Nên phát triển xe Lai – Hybrid tại Việt Nam

Ôtô lai – hybrid có nhiều ưu điểm nổi bật như: vận hành êm dịu, giảm hẳn được khí thải độc hại nên sẽ giảm được ô nhiễm môi trường và giảm đến một nửa lượng tiêu thụ nhiên liệu. Hơn nữa, ôtô lai- hybrid có thể đạt được công suất cao hơn với các xe sử dụng nhiên liệu truyền thống cùng loại.

Sử dụng nguồn năng lượng sạch, phi tuyền thống, thân thiện với môi tường là một trong định hướng lớn, lâu dài của thế giới.

Nguồn năng lượng truyền thống (dầu mỏ, than đá…) có hạn và ngày càng gây tác hại cho môi trường, trong khi đó nhu cầu sử dụng ngày càng tăng. Vì vậy việc nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng sạch, phi truyền thống, thân thiện với môi trường ngày càng được các nhà khoa học ở nhiều nước quan tâm.

Ngoài các nguồn năng lượng sạch đã biết như năng lượng mặt trời, gió, nước, khí hoá lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), dầu thực vật…, nhiều công trình còn tìm thêm những nguồn năng lượng mới. Tuy nhiên để sử dụng một dạng năng lượng mới một cách phổ biến còn cần tập trung giải quyết hoặc nói cách khác phải thoả mãn các yêu cầu sau :

- Trữ lượng và đơn giá của nguồn năng lượng.

- Kinh phí và mức độ phức tạp của việc chuyển đổi, cung cấp.

- Tuổi bền, chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của thiết bị sử dụng.

- Đặc tính động lực học, công suất của thiết bị, phương tiện.

- Tính an toàn và thân thiện với môi trường.

Những vấn đề đó vẫn là những thách thức lớn lao và lâu dài đối với con người trên toàn hành tinh.

Trong thập niên 90 của thế kỷ 20, xe lai-hybrid được nghiên cứu đã thoả mãn các yêu cầu trên với nhiều ưu điểm nổi trội. Trong tương lai không xa, tất cả các ô tô sử dụng sẽ là loại xe này.

Ngày càng có nhiều mẫu ôtô lai- hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ôtô này. Dự báo cuối năm 2012 các phương tiện vận tải dùng động cơ “Hybrid” sẽ có thị phần tăng gấp đôi ở Mỹ do giá xăng dầu ngày càng leo thang, các nhà nghiên cứu dự đoán các xe hơi sử dụng động cơ thân thiện với môi trường này trong năm đó sẽ chiếm 11% trên tổng số xe so với tỷ trọng 4,8% vào năm 2005 và liên tục tăng qua các năm. Điều đó đã khẳng định xu thế phát triển mạnh mẽ của ôtô lai- Hybrid trong mục tiêu tiến tới ôtô sinh thái của nhân loại.

Để bố trí các nguồn động lực có 3 phương án : Nối tiếp, song song và kết hợp. Phương án bố trí kết hợp có nhiều ưu điểm hơn nên thường được áp dụng :

1. Bộ ắc quy điện áp cao

2. Bộ chuyển đổi điện

3. Máy điện 1 (MG1)

4. Bộ truyền hành tinh (Bộ chia công suất)

5. Li hợp

6. Máy điện 2 (MG2)

7.Động cơ đốt trong

8. Bánh xe chủ động

Hình .1 Sơ đồ hệ thống hybrid kết hợp

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa các công có ích được sinh ra. Nó làm tối đa độ lớn của mỗi lực truyền động và bù lại sự khiếm khuyết của chúng. Vì vậy có thể đạt được công suất cao nhưng lại giảm đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải ra môi trường. Bộ tách công suất liên tục cung cấp năng lượng từ động cơ hoặc máy phát tới các bánh xe chủ động. Tùy từng điều kiện hoạt động xe mà hệ thống kết hợp sẽ sử dụng đồng thời cả động cơ đốt trong và máy điện hay chỉ sử dụng năng lượng của nguồn điện. Thậm chí, khi cần hệ thống này vừa dẫn động các bánh xe trong khi vẫn có thể nạp điện trở lại cho ắc quy. Loại này có thể chạy ở chế độ dẫn động điện EV chỉ bằng điện năng dự trữ trong ắc quy.

Hệ thống này được đánh giá là sử dụng đầy năng động hai loại lực truyền động : cơ và điện theo các điều kiện hoạt động khác nhau nên hiện nay hệ thống này đang được phát triển mạnh mẽ và áp dụng chủ yếu trên các xe hybrid như: Prius, Lexus RX, Camry hybrid…

Các chế độ làm việc của xe như sau

Hệ thống truyền động của xe kết hợp tối ưu sự vận hành của động cơ đốt trong, MG1 và MG2 theo điều kiện hoạt động của xe, với 7 chế độ làm việc :

1. Chế độ READY ON

Đèn “READY” sáng lên để thông báo với người lái xe rằng xe đã sẵn sàng chuyển bánh.

Nếu các giá trị: nhiệt độ nước làm mát, tình trạng nạp của ắc quy, nhiệt độ ắc quy, tình trạng tải điện lệch so với mức tiêu chuẩn ECU HV kích hoạt MG1 để khởi động động cơ. Trong hoạt động này, để tránh lực tại bánh răng mặt trời khỏi làm quay bánh răng bao và dẫn động các bánh xe, một dòng điện sẽ được cung cấp vào MG2 để phanh. Chức năng này được gọi là “điều khiển ngược” .

 Hình 2: Sơ đồ truyền động khi khởi động động cơ

        và  hoạt động của bộ truyền hành tinh

Trạng thái tiếp theo, động cơ quay vận hành MG1 quay như một máy phát để nạp điện cho ắc quy HV. Truyền động và hoạt động của bộ chia công suất như sau:

Hình 3: Sơ đồ truyền động khi nạp điện  cho ắc quy

và hoạt động của bộ truyền hành tinh

Ở trạng thái này bánh răng bao bị hãm lại còn các bánh răng khác có chiều quay như hình vẽ.

2. Chế độ vận hành, khởi hành

Chế độ khởi hành có thể được thực hiện theo 2 cách:

a. Vận hành bằng MG2: Xe chỉ được vận hành bằng công suất truyền động từ MG2. Tại thời điểm này động cơ vẫn chưa hoạt động và MG1 đang quay trơn theo chiều ngược lại, không phát ra điện. Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau:

               Hình 4: Sơ đồ truyền động khi vận hành bằng MG2

                              và hoạt động của bộ truyền hành tinh

Ở trạng thái này cần dẫn của bộ bánh răng hành tinh chia công suất bị hãm lại còn các bánh răng khác chiều quay được chỉ ra như hình vẽ.

b. Vận hành bằng động cơ: Trong trường hợp yêu cầu mômen dẫn động cao hơn hay các giá trị nhiệt độ nước làm mát, tình trạng nạp của ắc quy, nhiệt độ ắc quy, điều kiện tải điện lệch so với mức tiêu chuẩn khi xe chỉ chạy với MG2 thì MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động cơ.

Hình 5: Sơ đồ truyền động khi khởi động động cơ

và hoạt động của bộ truyền hành tinh

Trong trạng thái tiếp theo, động cơ đã được khởi động sẽ vận hành MG1 như một máy phát, để bắt đầu nạp điện cho ắc quy HV. Ta có sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

      Hình 6: Sơ đồ truyền động khi động cơ khởi động và nạp

 lại điện cho ắc quy

3. Chế độ tăng tốc nhẹ bằng động cơ

Khi xe chạy ở chế độ này, lực dẫn động của động cơ được chia ra bởi bộ truyền bánh răng hành tinh. Một phần lực dẫn động này được đưa trực tiếp đến các bánh xe chủ động, phần lực còn lại sẽ được dùng để dẫn động MG1. Dòng điện sẽ qua bộ chuyển đổi rồi tới dẫn động MG2 quay nhằm tăng thêm mômen dẫn động các bánh xe. Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

           Hình 7: Sơ đồ truyền động ở chế độ tăng tốc nhẹ bằng động cơ

4. Chế độ tải thấp và tốc độ không đổi

Khi xe chạy ở chế độ này thì công suất dẫn động của động cơ được chia làm hai phần nhờ bộ truyền bánh răng hành tinh. Một phần được được đưa ra trực tiếp để dẫn động các bánh xe, phần còn lại được đưa tới dẫn động MG2. MG2 có chức năng như là một máy phát để phát ra điện và dẫn động MG1. Bộ truyền hành tinh đạt được tỉ số truyền tối ưu, nó có khả năng duy trì tốc độ của xe không thay đổi. Trong chế độ này tính kinh tế nhiên liệu được cải thiện bởi sự điều chỉnh tốc độ động cơ để động cơ hoạt động hiệu quả hơn. Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

Hình 8: Sơ đồ truyền động khi xe chạy ở tải thấp tốc độ không đổi

5. Chế độ tăng tốc mạnh

Khi xe chuyển từ chế độ tải nhẹ sang chế độ tăng tốc mạnh, thì hệ thống sẽ bổ sung thêm năng lượng điện từ ắc quy HV. (Khi điện lượng của ắc quy giảm đến dưới mức cho phép thì lực điện cung cấp từ ắc quy HV tới MG2 sẽ bị cắt.) Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

Hình 9: Sơ đồ truyền động khi xe tăng tốc mạnh

6. Chế độ giảm tốc

a. Giảm tốc không sử dụng phanh động cơ

Trường hợp xe chạy ở tốc độ thấp, động cơ tắt OFF và lực truyền động sẽ bằng 0. Lúc này các bánh xe dẫn động MG2, làm cho MG2 hoạt động như một máy phát và nạp điện cho ắc quy HV.

Nếu xe giảm tốc từ tốc độ cao, thì động cơ vẫn duy trì ở tốc độ định trước mà không tắt, để bảo vệ bộ truyền hành tinh.

Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

Hình 10: Sơ đồ truyền động khi giảm tốc động cơ tắt

b. Giảm tốc có phanh động cơ

Khi xe giảm tốc, bánh xe sẽ dẫn động MG2, làm cho MG2 vận hành như một máy phát vừa nạp lại điện cho ắc quy HV vừa cấp điện đến MG1. MG1 sẽ duy trì tốc độ động cơ và áp dụng phanh bằng động cơ. Tại thời điểm này, nhiên liệu đến động cơ sẽ bị cắt. Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

Hình 11: Sơ đồ truyền động khi giảm tốc có phanh động cơ

7. Chế độ lùi xe

a. Lùi xe với MG2

Trong trạng thái này, xe được vận hành chỉ có một nguồn lực là MG2. Khi lùi xe, MG2 quay theo chiều ngược lại, động cơ chưa nổ máy và MG1 quay trơn theo hướng thông thường, không phát ra điện. Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

Hình 12: Sơ đồ truyền động khi lùi xe bởi MG2

b. Khởi động động cơ

Khi xe chạy lùi với MG2, nếu có một trong những giá trị được ECU HV kiểm soát như: tình trạng nạp của ắc quy, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ ắc quy và tình trạng tải điện lệch so với mức tiêu chuẩn thì MG1 sẽ được kích hoạt để khởi động động cơ. Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

Hình 13: Sơ đồ truyền động khi chạy lùi và khởi động động cơ

Trong trạng thái tiếp theo, động cơ đã nổ máy để cung cấp thêm năng lượng cho các bánh xe chủ động và vận hành MG1 như một máy phát để bắt đầu nạp điện trở lại cho ắc quy HV. Sơ đồ truyền động và hoạt động của bộ truyền bánh răng hành tinh chia công suất như sau.

Hình 14: Sơ đồ truyền động khi chạy lùi và nạp điện cho ắc quy

Với các ưu điểm trên, Việt Nam nên có chế độ chính sách để ưu tiên đầu tư cho loại xe này, đuổi kịp và đón đầu về công nghệ mới. Chúng ta hoàn toàn có thể lắp ráp, sản xuất loại xe lai-Hybrid tại Việt Nam. Hiện xe lai-Hybrid nhập khẩu đắt gấp 1,8 đến 2 lần xe cùng loại. Vì vậy việc sản xuất, lắp ráp trong nước vừa có ý nghĩa kinh tế vừa có ý nghĩa kỹ thuật cao.

Tài liệu tham khảo

[1]. Nghiên cứu sự làm việc song song của ô tô sử dụng nguồn năng lượng điện và nhiên liệu tuyền thống, Đề tài Thạc sỹ Lê Minh Hoàn, bảo vệ thành công 12/2006. Hướng dẫn: Nguyễn Đức Tuấn

[2]. Nghiên cứu sử dụng ô tô lai-Hybrid dùng nhiên liệu phi truyền thống, NCKH của SV, báo cáo tháng 05/2007, đạt giải nhì. Hướng dẫn: Nguyễn Đức Tuấn

[3]. Camry hybrid 2007-Toyota

[4]. Emerging Technologies of Hybrid Electric Vehicles, University of Michigan-Dearoborn 2008

[5]. Evaluation of the 2007 Toyota Camry hybrid sysergy drive system

[6]. Prius hybrid 2007 and 2008-Toyota

[7]. www.Metricmind.com

[8]. www.hybridsynergydrive.com

PGS. TS. Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Giao thông Vận tải

Chi tiết tham khảo Tạp chí GTVT số tháng 8/2012