Power split hybrid vehicle electrical network

1.1 Tổng quan:Hệ thống Hybrid có 2 nguồn dẫn động: động cơ xăng và mô tơ điện. Hệ thống điều khiển hybrid lựa chọn sự kết hợp tốt nhất của hai nguồn dẫn động trên tương xứng với những điều kiện lái + Prius thế hệ ’0103’ sử dụng THS.+ Prius thế hệ 04 trở về sau sử dụng THSII , nó cũng được dựa trên những khái niệm cơ bản tương tự như THS nhưng cải thiện MG1, MG2, ắc qui và động cơ xăng. Cấu trúc của hệ thống hybrid Sơ đồ hệ thống điều khiển hybrid1.2 Các thành phần của hệ thống hybrid:+ Hộp số hybrid bao gồm MG1, MG2 và cụm bánh răng hành tinh.+ Động cơ+ Cụm bộ chuyển đổi bao gồm 1 bộ chuyển đổi mô tơmáy phát, 1 bộ chuyển đổi khuếch đại, 1 bộ chuyển đổi DCDC, và 1 bộ chuyển đổi AC.+ ECU HV, tập hợp tín hiệu từ các cảm biến và gởi kết quả tính toán đến ECM, cụm biến đổi, ECU ắcqui, ECU điều khiển trượt để điều khiển hệ thống hybrid.+ Cảm biến vị trí số.+ Cảm biến vị trí bàn đạp ga, biến đổi góc mở bướm ga thành tín hiệu điện.+ ECU điều khiển trượt, điều khiển phanh tái sinh.+ ECM+ ECU ắc qui, kiểm tra tình trạng nạp của ắcqui HV và điều khiển sự hoạt động của quạt làm mát.+ Bộ nối điện.+ SMR (System Main Relay), nối và ngắt mạch công suất cao áp.+ Ắc qui phụ, lưu trữ 12V DC cho hệ thống điều khiển xe. 1.3Hộp số hybrid: bao gồm:+ Mô tơ Máy phát 1 (MG1) dùng tạo ra điện năng.+ Mô tơ Máy phát 2 (MG2) dùng để dẫn động xe.+ Một cụm bánh răng hành tinh, cung cấp tỉ số truyền vô cấp và điều khiển như một bộ phân chia công suất.+ Một bộ giảm tốc bao gồm bộ truyền động xích, bộ bánh răng giảm tốc và bộ truyền lực cuối cùng.+ Bộ vi sai.Prius thế hệ 0103 sử dụng hộp số hybrid P111. Prius thế hệ 04 về sau sử dụng hộp số hybrid P112.P112 dựa trên P111 nhưng tạo ra phạm vi tốc độ vòngphút cao hơn, sử dụng nam châm vĩnh cửu dạng chữ V trong rôto của MG2, và một thiết kế mới trong hệ thống điều khiển quá điều biến.Hộp số hybrid

ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - MÔN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ ĐỀ TÀI Power Split Hybrid Vehicle Electrical Network GVHD: TRẦN VĂN THÀNH SVTH: HUỲNH VĂN THÀNH TRẦN QUỐC BẢO NGUYỂN DUY LUÂN Đồng Nai, 2022 CHƯƠNG I: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG HYBRID 1.1 Tổng quan: Hệ thống Hybrid có nguồn dẫn động: động xăng mô tơ điện Hệ thống điều khiển hybrid lựa chọn kết hợp tốt hai nguồn dẫn động tương xứng với điều kiện lái + Prius hệ ’01-03’ sử dụng THS + Prius hệ 04 trở sau sử dụng THS-II , dựa khái niệm tương tự THS cải thiện MG1, MG2, ắc qui động xăng Cấu trúc hệ thống hybrid Sơ đồ hệ thống điều khiển hybrid\ 1.2 Các thành phần hệ thống hybrid: + Hộp số hybrid bao gồm MG1, MG2 cụm bánh hành tinh + Động + Cụm chuyển đổi bao gồm chuyển đổi mô tơ-máy phát, chuyển đổi khuếch đại, chuyển đổi DC-DC, chuyển đổi A/C + ECU HV, tập hợp tín hiệu từ cảm biến gởi kết tính tốn đến ECM, cụm biến đổi, ECU ắcqui, ECU điều khiển trượt để điều khiển hệ thống hybrid + Cảm biến vị trí số + Cảm biến vị trí bàn đạp ga, biến đổi góc mở bướm ga thành tín hiệu điện + ECU điều khiển trượt, điều khiển phanh tái sinh + ECM + ECU ắc qui, kiểm tra tình trạng nạp ắcqui HV điều khiển hoạt động quạt làm mát + Bộ nối điện + SMR (System Main Relay), nối ngắt mạch công suất cao áp + Ắc qui phụ, lưu trữ 12V DC cho hệ thống điều khiển xe 1.3 Hộp số hybrid: bao gồm: + Mô tơ- Máy phát (MG1) dùng tạo điện + Mô tơ- Máy phát (MG2) dùng để dẫn động xe + Một cụm bánh hành tinh, cung cấp tỉ số truyền vô cấp điều khiển phân chia công suất + Một giảm tốc bao gồm truyền động xích, bánh giảm tốc truyền lực cuối + Bộ vi sai Prius hệ 01-03 sử dụng hộp số hybrid P111 Prius hệ 04 sau sử dụng hộp số hybrid P112 P112 dựa P111 tạo phạm vi tốc độ vòng/phút cao hơn, sử dụng nam châm vĩnh cửu dạng chữ V rôto MG2, thiết kế hệ thống điều khiển điều biến Hộp số hybrid  Thông số kĩ thuật hộp số hybrid: Hạng mục Số bánh mặt trời Thế hệ 04 P112 78 Thế hệ 03 P111 78 Số bánh hành tinh 23 23 Số bánh bao 30 30 Tỉ số truyền vi sai 4.113 3.905 Số mắt xích 72 74 Bánh xích chủ động 36 39 Bánh xích bị động 35 36 Bánh chủ động 30 30 Bánh bị động 44 44 Bộ truyền động cuối Bánh chủ động 26 26 Bánh bị động 75 75 Dung tích dầu Lít(US qts, Imp qts) 3.8(4.0, 3.3) ATF WS đẳng trị 4.6(4.9, 4.0) ATF T-IV đẳng trị Loại hộp số Bộ bánh hành tinh Xích dẫn động Bộ bánh giảm tốc Loại dầu 1.3.1 MG1 MG2: Tổng quan: Thông số kỹ thuật MG1: Prius hệ 04 Prius hệ 01-03 Loại động Động nam châm vĩnh cữu Động nam châm vĩnh cữu Chức Máy phát; máy khởi động Máy phát; máy khởi động Điện áp cực đại (V) AC 500 AC 273.6 Hệ thống làm mát Làm mát nước Toyota Hybrid System Làm mát nước Trang 40 -Thông số kỹ thuật MG2: Prius hệ 04 Prius hệ 01-03 Loại động Động nam châm vĩnh cữu Động nam châm vĩnh cữu Chức Máy phát; dẫn động bánh xe Máy phát; dẫn động bánh xe Điện áp cực đại (v) AC 500 Công suất cực đại kW(PS)/(v/p) Mômen cực đại N.m(Kgf.m)/(v/p) Hệ thống làm mát AC 273.6 50(68)/1200-1540 33(45)/1040-5600 400(40.8)/0-1200 350(35.7)/0-400 Làm mát nước Làm mát nước  Sơ đồ hệ thống: Sơ đồ hệ thống điều khiển MG1, MG2 1.3.2 Động cơ:  Khi dòng điện xoay chiều pha chạy qua cuộn dây stato từ trường quay tạo mô tơ điện Bằng việc điều khiển từ trường quay cho phù hợp với vị trí tốc độ quay rô to Nam châm vĩnh cữu rô to bị hút từ trường quay tạo mô men Mômen tạo tỉ lệ với lượng dòng điện chạy qua cuộn stato tốc độ quay điều khiển tần số dịng pha  Một mức cao mơmen tạo có hiệu tất tốc độ việc điều khiển hợp lí từ trường quay góc quay nam châm Toyota Hybrid System Trang 40 Nguyên lý làm việc động nam châm vĩnh cửu Cấu trúc Môtơ Toyota Hybrid System Trang 40 1.3.3 Môtơ/máy phát công suất cao: Công suất đầu môtơ tương ứng với điện áp điều khiển Hình 44 thể mối quan hệ điện áp điều khiển- mômen mối quan hệ điện áp điều khiển công suất đầu Tại điện áp điều khiển 500V DC tăng mơmen lẫn công suất đầu gấp khoảng 2.5 lần so với điện áp điều khiển 200V DC, khơng tăng dịng điện mơtơ Bởi dịng điện nhỏ, giữ dung tích mơtơ/máy phát truyền thống ] Mối quan hệ điện áp-mô men điện áp-công suất Toyota Hybrid System Trang 41 1.3.3.1 Môtơ: THS-II sử dụng mơtơ đồng xoay chiều, mơtơ khơng chổi điện đạt hiệu suất cao với dịng điện xoay chiều Nam châm vĩnh cữu, rôto làm từ đĩa thép điện từ việc xếp nam châm vĩnh cữu dạng chữ V mơmen dẫn động tăng lên Kết hợp với tăng điện áp nguồn điện cơng suất đầu tăng lên xỉ 1.5 lần so với THS, tức từ 33kW đến 50kW Sự phát triển Môtơ 1.3.3.2 Máy phát: Giống môtơ, máy phát loại đồng xoay chiều Để cung cấp đủ công suất đến môtơ cơng suất cao máy phát quay tốc độ cao máy phát truyền thống để tăng công suất Sự cải tiến rơto máy phát giúp tăng số vịng quay từ 6,500v/p (THS) đến 10,000v/p (THS-II) Sự tăng số vòng quay quan trọng để tăng công suất đầu cung cấp Sự cải thiện hoạt động tăng tốc phạm vi tốc độ thấp tốc độ trung bình Kết là, đạt kết hợp tối ưu môtơ cơng suất cao động Hình 46: Mối quan hệ điện áp hệ thống-mô tơ điện áp hệ thống-bộ chuyển đổi 1.3.3.3 Cảm biến tốc độ:  Kết cấu gọn nhẹ tin cậy cảm biến dị tìm xác vị trí cực từ nam châm vĩnh cữu sở cho việc điều khiển MG1 MG2  Stato cảm biến gồm có cuộn, cuộn dây tín hiệu B C bố trí lệch góc 90O Vì rơto có hình van, khoảng stato rơto thay đổi theo quay rơto Do cho dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây A vị trí rơ to cảm biến tạo cuộn B C Vị trí tuyệt đối xác định từ tín hiệu phát cảm biến  Ngoài ra, ECU HV sử dụng cảm biến cảm biến tốc độ vịng/phút, tính tốn số lượng biến thiên vị trí khoảng thời gian xác định trước Cảm biến tốc độ 1.5 Các chế độ hoạt động phân chia công suất (PSD) 1.5.1 Động khởi động lúc xe dừng: Để khởi động động cơ, MG1(được kết nối với bánh mặt trời) dẫn động chiều thuận sử dụng nguồn điện từ ắc qui điện áp cao Nếu xe đứng yên, bánh bao phân chia công suất giữ đứng yên Sự quay bánh mặt trời đẩy cần dẫn quay Cần dẫn kết nối với ICE quay ICE với tỉ lệ tốc độ quay 1/3.6 so với MG1 Một động xăng bắt đầu chạy cơng suất riêng nó, máy tính điều khiển mở bướm ga để đạt vị trí tốc độ cầm chừng suốt q trình hâm nóng Điện khơng cịn cấp đến MG1 nữa, thực tế, ắc qui mức thấp MG1 tạo điện để nạp cho ắc qui Máy tính đơn định hình MG1 giống máy phát thay mơ tơ, mở cánh bướm ga ICE nhiều khơng lấy điện Động khởi động lúc xe dừng 1.5.1.1 Khởi động lạnh: - Khi khởi động Prius với động xăng lạnh, ưu tiên hàng đầu làm nóng động xăng chuyển đổi xúc tác để kích hoạt hệ thống điều khiển khí thải làm việc Động xăng chạy khoảng vài phút điều xảy (khoảng thời gian phụ thuộc vào nhiệt độ thực tế động chuyển đổi) lúc đó, đo kích hoạt để điều khiển hâm nóng khí thải, chẳng hạn lưu lại khí thải HC hấp thụ để làm sau chạy động chế độ đặc biệt Tốc độ cầm chừng động xăng sau khởi động lạnh khoảng 1,300 v/p Toyota Hybrid System Trang 50 1.5.1.2 Khởi động ấm: - Khi khởi động Prius với động xăng ấm, chạy khoảng thời gian ngắn dừng Tốc độ cầm chừng khoảng 1,000 v/p 1.5.2 Động khởi động: Động Prius luôn chạy số cao Điều có nghĩa ICE khơng thể cung cấp tất mơ men để di chuyển linh hoạt đường Mô men cho lần tăng tốc cung cấp MG2 làm việc hướng với bánh bao phân chia công suất, kết nối đầu vào giảm tốc để dẫn động bánh xe Động điện phù hợp để cung cấp mơ men tốc độ thấp, phương án lý tưởng để làm cho xe chuyển động Ở phân chia công suất, mơ men động IC phân chia 72% 28% bánh bao bánh mặt trời Khi nhấn bàn đạp ga, động xăng chạy chế độ cầm chừng không cung cấp mô men đầu Tuy nhiên, cánh bướm ga mở 28% mô men quay MG1 máy phát Cịn 72% mơ men cịn lại chuyển dạng khí đến bánh bao quay bánh xe Dù hầu hết mô men bắt nguồn từ MG2, động ICE chuyển mô men đến bánh xe theo đường Động khởi động Toyota Hybrid System Trang 47 Khi xe bắt đầu chuyển động tăng tốc, MG1 quay nhanh tạo điện Tuy nhiên, máy tính mở cánh bướm ga động ICE nhiều Lúc nhiều mơ men bắt nguồn từ động xăng, nhiều mơ men truyền xuyên qua bánh mặt trời nên MG1 giữ tốc độ quay ổn định để tạo điện Một tốc độ quay giảm cân nhờ thêm mô men 1.5.3 Tăng tốc: Khi công suất yêu cầu cao, động xăng MG2 đóng góp mơ men để dẫn động xe nhiều đường tương tự mô tả trường hợp động khởi động Khi tốc độ xe tăng, mơ men mà MG2 cung cấp giảm bắt đầu hoạt động giới hạn cơng suất riêng 33kW Nó quay nhanh hơn, cung cấp mơ men sử dụng lượng công suất Khi nhấn bàn đạp ga nhiều hơn, nhiều mô men động ICE cung cấp Điều làm gia tăng hai mô men khí theo bánh bao lượng điện tạo nhờ MG1 cho MG2 sử dụng để bổ sung trì thêm mơ men Sự phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác chẳng hạn tình trạng nạp ắc qui, độ dốc đường xác vị trí bàn đạp ga, máy tính lấy thêm điện từ ắc qui cấp cho MG2 Điều đạt tăng tốc đường xa lộ động ICE 70 mã lực Tăng tốc 1.5.4 Phanh: Khi muốn giảm tốc độ xe nhanh lực cản lăn, lực cản khí động học phanh động cơ, ta nhấn bàn đạp phanh Ở xe kiểu cũ, áp lực truyền nhờ mạch thủy lực để phanh ma sát bánh xe Ma sát bố phanh tỳ lên đĩa kim loại trống phanh lượng giúp xe chuyển động biến thành nhiệt xe chạy chậm dần Ở xe kiểu cũ đường dốc đứng, bạn định thay đổi tỷ số truyền thấp để tăng khả phanh động Động quay nhanh giữ cho xe có hướng ngược lại nhiều hơn, giúp phanh chậm xe lại 1.5.5 Chạy chậm “chế độ xe điện (EV)”: Ở mô tả xe chuyển động sử dụng nguồn điện cấp đến MG2 ta không nhấn bàn đạp ga nhiều Nếu đạt mục tiêu tốc độ cần thiết trước động xăng khởi động, ta tiếp tục lái xe sử dụng nguồn điện Điều gọi “chế độ EV”, Mô cho thấy bánh bao quay giống MG2 cung cấp lực chuyển động cho xe, cần dẫn động đứng yên bánh mặt trời MG1 quay tự theo hướng ngược Chạy chậm chế độ xe điện Mặc dù động làm việc suốt trình tăng tốc, tăng tốc nhả bớt bàn đạp ga, cơng suất cần thiết rơi xuống cấp để MG2 dễ cung cấp Động dừng quay người tài xế cảm thấy chạy chế độ xe điện Tại tốc độ 30 dặm/ giờ, áp lực bàn đạp ga nhẹ nguyên nhân khiến động xăng làm việc trở lại để cấp công suất cho xe nạp điện cho bình ắc qui Tương tự lúc khởi động hâm nóng, bánh bao bánh mặt trời đứng yên Bánh mặt trời quay ngược chậm Điều đủ để giúp động xăng đạt tốc độ để khởi động, phụ thuộc vào tốc độ xe, bánh mặt trời phải thay đổi hướng quay thuận Để làm chậm dần bánh mặt trời Đầu tiên MG1 tính tốn giống máy phát điện không bị hút Tuy nhiên, tốc độ MG1 rơi xuống đến số 0, phải tính tốn giống động quay thuận cung cấp điện để quay ngược nhanh xuyên qua trạng thái tỉnh quay theo chiều thuận Kết quả, giống trường hợp động khởi động lúc xe đứng yên, cần dẫn quay theo chiều thuận Bánh bao phân chia công suất quay thuận công suất từ MG2, giúp động xăng đạt đến tốc độ khởi động tốc độ quay MG1 thấp Khởi động động xăng dẫn đến giữ ngược bánh bao lúc động xăng tăng số vòng quay Để điều không gây cảm giác lắc lư lảo đảo người tài xế hành khách, mạch bổ sung công suất cấp đến cho MG2 để cung cấp mô men bổ sung cần để quay động 1.5.6 Chạy chậm dần chạy xuống dốc: Khi xe giảm tốc từ từ chạy xuống dốc, công suất cần thiết để giúp cho xe chuyển động giảm tốc lực quán tính trọng lực Thay nhả bàn đạp ga Nếu nhả khơng đáng kể nhanh xuống dốc, công suất đầu động xăng tốc độ quay giảm phần điều gây khó khăn cho người tài xế Để giảm tốc nhanh hơn, phụ thuộc vào tốc độ, động xăng dừng phân phối cơng suất MG2 đủ cung cấp u cầu Trong trường hợp chạy chậm, MG2 cung cấp tất nguồn phát động động dừng Khi tăng tốc lái tốc độ cố định đường phẳng, hoạt động chế độ xe điện không hợp lệ xuất tốc độ 40 dặm/giờ Bởi cơng suất cần để vượt qua lực cản khí động học đủ để khiến động xăng làm việc Chế độ xe điện tốc độ cao xuất hiện, nhiên, vài điều kiện giống nhau, với chạy tốc độ 42 dặm/giờ lớn hơn, xe phải bảo vệ MG1 không bị tốc trường hợp tương tự giống chạy quán tính Chỉ có khác biệt thay di chuyển xe quay bánh bao phân chia công suất cung cấp MG2 MG1 tạo điện để ngăn cản số vòng quay thừa với kết động xăng quay ngược Nhiên liệu khơng cung cấp khơng có tia lửa điện tạo Tất nhiên nhờ làm điều MG1 không hút điện mà cách khác dẫn động xe Một vài bị quay động cơ, vài cho thấy giống nguồn điện tạo nhờ MG1 Nguồn điện áp cao tiêu thụ nhờ MG2 Tôi gọi chế độ xe điện tốc độ 42 dặm/giờ “chế độ xe điện tốc độ cao” “EV-plus” để phân biệt từ chế độ xe điện tốc độ thấp động không cần quay 1.5.7 Chạy lùi: Chiếc Prius khơng có bánh lùi mà cho phép động xăng giúp xe chạy lùi Nó giúp xe chạy lùi nguồn điện từ MG2 Khi người tài xế chọn vị trí “R” chọn làm động xăng ngưng làm việc Khi MG2 quay đầu vào làm giảm tốc quay ngược, bánh bao phân chia công suất quay ngược Với động xăng, thay cần dẫn dừng, MG1 quay thuận Nó quay tự do, không sử dụng tạo điện Chế độ tương tự chế độ xe điện, quay ngược Máy tính khơng cho phép bạn chuyển động lùi nhanh mà vượt tốc MG1 Chạy lùi Động xăng tiếp tục quay chọn chế độ chạy vị trí “R”, ví dụ tình trạng nạp ắc qui thấp, MG2 đơn dẫn động xe chạy lùi giống trước Chỉ có khác biệt cần dẫn quay thuận, bánh mặt trời MG1 quay theo hướng thuận nhanh máy tính giới hạn tốc độ chạy lùi xe để có giá trị thấp để bảo vệ MG1 tốc Điện lấy từ MG1 để cung cấp cho MG2 nạp cho ắc qui 1.6 Bộ giảm tốc: Bao gồm dẫn động xích, bánh giảm tốc bánh cuối Một xích dẫn động với bề rộng bước nhỏ đảm bảo hoạt động êm dịu Chiều dài toàn thể làm ngắn lại bánh cuối xử lí qua q trình doa với độ xác cao mặt bên tối ưu hóa để đảm bảo hoạt động êm Bộ giảm tốc