Hình 1.5 Xe Toyota Prius 2010
1.2.5.4 Tỷ lệ sử dụng động cơ và mơ-tơ điện trong mỗi hệ thống
Vì hệ thống nối tiếp sử dụng động cơ xăng để sinh ra điện cho mơ-tơ vận hành bánh xe, chúng có cùng lượng cơng việc như nhau.
Hệ thống song song dùng động cơ xăng như nguồn năng lượng chính, cịn mơ-tơ điện chỉ để trợ giúp, nên động cơ xăng được sử dụng nhiều hơn.
Với hệ
thống hỗn hợp, có một bộ phận liên tục thay đổi tỷ lệ công suất từ động cơ xăng tới các trục lái. Vì mơ-tơ điện có thể vừa vận hành xe, vừa làm nhiệm vụ tạo ra dòng điện nạp nên so với động cơ xăng, nó được sử dụng nhiều hơn đơi chút.
Hình 1.6 Tỷ lệ sử dụng động cơ và mơ-tơ
1.2.6 Các bộ phận chính của ơtơ Hybrid
Hệ thống làm mát có nhiệm vụ làm mát động cơ đốt trong, nhiên liệu và ắc quy. Nhiệt của nước làm mát có thể sử dụng để sấy sóng cabin xe ở vùng nhiệt độ thấp hoặc dùng cho các thiết bị nhiệt khác.
Động cơ điện: nhận năng lượng điện tử ắc quy, chuyển thành năng lượng cơ khí dẫn động bánh xe. Ưu điểm của động cơ điện là cho mơ-men lớn ở số vịng quay nhỏ, hoạt động êm, hiệu suất cao.
Hộp số: Ơtơ Hybrid có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau. Bốn loại hộp số thường dùng là: hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp số tay, hộp số tự động thông thường với bộ chuyển đổi mô-men.
Hệ thống xử lý khí xả: khí thải của động cơ ơtơ ln là vấn đề được đặt ra. Ơtơ Hybrid có thể giảm lượng khí thải do tốn ít nhiên liệu, sử dụng những nguồn nhiên liệu sạch, cải tiến chất lượng của động cơ và cơng nghệ xử lý khí thải.
Bộ phận điều khiển: điều khiển các chế độ hoạt động và sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện.
Ắc quy: là một thành phần quan trọng của động cơ Hybrid, đảm bảo các yêu cầu như tạo dòng lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh, độ bền cao. Hiện nay thường sử
dụng ắc quy axit chì,
trong tương lai hai loại
ắc quy ino- lithium và
polyme- lithium có
nhiều triển vọng áp
dụng cho xe Hybrid.
Hình 1.7 Các bộ phận chính trên xe Hybrid
1.2.7 Tính kinh tế của xe Hybrid.
Tiết kiệm năng lượng trên đường trường: Khi vận hành ô tơ Hybrid trên đường trường, nguồn động lực chính lại là động cơ máy nổ bởi vì động cơ máy nổ đạt hiệu xuất cao hơn khi chạy đường dài cũng như mạnh mẽ hơn động cơ điện. Cách thiết kế này giúp ô tô Hybrid đạt được gia tốc mạnh và vận tốc cao tương tự như các loại ô tô truyền thống khác.
Thu hồi năng lượng: Ngoài tiết kiệm năng lượng trong q trình chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, ơ tơ Hybrid cịn được thiết kế nhằm
thu hồi lượng năng lượng bị hao phí qua q trình vận hành. Đối với ơ tơ thông thường khi được hãm lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa thắng (rotor). Đối với ơ tơ Hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóa thành điện năng và nạp lại vào pin điện, vì thế rất nhiều năng lượng hao phí trong q trình vận hành xe được thu hồi vào tái sử dụng. Tuy nhiên ô tô Hybrid vẫn được trang bị bộ thắng đĩa (break pad) như ô tô thông thường trong trường hợp người lái cần hãm khẩn cấp.
Giới hạn: Khuyết điểm chính của cơng nghệ Hybrid là hệ thống Pin Nạp Lại Được (Rechargable Battery). Giá thành của mỗi bộ pin này rất đắt là một điều đáng ngại đối với người dùng, nhất là những người dùng ô tô Hybrid cũ; giá trị trung bình mỗi bộ pin này là trên dưới năm nghìn dollar. Tuy nhiên, các nhà sản xuất đã vẫn đang nghiên cứu và phát triển nhiều giải pháp cho vấn đề này như: tái chế pin cũ, phát triển kỹ thuật pin mới, nâng cao tuổi thọ của pin v.v... hứa hẹn mang lại nhiều cải tiến mới, giảm giá thành sản phẩm, đưa kỹ thuật Hybrid đến với nhiều tầng lớp người dân có thu nhập thấp trong xã hội nhằm mục đích thay thế dần những phương tiện giao thơng cũ, giảm thiểu lượng khí thải gây ơ nhiễm môi sinh.
1.2.8 Xu thế phát triển của xe Hybrid ở các nước phát triển.
Vào đầu thế kỷ 20 các nhà sản xuất xe của Mỹ đã sử dụng động cơ xăng, điện và hơi nước một cách song song. Họ sớm nhận ra rằng hai hay nhiều động cơ kết hợp lại sẽ làm tăng tính hiệu quả của động cơ. Và kết quả của giả thuyết đó là động cơ Hybrid (động cơ xăng điện) ra đời vào năm 1905 do một kỹ sư người Mỹ phát minh. Thời kỳ đó phát minh này khơng được mấy người quan tâm bởi vì động cơ đốt trong khi đó cịn khá rẻ so với động cơ xăng điện có cùng cơng xuất. Sau 70 năm, khi cuộc khủng hoảng dầu lửa xảy ra, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu mới được quan tâm nhiều và đây chính là lý do để động cơ Hybrid được nghiên cứu lại. Tuy nhiên, 30 năm trước, do một số quy định nên động cơ Hybrid đã bị trì hỗn. Ngày hơm nay những chiếc xe như Toyota Prius hay Honda Accord loại Hybrid đã trở nên phổ biến, được nhiều người tiêu dùng u thích. Liệu Hybrid có phải là xu hướng của xe trong tương lai?
Một trong những lý do nữa khiến Hybrid ngày càng được quan tâm đó là mơi trường sống. Như chúng ta biết động cơ đốt trong sẽ thải ra khí carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) và khí hydro-carbon (HC) chưa đốt, đây là những nhân tố chính gây ơ nhiễm mơi trường. Các hiện tượng như sự nóng lên của tồn cầu hay hiện tượng “El Nino” xảy ra một phần là hậu quả của việc sử dụng động cơ dầu diesel và xăng.
Sự phát triển của công nghệ Hybrid sẽ giúp hạ giá thành nhiên liệu, theo ước tính lượng xe Hybrid được sản xuất sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, một dự báo rất lạc quan là vào năm 2007 hay 2008 sẽ có khoảng một triệu xe Hybrid được tiêu thụ tại thị trường Mỹ.
Nhưng chúng ta không nên quên rằng doanh số của các loại xe thông thường cũng sẽ tăng lên, ví dụ như nếu hiện nay có 200 ngàn chiếc xe tại Mỹ, thì sau 20 năm con số đó có thể sẽ là 300 ngàn chiếc.
Năm 2006, thị trường Mỹ có 10 mẫu xe Hybrid khác nhau có giá từ 19,000 đơla tới 53,000 đơla. Chiếc Honda Civic và Toyota Prius được coi là những chiếc xe thơng dụng nhất có giá dưới 30,000 đơla. Mức giá đó có thể là khơng phải là thấp đối với một chiếc compact sedan nhưng cũng không quá cao. Trong vòng 5 năm tới số xe Hybrid sẽ lên đến 50 chiếc gồm nhiều hình dáng, kích thước và giá cả.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG HYBRID HỖN HỢP
Hệ thống Hybrid System kiểu hỗn hợp có 2 nguồn dẫn động: động cơ xăng và mô tơ điện. Hệ thống điều khiển Hybrid lựa chọn sự kết hợp tốt nhất của hai nguồn dẫn động trên tương ứng với những điều kiện lái.
Hình 2.8 Cấu trúc của hệ thống
2.1 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG HYBRID HỖN HỢP
Hộp số Hybrid bao gồm MG1, MG2 và cụm bánh răng hành tinh.
Động cơ 1NZ-FXE.
Cụm bộ chuyển đổi bao gồm: một bộ chuyển đổi DC-DC, và một bộ chuyển đổi A/C.
ECU HV, tập hợp tín hiệu từ các cảm biến và gởi kết quả tính tốn đến ECM, cụm biến đổi, ECU ắc quy, ECU để điều khiển hệ thống Hybrid.
Cảm biến vị trí bàn đạp ga, biến đổi góc mở bướm ga thành tín hiệu điện.
ECU điều khiển trượt, điều khiển phanh tái sinh.
ECM
ECU ắc quy, kiểm tra tình trạng nạp của ắc quy HV và điều khiển sự hoạt động của quạt làm mát.
SMR (System Main Relay), nối và ngắt mạch công suất cao áp.
Ắc qui phụ, lưu trữ 12V DC cho hệ thống điều khiển xe.
2.1.1 Động cơ 1NZ-FXE
Hình 2.9 Động cơ 1NZ-FXE
1NZ-FXE là một trong hai nguồn công suất của xe Prius. 1NZ-FXE là một động cơ thẳng hàng 4 xy lanh 1.5l với hệ thống VVT-I (hệ thống điều khiển thời điểm nạp thông minh) và hệ thống ETCS-I (hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh). 1NZ-FXE bao gồm một số sự điều chỉnh giúp đặc tính cân đối, tính kinh tế về nhiên liệu và khí thải được sạch hơn đối với xe Hybrid.
Một dạng độc đáo của động cơ 1NZ-FXE đó là thời điểm phối khí chu trình Atkinson cho phép động cơ giảm khí thải nhờ vào sự thay đổi mối tương quan giữa thì nén và thì giãn nỡ. Một đặc trưng khác được đưa vào trên các xe hybdrid thế hệ ’04 về sau là hệ thống tích
nhiệt cho nước làm mát. Nó thu hồi nước nóng từ động cơ và chứa chúng trong một thùng cách nhiệt và giữ nhiệt nóng lên đến ba ngày. Về sau, một bơm điện ln chuyển nước nóng xun qua động cơ để giảm khí thải HC tại thời điểm động cơ còn lạnh (lúc khởi động).
Đặc điểm thông số kỹ thuật:
Loại động cơ 1NZ-FXE
Số lượng xi lanh và cách bố trí 4-xi lanh, thẳng hàng Cơ cấu van 16 van DOHC, xích dẫn
động ( với VVT-i)
Buồng đốt Kiểu vát nghiêng
Đường ống nạp Dòng chéo
Hệ thống nhiên liệu SFI Thể tích cơng tác cm3(cu.in) Đường kính x hành trình mm (in) 1497(91.3) 75.0 x 84.7 (2.95 x 3.33) Tỉ số nén 13.0 : 1
Công suất cực đại (SEA-NET) 57kW tại 5000 v/p (76 HP tại 5000 v/p) Mômen cực đại (SEA-NET) 111 N.m tại 4200 v/p
(82 ft.1bf tại 4200 v/p) Thời điểm đóng mở van Van nạp Mở 18o --- -15o BTDC đóng 72o --- 105o ABDC Van
xả
Mở 34o BBDC đóng 2o ATDC
Thứ tự đánh lửa 1-3-4-2
nghiên cứu RON
Trị số ốc tan 87 hoặc cao hơn
Cấp dầu API SJ, SL, EC hoặc ILSAC
T̀n hồn khí thải ống pơ SULEV
T̀n hồn khí thải bay hơi AT-PZEV, ORVR
Bảng 2.1 Đặc điểm thông số kỹ thuật của động cơ1NZ-FXE 2.1.2 Hộp số Hybrid 2.1.2 Hộp số Hybrid
Bao gồm:
Một cụm bánh răng hành tinh, cung cấp tỉ số truyền vô cấp và điều khiển như một bộ phân chia công suất.
Một bộ giảm tốc bao gồm bộ truyền động xích, bộ bánh răng giảm tốc và bộ truyền lực cuối cùng.
Bộ vi sai.
Thông số kĩ thuật của hộp số Hybrid:
Loại hộp số P111 đời Prius 2010
Bộ bánh răng hành tinh
Số răng của bánh răng mặt trời 78
Số răng của bánh răng hành
tinh 23
Số răng của bánh răng bao 30
Tỉ số truyền của bộ vi sai 3.905
Xích dẫn động Số mắt xích 74 Bánh xích chủ động 39 Bánh xích bị động 36 Bộ bánh răng giảm tốc Bánh răng chủ động 30 Bánh răng bị động 44 Bộ truyền động cuối cùng Bánh răng chủ độngBánh răng bị động 2675
Dung tích dầu Lít(US qts, Imp qts) 4.6(4.9, 4.0)
Loại dầu ATF T-IV hoặcđẳng trị
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật của hộp số Hybrid
2.1.3 MG1 và MG2
Cả MG1 và MG2 có kích thướt nhỏ, trọng lượng nhẹ, đạt hiệu quả cao của loại mô tơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu xoay chiều 3 pha.
Chức năng của MG1 và MG2 kết hợp hiệu quả cao cả máy phát đồng bộ xoay chiều và mô tơ điện. MG1 và MG2 hoạt động như nguồn cung cấp hỗ trợ lực kéo giúp động cơ xăng khi cần thiết.
MG1: nạp lại cho ắc qui HV và cung cấp điện năng dẫn động MG2. Ngoài ra bằng
việc điều chỉnh lượng điện năng phát ra, MG1 điều khiển hiệu quả sự truyền động vô cấp. MG1 cũng làm việc như một máy khởi động.
MG2: MG2 và động cơ xăng làm việc lẫn nhau để dẫn động bánh xe, ngồi ra đặc
tính mơmen lớn hơn của MG2 giúp đạt được hoạt động động lực học tối ưu. Trong thời gian phanh tái sinh, MG2 biến đổi động năng thành năng lượng điện lưu trữ trong ắc qui HV. MG2 hoạt động như một máy phát.
Một hệ thống làm mát thông qua bơm nước làm mát MG1 và MG2.
Thông số kỹ thuật của MG1:
Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu Chức năng Máy phát; máy khởi động Điện áp cực đại (V) AC 273.6
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của MG1
Thông số kỹ thuật của MG2:
Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu Chức năng Máy phát; dẫn động bánh xe Điện áp cực đại (v) AC 273.6
Công suất cực đại
kW(PS)/(v/p) 33(45)/1040-5600 Mômen cực đại
N.m(Kgf.m)/(v/p) 400(35.7)/0-400 Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của MG2
Sơ đồ hệ thống:
2.1.4 Bộ phân chia công suất (Power-Split Device)
Trái tim của hệ thống Hybrid là một thiết bị nhỏ gọn được gọi là bộ phân chia công suất PSD (Power Split Device). PSD là bộ bánh răng hành tinh có kết cấu giống như bộ bánh răng hành tinh của hộp số tự động nhưng hoạt động thì khác hoàn toàn.
Sự sắp xếp của các bánh răng hành tinh trong bộ phân chia công suất và cách ăn khớp giữa các bánh răng với nhau. Bánh răng ở trung tâm gọi là bánh răng mặt trời, các bánh răng bao xung quanh nó gọi là bánh răng hành tinh, các trục của bánh răng hành tinh được cố định với cần dẫn và nó quay xung quanh tâm của bánh răng mặt trời. Tất cả bánh răng hành tinh đều có kích thước bằng nhau và có cùng khoảng cách so với tâm quay.Vịng răng ở ngồi cùng gọi là bánh răng bao, nó ăn khớp với các bánh răng hành tinh.
Hình 2.12 Bộ bánh răng hành tinh
Trong hệ thống Hybrid. Bộ bánh răng hành tinh dùng để phân chia công suất. Động cơ đốt trong (ICE) được kết nối với cần dẫn, mô tơ máy phát 1 (MG1) được kết nối với bánh răng mặt trời và mô tơ máy phát 2 (MG2) được kết nối với bánh răng bao.
Tất cả các bánh răng trên đều quay tròn khác nhau và tốc độ thay đổi. Theo kiểu này thì tốc độ của ICE và MG2 có thể thay đổi. MG2 vừa là mơ tơ vừa là máy phát có tốc độ thay đổi lớn đến 6,500 v/p, MG2 được kết nối với các bánh xe chủ động qua hệ thống truyền động. Khi tốc độ lực truyền từ MG2 đến vòng răng thay đổi thì tốc độ của xe sẽ thay đổi, trong khi nếu thay đổi tốc độ trực tiếp của ICE (MG2=0) thì tốc độ của xe khơng trực
tiếp thay đổi. ICE có thể quay chậm hoặc nhanh tùy thuộc vào cơng suất cần thiết phải phát ra và khi có sức cản hoặc sự trợ giúp từ động cơ máy phát thì xe có thể chạy trong suốt q trình động cơ hoạt động.
Tốc độ quay của MG1, MG2 và ICE phụ thuộc lẫn nhau. Tốc độ quay của MG1 sẽ thay đổi khi thay đổi MG2 hoặc ICE hoặc thay đổi cả hai. Tốc độ MG1 có thể đạt tới 10,000 v/p. ICE bị giới hạn tốc độ giữa 800 v/p đến 4,500 v/p. Nó cũng có thể dừng hẳn, nhưng ở tốc độ khoảng từ 0 đến 800 v/p thì ICE khơng thể hoạt động có hiệu quả. ECU nhận biết và nó dừng ICE. ICE sẽ được khởi động trở lại bởi MG1 khi cần cơng suất cao hơn hoặc số vịng quay cao hơn.
Động cơ đốt trong ICE được kết nối với cần dẫn. Khi cần dẫn quay, các bánh răng hành tinh ăn khớp có xu hướng tác động đến bánh răng mặt trời và bánh răng bao làm bánh răng mặt trời và bánh răng bao quay cùng chiều với nó. Bằng cách lựa chọn cẩn thận số răng của bánh răng mặt trời và bánh răng bao. Hãng Toyota tìm được kích thước bộ phân chia cơng suất hợp lý, qua đó xác lập tỉ lệ phân phối là 72% mơ men truyền đến bánh răng bao và 28% mô men truyền đến bánh răng mặt trời.
Tính tốn:
Mối quan hệ về vận tốc góc, moment xoắn trong bộ phân chia cơng suất: