tính toán động học động lực học và mô phỏng chế độ làm việc của bộ phân phối

Một đặc điểm quan trong khác là động cơ đốt trong có thể kết hợp với các nguồn năng lượng khác, do đó có thể sử dụng động cơ đốt trong có kích thước và công suất nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

_ oo0oo _

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Thuyết minh đề tài NCKH cấp trường

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ

PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRÊN XE LAI

MÃ SỐ: T 2010 – 27

CHỦ TRÌ: Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tháng 08 - 2010

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay nước ta cĩ hiệp hội sản xuất xe hơi gọi tắt là VAMA gồm rất nhiều cơng

ty trong đĩ cĩ các cơng ty lớn như Toyota, Ford, Honda, GM, Mercedes benz, Isuzu…Các cơng ty này đang làm ăn rất phát đạt, đơn cử như Toyota luơn dẫn đầu thị trường về số lượng xe bán ra Bên cạnh đĩ, cũng đã xuất hiện các doanh nghiệp của người Việt Nam cũng đang ngày càng khẳng định tên tuổi của mình trong thị trường ơ tơ như Trường Hải, Samco…Đây chính là dấu hiệu cho thấy sự khởi sắc của thị trường ơ tơ Việt Nam Cùng với chính sách ủng hộ của Nhà Nước, nhiều chuyên gia dự đốn thị trường ơ tơ của Việt Nam sẽ cịn tiếp tục tăng trưởng cao trong nhiều năm tới, nền cơng nghiệp ơ tơ của Việt Nam sẽ cĩ điều kiện tiến xa hơn nữa

Tuy nhiên kéo theo sự phát triển đĩ là những lo ngại về cơ sở hạ tầng khơng đáp ứng kịp, khơng khí ơ nhiễm (do nước ta chưa áp dụng các tiêu chuẩn khí thải cao mà chỉ mới áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 2) Đại đa số xe tại thị trường nước ta khơng lắp

bộ xử lí khí thải vì nĩ làm tăng giá thành của xe, bên cạnh đĩ ta cịn nhập xe cũ từ nước ngồi nên chất lượng của xe cĩ thể khơng đạt tiêu chuẩn khí thải

Hiện nay, xu hướng sử dụng xe tiết kiệm nhiên liệu và khơng gây ơ nhiễm mơi trường đang rất thịnh hành tại nhiều nước phát triển Chính từ nhu cầu rất lớn đĩ, mà các hãng trên thế giới đều cĩ chương trình nghiên cứu riêng, như hãng Toyota đã rất thành cơng với dự án G21, từ dự án này hãng đã trình làng chiếc xe lai rất nổi tiếng là Toyota Prius Hiện nay, nhu cầu sử dụng xe lai rất cao và hứa hẹn trong vài năm tới sẽ thay thế dần dịng xe truyền thống

Tại Việt Nam xe lai vẫn cịn là một khái niệm khá mới, hệ thống truyền động xe lai là một bộ phận quan trọng quyết định tới hiệu suất của xe Chính vì vậy, đề tài “TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ PHÂN PHỐI CƠNG SUẤT TRÊN XE LAI” bắt nguồn từ nhu cầu thực tế đĩ

để giúp cho mọi người cĩ khái niệm và cái nhìn tồn diện về dịng xe lai từ đĩ cĩ sự tính tốn thích hợp theo yêu cầu của mình Đề tài này sẽ đi sâu vào phân tích động học, động lực học và mơ phỏng các chế độ làm việc khác nhau của bộ phân phối cơng suất trong hệ thống tryuyền động của xe lai

Đề tài này sẽ là một nguồn tài liệu tham khảo cĩ giá trị cho những đối tượng đang học tập, làm việc và nghiên cứu trong lĩnh lực ơ tơ nĩi chung và cho sinh viên ngành Cơ khí Động lực tại trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh nĩi riêng

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2010

Chủ nhiệm đề tài

ThS Nguyễn Văn Trạng

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3

I Đối tượng nghiên cứu 3

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

III Những vấn đề còn tồn tại 5

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 8

I Mục đích của đề tài 8

II Phương pháp nghiên cứu 8

III Nội dung 9

III.1 Giới thiệu các bộ phận chính của xe lai 9

III.2 Các hệ thống truyền động của xe lai 15

III.3 Tính toán động học và mô phỏng các chế độ làm việc của bộ phân phối công suất (Power Split Device) 27

IV Kết quả nghiên cứu 50

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 51

I Kết luận 51

II Đề nghị .51

III Hướng phát triển của đề tài 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Các chuyên gia kinh tế cho rằng thị trường ô tô tiềm năng trong thế kỉ 21 sẽ chuyển dịch từ các nước Đông Âu và Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đông Nam Á, Trung Á,

và cuối cùng là Châu Phi Theo dự báo số lượng ô tô ở Châu Á Thái Bình Dương sẽ tăng

từ 0,7 chiếc/1.000 dân năm 1985 lên 10 chiếc/1.000 dân vào năm 2020 và lên 20 chiếc /1.000 dân vào năm 2060 Sự gia tăng mật độ ô tô dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết

đó là sự quá tải của cơ sở hạ tầng và ô nhiễm môi trường

Xe lai có rất nhiều ưu điểm so với xe hơi truyền thống Thứ nhất, là khả năng tích lũy năng lượng tạm thời của ắc-quy để có thể sử dụng khi nhu cầu về điện năng lớn Động cơ đốt trong cũng có thể được sử dụng hiệu quả hơn ở các chế độ tải cao vì thế góp phần làm cho việc sử dụng nhiên liệu tốt hơn

Một đặc điểm quan trong khác là động cơ đốt trong có thể kết hợp với các nguồn năng lượng khác, do đó có thể sử dụng động cơ đốt trong có kích thước và công suất nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bảo công suất của xe, từ đó giảm bớt được sự tiêu thụ nhiên liệu và thải ra ít khí thải hơn Động cơ đốt trong luôn được hoạt động tại chế độ tải và số vòng quay tối ưu do đó động cơ đốt trong đạt hiệu suất rất cao, đồng thời tiêu thụ nhiên liệu cũng ít hơn

Thêm vào đó với công nghệ phục hồi lực phanh, giúp cho xe lai nâng cao được hiệu suất hoạt động Khi phanh động cơ điện sẽ có chức năng như là máy phát giúp cho xe giảm tốc độ động thời biến đổi lượng nhiệt năng bị mất mát khi xảy ra ma sát giữa má phanh và trống phanh thành điện năng và tích lũy cho ắc-quy điện áp cao Động cơ đốt trong trên xe lai không phải lúc nào cũng làm việc, khi không cần thiết nó có thể ngừng hoạt động do đó tiết kiệm được nhiên liệu

Từ những lý do như trên nên việc nghiên cứu, tiềm hiểu về hệ thống truyền động và tiến xa hơn là chế tạo xe lai phù hợp với điều kiện Việt Nam là việc làm cần thiết và đó cũng chính là đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Ngay nay, công nghệ chế tạo ô tô phát triển rất nhanh, ngày càng hoàn thiện và đi theo các hướng sau:

● Hoàn thiện hệ thống điều khiển, nâng cao tốc độ xử lí và trang bị thêm tiện nghi trong xe

● Nâng cao hiệu suất của xe và giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường

● Sử dụng các nguồn năng lượng mới trên ô tô thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch

Hiện nay có rất nhiều hãng ô tô lớn trên thế giới đi sâu vào nghiên cứu và phát triển dòng xe hơi sạch không gây ô nhiễm môi trường, hiệu suất cao Trong đó có “xe lai”

mà đi tiên phong là hãng Toyota, Honda…Sự ra đời của ô tô lai được xem là bước tiến vuợt bậc đã mở ra kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp ô tô thế kỉ 21

Xu hướng phát triển ô tô trên thế giới

HSD: Hybrid Synergy Drive – Dẫn động trợ lực lai

FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle – Xe lai dùng pin nhiên liệu

HV: Hybrid Vehicle – Xe lai

THS: Toyota Hybrid System – Hệ thống lai của Toyota

DPNR: Diesel Particulate NOX Reduction – Giảm NOx và muội than trên động cơ

Diesel

D-4: Direct Injection 4 stroke – Động cơ 4 kỳ phun trực tiếp

Lean Burn: Động cơ đốt nghèo

DPR: Diesel Particulate active Reduction System – Hệ thống giảm thiểu muội than

trên động cơ Diesel

EV: Electric Vehicle – Xe điện

CNG: Compressed Natural Gas – Khí thiên nhiên hóa lỏng

VVT-i: Variable Valve Timing with intelligence – Hệ thống đóng mở xú-páp thông

minh

Theo hình trên ta thấy ô tô hiện nay có thể được phân ra làm bốn dạng: động cơ xăng, động cơ Diesel, động cơ điện và động cơ sử dụng năng lượng thay thế Trong đó, động cơ xăng và động cơ dầu đã có nguồn gốc lâu đời, và ngày nay đang được cải tiến rất nhiều về mặt công nghệ chế tạo lẫn tính năng nên hiệu suất hoạt động được nâng lên khá cao Nhưng do quá phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, nên sự phát triển bị hạn

Động cơ điện và động cơ ga tuy còn nhiều hạn chế trong công nghệ nhưng triển vọng để phát triển là rất lớn Hiện nay xe lai được xem là loại tốt nhất khi nó có sự kết hợp những ưu điểm nổi bật của động cơ đốt trong và động cơ điện Với khả năng tiết kiệm nhiên liệu và ít gây ô nhiễm môi trường nó luôn nằm trong chiến lược hỗ trợ của các chính phủ (như Mỹ, Thụy Điển, Đức) Với sự hỗ trợ từ chính phủ và chính sách phát triển dòng xe lai của các hãng xe trên thế giới, theo các chuyên gia dự đoán thế kỉ 21 sẽ là

kỷ nguyên của dòng xe lai

Tuy nhiên với sự khủng hoảng kinh tế, giá nhiên liệu biến động không ngừng thì những xe có công suất lớn, tiêu tốn nhiều nhiên liệu sẽ không phù hợp với điều kiện của nước ta Do đó, dòng xe lai với khả năng tiết kiệm nhiên liệu, ít ô nhiễm môi trường sẽ là

sự lựa chọn thích hợp với người dân vì giá thành của nó cũng chỉ ngang với xe Innova nhưng hiệu quả lại cao hơn

Tuy việc nghiên cứu và ứng dụng xe lai của Việt Nam chưa có những kết quả khả thi nhưng trong thời gian gần đây tại Tp Hồ Chí Minh đã xuất hiện một vài chiếc xe lai với nhãn hiệu Lesux như RX400h, giá của nó khi nhập vào Việt Nam cũng không đắt hơn bao nhiêu so với Camry 3.5Q Điều này hứa hẹn xe lai rất có cơ sở để tiếp tục là sự lựa chọn của người dân Việt Nam

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

Sự phát triển ngành giao thông vận tải và công nghiệp chế tạo ô tô ở các nước đều theo hướng giảm nhẹ sự tác động đến hai vấn đề kinh tế -xã hội và đời sống

1 Giảm tải cho cơ sở hạ tầng

Giải quyết vấn đề này liên quan đến công tác quy hoạch đô thị và nâng cấp hệ thống giao thông, mở rộng đường, thiết kế các nút giao thông, xây dựng các bãi đậu xe,

và mặt khác cần lựa chọn kích cỡ ô tô phù hợp Ở đây ta chỉ bàn đến kích cỡ của ô tô

Trong vài năm gần đây kích cỡ và kiểu dáng ô tô thay đổi rất đáng kể, người ta chọn ô tô nhỏ vì nó gọn nhẹ, chiếm ít diện tích trong gara và chịu thuế thấp hơn Chính vì thế các loại xe nhỏ gọn như Peugeot 205, Ford KA … bán rất chạy Trên thị trường Châu

Á các nhà sản xuất ô tô cũng rất quan tâm trong việc chế tạo các dòng xe nhỏ như chiếc Matiz của GM là một ví dụ điển hình

Trong điều kiện cơ sở hạ tầng của nước ta chưa phát triển kịp với tốc độ dân số và phương tiện lưu thông thì ô tô nhỏ là một lựa chọn hợp lý nhất

2 Giảm ô nhiễm môi trường - xu hướng ô tô sạch

Dân số của thế giới ngày càng tăng và nhu cầu muốn sở hữu một chiếc ô tô riêng ngày càng nhiều Chính điều đó đã dẫn đến một vấn đề đáng lo ngại là sự ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính và sự leo thang của giá nhiên liệu

Cụ thể:

 Không khí bị ô nhiễm và sự ấm dần lên của trái đất

Sự ấm lên của trái đất được xem là mối nguy hiểm lớn nhất đang đe dọa đến thế giới của chúng ta Nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi khí hậu chính là từ các chất khí độc thuộc nhóm “khí nhà kính”, trong đó khí cơ bản gây nên sự nóng lên của trái đất là

ứn nhà kính

Kéo theo sự ấm lên của trái đất, thời tiết khí hậu cũng diễn biến ngày càng phức tạp, thường xuyên xuất hiện các cơn bão nhiệt đới, hạn hán, lũ lụt ngày càng trầm trọng hơn Sự thay đổi của khí hậu cũng ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người, số người mắc bệnh ung thư ngày càng nhiều Ngày nay các căn bệnh lạ xuất hiện nhiều hơn,

đe dọa sức khoẻ và tính mạng của con người

Một trong những nguyên nhân chính gây ra điều này bắt nguồn từ lượng khí thải

chiếm 15% trong tổng số khí gây hiệu ứng nhà kính (theo Eurostat 2004), tại Mỹ lượng

 Sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu không thể tái sinh

Nền kinh kinh tế ngày nay, trong đó ngành công nghiệp còn phụ thuộc quá nhiều vào nguồn nhiên liệu không tái sinh Hiện nay, chúng ta phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và chủ yếu trong ngành công nghiệp điện, ngành giao thông vận tải

và công nghiệp sản xuất Vấn đề chính là nguồn nhiên liệu này có giới hạn và cách duy nhất để duy trì sự cung cấp này là con người phải tìm ra nhiều mỏ dầu khác

Chính từ nhu cầu bức thiết đó đòi hỏi chính phủ các nước không có sự lựa chọn nào khác là phải hạn chế sự phụ thuộc quá nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu

là dầu mỏ Yêu cầu tiên quyết được đặt ra là phải tìm ra nguồn năng lượng mới thay thế từng bước nguồn nhiên liệu hoá thạch

 Tạo ra các phương tiện vận tải thân thiện với môi trường

Chính từ nguyên nhân gây ấm lên của trái đất, giá nhiên liệu leo thang và các quy định nghiêm ngặt về khí thải của các nước đối với xe hơi, các công ty sản xuất ô tô lâm vào tình trạng khủng hoảng trong việc kinh doanh Để vượt qua thời kì khó khăn này buộc các công ty phải nghiên cứu chế tạo ra các dòng xe hơi mới thỏa mãn hai tiêu chí: ● Giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch

● Giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính và ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Từ đó đã có rất nhiều ý tưởng và khái niệm mới hình thành nhằm đáp ứng các yêu cầu trên Ta biết xe hơi dùng nhiên liệu hóa thạch trong quá trình dẫn động là một trong những nguồn đóng góp lớn nhất trong việc gây ô nhiễm môi trường, đồng thời cũng là nguồn tiêu thụ nhiều nhiên khá nhiều Chính vì thế ô tô sạch không gây ô nhiễm môi trường (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô hiện nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây đó là sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô như khí hoá lỏng LPG, khí thiên nhiên, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid)

Trong giai đoạn này, có thể nói cách giải quyết tối ưu nhất là sử dụng xe lai điện (Hybrid Electric Vehicle - HEV) đây là dòng ô tô dùng nhiều nguồn năng lượng theo công thức:

Nhưng tại sao lại không dùng xe điện thuần túy (Electric Vehicle - EV) Đây có lẽ

là loại ô tô sạch nhất vì không có khí thải nhưng tiếc thay xu hướng phát triển này lại không có triển vọng nhiều bởi những trở ngại chính như sự hạn chế của hành trình, ắc-quy ngày nay dung lượng chưa đủ lớn để thỏa mãn một hành trình dài mà không cần nạp lại và thời gian tái nạp khá lâu Sự ra đời của xe lai chính là nhằm khắc phục sự hạn chế

về hành trình của xe điện đồng thời nó cũng đã chứng minh được khả năng tuyệt vời

trong việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải gây hiệu ứng nhà kính

Động cơ đốt trong + động cơ điện = dòng xe lai HV (Hybrid Vehicle)

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ ô tô phát ra, giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch, nâng cao công suất và hiệu suất của xe Đây là môt loạt những vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học mà hầu như không bao giờ có được đáp số cuối cùng Tiếp tục nghiên cứu, cải tiến, hoàn thiện là những việc làm trước mắt và trong tương lai của ngành công nghiệp ô tô

Trong điều kiện Việt Nam, để theo kịp với xu hướng của thế giới Nhà nước phải

có những chính sách hợp lý, các nhà chuyên môn phải có những nghiên cứu hiệu quả cùng chung tay phát triển ngành giao thông nước nhà theo hướng kinh tế và thân thiện với môi trường Đề tài này “TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC-ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ PHỎNG CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRÊN XE LAI” không nằm ngoài mục đích trên và nó mang tính cơ sở cho các bước nghiên cứu tiếp theo

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tham khảo tài liệu và thực hiện mô phỏng:

chế trong lĩnh vực xe lai từ Internet

ra quan hệ tỉ số truyền, mômen, công suất và hiệu suất truyền động ở các chế độ khác nhau

phần mềm Macromedia Flash

hình động đã mô phỏng

III NỘI DUNG

III.1 Giới thiệu các bộ phận chính của xe lai

Một chiếc xe lai cĩ rất nhiều bộ phận, nhưng quan trong nhất là các bộ phận sau:

- Động cơ đốt trong

- Động cơ điện

- Máy phát

- Bộ phân chia cơng suất (PSD – power split devide)

- Bộ điều khiển cơng suất (PCU – power control unit)

- Ắc-quy điện áp cao

- Bên cạnh đĩ cũng cĩ một vài bộ phận khơng kém phần quan trọng như hệ thống làm mát

1 Động cơ đốt trong

Trên xe lai của hãng Toyota sử dụng động cơ đốt trong cĩ thể kết hợp với động cơ điện khi làm việc để đạt đến hiệu suất cao nhất, đồng thời cĩ khả năng chạy tiết kiệm khi đang sử dụng động cơ điện dẫn động Đối với xe của hãng Toyota cũng như nhiều hãng sản xuất xe lai khác, đã ứng dụng những cơng nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất, cụ thể:

 Giảm kích cỡ của động cơ

Đối với xe lai nhà chế tạo dùng động cơ cĩ kích thước nhỏ hơn so với với các động cơ truyền thống Động cơ đốt trong ở đây khơng được thiết kế để tạo ra cơng suất lớn nhất theo yêu cầu khi xe tăng tốc hay khi leo dốc đứng Khi cần một chạy với tốc độ cao trong quãng đường dài hay chỉ cần vượt xe khác hoặc khi cần leo dốc cao, thì hệ thống điều khiển của xe sẽ yêu cầu sự giúp đỡ từ động cơ điện nhằm cung cấp thêm cơng suất hỗ trợ cho động cơ

Bộ xử lý trung tâm (ECU HV)

Cảm biến vị trí số

Ắc-quy điện cao áp

Hộp điều khiển phanh Cảm biến vị trí bàn đạp ga

 Chu kì có tỉ số giản nở cao (chu kì Atkinson/Miller)

Đối với các xe truyền thống thì động cơ đốt trong sử dụng chu trình Otto Đối với

xe lai, hãng Toyota qua nhiều lần thực nghiệm đã quyết định sử dụng động cơ có dung tích 1.5 lít đối với xe Prius vì nó đem lại nhiều ưu điểm nhất, bên cạnh đó nó sử dụng chu trình Atkinson thay vì sử dụng chu trình Otto, đây là một trong những chu trình có hiệu suất nhiệt và tỉ số giãn nở cao nhất Bởi tỉ số giãn nở [(thể tích kì giãn nở + thể tích buồng cháy)/(thể tích buồng cháy)] đã được tăng lên bằng cách giảm thể tích buồng cháy của động cơ đốt trong, và buồng đốt được cách li chỉ sau khi lực sinh công của kì nổ vừa kết thúc, điều đó làm nâng cao công suất do kì nổ tạo ra

Ở các động cơ truyền thống, thể tích kì giãn nở và thể tích kì nén gần như là một giá trị đồng nhất, tỉ số nén [(thể tích kì nén + thể tích buồng cháy)/(thể tích buồng cháy)]

và tỉ số giản nở về cơ bản là tương đồng với nhau, đây là điểm không thuận lợi của các động cơ dùng chu trình Otto Do đó khi chúng ta cố gắng thay đổi tỉ số giản nở của động

cơ thì đồng thời nó cũng làm gia tăng tỉ số nén của động cơ Vì vậy kết quả tất yếu xảy ra

là gây kích nổ và đó chính là điểm giới hạn cho việc gia tăng tỉ số giãn nở

Ở chu trình Atkinson thì việc đóng xú-páp nạp được thực hiện trễ lại, và trong hành trình đầu tiên của kì nén (khi piston bắt đầu đi lên), xu-páp nạp vẫn mở, khi đó một phần lượng khí nạp đã vào xy-lanh quay ngược trở lại cổ góp nạp, có tác dụng làm trì hoãn thời gian bắt đầu kì nén của động cơ Theo biện pháp này, ta thay đổi tỉ số giãn nở nhưng không làm thay đổi tỉ số nén của động cơ

 Hiệu quả cao

Động cơ được trang bị hệ thống VVT-I (Variable Valve Timing-intelligent) để điều chỉnh thời gian đóng mở xu-páp theo điều kiện hoạt động của xe, để xe luôn đạt hiệu suất cao nhất Ngoài ra, động cơ dùng buồng đốt có kết cấu đặc biệt giúp cho sự lan truyền tia lữa điện nhanh chóng trong toàn bộ buồng đốt trong Với hiệu suất nhiệt cao kết hợp với sự giảm cả về kích cỡ và trong lượng của thân động cơ qua việc sử dụng xy-lanh chế tạo bằng hợp kim nhôm, và cổ ống hút gọn, v.v.giúp cải thiện khả năng tiết kiệm

Áp suất trong xylanh

P (MN/m 2 )

 Nâng cao cơng suất đầu ra

Tốc độ của động cơ tăng từ 4500v/ph lên 5000v/ph, do đĩ cải thiện được cơng suất đầu ra Một số bộ phận như xéc-măng cĩ độ căng thấp hơn, lị xo xu-páp thì làm nhỏ lại, kết quả làm giảm sự mất mát cơng suất do ma sát Xa hơn, việc tăng số vịng quay lên thêm 500 v/ph đã làm cho số vịng quay của máy phát nhanh hơn, gia tăng lực dẫn động trong suốt quá trình khi xe tăng tốc và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu

2 Động cơ điện

Động cơ điện đã và đang được phát triển dựa

trên những cơng nghệ mà hãng Toyota đã phát triển

trong quá trình nghiên cứu dịng xe điện Hệ thống

THS-II (Toyota hybrid system II) sử dụng động cơ

điện đồng bộ xoay chiều cĩ khả năng tạo ra momen

cao tại tốc độ thấp và cĩ cơng suất đầu ra cao Nĩ

được thiết kế khơng cĩ chổi than, sử dụng dịng

điện xoay chiều, và nam châm vĩnh cửu; rotor được

làm từ các lá thép kỹ thuật điện làm cho nĩ cĩ hiệu

suất cao Ngồi ra, với cách xắp xếp các nam châm

vĩnh cửu theo cách tối ưu nhất dưới dạng hình chữ

V, vì thế momen dẫn động được cải thiện rõ rệt và

cơng suất đầu ra được tăng lên đáng kể

Điều đĩ cộng với việc kết hợp được cơng

suất đầu ra lớn hơn bằng cách gia tăng cơng suất do

điện áp cao cung cấp (điện áp cung cấp cĩ thể lên

tới 500V) Do đĩ, cơng suất đầu ra tăng lên gấp 1.5 lần so với hệ thống trước đĩ là THS, cơng suất đạt đến 50kW từ 33kW của hệ thống trước đĩ, ngay cả với mơ-tơ cĩ cùng kích

cỡ, nĩ cũng tạo ra cơng suất lớn nhất trên một đơn vị khối lượng hay trên một đơn vị thể tích

Để điều khiển được động cơ điện, người ta đã phát triển một hệ thống điều khiển quá trình điều biến hoạt động khi mơ-tơ đang ở dãy tốc độ trung bình, thêm vào đĩ nĩ cũng tồn tại các phương pháp điều khiển khi mơ-tơ hoạt động tại tốc độ thấp và tốc độ cao Với cách thức thay đổi bề rộng của xung, làm cho cơng suất đầu ra của mơ-tơ khi hoạt động tại dãy tốc độ trung bình được tăng lên, lớn nhất cĩ thể tăng xấp xĩ đến 30%

Mơ-tơ điện của xe Toyota Prius

Trên xe lai hiện nay động cơ điện được lắp đặt theo các cách sau:

Sơ đồ mặt cắt ngang động cơ điện

- Mỗi bánh xe gắn một mơ-tơ điện: Trong cách bố trí này nhà chế tạo sẽ gắn động

cơ cĩ cơng suất khoảng 50 mã lực vào mỗi bánh xe, cách thiết kế này giúp cho việc kiểm sốt momen đến mỗi bánh xe được dễ dàng Ngồi ra, điều này giúp làm giảm bớt các bộ phận cơ khí phức tạp (hộp số, vi sai…) Các bộ phận, mơ-tơ và ổ trục bánh xe sẽ được chuyển đổi một cách nhanh chĩng và dễ dàng mà khơng tốn nhiều dây dẫn và vật liệu Tuy nhiên, với cách xắp xếp này lại cần nhiều hơn các hệ thống phân phối cơng suất điện

và một số thiết bị khác Do đĩ, giá thành của xe sẽ rất cao

- Mỗi trục gắn một mơ-tơ: Trong cách bố trí này người ta sẽ gắn trên mỗi trục một

động cơ cĩ cơng suất 100 mã lực Nĩ sẽ cĩ sự linh động thấp hơn so với loại trên và cũng cần cĩ vi sai ở mỗi trục, nhưng giá thành của xe sẽ giảm

- Trên xe chỉ cần một mơ-tơ điện: Đây là cách bố trí phổ biến nhất hiện nay, và nĩ

thường đặt ở cầu trước để dẫn động các bánh xe Trong thực tế cĩ bao gồm cả ắc-quy HV nên nĩ chiếm nhiều diện tích hơn so với các xe thơng thường chỉ dẫn động với duy nhất động cơ điện

3 Máy phát

Cũng giống như động cơ điện, máy phát của xe cũng dùng loại đồng bộ xoay chiều Để cĩ thể cung cấp cho đầu ra của động cơ điện một cơng suất đầy đủ thì máy phát phải quay ở tốc độ rất cao, qua đĩ để cĩ thể gia tăng cơng suất đầu ra Cách thức được dùng là tăng số vịng quay lên cao nhất cĩ thể từ 6.500v/ph lên tới 10.000v/ph Với tốc độ quay rất cao như vậy, bên trong cĩ chứa 8 cực nam châm vĩnh cữu, nĩ cĩ khả năng tạo ra một lượng cơng sưất rất lớn cho quá trình nạp ắc-quy và cung cấp thêm cơng suất theo yêu cầu từ động cơ điện Ngồi ra, máy phát cịn cĩ chức năng như một bộ phận khởi động động cơ Khi khởi động, máy phát làm quay bánh răng mặt trời trong bộ phân chia cơng suất do đĩ tạo ra momen làm quay động cơ

Với tốc độ rất cao của máy phát nĩ làm gia tăng khả năng cung cấp cơng suất cho

xe tại dãi tốc độ cao, qua đĩ gia tăng hiệu suất tăng tốc của xe khi xe chạy tại tốc độ thấp

và trung bình Kết quả, khả năng kết hợp tối ưu giữa cơng suất đầu ra của mơ-tơ điện và của động cơ đốt trong được cải thiện rõ ràng

Đồ thị quan hệ momen, cơng suất và tốc độ của máy phát

Tốc độ (vịng/phút) Tốc độ (vịng/phút)

4 Bộ phân phối công suất (Power Split Device – PSD)

Hệ thống truyền động chính của xe lai bao gồm bộ phân chia công suất (bộ bánh răng hành tinh), máy phát, động cơ điện và hệ thống bánh răng giảm chấn Nhiệm vụ của

bộ phân chia công suất là cho phép công suất từ động cơ đốt trong đến dẫn động máy phát và các bánh xe chủ động cùng một lúc Theo cách thức này công suất từ động cơ được đi theo hai con đường, một là theo truyền động cơ khí, hai là theo truyền động điện

Ngoài ra nó còn lấy momen của động cơ điện để dẫn động các bánh xe chủ động Trong quá trình hoạt động, trục truyền công suất của động cơ đốt trong được thông qua cần dẫn bộ bánh răng hành tinh Khi cần dẫn quay nó sẽ truyền chuyển động đến bánh răng bao và bánh răng mặt trời thông qua các bánh răng hành tinh Trục quay của bánh răng bao được nối trực tiếp với động cơ điện và truyền lực để dẫn động kéo bánh xe chủ động, trong khi đó trục quay của bánh răng mặt trời được nối với máy phát

5 Bộ điều khiển công suất điện tử

Bao gồm các thiết bị sau:

- Bộ đổi điện động cơ điện

- Bộ đổi điện máy phát

- Thiết bị tăng điện áp

Cấu tạo bộ phân phối công suất (PSD-Power Split Device)

Bộ bánh răng hành tinh

Cần dẫn nối trục

khuỷu động cơ

Bánh răng mặt trời nối (MG1)

Bánh răng mặt hành tinh

Bánh răng bao nối (MG2) Động cơ Máy phát

Mô-tơ

Bộ điều khiển điện tử được xem như là bộ não của một chiếc xe lai Nó đảm nhận việc phân phối công suất giữa ắc-quy, máy phát, động cơ điện và bộ phân chia công suất Nhiệm vụ của bộ chuyển đổi điện là điều khiển và biến đổi dòng điện một chiều từ

ắc quy thành dòng điện xoay chiều để dẫn động động cơ điện, và biến đổi ngược lại thành dòng có điện áp 12V để nạp cho ắc-quy phụ Thêm vào đó với việc tích hợp mạch công suất điện áp cao vào bộ chuyển đổi, nó làm tăng điện áp cung cấp từ 202V lên tới điện áp cực đại là 500V Dựa trên mối quan hệ công suất = điện áp* dòng điện, với việc tăng điện

áp ta có thể giảm dòng điện cung cấp, từ đó tạo điều kiện cho nhà thiết kế chế tạo bộ đổi điện có kích thước nhỏ gọn hơn

 Mạch công suất ñieän áp cao

Với việc tích hợp mạch điện áp cao trong bộ chuyển đổi công suất, điện áp của động

cơ điện và máy phát đã được tăng từ 274V (đối với hệ thống THS ban đầu) lên 500V đối với hệ thống truyền động thế hệ mới “lai trợ lực” (Hybrid synergy drive-HSD) Thiết bị IGBT (insulated Gate Bipolar Transistor) sẽ chuyển đổi dòng điện có điện áp 202V của mạch ban đầu lên 500V Kết quả, chỉ cần sử dụng dòng điện nhỏ đối với động cơ điện, qua đó góp phần nâng cao hiệu suất của hệ thống

6 Ắc-quy HV

Trên xe lai thế hệ mới của hãng Toyota đang sử dụng loại ắc-quy có hiệu suất cao,

đó là ắc-quy nickel-metal hydride Nó nhẹ hơn so với các loại ắc-quy trên xe lai thế hệ cũ đến 14% và dung luợng đầu vào/ đầu ra của nó cao hơn 35% Với những cải tiến về công nghệ đã làm cho ắc-quy trên xe lai trở thành ắc-quy có dung lượng lớn nhất so với các ắc-quy có cùng trọng lượng và kích cỡ

Đạt được điều đó là do nhà chế tạo đã làm giảm đi rất nhiều điện trở trong của quy bằng cách sử dụng các vật liệu có cấu trúc hoàn toàn mới làm cầu nối giữa các ngăn của ắc-quy, hay cải tiến các vật liệu để chế tạo điện cực Bên trong ắc-quy gồm 28 ngăn nhỏ gọi là ắc-quy đơn, mỗi ắc-quy đơn có điện áp 7.2V được mắc nối tiếp với nhau, do

ắc-đó điện áp thực sự của ắc-quy là 201.6V Nó cung cấp điện năng để dẫn động động cơ điện và nạp điện năng từ máy phát, do đó nó không cần phải nạp điện ngoài như các ắc-quy thông thường Công suất đầu ra của ắc-quy là 21 kW

Thêm một đặc điểm rất quan trọng là sự sụt áp đã giảm đi 23% so với các ắc-quy thơng thường Vì thế, ắc-quy giữ được điện năng lâu hơn khi nĩ khơng sử dụng Hiện nay, hãng Toyota cũng trang bĩ bộ xử lí ắc-quy ECU, tích hợp trên ắc-quy điện áp cao, nĩ

cĩ nhiệm vụ kiểm sốt điều kiện nạp của ắc-quy và điều khiển hoạt động của hệ thống quạt làm mát

7 Hệ thống làm mát cho bộ chuyển đổi điện áp, MG1 và MG2

Hệ thống làm mát này sử dụng bơm nước để làm mát bộ đổi điện, MG1, MG2 Hệ thống này được phân ra từ hệ thống làm mát của động cơ Nĩ hoạt động khi người tài xế bật cơng tắc máy Bộ tản nhiệt của nĩ được tích hợp với bộ tản nhiệt của động cơ

Sơ đồ hệ thống làm mát

8 Bộ xử lý HV ECU

Để điểu khiển hoạt động của ắc-quy HV, động cơ điện, máy phát trên xe lai sử dụng bộ xử lí ECU HV (Electronic control unit hybrid vehicle) Đây là thiết bị thu nhận thơng tin từ các cảm biến, sau đĩ xử lí các tín hiệu này và gửi thơng tin đến các cơ cấu chấp hành như ECM (Electronics Control Module), thiết bị đổi điện, bộ xử lí ECU của ắc-quy và hệ thống điều khiển phanh trung tâm để từ đĩ đưa ra phương thức điều khiển tương ứng với điều kiện chuyển động của xe

HV ECU điều khiển hoạt động của MG1, MG2, động cơ đốt trong theo momen Sự hoạt động của nĩ chủ yếu dựa trên những thơng tin từ cảm biến tốc độ, cảm biến vị trí bàn đạp ga Nếu bộ xử lí gặp trục trặc thì nĩ sẽ điều khiển sự hoạt động của xe theo dữ liệu đã được mặc định trong bộ nhớ

III.2 Các hệ thống truyền động của xe lai

Hiện nay cĩ nhiều biện pháp kỹ thuật ứng dụng đối với hệ thống truyền động lai, những chiếc xe lai được sản xuất trong thời gian gần đây được phát triển theo ba hướng:

đĩ là sự tích hợp máy khởi động – máy phát của hãng GM, cịn hãng Honda thì phát triển

hệ thống tích hợp mơ-tơ phụ trợ và cuối cùng là hãng Toyota vẫn đang theo đuổi hướng dẫn động lai hiệp trợ

Bình chứa

Bộ tản nhiệt cho động cơ

Bộ tản nhiệt

cho bộ đổi

1 Hệ thống tích hợp máy phát – máy khởi động (BSG – Belt Generator)

Starter-Hệ thống này sử dụng một động cơ điện kết hợp với việc sử dụng ắc-quy cĩ dung lượng nhỏ hơn so với các hệ thống truyền động khác đang được ứng dụng trên ơ tơ lai cùng loại cĩ mặt trên thị trường Nĩ cĩ một sự khác biệt với kiểu dẫn động truyền thống thường thấy trên ơ tơ (động cơ dẫn động máy phát bằng dây đai), hệ thống này sử dụng kiểu dẫn động mới cĩ cơng suất cao hơn đĩ là dẫn động tích hợp giữa máy khởi động với máy phát Bên cạnh đĩ hệ thống này cĩ điểm rất đáng chú ý là nĩ sử dụng hệ thống điện

42 V (hãng Honda sử dụng hệ thống điện 150V, Toyota sử dụng hệ thống điện 300V) Điều này đã đem lại một số thuận lợi như giảm được kích cỡ của hệ thống truyền động, hay loại bỏ được bộ chuyển đổi momen cho hộp số tự động

Tuy nhiên nĩ cũng cịn mắc phải những hạn chế chẳng hạn như: sự kết hợp giữa máy khởi động-máy phát tạo ra cơng suất tương đối thấp từ chỉ từ 10 kW đến 12 kW, hệ thống này cũng cĩ khả năng phục hồi lực phanh nhưng tương đối ít Chính vì vậy, ở một mức độ nào đĩ hệ thống này khơng cịn gây được sự quan tâm của các nhà sản suất ơ tơ như trước đây Tuy nhiên vẫn cịn một số nhà sản xuất sử dụng hệ thống này để ứng dụng

ở các dịng xe nhỏ, tiêu biểu là hãng GM với chiếc xe Saturn Vue SUV

vụ chính là giúp khởi động xe và giúp máy phát thu hồi năng lượng khi xe chạy tại tốc độ thấp Bên cạnh đĩ nĩ cũng đĩng vai trị như một máy khởi động và đồng thời cịn là nơi cung cấp điện chủ yếu cho các hệ thống khác trong xe Do động cơ điện được nối cứng với động cơ đốt trong nên khi mơ tơ điện quay thì động cơ đốt trong cũng quay theo, nhưng lúc đĩ động cơ đốt trong khơng cần thiết phải sinh cơng

Hệ thống tích hợp máy phát – máy khởi động

Trên chiếc Honda Civic Hybrid nhà chế tao đã cho ba trong bốn xy-lanh của động

cơ ngừng làm việc trong quá trình xe đang giảm tốc Hiện nay với những tiến bộ về công nghệ, các nhà chế tạo có thể cho cả bốn xy-lanh của động cơ ngừng làm việc khi xe đang giảm tốc và chạy ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu, và điều này đã được ứng dụng thành công trên chiếc Honda Civic 2006 Ngoài Honda Civic thì Honda Accord cũng ứng dụng công nghệ này, tuy nhiên nó chỉ có thể làm mất tác dụng ba trong sáu xy-lanh của động cơ V6 khi xe chạy ở chế độ tiết kiệm nhiên liệu và giảm tốc

3 Hệ thống dẫn động trợ lực của Toyota (HSD – Toyota Hybrid Synergy Drive)

Đây là một hệ thống đang được sử dụng trên xe Toyota Prius, hệ thống này có đặc điểm hoàn toàn khác so với hệ thống IMA của hãng Honda Bộ phận chính của hệ thống này là hệ thống phân chia công suất mà đã được phát triển bởi hãng Aisin và Toyota Hệ thống HSD cũng đang được áp dụng trên các dòng xe sang trọng và dòng xe địa hình như Lesux RX400h, Toyota Highlander và Ford Escape Hệ thống phân chia công suất thay thế hệ thống truyền động của xe với bộ bánh răng hành tinh đơn và mô-tơ điện /máy phát Song song đó, hệ thống còn trang bị mô-tơ điện /máy phát có công suất lớn hơn và được gắn cố định với bộ truyền động cuối cùng của xe luôn chuyển động với bánh xe Bộ bánh răng hành tinh phân chia momen xoắn của động cơ cho mô-tơ điện/máy phát thứ nhất (MG1) với động cơ điện dẫn động (MG2)

Động cơ điện/

Máy phát

Truyền động cuối cùng Hộp số

Mơ-tơ điện /máy phát một (MG1) sử dụng momen của động cơ để làm hai nhiệm vụ

là nạp điện cho ắc-quy và hỗ trợ một phần điện năng đến mơ-tơ dẫn động (MG2) Tốc độ của mơ-tơ điện/máy phát thứ nhất (MG1) sẽ quyết định đến mối quan hệ về tốc độ giữa động cơ đốt trong với các bánh xe dẫn động Trong trường hợp này bộ bánh răng hành tinh cho phép tốc độ hoạt động của động cơ đốt trong hồn tồn độc lập với tốc độ của

xe, giống như truyền động vơ cấp

Ngồi ra, bộ phân chia cơng suất cịn cĩ ưu điểm là giúp cho xe tiết kiệm nhiên liệu đáng kể khi xe thường xuyên di chuyển trong thành phố Tuy nhiên khi xe chạy trên đường cao tốc nĩ vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu như mong đợi do mơ-tơ điện /máy phát đầu tiên (MG1) phải luơn quay ở tốc độ tương đối cao để duy trì tỷ số truyền hợp lý

4 Hệ thống truyền động kép của hãng GM (GM Dual-Mode Hybrid system)

Đây là một dự án lớn của hãng GM và Daimler Chrysler (gần đây cĩ sự tham gia của hãng BMW) nhằm phát triển một hệ thống xe lai mới trong tương lai trên cơ sở kế thừa hệ thống truyền động đã được hãng GM phát triển và ứng dụng cho dịng xe tải nặng như xe bus trong thành phố Hệ thống này sử dụng truyền động ly hợp kết hợp với hai động cơ điện Cũng tương tự như hệ thống phân chia cơng suất của hãng Toyota, những động cơ điện trên hệ thống này cũng cĩ khả năng điều khiển tỉ số tốc độ giữa động cơ đốt trong với tốc độ của xe

Sơ đồ hệ thống dẫn động trợ lực của hãng Toyota HSD – Toyota Hybrid Synergy Drive

Bộ bánh răng hành tinh

Truyền động cuối cùng

Bánh xe

Ắc-quy

Bộ đổi điện MG1

MG2 Động cơ

Trên đây là các hệ thống truyền động đã và đang được ứng dụng trên các ơ tơ lai hiện nay Tuy mỗi hệ thống cĩ những cách bố trí truyền động khác nhau nhưng nhìn chung các ơ tơ lai hiện nay đều được bố trí theo hai cách chính Phần bên dưới sẽ trình bày chi tiết hai cách phân loại cấu hình truyền động thơng dụng trên xe lai

 Phân loại truyền động lai theo cấu trúc truyền động

Các loại xe lai đang cĩ mặt trên thị trường hiện nay phổ biến nhất vẫn là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và tối thiểu cĩ một động cơ điện Động cơ đốt trong cĩ thể là động cơ xăng hay Diesel, cùng với nĩ là các bộ phận tích trữ năng lượng và ở đây chính

là bình ắc-quy hố học, hoặc cũng cĩ thể là ắc-quy cơ học như bánh đà, tụ điện

Hệ thống truyền động của xe bao gồm động cơ điên, động cơ đốt trong, ly hợp, hộp

số và cĩ rất nhiều cách thức bố trí

1 Truyền động song song

Hiện nay cấu hình truyền động song song là loại cấu hình được ứng dụng khá phổ biến trên xe lai Ở hình thức truyền động song song, cả động cơ đốt trong hay động cơ điện hoặc cĩ thể cả hai là nguồn cung cấp momen xoắn, trực tiếp đến dẫn động đến các bánh xe

Ly hợp 1 Bánh xe

Ly hợp 2

Bộ bánh răng hành tinh 1

Bộ bánh răng hành tinh 2 Động cơ

M/G1

Ắc-quy

Truyền động cuối cùng

Sơ đồ hệ thống truyền động kép của hãng GM

GM Dual-Mode Hybrid system

Nguyên lí làm việc cơ bản của hệ thống truyền động song song, là động cơ điện dùng để giúp xe khởi động và chuyển động ở tốc độ thấp, còn tốc độ của động cơ đốt trong được lựa chọn với tay số truyền hợp lý để giúp cho tốc độ của nó luôn nằm trong giới hạn cho phép Sau đó động cơ điện được dùng để hỗ trợ thêm momen cho động cơ đốt trong nhằm giúp nó luôn hoạt động với hiệu suất cao nhất ngoài ra động cơ điện còn được dùng để tái sinh lực phanh và dùng năng lượng đó nạp cho ắc-quy Đối với cấu hình này các nhà thiết kế đã tích hợp thêm trên nó rất nhiều hệ thống ích lợi cho người sử dụng, vì thế việc điều khiển và vạch ra các phương pháp điều khiển giữ một vị trí rất quan trọng

Chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển chính là làm cho hệ thống truyền động của xe luôn phù hợp với điều kiện truyền động thực tế của khi xe di chuyển trên đường

Ví dụ, động cơ đốt trong sẽ không bao giờ được phép hoạt động tại chế độ cầm chừng Còn khi xe đang dừng hay giảm tốc thì động cơ đốt trong sẽ ở trạng thái không hoạt động, chỉ có duy nhất mỗi động cơ điện là nguồn cung cấp momen xoắn chủ yếu cho việc dẫn động xe trên đường Trong trường hợp cần phải đáp ứng momen kéo lớn hơn như khi

xe tăng tốc, leo dốc thì cả động cơ đốt trong và động cơ điện sẽ hoạt động kết hợp với nhau Không phải chỉ khi cần cung cấp momen kéo lớn hơn mà còn khi xe tận dụng năng lượng từ việc phục hồi lực phanh cũng cần sự kết hợp của cả hai nguồn động lực trên Tuỳ thuộc vào thiết kế mà các yếu tố tác động đến hoạt động của xe cũng biến đổi khác nhau Tuy nhiên người thiết kế phải chọn lựa một yếu tố là tốc độ thấp nhất của xe

mà tại đó động cơ đốt trong được tách ra khỏi hệ thống truyền động của xe Ngoài ra họ cũng phải quyết định momen xoắn tối thiểu để đủ khả năng làm quay động cơ đốt trong Bên cạnh đó các hệ thống phụ trên xe như hệ thống lái, hệ thống điều hoà có thể hoạt động độc lập với động cơ, tức là không cần động cơ kéo thông qua đai dẫn động Các hệ thống này hoạt động nhờ điện năng cung cấp bởi động cơ điện, điều đó giúp các

hệ thống này hoạt động hiệu quả hơn, bởi khi đó các hệ thống này luôn quay tại tốc độ không đổi không phụ thuộc vào tốc độ động cơ nhanh hay chậm

Sơ đồ truyền động song song

Bộ điều khiển

Ly hợp

Động cơ điện Động cơ đốt

trong

Ắc-quy

Hộp số

Vi sai

Trong các kiểu truyền động song song đang tồn tại hiện nay có nhiều cách thức bố trí khác nhau Tuy nhiên, chỉ có ba cách thức bố trí phổ biến nhất:

Ở cấu hình truyền động kiểu cổ điển, có sự kết hợp giữa truyền động truyền thống là động cơ đốt trong kết hợp với truyền động „ắc quy-động cơ điện‟ Cả hai hệ thống truyền động này được nối trực tiếp với cần dẫn động của hộp số hay với bánh xe dẫn động Hầu hết những chiếc xe sử dụng cấu hình này đều có thể chạy ở các chế độ riêng biệt như: chỉ duy nhất với động cơ đốt trong, hay chế độ kết hợp giữa động cơ và mô tơ điện hoặc có thể chạy như một chiếc xe điện đơn thuần

Trong lúc động cơ đốt trong là nguồn cung cấp momen dẫn động chính cho xe thì động cơ điện giữ nhiệm vụ tái sinh lực phanh và nạp điện cho ắc quy Chế độ kết hợp chỉ được thực hiện khi người sử dụng có những yêu cầu về momen kéo lớn Khi chạy trong thành phố với yêu cầu nghiêm ngặt về khí thải và tiết kiệm nhiên liệu thì xe hoạt động như một chiếc xe điện thông thường

TR: Hộp số

ICE: Động cơ đốt trong

EM: Động cơ điện

BAT: Ắc quy

Whells: Các bánh xe

Hệ thống truyền động song song kiểu 1

● Kiểu thứ hai: thường được gọi là động cơ phụ “engine assist”

Trong cấu hình truyền động này một động cơ điện được gắn trên bánh đà của động

cơ đốt trong Động cơ này giúp dẫn động xe khi xe chạy ở tốc độ thấp và ở trạng thái khí

xả là không Nó còn có chức năng như là máy khởi động cho động cơ đốt trong, ngoài ra động cơ điện còn hỗ trợ thêm momen xoắn cho động cơ đốt trong tại số vòng quay thấp

và cung cấp thêm một phần công suất tối đa khi cần thiết Trong quá trình phanh, vào lúc động cơ đốt trong đang dẫn động thì động cơ điện hoạt động như là một máy phát khi đó

nó chuyển đổi cơ năng thành điện năng rồi nạp cho ắc quy

● Kiểu thứ ba: là kiểu truyền động đang trong quá trình thử nghiệm và hiện nay

chỉ được sử dụng trên các mẫu xe thử nghiệm, nhưng hứa hẹn sẽ phát triển trong thời gian tới Hệ thống này bao gồm hai hệ thống truyền động riêng biệt, một hệ thống dẫn động bánh trước còn hệ thống còn lại dẫn động bánh sau

Hệ thống truyền động song song kiểu 2 Hệ thống truyền động song song kiểu 3

2 Truyền động nối tiếp

Sự ra đời của xe lai truyền động kiểu nối tiếp xuất phát từ mong muốn giải quyết vấn đề về hành trình của dịng xe điện trước đây

Trong kiểu truyền động nối tiếp thì động cơ đốt trong được nối trực tiếp với máy phát và chỉ cĩ duy nhất động cơ điện là nguồn động lực duy nhất dẫn động bánh xe Động cơ đốt trong sẽ chuyển nhiệt năng thành cơ năng, sau đĩ được biến đổi thành điện năng bởi máy phát và nạp cho ắc-quy thơng qua bộ chuyển đổi cơng suất Điện năng này được động cơ điện sử dụng để chuyển đổi thành cơ năng dẫn động bánh xe

Thơng thường động cơ đốt trong chỉ đáp ứng một phần cơng suất để hỗ trợ, phần lớn cơng suất cung cấp cho động cơ điện là từ ắc-quy Khi xe cần đáp ứng cơng suất kéo lớn hơn, động cơ điện lấy điện năng từ cả bình ắc-quy và máy phát Động cơ điện được thiết kế luơn tạo ra cơng suất lớn nhất trong khi máy phát được thiết kế theo cơng suất của động cơ đốt trong Trong hệ thống này, động cơ đốt trong được thiết kế luơn hoạt động trong vùng đạt hiệu suất cao nhất, hay vùng khí thải là thấp nhất

Hiện nay cĩ rất nhiều cách thức điều khiển được ứng dụng đối với cấu hình truyền động nối tiếp Động cơ đốt trong được điều khiển để hoạt động ở chế độ hiệu suất tối ưu nhất cả về việc tiết kiệm nhiên liệu và kiểm sốt lượng khí xả ở mức thấp nhất Cịn về hệ thống máy phát–máy khởi động về mặt thiết kế được xem xét kĩ về cách thức dùng hay khơng dùng chế độ “nạp phụ thuộc” hay “tự duy trì” Ở chế độ “nạp phụ thuộc” thì xe phải dựa vào nguồn điện năng từ bên ngồi nạp vào, nhưng ngược lại ở chế độ “tự duy trì” thì xe khơng phải làm như vậy Do đĩ những chiếc xe dùng cách thức “nạp phụ thuộc” thì rất giống với chiếc xe điện thơng thường, với lượng khí thải đưa ra ngồi mơi trường rất thấp, nhưng đối với xe “tự duy trì” thì nĩ lại cho thấy khả năng duy trì được quảng đường di chuyển dài hơn Ngồi ra đối với xe “tự duy trì” thì địi hỏi phải cĩ một máy phát cĩ dung lượng lớn hơn, cịn đối với xe “nạp phụ thuộc” lại địi hỏi ắc-quy phải

cĩ dung lượng lớn hơn

Bộ điều

điều khiển 2

Động cơ

Sơ đồ truyền động nối tiếp

Ngoài ra cũng có một số yếu tố khác cũng được xem xét trong quá trình thiết kế và điều khiển đối với xe có cấu hình truyền động nối tiếp Động cơ đốt trong sẽ không phải hoạt động liên tục trong toàn bộ chu trình dẫn động của xe, vì thế khoảng thời gian để khởi động lại động cơ giữ một ví trí rất quan trọng trong quá trình hoạt động và nó ảnh hưởng rất lớn đến việc phát thải khí xả của xe Bên cạnh đó còn có một yếu tố quan trọng khác đó là mối quan hệ giữa trạng thái nạp của ắc-quy với công suất đầu ra của mô-tơ dẫn động Đối với phương pháp điều khiển “điều khiển nhiệt” thì động cơ đốt trong sẽ hoạt động khi ắc-quy đang ở trạng thái nạp thấp, và sẽ ngừng khi ắc-quy đang ở trạng thái nạp cao

Không cần dùng đến một hộp số phức tạp đối với truyền động nối tiếp vì động cơ điện có thể đáp ứng đầy đủ công suất cho xe trong mọi chế độ hoạt động Ở một vài xe còn thiết kế rất đặc biệt là gắn trên mỗi bánh xe một động cơ điện Thuận lợi của truyền động nối tiếp là không cần đường nối cơ khí gữa động cơ và các bánh xe Điểm hạn chế chính là công suất từ động cơ đốt trong phải đi qua máy phát rồi mới đến động cơ điện vì thế nó gây ra sự mất mát công suất

Do đó việc sử dụng một động cơ điện trên mỗi bánh xe đã loại trừ được việc sử dụng các yếu tố truyền động cơ khí (như hộp số, trục truyền động, vi sai) gây mất mát công suất, tuy nhiên khi động cơ điện được tích hợp bên trong các bánh xe thì khối lượng không treo sẽ gia tăng và làm giảm hiệu suất truyền động Từ những phân tích trên ta thấy việc bố trí mỗi bánh xe một động cơ điện sẽ có những thuận lợi, như việc kiểm soát lực kéo sẽ dễ dàng hơn và khi đó xe dẫn động bốn bánh cho phép tạo ra lực kéo tiếp tuyến lớn hơn, cho phép sử dụng sàn xe thấp hơn Tuy nhiên xe lai truyền động nối tiếp lại không phù hợp khi chạy trên xa lộ do quá trình biến đổi năng lượng phức tạp qua nhiều giai đoạn, nhưng khi chạy trong thành phố nó có thể đạt hiệu suất cao nhờ quá trình điều khiển chính xác Do đó hệ thống truyền động nối tiếp được dùng nhiều trên xe tải nặng, xe khách Xe quân sự cũng sử dụng hệ thống truyền động này

Các phương thức điều khiển đối với cả hai cấu hình truyền động là những yếu tố quyết định đáng kể đến sự hoạt động của ô tô lai Sự thay đổi cách thức điều khiển sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải của xe Hiện nay cấu hình truyền động song song được sử dụng phổ biến hơn, xe sử dụng cấu hình truyền động song song hoạt động cũng gần giống với các kiểu xe truyền thống hơn so với xe sử dụng cấu hình truyền động nối tiếp, vì thế người tiêu dùng dễ dàng chấp nhận hơn Mặt khác khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe dùng cấu hình truyền động song song cũng vượt trội hơn so với kiểu truyền động nối tiếp (cao hơn 4%)

Ngoài ra ở kiểu truyền động song song, động cơ đốt trong được nối trực tiếp bánh

xe nên không bị mất mát năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ cơ năng sang điện năng và ngược lại Do đó xe lai truyền động song song thích hợp cho cả xe lớn và xe nhỏ

3 Truyền động kết hợp

Hệ thống truyền động kết hợp là sự kết hợp những đặc điểm tối ưu nhất của hai cấu hình nối tiếp và song song Ở hệ thống này trang bị thêm bộ phân phối cơng suất đĩ là bộ bánh răng hành tinh

Bộ bánh răng hành tinh dùng để nối giữa động cơ điện và động cơ đốt trong Động

cơ điện thứ nhất (MG1) đĩng vai trị như là máy phát điện và được nối với bánh răng mặt trời, cịn động cơ đốt trong thì được nối với cần dẫn bộ bánh răng hành tinh và cuối cùng

là động cơ điện thứ hai (MG2) đĩng vai trị như là động cơ dẫn động và được nối với bánh răng bao Máy phát được dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ đốt trong, trong khi mơ-tơ dẫn động cĩ nhiệm vụ điều chỉnh momen xoắn của nĩ Chính vì thế điểm hoạt động của động cơ đốt trong cĩ thể được thay đổi một cách liên tục bởi các động cơ điện

Bộ bánh răng hành tinh cùng với hai động cơ điện làm việc như là hộp số vơ cấp, tốc độ

và momen cĩ thể thay đổi một cách liên tục Đĩ chính là điểm khác biệt giữa hộp số thường với hộp số vơ cấp

Nhược điểm của hệ thống này là máy phát phải được thiết kế sao cho đáp ứng được momen xoắn lớn nhất của động cơ Một nhược đểm khác là nếu máy phát hay hệ thống điều khiển hoạt động sai chức năng thì xe sẽ khơng thể chạy được, trong trường hợp này đối với xe dẫn động kiểu song song thì xe vẫn cĩ thể chạy được bởi động cơ đốt trong

Vi sai

Động cơ

đốt trong

Sơ đồ truyền động kết hợp