Tìm hiểu công nghệ xe Hybrid

I. Giới thiệu chung và nguyên nhân ra đời xe Hybrid. Được phát minh vào khoảng 300 năm trước bởi nhà phát minh người Pháp Nicolas - Joseph Cugnot (1725-1804), xe ô tô ngày nay đã trở thành một trong những phương tiện giao thông không thể thiếu trong xã hội loài người. Cũng chính vì thế mà tình trạng ô nhiễm không khí trầm do khí thải từ động cơ ô tô đang là một trong những vấn đề nhức nhối của nhiều quốc gia hiện nay. Để có thể giảm thiểu được ô nhiễm môi trường từ ô tô, từ lâu đã có nhiều giải pháp kỹ thuật mang nhiều hứa hẹn như: ô tô chạy điện, ô tô dùng pin nhiên liệu, động cơ khí nén v.v . Tuy nhiên, những công nghệ kể trên vẫn chưa thể đưa vào sử dụng được vì còn nhiều giới hạn về công nghệ. Đối với ô tô chạy điện, việc nạp lại pin cần đến ít nhất 4 giờ đồng hồ, khuyết điểm này giới hạn tầm sử dụng của ô tô chạy điện. Đối với công nghệ fuel cell, hydro lỏng phải được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp; vì thế chỉ có thể thích hợp với những quốc gia có khí hậu băng giá. Cả hai cộng nghệ trên cùng vướng phải một vấn đề chung đó là phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống cơ sở cung cấp nhiên liệu. Những sự giới hạn trên của hai công nghệ tương lai này tạo ra một khoảng trống giữa nhu cầu bảo về môi trường và công nghệ ô tô truyền thống. Fuel Cell, một giải pháp cho ô tô “sạch”nhưng vẫn còn nhiều giới hạn về công nghệ Gần đây một kỹ thuật chế tạo ô tô mới đã được ra đời nhằm phần nào tiết kiệm nguồn năng lượng không tái sinh được (dầu hỏa) cũng như bảo vệ môi trường trong lúc công nghệ fuel cell và pin điện được hoàn chỉnh. Công nghệ Hybrid là một giải pháp được coi là thành công hiện nay và đã được đưa vào thị trường rộng rải ở các nước phát triển như Châu Âu, Mỹ và Nhật Bản v.v . Ngành công nghiệp ôtô trên thế giới đang đứng trước một câu hỏi lớn: Làm thế nào để sản xuất được loại xe ôtô không làm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng? Ôtô Hydro, ôtô điện, ôtô pin mặt trời . đều không dễ thực hiện. Nhưng giờ đây ôtô Hybrid - dòng ôtô dùng nguồn năng lượng tổ hợp - đã trả lời câu hỏi hóc búa trên. Ôtô HYBRID giảm hẳn lượng khí thải độc hại và giảm tới một nửa lượng tiêu thụ nhiên liệu. II. Ôtô Hybrid là gì? Hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid (Hybrid Electric Vehiclé-HEVs) là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Thật ra, ý tưởng“Hybrid”đã có từ rất lâu đời. Theo Bách Khoa Toàn Thư mở Wikipedia thì Hybrid Vehicle, tạm dịch là Phương Tiện Giao Thông Ghép, là một phương tiện giao thông mà được động lực bằng hai nguồn năng lượng trở lên. Ví dụ như sự kết hợp giữa: Hệ thống Chứa Năng Lượng Nạp Lại Được (Rechargeable Energy Storage System hay RESS, hoặc cụ thể hơn là Pin nạp lại được) và Nguồn Năng Lượng Nhiên Liệu (Xăng, dầu diesel v.v .) Xe đạp bằng sức người với sự trợ giúp của động cơ điện ví dụ như xe đạp điện chẳng hạng. Tàu buồm kết hợp với mô-tơ điện. Trang1 Động cơ hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động cơ điện dùng năng lượng ắc quy. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ này (Hybrid Vehicle) thường dùng để nói đến Phương Tiện Giao Thông Ghép kết hợp năng lượng từ điện và xăng (Petroleum Electric Hybrid Vehicle) hay viết tắt trong tiếng anh là PEHV, và cũng có thể được viết tắt là HEV (Hybrid Electric Vehicle). Theo ngôn ngữ phổ thông tiếng Việt thường dùng ta có thể gọi là “Xe điện xăng”, hay tiếng Anh là Hybrid Car. III. Nguyên lý hoạt động của ôtô hybrid. Ôtô hybrid hoạt động theo nguyên tắc (hình 1): Động cơ điện được sử dụng để khởi động xe, trong đó trong quá trình chạy bình thường sẽ vận hành đồng bộ. Động cơ điện còn có công dụng tăng cường cung cấp năng lượng để xe gia tốc hoặc leo dốc. Khi phanh xe hoặc xuống dốc, động cơ điện được sử dụng như một máy phát để nạp điện cho ắc quy. Không giống như các phương tiện sử dụng động cơ điện khác, động cơ Hybrid không cần nguồn điện bên ngoài, động cơ đốt trong sẽ cung cấp năng lượng cho ắc quy. Với sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, động cơ hybrid được mở rộng giới hạn làm việc, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho động cơ đốt trong hiệu suất tổ hợp động cơ cao, mô-mem lớn ở số vòng quay nhỏ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hình 1: Sơ đồ truyền động động cơ Hybrid IV. Ưu điểm của ôtô Hybrid: Tổ hợp động cơ hybrid có những ưu điểm sau: - Tận dụng năng lượng khi phanh: khi cần phanh hoặc khi xe giảm tốc độ, động cơ điện có tác dụng như máy phát điện, năng lượng phanh được tận dụng để tạo ra dòng điện nạp cho ắc-quy. Trang2 - Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu (động cơ hybrid tiêu thụ lượng nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường, chỉ bằng một nửa) - Động cơ điện được dùng trong các chế độ gia tốc hoặc tải lớn nên động cơ đốt trong chỉ cần cung cấp công suất vừa đủ nên động cơ đốt trong có kích thước nhỏ gọn. - Có thể sử dụng vật liệu nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của ôtô Có thể chạy xa và mạnh mẽ được giống như những ô tô chạy xăng bình thường. - Ô tô Hybrid vẫn dùng xăng làm nhiên liệu nên người vận hành không phải lo việc nạp điện, thông thường tốn rất nhiều thời gian. - Ô tô Hybrid ít gây ô nhiễm môi trường hơn ô tô chạy xăng bình thường bởi vì động cơ điện có hiệu xuất cao hơn nhiều so với động cơ xăng. Động cơ --Hybrid thường tiết kiệm hơn 100% so với động cơ xăng truyền thống. V. Phương pháp truyền động: Theo phương pháp truyền động, có thể chia động cơ hybrid thành 2 loại chính: tổ hợp ghép nối tiếp và tổ hợp ghép song song. 1) Tổ hợp ghép nối tiếp (hình 2) Hybrid nối tiếp: Đối với loại hệ thống này, nguồn động lực chính xoay bánh xe là động cơ điện. Trong khi động cơ chỉ làm nhiệm vụ phát ra điện để nạp pin và cung cấp cho động cơ điện. Trong sơ đồ nối tiếp, động cơ đốt trong (động cơ xăng, động cơ diesel hoặc pin nhiên liệu) kéo máy phát cung cấp điện cho ắc quy và động cơ điện, ở đây không có sự liên hệ cơ khí nào giữa nguồn động lực và bánh xe. Năng lượng được chuyển đổi từ hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng là quay rô- to của máy phát tạo ra điện năng và từ điện năng lại chuyển sang cơ năng làm quay bánh xe. Hình 2: Sơ đồ nối tiếp Ưu điểm của sơ đồ này là: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường; Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô; Sơ đồ này có thể không cần hộp số. Trang3 Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như: Kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song; động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quy nên dễ bị quá tải 2) Tổ hợp ghép song song (Hình 3) Hybrid song song: Đối với loại hệ thống này, cả hai nguồn động lực (điện và xăng) đều được kết nối trực tiếp vào bánh xe và có thể truyền động lực một cách độc lập hoặc đồng thời. Nói một cách đơn giản là bánh xe có thể được xoay một cách riêng biệt bằng động cơ điện hoặc động cơ xăng, hoặc cả hai. Động cơ điện có hai chức năng chính. Chức năng thứ nhất là chuyển hóa điện năng được cung cấp từ pin điện thành cơ năng. Chức năng thứ hai là chuyển hóa ngược lại từ cơ năng thành điện năng để nạp lại cho pin. Hầu hết các hãng sản xuất Ô tô Hybrid hiện nay đều thiết kế theo cách này vì có thể tận dụng cả hai nguồn năng lượng một cách hiệu quả nhất. Trong sơ đồ này, ngoài sự liên hệ cơ khí trực tiếp giữa động cơ đốt trong và bánh xe như ôtô thông thường còn có thêm động cơ điện truyền động đến bánh xe. Khi ôtô chạy trên xa lộ, nguồn dẫn động chủ yếu sẽ là động cơ đốt trong, động cơ điện sẽ dùng khi gia tốc ôtô còn khi chạy trong thành phố nguồn dẫn động chủ yếu là động cơ điện. Sơ đồ này có ưu điểm là: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, không cần dùng máy phát riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán, lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian. Động cơ điện được sử dụng ở đây là loại đặc biệt có tính năng lưỡng dụng, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy, cung cấp năng lượng trong trường hợp xe cần gia tốc hoặc lên dốc. Hình 3: Sơ đồ song song 3) Các bộ phận chính của ôtô Hybrid (hình 4) - 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. Trang4 - 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 Hình 4: Các bộ phận chính của xe Hybrid - 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. Ôtô hybrid 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. VI. Tính kinh tế của xe hybrid. - Tiết kiệm năng lượng trên đường trường: Khi vận hành ô tô Hybrid trên đường trường, nguồn động lực chính lại là động cơ máy nổ bởi vì động cơ máy nổ đạt hiệu xuất cao hơn khi chạy đường dài cũng như mạnh mẽ hơn động cơ điện. Cách thiết kế này giúp ô tô hybrid đạt được gia tốc mạnh và vận tốc cao tương tự như các loại ô tô truyền thống khác. - Thu hồi năng lượng: Ngoài tiết kiệm năng lượng trong quá trình chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu sang cơ năng một cách hiệu quả hơn, ô tô hybrid còn được thiết kế nhằm thu hồi lượng năng lượng bị hao phí qua quá trình vận hành. Đối với ô tô thông thường khi được hãm lại, năng lượng được chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng làm nóng đĩa thắng (rotor). Đối với ô tô Hybrid, cơ năng có thể được chuyển hóa thành điện năng và nạp lại vào pin điện, vì thế rất nhiều năng lượng hao phí trong quá trình vận Trang5 hành xe được thu hồi vào tái sử dụng. Tuy nhiên ô tô hybrid vẫn được trang bị bộ thắng đĩa (break pad) như ô tô thông thường trong trường hợp người lái cần hãm khẩn cấp. - Giới hạn: Khuyết điểm chính của công nghệ hybrid là hệ thống Pin Nạp Lại Được (Rechargable Battery). Giá thành của mỗi bộ pin này rất đắt là một điều đáng ngại đối với người dùng, nhất là những người dùng ô tô hybrid cũ; giá trị trung bình mỗi bộ pin này là trên dưới năm nghìn dollar. Tuy nhiên, các nhà sản xuất đã vẫn đang nghiên cứu và phát triển nhiều giải pháp cho vấn đề này như: tái chế pin cũ, phát triển kỹ thuật pin mới, nâng cao tuổi thọ của pin v.v . hứa hẹn mang lại nhiều cải tiến mới, giảm giá thành sản phẩm, đưa kỹ thuật hybrid đến với nhiều tầng lớp người dân có thu nhập thấp trong xã hội nhằm mục đích thay thế dần những phương tiện giao thông cũ, giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi sinh. VII. Xu thế phát triển của xe hybrid ở các nước phát triển. Vào đầu thế kỷ 20 các nhà sản xuất xe của Mỹ đã sử dụng động cơ xăng, điện và hơi nước một cách song song. Họ sớm nhận ra rằng hai hay nhiều động cơ kết hợp lại sẽ làm tăng tính hiệu quả của động cơ. Và kết quả của giả thuyết đó là động cơ hybrid (động cơ xăng điện) ra đời vào năm 1905 do một kỹ sư người Mỹ phát minh. Thời kỳ đó phát minh này không được mấy người quan tâm bởi vì động cơ đốt trong khi đó còn khá rẻ so với động cơ xăng điện có cùng công xuất. Sau 70 năm, khi cuộc khủng hoảng dầu lửa xảy ra, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu mới được quan tâm nhiều và đây chính là lý do để động cơ hybrid được nghiên cứu lại. Tuy nhiên, 30 năm trước, do một số quy định nên động cơ hybrid đã bị trì hoãn. Ngày hôm nay những chiếc xe như Toyota Prius hay Honda Accord loại hybrid đã trở nên phổ biến, được nhiều người tiêu dùng yêu thích. Liệu hybrid có phải là xu hướng của xe trong tương lai? (Honda accord hybrid) Trang6 Một trong những lý do nữa khiến hybrid ngày càng được quan tâm đó là môi trường sống. Như chúng ta biết động cơ đốt trong sẽ thải ra khí carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) và khí hydro-carbon (HC) chưa đốt, đây là những nhân tố chính gây ô nhiễm môi trường. Các hiện tượng như sự nóng lên của toàn cầu hay hiện tượng “El Nino” xảy ra một phần là hậu quả của việc sử dụng động cơ dầu diesel và xăng. Sự phát triển của công nghệ hybrid sẽ giúp hạ giá thành nhiên liệu, theo ước tính lượng xe hybrid được sản xuất sẽ tăng gấp đôi mỗi năm, một dự báo rất lạc quan là vào năm 2007 hay 2008 sẽ có khoảng một triệu xe hybrid được tiêu thụ tại thị trường Mỹ. Nhưng chúng ta không nên quên rằng doanh số của các loại xe thông thường cũng sẽ tăng lên, ví dụ như nếu hiện nay có 200 ngàn chiếc xe tại Mỹ, thì sau 20 năm con số đó có thể sẽ là 300 ngàn chiếc. Năm 2006, thị trường Mỹ có 10 mẫu xe hybrid khác nhau có giá từ 19,000 đôla tới 53,000 đôla. Chiếc Honda Civic và Toyota Prius được coi là những chiếc xe thông dụng nhất có giá dưới 30,000 đôla. Mức giá đó có thể là không phải là thấp đối với một chiếc compact sedan nhưng cũng không quá cao. Trong vòng 5 năm tới số xe hybrid sẽ lên đến 50 chiếc gồm nhiều hình dáng, kích thước và giá cả. (Toyota Prius) VIII. Kết luận. Thật khó có thể khuyên người tiêu dùng nên hay không nên dùng loại xe này. Có rất nhiều ưu điểm cũng như nhược điểm của nó và vấn đề môi trường sẽ càng khiến các quyết định trở nên chủ quan hơn. Quyền quyết định thuộc về mỗi cá nhân bởi mục đích sử dụng của mỗi người khác nhau. Rõ ràng với xe hybrid, bạn sẽ tiết kiệm được khá nhiều chi phí nhiên liệu. Nhưng cũng phải khẳng định thêm rằng giá của chiếc xe hybrid cũng không tiết kiệm chút nào. Tuy nhiên nếu bạn muốn lái một chiếc xe từ tốn và thân thiện với môi trường xung quanh thì xe hybrid chính là lựa chọn số một. Trang7 . bảo vệ môi trường trong lúc công nghệ fuel cell và pin điện được hoàn chỉnh. Công nghệ Hybrid là một giải pháp được coi là thành công hiện nay và đã được. liệu. II. Ôtô Hybrid là gì? Hybrid nghĩa là lai, ôtô hybrid (Hybrid Electric Vehiclé-HEVs) là dòng ôtô sử dụng động cơ tổ hợp. Thật ra, ý tưởng Hybrid đã có