Kết cấu của hệ thống truyền động điện và hybrid

– Pin: Lưu trữ năng lượng, thường là lithium-ion hoặc trạng thái rắn, với dung lượng từ 60-100 kWh. Kết nối với bộ quản lý pin (BMS) để kiểm soát sạc/xả, nhiệt độ và tuổi thọ.

– Động cơ điện: Thường là động cơ nam châm vĩnh cửu (PMSM) hoặc cảm ứng (IM), cung cấp mô-men xoắn cao từ 0 rpm, hiệu suất 95%.

– Bộ biến tần (Inverter): Chuyển đổi DC từ pin sang AC cho động cơ, sử dụng công nghệ SiC để giảm tổn hao.

– Hệ thống truyền lực: Có thể là dẫn động cầu trước (FWD), sau (RWD) hoặc toàn thời gian (AWD), với hệ thống làm mát tích hợp.

– Series Hybrid: ICE kết nối máy phát để nạp pin, động cơ điện truyền lực đến bánh xe. Không có kết nối cơ học trực tiếp giữa ICE và bánh xe, giảm rung động.

– Parallel Hybrid: ICE và động cơ điện kết nối song song với trục truyền động, sử dụng ly hợp để chuyển đổi. Có thể có cấu hình “Through the Road” (TTR) với ICE và điện trên các trục khác nhau, tăng tính linh hoạt.

– Power-Split Hybrid: Sử dụng planetary gearset để phân tách công suất từ ICE thành cơ học và điện. Ví dụ: Toyota Hybrid System với MG1 (máy phát) và MG2 (động cơ điện), cho phép vận hành mượt mà.

Các thành phần chung: Pin (nhỏ hơn ở HEV, khoảng 1-2 kWh), ECU để điều khiển, và hệ thống phanh tái tạo để thu hồi năng lượng lên đến 30%. Trong PHEV, pin lớn hơn với cổng sạc CCS hoặc CHAdeMO. MHEV sử dụng pin 48V nhỏ, tích hợp belt-driven starter-generator (BSG) để hỗ trợ ICE.

Kết cấu này đảm bảo độ bền lên đến 10 năm, an toàn với hệ thống cách ly cao áp, và hiệu suất cao nhờ cảm biến vị trí, tốc độ và nhiệt độ để giám sát thời gian thực.

Thuật toán điều khiển là “bộ não” của hệ thống, sử dụng ECU để tối ưu hóa năng lượng, vận hành và an toàn dựa trên dữ liệu từ cảm biến.

– Điều khiển cơ bản:

Sử dụng PID (Proportional-Integral-Derivative) để kiểm soát tốc độ, mô-men xoắn chính xác. Trong BEV, thuật toán điều khiển vector (Field-Oriented Control – FOC) cho động cơ điện, đảm bảo hiệu suất cao và giảm tiếng ồn.

– Chiến lược quản lý năng lượng (Energy Management Strategy – EMS)

EMS quyết định khi sử dụng ICE, điện hoặc kết hợp, sử dụng thuật toán tối ưu như Dynamic Programming cho lập kế hoạch toàn cục hoặc Rule-Based Control cho quy tắc đơn giản.

– Series Hybrid: Thuật toán giữ ICE ở tốc độ tối ưu (khoảng 2000-3000 rpm) để tạo điện, sử dụng phanh tái tạo để nạp pin. Ví dụ: Điều khiển dựa trên trạng thái sạc pin (SOC) để tránh xả sâu.

– Parallel Hybrid: Thuật toán chuyển đổi chế độ (mode switching) dựa trên tải, tốc độ và SOC, sử dụng fuzzy logic để dự đoán nhu cầu lái xe và tối ưu hóa.

– Power-Split Hybrid:

Thuật toán phức tạp với Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS), tối ưu hóa nhiên liệu bằng cách cân bằng giữa điện và xăng, giảm tiêu thụ 20-30%.

Trong PHEV, thuật toán CD/CS (Charge Depleting/Charge Sustaining) ưu tiên chạy điện trước để giảm phát thải, sau đó duy trì SOC ở mức 20-30%. Thuật toán hiện đại tích hợp AI và machine learning để dự báo tuyến đường qua GPS, điều chỉnh dựa trên dữ liệu thời gian thực như lưu lượng giao thông. Ví dụ: Trong Mazda CX-90 PHEV, thuật toán kiểm soát phanh tái sinh để tối đa hóa phạm vi chạy điện lên 26 dặm.

An toàn được đảm bảo qua thuật toán fault-tolerant, phát hiện lỗi (như quá nhiệt pin) và chuyển sang chế độ dự phòng, kết hợp với hệ thống giám sát OBD-II.

Động cơ điện trong ô tô thường là loại không chổi than (BLDC) hoặc nam châm vĩnh cửu (PMSM), với hiệu suất lên đến 95%, giảm hao phí nhiệt và bảo trì thấp. Tập trung giảm trọng lượng: Sử dụng vật liệu nhẹ như carbon fiber cho rotor và stator, giảm 20-30% trọng lượng động cơ, đồng thời tích hợp làm mát bằng chất lỏng để tăng công suất.

Công nghệ pin: Tăng mật độ năng lượng từ 250 Wh/kg (lithium-ion) lên 400-500 Wh/kg với pin natri-ion hoặc trạng thái rắn. Đến nay, pin natri-ion cho phạm vi 200-300 km trong PHEV, sạc nhanh hơn 30% nhờ độ dẫn ion cao. Giảm trọng lượng bằng công nghệ cell-to-pack (CTP), loại bỏ mô-đun trung gian, giảm 20% khối lượng pin và tăng dung lượng 10%.

Ví dụ: BMW iX3 sử dụng pin thế hệ mới với mật độ năng lượng cao, sạc nhanh 10 phút cho 200 dặm (320 km), phạm vi hoạt động tăng lên 497 dặm (800 km). Công nghệ này sử dụng ít coban hơn, giảm trọng lượng và chi phí sản xuất. Các đột phá như pin trạng thái rắn của Toyota dự kiến ra mắt thương mại 2027, nhưng đến 2025 đã thử nghiệm với phạm vi 1000 km và sạc trong 3 phút.

PHEV kết hợp lợi ích hybrid và điện thuần, với pin sạc ngoài cho phép chạy điện ở khoảng cách ngắn, giảm phát thải đô thị. Phạm vi chạy điện thường 40-60 km, sau đó chuyển hybrid để duy trì tổng phạm vi dài.

Ví dụ:

-Toyota RAV4 PHEV: Phạm vi chạy điện 42 dặm (67 km), công suất 302 mã lực, tiết kiệm nhiên liệu 38 MPG hybrid, hệ thống AWD điện tử.

-Lexus NX 450h+: Phạm vi 37 dặm (60 km), tăng tốc 0-60 mph trong 6 giây, hệ thống AWD, với pin 18.1 kWh.

-Mazda CX-90 PHEV: Phạm vi điện 26 dặm (42 km), tổng phạm vi 490 dặm (790 km), công suất 323 mã lực.

Những mẫu này đáng tin cậy, với đánh giá cao từ Consumer Reports năm 2025 nhờ độ bền pin và hệ thống điều khiển thông minh.

MHEV sử dụng động cơ điện hỗ trợ ICE, không chạy thuần điện nhưng tiết kiệm nhiên liệu 10-20% qua phanh tái sinh, hỗ trợ tăng tốc và tắt máy khi dừng. Hệ thống 48V giúp khởi động nhanh, giảm tải cho ICE.

Ví dụ: Honda Civic e:HEV sử dụng động cơ 2.0L Atkinson kết hợp motor điện, công suất 184 mã lực, tiêu thụ 4.8 L/100km combined (50/47 mpg city/highway). Hệ thống e:HEV tự động chuyển chế độ (EV, Hybrid, Engine), tiết kiệm 30% so với phiên bản xăng thông thường. Phù hợp xe phổ thông, giảm chi phí vận hành trong đô thị và dễ tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện có.

Trong hệ thống Hybrid Synergy Drive (HSD) của Toyota, thường được áp dụng trên các mẫu xe như Prius, RAV4 Hybrid hay Highlander Hybrid, máy phát tích hợp khởi động được gọi là Motor-Generator 1 (MG1). MG1 là một động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ba pha, hoạt động ở điện áp định mức AC 500V, với công suất tối đa khoảng 37.8 kW tại 9500 vòng/phút và mô-men xoắn tối đa 45 N·m tại 0–6000 vòng/phút. Nó đóng vai trò kép:

– Chức năng khởi động (Starter): MG1 khởi động động cơ đốt trong (ICE) một cách nhanh chóng và êm ái, không cần bộ khởi động riêng biệt như ở xe thông thường. Khi cần khởi động, MG1 quay động cơ ICE lên tốc độ cần thiết để nổ máy.

– Chức năng máy phát (Generator): MG1 sản sinh điện năng để sạc pin cao áp (HV battery), cung cấp điện cho Motor-Generator 2 (MG2) để hỗ trợ lái xe, và sạc pin phụ 12V qua bộ chuyển đổi DC-DC. Nó cũng điều chỉnh tốc độ để hệ thống hoạt động như hộp số biến thiên liên tục (e-CVT), giúp động cơ ICE chạy ở chế độ tối ưu.

MG1 được tích hợp trực tiếp vào bộ phận Power Split Device (thiết bị phân tách công suất) dựa trên bánh răng hành tinh (planetary gearset), nơi nó kết nối với bánh răng mặt trời (sun gear). Hệ thống này cho phép MG1 hấp thụ sự khác biệt giữa tốc độ động cơ và bánh xe, đồng thời chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng hoặc ngược lại. Trong các mẫu hybrid nhẹ (mild hybrid) như Highlander 48V, Toyota sử dụng công nghệ ISG (Integrated Starter Generator) tích hợp vào động cơ, thay thế cho máy phát điện và bộ khởi động truyền thống, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và hỗ trợ khởi động/dừng động cơ tự động.