ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU BỘ PHÂN CHIA CÔNG SUẤT (POWER SPLIT DEVICEPSD) – TRÁI TIM CỦA HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HYBRID TOYOTA PRIUS

ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU BỘ PHÂN CHIA CÔNG SUẤT (POWER SPLIT DEVICEPSD) – TRÁI TIM CỦA HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HYBRID TOYOTA PRIUS oyota là hãng xe luôn đi đầu trong việc đầu tư phát triển các công nghệ mới cho ô tô để tận dụng tốt nhất nguồn năng lượng của nhiên liệu và giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi trường. Mục tiêu sản xuất ra các loại xe thân thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu được Toyota đề cao như một trách nhiệm và mục tiêu phát triển. Một trong những thành công nổi trội của Toyota là cho ra đời công nghệ Hybrid, công nghệ này đã được áp dụng trên chiếc Toyota Prius.

BỘ PHÂN CHIA CÔNG SUẤT (POWER SPLIT DEVICEPSD) – TRÁI TIM CỦA HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC HYBRID TOYOTA PRIUS Trong hệ thống động lực ô tô Toyota Prius, phận trọng tâm định phân phối công suất nguồn điện nhiệt, Bộ phân chia công suất (Power Split Device-PSD) Lời mở đầu Kể từ năm 1885, ô tô giới đời đến nay, ô tô trở thành phương tiện vận tải thiếu đời sống người Cùng với phát triển kinh tế xã hội, số lượng ô tô không ngừng tăng lên Tuy nhiên, gia tăng số lượng ô tô làm nảy sinh hai vấn đề nan giải: ô nhiễm môi trường khí thải tơ tạo nguồn nhiên liệu dầu mỏ dần cạn kiệt oyota hãng xe đầu việc đầu tư phát triển công nghệ cho ô tô để tận dụng tốt nguồn lượng nhiên liệu giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi trường Mục tiêu sản xuất loại xe thân thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu Toyota đề cao trách nhiệm mục tiêu phát triển Một thành công trội Toyota cho đời công nghệ Hybrid, công nghệ áp dụng Toyota Prius Từ đời Tokyo Nhật Bản nay, Toyota Prius trải qua ba hệ hai lần đạt giải thưởng “Xe năm”, đồng thời đạt giải thưởng “Bảo vệ khí hậu tồn cầu” Mỹ EPA trao Năm 1998, Toyota xuất tháng khoảng 20.000 Prius cho thị trường Bắc Mỹ châu Âu Tính từ năm 2000 đến 2007, tổng doanh số Prius Mỹ 500.000 Và sau doanh số bán ô tô Toyota Hybrid không ngừng tăng lên Trong hệ thống động lực ô tô Toyota Prius, phận trọng tâm định phân phối công suất nguồn điện nhiệt, Bộ phân chia công suất (Power Split Device-PSD) Cấu tạo nguyên lí làm việc a Cấu tạo Toyota Prius sử dụng kết hợp hai nguồn động lực động đốt động điện Động đốt động nhiệt 1NZ-FXE sử dụng nhiên liệu xăng, động điện tổ hợp motor-máy phát điện, motor điện cần cung cấp cho hệ thống hoạt động máy phát điện để nạp điện cho acquy tận dụng nguồn lượng dư thừa động nhiệt tái sinh lượng trình phanh giảm tốc độ, xuống dốc,… Bộ phân chia công suất phối hợp hai nguồn động lực cách tối ưu để tận dụng tối đa nguồn lượng, giúp tiết kiệm nhiên liệu Bộ phân chia công suất (PSD) thực chất hệ bánh hành tinh đó: - Vành bao liên kết với tổ hợp motor-máy phát số (MG2) Trục vành bao trục phân chia công suất, truyền momen qua hệ bánh tới trục bánh xe - Bánh mặt trời liên kết với tổ hợp motor-máy phát số (MG1) - Giá bánh vệ tinh liên kết với trục động nhiệt Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo phân chia cơng suất PSD b Ngun lí làm việc Cụm bánh hành tinh phân chia cơng suất có nhiệm vụ chia cơng suất từ động xe thành hai thành phần tạm gọi phần dành cho phần dành cho điện Các bánh hành tinh truyền cơng suất đến động chính, động điện – máy phát bánh xe chủ động hầu hết điều kiện khác Các bánh hành tinh hoạt động hộp số vô cấp (Continuously Variable Transmission- CVT) MG1 có nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ắc quy điện áp cao đồng thời cấp điện để dẫn động cho MG2 MG1 hoạt động mô tơ để khởi động động xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền truyền bánh hành tinh gần giồng CVT MG2 có nhiệm vụ dẫn động cho bánh xe chủ động tiến lùi xe Trong suốt trình giảm tốc phanh xe, MG2 hoạt động máy phát hấp thu động (còn gọi trình hãm tái sinh lượng) chuyển hóa thành điện để nạp lại cho ắc quy điện áp cao Để hiểu rõ nguyên lí làm việc PSD, ta khảo sát chế độ làm việc nó: + Chế độ khởi động: Hình 2.2 Bộ PSD chế độ khởi động Ngay sau nhấn nút khởi động hoặc nhấn bàn đạp ga để kích hoạt, hệ thống hybrid hoạt động trở lại Thành phần mô tả trung tâm motor nhỏ, biết đến MG1 bắt đầu quay theo chiều kim đồng hồ, bánh hành tinh ăn khớp ngồi với quay ngược chiều kim đồng hồ Khi tốc độ tăng lên, momen sinh tác động lên cần giữ bánh hành tinh, làm cần bắt đầu xoay Do cần nối với trục khuỷu động nên nhờ động bắt đầu khởi động Ngoài cần lưu ý bánh hành tinh ăn khớp với vành ngoài, nhiên động khơng truyền cho vành ngồi mà bánh hành tinh tự quay quanh mình, bánh xe không dịch chuyển Nhưng bánh xe trình chuyển động, trình khởi động diễn tương tự, điểm khác biệt motor nhỏ cần lượng để khởi động động + Chế độ chạy êm: Hình 2.3 Bộ PSD chế độ chạy êm Mặc dù q trình xảy giống q trình “Khởi động”, song chúng khác hồn tồn Thay cơng suất nhận từ bánh mặt trời, chúng truyền từ vành bao Motor lớn, gọi MG2 nhận điện từ ac-quy HV để tạo momen làm quay vành bao, truyền công suất đến bánh xe Động vành bao làm quay bánh hành tinh Nếu MG1 trung tâm giữ lại (nhờ lượng điện), cần giữ bánh hành tinh quay làm quay động Nhưng thực tế MG1 quay tự do, bánh mặt trời bánh hành tinh quay tự quanh trục + Chế độ tăng tốc: Hình 2.4 Bộ PSD chế độ tăng tốc Khi xe tăng tốc, motor lớn động nhiệt tham gia cung cấp động cho bánh xe Motor nhỏ tham gia chuyển động quay với vai trò máy phát Nó tạo điện cho motor lớn MG2 tiêu thụ Sự chuyển đổi linh hoạt máy phát - động điện lợi ích vơ to lớn tuổi thọ ac quy, giảm trình phóng nạp điện ăc quy + Chế độ chạy theo trớn: Hình 2.5 Bộ PSD chế độ chạy theo trớn Chế độ tương tự “Tăng tốc”, cần lượng Số vịng quay động nhiệt giảm xuống đến lúc bánh hành tinh quay theo chiều ngược lại Quá trình tiếp tục tốc độ xe giảm xuống thấp 42 MPH, lúc động nhiệt ngừng hoạt động hệ thống chuyển sang chế độ “Thả trơi” + Chế độ chạy lùi: Hình 2.6 Bộ PSD chế độ chạy lùi Khi động nhiệt ngừng hoạt động, motor nhỏ quay để dẫn động bánh hành tinh Kết motor lớn quay theo, theo hướng ngược lại Động nhiệt bị khởi động xe chạy lùi, nhiên lúc chế độ chạy lùi tiếp tục diễn Động điện nhỏ cần quay nhanh để bù đắp thay đổi tốc độ bên trong, giữ xe chuyển động tốc độ Đây thiết kế đơn giản tinh tế, cung cấp loạt chế độ linh hoạt với vài phận nhỏ tham gia liên tục lâu dài + Chế độ chạy lùi động nhiệt hoạt động Hình 2.7 Bộ PSD chế độ chạy lùi động hoạt động Ở vài thời điểm chế độ “Chạy lùi”, động nhiệt bị khởi động Khi điều xảy ra, làm giảm động có ích truyền đến bánh xe Song việc động khởi động cung cấp đồng thời nhiệt điện nên điều chấp nhận Chế độ tiện lợi loại bỏ hồn tồn số lùi truyền thống xe khác + Chế độ thả trơi xe: Hình 2.8 Bộ PSD chế độ thả trơi xe Khi khơng cịn cần lượng từ nguồn động lực, tốc độ xe thấp 42 MPH, động nhiệt tắt hoàn toàn, song bánh hành tinh tiếp tục quay cịn cần giữ chúng đứng n nhờ động điện quay tự do, điều tương tự xe số xe số sàn thông thường Quan hệ vận tốc góc momen thành phần: a Quan hệ vận tốc góc: Gọi vận tốc góc bánh trung tâm, vành bao cần C Theo công thức Willis hệ bánh vi sai thì: (lấy) (1) Trong đó: - R1, R2 bán kính bánh trung tâm bánh bao - Z1, Z2 số bánh trung tâm bánh bao - n1, n2, nc số vòng quay bánh trung tâm, bánh bao cần C Biến đổi công thức (1) ta quan hệ vận tốc thành phần hệ vi sai: (2) * Trong việc nghiên cứu mối quan hệ vận tốc thành phần hệ bánh vi sai, vecto vận tốc thành phần thường biểu diễn theo sơ đồ sau: (lấy) Hình 3.1 Quan hệ vận tốc thành phần hệ bánh vi sai Theo hình 3.1 thì: - Trục a biểu diễn vận tốc vành bao - Trục b biểu diễn vận tốc động nhiệt - Trục c biểu diễn vận tốc bánh trung tâm Chọn chiều dương vận tốc chiều hướng lên Khoảng cách hai trục b c có giá trị tỉ số Z2/Z1, khoảng cách trục a trục b Gọi A,B,C điểm cuối đoạn thẳng n 2, nc, n1 (điểm đầu đoạn thẳng nằm đườngn=0), vị trí nào, ta ln có A,B,C nằm đường thẳng Thực vậy, để chứng minh điểm A,B,C thẳng hàng ta chứng minh phương pháp vecto sau: - Đặt hệ tọa độ xOa lên hình vẽ, lúc điểm có tọa độ là: A(0, ); B(1, ); - Từ cơng thức (1), suy ra: Vì A, B, C thẳng hàng b Quan hệ mômen: Trong chế độ làm việc ổn định (vận tốc góc khâu hệ số), cách bỏ qua mát lượng (do ma sát khớp động,…) ta áp dụng định lí động năng, định lí momen động lượng quan hệ vận tốc góc khâu để xác định quan hệ momen hệ bánh vi sai Khi cần C khâu dẫn chịu tác động momen , vành bao bánh trung tâm hai khâu bị dẫn với momen cản có ích Áp dụng định lí biến thiên động năng, ta có: (3) Áp dụng định lí biến thiên momen động lượng, ta có: (4) Thay vào ta được: Áp dụng cơng thức Willis, ta có: (5) Thay (5) vào (4), ta có: mà : Trong momen có ích động nhiệt sinh trục bánh trung tâm vành bao Từ ta suy quan hệ momen thành phần hệ vi sai là: (lấy) c Momen tổng hợp trục ra: Momen trục tổng momen MG2 momen động nhiệt truyền đến trục vành bao, có nghĩa là: Trong Mmg2: momen tổ hợp động điện/máy phát số sinh trục vành bao Công suất trục ra: Kết luận Trong hệ thống động lực xe Toyota Prius, phân chia công suất (PSD) đóng vai trị vơ quan trọng Tùy vào điều kiện vận hành cụ thể xe, PSD kết hợp hài hịa nguồn động lực, ln đảm bảo công suất tối ưu truyền đến bánh xe đồng thời phân chia phần công suất dư thừa để tích trữ dạng điện Điều giúp tận dụng tối đa lượng nhiên liệu, tiết kiệm nhiên liệu giảm thiểu ô nhiễm môi trường Với chức vô quan trọng mô tả, nhiều nhà nghiên cứu gọi PSD trái tim hệ thống động lực ô tô Hybrid Toyata Prius Tài liệu tham khảo: [1] Toyota “Hybrid synergy drive” [2] Mitch Olszewski and Susan A Rogers “Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System” USA: Oak Ridge National Laboratory; 2005 [3] Yanhe Li and Narayan C.Kar “Advanced Design Approach of Power Split Device of Plug-in Hybrid Electric Vehicles Using Dynamic Programing” Canada: University of Windsor; 2011  ... Trong hệ thống động lực ô tô Toyota Prius, phận trọng tâm định phân phối công suất nguồn điện nhiệt, Bộ phân chia cơng suất (Power Split Device-PSD) Cấu tạo nguyên lí làm việc a Cấu tạo Toyota Prius. .. nhà nghiên cứu gọi PSD trái tim hệ thống động lực ô tô Hybrid Toyata Prius Tài liệu tham khảo: [1] Toyota ? ?Hybrid synergy drive” [2] Mitch Olszewski and Susan A Rogers “Evaluation of 2004 Toyota. .. nghĩa là: Trong Mmg2: momen tổ hợp động điện/máy phát số sinh trục vành bao Công suất trục ra: Kết luận Trong hệ thống động lực xe Toyota Prius, phân chia cơng suất (PSD) đóng vai trị vơ quan trọng