EV 101: Ô tô điện hoạt động như thế nào?

Khi chi phí sản xuất giảm và cơ sở hạ tầng sạc được cải thiện, ô tô điện (EV) đã trở thành một lựa chọn mua hàng hấp dẫn hơn cho người lái xe Hoa Kỳ đang tìm cách tránh giá xăng cao ngất ngưởng hoặc giảm thiểu tác động môi trường của ô tô chạy xăng. Nhưng chúng thực sự hoạt động như thế nào?

Khái niệm cơ bản về ô tô điện

Không giống như một chiếc xe động cơ đốt trong (ICE) thông thường chạy bằng xăng, EV không yêu cầu đốt cháy thông qua nhiên liệu bị đốt cháy để tạo ra năng lượng cần thiết để di chuyển. Thay vào đó, chúng sử dụng năng lượng điện được lưu trữ trong bộ pin để xoay động cơ điện (hoặc động cơ) kết nối với các bánh xe và lái xe về phía trước. Do đó, EV có ít bộ phận chuyển động hơn xe xăng và thường yêu cầu bảo trì ít hơn, mặc dù chúng hiện có chi phí trả trước cao hơn.

Có một số loại phương tiện khác nhau có thể đủ điều kiện là EV, một loạt các loại xe từ plug-in hybrid với pin bổ sung nhỏ đến xe chạy hoàn toàn bằng điện, chạy bằng pin và thậm chí cả ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro.

Hầu hết các EV bạn sẽ thấy trên đường ngày hôm nay đều là xe hybrid như Toyota Prius hoặc xe chạy hoàn toàn bằng điện như Tesla Model 3. 

Khoa học đằng sau pin

^{Nội thất xe điện (Ảnh: Trung tâm dữ liệu nhiên liệu thay thế/Bộ Năng lượng Mỹ}

Mỗi EV đều có một bộ pin được tạo thành từ các nhóm pin lithium-ion, hoặc các chi tiết, cung cấp năng lượng cần thiết cho mọi thứ, từ di chuyển xe đến chạy điều hòa không khí. Bạn cũng sẽ nghe thấy điều này được gọi là pin kéo, và nó thường được đặt ở dưới cùng của chiếc xe.

Pin của ô tô điện sạc theo cách tương tự như pin lithium-ion trong điện thoại di động của bạn, chỉ là quy mô lớn hơn nhiều. Bạn kết nối nó với lưới điện thông qua ổ cắm hoặc trạm sạc và nó sẽ lấy năng lượng cho đến khi được sạc. Pin của EV có thể chứa bao nhiêu năng lượng sẽ phụ thuộc vào dung lượng của nó, được đo bằng kilowatt-giờ (kWh). Con số càng cao, công suất càng cao và bạn càng có thể lái chiếc EV đó đi xa hơn trong một lần sạc.

Không phải tất cả ô tô điện đều có cùng loại pin. Ví dụ, các mẫu Smart EQ của Mercedes-Benz có dung lượng pin 16,7 kWh, cho phép chúng di chuyển được khoảng 60 dặm (96,5 km) trên một lần sạc. Tesla Model S Long Range, mặt khác, có pin 95 kWh và phạm vi ước tính là 350 dặm (563 km). Công nghệ pin EV đang không ngừng phát triển, vì vậy chúng ta có thể thấy các phương tiện có phạm vi xa hơn và thời gian sạc ngắn hơn sẽ ra mắt thị trường trong vài năm tới.

Không giống như điện từ ổ cắm điện thông thường, pin tạo ra dòng điện một chiều (DC). Để tạo ra lực quay, cần phải chuyển đổi nguồn điện đó thành dòng điện xoay chiều (AC). Đó là nơi thiết kế của động cơ EV phát huy tác dụng.

Thiết kế của động cơ

Động cơ điện của ô tô điện không cần phải nén và đốt cháy xăng để di chuyển bánh xe của ô tô. Thay vào đó, nó sử dụng các nam châm điện bên trong động cơ được cấp nguồn từ pin để tạo ra lực quay.

Bên trong động cơ có hai bộ nam châm. Một bộ được gắn vào trục quay bánh xe của ô tô, và bộ còn lại nằm bên trong vỏ bao quanh trục đó. Cả hai bộ nam châm đều được sạc sao cho cực của chúng giống nhau và chúng sẽ đẩy nhau ra. Lực của các nam châm đẩy nhau làm quay trục, quay bánh xe và di chuyển ô tô về phía trước.

Để duy trì trạng thái đẩy nhau liên tục giữa các nam châm, cực của chúng phải liên tục thay đổi khi trục quay. Nếu không, chúng cuối cùng sẽ quay trở lại điểm mà chúng sẽ thu hút thay vì đẩy nhau và tự khóa mình vào vị trí. Dòng điện xoay chiều (AC) tự động thực hiện điều này, liên tục thay đổi giữa dương và âm. Nhưng vì điện từ pin của ô tô điện là dòng điện một chiều (DC), cần có một thiết bị gọi là bộ biến tần để tiếp tục lật cực của các nam châm.

Bộ biến tần của ô tô điện lật cực nhanh, khoảng 60 lần mỗi giây, để tiếp tục lực quay. Một bộ chuyển đổi DC (DC converter) riêng biệt được sử dụng để dẫn điện đến các hệ thống khác của xe (sưởi ấm, giải trí và chiếu sáng) không yêu cầu dòng điện xoay chiều. Tần số của dòng điện được gửi đến động cơ có thể được thay đổi bởi người lái, và tần số càng cao thì cực lật càng thường xuyên. Điều này tạo ra lực quay nhiều hơn, hoặc mô-men xoắn, và quay bánh xe nhanh hơn.

Nghệ thuật sạc pin

Với ô tô chạy xăng, bạn chỉ cần đổ đầy bình và đi. Với ô tô điện, có ba cấp độ khác nhau của trạm sạc ở Hoa Kỳ, từ chậm nhất (cấp độ 1) đến nhanh nhất (cấp độ 3).

Cấp độ 1 là các ổ cắm tường 120 volt thông thường, và được sử dụng hữu ích nhất trong các ngôi nhà riêng nơi bạn có thể sạc qua đêm. Nó rất chậm: Một lần sạc trong 8 giờ chỉ thêm khoảng 40 dặm phạm vi; một lần sạc đầy có thể mất 20 giờ hoặc hơn.

Cấp độ 2 tăng lên 240 volt và đầu ra từ 10-25 kW cho một lần sạc đầy trong khoảng tám giờ. Điều này làm cho chúng trở thành giải pháp phổ biến cho việc sạc qua đêm tại nhà hoặc tại các địa điểm như khách sạn. Các trạm sạc Tesla cấp độ 2 được gọi là Destination Chargers (trái ngược với Superchargers). Nếu bạn không có ổ cắm phù hợp, cần phải lắp đặt ổ cắm 240 volt hoặc trạm sạc tại nhà để sạc lại ô tô điện tại nhà của bạn.

Cấp độ 3 sạc nhanh DC (DCFC) cung cấp nhiều năng lượng nhất; chúng có thể sạc pin ô tô điện lên khoảng 80% trong khoảng 30 phút. Chúng cung cấp trung bình 50 kW, mặc dù có những trạm cung cấp nhiều năng lượng hơn cho pin, chẳng hạn như Supercharger của Tesla.

Có một số tranh luận về việc liệu việc sử dụng các trạm sạc nhanh DC cấp độ 3 có thể có tác động xấu đến pin của ô tô điện của bạn hay không. Vẫn chưa có kết luận cuối cùng về vấn đề này; hiện tại, bạn có thể chỉ cần sử dụng những gì phù hợp nhất với bạn dựa trên nơi bạn sống và khả năng chi trả của bạn.

Hầu hết các EV đều đi kèm với dây nguồn có thể cắm vào các trạm sạc cấp 1 và cấp 2, hai mức sạc phổ biến nhất mà bạn sẽ tìm thấy. Teslas cũng đi kèm với một bộ chuyển đổi có thể được sử dụng tại các trạm không phải của Tesla (bộ sạc di động không còn đi kèm nữa). Hầu hết các trạm sạc công cộng sẽ có một nhóm các cổng kết nối cung cấp nguồn điện cấp độ 2 và 3.

Thay vì dùng hết pin và sạc đầy một lần, nhiều người lái xe EV sẽ nạp thêm pin khi xe đậu lại tại nơi làm việc, tại nhà hoặc ở phòng tập thể dục. Điều này ngăn không cho pin bị mất quá nhiều điện trong ngày và có nghĩa là ít thời gian hơn để sạc xe hoặc ngồi tại trạm sạc.

EV cũng đi kèm với một hệ thống phanh tái tạo khai thác động năng từ việc dừng xe và chuyển một phần trở lại bộ pin để được lưu trữ dưới dạng năng lượng điện. Điều này sẽ không hoàn toàn sạc lại EV của bạn nhưng có thể làm cho nó hiệu quả hơn nhiều trong những trường hợp thích hợp.

EV một lần sạc có thể đi được bao xa?

Mối quan tâm phổ biến nhất về EV là lo lắng về phạm vi. Liệu một chiếc EV sẽ chạy được bao xa trong một lần sạc như một chiếc xe xăng được đổ đầy bình? Câu trả lời là: Còn tùy.

Theo dữ liệu tổng hợp bởi Electric Vehicle Database, phạm vi trung bình của EV tại thời điểm viết bài này là 200-250 dặm (400-400 km) trên một lần sạc. Tuy nhiên, phạm vi của EV có thể thay đổi rất nhiều, từ 50 dặm đến hơn 300 dặm (Lucid Air hứa hẹn 500 dặm trở lên). Nhiều biến số có thể ảnh hưởng đến phạm vi đó, cả trong thời điểm hiện tại và trong suốt vòng đời của xe.

Kích thước của pin ô tô điện là một trong những yếu tố quan trọng quyết định về phạm vi. Nhưng bất kể dung lượng của nó, phạm vi của ô tô điện có thể bị giảm do lái xe liên tục trên đường cao tốc, tăng tốc nhanh thường xuyên, sử dụng quá nhiều sạc nhanh, thời tiết khắc nghiệt và lão hóa tự nhiên theo thời gian.

Xe điện hiện đại khá cạnh tranh với xe xăng, và đang ngày càng cạnh tranh hơn mỗi năm. Phạm vi của chúng đã tương đương với ô tô chạy xăng trung bình, và cơ sở hạ tầng sạc đã đủ dồi dào ở nhiều khu vực khiến ô tô điện trở thành một lựa chọn khả thi cho những người lái xe đang tìm kiếm các phương tiện có lượng khí thải thấp. Ô tô điện có một số vấn đề cần giải quyết, và bản thân nó sẽ không cứu chúng ta khỏi biến đổi khí hậu, nhưng chúng có thể là một phần của phong trào toàn diện lớn hơn để suy ngẫm lại vấn đề vận tải và xây dựng các giải pháp thay thế xanh hơn.