Đối với xe lai kiểu hỗn hợp sử dụng bộ bánh răng hành tinh làm khớp nối tốc độ, sẽ có rất nhiều lựa chọn khác nhau trong việc kết nối các bộ phận của bộ bánh răng hành tinh đến hệ thống truyền động:
Hình 2.14 Các cách bố trí sơ đồ truyền động
Tuy nhiên, qua tính tốn việc kết nối động cơ-cần dẫn, bánh răng bao-bánh xe chủ động, bánh răng mặt trời-motor sẽ là sự lựa chọn hợp lý. Ở cách kết nối này, động cơ sẽ hoạt động tối ưu, giảm được kích thước của motor/máy phát, tiết kiệm chi phí, hiệu suất hoạt động tốt.
Lúc này, moment xoắn của động cơ (Te) , motor ( Tm) sẽ có mối liên hệ: Te = -kysTm Tốc độ xe Công suất Tốc độ quay
động cơ Tốc độ quay MG1 40 dặm/giờ 3.6kW 1,300 vòng/phút - 1,470 vòng/phút 50 dặm/giờ 5.9kW 1,500 vòng/phút - 2,003 vòng/phút 60 dặm/giờ 9.2kW
Bảng 2.6 Mối liên hệ giữa tốc độ xe và công suất ứng với tốc độ quay động cơ và mô tơ
2.1.5 Bộ chuyển đổi DC-DC:
Nguồn điện cung cấp cho những thiết bị phụ thêm của xe (như là đèn, hệ thống âm thanh, quạt làm mát A/C, ECUs,...) thì được dựa trên hệ thống nguồn một chiều 12V.
điện áp đầu ra máy phát THS-II là 201.6V DC. Bộ chuyển đổi biến đổi điện áp từ 201.6V DC thành 12V DC nạp vào ắc qui phụ.
Hình 2.8 Bộ chuyển đổi DC-DC
2.1.6 Bộ chuyển đổi A/C:
Hình 2.9 Bộ chuyển đổi AC
Cụm bộ chuyển đổi bao gồm 1 bộ chuyển đổi dành riêng cho hệ thống điều hịa khơng khí để biến đổi điện áp một chiều ắc qui HV 201.6V thành điên áp xoay chiều 201.6V cung cấp cho máy nén điện của hệ thống điều hịa khơng khí.
2.1.7 Nguồn cao áp
2.1.7.1 Tổng quan
Công nghệ ắc quy Niken-kim loại hydrua đã phát triển cho hệ thống Hybrid cung cấp cả về mật độ công suất và độ bền tốt nhất, trọng lượng nhẹ thích hợp với những đặc điểm của hệ thống Hybrid. Hệ thống Hybrid điều khiển tỉ lệ nạp và phóng để giữ cho ắc quy HV ở tình trạng nạp ổn định.
Ắc quy HV, ECU ắc quy, và rơ le chính của hệ thống (SMR: System Main Relay) được bọc kín trong một thùng tín hiệu và được đặt trong khoang hành lí phía sau chổ ngồi sau để đảm bảo hiệu quả khoảng không gian xe.
Một bộ nối điện dùng để ngắt mạch điện được lắp ráp ở chổ giữa 28 mô đun.(giữa môđun 19 và mơđun 20). Trước khi bảo dưỡng bất kì thành phần nào của mạch điện cao áp, phải bảo đảm tháo bộ nối điện.
Đảm bảo tính năng hoạt động của ắc quy HV tính đến nhiệt được tạo ra trong ắc quy trong thời gian nạp và phóng, ECU ắc quy điều khiển hoạt động của quạt làm mát.
Ắc quy HV của Prius thế hệ 04 bao gồm 168 ngăn (1.2V x 6 ngăn) x 28 môđun) với điện áp là 201.6V.
Sự kết nối giữa các ngăn của ắc quy HV được mắc song song với nhau. Do vậy điện trở bên trong của ắc quy cũng được giảm đi nhờ cải tiến này.
2.1.7.2 Cáp nguồn
Là một cáp điện áp cao, dòng điện cao áp dùng kết nối ắc qui HV với bộ chuyển đổi và bộ chuyển đổi với MG2. Prius thế hệ 04 trở về sau, cáp nguồn kết nối bộ chuyển đổi với máy nén A/C.
Cáp nguồn được định vị phía dưới chỗ ngồi sau, qua bảng điều khiển sàn dọc phía dưới cốt sàn xe. Bộ dây dẫn 12V DC từ 1 định vị tương tự từ ắc qui phụ tới phía trước của xe.
Cáp nguồn được bảo vệ để làm giảm nhiễu điện từ. Để thuận lợi cho mục đích nhận dạng thì bộ dây dẫn cao áp và đầu nối được định dạng bằng màu cam để phân biệt chúng với dây dẫn hạ áp thơng thường.
Hình 2.11 Cáp nguồn
2.1.7.3 Ắc quy nikel-kim loại hydrua HV:
Sử dụng loại Niken- kim loại hydrua (ắc qui hydrua kim lọai kiềm (NiNH)). Công nghệ ắc qui giống như điện thoại và máy tính xách tay.
Bộ ắc qui HV gồm 6 ngăn Niken-kim loại hydrua 1.2V được mắc nối tiếp tạo thành 1 môđun.
28 môđun được kết nối cho điện áp định mức 201.6V. Những ngăn được kết nối song song để làm nhỏ điện trở bên trong của ắc qui.
Điện năng được lưu trữ trong ắc qui được phục hồi bởi MG2 trong thời gian phanh tái sinh và tạo năng lượng bởi MG1. Ắc qui cung cấp điện đến mô tơ điện khi đã khởi động hoặc khi cần tăng cơng suất.
Hình 2.12 Ắc qui HV
2.1.7.4 ECU ắc qui
Chức năng
Hình 2.13 ECU ắc qui Prius thế hệ 04 về sau
Đánh giá tỉ lệ dịng nạp/phóng và cơng suất nạp và phóng u cầu đến ECU HV để duy trì tình trạng nạp ở mức trung tâm.
Đánh giá lượng nhiệt phát ra trong thời gian nạp và phóng, và điều chỉnh quạt làm mát để duy trì nhiệt độ ắc qui HV.
Kiểm tra nhiệt độ và điện áp của ắc qui và nếu có sự sai chức năng được tìm thấy, thì có thể ngăn chặn hoặc dừng việc nạp và phóng để bảo vệ ắc qui.
Trạng thái nạp: (SOC)
ECU ắc qui kiểm tra sự ổn định của nhiệt độ, điện áp, dịng điện của ắc qui HV. Nó cũng kiểm tra sự rị rỉ của ắc qui HV.
Trong khi xe chuyển động, ắc qui HV chịu đựng sự lặp lại chu trình nạp/phóng khi nó trở nên được phóng bởi MG2 trong thời gian tăng tốc, và được nạp bởi phanh tái sinh trong thời gian giảm tốc.
ECU ắc qui đánh giá dịng nạp/phóng và cơng suất nạp/phóng u cầu đến ECU HV để duy trì trạng thái nạp tại mức trung tâm.
Mục đích của SOC là 60%. Khi SOC giảm dưới giá trị trên thì ECU ắc qui truyền tín hiệu đến ECU HV. Sau đó ECU HV gởi đến ECM động cơ để tăng công suất nạp ắc qui HV. Nếu SOC dưới 20%, động cơ không tạo ra cơng suất.
Delta SOC: bình thường sai số SOC là 20%. Nếu SOC vượt quá 20%, điều này nghĩa là ECU ắc qui HV khơng thể điều chỉnh hoặc duy trì nhiều giá trị SOC trong giới hạn cho phép.
2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.2.1 Các chế độ hoạt động
Hình trên cho thấy cấu hình chi tiết của hệ thống truyền động kiểu hỗn hợp ( khớp nối moment và khớp nối tốc độ). Đơn vị bánh răng hành tinh tạo thành khớp nối tốc độ để kết nối động cơ và motor / máy phát điện với nhau. Động cơ và motor / máy phát điện được kết nối với cần dẫn và bánh răng mặt trời tương ứng. Các bánh răng của bánh răng hành tinh được kết nối với bánh lái thông qua cần dẫn nối với bánh răng Z1, Z2, Z4, Z5, và bộ vi sai. Một motor kéo được kết nối với bánh lái thông qua bánh răng của Z3, Z2, Z4, Z5, và bộ vi sai để kết hợp các momen xoắn đầu ra của bánh răng bao và motor kéo lại với nhau.
Trong cấu hình này, một ly hợp và hai khóa được sử dụng. Ly hợp phục vụ cho việc kết nối hoặc ngắt kết nối động cơ với cần dẫn của bánh răng hành tinh. Khóa 1 được sử dụng để khóa hoặc nhả bánh răng mặt trời và trục của motor/ máy phát điện đến sườn xe. Khoá 2 được sử dụng để khóa hoặc nhả cần dẫn đến sườn xe. Bằng việc điều khiển ly hợp, khóa, động cơ, motor / máy phát điện và motor kéo, nhiều chế độ hoạt động được sử dụng:
Hình 2.14 Sơ đồ của hệ thống truyền động
Chế độ khớp nối tốc độ: Trong chế độ này, motor kéo sẽ không hoạt động. các chế độ
hoạt động như sau:
Chỉ có động cơ hoạt động: ly hợp làm việc ở chế độ hợp để kết nối động cơ đến cần
dẫn, khóa 1 khóa bánh răng mặt trời đến sườn xe do vậy motor / máy phát điện khơng hoạt động. Dịng năng lượng được thể hiện dưới hình sau.
Hình 2.15 Dịng năng lượng ở chế độ chỉ có động cơ hoạt động PLG: Bánh răng hành tinh M/G: Motor/ máy phát TM: Motor kéo GB: Hộp số PPS: Ắc quy
Trong trường hợp này, động cơ tự cung cấp mô men xoắn cho bánh xe chủ động. Mối quan hệ tốc độ giữa động cơ và bánh xe:
Với ndw và ne là tốc độ của bánh xe chủ động và động cơ, và irw là tỷ số truyền từ bánh răng bao đến bánh xe được thể hiện :
Trong đó Z1, Z2, Z4, và Z5 là số răng của bánh răng Z1, Z2, Z4, và Z5. Mối quan hệ mômen giữa bánh lái và động cơ :
Với Tdw là mô-men xoắn tạo ra tại bánh xe bởi moment xoắn động cơ Te, ηyr là hiệu suất từ cần dẫn đến bánh răng bao, và ηrw là hiệu suất từ bánh răng bao đến bánh lái.
Chỉ có motor / máy phát điện kéo: Trong chế độ này, động cơ sẽ tắt ; bộ ly hợp có
thể hoạt động hoặc khơng và khóa 1 nhả bánh răng mặt trời và trục của motor / máy phát điện từ sườn xe; Khóa 2 khóa cần dẫn vào sườn xe. Trong trường hợp này, xe được vận hành bởi motor / máy phát điện.
Dịng năng lượng được thể hiện trong hình sau.
Hình 2.16 Dịng năng lượng ở chế độ chỉ có motor / máy phát điện kéo
Mối quan hệ tốc độ và momen xoắn giữa motor / máy phát và bánh lái :
Và:
Với Tdw là mômen kéo trên bánh lái được tạo ra bởi mô men xoắn motor / máy phát điện Tm/g, và ηsr là hiệu suất từ bánh răng mặt trời đến bánh răng bao.
Cần lưu ý rằng motor / máy phát điện phải được vận hành ở góc phần tư thứ ba, nghĩa là vận tốc góc âm (ngược hướng với chiều quay động cơ).
Động cơ và motor / máy phát điện cùng hoạt động : Trong chế độ này khóa 1 và 2
Và mơmen xoắn có mối quan hệ
Trong đó b là một hằng số khi dịng cơng suất chạy từ motor /máy phát điện đến bánh răng mặt trời, nghĩa là nm/g <0, b = 1, ngược lại b = -1. Phương trình chỉ ra với tốc độ xe nhất định, tốc độ động cơ có thể được điều chỉnh bằng tốc độ motor / máy phát điện.
Phương trình trên chỉ ra rằng mơ men động cơ, mô men motor / máy phát điện, mô men tải trên bánh xe dẫn động luôn luôn giữ một mối quan hệ cố định. Điều này ngụ ý rằng sự thay đổi bất kì thành phần moment xoắn nào đều sẽ gây ra thay đổi hai thành phần moment xoắn còn lại, làm cho các điểm hoạt động của động cơ và motor /máy phát điện thay đổi.
Dịng năng lượng được trình bày trong hình sau.
Hình 2.17 Dịng năng lượng ở chế độ động cơ và motor / máy phát điện cùng hoạt động
Chế độ khớp nối mô-men: Khi motor kéo được nạp năng lượng, mơ men xoắn có thể
được thêm vào moment xoắn đầu ra của bánh răng bao để tạo thành chế độ khớp nối moment. Khi motor kéo được điều khiển ở chế độ motor hoặc phát điện, tạo ra sáu chế độ hoạt động cơ bản như sau:
Động cơ độc lập kết hợp với motor kéo : Chế độ này giống như chế độ kiểu song
song . Dịng năng lượng được thể hiện trong hình 2.26
Hình 2.18 Dịng năng lượng ở chế độ động cơ độc lập kết hợp với motor kéo
Động cơ độc lập kết hợp với motor phát điện: Chế độ này giống như chế độ PPS
sạc từ động cơ trong hệ thống truyền động Hybrid. Dịng năng lượng được hiển thị trong hình sau:
Hình 2.19 Dịng năng lượng ở chế độ động cơ độc lập kết hợp với motor phát điện
Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor kéo: Chế độ này động cơ
Hình 2.20 Dịng năng lượng ở chế độ Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor kéo
Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor phát điện:Chế độ này động
cơ được thay bằng motor / máy phát điện. Chế độ này có thể khơng bao giờ được sử dụng vì nó sẽ tạo thành vịng trịn năng lượng, motor / máy phát điện hoạt động nhờ PPS và cuối cùng đến PPS thông qua motor/ máy phát điện và moto kéo như trong hình sau:
Hình 2.21 Dịng năng lượng ở chế độ Motor/ máy phát điện hoạt động kết hợp với motor phát điện
Khớp nối tốc độ kết hợp với motor kéo: Chế độ này sử dụng các chức năng đầy đủ
của khớp nối tốc độ và khớp nối mơ-men.
Có hai trạng thái hoạt động của motor / máy phát điện: motor và phát điện như trong hình 2.31. Các trạng thái hoạt động của motor / máy phát điện trong chế độ quay (Hình 2.31a) có thể được sử dụng tại tốc độ xe cao. Trong trường hợp này, tốc độ động cơ có thể bị giới hạn để thấp hơn tốc độ trung bình của nó, tránh tốc độ động cơ quá cao gây ra hiệu quả hoạt động thấp. Máy phát điện đóng góp tốc độ cho hệ thống truyền động để hỗ trợ tốc độ xe cao như trong hình 2.31a.
Tương tự, các trạng thái hoạt động trong Hình 2.31b có thể được sử dụng trong trường hợp tốc độ xe thấp.
Hình 2.22 Dịng năng lượng ở chế độ Khớp nối tốc độ kết hợp với motor kéo
Trong trường hợp này, động cơ có thể được vận hành tại tốc độ thấp hơn tốc độ trung bình của nó để tránh tốc độ q thấp, hiệu quả hoạt động có thể thấp. Motor / máy phát điện hấp thụ một phần năng lượng từ động cơ.
Khớp nối tốc độ kết hợp với motor phát điện: Động cơ và motor / máy phát điện
hoạt động trong chế độ khớp nối tốc độ. Nhưng motor hoạt động trong chế độ phát điện được thể hiện như trong hình 2.32.
Phanh tái sinh: Khi xe đang phanh, motor kéo, motor / máy phát điện, hoặc cả hai có
thể tạo ra mơ men phanh và lấy lại một phần năng lượng phanh để sạc PPS. Trong trường hợp này , động cơ sẽ được ngắt. Dịng năng lượng được thể hiện trong hình 2.33.
Hình 2.24 Dịng năng lượng ở chế độ phanh tái sinh
Như đã thảo luận ở trên, có một số chế độ hoạt động có sẵn để sử dụng. Trong thiết kế chương trình điều khiển, khơng phải tất cả các chế độ trên đều được sử dụng, mà tùy vào thiết kế hệ thống truyền động, điều kiện lái xe, đặc điểm vận hành của các thành phần chính… mà quyết định dùng các chế độ hoạt động nào.
2.2.2 Chiến thuật điều khiển
2.2.2.1 Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển hoạt động nhờ vào bộ điều khiển (VCU). Khi đó, VCU sẽ nhận lệnh kéo hoặc phanh từ người lái thông qua bàn đạp ga hoặc bàn đạp phanh. Ngồi ra, các thơng tin hoạt động cần thiết khác từ khác cảm biến chẳng hạn như mức sạc (SOC) của ắc quy (PPS) và tốc độ xe cũng được gởi đến VCU. Dựa trên các thiết lập có sẵn trên VCU và các thơng tin thời gian thực nhận được như trên, VCU sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển để điều khiển động cơ, động cơ / máy phát điện, động cơ kéo, cũng như bộ ly hợp và các khóa để điều khiển hệ thống truyền động một cách thích hợp nhất.
2.2.2.2 Phương pháp kiểm sốt tốc độ động cơ
Dễ thấy rằng, tốc độ động cơ có thể được kiểm sốt thơng qua việc điều khiển tốc độ motor/ máy phát (nm/g) ở một tốc độ tại bánh xe chủ động (ndw). Quá trình kiểm sốt sẽ được thực hiện thơng qua việc điều khiển góc mở bướm ga và moment xoắn của motor/máy phát.
Hình 2.25 Đồ thị moment và số vịng quay động cơ
Theo như hình, giả sử động cơ đang hoạt động tại điểm a với tốc độ ne,a, moment xoắn Te,1 với góc mở bướm ga 60%. Lúc này motor/máy phát sẽ tạo moment xoắn Tm/g,1=Te,1/kys