33
Bộ phân chia cơng suất (PSD) chính 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 cụm tổ hợp motor-máy phát số 1 (MG1).
- Giá của các bánh răng vệ tinh liên kết với trục đầu ra của động cơ nhiệt.
Hình 2. 9 Cấu tạo bộ phân chia công suất PSD trên động cơ Hybrid
Cụm bánh răng hành tinh có nhiệm vụ chia cơng suất từ động cơ chính của xe thành 2 thành phần: Phần dành cho cơ và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh hoạt động như một hộp số vô cấp (Continuously Variable Transmission – CVT).
Bộ phận chuyển dổi điện( Inverter with converter)
Có tác dụng biến dịng 1 chiều từ ác quy điện áp cao(HV) thành dòng xoay chiều làm quay động cơ điện hoạc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng 1 chiều nạp cho ác quy.
Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng
34
một chiều để nạp điện cho ắc-quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
Hình 2. 10 Bộ chuyển đổi điện
2.9 Pin điện áp cao (HV)
Pin hybrid, cụ thể là dùng trong mẫu SUV Toyota Corolla Cross Hybrid là pin công nghệ Niken-metal, không cần phải cắm điện.
Pin chính của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắc chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Thường gồm 120-250 cặp cực ắc-quy với điện áp chuẩn là 144V-350 Volt (1,2V/cặp cực ắc-quy) được sạc điện bởi động cơ chính thơng qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng Đó là do pin liên tục được sạc lại bởi động cơ đốt trong thông qua máy phát điện khi ở trạng thái vận hành hoặc khi động cơ điện trong quá trình giảm tốc và có thể tái tạo lại nguồn điện khi phanh.
35
Hình 2. 11 Hệ thống pin điện áp cao
2.10 Cáp nguồn
Cáp nguồn hay cáp cơng suất trong xe hybrid dùng để truyền dịng điện có cường độ và điện áp cao giữa các thiết bị như ắc-quy điện cao áp, bộ chuyển đổi, các tổ hợp MG1, MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa. Đường dây cao áp và các giắc nối được đánh dấu bằng mầu da cam như trong hình trên.
Hình 2. 12 Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao
2.11 Ác quy phụ
Loại ắc-quy DC12V này được bố trí cố định phía sau xe, có tác dụng duy trì và cung cấp dịng điện một chiều ổn định cho các hệ thống như hệ thống giải trí, chiếu sáng, ECU,...
36
Hình 2. 13 Vị trí ác quy phụ
2.12 Các bộ phận khác có cộng dụng hỗ trợ xe
Ngoài ra trong ơtơ hybrid cịn kết hợp một số cơng nghệ hiện đại khác để nhằm tăng khả năng vận hành, giảm khí thải gây ơ nhiễm và tối đa hóa khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Khí động lực học/ hệ số kéo thấp
Để có được những bề mặt nhẵn, các kỹ sư chế tạo xe hybrid thường phải viện đến những đặc điểm thiết kế không theo quy ước nhằm tối đa hóa khả năng khí động. Ví dụ, Honda Insight có một hệ số kéo vơ cùng thấp (0,25) do bề mặt nhẵn và dáng vẻ kỳ dị ở bánh sau. Ngay cả Toyota Prius, trơng có vẻ bình thường trong mắt những người khơng chun nghiệp, cũng có hệ số kéo chỉ 0,29 do các kỹ sư đã tìm cách để làm nó trơn tru nhất. Tất cả các nhà sản xuất đều cố gắng giảm hệ số kéo ở bất cứ nơi đâu có thể bởi vì một chiếc xe với hệ số kéo thấp cần ít công suất (và nhiên liệu) hơn để vận hành.
Ngắt tự động động cơ xăng
Để giảm tiêu thụ nhiên liệu, tất cả các xe hybrid đều cố gắng hạn chế tối đa động cơ xăng trong suốt q trình hoạt động. Nó khơng chỉ tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải mà cịn ngừng tiêu thụ điện năng. Tương tự như một chiếc xe ngựa hai bánh, motor điện khởi động lại động cơ xăng khi lái xe nhấn lại pê đan tăng tốc. Đây là một hoạt động khá liền mạch, hầu như khơng có sự trì hỗn hay mất khả năng vận hành cho lái xe.
37
Honda Civic Hybrid sử dụng hệ thống này để giảm sự kéo của động cơ và cho phép motor điện giành được nhiều năng lượng nhất trong suốt quá trình phanh tái tạo năng lượng. Một động cơ xăng thơng thường phanh động cơ trong q trình xuống dốc bằng hoạt động bơm của xylanh. Hoạt động này sẽ giành năng lượng từ động cơ điện để nạp ắc-quy.
Có thể tránh sự kéo động cơ bằng cách đưa khớp ly hợp vào xe với một hộp số sàn hoặc đặt xe ở số không với một CVT. Hệ thống vô hiệu xylanh của Honda thực hiện điều này bằng cách đóng van hút và xả trên 3 trong 4 xylanh, cho phép pít tơng di chuyển tự do trong xylanh, vì vậy có thể giảm sự kéo động cơ và tối đa hóa năng lượng mà motor điện thu được.
Tối ưu hóa đường khí thải
Integrated Exhaust Manifold: được đặt trực tiếp vào đầu xylanh nhằm giảm khối lượng và tối ưu hóa dịng khí xả, vì vậy giúp tăng vận hành và khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Pít tơng ma sát nhỏ
Thơng qua một q trình rèn đặc biệt, sự ma sát ở thành xylanh giảm làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Kết hợp với công nghệ Offset Cylinder Bores nhằm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm ma sát đẩy của pít tơng khi chúng di chuyển bên trong xylanh.
Công nghệ biến thiên lưu lượng khí nạp
Thực hiện đưa hỗn hợp nhiên liệu vào đủ tương ứng với từng chế độ hoạt động của động cơ để đạt được cháy hồn tồn, nhằm tối ưu hóa q trình cháy để thực hiện tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu ơ nhiễm do khí xả.
Sử dụng những vật liệu tiên tiến
Việc sử dụng những vật liệu tiên tiến - như magie, hợp kim nhôm và nhựa dẻo – làm giảm khối lượng của xe. Việc giảm khối lượng làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải và giúp vận hành hiệu quả hơn.
Với tất cả những công nghệ tiên tiến, khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải của mình, ơtơ hybrid được xem là những chiếc xe của tương lai. Chắn chắn, với những model hybrid mới xuất hiện và những model đang được phát
38
triển, công nghệ này sẽ là đóng vai trị chính trong bức tranh của ngành ơ tô những năm sắp tới.
39
Chương 3 Nguyên lí hoạt động chính trên xe hybrid
3.1 Hộp số CVT
Hộp số CVT là từ viết tắt của “Continuously Variable Transmission”, có nghĩa là hộp số biến thiên vơ cấp.
Hình 3. 1 Hộp số CVT
Hộp số CVT là loại hộp số mà có thể thay đổi tỷ số truyền liên tục mà không phân theo từng cấp số. Loại hộp số này tạo nên các tỷ số truyền bằng dây đai và 2 hệ Pulley (Pulley thứ cấp và Pulley sơ cấp), không phải bằng các bánh răng như các loại hộp số ô tô khác.
Pulley là hệ thống gồm 2 ròng rọc được kết nối với nhau bằng dây Curoa, ròng rọc trượt ra vào làm thay đổi độ cao của đầu dây, tạo ra sự biến thiên cho bán kính quay. Bán kính quay của hệ Pulley thay đổi dẫn đến các tỷ số truyền khác nhau, từ đó tạo ra các cấp số phù hợp với tốc độ vòng tua máy của động cơ. (5)
40
Hình 3. 2 Cấu tạo và cách hệ Pulley hoạt động
Hộp số tự động vơ cấp (CVT) và có cấp (AT) đều là hộp số tự động được điều khiển bằng hệ thống thuỷ lực. Tuy nhiên, hộp số vô cấp khác hộp số có cấp ở đặc điểm: một loại khơng có các cấp số, một loại được phân chia nhiều cấp số như 1, 2, 3, 4… giống hộp số sàn.
Hình 3. 3 Hộp số E-CVT trên Toyota corolla Cross
Chiều rộng của các ròng rọc thay đổi tùy thuộc vào lượng điện mà xe cần. Khi một rịng rọc lớn hơn, thì rịng rọc kia nhỏ lại. Vì cả puli và dây đai
41
đều khơng cố định nên chúng có thể cung cấp vơ số tỷ số truyền, ngược lại với loại tự động có số bánh răng cố định.
Hình 3. 4 Ngun lí thay đổi tỉ số truyền
Bằng cách thay đổi kích thước pulley. Từ đó tạo ra tỉ số truyền phù hợp thay đổi linh hoạt với từng chế độ làm việc của xe.
42
Hình 3. 5 Bơm cánh gạt
Có tác dụng tạo ra áp suất để thay đổi tỉ số truyền của hộp số.
3.2 Bộ chia công suất
Cụm bánh răng hành tinh trong bộ phân chia cơng suất có nhiệm vụ chia cơng 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 cơng 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).
43
Hình 3. 6 Vị trí bộ chia cơng suất
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 (cịn gọi là q 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:
44
Hình 3. 7 Chế độ khởi động
Hình 3. 8 Bộ PSD ở 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.
45
Thành phần được mơ tả ở trung tâm là motor nhỏ, cịn được biết đến là MG1 sẽ bắt đầu quay theo chiều kim đồng hồ, 4 bánh răng hành tinh ăn khớp ngồi 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.
Ngoài ra cần lưu ý rằng 4 bánh răng hành tinh cũng ăn khớp với vành răng ngoài, tuy nhiên nhưng động năng khơng được truyền cho vành răng ngồi mà các bánh răng hành tinh tự quay quanh mình, do vậy bánh xe không dịch chuyển. Nhưng nếu các bánh xe đã trong quá trình chuyển động, quá trình khởi động cũng diễn ra tương tự, điểm khác biệt duy nhất đó là motor nhỏ cần ít năng lượng hơn để khởi động được động cơ. (6)
+ Chế độ chạy êm:
46
Hình 3. 10 Bộ PSD ở chế độ chạy êm
Mặc dù q trình này xảy ra có vẻ giống quá trình “Khởi động”, song chúng khác nhau hồn tồn. Thay vì cơng suất nhận được từ bánh răng mặt trời, chúng được truyền từ vành răng bao. Motor lớn, còn được gọi là MG2 nhận điện năng từ ac-quy HV để tạo ra momen làm quay vành răng bao, truyền công suất đến các bánh xe.
Động năng của vành răng bao làm quay 4 bánh răng hành tinh. Nếu MG1 ở trung tâm được giữ lại (nhờ năng lượng điện), cần giữ 4 bánh răng hành tinh sẽ quay làm quay động cơ. Nhưng trên thực tế MG1 quay tự do, như vậy các bánh răng mặt trời và bánh răng hành tinh quay tự do quanh trục của nó.
47
Hình 3. 11 Chế độ tăng tốc
Hình 3. 12 Bộ PSD ở 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 vơ cùng to lớn đối với tuổi thọ của ac quy, giảm được q trình phóng nạp điện của ăc quy.
48
Hình 3. 13 Chế độ thấp ổn định
Hình 3. 14 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
49
thấp hơn 42 MPH, lúc này động cơ nhiệt sẽ ngừng hoạt động và hệ thống chuyển sang chế độ “Thả trôi”.
+ Chế độ chạy lùi:
Hình 3. 15 Bộ PSD ở chế độ chạy lùi
Khi động cơ nhiệt ngừng hoạt động, motor nhỏ sẽ quay để dẫn động các bánh răng hành tinh. Kết quả là motor lớn 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.
50
Hình 3. 16 Bộ PSD ở chế độ chạy lùi khi động cơ 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.
+ Chế độ thả trơi xe:
Hình 3. 17 Bộ PSD ở chế độ thả trơi xe
Khi khơng cịn cần năng lượng từ các nguồn động lực, tốc độ của xe thấp hơn 42 MPH, động cơ nhiệt sẽ tắt hoàn toàn, song các bánh răng hành tinh vẫn
51
tiếp tục quay cịn cần giữ chúng thì đứng n nhờ đó các động cơ điện quay tự do, điều này cũng tương tự như xe đang về số 0 đối với các xe số sàn thơng thường.
3.3 Chu trình tái tạo năng lượng
Khái quát phanh tái tạo năng lượng
Đây là hệ thống rất quan trọng trong thiết kế xe hybrid. Hệ thống này giúp tái hấp thu và sử dụng lại lượng động năng bị hao phí trong q trình xe giảm tốc hoặc phanh. Máy phát sẽ lấy năng lượng động năng của xe tạo ra điện và dùng để nạp thẳng vào ắc quy, vì thế động cơ được giảm bớt công sinh cho máy phát, nhiên liệu được tiết kiệm hơn. Nhờ có ác quy cao áp của hệ thống này mà xe có thể chỉ vận hành bằng điện mà khơng cần có sự hỗ trợ của động cơ đốt trong. Vì vậy sẽ góp phần làm tăng tính kinh tế nhiên liệu cũng như mức độ ơ nhiễm môi trường được cải thiện hơn. (7)
Khái niệm và chức năng hệ thống phanh tái tạo
Khái niệm : Phanh tái tạo năng lượng là quá trình chuyển hóa động năng thành điện năng và nạp lại vào ác quy. Chính vì vậy rất nhiều năng lượng hao