Cả 2 MG1 (Motor Generator 1) MG2 (Motor Generator 2) được thiết kế nhỏ gọn, có hiệu suất cao, là loại nam châm vĩnh cửu đồng bộ.
Nó hoạt động như một nguồn cung cấp điện cho động cơ khi cần thiết, motor điện sẽ giúp cho xe đạt được sự tối ưu về hiệu suất động lực học. Khi hãm điện động thì MG2 biến đổi năng lượng động lực thành năng lượng điện và được lưu trữ lại vào bình HV.
Hình 3.2.10: MG1 và MG2
khiển chức năng truyền lực của hộp số. Ngoài ra MG1 còn có chức năng khởi động để khởi động động cơ.
Một hệ thống làm mát cho MG1, MG2 bằng hệ thống bơm nước đã được thêm vào:
Thông số kỹ thuật của MG1
Các bộ phận Toyota prius
Loại Mô tơ loại nam châm vĩnh cửu
Chức năng Phát điện và khởi động động cơ
Điện áp cao nhất ( V) AC 500
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước
Thông số kỹ thuật của MG2
Toyota prius
Loại Mô tơ loại nam châm vĩnh cửu
Chức năng Máy phát điện và dẫn động bánh xe
Điện áp cao nhất AC 500
Công suất đầu ra max kW/rpm 50/1200~1540
Mô men max Nm/rpm 400/0~1200
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước
Sơ đồ đấu dây:
Khi dòng điện 3 pha đi qua đi qua những cuộn dây của Stator thì nó sẽ sinh ra 1 trường điện từ và điện được tạo ra. Từ trường liên tục được tạo ra trong motor điện, nam châm vĩnh cửu sẽ hút trường điện từ được tạo ra kết quả là tạo ra moment.
Moment đựơc tạo ra phục vụ mục đích có ích nó tương đương với sự điều khiển dòng điện và tốc độ quay bởi tần số của dòng chuyển đổi.
: Từ máy đổi điện
X : Liên kết với các bộ phận bên trong của motor
Hình 3.2.12: Motor nam châm vĩnh cữu
Trên xe Prius 2004 cấu trúc của nam châm vĩnh cửu bên trong rotor đã được thiết kế với với cấu trúc hình V nó cải thiện công suất đầu ra và moment xoắn của rotor. Công suất đầu ra đã được cải thiện hơn khoảng 50% so với đời xe 2003.
Đây là 1 thiết bị đáng tin cậy, nó dò tìm chính xác cực từ, các cực từ đó không thể thiếu trong việc điều khiển MG1và MG2.
Cảm biến gồm có 3 cuộn dây được minh họa ở hình dưới. Tín hiệu điện đưa ra ở
chân B và C được bố trí cách nhau 900. Khoảng cách khe hở giữa stator và rotor thay
đổi theo chiều quay của rotor.
Bằng cách gửi 1 dòng điện qua cuận dây A, tương ứng với nó là tín hiệu ra của vị trí rotor được tạo ra bởi cuộn dây B và C. Vị trí tuyệt đối có thể được xác định bởi sự khác biệt giữa những tín hiệu đầu ra.
Ngoài ra HV ECU sẽ đếm lượng vòng quay của rotor trong một đơn vị thời gian. Vì vậy cảm biến này được sử dụng như là một cảm biến tốc tộ rpm (revolution per minute).
Hình 3.2.14: Cảm biến tốc độ 3.2.3. Bộ bánh răng hành tinh:
Bộ bánh răng hành tinh trên xe Toyota Prius có nguyên lý hoạt động như trong phần 2.3.4 trong đó MG1 nối với bánh răng mặt trời, MG2 nối với bánh răng bao, và trục ra của động cơ nối với cần dẫn.
Hình 3.2.9: Bộ bánh răng hành tinh 3.2.4. Bộ chuyển đổi (converter)
Dòng điện giữa MG1 MG2 và ắcquy được điều khiển bởi bộ chuyển đổi. Nó chuyển dòng điện xoay chiều thành 1 chiều, đồng thời chỉnh lưu dòng xoay chiều từ MG1 và MG2 để nạp lại cho ắcquy.
Hình 3.2.10: Bộ chuyển đổi
Sự hoạt động của Transistor công suất được điều khiển bởi HV ECU, ngoài ra bộ chuyển đổi điện còn truyền thông tin cần thiết cho sự điều khiển dòng như là cường độ dòng điện hoặc điện thế ra được cung cấp tới HV ECU.
Bộ chuyển đổi điện (inverter assembly) sẽ được làm mát cùng với MG1 và MG2 bởi bộ tản nhiệt chuyên dùng của hệ thống làm mát nó được lắp độc lập với động cơ.
Trong trường hợp có sự va chạm liên quan đến chiếc xe, một cảm biến va đập được lắp ở bên trong bộ chuyển đổi điện, nó nhận biết được va đập và tắt tất cả các hệ thống.
Hình 3.2.11: Bộ chuyển đổi điện
Hình 3.2.12: Sơ đồ đấu dây của bộ chuyển đổi Boost Converter (bộ khuyết đại đổi điện)
Bộ khuyếch đại đổi điện khuyếch đại dòng điện DC 201,6V từ bình HV thành điện áp cao nhất 500V.
Khi MG1và MG2 hoạt động như một máy phát thì bộ chuyển đổi điện sẽ chuyển đổi điện từ 201,6V thành 500V, và bộ khuyếch đại sẽ hạ điện thế từ 500V thành điện áp DC 201,6 V để nạp cho bình.
Hình 3.2.13: Sơ đồ nối dây
DC/DC converter
Nguồn cung cấp điện cho các thiết bị phụ trên xe như là hệ thống đèn, hệ thống âm thanh và hệ thống điều hoà không khí và cho cả các ECU là nguồn 12V. Vì điện áp do hệ thống THS-II tạo ra là 201,6V nên biến thế được sử dụng để chuyển đổi dòng 201,6V thành 12V để nap vào bình phụ. Biến thế này được lắp ở dưới đáy của bộ chuyển đổi điện.
Hình 3.2.14: Sơ đồ mạch điện A/C inverter:
Máy đổi điện của hệ thống điều hoà không khí sẽ cung cấp điện cho để dẫn động máy nén của hệ thống điều hoà.
Bộ biến đổi điện này sẽ chuyển đổi DC 201,6V của bình HV thành dòng điện AC 201,6 V và sẽ cung cấp điện để máy nén của hệ thống điều hoà làm việc.
Sơ đồ mạch điện:
Hệ thống làm mát bơm nước tới bộ chuyển đổi điện, MG1, MG2, nó được cách ly với hệ thống làm mát của động cơ.
Hệ thống làm mát hoạt động khi công tắc máy ở vị trí IG.
Bộ tản nhiệt của hệ thống được tích hợp với bộ tản nhiệt của động cơ.
Hình 3.2.16: Hệ thống làm mát bộ chuyển đổi 3.2.5 Bình điện HV (Ắc quy)
Hệ thống ắcquy của Prius là sự kết hợp của 28 mô đun chứa 228 pin điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6V. Bình điện HV battery là loại Nickel hydride (Ni-MH). Đây là loại bình có công suất cao, trọng lượng nhẹ, có độ bền cao để phù hợp với hệ thống THS-II. Bởi vì hệ thống THS-II điều khiển sự nạp và không nạp của bình HV battery để duy trì một tình trạng bình HV ở một chế độ không đổi (SOC không đổi).
Bình điện HV (HV battery), bình điện ECU (ECU battery) được bọc kín trong hộp tín hiệu và đặt ở khoang hành lí đằng sau của ghế ngồi sau để sử dụng một cách tối ưu khoảng trống trong xe.
Chốt an toàn (service plug) nó sẽ khoá mạch điện được tạo ra giữa 28 Module bình (nằm giữa Module bình thứ 19 và Module bình thứ 20). Trước khi sửa chữa bất kỳ một bộ phận nào của bình HV phải chắc chắn rằng đã tháo giắc an toàn (service plug).
Để bảo đảm hiệu suất của bình HV luôn cao thì luôn luôn phải chú ý tới nhiệt độ của bình HV tạo ra trong quá trình nạp hoặc không nạp, và sự điều khiển quạt làm mát của ECU.
Một CPU được gắn trong xe dùng để giám sát hệ thống điện, và khi xe lao xuống dốc hoặc phanh, hệ thống sẽ đảo ngược cực của nó, biến mô tơ hỗ trợ điện thành máy phát điện. Lúc đó, đà tiến về phía trước và phanh xe chuyển từ cơ năng sang điện năng và truyền tới pin để tích trữ năng lượng. Đây được gọi là quá trình phanh tái tạo điện năng.
Bộ phận chính của HV battery
Hình 3.2.18: Các bộ phận chính của bình điện Module bình HV (HV Battery Module)
Hình 3.2.19: Các ngăn trong bình ắcquy Chốt an toàn
Khi tháo chốt an toàn thì ngay lập tức mạch điện thế cao của bình HV được khoá. Điều này bảo đảm an toàn khi điều chỉnh hoặc sửa chữa bất cứ một bộ phận nào của bình HV.
Hình 3.2.20: Chốt an toàn Hệ thống làm mát bình HV (HV Battery Cooling System)
sau ECU bình điện điều khiển hoạt động của quạt làm mát. Nó điều khiển nhiệt độ của bình thông qua tín hiệu cảm biến nhiệt độ được lắp bên trong bình ắcquy.
Hình 3.2.21: Hệ thống làm mát bình ắcquy 3.2.6 Hộp số
3.2.6.1 Cấu tạo của hộp số
Hộp số gồm có các bộ phận sau bộ giảm chấn (damper), MG1, MG2, bộ bánh răng hành tinh, bộ giảm tốc (bộ giảm tốc gồm có xích truyền lực, bánh răng chủ động, bánh răng bị động, bánh răng truyền cuối, bánh răng dẫn động cuối).
Bộ bánh răng hành tinh, MG1, MG2, bánh xích dẫn động, bộ giảm trấn được lắp đồng trục, lực truyền động được truyền từ bánh xích qua bộ giảm tốc thông qua xích dẫn động.
3.2.6.2 Hoạt động cơ bản của hộp số
Hệ thống này kiểm soát các chế độ sau đây nhằm đạt được hiệu quả cao nhất phù hợp với các điều kiện hoạt động của xe.
a. Cung cấp điện từ bình HV tới MG2 để tạo ra lực dẫn động bánh xe:
Hình 3.2.23: MG2 dẫn động bánh xe
b. Khi bánh xe đang được dẫn động bởi động cơ thông qua bộ bánh răng hành tinh. Đồng
thời MG1 cũng được dẫn động bởi động cơ qua bánh răng hành tinh để tạo ra điện cung cấp cho MG2.
c. MG1 được dẫn động bởi động cơ thông qua các bánh răng hành tinh để nạp điện cho bình HV
Hình 3.2.25: MG1 nạp điện cho bình ắcquy HV
d. Khi xe giảm tốc thì năng lượng động lực từ các bánh xe sẽ được khôi phục và được
3.2.6.3. Hoạt động của hệ thống: a. Tổng quát:
Hệ thống THS-II (Toyota Hybrid System) sử dụng hai loại lực được tạo ra bởi động cơ và MG2, MG1 được sử dụng như là 1 máy phát điện.
Bộ điều khiển bình HV ECU theo dõi liên tục tình trang nạp bình (SOC) theo dõi về nhiệt độ bình, nhiệt độ nước làm mát động cơ và tình trạng tải điện. Nếu một trong những bộ phận được theo dõi không đạt yêu cầu và khi nút READY ở vị trí ON và tay số ở vị trí “P”. Khi đó ECU HV sẽ điều khiển MG1 khởi động động cơ và sau đó nạp lại bình.
Hệ thống THS-II hoạt động dựa trên sự kết hợp tối ưu của động cơ, MG1, MG2 phù hợp với các điều kiện lái xe, và được liệt kê ở bảng dưới đây:
Hình 3.2.27: Điều kiện làm việc
(A) READY ON (B) Khởi động
(C) Trong quá trình tăng tốc nhẹ với động cơ (D) Trong quá trình tăng tải thấp
(E) Trong quá trình đầy tải (F) Trong quá trình giảm tốc
Biểu đồ bên dưới sẽ miêu tả cho chúng ta sự điều khiển chiều quay của bộ bánh răng hành tinh về tốc độ quay, sự cân bằng truyền lực.
Đồ thị này chỉ ra khi nào MG1 và MG2 là máy phát điện hoặc là mô tơ điện. Chiều quay và moment được chỉ định trong bảng dưới đây.
Trạng thái Hình minh hoạ
Không nạp điện Nạp điện Dẫn động Bị dẫn động
b. Trạng thái READY ON
Trên xe đời 2004 Prius, thậm trí nếu người tài xế có nhấn nút POWER và READY chỉ ON thì động cơ cũng không khởi động. Động cơ chỉ khởi động khi đạt được các yêu cầu về: nhiệt độ nước làm mát, tình trạng của bình, nhiệt độ bình và chế độ tải điện. Trong tình trạng này động cơ MG1, MG2 tất cả đều không hoạt động.
Ở trạng thái này tùy theo điều kiện hoạt động của xe sẽ xảy ra 2 quá trình: Khởi động động cơ, Động cơ dẫn động MG1.
+Khởi động động cơ
Nếu bất cứ một bộ phận nào được theo dõi bởi ECU HV không đạt yêu cầu khi READY ở vị trí ON và vị trí cần số ở vị trí “P” hoặc khi xe đi lùi thì ECU HV sẽ điều khiển cho MG1 khởi động động cơ.
Trong quá trình hoạt động để ngăn ngừa sự tác động trở lại của bánh răng mặt trời (MG1) lên bánh răng bao (MG2) làm dẫn động các bánh xe 1 dòng điện sẽ được cấp tới MG2 để hãm MG2 lại. Bộ phận này được gọi là “REACTIVE CONTROL”.
Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
Hình 3.2.30: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ + Động cơ dẫn động MG1
Động cơ sẽ dẫn động MG1 quay, MG1 hoạt động như là 1 máy phát điện và nạp điện vào bình HV.
Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
Hình 3.2.32: Mối quan hệ về tốc độ khi động cơ dẫn động MG1 c. Trạng thái khởi động (B)
Ở trạng thái này tùy theo điều kiện hoạt động của xe sẽ có 3 quá trình: MG2 dẫn động xe, MG1 khởi động động cơ, Động cơ dẫn động MG1 phát điện.
+ Xe được dẫn động bởi MG2
Khi động cơ của xe không hoạt động thì năng lượng để xe di chuyền chỉ được cung cấp từ MG2. Ở quá trình này động cơ chính không hoạt động, MG1 quay trơn và không tạo ra điện.
Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
Hình 3.2.34: Mối quan hệ về tốc độ khi MG2 dẫn động bánh xe khởi động động cơ
+ MG1 khởi động động cơ
Trong khi xe chỉ hoạt động dựa trên MG2 mà yêu cầu cần tăng moment, thì MG1 sẽ hoạt động để khởi động động cơ. Ngoài ra nếu các bộ phận được theo dõi bởi ECU HV như tình trạng của bình, nhiệt độ của bình, nhiệt độ nước làm mát động cơ và chế độ tải điện có sự chênh lệch với yêu cầu chỉ định thì MG1 được kích hoạt để khởi động động động cơ.
Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh
Hình 3.2.36: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ trong khi MG2 dẫn động bánh xe
+ Động cơ dẫn động MG1 phát điện
Ở trạng thái tiếp theo, động cơ sẽ dẫn động MG1 để phát điện cung cấp cho bình HV, nếu yêu cầu cần tăng moment thì động cơ sẽ dẫn động MG1 phát điện để chuyển sang chế độ tăng tốc nhẹ cùng với động cơ.
Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh.
Hình 3.2.38: Mối quan hệ về tốc độ quay khi động cơ dẫn động MG1 phát điện và MG2 dẫn động bánh xe
d. Trạng thái tăng tốc nhẹ với động cơ (C)
Trong quá trình tăng tốc nhẹ với động cơ lực của động cơ tạo ra sẽ được phân chia bởi bộ bánh răng hành tinh. Một phần được cung cấp trực tiếp ra các bánh xe và phần còn lại (phần chính) dùng để dẫn động MG1 tạo ra điện, thông qua bộ chuyển đổi điện (inverter) cung cấp cho MG2 và MG2 tạo ra lực cung cấp cho bánh xe.
Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh.
Hình 3.2.40: Mối quan hệ về tốc độ quay khi tăng tốc nhẹ với động cơ d. Trạng thái tải thấp (D):
Khi xe chạy ở chế độ tải thấp thì lực tạo ra bởi động cơ được phân phối bởi bộ bánh răng hành tinh. Một phần lực được cung cấp trực tiếp tới các bánh xe, phần còn lại (phần chính) được dùng để dẫn động MG1 tạo ra điện.
Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh.
Hình 3.2.42: Mối quan hệ về tốc độ quay khi xe ở trạng thái tải nhỏ e. Trạng thái đầy tải (E):
Khi xe chuyển từ chế độ tải thấp sang chế độ đầy tải thì hệ thống sẽ cung cấp thêm điện từ bình HV cho MG2 tạo thêm lực:
Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh.
Hình 3.2.44: Mối quan hệ về tốc độ quay khi xe ở trạng thái đầy tải f.Trạng thái giảm tốc (F):
Ở trạng thái này tùy theo điều kiện hoạt động của xe sẽ xảy ra 3 quá trình: Giảm tốc ở tay số D, giảm tốc ở tay số B, trong quá trình phanh.
+ Giảm tốc ở tay số D