Hình 2.20 Cấu tạo bộ chia công suất
a. Cấu tạo
Toyota Prius sử dụng kết hợp hai nguồn động lực là động cơ đốt trong và động cơ điện. Động cơ đốt trong là một động cơ nhiệt 1NZ-FXE sử dụng nhiên liệu xăng, còn động cơ điện ở đây là một tổ hợp motor-máy phát điện, nó là một motor điện khi cần cung cấp cơ năng cho hệ thống hoạt động và là máy phát điện để nạp điện cho acquy khi tận dụng nguồn năng lượng dư thừa của động cơ nhiệt hoặc tái sinh năng lượng trong quá trình phanh giảm tốc độ, xuống dốc,… Bộ phân chia công suất phối hợp hai nguồn động lực này một cách tối ưu nhất để tận dụng tối đa nguồn năng lượng, giúp tiết kiệm nhiên liệu.
Bộ phân chia công suất (PSD) thực chất là một hệ bánh răng hành tinh trong đó:
- Vành răng bao liên kết với tổ hợp motor-máy phát số 2 (MG2). Trục vành răng bao cũng là trục ra của bộ phân chia công suất, truyền momen qua một hệ bánh răng tới trục bánh xe.
- Bánh răng mặt trời liên kết với tổ hợp motor-máy phát số 1 (MG1). - Giá của các bánh răng vệ tinh liên kết với trục ra động cơ nhiệt.
b. Nguyên lí làm việc
Cụm bánh răng hành tinh trong bộ phân chia công suất có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính 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 chính, 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 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 năng để dẫn động cho MG2. MG1 hoạt động như một mô tơ để khởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh gần giồng như một CVT. MG2 có nhiệm vụ dẫn động cho các bánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2 hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm tái sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc quy điện áp cao. Để hiểu rõ hơn về nguyên lí làm việc của PSD, ta khảo sát các chế độ làm việc của nó:
+ Chế độ khởi động:
Ngay lập tức sau khi nhấn nút khởi động hoặc hoặc nhấn bàn đạp ga để kích hoạt, hệ thống hybrid sẽ hoạt động trở lại. Thành phần được mô tả ở trung tâm là motor, còn được biết đến là MG2 sẽ bắt đầu quay theo chiều kim đồng hồ, 4 bánh răng hành tinh ăn khớp ngoài với nó sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. Khi tốc độ tăng lên, momen sinh ra sẽ tác động lên cần giữ 4 bánh răng hành tinh, làm cần bắt đầu xoay. Do cần được nối với trục khuỷu động cơ nên nhờ vậy động cơ bắt đầu khởi động.
+ Chế độ tăng tốc:
Khi xe tăng tốc, cả motor lớn và động cơ nhiệt đều tham gia cung cấp động năng cho các bánh xe. Motor nhỏ cũng tham gia chuyển động quay với vai trò là một máy phát. Nó tạo ra điện năng và ngay lập tức cho motor lớn 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 ac quy, giảm được quá trình phóng nạp điện của ăc quy.
Hình 2.23 Bộ PSD ở chế độ tăng tốc
Hình 2.24 Bộ PSD ở chế độ chạy lùi
Khi động cơ nhiệt ngừng hoạt động, motor MG1 sẽ quay để dẫn động các bánh răng hành tinh. Kết quả là motor MG2 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. Động cơ điện nhỏ 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.