Hệ thống Hybrid Toyota THS-II

Bài viết phân tích chi tiết về logic điều khiển nội tại của hệ thống hybrid Toyota THS-II (Toyota Hybrid System II), tập trung vào vai trò và hoạt động phối hợp của động cơ xăng, MG1, MG2; các chế độ điều khiển tùy theo điều kiện lái xe; cơ chế phản ứng; phanh tái sinh; và kiểm soát SOC (trạng thái sạc) của ắc quy HV.

Cấu trúc hệ thống THS-II

Hệ thống THS-II sử dụng một bộ chia công suất (Power Split Device – PSD) dạng bánh răng hành tinh để kết nối và điều phối hoạt động giữa:

Động cơ xăng (ICE): Cung cấp công suất cơ học chính.
MG1 (Motor Generator 1): Hoạt động như máy phát điện và khởi động động cơ.
MG2 (Motor Generator 2): Cung cấp lực kéo chính cho xe và thực hiện phanh tái sinh.

Cấu trúc cho phép hệ thống hoạt động linh hoạt trong nhiều chế độ khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.

Vai trò và hoạt động phối hợp của các thành phần

MG1

– Khởi động động cơ xăng bằng cách hoạt động như một động cơ điện.

– Hoạt động như máy phát điện để sạc ắc quy HV khi động cơ xăng đang chạy.

– Điều chỉnh tốc độ quay của động cơ xăng bằng cách thay đổi tốc độ quay của MG1, do MG1 được kết nối với bánh răng mặt trời trong PSD.

MG2

– Cung cấp lực kéo chính cho xe trong các chế độ lái điện thuần hoặc hỗ trợ động cơ xăng khi cần công suất cao.

– Thực hiện phanh tái sinh bằng cách hoạt động như máy phát điện khi xe giảm tốc, chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng để sạc ắc quy HV.

Động cơ xăng (ICE)

– Cung cấp công suất cơ học cho xe khi cần thiết, đặc biệt ở tốc độ cao hoặc khi ắc quy HV cần sạc.

– Hoạt động trong dải hiệu suất tối ưu nhờ sự điều chỉnh của MG1 và PSD.

Các chế độ điều khiển tùy theo điều kiện lái xe

Chế độ	Tình huống	Động cơ xăng (ICE)	MG1	MG2	Ắc quy HV
READY-ON	Xe bật nguồn, chưa di chuyển	Có thể khởi động nếu SOC thấp hoặc nhiệt độ thấp	Khởi động động cơ nếu cần	Được cấp dòng để giữ đứng yên (reaction control)	Được theo dõi SOC liên tục
Khởi hành (Start-off)	Bắt đầu lăn bánh ở tốc độ thấp	Tắt nếu SOC còn đủ	Khởi động ICE nếu SOC thấp	Cung cấp lực kéo cho bánh xe	Xả điện để cấp cho MG2
Chạy tải thấp	Di chuyển ở tốc độ thấp và đều (nội đô)	Thường tắt	Phát điện nếu cần	Kéo xe	Xả/xạc tùy điều kiện SOC
Chạy tốc độ ổn định	Lái xe đều trên quốc lộ	Hoạt động trong vùng hiệu suất cao	Phát điện từ công suất động cơ	Nhận điện từ MG1 để hỗ trợ kéo	Sạc nhẹ hoặc giữ mức SOC
Tăng tốc	Đạp ga mạnh để vượt hoặc leo dốc	Hoạt động tối đa công suất	Điều chỉnh tốc độ ICE	Hỗ trợ lực kéo bằng mô-men điện	Xả năng lượng hỗ trợ MG2
Giảm tốc / Phanh tái sinh	Nhả ga hoặc đạp phanh	Ngừng hoạt động hoặc duy trì trục quay	Không phát điện	Phát điện để tái tạo năng lượng	Được sạc
Lùi xe	Cần số về R, xe di chuyển lùi	Thường tắt	Không hoạt động	Quay ngược chiều để kéo xe lùi	Cấp điện cho MG2

Cơ chế phản ứng, vai trò và nguyên lý

Khi MG1 khởi động động cơ xăng từ trạng thái dừng (READY-ON), một mô-men xoắn phản lực được tạo ra do kết nối cơ khí qua bộ chia công suất hành tinh. Nếu không kiểm soát mô-men này, mô-men truyền ngược lại đến bánh xe, gây rung giật, hoặc làm xe tăng tốc đột ngột – nguy hiểm khi xe đang ở chế độ P hoặc N.

Về mặt cơ học

– MG1 nối với bánh răng mặt trời trong cụm bánh răng hành tinh

– MG2 nối với vỏ bánh răng hành tinh

– Vi sai truyền lực ra bánh xe thông qua bánh răng bao

Khi MG1 quay để đề máy, mô-men quay có thể tác động lên cả MG2 và trục dẫn động nếu không được kiểm soát.

Cách hệ thống điều khiển phản ứng

– ECU Hybrid xác định cần phản ứng bằng cách đọc các điều kiện sau:

+ Chế độ READY-ON.

+ Chế độ cần số đang ở P, N, hoặc khi xe đứng yên.

+ Xác nhận tốc độ trục ra = 0 (xe không chuyển động).

– Phản ứng điều khiển được kích hoạt bằng cách cấp dòng điện lên MG2 với mô-men quay ngược chiều MG1, giữ cho hệ thống cân bằng động, đảm bảo an toàn, êm dịu khi khởi động ICE.

Sơ đồ trạng thái READY-ON khi khởi động động cơ

Phanh tái sinh – Nguyên lý truyền công suất và phân phối lực phanh

Cơ chế

Khi người lái nhả ga hoặc đạp phanh nhẹ, hệ thống cho phép MG2 hoạt động như máy phát điện.
Công suất cơ học từ bánh xe → truyền qua trục → quay MG2 → tạo dòng điện AC → qua bộ inverter chuyển thành DC → nạp về ắc quy HV.

Đường truyền công suất

Bánh xe → Vi sai → Trục → MG2 → Inverter → Ắc quy HV

MG1 không tham gia vào quá trình phanh tái sinh.

Động cơ xăng có thể duy trì tốc độ quay nếu xe đang giảm tốc ở tốc độ cao để bảo vệ bộ chia công suất, bởi khi động cơ xăng đang dừng hẳn, mà ring gear quay quá nhanh, hệ thống buộc MG1 quay với tốc độ rất cao để cân bằng mô-men trong bộ bánh răng hành tinh. Dẫn tới MG1 không chịu nổi tốc độ đó ⇒ hư hại MG1 hoặc gãy bánh răng trong PSD (Power Split Device)

Phân phối lực phanh (Brake Coordination)

– Phanh tái sinh không đủ lực khi:

+ Xe giảm tốc mạnh

+ Pin HV đã đầy

+ Vận tốc thấp (MG2 không đủ tốc độ phát điện), khi đó phanh cơ học thủy lực được bổ sung.

– ECU điều khiển phanh (ECB) đảm nhận việc phân phối:

+ Ưu tiên dùng MG2 để thu hồi năng lượng

+ Chỉ bổ sung phanh thủy lực khi cần sẽ giúp giảm mòn má phanh và tối đa hóa thu hồi năng lượng

Kiểm soát SOC

– SOC (State of Charge) = phần trăm dung lượng còn lại của ắc quy HV.

– Ắc quy Li-ion cần duy trì trong vùng an toàn, không đầy quá (tránh quá nhiệt) hoặc cạn quá (gây chai pin).

– SOC là thông số nền tảng để quyết định:

+ Bắt đầu/đóng ICE

+ Cho phép tăng tốc điện

+ Hạn chế nạp tái sinh khi pin đầy

Dải SOC tối ưu

– Theo Toyota: ~40% đến ~80% là dải SOC an toàn và hiệu quả nhất.

+ Dưới 40%: Kích hoạt ICE để sạc lại qua MG1

+ Trên 80%: Giới hạn phanh tái sinh, ngưng ICE phát điện

*Nguồn: Toyota Prius NCF, SAE Paper 2004-01-0064

Hệ thống xác định thời điểm sạc bằng cách

– ECU hybrid giám sát SOC liên tục

– Nếu SOC < ~38% → Khởi động ICE, MG1 phát điện nạp lại

– Nếu SOC > ~80% → Vô hiệu hóa nạp, dùng năng lượng này kéo xe

Mức SOC (%)	Hệ thống
> 80%	Ngưng phanh tái sinh, không cho phép động cơ xăng nạp thêm điện vào ắc quy HV để tránh quá tải nhiệt và chai pin.
60% – 80%	Cho phép chạy chế độ EV Mode, tăng tốc bằng điện; hệ thống vận hành linh hoạt và ưu tiên sử dụng điện năng.
40% – 60%	Trạng thái lý tưởng; hệ thống cố gắng giữ SOC trong vùng này để tối ưu tuổi thọ và hiệu suất pin.
38% – 40%	Chuẩn bị khởi động động cơ xăng để phát điện thông qua MG1, tránh tụt SOC xuống dưới mức tối thiểu an toàn.
< 38%	Động cơ xăng bắt buộc khởi động; MG1 phát điện để phục hồi SOC. Hệ thống hạn chế hoạt động điện để ưu tiên sạc.
< 20%	Gần mức SOC tối thiểu. Hệ thống phát cảnh báo giới hạn hoạt động hybrid; EV mode bị vô hiệu hóa hoàn toàn.