Nghiên cứu thuật toán điều khiển xe máy hybrid

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những nội dung trình
bày trong luận văn này do chính tôi thực hiện với sự hƣớng dẫn khoa học của TS.
Đàm Hoàng Phúc và các giảng viên trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng với sự
giúp đỡ của các bạn bè, đồng nghiệp. Nội dung của luận văn hoàn toàn phù hợp với
Đề tài đã đƣợc đăng ký và phê duyệt của Hiệu trƣởng Trƣờng Đại Học Bách Khoa
Hà Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực.
Hà nội ngày…..tháng……năm
Tác giả luận văn

Đặng Quang Cảnh

1


MỤC LỤC
Lời cam đoan………………………………………………………………………..1
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .........................................................................4
Danh mục các bảng .....................................................................................................7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ......................................................................................7
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG ......................................................................11
1.1. Nhu cầu sử dụng dòng xe tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi
trƣờng………………………………………………………………………………11
1.2. Định nghĩa xe Hybrid………………………………………………………...13
1.3. Phân loại xe hybrid……………….…………………………………………..13
1.4. Đặc điểm xe HEVs…………………………………………………………...14
1.5. Các bộ phận chính trên xe hybrid………..…………………………………...15
1.6. Các phƣơng án truyền động của xe Hybrid………………..........……………18
1.6.1.

Kiểu hybrid nối tiếp : ............................................................................18

1.6.2.

Kiểu hybrid song song: .........................................................................20

1.6.3.

Kiểu hybrid nối tiếp – song song: .........................................................21

1.6.4.

Kiểu hybrid h n hợp: ............................................................................22

1.6.5.

So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất ..............................................23

1.7. Ƣu điểm của xe Hybrid……………..………………………………………..23
1.8.

Xu hƣớng phát triển xe hybrid ở Việt Nam ...................................................25
1.8.1.

Một số kiểu xe máy Hybrid đã đƣợc thiết kế chế tạo trên thế giới.......25

1.8.1.1. Honda Hybrid Scooter .........................................................................26
1.8.1.2. eCycle Hybrid.......................................................................................26
1.8.1.3. FA - 801 (Hybrid 80cc - 500W) ............................................................27
1.8.1.4. Piaggio MP3 Hybrid .............................................................................30

1.8.2.

Các chế độ làm việc của hệ thống Hybrid : ..........................................30

CHƢƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XE ...........................................33
2.1. Sơ đồ hệ thống truyền lực……………………………………………………..33

2


2.2. Các chế độ làm việc của xe máy hybrid……………………………………....39
2.2.1. Chế độ một mình động cơ đốt trong đẩy xe .............................................39
2.2.2. Chế độ mô tơ điện một mình kéo xe ........................................................39
2.2.3. Chế độ hybrid ...........................................................................................39
2.2.4. Chế độ chỉ sử dụng phanh tái sinh ...........................................................40
2.2.5. Chế độ phanh hybrid ................................................................................40
2.2.6. Chế độ sạc pin ..........................................................................................40
2.3. Đặc tính động lực học…………………………………………………............40
2.3.1. Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo ở chế độ chỉ động cơ đốt trong kéo
xe………………………………………………………………………………40
2.3.2. Xây dựng đường đặc tính cân bằng lực kéo chỉ động cơ điện kéo xe ......43
2.3.3. Kết hợp cả động cơ đốt trong và động cơ điện ........................................44
2.3.4. Đồ thị nhân tố động lực học và đồ thị đặc tính tăng tốc ..........................45
2.3.4.2. Đồ thị gia tốc của xe ..............................................................................45
2.3.4.2. Đồ thị thời gian và quãng đƣờng tăng tốc của xe..................................47
CHƢƠNG III: CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ...............................................50
3.1. Cấu hình và mục tiêu thiết kế của xe……………………………………….....50
3.2. Cách trạng thái hoạt động……………………………………………………..51
3.2.1. Chế độ một mình mô tơ kéo xe ................................................................51
3.2.2. Chế độ hybrid ...........................................................................................53

3.2.3. Chế độ sạc pin ..........................................................................................53
3.2.4. Chế độ một mình động cơ đốt trong đẩy xe .............................................54
3.2.5. Chế độ chỉ sử dụng phanh tái sinh ...........................................................55
3.2.6. Chế độ phanh hybrid ................................................................................55
KẾT LUẬN ...............................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................60

3


STT

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Ký hiệu
Đơn vị
Ý nghĩa

1

IEA

2

HEVs

Xe lai điện
Xe hybrid sử dụng động cơ đốt trong và
động cơ điện

3

Xe hybrid sử dụng động cơ đốt trong và

HHV

mô tơ thủy lực
4

C1

Ly hợp ly tâm

5

C2, C3

Ly hợp điện từ

6

CVT

Hộp số vô cấp

7

MY1020

8

k1, k2

9

ω1

rpm

Vận tốc góc cổng 1 của bộ kết nối mô men

10

ω2

rpm

Vận tốc góc cổng 2 bộ kết nối mô men

11

ω3

rpm

Vận tốc góc cổng 3 bộ kết nối mô men

12

T1, T2, T3

Nm

Mô men cổng 1, cổng 2, cổng 3 của bộ kết

Động cơ điện một chiều không chổi than
Tham số cấu trúc bộ kết nối mô men

nối mô men
13

Pin

%

Tín hiệu vị trí tay ga

14

Pk

N

Lực kéo của xe

15

Pi

N

Lực cản lên dốc

16

Pf

N

Lực cản lăn

17

Pω

N

Lực cản gió

18

Pj

N

Lực cản tăng tốc

19

ih1, ih2, ih3,

Các tỉ số truyền giả sử của hộp số vô cấp

ih4, ih5
20

nt

21

nmotor

22

ne

23

j

CVT
Số vòng quay của trục kết hợp công suất
Vòng/phút Số vòng quay của trục mô tơ
Vòng/phút Số vòng quay của trục khuỷu động cơ
m/s2

Gia tốc

4

s2/m

Gia tốc ngƣợc

24

1/j

25

D

Nhân tố động lực học của xe

26

Ψ

Tổng cản
Hệ số tính đến ảnh hƣởng của các khối

27

lƣợng quay
28

Pl

kW

Công suất kéo tải

29

Pe

kW

Công suất động cơ

30

Pm

kW

Công suất kéo mô tơ điện

31

Pmb

kW

Công suất phanh của mô tơ điện

32

Pmc

kW

Công suất sạc lại cho pin

33

Veb

m/s

Vận tốc ứng với số vòng quay nhỏ nhất

34

SOC

%

35

Me

Nm

36

Trạng thái nạp của ắc quy
Mô men xoắn
Hiệu suất của hệ thống truyền lực

37

rb

m

Bán kính bánh xe

38

C1

Hằng số tính toán

39

i0

Tỉ số truyền truyền lực cuối

40

icvt

Tỉ số truyền hộp số vô cấp

41

icvtmax

Tỉ số truyền lớn nhất cuả bộ truyền động
đai vô cấp

42

Tỷ số truyền nhỏ nhât của bộ truyền đai vô

icvtmin

cấp
43

α

Độ dốc mặt đƣờng

44

Pd

N

45

vmax

m/s

Vận tốc lớn nhất của xe

46

v

m/s

Vận tốc của xe

47

g

48

s

Lực kéo dƣ

Gia tốc trọng trƣờng (9.81)
m/s

Quãng đƣờng

5


49

t

s

50

PPPS-d

kW

Năng lƣợng ắc quy phát ra
Hiệu suất động cơ

51
52

Thời gian

PPPS-C

kW

Năng lƣợng pin sạc
Hiệu suất truyền động từ động cơ đốt trong

53

tới mô tơ
54

Pmbmax

kW

Công suất phanh lớn nhất của mô tơ điện

55

Pmf

kW

Năng lƣợng phanh cơ khí

6


Bảng

Danh mục các bảng
Nội dung

Trang

Bảng1.1

Sự bùng nổ giao thông cơ giới

11

Bảng 1.2

Các thành phần khí thải trong đông cơ diesel

12

Bảng 1.3

So sánh ƣu nhƣợc điểm của ba kiểu phối hợp công suất

23

Bảng 2.1

Thông số kỹ thuật của động cơ điện MY1020

37

Bảng 2.2

Mối quan hệ tƣơng ứng giữa vận tốc, tỉ số truyền Mối quan

43

hệ tƣơng ứng giữa vận tốc, tỉ số truyền
Bảng 2.3

Các thông số V, Ptong, D, ih, j

47

Bảng 2.4

Các thông số v, t của chế độ hybrid

48

Bảng 2.5

Các thông số cả v, s của chế độ hybrid

49

Bảng 3.1

Thuật toán điều khiển xe máy hybrid

58

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Số lƣợng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm ở Việt Nam

12

Hình 1.2

Sơ đồ nguyên lý hệ thống hybrid

15

Hình 1.3

Động cơ đốt trong, hộp số của ô tô hybrid (Toyota Prius)

16

Hình 1.4

Sơ đồ cấu tạo của bộ phân phối công suất

17

Hình 1.5a

Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius

17

Hình1.5b

Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg

17

Hình 1.6

Bộ chuyển đổi điện áp và nguyên lý hoạt động

18

Hình 1.7

Sơ đồ hệ thống truyền lực Hybrid mắc nối tiếp

19

Hình 1.8

Sơ đồ hệ thống truyền lực Hybrid mắc song song

20

Hình 1.9

Sơ đồ hệ thống truyền lực Hybrid mắc nối tiếp – song song

21

Hình 1.10

Sơ đồ hệ thống truyền lực Hybrid mắc nối kiểu phức tạp

22

7


Hình 1.11

Đặc tính mô men của động cơ điện

24

Hình 1.12

Đặc tính của động cơ đốt trong

25

Hình 1.13

Xe Honda hybrid scooter

26

Hình 1.14

Xe eCycle Hybrid

27

Hình 1.15

Xe FA-801

29

Hình 1.16

Xe piaggio MP3 Hybrid

30

Hình 2.1

Sơ đồ hệ thống truyền lực của xe Hybrid

33

Hình 2.2

Động cơ xe máy Honda Click

34

Hình 2.3

Đồ thị đặc tính ngoài động cơ đốt trong

34

Hình 2.4

Hộp số CVT

35

Hình 2.5

Ly hợp ly tâm ngắt

36

Hình 2.6

Ly hợp ly tâm nối

36

Hình 2.7

Động cơ điện MY1020

37

Hình 2.8

Thiết bị kết nối tốc độ

37

Hình 2.9

Thiết bị kết nối tốc độ bằng đai

38

Hình 2.10

Đồ thị cân bằng lực kéo với các tỉ số truyền

42

Hình 2.11

Đồ thị cân bằng lực kéo động cơ xăng

44

Hình 2.12

Đồ thị cân bằng lực kéo động cơ điện

45

Hình 2.13

Đồ thị lực kéo ở chế độ hybrid

46

Hình 2.14

Đồ thị nhân tố động lực học D

46

Hình 2.15

Đồ thị gia tốc ở chế độ Hybrid

48

Hình 2.16

Đồ thị thời gian tăng tốc

49

Hình 2.17

Đồ thị quãng đƣờng tăng tốc

50

Hình 3.1

Cấu hình hệ thống truyền lực xe hybrid song song dùng bộ

51

kết nối mô men
Hình 3.2

Mô tả các chế độ hoạt động khác nhau dựa trên công suất
yêu cầu

8

53


MỞ ĐẦU
Thế giới nói chung và Việt nam nói riêng đang phải đối mặt với hai vấn đề
lớn tồn tại song song, đó là an ninh năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng do các hoạt
động sản xuất và sử dụng năng lƣợng gây ra.
Giá nhiên liệu ngày càng tăng cao, trong những năm qua Nhà nƣớc phải
dùng ngân sách để bù l cho xăng dầu. Tuy nhiên hiện nay giá dầu thô trên thế giới
đã vƣợt ngƣỡng 100USD/thùng, Nhà Nƣớc không còn khả năng bù l , giá xăng dầu
đã tăng và trong tƣơng lai, mức độ tăng giá xăng dầu sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn do
nguồn dữ trữ dầu thô giảm mạnh. Bên cạnh đó ở Việt Nam xe máy chiếm với số
lƣợng lớn khoảng 34 triệu xe (ô tô chiếm khoảng 1,7 triệu), xe máy đa phần còn
dùng chế hòa khí nên hiệu suất nhiên liệu thấp, khí thải ô nhiễm nhiều.
Do đó việc nghiên cứu xe máy hybrid mang tính khả thi cao và phù hợp với
tình hình giao thông Việt Nam hiện nay nhằm giảm thải ô nhiễm môi trƣờng, tiết
kiệm nhiên liệu góp phần phát triển kinh tế đất nƣớc.
Để xe máy hybrid hoạt động hiệu quả, đạt đƣợc những ƣu điểm vƣợt trội nhƣ
tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện môi trƣờng, khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm về ắc
quy, cung đƣờng sử dụng, … ngoài việc tính toán, kiểm nghiệm các cơ cấu cơ khí
sao cho tối ƣu thì việc nghiên cứu lựa chọn các chế độ hoạt động của xe máy hybrid
trong từng điều kiện cụ thể khác nhau là rất quan trọng. Nó quyết định đến quá
trình làm việc của xe nhƣ khi nào xe hoạt động ở độ một mình động cơ đốt trong
kéo tải hay khi nào động cơ điện một mình kéo tải, khi nào kết hợp cả 2 động cơ,
khi nào làm việc ở chế độ phanh tái sinh,….Thông qua sự lựa chọn các chế độ hoạt

động sẽ giúp tối ƣu hóa quá trình điều khiển xe nhằm nâng cao hiệu suất làm việc
của xe. Với vai trò quan trọng của thuật toán điều khiển xe máy hybrid nhƣ trên nên
đề tài chọn là: Nghiên cứu thuật toán điều khiển xe máy hybrid.
Nhằm tối ƣu hóa quá trình điều khiển xe nhằm thỏa mãn yêu cầu tiết kiệm
nhiên liệu giảm phát thải ô nhiễm môi trƣờng luận văn đã tập chung vào các nội
dung chính nhƣ:

9


- Nhu cầu sử dụng dòng xe tiết kiệm nhiên liệu và giảm thải ô nhiễm môi
trƣờng;
- Định nghĩa, phân loại xe hybrid;
- Trình bày các đặc điểm của xe HEVs;
- Các phƣơng án truyền động của xe hybrid;
- Xu hƣớng phát triển xe hybrid ở Việt Nam
-

Sơ đồ hệ thống truyền lực;

-

Các chế độ của xe máy hybrid;

-

Đặc tính động lực học.

-

Cấu hình và mục tiêu thiết kế của xe;

-

Các trạng thái hoạt động của xe Hybrid (thuật toán điều khiển).

Nội dung luận văn đƣợc gói gọn trong 3 chƣơng:
Chƣơng I: Tổng quan chung:
Chƣơng II: Mô hình động lực học của xe:
Chƣơng III: Thuật toán điều khiển:

10


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG
1.1. Nhu cầu sử dụng dòng xe tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi
trƣờng
- Giao thông, đặc biệt là giao thông đƣờng bộ do sự phát triển kinh tế và
những đặc thù của riêng nó đang là một trong những ngành tiêu thụ nhiều năng
lƣợng và do đó gây ô nhiễm lớn hiện nay. Theo thống kê trên toàn thế giới lƣợng
nhiên liệu hóa thạch dùng trong giao thông đƣờng bộ tăng trung bình khoảng 8%
một năm trong giai đoạn 1980 - 2011. Cùng thời gian trên lƣợng CO2 do ngành này
thải ra tăng từ 2565 triệu tấn lên 5685 triệu tấn, tƣơng đƣơng 2,6% một năm (IEA
2012).
- Tại Việt Nam sự bùng nổ giao thông cơ giới ngày càng mạnh mẽ đƣợc thể
hiện trong bảng 1.1
Năm 1980

Năm 2000

Xe

Ô tô, xe GT công Xe

đạp

máy

cộng

đạp

Hiện nay

Ô tô, xe GT

Xe

Ô tô, xe GT công

máy

đạp

máy

2-3%

87-88% 10%

công

cộng

cộng
80% 5%

15%

65% >30%

<5%

Bảng 1.1: Sự bùng nổ giao thông cơ giới (ước tính)
Hình 1.1. Thống kê số lƣợng ô tô xe máy hoạt động theo từng năm đƣợc cục
đăng kiểm Việt Nam và Vụ KHCN&MT, Bộ GTVT thống kê vào năm 2009.

11


Hình 1.1: Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam
(Nguồn: Cục Đăng kiểm Việt Nam và Vụ KHCN&MT, Bộ GTVT, 2009)
Bảng 1.2 giới thiệu các thành phần khí thải trong động cơ Diezel:

CO2

2÷12%

H2O

2÷12%

O2

3÷17%

NOX

50÷1000ppm

HC

20÷300 ppm

CO

10÷500 ppm

SO2

10÷30 ppm

N2O

≈3 ppm

Bảng 1.2: Các thành phần khí thải trong động cơ Diezel
Các thành phần khí thải trong động cơ xăng:
+ HC (unburned hydro cacbon)

12


+ CO (carbon monoxide)
+ NOx (nitơ oxit)
+ SOx (oxit lƣu huỳnh)
+ Bồ hóng
+ CO2 (carbon dioxide) và H2O
- Đứng trƣớc những thách thức về vấn đề khí thải gây hiệu ứng nhà kính và
khả năng cạn kiệt của các nguồn năng lƣợng tự nhiên dƣới lòng đất (dầu mỏ, khí đốt
và than đá), thế giới đang tích cực nghiên cứu thế hệ phƣơng tiện tiếp theo sử dụng
năng lƣợng điện, gọi tắt là xe điện (Electric Vehicle).
- Tuy nhiên xe điện còn tồn tại nhiều hạn chế nhƣ: Giá thành đắt, tính tiện ích
chƣa cao do cung đƣờng sử dụng ngắn, thời gian nạp dài, tuổi thọ ắc quy không cao,
hạ tầng cơ sở ít,…Do đó hiện nay thế giới đang có xu thế nghiên cứu, phát triển xe
hybrid và thực tế đã có một số hãng phát triển và tung ra thị trƣờng nhƣ: Toyota
Prius, Ford Escape Hybrid, Civic Hybrid, Honda Insight …
1.2. Định nghĩa xe Hybrid
- Xe hybrid là một chiếc xe sử dụng hai hay nhiều nguồn công suất riêng biệt
để di chuyển xe. Thuật ngữ phổ biến nhất là xe lai điện (HEVs), kết hợp một động
cơ đốt trong và một hoặc nhiều mô tơ điện. Sự hoạt động của xe hibrid là sự kết
hợp hoạt động giữa các nguồn này sao cho tối ƣu nhất: Một bộ điều khiển sẽ quyết
định khi nào động cơ đốt trong hoạt động, khi nào động cơ điện hoạt động và khi
nào cả hai cùng hoạt động.
1.3. Phân loại xe hybrid
a. HEVs là viết tắt của Hybrid Electric Vehicles, là loại xe hybrid sử dụng tổ
hợp động cơ đốt trong và động cơ điện. Với loại xe HEVs, có khả năng tái sinh
năng lƣợng khi phanh hoặc xe xuống dốc, lúc này động cơ điện hoạt động nhƣ một
máy phát điện tận dụng năng lƣợng sinh ra khi phanh để nạp cho ắc quy.
b. PHEV là viết tắt của Plugin Hybrid Electric Vehicles, cũng tƣơng tự nhƣ

HEVs sử dụng tổ hợp động cơ đốt trong và động cơ điện. Nhƣng trên loại xe PHEV

13


không có khả năng tái sinh năng lƣợng, do đó ắc quy cần đƣợc nạp điện từ nguồn
bên ngoài.
-

HEV và PHEV sử dụng nguồn năng lƣợng điện là nguồn năng lƣợng sạch.

Năng lƣợng điện đƣợc cấp từ ắc quy, và có thể tái sinh đƣợc thông qua quá trình
phanh hay khi xe xuống dốc, hoặc đƣợc nạp từ lƣới điện bên ngoài. Hệ truyền động
điện ít tổn hao và hiệu suất cũng cao.
c. HHV là viết tắt của Hybrid Hydraulic Vehicles, là loại xe hybrid sử dụng kết
hợp giữa động cơ đốt trong với mô tơ thủy lực. Các chế độ hoạt động cũng nhƣ vận
hành của loại xe này cũng tƣơng tự nhƣ loại sử dụng động cơ điện. Nguồn năng
lƣợng thủy lực cũng là một trong những nguồn năng lƣợng sạch. Tuy nhiên hệ
thống thủy lực lại tổn hao nhiều năng lƣợng trên đƣờng truyền.
Trên các loại xe hybrid hiện nay, nguồn năng lƣợng từ động cơ đốt trong cũng có
thể đƣợc cải tiến:
- Hoàn thiện động cơ đốt trong: bao gồm hệ thống common rail điều khiển
điện tử, xử lý khí thải trên đƣờng xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao
chất lƣợng nhiên liệu, sử dụng diesel có hàm lƣợng lƣu huỳnh thấp. Nhiên liệu trên
ôtô ngày nay còn đƣợc thay thế bằng nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, hay dung đồng
thời (dual fuel).
- Sử dụng pin nhiên liệu – pin hydrogen: là hệ thống điện hóa biến đổi trực
tiếp hóa năng trong pin thành điện năng. Do không xảy ra quá trình cháy nên nhiên
liệu ôtô là sạch. Tuy nhiên việc nạp hydro dƣới áp suất cao vẫn rất khó khăn.
1.4.

Đặc điểm xe HEVs

14


Hình 1.2:Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hybrid
Trên hình 1.2 là sơ đồ nguyên lý hoạt động chung của loại xe HEVs. Động cơ
điện đƣợc sử dụng để khởi động xe, trong quá trình chạy bình thƣờng sẽ vận hành
động cơ đốt trong, khi cần tăng tốc cực đại hay vƣợt dốc thì hai động cơ vận hành
đồng bộ. Động cơ điện còn có công dụng tăng cƣờng cung cấp năng lƣợng để xe
tăng tốc cực đại hoặc leo dốc. Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện đƣợc sử
dụng nhƣ một máy phát để nạp điện cho ắc quy. Không giống nhƣ các phƣơng tiện
sử dụng động cơ điện khác, động cơ HEVs không cần nguồn điện bên ngoài, động
cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lƣợng cho ắc quy khi cần thiết.
1.5. Các bộ phận chính trên xe hybrid
 Động cơ đốt trong (hình 1.3): là nguồn động lực chính trong động cơ
hybrid: có thể sử dụng động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ hydro, khí hóa lỏng
hoặc pin nhiên liệu.

15


Hình 1.3: Động cơ đốt trong, hộp số của ôtô hybrid (Toyota Prius)
 Động cơ điện: là nguồn năng lƣợng bổ sung. Động cơ điện nhận năng lƣợng
điện từ ắc quy và chuyển thành năng lƣợng cơ khí dẫn động bánh xe, nhận năng
lƣợng cơ khí từ động cơ đốt trong hay phanh tái sinh và chuyển thành năng lƣợng
điện để nạp cho ắc quy. Ƣu điểm của động cơ điện là cho mô-men lớn ở số vòng
quay nhỏ, hoạt động êm, hiệu suất cao.
 Hộp số (hình 1.4): truyền và biến đổi mômen, tốc độ giữa 2 nguồn động lực.

Với ô tô hybrid có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau. Bốn loại hộp số thƣờng
dùng là: hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp số tay, hộp số tự động thông
thƣờng với bộ chuyển đổi mô-men.

16


Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất
 Ắc quy (hình 1.5a, 1.5b): là một thành phần quan trọng của động cơ hybrid,
đảm bảo các yêu cầu nhƣ tạo dòng lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh, độ
bền cao. Hiện nay thƣờng sử dụng ắc quy Nickel Metal Hydride thay thế cho ắc quy
chì axit thông thƣờng. Với những ƣu điểm nhƣ: tuổi thọ cao, trọng lƣợng nhỏ, phù
hợp cả khi sử dụng ở vùng công suất cao và nhiệt độ thấp; loại ắc quy này đang
đƣợc sử dụng rộng rãi trên ôtô điện và hybrid hiện nay. Ngoài ra pin Lithinum-ion
và Lithinum-polyme cũng có nhiều triển vọng áp dụng trong tƣơng lai.

Hình 1.5a

Hình 1.5b

Hình 1.5a: Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius

17


Hình 1.5b. Ắc-quy điện áp cao trên VW Touareg
-

Bộ phận điều khiển: điều khiển các chế độ hoạt động và sự phối hợp giữa

động cơ đốt trong và động cơ điện.
-

Bộ chuyển đổi điện (hình 1.6): biến dòng điện một chiều từ ắc quy điện áp

cao (HV Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay
chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy.

Hình 1.6: Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động
1.6.

Các phƣơng án truyền động của xe Hybrid

Tuỳ theo sự phối hợp giữa động cơ nhiệt và động cơ điện mà có bốn dạng hệ
thống kết nối sau đây đƣợc sử dụng.
1.6.1. Kiểu hybrid nối tiếp :
Động cơ điện truyền lực đến bánh xe, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là
sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc quy hoặc cung cấp cho
động cơ điện. Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc bình ắc quy và một
sẽ dùng chạy động cơ điện. Động cơ điện ở đây có vai trò truyền công suất tới
truyền lực chính và bánh xe chủ động để đẩy xe, nhƣng nó cũng có thể hoạt động

18


nhƣ một máy phát điện (tái sinh năng lƣợng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá
trình phanh.

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid mắc nối kiểu nối tiếp
Hình 1.7 là sơ đồ nguyên lý chung của kiểu truyền lực mắc nối tiếp. Hệ thống

truyền lực loại này có các bộ phận chính nhƣ: động cơ đốt trong, máy phát, ắc quy,
bộ chuyển đổi điện, động cơ điện, hệ truyền lực và vi sai .
Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải
nên giảm đƣợc ô nhiễm môi trƣờng, động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt
động tối ƣu, phù hợp với các loại ôtô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe
chạy đƣờng dài quá quãng đƣờng đã quy định dùng cho ắc quy. Sơ đồ này có thể
không cần hộp số.
Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhƣợc điểm
nhƣ: Kích thƣớc và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ
đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên
dễ bị quá tải.

19


1.6.2. Kiểu hybrid song song:
Dòng năng lƣợng truyền tới bánh xe chủ động đi song song. Cả động cơ
nhiệt và mô tơ điện cùng truyền lực tới trục bánh xe với mức độ tuỳ theo các điều
kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng
lƣợng truyền mômen chính còn môtơ điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc
hoặc vƣợt dốc. Ở hệ thống lai này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ
điện có tính năng hai chiều có thể làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế
độ hoạt động bình thƣờng. Năng lƣợng ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung
gian, có thể có thêm một động cơ điện nhỏ hơn làm nhiệm vụ khởi động động cơ
đốt trong và dùng nhƣ một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy.

Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid mắc nối kiểu song song
Hình 1.8 là sơ đồ chung của loại xe hybrid mắc nối theo sơ đồ song song.
Cũng giống nhƣ kiểu lai trên, ở đây cũng có đầy đủ các bộ phận chính đảm nhiệm
các chức năng của xe hybrid. Tuy nhiên, ở sơ đồ này không cần có máy phát, năng

lƣợng truyền từ động cơ đốt trong đến bánh xe chủ động không qua chuyển đổi cơđiện-cơ .

20


Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lƣợng,
mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lƣợng bình ắc
quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lƣợng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp
và h n hợp.
Nhược điểm: Động cơ điện ( máy điện) cũng nhƣ bộ phận điều khiển mô tơ
điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn
hơn kiểu lai nối tiếp. Tính ô nhiễm môi trƣờng cũng nhƣ tính kinh tế nhiên liệu
không cao.
1.6.3. Kiểu hybrid nối tiếp – song song:
Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối
đa các lợi ích đƣợc sinh ra. Hệ thống hybrid nối tiếp này có một bộ phận gọi là
"thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của
động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động. Tuy nhiên xe có thể chạy
theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện.
Nhƣ đã phân tích ở trên, Hình 1.9 là sơ đồ tổng hợp của hai kiểu lai nối tiếp –
song song. Các bộ phận chính của cả hai sơ đồ trên đều phải có trên kiểu xe này.

Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid mắc nối kiểu nối tiếp-song song

21


Ưu điểm: hệ thống này có thể hoạt động nhƣ hệ thống nối tiếp hay song song
hoặc cả hai tùy thuộc điều kiện lái xe. Ở tốc độ cao hệ thống hoạt động ở chế độ
song song, công suất truyền trực tiếp từ động cơ đến bánh xe, lúc này động cơ có

thể chạy gần nhƣ với hiệu quả cao nhất của nó. Ở điều kiện chạy chậm hay dừng xe,
hệ thống sẽ chạy ở chế độ nối tiếp, công suất truyền từ động cơ đến máy phát tới mô
tơ, để cho phép nó chạy với hiệu suất cao nhất của nó.
Nhược điểm: hệ thống này phức tạp hơn và chi phí cao hơn. Bắt buộc phải có
một máy phát điện, và cần thêm vào một hệ thống khớp nối cơ khí nhƣ một vi sai.
1.6.4. Kiểu hybrid h n h p:
Hệ thống lai h n hợp có cấu trúc tƣơng tự nhƣ loại lai nối tiếp – song song. Sơ
đồ kiểu hybrid này nhƣ Hình 1.10. Khác biệt duy nhất là các kết nối điện đƣợc
chuyển từ bộ chuyển đổi tới ắc quy và một bộ chuyển đổi nữa sẽ đƣợc thêm vào
giữa động cơ điện/máy phát và ắc quy. Điểm khác biệt này cho phép hệ thống
chuyển đổi linh hoạt giữa hai kiểu nối tiếp và song song. Hệ thống này cũng có các
ƣu, nhƣợc điểm nhƣ kiểu lai trên. Tuy nhiên ,đó cũng là nhƣợc điểm của hệ thống
này kết cấu của hệ thống sẽ phức tạp hơn, yêu cầu của ắc quy cũng đòi hỏi cao và
tất nhiên giá thành cũng rất cao.

22


Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid mắc nối kiểu phức tạp
1.6.5. So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất
Dựa trên các tiêu chí về tiết kiệm nhiên liệu và truyền lực chúng ta rút ra đƣợc
bảng 1.3 so sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất.
Sự thực hiện truyền

Sự tiết kiệm nhiên liệu

Kiểu lai

Sự dừng

Lấy lại

Hoạt

không tái

năng

động hiệu

sinh

lƣợng

suất cao

động
Công suất
Tổng hiệu
suất

Gia tốc

phát ra
cao liên
tục

Nối tiếp
Song
song

H n hợp
Ghi chú:

: Tính tối ƣu cao

: Tốt

: Bất lợi

Bảng 1.3: Bảng so sánh ưu nhược điểm của ba kiểu phối hợp công suất
1.7.

Ưu điểm của xe Hybrid

Về mặt đặc tính động lực học của xe: Ở chế độ khởi hành, xe chỉ dùng động
cơ điện. Đặc tính mômen cơ của động cơ điện nhƣ hình 1.11 cho ta thấy tại số vòng
quay nhỏ mômen của động cơ cao, do đó sử dụng động cơ điện để khởi hành rất
thích hợp. Còn khi số vòng quay vƣợt quá số vòng quay định mức thì khi tiếp tục
tăng, đƣờng mômen là đƣờng hypebol bậc 2 (số vòng quay tăng thì mômen giảm)
đƣờng này cũng phù hợp với đặc tính động lực học của xe.

23


Hình 1.11: Đặc tính mômen cơ của động cơ điện.
Về tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm: Dựa trên đặc tính của động cơ
đốt trong, ta thấy đƣợc dải hoạt động của mômen xoắn chƣa tối ƣu. Ở tốc độ vòng
quay động cơ thấp, mômen nhỏ không đáp ứng đƣợc điều kiện cản, do đó xe ôtô
thông thƣờng cần phải có hộp số. Hơn nữa, đặc tính mức tiêu thụ nhiên liệu của
động cơ cho thấy chỉ có một vùng động cơ hoạt động tối ƣu với mômen lớn và mức

tiêu thụ nhiên liệu nhỏ. Xe hybrid giải quyết đƣợc vấn đề này, bộ điều khiển sẽ
quyết định trạng thái hoạt động của động cơ để điều chỉnh dải làm việc của động cơ
trong vùng tối ƣu của nó.
Hình 1.12 là đặc tính kinh tế nhiên liệu của động cơ CR12DE ,của xe Nissan
Cube. Đặc tính thể hiện đƣợc đƣờng công suất ngoài và đƣờng mức tiêu thụ nhiên
liệu của động cơ thu đƣợc qua băng thử. Từ công suất ngoài và mức tiêu thụ nhiên
liệu của động cơ, ta xác định đƣợc đƣờng kinh tế nhiên liệu của xe (đƣờng nét gạnh
trên Hình 1.12). Trên đƣờng này ta có công suất của động cơ lớn và mức tiêu thụ
nhiên liệu nhỏ, khi động cơ hoạt động trong vùng này sẽ tiết kiệm đƣợc nhiên liệu
và có lƣợng phát thải độc hại ít.

24


Hình 1.12: Đặc tính của động cơ đốt trong

1.8. Xu hƣớng phát triển xe hybrid ở Việt Nam
- Giá nhiên liệu ngày càng tăng cao, trong những năm qua Nhà nƣớc phải
dùng ngân sách để bù l cho xăng dầu. Tuy nhiên hiện nay giá dầu thô trên thế giới
đã vƣợt ngƣỡng 100USD/thùng, Nhà Nƣớc không còn khả năng bù l , giá xăng dầu
đã tăng và trong tƣơng lai, mức độ tăng giá xăng dầu sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn do
nguồn dữ trữ dầu thô giảm mạnh. Bên cạnh đó ở Việt Nam xe máy chiếm với số
lƣợng lớn khoảng 34 triệu xe (ô tô chiếm khoảng 1,7 triệu), xe máy đa phần còn
dùng chế hòa khí nên hiệu suất nhiên liệu thấp, khí thải ô nhiễm nhiều.
Do đó việc nghiên cứu xe máy hybrid mang tính khả thi cao và phù hợp với
tình hình giao thông Việt Nam hiện nay nhằm giảm thải ô nhiễm môi trƣờng, tiết
kiệm nhiên liệu góp phần phát triển kinh tế đất nƣớc.
1.8.1. Một số kiểu xe máy Hybrid đã đƣợc thiết kế chế tạo trên thế giới

25