Hệ thống Toyota Hybrid II, còn được gọi là Hybrid Synergy Drive là tên mà Toyota Motor Corporation đặt cho công nghệ truyền động xe Hybrid được sử dụng đa số trong các xe mang nhãn hiệu Toyota và Lexus. Công nghệ này được giới thiệu lần đầu tiên trên xe Prius vào năm 2003 , công nghệ này hiện nay còn là một phân khúc tùy chọn trên một số xe khác. Toyota cũng đã cấp phép công nghệ Toyota Hybrid II của mình cho Nissan để sử dụng trong hệ thống Nissan Altima Hybrid.
Tiền thân của công nghệ này được gọi là Toyota Hybrid được ra mắt vào năm 1997, nó cho phép một chiếc xe hybrid hoàn toàn có thể chỉ chạy bằng động cơ điện, trái ngược với hầu hết các xe Hybrid của các thương hiệu khác. Toyota Hybrid là sự kết hợp giữa xe điện và bộ truyền động hộp số bánh răng hành tinh hoạt động cùng nguyên lý với hộp số vô cấp .
Toyota Hybrid là hệ thống truyền động bằng tín hiệu điện không có liên kết trực tiếp giữa động cơ và bộ điều khiển: cả bàn đạp ga và cần chuyển số trong xe đều gửi tín hiệu điện đến hộp điều khiển. Hệ thống truyền động này kết hợp động cơ xăng và động cơ điện, và vì không cần sạc bên ngoài như các xe điện hiện có, nên hệ thống này hoạt động trong các cơ sở hạ tầng hiện có như cơ sở tiếp nhiên liệu. Hệ thống này cũng đạt được hiệu suất nhiên liệu gấp gần hai lần so với động cơ xăng thông thường.
Tại Triển lãm ô tô New York năm 2003, hãng xe đã cho đã giới thiệu mẫu xe Prius hoàn toàn mới với công nghệ Toyota Hybrid II , đưa ra khái niệm “Hybrid Synergy Drive” mang lại công suất cao hơn và khả năng tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn so với mẫu xe Prius trước đó. Toyota đã phát triển một hệ thống thế hệ mới được gọi là hệ thống Toyota Hybrid II, bằng cách tăng công suất động cơ lên 1,5 lần, toàn bộ hệ thống đã tăng đáng kể công suất và điện áp cung cấp cho động cơ điện.
Ngoài ra, hệ thống còn có những tiến bộ đáng kể trong hệ thống điều khiển, tối ưu công suất tổng giữa động cơ đốt trong và động cơ pin. Toyota đã định hướng công nghệ Toyota Hybrid II là công nghệ cốt lõi của mình. Bắt đầu với sự phát triển của xe điện, những nỗ lực không ngừng nghỉ của hãng hiện đã giúp Toyota Hybrid II đạt đến giới hạn cao nhất công nghệ hiện tại có thể đáp ứng. Toyota cho biết sẽ tiếp tục nỗ lực để đạt được những tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực này
Hệ thống Toyota Hybrid II là gì?
Định nghĩa là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện nhằm đạt được công suất khác nhau cho các trường hợp cụ thể thông qua các tổ hợp truyền động khác nhau.
Hệ thống Toyota Hybrid II là sự kết hợp của hai nguồn công suất, thường là động cơ đốt trong và động cơ điện, để tận dụng lợi thế cả hai nguồn lực này mang lại trong khi bù đắp cho những thiếu sót của nhau, mang lại hiệu suất năng lượng. Mặc dù hệ thống Toyota Hybrid II sử dụng động cơ điện, nhưng xe không cần sạc như xe điện.
Hệ thống Toyota Hybrid II sự dụng thiết kế Hybrid nối tiếp kết hợp song song để tối đa hóa công suất của cả hai hệ thống. Tùy thuộc vào điều kiện lái xe, hệ thống truyền lực chỉ sử dụng động cơ điện hoặc cả động cơ điện và động cơ để đạt được hiệu suất cao nhất. Hơn nữa, khi cần thiết, hệ thống sẽ dẫn động đồng thời tạo ra điện sạc ngược lại cho pin.
Đặc điểm của Hệ thống Toyota Hybrid II
Hệ thống Toyota Hybrid II sở hữu bốn đặc điểm sau:
1) GIẢM THIỂU TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG
Hệ thống sẽ tự động dừng động cơ khi xe không chạy mà vẫn không tắt máy (dừng không tải), do đó giảm năng lượng thường bị lãng phí.
2) PHỤC HỒI VÀ TÁI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
Năng lượng bị lãng phí dưới dạng nhiệt năng trong khi giảm tốc và phanh được phục hồi dưới dạng năng lượng điện, sau đó được sử dụng để sạc lại cho pin và cấp nguồn động cơ điện.
3) HỖ TRỢ ĐỘNG CƠ
Động cơ điện hỗ trợ động cơ đốt trong khi xe tăng tốc.
4) ĐIỀU KHIỂN XE LUÔN VẬN HÀNH Ở HIỆU SUẤT CAO
Hệ thống Toyota Hybrid II tối đa hóa hiệu suất của xe bằng cách sử dụng động cơ điện để vận hành xe trong điều kiện hiệu suất của động cơ đốt trong thấp, và hệ thống Toyota Hybrid II sẽ tạo ra điện khi động cơ đốt trong có hiệu suất của cao.
Hệ thống Toyota Hybrid II tự hào Nhờ có công suất lớn hơn 1,5 lần nhờ tối ưu công suất tạo ra của động cơ đốt trong, động cơ pin và máy phát điện. Hệ thống Toyota Hybrid II sử dụng điện áp cao và pin hiệu có suất cao để tăng nguồn cung cấp điện. Do đó, công suất cả hai động cơ cùng nhau mang lại mạnh mẽ hơn nhưng lại mượt mà hơn
Cấu tạo hệ thống
Toyota đã tự mình phát triển tất cả các thành phần chính của hệ thống Toyota Hybrid II. Mạch điện cao áp, động cơ, máy phát và pin đều được hãng xe thiết kế lại, cho phép hệ thống Toyota Hybrid II có thể tiếp tục phát triển sau này.
Hệ thống Toyota Hybrid II bao gồm hai nguồn động lực, gồm động cơ xăng hiệu suất cao sử dụng Chu trình Atkinson và động cơ điện xoay chiều có công suất lớn, máy phát điện, Pin sạc Niken-Kim loại Hydride (NiMH) hiệu suất cao và bộ điều khiển công suất. Bộ điều khiển công suất này chứa mạch điện cao áp để nâng điện áp của hệ thống cung cấp điện cho động cơ và máy phát điện lên điện áp cao 500 V, ngoài ra còn có bộ biến tần AC-DC đặc biệt để chuyển đổi dòng điện.
Các thành phần chính khác bao gồm bộ phận chia công suất, hệ thống truyền lực từ động cơ đốt trong, động cơ pin bằng cách phân bổ và kết hợp chúng. Bộ điều khiển công suất điều khiển chính xác các bộ phận này ở tốc độ cao để cho phép chúng hoạt động hiệu quảp với nhau một cách trơn tru và mượt mà nhất.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống Toyota Hybrid II
1. Khởi động hoặc vận hành ở tua máy từ thấp đến trung bình
Động cơ xăng không hoạt động khi có hiệu suất thấp, chẳng hạn như khi khởi động hoặc vận hành ở tua máy từ thấp đến trung bình. Xe chạy chỉ bằng động cơ điện.
2 Trong điều kiện bình thường
Công suất hai động cơ được chia bởi bộ điều khiển công suất. Một phần công suất làm quay máy phát điện, sau đó máy phát điện lại cấp nguồn cho động cơ điện (B). Hai phần công suất được tổng hợp lại làm quay bánh xe (C).Phân bổ công suất được kiểm soát để tối đa hóa hiệu quả.
3 Tăng tốc đột ngột
Nguồn điện được cấp từ pin (A) cho động cơ điện, công suất từ động cơ xăng và động cơ điện được tổng hợp (B+C) để cải thiện hiệu quả tăng tốc.
4 Giảm tốc, phanh
Động cơ điện giờ đây hoạt động như một máy phát công suất cao, được dẫn động bởi bánh xe của xe. Hệ thống phanh tái tạo này sẽ thu hồi năng lượng động học dưới dạng năng lượng điện để sạc lại cho pin (D).
5 Mức pin thấp
Khi mức pin giảm đến ngưỡng tối thiểu để xe hoạt động bình thường. Động cơ xăng dẫn động máy phát để sạc lại pin. (E)
Hệ thống cung cấp điện áp cao
Mạch điện áp cao
Mạch điện áp cao là công nghệ mới hỗ trợ cho hệ thống Toyota Hybrid II. Bằng cách này , điện áp của động cơ điện và máy phát đã được tăng từ 274V trong Toyota Hybrid đầu tiên lên mức tối đa là 500V trong hệ thống Toyota Hybrid II. Do đó, hệ thống có thể cung cấp điện cho động cơ với cường độ dòng điện nhỏ hơn, góp phần tăng hiệu suất.
Motor
Động cơ được phát triển dựa trên các công nghệ mà Toyota đã ấp ủ từ khi làm việc với các loại xe điện. hệ thống Toyota Hybrid II sử dụng động cơ xoay chiều một pha, là động cơ không chổi than hiệu suất cao với dòng điện AC. Cấu tạo gồm nam châm vĩnh cửu và rôto làm từ các tấm thép điện từ xếp chồng lên nhau. Ngoài ra, bằng cách sắp xếp các nam châm vĩnh cửu theo hình chữ V, mô-men xoắn truyền động được cải thiện và công suất được tăng lên. Hơn nữa, nhờ việc kết hợp với nguồn điện lớn hơn, công suất đầu ra đã tăng khoảng 1,5, từ 33 kW lên 50 kW,, tạo ra công suất đầu ra cao nhất từng được thấy trên một động cơ điện cùng kích cỡ.
Máy phát
Giống như động cơ, máy phát điện cũng là loại đồng bộ xoay chiều. Để có thể cung cấp đủ điện cho động cơ công suất cao, máy phát phải được quay ở tốc độ cao nhằmtăng công suất của nó. Các biện pháp như tăng cường công suất của rô-to đã tăng số vòng tua máy phát tối đa có thể đạt được từ 6.500 lên 10.000 vòng/phút. Vòng tua máy cao này đã tăng đáng kể chất lượng nguồn cấp điện, cải thiện hiệu suất tăng tốc ở tốc độ thấp/trung bình. Kết quả là hệ thống Toyota Hybrid II đã đạt được sự kết hợp tối ưu giữa động cơ công đốt trong hiệu suất cao và động cơ điện.
Bộ điều khiển công suất , Pin và Hệ thống phanh tái tạo
Bộ điều khiển công suất
Bộ điều khiển công suất bao gồm một bộ biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều để điều khiển động cơ và một bộ chuyển đổi dòng điện một chiều thành 12V. Trong hệ thống Toyota Hybrid II chứa một mạch điện cao áp có thể tăng điện áp nguồn điện lên 500V.
Dựa trên mối quan hệ P = U x I, việc tăng điện áp giúp giảm dòng điện, từ đó giúp giảm kích thước của bộ biến tần. Ngoài ra, vì các mạch điều khiển đã được tích hợp nên kích thước của chính bộ điều khiển công suất vẫn gần như không đổi so với trước đây.
Biến tần bằng bán dẫn
Thiết bị chuyển mạch bán dẫn này tăng điện áp từ pin và chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều để điều khiển động cơ. Vì dòng điện phải chuyển mạch lớn nên việc giảm thiểu tỏa nhiệt là rất quan trọng. Do đó, Toyota đã phát triển một hệ thống bóng bán dẫn độc đáo được tinh chỉnh xuống mức tinh thể. Thiết bị này nhỏ hơn 20% so với thiết bị tương tự mà vẫn đạt được mức tỏa nhiệt thấp và hiệu suất cao.
Pin
Trong hệ thống Toyota Hybrid II, Pin sạc Niken-Kim loại Hydride (NiMH) nhỏ gọn, hiệu suất cao đã được cải tiến hơn nữa. Pin được giảm điện trở bên trong bằng cách cải thiện vật liệu của hai điện cực và sử dụng cấu trúc kết nối hoàn toàn mới giữa các cell pin. Nhờ đó khả năng sạc và xả của pin mới tốt hơn 35% so với loại pin cũ, đạt được khả năng xả dòng cao nhất trên thế giới. Để duy trì mức sạc không đổi, pin mới được xả hoặc nhận năng lượng sạc từ máy phát và động cơ, do đó không cần sạc bên ngoài như xe điện.
Hệ thống phanh tái tạo
Hệ thống phanh tái tạo được sử dụng trong Toyota Hybrid II, trong quá trình phanh bằng động cơ và phanh bằng phanh chân, động cơ điện đóng vai trò như một máy phát công suất cao, chuyển đổi động năng của xe thành năng lượng điện, năng lượng này được sử dụng để sạc pin.
Hệ thống này đặc biệt hiệu quả trong việc thu hồi năng lượng khi lái xe trong thành phố, nơi xe tăng tốc và giảm tốc lặp đi lặp lại liên tục. Khi phanh chân được sử dụng, hệ thống sẽ kiểm soát sự phối hợp giữa phanh thủy lực của ECB và phanh tái tạo, hệ thống Toyota Hybrid II sẽ ưu tiên sử dụng phanh tái tạo, do đó có thể thu hồi năng lượng ngay cả ở tốc độ xe thấp. Hơn nữa, bằng cách cải thiện hiệu suất đầu vào của pin, càng nhiều năng lượng hơn sẽ được thu hồi.
Ngoài ra, bằng cách giảm tổn thất ma sát trong hệ thống truyền động, chẳng hạn như trong hộp số, năng lượng từng bị mất dưới dạng tổn thất hệ thống truyền động trong quá trình giảm tốc cũng được thu hồi, làm giảm đáng kể lượng năng lượng điện thất thoát.
Hệ thống truyền động của hệ thống Toyota Hybrid II
Hộp số Hybrid
Hộp số Hybrid bao gồm thiết bị chia công suất, máy phát, động cơ điện và hộp số giảm tốc. Công suất từ hai động cơ được chia thành hai phần bằng thiết bị chia công suất. Một trong các trục ra được kết nối với động cơ và bánh xe trong khi trục còn lại được kết nối với máy phát điện. Theo cách này, công suất động cơ được truyền qua hai tuyến, tức là tuyến cơ học và tuyến điện.
Hộp số vô cấp điều khiển bằng điện tử cũng được trang bị trên xe, bộ phần có thể thay đổi tốc độ trong khi liên tục thay đổi vòng tua máy của động cơ và vòng tua máy của máy phát điện và động cơ điện. Hệ thống Toyota Hybrid II cũng giảm tổn thất ma sát khoảng 30% bằng cách sử dụng ổ bi trong hộp số.
Thiết bị chia công suất
Thiết bị chia công suất sử dụng bánh răng hành tinh. Trục quay của bộ phận bánh răng hành tinh bên trong được liên kết trực tiếp với động cơ đốt xăng và truyền công suất đến bánh răng vành ngoài và bánh răng mặt trời thông qua các bánh răng chủ động. Trục quay của bánh răng vành được liên kết trực tiếp với động cơ điện và trục dẫn động đến các bánh xe, trong khi trục quay của bánh răng mặt trời được gắn với máy phát điện.
Cải thiện công suất
Tốc độ quay tối đa của động cơ đốt trong đã được tăng từ 4.500 vòng/phút lên 5.000 vòng/phút, do đó cải thiện công suất. Các bộ phận được chế tạo nhẹ hơn, vòng xéc-măng có độ căng thấp hơn và lò xo xupap nhỏ hơn, nhờ đó giảm thiểu tổn thất ma sát. Hơn nữa, việc tăng 500 vòng/phút giúp máy phát quay nhanh hơn, tăng khả năng sinh công của động cơ điện giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu hơn nữa
Hệ thống điều khiển
Kiểm soát thời gian thực chính xác — cảm nhận ý định của người lái
Hệ thống kiểm soát của Toyota Hybird II duy trì hiệu suất hoạt độngcủa xe bằng cách phân bố năng lượng mà toàn bộ xe sử dụng, bao gồm năng lượng cho các thiết bị như điều hòa, máy sưởi, đèn pha và hệ thống dẫn đường. Hệ thống kiểm soát giám sát trạng thái hoạt động toàn bộ hệ thống Hybrid, bao gồm động cơ xăng, máy phát điện, động cơ điện, và pin. Nó cũng nhận thông tin phanh được gửi qua mạng lưới kiểm soát của xe, cũng như các hướng dẫn từ người lái, chẳng hạn như độ mở bướm ga và vị trí cần số.
Nói cách khác, hệ thống điều khiển THS II giám sát các trạng thái tiêu thụ năng lượng khác nhau của xe theo thời gian thực và cung cấp khả năng điều khiển tích hợp chính xác và nhanh chóng để xe có thể được vận hành an toàn và thoải mái với hiệu suất cao nhất có thể
Hệ thống Khởi động và dừng hệ thống
Giống như máy bay hiện đại, xe trang bị hệ thống Toyota Hybrid II sử dụng điều khiển bằng tín hiệu điện, khi đó thao tác của người lái được chuyển đổi thành tín hiệu điện để điều khiển xe. Lúc này, độ tin cậy của hệ thống là ưu tiên cao nhất. Khi chìa khóa gửi thông tin cho biết người lái đã vào trong xe, nguồn điện của hệ thống sẽ được bật.
Hệ thống Kiểm soát lái
Công suất lái của xe có hệ thống Toyota Hybird II được thể hiện bằng sự kết hợp giữa công suất lái trực tiếp của động cơ xăng và động cơ điện. Tốc độ xe càng chậm thì công suất được cấp từ động cơ điện càng lớn. Bằng cách tăng vòng tua máy phát điện, Hệ thống Toyota Hybrid II đã có thể sử dụng công suất tối đa của động cơ điện khi khởi động. Vì động cơ không có hộp số nên nó có thể kiểm soát công suất đầu ra liền mạch với suy nghĩ của người lái.
Ngoài ra, thời gian cần thiết để khởi động động cơ xăng từ chế độ chỉ lái bằng động cơ điện đã giảm 40%, cải thiện đáng kể hiệu suất tăng tốc. Để đảm bảo công suất của xe không bị ảnh hưởng ngay cả khi xe chịu tải lớn( khi bật điều hòa) khả năng hiệu chỉnh công suất truyền động chính xác được nghiên cứu và áp dụng, đạt được hiệu suất lái xe mượt mà và liền mạch.
Hệ thống Kiểm soát phanh tái tạo
Trong hệ thống Toyota Hybrid II , Hệ thống phanh điều khiển điện tử mới được phát triển sẽ kiểm soát sự phối hợp giữa phanh thủy lực và phanh tái tạo, ưu tiên sử dụng phanh tái tạo; Hệ thống này cũng sử dụng pin để tăng lượng năng lượng có thể thu hồi và phạm vi có thể thu hồi. Nhờ đó, xe được tăng hiệu quả tổng thể và khả năng tiết kiệm nhiên liệu
Sơ đồ cấu tạo của Hệ thống Toyota Hybrid II
- 9 chế độ hoạt động của hệ thống truyền lực trên xe hybrid
- Lịch sử hình thành và phát triển của dòng xe Hybrid
- Tại sao Toyota là hãng sản xuất xe Hybrid tốt nhất hiện nay?
- Tìm hiểu về bộ chuyển đổi năng lượng trên xe Hybrid và xe Điện
