Cấu tạo, nguyên lý sạc ô tô điện

Ô tô điện có cấu tạo mà cách thức, nguyên lý hoạt động khác với ô tô xăng/ dầu. Hầu hết ô tô hiện nay được trang bị ba dạng động cơ chính là động cơ điện, xăng và dầu. Trong đó hướng đến NET ZERO 2050 của Việt Nam, xe ô tô điện cũng đang dần phát triển. Cùng Đèn tăng sáng văn minh AOZOOM tìm hiểu rõ hơn về cấu tạo xe ô tô điện cũng như cách thức hoạt động của nó như thế nào trong bài viết hôm nay nhé.

Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo ô tô điện

Xe ô tô điện sử dụng điện năng để chạy thay vì sử dụng động cơ đốt trong như các loại xe ô tô truyền thống. Thay vì sử dụng xăng hoặc dầu diesel để đốt cháy và tạo ra năng lượng, xe ô tô điện sử dụng pin hoặc nguồn điện trực tiếp để cung cấp năng lượng cho động cơ điện.

Ô tô điện

Điểm mạnh của xe ô tô điện là phát thải sạch ( không sản sinh ra khí thải trực tiếp), hiệu suất cao ( động cơ điện thường có hiệu suất cao hơn so với động cơ đốt trong), và chi phí vận hành thấp hơn ( vì điện năng thường rẻ hơn xăng và dầu diesel trong nhiều quốc gia). Tuy nhiên, một số thách thức vẫn còn đối với xe ô tô điện bao gồm giới hạn của công nghệ pin, thời gian sạc và cơ sở hạ tầng sạc chưa phát triển đầy đủ.

Bộ sạc On Board Charger

OBC là thiết bị chuyển đổi nguồn điện xoay chiều AC từ bất kỳ nguồn điện xoay chiều nào sang dạng điện một chiều DC. Thường được gắn bên trong xe, chức năng chính là chuyển đổi năng lượng AC/DC.

Do đó bộ sạc tích hợp mang lại lợi ích cho việc sạc xe oto điện bằng nguồn điện tại nhà của chúng ta. Ngoài ra cũng loại bỏ việc phải mua thêm bất kỳ thiết bị nào để chuyển đổi năng lượng AC/DC.

Vai trò của bộ OBC trong sạc AC

Nguồn điện xoay chiều từ lưới điện qua bộ sạc AC tới cổng sạc trên xe vào bộ OBC chuyển đổi thành nguồn điện một chiều DC để sạc pin thông qua hệ thống giám sát quản lý pin Battery Management System (BMS). Ngoài ra sạc AC có nhược điểm là thời gian sạc lâu hơn.

Tốc độ sạc phụ thuộc vào bộ sạc AC và EV (bộ sạc trên xe điện OBC). Vì không phải tất cả các bộ sạc AC và bộ OBC trên xe điện đều có công suất giống nhau, nên bộ sạc AC phải giao tiếp với EV (xe điện) để xác định công suất, dòng điện đầu vào cần thiết và thiết lập quá trình kết nối điều khiển giám sát dòng điện trong quá trình sạc từ khi bắt đầu đến khi kết thúc sạc. Giao tiếp này được gọi là giao tiếp dây Pilot. Dây Pilot xác định loại bộ sạc được gắn vào EV (xe điện) để OBC thiết lập dòng điện phù hợp với công suất của bộ sạc AC chuẩn bị sạc.

Vai trò của bộ OBC trong sạc DC

Trong sạc nhanh DC hay còn gọi sạc cấp 3, nguồn điện xoay chiều AC từ lưới điện được bộ sạc chuyển đổi sang nguồn một chiều DC cung cấp trực tiếp cho bộ pin như thể hiện trong hình trên, chúng ta thấy rằng một bộ chuyển đổi AC/DC được tích hợp trong bộ sạc DC.

Do đóbỏ qua bộ OBC ở chế độ sạc này, vì sạc DC có công suất lớn nên thời gian sạc giảm. EVSE (modul sạc DC) được sắp xếp thành các ngăn kết nối song song cung cấp dòng điện cao. Vì vậy OBC không có vai trò trong sạc DC.

Ba cấp độ sạc cho ô tô điện

Khi lái một chiếc xe điện (Electric Vehicle) thì việc sạc điện là tất yếu. Điều đó có thể hơi phức tạp nếu ta không hiểu rõ về cách các tùy chọn sạc khác nhau, tương thích cho từng dòng xe điện. Dưới đây là những điều cần biết về các cấp độ sạc cho ô tô điện hiện nay.
Mức sạc xe điện chia thành 3 cấp độ, dựa trên tốc độ và công suất. Mức sạc LEVEL 1, LEVEL 2 và LEVEL 3 là ba thuật ngữ chung đề cập đến tốc độ sạc pin cho xe điện.

Cấp sạc ô tô điện

Sạc xe điện giống như bơm đầy một bể bơi, việc sạc lại một chiếc xe điện tương tự như việc bơm đầy một bể bơi, quá trình đó có thể mất vài phút, vài giờ đến vài ngày. Nó tùy thuộc vào dung lượng pin của ô tô, thiết bị cung cấp điện cho xe (EVSE) hay còn gọi là trạm sạc và bộ OBC. Nói cách khác, cách sạc xe điện tương tự như việc hiểu kích thước của bể bơi và vòi nước được sử dụng để bơm đầy bể bơi đó.

Các thuật ngữ cơ bản cần biết về cấp độ sạc cho ô tô điện:

a. Thiết bị trạm sạc

Thiết bị trạm sạc (EVSE), công suất trạm sạc được đánh giá bằng kilowatt (kW). Số kW cao hơn có nghĩa là sạc nhanh hơn. Nếu trạm sạc được đánh giá bằng ampe (A), thì kW có thể dễ dàng được tính bằng cách nhân với điện áp (V) và chia cho 1000.

b. Vòi sạc

Vòi sạc (OBC) Thiết bị Trạm sạc cung cấp năng lượng cho vòi sạc, nhưng chỉ có thể cung cấp đến mức định mức tối đa cho pin.

Ví dụ: bộ sạc AC 11kW chỉ có thể sạc tối đa 7,2kW nếu bộ sạc OBC (bộ chuyển đổi AC/DC trên xe điện) được trang bị là 7,2kW, nhưng nó chỉ có thể sạc ở mức 6 kW nếu pin quá nóng hoặc quá lạnh.

c. Công suất của pin ô tô

Dung lượng pin được tính bằng kilowatt-giờ (kWh). Thời gian sạc là một vấn đề đơn giản của việc phân chia dung lượng cho công suất.

Ví dụ: Sạc bộ pin 50 kWh ở công suất sạc 5kW sẽ mất khoảng 10 giờ. Sạc với 150 kW, mất khoảng 20 phút, nhưng sạc với công suất 1,4kW, sẽ cần khoảng 35 giờ để hoàn thành 100%.

Sạc cấp độ 1

Sạc cấp độ 1 (level 1) - 120V - 220V, mỗi xe điện EV đều đi kèm với một bộ sạc Level 1 (L1) miễn phí. Nó tương thích với các trạm sạc ô tô điện trên toàn cầu, không tốn bất kỳ chi phí nào để lắp đặt và có thể cắm vào bất kỳ ổ cắm điện 120V - 220V nối đất tiêu chuẩn. Chi phí sạc tùy thuộc vào giá điện và hiệu suất tiêu hao của từng chiếc xe điện EV.

Tiêu chuẩn công suất bộ sạc L1 đạt mức 2,4 kW, khôi phục thời gian sạc lên đến 8 km/giờ, khoảng 65 km/8 giờ. Vì người lái xe trung bình chạy 60 km/ngày, điều này phù hợp với nhiều người. Bộ sạc L1 cũng có thể hoạt động đối với những người có nơi làm việc có trang bị điểm sạc L1, cho phép xe điện của họ sạc cả ngày cho chuyến đi về nhà.

Nhiều người lái xe EV gọi cáp sạc L1 như một bộ sạc khẩn cấp hoặc bộ sạc nhỏ gọn vì nó sẽ không đáp ứng được những chuyến đi dài hoặc những chuyến lái xe dài ngày cuối tuần. Điểm yếu của bộ sạc này là tốc độ sạc chậm.

Ví dụ: nếu sạc chiếc Vinfast VF e34 lắp gói pin 42kWh với bộ sạc 2,2kW thì mất khoảng 19 giờ đồng hồ để sạc đầy, với VF8 lắp gói pin 88,8 kWh với bộ sạc 3,5kW thì mất khoảng 25 giờ đồng hồ để sạc đầy và với VF9 lắp gói pin 92 kWh với bộ sạc 3,5kW thì mất tương đương 26 giờ đồng hồ để sạc đầy.

Sạc cấp độ 2

Bộ sạc Level 2 (L2) với công suất 7kW – 22kW và thường được nối dây cố định với nguồn điện 1 pha hoặc 3 pha chuyên dụng trong nhà để xe. Sạc cấp độ 2 nhanh hơn cấp độ 1 với công suất tăng gấp đôi. Những bộ sạc level 2 phổ biến ở các trạm sạc công cộng.

Ô tô điện và xăng

Nhiều nhà sản xuất ôtô điện đề nghị chủ xe lắp bộ sạc level 2 trong nhà hoặc garage nếu có thể. Tương tự, ví dụ với chiếc Vinfast VF8, thời gian sạc đầy pin 88.8kW chỉ mất 8 giờ (kể từ mức 0-100%).

Bộ sạc cấp 2 có giá từ 400 đô la đến 1.900 đô la, tùy thuộc vào thương hiệu, xếp hạng công suất và yêu cầu lắp đặt. Chi phí sạc tùy thuộc vào giá điện và xếp hạng hiệu quả của mỗi xe điện. Trạm sạc cấp 2 tương thích toàn cầu với xe điện được trang bị SAE J1772 hoặc tiêu chuẩn type 2. Ta có thể tìm thấy bộ sạc Level 2 ở các nhà để xe công cộng, hay bãi đậu xe, hoặc trước các doanh nghiệp đối tác của hãng xe,…

Các trạm sạc cấp 2 công suất ở mức 11kW, có thể sạc được cho xe điện chạy được ở quãng đường 20km/giờ, và khoảng 160km sau mỗi 8 giờ. Theo khảo sát tại Mỹ, đối với một người lái xe trung bình họ chạy 60km/ngày, điều này chỉ cần khoảng 3 giờ sạc. Tuy nhiên, nếu muốn thực hiện một chuyến đi dài hơn phạm vi hoạt động của chiếc xe điện mà ta sở hữu, ta sẽ cần có kế hoạch sạc hợp lý.

>>> Xem bài viết gần đây: 7 sai lầm dễ mắc phải khi lái ô tô điện

Sạc cấp độ 3

Bộ sạc cấp 3 là bộ sạc xe điện EV nhanh nhất hiện nay. Chúng thường sử dụng với điện áp 400V hoặc 1.000 V, dòng điện hơn 100A và thường không được trang bị ở nhà. Tùy thuộc vào nguồn điện sẵn có, bộ sạc level 3 có thể sạc đầy xe điện trong vòng 20-30 phút. Chúng phù hợp hơn với các khu vực có mật độ giao thông cao, chẳng hạn như trạm dừng nghỉ trên đường cao tốc và các khu mua sắm và giải trí, nơi xe có thể được sạc lại trong vòng chưa đầy một giờ.

Mức tính phí có thể dựa trên mức giá theo giờ hoặc theo kWh. Chi phí sạc tùy thuộc vào giá điện và hiệu suất của mỗi xe điện EV. Bộ sạc cấp level 3 hiện nay được trang bị phổ biến trong các hạ tầng của Vinfast, các trạm dừng nghỉ trên cao tốc, trạm xăng,…

Bộ sạc siêu nạp chỉ hoạt động với một số mẫu xe Tesla, bộ sạc SAE CCS hoạt động với một số xe điện châu  u còn CHAdeMO hoạt động với một số xe điện Châu Á.

Tiêu chuẩn bộ sạc CHAdeMO lên đến 400kW và có một phiên bản 900 kW đang được phát triển. Tesla Superchargers thường sạc ở mức công suất 72kW, nhưng nó có thể tùy biến lên đến 250 kW. Có công suất cao như vậy vì bộ sạc L3 bỏ qua vòi sạc OBC và các hạn chế của nó, sạc trực tiếp DC cho pin.

Có một lưu ý, đó là sạc tốc độ cao chỉ sử dụng được tối đa 80% dung lượng. Sau 80%, hệ thống quản lý pin BMS sẽ điều chỉnh tốc độ sạc thấp nhất có thể, để bảo vệ pin.

Nguyên lý hoạt động ô tô điện

Có thể hiểu đơn giản nguyên lý hoạt động của ô tô điện là sự ảnh hưởng qua lại lẫn nhau của dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều (DC). Với dòng điện xoay chiều, các electron sẽ chuyển hướng theo chu kỳ, còn dòng điện một chiều, các electron chỉ chuyển động theo một hướng duy nhất.

Tất cả các loại xe ô tô điện đều sử dụng dòng điện một chiều. Tuy nhiên, khi cần cung cấp lực kéo cho xe, năng lượng của dòng điện một chiều phải được chuyển hóa thành dòng điện xoay chiều nhờ bộ biến tần. Nguyên lý hoạt động của ô tô điện cụ thể như sau:

Bước 1: Khi đạp ga khởi động xe thì nguồn điện cung cấp cho xe sẽ ngay lập tức chuyển từ dòng điện 1 chiều sang dòng điện xoay chiều.

Bước 2: Bàn đạp ga sẽ gửi tín hiệu tới bộ điều khiển của xe mục đích là điều chỉnh tốc độ xe, từ đó thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều từ bộ biến tần tới động cơ.

Bước 3: Khi động cơ xe đã được kết nối sẽ làm quay các bánh xe bằng bánh răng.

Bước 4: Nếu đạp phanh xe và giảm tốc thì động cơ xe ô tô điện sẽ biến thành máy phát điện, tạo ra năng lượng và năng lượng đó sẽ nạp lại pin.

Cấu tạo ô tô điện

Hiện nay ô tô điện được sử dụng ngày càng rộng rãi và phổ biến. Bởi xe ô tô điện không thải khí CO2 gây ô nhiễm môi trường. Hơn thế nữa, các bộ phận cấu tạo xe ô tô điện có các chi tiết chuyển động ít hơn 90% so với các bộ phận cấu tạo của các loại xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong trên thị trường.

Xét về cấu tạo ô tô điện được tạo thành từ nhiều bộ phận, mỗi bộ phận đảm nhiệm những chức năng riêng. Dưới đây là những phân tích chi tiết về các bộ phận ô tô điện cũng như chức năng:

Động cơ điện

Một trong những bộ phận quan trọng của xe ô tô điện. Bộ phận này đảm nhận chức năng chính là cung cấp năng lượng cho xe. Trên thị trường, động cơ điện có thể là loại 1 chiều hoặc xoay chiều. Thông thường động cơ xoay chiều sẽ được lắp đặt vào ô tô điện phổ biến hơn.

Biến tần

Thiết bị này có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện 1 chiều thành xoay chiều. Biến tần được lắp đặt để thay đổi tốc độ quay của động cơ. Việc này được thực hiện thông qua điều chỉnh tần số của dòng điện xoay chiều. Ngoài ra, thông qua việc điều chỉnh biên độ của tín hiệu biến tần để tùy chỉnh mô-men xoắn hoặc công suất của động cơ.

Pin và bộ sạc pin

Pin trong ô tô điện là bộ phận dùng để lưu trữ năng lượng cho xe chạy. Để xe điện có thể vận hành được thì pin phải được sạc đầy. Loại pin được sử dụng để lắp đặt trong ô tô điện là lithium. Sử dụng pin loại này vì nó có tỷ lệ xả thải thấp, trọng lượng nhẹ, số lần nạp xả cao 2.000-5.000 lần, ít gây ô nhiễm môi trường. Bộ sạc pin với chức năng kiểm soát mức điện áp của pin. Việc này được thực hiện thông qua điều chỉnh tốc độ sạc trên ô tô. Hơn thế nữa, bộ sạc pin có có khả năng theo dõi nhiệt độ của pin giúp duy trì tuổi thọ của pin.

Bộ điều khiển

Bộ phận này được ví von như bộ não của xe ô tô điện. Chức năng của bộ phận này là quản lý, kiểm soát tất cả các thông số kỹ thuật, tốc độ của xe.

Cáp sạc

Cáp sạc đặt bên trong xe ô tô điện, được sử dụng để sạc pin cho ô tô tại các điểm sạc công cộng hoặc tại nhà. Ở những nơi có điểm sạc nhanh, sẽ có loại cáp sạc riêng biệt để bạn có thể sử dụng.

Sự khác biệt ô tô điện và xăng

So với xe sử dụng động cơ đốt trong, với cùng một kích thước thì xe điện sẽ có không gian rộng rãi, thoáng mát hơn. Bởi cấu tạo của xe ô tô điện có ít bộ phận cấu thành hơn. Xe điện sử dụng bộ pin và động cơ điện, nhờ có 2 bộ phận này mà bạn có thể tiết kiệm chi phí thay nhớt động cơ, không cần phải lo hệ thống lọc nhiên liệu.

Động cơ của xe điện được biết đến với tên gọi là môtơ. Hầu hết động cơ điện đều được cấu tạo đơn giản, hoạt động tốt hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Động cơ điện sẽ làm giảm thiểu tối đa thành phần truyền động trung gian. Năng lượng của động cơ điện sẽ được truyền thẳng đến bánh xe, giúp xe có thể di chuyển, vận hành trơn tru, tốt hơn.

Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch, dải vòng tua hạn chế, chỉ có thể quay 4.000-6.000 vòng/phút. Vì thế, để có thể đồng bộ hóa hết tất cả giữa lực kéo, tốc độ thì động cơ đốt trong phải cần tới hộp số. Ngược lại, xe điện lại không cần tới hộp số mà vẫn có thể hoạt động tốt được.

Mô tơ của xe điện có thể quay với tốc độ 20.000 vòng/phút. Với tốc độ quay này đã có thể vượt qua nhiều tốc độ quay của một số động cơ đốt trong trên thị trường hiện nay. Hơn thế nữa, động cơ điện còn sản sinh mô-men xoắn ngay khi người lái thực hiện việc nhấp đạp ga từ trạng thái đứng yên. Nhờ vào điều này mà xe điện chỉ cần cơ cấu bánh răng với tỷ số truyền đảo bảo để có thể truyền động đúng ý của nhà lập trình.

Lời kết

Hy vọng qua bài viết bạn đã có thêm nhiều thông tin về nguyên lý, cấu tạo cơ bản về ô tô điện từ đó có thể đưa ra lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Cảm ơn bạn đọc!

AOZOOM.COM.VN