Tiến Lợi - T.H / Theo tech.hyundaimotorgroup

Bởi Hoài Ngọc 07.07.2022 3:12 pm

Ô tô điện từ A-Z: Tổng quan về xe điện Hyundai (Phần 1)

(News.oto-hui.com) – Cơ chế làm việc của ô tô điện khác khá nhiều với xe sử dụng động cơ đốt trong. Ở phần 1 này sẽ giới thiệu tổng quan ô tô điện từ A-Z về các bộ phận, đặc điểm chính của nó.

Chuỗi bài viết về ô tô điện:

*Tổng quan về ô tô điện từ A-Z: Các bộ phận chính của xe điện Hyundai.*

Ô tô điện (Electric Vehicles – hay EVs) ngày càng trở thành một phần tất yếu của cuộc sống hiện đại; khả năng tiết kiệm nhiên liệu cao, thân thiện với môi trường và cảm giác lái êm ái đã ngày càng thu hút nhiều người tiêu dùng hiện đại hơn. Ô tô điện khá khác biệt so với các phương tiện truyền thống như động cơ đốt trong từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động cho đến phương pháp sử dụng và bảo dưỡng. Cả hai loại xe này đều khác nhau ở nhiều khía cạnh.

Hiểu được những khác biệt đó sẽ là bước đầu tiên để người tiêu dùng bắt đầu đánh giá sự quan tâm của họ đối với xe điện. Việc khám phá một lĩnh vực mới sẽ luôn là một thách thức lớn nhưng để việc điện hóa ô tô là một điều tất yếu của tương lai. Vì vậy, series ô tô điện từ A-Z này sẽ mang lại cho chúng ta những kiến thức từ cơ bản đến nâng cao của các loại ô tô điện hiện nay.

Những thành phần chính của ô tô điện:

Như chúng ta đã biết, ô tô điện chỉ có khoảng 20 bộ phận chuyển động trong hệ động cơ, trong khi đó có đến gần 2.000 bộ phận chuyển động trong ICE (động cơ đốt trong). Ô tô điện sử dụng năng lượng tái sinh có được trong bộ pin để quay vòng động cơ và tạo ra năng lượng cần thiết cho việc lái xe. Đây là điểm khác biệt lớn nhất đối với ô tô sử dụng động cơ đốt trong truyền thống; trong đó động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch để tạo ra động lực cho xe. Và đây cũng là điểm mấu chốt để xe điện được đánh giá là thân thiện với môi trường hơn xe sử dụng động cơ đốt trong.

Vì sử dụng pin, ô tô điện không cần động cơ và hộp số giống như động cơ đốt trong. Thay vào đó, ô tô điện buộc phải có những bộ phận cơ bản phục vụ cho việc vận hành như: Động cơ điện/Motor điện (Motor), Hộp giảm tốc (Reducer), Pin (Battery), Bộ sạc trên bo mạch (On-Board Charger) và Bộ quản lý điều khiển dòng điện (Electronic Power Control Unit), Phanh tái sinh (Regenerate Braking). Tất cả đều là những thành phần thiết yếu để đạt được sự chuyển đổi điện năng của pin thành động năng làm động lực cho EVs.

Xem thêm tổng quan về cấu tạo của ô tô điện: Cấu tạo của một chiếc ô tô điện (Electric vehicle)

1. Động cơ điện/ Motor điện:

Động cơ điện biến đổi điện năng thành động năng để dẫn động các bánh xe. Có rất nhiều lợi ích của việc sử dụng động cơ điện thay vì động cơ đốt trong như:

Tiếng ồn và độ rung: nhiều hành khách lần đầu tiên đi ô tô điện không khỏi ngạc nhiên bởi cảm giác êm ái và thoải mái khi đi xe.
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 khởi động và tăng tốc cực nhanh, ngay lập tức.
Hơn nữa, hệ thống truyền động ô tô điện luôn nhỏ, êm hơn khi sử dụng động cơ đốt trong, do đó cung cấp nhiều không gian bổ sung để thiết kế xe có hiệu quả hơn như không gian cabin hoặc cốp được mở rộng.

Các loại động cơ điện được sử dụng chủ yếu hiện nay đó là: Động cơ đồng bộ 3 pha, động cơ không đồng bộ 3 pha và Reluctance Variable. Cũng chính vì sử dụng các loại động cơ này mà trên hầu hết các mẫu xe điện, bộ hộp số Gearbox đã được loại bỏ hoàn toàn khiến việc lái xe trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Ngoài ra, do động cơ điện rất nhỏ, gọn, với trọng lượng nhẹ nên nhiều hãng xe thậm chí còn trang bị từng động cơ điện cho từng bánh xe, giúp xe có khả năng dẫn động 4 bánh toàn thời gian mà không cần trang bị bộ vi sai.

Một phần của động cơ cũng là một máy phát điện, nó chuyển đổi động năng được tạo ra khi ở Neutral Gear hay số N (ví dụ như khi ô tô đang xuống dốc) thành năng lượng điện và được lưu trữ vào pin. Ý tưởng tiết kiệm năng lượng tương tự cũng được áp dụng khi xe giảm tốc độ, mà đỉnh cao là “hệ thống phanh tái tạo”.

Một số xe điện của Hyundai Motor Group được trang bị cơ chế có thể kiểm soát mức độ phanh tái tạo thông qua lẫy chuyển số trên vô lăng, không chỉ giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu mà còn thêm phần thú vị và tăng tính kiểm soát của các bác tài khi lái xe.

2. Hộp giảm tốc (Reducer):

Hộp giảm tốc là một bộ phận của hệ thống truyền lực. Nhưng nó được gọi là hộp giảm tốc thay vì hộp số vì một lý do: động cơ điện có tốc độ vòng quay cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Trong khi hộp số thay đổi momen xoắn được truyền từ động cơ đốt trong đến các bánh xe chủ động để phù hợp với nhu cầu của tài xế, bộ giảm tốc phải luôn giảm tốc độ vòng quay xuống một mức độ thích hợp. Với tốc độ vòng quay giảm, hệ thống truyền động của ô tô điện có thể tận dụng lợi thế của momen xoắn cao hơn.

3. Pin xe điện:

a. Khối Pin:

Hệ thống Pin là trái tim của ô tô điện, nó có kích thước lớn và được lắp đặt dưới gầm sàn xe. Ô tô điện 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 điện lưu trữ năng lượng điện và tương đương với chức năng bình nhiên liệu trong động cơ đốt trong. Quãng đường lái xe tối đa của ô tô điện thường được xác định bởi dung lượng pin (dung lượng càng cao thì quãng đường lái xe càng cao). Trong bối cảnh đó, việc tăng dung lượng pin luôn là yêu cầu cần thiết nhất của pin xe điện, vì quãng đường di chuyển cao sẽ giúp giảm nhu cầu thường xuyên dừng lại tại các trạm sạc.

Tuy nhiên, không dễ để tăng dung lượng pin bởi vì kích thước và trọng lượng của pin thay đổi cũng sẽ tác động lớn đến hiệu suất của xe. Pin càng lớn hơn và nặng hơn sẽ giúp tăng đáng kể dung lượng pin nhưng cũng sẽ lấy đi không gian cabin/khoang chứa và làm giảm hiệu quả năng lượng và tiết kiệm nhiên liệu. Do đó, cách tốt nhất để tối ưu hóa hiệu suất là tối đa hóa mật độ năng lượng của pin – nghĩa là pin phải đáp ứng các tiêu chí nhỏ, nhẹ, lưu trữ được nhiều năng lượng điện nhất có thể.

Vậy, Pin xe điện có đắt đỏ hay không?

Nhờ những tiến bộ gần đây trong công nghệ pin, ô tô điện có những nâng cấp đáng kể so với các mẫu cũ hơn về mật độ pin và quãng đường di chuyển.

Ví dụ như: Kia Soul Booster EV được trang bị pin lithium-ion 64kWh có quãng đường di chuyển tối đa là 386 km (theo tiêu chuẩn chứng nhận của Hàn Quốc). Thời lượng pin cũng có những cải tiến đáng kể: giả sử như trong điều kiện sử dụng bình thường, pin của Soul Booster EV có thể tồn tại trong toàn bộ vòng đời của xe.

Để giải thích chi tiết hơn, trước tiên hãy hiểu rằng pin lithium-ion trên ô tô điện cũng có một vài điểm giống như pin những chiếc smart phone mà bạn hay dùng, đó là tuổi thọ pin thay đổi theo kiểu sạc và số lần sạc mà thay đổi cụ thể là giảm về cả dung lượng và tuổi thọ.

Ví dụ như kiểu sạc đến mức cạn kiệt toàn bộ pin và được sạc đầy: nếu pin được sử dụng mất 20% (dung lượng pin còn 80%), có thể được sử dụng cho 1.000 lần sạc; nếu pin được sử dụng đến một nửa (50%) và được sạc lại, pin sẽ có tuổi thọ là 5.000 lần sạc; nếu pin sử dụng hết 80% và được sạc lại, pin sẽ có tuổi thọ là 8.000 lần sạc. Có nghĩa là, nếu Soul Booster EV được lái trong 77 km một ngày (tương đương 20% quãng đường lái xe tối đa) và được sạc lại mỗi đêm, pin có thể kéo dài 8.000 ngày (22 năm).

Dưới đây là những lý giải về:
Tuổi thọ của pin xe điện EV luôn tụt giảm theo từng năm

b. Hệ thống quản lý pin (Battery Management System):

Hệ thống quản lý pin (BMS) quản lý nhiều tế bào của pin để chúng có thể hoạt động như thể chúng là một thực thể duy nhất. Pin của ô tô điện bao gồm ít nhất là hàng chục đến hàng nghìn ô nhỏ và mỗi ô cần phải ở trong tình trạng tương tự như các ô khác để tối ưu hóa độ bền và hiệu suất của pin.

Tìm hiểu chi tiết hơn về: Hệ thống quản lý pin Lithium BMS

Thông thường, hệ thống quản lý pin BMS được tích hợp trong thân pin, nhưng đôi khi nó được tích hợp vào Bộ quản lý điều khiển năng lượng điện (EPCU). BMS chủ yếu giám sát trạng thái sạc/xả của cell (tế bào pin), nhưng khi thấy cell pin bị trục trặc, nó sẽ tự động điều chỉnh trạng thái nguồn của cell (bật / tắt) thông qua cơ chế rơ-le (cơ chế điều kiện để đóng/mở các mạch khác).

c. Hệ thống sưởi ấm cho pin (Battery Heating System):

Ở nhiệt độ thấp hơn một ngưỡng nào đó, pin sẽ giảm cả về khả năng và tốc độ sạc. Hệ thống sưởi cho pin tồn tại để giữ cho pin hoạt động tốt trong phạm vi nhiệt độ lý tưởng, ngăn chặn việc giảm hiệu suất theo mùa và duy trì quãng đường lái xe tối đa. Hệ thống cũng hoạt động trong khi sạc, đảm bảo hiệu quả của việc sạc.

Một hệ thống sưởi ấm cho pin có các kiểu lắp đặt khác nhau: lắp bên trong thành và dưới cùng của bộ pin hoặc cũng có thể chèn các tấm sưởi vào giữa các bộ pin. Trong kiểu lắp cuối, các khe hở khác nhau có thể phải được điều chỉnh để cho phép tiếp xúc nhiệt tốt và thông gió. Hệ thống sưởi ấm cho pin có khả năng sử dụng một phần nhiệt lượng quá cao được tạo ra bởi thiết bị điện tử và động cơ điện để giúp làm ấm pin.

Hoạt động của bộ sưởi ấm cho pin được điều khiển bởi hệ thống quản lý pin (BMS) thông qua một rơ le. Một đầu vào nhiệt độ của BMS được lấy từ cảm biến nhiệt độ (NTC) tích hợp trong bộ sưởi pin.

Ví dụ, khi nhiệt độ xung quanh thấp hơn 3°C, máy sưởi sẽ cắt điện. Khi nhiệt độ của máy sưởi đạt 17°C hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh đạt 8°C, máy sưởi sẽ ngắt. Bên cạnh đó, trong các điều kiện bất thường như bắt lửa, bộ điều nhiệt tích hợp sẽ cắt hệ thống sưởi.

Không phải xe điện nào của Hyundai cũng trang bị hệ thống sưởi ấm cho pin, Hyundai Kona EV là một ví dụ để nhà sản xuất tiết kiệm tiền và bán nó với mức giá cạnh tranh nhất có thể. Một số mẫu xe điện của Hyundai cũng bị cắt đi hệ thống này, do điều kiện thời tiết ở một số thị trường không yêu cầu cần phải trang bị hệ thống sưởi.

Tham khảo thêm bài viết: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến pin xe điện như thế nào?

4. Bộ sạc trên bo mạch (On-Board Charger):

Từ charger (bộ sạc) có thể gây nhầm lẫn. Vì trạm sạc thường được gọi là bộ sạc, cần phải làm rõ rằng có hai loại bộ sạc:

Bộ sạc trên bo mạch (OBC) được tích hợp trong ô tô.
Trạm sạc (còn được gọi là bộ sạc có thể là AC hoặc DC) – Thiết bị cung cấp điện cho xe điện (EVSE).

Trên hết, bộ sạc trên bo mạch cho phép ta kiểm soát dòng điện và điện áp mà pin cần được sạc (Chế độ điều khiển điện áp hoặc dòng điện), do đó quan tâm đến tuổi thọ của pin.

Bộ sạc cung cấp khả năng sạc dòng điện không đổi hoặc điện áp không đổi, cả hai đều dễ vận hành. Trong trường hợp sạc với dòng điện không ổn định (hiệu suất và tốc độ sạc cao) sẽ xảy ra nguy cơ pin bị sạc quá mức làm giảm tuổi thọ. Nếu sạc điện áp liên tục với dòng điện quá lớn sẽ làm nóng pin và cũng gây giảm tuổi thọ pin.

Do đó, bộ sạc phải đảm bảo rằng ban đầu nó phải được sạc với dòng điện không đổi, để duy trì tốc độ và hiệu suất. Khi điện áp ở hai đầu của pin đạt đến một biên độ nhất định, nó sẽ chuyển sang sạc với điện áp không đổi. Hệ thống này được gọi là “chiến lược sạc” và là chức năng quan trọng nhất của bộ sạc trên bo mạch.

Có hai kiểu sạc cơ bản, ta có thể sử dụng dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều:

Nếu sử dụng nguồn AC, từ ổ cắm hoặc từ trạm sạc AC, dòng điện đi qua cáp sạc đến bộ sạc trên bo mạch, chuyển đổi dòng điện AC thành DC và gửi đến pin thông qua Hệ thống quản lý pin (BMS).
Nếu ô tô được sạc bằng dòng điện một chiều (DC), thì bộ sạc trên bo mạch được bỏ qua và dòng điện được gửi trực tiếp qua hệ thống quản lý pin BMS đến pin. Do đó, bộ sạc trên bo mạch không được sử dụng trong quá trình sạc DC, nhưng kiểu sạc này có nhu cầu cao hơn trên BMS.

Tóm lại: Bộ sạc trên bo mạch (OBC) được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ bộ sạc chậm hoặc bộ sạc di động được sử dụng trên ổ cắm tại nhà thành dòng điện một chiều (DC). Điều này có thể làm cho OBC trông giống với biến tần (inverter) truyền thống, nhưng chúng khác nhau cơ bản về chức năng; OBC dùng để sạc còn bộ biến tần dùng để tăng giảm tần số dòng điện và hoạt động ngược với OBC. OBC không cần thiết trong quá trình sạc nhanh vì bộ sạc nhanh đã cung cấp điện ở dạng dòng điện một chiều.

5. Bộ điều khiển nguồn điện (EPCU):

EPCU là sự tích hợp hiệu quả của gần như tất cả các thiết bị điều khiển dòng điện trong xe. Nó bao gồm bộ biến tần, Bộ chuyển đổi DC-DC điện áp thấp (LDC) và Bộ điều khiển xe (VCU).

a. Biến tần:

Biến tần chuyển đổi DC của pin thành AC, sau đó được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ. Đây là bộ phận chịu trách nhiệm thực hiện tăng và giảm tốc, vì vậy nó đóng vai trò quan trọng trong việc tối đa hóa khả năng lái của ô tô điện.

b. Bộ chuyển đổi DC-DC điện áp thấp (Low voltage DC-DC Converter):

LVDC chuyển đổi điện áp cao từ pin của ô tô điện thành điện áp thấp (12V) và cung cấp cho các hệ thống điện tử khác nhau trên xe. Tất cả các hệ thống điện tử trong ô tô điện đều sử dụng điện ở điện áp thấp. Vì vậy, điện áp cao trong pin trước tiên phải được chuyển đổi để các hệ thống này có thể sử dụng.

c. Bộ phận điều khiển xe (Vehicle Control Unit):

Là bộ phận điều khiển của tất cả các hệ thống điều khiển công suất điện trên xe, VCU được cho là thành phần quan trọng nhất của EPCU. Nó giám sát gần như tất cả các cơ chế điều khiển công suất của xe, bao gồm: điều khiển động cơ, điều khiển phanh tái tạo, quản lý tải A/C và cung cấp điện cho hệ thống điện tử.

6. Phanh tái sinh:

Phanh tái sinh hay còn gọi là 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, ta sẽ không thể thu hồi được 100% lượng năng lượng này nên sẽ là điều tất nhiên, nếu ta đi và phanh liên tục nhưng ắc quy vẫn giảm dần.

Tìm hiểu chi tiết hơn về Hệ thống phanh tái sinh (Regenerative braking system)

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.

Các bài viết liên quan: