CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Nội dung của chương này trình bày, phân tích đặc điểm cấu tạo của các loại ô tô hybrid, so sánh giữa các loại ô tô hybrid với nhau, so sánh ô tô hybrid và ô tô truyền thống về phương diện cấu trúc, tính kinh tế nhiên liệu, mức độ phát thải gây ô nhiễm môi trường. Trong chương này cũng giới thiệu một số công trình nghiên cứu liên quan đến việc phân phối và sử dụng công suất trên ô tô hybrid, trên cơ sở đó xác định vấn đề cần nghiên cứu là thiết kế bộ kết hợp nguồn động lực của ô tô hybrid. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID 1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA Ô TÔ HYBRID Về phương diện cấu tạo, ô tô truyền thống và ô tô hybrid chỉ khác nhau cơ bản ở hệ thống động lực.
Hệ thống động lực của ô tô hybrid phổ biến hiện nay được cấu thành từ một động cơ đốt trong (ICE) và một hoặc nhiều động cơ điện (EM). Trong các tài liệu chuyên ngành bằng tiếng Anh, các thuật ngữ: "hybrid car","hybrid vehicle", "hybrid road vehicle" và "hybrid electric vehicle" thường được sử dụng để chỉ loại ô tô hybrid có hệ thống động lực như vậy. Trong luận văn này, sử dụng thuật ngữ "xe hybrid" và "ô tô hybrid" khi đề cập đến các ô tô có hệ thống truyền lực có đặc điểm cấu tạo như trên. Căn cứ vào cách thức liên kết giữa động cơ đốt trong động cơ điện, tỷ lệ công suất của động cơ đốt trong và của động cơ điện được sử dụng để dẫn động bánh xe chủ động, sự phân công về thời gian làm việc của ICE và của EM trong quá trình vận hành, ô tô hybrid hiện đại được phân thành 3 loại [6,7, 14,15]: ô tô hybrid kiểu nối tiếp, ô tô hybrid kiểu song song và ô tô hybrid kiểu hỗn hợp.
Ô TÔ HYBRID KIỂU NỐI TIẾP Ô tô hybrid kiểu nối tiếp, trong tiếng Anh được gọi là Series Hybrid Electric Vehicle, sau đây viết tắt là S-HEV. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Các thành tố cơ bản của hệ động lực của S-HEV bao gồm: một ICE, một hoặc một số EM, một EG, bộ AQ, bộ chuyển đổi điện và cặp bánh răng giảm tốc (xem Hình 1. Về cơ bản, hệ động lực của S-HEV chỉ khác hệ động lực của ô tô điện ở chỗ có thêm một ICE và EG. Sơ đồ hệ thống động lực ô tô hybrid kiểu nối tiếp Ở S-HEV, ICE chỉ có chức năng lai EG để cung cấp điện cho EM hoặc nạp điện cho AQ, EM đảm bảo 100% công suất yêu cầu để dẫn động các bánh xe chủ động thông qua một cặp bánh răng giảm tốc.
EM chạy bằng điện từ AQ hoặc trực tiếp từ EG. Trong hệ truyền động của S-HEV chỉ cần một cặp bánh răng giảm tốc bố trí giữa EM và vi sai, thay cho hộp số nhiều cấp ở ô tô truyền thống. Trong trường hợp EM được bố trí trực tiếp trong các moayơ của bánh xe chủ động, SHEV thực tế không có hệ truyền động cơ khí, thay vào đó là hệ truyền động điện gọn nhẹ hơn và tiêu hao ít năng lượng hơn. EM trên S-HEV nói riêng và trên các loại ô tô hybrid khác nói chung, thường được thiết kế để có thể hoạt động như một máy phát điện (sau đây gọi là môtơ-máy phát điện liên hợp, viết tắt là MG) để có thể tận dụng động năng của ô tô trong quá trình phanh hoặc xuống dốc.
Một số mẫu S-HEV cho phép nạp điện AQ bằng điện lưới trong thời gian ô tô không hoạt động nhằm mục LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 đích giảm chi phí vận hành do giá điện lưới thường thấp hơn giá điện được sản xuất bằng ICE trên xe. Ô TÔ HYBRID KIỂU SONG SONG Ô tô hybrid kiểu song song (P-HEV) có các nguồn động lực tương tự như ở S- HEV, tức là cũng bao gồm một ICE và một MG. ICE và MG của P-HEV được liên kết với bánh xe chủ động thông qua các ly hợp sao cho bánh xe chủ động có thể được dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng MG hoặc bằng cả hai đồng thời. ICE và MG có thể được liên kết với nhau theo các phương án như sau: ICE và MG liên kết song song trên một trục (xem Hình 1-2): Ở phương án này, tốc độ quay của ICE và MG phải được đồng bộ hóa, momen quay truyền đến bánh xe chủ động là tổng momen quay của ICE và MG.
Khi chỉ một nguồn động lực làm việc, nguồn động lực còn lại phải hoạt động ở chế độ không tải hoặc không hoạt động nếu được trang bị các ly hợp một chiều. ICE và MG liên kết nối tiếp trên một trục: ICE và MG phải có cùng tốc độ quay. Nếu MG nằm giữa ICE và hộp số thì MG có thể có momen quay dương hoặc âm, tùy thuộc vào chế độ vận hành. Honda Insight là mẫu P-HEV điển hình áp dụng phương án này.
Sơ đồ hệ thống động lực của ô tô hybrid kiểu song song LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 ICE và MG liên kết qua mặt đường: ICE truyền momen quay đến bánh xe chủ động qua hệ truyền động cơ khí truyền thống, MG được liên kết với bánh xe chủ động qua một trục khác. AQ được MG nạp điện nhờ tận dụng động năng của xe khi phanh hoặc động năng của xe ở chế độ hành trình. Trong trường hợp này, công suất của ICE được truyền đến MG thông qua mặt đường. Phương án này có ưu điểm đặc biệt trong trường hợp ô tô nhiều cầu chủ động, trong đó ICE và MG sẽ liên kết cơ khí với các cầu khác nhau.
Xe đạp máy có EM tích hợp trong moayơ của bánh xe trước và pedal quay bánh sau là ví dụ về kiểu hybrid song song có các nguồn động lực liên kết qua mặt đường. Hầu hết các mẫu P-HEV hiện nay được trang bị ICE với vai trò là nguồn động lực chính, còn MG chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc leo dốc. Với cấu hình như vậy, cả ICE và MG đều hoạt động với khoảng 50% công suất cực đại khi ô tô chạy với tốc độ trung bình, ICE phát công suất gần tối đa và MG phát khoảng 50 % công suất hoặc nhỏ hơn ở tốc độ lớn. Trên thị trường hiện nay, P-HEV có thị phần lớn hơn so với S-HEV.
Honda Insight, Honda Civic and Honda Accord là những mẫu P-HEV điển hình và chiếm thị phần đáng kể trong thời gian gần đây. General Motors Parallel Hybrid Truck (PHT), Saturn VUE Hybrid, Aura Greenline Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid cũng là những ô tô hybrid được xếp vào nhóm P-HEV. Ô TÔ HYBRID KIỂU HỖN HỢP Ô tô hybrid kiểu hỗn hợp (SP-HEV), còn được gọi là ô tô hybrid chia công suất (power-split hybrid vehicle) hoặc ô tô hybrid kiểu nối tiếp-song song (seriesparallel hybrid vehicle). Hệ động lực của Toyota Prius được xem là điển hình của SP-HEV và được trình bày dưới đây để minh họa đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ động lực SP-HEV.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Hệ động lực hybrid của Toyota Prius, thường được viết tắt là THS (Toyota Hybrid System), được cấu thành từ các thành tố cơ bản với chức năng sau đây [14,15, 20]: Động cơ xăng 4 kỳ hoạt động theo chu trình Atkinson (ICE) có chức năng dẫn động các bánh xe chủ động và lai môtơ-máy phát điện liên hợp MG1; Môtơ-máy phát điện liên hợp MG2 có chức năng chính là phối hợp với ICE dẫn động các bánh xe chủ động và chức năng phụ là phát điện nạp cho AQ trong quá trình phanh. MG2 có tính năng động lực học cao để đảm bảo ô tô rời chỗ nhẹ nhàng và tăng tốc tốt. AQ cao áp và AQ phụ: AQ phụ 12 V có chức năng duy trì hoạt động của hệ thống điều khiển. AQ cao áp có chức năng cung cấp điện cho MG2.
AQ cao áp thường xuyên được nạp điện từ máy phát MG1 trong quá trình ô tô chạy và từ MG2 trong quá trình phanh. Bộ chia công suất (Power Split Device - PSD) có cấu trúc và hoạt động tương tự như một hộp số bánh răng hành tinh. Giá đỡ các bánh răng hành tinh liên kết với ICE và được xem như đầu vào của hộp số, bánh răng mặt trời liên kết với MG1, vành răng liên kết với MG2 (Hình 1-3b). Toyota Prius được chế tạo trong những năm gần đây được trang bị hệ động lực có cấu trúc và nguyên lý hoạt động tương tự như các Toyota Prius thế hệ trước nhưng các thành tố cơ bản như ICE, MG1, MG2 và AQ cao áp được nâng cấp chất lượng hoặc điều chỉnh một số thông số tính năng.
Chiến lược điều khiển THS được thực hiện bằng bộ điều khiển điện tử trung tâm trong suốt quá trình hoạt động của ô tô. Có thể phân biệt các chế độ hoạt động đặc trưng sau đây: (1) Chế độ điện: Chế độ điện bao gồm các chế độ như ô tô bắt đầu chuyển động, chạy từ từ, xuống dốc trên đoạn đường có độ dốc nhỏ. Ở chế độ điện, ICE không hoạt động, MG2 chạy bằng điện từ AQ. Toyota Prius được trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 bị ắcqui cao áp có dung lượng vừa phải (6,5 Ah) nên chỉ cho phép hoạt động ở chế độ điện trong một thời gian tương đối ngắn; (2) Chế độ hành trình (còn gọi là chế độ chạy bình thường) là chế độ ô tô chạy đường dài.
Công suất của ICE được chia cho bánh xe chủ động và máy phát điện MG1 với tỷ lệ sao cho ICE làm việc ở vùng có hiệu suất tối ưu. MG2 chạy bằng điện từ máy phát. Nếu dung lượng của AQ thấp, một phần công suất của máy phát dùng để nạp điện cho AQ; (3) Chế độ trợ lực (còn gọi là chế độ gia tốc tối đa): Trong các điều kiện mà ICE không đáp ứng được (tăng tốc để vượt xe phía trước, leo dốc, v.), MG2 sẽ chạy bằng điện từ AQ cao áp để trợ lực cho ICE; a) b) Hình 1. Sơ đồ cấu tạo hệ động lực (a) và bộ chia công suất (b) của ô tô hybrid kiểu hỗn hợp - Toyota Prius (4) Chế độ nạp AQ (còn gọi là chế độ giảm tốc và phanh): LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 AQ được nạp điện trong quá trình phanh hoặc xuống dốc bằng điện từ MG2 hoặc bằng điện từ MG1 ở chế độ hành trình.