ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------------------------

VŨ TẤT TÂN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG NGUỒN ĐỘNG LỰC XE ĐIỆN
HYBRID (HEV) KIỂU KẾT HỢP BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên - Năm 2018

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép
tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô
và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm
luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Dương Thế Hùng đã hướng dẫn tôi hết
sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn
thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác
đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong
hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi
có thể hoàn chỉnh luận văn này.

1.4. So sánh đặc tính tốc độ của động cơ điện và động cơ đốt trong.............. 11
1.5. Xu hướng phát triển xe hybrid ................................................................. 14
1.5.1. Giới thiệu một số mẫu xe hybrid ........................................................ 15
1.5.2. Ưu, nhược điểm của xe hybrid ........................................................... 17
1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................... 19
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHỐI HỢP ......................... 20
NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO XE HYBRID .................................................... 20
2.1. Các thuật ngữ thường dùng trên xe hybrid .............................................. 20
iii


2.2. Các phương pháp phối hợp nguồn động lực hybrid ................................ 21
2.2.1. Phương pháp phối hợp nối tiếp ......................................................... 21
2.2.2. Phương pháp phối hợp song song ..................................................... 22
2.2.3. Phương pháp phối hợp nối tiếp - song song ...................................... 23
2.3. Các chế độ làm việc của xe hybrid .......................................................... 24
2.3.1. Chế độ chạy tăng tốc nhẹ ................................................................... 24
2.3.2. Chế độ chạy ổn định .......................................................................... 24
2.3.3. Chế độ tăng tốc và leo dốc................................................................. 24
2.3.4. Chế độ nạp ắc quy khi xe chuyển động.............................................. 25
2.3.5. Chế độ nạp ắc quy khi xe đứng yên ................................................... 25
2.4. Đường truyền công suất ở các chế độ làm việc ....................................... 26
2.4.1. Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai trong sơ đồ nguồn động lực kiểu kết
hợp................................................................................................................ 26
2.4.2. Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ nhiệt .................................... 27
2.4.3. Khi chỉ truyền công suất bằng động cơ điện ..................................... 28
2.4.4. Khi truyền công suất bằng 2 nguồn công suất .................................. 28
2.5. Chiến lược phối hợp nguồn động lực....................................................... 29
2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................... 31
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH XE HYBRID KIỂU KẾT HỢP ....... 32

Ký hiệu
ĐCĐ
ĐCĐT
EV
HEV

Diễn giải
Động cơ điện
Động cơ đốt trong
Ô tô điện
Ô tô lai điện

USHC

Chu trình thử xe con trên xa lộ của Mỹ

FTP-75

Chu trình thử xe con trên đường thành phố của Mỹ

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các thống số chính của xe thường và xe hybrid............................. 37
Bảng 3.2. Các thông số của chu trình thử xe con............................................ 40
cho đường thành phố của Mỹ.......................................................................... 40
Bảng 3.3. Các thông số của 2 chu trình thử FTP-75 và USHC ...................... 41

vii

viii


Hình 3.2. Phương pháp “thermostat ON-OFF” .............................................. 34
để điều khiển nạp điện cho ắc quy .................................................................. 34
Hình 3.3. Sơ đồ làm việc của bộ điều khiển hệ thống truyền lực ................... 35
Hình 3.4. Chế độ vận hành của xe HEV sử dụng nguồn động lực kết hợp .... 36
Hình 3.5. Mô hình xe thông thường ................................................................ 38
Hình 3.6. Mô hình xe hybrid kiểu kết hợp nối tiếp - song song ..................... 38
Hình 3.7. Chu trình thử FTP-75 ...................................................................... 39
Hình 3.8. Chu trình thử xe con trên xa lộ của Mỹ, USHC.............................. 41
Hình 3.9. Chu trình thử FTP-75 thiết lập trong mô hình mô phỏng ............... 42
Hình 3.10. Chu trình thử USHC thiết lập trong mô hình mô phỏng .............. 42
Hình 3.11. Tốc độ động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ................. 44
khi chạy theo chu trình lái FTP-75.................................................................. 44
Hình 3.12. Tốc độ động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ................. 44
khi chạy theo chu trình lái USHC ................................................................... 44
Hình 3.13. Tiêu hao nhiên liệu động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid
khi chạy theo chu trình lái FTP-75.................................................................. 45
Hình 3.14. Tiêu hao nhiên liệu động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid
khi chạy theo chu trình lái USHC ................................................................... 46
Hình 3.15. Lượng nhiên liệu tiêu thụ động cơ thường và động cơ lắp trên xe
hybrid khi chạy theo 2 chu trình lái FTP-75 và USHC, [kg/h]....................... 46
Hình 3.16. Lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 100 km của động cơ thường và động
cơ lắp trên xe hybrid khi chạy theo 2 chu trình lái FTP-75 và USHC,
[lít/100km] ....................................................................................................... 47
Hình 3.17. Phát thải NOx động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ...... 48
khi chạy theo chu trình lái FTP-75.................................................................. 48
Hình 3.18. Phát thải NOx động cơ thường và động cơ lắp trên xe hybrid ...... 49
khi chạy theo chu trình lái USHC ................................................................... 49

giải pháp kỹ thuật mang nhiều hứa hẹn như: ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên
liệu, động cơ khí nén v.v... Tuy nhiên, những công nghệ kể trên vẫn chưa thể
đưa vào sử dụng được vì còn nhiều giới hạn về công nghệ. Đối với ô tô chạy
điện, việc nạp lại pin cần đến ít nhất 4 giờ đồng hồ, khuyết điểm này giới hạn
tầm sử dụng của ô tô chạy điện. Đối với công nghệ fuel cell, hydro lỏng phải
được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp; vì thế chỉ có thể thích hợp với những quốc gia
có khí hậu băng giá. Cả hai công nghệ trên cùng vướng phải một vấn đề chung
đó là phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống cơ sở cung cấp nhiên liệu. Những giới
hạn trên của hai công nghệ tương lai này tạo ra một khoảng trống giữa nhu cầu
bảo vệ môi trường và công nghệ ô tô truyền thống.
Những năm gần đây, tình trạng ô nhiễm không khí đã trở nên ngày càng
nghiêm trọng. Để bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng không khí tại các
thành phố lớn, chính phủ các nước đã đưa ra các quy định ngặt nghèo về tiêu
thụ nhiên liệu và khí thải của xe. Đây là nguồn động lực chính thúc đẩy các
hãng xản xuất ô tô đầu tư phát triển các công nghệ mới, thân thiện với môi
trường cho các dòng sản phẩm của mình, trong đó phải kể đến xe điện (EV) và
xe điện hybrid (HEV) [1], [2], [3]. Với ưu điểm vượt trội về đặc tính kéo, hiệu
suất và không gây ô nhiễm môi trường trong thành phố của xe EV so với xe sử

1


dụng động cơ đốt trong (ĐCĐT) truyền thống, xe EV có thể được coi là hướng
phát triển có nhiều triển vọng.
Tuy nhiên, do khả năng lưu trữ năng lượng trong ắc quy còn thấp, thời
gian mỗi lần sạc kéo dài, tuổi thọ sử dụng ngắn, tự trọng lớn và giá thành cao
đã làm hạn chế phạm vi khai thác của xe EV [3]. Do vậy, xe HEV sử dụng phối
hợp hai nguồn động lực, gồm động cơ điện (ĐCĐ) và ĐCĐT được cho là giải
pháp hợp lý hiện nay, vì cho phép phát huy ưu điểm của ĐCĐ và ĐCĐT, cũng
như khắc phục được các nhược điểm của chúng. Cùng với xu hướng phát triển

* Ý nghĩa thực tiễn:
- Các kết quả của luận văn là cơ sở nghiên cứu quan trọng và hữu ích có
thể sử dụng để hỗ trợ trong giai đoạn đầu quá trình thiết kế và phát triển xe
hybrid ở Việt Nam;
- Mô hình mô phỏng xe điện hybrid (HEV) đã xây dựng có thể sử dụng
làm cơ sở cho các mục đích tương tự;
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả
thực nghiệm khi nghiên cứu về ô tô điện hybrid (HEV).
4. Đối tượng nghiên cứu
Ô tô con lai điện hybrid (HEV)
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: sử dụng phần mềm GT-SUITE để mô phỏng hệ
động lực xe hybrid kiểu kết hợp.
6. Các nội dung chính trong đề tài
Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Nghiên cứu phương pháp phối hợp nguồn động lực cho xe hybrid

3


- Chương 3. Xây dựng mô hình xe hybrid kiểu kết hợp bằng phần mềm GTSuite
- Kết luận và kiến nghị

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

Hình 1.3. Lượng khí thải CO do các phương tiện cơ giới đường bộ gây ra
6


Xét trên từng phương tiện tham gia giao thông thì lượng khí thải từ xe
máy là tương đối nhỏ, trung bình một xe máy xả ra lượng khí thải chỉ bằng 1/4
so với xe ô tô con. Tuy nhiên do số lượng xe máy tham gia giao thông chiếm
tỷ lệ lớn hơn và chất lượng nhiều loại xe đã xuống cấp nên xe máy vẫn là nguồn
đóng góp chính các loại khí ô nhiễm, đặc biệt đối với các khí thải như CO và
VOCs. Trong khi đó, xe tải và xe khách các loại lại thải nhiều SO2 và NO2
(Hình 1.4) [2].

Hình 1.4. Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm do các phương tiện
cơ giới đường bộ gây ra
Với mật độ các loại phương tiện giao thông lớn, chất thải các loại phương
tiện giao thông kém và hệ thống giao thông chưa tốt thì lượng khí thải gây ô
nhiễm môi trường không khí từ giao thông vận tải đang có xu hướng gia tăng.
Xe ô tô, xe máy ở Việt Nam bao gồm nhiều chủng loại. Nhiều xe đã qua nhiều
năm sử dụng nên có chất lượng kỹ thuật thấp, có mức tiêu thụ nhiên liệu và
nồng độ chất độc hại trong khí xả cao, tiếng ồn lớn. Ngay tại các thành phố lớn,
tỷ lệ những xe đã qua sử dụng nhiều năm vẫn cao thể hiện trong hình 1.5 [2].

7


Hình 1.5. Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử dụng tại Hà Nội năm 2011
Vì vậy với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông, số lượng, chất lượng các
phương tiện giao thông như ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung thì vấn
đề tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra vẫn đang là một
trong những vấn đề được Nhà nước, các tổ chức quan tâm nhất để cải thiện môi

năm gần đây, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên
liệu không truyền thống cho ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel,
điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô dùng động cơ lai (hybrid)... Trong
số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được
ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao.
1.3. Giới thiệu về xe hybrid
1.3.1 Nguồn gốc ra đời của xe hybrid
Sự bùng nổ dân số, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công
nghiệp, mức sống con người ngày càng nâng cao làm cho nhu cầu sử dụng năng
lượng ngày càng lớn hơn. Theo đánh giá của các chuyên gia môi trường, ô
nhiễm không khí ở đô thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70%. Lưu
lượng xe lớn và chất lượng nhiên liệu sử dụng chưa tốt (hàm lượng benzen
khoảng 5% so với 1% ở các nước trong khu vực; hàm lượng lưu huỳnh trong

9


diesel chiếm từ 0,5 ÷ 1% so với 0,05% ở các nước trong khu vực) ngoài ra còn
nhiều khí thải độc hại khác như: CO, NOx, PM,… là những nguyên nhân chính
gây ra tình trạng ô nhiễm [3]. Tiêu thụ xăng dầu là một trong những nguyên
nhân phát thải các chất độc hại như CO, hơi xăng dầu (CmHn, VOC), SO2, PM
(chất thải rắn), chì, benzen... Phát thải những chất này liên quan chặt chẽ đến
chất lượng xăng dầu. Trong cơ cấu tiêu thụ xăng dầu của quốc gia thì giao thông
vận tải chiếm tỷ trọng lớn nhất, là nguồn phát thải lớn nhất các chất khí ô nhiễm
kể trên.
Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí do các phương tiện vận tải gây
ra chúng ta phải thực hiện đồng thời nhiều giải pháp, chẳng hạn như: Siết chặt
tiêu chuẩn khí phát thải đối với các loại phương tiện lưu thông (từ ngày 01
tháng 7 năm 2007, toàn bộ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ sẽ phải
tuân thủ theo tiêu chuẩn EURO II về khí thải) và đối với tất cả các loại ô tô sản

tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số.

Hình 1.6. Đặc tính lực kéo - tốc độ với công suất yêu cầu
của động cơ xăng

11


Hình 1.7. Đặc tính lực kéo - tốc độ với hộp số tự động của một xe
Trên hình 1.8 ta có thể thấy động cơ đốt trong làm việc tối ưu trong một
vùng tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600 [v/ph] tới 3400 [v/ph] với suất tiêu
hao nhiên liệu khoảng 255 [g/kW.h] [12], [15]

Hình 1.8. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng
Đối với mô-tơ điện, đặc tính được thể hiện trên hình 1.9. Có thể thấy
rằng mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng. Thông thường mô-tơ
điện khởi động từ tốc độ bằng 0. Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng
theo trong khi dòng không đổi. Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp
12


không đổi còn dòng thì yếu đi. Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi
trong khi mô-men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ. Do đó một hệ dẫn
động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo yêu cầu của xe
[12], [15].

Hình 1.9. Đặc tính của một mô-tơ điện
Trên hình 1.10 cho thấy sự so sánh cụ thể của một mô-tơ điện và một
động cơ đốt trong. Để có đặc tính sát với lý tưởng thì động cơ đốt trong cần
hộp số 4 cấp còn mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp. Ngoài vai trò giúp cho động

giới thiệu mẫu sedan Prius ở Nhật. Hãng Honda cũng đã giới thiệu mẫu hybrid
của mình là Insight và Civic. Những chiếc xe này bây giờ đã có mặt khắp nơi
trên thế giới. Chúng đã đạt được mức tiêu hao nhiên liệu tuyệt vời. Toyota Prius
và Honda Insight được xem là những chiếc xe hybrid có giá trị lịch sử, vì chúng
là những chiếc hybrid đầu tiên được thương mại hóa rộng rãi trên thế giới trong
kỷ nguyên hiện đại và đã trả lời được câu hỏi về vấn đề tiết kiệm tiêu hao nhiên
liệu cho các phương tiện cá nhân.
Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, xe hybrid đang được sự quan tâm
nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất xe trên thế
giới. Ngày càng có nhiều mẫu xe hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có
nhiều người tiêu dùng sử dụng loại xe này. Dự báo cuối năm 2016 các phương
tiện vận tải xe hybrid sẽ có thị phần tăng mạnh ở Mỹ do giá xăng dầu ngày càng
leo thang, các nhà nghiên cứu dự đoán các xe hơi sử dụng động cơ thân thiện
với môi trường này sẽ chiếm phần lớn các thị trường và liên tục tăng qua các
năm. Điều đó đã khẳng định xu thế phát triển mạnh mẽ của xe hybrid trong
mục tiêu tiến tới xe sinh thái của nhân loại.
1.5.1. Giới thiệu một số mẫu xe hybrid
Có rất nhiều mẫu xe của các hãng sản xuất trên thế giới sử dụng công
nghệ lai Hybrid như: Toyota Prius, Camry Hybrid, Honda Civic hybrid, Honda
Insigh, Huyndai Sotana Hybrid, Nissan Altima Hybrid, Ford Escape Hybrid,
Saturn Vue Green Line… Dưới đây giới thiệu một số mẫu xe hybrid tiết kiệm
nhiên liệu và ăn khách nhất thế giới.
- Toyota Prius
Toyota tuyên bố doanh số mẫu Prius trên thị trường toàn cầu đã vượt
mốc 2 triệu chiếc. Đây là một trong những dòng xe bán chạy nhất của Toyota

15