Luận văn Công nghệ kỹ thuật ô tô: Tìm hiểu về công nghệ lai (Hybrid) trên ô tô và xe máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHÚ XN
­­­­­­­­­­­­­

TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ LAI (HYBRID)
TRÊN Ơ TƠ VÀ XE MÁY
(Tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành CNKT Ơ tơ)

Biên soạn: ThS. Nguyễn Qn.
Khoa: Cơng Nghệ ­ Kỹ tht.
Trường ĐH Phú Xn ­ Huế

Huế, tháng 06 năm 2021


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

MỤC LỤC:

2

ThS. Nguyễn Qn


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

MỞ ĐẦU

Sự phát triển các phương tiện giao thơng ở các khu vực trên thế giới nói 

chung khơng giống nhau nhưng đều có xu thế  chung là cơ  giới hố qng  
đường dịch chuyển. Sự  gia tăng mật độ  phương tiện giao thơng dẫn đến  
hai vấn đề  lớn cần giải quyết đó là sự  q tải của cơ  sở  hạ  tầng và ô  
nhiễm môi trường. Sự phát triển ngành giao thông vận tải của hầu hết các 
nước đều được thực hiện theo định hướng làm giảm nhẹ  sự  tác động của  
hai vấn đề này đến kinh tế ­ xã hội.
­ Giảm tải cho cơ sở hạ tầng:
Giải quyết vấn đề này một mặt liên quan đến công tác qui hoạch đô thị,  
nâng cấp hệ  thống giao thông, mở  rộng đường, thiết kế  tốt các nút giao  
thơng, xây dựng các bãi đậu xe... và mặt khác, cần phải lựa chọn loại  
phương tiện giao thơng phù hợp. Mặt thứ nhất của vấn đề  là trách nhiệm  
của các cấp chính quyền quốc gia. Cịn đối với trách nhiệm của một người  
nghiên cứu khoa học thì nhiệm vụ  cần quan tâm là phải xem xét đến mặt 
thứ hai của vấn đề, nghiên cứu đề xuất loại phương tiên giao thơng hợp lý 
với cơ sở hạ tầng đơ thị.
Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thơng ở  nước ta chưa 
được phát triển, nhà  ở  thành phố  chật hẹp, chỗ  đậu xe chưa được xây 
dựng, việc sử dụng các loại phương tiện giao thơng cá nhân cỡ  lớn như  ơ 
tơ du lịch từ 4 đến 12 chỗ sẽ gây nhiều phiền hà cho cơng tác tổ chức giao  
thơng cũng như  cho người sử  dụng. Vì vậy nhiệm vụ  đặt ra cho các cơ 
quan quản lý giao thơng là khuyến khích người dân sử  dụng những loại 
phương tiện vận chuyển cá nhân thích hợp như ơ tơ kích cỡ nhỏ 2 chỗ ngồi  
hoặc xe gắn máy, trong đó xe gắn máy là phương tiện giao thơng được 
3


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

người dân  ưa chuộn nhất hiện nay  ở  nước ta. Mặt dù đây chưa phải là 
phương tiện chiếm mật độ giao thơng bé nhất (sau xe bt) nhưng rất phù 
hợp với điều kiện sử  dụng  ở  Việt Nam do tính cơ  động cao, dễ  cất giữ,  
tiêu thụ nhiên liệu ít và giá cả phù hợp với túi tiền của đại đa số người dân  
lao động.
­ Phát triển nguồn động lực sạch:
Hiện nay, phương tiện giao thơng là một trong những tác nhân lớn gây ơ 
nhiễm mơi trường nghiêm trọng. Do đó, u cầu cấp bách đặt ra cho các 
nhà nghiên cứu là phải tìm ra nguồn động lực sạch khơng gây ơ nhiễm  
(zero emission) để  trang bị  cho phương tiện giao thơng. Ngồi ra, do nguy 
cơ nguồn dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong một tương lai gần nên cũng địi hỏi  
con người cần phải tìm ra những nguồn năng lượng mới thay thế cho dầu 
mỏ  hoặc ít ra cũng cần phải cải tiến động cơ  nâng cao hiệu suất để  tiết  
kiệm năng lượng. Có nhiều giải pháp đã được cơng bố  trong những năm 
gần đây như:
­ Tập trung hồn thiện q trình cháy động cơ Diesel.
­ Cải tiến q trình cung cấp nhiên liệu và đánh lửa trên động cơ xăng.
­ Sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như: LPG (Liquid Petroleum Gas), 
khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng 
lượng mặt trời.
­ Nguồn động lực lai (hybrid) điện ­ nhiệt.
Tất cả các giải pháp trên đều có những ưu và nhược điểm riêng. Trong  
đó, hai giải pháp được đánh giá tốt nhất hiện nay là loại động cơ  sử  dụng  
pin nhiên liệu FCHV (Fuel Cell Hybrid Vehicle) và động cơ  lai điện nhiệt 
HSD (Hybrid Synergy Drive) do hãng TOYOTA đề  xuất. Đối với động cơ 
FCHV, nó có  ưu điểm là hồn tồn khơng gây ơ nhiễm mơi trường nhưng 
4


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

nhiên liệu cung cấp cho nó là khí hydrogen có giá thành rất cao, cịn động 
cơ  HSD thì tuy đã giảm đáng kể  khả  năng gây ơ nhiễm mơi trường, hiệu 
suất cao nhưng do sử dụng xăng nên nó cịn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn  
cung cấp dầu mỏ. Động cơ Diesel cải tiến tuy hạn chế tối đa phát thải khí  
gây ơ nhiễm mơi trường và hiệu suất cao nhưng nó cũng khơng phải là 
động cơ đầy hứa hẹn trong tương lai vì loại động cơ này vẫn phải sử dụng 
nhiên liệu từ nguồn dầu mỏ. Động cơ sử dụng nhiên liệu khí hố lỏng LPG 
đang phát huy nhiều  ưu điểm như  trữ  lượng LPG trên trái đất là cịn dồi  
dào, hiệu suất tương đối cao và ít gây ơ nhiễm mơi trường nhưng nó vẫn 
cịn có nhược điểm là vấn đề nạp lại nhiên liệu gặp nhiều khó khăn.
Một xu hướng rất nổi bậc hiện nay là sử  dụng ngun lý lai (hybrid)  
cho nguồn động lực sử dụng trên phương tiện giao thơng vận tải. Động cơ 
lai sẽ  kết hợp  được  ưu điểm của hai động cơ  thành phần và hạn chế 
những nhược điểm của chúng nên tạo ra được hiệu suất tổng hợp rất cao  
và đồng thời giảm thiểu phát thải khí gây ơ nhiễm mơi trường. Vì vậy mà  
cơng nghệ lai đã được các nhà sản xuất ơ tơ trên thế giới tập trung nghiên  
rất nhiều trong những năm gần đây.

5


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Chương 1:
TỔNG QUAN

1.1. Xu hướng phát triển xe gắn máy lai (hybrid) trên thế giới:
1.1.1. Piaggio hybrid scooter:

Đối với các hãng sản xuất xe máy, cơng nghệ  lai (Hybrid) quả  thực là 
một vấn đề khó khi áp dụng trên những mẫu xe máy thương mại mang tính 
chất phổ  thơng. Ngồi việc có chi phí sản xuất cao, việc đưa ra giải pháp 
sử dụng động cơ điện và động cơ đốt trong có thể phối hợp nhịp nhàng và 
mang lại hiệu quả cao khi vận hành ln là một bài tốn khó, địi hỏi tư duy 
sáng tạo và cơng nghệ  vượt thời gian của những nhà sản xuất. Chính vì 
vậy trong thời điểm hiện tại, những mẫu xe máy Hybrid mỗi khi xuất hiện 
chưa thể là một giải pháp hồn hảo cho các phương tiện di chuyển cá nhân,  
thế nhưng nó lại mang ý nghĩa lớn về trình độ  và đẳng cấp của từng hãng 
xe.
Nhà sản xuất xe máy Italia ­ Piaggio sẽ trở thành cơng ty đầu tiên trang  
bị hệ truyền động hybrid cho xe scooter (xe hai bánh thiết kế dành cho q  
bà). Mới đây, hãng thơng báo kế  hoạch phát triển những phiên bản hybrid 
dành cho Vespa LX, Piaggio X8 và chiếc scooter 3 bánh Vespa MP3.

6


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Hình 1­1: Động cơ lai HyS Vespa  LX.
Hệ  truyền động lai mang tên HyS (Hybrid Scooter) có thể  vận hành  ở 
chế  độ  chỉ  động cơ  điện hoặc  ở  chế  độ  kết hợp (hybrid) giữa động cơ 
xăng với động cơ điện. Piaggio HyS là hệ thống lai song song trong đó một  
động cơ  đốt trong và một động cơ điện tích hợp vào vỏ  động cơ  chung và 

đồng thời cũng được điều khiển chung bằng một hệ thống điện tử. Cả hai  
động cơ  này đồng thời cung cấp năng lượng cho bánh sau bằng bộ  truyền 
động đai vơ cấp. Hệ thống điều khiển điện tử  kết hợp hai động cơ  nhằm  
đem lại khả  năng tăng tốc nhanh hơn và giúp giảm đáng kể  việc tiêu thụ 
nhiên liệu (1,67 lít / 100km), ngồi ra khí thải C02  chỉ  cịn 40g/km khi sử 
dụng 65% chế độ hybrid và 35% chế độ điện. HyS cũng sử dụng hệ thống  
phanh tái sinh giúp thu hồi năng lượng thường xun bị  mất đi trong q 
trình phanh. Ngồi ra, dịng scooter này cịn có thể  nạp lại ắc quy từ nguồn 
điện sinh hoạt 220V. Hộp số  tự động, hệ  thống đánh lửa điện tử  và khởi  
động tự  động giúp người sử  dụng dễ  dàng vận hành xe trong đô thị  cũng 
như ở vùng ngoại thành. 

7


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Hình 1­2: Động cơ lai HyS Vespa  MP3.
Piaggio HyS sử dụng giải pháp cơng nghệ vơ cùng tân tiến và phức tạp 
nhưng vẫn dễ sử dụng. Một cơng tắc dùng để  chọn một trong các chế  độ 
vận hành: hybrid hoặc điện. Trong chế  độ  kết hợp, HyS điều khiển cơng  
suất đầu ra từ  hai động cơ  xăng và điện, thơng qua hệ  thống điều khiển 
điện tử (SGE) nhằm tăng cơng suất và chọn tỷ số truyền phù hợp với trạng 
thái vận hành của xe. Suốt q trình giảm tốc độ  và phanh, hệ  thống điều 
khiển thu hồi cơng suất bị mất và nạp vào ắc quy. Cơng nghệ truyền động  
điện tử khơng chỉ cho phép hệ thống điều khiển kiểm sốt năng lượng đầu 
ra được kết hợp của hai động cơ  mà cịn điều khiển động cơ  nhiệt vận  
hành ở chế độ có hiệu suất cao nhất, vì vậy giảm mức tiêu thụ nhiên liệu  

và khí thải gây ơ nhiễm mơi trường. Tất cả những thơng tin về cơng nghệ 
này vẫn cịn nằm trong vịng bí mật. Dự  kiến, ba phiên bản đầu tiên của 
Piaggio HyS sẽ  là Vespa LX, Piaggio X8 và MP3 ba bánh. Theo thơng tin 
ban đầu, HyS sử  dụng một động cơ  xăng xy lanh đơn, 4 kỳ  làm mát bằng  
chất lỏng, có dung tích 125cm3, cơng suất cực đại 11kW  ở  số  vịng quay 
8.500   vịng/phút,   kết   hợp   với   một   động   cơ   điện   có   cơng   suất   cực   đại  
2,6kW, sử dụng bộ nguồn ắc quy Lithium­ion gồm  3 bình 12V­26AH. Trên 
phiên bản X8 và MP3,  ắc quy được dấu vào ngăn đựng hành lý dưới n 
xe, tuy nhiên, khoảng khơng này vẫn đủ  lớn để  đặt mũ bảo hiểm. Mẫu  
Vespa LX hybrid, khoảng khơng gian phía dưới n xe chỉ dùng để chứa ắc 
quy, cốp đựng hành lý và mũ bảo hiểm sẽ được bố trí ở phía trên sau đi  
xe. Trên bản điều khiển ở tay lái xe có lắp đặt một đồng hồ báo tình trạng  
8


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

lưu trữ điện của  ắc quy. Thời gian một lần nạp lại đầy bộ  nguồn ắc quy 
bằng lưới điện 220V là khoảng 3 giờ. Tổng trọng lượng tồn bộ  động cơ 
và ắc quy của hệ thống HyS là khoảng 30kg. 
1.1.2. Yamaha HV­X Hybrid Scooter:
Được giới thiệu tại triển lãm Tokyo Motor Show 2009, Yamaha HV­X  
được xem như mẫu xe máy hybrid có tính thực tế cũng như  khả  năng vận 
hành hồn hảo trong mọi điều kiện sử  dụng. Yamaha HV­X Hybrid được 
trang bị một động cơ điện 300V, cơng suất tối đa 15kW với bộ ắc quy loại  
Lithium­ion và động cơ đốt trong xy lanh đơn, 4 kỳ, 250cm3 với bộ truyền 
động đai vơ cấp dẫn động đến bánh xe sau chủ động.

Hình 1­3: Sơ đồ cấu tạo xe Yamaha HV­X Hybrid Scooter.

9


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

 
Hình 1­4: Yamaha HV­X Hybrid Scooter.
Yamaha HV­X Hybrid có cách bố trí các bộ  phận trong hệ thống động 
lực khá phức tạp. Tại vị  trí đặt bình chứa nhiên liệu truyền thống là một 
hệ  thống bộ  nguồn  ắc quy cỡ  lớn và hệ  thống điều khiển điện tử  trung  
tâm (IC điều khiển). Trong khi đó, bình chứa nhiên liệu dành cho động cơ 
đốt trong được chuyển xuống phía đi xe. Phía dưới bộ vỏ nhựa là những 
chi tiết động cơ  phức tạp được sắp xếp dày đặc trên khung xe. Hệ  thống 
động cơ xăng và động cơ điện của HV­X được điều khiển chung bằng bộ 
IC trung tâm. Trong điều kiện xe vận hành  ở  tốc độ  đều hoặc tăng giảm 
tốc nhẹ (chậm), hệ thống điều khiển điện tử sẽ kích hoạt động cơ điện và 
ngắt hệ thống động cơ xăng giúp chiếc xe vận hành ở  chế  độ  êm dịu, tiết  
kiệm nhiên liệu. Trong khi đó, khi xe cần vận hành ở cơng suất tối đa như 
leo dốc hoặc vận hành trên đường cao tốc, hệ thống điều khiển trung tâm 
sẽ  kích hoạt cả  hai hệ  thống động cơ  xăng và động cơ  điện cùng hoạt  
động. Như vậy, có thể nhận thấy rõ mục đích sử dụng của từng kiểu động  
cơ trong hệ thống truyền động lai này là: động cơ điện sẽ  được dùng chủ 
yếu, thường xun trong q trình xe chạy và khi đi đường trường hoặc 
vượt dốc thì động cơ xăng mới hoạt động. Ngồi ra, khi nguồn điện của ắc 
quy đã hết, xe có thể chạy bằng động cơ xăng như một chiếc xe máy bình 
thường khác.

Hiện tại Yamaha mới chỉ dừng lại  ở việc giới thiệu sơ bộ về mẫu xe  
tay ga đặc biệt này. Tuy nhiên với những hình  ảnh được Yamaha cơng 
chiếu trong dịp triển lãm  Tokyo Motor  Show 2009, chiếc  xe  được  giới  
chuyên môn và những người đam mê xe máy đánh giá cao. Mặc dù vậy,  

10


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Yamaha vẫn tun bố giữ kín thơng tin kỹ thuật cũng như nói về tương lai  
của mẫu xe này.
1.1.3. Honda Hybrid Scooter:
Ngày 24 tháng 8 năm 2004, Honda đã giới thiệu mẫu xe lai đầu tiên 
kiểu dáng “scooter” với khả năng giảm khí thải gây ơ nhiểm mơi trường và  
tiết kiệm nhiên liệu. Xe lai này kết hợp hoạt động của một động cơ  đốt 
trong phun xăng điện tử 50cm3 và một động cơ điện kiểu xoay chiều đồng 
bộ  gắn trực tiếp vào bánh sau của xe. Hệ  thống sử  dụng một bình ắc quy 
niken ­ hyđrua kim loại (Ni­MH)  để  lưu trữ  năng lượng. Khi chạy trên 
đường bằng phẳng trong thành phố, một mình động cơ  điện sẽ  dẫn động 
xe chạy với tốc độ  đạt 30 km/h. Khi cần lực phát động lớn như  tăng tốc  
hoặc lên dốc thì động cơ  đốt trong sẽ  kết với động cơ  điện thơng qua bộ 
truyền động đai vơ cấp để  tăng thêm cơng suất kéo. Để  tận dụng năng 
lượng, khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc thì động cơ điện sẽ trở thành máy  
phát điện nạp điện vào  ắc quy. Mẫu xe này có hiệu suất rất cao và giảm 
được 37% nồng độ CO trong khí thải so với xe gắn máy cùng cơng suất.

Hình 1­5: Honda hybrid Scooter.

11


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

1.1.4. eCycle Hybrid:
Xe eCycle nhìn bên ngồi trơng giống như một chiếc xe mơ tơ thể  thao 
với động cơ  250cm3 chạy xăng, ngoại trừ tốc độ  và cơng suất cực đại mà 
nó đạt được. Khối hybrid của eCycle đạt được cơng suất 42V x 400A = 
16.800W đối với động cơ  điện và 12.000W đối với động cơ  xăng bốn kỳ 
hai xy lanh có dung tích 250cm3. Khối lưu trữ  điện của chiếc xe này bao 
gồm ba ắc quy 14V. Khả năng tăng tốc từ 0­100 km/h trong thời gian 6 giây 
và tốc độ  tối đa 120km/h. Tiêu thụ  nhiên liệu đạt 50km/lít với lượng phát 
sinh khí thải gây ơ nhiễm là rất thấp.
Cać   chuyên   gia   hang
̀  đâù   về đông
̣   cơ   hybrid   cung
̃  khăng
̉  đinh
̣   răng,
̀  
eCycle hybrid là chiếc xe máy rất hiện đại với loại vật liệu sử  dụng có 
trọng lượng rất nhẹ, hạn chế khí thải gây ơ nhiễm mơi trường và khả năng  
hãm tái sinh năng lượng đạt hiệu quả  cao. Kết cấu nhẹ  của eCycle đều  
dựa trên một bộ phận trung tâm, nơi đặt động cơ đốt trong, động cơ  điện,  
máy phát, ắc quy và các bộ phận của hệ truyền động là khung xe được chế 
tạo bằng hợp kim nhơm đặc biệt. Hệ  thống lái và bộ  giảm xóc lị xo để 
trần mang đến hình  ảnh thể  thao cho chiếc xe này. Hệ  thống treo phía 

trước là dạng càng đơn nằm ngang với một tay địn lắp một cách chắc  
chắn với khung trung tâm. Các bánh xe mâm đúc bằng nhơm đường kính  
40cm, hộp số hai cấp tốc độ  điều khiển tự  động và được dẫn động bằng 
xích để  truyền mơ men xoắn ra bánh xe sau. Tự  trọng của xe máy eCycle  
hybrid đạt khoảng 100kg.

12


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Hình 1­6: Xe máy eCycle hybrid.
1.1.5. FA ­ 801 (Hybrid 80cm3 ­ 500W):
Cơng ty sản xuất xe gắn máy FUSEN của Thái Lan đã cho ra đời mẫu  
xe mơ tơ lai (hybrid) được kết hợp từ một động cơ điện 500W và một động  
cơ đốt trong 80cm3. Khi xe chạy từ 0 ­ 34km/h, động cơ điện sẽ hoạt động. 
Khi xe đạt tốc độ  35km/h, hộp điều khiển điện tử  sẽ  khởi động động cơ 
đốt trong và ngắt động cơ điện, lúc này động cơ đốt trong sẽ thay thế động 
cơ điện để cung cấp sức kéo cho xe chạy. Khi tốc độ xe thấp hơn 35km/h, 
hệ thống điều khiển sẽ giúp xe tự động chuyển sang hoạt động bằng động 
cơ điện. Trên tay lái của xe có nút chọn chế độ chạy xe ở 2 trạng thái: chế 
độ chạy điện và chế độ chạy lai (hybrid). Loại xe này có các ưu điểm:
­ Tiết kiệm nhiên liệu và giảm sự ơ nhiễm mơi trường khi chạy ở chế độ lai.
­ Hoạt động êm và khơng ơ nhiễm mơi trường khi chạy ở chế độ xe điện.
­ Giá thành thấp.
Các đặc tính kỹ thuật của xe:
­ Cơng suất động cơ  điện: 500W có thể  kéo xe chạy đạt 50km/h, qng  
đường xe chạy hết bình ắc quy là 90km.

­ Nguồn ắc quy: 12V­17AH x 4bình, nạp lại với 1,8A trong thời gian 6 giờ.
­ Tốc độ cực đại của xe đạt: 90km/h.

13


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Hình 1­7: Cấu tạo của xe Fusen FA­801 hybrid.
1.2. Một số kiểu truyền động lai (hybrid) điển hình trên ơ tơ:
Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ơ tơ hàng đầu trên thế  giới  
như  Toyota, Honda, Isuzu, Mercedes, BMW, Fiat, . . . đã tung ra thị trường  
những thế  hệ ơ tơ mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể  lượng chất thải 
gây ơ nhiểm mơi trường được gọi là “ơ tơ lai” (Hybrid ­ Car). Có thể nói, 
cơng nghệ lai là chìa khố mở cánh cửa tiến vào kỷ ngun mới của ngành 
sản xuất ơ tơ, đó là ơ tơ khơng gây ơ nhiễm mơi trường hay cịn gọi là ơ tơ 

14


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

sinh thái (the ultimate eco­car). Xu hướng phát triển của ngành ơ tơ trên thế 
giới được mơ tả như ở hình 1­8.

Hình 1­8: Xu hướng phát triển nguồn động lực của ơ tơ trên thế giới.

Từ hình 1­8 ta nhận thấy, một thế hệ ơ tơ mới ra đời có liên quan trực 
tiếp đến việc cải tiến hoặc thay đổi loại động cơ  lắp đặt trên nó. Có thể 
phân ra làm 4 nhóm động cơ chính được dùng làm nguồn động lực cho ơ tơ  
là động cơ  xăng, động cơ  diesel, động cơ  điện và động cơ  sử  dụng năng 
lượng   thay   thế   như   động   cơ   sử   dụng   khí   đốt   hố   lỏng   LPG   (Liquid 
Petroleum Gas) hoặc LNG (Liquid Nature Gas).  Động cơ  xăng và diesel 

15


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

được xem là hai loại động cơ  truyền thống với  ưu điểm nổi trội hơn các 
loại động cơ  khác là việc cung cấp nhiên liệu đơn giản và nhanh chóng. 
Tuy nhiên hiệu suất của nó thì khơng cao và đồng thời gây ơ nhiểm mơi 
trường lớn nhất. Hai loại động cơ  này đã được cải tiến qua nhiều thế  hệ 
và đã trở nên rất hiện đại, nhưng đứng trước nguy cơ cạn kiệt của nguồn  
dầu mỏ, có thể  nói động cơ  chạy bằng xăng dầu truyền thống khơng có 
triển vọng phát triển trong tương lai. Động cơ điện và động cơ khí ga (LPG 
hoặc LNG) tuy hiện nay cịn có một số hạn chế nhất định nhưng đây là hai 
loại động cơ  có nhiều  ưu điểm có thể  thay thế  hai loại động cơ  truyền  
thống trong những năm tới. Trong những năm gần đây, một thế hệ động cơ 
mới được tạo ra từ động cơ xăng và động cơ điện được gọi là động cơ  lai 
(Hybrid Engine) được lắp đặt thành cơng trên xe du lịch đời mới của các 
hãng như  Toyota, Honda, Isuzu, Mercedes, BMW, Fiat, . . . Động cơ  lai đã 
phát huy ưu điểm và đồng thời hạn chế nhược điểm của mỗi loại động cơ 
thành phần. Đây là loại động cơ được xem là tốt nhất hiện nay.
Trên hình 1­8, vị trí sắp xếp của các thế hệ động cơ theo chiều cao thể 

hiện thời điểm ra đời của nó, cịn các chỉ  số  kèm theo chỉ  thứ  tự  xếp loại  
theo ưu điểm của mỗi loại động cơ. Rõ ràng, động cơ  lai xăng ­ điện vận 
hành hiệp trợ  HSD (Hybrid Synergy Drive) được xếp loại là loại động cơ 
có ưu điểm đứng đầu hiện nay. Động cơ HSD được hãng sản xuất ơ tơ nổi  
tiếng thế giới Toyota thiết kế và chế tạo sử dụng trên xe ơ tơ du lịch Prius 
nên cịn được gọi là động cơ THS II (Toyota Hybrid System II).
1.2.1. Hệ thống lai của Toyota (Toyota Hybrid System II):
Hệ  thống gồm có hai loại nguồn cơng suất, một động cơ  xăng hiệu 
suất cao sử  dụng chu trình nhiệt Atkinson, là một chu trình tỷ  số  nén cao 
kết với một động cơ  điện đồng bộ  xoay chiều (AC) nam châm vĩnh cửu, 
16


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

một máy phát, nguồn  ắc quy Niken ­ Hydrua kim loại (Ni ­ MH) hiệu suất  
cao và một điều khiển cơng suất. Bộ điều khiển cơng suất này có thiết kế 
một mạch điện tăng áp cao để  nâng điện áp của hệ  thống cung cấp cơng 
suất cho động cơ điện và máy phát đến một điện áp cao đạt 500V, ngồi ra  
một bộ  biến đổi AC­DC để  chuyển đổi dịng điện xoay chiều (AC) sử 
dụng trên động cơ  điện và máy phát thành dịng điện một chiều (DC) lưu 
trữ  trên nguồn  ắc quy và ngược lại. Một bộ  phận quan trọng khác nữa là 
bộ  phân chia công suất sử  dụng cơ  cấu vi sai, nhằm phân phối mô men 
quay từ động cơ  xăng đến động cơ điện và máy phát một cách tối ưu theo  
mọi chế  độ  vận hành của ô tô. Bộ  điều khiển công suất tự  động điều 
khiển một cách chính xác những hoạt động của động cơ xăng, máy phát và 
động   cơ   điện   sao   cho   chế   độ   làm   việc   đạt   được   hiệu   suất   cao   nhất. 
Ngun lý hoạt động của động cơ THS II được chia thành sáu chế độ  đặc 

trưng và được mơ tả như sau:

Hình 1­9: Đường truyền cơng suất ở tốc độ thấp và chạy bình thường

17


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

­ Khởi hành từ  tốc độ  thấp tới trung bình:  Động cơ  xăng khơng hoạt 
động vì ở  vùng tốc độ  này hiệu suất nhiệt thấp, lúc này xe chỉ  chạy bằng  
động cơ điện như mơ tả ở hình 1­9 với dịng truyền cơng suất "A".
­ Vận hành ở điều kiện bình thường: Cơng suất của động cơ xăng được 
bộ vi sai phân phối cơng suất chia thành hai phần, một phần làm quay máy 
phát tạo ra dịng điện cung cấp cho động cơ điện (dịng "B"), phần cịn lại 
của cơng suất được truyền động trực tiếp đến bánh xe chủ  động (dịng 
"C"). Tỷ lệ độ lớn của mỗi dịng cơng suất "B" và "C" phụ thuộc vào tỉ số 
truyền trên mỗi nhánh của bộ vi sai. Sự phân phối cơng suất theo ngun lý 
này giúp động cơ xăng ln chạy ở tốc độ quay cao nhưng sức kéo đáp ứng  
được u cầu của lực cản khi xe chạy. Nhờ  tránh được vùng làm việc  ở 
tốc độ  quay thấp nên động cơ  xăng có hiệu suất cao và giảm nồng độ  khí 
thải gây ơ nhiễm mơi trường. Một phần cơng suất dư  thừa của động cơ 
xăng được máy phát thu nhận và nạp điện cho  ắc quy lưu trữ để  sử  dụng 
khi cần.
­ Gia tốc đột ngột: Khi đạp ga đột ngột, hệ thống điều khiển sử  dụng 
hết cơng suất phát ra của động cơ  xăng theo dịng "B" và "C", đồng thời 
nhận thêm dịng điện từ   ắc quy để  tăng cơng suất cho động cơ  điện theo  
dịng "A".

18


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Hình 1­10: Đường truyền cơng suất khi tăng tốc và khi giảm tốc
­ Giảm tốc độ  hoặc phanh lại: Động cơ  xăng ngừng hoạt động, động 
cơ điện đóng vai trị là một máy phát nhận cơng suất từ các bánh xe (động  
năng qn tính) và tạo ra dịng điện cao áp nạp lại cho  ắc quy theo dịng  
"D". 

Hình 1­11: Đường truyền cơng suất khi nạp điện và động cơ THS II
­ Tự nạp lại nguồn ắc quy: Khi dung lượng điện chứa trong ắc quy cịn 
thấp hơn mức cho phép, động cơ xăng sẽ được kích hoạt chạy và kéo máy 
phát điện để tự nạp lại ắc quy theo dịng "E".
­ Dừng xe: Động cơ xăng và động cơ điện tự động dừng. 
Hệ thống lai THS II (HSD) có bốn đặc trưng sau:
­ Giảm mất mát năng lượng: Hệ thống tự động tắt động cơ xăng khi xe 
dừng để giảm bớt sự lãng phí năng lượng khi động cơ chạy khơng tải.
­ Khơi phục và sử dụng lại năng lượng: Năng luợng mà bình thường bị 
biến thành nhiệt trong suốt thời gian giảm tốc độ  và phanh đã được 
khơi phục thành năng lượng điện nạp lại cho nguồn ắc quy.
19


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

­ Động cơ  điện hỗ  trợ  tăng tốc: Động cơ  điện cùng kết hợp với động  
cơ xăng nhằm tăng cơng suất trong suốt q trình gia tốc.
­ Điều khiển hoạt động hiệu suất cao: Động cơ  điện hoạt động chủ 
yếu ở tốc độ thấp và động cơ xăng hoạt động chính ở tốc độ cao nhờ 
đó mà khắc phụ được nhược điểm của động cơ  xăng khi chạy ở  tốc 
độ thấp.
Thơng số kỹ thuật cơ bản của hệ thống lai THS II (HSD) như sau:
­ Động cơ xăng 4 kỳ; 4 xi lanh; tổng dung tích xi lanh 1,5 lít; cơng suất  
cực đại 57kW ở số vịng quay 5000 vịng/phút.
­ Động cơ  điện xoay chiều đồng bộ  cơng suất 50kW, hiệu điện thế 
500V.
­ Ắc quy: Nickel­metal hydride (Ni­MH), hiệu điện thế 500V­100AH.
1.2.2. Hệ thống lai của Honda Hybrid:
Hệ  thống lai mới nhất hiện nay của Honda được thiết kế  cho ơ tơ du 
lịch NEW INSIGHT, kiểu động cơ  i­VTEC 3­Stage IMA ( Integrated Motor 
Assist). Đây là hệ  thống lai kiểu kết hợp song song giữa động cơ  xăng và  
động cơ điện. Động cơ xăng là loại 4 kỳ 4 xi lanh, dung tích xi lanh 1.3 lít, 
cơng suất 65kW ở số vịng quay 5.800 vịng/phút, hệ thống phân phối khí sử 
dụng cơng nghệ  i­VTEC 3­Stage với ba chế  độ  điều khiển xu páp: đóng 
hồn tồn tất cả các xu páp ở trạng thái nghỉ, đóng mở bình thường và đóng  
mở  tăng cường khi chạy  ở  tốc độ  cao. Động cơ  điện là loại một chiều  
khơng chổi than (DC brushless motor), hiệu điện thế 100V, cơng suất 10kW  
ở số  vịng quay 1.500 vịng/phút. Bộ  nguồn  ắc quy là loại Ni­MH (Nickel ­ 
Metal Hydride), dung lượng 100V­200AH. Cả  động cơ  xăng và động cơ 
điện được kết hợp nối cứng với nhau và cùng truyền mơ men xoắn đến 
bánh xe chủ  động thơng qua bộ  truyền động đai vơ cấp. Động cơ  điện 
20

Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

được thiết kế  có kích thước tương đương như  một bánh đà và được lắp 
vào đúng vị trí của bánh đà động cơ xăng, do đó, rơ to của động cơ điện có 
vai trị tạo qn tính thay thế  bánh đà. Tồn bộ  hệ  thống được điều khiển  
hoạt động phối hợp cơng suất một cách tự  động thơng qua bộ  điều khiển 
điện tử PCU (Power Control Unit).
Ngun tắc hoạt động của hệ thống Honda Hybrid IMA như sau:
­ Khởi hành và chạy với vận tốc chậm:   Chỉ  một mình động cơ  điện 
hoạt động, lúc này động cơ  xăng  ở  trạng thái nghỉ. Vì động cơ  điện được 
lắp nối cứng với động cơ xăng nên trục khuỷu quay theo. Để giảm tổn hao  
cơng suất trong các xi lanh, hệ thống i­VTEC điều khiển cơ cấu phân phối 
khí đóng hồn tồn tất cả các xu páp (cam khơng điều khiển mở xu páp).

Hình 1­12: Cấu tạo động cơ Honda Hybrid IMA.
­ Chạy bình thường với vận tốc từ  trung bình trở  lên:   Chỉ  một mình 
động   cơ   xăng   hoạt   động,   động   cơ   điện   ở   trạng   thái   nghỉ   (khơng   cấp 
nguồn), rơ to của động cơ điện có vai trị là một bánh đà của động cơ xăng.  
Trong trường hợp này, nếu ắc quy hết điện, động cơ điện được điều khiển  
trở thành một máy phát điện và nhận một phần công suất từ động cơ xăng 
để nạp điện cho ắc quy.
21


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

­ Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao:  Hệ thống điện tử PCU sẽ điều 
khiển cả  động cơ  xăng và động cơ  điện cùng kết hợp cơng suất để  tăng 
sức kéo cho ơ tơ.
­ Giảm tốc hoặc phanh xe: Động cơ xăng được điều khiển chuyển sang 
trạng thái nghỉ (tất cả các xu páp đều đóng) và động cơ điện trở thành một 
máy phát điện nhận động năng qn tính từ  ơ tơ biến thành điện năng nạp 
lại cho ắc quy.
­ Dừng xe: Cả hai động cơ đều ngừng hoạt động.
Với ngun tắc hoạt động như  trên, động cơ  IMA khắc phục  được 
nhược điểm của động cơ xăng là có hiệu suất thấp ở vùng tốc độ thấp nên 
đem lại hiệu suất tổng thể khá cao. Cấu tạo theo ngun tắc này giúp động 
cơ  nhỏ  gọn và nhẹ  hơn so với hệ  thống THS II của Toyota. Hệ  thống i­
VTEC điều khiển tăng cường độ  mở  xu páp giúp động cơ  xăng tăng công 
suất và hiệu suất khi chạy  ở  tốc độ  cao. Tuy nhiên, do hệ  thống IMA chỉ 
kết hợp lai song song nên hiệu quả tổng thể không thể bằng hệ thống THS 
II của Toyota.
1.2.3. Hệ thống lai của Mercedes­Benz ML 450 Hybrid:
Lần đầu tiên ra mắt tại triển lãm ô tô New York hồi tháng 4 năm 2009,  
mẫu  Mercedes­Benz   ML   450   hybrid   2010  đã   chính   thức   có   mặt   trên   thị 
trường Mỹ từ  ngày 16 tháng 11 năm 2009. Chiếc xe sử dụng động cơ xăng 
3.5 lít V6 cơng suất 205kW, kết hợp với hai động cơ  điện, trong đó, một 
động cơ  điện được bố  trí cùng nhóm với động cơ  xăng nằm  ở  phía cầu 
trước có cơng suất 62kW và một động cơ điện được bố trí độc lập nằm ở 
phía cầu sau có cơng suất 60kW, như vậy tổng cơng suất của hệ thống đạt 
327kW. Ắc quy sử dụng trên ơ tơ này là loại Ni­MH (nickel ­ metal hydride),  
hiệu điện thế 288V và được đặt ở bên dưới sàn của ngăn chứa hành lý phía  
22

Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

sau xe. Theo Mercedes­Benz, mẫu SUV hybrid cỡ  lớn này tiêu thụ  trung 
bình 11,2 lít nhiên liệu cho 100 km trong thành phố và 9,8 lít/100 km đường 
cao tốc. Nhờ ứng dụng những cơng nghệ mới mà mức tiết kiệm nhiên liệu 
của chiếc hybrid này được cải thiện đáng kể  với chức năng tự  động tắt 
động cơ xăng khi khơng cần thiết như chờ đèn đỏ hay tắc đường. Hệ thống  
sử dụng hai động cơ điện lắp riêng trên mỗi cầu xe nhằm giảm kích thước 
cho động cơ  điện được lắp chung với động cơ  xăng. Ngồi ra, mặc dù  
động cơ  xăng chỉ  dẫn động cầu trước nhưng nhờ  có động cơ  điện ở  phía 
cầu sau nên hệ thống truyền động vẫn thực hiện được chức năng "4 bánh  
chủ động chống trượt" (4MATIC).
Ngun tắc hoạt động của hệ  thống lai trên ơ tơ  ML 450 Hybrid như 
sau:
­ Khởi hành và chạy chậm: Khi chạy trong thành phố với tốc độ chậm, 
xe vận hành chỉ bằng động cơ điện, tốc độ cực đại đạt 55 km/h.

23


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Hình 1­13: Mơ tả hoạt động của hệ thống lai Mercedes­Benz ML 450  
Hybrid.

Hình 1­14: Ơ tơ SUV Mercedes­Benz ML 450 Hybrid 2010.

­ Chạy với vận tốc từ  trung bình trở  lên: Chỉ  một mình động cơ  xăng 
hoạt động cung cấp sức kéo cho ơ tơ và đồng thời động cơ  điện  ở  phía 
trước (cùng nhóm với động cơ xăng) được điều khiển chuyển sang chế độ 
máy phát điện và nhận một phần cơng suất từ  động cơ  xăng để  nạp điện 
cho ắc quy.
­ Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao:  Hệ thống điện tử  PLC (Power 
Launch Control) điều khiển cả động cơ xăng và hai động cơ điện cùng kết 
hợp cơng suất để tăng sức kéo cho ơ tơ.
­ Giảm tốc hoặc phanh xe:  Động cơ xăng tự động dừng và hai động cơ 
điện trở  thành hai máy phát điện nhận động năng qn tính từ  ơ tơ biến 
thành điện năng nạp lại cho ắc quy.
­ Dừng xe: Tất cả các động cơ đều ngừng hoạt động.

24


Tìm hiểu về cơng nghệ lai (hybrid) trên ơ tơ ­ xe máy

ThS. Nguyễn Qn

Động cơ  xăng và động cơ  điện phối hợp cơng suất thơng qua cơ  cấu  
bánh răng hành tinh có 3 cấp tỷ số truyền và được điều khiển thơng qua 4 
bộ ly hợp điện từ.
1.3. Kết luận:
­ Hệ thống truyền động lai (hybrid) phối hợp cơng suất giữa một động  
cơ xăng và một động cơ điện đã đem lại hiệu suất cao và hạn chế khí thải 
gây ơ nhiễm mơi trường cho ơ tơ và xe gắn máy. Việc kết hợp hoạt động 
của hai loại động cơ nói trên nhằm phát huy ưu điểm và khắc phục nhược  
điểm của mỗi loại động cơ thành phần. Động cơ  điện có ưu điểm là hiệu 
suất cao, vận hành êm dịu, kích thước nhỏ  gọn, thu hồi được năng lượng 

hao phí trong q trình giảm tốc, . . . , nhưng có nhược điểm là năng lượng  
lưu trữ  bằng  ắc quy khơng đủ  lớn để  xe chạy được lâu dài và đồng thời 
việc nạp lại  ắc quy thường kéo dài từ  3 đến 6 giờ  là vượt q khả  năng 
chờ  đợi của một chiếc xe đang vận hành. Động cơ  xăng có ưu điểm là có  
thể chạy lâu dài với lượng xăng lưu trữ  trên xe và việc nạp lại nhiên liệu  
cũng rất đơn giản, nhưng động cơ xăng có hiệu suất thấp và thải khí cháy 
gây ơ nhiễm mơi trường, đặc biệt tốc độ  vận hành càng thấp thì nhược 
điểm càng tăng. Hiện nay, động cơ lai (hybrid) đang ngày càng được đầu tư 
nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới để sử dụng làm nguồn động 
lực cho ơ tơ và xe gắn máy.
­ Hệ thống truyền động lai được nghiên cứu và sử dụng tiên phong trên  
ơ tơ. Đối với xe gắn máy, truyền động lai quả thực là một bài tốn khó bởi  
kích thước u cầu nhỏ gọn và giá thành chế tạo khơng được q cao. Hiện  
tại, nhiều hãng sản xuất xe gắn máy cũng đã thiết kế  và chế  tạo thành  
cơng xe gắn máy lai nhưng vẫn đang trong giai đoạn chạy thử nghiệm. Để 
25