Tính toán công suất tổn hao trên hệ thống truyền lực Hybrid

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

HỒNG TRỌNG HIẾU

TÍNH TỐN CƠNG SUẤT TỔN HAO
TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội- Năm 2012


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

HỒNG TRỌNG HIẾU

TÍNH TỐN CƠNG SUẤT TỔN HAO
TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID

Chuyên ngành:
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS.ĐÀM HOÀNG PHÚC

Hà Nội- Năm 2012


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo TS. ĐÀM HOÀNG PHÚC đề tài được thực hiện tại bộ mơn Ơ tơ và xe
chun dụng, viện cơ khí động lực Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các số
liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào tại Việt nam.
Hà Nội, ngày 21 tháng 12 năm 2012
Tác giả

Hoàng Trọng Hiếu

2


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ ......................................................................................................... 1
Lời cam đoan .......................................................................................................... 2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .................................................................. 5
Danh mục các bảng ................................................................................................ 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................. 7
Lời mở đầu ............................................................................................................. 11

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID ................................................ 13
1.1.Khái niệm chung .............................................................................................. 13
1.2.Ưu điểm của xe Hybrid .................................................................................... 13
1.3.Đặc điểm hệ thống truyền động xe Hybrid ...................................................... 15
1.4.Các bộ phận chính trên xe Hybrid ................................................................... 18
1.5.Phân loại ô tô hybrid ........................................................................................ 25
1.5.1.Theo thời điểm phối hợp công suất .......................................................... 25
1.5.2.Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện ......... 26
1.6.Giới thiệu một số dạng dẫn động hybrid .......................................................... 30
1.6.1.Dẫn động hybrid nối tiếp .......................................................................... 30
1.6.2.Hệ thống hybrid song song ....................................................................... 31
1.6.3.Hệ dẫn động hybrid hỗn hợp song song – nối tiếp ................................... 32
CHƯƠNG 2 - CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG KHÁC NHAUCỦA HỆ THỐNG
TRUYỀN LỰC HYBRID ...................................................................................... 33
2.1.Các dạng kết nối công suất trong công nghệ hybrid ........................................ 33
2.1.1.Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối mô men ............................... 33
2.1.2.Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ .................................. 35
2.2.Các chế độ làm việc khác nhau của HTTL hybrid ........................................... 38
2.2.1.Hệ thống hybrid nối tiếp ........................................................................... 38
2.2.2.Hệ thống hybrid song song ....................................................................... 42

3


CHƯƠNG 3 -THIẾT LẬP MƠ HÌNH TÍNH TỐN CƠNG SUẤT
TỔN HAO TRÊN HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID .................................. 47
3.1.Tính tốn công suất tổn hao HTTL hybrid ở chế độ chỉ có ĐCĐT tạo cơng suất
kéo .......................................................................................................................... 49
3.2.Tính tốn cơng suất tổn hao HTTL hybrid ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa kéo
máy phát ................................................................................................................. 52

3.2.1.Tính tốn các giá trị cơng suất tổn hao ..................................................... 54
3.2.2.Tính tốn nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 58
3.3.Chế độ hoạt động hỗn hợp ............................................................................... 61
3.3.1.Tính tốn cơng suất tổn hao ...................................................................... 62
3.3.2.Tính toán nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 64
3.4.Chế độ chỉ có động cơ điện sinh cơng suất kéo ............................................... 67
3.4.1.Tính tốn cơng suất tổn hao ...................................................................... 68
3.4.2.Tính tốn nhiên liệu và hiệu suất hỗ trợ ................................................... 69
3.5.Chế độ phanh tái sinh ....................................................................................... 73
3.5.1.Tổn thất RTM ........................................................................................... 74
3.5.2.Tổn thất ắc quy trong q trình nạp .......................................................... 74
Bảng tóm tắt kết quả tồn bộ q trình tính tốn ................................................... 77
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79

4


a)Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt:
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa
Mơ men kết nối

T

[Nm]

I

[A]

Cường độ dịng điện

R

[]

Điện trở nạp hoặc phóng của ắc quy



[rad/s]

k

-

Vận tốc góc
Tham số cấu trúc của bộ kết nối mô men

Me

[Nm]

Mô men động cơ

Myc

[Nm]

Mô men u cầu

ne

[v/p]

Số vịng quay động cơ

Pyc

[kW]

Cơng suất u cầu

Pđcdt/mp

[kW]

Cơng suất cụm động cơ đốt trong – máy phát

Pđc

[kW]

Công suất của động cơ

Pắc quy

[kW]

Công suất nguồn ắc quy

Pn-ắc quy

[kW]

Công suất nạp cho ắc quy

Pph,ts

[kW]

Công suất phanh tái sinh

Pph,ck

[kW]

Công suất phanh cơ khí

Ptải

[kW]

Cơng suất tải

Pm

[kW]

Cơng suất mơ tơ kéo

Pắc quy-p

[kW]

Cơng suất phóng điện của ắc quy

[kW]

Công suất lý tưởng của ắc quy

[kW]

Công suất tổn hao của ắc quy

𝑃𝑑ự 𝑡𝑟ữ

[kW]

Công suất dự trữ của ắc quy

𝑛𝑙
𝑃ℎỗ
𝑡𝑟ợ

[kW]

Công suất hỗ trợ của nhiên liệu

Vxe,min

[m/s]

Vận tốc của xe ứng với vận tốc nhỏ nhất của động cơ

Pm

[kW]

Cơng suất ra của mơ tơ điện

Pe

[kW]

Cơng suất cơ khí đầu ra động cơ

ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦

𝑃𝑙ý 𝑡ưở𝑛𝑔
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦

𝑃𝑡ổ𝑛 ℎ𝑎𝑜
ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦

5

𝑜
𝑃𝑛𝑙

[kW]

Lượng nhiên liệu quy đổi

𝐵𝐴𝑆
𝑃𝑖𝑛

[kW]

Cơng suất cơ khí đầu vào cho motor phía trước (BAS)

𝐵𝐴𝑆
𝑃𝑜𝑢𝑡

[kW]

Cơng suất cơ khí đầu ra cho motor phía trước (BAS)

𝑅𝑇𝑀
𝑃𝑖𝑛

[kW]

Cơng suất cơ khí đầu vào cho motor phía sau (RTM)

𝑅𝑇𝑀
𝑃𝑜𝑢𝑡

[kW]

Cơng suất cơ khí đầu ra cho motor phía sau(RTM)

𝑃𝑜𝑢𝑡

[kW]

Cơng suất đầu ra của ắc quy

∆𝑃𝐺𝐵𝐴𝑆

[kW]

Tổn thất của motor BAS

[kW]

Tổn thất của motor RTM

∆Pe

[kW]

Công suất tổn hao của động cơ

MBAS

[Nm]

Mơ men trên trục motor phía trước (BAS)

t,m

-

Hiệu suất truyền động từ mô tơ điện tới các bánh xe

e

-

Hiệu suất động cơ

m

-

Hiệu suất truyền động của mô tơ điện

BAS

-

Hiệu suất làm việc của motor phía trước (BAS)

𝑛𝑙

𝑐đ

-

Hiệu suất hỗ trợ nhiên liệu

t,đc

-

Hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới các bánh xe

t,đc,m

-

Hiệu suất truyền động từ ĐCĐT tới mô tơ điện

𝑞𝑢𝑦
ắ𝑐
𝑝ℎ

-

Hiệu suất làm việc của ắc quy

𝑞𝑢𝑦
ắ𝑐
𝑛ạ𝑝

-

Hiệu suất nạp của ắc quy

𝑛𝑙
ℎỗ 𝑡𝑟ợ

-

Hiệu suất hỗ trợ nhiên liệu

HTTL

-

Hệ thống truyền lực

HTTĐ

-

Hệ thống truyền động

ĐCĐT

-

Động cơ đốt trong

MP

-

Máy phát

CVT

-

Hộp số biến thiên vô cấp

MG

-

Tổ hợp mô tơ điện- máy phát

ắ𝑐 𝑞𝑢𝑦

∆𝑃𝐺𝑅𝑇𝑀

6


BAS

-

Motor điện phía trước

RTM

-

Motor điện phía sau

b)Danh mục các bảng:
Số hiệu

Tên bảng

bảng
1.1

Trang

So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp
công suất.

29

3.1

Thông số Chevrolet Equinox REVLSE

47

3.2

Thông số của ắc quy

48

3.3

Các chế độ hoạt động

49

3.4

Tóm tắt kết quả tính tốn chế độ chỉ có ĐCĐT kéo xe

51

3.5

Tóm tắt kết quả tính tốn chế độ ĐCĐT kéo cả máy phát

3.6

59

Hiệu suất chuyển đổi ở 1 vài tốc độ và momen nhất định,
với momen BAS= -10(Nm)

60

3.7

Tóm tắt kết quả tính tốn chế độ hoạt động hỗn hợp

66

3.8

Tóm tắt kết quả tính tốn chế độ chỉ có mơ tơ điện kéo xe

3.9

Tóm tắt kết quả tính tốn chế độ phanh tái sinh

76

3.10

Tóm tắt kết quả tồn bộ q trình tính tốn

77

72

Danh mục các hình vẽ, đồ thị:
Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Đặc tính cơng suất, mơ men của động cơ đốt trong

13

1.2

Đặc tính công suất, mô men của động cơ điện

14

1.3

Hệ thống truyền động xe Hybrid

16

1.4

Mơ hình tổng qt của ơ tơ Hybrid

18

7


1.5

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

19

1.6

Động cơ Hybrid của hãng Ford.

19

1.7

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất

20

1.8

Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động

21

1.9a

Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius

22

1.9b

Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg

22

1.10

Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao

22

1.11

Ắc quy phụ trên ô tô hybrid

23

1.12

Hệ thống hybrid nối tiếp

26

1.13

Hệ thống hybrid song song

28

1.14

Hệ thống hybrid hỗn hợp

29

1.15

Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp

30

1.16

Hệ thống dẫn động hybrid song song

31

1.17

Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với bộ ghép nối bánh
răng hành tinh

32

2.1

Sơ đồ một thiết bị kết nối mô men

33

2.2

Một số thiết bị kết nối mơ men

34

2.3

Cấu hình 2 trục

34

2.4

Cấu hình hybrid song song sử dụng kết nối mô men kiểu
mô tơ điện

35

2. 5

Sơ đồ một thiết bị kết nối tốc độ

35

2.6

Bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng hành tinh

36

2.7

Bộ kết nối tốc độ kiểu Transmotor

36

2.8

HTTĐ hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh
răng hành tinh

37

2.9

HTTĐ hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu transmotor

37

2.10

Hệ dẫn động hybrid sử dụng kết nối mô men tốc độ

38

2.11

Các chế độ làm việc của hệ thống hybrid nối tiếp

38

8


2.12

Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp

40

2.13

Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe hybrid nối tiếp

41

2.14

Minh họa về điều khiển đóng-ngắt động cơ của hệ thống
hybrid nối tiếp

42

2.15

Các chế độ làm việc của hệ thống hybrid song song

42

2.16

Những dạng hoạt động cơ bản với từng công suất yêu cầu

43

2.17

Sơ đồ điều khiển logic cho tình trạng nạp của ắc quy

46

2.18

Minh họa điều khiển đóng – ngắt ĐCĐT của hệ thống
hybrid song song

46

3.1

Chevrolet Equinox REVLSE (Challenge X)

47

3.2

Model COBASYS NiMHax 336-70

48

3.3

Hệ dẫn động hybrid song song trên Chevrolet Equinox
REVLSE

48

3.4

Sơ đồ dòng năng lượngở chế độ chỉ ĐCĐT kéo

50

3.5

Minh họa bài toán ở chế độ chỉ ĐCĐT kéo

50

3.6

Hiệu suất của động cơ theo vận tốc và mơ men

52

3.7

3.8

3.9

So sánh chuyển đổi năng lượng cơ khí thành năng lượng
điện khi sử dụng RTM và BAS

53

Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa
kéo máy phát

53

Minh họa bài toán ở chế độ ĐCĐT vừa kéo xe vừa kéo
máy phát

54

3.10

Hiệu suất của máy phát theo mơ men và số vịng quay

3.11

Sơ đồ dịng năng lượng ở chế độ hoạt động hỗn hợp

61

3.12

Minh họa bài toán ở chế độ hoạt động hỗn hợp

62

3.13

60

Sơ đồ dòng năng lượng ở chế độ chỉ có động cơ điện sinh
cơng suất kéo

68

9


3.14

3.15

Minh họa bài tốn ở chế độ chỉ có động cơ điện sinh
công suất kéo

68

Hiệu suất của motor RTM theo số vịng quay ở chế độ
chỉ có động cơ điện tạo cơng suất kéo

73

3.16

Sơ đồ dịng năng lượng ở chế độ phanh tái sinh

73

3.17

Minh họa bài toán ở chế độ phanh tái sinh

74

10


LỜI MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới phải đối mặt với những vấn đề lớn như
ô nhiễm mơi trường, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch. Để khắc phục những
vần đề khó khăn nói trên, cùng với các ngành khoa học cơng nghệ khác thì ngành
cơng nghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu cơng nghệ khắp nơi
trên thế giới đã tìm cách cải tiến và thay thế các công nghệ trên xe ơ tơ. Mục đích
của các nghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát thải ơ nhiễm và giảm sự
tiêu hao hoặc sự phụ thuộc vào nhiên liệu xăng dầu khi xe hoạt động. Đã có một vài
cơng nghệ hiện đại và tối ưu hơn được áp dụng cho xe ơ tơ, trong số đó thì cơng
nghệ hybrid đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ơtơ, hứa hẹn là
cơng nghệ cho tương lai.
Có rất nhiều mẫu xe của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khi tung
ra thị trường như: Toyota Prius, Honda Insight, Chevrolet Silverado Hybrid,…
Trong khi đó, ở Việt Nam các đề tài nghiên cứu về công nghệ hybrid trên ơtơ cịn
hạn chế. Với những thành cơng và sự cần thiết của công nghệ hybrid như đã nêu
trên, do vậy tơi đãchọn đề tài “Tính tốn cơng suất tổn hao trên hệ thống truyền lực
hybrid”cho luận văn tốt nghiệp cao học.
Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về ô tô Hybrid.
Chương 2: Các chế độ hoạt động khác nhau của hệ thống truyền lực Hybrid.
Chương 3: Thiết lập mơ hình tính tốn cơng suất tổn hao trên hệ thống
truyền lực Hybrid.
Phần kết luận: Về những kết quả nghiên cứu đạt được của đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, với trình độ và thời gian hạn chế, cũng như
hạn chế nhiều về tài liệu và kiến thức thực tế, chắc chắn khơng thể tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong Hội đồng và
các bạn đồng nghiệp.

11


Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn TS.Đàm Hồng Phúc cùng các thầy
trong Viện cơ khí động lực đã tận tình hướng dẫn tơi hồn thành đề tài này.
Ngày 21 tháng 12 năm 2012

Hoàng Trọng Hiếu

12


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ƠTƠ HYBRID
1.1.Khái niệm chung
Ơ tơ hybrid là dịng ơtơ sử dụng động cơ tổ hợp. Động cơ hybrid là sự kết
hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một nguồn năng lượng khác. Bộ điều
khiển điện tử sẽ quyết định sử dụng nguồn năng lượng nào, tức là khi nào dùng
động cơ đốt trong, khi nào dùng nguồn năng lượng kia, khi nào dùng vận hành đồng
bộ, đảm bảo hiệu suất tổng hợp của hệ thống là cao nhất [1].

1.2.Ưu điểm của xe Hybrid
Về tính tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm: dựa trên đặc tính của động cơ
đốt trong, ta thấy được dải hoạt động của mô men xoắn chưa tối ưu. Ở tốc độ vịng
quay động cơ thấp, mơ men nhỏ khơng đáp ứng được điều kiện cản, do đó xe ơtơ
thơng thường 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 ưu với mô men lớn và mức
tiêu thụ nhiên liệu nhỏ. Xe hybrid giải quyết được 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 ưu của nó.

Hình 1.1: Đặc tính cơng suất, mơ men của đợng cơ đớt trong

Hình 1.1 là đặc tính ngồi của động cơ đốt trong. Đặc tính thể hiện được
đường cơng suất ngồi và đường mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ thu được qua

13


băng thử. Từ cơng suất ngồi và mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ, ta xác định
được đường kinh tế nhiên liệu tối ưu của xe (đường nét gạch trên hình 1.1). Trên
đường này ta có cơng suất của động cơ lớn và mức tiêu thụ nhiên liệu nhỏ, khi động
cơ hoạt động trong vùng này sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và có lượng phát thải độc
hại ít. Tuy nhiên vùng hoạt động tối ưu của động cơ đốt trong chỉ giới hạn trong
khoảng nhỏ (khi động cơ hoạt động ở số vịng quay trung bình và mơ men lớn) và
xe không làm việc nhiều trong vùng này. Nhìn vào hình 1.1 ta thấy: vùng hiệu suất
cao nằm tại điểm (*), vùng hiệu suất thất nằm tại điểm (1) và (2). Vấn đề đặt ra là
phải đưa vùng hiệu suất thấp về vùng có hiệu suất cao. Xe hybrid giải quyết được
vấn đề này, với sự hỗ trợ của động cơ điện, động cơ đốt trong tránh được vùng làm
việc có hiệu quả thấp. Do vậy, với sự hỗ trợ hoạt động của động cơ điện, ta có thể
thu hẹp dải làm việc của động cơ đốt trong trong vùng hoạt động tối ưu xác định để

tăng tính kinh tế nhiên liệu của xe.

Hình 1.2: Đặc tính cơng suất, mơ men của đợng cơ điện

Về mặt đặc tính động lực học của xe: ở chế độ khởi hành, xe chỉ dùng động
cơ điện. Đặc tính mơ men cơ của động cơ điện như hình 1.2 cho ta thấy tại số vịng
quay nhỏ mơ men của động cơ cao, do đó sử dụng động cơ điện để khởi hành rất
thích hợp. Cịn khi số vịng quay vượt q số vịng quay định mức thì khi tiếp tục
tăng, đường mơ men là đường hypebol bậc 2 (số vòng quay tăng thì mơ men giảm)
14


đường này cũng phù hợp với đặc tính tải tại bánh xe. Do vậy nếu kết hợp được động
cơ đốt trong và động cơ điện trên xe hybrid sẽ tăng được hiệu suất làm việc của xe,
tăng đặc tính động lực học của xe [2].
1.3.Đặc điểm hệ thống truyền động xe Hybrid
Về cơ bản, bất kỳ hệ thống truyền lực nào đều phải đảm bảo:
- Truyền công suất để đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật;
- Có hiệu suất cao;
- Phát thải ít chất gây ơ nhiễm.
Nói chung, một chiếc xe có thể có nhiều hơn một hệ thống truyền lực. Ở đây
HTTL được định nghĩa là sự liên kết các nguồn năng lượng và năng lượng chuyển
đổi hoặc nguồn công suất, chẳng hạn như nhiên liệu diesel-hệ thống động cơ đốt
trong, hệ thống ắc quy nhiên liệu hydro-mô tơ điện, hệ thống mơ tơ điện dùng ắc
quy hóa học, như vậy một chiếc xe có hai hoặc nhiều HTTL gọi là một chiếc xe
Hybrid. Một xe Hybrid với một HTTL điện gọi là HEV. HTTĐ của một chiếc xe
được định nghĩa là tập hợp của tất cả các HTTL.
Hệ thống truyền động trên xe Hybrid thường bao gồm không quá hai hệ
thống truyền lực bởi tính phức tạp. Với mục đích thu hồi nhiệt năng bị tiêu tán trong
hệ thống phanh ma sát trên động cơ nhiệt thông thường, hệ thống truyền động trên

xe Hybrid thường có một HTTL cho phép năng lượng có thể “chảy” thuận nghịch
hoặc vừa thuận nghịch vừa có thể chỉ một chiều. Hình 1.3 cho các khái niệm của
một hệ thống truyền động Hybrid và các “dịng chảy” cơng suất khác nhau.

15


Hình 1.3: Hệ thớng truyền đợng xe Hybrid

Trên đây là sơ đồ dòng năng lượng của loại xe HEVs. Động cơ điện được sử
dụng để khởi động xe, trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành động cơ đốt
trong, khi cần tăng tốc cực đại hay vượt dốc thì hai động cơ vận hành đồng bộ.
Động cơ điện còn có cơng dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe tăng tốc cực
đại hoặc leo dốc. Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như
một máy phát để nạp điện cho ắc quy. Không giống như các phương tiện sử dụng
động cơ điện khác, động cơ HEVs khơng cần nguồn điện bên ngồi, động cơ đốt
trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy khi cần thiết. Dòng năng lượng đi ra từ
động cơ đốt trong là dòng năng lượng đơn hướng, còn ắc quy có khả năng tích hoặc
phóng năng lượng nên có dịng năng lượng hai chiều. Phối hợp sự chuyển hóa năng
lượng trong sơ đồ sẽ tạo ra các chế độ làm việc khác nhau trên xe.
Các chế độ làm việc của hệ thống truyền động xe Hybrid :
1.

HTTL 1 chịu tải một mình: Động cơ đốt trong một mình truyền năng lượng

để đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng trong vùng tối ưu của động cơ đốt trong.
Khi xe đạt đến một tốc độ đã được xác định từ đặc tính động cơ, động cơ sẽ được
khởi động và khi động cơ đạt được số vòng quay ở vùng tối ưu thì động cơ điện sẽ
tắt và xe được chạy hoàn toàn bằng động cơ đốt trong.
16

2.

HTTL 2 chịu tải một mình: Động cơ điện một mình truyền năng lượng để

đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng khi xe chạy ở chế độ khởi hành, vận hành xe
ở tốc độ thấp, hay địa hình hạn chế phát thải ơ nhiễm. Do đặc tính của động cơ điện
có mơ men lớn ở số vịng quay thấp nên tận dụng được mơmen. Khi ở số vịng quay
thấp động cơ đốt trong có mức tiêu thụ nhiên liệu lớn do đó sử dụng động cơ điện
sẽ tiết kiệm nhiên liệu, và không phát sinh phát thải độc hại.
3.

HTTL 1 và 2 cùng chịu tải đồng thời: Cả hai động cơ đốt trong và điện

truyền năng lượng để đẩy xe chạy. Chế độ này được sử dụng trong quá trình tăng
tốc hay leo dốc. Khi xe tăng tốc đến tốc độ mà động cơ đốt trong vượt ra khỏi dải
tối ưu thì động cơ điện lại được khởi động bổ sung năng lượng giúp đẩy xe. Công
suất hai động cơ được kết nối đẩy xe tăng tốc cực đại hay cần mô men để vượt dốc.
4.

HTTL 2 thu được năng lượng từ tải: Ắc quy thu năng lượng từ tải (phanh tái

sinh). Trong quá trình phanh năng lượng được thu hồi và lưu tại ắc quy để tái sử
dụng sau thông qua một động cơ điện. Năng lượng sinh ra khi phanh trên xe thơng
thường chuyển hóa thành nhiệt năng, còn trên xe hybrid hệ thống phanh được cải
tiến để thu hồi năng lượng chuyển thành điện năng nạp điện cho ắc quy.
5.

HTTL 2 thu được năng lượngtừ HTTL1: Ắc quy thu năng lượng từ động cơ

đốt trong. Chế độ mà động cơ đốt trong nạp năng lượng cho ắc quy khi xe dừng lại
lúc đó khơng có năng lượng đi tới tải hoặc khi ắc quy cần nạp điện. Khi xe dừng lại
động cơ đốt trong có thể được tắt, nhưng nếu ắc quy cần nạp điện thì năng lượng từ
động cơ khơng truyền tới bánh xe mà truyền qua động cơ điện để nạp cho ắc quy.
6.

HTTL 2 thu được năng lượng cả từ HTTL1 và từ tải đồng thời: Ắc quy thu

năng lượng từ động cơ đốt trong và từ tải đồng thời. Khi xe xuống dốc, năng lượng
từ động cơ tới động cơ điện do khơng có cản, lúc này lực cản qn tính sẽ âm. Năng
lượng do lực này sinh ra sẽ cấp điện nạp cho ắc quy.
7.

HTTL 1 cung cấp công suất để tải và HTTL 2 đồng thời: Động cơ đốt trong

truyền năng lượng tới tải và ắc quy đồng thời. Khi ắc quy cần nạp điện (sắp hết
điện), dòng năng lượng từ động cơ chia thành hai dòng tới động cơ điện để nạp cho
ắc quy và tới bánh xe chủ động.

17


8.

HTTL 1 cung cấp công suất đến HTTL 2, HTTL2 cung cấp công suất để tải:

Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới ắc quy và động cơ điện nhận năng lượng
từ ắc quy truyền tới tải.
9.

HTTL 1 cung cấp cơng suất của nó để tải, tải cung cấp năng lượng cho

HTTL 2: Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới tải và tải truyền năng lượng tới
ắc quy thông qua động cơ điện.
1.4.Các bộ phận chính trên xe Hybrid

Hình 1.4: Mơ hình tổng qt của ơtơ hybrid

1.4.1.Đợng cơ đớt trong
Là nguồn động lực chính, ở ơtơ hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ
Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng hoặc ắc quy nhiên liệu.

18


Hình 1.5: Đợng cơ đớt trong, hợp sớ của ơtơ hybrid (Toyota Prius)[3]

Hình 1.6:Đợng cơ Hybrid của hãng Ford.[5]

1.4.2.Hợp sớ và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle)
Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trị như một bộ chia cơng
suất có nhiệm vụ chia cơng suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạm
gọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh của nó có
thể truyền cơng suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xe
chủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau. Các bánh răng hành tinh này hoạt
động như một cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously Variable
Transmission).

19

Hình 1.7: Sơ đồ ngun lý cấu tạo của bợ phân phối công suất [3]

1.4.3.Mô tơ điện và máy phát điện
Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 1 (MG1-Motor Generater 1) có nhiệm vụ
nạp điện trở lại cho ắc quy điện áp cao (HV Battery), đồng thời cấp điện năng để
dẫn động cho MG2 (MG2-Motor Generater 2). MG1 hoạt động như một mô tơ để
khởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền
bánh răng hành tinh gần giống như một CVT.
Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 2 (MG2) có nhiệm vụ dẫn động cho các
bánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2
hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (cịn gọi là q trình hãm tái
sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắcquy điện áp cao.
Trên Toyota dùng một môtơ đồng bộ xoay chiều 3 pha, là một mô tơ khơng
chổi than DC hiệu suất cao với dịng AC. Các nam châm vĩnh cửu và một rôto được
làm bằng các tấm thép điện từ ghép lại thành một mô tơ cơng suất cao. Hơn nữa,
bởi sự bố trí các nam châm vĩnh cửu theo một dạng tối ưu, mô men dẫn động được
cải thiện và công suất được tăng lên. Cả MG1 và MG2 đều có kích thước gọn, nhẹ
và là loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều hiệu quả cao. [3]

20


1.4.4.Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter)
Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc quy điện áp cao (HV Batterry)
thành dịng xoay chiều làm quay mơ tơ điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát
thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc quy.

Hình 1.8: Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt đợng [3,4]

Về cấu tạo: nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung
cấp lên đến 500(V) đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng một chiều
để nạp điện cho ắc quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp
điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
1.4.5 Ắcquy điện áp cao (HV Battery - High Volt Battery)
Ắc quy chính của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắc
chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Thường gồm
120÷250 cặp cực ắc quy với điện áp chuẩn là 144÷350 (V) (1,2V/cặp cực ắc quy)
được nạp điện bởi động cơ chính thơng qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và
tổ hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng.[4]
Ford Escape Hybrid, Honda Insight,Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử
dụng những ắc quy hyđrua kim loại kiềm (NiMH), công nghệ ắc quy giống như
trong điện thoại di động và máy tính xách tay. Hệ thống hybrid của Prius là sự kết
hợp của 38 môđun chứa 228 ắc quy đơn riêng biệt với tổng điện áp lên tới 273,6(V).
21


Xe của Honda thì dùng 120 ắc quy đơn, tổng điện áp 144(V); Ford 250 ắc quy, điện
áp 330(V).[4]

Hình 1.9a

Hình 1.9b

Hình 1.9a: Ắc quy điện áp cao trên Toyota Prius [4]
Hình 1.9b: Ắc quy điện áp cao trên VW Touareg[4]

1.4.6.Cáp nguồn
Cáp nguồn hay cáp công suất trong xe hybrid dùng để truyền dịng điện có

cường độ và điện áp cao giữa các thiết bị như ắc quy điện cao áp, bộ chuyển đổi,
các tổ hợp MG1, MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa. Đường dây cao áp và
các giắc nối được đánh dấu bằng mầu da cam như trong hình trên.[3]

Hình 1.10: Sơ đồ hệ thớng cáp dẫn điện công suất cao [3]

1.4.7.Ắc quy phụ
Loại ắc quy DC12V này được bố trí cố định phía sau xe, duy trì và cung cấp
dịng điện một chiều ổn định cho các thiết bị như đèn xe, hệ thống âm thanh, các
ECU điều khiển v..v…
22


Hình 1.11: Ắc quy phụ trên ơtơ hybrid [3]

1.4.8.Các bợ phận khác có cơng dụng hỗ trợ trên ơtơ hybrid
Ngồi ra trong ơtơ hybrid cịn kết hợp một số cơng nghệ hiện đại khác để
nhằm tăng khả năng vận hành, giảm khí thải gây ơ nhiễm và tối đa hóa khả năng tiết
kiệm nhiên liệu.
1.4.8.1.Khí động lực học/ hệ số cản thấp
Để có được những bề mặt nhẵn, các kỹ sư chế tạo xe hybrid thường phải viện
đến những đặc điểm thiết kế không theo quy ước nhằm tối đa hóa khả năng khí
động. Ví dụ, Honda Insight có một hệ số cản gió vơ cùng thấp (0,25) do bề mặt
nhẵn và dáng vẻ thon ở phía sau. Ngay cả Toyota Prius, trơng có vẻ bình thường
trong mắt những người khơng chun nghiệp, cũng có hệ số cản gió chỉ 0,29 do các
kỹ sư đã tìm cách để làm nó trơn tru nhất. Tất cả các nhà sản xuất đều cố gắng giảm
hệ số cản ở bất cứ nơi đâu có thể bởi vì một chiếc xe với hệ số cản thấp cần ít cơng
suất (và nhiên liệu) hơn để vận hành [2].
1.4.8.2.Ngắt tự động động cơ xăng
Để giảm tiêu thụ nhiên liệu, tất cả các xe hybrid đều cố gắng hạn chế tối đa

động cơ xăng trong suốt quá trình hoạt động. Mơ tơ điện khởi động lại động cơ

23


xăng khi lái xe nhấn lại chân ga tăng tốc. Đây là một hoạt động khá liền mạch, hầu
như không có sự trì hỗn hay mất khả năng vận hành cho lái xe [2,4].
1.4.8.3.Hộp số biến thiên vô cấp (CVT- Continuously Variable Transmission)
CVT là một loại hộp số tự động mới (thực tế đã xuất hiện hơn 100 năm nay
nhưng gần đây mới được ứng dụng trong ngành ô tô) khơng có bánh răng, ly hợp
ma sát, dầu thủy lực hoặc biến mơ. Thay vì thế, nó sử dụng một thiết kế dây curoa
và puli đơn giản, giúp kết hợp chặt chẽ số truyền với phạm vi tốc độ tối ưu của động
cơ để đạt được công suất lớn hơn và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu [2,4].
1.4.8.4.Hệ thống kiểm soát cầm chừng xylanh (Cylinder Idling System)
Honda Civic Hybrid sử dụng hệ thống này để giảm sự phanh của động cơ và
cho phép mô tơ điện giành được nhiều năng lượng nhất trong suốt quá trình phanh
tái tạo năng lượng. Một động cơ xăng thông thường phanh động cơ trong quá trình
xuống dốc bằng hoạt động bơm của xylanh. Hoạt động này sẽ giành năng lượng từ
động cơ điện để nạp ắc quy.
Có thể tránh sự phanh động cơ bằng cách đưa khớp ly hợp vào xe với một
hộp số sàn hoặc đặt xe ở số không với một CVT. Hệ thống vô hiệu xylanh của
Honda thực hiện điều này bằng cách đóng van hút và xả trên 3 trong 4 xylanh, cho
phép pít tơng di chuyển tự do trong xylanh, vì vậy có thể giảm sự phanh động cơ và
tối đa hóa năng lượng mà mơ tơ điện thu được [2,4].
1.4.8.5.Tối ưu hóa đường khí thải
Integrated Exhaust Manifold: được đặt trực tiếp vào đầu xylanh nhằm giảm
khối lượng và tối ưu hóa dịng khí xả, vì vậy giúp tăng vận hành và khả năng tiết
kiệm nhiên liệu [2,4].
1.4.8.6.Pít tơng ma sát nhỏ
Thơng qua một q trình rèn đặc biệt, sự ma sát ở thành xylanh giảm làm

tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Kết hợp với công nghệ Offset Cylinder Bores
nhằm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm ma sát đẩy của pít tơng khi
chúng di chuyển bên trong xylanh [2,4].

24