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 XUÂN
-------------
TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ LAI (HYBRID)
TRÊN Ô TÔ VÀ XE MÁY
(Tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành CNKT Ô tô)
Biên soạn: ThS. NguyễnQuân.
Khoa: Công Nghệ - Kỹ thuât.
Trường ĐH Phú Xuân - Huế
Huế, tháng 06 năm 2021

Tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô - xe máy ThS. Nguyễn Quân
1
MỤC LỤC:
MỞ ĐẦU...............................................................................................................................2
Chương 1: TỔNG QUAN ....................................................................................................5
1.1. Xu hướng phát triển xe gắn máy lai (hybrid) trên thế giới:.....................................5
1.2. Một số kiểu truyền động lai (hybrid) điển hình trên ô tô:...................................13
1.3. Kết luận:...................................................................................................................22
Chương 2: PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CÁ NHÂN PHÙ HỢP VỚI VIỆT NAM
..............................................................................................................................................24
2.1. Xe gắn máy lai (hybrid) điện nhiệt sử dụng nhiên liệu LPG - một giải pháp tối
ưu cho phương tiện giao thông cá nhân ở Việt Nam:...................................................24
2.2. Nghiên cứu chọn kiểu truyền động lai phù hợp cho xe gắn máy: ......................26
2.3. Kết luận:...................................................................................................................38
Chương 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE GẮN MÁY LAI
(HYBRID) SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KHÍ HOÁ
LỎNG LPG.........................................................................................................................39
3.1. Chọn sơ bộ khối lượng của các thành phần: .......................................................39
3.2. Xác định các thông số của động cơ điện: ..............................................................39
3.3. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy:........................................................42
3.4. Tổng hợp các thông số của động cơ điện và bộ ắc quy:.......................................43
3.5. Xác định động cơ nhiệt:..........................................................................................44
3.6. Sơ đồ nguyên lý tổng quát của các cơ cấu truyền động cơ khí: ..........................45
3.7. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ: ......................................................................49
3.8. Xác định các thông số động học của xe:................................................................54
3.9. Chọn công suất động cơ nhiệt và máy phát điện: ................................................56
3.10. Cải tạo động cơ xăng thành động cơ khí đốt hoá lỏng LPG: ............................57
3.11. Cải tạo máy phát điện phù hợp với bộ nguồn ắc quy:.......................................67
3.12. Thiết kế bộ truyền động đai hình thang: ............................................................70
3.13. Thiết kế bộ ly hợp ly tâm và ly hợp điện từ:.......................................................75
3.14. Thiết kế bố trí tổng thể hệ thống truyền động của xe: ......................................78
3.15. Chế tạo bộ điều khiển điện tử trung tâm (ECC):...............................................81
3.16. Đo mô men và công suất của bánh xe chủ động: ...............................................86
Chương 5: CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE Ô TÔ (HYBRID)
HAI CHỔ NGỒI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KHÍ
HOÁ LỎNG LPG ..............................................................................................................90
5.1. Ô tô cá nhân ở Việt Nam:.......................................................................................90
5.2. Cấu tạo thống động lực ô tô lai hai chỗ ngồi điện-nhiệt tại Việt Nam:..............91
5.3. Kết luận:...................................................................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................96

2
MỞ ĐẦU
Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói
chung không giống nhau nhưng đều có xu thế chung là cơ giới hoá quãng
đường dịch chuyển. Sự gia tăng mật độ phương tiện giao thông dẫn đến hai
vấn đề lớn cần giải quyết đó là sự quá 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 thông,
xây dựng các bãi đậu xe... và mặt khác, cần phải lựa chọn loại phương tiện
giao thông phù hợp. Mặt thứ nhất của vấn đề là trách nhiệm của các cấp chính
quyền quốc gia. Còn 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 thông hợp lý với cơ sở hạ tầng đô thị.
Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông 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 thông cá nhân cỡ lớn như ô tô du lịch
từ 4 đến 12 chỗ sẽ gây nhiều phiền hà cho công tác tổ chức giao thông cũng
như cho người sử dụng. Vì vậy nhiệm vụ đặt ra cho các cơ quan quản lý giao
thông là khuyến khích người dân sử dụng những loại phương tiện vận chuyển
cá nhân thích hợp như ô tô kích cỡ nhỏ 2 chỗ ngồi hoặc xe gắn máy, trong đó
xe gắn máy là phương tiện giao thông được người dân ưa chuộn nhất hiện nay
ở nước ta. Mặt dù đây chưa phải là phương tiện chiếm mật độ giao thông bé
nhất (sau xe buýt) nhưng rất phù hợp với điều kiện sử dụng ở Việt Nam do

3
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 thông là một trong những tác nhân lớn gây ô
nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do đó, yêu cầu cấp bách đặt ra cho các nhà
nghiên cứu là phải tìm ra nguồn động lực sạch không gây ô nhiễm (zero
emission) để trang bị cho phương tiện giao thông. Ngoài ra, do nguy cơ nguồn
dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong một tương lai gần nên cũng đòi 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 công bố trong những năm gần đây như:
- Tập trung hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel.
- Cải tiến quá trình cung cấp nhiên liệu và đánh lửa trên động cơ xăng.
- Sửdụng 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 hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường nhưng nhiên liệu
cung cấp cho nó là khí hydrogen có giá thành rất cao, còn động cơ HSD thì
tuy đã giảm đáng kể khả năng gây ô nhiễm môi trường, hiệu suất cao nhưng
do sử dụng xăng nên nó còn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn cung cấp dầu mỏ.
Động cơ Diesel cải tiến tuy hạn chế tối đa phát thải khí gây ô nhiễm môi
trường và hiệu suất cao nhưng nó cũng không phải là động cơ đầy hứa hẹn

4
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 hoá lỏng LPG đang phát huy nhiều ưu
điểm như trữ lượng LPG trên trái đất là còn dồi dào, hiệu suất tương đối cao
và ít gây ô nhiễm môi trường nhưng nó vẫn còn 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 nguyên lý lai (hybrid) cho
nguồn động lực sử dụng trên phương tiện giao thông 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 ô nhiễm môi trường. Vì vậy mà công nghệ lai đã được
các nhà sản xuất ô tô trên thế giới tập trung nghiên rất nhiều trong những năm
gần đây.

5
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, công nghệ lai (Hybrid) quả thực là một
vấn đề khó khi áp dụng trên những mẫu xe máy thương mại mang tính chất
phổ thông. Ngoài 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 luôn là một bài toán khó, đòi hỏi tư duy sáng tạo và
công 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 hoàn 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 công ty đầu tiên trang bị
hệ truyền động hybrid cho xe scooter (xe hai bánh thiết kế dành cho quý bà).
Mới đây, hãng thông báo kế hoạch phát triển những phiên bản hybrid dành
cho Vespa LX, Piaggio X8 và chiếc scooter 3 bánh Vespa MP3.
Hình 1-1: Động cơ lai HyS Vespa LX.
Động cơ điện
Động cơ xăng
Bộ điều khiển điện tử

6
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 vô 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), ngoài ra khí thải C02 chỉ còn 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 xuyên bị mất đi trong quá trình phanh. Ngoài ra, dòng
scooternày còn 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.
Hình 1-2: Động cơ lai HyS Vespa MP3.
Động cơ điện
Động cơ
xăng
Truyền động đai vô cấp

7
Piaggio HyS sử dụng giải pháp công nghệ vô cùng tân tiến và phức tạp
nhưng vẫn dễ sử dụng. Một công tắc dùng để chọn một trong các chế độ vận
hành: hybrid hoặc điện. Trong chế độ kết hợp, HyS điều khiển công suất đầu
ra từ hai động cơ xăng và điện, thông qua hệ thống điều khiển điện tử (SGE)
nhằm tăng công suất và chọn tỷ số truyền phù hợp với trạng thái vận hành của
xe. Suốt quá trình giảm tốc độ và phanh, hệ thống điều khiển thu hồi công
suất bị mất và nạp vào ắc quy. Công nghệ truyền động điện tử không chỉ cho
phép hệ thống điều khiển kiểm soát năng lượng đầu ra được kết hợp của hai
động cơ mà còn 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 ô nhiễm môi trường.
Tất cả những thông tin về công nghệ này vẫn còn nằm trong vòng bí mật. Dự
kiến, ba phiên bản đầu tiên của Piaggio HyS sẽ là Vespa LX, Piaggio X8 và
MP3 ba bánh. Theo thông tin ban đầu, HyS sử dụng một động cơ xăng xy
lanh đơn, 4 kỳ làm mát bằng chất lỏng, có dung tích 125cm3, công suất cực
đại 11kW ở số vòng quay 8.500 vòng/phút, kết hợp với một động cơ điện có
công suất cực đại 2,6kW, sử dụng bộ nguồn ắc quy Lithium-ion gồm 3 bình
12V-26AH. Trên phiên bản X8 và MP3, ắc quy được dấu vào ngăn đựng hành
lý dưới yên xe, tuy nhiên, khoảng không này vẫn đủ lớn để đặt mũ bảo hiểm.
Mẫu Vespa LX hybrid, khoảng không gian phía dưới yên xe chỉ dùng để chứa
ắc quy, cốp đựng hành lý và mũ bảo hiểm sẽ được bố trí ở phía trên sau đuôi
xe. Trên bản điều khiển ở tay lái xe có lắp đặt một đồng hồ báo tình trạng 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 toàn bộ động cơ và ắc quy của
hệ thống HyS là khoảng 30kg.
1.1.2. Yamaha HV-X Hybrid Scooter:
Được giới thiệu tại triển lãm Tokyo Motor Show 2009, Yamaha HV-X
được xem như mẫu xe máy hybrid có tính thực tế cũng như khả năng vận

8
hành hoàn hảo trong mọi điều kiện sử dụng. Yamaha HV-X Hybrid được
trang bị một động cơ điện 300V, công suất tối đa 15kW với bộ ắc quy loại
Lithium-ion và động cơ đốt trong xy lanh đơn, 4 kỳ, 250cm3 với bộ truyền
động đai vô cấp dẫn động đến bánh xe sau chủ động.
Hình 1-3: Sơ đồ cấu tạo xe Yamaha HV-X Hybrid Scooter.
Hình 1-4: Yamaha HV-X Hybrid Scooter.
Yamaha HV-X 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 đuôi 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
Động cơ xăng 250cm3
Động cơ điện 15kW
Ắc quy Lithium-ion 300V
Bộ điều khiển điện tử
Bộ chuyển đổi điện
Thùng chứa xăng

9
cơ điện của HV-X 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 công 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 xuyên trong quá trình xe chạy và khi đi
đường trường hoặc vượt dốc thì động cơ xăng mới hoạt động. Ngoài 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 công 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, Yamaha vẫn tuyên
bố giữ kín thông 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 ô nhiểm môi 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 (Ni-MH) 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 thông qua bộ truyền động đai vô cấp để tăng

10
thêm công 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 công suất.
Hình 1-5: Honda hybrid Scooter.
1.1.4. eCycle Hybrid:
Xe eCycle nhìn bên ngoài trông giống như một chiếc xe mô tô thể thao
với động cơ 250cm3 chạy xăng, ngoại trừ tốc độ và công suất cực đại mà nó
đạt được. Khối hybrid của eCycle đạt được công 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 0-100 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 ô
nhiễm là rất thấp.
Các chuyên gia hàng đầu về động cơ hybrid cũng khẳng định rằng, 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 ô nhiễm môi 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

11
bộ phận của hệ truyền động là khung xe được chế tạo bằng hợp kim nhôm đặc
biệt. Hệ thống lái và bộ giảm xóc lò 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 đòn lắp một cách chắc chắn với khung trung tâm. Các bánh xe mâm
đúc bằng nhôm đường kính 40cm, hộp số hai cấp tốc độ điều khiển tự động
và được dẫn động bằng xích để truyền mô men xoắn ra bánh xe sau. Tự trọng
của xe máy eCycle hybrid đạt khoảng 100kg.
Hình 1-6: Xe máy eCycle hybrid.
1.1.5. FA - 801 (Hybrid 80cm3 - 500W):
Công ty sản xuất xe gắn máy FUSEN của Thái Lan đã cho ra đời mẫu xe
mô tô 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:

12
- Tiết kiệm nhiên liệu và giảm sự ô nhiễm môi trường khi chạy ở chế độ lai.
- Hoạt động êm và không ô nhiễm môi trường khi chạy ở chế độ xe điện.
- Giá thành thấp.
Các đặc tính kỹ thuật của xe:
- Công suất động cơ điện: 500W có thể kéo xe chạy đạt 50km/h, quãng đường
xe chạy hết bình ắc quy là 90km.
- Nguồn ắc quy: 12V-17AH x 4bình, nạp lại với 1,8A trong thời gian 6 giờ.
- Tốc độ cực đại của xe đạt: 90km/h.
Hình 1-7: Cấu tạo của xe Fusen FA-801 hybrid.
FA - 801 (Hybrid 80cm3 - 500W)
Nút lựa chọn chế độ hoạt động
Bảng đồng hồ

13
1.2. Một số kiểu truyền động lai (hybrid) điển hình trên ô tô:
Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như
Toyota, Honda, Isuzu, Mercedes, BMW, Fiat, . . . đã tung ra thị trường những
thế hệ ô tô mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể lượng chất thải gây ô nhiểm
môi trường được gọi là “ô tô lai” (Hybrid - Car). Có thể nói, công nghệ lai là
chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của ngành sản xuất ô tô, đó là
ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate
eco-car). Xu hướng phát triển của ngành ô tô trên thế giới được mô tả như ở
hình 1-8.
Hình 1-8: Xu hướng phát triển nguồn động lực của ô tô trên thế giới.
Ô tô sinh thái
The ultimate eco-car
Động cơ
diesel
Động cơ
Xăng
Động cơ
Điện
Năng lượng
thay thế
Công nghệ lai – Hybrid Technology
1. HSD: Hybrid Synergy Drive - Lai vận
hành hiệp trợ.
2. FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle - Xe lai
pin nhiên liệu.
3. HV: Hybrid Vehicle - Xe lai.
4. THS: Hệ thống lai của Toyota.
5. DPNR: Động cơ diesel giảm NOX và
muội than.
6. D-4: Direct Injection 4 stroke - Phun
trực tiếp 4 nhịp.
7. DPR: Diesel Particulate active
Reduction System - Động cơ diesel
có hệ thống giảm muội than.
8. EV: Electric Vehicle - Xe điện.
9. CNG: Compressed Natural Gas - Khí
đốt thiên nhiên nén lỏng.
10. VVT-i: Variable Valve Timing with
intelligence - Thay đổi thời gian
đóng mở xupap thông minh.

14
Từ hình 1-8 ta nhận thấy, một thế hệ ô tô 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 ô tô 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 hoá lỏng LPG (Liquid Petroleum Gas) hoặc
LNG (Liquid Nature Gas). Động cơ xăng và diesel 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 không
cao và đồng thời gây ô nhiểm môi 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 không có triển vọng phát triển trong tương lai. Động cơ điện và
động cơ khí ga (LPG hoặc LNG) tuy hiện nay còn 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 công 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 1-8, vị trí sắp xếp của các thế hệ động cơ theo chiều cao thể
hiện thời điểm ra đời của nó, còn 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 ô tô nổi tiếng thế giới
Toyota thiết kế và chế tạo sử dụng trên xe ô tô du lịch Prius nên còn được gọi
là động cơ THS II (Toyota Hybrid System II).

15
1.2.1. Hệ thống lai của Toyota (Toyota Hybrid System II):
Hệ thống gồm có hai loại nguồn công 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, một máy
phát, nguồn ắc quy Niken - Hydrua kim loại (Ni - MH) hiệu suất cao và một
điều khiển công suất. Bộ điều khiển công suất này có thiết kế một mạch điện
tăng áp cao để nâng điện áp của hệ thống cung cấp công suất cho động cơ
điện và máy phát đến một điện áp cao đạt 500V, ngoài ra một bộ biến đổi AC-
DC để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) sử dụng trên động cơ điện và
máy phát thành dòng 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. Nguyên lý hoạt động của động cơ THS II được chia thành
sáu chế độ đặc trưng và được mô tả như sau:
Hình 1-9: Đường truyền công suất ở tốc độ thấp và chạy bình thường
Bộ điều khiển
công suất
Bộ vi sai
Động cơ điện
Ắc quy
Máy phát
Động cơ xăng
công suất
Bộ vi sai
Động cơ điện
Ắc quy
Máy phát
Động cơ xăng

16
- Khởi hành từ tốc độ thấp tới trung bình: Động cơ xăng không hoạt động
vì ở vùng tốc độ này hiệu suất nhiệt thấp, lúc này xe chỉ chạy bằng động cơ
điện như mô tả ở hình 1-9 với dòng truyền công suất "A".
- Vận hành ởđiều kiện bình thường:Công suất của động cơ xăng được bộ
vi sai phân phối công suất chia thành hai phần, một phần làm quay máy phát
tạo ra dòng điện cung cấp cho động cơ điện (dòng "B"), phần còn lại của công
suất được truyền động trực tiếp đến bánh xe chủ động (dòng "C"). Tỷ lệ độ
lớn của mỗi dòng công suất "B" và "C" phụ thuộc vào tỉ số truyền trên mỗi
nhánh của bộ vi sai. Sự phân phối công suất theo nguyên lý này giúp động cơ
xăng luôn chạy ở tốc độ quay cao nhưng sức kéo đáp ứng được yêu 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 ô nhiễm môi
trường. Một phần công 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
công suất phát ra của động cơ xăng theo dòng "B" và "C", đồng thời nhận
thêm dòng điện từ ắc quy để tăng công suất cho động cơ điện theo dòng "A".
Hình 1-10: Đường truyền công suất khi tăng tốc và khi giảm tốc
công suất
Bộ vi sai
Động cơ điện
Ắc quy
Máy phát
Động cơ xăng
công suất
Bộ vi sai
Động cơ điện
Ắc quy
Máy phát
Động cơ xăng

17
- Giảm tốc độ hoặc phanh lại: Động cơ xăng ngừng hoạt động, động cơ
điện đóng vai trò là một máy phát nhận công suất từ các bánh xe (động năng
quán tính) và tạo ra dòng điện cao áp nạp lại cho ắc quy theo dòng "D".
Hình 1-11: Đường truyền công suất khi nạp điện và động cơ THS II
- Tự nạp lại nguồn ắc quy: Khi dung lượng điện chứa trong ắc quy còn
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 dòng "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 không tải.
- Khôi 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 khôi
phục thành năng lượng điện nạp lại cho nguồn ắc quy.
- Động cơ điện hỗ trợ tăng tốc: Động cơ điện cùng kết hợp với động cơ
xăng nhằm tăng công suất trong suốt quá 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.
Bộ vi sai
Động cơ điện
Máy phát
Động cơ xăng
công suất
Bộ vi sai
Động cơ điện
Ắc quy
Máy phát
Động cơ xăng

18
Thông 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; công suất
cực đại 57kW ở số vòng quay 5000 vòng/phút.
- Động cơ điện xoay chiều đồng bộ công suất 50kW, hiệu điện thế 500V.
- Ắc quy: Nickel-metal hydride (Ni-MH), hiệu điện thế 500V-100AH.
1.2.2. Hệ thống lai của Honda Hybrid:
Hệ thống lai mới nhất hiện nay của Honda được thiết kế cho ô tô du lịch
NEW INSIGHT, kiểu động cơ i-VTEC 3-Stage 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,
công suất 65kW ở số vòng quay 5.800 vòng/phút, hệ thống phân phối khí sử
dụng công nghệ i-VTEC 3-Stage với ba chế độ điều khiển xu páp: đóng hoàn
toàn 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 không chổi
than (DC brushless motor), hiệu điện thế 100V, công suất 10kW ở số vòng
quay 1.500 vòng/phút. Bộ nguồn ắc quy là loại Ni-MH (Nickel - Metal
Hydride), dung lượng 100V-200AH. Cả động cơ xăng và động cơ điện được
kết hợp nối cứng với nhau và cùng truyền mô men xoắn đến bánh xe chủ động
thông qua bộ truyền động đai vô cấp. Động cơ điện 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, rô to của động cơ điện có vai trò tạo quán tính thay thế
bánh đà. Toàn bộ hệ thống được điều khiển hoạt động phối hợp công suất một
cách tự động thông qua bộ điều khiển điện tử PCU (Power Control Unit).
Nguyên 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 công suất

19
trong các xi lanh, hệ thống i-VTEC điều khiển cơ cấu phân phối khí đóng
hoàn toàn tất cả các xu páp (cam không điều khiển mở xu páp).
Hình 1-12: Cấu tạo động cơ Honda Hybrid IMA.
- Chạybình thường với vận tốc từ trung bình trở lên: Chỉ một mình động
cơ xăng hoạt động, động cơ điện ở trạng thái nghỉ (không cấp nguồn), rô to
của động cơ điện có vai trò 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.
- 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 công suất để tăng sức
kéo cho ô tô.
- 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 quán tính từ ô tô biến thành điện năng nạp lại
cho ắc quy.
- Dừng xe: Cả hai động cơ đều ngừng hoạt động.
Với nguyên 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
Động cơ điện
Động cơ xăng
Động cơ điện
Truyền động
đai vô cấp

20
hiệu suất tổng thể khá cao. Cấu tạo theo nguyên 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 Mercedes-Benz ML 450 Hybrid:
Lần đầu tiên ra mắt tại triển lãm ô tô New York hồi tháng 4 năm 2009,
mẫu Mercedes-Benz 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
công 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 công suất
62kW và một động cơ điện được bố trí độc lập nằm ở phía cầu sau có công
suất 60kW, như vậy tổng công suất của hệ thống đạt 327kW. Ắc quy sử dụng
trên ô tô này là loại Ni-MH (nickel - metal hydride), hiệu điện thế 288V và
được đặt ở bên dưới sàn của ngăn chứa hành lý phía sau xe. Theo Mercedes-
Benz, 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 công 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 không 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. Ngoài 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).
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống lai trên ô tô 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.

21
Hình 1-13:Mô tả hoạt động của hệ thống lai Mercedes-Benz ML 450 Hybrid.
Hình 1-14: Ô tô SUV Mercedes-Benz ML 450 Hybrid 2010.
- Chạyvới vận tốc từ trung bình trở lên: Chỉ một mình động cơ xăng hoạt
động cung cấp sức kéo cho ô tô 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 công suất từ động cơ xăng để nạp điện cho ắc quy.
Chế độ chạy chậm Chế độ chạy nhanh
Chế độ tăng tốc đột ngột Chế độ giảm tốc và phanh

22
- 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 công suất để tăng sức kéo cho ô tô.
- 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 quán tính từ ô tô biến thành
điện năng nạp lại cho ắc quy.
- Dừng xe: Tất cả các động cơ đều ngừng hoạt động.
Động cơ xăng và động cơ điện phối hợp công suất thông qua cơ cấu bánh
răng hành tinh có 3 cấp tỷ số truyền và được điều khiển thông qua 4 bộ ly hợp
điện từ.
1.3. Kết luận:
- Hệ thống truyền động lai (hybrid) phối hợp công suất giữa một động cơ
xăng và một động cơ điện đã đem lại hiệu suất cao và hạn chế khí thải gây ô
nhiễm môi trường cho ô tô 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 quá
trình giảm tốc, . . . , nhưng có nhược điểm là năng lượng lưu trữ bằng ắc quy
không 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 quá 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 ô nhiễm môi 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 ô tô và xe gắn máy.

23
- Hệ thống truyền động lai được nghiên cứu và sử dụng tiên phong trên ô
tô. Đối với xe gắn máy, truyền động lai quả thực là một bài toán khó bởi kích
thước yêu cầu nhỏ gọn và giá thành chế tạo không được quá cao. Hiện tại,
nhiều hãng sản xuất xe gắn máy cũng đã thiết kế và chế tạo thành công xe gắn
máy lai nhưng vẫn đang trong giai đoạn chạy thử nghiệm. Để trở thành sản
phẩm thương mại, xe gắn máy lai chắc chắn cũng cần phải chờ đợi thêm một
vài năm nữa.
- Hiện nay, hệ thống lai trên ô tô được thiết kế theo kiểu kết hợp song
song hoặc theo kiểu kết hợp hỗn hợp (vừa nối tiếp và vừa song song) nhưng
trên xe gắn máy chỉ được thiết kế theo kiểu kết hợp song song (đơn giản hơn
kiểu hỗn hợp).
- Nhìn chung, các hệ thống lai đều sử dụng động cơ xăng làm nguồn cung
cấp năng lượng chính, các đời xe từ năm 2010 trở đi bắt đầu xuất hiện thêm
những hệ thống lai kiểu "Plug in hybrid", nạp lại ắc quy bằng điện lưới dân
dụng 220V.
- Phần lớn các loại xe gắn máy lai hay nói đúng hơn là xe mô tô lai đã
được các hãng nghiên cứu chế tạo đều có công suất lớn và giá thành rất cao.
Như vậy, khách hàng mà các mẫu xe này nhắm đến không phải là tầng lớp
bình dân của xã hội, đặc biệt là những người lao động nghèo ở Việt Nam thì
càng không thể có khả năng mua những chiếc xe như vậy để sử dụng.

24
Chương 2:
PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CÁ NHÂN PHÙ HỢP VỚI VIỆT NAM
2.1. Xe gắn máy lai (hybrid) điện nhiệt sử dụng nhiên liệu LPG - một giải
pháp tối ưu cho phương tiện giao thông cá nhân ở Việt Nam:
Nhìn chung, đường sá giao thông đô thị ở các thành phố lớn nước ta rất
hẹp so tiêu chuẩn đường đô thị hiện đại. Rất nhiều con đường với bề rộng nhỏ
hơn 4 mét. Kiến trúc thành phố mang dáng dấp của những đô thị cổ xưa chật
hẹp nhưng lại rất khó quy hoạch mới. Tỷ lệ diện tích đường giao thông so với
tổng diện tích đất đô thị bình quân chung cả nước vào khoảng 20% (tiêu
chuẩn lý tưởng là 35%), đối với các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ
Chí Minh, Hải Phòng hoặc các thành phố cổ như Huế và Hội An thì tỷ lệ này
còn thấp hơn nhiều. Đặc biệt, ở các thành phố lớn thường tập trung dân cư
đông đúc đã làm cho mật độ giao thông trên đường phố là rất lớn và thường
gây ra tắt ngẽn giao thông vào các giờ cao điểm. Ngoài ra, diện tích đất dành
cho các bãi đỗ xe công cộng là rất nhỏ và không được chú trọng đầu tư mở
rộng nên việc lấn chiếm lòng lề đường của các phương tiên giao thông là phổ
biến. Theo thống kê chỉ tiêu sử dụng đất đô thị ở các thành phố lớn hiên nay
bình quân là 100(m2/người), trong đó chỉ tiêu đất giao thông là 25(m2/người),
chỉ tiêu đất cây xanh, công viên, thể dục thể thao là 18(m2/người) và chỉ tiêu
đất xây dựng công trình phục vụ lợi ích công cộng là 5(m2/người). Rõ ràng
những con số này đang còn rất khiêm tốn. Cho nên, giải quyết vấn đề ùn tắt
giao thông đô thị hiện nay đang là bài toán nan giải của chính quyền các thành
phố lớn.
Bên cạnh của vấn đề khó mở rộng diện tích mặt đường trong các thành
phố, hiện nay với sự tăng đột biến của loại xe mô tô mà người dân thành phố
đang sử dụng đã làm tăng thêm gánh nặng giao thông và gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng. Với chủng loại xe mô tô rẻ tiền được sản xuất từ Trung

25
Quốc, rất hợp thị hiếu và nhu cầu của người lao động bình dân Việt Nam, đã
được phần đông người tiêu dùng mua sắm làm phương tiện giao thông cá
nhân. Tuy nhiên, do được thiết kế để hạ giá thành nên những chiếc xe loại này
thường không đảm bảo kỹ thuật về giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường và
dễ gây ra tai nạn giao thông. Để góp phần giảm mật độ giao thông, ngoài mở
rộng diện tích đường sá, một phương pháp khác cũng khá hiệu quả đó là quy
hoạch lại phương tiện giao thông trong thành phố như phân luồng, phân
tuyến, khuyến khích người dân lựa chọn loại xe làm phương tiện giao thông
cá nhân phù hợp để sử dụng.
Tại Việt Nam, theo số liệu thống kê về cơ sở hạ tầng đã nêu trên, các
thành phố lớn tại Việt Nam có đường phố phần lớn rất hẹp và mật độ giao
thông lại khá cao. Các khu vực dành để đổ xe ô tô cá nhân và diện tích nhà ở
của dân thành thị cũng rất hẹp. Để thuận tiện lưu thông và cất giữ xe, chiếc xe
mà thị trường tiêu thụ dễ chấp nhận nhất phải có kích thước nhỏ gọn. Vì vậy,
xe hai bánh (còn được gọi là xe gắn máy và xe mô tô) đã và đang được người
dân lựa chọn làm phương tiện đi lại chiếm tỷ lệ cao nhất.
Hiện nay, trong khi giá xăng dầu ngày càng tăng, để đem lại hiệu quả
kinh tế và hạn chế ô nhiễm môi trường, ta cần chọn nguồn động lực tối ưu cho
xe hai bánh. Như chúng ta đã biết, động cơ đốt trong là nguồn động lực phổ
biến của phương tiện vận tải nhưng nó cũng có nhiều nhược điểm như gây ô
nhiểm môi trường, hiệu suất thấp và nhiên liệu mà nó sử dụng ngày càng khan
hiếm. Chính vì vậy mà ngày nay, các nhà sản xuất ô tô và mô tô trên thế giới
đã chuyển sang nghiên cứu động cơ sử dụng nguồn nhiên liệu mới hoặc động
cơ lai để thay thế dần cho động cơ đốt trong. Trong đó, nguồn năng lượng
điện đặc biệt được sử dụng nhiều nhất và cho nhiều triển vọng. Xe điện là loại
phương tiện không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường và tiếng ồn cũng rất
nhỏ. Nếu nguồn cung cấp điện cho xe điện là thuỷ điện, phong điện, địa nhiệt

26
điện hoặc pin nhiên liêu (fuel cell), . . . thì việc thay động cơ đốt trong bằng
động cơ điện trên phương tiện giao thông cơ giới sẽ giảm đáng kể nguồn gây
ô nhiễm môi trường trên trái đất. Nhược điểm lớn nhất hiện nay của xe điện là
vấn đề lưu trữ và nạp lại năng lượng khi xe chạy. Chính vì vậy mà nó chưa
được thay thế hoàn toàn động cơ đốt trong mà được sử dụng kết hợp gọi là
động cơ lai. Động cơ lai kết hợp được ưu điểm của hai loại nguồn động lực
nêu trên và hạn chế những nhược điểm của nhau, tạo nên nguồn động lực mới
có hiệu suất cao và ít gây ô nhiễm môi trường hơn. Đối với pin nhiên liệu, đây
cũng là nguồn động lực đầy hứa hẹn trong tương lai, tuy nhiên hiện tại giá
thành chế tạo và sử dụng của pin nhiên liệu còn quá đắc nên rất khó được thị
trường đón nhận. Như vậy, giải pháp tối ưu nhất cho việc lựa chọn nguồn
động lực lắp đặt trên xe gắn máy sử dụng tại Việt Nam chính là động cơ lai
điện nhiệt. Ngoài ra, để giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp xăng dầu,
giảm chi phí sử dụng và hạn chế sự phát thải khí gây ô nhiễm môi trường,
động cơ nhiệt nên sử dụng loại nhiên liệu là khí dầu mỏ hóa lỏng LPG
(Liquid Petroleum Gas).
2.2. Nghiên cứu chọn kiểu truyền động lai phù hợp cho xe gắn máy:
Nhìn chung, hệ thống truyền động lai điện nhiệt được phân chia thành ba
nhóm chính, đó là: lai nối tiếp, lai song song và lai hỗn hợp (vừa nối tiếp và
vừa song song). Trong hệ thống lai nối tiếp, động cơ nhiệt kéo máy phát cung
cấp điện cho động cơ điện và động cơ điện dẫn động trực tiếp các bánh xe chủ
động. Đối với hệ thống lai song song, động cơ điện cung cấp sức kéo khi xe
chạy ở tốc độ thấp; ở tốc độ cao, động cơ nhiệt cung cấp sức kéo cho các bánh
xe và trích một phần công suất biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy (động
cơ điện có thể làm việc ở chế độ máy phát) và khi cần tăng tốc đột ngột, cả
động cơ điện và động cơ nhiệt cùng kết hợp cung cấp sức kéo cho các bánh

27
xe. Trường hợp đặc biệt, nếu hệ thống được thiết kế thêm một bộ phân phối
công suất (bộ vi sai) để chia công suất từ động cơ nhiệt thành hai phần, một
phần dùng để kéo máy phát điện và một phần kết hợp với động cơ điện để dẫn
động bánh xe chủ động thì hệ thống này làm việc theo nguyên tắc lai hỗn hợp,
tức là có thể làm việc theo kiểu lai nối tiếp và cũng có thể làm việc theo kiểu
lai song song.
Hình 2-1: Ba kiểu truyền động lai cơ bản: nối tiếp, song song và hỗn hợp.
Trong ba kiểu lai nói trên, hệ thống lai hỗn hợp cho phép xe vận hành tốt
nhất và có hiệu suất cao nhất nhưng lại có kết cấu phức tạp nhất. Thông
thường, ô tô được thiết kế theo nguyên tắc lai hỗn hợp hoặc đơn giản hơn là
lai song song. Đối với xe gắn máy, việc ứng dụng hệ thống truyền động lai
quả thực là một bài toán khó do khoảng không gian trên xe hai bánh là rất
chật hẹp. Hiện tại, đa số các hãng sản xuất xe hai bánh như Honda, Yamaha,
Piaggio, . . . đều thiết kế hệ thống lai theo kiểu song song với động cơ điện có
khả năng làm việc ở chế độ máy phát. Hệ thống lai kiểu nối tiếp là đơn giản
nhất nhưng ít được áp dụng do không có khả năng kết hợp cộng công suất của
động cơ nhiệt và động cơ điện cùng lúc khi xe cần tăng sức kéo để tăng tốc
đột ngột hoặc vượt dốc cao. Do đó, tùy theo điều kiện vận hành, điều kiện sản
xuất, thực trạng về nguồn năng lượng, giá thành chế tạo và tiêu chuẩn bảo vệ
động cơ
nhiệt
ắc quy
bộ điều khiển
máy phát
bánh xe
động
cơ
điện
Kiểu lai nối tiếp
động cơ
nhiệt
ắc quy
hộp số
bánh xe
động
cơ
điện
Kiểu lai song song
động cơ
nhiệt
ắc quy
bộ vi sai
máy phát
bánh xe
Kiểu lai hỗn hợp

28
môi trường mà cần phải lựa chọn một kiểu truyền động lai thật phù hợp cho
xe cần thiết kế.
Thông thường để có được một hệ thống truyền động lai có thể thực hiện
theo một trong hai phương án sau:
- Thứ nhất: Cải tiến xe bình thường thành xe truyền động lai bằng cách
lắp thêm một nguồn động lực bổ sung.
- Thứ hai: Thiết kế mới hệ thống truyền động lai theo các yêu cầu kỹ
thuật phù hợp với điều kiện sử dụng.
Xét trong điều kiện Việt Nam, do công nghệ chế tạo phụ tùng còn non
trẻ nên phương án thứ nhất là phù hợp hơn. Với cách làm này, để có được một
chiếc xe gắn máy lai điện nhiệt có thể tiến hành theo các cách sau đây:
- Cải tiến từ xe tay ga bằng cách lắp thêm động cơ điện vào bánh trước
và lắp đặt bộ nguồn ắc quy vào khoang để chân của người lái.
- Cải tiến từ xe mô tô bình thường (xe số) bằng cách lắp thêm động cơ
điện vào vị trí phía dưới động cơ và nằm cạnh trục ra của hộp số, bộ
nguồn ắc quy được lắp đặt trong ngăn chứa hành lý (cất mũ bảo hiểm).
- Cải tiến từ xe hai bánh chạy điện bằng cách lắp thêm động cơ nhiệt vào
ngăn chứa hành lý và lắp đặt bộ nguồn ắc quy vào khoang để chân của
người lái.
Tiếp theo, chúng ta cần phân tích ưu nhược điểm của mỗi mẫu xe nếu
được cải tiến để so sánh và lựa chọn được mô hình truyền động lai (hybrid)
phù hợp nhất.
2.2.1. Cải tiến xe tay ga thành xe gắn máy lai:
Tại thị trường Việt Nam hiện nay, xe tay ga là mẫu xe được giới trẻ ưa
chuộng nhất nhờ mẫu mã đẹp và tiện lợi trong sử dụng. Tuy nhiên, xe tay ga
có nhược điểm là giá thành cao và tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn so với các
mẫu xe số tương đương về công suất. Do đó, chính xe tay ga là mẫu xe có yêu

29
cầu cấp thiết phải cải tiến thành xe lai điện nhiệt để giảm bớt suất tiêu hao
nhiên liệu. Ngoài ra, nhờ kích thước lớn, xe tay ga cũng rất dễ bố trí thêm hệ
thống truyền động điện.
Để chuyển đổi xe tay ga thành xe lai điện nhiệt, phương án tối ưu nhất ít
làm ảnh hưởng đến kết cấu của xe là lắp đặt một động cơ điện dẫn động trực
tiếp vào bánh trước của xe, bộ nguồn ắc quy được lắp đặt khoang để chân của
người lái. Hình 2-2 mô tả vị trí lắp đặt thêm hệ thống truyền động điện và
hình 2-3 mô tả sơ đồ cấu tạo chung hệ thống lai được cải tiến từ xe tay ga.
Hình 2-2: Vị trí lắp đặt động cơ điện và ắc quy trên xe tay ga.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như sau:
- Khởi hành và chạy với tốc độ thấp (dưới 40km/h): Chỉ một mình động
cơ điện hoạt động. Nếu ắc quy hết điện thì động cơ nhiệt sẽ hoạt động.
- Chạy với tốc độ cao (trên 40km/h): Chỉ một mình động cơ nhiệt hoạt
động, lúc này động cơ điện chuyển sang chế độ máy phát để nạp lại điện cho
ắc quy. Công suất của động cơ nhiệt được chia làm hai phần, một phần cung
Vị trí lắp đặt
động cơ điện
Vị trí lắp
đặt ắc quy

30
cấp sức kéo cho xe chạy và một phần chuyển thành điện năng nạp lại cho ắc
quy. Khi ắc quy nạp đầy điện hoặc xe vượt dốc thì máy phát (động cơ điện)
tạm ngừng hoạt động.
Hình 2-3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lai được cải tiến từ xe tay ga.
Bánh xe trước
Động cơ
điện
Hộp
giảm tốc
Bánh răng
giảm tốc
Bánh xe sau
Truyền động
đai vô cấp
Động cơ
xăng
Ly hợp
ly tâm

31
- Tăng tốc đột ngột hoặc vượt dốc cao: Cả động cơ điện và động cơ nhiệt
cùng phối hợp công suất nhằm tăng cường sức kéo cho xe hoạt động.
- Giảm tốc hoặc phanh xe: Động cơ điện chuyển sang chế độ máy phát
và nhận năng lượng quán tính của xe biến thành điện năng nạp lại cho ắc quy.
Ước tính sơ bộ, để xe chạy chỉ bằng động cơ điện trong điều kiện đường
thành phố với vận tốc đến 40km/h thì công suất động cơ điện cần thiết là
khoảng 1kW và nếu dung lượng ắc quy cung cấp đủ cho xe chạy trong thời
gian một giờ thì khối lượng tổng cộng tăng thêm của hệ thống truyền động
điện vào khoảng 50kg. Để hệ thống lai tự động phối hợp hoạt động giữa động
cơ nhiệt và động cơ điện cần phải thiết kế lắp đặt một bộ điều khiển điện tử
trung tâm. Ngoài ra, động cơ điện lắp đặt trên xe yêu cầu phải làm việc được
ở chế độ máy phát với điện áp phát ra đảm bảo nạp điện tốt cho ắc quy.
Ưu nhược điểm của phương án cải tạo này là:
- Dễ dàng lắp đặt thêm động cơ điện và ắc quy nhưng kết cấu của xe và
hệ thống điều khiển ít thay đổi.
- Giảm suất tiêu hao nhiên liệu và hạn chế khí thải gây ô nhiễm môi
trường khi xe chạy trong thành phố, đặc biệt càng tốt hơn nếu ắc quy
được nạp đầy bằng điện lưới dân dụng 220V.
- Tổng khối lượng của xe tăng thêm từ 30-50% nên ảnh hưởng đến độ
bền của một số chi tiết bộ phận và đồng thời gây khó khăn hơn trong
điều khiển vận hành xe.
- Động cơ điện làm việc thuận nghịch đáp ứng được yêu cầu hoạt động
của xe có cấu tạo rất phức tạp nên giá thành cao.
- Tổng giá thành của xe sau cải tiến chắc chắn là rất cao.
Từ những ưu nhược điểm vừa nêu, với mục tiêu của đề tài là thiết kế chế
tạo loại phương tiên giao thông cá nhân mang tính phổ thông thì yếu tố giá
thành của mẫu xe này quả thực là một nhược điểm lớn.

32
Vị trí lắp
động cơ điện
Vị trí lắp
ắc quy
2.2.2. Cải tiến xe mô tô bình thường (xe số) thành xe gắn máy lai:
Xe mô tô bình thường hay còn được gọi là xe số được sử dụng phổ biến
nhất ở Việt Nam. Loại xe này có mẫu mã rất đa dạng và biên độ giá bán cũng
rất rộng, cụ thể giá thấp nhất chỉ khoảng 6 triệu đồng và cao nhất cũng lên đến
40 triệu đồng. Trong đó có ba hãng xe được thị ưa chuộng nhiều nhất là
Honda, Yamaha và SYM. Đặc trưng của xe số là hình dáng thon mảnh, độ
cao trung bình, trọng lượng vừa phải, bánh xe có đường kính lớn nhưng tiết
diện lốp lại bé, mô men xoắn truyền từ động cơ đến bánh sau bằng bộ truyền
động xích.
Hình 2-4: Vị trí lắp đặt động cơ điện và ắc quy trên xe số.
Như chúng ta đã biết, bánh xe trên xe số có đường kính ngoài lớn nhưng
bề ngang hẹp nên rất khó lắp đặt động cơ điện trực tiếp vào bánh xe. Hiện tại
trên thị trường không có mẫu động cơ điện nào tương đồng với hình dạng của
bánh xe này. Để thực hiện được điều đó, cần phải thiết kế riêng một động cơ
điện phù hợp và như vậy sẽ làm tăng cao giá thành của xe sau cải tiến. Cho
nên, chúng ta có thể lựa chọn vị trí khác để lắp đặt động cơ điện, đó là vị trí

33
phía dưới và sau động cơ, thay thế chỗ của chân chống giữa trên xe, và tại vị
trí này động cơ điện có thể liên kết với bộ truyền động xích thông qua một
bánh xích. Nguồn ắc quy được bố trí trong ngăn đựng hành lý. Hình 2-4 mô tả
vị trí lắp đặt hệ thống truyền động điện và hình 2-5 mô tả sơ đồ nguyên lý của
hệ thống lai được cải tạo từ xe số.
Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lai được cải tiến từ xe số.
Rõ ràng, với không gian chật hẹp của xe số, công suất của động cơ điện
và dung lượng của ắc quy là rất hạn chế. Ước tính sơ bộ công suất của động
cơ điện lớn nhất có thể lắp được vào xe là khoảng 800W và ắc quy có dung
lượng tối đa cũng chỉ cung cấp đủ cho động cơ điện hoạt động trong thời gian
30 phút. Sau khi cải tiến theo phương án này, tổng trọng lượng của xe tăng
Bánh răng
giảm tốc
Bánh xe sau
Bánh xích của
động cơ điện
Động cơ
xăng
Ly hợp
ly tâm
Hộp số
Động cơ điện
Truyền động xích

34
thêm khoảng 30kg. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lai này cũng tương tự
như hệ thống lai cải tiến từ xe tay ga, tuy nhiên ưu nhược điểm thì ngược lại,
đó là giá thành thấp nhưng rất khó nâng cao công suất của hệ thống truyền
động điện.
2.2.3. Cải tiến xe hai bánh chạy điện thành xe gắn máy lai:
Trong những năm gần đây, xe hai bánh chạy điện đã được sử dụng nhiều
ở các thành phố nước ta với đối tượng dùng nhiều nhất là học sinh, sinh viên.
Ưu điểm nổi bật của loại xe này là giá mua xe không cao, chi phí sử dụng
thấp (tiền nạp điện) và không cần phải học bằng lái theo quy định của luật
giao thông. Xe hai bánh chạy điện được phân thành hai loại là xe đạp điện và
xe mô tô điện. Xe đạp điện có công suất thấp hơn 500W và xe có thể chạy
được bằng cách đạp như xe đạp. Ngược lại xe mô tô điện thường có công suất
từ 500W trở lên và không có bộ phận đạp xe bằng chân. Nhược điểm của xe
hai bánh chạy điện là tốc độ thấp, thời gian chạy hết điện là quá ngắn (chỉ đạt
khoảng 60 phút) nhưng thời gian nạp lại điện cho ăc quy là rất dài (khoảng 6
giờ), ngoài ra mô men cực đại mà xe có được còn rất hạn chế nên thường gây
khó khăn khi xe chạy trên đường có độ dốc lớn.
Để phát huy ưu điểm và hạn chế nhược điểm của mẫu xe này, chúng ta
có thể cải tiến nó thành xe lai điện nhiệt bằng cách lắp thêm động cơ nhiệt có
kết hợp với một máy phát điện phù hợp. Khi xe cần chạy đường dài, động cơ
nhiệt sẽ kéo máy phát cung cấp điện trực tiếp cho xe chạy. Khi xe cần vượt
dốc cao, động cơ nhiệt sẽ kết hợp hỗ trợ thêm mô men xoắn với động cơ điện
để giúp xe dễ dàng vượt dốc. Vị trí lắp động cơ nhiệt tốt nhất là ở dưới yên
xe, nơi đang lắp đặt bộ nguồn ắc quy theo nguyên bản. Và như vậy, bộ nguồn
ắc quy sẽ được dời đến vị trí mới là tại khoang để chân của người lái. Sơ đồ
nguyên lý của hệ thống được mô tả như ở hình 2-6 và vị trí lắp đặt động cơ
nhiệt được thể hiện như ở hình 2-7.

35
Với hệ thống lai cải tạo theo phương án này, động cơ điện là nguồn động
lực chính dẫn động xe chạy, động cơ nhiệt chỉ kéo máy phát điện nên có thể
điều chỉnh vận hành ở một tốc độ cố định sao cho đạt hiệu quả cao nhất về
hiệu suất và hạn chế phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. Động cơ điện
thường sử dụng trên xe điện hai bánh là loại một chiều có đường đặc tính kéo
tốt hơn động cơ đốt trong nên không cần sử dụng hộp số nhiều cấp. Do đó
trong trường hợp đặt biệt, khi cần vượt dốc quá cao, mô men cực đại của động
cơ điện không đủ lớn, động cơ nhiệt sẽ hỗ trợ sức kéo thông qua ly hợp điện
từ và bộ truyền động đai như hình 2-6. Ly hợp điện từ là loại thường mở, chỉ
khi cần thiết nó mới được điều khiển đóng lại thông qua lực điện từ.
Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lai được cải tiến từ xe mô tô điện.
Bộ ly hợp
điện từ
Bánh xe sau
Động cơ điện
Máy phát
điện
Bộ truyền
động đai
Động cơ nhiệt
Ly hợp
ly tâm

36
Ưu nhược điểm của phương án cải tạo này là:
- Dễ dàng lắp đặt thêm động cơ nhiệt, kết cấu của xe ít thay đổi, tự trọng
của xe chỉ tăng khoảng 20%, tổng giá thành thấp hơn so với các
phương án khác.
- Độ bền của xe là hạn chế và cần phải gia cường cho khung xe.
Hình 2-7: Vị trí lắp đặt động cơ nhiệt và ắc quy trên xe mô tô điện.
2.2.4. Lựa chọn phương án truyền động lai tối ưu cho xe gắn máy:
Từ các phương án cải tiến nêu trên, rõ ràng hệ thống truyền động lai có
được từ việc lắp đặt thêm động cơ nhiệt và máy phát vào xe mô tô điện là tối
ưu nhất bởi giá thành của xe không cao, điều kiện công nghệ kỹ thuật của
nước ta hoàn toàn đáp ứng được, kiểu dáng sang trọng, nguyên tắc vận hành
phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng đô thị của Việt Nam, trong đó đặc biệt
chú trọng vai trò của động cơ điện để phát huy lợi thế về tiềm năng thủy điện
của nước ta.
Vị trí lắp động cơ nhiệt
và máy phát điện
Vị trí lắp đặt ắc quy

37
Như chúng ta đã biết, đối với động cơ lai điện nhiệt, nếu theo nguyên tắc
“vận hành hiệp trợ” thì động cơ nhiệt là nguồn cung cấp năng lượng chính, ắc
quy không được nạp lại điện năng từ bên ngoài. Hiện nay đã xuất hiện thêm
kiểu lai "plug in hybrid" với việc ắc quy được nạp lại điện năng từ lưới điện
dân dụng thì vai trò của động cơ điện đã được tăng cường hơn. Tuy nhiên,
nền tản của hệ thống này vẫn là kiểu lai "vận hành hiệp trợ", trong đó chỉ có
khác biệt nhỏ là ắc quy có cấu tạo lớn hơn, xe có thể chạy "điện không xăng"
được quãng đường dài hơn, nhưng nếu xét một cách toàn diện thì động cơ
nhiệt vẫn là nguồn cung cấp năng lượng chính. Ngoài ra, hệ thống truyền
động lai "vận hành hiệp trợ" rất khó bố trí trên xe gắn máy do bị giới hạn bởi
hai yếu tố là kích thước không gian và giá thành chế tạo. Vì vậy, mặc dù được
đánh giá là tốt nhất nhưng hệ thống lai này cũng chỉ phù hợp với ô tô mà thôi.
Xét trong điều kiện sử dụng ở Việt Nam, nếu nâng cao vai trò của động
cơ điện trong hệ thống lai thì sẽ giúp giảm chi phí vận hành nhờ giá điện sinh
hoạt ở nước ta thấp hơn nhiều so với giá xăng dầu. Nguồn năng lượng điện
chủ yếu được sản xuất từ thủy điện là một nguồn năng lượng sạch và tái sinh
được. Do đó, hệ thống lai thích hợp là phải xây dựng theo nguyên tắc “vận
hành phụ trợ”. Với nguyên tắc này, nguồn điện cung cấp cho động cơ điện
chủ yếu được nạp lại từ lưới điện dân dụng 220V và do đó động cơ nhiệt chỉ
cung cấp năng lượng dự phòng cho xe chạy khi ắc quy bị hết điện bất ngờ
hoặc khi xe cần chạy với quãng đường quá xa, vượt quá khả năng một lần
cung cấp điện của ắc quy. Ngoài ra, động cơ nhiệt cần phải sử dụng nhiên liệu
khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) để giảm tối đa khí thải gây ô nhiễm môi trường.
Với phương án này, chắc chắn động cơ lai điện nhiệt “vận hành phụ trợ” của
xe gắn máy cần thiết kế sẽ là loại động cơ “sạch”, hiệu suất cao, phù hợp với
cơ sở hạ tầng giao thông đô thị, điều kiện phát triển kinh tế và nền kỹ thuật
công nghệ của Việt Nam.

38
2.3. Kết luận:
- Xe gắn máy (xe hai bánh) là mẫu xe rất phù hợp để sử dụng làm
phương tiện giao thông cá nhân tại Việt Nam xét về góc độ điều kiện cơ sở hạ
tầng giao thông và khả năng tiêu dùng của người dân.
- Động cơ lai điện nhiệt vận hành phụ trợ với động cơ nhiệt sử dụng
nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquid Petroleum Gas) là một nguồn
động lực sạch, hiệu suất cao và thích hợp với tiềm năng năng lượng của Việt
Nam.
- Xe gắn máy lai điện nhiệt được cải tiến từ xe hai bánh chạy điện (xe
mô tô điện) là một giải pháp tối ưu cho đề tài nghiên cứu chế tạo phương tiện
giao thông cá nhân phù hợp với nước ta.

39
Chương 3:
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE GẮN MÁY LAI
(HYBRID) SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU
KHÍ HOÁ LỎNG LPG
3.1. Chọn sơ bộ khối lượng của các thành phần:
- Khung sườn: 20 kg.
- Bộ nguồn ắc quy: 30 kg.
- Các bánh xe và động cơ điện: 30 kg.
- Trọng tải (2 người): 140 kg.
- Động cơ khí ga và máy phát xoay chiều: 20 kg.
Tổng cộng: 240 kg.
Chọn sơ bộ tổng khối lượng của xe để tính toán công suất động cơ điện
và các thông số động học của xe là 240 kg.
3.2. Xác định các thông số của động cơ điện:
3.2.1. Công suất:
Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo (kí hiệu FM)
dùng để thắng lực cản lăn của mặt đường (FL) , lực cản lên dốc (FD) , lực cản
gió (FG) và lực quán tính khi tăng tốc (FQ) . Phương trình cân bằng lực như
sau:
FM = FL + FD + FG + FQ (1)
Lực cản lăn được tính: FL = f.G với f là hệ số cản lăn và G là tổng trọng
tải của xe, ở đây G = 2400(N), như được chọn sơ bộ ở phần trên. Theo phạm
vi hoạt động thường xuyên của xe là đường thành phố, hệ số cản lăn được
tính cho đường nhựa không phẳng với f = 0,018 ÷ 0,020. Chọn f = 0,020, ta
tính được:
FL = 2400.0,020 = 48 (N)

40
Lực cản lên dốc được tính: FD = G.sinα với sinα là độ dốc của mặt
đường, chọn sinα = 0,1 (độ dốc 10%), ta có FD = 2400.0,1 =240(N).
Lực cản gió được tính: FG = k.S.v2 với k là hệ số cản không khí, S là diện
tích cản chính diện và v là vận tốc của xe. Đối với xe gắn máy: k =
0,4÷0,5(Ns2/m4) và S = 0,4÷0,6(m2). Chọn k = 0,4(Ns2/m4), S = 0,4(m2) và
vận tốc xe được chọn v = 60(km/h) = 16,7(m/s) ta có FG = 0,4.0,4.16,7.16,7 =
45(N).
Lực quán tính: FQ = M.a với M là khối lượng toàn bộ và a là gia tốc của
xe. Chọn gia tốc a = 1(m/s2) ta có FQ = 240.1 = 240(N).
Từ những tính toán trên, thay các giá trị tính được vào công thức (1) ta
được:
FM = 48 + 240 + 45 + 240 = 573(N)
Tuy nhiên, để hạn chế công suất cho động cơ điện ta không cho phép xe
hoạt động ở chế độ có cả 4 lực cản xảy ra cùng lúc. Chẳng hạn, khi xe lên dốc
ta chỉ cho phép xe chạy đều và vận tốc nhỏ nên bỏ qua lực quán tính và lực
cản gió, hoặc khi xe đang chạy ở tốc độ tối đa thì xem như không tồn tại lực
cản lên dốc và lực quán tính. Như vậy, lực cần thiết của động cơ điện ở hai
trường hợp này được tính lại là:
FMD = FL + FD = 48 + 240 = 288(N)
FMG = FL + FG = 48 + 35 = 83(N)
Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và
phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Trường xe chạy ở tốc độ tối đa
được xem là sử dụng hết công suất của động cơ điện, trường hợp xe leo dốc
tuy lực cản có lớn hơn nhưng lúc này nếu ta chạy xe với vận tốc rất bé thì
công suất phụ tải cũng sẽ bé hơn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa. Ta chọn
trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động

41
cơ điện, khi đó FMG = 83(N) và vận tốc của xe v = 16,7(m/s). Ta có công suất
cản của xe lúc này là:
PMG = FMG . v = 83 . 16,7 = 1386(W) (2)
Đây là công cản của xe, công suất cần thiết của động cơ điện để cân bằng với
công cản của xe trong trường hợp này là: PM = PMG /  với  là hiệu suất của
hệ thống truyền lực, chọn sơ bộ  = 0,95 ta được:
PM = 1386 / 0,95 = 1459(W) (3)
Chọn công suất của động cơ điện cần trang bị cho xe này là:
PM = 1500(W) = 1,5(KW)
3.2.2. Hiệu điện thế của động cơ điện:
Với cùng một công suất, nếu tăng hiệu điện thế của động cơ điện thì
dòng điện chạy trong mạch và khối lượng của động cơ điện sẽ giảm, tuy nhiên
số lượng bình ắc quy 12V sẽ tăng và đòi hỏi xử lý tốt hơn vấn đề an toàn điện.
Theo thống kê thực tế, khối lượng bình ắc quy tỷ lệ thuận với dung lượng của
nó. Do đó, khối lượng tổng cộng của bộ nguồn ắc quy không phụ thuộc vào
điện áp của hệ thống mà chỉ phụ thuộc vào công suất cần cung cấp.
Từ những ràng buộc trên, đồng thời dựa vào các bảng thống kê mức điện
áp của các loại động cơ điện điện có trên thị trường, ta chọn loại động cơ điện
có hiệu điện thế U = 48V. Với hiệu điện thế này khối lượng động cơ điện
tương đối bé và số lượng bình ắc quy cũng vừa phải.
3.2.3. Chọn loại động cơ điện:
Hiện nay, động cơ điện sử dụng trên phương tiện giao thông có rất nhiều
loại khác nhau như: động cơ một chiều có chổi than, động cơ xoay chiều
không đồng bộ, động cơ xoay chiều đồng bộ, động cơ xoay chiều từ trở và
động cơ một chiều không có chổi than. Xét về đặc tính cơ của động cơ thì
động cơ điện một chiều sẽ cung cấp một mô men kéo tốt hơn động cơ điện
xoay chiều (hình 3-1). Tuy nhiên, loại động cơ điện một chiều có chổi than thì

42
tuổi thọ không cao, trong quá trình vận hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than,
còn động cơ điện một chiều không có chổi than thì khắc phục được nhược
điểm của động cơ điện một chiều có chổi than nhưng giá thành cao hơn và tỷ
số G/P (trọng lượng / công suất) cũng lớn hơn.
Hình 3-1: Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện.
Động cơ xoay chiều còn có nhược điểm nữa là hệ thống điều khiển phức
tạp, cần có bộ nghịch lưu để biến đổi điện một chiều (DC) từ ắc quy thành
dòng điện xoay chiều (AC) cung cấp cho động cơ. Từ những phân tích trên ta
chọn loại động cơ điện một chiều không có chổi than để lắp đặt cho xe cần
thiết kế. Hiện nay, trên thị trường có bán loại động cơ một chiều không có
chổi than DC EBM08 do Trung Quốc sản xuất với hiệu điện thế định mức DC
48V và công xuất từ 120W - 1500W, ta chọn loại động cơ này để làm nguồn
động lực cho xe cần thiết kế. Loại đông cơ điện này được lắp trực tiếp vào
may ơ bánh xe. Để hạn chế sự chênh lệch lớn về phân bố tải trọng giữa hai
bánh xe ta sử dụng một động cơ điện có công suất 500W lắp ở bánh trước và
một động cơ điện có công suất 1000W lắp ở bánh xe sau (tổng cộng bằng
1500W theo tính toán thiết kế).
3.3. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy:
Loại ắc quy được chọn để lắp đặt cho xe là ắc quy axít chì vì nó thông
dụng và giá thành tương đối thấp, các loại ắc quy Ni-MH và Lithium-ion tuy
rất tốt nhưng hiện tại ở Việt Nam rất khó mua được và đồng thời nếu có mua
M(Nm)
n1
A
)
100
280
.(
14
,
3
1250
.
2 



A
D2
D2
D2
Động cơ
AC không
đồng bộ
Động cơ
DC
Động cơ AC
đồng bộ

43
được thì giá thành cũng rất cao. Với hiệu điện thế của động cơ điện được chọn
là 48V, số lượng bình ắc quy cần thiết là 4 bình loại 12V. Dung lượng của ắc
quy phụ thuộc vào số giờ mà xe chạy hết bình và tỷ lệ khối lượng của hệ
thống truyền động điện so với tổng khối lượng xe theo tỷ lệ tối ưu là không
quá 30%. Chọn sơ bộ số giờ xe chạy hết bình là 1 giờ, dung lượng ắc quy
được xác định như sau:
AH = IM . t = (PM / U) . t = (1500/48) . 1 = 31,25(AH)
Vì dung lượng ắc quy được sản xuất theo tiêu chuẩn, chọn loại bình có
hiệu điệu thế 12V và dung lượng 35AH. Sau khi chọn được loại ắc quy,
chúng ta cần kiểm tra lại tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động so với
tổng khối lượng của xe. Nếu vượt quá tiêu chuẩn thì hoặc là giảm bớt dung
lượng của ắc quy (giảm số giờ chạy hết bình) hoặc là chọn loại ắc quy khác
có tỷ khối bé hơn. Dựa vào thông số kỹ thuật của ắc quy do nhà sản xuất cung
cấp, loại ắc quy axít chì 12V-35AH tốt nhất hiện nay có khối lượng m1 =
10kg, loại động cơ điện 48V-500W có khối lượng m2 = 7kg và loại động cơ
điện 48V-1000W có khối lượng m2 = 11kg . Như vậy, tổng khối lượng của hệ
thống truyền động điện sẽ là:
m = 4 . m1 + m2 + m3 = 4 . 10 + 7 + 11 = 58(kg)
Giá trị khối lượng sau khi thiết kế tính toán tương đương với khối lượng
của hệ thống truyền động điện lựa chọn sơ bộ (60kg) và hệ số tỷ lệ khối lượng
sẽ là:  = m / M = 58 / 240 = 0,23 = 23% < 30%
Như vậy, tỷ lệ này đã đạt yêu cầu kỹ thuật.
3.4. Tổng hợp các thông số của động cơ điện và bộ ắc quy:
- Động cơ điện:
+ Kiểu: EBM08 (TQ). + Hiệu điện thế : 48(V).
+ Công suất : 1,5(KW). + Vòng quay định mức: 800(v/ph).
+ Khối lượng: 18(kg). + Mô men xoắn cực đại: 60(Nm).

44
- Nguồn ắc quy:
+ Loại: N12V-35AH (Đồng Nai). + Số lượng bình: 4(bình).
+ Khối lượng mỗi bình: 10(kg). + Kích thước: 200 x 100 x 80(mm).
Hình 3-2: Động cơ điện DC EBM08.
3.5. Xác định động cơ nhiệt:
Động cơ nhiệt có vai trò cung cấp năng lượng khi xe chạy trong thời gian
dài mà bộ nguồn ắc quy không đáp ứng được. Như phân tích ở trên, hệ thống
lai này hoạt động theo nguyên lý "vận hành phụ trợ" nên năng lượng từ động
cơ nhiệt đóng vai trò thứ yếu, có nghĩa là công suất của động cơ nhiệt có thể
nhỏ hơn công suất cần thiết của xe. Tuy nhiên nếu không vi phạm về tỷ lệ tự
trọng trên tổng trọng lượng của xe thì ta nên chọn công suất của động cơ nhiệt

45
bằng công suất của động cơ điện để xe có thể chạy trên đường dài mà không
bị ràng buộc về thời gian nạp điện lại cho bộ nguồn ắc quy.
Để lựa chọn động cơ nhiệt, căn cứ vào các yếu tố sau:
- Công suất định mức và giá thành.
- Kiểu dáng và trọng lượng.
- Hệ thống khởi động và hệ thống làm mát.
Từ các điều kiện nêu trên, lựa chọn động cơ nhiệt Lutian LT-154F có
công suất 1700W tại vòng quay 3000 vòng/phút. Động cơ này so với các
động cơ khác tương đương trên thị trường thì có giá thành cao hơn, nhưng
ngược lại hiệu suất, tuổi thọ, độ êm dịu và trọng lượng của nó thì ưu điểm hơn
các động cơ khác. Công suất của động cơ này sau khi chuyển đổi sang chạy
bằng nhiên liệu LPG ước lượng đạt 1200 - 1500W, phù hợp với công suất cần
thiết của xe.
Hình 3-3: Động cơ xăng Lutian LT-154F.
3.6. Sơ đồ nguyên lý tổng quát của các cơ cấu truyền động cơ khí:
Cơ cấu truyền động cơ khí được chia ra làm hai nhóm:
- Bánh xe trước: động cơ điện 500(W).
- Bánh xe sau: động cơ LPG, máy phát điện và bộ truyền động liên kết
với động cơ điện 1000(W).
Lutian
LT-154F

46
Sơ đồ tổng quát của các cơ cấu này được thể hiện trên hình 3-4. Nguyên
lý hoạt động chung của các cơ cấu này như sau:
a) Ở chế độ bình thường, động cơ điện quay nó sẽ kéo bánh xe chủ động
quay làm xe chuyển động. Trên sơ đồ tổng quát (hình 3-4) ta thấy giữa máy
phát điện và bánh xe sau được liên lạc với nhau qua ly hợp điện từ và bộ
truyền động đai. Khi chưa cấp điện cho cuộn dây điện từ thì mối liên hệ này
tạm thời gián đoạn. Ở chế độ xe chạy bình thường, ly hợp điện từ ở trạng thái
ngắt, bánh xe chủ động không kéo máy phát điện quay theo. Công suất của
động cơ điện được dùng để kéo xe chuyển động mà không chịu ảnh hưởng
của cụm máy phát điện.
b) Ở chế độ giảm tốc khi cần dừng xe hoặc khi xe xuống dốc, người lái
nhả tay ga, động cơ điện được cắt điện, đồng thời một công tắc cuối hành
trình tay ga sẽ điều khiển ly hợp điện từ đóng lại, khi đó bánh xe chủ động sẽ
kéo máy phát điện quay theo thông qua bộ truyền động đai. Động năng của xe
được chuyển thành điện năng nạp lại cho ắc quy. Vì mối liên hệ giữa động cơ
LPG và máy phát điện có bộ ly hợp ly tâm chỉ truyền công suất theo một
chiều nên khi máy phát điện quay nó không kéo động cơ LPG quay theo. Nếu
người lái tiếp tục vặn tay ga, ly hợp điện từ sẽ chuyển sang trạng thái ngắt,
động cơ điện được cấp điện, xe tiếp tục làm việc theo chế độ chạy bình
thường. Ở đây chúng ta cần phải lưu ý rằng, hệ thống phanh tái sinh năng
lượng chỉ có thể giảm tốc độ xe chứ không thể dừng được xe. Do đó trên xe
cần phải trang bị thêm hệ thống phanh tay bằng cơ khí.
c) Khi cần chạy đường dài, người lái chuyển điều khiển xe sang hoạt
động ở chế độ “phụ trợ”. Khi đó ta nạp nhiên liệu LPG cho động cơ Lutian
LT-154F. Động cơ này được vận hành kéo máy phát điện hỗ trợ cùng bình ắc
quy cung cấp điện năng cho động cơ điện.

47
Hình 3-4: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động cơ khí.
Bộ ly hợp điện từ
Bánh xe sau
Động cơ
điện 1000W
Máy phát
điện
Bộ truyền động đai
Động cơ LPG
Ly hợp
ly tâm
Bánh xe trước
Động cơ
điện 500W

48
Vì công suất của cụm động cơ LPG - máy phát điện được chọn cân bằng
với động cơ điện nên có thể chạy xe trong thời gian dài mà không làm hết
bình ắc quy. Động cơ LPG được bộ điều tốc điều khiển chạy ở vùng tốc độ ổn
định tương ứng với hiệu suất nhiệt cực đại nên hạn chế phát thải các chất khí
gây ô nhiễm môi trường. Khi cụm động cơ LPG - máy phát điện hoạt động, ly
hợp điện từ được điều khiển ở trạng thái ngắt nên sự quay của máy phát điện
không làm ảnh hưởng đến sự quay của bánh xe sau. Trong trường hợp cần
giảm tốc độ xe, người lái nhả tay ga, tín hiệu từ công tắt cuối hành trình của
tay ga điều khiển bộ điều tốc làm cho động cơ LPG chạy ở tốc độ cầm chừng,
ly hợp ly tâm sẽ chuyển sang trạng thái ngắt để gián đoạn đường truyền công
suất giữa động cơ LPG với máy phát điện, đồng thời ly hợp điện từ được điều
khiển đóng lại và máy phát điện chuyển sang làm việc ở chế độ phanh tái sinh
năng lượng. Nếu người lái tiếp tục vặn tay ga, hệ thống sẽ chuyển sang hoạt
động ở chế độ như trước.
d) Khi xe chạy vào đường có độ dốc lớn, nếu người lái vặn hết tay ga mà
tốc độ xe không vượt quá 10km/h thì hệ thống tự động điều khiển động cơ
LPG khởi động, ly hợp điện từ được điều khiển chuyển sang trạng thái đóng
và dòng kích từ của máy phát được cắt để ngưng phát điện. Động cơ LPG hỗ
trợ với động cơ điện kéo xe vượt dốc. Khi tốc độ xe lớn hơn 10km/h hoặc tay
ga không vặn hết, hệ thống sẽ tự động điều khiển ly hợp điện từ chuyển sang
trạng thái ngắt (cắt sự truyền động từ máy phát đến bánh xe sau) và dòng kích
từ của máy phát được cấp để phát điện nạp cho ắc quy.
Để đề phòng trường hợp khi xe dừng, người lái nhả tay ga và không tắt
hệ thống điện toàn bộ xe, hệ thống phanh tái sinh năng lượng vẫn tiếp tục hoạt
động, dòng điện kích từ có thể làm nóng cuộn dây kích từ của máy phát điện
và làm tổn hao năng lượng, thông qua một rơ le điện từ, hệ thống sẽ điều

49
khiển cắt dòng điện kích từ khi tín hiệu từ cảm biến báo tốc độ của xe nhỏ
hơn 10km/h.
Tất cả mọi chế độ hoạt động của xe sẽ được một bộ điều khiển trung
tâm, gọi tắt là ECC (Electronic Control Center) điều khiển thông qua các tín
hiệu vào từ cảm biến vị trí tay ga, vị trí các cần hoặc nút điều khiển, cảm biến
tốc độ xe và các tín hiệu ra bao gồm điều khiển cấp điện cho cuộn dây của bộ
ly hợp điện từ, rơ le đóng ngắt mạch điện kích từ của máy phát điện và bộ
điều tốc của động cơ LPG.
3.7. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ:
Toàn bộ hoạt động của hệ thống động cơ lai được điều khiển thông qua
một bộ điều khiển điện tử gọi tắt là bộ ECC (Electronic Control Center). Bộ
ECC sẽ nhận các tín hiệu vào từ: cảm biến vị trí tay ga, công tắt chuyển đổi
chế độ hoạt động “bìnhthường” hoặc “phụ trợ” và cảm biến tốc độ xe. Sau đó
nó xử lý tín hiệu và thực hiện điều khiển đến: cuộn dây điện từ của bộ ly hợp
điện từ, rơ le đóng ngắt mạch điện kích từ của máy phát điện và bộ điều tốc
của động cơ LPG. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thể hiện ở hình 3-5.
Nguyên lý điều khiển của bộ ECC có thể mô tả bằng bảng trạng thái hoạt
động của các bộ phận thành phần ở bảng 3-1. Trong bảng này, công tắc tay ga
bật “ON” khi người lái vặn tay ga, ngược lại khi người lái buông tay ga thì
công tắt này ở trạng thái “OFF”. Bộ điều tốc của động cơ LPG làm việc ở hai
chế độ: tốc độ cầm chừng 900(vòng/phút) và tốc độ 3000(vòng/phút) ứng với
hiệu suất động cơ đạt cực đại. Các tín hiệu điều khiển ở trạng thái 1 tức là có
dòng điện đến điều khiển các bộ phận thành phần, còn ở trạng thái 0 tức là cắt
dòng điện điều khiển.

50
Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ.
Bảng 3-1: Mô tả hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ.
Nhóm tín hiệu vào Nhóm tín hiệu ra
Chế độ hoạt
động
Công tắc
tay ga
Vượt dốc
(ga cực đại)
Tốc độ xe
(Km/h)
Bộ điều
tốc(v/ph)
Rơ le bộ
tiết chế
Rơ le ly hợp
điện từ
Bình
thường
ON
ON 060 0 0 0
OFF 060 0 0 0
OFF OFF
1060 0 1 1
010 0 0 0
Phụ trợ
ON
ON
010 3000 0 1
>10 3000 1 0
OFF 060 3000 1 0
OFF OFF
1060 900 1 1
010 3000 1 0
Bình thường
Phụ trợ
Cảm biến
tốc độ xe
ECC
điện tử
(Electronic
Control Center)
Tay ga
Bánh xe và
động cơ điện
Bộ ly hợp ly tâm
Động cơ LPG
Bộ
điều
tốc
Bộ điều
chỉnh
điện áp
+
Rơ le
Máy phát điện
Bộ tiết
chế
+
Rơ le
Bộ ly hợp
điện lừ
+

51
Hình 3-6: Mạch điện điều khiển động cơ điện.
Ở trong hệ thống này cần lưu ý rằng, tay ga có hai nhiệm vụ riêng biệt là
điều khiển đóng ngắt một công tắt và một bộ cảm biến điện trở. Công tắc tay
ga gửi tín hiệu đến bộ ECC, còn cảm biến điện trở gửi tín hiệu đến bộ thay
đổi điện áp cấp cho động cơ điện (hoạt động độc lập đối với bộ ECC). Sơ đồ
nguyên lý làm việc của cơ cấu tay ga và bộ thay đổi điện áp cấp cho động cơ
điện như ở hình 3-6.
Hình 3-7: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện.
UC
Un1 Ux1 Un2 Ux2
UR2
UM1
UM2
t
t
UR3
UM
UR2
UR3
T1
T2
SCR
48V
R3
R2
R1
C
D2
D3
RX2
D1
RX1
R5
Bộ thay đổi điện áp
cấp cho động cơ điện
Cơ cấu
tay ga
Đến
bộ
ECC K
M
R4

Luận văn công nghệ kỹ thuật ô tô tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô và xe máy

Luận văn công nghệ kỹ thuật ô tô tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô và xe máy

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Luận văn công nghệ kỹ thuật ô tô tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô và xe máy

Similar to Luận văn công nghệ kỹ thuật ô tô tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô và xe máy (20)

More from https://www.facebook.com/garmentspace

More from https://www.facebook.com/garmentspace (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Luận văn công nghệ kỹ thuật ô tô tìm hiểu về công nghệ lai (hybrid) trên ô tô và xe máy