Tìm hiểu hệ thống Hybrid trên xe Toyota, Subaru mới sẽ dùng chung

Gần 30 năm sau chiếc Prius 1997, chiếc xe hybrid sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới theo Toyota , hệ thống Toyota Hybrid System (THS) đã bước sang thế hệ thứ 5. Cũng nền tảng ấy giờ nằm dưới nắp capo của Subaru Forester phiên bản Strong Hybrid, nhưng được nối với động cơ boxer và hệ dẫn động bốn bánh.

Thời điểm hiện tại, Toyota đã phổ biến hệ thống Hybrid mới này của mình trên nhiều dòng sản phẩm, bao gồm cả nhánh thương hiệu Lexus cao cấp hơn và chia sẻ với Subaru. Bài này mình sẽ giải thích THS vận hành ra sao, vì sao không cần hộp số, và Subaru đã lấy gì, sửa gì từ Toyota.

Cấu tạo chung của hệ thống THS

Các thành phần chính của THS II thế hệ mới đi cùng động cơ 2.5L Dynamic Force, Toyota minh họa trên khung gầm Prius: động cơ xăng, PCU đặt ngay trên hộp số, hộp số hybrid chứa MG1 và MG2, cụm pin nằm dưới ghế sau.

THS là kiểu hybrid hỗn hợp nối tiếp – song song. Xe có thể chạy bằng điện, bằng xăng, hoặc kết hợp cả hai, và việc chọn cách nào hoàn toàn do máy tính quyết định. Hệ thống gồm năm nhóm chi tiết chính.

Đầu tiên là động cơ xăng chạy chu trình Atkinson, Toyota gọi là chu trình "tỉ số giãn nở cao". Xupap nạp được đóng muộn để hành trình nén thực tế ngắn hơn hành trình giãn nở, nhờ vậy động cơ khai thác được nhiều công hơn từ mỗi giọt xăng nhưng đổi lại mô-men ở vòng tua thấp yếu đi. Khoảng yếu ấy đã có mô-tơ điện lấp vào. Động cơ 1.8L 2ZR-FXE trên Prius thế hệ 4 đạt hiệu suất nhiệt tối đa 40%, còn bản 2.5L Dynamic Force (tỉ số nén 14,0:1) đạt 41%.

Tiếp theo là hai máy điện. MG1 chủ yếu làm máy phát, kiêm luôn vai trò củ đề khởi động động cơ và điều khiển tỉ số truyền. MG2 là mô-tơ kéo chính, nối thẳng với đường truyền xuống bánh xe, đồng thời làm máy phát khi xe giảm tốc.

Nhóm thứ tư là bộ điều khiển công suất PCU, gồm bộ tăng áp và biến tần. Từ thế hệ THS II năm 2003, bộ tăng áp nâng điện áp mạch cao áp lên tới 500 V. Điện áp cao giúp truyền cùng một công suất với dòng điện nhỏ hơn, nhờ đó công suất mô-tơ tăng lên 1,5 lần so với hệ thống đầu tiên. Biến tần đổi dòng một chiều của pin thành xoay chiều ba pha cho hai máy điện và làm việc ngược lại khi sạc.

Cuối cùng là pin cao áp. Toyota dùng pin NiMH từ đầu, sau này dùng thêm Li-ion tùy thị trường và phiên bản.

Sơ đồ khối THS II: đường cơ khí (xanh) và đường điện (cam) gặp nhau tại bộ chia công suất.

Bộ chia công suất, trái tim của e-CVT

Bộ chia công suất thực chất là một bộ bánh răng hành tinh với ba phần tử quay.

Thay vì hộp số tự động có cấp hay CVT dây đai, THS dùng một bộ bánh răng hành tinh mà Toyota gọi là bộ chia công suất (power split device). Bộ này có ba phần tử: bánh răng mặt trời ở giữa, các bánh răng hành tinh gắn trên cần dẫn, và vành răng bao ngoài. Theo tài liệu đào tạo kỹ thuật của Toyota, động cơ nối vào cần dẫn, MG1 nối với bánh răng mặt trời, còn vành răng nối với MG2 và trục ra bánh xe.

Đặc điểm của bộ hành tinh là ba phần tử luôn ràng buộc tốc độ với nhau. Biết tốc độ của hai phần tử thì phần tử thứ ba được xác định. Tốc độ vành răng phụ thuộc tốc độ xe, nên chỉ cần điều khiển tốc độ quay của MG1 là máy tính chọn được vòng tua động cơ mong muốn ở bất kỳ tốc độ xe nào. Toyota mô tả cả cụm này hoạt động như một hộp số vô cấp điều khiển điện tử, tức e-CVT. Không có dây đai, không có ly hợp hay bộ biến mô, nên xe tăng tốc liền mạch.

Biểu đồ tốc độ (nomogram): ba trường hợp A, B, C có cùng tốc độ xe nhưng vòng tua động cơ khác nhau hoàn toàn, chỉ nhờ thay đổi tốc độ MG1. Số liệu chỉ để minh họa.

Mô-men của động cơ đi vào cần dẫn sẽ bị tách làm hai ngả. Một phần qua vành răng xuống thẳng bánh xe (đường cơ khí). Phần còn lại quay MG1 để phát điện, điện này chạy qua PCU sang MG2 rồi cũng quay bánh xe (đường điện). Tỉ lệ giữa hai ngả thay đổi liên tục theo điều kiện vận hành, đó chính là ý nghĩa của chữ "chia công suất".

Các chế độ vận hành, từ lúc lăn bánh đến khi dừng

Theo mô tả của Toyota, khi khởi hành và chạy ở tốc độ thấp, vùng mà động cơ xăng kém hiệu quả nhất, động cơ được tắt hẳn và xe chạy bằng MG2 với điện từ pin.

Khi đi đều, động cơ nổ và bộ chia công suất làm việc như đã nói ở trên: một phần công suất xuống bánh xe trực tiếp, phần còn lại quay MG1 phát điện để MG2 cùng kéo xe. Máy tính giữ động cơ ở vùng vòng tua hiệu quả nhất có thể.

Khi đạp ga sâu, pin xả thêm điện cho MG2. Sức kéo của động cơ và mô-tơ cộng lại nên xe bứt tốc tốt hơn nhiều so với con số công suất của riêng động cơ.

Khi nhả ga hoặc đạp phanh, MG2 được bánh xe dẫn ngược lại và trở thành máy phát công suất lớn, nạp điện vào pin. Đây là phanh tái sinh. Hệ thống phanh điện tử sẽ phối hợp giữa lực hãm từ MG2 và phanh thủy lực, ưu tiên thu hồi năng lượng và bổ sung má phanh khi cần lực hãm lớn hơn.

THS luôn giữ mức sạc của pin trong một khoảng nhất định. Khi pin xuống thấp, động cơ được tăng tải để quay MG1 nạp lại pin. Vì vậy xe hybrid thường (không phải plug-in) không cần cắm sạc. Khi xe dừng, động cơ xăng tự tắt, không đốt xăng lúc chờ đèn đỏ hay kẹt xe.

Năm thế hệ THS và hệ dẫn động E-Four, AWD-i

Hệ thống hybrid 2.0L trên Prius thế hệ 5 (ảnh Toyota). Pin Li-ion nằm dưới ghế sau, cáp cao áp màu cam chạy dọc gầm xe.

Nguyên lý bộ chia công suất gần như giữ nguyên từ 1997, thứ thay đổi qua mỗi thế hệ là mật độ công suất và tổn hao. THS đầu tiên dùng mô-tơ 33 kW. Lên THS II năm 2003, nhờ mạch tăng áp 500 V, mô-tơ đạt 50 kW và 400 Nm.

Thế hệ 4 ra mắt cùng Prius 2015 với các máy điện được bố trí lại trên nhiều trục song song thay vì nằm thẳng hàng. Toyota cho biết tổn hao cơ khí ở hộp số giảm khoảng 20%, tổn hao điện của PCU cũng giảm khoảng 20%. Đây cũng là lần đầu Prius có bản E-Four.

E-Four (thị trường châu Âu gọi là AWD-i) không dùng trục các-đăng. Cầu sau được dẫn động bằng một mô-tơ điện riêng, lấy điện từ hệ thống hybrid và chỉ can thiệp khi cần. Trên RAV4 Hybrid 2019, Toyota châu Âu công bố mô-men tối đa truyền tới bánh sau tăng từ 953 lên 1.300 Nm, tỉ lệ phân bổ trước/sau thay đổi từ 100:0 tới 20:80 tùy điều kiện đường. Ưu điểm là gọn, nhẹ và không có tổn hao ma sát của trục các-đăng khi xe chỉ chạy cầu trước.

Thế hệ 5 xuất hiện trên Prius 2023. Theo Toyota Technical Review, bản 2.0L dùng động cơ M20A-FXS 112 kW, 188 Nm, mô-tơ trước 83 kW, 206 Nm, công suất hệ thống 144 kW (196 PS), gấp 1,6 lần đời trước. Mô-tơ cầu sau của bản E-Four được nâng mạnh từ 5,3 kW lên 30 kW. PCU chuyển sang dùng linh kiện bán dẫn RC-IGBT để giảm tổn hao điện, pin Li-ion tăng mật độ công suất thêm 16% và nhỏ gọn hơn.

Subaru Strong Hybrid dùng chung

Bố trí hệ thống Strong Hybrid thế hệ mới do Subaru công bố: động cơ boxer 2.5L, PCU, máy phát điện (Motor-Generator), mô-tơ kéo (Traction motor), trục các-đăng, bình xăng 63 lít và pin Li-ion ở phía sau.

Subaru không xa lạ với điện hóa. Hệ e-BOXER trước đây là dạng hybrid song song, chỉ có một mô-tơ nhỏ hỗ trợ động cơ. Lần đầu Subaru dùng công nghệ THS là trên Crosstrek Hybrid 2019, một mẫu plug-in hybrid bán ở Mỹ. Xe dùng động cơ boxer 2.0L phun xăng trực tiếp, hộp số Lineartronic tích hợp hai máy điện: một chiếc làm máy phát và khởi động động cơ, chiếc còn lại kéo xe và thu hồi năng lượng.

Pin Li-ion 8,8 kWh cho phép chạy thuần điện khoảng 27 km ở tốc độ tới khoảng 105 km/h. Khi Toyota và Subaru mở rộng hợp tác năm 2019, tài liệu của Subaru ghi rõ sẽ "tiếp nối Crosstrek Hybrid, mở rộng việc dùng Toyota Hybrid System trên các mẫu Subaru khác".

Đó chính là hệ Strong Hybrid ra mắt tháng 10/2024. Đây là hybrid hỗn hợp nối tiếp – song song thực thụ, dùng động cơ boxer 2.5L mới cho công suất 118 kW (160 PS) tại 5.600 vòng/phút, mô-men 209 Nm. Mô-tơ kéo xoay chiều đồng bộ ba pha cho 88 kW và 270 Nm. Subaru cho biết mô-tơ đóng vai trò nguồn động lực chính trong một dải vận hành rộng, động cơ xăng bù vào những vùng mô-tơ yếu. Pin Li-ion dung lượng 1,1 kWh nằm dưới sàn khoang hành lý. So với e-BOXER cũ, mức tiêu thụ nhiên liệu cải thiện khoảng 20%.

Khoang máy Subaru Forester Hybrid 2025 thị trường Mỹ. Cáp cao áp màu cam dẫn tới bộ điều khiển công suất được đặt phía trên động cơ boxer.

Ở Nhật, Crosstrek S:HEV đạt 18,9 km/L theo chu trình WLTC. Ở Mỹ, Forester Hybrid 2025 có tổng công suất 194 mã lực, mức tiêu thụ EPA 35 mpg đường hỗn hợp (khoảng 6,7 L/100 km) và tầm hoạt động khoảng 935 km mỗi bình xăng. Subaru cho biết mức tiết kiệm nhiên liệu trong đô thị tốt hơn tới 40% so với Forester máy xăng thông thường.

Subaru dùng chung gì với Toyota, thay đổi gì

Cùng lõi THS nhưng Toyota đặt ngang và dẫn động cầu sau bằng mô-tơ điện, còn Subaru đặt dọc và giữ trục các-đăng cơ khí.

Phần dùng chung là nguyên lý. Strong Hybrid của Subaru cũng có hai máy điện trong hộp số, một chiếc phát điện và một chiếc kéo xe, một PCU và một bộ pin Li-ion. Theo phân tích của Motor-Fan, hộp số TH2B trên hệ mới vẫn có MG1 phía trước, MG2 phía sau và bộ chia công suất bánh răng hành tinh như hộp số TH2A của Crosstrek Plug-in Hybrid. Nikkei xTECH cũng cho biết Subaru dùng phần cứng THS của Toyota nhưng tự tinh chỉnh cách điều khiển và bố trí.

Phần khác biệt nằm ở cách lắp vào xe. Động cơ boxer đặt dọc, nên hộp số hybrid cũng phải nằm dọc ngay phía sau động cơ, khác với hộp số đặt ngang của Toyota. Subaru gom mô-tơ kéo, máy phát, vi sai trước và một ly hợp điều khiển điện tử vào chung một hộp số. Từ đó trục các-đăng đưa lực xuống cầu sau, giữ hệ Symmetrical AWD cơ khí đặc trưng thay vì dùng mô-tơ cầu sau như E-Four. Theo Motor-Fan, ly hợp này là loại điện từ để xe vẫn dẫn động bốn bánh khi chạy thuần điện mà không cần động cơ tạo áp suất dầu.

Subaru cũng đưa PCU lên nóc động cơ để giải phóng chỗ cho bình xăng 63 lít và tự sản xuất hộp số tại nhà máy Kitamoto. Theo Nikkei xTECH, thời điểm và mức hỗ trợ của mô-tơ được tinh chỉnh riêng cho động cơ boxer, đồng thời mô-men được tăng dần trên mặt đường trơn để giữ độ bám.

Điểm hay nhất của THS là sự đơn giản về cơ khí: một bộ bánh răng hành tinh và hai máy điện thay thế cho cả hộp số, củ đề lẫn máy phát. Từ đó Toyota có một nền tảng đủ linh hoạt để đi từ Prius dẫn động cầu trước đến RAV4 dùng mô-tơ cầu sau. Subaru thì chứng minh điều ngược lại cũng đúng: giữ nguyên trái tim THS nhưng vẫn có thể đặt dọc, đi cùng động cơ boxer và trục các-đăng. Kết quả là một chiếc Forester tiết kiệm xăng hơn hẳn mà vẫn giữ hệ truyền động S-AWD đúng chất Subaru.

Dự kiến trong tháng 11, Subaru Việt Nam cũng sẽ giới thiệu mẫu Forester sử dụng hệ thống Strong Hybrid mới thay vì e-Boxer như trước đây.

Tham khảo thêm từ: Toyota Global Newsroom , Toyota Technical Review , Toyota Europe Newsroom , Subaru Corporation , Subaru of America , Motor-Fan , Nikkei xTECH