Tổng Quan Ôtô Hybrid | Tài liệu Môn Công nghệ kĩ thuật oto (OTO21) Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

PHẦN1: TỔNG QUAN ÔTÔ HYBRID
1.1. Khái niệm chung
Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ
chạy bằng năng lượng thông thường (xăng, Diesel…) với động cơ điện lấy năng
lượng điện 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 sinh được 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
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 ôtô 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 tăng không đáng kể.
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 nói riêng và mọi người nói chung.
Ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các
nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô 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 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. Ôtô hybrid
Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được
nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi
trường. Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên
mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái.
Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được sự quan tâm
nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế
giới. Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có
nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ô tô này.
Ôtô 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.
Trong bối cảnh đó thì ôtô 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 ôtô sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu.
Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid nhiệt điện hoạt
động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại
đường dài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng... Chứ không thể sử dụng ô tô
hybrid nhiệt điện thay hẳn các loại ôtô khác vì tính công nghệ lai còn nhiều hạn
chế, mà cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho
động cơ điện, vì nếu dùng bình ăcquy thông thường thì số lượng bình rất nhiều.
Trong phạm vi bài viết 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.
1.3. Phân loại ôtô hybrid
1.3.1. Theo thời điểm phối hợp công suất
1.3.1.1. Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm
Khi ôtô bắt đầu khởi hành, motor điện sẽ hoạt động cung cấp công suất
gip xe chuyển động và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h)
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 ni 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.
1.3.1.2. 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 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.
1.3.2. Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện
1.3.2.1. Kiểu nối tiếp
Động 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 1a. Hệ thống hybrid nối tiếp
Dòng 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.
Hình 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 hoạt
động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu
xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy. 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.
1.3.2.2. 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
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 gip
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 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 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 2a. Hệ thống hybrid song song
Hình 2b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song
1.3.2.3. 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 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 3a. Hệ thống hybrid hỗn hợp
Hình 3b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp.
1.3.2.4. 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 Sự thực hiện truyền
Sự tiết kiệm nhiên liệu động Công suất Kiểu lai Sự dừng Lấy lại Hoạt Tổng hiệu phát ra không tái năng động hiệu Gia tốc suất cao liên sinh lượng suất cao tục Nối tiếp Song song Hỗn hợp
PHẦN 2:TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG HYBRID TRÊN XE TOYOTA PRIUS
CHƯƠNG 1:Tổng quan Hệ thống Hybrid TOYOTA PRIUS
Prius là một từ tiếng Latin có nghĩa là phải đi trước. "Toyota đã chọn tên
này vì chiếc xe Prius là tiền thân của chiếc xe để đến.Dân số tăng nhanh và phát
triển kinh tế trong những thập kỷ gần đây dẫn đến một sự gia tăng mạnh trong tiêu
thụ nhiên liệu trên quy mô toàn cầu . Đối mặt với những thách thức để tạo ra một
chiếc xe thân thiện với trái đất,Toyota đã sản xuất hàng loạt ô tô hybrid đầu tiên trên thế giới
Hệ thống hybrid là làn sóng của tương lai, và bây giờ có nhiều ưu đãi để
mua xe hybrid. Chủ sở hữu của Prius, hoặc hybrid khác khí-và-xe điện, có thể
được hưởng mức thuế thu nhập khấu trừ. Theo Internal Revenue Service, xe
hybrid đủ điều kiện để khấu trừ thuế từ lâu áp dụng cho xe được hỗ trợ bởi nhiên
liệu đốt sạch. Chính sách này cho phép một lần khấu trừ, có thể được tuyên bố bởi
người tiêu dùng cho năm xe lần đầu tiên được đưa vào sử dụng.
Trong hình thức đơn giản nhất, một hệ thống hybrid kết hợp các hoạt động
tốt nhất đặc điểm của động cơ đốt trong và động cơ điện.Tinh vi hơn các hệ thống
hybrid, giống như Toyota Hybrid System,phục hồi năng lượng nếu không bị mất
nhiệt trong các hệ thống phanh và sử dụng nó để bổ sung năng lượng của động cơ
đốt trong. Những kỹ thuật tinh vi cho phép các hệ thống Hybrid của Toyota đạt
được hiệu quả nhiên liệu vượt trội và giảm lượng lớn CO2.
Khi Prius được ra mắt, nó đã được chọn mẫu thiết kế xe khách tốt nhất của
thế giới cho năm 2001. Chiếc xe đã được lựa chọn bởi vì nó là chiếc xe hybrid đầu
tiên mà chỗ ngồi từ 4-5 người cộng hành lý của họ, và nó là một trong những xe
có tính kinh tế nhất và xe thân thiện với môi trường. Sau đó, trong năm 2004,
Prius thế hệ thứ hai giành được Motor Trend Car uy tín của năm và giải nhất thiết kế xe của năm 2004.
Hệ thống Hybrid của Toyota (THS) cơ cấu truyền động trong Prius gốc và
Hệ thống Hybrid của Toyota II (THS-II) cơ cấu truyền động trong lần thứ hai
cả hai thế hệ Prius cung cấp ấn tượng EPA tính kinh tế nhiên liệu và khí thải cực sạch:
1.1.Các bộ phận của hệ thống hybrid
Các thành phần chính của hệ thống lai là:
• IC Engine : động cơ tích hợp
• Motor generator 1 (MG1): máy phát điện 1
• Motor generator 2(Mg2): máy phát điện 2
• planetary gear set:bánh răng hành tinh điều chỉnh
• Inverter:bộ chuyển đổi
• HV Battery: High Volt Battery- Ắc-quy điện áp cao
• HV ECU: Hybrid Vehicle ECU- ECU điều khiển kết hợp trên ôtô hybrid.
1.2.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 Intel igence) hệ thống điều khiển xu-
páp với góc mở biến thiên thông minh và ETCS-I (electronic throttle control
system-intelligence) hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh
1.3.Máy phát điện 1 (MG1): hoạt động như việc điều khiển bộ phận cho năng
lượng để tách bộ bánh răng hành tinh. Nó nạp lại ắc quy điện áp cao và đồng thời
cung cấp điện năng để điều khiển máy phát 2 (MG2). MG1 điều khiển hiệu quả
chức năng biến đổi liên tục của cụm hộp số trong vỏ hộp số và khởi động động cơ
Máy phát 1 tạo ra năng lượng điện cung cấp cho động cơ hoạt động
1.4.Động cơ điện 2 :để điều khiển xe.
MG2 được sử dụng (cho) lực chuyển động tại những tốc độ thấp và lực bổ
sung tại tốc độ cao . Nó cung cấp năng lượng trợ gip cho trục đầu ra động cơ khi
cần thiết và gip chiếc xe đạt được hiệu suất cao
1.5.Bộ bánh răng hành tinh:
Bộ hộp số hành tinh là một thiết bị chia công suất. MG1 được nối với bánh
răng mặt trời, MG2 được nối với vòng răng và trục đầu ra động cơ được nối với
giá hành tinh. Những bộ phần này được dùng để kết hợp năng lượng từ động cơ và
MG2 và để thu hồi năng lượng tới ắc quy điện áp cao.
Một bộ bánh răng hành tinh duy nhất để chia momen xoắn giữa máy phát 1,máy phát 2 và động cơ
1.5.Bộ biến đổi điện: Hiện nay giữa máy phát 1,máy phát 2 và ắc quy điện áp cao
được kiểm soát bởi biến tần.Nó dùng để chuyển đổi dòng điện áp cao 1 chiều
thành dòng điện áp cao xoay chiều và nó chỉnh dòng điện áp cao xoay chiều từ
máy phát 1 và máy phát 2 để nạp pin điện áp cao
Một thiết bị biến đổi điện áp cao 1 chiều vào dòng điện xoay chiều (máy phát điện
1 và máy phát điện 2) và ngược lại
1.6.Ắc quy điện áp cao: Nguồn cất giữ năng lượng được th u bởi máy phát 2 trong
thời gian tái tạo,năng lượng được tạo bởi máy phát 1. ắc quy cung cấp năng lượng
cho động cơ điện khi khởi động hoặc khi cần bổ sung thêm điện THS (2001-2003 Prius) THS-II (2004 and later Prius)
38 Những mô đun hợp kim Hy-đrua
28 mô đun hợp kim Hy-đrua Kim loại Kim loại Niken Ni ken Điện áp tổng: 273.6 V điện áp tổng: 201.6 V
ắc quy điện áp cao:cung cấp năng lượng điện tới máy phát 2 trong suốt quá trình
khởi động ,tăng tốc và lái xe lên dốc
CHƯƠNG 2: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
Chế độ điều khiển hệ thống hybrid
Khi khởi động và di chuyển với tốc độ thấp, máy phát 2 cung cấp động lực
chính. Động cơ có thể hoạt động ngay lập tức nếu các pin cao áp tích nạp nguồn
pin thấp. Khi tăng tốc độ trên 15-20 mph động cơ sẽ bắt đầu hoạt động
Khi lái xe trong điều kiện bình thường, năng lượng của động cơ được chia thành
hai đường, một phần ổ bánh xe và một phần điều khiển máy phát 1 tạo ra điện.
Các ECU điện áp cao điều khiển tỷ lệ phân phối năng lượng cho hiệu quả tối đa
Trong thời gian tăng tốc hoàn toàn, năng lượng được tạo ra bởi động cơ và máy
phát 1 bổ sung bằng nguồn điện từ pin cao áp. mô-men xoắn của động cơ kết hợp
với mô-men xoắn máy phát 2 cung cấp năng lượng cần thiết để tăng tốc độ xe
Trong quá trình giảm tốc hoặc phanh máy phát 2 hoạt động như một máy phát
điện để thu hồi năng lượng tái sinh. Việc thu hồi năng lượng từ phanh được lưu trữ
trong acws quy điện áp cao
2.0.Chế độ điều khiển hybrid
Hệ thống hybrid sử dụng các chế độ khác nhau để đạt được hiệu quả hoạt động
cao nhất để đáp ứng các điều kiện lái xe. Dưới đây miêu tả một trong các chế độ hoạt động
Nếu xe đã được sạc đầy và không di chuyển, động cơ có thể dừng lại.Động cơ sẽ
khởi động tự động nếu pin cao áp cần sạc. Ngoài ra, nếu hệ thống điều hòa nhiệt
độ lớn nhất được chọn trên Prius 2001,2003, các động cơ sẽ chạy liên tục do động
cơ được điều khiển bởi các máy nén. Năm 2004 và sau đó sử dụng một máy nén Prius điện.
2.1. Khởi động động cơ khi xe đang chạy
Nếu mômen dẫn động yêu cầu tăng lên khi xe chạy chỉ với MG2, MG1 sẽ
được kích hoạt để khởi động động cơ. Tương tự, nếu có một trong những hạng
mục do ECU kiểm soát như tình trạng SOC, nhiệt độ ắc quy, nhiệt độ nước và
điều kiện tải điện lệch so với mức tiêu chuẩn, thì MG1 sẽ được kích hoạt để khởi
động động cơ (MG1 hoạt động ở chế độ động cơ).
2.2. Tăng tốc nhẹ với động cơ
Ở tốc độ trung bình (15-40 mph), động cơ đốt trong sẽ hoạt động và cung
cấp năng lượng, MG2 sẽ hoạt động đồng thời như một động cơ điện sử dụng một
lượng điện năng hỗ trợ. MG1 cũng quay đồng thời với động cơ (được kéo bởi
động cơ) và đóng vai trò như một máy phát điện, cung cấp năng lượng cho MG2.
2.3. Tốc độ thấp ổn định
Khi xe đang chạy ở chế độ tải thấp, bộ truyền hành tinh sẽ chia công suất
động cơ ra hai phần. Một phần truyền đến các bánh xe chủ động, phần còn lại kéo
MG1 để phát điện đến bộ biến đổi cấp cho MG2 hoạt động bổ sung công suất đến các bánh xe chủ động.
2.4. Tăng tốc tối đa
Khi xe được chuyển từ chế độ tải thấp sang chế độ tăng tốc mạnh, hệ thống
này sẽ bổ sung điện của ắc quy điện áp cao vào lực truyền động của MG2 .
2.5. Tốc độ cao ổn định
Khi xe chạy ở tốc độ cao ổn định động cơ và MG2 hoạt động, MG1 hoạt
động ở chế độ phanh (MG1 không quay).
2.6. Tốc độ tối đa
Khi tốc độ ôtô cao (>100mph) thì MG2 sẽ hoạt động để bổ sung công suất
cho động cơ đốt trong, lc này ắc quy điện áp cao sẽ cung cấp điện cho hoạt động
của MG2, MG1 cũng nhận một phần năng lượng điện từ ắc quy điện áp cao và
quay ngược chiều với MG2 tạo một tỷ số truyền tăng cho phép ôtô chạy với tốc độ cao.