Bộ phân chia công suất (Power Split Device-PSD) – Trái tim của hệ thống động lực Hybrid Toyota Prius

Bộ phân chia công suất (Power Split Device-PSD) – Trái tim của hệ thống động lực Hybrid Toyota Prius  Trong hệ thống động lực ô tô Toyota Prius, một bộ phận trọng tâm quyết định sự phân phối công suất giữa các nguồn điện và nhiệt, đó là Bộ phân chia công suất (Power Split Device-PSD).  1. Lời mở đầu        Kể từ năm 1885, khi chiếc ô tô đầu tiên của thế giới ra đời đến nay, ô tô đã trở thành một phương tiện vận tải không thể thiếu trong đời sống của con người. Cùng với sự phát triển của kinh tế và xã hội, thì số lượng ô tô đã không ngừng tăng lên.        Tuy nhiên, sự gia tăng về số lượng ô tô đã làm nảy sinh hai vấn đề nan giải: ô nhiễm môi trường do khí thải ô tô tạo ra và nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt.        oyota là hãng xe luôn đi đầu trong việc đầu tư phát triển các công nghệ mới cho ô tô để tận dụng tốt nhất nguồn năng lượng của nhiên liệu và giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi trường. Mục tiêu sản xuất ra các loại xe thân thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu được Toyota đề cao như một trách nhiệm và mục tiêu phát triển. Một trong những thành công nổi trội của Toyota là cho ra đời công nghệ Hybrid, công nghệ này đã được áp dụng trên chiếc Toyota Prius.         Từ khi ra đời tại Tokyo Nhật Bản cho đến nay, Toyota Prius đã trải qua ba thế hệ và đã hai lần đạt giải thưởng “Xe của năm”, đồng thời đạt giải thưởng “Bảo vệ khí hậu toàn cầu” tại Mỹ do EPA trao. Năm 1998, Toyota xuất khẩu hằng tháng khoảng 20.000 chiếc Prius cho thị trường Bắc Mỹ và châu Âu. Tính từ năm 2000 đến 2007, tổng doanh số của Prius tại Mỹ là 500.000 chiếc. Và sau đó doanh số bán ra của ô tô Toyota Hybrid không ngừng tăng lên.       Trong hệ thống động lực ô tô Toyota Prius, một bộ phận trọng tâm quyết định sự phân phối công suất giữa các nguồn điện và nhiệt, đó là Bộ phân chia công suất (Power Split Device-PSD). 2. Cấu tạo và nguyên lí làm việc a. Cấu tạo           Toyota Prius sử dụng kết hợp hai nguồn động lực là động cơ đốt trong và động cơ điện. Động cơ đốt trong là một động cơ nhiệt 1NZ-FXE sử dụng nhiên liệu xăng, còn động cơ điện ở đây là một tổ hợp motor-máy phát điện, nó là một motor điện khi cần cung cấp cơ năng cho hệ thống hoạt động và là máy phát điện để nạp điện cho acquy khi tận dụng nguồn năng lượng dư thừa của động cơ nhiệt hoặc tái sinh năng lượng trong quá trình phanh giảm tốc độ, xuống dốc, Bộ phân chia công suất phối hợp hai nguồn động lực này một cách tối ưu nhất để tận dụng tối đa nguồn năng lượng, giúp tiết kiệm nhiên liệu.         Bộ phân chia công suất (PSD) thực chất là một hệ bánh răng hành tinh trong đó:          - Vành răng bao liên kết với tổ hợp motor-máy phát số 2 (MG2). Trục vành răng bao cũng là trục ra của bộ phân chia công suất, truyền momen qua một hệ bánh răng tới trục bánh xe.         - Bánh răng mặt trời liên kết với tổ hợp motor-máy phát số 1 (MG1).         - Giá của các bánh răng vệ tinh liên kết với trục ra động cơ nhiệt.  Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo bộ phân chia công suất PSD b. Nguyên lí làm việc        Cụm bánh răng hành tinh trong bộ phân chia công suất có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạm gọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh của nó có thể truyền công suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xe chủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau. Các bánh răng hành tinh này hoạt động như một hộp số vô cấp (Continuously Variable Transmission- CVT).        MG1 có nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ắc quy điện áp cao đồng thời cấp điện năng để dẫn động cho MG2. MG1 hoạt động như một mô tơ để khởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh gần giồng như một CVT. MG2 có nhiệm vụ dẫn động cho các bánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2 hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm tái sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc quy điện áp cao.          Để hiểu rõ hơn về nguyên lí làm việc của PSD, ta khảo sát các chế độ làm việc của nó: + Chế độ khởi động: Hình 2.2. Bộ PSD ở chế độ khởi động Ngay lập tức sau khi nhấn nút khởi động hoặc hoặc nhấn bàn đạp ga để kích hoạt, hệ thống hybrid sẽ hoạt động trở lại. Thành phần được mô tả ở trung tâm là motor nhỏ, còn được biết đến là MG1 sẽ bắt đầu quay theo chiều kim đồng hồ, 4 bánh răng hành tinh ăn khớp ngoài với nó sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. Khi tốc độ tăng lên, momen sinh ra sẽ tác động lên cần giữ 4 bánh răng hành tinh, làm cần bắt đầu xoay. Do cần được nối với trục khuỷu động cơ nên nhờ vậy động cơ bắt đầu khởi động. Ngoài ra cần lưu ý rằng 4 bánh răng hành tinh cũng ăn khớp với vành răng ngoài, tuy nhiên động năng không được truyền cho vành răng ngoài mà các bánh răng hành tinh tự quay quanh mình, do vậy bánh xe không dịch chuyển. Nhưng nếu các bánh xe đã trong quá trình chuyển động, quá trình khởi động cũng diễn ra tương tự, điểm khác biệt duy nhất đó là motor nhỏ cần ít năng lượng hơn để khởi động được động cơ. + Chế độ chạy êm: Hình 2.3. Bộ PSD ở chế độ chạy êm Mặc dù quá trình này xảy ra có vẻ giống quá trình “Khởi động”, song chúng khác nhau hoàn toàn. Thay vì công suất nhận được từ bánh răng mặt trời, chúng được truyền từ vành răng bao. Motor lớn, còn được gọi là MG2 nhận điện năng từ ac-quy HV để tạo ra momen làm quay vành răng bao, truyền công suất đến các bánh xe. Động năng của vành răng bao làm quay 4 bánh răng hành tinh. Nếu MG1 ở trung tâm được giữ lại (nhờ năng lượng điện), cần giữ 4 bánh răng hành tinh sẽ quay làm quay động cơ. Nhưng trên thực tế MG1 quay tự do, như vậy các bánh răng mặt trời và bánh răng hành tinh quay tự do quanh trục của nó. + Chế độ tăng tốc: Hình 2.4. Bộ PSD ở chế độ tăng tốc Khi xe tăng tốc, cả motor lớn và động cơ nhiệt đều tham gia cung cấp động năng cho các bánh xe. Motor nhỏ cũng tham gia chuyển động quay với vai trò là một máy phát. Nó tạo ra điện năng và ngay lập tức được motor lớn MG2 tiêu thụ. Sự chuyển đổi linh hoạt giữa máy phát - động cơ điện này là một lợi ích vô cùng to lớn đối với tuổi thọ của ac quy, giảm được quá trình phóng nạp điện của ăc quy. + Chế độ chạy theo trớn:  Hình 2.5. Bộ PSD ở chế độ chạy theo trớn      Chế độ này tương tự “Tăng tốc”, nhưng cần ít năng lượng hơn. Số vòng quay của động cơ nhiệt giảm xuống đến lúc các bánh răng hành tinh quay theo chiều ngược lại. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tốc độ của xe giảm xuống thấp hơn 42 MPH, lúc này động cơ nhiệt sẽ ngừng hoạt động và hệ thống chuyển sang chế độ  “Thả trôi”. + Chế độ chạy lùi: Hình 2.6. Bộ PSD ở chế độ chạy lùi Khi động cơ nhiệt ngừng hoạt động, motor nhỏ sẽ quay để dẫn động các bánh răng hành tinh. Kết quả là motor lớn quay theo, nhưng theo hướng ngược lại. Động cơ nhiệt có thể bị khởi động trong khi xe chạy lùi, tuy nhiên lúc này chế độ chạy lùi vẫn tiếp tục diễn ra. Động cơ điện nhỏ chỉ cần quay nhanh hơn để bù đắp sự thay đổi tốc độ bên trong, giữ xe chuyển động cùng tốc độ. Đây là một thiết kế đơn giản nhưng rất tinh tế, cung cấp một loạt các chế độ linh hoạt chỉ với một vài bộ phận nhỏ tham gia liên tục và lâu dài. + Chế độ chạy lùi khi động cơ nhiệt đang hoạt động. Hình 2.7. Bộ PSD ở chế độ chạy lùi khi động cơ hoạt động Ở một vài thời điểm của chế độ “Chạy lùi”, động cơ nhiệt có thể bị khởi động. Khi điều này xảy ra, nó làm giảm động năng có ích truyền đến các bánh xe. Song việc động cơ khởi động cung cấp đồng thời nhiệt năng và điện năng nên điều này có thể chấp nhận được. Chế độ này rất tiện lợi vì đã loại bỏ hoàn toàn số lùi truyền thống như trên các xe khác. + Chế độ thả trôi xe: Hình 2.8. Bộ PSD ở chế độ thả trôi xe Khi không còn cần năng lượng từ các nguồn động lực, tốc độ của xe thấp hơn 42 MPH, động cơ nhiệt sẽ tắt hoàn toàn, song các bánh răng hành tinh vẫn tiếp tục quay còn cần giữ chúng thì đứng yên nhờ đó các động cơ điện quay tự do, điều này cũng tương tự như xe đang về số 0 đối với các xe số sàn thông thường. 3. Quan hệ vận tốc góc và momen giữa các thành phần: a. Quan hệ vận tốc góc:        Gọi   lần lượt là vận tốc góc của bánh răng trung tâm, vành răng bao và cần C.         Theo công thức Willis của hệ bánh răng vi sai thì:                                     (1) Trong đó:        -  R1, R2 lần lượt là bán kính của bánh răng trung tâm và bánh răng bao.        - Z1, Z2 lần lượt là số răng của bánh răng trung tâm và bánh răng bao.        - n1, n2, nc lần lượt là số vòng quay của bánh răng trung tâm, bánh răng bao và cần C.        Biến đổi công thức (1) ta được quan hệ vận tốc giữa các thành phần trong hệ vi sai:                                        (2) * Trong việc nghiên cứu về mối quan hệ vận tốc giữa các thành phần trong hệ bánh răng vi sai, các vecto vận tốc thành phần thường được biểu diễn theo sơ đồ sau: Hình 3.1. Quan hệ vận tốc giữa các thành phần của hệ bánh răng vi sai Theo hình 3.1 thì:        - Trục a biểu diễn vận tốc của vành răng bao.        - Trục b biểu diễn vận tốc của động cơ nhiệt.        - Trục c biểu diễn vận tốc của bánh răng trung tâm.        Chọn chiều dương của vận tốc là chiều hướng lên trên. Khoảng cách giữa hai trục b và c có giá trị là tỉ số Z2/Z1, khoảng cách giữa trục a và trục b là 1.        Gọi A,B,C lần lượt là 3 điểm cuối của các đoạn thẳng n2, nc, n1 (điểm đầu của các đoạn thẳng nằm tại đườngn=0), như vậy ở bất kì vị trí nào, ta luôn có A,B,C nằm trên một đường thẳng.        Thực vậy, để chứng minh 3 điểm A,B,C thẳng hàng ta chứng minh bằng phương pháp vecto như sau:       -  Đặt hệ tọa độ xOa lên hình vẽ, lúc này các điểm sẽ có tọa độ là: A(0,  ); B(1, );          - Từ công thức (1), suy ra:         Vì vậy A, B, C luôn thẳng hàng. b. Quan hệ mômen:        Trong chế độ làm việc ổn định (vận tốc góc của các khâu của hệ bằng hằng số), bằng cách bỏ qua mất mát năng lượng (do ma sát trong các khớp động,) ta áp dụng định lí động năng, định lí momen động lượng và quan hệ vận tốc góc giữa các khâu để xác định quan hệ momen của hệ bánh răng vi sai.        Khi cần C là khâu dẫn chịu tác động của momen   , vành răng bao ngoài và bánh răng trung tâm là hai khâu bị dẫn với momen cản có ích lần lượt là   .         Áp dụng định lí biến thiên động năng, ta có:                                                                                                                       (3)        Áp dụng định lí biến thiên momen động lượng, ta có:                                                                                                                              (4) Thay vào ta được:                                             Áp dụng công thức Willis, ta có:                                    (5) Thay (5) vào (4), ta có:              mà :                                                    Trong đó lần lượt là momen có ích do động cơ nhiệt sinh ra trên trục bánh răng trung tâm và vành răng bao.        Từ đó ta có thể suy ra quan hệ momen của các thành phần trong hệ vi sai là: c. Momen tổng hợp tại trục ra:        Momen tại trục ra bằng tổng của momen MG2 và momen do động cơ nhiệt truyền đến trục vành răng bao, có nghĩa là:        Trong đó Mmg2: là momen của tổ hợp động cơ điện/máy phát số 2 sinh ra trên trục vành răng bao.      Công suất trục ra:                                        4. Kết luận        Trong hệ thống động lực của xe Toyota Prius, bộ phân chia công suất (PSD) đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Tùy vào từng điều kiện vận hành cụ thể của xe, PSD kết hợp hài hòa các nguồn động lực, luôn đảm bảo công suất tối ưu nhất được truyền đến bánh xe đồng thời phân chia phần công suất dư thừa để tích trữ dưới dạng điện năng. Điều này giúp tận dụng tối đa năng lượng của nhiên liệu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.        Với chức năng vô cùng quan trọng như được mô tả, nhiều nhà nghiên cứu gọi PSD là trái tim của hệ thống động lực ô tô Hybrid Toyata Prius. Tài liệu tham khảo: [1] Toyota “Hybrid synergy drive”. [2]  Mitch Olszewski and Susan A. Rogers. “Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System”. USA: Oak Ridge National Laboratory; 2005. [3]  Yanhe Li and Narayan C.Kar. “Advanced Design Approach of Power Split Device of Plug-in Hybrid Electric Vehicles Using Dynamic Programing”. Canada: University of Windsor; 2011.