PHÂN TÍCH CẤU HÌNH VÀ HOẠT ĐỘNG HỘP SỐ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRONG XE HYBRID HIỆN ĐẠI
Thứ sáu, 11/04/2025, 16:39 (GMT+7)
Bài báo trình bày tổng quan các cấu hình hệ truyền động trong xe hybrid hiện đại, bao gồm Series, Parallel, và Series-Parallel (Power-split). Đồng thời, bài viết phân tích chuyên sâu về hoạt động và vai trò của hộp số, đặc biệt là hộp số e-CVT, trong việc điều phối công suất giữa động cơ đốt trong và động cơ điện. Thông qua việc khảo sát cấu trúc, nguyên lý làm việc và hiệu quả vận hành, bài báo cung cấp nền tảng lý thuyết và định hướng nghiên cứu cho các kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống truyền động lai điện.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hybrid đã mở ra xu hướng mới trong ngành công nghiệp ô tô, kết hợp giữa động cơ đốt trong và motor điện nhằm cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm phát thải khí nhà kính. Để đạt được điều đó, hệ thống truyền động hybrid được thiết kế với các cấu hình khác nhau tùy theo mục tiêu sử dụng và công suất yêu cầu.
Hệ truyền động hybrid không chỉ là sự kết hợp đơn thuần giữa hai nguồn công suất mà còn là sự phối hợp tối ưu nhờ vào sự hỗ trợ của hộp số và hệ thống điều khiển trung tâm. Trong số đó, hộp số e-CVT đóng vai trò then chốt trong việc điều chỉnh tỷ số truyền động và phân phối năng lượng hợp lý.
1. Cấu hình hệ truyền động hybrid
1.1. Hybrid Series (nối tiếp)
Trong hệ hybrid nối tiếp, động cơ xăng không truyền công suất trực tiếp đến bánh xe mà chỉ đóng vai trò cung cấp năng lượng cho máy phát. Máy phát điện tạo ra dòng điện cung cấp cho motor điện, motor này mới là bộ phận truyền lực chính tới bánh xe.
- Ưu điểm: Hiệu quả cao ở tốc độ thấp, dễ tối ưu hóa điểm làm việc của động cơ đốt trong.
- Nhược điểm: Tổn hao năng lượng do chuyển đổi nhiều lần, kém hiệu quả ở tốc độ cao.
Hình 1. Kết cấu của xe Hybrid nối tiếp
1.2. Hybrid Parallel (song song)
Cả động cơ xăng và motor điện đều có thể trực tiếp dẫn động bánh xe. Hai nguồn công suất này có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp tùy điều kiện vận hành.
- Ưu điểm: Khả năng tăng tốc tốt, hiệu quả cao ở tốc độ hành trình.
- Nhược điểm: Điều khiển phức tạp, cần hệ thống phối hợp chính xác.
Hình 2. Kết cấu xe Hybris song song
1.3. Hybrid Series-Parallel (Power-split)
Kết hợp đặc điểm của hai loại trên, sử dụng bộ chia công suất để phân phối năng lượng từ động cơ xăng và motor điện theo nhiều cách linh hoạt hơn.
- Ưu điểm: Linh hoạt, tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất cao trên dải tốc độ rộng.
- Nhược điểm: Cấu trúc phức tạp, chi phí sản xuất cao.
Hình 3. Kết cấu xe Hybrid phân chia công suất
2. Nguyên lý phối hợp công suất trong hệ hybrid
Hệ hybrid hiện đại sử dụng bộ điều khiển trung tâm (HEV-ECU) để giám sát và điều phối sự phân phối công suất giữa động cơ xăng và motor điện. Tùy theo tình trạng pin, tải trọng, tốc độ và yêu cầu mô-men xoắn, ECU sẽ quyết định:
- Sử dụng điện hoàn toàn ở tốc độ thấp (EV mode)
- Kết hợp xăng và điện khi cần tăng tốc mạnh (Hybrid mode)
- Sử dụng xăng hoàn toàn khi pin yếu hoặc xe chạy ở tốc độ cao (ICE mode)
Chiến lược điều khiển này giúp tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu và tăng tuổi thọ pin.
Hình 4. Hộp chia công suất trên xe Toyota và Ford
3. Hộp số e-CVT trong hệ thống hybrid
3.1. Cấu trúc và cơ chế hoạt động
Hộp số e-CVT (electronic continuously variable transmission) là dạng hộp số không sử dụng bánh răng thay đổi mà sử dụng tổ hợp bộ truyền hành tinh kết hợp điều khiển điện tử.
Trong hệ power-split (như trên xe Toyota Prius), e-CVT gồm:
- Động cơ xăng (ICE)
- Máy phát điện (MG1)
- Motor kéo chính (MG2)
- Bộ truyền hành tinh (Planetary Gear Set)
MG1 kiểm soát tốc độ quay của động cơ xăng bằng cách hấp thu hoặc cung cấp mô-men xoắn. MG2 trực tiếp truyền công suất đến bánh xe.
Hình 5. Cấu trúc về hộp số e-CVT
3.2. Ưu điểm của e-CVT
- Tự động thay đổi tỷ số truyền mà không cần ly hợp
- Tối ưu hóa hiệu suất hoạt động giữa các thành phần
- Độ tin cậy cao, không hao mòn dây đai như CVT cơ học
3.3. So sánh e-CVT và CVT truyền thống
4. Đánh giá hiệu suất và ứng dụng thực tế
Trong các dòng xe hybrid hiện đại như Toyota Prius, Lexus RX450h, Ford Escape Hybrid, hộp số e-CVT đã chứng minh hiệu quả vượt trội so với hộp số tự động truyền thống.
- Mức tiết kiệm nhiên liệu tăng 20–40%
- Giảm phát thải CO₂ từ 20–30%
- Cải thiện cảm giác lái và khả năng tăng tốc
Cấu hình hệ truyền động hybrid và vai trò hộp số e-CVT là nhân tố cốt lõi quyết định hiệu quả vận hành của phương tiện hybrid. Việc hiểu rõ cấu trúc, nguyên lý điều khiển và lợi ích kỹ thuật của từng cấu hình giúp kỹ sư lựa chọn phương án thiết kế tối ưu.
Hướng nghiên cứu tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo vào chiến lược điều khiển hệ hybrid, nâng cấp pin trạng thái rắn (solid-state battery), và mô phỏng hệ thống theo thời gian thực để tối ưu hóa toàn bộ hệ truyền động.
