3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1.3 Giới thiệu khái quát về hệ thống truyền lực trên xe hybrid 4 chỗ
Các thành phần chính của hệ thống hybrid
+ Engine: Động cơ đốt trong
+ Power Split Device: Bộ phân chia công suất + Electric Motors: Motor điện ( MG2 )
+ Power Control Unit: Bộ phận điều khiển điện tử động cơ điện + Hydride Battery: Acquy hiệu suất cao
+ Generator : Máy phát ( MG1 )
+ Động cơ đốt trong : Sử dụng động cơ xăng ,trang bị hệ thống VVT-I (hệ thống điều khiển thời điểm nạp thông minh) hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh.
Hình 2.5: Động cơ đốt trong ICE
+ Mô tơ-máy phát 1 (MG1): Có nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ác quy HV, đồng thời cấp điện năng để dẫn động cho MG2. MG1 hoặc động như 1 motor để khởi động động cơ nhiệt của xe đồng thời điều khiển tỉ số truyền của bộ bánh răng hành tinh trong bộ phân chia công suất gần giống như 1 CVT.
Hình 2.6: Mô tơ máy phát MG1
+ Mô tơ-máy phát 2 (MG2): Có nhiệm vụ dẫn động cho bánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình phanh hoặc giảm tốc, MG2 hoạt động như 1
máy phát và hấp thụ động năng ( còn gọi là quá trình hãm tái sinh năng lượng ) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho acquy điện áp cao.
Hình 2.7: Mô tơ máy phát MG2
+ Bộ phân chia công suất: MG1 được kết nối với bánh răng mặt trời, MG2 kết nối với bánh răng bao và trục đầu ra của động cơ xăng gắn với cần dẫn của bánh răng hành tinh. Những bộ phần này được sử dụng để kết hợp phân phối công suất từ động cơ xăng và MG2, và để nạp lại năng lượng cho ắc qui điện áp cao
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân chia 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 nhiệt 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 nhiệt, 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).
Để hiểu rõ hơn về nguyên lí làm việc của bộ phân chia công suất (Power Split Device – PSD), ta khảo sát các chế độ làm việc của nó:
- Chế độ khởi động động cơ điện MG2:
Hình 2.9: Bộ PSD ở chế độ khởi động động cơ điện
Ngay lập tức sau khi nhấn nút khởi động hoặc nhấn bàn đạp ga để kích hoạt, hệ thống Hybrid sẽ hoạt động trở lại, động cơ nhiệt ngừng hoạt động.
Motor lớn, còn được biết đến là MG2 nhận điện năng từ ắc quy điện áp cao HV để tạo ra mômen làm quay các bánh xe, làm xe dịch chuyển (cùng chiều kim đồng hồ). Kết quả là bốn bánh răng hành tinh ăn khớp ngoài với MG2 quay theo (cùng chiều MG2 và quay quanh trục của nó), motor nhỏ, còn được gọi là MG1 (liên kết với bánh răng mặt trời) quay theo nhưng theo chiều ngược lại.
Hình 2.10: Bộ PSD ở chế độ khởi động động cơ nhiệt khi MG2 đang chạy Nếu mômen dẫn động yêu cầu tăng lên, lúc này MG1 sẽ nhận năng lượng từ ắc quy điện áp cao HV bắt đầu quay theo chiều kim đồng hồ. Kết quả là bốn bánh răng hành tinh ăn khớp ngoài với nó sẽ quay chậm lại nhưng vẫn cùng chiều với MG2 như lúc ban đầu. Khi mômen MG1 sinh ra lớn dần lên làm cho bốn bánh răng hành tinh tự động quay theo chiều ngược lại (ngược kim đồng hồ), tác động lên cần dẫn bốn bánh răng hành tinh, làm cần bắt đầu xoay. Do cần được nối với đầu ra trục khuỷu động cơ nhiệt nên nhờ vậy động cơ nhiệt bắt đầu khởi động, hỗ trợ công suất truyền đến các bánh xe.
- Chế độ chạy êm:
Khác với chế độ khởi động, ở chế độ chạy êm, cả MG1 và MG2 đều không được nhận năng lượng từ ắc quy điện áp cao HV.
Khi xe chạy ở tốc độ thấp ổn định, động cơ nhiệt cung cấp động năng cho các bánh xe. Đồng thời, bốn bánh răng hành tinh ăn khớp ngoài với động cơ nhiệt cũng làm MG1 quay cùng chiều kim đồng hồ với vai trò là một máy phát. Nó tạo ra điện năng và ngay lập tức được MG2 tiêu thụ.
Hình 2.11: Bộ PSD ở chế độ chạy êm
- Chế độ tăng tốc:
Hình 2.12: Bộ PSD ở chế độ tăng tốc
Khi xe tăng tốc, cả MG2 (nhận năng lượng hỗ trợ từ ắc quy điện áp cao HV) và động cơ nhiệt đều tham gia cung cấp động năng cho các bánh xe. MG1 cũng tham gia chuyển động quay với vai trò là một máy phát, tạo ra điện năng và ngay lập tức được MG2 tiêu thụ.
Sự chuyển đổi linh hoạt giữa máy phát - động cơ điện này là một lợi ích vô cùng to lớn đối với tuổi thọ của ắc quy, giảm được quá trình phóng nạp điện của ắc quy HV.
- Chế độ chạy theo trớn:
Hình 2.13: Bộ PSD ở chế độ chạy theo trớn
Chế độ này tương tự “tăng tốc”, nhưng cần ít năng lượng hơn. Số vòng quay của động cơ nhiệt giảm xuống đến lúc các bánh răng hành tinh quay theo chiều ngược lại. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tốc độ của xe giảm xuống thấp hơn 15 mph, lúc này động cơ nhiệt sẽ ngừng hoạt động và hệ thống chuyển sang chế độ “thả trôi”.
- Chế độ thả trôi xe:
Khi không còn cần năng lượng từ các nguồn động lực, động cơ nhiệt sẽ tắt hoàn toàn. Động năng từ bánh xe làm quay MG2 (để tạo ra điện nạp cho ắc quy điện áp cao HV), nhờ đó bốn bánh răng hành tinh vẫn tiếp tục quay quanh trục của nó, MG1 quay tự do, điều này cũng tương tự như xe đang về số 0 đối với các xe số sàn thông thường.
- Chế độ chạy lùi:
Hình 2.15: Bộ PSD ở chế độ chạy lùi
Khi động cơ nhiệt ngừng hoạt động, MG2 sẽ quay để dẫn động các bánh xe chạy lùi. Kết quả là bốn bánh răng hành tinh quay theo (cùng chiều với MG2), MG1 quay theo nhưng theo hướng ngược lại. Động cơ nhiệt có thể bị khởi động trong khi xe chạy lùi, tuy nhiên lúc này chế độ chạy lùi vẫn tiếp tục diễn ra. MG1 chỉ cần quay nhanh hơn để bù đắp sự thay đổi tốc độ bên trong, giữ xe chuyển động cùng tốc độ.
Đây là một thiết kế đơn giản nhưng rất tinh tế, cung cấp một loạt các chế độ linh hoạt chỉ với một vài bộ phận nhỏ tham gia liên tục và lâu dài.
Hình 2.16: Bộ PSD ở chế độ chạy lùi khi động cơ nhiệt hoạt động
Ở một vài thời điểm của chế độ “chạy lùi”, động cơ nhiệt có thể bị khởi động. Khi điều này xảy ra, nó làm giảm động năng có ích truyền đến các bánh xe. Song việc động cơ khởi động cung cấp đồng thời nhiệt năng và điện năng nên điều này có thể chấp nhận được. Chế độ này rất tiện lợi vì đã loại bỏ hoàn toàn số lùi truyền thống như trên các xe khác.
+ Bộ phận điều khiển điện tử động cơ điện: Điều khiển động cơ điện hoạt động thích hợp với từng chế độ vận hành của xe, đồng thời có tích hợp 1 bộ chuyển đổi dòng điện. Dòng điện giữa MG1, MG2 và Ắc qui điện áp cao được điều khiển nhờ bởi bộ chuyển đổi điện. Bộ chuyển đổi điện biến đổi dòng điện một chiều của Ắc qui điện áp cao thành nguồn điện xoay chiều, và nó điều chỉnh dòng điện xoay chiều điện áp cao từ MG1 và MG2 để nạp lại cho Ắc qui điện áp cao.
Hình 2.17: Bộ truyền đổi điện
+ Ắc qui điện áp cao: Ắc qui lưu trữ năng lượng được phục hồi bởi MG2 trong suốt quá trình phanh tái sinh và năng lượng được tạo ra bởi MG1. Ắc qui cung cấp điện đến mô tơ điện khi khởi động động cơ xăng kết thúc hoặc khi công suất cần bổ sung được yêu cầu
Hình 2.18: Ắc quy điện áp cao