Tìm hiểu công nghệ hybrid của trong ngành công nghiệp Ôtô

Tìm hiểu công nghệ hybrid của trong§ ngành công
nghiệp Ôtô
1. Xe hybrid
1.1. Khái niệm
Hybrid trong tiếng Latin có nghĩa là “lai”, ôtô hybrid (Hybrid Electric Vehiclé-
HEVs) là ôtô sử dụng động cơ tổ hợp gồm hai động cơ cung cấp động lực cho xe hoạt
động. Cơ cấu phổ biến nhất là 1 động cơ điện kết hợp với 1 động cơ đốt trong.
Động cơ đốt trong với nhiên liệu là xăng hoặc diesel như thông thường, còn động cơ
điện hoạt động nhờ dòng điện tái tạo từ động cơ đốt trong hoặc từ nguồn pin trên xe. Một
bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động
cơ đốt trong hoặc cả hai cùng lúc, nó cũng tính toán sự vận hành để tận dụng nguồn năng
lượng dư thừa để nạp vào pin.
Ngoài động cơ “lai” như trên thì các hệ thống khác trên xe hybrid hầu như không có
gì thay đổi so với một chiếc xe thông thường.
1.2. Ưu điểm của xe hybrid?
Xe hybrid được nhắc tới với những ưu điểm sau:
- Tiết kiệm nhiên liệu
- Giảm khí thải động cơ, thân thiện hơn với môi trường
- Tiết kiệm chi phí vận hành
Như đã biết, một chiếc xe hơi luôn vận hành ở nhiều chế độ khác nhau (đi nhanh, đi
chậm, tăng tốc, lên dốc, xuống dốc…), có lúc cần công suất mạnh mẽ nhất, nhưng phần
lớn thời gian chỉ cần 1 động lực vừa đủ để chuyển động. Trong khi đó, động cơ đốt trong
có sự biến thiên công suất không cao, thường gây dư thừa công suất, nhất là khi di chuyển
trong thành phố.
1.3. Các bộ phận chính của ôtô Hybrid
- Hệ thống làm mát có nhiệm vụ làm mát động cơ đốt trong, nhiên liệu và ắc quy.
Nhiệt của nước làm mát có thể sử dụng để sấy sóng cabin xe ở vùng nhiệt độ thấp hoặc
dùng cho các thiết bị nhiệt khác.
- Động cơ điện: nhận năng lượng điện tử ắc quy, chuyển thành năng lượng cơ khí
dẫn động bánh xe. Ưu điểm của động cơ điện là cho mô-men lớn ở số vòng quay nhỏ, hoạt
động êm, hiệu suất cao.

- Hộp số: Ôtô hybrid có thể dùng nhiều loại hộp số khác nhau. Bốn loại hộp số
thường dùng là: hộp số vô cấp, hộp số sang số tự động, hộp số tay, hộp số tự động thông
thường với bộ chuyển đổi mô-men.
- Hệ thống xử lý khí xả: khí thải của động cơ ôtô luôn là vấn đề được đặt ra.
1
Ôtôhybrid có thể giảm lượng khí thải do tốn ít nhiên liệu, sử dụng những nguồn nhiên liệu
sạch, cải tiến chất lượng của động cơ và công nghệ xử lý khí thải.
- Bộ phận điều khiển: điều khiển các chế độ hoạt động và sự phối hợp giữa động cơ
đốt trong và động cơ điện.
- Ắc quy: là một thành phần quan trọng của động cơ hybrid, đảm bảo các yêu cầu
như tạo dòng lớn, cho phép nạp điện trong quá trình phanh, độ bền cao. Hiện nay thường
sử dụng ắc quy axit chì, trong tương lai hai loại ắc quy ino-lithium và polyme-lithium có
nhiều triển vọng áp dụng cho xe hybrid.
- Động cơ đốt trong: là nguồn động lực chính trong động cơ hybrid; có thể sử dụng
động cơ xăng; động cơ diesel, động cơ hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu.
1.4. Một chiếc xe hybrid với cơ cấu 2 động cơ xăng và điện
Động cơ hybrid đã khắc phục nhược điểm này nhờ sử dụng 2 động cơ công suất nhỏ
(xăng và điện) thay cho một động cơ xăng công suất lớn. Động cơ xăng trên xe hybrid có
dung tích xylanh nhỏ hơn nên tiết kiệm nhiên liệu đáng kể, công suất tuy nhỏ hơn nhưng
vẫn đủ trong phần lớn điều kiện hoạt động. Khi nào xe cần công suất cao (lên dốc, tăng
tốc, chở nặng ) động cơ điện sẽ được khởi động để phối hợp cùng động cơ xăng.(Cơ cấu
này cũng có thể theo hướng ngược lại, tức là động cơ điện là động cơ chính, động cơ xăng
“trợ lực” cho động cơ điện). Xe hybrid điều tiết hoạt động thông qua hệ thống điều khiển
điện tử, hai động cơ phối hợp cùng nhau qua một cơ cấu hòa công suất (nối tiếp, song song
hay hỗn hợp).
Như vậy, thay vì một động cơ hơn 2 lít như phiên bản thông thường, xe Honda Civic
hybrid chỉ cần 1 động cơ 1.3l và hỗ trợ bằng động cơ điện. Chính điều này góp phần lớn
làm giảm sự tiêu tốn nhiên liệu mà vẫn đảm bảo khả năng vận hành.
Một đặc điểm đáng kể ở xe hybrid phải kể đến, đó là việc tận dụng nguồn năng
lượng dư thừa. Không giống như các loại xe sử dụng động cơ điện khác, xe hybrid không

cần phải sạc bằng nguồn điện bên ngoài, chính hệ thống điều khiển trên xe sẽ tận dụng
nguồn năng lượng dư thừa của động cơ đốt trong để sạc đầy pin. Khi xe giảm tốc độ hay
phanh, hệ thống này sẽ đảo cực của động cơ điện, lúc này nó trở thành máy phát điện để
sạc vào pin, đây gọi là quá trình phanh tái tạo điện năng.
2. Động cơ hybrid
2.1 Phân loại
Động cơ hybrid kết hợp 2 nguồn năng lượng là động
cơ đốt trong và môtơ điện. Mặc dù động cơ hybrid có sử
dụng một môtơ điện nhưng nó cũng không cần phải nạp
2
điện từ bên ngoài. Có 3 loại động cơ hybrid chủ yếu sau:
2.1.1 Tổ hợp ghép nối tiếp
Động cơ khởi động máy phát điện và môtơ điện sẽ sử dụng nguồn điện này để quay
bánh xe. Đây được gọi là tổ hợp ghép nối tiếp bởi vì lực được truyền đến bánh xe theo một
chuỗi nối tiếp. Tổ hợp ghép nối tiếp này cho phép vận hành một động cơ công suất nhỏ ,
tạo ra và cung cấp nguồn điện cho môtơ điện và nạp điện cho ắc quy. Động cơ này có 2
môtơ: 1 máy phát điện (có cấu tạo giống như một môtơ sinh điện) và 1 môtơ phát điện.
Động cơ đốt trong tạo ra động lực làm quay môtơ và bánh xe nhưng cảđộng cơ đốt trong
và môtơ đều tạo ra một nguồn năng lượng bằng nhau cho xe chuyển động. Loại động cơ
này được lắp cho xe Coaster.
2.1.2. Tổ hợp ghép song song
Trong kiểu động cơ này, cả động cơ đốt trong và môtơ đều tạo lực làm chuyển động
bánh xe và lực chuyển động từ cả 2 nguồn này đều có thể được tận dụng trong mọi trường
hợp. Động cơ này được gọi là tổ hợp ghép song song vì lực được truyền đến bánh xe một
cách riêng rẽ. Trong động cơ này, ắc quy được nạp bằng cách biến môtơ phát điện thành 1
máy phát điện và điện từ ắc quy sẽ được truyền đến bánh xe. Mặc dù có cấu tạo đơn giản
nhưng nhược điểm của động cơ này là môtơ phát điện không thể làm quay bánh xe trong
khi đang nạp điện cho ắc quy với lí do động cơ này chỉ có một môtơ duy nhất. Trong tổ
hợp này, động cơ là nguồn tạo động lượng chính, môtơ chỉ hỗ trợ trong lúc xe tăng tốc độ.
2.1.3. Động cơ hỗn hợp.

Kiểu động cơ này kết hợp cả 2 kiểu động cơ nêu trên nhằm tối đa hoá tiện ích của cả
hai hệ thống này. Động cơ này có 2 môtơ và tuỳ thuộc vào điều kiện đi mà chỉ sử dụng
môtơ điện hay lực chuyển động từ cả môtơ điện và động cơ. Hơn thế, khi cần thiết, động
cơ này có thể làm chuyển động bánh xe đồng thời với việc vận hành máy phát để tạo ra
điện. Một bộ phận tách lực sẽ tách riêng lực tạo ra từ động cơ vì thế lực truyền đến bánh xe
và truyền đến máy phát điện sẽ biến đổi liên tục. Vì khi quay, môtơ có thể tạo ra năng
lượng điện nên môtơ được sử dụng nhiều hơn so với trong tổ hợp ghép song song. Loại
động cơ này được lắp cho xe Prius và xe Estima Hybrid.
2.2. Hoạt động của động cơ
- Khởi động và giảm xuống tốc độ trung bình.
Động cơ đốt trong sẽ ngừng hoạt động khi không đạt được mức độ hợp lý như khi
khởi động hay khi giảm tốc độ. Khi đó xe sẽ chạy chỉ với 1 môtơ.
- Đi với điều kiện thông thường.
Năng lượng của động cơ đốt trong được chia nhỏ, một phần được sử dụng để chạy
máy phát điện làm quay môtơ, phần còn lại sẽ làm chuyển động bánh xe.
- Tăng tốc đột ngột.
Bình ắc quy sẽ cung cấp thêm năng lượng trong khi đó động cơ đốt trong và môtơ sẽ
3
nhờ đó tạo thêm lực.
- Giảm tốc độ và phanh hãm.
Môtơ hoạt động như một máy phát điện hiệu suất cao được điều khiển bởi bánh xe.
Hệ thống phanh hãm này sẽ phục hồi động năng trữ trong bình ắc quy.
- Nạp điện cho bình ắc quy.
Bình ắc quy sẽ luôn được duy trì đủ lượng điện dự trữ. Động cơ đốt trong sẽ chạy
máy phát điện để tái nạp điện cho ắc quy khi cần thiết.
- Giai đoạn dừng xe.
Lúc này động cơ sẽ tự động ngừng hoạt động.
2.3 Các bộ phận của động cơ Hybrid Toyota II (THS II.)
2.3.1. Bộ phận cung cấp điện cao thế.
Mạch điện cao thế là một công nghệ mới hỗ trợ cho hệ thống THS II. Bằng cách tạo

ra một mạch điện cao thế bên trong bộ điều khiển năng lượng, điện thế của môtơ và máy
phát điện được tăng từ 274 vôn ở động cơ THS lên đến mức tối đa là 500 vôn ở động cơ
THS II.
2.3.2. Môtơ
Động cơ THS II sử dụng môtơ điện xoay chiều đồng bộ. Các nam châm vĩnh cửu
cùng với 1 rôto làm từ các vòng thép cuốn sẽ tạo ra một môtơ rất bền. Việc sắp xếp các
nam châm vĩnh cửu theo hình chữ V cũng đã làm tăng hiệu suất và tăng mômen xoắn. Điện
thế tăng từ 33 kW lên 50 kW, tức là tăng 1,5 lần so với động cơ THS.
2.3.3. Máy phát điện.
Cũng giống như môtơ, máy phát điện cũng là một dòng điện xoay chiều đồng bộ.
Máy phát điện này đã tăng số vòng quay từ 6500 vòng/ phút (với các động cơ trước) lên tới
10 000 vòng/phút.
2.3.4. Bộ phận điều khiển năng lượng, bình ắc quy và hệ thống phanh tự hồi.
Bộ phận điều khiển năng lượng gồm 1 máy đổi dòng điện, chuyển dòng 1 chiều từ ắc
quy thành dòng xoay chiều để làm quay môtơ và 1 máy duy trì dòng điện 1 chiều có hiệu
điện thế 12vôn.
Bình ắc quy được làm bằng kim loại mạ kềm. Bằng cách sử dụng mô hình kết cấu
mới của ắc quy và cải tiến các điện cực kim loại, hiệu suất của ắc quy đã tăng 35% so với
ắc quy của động cơ THS. Để duy trì được năng lượng, bình ắc quy phải được nạp lại hoặc
nhận điện năng từ máy phát điện hoặc môtơ và vì thế ắc quy không cần nạp điện từ bên
ngoài. .
Hệ thống phanh tự hồi sẽ biến môtơ điện thành 1 máy phát điện, chuyển động lượng
thành điện lượng và sử dụng nguồn điện này để nạp cho ắc quy. Hệ thống này đặc biệt có
tác dụng hồi phục năng lượng khi lái xe trong thành phố vì các lái xe thường xuyên phải
tăng giảm tốc độ. Ngoài ra, bằng cách giảm lực ma sát trong bộ phận truyền động, nguồn
4
năng lượng tiêu hao khi giảm tốc độ đã được phục hồi.
2.3.5. Bộ truyền động
Bộ truyền động của xe hybrid gồm các bộ phận tách lực như máy phát điện, môtơ
điện Động năng của động cơ đốt trong sẽ được chia thành 2 phần: 1 phần được dẫn đến

môtơ và bánh xe, phần còn lại được dẫn đến máy phát điện. Như vậy động năng của động
cơ đốt trong đã được truyền đi theo 2 đường là đường điện và đường cơ khí. Động cơ THS
II cũng đã giảm được 30% tiêu hao do ma sát do sử dụng ball bearings trong bộ truyền
động.
2.3.6. Hoạt động của động cơ đốt trong, máy phát điện và môtơ
- Khi xe ngừng chạy: cả động cơ, máy phát điện và môtơ đều dừng hoạt động.
- Khi khởi động: chỉ có môtơ hoạt động.
- Khi đi với tốc độ bình thường: chủ yếu động cơ đốt trong sẽ giúp cho xe chạy, về
cơ bản thì lúc này việc tạo ra điện là không cần thiết.
- Khi tăng tốc: vòng quay của động cơ tăng lên, cùng lúc đó máy phát điện cũng bắt
đầu tạo ra dòng điện, kết hợp với dòng điện từ bình ắc quy sẽ tiếp thêm năng lượng cho
việc tăng tốc.
Động cơ đốt trong
Động cơ THS II có dung tích 1,5 lít, sử dụng chu trình Atkinson. Chu trình Atkinson
cho phép nén stroke và duy trì việc mở rộng stroke theo 2 phương thức độc lập. Vòng
quay/phút của động cơ mới này cung tăng thêm 500 vòng/phút tức là đạt 5000 vòng/phút.
Việc tăng được 500 vòng đó sẽ làm tăng động lực trong quá trình xe tăng tốc.
Các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ hybrid mới.
Bộ phận THS II
Động cơ đốt trong
Loại 1,5 lít
Hiệu suất tối đa kW(Ps)/rpm 57 (78)/5000
Mômen xoắn cực đại N-m(kgm)/rpm 115 (11,7)/4200
Môtơ
Loại
Môtơ xoay chiều
đồngbộ
Hiệu suất tối đa kW(Ps)/rpm 50 (68)/1200-1540
Mômen xoắn cực đại N-m(kgm)/rpm 400 (40,8)/0-1200
Toàn động cơ (gồm

động cơ đốt trong, ắc
Hiệu suất tối đa kW(Ps)/vehicle speed km/h 82 (113)/85 hoặc hơn
Hiệu suất ở tốc độ85 km/h kW(PS) 82 (113)
Mômen xoắn cực đại N-m(kgm)/vehicle
speed km/h
478 (48,7)/22
Mômen xoắn ở tốc độ 22 km/h N-m (kg m) 478 (48,7)
3. Những tiến bộ về cơ học, sự tinh lọc động cơ và công nghệ tiên tiến của xe Hybrid
Xe hybrid là sự kết hợp của những tiến bộ trong ngành ô tô, những công nghệ tiên
5
tiến và sự tinh lọc động cơ; và rất nhiều công nghệ trong đó là do các kỹ sư chế tạo xe đua
phát triển. Tất cả được xây dựng trong nỗ lực nhằm tăng khả năng vận hành, giảm khí thải
gây ô nhiễm và tối đa hóa khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Khí động lực học/ hệ số kéo thấp: Để có được những bề mặt nhẵn, các kỹ sư chế tạo
xe hybrid thường phải viện đến những đặc điểm thiết kế không theo quy ước nhằm tối đa
hóa khả năng khí động. Ví dụ, Honda Insight có một hệ số kéo vô cùng thấp (0,25) do bề
mặt nhẵn và dáng vẻ kỳ dị ở bánh sau. Ngay cả Toyota Prius, trông có vẻ bình thường
trong mắt những người không chuyên nghiệp, cũng có hệ số kéo chỉ 0,29 do các kỹ sư đã
tìm cách để làm nó trơn tru nhất. Tất cả các nhà sản xuất đều cố gắng giảm hệ số kéo ở bất
cứ nơi đâu có thể bởi vì một chiếc xe với hệ số kéo thấp cần ít công suất (và nhiên liệu)
hơn để vận hành.
Ngắt tự động: Để bảo tồn nhiên liệu, tất cả các xe hybrid đều ngắt động cơ xăng
trong suốt quá trình nghỉ. Nó không chỉ tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải mà còn ngừng
tiêu thụ điện năng. Tương tự như một chiếc xe ngựa hai bánh, mô tơ điện khởi động lại
động cơ xăng khi lái xe nhấn lại pê đan tăng tốc. Đây là một hoạt động khá liền mạch, hầu
như không có sự trì hoãn hay mất khả năng vận hành cho lái xe.
Hộp số biến thiên vô cấp (CVT): CVT là một loại hộp số tự động mới (thực tế đã
xuất hiện hơn 100 năm nay nhưng gần đây mới được ứng dụng trong ngành ô tô) không có
bánh răng, ly hợp ma sát, dầu thủy lực hoặc biến mô. Thay vì thế, nó sử dụng một thiết kế

dây curoa và puli đơn giản, giúp kết hợp chặt chẽ số truyền với phạm vi vòng/phút tối ưu
của động cơ để đạt được công suất lớn hơn và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Được
ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp ánh sáng nhưng những tiến bộ gần đây trong vật liệu
và công nghệ mạch vi xử lý đã khiến CVT phù hợp hơn với ngành ô tô.
Cylinder Idling System (hệ thống cầm chừng hoạt động xy lanh): Honda Civic
Hybrid sử dụng hệ thống này để giảm sự kéo của động cơ và cho phép mô tơ điện giành
được nhiều năng lượng nhất trong suốt quá trình phanh tái tạo năng lượng. Một động cơ
xăng thông thường phanh động cơ trong quá trình xuống dốc bằng hoạt động bơm của xi-
lanh. Hoạt động này sẽ giành năng lượng từ động cơ điện để sạc pin. Có thể tránh sự kéo
động cơ bằng cách đưa khớp ly hợp vào xe với một hộp số sàn hoặc đặt xe ở số không với
một CVT. Hệ thống vô hiệu xi-lanh của Honda thực hiện điều này bằng cách đóng van hút
và xả trên 3 trong 4 xi-lanh, cho phép pít tông di chuyển tự do trong xi-lanh, vì vậy có thể
giảm sự kéo động cơ và tối đa hóa năng lượng mà mô tơ điện thu được.
Integrated Exhaust Manifold: Được đặt trực tiếp vào đầu xi-lanh nhằm giảm khối
lượng và tối ưu hóa dòng khí xả, vì vậy giúp tăng vận hành và tiết kiệm nhiên liệu
Pít tông ma sát nhỏ: Thông qua một quá trình rèn đặc biệt, sự ma sát ở thành xi-lanh
giảm làm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Offset Cylinder Bores: tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm ma sát đẩy
6
của pít tông khi chúng di chuyển bên trong xi-lanh.
Những vật liệu tiên tiến: Việc sử dụng những vật liệu tiên tiến - như magie, hợp kim nhôm
và nhựa dẻo – làm giảm khối lượng của xe. Việc giảm khối lượng làm tăng khả năng tiết
kiệm nhiên liệu, giảm khí thải và giúp vận hành hiệu quả hơn.
Hệ thống điều khiển thời điểm đóng mở các van (VVT): Van (xu-phap) của động cơ
được định cỡ để mở lâu hơn ở tốc độ cao hơn và đóng nhanh hơn ở tốc độ thấp hơn nhằm
tối đa hóa hiệu quả đốt, vì vậy tăng cường vận hành và khả năng tiết kiệm nhiên liệu cũng
như giảm khí thải.
Với tất cả những công nghệ tiên tiến, khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải của
mình, xe hybrid thường được xem là những chiếc xe của tương lai. Chắn chắn, với những
model hybrid mới xuất hiện và những model đang được phát triển, công nghệ này sẽ là

đóng vai trò chính trong bức tranh của ngành ô tô những năm sắp tới hoặc ít nhất là cho
đến khí con người tìm hiểu công nghệ pin nhiên liệu hoặc một vài giải pháp để tăng giá
xăng dầu, tiêu thụ hết nguồn nguyên liệu hóa thạch và tích đầy khí thải gây ô nhiễm.
Ngày 16/4/2003, tại buổi triển lãm ôtô quốc tế tại New York, hãng Toyota lần đầu
tiên giới thiệu chiếc xe Prius, một mẫu xe có thể sẽ làm thay đổi cả xu hướng sản xuất xe
trên thế giới bằng dòng xe sử dụng đồng thời cả động cơ xăng và môtơ điện. Xe Prius
mang đặc trưng của công nghệ THS II có nghĩa là Động cơ Hybrid Toyota II, một công
nghệ mới nhất cho các dòng xe của Toyota. Công nghệ này cho phép chiếc xe đạt được gia
tốc bằng hoặc lớn hơn gia tốc của những mẫu xe thông thường có động cơ 2 lít nhờ có sự
phối hợp của một môtơ tạo ra công suất gấp 1,5 lần và một động cơ chạy bằng dầu có dung
tích 1,5 lít.
Động cơ THS II cũng sử dụng công nghệ cao trong
việc chế tạo môtơ điện, bình ắc quy, động cơ và hệ thống
vận hành đồng bộ. Xe Prius cũng là loại xe đầu tiên trên thế
giới sử dụng thiết bị lái bằng điện, hệ thống phanh tiết kiệm
năng lượng và hệ thống điều khiển ổn định. Kết cấu bằng
khung nhôm cũng làm giảm đáng kể trọng lượng chiếc xe.
Ngoài ra cấu trúc khí động lực, lòng xe thoáng rộng và cốp
xe lớn cũng là những đặc trưng của mẫu xe mới này. Chiếc xe Prius cũng là loại xe tiết
kiệm nhiên liệu hàng đầu trên thế giới với mức tiêu hao phù hợp với tiêu chuẩn EURO-IV.
§
7
Hãng Toyota vẫn luôn duy trì định hướng sản xuất những dòng xe "sạch và an toàn".
Vì vậy hãng đã luôn đặt yếu tố môi trường lên hàng đầu và luôn hướng tới việc tạo ra các
sản phẩm phục vụ cho xã hội và vì sự thịnh vượng của thế
giới. Toyota vẫn tiếp tục cải tiến các loại động cơ truyền
thống như động cơ xăng lean-burn, động cơ xăng direct
injection và động cơ diesel common rail direct-injection.
Toyota cũng đã cải tiến các loại động cơ để có thể sử dụng
các loại nhiên liệu thay thế như khí gas nén để thay cho

xăng hay dầu sáng. Ngoài ra, Toyota còn chế tạo các mẫu
xe chạy bằng điện sử dụng các môtơ tạo lực chuyển động. Xe hybrid kết hợp cả động cơ
đốt trong và môtơ, tận dụng lợi thế của cả 2 nguồn tạo lực này. Xe hybrid chạy bằng pin
tạo ra điện dựa trên phản ứng hoá học giữa khí hydro và khí ôxi trong không khí sau đó
cung cấp nguồn điện này cho môtơ điện để tạo ra lực chuyển động.
4. Công nghệ hybrid của Toyota
§§§§Toyota là hãng xe luôn đi đầu trong việc đầu tư phát triển các công nghệ
mới cho ô tô. Trong nhiều thập niên hãng đã cho ra đời hàng loạt các mẫu xe sử dụng động
cơ, bao gồm: động cơ xăng hỗn hợp nghèo khí cháy, động cơ xăng phun nhiên liệu trực
tiếp và động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp dùng trên cả xe hơi và xe lửa.
§
“Năng lượng sạch” để bảo vệ môi trường là xu thế phát triển chung của thế giới. Mục
tiêu sản xuất ra các loại xe thân thiện với môi trường, không tốn nhiên liệu được Toyota đề
cao như một trách nhiệm và mục tiêu phát triển. Hãng đã liên tục nghiên cứu và cho ra đời
nhiều động cơ được thay đổi để có thể sử dụng các nhiên liệu thay thế như động cơ chạy
bằng khí nén tự nhiên (CNG) hoặc động cơ điện. Vào năm 2002, Toyota đã lần đầu tiên
giới thiệu ra thị trường dòng xe sử dụng động cơ chạy bằng nhiên liệu Hybrid Toyota
§
8
FCHV. Tiếp theo đó các mẫu xe hybrid như Toyota Prius, Futuristic Toyota Hybrid X,
2007 Toyota Camry Hybrid, Toyota FT-HS, v.v…lần lượt ra đời đã khẳng định tên tuổi
của hãng trên thị trường dòng xe hybrid.
4.1 Các loại hệ thống Hybrid trên xe Toyota.
4.1.1. Hệ thống Hybrid nối tiếp
§
Ở hệ thống
này, các bánh xe
chủ động được dẫn
động nhờ một mô
tơ điện, động cơ

chính của xe chỉ
làm một nhiệm vụ
duy nhất là làm
quay máy phát
điện để cấp điện
cho động cơ và
nạp điện cho ắc
quy chính của xe.
4.1.2. Hệ
thống Hybrid song song
§
Động cơ
chính làm nhiệm
vụ chủ yếu là
dẫn động cho
các bánh xe chủ
động, đồng thời
truyền chuyển
động đến máy
phát để nạp điện
cho ắc quy. Mô
tơ điện sẽ hỗ trợ
trong trường hợp
xe cần tăng tốc
nhờ vậy mà có
thể tiết kiệm
9
được nhiên liệu.
4.1.3. Hệ thống Hybrid hỗn hợp
§

Bộ chia
công suất trong
hệ thống đảm
nhiệm việc phân
phối công suất từ
động cơ chính và
mô tơ điện theo
các tỷ lệ khác
nhau đến bánh xe
chủ động. Các
dòng xe hybrid sử
dụng hệ thống
này là Prius,
RX400h .v v…
4.2 Các bộ phận chính của động cơ Toyota Hybrid.
§
4.2.1. Động cơ xăng 5 thì.
Động cơ xăng Atkinson hay còn gọi là động cơ xăng 5 thì được nhắc đến rất nhiều
trong thời gian qua. Ưu điểm của động cơ này là khi hoạt động ở tốc độ và tải trọng tối ưu
có hiệu quả cao. So với loại động cơ 1,5 lít thông thường, loại này cũng sinh ra nhiều năng
10
lượng hơn do nhiên liệu xăng bị đốt cháy với hệ số giãn nở nhiệt cao trong động cơ 5 thì
Atkinson.

4.2.2. Hộp số.
§
Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ 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 cơ cấu truyền
động biến đổi liên tục (CVT)
11
§
Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 1 (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.
Tổ hợp mô tơ điện – máy phát số 2 (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.

4.2.3. Bộ chuyển đổi (hay bộ điều khiển công suất).
12
§
Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc quy điện áp cao thành dòng xoay
chiều làm quay mô tơ điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một
chiều để nạp điện cho ắc quy. Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng
điện áp được cung cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng
một chiều để nạp điện cho ắc quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp
điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động.
13
4.2.4. Ắc quy điện áp cao.
§
Ắc quy chính của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắc chắn hơn
và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Nó gồm 168 cặp cực ắc quy với điện
áp chuẩn là 200V (1,2V x 168 cặp cực ắc quy) được nạp điện bởi động cơ chính thông qua
tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh
năng lượng.

4.2.5.Cáp nguồn.
§
Cáp nguồn hay cáp công suất trong xe hybrid dùng để truyền dòng điện có cường độ
và điện áp cao giữa các thiết bị như ắc quy điện cao áp, bộ chuyển đổi, các tổ hợp MG1,
14
MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa. Đường dây cáo áp và các giắc nối được đánh
dấu bằng mầu da cam như trong hình trên.

4.2.6. Ắc quy phụ.
§
Loại ắc quy DC12V này được bố trí cố định phía sau xe, duy trì và cung cấp dòng
điện một chiều ổn định cho các thiết bị như đèn xe, hệ thống âm thanh, các ECU điều
khiển .v v…
§

Phần
trước chúng
ta đã tìm
hiểu về cấu
tạo của một
hệ thống
hybrid trên
xe hoàn
chỉnh với
các bộ phận
chức năng và vài trò của chúng đối với toàn bộ hệ thống. Bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu
được các chế độ hoạt động của hệ thống hybrid trong khi chạy xe và cách mà hệ thống này
15
tiết kiệm nhiên liệu ra sao.

4.2.7. Các chế độ hoạt động của hệ thống Hybrid.

Chế độ sẵn sàng khởi hành.

Ở chế độ này, đèn “READY” sáng lên để thông báo với người lái xe rằng xe đã sẵn
sàng chuyển bánh.

§

Để
khởi động
xe, người
lái vặn chìa
khóa khởi
động sang
vị trí “ON” trong khi cần số vẫn giữ nguyên ở vị trí “P” và đạp chân vào bàn đạp phanh.
Sau khi khởi động, động cơ chính của xe sẽ tự động quay hay ngừng quay một là phụ
thuộc vào nhiệt độ nước làm mát động cơ và tình trạng của ắc quy cao áp, mục đích là để
tăng cường tiết kiệm nhiên liệu.

Ban đầu năng lượng điện từ ắc quy cao áp qua bộ chuyển đổi cấp cho động cơ để cấp
điện cho bugi đánh lửa và mô tơ khởi động làm quay trục khuỷu động cơ. Khi quá trình
khởi động hoàn tất, động cơ lại nạp điện trở lại cho ắc quy nhờ máy phát.

§

Khi
chuyển cần
số sang vị

trí “D” và
nhả bàn đạp
phanh, xe
bắt đầu di
chuyển.
Lúc này,
16
chỉ có mô tơ điện dẫn động các bánh xe chủ động quay ở dải tốc độ thấp. Cuối quá trình
này, động cơ chính của xe mới bắt đầu tham gia dẫn động cho xe tăng tốc dần đến dải tốc
độ thông thường.
Chế độ chạy xe bình thường.

§

Khi
xe đã đạt
đến tốc độ
ổn định, cả
động cơ và
mô tơ điện
đều tham
gia dẫn
động cho
bánh xe chủ
động. Công
suất từ
động cơ
chính được chia thành hai phần: một phần dẫn động cho bánh xe chủ động, còn một phần
dẫn động làm quay mát phát điện. Dòng điện được sinh ra từ máy phát qua bộ chuyển đổi
đến làm quay mô tơ điện. Sự phân bố công suất động cơ như vậy nhằm tối ưu hóa trong

tiết kiệm nhiên liệu. Khi cần thiết, công suất dư thừa sinh ra từ động cơ sẽ được máy phát
tiếp nhận để nạp điện trở lại cho ắc quy cao áp.

Ở chế độ tăng tốc tối đa.

§

Khi
muốn tăng
tốc tối đa,
ắc quy cao
áp sẽ cung
cấp thêm
năng lượng
17
vào mô tơ qua bộ chuyển đổi để khếch đại công suất dẫn động lên mức tối đa trong khi
công suất từ động cơ chính và mô tơ thay đổi tăng lên một cách chậm chạp.

Chế độ giảm tốc và dừng xe.

§

Trong
quá trình
giảm tốc,
mô tơ điện
hoạt động
như một
máy phát
điện được

dẫn động
nhờ động
năng từ các
bánh xe chủ
động.
Người ra
gọi chế độ này là “chế độ hãm tái sinh năng lượng” khi mà động năng được chuyển hóa
thành điện năng qua bộ chuyển đổi để nạp lại cho ắc quy cao áp của xe.
5. Công nghệ Hybrid của Honda
Honda Civic hybrid có công nghệ khác hẳn mẫu xe hybrid ăn khách nhất thế
giới Toyota Prius§, dù mục tiêu vẫn là giảm thiểu mức tiêu hao nhiên liệu.
Về tổng thể, Civic hybrid và Toyota Prius cùng kết hợp giữa hai động cơ xăng và
động cơ điện. Tuy nhiên, nếu Prius có thể ngừng động cơ xăng và chỉ vận hành bằng động
cơ điện thì Civic hybrid lại không làm được điều này.
18
§
Nguyên nhân thứ nhất là mô-tơ điện của Civic chỉ có công suất 20 mã lực. Trong khi
của Prius là 67 mã lực. Rõ ràng để đưa chiếc xe có trọng lượng 1,3 tấn chuyển động, một
mình mô-tơ điện của Civic là không thể.
Lý do thứ hai là động cơ xăng, mô-tơ điện của Civic hybrid gắn với nhau như dạng
bánh sandwich, sau đó mới nối với hệ dẫn động. Như vậy nếu một trong hai không làm
việc, động cơ còn lại cũng "nghỉ" luôn. Ở Prius, động cơ xăng và mô-tơ điện nối với hệ
dẫn động một cách độc lập. Do đó khi một trong hai dừng lại, chiếc kia vẫn hoạt động bình
thường.
Dù bị hạn chế nhưng hệ thống hybrid của Honda lại gọn nhẹ và dễ dàng lắp đặt trên
các mẫu xe khác.
Nếu không có phương pháp xử lý, rõ ràng công nghệ hybrid trên Civic trở
thành vô nghĩa. Bởi nếu cả động cơ xăng và điện luôn luôn phải làm việc cùng nhau thì xe
vẫn "ăn" xăng như thường. Honda đã nhờ cậy công nghệ điều khiển van biến thiên i-
VTEC§ và đây thực sự là giải pháp không thể tốt hơn.

Khi cần thiết, i-VTEC đóng toàn bộ các van, ngăn không cho nhiên liệu vào xi-lanh.
Do đó, động cơ xăng của Civic vẫn chạy, trục khuỷu và piston vận hành lên-xuống bình
thường nhưng không hề tốn một giọt nhiên liệu nào.
Quá trình đóng van được Honda chương trình hóa, dựa trên các thông số về tốc độ và
tải trọng. Chẳng hạn ở tốc độ 30-40 km/h trên mặt đường phẳng, động cơ xăng bị "vô hiệu
hóa" và một mô-tơ điện sẽ đóng vai trò cung cấp động năng cho xe. Khi giảm tốc, i-VTEC
19
cũng có những tác động tương tự.
Pin cung cấp năng lượng cho động cơ điện phải được nạp khi cần thiết. Ở Civic
hybrid, nhờ hệ thống i-VTEC 3 giai đoạn, điều chỉnh van biến thiên thông minh với ba giai
đoạn (vòng tua thấp, vòng tua cao và chế độ xi-lanh nghỉ), tích hợp hoàn toàn với hệ thống
IMA (mô-tơ điện hỗ trợ tích hợp), việc thu hồi năng lượng khi phanh được cải thiện 10%
so với thế hệ trước đó. Hơn nữa, toàn bộ lực giảm tốc sẽ chuyển hóa vào IMA và biến nó
thành máy phát nạp điện cho dàn ắc-quy.
Trên màn hình đồng hồ tốc độ sẽ có một thông báo cho biết xe đang nạp bao nhiêu
năng lượng cho pin và sử dụng bao nhiêu.
Một ưu điểm nữa là Civic hybrid có thêm công cụ “ngắt-dừng” (idle-stop), tự động
ngắt động cơ tức thời để tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải khi dừng xe. Đèn tín hiệu xanh
trên bảng đồng hồ sẽ bật sáng báo cho tài xế biết bộ “ngắt-dừng” đang kích hoạt. Ngay khi
người lái nhấc khỏi chân phanh, IMA tự động trở thành bộ kích hoạt khởi động động cơ
một cách êm ái nhất.
Trên Civic thế hệ đầu tiên, nếu điều hòa bật thì động cơ không thể tắt vì phải cung
cấp năng lượng cho máy nén dàn lạnh. Tuy nhiên, Honda đã "thửa" riêng một mô-tơ điện
cho máy nén cho Civic mới . Do đó, động cơ xăng có thể nghỉ.
Với động cơ xăng dung tích 1,3 lít I4, công suất 95 mã lực và mô-tơ điện 20 mã lực,
Civic hybrid có mức tiêu hao nhiên liệu theo đánh giá của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ
EPA là 4,8 lít cho 100 km trong thành phố và 4,6 lít trên đường trường. Tuy nhiên, giá trị
này rất ít khi đạt được. Các số liệu phổ biến của Civic hybrid là 5,9 lít và 5,2 lít, nhỉnh hơn
một chút so với Prius.
Điều kiện vận hành Trạng thái của động cơ

Khi xe trong chế độ nghỉ Động cơ tắt và mức tiêu hao nhiên liệu là
không
Khởi động và tăng tốc Động cơ hoạt động ở chế độ đóng mở van
vòng tua thấp, có mô tơ trợ giúp
Khi xe tăng tốc nhanh Động cơ hoạt động, van điều chỉnh tốc độ
cao, có mô tơ trợ giúp
Khi xe vận hành với tốc độ thấp Van của cả 4 xi lanh trong động cơ sẽ được
đóng lại, quá trình đốt cháy tạm dừng. Lúc
này mô tơ điện đảm nhiệm vai trò vận hành
chính
Khi xe tăng tốc nhẹ nhàng và chạy với tốc độ
cao
Xe được vận hành nhờ động cơ hoạt động
trong điều kiện van điều chỉnh ở tốc độ thấp
20
Giảm tốc Van của cả 4 xi lanh trong động cơ bị đóng
kín, quá trình cháy tạm ngưng. Mô tơ thu hồi
tối đa năng lượng giải phóng nhờ quá trình
giảm tốc để nạp điện cho ắc-quy.
II. Sự phát triển hoàn thiện của công nghệ Hybrid trong 10 năm gần đây
Xe hybrid đã được sản xuất hang loạt trong hơn 10 năm. Với công nghệ không
ngừng cải thiện, số lượng người tiêu dùng xe hybrid đã tăng mạnh trong những năm qua.
Dưới đây là những mốc thời gian trong quá trình phát triển của xe Hybrid
1997 - Toyota ra mắt chiếc xe hybrid đầu tiên trên thế giới và bắt đầu sản xuất hàng
loạt xe hybrid, Toyota Prius, tại Nhật Bản. 37.000 xe Prius 'đã được bán tại Nhật Bản trước
khi Toyota đã trở nên phổ biến rộng rãi ở Mỹ
1999 - Honda Insight ra mắt tại Mỹ, và hàng loạt xe hybrid đầu tiên được bán ở Mỹ.
2000 - Toyota ra mắt Prius tại Mỹ chỉ có 12.000 chiếc xe có sẵn.
2002 - Honda ra mắt Civic Hybrid
2003 - Thế hệ thứ hai Toyota Prius được đặt tên là xe hơi của năm do tạp chí Motor

Trend bình chọn. Hơn 700.000 xe Prius 'đã được bán tại Mỹ
2004 - Ford ra mắt Escape Hybrid, SUV hybrid đầu tiên.The Escape Hybrid được
đặt tên là xe tải Bắc Mỹ của năm vào năm 2005.
2005 - Ba xe SUV hybrid, bao gồm cả Lexus RX 400h, Toyota Highlander Hybrid
và Mercury Mariner Hybrid đã được giới thiệu. Các Highlander Hybrid được xem như là
những "cơ bắp lai" bởi khả năng tăng mã lực của nó, tuy nhiên, nó rất tốn nhiên liệu
2007 - Nissan vào thị trường hybrid với Altima Hybrid được bán ở 8 bang - New
Hampshire, Massachusetts, Vermont, Connecticut, New York, New Jersey, Pennsylvania
và California. Chevrolet cũng giới thiệu đầy đủ kích thước lai SUV đầu tiên làm nhiên liệu
tăng khoảng hơn 25 phần trăm so với các mô hình thông thường.
2009 - Honda Insight được thiết kế lại đã trở thành lựa chọn duy nhất với mức giá
dưới $ 20.000. Năm 2010 Toyota cũng giới thiệu Prius với sự tiết kiệm nhiên liệu cao hơn
bất kỳ chiếc xe trên thị trường Mỹ ở mức 50 mpg.
Năm 2010 và Beyond - Trong mùa thu năm 2010, GM dự kiến sẽ ra mắt Chevrolet
Volt§. GM ước tính rằng sẽ mất khoảng 2 cent cho mỗi dặm dưới mức năng lượng.
Trong năm 2012, Toyota dự kiến sẽ sản xuất 20.000 đến 30.000 Toyota Prius Plug-in
hybrid mà có thể chạy khoảng từ 12 tới 18 dặm năng lượng pin
Toyota là nhà sản xuất nổi tiếng nhất khi nói đến những chiếc xe hybrid. Cũng như
nhiều chuyên gia họ đã sản xuất phiên bản hybrid của nhiều dòng mô hình hiện có của họ,
21
bao gồm cả một số Lexus (nay thuộc sở hữu và sản xuất bởi Toyota) xe. Họ cũng nói rằng
đó là ý định của họ để phát hành một phiên bản hybrid của mỗi mô hình duy nhất mà họ
phát hành trong thập kỷ tới. Ngay từ tháng 1 năm 1997, Toyota đã tuyên bố sẽ bắt tay vào
một dự án chế tạo xe tiết kiệm và hãng đã quyết tâm phải chế tạo mẫu xe thải ít khí
CO hơn và có mức tiêu thụ nhiên liệu chỉ bằng một nửa so với các mẫu xe cũ. Đến tháng 3
năm đó, Toyota đã chế tạo thành công động cơ THS - Động cơ Hybrid Toyota , sử dụng
cho xe chở khách. Loại động cơ THS này kết hợp động cơ xăng và môtơ điện và bởi vì
động cơ này không yêu cầu phải nạp nhiên liệu từ bên ngoài như các loại xe chạy bằng
điện khác nên nó có thể hoạt động như là một bộ phận tạo nhiên liệu. THS đã được lắp cho
xe Prius và được giới thiệu trên thị trường Nhật Bản từ năm 1997 và đến năm 2000 thì loại

xe này đã được biết đến trên toàn thế giới với danh tiếng về sự cải tiến trong động cơ. Cho
đến nay, Toyota đã tiêu thụ được hơn 110 000 chiếc Prius trên toàn thế giới.
Quá trình phát triển của Toyota Prius
Năm 1990: Các cuộc họp đã diễn ra tại trung tâm công nghệ Higashifugi, thuộc
thành phố Toyota và dự án G21 được khởi động - một chiếc xe cho thế kỷ 21. Với mục
tiêu đề ra là một chiếc xe có khả năng chay 20km/1lit nhiên liệu - hiệu quả hơn 50% so với
các xe tại thời điểm đó.
Tháng 1 - 1994: Nhóm nghiên cứu dự án đã chọn ra hệ thống truyền lực, khung xe
họ đã được cho phép phát triển các bộ phận mới từ đầu "nếu cần thiết."
Tháng 7 - 1994: Giai đoạn 3 của dự án G21 bắt đầu, quá trình phát triển được tăng
tốc cho sự ra đời của Prius song song với việc phát triển thử nghiệm hệ thống Hybrid của
Toyota.
Tháng 6 - 1995: Hệ thống Hybrid của Toyota được duyệt với tên mã 890T.
Tháng 10 - 1995: Prius Hybrid concept ra mắt tại triển lãm ô tô Tokyo với hệ thống
Toyota-EMS (Energy Management System).
Tháng 11 - 1996: nắm bắt được xu hướng phát triển của xe điện và xe Hybrid,
Toyota và Matsushita đã thành lập liên doanh Panasonic EV energy.
Tháng 11 - 1997: Thế hệ thứ nhất của Prius được tung ra tại Nhật bản sau 17 tháng
thiết kế. Chiếc xe đã giành giải "Xe của Năm" tại Nhật bản và giải thưởng "Bảo vệ khí hậu
toàn cầu" tại Mỹ do EPA trao.
22

Prius thế hệ đầu tiên
Tháng 7 - 1998: Một công bố được đưa ra dự đoán Toyota sẽ xuất khẩu hằng tháng khoảng
20.000 chiếc Prius cho thị trường Bắc Mỹ và châu Âu.
23
Năm 2000: Thời kỳ hậu Prius bắt đầu. Kể từ đây, khái niệm về sự kết hợp giữa hiệu suất và
tính thân thiện môi trường của một chiếc xe bắt đầu bén rễ, Prius là chuẩn mực, bất kỳ
chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu nào cũng sẽ được đem ra so sánh với Prius
Năm 2003: Doanh số của Prius đạt 24.000 chiếc, tăng gấp đôi so với dự đoán ban

đầu.
Năm 2004: Thế hệ thứ 2 của Prius được tung ra và gặt hái thành công với giải thưởng "Xe
của năm" do tạp chí Motor Trend bình chọn.

24
Prius thế hệ thứ 2
Năm 2007: Tính từ năm 2000, tổng doanh số của Prius cán mốc 500.000 tại Mỹ.
Năm 2009: Thế hệ thứ 3 của Prius - đời 2010 tấn công thị trường với động cơ 1.8, mạnh
hơn động cơ cũ 25% với mức tiêu thụ nhiên liệu đạt 5,5 lit/100km.

25