Nguyên lý cơ bản về kiến trúc và hoạt động của ô tô điện

Các thành phần chính của hệ thống truyền động ô tô điện

Hệ thống truyền động của một chiếc ô tô điện bao gồm một số thành phần chính phối hợp với nhau để cung cấp năng lượng và chuyển động cho xe. Trong số đó, bộ pin đóng vai trò là nguồn lưu trữ năng lượng điện, thường là pin lithium-ion do mật độ năng lượng cao và khả năng sạc nhanh.² Năng lượng này sau đó được truyền đến động cơ điện, bộ phận chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học để dẫn động bánh xe.

Để động cơ điện có thể hoạt động hiệu quả, bộ biến tần (inverter) đóng vai trò chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ pin thành dòng điện xoay chiều (AC) phù hợp với động cơ.² Bộ biến tần cũng điều chỉnh tần số và biên độ của dòng điện AC để kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ. Ngoài ra, bộ chuyển đổi DC/DC (converter) được sử dụng để chuyển đổi điện áp từ pin xuống mức điện áp thấp hơn, phù hợp cho các hệ thống phụ trợ như đèn, cảm biến và hệ thống giải trí.

Cấu trúc ô tô điện

Bộ sạc trên bo mạch (onboard charger) có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ nguồn sạc bên ngoài thành dòng điện một chiều để sạc lại pin. Toàn bộ hệ thống được quản lý và điều khiển bởi bộ điều khiển (controller) hay còn gọi là bộ điều khiển phương tiện (vehicle control unit - VCU), đóng vai trò như bộ não của xe, giám sát và điều phối hoạt động của tất cả các thành phần, bao gồm pin, động cơ, bộ biến tần và hệ thống sạc. Cuối cùng, hệ thống quản lý nhiệt (thermal management system) duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu cho pin, động cơ và các thiết bị điện tử khác, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của chúng. Một thành phần quan trọng khác là hệ thống phân phối điện (power distribution unit - PDU), chịu trách nhiệm kiểm soát và phân phối năng lượng từ nguồn điện đến các hệ thống khác nhau trong xe.

Ô tô điện thường sử dụng động cơ xoay chiều (AC), phổ biến nhất là động cơ cảm ứng AC và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.¹⁹ Động cơ cảm ứng AC nổi tiếng với sự đơn giản và độ bền, hoạt động tốt ở tốc độ cao.³⁰ Ngược lại, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu mang lại hiệu suất cao hơn, đặc biệt ở tốc độ thấp, đồng thời nhỏ gọn và nhẹ hơn. Một loại động cơ khác là động cơ điện trở từ (switch reluctance motor - SRM), được biết đến với khả năng điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn tốt.

Pin lithium-ion là công nghệ pin chiếm ưu thế trong ô tô điện hiện nay nhờ mật độ năng lượng cao, cho phép xe đi được quãng đường dài hơn với kích thước và trọng lượng pin tương đối nhỏ. Tuy nhiên, các công nghệ pin khác như NiMH và pin axit-chì cũng được sử dụng trong một số mẫu xe hybrid và xe điện đời cũ. Công nghệ pin đang tiếp tục phát triển, với pin trạng thái rắn được kỳ vọng sẽ mang lại mật độ năng lượng cao hơn, an toàn hơn và tuổi thọ dài hơn.

Nguyên lý cơ bản về chuyển đổi và dòng năng lượng

Khi ô tô điện hoạt động, năng lượng điện được giải phóng từ pin dưới dạng dòng điện một chiều.² Dòng điện này sau đó được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều bởi bộ biến tần để cung cấp cho động cơ điện. Bộ biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp và tần số của dòng điện xoay chiều, từ đó kiểm soát tốc độ quay và mô-men xoắn của động cơ. Năng lượng cơ học từ động cơ sau đó được truyền qua hệ thống truyền động đến bánh xe, giúp xe di chuyển.

Bộ chuyển đổi DC/DC đảm bảo rằng các hệ thống điện áp thấp hơn trong xe, chẳng hạn như hệ thống chiếu sáng, hệ thống thông tin giải trí và các bộ điều khiển điện tử, nhận được nguồn điện phù hợp từ pin cao áp. Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và đảm bảo hoạt động ổn định của tất cả các hệ thống điện tử trên xe.

Hiệu quả của quá trình chuyển đổi năng lượng ở mỗi giai đoạn – từ khi pin xả, chuyển đổi DC-AC, hoạt động của động cơ đến chuyển đổi AC-DC trong quá trình tái sinh – ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả năng lượng tổng thể và phạm vi hoạt động của xe điện. Việc tối ưu hóa từng bước chuyển đổi này có thể dẫn đến những cải thiện đáng kể về hiệu suất và phạm vi hoạt động. Sự phát triển của kiến trúc điện áp cao hơn, chẳng hạn như 800V, nhằm mục đích giảm dòng điện cần thiết cho cùng một mức công suất, mang lại lợi ích về hệ thống dây điện nhẹ hơn, giảm sinh nhiệt và tăng tốc độ sạc.