................................................................7
Hình 1-5. Cấu hình 1 trục............................................................................................8
Hình 1-6. Mô hình một thiết bị kết nối tốc độ ...........................................................9
Hình 1-7. Hệ bánh răng hành tinh Willson ..............................................................10
Hình 1-8. Mô-tơ có sato động...................................................................................11
Hình 1-9. Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ hệ bánh răng hành
tinh............................................................................................................................11
Hình 1-10. Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu Mô-tơ có sato
động...........................................................................................................................12
Hình 1-11. Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid xen kẽ mô men và tốc độ với hệ bánh
răng hành tinh ...........................................................................................................13
Hình 2-1. Sơ đồ một phƣơng pháp phối hợp nối tiếp ..............................................15
Hình 2-2. Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp......................16
Hình 2-3. Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe máy hybrid nối tiếp .................17
Hình 2-4. Minh họa về điều khiển đóng-ngắt động cơ [6] .......................................19
Hình 2-5. Hệ thống hybrid song song với bộ ghép nối mô men ..............................20

Hình 2-6. Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ dẫn động hybrid song song..................22

v


Hình 2-7. Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu......................23
Hình 2-8. Sơ đồ điều khiển logic cho tình trạng nạp của ắc quy..............................26
Hình 2-9. Minh họa điều khiển đóng – ngắt ĐCĐT [6]............................................27
Hình 2-10. Sơ đồ cấu tạo hệ dẫn động hybrid song song một trục ..........................28
Hình 2-11. Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với bộ ghép nối bánh răng hành
tinh............................................................................................................................31
Hình 2-12. Sơ đồ một bộ bánh răng hành tinh..........................................................32
Hình 2-13. Mô-men trên vành răng và cầu dẫn (mô-men ĐCĐT và mô-men tới bộ
truyền động) thay đổi với tỉ số truyền, R, tại mô-men đƣa ra trên bánh răng mặt trời
(mô-men mô-tơ điện)................................................................................................33
Hình 2-14. Nạp ắc quy và chỉ có ĐCĐT kéo, phụ thuộc vào tình trạng nạp của ắc
quy [6].......................................................................................................................34
Hình 2-15. Hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với mô-tơ có stato động...........................34
Hình 2-16. Một mô-tơ điện với stato động...............................................................35
Hình 2-17. Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp cho xe máy.....................................36
Hình 2-18. Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ đứng yên..............37
Hình 2-19. Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ khởi động.............38
Hình 2-20. Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ bình thƣờng..........38
Hình 2-21. Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ gia tốc lớn và vận
tốc cao.......................................................................................................................39
Hình 2-22. Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ giảm tốc và
phanh.........................................................................................................................40
Hình 2-23. Đồ thị hiệu suất và thành phần phát thải của động cơ chọn mô phỏng..41
Hình 2-24. Đồ thị đặc tính của mô-tơ chọn mô phỏng.............................................42

vi


Hình 2-25. Tính toán bộ truyền động bánh răng hành tinh.......................................43
Hình 2-26. Sơ đồ các lực tác dụng lên bộ truyền Wilson.........................................51
Hình 3-1. Biểu đồ hiệu suất của động cơ Geo 1.0L..................................................61
Hình 3-2. Sơ đồ khối một mô hình trong ADVISOR...............................................63
Hình 3-3. Sơ đồ mô phỏng trong ADVISOR............................................................63
Hình 3-4. Cửa sổ chọn thông số ban đầu của mô hình xe.........................................65
Hình 3-5. Cửa sổ cài đặt mô phỏng..........................................................................65
Hình 3-6. Cửa sổ trình bày kết quả mô phỏng..........................................................66
Hình 3-7. Giao diện trực quan mô phỏng quá trình hoạt động của xe......................67
Hình 3-8. Chu trình thử ECE R40.............................................................................67
Hình 3-9. Sơ đồ khối của xe máy hybrid mô phỏng.................................................69
Hình 3-10. Cửa sổ thiết lập mô phỏng của phần mềm..............................................70
Hình 3-11. Cửa sổ hiển thị kết quả chạy mô phỏng đƣợc.........................................71
Hình 3-12. Đồ thị các điểm làm việc của động cơ (kí hiệu: X- mô-men đầu ra trục
khuỷu; ∆- điểm hoạt động thực tế)............................................................................72
Hình 3-13. Đồ thị các điểm làm việc của mô-tơ kéo................................................72
Hình 3-14. a) Hiệu suất phóng của ắc quy; b) Hiệu suất nạp của ắc quy.................73
Hình 3-15. Sơ đồ khối xe máy với hệ dẫn động thông thƣờng.................................73
Hình 3-16. Cửa sổ kết quả mô phỏng cho xe thông thƣờng.....................................74
Hình 3-17. Đồ thị các điểm làm việc của động cơ trong xe máy thông thƣờng.......75

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ viết tắt

Nội dung

NOX

O xít Ni tơ

CO

Mônôxít cácbon

HC

Hyđro cácbon

PM

Chất thải hạt

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

ĐCĐT/MP

Động cơ đốt trong – máy phát

HTDĐ

Hệ thống dẫn động

MG1

Máy phát điện

MG2

Mô tơ điện

viii


MỤC LỤC

ix


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. PHÁT THẢI ĐỘC HẠI TỪ CÁC PHƢƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.
1.1.1. Các thành phần độc hại trong khí thải của động cơ
Sản phẩm cháy đƣợc thải ra từ động cơ đốt trong gồm ôxit nitơ (NOx), mônôxit
cácbon (CO), hyđrô cácbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđêhit, là nguyên nhân
chính gây ra ô nhiễm không khí. Động cơ đốt trong là nguồn đóng góp xấp xỉ một
nửa lƣợng chất ô nhiễm NOx, CO, và HC trong không khí [19]. Các chất ô nhiễm
này gây nhiều tác hại khác nhau cho sức khỏe và môi trƣờng. Ví dụ, NOx phản ứng
với hơi nƣớc tạo thành axit nitric và phản ứng với bức xạ ánh sáng mặt trời tạo
thành khí ôzôn trong khí quyển, cả hai sản phẩm này đều gây ra các vấn đề đối với
hệ hô hấp. Mônôxit cácbon có ái lực đối với hêmôglôbin lớn hơn khoảng 200 lần so
với ôxy, bởi vậy nó có thể gây trở ngại cho sự vận chuyển khí ôxy trong hệ tuần
hoàn của con ngƣời. Ngoài ra, các hyđrô cácbon có thể gây ra sự đột biến tế bào và

cũng góp phần hình thành ôzôn trong khí quyển.
Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, phƣơng pháp hình thành hỗn hợp và
cháy, và tình trạng của động cơ mà nồng độ các thành phần phát thải của các động
cơ khác nhau. Trong khi động cơ xăng có hàm lƣợng các thành phần phát thải CO
và HC cao thì động cơ diesel lại đƣợc biết đến với các thành phần phát thải PM và
NOx lớn.
NOx đƣợc sinh ra trong buồng cháy trong quá trình cháy do phản ứng hóa học
giữa nguyên tử ôxy và nitơ của không khí. Các phản ứng tạo thành NOx phụ thuộc
nhiều vào nhiệt độ. Bởi vậy lƣợng NOx thải ra từ động cơ thƣờng tỷ lệ thuận với tải
của động cơ [19]. Ở chế độ khởi động và chạy ấm máy, lƣợng NOx thải ra tƣơng đối
thấp, trong khi ở chế độ tải càng tăng thì lƣợng phát thải NOx càng lớn do nhiệt độ
của quá trình cháy cũng nhƣ nhiệt độ của động cơ tăng cao.
PM (phát thải hạt) bao gồm các nhân cácbon (bồ hóng), bám dính trên nó là các
hợp chất hữu cơ. Hầu hết phát thải hạt là kết quả của quá trình cháy không hoàn

1


toàn hyđrô cácbon nhiên liệu, một phần là do dầu bôi trơn. Thành phần của PM phụ
thuộc vào tình trạng của khí thải và hệ thống đƣờng ống thải của động cơ. Ở nhiệt
độ trên 5000C, các hạt riêng biệt là một chuỗi những hạt cácbon hình cầu hoặc
tƣơng tự hình cầu (kết hợp với một lƣợng nhỏ hyđrô cácbon) với đƣờng kính của
các hạt tƣơng tự hình cầu khoảng 15 đến 30 nm. Khi nhiệt độ giảm xuống dƣới
5000C, các hạt này sẽ đƣợc phủ bởi các hợp chất hữu cơ bám đọng có trọng lƣợng
khá lớn bao gồm: hyđrô cácbon, hyđrô cácbon có chứa phân tử ôxy (ketones, este,
axít hữu cơ) và hyđrô cácbon thơm đa nhân. Các thành phần bám đọng còn có những
thành phần không phải hữu cơ nhƣ ôxít lƣu huỳnh, ôxít nitơ và axít sunfuríc [26].
1.1.2. Tình hình phát thải ô nhiễm của phƣơng tiện giao thông ở Việt Nam
Trong giai đoạn hiện nay với xu thế hội nhập, hợp tác trên quy mô toàn cầu.
Kinh tế nƣớc ta cũng đang từng bƣớc chuyển sang nền kinh tế thị trƣờng và không

ngừng quốc tế hoá. Từ sau những năm đất nƣớc xoá bỏ cơ chế bao cấp, chuyển đổi
sang nền kinh tế thị trƣờng đất nƣớc ta đã có những bƣớc chuyển mình mạnh mẽ cả
về kinh tế và xã hội. Những mặt tích cực của sự chuyển biến này có thể nhìn thấy
rất rõ nhƣ cơ sở vật chất, kết cấu hạ tầng cơ sở đã và đang không ngừng đƣợc xây
dựng và kiến thiết. Nền kinh tế đã không còn phụ thuộc hoàn toàn vào nông nghiệp
mà đang từng bƣớc chuyển dần cán cân tỷ trọng giữa nông nghiệp và công nghiệp.
Một loạt các dự án các khu công nghiệp cao, khu công nghiệp mũi nhọn và trọng
điểm đã đƣợc đầu tƣ và đang từng bƣớc đi vào hoạt động và bƣớc đầu đạt đƣợc
những thành công mới. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, của công nghiệp thì
số lƣợng các phƣơng tiện giao thông cũng tăng nhanh với tốc độ chóng mặt. Nó
vƣợt xa và nhanh hơn rất nhiều so với sự phát triển chung. Bên cạnh đó quá trình đô
thị hóa đang diễn ra mạnh mẽ tại các đô thị lớn của Việt Nam, đặc biệt là tại 2 thành
phố lớn là Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh. Quá trình này luôn kéo theo sự bùng nổ về
dân số và sự phát triển không gian tại các đô thị nhanh hơn sự phát triển hạ tầng kỹ
thuật đô thị: lƣu lƣợng xe lƣu thông nhanh, khả năng quản lý xây dựng và cải tạo đô
thị chƣa tăng kịp đà phát triển dẫn tới các nguồn gây ô nhiễm không khí chƣa đƣợc
kiểm soát cũng gia tăng rất nhanh, tạo áp lực làm biến đổi chất lƣợng không khí

2


chƣa đƣợc kiểm soát cũng gia tăng nhanh, tạo áp lực biến đổi chất lƣợng không khí
theo chiều hƣớng không tốt, gây ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng và tác động đến sức
khỏe con ngƣời.
Tại Hà Nội, tốc độ phát triển các phƣơng tiện giao thông cơ giới những năm
gần đây tăng mạnh. Trung bình lƣợng ô tô hàng năm tăng 11%, xe máy tăng 15%.
Theo số liệu thống kê, số lƣợng xe máy của Hà Nội năm 2003 khoảng 1,2 triệu xe,
năm 2005 lên khoảng 1,5 triệu xe và đến nay đã vƣợt 2,4 triệu xe (chƣa tính đến gần
500 nghìn xe máy vãng lai của các tỉnh phụ cận hoạt động trên địa bàn). Mật độ xe
của 2 thành phố này là khoảng 2-3 ngƣời/xe. Với tình trạng phƣơng tiện cũ, quá

niên hạn sử dụng vẫn lƣu hành dẫn đến tình trạng khói, bụi thải gây ra ô nhiễm môi
trƣờng nghiêm trọng.
Lƣợng phát thải gây ô nhiễm từ các loại xe cơ giới nói chung và xe máy nói
riêng không hoàn toàn phụ thuộc vào số lƣợng xe cũng nhƣ lƣợng nhiên liệu tiêu
thụ mà chủ yếu phụ thuộc vào chất lƣợng nhiên liệu, công nghệ giảm khí thải đƣợc
áp dụng trên xe, chế độ bảo dƣỡng, sửa chữa và chế độ vận hành xe trong sử dụng.
Thực tế cho thấy trung bình một xe máy tiêu thụ nhiên liệu chỉ bằng 1/5 xe ô tô con
nhƣng lại có thể thải ra lƣợng khí độc hại gấp nhiều lần nếu nhƣ xe máy đó là loại
có kết cấu, công nghệ lạc hậu.
Theo khảo sát, nồng độ bụi và tiếng ồn trong không khí ở Hà Nội và TP.HCM
luôn cao hơn tiêu chuẩn Việt Nam, đặc biệt tại các nút giao thông và khu vực đang
xây dựng. Nguồn gây ô nhiễm chủ yếu là do các hoạt động giao thông vận tải
(chiếm đến 70%), từ hoạt động công nghiệp (chiếm 20%)…Vấn đề ô nhiễm không
khí do các phƣơng tiện tham gia giao thông đặc biệt là cơ giới đƣờng bộ đang ngày
càng đáng báo động. Chất lƣợng không khí ngày càng bị ô nhiễm một cách trầm
trọng hơn, nếu cứ với tốc độ gia tăng các phƣơng tiện tham gia giao thông nhƣ hiện
nay cùng với chất lƣợng xuống cấp nhanh chóng của các phƣơng tiện đã quá cũ và
lạc hậu về công nghệ thì vấn đề ô nhiễm không khí sẽ trở thành một vấn đề mang
tính cấp thiết, sống còn cần phải giải quyết ngay để đảm bảo cho ngƣời dân có một
cuộc sống trong lành hơn. Nếu không giải quyết ngay thì cũng phải từng bƣớc giảm

3


thiểu sự ô nhiễm không khí bằng các biện pháp kỹ thuật, công nghệ để cải tiến và
giảm bớt đƣợc nồng độ các chất độc hải từ khí xả động cơ. Áp dụng các phƣơng
tiện thân thiện hơn với môi trƣờng vv…
1.2. XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO PHƢƠNG TIỆN
THAM GIA GIAO THÔNG.
Sự phát triển các phƣơng tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung

không giống nhau, mỗi nƣớc có một quy định riêng về nồng độ phát thải khí thải
của xe, nhƣng đều có xu hƣớng là từng bƣớc cải tiến và chế tạo ra loại ôtô mà mức
phát thải và ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó
càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay ngày càng cạn kiệt
dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của ngƣời dân lại tăng không đáng kể.
Các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trƣờng và là
một trong số những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trƣờng , làm cho bầu khí quyển
ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phƣơng án để giảm tối
thiểu lƣợng khí thải gây ô nhiễm môi trƣờng là một vấn đề cần đƣợc quan tâm nhất
hiện nay của ngành ôtô nói riêng và mọi ngƣời nói chung.
Ôtô sạch không gây ô nhiễm là mục tiêu hƣớng tới của các nhà nghiên cứu và
chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã đƣợc công bố trong những năm gần
đây, nhƣ hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không
truyền thống cho ôtô nhƣ LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên
liệu, năng lƣợng mặt trời, ôtô dùng động cơ lai (hybrid)... Trong số những giải pháp
công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang đƣợc ứng dụng ngày càng phổ
biến và cho hiệu quả cao.
Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn đƣợc
nghiên cứu và phát triển nhƣ là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi
trƣờng. Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên
mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô hạn chế tối đa việc gây ô nhiễm môi trƣờng,
giảm tiêu hao nhiên liệu tối thiểu hay còn gọi là ôtô “sinh thái” mà vẫn sử dụng
ĐCĐT, loại động cơ chƣa thể thay thế trong nhiều năm tới.

4


Hình 1.1: Mô hình một xe hybrid.

Với các ƣu điểm nổi bật nhƣ đã nêu, ôtô hybrid đang đƣợc sự quan tâm

nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới.
Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trƣờng và càng có nhiều
ngƣời tiêu dùng sử dụng loại ôtô này.
Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô chạy bằng năng lƣợng mặt trời mặt trời...
cho đến nay đều tồn tại một số nhƣợc điểm nhất định, chƣa dễ thực hiện với thực
trạng nhƣ đất nƣớc ta. Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid (nhiệt - điện) kết hợp giữa
ĐCĐT và mô-tơ điện đƣợc coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế
phát triển ôtô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về môi trƣờng đô thị và nguy
cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid hoạt động trong
phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đƣờng dài
hàng trăm kilômet tƣơng đối bằng phẳng... Chứ không thể sử dụng ôtô hybrid thay
hẳn các loại ôtô khác vì khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau và tính
công nghệ còn nhiều hạn chế, trong đó cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ
năng lƣợng điện để cấp cho mô-tơ điện, vì nếu dùng loại ắc quy thông thƣờng thì số
lƣợng bình rất nhiều, kích thƣớc và khối lƣợng rất lớn.

5


Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp này em chỉ tìm hiểu nghiên cứu dòng ôtô
hybrid (nhiệt-điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện là loại ôtô hybrid thông dụng
nhất hiện nay.
1.3. HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG HYBRID

1.3.1. Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối mômen.

Hình 1.2: Sơ đồ một thiết bị kết nối mô-men
Một thiết bị kết nối mô-men nhƣ sơ đồ hình 1.2 gồm có 3 cổng và có 2 bậc
tự do. Cổng 1 là đầu vào đơn hƣớng, cổng 2 và 3 là cổng ra hoặc vào 2 chiều,

nhƣng cả 2 không cùng là cổng vào một lúc. Cổng 1 kết nối trực tiếp với ĐCĐT
hoặc thông qua 1 hộp số cơ khí. Cổng 2 kết nối trực tiếp với trục của mô-tơ điện
hoặc qua 1 hộp số cơ khí. Cổng 3 kết nối với bánh xe chủ động qua liên kết cơ khí.

Hình 1.3:Một số thiết bị kết nối mô-men

6


Nếu bỏ qua tổn thất và giả sử cổng 2 đang là cổng vào thì năng lƣợng ra
bánh xe là:
T3ω3 = T1ω1+ T2ω2

(1.1)

Mô-men kết nối có thể đƣợc biểu diễn:
T3 = k1T1+k2T2

(1.2)

Với k1 và k2 là tham số cấu trúc của bộ kết nối mô-men.
Vận tốc góc ω1 ,ω2 và ω3 quan hệ với nhau:
ω3 = ω1/k1 = ω2/k2

(1.3)

Thiết bị kết nối mô-men có rất nhiều dạng khác nhau, hình 1.3 cho thấy một
số thiết bị cơ bản nhƣ: truyền động bánh răng, đai hay sử dụng trực tiếp mô-tơ điện.
Mỗi thiết bị sẽ cho một thông số về k1 và k2 khác nhau. Do tính đa dạng của bộ kết
nối mô-men nên hệ thống truyền lực hybrid song song có nhiều cấu hình khác nhau.

Dựa trên bộ kết nối mô-men đƣợc dùng , cấu hình 1 hay 2 trục sẽ đƣợc sử dụng.
Trong mỗi cấu hình, hộp số có thể đƣợc đặt tại các vị trí khác nhau dẫn đến đặc tính
kéo khác nhau.

Hình 1.4:Cấu hình 2 trục
Trên đây là 1 cấu hình 2 trục của hệ thống truyền lực hybrid, trong đó bộ kết
nối đƣợc sử dụng là kiểu hộp giảm tốc với 2 cặp bánh răng ăn khớp ngoài. Hộp số
đƣợc đặt giữa bộ kết nối mô-men và bánh xe chủ động. Hộp số tăng cƣờng mô-men

7


của cả động cơ và mô tơ điện với cùng tỷ lệ.Cấu hình này sẽ thích hợp khi động cơ
và mô-tơ điện tƣơng đối nhỏ đƣợc sử dụng.

Hình 1.5:Cấu hình 1 trục
Hình 1.5 là cấu trúc đơn giản và gọn nhẹ nhất của bộ kết nối mô-men của
kiểu hybrid song song, cấu hình 1 trục, roto của mô-tơ điện có chức năng nhƣ 1 bộ
kết nối mô-men (với k1=1 và k2=1). Mô-tơ điện có thể đặt giữa động cơ và hộp số
hoặc ở giữa hộp số và truyền lực cuối. Trong hình trên mô-men của cả động cơ và
mô-tơ điện đƣợc biến đổi bởi hộp số. Tuy nhiên, động cơ va mô-tơ điện đƣợc yêu
cầu có dải tốc độ nhƣ nhau.Cấu hình này đƣợc dùng với loại mô-tơ nhỏ, đƣợc gọi là
hệ thống truyền lực hybrid êm dịu, trong đó chức năng của mô-tơ điện nhƣ 1 máy
khởi động, 1 máy phát điện, 1 động cơ phụ và cho phanh tái sinh.
Ưu điểm: kết cấu nhỏ gọn, đơn giản. Đặc tính kéo của xe gần giống với đặc
tính tối ƣu. Hiệu suất cao do ít tổn hao qua bộ truyền.
Nhược điểm: hai nguồn động lực cần có dải tốc độ nhƣ nhau do ở chế độ
hybrid tốc độ trục ra phải tỉ lệ với cả tốc độ của ĐCĐT và mô-tơ điện.

8

1.3.2. Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ.

Hình 1.6: Sơ đồ một thiết bị kết nối tốc độ.
Năng lƣợng đƣợc cung cấp bởi một nguồn năng lƣợng có đƣợc kết nối cùng
nhau bằng cách cộng tốc độ của chúng. Tƣơng tự bộ kết nối mô-men, bộ kết nối tốc
độ có sơ đồ nhƣ hình 1.6 cũng gồm 3 cổng – 2 bậc tự do .Cổng 1 kết nối với ĐCĐT
với dòng năng lƣợng đơn hƣớng. Cổng 2 và 3 có thể kết nối với mô-tơ điện hoặc
truyền lực cuối, cả 2 đều với dòng năng lƣợng 2 chiều.
Bộ kết nối tốc độ cơ khí có thuộc tính:
ω3 = ω1k1 + ω2k2

(1.4)

Với k1 và k2 là hằng số kết hợp với cấu trúc và hình học đƣợc thiết kế. Trong
số 3 tốc độ ,ω1 , ω2 và ω3 ,2 trong số chúng độc lập với nhau và có thể điều khiển
độc lập. Do sự ràng buộc của bảo toàn năng lƣợng, mô-men xoắn đƣợc liên kết
cùng nhau bởi biểu thức:
T3 = T1/k1 = T2/k2

(1.5)

 Bộ bánh răng hành tinh.
Một thiết bị kết nối tốc độ điển hình là hệ bánh răng hành tinh nhƣ hình 1.7:

9


Hình 1.7: Hệ bánh răng hành tinh Willson

Hệ bánh răng hành tinh gồm 3 cổng đơn vị: bánh răng mặt trời, bánh răng
bao và cần dẫn đƣợc đánh số 1,2,3 tƣơng ứng trên hình.
Với ig = R2/R1 = Z2/Z1 ta có mối quan hệ tốc độ và mô-men nhƣ sau:
Bảng 1.1: Công thức xác định tốc độ, mô men của hệ bánh răng hành tinh
Tốc độ
Bánh răng mặt trời

3 

Bánh răng bao (vành răng)

3 

Cầu dẫn

ig
1  ig
ig
1  ig

Mômen

1  ig

2

T3  

1

T3  (1  ig )T1

1  ig .2

T1 

ig

T2

1
T2
ig

 Mô-tơ có stato động.
Thiết bị khác đƣợc sử dụng nhƣ một bộ kết nối tốc độ là mô-tơ điện với stato
không cố định (đƣợc gọi là transmoto).Có thể coi mô-tơ gồm có stato cố định với
khung nhƣ 1 mô tơ truyền thống, và có 2 rô-to ,rô-to trong và rôto ngoài. Rô-to
ngoài, rô-to trong và khoảng không khí là 3 cổng nhƣ Hình 1.8:

10


Hình 1.8:Mô-tơ có stato động
Năng lƣợng điện đƣợc biến đổi thành năng lƣợng cơ trong khoảng không khí.
Tốc độ của mô-tơ, trong điều kiện thông thƣờng, là tốc độ tƣơng đối của rôto
trong với rôto ngoài. Quan hệ tốc độ có thể đƣợc biểu diễn: ωor = ωir + ωoi ,và quan
hệ mô-men: Tor = Tir = Te .
Tƣơng tự thiết bị kết nối mô-men, bộ kết nối tốc độ có thể sử dụng để cấu
thành hệ thống truyền lực hybrid. Với 2 loại thiết bị kết nối tốc độ dùng hệ bánh

răng hành tinh hay Mô-tơ có stato động, ta cũng có 2 cấu hình khác nhau nhƣ hai ví
dụ dƣới đây hình 1.9 và hình 1.10 .

Hình 1.9: Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng
hành tinh

11


Nhƣ đã phân tích về bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng hành tinh ở trên, để
thay đổi chế độ hoạt động của xe ta bố trí thêm cơ cấu khóa 1 và 2. Khi khóa 1 hoạt
động, năng lƣợng truyền từ ĐCĐT sẽ bị ngắt, còn khi khóa 2 hoạt động bánh răng
bao của hệ hành tinh đứng yên tức là năng lƣợng truyền từ mô-tơ điện bị ngắt. Khi
cả hai khóa mở, xe hoạt động chế độ hybrid, cả hai động cơ cùng truyền năng lƣợng
tới bánh xe dẫn động.

Hình 1.10: Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu Mô-tơ có
stato động.
Cũng hoàn toàn tƣơng tự với sơ đồ hình 1.9, trên hình 1.10 khóa 1 và ly hợp
2 đƣợc sử dụng để khóa rôto ngoài với khung và rô-to ngoài với rô-to trong tƣơng
ứng. Trạng thái của 2 ly hợp và khóa quyết định đến chế độ hoạt động của xe.
- Ưu điểm: đảm bảo tính linh hoạt về phƣơng diện tốc độ của động cơ và môtơ, tránh đƣợc hiện tƣợng cƣỡng bức tốc độ của 1 trong 2 nguồn khi tốc độ làm việc
khác nhau.
- Nhược điểm: kết cấu hệ bánh băng hành tinh cồng kềnh, còn mô-tơ có stato
động phức tạp yêu cầu chế tạo chính xác cao.

12


1.3.3. Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối hỗn hợp mô-men và tốc độ.

Bằng kết nối tổ hợp mô-men và tốc độ, có thể thiết lập hệ thống truyền lực
hybrid mà trong đó trạng thái kết nối mô-men và kết nối tốc độ có thể đƣợc lựa
chọn xen kẽ nhƣ sơ đồ hình 1.11.

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid xen kẽ mômen và tốc độ với hệ bánh
răng hành tinh.
Khi chế độ kết nối mô-men đƣợc chọn, khóa 2 khóa bánh răng bao của hệ
hành tinh với khung xe trong khi ly hợp 1 và 3 đóng còn ly hợp 2 mở. Công suất
của động cơ và mô-tơ điện đƣợc cộng cùng nhau bằng cách cộng mô-men của
chúng thông qua bánh răng Za ,Zb và ly hợp 3 tới trục bánh răng mặt trời. Trong
trƣờng hợp này ,hệ bánh răng hành tinh chỉ có nhiệm vụ nhƣ 1 bộ giảm tốc. Tỷ số
truyền từ bánh răng mặt trời tới cần dẫn : 1/3 = 1+ig .
Khi chế độ kết nối tốc độ đƣợc chọn là chế độ hoạt động hiện hành, ly hợp 1
và 2 đóng trong khi ly hợp 3 mở, và khóa 1 và 2 giải phóng bánh răng mặt trời và
bánh răng bao. Tốc độ của cần dẫn, kết nối tới bánh xe chủ động ,là sự kết hợp của
tốc độ động cơ và mô-tơ. Nhƣng mô-men của động cơ, của mô-tơ điện và trên bánh
xe chủ động giữ quan hệ cố định với nhau:

13


T3  (1  ig )T1  

1  ig
ig

T2

(1.6)

1.4. MỤC TIÊU, PHẠM VI, PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CỦA ĐỀ TÀI.
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
- Thiết kế, tính toán hệ thống phối hợp nguồn động lực cho xe máy hybrid.
- Đánh giá đƣợc các tính năng kinh tế, kỹ thuật và mức phát thải của xe máy
hybrid.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu:
- Thiết kế, tính toán hệ thống phối hợp nguồn động lực hybrid.
1.4.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính.
1.4.4. Nội dung nghiên cứu:
Chƣơng I: Tổng quan
Chƣơng II: Thiết kế, tính toán hệ thống phối hợp nguồn động lực xe máy
hybrid.
Chƣơng III: Mô phỏng phối hợp nguồn động lực xe máy hybrid.

14


CHƢƠNG II: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHỐI
HỢP NGUỒN ĐỘNG LỰC XE MÁY HYBRID
2.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỐI HỢP NGUỒN LỰC HYBRID.
2.1.1. Phƣơng pháp phối hợp nối tiếp
2.1.1.1. Khái quát về dạng Hybrid nối tiếp.
Phƣơng pháp phối hợp nối tiếp (Series hybrid electric drive train) là hệ thống
dẫn động cho xe hybrid trong đó xe chỉ đƣợc kéo bởi mô-tơ điện. Mô-tơ điện này
đƣợc cung cấp năng lƣợng từ hai nguồn là: Ắc quy và máy phát điện đƣợc dẫn động
bởi ĐCĐT. Phƣơng pháp phối hợp nối tiếp đơn giản nhất nhƣ hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ một phương pháp phối hợp nối tiếp

Bánh xe đƣợc kéo bởi một mô tơ điện. Mô-tơ điện lấy năng lƣợng từ nguồn
ắcqui hoặc máy phát đƣợc dẫn động bởi ĐCĐT. Cụm ĐCĐT/máy phát (ĐCĐT/MP)
có nhiệm vụ giúp ắc quy bổ sung năng lƣợng cho mô-tơ kéo khi công suất tải yêu cầu
lớn hoặc nạp cho ắc quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ và dung lƣợng ắc quy thấp.
Bộ điều khiển mô-tơ để điều khiển mô-tơ kéo sinh ra năng lƣợng phù hợp với
yêu cầu của xe.

15


2.1.1.2. ác chiến

c iều hi n.

Đây là quy tắc điều khiển đƣợc cài đặt trƣớc trong bộ điều khiển xe, nó ra lệnh
hoạt động cho mỗi bộ phận. Bộ điều khiển xe nhận những lệnh hoạt động từ lái xe
và tín hiệu phản hồi từ hệ thống dẫn động (HTDĐ) cùng tất cả các bộ phận sau đó
đƣa ra các quyết định để sử dụng dạng hoạt động phù hợp. Tất nhiên, đặc tính của
HTDĐ phụ thuộc chủ yếu chất lƣợng điều khiển, trong đó điều khiển chiến lƣợc giữ
vai trò quyết định.
Trong thực tế, đó là một dải của bộ chiến lƣợc điều khiển mà có thể đƣợc sử
dụng trong những chiếc xe với các yêu cầu nhiệm vụ khác nhau. Ở đây chỉ xét đến
hai kiểu chiến lƣợc điều khiển đặc trƣng của động cơ: Trạng thái nạp lớn nhất cho

Công suất

ắc quy và điều khiển đóng ngắt động cơ đốt trong.

Công suất lớn nhất của mô tơ kéo

A

Công suất của ắc
qui

Paq
Pyc

Pn-aq

Pđc/mp

B

Pyc

Công suất động cơ
với một phần tải

Công suất của động
cơ với tải lớn nhất

Vận tốc xe
Pyc

Pph,ts

Pph,ts

Pyc

D

Pph,ck

Công suất lớn nhất của phanh tái sinh

C

Hình 2.2: Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp.

Trong đó:
A – Dạng kéo kết hợp
Pyc – Công suất yêu cầu.
Paq – Công suất ắc quy.
Pđc/mp – Công suất cụm động cơ/máy phát.

16