Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe lai

Khi so sánh với những mẫu xe truyền thống, những thế hệ xe lai tân tiến được cấu thành từ nhiều bộ phận sử dụng điện như động cơ điện, các linh kiện điện tử công suất, hộp số tự động vô

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN

LỰC TRÊN XE LAI

S K L 0 0 4 5 7 1

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

GVHD: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG SVTH : BÙI THIỆN VƯƠNG 12145229

VÕ KHẮC ÐIỀU 12147295 NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN XE LAI

SVTH : BÙI THIỆN VƯƠNG

VÕ KHẮC ĐIỀU MSSV : 12145229

12147295 Khoá : 2012-2016 Ngành : CNKT-ÔTÔ GVHD: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HC

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN XE LAI

SVTH : BÙI THIỆN VƯƠNG

VÕ KHẮC ĐIỀU MSSV : 12145229

12147295 Khoá : 2012-2016 Ngành : CNKT-ÔTÔ GVHD: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG ĐT: 0935705017

1.Tên đề tài: MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN XE LAI

2.Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3.Nội dung thực hiện đề tài:

4.Sản phẩm:

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: BÙI THIỆN VƯƠNG MSSV: 12145229

VÕ KHẮC ĐIỀU 12147295

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Tên đề tài: MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN XE LAI Họ và tên Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

MSSV:

MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghi ̣ cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

LỜI CẢM ƠN

Qua 4 năm học tập và rèn luyện tại trường Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô, đặc biệt là quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực và khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao đã truyền đạt cho chúng em nhiều lý thuyết chuyên môn và kiến thức thực tế trong suốt thời gian học ở trường

Trong thời gian thực tập tại các xưởng dịch vụ ô tô, chúng em đã có cơ hội áp dụng những kiến thức học ở trường vào thực tế, đồng thời học hỏi được nhiều kinh nghiệm từ các đàn anh đi trước Song song với đó, chúng em đã hợp tác học tập và rèn luyện kỹ năng sử dụng phần mềm mô phỏng cho việc nghiên cứu đồ án và đã đạt một

số thành quả nhất định

Từ những kết quả đạt được này, chúng em xin chân thành cám ơn:

* Quý thầy cô trong khoa Cơ Khí Động Lực và khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao, đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức bổ ích trong thời gian qua Đặc biệt, là thầy Nguyễn Văn Trạng đã tận tình hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt báo cáo tốt nghiệp này

* Ban Gíam Hiệu nhà trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để chúng em có được một môi trường học tập thật tốt

* Tập thể lớp 12145CLC đã dành cho chúng em nhiều tình cảm trìu mến, tạo điều kiện tinh thần, khích lệ, động viên chúng em khi gặp khó khăn trong 4 năm đại học

Do kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót trong cách diễn đạt và trình bày Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và Ban Giám Hiệu, các anh chị đi trước và các bạn để báo cáo tốt nghiệp đạt được kết quả tốt hơn

Sinh viên thực hiện đề tài:

Bùi Thiện Vương

Võ Khắc Điều

MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp i

Phiếu nhận xét của giảng viên hướng dẫn ii

Phiếu nhận xét của giảng viên phản biện iii

Lời cảm ơn iv

Danh mục từ viết tắt vii

Danh mục bảng biểu viii

Danh mục hình ảnh ix

Chương I: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Sự phát triển của xe máy 2 bánh Hybrid và tình hình nghiên cứu hiện nay 3

1.3 Mục tiêu của đề tài 7

1.4 Phương pháp nghiên cứu 7

1.5 Các nội dung chính của đề tài 7

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Tổng quan về ô nhiễm không khí do thực trạng giao thông vận tải ở Việt Nam 9

2.1.1 Thực trạng 9

2.1.2 Một số biện pháp giải quyết vấn đề về môi trường 11

2.2 Tổng quan về xe lai 12

2.2.1 Khái niệm cơ bản về xe lai 12

2.2.2 Đặc điểm cơ bản của xe lai 12

2.3 Hệ thống truyền lực trên xe lai 13

2.3.1 Các bộ phận trong hệ thống truyền lực trên xe lai 13

2.3.1.1 Hệ thống lưu trữ năng lượng điện (ESS) 14

2.3.1.2 Bộ truyền lực 14

2.3.1.3 Động cơ điện 14

2.3.1.4 Các mô-đun điện tử công suất 15

2.3.2 Cấu hình truyền lực trên xe lai 15

2.3.2.1 Cấu hình truyền lực kiểu nối tiếp trên xe lai 15

2.3.2.2 Cấu hình truyền lực kiểu song song trên xe lai 19

2.3.2.3 Cấu hình truyền lực kiểu hỗn hợp nối tiếp-song song 21

2.4 Hệ thống truyền lực trên xe tay ga 22

2.4.1 Cấu tạo chung, nguyên lý hoạt động và các chế độ hoạt động của hệ thống truyền lực trên xe tay ga 23

2.4.2 Xác định tỷ số truyền của hộp số CVT 26

2.5 Động cơ điện một chiều dùng trên xe cải tiến 27

2.5.1 Giới thiệu động cơ điện một chiều không chổi than 27

2.5.2.Động cơ điện tích hợp trong bánh xe( Wheel –hub Motor) 36

2.6 Thiết bị lưu trữ năng lượng điện 32

2.6.1 Sơ lược về các thiết bị lưu trữ năng lượng điện 32

2.6.2 Tổng quan về chỉ số SOC, DoD 34

Chương III: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN XE LAI SỬ DỤNG MATLAB/ SIMULINK 36

3.1 Chu trình chạy thử và vai trò của nó trong mô phỏng 36

3.2 Xây dựng mô hình toán 37

3.3 Mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai trên công cụ Matlab/Simulink 40

3.3.1 Mô phỏng vận tốc đầu vào của xe 40

3.3.2 Mô phỏng cơ học chuyển động thẳng của xe 41

3.3.3 Mô phỏng sự truyền công suất qua truyền lực cuối, ly hợp, hộp số CVT 46

3.3.4 Mô phỏng tính toán tiêu hao nhiên liệu 51

3.3.5 Mô phỏng thuật toán điều khiển của bộ phân phối công suất 55

3.3.6 Mô phỏng công suất động cơ điện 59

3.4 Kết quả mô phỏng và nhận xét 62

3.4.1 Kết quả mô phỏng cơ học chuyển động thẳng của xe 62

3.4.2 Kết quả mô phỏng khối truyền lực từ động cơ đến bánh xe 68

3.4.3 Kết quả mô phỏng bộ phân phối công suất 69

3.4.4 Kết quả mô phỏng chế độ nạp- xả của ắc quy 73

Chương IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

4.1 Kết luận 75

4.1.1 Những mục tiêu đã đạt được của đề tài 75

4.1.2 Những mặt hạn chế của đề tài 76

4.2 Hướng phát triển 76

PHỤ LỤC 77

NGUỒN TRÍCH DẪN TÀI LIỆU 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HEV: (Hybrid Electric Vehicle) xe lai xăng điện

HEM: (Hybrid Electric Motorcycle) xe gắn máy lai

PHEV: (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) xe lai xăng điện có thể cắm sạc

BEV: (Battery Electric Vehicle) xe điện sử dụng pin

CVT: (Continuously Variable Transmission) hộp số tự động biến thiên vô cấp tỉ số

truyền

ECT: (Electronic Control Transmission) hộp số tự động điều khiển điện tử

ADVISOR: (ADvanced VehIcle SimulatOR) công cụ mô phỏng xe ô tô chạy trên

ICE: (Internal Combustion Engine) động cơ đốt trong

SOC: (State of Charge) chỉ số % dung lượng ắc quy tức thời

DoC: ( Depth of Discharge) chỉ số % dung lượng điện đã phóng của ắc quy

AWD: (All-Wheel-Drive) dẫn động bốn bánh toàn thời gian

AC: (Alternating Current) dòng điện xoay chiều

DC: (Direct Current) dòng điện 1 chiều

ESS: (Electric Storage System) hệ thống dự trữ năng lượng điện

BLDC: ( Brushless Direct Current electric motor) động cơ điện một chiều không chổi

than

BSFC: (Brake Specific Fuel Consumption) phương pháp đo suất tiêu hao nhiên liệu

sử dụng lực phanh của thiết bị đo

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

2.1 Các thông số tính toán tỷ số truyền trên xe tay ga 26

2.2 Thông số kỹ thuật động cơ điện BLW-16B

3.2 Hiệu suất bộ truyền CVT ứng với tốc độ góc của

bu-ly chủ động và momen xoắn ở bu-bu-ly bị động

47

3.3 Tỉ số truyền bộ truyền CVT ứng với từng vận tốc 48

3.4 Thông số suất tiêu hao nhiên liệu ge(g/kW.h) trích từ

bản đồ BSFC

52

3.7 Giá trị dòng điện qua động cơ điện theo momen 60

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

1.1 Cấu hình song song trên xe lai ba bánh Piaggio Mp3 4

1.3 Mẫu xe 2 bánh Hybrid BMW R1200GS LC với một motor điện

2.11 Dây đai truyền động bằng cao su trong hộp số CVT trên xe tay 24 2.12 Hai khốiPuli trên hệ thống truyền lực xe tay 24 2.13 Gọi tên các bộ phận của CVT sử dụng trên xe tay ga 25

3.2 Sơ đồ truyền lực đơn giản 1 dòng công suất trên xe chưa cải

tiến

37

3.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số cản lăn tĩnh và động

3.11 Sơ đồ khối mô phỏng hệ số cản lăn phụ thuộc vào tốc độ và độ

cứng của lốp

44 3.12 Sự phụ thuộc của hệ số cản lăn theo vận tốc chuyển động 44

3.14 Tín hiệu mô phỏng góc dốc theo thời gian 45 3.15 Sơ đồ khối tính toán các giá trị công suất kéo, momen kéo và

3.18 Đồ thị biểu diễn hiệu suất bộ truyền CVT theo số vòng quay của

bu-ly chủ động và momen xoắn tại bu-ly bị động

48

3.19 Sơ đồ khối mô phỏng hiệu suất bộ truyền CVT 49 3.20 Sơ đồ khối mô phỏng ly hợp cho tốc độ góc của bu-ly bị động 49 3.21 Sơ đồ khối mô phỏng ly hợp cho momen xoắn ở bu-ly chủ

động

50

3.24 Sơ đồ khối mô phỏng tiêu hao nhiên liệu xe nền 53 3.25 Sơ đồ khối mô phỏng tiêu hao nhiên liệu xe lai 54 3.26 Sơ đồ khối tính toán nhiên liệu theo quãng đường 54 3.27 Thuật toán điều khiển bộ phân phối công suất 55 3.28 Sơ đồ dòng công suất trên mô hình xe lai 55

3.29 Khối mô phỏng bộ phân phối công suất 56 3.30 Sơ đồ khối mô phỏng bộ phân phối công suất 57 3.31 Sơ đồi khối mô phỏng xác định Peff min, max 57 3.32 Sơ đồ khối mô phỏng bật- tắt chế độ sạc 59

3.34 Sơ đồ khối mô phỏng nội suy dòng điện qua động cơ điện 60 3.35 Sơ đồ khối mô phỏng thuật toán duy trì chỉ số SOC 61 3.36 Sơ đồ khối xác định chỉ số SOC ở chế độ sạc 62 3.37 Sơ đồ khối xác định chỉ số SOC khi phóng điện 62

3.45 Công suất kéo tại bánh xe của xe nền và xe lai 67

3.46 Giá trị momen kéo tại bánh xe của xe nền và xe lai chưa thiết

lập

68

3.47 Biến thiên tỉ số truyền và hiệu suất của bộ truyền CVT 68 3.48 Giá trị công suất kéo tại bánh xe của xe nền và xe lai 69 3.49 Giá trị công suất động cơ xe nền và xe lai 70 3.50 Giá trị momen xoắn động cơ trên ở các phiên bản xe 71 3.51 Suất tiêu hao nhiên liệu trong quá trình mô phỏng 73

Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trong giai đoạn những thập niên đầu của thế kỷ 21, nhân loại đang bước vào một thời kỳ phát triển vượt bậc của khoa học- kỹ thuật- công nghệ ứng dụng nhằm trợ giúp đắc lực cho cuộc sống hiện đại Tuy nhiên, trên đà phát triển đó, con người

đã và đang phải đối mặt với những vấn đề nghiêm trọng mang tính toàn cầu, trong đó tình trạng ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt tài nguyên năng lượng là hai mối lo ngại hàng đầu Để giải quyết hai vấn đề toàn cầu này, trong nhiều năm trở lại đây, nền khoa học- công nghệ trên thế giới có những bước phát triển rất to lớn, tạo ra một xu hướng chung tích cực cho việc tìm tòi, nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới trong hầu hết tất cả các ngành nghề, lĩnh vực, đặc biệt công nghệ kỹ thuật ô tô- mô tô là một trong những ngành phản ánh rõ rệt nhất Trong số những điểm nhấn quan trọng của quá trình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ mới trên ô tô- mô tô, việc cho ra đời những chiếc xe lai (HV – Hybrid Vehicle, xe được kết hợp từ hai nguồn năng lượng) được xem như một cuộc cách mạng, mở ra một định hướng mới cho việc chế tạo những mẫu xe cho thế hệ tương lai mà vẫn đảm bảo được ba tiêu chí quan trọng, đó là: hiệu suất cao, ít tiêu hao nhiên liệu và giảm lượng khí xả độc hại thải ra môi trường

Các quốc gia có nền công nghiệp ô tô phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Ấn Độ… đã và đang có các chính sách hỗ trợ phát triển mạnh mẽ

để cạnh tranh và khẳng định vị thế của mình trong lĩnh vực xe lai so với thế giới; nổi bật nhất có thể nhắc đến dòng xe lai Prius của Toyota (Nhật Bản) là mẫu Hybrid thành công nhất với doanh số đạt trên 1.3 triệu chiếc trong năm 2013 [1] Có thể nói công việc nghiên cứu, chế tạo, cải tiến những mẫu xe lai (xe lai) đang là một xu hướng chung không chỉ ở những nước phát triển mà cả ở những nước đang phát triển, trong

đó có Việt Nam

Khi so sánh với những mẫu xe truyền thống, những thế hệ xe lai tân tiến được cấu thành từ nhiều bộ phận sử dụng điện như động cơ điện, các linh kiện điện tử công suất, hộp số tự động vô cấp điều khiển bằng điện tử (CVT)…Càng về sau, các thiết

bị dự trữ năng lượng và chuyển đổi năng lượng cũng được nghiên cứu, cải tiến như công nghệ pin điện áp cao Li-ion, siêu tụ điện, công nghệ pin nhiên liệu… Ngoài những thành phần sử dụng điện và các hệ thống phụ trợ khác, động cơ đốt trong truyền thống và hệ thống thủy khí trên xe cũng cần được thay đổi cho phù hợp với các thiết bị mới Những tương tác động học giữa các phần tử và các đặc tính đa dạng của chúng tạo ra không ít khó khăn trong quá trình nghiên cứu những mẫu thiết kế mới của xe lai Mỗi một thông số thiết kế phải được chọn lựa kỹ lưỡng để đáp ứng

tính kinh tế nhiên liệu, nâng cao sự an toàn và chắc chắn, khả năng lái đặc biệt, hiệu suất cơ giới cao

Kiểm tra và đánh giá phiên bản đầu tiên của mỗi mẫu xe lai mới được thiết kế bao gồm công việc kết hợp những bộ phận cấu thành, chiếm nhiều không gian cũng như phải sử dụng nhiều trang thiết bị đặc biệt, hơn nữa chi phí lắp ráp rất đắt và tốn nhiều thời gian Từ đó có thể nói rằng, mô hình hóa mẫu thiết kế và mô phỏng chúng

là một công việc không thể thiếu khi đánh giá hay nghiên cứu về các mẫu xe lai Điều này là đặc biệt quan trọng trong tính toán và thiết kế hệ thống truyền lực cho xe lai Môi trường mô hình hóa và mô phỏng không những được thực hiện theo các hệ thống hiện có trên xe thực tế mà còn còn có thể thay thê các phần mềm nhúng, chẳng hạn như phần mềm mô phỏng cánh bướm ga điện tử ETC là một ví dụ Rõ ràng rằng công việc chẩn đoán một cách hiệu quả cũng là một thách thức không nhỏ Từ đó mô hình

mô phỏng đóng một vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán cũng như điều khiển các

bộ phận cấu thành, hay nói một cách khác, mô phỏng hệ thống truyền lực đóng vai trò then chốt trong việc cải tạo hay thiết kế bất kì một mẫu xe lai nào [2]

Trong những năm gần đây, việc mô phỏng các hệ thống của xe lai đã đạt nhiều kết quả Một trong những công cụ mô phỏng nổi tiếng dành cho xe lai là ADVISOR, một công cụ chạy trên nền MATLAB/ Simulink, được phát triển bởi Phòng Thí Nghiệm Năng Lượng Tái Tạo Quốc Tế vào năm 2007 ADVISOR sử dụng các bản

đồ hiệu quả và các thành phần cấu thành để dự đoán hiệu quả của tất cả các mẫu xe lai Tuy nhiên đến thời điểm này thì ADVISOR đã trở nên lạc hậu Sau thế hệ đó, môi trường MATLAB / Simulink được cải tiến hơn nữa, lý tưởng cho việc mô phỏng số hóa hoạt động của các phương tiện lai Ngày nay, các công việc mô phỏng ban đầu được mở rộng bằng cách giới thiệu một thuật toán dựa trên công cụ MATLAB/ Simulink/ Stateflow để kiểm soát quản lý năng lượng cũng như mô phỏng hệ thống truyền lực của ba cấu hình: song song, nối tiếp và kết hợp Những cấu hình này được điều khiển thông qua các chu kỳ lái xe khác nhau Kết quả sau đó được so sánh từ tiêu chí tiêu thụ nhiên liệu và tối ưu hóa năng lượng [3]

Để nắm bắt được khuynh hướng phát triển công nghệ xe lai trong thời gian tới cần phải kết hợp thực tế khách quan tại Việt Nam, một đất nước có số lượng xe máy càng tăng và cũng là nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm môi trường không khí xung quanh Xoay quanh vấn đề này có nhiều vấn đề được đặt ra, tuy nhiên, dưới góc nhìn của một sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô, chúng em đã tự đặt ra câu hỏi:“ Tại sao chúng ta không bắt đầu nghiên cứu về xe lai theo khuynh hướng ứng dụng ngay

từ lúc này ?!” Từ đó, đề tài “Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe lai” được chúng em chọn làm đồ án tốt nghiệp nhằm góp một phần nhỏ tạo cơ sở cho

việc phát triển ý tưởng về các phương tiện lai tại Việt Nam sau này, đặc biệt là xe gắn máy Bên cạnh đó, việc nghiên cứu đề tài không những bổ sung thêm nguồn tài liệu tham khảo, giúp sinh viên tiếp cận được các công nghệ tiên tiến hiện nay về hệ thống truyền lực trên xe lai mà còn có cơ hội ứng dụng thực tế, nâng cao khả năng vận dụng

và tự kiểm tra kiến thức chuyên môn Hơn nữa, việc sử dụng môi trường mô phỏng MATLAB/ Simulink còn rèn luyện cho sinh viên kỹ năng tìm tòi, ứng dụng phần mềm chuyên biệt vào trong học tập- nghiên cứu, giúp sinh viên bắt kịp với trình độ khoa học- kỹ thuật ứng dụng tiên tiến ở các nước phát triển

Do phần lớn người tiêu dùng hiện nay chọn xe tay ga thay vì xe số như trước đây, vì vậy chúng em chọn mô hình xe gắn máy Honda Lead đã được thiết kế thành

xe lai để thực hiện mô hình hoá và mô phỏng các đặc tính của hệ thống truyền lực, từ

đó có những so sánh, đối chiếu kết quả thực hiện với các tiêu theo chí yêu cầu khi tính toán, thiết kế và cải tiến xe lai

1.2 Sự phát triển của xe máy 2 bánh Hybrid và tình hình nghiên cứu hiện nay

Theo một báo cáo tóm tắt kỹ thuật được viết vào tháng 7/ 2015 về một chuỗi các xu hướng công nghệ trên phương tiện chuyên chở hành khách tại Mỹ bởi tác giả John German thuộc Hội đồng Quốc tế về Các phương tiện Vận chuyển không gây hại môi trường, định hướng phát triển các công nghệ trên xe lai chủ yếu tập trung vào nghiên cứu pin điện áp cao Li-Ion hiệu suất cao, song song với đó là phát triển thiết

kế P2 Hybrid (Parallel Hybrid with 2 Clutches)- là mô hình Hybrid với kiểu truyền lực song song sử dụng 2 ly hợp Thực tế hầu như những công trình nghiên cứu vẫn dành cho xe ô tô là chủ yếu, còn đối với xe máy vẫn còn khá ít Tuy nhiên ý tưởng về một chiếc xe gắn máy lai không phải là không có, đặc biệt là tại Việt Nam Từ những năm đầu của thập niên 40-50, người Pháp đã xuất khẩu sang Việt Nam những mẫu

xe lai 2 bánh đầu tiên Những chiếc xe đó là sự kết hợp giữa xe đạp thuần túy và một động cơ đốt trong 2 thì, nổi tiếng tại Sài Gòn thời bấy giờ có thể kể đến xe Mobylette của hãng Motobecane, xe Velo Solex của hãng Solex, xe Peugeot,… tất cả đều đến

từ Pháp hay hiếm hơn là xe Goebel của hãng Sachs đến từ Đức Tuy thời điểm đó công nghệ sản xuất còn thô sơ, nhưng những chiếc xe 2 bánh với 2 nguồn động lực

đó là tiền đề cho ý tưởng về xe mô-tô 2 bánh lai sau này

Bước vào thập niên 2000, Honda là hãng đi tiên phong trong việc áp dụng công nghệ Hybrid lên xe hai bánh bằng việc giới thiệu mẫu xe máy Hybrid đầu tiên vào tháng 8 năm 2004 Sản phẩm của Honda là một chiếc xe kết hợp hoạt động của một động cơ phun xăng điện tử 50cc và một động cơ điện xoay chiều sử dụng ắc quy Niken-Hydro[4] Vào khoảng năm 2010, tập đoàn sản xuất xe mô-tô Piaggio của Ý

đã giới thiệu ra thị trường một mẫu xe gắn máy 3 bánh lai có tên Mp3 Hybrid 300ie[5]

Hình 1.1: Cấu hình song song trên xe lai ba bánh Piaggio Mp3 Hybrid 300ie

Là một chiếc xe tay ga đầu tiên kết hợp những ưu điểm của một động cơ điện được lắp ở bánh sau với động cơ xăng 300cc tiên tiến, Piaggio Mp3 Hybrid 300ie đạt được công suất cao hơn, với khả năng tải và tăng tốc tương đương với một chiếc xe tay ga chỉ sử dụng động cơ xăng 400cc (số liệu tính toán ở mức 65% nguồn động lực sinh

ra trong chế độ Hybrid và 35% trong chế độ chạy điện) Bên cạnh đó, bằng việc sử dụng cấu hình lai song song, chiếc xe vẫn đáp ứng được các chức năng tiện nghi trên đường mà không làm mất đi những ưu điểm của công nghệ Plug-In Hybrid mang lại, trong đó nổi bật nhất là có thể giảm hơn 50% mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải CO2( tiêu hao nhiên liệu đạt mức 60 km/lít xăng và lượng khí CO2 thải ra là 40g/km khi thử nghiệm với chu trình chạy 65% trong chế độ Hybrid và 35% chạy điện) [6] Trong cấu hình truyền lực kiểu song song này, cả động cơ đốt trong và động

cơ điện đều có thể cùng lúc truyền công suất cho bánh xe sau, năng lượng dưới dạng động năng được lưu trữ qua quá trình phanh tái tạo Mẫu xe này có thể chạy ở chế độ chỉ sử dụng mô-tơ điện khi tải nhỏ nhưng không có chế độ chỉ chạy bằng động cơ nhiệt, mà thay vào đó là chế độ song song sử dụng cả 2 động cơ cho hiệu suất cao hơn, lên đến 85% và tiết kiệm nhiên liệu hơn [7]

Ngoài ra, hãng xe Piaggio còn áp dụng công nghệ ti vi Ride-by-Wire có thể kiểm soát

độ mở cánh bướm ga của động cơ đốt trong nhằm tối ưu hóa tính kinh tế nhiên liệu cũng như hạn chế khí thải Bên cạnh đó, công nghệ pin Lithium-Ion sử dụng trên xe

ô tô lai cũng được áp dụng trên mẫu xe này, với các ưu điểm như tuổi thọ cao, có dung lượng và khối lượng nhỏ, giảm được khối lượng tổng thể của xe Hơn nữa, vì đây là mẫu xe lai sử dụng thiết bị dự trữ năng lượng điện có thể cắm sạc, do đó chi phí cho pin có thể giảm đi và có khả năng sử dụng các nguồn năng lượng khác để sạc pin, ví dụ như trạm sạc pin với nguồn điện từ năng lượng mặt trời

Hình 1.2: Mẫu xe lai Piaggio Mp3 Hybrid 300ie

Ngoài các mẫu xe dân dụng, công nghệ Hybrid cho xe mô-tô thể thao cũng đã được chú ý Điển hình là mẫu xe mô tô 2 bánh được các chuyên gia ở bộ phận phụ tùng sau bán hàng của hãng BMW-Wunderlich độ lại: chiếc BMW R1200GS LC 2 bánh sử dụng cấu hình truyền động Hybrid với 1 mô tơ điện, được phát triển bởi các chuyên gia của công ty Evolt- một công ty chuyên về điện và các sản phẩm về điện

ở Ý BMW R1200GS LC mang một động cơ điện 10 kW trên bánh trước của nó, ngoài ra còn có một động cơ xăng 2 piston đối đỉnh dung tích 1200cc Động cơ điện khi hoạt động một mình có thể giúp xe đạt được vận tốc tối đa là 12mph (tương đương

19.2 km/h) Bên cạnh đó, động cơ điện cũng có chức năng phanh tái tạo, nguồn năng lượng này dùng vào việc nạp điện lại cho pin điện áp cao Khi hoạt động ở công suất cao, động cơ điện sẽ nhận nguồn năng lượng từ pin điện áp cao và chiếc xe sẽ được vận hành dưới dạng 2 bánh chủ động( 2WD) Ưu điểm của hệ thống 2WD này thể hiện vượt trội khi đi vào đường lầy lội, bánh trước chủ động có thể giúp kéo chiếc xe

ra khỏi vũng lầy cũng như giúp chiếc xe di chuyển theo đúng hướng mong muốn và tăng thêm lực bám khi bị trượt [8]

1.3 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền lực trên xe lai

- Tìm hiểu được cấu tạo, ưu nhược điểm và phân loại các cấu hình truyền động như kiểu nối tiếp, song song và kiểu kết hợp

- Xây dựng được công thức quan hệ về tỷ số truyền, momen, công suất của bộ phân phối công suất trên xe lai

- Mô hình hoá và mô phỏng khái quát với dữ liệu là các thông số đầu vào cần thiết cho việc đánh giá công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí xả trên nền xe máy Honda Lead

- So sánh kết quả mô phỏng với xe nguyên bản để đối chiếu kết quả đạt được

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập giáo trình, tài liệu nghiên cứu, bài báo khoa học về chuyên đề phương tiện Hybrid để cũng cố thêm kiến thức thực hiện đề tài

Hình 1.3: Mẫu xe 2 bánh Hybrid BMW R1200GS LC

với một motor điện ở bánh trước

- Sử dụng môi trường MATLAB/Simulink mô phỏng cơ bản hệ thống truyền lực

- Thu thập các dữ liệu đầu vào thực tế từ mô hình xe máy Honda Lead để thực hiện

mô phỏng bằng MATLAB/Simulink, từ đó rút ra các kết luận và nhận xét

- So sánh, đối chiếu với các công trình nghiên cứu thực tế trên xe ô tô lai đã được công bố trước đây

1.5 Các nội dung chính của đề tài

Chương I: Tổng quan

Chương này trình bày lý do chọn đề tài và nêu lên vai trò của việc xây dựng một mô hình

mô phỏng khi thiết kế hay cải tiến một chiếc xe hai bánh lai, song song với đó là việc tìm hiểu tình hình phát triển của các loại xe máy hai bánh lai và đưa ra mục tiêu cua đề tài cũng như phương pháp nghiên cứu Chương I được phân thành các nội dung sau đây:

1.1 Đặt vấn đề

1.2 Sự phát triển của xe máy 2 bánh Hybrid và tình hình nghiên cứu hiện nay

1.3 Mục tiêu của đề tài

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.5 Các nội dung chính của đề tài

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Phần đầu chương này nêu lên thực trạng ô nhiểm do các phương tiện giao thông gây ra trên

cả nước và đưa ra một số biện pháp để giải quyết vấn đề ô nhiễm Sau đó, nội dung của chương nêu lên các lý thuyết tổng quát về xe lai, các loại cấu hình truyền động được sử dụng trên xe lai và

hệ thống truyền lực trên xe máy tay ga Phần cuối chương cung cấp cơ sở lý thuyết về hai bộ phận được thêm vào mô hình xe lai thực tế là động cơ điện và thiết bị dự trữ năng lượng điện Cấu trúc của chương II được sắp xếp như sau:

2.1 Tổng quan về ô nhiễm không khí do thực trạng giao thông vận tải ở Việt Nam 2.2 Tổng quan về xe lai

2.3 Hệ thống truyền lực trên xe lai

2.4 Hệ thống truyền lực trên xe tay ga

2.5 Động cơ điện một chiều dùng trên xe cải tiến

2.6 Thiết bị lưu trữ năng lượng điện

Chương III: Mô phỏng hệ thống truyền lực trên xe lai, sử dụng MATLAB/ Simulink

Nội dung chương này nêu lên vai trò của chu trình chạy thử trong mô phỏng, sau đó xây dựng mô hình toán cho hệ thống truyền lực xe hai bánh lai và thực hiện tính toán, mô phỏng bằng công cụ MATLAB/ Simulink Phần cuối chương trình bày kết quả mô phỏng dưới dạng các đồ thị theo thời gian và giải thích, bàn luận kết quả đạt được Nội dung chương III được sắp xếp như sau:

3.1 Chu trình chạy thử và vai trò của nó trong mô phỏng

3.2 Xây dựng mô hình toán

3.3 Mô phỏng hệ thống truyền lực xe lai trên công cụ Matlab/Simulink

3.4 Kết quả mô phỏng và nhận xét

Chương IV: Kết luận và đề nghị

Chương này đánh giá khách quan kết quả đạt được của đề tài nhằm đề xuất cải tiến mô hình xe lai hai bánh trong thời gian tới Nội dung chương IV này gồm có hai phần:

4.1 Kết luận

4.2 Kiến nghị

Hình 2.1: Tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm do các

nguồn thải chính tại Tp Hồ Chí Minh năm 2004

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về ô nhiễm không khí do thực trạng giao thông vận tải ở Việt Nam

CO, NOx, SOx…vào môi trường không khí Hình 2.1 cho thấy tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm do các nguồn thải chính tại Tp Hồ Chí Minh năm 2004 Theo số liệu từ Cục Đăng kiểm Việt Nam, thời gian trước năm 2010, cả nước có khoảng 20 triệu mô tô và xe máy, năm 2010 đã tăng lên khoảng 24 triệu xe và đến năm 2015, dự báo lượng xe máy lưu hành trong cả nước khoảng 31 triệu

xe Lượng khí thải, bụi… gây ô nhiễm cũng tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển về số lượng của các phương tiện giao thông đường bộ Việc gia tăng số lượng ô tô, xe máy mỗi năm tăng lượng phát thải các phần tử CO lên 18%, SOx là 24%, NOx lên tới 90% Hàng ngày, chỉ cần một nửa số phương tiện giao thông hoạt động cũng đã xả ra môi trường một lượng lớn các khí độc hại, trong

đó có nhiều thành phần gây nên hiệu ứng nhà kính và gây hại cho sức khỏe con người Cụ thể, nồng

độ bụi trong không khí ở các thành phố của cả nước như Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh Hải Phòng,

Đà Nẵng…tại các nút giao thông cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 – 5 lần; nồng độ khí CO, NOx trung bình ngày ở một số nút giao thông lớn đã vượt tiêu chuẩn cho phép từ 1,2 – 1,5 lần Theo khảo sát chỉ số chất lượng không khí AQI (Air Quality Index) đo được ở

Hà Nội là 152, vào giờ cao điểm là 156; tại Nha Trang là 61, kết quả quan trắc cho

thấy chỉ số AQI ở hai thành phố này cao hơn mức giới hạn được coi là an toàn đối với sức khỏe con người (AQI từ 0 – 50) [9]

Sự phát thải của các phương tiên xe cơ giới không chỉ phụ thuộc vào số lượng

mà còn phụ thuộc vào chất lượng các loại xe Đối với các phương tiện như xe ô tô,

xe máy qua nhiều năm sử dụng có chất lượng thấp, hiệu quả sử dụng năng lượng thấp, nồng độ chất gây ô nhiễm và bụi trong khí xả cao… là nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng Trong đó, xe máy là nguồn đóng góp chính các loại khí ô nhiễm, đặc biệt là các khí thải CO,HC…Xe tải và xe khách là các loại xe thải nhiều NOx và PM Tại các khu dân cư, mức độ ô nhiễm thấp hơn từ 2 đến 3 lần so với các trục đường giao thông Tuy nhiên, đối với các khu dân cư nằm trong các đô thị lớn chịu ảnh hưởng rõ rệt của giao thông, mức độ ô nhiễm vẫn vượt nhiều lần ngưỡng cho phép quy chuẩn Việt Nam (QCVN), đáng kể như các điểm tại: Hà Nội, Tp.Hồ Chí Minh, Vĩnh Phúc, Bình Dương Ngược lại, ở các đô thị quy mô nhỏ và vừa, chất lượng không khí còn khá tốt [10]

Trước thực trạng đáng báo động về ô nhiễm không khí nêu trên, việc tìm ra những biện pháp giải quyết là điều tất yếu, cần phải giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường một cách nhanh chóng, dứt khoát và lâu dài Nghiên cứu và tìm ra các biện pháp khắc phục vấn nạn ô nhiễm môi trường là nhiệm vụ quan trọng của các ngành các cấp trên toàn quốc

2.1.2 Một số biện pháp giải quyết vấn đề về môi trường

Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường, để kiểm soát ô nhiễm từ hoạt động giao thông vận tải , từ năm 2005, Việt Nam đã áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với các

Hình 2.2: Tỷ lệ phát thải của các loại phương tiện giao thông tại Việt Nam

phương tiện giao thông cơ giới đường bộ Cho đến nay, hàng loạt các hoạt động nhằm kiểm soát ô nhiễm từ các phương tiện giao thông cũng đã được triển khai như: Thắt chặt mức tiêu chuẩn khí thải đối với xe cơ giới nhập khẩu đã qua sử dụng và các xe

cơ giới đang lưu hành trên cả nước; tăng cường kiểm soát khí thải lưu động trên đường; xây dựng 105 trạm đăng kiểm kiểm định xe ô tô trên cả nước; xây dựng Trung tâm thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ (NETC)… Giai đoạn 2011 – 2012, Thủ tướng Chính phủ dũng đã phê duyệt cho ngàng GTVT Đề án

về Kiểm soát khí thải mô tô, xe gắn máy tham gia giao thông tại các tỉnh, thành phố lớn Đề án đã góp phần không nhỏ vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ các hoạt động giao thông vận tải [11]

Ngoài việc thiết lập tiêu chuẩn khí thải cho các loại phương tiện giao thông đường bộ như đã kể trên còn có thể giảm ô nhiễm bằng các biện pháp:

+ Xây dựng quy hoạch tổng thể cần chú ý đến các vấn đề giao thông, các khu dân cư, các công viên cây xanh

+ Tăng cường phương tiện giao thông công cộng (xe buýt, xe điện trên không,

xe điện ngầm…) và các hình thức giao thông không gây ô nhiễm

+ Cải tạo, nâng cao chất lượng động cơ, áp dụng các công nghệ hiện đại vào các hệ thống của động cơ nhằm hạn chế phát thải ô nhiễm

+ Sử dụng các loại nhiên liệu mới, năng lượng mới hoặc kết hợp nhiều loại năng lượng ít gây ô nhiễm trong vận hành các phương tiện giao thông cơ giới Với đề tài này sẽ chú trọng vào mô phỏng trên máy tính xe Honda Lead 110 đã cải tiến thành xe lai Việc mô phỏng này chú trọng vào hệ thống truyền lực trên xe lai nhằm khảo sát, dự đoán về đặc tính và hiệu suất của hệ thống truyền lực ảnh hưởng đến công suất và hiệu suất của xe như thế nào, từ đó tạo tiền đề cho việc thiết kế, cải tiến thêm mô hình xe máy 2 bánh Hybrid phù hợp với tình hình thực tế của từng địa phương và điều kiện giao thông tại Việt Nam Thực tế rằng, đa số phương tiện tham gia giao thông ở nước ta là xe mô tô, xe gắn máy, vì thế việc nghiên cứu mô phỏng

để thiết kế hoàn hảo một chiếc xe máy lai trên nền một chiếc xe máy có sẵn là biện pháp hữu hiệu cho việc cắt giảm khí độc hại thải ra môi trường Bên cạnh đó, dựa vào kết quả mô phỏng, việc cải tạo xe máy có sẳn sẽ làm giảm giá thành sản phẩm cũng

như thu hút tính tò mò công nghệ của người sử dụng

2.2 Tổng quan về xe lai

2.2.1 Khái niệm cơ bản về xe lai

Xe lai điện (HEVs) là phương tiện sử dụng kết hợp 2 nguồn động lực là động cơ đốt trong

và mô-tơ điện tạo lực kéo Thông thường thì một chiếc xe bao gồm hai hoặc nhiều nguồn năng lượng từ các thiết bị dự trữ hoặc hai hay nhiều nguồn công suất có sẵn trên xe và bộ chuyển đổi

năng lượng Xe lai là một giải pháp nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm thiểu khí thải khi

so sánh với xe sử dụng động cơ xăng truyền thống Xe lai kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện tạo lực kéo sao cho hiệu quả nhất và tận dụng được hết các đặc tính mong đợi từ cả hai nguồn động lực trên Trên xe lai, động cơ đốt trong chủ yếu được sử dụng cho những trạng thái hoạt động

ổn định của xe (ví dụ như trạng thái duy trì tốc độ không đổi khi chạy trên đường cao tốc) trong khi nguồn công suất từ động cơ điện chủ yếu được sử dụng cho trạng thái hoạt động cần động lực lớn Dưới đây là một số ưu điểm mà xe lai mang lại:

- Trên xe sử dụng công nghệ phanh tái tạo năng lượng, là công nghệ mang tính đột phá, nâng cao hiệu quả làm việc của xe, là một ưu điểm vượt trội khi so sánh với các mẫu xe truyền thống

- Động cơ ít hoạt động ở chế độ cầm chừng và đạt hiệu quả ở các chế độ hoạt động khác dẫn đến tính kinh tế nhiên liệu tốt hơn

- Tính năng vận hành của xe tốt hơn bởi đặc tính truyền công suất của động cơ điện là phù hợp hơn với tải trọng mặt đường khi so sánh với các mẫu xe truyền thống

- Có tiềm năng giúp giảm thiểu khí thải gây hiệu ứng nhà kính

- Giảm thiểu được sự tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [12]

Những chiếc xe lai có thể được phân loại dựa trên cấu hình của bộ truyền lực như cấu hình truyền lực lai nối tiếp, cấu hình truyền lực lai song song, cấu hình truyền lực lai kết hợp nối tiếp- song song, cấu hình truyền lực lai phức tạp và cấu hình truyền lực lai với nguồn dự trữ năng lượng điện có thể cắm sạc

2.2.2 Đặc điểm cơ bản của xe lai

Về kết cấu, chủ yếu của xe sử dụng động cơ thông thường và xe lai tương tự như nhau, trong đó động cơ nổ ngoài việc cung cấp lực kéo cho xe còn làm quay một máy phát điện

(generator) để nạp (charge) cho bình điện (battery) Tuy nhiên xe lai còn có những đặc điểm sau:

- Máy phát điện đặc biệt có khả năng cung cấp một điện lượng lớn cho bình điện ngay cả khi động

- Động cơ điện cung cấp lực kéo cho xe ở tốc độ thấp và hỗ trợ động cơ nổ khi xe vượt dốc, tạo điều kiện cho xe có động cơ nhỏ tiêu thụ ít nhiên liệu có thể hoạt động bình thường

- Tự động tắt máy xe khi tạm dừng và cũng tự khởi động khi tăng ga, với mục đích tiết kiệm nhiên liệu

Về tổ hợp động cơ Hybrid có những ưu điểm sau:

- Tận dụng năng lượng khi phanh: Khi cần phanh xe hay giảm tốc độ, động cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện nạp cho ắc quy

- Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (xe lai tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với xe dùng động

cơ đốt trong thông thường)

- Động cơ điện được dùng khi tăng tốc hoặc hỗ trợ khi tải lớn nên động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ, vì vậy động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn

- Có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của xe Có thể chạy xa và mạnh mẽ được giống như những xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường

- Xe lai vẫn dùng nhiên liệu thông thường song song với năng lượng điện từ ắc quy nên người vận hành không phải lo việc nạp điện tiêu tốn nhiều thời gian

- Xe lai ít gây ô nhiễm hơn xe thông thường bởi vì động cơ điện không phát thải chất gây ô nhiễm, việc kết hợp còn giảm việc sử dụng nhiên liệu thông thường

Nhược điểm lớn nhất của xe lai của xe lai hiện nay là sự phức tạp trong sản xuất dẫn đến giá thành của một chiếc xe lai cao hơn so với một chiếc xe cùng loại nhưng về lâu dài thì xe lai được cho là tiết kiệm chi phí hơn Hiện nay các hãng xe lớn cũng đã quan tâm và tích cực đầu tư cho giải pháp này Nhất là sau cuộc khủng hoảng về giá nhiên liệu trong những năm gần đây [13]

2.3 Hệ thống truyền lực trên xe lai

2.3.1 Các bộ phận trong hệ thống truyền lực trên xe lai

Khác với các thế hệ xe truyền thống, hệ thống truyền lực trên xe lai ngày nay gồm có các

bộ phận cấu thành như sau: hệ thống dự trữ năng lượng điện (ESS ), động cơ điện và máy phát điện( Electric Motor and Generator), hệ thống truyền lực, các mô-đun điện tử điều khiển công suất (Power Electronics Modules ) như bộ chuyển đổi DC-DC, bộ đảo điện DC-AC Tất cả các bộ phận này giúp chiếc xe hoạt động dựa trên sự phối hợp tối ưu giữa hai nguồn năng lượng là động

Hình 2.3: Các bộ phận của hệ thống truyền lực trên xe lai

cơ đốt trong và động cơ điện Để lắp đặt các bộ phận này, cho chúng phổi hợp thành hệ thống Hybrid để làm việc với nhau từ đó nghiên cứu hiệu suất của hệ thống, cần thành lập mô hình giữa

chúng dựa trên những nguyên tắc vật lý hay những số liệu dùng kiểm tra thực tế [14]

2.3.1.1 Hệ thống lưu trữ năng lượng điện (ESS)

Đây là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống Hybrid ảnh hưởng trực

tiếp đến hiệu suất của xe Trong nhiều ứng dụng của hệ thống Hybrid, pin Hybrid cần phải có dung lượng cao, điện trở trong nhỏ, bền bỉ theo thời gian Tùy thuộc vào mục đích thiết kế, pin có dung lượng lớn và công suất lớn thường được trang bị cho xe lai ở các phiên bản đầu, trong khi xe lai có khả năng cắm sạc thì cần pin có dung lượng lớn hơn nữa Hệ thống lưu trữ năng lượng đang được nghiên cứu hiện nay là sự kết hợp giữa siêu tụ điện với pin có mật độ tích trữ năng lượng lớn Hệ thống lưu trữ năng lượng đang được sử dụng rộng rãi trên xe lai và xe thuần điện hiện nay là pin Lithium-Ion (Li-ion), với giá thành sản xuất đã được giảm đi đáng kể [15]

2.3.1.2 Bộ truyền lực

Một hệ thống Hybrid cần vài yêu cầu đặt biệt từ việc thiết kế bộ truyền lực Nói chung, bộ truyền lực Hybrid phải có khả năng kiểm soát được động cơ đốt trong, chể độ chạy điện độc lập và chế độ kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện Thực tế rằng, bộ truyền lực trên xe lai phải hỗ trợ cho các chức năng như stop- start, phanh tái tạo năng lượng, thay đổi phạm vi làm việc của động

cơ đốt trong; do đó, bộ truyền lực cũng cần phải có khả năng tự điều chỉnh các thông số của mình cho phù hợp với từng điều kiện thực tế khi lái xe Cũng cần nhấn mạnh rằng, một hệ thống Hybrid chủ yếu dựa vào bộ truyền lực để thực hiện tối ưu hóa công suất đối với nhiều loại chu trình chạy thử hơn là đối với một chu trình chạy thử cụ thể Tuy nhiên, thiết kế bộ truyền lực Hybrid vẫn gặp phải vài khó khăn như làm cách nào để giảm trọng lượng các bộ phận thêm vào, giảm kích thước

và giảm giá thành [16]

2.3.1.3 Động cơ điện

Dựa vào bản thiết kế kỹ thuật của xe lai, động cơ điện được sử dụng cho chế độ cần công suất cực đại, chế độ chia tải, hoặc chế độ chỉ cần một nguồn mô-men nhỏ trong một thời gian ngắn Động cơ điện dành cho xe lai cần phải hoạt động tốt trong hai chế độ là chế độ hoạt động bình thường và chế độ mở rộng phạm vi hoạt động Trong chế độ hoạt động bình thường, mô-tơ điện đưa vào sử dụng một giá trị mômen là hằng số trong suốt dải tốc độ ước tính Khi vượt qua ngưỡng dải tốc độ ước tính, động cơ điện hoạt động ở chế độ mở rộng, khi đó, mômen cùng tốc độ đều cùng giảm Trên xe lai, động cơ điện phân phối mômen xoắn cần thiết để tăng tốc đẩy đủ trong chế

độ hoạt động bình thường của nó trước khi thay đổi thành chế độ mở rộng để đạt tốc độ ổn định Phụ thuộc vào mục tiêu thiết kế, mô-tơ điện một chiều, mô-tơ điện một chiều không chổi than hoặc mô-tơ điện xoay chiều có thể được chọn dùng cho xe lai

Chức năng thứ hai của mô-tơ điện là thu hồi năng lượng trong chế độ phanh tái sinh

Mô-tơ điện trên xe lai cần có khả năng vận hành tương tự như một máy phát điện khi được dẫn động

bởi những ngoại lực sinh ra chuyển động quay Khi phanh, tín hiệu từ bàn đạp phanh hoặc tay phanh sẽ thông báo cho hệ thống điều khiển mô-tơ để sinh ra mômen cản, tắt động cơ đốt trong, hoặc để cho quán tính của chiếc xe dẫn động lại mô-tơ thông qua cơ cấu truyền động Khi mô-tơ điện sinh ra mômen cản, động năng của xe sẽ được chuyển hóa thành năng lượng điện với dòng điện xoay chiều sinh ra từ mô-tơ, sau đó hệ thống đảo điện tích hợp trên mô-tơ nắn dòng xoay chiều thành dòng một chiều để nạp điện lại cho hệ thống pin Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển bao gồm tối ưu hóa hiệu suât của phanh tái tạo đồng thời điều khiển được hệ thống phanh trợ lực bằng thủy lực phù hợp với lực đạp phanh tại chân phanh Khi giảm tốc êm dịu nhìn chung sẽ giúp tăng tối đa công dụng của hệ thống phanh tái sinh, nhưng đối với trường hợp phanh khẩn cấp đôi khi cần sử dụng đến hệ thống phanh truyền thống Ví dụ như trong chế độ start-stop khi lái trong khu vực đô thị với đặc điểm thường xuyên gia tốc và giảm tốc, hệ thống phanh tái sinh và điều khiển quản lý năng lượng quyết định việc nâng cao hiệu quả nhiên liệu trên xe lai [17]

2.3.1.4 Các mô-đun điện tử công suất

Tương tự như hệ thống lưu trữ năng lượng, các mô-tơ điện, bộ truyền lực, bộ chuyển đổi DC-DC và bộ chuyển đổi AC-DC là những thiết bị rất quan trọng trên xe lai Chức năng của bộ chuyển đổi DC-DC trên xe lai hoặc với xe điện là biến đổi điện cao thế cung cấp từ hệ thống lưu trữ năng lượng( ESS) thành điện hạ thế để cung cấp cho các tải điện có điện áp đầu vào là 12V hoạt động bình thường như đèn đầu hay các mô-tơ gạt nước… Chức năng của bộ chuyển đổi DC-AC trên xe lai là biến đổi điện áp một chiều được cung cấp từ hệ thống lưu trữ năng lượng thành điện cao thế xoay chiều để cấp nguồn cho mô-tơ điện dẫn động bánh xe Trong chế độ phanh tái sinh, quá trình này được đảo ngược lại: dòng điện xoay chiều được tạo ra từ mô-tơ điện( khi đó mô-tơ hoạt động như một máy phát điện) được biến đổi thành dòng một chiều để nạp điện cho pin Hiệu suất của những thiết bị điện tử công suất này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chung của chiếc xe [18]

2.3.2 Cấu hình truyền lực trên xe lai

Có rất nhiều cách phối hợp các bộ phận của bộ truyền lực thành hệ thống truyền lực cho một chiếc xe nhưng chỉ riêng đối với xe lai mới có nhiều sự thay đổi cho các bộ phận cấu thành Có

2 cách phối hợp chính của các bộ phận kể trên để hình thành nên hệ thống truyền lực theo 2 cấu hình khác nhau trên xe lai, đó là cấu hình truyền lực theo kiểu song song hoặc nối tiếp Nói một cách đơn giản hơn rằng tất cả những bản thiết kế khác phải được mô tả sao cho kết hợp và thích nghi được với 2 kiểu cấu hình truyền lực này

2.3.2.1 Cấu hình truyền lực kiểu nối tiếp trên xe lai

Hình 4.2 là sơ đồ cấu hình truyền lực theo kiểu nối tiếp của một chiếc xe lai Trong kiểu truyền lực này, động cơ đốt trong (ICE) chuyển đổi hóa năng từ nhiên liệu thành cơ năng Động cơ đốt trong dẫn động máy phát điện tạo ra điện năng Động

cơ điện dẫn động cơ cấu truyền lực cuối cùng từ điện năng được tạo ra bởi máy phát

hoặc từ điện năng được lưu trữ sẵn trong pin điện áp cao Động cơ điện có thể nhận điện năng trực tiếp từ động cơ (dẫn động máy phát điện), hoặc từ pin điện áp cao, hoặc cả hai Vì động cơ đốt trong được tách rời khỏi bánh xe chủ động, do đó tốc độ động cơ có thể được kiểm soát độc lập với tốc độ xe Đây không phải chỉ đơn giản là

sự kiểm soát động cơ, mà quan trọng hơn, có thể cho phép động cơ hoạt động ở tốc

độ tối ưu để đạt được mục tiêu kinh tế nhiên liệu tốt nhất Cấu hình truyền động nối tiếp này cũng cung cấp sự linh hoạt trong việc bố trí động cơ trên xe Hơn nữa, trên

xe lai truyền động theo cấu hình nối tiếp không cần hộp số cơ khí theo kiểu truyền thống Căn cứ vào các điều kiện vận hành xe, các thành phần tạo động lực cho chiếc

xe có thể hoạt động với các chế độ kết hợp khác nhau như sau:

- Chỉ sử dụng pin điện áp cao: Khi pin điện áp cao ở trạng thái đủ năng lượng (được nạp no) và tải thấp, động cơ đốt trong không hoạt động và không dẫn động máy phát điện, chiếc xe được truyền năng lượng dưới dạng điện năng từ pin điện áp cao

- Kết hợp công suất: ở tải lớn, động cơ đốt trong được khởi động vừa dẫn động máy phát điện, vừa truyền công suất tới các bánh xe chủ động Song song đó, pin điện áp cao cũng cung cấp điện năng cho mô-tơ điện

- Chỉ lấy năng lượng từ động cơ đốt trong: trường hợp trên đường cao tốc và nhu cầu cần tải là vừa đủ, động cơ đốt trong được khởi động và dẫn động máy phát điện Lúc này, pin điện áp cao không ở trạng thái nạp điện cũng như phóng điện, do tình trạng sạc của pin (SOC) đang ở mức cao trong khi tốc độ động cơ( ảnh hưởng đến tốc độ quay của máy phát) bị kiềm hãm do nhu cầu tải của xe không cao

- Chia công suất: khi động cơ đốt trong được khởi động và dẫn động máy phát điện, nhu cầu cần tải của xe dưới mức công suất tối ưu để động cơ dẫn động máy phát điện,

Hình 2.4: Cấu trúc cấu hình truyền lực theo kiểu nối tiếp

và tình trạng sạc đầy của pin đang ở mức thấp, nên một phần công suất của động cơ được chia ra dùng cho dẫn động máy phát điện để nạp điện cho pin

- Sạc khi xe không chạy: pin được nạp điện từ nguồn cơ năng của động cơ dẫn động máy phát điện trong khi chiếc xe không chạy

- Phanh tái tạo năng lượng: động cơ điện được vận hành giống như một máy phát điện để chuyển động năng của chiếc xe thành điện năng và nạp lại cho pin

Ngoài ra, xe lai với hệ truyền lực kiểu nối tiếp cũng có thể được cấu hình giống như các phương tiện truyền thống trước đây, đó là đổi chỗ động cơ đốt trong và mô-

tơ điện ở sơ đồ hình 2.4, hoặc đặt các tơ điện ở trục bánh xe Trường hợp các

mô-tơ điện được đặt ở trục bánh xe được mô tả ở hình 2.5, với 4 mô-mô-tơ điện được đặt ở mỗi bánh xe Khi loại bỏ được hộp số và bộ truyền lực cuối cùng (vi sai, bán trục), hiệu năng của chiếc xe được tăng lên đáng kể Hơn nữa, chiếc xe còn có khả năng hoạt động với hệ dẫn động 4 bánh (AWD) Tuy nhiên, việc điều khiển 4 mô-tơ điện một cách độc lập vẫn còn là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu, và khi nói đến đây, rõ ràng chúng ta không thể phủ nhận sự quan trọng của cơ cấu vi sai truyền thống Các công nghệ hiện nay ứng dụng một số phương pháp điều khiển tốc độ động

cơ điện như mắc nối tiếp một điện trở Rp vào phần ứng, điều chỉnh từ thông hoặc điều chỉnh điện áp của phần ứng [19]

Trong cấu hình truyền lực nối tiếp thực tế như hình 2.6, cơ năng sinh ra từ động cơ đốt trong được chuyển đổi thành điện năng nhờ máy phát điện vừa dùng để

Hình 2.5: Cấu trúc cấu hình truyền lực kiểu nối tiếp với 4 mô-tơ điện

Trong cấu hình truyền lực nối tiếp thực tế như hình 2.6, cơ năng sinh ra từ động cơ đốt trong được chuyển đổi thành điện năng nhờ máy phát điện vừa dùng để nạp điện cho pin và cũng để cung cấp điện năng đến các mô-tơ điện kéo bánh xe Nói

về khía cạnh những thành phần linh kiện điện tử, cần có một bộ chuyển đổi AC-DC dùng để sạc pin và một bộ Inverter DC-AC khác để cung cấp điện dẫn động mô-tơ tạo lực kéo Trong cấu hình truyền lực kiểu nối tiếp, động cơ đốt trong được tách rời

ra khỏi tải trọng từ mặt đường nên không phải chịu những sự thay đổi bất ngờ trong

những điều kiện hoạt động và sẽ có thời gian cầm chừng ngắn, do đó khí xả thải ra it hơn và sẽ tốt cho môi trường Một vài ưu điểm khác của cấu hình truyền động nối tiếp là sự linh hoạt trong cách bố trí cụm chi tiết động cơ- máy phát điện và tính đơn giản trong thiết kế Tuy nhiên, có 3 thành phần tạo động lực cần thiết là động cơ đốt trong, mát phát điện và mô-tơ điện Điều này tạo ra một chuỗi truyền năng lượng dài

và làm cho hiệu suất của cấu hình nối tiếp nhìn chung là thấp hơn cấu hình song song (sẽ nói ở phần sau) Mô-tơ điện phải được thiết kế sao cho có thể duy trì được công suất tối đa mà chiếc xe cần, như khi leo dốc chẳng hạn Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng công suất của xe là dưới mức cực đại trong hầu hết thời gian hoạt động Tất cả ba thành phần tạo động lực nói trên phải được sắp xếp sao cho duy trì được công suất cực đại dưới một chuỗi truyền lực dài, duy trì khả năng vận hành ở tốc độ cao nhưng mặt khác thì điện năng từ pin bị tiêu thụ khá nhanh, để cho động cơ dẫn động máy phát và cung cấp điện cho tất cả các thiết bị Từ đó, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như: kích thước và dung tích ắc-quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quy nên dễ bị quá tải [20]

Hình 2.6: Sơ đồ truyền lực kiểu nối tiếp trong thực tế

2.3.2.2 Cấu hình truyền lực kiểu song song trên xe lai

Trong cách bố trí này, cả động cơ đốt trong và động cơ điện đều có thể song song truyền công suất cho các bánh xe chủ động Động cơ đốt trong và động cơ điện được kết hợp truyền công suất đến bộ phận truyền động cuối cùng thông qua các cơ cấu truyền động như ly hợp, các bộ dây đai, các bu-li và các bánh răng Cả động cơ đốt trong và mô-tơ điện phân phối công suất đến bộ phận truyền động cuối cùng ngay cả trong chế độ kết hợp hay chế độ hoạt động độc lập Mô-tơ điện cũng có thể được sử dụng như là một máy phát điện khi thu lại động năng trong quá trình phanh hoặc hấp thụ một phần nào đó công suất từ động cơ đốt trong Cấu hình truyền động song song này chỉ cần hai thiết bị tạo động lực, là động cơ đốt trong và mô-tơ điện, có thể kết hợp sử dụng cho các chế độ sau đây:

- Chỉ xài mô-tơ điện: giống như kiểu truyền động nối tiếp, khi pin đã đầy năng lượng

và nhu cầu cần tải của chiếc xe là thấp, động cơ đốt trong không hoạt động, điện năng

từ pin cung cấp cho mô-tơ điện dẫn động các bánh xe

- Kết hợp công suất: khi nhu cầu cần tải cao, động cơ đốt trong được khởi động và cùng song song cung cấp công suất để dẫn động các bánh xe

- Chỉ sử dụng động cơ đốt trong: khi chạy ở đường cao tốc và nhu cầu cần tải là vừa phải, động cơ cung cấp toàn bộ năng lượng cần thiết để vận hành chiếc xe Trong khi

đó, mô-tơ điện duy trì ở số vòng quay không tải với lý do tương tự như chế độ này ở cấu hình truyền động nối tiếp

- Chia công suất: khi động cơ đang hoạt động nhưng nhu cầu tải của chiếc xe thấp và tình trạng sạc (SOC) của pin cũng thấp, một phần công suất dưới dạng cơ năng của động cơ được trích ra để nạp điện cho pin

Hình 2.7: Cấu trúc cấu hình truyền lực kiểu song song

Hình 2.8: Sơ đồ truyền lực song song kiểu “Through the road”

- Sạc pin khi xe không chạy: pin được nạp điện do mô-tơ điện được dẫn động bở động

cơ và hoạt động như máy phát điện, trong khi chiếc xe không chạy

- Phanh tái tạo năng lượng: mô-tơ điện được vận hành như một máy phát điện để chuyển đổi động năng của chiếc xe thành điện năng và dự trữ vào pin điện áp cao Cần lưu ý rằng, ở chế độ phanh tái tạo năng lượng, về nguyên tắc thì động cơ đốt trong cũng có thể hoạt động nhằm cung cấp thêm dòng điện để sạc pin nhanh hơn (trong khi mô-tơ điện tạo động lực đang ở chế độ máy phát điện) và kiểm soát mô-men của chính nó một cách phù hợp với tổng công suất đầu vào của pin Trong trường hợp này, những bộ điều khiển động cơ và mô-tơ điện phải được phối hợp với nhau một cách chính xác [21]

Trong chế độ Hybrid, động cơ đốt trong và mô-tơ điện được kết nối với nhau bằng nhiều cách Theo như những chế độ làm việc ở trên, nguồn công suất có thể được cung cấp chỉ bởi một mình động cơ đốt trong, hoặc bởi một mình mô-tơ điện, hoặc cả hai Mô-tơ điện có thể hoạt động tương tự như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy trong chế độ phanh tái tạo hoặc khi công suất đầu ra của động cơ lớn hơn công suất cần truyền cho bánh xe Cấu hình truyền lực kiểu song song có một nhược điểm là cần một hệ thống điều khiển phức tạp đối với mẫu thiết kế cũ

Dựa trên vị trí của hộp số hoặc bộ truyền lực, cấu hình truyền lực song song có thể được phân loại cụ thể hơn như sau:

- Cấu hình truyền lực song song với bộ truyền lực đặt trước: là cấu hình được sắp xếp theo hệ thống động cơ, bộ truyền lực, mô-tơ điện Trong hệ thống này, hộp số được đặt tại trục truyền động chính sau bộ truyền sau bộ truyền mômen, từ đó, tỷ số truyền của những cấp số vừa áp dụng chung cho động cơ và cả động cơ điện Dòng công suất sẽ đổ dồn toàn bộ về hộp số, mômen từ mô-tơ điện cũng được nhập chung vào dòng mômen của động cơ tại trục đầu vào của hộp số

- Cấu hình truyền lực song song cới bộ truyền lực đặt sau: là cấu hình được sắp xếp theo hệ thống động cơ, mô-tơ điện, bộ truyền lực Trong cấu hình này, hộp số được đặt trước bộ truyền mômen và do đó, những cấp tỷ số truyền của hộp số chỉ áp dụng cho riêng động cơ Trong hệ thống này, mômen từ mô-tơ điện được nhập chung vào mômen của động cơ tại trục đầu ra của hộp số

- Cấu hình truyền lực song song theo kiểu “Through the road”: cấu hình này phụ thuộc phân loại của truyền lực kiểu song song Dòng công suất từ động cơ tác động lên một trục và mô-tơ điện điều khiển lực kéo tác động lên trục còn lại Thiết kế này được đơn giản hóa vì hai thành phần truyền lực được tách rời

Nhìn chung, cấu hình truyền động song song có nhiều ưu điểm vượt trội, rằng công suất của xe được tăng lên đáng kể do sử dụng song song 2 nguồn năng lượng, bên cạnh đó mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn so với động cơ nhiệt nên dung lượng pin cao áp cũng nhỏ hơn, giúp làm giảm kích thước của pin, từ đó giảm kích thước và khối lượng tổng thể của xe khi so sánh với cấu hình lai kiểu nối tiếp hoặc kiểu kết hợp Hơn thế nữa, hãng Porche đã ứng dụng cấu hình song song trên xe lai thể thao để cho phép động cơ đốt trong ngưng hoạt động khi xe chạy với tốc độ trên 120km/h trên đường cao tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu khi chạy trên đường cao tốc Tuy nhiên, song song với các ưu điểm trên thì hệ thống truyền lực theo cấu hình song song lại có những nhược điểm là mô-tơ điện cùng với bộ điều khiển chúng khá phức tạp về kết cấu, giá thành đắt hơn và động cơ nhiệt cũng cần thiết kế với công suất lớn hơn (vì là nguồn động lực chính) khi so sánh với cấu hình truyền lực nối tiếp [22]

2.3.2.3 Cấu hình truyền lực kiểu hỗn hợp nối tiếp-song song

Cấu hình truyền lực kiểu hỗn hợp mô tả ở hình 2.9 kết hợp những ưu điểm đặc trưng của cả hai dạng truyền lực nối tiếp và song song, và do đó, chiếc xe có thể hoạt động riêng theo từng cấu hình Khi so sánh với cấu hình truyền động nối tiếp, cấu hình kiểu hỗn hợp này thêm vào nhiều liên kết cơ khí giữa động cơ đốt trong và bộ phận truyền lực cuối cùng, do đó động cơ đốt trong có thể truyền công suất trực tiếp cho các bánh xe Khi so sánh với cấu hình truyền động kiểu song song, cấu hình hỗn

hợp có thêm một mô-tơ điện thứ hai với vai trò chủ yếu như một máy phát điện

Vì cấu hình truyền động hỗn hợp có thể hoạt động có thể hoạt động ở cả hai chế độ song song và nối tiếp, sự tiết kiệm nhiên liệu và tính năng vận hành của xe có thể được tối ưu dựa trên từng điều kiện vận hành Sự gia tăng các bậc tự do trong cơ

cấu điều khiển làm cho cấu hình truyền lực kiểu song song được ưa chuộng bởi các nhà thiết kế Tuy nhiên, do sự gia tăng các bộ phận cấu thành và tính phức tạp trong thiết kế- sản xuất nên xe lai với cấu hình hỗn hợp nhìn chung có giá thành đắt hơn sản phẩm sử dụng cấu hình nối tiếp hoặc song song [23]

2.4 Hệ thống truyền lực trên xe tay ga

Hệ thống truyền lực trên xe tay ga rất đơn giản, chỉ gồm 2 bu-ly và một dây đai dẫn động vô cấp Hệ thống truyền lực này còn có tên gọi khác là hộp số có tỷ số truyền biến thiên vô cấp CVT Không giống như những hộp số tự động truyền thống, hộp số vô cấp CTV không có các cặp bánh răng để tạo tỷ số truyền Điều này có nghĩa

Hình 2.9: Cấu trúc cấu hình truyền động kiểu hỗn hợp nối tiếp- song song

Hình 2.10: Hộp số vô cấp CVT trên xe tay ga

là nó không có sự ăn khớp giữa các bánh răng Loại CVT thông thường nhất hoạt động trên một hệ thống bu-ly (ròng rọc) và dây đai truyền động cho phép một sự thay đổi vô cấp và liên tục giữa giới hạn thấp nhất và cao nhất mà không có sự tách biệt riêng rẽ các vị trí số Ngày nay, CVT là thế hệ hộp số tự động mới nhất không những được trang bị cho xe gắn máy tay ga mà còn dành cho xe ô tô, vì những ưu điểm vượt

trội của loại hộp số này

2.4.1 Cấu tạo chung, nguyên lý hoạt động và các chế độ hoạt động của hệ thống truyền lực trên xe tay ga

Hầu hết hộp số vô cấp CVT đều có ba bộ phận cơ bản:

- Đai truyền bằng kim loại hay cao su có độ bền cao

- Một hệ bu-ly sơ cấp có đầu vào thay đổi gắn với trục quay động cơ

- Một hệ bu-ly thứ cấp dẫn đến bánh xe

Hai bu-ly có thể thay đổi đường kính là bộ phận quan trọng nhất trong hộp số CVT Mỗi bu-ly được tạo thành từ hai khối hình nón có góc nghiêng 20 độ và đặt đối diện với nhau Một dây đai chạy trong rãnh giữa hai khối hình nón này Dây đai hình chữ

V được làm từ cao su vì có ma sát cao, hạn chế trượt Hai khối bu-ly hình nón này có thể thay đổi khoảng cách giữa chúng Khi hai khối hình nón tách ra xa nhau, dây đai ngập sâu vào trong rãnh và bán kính của dây đai quấn quanh bu-ly sẽ giảm đi Khi hai khối hình nón này ở gần nhau thì bán kính của dây đai tăng lên CVT có thể sử dụng áp suất thủy lực hoặc lực ly tâm để tạo ra lực cần thiết thay đổi khoảng cách giữa hai khối hình nón Hệ bu-ly và dây đai có đường kính thay đổi này thường đi với nhau thành một cặp Một trong số đó là bu-ly chủ động được nối với trục quay của động cơ Bu-ly chủ động cũng được gọi là bu-ly đầu vào bởi vì nó nhận năng lượng trực tiếp từ động cơ đưa vào hộp số Bu-ly thứ hai gọi là bu-ly bị động nối với bu-ly chủ động hay còn gọi là bu-ly đầu ra và nó truyền momen đến trục truyền động dẫn động bánh xe Khoảng cách giữa trục của bu-ly tới điểm quấn của dây đai được gọi là bán kính quay (picth radius) Tỷ số của bán kính quay trên bu-ly chủ động và bán kính quay của bu-ly bị động xác lập nên “số” của hộp số

Khi một bu-ly tăng bán kính của nó và cái khác giảm bán kính để giữ cho dây đai luôn bám chặt vào giữa hai khối hình nón, chúng sẽ tạo ra vô số các tỷ số truyền từ mức thấp nhất cho đến cao nhất Ví dụ khi bán kính quay nhỏ trên bu-ly chủ động và lớn trên bu-ly bị động thì tốc độ quay của bu-ly bị động sẽ giảm, kết quả là có được

“số thấp" Khi bán kính quay của bu-ly chủ động lớn và của bu-ly bị động nhỏ thì tốc

độ của bu-ly bị động tăng lên và kết quả là được “số cao" Về mặt nguyên lý, hộp số CVT hoạt động với vô số cấp độ ở bất cứ thời điểm nào, đối với bất cứ loại động cơ

và tốc độ nào của xe [24] Để hiểu rõ hơn về hệ thống truyền lực này, chúng ta sẽ đi vào chi tiết và tìm hiểu hoạt động của CVT ở từng chế độ điển hình như sau:

- Động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng: lúc này tốc độ động cơ còn thấp, lực kéo

và chuyển động của động cơ được truyền từ trục khuỷu qua bu-ly sơ cấp, dây đai V, bu-ly thứ cấp và tới cụm má ma sát Do lực li tâm của cụm ma sát nhỏ chưa thắng được lực lò xo của các má ma sát nên má ma sát không tiếp xúc với vỏ nồi li hợp Vì vậy, lực kéo và chuyển động không được truyền tới bánh xe sau, xe không chuyển động

- Động cơ hoạt động ở chế độ khởi động và tốc độ thấp: khi tăng tốc độ động cơ lên khoảng 2.700- 3.000 v/ph, lúc này lực li tâm của cụm ma sát đủ lớn và thắng được lực lò xo kéo nên các má ma sát văng ra và tiếp xúc với nồi li hợp Nhờ lực ma sát

Hình 2.11: Dây đai truyền động bằng cao su trong hộp số CVT trên xe tay ga

Hình 2.12: Hai khối Puly trên hệ thống truyền lực xe tay ga

giữa các má ma sát và nồi ly hợp, nên lực kéo và chuyển động được truyền qua bộ bánh răng giảm tốc tới bánh xe sau và xe bắt đầu chuyển động Tại thời điểm này, dây đai V có vị trí nằm trong cùng ở bu-ly sơ cấp và vị trí ngoài cùng của bu-ly thứ cấp Tỷ số truyền của bộ truyền lúc này là lớn nhất nên lực kéo ở bánh xe sau đủ lớn

để xe khởi hành từ trạng thái dừng và tăng tốc lên

- Động cơ hoạt động ở tốc độ trung bình: tiếp tục tăng tốc độ động cơ lên, do lực li tâm lớn làm các con lăn ở bu-ly sơ cấp văng ra xa hơn, ép má bu-ly sơ cấp di động tiến về phía bu-ly sơ cấp cố định và chèn dây đai V ra xa tâm hơn Vì độ dài dây đai không đổi nên phía bu-ly thứ cấp, dây đai sẽ di chuyển vào gần tâm cho đến khi nó cân bằng với lực ép của lò xo nén lớn ở bu-ly thứ cấp Như vậy, tỷ số truyền động của bộ truyền sẽ giảm dần và tốc độ của bu-ly thứ cấp sẽ tăng dần lên làm tăng tốc

độ bu-ly thứ cấp sẽ cao nhất Lúc này xe sẽ có tốc độ cao nhất

Hình 2.13: Gọi tên các bộ phận của CVT sử dụng trên xe tay ga

- Động cơ hoạt động ở chế độ tải nặng, leo dốc hoặc lên ga đột ngột: khi xe hoạt động

ở chế độ tải nặng, leo dốc hoặc tăng tốc đột ngột, tải tác động lên bánh xe sau lớn, bu-ly thứ cấp cố định sẽ theo tốc độ (chậm lại) của bánh xe sau Lúc này nếu người lái xe tiếp tục tăng ga thì momen tác động lên má bu-ly thứ cấp di động sẽ tăng lên

và dưới tác động của lò xo nén, bu-ly thứ cấp di động sẽ trượt theo rãnh dẫn hướng

di chuyển lại gần phía má bu-ly thứ cấp cố định chèn dây đai V ra xa tâm (đồng thời phía bu-ly sơ cấp, dây đai V sẽ vào gần tâm) làm tăng tỷ số truyền động giúp xe leo dốc dễ dàng [25]

2.4.2 Xác định tỷ số truyền của hộp số CVT

Bảng 2.1 liệt kê tham số và ký hiệu có liên quan trong việc xác định tỷ số truyền động của hộp số CVT Những ký hiệu "l", "s", "h" là kí hiệu ở các cấp số có tỷ số truyền thấp, truyền thẳng và tỷ số truyền cao, "P" và "S" xem là bu-ly dẫn và bị dẫn tương ứng, "c" và "int" ký hiệu cho bộ truyền CVT và bộ bánh răng truyền lực cuối tương ứng Trong cách xác định này, dòng truyền công suất đi từ động cơ đến bu-ly dẫn động (thứ cấp), qua bộ truyền CVT đến bu-ly bị động (thứ cấp), qua bộ bánh răng truyền lực cuối( giảm tốc) đến bánh xe [26]