NGHIÊN CỨU CÁC BIẾN THỂ CỦA XE ĐIỆN

Xe ô tô điện đang là xu thế phát triển của thời đại, các hãng xe hơi nổi tiếng đang dần chuyển mình sang sản xuất xe điện. Ngoài những ưu điểm tuyệt đối về năng lượng sạch bảo vệ môi trường thì yếu tố về thẩm mỹ, công nghệ cũng giúp vị thế xe điện là số một. Động cơ điện sẽ thay thế động cơ đốt trong – Đây là tương lai gần của nhân loại. EV là viết tắt của từ Electric Vehicle – Xe ô tô điện, 100% dùng năng lượng điện để hoạt động. Xe EV dùng động cơ điện để dẫn động thay vì một động cơ đốt trong (xăng, dầu diesel). Năng lượng điện được lưu trữ trong Pin, có thể sạc đầy nhiều lần sau khi dùng hết. Bài viết giới thiệu về các biến thể của xe điện từ trước đến nay và các loại động cơ điện thường sử dụng cũng như ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng trên ô tô điện.

Khi nói đến EV, ta hiểu chung chung là các loại xe ô tô chạy bằng điện. Nhưng bên cạnh đó, có một số loại xe khác, tiền thân hoặc thế hệ sau của EV ta cần nắm rõ:
 

Hình 1. Sự khác nhau giữa các loại xe HEV – PHEV – BEV

1. Xe HEV (Hybrid)

HEV là viết tắt của Hybrid Electric Vehicle – Xe ô tô ứng dụng công nghệ điện hybrid. HEV là xe chạy nhiên liệu xăng, dầu – có động cơ đốt trong và có ắc quy điện. Động cơ điện và động cơ đốt trong của HEV sẽ hoạt động song song, hỗ trợ cho nhau (tùy hãng xe và tùy dòng xe).

HEV có Pin nhưng không có cắm sạc ngoài như EV. Xe HEV với động cơ điện được bổ sung gia tốc, Pin tự nạp năng lượng khi xe phanh, và cung cấp điện cho hệ thống khởi động.

Không có điện HEV vẫn chạy tốt bằng nhiên liệu đốt trong. Hybrid chỉ kết hợp truyền động bằng điện giúp tăng hiệu suất, tiết kiệm xăng dầu so với ô tô thường.

Ta hay gọi Xe Hybrid hay Xe HEV là cùng 1 loại, như trên!

Một số xe HEV điển hình như: BMW i8, Toyota RAV4, Hyundai Ioniq, Honda CR-V Hybrid,…
 

Hình 2. Cấu tạo xe HEV – Hybrid Electric Vehicle

2. Xe PHEV (Plug-in Hybrid)

PHEV là xe điện lai với sạc điện, được viết tắt từ Plug-in Hybrid Electric Vehicles – Xe ô tô công nghệ điện hybrid, cũng có động cơ điện và động cơ đốt trong hoạt động song song như HEV.

PHEV khác HEV ở Pin chứa điện: PHEV có thể cắm sạc điện từ bên ngoài, động cơ đốt trong cũng có thể nạp điện cho Pin. Tức là, nếu bơm đủ xăng cho PHEV thì nó không cần sạc điện trong suốt quãng đời hoạt động, động cơ đốt trong sẽ tạo điện tự động sang Pin.

Thời lượng ắc quy của PHEV cũng trâu hơn HEV, công nghệ Pin mới hơn nên PHEV có thể đi được quãng đường trên 40 km hoàn toàn bằng động cơ điện, không cần động cơ đốt trong.

Một số xe PHEV điển hình như: Mitsubishi Outlander, Kia Niro, Ford Fusion Energi, Toyota Prius Prime, Hyundai Ioniq, Chevrolet Volt, Honda Clarity

Hình 3. Cấu tạo xe PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicles

Hệ thống Plug-in Hybrid EV điều khiển tối ưu hóa trong từng điều kiện lái, mang lại sự linh hoạt để sử dụng như một chiếc xe điện 100%, dùng động cơ xăng để sạc điện cho ắc-quy, hoặc dẫn động sử dụng đồng thời cả motor điện và động cơ xăng, tùy thuộc vào điều kiện vận hành.

3. EV Car

Các loại xe HEV, PHEV, PHV và BEV là thế hệ trước của EV, là tiền đề công nghệ để sản xuất ra EV. Sau EV thì có xe FCV sẽ ra mắt trong tương lai gần.

EV là viết tắt của từ Electric Vehicle – Xe ô tô điện, 100% dùng năng lượng điện để hoạt động. Xe EV dùng động cơ điện để dẫn động thay vì một động cơ đốt trong (xăng, dầu diesel). Năng lượng điện được lưu trữ trong Pin, có thể sạc đầy nhiều lần sau khi dùng hết.

Hình 4. Cấu tạo EV car

EV về cở bản bao gồm: Pin năng lượng, Động cơ điện dẫn động, Điện tử công suất, Phanh tái sinh điện và Trạm sạc điện bố trí dọc trên đường (như các trạm xăng hiện nay). Ngoài các cộng nghệ Phần cứng, internet, AI thì EV cần đầu tư lắp đặt các trạm sạc lưu động. Mô tơ điện phía trước và sau sẽ sử dụng điện từ bình ắc quy, dẫn động chiếc xe bằng cách sử dụng các motor dùng điện từ ắc quy dẫn động, tùy loại xe: có thể có tới 4 động cơ điện ở 4 bánh.

3.1. Hệ thống Pin

Hệ thống Pin là trái tim của EV, nó có kích thước lớn và được lắp đặt dưới gầm sàn xe. EV hiện nay dùng công nghệ Pin lithium-ion: là loại pin có thể sạc đi sạc lại nhiều lần. Trong quá trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả.

Pin xe EV thường có hiệu điện thế vào khoảng 400V, đây là một trong những vấn đề kỹ thuật chính khiến cho EV vẫn chưa phổ biến, khi lượng năng lượng mà pin có thể chứa sau mỗi lần sạc khá khiêm tốn so với bình xăng thông thường, thời gian sạc cũng lâu hơn so với thời gian đổ đầy bình xăng. Giá thành của pin gần như đã chiếm đến 1/3 giá thành của một chiếc EV.

Pin của EV được thiết kế tùy theo nhà sản xuất, vẫn với công nghệ lithium-ion nhưng mỗi hãng sẽ có những tối ưu riêng của mình. Trong tương lai gần, Pin lithium-ion sẽ còn phát triển để lưu trữ được nhiều hơn, lâu hơn hoặc có thể, chuyển hẳn sang công nghệ xe FCV.

3.2. Động cơ điện

Động cơ điện của EV giúp người lái có được những cảm nhận vô cùng khác biết so với 1 động cơ đốt trong thông thường. Động cơ điện có khả năng chuyển tải 1 mô men xoắn rất lớn ngay từ khi khởi động và trong dải vận tốc thấp, do đó xe khởi động và tăng tốc cực nhanh, ngay lập tức.

Các 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.

Với công nghệ tiến tiến, động cơ điện có hiệu năng rất cao (>90%), hơn nhiều lần 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 hộp số Gearbox đã được lược bỏ hoàn toàn khiến việc lái xe trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Hình 5. Động cơ của xe EV

Động cơ điện rất nhỏ, gọn, nhẹ. 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  khiến cho người lái có những trải nghiệm vô cùng mới, rất chân thật.

3.4. Điện tử công suất

Hệ thống điện tử công suất (Power Electronics) là hệ thống không thể thiếu của xe ô tô điện. Đây là hệ thống giúp: Chuyển đổi tính chất của dòng điện để động cơ chạy điện hoạt động. 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 là: Ắc quy mà xe điện sử dụng lại chỉ có thể dự trữ được điện 1 chiều (DC) và cung cấp điện 1 chiều vì vậy cần đến 02 hệ thống điện tử công suất: 

Hình 6. Mô tả cơ bản Power Electronics

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…) tất cả đều phải dựa trên khả năng của hệ thống điện tử công suất này.

3.5. Kết hợp truyền động

Hình 7. Control Unit của EV

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. EV có thể có 4 động cơ điện ở 4 bánh, vì vậy cần một hệ thống AI (Trí tuệ nhân tạo) tự động kết hợp truyền động này thành đồng nhất khi xe di chuyển. Hiện công nghệ này đã hoàn thiện ổn định và an toàn. Có thể nói, hệ thống này giúp tự động cân bằng mọi truyền động trên xe.

Nhờ những cảm biến (Sensors) cùng những thuật toán được lập trình cho mỗi 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, bánh xe có bị trượt,… Nhờ vậy mà EV sẽ hoạt động đúng như mục đích người lái.

Thêm nữa có hệ thống 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.

3.6. Phanh tái sinh điện

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, 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.

Ngoài ra còn có Sạc đa năng – giúp xe điện sạc được từ mọi nguồn điện: điện sinh hoạt 220V, điện từ chốt sạc 10kW, 22kW hoặc 43kW.

Ngoài ra còn có các hệ thống khác như:

Hệ thống tản nhiệt (làm mát): Giúp duy trì một phạm vi nhiệt độ hoạt động thích hợp của động cơ, động cơ điện, điện tử công suất và các thành phần khác.

Truyền động (điện): Truyền tải năng lượng cơ học từ động cơ kéo điện để lái các bánh xe.

Bộ pin kéo: Lưu trữ điện để sử dụng bởi động cơ kéo điện.

Pin phụ trợ hoàn toàn bằng điện: pin phụ cung cấp điện cho các phụ kiện xe điện.

3.7. Ưu điểm xe EV

EV car được sản xuất dựa trên những tiến bộ khoa học mới nhất, ở tất cả các lĩnh vực từ Điện máy, Cơ khí đến Công nghệ thông tin. Do đó, EV đạt được những ưu điểm nhất định mà các loại xe ô tô khác không có

4. Xe FCV (Fuel Cell Vehicle)

FCV là viết tắt của Fuel Cell Vehicle – Xe ô tô điện chạy nhiên liệu khí Hydro hóa lỏng (khí H₂, hydrogen). Tức là, nó dùng phản ứng Hydro với Oxy để tạo ra điện, giúp động cơ điện hoạt động. Pin của FCV có thể lưu trữ dòng điện tái sinh khi xe hoạt động. Xe FCV là thế hệ sau, nối tiếp của xe EV với nhiều ưu điểm nổi trội hơn. FCV là ô tô điện nên cấu tạo cơ bản và cách hoạt động giống hệt EV, chỉ khác cách tạo năng lượng điện từ Hydro.

Đặc biệt, lượng khí thải của xe FCV là bằng 0 vì phản ứng Hydro + Oxy chỉ ra Nước (H₂O), không chất thải ra môi trường kể cả sau khi xe đã bị thải loại.  Xe EV hiện nay bị giới hạn về công nghệ lưu trữ năng lượng Pin nên quãng đường tối đa 1 lần sạc khoảng 320 ÷ 460km, với FCV thì giới hạn này đã được phá bỏ: FCV có thể đi quãng đường trên 500 km với 1 lần tiếp Hydro, thời gian nạp nhiên liệu chỉ ~1 phút.

Một số mẫu xe FCV thử nghiệm: Hyundai Nexo, Honda Clarity Fuel Cell, Toyota Mirai…
 

Hình 8. Nguyên lý và cấu tạo của xe FCV

So sánh EV và FCV: Dựa vào các tính năng và chi tiết đã nêu trên, so sánh EV và FCV sơ bộ như sau

Nói chung, về mọi mặt thì EV và FCV đều đáng tin dùng trong tương lai và hơn đứt xe ô tô truyền thống hiện nay. Chắc chắn, giá xe EV cùng loại sẽ rẻ hơn xe động cơ đốt trong.