Đồ án: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của ô tô Toyota Prius Hybrid 2007

Tài liệu Toàn tập về toyota prius hybrid 2007: cấu tạo & sửa chữa tổng hợp lý thuyết và thực hành, phục vụ học tập ngành hiện nay

• Tác giả: Trần Hồng Quân
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Văn Thình
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Cấu tạo, Nguyên lý Hoạt động, Chức năng, Sơ đồ Mạch điện và Phương pháp Chẩn đoán Sửa chữa trên Xe Toyota Prius Hybrid 2007
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Toyota Prius Hybrid 2007 và Hệ thống THS II

Toyota Prius Hybrid 2007 là một bước tiến đáng kể trong công nghệ ô tô hybrid với hệ thống THS-II (Toyota Hybrid System II). Đây là thế hệ thứ hai của xe Prius, kết hợp hoàn hảo giữa hiệu suất nhiên liệu và hiệu năng động cơ. Xe được trang bị động cơ 1NZ-FXE dung tích 1.5L, hoạt động song song với hai motor điện MG1 và MG2. Hệ thống này cho phép xe chuyển đổi linh hoạt giữa ba chế độ: hoạt động bằng xăng, hoạt động bằng điện, hoặc kết hợp cả hai. Với công nghệ phanh tái sinh, xe tận dụng năng lượng từ quá trình động năng để sạc pin HV, giúp tăng hiệu suất nhiên liệu lên đến 50% so với xe xăng thông thường. Prius 2007 không chỉ là biểu tượng của công nghệ xanh mà còn là minh chứng cho sự cam kết của Toyota về phát triển bền vững.

1.1. Định nghĩa và Khái niệm Xe Hybrid

Xe hybrid là phương tiện sử dụng hai nguồn năng lượng: động cơ đốt trong (ICE) và động cơ điện. Hệ thống này cho phép tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu bằng cách sử dụng động cơ điện vào các tình huống tiêu thụ năng lượng thấp, như khi khởi động hoặc chạy với tốc độ thấp. Nguyên lý hoạt động của xe hybrid Prius dựa trên việc phân phối công suất thông minh giữa hai nguồn động lực, giảm đáng kể lượng khí thải và tiêu thụ xăng.

1.2. Thông Số Kỹ Thuật Chính của Prius 2007

Toyota Prius Hybrid 2007 sở hữu các thông số ấn tượng: động cơ 1.5L với công suất 76 kW, kết hợp với hai motor điện có tổng công suất 50 kW. Pin HV nickel-metal hydride dung lượng 1.3 kWh, cung cấp năng lượng ổn định. Xe đạt chuẩn khí thải Euro IV với mức tiêu thụ nhiên liệu chỉ 4-5L/100km. Hệ thống THS-II của Prius cho phép tối ưu hóa công suất từ cả động cơ xăng lẫn điện, tạo ra hiệu suất tổng thể vượt trội.

II. Cấu Tạo Chi Tiết Hệ Thống Hybrid trên Toyota Prius 2007

Hệ thống hybrid của Toyota Prius 2007 bao gồm nhiều thành phần phức tạp hoạt động điều hòa với nhau. Bộ phận chính gồm: động cơ 1NZ-FXE, cụm truyền động hybrid (EPG), bộ đổi điện (Inverter), pin HV, các cảm biến, và hệ thống điều khiển ECU. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất tối ưu của toàn bộ hệ thống. Cấu tạo Prius Hybrid được thiết kế để tối đa hóa hiệu suất năng lượng, giảm tỷ lệ khí thải, và cung cấp trải nghiệm lái xe mượt mà. Các bộ phận được sắp xếp chiến lược trong xe để tối ưu hóa không gian và khả năng làm mát.

2.1. Động Cơ 1NZ FXE và Nguyên Lý Hoạt Động

Động cơ 1NZ-FXE là trái tim của Prius 2007, một động cơ 4 xi lanh, 16 van, dung tích 1.5L, công suất 76 kW tại 5000 vòng/phút. Động cơ này được tối ưu hóa để hoạt động ở vùng hiệu suất cao nhất, với tỷ nén cao (13.5:1) để tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống VVT-i (Variable Valve Timing - intelligent) điều chỉnh thời gian van để phù hợp với điều kiện lái xe. Động cơ này chỉ hoạt động khi cần thiết, nhờ hệ thống quản lý của Prius Hybrid, giúp giảm tiêu thụ xăng tối ưu.

2.2. Cụm Truyền Động Hybrid EPG và Pin HV

Cụm truyền động hybrid (Epicyclic Planetary Gearset - EPG) là bộ truyền tải động lực độc đáo, kết nối động cơ xăng, hai motor điện MG1 và MG2 vào bánh xe. Hệ thống này cho phép chia tải động lực một cách tối ưu. Pin HV (High Voltage) loại nickel-metal hydride dung lượng 1.3 kWh cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống điện. Pin được sạc tự động thông qua động cơ MG1 hoặc phanh tái sinh, giúp duy trì năng lượng đủ cho hoạt động của các motor điện.

III. Sơ Đồ Mạch Điện và Hệ Thống Điều Khiển Hybrid

Sơ đồ mạch điện Prius 2007 là một hệ thống phức tạp gồm hai vòng điện: vòng điện cao áp (HV) và vòng điện thấp áp (12V). Vòng điện HV quản lý công suất động cơ điện và pin, trong khi vòng điện 12V cung cấp năng lượng cho các hệ thống phụ như đèn, điều hòa, và hệ thống điều khiển. Bộ đổi điện (Inverter) là bộ phận chuyển đổi dòng điện DC từ pin thành dòng điện AC ba pha cho motor điện, và ngược lại. Hệ thống CAN (Controller Area Network) kết nối tất cả các ECU, cho phép truyền tải thông tin liên tục. Hệ thống điều khiển Prius sử dụng các cảm biến để theo dõi tín hiệu đầu vào từ đạp ga, tốc độ, và trạng thái pin để ra quyết định điều khiển tối ưu.

3.1. Bộ Đổi Điện Inverter và Bộ Chuyển Đổi DC DC

Bộ đổi điện (Inverter) là thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống điện của Prius, chuyển đổi dòng điện DC từ pin HV thành dòng điện AC ba pha để vận hành motor điện MG1 và MG2. Bộ chuyển đổi DC/DC hạ thế từ 288V (điện áp HV) xuống 12V để cung cấp cho hệ thống 12V thông thường trên xe, bao gồm đèn, máy lạnh, và các hệ thống phụ khác.

3.2. Các Cảm Biến và Hệ Thống CAN

Các cảm biến Prius 2007 bao gồm cảm biến vị trí bàn đạp ga (APP), cảm biến số từng (Shift Position), cảm biến vòng quay động cơ (CAS), và cảm biến nhiệt độ. Những cảm biến này gửi tín hiệu liên tục đến hệ thống CAN, cho phép tất cả các ECU (động cơ, hybrid, pin HV) được đồng bộ hoá. Hệ thống CAN đảm bảo rằng quyết định điều khiển từ Hybrid ECU được thực hiện một cách chính xác và kịp thời để tối ưu hóa hiệu suất.

IV. Hướng Dẫn Chẩn Đoán và Sửa Chữa Hệ Thống Hybrid Prius 2007

Chẩn đoán và sửa chữa Prius Hybrid 2007 đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về hệ thống điện, cơ khí, và phần mềm. Quá trình chẩn đoán bắt đầu từ việc kiểm tra mã lỗi (DTC) bằng máy chẩn đoán OBD-II chuyên dụng cho Prius. Khi phát hiện lỗi, kỹ thuật viên cần kiểm tra chi tiết các cảm biến, bộ đổi điện, pin HV, và hệ thống điều khiển. Sửa chữa Prius có thể bao gồm thay thế cảm biến, sửa kết nối mạch điện, cân bằng lại pin HV, hoặc trong trường hợp nặng, thay thế toàn bộ bộ phận. Việc sử dụng dụng cụ chuyên dụng và tuân theo tiêu chuẩn an toàn là cần thiết, đặc biệt khi làm việc với hệ thống điện cao áp 288V.

4.1. Kiểm Tra Mã Lỗi và Triệu Chứng Hư Hỏng

Mã lỗi Prius được lưu trong ECU khi phát hiện bất thường. Các mã lỗi thường gặp bao gồm P0420 (Hệ thống khí thải), P0A04 (Pin HV), P0A15 (Motor MG1), P3040 (Chế độ hybrid). Kỹ thuật viên sử dụng máy chẩn đoán để đọc và xóa mã lỗi, sau đó kiểm tra các triệu chứng như: xe không khởi động, mất công suất, pin HV không sạc, hoặc động cơ hoạt động liên tục.

4.2. Quy Trình Sửa Chữa và Lưu Ý An Toàn

Quy trình sửa chữa Prius yêu cầu tắt hệ thống HV trước khi bắt tay sửa chữa, chờ 5 phút để xả điện. Kỹ thuật viên phải đeo áo chống tĩnh điện và sử dụng dụng cụ cách điện. Lưu ý an toàn Prius: không nên vứt vào nước hoặc chế biến pin HV tùy ý, đeo kính bảo vệ khi làm việc với dòng điện cao. Sau khi sửa chữa, cần kiểm tra lại mã lỗi và chạy xe test để đảm bảo hoạt động bình thường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau (mỗi nước có quy định riêng về khí thải của xe) nhưng đều có xu hướng từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự hao nhiên liệu. Mặt khác không những trong tương lai mà hiện nay nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể. Ngày nay xe chạy bằng dầu diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đã phổ biến trên thị trường dẫn đến ô nhiễm môi trường do khí xả của động cơ, làm bầu khí quyển ngày càng xấu đi, hệ sinh thái thay đổi dẫn đến hiệu ứng nhà kính.

Ngoài ra, nguồn nhiên liệu hóa thạch để phục vụ cho các hoạt động công nghiệp và phương tiện vận chuyển là dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt do nguồn cung giới hạn, nhu cầu sử dụng tăng. Đứng trước nhu cầu cấp bách đó việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ô nhiễm môi trường là vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và mọi người nói chung. Vì thế, nhu cầu sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch ngày càng trở nên bức thiết mà trong lĩnh vực giao thông đường bộ, các loại ô tô sử dụng điện, xăng và điện (hybrid)…đang được phát triển mạnh mẽ. Trong số này, xe hybrid được xem là một trong những dòng xe phù hợp với giao thông tại Việt Nam cũng như nhiều quốc gia trên thế giới Sự yêu thích và mong muốn tìm hiểu thêm về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đọc hiểu sơ đồ mạch điện và chẩn đoán, sửa chữa của các hệ thống hybrid này trên dòng xe TOYOTA PRIUS HYBRID 2007.

Mục tiêu của đề tài Tìm hiểu xe hybrid và nguyên lý hoạt động của hệ thống hybrid trên xe TOYOTA PRIUS HYBRID 2007 1. Phạm vi nghiên cứu - Đề tài đi sâu vào nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống hybrid trên xe - Tìm hiểu sơ đồ mạch điện trên xe Toyota Prius Hybrid 2007 - Nêu khái quát về một số lỗi hư hỏng thường gặp của các hệ thống trên xe. Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo tài liệu: thông qua tài liệu đào tạo của hãng Toyota, dịch tiếng nước ngoài, internet, tài liệu thống kê, biểu đồ, sơ đồ. - Tổng hợp tài liệu, phân tích tài liệu, giải quyết các vướng mắc, kết luận.

2 Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ XE HYBRID 2. Định nghĩa về Hybrid Hình 2. Xe Toyota Prius Hybrid Một chiếc xe được gọi là "Hybrid" nếu nó sử dụng từ 2 loại năng lượng trở lên để tạo ra lực kéo. Nói một cách chính xác hơn, xe Hybrid sẽ được trang bị một động cơ đốt trong truyền thống, một bình chứa nhiên liệu, một khối pin và một hay nhiều động cơ điện.

Xe Hybrid được chế tạo để kết hợp động cơ xăng và động cơ điện một cách hợp lý nhằm đạt được những yêu cầu khác nhau, ví dụ như: cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu, gia tăng sức mạnh hoặc cung cấp thêm năng lượng cho những thiết bị điện tử và tiện nghi trên xe,. Những nền tảng hybrid phổ biến  Hybrid nối tiếp Trong hệ thống Series Hybrid, động cơ đốt trong điều khiển một máy phát (thường là máy phát chỉnh lưu 3 pha) thay vì trực tiếp truyền động bánh xe. Máy phát điện sạc pin và cấp điện cho một động cơ điện để vận hành xe khi đó đòi hỏi một lượng điện lớn, động cơ sử dụng cả điện từ pin và máy phát điện. 3 Kiểu series hybrid đã tồn tại một thời gian dài: đầu máy dầu-điện, máy cẩu đất thủy lực,… Hình 2.

Hoạt động của loại series hybrid Ưu điểm của series hybrid: - Không có liên kết cơ khí giữa động cơ và bánh xe. Nhóm máy động cơ phát điện có thể đặt ở bất kì đâu. - Không có bộ truyền động cơ khí truyền thống (hộp số, trục truyền động)  Tiết kiệm được không gian trên xe. - Động cơ có thể hoạt động ở số vòng quay ngắn (phạm vi hiệu quả nhất), ngay cả khi xe thay đổi tốc độ.

- Hoạt động hiệu quả khi lái xe trong thành phố. Nhược điểm của series hybrid: - Tổng trọng lượng, chi phí của hệ thống truyền động có thể là quá nhiều - Công suất của động cơ đốt trong phải tiêu hao cho cả máy phát điện và động cơ điện. 4  Hybrid song song Hệ thống lai song song (parallel hybrid) có cả động cơ đốt trong và động cơ điện song song kết nối cơ khí với nhau. Hoạt động của loại parallel hybrid Hầu hết các thiết kế kết hợp một máy phát điện lớn và động cơ vào một cụm, thường nằm giữa động cơ đốt trong và bộ truyền động, thay thế cho động cơ khởi động truyền thống và máy phát điện.

Pin có thể được sạc lại trong quá trình phanh và trong quá trình chạy (khi điện ICE cao hơn công suất cần thiết cho động cơ đẩy). Vì có một liên kết cố định giữa bánh xe và động cơ nên không thể sạc pin khi xe không di chuyển. Ưu điểm của kiểu parallel hybrid: - Cho hiệu suất cao hơn trong suốt quá trình chạy và trên đường cao tốc - Linh hoạt trong chuyển đổi giữa động cơ nhiệt và động cơ điện Nhược điểm của kiểu parallel hybrid: - Động cơ không vận hành trong phạm vi số vòng quay thấp hoặc không đổi, do hiệu quả giảm ở tốc độ thấp. - Hệ thống phức tạp.

5  Hybrid kết hợp (THS – TOYOTA HYBRID SYSTEM) Hệ thống lai kết có tính năng của 2 kiểu series và parallel hybrid. Đó là sự kết nối giữa động cơ và trục truyền động: Cơ và điện Hình 2. Cơ cấu kết cấu kiểu kết hợp Ở tốc độ thấp, hệ thống này sẽ hoạt động như kiểu hybrid nối tiếp, trong khi ở tốc độ cao hiệu suất của kiểu nối tiếp không đạt hiệu quả cao thì động cơ sẽ hoạt động. Hệ thống này thì phức tạp hơn so với kiểu hybrid song song vì nó có thêm một máy phát điện bổ sung.

Kết hợp của bánh răng hành tinh trong xe hybrid 6 Ưu điểm của kiểu hybrid kết hợp: - Linh hoạt chuyển đổi giữa điện và động cơ - Thiết kế động cơ nhỏ hơn, nhẹ hơn và hiệu quả hơn do sự tách rời công suất động cơ và điện Nhược điểm của kiểu hybrid kết hợp: - Rất phức tạp, tốn kém hơn hệ thống hybrid kiểu song song - Hiệu quả truyền tải điện thấp do phải truyền điện qua đường dây, nhiều bộ chuyển đổi lên có thể giảm hiệu suất truyền điện từ 98% xuống còn 70%. Bảng so sánh các tính năng của các hệ thống Hybrid Cải thiện tính tiết kiệm nhiên liệu Tính năng lái xe Hệ thống Cải thiện Kiểm soát Phục hồi và Tổng Công suất tính tiết hoạt động Tăng tái sử dụng hiệu ra ở mức kiệm nhiên hiệu suất tốc năng lượng suất cao liên tục liệu cao Nối tiếp       Song song       THS (Nối tiếp - song       song) Chú thích : Rất tốt : Tốt : Cần cải thiện 7 2. Tổng quan về xe TOYOTA PRIUS HYBRID 2007 2. Thông số kỹ thuật Hình 2.

Toyota Prius Hybrid 2007 Bảng 2. Bảng thông số kỹ thuật của xe Toyota Prius Hybrid 2007 ĐỘNG CƠ Kết hợp động cơ xăng 1NZ-FXE và động cơ điện 500V, Loại (THS) VVT-i kép, 4 xylanh thẳng hàng, 16 van DOHC Dung tích xylanh 1.5 Mô men xoắn cực đại 112 / 4200 (Nm/rpm) Công suất cực đại động cơ 57 / 5000 (kW/rpm) Công suất cực đại của motor 50/1200 điện (KW/rpm) Dung lượng PIN (KW) 82 Bố trí động cơ Đặt phía trước Vật liệu gia công thân, nắp Hợp kim nhôm động cơ HỆ THỐNG TREO Treo trước Hệ thống treo độc lập, lò xo cuộn và thanh cân bằng 8 Treo sau Liên kết 4 điểm, lò xo cuộn và thanh cân bằng HỘP SỐ Loại Tự động 1 cấp SỨC CHỨA Số ghế 5 KÍCH THƯỚC VÀ KHỐI LƯỢNG Khối lượng xe (kg) 1721 Chiều dài cơ sở (mm) 2700 Chiều dài (mm) 4445 Chiều rộng (mm) 1725 Chiều cao (mm) 1475  So sánh xe hybrid và xe thông thường Bảng 2. Bảng so sánh xe hybrid với xe thông thường Xe thông Hạng mục Xe lai Hybrid Lưu ý cho xe Hybrid thường Motor dẫn động xe khi động cơ Động cơ Nguồn không hoạt động. Công suất của Động cơ Motor công suất động cơ được sử dụng để dẫn động Máy phát xe và tạo ra điện năng.

A/T Phân chia công suất động cơ, mô tơ Hộp số M/T Bộ chia công suất , máy phát. CVT Có chức năng như một CVT. Phanh Phanh thủy Phanh thủy lực Phối hợp điều khiển giữa phanh lực phanh tái sinh thủy lực và phanh tái sinh. Ắc quy 12 V Điện áp cao để dẫn động mô tơ kéo Ắc quy Ắc quy 12 V Ắc quy 201.

ECU ắc quy HV Các thiết bị này điều khiển động cơ, Hệ thống ECM ECM motor và máy phát. truyền lực Bộ đổi điện 9 2. THS II (TOYOTA HYBRID SYSTEM – II) trên xe PRIUS 2007 Xe Prius mới hoạt động dưới THS-II nó mang từ các hệ thống cơ bản từ hệ thống THS của xe đời cũ. THS-II theo đuổi hình mẫu chiếc xe thân thiện với môi trường và công suất cao, theo sau quan điểm "HYBRID SYNERGY DRIVE".

Sự cải tiến này tăng tính năng của xe thông qua sự điều phối giữa công suất môtơ và công suất động cơ. Logo xe Hybrid Bằng cách trang bị THS-II, xe PRIUS có thể đáp ứng được tính cân bằng giữa hiệu năng và tính tiết kiệm nhiên liệu thông qua sự điều phối giữa hiệu suất cao của motor ở tốc độ thấp và hiệu suất cao của động cơ ở tốc độ ổn định.  Các điểm khác nhau chính giữa THS và THS-II Hình 2. Sự khác nhau giữa THS và THS-II 10 Chương 3: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THS-II TRÊN XE TOYOTA PRIUS HYBRID 2007 3.

Cấu tạo của hệ thống hybrid trên xe TOYOTA PRIUS HYBRID 2007 3. Vị trí trên xe Hình 3. Vị trí chi tiết từng bộ phận trên xe Bảng 3. Các bộ phận trên xe Hybrid 1 Động cơ xăng 1NZ-FXE 2 Ắc quy phụ 3 Ắc quy HV 4 Cáp nguồn Cụm truyền động Hybrid 5 ECU điều khiển nguồn (HV CPU) 6 - Máy phát (MG1) - Motor (MG2)- Bộ đổi điện -Bộ chuyển đổi tăng cường 7 8 Máy nén và môtơ (có bộ đổi điện) -Bộ đổi điện -Bộ đổi điện DC/DC 11 Hình 3.