Giới thiệu chung về tình hình ngành ô tô
Ngành ô tô đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu, góp phần vào GDP của nhiều quốc gia, cụ thể là 3,25% GDP của Hoa Kỳ, 5% của Trung Quốc, 4% của Đức và 12% của Thái Lan, trong khi tại Việt Nam, tỷ lệ này là 3% Sự quan tâm đặc biệt từ chính phủ đối với ngành ô tô thể hiện qua các hiệp định thương mại, thường có những ngoại lệ để bảo vệ ngành khỏi áp lực cạnh tranh quốc tế, ngoại trừ ATIGA và có thể là EVEFA trong tương lai.
Hình 1.1: Đóng góp của ngành ô tô vào GDP
Thị trường xe ô tô Việt Nam hiện quá nhỏ để các hãng xe có thể đầu tư vào sản xuất linh kiện và phụ tùng Theo Toyota Việt Nam, để việc đầu tư trở nên khả thi, số lượng phụ tùng bán ra hàng năm cần đạt khoảng 50,000 bộ, tức là mỗi mẫu xe phải sản xuất 50,000 chiếc trong một năm, gấp đôi doanh số của các mẫu xe bán chạy hiện tại Quy mô nhỏ cùng với những ưu đãi chưa rõ ràng để thu hút đầu tư phụ trợ đã khiến sản xuất tại Việt Nam chỉ dừng lại ở khâu lắp ráp Điều này dẫn đến giá thành sản xuất xe ở Việt Nam cao hơn từ 10-20% so với các nhà sản xuất lớn trong khu vực như Thái Lan và Indonesia.
Tính đến nay, Việt Nam đã ký kết 12 hiệp định thương mại tự do với các quốc gia và khối kinh tế, trong đó 10 hiệp định đã có hiệu lực Đặc biệt, hai ngành công nghiệp ô tô và thép thường không được hưởng các ưu đãi thuế trong các hiệp định này, ngoại trừ hiệp định ATIGA và có thể là EV-FTA trong tương lai.
Ngành ô tô Việt Nam hiện đang trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển, nhưng đã có những đóng góp đáng kể cho nền kinh tế Do đó, lĩnh vực này cần nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các cơ quan quản lý để thúc đẩy sự tăng trưởng và phát triển bền vững.
Hình 1.2: Số liệu ngành ô tô năm 2018
Hình 1.3: Doanh số bán xe tại Việt Nam
Sự phát triển của xe điện đòi hỏi cải tiến hạ tầng, đặc biệt là hệ thống trạm sạc và thay pin Những doanh nghiệp tiên phong trong việc xây dựng mạng lưới trạm sạc lớn sẽ chiếm ưu thế thị trường Để đạt được điều này, các hãng xe cần có tiềm lực tài chính vững mạnh.
Xe điện hiện được chia làm nhiều loại:
Xe hybrid (HEV) chủ yếu hoạt động bằng động cơ đốt trong (ICE), nhưng khi phanh hoặc khi xuống dốc, năng lượng điện được sản sinh sẽ được nạp vào ắc quy Năng lượng này sau đó hỗ trợ cho mô tơ điện, giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu cho xe.
PHEV là loại xe kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong, trong đó điện được nạp trực tiếp vào ắc quy để cung cấp năng lượng cho động cơ điện mạnh mẽ hơn.
- BEV: Xe chỉ sử dụng động cơ điện chứ không dùng động cơ đốt trong.
Các mẫu xe trang bị động cơ điện lớn hơn mang lại khả năng khởi động vượt trội nhờ vào đặc tính đạt momen xoắn cực đại ở vòng tua thấp Tuy nhiên, việc khởi động nhanh này có thể dẫn đến tình trạng bào mòn lốp xe nhanh chóng, làm giảm quãng đường sử dụng lốp xuống chỉ còn 1/3 so với trước đây.
Doanh số bán xe điện và xe Hybrid toàn cầu đang gia tăng mạnh mẽ, với 1,3 triệu xe có yếu tố điện được tiêu thụ trong quý 4/2018, tăng 50% so với cùng kỳ năm trước và chiếm hơn 6% tổng lượng xe tiêu thụ toàn cầu Trong số đó, Tesla Model 3, mẫu xe chạy hoàn toàn bằng điện, đã trở thành mẫu xe bán chạy thứ 11 tại Mỹ trong năm 2018, đặc biệt là vào những tháng cuối năm Xu hướng chuyển đổi sang xe điện rõ ràng đang diễn ra, mặc dù sẽ cần thêm thời gian để các thay đổi này được áp dụng tại những thị trường nhỏ hơn như Việt Nam.
Hình 1.4: Doanh số xe điện + xe Hybrid (Hằng quý)
Nhiều quốc gia, bao gồm Anh (đến năm 2040), Pháp, Đức, Ấn Độ, Slovakia và Trung Quốc, đang lên kế hoạch cấm xe sử dụng động cơ đốt trong Chính sách này dự kiến sẽ tạo ra những thay đổi lớn trong thị trường nội địa, mở ra cơ hội cho các hãng xe mới phát triển Theo dự báo của Bloomberg, lượng xe động cơ đốt trong bán ra tại Trung Quốc sẽ giảm gần như về 0 vào năm 2032.
Lịch sử của ô tô Hybrid
Khái niệm về xe Hybrid đã tồn tại từ lâu, nhưng mục đích chính không chỉ là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu mà còn hỗ trợ động cơ đốt trong để nâng cao hiệu suất Thực tế, trong những ngày đầu, công nghệ động cơ đốt trong kém phát triển hơn so với công nghệ động cơ điện.
Những chiếc xe Hybrid đầu tiên được giới thiệu tại Paris Salon năm 1899, được sản xuất bởi cơ sở Pieper ở Liège, Bỉ và công ty vận chuyển điện Priestly, Pháp Xe Pieper là một mẫu Hybrid song song, kết hợp động cơ xăng nhỏ làm mát bằng không khí với động cơ điện và ắc quy axit chì Pin của xe được sạc bởi động cơ khi di chuyển hoặc dừng lại, và khi cần công suất lớn hơn mức tối đa của động cơ, động cơ điện sẽ cung cấp thêm năng lượng Pieper không chỉ là một trong hai phương tiện lai đầu tiên mà còn là phương tiện lai song song đầu tiên và được xem là thiết bị khởi động điện đầu tiên.
Chiếc xe Hybrid đầu tiên được giới thiệu tại Paris Salon năm 1899, được phát triển từ một chiếc xe điện ba bánh của công ty Pháp Vendovelli và Priestly Xe được trang bị một động cơ xăng 3/4 mã lực và một máy phát điện 1,1kW, giúp nạp lại ắc quy và mở rộng tầm hoạt động của xe Thiết kế này cho thấy sự kết hợp giữa công nghệ điện và động cơ đốt trong, nhằm nâng cao hiệu suất của xe điện mà không cung cấp thêm năng lượng cho động cơ đốt trong yếu.
Vào năm 1903, Camille Jenatzy, một người Pháp, đã giới thiệu chiếc xe lai song song tại Paris Slon, kết hợp động cơ xăng 6 hp và động cơ điện 14 hp, cho phép nạp ắc quy từ động cơ hoặc hỗ trợ động cơ Trước đó, vào năm 1902, H Krieger cũng là một người Pháp, đã chế tạo chiếc xe lai kiểu nối tiếp với hai mô tơ độc lập dẫn động hai bánh trước, sử dụng năng lượng từ 44 ngăn ắc quy chì được sạc lại bằng động cơ đánh lửa bằng cồn 45 mã lực.
Các loại xe Hybrid, bao gồm cả loại song song và nối tiếp, đã được phát triển từ năm 1899 đến 1914 Mặc dù phanh điện đã được áp dụng trong các thiết kế ban đầu, nhưng phanh phục hồi năng lượng chưa được đề cập Hầu hết các thiết kế này sử dụng động cơ điện thông qua việc ngắn mạch hoặc sử dụng điện trở ở phần ứng của mô tơ kéo Chiếc Lohner-Porsche (1903) là một ví dụ tiêu biểu cho phương pháp này, bên cạnh việc sử dụng ly hợp điện từ và khớp điện từ.
Các phương tiện Hybrid ban đầu được phát triển để hỗ trợ động cơ đốt trong yếu và cải thiện phạm vi hoạt động của xe điện Mặc dù có sự đổi mới, nhưng những chiếc xe Hybrid này không thể cạnh tranh với động cơ xăng được cải tiến mạnh mẽ trong thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ I Động cơ xăng trở nên nhỏ gọn và hiệu quả hơn, dẫn đến việc không còn cần thiết phải hỗ trợ bằng động cơ điện Chi phí sử dụng động cơ điện và các rủi ro liên quan đến ắc quy chì là những yếu tố chính khiến xe Hybrid dần biến mất sau chiến tranh.
Một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế đầu của xe lai là việc điều khiển động cơ điện Trước giữa thập niên 60, công nghệ điện tử công suất chưa phát triển, dẫn đến việc các motor thế hệ đầu phải sử dụng các công tắc cơ khí và điện trở để điều khiển, gây ra sự hạn chế về phạm vi hoạt động và hiệu suất Nếu vấn đề này được khắc phục, động cơ điện sẽ tương thích tốt hơn với dải hoạt động của xe lai.
TS Victor Wouk là một nhà nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực xe hybrid điện Năm 1975, ông và các đồng nghiệp đã phát triển một phiên bản xe hybrid song song của Buick Skylark, sử dụng động cơ quay của Mazda kết hợp với hộp số truyền thống, cùng với một động cơ điện DC riêng biệt để hỗ trợ.
Xe được trang bị động cơ 15 hp đặt phía trước hộp số và sử dụng 8 ắc quy 12 V để lưu trữ năng lượng Tốc độ tối đa của xe có thể đạt 80 mph (129 km/h) và khả năng tăng tốc từ 0 đến 60 mph trong vòng 16 giây.
Thiết kế xe lai nối tiếp được hồi sinh bởi giáo sư Dr Ernest H Wakefield năm
Vào năm 1976, Linear Alpha Inc đã phát triển một động cơ - máy phát AC nhỏ với công suất 3 kW để nạp ắc quy, nhưng những thí nghiệm này nhanh chóng bị ngừng lại do gặp phải vấn đề kỹ thuật Trong thập niên 70 và đầu thập niên 80, nhiều phương pháp khác đã được nghiên cứu để mở rộng dải hoạt động của xe lai, dựa trên thiết kế của Venlovelly và Priestly năm 1899, nhưng những nghiên cứu này không thể tiếp cận thị trường Năm 1982, tập đoàn Electric Auto và năm 1980, tập đoàn Briggs & Stratton cũng đã chế tạo các mẫu xe lai theo kiểu bố trí song song.
Mặc dù đã trải qua hai cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và 1977, và vấn đề môi trường ngày càng được chú trọng, nhưng xe lai vẫn chưa xuất hiện trên thị trường Thay vào đó, các nhà nghiên cứu tập trung vào xe điện, dẫn đến việc chế tạo nhiều mẫu xe điện trong thập niên 80 Sự thiếu hấp dẫn của xe lai trong thời kỳ này có thể do sự phát triển hạn chế của điện tử công suất, động cơ điện hiện đại và công nghệ ắc quy Thập niên 80 cũng đánh dấu sự cải tiến trong kích thước động cơ đốt trong, sự ra đời của bộ chuyển đổi xúc tác để xử lý khí thải, và công nghệ phun nhiên liệu.
Sự kết hợp giữa xe điện Hybrid đã thu hút sự chú ý đáng kể từ những năm 1990, khi nhận thức rằng xe điện khó có thể đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng Để thúc đẩy phát triển xe lai, tập đoàn Ford Motor đã khởi động chương trình "Thách thức xe lai điện Ford", kêu gọi sự tham gia của các trường đại học trong việc nghiên cứu và phát triển phiên bản xe lai cho ngành công nghiệp ô tô.
Các nhà sản xuất ô tô toàn cầu đã phát triển nhiều mẫu động cơ lai với hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu vượt trội so với các phiên bản động cơ đốt trong trước đây Tại Mỹ, Dodge đã cho ra mắt mẫu xe Intrepid, một chiếc xe lai điện với cấu trúc nối tiếp, sử dụng động cơ diesel tăng áp nhỏ 3 xylanh kết hợp với bộ nguồn ắc quy để cung cấp công suất.
The Ford Prodigy is powered by two 100 hp electric motors located on the rear wheels In response to environmental concerns, the U.S government established the Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV) with the goal of achieving an average fuel efficiency of 80 mpg for mid-size sedans.
GM Precept là sản phẩm của nỗ lực phát triển xe lai điện với thiết kế song song Hai mẫu xe này sử dụng động cơ diesel tăng áp nhỏ gọn kết hợp với ly hợp khô và hộp số truyền thống Mặc dù cả hai đều đáp ứng các tiêu chí đề ra, nhưng quá trình sản xuất chưa được thực hiện.
Xu hướng về sự phát triển của ô tô Hybrid
Sự phát triển phương tiện giao thông trên toàn cầu không đồng nhất, với mỗi quốc gia có quy định riêng về nồng độ khí thải Tuy nhiên, xu hướng chung là cải tiến và sản xuất ôtô với mức phát thải và ô nhiễm thấp nhất, đồng thời giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu Điều này trở nên cấp thiết khi nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt, dẫn đến giá dầu tăng cao, trong khi thu nhập của người dân không tăng đáng kể.
Xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch hiện đang chiếm ưu thế trên thị trường và là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tiêu cực đến khí quyển và hệ sinh thái Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp giảm thiểu khí thải ô nhiễm là ưu tiên hàng đầu trong ngành ô tô Mục tiêu của các nhà nghiên cứu hiện nay là phát triển ô tô sạch không gây ô nhiễm Nhiều giải pháp đã được đưa ra, bao gồm cải thiện quá trình cháy của động cơ và sử dụng nhiên liệu không truyền thống như khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, và xe hybrid Trong số đó, công nghệ hybrid đang ngày càng được ưa chuộng và mang lại hiệu quả cao.
Khái niệm về ô tô Hybrid
Ô tô Hybrid là loại xe sử dụng hai phương pháp dẫn động, bao gồm động cơ đốt trong và động cơ điện Hệ thống này thường trang bị bộ pin điện áp cao cùng với máy phát điện, giúp hỗ trợ cho động cơ đốt trong, có thể là xăng hoặc dầu diesel Hiện nay, hầu hết các xe Hybrid chỉ sử dụng động cơ xăng Đặc biệt, động cơ điện không chỉ hỗ trợ mà còn có khả năng vận hành độc lập, cho phép xe di chuyển mà không cần khởi động động cơ đốt trong.
Động cơ đốt trong hoạt động tối ưu trong khoảng tốc độ từ 2600 đến 3400 vòng/phút, với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 255 g/kWh Tuy nhiên, đặc tính của động cơ đốt trong khác biệt đáng kể so với đặc tính lý tưởng, do đó cần sử dụng hộp số đa cấp hoặc hộp số tự động để cải thiện hiệu suất Việc này dẫn đến sự gia tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số.
Hình 2.1: Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng
Hình 2.2: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng
Hình 2.3: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe
Mô-tơ điện có đặc tính gần sát với lý tưởng, với hình 2.4 minh họa rõ ràng Khi khởi động từ tốc độ 0, điện áp sẽ tăng lên khi tốc độ đạt đến mức cơ sở, trong khi dòng điện giữ nguyên Tuy nhiên, khi tốc độ vượt quá mức cơ sở, điện áp sẽ ổn định, và dòng điện sẽ giảm Kết quả là công suất đầu ra duy trì ổn định, trong khi mô-men xoắn giảm theo đường hyperbol tương ứng với tốc độ.
Do đó một hệ dẫn động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo yêu cầu của xe.
Hình 2.4: Đặc tính của một mô-tơ điện
Hình 2.5: Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp
Hình 2.5 so sánh mô-tơ điện và động cơ đốt trong, cho thấy rằng động cơ đốt trong cần hộp số 4 cấp để đạt hiệu suất tối ưu, trong khi mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp Ngoài việc giúp động cơ đốt trong hoạt động hiệu quả, mô-tơ điện trong xe hybrid còn có khả năng thu hồi năng lượng động năng để nạp lại ắc quy trong quá trình giảm tốc hoặc phanh, nhờ vào chức năng "phanh tái sinh".
Khi kết hợp hai nguồn động lực như vậy kết quả đầu ra sẽ cho đặc tính như thể hiện trên hình 2.6:[2]
Hình 2.6: Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc.
Phân loại hệ thống ô tô Hybrid
Hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp là công nghệ cho xe hybrid, trong đó mô-tơ điện là nguồn kéo chính Năng lượng cho mô-tơ điện được cung cấp từ ắc quy và máy phát điện, mà máy phát này được dẫn động bởi động cơ đốt trong Hệ thống này mang lại hiệu suất cao và giảm thiểu khí thải.
Hình 2.7: Sơ đồ ô tô Hybrid nối tiếp
Bánh xe được kéo bởi mô tơ điện, sử dụng năng lượng từ ắc quy hoặc máy phát do động cơ đốt trong dẫn động Cụm động cơ đốt trong và máy phát có chức năng bổ sung năng lượng cho mô tơ khi công suất tải lớn, hoặc nạp lại ắc quy khi công suất tải nhỏ và dung lượng ắc quy thấp.
Bộ điều khiển mô-tơ đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh mô-tơ kéo để tạo ra năng lượng phù hợp với yêu cầu của xe Các yếu tố như gia tốc, khả năng leo dốc và tốc độ tối đa của xe hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước và đặc tính của mô-tơ kéo dẫn động Sơ đồ kết nối này cho thấy đặc tính của xe hybrid tương tự như mô-tơ điện được minh họa trong hình 2.8.
Động cơ đốt trong có ưu điểm nổi bật là không hoạt động ở chế độ không tải, giúp giảm ô nhiễm môi trường Nó cho phép lựa chọn chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với nhiều loại ôtô Tuy nhiên, động cơ này chỉ hoạt động hiệu quả khi xe chạy quãng đường dài hơn mức quy định cho ắc-quy.
Tổ hợp ghép nối tiếp có những nhược điểm như kích thước và dung tích ắc-quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, đồng thời động cơ đốt trong thường hoạt động ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quy, dẫn đến nguy cơ quá tải.
Hệ thống hybrid song song cho phép động cơ đốt trong và động cơ điện hoạt động đồng thời, cung cấp năng lượng cho cầu xe Động cơ đốt trong truyền năng lượng cơ học đến các bánh xe giống như xe truyền thống, trong khi động cơ điện hỗ trợ thông qua hệ thống truyền lực kết nối cơ khí Tốc độ quay của động cơ đốt trong được điều chỉnh theo quãng đường xe chạy, giúp nó hoạt động trong miền làm việc tối ưu và đồng thời nạp điện cho ắc quy.
Ô tô Hybrid song song mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm công suất mạnh mẽ nhờ sử dụng đồng thời hai nguồn năng lượng Động cơ điện hoạt động ít hơn so với động cơ đốt trong, giúp giảm kích thước và trọng lượng của bình ắc quy Kết quả là, xe có trọng lượng nhẹ hơn so với các kiểu ghép nối khác, cải thiện hiệu suất tổng thể.
Mặc dù động cơ điện mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm như cấu trúc phức tạp của động cơ và bộ điều khiển, dẫn đến chi phí cao Ngoài ra, động cơ đốt trong cần được thiết kế với công suất lớn, trong khi hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường vẫn chưa đạt mức tối ưu.
Hệ thống hybrid kết hợp cả hai phương thức nối tiếp và song song để tối ưu hóa lợi ích Nó bao gồm "thiết bị phân chia công suất" cho phép điều chỉnh liên tục tỷ lệ công suất giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, truyền động đến các bánh xe chủ động Đặc biệt, xe có khả năng hoạt động "êm dịu" chỉ bằng động cơ điện, làm cho hệ thống này trở thành lựa chọn hàng đầu trong sản xuất xe hybrid.
Hình 2.10: Sơ đồ ô tô Hybrid hổn hợp.
Nguyên lý hoạt động
3.1.1 Các thiết bị chính của ô tô Hybrid
Hình 3.1: Các thiết bị chính của ô tô Hybrid
Các thiết bị chính của hệ hống Hybrid hình 3.1 gồm:
Động cơ đốt trong với chu trình Atkinson và hệ thống VVT-I hiệu quả cao được thiết kế đặc biệt cho ô tô Hybrid, nhằm tạo ra nguồn điện không chỉ để dẫn động xe mà còn để phát điện.
- Máy phát (MG1): Phát điện nhở công suất của động cơ Có tính năng như một máy khởi động để khởi động động cơ
Mô tơ MG2 đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường công suất cho động cơ, nâng cao hiệu suất dẫn động của xe Khi xe hoạt động, hệ thống sẽ sử dụng mô tơ MG2 để tối ưu hóa khả năng dẫn động Đồng thời, khi giảm tốc độ, xe sẽ áp dụng phanh tái sinh để chuyển đổi năng lượng thành điện, góp phần tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sử dụng.
- Tăng cường điện áp nhờ ắc quy và đầu ra của nó gửi tới bộ đổi điện
- Giảm điện áp do MG1 và MG2 tạo ra để nạp vào ắc quy HV
- Chuyển dòng điện 1 chiều thành dòng điện xoay chiều cho MG1 và MG2
- Chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều do MG1 và MG2 phát ra để nạp vào ắc quyHV
- Bộ biến đổi DC/DC: Giảm điện áp của ắc quy để cấp điện cho các thiết bị điện, cũng như nạp điện cho ắc quy phụ.
- Lưu điện do MG1 và MG2 phát ra.
- Dùng đề dẫn động MG1 và MG2, ắc quy HV cấp điện cho bộ chuyển đổi điện
- Cáp nguồn: Là một thiết bị cao áp, cáp chịu được dòng điện cao để nối các bộ phận của hệ thống cao áp
- Ắc quy phụ: Sử dụng như nguồn điện ECU và các thiết bị điện như hệ thống âm thanh
ECU điều khiển nguồn là bộ phận quan trọng trong ô tô Hybrid, giúp điều khiển hiệu suất động cơ Nó nhận thông tin từ người lái và các cảm biến về điều kiện lái xe, đồng thời tương tác với các ECU khác để tính toán moment MG2 và công suất đầu ra của động cơ, từ đó điều chỉnh lực dẫn động một cách hiệu quả.
- Máy nén và mô tơ (có bộ chuyển đổi điện): máy nén chạy điện cho điều hòa không khí được vận hành bởi nguồn điện từ ắc quy HV.
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống xe Hybrid
Hệ thống Toyota Hybrid sử dụng hai loại lực được tạo ra bởi động cơ và mô tơ (MG2), MG1 được sử dụng như là 1 máy phát điện.
Bộ điều khiển bình HV ECU liên tục theo dõi tình trạng nạp bình, bao gồm nhiệt độ bình, nhiệt độ nước làm mát động cơ và tình trạng tải điện Khi một trong các thông số này không đạt yêu cầu và nút READY ở vị trí ON cùng tay số ở vị trí “P”, ECU HV sẽ điều khiển MG1 khởi động động cơ và tiến hành nạp lại bình.
Hệ thống hoạt động hiệu quả nhờ sự kết hợp tối ưu giữa động cơ MG1 và MG2, điều chỉnh phù hợp với các điều kiện lái xe khác nhau, như được trình bày trong bảng dưới đây.
Hình 3.3: Điều kiện làm việc
(C) Trong quá trình tăng tốc nhẹ với động cơ
(D) Trong quá trình tăng tải thấp
(E) Trong quá trình đầy tải
(F) Trong quá trình giảm tốc
(G) Trong quá trình đảo chiều chuyển động.
Biểu đồ dưới đây mô tả cách điều khiển chiều quay của bộ bánh răng hành tinh liên quan đến tốc độ quay và sự cân bằng truyền lực Đồ thị này cũng chỉ ra thời điểm MG1 và MG2 hoạt động như máy phát điện hoặc mô tơ điện Chiều quay và mô men được quy định trong bảng dưới đây.
Trạng thái Hình minh hoạ
Bảng 3.1: Mối quan hệ bộ bánh răng hành tinh về tốc độ quay, sự cân bằng truyền lực. 3.1.3 Ready On
Khi tài xế nhấn nút Power và Ready, động cơ sẽ không khởi động nếu không đạt các yêu cầu cần thiết như nhiệt độ nước làm mát, tình trạng và nhiệt độ của bình, cũng như chế độ tải điện Trong tình trạng này, cả hai động cơ MG1 và MG2 đều không hoạt động Tùy thuộc vào điều kiện hoạt động của xe, sẽ xảy ra hai quá trình: khởi động động cơ và động cơ dẫn động MG1.
Khi bất kỳ bộ phận nào được ECU theo dõi không đạt yêu cầu trong trạng thái Ready ở vị trí On và cần số ở vị trí “P” hoặc khi xe đang lùi, ECU sẽ kích hoạt MG1 để khởi động động cơ.
Trong quá trình hoạt động, để ngăn chặn tác động trở lại của bánh răng mặt trời MG1 lên bánh răng bao MG2, một dòng điện sẽ được cung cấp cho MG2 nhằm hãm lại bánh răng này Bộ phận này được gọi là Reactive Control, như thể hiện trong hình 3.4.
Hình 3.4: Khởi động động cơ Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
Hình 3.5: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ
3.1.3.2 Động cơ dẫn động MG1 Động cơ sẽ dẫn động MG1 quay, MG1 hoạt động như một máy phát điện và nạp điện vào bình HV hình 3.6.
Hình 3.6: Động cơ dẫn động MG1 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
Hình 3.7: Mối quan hệ về tốc độ khi động cơ dẫn động MG1
3.1.4 Khởi động Ở trạng thái này tùy theo điều kiện hoạt động của xe sẽ có 3 quá trình: MG2 dẫn động xe, MG1 khởi động động cơ, Động cơ dẫn động MG1 phát điện.
3.1.4.1 Xe dẫn động bởi MG2
Khi động cơ xe ngừng hoạt động, năng lượng di chuyển chỉ được cung cấp cho MG2 Trong giai đoạn này, động cơ chính không hoạt động, còn MG1 chỉ quay trơn mà không sản sinh điện năng.
Hình 3.8: Xe dẫn động MG2 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh:
Hình 3.9: Mối quan hệ về tốc độ khi MG2 dẫn động bánh xe khởi động động cơ
3.1.4.2 MG1 khởi động động cơ
Xe hoạt động chủ yếu dựa vào MG2 để tăng mô-men xoắn, trong khi MG1 đảm nhiệm vai trò khởi động động cơ Hơn nữa, các bộ phận của xe sẽ được giám sát bởi ECU để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Khi có sự chênh lệch giữa tình trạng của bình, nhiệt độ bình, nhiệt độ nước làm mát động cơ và chế độ tải điện so với yêu cầu chỉ định, MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động cơ.
Hình 3.10: Khởi động động cơ khi xe đang được dẫn động bởi MG2 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh
Hình 3.11: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ trong khi MG2 dẫn động bánh xe
3.1.4.3 Động cơ dẫn động MG1 phát điện Ở trạng thái tiếp theo, động cơ sẽ dẫn động MG1 để phát điện cung cấp cho bình
HV, nếu yêu cầu cần tăng moment thì động cơ sẽ dẫn động MG1 phát điện để chuyển sang chế độ tăng tốc nhẹ cùng với động cơ.
Hình 3.12: Động cơ dẫn động MG1 phát điện Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh
Hình 3.13: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ trong khi MG2 dẫn động bánh xe
3.1.5 Tăng tốc nhẹ với động cơ chuyển sang chế độ lái bình thường
Trong quá trình tăng tốc nhẹ, động cơ lực được phân chia bởi bộ bánh răng hành tinh, với một phần cung cấp trực tiếp cho bánh xe Phần còn lại, chủ yếu, dẫn động MG1 để tạo ra điện thông qua bộ chuyển đổi điện (inverter), cung cấp năng lượng cho MG2, từ đó MG2 tạo ra lực cung cấp cho bánh xe.
Hình 3.14: Trạng thái tăng tốc nhẹ với động cơ Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh.
Hình 3.15: Mối quan hệ về tốc độ quay khi tăng tốc nhẹ với động cơ
Khi xe hoạt động ở chế độ lái bình thường và duy trì tốc độ ổn định, động cơ sẽ phân phối lực thông qua bộ bánh răng hành tinh Một phần lực được truyền trực tiếp đến các bánh xe, trong khi phần lớn còn lại được sử dụng để dẫn động MG1 nhằm tạo ra điện.
Hình 3.16: Chế độ lái bình thường Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh.
Hình 3.17: Mối quan hệ về tốc độ quay khi xe ở trạng thái tải nhỏ
Cấu tạo cơ bản của ô tô Hybrid
3.2.1 Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính của ô tô Hybrid, ở ôtô hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu.Động cơ đốt trong của xe Hybrid Là loại động cơ có bộ thay đổi góc phân phối khíVVT-I và chu trình Atkinson. Đối với động cơ đốt trong của Toyota Prius là loại động cơ 2ZR-FXE Chữ “X” trong mã 2ZR-FXE chỉ ra rằng động cơ sử dụng chu kỳ Atkinson và bộ thay đổi góc phân phối khí VVT-i, đây là nguyên lý được áp dụng cho ô tô Hybrid này hình 3.26.
Hình 3.26: Động cơ đốt trong của Toyota Prius
Hệ thống VVT-I cho phép điều chỉnh thời điểm mở van nạp, giúp động cơ 2NZ-FXE chuyển đổi giữa van truyền thống và chu trình Atkinson, từ đó thay đổi dung tích có ích Trong động cơ chu trình Atkinson, van nạp mở hợp lý trong thì nén, dẫn đến một phần thể tích của xy lanh bị đẩy trở lại ống nạp, làm giảm dung tích động cơ Nhờ vào việc điều chỉnh liên tục thời điểm mở van, động cơ có thể tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu trong khi vẫn cung cấp công suất tối đa khi cần thiết.
Công nghệ VVT-i cho phép điều chỉnh chính xác thời điểm van nạp, tối ưu hóa hiệu suất động cơ trong mọi điều kiện hoạt động Hệ thống buồng đốt vát nghiêng giúp lan truyền ngọn lửa nhanh chóng, nâng cao hiệu suất nhiệt Việc sử dụng khối xi lanh hợp kim nhôm và ống nạp tích hợp không chỉ giảm kích thước và trọng lượng của động cơ mà còn cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn thời điểm van VVT-I và đặc tuyến năng suất
Tốc độ vòng quay tối đa của động cơ đã được nâng từ 4,500v/p lên 5,000v/p, dẫn đến cải thiện công suất Các bộ phận di động nhẹ hơn, xéc măng có lực bung thấp hơn và tải lò xo xu páp giảm, giúp giảm tổn thất ma sát Hơn nữa, với tốc độ 5,000v/p, máy phát quay nhanh hơn, tăng lực dẫn động trong thời gian tăng tốc và cải thiện hiệu quả nhiên liệu.
Động cơ 1.5 lít sử dụng chu trình Atkinson, nổi bật với tỉ số giản nở cao và hiệu suất nhiệt tối ưu Tỉ số giản nở được cải thiện bằng cách giảm thể tích buồng đốt Khác với động cơ đốt trong truyền thống có bốn giai đoạn nạp – nén – nổ – xả, chu trình Atkinson thiết lập hành trình nạp ngắn hơn so với hành trình giãn nở, cho phép kỳ nén và kỳ nổ hoạt động độc lập Nhờ vậy, kỳ nổ kéo dài hơn, giúp tối ưu hóa năng lượng thu được từ kỳ nén, dẫn đến hiệu suất nhiệt cao hơn.
Khái niệm này đã được người Mỹ R.H Miller áp dụng, khi ông nhận ra rằng việc điều chỉnh thời điểm đóng mở của xupáp nạp có thể giúp hoàn thành mục tiêu này.
Môđen Sơ đồ hệ thống
Corolla Động cơ 2ZR – FXE Hệ thống đánh lửa 2ZR -
Số xi lanh và cách sắp xếp 4 xi lanh, đặt thẳng hàng 4 xi lanh, đặt thẳng hàng
Cơ cấu xupáp 16xupáp, DOHC 16xupáp, DOHC
Dung tích xylanh (cm 3 ) 1798 1798 Đường kính xylanh x hành trình (mm) 80,5 x 88,3 80,5 x 88,3
Tỷ số nén Tỷ số giãn nở 10,0
Công suất tối đa (kW tại vòng/phút) 73 tại 5200 100 tại 6000
Mômen xoắn tối đa (N.m tại vòng/phút) 142 tại 4000 175 tại 4400
Thời điểm phối khí Nạp Mở 29° đến -12° BTDC 56° đến 1° BTDC Đóng 61°đến 102° ABDC 10° đến 65° ABDC
Xả Mở BBDC 51° đến 11° BBDC Đóng ATDC 3° đến 43° ATDC
Bảng 3.2: So sánh chu trình Atkinson với chu trình thông thường
Trong các động cơ hiện nay, dung tích kỳ nén và kỳ nổ thường tương đồng, nhưng việc tăng tỷ số giãn nở đồng thời dẫn đến tăng tỷ số nén, gây ra tiếng gõ không mong muốn Để khắc phục tình trạng này, xupáp nạp được thiết kế để mở trễ ngay khi bắt đầu kỳ nén, cho phép một phần khí hút vào xilanh quay trở về ống góp nạp Cách làm này giúp trì hoãn quá trình nén, từ đó cho phép đạt được tỷ số giãn nở cao mà không cần phải tăng tỷ số nén thực tế.
Chu trình Atkinson: thời điểm đóng xupáp nạp bị làm trể, kết quả sẽ làm muộn thời điểm bắt đầu nén thực tế hình 3.28.
Hộp số Hybrid được lắp đặt trong khoang động cơ, bao gồm mô tơ dẫn động xe (MG2) và máy phát điện (MG1) Hệ thống này sử dụng cơ cấu truyền động biến thiên liên tục với bộ bánh răng hành tinh, mang lại khả năng vận hành êm ái và hiệu quả.
Hộp số Hybrid bao gồm các thành phần chính như MG2, MG1, bánh răng hành tinh, bộ giảm chấn, bánh răng đảo chiều, bánh răng truyền lực cuối, bộ bánh răng vi sai và bơm dầu.
Hộp số cấu tạo gồm 3 trục:
Trục thứ nhất gồm: Bộ bánh răng hành tinh, bộ giảm chấn của hộp số, bơm dầu, MG1 và MG2.
Trục thứ hai: Bánh răng đảo chiều bị động và bánh răng truyền lực cuối chủ động.
Trục thứ ba: Bánh răng truyền lực cuối bị động và bộ bánh răng vi sai.
Hộp số được bôi trơn bởi loại dầu hộp số tự động như xe thông thường.
Hình 3.30: Cấu tạo chi tiết của hộp số
3.2.2.1 Mô tơ điện (MG2) và máy phát điện (MG1)
- 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.
MG1 và MG2 kết hợp hiệu quả giữa máy phát đồng bộ xoay chiều và mô tơ điện, tạo ra nguồn cung cấp hỗ trợ lực kéo cho động cơ xăng khi cần thiết.
MG1 không chỉ nạp lại cho ắc quy HV mà còn cung cấp điện năng cho MG2, đồng thời điều chỉnh lượng điện năng phát ra để kiểm soát hiệu quả sự truyền động vô cấp Bên cạnh đó, MG1 còn đóng vai trò như một máy khởi động.
MG2 là động cơ điện kết hợp với động cơ xăng để dẫn động bánh xe, với đặc tính moment lớn giúp tối ưu hóa hiệu suất động lực học Trong quá trình phanh tái sinh, MG2 chuyển đổi động năng thành năng lượng điện, lưu trữ trong ắc quy HV, hoạt động như một máy phát điện.
- Một hệ thống làm mát thông qua bơm nước làm mát MG1 và MG2.
- Tốc độ quay của MG1 được nâng cao có thể đạt từ 6,500v/p đến
10000v/p Giúp nâng cao khả năng nạp.
Cấu trúc nam châm vĩnh cữu trong rôto của MG2 được tối ưu hóa với thiết kế dạng chữ V, mang lại hiệu suất cao hơn về công suất và moment.
- Hệ thống điều khiển quá điều biến giúp điều khiển MG2 tại phạm vi tốc độ trung bình hình 3.31.
Motor nam châm vĩnh cửu:
Khi dòng điện 3 pha đi qua cuộn dây của Stator, nó tạo ra một trường điện từ, từ đó sinh ra điện Từ trường liên tục được tạo ra trong motor điện, và nam châm vĩnh cửu sẽ hút trường điện từ này, dẫn đến việc tạo ra moment Moment này phục vụ cho các mục đích hữu ích, tương đương với việc điều khiển dòng điện và tốc độ quay thông qua tần số của dòng chuyển đổi.
Hình 3.32: Mô tơ nam châm vĩnh cữu
Trên xe Prius 2004, cấu trúc nam châm vĩnh cửu bên trong rotor được thiết kế theo hình V, giúp cải thiện đáng kể công suất đầu ra và moment xoắn So với mẫu xe 2003, công suất đầu ra của Prius 2004 đã tăng khoảng 50%.
Phân tích ưu nhược điểm của ô tô Hybrid
Qua thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, thấy rằng xe có trang bị ô tô Hybrid có những ưu và nhược điểm sau:
3.3.1 Ưu điểm của ôtô Hybrid:
Khi xe phanh hoặc giảm tốc độ, động cơ điện hoạt động như một máy phát điện, giúp tái sử dụng năng lượng phanh để tạo ra điện năng nạp cho ắc-quy.
Ô tô Hybrid tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn rất nhiều so với động cơ đốt trong truyền thống, giảm lượng tiêu thụ xuống chỉ còn một nửa Trong các tình huống tăng tốc hoặc khi tải nặng, động cơ điện sẽ hoạt động, cho phép động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ, giúp nó có kích thước nhỏ gọn hơn.
Sử dụng vật liệu nhẹ giúp giảm khối lượng tổng thể của ô tô Hybrid, mang lại khả năng vận hành xa và mạnh mẽ như ô tô chạy xăng thông thường Với việc vẫn sử dụng xăng làm nhiên liệu, người lái không cần lo lắng về việc nạp điện, tiết kiệm thời gian đáng kể.
Khi vận hành ô tô Hybrid trên đường trường, động cơ đốt trong là nguồn động lực chính do đạt hiệu suất cao hơn và công suất mạnh hơn so với động cơ điện Thiết kế này giúp ô tô hybrid có khả năng gia tốc mạnh mẽ và vận tốc cao tương tự như các loại ô tô truyền thống.
Ôtô hybrid không chỉ tiết kiệm năng lượng trong quá trình chuyển hóa từ nhiên liệu sang cơ năng mà còn thu hồi năng lượng hao phí trong vận hành Khi hãm, ôtô thông thường chuyển hóa cơ năng thành nhiệt năng, làm nóng đĩa thắng, trong khi ôtô hybrid chuyển hóa cơ năng thành điện năng để nạp lại vào pin, giúp tái sử dụng năng lượng Mặc dù được thiết kế để thu hồi năng lượng, ôtô hybrid vẫn trang bị bộ thắng đĩa cho trường hợp khẩn cấp Hơn nữa, ôtô hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn ôtô chạy xăng thông thường nhờ động cơ điện có hiệu suất cao hơn.
3.3.2 Khuyết điểm của ô tô Hybrid
Một trong những khuyết điểm lớn nhất của công nghệ hybrid là chi phí cao của hệ thống pin nạp lại Điều này trở thành mối lo ngại chính cho người tiêu dùng khi lựa chọn xe hybrid.
Công nghệ Hybrid đang trở thành xu hướng chủ đạo trong ngành sản xuất ôtô tương lai nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với xe truyền thống Mặc dù vẫn tồn tại một số nhược điểm, các nhà sản xuất đang tích cực nghiên cứu giải pháp như tái chế pin cũ và phát triển kỹ thuật pin mới để nâng cao tuổi thọ pin Những cải tiến này hứa hẹn sẽ giảm giá thành sản phẩm, giúp kỹ thuật hybrid tiếp cận với nhiều tầng lớp người dân, đặc biệt là những người có thu nhập thấp, từ đó thay thế dần phương tiện giao thông cũ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
