Xe điện đang trở nên phổ biến trên đường phố của chúng ta, và trái tim của những chiếc xe xanh này chính là động cơ điện EV. Hiểu cách hoạt động của động cơ điện EV có thể khiến bạn cảm thấy e ngại, nhưng điều đó có thể được giải thích bằng những khái niệm đơn giản mà ai cũng có thể hiểu. Những động cơ này đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, giúp đẩy xe tiến về phía trước. Khi nhu cầu về xe điện ngày càng tăng, sự quan tâm đến công nghệ đằng sau chúng cũng ngày càng lớn.

Định nghĩa

Xe điện (EV- Electric vehicle) là phương tiện sử dụng một hoặc nhiều động cơ điện. Một chiếc xe điện có thể được cung cấp năng lượng thông qua một hệ thống thu điện từ các nguồn bên ngoài xe, hoặc có thể tự chứa pin, tấm pin mặt trời, tế bào nhiên liệu hoặc máy phát điện để chuyển đổi nhiên liệu thành điện năng. Xe chạy hoàn toàn bằng điện (EV), còn được gọi là xe điện chạy bằng pin, có động cơ điện thay vì động cơ đốt trong. Xe sử dụng bộ pin có sức kéo lớn để cung cấp năng lượng cho động cơ điện và phải được cắm vào ổ cắm trên tường hoặc thiết bị sạc, còn được gọi là thiết bị cung cấp điện cho xe. Xe chạy bằng điện nên chiếc xe không thải ra khí thải từ ống xả và không chứa các thành phần nhiên liệu lỏng điển hình, chẳng hạn như bơm nhiên liệu, đường dẫn nhiên liệu hoặc bình nhiên liệu. Do vậy, xe EV chính là xu thế tất yếu của ô tô trong tương lai không xa. Trong bài viết này, tác giả giới thiệu cấu tạo, cách truyền động và cơ chế điều khiển của xe EV.

Cấu tạo động cơ

Để hiểu được nguyên lý hoạt động của ô tô điện, trước tiên cần nắm rõ thành phần cấu tạo chi tiết của chúng. Từ đó mới có thể hình dung được mỗi bộ phận hoạt động như thế nào. Cấu tạo của một chiếc ô tô điện bao gồm các thành phần chính sau:

Ắc quy phụ (battery): Cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên xe hoạt động.

Cổng sạc (charger port): Cổng sạc giúp phương tiện kết nối với nguồn điện bên ngoài để sạc ắc quy

Bộ chuyển đổi DC/DC (DC converter): Thiết bị này chuyển đổi nguồn DC áp cao từ ắc quy thành nguồn DC áp thấp cần thiết để các thiết bị trên xe hoạt động và sạc lại cho ắc quy phụ.

Động cơ điện/Motor điện (Electric traction motor):  Sử dụng năng lượng từ bộ nguồn ắc quy, motor này dẫn động các bánh xe. Vài phương tiện còn sử dụng tổ hợp động cơ – máy phát (motor generators) thực hiện cả 2 chức năng truyền động và tái sinh/hồi phục năng lượng.

Onboard charger (Bộ điều khiển sạc): Lấy nguồn điện AC được cung cấp qua cổng sạc và biến đổi nó thành nguồn DC để sạc cho ắc quy. Bộ phận này theo dõi các thông số của ắc quy như điện áp, dòng, nhiệt độ và trạng thái sạc.

Bộ điều khiển điện tử công suất (Power electronics controller): Bộ phận này quản lý dòng năng lượng điện được cung cấp bởi ắc quy, điều khiển tốc độ của motor điện và momen xoắn mà nó tạo ra.

Hệ thống làm mát (Thermal System): Hệ thống này duy trì một phạm vi nhiệt độ hoạt động thích hợp cho động cơ/motor điện và các bộ phận khác.

Bộ ắc quy kéo (Traction Battery pack): Lưu trữ điện để cung cấp cho motor.

Truyền động (điện) – Transmission (electric): Dùng để biến đổi mô men của động cơ điện

Nguyên lý hoạt động

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp ô tô điện, trên thị trường xuất hiện nhiều loại ô tô điện với đặc điểm và chức năng khác nhau. Nhưng để hiểu rõ được nguyên lý hoạt động của ô tô điện BEV, bạn cần nắm được sự khác biệt giữa dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều (DC).

• Dòng điện xoay chiều (AC): là dòng điện trong đó các electron di chuyển theo chu kỳ, liên tục thay đổi chiều.
• Dòng điện một chiều (DC): là dòng điện mà các electron chỉ di chuyển theo một hướng duy nhất.

Hệ thống pin trên ô tô điện sử dụng dòng điện một chiều (DC). Tuy nhiên, động cơ chính của xe - bộ phận cung cấp lực kéo cho xe - lại hoạt động bằng dòng điện xoay chiều (AC). Vì vậy, cần có bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều cho động cơ ô tô.

Khi đạp ga ô tô, quy trình sẽ diễn ra như sau:

• Dòng điện một chiều (DC) từ pin được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều (AC) thông qua bộ biến tần.
• Bàn đạp ga sẽ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển, từ đó điều chỉnh tần số của dòng điện AC từ biến tần để điều chỉnh tốc độ của xe.
• Động cơ AC được cấp nguồn điện và quay các bánh xe thông qua hệ thống truyền động.
• Sau đó, động cơ kết nối sẽ quay các bánh xe ô tô thông qua một bánh răng.
• Ngược lại, khi phanh hoặc xe giảm tốc, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện, tạo ra dòng điện một chiều (DC) và nạp trở lại pin.

Lợi ích

Động cơ điện trong xe cộ mang lại nhiều lợi ích. Chúng không chỉ hiệu quả hơn mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Trong phần này, chúng ta sẽ thảo luận về tác động môi trường của động cơ xe điện (EV) và những khoản tiết kiệm chi phí lâu dài mà chúng mang lại cho người dùng.

Tác động môi trường

Động cơ điện có tác động tích cực đáng kể đến môi trường. Giảm phát thải Đây là một lợi thế chính, vì xe điện (EV) không thải ra khí thải từ ống xả. Việc giảm thiểu các chất ô nhiễm này góp phần cải thiện chất lượng không khí và hỗ trợ chống biến đổi khí hậu.

Hơn nữa, động cơ điện sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu thêm dấu chân carbon của chúng. Việc chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió góp phần nâng cao tính bền vững của giao thông vận tải.

Lợi ích môi trường:

• Không phát thải khí thải từ ống xả
• Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch
• Chất lượng không khí được cải thiện

Bằng cách áp dụng động cơ điện (EV), xã hội có thể hướng tới một tương lai xanh hơn, đồng thời giảm thiểu đáng kể tác động môi trường của mình.

Tiết kiệm chi phí theo thời gian

Tiềm năng tiết kiệm chi phí của động cơ xe điện là một lợi ích hấp dẫn khác đối với người tiêu dùng. Mặc dù giá mua ban đầu của xe điện có thể cao hơn,  nhưng khoản tiết kiệm sẽ tăng theo thời gian. Giảm chi phí nhiên liệu là một yếu tố quan trọng, vì điện thường rẻ hơn xăng hoặc diesel.

Ngoài ra, động cơ điện (EV) yêu cầu bảo dưỡng ít thường xuyên hơn. Chúng có ít bộ phận chuyển động hơn, điều này giúp giảm nguy cơ hỏng hóc cơ học. Sự đơn giản trong thiết kế này dẫn đến chi phí bảo dưỡng thấp hơn.

Tiết kiệm chi phí:

• Giảm chi phí nhiên liệu
• Giảm chi phí bảo trì
• Ưu đãi thuế và hoàn thuế

Trong suốt vòng đời của phương tiện, những khoản tiết kiệm này có thể được tích lũy, khiến xe điện (EV) trở thành lựa chọn tài chính thông minh cho nhiều người tiêu dùng.

Dấu Hiệu Hư Hỏng và Suy Giảm Hiệu Suất Động Cơ EV

Tăng nhiệt khoảng 18°F (~10°C) hoặc hơn kể cả trong thời gian ngắn có thể làm cách điện cuộn dây hư hại, làm giảm tuổi thọ động cơ.

• Nguyên nhân: Quạt làm mát bị tắc, bụi bẩn; điện áp sai; nguồn điện yếu/tương đương; kết nối điện không tốt; động cơ bị quá tải; hoặc ở độ cao lớn khiến khí loãng → quạt làm mát kém hiệu quả.

Rung động và tiếng ồn bất thường (Vibration and Unusual Noises)

• Rung mạnh hơn bình thường, tiếng lạch cạch, tiếng rít, tiếng đập → dấu hiệu ổ trục mòn, rotor lệch, linh kiện lỏng.
• Các nguyên nhân có thể: Độ không cân bằng của trục, khớp nối lỏng; lắp đặt không đều; từ trường không đều; khối lượng trong các cuộn dây không đều.

Ngắt mạch / Cầu chì nhảy thường xuyên (Frequent Tripping of Circuit Breakers)

• Nếu cầu dao/ngắt mạch hay cầu chì hay bị nhảy, có thể do dòng điện lớn, chập mạch, hoặc cuộn dây bị lỗi.
• Việc kiểm tra định kỳ các kết nối điện và đo cuộn dây là cần thiết để phát hiện sớm.

Hiệu suất giảm và kém hiệu quả (Decreased Performance and Efficiency)

• Tốc độ, công suất tổng thể của động cơ giảm.
• Nguyên nhân có thể: Ổ trục mòn, rotor hoặc stator lệch; cách điện suy giảm.
• Cần bảo dưỡng: Bôi trơn, kiểm tra căn chỉnh (alignment), kiểm tra điện trở cách điện.

Tiêu thụ năng lượng cao bất thường (Excessive Energy Consumption)

• Nếu động cơ bắt đầu dùng điện nhiều hơn bình thường, mặc dù tải không thay đổi, đó có thể là dấu hiệu sắp bị hỏng.

Hoạt động bất thường (Irregular Motor Operation)

• Những trường hợp như: động cơ dừng đột ngột, hoạt động gián đoạn, không khởi động được.
• Nhiều lần khởi động lại có thể gây tổn hại cao hơn do quãng thời gian khởi động liên tục.