Tài liệu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống hybrid

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.
+ 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 31


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 tốn 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 32


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 33

 Thông số kĩ thuật của hộp số hybrid:
Hạng mục
Số răng của bánh răng mặt trời

Thế hệ 04
P112
78

Thế hệ 03
P111
78

Số răng của bánh răng hành tinh

23

23

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

Bánh xích bị động

35

36

Bánh răng chủ động

30

30

Bánh răng bị động

44

44

Bánh răng chủ động

26

26

Bánh răng bị động
Lít(US qts, Imp qts)

75
3.8(4.0, 3.3)
ATF WS
hoặc
đẳng trị

75
4.6(4.9, 4.0)
ATF T-IV
hoặc
đẳng trị

Loại hộp số
Bộ bánh răng
hành tinh

Xích dẫn động

Bộ bánh răng
giảm tốc

Bộ truyền động
cuối cùng
Dung tích dầu

Loại dầu

Toyota Hybrid System

Trang 34


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 vịng lị 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.

Toyota Hybrid System

Trang 35


Hình 40: Bộ giảm chấn hộp số

Toyota Hybrid System

Trang 36

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, ngồi ra
đặc tính mơmen 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 37


-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:
Loại động cơ
Chức năng

Prius thế hệ 04
Động cơ nam châm vĩnh cữu
Máy phát; dẫn động bánh xe

Điện áp cực đại (v) AC 500
Công suất cực đại
kW(PS)/(v/p)
Mômen cực đại
N.m(Kgf.m)/(v/p)
Hệ thống làm mát

Toyota Hybrid System

Prius thế hệ 01-03
Động cơ nam châm vĩnh cữu
Máy phát; dẫn động bánh xe
AC 273.6

50(68)/1200-1540

33(45)/1040-5600

400(40.8)/0-1200

350(35.7)/0-400

Làm mát bằng nước

Làm mát bằng nước

Trang 38


 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 mơ 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 mơmen 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 39


 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 mơmen. So với Prius 03 thì nó cải
thiện nhiều hơn 50% cơng suất.

Hình 43: Cấu trúc Mơtơ
 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 mơtơ/máy phát cơng 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 mơmen lẫn cơng suất đầu ra và
gấp khoảng 2.5 lần so với điện áp điều khiển 200V DC, khơng tăng dịng điện mơtơ. Bởi

vì dịng điện nhỏ, nó có thể giữ cùng dung tích của mơtơ/máy phát truyền thống.

Hình 44: Mối quan hệ giữa điện áp-mô men và điện áp-công suất

Toyota Hybrid System

Trang 40


Mơtơ:
THS-II sử dụng mơtơ đồng bộ xoay chiều, nó là một mơtơ khơng chổi điện đạt hiệu
suất cao với dịng 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 mơmen dẫn động được tăng
lên. Kết hợp với sự tăng điện áp nguồn điện thì cơng 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 cơng
suất đến mơtơ cơng suất cao thì máy phát được quay ở tốc độ cao hơn máy phát truyền
thống để tăng cơng suất ra chính nó. Sự cải tiến rơto trong máy phát giúp nó tăng số vòng
quay từ 6,500v/p (THS) đến 10,000v/p (THS-II). Sự tăng số vịng quay này là quan trọng
để tăng cơng 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 rơto. 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 41


hoạt động ở phạm vi tốc độ cao hơn. Tuy nhiên, điều khiển làm yếu dịng tăng dịng điện
mơtơ, kết quả là giảm hiệu suất mơtơ. Hình dưới thể hiện mối quan hệ giữa điện áp hệ
thống, dịng điện mơtơ và tổn thất mơ tơ tại một vị trí làm việc điển hình. Điện áp hệ
thống nhỏ hơn là do dịng điện mơtơ và tổn thất mơtơ lớn hơn. Nó thể hiện rằng sự tối ưu
hóa của hiệu suất mơtơ là thiết lập điện áp hệ thống để mà không cần điều khiển yếu
dòng. Trong THS, điện áp hệ thống thường đến mơtơ 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 dịng.
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 dị 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 rơto có hình ơ van, khoảng giữa stato và rơto thay đổi theo sự quay của rơto.
Do đó khi cho dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn
dây A thì vị trí của rơ 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 vịng/phút, tính tốn số lượng của

sự biến thiên vị trí trong khoảng thời gian xác định trước. Hình 47: Cảm biến tốc độ

Toyota Hybrid System

Trang 42


II.1.3. Bộ phân chia cơng 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 hồn tồn.
 Sự sắp xếp của các bánh răng hành tinh trong bộ
phân chia công suất và cách ăn khớp giữa các bánh răng
Toyota Hybrid System

Trang 43


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.Vịng răng ở ngồi cùng
gọi là bánh răng bao, nó ăn khớp với các bánh răng hành tinh.
Hình 49: Bộ bánh răng hành tinh
tinh.
 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 vịng 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
khơng 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 khơng 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 cơng 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.
Toyota Hybrid System

Trang 44


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 ơtơ chuyển động.
Bánh răng mặt trời tiếp nhận phần nhỏ mômen, nó được kết nối với mơ tơ máy phát 1
MG1. MG1 có thể làm việc như một mơ 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
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% mơ men của nó và 28% mơ 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 tốn 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 vịng quay, cái kia có thể giảm số vịng quay nhưng
khơng làm thay đổi tốc độ quay đầu vào từ ICE. Người ta có thể lựa chọn số vịng quay
bất kì cái nào mà họ giữ độc lập ở mỗi cái khác, như giữ bánh răng bao đứng n 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 tốn tốc độ quay của bánh răng
bao đang quay là bao nhiêu. Từ cơng suất u cầu, nó quyết định tốc độ quay của ICE.
Sau đó nó tính tốn 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 cơng suất đến bộ phân chia cơng 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.
Toyota Hybrid System

Trang 45


 Cần hiểu rằng, ở hộp số Prius sự phân chia cơng suất giữa đường dẫn cơ khí và
đường dẫn điện là không cố định. Mô men là sản phẩm của cơng suất và số vịng quay
của động cơ xăng. Vì vậy cơng 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% cơng suất từ động cơ ICE
truyền trực tiếp đến bánh xe chủ động và 28% được chuyển thành điện. Điều này khơng
chính xác. Mơ men thì được phân chia theo tỉ số này nhưng cơng 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. Khơng có khả năng thay đổi tỉ số truyền giữa động cơ ICE
và các bánh xe, chúng ta không thể tăng mơ 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 mơ 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% mơ men nhưng nó nhận tất cả mơ 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 mơ 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 vịng quay tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra
phụ thuộc vào số răng của mỗi bánh răng.
-

Theo tính tốn ngun 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.
Toyota Hybrid System

Trang 46


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.
-

Nếu cố định bất kì thành phần nào của bộ bánh răng hành tinh (tức là số vịng

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 cơng suất của Toyota Prius: bánh răng mặt trời có 30 răng, mỗi bánh

răng hành tinh có 23 răng, cịn 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 vịng quay xác
định để phát ra cơng suất chúng ta cần với hiệu suất tốt nhất. Chúng ta có thể tìm số vịng
quay cần thiết của MG1. Bây giờ máy tính của ơtơ 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 vịng thì có sự bù trừ tốc độ về khoảng cách bánh xe
bên trong và bánh xe bên ngồi. Bán kính lăn của bánh xe Prius là 11.1 in, khi trục quay
một vịng 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 47


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 ln 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 ln 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 tốn. Một đồ thị tốn 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 tốn.

Hình 50: Đồ thị tốn

-

Hình trên là một đồ thị tốn. Thang bên trái biểu thị số vịng quay MG1. Nó xác

định số vịng 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).
Chồng lên thang này là đường thẳng dày (đường đậm) biểu thị tốc độ của xe chạy trrên
Toyota Hybrid System

Trang 48


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.

Hình 51: Động cơ khởi động lúc xe dừng
- Trong khi chiếc xe kiểu truyền thống nạp nhiên liệu và đánh lửa cho ICE ngay khi
máy khởi động quay ICE, chiếc Prius đợi cho đến khi MG1 làm cho ICE quay đến
Toyota Hybrid System

Trang 49


khoảng 1,000v/p. Điều này xảy ra ít hơn một giây. MG1 mạnh mẽ hơn nhiều so với máy
khởi động kiểu cũ. Để quay động cơ xăng tại tốc độ này, MG1 cần tự quay 3,600 v/p. Sự
khởi động ICE từ 1,000 v/p, khơng có bất kỳ lực kéo nào đặt trên nó bởi vì đây là tốc độ
mà ICE trở nên tốt để chạy dưới cơng suất riêng của chính nó. Ngồi ra, Prius bắt đầu
đánh lửa chỉ cho một cặp xi lanh. Kết quả là khởi động rất êm dịu, khơng tiếng ồn và

khơng q tải, mà cịn loại trừ đi sự hao mòn của các chi tiết được liên kết với cơ cấu
khởi động khi khởi động động cơ xăng.
- Một khi động cơ xăng đã bắt đầu chạy dưới cơng suất riêng của chính nó, máy tính
điều khiển sự mở của bướm ga để đạt được vị trí tốc độ cầm chừng trong suốt q trình
hâm nóng. Điện khơng cịn cấp đến MG1 nữa, và trên thực tế, nếu ắc qui ở mức thấp thì
MG1 có thể tạo ra điện để nạp cho ắc qui. Máy tính chỉ đơn thuần định hình MG1 giống
như một máy phát thay vì là một mơ tơ, mở cánh bướm ga ICE nhiều hơn một ít và
khơng lấy điện.
a.1/ Khởi động lạnh:
- Khi khởi động chiếc Prius với một động cơ xăng cịn lạnh, sự ưu tiên hàng đầu của
nó là làm nóng động cơ xăng và bộ chuyển đổi xúc tác để kích hoạt các hệ thống điều
khiển khí thải làm việc. Động cơ xăng sẽ chạy khoảng vài phút cho đến khi điều này xảy
ra (khoảng thời gian phụ thuộc vào nhiệt độ thực tế của động cơ và bộ chuyển đổi). trong
lúc đó, những bộ đo được kích hoạt để điều khiển hâm nóng khí thải, chẳng hạn lưu lại
khí thải HC trong bộ hấp thụ để làm sạch sau đó và chạy động cơ ở chế độ đặc biệt. Tốc
độ cầm chừng của động cơ xăng sau khi khởi động lạnh sẽ khoảng 1,300 v/p.
a.2/ Khởi động ấm:
- Khi khởi động chiếc Prius với một động cơ xăng ấm, nó sẽ chạy khoảng một thời
gian ngắn và rồi dừng. Tốc độ cầm chừng khoảng dưới 1,000 v/p.
b/ Động cơ đã khởi động:
- Động cơ Prius luôn luôn chạy số cao nhất. Điều này có nghĩa ICE khơng thể mình
nó cung cấp tất cả mơ men để di chuyển linh hoạt trên đường. Mô men cho lần tăng tốc
đầu tiên được cung cấp bởi MG2 làm việc cùng hướng với bánh răng bao của bộ phân
chia công suất, kết nối đầu vào bộ giảm tốc để dẫn động bánh xe. Động cơ điện thì phù
hợp nhất để cung cấp mơ men tại tốc độ thấp, vì vậy đây là một phương án lý tưởng để
làm cho xe chuyển động.

Toyota Hybrid System

Trang 50

-Khi động cơ ICE đang làm việc và xe đứng yên, MG1 đang quay cùng chiều.
Những bộ điều khiển điện tử bắt đầu lấy điện từ MG1 và chuyển nó đến MG2. Cần biết
rằng, khi lấy điện từ một động cơ/máy phát thì điện phải xuất phát từ một vài nơi nào đó.
Điều này làm xuất hiện một lực làm giảm tốc độ của trục quay, và bất kỳ cái gì đang quay
trục phải cản lực đó để giữ tăng tốc. Để ngăn ngừa điều này “lực cản máy phát”, thì máy
tính tăng độ mở cánh bướm ga động cơ ICE một ít để cung cấp thêm cơng suất. Vì vậy,
động cơ ICE dẫn động cần dẫn của bộ phân chia công suất nhanh hơn, và MG1 cố gắng
quay chậm lại để giảm tốc độ bánh răng mặt trời. Kết quả là xuất hiện một lực đẩy trên
bánh răng bao làm nó, và xe bắt đầu chuyển động. Xem mơ phỏng.

Hình 52: Động cơ đã khởi động
- Ở bộ phân chia cơng suất, mơ men động cơ IC thì được phân chia 72% và 28%
giữa bánh răng bao và bánh răng mặt trời. Khi nhấn bàn đạp ga, động cơ xăng chỉ chạy
chế độ cầm chừng và không cung cấp bất kỳ mô men đầu ra. Tuy nhiên, cánh bướm ga
được mở và 28% mô men quay MG1 như một máy phát. Cịn 72% mơ men cịn lại được
chuyển dưới dạng cơ khí đến bánh răng bao và quay bánh xe. Dù là hầu hết mô men bắt
nguồn từ MG2, động cơ ICE đã chuyển mô men đến các bánh xe theo con đường này.
- Bây giờ cần tính tốn như thế nào để 28% mô men động cơ ICE đến MG1 có thể
dẫn động một cách hợp lý để hầu hết lực giúp xe chuyển động đều bắt nguồn từ MG2. Để
làm được điều này, cần phân biệt rõ ràng giữa mô men và công suất. Mô men là một lực
quay, nhưng giống như một lực đường thẳng, sự duy trì lực khơng tiêu thụ năng lượng.
Giả sử khi múc một gáo nước lên bằng cách sử dụng một trục quay. Điều đó làm tốn năng
Toyota Hybrid System

Trang 51


lượng. Nếu đã sử dụng một động cơ điện, ta cần cung cấp cho nó một nguồn điện.

Nhưng, khi đã đưa gáo nước lên đỉnh, ta có thể gắn một cái chốt hoặc một cái móc hoặc
một vài thứ để giữ nó ở đó. Lực mà trọng lượng của gáo nước gây ra trên dây thừng và
mô men dây thừng gây ra trên ống của trục quay không được biến mất. Nhưng, lực khơng
di chuyển do khơng có bất kỳ sự chuyển đổi của năng lượng và tình huống là cố định
không tạo ra công suất. Tương tự vậy, khi chiếc xe đứng yên, dù 72% mô men động cơ
xăng được chuyển đến các bánh xe, khơng có bất kỳ dịng cơng suất nào theo hướng này
do bánh răng bao không quay. Bánh răng mặt trời tuy đang quay tự do và chỉ nhận 28%
mô men, điều này cho phép nó tạo ra nhiều cơng suất điện. Một lý do tương tự cho thấy
nhiệm vụ của MG2 là chuyển mô men đến đầu vào của bộ giảm tốc cố định không được
yêu cầu nhiều công suất. Nhiều mạch điện được dẫn xuyên qua dây dẫn động cơ tì vào
điện trở và điều này cho làm tổn hao công suất do nhiệt. Nhưng, trong khi xe chuyển
động chậm, công suất này bắt nguồn từ MG1.
- Khi chiếc xe bắt đầu chuyển động và tăng tốc, MG1 quay ít nhanh và có thể tạo ra
ít điện. Tuy nhiên, máy tính có thể mở cánh bướm ga động cơ ICE nhiều hơn một ít. Lúc
giờ nhiều mô men bắt nguồn từ động cơ xăng, vì nhiều mơ men được truyền xun qua
bánh răng mặt trời nên MG1 có thể giữ một tốc độ quay ổn định để tạo điện năng. Một
tốc độ quay giảm thì được cân bằng nhờ thêm mơ men.
- Việc tránh đề cập đến ắc quy để làm rõ quan điểm trên. Tuy nhiên, hầu như sự bắt
đầu kết quả trong máy tính đều hút điện từ ắc qui và chuyển nó trực tiếp đến MG2. Có
một giới hạn là động cơ ICE có thể quay bánh răng bao nhanh khi xe đang chuyển động
chậm. Điều này được đưa vào do sự cần thiết ngăn cản MG1 bị phá hủy do quay q
nhanh. Những giới hạn này cơng suất có thể được sinh ra bao nhiêu từ động cơ ICE. Khi
nhấn bàn đạp ga nhiều hơn, điện được lấy từ bình ắc quy nhiều hơn. Nếu đạp hết ga,
khoảng 40% công suất bắt nguồn từ ắc qui và 60% từ động cơ ICE trong dải tốc độ
25dặm/giờ. Khi xe tăng tốc và tốc độ quay động cơ tăng lên, nó cung cấp một tỷ lệ công
suất lớn hơn, đạt khoảng 75% tại tốc độ 60dặm/giờ. Tại tốc độ 60dặm/giờ, MG2 thực tế
cung cấp nhiều mô men hơn và nhiều công suất hơn đến các bánh xe theo đường xuyên
qua bộ phân chia cơng suất, nhưng nhiều nguồn điện nó đang sử dụng từ MG1, và trực
tiếp từ động cơ IC, và không phải từ ắc qui.
c/ Tăng tốc và leo núi:

Toyota Hybrid System

Trang 52


- Khi công suất yêu cầu là cao, cả động cơ xăng và MG2 đóng góp mơ men để dẫn
động xe bằng nhiều đường tương tự như đã mô tả trong trường hợp động cơ đã khởi
động. Khi tốc độ của xe tăng, mơ men mà MG2 có thể cung cấp giảm vì nó bắt đầu hoạt
động tại giới hạn cơng suất riêng 33kW. Nó quay nhanh hơn, nó có thể cung cấp ít mơ
men hơn và chỉ sử dụng lượng công suất này. Xem mô phỏng. Khi một chiếc xe kiểu cũ
tăng tốc, giai đoạn sang số và mô men tại cầu xe được giảm để mà động cơ có thể giảm
tốc độ quay của chính nó đến một giá trị tốc độ an toàn. Mặc dù việc sử dụng giống như
một cơ cấu hoàn toàn khác biệt, nhưng chiếc Prius đưa ra cảm giác chung tương tự như
sự tăng tốc một chiếc xe kiểu cũ. Điểm khác biệt chính là hồn tồn khơng xảy ra sự lắc
lư ở giai đoạn sang số, vì đơn thuần ở đó khơng có bất kỳ bậc sang số.

Hình 53: Tăng tốc và leo núi

- Tóm lại, động cơ ICE quay cần dẫn của bộ phân chia công suất. 72% mô men
động cơ ICE theo cơ cấu xuyên qua bánh răng bao đến bộ dẫn động cuối cùng và các
bánh xe. 28% mô men còn lại đi đến MG1 theo bánh răng mặt trời là nơi nó đã quay để
tạo ra điện. Nguồn điện này dẫn động MG2 bổ sung làm tăng thêm mô men tại bánh răng
bao. Sự mô phỏng tương tự cũng giống như lúc động cơ đã khởi động.
- Khi nhấn bàn đạp ga nhiều hơn, nhiều mô men động cơ ICE cung cấp. Điều này
làm gia tăng cả hai mơ men cơ khí theo bánh răng bao và lượng điện được tạo ra nhờ
MG1 cho MG2 sử dụng để bổ sung duy trì thêm mơ men. Sự phụ thuộc vào nhiều nhân
tố khác nhau chẳng hạn tình trạng nạp của ắc qui, độ dốc của đường và chính xác vị trí
Toyota Hybrid System

Trang 53


bàn đạp ga, máy tính có thể lấy thêm điện từ ắc qui cấp cho MG2. Điều này chỉ đạt được
khi tăng tốc trên đường xa lộ đối với động cơ ICE 70 mã lực. Thêm một điều nữa, nếu
điện khơng được u cầu thì điện được tạo ra nhờ MG1 có thể được sử dụng để nạp ắc
qui, thậm chí trong lúc tăng tốc. Điều quan trọng để nhớ là động cơ ICE dẫn động cả cơ
cấu các bánh xe và MG1 theo hướng nó có thể tạo ra điện.
d/ Chạy giữ ga ở tốc độ cao:
- Một khi bạn đã đạt được một tốc độ ổn định trên đường bằng phẳng, công suất
được yêu cầu để cung cấp bởi động cơ ICE giảm và công suất chỉ cần để thắng lực cản
khí động học và lực cản lăn. Điều này làm cơng suất sinh ra ít hơn trong suốt quá trình
tăng tốc và leo núi. Để hoạt động hiệu quả lúc công suất thấp, động cơ chạy tại tốc độ
thấp. Theo bảng dưới đây cho thấy công suất được cần để giúp xe chuyển động tại những tốc độ khác
nhau trên một đường bằng phẳng.
Tốc độ xe

40 dặm/giờ
50 dặm/giờ
60 dặm/giờ

Cơng suất
3.6kW
5.9kW
9.2kW

Tốc độ quay động cơ
1,300 vịng/phút
1,500 vịng/phút

Tốc độ quay MG1
- 1,470 vòng/phút
- 2,003 vòng/phút

- Bây giờ tốc độ xe cao hơn và tốc độ quay của động cơ ICE thấp đặt bộ phân chia
công suất vào một trạng thái thích hợp nhất. MG1 bây giờ phải quay ngược giống trong
bảng. Nhờ sự quay ngược, nó làm cho bánh răng hành tinh quay theo chiều thuận. Sự
quay của bánh răng hành tinh được tăng thêm nhờ sự quay của cần dẫn và làm bánh răng
bao quay nhanh hơn. Để so sánh trường hợp này với những trường hợp đã thảo luận trước
đó cho sự tăng tốc và leo đồi hãy xem mơ phỏng.

Toyota Hybrid System

Hình 54: Chạy giữ ga ở tốc độ cao
Trang 54


- Một điều khác biệt nữa, tài xế cảm thấy thoải mái khi tốc độ quay của động cơ
ICE cao để có được nhiều cơng suất dù là khơng cần di chuyển nhanh. Trong một số
trường hợp, chúng ta muốn động cơ ICE sẽ giữ tại một tốc độ quay thấp, hoặc là tăng đến
một tốc độ hợp lý để phân phối công suất thấp với yêu cầu hiệu suất cao.
- Từ việc nghiên cứu bộ phân chia công suất, MG1 phải gây ra một mô men ngược
tại bánh răng mặt trời. Động cơ ICE tạo lực đủ để làm quay bánh răng bao theo hướng
thuận. Khơng có lực cản từ MG1, động cơ ICE chỉ quay MG1 thay vì di chuyển xe. Khi
MG1 quay theo hướng thuận, dễ dàng thấy rằng mơ men quay ngược này có thể được
cung cấp nhờ vào lực cản máy phát. Bộ chuyển đổi điện tử được yêu cầu để lấy điện từ
MG1 và mô men quay ngược được xuất hiện, nhưng bây giờ MG1 đang quay ngược, nên
cần phải sắp xếp như thế nào để cung cấp mô men ngược này. Và cũng cần làm cách nào
để MG1 cung cấp mô men thuận và quay hướng thuận? do là một động cơ. Nó tương tự
như lúc quay ngược. Nếu MG1 quay ngược chiều và cần mơ men quay theo hướng đó

MG1 phải trở thành một mô tơ và sử dụng nguồn điện được cung cấp nhờ bộ chuyển đổi.
- Đây là sự khởi động có vẻ đặc biệt. Động cơ xăng đang đẩy. MG1 đang đẩy, và rồi
MG2 cũng đẩy? Hai mô tơ và một động cơ ICE tất cả kết hợp với nhau để cùng tạo lực
chuyển động. Có được trường hợp này nhờ vào việc giảm tốc độ quay của động cơ ICE
tương ứng với sự hoạt động công suất thấp hiệu quả. Đây không phải là cách hiệu quả để
tạo ra nhiều công suất đến các bánh xe. Để làm điều đó cần gia tăng tốc độ quay của động
cơ xăng và di chuyển ngược đến vị trí sớm hơn của MG1 quay thuận. Có được kết quả
đó, ta tìm nơi để đưa điện đến để làm cho MG1 chạy như một mô tơ. Ắc qui? Trong một
khoảng thời gian, chúng ta có thể làm điều này, nhưng sau đó chúng ta sẽ bị đẩy ra khỏi
chế độ này vì sự vận hành khơng có bất kỳ ắc qui nạp điện sẽ nhường chỗ cho trường hợp
tăng tốc và leo đồi. Vì thế, chúng ta cần tạo ra nguồn điện này một cách liên tục, không
phải lấy điện từ ắc qui nạp, vì vậy chúng ta có được kết luận rằng nguồn điện phải xuất
phát từ MG2, cái mà hoạt động giống như một máy phát.
- Động cơ ICE dẫn động cần dẫn tại tốc độ thấp. MG1 dẫn động bánh răng mặt trời
quay ngược. Điều này khiến bánh răng hành tinh quay thuận và bổ sung thêm tốc độ quay
cho bánh răng bao. Bánh răng bao chỉ nhận được 72% mô men động cơ ICE, nhưng tốc
độ mà số vòng quay bánh răng bao quay được gia tăng nhờ mô tơ MG1 quay ngược. Sự
quay của bánh răng bao nhanh hơn cho phép xe chuyển động nhanh hơn tương ứng với
Toyota Hybrid System

Trang 55