TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Xe ô tô, được phát minh bởi Nicolas - Joseph Cugnot vào khoảng 300 năm trước, đã trở thành phương tiện giao thông thiết yếu trong xã hội hiện đại Tuy nhiên, sự phát triển của ô tô cũng dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí nghiêm trọng do khí thải từ động cơ, đang là vấn đề cấp bách mà nhiều quốc gia phải đối mặt ngày nay.
Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ ô tô, nhiều giải pháp kỹ thuật hứa hẹn như ô tô điện, ô tô dùng pin nhiên liệu và động cơ khí nén đã được đề xuất Tuy nhiên, các công nghệ này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi do nhiều hạn chế về công nghệ Ô tô điện cần ít nhất 4 giờ để nạp lại pin, giới hạn tầm sử dụng của chúng Công nghệ fuel cell yêu cầu hydro lỏng phải được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp, chỉ phù hợp với những quốc gia có khí hậu lạnh Cả hai công nghệ này đều gặp khó khăn trong việc xây dựng lại hệ thống cung cấp nhiên liệu, tạo ra khoảng trống giữa nhu cầu bảo vệ môi trường và công nghệ ô tô truyền thống.
Công nghệ Fuel Cell là một giải pháp cho ô tô "sạch", nhưng vẫn còn nhiều hạn chế về công nghệ Gần đây, một kỹ thuật chế tạo ô tô mới đã được phát triển nhằm tiết kiệm năng lượng không tái sinh (dầu hỏa) và bảo vệ môi trường, trong khi công nghệ fuel cell và pin điện đang được hoàn thiện Công nghệ Hybrid hiện nay được coi là một giải pháp thành công và đã được áp dụng rộng rãi tại các thị trường phát triển như Châu Âu, Mỹ và Nhật Bản.
Ngành công nghiệp ôtô toàn cầu đang đối mặt với thách thức lớn về việc sản xuất xe ôtô thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng Các giải pháp như ôtô Hydro, ôtô điện và ôtô pin mặt trời gặp nhiều khó khăn trong việc triển khai Tuy nhiên, ôtô Hybrid, sử dụng nguồn năng lượng tổ hợp, đã cung cấp một giải pháp hiệu quả Xe Hybrid không chỉ giảm đáng kể lượng khí thải độc hại mà còn cắt giảm tới một nửa mức tiêu thụ nhiên liệu.
Vì vậy, trong năm 1993, Toyota đã đƣa ra một mục tiêu mới để xây dựng một chiếc xe có lượng khí thải thấp cho một tương lai sạch hơn
Trong bốn năm ngắn ngủi, một cuộc cách mạng công nghệ mang tên Prius Hybrid đã ra đời, đánh dấu sự chuyển mình từ những chiếc ô tô chạy xăng và dầu diesel sang công nghệ hybrid Trước đó, các nhà sản xuất đã nỗ lực trong nhiều thập kỷ để khai thác năng lượng điện cho ô tô nhưng thường gặp thất bại Tuy nhiên, vào năm 1997, Toyota đã thành công vượt qua các thách thức kỹ thuật và giới thiệu Toyota Prius Hybrid đầu tiên ra thị trường đại chúng.
Với động cơ hỗn hợp, Prius đạt tiêu chuẩn SULEV (Super Ultra Low Emissions Vehicle) với hàm lượng khí thải cực thấp Xe còn được Ủy ban Tài nguyên Không khí California chứng nhận là "Mẫu xe sử dụng công nghệ tiên tiến có hàm lượng khí thải xấp xỉ bằng không" (AT-PZEV - Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicle).
The new model has been recognized by the United States Environmental Protection Agency (EPA) as more environmentally friendly than its predecessor, featuring an all-electric cooling compression system and electric power steering The second-generation Toyota Prius, alongside the MINI Cooper D engine from BMW, emits 104 g/km of CO2, ranking just behind the Ford Fiesta Econetic at 98 g/km and the Volkswagen Polo 1.4 TDI/SEAT Ibiza 1.4 TDI at 99 g/km Notably, the Prius is the lowest CO2 emitting gasoline vehicle, as both the Ford and Polo/Ibiza operate on diesel engines.
Đề tài “TOYOTA PRIUS HYBRID 2004-2009” nhằm cung cấp tài liệu tham khảo cho sinh viên, giúp họ hiểu rõ hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và những ưu điểm nổi bật của xe Hybrid so với xe truyền thống Bài viết cũng đề cập đến triển vọng phát triển của dòng xe Hybrid trong tương lai.
Mục tiêu đề tài
Tìm hiểu tổng quan về xe Hybrid (lịch sử, phân loại, các bộ phận của xe Hybrid…)
Tìm hiểu đƣợc kiến thức cơ bản của dòng xe Toyota Prius 2004-2009
Nhận biết đƣợc các bộ phận trên xe Toyota Prius 2004-2009
Hiều đƣợc các chức năng nhiệm vụ của từng bộ phân Toyota Prius 2004-
Hiểu đƣợc nguyên lý hoạt động của dòng xe Toyota Prius 2004-2009
Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu
Các dòng xe Toyota Prius 2004 – 2009
Về động cơ 1NZ-FXE của Toyota Prius 2004 – 2009
Về hộp số của Toyota Prius 2004 – 2009
Nguyên lý hoạt động, cách điều khiển của hệ thống trên xe Toyota Prius
Phương pháp nghiên cứu
Để có hướng nghiên cứu thích hợp, cần tham khảo tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm tài liệu chuyên ngành ôtô trên internet và thư viện.
Phương pháp tham khảo ý kiến
Dịch tài liệu: chủ yếu dịch tiếng Anh từ tài liệu hướng dẫn và các tài liệu nước ngoài
Dựa vào mô hình thực tế và kiến thức tài liệu sẵn có để nghiên cứu.
NGHIÊN CỨU LÍ THUYẾT HOẶC THỰC NGHIỆM
Động cơ 1NZ - FXE
Xe lai của Toyota sử dụng động cơ đốt trong kết hợp với động cơ điện, mang lại hiệu suất tối ưu và tiết kiệm nhiên liệu Hãng Toyota, cùng với nhiều nhà sản xuất xe lai khác, đã áp dụng công nghệ tiên tiến để nâng cao hiệu suất hoạt động của xe.
Giảm kích cỡ của động cơ:
Xe lai sử dụng động cơ nhỏ hơn so với động cơ truyền thống, với động cơ đốt trong không được thiết kế để đạt công suất tối đa khi tăng tốc hoặc leo dốc Khi cần chạy nhanh trên quãng đường dài, vượt xe khác, hoặc leo dốc cao, hệ thống điều khiển sẽ kích hoạt động cơ điện để cung cấp thêm công suất hỗ trợ.
Động cơ được trang bị hệ thống VVT-I (Variable Valve Timing-Intelligent) để tối ưu hóa thời gian đóng mở xu páp, đảm bảo hiệu suất hoạt động cao nhất cho xe Buồng đốt có cấu trúc đặc biệt giúp tia lửa điện lan tỏa nhanh chóng, kết hợp với hiệu suất nhiệt cao Việc sử dụng xy lanh chế tạo bằng hợp kim nhôm và ống hút gọn gàng giúp giảm kích thước và trọng lượng của động cơ, từ đó cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Hình 2 1 Động cơ đốt trong xe Hybrid Toyota Prius
Nâng cao công suất đầu ra:
Tốc độ động cơ đã được cải thiện từ 4500 vòng/phút lên 5000 vòng/phút, giúp tăng công suất đầu ra Việc sử dụng xéc-măng có độ căng thấp hơn và lò xo xu-páp nhỏ hơn đã giảm thiểu tổn thất công suất do ma sát, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Việc tăng thêm 500 vòng/phút đã giúp máy phát hoạt động nhanh hơn, nâng cao lực dẫn động trong suốt quá trình tăng tốc của xe và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Hình 2 2 Động cơ 1NZ – FE nhìn từ bên ngoài Bảng 2 1 Động cơ 1NZ-FXE
Loại động cơ 1.5L, 1NZ-FE
Kiểu 4 xylanh, thẳng hàng, 16 van, DOHC,
Dung tích xylanh (cc) 1497 Đường kính xylanh (mm) 75 Đường kính hành trình Piston (mm) 84.7 Đường kính bệ Xu Páp (mm) Nạp: 30.5
Công suất cực đại SAE-NET (HP / rpm)
Mụmen xoắn cực đại SAE-NET [Nãm / rpm]
Thời điểm phối khí Đóng 52 12 ABDC
Thời gian tănng tốc từ 0 – 100Km/h 10 giây
Loại nhiên liệu Xăng không chì
Trị số Ốc tan nhiên liệu 87 hay hơn
Hệ thống nạp nhiên liệu EFI (Phun nhiên liệu điện tử)
Tốc độ xe tối đa (Km/h) 170
Hệ thống điều khiển động cơ
Hình 2 3 Vị trí các chi tiết trên động cơ
2.2.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp
Hình dạng của cảm biến
Hình 2 4 Cảm biến lưu lượng khí nạp
Vị trí của cảm biến
Hình 2 5 Vị trí của cảm biến trên xe
Hình 2 6 Sơ đồ mạch điện cảm biến MAF
Cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) đo lường lượng không khí đi qua bướm ga, giúp ECM xác định thời gian phun nhiên liệu và duy trì tỷ lệ không khí-nhiên liệu chính xác Bên trong cảm biến MAF, một dây Platin tiếp xúc với dòng khí nạp để thực hiện chức năng này.
ECM cấp cường độ dòng điện cho dây, làm nóng dây đến nhiệt độ nhất định Dòng không khí đi qua giúp làm nguội dây sấy và nhiệt điện trở, ảnh hưởng đến điện trở của chúng Để duy trì dòng điện ổn định, ECM điều chỉnh điện áp cấp cho các bộ phận trong cảm biến MAF Giá trị điện áp này tỷ lệ thuận với luồng khí nạp qua cảm biến, cho phép ECM nhận biết lượng khí nạp.
Mạch này được thiết kế với dây sấy platin và cảm biến nhiệt độ tạo thành một mạch cầu, trong đó transistor công suất được điều khiển để duy trì điện thế giữa hai điểm A và B luôn bằng nhau, giúp ổn định nhiệt độ theo mức đã định sẵn.
Hình 2 7 Cấu tạo cảm biến MAF
2.2.2 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình dạng của cảm biến
Hình 2 8 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Vị trí của cảm biến
Hình 2 9 Vị trí cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình 2 10 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp
Mô tả, cấu tạo cảm biến
Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT) được tích hợp bên trong cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) nhằm theo dõi nhiệt độ của khí nạp Nhiệt điện trở trong cảm biến sẽ thay đổi điện trở tương ứng với nhiệt độ khí nạp, với điện trở lớn khi nhiệt độ thấp và ngược lại Sự thay đổi điện trở này được chuyển đổi thành sự thay đổi điện áp gửi đến ECU, trong khi cảm biến nhận nguồn 5V.
Khi điện trở của cảm biến thay đổi, điện áp từ cực THA cũng sẽ thay đổi Bộ xử lý sử dụng tín hiệu từ THA để xác định nhiệt độ không khí nạp.
2.2.3 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình dạng của cảm biến nhiệt độ nước
Hình 2 11 Cảm biến nhiệt độ nước
Vị trí của cảm biến nhiệt độ nước
Hình 2 12 Vị trí cảm biến nhiệt độ nước trên động cơ
Hình 2 13 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát sử dụng nhiệt điện trở để đo nhiệt độ của nước làm mát động cơ Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn với trị số nhiệt điện trở âm chuẩn, hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ 80°C Cảm biến này bao gồm hai cực THW và một cực nối ETHW, đảm bảo độ chính xác trong việc giám sát nhiệt độ động cơ.
Nguồn cấp điện cho cảm biến là 5V thông qua một điện trở, giúp cảm biến theo dõi sự thay đổi nhiệt độ nước làm mát Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của biến trở cũng thay đổi, cho phép bộ vi xử lý nhận diện điện áp tại cực THW để xác định nhiệt độ làm việc của động cơ ECU sử dụng tín hiệu nhiệt độ nước làm mát để điều chỉnh lượng phun nhiên liệu, thời điểm đánh lửa sớm và tốc độ cầm chừng Khi nhiệt độ nước làm mát dưới 80C, ECU sẽ tăng tốc độ cầm chừng, tăng lượng nhiên liệu phun và điều chỉnh góc đánh lửa sớm.
2.2.4 Cảm biến vị trí bướm ga
Hình dáng của cảm biến
Hình 2 14 Cảm biến vị trí bướm ga
Vị trí của cảm biến
Hình 2 15 Vị trí cảm biến vị trí bướm ga trên động cơ
Hình 2 16 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga
Mô tả, cấu tạo cảm biến
Cảm biến vị trí bướm ga, được gắn trên thân bướm ga, chuyển đổi góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp Tín hiệu này được gửi về ECU, giúp ECU nhận diện tải của động cơ và điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, thời điểm đánh lửa, cũng như kiểm soát tốc độ cầm chừng.
Hình 2 17 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga và đồ thị quan hệ góc mở bướm ga-điện áp
Cảm biến vị trí bướm ga trên động cơ 1NZ-FE là loại cảm biến Hall, hoạt động với nguồn 5V từ ECU Khi bướm ga mở, trục bướm ga làm cho nam châm xoay, dẫn đến sự thay đổi vị trí và mật độ từ thông Do đó, điện áp tín hiệu VTA1 và VTA2, phản ánh độ mở bướm ga, cũng thay đổi Khi góc mở bướm ga tăng, lượng từ thông qua cảm biến Hall tăng theo, khiến tín hiệu điện áp gửi về ECU tăng theo quy luật tuyến tính.
2.2.5 Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Hình 2 18 Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Hình 2.2.17 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga
Cảm biến bàn đạp ga kiểu phần tử Hall được lắp đặt tại bàn đạp ga, có chức năng chuyển đổi góc mở của bàn đạp thành tín hiệu điện áp Tín hiệu này sau đó được gửi đến ECU, giúp điều khiển mô tơ và điều chỉnh độ mở bướm ga Cảm biến bao gồm hai IC Hall cố định và một nam châm vĩnh cửu có khả năng quay quanh các phần tử Hall.
Hình 2 19 Cấu tạo của cảm biến và đồ thị thể hiện mối quan hệ điện áp ra- góc quay bàn đạp ga
Cảm biến hoạt động với nguồn 5V từ ECU đến các cực VCPA và VCP2 Khi người lái đạp ga, trục truyền động làm cho các nam châm xoay quanh IC Hall, dẫn đến sự thay đổi từ thông và tín hiệu điện áp tại các cực VPA và VPA2 Khi góc mở bướm ga tăng, lượng từ thông qua Hall cũng tăng theo, khiến tín hiệu gửi về ECU tăng theo quy luật tuyến tính ECU sau đó sử dụng tín hiệu này để điều khiển mô tơ mở bướm ga tương ứng với mức độ đạp ga.
Hình dạng của cảm biến
Hình 2 20 Cảm biến tiếng gõ
Vị trí của cảm biến
Hình 2 21 Vị trí cảm biến tiếng gõ trên động cơ
Hình 2 22 Sơ đồ mạch cảm biến tiếng gõ
Mô tả, cấu tạo của cảm biến
Hiện tượng kích nổ áp suất trong các xy lanh động cơ có thể dẫn đến giảm công suất và hiệu suất, ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ Để khắc phục, cảm biến kích nổ được lắp trên thân máy để nhận biết tiếng gõ của động cơ Cảm biến này sử dụng phần tử áp điện, phát ra điện áp khi bị biến dạng do rung động từ tiếng gõ Khi tiếng gõ xảy ra, ECU sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa muộn để ngăn chặn hiện tượng kích nổ.
Hình 2 23 Vị trí cảm biến vị trí trục khuỷu trên động cơ
Hình 2 24 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục cam-trục khuỷu
Mô tả cảm biến vị trí trục khuỷu:
Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu:
Cảm biến vị trí trục khuỷu sử dụng công nghệ điện từ với thiết kế rô to quay, được lắp đặt tại đầu trục khuỷu Thiết bị này bao gồm một rô to và một cuộn để nhận tín hiệu, giúp xác định vị trí chính xác của trục khuỷu trong động cơ.
Hình 2 25 Vị trí của cảm biến vị trí trục khuỷu và tín hiệu NE
- Cuộn nhận tín hiệu lắp cố định gồm một cuộn dây và một nam châm vĩnh cửu đƣợc lắp trên một khung từ
Rô to được gắn ở đầu trục khuỷu với 34 răng, mỗi răng tương ứng với 10 độ quay của trục khuỷu Trên rô to có hai khuyết để xác định vị trí của xy lanh số 1.
Khi trục khuỷu quay, rô to của cảm biến quay theo, tạo ra các xung điện khi các răng của rô to quét qua cuộn tín hiệu Sự thay đổi từ thông trong cuộn dây sẽ sinh ra sức điện động dạng xung xoay chiều gửi về ECU, từ đó báo tốc độ động cơ Thông tin này giúp ECU tính toán góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu phun cho từng xy lanh, với mỗi vòng quay của trục khuỷu tạo ra 34 xung gửi về ECU.
- Giá trị điện trở cuộn tín hiệu của cảm biến tín hiệu NE Điện trở () (ở 20C) 1,15 đến 1,45
Khe hở từ (mm) 0,2 đến 0,4
2.2.8 Cảm biến vị trí trục cam
Hình dạng của cảm biến vị trí trục cam
Hình 2 26 Vị trí của cảm biến vị trí trục khuỷu và tín hiệu NE
Vị trí của cảm biến vị trí trục cam
Hình 2 27 Bố trí cảm biến vị trí trục cam trên động cơ
Hình 2 28 Mạch cảm biến vị trí trục cam
Mô tả cảm biến vị trí trục cam:
Cấu tạo cảm biến vị trí trục cam:
Hệ thống điều khiển Hybrid
2.3.1.Nguyên lý hoạt động của xe Hybrid Ôtô hybrid hoạt động theo nguyên tắc: Động cơ điện đƣợc 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 đƣợc sử dụng nhƣ 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 lƣợng cho ắc-quy Với sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ hybrid đƣợc mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động cơ cao, moment lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường
Hình 2 48 Sơ đồ nguyên lý hoạt động xe Hybrid
Khi khởi động và hoạt động ở tốc độ thấp, MG2 cung cấp lực chuyển động ban đầu, cho phép động cơ đốt trong khởi động ngay lập tức khi có đủ trạng thái nạp.
71 của ắc-quy điện áp cao ở mức thấp Khi tốc độ xe tăng lên trên 25- 35km/h động cơ đốt trong sẽ khởi động
Khi hoạt động trong điều kiện bình thường, động cơ đốt trong phân chia năng lượng thành hai phần: một phần truyền động cho bánh xe và một phần cung cấp cho MG1 để sản xuất điện ECU điện áp cao đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tỉ lệ phân bố năng lượng một cách hiệu quả.
Trong giai đoạn tăng tốc tối đa, công suất của động cơ đốt trong và MG2 được hỗ trợ bởi năng lượng từ ắc-quy điện áp cao Sự kết hợp giữa moment của động cơ và moment của MG2 tạo ra công suất cần thiết để tăng tốc cho xe.
Trong quá trình giảm tốc hoặc phanh, bánh xe dẫn động MG2 hoạt động như một máy phát để phục hồi năng lượng tái sinh Năng lượng này được thu thập từ quá trình phanh và được lưu trữ trong ắc-quy điện áp cao.
Bộ đổi điện chuyển đổi điện áp cao một chiều của ắc quy HV thành điện xoay chiều 3 pha để dẫn đọng MG1 và MG2
ECU HV điều khiển việc bật/tắt các tranzito công suất và truyền thông tin cần thiết cho việc kiểm soát dòng điện, bao gồm cường độ dòng điện ra và điện áp đến ECU HV Bộ đổi điện, cùng với MG1 và MG2, được làm mát bằng một két nước chuyên dụng tách biệt với động cơ Trong trường hợp xảy ra va chạm, cảm biến bộ ngắt mạch sẽ phát hiện tín hiệu va chạm và ngừng hoạt động của hệ thống.
Những thay đổi so với prius cũ:
Bộ chuyển đổi tăng áp bên trong bộ đổi điện giúp nâng cao điện áp ra danh nghĩa của ắc quy HV từ DC 201.6V lên tối đa DC 500V Sau khi điện áp được tăng cường, bộ đổi điện sẽ chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều.
Các mạch cầu cho MG1 và MG2, mỗi mạch gồm 6 tranzito công suất, cùng với bộ xử lý tín hiệu hoặc bộ xử lý chức năng bảo vệ, đã được tích hợp thành một mô đun công suất thông minh (IPM) gọn nhẹ để dẫn động xe.
- Bộ chuyển đổi A/C cung cấp để dẫn động máy nén đổi điện cho hệ thống điều hòa cũng nằm trong bộ đổi điện
Két nước tích hợp giữa bộ đổi điện và động cơ đã được áp dụng để tối ưu hóa không gian sử dụng.
Hình 2 49 Sơ đồ bộ chuyển đổi tăng cường
Hình 2 50 Sơ đồ hệ thống bộ đổi điện
Bộ đổi điện này chuyển đổi dòng xoay chiều từ ắc quy HV thành dòng xoay chiều cho MG1 và MG2, hoặc ngược lại, phù hợp với tín hiệu từ ECU HV Ngoài ra, nó cũng cung cấp dòng điện xoay chiều từ công suất MG1 đến MG2 Khi điện được truyền từ MG1 đến MG2, nó sẽ được chuyển đổi thành DC và sau đó thành AC bên trong bộ đổi điện.
ECU HV gửi tín hiệu đến tranzito công suất trong bộ đổi điện để điều chỉnh các pha U, V và W của cuộn stato MG1 và MG2, dựa trên thông tin vị trí roto từ MG1 và MG2 cùng với SOC của ắc quy HV nhận từ ECU ắc quy Khi ngắt dòng điện đến MG1 và MG2, ECU HV sẽ truyền tín hiệu đến bộ chuyển đổi.
Hình 2 51 Sơ đồ hệ thống
Biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều cao áp từ pin HV thành ba pha xoay chiều cho MG1 và MG2 Các ECU HV điều khiển việc kích hoạt các bóng bán dẫn điện, đồng thời biến tần cũng truyền tải thông tin cần thiết để kiểm soát, như cường độ dòng điện đầu ra và điện áp, đến các ECU HV.
Biến tần MG1 và MG2 được làm mát bằng tản nhiệt chuyên dụng, tách biệt với hệ thống làm mát động cơ Hệ thống này được điều khiển bởi các HV ECU thông qua máy bơm nước điện Kể từ mẫu Prius năm 2004 trở đi, bộ tản nhiệt đã được thiết kế đơn giản hơn và tối ưu hóa không gian chiếm dụng.
- Việc chuyển đổi thúc đẩy tăng điện áp danh định của 201.6V DC đó là đầu ra của pin
Bộ chuyển đổi HV với điện áp tối đa 500V DC sử dụng một tăng IPM (Integrated Power Module) tích hợp IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) để điều khiển chuyển đổi, cùng với một lò phản ứng để lưu trữ năng lượng, giúp nâng cao hiệu suất điện áp.
Khi MG1 hoặc MG2 hoạt động như máy phát điện, biến tần chuyển đổi dòng điện xoay chiều (201.6V đến 500V) từ động cơ thành điện áp DC 201.6V để sạc pin HV.
- Thiết bị phụ trợ của xe (nhƣ đèn chiếu sáng, hệ thống âm thanh, quạt làm mát A / C, ECU, vv) đƣợc cung cấp theo tiêu chuẩn 12V DC
- Trên '01 -'03 Prius, các THS máy phát điện áp là 273.6V DC Một chuyển đổi biến đổi điện áp từ 273.6V DC 12V DC để sạc pin phụ
2.3.3 Hệ thống điều khiển Hybrid
(1) Cấp nguồn điện từ ắc quy HV đến MG2 và cấp lực để dẫn động các bánh xe
Hộp số và hệ thống điều khiển hộp số Hybrid
Giới thiệu về hợp số hybrid
Hình 2.53 minh họa động cơ Toyota 1NZ-FXE (bên trái) với đầu HSD, cùng với mặt cắt và đánh dấu (bên phải) Bài viết giới thiệu về thế hệ 1 và thế hệ 2 của hệ thống HSD, bao gồm các thành phần như xích, ICE-MG1-MG2 và thiết bị điện chia.
Hệ thống HSD của Toyota sử dụng điều khiển cơ điện tử thay vì hộp số giảm tốc thông thường, cho phép động cơ đốt trong (ICE) hoạt động hiệu quả nhất trong một khoảng tốc độ nhất định Điều này giúp tốc độ và lực kéo của xe thay đổi linh hoạt theo ý muốn người lái Khác với xe thông thường, nơi lực kéo từ động cơ truyền xuống bánh xe không liên tục, hộp số hybrid nhờ vào bộ truyền hành tinh cho phép thay đổi tốc độ bánh xe mà không ảnh hưởng đến tốc độ động cơ Do đó, động cơ của xe hybrid thường nhỏ gọn, hiệu quả, đáng tin cậy và có tuổi thọ cao hơn.
Hệ thống này kết hợp hiệu quả giữa động cơ và MG2, hoạt động tương ứng với các điều kiện lái xe Động cơ cung cấp lực truyền động cơ bản, được chia thành hai vùng: lực truyền động tác dụng lên các bánh xe.
95 xe nhờ bộ truyền hành tinh trong cụm truyền động Hybrid, và lực truyền động để vận hành MG1 nhƣ một máy phát điện
Cụm truyền động Hybrid bao gồm MG1, MG2 và bộ truyền hành tinh, được thiết kế để cung cấp khả năng dẫn động êm ái thông qua hệ thống truyền động vô cấp.
- Động cơ, MG1 và MG2 đƣợc nói cơ khí qua bộ truyền hành tinh
- MG2 và bộ vi sai (cho bánh dẫn động) đƣợc nói qua xích dẫn động và các bánh răng
Hình 2 54 Sơ đồ kết nối các chi tiết của hộp số
Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật hộp số
Loại hợp số (cụm truyền động) P111 P112
Số răng bánh răng bao 78 78
Số răng của bánh răng hanh tinh 23 23
Số răng của bánh răng mặt trời 30 30
Tỷ số truyền bánh răng bộ vi sai 4.113 3.905
Số răng đĩa xích dẫn động 36 39
Số răng đĩa xích bị dẫn động 35 36
Số răng bánh răng chủ động 30 30
Số răng bánh răng bị động 44 44
Banh răng dẫn động cuối cùng
Số răng bánh răng chủ động 26 26
Số răng bánh răng bị động 75 75
Lƣợng dầu liters(us qts, lmp.qts) 3.8(4.0,3.3) 4.6(4.9,4.0)
ATF WS hoặc tương đương
ATF T-IV hoặc tương đương Trọng lƣợng(tham khảo) Kg (lb) 107(236)
Hình 2 55 Sơ đồ mặt cắt hộp số
Cụm truyền động chính bao gồm bộ giảm chấn, MG1, MG2, bộ truyền hành tinh và bộ giảm tốc, trong đó bộ giảm tốc gồm các thành phần như xích êm, bánh răng dẫn động trung gian, bánh răng bị động trung gian và bánh răng dẫn động cuối cùng.
Bộ truyền hành tinh bao gồm MG1, MG2, bộ giảm trấn truyền động và bánh răng dẫn động xích, tất cả nằm trên cùng một trục Lực truyền động được truyền từ bánh răng dẫn động xích đến bộ giảm tốc thông qua xích êm.
Hình 2 56 Sơ đồ truyền lực từ động cơ tới bánh xe chủ động
Công suất đầu ra của động cơ được truyền qua bộ hành tinh, nơi nó được phân chia thành lực chuyển động cho các bánh xe và lực dẫn động cho MG1 để phát điện.
Bánh răng mặt trời, liên kết với MG1, cùng với vành răng kết nối với MG2 và cần dẫn nối với trục ra của động cơ, tạo thành phần của hệ thống truyền vi sai Lực chuyển động được truyền qua xích đến bánh răng dẫn động trung gian, đảm bảo quá trình hoạt động hiệu quả của động cơ.
Hình 2 57 Các bộ phận kết nối với bánh răng hành tinh
Bộ giảm chấn truyền động
Xe Prius mới vẫn sử dụng lò xo trụ có tính chất xoắn thấp trong bộ giảm chấn truyền động, tương tự như model cũ, nhưng đã có một số thay đổi đáng chú ý.
- Tính chất cứng của lò xo đã đƣợc giảm xuống hơn nữa để cải thiện tính năng hấp thụ rung động của nó
- Hình dáng của phần bánh đà đã đƣợc tối ƣu hóa để giảm trọng lƣợng
- Bộ giảm chấn bộ truyền động nầy, truyền lực dẫn động của động cơ, có chứa cơ cấu hấp thụ dao động
Hình 2 58 Bộ giảm chấn truyền động
- MG1 và MG2 đƣợc đặt đồng trục tại mõi đầu của bộ truyền hành tinh
- MG1 nối với bánh răng mặt trời của bộ truyền hành tinh và MG2 nói với bánh răng bao
- Cả MG1 và MG2 đều có kích thước nhỏ gọn, nhẹ và là loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều hiệu quả cao
Môtơ điện phục vụ như một nguồn lực truyền động bổ sung, cung cấp hỗ trợ công suất cho động cơ khi cần thiết, giúp xe đạt được tính năng động lực tuyệt vời với khả năng khởi hành và tăng tốc êm dịu Khi phanh phục hồi điện được kích hoạt, MG2 chuyển đổi năng lượng động lực học của xe thành năng lượng điện, sau đó lưu trữ trong ắc quy.
MG1 không chỉ nạp lại điện cho ắc quy HV mà còn cung cấp công suất điện cho MG2, giúp điều khiển hiệu quả chức năng truyền liên tục của cụm truyền động thông qua việc điều chỉnh lượng công suất phát ra Ngoài ra, MG1 còn đóng vai trò như một máy khởi động để khởi động động cơ.
Hệ thống làm mát cho MG1 và MG2 đã được cải tiến với bơm nước riêng biệt, bao gồm cả bô đổi điện, tách rời hoàn toàn khỏi hệ thống làm mát động cơ Hệ thống này sẽ được kích hoạt khi nguồn cấp được chuyển đến IG Két nước mới được tích hợp với két nước làm mát của động cơ, giúp tối ưu hóa diện tích chiếm chỗ.
Hệ thống làm mát MG1 và MG2 sử dụng môtơ nam châm vĩnh cửu, trong đó dòng điện 3 pha đi qua cuộn dây stato tạo ra từ trường quay Từ trường này được điều khiển theo vị trí và tốc độ quay của rôto, khiến các nam châm vĩnh cửu trong rôto bị hút và tạo ra mômen Mômen này phục vụ cho các mục đích thực tiễn, tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và tốc độ quay được điều chỉnh bởi tần số của dòng điện xoay chiều Để đạt được mức mômen xoắn cao và tốc độ tối ưu, việc điều khiển chính xác từ trường quay và các góc của nam châm rôto là rất quan trọng.
- Nhƣ trên model xe cũ, xe Prius mới cũng dùng bộ truyền giảm tốc, nó có các thay đồi nhƣ sau:
- Dùng giá đỡ bánh răng bằng nhôm đƣợc tích hợp trên vỏ của MG1 Các ổ bi đã đƣợc sử dụng đễ đỡ trục bánh răng bị động trung gian
- Bộ giảm tốc gồm có xích êm, các bánh răng trung gian và bánh răng dẫn động cuối cùng
Một xích êm được thiết kế với các bướt xích nhỏ, giúp đảm bảo hoạt động êm dịu và giảm chiều dài toàn bộ của xích, ngược lại với cơ cấu dẫn động bằng bánh răng.
Các bánh răng trung gian và bộ truyền động cuối cùng được gia công với độ chính xác cao, với sườn răng được tối ưu hóa nhằm đảm bảo hoạt động siêu êm.
Ắc quy HV và hệ thống điều khiển ắc quy HV
Xe Prius mới tiếp tục sử dụng ắc quy niken (Ni-MH) loại kính cho ắc quy HV, với mật độ tích điện cao, trọng lượng nhẹ và tuổi thọ phù hợp với hệ thống THS-II Hệ thống này duy trì ắc quy HV ở mức SOC ổn định trong khi xe hoạt động, không phụ thuộc vào việc nạp bên ngoài Các thành phần như ắc quy HV, ECU ắc quy và SMR được bố trí hợp lý trong khoang hành lý sau ghế sau để tối ưu hóa không gian sử dụng.
- Nút sửa chữa đã tắt mạch đƣợc trang bi giữa 28 môđun (giữa môđun No 18 và
Trước khi tiến hành sửa chữa mạch điện cao áp, cần tháo nút sửa chữa để đảm bảo an toàn Cần lưu ý đến nhiệt độ sinh ra trong ắc quy HV trong quá trình nạp và phóng điện, vì ECU ắc quy sẽ điều khiển hoạt động của quạt làm mát.
Những thay đổi chính so với Prius cũ
- Ắc quy HV của xe Prius trước đây gồm có 228 ngăn ({1.2V x 6 ngăn} x 38 môđun) có điện áp danh nghĩa DC 273.6V Ngƣợc lại, ắc quy HV của Prius mới gồm có
168 ngăn ({1.2V x 6 ngăn} x 28 môđun) có điện áp danh nghĩa là 201.6V Đã đạt đƣợc kết cấu ắc quy gọn nhẹ qua các cải tiến bên trong nầy
Trên xe Prius mới, các ngăn của ắc quy HV được nối bằng hai điểm thay vì một điểm như trước đây, giúp giảm điện trở trong của ắc quy.
SMR2 Nút bảo dưỡng SMR1 SMR3
5.1.3 Hệ thống làm mát ắc quy HV
Để duy trì độ chính xác của ắc quy HV trong quá trình phát nhiệt khi nạp hoặc phóng điện, cần áp dụng hệ thống làm mát chuyên dụng cho ắc quy.
Khoang hành lý được trang bị một quạt làm mát bên phải, giúp hút khí từ cabin tương tự như bộ dẫn khí nạp phía bên phải ghế sau Khí nạp này sau đó đi vào từ khu vực phía trên bên phải của ắc quy, thổi vào giữa các mô-đun ắc quy từ trên xuống dưới để làm mát Cuối cùng, khí sẽ được thổi qua ống dẫn khí xả và cabin, xả ra ngoài xe.
ECU ắc quy đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của quạt làm mát, giúp duy trì nhiệt độ ắc quy HV ở mức tối ưu Thiết bị này nhận tín hiệu từ ba cảm biến nhiệt độ ắc quy được đặt bên trong ắc quy HV, cùng với một cảm biến nhiệt độ khí nạp, nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt nhất cho hệ thống.
Hình 2 71 Hệ thống làm mát ắc quy HV
Bảng 2 7 Thông số kỹ thuật quạt làm mát ắc quy HV
Kiểu xe Kiểu xe mới Kiểu xe củ
Loại Quạt Sirocco Quạt Sirocco Đường kính quạt x H mm (in.)
Kiểu môtơ Môtơ DC Môtơ DC
Thể tích dòng khí /h Điều khiển vô cấp Điều khiển 3 cấp
Tiêu thụ năng lƣợng 50 or less 60
Xe Prius mới được trang bị ắc quy phụ DC 12V, và tùy thuộc vào thị trường hoặc các thiết bị sử dụng, có thể sử dụng các loại ắc quy khác nhau như S34B20R hoặc S46B24R.
- ECU ắc quy phát hiện SOC (tình trạng nạp), nhiệt độ, rò rỉ điện áp của ắc quy HV và gửi thông tin nầy đến ECU HV
ECU ắc quy sử dụng cảm biến nhiệt độ tích hợp trong ắc quy HV để phát hiện nhiệt độ của ắc quy, từ đó điều khiển quạt làm mát nhằm duy trì nhiệt độ ổn định.
Hình 2 73.Sơ đồ hệ thống điều khiển ắc quy
Kiểm soát tình trạng ắc quy HV
- ECU ắc quy thường xuyên kiểm soát các hạng mục được liệt kê dưới đây và truyền thông tin của chúng đến ECU HV
* Phát hiện nhiệt độ ắc quy HV qua cảm biến nhiệt độ trong ắc quy HV
* Phát hiện rò rỉ trong ắc quy thông qua mạch phát hiện rò rỉ trong ắc quy HV
* Phát hiện điện áp của ắc quy HV qua mạch phát hiện điện áp trong ắc quy HV
* Phát hiện cường độ dòng điện qua cảm biến dòng điện
- Ắc quy HV tính toán SOC bằng cách ước lượng cường độ dòng nạp và phóng
Khi xe đang di chuyển, ắc quy HV trải qua các chu kỳ nạp và phóng liên tục, với việc phóng điện từ MG2 trong quá trình giảm tốc và nạp điện thông qua phanh tái sinh ECU tính toán trạng thái sạc (SOC) dựa trên các mức nạp và phóng do cảm biến dòng điện phát hiện, sau đó truyền giá trị SOC đã tính toán đến ECU HV ECU HV điều khiển quá trình nạp và phóng dựa trên các giá trị nhận được, nhằm duy trì SOC ổn định ở một mức nhất định bất cứ lúc nào.
Hình 2 74 Sơ đồ điều khiển SOC
2.5.3 Hệ thống điều khiển ắc quy HV Ắc quy HV
ECU đồng hồ thông tin
Không khí lạnh đi vào
Quạt làm mát ắc quy
Quarter vent duct Điều khiển quạt
No.2 Frame wire Cảm biến nhiệt
Cảm biến nhiệt khí vào
A/C Khuếch đại Gateway ECU ECM ECU HV Điều khiển quạt
Bảng 2 8: Mạch điện nguồn Ắc Quy
Symbols (Terminal No.) Wiring Color Terminal Description Condition Specified Condition
G - W-B Auxiliary battery (for measuring battery voltage and for battery ECU memory)
V - W-B Battery blower motor monitoring signal
Battery blower motor mode 1 actuation (at low speed)
V - W-B Battery blower motor monitoring signal
Battery blower motor mode 6 actuation (at high speed)
Symbols (Terminal No.) Wiring Color Terminal Description Condition Specified Condition
BR - W-B No 1 battery blower relay Battery blower motor actuation
O - W-B IG signal Power switch ON (IG) 9 to 14 V
B - W-B HIGH-level CAN bus line Power switch ON (IG) Pulse generation
W - W-B LOW-level CAN bus line Power switch ON (IG) Pulse generation
Y - W-B Battery blower motor actuation signal
Battery blower motor modes 1 to 6 actuation
- Power source of battery current sensor (a specific voltage)
Power switch ON (IG) 4.5 to 5.5 V
- Battery current sensor Power switch
W-B - Body ground Ground Always (resistance check) Below 6 Ω