Hệ truyền động hybrid là gì?
Hệ truyền động hybrid là hệ thống truyền công suất đến bánh xe bằng cách kết hợp ít nhất hai nguồn năng lượng hoặc hai phương thức tạo lực kéo khác nhau.Trong ngành ô tô hiện nay, thuật ngữ này thường dùng để chỉ hệ thống kết hợp động cơ đốt trong với một hoặc nhiều mô-tơ điện.
Động cơ đốt trong sử dụng năng lượng từ nhiên liệu như xăng để tạo ra cơ năng, trong khi mô-tơ điện chuyển đổi điện năng từ pin thành lực kéo.
Hai nguồn công suất có thể hoạt động độc lập hoặc phối hợp với nhau tùy theo cấu trúc hệ thống và điều kiện vận hành.
Mục tiêu của hệ truyền động hybrid không đơn thuần là bổ sung một mô-tơ điện vào xe xăng, mà là phân bổ công việc giữa hai nguồn năng lượng sao cho động cơ đốt trong hoạt động ở vùng hiệu suất phù hợp hơn, đồng thời tận dụng ưu thế của mô-tơ điện khi khởi hành, tăng tốc và giảm tốc.
Để hiểu rõ hơn, cần nhìn nhận đặc điểm vật lý của hai nguồn tạo lực kéo này.
Động cơ xăng thường có hiệu suất thay đổi đáng kể theo tốc độ quay và tải động cơ, đồng thời tiêu hao nhiên liệu ngay cả khi xe đứng yên nhưng động cơ vẫn chạy không tải.
Trong khi đó, mô-tơ điện có khả năng tạo mô-men xoắn lớn ngay từ tốc độ thấp, phản hồi nhanh và có thể chuyển sang chế độ máy phát điện để thu hồi năng lượng khi xe giảm tốc.
Khi được điều khiển hợp lý, hai nguồn công suất có thể bù đắp hạn chế của nhau, góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu và cải thiện khả năng vận hành.
Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, xe hybrid sử dụng động cơ đốt trong kết hợp một hoặc nhiều mô-tơ điện lấy năng lượng từ bộ pin, đồng thời có thể thu hồi năng lượng khi phanh để nạp lại pin.
Liên hệ ngay: 0967310819 để nhận báo giá xe BYD và các chương trình ưu đãi!
Cấu tạo hệ truyền động hybrid và chức năng từng bộ phận
Một hệ truyền động hybrid gồm nhiều cụm cơ khí, điện và điện tử được kết nối thành một hệ thống thống nhất.Cấu tạo cụ thể thay đổi theo từng kiến trúc truyền động, nhưng những thành phần dưới đây thường xuất hiện trong các hệ thống hybrid phổ biến.
| Bộ phận | Chức năng kỹ thuật |
|---|---|
| Động cơ đốt trong | Chuyển hóa năng lượng nhiên liệu thành cơ năng để dẫn động bánh xe hoặc kéo máy phát điện. |
| Mô-tơ điện | Tạo lực kéo, hỗ trợ động cơ xăng hoặc thực hiện chức năng phát điện khi giảm tốc. |
| Pin cao áp | Lưu trữ điện năng và cung cấp năng lượng cho mô-tơ điện. |
| Máy phát điện | Chuyển đổi cơ năng thành điện năng, có thể được tích hợp chung chức năng với mô-tơ điện tùy thiết kế. |
| Bộ biến tần (Inverter) | Điều khiển dòng điện giữa pin và mô-tơ, chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều và ngược lại theo cấu hình hệ thống. |
| Bộ chuyển đổi DC-DC | Chuyển đổi điện áp cao xuống mức điện áp thấp để cung cấp cho hệ thống điện phụ trợ và ắc quy 12V. |
| Bộ điều khiển hybrid | Phân bổ công suất giữa động cơ, mô-tơ, máy phát và pin theo điều kiện vận hành. |
| Hộp số hoặc cụm phân phối công suất | Truyền lực từ động cơ và mô-tơ đến bánh xe theo kiến trúc của từng hệ thống. |
| Hệ thống phanh tái sinh | Thu hồi một phần động năng khi giảm tốc và chuyển thành điện năng để lưu trữ trong pin. |
| Hệ thống quản lý nhiệt | Kiểm soát nhiệt độ vận hành của pin, động cơ điện và các linh kiện liên quan. |
Trong đó, bộ điều khiển hybrid và cụm phân phối công suất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Các bộ phận cơ khí tạo ra và truyền lực, nhưng bộ điều khiển mới là thành phần quyết định thời điểm sử dụng động cơ xăng, mô-tơ điện hoặc kết hợp cả hai.
Một hệ thống có nhiều mô-tơ điện chưa chắc hiệu quả hơn hệ thống chỉ có một mô-tơ, bởi hiệu suất tổng thể còn phụ thuộc vào cách thiết kế, tổn thất truyền động và chiến lược quản lý năng lượng.
Nguyên lý hoạt động của hệ truyền động hybrid
Hệ truyền động hybrid không vận hành theo một chế độ cố định trong suốt hành trình.Bộ điều khiển liên tục tiếp nhận thông tin từ tốc độ xe, vị trí bàn đạp ga, tải trọng, trạng thái pin, nhiệt độ và điều kiện vận hành để quyết định cách phân bổ công suất.
Khi khởi hành và di chuyển ở tốc độ thấp
Đây là giai đoạn động cơ đốt trong thường chưa đạt được vùng hiệu suất thuận lợi nhất.Ở một số hệ thống full hybrid, mô-tơ điện có thể đảm nhiệm việc khởi hành và dẫn động xe ở tốc độ thấp nếu pin còn đủ năng lượng.
Động cơ xăng được giữ ở trạng thái tắt để hạn chế nhiên liệu tiêu hao khi không cần thiết.
Ở hệ thống mild hybrid, mô-tơ điện thường chỉ hỗ trợ động cơ và không đủ khả năng tự mình dẫn động xe.
Vì vậy, khả năng chạy thuần điện ở tốc độ thấp phụ thuộc vào cấp độ hybrid và cấu hình của từng mẫu xe.
Liên hệ ngay: 0967310819 để nhận báo giá xe BYD và các chương trình ưu đãi!
Khi tăng tốc hoặc cần công suất lớn
Khi người lái đạp ga mạnh, hệ thống có thể huy động đồng thời động cơ xăng và mô-tơ điện để tăng lực kéo.Mô-tơ điện có khả năng tạo mô-men xoắn nhanh, giúp cải thiện phản hồi khi xe tăng tốc từ trạng thái đứng yên.
Động cơ đốt trong bổ sung công suất để duy trì khả năng vận hành khi nhu cầu lực kéo tăng cao.
Việc phối hợp hai nguồn công suất giúp hệ thống đáp ứng nhu cầu tăng tốc mà không nhất thiết phải sử dụng một động cơ xăng có dung tích quá lớn.
Tuy nhiên, mức độ hỗ trợ phụ thuộc vào công suất mô-tơ, giới hạn dòng điện của pin và chiến lược điều khiển của nhà sản xuất.
Khi xe chạy ổn định
Khi xe di chuyển với tốc độ tương đối ổn định, hệ thống sẽ lựa chọn nguồn công suất phù hợp với điều kiện tải và hiệu suất của từng bộ phận.Ở một số cấu hình, động cơ xăng trực tiếp dẫn động bánh xe, trong khi mô-tơ điện hỗ trợ hoặc máy phát cung cấp điện.
Ở cấu hình khác, động cơ xăng có thể kéo máy phát để cung cấp điện cho mô-tơ dẫn động.
Với hệ thống power-split, công suất động cơ có thể được phân chia thành hai nhánh: một nhánh truyền cơ học đến bánh xe và một nhánh vận hành máy phát điện.
Mục tiêu là giảm tổn thất năng lượng và duy trì động cơ trong vùng làm việc phù hợp nhất có thể.
Khi giảm tốc và phanh
Trong quá trình giảm tốc, mô-tơ điện có thể chuyển sang chế độ máy phát điện.Thay vì toàn bộ động năng của xe chuyển thành nhiệt tại má phanh và đĩa phanh, một phần năng lượng được chuyển thành điện năng để nạp vào pin.
Quá trình này được gọi là phanh tái sinh.
Lượng điện thu hồi có thể được sử dụng trong những lần khởi hành hoặc tăng tốc tiếp theo.
Tuy nhiên, phanh tái sinh không thay thế hoàn toàn phanh cơ khí.
Khi cần giảm tốc mạnh, tốc độ thấp, pin đầy hoặc điều kiện bám đường không phù hợp, hệ thống vẫn phải sử dụng phanh ma sát để đảm bảo khả năng giảm tốc an toàn.
Khi xe dừng chờ
Ở nhiều hệ thống hybrid, động cơ đốt trong có thể tự động tắt khi xe dừng tại đèn đỏ hoặc trong tình huống không cần duy trì công suất động cơ.Khi người lái tiếp tục di chuyển, hệ thống khởi động lại động cơ nếu cần thiết.
Cơ chế này giúp hạn chế lượng nhiên liệu tiêu thụ trong thời gian xe đứng yên nhưng động cơ vẫn hoạt động.
Liên hệ ngay: 0967310819 để nhận báo giá xe BYD và các chương trình ưu đãi!
3 cấu trúc hệ truyền động hybrid phổ biến
Điểm khác biệt quan trọng giữa các hệ thống hybrid nằm ở cách kết nối động cơ đốt trong, mô-tơ điện và bánh xe.Dựa trên đường truyền công suất, có thể chia thành ba kiến trúc cơ bản: nối tiếp, song song và hỗn hợp.
Hệ truyền động hybrid nối tiếp (Series Hybrid)
Ở cấu hình nối tiếp, động cơ đốt trong không trực tiếp truyền lực đến bánh xe.Thay vào đó, động cơ kéo máy phát để tạo ra điện năng, sau đó điện năng được cung cấp cho mô-tơ dẫn động.
Mô-tơ điện là bộ phận trực tiếp tạo lực kéo cho bánh xe.
Có thể hình dung đường truyền năng lượng theo trình tự:
Nhiên liệu → Động cơ đốt trong → Máy phát điện → Bộ điều khiển điện → Mô-tơ điện → Bánh xe.
Pin có nhiệm vụ lưu trữ và cung cấp điện trong những thời điểm cần thiết, đồng thời tiếp nhận năng lượng thu hồi khi phanh.
Ưu điểm của kiến trúc nối tiếp là động cơ đốt trong không cần kết nối cơ khí trực tiếp với bánh xe.
Nhờ đó, hệ thống có thể điều chỉnh tốc độ và tải của động cơ theo nhu cầu phát điện thay vì phải bám sát tốc độ di chuyển của xe.
Đặc tính dẫn động bằng mô-tơ điện cũng giúp xe có phản hồi lực kéo nhanh và mượt ở tốc độ thấp.
Hạn chế của cấu hình này là năng lượng từ động cơ phải trải qua quá trình chuyển đổi cơ năng thành điện năng trước khi được mô-tơ chuyển lại thành cơ năng.
Mỗi lần chuyển đổi đều có tổn thất, do đó cấu hình nối tiếp cần được tối ưu cẩn thận khi xe chạy tốc độ cao hoặc duy trì tải lớn trong thời gian dài.
Hệ truyền động hybrid song song (Parallel Hybrid)
Khác với cấu hình nối tiếp, hệ thống song song cho phép cả động cơ đốt trong và mô-tơ điện truyền công suất đến bánh xe thông qua kết nối cơ khí.Động cơ xăng có thể trực tiếp dẫn động xe, trong khi mô-tơ điện hỗ trợ tăng tốc hoặc đảm nhiệm việc dẫn động trong những điều kiện phù hợp.
Đường truyền công suất có thể được hình dung như sau:
Động cơ xăng và/hoặc mô-tơ điện → Hộp số hoặc cụm truyền động → Bánh xe.
Một số hệ thống đặt mô-tơ giữa động cơ và hộp số, trong khi những hệ thống khác có thể tích hợp mô-tơ vào hộp số hoặc bố trí trên trục dẫn động.
Ưu điểm của kiến trúc song song là động cơ có thể truyền cơ năng trực tiếp đến bánh xe, hạn chế việc phải chuyển đổi toàn bộ năng lượng thành điện rồi mới sử dụng.
Mô-tơ điện hỗ trợ động cơ ở những thời điểm cần công suất lớn, đồng thời thu hồi năng lượng khi giảm tốc.
Tuy nhiên, việc phối hợp hai nguồn công suất đòi hỏi cơ cấu kết nối và điều khiển phù hợp.
Thiết kế hộp số, ly hợp và vị trí lắp mô-tơ cũng ảnh hưởng đến kích thước, khối lượng và hiệu suất của toàn hệ thống.
Hệ truyền động hybrid hỗn hợp hoặc phân chia công suất (Series-Parallel / Power-Split)
Đây là cấu hình kết hợp đặc điểm của hệ thống nối tiếp và song song.Tùy thiết kế, xe có thể sử dụng mô-tơ điện để dẫn động, động cơ xăng để tạo điện hoặc kết hợp truyền công suất cơ học trực tiếp từ động cơ đến bánh xe.
Một giải pháp phổ biến là sử dụng bộ bánh răng hành tinh để phân chia công suất từ động cơ thành các nhánh khác nhau.
Trong hệ thống power-split của Toyota, bộ phân chia công suất kết nối động cơ xăng, máy phát điện và mô-tơ dẫn động, cho phép điều chỉnh tỷ lệ công suất truyền qua từng nhánh theo điều kiện vận hành.
Nhờ đó, hệ thống có thể thay đổi cách phối hợp giữa động cơ và mô-tơ mà không cần chuyển số theo cách của hộp số truyền thống trong nhiều tình huống.
Ưu điểm của kiến trúc hỗn hợp là khả năng linh hoạt trong phân bổ công suất giữa các nguồn năng lượng.
Tuy nhiên, cấu trúc cơ khí và hệ thống điều khiển có thể phức tạp hơn, đòi hỏi sự đồng bộ chính xác giữa các bộ phận.
Không thể khẳng định cấu hình hỗn hợp luôn tiết kiệm nhiên liệu hơn nối tiếp hoặc song song trong mọi điều kiện.
Hiệu quả thực tế phụ thuộc vào đặc tính động cơ, mô-tơ, tỷ số truyền, chiến lược điều khiển và chu trình sử dụng xe.
Liên hệ ngay: 0967310819 để nhận báo giá xe BYD và các chương trình ưu đãi!
So sánh 3 kiến trúc truyền động hybrid
| Tiêu chí | Nối tiếp | Song song | Hỗn hợp / Phân chia công suất |
|---|---|---|---|
| Vai trò động cơ xăng | Chủ yếu kéo máy phát | Có thể trực tiếp dẫn động bánh xe | Có thể tạo điện và/hoặc trực tiếp dẫn động |
| Vai trò mô-tơ điện | Trực tiếp dẫn động bánh xe | Hỗ trợ hoặc trực tiếp dẫn động tùy thiết kế | Dẫn động, hỗ trợ và phối hợp với động cơ |
| Kết nối cơ khí giữa động cơ và bánh xe | Không có trong cấu hình nối tiếp thuần túy | Có | Có thể có, tùy kiến trúc |
| Đặc điểm vận hành | Thiên về truyền động điện | Kết hợp truyền động cơ khí và điện | Linh hoạt trong phân bổ công suất |
| Hạn chế chính | Tổn thất qua nhiều bước chuyển đổi năng lượng khi tải cao | Cần tối ưu cơ cấu kết nối và phối hợp nguồn lực | Cấu trúc và điều khiển có thể phức tạp |
Bảng trên mô tả nguyên lý cơ bản, không đại diện cho toàn bộ biến thể hybrid trên thị trường.
Một số nhà sản xuất phát triển kiến trúc riêng, kết hợp nhiều mô-tơ, bộ ly hợp hoặc cơ cấu truyền động đặc thù.
Vì vậy, khi tìm hiểu một mẫu xe cụ thể, cần xem xét sơ đồ truyền lực và tài liệu kỹ thuật của chính phiên bản đó.
Phân biệt mild hybrid, full hybrid và plug-in hybrid
Ngoài cách phân loại theo kiến trúc nối tiếp, song song và hỗn hợp, xe hybrid còn được phân chia theo mức độ điện hóa và khả năng sạc pin.Ba khái niệm thường gặp nhất là MHEV, HEV và PHEV.
| Tiêu chí | Mild Hybrid (MHEV) | Full Hybrid (HEV) | Plug-in Hybrid (PHEV) |
|---|---|---|---|
| Khả năng hỗ trợ động cơ | Có | Có | Có |
| Khả năng chạy thuần điện | Thông thường không | Có, trong điều kiện phù hợp | Có, với quãng đường thường dài hơn HEV |
| Sạc pin ngoài | Không | Không | Có |
| Nguồn nạp điện | Động cơ và thu hồi năng lượng tùy thiết kế | Động cơ và phanh tái sinh | Sạc ngoài, động cơ và phanh tái sinh |
| Dung lượng pin | Thường nhỏ | Lớn hơn MHEV | Thường lớn hơn HEV |
| Mục tiêu chính | Hỗ trợ động cơ, giảm tiêu hao ở một số điều kiện | Tối ưu phối hợp động cơ và mô-tơ | Tăng khả năng vận hành bằng điện |
Cần lưu ý rằng MHEV, HEV và PHEV là cách phân loại theo mức độ điện hóa, còn nối tiếp, song song và hỗn hợp mô tả cách truyền công suất.
Hai cách phân loại này không thay thế cho nhau.
Một chiếc PHEV vẫn có thể sử dụng kiến trúc nối tiếp, song song hoặc kết hợp, tùy thiết kế của nhà sản xuất.
Hệ truyền động hybrid có thực sự giúp tiết kiệm nhiên liệu?
Hệ truyền động hybrid có thể giảm tiêu hao nhiên liệu nhờ ba cơ chế chính.- Thứ nhất, mô-tơ điện hỗ trợ tạo lực kéo ở tốc độ thấp và khi tăng tốc, giúp động cơ đốt trong không phải liên tục đáp ứng mọi yêu cầu công suất.
- Thứ hai, hệ thống tự động tắt động cơ khi xe dừng hoặc khi không cần sử dụng động cơ, qua đó hạn chế nhiên liệu tiêu hao khi chạy không tải.
- Thứ ba, phanh tái sinh thu hồi một phần động năng trong quá trình giảm tốc để sử dụng lại, thay vì để toàn bộ năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt tại phanh ma sát.
Những lợi ích này đặc biệt có ý nghĩa trong điều kiện giao thông đô thị, nơi xe thường xuyên khởi hành, dừng và thay đổi tốc độ.
Tuy nhiên, hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu không giống nhau giữa các mẫu xe.
Một hệ thống hybrid có thể đạt hiệu quả tốt trong điều kiện di chuyển đô thị nhưng không tạo ra mức cải thiện tương tự khi xe liên tục chạy tốc độ cao, tải nặng hoặc leo dốc dài.
Ngoài ra, mức tiêu hao còn phụ thuộc vào khối lượng xe, khí động học, lốp, nhiệt độ môi trường, cách tăng tốc và tình trạng bảo dưỡng.
Với PHEV, tần suất sạc pin cũng ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nhiên liệu tiêu thụ.
Do đó, người mua nên tham khảo mức tiêu hao theo cùng một chu trình thử nghiệm và tìm hiểu dữ liệu sử dụng thực tế thay vì chỉ so sánh một con số công bố.
Liên hệ ngay: 0967310819 để nhận báo giá xe BYD và các chương trình ưu đãi!
Công nghệ hybrid DM-i của BYD và định hướng truyền động thiên về điện
Trong lĩnh vực xe năng lượng mới, BYD phát triển hệ truyền động Super DM-i với định hướng ưu tiên truyền động điện và tối ưu hiệu quả sử dụng năng lượng.Đây là công nghệ hybrid sạc ngoài, vì vậy cần phân biệt với hệ thống HEV không có cổng sạc ngoài.
Theo định hướng thiết kế của BYD, mô-tơ điện đảm nhiệm vai trò quan trọng trong việc tạo lực kéo, trong khi động cơ xăng có thể tham gia phát điện hoặc trực tiếp truyền lực đến bánh xe tùy điều kiện vận hành và cấu hình hệ thống.
Cách phối hợp này giúp xe khai thác đặc tính mô-men xoắn của mô-tơ điện, đồng thời duy trì khả năng sử dụng nhiên liệu khi cần di chuyển đường dài.
Tuy nhiên, thông số kỹ thuật, chế độ hoạt động và khả năng vận hành thuần điện cần được đánh giá theo từng mẫu xe cụ thể.
Không nên mặc định tất cả các dòng xe sử dụng công nghệ DM-i đều có cấu hình truyền động, dung lượng pin hoặc thông số vận hành giống nhau.
Khách hàng quan tâm đến công nghệ hybrid của BYD có thể tìm hiểu thêm tại BYD Giải Phóng để đối chiếu cấu hình động cơ, mô-tơ điện, pin và khả năng vận hành của từng mẫu xe với nhu cầu sử dụng thực tế.
Những yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn xe sử dụng hệ truyền động hybrid
Khi mua xe hybrid, người dùng không nên chỉ quan tâm đến công suất tổng hoặc mức tiêu hao nhiên liệu được quảng cáo.Một số yếu tố kỹ thuật dưới đây có ảnh hưởng trực tiếp đến trải nghiệm sử dụng lâu dài.
- Kiến trúc truyền động: Cần xác định xe sử dụng hệ thống nối tiếp, song song hay hỗn hợp để hiểu động cơ và mô-tơ phối hợp như thế nào trong từng điều kiện vận hành.
- Công suất và mô-men xoắn: Nên xem xét công suất của động cơ, mô-tơ và công suất tổng theo cách nhà sản xuất công bố, tránh cộng cơ học công suất từng bộ phận vì các nguồn lực không phải lúc nào cũng đạt cực đại cùng thời điểm.
- Dung lượng và công nghệ pin: Pin ảnh hưởng đến khả năng cung cấp điện, hỗ trợ tăng tốc và quãng đường chạy thuần điện của xe.
- Hiệu quả quản lý năng lượng: Thuật toán điều khiển quyết định thời điểm khởi động động cơ, sử dụng mô-tơ, phát điện và thu hồi năng lượng.
- Khả năng bảo dưỡng: Hệ thống hybrid cần được kiểm tra bằng thiết bị phù hợp, đặc biệt đối với pin cao áp, hệ thống làm mát và linh kiện điện tử công suất.
- Chính sách bảo hành: Cần đọc rõ thời hạn, giới hạn quãng đường, điều kiện bảo hành pin và các bộ phận thuộc hệ thống truyền động hybrid.
Hiểu đúng những yếu tố này sẽ giúp người mua đánh giá chiếc xe dựa trên khả năng vận hành và chi phí sở hữu dài hạn, thay vì chỉ nhìn vào nhãn hybrid trên thân xe.
Kết luận
Hệ truyền động hybrid là giải pháp kết hợp động cơ đốt trong và mô-tơ điện nhằm tận dụng ưu điểm của hai nguồn công suất, giảm lãng phí năng lượng và cải thiện hiệu quả vận hành.Tùy cách kết nối giữa các bộ phận, hệ thống có thể được thiết kế theo kiến trúc nối tiếp, song song hoặc hỗn hợp, mỗi loại có đặc điểm riêng về đường truyền công suất, hiệu suất và độ phức tạp kỹ thuật.
Bên cạnh đó, việc phân biệt MHEV, HEV và PHEV giúp người dùng hiểu rõ hơn về mức độ điện hóa và khả năng sạc của từng dòng xe.
Khi lựa chọn ô tô hybrid, người mua nên tìm hiểu cấu trúc truyền động, khả năng phối hợp động cơ và mô-tơ, công nghệ pin, mức tiêu hao thực tế cùng chính sách bảo hành.
Tại BYD Giải Phóng, khách hàng có thể tìm hiểu thêm về công nghệ DM-i và các giải pháp truyền động điện hóa của BYD để lựa chọn mẫu xe phù hợp với nhu cầu di chuyển và ngân sách sử dụng.
Liên hệ ngay: 0967310819 để nhận báo giá xe BYD và các chương trình ưu đãi!
0967310819
