Xe hybrid có pin, có mô tơ điện, đồng hồ còn hiện cả chữ "EV" khi chạy chậm, vậy mà chủ xe chưa bao giờ phải tìm trạm sạc. Nhiều người nghĩ xe "tự sinh ra điện", hoặc nghi ngờ đây chỉ là chiêu tiếp thị. Sự thật nằm ở hai nguồn nạp chạy ngầm mà bạn không hề nhìn thấy, cộng với một cách thiết kế pin rất khác xe điện.
Bài này đi từ cấu tạo, cách xe nạp điện, cách chia công suất, cho tới chuyện tiết kiệm xăng thực tế và khi nào bạn nên chọn plug-in hybrid thay vì hybrid thường.
Hai trái tim và một bộ pin "bé xíu"
Một chiếc hybrid thông thường (người ta hay gọi là HEV, hoặc "hybrid tự sạc") có hai nguồn động lực: một động cơ xăng và ít nhất một mô tơ điện. Hai thứ này được nối với nhau qua hộp chia công suất, và dùng chung một bộ pin cao áp đặt dưới ghế sau hoặc dưới sàn cốp.
Điểm khiến nhiều người bất ngờ là bộ pin ấy rất nhỏ. Lấy ví dụ Toyota Prius thế hệ thứ hai: pin NiMH gồm 28 mô-đun, điện áp danh định 201,6 V, dung lượng 6,5 Ah, tức khoảng 1,3 kWh. Các mẫu hybrid đời mới dùng pin NiMH hoặc lithium-ion cũng chỉ quanh mức khoảng 1–2 kWh. Trong khi đó, một chiếc xe điện thuần phổ biến hiện nay thường mang pin từ 50 đến hơn 80 kWh, lớn hơn hàng chục lần.
| Loại xe | Dung lượng pin điển hình | Cắm sạc? | Chạy điện thuần |
|---|---|---|---|
| Hybrid thường (HEV) | khoảng 1–2 kWh | Không | Vài trăm mét đến khoảng 1–2 km, tốc độ thấp |
| Plug-in hybrid (PHEV) | khoảng 10–20 kWh | Có, nên sạc | Vài chục km |
| Xe điện thuần (BEV) | khoảng 50–100 kWh | Bắt buộc | Vài trăm km |
Với 1,3 kWh, nếu chỉ chạy điện, chiếc xe đi được rất ngắn. Nhưng đó không phải lỗi, mà là chủ đích thiết kế.
Pin nhỏ là có chủ đích: chiếc ví tiền lẻ
Hãy hình dung pin xe điện như một tài khoản tiết kiệm: nạp đầy một lần, tiêu dần trong cả tuần. Còn pin hybrid giống một chiếc ví tiền lẻ: tiền vào ra liên tục, mỗi lần chỉ vài nghìn, nhưng không bao giờ cạn và không bao giờ đầy.
Hệ thống quản lý pin của hybrid giữ mức sạc (SOC) trong một dải hẹp, thường được nhắc tới là khoảng 40–80%. Lý do:
- Pin bền hơn: không bị sạc đầy hay xả cạn, các cell ít bị "stress" nên chịu được hàng trăm nghìn chu kỳ nạp xả nông. Nhiều chiếc Prius đời đầu đã chạy hàng trăm nghìn km với pin nguyên bản.
- Luôn có chỗ trống để nhận điện: nếu pin đầy 100%, lần phanh tiếp theo xe không còn chỗ cất năng lượng.
- Luôn có điện để hỗ trợ: nếu pin cạn, mô tơ không thể giúp máy xăng khi tăng tốc.
Vì vậy, đồng hồ pin trên xe hybrid thường chỉ dao động vài vạch, không bao giờ "đầy" hay "hết" như điện thoại. Đó là dấu hiệu hệ thống đang làm đúng việc.
Ngoài pin cao áp, xe hybrid vẫn có một ắc quy 12 V nhỏ để khởi động hệ thống điều khiển, đèn, màn hình. Khi xe "không lên nguồn" sau thời gian dài để không, thủ phạm thường là ắc quy 12 V chứ không phải pin hybrid.
Nguồn nạp thứ nhất: phanh tái sinh
Đây là phần "ăn tiền" nhất của hybrid. Một chiếc xe đang lăn bánh mang theo động năng, và năng lượng này tỉ lệ với bình phương vận tốc. Muốn dừng xe, bạn phải lấy đi toàn bộ năng lượng đó.
Ở xe xăng thông thường, việc này do má phanh làm: ma sát giữa má phanh và đĩa phanh biến động năng thành nhiệt, rồi nhiệt tan vào không khí. Năng lượng bạn đã đốt xăng để có được bị vứt bỏ hoàn toàn mỗi lần dừng đèn đỏ.
Xe hybrid làm khác. Khi bạn nhả chân ga hoặc đạp nhẹ phanh, mô tơ điện đổi vai thành máy phát. Bánh xe đang quay sẽ kéo rô-to của mô tơ quay theo, sinh ra dòng điện được bộ nghịch lưu đưa ngược về pin. Lực cản do máy phát tạo ra chính là lực hãm xe lại.
Hệ thống phanh trên hybrid là loại phanh phối hợp: máy tính quyết định bao nhiêu phần lực hãm do máy phát đảm nhận, bao nhiêu phần do má phanh. Phanh nhẹ, phanh từ từ thì gần như toàn bộ do máy phát làm. Phanh gấp, hoặc khi pin đã gần mức trên của dải sạc, má phanh ma sát mới vào cuộc nhiều hơn.
Nhả ga sớm và phanh đều, từ xa thay vì phanh gấp sát vạch. Phanh nhẹ kéo dài giúp máy phát thu hồi được nhiều năng lượng hơn, còn phanh gấp buộc má phanh ma sát gánh phần lớn và năng lượng lại bị đốt thành nhiệt. Một hệ quả dễ chịu: má phanh xe hybrid thường mòn chậm hơn xe xăng.
Đây cũng là lý do hybrid càng đi phố càng lợi. Đường đông, dừng đỗ liên tục, mỗi lần giảm tốc là một lần nạp điện. Trên cao tốc chạy đều, xe ít phanh nên nguồn nạp này gần như không có tác dụng.
Nguồn nạp thứ hai: chính động cơ xăng
Phanh tái sinh chỉ thu hồi năng lượng, không tạo ra năng lượng mới. Nếu chỉ dựa vào nó, pin sẽ dần cạn vì luôn có hao hụt. Vì vậy hybrid có nguồn nạp thứ hai: động cơ xăng quay máy phát.
Khi pin xuống dưới ngưỡng, máy tính cho động cơ xăng chạy mạnh hơn một chút so với mức cần để kéo xe. Phần công suất dư được chuyển sang một mô tơ/máy phát để sạc bù cho pin. Nói gọn: máy xăng vừa kéo xe chạy, vừa sạc pin, và bạn chỉ thấy kim xăng hạ xuống như bình thường.
Nghe có vẻ phí: đốt xăng ra điện rồi lại dùng điện để chạy xe? Mấu chốt nằm ở hiệu suất của động cơ xăng thay đổi rất mạnh theo tải và vòng tua.
Vùng ngọt của động cơ
Một động cơ xăng chỉ đạt hiệu suất cao nhất trong một vùng vòng tua và tải nhất định. Khi chạy ở tải rất thấp (đi chậm, nổ không tải chờ đèn đỏ) hoặc khi phải gầm rú tăng tốc, phần lớn năng lượng trong xăng biến thành nhiệt thải.
Xe xăng thường buộc phải chạy máy ở mọi chế độ mà người lái yêu cầu. Còn xe hybrid có pin làm "bộ đệm": cần ít công suất thì hoặc tắt máy chạy điện, hoặc cho máy chạy đúng vùng ngọt rồi cất phần thừa vào pin. Cần nhiều công suất thì mô tơ bù vào để máy không phải gồng ngoài vùng hiệu quả.
Các hãng cũng thiết kế động cơ riêng cho hybrid, thường chạy theo chu trình Atkinson: kém mạnh ở vòng tua thấp nhưng tiết kiệm hơn. Điểm yếu thiếu lực đó lại được mô tơ điện bù vào. Toyota công bố động cơ 2.5L Dynamic Force bản hybrid đạt hiệu suất nhiệt tối đa khoảng 41%, thuộc nhóm cao nhất trong động cơ xăng sản xuất hàng loạt.
Bộ bánh răng hành tinh: "não" chia công suất
Trên các mẫu hybrid của Toyota (và Lexus), không có hộp số truyền thống với các cấp số. Thay vào đó là một bộ bánh răng hành tinh gồm ba phần, mỗi phần nối với một "người chơi":
| Thành phần | Nối với | Vai trò |
|---|---|---|
| Bánh răng mặt trời (ở giữa) | Mô tơ/máy phát MG1 | Chủ yếu làm máy phát, đồng thời khởi động máy xăng |
| Giá hành tinh | Trục khuỷu động cơ xăng | Đưa công suất máy xăng vào hệ thống |
| Bánh răng bao (vành ngoài) | Mô tơ MG2 và bánh xe | Kéo xe, làm máy phát khi phanh tái sinh |
Vì ba trục cùng ăn khớp trong một bộ, công suất máy xăng được chia thành hai nhánh: một nhánh đi thẳng xuống bánh xe qua vành bao, một nhánh đi sang MG1 để phát điện. Bằng cách điều khiển tốc độ quay của MG1, máy tính có thể giữ vòng tua động cơ ở mức mong muốn bất kể xe đang chạy nhanh hay chậm. Kết quả là xe vận hành giống một hộp số vô cấp (người ta gọi là e-CVT), mượt và không có cú giật chuyển số.
Bánh răng hành tinh là cách của Toyota. Honda e:HEV phần lớn thời gian cho máy xăng chỉ quay máy phát và mô tơ kéo xe, chỉ ở tốc độ cao mới khoá ly hợp để máy xăng dẫn động trực tiếp. Nissan e-Power đi xa hơn: máy xăng không bao giờ kéo bánh xe, chỉ làm máy phát. Còn "mild hybrid" 48 V chỉ có mô tơ nhỏ hỗ trợ, không chạy điện thuần được. Cả ba kiểu đều không cần cắm sạc, vì điện đều đến từ xăng và phanh.
Một hành trình đi phố: lúc nào chạy điện, lúc nào chạy xăng
Ghép các mảnh trên lại, một chuyến đi phố điển hình diễn ra như sau:
- Khởi hành và đi chậm (thường dưới khoảng 40 km/h, tuỳ mẫu và mức pin): xe chạy hoàn toàn bằng điện, máy xăng tắt hẳn. Đây đúng là lúc xe xăng tốn nhiên liệu nhất, vì động cơ phải chạy ở tải thấp, hiệu suất kém.
- Chạy đều: máy xăng nổ, giữ ở vùng vòng tua hiệu quả. Nếu pin thấp, phần dư được đem đi sạc bù.
- Tăng tốc mạnh, vượt xe, leo dốc: cả hai cùng đẩy. Mô tơ điện cho mô-men xoắn gần như tức thì từ vòng tua 0, nên một máy xăng dung tích nhỏ vẫn cho cảm giác bốc.
- Giảm tốc, phanh: máy xăng thường tắt, mô tơ chuyển thành máy phát, nạp điện về pin.
- Dừng đèn đỏ: máy xăng tắt, điều hoà và các thiết bị chạy bằng pin (trên các mẫu có máy nén điều hoà điện).
Toàn bộ quá trình chuyển đổi diễn ra tự động, người lái chỉ cần đạp ga và phanh như xe số tự động bình thường.
Tiết kiệm được bao nhiêu xăng?
Mức tiết kiệm phụ thuộc mạnh vào kiểu đường. Trong phố, nơi phanh tái sinh và chạy điện thuần phát huy tối đa, một chiếc sedan hybrid cỡ trung có thể chỉ tốn khoảng 4–5 lít/100 km, trong khi bản máy xăng tương đương thường tốn khoảng 8–9 lít/100 km. Đi cao tốc, khoảng cách thu hẹp lại đáng kể vì xe ít phanh và ít dịp chạy điện.
Mọi giọt điện trong pin hybrid đều đến từ một trong hai nguồn: xăng bạn đã đổ, hoặc động năng lẽ ra bị đốt thành nhiệt khi phanh (mà động năng đó cũng từ xăng mà ra). Hybrid không tạo ra năng lượng, nó chỉ lãng phí ít hơn. Bất kỳ quảng cáo nào nói xe "tự sinh ra điện miễn phí" đều sai về vật lý.
Hybrid không làm ra năng lượng mới, nó chỉ giữ lại thứ mà xe xăng vứt đi.
Plug-in hybrid: loại mới thực sự cần cắm sạc
Plug-in hybrid (PHEV) là nhánh khác. Pin lớn hơn hybrid thường cỡ mười lần, ví dụ Toyota Prius Plug-in đời mới dùng pin khoảng 13,6 kWh, đủ chạy điện thuần vài chục km (thường quanh 50–80 km tuỳ mẫu). PHEV có cổng sạc và được thiết kế để bạn cắm sạc hằng ngày.
PHEV vẫn chạy được khi không sạc, lúc đó nó hoạt động như một chiếc hybrid thường. Nhưng nếu không bao giờ cắm sạc, bạn đang chở theo một bộ pin nặng mà không tận dụng, và mức tiêu hao có thể còn kém hybrid thường do xe nặng hơn.
Nên chọn loại nào?
- [ ]Không có chỗ sạc ở nhà hoặc cơ quan, đi phố nhiều: hybrid thường là lựa chọn ít phiền nhất.
- [ ]Có chỗ sạc, quãng đường mỗi ngày dưới 50 km, thỉnh thoảng đi tỉnh xa: plug-in hybrid cho phép đi làm gần như toàn bằng điện mà vẫn không lo hết pin khi đi xa.
- [ ]Có chỗ sạc ổn định, hạ tầng trạm sạc trên các tuyến hay đi đã tốt: xe điện thuần có chi phí vận hành thấp nhất.
- [ ]Chủ yếu chạy cao tốc đường dài: lợi thế của hybrid nhỏ đi, hãy so mức tiêu hao thực tế trên cao tốc thay vì con số tổng hợp.
Tóm tắt nhanh
- Xe hybrid thường (HEV) chỉ có pin khoảng 1–2 kWh, nhỏ hơn pin xe điện hàng chục lần, và được giữ ở dải sạc giữa khoảng 40–80% để bền và luôn sẵn sàng nạp, xả.
- Nguồn nạp thứ nhất là phanh tái sinh: mô tơ đổi vai thành máy phát, biến động năng thành điện thay vì nhiệt.
- Nguồn nạp thứ hai là động cơ xăng: máy chạy ở vùng hiệu quả, phần công suất dư được cất vào pin.
- Bộ bánh răng hành tinh (trên xe Toyota) chia công suất giữa máy xăng, máy phát và bánh xe, thay cho hộp số truyền thống.
- Hybrid không tạo năng lượng miễn phí, nó chỉ lãng phí ít hơn. Chỉ plug-in hybrid mới cần cắm sạc.
Câu hỏi thường gặp
Xe hybrid có cắm sạc được không?
Hybrid thường (HEV) không có cổng sạc và không cần sạc. Chỉ plug-in hybrid (PHEV) mới có cổng sạc. Nếu thấy xe có nắp sạc ở hông, đó là PHEV.
Pin hybrid hết thì xe có chạy được không?
Hệ thống không bao giờ để pin cạn hẳn. Khi mức sạc xuống thấp, máy xăng tự nổ để sạc bù. Nếu pin cao áp hỏng thật sự, xe sẽ báo lỗi và thường hạn chế vận hành, cần đưa đi kiểm tra.
Pin hybrid dùng được bao lâu?
Nhờ được giữ ở dải sạc giữa, pin hybrid thường bền hơn nhiều người nghĩ, nhiều xe chạy hàng trăm nghìn km với pin nguyên bản. Các hãng thường có chế độ bảo hành riêng cho pin hybrid, dài hơn bảo hành xe; hãy hỏi kỹ điều khoản tại đại lý khi mua.
Để xe hybrid lâu không đi có sao không?
Pin cao áp và ắc quy 12 V đều tự hao dần khi xe đứng lâu. Nên khởi động hệ thống và cho xe chạy một quãng ngắn định kỳ vài tuần một lần để máy xăng sạc bù cho pin cao áp và ắc quy 12 V được nạp lại.
