TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ XE HYBRID
Khái quát công nghệ hybrid trong xe hơi
Xe hybrid kết hợp hai nguồn động lực, thường là động cơ đốt trong (xăng, diesel, khí hóa lỏng) và mô-tơ điện sử dụng năng lượng từ ắc quy cao áp Mục tiêu chính của xe hybrid là sử dụng mô-tơ điện để hỗ trợ hoặc thay thế động cơ đốt trong trong những tình huống mà động cơ hoạt động không hiệu quả, như khởi động, gia tốc và tăng tốc Điều này giúp động cơ đốt trong luôn hoạt động trong vùng tối ưu, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải.
Động cơ diesel (ĐCĐT) hoạt động hiệu quả nhất trong khoảng tốc độ từ 2600 đến 3400 vòng/phút, với mức tiêu hao nhiên liệu khoảng 255 g/kWh Tuy nhiên, đặc tính của ĐCĐT có sự khác biệt đáng kể so với đặc tính lý tưởng, do đó cần sử dụng hộp số đa cấp hoặc hộp số tự động để cải thiện hiệu suất Việc này dẫn đến việc tăng kích thước, khối lượng và chi phí của hệ thống hộp số.
Hình 1.1: Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng
Hình 1 9: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng
Hình 1 10: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe
Mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng, như thể hiện trong hình 1.4 Khi khởi động từ tốc độ 0, điện áp sẽ tăng lên khi tốc độ đạt đến tốc độ cơ sở, trong khi dòng điện duy trì ổn định Khi vượt quá tốc độ cơ bản, điện áp giữ nguyên nhưng dòng điện giảm, dẫn đến công suất đầu ra không đổi và 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
Hình 1 11: Đặc tính của một mô-tơ điện
Hình 1 12: Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp
Hình 1.5 so sánh mô-tơ điện và ĐCĐT, cho thấy ĐCĐT cần hộp số 4 cấp để đạt đặc tính lý tưởng, trong khi mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp Mô-tơ điện trong xe hybrid không chỉ giúp ĐCĐT hoạt động ở vùng tối ưu mà còn có vai trò quan trọng trong việc thu hồi năng lượng động năng, nạp lại vào ắc quy khi xe giảm tốc hoặc phanh, nhờ chức năng “phanh tái sinh”.
Khi kết hợp hai nguồn động lực như vậy kết quả đầu ra sẽ cho đặc tính như thể hiện trên
Hình 1 13: Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc
1.1.2 Xu hướng phát triển của xe hybrid
Sự phát triển phương tiện giao thông trên thế giới không đồng nhất, với mỗi quốc gia có quy định riêng về nồng độ phát thải khí thải Tuy nhiên, xu hướng chung là cải tiến và chế tạo ôtô với mức phát thải và ô nhiễm thấp nhất, đồng thời giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu Điều này trở nên cấp thiết khi nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, dẫn đến giá dầu tăng cao trong khi thu nhập của người dân không tăng đáng kể.
Xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, làm xấu đi bầu khí quyển và thay đổi hệ sinh thái Do đó, việc giảm thiểu khí thải ô nhiễm là một vấn đề cấp bách trong ngành ô tô hiện nay Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là phát triển ô tô sạch không gây ô nhiễm Nhiều giải pháp đã được đưa ra, bao gồm cải tiến quá trình cháy động cơ và sử dụng nhiên liệu không truyền thống như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, và ôtô động cơ lai (hybrid) Trong số đó, công nghệ hybrid đang ngày càng phổ biến và mang lại hiệu quả cao.
Ôtô hybrid, xuất hiện từ đầu những năm 1990, đã trở thành giải pháp hiệu quả cho cả kinh tế và môi trường Công nghệ hybrid mở ra kỷ nguyên mới cho ôtô, giúp hạn chế ô nhiễm môi trường và giảm tiêu hao nhiên liệu, đồng thời vẫn sử dụng động cơ đốt trong, loại động cơ vẫn chưa thể thay thế trong tương lai gần.
Hình 1 14: Mô hình một xe hybrid
Ôtô hybrid đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học và các hãng sản xuất ôtô trên toàn cầu nhờ vào những ưu điểm nổi bật Số lượng mẫu ôtô hybrid trên thị trường ngày càng tăng, cùng với sự gia tăng người tiêu dùng lựa chọn loại ôtô này Mặc dù ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện và ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời đều có những nhược điểm nhất định, nhưng ôtô hybrid vẫn là lựa chọn khả thi hơn trong bối cảnh hiện tại của đất nước.
Sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và mô-tơ điện được xem là giải pháp tối ưu trong bối cảnh phát triển ôtô “sạch”, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường nghiêm ngặt và giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Xe hybrid chỉ phù hợp cho việc di chuyển trong thành phố, khu du lịch và trên các tuyến đường dài bằng phẳng Không thể thay thế hoàn toàn các loại ôtô khác do hạn chế về khả năng hoạt động trong điều kiện khác nhau và công nghệ chưa phát triển Một thách thức lớn là nguồn dự trữ năng lượng điện cho mô-tơ điện, vì việc sử dụng ắc quy thông thường sẽ yêu cầu nhiều bình, gây khó khăn về kích thước và khối lượng.
Trong đồ án tốt nghiệp này, chúng tôi tập trung nghiên cứu về dòng ôtô hybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và mô-tơ điện, đây là loại ôtô hybrid phổ biến nhất hiện nay.
Tìm hiều một số dạng dẫn động hybrid
1.2.1 Hệ thống hybrid nối tiếp
Hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp là một công nghệ tiên tiến cho xe hybrid, trong đó xe được kéo hoàn toàn bởi mô-tơ điện Mô-tơ điện này hoạt động nhờ vào năng lượng từ hai nguồn: ắc quy và máy phát điện được cung cấp bởi động cơ đốt trong Đây là một giải pháp hiệu quả giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe hybrid.
Hình 1 15: Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp
Bánh xe được vận hành bởi mô-tơ điện, nhận năng lượng từ ắc-quy hoặc máy phát do ĐCĐT dẫn động Cụm ĐCĐT/máy phát (ĐCĐT/MP) có vai trò quan trọng trong việc bổ sung năng lượng cho mô-tơ khi công suất tải lớn, đồng thời nạp lại ắc-quy khi công suất tải nhỏ và dung lượng ắc-quy giảm.
Bộ điều khiển mô-tơ để điều khiển mô-tơ kéo sinh ra năng lượng phù hợp với yêu cầu của xe
Hiệu suất hoạt động của xe, bao gồm gia tốc, khả năng leo dốc và tốc độ tối đa, hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước và đặc điểm của mô-tơ kéo dẫn động Sơ đồ kết nối cho thấy đặc tính của xe hybrid tương tự như mô-tơ điện được minh họa trong hình 1.3.
2.2.1.1 Ưu nhược điểm của hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp a) Ưu điểm
Động cơ tách rời với bánh dẫn cho phép tốc độ và mô-men của động cơ hoạt động độc lập, giúp duy trì hiệu suất tối ưu với mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải thấp nhất Thiết kế tối ưu của động cơ, tùy thuộc vào điều kiện hoạt động, còn cải thiện thêm hiệu suất và giảm thiểu phát thải.
Sự ngắt kết nối giữa động cơ và bánh xe còn cho phép động cơ có thể hoạt động ở vùng tốc độ cao
Khả năng gia tốc tốt khi không có quán tính của hệ dẫn động cơ khí, bánh đà, tuốcbin
Không cần nhiều bánh răng dẫn động nên cấu tạo đơn giản hơn và giá thành có thể giảm
Việc thay thế bộ vi sai bằng mô-tơ điện giúp nghiên cứu hệ dẫn động lái 4 bánh một cách đơn giản hơn, loại bỏ sự phức tạp trong quá trình điều khiển Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
Năng lượng bị biến đổi qua lại nhiều lần gây tổn thất đáng kể
Máy phát và mô-tơ điện cần có kích thước và công suất phù hợp để đáp ứng yêu cầu kéo xe, điều này có thể dẫn đến việc tăng đáng kể trọng lượng và chi phí.
1.2.2 Hệ thống dẫn động Hybird song song
Hệ dẫn động hybrid song song (Parallel hybrid electric drive train) cho phép động cơ đốt trong (ĐCĐT) và mô-tơ kéo truyền công suất song song trực tiếp tới bánh xe, mang lại lợi thế vượt trội so với hệ dẫn động hybrid nối tiếp Một trong những ưu điểm chính là không yêu cầu máy phát điện và mô-tơ kéo nhỏ, đồng thời giảm thiểu sự biến đổi công suất từ ĐCĐT tới bánh xe, dẫn đến hiệu suất tổng cao hơn Tuy nhiên, việc điều khiển hệ thống này phức tạp hơn do sự kết hợp cơ khí giữa ĐCĐT và bánh xe.
Hình 1.9: Hệ thống hybrid song song với bộ ghép nối mô-men
Hình 1 10: Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ dẫn động hybrid song song
1.2.3 Hệ dẫn động Hybrid hỗn hợp song song – nối tiếp
1.2.3.1 Hình dáng hệ truyền động với bộ bánh răng hành tinh
Hình 1.15: Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp với bộ ghép nối bánh răng hành tinh
Bộ truyền động hybrid hỗn hợp song song – nối tiếp, như hình 1.15, sử dụng bộ bánh răng hành tinh để kết nối động cơ đốt trong (ĐCĐT), mô-tơ điện và bộ truyền động ĐCĐT được kết nối với vành răng của bộ bánh răng hành tinh thông qua li hợp 1, cho phép nối hoặc ngắt ĐCĐT với vành răng Mô-tơ điện kết nối với bánh răng mặt trời, trong khi khóa 1 giữ bánh răng mặt trời và rô-to của mô-tơ điện cố định với khung xe Li hợp 2 có chức năng nối hoặc tách bánh răng mặt trời với vành răng, và bộ truyền động được dẫn động bởi cầu dẫn của bộ bánh răng hành tinh thông qua một bánh răng trung gian.
Bộ truyền động có hai dạng hoạt động cơ bản: kết hợp tốc độ và kết hợp mô-men giữa động cơ điện và hộp số Sự hoạt động này phụ thuộc vào việc đóng hoặc ngắt các li hợp và khóa Dạng hoạt động kết hợp tốc độ là một trong những phương pháp chính trong hệ thống truyền động.
Khi xe bắt đầu từ tốc độ 0, ĐCĐT không thể hoạt động và bộ truyền động chỉ có tỉ số truyền giới hạn, dẫn đến hiện tượng trượt giữa trục vào và trục ra Hiện tượng này thường xảy ra trong li hợp của bộ truyền động điều khiển bằng tay hoặc trong bộ biến đổi mô-men thủy lực của bộ truyền động tự động, gây mất một phần năng lượng Trong bộ truyền động được trình bày trong hình 1.23, sự trượt diễn ra giữa ĐCĐT và mô-tơ điện, với li hợp 1 kết nối trục động cơ với vành răng và li hợp 2 giải phóng bánh răng mặt trời khỏi vành răng Khóa 1 và 2 cũng giải phóng bánh răng mặt trời và vành răng từ khung xe, trong khi tốc độ của mô-tơ tương ứng với tốc độ của xe.
Bởi vậy, công suất mô-tơ là âm, và nó hoạt động như một máy phát và có thể được trình bày như sau:
Pm = Ts 𝜔 𝑠 – Tr.ωr = Pt – Pđc Ở đó, Pm là công suất của mô-tơ,
P là công suất tới bộ truyền động
Pđc là công suất ĐCĐT
Khi tốc độ xe tăng đạt đến giá trị mà số hạng đầu trong vế phải của công thức (c) bằng với số hạng thứ hai, vận tốc của bánh răng mặt trời ωs sẽ bằng 0 và công suất mô-tơ điện cũng bằng 0 Tốc độ này được gọi là tốc độ đồng bộ và phụ thuộc vào tốc độ ĐCĐT Khi tốc độ xe tăng vượt quá mức này, ωs trở thành dương, và mô-tơ điện sẽ cung cấp công suất cho hoạt động của xe.
Trong hoạt động phối hợp tốc độ, tốc độ ĐCĐT được điều chỉnh dựa trên tốc độ xe và tốc độ động cơ, với mô-men của mô-tơ và độ mở bướm ga ảnh hưởng đến quá trình này Công thức (A) chỉ ra mối quan hệ giữa mô-men ĐCĐT và mô-men mô-tơ.
Tốc độ ĐCĐT phụ thuộc vào mô-men và góc mở bướm ga Điều này có nghĩa là tốc độ có thể được điều chỉnh thông qua mô-men của mô-tơ và độ mở của bướm ga Cụ thể, tại một mô-men nhất định của mô-tơ, tốc độ ĐCĐT có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh góc mở bướm ga Ngược lại, tại một góc mở bướm ga cố định, tốc độ ĐCĐT cũng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi mô-men của mô-tơ.
Hình 1.16: Tốc độ đông cơ đốt trong được điều khiển bởi độ mở bướm ga và mô-men của mô-tơ điện b) Dạng hoạt động kết hợp mô-men
Có hai dạng hoạt động cơ bản trong hệ thống: kết hợp tốc độ và kết hợp mô-men giữa động cơ đốt trong và hộp số, điều này phụ thuộc vào việc đóng hoặc ngắt của các ly hợp và khóa.
- Dạng hoạt động kết hợp tốc độ
Khi xe đang bắt đầu từ tốc độ 0, ĐCĐT không thể chạy ở tốc độ
Bộ truyền động có tỉ số truyền giới hạn, dẫn đến hiện tượng trượt giữa trục vào và trục ra Hiện tượng này thường xảy ra trong li hợp của bộ truyền động điều khiển bằng tay hoặc trong bộ biến đổi mô-men thủy lực của bộ truyền động tự động.
Phanh tái sinh của công nghệ Hybrid
Phanh hãm tái sinh là cơ chế phục hồi năng lượng hiệu quả, giúp làm chậm phương tiện hoặc vật thể bằng cách chuyển đổi động năng thành năng lượng có thể sử dụng ngay lập tức hoặc lưu trữ cho các nhu cầu sau này.
Hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Braking System – BRS) là một trong những công nghệ hiện đại trong ngành công nghiệp ô tô
1.3.1 Hệ thống phanh tái sinh là gì
Hệ thống phanh tái sinh (BRS) là công nghệ tiên tiến được áp dụng trong xe điện và hybrid, hoạt động song song với hệ thống phanh truyền thống Nó có khả năng chuyển đổi năng lượng động học và nhiệt năng từ quá trình phanh thành điện năng, giúp tái sử dụng hiệu quả năng lượng trong xe.
Hệ thống phanh tái sinh (BRS) là công nghệ tiên tiến được áp dụng trong xe điện, xe hybrid, và một số xe chạy xăng hiện nay Phanh tái sinh có khả năng chuyển đổi động năng thành năng lượng điện, góp phần nâng cao hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô.
Hình 1.17: Phanh tái sinh (BRS)
Ngay khi người lái nhấn chân phanh, máy phát điện sẽ hoạt động để tạo ra điện, tăng cường lực cản và giảm tốc độ xe Dòng điện này được lưu trữ trong gói pin, không chỉ giúp tăng tốc độ xe mà còn hỗ trợ cho các hệ thống khác trên xe.
1.3.2 Nguyên lý hoạt động của phanh tái sinh
Khi phanh trên xe hybrid hoặc xe điện, động cơ điện hoạt động như một máy phát, chuyển đổi năng lượng từ bánh xe thành điện năng Quá trình này giúp tái chế năng lượng và cải thiện hiệu suất của xe.
Máy phát điện chuyển đổi động năng thành năng lượng điện, sau đó lưu trữ trong pin điện áp cao của xe Tuy nhiên, quá trình tạo ra điện của máy phát cũng gây ra điện trở, làm chậm tốc độ xe.
Hình 1.18: Nguyên lý hoạt động của phanh tái sinh
Quá trình phanh diễn ra trong thời gian dài cho đến khi xe dừng lại hoàn toàn Khi cần mô-men phanh vượt quá khả năng cung cấp của máy phát điện, hệ thống phanh bổ sung sẽ được thực hiện thông qua phanh ma sát.
1.3.3 Ưu, nhược điểm của phanh tái sinh
Giảm tốc từ hệ thống phanh tái sinh đủ trong hầu hết các trường hợp để làm chậm xe như mong muốn
Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải CO2 là một ưu điểm nổi bật, đặc biệt trong các tình huống giao thông đô thị với nhiều lần phanh và tăng tốc, mà xe hybrid có thể tối ưu hóa hiệu suất.
Tăng đáng kể trong phạm vi hoạt động của xe cho mỗi lần sạc đầy (xe điện)
Hạn chế bào mòn các chi tiết phanh cơ khí truyền thống
Giảm phát thải bụi phanh
Hệ thống phanh chỉ hoạt động hiệu quả khi giảm tốc ở tốc độ rất thấp, vì momen phanh từ máy phát điện không đủ mạnh để dừng xe trong thời gian ngắn.
NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ XE TOYOTA CROSS HV
Giới thiệu về xe Toyota Cross HV
Toyota Cross HV, mẫu xe hybrid đầu tiên được bán rộng rãi tại Việt Nam, đang dẫn đầu xu hướng xanh và tiết kiệm nhiên liệu Sự kết hợp giữa thương hiệu Toyota uy tín và công nghệ động cơ hybrid mới mẻ đã thu hút sự quan tâm của người tiêu dùng Việt Nam Động cơ 2ZR-FXE mà Toyota Cross HV sử dụng không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường, khẳng định vị thế của mẫu xe này trong thị trường ô tô hiện đại.
Chức năng của các bộ phận chính
ECU điều khiển xe hybrid thực hiện việc kiểm soát toàn diện hệ thống hybrid bằng cách thu thập thông tin từ các cảm biến khác nhau, bao gồm ECU (ECM, MG ECU, pin thông minh và ECU điều khiển trượt) Dựa trên dữ liệu này, mô-men xoắn và công suất đầu ra cần thiết được tính toán Kết quả tính toán sau đó được truyền tới ECM, MG ECU và ECU điều khiển trượt để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Hệ thống theo dõi SOC của pin HV giúp kiểm soát tình trạng pin hiệu quả Đồng thời, việc giám sát sự cố cách điện trong hệ thống cao áp là rất quan trọng để đảm bảo an toàn Điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC và cụm máy bơm nước biến tần cũng đóng vai trò thiết yếu trong việc tối ưu hóa hiệu suất Cuối cùng, việc điều khiển cụm quạt giúp làm mát pin, nâng cao độ bền và hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Máy phát điện số 1 (MG1)
MG1, được dẫn động bởi động cơ, tạo ra điện cao áp để vận hành MG2 và sạc pin HV
Ngoài ra, nó hoạt động như một bộ khởi động để khởi động động cơ
Máy phát điện số 2 (MG2) ã MG2, được dẫn động bằng năng lượng điện từ MG1 và pin
HV tạo ra lực truyền động cho các bánh xe và trong quá trình phanh hoặc khi không nhấn chân ga, nó sẽ sản xuất điện cao áp để sạc lại ắc quy HV.
Trình phân giải máy phát điện
Phát hiện vị trí rôto, tốc độ quay và hướng của MG1
Bộ phân giải động cơ (Dành cho MG2)
Phát hiện vị trí rôto, tốc độ quay và hướng của MG2
Cảm biến nhiệt độ (Đối với
Phát hiện nhiệt độ của MG1
Nhiệt độ động cơ Cảm biến
Phát hiện nhiệt độ của MG2
Nhiệt độ ATF cảm biến
Phát hiện nhiệt độ của ATF
Hành tinh chia điện Đơn vị thiết bị
Phân phối lực động cơ thích hợp để dẫn động xe cũng như MG1
Tốc độ của xe gắn máy Bộ giảm tốc
Giảm tốc độ quay của MG2 phù hợp với đặc tính của hộp giảm tốc, nhằm tăng mômen quay
Chuyển đổi vị trí sang số thành tín hiệu điện và gửi đến ECU điều khiển xe hybrid
Biến tần với bộ chuyển đổi
Biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều từ bộ chuyển đổi tăng cường thành dòng điện xoay chiều cho MG1 và MG2, đồng thời cũng có khả năng chuyển đổi từ dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều.
Tăng điện áp danh định của pin HV là DC 201,6 V lên đến điện áp tối đa là DC 600 V và ngược lại (giảm DC 600 V xuống DC 201,6 V)
Giảm điện áp danh định của pin HV là DC 201,6 V xuống khoảng DC 14 V để cung cấp điện cho các bộ phận điện, cũng như để sạc lại pin phụ
ECU MG điều khiển bộ biến tần và bộ chuyển đổi tăng áp, nhận tín hiệu từ ECU của xe hybrid, cho phép vận hành MG1 và MG2 như máy phát điện hoặc động cơ.
Cảm biến nhiệt độ cho Biến tần với Hội chuyển đổi
Phát hiện nhiệt độ trong các bộ phận của biến tần với cụm chuyển đổi cũng như nhiệt độ nước làm mát HV
Biến tần hiện tại cảm biến
Phát hiện dòng điện của MG1 và MG2
Pin HV Pin HV (Pin
Cung cấp năng lượng điện cho MG1 và MG2 phù hợp với điều kiện lái xe của xe, đồng thời được sạc lại bởi MG1 và MG2 theo mức SOC và các điều kiện lái xe Điều này cũng đảm bảo cung cấp năng lượng điện cho máy nổ kết hợp với cụm động cơ.
Tắt mạch điện áp cao của pin HV khi tháo chuôi phích cắm để kiểm tra hoặc bảo dưỡng xe
Bộ phận thông minh pin (Điện áp pin Cảm biến)
Theo dõi các điều kiện của pin HV như điện áp, dòng điện và nhiệt độ, đồng thời truyền thông tin này đến ECU điều khiển xe hybrid
Cảm biến nhiệt độ pin
Phát hiện nhiệt độ trong các bộ phận của pin HV
Cảm biến nhiệt độ nguồn không khí vào pin HV
Bộ phận nhận diện nhiệt độ không khí vào từ bộ phận làm mát pin
Pin phụ trợ Cung cấp điện cho các bộ phận điện
Lắp ráp cảm biến trạng thái pin
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu của pin phụ, việc tính toán các thông số như dòng điện, điện áp, nhiệt độ, SOC (phần trăm sạc pin), SHC (phần trăm suy giảm chất lượng pin) và SOF (hiệu suất khởi động) là rất quan trọng Những thông số này giúp đánh giá tình trạng và hiệu suất hoạt động của pin, từ đó đưa ra các biện pháp bảo trì và cải thiện hiệu quả sử dụng.
ECM điều khiển động cơ dựa trên tốc độ mục tiêu và lực yêu cầu từ ECU của xe hybrid Đồng thời, ECM cũng truyền tải các tín hiệu trạng thái hoạt động khác nhau của động cơ đến ECU điều khiển.
Bộ khuếch đại điều hòa không khí
Truyền các tín hiệu trạng thái A / C khác nhau đến ECU điều khiển xe hybrid
ECU Túi khí Trong khi va chạm, nó truyền tín hiệu triển khai túi khí đến
ECU điều khiển xe hybrid
Bộ phận chìa khóa thông minh
Gửi tín hiệu khởi động đến ECU điều khiển xe HV
ECU cổng trung tâm Chuyển tín hiệu giữa các kênh
Bảng 2.1: Chức năng các bộ phận chính
Các loại điều khiển
Loại điều khiển Đặc điểm chính
ECU điều khiển xe hybrid tính toán lực lỏi mục tiêu dựa trên cảm biến vị trí cần số, góc mở bàn đạp ga và tốc độ xe, từ đó thực hiện điều khiển để tạo ra động lực mục tiêu bằng cách tối ưu hóa MG1, MG2 và động cơ ECU này cũng tính toán lực phát động động cơ dựa trên lực dẫn động mục tiêu, đáp ứng yêu cầu của người lái và điều kiện lái xe Để tạo ra động lực, ECU sẽ truyền tín hiệu đến ECM và giám sát SOC của pin HV cùng với nhiệt độ của pin HV, MG1 và MG2 để đảm bảo kiểm soát tối ưu các hạng mục này.
Kiểm soát SOC của ECU trong xe hybrid được thực hiện bằng cách ước tính cường độ dòng điện nạp và xả của pin HV ECU liên tục điều chỉnh quá trình sạc và xả dựa trên SOC đã tính toán để duy trì mức SOC trong phạm vi mục tiêu Hệ thống điều khiển động cơ ECM nhận tốc độ động cơ mục tiêu và yêu cầu từ ECU, từ đó điều khiển ETCS-i, lượng phun nhiên liệu, thời điểm đánh lửa, VVT-i và EGR Động cơ MG1, do động cơ dẫn động, tạo ra điện cao áp để vận hành MG2 và sạc pin.
HV không chỉ hoạt động như một bộ khởi động cho động cơ mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động MG2, sử dụng năng lượng từ MG1 và pin HV, tạo ra lực truyền động cho các bánh xe.
MG2 tạo ra điện cao áp để sạc pin HV trong quá trình phanh và khi không đạp ga, giúp tái tạo năng lượng hiệu quả MG1 và MG2 sẽ không hoạt động khi chọn chế độ trung tính (N), và để ngừng cung cấp động lực, cần dừng lái xe vì MG1 và MG2 liên kết cơ học với các bánh dẫn động Biến tần chuyển đổi điện một chiều từ pin HV thành dòng điện xoay chiều, đảm bảo hoạt động ổn định cho hệ thống.
MG1 và MG2 hoạt động đồng bộ theo tín hiệu từ ECU điều khiển xe hybrid thông qua MG ECU Bên cạnh đó, bộ biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi công suất điện từ MG1 sang MG2.
Bộ chuyển đổi tăng cường điện áp HV có khả năng nâng điện áp danh định của pin lên đến DC 600 V, tương thích với tín hiệu từ ECU điều khiển xe hybrid qua MG ECU Nó cũng chuyển đổi điện xoay chiều do MG1 hoặc MG2 tạo ra thành dòng điện một chiều Ngoài ra, bộ chuyển đổi DC-DC giảm điện áp từ DC 201,6 V xuống khoảng DC 14 V, cung cấp điện cho các bộ phận điện và sạc lại pin phụ.
Hệ thống điều khiển rơ le chính của ECU xe hybrid đảm bảo kết nối và ngắt kết nối mạch điện cao áp một cách đáng tin cậy thông qua ba rơ le chính ECU không chỉ điều khiển các rơ le mà còn giám sát hoạt động của chúng để đảm bảo hiệu suất tối ưu Để làm mát biến tần MG1 và MG2, ECU điều chỉnh cụm bơm nước dựa trên tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ Đồng thời, hệ thống làm mát cho pin HV được điều khiển để duy trì nhiệt độ ắc quy ở mức tối ưu, góp phần vào hiệu quả hoạt động của xe hybrid.
ECU điều khiển xe hybrid quản lý quạt gió làm mát ắc quy dựa trên tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ ắc quy HV và cảm biến nhiệt độ khí nạp Trong quá trình phanh, ECU điều khiển trượt sẽ xác định lực phanh phục hồi cần thiết và gửi tín hiệu đến ECU điều khiển xe hybrid Khi nhận được tín hiệu này, ECU điều khiển xe hybrid sẽ truyền giá trị phanh phục hồi thực tế đến ECU điều khiển trượt, từ đó ECU điều khiển trượt sẽ tính toán và thực hiện lực phanh thủy lực cần thiết.
TRC / VSC Hợp tác kiểm soát ECU kiểm soát trượt chuyển yêu cầu đến
ECU điều khiển xe hybrid giúp giảm lực lái khi hệ thống TRC hoặc VSC hoạt động, bằng cách điều chỉnh động cơ và MG2 theo điều kiện lái xe hiện tại để triệt tiêu lực tác động Để tìm hiểu thêm, bạn có thể tham khảo Hệ thống kiểm soát phanh.
Trong quá trình kiểm soát va chạm, nếu ECU điều khiển xe hybrid nhận tín hiệu từ cụm ECU túi khí để triển khai túi khí, nó sẽ tự động tắt rơ le chính của hệ thống nhằm ngắt điện áp cao từ pin HV Đồng thời, ECU điều khiển cần số cũng phát hiện trạng thái chuyển số mong muốn của người lái, đảm bảo an toàn tối đa trong tình huống khẩn cấp.
R, N, D hoặc B) phù hợp với các tín hiệu được cung cấp bởi cảm biến vị trí cần số và công tắc vị trí P Dựa trên các yếu tố đầu vào này và điều kiện vận hành của xe, ECU điều khiển xe hybrid sẽ điều khiển MG1,
MG2 và động cơ để phù hợp với trạng thái chuyển số đã chọn
Kiểm soát chế độ lái xe EV Khi người lái vận hành công tắc chế độ lái
EV (cụm công tắc kết hợp), ECU điều khiển xe hybrid chỉ sử dụng MG2 để điều khiển xe nếu các điều kiện vận hành được thỏa mãn
Kiểm soát chế độ SPORT Khi người lái điều khiển chuyển chế độ lái
Khi chuyển sang chế độ SPORT bằng cụm công tắc kết hợp, ECU của xe hybrid sẽ điều chỉnh phản ứng của bàn đạp ga nhằm tối ưu hóa khả năng tăng tốc.
Kiểm soát chế độ ECO Khi người lái điều khiển chuyển chế độ lái
Chuyển sang chế độ ECO, ECU trên xe hybrid sẽ điều chỉnh phản ứng của bàn đạp ga, giúp tối ưu hóa hiệu suất lái xe tiết kiệm nhiên liệu.
Hệ thống ghi đè phanh trong xe hybrid có thể gặp hạn chế về công suất khi cả bàn đạp ga và phanh đều được nhấn Để biết thêm chi tiết về các điều kiện kích hoạt và phương pháp kiểm tra, vui lòng tham khảo hướng dẫn sửa chữa.
Bộ cố định động cơ sẽ ngăn chặn việc cung cấp nhiên liệu, đánh lửa và khởi động hệ thống điều khiển hỗn hợp nếu người dùng cố gắng khởi động bằng chìa khóa không hợp lệ.
Kiểm soát Bắt đầu Lái xe Nếu phát hiện có sự dịch chuyển bất thường
Sơ đồ điều khiển
1 ECU điều khiển xe hybrid phát hiện mức độ đạp chân ga bằng cách sử dụng các tín hiệu từ cụm cảm biến bàn đạp ga và phát hiện tín hiệu vị trí sang số từ cảm biến vị trí cần số ECU điều khiển xe hybrid nhận tín hiệu tốc độ từ bộ phân giải MG1 và MG2 thông qua MG ECU ECU điều khiển xe hybrid xác định các điều kiện lái của xe phù hợp với thông tin này, và điều khiển tối ưu các lực truyền động của MG1, MG2 và động cơ Hơn nữa, ECU điều khiển xe hybrid sẽ điều khiển tối ưu công suất và mô-men xoắn của MG1, MG2 và động cơ nhằm mang lại mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn và lượng khí thải thải ra ngoài sạch hơn
2 ECU điều khiển xe hybrid tính toán động cơ dựa trên động lực mục tiêu đã tính toán, và bằng cách xem xét SOC và nhiệt độ của pin
HV Giá trị nhận được bằng cách trừ lực phát động động cơ cho lực dẫn động mục tiêu là lực phát động MG2
3 ECM thực hiện điều khiển động cơ phù hợp với tốc độ động cơ mục tiêu và lực động cơ yêu cầu nhận được từ ECU điều khiển xe hybrid Hơn nữa, ECU điều khiển xe hybrid vận hành thích hợp MG1 và MG2 để cung cấp lực tạo MG1 cần thiết và lực phát động MG2 cần thiết Tính toán lưu lượng động lực
Hình 2.2: Sơ đồ các chế độ điều khiển
1 ECU điều khiển xe hybrid tính toán SOC của pin HV dựa trên cường độ dòng điện sạc / xả được phát hiện bởi cảm biến dòng điện của pin ECU điều khiển xe hybrid liên tục thực hiện điều khiển sạc / xả dựa trên SOC được tính toán để duy trì SOC trong phạm vi mục tiêu của nó
2 Trong khi xe đang chuyển động, pin HV sẽ trải qua các chu kỳ sạc / xả lặp đi lặp lại, do MG2 phóng điện trong quá trình tăng tốc và được sạc bằng cách phanh phục hồi trong quá trình giảm tốc
3 Khi SOC ở dưới mức thấp hơn, ECU điều khiển xe hybrid sẽ tăng công suất đầu ra của động cơ để vận hành MG1, để sạc pin HV
4 Bộ phận thông minh pin (cảm biến điện áp pin) chuyển đổi các tín hiệu liên quan đến pin HV (điện áp, dòng điện và nhiệt độ) thành tín hiệu kỹ thuật số, và truyền chúng đến ECU điều khiển xe hybrid thông qua giao tiếp nối tiếp Những tín hiệu này là cần thiết để xác định SOC được tính toán bởi ECU điều khiển xe hybrid
Hình 2.3: Bộ phận cảm biến điện áp
1 ECM nhận tốc độ động cơ mục tiêu và động cơ yêu cầu, được gửi từ ECU điều khiển xe hybrid và điều khiển ETCS-i, lượng phun nhiên liệu, thời điểm đánh lửa, VVT-i và EGR
2 ECM truyền các điều kiện hoạt động của động cơ đến ECU điều khiển xe hybrid
3 Khi nhận được tín hiệu dừng động cơ từ ECU điều khiển xe hybrid phù hợp với điều khiển xe hybrid cơ bản, ECM sẽ dừng động cơ
Hình 2.4: Sơ đồ giao tiếp giữa ECM và ECU
2.4.4 Điều khiển chính MG1 và MG2
1 MG2, được dẫn động bằng năng lượng điện từ MG1 và pin HV, tạo ra lực truyền động cho các bánh xe
2 MG1, được dẫn động bởi động cơ, tạo ra điện cao áp để vận hành MG2 và sạc pin HV Ngoài ra, nó hoạt động như một bộ khởi động để khởi động động cơ
3 MG2 tạo ra điện cao áp để sạc pin HV trong quá trình phanh (kiểm soát hợp tác phanh tái tạo), hoặc khi không đạp ga (tái tạo năng lượng)
4 MG1 và MG2 về cơ bản được tắt khi chọn trung tính (N) Để ngừng cung cấp lực dẫn động, cần phải dừng dẫn động MG1 và MG2, vì MG1 và MG2 được liên kết cơ học với các bánh xe dẫn động
5 ECU MG điều khiển các bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) trong Mô-đun nguồn thông minh (IPM) dựa trên các tín hiệu nhận được từ ECU điều khiển xe hybrid Các IGBT được sử dụng để chuyển đổi cho các pha U, V và W của mỗi máy phát động cơ Có 6 IGBT bật và tắt để điều khiển từng máy phát động cơ riêng lẻ phù hợp với hoạt động như một động cơ hoặc như một máy phát điện
Hình minh họa dưới đây trình bày các điều khiển cơ bản của máy phát động cơ khi hoạt động như một động cơ Các IGBT trong IPM được bật và tắt để cung cấp dòng điện xoay chiều ba pha cho máy phát Để tạo ra động lực cần thiết, ECU điều khiển xe hybrid sẽ điều chỉnh tốc độ máy phát động cơ bằng cách bật và tắt các IGBT theo tính toán của nó.
Hình 2.5: Các điều khiển cơ bản được sử dụng khi máy MG hoạt động như một động cơ
7 Hình minh họa bên dưới mô tả điều khiển cơ bản được sử dụng khi máy phát động cơ hoạt động như một máy phát điện Dòng điện được tạo ra tuần tự bởi 3 pha của máy phát động cơ, được dẫn động bởi các bánh xe, được sử dụng để sạc pin HV hoặc truyền động cho máy phát động cơ khác
Hình 2.6: Các điều khiển cơ bản được sử dụng khi máy phát động cơ hoạt động như một máy phát điện
1 Biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin HV thành dòng điện xoay chiều cho MG1 và MG2, hoặc ngược lại Ngoài ra, biến tần lấy nguồn do MG1 tạo ra và cung cấp cho MG2 Tuy nhiên, điện năng do MG1 tạo ra được biến đổi thành dòng điện một chiều bên trong biến tần trước khi được biến tần chuyển đổi trở lại thành dòng điện xoay chiều để MG2 sử dụng Điều này là cần thiết vì tần số của đầu ra dòng điện xoay chiều của MG1 không thích hợp để điều khiển MG2
2 MG ECU điều khiển các IPM để chuyển đổi dòng điện xoay chiều ba pha của MG1 và MG2 phù hợp với các tín hiệu nhận được từ ECU điều khiển xe hybrid
3 Khi ECU điều khiển xe hybrid đã nhận được tín hiệu lỗi quá nhiệt, quá dòng hoặc lỗi điện áp từ MG ECU, ECU điều khiển xe hybrid sẽ truyền tín hiệu điều khiển tắt máy đến MG ECU, để tắt IPM.
Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển biến tần
2.2.6 Kiểm soát bộ chuyển đổi Boost
BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA
Sửa chữa động cơ Hybrid rất nguy hiểm
Các xe hybrid như Toyota Prius và Ford Escape khởi động ở chế độ điện hoàn toàn để tiết kiệm nhiên liệu Khi đạt tốc độ nhất định, xe sẽ chuyển sang chế độ xăng, đồng thời động cơ điện có thể hoạt động song song với động cơ xăng để tăng cường sức mạnh.
Các xe hybrid như Saturn View và Honda Civic không có chế độ chạy hoàn toàn bằng điện Thay vào đó, chúng sử dụng pin hybrid và động cơ điện chủ yếu để khởi động và dừng động cơ, giúp tiết kiệm nhiên liệu khi dừng xe và cung cấp thêm sức mạnh khi tăng tốc hoặc vượt.
3.1.1 Mức điện áp của các xe Hybrid
Theo quy định, xe hybrid có chế độ lái điện hoàn toàn sử dụng pin điện áp cao hơn so với loại không có chế độ này Cụ thể, bộ pin trong Honda Insight và Civic Hybrid được đánh giá ở mức 144 volt, trong khi pin của Toyota Prius thế hệ mới cũng có hiệu suất tương tự.
1 2001-2003 được đánh giá ở mức 273,6 volt Trong khi Prius thế hệ thứ 2 2004-2008 được đánh giá ở mức 201,6 volt Ford Escape Hybrid có pin mạnh nhất trong tất cả, ở mức 330 volt!
3.1.2 Mức điện áp DC (dòng một chiều) nguy hiểm với con người
Dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều có cấu tạo khác nhau, nhưng người sử dụng cần lưu ý rằng điện giật phụ thuộc vào hai yếu tố chính: điện áp và cường độ dòng điện Khi một trong hai yếu tố này đạt đến ngưỡng nhất định, nó có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người.
Điện áp DC có mức nguy hiểm thấp hơn so với AC, với ngưỡng chết người khoảng 55 đến 60 volt, trong khi AC là 110V Điều này cho thấy việc sửa chữa xe động cơ đốt trong truyền thống, sử dụng mạng lưới điện DC 12V hoặc 24V, khiến người thợ thường chủ quan khi thực hiện các kết nối điện.
Cường độ dòng điện từ khoảng 10 mA trở lên có thể gây ra cảm giác tê giật mạnh và co cơ bắp trên cơ thể người.
Xe hybrid có khả năng đạt được các thông số điện áp và cường độ dòng điện cao, do đó có nguy cơ xảy ra hiện tượng điện một chiều giật, thậm chí có thể gây tử vong.
3.1.3 Thợ sửa xe phải làm gì trước khi bắt đầu sửa chữa dòng Hybrid
Xe hybrid thường được trang bị công tắc an toàn hoặc cơ chế ngắt kết nối để ngắt pin khỏi hệ thống điện Vị trí và quy trình ngắt kết nối pin có thể khác nhau tùy theo phiên bản xe Để biết thêm chi tiết, hãy tham khảo hướng dẫn sử dụng hoặc tài liệu dịch vụ Khi thực hiện sửa chữa, nhớ đeo găng tay cách điện cao áp để đảm bảo an toàn.
Hình 3 4: Công tắc của Toyota
Một mẹo nhỏ, hãy chờ sau 15 phút từ khi tắt dừng động cơ xe và pin hybird rồi mới bắt đầu công tác sửa chữa.
Quy trình bảo dưỡng và sửa chữa động cơ Hybrid
Quy trình thay Pin xe Toyota Corolla Cross
TT Công việc Nội dung Dụng cụ, thiết bị
1 Chuẩn bị -Chúng ta cần chuẩn bị những trang thiết bị cần thiết khi thay pin
- Giẻ lau, gang tay cách điện cao áp
- Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật
-Tua vít, cờ lê, khẩu, tròng…
- Đồng hồ đo điện áp
-Dụng cụ đảm bảo tiêu chuẩn
2 Tháo pin -Ngắn kết nối pin, tránh đẻ dòng điện hở
-Tháo phần vỏ của pin
-Giẻ lau, găng tay cách điện cao áp
-Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, quy trình thực hiện
-Đảo bảo an toàn điện
3 Đo điện áp -Tháo các dây cáp pin
-Dùng đồng hồ đo đo điện áp của từng pin và chuẩn đoán pin có thể sử dụng
-Đảm bảo an toàn điện
-Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật
4 Thay thế -Dùng pin thay thế và lắp đặt vào vị trí
-Nối dây cáp và và đóng nắp pin
-Cờ lê, tua vít, đồng hồ đo
-Đảm bảo an toàn điện
-Đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật
5 Kiểm tra -Khởi động lại xe và kiểm tra lại
-Động cơ đảm bảo trạng thái hoạt động của xe
-Xe khởi động, pin hoạt động đúng công suất
Bảng 3.1: Quy trình thay pin
