Đồ án Tốt nghiệp: Hệ thống Động lực và Nguồn Năng lượng trên Xe Lai Toyota Prius - ĐH SPKT

Khám phá chi tiết đồ án tốt nghiệp về hệ thống động lực và nguồn năng lượng trên xe lai Toyota Prius. Phân tích sâu về công nghệ Hybrid tiên tiến.

• Tác giả: Nguyễn Văn Tuấn
• Người hướng dẫn: GVC. Nguyễn Văn Trạng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Hệ thống động lực và nguồn năng lượng trên xe lai Toyota Prius
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống động lực xe lai Toyota Prius

Hệ thống động lực xe lai Toyota Prius kết hợp động cơ xăng và động cơ điện để tối ưu hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải. Prius thế hệ thứ ba (2010) sử dụng động cơ 1.8L 2ZR-FXE kết hợp với động cơ điện nam châm vĩnh cửu 60 kW, tạo tổng công suất 134 hp. Hộp số eCVT điều khiển điện tử phân phối công suất linh hoạt giữa động cơ xăng và điện. Pin nickel-metal hydride (Ni-MH) 201.6V cung cấp năng lượng cho động cơ điện, hỗ trợ hệ thống tái sinh năng lượng khi phanh. Hệ thống quản lý pin giám sát trạng thái sạc, nhiệt độ và tuổi thọ pin, đảm bảo hoạt động an toàn. Prius 2010 đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4 nhờ tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu ở 4.7-4.8 lít/100 km.

1.1. Cấu tạo hệ thống động lực

Hệ thống động lực Prius 2010 gồm ba thành phần chính: động cơ xăng 1.8L 2ZR-FXE, động cơ điện 60 kW, và pin Ni-MH 201.6V. Động cơ xăng sử dụng công nghệ Atkinson để tăng hiệu suất nhiên liệu, giảm tiêu hao nhiên liệu trong điều kiện tải thấp. Động cơ điện hoạt động độc lập hoặc phối hợp với động cơ xăng nhờ bộ chia công suất. Pin Ni-MH lưu trữ năng lượng tái sinh từ phanh, cung cấp điện cho động cơ điện khi xe khởi động hoặc tăng tốc. Hệ thống quản lý pin (BMS) giám sát điện áp, dòng điện và nhiệt độ để duy trì hiệu suất tối ưu.

1.2. Nguyên lý hoạt động

Prius vận hành theo ba chế độ chính: chế độ chỉ động cơ xăng, chế độ chỉ động cơ điện, và chế độ phối hợp. Ở tốc độ thấp hoặc khi khởi động, xe hoạt động bằng động cơ điện. Khi cần công suất lớn (leo dốc, tăng tốc), động cơ xăng và điện phối hợp hoạt động. Hệ thống eCVT điều chỉnh tỷ số truyền động liên tục, đảm bảo động cơ hoạt động ở vùng hiệu suất tối ưu. Khi phanh hoặc giảm tốc, động cơ điện hoạt động như máy phát, chuyển hóa động năng thành điện năng nạp vào pin. Bộ chuyển đổi DC-DC tăng điện áp từ pin 201.6V lên 500V cung cấp cho động cơ điện.

II. Phân tích hệ thống nguồn năng lượng trên Prius 2010

Nguồn năng lượng Prius 2010 dựa trên pin Ni-MH 201.6V dung lượng 1.3 kWh, cung cấp điện cho động cơ điện 60 kW. Hệ thống quản lý pin (BMS) giám sát 28 cell pin, đảm bảo cân bằng điện áp và nhiệt độ. Prius 2010 sử dụng công nghệ tái sinh năng lượng khi phanh, thu hồi tới 30% năng lượng thất thoát. Hiệu suất năng lượng đạt 90% nhờ giảm thiểu tổn thất trong quá trình truyền động. Pin Ni-MH có tuổi thọ cao, chịu được 100.000 chu kỳ sạc-xả, phù hợp với điều kiện vận hành khắc nghiệt. Hệ thống làm mát pin bằng chất lỏng duy trì nhiệt độ ổn định, ngăn ngừa quá nhiệt.

2.1. Đặc điểm pin Ni MH

Pin Ni-MH trên Prius 2010 có điện áp 201.6V, dung lượng 6.5 Ah, trọng lượng 40 kg. Ưu điểm chính là mật độ năng lượng cao (80 Wh/kg), tuổi thọ dài (10-15 năm), khả năng sạc nhanh. Pin gồm 28 cell mắc nối tiếp, mỗi cell có điện áp 1.2V. Hệ thống quản lý pin (BMS) giám sát điện áp từng cell, phát hiện lỗi sớm. Pin Ni-MH chịu được nhiệt độ từ -30°C đến 60°C, phù hợp với khí hậu Việt Nam. Nhược điểm là tỷ lệ tự xả cao (30%/tháng) và hiệu suất sạc thấp hơn pin Lithium-ion.

2.2. Hệ thống tái sinh năng lượng

Hệ thống tái sinh năng lượng trên Prius 2010 hoạt động khi phanh hoặc giảm tốc, chuyển hóa động năng thành điện năng nạp vào pin. Máy phát điện ba pha tích hợp trong động cơ điện đóng vai trò máy phát, cung cấp dòng điện 100A. Bộ chuyển đổi AC-DC chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều, nạp vào pin. Hiệu suất tái sinh đạt 50-70%, giảm tiêu hao nhiên liệu 10-15%. Hệ thống này hoạt động tự động khi xe giảm tốc từ 50 km/h xuống dưới 10 km/h. Prius 2010 thu hồi tới 30% năng lượng thất thoát trong quá trình vận hành.

III. Giải pháp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Hybrid

Để nâng cao hiệu suất hệ thống Hybrid, Prius 2010 áp dụng công nghệ quản lý năng lượng thông minh. Hệ thống eCVT điều chỉnh tỷ số truyền động liên tục, đảm bảo động cơ hoạt động ở vùng hiệu suất tối ưu. Bộ chuyển đổi DC-DC tăng điện áp từ 201.6V lên 500V, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tải. Hệ thống quản lý pin (BMS) tối ưu hóa quá trình sạc-xả, kéo dài tuổi thọ pin. Công nghệ làm mát pin bằng chất lỏng duy trì nhiệt độ ổn định, ngăn ngừa quá nhiệt. Prius 2010 sử dụng dầu bôi trơn chuyên dụng cho hệ thống Hybrid, giảm ma sát và tổn thất năng lượng.

3.1. Cải tiến hệ thống quản lý pin

Hệ thống quản lý pin (BMS) trên Prius 2010 sử dụng thuật toán tiên tiến dự đoán trạng thái sạc (SOC) và trạng thái sức khỏe (SOH). BMS giám sát 28 cell pin, phát hiện mất cân bằng điện áp và điều chỉnh dòng sạc phù hợp. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng duy trì nhiệt độ pin ở 25-40°C, ngăn ngừa quá nhiệt. BMS tích hợp chế độ bảo vệ quá dòng, quá áp, quá nhiệt, đảm bảo an toàn. Prius 2010 sử dụng pin Ni-MH có tuổi thọ cao, chịu được 100.000 chu kỳ sạc-xả, phù hợp với điều kiện vận hành khắc nghiệt.

3.2. Tối ưu hóa hộp số eCVT

Hộp số eCVT trên Prius 2010 sử dụng bộ truyền động hành tinh, kết hợp với hai bộ nam châm vĩnh cửu. Hệ thống điều khiển điện tử (ECU) điều chỉnh tỷ số truyền động liên tục, đảm bảo động cơ hoạt động ở vùng hiệu suất tối ưu. eCVT loại bỏ các cấp số truyền thống, giảm tổn thất năng lượng do ma sát. Prius 2010 đạt hiệu suất truyền động 95%, cao hơn 10% so với hộp số tự động truyền thống. Hệ thống eCVT phối hợp hoạt động với động cơ xăng và điện, tối ưu hóa tiêu thụ nhiên liệu.

IV. Kết luận và ứng dụng hệ thống Hybrid Prius

Hệ thống động lực xe lai Toyota Prius 2010 là giải pháp hiệu quả cho giao thông bền vững nhờ kết hợp động cơ xăng và điện. Prius đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4, tiêu thụ nhiên liệu 4.7-4.8 lít/100 km, giảm 30% khí thải so với xe động cơ đốt trong truyền thống. Hệ thống pin Ni-MH dung lượng 201.6V cung cấp năng lượng ổn định, tuổi thọ cao. Công nghệ tái sinh năng lượng thu hồi tới 30% năng lượng thất thoát, nâng cao hiệu suất vận hành. Prius 2010 là mẫu xe tiên phong trong ứng dụng công nghệ Hybrid, mở đường cho xe điện tương lai. Hệ thống này có thể áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông công cộng, taxi điện nhằm giảm ô nhiễm môi trường.

4.1. Ưu điểm nổi bật của Prius 2010

Prius 2010 sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với xe động cơ đốt trong truyền thống. Hiệu suất nhiên liệu đạt 4.7-4.8 lít/100 km, giảm 30% so với xe xăng cùng loại. Hệ thống Hybrid giảm 50% khí thải CO2, góp phần bảo vệ môi trường. Prius đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4, phù hợp với các thành phố lớn. Hệ thống pin Ni-MH dung lượng 201.6V có tuổi thọ cao, chịu được 100.000 chu kỳ sạc-xả. Công nghệ tái sinh năng lượng thu hồi tới 30% năng lượng thất thoát, nâng cao hiệu suất vận hành.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong tương lai

Hệ thống Hybrid trên Prius 2010 là nền tảng cho sự phát triển xe điện trong tương lai. Toyota đã ứng dụng công nghệ này vào nhiều mẫu xe khác như Corolla Hybrid, Camry Hybrid. Prius 2010 có thể trở thành phương tiện giao thông công cộng, taxi điện nhờ tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Hệ thống quản lý pin và động cơ điện có thể tích hợp vào xe tải, xe buýt nhằm giảm ô nhiễm đô thị. Công nghệ Hybrid sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang xe điện hoàn toàn trong thập kỷ tới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Trình bày lý do chọn đề tài 1. Xe Hybrid và những ưu điểm nổi bật Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang diễn biến ngày càng nghiêm trọng. Một trong những nguyên nhân dẫn đến hệ quả đó chính là khí thải độc hại được phát thải từ động cơ đốt trong gây ra.

Và để giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch thì ô tô lai hay còn gọi là xe Hybrid đang là xu thế để Việt Nam hướng tới để bảo vệ môi trường cũng như là tiền đề để mở ra kỉ nguyên xe điện tại đất nước Việt Nam của chúng ta. Xe Hybrid có hệ động lực gồm động cơ đốt trong và động cơ điện. Xe đã được chế tạo lần đầu từ những năm cuối thế kỷ 18. Với các ưu điểm nổi bật như vận hành êm ái, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường thì ô tô Hybrid đang là sự quan tâm nghiên cứu phát triển và chế tạo của nhiều hãng sản xuất ôtô trên thế giới như Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản.

Cho đến hiện nay đã có nhiều mẫu ôtô Hybrid được sản xuất trên thị trường và được khách hàng tin dùng ô tô này. Ô tô Hybrid đang dần phổ biến tại nước ta và điển hình như Toyota Prius, Toyota Camry Hybrid, Toyota Corolla Cross 1.8 HV,… Bên cạnh xe lai thì hiện nay xe ô tô chạy thuần điện đang phát triển mạnh mẽ, hầu hết các nhà sản xuất ô tô đều có những mẫu xe thuần điện riêng cho mình và xe điện thực sự là mục tiêu mà cả thế giới đang hướng đến. Tuy nhiên thì nguồn năng lượng pin trên xe điện là vấn đề đều được các nhà sản xuất ô tô quan tâm. Nhiều công nghệ pin được áp dụng để tối ưu nhất cũng như lưu trữ nhiều năng lượng cho việc di chuyển trên quãng đường xa nhất có thể sau mỗi lần sạc.

Việc nghiên cứu về xe Hybrid trong và ngoài nước. Dựa trên những ưu điểm vượt trội và tương lai thịnh hành của ô tô điện và ô tô có tính phát thải thấp, việc phát triển, nghiên cứu và đào tạo về những thế hệ ô tô này được đẩy mạnh, các công trình, đề tài nghiên cứu và cải tiến đã được thực hiện ở trong và ngoài nước như: 1 Trong nước: Đề tài“Toyota Prius Hybrid 2004-2009” –Tác giả: Tôn Hoàng Dũng, Nguyễn Quốc Khánh.[20]  Những vấn đề đạt được: - Khái quát được tổng quan về xe Hybrid. - Tìm hiểu được chức năng, nhận biết các bộ phận trên xe Toyota Prius 2004 – 2009. - Trình bày được nguyên lý hoạt động của xe – chức năng, nhiệm vụ của từng bộ phận trên Toyota Prius 2004 – 2009.

- Thực hiện được mục đích đề tài là tạo ra tài liệu phục vụ cho việc tham khảo về Toyota Prius 2004 - 2009.  Những vấn đề chưa đạt được: - Đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi Prius 2004 – 2009 (thế hệ hai của Prius) được ra mắt khá lâu. - Chưa đi sâu hết tất cả các hệ thống của hệ thống Hybrid (hệ thống làm mát pin cao áp,…). Đề tài “Chuyên Đề Về Ô Tô Hybrid” – Tác giả: Đinh Duy Tuân, Võ Trọng Nhật.

[21]  Những vấn đề đạt được: - Giới thiệu tổng quan về xe Hybrid. - Trình bày được các bộ phận và chế độ làm việc của xe. - Trình bày chi tiết các lỗi thường gặp và cách ứng phó khẩn cấp. - Là tài tiệu tham khảo bổ ích cho sinh viên tìm hiểu về xe Hybrid.

 Những vấn đề chưa đạt được: - Đề tài chỉ tập trung vào thế hệ thứ hai của Prius. - Chưa liệt kê được quy trình tháo lắp trên hệ thống Hybrid phục vụ quá trình thực hành tại xưởng. Ngoài nước: Đề tài “Toyota Hybrid Synergy Drive” – Tác giả: Soheil Seyed Hosseini [22] 2  Những vấn đề đạt được: - Nghiên cứu về hệ thống “Toyota Hybrid Synergy” được sử dụng trên Prius, Highlander Hybrid, Camry Hybrid, Lexus RX 400h, Lexus GS 450h, Lexus LS 600h/LS 600hL. - Nghiên cứu chi tiết về hệ thống Toyota Hybrid System II trên Toyota Prius thế hệ thứ hai (nghiên cứu chi tiết về bộ bánh răng hành tinh và các chế độ vận hành của xe).

- Khảo sát chi tiết các bộ phận của hệ thống Hybrid trên Toyota Prius 2004. - Khái quát về lịch sử và tương lai của dòng xe Hybrid Toyota Prius.  Những vấn đề chưa đạt được: - Chưa trình bày về động cơ đốt trong và hệ thống truyền lực. - Chưa khái quát về pin cao áp trên Prius.

- Chỉ tập trung vào thế hệ thứ hai của Prius đã được ra mắt khá lâu. Đề tài “Prius High Voltage Battery Diagnosis and Upgrade” Tác giả: Timothy Janello[23]  Những vấn đề đạt được: Đưa ra được các vấn đề về pin cao áp trên Toyota Prius như: - Thời gian có thể thay pin. - Các phương pháp kiểm tra pin cao áp. - Chỉ ra 10 bộ phận trên pin dễ bị hư hại và tình trạng hư hại.

- Quyết định để nâng cấp pin trên Prius thế hệ hai. - Đưa ra những vấn đề về bảo trì thường bị lãng quên và cách khắc phục.  Những vấn đề chưa đạt được: Đề tài chỉ tập trung vào pin cao áp trên Toyota Prius thế hệ thứ hai, chưa tập trung tổng quát về tất cả các hệ thống. Đề tài “Modelling and Simulating a Hybrid Electric Vehicle” – (Master’s thesis in electrical engineering).

[24]  Những vấn đề đạt được: Đề tài hiện tại đã mô hình hóa và mô phỏng về xe Hybrid giúp người đọc hiểu tổng quát về xe Hybrid. 3  Những vấn đề chưa đạt được: Đề tài chưa tập trung vào một loại hình xe Hybrid cụ thể, chỉ một cách tổng quát. Đề tài “Design Selection of Multimode Power Split Hybrid Electric Vehicle Powertrains” – Tác giả: Giuseppe Buccoliero. [25]  Những vấn đề đạt được: Đề tài đã nghiên cứu, phân tích các chế độ và lựa chọn các chế độ phù hợp để cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu của xe.

Đưa ra các cân nhắc thực tế để tăng tốc và mở rộng các thuật toán cho trường hợp đa chế độ và những chế độ liên quan.  Những vấn đề chưa thực hiện được: Đề tài chỉ tập trung vào hệ thống truyền lực và các chế độ vận hành của xe, chưa tập trung vào giới thiệu tổng quát một dòng xe cụ thể. Lý do chọn đề tài Với những ưu điểm nổi trội của xe Hybrid như đã trình bày ở phần 1.1 và những vấn đề đạt được và chưa đạt được trên các đề tài nghiêng cứu về hệ thống Hybrid (đặc biệt là Toyota Prius) trong và ngoài nước như đã trình bày ở phần 1.2 nhóm đã tổng hợp, đưa ra ý tưởng thực hiện đề tài tổng hợp tất cả các nội dung lớn để có thể hiểu và tiếp cận một cách tổng quát về xe lai Toyota Prius như: Động cơ và các hệ thống của động cơ, pin và các hệ thống lưu trữ nhiên liệu, hệ thống động lực trên xe, các bộ phận – hệ thống Hybrid, các chế độ vận hành, những cảnh báo an toàn với nguồn điện cao áp, bảo dưỡng chung và quy trình tháo lắp, kiểm tra hệ thống Hybrid, đưa ra những so sánh với thế hệ cũ để cho thấy sự phát triển vượt bậc của thế hệ mới của Toyota Prius thế hệ thứ ba. Trên những ý tưởng đó cùng với việc tham khảo ý kiến của giảng viên hướng dẫn – Thầy Nguyễn Văn Trạng, nhóm đã chọn đề tài “Hệ thống động lực và nguồn năng lượng trên xe lai Toyota Prius” để thực hiện đồ án tốt nghiệp.

Tập trung vào thế hệ thứ ba của Prius cụ thể là Toyota Prius 2010. Mục đích Với những kiến thức được tiếp thu trong thời gian học tập tại trường, các tài liệu chuyên ngành và đặc biệt là sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các Thầy và các bạn trong Khoa Cơ 4 khí động lực thì đồ án này sẽ là một tài liệu nền tảng hữu ích và tổng quan nhất về hệ thống động lực của xe Hybrid và hệ thống lưu trữ và quản lý năng lượng trên ô tô điện hiện nay để phục trong quá trình tìm hiểu và học tập trên dòng xe Hybrid Toyota Prius và các dòng xe điện. Tuy nhiên do thực hiện trong phạm vi thời gian làm đồ án có hạn và lượng kiến thức lớn nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Nhằm mục đích giới thiệu nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các chế độ hoạt động của hệ thống động lực của xe lai và hệ thống Hybrid trên xe lai Toyota Prius 2010.

Đồng thời đây là tài liệu tiền đề cho các bạn sinh viên có thể tham khảo và sử dụng với mục đích học tập, nghiên cứu về xe lai, xe điện. Kết hợp với việc biên soạn kèm theo quy trình tháo lắp các bộ phận của hệ thống Hybrid như: tháo lắp pin cao áp, Inverter, Converter, bộ truyền động Hybrid, cáp điện sườn xe…Phục vụ cho quá trình tháo lắp hệ thống Hybrid an toàn. Nhóm đã nghiên cứu và soạn thảo ra đồ án này để phục vụ những mục đích trên. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Xe lai Toyota Prius 2010  Tổng quan về xe lai Toyota Prius (tập trung vào Prius thế hệ thứ ba – Prius 2010).

 Tìm hiểu động cơ 2ZR-FXE.  Tìm hiểu về hệ thống động lực trên ô tô Hybrid Prius.  Tìm hiểu những cảnh báo an toàn với hệ thống điện cao áp.  Tìm hiểu những hệ thống mới, nổi bật trên Prius 2010.

 Tìm hiểu quy trình tháo lắp các bộ phận của hệ thống Hybrid trên Toyota Prius 2010.  Tìm hiểu các phương pháp kiểm tra và bảo dưỡng chung trên hệ thống Hybrid.  Cấu tạo, nguyên lý, các chế độ hoạt động của xe lai.  Mô hình giảng dạy thực tế.

5  Bộ chuyển đổi điện áp (bộ biến tần).  Động cơ đốt trong.  Bộ bánh răng hành tinh.  Tổng quan về lịch sử phát triển các loại pin trên ô tô.

 Công nghệ pin NiMH và hệ thống quản lý năng lượng.  Giới thiệu về các loại pin trên xe điện. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, trong đó có các phương pháp chính như:  Nghiên cứu lý thuyết về ô tô Hybrid nói chung và Toyota Prius nói riêng.  Biên dịch, nghiên cứu từ một số tài liệu hãng và tài liệu nước ngoài có uy tín.

 Tham khảo các, tài liệu mô hình giảng dạy về xe lai, xe điện hiện có tại Xưởng Động cơ - Khoa Cơ khí Động lực.  Tham khảo những đề tài nghiên cứu về Toyota Prius trong và ngoài nước.  Sàng lọc thông tin, học hỏi kiến thức và kinh nghiệm từ các thầy trong khoa và bạn bè.