2.3.1 Khái niệm chung
Ơ tơ Hybrid là dịng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thông thường (xăng, Diesel…) với động cơ điện lấy năng lượng điện từ một ắc quy cao áp. Điểm đặc biệt là ắc quy được nạp điện với cơ chế nạp “thông minh” như khi xe phanh, xuống dốc…, gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng. Nhờ vậy mà ơ tơ có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết.
2.3.2 Xu hướng phát triển của ô tô Hybrid
Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung khơng giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể.
11
Các xe chạy bằng Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ơ nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ơ tơ nói riêng và mọi người nói chung.
Ơ tơ sạch khơng gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ơ tơ ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được cơng bố trong những năm gần đây, như: hồn thiện q trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tơ như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (Hybrid)... Phạm vi bài đồ án tốt nghiệp chỉ bàn về ô tô Hybrid.
Ơ tơ Hybrid
Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ô tô Hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và mơi trường. Có thể nói, cơng nghệ Hybrid là chìa khóa mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ơ tơ, đó là ơ tơ khơng gây ơ nhiễm mơi trường hay cịn gọi là ơ tơ sinh thái.
Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ô tô Hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ơ tơ trên thế giới. Ngày càng có nhiều mẫu ơ tơ Hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ơ tô này.
Ơ tơ sử dụng Hydrogen, ô tô điện, ô tô pin mặt trời... cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, không dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta. Trong bối cảnh đó thì ơ tơ Hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ nhiệt và động cơ điện) được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ô tô sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe mơi trường đơ thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu.
Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe Hybrid nhiệt điện hoạt động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường dài hàng trăm kilomet tương đối bằng phẳng... Chứ không thể sử dụng ô tô Hybrid nhiệt điện thay hẳn các loại ơ tơ khác vì tính cơng nghệ lai cịn nhiều hạn chế, mà
12
cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho động cơ điện, vì nếu dùng bình ắc quy thơng thường thì số lượng bình rất nhiều.
Trong phạm vi bài đồ án tốt nghiệp này chỉ bàn về dịng ơ tơ Hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ nhiệt và động cơ điện) là loại ô tô Hybrid thông dụng nhất hiện nay.
2.3.3 Phân loại ô tô Hybrid
2.3.3.1 Theo thời điểm phối hợp công suất 2.3.3.1.1 Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm
Khi ô tô bắt đầu khởi hành, motor điện sẽ hoạt động cung cấp công suất giúp xe chuyển động và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 24 km/h trước khi động cơ nhiệt tự khởi động. Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ nhiệt phải khởi động ngay lập tức mới có thể cung cấp cơng suất tối đa. Ngồi ra, motor điện và động cơ nhiệt cũng hỗ trợ cho nhau khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như khi leo dốc, leo núi hoặc vượt qua xe khác. Do motor điện được sử dụng nhiều ở tốc độ thấp, nên loại này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đường phố hơn là khi đi trên đường cao tốc. Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai dịng điển hình thuộc loại này.
2.3.3.1.2 Phối hợp khi cần công suất cao
Motor điện hỗ trợ động cơ nhiệt chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xe khác, cịn trong điều kiện bình thường xe vẫn chạy bằng động cơ nhiệt. Do đó, những chiếc Hybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đường cao tốc vì đó là khi động cơ nhiệt ít bị gánh nặng nhất. Điển hình là Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộc loại thứ hai.
Cả hai loại này đều lấy công suất từ ắc quy khi motor điện được sử dụng và đương nhiên nó sẽ làm yếu cơng suất của ắc quy. Tuy nhiên, một chiếc xe Hybrid không cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc.
13
2.3.3.2 Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện 2.3.3.2.1 Kiểu nối tiếp
Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc quy hoặc cung cấp cho động cơ điện .
Hình 2.9 Hệ thống Hybrid nối tiếp
Dòng điện năng sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện. Động cơ điện ở đây cịn có vai trị như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh.
Hình 2.10 Sơ đồ truyền động hệ thống Hybrid nối tiếp
Ưu điểm: Động cơ nhiệt sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường, động cơ nhiệt có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ô tô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ắc quy. Sơ đồ này có thể khơng cần hộp số.
14
Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp cịn tồn tại những nhược điểm như: kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ nhiệt luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị quá tải.
2.3.3.2.2 Kiểu song song (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song. Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trị là nguồn năng lượng truyền mơmen chính cịn motor điện chỉ đóng vai trị trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc.
Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi động động cơ nhiệt và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy.
Ưu điểm: Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp.
Nhược điểm: Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế cơng suất lớn hơn kiểu ghép nối tiếp. Tính ơ nhiễm mơi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu khơng cao.
15
Hình 2.12 Sơ đồ truyền động hệ thống Hybrid song song 2.3.3.2.3 Kiểu hỗn hợp 2.3.3.2.3 Kiểu hỗn hợp
Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa các lợi ích được sinh ra. Hệ thống ghép nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động. Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện. Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe Hybrid.
Hình 2.13 Hệ thống Hybrid hỗn hợp
16
2.3.3.2.4 So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất
Tỷ lệ sử dụng động cơ nhiệt và motor điện trong kiểu phối hợp cơng suất
Vì kiểu nối tiếp sử dụng động cơ nhiệt để sinh ra điện cho motor vận hành bánh xe, chúng có cùng lượng cơng việc như nhau.
Còn kiểu song song dùng động cơ nhiệt như nguồn năng lượng chính, cịn motor điện chỉ để trợ giúp, nên động cơ nhiệt được sử dụng nhiều hơn.
Với kiểu hỗn hợp, có một bộ phận liên tục (bộ phân chia công suất) thay đổi tỷ lệ truyền công suất từ động cơ nhiệt tới các bánh xe chủ động. Vì motor điện có thể vừa vận hành xe, vừa làm nhiệm vụ tạo ra dòng điện nạp nên so với động cơ nhiệt, nó được sử dụng nhiều hơn đôi chút.
Bảng 2.1 So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất
Kiểu ghép
Tính kinh tế nhiên liệu Tính năng lái
Không tải Phục hồi năng lượng Điều khiển vận hành cao Tổng
hiệu suất Tăng tốc
Ổn định cao Nối tiếp Song song Hỗn hợp
17
CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU XE TOYOTA PRIUS 3.1 Tổng quan Toyota Prius
Prius là một từ tiếng Latinh có nghĩa là đi trước. "Toyota chọn tên này vì xe Prius là tiền thân của những chiếc xe sau này. Dân số tăng nhanh và phát triển kinh tế trong những thập kỷ gần đây đã dẫn đến việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch trên quy mơ tồn cầu tăng mạnh. Đối mặt với những thách thức để tạo ra một phương tiện thân thiện với trái đất, Toyota đã sản xuất ô tô hybrid sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới.
Hệ thống hybrid là làn sóng của tương lai, và bây giờ có nhiều ưu đãi hơn khi mua một chiếc. Chủ sở hữu xe Prius, hoặc bất kỳ phương tiện lai chạy xăng và điện nào khác, có thể đủ điều kiện để được khấu trừ thuế thu nhập liên bang. Theo sở thuế vụ, xe hybrid đủ điều kiện để được khấu trừ thuế âu đời áp dụng cho các loại xe chạy bằng nhiên liệu đốt sạch. Chính sách cho phép khấu trừ một lần, người tiêu dùng có thể yêu cầu bồi thường cho năm chiếc xe được đưa vào sử dụng lần đầu tiên.
Ở dạng đơn giản nhất, hệ thống hybrid kết hợp các đặc tính vận hành tốt nhất của động cơ đốt trong và động cơ điện.
Các hệ thống hybrid phức tạp hơn, chẳng hạn như Toyota Hybrid System, phục hồi năng lượng bị mất do nhiệt trong hệ thống phanh và sử dụng nó để bổ sung sức mạnh cho động cơ đốt cháy nhiên liệu của nó. Những kỹ thuật phức tạp này cho phép Hệ thống Toyota Hybrid đạt được hiệu suất nhiên liệu vượt trội và giảm lượng lớn khí CO2.
Khi chiếc Prius lần đầu tiên được ra mắt, nó đã được chọn là chiếc xe chở khách có động cơ tốt nhất thế giới vào năm 2001. Chiếc xe được chọn vì nó là chiếc xe hybrid đầu tiên có sức chứa từ 4 đến 5 người cùng với hành lý của họ và nó là một trong những loại xe kinh tế nhất. và các phương tiện thân thiện với môi trường có sẵn. Sau đó, vào năm 2004, Prius thế hệ thứ hai đã giành được giải thưởng danh giá Xe xu hướng của năm và xe có thiết kế tốt nhất năm 2004.
Hệ thống truyền động Toyota Hybrid System (THS) trên Prius nguyên bản và hệ thống truyền động Toyota Hybrid System II (THS-II) trong chiếc thứ hai Prius thế hệ đều cung cấp con số tiết kiệm nhiên liệu EPA ấn tượng và khí thải cực kỳ sạch:
18
Bảng 3.1 So sánh lượng khí thải giữa THS và THS-II (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
THS (2001 2003 Prius) THS-II (2004 và sau đó) Thành phố 52 mpg Thành phố 60 mpg Đường cao tốc 45 mpg Đường cao tốc 51 mpg
SULEV AT-PZEV
● Tiêu chuẩn SULEV nghiêm ngặt hơn khoảng 75% só với ULEV và sạch hơn gần 90% với LEV đối với khí thải tạo khói.
● Xe SULEV sẽ thải ra ít hơn một pound hydrocacbon trong 100.000 dặm lái xe (tương đương với việc làm đồ một bình xăng).
● Xe AT-PZEV sử dụng công nghệ tiên tiến có khả năng sản xuất khơng phát thải trong ít nhất một phần chu kỳ lái xe của xe.
19
Bảng 3.2 Những điểm khác nhau chính của THS và THS-II
Hạng mục Khái quát
Ắc quy HV
Ắc Quy HV của xe Prius cũ có 228 ngăn ({1.2 V x 6 ngăn} x 38 môđun) với điện áp danh nghĩa là DC 273.6 V. Ngược lại, ắc quy HV của xe Prius mới có 168 ngăn ({1.2 V x 6 ngăn} x 28 môđun) với điện áp danh nghĩa là DC 201.6 V. Đã đạt được ắc quy gọn và nhẹ thông qua việc những cải tiến bên trong.
Trên xe Prius cũ, việc nối giữa các ngăn của ắc quy HV có một điện. Ngược lại, những ngăn trong xe Prius mới được nối với nhau bằng 2 điểm. Nhờ sự cải tiến này điện trở trong các ắc quy đã được giảm xuống.
Bộ đổi điện
Có một bộ chuyển đổi tăng cường nằm trong bộ đổi điện. Bộ phần này làm tăng điện áp danh nghĩa DC 201.6 V được phát ra từ ắc quy HV để tăng tối đa điện áp DC 500 V.
MG1
Song hành với việc nâng cao roto loại không dùng chổi than của MG1, vùng tốc độ quay của nó để đạt được cơng suất ra lớn nhất có thể đã tăng từ 6,500 đến 10,000 vịng/phút. Vì vậy, khả năng nạp của nó đã được cải thiện.
MG2
Cấu tạo của mỗi nam châm vĩnh cửu bên trong rơto của MG2 đã được tối ưu hóa bằng cách thiết kế lại thành cấu trúc hình chữ V và cải thiện cơng suất ra của nó và đạt được công suất. Đối với việc điều khiển MG2, phát triển mới hệ thống điều khiển môđun đã được áp dụng cho phạm vi tốc độ trung bình.
HV ECU
HV ECU đã được chế tạo để điều khiển hiệu quả các hệ thống và các chức năng mà nó đã được áp dụng trên xe Prius mới.
20
HV ECU đã được thay đổi từ CPU 16-bit đến CPU 32- bit để tăng tốc độ xử lý tín hiệu.
ECU động cơ ECU động cơ đã được thay đổi từ ECU 16-bit đến CPU 32-bit để tăng tốc độ xử lý tín hiệu.
ECU ắc quy
ECU ắc quy được chế tạo gọn nhẹ hơn thông qua việc tối ưu hóa cấu tạo.
ECU ắc quy đã được thay đổi từ ECU 16-bit thành CPU 32-bit để tăng tốc độ xử lý tín hiệu.
ECU điều khiển trượt ECU điều khiển trượt đã được thay đổi từ ECU 16-bit thành CPU 32-bit để tăng tốc độ xử lý tín hiệu.
Hệ thống thông tin
Hệ thông tin CAN (Controller Area Network) đã được trang bị để thiết lập thơng tin trong các ECU chính (HV ECU, ECU ắc quy, Ecu động cơ và ECU điều khiển trượt) đã được liên kết với hệ thống điều khiển THS-II.
3.2 Cấu tạo của các bộ phận chính
Bố trí các chi tiết chính (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});