Nghiên cứu hệ thống điều khiển trên ôtô hybrid

Khái niệm chungÔ tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơchạy bằng năng lượng thông thường xăng, Diesel… với động cơ điện lấy nănglượng điện từ một ắc-quy c

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ……… 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU……….……… 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

Ch ng 1: T NG QUAN V ÔTÔ HYBRIDươ Ổ Ề 5

1.1 Khái ni m chungệ 5

1.2 Xu h ng phát tri n c a ôtô hybridướ ể ủ 5

1.3 Những nhược điểm mà ôtô hybrid khắc phục được so với ôtô thông thường 6

1.4 Phân loại ôtô hybrid 6

1.4.1 Theo thời điểm phối hợp công suất 6

1.4.1.1 Ch s d ng motor đi n t c đ ch mỉ ử ụ ệ ở ố ộ ậ 6

1.4.1.2 Ph i h p khi c n công su t caoố ợ ầ ấ 7

1.4.2 Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện 7

1.4.2.1 Ki u n i ti pể ố ế 7

1.4.2.2 Ki u song songể 8

1.4.2.3 Ki u h n h pể ỗ ợ 9

1.4.2.4 So sánh gi a ba ki u ph i h p công su tữ ể ố ợ ấ 11

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ÔTÔ HYBRID 12

2.1 Sơ đồ tổng quát của đường truyền công suất trên ôtô hybrid 12

2.3 Xác định công suất sinh ra sau khi phối hợp hai động cơ 13

2.4 Đặc tính kéo tại bánh xe chủ động 18

2.4.1 Xác định lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động (Fk) 18

2.4.2 Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh 19

2.4.3 Xác định công suất kéo tại bánh xe chủ động (Pk) 19

2.4.4 Xây dựng đặc tính kéo tại bánh xe chủ động 20

2.5 Phương pháp xác định các thông số động lực học cơ bản 21

2.5.1 Xác định các lực cản chuyển động 21

2.5.2 Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo 22

2.5.3 Ứng dụng đồ thị cân bằng lực kéo để xác định các thông số động lực học cơ bản của ôtô 23

Chương 3: KẾT CẤU ĐỘNG CƠ HYBRID CỦA TOYOTA 27

3.1 K t c u đ ng c hybrid c a Toyotaế ấ ộ ơ ủ 27

3.1.1 Mô hình t ng quát c a ôtô hybridổ ủ 27

3.1.2 Đ ng c đ t trongộ ơ ố 28

3.1.3 H p s và b phân ph i công su t (Hybrid Transaxle)ộ ố ộ ố ấ 29

3.1.4 Motor đi n và máy phát đi nệ ệ 30

3.1.5 B ph n chuy n đ i đi n (Inverter with Converter)ộ ậ ể ổ ệ 31

3.1.6 c-quy đi n áp cao Ắ ệ (HV Battery - High Volt Battery) 32

3.1.7 Cáp ngu nồ 32

3.1.8 c quy phẮ ụ 33

3.1.9 Các b ph n khác có công d ng h tr trên ôtô hybridộ ậ ụ ỗ ợ 33

3.2 Điều khiển ôtô hybrid theo chế độ làm việc 34

3.2.1 Khởi động động cơ khi xe đang chạy 35

3.2.2 Tăng tốc nhẹ với động cơ 35

3.2.3 Tốc độ thấp ổn định 36

3.2.4 Tăng tốc tối đa 36

3.2.5 Tốc độ cao ổn định 36

3.2.6 Tốc độ tối đa 37

3.2.7.Giảm tốc độ và phanh: 37

3.2.8.Chế độ lùi xe: 38

3.2.9.Màn hình tiêu thụ nhiên liệu 39

3.2.10.Hệ thống mở cửa và khởi động hệ thống: 39

3.2.11.Các chế độ làm việc: 40

3.3 Hoạt động của hệ thống 41

3.3.1 Các bi n pháp an toànệ 42

3.3.2.S an toàn c a xe khi ng p n cự ủ ậ ướ 43

3.3.3.C m h p s hybrid bao g mụ ộ ố ồ 44

3.3.4.B ly h p:ộ ợ 44

3.3.5 Đ ng c đi n 1,đ ng c đi n 2ộ ơ ệ ộ ơ ệ 45

3.3.6 B bánh răng hành tinh:ộ 47

3.3.7 B gi m t cộ ả ố 47

3.3.8 Đ ng c đi n nam châm vĩnh c uộ ơ ệ ử 48

3.3.9 C m bi n t c đả ế ố ộ 48

3.3.10 Máy bi n đ i đi n:ế ổ ệ 49

3.3.11 B chuy n đ i khu ch đ iộ ể ổ ế ạ 49

3.3.12 Máy bi n đ i đi n làm l nhế ổ ệ ạ 51

3.3.13 H th ng làm mát máy bi n đ i đi n,đ ng c đi n 1 và đ ng c đi nệ ố ế ổ ệ ộ ơ ệ ộ ơ ệ 2: 51

3.3.14 ECU đi u khi n k t h p h th ng hybrid:ề ể ế ợ ệ ố 52

Chương 4: QUY TRÌNH KIỂM TRA BẢO DƯỠNG 53

4.1 Tìm hiểu về ắc quy cao áp 53

4.2 Cách s d ng c quy cao áp t t nh tử ụ ắ ố ấ 54

4.3 Hi n t ng h h ng, nguyên nhân, s a ch a b o d ngệ ượ ư ỏ ử ữ ả ưỡ 55

4.3.1 Hi n t ng nguyên nhân h h ngệ ượ ư ỏ 55

4.3.2 Ph ng pháp ki m tra s a ch a n p đi n cho c quyươ ể ử ữ ạ ệ ắ 56

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới phải đối mặt với những vấn đề lớn như

ô nhiễm môi trường, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Một loạt các ảnhhưởng và tác động xấu được bắt nguồn từ các vấn đề trên Để khắc phục những vần

đề khó khăn nói trên, cùng với các ngành khoa học công nghệ khác thì ngành côngnghiệp ôtô kết hợp với các trung tâm, cơ sở nghiên cứu công nghệ khắp nơi trên thếgiới đã tìm cách cải tiến và thay thế các công nghệ trên xe hơi Mục đích của cácnghiên cứu, thử nghiệm đó đều nhằm giảm sự phát thải ô nhiễm và giảm sự tiêu haohoặc thay thế nhiên liệu truyền thống Đã có một vài công nghệ hiện đại và tối ưuhơn được áp dụng cho xe hơi, trong số đó thì công nghệ hybrid electric đã và đangđược áp dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô Với những ưu điểm và hiệu quả của

nó, công nghệ hybrid đang là một lựa chọn phù hợp cho các nhà sản xuất xe hơitrong hiện tại và tương lai

Có rất nhiều mẫu xe hơi của các hãng nổi tiếng đã thu được thành công khitung ra thị trường như: Toyota Prius, Honda Insight Với những thành công và sựcần thiết của công nghệ hybrid như đã nêu trên, do đó em nghiên cứu đã mạnh dạn

chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển trên ôtô hybrid” làm đề tài tốt nghiệp.

Với sự nỗ lực và cố gắng của mình, cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy ThânQuốc Việt, em đã thực hiện và hoàn thành các khối lượng theo yêu cầu Tuy nhiên,

do đây là một đề tài mới và phạm vi rộng cũng như còn hạn chế nhiều về tài liệu vàkiến thức thực tế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong nhận được sựđóng góp ý kiến của các thầy cô giáo cùng các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Hà Nội, Ngày 18 tháng 05 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Đỗ Văn Tuấn

Ch ươ ng 1: T NG QUAN V ÔTÔ HYBRID Ổ Ề 1.1 Khái niệm chung

Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơchạy bằng năng lượng thông thường (xăng, Diesel…) với động cơ điện lấy nănglượng điện từ một ắc-quy cao áp hoặc phối hợp hai nguồn nhiên liệu như giữa xăng

và diesel, giữa xăng và khí ga hay giữa xăng và biodiesel Nhưng trong phạm vi đềtài em chỉ tập trung nghiên cứu vào cách phối hợp giữa động cơ chạy bằng xăng vàđộng cơ điện lấy năng lượng từ một ắc quy cao áp

Điểm đặc biệt là ắc-quy được nạp điện với cơ chế nạp “thông minh” như khi

xe phanh, xuống dốc…, gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng Nhờ vậy mà ôtô

có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinhđược năng lượng điện để dùng khi cần thiết

1.2 Xu hướng phát triển của ôtô 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 ôtô mà mức ô nhiễm làthấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu Điều đó càng cấp thiết khi mànguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thunhập của người dân lại tăng không đáng kể

Các xe chạy bằng Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngậptrên thị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệsinh thái thay đổi Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ônhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tônói riêng và mọi người nói chung

Ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của cácnhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trongnhững năm gần đây, như: hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loạinhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol,

biodiesel, điện, pile nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid) Phạm vi bài

viết này chỉ bàn về ôtô hybrid

1.3 Những nhược điểm mà ôtô hybrid khắc phục được so với ôtô thông thường

Ôtô hybrid khi sinh ra nó đã khắc phục được rất nhiều những nhược điểmcủa ôtô thông thường như tổn thất năng lượng khi khởi động nguội, tổn thất khiphanh, lượng phát thải lớn ở chế độ không tải, tổn hao khi chuyển các tay số,….Chúng ta sẽ đi tìm hiểu về một số tổn hao này

- Tổn thất khi khởi động nguội: đối với động cơ nhiệt thông thường khi

ngừng hoạt động trong một thời gian lâu thì việc khởi động lại động

cơ tiêu tốn rất nhiều năng lượng cho việc sởi ấm động cơ, hòa khí đậmkhi khởi động nguội dẫn đến hiện tượng cháy không hoàn toàn Ôtôkhởi động bằng động cơ điện nên đã gần như khắc phục được điệunày

- Tổn thất khi phanh: khi chúng ta phanh động cơ, một nguồn năng

lượng rất lớn từ động cơ đã bị bỏ phí vì nó không có tác dụng kéođộng cơ Ở ôtô hybrid khắc phục điều này bằng cách sử dụng phanhtái sinh năng lượng

- Lượng phát thải lớn ở chế độ không tải: chế độ không là một trong

những chế độ phát thải lớn của động cơ thông thường Trong chế độnày động cơ chỉ hoạt động để sinh ra năng lượng để thắng được cáclực cản của động cơ Ôtô hybrid đã khắc khục được điều này bằngcách sử dụng động cơ điện cho chế độ chạy không tải

- Tổn hao khi chuyển các tay số: để khắc phục điều này thì một số ôtô

hybrid đã dùng động cơ điện để thay đổi tốc độ xe cũng như mô menkéo động cơ Vậy nên có thể loại bỏ hộp số của động cơ thôngthường

1.4 Phân loại ôtô hybrid

1.4.1 Theo thời điểm phối hợp công suất

1.4.1.1 Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm

Khi ôtô 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 km/h) trướckhi động cơ xăng tự khởi động Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng phảikhởi 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 điểnhình thuộc loại này

1.4.1.2 Phối hợp khi cần công suất cao

Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều côngsuất, như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xekhác, 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 vàHonda Insight thuộc loại 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

1.4.2 Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện

1.4.2.1 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-quyhoặc cung cấp cho động cơ điện

Hình 1.1a 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 sinhnăng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh

Hình 1.1b Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp

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 hoạtđộng tối ưu, phù hợp với các loại ôtô Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xechạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy Sơ đồ này có thểkhông 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

1.4.2.2 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 cácđiều kiện hoạt động khác nhau Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồnnăng lượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăngtốc hoặc vượt 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 hoạtđộng bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởiđộng động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy

Hình 1.2a Hệ thống hybrid song song

Ưu điểm: Công suất của ôtô 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 quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp

ắc-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 1.2b Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song

1.4.2.3 Kiểu hỗn hợp

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụngtối 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 việcchế tạo xe hybrid

Hình 1.3a Hệ thống hybrid hỗn hợp

Hình 1.3b Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp

1.4.2.4 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

Kiểu lai

Sự tiết kiệm nhiên liệu Sự thực hiện truyền

động

Sự dừngkhông táisinh

Lấy lạinănglượng

Hoạtđộng hiệusuất cao

Tổng hiệusuất Gia tốc

Công suấtphát racao liêntục

Nối tiếp

Song

song

Hỗn hợp

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ÔTÔ HYBRID 2.1 Sơ đồ tổng quát của đường truyền công suất trên ôtô hybrid

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền công suất

Hình 2.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền công suất

2.3 Xác định công suất sinh ra sau khi phối hợp hai động cơ

Khi ôtô phối hợp hai dòng công suất động cơ đốt trong và động cơ điện –MG2, lúc này để xác định công suất chung sau khi phối hợp, mô hình tính toánđược chọn là mô hình đấu nối hai động cơ khác công suất

Hình 2.3 Mô hình phối hợp công suất từ hai động cơGọi:

- Trục E là trục nhận công suất từ động cơ đốt trong sau khi qua bộ truyềnhành tinh, có các thông số trên trục lần lượt là moment xoắn, công suất,vận tốc góc: Me, Ne, e; [Nm], [N], [rad/s]

- Trục T là trục nhận công suất từ động cơ điện MG2, có các thông số trêntrục lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc của động cơ điện(MG2): Mm, Nm, m; [Nm], [N], [rad/s]

- Mt, Nt, t: lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc sau khi phốihợp, [Nm], [N], [rad/s];

Ta sẽ xác định các thông số Mt, Nt, t từ hai trục thành phần (trục E, trục M),bằng cách:

 Các thông số trên trục M (Mm, Nm, m)

Hình 2.4a Sơ đồ truyền công suất của trục MTrục M là trục phát công suất từ động cơ điện MG2, nên các thông số trêntrục sẽ được xác định qua đặc tính ngoài của động cơ điện MG2 (đã biết), có dạngnhư sau:

Hình 2.4b Đường đặc tính ngoài động cơ điện

 Các thông số trên trục E (Me, Ne, e)

Trục E (được nối với phần tử (c) của bộ truyền hành tinh) là trục phát côngsuất từ động cơ đốt trong qua bộ truyền hành tinh, tỷ số truyền của bộ truyền hànhtinh được điều khiển vô cấp bằng tốc độ của MG1

Hình 2.5 Sơ đồ truyền công suất của trục E

Để xác định được các thông số phát ra trên trục E thì ta cần phải xác địnhđược tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh

Gọi Me’, Ne’, e’: lần lượt là moment xoắn, công suất, vận tốc góc của động

cơ đốt trong, [Nm], [N], [rad/s];

Trong trường hợp này có các giả thiết:

- Đã biết trước dãy vận tốc c của phần tử (c) nối với động cơ đốt trong Thậtvậy, để đạt được công suất, moment, tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm do khí xả,… là tối

ưu nên khi thiết kế người ta qua thực nghiệm đã chọn trước số vòng quay động cơxăng (e’) Có c=e’ vì cùng trục

- Biết trước được dãy vận tốc và chiều quay của MG1 Thật vậy, MG1 ngoàiviệc phát điện để nạp vào ắc quy còn đóng vai trò là bộ phận điều khiển tỷ số truyềncủa bộ truyền hành tinh, do đó ứng với từng chế độ vận hành của ôtô mà người ta sẽđiều khiển cho MG1 quay với các số vòng quay và chiều quay khác nhau Tức, biếttrước vận tốc của phần tử bánh răng mặt trời (s) s=MG1

Vì đã biết trước dãy vận tốc làm việc của hai phần tử bánh răng mặt trời s

và cần dẫn c Mặc dù, các vận tốc này được xác định bởi một dãy vận tốc hữu hạn,nhưng ứng với từng chế độ hoạt động cụ thể mà chúng sẽ có các giá trị cụ thể vàxác định Do đó, thông qua mối quan hệ của bộ truyền hành tinh:

Hình 2.6 Đặc tính của trục E có cùng dạng với đặc tính ngoài của động cơ xăng,

sau khi nhân với tỳ số truyền là hằng số

 Các thông số sau khi phối hợp hai nguồn công suất (Mt, Nt, t)

Hình 2.7 Sơ đồ khi phối hợp công suất

Có thể xác định công suất (và moment) tổng cộng của hai động cơ sau khiphối hợp bằng phương pháp cộng đồ thị:

Như đã biết, để đạt được công suất (và moment) sau khi phối hợp là tối ưu(về công suất, về moment, về tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm do khí xả,…), cần phảichọn trước số vòng quay động cơ xăng e’ và số vòng quay động cơ điện m đểvùng công suất (và moment) sau khi phối hợp đạt được lớn nhất Việc này có thể dễdàng thực hiện bằng thực nghiệm

Gọi 1 và 2 là khoảng giới hạn của tốc độ, khi đó xác định được:

Và làm hoàn toàn tương tự để xác định moment tổng sau khi phối hợp.

Ví dụ đặc tính trên ôtô của hãng VW:

Hình 2.9 Đặc tính moment và công suất sau khi phối hợp của VW Touareg

F k - Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động [N]

M t - Moment tổng sau khi phối hợp hai nguồn công suất [W]

i tl - Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực i tl =i ht i 0

với:

i ht - Tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh;

i 0 - Tích số của tỷ số truyền bộ truyền lực chính

trong cầu xe và bộ truyền giảm tốc trong hộp số.

tl - Hiệu suất của hệ thống truyền lực.

r - Bán kính bánh xe chủ động. [m]

2.4.2 Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh

Xác định tỷ số truyền của bộ truyền hành tinh phụ thuộc vào các chế độ hoạtđộng của ôtô như sau:

 Ở chế độ tăng tốc nhẹ:

Ở chế độ này MG1 quay cùng chiều và lớn hơn tốc độ của động cơ, tức:

s>c

b Ở chế độ tốc độ tối đa:

MG1 nhận năng lượng từ ắc-quy và quay ngược, tức s<0

 Chế độ tăng tốc tối đa:

Lúc này ôtô hoạt động với nguồn moment phát ra từ hai động cơ là cực đại

Với moment tổng Mt đã biết (xác định trong phần trên) và các thông số khác

đã biết ta hoàn toàn xác định được lực kéo tiếp tuyến Fk tại bánh xe chủ động

2.4.3 Xác định công suất kéo tại bánh xe chủ động (P k )

Pk = Fk.v = Mt.t.tl = Pt.tl , [W] (2.7)

Mt, Pt - Moment và công suất tổng sau khi phối hợp công suất, [Nm], [W]

tl - Hiệu suất của hệ thống truyền lực

t - Vận tốc góc của hai nguồn công suất sau khi phối hợp, [rad/s];

r: bán kính bánh xe chủ động [m]

Fk: Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động [N]

2.4.4 Xây dựng đặc tính kéo tại bánh xe chủ động

Từ đặc tính công suất Pt (và moment Mt) sau khi phối hợp công suất, áp dụngcông thức:

Hình 2.10 Dạng đồ thị mô tả lực kéo tiếp tiếp tại bánh xe chủ động

2.5 Phương pháp xác định các thông số động lực học cơ bản

m : khối lượng tĩnh ôtô [kg]

δ a: hệ số xét đến khối lượng các chi tiết chuyển động quay của ôtô;

a: gia tốc của ôtô [m/s2]

 Lực cản leo dốc:

Lực cản leo dốc đặt tại trọng tâm ôtô, cùng chiều chuyển động nếu ôtô xuốngdốc và ngược chiều chuyển động nếu ôtô lên dốc

Fα=m.g.sin α [N]

Với: α là góc dốc của mặt đường [độ]

2.5.2 Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo

 Ph ươ ng trình cân b ng l c kéo và đ c tính kéo t i bánh xe ằ ự ặ ạ

Với đường đặc tính kéo của bánh xe chủ động đã xây dựng được trong phần trên

 Xây dựng các đường đồ thị lực cản chuyển động ôtô:

- Đồ thị lực cản lăn:

Ff=m.g.f cosα; (2.14)

+ Khi ôtô chuyển động với tốc độ thấp(v≤80km/h) : f = f0 = const nên đồ thị

lực cản lăn Of là đường nằm ngang

+ Khi ôtô chuyển động với tốc độ cao(v>80km/h): f = f0 + (1+ V2

 Cộng hai đồ thị lực cản lăn Ff và đồ thị lực cản gióF ω, ta có đồ thị lực cảntổng cộng của mặt đường Fψ=Ff+Fω

+ Ta không vẽ đồ thị lực cản leo dốc F α và đồ thị lực cản quán tính F a Vìkhi ôtô chuyển động với một vận tốc V bất kỳ, khi chiếu lên đồ thị ta xác định được

Fk, Ff, Fω Từ đó xác định được tổng của lực cản leo dốc và lực cản quán tính:

 Khoảng cách giữa đường Fk và đường Fψchính là tổng của lực cản lên

dốc và lực cản quán tính: de=Fα+Fa

+ Ôtô chỉ có thể đạt được vận tốc cực đại khi chuyển trên đường bằng

(α=0)và chỉ có thể leo dốc cực đại khi chuyển động đều(a=0)nên:

de=Fα max+0=Fa max+0

Vì vậyde chỉ có thể đặc trưng cho một trong hai yếu tố F α hayF a

Hình 2.11 Đồ thị cân bằng lực kéo

2.5.3 Ứng dụng đồ thị cân bằng lực kéo để xác định các thông số động lực học

cơ bản của ôtô

Mục đích của đồ thị cân bằng lực kéo là xác định vận tốc cực đại Vmax, độ

dốc cực đại αmaxvà gia tốc cực đại amax

 Xác định vận tốc cực đại của ôtô:

Ôtô đạt vận tốc cực khi:

+ Chuyển trên đường thẳng(α=0), không leo dốc: lực cản leo dốc F α=0

+ Tốc độ ổn định, không thể tăng tốc được nữa: lực cản quán tính F a=0+ Lực kéo Fk do hai nguồn công suất sinh ra truyền tới bánh xe chủ độngkhông lớn hơn lực bám: Fk<Pϕ

 Lực cản chuyển động ôtô lúc này chỉ còn lực cản lăn và lực cản gió

 Phương trình cân bằng lực kéo:

Ôtô đạt được độ leo dốc cực đại khi:

+ Chuyển động với vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực cản gió: F ω=0

+ Chuyển động với vận tốc ổn định: lực cản quán tính F a=0

+ Giả thiết không xảy ra trượt ở bánh xe chủ động

+ Nguồn năng lượng phối hợp có moment xoắn cực đại (Mtmax):

M t α =M t max

 Lực cản chuyển động ôtô lúc này chỉ còn lực cản lăn và lực cản leo dốc

 Phương trình cân bằng lực kéo:

Fk max≤Pϕ Vì vậy để xác định khả năng leo dốc cực đại của ôtô, ta chọn tại thời

điểm giới hạn bám

 Xác định gia tốc cực đại:

Ôtô đạt gia tốc cực đại khi:

+ Chuyển trên đường thẳng(α=0), không leo dốc: lực cản leo dốc F α=0+ Ở chế độ gia tốc cực đại thì vận tốc nhỏ, lực cản gió không đáng kể, có thể

bỏ qua lực cản gió: F ω=0

+ Giả thiết không xảy ra trượt ở bánh xe chủ động

+ Nguồn năng lượng phối hợp có moment xoắn cực đại (Mtmax):

M t a =M t max

(2.17)

 Lực cản chuyển động ôtô chỉ còn lực cản lăn và lực cản quán tính

 Phương trình cân bằng lực kéo:

Fk≤Pϕ Vì vậy để xác định khả năng tăng tốc cực đại của ôtô, ta chọn tại thời điểm

giới hạn bám

Khi xe chuyển động ở vận tốc V bất kỳ nào đó thì vẫn còn kéo dư ΔF kdùng

để leo dốc với độ dốc α=arcsin( ΔF k

m g.V)hay tăng tốc với gia tốc

Chương 3: KẾT CẤU ĐỘNG CƠ HYBRID CỦA TOYOTA

3.1 Kết cấu động cơ hybrid của Toyota

3.1.1 Mô hình tổng quát của ôtô hybrid

Hình 3.1 Sơ đồ ôtô hybrid kiểu hỗn hợp

Hình 3.2 Một dạng ôtô 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 ôtô 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.

3.1.2 Động cơ đốt trong

Là nguồn động lực chính, ở ôtô hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơDiesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu

Hình 3.3: Động cơ tích hợp

Động cơ NZ-FXE của toyota là động cơ xăng 1,5-lít sử dụng VVT-i

( Variable Valve Timing with Intelligence) hệ thống điều khiển xu-páp với góc mở biến thiên thông minh và ETCS-I (electronic throttle control system-intelligence) hệthống điều khiển bướm ga điện tử thông minh

Thông số cơ bản của động cơ đốt trong của ôtô Toyota Prius

- Tốc độ tối đa của xe: 255 km/h

- Tốc độ tối đa của động cơ: 16384 rpm

Đ gi m tiêu th nhiên li u, t t c các xe hybrid đ u c g ng h n ch ể ả ụ ệ ấ ả ề ố ắ ạ ế

t i đa đ ng c xăng trong su t quá trình ho t đ ng Nó không ch ti t ki m ố ộ ơ ố ạ ộ ỉ ế ệnhiên li u và gi m khí th i mà còn ng ng tiêu th đi n năng T ng t nh ệ ả ả ừ ụ ệ ươ ự ư

m t chi c xe ng a hai bánh, motor đi n kh i đ ng l i đ ng c xăng khi lái xe ộ ế ự ệ ở ộ ạ ộ ơ

nh n l i pê đan tăng t c.ấ ạ ố

Đây là một hoạt động khá liền mạch, hầu như không có sự trì hoãn hay mấtkhả năng vận hành cho lái xe

 H th ng ki m soát không t i (Cylinder Idling System) ệ ố ể ả

Honda Civic Hybrid sử dụng hệ thống này để giảm sự kéo của động cơ vàcho phép motor điện giành được nhiều năng lượng nhất trong suốt quá trình phanhtái tạo năng lượng Một động cơ xăng thông thường phanh động cơ trong quá trìnhxuống dốc bằng hoạt động bơm của xylanh Hoạt động này sẽ giành năng lượng từđộng cơ điện để nạp ắc-quy

Có thể tránh sự kéo động cơ bằng cách đưa khớp ly hợp vào xe với một hộp

số sàn hoặc đặt xe ở số không với một CVT Hệ thống vô hiệu xylanh của Hondathực hiện điều này bằng cách đóng van hút và xả trên 3 trong 4 xylanh, cho phép píttông di chuyển tự do trong xylanh, vì vậy có thể giảm sự kéo động cơ và tối đa hóanăng lượng mà motor điện thu được

 Tối ưu hóa đường khí thải

Integrated Exhaust Manifold: được đặt trực tiếp vào đầu xylanh nhằm giảmkhối lượng và tối ưu hóa dòng khí xả, vì vậy giúp tăng vận hành và khả năng tiếtkiệm nhiên liệu

 Pít tông ma sát nhỏ

Thông qua một quá trình rèn đặc biệt, sự ma sát ở thành xylanh giảm làmtăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu Kết hợp với công nghệ Offset Cylinder Boresnhằm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm ma sát đẩy của pít tông khichúng di chuyển bên trong xylanh

 Công ngh bi n thiên l u l ệ ế ư ượ ng khí n p ạ

Thực hiện đưa hỗn hợp nhiên liệu vào đủ tương ứng với từng chế độ hoạtđộng của động cơ để đạt được cháy hoàn toàn, nhằm tối ưu hóa quá trình cháy đểthực hiện tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm do khí xả.

3.1.3 Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle)

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất

Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ chia côngsuất có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạmgọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện Các bánh răng hành tinh của nó cóthể truyền công suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xechủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau Các bánh răng hành tinh này hoạtđộng như một cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously VariableTransmission)

H p s bi n thiên vô c p (CVT- Continuously Variable Transmission): ộ ố ế ấ

CVT là một loại hộp số tự động mới (thực tế đã xuất hiện hơn 100 năm naynhưng gần đây mới được ứng dụng trong ngành ô tô) không có bánh răng, ly hợp

ma sát, dầu thủy lực hoặc biến mô Thay vì thế, nó sử dụng một thiết kế dây curoa

và puli đơn giản, giúp kết hợp chặt chẽ số truyền với phạm vi vòng/phút tối ưu củađộng cơ để đạt được công suất lớn hơn và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu Được

ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp ánh sáng nhưng những tiến bộ gần đây trongvật liệu và công nghệ mạch vi xử lý đã khiến CVT phù hợp hơn với ngành ô tô.

3.1.4 Motor điện và máy phát điện

Tổ hợp motor điện – máy phát số 1 (MG1-Motor Generater 1) có nhiệm vụnạp điện trở lại cho ắc-quy điện áp cao (HV Battery), đồng thời cấp điện năng đểdẫn động cho MG2 (MG2-Motor Generater 2) MG1 hoạt động như một motor đểkhởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyềnbánh răng hành tinh gần giồng như một CVT

Tổ hợp motor điện – máy phát số 2 (MG2) có nhiệm vụ dẫn động cho cácbánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm táisinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc-quy điện áp cao

Trên Toyota dùng một môtơ đồng bộ xoay chiều 3 pha, là một môtơ khôngchổi than DC hiệu suất cao với dòng AC Các nam châm vĩnh cửu và một rôto đượclàm bằng các tấm thép điện từ ghép lại thành một môtơ công suất cao Hơn nữa, bởi

sự bố trí các nam châm vĩnh cửu theo một dạng tối ưu, mômen dẫn động được cảithiện và công suất được tăng lên Cả MG1 và MG2 đều có kích thước gọn, nhẹ và làloại đồng bộ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều hiệu quả cao

3.1.5 Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter)

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