Xe điện có động cơ không?
(CLO) Xe điện không dùng động cơ đốt trong mà vận hành nhờ mô-tơ điện, biến điện từ pin thành chuyển động quay với hiệu suất đến 90%.
Động cơ đốt trong đã trở thành biểu tượng của ngành giao thông vận tải từ cuối thế kỷ 19, với nguyên lý hoạt động cơ bản là đưa nhiên liệu và không khí vào để tạo ra năng lượng.
Mặc dù quá trình này phức tạp hơn so với mô tả đơn giản, khái niệm tổng thể vẫn dễ hiểu. Động cơ đốt trong đã giúp con người di chuyển trên những quãng đường dài một cách dễ dàng, nhưng loại động cơ này đang dần bị thay thế bởi một hình thức truyền động ra đời sớm hơn: xe điện.
Xe điện xuất hiện từ những năm 1830 và từng rất phổ biến vào đầu thế kỷ 20, trước khi bị động cơ đốt trong vượt qua do chi phí sản xuất cao và sự ra đời của bộ khởi động điện, giúp xe chạy xăng dễ vận hành hơn. Tuy nhiên, nhờ tiến bộ công nghệ, từ pin cải tiến đến mô-tơ điện hiệu quả hơn, xe điện đã trở lại mạnh mẽ trong những năm gần đây.
Khác với xe sử dụng động cơ đốt trong, xe điện không có động cơ truyền thống. Thay vào đó, xe điện sử dụng bộ pin sạc lớn để cung cấp dòng điện cho mô-tơ điện, chuyển đổi năng lượng thành chuyển động quay.
Mô-tơ điện là bộ phận gần giống nhất với động cơ trên xe điện, hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra từ trường quay để làm quay rô-to, truyền mô-men xoắn qua hộp số và bộ vi sai đến các bánh xe.
Cách hoạt động của mô-tơ xe điện
Mô-tơ điện là trái tim của hệ truyền động xe điện, chịu trách nhiệm biến dòng điện từ pin thành chuyển động quay. Nguyên lý hoạt động dựa trên tính chất từ tính.
Hãy hình dung một trục quay gắn nam châm ở một đầu, đặt gần một bộ nam châm khác với các cực bắc đối diện nhau.
Các cực bắc đẩy nhau, khiến trục quay, trong khi cực nam của nam châm trên trục bị hút về cực bắc của nam châm cố định, tạo ra chuyển động tròn. Tuy nhiên, chuyển động này sẽ dừng lại khi các cực đối lập hút nhau.
Bằng cách sử dụng nam châm điện, tạo ra từ trường bằng dòng điện, có thể thay đổi cực tính liên tục, giúp trục quay liên tục. Đây là nguyên tắc cơ bản của mọi mô-tơ xe điện, dù cách thực hiện trong thực tế có phần phức tạp hơn.
Mô-tơ xe điện gồm hai thành phần chính: rô-to và stato. Rô-to là phần quay, được gắn nam châm hoặc nam châm điện, trong khi stato là vỏ cố định bao quanh rô-to, cũng được trang bị nam châm hoặc nam châm điện.
Dòng điện từ pin làm thay đổi cực tính của nam châm điện trên rô-to hoặc stato, khiến từ trường quay liên tục, kéo theo chuyển động của rô-to.
Dù cùng dựa trên nguyên lý từ trường quay, các nhà sản xuất áp dụng nhiều thiết kế khác nhau, chia mô-tơ thành hai loại chính: đồng bộ và không đồng bộ.
Trong mô-tơ đồng bộ, rô-to quay đồng tốc với từ trường quay của stato. Loại này bao gồm mô-tơ nam châm vĩnh cửu và mô-tơ kích từ dòng điện. Trong mô-tơ không đồng bộ, rô-to quay chậm hơn từ trường quay của stato, với đại diện phổ biến là mô-tơ cảm ứng.
Mô-tơ nam châm vĩnh cửu sử dụng nam châm cố định trên rô-to, tạo từ trường tương tác với từ trường quay của stato, giúp rô-to quay đồng bộ.
Loại này bao gồm mô-tơ DC không chổi than, sử dụng bộ điều khiển bên ngoài để điều chỉnh dòng điện, và mô-tơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng dòng AC. Mô-tơ kích từ dòng điện AC có chổi than là một dạng mới hơn, sử dụng cuộn dây đồng thay cho nam châm vĩnh cửu, tạo từ trường tương tác với stato.
Mô-tơ đồng bộ cung cấp mô-men xoắn lớn ở tốc độ thấp và có mật độ công suất cao. Tuy nhiên, ở tốc độ cao, chúng gặp vấn đề lực điện từ ngược, gây kéo lực, sinh nhiệt và hạn chế công suất. Ngoài ra, việc sử dụng nam châm vĩnh cửu đòi hỏi các nguyên tố đất hiếm, ngày càng khó khai thác.
Mô-tơ cảm ứng AC, thuộc nhóm không đồng bộ, thay nam châm vĩnh cửu bằng các thanh kim loại dẫn điện như đồng hoặc nhôm trên rô-to.
Khi stato nhận dòng AC, từ trường quay tạo ra dòng điện trong các thanh dẫn của rô-to, hình thành từ trường quay riêng, khiến rô-to quay theo. Do từ trường của rô-to chỉ hình thành sau khi từ trường stato đi qua, rô-to luôn chậm hơn, tạo đặc tính không đồng bộ.
Tốc độ của mô-tơ cảm ứng được điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số dòng AC cung cấp cho stato, đồng thời có thể ngắt nguồn khi không cần tăng tốc, tránh vấn đề lực điện từ ngược, nâng cao hiệu suất.
Tuy vậy, mô-tơ cảm ứng có mô-men xoắn thấp ở tốc độ thấp so với mô-tơ nam châm vĩnh cửu. Nhờ sử dụng vật liệu phổ biến và chi phí sản xuất thấp, loại mô-tơ này được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các xe điện dẫn động bốn bánh của Tesla.
Hệ truyền động xe điện hoạt động ra sao?
So với động cơ đốt trong, với khoảng 200 chi tiết để chuyển đổi nhiên liệu thành năng lượng, hệ truyền động xe điện đơn giản hơn nhiều, chỉ cần khoảng 17 bộ phận. Bộ pin kéo lưu trữ năng lượng từ trạm sạc.
Các bộ sạc cấp 3 cung cấp dòng DC cao áp, trong khi sạc cấp 1 và cấp 2 sử dụng dòng AC từ ổ cắm tường. Do pin chỉ lưu trữ dòng DC, bộ sạc trên xe và các thiết bị điện tử chuyển đổi dòng AC thành DC để lưu trữ. Khi cần, dòng điện từ pin được biến tần chuyển thành AC và truyền đến mô-tơ điện.
Mô-tơ điện sau đó biến năng lượng thành chuyển động quay, truyền mô-men xoắn qua hộp số thiết kế riêng cho xe điện và bộ vi sai, phân bổ lực đến các bánh xe.
Đáng chú ý, khi xe giảm tốc và tài xế nhả chân ga, mô-tơ điện hoạt động như máy phát, chuyển động quay của bánh xe tạo ra từ trường ngược, cung cấp năng lượng qua bộ chuyển đổi AC-DC để sạc lại pin. Cơ chế này giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, là một lợi thế lớn của xe điện so với xe động cơ đốt trong.