Trong khi đó, xe Hybrid sẽ tận dụng năng lượng được truyền đến bánh xe bởi 3 nguồn khác nhau. Năng lượng của động cơ đốt trong, năng lượng bổ sung từ pin hybrid và năng lượng từ máy phát điện xoay chiều. Điều này giúp động cơ đốt trong được giảm tải bớt đi. Nó giúp xe tiết kiệm được nhiên liệu.
• Chế độ di chuyển trên đường băng ở tốc độ ổn định:
Khi xe di chuyển với vận tốc thấp, ổn định, chỉ có động cơ điện hoạt động, nếu pin còn đủ năng lượng. Nhưng khi tốc độ tăng lên cao, động cơ đốt trong sẽ hoạt động.
Ngoài việc truyền lực cho bánh xe thì nó cịn cung cấp năng lượng cho máy phát điện. Và cung cấp năng lượng cho động cơ xoay chiều.
Khi động cơ xoay chiều hoạt động nó sẽ chia sẻ việc cung cấp năng lượng với động cơ đốt trong. Đồng thời việc này còn giúp sạc điện cho pin hybrid. Ngăn chặn sự thất thoát nhiên liệu.
80
Hình 4. 24: Khi xe di chuyển ở tốc độ ởn định
• Chế độ giảm tốc:
Đối với xe thơng thường thì khi phanh, động năng sẽ bị triệt tiêu do lực ma sát. Nguồn năng lượng này tương đối lớn và bị lãng phí. Đối với xe Hybrid qn tính trong q trình giảm tốc sẽ được tận dụng làm quay máy phát điện. Từ đó tích trữ điện cho pin hybrid. Nó sẽ lại có ích cho q trình tăng tốc và khởi động.
81 Khi xe dừng hẳn, cả động cơ xăng và mơ-tơ điện sẽ tự ngắt để bảo tồn nguồn năng lượng.
4.6.1.3. Ưu điểm và nhược điểm của xe Hybrid.
❖ Ưu điểm:
Ưu điểm đầu tiên của động cơ Hybrid chính là tiết kiệm xăng hiệu quả bởi các quãng đường ngắn hay đông đúc xe sẽ dùng điện. Trong thực tế bất kể giá tăng hay giảm thì người tiêu dùng vẫn có xu hướng tiết kiệm xăng mỗi khi sử dụng xe. Mặt khác xe sử dụng điện thay xăng thì khơng xả nhiều khói bụi gây hại cho mơi trường, giảm bớt tình trạng ơ nhiễm.
Xe Hybrid thân thiện với mơi trường do đó được nhiều người trên thế giới ưa chuộng sử dụng để di chuyển trong nội thành hay những khu vực ô nhiễm. Bạn hãy nghĩ xem vào giờ cao điểm, tình trạng kẹt xe khiến số lượng khí thải tăng cao gây hại môi trường. Nhưng nếu số đơng dùng xe Hybrid thì tình trạng này sẽ được khắc phục.
Nhiều người e ngại dùng xe Hybrid vì nghĩ nó khó lái. Thực tế ưu điểm lớn nhất của xe Hybrid chính là rất dễ điều khiển. Khi tìm hiểu động cơ Hybrid bạn sẽ thấy đa số những mẫu xe này đều dùng hộp số tự động. Do đó bạn dễ dàng khởi động xe. Với các xe Hybrid không dùng hộp số tự động như Lexus hoặc Toyota cũng khơng làm khó người lái bởi trang bị hộp số vô cấp.
❖ Nhược điểm:
Giá thành là nhược điểm đầu tiên của xe Hybrid bởi chúng thường có chi phí khá đắt đỏ. Nhiều dịng xe phổ thơng nổi tiếng cũng đã có cho mình phiên bản Hybrid riêng. Ví dụ như Kia Optima, Honda Civic, Hyundai Tucson… Nhưng các phiên bản này đều có giá thành cao hơn bản thường.
Một nhược điểm khác của xe Hybrid chính là sạc pin. Điều này đồng nghĩa nếu bạn là người não cá vàng hoặc quá bận rộn thì sạc pin cho xe là cả một vấn đề. Mặt khác trước đây các mẫu xe Hybrid khơng có ưu điểm về ngoại hình. Hình dáng của chúng thường cục mịch, kém tinh tế và sang trọng như xe động cơ xăng hoặc diesel. Nhưng hiện nay tình trạng này đã được cải thiện đáng kể.
82
4.6.2.1. Hybird nối tiếp (Series Hybird).
Đây là mơ hình Hybrid lâu đời nhất, nó đã được ứng dụng trên những đầu máy xe lửa và tàu thủy xuất hiện ở thế kỷ trước. Trong một chiếc xe sử dụng nền tảng Series Hybrid, động cơ điện đóng vai trị trưc tiếp trong việc tryền lực cho bánh xe.
Chính vì thế, u cầu đặt ra là động cơ điện phải có sức mạnh lớn, dẫn đến kích thước của nó rất to. Tuy chạy bằng động cơ điện nhưng loại xe này vẫn được xem là xe Hybrid bởi vì nó vẫn sử dụng động cơ xăng để tại ra nguồn điện cung cấp cho động cơ điện và hoạt động như là một chiếc máy phát điện đúng nghĩa.
Hình 4. 26: Mơ hình truyền lực của Hybrid nối tiếp
Ngày nay hầu như khơng có bất kì chiếc xe ô tô Hybrid nào sử dụng nền tảng này. Tuy nhiên, nền tảng “xưa” nhất này vẫn còn được ứng dụng trên những chiếc xe sử dụng năng lượng từ pin nhiên liệu Hydrogen thay vì dùng động cơ xăng truyền thống để tạo ra dòng điện.
4.6.2.2. Hybrid song song (Parallel Hybrid).
Đây là mơ hình Hybrid đơn giản và ít “tốn kém” nhất nên nó được áp dụng khá nhiều trên xe hơi. Ở nền tảng này, động cơ xăng chỉ làm một nhiệm vụ duy nhất là cung cấp sức mạnh cho chiếc xe, động cơ điện đóng vai trị hỗ trợ cho động cơ xăng mỗi khi chiếc xe cần gia tốc mạnh, ví dụ như khi tăng tốc, qua mặt hay leo đèo chẳng hạn…
83
Hình 4. 27: Mơ hình truyền lực của Hybrid song song
Nếu lượng pin còn lại đủ lớn, động cơ điện sẽ thay thế luôn động cơ xăng trong những tình huống xe di chuyển chậm và khơng cần nhiều sức mạnh. Trong mơ hình này, hệ thống tái tạo năng lượng phanh (Regenerative Braking) sẽ đóng vai trị chủ đạo trong việc “sạc pin” chứ khơng phải động cơ điện. Do đó, tốc độ “phục hồi” năng lượng của cụm pin sẽ diễn ra khá chậm.
4.6.2.3. Hybrid song song kết hợp (Mid Parallel Hybrid).
Những mơ hình Hybrid này sử dụng một động cơ điện nhỏ gọn (thường <20 kW) để cung cấp các tính năng tự động như dừng / khởi động và cung cấp thêm trợ lực trong quá trình tăng tốc và tạo ra năng lượng trong giai đoạn giảm tốc (hay còn gọi là tái tạo năng lượng phanh – Regenerative Braking).
4.6.2.4. Hybrid nối tiếp-song song (Series-Parallel Hybrid).
Như cái tên của nó đã nói lên tất cả, mơ hình Hybrid này chính là sự kết hợp của 2 dạng nêu trên. Nó chính là nền tảng có kết cấu phức tạp nhất, và tất nhiên là có chi phí sản xuất và giá thành cao nhất.
84 Tuy nhiên, giá trị mà nó mang lại là rất xứng đáng, những chiếc xe Series-Parallel Hybrid ln có mức tiêu hao nhiên liệu tốt nhất, có thời gian sử dụng điện năng từ bộ pin lâu nhất và tốc độ tối đa đạt được là cao nhất so với các nền tảng khác.
Hình 4. 28: Mơ hình truyền lực Hybrid nối tiếp – song song
Trong mơ hình này, sức mạnh tạo ra từ động cơ xăng & động cơ điện được kết hợp với nhau một cách linh hoạt nhằm bổ trợ cho nhau và tạo ra hiệu quả hoạt động tốt nhất cho chiếc xe.
Động cơ xăng sẽ đóng vai trị cung cấp sức mạnh chủ yếu cho chiếc xe, động cơ điện sẽ hỗ trợ cho động cơ xăng khi cần thiết (mơ hình Parallel Hybrid). Điện năng sẽ được lưu trữ trong cụm pin (thường là loại Li-ion) của chiếc xe, nó sẽ được sạc thơng qua hệ thống tái tạo năng lượng phanh (Regenerative Braking) và cả động năng sinh ra từ động cơ xăng (mơ hình Series Hybrid).
Chính vì thế, nếu hoạt động một cách luân phiên thì cụm pin trên xe hầu như lúc nào cũng được sạc đầy. Mỗi chiếc xe được trang bị nền tảng Series-Parallel Hybrid đều có một hệ thống quản lý chế độ lái và điều kiện vận hành thông minh. Hệ thống này sẽ tự động nhận biết được
85 điều kiện lái và mức pin còn lại để đưa ra chế độ vận hành hiệu quả nhất (Series hoặc Parallel) ở một thời điểm nào đó cụ thể.
4.6.2.5. Xe điện Hybrid (Plug-in Hybrid Electric Vehicle).
Một mơ hình phụ khác của xe Hybrid là xe điện Hybrid. Xe điện Hybrid là dịng xe lai sạc điện có bộ pin lớn và được sạc từ nguồn điện bên ngồi, có cấu tạo thường là Hybrid Xăng – Điện chung (song song hoặc nối tiếp) với khả năng lưu trữ năng lượng tăng lên, thường được lưu trữ trọng cụm pin lithium-ion.
Hình 4. 29: Mơ hình truyền lực Plug-in Hybrid
Mơ hình này cho phép xe chạy ở chế độ hoàn toàn bằng điện trong một quãng đường dài, phụ thuộc vào kích thước của pin và cách bố trí cơ học của nó (nối tiếp hoặc song song).
Xe điện Hybrid có thể được kết nối với nguồn điện chính ở trạm cấp điện để tránh sạc bằng động cơ đốt trong khi trong quá trình vận hành.
4.6.3. Tìm hiểu về ắc-quy Hybrid và tính tốn hệ thống cung cấp điện trên xe Hybrid. Hybrid.
86
4.6.3.1. Các loại ắc-quy Hybrid.
Các dịng xe ơ tơ sử dụng bình điện hybrid được thiết kế khá cơng phu, do đặc tính sản phẩm đòi hỏi yêu cầu về kĩ thuật tương đối khắt khe. Một trong những yêu cầu tiên quyết là độ an toàn, tiếp đến là tuổi thọ, sau cùng là cung cấp điện áp cao với dung lượng lớn. Trong giới ô tô hiện nay, đang sử dụng hai loại bình điện Hybrid chính: Ắc quy Lithium (Lithium – Iron, Lithium-ion…) và ắc quy hybrid Nickel – kim loại hydrua (Nickel Metal Hydride – NiMH, Nickel – Hydrogen, Nickel – Iron). Trong đó, ắc quy hybrid Nickel – kim loại hydrua được ưa chuộng hơn do giá thành hợp lý mà vẫn đảm bảo tuổi thọ cao. Bình điện NiMH sử dụng kali hydroxit (KOH) làm chất điện phân nên việc dẫn điện của bình rất dễ dàng.
Hiện nay, đa số các xe hybrid đều sử dụng bộ ắc quy Nikel Metal Hydride (Ni-MH), ưu điểm của chúng là:
- Tạo điện áp cao giúp xe dễ dàng tùy chỉnh tốc độ.
- Bình điện kín giảm thiểu các vấn đề về rị rỉ nhiên liệu, an tồn cho động cơ. - Điện áp liên tục sản sinh cho động cơ hoạt động trơn tru.
- Độ bền cao.
- Khả năng phóng điện tốt do việc sử dụng chất điện phân KOH.
- Có mật độ năng lượng cao, do đó làm giảm khối lượng và kích thước của bộ ắc quy. Thiết kế ắc quy Hybrid là một dải modul với nhiều modul nhỏ được mắc nối tiếp với nhau. Mỗi modul lại bao gồm nhiều ngăn nhỏ, gọi là cell. Điện áp của một cell tương ứng với 1,2V. Tùy vào thiết kế, mỗi modul có thể chứa 6 ngăn (7,2 V), 8 ngăn (9,6 V) hoặc 12 ngăn (14,4 V). Theo tiêu chuẩn, ắc quy Hybrid chứa 28 modul, mỗi modul sẽ chứa 6 ngăn tương ứng với 7,2V và tổng điện áp lúc này của ắc quy sẽ là 201,6 V. Vậy nên, để đảm bảo an toàn khi sử dụng cũng như cần sửa chữa, nhà sản xuất thiết kế một tay nắm có nhiệm vụ ngắt mạch điện mỗi khi cần bảo dưỡng hay sửa chữa.
87
Hình 4. 30: Lắp đặt hệ thống pin Hybrid
Ắc-quy Hybrid bao gồm nhiều môdul rời, bên trong mỗi ngăn ắc quy Hybrid bao gồm bản điện cực âm và bản điện cực dương ngăn cách nhau bởi màng ngăn được ngâm trong dung dịch kiềm KOH.
Các dòng xe do Nhật sản xuất bình ác quy thường do hai tập đoàn lớn Panasonic và Toshiba sản xuất. Hiện nay acquy Hybrid (HV) được sản suất theo các tiêu chuẩn khác, acquy HV hãng Toyota sử dụng cho các dịng xe cũng khác nhau về kích thước, khối lượng, điện áp.
4.6.3.2. Tính tốn chọn hệ thống cung cấp điện trên một xe Hybrid cụ thể.
Ví dụ chọn một ơ tơ hybrid có hệ dẫn động hybrid nối tiếp. Vì vậy, ta sử dụng các cơng thức tính tốn của phần hybrid nối tiếp để tính chọn các thơng số của từng thành phần trong hệ dẫn động để chọn ra hệ thống pin hybrid cho phù hợp.
Các thơng số đầu vào để tính tốn:
Bảng 4. 9: Các thơng số đầu vào khi tính tốn cho xe
88 Thời gian gia tốc bới motor từ 0 – 100 km/h, ta (s) 10.4
Gia tốc trọng trường, g (m/s2) 9.8
Hệ số cản lăn, fr 0.02
Mật độ khơng khí, a (kg/m3) 0.114
Hệ số cản khí động, Cd 0.4
Diện tích cản mặt trước, Af (m2) 1.8
Hệ số khối lượng của xe, 𝛿 1.02
❖ Motor điện
Công suất của motor điện để kéo xe từ 0 → 100 (km/h) được tính theo cơng suất:
𝑃𝑚 =𝛿𝑀𝑣
2𝑡𝑎 (𝑉𝑓2+ 𝑉𝑏2) + 2
3𝑀𝑣𝑔𝑓𝑟𝑉𝑓+ 1
5𝜌𝑎𝐶𝑑𝐴𝑓𝑉𝑓3
Với vận tốc cơ bản của motor là 𝑉𝑏 40 km/h = 11.1 m/s, Vận tốc Vf = 100(km/h) = 27.8 (m/s). 𝑃𝑚 =1.02.1500 2.10,4 (27.82+ 11.12) + 2 3. 1500.9,8.0,02.27,8 + 1 5. 0,114.0,4.1,8. 27.83 = 71712 (W) = 71.712 (kW)
Vì mơ-tơ được sản xuất với các cơng suất quy định, vì thế ta chọn mơ-tơ điện xoay chiều có cơng suất 75 kW, hiệu điện thế định mức 245 V.
❖ Tính chọn bộ ắc-quy
Sử dụng bộ ắc quy Nikel Metal Hydride (Ni-MH), ưu điểm của loại ắc quy này là có mật độ năng lượng cao, do đó làm giảm khối lượng và kích thước của bộ ắc quy.
Để có một bộ ắc quy với điện áp 245V cung cấp cho mô-tơ kéo, ta dùng 34 mô-đun ghép nối tiếp với nhau. Mỗi mỗi mô-đun gồm 6 cell, với điện áp một cell là 1,2 và dung lượng là 3Ah.
89 Dịng điện phóng cung cấp cho mơ-tơ là Im = 𝑃𝑚
𝑈 = 75000
245 = 306(A) Số giờ phóng của ắc quy theo tính tốn bằng: (34.6.3)/306 ≈ 2(h)
Tuy nhiên trong thực tế, dung lượng phóng thực tế của ắc quy chỉ bằng 70% dung lượng tính tốn theo lí thuyết.
4.6.4. Các hãng xe Hybrid phát triển hiện nay. 4.6.4.1. Dòng xe Toyota Prius. 4.6.4.1. Dòng xe Toyota Prius.
Trước khi chúng ta nói về các phiên bản khác trong dòng sản phẩm Prius, trước tiên chúng ta nên thảo luận về cái tên của xe. Chiếc Prius được thiết kế lại hoàn toàn trong năm 2016 và nâng cấp tính năng Toyota Hybrid Hybrid Synergy Drive, cũng như giảm lực cản khơng khí nhờ cải tiến khí động học. Những cải tiến này giúp tiết kiệm xăng hơn so với thế hệ trước. Thế hệ mới nhất của Prius cũng có khả năng vận hành tốt hơn, xử lý hấp dẫn hơn, cũng như tăng tốc nhanh chóng hơn. Cabin của Prius có thiết kế khá khác thường, với đồng hồ lái được gắn khơng ở phía trước người lái mà ở trung tâm của táp lô. Chất liệu nội thất khá cao cấp và mềm mại. Ghế ngồi phía trước rộng rãi và thoải mái, mặc dù ghế sau khá chật do mái dốc. Chỗ để chân ở phía sau cũng rất hạn chế.
Prius trang bị hệ thống thơng tin giải trí màn hình cảm ứng, cổng USB và Bluetooth. phiên bản khởi điểm có màn hình 6,1 inch, trong khi các biến thể cao hơn có màn hình 7 inch hoặc 11,6 inch, định vị dẫn đường, đài vệ tinh và Radio HD. Đáng chú ý là Android Auto và Apple CarPlay không xuất hiện trên Prius, cũng như trong hầu hết các loại xe khác của Toyota (Toyota bắt đầu giới thiệu Apple CarPlay trên các mẫu xe năm 2019, mặc dù Android Auto vẫn không được hỗ trợ).
90
Hình 4. 31: Toyota Prius
4.6.4.2. Dịng xe Lexus ES 300h.
Lexus ES300h là một mẫu xe Hybird công nghệ hạng sang được giới thiệu trong triển lãm xe VMS tại Hồ Chí Minh đã và đang được kỳ vọng sẽ là một mẫu xe sang cạnh tranh với những đối thủ đến từ Đức.
91
Hình 4. 32: Chiếc Hybird - Lexus ES300H
So với thế hệ cũ thì chiếc Hybirb Lexus ES300H đã được thiết kế lột xác trên mọi phương diện từ thiết kế nội thất - ngoại thất, tiện ích sử dụng, khả năng vận hành, hệ thống khung gầm và động cơ xe. Do được phát triển trên nền tảng thiết kế GA-K tiên tiến mà kích thước tổng thể của Lexus ES300H đã thay đổi cụ thể: Xe đã dài hơn 66mm, rộng thêm 46mm và cao cũng thấp hơn 51mm. Tổng chiều dài cơ sở của xe giờ là 2.870mm.
Thiết kế đầu xe của Lexus ES300H với ngôn ngữ L-finesse của bộ lưới tản nhiệt vẫn mang đậm những nét đặc trưng của dịng Lexus. Nói chung phần đầu xe bao gồm cụm đèn pha, và bộ lưới tản nhiệt giảm xung của ES300H khá giống với mẫu xe Lexus LS
Về phần đuôi xe, vẫn được thiết kế đầy thẩm mỹ, khỏe khoắn nhưng sắc sảo với cụm đèn hậu Full LED cùng đường viền được mạ Crom tạo nên vẻ đẹp quyến rũ và hiện đại.