Bài giảng Tìm hiểu công nghệ hybrid của trong ngành công nghiệp Ôtô

I. 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. 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 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 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 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 quy và mômen xoắn).. 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 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 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. 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 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 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 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) 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). 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. 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, 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 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, 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 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. 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 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 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, 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. 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.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. 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. Prius thế hệ thứ 3 đời 2010. Tập trung vào việc chế tạo động cơ THS hoạt động vì hệ sinh thái, Toyota đã phát triển động cơ hybrid đồng vận. Đây chính là nền tảng phát triển động cơ hybrid mới của Toyota có tên THS II. Động cơ mới này đạt đến mức độ hoàn hảo của sự tương thích giữa môi trường và năng lượng. Hiệu suất của môtơ được tăng lên 1,5 lần, nâng cao khả năng cung cấp điện và tăng cường ưu điểm của hệ thống điều khiển.