Nghiên cứu ô tô hybrid

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu ô tô hybrid - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (2022)

• Tác giả: Nguyễn Đức Dương
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phước Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu ô tô hybrid
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ô tô hybrid tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Nghiên cứu ô tô hybrid là đề tài trọng điểm của sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do TS. Huỳnh Phước Sơn trực tiếp hướng dẫn khoa học. Đề tài tập trung phân tích xu hướng chuyển đổi phương tiện giao thông xanh. Nhu cầu này xuất phát từ bối cảnh nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt nhanh chóng. Khí thải giao thông cũng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng tại các đô thị lớn. Xe hybrid kết hợp hài hòa giữa động cơ nhiệt truyền thống và mô tơ điện. Cấu trúc này giải quyết triệt để bài toán thiếu hụt trạm sạc điện hiện nay. Xe không đòi hỏi nguồn điện sạc ngoài phức tạp. Động cơ đốt trong đóng vai trò sinh công chính kiêm nguồn sạc pin. Mô tơ điện hỗ trợ đắc lực khi xe khởi động và tăng tốc. Hệ thống tự động tái sinh động năng dư thừa lúc giảm tốc độ. Nhiều hãng xe lớn đã thương mại hóa thành công dòng xe này như Toyota Prius hay Honda Insight. Đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh và bài bản. Báo cáo mang lại giá trị học thuật cao cho sinh viên kỹ thuật động lực.

1.1. Bối cảnh năng lượng và sự ra đời của dòng xe hybrid

Sự bùng nổ phương tiện giao thông gây áp lực nặng nề lên nguồn tài nguyên dầu mỏ. Trữ lượng dầu hóa thạch thế giới đang suy giảm từng ngày. Khí xả từ động cơ đốt trong truyền thống tạo ra hiệu ứng nhà kính và bụi mịn. Ngành công nghiệp ô tô toàn cầu buộc phải chuyển mình theo hướng phát triển bền vững. Công nghệ xe lai hybrid xuất hiện như giải pháp cứu cánh tức thời. Phương án này đóng vai trò cầu nối trước khi ô tô thuần điện hoàn thiện hạ tầng. Xe hybrid tận dụng mạng lưới trạm xăng sẵn có. Người tiêu dùng không gặp trở ngại về cự ly di chuyển hay thời gian nạp điện. Đây là xu thế tất yếu của giao thông xanh.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tốt nghiệp tại UTE

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đặt trọng tâm vào việc phân tích chuyên sâu cấu trúc xe hybrid. Hai sinh viên thực hiện đã thu thập và hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết vận hành hiện đại. Nghiên cứu tập trung làm rõ phương án bố trí các cụm chi tiết động lực. Bản báo cáo phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền động kết hợp. Nội dung cung cấp tài liệu kỹ thuật có độ chính xác cao. Tài liệu hỗ trợ đào tạo chuyên ngành Cơ khí Động lực tại nhà trường. Kết quả đề tài giúp người học nắm bắt quy trình vận hành thực tế trên xe. Đây là nền tảng vững chắc để phát triển các nghiên cứu cải tiến sau này.

II. Phân tích thách thức năng lượng và phát thải của ô tô hybrid

Ô tô sử dụng động cơ đốt trong truyền thống đang bộc lộ nhiều điểm hạn chế lớn. Động cơ nhiệt tạo ra mức tổn hao năng lượng đáng kể trong quá trình hoạt động. Nhiệt năng thất thoát qua két nước làm mát và đường ống khí xả rất cao. Quá trình đốt cháy nhiên liệu sinh ra khí carbon dioxide cùng nhiều chất độc hại khác. Khí thải gây nên ô nhiễm không khí cục bộ và suy thoái môi trường sống. Hệ thống truyền lực cơ khí thuần túy cũng không thể tái hồi năng lượng khi xe phanh. Mọi động năng quán tính đều bị tiêu tán vô ích dưới dạng nhiệt tại má phanh. Xe ô tô hybrid ra đời nhằm giải quyết triệt để những nhược điểm cố hữu đó. Dù vậy, thiết kế ô tô hybrid đòi hỏi giải quyết các thách thức kỹ thuật phức tạp. Trọng lượng tổng thể xe tăng lên do mang thêm bộ pin và mô tơ điện. Chi phí sản xuất linh kiện điện áp cao tương đối đắt đỏ. Cơ chế phối hợp công suất giữa hai nguồn động lực cần thuật toán tính toán liên tục. Việc duy trì tuổi thọ pin cao áp trong điều kiện vận hành khắc nghiệt cũng là bài toán khó.

2.1. Thất thoát nhiệt và phát thải từ động cơ đốt trong

Hiệu suất nhiệt tối đa của động cơ đốt trong hiện nay chỉ đạt khoảng ba mươi lăm phần trăm. Phần lớn năng lượng cháy biến thành nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh. Khi xe di chuyển trong khu vực đô thị đông đúc, động cơ thường chạy không tải. Trạng thái dừng đỗ liên tục làm tăng vọt mức tiêu thụ xăng dầu. Khí xả chứa hàm lượng lớn khí carbon monoxide, hydrocarbon và oxit nitơ. Những hợp chất nguy hại này ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe đường hô hấp của con người. Xe truyền thống hoàn toàn không có khả năng cắt giảm phát thải khi kẹt xe kéo dài.

2.2. Nhược điểm của hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực

Nghiên cứu của đồ án cũng khảo sát phương án tích trữ năng lượng thủy lực trên ô tô. Dòng xe này sử dụng bình tích áp để thu hồi động năng khi phanh. Hệ thống thủy lực sở hữu ưu điểm cung cấp mật độ công suất tức thời rất lớn. Cơ chế này hỗ trợ xe tăng tốc mạnh mẽ ngay từ vị trí đứng yên. Tuy nhiên, đường truyền thủy lực tạo ra tổn thất ma sát chất lỏng đáng kể. Các gioăng làm kín và van điều khiển áp suất cao dễ hao mòn theo thời gian. Trọng lượng các bình tích áp cồng kềnh làm giảm không gian nội thất của xe. Do đó, phương án hybrid cơ - điện vẫn chiếm ưu thế vượt trội.

III. Giải pháp cấu tạo và điều khiển hệ thống ô tô hybrid HEV

Hệ thống ô tô hybrid giải quyết triệt để tổn hao năng lượng nhờ cơ chế kết hợp thông minh. Bộ chia công suất sử dụng cơ cấu hành tinh liên kết động cơ nhiệt với máy phát MG1 và mô tơ MG2. Cụm điều khiển biến tần inverter biến đổi dòng điện linh hoạt giữa xoay chiều và một chiều. Khi xe lăn bánh ở dải tốc độ thấp, mô tơ MG2 sử dụng điện từ pin cao áp để truyền lực độc lập. Động cơ nhiệt được ngắt hoàn toàn để tránh tiêu hao nhiên liệu vô ích. Khi xe cần tăng tốc đột ngột, cả động cơ nhiệt và mô tơ điện cùng phát lực đồng bộ. Cụm điều khiển ECU HV đóng vai trò bộ não chỉ huy trung tâm của toàn bộ hệ thống. Bộ điều khiển này tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga và cảm biến tốc độ. ECU HV liên tục tính toán lực kéo yêu cầu tại bánh xe chủ động. Hệ thống gửi lệnh tới ECU động cơ để hiệu chỉnh lượng phun xăng và góc đánh lửa. Cơ chế phanh tái sinh điều khiển MG2 đảo chiều thành máy phát sạc điện lại cho bộ pin.

3.1. Cấu tạo cụm động lực và bộ truyền bánh răng hành tinh

Cấu tạo cụm truyền động hybrid bao gồm động cơ đốt trong, bộ chia công suất và hai máy điện MG1, MG2. Bộ truyền bánh răng hành tinh giữ vị trí liên kết trung tâm giữa các trục truyền động. Bánh răng mặt trời ăn khớp trực tiếp với máy phát MG1 để kiểm soát tỷ số truyền. Cần dẫn mang các bánh răng hành tinh được gắn chặt với trục khuỷu động cơ nhiệt. Vành răng bao phía ngoài nối liền với mô tơ kéo MG2 và truyền thẳng tới vi sai cầu xe. Cơ cấu này cho phép phân chia mô men xoắn liên tục và êm ái mà không cần hộp số nhiều cấp truyền thống. Thiết kế giảm đáng kể kích thước cụm truyền lực.

3.2. Nguyên lý điều khiển phân phối lực kéo của ECU HV

Hộp điều khiển ECU HV thu thập dữ liệu vận hành theo chu kỳ thời gian thực cực ngắn. Thiết bị đọc giá trị vị trí bàn đạp ga, cảm biến chân phanh và trạng thái sạc SOC của pin. Dựa trên vận tốc thực tế, máy tính xác định chính xác mô men xoắn tối ưu ở bánh xe. Bộ điều khiển điều phối dòng năng lượng linh hoạt qua hệ thống biến tần thông minh. Khi nhận thấy bánh xe trượt quay, ECU HV lập tức giảm dòng điện cấp vào mô tơ MG2. Đồng thời, thiết bị kích hoạt rơ le chính SMR để bảo đảm an toàn điện áp cao. Việc can thiệp vào bướm ga điện tử ECTS-i giúp động cơ luôn vận hành ở dải hiệu suất cao nhất.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng công nghệ ô tô hybrid thực tế

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu ô tô hybrid tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính ưu việt của dòng xe lai. Xe hybrid đạt hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu vượt trội từ ba mươi đến năm mươi phần trăm. Lượng phát thải độc hại ra môi trường giảm thiểu rõ rệt qua các chế độ vận hành thông minh. Công nghệ tái sinh năng lượng phanh mang lại hiệu quả kinh tế lớn trong chu trình đô thị. Việc làm chủ kiến thức hệ thống hybrid tạo nền móng kỹ thuật vững chắc cho đội ngũ kỹ sư tương lai. Ngành ô tô tại Việt Nam đang từng bước tiếp cận và nội địa hóa các công nghệ xe điện hóa. Dòng xe hybrid là giải pháp chuyển đổi xanh thực tế nhất trong giai đoạn hiện nay. Hạ tầng trạm sạc điện tại nhiều địa phương vẫn đang trong quá trình hoàn thiện. Người tiêu dùng sử dụng xe hybrid không phải thay đổi thói quen tiếp nhiên liệu thông thường. Đề tài mở ra tiềm năng lớn trong ứng dụng chẩn đoán, sửa chữa và cải tiến kỹ thuật ô tô hiện đại.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của xe hybrid

Công nghệ hybrid mang lại lợi ích kép về mặt chi phí nhiên liệu và bảo vệ môi trường sinh thái. Mức tiêu thụ xăng giảm mạnh giúp chủ phương tiện tiết kiệm khoản ngân sách vận hành rất lớn. Hệ thống phanh tái sinh làm giảm độ mòn má phanh, kéo dài chu kỳ thay thế phụ tùng. Lượng phát thải khí nhà kính giảm mạnh góp phần chống biến đổi khí hậu toàn cầu. Động cơ tự động ngắt khi dừng đèn đỏ giúp triệt tiêu hoàn toàn tiếng ồn và khói độc tại giao lộ. Đây là phương tiện giao thông lý tưởng cho các thành phố đông dân cư. Hiệu quả thực tiễn này thúc đẩy các chính sách khuyến khích sử dụng phương tiện xanh.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tế vào ngành công nghiệp ô tô Việt Nam

Thị trường ô tô Việt Nam đang chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của các dòng xe hybrid thương mại. Các hãng xe lớn như Toyota, Honda hay Suzuki liên tục giới thiệu các phiên bản xe lai mới. Kết quả nghiên cứu từ đồ án tốt nghiệp đóng góp tài liệu quan trọng cho công tác đào tạo kỹ thuật viên. Đội ngũ thợ sửa chữa cần nắm vững nguyên lý hoạt động của biến tần và mạch điện cao áp. Việc trang bị kiến thức chuyên sâu về ECU HV hỗ trợ đắc lực quá trình quét lỗi và xử lý hư hỏng. Nguồn nhân lực chất lượng cao sẽ tạo đòn bẩy vững chắc cho lộ trình điện hóa giao thông nước nhà.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của phương tiện giao thông vận tải đường bộ kéo theo mức tiêu thụ năng lượng hóa thạch ngày càng lớn, gia tăng nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ và gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng tại nhiều đô thị trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Khi ô tô truyền thống trang bị động cơ đốt trong vận hành trong đô thị, điều kiện di chuyển tốc độ thấp, kẹt xe và thời gian dừng không tải kéo dài dẫn đến sự lãng phí nhiên liệu đáng kể và làm tăng nồng độ khí thải độc hại. Bên cạnh đó, ô tô truyền thống còn chịu nhiều tổn thất năng lượng trong quá trình khởi động nguội, chuyển số và tiêu tán hoàn toàn động năng thành nhiệt lượng ma sát khi phanh.

Trong bối cảnh các giải pháp xe sử dụng nhiên liệu sạch hoàn toàn (như xe điện, xe pin nhiên liệu hydro hay xe năng lượng mặt trời) vẫn còn gặp nhiều rào cản về hạ tầng trạm sạc, công nghệ lưu trữ áp suất cao và chi phí, dòng xe lai (ô tô hybrid - HEV) được xem là giải pháp chuyển tiếp kỹ thuật phù hợp. Bằng việc kết hợp giữa động cơ đốt trong và mô tơ điện, xe hybrid có khả năng mở rộng vùng làm việc tối ưu, ngắt động cơ ở chế độ không tải và thu hồi năng lượng khi giảm tốc thông qua hệ thống phanh tái sinh. Tại Việt Nam, ô tô hybrid là công nghệ còn tương đối mới đối với người sử dụng cũng như trong công tác đào tạo kỹ thuật.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu ô tô hybrid" được thực hiện nhằm cung cấp một hệ thống lý thuyết và tổng quan kỹ thuật rõ ràng về dòng xe này, phục vụ nhu cầu nghiên cứu, học tập và giảng dạy.

Nhiệm vụ nghiên cứu được giao cụ thể gồm bốn phần:

1. Mở đầu – Tổng quan vấn đề nghiên cứu;
2. Giới thiệu các phương án bố trí ô tô hybrid;
3. Cấu tạo, hoạt động hệ thống hybrid (bao gồm hệ thống điều khiển và các chế độ làm việc);
4. Kết luận.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các dòng ô tô hybrid lưu hành trên thị trường.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn khảo sát trên một số cấu hình hybrid thông dụng (điển hình là hệ thống dẫn động của Toyota Prius với động cơ 1NZ-FXE, Honda Insight, Honda Civic Hybrid, Ford Escape Hybrid và các giải pháp phanh tái sinh trên Volvo, VW Touareg). Đề tài được hoàn thành vào tháng 08 năm 2022 tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết cơ học ô tô, kỹ thuật truyền động cơ điện tử và các tiêu chuẩn kiểm thử động lực học hiện hành:

• Khái niệm và cấu hình truyền động hybrid: Hệ thống lai điện (HEV), xe lai sạc ngoài (PHEV) và xe lai thủy lực (HHV). Phân loại cấu hình phối hợp công suất theo thời điểm vận hành (chỉ dùng mô tơ điện ở tốc độ thấp, kết hợp khi cần công suất cao) và theo sơ đồ dòng năng lượng cơ học - điện học (nối tiếp - Series, song song - Parallel, hỗn hợp - Series-Parallel).
• Cơ sở động lực học và tỷ số truyền: Mô hình phân chia công suất và mô men xoắn thông qua cơ cấu bánh răng hành tinh (PSD - Power Split Device). Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh ($i_{ht}$), tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực ($i_{tl}$), và tỷ số truyền của bộ truyền lực chính kết hợp bộ giảm tốc ($i_0$).
• Phương trình cân bằng lực kéo: Thiết lập công thức xác định lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động ($F_k$), công suất kéo ($P_k$), kết hợp phương trình cân bằng với các lực cản chuyển động: lực cản lăn ($F_f$), lực cản dốc, lực cản không khí ($F_w$) và lực cản quán tính ($F_a$) có xét đến hệ số khối lượng quay ($\delta$).
• Lý thuyết phanh tái sinh (Regenerative Braking System - RBS): Nguyên lý chuyển đổi động năng thành điện năng dựa trên chu trình thử nghiệm đô thị chuẩn FTP-75 (Federal Test Procedure của Hoa Kỳ), phân phối lực phanh trước/sau và các phương án tích trữ năng lượng (điện năng, thủy lực, bánh đà KERS, vật liệu đàn hồi).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng bao gồm:

• Phương pháp thu thập và tham khảo tài liệu: Tổng hợp dữ liệu kỹ thuật từ sách chuyên khảo, tài liệu đào tạo chính hãng của các nhà sản xuất ô tô (đặc biệt là hãng Toyota) và các công bố khoa học chuyên ngành trên Internet.
• Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Phân loại, so sánh ưu nhược điểm của các cấu trúc truyền động, các phương án tích trữ năng lượng phanh và các chiến lược điều khiển phân phối lực.
• Phương pháp giải tích giải thuật động lực học: Lập luận toán học để mô tả mối quan hệ giữa tốc độ góc, mô men xoắn và công suất của ba thành phần chính trong cụm hành tinh: bánh răng mặt trời (Sun gear), bánh răng bao (Ring gear) và cần dẫn (Carrier).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về ôtô hybrid

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử hình thành và các giai đoạn phát triển của xe hybrid, từ mẫu xe Lohner-Porsche của nhà thiết kế Ferdinand Porsche, mẫu xe GM 512 năm 1968, Audi Duo năm 1989 kết hợp động cơ điện 12 mã lực với động cơ đốt trong 139 mã lực, cho đến sự thương mại hóa rộng rãi của Toyota Prius (1997) và Honda Insight (1999).

Tác giả phân tích các ưu điểm kỹ thuật của xe hybrid so với xe truyền thống:

• Hạn chế tổn thất năng lượng khi khởi động nguội nhờ dùng mô tơ điện kéo động cơ nổ liền mạch;
• Thu hồi phần lớn động năng bị lãng phí trong quá trình phanh;
• Triệt tiêu lượng phát thải lớn ở chế độ chạy không tải bằng việc tắt hẳn động cơ đốt trong;
• Giảm tổn hao cơ khí khi chuyển số nhờ cơ cấu phân chia công suất vận hành như một hộp số biến thiên vô cấp (CVT).

Về nhược điểm, xe hybrid có giá thành ban đầu cao, khối lượng bản thân nặng do phải trang bị thêm cụm pin và mô tơ điện. Chi phí thay thế khối ắc quy cao áp khi hỏng hóc hoặc hết hạn sử dụng cũng là một trở ngại (văn bản đề cập giá pin tối thiểu khoảng trên dưới 100 triệu đồng). Nếu pin bị hỏng mà xe phải chạy hoàn toàn bằng động cơ nhiệt, mức tiêu hao nhiên liệu sẽ lớn hơn xe truyền thống cùng phân khúc do gánh thêm tải trọng cụ thể của hệ thống điện.

Chương này cũng phân biệt rõ giữa HEV (tự nạp điện, không cần cắm sạc ngoài), PHEV (có cổng sạc ngoài) và HHV (xe lai thủy lực sử dụng mô tơ thủy lực thay cho mô tơ điện). Đồng thời, tác giả phân loại và đánh giá ba sơ đồ bố trí:

• Cấu hình nối tiếp (Series): Động cơ đốt trong không dẫn động bánh xe mà chỉ kéo máy phát điện (MG1) để cấp điện cho ắc quy hoặc cấp trực tiếp cho mô tơ kéo (MG2). Cấu hình này giúp động cơ nhiệt luôn hoạt động ở vùng hiệu suất tối ưu nhưng kích thước ắc quy phải rất lớn và dễ quá tải khi kéo tải nặng.
• Cấu hình song song (Parallel): Cả động cơ đốt trong và mô tơ điện đều kết nối cơ khí đến bánh xe chủ động. Động cơ nhiệt là nguồn dẫn động chính, mô tơ điện đóng vai trò trợ lực khi khởi hành, gia tốc hoặc leo dốc. Cấu hình này nhỏ gọn, không cần máy phát riêng biệt, song động cơ nhiệt phải có công suất lớn và khả năng tiết kiệm nhiên liệu trong đô thị không cao bằng kiểu hỗn hợp.
• Cấu hình hỗn hợp (Series-Parallel): Sử dụng bộ phân chia công suất (PSD) để phân chia cơ năng của động cơ đốt trong thành hai phần: truyền cơ khí trực tiếp ra bánh xe và dẫn động máy phát điện. Cấu hình này kết hợp được ưu điểm của cả hai kiểu trên, điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ công suất tùy theo điều kiện tải và tốc độ xe.

Chương 2: Các chế độ hoạt động của ô tô hybrid

Chương 2 đi sâu vào cấu tạo chi tiết các cụm chi tiết phần cứng và thuật toán điều khiển trên hệ thống hybrid hỗn hợp của Toyota (khảo sát cụ thể trên động cơ 1NZ-FXE 1.5L tích hợp công nghệ van biến thiên VVT-i và bướm ga điện tử ETCS-i):

• Bộ phân chia công suất (Power Split Device - PSD): Cấu tạo là một bộ truyền bánh răng hành tinh. Trong đó, vành răng bao liên kết cố định với mô tơ MG2 và trục đầu ra truyền lực đến bánh xe; bánh răng mặt trời liên kết với máy phát MG1; cần dẫn liên kết trực tiếp với trục khuỷu động cơ nhiệt. Cụm bánh răng này đóng vai trò như một hộp số vô cấp điều khiển điện tử (e-CVT).
• Cụm mô tơ - máy phát MG1 và MG2: Đều là loại động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu có bố trí nam châm hình chữ V trên rotor nhằm tối ưu hóa từ trường và mô men xoắn. MG1 đảm nhận việc khởi động động cơ nhiệt, điều khiển tỷ số truyền hành tinh và phát điện sạc cho ắc quy. MG2 đảm nhận việc dẫn động chính ở tốc độ thấp, trợ lực khi tăng tốc và đóng vai trò máy phát trong quá trình phanh tái sinh. Cả hai đều tích hợp cảm biến vị trí tốc độ gồm 3 cuộn dây A, B, C (chân B và C bố trí lệch pha 90 độ) giúp ECU HV xác định chính xác góc quay rotor và số vòng quay.
• Bộ chuyển đổi điện (Inverter with Converter): Chứa mạch biến đổi DC/AC (chuyển dòng một chiều từ pin cao áp thành dòng xoay chiều 3 pha cho MG1/MG2 và ngược lại), mạch biến đổi DC/DC hạ áp sạc cho ắc quy phụ 12V, mạch cấp điện xoay chiều cho máy nén điều hòa không khí và bộ khuếch đại điện áp (Boost Converter) có khả năng nâng điện áp nguồn từ ắc quy lên mức tối đa 500V.
• Ắc quy điện áp cao (HV Battery): Sử dụng loại Nickel-Metal Hydride (NiMH) cấu tạo từ các mô-đun ghép nối tiếp. Mỗi ngăn chuẩn có điện áp danh định 1,2V; các mô-đun tùy cấu hình gồm loại 6 ngăn (7,2V), 8 ngăn (9,6V) hoặc 12 ngăn (14,4V).
• Hệ thống điều khiển điện tử: Phân tích cấu trúc phân tầng giữa ECU HV (trung tâm), ECM (điều khiển động cơ nhiệt), ECU ắc quy (theo dõi dung lượng SOC, nhiệt độ và quạt làm mát), ECU điều khiển trượt (quản lý phanh tái sinh) và rơ le chính SMR (System Main Relay) làm nhiệm vụ đóng ngắt an toàn nguồn cao áp qua hệ thống cáp màu cam.

Chương này phân tích trạng thái động học của cụm hành tinh và sự phân bổ mô men qua 7 chế độ làm việc điển hình:

1. Khởi động động cơ khi xe đang chạy (B1): MG1 hoạt động như một động cơ điện quay theo chiều quy định để quay trục khuỷu động cơ nhiệt đạt tốc độ khởi động;
2. Tăng tốc nhẹ với động cơ (B2): Động cơ nhiệt bắt đầu sinh công, một phần công suất qua bánh răng bao kéo xe, một phần quay MG1 để phát điện cấp trực tiếp cho MG2 trợ lực;
3. Lái xe với tải nhẹ (C): Xe vận hành ở dải tốc độ ổn định, động cơ nhiệt làm việc tại điểm tiêu hao nhiên liệu tối ưu, lượng điện dư nạp vào ắc quy;
4. Tăng tốc mạnh (D): Cả động cơ nhiệt, mô tơ MG2 và ắc quy cao áp cùng đồng thời cung cấp công suất tối đa ra trục bánh xe;
5. Xe chạy ở tốc độ cao (E): Điểm cân bằng công suất thay đổi, chiều quay và dòng công suất của MG1 được ECU điều chỉnh để giữ tỷ số truyền phù hợp;
6. Xe chạy ở chế độ giảm tốc (F): Động cơ nhiệt ngừng cấp nhiên liệu, MG2 bị bánh xe kéo quay trở thành máy phát điện tạo mô men cản phanh và nạp lại điện năng cho pin;
7. Chế độ lùi xe: Động cơ nhiệt không hoạt động (hoặc chỉ nổ để kéo MG1 sạc điện), ECU đảo chiều từ trường để MG2 quay ngược chiều kim đồng hồ, dẫn động xe lùi êm dịu hoàn toàn bằng điện.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết ôtô hybrid

Chương 3 xây dựng mô hình toán học giải tích xác định đặc tính động lực học của hệ thống truyền động lai:

• Đường truyền công suất: Thiết lập mối quan hệ mô men và công suất sau khi phối hợp giữa trục động cơ nhiệt ($E$) và trục mô tơ điện ($M$): $$M_t = M_e + M_m$$ $$N_t = N_e + N_m$$
• Động lực học bộ truyền hành tinh: Tác giả xác định cân bằng mô men và cân bằng công suất tác dụng lên các khâu của cơ cấu bánh răng hành tinh thông qua các phương trình liên hệ giữa cần dẫn ($C$), bánh răng mặt trời ($S$) và vành răng bao ($R$): $$M_C = M_S + M_R$$ $$N_C = M_C \cdot \omega_C; \quad N_S = M_S \cdot \omega_S; \quad N_R = M_R \cdot \omega_R$$ Tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh ($i_{ht}$) được giải tích từ mối quan hệ bán kính các bánh răng ($r_C, r_S, r_R$) và vận tốc góc ($\omega_C, \omega_S, \omega_R$).
• Đặc tính kéo tại bánh xe chủ động: Lực kéo tiếp tuyến $F_k$ tại bề mặt tiếp xúc của bánh xe chủ động được tính toán từ công suất tổng $P_t$, hiệu suất hệ thống truyền lực $\eta_{tl}$, tỷ số truyền tổng $i_{tl}$ và bán kính lăn bánh xe $r$: $$F_k = \frac{M_t \cdot i_{tl} \cdot \eta_{tl}}{r}$$ $$P_k = P_t \cdot \eta_{tl} = F_k \cdot v$$
• Đồ thị cân bằng lực kéo: Xác lập phương trình cân bằng chuyển động thẳng tổng quát: $$F_k = F_f \pm F_i + F_w + F_a$$ Trong đó:
  • Lực cản lăn: $F_f = m \cdot g \cdot f \cdot \cos\alpha$;
  • Lực cản dốc: $F_i = m \cdot g \cdot \sin\alpha$;
  • Lực cản không khí: $F_w = \frac{1}{2} C_x \cdot S \cdot \rho \cdot v^2$ (với $C_x$ là hệ số cản gió, $S$ là diện tích cản gió);
  • Lực cản quán tính khi gia tốc: $F_a = \delta \cdot m \cdot a$ (với $\delta$ là hệ số xét đến khối lượng các chi tiết quay, $a$ là gia tốc chuyển động).

Dựa trên đồ thị cân bằng lực kéo xây dựng được, khóa luận trình bày phương pháp xác định vận tốc cực đại ($v_{max}$), góc dốc cực đại mà xe có thể vượt qua và thời gian gia tốc của xe hybrid.

Chương 4: Hệ thống phanh tái sinh trên xe ô tô hybrid

Chương 4 nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Braking System - RBS) và nguyên lý tích hợp giữa phanh điện động và hệ thống phanh thủy lực thông thường:

• Nguyên tắc và yêu cầu: Phanh tái sinh phải đảm bảo thu hồi tối đa động năng thành điện năng nhưng không được làm ảnh hưởng đến độ ổn định hướng chuyển động của xe, phải tuân thủ giới hạn phân phối lực phanh cầu trước/cầu sau và đem lại cảm giác đạp phanh chân thực cho người điều khiển.
• Tiêu thụ năng lượng theo chu trình: Tác giả phân tích dữ liệu thực nghiệm biến thiên vận tốc, gia tốc, công suất và năng lượng phanh theo chu trình thử nghiệm đô thị FTP-75. Kết quả chu trình cho thấy trong giao thông đô thị, tần suất phanh và lượng năng lượng tiêu tán qua hệ thống phanh chiếm tỷ trọng rất lớn, khẳng định giá trị thực tế của cơ cấu thu hồi năng lượng.
• Phân loại các phương án tích trữ năng lượng phanh:
  1. Tích trữ dạng điện năng: Sử dụng ắc quy hóa học (NiMH, Li-ion) hoặc siêu tụ điện (Supercapacitor) thông qua bộ biến đổi hai chiều DC/DC và Inverter;
  2. Tích trữ dạng thủy lực: Bơm dầu áp suất cao vào các bình tích năng thủy khí (áp dụng trên xe HHV);
  3. Tích trữ dạng cơ năng (bánh đà - Flywheel): Sử dụng hệ thống KERS truyền động cơ khí trực tiếp hoặc tích điện (dẫn chứng hệ thống KERS trên xe Volvo);
  4. Tích trữ dạng thế năng cơ học: Sử dụng các cơ cấu vật liệu đàn hồi (lò xo cuộn).
• So sánh các phương án tích năng: Khóa luận đánh giá tổng hợp các phương án qua các chỉ tiêu: độ ổn định điện áp, khả năng chịu nhiệt, hiệu suất chuyển đổi và mức độ cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu. Phương án tích trữ điện năng bằng ắc quy kết hợp biến tần điện tử là giải pháp tối ưu nhất cho xe du lịch thương mại hiện nay.
• Cấu hình phối hợp lực phanh:
  • Phanh nối tiếp - cảm nhận tối ưu (Series with optimal feel): Hệ thống máy tính điều khiển lực phanh thủy lực phản hồi chân thực theo lực đạp của lái xe, phần mô men phanh điện động được điều tiết phụ trợ;
  • Phanh nối tiếp - thu hồi năng lượng tối ưu (Series with optimal energy recovery): Hệ thống ưu tiên kích hoạt tối đa lực phanh tái sinh của MG2 trước, chỉ khi mô men phanh yêu cầu vượt quá giới hạn của MG2 hoặc khi tốc độ xe xuống quá thấp thì hệ thống phanh cơ khí thủy lực mới tham gia bù vào;
  • Phanh song song (Parallel): Lực phanh cơ khí ma sát tại các bánh xe và lực phanh điện động từ mô tơ cùng tác động đồng thời mà không có sự ngắt tách riêng biệt giữa hai hệ thống.

---

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp và trích xuất thành công hệ thống dữ liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về dòng ô tô hybrid:

1. Hệ thống hóa cấu trúc phân loại và đánh giá đặc tính kỹ thuật: Làm rõ bản chất cơ điện của ba cấu hình hybrid chính thông qua các chỉ số định tính được so sánh chi tiết:

Tiêu chí so sánh	Kiểu nối tiếp (Series)	Kiểu song song (Parallel)	Kiểu hỗn hợp (Series-Parallel)
Tính tiết kiệm nhiên liệu	Trung bình	Trung bình	Cao
Truyền động công suất cao liên tục	Thấp	Cao	Cao
Khả năng gia tốc	Trung bình	Cao	Cao
Thu hồi năng lượng phanh tái sinh	Cao	Trung bình	Cao
Hiệu suất hoạt động	Thấp	Cao	Cao
Tổng hiệu suất liên tục	Thấp	Cao	Cao

2. Mô tả cấu trúc bộ phân chia công suất và điều khiển điện: Làm rõ cơ chế tự động cân bằng động lực học của cụm hành tinh PSD, cơ cấu tăng áp lên 500V của cụm Inverter, cấu trúc ghép nối module của ắc quy NiMH (loại 6 ngăn 7,2V; 8 ngăn 9,6V; 12 ngăn 14,4V) và quy trình giao tiếp mạng ECU HV với ECM và ECU trượt.
3. Mô hình hóa lý thuyết động lực học và phanh tái sinh: Xây dựng đầy đủ công thức giải tích mô tả đường truyền công suất phối hợp ($M_t, N_t$), lực kéo tiếp tuyến ($F_k$), công suất kéo ($P_k$) và phương trình cân bằng lực cản ($F_f, F_w, F_a$). Đồng thời, phân tích định lượng dữ liệu công suất và lực phanh theo chu trình thử nghiệm FTP-75, chỉ rõ nguyên lý phân bổ của 3 cấu hình phanh nối tiếp và song song.
4. Đóng góp của đồ án: Đồ án tổng hợp thành một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh tại thời điểm năm 2022, bổ sung nguồn học liệu chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô cho Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, giúp sinh viên và người nghiên cứu tiếp cận nhanh với hệ thống điều khiển truyền lực trên xe hybrid thương mại.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận có các hạn chế được xác định dựa trên phạm vi thực hiện:

• Đề tài thuần túy dừng lại ở việc tổng quan lý thuyết, phân tích tài liệu kỹ thuật và giải tích công thức động lực học; chưa thực hiện kiểm chứng thực nghiệm trên bệ thử động cơ, mô hình phần cứng hay xe thực tế.
• Chưa tiến hành mô phỏng số trên các phần mềm chuyên ngành (như MATLAB/Simulink, AVL Cruise hoặc ADVISOR) để mô phỏng sự chuyển đổi trạng thái của bộ phân chia công suất PSD cũng như đường đặc tính phanh trong điều kiện vận hành cụ thể.
• Khảo sát cấu tạo chủ yếu tập trung vào hệ thống hybrid thế hệ cũ của Toyota (động cơ 1NZ-FXE, ắc quy NiMH), chưa mở rộng sang các dòng pin thế hệ mới như Lithium-ion hay các kiến trúc xe điện hoàn toàn (EV).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Xây dựng mô hình mô phỏng thuật toán quản lý năng lượng (Energy Management Strategy - EMS) cho bộ phân chia công suất trên MATLAB/Simulink;
• Thực hiện các đề tài chế tạo mô hình thực hành hoặc sa bàn phục vụ giảng dạy môn học ô tô hybrid và xe điện tại xưởng thực tập;
• Nghiên cứu khảo sát hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và lượng phát thải thực tế của ô tô hybrid trong điều kiện chu trình giao thông đô thị đặc thù tại các thành phố lớn của Việt Nam.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

• Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Dùng làm tài liệu học tập cho các học phần Lý thuyết ô tô, Hệ thống điều khiển tự động trên ô tô, Ô tô hybrid và xe điện; hỗ trợ định hướng tính toán khi làm đồ án tốt nghiệp liên quan đến truyền lực cơ điện tử.
• Giảng viên bộ môn Ô tô: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong việc biên soạn bài giảng, xây dựng nội dung bài thí nghiệm về cấu tạo bộ chia công suất hành tinh PSD, hệ thống Inverter/Converter và nguyên lý phanh tái sinh.
• Kỹ thuật viên sửa chữa ô tô: Tra cứu nguyên lý vận hành của các cụm chi tiết trên hệ thống hybrid (đặc biệt là dòng xe hybrid của Toyota), nhận diện màu sắc cáp an toàn cao áp và cơ chế phối hợp hoạt động của hai máy điện MG1, MG2.

Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu là Chương 2 (phân tích chi tiết cấu tạo PSD, MG1/MG2, Inverter và 7 chế độ vận hành) cùng Chương 4 (nguyên lý và phân loại các phương án phanh tái sinh).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ phân chia công suất (PSD) trên xe hybrid có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?
PSD thực chất là một bộ truyền bánh răng hành tinh đóng vai trò như một hộp số vô cấp (e-CVT). Vành răng bao liên kết với mô tơ MG2 và truyền mô men ra bánh xe chủ động; bánh răng mặt trời liên kết với máy phát MG1; cần dẫn liên kết trực tiếp với trục ra của động cơ đốt trong. Cơ cấu này chia công suất từ động cơ đốt trong thành phần truyền cơ khí tới bánh xe và phần dẫn động MG1 phát điện.

2. Tổ hợp hai máy điện MG1 và MG2 trên xe hybrid đảm nhận vai trò gì?
Cả hai đều là mô tơ/máy phát xoay chiều 3 pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu. MG1 chủ yếu hoạt động như máy phát để sạc điện cho ắc quy cao áp, cấp điện trực tiếp cho MG2 và đóng vai trò như động cơ khởi động để đề nổ động cơ đốt trong. MG2 đóng vai trò là động cơ kéo chính dẫn động bánh xe (tiến hoặc lùi), hỗ trợ tăng tốc và trở thành máy phát điện thu hồi động năng nạp lại cho pin trong quá trình phanh tái sinh.

3. Ắc quy cao áp (HV Battery) trong đồ án khảo sát sử dụng công nghệ gì và thông số điện áp ra sao?
Ắc quy sử dụng công nghệ Niken - kim loại hydrua (NiMH), gồm nhiều mô-đun nhỏ mắc nối tiếp với nhau. Mỗi ngăn nhỏ bên trong có điện áp chuẩn là 1,2V. Tùy theo chuẩn điện áp của xe, một mô-đun có thể cấu tạo gồm 6 ngăn (7,2V), 8 ngăn (9,6V) hoặc 12 ngăn (14,4V).

4. Khóa luận phân loại hệ thống phanh tái sinh theo những phương án tích trữ năng lượng nào?
Khóa luận chia thành 4 phương án tích trữ năng lượng phanh tái sinh:

• Tích trữ dưới dạng điện năng (ắc quy hóa học, siêu tụ điện);
• Tích trữ dưới dạng năng lượng thủy lực (bộ tích năng thủy khí cao áp);
• Tích trữ dạng cơ năng bằng bánh đà (hệ thống KERS);
• Tích trữ dưới dạng thế năng biến dạng vật liệu đàn hồi (lò xo cuộn).

5. Điểm khác nhau giữa hai chiến lược phanh nối tiếp "cảm nhận tối ưu" và "thu hồi năng lượng tối ưu" là gì?
Ở chiến lược phanh nối tiếp - cảm nhận tối ưu, hệ thống ưu tiên tái tạo lực phản hồi trên bàn đạp phanh chân thực và êm dịu nhất cho người lái, sau đó mới phân bổ lực phanh điện động. Ngược lại, ở chiến lược phanh nối tiếp - thu hồi năng lượng tối ưu, hệ thống ưu tiên kích hoạt tối đa lực phanh điện động của MG2 để sạc pin trước, chỉ kích hoạt thêm phanh thủy lực cơ khí khi lực phanh tái sinh không đủ đáp ứng gia tốc chậm dần theo yêu cầu.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu ô tô hybrid" của sinh viên Nguyễn Đức Dương và Nguyễn Văn Đông (GVHD: TS. Huỳnh Phước Sơn, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã thực hiện thành công việc tổng hợp, giải tích và hệ thống hóa toàn diện cấu tạo, nguyên lý vận hành của ô tô hybrid hỗn hợp. Trọng tâm của đồ án làm sáng tỏ cơ chế phân chia dòng công suất qua cơ cấu bánh răng hành tinh PSD, sự điều khiển phối hợp giữa hai tổ hợp máy điện MG1/MG2 với động cơ 1NZ-FXE và các chế độ tích trữ của hệ thống phanh tái sinh theo chu trình FTP-75. Đây là tập tài liệu học thuật có kết cấu logic, chuẩn xác về mặt cơ kỹ thuật, đem lại giá trị tham khảo hữu ích cho sinh viên và cán bộ giảng dạy thuộc khối ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID 1. Lịch sử hình thành và phát triển của ô tô hybrid Xuất hiện từ đầu những năm 1990 với chiếc xe có tên gọi Hybrid Lohner-Porsche bởi nhà thiết kế Ferdinand Porsche, năm 1968 mẫu xe thử nghiệm GM 512 chạy điện ở tốc độ thấp và chạy xăng ở tốc độ cao bởi General Motors, năm 1989 Audi cho ra mắt mẫu xe Audi Duo kết hợp giữa động cơ điện 12 mã lực và động cơ đốt trong 139 mã lực, đến những năm cuối thế kỉ XX thì Toyota cho ra mắt Prius (1997), Insight của Honda (1999) và cho tới nay ô tô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường. Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường. Với nhiều ưu điểm nổi bật, ôtô hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới.

Ngày càng có nhiều mẫu ô tô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ô tô này.1: Mẫu xe Hybrid Lohner-Porsche [1] Ô tô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô pin mặt trời. cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, không dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta. Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) được coi là 1 phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ôtô sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu. Khái niệm ô tô hybrid Hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid (Hybrid Electric Vehicle-HEVs) là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp.

Động cơ hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động cơ điện. Động cơ đốt trong có thể sử dụng trên ô tô hybrid như: Động cơ xăng, gasoline, diesel… còn động cơ điện sử dụng nguồn ắc quy cao áp. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau. Và trong quá trình chạy của xe như phanh, xuống dốc… thì có khả năng tái sinh năng lượng được sạc vào pin thông qua phanh tái tạo.

Nhờ đó mà trong các trường hợp xe sử dụng từng động cơ và khi kết hợp với nhau sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn. Xu hướng phát triển của ôtô hybrid Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá xăng dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể. Các xe chạy bằng Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang phổ biến trên thị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi.

Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và mọi người nói chung.