Trong vòng một thập kỷ qua, ngành công nghiệp ô tô đang dần chuyển mình sang Điện khí hóa. Hàng loạt những thương hiệu lớn nhỏ và lâu đời trong ngành công nghiệp đều đã đầu tư hàng tỷ USD để phát triển xe điện. Ban đầu, xe điện tưởng chừng như như là một khái niệm khá xa lạ đối với người Việt của chúng ta. Tuy nhiên giờ đây, sự có mặt của Porsche Taycan hay sắp tới là Vinfast VF e34, chúng ta đã nhìn thấy một tương lai của xe điện đã đến rất gần. Đây cũng có lẽ là thời điểm hợp lý nhất để chúng ta bắt đầu tìm hiểu xem loại xe này hoạt động như thế nào và có ưu nhược điểm gì so với xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống.
Nghe vẻ là cái gì đó rất tương lai, tuy nhiên xe điện thực sự đã có một lịch sử phát triển dài hơi hơn so với những gì mà chúng ta thường nghĩ. Năm 1834, giáo sư Sibrandus Stratingh ở thành phố Groningen, Hà Lan và người trợ lý là Christopher Becker đã tạo ra một chiếc ô tô điện kích thước nhỏ được cung cấp năng lượng bởi các cell pin không có khả năng sạc lại.
William Morrison đến từ Iowa của Mỹ đã chế tạo thành công chiếc ô tô điện đầu tiên vào năm 1891. Đến năm 1897. hầu hết xe taxi ở New York đều chạy bằng điện. Bây giờ trước khi tìm hiểu cách thức hoạt động của xe điện, có lẽ chúng ta nên biết sơ về cách hoạt động của pin theo cách đơn giản nhất.
Nghe vẻ là cái gì đó rất tương lai, tuy nhiên xe điện thực sự đã có một lịch sử phát triển dài hơi hơn so với những gì mà chúng ta thường nghĩ. Năm 1834, giáo sư Sibrandus Stratingh ở thành phố Groningen, Hà Lan và người trợ lý là Christopher Becker đã tạo ra một chiếc ô tô điện kích thước nhỏ được cung cấp năng lượng bởi các cell pin không có khả năng sạc lại.
William Morrison đến từ Iowa của Mỹ đã chế tạo thành công chiếc ô tô điện đầu tiên vào năm 1891. Đến năm 1897. hầu hết xe taxi ở New York đều chạy bằng điện. Bây giờ trước khi tìm hiểu cách thức hoạt động của xe điện, có lẽ chúng ta nên biết sơ về cách hoạt động của pin theo cách đơn giản nhất.
Cũng giống như bất kỳ dạng năng lượng nào khác, điện không phải là thứ bạn có thể tạo ra. Những việc mà bạn nghĩ là mình đang làm để “tạo ra” dòng điện về bản chất chính là bạn đang cố chuyển một dạng năng lượng khác thành điện năng, và đối với pin, bạn sử dụng các phản ứng hóa học (năng lượng phản ứng) để tạo ra điện năng.
1 viên pin sẽ có 3 thành phần chính, 2 cực, 1 âm và 1 dương, được cấu tạo từ các chất hóa học khác nhau và thường là kim loại. Ngăn cách 2 cực này chính là chất điện phân. 3 thành phần này có khả năng tạo ra phản ứng hóa học, và vì lẽ đó, cực âm sẽ tạo ra 1 lượng e dư thừa. Điều này tạo ra sự khác biệt về điện giữa cực dương và cực âm. Các e này luôn có xu hướng muốn tự sắp xếp lại và dịch chuyền về phía cực dương để cân bằng. Thế nhưng chất điện phân không cho chúng thực hiện điều đó. Khi tạo ra một mạch kín, bạn cho phép e di chuyển từ cực âm sang cực dương, từ đó tạo ra dòng điện.
Từ lúc nắm được nguyên lý cơ bản này cho tới lúc pin được cải tiến đủ tốt để có thể sử dụng cho xe điện là một quá trình tương đối dài. Nhưng hiện tại, chúng ta đang ở thời điểm thích hợp để ứng dụng những thành tựu đó. Pin được sử dụng trong hầu hết xe hybrid và xe thuần điện ngày nay trong như hình bên dưới, được làm từ lớp vỏ kim loại, bên trong bao gồm 3 thành phần được ép lại với nhau. Chúng được ngâm trong dung môi hữu cơ, thường là ete, đóng vai trò như chất điện phân. Tấm phân cách nằm giữa rất mỏng, được đục hàng loạt các lỗ với kích thước siêu bé và làm từ nhựa. Cực dương của pin được làm từ Lithi coban oxit (LiCoO2), cực âm làm từ carbon.
Khi sạc pin, ion Lithi di chuyển qua chất điện phân, từ cực dương đến cực âm và gắn vào carbon. Trong quá trình xả, ion Lithi di chuyển ngược lại từ carbon đến Lithi coban oxit. Nguyên tắc này tương tự như bất kỳ loại pin nào khác, nhưng bởi vì có thể lưu trữ nhiều năng lượng điện dưới dạng năng lượng hóa học, thế nên pin lithium-ion giúp cho xe điện trở thành thứ khả thi hơn. Điều tuyệt vời khác của pin lithium-ion là nó có thể được sạc đi sạc lại nhiều lần. Mỗi một cell pin bên trong bộ pin của xe điện Tesla có hiệu điện thế 4,2 Volt và có thể cung cấp dòng điện 30A. Điều đó nghĩa là gì?
Hãy hình dung, dòng điện cũng giống như dòng nước, và tưởng tượng chúng ta đang chứa nó trong 1 cái hồ. Đây là hồ chứa của một cái đập thủy điện. Lượng nước nằm phía sau này cũng giống như điện áp của pin được lưu trữ ở đó. Nếu chúng ta dẫn 1 ít nước thoát ra khỏi đập, chúng ta có thể tính toán được tốc độ dòng chảy. Bên trong pin, tốc độ dòng chảy này chính là cường độ dòng điện. Thông số Ampe của pin cho biết tốc độ mà năng lượng thoát ra khỏi nó.
Quảng cáo
Nếu như chúng ta đổ thêm nước vào đập, tốc độ dòng chảy vẫn có thể sẽ bị giới hạn. Vì vậy, điện áp lớn hơn có thể bị giới hạn bởi cường độ dòng điện. Ngoài ra, nếu cứ tìm cách tăng lưu lượng mà không sạc vào, năng lượng sẽ hết trước khi đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng của chúng ta. Nếu chúng ta nối các cell pin lại với nhau, chúng ta có thể tăng được điện áp - mức năng lượng được lưu trữ hoặc tăng cường độ dòng điện, hoặc cả 2.
Nếu pin được mắc nối tiếp, chúng ta sẽ tăng gấp đôi điện áp trong khi vẫn giữ nguyên cường độ dòng điện. Nếu nối pin song song, chúng ta tăng gấp đôi cường độ và giữ nguyên điện áp. 7.104 cell pin bên trong chiếc Tesla vừa được mắc song song, vừa mắc nối tiếp, với hơn 16 mô đun nhằm tăng cường độ dồng điện lên tới 1500A và điện áp ở mức 400 Volt. Nhưng năng lượng này sẽ hoạt động thế nào?
Quay trở lại giai đoạn đầu những năm 1800, khi mà các kỹ sư vẫn còn đang loay hoay với điện năng. Không lâu sau đó, người ta nhận ra rằng nếu tạo ra các cuộn dây và cho dòng điện đi qua đó, chúng sẽ tạo ra từ trường. Nếu bạn đã từng cố gắng cầm 2 đầu cùng cực của nam châm để gần nhau, bạn sẽ cảm nhận được một lực vô hình đẩy chúng ra xa. Đó là lực tạo thành bởi từ trường và động cơ điện sử dụng lực này để tạo ra chuyển động.
Tesla Model S sử dụng một động cơ gọi là động cơ cảm ứng điện từ, thứ lần đầu tiên được phát minh bởi Nikola Tesla khoảng 100 năm trước. Động cơ này được cấu tạo từ 2 thành phần, phần đứng yên gọi là stato bao bọc bên ngoài và một phần chuyển động bên trong được gọi là rôto. Roto được cấu thành từ một loạt các thanh dẫn được ngắn mạch ở 2 đầu. Khi cho 1 dòng điện xoay chiều 3 pha đi qua stato, nó sẽ tạo ra một từ trường quay RMF. Từ trường này móc vòng qua roto và gây điện áp cảm ứng trên các thanh dẫn của roto.
Quảng cáo
Tương tự như việc nam châm có thể đẩy nhau hoặc hút nhau để tạo thành chuyển động, từ trường quay của stato cũng làm cho roto chuyển động. Tốc độ của rôto được xác định bởi tần số của dòng điện xoay chiều đi qua stato. Khi bạn đạp ga, điều mà bạn đang thật sự làm đó chính là gia tăng tần số của dòng điện.
Một biến tần sẽ chịu trách nhiệm chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin sang điện xoay chiều nhằm vận hành động cơ. Nó được đặt nằm ngay bên trong động cơ và có thể xác định được tần số của dòng điện, tốc độ của roto và biên độ của dòng điện - thứ tác động đến sức mạnh đầu ra của roto. Ngoài những chuyển động tạo ra bởi cảm ứng điện từ, không có sự tiếp xúc nào giữa roto và stato. Vì vậy, chúng rất khó bị hao mòn.
Và không giống như một động cơ thông thường chỉ đạt được mô-men xoắn tối đa khi phải chạy tới 1 vòng tua nhất định, thường không quá 8.000 vòng/phút thì động cơ trên xe Tesla có tốc độ vòng tua tối đa lên tới 18.000 vòng/phút. Do đó, nó không cần được trang bị cần chuyển số hay bộ chuyển đổi mô-men xoắn. Và không giống như các loại động cơ đốt trong vốn cần chuyển động qua lại lên xuống của các piston để tạo chuyển động quay, động cơ cảm ứng tạo ra chuyển động quay một cách trực tiếp để truyền đến các bánh xe.
1 khối động cơ đốt trong truyền thống có thể nặng tới 272 kg. Trông khi đó, động cơ trên Tesla Model S với công suất tối đa lên tới 362 mã lực, nặng chỉ khoảng 32 kg. Thứ chiếm nhiều trọng lượng nhất đối với Model S và xe điện nói chung đó chính là bộ pin với cân nặng có thể lên tới 544 kg. Mặc dù vậy, momen xoắn cực đại lên tới 600 Nm giúp chiếc xe có thể tăng tốc từ 0-96 km/h chỉ trong vòng 4,2 giây.
Tesla cho biết mối quan tâm lớn nhất của họ đối với hệ truyền động của xe đó chính là vấn đề về nhiệt. Hầu hết các thành phần từ động cơ, bộ biến tần và pin đều được làm mát bằng chất lỏng để giữ cho chúng không quá nóng trong khi vận hành. Có một điều khác đặc biệt đó là động cơ cảm ứng khi không tạo ra chuyển động cho các bánh xe, nó có thể được quay bởi các bánh xe, và biến nó trở thành 1 máy phát điện để sạc lại cho pin lithium-ion. Do đó, càng có nhiều động cơ, bạn nhận lại được nhiều sức mạnh hơn, và khoản sạc lại cho pin cũng nhiều hơn khi xe lăn bánh hoặc phanh lại.
Tới đây, chắc hẳn các bạn cũng đã hiểu được phần nào cách vận hành của một chiếc xe điện. Vậy liệu loại xe này có thật sự thân thiện với môi trường? Câu trả lời sẽ có trong kỳ sau của series nói về xe điện này nhé.
Tham khảo: Donut Media