Sistem Hibrida — Pembagian Daya, Regenerasi, dan Kontrol

0. Apa yang dijelaskan dalam artikel ini

• Jalur energi dari hibrida seri, paralel, dan seri-paralel.

• Intuisi dan batasan pembagian daya Sistem Hibrida Toyota (THS) melalui roda gigi planet.

• Kontrol SOC, pengereman regeneratif, penyalaan mesin, dan batas termal serta keselamatan.

1. Masalah apa yang sebenarnya dipecahkan oleh hibrida?

Mesin saja kehilangan efisiensi termal pada beban rendah, kecepatan rendah, dan saat start, sementara motor saja dibatasi oleh seberapa sedikit energi yang dapat dikemas baterai per kilogram, yang membatasi jangkauan. Bagaimana kedua sumber daya tersebut harus digabungkan sehingga masing-masing menutupi kelemahan yang lain? Itulah tepatnya yang dijawab oleh sistem hibrida: ia mengkoordinasikan mesin yang mengubah bahan bakar menjadi daya mekanik dan motor yang mengubah listrik baterai menjadi torsi melalui beberapa jalur energi, menjaga mesin tetap berada di dekat wilayah operasi yang efisien, mengirimkan daya berlebih ke pembangkitan, dan mengembalikan energi kinetik kendaraan ke baterai selama deselerasi.

2. Tiga jalur

Gambar 1 — Hibrida seri menghasilkan tenaga dengan mesin dan menggerakkan roda hanya dengan motor; hibrida paralel menghubungkan mesin dan motor secara mekanis. Hibrida power-split menggabungkan roda gigi planet dengan jalur listrik.

3. Bagaimana arsitektur berbeda

Dalam tata letak seri, mesin adalah generator dan motor saja yang menggerakkan roda. Kontrol kecepatan rendah sederhana, tetapi kerugian konversi mekanis-ke-listrik-ke-mekanis selalu ada. Tata letak paralel menghubungkan mesin dan motor ke roda melalui kopling, sabuk, atau roda gigi koaksial, menggunakan jalur mekanis secara efisien dalam kecepatan jelajah tetapi membutuhkan Pergeseran terkoordinasi. Sistem seri-paralel beralih atau memadukan kedua jalur saat kecepatan dan beban berubah.

4. Roda gigi planet THS

Toyota menjelaskan bahwa perangkat pembagi daya THS terus-menerus mengalokasikan kembali output mesin antara roda dan generator. Satu set planet dengan matahari, cincin, dan pembawa memiliki batasan kecepatan

untuk jumlah gigi N_s,N_r. Menugaskan mesin, generator MG1, dan roda/motor MG2 ke anggota ini memungkinkan untuk memisahkan kecepatan mesin dari kecepatan jalan. MG1 dapat menghasilkan daya sementara mesin tetap berada di dekat titik efisien, tetapi kehilangan konversi dan batas kecepatan MG1 tetap ada.

Desain nyata sering menempatkan rasio jumlah gigi N_r/N_s sekitar 2. Jika mesin dipertahankan pada kecepatan konstan dan efisien sementara kecepatan jalan (kira-kira, kecepatan MG2) meningkat, batasan di atas menunjukkan kecepatan MG1 berayun secara luas dengan kecepatan jalan, hingga melewati kecepatan tertentu arah MG1 berubah. Putaran berbalik. Di sekitar titik pembalikan itu, aliran daya beralih dari "menghasilkan" (MG1 mengubah sebagian output mesin menjadi listrik) ke "menggerakkan" (MG1 juga bertindak sebagai motor, menambahkan torsi ke MG2) — dan satu set planet, tanpa transmisi mekanis sama sekali, menghasilkan rasio variabel kontinu, berfungsi sebagai apa yang sering disebut CVT listrik.

5. SOC dan keseimbangan energi

Status pengisian daya dapat didekati dengan integrasi arus sebagai

dengan arus pelepasan positif, kapasitas nominal Q_n, dan efisiensi pengisian daya \eta_c. Estimator produksi menambahkan suhu, tegangan rangkaian terbuka, resistansi internal, dan bias sensor arus. Jika SOC mencapai batas atasnya, regenerasi tidak tersedia dan mesin kehilangan derajat kebebasan; oleh karena itu, pengontrol mempertahankan pita SOC target.

Sebagian besar hibrida produksi membatasi kontrol ke pita sempit di dekat tengah kapasitas nyata paket (kira-kira (misalnya, 40-80% dari total kapasitas), sehingga pengemudi tidak pernah melihat pengisian atau pengosongan penuh yang seharusnya dapat ditangani oleh kimia sel. Ruang cadangan di bagian atas menyerap regenerasi pengereman keras; ruang cadangan di bagian bawah memungkinkan motor untuk menutupi kekurangan ketika mesin saja tidak dapat memenuhi permintaan akselerasi keras. Lebar rentang tersebut, yang diimbangi dengan ukuran baterai, adalah yang menentukan seberapa besar baterai yang dibutuhkan setiap model.

6. Mode Operasi

• Peluncuran dan kecepatan rendah: penggerak motor menghindari guncangan saat mesin dinyalakan.

• Beban sedang: menggerakkan mesin ke titik efisien dan mengisi daya baterai dengan daya berlebih.

• Akselerasi keras: menggunakan mesin dan motor bersama-sama sambil memantau daya baterai dan suhu inverter.

• Deselerasi: lebih memilih regenerasi, kemudian beralih ke pengereman gesekan pada batas SOC, suhu, atau ABS.

• Berhenti: berhenti dalam keadaan idle dan memasok daya tambahan dari baterai atau listrik yang dihasilkan mesin.

7. Membandingkan konfigurasi nyata

8. Kondisi sulit dan keselamatan

Perjalanan singkat berulang berakhir sebelum mesin dan sistem pengolahan emisi memanas. Di jalan raya, baterai kurang berkontribusi dan massanya menjadi kerugian. Kondisi dingin membatasi daya dan regenerasi, dan pemanasan baterai mengurangi efisiensi. Tegangan tinggi Isolasi, pemutusan sambungan saat terjadi benturan, kebocoran bahan bakar, knalpot, dan perubahan torsi setelah start memerlukan monitor keselamatan terpisah.

9. Pilihan praktis

• Kota dan lalu lintas: prioritaskan frekuensi regenerasi, pengoperasian EV kecepatan rendah, dan start mesin yang mulus.

• Jalan tol: bandingkan efisiensi termal mesin, kehilangan jalur mekanis, dan massa baterai selama siklus penggerak.

• PHEV: periksa daya pengisian, jangkauan listrik, mode mempertahankan SOC, dan manajemen baterai penyimpanan jangka panjang.

• Kendaraan komersial: evaluasi pendinginan pendakian berkelanjutan, kemudahan servis, dan masa pakai rem regeneratif/gesekan.

10. Ringkasan tiga baris

Kendaraan hibrida menggabungkan mesin dan motor melalui jalur seri, paralel, atau pembagian daya.

Gir planet THS memisahkan kecepatan mesin dari kecepatan jalan sambil mengalokasikan pembangkitan MG1 dan penggerak MG2.

SOC, regenerasi, suhu, start, dan isolasi harus dikontrol bersama agar efisiensi teoritis menjadi penghematan bahan bakar nyata.