Khái quát về xe ôtô điện

Hệ thống điện tử công suất (Power Electronics) : Đây là hệ thống không thể thiếu đối với sự hoạt động của xe điện. Hơn nữa, nó còn đóng vai trò vô cùng quan trọng và là một trong những rào cản lớn khiến cho xe điện vẫn chưa thể tạo ra bứt phá về hiệu năng.

Khái quát về xe ôtô điện

Trong bài 3 của loạt bài “Khái quát về xe ôtô điện”, mình xin được nói về những bộ phận chính cần phải có nếu một chiếc xe muốn chạy bằng nguồn năng lượng điện. Đồng thời mình cũng sẽ giới thiệu về một vài mẫu xe EV, HEV, PHEV, Range Extender nổi bật hiện nay cùng các thông số của chúng.

Ngày nay, xe ôtô chạy nặng lượng điện đang hết sức phát triển và từng bước chiếm lĩnh thị trường ôtô và hứa hẹn sẽ làm thay đổi ngành công nghiệp ôtô giúp giải quyết các vấn đề về môi trường và thiếu hụt nhiên liệu thô. Mỗi hãng xe lại lựa chọn cho mình những con đường khác nhau để chuẩn bị cho sự thay đổi lớn này : Renault và Tesla với chính sách đầu tư mạnh vào xe 100% chạy điện, Toyota thì đã từ lâu làm chủ phân khúc xe lai với huyền thoại Prius, v.v…Tùy vào mỗi con đường mà các hãng xe phải đầu tư vào nghiên cứu các kỹ thuật công nghệ khác nhau nhằm tối ưu hóa dòng xe mình lựa chọn. Sau đây là một vài yếu tố kỹ thuật tiên quyết của mỗi dòng xe.

Đối với xe EV :

1) Pin (Ắc quy) : đây là trái tim của xe, là nguồn năng lượng chính và duy nhất trên xe, phụ trách cung cấp năng lượng cho hoạt động của xe. Pin EV thường có hiệu điện thế vào khoảng 400V nên việc đảm bảo nguồn năng lượng này được cách ly với phần còn lại của xe là điều vô cùng quan trọng. Đây cũng chính là nguyên nhân chính gây cháy nổ ở EV và cũng chính nó gây ra sự khó khăn đối với việc cứu nạn những chiếc EV. Pin cũng chính là một trong những vấn đề kỹ thuật chính khiến cho xe ôtô điện vẫn chưa chiếm được cảm tình của người mua khi lượng năng lượng mà pin có thể chứa sau mỗi lần sạc là khá khiêm tốn khi so với bình xăng thông thường, chưa kể thời gian sạc cũng lâu hơn so với thời gian đổ đầy bình xăng hay như giá thành của pin gần như đã chiếm đến 1/3 giá thành của một chiếc EV. Tuy nhiên, phải thấy rằng, công nghệ pin vẫn còn trên đà phát triển vô cùng mạnh mẽ, trong tương lai hứa hẹn sẽ có khả năng tạo ra những kỹ thuật pin mới hay cải tiến các kỹ thuật đã có cho phép giảm giá thành sản xuất và rút ngắn khoảng cách với các loại nhiên liệu thô. Hiện này, loại pin được sử dụng chủ yếu trên EV là pin Li-ion, ngoài ra còn có pin Li metal, pin Hydrogen. Các bạn có thể tìm hiểu chi tiết hơn về “Pin & Ắc quy trong các ứng dụng xe ôtô” trong loạt bài sắp tới của Từ điển xe.

2) Động cơ điện : Nếu ắc quy được ví như trái tim của EV, là nguồn sống của xe thì động cơ điện sẽ giống như tứ chi giúp chiếc xe có được những trải nghiệm tuyệt vời nhất. Thật vậy, với những đặc tính đặc biệt của mình, động cơ điện giúp người lái có được những cảm nhận vô cùng khác biết so với 1 động cơ đốt trong thông thường. Trước hết, động cơ điện có khả năng chuyển tải 1 mô-mên xoắn rất lớn ngay từ khi khởi động và trong dải vận tốc thấp , do đó xe không gặp bất cứ 1 khó khăn nào trong quá trình khởi động và tăng tốc (bạn sẽ thấy vô cùng thích thú khi qua mặt tất cả các xe ở chỗ dừng đèn đỏ). Ngoài ra, với công nghệ tiến tiến, động cơ điện có hiệu năng rất cao (>90%), hơn rất nhiều so với động cơ đốt trong (~30%-40%) và dải hiệu năng cũng lớn hơn rất nhiều so với động cơ đốt trong. Chính vì vậy, trên hầu hết các mẫu xe điện, bộ số gear box đã được lược bỏ hoàn toàn khiến việc lái xe trở nên dễ dàng hơn nhiều. Khi bàn về kích thước và khối lượng, động cơ điện cũng chiếm ưu thế vượt trội so với động cơ đốt trong : nhỏ, gọn, nhẹ. Khai thác ưu điểm này của động cơ điện, nhiều hãng xe thậm chí còn trang bị mỗi động cơ điện cho một bánh xe giúp xe có khả năng dẫn động 4 bánh toàn thời gian mà không cần trang bị bộ vi sai (4WD all-time ?) khiến cho người lái có những trải nghiệm vô cùng thể thao. Hiện nay, có 2 loại động cơ điện được sử dụng chủ yếu đó là động cơ đồng bộ 3 pha, động cơ không đồng bộ 3 pha và reluctance variable. Các bạn cũng có thể tìm hiểu chi tiết hơn về “Động cơ điện trong các ứng dụng xe ôtô” tại đây.

3) Hệ thống điện tử công suất (Power Electronics) : Đây là hệ thống không thể thiếu đối với sự hoạt động của xe điện. Hơn nữa, nó còn đóng vai trò vô cùng quan trọng và là một trong những rào cản lớn khiến cho xe điện vẫn chưa thể tạo ra bứt phá về hiệu năng. Hiểu một cách đơn giản nhất thì đây là hệ thống giúp chuyển đổi tính chất của dòng điện. Ai cũng biết dòng điện chúng ta dùng trong sinh hoạt hàng ngày là dòng điện xoay chiều (AC), đây cũng là dòng điện dùng để cung cấp cho stator của động cơ điện. Vấn đề chỉ thật sự nảy sinh khi ắc quy mà xe điện sử dụng lại chỉ có thể dự trữ được điện 1 chiều (DC) và cung cấp điện 1 chiều. Chính bởi lẽ đó, trong cấu tạo của xe điện, có 2 vị trí cơ bản nhất cần đến hệ thống điện tử công suất : đó chính là một bộ chuyển đồi AC/DC ở đầu vào nhằm sạc điện cho ắc quy và một bộ chuyển đổi DC/AC ở đầu ra của ắc quy nhắm cung cấp năng lượng điện cho động cơ điện. Ngoài 2 vị trí tối quan trọng này ra, còn có sự tham gia của một số bố chuyển đổi DC/DC nhằm thay đổi hiệu điện thế của dòng điện sử dụng. Hệ thống điện tử công suất về cơ bản là một tập hợp các khóa K được điều khiển đóng ngắt để nhằm thay đổi tính chất của dòng điện. Cũng chính bởi cấu tạo của nó nên hiệu năng của hệ thống này là không thật sự cao, chưa kể còn có nguy cơ gây cháy nổ khi hoạt động quá công suất. Do đó, khi thiết kế hệ thống điện trên xe điện (công suất pin, công suất động cơ điện, v.v…) tất cả đều phải dựa trên khả năng của hệ thống điện tử công suất. Nhiều khi bạn buộc phải hy sinh những bộ phận có công suất cao để đảm bảo an toàn sử dụng cho hệ thống này.

4) Hệ thống kiểm soát (Control Unit) : Bao gồm 1 hệ thống kiểm soát vốn có trên các mẫu xe truyền thống như để kiểm soát ABS, ESP, tuy nhiên ngoài ra còn bao gồm hệ thống kiểm soát ắc quy(Battery Management System), hệ thống điều khiển động cơ điện. Đây chính là bộ não của xe ôtô điện, kiểm soát mọi diễn biến xảy ra ở bên trong các bộ phận của xe cũng như các tác động từ môi trường bên ngoài. Hệ thống này giúp tối ưu hóa hoạt động của xe điện và đảm bảo an toàn cho xe trong suốt thời gian hoạt động của xe. Nhờ những cảm biến (sensors) cùng những thuật toán được lập trình trên xe, hệ thống này sẽ thu thập tất cả các thông tin cần thiết : dung tích ắc quy còn lại, vận tốc xe, phanh xe có được kích hoạt hay không, bánh xe có bị trượt, v.v… Nhờ vậy mà xe sẽ hiện lên những thông báo cần thiết cho người lái : ví dụ như lượng pin còn lại sẽ đủ để chạy thêm bao nhiêu km ? muốn chạy thêm thì phải giảm tải tiêu thụ điện ra sao ? hay như khi nào phanh xe thì năng lượng thu hồi sẽ được sạc lại cho ắc quy ra sao ?

5) Các chức năng khác : một vài chức năng khác cũng được trang bị trên xe điện ví dụ như :

stop&start – giúp động cơ xe ngừng hoạt động những lúc xe dừng (đèn đỏ, tắc đường, …) và sẽ kích hoạt ngay lại động cơ khi người lái nhấn ga.
phanh thu hồi năng lượng (regenerate braking) -chức năng này giúp thu hồi lại năng lượng khi phanh xe và dùng để sạc ắc quy, hẳn nhiên bạn sẽ không thể thu hồi được 100% lượng năng lượng này nên sẽ là điều tất nhiên nếu bạn đi và phanh liên tục nhưng ắc quy vẫn giảm dần.
sạc đa năng – giúp xe điện sạc được từ mọi nguồn điện : điện sinh hoạt 220V, điện từ chốt sạc 10kW, 22kW hoặc 43kW.