Nghiên cứu hệ thống điều khiển trên ôtô HYBRID của TOYOTA
DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1a.Hệ thống hybrid nối tiếp………………………………..………..…..….7
Hình 1.1b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp………………..……..……..8
Hình 1.2a. Hệ thống hybrid song song………………………………..……….….....9
Hình 1.2b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song……………..……….…...9
Hình 1.3a. Hệ thống hybrid hỗn hợp………………………………..…..………….10
Hình 1.3b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp………………..………….10
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền công suất………………………..………….12
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền công suất…………………..………….12
Hình 2.3. Mô hình phối hợp công suất từ hai động cơ…………………..…...…….13
Hình 2.4a. Sơ đồ truyền công suất của trục M…………………….……..………...14
Hình 2.4b. Đường đặc tính ngoài động cơ điện……………………………..……..14
Hình 2.5. Sơ đồ truyền công suất của trục E………………………………..……...15
Hình 2.6. Đặc tính của trục E có cùng dạng với đặc tính ngoài của động cơ xăng, sau khi nhân với tỳ số truyền là hằng số………………………………………...…16
Hình 2.7. Sơ đồ khi phối hợp công suất……………………………………...…….16
Hình 2.8. Xác định công suất tổng sau khi phối hợp………………………………17
Hình 2.9. Đặc tính moment và công suất sau khi phối hợp của VW Touareg..……18
Hình 2.10. Dạng đồ thị mô tả lực kéo tiếp tiếp tại bánh xe chủ động……..…….…20
Hình 2.11. Đồ thị cân bằng lực kéo……………………………………..…………23
Hình 3.1. Sơ đồ ôtô hybrid kiểu hỗn hợp………………………..…………..….….27
Hình 3.2. Một dạng ôtô hybrid kiểu hỗn hợp……………………………..……….27
Hình 3.3: Động cơ tích hợp………………………………………………………..28
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất…………...………30
Hình 3.5. Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động……………...………31
Hình 3.6a. Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius…………………………….……32
Hình 3.6b. Ắc-quy điện áp cao trên VW Touareg………………….……..…….…32
Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao…………………..…………33
Hình 3.8. Ắc-quy phụ trên ôtô hybrid……………………………………...………33
Hình 3.9: Sơ đồ tổng quát hệ thông điều khiển trên ô tô Hybrid…….……...……..34
Hình 3.10: Bộ bánh răng hành tinh………………………..……………...………..47
Hình 3.11: Cảm biến tốc độ……..…………………………………………………49
Hình 3.12: Sơ đồ lắp ráp máy biến đổi điện………………………..…………..….50
Hình 3.13: Sơ đồ hệ thống chuyển đổi dòng điện một chiều……………...……….51
Hình 3.14: Máy biến đổi điện làm lạnh………………………………………..…..51
Hình 3.15: Các bộ tản nhiệt để làm mát các hệ thống được tích hợp với tản nhiệt cho động cơ………………………………………………………………….…..…55
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất……..…11
Bảng 2: Thông số kỹ thuật của cụm hộp số…………………………..……………45
Bảng 3: Thông số kỹ thuật của động cơ Prius hybrid……………………...………45
Bảng 4: Liên kết của bộ bánh răng hành tinh……………………………….…..…47
Bảng 5: Thông số bộ ắc quy điện áp cao………………………………….………54
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ...…………………………………………...1
DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………….………………..3
LỜI NÓI ĐẦU.. 4
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID.. 5
1.1. Khái niệm chung. 5
1.2. Xu hướng phát triển của ôtô hybrid. 5
1.3. Những nhược điểm mà ôtô hybrid khắc phục được so với ôtô thông thường. 6
1.4. Phân loại ôtô hybrid. 6
1.4.1. Theo thời điểm phối hợp công suất6
1.4.1.1. Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm.. 6
1.4.1.2. Phối hợp khi cần công suất cao. 7
1.4.2. Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện. 7
1.4.2.1. Kiểu nối tiếp. 7
1.4.2.2. Kiểu song song. 8
1.4.2.3. Kiểu hỗn hợp. 9
1.4.2.4. So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất11
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ÔTÔ HYBRID.. 12
2.1. Sơ đồ tổng quát của đường truyền công suất trên ôtô hybrid. 12
2.3. Xác định công suất sinh ra sau khi phối hợp hai động cơ. 13
2.4. Đặc tính kéo tại bánh xe chủ động. 18
2.4.1. Xác định lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động (Fk)18
2.4.2. Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh. 19
2.4.3. Xác định công suất kéo tại bánh xe chủ động (Pk)19
2.4.4. Xây dựng đặc tính kéo tại bánh xe chủ động. 20
2.5. Phương pháp xác định các thông số động lực học cơ bản. 21
2.5.1. Xác định các lực cản chuyển động. 21
2.5.2. Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo. 22
2.5.3. Ứng dụng đồ thị cân bằng lực kéo để xác định các thông số động lực học cơ bản của ôtô. 23
Chương 3: KẾT CẤU ĐỘNG CƠ HYBRID CỦA TOYOTA.. 27
3.1. Kết cấu động cơ hybrid của Toyota. 27
3.1.1. Mô hình tổng quát của ôtô hybrid. 27
3.1.2. Động cơ đốt trong. 28
3.1.3. Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle)29
3.1.4. Motor điện và máy phát điện. 30
3.1.5. Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter)31
3.1.6. Ắc-quy điện áp cao. (HV Battery - High Volt Battery)32
3.1.7. Cáp nguồn. 32
3.1.8. Ắc quy phụ. 33
3.1.9. Các bộ phận khác có công dụng hỗ trợ trên ôtô hybrid. 33
3.2. Điều khiển ôtô hybrid theo chế độ làm việc. 34
3.2.1. Khởi động động cơ khi xe đang chạy. 35
3.2.2. Tăng tốc nhẹ với động cơ. 35
3.2.3. Tốc độ thấp ổn định. 36
3.2.4. Tăng tốc tối đa. 36
3.2.5. Tốc độ cao ổn định. 36
3.2.6. Tốc độ tối đa. 37
3.2.7.Giảm tốc độ và phanh:37
3.2.8.Chế độ lùi xe:38
3.2.9.Màn hình tiêu thụ nhiên liệu. 39
3.2.10.Hệ thống mở cửa và khởi động hệ thống:39
3.2.11.Các chế độ làm việc:40
3.3. Hoạt động của hệ thống. 41
3.3.1. Các biện pháp an toàn. 42
3.3.2.Sự an toàn của xe khi ngập nước. 43
3.3.3.Cụm hộp số hybrid bao gồm.. 44
3.3.4.Bộ ly hợp:44
3.3.5. Động cơ điện 1,động cơ điện 2. 45
3.3.6. Bộ bánh răng hành tinh:47
3.3.7. Bộ giảm tốc. 47
3.3.8. Động cơ điện nam châm vĩnh cửu. 48
3.3.9. Cảm biến tốc độ. 48
3.3.10. Máy biến đổi điện:49
3.3.11. Bộ chuyển đổi khuếch đại49
3.3.12. Máy biến đổi điện làm lạnh. 51
3.3.13. Hệ thống làm mát máy biến đổi điện,động cơ điện 1 và động cơ điện 2:51
3.3.14. ECU điều khiển kết hợp hệ thống hybrid:52
Chương 4: QUY TRÌNH KIỂM TRA BẢO DƯỠNG.. 53
4.1. Tìm hiểu về ắc quy cao áp. 53
4.2. Cách sử dụng ắc quy cao áp tốt nhất54
4.3. Hiện tượng hư hỏng, nguyên nhân, sửa chữa bảo dưỡng. 55
4.3.1. Hiện tượng nguyên nhân hư hỏng. 55
4.3.2. Phương pháp kiểm tra sửa chữa nạp điện cho ắc quy. 56
KẾT LUẬN.. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 60
LỜI NÓI ĐẦU
Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới phải đối mặt với những vấn đề lớn như ô nhiễm môi trường, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch. Một loạt các ảnh hưởng và tác động xấu được bắt nguồn từ các vấn đề trên. Để khắc phục những vần đề khó khăn nói trên, cùng với các ngành khoa học công nghệ khác thì ngành công nghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu công nghệ khắp nơi trên thế giới đã tìm cách cải tiến và thay thế các công nghệ trên xe hơi. Mục đích của các nghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát thải ô nhiễm và giảm sự tiêu hao hoặc thay thế nhiên liệu truyền thống. Đã có một vài công nghệ hiện đại và tối ưu hơn được áp dụng cho xe hơi, trong số đó thì công nghệ hybrid electric đã và đang được áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô. Với những ưu điểm và hiệu quả của nó, công nghệ hybrid đang là một lựa chọn phù hợp cho các nhà sản xuất xe hơi trong hiện tại và tương lai.
Có rất nhiều mẫu xe hơi của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khi tung ra thị trường như: Toyota Prius, Honda Insight... Với những thành công và sự cần thiết của công nghệ hybrid như đã nêu trên, do đó em nghiên cứu đã mạnh dạn chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển trên ôtô hybrid” làm đề tài tốt nghiệp. Với sự nỗ lực và cố gắng của mình.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ÔTÔ HYBRID
1.1. Khái niệm chung
Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thông thường (xăng, Diesel…) với động cơ điện lấy năng lượng điện từ một ắc-quy cao áp hoặc phối hợp hai nguồn nhiên liệu như giữa xăng và diesel, giữa xăng và khí ga hay giữa xăng và biodiesel. Nhưng trong phạm vi đề tài em chỉ tập trung nghiên cứu vào cách phối hợp giữa động cơ chạy bằng xăng và động cơ điện lấy năng lượng từ một ắc quy cao áp.
Điểm đặc biệt là ắc-quy được nạp điện với cơ chế nạp “thông minh” như khi xe phanh, xuống dốc…, gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng. Nhờ vậy mà ôtô có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết.
1.2. 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 ôtô 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 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 tràn ngập 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.
Ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như: hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid)... Phạm vi bài viết này chỉ bàn về ôtô hybrid.
1.3. Những nhược điểm mà ôtô hybrid khắc phục được so với ôtô thông thường
Ôtô hybrid khi sinh ra nó đã khắc phục được rất nhiều những nhược điểm của ôtô thông thường như tổn thất năng lượng khi khởi động nguội, tổn thất khi phanh, lượng phát thải lớn ở chế độ không tải, tổn hao khi chuyển các tay số,…. Chúng ta sẽ đi tìm hiểu về một số tổn hao này.
- Tổn thất khi khởi động nguội: đối với động cơ nhiệt thông thường khi ngừng hoạt động trong một thời gian lâu thì việc khởi động lại động cơ tiêu tốn rất nhiều năng lượng cho việc sởi ấm động cơ, hòa khí đậm khi khởi động nguội dẫn đến hiện tượng cháy không hoàn toàn. Ôtô khởi động bằng động cơ điện nên đã gần như khắc phục được điệu này.
- Tổn thất khi phanh: khi chúng ta phanh động cơ, một nguồn năng lượng rất lớn từ động cơ đã bị bỏ phí vì nó không có tác dụng kéo động cơ. Ở ôtô hybrid khắc phục điều này bằng cách sử dụng phanh tái sinh năng lượng
- Lượng phát thải lớn ở chế độ không tải: chế độ không là một trong những chế độ phát thải lớn của động cơ thông thường. Trong chế độ này động cơ chỉ hoạt động để sinh ra năng lượng để thắng được các lực cản của động cơ. Ôtô hybrid đã khắc khục được điều này bằng cách sử dụng động cơ điện cho chế độ chạy không tải.
- Tổn hao khi chuyển các tay số: để khắc phục điều này thì một số ôtô hybrid đã dùng động cơ điện để thay đổi tốc độ xe cũng như mô men kéo động cơ. Vậy nên có thể loại bỏ hộp số của động cơ thông thường.
1.4. Phân loại ôtô hybrid
1.4.1. Theo thời điểm phối hợp công suất
1.4.1.1. Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm
Khi ôtô bắt đầu khởi hành, motor điện sẽ hoạt động cung cấp công suất giúp xe chuyển động và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h) trước khi động cơ xăng tự khởi động. Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng phải khởi động ngay lập tức mới có thể cung cấp công suất tối đa. Ngoài ra, motor điện và động cơ xăng cũng hỗ trợ cho nhau khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như khi leo dốc, leo núi hoặc vượt qua xe khác. Do motor điện được sử dụng nhiều ở tốc độ thấp, nên loại này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đường phố hơn là khi đi trên đường cao tốc. Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai dòng điển hình thuộc loại này.
1.4.1.2. Phối hợp khi cần công suất cao
Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xe khác, còn trong điều kiện bình thường xe vẫn chạy bằng động cơ xăng. Do đó, những chiếc hybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đường cao tốc vì đó là khi động cơ xăng ít bị gánh nặng nhất. Điển hình là Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộc loại thứ hai.
Cả hai loại này đều lấy công suất từ ắc-quy khi motor điện được sử dụng và đương nhiên nó sẽ làm yếu công suất của ắc-quy. Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid không cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc.
1.4.2. Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện
1.4.2.1. Kiểu nối tiếp
Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc-quy hoặc cung cấp cho động cơ điện .
Hình 1.1a.Hệ thống hybrid nối tiếp
Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc-quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện. Động cơ điện ở đây còn có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh.
Hình 1.1b.Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp
Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường, Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy. Sơ đồ này có thể không cần hộp số.
Nhược điểm: Tuy nhiên, 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.
1.4.2.2. Kiểu song song
Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song. Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc.
Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc-quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy.
Hình 1.2a. Hệ thống hybrid song song
Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc-quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp.
Nhược điểm: Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nối tiếp. Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao.
Hình 1.2b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song
1.4.2.3. Kiểu hỗn hợp
Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa các lợi ích được sinh ra. Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động. Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện. Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe hybrid.
Hình 1.3a. Hệ thống hybrid hỗn hợp
Hình 1.3b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp.
1.4.2.4. So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất
Bảng 1: So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất
|
Kiểu lai |
Sự tiết kiệm nhiên liệu |
Sự thực hiện truyền động |
||||
|
Sự dừng không tái sinh |
Lấy lại năng lượng |
Hoạt động hiệu suất cao |
Tổng hiệu suất |
Gia tốc |
Công suất phát ra cao liên tục |
|
|
Nối tiếp |
||||||
|
Song song |
||||||
|
Hỗn hợp |
||||||
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ÔTÔ HYBRID
2.1. Sơ đồ tổng quát của đường truyền công suất trên ôtô hybrid
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền công suất
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền công suất
2.3. Xác định công suất sinh ra sau khi phối hợp hai động cơ
Khi ôtô phối hợp hai dòng công suất động cơ đốt trong và động cơ điện – MG2, lúc này để xác định công suất chung sau khi phối hợp, mô hình tính toán được chọn là mô hình đấu nối hai động cơ khác công suất.
Hình 2.3. Mô hình phối hợp công suất từ hai động cơ
Gọi:
- Trục E là trục nhận công suất từ động cơ đốt trong sau khi qua bộ truyền hành tinh, có các thông số trên trục lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc: Me, Ne, we; [Nm], [N], [rad/s].
- Trục T là trục nhận công suất từ động cơ điện MG2, có các thông số trên trục lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc của động cơ điện (MG2): Mm, Nm, wm; [Nm], [N], [rad/s]
- Mt, Nt, wt: lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc sau khi phối hợp, [Nm], [N], [rad/s];
Ta sẽ xác định các thông số Mt, Nt, wt từ hai trục thành phần (trục E, trục M), bằng cách:
- Các thông số trên trục M (Mm, Nm, wm)
Hình 2.4a. Sơ đồ truyền công suất của trục M
Trục M là trục phát công suất từ động cơ điện MG2, nên các thông số trên trục sẽ được xác định qua đặc tính ngoài của động cơ điện MG2 (đã biết), có dạng như sau:
Hình 2.4b. Đường đặc tính ngoài động cơ điện
- Các thông số trên trục E (Me, Ne, we)
Trục E (được nối với phần tử (c) của bộ truyền hành tinh) là trục phát công suất từ động cơ đốt trong qua bộ truyền hành tinh, tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh được điều khiển vô cấp bằng tốc độ của MG1.
Hình 2.5. Sơ đồ truyền công suất của trục E
Để xác định được các thông số phát ra trên trục E thì ta cần phải xác định được tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh.
Gọi Me’, Ne’, we’: lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc của động cơ đốt trong, [Nm], [N], [rad/s];
Trong trường hợp này có các giả thiết:
- Đã biết trước dãy vận tốc wc của phần tử (c) nối với động cơ đốt trong. Thật vậy, để đạt được công suất, moment, tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm do khí xả,… là tối ưu nên khi thiết kế người ta qua thực nghiệm đã chọn trước số vòng quay động cơ xăng (we’). Có wc=we’ vì cùng trục.
- Biết trước được dãy vận tốc và chiều quay của MG1. Thật vậy, MG1 ngoài việc phát điện để nạp vào ắc quy còn đóng vai trò là bộ phận điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh, do đó ứng với từng chế độ vận hành của ôtô mà người ta sẽ điều khiển cho MG1 quay với các số vòng quay và chiều quay khác nhau. Tức, biết trước vận tốc của phần tử bánh răng mặt trời (ws). ws=wMG1
Vì đã biết trước dãy vận tốc làm việc của hai phần tử bánh răng mặt trời ws và cần dẫn wc. Mặc dù, các vận tốc này được xác định bởi một dãy vận tốc hữu hạn, nhưng ứng với từng chế độ hoạt động cụ thể mà chúng sẽ có các giá trị cụ thể và xác định. Do đó, thông qua mối quan hệ của bộ truyền hành tinh:
Ta sẽ xác định được các thông số của phần tử (c), tức đã xác định được các thông số trên trục E (Me, Ne, we).
Đường đặc tính của trục E sẽ có cùng dạng với đặc tính động cơ đốt trong, vì ứng với từng chế độ hoạt động cụ thể của ôtô thì tỷ số truyền bộ truyền hành tinh là các hằng số khác nhau. Dạng đặc tính trục E:
Hình 2.6. Đặc tính của trục E có cùng dạng với đặc tính ngoài của động cơ xăng, sau khi nhân với tỳ số truyền là hằng số.
- Các thông số sau khi phối hợp hai nguồn công suất (Mt, Nt, wt)
Hình 2.7. Sơ đồ khi phối hợp công suất
Có thể xác định công suất (và moment) tổng cộng của hai động cơ sau khi phối hợp bằng phương pháp cộng đồ thị:
Như đã biết, để đạt được công suất (và moment) sau khi phối hợp là tối ưu (về công suất, về moment, về tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm do khí xả,…), cần phải chọn trước số vòng quay động cơ xăng we’ và số vòng quay động cơ điện wm để vùng công suất (và moment) sau khi phối hợp đạt được lớn nhất. Việc này có thể dễ dàng thực hiện bằng thực nghiệm.
Gọi w1 và w2 là khoảng giới hạn của tốc độ, khi đó xác định được:
Nt=Ne+Nm
Thật vậy, trên ôtô hybrid người ta đã thực nghiệm trước để động cơ xăng và động cơ điện luôn luôn hoạt động trong dãy công suất phù hợp nhất ứng với dãy tốc độ we và wm nào đó nhằm tiết kiệm nhiên liệu và điện năng tối đa. Vì thế, công suất tổng Nt (và moment tổng Mt) có thể biểu diễn bằng một hàm số phụ thuộc hai biến we’ và wm:
Hình 2.8. Xác định công suất tổng sau khi phối hợp
Và làm hoàn toàn tương tự để xác định moment tổng sau khi phối hợp.
Ví dụ đặc tính trên ôtô của hãng VW:
Hình 2.9. Đặc tính moment và công suất sau khi phối hợp của VW Touareg
2.4. Đặc tính kéo tại bánh xe chủ động
2.4.1. Xác định lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động (Fk)
Bằng công thức:
[N] (2.4)
Trong đó:
Fk - Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động. [N]
Mt - Moment tổng sau khi phối hợp hai nguồn công suất. [W]
itl - Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực. itl=iht.i0
với:
iht - Tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh;
i0 - Tích số của tỷ số truyền bộ truyền lực chính
trong cầu xe và bộ truyền giảm tốc trong hộp số.
htl - Hiệu suất của hệ thống truyền lực.
r - Bán kính bánh xe chủ động. [m]
2.4.2. Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh
Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh phụ thuộc vào các chế độ hoạt động của ôtô như sau:
- Ở chế độ tăng tốc nhẹ:
Ở chế độ này MG1 quay cùng chiều và lớn hơn tốc độ của động cơ, tức:
ws>wc
b. Ở chế độ tốc độ tối đa:
MG1 nhận năng lượng từ ắc-quy và quay ngược, tức ws<0.
- Chế độ tăng tốc tối đa:
Lúc này ôtô hoạt động với nguồn moment phát ra từ hai động cơ là cực đại.
Do đó:
với: [rad/s] (2.5)
wt - Vận tốc của hai nguồn công suất khi moment tổng cực đại.
- Tốc độ cao ổn định:
MG1 ở chế độ phanh, tức ws=0
Và thông qua mối quan hệ:
Þ (2.6)
Với moment tổng Mt đã biết (xác định trong phần trên) và các thông số khác đã biết ta hoàn toàn xác định được lực kéo tiếp tuyến Fk tại bánh xe chủ động.
2.4.3. Xác định công suất kéo tại bánh xe chủ động (Pk)
Pk = Fk.v = Mt.wt.htl = Pt.htl , [W] (2.7)
Với:
v: vận tốc của ôtô, ở đây giả thiết không có trượt ở bánh xe chủ động,
Tính bằng:
[m/s] (2.8)
Mt, Pt - Moment và công suất tổng sau khi phối hợp công suất, [Nm], [W]
htl - Hiệu suất của hệ thống truyền lực.
wt - Vận tốc góc của hai nguồn công suất sau khi phối hợp, [rad/s];
r: bán kính bánh xe chủ động. [m]
Fk: Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động. [N]
2.4.4. Xây dựng đặc tính kéo tại bánh xe chủ động
Từ đặc tính công suất Pt (và moment Mt) sau khi phối hợp công suất, áp dụng công thức:
Pk = Fk.v = Mt.wt.htl = Pt.htl [W] (2.9)
Và
Ta sẽ xây dựng được đặc tính Fk theo v. Do tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh là một hàm số phụ thuộc số vòng quay của MG1, MG2 và của động cơ, được điều khiển gần như vô cấp. Cho nên dạng của hàm Fk theo v:
Hình 2.10. Dạng đồ thị mô tả lực kéo tiếp tiếp tại bánh xe chủ động
2.5. Phương pháp xác định các thông số động lực học cơ bản
2.5.1. Xác định các lực cản chuyển động
- Lực cản lăn:
Lực cản lăn sinh ra chủ yếu do biến dạng đàn hồi của bánh xe và một phần do ma sát trong ổ trục bánh xe
[N] (2.10)
Trong đó :
m : khối lượng ôtô [kg]
g : gia tốc trọng trường [m/s2]
: góc dốc của mặt đường [độ]
f: hệ số cản lăn
- Lực cản gió:
Lực cản gió đặt tại tâm diện tích cản chính diện
[N] (2.11)
Trong đó :
: Hệ số cản gió, phu thuộc và hình dáng khí động học và bề mặt thân xe.
S: diện tích cản gió [m2]
V: vận tốc chuyển động của ôtô [m/s]
- Lực cản quán tính:
Lực cản quán tính đặt tại trọng tâm ôtô và sinh ra khi ôtô tăng hay giảm tốc.
[N] (2.12)
Trong đó:
m : khối lượng tĩnh ôtô [kg]
: hệ số xét đến khối lượng các chi tiết chuyển động quay của ôtô;
a: gia tốc của ôtô [m/s2]
- Lực cản leo dốc:
Lực cản leo dốc đặt tại trọng tâm ôtô, cùng chiều chuyển động nếu ôtô xuống dốc và ngược chiều chuyển động nếu ôtô lên dốc
[N]
Với: là góc dốc của mặt đường [độ]
2.5.2. Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo
- Phương trình cân bằng lực kéo và đặc tính kéo tại bánh xe chủ động:
Ta có phương trình cân bằng lực kéo
[N] (2.13)
Với đường đặc tính kéo của bánh xe chủ động đã xây dựng được trong phần trên.
- Xây dựng các đường đồ thị lực cản chuyển động ôtô:
- Đồ thị lực cản lăn:
; (2.14)
+ Khi ôtô chuyển động với tốc độ thấp : f = f0 = const nên đồ thị lực cản lăn Of là đường nằm ngang.
+ Khi ôtô chuyển động với tốc độ cao: f = f0 + const nên đồ thị lực cản lăn Of là đường cong bậc hai phụ thuộc vào vận tốc V.
- Đồ thị lực cản gió:
là đường cong bậc hai phụ thuộc vào vận tốc V.
Ò Cộng hai đồ thị lực cản lăn Ff và đồ thị lực cản gió, ta có đồ thị lực cản tổng cộng của mặt đường
+ Ta không vẽ đồ thị lực cản leo dốc và đồ thị lực cản quán tính . Vì khi ôtô chuyển động với một vận tốc V bất kỳ, khi chiếu lên đồ thị ta xác định được . Từ đó xác định được tổng của lực cản leo dốc và lực cản quán tính:
Ò Khoảng cách giữa đường Fk và đường chính là tổng của lực cản lên dốc và lực cản quán tính:
+ Ôtô chỉ có thể đạt được vận tốc cực đại khi chuyển trên đường bằng và chỉ có thể leo dốc cực đại khi chuyển động đềunên:
Vì vậy chỉ có thể đặc trưng cho một trong hai yếu tố hay
Hình 2.11. Đồ thị cân bằng lực kéo
2.5.3. Ứng dụng đồ thị cân bằng lực kéo để xác định các thông số động lực học cơ bản của ôtô
Mục đích của đồ thị cân bằng lực kéo là xác định vận tốc cực đại Vmax, độ dốc cực đại và gia tốc cực đại amax.
- Xác định vận tốc cực đại của ôtô:
Ôtô đạt vận tốc cực khi:
+ Chuyển trên đường thẳng, không leo dốc: lực cản leo dốc
+ Tốc độ ổn định, không thể tăng tốc được nữa: lực cản quán tính
+ Lực kéo Fk do hai nguồn công suất sinh ra truyền tới bánh xe chủ động không lớn hơn lực bám:
Ò Lực cản chuyển động ôtô lúc này chỉ còn lực cản lăn và lực cản gió.
Ò Phương trình cân bằng lực kéo:
(2.15)
Gọi A là giao điểm của đường đồ thị lực kéo và đường độ thị lực cản tổng hợp .Tại A, lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động bằng lực cản tổng cộng của mặt đường nên ôtô không thể tăng tốc được nữa. Từ điểm A, chiếu vuông góc xuống trục vận tốc V, ta xác định được vận tốc cực đại mà ôtô có thể đạt được.
- Xác định độ leo dốc cực đại:
Ôtô đạt được độ leo dốc cực đại khi:
+ Chuyển động với vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực cản gió:
+ Chuyển động với vận tốc ổn định: lực cản quán tính
+ Giả thiết không xảy ra trượt ở bánh xe chủ động.
+ Nguồn năng lượng phối hợp có moment xoắn cực đại (Mtmax):
Ò Lực cản chuyển động ôtô lúc này chỉ còn lực cản lăn và lực cản leo dốc
Ò Phương trình cân bằng lực kéo:
(2.16)
Khi tốc độ giảm thì moment tổng Mt do hai nguồn công suất sinh ra tăng nên lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động cũng tăng. Khi n Ò 0 thì Mt Ò nên khi v Ò 0 thì Fk Ò. Ta có thể nói khả năng leo dốc của ôtô với nguồn năng lượng phối hợp là vô cùng lớn. Tuy nhiên, ôtô chuyển động còn chịu giới hạn bởi khả năng bám của mặt đường nên lực kéo tiếp tuyến cực đại chỉ có thể nhỏ hơn bằng lực bám. Vì vậy để xác định khả năng leo dốc cực đại của ôtô, ta chọn tại thời điểm giới hạn bám.
- Xác định gia tốc cực đại:
Ôtô đạt gia tốc cực đại khi:
+ Chuyển trên đường thẳng, không leo dốc: lực cản leo dốc
+ Ở chế độ gia tốc cực đại thì vận tốc nhỏ, lực cản gió không đáng kể, có thể bỏ qua lực cản gió:
+ Giả thiết không xảy ra trượt ở bánh xe chủ động
+ Nguồn năng lượng phối hợp có moment xoắn cực đại (Mtmax):
(2.17)
Ò Lực cản chuyển động ôtô chỉ còn lực cản lăn và lực cản quán tính
Ò Phương trình cân bằng lực kéo:
(2.18)
Vì khi tốc độ giảm thì moment do nguồn năng lượng phối hợp tăng nên lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động cũng tăng. Khi n Ò 0 thì Mt Ò nên khi v Ò 0 thì Fk Ò. Về mặt lý thuyết, có thể nói ôtô với nguồn năng lượng phối hợp có khả năng tăng tốc với gia tốc a =. Tuy nhiên, ôtô chuyển động còn chịu giới hạn bám của mặt đường nên lực kéo tiếp tuyến cực đại chỉ có thể nhỏ hơn bằng lực bám . Vì vậy để xác định khả năng tăng tốc cực đại của ôtô, ta chọn tại thời điểm giới hạn bám.
Khi xe chuyển động ở vận tốc V bất kỳ nào đó thì vẫn còn kéo dư dùng để leo dốc với độ dốc hay tăng tốc với gia tốc
= lực cản lăn
= lực cản gió
= lực cản tổng cộng của mặt đường
= lực kéo dư
Ò Từ đồ thị cân bằng lực kéo bên trên có thể xác định được các thành phần lực cản ở vận tốc V bất kỳ.
Chương 3: KẾT CẤU ĐỘNG CƠ HYBRID CỦA TOYOTA
3.1. Kết cấu động cơ hybrid của Toyota
3.1.1. Mô hình tổng quát của ôtô hybrid
Hình 3.1. Sơ đồ ôtô hybrid kiểu hỗn hợp
Hình 3.2. Một dạng ôtô hybrid kiểu hỗn hợp
Ghi chú:
1. Engine: Động cơ đốt trong
2. ECM: Electric Control Module - Bộ phận điều khiển điện tử cho động cơ.
3. HV ECU: Hybrid Vehicle ECU- ECU điều khiển kết hợp trên ôtô hybrid.
4. Shift Postion Sensor: Cảm biến vị trí tay số.
5. Brake ECU: ECU điều khiển phanh.
6. HV Battery: High Volt Battery- Ắc-quy điện áp cao.
7. Inverter with Converter: Bộ chuyển đổi điện.
8. Hybrid Transaxle: Hộp số kết hợp với bộ phân phối công suất.
9. Acceleration Pedal Position Sensor: Cảm biến vị trí bàn đạp ga.
3.1.2. Động cơ đốt trong
Là nguồn động lực chính, ở ôtô hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu.
Hình 3.3: Động cơ tích hợp
Động cơ NZ-FXE của toyota là động cơ xăng1,5-lít sử dụng VVT-i ( Variable Valve Timing with Intelligence) hệ thống điều khiển xu-páp với góc mở biến thiên thông minh và ETCS-I (electronic throttle control system-intelligence) hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh.
Thông số cơ bản của động cơ đốt trong của ôtô Toyota Prius
- Tốc độ tối đa của xe: 255 km/h
- Tốc độ tối đa của động cơ: 16384 rpm
- Tốc độ không tải: 950 – 1050 rpm
- Áp suất khí nạp: 255 kPa
- Nhiệt độ nước làm mát: - 40 ÷ 1400C (khi động cơ hoạt động thì nhiệt độ khoảng 80÷1000C )
- Ngắt tự động động cơ xăng
Để giảm tiêu thụ nhiên liệu, tất cả các xe hybrid đều cố gắng hạn chế tối đa động cơ xăng trong suốt quá trình hoạt động. Nó không chỉ tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải mà còn ngừng tiêu thụ điện năng. Tương tự như một chiếc xe ngựa hai bánh, motor điện khởi động lại động cơ xăng khi lái xe nhấn lại pê đan tăng tốc.
Đây là một hoạt động khá liền mạch, hầu như không có sự trì hoãn hay mất khả năng vận hành cho lái xe.
- Hệ thống kiểm soát không tải (Cylinder Idling System)
Honda Civic Hybrid sử dụng hệ thống này để giảm sự kéo của động cơ và cho phép motor điện giành được nhiều năng lượng nhất trong suốt quá trình phanh tái tạo năng lượng. Một động cơ xăng thông thường phanh động cơ trong quá trình xuống dốc bằng hoạt động bơm của xylanh. Hoạt động này sẽ giành năng lượng từ động cơ điện để nạp ắc-quy.
Có thể tránh sự kéo động cơ bằng cách đưa khớp ly hợp vào xe với một hộp số sàn hoặc đặt xe ở số không với một CVT. Hệ thống vô hiệu xylanh của Honda thực hiện điều này bằng cách đóng van hút và xả trên 3 trong 4 xylanh, cho phép pít tông di chuyển tự do trong xylanh, vì vậy có thể giảm sự kéo động cơ và tối đa hóa năng lượng mà motor điện thu được.
- Tối ưu hóa đường khí thải
Integrated Exhaust Manifold: được đặt trực tiếp vào đầu xylanh nhằm giảm khối lượng và tối ưu hóa dòng khí xả, vì vậy giúp tăng vận hành và khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
- Pít tông ma sát nhỏ
Thông qua một quá trình rèn đặc biệt, sự ma sát ở thành xylanh giảm làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Kết hợp với công nghệ Offset Cylinder Bores nhằm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm ma sát đẩy của pít tông khi chúng di chuyển bên trong xylanh.
- Công nghệ biến thiên lưu lượng khí nạp
Thực hiện đưa hỗn hợp nhiên liệu vào đủ tương ứng với từng chế độ hoạt động của động cơ để đạt được cháy hoàn toàn, nhằm tối ưu hóa quá trình cháy để thực hiện tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm do khí xả.
3.1.3. Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle)
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất
Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ chia công suất có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạm gọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh của nó có thể truyền công suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xe chủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau. Các bánh răng hành tinh này hoạt động như một cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously Variable Transmission).
Hộp số biến thiên vô cấp (CVT- Continuously Variable Transmission):
CVT là một loại hộp số tự động mới (thực tế đã xuất hiện hơn 100 năm nay nhưng gần đây mới được ứng dụng trong ngành ô tô) không có bánh răng, ly hợp ma sát, dầu thủy lực hoặc biến mô. Thay vì thế, nó sử dụng một thiết kế dây curoa và puli đơn giản, giúp kết hợp chặt chẽ số truyền với phạm vi vòng/phút tối ưu của động cơ để đạt được công suất lớn hơn và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp ánh sáng nhưng những tiến bộ gần đây trong vật liệu và công nghệ mạch vi xử lý đã khiến CVT phù hợp hơn với ngành ô tô.
3.1.4. Motor điện và máy phát điện
Tổ hợp motor điện – máy phát số 1 (MG1-Motor Generater 1) có nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ắc-quy điện áp cao (HV Battery), đồng thời cấp điện năng để dẫn động cho MG2 (MG2-Motor Generater 2). MG1 hoạt động như một motor để khởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh gần giồng như một CVT.
Tổ hợp motor điện – máy phát số 2 (MG2) có nhiệm vụ dẫn động cho các bánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2 hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm tái sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc-quy điện áp cao.
Trên Toyota dùng một môtơ đồng bộ xoay chiều 3 pha, là một môtơ không chổi than DC hiệu suất cao với dòng AC. Các nam châm vĩnh cửu và một rôto được làm bằng các tấm thép điện từ ghép lại thành một môtơ công suất cao. Hơn nữa, bởi sự bố trí các nam châm vĩnh cửu theo một dạng tối ưu, mômen dẫn động được cải thiện và công suất được tăng lên. Cả MG1 và MG2 đều có kích thước gọn, nhẹ và là loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều hiệu quả cao.
3.1.5. Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter)
Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc-quy điện áp cao (HV Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy.
Hình 3.5. Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động
Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng một chiều để nạp điện cho ắc-quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
3.1.6. Ắc-quy điện áp cao. (HV Battery - High Volt Battery)
Ắc-quy chính của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắc chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Thường gồm 120-250 cặp cực ắc-quy với điện áp chuẩn là 144V-350 Volt (1,2V/cặp cực ắc-quy) được nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng.
Hình 3.6a Hình 3.6b
3.6a. Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius
3.6b. Ắc-quy điện áp cao trên VW Touareg
Ford Escape Hybrid, Honda Insight, Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử dụng những pin hyđrua kim loại kiềm (NiMH), công nghệ pin giống như trong điện thoại di động và máy tính xách tay. Hệ thống hybrid của Prius là sự kết hợp của 38 mô đun chứa 228 pin điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6 V. Xe của Honda thì dùng 120 pin điện, tổng công suất 144 V; Ford 250 pin, công suất 330 V.
3.1.7. Cáp nguồn
Cáp nguồn hay cáp công suất trong xe hybrid dùng để truyền dòng điện có cường độ và điện áp cao giữa các thiết bị như ắc-quy điện cao áp, bộ chuyển đổi, các tổ hợp MG1, MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa. Đường dây cao áp và các giắc nối được đánh dấu bằng mầu da cam như trong hình trên.
Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao
3.1.8. Ắc quy phụ
Loại ắc-quy DC12V này được bố trí cố định phía sau xe, duy trì và cung cấp dòng điện một chiều ổn định cho các thiết bị như đèn xe, hệ thống âm thanh, các ECU điều khiển .v..v…
Hình 3.8. Ắc-quy phụ trên ôtô hybrid
3.1.9. Các bộ phận khác có công dụng hỗ trợ trên ôtô hybrid
Ngoài ra trong ôtô hybrid còn kết hợp một số công nghệ hiện đại khác để nhằm tăng khả năng vận hành, giảm khí thải gây ô nhiễm và tối đa hóa khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
3.1.9.1. Khí động lực học/ hệ số kéo thấp
Để có được những bề mặt nhẵn, các kỹ sư chế tạo xe hybrid thường phải viện đến những đặc điểm thiết kế không theo quy ước nhằm tối đa hóa khả năng khí động. Ví dụ, Honda Insight có một hệ số kéo vô cùng thấp (0,25) do bề mặt nhẵn và dáng vẻ kỳ dị ở bánh sau. Ngay cả Toyota Prius, trông có vẻ bình thường trong mắt những người không chuyên nghiệp, cũng có hệ số kéo chỉ 0,29 do các kỹ sư đã tìm cách để làm nó trơn tru nhất. Tất cả các nhà sản xuất đều cố gắng giảm hệ số kéo ở bất cứ nơi đâu có thể bởi vì một chiếc xe với hệ số kéo thấp cần ít công suất (và nhiên liệu) hơn để vận hành.
3.1.9.2. Sử dụng những vật liệu tiên tiến
Việc sử dụng những vật liệu tiên tiến - như magie, hợp kim nhôm và nhựa dẻo – làm giảm khối lượng của xe. Việc giảm khối lượng làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải và giúp vận hành hiệu quả hơn.
Với tất cả những công nghệ tiên tiến, khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải của mình, ôtô hybrid được xem là những chiếc xe của tương lai. Chắn chắn, với những model hybrid mới xuất hiện và những model đang được phát triển, công nghệ này sẽ là đóng vai trò chính trong bức tranh của ngành ô tô những năm sắp tới.
3.2. Điều khiển ôtô hybrid theo chế độ làm việc
Dưới đây là sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển của ô tô hybrid sử dụng động cơ nhiệt và động cơ điện.
Hình 3.9: Sơ đồ tổng quát hệ thông điều khiển trên ô tô Hybrid.
3.2.1. Khởi động động cơ khi xe đang chạy
Nếu mômen dẫn động yêu cầu tăng lên khi xe chạy chỉ với MG2, MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động cơ. Tương tự, nếu có một trong những hạng mục do ECU kiểm soát như tình trạng SOC, nhiệt độ ắc quy, nhiệt độ nước và điều kiện tải điện lệch so với mức tiêu chuẩn, thì MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động
3.2.2. Tăng tốc nhẹ với động cơ
Ở tốc độ trung bình (15-40 mph), động cơ đốt trong sẽ hoạt động và cung cấp năng lượng, MG2 sẽ hoạt động đồng thời như một động cơ điện sử dụng một lượng điện năng hỗ trợ. MG1 cũng quay đồng thời với động cơ (được kéo bởi động cơ) và đóng vai trò như một máy phát điện, cung cấp năng lượng cho MG2.
3.2.3. Tốc độ thấp ổn định
Khi xe đang chạy ở chế độ tải thấp, bộ truyền hành tinh sẽ chia công suất động cơ ra hai phần. Một phần truyền đến các bánh xe chủ động, phần còn lại kéo MG1 để phát điện đến bộ biến đổi cấp cho MG2 hoạt động bổ sung công suất đến các bánh xe chủ động.
3.2.4. Tăng tốc tối đa
Khi xe được chuyển từ chế độ tải thấp sang chế độ tăng tốc mạnh, hệ thống này sẽ bổ sung điện của ắc quy điện áp cao vào lực truyền động của MG2.
3.2.5. Tốc độ cao ổn định
Khi xe chạy ở tốc độ cao ổn định động cơ và MG2 hoạt động, MG1 hoạt động ở chế độ phanh (MG1 không quay).
3.2.6. Tốc độ tối đa
Khi tốc độ ôtô cao (>100mph) thì MG2 sẽ hoạt động để bổ sung công suất cho động cơ đốt trong, lúc này ắc quy điện áp cao sẽ cung cấp điện cho hoạt động của MG2, MG1 cũng nhận một phần năng lượng điện từ ắc quy điện áp cao và quay ngược chiều với MG2 tạo một tỷ số truyền tăng cho phép ôtô chạy với tốc độ cao.
3.2.7.Giảm tốc độ và phanh:
Ngay khi lái xe người điều khiển đạp ga, máy phát 2 trở thành một máy phát điện.máy phát 2 được quay bởi sự chuyển động của bánh xe và tạo ra điện để sạc pin cao áp. Quá trình này được gọi là tái tạo phanh. Khi chiếc xe chậm lại, động cơ ngừng hoạt động và máy phát 1 quay ngược trở lại để duy trì tỷ lệ truyền
Khi bàn đạp phanh được nén xuống, lực phanh ban đầu đến để hãm điện cho động cơ điện và lực phanh cần thiết để biến máy phát 2 như là một máy phát điện. Các hệ thống phanh thủy lực cung cấp điện năng nhiều hơn để dừng xe và cho xe chạy chậm lại.
Khi xe chậm lại, động năng từ các bánh xe bị thu hồi và chuyển thành năng lượng điện và sử dụng để sạc pin cao áp bởi máy phát 2
3.2.8.Chế độ lùi xe:
Khi di chuyển xe ngược lại, máy phát 2 quay ngược lại như là một động cơ điện. Động cơ ngừng hoạt động.máy phát 1 quay theo hướng về phía trước và chỉ chạy cầm chừng, nó không tạo ra điện.
Máy phát 2 quay ngược trở lại để xe di chuyển ngược lại.Các động cơ ngừng hoạt động.
Động cơ có thể không làm việc khi xe không chuyển động và pin cao áp sạc đầy
3.2.9.Màn hình tiêu thụ nhiên liệu
3.2.10.Hệ thống mở cửa và khởi động hệ thống:
Ngoài các chức năng thông thường khóa kiểu cơ khí,hệ thống không dây còn có chức năng khóa cửa điều khiển từ xa, hệ thống này cung cấp một khóa thông minh với một chức năng truyền tín hiệu hai chiều. Bằng việc cho phép các ECU thông minh để nhận ra sự hiện diện của khóa thông minh trong khu vực được báo, hệ thống này có thể khóa hay mở khóa cửa ra vào, hoặc bắt đầu tổ hợp hệ thống mà không cần dùng chìa khóa, miễn là người dùng sở hữu chìa khóa của họ
Mở cửa: Sử dụng chức năng thông minh bằng cách mở cửa với khóa thông minh. Các cảm biến cảm ứng nằm ở mặt sau tay kéo cửa xe. Khởi động hệ thống hybrid: Trên '01-`03 Prius,một khóa đánh lửa được dùng để hoạt động khóa xylanh (có công tắc đánh lửa) để chuyển sang chế độ kéo của xe và khởi động hệ thống
Trên Prius '04 và sau đó, một hệ thống nút bấm bắt đầu vận hành hệ thống chuyển đổi bằng cách ấn một khóa trong một khe cắm chìa khóa hoặc bằng việc điều khiển khóa họ đang sử dụng
3.2.11.Các chế độ làm việc:
Một chế độ làm việc (tắt, hỗ trợ, đánh lửa, hoặc hoạt động) có thể được lựa chọn nhấn công tắc điện. Các chỉ báo về chuyển đổi này sẽ cho bạn biết chế độ điện năng, mà nó thay đổi phụ thuộc hành trình của bàn đạp thắng hoặc không phải trong khi chuyển đổi được hoạt động
Khởi động hệ thống hybrid: Sử dụng hệ thống khởi động thông minh bằng cách nhấn nút Power với chân phanh và khóa
Hủy chuyển đổi: Để không cần dùng khóa thông minh và smart trên một '04 và Prius sau.Đơn giản chỉ cần bấm smart huỷ bỏ chuyển đổi theo chỉ đạo
3.3. Hoạt động của hệ thống
Các bộ phận của hệ thống hybrid bao gồm:
Cụm hộp số hybrid, bao gồm máy phát 1,máy phát 2 một bộ bánh răng hành tinh
Cụm biến đổi điện có chứa một bộ biến đổi điện,tăng áp,chuyển đổi dòng điện một chiều,một bộ biến đổi điện làm lạnh
ECU cao áp,nhận thông tin từ cảm biến truyền đến và gửi các kết quả tính toán tới hộp đen,cụm biến đổi điện,pin ECU và sự trượt của bánh xe được ECU nhận biết để điều khiển hệ thống hybrid
Bộ điều khiển ECU cao áp điêu khiển động cơ
ECM (Engine control module) :Module điều khiển động cơ (hộp đen)
Inverter with converter:máy biến đổi điện
Hybrid transaxle : cụm hộp số hybrid
Brake ECU:ECU điều khiển hệ thống phanh
HV battery : ắc quy điện áp cao
Shift position sensor:cảm biến thay đổi vị trí
Accelerator pedal position sensor:cảm biến tăng tốc độ
Công tắc đóng ngắt mạch
Các hệ thống chính rơle tự động kết nối và ngắt kết nối mạch điện cao áp
Pin phụ trợ,tích trữ dòng điện 1 chiều 12V cho hệ thống điều khiển xe
3.3.1. Các biện pháp an toàn
Thực hiện không đúng việc bảo dưỡng hệ thống hybrid có thể gây ra sốc điện,rò rỉ pin hoặc thậm chí gây ra một vụ nổ.hãy chắc chắn để thực hiện những thủ tục an toàn sau đây bất cứ khi nào bảo dưỡng hệ thống điện cao áp của xe hybrid hoặc hệ thống điều khiển hybrid
Hãy bỏ nút khởi động.nếu chiếc xe được trang bị nút bấm thông minh,hệ thống nút tắt thông minh
Tách nguồn âm khỏi điểm tiếp xúc với pin phụ trợ
Đeo găng tay cách điện
Bỏ phích cắm được sửa và bỏ vào trong túi
Không làm bất kì sửa chữa nào cho 5 phút
Nếu khoá không được rút ra các khe cắm chìa khóa (đặc biệt, bởi vì cơ thể sẽ tổn thương trong tai nạn) được đảm bảo để thực hiện những điều sau đây thủ tục:
Ngắt kết nối nguồn pin phụ trợ
Chú ý: Những găng tay được cách điện áp cao có thể được đặt hàng từ SPX Toyota/ OTC. Tài liệu SST ở dưới chia ra những số.
Găng tay cỡ nhỏ _ 00002-03100-S
Găng tay cỡ trung bình_ 00002-03200-M
Găng tay cỡ lớn _ 00002-03300-L
Để kiểm tra tính toàn vẹn của bề mặt của găng tay,không khí đượcn thổi vào bên trong găng tay và cơ bản bao kín găng tay hơn để bảo đảm không khí bên trong.sau đó từ từ xỏ găng tay đến những ngón tay:
Nếu găng tay giữ áp suất tính chất cách điện của nó được nguyên vẹn
Nếu không khí bị rò rỉ,điện cao áp có thể đi qua các lỗ đó và đi vào cơ thể của bạn.hãy bỏ găng tay đó đi và bắt đầu khi mà bạn có một đôi găng tay hoàn toàn có thể bảo vệ bạn từ những mạch điện cao áp của xe
Cảnh báo:sau khi xe không có khả năng hoạt động,năng lượng được duy trì trong 90 giây trong hệ thống túi khí và 5 phút trong hệ thống điện cao áp.nếu bất kì các bước nói trên không được thực hiện tiến hành cảnh báo không đảm bảo hệ thống điện cao áp,hệ thống túi khí và bơm nhiên liệu thì ngừng hoạt động . không bao giờ cắt dây điện cao áp màu da cam hoặc mở các bộ phận của điện cao áp
Cảnh báo: do mạch điện trở,phải mất ít nhất 5 phút trước khi điện áp cao được lấy từ các mạch biến tần.ngay cả sau 5 phút,các biện pháp phòng ngừa an toàn sau đây cần được chú ý:
Trước khi chạm vào một dây cao áp màu da cam hoặc bất cứ dây cao áp nào khác mà bạn không thể xác định, sử dụng thử nghiệm để xác định rằng điện áp trong dây cáp là 12V hoặc ít hơn.
Sau khi loại bỏ những công tắc sửa chữa,bao gồm các phích cắm sử dụng bằng cao su hoặc nhựa
Sau khi loại bỏ một dây điện cao thế, hãy chắc chắn bao gồm các thiết bị tiếp xúc sử dụng bằng cao su hoặc nhựa vinyl.
Sử dụng công cụ cách điện khi có sẵn.
Không để các công cụ hoặc các bộ phận (bu lông, đai ốc, vv) bên trong cabin.
Không mang đồ vật kim loại. (Một vật bằng kim loại có thể gây ngắn mạch.)
3.3.2.Sự an toàn của xe khi ngập nước
Nhiều trạm cứu hỏa và các trạm cảnh sát đã được đào tạo một cách an toàn để dời các xe hybrid trong nước trong trường hợp khẩn cấp. Luôn luôn gọi trạm cứu hỏa địa phương của bạn trong tình huống này.
Để xử lý một cách an toàn Prius hoàn toàn hoặc một phần ngập trong nước, vô hiệu hóa điện cao áp và hệ thống túi khí SRS.di chuyển xe khỏi chỗ nước. sự rút nước từ các xe nếu có thể.Sau đó, theo sự thoát ra và làm mất khả năng hoạt động của xe dưới đây:
Giữ cố định xe
Chèn những bánh xe và phanh đỗ xe
Rút chìa khóa khỏi lỗ
Nếu được trang bị các phím thông minh, sử dụng phím hủy chuyển đổi bên dưới cột lái để vô hiệu hóa hệ thống.
Giữ chìa khóa điện tử tại tối thiểu 16 feet (5 mét (đồng hồ đo)) tránh khỏi xe
Ngắt kết nối pin 12V phụ trợ.
Ngắt các cầu chì HEV trong khoang động cơ. Khi nghi ngờ,kéo tất cả bốn cầu chì trong khối cầu chì.
3.3.3.Cụm hộp số hybrid bao gồm
- Động cơ phát điện 1 (MG1) mà tạo ra năng lượng điện.
- Động cơ máy phát 2 (MG2) mà điều khiển xe.
- Một bộ bánh răng hành tinh cung cấp biến đổi tỉ số truyền và là thiết bị phân chia mômen xoắn
- Một bộ giảm bao gồm một bộ xích hình chữ V,trục trung gian và trục thứ cấp
- Một bộ vi sai 2 bánh răng nhỏ tiêu chuẩn
- Dòng xe 01-03 prius sử dụng cụm hộp số hybrid đặt nằm ngang P111
Các `04 & Prius sau sử dụng cụm hộp số hybrid P112. Các P112 là dựa trên P111, nhưng cung cấp một loạt tốc độ quay vòng của động cơ cao hơn, hình chữ V nam châm vĩnh cửu ở các cánh quạt của máy phát điện 2, và một thiết kế mới qua hệ thống kiểm soát điều chỉnh
3.3.4.Bộ ly hợp:
Bộ giảm chấn cụm hộp số sử dụng cuộn lò xo làm giảm đặc tính xoắn. Trong Prius '04 và sau đó, tỷ lệ đặc tính lò xo của cuộn lò xo đã được giảm hơn nữa để cải thiện hiệu suất rung của nó và hình dạng của bánh đà đã được tối ưu hóa cho việc giảm trọng lượng.
Bộ giảm chấn của cụm hộp số, mà truyền lực lái từ động cơ đến cụm hộp số,có chứa một biến mô-men xoắn cơ cấu để hút làm khô,1 đĩa ma sát đơn
Thông số kỹ thuật của cụm hộp số:
Bảng 2: Thông số kỹ thuật của cụm hộp số
|
|
Đời ‘04 |
Đời ‘03 |
|
|
Kiểu hộp số |
|
P112 |
P111 |
|
Bánh răng hành tinh |
Số răng bánh răng bao |
78 |
78 |
|
Số răng bánh răng nhỏ |
23 |
23 |
|
|
Số răng bánh răng mặt trời |
30 |
30 |
|
|
Tỉ số truyền bánh răng vi sai |
4.113 |
3.905 |
|
|
Xích |
Số thanh nối |
72 |
74 |
|
Bánh xích chủ động |
36 |
39 |
|
|
Bánh xích bị động |
35 |
36 |
|
|
Bánh răng trung gian |
Bánh răng chủ động |
30 |
30 |
|
Bánh răng bị động |
44 |
44 |
|
|
Bánh răng thứ cấp |
Bánh răng chủ động |
26 |
26 |
|
Bánh răng bị động |
75 |
75 |
|
|
Dung tich bình chứa dầu hộp số |
Lít |
3.8 |
4.6 |
|
Kiểu chất lỏng |
Dầu hộp số tự động WS |
Dầu hộp số tự động T-IV |
|
3.3.5. Động cơ điện 1,động cơ điện 2
Động cơ điện 1 và động cơ điện 2 có thể hoạt động cả hai động cơ đồng bộ và động cơ điện có hiệu quả cao dòng điện xoay chiều. Máy phát điện 1 và máy phát điện 2 cũng cung cấp nguồn năng lượng hoạt động bổ sung và cung cấp điện đến động cơ khi cần thiết
Bảng 3: Thông số kỹ thuật của động cơ Prius hybrid
|
Đặc điểm động cơ điện 1 |
Dòng xe ‘04 |
Dòng xe ‘03 |
|
|
|
|
|
Kiểu |
Động cơ điện dùng nam châm vĩnh cửu |
|
|
Công dụng |
Máy phát ,khởi động |
|
|
Điện áp lớn nhất |
Dòng điện xoay chiều 500v |
Dòng điện xoay chiều 273.6 |
|
Hệ thống làm mát |
Làm mát bằng nước |
|
|
|
|
|
|
Đặc điểm động cơ điện 2 |
Dòng xe ‘04 |
Dòng xe ‘03 |
|
|
|
|
|
Kiểu |
Động cơ điện dùng nam châm vĩnh cửu |
|
|
Công dụng |
Máy phát ,khởi động |
|
|
Điện áp lớn nhất |
Dòng điện xoay chiều 500v |
Dòng điện xoay chiều 273.6 |
|
Đầu ra lớn nhất KW/(vòng/phút) |
50(68)/1,200-1,540 |
33(45)/1.040-5.600 |
|
Momen xoắn lớn nhất Nm/(vòng/phút) |
400(40.8)/0-1.200 |
350(35.7)/0-400 |
|
Hệ thống làm mát |
Làm mát bằng nước |
|
Mô tả động cơ điện 1:
Động cơ điện 1 sạc pin điện áp cao và cung cấp năng lượng điện
Để điều khiển động cơ điện 2. Ngoài ra, bằng cách điều chỉnh lượng điện năng tạo ra (thay đổi điện trở bên trong động cơ điện 2 và số vòng quay), động cơ điện 1 kiểm soát hiệu quả truyền dẫn sự thay đổi liên tục của cụm hộp số tự động. động cơ điện 1 cũng là động cơ khởi động
Mô tả động cơ điện 2:
Động cơ điện 2 và động cơ làm việc cùng nhau để lái xe. Việc bổ sung đặc tính momen xoắn mạnh của động cơ điện 2 giúp đạt được hiệu suất động cơ vượt trội, bao gồm việc khởi động êm và tăng tốc. Trong suốt quá trình hãm điện cho động cơ điện,động cơ điện biến đổi động năng thành năng lượng điện,sau đó được tích trữ trong pin cao áp.
Ghi chú: Kéo xe Prius bị hư hỏng với bánh xe phía trước của nó trên mặt đất có thể gây là nguyên nhân động cơ điện 2 để tạo ra điện. Nếu điều đó xảy ra, các cách điện có thể bị rò rỉ và gây ra một đám cháy. Luôn luôn kéo những chiếc xe với bánh xe trước ra khỏi mặt đất hoặc trên một nền bằng phẳng.
3.3.6. Bộ bánh răng hành tinh:
Các bánh răng hành tinh được sử dụng như một thiết bị phân chia lực. bánh răng mặt trời được kết nối với động cơ điện 1,bánh răng bao được kết nối với động cơ điện 2 và bánh răng hành tinh được kết nối với trục đầu ra của động cơ. Các lực từ động cơ được truyền từ bánh răng phát động đến bộ giảm tốc thông qua một bộ truyền xích.
Bảng 4: Liên kết của bộ bánh răng hành tinh
|
Chi tiết |
Liên kết |
|
Bánh răng mặt trời |
Động cơ điện 1 |
|
Bánh răng bao |
Động cơ điện 2 |
|
Bánh răng hành tinh |
Trục thứ cấp |
Hình 3.10: Bộ bánh răng hành tinh
3.3.7. Bộ giảm tốc
Bộ giảm tốc bao gồm bộ đai xích, bánh răng trung gian và các bánh răng cuối cùng. Bộ đai xích với một chiều rộng bước xích nhỏ đảm bảo hoạt động êm.Chiều dài tổng thể đã được giảm trái ngược với được điều khiển bằng hộp số. Các răng bánh răng trung gian và răng bánh cuối cùng đã được gia công thông qua rèn luyện độ chính xác cao và mặt bên răng của bánh răng đã được tối ưu hóa để đảm bảo hoạt động cực êm
Bộ giảm tốc: Các bánh răng cuối cùng đã được tối ưu hóa để giảm khoảng cách giữa trục trung tâm của động cơ và các trục vi sai làm cho bộ truyền nhỏ gọn hơn
3.3.8. Động cơ điện nam châm vĩnh cửu
Khi máy phát điện ba pha xoay chiều được truyền thông qua các cuộn dây của cuộn dây stator, một từ trường quay được tạo ra. Khi sự quay của từ trường này là phù hợp thời gian trong mối quan hệ với rotor, từ trường kéo nam châm vĩnh cửu nằm bên trong rotor trong một vòng tròn, làm cho rotor quay và tạo ra mô-men xoắn của động cơ điện. Các mô-men xoắn được tạo ra là tương ứng với lượng dòng điện một chiều đi qua các cuộn dây stator và tốc độ quay được điều khiển
do tần số của dòng điện xoay chiều ba pha. Trên dòng xe '04 và Prius đời sau được tạo nam châm vĩnh cửu đã được thay đổi thành một cấu trúc hình chữ V để cải thiện cả năng lượng điện và mô-men xoắn.
Kết cấu nam châm vĩnh cửu:cấu trúc chữ v của nam châm trên dòng xe ’04 và đời sau cung cấp hơn 50% năng lượng hơn các mô hình trước đây
3.3.9. Cảm biến tốc độ
Cảm biến đáng tin cậy và nhỏ gọn này nhận diện chính xác vị trí cực từ, đó là điều cần thiết cho việc kiểm soát của động cơ điện 1 và động cơ điện 2.
Cảm biến của stator có ba cuộn dây. Kể từ khi rotor có hình oval, khoảng cách giữa stator và rotor thay đổi theo vòng quay của rotor.
Ngoài ra, các ECU điều khiển hệ thống sử dụng bộ cảm biến này như là một cảm biến số vòng quay, tính toán số lượng vị trí khác nhau trong một khoảng thời gian định trước.
Đầu ra cuộn dây B và C là dòng điện so le 90 độ.Vì rotor là hình oval, khoảng cách của khe hở giữa stator và rotor thay đổi theo sự quay của rotor. Bởi đi qua một dòng điện xoay chiều thông qua cuộn dây A, đầu ra tương ứng với cảm vị trí cảm biến của rotor được tạo ra bởi cuộn dây B và C.Vị trí thuần túy có thể được phát hiện sự khác biệt giữa các kết quả đầu ra.
Hình 11 : Cảm biến tốc độ
3.3.10. Máy biến đổi điện:
Máy biến đổi điện thay đổi điện áp cao của dòng điện một chiều từ pin điện áp cao vào dòng điện xoay chiều ba pha cho động cơ điện 1 và động cơ điện 2. Các ECU điều khiển sự hoạt động của transistors. Ngoài ra,máy biến đổi điện truyền thông tin cần thiết để điều khiển dòng một chiều, chẳng hạn là đầu ra cường độ dòng điện hoặc điện áp, với ECU điều khiển hệ thống.
Máy biến đổi điện,động cơ điện 1 và động cơ điện 2 được làm mát bằng một bộ tản nhiệt chuyên dụng và hệ thống làm mát được tách biệt với hệ thống làm mát động cơ. Các ECU điều khiển máy bơm điện cho hệ thống này. Trong Prius '04 và sau , tản nhiệt đã được đơn giản hóa và không gian nó chiếm đã được tối ưu.
3.3.11. Bộ chuyển đổi khuếch đại
Chuyển đổi khuyếch đại làm tăng điện áp định mức của dòng điện một chiều 201.6V đó là năng lượng của pin cao áp với điện áp dòng điện một chiều tối đa 500V . Để tăng điện áp, bộ chuyển đổi sử dụng tăng IPM (tích hợp năng lượng bộ điều khiển điện tử) tạo IGBT (lớp bọc cách điện 2 cực transistor) để chuyển đổi điều khiển, và lò phản ứng để lưu trữ năng lượng.
Khi động cơ điện 1 hoặc động cơ điện 2 hoạt động như một máy phát điện, máy biến đổi điện chuyển đổi xoay chiều (khoảng từ 201.6V đến 500V) tạo ra bằng cách mỗi động cơ tạo thành dòng điện 1 chiều, sau đó chuyển đổi tăng giảm điện áp đến dòng điện một chiều 201.6V để sạc pin cao áp.
Hình 3.12: Sơ đồ lắp ráp máy biến đổi điện
Chuyển đổi:
Các thiết bị phụ trợ của xe (như đèn chiếu sáng, hệ thống âm thanh, hệ thống lạnh quạt làm mát, ECU, vv) được trang bị tiêu chuẩn dòng điện 1 chiều 12V
Trên '01-'03 Prius, điện áp máy phát điện hệ thống toyota hybrid là dòng điện 1 chiều 273.6V. A chuyển đổi điện áp từ 273.6V đến 12V (dòng điện 1 chiều) để sạc ắc quy phụ trợ.
Trên Prius '04 và sau đó, các máy phát điện hệ thống toyota hybrid-II ra một điện áp định mức 201.6V(dòng điện một chiều). Bộ chuyển đổi chuyển đổi điện áp từ 201.6V đến 12V(dòng điện một chiều) để sạc pin phụ trợ.
Hình 3.13: Sơ đồ hệ thống chuyển đổi dòng điện một chiều
3.3.12. Máy biến đổi điện làm lạnh
Hình 3.14: Máy biến đổi điện làm lạnh
Việc lắp đặt máy biến đổi điện bao gồm một máy biến đổi điện riêng biệt cho hệ thống điều hòa không khí nó thay đổi điện áp định mức của pin cao áp dòng điện 1 chiều 201.6V vào dòng điện xoay chiều 201.6V để chuyển đổi năng lượng điện của hệ thống điều hòa không khí để nén khí .
3.3.13. Hệ thống làm mát máy biến đổi điện,động cơ điện 1 và động cơ điện 2:
Một hệ thống làm mát chuyên dụng sử dụng một máy bơm nước để làm mát máy biến đổi điện,động cơ điện 1 và động cơ điện 2. Nó được tách biệt với hệ thống làm mát động cơ. hệ thống làm mát này hoạt động khi có điện chuyển sang để đánh lửa.
Hình 3.15: Các bộ tản nhiệt để làm mát các hệ thống được tích hợp với tản nhiệt cho động cơ.
3.3.14. ECU điều khiển kết hợp hệ thống hybrid:
Điều khiển động cơ điện 1, động cơ điện 2 và động cơ dựa trên yêu cầu momen xoắn ,điều khiển lực hãm phanh và tình trạng nạp điện của ắc quy điện áp cao (SOC). Những yếu tố này được xác định bằng vị trí thay đổi, các mức độ tăng tốc ít và tốc độ xe.
Các ECU điều khiển theo dõi tình trạng nạp pin cao áp và nhiệt độ của pin cao áp, động cơ điện 1 và động cơ điện 2.
Để đảm bảo tắt mạch đáng tin cậy và bảo vệ mạch từ điện áp cao của xe các ECU điều khiển sử dụng ba rơ le đặt trong hệ thống chính Relay lắp ráp để kết nối và ngắt kết nối mạch điện cao áp.
Nếu ECU điều khiển phát hiện một sự cố trong hệ thống lai, nó sẽ điều khiển hệ thống cơ bản dựa trên các dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ của nó.
Chương 4: QUY TRÌNH KIỂM TRA BẢO DƯỠNG
Điểm lo ngại lớn nhất mà người sử dụng ôtô hybrid là dung lượng của ắc quy cao áp trong ôtô hybrid không được cao và cần phải thay thế sau một thời gian sử dụng. Để tăng tuổi thọ cho ắc quy cao áp thì chúng ta cần phải bảo dưỡng cũng như sử dụng một cách hợp lý. Vậy nên trong đề tài này em xây dựng quy trình bảo dưỡng ắc quy cao áp. Nhằm góp 1 phần cải thiện thời gian sử dụng ắc quy cao áp cho người sử dụng ôtô hybrid.
Ở phần này chúng ta sẽ đi đến những hư hỏng của ắc quy, chuẩn bị dụng cụ để bảo dương và cuối cùng là quy trình bảo dưỡng.
4.1. Tìm hiểu về ắc quy cao áp
Công nghệ ắc qui niken-kim loại hyđrua đóng kín (Ni- MH) được phát triển cho hệ thống hybrid cung cấp năng lượng cao và tuổi thọ cao.Hệ thống hybrid điều khiển sự nạp và xả để giữ ắc quy điện áp cao ở một trạng thái điện năng không đổi. Các ắc quy điện áp cao, ECU điều khiển ắc quy và SMR (hệ thống rơle chính) được chứa trong một cái hộp đơn được đặt trong khoang hành lí phía sau ghế sau.
Nguồn ắc quy điện áp cao chứa sáu hợp kim ni ken Hy-đrua kim loại pin 1.2 V nó được nối kế tiếp nhau để tạo một mô đun.
Trong 01-03 Prius', 38 mô đun được chia vào trong hai chỗ giữ và được nối tiếp trong mạch điện. Như vậy, nguồn ắc quy cao áp chứa tổng số (của) 228 pin và có một điện áp định mức 273.6 V.
Trong Prius '04 và sau đó, 28 module được kết nối với một điện áp định mức 201.6V. Các pin được kết nối ở hai nơi để giảm kháng bên trong của ắc quy.
Các tấm điện cực trong ắc quy điện áp cao đều được làm bằng xốp và hợp kim niken hydrua kim loại
Chú ý: Đối với thông tin tái chế pin, hãy tham khảo Chính sách Bảo hành và thủ tục hướng dẫn.
Bảng5: Thông số bộ ắc quy điện áp cao
|
Bộ ắc quy điện áp cao |
Prius ’04 và sau |
Prius ’01 đến ‘03 |
|
Điện áp bộ ắc quy |
201.6V |
273.6V |
|
Số modun ắc quy trong bộ |
28 |
38 |
|
Số pin |
168 |
228 |
|
Điện áp modun ắc quy |
7.2V |
7.2V |
4.2. Cách sử dụng ắc quy cao áp tốt nhất
Sử dụng ắc quy cao áp đúng cách cũng làm tăng tuổi thọ của pin cũng như tránh được những rủi do không đáng có.
- Sạc
Khi sạc nhanh, nên sạc các pin NiMH bằng một máy sạc pin thông minh để tránh sạc quá mức, có thể gây hư hỏng pin và tạo ra những điều kiện nguy hiểm. Các pin NiMH hiện đại có chứa các chất xúc tác để phản ứng ngay lập tức với các loại khí sinh ra trong quá trình sạc quá mức để pin không bị tổn hại (2 H2 + O2 ---xúc tác--> 2 H2O). Tuy nhiên, nó chỉ làm việc khi dòng điện lên tới C/10 h (điện dung danh nghĩa được chia cho 10 tiếng). Vì có phản ứng này, pin sẽ nóng lên rất nhiều, đánh dấu sự kết thúc quá trình sạc. Một số máy sạc nhanh có quạt để giữ pin mát.
Một số nhà sản xuất thiết bị cho rằng pin NiMH có thể được sạc một cách an toàn và đơn giản với các sạc pin dòng điện (thấp) ổn định, có hay không có đồng hồ tính giờ và rằng việc thường xuyên sạc quá mức cũng có thể cho phép với các dòng lên tới cỡ C/10 h. Trên thực tế, hình thức này được áp dụng cho các điện thoại bàn không dây và các loại sạc pin rẻ tiền. Dù có thể là an toàn, thì điều đó cũng không tốt cho tuổi thọ pin. Theo cuốn hướng dẫn sạc pin NiMH của Panasonic, thiết bị nạp điện thường xuyên (sạc quá mức dòng nhỏ) có thể khiến pin bị hỏng và tỷ lệ nạp điện có thể được giới hạn tới mức giữa 0,033×C trên giờ và 0,05×C trên giờ cho tối đa 20 giờ để tránh làm hỏng pin.
Việc sạc pin NiMH trong quy trình bảo quản dài hạn pin cần dùng các xung theo chu kỳ phục vụ với dòng điện cao thay cho dùng dòng điện thấp trong thời gian dài để bảo quản tuổi thọ cho pin.
Pin mới hay pin không sử dụng trong một khoảng thời gian cần được sạc đầy trước khi sử dụng. Cũng vì lý do này các pin mới có thể phải cần trải qua vài quá trình sạc/xả trước khi đạt mức điện dung công bố.
- Xả
Cần thận trọng khi tiến hành xả pin nhằm đảm bảo một hay nhiều viên pin trong một loạt pin nối kết với nhau, tương tự như hai hay bốn viên pin AA trong một máy ảnh số, không bị xả hết toàn bộ và rơi vào tình trạng đảo cực. Các viên pin không bao giờ hoàn toàn giống nhau, và vì thế không tránh được tình trạng một viên sẽ bị xả hết hoàn toàn trước các viên khác. Khi điều này xảy ra, viên pin "tốt" sẽ bắt đầu "biến" viên đã xả hết đảo chiều, điều này có thể khiến viên pin đó hỏng hoàn toàn. Một số máy ảnh, thiết bị định vị toàn cầu và PDA dò điện áp chấm dứt xả an toàn của toàn bộ một nhóm pin và chấm dứt quá trình xả, nhưng các thiết bị khác như đèn chớp và một số đồ chơi không có chức năng này. Khi nhận thấy đèn tối hoặc thiết bị hoạt động chậm lại, cần ngay lập tức tắt thiết bị để tránh tình trạng đảo cực. Đối với thiết bị chỉ sử dụng một viên pin, tình trạng đảo cực sẽ không xảy ra, bởi vì không có viên pin nào khác sạc ngược cho nó khi nó đã xả hết.
Pin NiMH có tỷ lệ tự xả cao hơn pin NiCd. Tỷ lệ tự xả trong ngày đầu tiên thường ở mức 5-10%, và ổn định trong khoảng 0,5-1% mỗi ngày ở nhiệt độ phòng. Tỷ lệ này bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ bảo quản pin.
4.3. Hiện tượng hư hỏng, nguyên nhân, sửa chữa bảo dưỡng
4.3.1. Hiện tượng nguyên nhân hư hỏng
Hiện tượng: Nứt, vỡ vỏ, nắp, các cực ra và cầu nối các tấm bản.
Nguyên nhân: Phần lớn là không tuân thủ quy tắc bảo dưỡng kỹ thuật và vận hành.
Phương pháp kiểm tra sửa chữa bảo dưỡng: Làm sạch sơ bộ. Nếu vỏ có khe hở nứt ở các gân và ở các góc không quá 3 mm và tiết diễn không quá 2cm2,Thì ta trát đầy bằng chất dẻo
4.3.2. Phương pháp kiểm tra sửa chữa nạp điện cho ắc quy
|
TT |
Nội dung bước |
Dụng cụ |
Phương pháp thao tác |
Yêu cầu kỹ thuật |
|
1 |
Chèn xe cắt mát ắc quy |
Khối gỗ tam giác |
Kéo phanh tay dùng khối gỗ chèn trước bánhxe về phíahướng di chuyến của xe.Cắt công tắc mát ắc quy. |
Xe chèn phải an toàn.Công tắc mát phải ở trạng thái Khoá |
|
2 |
Xác định cực tính của ắc quy.
|
Đồng hồ vạn năng
|
Đặt hai que so của vôn kế một chiều lên cực tính của ắc quy, quan sát nếu kim của vôn kế quay theo chiều thuận thì que so dương đặt đúng cựctính dươngcủa ắc quy vàngược lại. lần theo dâyđầu bọc để xác định cực tính bắt ra sườn xe. |
Thời gian thao tác phải nhanh.Xác định chính xác cực tính của ắcquy được nối với sườn xe. |
|
3 |
Tháo dây đầu bọc bắt cực âm và cực dương ắc quy.
|
Clê 14, kìm nhọn
|
Dùng 2 clê 14 một chiếc công, một chiếc giữ và nơi lỏng bulon đai ốc bắt chặt đầu bọc, sau đó dùng kìm nhọn cặp tháo dây đầu bọc khói cực ắc quy và sườn xe, cực ắc quy và cọc đồng phải trên máy khởi động. |
Tránh để Clê nối ngắn mạch giữa cực tính của ắc quy.Tránh làm hỏng ren bulon đai ốc, đầu cực ắc quy. |
|
4 |
Tháo giá kẹp ắc quy. Bê ắc quy ra khỏi xe. |
Clê 12, 14
|
Tháo các bulon đai ốc bắt giá kẹp giữ chặt ắc quy |
Tránh để Clê nối ngắn mạch giữa cực tính của ắc quy. Tránh làm hỏng ren bulon đai ốc, đầu cực ắc quy. |
|
5 |
Vệ sinh bình ắc quy |
Chổi, dẻ, nước, chất tẩy |
Dỗi nước, dùng chổi lông rửa sạch bụi bẩn bám vào nắp và cọc ắc quy. Dùng chất tẩy làm sạch lần cuối, dẻ lau khô và khí nén thổi sạch. |
Bề mặt ngoài của ắc quy được vệ sinh sạch sẽ. |
|
6 |
Kiểm tra lỗ thông hơi |
Kìm, que thông |
Dùng kìm nhọn cặp và vặn nút ắc quy ra, sau đó lấy que thông lỗ trên nút đổ dung dịch và vệ sinh nút đậy sạch |
Lỗ nút bình phải đảm bảo thông |
|
7 |
Nạp điện cho ắc quy. Kiểm tra an toàn |
Kiểm tra an toàn. Bút thử điện |
Kiểm tra và điều chỉnh công tắc nguồn, chiết áp điều chỉnh của náy nạp về trạng thái khoá.Cắm phích cắm điện máy mạp vào ổ điện xoay chiều 220V sau đó dùng bút thử rò điện xoay chiều 220V ở vỏ máy nạp. |
ổ phích cắm nguồn phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt. |
|
8 |
Đấu dây đầu bọc từ máy nạp đến cực tính ắc quy. |
Clê 14 |
Bắt chặt dây đầu bọc vào cực máy nạp và cực tính ắc quy. |
Dương ắc quy với dương máy nạp, âm ắc quy với âm máy nạp. |
|
9 |
Bật công tắc nguồn máy nạp đến cực tính ắc quy. Điều chỉnh chiết áp.Quan sát dòng Nạp Ngừng nạp điện cho ắc quy. |
Clê 14 |
Bắt chặt dây đầu bọc vào cực máy nạp và cực tính ắc quy.Bật công tắc nguồn về vị trí ON. Hiệu chỉnh chiết áp nguồn quan sát đồng hồ ampe và đọc giá trị dòng nạp |
Dương ắc quy với dương máy nạp, âm ắc quy với âm máy nạp. Quan sát thấy kim của vôn kế dừng ở giá trị cần nạp thì dừng lại. |
|
10 |
Ngừng nạp điện cho ắc quy.
|
Clê 14
|
Tắt công tắc nguồn, rút phích cắm, và lần lượt tháo các dây đầu bọc.
|
Tránh để Clê nối ngắn mạch giữa hai cực tính của ắc quy.Tránh làm hỏng ren bulon đai ốc, đầu cực ắc quy. |
|
11 |
Đo điện áp của ắc quy. |
Đồng hồ vạn năng. |
Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ đo về thang kiểm tra Vôn kế một chiều, đặt que đo dương lên cọc dương ắc quy, que đo âm lên cọc âm ắc quy và đọc chỉ số trên vạch thang độ |
Đo và đọc chính xác mức điện áp của ắc quy. |
KẾT LUẬN
Sau gần hai tháng làm việc liên tục với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Th.s ...,cùng sự góp ý của bạn bè em đã hoàn thành đề “Nghiên cứu hệ thống điều khiển trên ôtô HYBRID của TOYOTA”. Đề tài đã đưa ra được những nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển trên ôtô hybrid.Hệ thống điều khiển trên ôtô hybrid gồm có điều khiển động cơ điện, điều khiển phanh tái tạo và điều khiển theo các chế độ làm việc của động cơ. Cụ thể trong phạm vi đề tài thì tôi tập trung vào nghiên cứu nguyên lý điều khiển hệ thống theo các chế độ làm việc của xe. Đề tài đã phần nào làm rõ được vấn đề cần nghiên cứu, đó là hệ thống điều khiển trên ôtô hybrid.
Đồng thời em đã tìm hiểu các hư hỏng cơ bản của ắc quy cao áp và lập quy trình bảo dưỡn pin cao áp.
Do nội dung đề tài nghiên cứu có khối lượng tương đối lớn nên trong quá trình làm không tránh khỏi những thiếu sót nhất định, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quí báu của các thầy và các bạn nhằm bổ sung cho đề tài ngày được hoàn thiện hơn.
