Tại sao xe hơi hybrid chạy điện ở tốc độ thấp và xăng ở tốc độ cao?

Xe hybrid ở tốc độ thấp và khi công suất yêu cầu thấp sẽ sử dụng động cơ điện, còn ở tốc độ cao hoặc khi tải nặng sẽ sử dụng động cơ xăng; vì ở tốc độ đô thị, dẫn động bằng điện hiệu quả và êm hơn, còn ở tốc độ đường cao tốc, lực cản không khí và nhu cầu công suất tăng lên trùng với dải hoạt động hiệu quả của động cơ xăng. Bộ máy tính của xe quyết định việc chuyển đổi ngay lập tức và không cần sự can thiệp của người lái. Dưới đây chúng tôi giải thích logic chuyển đổi này từng lớp một.

Ai Quyết Định, Dựa Trên Những Tiêu Chí Nào?

Trong một hệ thống truyền động hybrid có hai nguồn công suất: động cơ đốt trong và một hoặc nhiều động cơ điện. Hộp số kết nối cả hai với bánh xe được điều khiển bởi bộ điều khiển điện tử công suất. Bộ điều khiển; liên tục đọc các biến số như vị trí bàn đạp của người lái, tốc độ xe, mức sạc pin và nhiệt độ động cơ để quyết định nguồn nào sẽ tạo ra bao nhiêu công suất.

Về bản chất, logic này dựa trên một phương trình hiệu quả đơn giản. Động cơ điện cung cấp mô-men xoắn của nó ngay lập tức và đầy đủ ở vòng tua thấp; trong giao thông dừng-đi, điều này mang lại lợi thế hơn so với động cơ xăng có độ trễ khi vào việc. Động cơ xăng thì đạt hiệu suất cao nhất ở tải trung bình và cao, ở tốc độ ổn định. Vì vậy, xe sẽ chọn con đường năng lượng rẻ nhất về mặt toán học cho mọi yêu cầu tốc độ và công suất - rẻ nhất về mặt nhiên liệu.

Hệ thống này còn có một lợi thế sẵn có: nhờ công suất bổ sung từ động cơ điện, động cơ xăng có thể được chọn với kích thước nhỏ hơn mà vẫn không bị giảm hiệu năng. Pin còn cấp điện cho các tải phụ như đèn và điều hòa không khí, nhờ đó loại bỏ việc động cơ chạy không tải khi xe dừng, tức là loại bỏ mức tiêu hao khi chạy không tải.

Điện Trong Thành Phố, Xăng Trên Cao Tốc: Tại Sao Không Phải Ngược Lại?

Định nghĩa của việc lái xe trong đô thị là giao thông dừng-đi: những lần tăng tốc ngắn, những lần dừng ở đèn đỏ, tốc độ trung bình thấp. Đây chính là thế mạnh của động cơ điện. Khi xe hybrid dừng ở đèn đỏ, nó có thể tắt hoàn toàn động cơ xăng và chuyển động chỉ bằng pin. Trong giao thông chảy chậm, việc lái thuần điện làm giảm đáng kể mức tiêu hao nhiên liệu. Khi phanh, phanh tái sinh được kích hoạt: khi xe giảm tốc, động năng của bánh xe đang quay được chuyển hóa thành điện qua máy phát và nạp trở lại vào pin. Vì bạn phanh thường xuyên trong giao thông đô thị, việc thu hồi năng lượng này cũng diễn ra liên tục.

Trên đường cao tốc, bức tranh thay đổi. Khi tốc độ tăng, lực cản không khí tăng theo bình phương tốc độ và công suất liên tục cần thiết cho việc kéo xe tăng lên gấp bội. Việc cấp nguồn này cho pin vừa kém hiệu quả vừa làm pin nhanh cạn. Còn động cơ xăng có thể hoạt động trong dải hiệu suất tối ưu ở tải ổn định này. Khi có nhu cầu tăng tốc cao, hệ thống thường kích hoạt cả hai cùng lúc: động cơ xăng cung cấp công suất cơ bản, động cơ điện tạo lực xoắn bổ sung tạm thời.

Tóm lại, việc chuyển đổi không phải là ngưỡng tốc độ mà là bài toán công suất và hiệu suất. Ngay cả ở cùng tốc độ, khi lên dốc động cơ xăng có thể vào cuộc, khi xuống dốc thì điện sẽ vào cuộc; hệ thống nhìn vào nhu cầu lực xoắn tại thời điểm đó chứ không phải tốc độ.

Vậy trên 80 km/h nhất định phải dùng xăng à?

Không. Trong giới lái xe có quan niệm phổ biến rằng xe hybrid khi vượt qua một tốc độ nhất định - ví dụ thường nghe là 80 km/h - sẽ chuyển từ điện sang xăng. Đây không phải là quy tắc tuyệt đối. Thực tế hệ thống hoạt động theo nhu cầu công suất tức thời: trên cao tốc, ở tốc độ ổn định, vừa phải, chế độ chạy điện với động cơ tắt chỉ có thể thực hiện trong những khoảnh khắc ngắn; nhưng ở những thời điểm tải cao như tăng tốc hoặc leo dốc, động cơ xăng sẽ vào cuộc. Cách hiểu đúng là: tốc độ một mình không quyết định, tốc độ nhân với nhu cầu công suất mới là yếu tố quyết định.

Các loại hybrid và sự khác biệt trong hành vi chuyển đổi

Không phải loại hybrid nào cũng hoạt động giống nhau. Cách hệ thống chuyển từ điện sang xăng thể hiện sự khác biệt lớn tùy thuộc vào kích thước và kiến trúc của pin.

Nói về chuyển đổi ở hybrid nhẹ là không chính xác; vì động cơ đốt trong không bao giờ bị ngắt hoàn toàn. Hệ thống điện chỉ hỗ trợ và không cần sạc từ bên ngoài. Còn ở hybrid đầy đủ, phần lớn việc lái xe trong đô thị có thể diễn ra một cách êm lặng. Hybrid sạc ngoài khi được sạc thường xuyên sẽ bao phủ phần lớn nhu cầu sử dụng hằng ngày bằng điện; còn khi pin cạn, chúng chuyển sang chế độ xăng một cách mượt mà. Sự khác biệt cơ bản giữa hybrid đầy đủ và hybrid sạc ngoài chính là điều này: kích thước, chi phí và mục đích của pin.

Hệ thống nối tiếp, song song và phân chia công suất: Ba con đường của cùng một sự chuyển đổi

Để hiểu cảm giác chuyển đổi như thế nào, cần nhìn vào kiến trúc của hệ thống. Có ba cách tiếp cận cơ bản.

Ở hybrid nối tiếp, động cơ xăng không bao giờ kết nối trực tiếp với bánh xe; nó chỉ chạy máy phát và xe thường di chuyển bằng động cơ điện được cấp từ pin. Ở hybrid song song, động cơ và động cơ điện có thể cùng nhau hoặc riêng lẻ dẫn động hệ thống truyền lực; hệ thống máy tính liên tục quản lý việc phân bổ công suất. Hệ thống phân chia công suất - tức là nối tiếp-song song - bổ sung thêm một đường truyền công suất thứ hai từ động cơ đến bánh xe cho kiến trúc song song, và có thể sử dụng hai nguồn độc lập hoặc cùng lúc.

Toyota Hybrid Synergy Drive là một trong những ứng dụng nổi tiếng nhất của logic phân chia công suất cụ thể: Toyota Hybrid Synergy Drive sử dụng một bộ bánh răng phân chia công suất nối động cơ xăng, máy phát điện và mô-tơ điện vào một khối thống nhất. Nhờ đó, xe có thể chạy chỉ bằng xăng, chỉ bằng điện hoặc cả hai cùng lúc; năng lượng của động cơ được chuyển hướng để sạc pin hoặc dẫn trực tiếp vào việc lái xe khi cần thiết. Một số hệ thống hiện đại thì hành xử như hybrid song song ở tốc độ cao và tỷ số truyền cao, như hybrid nối tiếp ở tốc độ thấp, lựa chọn kiến trúc hiệu quả nhất cho mỗi chế độ vận hành.

Tại sao không cảm nhận được sự chuyển đổi: Bối cảnh kỹ thuật đằng sau sự chuyển đổi mượt mà

Điều mà các tài xế quan tâm nhất là liệu có cảm nhận được sự chuyển đổi hay không. Trên một chiếc hybrid được thiết kế tốt, thời điểm chuyển đổi gần như không thể nhận ra. Nguyên nhân chính là do một số hộp số hybrid không có các ly hợp bật vào tắt ra: bộ bánh răng phân chia công suất luôn được kết nối, và khi hệ thống kích hoạt động cơ xăng, nó liên tục tính toán lại để đồng bộ vòng tua và mô-men xoắn. Vì không có cú giật ly hợp hay sụt vòng tua, tài xế thường chỉ nghe thấy âm thanh động cơ nhẹ nhàng.

e-CVT, được biết đến như hộp số vô cấp điện, cũng là một trong những bộ phận tạo nên sự cân bằng này. Không nên nhầm lẫn với CVT thông thường: nó không phải là hộp số vô cấp thực sự, thay vì dùng dây đai, nó điều chỉnh tỷ số truyền bằng chênh lệch vòng tua của hai cụm mô-tơ-máy phát điện. Vì mô-men xoắn điện có sẵn ngay lập tức, phản ứng ban đầu rất mạnh mẽ và thường không cần thiết phải để động cơ hoạt động ở vòng tua cao. Đó cũng chính là nhiệm vụ cơ bản của hộp số hybrid: cân bằng lại liên tục công suất đến từ hai nguồn công suất theo điều kiện lái xe.

Điều này không có nghĩa là nó hoàn hảo trên mọi chiếc xe. Trên một số mẫu xe - ví dụ như các mẫu SUV hybrid cỡ nhỏ - việc động cơ tắt rồi bật lại có thể cảm nhận rõ ràng đặc biệt khi động cơ còn nguội và pin tiêu thụ nhiều. Sự khác biệt giữa các xe xuất phát từ kiến trúc bánh răng của hệ thống và chất lượng hiệu chỉnh phần mềm.

Chế độ EV hữu ích khi nào, và khi nào lại lãng phí nhiên liệu?

Hầu hết các xe full hybrid đều có chế độ EV mà tài xế có thể chọn thủ công. Chế độ này được thiết kế cho việc lái xe thuần điện trong thời gian ngắn ở tốc độ khoảng 40 km/h: các tình huống cần sự yên tĩnh và phát thải thấp như lối ra bãi đỗ xe, không gian kín, di chuyển trong khu dân cư ban đêm. Nó cũng tiết kiệm nhiên liệu trên những chặng ngắn, tốc độ thấp.

Tuy nhiên, không thể nói rằng chế độ EV luôn có lợi về mặt kinh tế. Khi pin ở mức thấp, việc cố gắng duy trì chế độ EV khiến động cơ xăng phải chạy lâu hơn để sạc pin và có thể làm tăng tổng mức tiêu thụ. Đối với những ai hướng đến hiệu suất nhiên liệu tối đa, chế độ Eco và lái xe bình thường với chân ga nhẹ nhàng thường là lựa chọn đúng đắn hơn; việc dành chế độ EV cho những thời điểm cần phát thải cục bộ bằng không là hợp lý hơn. Trên đường cao tốc, không chế độ nào thực sự mang lại hiệu quả đô thị: sức cản không khí tăng theo tốc độ khiến cả chế độ điện lẫn xăng đều kém hiệu quả.

Để đọc đúng hệ thống chế độ lái, màn hình dòng năng lượng trên bảng đồng hồ cũng rất hữu ích: việc các mũi tên đổi hướng giữa động cơ, pin và bánh xe là cách trực quan nhất để biết hệ thống đang dùng nguồn nào tại thời điểm đó.

Tóm tắt: Làm thế nào để đọc hành vi của chính chiếc xe của bạn?

Việc xe hybrid chuyển đổi giữa điện và xăng không phải là khuyết điểm hay sự do dự; đó chính là nhiệm vụ của hệ thống. Ở đô thị, xe di chuyển êm lặng, còn trên cao tốc nó chuyển sang động cơ xăng để đưa bản thân về vùng vận hành hiệu quả nhất. Việc có cảm nhận được quá trình chuyển đổi hay không phụ thuộc vào kiến trúc: các hệ thống chia sẻ công suất che giấu quá trình chuyển đổi bằng bộ truyền không dùng ly hợp, trong khi ở một số hệ thống song song, việc động cơ tham gia có thể nghe thấy. Khi đánh giá xe của mình, hãy tự hỏi ba câu: ở tốc độ nào, ở mức yêu cầu công suất nào và ở mức pin bao nhiêu thì việc chuyển đổi diễn ra. Các câu trả lời sẽ tuân theo một logic hiệu suất nhất quán - và khi hiểu được logic đó một lần, mọi khoảng im lặng và mọi tiếng gầm gừ dưới bàn đạp đều mang ý nghĩa.

Nguồn tham khảo

• How Do Hybrid Electric Cars Work? - AFDC
• How hybrids work
• Hybrid vehicle drivetrain
• Series vs Parallel vs Series/Parallel Drivetrains - UCS
• Toyota Hybrid Drive Modes
• How the Toyota Hybrid System Works: A Beginner's Guide
• How do hybrid transmissions work? - Horse Powertrain
• An eCVT isn't really a CVT
• What Is a Hybrid Vehicle and How Does It Work?
• What's a mild hybrid? And how's it different to a full hybrid?
• Hybrid vs. mild hybrid vs. plug-in
• Plug-in Hybrid-Electric Cars
• Best way to drive a hybrid
• Electric driving modes
• How to get more mpg out of your Toyota hybrid