Khảo sát về động cơ hybrid trên ô tô, kiểm tra chẩn đoán hư hỏng sữa chữa động cơ hybrid trên xe Toyoya Corolla coros 201

PHẦN II. NỘI DUNGChương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HYBRID1.1 Lịch sử phát triển của xe hybrid1.1.1 Lịch sử xe hybridGần hai thập niên qua sự phát triển bùng nổ về công nghệ của ngành công nghiệp sản xuất ô tô như: ứng dụng điện tử, tin học, vật liệu mới,… để nâng cao chất lượng và độ an toàn cho con người. Bên cạnh đó xe Hybrid cũng có sự phát triển đáng kể từ những năm 2000 cho thấy tương lai sáng sủa của sản phẩm công nghệ này. Tuy nhiên, ít người biết rằng những chiếc hybrid đã xuất hiện từ hơn một thế kỷ trước.Hơn một thế kỷ trước, theo nghiên cứu của Toyota, một người tên Piper đã đề nghị cấp bằng sáng chế về một dạng động cơ kết hợp giữa xăng và điện như các hệ thống hybrid ngày nay. Mục đích của Piper lúc đó là làm sao giúp chiếc xe tăng tốc lên 40 kmh trong khoảng chưa đến 10 giây, vào thời buổi mà tốc độ xe ô tô trung bình phải mất hơn nửa phút để đạt tới con số trên. Ý tưởng hết sức độc đáo nhưng Piper đã không gặp thời. Sự bùng nổ xe gắn máy hai bánh vào đầu thế kỷ trước đã khiến sáng chế của Piper rơi vào quên lãng. Giá nhiên liệu rẻ mạt, không có bất cứ quy định nào về khí thải khiến cho người sử dụng ô tô và xe máy đều không quan tâm tới các hệ thống động cơ lạ lẫm.Nghiên cứu của Toyota còn chỉ ra rằng tại Pháp, công ty “ Ô tô điện Paris “ đã chế tạo một loạt xe điện và hybrid trong những năm cuối thế kỷ 19 và đầu 20. Các nhà sản xuất xe Pháp thực sự là những người đi tiên phong trong ngành công nghiệp xe hơi. Đất nước hình lục lăng này từng là nơi chế tạo ô tô lớn nhất thế giới cho tới khi bị nước Mỹ chiếm mất vị trí. Tiếc là lúc đó, những hãng xe lớn nhất nước Pháp lại hoàn toàn vắng bóng ở thị trường Bắc Mỹ. Một trong số những xe hybrid của công ty “ Ô tô điện Paris “, mang tên Kreiger, là xe dẫn động bánh trước và có tay lái trợ lực. Khi đó mới chỉ là năm 1903.Trong buổi bình minh của ngành công nghiệp ô tô, một công ty tại Áo mang tên Lohner đã chế tạo một mẫu xe, trong đó động cơ điện được gắn gần bánh xe và truyền lực thẳng tới các bánh. Một người nổi tiếng về sau này trong ngành công nghiệp xe hơi, Ferdinand Porsche, lúc đó có mặt trong số các công nhân tham gia hoàn thiện mẫu xe này. Chính ông là người sẽ thực hiện những kỳ công với xe Volkswagen Beetle và lập ra hiệu xe thể thao nổi tiếng mang tên mình, Porsche. Sự tham gia của Porsche chắc chắn là rất đáng kể bởi vì những chiếc xe này được gọi là LohnerPorsche. Mẫu xe rất gần với xe hybrid ngày nay do động cơ xăng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Vì thế, các nhà nghiên cứu của Toyota đã coi về cơ bản đây là một chiếc xe hybrid.Trong giai đoạn nửa đầu của thế kỷ trước, còn có nhiều tên tuổi khác tham gia chế tạo xe hybrid như General Electric và Woods Motor Vehicle (đều của Mỹ), SiemensSchukert (Đức). Woods đã giới thiệu mẫu xe Dual Power vào năm 1917, kết hợp động cơ điện và xăng để đạt vận tốc 56 kmh. Nếu chỉ sử dụng động cơ điện chiếc xe cũng có tốc độ chừng 32 kmh. Thậm chí, một công ty tên Walker tại Chicago còn cho ra lò cả xe tải hybrid vào đầu những năm 1940.Galt Motor là công ty đầu tiên của Canada trong lĩnh vực này. Năm 1914, công ty xuất xưởng chiếc Galt sử dụng động cơ xăng 2 thì có 2 xilanh, công suất 10 mã lực và một máy phát điện 40V, 90A. Theo công ty, người lái chạy được liên tục 112 km mà chỉ tiêu tốn hơn 3,5 lít nhiên liệu và có thể thêm khoảng 30 km nữa với bình điện. Nhưng tốc độ tối đa 48 kmh của xe không gây ấn tượng với khách hàng, những người vào thời điểm đó đã chọn kiểu xe động cơ thông thường để có hiệu năng cao hơn.Cần phải nói thêm rằng hệ thống hybrid còn được ứng dụng nhiều năm cả trong ngành xe lửa, tầu thủy, thiết bị xây dựng và tại các công trường xây dựng. GM từng có những chiếc máy xúc cỡ lớn với một động cơ diesel sản sinh năng lượng cho từng động cơ điện tại mỗi bánh. Ngay nay các hãng Volvo, Komatsu,… đã sản xuất ra những chiếc máy xúc Hybrid.Mẫu xe hatchback Toyota Prius đời 2005 có động cơ xăng 78 mã lực và động cơ điện 67 mã lực. Hai động cơ này kết hợp trong hệ thống mà Toyota gọi là “Hybrid Synergy Drive”. Hệ thống cho phép xe sử dụng động cơ điện, động cơ xăng hay cả tùy thời điểm, biến Prius thành một chiếc hybrid thật sự. Xe hybrid có một lịch sử lâu đời hơn phần lớn chúng ta biết và có thể những người đi tiên phong sẽ rất ngạc nhiên nếu họ biết rằng đầu thế kỷ 21 công nghệ mà họ từng ứng dụng này lại nhận được sự chấp thuận rộng rãi.1.1.2 Xu hướng phát triển của ô tô hybridSự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại thấp.Các xe chạy bằng Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô. Ô tô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như: hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid)... Phạm vi bài viết này chỉ bàn về ô tô hybrid.Dưới áp lực ngày càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và tiêu chuẩn khí thải khắt khe, ô tô Hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990 và dần phát triển nhảy vọt cho đến nay.Toyota được xem là hãng chế tạo ô tô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực phát trển hybrid .Dòng ô tô hybrid thương mại tiêu chuẩn đầu tiên có tên Toyota Prius được bán ở thị trường Nhật Bản vào năm 1977. Đến tháng 6 năm 2013 khoảng 3 triệu Toyota Prius đã bán được ở khoảng 80 quốc gia và khu vực. Hiện nay hầu hết các hãng ô tô hàng đầu trên thế giới đều đã cho ra đời các mẫu ô tô hybrid của mình và ô tô hybrid dần khẳng định là một phần thị trường ô tô trong tương lai.1.2 Phân loại ô tô Hybrid1.2.1 Theo thời điểm phối hợp công suất Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậmKhi ô tô bắt đầu khởi hành, motor điện sẽ hoạt động cung cấp công suất giúp xe chuyển động và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 kmh) trước khi động cơ xăng tự khởi động. Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng phải khởi động ngay lập tức mới có thể cung cấp công suất tối đa. Ngoài ra, motor điện và động cơ xăng cũng hỗ trợ cho nhau khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như khi leo dốc, leo núi hoặc vượt qua xe khác. Do motor điện được sử dụng nhiều ở tốc độ thấp, nên loại này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đường phố hơn là khi đi trên đường cao tốc. Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai dòng điển hình thuộc loại này.Phối hợp khi cần công suất caoMotor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xe khác, còn trong điều kiện bình thường xe vẫn chạy bằng động cơ xăng. Do đó, những chiếc hybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đường cao tốc vì đó là khi động cơ xăng ít bị gánh nặng nhất. Điển hình là Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộc loại thứ hai.Cả hai loại này đều lấy công suất từ ắc quy khi motor điện được sử dụng và đương nhiên nó sẽ làm yếu công suất của ắc quy. Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid không cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc.1.2.2 Theo cách phối hợp công suất giữ động cơ nhiệt và động cơ điện•Kiểu nối tiếpĐộng cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc quy hoặc cung cấp cho động cơ điện Hình 1.1 Hệ thống hybrid nối tiếp.Hình 1.2 Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếpDòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện. Động cơ điện ở đây còn có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh.Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường. Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ô tô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ắc quy. Sơ đồ này có thể không cần hộp số.Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như: Kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị quá tải.•Kiểu song songDòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song. Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc.Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy.Ưu điểm: Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp.Nhược điểm: Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nối tiếp. Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao. Hình 1.3 Hệ thống hybrid song song Hình 1.4 Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song•Kiểu hỗn hợpHệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa các lợi ích được sinh ra. Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là thiết bị phân chia công suất chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động. Tuy nhiên xe có thể chạy theo kiểu êm dịu chỉ với một mình động cơ điện. Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe hybrid. Hình 1.5 Hệ thống hybrid hỗn hợp Hình 1.6 Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp.• So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suấtBảng 1. So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất  Chương 2. CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ HYBRID TRÊN Ô TÔ2.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống hybrid Hình 2.1 Sơ đồ vị trí các thành phần cấu tạo chính trên xe Hybrid Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hybrid Hình 2.3 Sơ đồ xe hybrid kiểu hỗn hợp Hình 2.4 Một dạng xe hybrid kiểu hỗn hợpGhi chú:1. Engine: Động cơ đốt trong2. ECM: Electric Control Module Bộ phận điều khiển điện tử cho động cơ.3. HV ECU: Hybrid Vehicle ECU ECU điều khiển kết hợp trên ô tô hybrid.4. Shift Postion Sensor: Cảm biến vị trí tay số.5. Brake ECU: ECU điều khiển phanh.6. HV Battery: High Volt Battery Ắcquy điện áp cao.7. Inverter with Converter: Bộ chuyển đổi điện.8. Hybrid Transaxle: Hộp số kết hợp với bộ phân phối công suất.9. Acceleration Pedal Position Sensor: Cảm biến vị trí bàn đạp ga.Xe hybrid hoạt động theo nguyên tắc:Động cơ điện được sử dụng để khởi động xe, trong đó trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ. Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe gia tốc hoặc leo dốc. Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc quy. Không giống như các phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy. Với sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ Hybrid được mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động cơ cao, mô men lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu môô nhiễm môi trường.2.2. Tổng quan về các hệ thống, cơ cấu trên động cơ đốt trong2.2.1.Động cơ đốt trongLà nguồn động lực chính, ở ô tô hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu. Hình 2.5 Động cơ đốt trong của xe Toyota Corolla Cross Hình 2.6 Ô tô Toyota Corolla Cross2.2.2. Máy phát điệnGiống như motor máy phát cũng là loại đồng bộ xoay chiều. Để cung cấp đủ công suất đến motor công suất cao thì máy phát được quay ở tốc độ cao hơn máy phát truyền thống để tăng công suất ra chính nó. Sự cải tiến rotor trong máy phát giúp nó tăng số vòng quay từ 6,500vp (THS) đến 10,000vp (THSII). Sự tăng số vòng quay này là quan trọng để tăng công suất đầu ra cung cấp. Sự cải thiện hoạt động tăng tốc trong phạm vi tốc độ thấp hoặc tốc độ trung bình. Kết quả là, đạt được sự kết hợp tối ưu của motor công suất cao và động cơ. Hình 2.7 Máy phát điện trên xe Hybrid2.2.3. Động cơ điện Động cơ điện trên xe Hybrid là một motor điện sử dụng motor đồng bộ xoay chiều, nó là một môtơ không chổi điện đạt hiệu suất cao với dòng điện xoay chiều. Nam châm vĩnh cữu, và rôto được làm từ đĩa thép điện từ và việc sắp xếp nam châm vĩnh cữu dạng chữ V thì mô men dẫn động được tăng lên. Kết hợp với sự tăng điện áp nguồn điện thì công suất đầu ra cũng tăng lên sắp xỉ 1.5 lần so với THS, tức từ 33kW đến 50kW.2.2.4. Bộ phận chuyển đổi điệnBộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắcquy điện áp cao (HV Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắcquy. Hình 2.8 Bộ chuyển đổi điện trên xe Hybrid 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 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.Bộ đổi điện chuyển đổi trực tiếp dòng cao áp từ bình HV thành dòng 3 pha để dẫn động MG1 và MG2.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 2.9 Bộ chuyển đổi điệnSơ đồ dây: Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi2.2.5. Ắc quy áp cao Ắc quy chính của xe được bảo vệ trong một vỏ nikenkim loại hyđrua chắc chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Thường gồm 120250 cặp cực ắc quy với điện áp chuẩn là 144V350 Volt (1,2Vcặp cực ắc quy) được nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng. Ford Escape Hybrid, Honda Insight, Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử dụng những pin hyđrua kim loại kiềm (NiMH), công nghệ pin giống như trong điện thoại di động và máy tính xách tay. Hệ thống hybrid của Prius là sự kết hợp của 38 mô đun chứa 228 pin điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6 V. Xe của Honda thì dùng 120 pin điện, tổng công suất 144 V; Ford 250 pin, công suất 330 V. Hình 2.11 Ắcquy điện áp cao trên Toyota Prius Hình 2.12 Ắcquy điện áp cao trên VW TouaregBình 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 motor 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 2.13 Các bộ phận chính của bình điệnModule bình HV (HV Battery Module)Các ngăn của mỗi module thì được nối với nhau bởi 2 điểm, bên trên và bên dưới. Điều đó làm điện trở trong của bình HV giảm xuống. Hình 2.14 Các ngăn trong bình ắc quy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 2.15 Chốt an toàn2.2.6. Hộp số và phân bố công suấtCụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ chia công suất có nhiệm vụ chia công 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 công 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 cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT Continuously Variable Transmission).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 độngHình 2.16 Cấu tạo của hộp số HybridHoạt động phân bố công suất của hộp sốHệ 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 2.17 MG2 dẫn động bánh xeb. 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. Hình 2.18 Động cơ và MG1 dẫn động bánh xec. MG1 được dẫn động bởi động cơ thông qua các bánh răng hành tinh để nạp điện cho bình HV Hình 2.19 MG1 nạp điện cho bình ắc quy HVd. Khi xe giảm tốc thì năng lượng động lực từ các bánh xe sẽ được khôi phục và được chuyển thành năng lượng điện để nạp lại cho bình HV thông qua MG2. Hình 2.20 Bánh xe dẫn động MG2 nạp điện cho bình HV Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất2.3. Các chế độ điều khiển hệ thống Hybrid2.3.1. Khởi động động cơ khi xe đang chạy Hình 2.22 Trạng thái hoạt động của xe khi khởi động động cơ khi xe đang chạyỞ 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 cơNếu 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”. Hình 2.23 Khởi động động cơĐồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh: Hình 2.24 Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ+ Động cơ dẫn động MG1Động cơ sẽ dẫn động MG1 quay, MG1 hoạt động như là 1 máy phát điện và nạp điện vào bình HV. Hình 2.25 Động cơ dẫn động MG1Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh: Hình 2.26 Mối quan hệ về tốc độ khi động cơ dẫn động MG1c. 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. Hình 2.27 MG2 dẫn động bánh xeĐồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh: Hình 2.28 Mối quan hệ về tốc độ khi MG2 dẫn động bánh xekhởi động động cơ+ MG1 khởi động động cơTrong 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. Hình 2.29 Khởi động động cơ khi xe đang được dẫn động bởi MG2Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 2.30. Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ trong khi MG2 dẫn động bánh xe+ Động cơ dẫn động MG1 phát điệnỞ 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. Hình 2.31 Động cơ dẫn động MG1 phát điệnĐồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh. Hình 2.32 Mối quan hệ về tốc độ quay khi động cơ dẫn động MG1 phát điện và MG2 dẫn động bánh xe2.3.2. Tăng tốc nhẹ với động cơ Hình 2.33 Quá trình tăng tốc nhẹTrong 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. Hình 2.34 Trạng thái tăng tốc nhẹ với động cơĐồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh. Hình 2.35 Mối quan hệ về tốc độ quay khi tăng tốc nhẹ với động cơ2.3.3. Tốc độ thấp ổn địnhKhi 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. Hình 2.36 Trạng thái tải thấpĐồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh. Hình 2.37 Mối quan hệ về tốc độ quay khi xe ở trạng thái tải nhỏ2.3.4. Tăng tốc tối đaKhi xe được chuyển từ chế độ tải thấp sang chế độ tăng tốc mạnh, hệ thống này sẽ bổ sung điện của ắc quy HV vào lực truyền động của MG2.Khi xe chuyển từ chế độ tải thấp sang chế độ tăng tốc tối đa thì hệ thống sẽ cung cấp thêm điện từ bình HV cho MG2 tạo thêm lực: Hình 2.38 Trạng thái tăng tốc tối đaĐồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh. Hình 2.39 Mối quan hệ về tốc độ quay khi xe ở trạng thái tăng tốc tối đa2.3.5. Tốc độ tối đa ổn địnhKhi xe chạy ở tốc độ cao ổn định động cơ và MG2 hoạt động, MG1 hoạt động ở chế độ phanh (MG1 không quay).

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT VỀ ĐỘNG CƠ HYBRID TRÊN Ô TÔ, KIỂM TRA CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG SỬA CHỮA ĐỘNG CƠ HUYBRID TRÊN XE

COROLLA COROS 2017

Giáo viên hướng dẫn: Ths Võ Xuân Triều

Sinh viên thực hiện: Phạm Mạnh Thìn

Lớp: DHOTOCK13C

Nghệ An - 2021

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chungkhông giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe , nhưng đều có

xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấpnhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tàinguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập củangười dân lại tăng không đáng kể

Ô tô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô pin mặt trời cho đến nay đều tồn tại một

số nhược điểm nhất định, không dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta Trongbối cảnh đó thì ô tô hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện)được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ô tô sạch, nhằmđáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu

Sau hơn 4 năm học tập và rèn luyện tại trường em đã được khoa tin tưởng giao cho đề

tài “Khảo sát về động cơ hybrid trên ô tô, kiểm tra chẩn đoán hư hỏng sữa chữa

động cơ hybrid trên xe Toyoya Corolla coros 2017” Trong phạm vi đề tài này chỉ

bàn về dòng ôtô hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) là loại ôtô hybrid thông dụng nhất hiện nay

Đây là một đề tài còn mới mẻ và có nhiều khó khăn Với sự cố gắng của bản thân

và dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Võ Xuân Triều cùng với sự giúp đỡ của các

thầy cô trong Khoa Cơ khí động lực, em đã hoàn thành đề tài với nội dung đáp ứngđược yêu cầu đề ra Tuy nhiên trong quá trình làm, với khả năng và trình độ còn hạnchế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy em rất mong sự góp ý của các thầy côtrong khoa và các bạn quan tâm tới đề tài này để đề tài được hoàn thiện hơn nữa Em

xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa, đặc biệt là thầy giáo Võ Xuân Triều đã

tận tình chỉ bảo và hướng dẫn chúng em hoàn thành đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

…

Tp Vinh, ngày……tháng……năm 2021

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Mục lục

PHẦN I MỞ ĐẦU 8

1.Lí do chọn đề tài 8

2.Mục đích nghiên cứu 8

3.Đối tượng nghiên cứu 8

4.Nhiệm vụ nghiên cứu 8

5.Phạm vi nghiên cứu 8

6 Giả thuyết khoa học 9

7 Phương pháp nghiên cứu 9

PHẦN II NỘI DUNG 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HYBRID 10

1.1 Lịch sử phát triển của xe hybrid 10

1.1.1 Lịch sử xe hybrid 10

1.1.2 Xu hướng phát triển của ô tô hybrid 11

1.2 Phân loại ô tô Hybrid 12

1.2.1 Theo thời điểm phối hợp công suất 12

1.2.2 Theo cách phối hợp công suất giữ động cơ nhiệt và động cơ điện 12

Chương 2 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ HYBRID TRÊN Ô TÔ 16

2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống hybrid 16

2.2.1.Động cơ đốt trong 18

2.2.2 Máy phát điện 19

2.2.3 Động cơ điện 19

2.2.4 Bộ phận chuyển đổi điện 20

2.2.5 Ắc quy áp cao 22

2.2.6 Hộp số và phân bố công suất 24

2.3 Các chế độ điều khiển hệ thống Hybrid 28

2.3.1 Khởi động động cơ khi xe đang chạy 28

2.3.2 Tăng tốc nhẹ với động cơ 34

2.3.3 Tốc độ thấp ổn định 35

2.3.4 Tăng tốc tối đa 36

2.3.5 Tốc độ tối đa ổn định 37

2.3.6 Giảm tốc độ và phanh xe 38

2.3.7 Chế độ lùi 41

Chương 3 CÁC DẠNG HƯ HỎNG, NGUYÊN NHÂN VÀ PHƯƠNG PHÁP

KIỂM TRA 42

3.1 Các dạng hư hỏng hệ thống Hybrid trên xe Toyota corolla coros 2017 42

3.1.1 Hư hỏng về ắc quy áp cao 42

3.1.2 Hư hỏng xe do bị ngập nước 42

3.2 Phương pháp kiểm tra, chẩn đoán hư hỏng hệ thống Hybrid trên xe Toyota Corolla Coros 2017 42

3.2.1 Các biện pháp an toàn khi sửa hệ thống Hybrid 47

PHẦN III KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 56

1 Kết luận 56

2 Ý kiến đề xuất 56

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Ý nghĩa từ viết tắt

ĐCĐT Động Cơ Đốt TrongĐCĐT/MP Động Cơ Đốt Trong/Máy Phát

EV Electric VehiclePHEV Plug-in Hybrid Electric VehicleHEV Hybrid Electric Vehicle

ICE Internal Combustion Engine

PSD Power Splitting Divice

VVT-i Variable Valve Timing Intelligent

ECU Electronic Control Unit

MG1 Motor Generator 1ETCS-I ElectronicthrottlecontrolsmartMG2 Motor Generator 2

IPM Intelligent Power ModuleIGBT Insulated Gate Bipolar TransistorAGM Absorbed Glass Mat

CVT Continuously Variable TransmissionSOC State – Off – Charge

PHẦN I MỞ ĐẦU

1.Lí do chọn đề tài

Vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhễm môi trường do khí thải của động cơ

đốt trong (ICE) đã và đang là áp lực đối với nhà sản xuất xe trên thế giới Với trình độcông nghệ hiện có và nếu chi xét từ góc độ bảo vệ môi trường thì xe chạy bằng động

cơ điện (EM) là giải pháp triệt để nhất cho tình trạng khí thải hiện nay Thực tế đã cóhàng loạt mẫu xe cơ giới chạy bằng điện được sinh ra từ các tấm pin năng lượng mặttrời gắn trên xe hoặc chạy bằng ắc quy đã được chế tạo

Qua tìm hiểu cho thấy đến thời điểm hiện nay ở Việt Nam chưa có công trìnhkhoa học nghiên cứu sâu nào được công bố về tối ưu hóa hệ động cơ hybrid Hầu hếthybrid chỉ mới đề cập đến những thành tựu hoặc là khái niện cơ bản của các hãng chếtạo ô tô hybrid hoặc thiết kế tạo cụm thiết bị, mô hình ô tô hybird trong phạm vi các đồ

án tốt nghiệp hoặc là các bài tiểu luận… Kỹ thuật và công nghệ tối ưu hóa hệ độnglực hybrid được áp dụng cho các mẫu ô tô hybrid hiện đại vẫn còn là bí quyết của một

số hãng xe hàng đầu trên thế giới

Với mục đích nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn của hệ hybrid hóa để làm cơ sởcho việc thiết kế chế tạo xe hybrid đồng thời cho phép đánh giá mức độ phù hợp chocác mẫu xe hybrid được khai thác ở Việt Nam

2.Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu khai thác hệ động cơ Hybrid với mục đích:

Đưa ra những khuyến cáo khi vận hành ô tô và áp dụng kết quả nghiên cứu vàothực tế phục vụ cho công tác kiểm tra bảo dưỡng và sửa chữa hệ động cơ hybrid trêncác dòng xe ô tô

Làm tài liệu phục vụ giảng dạy góp phần nâng cao hiệu quả của hoạt động dạy

và học cho chuyên ngành công nghệ ô tô

Giúp cán bộ kỹ thuật, công nhân sửa chữa và người sử dụng nâng cao kiến thức

về hệ thống phun dầu điện tử trên ô tô

3.Đối tượng nghiên cứu

Các loại ô tô có sử dụng hệ động cơ hybrid

4.Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống hybrid

- Cấu trúc hoạt động của động cơ hybrid trên ô tô

- Các dạng hư hỏng, nguyên nhân và phương pháp kiểm tra chuẩn đoán hệ thốngHybrid xe Toyota corolla coros 2017

5.Phạm vi nghiên cứu

5.1 Các nguồn năng lượng trong cấu trúc tổng thể của hệ động cơ hybrid kiểu

song song, kiểu hỗn hợp, bao gồm ICE, EM, máy phát điện và acquy điện

5.2 Tối ưu hóa thiết kế độ lớn của các nguồn năng lượng động cơ hybrid

5.3 Tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng của hệ động lực ô tô

hybrid: Là việc xác định và kiểm soát dễ dàng chế độ làm việc của các nguồn nănglượng sao cho đạt được các mục tiêu và phương án hybrid có thể mang lại Ô tô truyềnthống không yêu cầu tối ưu hóa tham số điều khiển nguồn năng lượng Ở loại nàyngười lái quyết định vận tốc tức thời của ô tô và công suất tức thời thông qua việc lênxuống cần gạt số, bàn đạp ga và bàn đạp phanh Trong trường hợp ô tô hybrid cần có

thêm các quyết định khác nữa Mỗi nguồn năng lượng phải cung cấp bao nhiêu nănglượng để cần thiết cung cấp cho bánh xe chủ động, nguồn năng lượng phải hoạt động ởchế độ thích hợp để hệ thống làm việc đảm bảo an toàn và chất lượng khí thải tiêuchuẩn.

6 Giả thuyết khoa học

Phát triển mô hình tối ưu hóa, đồng thời độ lớn của các nguồn năng lượng và cáctham số điều khiển nguồn năng lượng hệ thống động lực của ô tô hybrid

Phát triển Modun giải thuật đàn ong và tích hợp nó với phần mềm ADIVISOR,

do NREL ( National Renewable Energy Laboratory _Hoa Kỳ ) xây dựng, phục vụ,thực nghiệm, mô phỏng tối ưu hóa độ lớn và các tham số điều khiển nguồn năng lượng

hệ động cơ hybrid

7 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu các công trình khoa học ở trong và ngoài nước về đề tài ô tô nói chung

và hệ thống động cơ hybrid nói riêng Trên cơ sở đó xác định một số vấn đề tiếp tụcnghiên cứu theo định hướng đã đặt ra bao gồm tối ưu hóa độ lớn và các tham số điềukhiển các nguồn năng lượng của hệ thống nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu vàgiảm mức độ phát thải các chất dộc hại của ICE nằm trong cấu trúc tổng thể của động

cơ hybrid

PHẦN II NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HYBRID

1.1 Lịch sử phát triển của xe hybrid

1.1.1 Lịch sử xe hybrid

Gần hai thập niên qua sự phát triển bùng nổ về công nghệ của ngành côngnghiệp sản xuất ô tô như: ứng dụng điện tử, tin học, vật liệu mới,… để nâng cao chấtlượng và độ an toàn cho con người Bên cạnh đó xe Hybrid cũng có sự phát triển đáng

kể từ những năm 2000 cho thấy tương lai sáng sủa của sản phẩm công nghệ này Tuynhiên, ít người biết rằng những chiếc hybrid đã xuất hiện từ hơn một thế kỷ trước

Hơn một thế kỷ trước, theo nghiên cứu của Toyota, một người tên Piper đã đềnghị cấp bằng sáng chế về một dạng động cơ kết hợp giữa xăng và điện như các hệthống hybrid ngày nay Mục đích của Piper lúc đó là làm sao giúp chiếc xe tăng tốc lên

40 km/h trong khoảng chưa đến 10 giây, vào thời buổi mà tốc độ xe ô tô trung bìnhphải mất hơn nửa phút để đạt tới con số trên Ý tưởng hết sức độc đáo nhưng Piper đãkhông gặp thời Sự bùng nổ xe gắn máy hai bánh vào đầu thế kỷ trước đã khiến sángchế của Piper rơi vào quên lãng Giá nhiên liệu rẻ mạt, không có bất cứ quy định nào

về khí thải khiến cho người sử dụng ô tô và xe máy đều không quan tâm tới các hệthống động cơ lạ lẫm

Nghiên cứu của Toyota còn chỉ ra rằng tại Pháp, công ty “ Ô tô điện Paris “ đãchế tạo một loạt xe điện và hybrid trong những năm cuối thế kỷ 19 và đầu 20 Các nhàsản xuất xe Pháp thực sự là những người đi tiên phong trong ngành công nghiệp xehơi Đất nước hình lục lăng này từng là nơi chế tạo ô tô lớn nhất thế giới cho tới khi bịnước Mỹ chiếm mất vị trí Tiếc là lúc đó, những hãng xe lớn nhất nước Pháp lại hoàntoàn vắng bóng ở thị trường Bắc Mỹ Một trong số những xe hybrid của công ty “ Ô tôđiện Paris “, mang tên Kreiger, là xe dẫn động bánh trước và có tay lái trợ lực Khi đómới chỉ là năm 1903

Trong buổi bình minh của ngành công nghiệp ô tô, một công ty tại Áo mang tênLohner đã chế tạo một mẫu xe, trong đó động cơ điện được gắn gần bánh xe và truyềnlực thẳng tới các bánh Một người nổi tiếng về sau này trong ngành công nghiệp xehơi, Ferdinand Porsche, lúc đó có mặt trong số các công nhân tham gia hoàn thiện mẫu

xe này Chính ông là người sẽ thực hiện những kỳ công với xe Volkswagen Beetle vàlập ra hiệu xe thể thao nổi tiếng mang tên mình, Porsche Sự tham gia của Porschechắc chắn là rất đáng kể bởi vì những chiếc xe này được gọi là Lohner-Porsche Mẫu

xe rất gần với xe hybrid ngày nay do động cơ xăng được sử dụng để cung cấp nănglượng cho động cơ điện Vì thế, các nhà nghiên cứu của Toyota đã coi về cơ bản đây làmột chiếc xe hybrid

Trong giai đoạn nửa đầu của thế kỷ trước, còn có nhiều tên tuổi khác tham giachế tạo xe hybrid như General Electric và Woods Motor Vehicle (đều của Mỹ),Siemens-Schukert (Đức) Woods đã giới thiệu mẫu xe Dual Power vào năm 1917, kếthợp động cơ điện và xăng để đạt vận tốc 56 km/h Nếu chỉ sử dụng động cơ điện chiếc

xe cũng có tốc độ chừng 32 km/h Thậm chí, một công ty tên Walker tại Chicago còncho ra lò cả xe tải hybrid vào đầu những năm 1940

Galt Motor là công ty đầu tiên của Canada trong lĩnh vực này Năm 1914, công

ty xuất xưởng chiếc Galt sử dụng động cơ xăng 2 thì có 2 xi-lanh, công suất 10 mã lực

và một máy phát điện 40V, 90A Theo công ty, người lái chạy được liên tục 112 km

mà chỉ tiêu tốn hơn 3,5 lít nhiên liệu và có thể thêm khoảng 30 km nữa với bình điện.Nhưng tốc độ tối đa 48 km/h của xe không gây ấn tượng với khách hàng, những ngườivào thời điểm đó đã chọn kiểu xe động cơ thông thường để có hiệu năng cao hơn

Cần phải nói thêm rằng hệ thống hybrid còn được ứng dụng nhiều năm cả trongngành xe lửa, tầu thủy, thiết bị xây dựng và tại các công trường xây dựng GM từng cónhững chiếc máy xúc cỡ lớn với một động cơ diesel sản sinh năng lượng cho từngđộng cơ điện tại mỗi bánh Ngay nay các hãng Volvo, Komatsu,… đã sản xuất ranhững chiếc máy xúc Hybrid

Mẫu xe hatchback Toyota Prius đời 2005 có động cơ xăng 78 mã lực và động

cơ điện 67 mã lực Hai động cơ này kết hợp trong hệ thống mà Toyota gọi là “HybridSynergy Drive” Hệ thống cho phép xe sử dụng động cơ điện, động cơ xăng hay cả tùythời điểm, biến Prius thành một chiếc hybrid thật sự

Xe hybrid có một lịch sử lâu đời hơn phần lớn chúng ta biết và có thể nhữngngười đi tiên phong sẽ rất ngạc nhiên nếu họ biết rằng đầu thế kỷ 21 công nghệ mà họtừng ứng dụng này lại nhận được sự chấp thuận rộng rãi

1.1.2 Xu hướng phát triển của ô tô hybrid

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chungkhông giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe, nhưng đều có

xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấpnhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tàinguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập củangười dân lại thấp

Các xe chạy bằng Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trênthị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinhthái thay đổi Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ô nhiễmmôi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô Ô tô sạchkhông gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu vàchế tạo ô tô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây,như: hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyềnthống cho ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu,năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid) Phạm vi bài viết này chỉ bàn về ô tô hybrid

Dưới áp lực ngày càng tăng của yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và tiêuchuẩn khí thải khắt khe, ô tô Hybrid lại được quan tâm trở lại từ đầu những năm 1990

và dần phát triển nhảy vọt cho đến nay

Toyota được xem là hãng chế tạo ô tô tiên phong và thành công nhất trong lĩnhvực phát trển hybrid Dòng ô tô hybrid thương mại tiêu chuẩn đầu tiên có tên ToyotaPrius được bán ở thị trường Nhật Bản vào năm 1977 Đến tháng 6 năm 2013 khoảng 3triệu Toyota Prius đã bán được ở khoảng 80 quốc gia và khu vực Hiện nay hầu hết cáchãng ô tô hàng đầu trên thế giới đều đã cho ra đời các mẫu ô tô hybrid của mình và ô

tô hybrid dần khẳng định là một phần thị trường ô tô trong tương lai

1.2 Phân loại ô tô Hybrid

1.2.1 Theo thời điểm phối hợp công suất

 Phối hợp khi cần công suất cao

Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất,như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xe khác,còn trong điều kiện bình thường xe vẫn chạy bằng động cơ xăng Do đó, những chiếchybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đường cao tốc vì đó là khi động cơxăng ít bị gánh nặng nhất Điển hình là Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộcloại thứ hai

Cả hai loại này đều lấy công suất từ ắc quy khi motor điện được sử dụng vàđương nhiên nó sẽ làm yếu công suất của ắc quy Tuy nhiên, một chiếc xe hybridkhông cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc

1.2.2 Theo cách phối hợp công suất giữ động cơ nhiệt và động cơ điện

 Kiểu nối tiếp

Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất củađộng cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc quy hoặccung cấp cho động cơ điện

Hình 1.1 Hệ thống hybrid nối tiếp

.Hình 1.2 Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp

Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc quy và một sẽ dùng chạyđộng cơ điện Động cơ điện ở đây còn có vai trò như một máy phát điện (tái sinh nănglượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh

Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải

nên giảm được ô nhiễm môi trường Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt độngtối ưu, phù hợp với các loại ô tô Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạyđường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ắc quy Sơ đồ này có thể không cầnhộp số

Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm

như: Kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơđốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ

bị quá tải

 Kiểu song song

Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song Cả động cơ nhiệt

và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điềukiện hoạt động khác nhau Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn nănglượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặcvượt dốc

Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính nănggiao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt độngbình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi độngđộng cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy

Ưu điểm: Công suất của ô tô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng,

mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc quy nhỏ

và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp

Nhược điểm: Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor điện có kết cấu

phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nốitiếp Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao

Hình 1.3 Hệ thống hybrid song song

Hình 1.4 Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song

 Kiểu hỗn hợp

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối

đa các lợi ích được sinh ra Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bịphân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơnhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu

êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo

xe hybrid

Hình 1.5 Hệ thống hybrid hỗn hợp

Hình 1.6 Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp.

 So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất

Bảng 1 So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất

Chương 2 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ

HYBRID TRÊN Ô TÔ

2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống hybrid

Hình 2.1 Sơ đồ vị trí các thành phần cấu tạo chính trên xe Hybrid

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hybrid

Hình 2.3 Sơ đồ xe hybrid kiểu hỗn hợp

Hình 2.4 Một dạng xe hybrid kiểu hỗn hợp

Ghi chú:

1 Engine: Động cơ đốt trong

2 ECM: Electric Control Module - Bộ phận điều khiển điện tử cho động cơ.

3 HV ECU: Hybrid Vehicle ECU- ECU điều khiển kết hợp trên ô tô hybrid.

4 Shift Postion Sensor: Cảm biến vị trí tay số.

5 Brake ECU: ECU điều khiển phanh.

6 HV Battery: High Volt Battery- Ắc-quy điện áp cao.

7 Inverter with Converter: Bộ chuyển đổi điện.

8 Hybrid Transaxle: Hộp số kết hợp với bộ phân phối công suất.

9 Acceleration Pedal Position Sensor: Cảm biến vị trí bàn đạp ga.

 Xe hybrid hoạt động theo nguyên tắc:

Động cơ điện được sử dụng để khởi động xe, trong đó trong quá trình chạy bìnhthường sẽ vận hành đồng bộ Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấpnăng lượng để xe gia tốc hoặc leo dốc Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điệnđược sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc quy Không giống như các phươngtiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài,động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy Với sự phối hợp giữa động cơđốt trong và động cơ điện, động cơ Hybrid được mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêuthụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động cơ cao, mô men lớn ở sốvòng quay nhỏ và giảm thiểu môô nhiễm môi trường

2.2 Tổng quan về các hệ thống, cơ cấu trên động cơ đốt trong

Hình 2.6 Ô tô Toyota Corolla Cross 2.2.2 Máy phát điện

Giống như motor máy phát cũng là loại đồng bộ xoay chiều Để cung cấp đủcông suất đến motor công suất cao thì máy phát được quay ở tốc độ cao hơn máy pháttruyền thống để tăng công suất ra chính nó Sự cải tiến rotor trong máy phát giúp nótăng số vòng quay từ 6,500v/p (THS) đến 10,000v/p (THS-II) Sự tăng số vòng quaynày là quan trọng để tăng công suất đầu ra cung cấp Sự cải thiện hoạt động tăng tốctrong phạm vi tốc độ thấp hoặc tốc độ trung bình Kết quả là, đạt được sự kết hợp tối

ưu của motor công suất cao và động cơ

Hình 2.7 Máy phát điện trên xe Hybrid 2.2.3 Động cơ điện

Động cơ điện trên xe Hybrid là một motor điện sử dụng motor đồng bộ xoay

chiều, nó là một môtơ không chổi điện đạt hiệu suất cao với dòng điện xoay chiều.Nam châm vĩnh cữu, và rôto được làm từ đĩa thép điện từ và việc sắp xếp nam châmvĩnh cữu dạng chữ V thì mô men dẫn động được tăng lên Kết hợp với sự tăng điện ápnguồn điện thì công suất đầu ra cũng tăng lên sắp xỉ 1.5 lần so với THS, tức từ 33kWđến 50kW.

2.2.4 Bộ phận chuyển đổi điện

Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc-quy điện áp cao (HV Batterry)thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phátthành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy

Hình 2.8 Bộ chuyển đổi điện trên xe Hybrid

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 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

Bộ đổi điện chuyển đổi trực tiếp dòng cao áp từ bình HV thành dòng 3 pha để

dẫn động MG1 và MG2.

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 MG2bởi 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 đậpđược lắp ở bên trong bộ chuyển đổi điện, nó nhận biết được va đập và tắt tất cả các hệthống

Hình 2.9 Bộ chuyển đổi điện

Sơ đồ dây:

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi 2.2.5 Ắc quy áp cao

Ắc quy chính của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắcchắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường Thường gồm 120-250cặp cực ắc quy với điện áp chuẩn là 144V-350 Volt (1,2V/cặp cực ắc quy) được nạpđiện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợpMG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng

Ford Escape Hybrid, Honda Insight, Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử dụngnhững pin hyđrua kim loại kiềm (NiMH), công nghệ pin giống như trong điện thoại diđộng và máy tính xách tay Hệ thống hybrid của Prius là sự kết hợp của 38 mô đunchứa 228 pin điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6 V Xe của Honda thìdùng 120 pin điện, tổng công suất 144 V; Ford 250 pin, công suất 330 V

Hình 2.11 Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius

Hình 2.12 Ắc-quy điện áp cao trên VW Touareg

Bình điện HV (HV battery), bình điện ECU (ECU battery) được bọc kín tronghộp tín hiệu và đặt ở khoang hành lí đằng sau của ghế ngồi sau để sử dụng một cáchtối ưu khoảng trống trong xe

Chốt an toàn (service plug) nó sẽ khoá mạch điện được tạo ra giữa 28 Modulebình (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 (serviceplug)

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 làmmát của ECU

Một CPU được gắn trong xe dùng để giám sát hệ thống điện, và khi xe laoxuống dốc hoặc phanh, hệ thống sẽ đảo ngược cực của nó, biến motor hỗ trợ điệnthành 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 trìnhphanh tái tạo điện năng.

 Bộ phận chính của HV battery

Hình 2.13 Các bộ phận chính của bình điện

Module bình HV (HV Battery Module)

Các ngăn của mỗi module thì được nối với nhau bởi 2 điểm, bên trên và bêndưới Điều đó làm điện trở trong của bình HV giảm xuống

Hình 2.14 Các ngăn trong bình ắc quy

Chốt an toàn

Khi tháo chốt an toàn thì ngay lập tức mạch điện thế cao của bình HV đượckhoá Điều này bảo đảm an toàn khi điều chỉnh hoặc sửa chữa bất cứ một bộ phận nàocủa bình HV.

Hình 2.15 Chốt an toàn 2.2.6 Hộp số và phân bố công suất

Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ chia công suất

có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạm gọi làphần dành cho cơ và phần dành cho điện Các bánh răng hành tinh của nó có thểtruyền công suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xe chủ độngtrong hầu hết các điều kiện khác nhau Các bánh răng hành tinh này hoạt động nhưmột cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously Variable Transmission)

Bộ bánh răng hành tinh, MG1, MG2, bánh xích dẫn động, bộ giảm trấn đượclắp đồng trục, lực truyền động được truyền từ bánh xích qua bộ giảm tốc thông quaxích dẫn động

Hình 2.16 Cấu tạo của hộp số Hybrid Hoạt động phân bố công suất của hộp số

Hệ thống này kiểm soát các chế độ sau đây nhằm đạt được hiệu quả cao nhấtphù 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 2.17 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 rađiện cung cấp cho MG2

Hình 2.18 Động cơ và MG1 dẫn động bánh xe

c MG1 được dẫn động bởi động cơ thông qua các bánh răng hành tinh để nạp điện

cho bình HV

Hình 2.19 MG1 nạp điện cho bình ắc quy HV

d Khi xe giảm tốc thì năng lượng động lực từ các bánh xe sẽ được khôi phục và được

chuyển thành năng lượng điện để nạp lại cho bình HV thông qua MG2

Hình 2.20 Bánh xe dẫn động MG2 nạp điện cho bình HV