4. KHẢO SÂT SỰ PHỐI HỢP LĂM VIỆC CỦA TỔ HỢP ĐỘNG CƠ – MÂY PHÂT –
4.1. SƠ ĐỒ NGUYÍN Lí LĂM VIỆC HỆ ĐỘNG LỰC TRÍN ễ Tễ PRIUS
4.1.1. Sơ đồ nguyớn lý.
Hỡnh 4-1 Sơ đồ nguyớn lý hệ động lực.
1 - Ắc quy điện õp cao; 2 – Bộ chuyển đổi điện;
3 – Động cơ điện; 4 – Bõnh xe chủ động;
5 – Bõnh răng giảm tốc; 6 – Động cơ nhiệt; 7- Bộ chia cụng suất; 8 – Mõy phõt điện.
4.1.2. Giải thớch sơ đồ nguyớn lý.
Động cơ nhiệt: Động cơ nhiệt của xe hybrid cũng giống như động cơ nhiệt của những chiếc xe thụng thường, nhưng nhỏ hơn, đồng thời tiết kiệm nhiớn liệu vă ớt khớ thải.
Bỡnh xăng: Bỡnh xăng trớn xe hybrid lă nguồn cung cấp năng lượng chớnh cho xe. Động cơ điện: Động cơ điện trớn xe hybrid rất phức tạp, bởi nú cú thể tạo ra năng lượng giỳp xe tăng tốc, đồng thời nú cú thể giỳp xe giảm tốc độ vă nạp năng lượng cho ắc quy.
Mõy phõt điện: tương tự như động cơ điện, nhưng chỉ lăm nhiệm vụ tạo ra nguồn điện.
Bỡnh ắc-quy: Nếu bỡnh xăng chỉ lăm nhiệm vụ dự trữ vă cung cấp xăng cho động cơ xăng thỡ động cơ điện trớn xe hybrid khụng chỉ cung cấp điện cho bỡnh ắc-quy mă cũn xạc điện cho bỡnh.
Bộ truyền động: Ở hầu hết xe hybrid, bộ truyền động cú chức năng gần giống như bộ truyền động của những chiếc xe thụng thường.
4.1.3. Hệ động lực trớn ụ tụ Toyota Prius.
a) Kết cấu hệ động lực.
Hỡnh 4-2 Kớt cấu hệ động lực.
1 - Động cơ nhiệt; 2 - Mõy phõt;
3 – Bộ chia cụng suất; 4 – Động cơ điện;
b) Động cơ điện (MG2).
Hỡnh 4-3 Kết cấu động cơ điện.
1 – Cần dẫn động rotor; 2 – Bu lụng; 3 – Bề mặt lắp ghĩp; 4 – Trục rotor;
5 –Bu lụng cố định cõc lõ thĩp; 7 – Trục dẫn vănh răng bao;
8 – Cơ cấu khúa hờm; 9 –Vỏ mõy.
- Đặc điểm cấu tạo động cơ điện.
Tổ hợp mụ tơ điện – mõy phõt số 2 (MG2) đợc phát triển dựa vào những công nghệ Toyota đã nuôi dỡng khi thiết kế cho xe ô tô điện. THS II sử dụng mĩt đĩng cơ điện kiểu AC đơng bĩ nam châm vĩnh cửu, cũng chính là mĩt mô tơ DC không chưi than hiệu suÍt cao sử dụng dòng AC.
Những nam châm Neođim (những nam vĩnh cửu) đợc bỉ trí trong rô to làm từ thép điện từ mõng ghép lại tạo thành mĩt đĩng cơ điện hiệu suÍt cao.
Hơn nữa, nhớ sắp xếp những nam châm vĩnh cửu, mô men xoắn dĨn đĩng đợc cải thiện và công suÍt đèu ra tăng lên. Kết hợp với điện áp cao của bĩ cung cÍp điện, công
suÍt phát ra lớn nhÍt của đĩng cơ điện đợc tăng lên khoảng gÍp 1,5 lèn so với ị hệ thỉng THS, cụ thể là từ 33KW tới 50kW với kích thớc của đĩng cơ điện giỉng nhau.
Cờ thể nời đây là mĨu đĩng cơ điện tạo ra công suÍt trên mĩt đơn vị trụng lợng (thể
tích) cao nhÍt của thế giới.
Để điều khiển đĩng cơ điện, mĩt phát triển mới hơn là hệ thỉng điều khiển điều biến đợc thêm vào ị vùng tỉc đĩ trung bình, khác với phơng pháp trớc đây là chỉ điều khiển ị tỉc đĩ thÍp và cao.
Nhớ việc cải tiến phơng pháp cải biến đĩ rĩng xung, công suÍt phát ra tưng cĩng cả hai đĩng cơ của hệ thỉng THS II trong phạm vi tỉc đĩ trung bình đã đợc tăng thêm mĩt l- ợng lớn nhÍt xÍp xỉ 30 %.
- Nhiệm vụ của động cơ điện.
Tổ hợp mụ tơ điện – mõy phõt số 2 (MG2) được sử dụng cho lực chuyển động tại những tốc độ thấp vă bổ sung lực tại những tốc độ cao.
Nú cung cấp năng lượng hỗ trợ tại đầu ra của động cơ khi cần thiết vă giỳp chiếc xe đạt được động năng vă hiệu suất cao nhất.
Nú dẫn động cho cõc bõnh xe chủ động tiến hoặc lựi xe.
Trong suốt quõ trỡnh giảm tốc vă phanh xe, MG2 hoạt động như một mõy phõt vă hấp thu động năng (cũn gọi lă quõ trỡnh hờm tõi sinh năng lượng) chuyển húa thănh điện năng để nạp lại cho ắc quy điện õp cao.
c) Mõy phõt điện (MG1)
Hỡnh 4-4 Kết cấu của mõy phõt điện.
1 – Cần dẫn động rotor; 2 – Vỏ mõy;
3- Rotor mõy phõt; 4 – Trục rotor;
5 – Bề mặt lắp ghĩp ; 6 – Buloong nối ly hợp; 7 – Bu lụng cố định cõc lõ thĩp; 8 – Cơ cấu khúa hờm; 9 – Trục nối với bõnh răng mặt trời.
- Đặc điểm cấu tạo của mõy phõt điện.
Cũng giống như động cơ điện, mõy phõt sử dụng đĩng cơ điện kiểu AC đơng bĩ nam châm vĩnh cửu.
Để cung cấp đủ điện năng cho động cơ điện đạt được cụng suất cao, thỡ mõy phõt quay với tốc độ cao, tăng cụng suất.
Những biện phõp để nđng cao cụng suất cho mõy phõt, lă tăng số vũng quay trong một phỳt tại đầu ra lớn giõ trị cao nhất trong phạm vi từ 6500 đến 10000 vũng/phỳt. Số vũng quay năy đờ nđng cao một cõch đõng kể cụng suất được cung cấp ở tốc độ trung
bỡnh, cải thiện tăng tốc ở tốc độ thấp cũng như tốc độ trung bỡnh. Kết quả sự kết hợp của động cơ điện vă động cơ nhiệt đạt được hiệu suất cao.
- Nhiệm vụ của mõy phõt.
Tổ hợp mụ tơ điện – mõy phõt số 1 (MG1) cú nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ắc quy điện õp cao.
Cấp điện năng để dẫn động cho MG2. MG1 hoạt động như một mụ tơ để khởi động động cơ chớnh của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền bõnh răng hănh tinh gần giống như một CVT (Continuously Variable Transmission).
Bảng 4-1 Thụng số kỹ thuật của động cơ điện (MG2), mõy phõt điện (MG1).
Mõy phõt điện (MG1) ’04 Prius ’03 Prius
Danh mục
Loại Mụ tơ nam chđm vĩnh cửu
Chức năng Phõt điện, mõy khởi động
Điện õp cực đại (V) AC 500 AC 237.6
Hệ thống lăm mõt Lăm mõt bằng nước
Động cơ điện (MG2) ’04 Prius ’03 Prius
Danh mục Mụ tơ nam chđm vĩnh cửu Chức năng Phõt điện, mõy khởi động
Điện õp cực đại (V) AC 500 AC 273.6
Cụng suất cực đại KW/( vg/ph) 50 /1200 – 1540 33 / 1040 – 5600 Mo men cực đại Nm / (vg/ ph) 400 / 0 – 1200 350 / 0 – 400
Hệ thống lăm mõt Lăm mõt bằng nước d) Bộ chuyển đổi điện. (Inverter).
Giữa MG1, MG2 vă ắc quy điện õp cao được kiểm soõt bởi bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi biến dũng điện một chiều từ ắc quy điện õp cao thănh dũng xoay chiều lăm quay mụ tơ điện hoặc biến dũng xoay chiều từ mõy phõt thănh dũng điện một chiều để nạp điện cho ắc quy. Về cấu tạo, nú gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện õp được cung cấp lớn đến 500V đồng thời nú được trang bị một bộ chuyển đổi dũng một chiều để nạp điện cho ắc quy phụ của xe vă một bộ chuyển đổi dũng xoay chiều để cấp điện cho mõy nĩn trong hệ thống điều hũa của xe hoạt động.
Hỡnh 4-5 Bộ chuyển đổi điện. e) Ắc quy điện õp cao (HV Battery).
Ắc quy chớnh của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắc chắn hơn vă cú mật độ năng lượng cao hơn so với bỡnh thường. Nú gồm 168 cặp cực ắc quy với điện õp chuẩn lă 200V (1,2V x 168 cặp cực ắc quy) được nạp điện bởi động cơ chớnh thụng qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bỡnh thường vă tổ hợp MG2 trong suốt quõ trỡnh hờm tõi sinh năng lượng.
Bảng 4-2 Thụng số kỹ thuật của ắc quy điện õp cao.
THS (2001−2003 Prius) THS−II (2004 and later Prius) 38 Nickel−Metal Hydride modules 28 Nickel−Metal Hydride modules Total voltage: 273.6V Total voltage: 201.6V
Hỡnh 4-6 Ắc quy điện õp cao. f) Cõp nguồn.
Hỡnh 4-7 Cõp nguồn.
Cõp nguồn hay cõp cụng suất trong xe hybrid dựng để truyền dũng điện cú cường độ vă điện õp cao giữa cõc thiết bị như ắc quy điện cao õp, bộ chuyển đổi, cõc tổ hợp MG1, MG2 vă mõy nĩn trong hệ thống điều hũa. Đường dđy cõo õp vă cõc giắc nối được đõnh dấu bằng mầu da cam như trong hỡnh trớn.
g) Ắc quy phụ.
Hỡnh 4-8 Ắc quy phụ.
Loại ắc quy DC12V năy được bố trớ cố định phớa sau xe, duy trỡ vă cung cấp dũng điện một chiều ổn định cho cõc thiết bị như đỉn xe, hệ thống đm thanh, cõc ECU điều khiển .v..v…
4.1.4. Đõnh giõ.
Phát triển ý tịng mới cho hệ thỉng Hybrid, với mục đích đạt những mức cao của tính tơng thích với môi trớng và tăng dèn công suÍt đèu ra của đĩng cơ điện lên 1.5 lèn, tăng hiệu điện thế lớn cho nguơn điện cung cÍp và đạt đợc cải tiến quan trụng trong hệ thỉng điều khiển.
Trong mĩt hệ thỉng truyền lực truyền thỉng, cờ mĩt sự cân bằng giữa công suÍt và hiệu suÍt. Nếu cỉ gắng nâng cao mĩt trong hai, thì cái còn lại sẽ giảm. Hệ thỉng tháo gỡ đợc mỉi quan hệ này. Hiệu quả mà hệ thỉng Hybrid Prius đạt đợc nhớ nâng cao điện áp của hệ thỉng tới mĩt cực đại 500V (tăng thêm hơn 274V so với hệ thỉng Prius trớc đây). Mĩt điện áp cao hơn cờ nghĩa rằng công suÍt mà nguơn điện cung cÍp cho đĩng cơ điện sẽ sử dụng mĩt dòng điện nhõ hơn để giảm nhiệt năng toả ra trên dây dĨn, do đờ tăng thêm hiệu suÍt của hệ thỉng. HoƯc, nếu dòng điện đợc giữ nh cũ, điện áp cao hơn sẽ tăng công suÍt phát ra của đĩng cơ điện.
Ngoài mạch điện điện áp cao ra, hệ thỉng cũng tỊn dụng mĩt hiệu suÍt cao hơn của nguơn ắc quy, đơng thới tỉc đĩ quay của đĩng cơ điện và máy phát điện cũng đợc nâng cao hơn. Mĩt sáng kiến mới nữa là tăng thêm sức kéo của đĩng cơ nhớ phơng pháp bù trừ lợi thế của thiết bị phân chia công suÍt giữa máy phát điện và các bánh xe chủ đĩng và đã giúp cho lái xe cảm thÍy thoải mái và an toàn hơn.
Hệ đĩng lực trên Prius cờ những u điểm sau:
- Giảm sự mÍt mát năng lợng: Hệ thỉng tự đĩng dừng đĩng cơ nhiệt khi không tải, nh vỊy giảm bớt sự lãng phí năng lợng khi đĩng cơ chạy không tải.
- Khôi phục và sử dụng lại năng lợng: Năng lũng mà bình thớng bị biến thành nhiệt trong suỉt trong thới gian giảm tỉc đĩ và phanh đã đợc khôi phục thành năng lợng điện nạp lại cho nguơn ắc quy, mà rơi sau đờ đợc cung cÍp cho đĩng cơ điện để xuÍt phát và hư trợ tăng tỉc.
- Đĩng cơ điện hỡ trợ tăng tỉc: Đĩng cơ điện giúp đỡ đĩng cơ nhiệt trong suỉt thới gian gia tỉc.
- Điều khiển hoạt đĩng hiệu suÍt cao: Hệ thỉng làm cực đại hiệu suÍt toàn bĩ của xe ô tô bịi việc chỉ sử dụng đĩng cơ điện để chạy xe ô tô dới những điều kiện hoạt đĩng mà trong đờ hiệu suÍt của đĩng cơ xăng là thÍp và ngợc lại ị điều kiện hoạt đĩng trong đờ hiệu suÍt của đĩng cơ xăng là cao, công suÍt d thừa sẽ đợc tạo thành điện năng nạp lại cho bĩ nguơn ắc quy.
- Động cơ điện cú đường đặc tớnh tốc độ mụmen gần như lý tưởng chỳng cú thể khụng cần cơ cấu truyền động nhiều cấp (hộp số). Thănh ra cấu tạo của chỳng rất đơn
giản vă giõ thănh giảm. vă nếu cú thể thay thế động cơ điện vă bộ visai bằng cõc động cơ điện nhỏ đặt tại cõc bõnh xe thỡ vẫn đảm bảo điều kiện hoạt động bỡnh thường của xe mă cú thể giảm được giõ thănh (do việc chế tạo bộ visai khõ phức tạp giõ thănh cao) vă khụng cú cõc trục chạy xuyớn qua khung xe.
Hệ động lực Hybrid trớn Prius cũng cú cõc nhược điểm sau.
- Năng lượng từ động cơ nhiệt được chuyển húa hai lần (cơ năng thănh điện năng của mõy phõt vă điện năng thănh cơ năng trong động cơ điện) vỡ vậy hiệu suất tổng cộng của hệ thống sẽ bị giảm xuống.
- Động cơ điện phải cú cụng suất đủ lớn để đõp ứng đũi hỏi lớn nhất của tải vỡ chỉ mỡnh động cơ điện đảm nhận việc điều khiển cõc bõnh xe.
- Giõ cả vă trọng lượng của động cơ điện vă mõy phõt cũng lă vấn đề đõng quan tđm. - Cõc bỡnh ắc quy để tớch năng lượng vừa đắt lại vừa nặng nề.
- Việc kết hợp giữa động cơ điện vă truyền động nhiệt lại rất phức tạp.