Giới thiệu chung về tình hình ngành ô tô
Ngành ô tô là một trong những lĩnh vực quan trọng, đóng góp đáng kể vào GDP toàn cầu, với 3,25% GDP của Hoa Kỳ, 5% của Trung Quốc, 4% của Đức và 12% của Thái Lan Tại Việt Nam, ngành ô tô cũng chiếm 3% GDP quốc gia.
Ngành ô tô luôn nhận được sự quan tâm đặc biệt từ chính phủ, với nhiều hiệp định có ngoại lệ nhằm bảo vệ ngành này trước áp lực cạnh tranh toàn cầu, ngoại trừ ATIGA và có thể là EVEFA trong tương lai.
Hình 1.1: Đóng góp của ngành ô tô vào GDP
Thị trường xe ô tô Việt Nam hiện nay quá nhỏ để thu hút các hãng xe đầu tư vào sản xuất linh kiện và phụ tùng Theo Toyota Việt Nam, để đảm bảo tính khả thi trong việc đầu tư, số lượng phụ tùng và linh kiện bán ra hàng năm cần đạt khoảng 50,000 bộ, tương đương với việc một mẫu xe phải sản xuất 50,000 chiếc trong một năm, gấp đôi doanh số của các mẫu xe bán chạy hiện tại Quy mô thị trường nhỏ và các ưu đãi thu hút đầu tư phụ trợ chưa rõ ràng đã dẫn đến việc sản xuất ô tô tại Việt Nam vẫn chưa phát triển.
Tính đến nay, Việt Nam đã ký 12 hiệp định thương mại tự do với nhiều quốc gia và khối, trong đó có 10 hiệp định đã có hiệu lực Đặc biệt, ngành công nghiệp ô tô và thép thường không được hưởng ưu đãi thuế trong các hiệp định này, ngoại trừ ATIGA và có thể là EV-FTA trong tương lai.
Ngành ô tô Việt Nam hiện đang trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển, nhưng đóng góp của nó cho nền kinh tế là đáng kể Do đó, lĩnh vực này cần nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các cơ quan quản lý.
Hình 1.2: Số liệu ngành ô tô năm 2018
Hình 1.3: Doanh số bán xe tại Việt Nam
Sự phát triển của xe điện đòi hỏi cải cách hạ tầng, đặc biệt là việc xây dựng trạm sạc pin hoặc thay pin Các doanh nghiệp tiên phong trong việc thiết lập hệ thống trạm sạc lớn sẽ giành được thị phần Để đạt được điều này, các hãng xe cần có tiềm lực tài chính vững mạnh.
Xe hybrid (HEV) chủ yếu vận hành bằng động cơ đốt trong (ICE), nhưng khi phanh hoặc khi xuống dốc, năng lượng điện được tạo ra sẽ được nạp vào ắc quy Năng lượng này hỗ trợ cho mô tơ điện, giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
PHEV là loại xe kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong, cho phép nạp điện trực tiếp vào ắc quy để cung cấp năng lượng cho động cơ điện mạnh mẽ hơn.
- BEV: Xe chỉ sử dụng động cơ điện chứ không dùng động cơ đốt trong.
Các mẫu xe trang bị động cơ điện lớn hơn mang lại khả năng khởi động vượt trội nhờ vào đặc tính đạt momen xoắn cực đại ở vòng tua thấp Tuy nhiên, việc khởi động nhanh chóng này có thể dẫn đến tình trạng bào mòn lốp xe nhanh hơn, làm giảm quãng đường sử dụng lốp xuống khoảng 1/3 so với trước đây.
Doanh số bán xe điện và xe Hybrid toàn cầu đã tăng mạnh gần đây, với 1,3 triệu xe có yếu tố “điện” được bán trong quý 4/2018, tăng 50% so với cùng kỳ năm trước và chiếm hơn 6% tổng lượng xe tiêu thụ toàn cầu Mẫu xe Tesla Model 3 hoàn toàn bằng điện đã trở thành mẫu xe bán chạy thứ 11 tại Mỹ trong năm 2018, với doanh số tập trung nhiều vào những tháng cuối năm Xu hướng này cho thấy sự chuyển biến rõ rệt, mặc dù việc áp dụng những thay đổi này ở các nước nhỏ như Việt Nam có thể cần thêm thời gian.
Hình 1.4: Doanh số xe điện + xe Hybrid (Hằng quý)
Một số quốc gia, như Anh, đang lên kế hoạch cấm xe sử dụng động cơ đốt trong, mở ra cơ hội cho các hãng xe mới Dự báo từ Bloomberg cho thấy lượng xe động cơ đốt trong bán ra tại Trung Quốc sẽ giảm gần như về 0 vào năm 2032.
Lịch sử của ô tô Hybrid
Khái niệm về xe Hybrid đã xuất hiện từ lâu, gần như đồng hành với lịch sử ô tô Mục đích chính của xe Hybrid không chỉ là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu mà còn hỗ trợ động cơ đốt trong để cải thiện hiệu suất hoạt động Thực tế, trong những ngày đầu, công nghệ động cơ đốt trong chưa phát triển mạnh mẽ như công nghệ động cơ điện.
Những chiếc xe Hybrid đầu tiên được giới thiệu tại Paris Salon năm 1899, do cơ sở Pieper ở Liège, Bỉ và công ty vận chuyển điện Priestly, Pháp sản xuất Xe Pieper là một mẫu Hybrid song song, sử dụng động cơ xăng nhỏ làm mát bằng không khí kết hợp với động cơ điện và ắc quy axit chì Hệ thống này cho phép pin được sạc bởi động cơ khi xe di chuyển hoặc dừng lại, và động cơ điện cung cấp thêm năng lượng khi cần thiết Pieper không chỉ là một trong hai phương tiện lai đầu tiên mà còn là phương tiện lai song song đầu tiên, đồng thời là thiết bị khởi động điện đầu tiên.
Chiếc xe Hybrid đầu tiên được giới thiệu tại Paris Salon năm 1899, là sản phẩm của công ty Pháp Vendovelli và Priestly, được phát triển từ một chiếc xe điện ba bánh thương mại Xe được trang bị hai bánh sau hỗ trợ bởi động cơ, cùng với một động cơ xăng 3/4 mã lực và máy phát điện 1,1kW, giúp nạp lại ắc quy và mở rộng tầm hoạt động của xe Thiết kế này không chỉ nhằm tăng cường phạm vi hoạt động cho xe điện, mà còn không cung cấp thêm năng lượng cho động cơ đốt trong yếu.
Vào năm 1903, Camille Jenatzy, một người Pháp, đã giới thiệu chiếc xe lai song song tại Paris Slon, kết hợp động cơ xăng 6 hp và động cơ điện 14 hp, cho phép nạp ắc quy từ động cơ hoặc hỗ trợ động cơ Trước đó, vào năm 1902, H Krieger cũng là một người Pháp, đã chế tạo chiếc xe lai kiểu nối tiếp thứ hai với thiết kế sử dụng hai mô tơ độc lập dẫn động hai bánh trước.
Các loại xe Hybrid, bao gồm cả loại song song và nối tiếp, đã được phát triển từ năm 1899 đến 1914 Mặc dù phanh điện đã xuất hiện trong các thiết kế ban đầu, nhưng phanh phục hồi năng lượng chưa được đề cập Hầu hết các thiết kế sử dụng động cơ điện thông qua việc ngắn mạch hoặc đặt điện trở ở phần ứng của mô tơ kéo, với chiếc Lohner-Porsche (1903) là một ví dụ tiêu biểu Ngoài ra, việc sử dụng ly hợp điện từ và khớp điện từ cũng rất đáng lưu ý.
Các phương tiện Hybrid ban đầu được phát triển để hỗ trợ động cơ đốt trong yếu và cải thiện phạm vi của xe điện Mặc dù có những đổi mới đáng kể, nhưng chúng không thể cạnh tranh với động cơ xăng được cải tiến trong thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ I Động cơ xăng ngày càng nhỏ gọn và hiệu quả hơn, làm giảm nhu cầu sử dụng động cơ điện Chi phí bổ sung cho động cơ điện và rủi ro liên quan đến ắc quy chì đã dẫn đến sự biến mất của xe Hybrid sau chiến tranh.
Một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế đầu xe lai là việc điều khiển động cơ điện Điện tử công suất chỉ phát triển vào giữa thập niên 60, trong khi các motor thế hệ đầu được điều khiển bằng công tắc cơ khí và điện trở, dẫn đến hạn chế về phạm vi hoạt động và hiệu suất kém Giải quyết vấn đề này sẽ giúp động cơ điện tương thích với dải hoạt động của xe lai.
TS Victor Wouk là một nhà nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực xe hybrid điện Năm 1975, ông và các đồng nghiệp đã phát triển một phiên bản xe hybrid song song của Buick Skylark, sử dụng động cơ quay của Mazda kết hợp với hộp số truyền thống và được hỗ trợ bởi một động cơ điện DC riêng biệt.
Xe được trang bị động cơ 15 hp nằm phía trước hộp số, sử dụng 8 ắc quy 12 V để lưu trữ năng lượng Với tốc độ tối đa đạt 80 mph (129 km/h) và khả năng tăng tốc từ 0 đến 60 mph trong 16 giây, xe mang lại hiệu suất ấn tượng.
Thiết kế xe lai nối tiếp được giáo sư Dr Ernest H Wakefield hồi sinh nhưng nhanh chóng gặp phải vấn đề kỹ thuật Trong thập niên 70 và đầu thập niên 80, nhiều tiếp cận khác được nghiên cứu nhằm mở rộng dải hoạt động của xe lai, dựa trên thiết kế của Venlovelly và Priestly năm 1899, nhưng không thể tiếp cận thị trường Các mẫu xe lai khác được chế tạo bởi tập đoàn Electric Auto vào năm 1982 và tập đoàn Briggs & Stratton năm 1980, cả hai đều theo kiểu bố trí song song.
Mặc dù trải qua hai cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và 1977, cũng như sự gia tăng mối quan tâm về vấn đề môi trường, thị trường vẫn chưa xuất hiện xe lai Trong thập niên 80, các nhà nghiên cứu tập trung vào xe điện, dẫn đến việc chế tạo nhiều mẫu xe điện Sự thiếu hấp dẫn của xe lai trong giai đoạn này có thể do sự phát triển hạn chế của điện tử công suất, động cơ điện hiện đại và công nghệ ắc quy Thập niên 80 cũng chứng kiến sự cải tiến về kích thước động cơ đốt trong, ra mắt bộ chuyển đổi xúc tác để xử lý khí thải và công nghệ phun nhiên liệu.
Sự kết hợp giữa xe điện Hybrid đã thu hút sự quan tâm lớn từ những năm 1990, khi nhận thấy rằng xe điện khó lòng đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng Tập đoàn Ford Motor đã khởi động chương trình "Thách thức xe lai điện Ford", kêu gọi sự hợp tác từ các trường đại học để phát triển phiên bản xe lai phục vụ cho sản xuất ô tô.
Các nhà sản xuất ô tô toàn cầu đã phát triển nhiều mẫu động cơ hybrid với khả năng tiết kiệm nhiên liệu vượt trội so với các phiên bản động cơ đốt trong trước đây Tại Mỹ, Dodge đã giới thiệu mẫu xe Intrepid, một chiếc xe hybrid điện với cấu trúc nối tiếp, sử dụng động cơ diesel tăng áp nhỏ 3 xylanh kết hợp với bộ nguồn ắc quy.
Two 100 hp electric motors are installed on the rear wheels The U.S government established the "Partnership for a New Generation of Vehicles" (PNGV), setting a target for average sedan models to achieve 80 mpg Ford Prodigy is among these innovative vehicles.
GM Precept là thành quả của nỗ lực phát triển xe lai điện với cấu trúc song song Hai mẫu xe này sử dụng động cơ diesel tăng áp nhỏ gọn, kết hợp với ly hợp khô và hộp số truyền thống Cả hai đều đáp ứng các tiêu chí đề ra trong quá trình sản xuất.
Xu hướng về sự phát triển của ô tô Hybrid
Sự phát triển phương tiện giao thông trên thế giới không đồng đều, với mỗi quốc gia có quy định riêng về nồng độ khí thải Tuy nhiên, xu hướng chung là cải tiến và chế tạo ôtô với mức phát thải và ô nhiễm thấp, 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, ảnh hưởng xấu đến bầu khí quyển và hệ sinh thái Do đó, việc giảm thiểu khí thải ô nhiễm là một vấn đề cấp bách trong ngành ôtô hiện nay Mục tiêu của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô là phát triển ôtô sạch không gây ô nhiễm Nhiều giải pháp đã được giới thiệu, như năng lượng mặt trời và ôtô sử dụng động cơ lai (Hybrid), trong đó công nghệ hybrid đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao.
Khái niệm về ô tô Hybrid
Ô tô Hybrid là hệ thống dẫn động kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện để vận hành xe Các xe Hybrid thường sử dụng bộ pin điện áp cao và động cơ điện kết hợp với máy phát điện để hỗ trợ động cơ đốt trong, thường là động cơ xăng Đặc biệt, trong một số thiết kế, động cơ điện có thể vận hành xe mà không cần khởi động động cơ đốt trong.
Động cơ đốt trong hoạt động hiệu quả nhất trong khoảng tốc độ từ 2600 đến 3400 vòng/phút, với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 255 g/kWh Tuy nhiên, đặc tính của động cơ này 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 giá thành của hộp số.
Hình 2.2: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng
Hình 2.3: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe
Mô-tơ điện thể hiện đặc tính gần gũi với lý tưởng, khởi động từ tốc độ 0 và khi tăng tốc độ đến mức cơ bản, điện áp sẽ tăng trong khi dòng điện giữ nguyên Khi vượt qua tốc độ cơ bản, điện áp duy trì ổn định trong khi 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 2.4: Đặc tính của một mô-tơ điện
Hình 2.5: Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp
Hình 2.5 so sánh mô-tơ điện và động cơ đốt trong, cho thấy động cơ đốt trong cần hộp số 4 cấp để đạt hiệu suất tối ưu, trong khi mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp Ngoài việc giúp động cơ đốt trong hoạt động hiệu quả, mô-tơ điện trong xe hybrid còn có khả năng thu hồi năng lượng động năng, nạp lại vào ắc quy trong quá trình giảm tốc hoặc phanh, thực hiện 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 2.6:[2]
Hình 2.6: Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc.
Phân loại hệ thống ô tô Hybrid
Hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp là cơ chế cho xe hybrid, trong đó mô-tơ điện là nguồn lực chính kéo xe, được cấp năng lượng từ ắc quy và máy phát điện do động cơ đốt trong điều khiển Hệ thống này hoạt động hiệu quả và đơn giản, như thể hiện trong hình 2.7.
Hình 2.7: Sơ đồ ô tô Hybrid nối tiếp
Bánh xe được kéo bởi mô tơ điện, sử dụng năng lượng từ ắc quy hoặc máy phát do động cơ đốt trong dẫn động Cụm động cơ đốt trong và máy phát có vai trò quan trọng trong việc bổ sung năng lượng cho mô tơ khi tải lớn, đồng thời nạp ắc quy khi tải nhỏ và dung lượng ắc quy thấp.
Bộ điều khiển mô-tơ đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh năng lượng cho mô-tơ kéo, đáp ứng yêu cầu của xe Các yếu tố như gia tốc, khả năng leo dốc và tốc độ tối đa của xe hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước và đặc tính của mô-tơ kéo dẫn động Hình 2.8 minh họa đặc tính của xe hybrid, cho thấy sự ảnh hưởng của mô-tơ điện trong hệ thống này.
Động cơ điện có ưu điểm là không hoạt động ở chế độ không tải, giúp giảm ô nhiễm môi trường Nó cho phép lựa chọn chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với nhiều loại ôtô Tuy nhiên, động cơ đốt trong chỉ hoạt động hiệu quả khi xe di chuyển quãng đường dài hơn mức quy định cho ắc-quy.
Tổ hợp ghép nối tiếp có những nhược điểm như kích thước và dung tích ắc-quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, và động cơ đốt trong thường xuyên hoạt động ở chế độ nặng nhọc để cung cấp điện cho ắc-quy, dẫn đến nguy cơ quá tải.
Hệ thống hybrid song song cho phép động cơ đốt trong và động cơ điện hoạt động đồng thời, cung cấp năng lượng cho cầu xe Động cơ đốt trong truyền năng lượng cơ học đến các bánh xe tương tự như xe truyền thống, trong khi động cơ điện hỗ trợ thông qua hệ thống truyền lực kết nối bằng khớp cơ khí Tốc độ quay của động cơ đốt trong được điều chỉnh theo quãng đường xe chạy, giúp nó hoạt động trong miền làm việc tối ưu và đồng thời nạp điện cho ắc quy.
Ô tô Hybrid song song mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm công suất mạnh mẽ nhờ sử dụng đồng thời hai nguồn năng lượng, trong khi động cơ điện hoạt động ít hơn động cơ đốt trong, giúp giảm kích thước và trọng lượng của bình ắc quy Tuy nhiên, nhược điểm của loại xe này là động cơ điện và bộ điều khiển có cấu trúc phức tạp và chi phí cao, đồng thời động cơ đốt trong cần có công suất lớn, dẫn đến hiệu quả giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu không cao.
Hệ thống hybrid kết hợp cả hai phương thức nối tiếp và song song để tối ưu hóa lợi ích Nó bao gồm "thiết bị phân chia công suất" giúp chuyển giao tỷ lệ công suất biến đổi từ động cơ đốt trong và động cơ điện đến các bánh xe chủ động Đặc biệt, xe có khả năng vận hành "êm dịu" chỉ với động cơ điện, làm cho hệ thống này trở thành lựa chọn hàng đầu trong sản xuất xe hybrid.
Hình 2.10: Sơ đồ ô tô Hybrid hổn hợp.
Nguyên lý hoạt động
Hình 3.1: Các thiết bị chính của ô tô Hybrid
Các thiết bị chính của hệ hống Hybrid hình 3.1 gồm:
Động cơ đốt trong với chu trình Atkinson và hệ thống VVT-I hiệu quả cao được thiết kế cho ô tô Hybrid, có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện để dẫn động xe và phát điện.
- Máy phát (MG1): Phát điện nhở công suất của động cơ Có tính năng như một máy khởi động để khởi động động cơ
Mô tơ MG2 đóng vai trò quan trọng trong việc bổ sung công suất cho động cơ, giúp nâng cao khả năng dẫn động của xe Hệ thống sử dụng mô tơ này khi xe hoạt động, đồng thời khi giảm tốc độ, phanh tái sinh được sử dụng để tạo ra điện năng.
- Tăng cường điện áp nhờ ắc quy và đầu ra của nó gửi tới bộ đổi điện
- Giảm điện áp do MG1 và MG2 tạo ra để nạp vào ắc quy HV
- Chuyển dòng điện 1 chiều thành dòng điện xoay chiều cho MG1 và MG2
- Chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều do MG1 và MG2 phát ra để nạp vào ắc quyHV
- Bộ biến đổi DC/DC: Giảm điện áp của ắc quy để cấp điện cho các thiết bị điện, cũng như nạp điện cho ắc quy phụ.
- Lưu điện do MG1 và MG2 phát ra.
- Dùng đề dẫn động MG1 và MG2, ắc quy HV cấp điện cho bộ chuyển đổi điện
- Cáp nguồn: Là một thiết bị cao áp, cáp chịu được dòng điện cao để nối các bộ phận của hệ thống cao áp
- Ắc quy phụ: Sử dụng như nguồn điện ECU và các thiết bị điện như hệ thống âm thanh
ECU điều khiển nguồn là bộ phận quan trọng trong ô tô Hybrid, có chức năng điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của xe Nó thu thập thông tin từ người lái, các cảm biến và các ECU khác, từ đó tính toán moment MG2 và công suất đầu ra của động cơ Qua đó, ECU điều khiển nguồn giúp điều chỉnh lực dẫn động, đảm bảo xe hoạt động hiệu quả và an toàn.
- Máy nén và mô tơ (có bộ chuyển đổi điện): máy nén chạy điện cho điều hòa không khí được vận hành bởi nguồn điện từ ắc quy HV.
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống xe Hybrid
Hệ thống Toyota Hybrid sử dụng hai loại lực được tạo ra bởi động cơ và mô tơ (MG2), MG1 được sử dụng như là 1 máy phát điện.
Bộ điều khiển bình HV ECU liên tục giám sát tình trạng nạp bình, bao gồm nhiệt độ bình, nhiệt độ nước làm mát động cơ và tình trạng tải điện Khi một trong những yếu tố này không đạt yêu cầu, ECU HV sẽ tự động khởi động động cơ bằng cách điều khiển MG1, miễn là nút READY ở vị trí ON và tay số ở vị trí “P”, để thực hiện quá trình nạp lại bình.
Hệ thống hoạt động hiệu quả nhờ sự kết hợp tối ưu giữa động cơ và hai mô tơ MG1, MG2, phù hợp với các điều kiện lái xe khác nhau Thông tin chi tiết được trình bày trong bảng dưới đây.
Hình 3.3: Điều kiện làm việc
(A) READY ON (B) Khởi động (C) Trong quá trình tăng tốc nhẹ với động cơ (D) Trong quá trình tăng tải thấp
(E) Trong quá trình đầy tải (F) Trong quá trình giảm tốc (G) Trong quá trình đảo chiều chuyển động.
Biểu đồ dưới đây mô tả sự điều khiển chiều quay của bộ bánh răng hành tinh, liên quan đến tốc độ quay và sự cân bằng truyền lực Đồ thị này cho thấy thời điểm MG1 và MG2 hoạt động như máy phát điện hoặc mô tơ điện Chiều quay và moment được chỉ định trong bảng dưới đây.
Trạng thái Hình minh hoạ
Bảng 3.1: Mối quan hệ bộ bánh răng hành tinh về tốc độ quay, sự cân bằng truyền lực 3.1.3 Ready On
Khi tài xế nhấn nút Power và Ready, động cơ sẽ không khởi động nếu không đạt các yêu cầu cần thiết như nhiệt độ nước làm mát, tình trạng và nhiệt độ của bình ắc quy, cũng như chế độ tải điện Trong trạng thái này, cả động cơ MG1 và MG2 đều không hoạt động Tùy thuộc vào điều kiện hoạt động của xe, sẽ diễn ra hai quá trình: khởi động động cơ và động cơ dẫn động MG1.
Nếu bất kỳ bộ phận nào được ECU theo dõi không đạt yêu cầu khi chế độ Ready ở vị trí On và cần số ở vị trí “P” hoặc khi xe đang lùi, ECU sẽ kích hoạt MG1 để khởi động động cơ.
Trong quá trình hoạt động, để ngăn chặn tác động trở lại của bánh răng mặt trời MG1 lên bánh răng bao MG2, một dòng điện sẽ được cung cấp cho MG2 nhằm hãm lại hoạt động của nó Bộ phận này được gọi là Reactive Control.
Hình 3.4: Khởi động động cơ Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
Hình 3.5: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ
3.1.3.2 Động cơ dẫn động MG1 Động cơ sẽ dẫn động MG1 quay, MG1 hoạt động như một máy phát điện và nạp điện vào bình HV hình 3.6.
Hình 3.6: Động cơ dẫn động MG1 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
3.1.4 Khởi động Ở trạng thái này tùy theo điều kiện hoạt động của xe sẽ có 3 quá trình: MG2 dẫn động xe, MG1 khởi động động cơ, Động cơ dẫn động MG1 phát điện.
3.1.4.1 Xe dẫn động bởi MG2
Khi động cơ xe không hoạt động, năng lượng di chuyển chỉ được cung cấp cho MG2, trong khi động cơ chính ngừng hoạt động, MG1 quay trơn mà không sản sinh điện năng.
Hình 3.8: Xe dẫn động MG2 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
Hình 3.9: Mối quan hệ về tốc độ khi MG2 dẫn động bánh xe khởi động động cơ
3.1.4.2 MG1 khởi động động cơ
Khi xe hoạt động, MG2 sẽ đảm nhiệm việc tăng mô-men xoắn, trong khi MG1 được sử dụng để khởi động động cơ Đồng thời, các bộ phận của xe sẽ được giám sát bởi ECU để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Khi có sự chênh lệch giữa tình trạng của bình, nhiệt độ của bình, nhiệt độ nước làm mát động cơ và chế độ tải điện so với yêu cầu chỉ định, MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động cơ.
Hình 3.10: Khởi động động cơ khi xe đang được dẫn động bởi MG2 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh
Hình 3.11: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ trong khi MG2 dẫn động bánh xe
3.1.4.3 Động cơ dẫn động MG1 phát điện Ở trạng thái tiếp theo, động cơ sẽ dẫn động MG1 để phát điện cung cấp cho bình
HV, nếu yêu cầu cần tăng moment thì động cơ sẽ dẫn động MG1 phát điện để chuyển sang chế độ tăng tốc nhẹ cùng với động cơ.
Hình 3.12: Động cơ dẫn động MG1 phát điện Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh
Hình 3.13: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ trong khi MG2 dẫn động bánh xe
3.1.5 Tăng tốc nhẹ với động cơ chuyển sang chế độ lái bình thường
Trong quá trình tăng tốc nhẹ, động cơ sẽ phân chia lực tạo ra qua bộ bánh răng hành tinh Một phần lực được truyền trực tiếp đến bánh xe, trong khi phần lớn còn lại được sử dụng để dẫn động MG1, tạo ra điện thông qua bộ chuyển đổi điện (inverter) cho MG2, từ đó MG2 cung cấp lực cho bánh xe.
Hình 3.14: Trạng thái tăng tốc nhẹ với động cơ Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh.
Hình 3.15: Mối quan hệ về tốc độ quay khi tăng tốc nhẹ với động cơ
Khi xe hoạt động ở chế độ lái bình thường với tốc độ ổn định, lực từ động cơ được phân phối qua bộ bánh răng hành tinh Một phần lực này được truyền trực tiếp đến các bánh xe, trong khi phần lớn còn lại được sử dụng để dẫn động MG1 nhằm tạo ra điện.
Hình 3.16: Chế độ lái bình thường Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh.
Hình 3.17: Mối quan hệ về tốc độ quay khi xe ở trạng thái tải nhỏ
Cấu tạo cơ bản của ô tô Hybrid
3.2.1 Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính của ô tô Hybrid, ở ôtô hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu.Động cơ đốt trong của xe Hybrid Là loại động cơ có bộ thay đổi góc phân phối khíVVT-I và chu trình Atkinson. Đối với động cơ đốt trong của Toyota Prius là loại động cơ 2ZR-FXE Chữ “X” trong mã 2ZR-FXE chỉ ra rằng động cơ sử dụng chu kỳ Atkinson và bộ thay đổi góc phân phối khí VVT-i, đây là nguyên lý được áp dụng cho ô tô Hybrid này hình 3.26.
Hình 3.26: Động cơ đốt trong của Toyota Prius
Hệ thống VVT-I cho phép điều chỉnh thời điểm mở van nạp, giúp động cơ 2NZ-FXE chuyển đổi giữa van truyền thống và van chu trình Atkinson, từ đó biến đổi dung tích có ích Trong động cơ chu trình Atkinson, van nạp được mở hợp lý tại thì nén, dẫn đến việc một phần thể tích xy lanh bị đẩy trở lại trong đường ống nạp, làm giảm dung tích động cơ Nhờ vào việc điều chỉnh liên tục thời điểm mở van nạp, động cơ có thể tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu trong khi vẫn đảm bảo công suất tối đa khi cần thiết.
VVT-i là công nghệ điều chỉnh thời điểm van nạp chính xác theo điều kiện hoạt động, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ Hệ thống này giúp nâng cao hiệu suất nhiệt, đồng thời giảm kích thước và trọng lượng của động cơ nhờ vào việc sử dụng khối xi lanh bằng hợp kim nhôm và ống nạp tích hợp, từ đó cải thiện hiệu quả nhiên liệu.
Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn thời điểm van VVT-I và đặc tuyến năng suất
Tốc độ vòng quay tối đa của động cơ đã được nâng lên từ 4,500v/p ở động cơ truyền thống lên 5,000v/p, giúp cải thiện công suất Các bộ phận di động nhẹ hơn, xéc măng có lực bung thấp hơn và tải lò xo xu páp giảm, dẫn đến tổn thất ma sát thấp hơn Hơn nữa, việc tăng tốc độ lên 5,000v/p giúp máy phát quay nhanh hơn, tăng lực dẫn động trong quá trình tăng tốc và cải thiện hiệu quả nhiên liệu.
Động cơ 1.5 lít sử dụng chu trình Atkinson đạt hiệu suất cao nhờ vào tỉ số giản nở lớn và hiệu suất nhiệt tối ưu Tỉ số giản nở được cải thiện bằng cách giảm thể tích buồng đốt Khác với động cơ đốt trong thông thường có 4 giai đoạn nạp – nén – nổ – xả, động cơ chu trình Atkinson sử dụng hành trình nạp ngắn hơn hành trình giãn nở, cho phép kỳ nén và kỳ nổ hoạt động độc lập Nhờ đó, kỳ nổ kéo dài hơn, giúp tối ưu hóa năng lượng từ kỳ nén và đạt được hiệu suất nhiệt cao.
Khái niệm này đã được người Mỹ R.H Miller áp dụng, khi ông nhận ra rằng việc điều chỉnh thời điểm đóng mở của xupáp nạp có thể giúp hoàn thành mục tiêu này.
Môđen Sơ đồ hệ thống
Corolla Động cơ 2ZR – FXE Hệ thống đánh lửa 2ZR -
Số xi lanh và cách sắp xếp 4 xi lanh, đặt thẳng hàng 4 xi lanh, đặt thẳng hàng
Cơ cấu xupáp 16xupáp, DOHC 16xupáp, DOHC
Dung tích xylanh (cm 3 ) 1798 1798 Đường kính xylanh x hành trình (mm) 80,5 x 88,3 80,5 x 88,3
Tỷ số nén Tỷ số giãn nở 10,0
Công suất tối đa (kW tại vòng/phút) 73 tại 5200 100 tại 6000
Mômen xoắn tối đa (N.m tại vòng/phút) 142 tại 4000 175 tại 4400
Thời điểm phối khí Nạp Mở 29° đến -12° BTDC 56° đến 1° BTDC Đóng 61°đến 102° ABDC 10° đến 65° ABDC
Xả Mở BBDC 51° đến 11° BBDC Đóng ATDC 3° đến 43° ATDC
Trong các động cơ hiện đại, dung tích kỳ nén và kỳ nổ thường tương đồng, nhưng việc tăng tỷ số giãn nở sẽ dẫn đến việc tăng tỷ số nén, gây ra tiếng gõ không mong muốn Để khắc phục vấn đề này, xupáp nạp được điều chỉnh để mở trễ ngay khi bắt đầu kỳ nén, cho phép một phần khí hút vào xilanh quay trở lại ống góp nạp Biện pháp này giúp trì hoãn quá trình nén, cho phép đạt được tỷ số giãn nở cao mà không cần phải tăng tỷ số nén thực tế.
Chu trình Atkinson: thời điểm đóng xupáp nạp bị làm trể, kết quả sẽ làm muộn thời điểm bắt đầu nén thực tế hình 3.28.
Hộp số Hybrid được lắp đặt trong khoang động cơ, bao gồm mô tơ dẫn động xe (MG2) và máy phát điện (MG1) Hệ thống này sử dụng cơ cấu truyền động liên tục với bộ bánh răng hành tinh, giúp đạt được sự vận hành êm ái.
Hộp số Hybrid bao gồm các thành phần chính như MG2, MG1, bánh răng hành tinh, bộ giảm chấn, bánh răng đảo chiều, bánh răng truyền lực cuối, bộ bánh răng vi sai và bơm dầu Cấu trúc của hộp số này gồm 3 trục, tạo nên sự kết hợp hiệu quả giữa động cơ điện và động cơ đốt trong.
Trục thứ nhất gồm: Bộ bánh răng hành tinh, bộ giảm chấn của hộp số, bơm dầu, MG1 và MG2.
Trục thứ hai: Bánh răng đảo chiều bị động và bánh răng truyền lực cuối chủ động.
Trục thứ ba: Bánh răng truyền lực cuối bị động và bộ bánh răng vi sai.
Hộp số được bôi trơn bởi loại dầu hộp số tự động như xe thông thường.
Hình 3.30: Cấu tạo chi tiết của hộp số
3.2.2.1 Mô tơ điện (MG2) và máy phát điện (MG1)
- Cả MG1 và MG2 có kích thướt nhỏ, trọng lượng nhẹ, đạt hiệu quả cao của loại mô tơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu xoay chiều 3 pha.
MG1 và MG2 kết hợp hiệu quả giữa máy phát đồng bộ xoay chiều và mô tơ điện, hoạt động như nguồn cung cấp hỗ trợ lực kéo cho động cơ xăng khi cần thiết.
MG1 đảm nhận nhiệm vụ nạp lại cho ắc quy HV và cung cấp điện năng cho MG2 Bằng cách điều chỉnh lượng điện năng phát ra, MG1 hiệu quả trong việc kiểm soát sự truyền động vô cấp Ngoài ra, MG1 còn hoạt động như một máy khởi động.
MG2 và động cơ xăng phối hợp chặt chẽ để truyền động cho bánh xe Trong quá trình phanh tái sinh, MG2 chuyển đổi động năng thành năng lượng điện, giúp lưu trữ trong ắc quy HV Như vậy, MG2 hoạt động như một máy phát điện, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
- Một hệ thống làm mát thông qua bơm nước làm mát MG1 và MG2.
- Tốc độ quay của MG1 được nâng cao có thể đạt từ 6,500v/p đến 10000v/p Giúp nâng cao khả năng nạp.
Cấu trúc của nam châm vĩnh cửu trong rôto của MG2 được tối ưu hóa với thiết kế dạng chữ V, mang lại hiệu suất cao hơn về công suất và moment.
- Hệ thống điều khiển quá điều biến giúp điều khiển MG2 tại phạm vi tốc độ trung bình hình 3.31.
Motor nam châm vĩnh cửu:
Khi dòng điện 3 pha đi qua cuộn dây của Stator, nó tạo ra một trường điện từ, dẫn đến việc sinh ra điện Từ trường liên tục này trong motor điện kết hợp với nam châm vĩnh cửu để tạo ra moment Moment này phục vụ cho các mục đích hữu ích, tương đương với việc điều khiển dòng điện và tốc độ quay thông qua tần số của dòng chuyển đổi.
Hình 3.32: Mô tơ nam châm vĩnh cữu
Trên xe Prius 2004, cấu trúc nam châm vĩnh cửu trong rotor được thiết kế theo hình V, giúp nâng cao công suất đầu ra và moment xoắn So với mẫu xe 2003, công suất đầu ra của Prius 2004 đã được cải thiện khoảng 50%.
Phân tích ưu nhược điểm của ô tô Hybrid
Qua thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, thấy rằng xe có trang bị ô tô Hybrid có những ưu và nhược điểm sau:
3.3.1 Ưu điểm của ôtô Hybrid:
Khi phanh hoặc giảm tốc độ, động cơ điện hoạt động như một máy phát điện, giúp tận dụng năng lượng phanh để sản xuất điện, từ đó nạp lại cho ắc-quy.
Ô tô Hybrid tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, giảm lượng tiêu thụ xuống chỉ còn một nửa Nhờ vào việc sử dụng động cơ điện trong các chế độ gia tốc hoặc khi tải lớn, động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ, dẫn đến kích thước nhỏ gọn hơn.
Sử dụng vật liệu nhẹ giúp giảm khối lượng tổng thể của ô tô Hybrid, cho phép xe vận hành mạnh mẽ và di chuyển xa như các ô tô chạy xăng thông thường Với việc vẫn sử dụng xăng làm nhiên liệu, người lái không cần lo lắng về thời gian nạp điện, một yếu tố thường tốn nhiều thời gian.
Tiết kiệm năng lượng trên đường trường với ô tô Hybrid là điều quan trọng Khi vận hành, động cơ đốt trong là nguồn động lực chính, vì nó có hiệu suất cao hơn khi chạy đường dài và cung cấp công suất mạnh hơn động cơ điện Thiết kế này cho phép ô tô hybrid đạt được gia tốc mạnh mẽ và vận tốc cao, tương tự như các loại ô tô truyền thống.
Ôtô hybrid không chỉ tiết kiệm năng lượng trong quá trình chuyển hóa từ nhiên liệu sang cơ năng mà còn thiết kế để thu hồi năng lượng hao phí trong vận hành Khi hãm lại, ôtô thông thường chuyển hóa cơ năng thành nhiệt năng, trong khi ôtô hybrid chuyển đổi cơ năng thành điện năng để nạp lại vào pin, giúp tái sử dụng năng lượng Mặc dù ôtô hybrid vẫn có bộ thắng đĩa cho trường hợp khẩn cấp, nhưng chúng ít gây ô nhiễm môi trường hơn so với ôtô chạy xăng, nhờ vào hiệu suất cao hơn của động cơ điện.
3.3.2 Khuyết điểm của ô tô Hybrid
Một trong những khuyết điểm lớn nhất của công nghệ hybrid là hệ thống pin nạp lại được, với giá thành cao khiến nhiều người dùng xe hybrid lo ngại.
Công nghệ Hybrid đang trở thành xu hướng chủ đạo trong ngành ôtô tương lai nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với xe truyền thống Mặc dù vẫn còn một số nhược điểm, nhưng các nhà sản xuất đang tích cực nghiên cứu giải pháp như tái chế pin cũ và phát triển công nghệ pin mới nhằm nâng cao tuổi thọ pin Những cải tiến này không chỉ giúp giảm giá thành sản phẩm mà còn đưa công nghệ Hybrid đến gần hơn với người dân có thu nhập thấp, góp phần thay thế các phương tiện giao thông cũ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Kết luận
Đề tài hoàn thành đã đạt được những kết quả đó là:
+ Cung cấp cho sinh viên kiến thức tổng quan về công nghệ Hybrid trên ôtô Một công nghệ tiên tiến đã được thế giới sử dụng rộng rãi
+ Đề tài đưa ra đầy đủ các chế độ làm việc trên xe có trang bị ô tô Hybrid, cấu tạo các bộ phận chính của xe.
+ Đặc biệt đề tài đã đi nghiên cứu một loại xe cụ thể (Xe Toyota Prius) nhằm cụ thể hóa các hệ thống trên xe.
Công nghệ Hybrid vẫn còn mới mẻ tại Việt Nam, dẫn đến những khó khăn trong việc nghiên cứu và tìm hiểu do thiếu tài liệu và mô hình thực tế Điều này hạn chế khả năng khảo sát nhiều loại xe, khiến nội dung chưa phong phú và nhiều bộ phận chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng.
Kiến nghị
Phát triển thêm đề tài thiết lập mô hình thực tế về xe Hybrid để sinh viên có thể quan sát trực quan.
Nghiên cứu kỹ các bộ phận của nhiều loại xe khác nhau của các hãng để làm phong phú đề tài.
Có thể ứng dụng các phần mềm tiện ích mô phỏng các quá trình hoạt động của xe Hybrid.
Phát triển, bổ xung hoàn thiện đề tài làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên, sinh viên của khoa Công Nghệ – Trường Đại học Cần Thơ