Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng nguồn động lực xe điện hybrid (HEV) kiểu kết hợp bằng phần mềm GT SUITE

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------------------------

VŨ TẤT TÂN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG NGUỒN ĐỘNG LỰC XE ĐIỆN
HYBRID (HEV) KIỂU KẾT HỢP BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên - Năm 2018

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái
Ngun, Phịng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ơ tơ và Máy động lực đã cho phép
tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phịng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ơ tơ
và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi học tập và làm
luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS. Dương Thế Hùng đã hướng dẫn tơi hết
sức tận tình và chu đáo về mặt chun mơn để tơi có thể thực hiện và hồn
thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác
đã tạo điều kiện và động viên tơi trong suốt q trình học tập.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong
hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi
có thể hồn chỉnh luận văn này.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian tơi học tập.
Tuy nhiên do cịn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản
thân nên đề tài của tơi có thể cịn nhiều thiếu sót. Tơi rất mong nhận được sự
góp ý để luận văn được hồn thiện hơn.

Học viên

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 3
* Ý nghĩa khoa học: ....................................................................................... 3
* Ý nghĩa thực tiễn: ........................................................................................ 3
4. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 3
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 3
6. Các nội dung chính trong đề tài .................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 5
1.1. Nhiên liệu và ô nhiễm môi trường ............................................................. 5
1.2. Tổng quan về phát triển nguồn động lực cho phương tiện giao thông ...... 9
1.3. Giới thiệu về xe hybrid............................................................................... 9
1.3.1 Nguồn gốc ra đời của xe hybrid ........................................................... 9
1.3.2. Định nghĩa về xe hybrid ..................................................................... 10

1.4. So sánh đặc tính tốc độ của động cơ điện và động cơ đốt trong.............. 11
1.5. Xu hướng phát triển xe hybrid ................................................................. 14
1.5.1. Giới thiệu một số mẫu xe hybrid ........................................................ 15
1.5.2. Ưu, nhược điểm của xe hybrid ........................................................... 17
1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................... 19
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHỐI HỢP ......................... 20
NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO XE HYBRID .................................................... 20
2.1. Các thuật ngữ thường dùng trên xe hybrid .............................................. 20
iii


2.2. Các phương pháp phối hợp nguồn động lực hybrid ................................ 21
2.2.1. Phương pháp phối hợp nối tiếp ......................................................... 21
2.2.2. Phương pháp phối hợp song song ..................................................... 22
2.2.3. Phương pháp phối hợp nối tiếp - song song ...................................... 23
2.3. Các chế độ làm việc của xe hybrid .......................................................... 24
2.3.1. Chế độ chạy tăng tốc nhẹ ................................................................... 24
2.3.2. Chế độ chạy ổn định .......................................................................... 24
2.3.3. Chế độ tăng tốc và leo dốc................................................................. 24
2.3.4. Chế độ nạp ắc quy khi xe chuyển động.............................................. 25
2.3.5. Chế độ nạp ắc quy khi xe đứng yên ................................................... 25
2.4. Đường truyền công suất ở các chế độ làm việc ....................................... 26
2.4.1. Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai trong sơ đồ nguồn động lực kiểu kết
hợp................................................................................................................ 26
2.4.2. Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ nhiệt .................................... 27
2.4.3. Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ điện ..................................... 28
2.4.4. Khi truyền công suất bằng 2 nguồn công suất .................................. 28
2.5. Chiến lược phối hợp nguồn động lực....................................................... 29
2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................... 31
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH XE HYBRID KIỂU KẾT HỢP ....... 32

BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE .................................................................... 32
3.1. Giới thiệu về phần mềm GT-Suite ........................................................... 32
3.1.1. Giới thiệu chung................................................................................. 32
3.1.2. Các tính năng chính ........................................................................... 33
3.1.3. Các thành phần, mơ đun chính của phần mềm .................................. 33
3.2. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 34
3.2.1. Chiến lược điều khiển nạp điện cho ắc quy ....................................... 34
3.2.2. Sơ đồ làm việc của hệ thống truyền lực ............................................. 35

iv


3.2.3. Chế độ vận hành của xe HEV sử dụng nguồn động lực kết hợp ....... 35
3.3. Xây dựng mô hình mơ phỏng................................................................... 36
3.3.1. Các bước xây dựng mơ hình .............................................................. 36
3.3.2. Mục đích xây dựng mơ hình ............................................................... 39
3.4. Kết quả mô phỏng khi động cơ được lắp trên xe thường và xe hybrid ... 43
3.4.1. Tốc độ động cơ ................................................................................... 43
3.4.2. Tiêu hao nhiên liệu............................................................................. 45
3.4.3. Phát thải NOx ..................................................................................... 47
3.4.4. Phát thải CO ...................................................................................... 50
3.4.5. Phát thải HC ...................................................................................... 52
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................... 55
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 58

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
ĐCĐ
ĐCĐT
EV
HEV

Diễn giải
Động cơ điện
Động cơ đốt trong
Ơ tơ điện
Ơ tơ lai điện

USHC

Chu trình thử xe con trên xa lộ của Mỹ

FTP-75

Chu trình thử xe con trên đường thành phố của Mỹ

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các thống số chính của xe thường và xe hybrid............................. 37
Bảng 3.2. Các thông số của chu trình thử xe con............................................ 40
cho đường thành phố của Mỹ.......................................................................... 40
Bảng 3.3. Các thông số của 2 chu trình thử FTP-75 và USHC ...................... 41

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam .......... 5
Hình 1.2. Tỷ lệ phát thải các khí gây ơ nhiễm theo các nguồn phát thải chính
của Việt Nam năm 2011 .................................................................................... 6
Hình 1.3. Lượng khí thải CO do các phương tiện cơ giới đường bộ gây ra ..... 6
Hình 1.4. Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm do các phương tiện........................ 7
cơ giới đường bộ ............................................................................................... 7
Hình 1.5. Tỷ lệ ơ tơ, xe máy theo số năm sử dụng tại Hà Nội năm 2011 ......... 8
Hình 1.6. Đặc tính lực kéo - tốc độ với công suất yêu cầu ............................. 11
của động cơ xăng............................................................................................. 11
Hình 1.7. Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe ................. 12
Hình 1.8. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng ........................ 12
Hình 1.9. Đặc tính của một mơ-tơ điện........................................................... 13
Hình 1.10. Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp ....................... 14
và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp .............................................................. 14
Hình 2.1. Kiểu nối tiếp .................................................................................... 22
Hình 2.2. Kiểu song song ................................................................................ 23
Hình 2.3. Kiểu kết hợp .................................................................................... 24
Hình 2.4. Bộ kết hợp cơng suất kiểu vi sai ..................................................... 26
Hình 2.5. Bộ kết hợp cơng suất kiểu vi sai khi chỉ truyền công suất.............. 27
của động cơ nhiệt ............................................................................................ 27
Hình 2.6. Bộ kết hợp cơng suất kiểu vi sai khi chỉ truyền công suất.............. 28
của động cơ điện.............................................................................................. 28
Hình 2.7. Bộ kết hợp cơng suất kiểu vi sai khi truyền công suất.................... 28
bằng cả 2 nguồn............................................................................................... 28
Hình 2.8. Thuật tốn điều khiển xe HEV........................................................ 30
Hình 3.1. Cửa sổ giao diện phần mềm GT-Suite và các mô đun ứng dụng ... 32

viii


Hình 3.2. Phương pháp “thermostat ON-OFF” .............................................. 34
để điều khiển nạp điện cho ắc quy .................................................................. 34
Hình 3.3. Sơ đồ làm việc của bộ điều khiển hệ thống truyền lực ................... 35
Hình 3.4. Chế độ vận hành của xe HEV sử dụng nguồn động lực kết hợp .... 36
Hình 3.5. Mơ hình xe thơng thường ................................................................ 38
Hình 3.6. Mơ hình xe hybrid kiểu kết hợp nối tiếp - song song ..................... 38
Hình 3.7. Chu trình thử FTP-75 ...................................................................... 39
Hình 3.8. Chu trình thử xe con trên xa lộ của Mỹ, USHC.............................. 41
Hình 3.9. Chu trình thử FTP-75 thiết lập trong mơ hình mơ phỏng ............... 42
Hình 3.10. Chu trình thử USHC thiết lập trong mơ hình mơ phỏng .............. 42
Hình 3.11. Tốc độ động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ................. 44
khi chạy theo chu trình lái FTP-75.................................................................. 44
Hình 3.12. Tốc độ động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ................. 44
khi chạy theo chu trình lái USHC ................................................................... 44
Hình 3.13. Tiêu hao nhiên liệu động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid
khi chạy theo chu trình lái FTP-75.................................................................. 45
Hình 3.14. Tiêu hao nhiên liệu động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid
khi chạy theo chu trình lái USHC ................................................................... 46
Hình 3.15. Lượng nhiên liệu tiêu thụ động cơ thường và động cơ lắp trên xe
hybrid khi chạy theo 2 chu trình lái FTP-75 và USHC, [kg/h]....................... 46
Hình 3.16. Lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 100 km của động cơ thường và động
cơ lắp trên xe hybrid khi chạy theo 2 chu trình lái FTP-75 và USHC,
[lít/100km] ....................................................................................................... 47
Hình 3.17. Phát thải NOx động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ...... 48
khi chạy theo chu trình lái FTP-75.................................................................. 48
Hình 3.18. Phát thải NOx động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ...... 49
khi chạy theo chu trình lái USHC ................................................................... 49

ix


Hình 3.19. Phát thải NOx động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid khi
chạy theo 2 chu trình lái FTP-75 và USHC, [kg/h] ........................................ 49
Hình 3.20. Phát thải CO động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ....... 51
khi chạy theo chu trình lái FTP-75.................................................................. 51
Hình 3.21. Phát thải CO động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ....... 51
khi chạy theo chu trình lái USHC ................................................................... 51
Hình 3.22. Phát thải CO động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ....... 52
khi chạy theo 2 chu trình lái FTP-75 và USHC .............................................. 52
Hình 3.23. Phát thải HC động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ....... 53
khi chạy theo chu trình lái FTP-75.................................................................. 53
Hình 3.24. Phát thải HC động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ....... 54
khi chạy theo chu trình lái USHC ................................................................... 54
Hình 3.25. Phát thải CO động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ....... 54
khi chạy theo 2 chu trình lái FTP-75 và USHC .............................................. 54

x


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Được phát minh vào khoảng 300 năm trước bởi nhà phát minh người
Pháp Nicolas - Joseph Cugnot (1725 - 1804), xe ô tô ngày nay đã trở thành một
trong những phương tiện giao thông khơng thể thiếu trong xã hội lồi người.
Cũng chính vì thế mà tình trạng ơ nhiễm khơng khí trầm do khí thải từ động cơ
ơ tơ đang là một trong những vấn đề nhức nhối của nhiều quốc gia hiện nay.
Để có thể giảm thiểu được ơ nhiễm mơi trường từ ơ tơ, từ lâu đã có nhiều

giải pháp kỹ thuật mang nhiều hứa hẹn như: ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên
liệu, động cơ khí nén v.v... Tuy nhiên, những công nghệ kể trên vẫn chưa thể
đưa vào sử dụng được vì cịn nhiều giới hạn về công nghệ. Đối với ô tô chạy
điện, việc nạp lại pin cần đến ít nhất 4 giờ đồng hồ, khuyết điểm này giới hạn
tầm sử dụng của ô tô chạy điện. Đối với công nghệ fuel cell, hydro lỏng phải
được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp; vì thế chỉ có thể thích hợp với những quốc gia
có khí hậu băng giá. Cả hai công nghệ trên cùng vướng phải một vấn đề chung
đó là phải xây dựng lại tồn bộ hệ thống cơ sở cung cấp nhiên liệu. Những giới
hạn trên của hai công nghệ tương lai này tạo ra một khoảng trống giữa nhu cầu
bảo vệ môi trường và công nghệ ô tô truyền thống.
Những năm gần đây, tình trạng ơ nhiễm khơng khí đã trở nên ngày càng
nghiêm trọng. Để bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng khơng khí tại các
thành phố lớn, chính phủ các nước đã đưa ra các quy định ngặt nghèo về tiêu
thụ nhiên liệu và khí thải của xe. Đây là nguồn động lực chính thúc đẩy các
hãng xản xuất ô tô đầu tư phát triển các công nghệ mới, thân thiện với mơi
trường cho các dịng sản phẩm của mình, trong đó phải kể đến xe điện (EV) và
xe điện hybrid (HEV) [1], [2], [3]. Với ưu điểm vượt trội về đặc tính kéo, hiệu
suất và khơng gây ơ nhiễm môi trường trong thành phố của xe EV so với xe sử

1


dụng động cơ đốt trong (ĐCĐT) truyền thống, xe EV có thể được coi là hướng
phát triển có nhiều triển vọng.
Tuy nhiên, do khả năng lưu trữ năng lượng trong ắc quy còn thấp, thời
gian mỗi lần sạc kéo dài, tuổi thọ sử dụng ngắn, tự trọng lớn và giá thành cao
đã làm hạn chế phạm vi khai thác của xe EV [3]. Do vậy, xe HEV sử dụng phối
hợp hai nguồn động lực, gồm động cơ điện (ĐCĐ) và ĐCĐT được cho là giải
pháp hợp lý hiện nay, vì cho phép phát huy ưu điểm của ĐCĐ và ĐCĐT, cũng
như khắc phục được các nhược điểm của chúng. Cùng với xu hướng phát triển

của thế giới, hiện nay dòng xe HEV đã xuất hiện nhiều ở Việt Nam. Do xe HEV
có cơng nghệ phức tạp cả về kết cấu và hệ điều khiển, nên đã làm ảnh hưởng
không nhỏ đến hiệu quả khai thác, sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa, thậm chí
cả cơng tác quản lý của Nhà nước về các dòng xe này ở Việt Nam. Hơn nữa,
đây là cơng nghệ mới, vẫn cịn là bí mật của các hãng, nên việc tiếp cận công
nghệ này cũng gặp rất nhiều khó khăn.
Chính vì vậy, nghiên cứu thiết kế chế tạo để làm chủ công nghệ xe HEV
cũng như định hướng sản xuất xe HEV ở Việt Nam là cần thiết và có tính thời
sự. Để giải quyết một phần các vấn đề nêu trên, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên
cứu mô phỏng nguồn động lực xe điện hybrid (HEV) kiểu kết hợp bằng phần
mềm GT- SUITE” làm đề tài luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của đề tài
- Thiết lập mơ hình mơ phỏng nguồn động lực xe điện hybrid (HEV) kiểu
kết hợp thông qua phần mềm chuyên dụng GT-SUITE;
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển xe HEV;
- Thiết lập chế độ mô phỏng mơ hình xe HEV kiểu kết hợp trên phần
mềm GT-Suite.
- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.

2


3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Xe HEV được trang bị một động cơ đốt trong truyền thống, một bình
chứa nhiên liệu, ắc quy và máy phát điện. Tuy nhiên, xe HEV được phân thành
4 loại kết hợp nguồn động lực, gồm: HEV nối tiếp, HEV song song, HEV kết
hợp và HEV phức hợp. Luận văn đã góp phần đưa ra mơ hình mơ phỏng xe
điện hybrid (HEV) dạng kết hợp nhờ thiết lập từ phần mềm chun dụng GTSUITE. Trên cơ sở mơ hình, có thể đánh giá ảnh hưởng nguồn động lực của xe
tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cũng như chỉ tiêu phát thải.

* Ý nghĩa thực tiễn:
- Các kết quả của luận văn là cơ sở nghiên cứu quan trọng và hữu ích có
thể sử dụng để hỗ trợ trong giai đoạn đầu quá trình thiết kế và phát triển xe
hybrid ở Việt Nam;
- Mơ hình mơ phỏng xe điện hybrid (HEV) đã xây dựng có thể sử dụng
làm cơ sở cho các mục đích tương tự;
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả
thực nghiệm khi nghiên cứu về ô tô điện hybrid (HEV).
4. Đối tượng nghiên cứu
Ô tô con lai điện hybrid (HEV)
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: sử dụng phần mềm GT-SUITE để mô phỏng hệ
động lực xe hybrid kiểu kết hợp.
6. Các nội dung chính trong đề tài
Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Nghiên cứu phương pháp phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid

3


- Chương 3. Xây dựng mơ hình xe hybrid kiểu kết hợp bằng phần mềm GTSuite
- Kết luận và kiến nghị

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

Theo số liệu thống kê cuối năm 2011, số xe ô tô trên thế giới có khoảng
trên 1,015 tỷ xe đang lưu hành, tăng 3,6% so với con số 980 triệu xe vào cuối
năm 2009 và chủ yếu tập trung ở các nước phát triển như Mỹ (239,8 triệu xe),
Trung Quốc (78 triệu xe), Nhật Bản (73,9 triệu xe). Tính trung bình, cứ 6,75
người lại có một người đang sở hữu ơ tơ. Ở Việt Nam, số lượng ơ tơ đang tăng
rất mạnh. Tính tới tháng 3 năm 2009 thì số lượng ơ tơ tại Việt Nam là khoảng
990 nghìn chiếc và tập trung chủ yếu ở hai thành phố lớn là TP Hồ Chí Minh
và Thủ đơ Hà Nội như trên hình 1.1. Theo thống kê mới nhất của Cục Đăng
kiểm Việt Nam, số lượng xe ơ tơ tính đến tháng 6 năm 2011 là 1,428 triệu xe
[2].

Hình 1.1. Số lượng ơ tơ và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam
Với tốc độ tăng trung bình khoảng 10% số lượng xe ơ tơ như hiện nay
chính là ngun nhân gây ơ nhiễm môi trường cũng như lượng tiêu thụ nhiên
liệu. Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2011, hoạt động giao thơng đóng
góp gần 85% lượng khí CO, 95% lượng VOCs trên toàn quốc và chiếm khoảng

5


70% nguồn gây ơ nhiễm khơng khí ở các khu đơ thị lớn thể hiện trên hình 1.2
[2].

Hình 1.2. Tỷ lệ phát thải các khí gây ơ nhiễm theo các nguồn phát thải
chính của Việt Nam năm 2011
Tại các đơ thị, giao thông vận tải là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất đối với
khơng khí, đặc biệt là sự phát thải các khí CO, VOC, NO2. Lượng khí thải này
tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển về số lượng và các phương tiện giao
thông đường bộ như trên hình 1.3 [2].

Hình 1.3. Lượng khí thải CO do các phương tiện cơ giới đường bộ gây ra
6


Xét trên từng phương tiện tham gia giao thơng thì lượng khí thải từ xe
máy là tương đối nhỏ, trung bình một xe máy xả ra lượng khí thải chỉ bằng 1/4
so với xe ô tô con. Tuy nhiên do số lượng xe máy tham gia giao thông chiếm
tỷ lệ lớn hơn và chất lượng nhiều loại xe đã xuống cấp nên xe máy vẫn là nguồn
đóng góp chính các loại khí ơ nhiễm, đặc biệt đối với các khí thải như CO và
VOCs. Trong khi đó, xe tải và xe khách các loại lại thải nhiều SO2 và NO2
(Hình 1.4) [2].

Hình 1.4. Tỷ lệ phát thải các chất ơ nhiễm do các phương tiện
cơ giới đường bộ gây ra
Với mật độ các loại phương tiện giao thông lớn, chất thải các loại phương
tiện giao thông kém và hệ thống giao thơng chưa tốt thì lượng khí thải gây ơ
nhiễm mơi trường khơng khí từ giao thơng vận tải đang có xu hướng gia tăng.
Xe ơ tơ, xe máy ở Việt Nam bao gồm nhiều chủng loại. Nhiều xe đã qua nhiều
năm sử dụng nên có chất lượng kỹ thuật thấp, có mức tiêu thụ nhiên liệu và
nồng độ chất độc hại trong khí xả cao, tiếng ồn lớn. Ngay tại các thành phố lớn,
tỷ lệ những xe đã qua sử dụng nhiều năm vẫn cao thể hiện trong hình 1.5 [2].

7


Hình 1.5. Tỷ lệ ơ tơ, xe máy theo số năm sử dụng tại Hà Nội năm 2011
Vì vậy với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông, số lượng, chất lượng các
phương tiện giao thông như ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung thì vấn
đề tiêu hao nhiên liệu và ơ nhiễm mơi trường do khí thải gây ra vẫn đang là một
trong những vấn đề được Nhà nước, các tổ chức quan tâm nhất để cải thiện môi

trường cũng như năng lượng.
Trong những năm qua, Nhà nước phải dùng ngân sách để bù lỗ cho xăng
dầu để đảm bảo ổn định giá mặt hàng thiết yếu này nhằm ổn định giá cả của
các mặt hàng khác. Tuy nhiên hiện nay giá dầu thô trên thế giới khơng ổn định,
vì thế Nhà nước khơng cịn khả năng bù lỗ, giá xăng dầu đã tăng và trong tương
lai, mức độ tăng giá xăng dầu sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn do nguồn dự trữ dầu
thô đã cạn kiệt. Việc sử dụng nhiên liệu khí thay cho nhiên liệu lỏng truyền
thống là giải pháp hữu hiệu nhằm giảm bớt sự lệ thuộc vào dầu mỏ hiện nay.
Với sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại, khoa học ngày càng
được cải tiến để phù hợp với nhu cầu của thời đại, ngành công nghiệp ô tô vẫn
không ngừng phát triển, tìm tịi các cơng nghệ mới để áp dụng trên ô tô phù
hợp xu thế của ngày nay là bảo vệ môi trường và tiết kiệm nhiên liệu.

8


1.2. Tổng quan về phát triển nguồn động lực cho phương tiện giao thông
Sự phát triển các phương tiện giao thơng ở các khu vực trên thế giới nói
chung khơng giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về nồng độ phát thải
khí thải của xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra xe
điện. 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 người dân
lại tăng không đáng kể.
Các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trường
và là một trong số những tác nhân lớn gây ơ nhiễm mơi trường, làm cho bầu
khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phương án
để giảm tối thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được
quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và của xã hội nói chung.
Ơ tơ sạch không gây ô nhiễm là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên
cứu và chế tạo ô tô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được cơng bố trong những

năm gần đây, như hồn thiện q trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên
liệu không truyền thống cho ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel,
điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô dùng động cơ lai (hybrid)... Trong
số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng cơng nghệ hybrid đang được
ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao.
1.3. Giới thiệu về xe hybrid
1.3.1 Nguồn gốc ra đời của xe hybrid
Sự bùng nổ dân số, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công
nghiệp, mức sống con người ngày càng nâng cao làm cho nhu cầu sử dụng năng
lượng ngày càng lớn hơn. Theo đánh giá của các chun gia mơi trường, ơ
nhiễm khơng khí ở đơ thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70%. Lưu
lượng xe lớn và chất lượng nhiên liệu sử dụng chưa tốt (hàm lượng benzen
khoảng 5% so với 1% ở các nước trong khu vực; hàm lượng lưu huỳnh trong

9


diesel chiếm từ 0,5 ÷ 1% so với 0,05% ở các nước trong khu vực) ngồi ra cịn
nhiều khí thải độc hại khác như: CO, NOx, PM,… là những nguyên nhân chính
gây ra tình trạng ơ nhiễm [3]. Tiêu thụ xăng dầu là một trong những nguyên
nhân phát thải các chất độc hại như CO, hơi xăng dầu (CmHn, VOC), SO2, PM
(chất thải rắn), chì, benzen... Phát thải những chất này liên quan chặt chẽ đến
chất lượng xăng dầu. Trong cơ cấu tiêu thụ xăng dầu của quốc gia thì giao thông
vận tải chiếm tỷ trọng lớn nhất, là nguồn phát thải lớn nhất các chất khí ơ nhiễm
kể trên.
Để giải quyết vấn đề ơ nhiễm khơng khí do các phương tiện vận tải gây
ra chúng ta phải thực hiện đồng thời nhiều giải pháp, chẳng hạn như: Siết chặt
tiêu chuẩn khí phát thải đối với các loại phương tiện lưu thơng (từ ngày 01
tháng 7 năm 2007, tồn bộ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ sẽ phải
tuân thủ theo tiêu chuẩn EURO II về khí thải) và đối với tất cả các loại ô tô sản

xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4 từ
01/01/2018; nâng cao phẩm cấp của nhiên liệu truyền thống bằng cách sử dụng
công nghệ hiện đại xử lý sâu trong các nhà máy lọc dầu kết hợp với việc sử
dụng động cơ thế hệ mới hoặc sử dụng các loại nhiên liệu “sạch”. Trong đó
việc sử dụng xe lai (hybrid) kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong nổi
lên như là một sự lựa chọn tối ưu trong thời kỳ mà xe điện vẫn chưa có điều
kiện thuận lợi để phát triển.
1.3.2. Định nghĩa về xe hybrid
Hybrid nghĩa là lai, xe hybrid (Hybrid Electric Vehicle - HEVs) là dòng
xe sử dụng động cơ tổ hợp, là một phương tiện giao thông mà được sử dụng
bằng hai nguồn năng lượng trở lên. Ví dụ như sự kết hợp giữa: Hệ thống “Chứa
năng lượng nạp lại được” (Rechargeabe Energy Storage Systemhay RESS,
hoặc cụ thể hơn là Pin nạp lại được) và nguồn nhiên liệu hóa thạch. Bộ điều
khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng

10


động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện vào ắc
quy để sử dụng về sau.
Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ này (Hybrid Vehicle) thường dùng để
nói đến “Phương tiện giao thơng ghép” kết hợp năng lượng từ điện và xăng
(Petroleum Hybrid Electric Vehicle) hay viết tắt trong tiếng anh là PHEV, và
cũng có thể được viết tắt là HEV (Hybrid Electric Vehicle). Theo ngôn ngữ phổ
thông tiếng Việt thường dùng ta có thể gọi là “Xe điện xăng”, hay tiếng Anh là
hybrid Car.
1.4. So sánh đặc tính tốc độ của động cơ điện và động cơ đốt trong
Trên hình 1.6 có thể thấy rằng đặc tính của ĐCĐT khác biệt khá xa so
với đặc tính lý tưởng do vậy cần phải dùng hộp số đa cấp hay hộp số tự động
để có đặc tính tốt hơn như thể hiện trên hình 1.7 [3], [12], [15]. Điều này làm

tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số.

Hình 1.6. Đặc tính lực kéo - tốc độ với công suất yêu cầu
của động cơ xăng

11


Hình 1.7. Đặc tính lực kéo - tốc độ với hộp số tự động của một xe
Trên hình 1.8 ta có thể thấy động cơ đốt trong làm việc tối ưu trong một
vùng tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600 [v/ph] tới 3400 [v/ph] với suất tiêu
hao nhiên liệu khoảng 255 [g/kW.h] [12], [15]

Hình 1.8. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng
Đối với mô-tơ điện, đặc tính được thể hiện trên hình 1.9. Có thể thấy
rằng mơ-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng. Thơng thường mơ-tơ
điện khởi động từ tốc độ bằng 0. Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng
theo trong khi dịng khơng đổi. Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp
12


khơng đổi cịn dịng thì yếu đi. Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi
trong khi mô-men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ. Do đó một hệ dẫn
động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo yêu cầu của xe
[12], [15].

Hình 1.9. Đặc tính của một mơ-tơ điện
Trên hình 1.10 cho thấy sự so sánh cụ thể của một mô-tơ điện và một
động cơ đốt trong. Để có đặc tính sát với lý tưởng thì động cơ đốt trong cần
hộp số 4 cấp cịn mơ-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp. Ngồi vai trị giúp cho động

cơ đốt trong có thể hoạt động ở vùng tối ưu, mô-tơ điện trong xe hybrid có một
vai trị quan trọng thứ hai là nó có thể thu hồi lại năng lượng (động năng) cho
xe để nạp lại vào ắc quy trong quá trình xe giảm tốc hay phanh, chức năng
“phanh tái sinh” [12], [15].

13


Hình 1.10. Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp
và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp
1.5. Xu hướng phát triển xe hybrid
Xe hybrid đã được nghiên cứu từ rất sớm. Chiếc xe hybrid được trưng
bày đầu tiên tại một salon ở Paris vào năm 1899. Nó được chế tạo bởi H.Pieper.
Các xe hybrid đầu tiên được thiết kế chỉ nhằm mục đích hỗ trợ về công suất,
tốc độ của những động cơ đốt trong còn yếu lúc bấy giờ. Chúng được chế tạo
với những cơng nghệ điện cơ bản, đã có những sáng tạo lớn trong những thiết
kế đó, nhưng những chiếc xe hybrid đầu tiên này đã không thể cạnh tranh với
những động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống được cải tiến một cách mạnh
mẽ.
Khái niệm xe hybrid được quan tâm nhất trong suốt những năm 1990 khi
nó trở nên sạch và hiệu quả hơn so với các phương tiện dùng động cơ đốt trong
thông thường. Việc nghiên cứu và phát triển xe hybrid như là một giải pháp
hiệu quả về tính kinh tế và mơi trường. Có thể nói, cơng nghệ hybrid là chìa
khố mở cánh cửa tiến vào kỷ ngun mới của những chiếc ơ tơ, đó là ơ tơ
khơng gây ơ nhiễm mơi trường hay cịn gọi là xe sinh thái.
14


Nỗ lực đáng kể nhất trong phát triển và thương mại hóa xe hybrid được
thực hiện bởi các hãng sản xuất xe của Nhật Bản. Năm 1997, hãng Toyota đã

giới thiệu mẫu sedan Prius ở Nhật. Hãng Honda cũng đã giới thiệu mẫu hybrid
của mình là Insight và Civic. Những chiếc xe này bây giờ đã có mặt khắp nơi
trên thế giới. Chúng đã đạt được mức tiêu hao nhiên liệu tuyệt vời. Toyota Prius
và Honda Insight được xem là những chiếc xe hybrid có giá trị lịch sử, vì chúng
là những chiếc hybrid đầu tiên được thương mại hóa rộng rãi trên thế giới trong
kỷ nguyên hiện đại và đã trả lời được câu hỏi về vấn đề tiết kiệm tiêu hao nhiên
liệu cho các phương tiện cá nhân.
Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, xe hybrid đang được sự quan tâm
nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất xe trên thế
giới. Ngày càng có nhiều mẫu xe hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có
nhiều người tiêu dùng sử dụng loại xe này. Dự báo cuối năm 2016 các phương
tiện vận tải xe hybrid sẽ có thị phần tăng mạnh ở Mỹ do giá xăng dầu ngày càng
leo thang, các nhà nghiên cứu dự đoán các xe hơi sử dụng động cơ thân thiện
với môi trường này sẽ chiếm phần lớn các thị trường và liên tục tăng qua các
năm. Điều đó đã khẳng định xu thế phát triển mạnh mẽ của xe hybrid trong
mục tiêu tiến tới xe sinh thái của nhân loại.
1.5.1. Giới thiệu một số mẫu xe hybrid
Có rất nhiều mẫu xe của các hãng sản xuất trên thế giới sử dụng công
nghệ lai Hybrid như: Toyota Prius, Camry Hybrid, Honda Civic hybrid, Honda
Insigh, Huyndai Sotana Hybrid, Nissan Altima Hybrid, Ford Escape Hybrid,
Saturn Vue Green Line… Dưới đây giới thiệu một số mẫu xe hybrid tiết kiệm
nhiên liệu và ăn khách nhất thế giới.
- Toyota Prius
Toyota tuyên bố doanh số mẫu Prius trên thị trường toàn cầu đã vượt
mốc 2 triệu chiếc. Đây là một trong những dòng xe bán chạy nhất của Toyota

15