Nghiên cứu hộp số E-CVT trên xe hybrid và xe điện

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hộp số E-CVT trên ô tô hybrid và xe điện - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Anh Quốc
• Người hướng dẫn: TS. Dương Tuấn Tùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu hộp số E-CVT trên xe hybrid và xe điện
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hộp số E CVT trên xe hybrid và xe điện

Hộp số E-CVT (Electronic Continuously Variable Transmission) là hệ thống truyền động biến thiên liên tục điện tử. Hệ thống này không dùng đai hay bánh răng truyền thống. Thay vào đó, E-CVT tích hợp hai máy phát-động cơ điện (MG1 và MG2) cùng bộ bánh răng hành tinh để điều phối công suất. Đây là công nghệ cốt lõi trong các dòng xe hybrid của Toyota như Prius, Camry Hybrid và RAV4 Hybrid. Luận văn tốt nghiệp năm 2024 của sinh viên Nguyễn Anh Quốc và Phạm Văn Huy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu chuyên sâu về cấu trúc, nguyên lý vận hành và hiệu suất của hệ thống E-CVT. Công trình được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Dương Tuấn Tùng, Khoa Đào tạo Quốc tế. Nghiên cứu bao gồm tính toán lý thuyết, mô phỏng máy tính và phân tích kết quả thực nghiệm. Kết quả cho thấy E-CVT vượt trội so với hộp số AT và CVT thông thường về hiệu suất năng lượng. Hệ thống cho phép động cơ xăng luôn hoạt động ở vùng tối ưu trong khi động cơ điện bù đắp phần công suất còn lại. Đây là nền tảng kỹ thuật quan trọng cho sự phát triển của xe hybrid và xe điện tại Việt Nam.

1.1. Lịch sử phát triển và vai trò của E CVT trong ngành ô tô

E-CVT được Toyota phát triển lần đầu cho dòng Prius thế hệ đầu năm 1997. Từ đó đến nay, công nghệ này liên tục được cải tiến qua nhiều thế hệ. Hệ thống không chỉ giúp giảm tiêu hao nhiên liệu mà còn giảm đáng kể lượng phát thải CO2. So với hộp số tự động thông thường, E-CVT tối ưu hóa hiệu suất truyền động nhờ khả năng điều chỉnh tỉ số truyền vô cấp. Tại Việt Nam, các dòng xe hybrid ngày càng phổ biến, tạo nhu cầu nghiên cứu và làm chủ công nghệ này trong nước.

1.2. Cấu trúc tổng thể của hệ thống E CVT hybrid Toyota

Hệ thống E-CVT Toyota bao gồm ba thành phần chính. Thứ nhất là bộ bánh răng hành tinh gồm bánh răng mặt trời, bánh răng vành ngoài và cần dẫn hành tinh. Thứ hai là hai máy phát-động cơ điện: MG1 đóng vai trò máy phát khởi động và điều chỉnh tỉ số truyền, MG2 cung cấp lực kéo chính. Thứ ba là bộ biến đổi điện (Inverter) điều khiển dòng năng lượng giữa pin HV và hai động cơ điện. Ba thành phần này phối hợp linh hoạt để tối ưu hóa hiệu suất trong mọi điều kiện vận hành.

II. Phân tích nguyên lý hoạt động và vấn đề kỹ thuật E CVT

Nguyên lý hoạt động của E-CVT dựa trên cơ chế phân chia công suất qua bộ bánh răng hành tinh. Cần dẫn hành tinh kết nối với động cơ xăng. Bánh răng mặt trời kết nối với MG1. Bánh răng vành ngoài kết nối với MG2 và trục dẫn động bánh xe. Khi động cơ xăng hoạt động, cần dẫn quay và truyền công suất theo hai hướng: một phần đến bánh răng vành ngoài để dẫn động xe, phần còn lại đến bánh răng mặt trời để MG1 phát điện. MG1 điều chỉnh tốc độ quay của bánh răng mặt trời, từ đó thay đổi tỉ số truyền tổng thể của hệ thống. MG2 có thể hoạt động như động cơ điện bổ sung lực kéo hoặc như máy phát trong quá trình phanh tái sinh. Hệ thống HV ECU giám sát và điều phối toàn bộ hoạt động. Vấn đề kỹ thuật chính gồm quản lý nhiệt độ inverter, kiểm soát momen xoắn chính xác khi chuyển chế độ và đảm bảo độ bền của vòng bi trong bộ bánh răng hành tinh ở tải trọng cao và tốc độ cao.

2.1. Cơ chế phân chia công suất qua bộ bánh răng hành tinh

Bộ bánh răng hành tinh là trung tâm của E-CVT. Khi động cơ xăng cung cấp công suất qua cần dẫn, công suất được phân phối đồng thời đến MG1 qua bánh răng mặt trời và đến bánh xe qua bánh răng vành ngoài. Tỉ lệ phân chia phụ thuộc vào điều kiện vận hành thực tế. Khi xe tăng tốc mạnh, MG2 cung cấp thêm lực kéo. Khi xe đi chậm hoặc đường bằng, động cơ xăng chủ yếu dùng để sạc pin thông qua MG1. Cơ chế này đảm bảo động cơ xăng luôn hoạt động ở vùng hiệu suất tối ưu.

2.2. Hệ thống phanh tái sinh và kiểm soát năng lượng

Phanh tái sinh là tính năng quan trọng của E-CVT hybrid. Khi tài xế nhả ga hoặc đạp phanh, MG2 chuyển sang chế độ máy phát. Động năng của xe được chuyển thành điện năng nạp vào pin HV. HV ECU xác định tỉ lệ phân chia lực phanh giữa phanh tái sinh và phanh thủy lực. Hệ thống tích hợp với ABS đảm bảo an toàn trong mọi tình huống. Cường độ phanh tái sinh điều chỉnh theo dòng điện MG2 tạo ra. Quá trình này giúp tăng quãng đường đi được trên mỗi lần nạp nhiên liệu lên đáng kể.

III. Giải pháp mô phỏng và phương pháp nghiên cứu E CVT tại SPKT

Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM áp dụng phương pháp kết hợp giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng phần mềm. Giai đoạn đầu, nhóm thu thập và phân tích các tài liệu khoa học quốc tế về E-CVT. Dữ liệu kỹ thuật từ các xe hybrid Toyota thực tế được sử dụng làm cơ sở. Giai đoạn tiếp theo, nhóm xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của bộ bánh răng hành tinh, MG1, MG2 và hệ thống inverter. Phần mềm mô phỏng cho phép kiểm tra các kịch bản vận hành khác nhau như khởi động, tăng tốc, hành trình ổn định và phanh. Kết quả mô phỏng được đối chiếu với thông số thực tế từ tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất. Phương pháp phân tích số liệu thống kê được sử dụng để đánh giá độ chính xác của mô hình. Các thông số đánh giá gồm hiệu suất truyền động, mức tiêu thụ nhiên liệu quy đổi và thời gian phản hồi của hệ thống điều khiển. Phương pháp này đảm bảo kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và có thể ứng dụng thực tiễn.

3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống E CVT

Mô hình mô phỏng E-CVT được xây dựng dựa trên các phương trình động lực học của bộ bánh răng hành tinh. Các thông số đầu vào gồm công suất động cơ xăng, momen xoắn MG1 và MG2, tốc độ vòng quay và điện áp pin HV. Mô hình tính toán tỉ số truyền tức thời dựa trên điều kiện vận hành. Phần mềm mô phỏng cho phép thay đổi thông số đầu vào để khảo sát ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Kết quả cho thấy mô hình phản ánh sát với đặc tính thực tế của xe hybrid Toyota trong các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn.

3.2. Phân tích hiệu suất inverter và hệ thống điều khiển HV ECU

Inverter trong hệ thống E-CVT thực hiện chuyển đổi điện một chiều từ pin HV thành điện xoay chiều ba pha cho MG1 và MG2. HV ECU giám sát tất cả thông số hoạt động và phát lệnh điều khiển theo thời gian thực. Nghiên cứu phân tích nguyên lý điều khiển vector (vector control) được inverter sử dụng để điều chỉnh chính xác momen xoắn và tốc độ của từng động cơ điện. Kết quả phân tích chỉ ra rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của inverter đạt trên 95% trong dải hoạt động bình thường, đây là mức rất cao so với các hệ thống truyền động thông thường.

IV. Kết luận và ứng dụng công nghệ E CVT tại Việt Nam

Nghiên cứu về hộp số E-CVT của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã đạt được những kết quả có giá trị. Nhóm tác giả làm rõ toàn bộ cấu trúc và nguyên lý vận hành của E-CVT Toyota. Mô hình mô phỏng được xây dựng thành công và cho kết quả phù hợp với thực tế. Nghiên cứu khẳng định E-CVT mang lại hiệu suất truyền động vượt trội so với hộp số thông thường. Công nghệ phanh tái sinh tích hợp giúp tiết kiệm nhiên liệu đáng kể trong điều kiện đô thị. Tại Việt Nam, nhu cầu xe hybrid và xe điện ngày càng tăng cao do chính sách ưu đãi thuế và ý thức bảo vệ môi trường. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng khoa học cho các kỹ sư trong nước làm chủ công nghệ E-CVT. Điều này rất quan trọng cho bảo dưỡng, sửa chữa và cải tiến hệ thống hybrid tại Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo gồm nghiên cứu E-CVT thế hệ mới áp dụng trên xe điện thuần túy (BEV) và xe điện plug-in hybrid (PHEV).

4.1. Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Đề tài tốt nghiệp đã tổng hợp và hệ thống hóa kiến thức về E-CVT bằng tiếng Việt, phục vụ sinh viên và kỹ sư trong nước. Mô hình mô phỏng có thể tái sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa chiến lược điều khiển năng lượng. Kết quả phân tích cung cấp dữ liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo ngành ô tô. Đề tài cũng đặt nền móng để phát triển chương trình đào tạo chuyên sâu về xe hybrid và xe điện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong giai đoạn tới.

4.2. Triển vọng phát triển E CVT và thị trường xe điện Việt Nam

Thị trường xe hybrid và xe điện Việt Nam đang tăng trưởng mạnh. Chính phủ đặt mục tiêu xe điện chiếm 30% thị phần xe mới vào năm 2030. E-CVT sẽ tiếp tục là công nghệ truyền động chủ đạo trên xe hybrid song song. Các nhà sản xuất đang phát triển E-CVT thế hệ mới với mô tơ điện công suất lớn hơn và inverter hiệu suất cao hơn. Năng lực nghiên cứu trong nước về E-CVT cần được đẩy mạnh để đáp ứng nhu cầu phát triển ngành công nghiệp ô tô điện Việt Nam trong thập kỷ tới.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch, ngành công nghiệp ô tô thế giới đang trải qua quá trình chuyển dịch mạnh mẽ sang các giải pháp giao thông bền vững và thân thiện với môi trường, thúc đẩy sự phát triển của xe lai (Hybrid Electric Vehicles - HEV) và xe thuần điện (Electric Vehicles - EV). Trong hệ thống truyền động xe hybrid, hộp số biến thiên liên tục điều khiển điện tử E-CVT (Electrically Controlled Continuously Variable Transmission) giữ vai trò then chốt khi kết hợp cơ cấu chia công suất hành tinh cùng sự hỗ trợ của các mô tơ điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền lực, giảm thiểu tổn hao năng lượng và cắt giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, công nghệ E-CVT còn khá mới mẻ đối với người sử dụng vốn quen thuộc với các loại hộp số cơ khí truyền thống trên động cơ đốt trong (ICE), đồng thời các nguồn tài liệu kỹ thuật chuyên sâu bằng tiếng Việt về cơ cấu này còn hạn chế.

Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh do sinh viên Nguyễn Anh Quốc và Phạm Văn Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Dương Tuấn Tùng tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Tổng hợp và hoàn thiện hệ thống kiến thức tổng quan về hộp số E-CVT ứng dụng trên các dòng xe hybrid hiện nay.
2. Sử dụng sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động trực quan để mô tả chi tiết các bộ phận chính cùng chức năng chuyên biệt của từng cụm chi tiết trong hệ thống E-CVT.
3. Phân tích, đánh giá hiệu suất, tính toán và so sánh khả năng truyền công suất cũng như phân phối mô-men xoắn của hộp số E-CVT trên ba hãng xe lớn (Toyota, Ford, GM-Allison) nhằm làm rõ ưu - nhược điểm và triết lý thiết kế của từng nhà sản xuất.
4. Đề xuất phương án và giải pháp kỹ thuật ứng dụng cơ cấu E-CVT lên xe thuần điện (EV) thông qua việc kết hợp bộ bánh răng hành tinh (Planetary Gear Set - PGS) với hệ thống mô tơ điện kép (dual electric motors) nhằm thiết lập tỷ số truyền mong muốn.
5. Đánh giá tính khả thi về mặt động lực học của việc ứng dụng hộp số E-CVT cho thị trường xe điện trong tương lai.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cơ cấu truyền động E-CVT trên ô tô hybrid (trọng tâm là hệ thống Toyota Hybrid System - THS trên mẫu xe Toyota Prius) và mô hình E-CVT ứng dụng trên ô tô điện. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật, giải tích toán học truyền động cơ khí - điện từ và mô phỏng động lực học lực kéo của phương tiện trong khoảng thời gian từ tháng 09/2024 đến tháng 12/2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết về hệ dẫn động hybrid nối tiếp - song song (Series-Parallel Hybrid System), lý thuyết cơ cấu bánh răng hành tinh đóng vai trò bộ phân chia công suất (Power Split Device - PSD), nguyên lý điều khiển máy điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu và các phương trình động lực học chuyển động thẳng của ô tô. Các khái niệm và mô hình kỹ thuật chính được sử dụng gồm:

• Hệ thống Toyota Hybrid System (THS / THS-II) dạng phân chia công suất đầu vào (Input-Split).
• Hệ thống Ford Hybrid System (FHS) sử dụng hai cụm bánh răng hành tinh (PSD và CSD).
• Hệ thống GM-Allison Hybrid System (AHS-2) cấu trúc lai hai chế độ (Two-Mode Hybrid).
• Các phương trình cân bằng lực cản chuyển động của ô tô: lực cản lăn, lực cản không khí trong dải tốc độ từ 0 đến 250 km/h, lực cản lên dốc và công suất kéo yêu cầu.

Tác giả đã triển khai kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập giáo trình chuyên ngành, tài liệu đào tạo kỹ thuật chính hãng của Toyota (Toyota Hybrid System training materials for technicians) và các bài báo khoa học quốc tế về cơ cấu e-CVT (công trình của Claudio Rossi, Yubin Wang, J.M. Miller, Shubham Upadhyaya, Himmawan Sabda Maulana và I Nyoman Sutantra).
• Phương pháp phân tích và tổng hợp: Bóc tách kết cấu cơ khí, cấu trúc mạch điện và sơ đồ phân phối dòng năng lượng trong từng chế độ hoạt động của xe.
• Phương pháp quy nạp, diễn dịch, phân loại và hệ thống hóa: Phân loại các cấu hình E-CVT, đối chiếu ma trận kết nối cơ học giữa Toyota, Ford và GM.
• Phương pháp tính toán giải tích và mô phỏng kỹ thuật: Tính toán tỷ số truyền, phân bổ mô-men xoắn, tính toán sức cản chuyển động và mô phỏng đồ thị đặc tính kéo từ 2 đến 6 cấp tốc độ (Stage of speed) cho xe thuần điện.
• Phương pháp tham vấn chuyên gia: Trao đổi, thảo luận trực tiếp cùng cán bộ hướng dẫn khoa học.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài trong xu thế phát triển phương tiện giao thông xanh, xác định rõ đối tượng, phạm vi, mục tiêu và phương pháp nghiên cứu. Tác giả khái quát bố cục đồ án gồm 5 chương, định hướng từ việc phân tích lý thuyết hộp số E-CVT trên xe hybrid đến việc đề xuất mô hình ứng dụng trên xe thuần điện.

Chapter 2: ECVT Transmission

Chương này đi sâu vào lịch sử phát triển, cấu tạo chi tiết và nguyên lý hoạt động của hộp số E-CVT trên xe hybrid thương mại, lấy hệ thống THS của Toyota Prius (ra mắt từ năm 1997) làm trung tâm:

1. Bộ bánh răng hành tinh (Planetary Gear Set - PGS): Đóng vai trò là bộ phân chia công suất (PSD), kết nối cơ học giữa động cơ đốt trong (ICE) và hai mô tơ - máy phát điện (MG1, MG2). Bánh răng hành tinh cho phép điều chỉnh tỷ số truyền vô cấp liên tục mà không cần ly hợp chuyển số truyền thống.

Phần tử trong bộ PGS	Bộ phận kết nối trong hệ thống THS	Chức năng kỹ thuật chính
Bánh răng mặt trời (Sun gear)	Mô tơ/Máy phát 1 (MG1)	Điều chỉnh tỷ số truyền, nhận lực kéo để phát điện sạc pin hoặc khởi động ICE
Bánh răng bao (Ring gear)	Mô tơ/Máy phát 2 (MG2) & Trục ra	Nhận mô-men trực tiếp từ MG2 và truyền động thẳng ra trục dẫn động bánh xe
Cần dẫn hành tinh (Planetary Carrier)	Động cơ đốt trong (ICE)	Đỡ các bánh răng hành tinh, tiếp nhận và phân chia mô-men xoắn từ ICE

2. Cơ cấu giảm chấn (Powertrain Damper) và Bộ giảm tốc (Speed Reducer): Bộ giảm chấn dùng lò xo và vật liệu đàn hồi để dập tắt xung lực xoắn và dao động cơ học từ ICE. Bộ giảm tốc bao gồm xích êm (silent chain) bước nhỏ, trục bánh răng trung gian và bánh răng truyền lực cuối cùng được thiết kế thu hẹp khoảng cách tâm trục, nâng cao độ êm dịu và tính nhỏ gọn cho hộp số.

3. Cặp máy điện MG1 và MG2: Cả hai đều là động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu làm mát bằng dung dịch nước.

   • MG1: Cuộn dây stato quấn tập trung (concentrated windings) tối ưu hóa hiệu suất phát điện ở tốc độ thấp - trung bình và cung cấp mô-men xoắn lớn tức thời để khởi động ICE; điện áp hoạt động cực đại AC 500V (thế hệ mới đạt 650V).
   • MG2: Cuộn dây stato quấn rải (distributed windings) nhằm hạn chế tổn hao bão hòa từ ở dải tốc độ cao, hỗ trợ kéo bánh xe qua dải tốc độ rộng; điện áp AC 500V (thế hệ mới đạt 650V), công suất 50 kW (68 PS) tại 1.200 - 1.540 vòng/phút (thế hệ mới đạt 60 kW / 80 HP), mô-men xoắn cực đại 400 Nm tại 0 - 1.200 vòng/phút. Cấu trúc nam châm vĩnh cửu trên rô-to MG2 được bố trí dạng chữ V giúp tăng công suất rô-to thêm khoảng 50% so với thế hệ trước; phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) cải tiến giúp tăng công suất ở dải tốc độ trung bình lên đến 30%.
   • Cảm biến tốc độ (Resolver): Cấu tạo gồm stato 3 cuộn dây (cuộn kích thích A và hai cuộn đầu ra B, C lệch pha 90 độ) cùng rô-to hình bầu dục, cho phép phát hiện góc quay cực từ chính xác theo thời gian thực.

Thông số / Đặc tính	Mô tơ / Máy phát 1 (MG1)	Mô tơ / Máy phát 2 (MG2)
Chủng loại	Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu	Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Chức năng chính	Phát điện, khởi động động cơ ICE	Kéo bánh xe, phanh tái sinh năng lượng
Điện áp định mức cực đại	AC 500V (thế hệ mới: AC 650V)	AC 500V (thế hệ mới: AC 650V)
Công suất cực đại	-	50 kW (68 PS) / 1.200 ~ 1.540 rpm (thế hệ mới: 60 kW)
Mô-men xoắn cực đại	-	400 Nm / 0 ~ 1.200 rpm
Kiểu quấn dây stato	Quấn tập trung (Concentrated windings)	Quấn rải (Distributed windings)
Hệ thống làm mát	Làm mát bằng nước (Water cooling)	Làm mát bằng nước (Water cooling)

4. Hệ thống điều khiển điện tử (HV-ECU): Đóng vai trò xử lý trung tâm, phối hợp nhịp nhàng giữa Engine ECU, Battery ECU và Bộ biến tần (Inverter):
   • Kiểm soát trạng thái sạc pin (SOC): Battery ECU gửi thông số SOC về HV-ECU; khi SOC xuống dưới ngưỡng tối thiểu, HV-ECU ra lệnh tăng tải ICE để MG1 phát điện sạc lại pin HV. Nếu nhiệt độ MG1, MG2 hoặc pin vượt chuẩn, lực kéo sẽ tự động bị tiết chế.
   • Kiểm soát chế độ không tải (Idle control): Khi cần số ở vị trí N, hệ thống ngắt điện cả MG1 và MG2 để triệt tiêu mô-men ra bánh xe. Chế độ dừng này bị vô hiệu hóa tạm thời trong 3 tình huống ngoại lệ: khi hệ thống ABS/EBD can thiệp chống khóa bánh; khi chuyển số từ D hoặc B sang N lúc đang phanh (ngắt phanh tái sinh của MG2 và tăng áp suất phanh thủy lực để bảo toàn lực phanh); và khi tốc độ quay của MG1, MG2 vượt quá ngưỡng an toàn cho phép.
   • Điều khiển biến tần và phanh tái sinh: Inverter thực hiện chuyển đổi dòng điện hai chiều DC-AC và trung chuyển năng lượng giữa MG1 và MG2 (quy trình AC sang DC rồi chuyển tiếp thành AC). Phanh tái sinh sử dụng MG2 làm máy phát để nạp điện cho pin cao áp, phối hợp điều hòa với hệ thống phanh thủy lực.
5. Các trạng thái vận hành thực tế: Khảo sát chi tiết dòng truyền lực và sơ đồ phân bố mô-men trong các điều kiện: khởi động xe bằng MG2, tăng tốc nhẹ, tăng tốc toàn tải (Full acceleration), chạy hành trình tốc độ cao (High speed cruising), lùi xe (chỉ dùng MG2 quay ngược chiều, ICE tắt hoặc chỉ nổ để MG1 phát điện), và phanh tái tạo ở tay số D hoặc số B.

Chapter 3: Functional Characteristic And Driving Modes Of E-CVT Gearbox

Chương 3 trình bày các phương trình toán học mô tả quan hệ tốc độ góc, phân bố mô-men xoắn và cân bằng công suất qua bộ phân chia công suất PSD. Tác giả phân tích phản ứng của hộp số trong các chế độ lái:

• Eco Mode: Ưu tiên tối ưu hóa mức tiêu hao nhiên liệu bằng cách can thiệp giảm độ mở bướm ga điện tử ETCS-i và tăng tỷ trọng sử dụng động cơ điện.
• Power Mode: Tăng độ nhạy phản hồi chân ga, kết hợp công suất cực đại từ cả ICE và MG2 nhằm nâng cao gia tốc của xe.

Đồng thời, chương này so sánh cấu trúc E-CVT giữa ba nhà sản xuất:

• Toyota (THS): Cấu trúc Input-Split cơ bản với một bộ bánh răng hành tinh chính, liên kết cơ học trực tiếp, tối ưu hóa độ êm ái cho xe đô thị cỡ nhỏ và trung.
• Ford (FHS): Cấu trúc phân chia công suất gồm hai bộ bánh răng hành tinh: bộ thứ nhất (PSD) thực hiện phân chia công suất tương tự Toyota, bộ thứ hai (CSD) đóng vai trò giảm tốc, gia tăng dải biến thiên mô-men xoắn.
• GM-Allison (AHS-2): Cơ cấu Two-Mode sử dụng các bộ bánh răng hành tinh kết hợp hệ thống ly hợp ma sát ướt, vận hành ở hai chế độ riêng biệt: Chế độ dải thấp và số lùi (Low Range & Reverse) dành cho vận hành đô thị / tải nặng; và Chế độ dải cao (High Range) dành cho vận hành đường trường tốc độ cao, giúp nâng cao hiệu suất truyền động cơ khí trực tiếp.

Tiêu chí kỹ thuật	Toyota Hybrid System (THS-II)	Ford Hybrid System (FHS)	GM-Allison Hybrid System (AHS-2)
Kiểu cấu trúc E-CVT	Input-Split	Input-Split cải tiến	Compound Split / Two-Mode Hybrid
Số lượng bộ bánh răng hành tinh	1 bộ PGS chính (PSD)	2 bộ PGS (gồm PSD và CSD)	Đa cụm PGS
Cơ cấu ly hợp chuyển dải	Không sử dụng ly hợp cơ học	Không sử dụng ly hợp chuyển dải	Sử dụng các bộ ly hợp ma sát
Chế độ làm việc đặc trưng	Tự động phân chia qua 1 dải liên tục	1 dải liên tục kết hợp cụm giảm tốc	Phân tách rõ 2 dải: Low Range và High Range
Phạm vi ứng dụng tối ưu	Xe du lịch, đô thị cỡ nhỏ đến trung	Xe du lịch, crossover và SUV	Xe tải nhẹ, SUV cỡ lớn, xe thương mại

Chapter 4: The Potential Application Of E-CVT Transmission For The Electric Vehicle Market

Chương 4 đưa ra đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm ứng dụng hộp số E-CVT lên xe thuần điện (EV) thay thế cho hộp số một cấp (fixed gear) thông thường:

• Đề xuất cấu hình: Ứng dụng một bộ bánh răng hành tinh (PGS) kết hợp hệ thống mô tơ điện kép (dual electric motors) để điều khiển linh hoạt tỷ số truyền mong muốn mà không gây ngắt quãng dòng công suất. Nhóm nghiên cứu khảo sát các cấu hình cải tiến, trong đó có phương án bố trí trục ra nằm trên cần dẫn hành tinh (Carrier).
• Tính toán động lực học kéo của xe điện:
  • Khảo sát và tính toán đường đặc tính lực cản không khí từ 0 đến 250 km/h.
  • Xác định hệ số cản lăn và tính toán lực cản lăn trên mặt đường.
  • Tính toán lực cản lên dốc và tổng hợp lực cản toàn phần tác dụng lên phương tiện.
  • Xác định công suất kéo yêu cầu của động cơ tại từng dải vận tốc.
  • Phân tích và xây dựng đồ thị đặc tính kéo theo các giai đoạn biến thiên tỷ số truyền từ 2 cấp tốc độ đến 6 cấp tốc độ (Traction characteristics 2 to 6 stages of speed).
  • Tính toán lựa chọn thông số số răng các bánh răng trong bộ PGS (PGS teeth) và xây dựng bảng tỷ số truyền tối ưu.

Chapter 5: Conclusion And Recommendation

Chương kết luận tổng hợp lại toàn bộ kết quả nghiên cứu đã đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu, đồng thời đưa ra các đề xuất về hướng phát triển hoàn thiện thuật toán điều khiển và chế tạo mô hình thực nghiệm trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể dựa trên việc tổng hợp và tính toán số liệu:

• Hệ thống hóa toàn diện thông số kỹ thuật E-CVT THS: Làm rõ kết cấu cơ khí của bộ bánh răng hành tinh PSD với sun gear gắn MG1, ring gear gắn MG2/trục ra và carrier gắn ICE. Bóc tách thông số kỹ thuật chuẩn của cặp máy điện: MG1 và MG2 hoạt động ở điện áp AC 500V (đời mới đạt 650V); MG2 đạt công suất 50 kW (68 PS) tại 1.200 - 1.540 rpm (thế hệ mới đạt 60 kW / 80 HP), mô-men xoắn 400 Nm tại 0 - 1.200 rpm. Phân tích thành công kết cấu nam châm chữ V làm tăng 50% công suất rô-to và cải tiến điều khiển PWM làm tăng 30% công suất dải trung bình của MG2.
• Làm rõ logic điều khiển an toàn và chuyển đổi trạng thái của HV-ECU: Chỉ ra cơ chế hoạt động của bộ biến tần (Inverter) khi chuyển đổi năng lượng AC-DC-AC trực tiếp giữa hai mô tơ điện; xác định chính xác 3 điều kiện ngoại lệ hủy bỏ tính năng dừng không tải ở số N (khi kích hoạt ABS/EBD, khi chuyển D/B sang N trong lúc phanh, và khi tốc độ hai mô tơ vượt ngưỡng tới hạn).
• Đối chiếu kỹ thuật giữa ba đại diện tiêu biểu (Toyota, Ford, GM-Allison): Thiết lập ma trận so sánh chi tiết giữa cấu trúc 1 cụm PGS (Toyota), 2 cụm PGS (Ford) và cơ cấu đa cụm PGS tích hợp ly hợp 2 chế độ Low/High Range (GM-Allison), chỉ ra sự khác biệt về mặt ứng dụng cho từng dòng phương tiện.
• Đóng góp phương án thiết kế E-CVT cho xe điện: Đề xuất thành công mô hình tích hợp E-CVT cho xe thuần điện sử dụng bộ bánh răng hành tinh kết hợp hai mô tơ điện; hoàn thành tập dữ liệu tính toán lực cản động lực học ô tô (vận tốc lên tới 250 km/h), tính toán công suất yêu cầu và xây dựng đồ thị đặc tính kéo từ 2 đến 6 cấp tốc độ, chứng minh tính khả thi về mặt lý thuyết của việc mở rộng dải biến thiên tỷ số truyền cho xe điện.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Các kết quả của đề tài chủ yếu dừng lại ở phạm vi nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp tài liệu kỹ thuật, tính toán giải tích và mô phỏng trên đồ thị động lực học; đồ án chưa tiến hành gia công chế tạo mẫu thử nghiệm vật lý (prototype) cơ cấu E-CVT hai mô tơ cho xe điện và chưa có điều kiện thử nghiệm thực nghiệm trên băng thử tải (dyno) hoặc trên xe thật.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu chế tạo mô hình thực nghiệm cơ cấu bánh răng hành tinh kết hợp hai mô tơ điện cho xe thuần điện cỡ nhỏ; xây dựng mô hình phần mềm nhúng và thuật toán điều khiển phối hợp mô-men xoắn thời gian thực giữa hai mô tơ; tiến hành đo kiểm thực tế trên chu trình lái tiêu chuẩn để đánh giá mức độ tiêu thụ điện năng so với hộp số đơn cấp cố định.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Năng lượng và Phương tiện, Cơ điện tử cần nghiên cứu chuyên sâu về cấu tạo và nguyên lý điều khiển của hệ thống truyền lực hybrid (HEV) và xe điện (EV).
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) hệ thống truyền lực trong việc tìm kiếm giải pháp tối ưu hóa tỷ số truyền cho các dòng xe điện hiệu năng cao.
• Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất bao gồm: bản vẽ mặt cắt và bảng kết nối bộ bánh răng hành tinh PSD (Chương 2); cơ chế điều khiển biến tần và các trạng thái không tải an toàn của HV-ECU (Chương 2); bảng phân tích so sánh hệ thống E-CVT của Toyota, Ford và GM (Chương 3); cùng quy trình tính toán lực cản chuyển động và đồ thị đặc tính kéo đa cấp tốc độ cho xe thuần điện (Chương 4).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Trong cơ cấu bánh răng hành tinh của hệ thống Toyota Hybrid System (Prius), các phần tử cơ khí được liên kết với những cụm động lực nào?
Bánh răng mặt trời (Sun gear) được liên kết cơ học trực tiếp với mô tơ/máy phát 1 (MG1). Bánh răng bao (Ring gear) được liên kết với mô tơ/máy phát 2 (MG2) đồng thời nối trực tiếp với trục ra truyền lực tới bánh xe. Cần dẫn hành tinh (Planetary Carrier) giữ các bánh răng hành tinh và được nối trực tiếp với trục khuỷu của động cơ đốt trong (ICE).

2. Điểm khác biệt về kết cấu cuộn dây stato và mục đích vận hành giữa MG1 và MG2 trên Toyota Prius là gì?
MG1 sử dụng kiểu quấn dây tập trung (concentrated windings) nhằm đạt hiệu suất cao ở dải tốc độ thấp - trung bình và tạo mô-men khởi động lớn để khởi động động cơ ICE và phát điện sạc pin. Ngược lại, MG2 sử dụng kiểu quấn dây rải (distributed windings) nhằm giảm thiểu tổn hao bão hòa từ ở dải tốc độ cao, giúp duy trì hiệu suất kéo ổn định và cung cấp lực truyền động trực tiếp ra bánh xe trên một dải tốc độ làm việc rộng.

3. Hệ thống điều khiển HV-ECU xử lý như thế nào khi người lái chuyển cần số từ D hoặc B sang N trong lúc xe đang phanh?
Khi xe đang ở số D hoặc B và người lái đạp phanh, MG2 đóng vai trò máy phát để thu hồi năng lượng (phanh tái sinh). Nếu người lái gạt cần số về vị trí N trong quá trình này, hệ thống sẽ lập tức ngắt hoàn toàn mô-men phanh tái tạo từ MG2, đồng thời tăng áp suất thủy lực của hệ thống phanh cơ khí nhằm bù đắp lực hãm, duy trì gia tốc phanh đồng đều và tránh hiện tượng giật cục cho xe.

4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hộp số GM-Allison E-CVT (AHS-2) có gì khác biệt so với Toyota THS?
Hệ thống Toyota THS sử dụng cấu hình phân chia công suất đầu vào (Input-Split) với 1 cụm bánh răng hành tinh chính và không có ly hợp chuyển số. Trong khi đó, hệ thống GM-Allison AHS-2 là hệ thống lai hai chế độ (Two-Mode) sử dụng các cụm bánh răng hành tinh kết hợp ly hợp ma sát ướt để vận hành ở hai dải riêng biệt: chế độ dải thấp (Low Range & Reverse) dùng cho khu vực đô thị hoặc tải nặng, và chế độ dải cao (High Range) dùng cho vận hành tốc độ cao trên đường trường.

5. Nhóm tác giả đề xuất nguyên lý nào để tích hợp cơ cấu E-CVT lên xe thuần điện (EV) trong Chương 4?
Nhóm tác giả đề xuất phương án sử dụng một bộ bánh răng hành tinh (PGS) kết hợp cùng hệ thống hai mô tơ điện (dual electric motors). Bằng cách điều khiển linh hoạt tốc độ và mô-men xoắn của hai mô tơ điện thông qua bộ bánh răng hành tinh, hệ thống có thể tạo ra dải tỷ số truyền biến thiên liên tục đáp ứng các đường đặc tính kéo khác nhau (từ 2 đến 6 cấp tốc độ) mà không cần dùng hộp số cơ khí nhiều cấp truyền thống.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả đã nghiên cứu và làm rõ toàn diện cấu trúc cơ học, đặc tính máy điện và chiến lược điều khiển điện tử của hộp số E-CVT trên các hệ thống hybrid hiện đại, điển hình là Toyota Prius. Đồng thời, đề tài đã phân tích so sánh chi tiết giải pháp kỹ thuật giữa Toyota, Ford và GM-Allison, làm nổi bật ưu thế của từng cấu trúc phân chia công suất. Đặc biệt, nghiên cứu đã bước đầu tính toán động lực học và chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng cơ cấu E-CVT sử dụng bộ bánh răng hành tinh kết hợp hai mô tơ điện cho dòng xe thuần điện, tạo tiền đề khoa học hữu ích cho các hướng phát triển hệ thống truyền lực ô tô điện tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: AUTOMOTIVE ENGINEERING RESEARCH ON E-CVT TRANSMISSION ON HYBRID VEHICLES AND ELECTRIC VEHICLES INSTRUCTOR: DUONG TUAN TUNG STUDENT: NGUYEN ANH QUOC PHAM VAN HUY Ho Chi Minh city, December 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT RESEARCH ON E-CVT TRANSMISSION ON HYBRID VEHICLES AND ELECTRIC VEHICLES NGUYỄN ANH QUỐC Student ID: 20145431 PHẠM VĂN HUY Student ID: 20145452 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING. Supervisor: DƯƠNG TUẤN TÙNG, PhD. Ho Chi Minh City, December 23, 2024 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------------- Ho Chi Minh City, January 3,2025 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: NGUYỄN ANH QUỐC Student ID: 20145431 Student name: PHẠM VĂN HUY Student ID: 20145452 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Class: 20145CLA3 Supervisor: DƯƠNG TUẤN TÙNG, Ph.D Phone number: 0914805623 Date of assignment: 12/09/2024 Date of submission: 23/12/2024 1. Project title: RESEARCH ON E-CVT TRANSMISSION ON HYBRID VEHICLES AND ELECTRIC VEHICLES.

Initial materials provided by supervisor: Science journals relative with topic, Software for simulating. Content of the project: _________________________________________________ 4. Final product: Graduation Thesis contains Calculation, Simulation and Result Analysis. CHAIR OF THE PROGRAM SUPERVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- SUPERVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: NGUYỄN ANH QUỐC Student ID: 20145431 Student name: PHẠM VĂN HUY Student ID: 20145452 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Project title: RESEARCH ON E-CVT TRANSMISSION ON HYBRID VEHICLES AND ELECTRIC VEHICLES.

Supervisor: DƯƠNG TUẤN TÙNG, Ph. Content of the project:. Approval for oral defense? (Approved or denied). Ho Chi Minh City, December 23, 2024 SUPERVISOR (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: NGUYỄN ANH QUỐC Student ID: 20145431 Student name: PHẠM VĂN HUY Student ID: 20145452 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Project title: RESEARCH ON E-CVT TRANSMISSION ON HYBRID VEHICLES AND ELECTRIC VEHICLES.

Name of Examiner: HUỲNH PHƯỚC SƠN, Ph. Content and workload of the project. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, December 23, 2024 EXAMINER (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: NGUYỄN ANH QUÔC Student ID: 20145431 Student name: PHẠM VĂN HUY Student ID: 20145452 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Project title: RESEARCH ON E-CVT TRANMISSION ON HYBRID VEHICLES AND ELECTRIC VEHICLES. Name of Defense Committee Member:.

Content and workload of the project .) Ho Chi Minh City, December 23, 2024 COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) ACKNOWLEDGEMENT This Graduation Thesis Report of major Automotive Engineering Technology about “RESEARCH ON E-CVT TRANSMISSION ON HYBRID VEHICLES AND ELECTRIC VEHICLES” is the achievement of our group in the research processing with the best dedication of teachers from Faculty Vehicles Energy Engineering in Ho Chi Minh University of Technology and Education. I would like to express my sincere thanks to all the teachers, especially Mr. Duong Tuan Tung - my thesis supervisor, who has wholeheartedly guided and supported me throughout the process of completing my graduation project. I would also like to thank my family, friends and colleagues who have always encouraged, shared my difficulties and been the source of motivation for me to complete this project well.

Finally, I would like to thank the organizations and individuals who participated and contributed to the success of the project. i SUMMARY OF THE TOPIC E-CVT (Electronic Continuously Variable Transmission) is a modern technology commonly used in most hybrid transmission systems today. E-CVT combines the flexibility of a continuously variable transmission (CVT) with the support of an electric motor, creating optimal transmission efficiency and minimizing energy loss. However, this type of transmission is quite new to users who are familiar with common transmissions used on internal combustion engines.

Besides, there are also very few in-depth technical documents about it. In order to improve and contribute to research and technical documents on E-CVT transmissions, the project " RESEARCH ON E-CVT TRANSMISSION ON HYBRID VEHICLES AND ELECTRIC VEHICLES " was created by the group.