Đồ án tốt nghiệp: Cấu Trúc Và Nguyên Lí Hoạt Động Của Hệ Thống Hybrid
Hệ thống Toyota Hybrid System (THS) có 2 nguồn dẫn động: động cơ xăng và mô
tơ điện. Hệ thống điều khiển hybrid lựa chọn sự kết hợp tốt nhất của hai nguồn dẫn
động trên tương xứng với những điều kiện lái. Bộ giảm chấn hộp số truyền lực cảu động cơ đến hộp số bao gồm một cơ cấu hấp thụ dao động xoắn sử dụng một đĩa ma sát khô.
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đồ án tốt nghiệp
Cấu Trúc Và Nguyên Lí Hoạt Động
Của Hệ Thống Hybrid
Toyota Hybrid System Trang 31
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Mục Lục
Chương V: Cấu Trúc Và Nguyên Lí Hoạt Động Của..................................................................................... 32
Hệ Thống Hybrid. ........................................................................................................................................ 32
I. Tổng quan: ............................................................................................................................................... 32
II. Các thành phần của hệ thống hybrid: .................................................................................................... 34
II.1 Hộp số hybrid: bao gồm ....................................................................................................................... 35
II.1.1. Bộ giảm chấn hộp số: ....................................................................................................................... 37
II.1.2. MG1 và MG2: ................................................................................................................................... 38
II.1.2.2. Động cơ nam châm vĩnh cửu: ....................................................................................................... 40
II.1.3.7. Các chế độ hoạt động của bộ phân chia công suất (PSD). ............................................................ 50
a.1/ Khởi động lạnh: ................................................................................................................................... 51
II.2 Động cơ 1NZ-FXE: ................................................................................................................................. 64
II.2.1 Tổng quan: ......................................................................................................................................... 64
II.2.2 VVT-I và chu trình Atkinson: ............................................................................................................. 66
II.2.3 Hệ thống nạp và ETCS-i: .................................................................................................................... 70
II.2.4 Các cảm biến của hệ thống điều khiển động cơ: .............................................................................. 70
II.2.7. Hệ thống nhiên liệu: ......................................................................................................................... 80
II.3 CỤM BỘ CHUYỂN ĐỔI: ......................................................................................................................... 88
II.3.1. Tổng quan: ........................................................................................................................................ 88
Chương V: Cấu Trúc Và Nguyên Lí Hoạt Động Của
Hệ Thống Hybrid.
I. Tổng quan:
Hệ thống Toyota Hybrid System (THS) có 2 nguồn dẫn động: động cơ xăng và mô
tơ điện. Hệ thống điều khiển hybrid lựa chọn sự kết hợp tốt nhất của hai nguồn dẫn động
trên tương xứng với những điều kiện lái.
Toyota Hybrid System Trang 32
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
+ Prius thế hệ ’01-03’ sử dụng THS.
+ Prius thế hệ 04 trở về sau sử dụng THS-II , nó cũng được dựa trên những khái
niệm cơ bản tương tự như THS nhưng cải thiện MG1, MG2, ắc qui và động cơ xăng.
Hình 37: Cấu trúc của hệ thống hybrid
Toyota Hybrid System Trang 33
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 38: Sơ đồ hệ thống điều khiển hybrid
II. Các thành phần của hệ thống hybrid:
+ Hộp số hybrid bao gồm MG1, MG2 và cụm bánh răng hành tinh.
+ Động cơ 1NZ-FXE.
+ Cụm bộ chuyển đổi bao gồm 1 bộ chuyển đổi mô tơ-máy phát, 1 bộ chuyển đổi
khuếch đại, 1 bộ chuyển đổi DC-DC, và 1 bộ chuyển đổi A/C.
+ ECU HV, tập hợp tín hiệu từ các cảm biến và gởi kết quả tính toán đến ECM, cụm
biến đổi, ECU ắcqui, ECU điều khiển trượt để điều khiển hệ thống hybrid.
+ Cảm biến vị trí số.
+ Cảm biến vị trí bàn đạp ga, biến đổi góc mở bướm ga thành tín hiệu điện.
+ ECU điều khiển trượt, điều khiển phanh tái sinh.
+ ECM
+ ECU ắc qui, kiểm tra tình trạng nạp của ắcqui HV và điều khiển sự hoạt động của
quạt làm mát.
+ Bộ nối điện.
+ SMR (System Main Relay), nối và ngắt mạch công suất cao áp.
+ Ắc qui phụ, lưu trữ 12V DC cho hệ thống điều khiển xe.
Toyota Hybrid System Trang 34
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
II.1 Hộp số hybrid: bao gồm
+ Mô tơ- Máy phát 1 (MG1) dùng tạo ra điện năng.
+ Mô tơ- Máy phát 2 (MG2) dùng để dẫn động xe.
+ Một cụm bánh răng hành tinh, cung cấp tỉ số truyền vô cấp và điều khiển như một
bộ phân chia công suất.
+ Một bộ giảm tốc bao gồm bộ truyền động xích, bộ bánh răng giảm tốc và bộ
truyền lực cuối cùng.
+ Bộ vi sai.
Prius thế hệ 01-03 sử dụng hộp số hybrid P111.
Prius thế hệ 04 về sau sử dụng hộp số hybrid P112.
P112 dựa trên P111 nhưng tạo ra phạm vi tốc độ vòng/phút cao hơn, sử dụng nam
châm vĩnh cửu dạng chữ V trong rôto của MG2, và một thiết kế mới trong hệ thống điều
khiển quá điều biến.
Hình 39: Hộp số hybrid
Toyota Hybrid System Trang 35
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thông số kĩ thuật của hộp số hybrid:
Hạng mục Thế hệ 04 Thế hệ 03
Loại hộp số P112 P111
Số răng của bánh răng mặt trời 78 78
Bộ bánh răng Số răng của bánh răng hành tinh 23 23
hành tinh
Số răng của bánh răng bao 30 30
Tỉ số truyền của bộ vi sai 4.113 3.905
Số mắt xích 72 74
Bánh xích chủ động 36 39
Xích dẫn động
Bánh xích bị động 35 36
Bánh răng chủ động 30 30
Bộ bánh răng
giảm tốc Bánh răng bị động 44 44
Bộ truyền động Bánh răng chủ động 26 26
cuối cùng Bánh răng bị động 75 75
Dung tích dầu Lít(US qts, Imp qts) 3.8(4.0, 3.3) 4.6(4.9, 4.0)
ATF WS ATF T-IV
hoặc hoặc
Loại dầu
đẳng trị đẳng trị
Toyota Hybrid System Trang 36
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
II.1.1. Bộ giảm chấn hộp số:
Sử dụng lò xo cuộn với đặc tính xoắn thấp. Prius thế hệ 04 trở về sau thì đặc điểm
về số vòng lò xo làm ít hơn để cải thiện hoạt động hấp thụ sự rung của chính nó và bánh
đà được tối ưu hóa về sự giảm khối lượng.
Bộ giảm chấn hộp số truyền lực dẫn động của động cơ đến hộp số, bao gồm một cơ
cấu hấp thụ dao động xoắn sử dụng một đĩa ma sát khô.
Hình 40: Bộ giảm chấn hộp số
Toyota Hybrid System Trang 37
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
II.1.2. MG1 và MG2:
II.1.2.1. Tổng quan:
Cả MG1 và MG2 có kích thướt nhỏ, trọng lượng nhẹ, đạt hiệu quả cao của loại
mô tơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu xoay chiều 3 pha.
Chức năng của MG1 và MG2 kết hợp hiệu quả cao cả máy phát đồng bộ xoay
chiều và mô tơ điện. MG1 và MG2 hoạt động như nguồn cung cấp hỗ trợ lực kéo giúp
động cơ xăng khi cần thiết.
MG1: nạp lại cho ắc qui HV và cung cấp điện năng dẫn động MG2. Ngoài ra
bằng việc điều chỉnh lượng điện năng phát ra, MG1 điều khiển hiệu quả sự truyền động
vô cấp. MG1 cũng làm việc như một máy khởi động.
MG2: MG2 và động cơ xăng làm việc lẫn nhau để dẫn động bánh xe, ngoài ra
đặc tính mômen lớn hơn của MG2 giúp đạt được hoạt động động lực học tối ưu. Trong
thời gian phanh tái sinh, MG2 biến đổi động năng thành năng lượng điện lưu trữ trong ắc
qui HV. MG2 hoạt động như một máy phát.
Một hệ thống làm mát thông qua bơm nước làm mát MG1 và MG2.
----Những thay đổi chính trên Prius thế hệ 04 trở về sau----
Tốc độ quay của MG1 được nâng cao có thể đạt từ 6,500v/p (THS) đến
10,000v/p(THS-II). Giúp nâng cao khả năng nạp.
Cấu trúc của mỗi nam châm vĩnh cữu gắn liền bên trong rôto của MG2 được tối
ưu hóa bằng thiết kế cấu trúc dạng chữ V giúp nâng cao công suất và mô men.
Hệ thống điều khiển quá điều biến giúp điều khiển MG2 tại phạm vi tốc độ trung
bình.
Toyota Hybrid System Trang 38
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-Thông số kỹ thuật của MG1:
Prius thế hệ 04 Prius thế hệ 01-03
Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu Động cơ nam châm vĩnh cữu
Chức năng Máy phát; máy khởi động Máy phát; máy khởi động
Điện áp cực đại (V) AC 500 AC 273.6
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước Làm mát bằng nước
-Thông số kỹ thuật của MG2:
Prius thế hệ 04 Prius thế hệ 01-03
Loại động cơ Động cơ nam châm vĩnh cữu Động cơ nam châm vĩnh cữu
Chức năng Máy phát; dẫn động bánh xe Máy phát; dẫn động bánh xe
Điện áp cực đại (v) AC 500 AC 273.6
Công suất cực đại
50(68)/1200-1540 33(45)/1040-5600
kW(PS)/(v/p)
Mômen cực đại
400(40.8)/0-1200 350(35.7)/0-400
N.m(Kgf.m)/(v/p)
Hệ thống làm mát Làm mát bằng nước Làm mát bằng nước
Toyota Hybrid System Trang 39
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Sơ đồ hệ thống:
Hình 41: Sơ đồ hệ thống điều khiển MG1, MG2
II.1.2.2. Động cơ nam châm vĩnh cửu:
Khi dòng điện xoay chiều 3 pha chạy qua cuộn dây stato thì từ trường quay được
tạo ra trong mô tơ điện. Bằng việc điều khiển từ trường quay này cho phù hợp với vị trí
và tốc độ quay của rô to. Nam châm vĩnh cữu trong rô to bị hút bởi từ trường quay. do
vậy sẽ tạo ra một mô men. Mômen được tạo ra tỉ lệ với lượng dòng điện chạy qua cuộn
stato và tốc độ quay được điều khiển bởi tần số dòng 3 pha.
Một mức cao của mômen có thể được tạo ra có hiệu quả tại tất cả tốc độ bằng việc
điều khiển hợp lí từ trường quay và góc quay của nam châm.
Hình 42: Nguyên lý làm việc động cơ nam châm vĩnh cửu
Toyota Hybrid System Trang 40
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Prius thế hệ 04 trở về sau thì bên trong nam châm vĩnh cửu đã có sự thay đổi cấu
trúc dạng chữ V để cải thiện cả công suất đầu ra lẫn mômen. So với Prius 03 thì nó cải
thiện nhiều hơn 50% công suất.
Hình 43: Cấu trúc Môtơ
Hệ thống điều khiển quá điều biến giúp điều khiển MG2 tai phạm vi tốc độ trung
bình. Tăng 30% phạm vi tốc độ trung bình.
II.1.2.3. Thiết kế môtơ/máy phát công suất cao bằng việc tăng điện áp điều khiển:
Công suất đầu ra của môtơ tương ứng với điện áp điều khiển. Hình 44 thể hiện mối
quan hệ giữa điện áp điều khiển- mômen và mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và công
suất đầu ra. Tại điện áp điều khiển là 500V DC thì tăng cả mômen lẫn công suất đầu ra và
gấp khoảng 2.5 lần so với điện áp điều khiển 200V DC, không tăng dòng điện môtơ. Bởi
vì dòng điện nhỏ, nó có thể giữ cùng dung tích của môtơ/máy phát truyền thống.
Hình 44: Mối quan hệ giữa điện áp-mô men và điện áp-công suất
Toyota Hybrid System Trang 41
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Môtơ:
THS-II sử dụng môtơ 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 mômen 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.
Hình 45: Sự phát triển của Môtơ
Máy phát:
Giống như môtơ, máy phát cũng là loại đồng bộ xoay chiều. Để cung cấp đủ công
suất đến môtơ 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 rôto trong máy phát giúp nó tăng số vòng
quay từ 6,500v/p (THS) đến 10,000v/p (THS-II). 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 môtơ công suất
cao và động cơ.
Sự tối ưu của hiệu suất môtơ/máy phát:
Môtơ loại đồng bộ nam châm vĩnh cữu xoay chiều ba pha tạo ra lực điện động
tương xứng với số vòng quay của nam châm được đặt trong rôto. Bởi vì sự phát ra của
lực điện động khiến cho môtơ không được điều khiển khi điện áp của điện cực môtơ vượt
quá điện áp hệ thống. Bằng việc điều khiển làm yếu dòng điện để ngăn chặn dòng được
tạo ra bởi nam châm, do vậy điện áp điện cực của môtơ được giảm đi, cho phép môtơ
Toyota Hybrid System Trang 42
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
hoạt động ở phạm vi tốc độ cao hơn. Tuy nhiên, điều khiển làm yếu dòng tăng dòng điện
môtơ, kết quả là giảm hiệu suất môtơ. Hình dưới thể hiện mối quan hệ giữa điện áp hệ
thống, dòng điện môtơ và tổn thất mô tơ tại một vị trí làm việc điển hình. Điện áp hệ
thống nhỏ hơn là do dòng điện môtơ và tổn thất môtơ lớn hơn. Nó thể hiện rằng sự tối ưu
hóa của hiệu suất môtơ là thiết lập điện áp hệ thống để mà không cần điều khiển yếu
dòng. Trong THS, điện áp hệ thống thường đến môtơ và máy phát, nó được thiết lập ở
mức điện áp được yêu cầu cao nhất. Nhưng, khi điện áp hệ thống cao hơn giới hạn thì nó
cần điều khiển làm yếu dòng.
Hình 46: Mối quan hệ giữa điện áp hệ thống-mô tơ và điện áp hệ thống-bộ chuyển đổi
Cảm biến tốc độ:
Kết cấu gọn nhẹ và sự tin cậy của cảm biến này dò tìm chính xác vị trí cực từ của
nam châm vĩnh cữu là cơ sở cho việc điều khiển MG1 và MG2.
Stato của cảm biến gồm có 3 cuộn, cuộn dây tín hiệu B và C bố trí lệch nhau một
góc 90O. Vì rôto có hình ô van, khoảng giữa stato và rôto thay đổi theo sự quay của rôto.
Do đó khi cho dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn
dây A thì vị trí của rô to cảm biến được tạo ra ở cuộn
B và C. Vị trí tuyệt đối có thể xác định từ tín hiệu phát
ra của 2 cảm biến này.
Ngoài ra, ECU HV sử dụng cảm biến này như
một cảm biến tốc độ vòng/phút, tính toán số lượng của
sự biến thiên vị trí trong khoảng thời gian xác định
Hình 47: Cảm biến tốc độ
trước.
Toyota Hybrid System Trang 43
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
II.1.3. Bộ phân chia công suất:
II.1.3.1. Tổng quan:
Hình 48: Sơ đồ truyền động hybrid
Trái tim của hệ thống Hybrid là một thiết bị nhỏ gọn được gọi là bộ phân chia
công suất PSD (Power Split Device). PSD là bộ bánh răng hành tinh có kết cấu giống
như bộ bánh răng hành tinh của hộp số tự động nhưng hoạt động thì khác hoàn toàn.
Sự sắp xếp của các bánh răng hành tinh trong bộ phân chia công suất và cách ăn
khớp giữa các bánh răng với nhau. Bánh răng ở trung tâm gọi là bánh răng mặt trời, các
bánh răng bao xung quanh nó gọi là bánh răng hành tinh,
các trục của bánh răng hành tinh được cố định với cần
dẫn và nó quay xung quanh tâm của bánh răng mặt trời.
Tất cả bánh răng hành tinh đều có kích thước bằng nhau
và có cùng khoảng cách so với tâm quay.Vòng răng ở
ngoài cùng gọi là bánh răng bao, nó ăn khớp với các
bánh răng hành tinh.
Hình 49: Bộ bánh răng hành tinh
tinh.
Toyota Hybrid System Trang 44
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trong hệ thống Hybrid. Bộ bánh răng hành tinh dùng để phân chia công suất.
Động cơ đốt trong (ICE) được kết nối với cần dẫn, mô tơ máy phát 1 (MG1) được kết nối
với bánh răng mặt trời và mô tơ máy phát 2 (MG2) được kết nối với bánh răng bao.
Tất cả các bánh răng trên đều quay tròn khác nhau và tốc độ thay đổi. Theo kiểu
này thì tốc độ của ICE và MG2 có thể thay đổi. MG2 vừa là mô tơ vừa là máy phát có tốc
độ thay đổi lớn đến 6,500 v/p (THS), MG2 được kết nối với các bánh xe chủ động qua hệ
thống truyền động. Khi tốc độ lực truyền từ MG2 đến vòng răng thay đổi thì tốc độ của
xe sẽ thay đổi, trong khi nếu thay đổi tốc độ trực tiếp của ICE (MG2=0) thì tốc độ của xe
không trực tiếp thay đổi. ICE có thể quay chậm hoặc nhanh tùy thuộc vào công suất cần
thiết phải phát ra và khi có sức cản hoặc sự trợ giúp từ động cơ máy phát thì xe có thể
chạy trong suốt quá trình động cơ hoạt động.
Tốc độ quay của MG1, MG2 và ICE phụ thuộc lẫn nhau. Tốc độ quay của MG1 sẽ
thay đổi khi thay đổi MG2 hoặc ICE hoặc thay đổi cả hai. Tốc độ MG1 có thể đạt tới
10,000 v/p.
ICE bị giới hạn tốc độ giữa 1,000 v/p đến 4,500 v/p. Nó cũng có thể dừng hẳn,
nhưng ở tốc độ khoảng từ 0 đến 1,000 v/p thì ICE không thể hoạt động có hiệu quả. ECU
nhận biết và nó dừng ICE. ICE sẽ được khởi động trở lại bởi MG1 khi cần công suất cao
hơn hoặc số vòng quay cao hơn.
Động cơ đốt trong Prius ICE được kết nối với cần dẫn. Khi cần dẫn quay, các bánh
răng hành tinh ăn khớp có xu hướng tác động đến bánh răng mặt trời và bánh răng bao
làm bánh răng mặt trời và bánh răng bao quay cùng chiều với nó. Bằng cách lựa chọn cẩn
thận số răng của bánh răng mặt trời và bánh răng bao. Hãng Toyota tìm được kích thước
bộ phân chia công suất hợp lý, qua đó xác lập tỉ lệ phân phối là 72% mô men truyền đến
bánh răng bao và 28% mô men truyền đến bánh răng mặt trời.
II.1.3.2. Sự phân chia mô men của động cơ:
Bánh răng bao tiếp nhận phần lớn mômen, được kết nối với bộ giảm tốc đến
bộ vi sai và dẫn động các bánh xe chủ động. Đây chính là cách làm ôtô chuyển động.
Bánh răng mặt trời tiếp nhận phần nhỏ mômen, nó được kết nối với mô tơ máy phát 1
MG1. MG1 có thể làm việc như một mô tơ vừa có thể hoạt động như một máy phát. ICE
dẫn động cần dẫn để bánh răng mặt trời và MG1 quay. Máy tính sẽ điều chỉnh lượng điện
Toyota Hybrid System Trang 45
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
năng lấy từ MG1, vì thế lực kéo máy phát cân bằng với lực truyền từ động cơ đốt trong.
Do vậy, ICE đẩy ôtô với 72% mô men của nó và 28% mô men kéo máy phát MG1.
Cả bánh răng bao và bánh răng mặt trời được dẫn động bởi động cơ đốt trong
với tỉ lệ mô men được chia như ở trên. Việc tính toán dựa vào mối quan hệ chuyển động
quay của bánh răng bao và bánh răng mặt trời với chuyển động quay của động cơ đốt
trong ICE. Cái này có thể tăng số vòng quay, cái kia có thể giảm số vòng quay nhưng
không làm thay đổi tốc độ quay đầu vào từ ICE. Người ta có thể lựa chọn số vòng quay
bất kì cái nào mà họ giữ độc lập ở mỗi cái khác, như giữ bánh răng bao đứng yên thì bánh
răng mặt trời có thể hấp thụ tất cả số vòng quay cần dẫn bánh răng hành tinh và quay
nhanh hơn.
II.1.3.3. Bộ bánh răng hành tinh cho phép tốc độ quay của động cơ được điều
chỉnh giống như bộ truyền động vô cấp CVT:
Đối với bất kì tốc độ nào trên đường, máy tính tính toán tốc độ quay của bánh răng
bao đang quay là bao nhiêu. Từ công suất yêu cầu, nó quyết định tốc độ quay của ICE.
Sau đó nó tính toán tốc độ quay của MG1 phải quay (phương trình 1); rồi điều chỉnh
công suất MG1 cần lấy để tăng tốc hoặc giảm tốc ICE cho đến khi điều kiện làm việc đạt
được tối ưu. Một vấn đề đặt ra là phải 72% mô men phải được đưa đến bánh xe chủ động.
Các bánh xe thậm chí có thể ở trạng thái tĩnh và mô men này vẫn được áp dụng vào.
Cuối cùng là sử dụng nguồn điện từ MG1. Động cơ máy phát thứ 2 (MG2) được
kết nối với bánh răng bao và là nơi góp một phần công suất đến bộ phân chia công suất
PSD. Chính vì vậy lượng điện năng được tạo ra đó tưởng như bị lãng phí nhưng thực ra
được luân chuyển xung quanh bộ phân chia công suất PSD bằng các đường dẫn và cuối
cùng là đến dẫn động các bánh xe chủ động. Kết quả là công suất động cơ được phân chia
theo đường dẫn cơ khí đến bánh răng bao và theo đường dẫn điện đến bánh răng mặt trời,
MG1, bộ điều khiển điện tử và đến MG2. Bánh răng bao và MG2 dẫn động các bánh xe
thông qua bộ bánh răng giảm tốc và bộ vi sai.
Cần hiểu rằng, ở hộp số Prius sự phân chia công suất giữa đường dẫn cơ khí và
đường dẫn điện là không cố định. Mô men là sản phẩm của công suất và số vòng quay
của động cơ xăng. Vì vậy công suất đi qua mỗi hướng tùy thuộc vào tốc độ quay của
MG1 và bánh răng bao. Ta có thể thấy rõ ảnh hưởng của 72% công suất từ động cơ ICE
truyền trực tiếp đến bánh xe chủ động và 28% được chuyển thành điện. Điều này không
Toyota Hybrid System Trang 46
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
chính xác. Mô men thì được phân chia theo tỉ số này nhưng công suất thì thay đổi, một sự
thật là dùng ưu điểm bởi sự điều khiển bằng máy tính.
II.1.3.4. Hộp số Prius luôn luôn ở số cao nhất:
Hộp số Prius sử dụng một bộ bánh răng hành tinh, một máy phát và bộ điều khiển
điện tử để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ xăng không giống như truyền động vô cấp
truyền thống. Một tỉ lệ cố định là 72% mô men của động cơ xăng truyền theo đường cơ
khí đến các bánh xe chủ động. Không có khả năng thay đổi tỉ số truyền giữa động cơ ICE
và các bánh xe, chúng ta không thể tăng mô men của động cơ để có được sự tăng tốc
nhanh hơn tại tốc độ thấp. Mặc dù chúng ta đã giải quyết số vòng quay của động cơ ICE
tại một tốc độ phù hợp khi xe chạy chậm dần, sự liên kết mô men thành lượng tương
đương để luôn luôn đạt được số cao nhất.
Vấn đề này được giải quyết một phần bằng việc truyền điện năng phát ra từ MG1
đến MG2 để bổ sung mô men cho động cơ ICE. Ở tốc độ thấp chỉ có mô tơ điện tạo ra
mô men. Thực ra, đây là lúc mà mô tơ điện tạo ra mô men lớn nhất. Nếu động cơ ICE
quay tại tốc độ 2,000v/p, thì xe chỉ vừa đủ chuyển công suất của động cơ xăng đến MG1.
Thực tế thì đến khi xe bắt đầu chuyển động, tất cả công suất đến MG1. Dù là MG1 chỉ
nhận 28% mô men nhưng nó nhận tất cả mô men. Prius có thể khởi động từ vị trí dừng
với sự tăng tốc khá lớn lên khoảng 10 dặm/giờ sử dụng công suất ICE ban đầu chuyển
qua MG1 và MG2. Chỉ khoảng 1/5 mô men theo đường dẫn cơ khí trong suốt thời gian
tăng tốc ban đầu này.
II.1.3.5 Tỉ số truyền: là tỉ số giữa số vòng quay tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra
phụ thuộc vào số răng của mỗi bánh răng.
- Theo tính toán nguyên lí chi tiết máy, ta có phương trình cơ bản của bộ bánh răng
hành tinh là:
nS + ZR/ZS . nR – (1 + ZR/ZS) nP = 0
Trong đó: ns, nR, nP lần lượt là số vòng quay của bánh răng mặt trời, bánh răng bao
và cần dẫn.
ZS, ZR , ZP lần lượt là số răng của bánh răng mặt trời, bánh răng bao và các bánh
răng hành tinh với cần dẫn.
Toyota Hybrid System Trang 47
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Nếu cố định bất kì thành phần nào của bộ bánh răng hành tinh (tức là số vòng
quay của thành phần đó bằng 0) và biết được nguồn chủ động và nguồn bị động ta dể
dàng xác định được tỉ số truyền.
Đối với bộ bánh răng hành tinh của PSD Toyota Prius thì điều khiển tỉ số truyền
vô cấp CVT dựa vào mối quan hệ giữa tốc độ quay của MG1, MG2 và ICE đựợc điều
khiển bằng máy tính.
- Bộ phân chia công suất của Toyota Prius: bánh răng mặt trời có 30 răng, mỗi bánh
răng hành tinh có 23 răng, còn bánh răng bao có 78 răng.
- Quan hệ giữa số vòng quay của bánh răng mặt trời(S), bánh răng bao(R) và cần
dẫn(C):
S= 3.6C-2.6R
- Bởi vì bánh răng mặt trời được kết nối với MG1, bánh răng bao kết nối với MG2,
và cần dẫn kết nối với động cơ ICE nên ta có:
MG1=3.6ICE-2.6MG2 ( phương trình 1 )
- Bánh răng bao được kết nối với bộ giảm tốc đến vi sai để truyền chuyển động cho
các bánh xe chủ động. Do vậy, tốc độ quay của bánh răng bao có quan hệ với tốc độ
chuyển động của xe. Nếu xe chuyển động ở một tốc độ biết trước thì chúng ta có thể tìm
được tốc độ quay của MG2. Nếu chúng ta muốn ICE quay ở số một số vòng quay xác
định để phát ra công suất chúng ta cần với hiệu suất tốt nhất. Chúng ta có thể tìm số vòng
quay cần thiết của MG1. Bây giờ máy tính của ôtô có thể hiệu chỉnh các thành phần của
bộ truyền động để đạt kết quả truyền động vô cấp CVT.
- Bánh răng bao và MG2 dùng để dẫn động các trục của bánh xe chủ động qua trung
gian của bộ giảm tốc và bộ vi sai. Tỉ số truyền của các bánh răng giảm tốc của bộ truyền
lực cuối cùng là 3.905/1. Điều đó có nghĩa là MG2 phải quay 3.905 lần thì các trục
truyền động bánh xe quay 1 lần. Vi sai không làm thay đổi tốc độ quay giữa đầu vào và
đầu ra ngoại trừ trường hợp xe quay vòng thì có sự bù trừ tốc độ về khoảng cách bánh xe
bên trong và bánh xe bên ngoài. Bán kính lăn của bánh xe Prius là 11.1 in, khi trục quay
một vòng thì xe di chuyển 2 * 11.1 in. Nếu tốc độ xe tính bằng dặm/giờ (MPH) thì
chúng ta có mối quan hệ tốc độ xe với tốc độ quay của MG2 là:
MG2=59.1*MPH (phương trình 2)
Toyota Hybrid System Trang 48
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ví dụ ở tốc độ 50 MPH, trục MG2 quay 2,955v/p. Theo phương trình 1 máy tính
muốn động cơ quay 1,500v/p thì tốc độ MG1 phải điều khiển là -2,283v/p. Tức là MG1
phải quay 2,283v/p theo hướng ngược chiều kim đồng hồ.
Các phương trình trên luôn giữ đúng. Hằng số 59.1 có thể thay đổi một chút nếu cho
phép các bánh xe đi trên mặt phẳng hoặc thay đổi chúng với một kiểu khác. Tuy nhiên
khi bánh xe bám trên mặt đường thì 2 phương trình 1 và 2 luôn luôn ràng buộc tốc độ
quay của ICE, MG1 và MG2.
II.1.3.6. Đồ thị toán: được viết bởi ROBERT SNYDER, dùng để giải gần đúng các
phương trình tính toán. Một đồ thị toán gồm các thang đo, đó là các đường được tạo ra
với các số vẽ trong một kiểu đặc thù. Nếu vẽ một đường thẳng qua các giá trị số đặc biệt
ở một cặp đặc biệt của thang. Đường thẳng đi ngang qua các thang khác nói lên giá trị
của bài toán.
Hình 50: Đồ thị toán
- Hình trên là một đồ thị toán. Thang bên trái biểu thị số vòng quay MG1. Nó xác
định số vòng quay từ giới hạn dưới là -6,500v/p và giới hạn trên là 6,500v/p. Điều này
chận giới hạn cho MG1, có hiệu lực bởi máy tính Prius. Đường thẳng mỏng bên phải từ
dưới lên là thang giới thiệu số vòng quay của MG2. Để đọc giá trị thang này phải dùng
đường thẳng vẽ ngang qua thang bên trái( giới hạn tốc độ quay của MG2 là 6,000v/p).
Toyota Hybrid System Trang 49
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chồng lên thang này là đường thẳng dày (đường đậm) biểu thị tốc độ của xe chạy trrên
đường. Giới hạn trên là 110dặm/giờ và giới hạn dưới là -110dặm/giờ. Và cuối cùng là
đường thả nổi ở giữa giới thiệu số vòng quay của ICE. Để đọc giá trị của nó ta vẽ đường
thẳng gióng vào thang bên trái. Nó giới hạn từ 1,000v/p đến 4,500v/p.
- Mỗi đường thẳng vẽ ngang qua đồ thị toán giới thiệu tốc độ quay của MG1, MG2,
ICE và tốc độ của xe trên đường. Bạn có thể lựa chọn một trong hai (ngoại trừ MG2 và
tốc độ của xe chúng được cố định trong mối quan hệ với cái khác). Đồ thị toán giải quyết
phương trình 1 và 2 bằng đồ thị với độ chính xác đạt yêu cầu.
- Đường màu xanh biểu thị vị trí xe di chuyển 20 dặm/giờ và động cơ đứng yên.
Tốc độ quay của MG2 và MG1 có thể đọc thứ tự khoảng 1,200v/p và 1,300v/p.
- Đường màu xanh dương biểu thị cho MG1 thay đổi trực tiếp và khởi động ICE,
sau đó quay ở tốc độ 1,500v/p, MG1 sẽ quay hướng thuận 3,000v/p.
- Đường màu đỏ biểu thị ICE quay ở tốc độ 1,700v/p, xe có thể đạt tốc độ 52
dặm/giờ, MG1 quay ngược với tốc độ 2,000v/p và MG2 sẽ quay với tốc độ 3,100v/p.
II.1.3.7. Các chế độ hoạt động của bộ phân chia công suất (PSD).
a/Động cơ khởi động lúc xe dừng:
- Để khởi động động cơ, MG1(được kết nối với bánh răng mặt trời) được dẫn động
chiều thuận sử dụng nguồn điện từ ắc qui điện áp cao. Nếu chiếc xe đứng yên, bánh răng
bao của bộ phân chia công suất sẽ giữ đứng yên. Sự quay của bánh răng mặt trời sẽ đẩy
cần dẫn quay. Cần dẫn được kết nối với ICE và quay ICE với tỉ lệ tốc độ quay 1/3.6 so
với MG1. Xem mô phỏng.
Toyota Hybrid System Trang 50
