Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ truyền động hybrid (HEV) đóng vai trò chiến lược trong quá trình chuyển đổi xanh của ngành công nghiệp ô tô, hướng đến mục tiêu giảm phát thải ô nhiễm và tối ưu hóa hiệu suất tiêu hao nhiên liệu. Trong các giải pháp hybrid thương mại, hệ thống Toyota Hybrid Synergy Drive thế hệ thứ hai (THS II) trang bị trên dòng xe Toyota Prius (giai đoạn 2004–2009) cùng các mẫu Camry Hybrid hay Highlander Hybrid được ghi nhận là một cấu hình truyền động tối ưu. Hệ thống này kết hợp giữa một động cơ đốt trong (ICE) và hai mô tơ điện (MG1, MG2) thông qua cụm bánh răng hành tinh chia công suất (Power Split Device - PSD).

Tại Việt Nam, phương tiện hybrid bắt đầu phổ biến dần trên thị trường tiêu dùng. Tuy nhiên, hoạt động nghiên cứu chuyên sâu, giải mã mạch điều khiển điện tử và xây dựng sa bàn thực hành hệ thống THS II trong môi trường đào tạo đại học còn gặp nhiều rào cản do thiếu tài liệu kỹ thuật tiếng Việt chuẩn hóa và trang thiết bị thực hành trực quan. Xuất phát từ nhu cầu đào tạo kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, đề tài "Nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống Hybrid Synergy Drive – THS II" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã được triển khai nhằm đáp ứng ba mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nắm vững lý thuyết: Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về hệ thống hybrid THS II; làm rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận thuộc hệ thống cao áp bao gồm cụm pin cao áp, bộ chuyển đổi điện (Inverter/Converter), hai mô tơ điện MG1, MG2 và bộ chia công suất PSD.
  2. Phân tích và thiết kế hệ thống: Sơ đồ hóa toàn bộ hệ thống mạch điện cao áp và tín hiệu điều khiển trên THS II.
  3. Xây dựng mô hình: Thiết kế, thi công và bố trí sa bàn mô hình hoàn chỉnh, tích hợp bảng sơ đồ hóa cùng các cụm chi tiết cơ điện tử thực tế của hệ thống truyền lực hybrid.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm các thành phần phần cứng cốt lõi của hệ thống THS II: động cơ xăng, cụm mô tơ điện MG1 và MG2, bộ chia công suất hành tinh, khối pin cao áp NiMH, cùng các mạch điện tử công suất trong bộ chuyển đổi điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cấu trúc kỹ thuật và quy trình kiểm tra chẩn đoán hệ thống điện cao áp của dòng xe Toyota Prius thế hệ thứ hai (2004–2009), với thực nghiệm thi công và đo đạc hoàn thành vào tháng 6 năm 2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống cơ sở lý thuyết chuyên sâu về kỹ thuật ô tô và điện tử công suất cao áp:

  • Lý thuyết tích trữ năng lượng điện hóa: Đánh giá đặc tính pin Niken-kim loại hyđrua (NiMH) khô kín so sánh với các dòng pin NiCd, Li-ion và ắc quy chì.
  • Lý thuyết điều khiển biến tần và chuyển đổi điện áp: Nguyên lý nghịch lưu DC-AC 3 pha và chỉnh lưu AC-DC sử dụng mô-đun công suất thông minh IPM với các van bán dẫn IGBT và diode; nguyên lý khuếch đại và hạ áp hai chiều (Boost/Buck Converter) thông qua cuộn kháng từ trường (reactor) và tụ điện.
  • Lý thuyết cơ học phân chia dòng năng lượng: Phân tích động học và mô-men xoắn của cơ cấu bánh răng hành tinh (Planetary Gear Set) liên kết động cơ nhiệt với MG1 và MG2 qua biểu đồ Nomographic.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai đồng bộ qua ba nhóm phương pháp:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khai thác tài liệu chuyên ngành của tập đoàn Toyota và các công bố khoa học quốc tế về THS II; đối chiếu trực tiếp dữ liệu lý thuyết với linh kiện phần cứng thực tế.
  • Phương pháp tra cứu và số hóa mạch điện: Ứng dụng phần mềm Carmin để tra cứu, trích xuất sơ đồ nguyên lý hệ thống điện nguyên bản xe Prius 2004–2009; sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế sơ đồ mô hình và mạch kiểm tra.
  • Phương pháp thực nghiệm đo đạc: Sử dụng đồng hồ vạn năng VOM và thiết bị đo xung (Oscilloscope) để kiểm tra các thông số điện trở cuộn dây, trở kháng cách điện, điện áp hoạt động và dạng xung điều khiển (PWM, xung SI) trên cảm biến dòng, rơle chính SMRs, quạt làm mát, bộ chấp hành phanh đỗ xe và cảm biến góc quay Resolver.

Nguồn dữ liệu được trích xuất trực tiếp từ sổ tay hướng dẫn sửa chữa (Workshop Manual) của Toyota Prius thế hệ 2 và số liệu thực nghiệm đo đạc trực tiếp trên sa bàn mô hình tại xưởng thực hành.

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Mô hình kỹ thuật THS II được chế tạo dưới dạng sa bàn giảng dạy trực quan, liên kết các cụm tổng thành cơ khí và điện tử công suất thực tế với bảng panel sơ đồ hóa:

Cụm chức năng Phần cứng tích hợp Chức năng kỹ thuật chính
Cụm pin cao áp 28 mô-đun NiMH (168 cell), Service Plug, 3 rơle SMRs, cảm biến dòng, quạt làm mát cưỡng bức Cung cấp và tích trữ nguồn điện một chiều 201,6V; ngắt an toàn và quản lý trạng thái nạp/xả (SOC).
Bộ chuyển đổi điện Bo mạch điều khiển IPM, cụm van IGBT/diode, cuộn kháng, DC/DC Converter, A/C Inverter Khuếch đại điện áp lên tối đa 650V DC; nghịch lưu cấp nguồn xoay chiều 3 pha cho MG1/MG2; hạ áp 14V DC sạc ắc quy phụ.
Cụm truyền động lai Mô tơ/máy phát MG1, mô tơ kéo MG2, bộ bánh răng hành tinh PSD, cơ cấu Parking Lock Phân chia công suất linh hoạt; khởi động động cơ; truyền động bánh xe; phanh tái sinh và khóa cơ khí vị trí đỗ.
Bảng chẩn đoán Sơ đồ nguyên lý thiết kế qua phần mềm Proteus, các trạm đo tín hiệu (test pins) Phục vụ kết nối đồng hồ VOM và máy đo xung để kiểm tra tín hiệu điều khiển, cảm biến và điện trở linh kiện.

Quy trình triển khai mô hình tuân thủ quy chuẩn an toàn điện cao áp thông qua cầu chì bảo dưỡng (Service Plug). Khi tháo Service Plug (gạt thanh khóa sang vị trí nằm ngang), mạch pin cao áp bị ngắt hoàn toàn. Thao tác yêu cầu người vận hành mang găng tay cách điện chuyên dụng và đợi tối thiểu 5 phút để các tụ điện cao áp trong biến tần xả hết năng lượng trước khi tiến hành đo đạc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương này phân tích tổng quan bối cảnh công nghệ xe hybrid trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả chỉ rõ các nghiên cứu quốc tế từ năm 2004 đã đi sâu vào mô phỏng dòng công suất và thuật toán năng lượng trên THS II, trong khi việc đào tạo thực hành trong nước còn thiếu thiết bị trực quan. Từ đó, chương xác lập tính cấp thiết, mục tiêu chế tạo sa bàn, đối tượng nghiên cứu (động cơ xăng, MG1, MG2, bộ chia công suất, pin cao áp, bộ chuyển đổi điện) và cấu trúc 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Hệ thống điện cao áp

Nội dung chương trình bày chi tiết cấu trúc phần cứng và nguyên lý của khối lưu trữ và biến đổi năng lượng:

  • Cấu tạo pin cao áp: Gồm 28 mô-đun mắc nối tiếp, mỗi mô-đun chứa 6 cell 1,2V nối tiếp (tổng cộng 168 cell), tạo điện áp danh định 201,6V (dải hoạt động từ 180V đến 270V). Tổng năng lượng đạt 1,310 kWh (1310 Wh). Vùng làm việc duy trì SOC ở ngưỡng an toàn 40%–80% (mục tiêu ổn định ở 60% để tiếp nhận phanh tái sinh). Khối lượng bộ pin đạt 37,2 kg (mỗi mô-đun nặng 1,04 kg), thể tích 66,9 lít.

Tác giả lập bảng so sánh thông số kỹ thuật giữa các công nghệ pin:

Đặc tính NiMH NiCd Li-ion Pin chì
Mật độ năng lượng (Wh/kg) 60–120 45–80 150–250 30–50
Hiệu suất sạc/xả (%) 66–75% 70–90% 90–99% 70–85%
Tuổi thọ chu kỳ (lần) 500–1000 500–1000 1000–3000 300–500
Tự xả (%/tháng) 20–30% 10–20% 1–5% 5–15%
Mức độ an toàn An toàn, ít cháy nổ Có độc (Cadmium) Dễ cháy nổ nếu hư An toàn nhưng nặng
Chi phí Trung bình Rẻ Đắt Rẻ
  • Khối điều khiển và an toàn pin: HV Battery ECU giám sát 14 vị trí đo điện áp (mỗi vị trí đo 2 mô-đun), kiểm soát cảm biến dòng, cảm biến nhiệt độ và mạch phát hiện rò điện. Hệ thống rơle chính SMRs gồm 3 rơle: khi đóng mạch, SMR1 và SMR3 kích hoạt trước để dòng điện đi qua điện trở hạn dòng bảo vệ tiếp điểm, sau đó SMR2 bật ON và SMR1 ngắt OFF. Khi ngắt kết nối, SMR2 và SMR3 lần lượt OFF.
  • Hệ thống làm mát cưỡng bức: Sử dụng quạt hút làm mát với 6 chế độ tốc độ điều khiển bằng xung SI từ ECU, giám sát qua chân điện áp VM (chế độ 1 đạt 10–14V, chế độ 6 đạt 2–6V).
  • Bộ chuyển đổi điện (Inverter & Converter): Khối biến tần Inverter dùng 6 cặp IGBT/diode cho MG1 và 12 cặp IGBT/diode cho MG2, chịu nhiệt độ tối đa 150°C, làm mát bằng dung dịch nước và keo silicon tản nhiệt. Bộ Boost/Buck Converter sử dụng cuộn kháng thực hiện tăng áp từ 201,6V DC lên dải 200V–500V (tối đa 650V DC) theo công thức $V_{\text{out}} = V_{\text{in}} / \text{Duty cycle}$ và hạ áp dòng tái sinh về 201,6V DC. Cụm DC/DC Converter hạ áp xuống 14V DC cấp cho phụ tải và nạp ắc quy 12V. Hệ thống khóa liên động (Interlock) và tín hiệu NODD giám sát an toàn mạch điện.

Chương 3: Motor điện

Phân tích cấu tạo hai motor điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM):

  • MG1 giữ vai trò khởi động động cơ đốt trong và hoạt động như máy phát nạp điện cho cụm pin hoặc cấp nguồn trực tiếp cho MG2.
  • MG2 đóng vai trò là động cơ dẫn động chính hỗ trợ xe tăng tốc, truyền động thuần điện và hoạt động như máy phát phanh tái tạo năng lượng.
  • Hệ thống cảm biến: Cảm biến vị trí Resolver trên trục MG1 và MG2 gửi tín hiệu góc quay chính xác về ECU để định pha mở van IGBT; cảm biến nhiệt độ kiểm soát trạng thái phát nhiệt cuộn dây. Motor được bôi trơn bằng dầu hộp số và làm mát bằng đường áo nước tuần hoàn riêng biệt.

Chương 4: Bộ chia công suất

Trình bày nguyên lý cơ học của cụm bánh răng hành tinh phân chia công suất (PSD):

  • Liên kết cơ khí: Cần dẫn (Carrier) nối với trục khuỷu động cơ đốt trong (ICE); bánh răng mặt trời (Sun gear) liên kết với MG1; vành răng ngoài (Ring gear) nối trực tiếp với MG2 và truyền động ra vi sai cầu trước.
  • Hoạt động theo chế độ: Khởi động (MG1 quay kéo ICE nổ máy); Khởi hành (MG2 dẫn động thuần điện); Tăng tốc và toàn tải (ICE hoạt động ở vùng hiệu suất cao, công suất phân đôi: một nhánh kéo bánh xe cơ học, một nhánh kéo MG1 phát điện tiếp sức cho MG2); Giảm tốc (MG2 thu hồi động năng nạp pin qua chế độ số D hoặc số B); Lùi xe (MG2 đảo chiều quay, ICE có thể nổ máy kéo MG1 phát điện mà không cần cơ cấu số lùi cơ học).
  • Hệ thống khóa đỗ xe (Parking Lock): Sử dụng bộ chấp hành chuyển số điện tử tích hợp bộ giảm tốc Cycloid để gài then khóa cơ khí vào vành răng khi tài xế kích hoạt nút bấm "P".

Chương 5: Thực hành trên mô hình

Chương này tổng kết quy trình kiểm tra, đo đạc trực tiếp các cụm chi tiết trên mô hình thực tế:

  • Kiểm tra motor điện: Đo thông mạch và trở kháng cuộn dây 3 pha (U, V, W), kiểm tra cảm biến góc quay Resolver 1 và 2, kiểm tra cảm biến nhiệt độ motor và đo điện trở cách điện giữa cuộn dây với vỏ kim loại.
  • Kiểm tra hệ thống pin cao áp: Đo trở kháng cuộn hút rơle chính SMRs, đo điện trở chính hạn dòng (chuẩn 18–22 Ω), kiểm tra điện trở cách điện của rơle và cáp nối Service Plug, đo điện áp từng mô-đun pin nhằm đánh giá mức độ cân bằng điện áp giữa 28 mô-đun.

Chương 6: Kết luận

Tổng kết mức độ hoàn thành của đồ án trong việc làm chủ lý thuyết THS II, hoàn thiện sa bàn mô hình phục vụ giảng dạy và đề xuất hướng khai thác thiết bị.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả chế tạo và đo kiểm thực nghiệm cụ thể:

  • Chế tạo thành công sa bàn mô hình hệ thống hybrid Toyota THS II hoàn chỉnh, bố trí hợp lý các cụm phần cứng: cụm pin cao áp NiMH, bộ chuyển đổi điện Inverter/Converter, cụm hộp số tích hợp MG1, MG2, bộ chia công suất hành tinh và bộ chấp hành phanh đỗ xe.
  • Số hóa và chuẩn hóa sơ đồ mạch điện hệ thống cao áp bằng phần mềm Proteus và tài liệu Carmin, đưa các cổng kiểm tra tín hiệu xung PWM và điện áp ra bảng panel ngoài.
  • Thu thập và chuẩn hóa bộ số liệu kiểm tra linh kiện thực tế:
Hạng mục kiểm tra Vị trí / Cặp chân đo Giá trị tiêu chuẩn kỹ thuật ghi nhận
Cảm biến dòng pin Chân 1 (VIB) – Chân 2 (GIB)
Chân 2 (GIB) – Chân 1 (VIB)
Chân 2 (GIB) – Chân 3 (IB)		 3,5 kΩ
5 đến 7 kΩ
0 Ω
Rơle chính SMRs Tiếp điểm cực dương – cực âm
Tiếp điểm khi cấp điện áp kích hoạt
Cuộn dây rơle 2 và 3		 $\ge 10\text{ k}\Omega$
$< 1\text{ }\Omega$
20 đến 50 kΩ
Điện trở chính hệ thống Giữa hai đầu cực điện trở hạn dòng 18 đến 22 Ω
Cơ cấu ngắt an toàn Nắp Service Plug
Cầu chì điện áp cao
Giắc cắm pin (cặp A-C và B-D)		 $< 1\text{ }\Omega$
$< 1\text{ }\Omega$
$< 1\text{ }\Omega$
Quạt làm mát pin Chân 9 (VM-B11) – GND (chế độ 1)
Chân 9 (VM-B11) – GND (chế độ 6)
Chân 10 (FCTL1-B11) – GND		 10 đến 14V (tốc độ chậm)
2 đến 6V (tốc độ nhanh)
$< 1\text{V}$

Về mặt đóng góp, đề tài cung cấp một giáo cụ trực quan chuyên sâu bằng tiếng Việt phục vụ công tác giảng dạy thực hành các môn học Điện thân xe, Hệ thống truyền lực ô tô và Ô tô điện - Hybrid tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Báo cáo đồ án ghi nhận một số hạn chế gắn liền với phạm vi chế tạo sa bàn tĩnh:

  • Mô hình tập trung vào kiểm tra chẩn đoán tĩnh, đo thông số điện trở, dạng xung và kết nối các khối linh kiện; chưa mô phỏng được điều kiện làm việc động học chịu tải liên tục trên đường thực tế của động cơ đốt trong.
  • Các tín hiệu điều khiển trên mô hình chủ yếu dựa trên đo kiểm mạch nguyên bản, chưa can thiệp lập trình thay đổi thuật toán phân chia dòng công suất.

Hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Tích hợp thêm các bộ vi xử lý và màn hình hiển thị phụ trợ để mô phỏng đường đi của dòng năng lượng (Power Flow) theo thời gian thực tương ứng với từng chế độ lái (khởi hành, tăng tốc, phanh tái sinh).
  • Xây dựng hộp tạo pan lỗi giả lập (Fault Insertion Unit) trên các đường truyền tín hiệu (như lỗi mất kết nối Interlock, hỏng cảm biến Resolver, suy hao cell pin) nhằm nâng cao kỹ năng chẩn đoán mã lỗi OBD-II cho người học.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển tự động đang thực hiện khóa luận, đề tài nghiên cứu về hệ thống truyền động điện hóa và xe hybrid.
  • Giảng viên các trường kỹ thuật ứng dụng để xây dựng bài giảng thực hành kiểm tra hệ thống an toàn điện cao áp, chẩn đoán bộ biến tần Inverter và khảo sát cơ cấu bánh răng hành tinh.
  • Kỹ thuật viên bảo dưỡng ô tô cần tham khảo quy trình ngắt mạch an toàn qua Service Plug, tiêu chuẩn đo kiểm cụm rơle SMRs, thông số cảm biến dòng và quy cách bảo dưỡng cụm pin NiMH trên các dòng xe Toyota Hybrid.

Các phần có giá trị thực tiễn cao nhất gồm sơ đồ chi tiết cụm chuyển đổi điện Inverter - Boost Converter (Chương 2) và bảng thông số đo kiểm điện trở, điện áp chẩn đoán linh kiện (Chương 2 và Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Cụm pin cao áp trên mô hình THS II có cấu tạo từ bao nhiêu cell pin và mức điện áp danh định là bao nhiêu?
Cụm pin cao áp sử dụng công nghệ NiMH khô kín, cấu thành từ 28 mô-đun mắc nối tiếp. Mỗi mô-đun gồm 6 cell nối tiếp có điện áp 1,2V/cell (tổng cộng 168 cell), tạo ra mức điện áp danh định của bộ pin là 201,6V với dải hoạt động từ 180V đến 270V và dung lượng 1,310 kWh.

2. Trình tự đóng ngắt của cụm 3 rơle chính (SMRs) diễn ra như thế nào để bảo vệ hệ thống?
Khi kết nối nguồn, SMR1 và SMR3 bật ON đầu tiên để dẫn dòng qua một điện trở hạn dòng 18–22 Ω nhằm ngăn hiện tượng dòng xung kích làm hỏng tiếp điểm. Kế tiếp, SMR2 bật ON và SMR1 ngắt OFF để cấp nguồn trực tiếp. Khi ngắt kết nối mạch cao áp, SMR2 và SMR3 sẽ lần lượt chuyển sang trạng thái OFF.

3. Bộ tăng áp Boost Converter trong khối biến tần thực hiện chức năng gì và điện áp đầu ra tối đa là bao nhiêu?
Bộ Boost Converter sử dụng cuộn kháng (reactor) và cặp van bán dẫn IGBT để kích điện áp một chiều từ 201,6V DC của pin cao áp lên dải 200V–500V, đạt tối đa 650V DC trước khi cấp vào bộ nghịch lưu Inverter điều khiển motor điện MG1 và MG2.

4. Quy định an toàn bắt buộc khi thao tác rút cầu chì bảo dưỡng (Service Plug) là gì?
Người thực hiện bắt buộc phải tắt công tắc nguồn xe (tắt trạng thái READY), xoay cần gạt Service Plug xuống vị trí nằm ngang để ngắt mạch điện cực, trang bị găng tay cao su cách điện chuyên dụng và đợi tối thiểu 5 phút để tụ điện cao áp phóng hết điện tích trước khi chạm vào các đầu nối cao áp.

5. Cơ cấu khóa đỗ xe (Parking Lock) trên THS II hoạt động bằng cơ cấu giảm tốc nào?
Hệ thống khóa đỗ xe sử dụng một bộ chấp hành chuyển số điện tử tích hợp bộ giảm tốc Cycloid để truyền động cơ cấu then khóa gài chặt vào vành răng khi người lái kích hoạt chế độ "P", ngăn chuyển động của các bánh xe dẫn động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống Hybrid Synergy Drive – THS II" đã hoàn thành việc hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết, sơ đồ hóa cấu trúc mạch điện và thi công thực nghiệm một sa bàn học cụ hoàn chỉnh về hệ thống truyền động hybrid thế hệ thứ hai của Toyota. Sản phẩm sa bàn tích hợp đầy đủ các khối linh kiện phần cứng từ pin cao áp NiMH, khối biến tần Inverter/Converter đến cụm motor điện MG1/MG2 và bộ chia công suất hành tinh PSD. Toàn bộ các thông số kỹ thuật điện trở, điện áp và trình tự điều khiển an toàn đã được đo kiểm, chuẩn hóa trực quan, tạo thành nguồn học liệu kỹ thuật giá trị cho công tác đào tạo chuyên ngành ô tô.