TÌM HIỂU THÊM VỀ XE HYDRID

         Ý nghĩ chế xe hybrid – chạy bằng máy (động cơ) xăng và một mô tơ điện không phải là mới.

       Nhiều model xe hybid đã được chế ra hơn một trăm năm trước khi mà động cơ nỗ còn trong thời kỳ ấu trĩ. Những loại xe đó được thiết bị với 2 tay lái, 2 dàn máy riêng biệt, một mô tơ điện và một máy nỗ phải quay bằng tay, rất bất tiện thời ấy. Những loại xe hybrid đầu tiên ấy thống trị thị trường xe cộ vào đầu thế kỷ 20, nhưng vì thời gian ấy giá xăng còn rẽ cho nên giới khoa học không khai thác thêm tiềm năng xe hybrid. Ý nghĩ ấy vẫn nằm nguyên vẹn cho đến năm 1970 khi giá xăng tăng vọt lên gấp 3 lần.  Lúc ấy giới khoa học mới phát hiện ra rằng động cơ nỗ (internal combustion) bằng xăng không có năng suất cao (inefficiency). Thí dụ theo thói quen ta vẫn để máy xe nỗ đều mặc dù lúc ta ngừng xe, máy nỗ vẫn tiếp tục đốt xăng trong lúc xe bất động. Và khi máy nỗ và xe lăng bánh trên đường thì lượng xăng vẫn bơm đều vào máy, chỉ có số lượng không khí là thay đổi khi ta đạp ga hay giảm ga để làm giảm công suất xe (power) tức nhiên giảm hiệu suất xe cùng lúc.  Lượng xăng luôn hầu như bơm đều vào máy ngay những lúc xe chạy chậm lại. Hiện tượng này không xảy ra cho phi cơ và tàu thủy vì những động cơ này hầu như chạy gần như tối đa, như vậy công suất máy nỗ tàu thủy và máy bay có hiệu quả hơn là xe hơi. Trong khi đó xe có lúc chạy chậm trong thành phố, lúc chạy nhanh trên xa lộ hay có lúc ngừng hẳn lại mà lượng xăng vẫn bơm đều vào máy hầu như không thay đỗi nhiều.

        Việc năng suất kém của xe hơi đều được cảm nhận bởi giới khoa học từ xa xưa. Cho nên từ 3 niên kỷ trước khi mà giá xăng tăng vọt 3 lần thì lúc đó giới tìm tòi khoa học mới bắt đầu nghĩ đến việc khai thác máy xe có năng suất cao hơn và quá trình xe hybrid bắt đầu được giới khoa học quan tâm đến và đầu tư cải thiện công nghệ.

       Đây chính là công nghệ cầu nối trong tương lai khi công nghệ về xe điện và xe Fuel cell sẽ được hoàn thiện hơn và giá cả hợp lí hơn (ít nhất xe Hybrid sẽ là dòng xe phổ biến trong vòng 10 đến 15 năm tới).

     Chủ yếu của bài viết này nhằm giới thiệu với bạn đọc quá trình tiến triển của xe hybrid, những thiết bị khác nhau của các hãng auto trên thị trường bắc Mỹ và phân tích những lợi điểm cũng như yếu điểm của xe hybrid hầu giúp đọc giả hiểu rõ hơn và có nhiều yếu tố vững chắc khi quyết định mua xe hybrid. Và cũng để đáp ứng phần nào nhu cầu cá nhân từng người.

Quá trình tiến triển của xe hybrid…

         Một trong những nhà khoa học đóng góp trong việc phát triển xe hybrid là giáo sư Andrew Frank của viện đại học Wisconsin. GS Frank có nhiều kinh nghiệm trong nghành hàng không trước khi trở thành giáo sư. Năm 1972 ông và đám học trò thí nghiệm chế một loại xe hybrid với hai tay lái riêng biệt và một bình điện vừa đủ nặng chứa trong xe và đủ năng lượng đi khoảng đường ngắn để dự cuộc thi Contest của bộ Giao Thông US. Chiếc xe hybrid thử nghiệm chạy được 35 mpg tức gần gấp đôi xe chạy xăng thường thời ấy. Thử thách lớn nhất lúc ấy vẫn là bình điện trữ khối lượng điện để đi xa hơn. Thời ấy chỉ bình điện thôi đã nặng đến 500 pounds/200 kg  so với cùng bình điện như vậy ngày nay sẽ trữ hơn 30 lần năng lượng với kỹ thuật  lithium-ion cells.

        Năm 1990 Cơ quan trách nhiệm về ô nhiễm môi trường California Air resources Board có nhiệm vụ làm sạch bầu khí quyển California, ô nhiễm gây ra bởi lưu lượng xe cộ gia tăng đáng kể ở tiểu bang California. Chính sách zero emission gắt rao bắt đầu được đưa ra áp dụng toàn tiểu bang. Các hãng chế tạo bình điện bỏ ngân quỹ lớn để nghiên cứu bình điện có khả năng dự trữ năng lượng điện nhiều hơn.

        Mãi đến năm 1995 thì kỹ thuật chế tạo bình điện mới đạt đến điểm có thể trang bị cho xe hybrid.  Hai hãng Toyota và Honda tiên phong trong việc sản xuất xe hybrid đầu tiên trong những năm 90’s. Trong khi ấy người tiêu thụ vẫn còn dè dặt trong việc đổi sang xe hybrid vì kỹ thuật quá mới mẽ và có nhiều tranh cãi trong công chúng về nhiều vấn đề như bình điện sống được bao lâu, không đủ nhiệt để sưởi mùa đông, bảo trì, giá thành mắt hơn xe xăng, không đủ công xuất (power) để qua mặt xe khác trên xa lộ, v.v…Đồng thời bên Âu châu nhiều hãng như Mercedes, Renault cũng lần lượt chế ra xe hybrid, mục đính chính là làm xe van chuyên chở hàng hạng nhẹ như Sprinter, Renault Kangoo. Bên bắc Mỹ hai hãng GM và Ford cũng dần dà cho ra đời những xe hybrid như Volt và Ford Escape, v.v…Cái thử thách lớn nhất vẫn là khả năng lưu trữ điện. Bình điện chỉ có khả năng cung cấp cho một khoảng đường ngắn như 60 miles/100Km là cùng – HEV60 (Hybrid Electric Vehicle). Các kỹ sư thiết kế bình điện với khả năng HEV40 tức là xe hybrid có khả năng đi 40 miles/60 Km bằng điện vì đa số dân thành thị di chuyển khoảng đường ấy trung bình mỗi ngày. Từ ý niệm ấy các kỹ sư của các hãng chế xe hybrid thiết kế cơ khí riêng biệt cho mỗi model xe hybrid của họ.

          Nhưng tất cả các loại xe hybrid của các hãng này đều không giống nhau về cách chuyển từ động cơ xăng qua điện và cách sạc điện vào bình…

Phân loại xe Hybrid

      Xe Hybrid là sự kết hợp giữa hai hệ thống truyền động, và hai nguồn dự trữ năng lượng khác nhau. Tuy nhiên thông thường xe Hybrid được ngầm hiểu là xe chaỵ được bằng hai nguồn xăng và điện.

Phân loại xe Hybrid: hiện nay xe Hybrid được chia làm 4 nhóm chính tùy theo cách phân chia (phân loại theo hệ thống truyền động hay phân loại theo sự tham gia của động cơ điện). Hiện nay, hai mẫu xe Toyota Prius và Honda Insight được sản xuất hàng loạt và được biết đến nhiều nhất:

·      Hybrid nối tiếp – serie/Mild như Honda Insight

·            Hybrid song song – Parallel/Micro như Lexus 450h. Những loại xe này thì động cơ điện hỗ trợ máy xăng khi điều kiện năng suất (power) cho phép.

·      Hybrid kết hợp – Plug in như Chevrolet Volt

·      Hybrid phân nhánh công suất – Full hybrid như Toyota Prius

Toyota Prius là xe full hybrid, nhưng thuộc dòng hybrid phân nhánh công suất. Động cơ đốt trong làm nhiệm vụ chạy máy phát điện. Xe được đẩy bằng động cơ điện khi depart và động cơ nỗ sẽ nối tiếp khi torque (ngẫu lực phát động) không còn đủ để kéo xe theo điều khiển của người lái xe, thông thường trên 40 mph/60 kmh. Trong quá trình thắng, nhiệt năng từ phanh sẽ được thu hồi và chuyển hóa thành điện năng. Trong thành phố, Prius có thể chạy hoàn toàn bằng điện (vận tốc dưới 60kmh) khi vận tốc tăng, động cơ xăng sẽ cung cấp công suất trực tiếp cho cầu xe, và động thời chạy máy phát điện để sạc bình điện.

     Theo hãng Toyota, mức tiêu thụ nhiên liệu của Prius ở khoảng  4,7l/100km. Nhận định về mặt vận hành hoàn toàn thích hợp. 
    Honda Insight: thuộc dòng Mild hybrid. Động cơ đốt xăng đóng vai trò chủ yếu. Động cơ điện chỉ hoạt động hỗ trợ khi xe tăng tốc, khởi động, và bổ sung công suất để động cơ hoạt động trong phạm vi số vòng quay tối ưu nhất. Đa số xe hybrid không thể chạy hoàn toàn bằng điện được. Theo hãng Honda, mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 5.4l/100km. Tuy nhiên, theo một số forum ở Đức, mức tiêu hao này nằm ở khoảng 6,7l/100km. Mercedes C-class ở Việt Nam thuộc dòng Mirco Hybrid, được trang bị hệ thống Start-stop.
    Xe Chevrolet Volt thuộc xếp vào hạng Plug in. Động cơ điện hoạt động đều cho đến khi hết bình điện thì động cơ xăng sẽ thay thế hoàn toàn máy điện. Năng lượng điện dự trữ có khả năng di chuyển gần 60miles/100Km đủ cho dân thành thị di chuyển hàng ngày và ban đêm phải gim điện để sạc bình (plug in). Mức tiêu thụ loại xe này khoảng 5.9 đến 6.7l/100km .

Phân tích lợi điểm và yếu điểm của xe hybrid…

Lợi điểm:

     Bảo vệ môi trường - Vì ôtô xăng (kể cả điesel) xả ra khí thải, mà khí này huỷ hoại môi truờng nên khi tính toán, các chính phủ luôn cân nhắc cái nào có lợi thì ưu tiên, cái nào có hại thì loại bỏ.

        Cái chi phí do người sử dụng ôtô gây ra không chỉ là chi phí cá nhân mua chiếc xe mà bao gồm chi phí xã hội để duy trì chiếc xe đó trong vòng  7 -10 năm (tuổi thọ trung bình của một chiếc xe tốt). Chi phí xã hội đó có thể uớc tính đuợc gồm số dầu lửa hút lên để làm ra nhiên liệu lỏng cộng với chi phí khắc phục lựơng CO2 do số dầu lửa bị đốt cháy và xả vào khí quyển.

      Nếu 1 chiếc xe không nói lên điều gì. Nhưng với 20 triệu chiếc xe mới /năm hoặc tương lai với dân số 7 tỷ ngưòi, khoảng 100 triệu chiếc xe ôtô mới/năm thì chi phí đó là đáng để một quốc gia suy nghĩ, và từ đó, nếu chúng ta là nguyên thủ quốc gia, chúng ta sẽ có suy nghĩ tích cực hơn. Ít nhất là có 1 cách gì đó để bớt lệ thuộc vào dầu mỏ và để con cháu hửơng một môi trường sống trong lành hơn.

      Tiết kiệm nhiên liệu - Hybrid thực chất là một giải pháp hài hoà giữa lợi ích người sử dụng xe ôtô với môi trường sống của mọi người xung quanh ( gồm người không đi xe ôtô và người đi các phưong tiện không sử dụng dầu lửa).

Hybrid chỉ là một giải pháp trong số rất nhiều giải pháp tiết kiệm. Nó không chỉ gói gọn trong giá của chiếc xe mà nằm trong ý thức của người sử dụng . Tôi cho rằng tốt nhất là xã hội đi xe ô tô điện (như đi đánh gôn). Nhưng khi ô tô điện chưa đáp ứng đuợc nhu cầu (ví dụ lên dốc, xuống đèo, chở nhiều người đi xa...) thì chúng ta dùng hybrid, hay xe điesel, hay xe xăng cũng tốt.

Chạy rất êm, không khéo tưởng xe chưa đề máy khi đi và dừng trong thành phố, nhưng cũng dễ gây ra tai nạn nhỏ vì người đi bộ không nghe tiếng xe nỗ

Yếu điểm:

      Công suất kém – tôi đã thử ngồi trong xe hybrid của anh bạn đồng nghiệp thì xe sử dụng động cơ điên hybrid của Toyota Prius chưa thể cho công suất như xe chạy động cơ xăng hoặc dầu, có thể xe sẽ rất đầm và không có độ vọt khi tăng tốc hay qua mặt xe hàng tải trên xa lộ.

Rất đơn giản để thấy vấn đề này. Một chiếc xe 1.8 l giả sử nó phát sinh ra công suất 130 mã lực nếu ta dành hết cho hệ truyền động nó sẽ đạt được vận tốc cao nhất, năng suất cao nhất. Nhưng cũng với công suất này xe phải kéo thêm phụ tải như động cơ điện, sạc bình điện, mô tơ trợ lực tay lái (power steering), quạt làm mát, máy lạnh, máy sưởi...đương nhiên công suất dành cho hệ truyền động sẽ giảm, tính năng vận hành sẽ yếu hơn xe chạy xăng.

         Kéo thêm một máy phát điện sản sinh ra nguồn năng lượng cho cả chiếc xe chạy được đâu phải đơn giản làm sao không phải hy sinh mục tiêu khác. Ở bắc Mỹ chiếc Prius bị chê là yếu, chính vì vậy Prius từ năm 2010 đã thay động cơ xăng từ 1.5 l lên 1.8 l động cơ điện lên thêm 20 hp nữa nhưng công suât tổng cũng chỉ đạt 134 hp. Hơn nữa đã là một chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu bản thân động cơ xăng cũng phải giảm công suất, trọng lượng xe phải giảm đi do đó nó chỉ phù hợp trên đường phố.

       Dòng xe như vậy thích hợp làm xe gia đình và những người ở tuổi trung niên. Còn với thanh niên, đi xe loại này sẽ dễ dẫn đến nhàm chán. Chưa tính đến vụ tiết kiệm hay không, xanh hay không, nhưng cảm giác của người cầm lái là quan trọng nhất, cái này không thể coi nhẹ được. Mà thiết kế của xe cũng không đẹp cho lắm cả ngoại và nội thất.

      Hình như kiểu mẫu của xe này Toyota giữ nguyên đến chục năm nay thì phải. Chẳng có gì mới mẻ cả. Thêm nữa, chúng tôi thấy, đây là hướng phấn đấu trong tương lai mà hầu hết các hãng xe đều lấy làm mục tiêu. Chỉ 1 vài năm nữa rất có thể họ sẽ cho ra đời những dòng xe hybrid tiết kiệm xăng hơn thì không biết nhưng mẫu mã đẹp hơn và tính năng hoạt động cao hơn. Đấy cũng chỉ là tham khảo mà nói, cũng không hẳn là đúng hết, sự lựa chọn sẽ tùy vào nhu cầu người lái và có chịu đổi cách lái xe khi chuyễn từ xăng sang hybrid sẽ có 1 sự khác biệt lớn về công suất (power).

         Bảo trì tốn kém gấp đôi vì hai động cơ thay vì một. Sau 3 năm warranty ta phải đem xe hybrid vào dealer vì họ có những máy điện tử vi tính tối tân để sửa chữa xe hybrid. Một garage nhỏ trong một xóa nào đó không thể có những thiết bị máy móc tối tân để chuẩn chính xác bệnh tình xe hybrid được.

       Thay bình điện là cả một thử thách - Hệ thống pin hiện nay của xe hybird thường gồm nhiều cells (của Prius khoảng 168 cells mỗi cells khoảng1.2 vol) ban đầu chắc chẳng có vấn đề gì nhưng thời gian sau do chất lượng chế tạo, do quá trình hoạt động các cells này không thể đồng nhất khả năng tích điện của nó khác nhau khi pin yếu dần (có những cells hư trước) ta sẽ thay từng cells hoặc nhiều cells nhưng nó không thể đồng nhất trừ khi bạn thay toàn bộ pin giống như thay toàn bộ bougie/sparkle cho động cơ xăng. Mỗi bình điện lithium-ion cells sống được 15 năm hay 150 000 miles/ 200 000Km.

       Đây là lúc người tiêu thụ khốn khổ khi cứ phải luôn luôn đến trung tâm của hãng mẹ dealer thay thế nó cho đến lúc ta không chịu nổi buộc phải thay toàn bộ pin mới (nhược điểm này của pin chưa khắc phục được).

Giá thành đắt hơn xe chạy xăng - khoảng 5 ngàn đắt hơn xe tương đương chạy bằng xăng và 2 ngàn đắt hơn xe chạy dầu cặn diesel bên băc Mỹ - xe hybrid là biểu tượng của sự bảo vệ môi trường. Tuy nhiên nó cũng chỉ dừng ở chổ đó, tức là biểu tượng. Nó có tiết kiệm xăng thật, nhưng giá bán so với xe chạy xăng tương đương thì cao hơn hẳn. Chúng ta phải làm một bài toán tiết kiệm tiền xăng so với tiến trã cao hơn khi mua xe hybrid. Thí dụ 2 trường hợp dưới đây và giả sử tiền bảo trì tương đương cho hai loại xe chạy xăng và xe hybrid:

1.   Người tiêu thụ chạy trung bình 24 000 km/năm. Giá chênh lệch phải trã thêm xe hybrid ban đầu là 5 000 US$. Xe chạy xăng tiêu thụ 8litres/100Km trong khi xe hybrid là 5 l/100Km. Tiết kiệm = 3 l/100 Km

a.    Giá xăng 1.5$/litre * 3litre/100Km x 24 000Km/năm =  1,080$/năm. Tức mỗi năm bạn tiết kiệm 1,080$. Vị chi bạn cần 5 năm để lấy lại vốn 5,000$.

2.   Người tiêu thụ chạy trung bình 48 000 km/năm. Làm cùng bài toán tiết kiệm như thế, bạn sẽ tiết kiệm là = 1.5$/litre * 3litre/100Km x 48 000Km/năm =  2,160$/năm. Tức là gần 3 năm bạn sẽ lấy lại vốn 5,000$.

Tuy công nghệ hybrid ngày càng phát triển, nhưng chúng ta nên nhớ rằng khi mua xe, thiết bị công nghệ trong chiếc xe của bạn sẽ không thay đổi. Tôi tin rằng trong 10-15 năm tới, công nghệ hybrid sẽ phổ biến hơn và giá thành không khác quá xa xe thường. Những năm đầu thế kỷ 21, đa số người ta mua xe hybrid không phải là để tiết kiệm, mà chỉ là cách để chứng minh mình tôn trọng  môi trường thôi.

Hiện nay dân tiêu thụ ở bắc Mỹ dần dần có phần ủng hộ các loại xe hybrid nhiều hơn mười năm trước. Tuy nhiên giới trẻ ham lái xe mạnh và nhanh với nhiều năng suất chưa hoan nghênh xe hybrid cho lắm. Các hãng xe đồng thời không ngừng khai thác và phát triển công nghệ tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện môi trường trên chính động cơ xăng hay động cơ diesel hiện có như hỗ trợ phần mềm cho tài xế (phần mềm ecodrive), phun xăng theo từng giai đoạn (common rail injection), chế độ start - stop, thậm chí ngưng hoạt động của 1 số xilanh theo tải trọng, theo từng thời điểm cụ thể....

Trong một tương lai gần có lẽ chỉ còn hiện hữu những loại xe uống ít nhiên liệu như diesel, hybrid, fuel cells hay hoàn toàn chạy bằng điện như Nissan Leaf - một khi bình điện thỏa mãn được nhu cầu di chuyển xa của người tiêu thụ cũng như thiết bị nhiều trạm tiếp liệu điện trên xa lộ - sẽ có chỗ đứng vững chắc.

Nguyễn Hồng Phúc (sưu tầm & nghiên cứu)

Tham khảo:

1. https://www.americanscientist.org/issues/feature/plug-in-hybrid-vehicles-for-a-sustainable-future/3  - Search for Hybrid cars with title: Plug-in Hybrid Vehicles for a Sustainable Future