ÚC – Xe điện sử dụng một hệ thống truyền động có cấu trúc khác so với ô tô dùng động cơ đốt trong. Thay cho động cơ, hộp số nhiều cấp và hệ thống nhiên liệu truyền thống, xe điện dựa vào bộ pin, động cơ điện, bộ biến tần, hệ thống quản lý pin, các bộ chuyển đổi điện và nhiều thành phần điều khiển điện tử khác.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video từ kênh Beyond EV Technology, nói về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống chính trên xe điện.

Mỗi bộ phận đảm nhiệm một chức năng riêng, từ lưu trữ và phân phối năng lượng đến điều khiển mô-men xoắn, quản lý nhiệt độ và thu hồi năng lượng khi phanh. Sự phối hợp giữa các hệ thống này quyết định trực tiếp đến phạm vi hoạt động, hiệu suất, khả năng tăng tốc, tốc độ sạc và độ an toàn của xe.

(Hình minh họa từ YouTube)

Bộ pin – nguồn dự trữ năng lượng chính
Bộ pin thường được bố trí thấp dưới sàn xe và là nguồn dự trữ năng lượng mà toàn bộ hệ truyền động phụ thuộc vào. Một bộ pin có thể được cấu thành từ hàng trăm hoặc hàng nghìn cell pin riêng lẻ, được nhóm thành các mô-đun và đặt bên trong một lớp vỏ kim loại chắc chắn. Phần lớn xe điện (EV) hiện đại sử dụng pin lithium-ion, phổ biến với hai loại hóa học là lithium iron phosphate và nickel manganese cobalt, kết hợp với chất điện phân dạng lỏng. Các loại pin này thuộc cùng họ với pin lithium-ion được sử dụng trong máy tính xách tay và dụng cụ điện. Tuy nhiên, các thiết bị nhỏ hơn thường sử dụng pin hóa học lithium cobalt oxide với chất điện phân gốc polymer. Khác với các thiết bị điện tử cầm tay, trọng lượng không phải là yếu tố cần tối ưu ở cùng mức độ đối với pin xe điện. Pin EV phải được thiết kế để hoạt động trong thời gian dài, trong khi pin của các thiết bị nhỏ cần duy trì trọng lượng rất nhẹ và thường chỉ được thiết kế cho vòng đời vài năm. Dung lượng bộ pin được đo bằng kilowatt-giờ. Chỉ số này có thể được hình dung tương tự dung tích bình nhiên liệu, nhưng cách năng lượng được sử dụng còn phụ thuộc đáng kể vào phần còn lại của hệ truyền động. Bộ pin thường chiếm gần một phần ba tổng chi phí của một chiếc xe điện. Vì vậy, nó ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi hoạt động, giá thành xe và cách trọng lượng được phân bổ trên khung gầm.

Hệ thống quản lý pin – kiểm soát trạng thái của từng cell
Bên trong bộ pin là hệ thống quản lý pin, thường được gọi là BMS (*). Hệ thống này liên tục theo dõi điện áp và nhiệt độ của từng cell pin. Hệ thống BMS có nhiệm vụ duy trì sự cân bằng giữa các cell, giúp hạn chế tình trạng một số cell bị lão hóa nhanh hơn những cell còn lại. Hệ thống cũng can thiệp trước khi xảy ra các tình trạng như quá nhiệt hoặc sạc quá mức. Công nghệ này phát triển từ những mạch giám sát đơn giản từng được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, BMS hiện đại phức tạp hơn đáng kể và liên tục thực hiện các phép tính để kiểm soát trạng thái của bộ pin thay vì chỉ phát hiện sự cố sau khi vấn đề đã xảy ra. Nếu không có hệ thống quản lý pin, các cell có thể xuống cấp không đồng đều, khiến phạm vi hoạt động suy giảm nhanh hơn và trong những trường hợp nghiêm trọng có thể gây ra vấn đề về an toàn. BMS vì vậy là một trong những hệ thống thực hiện nhiều quyết định theo thời gian thực nhất trên xe điện, dù người sử dụng hầu như không trực tiếp nhìn thấy bộ phận này.
(*) Battery management system: là hệ thống điện tử giám sát và điều khiển hoạt động của bộ pin. BMS theo dõi các thông số như điện áp, dòng điện và nhiệt độ của từng cell, đồng thời cân bằng các cell và bảo vệ pin trước các tình trạng như sạc quá mức, xả quá mức hoặc quá nhiệt. Mục tiêu của BMS là duy trì hiệu suất, độ an toàn và tuổi thọ của bộ pin.

Bộ phân phối điện – trung tâm điều phối nguồn điện cao áp
Sau khi điện rời khỏi bộ pin, nguồn điện cần được phân phối đến nhiều hệ thống khác nhau. Quá trình này được thực hiện thông qua bộ phân phối điện. Bộ phận này hoạt động như một trung tâm phân phối, đưa dòng điện cao áp đến bộ biến tần, bộ chuyển đổi DC-to-DC (*), máy nén điều hòa và các bộ phận gia nhiệt bằng điện thay vì kết nối trực tiếp từng thiết bị với bộ pin. Bên trong bộ phân phối điện có các contactor chính, là những relay công suất lớn có khả năng kết nối hoặc ngắt kết nối vật lý giữa pin và phần còn lại của xe. Hệ thống cũng tích hợp các cầu chì được thiết kế để làm việc ở điện áp lên tới vài trăm volt. Về nguyên lý, bộ phân phối điện có thể được so sánh với hộp cầu chì trong gia đình, nhưng được thiết kế để vận hành ở mức điện áp cao hơn.
(*) DC-to-DC converter: là thiết bị điện tử có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều từ mức cao của bộ pin chính xuống mức điện áp thấp hơn, thường là 12 V hoặc 48 V, để cấp nguồn cho các hệ thống phụ trợ trên xe. Bộ phận này đảm nhiệm vai trò tương tự máy phát điện trên xe động cơ đốt trong, giúp duy trì nguồn điện cho đèn, màn hình, hệ thống điều khiển và các thiết bị điện áp thấp khác.

Để xem và hiểu đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] ở góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F.

Bộ biến tần – chuyển đổi dòng điện cho động cơ
Bộ biến tần nằm giữa bộ pin và động cơ điện. Nhiệm vụ chính của nó là chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều mà phần lớn động cơ điện sử dụng. Trong quá trình phanh tái sinh, bộ biến tần hoạt động theo chiều ngược lại. Dòng điện xoay chiều sinh ra từ động cơ được chuyển thành dòng điện một chiều để đưa trở lại bộ pin. Bộ biến tần sử dụng các chất bán dẫn công suất, là những thiết bị chuyển mạch có khả năng bật và tắt dòng điện hàng nghìn lần mỗi giây nhằm tạo ra dạng sóng điện phù hợp cho động cơ. Các thế hệ bộ biến tần trước đây chủ yếu sử dụng IGBT (*) dựa trên silicon, một công nghệ vốn được sử dụng trong các hệ thống truyền động động cơ công nghiệp. Những thiết kế mới hơn đang chuyển sang chip bán dẫn công suất cacbua silic (Sil-silicone carbide), có khả năng chuyển mạch nhanh hơn và giảm lượng năng lượng thất thoát dưới dạng nhiệt giúp nâng cao hiệu suất của bộ biến tần. Công ty Tesla là một trong những doanh nghiệp góp phần đưa công nghệ silicon carbide vào ứng dụng phổ biến thông qua bộ biến tần của ô tô điện Tesla Model 3. Hiệu suất bộ biến tần có ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi hoạt động. Năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt tại bộ biến tần là phần năng lượng không thể truyền đến bánh xe. Vì vậy, một bộ biến tần hiệu quả hơn có thể giúp xe tăng thêm vài kilômét phạm vi vận hành ngay cả khi dung lượng bộ pin không thay đổi.
(*) IGBT (Insulated-gate bipolar transistor): transistor lưỡng cực cổng cách điện, là một loại linh kiện bán dẫn công suất dùng để đóng ngắt dòng điện ở điện áp và công suất cao. Trong bộ biến tần của xe điện, IGBT điều khiển quá trình chuyển đổi điện DC từ bộ pin thành điện AC để cấp cho động cơ. Công nghệ này có độ bền và khả năng chịu tải tốt, nhưng thường có tổn hao chuyển mạch và sinh nhiệt cao hơn so với các linh kiện silicon carbide thế hệ mới.

Động cơ điện – chuyển đổi điện năng thành chuyển động
Động cơ điện là bộ phận trực tiếp tạo ra chuyển động quay để dẫn động bánh xe. Phần lớn các mẫu xe điện hiện nay sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Một số thiết kế trước đây, trong đó có Tesla Model S thế hệ đầu, sử dụng động cơ cảm ứng. Loại động cơ này không cần nam châm đất hiếm nhưng có mức hiệu suất thấp hơn ở một số điều kiện vận hành. Một trong những đặc điểm khác biệt lớn của động cơ điện là khả năng cung cấp mô-men xoắn cực đại ngay từ trạng thái đứng yên. Động cơ có thể đạt mô-men xoắn tối đa tại 0 vòng/phút mà không cần tăng vòng tua trước như động cơ đốt trong. Đặc tính này giúp ngay cả những mẫu xe điện có công suất không quá lớn vẫn có thể tăng tốc nhanh ngay từ thời điểm bắt đầu di chuyển. Khả năng phản hồi gần như tức thời của động cơ điện cũng giúp giảm nhu cầu sử dụng hộp số nhiều cấp phức tạp.

Bộ giảm tốc – thay thế hộp số nhiều cấp
Động cơ điện có khả năng hoạt động hiệu quả trong một dải tốc độ rộng hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Vì vậy, phần lớn xe điện không cần sử dụng hệ thống nhiều cấp số như ô tô truyền thống. Thay vào đó, xe thường sử dụng một bộ giảm tốc cố định duy nhất. Bộ phận này giảm tốc độ quay cao của động cơ xuống mức phù hợp để truyền đến bánh xe. Cấu trúc này không cần quá trình sang số, không sử dụng ly hợp và có ít bộ phận chuyển động hơn so với hộp số truyền thống. Việc giảm số lượng bộ phận cơ khí cũng giúp hạn chế các chi tiết có thể bị mài mòn hoặc hỏng hóc trong quá trình vận hành, đồng thời góp phần tạo ra đặc tính tăng tốc liên tục và mượt mà của xe điện.

Hệ thống quản lý nhiệt – duy trì nhiệt độ vận hành phù hợp
Xe điện sử dụng một mạng lưới gồm các kênh làm mát bằng chất lỏng, bơm và van để kiểm soát nhiệt độ của bộ pin, động cơ và bộ biến tần. Trong đó, bộ pin đặc biệt nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu pin hoạt động ở nhiệt độ quá cao trong thời gian dài, hiệu suất có thể suy giảm và quá trình lão hóa diễn ra nhanh hơn. Ngược lại, nhiệt độ quá thấp sẽ làm chậm các phản ứng hóa học bên trong pin, làm giảm khả năng cung cấp năng lượng hiệu quả. Đây là một trong những nguyên nhân khiến đặc tính vận hành của xe điện có thể khác biệt rõ rệt giữa một buổi sáng rất lạnh và một buổi chiều có nhiệt độ ôn hòa. Hệ thống quản lý nhiệt liên tục điều chỉnh các điều kiện vận hành ở chế độ nền nhằm duy trì nhiệt độ ổn định cho các bộ phận quan trọng.

Cổng sạc – điểm kết nối giữa xe và nguồn điện
Cổng sạc là điểm kết nối vật lý giữa cáp sạc và xe điện. Cấu hình cổng sạc có sự khác biệt đáng kể tùy theo khu vực và nhà sản xuất. CCS2 là một trong những tiêu chuẩn sạc nhanh phổ biến tại nhiều khu vực trên thế giới. Tiêu chuẩn CHAdeMO từng được áp dụng sớm tại Nhật Bản nhưng sau đó dần mất đi sự phổ biến. Trong khi đó, tiêu chuẩn NACS đang được áp dụng ngày càng rộng rãi tại Bắc Mỹ. Vị trí lắp đặt cổng sạc cũng không giống nhau giữa các hãng. Một số nhà sản xuất bố trí cổng ở phía trước xe, trong khi những hãng khác đặt tại khu vực thân xe phía sau. Vị trí cổng sạc không ảnh hưởng đến khả năng vận hành của xe nhưng tiêu chuẩn kết nối lại có ảnh hưởng lớn đến khả năng tương thích và tốc độ sạc. Đây cũng là lý do quá trình tiêu chuẩn hóa hạ tầng sạc trở thành một vấn đề quan trọng trong ngành xe điện.

Bộ sạc tích hợp trên xe – chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành một chiều (DC)
Khi xe điện được kết nối với ổ cắm thông thường hoặc trạm sạc AC, điện năng đầu vào ở dạng dòng điện xoay chiều. Trong khi đó, bộ pin chỉ có thể lưu trữ dòng điện một chiều. Bộ sạc tích hợp trên xe có nhiệm vụ thực hiện quá trình chuyển đổi từ dòng điện AC sang DC. Bộ phận này chỉ hoạt động khi xe được sạc từ nguồn điện AC. Khi sử dụng trạm sạc nhanh DC, dòng điện một chiều từ trạm sạc được đưa trực tiếp vào bộ pin và bỏ qua bộ sạc tích hợp. Công suất của bộ sạc tích hợp thường nằm trong khoảng từ 7 đến 22 kW. Thông số này quyết định giới hạn tốc độ sạc khi sử dụng nguồn điện AC, chẳng hạn khi sạc xe qua đêm tại nhà. Bộ sạc tích hợp có công suất cao hơn không làm tăng tốc độ sạc tại trạm DC nhanh, nhưng có thể tạo ra khác biệt đối với khách hàng chủ yếu sạc xe tại nhà.

Bộ chuyển đổi DC-to-DC (*) – cung cấp điện cho hệ thống điện áp thấp. Không phải tất cả thiết bị trên xe điện đều sử dụng điện áp cao. Các hệ thống như đèn pha, màn hình thông tin giải trí, cửa kính điện và cần gạt nước thường hoạt động bằng nguồn điện 12 V, tương tự xe sử dụng động cơ đốt trong. Bộ chuyển đổi DC-to-DC có nhiệm vụ hạ điện áp cao từ bộ pin chính xuống mức điện áp thấp hơn và an toàn hơn. Về chức năng, thiết bị này đảm nhiệm vai trò tương tự máy phát điện trên xe động cơ đốt trong. Khi xe hoạt động, bộ chuyển đổi liên tục cung cấp điện và duy trì trạng thái sạc cho hệ thống điện áp thấp. Nếu bộ chuyển đổi DC-to-DC ngừng hoạt động, nhiều hệ thống điện trên xe có thể không còn vận hành được dù hệ truyền động cao áp vẫn còn năng lượng.
(*) Bộ chuyển đổi DC-to-DC: là thiết bị điện tử công suất dùng để chuyển đổi điện một chiều từ mức điện áp này sang mức điện áp khác. Trên xe điện, thiết bị thường hạ điện áp cao từ bộ pin chính xuống mức điện áp thấp, như 12 V, để cấp nguồn cho các hệ thống phụ trợ và duy trì sạc cho hệ thống điện áp thấp.

Ắc quy phụ 12 V – nguồn điện cho các hệ thống cơ bản
Bên cạnh bộ pin điện áp cao, xe điện vẫn sử dụng một ắc quy phụ 12 V thông thường. Bộ phận này thường được bố trí trong khoang động cơ hoặc khoang hành lý. Ắc quy 12 V cung cấp điện cho các hệ thống điện áp thấp và có thể đóng vai trò dự phòng trong trường hợp đầu ra của bộ chuyển đổi DC-to-DC bị gián đoạn. Trong quá trình xe vận hành, ắc quy này được tự động nạp điện tương tự như trên xe chạy xăng. Tuy nhiên, ắc quy 12 V vẫn là một trong những bộ phận có thể gây ra sự cố tương đối phổ biến. Nếu ắc quy 12 V hết điện, một chiếc xe điện vẫn có thể không khởi động được ngay cả khi bộ pin cao áp chính đang được sạc đầy.

Bơm nhiệt – giảm năng lượng tiêu thụ cho hệ thống sưởi
Các hệ thống sưởi cabin truyền thống sử dụng phần tử điện trở để chuyển trực tiếp điện năng thành nhiệt, tương tự nguyên lý của ấm đun nước điện. Phương pháp này có thể tiêu thụ một lượng đáng kể năng lượng từ bộ pin. Bơm nhiệt sử dụng phương pháp hiệu quả hơn. Hệ thống hoạt động tương tự bơm nhiệt trong các hệ thống sưởi dân dụng hoặc một chiếc tủ lạnh vận hành theo chiều ngược lại. Nhiệt có thể được thu từ không khí bên ngoài hoặc từ nhiệt thải do động cơ và bộ pin tạo ra. Trong điều kiện khí hậu lạnh, mức tiết kiệm năng lượng có thể đáng kể. Một số nhà sản xuất ghi nhận phạm vi hoạt động mùa đông được cải thiện sau khi chuyển từ hệ thống sưởi điện trở sang bơm nhiệt. Hiệu quả của bơm nhiệt có thể không phải là thông số nổi bật nhất trong bảng thông số kỹ thuật, nhưng tác động của nó có thể được thể hiện rõ qua phạm vi hoạt động của xe trong điều kiện thời tiết lạnh.

Hệ thống phanh tái sinh – thu hồi động năng
Khi người lái nhả bàn đạp ga hoặc nhấn phanh, động cơ điện có thể chuyển sang hoạt động như một máy phát điện. Thay vì để toàn bộ động năng của xe chuyển thành nhiệt và thất thoát qua hệ thống phanh ma sát, phanh tái sinh thu hồi một phần năng lượng này và đưa trở lại bộ pin. Nhiều mẫu xe điện cho phép người lái điều chỉnh mức độ phanh tái sinh. Hệ thống có thể được điều chỉnh từ mức phanh tái sinh nhẹ, khi xe chỉ giảm tốc từ từ sau khi người lái nhả bàn đạp ga, đến mức phanh tái sinh mạnh, khi xe giảm tốc đáng kể mà người lái hầu như không cần sử dụng bàn đạp phanh. Ngoài khả năng thu hồi năng lượng, phanh tái sinh còn giúp giảm mức độ sử dụng má phanh và đĩa phanh cơ khí, từ đó hạn chế mài mòn so với xe truyền thống.

Bộ điều khiển xe – trung tâm phối hợp toàn bộ hệ truyền động
Bộ điều khiển xe đóng vai trò là trung tâm phối hợp của hệ truyền động điện. Hệ thống nhận tín hiệu từ bàn đạp ga và chuyển thành các lệnh mô-men xoắn chính xác gửi đến động cơ. Đồng thời, bộ điều khiển quản lý sự phối hợp giữa bộ pin, bộ biến tần và hệ thống sạc. Phần lớn chức năng của bộ điều khiển được thực hiện bằng phần mềm. Nhờ đó, nhà sản xuất có thể điều chỉnh khả năng tăng tốc, hiệu suất hoặc thậm chí mở khóa thêm hiệu năng thông qua các bản cập nhật qua mạng. Công ty Tesla là một trong những hãng đầu tiên triển khai phương thức này trên quy mô lớn. Khả năng điều chỉnh đặc tính xe thông qua phần mềm cho thấy một trong những khác biệt quan trọng giữa xe điện và xe động cơ đốt trong truyền thống. Trong khi nhiều đặc tính của xe truyền thống gần như được cố định ngay từ khi xuất xưởng, xe điện có thể tiếp tục được thay đổi một số thành phần thông qua các bản cập nhật phần mềm.

Để xem các tin bài khác về “Xe điện”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Beyond EV Technology