Sự bùng nổ các loại xe có yếu tố điện hóa trong vòng một thập kỷ trở lại đây đã mang đến cho thế giới những khái niệm mới mẻ như stato, roto và từ trường để phân định hiệu năng vận hành thay cho số xy-lanh và dung tích như trên động cơ đốt trong truyền thống. Động cơ điện cũng có một số thiết kế khác nhau, với đầy đủ ưu điểm và nhược điểm riêng của từng loại.
Cũng giống như xe truyền thống sử dụng động cơ đốt trong, xe thuần điện và xe có yếu tố điện hóa hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản của khoa học: chuyển đổi trạng thái năng lượng từ điện năng biến đổi thành cơ năng. Trong ngành công nghiệp ô tô hiện nay, có 3 loại động cơ điện được các hãng xe trang bị cho sản phẩm của mình: động cơ cảm ứng không đồng bộ, động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ và gần đây nhất có thêm động cơ đồng bộ kích từ bằng điện. Công nghệ đang thay đổi nhanh chóng nên việc hiểu được bản chất của chúng sẽ giúp ích đáng kể cho việc nhận định về xe điện nói chung.
Cách thức hoạt động cơ bản của mô-tơ điện dùng cho động cơ xe hơi
Loại động cơ điện được trang bị cho xe hơi thực chất có thể coi là một mô-tơ (đó là lý do vì sao dùng thuật ngữ “mô-tơ điện” sẽ chính xác trong đa số các trường hợp), hoạt động nhờ vào trường điện từ được tạo ra bên trong chúng. Trường điện tử này chỉ có thể thực hiện được khi có sự trợ giúp của dòng điện xoay chiều (AC), vì đặc điểm cực tính thay đổi liên tục tần số 60 Hz hoặc 60 lần một giây, tạo ra một trường điện từ đẩy và kéo các nam châm đối diện. Nó được biểu thị ở dạng sóng hình sin với các đỉnh và đáy nối tiếp nhau.
Tần số và công suất của động cơ điện cho xe hơi thường xuyên được thay đổi để thay đổi lượng mô-men xoắn được tạo ra, nhưng dòng điện xoay chiều này rất quan trọng đối với các thiết kế hiện tại. Động cơ sử dụng dòng điện này thông qua hai bộ phận chính gồm stato là phần tĩnh và roto là phần quay.
Từ lớp vỏ hình trụ bên ngoài của mô-tơ điện (chức năng tương tự như lớp vỏ của khối động cơ đốt trong truyền thống), di chuyển vào bên trong một chút sẽ là phần stato được bọc bằng cuộn dây điện từ với chất liệu phổ biến nhất là làm bằng đồng. Roto nằm bên trong stato và có thể được bọc bằng nam châm, không có nam châm hoặc có cuộn dây tương tự như stato.
Quá trình sản sinh năng lượng bắt đầu khi dòng điện xoay chiều 3 pha được truyền qua cuộn dây của stato để tạo ra từ trường quay. Trường này đẩy và hút từ trường của chính roto để buộc nó quay, tạo ra mô-men xoắn truyền đến hộp số. Động cơ điện chạy bằng điện một chiều (DC) cũng có thể được sử dụng, nhưng chúng cần đến các bộ phận chuyên dụng như chổi than và cổ góp để quay roto và có nhiều nhược điểm nên không thực sự phù hợp.
Ngoài ra, nhờ tính chất của dòng điện xoay chiều cũng cho phép truyền điện theo hướng ngược lại, chẳng hạn như khi bạn sử dụng đến chức năng phanh tái sinh năng lượng, động cơ điện có thể chuyển hướng và gửi điện đến một biến tần (chuyển đổi AC thành DC và ngược lại) và quay lại pin chạy bằng DC.
Động cơ cảm ứng không đồng bộ
Động cơ cảm ứng không đồng bộ không phải là một cái gì đó mới. Nó được phát minh bởi hai nhà nghiên cứu độc lập – Nikola Tesla và Galileo Ferraris. Vị khoa học gia người Ý đã thành công trong việc sáng chế ra loại động cơ này vào năm 1885 nhưng lại không đăng ký bản quyền, dẫn đến việc Nikola Tesla mặc dù tìm ra sau nhưng kịp nộp bằng sáng chế vào năm 1888.
Sự ra đời của động cơ điện cảm ứng là một trong những thành tựu vĩ đại nhất trong việc khai thác điện năng để cung cấp năng lượng cho cuộc sống của chúng ta. Ngày nay, việc áp dụng loại động cơ này phổ biến đến mức hầu như mọi thứ không thể vận hành trơn tru nếu thiếu chúng. Rất nhiều thiết bị điện sử dụng các động cơ này và đại đa số các động cơ công nghiệp là loại cảm ứng không đồng bộ.
Tên gọi của loại động cơ này có được là do từ trường quay của roto và stato không đồng bộ. Phần cảm ứng xuất phát từ từ trường quay, điện áp và dòng điện do stato gây ra. Khi chúng ta nhấn bàn đạp ga, từ trường của roto trễ hơn một chút so với từ trường của stato. Khi chúng ta giảm tốc và động cơ hoạt động như một máy phát điện (hãm tái sinh), thì từ trường quay của roto đi trước stato. Sự khác biệt này trong từ trường quay được gọi là “độ trượt” và thường lên đến 5% tùy thuộc vào thiết kế động cơ.
Hiệu suất điển hình của động cơ cảm ứng không đồng bộ 3 pha được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô là khoảng 90%. Do tính mạnh mẽ, đơn giản, tuổi thọ cao và không cần phải dùng đến các loại vật liệu đẩy giá thành lên cao như đất hiếm, động cơ này hầu như chỉ được sử dụng trong các quy trình công nghiệp. Ngoài ra, đặc tính sử dụng quá tải tốt của nó làm cho nó trở thành một động cơ hoàn hảo theo yêu cầu và đó là lý do tại sao nó thường được sử dụng làm động cơ đặt tại cầu trước đối với những loại xe điện dẫn động 4 bánh.
Kết cấu ít phức tạp so với các loại động cơ điện khác, không cần nam châm vĩnh cửu hoặc chổi than để quay nên động cơ cảm ứng không đồng bộ trở thành lựa chọn ưu tiên khi phải duy trì chi phí ở mức thấp mà vẫn cần đảm bảo sức kéo mạnh mẽ cho xe vận hành. Vì năng lượng chỉ được tạo ra khi có dòng điện chạy qua stato, nên nếu dòng điện đó tắt, động cơ sẽ góp phần rất ít hoặc không tạo ra lực cản trên các bánh xe, rất tối ưu về hiệu quả sử dụng năng lượng.
Hạn chế của động cơ cảm ứng không đồng bộ là không thể tạo ra thật nhiều mô-men xoắn khi khởi động và thường thiếu năng lượng trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Ngoài ra, hiệu suất tối đa giảm nhẹ, nhưng thực tế là động cơ có thể được tách rời có thể giúp nâng cao hiệu quả về lâu dài.
Ví dụ về xe sử dụng động cơ cảm ứng không đồng bộ: Audi e-tron SUV (nay là Q8 e-tron), Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, Model 3, Model X, Model Y (tại cầu trước) và toàn bộ các xe dùng khung gầm MEB của tập đoàn Volkswagen.
Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ
Loại động cơ này hiện đang được xem là “ngôi sao sáng” của ngành công nghiệp xe điện. Do tính hiệu quả và khả năng đem lại mức công suất lớn, động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ thường được trang bị cho các mẫu xe sang hoặc các dòng xe thiên về hiệu năng vận hành thể thao và thậm chí là siêu xe, chẳng hạn như Mercedes EQS, GMC Hummer EV cho đến Rimac Nevera.
Sự khác biệt cơ bản giữa động cơ cảm ứng không đồng bộ và động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ là cách mà từ trường quay trong roto và stato được tạo ra và tương tác. Trong động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ, có một từ trường quay tự nhiên, được tạo ra bởi thành phần nam châm vĩnh cửu làm từ chất liệu đất hiếm. Từ trường quay của roto và stato trong các động cơ này được đồng bộ với nhau, từ đó không có hiện tượng “trượt” và dẫn đến tên gọi của nó.
Nam châm vĩnh cửu là yếu tố quan trọng bậc nhất giúp tăng mật độ công suất và cải thiện hiệu suất của động cơ. Nó có thể được gắn trên bề mặt roto hoặc thậm chí nằm ngay bên trong roto. Đất hiếm tạo nên nam châm vĩnh cửu không có nhiều trên Trái Đất, hiện đang được Trung Quốc kiểm soát phần lớn trong số đó. Các nhà làm luật vẫn đang tranh cãi về khía cạnh đạo đức của quá trình khai thác và vì lý do đó, nhiều nhà sản xuất cố gắng giảm việc sử dụng loại chất liệu này trong động cơ của họ.
Lợi ích của động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ là cần ít nam châm hơn so với các cấu trúc động cơ điện khác, góp phần giảm chi phí và có thể tận dụng lực từ trở của roto, giúp cải thiện mô-men xoắn trên toàn dải công suất, mặc dù hiệu suất sử dụng năng lượng vẫn bị ảnh hưởng và trở nên lãng phí ở mô-men xoắn cao.
Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ có hiệu năng ổn định ở mọi dải tốc độ khác nhau và hiệu suất chuyển đổi năng lượng ở mức độ gần như hoàn hảo lên tới 94-95%, không một loại động cơ điện nào khác có thể sánh bằng. Thiết kế của nó cho phép kích thước không bị quá lớn, đồng thời từ trường không đổi của roto mang lại mật độ năng lượng lớn hơn. Công suất cao với khối lượng thấp tạo nên giải pháp tuyệt vời cho các loại xe hybrid sạc điện PHEV vì không gian của cả chiếc xe buộc động cơ điện phải được đặt trong hộp số, nhằm không lấn chiếm diện tích cho các thành phần khác.
Tuy nhiên, công nghệ này không phải không có nhược điểm. Vì nam châm luôn hoạt động nên chúng tạo ra “sức điện động ngược” khi không có tải. Điều này tạo ra lực cản trên xe và có thể dẫn đến các vấn đề về nhiệt. Ngoài ra, việc sử dụng nam châm vĩnh cửu sẽ dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn và người ta không thể quên những tác động đến môi trường và kinh tế xã hội của việc buôn bán những chất liệu như đất hiếm.
Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ có thể được dễ dàng tìm thấy trong Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, Model 3, Model X, Model Y (tại cầu sau), Audi e-tron GT, Porsche Taycan, Lucid Air Sapphire hoặc Pininfarina Battista.
Động cơ đồng bộ kích từ bằng điện
Ngoài 2 loại động cơ nêu trên, loại thứ 3 ban đầu được biết đến với tên gọi động cơ chổi than. Đây thực ra không phải là công nghệ mới vì đã từng xuất hiện từ thế kỷ 19 và có trên những mẫu xe điện thời kỳ đầu, trước khi biến mất do xe hơi dùng động cơ đốt trong trở thành xu hướng thống trị tất cả. Ý tưởng đằng sau chúng rất giống với loại động cơ đồng bộ dùng nam châm vĩnh cửu, nhưng thay vì nam châm được gắn ở trên hoặc bên trong roto, nó có các cuộn dây điện từ được bố trí hướng tâm giống như của stato.
Quá trình quay được thực hiện bằng cách liên tục chuyển đổi cực tính của dòng điện bên trong nó để trở nên đối nghịch với nam châm stato và làm quay mô-tơ. Roto cần nhận được năng lượng để thực hiện việc chuyển mạch này và nguồn điện đó được cung cấp thông qua chổi than trên roto và cổ góp trên stato. Chổi than tác động vào cổ góp, làm thay đổi dòng điện và thay đổi trường điện từ để tạo nên thế đối nghịch với trường điện từ của stato.
Đây là một thiết kế rất đơn giản và có ưu điểm là không tốn nhiều chi phí sản xuất và đáng tin cậy, nhưng nhược điểm là chổi than và cổ góp tạo ra ma sát và hao mòn, nghĩa là cần phải thay thế thường xuyên. Chổi than bị mòn sẽ để lại một lớp bụi mịn, nếu không làm sạch kịp thời có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho động cơ. Nhiệt lượng chúng tạo ra cũng sẽ làm hạn chế tốc độ tối đa của xe.
Chính những nhược điểm này khiến động cơ chổi than bị các nhà sản xuất gạt sang một bên và không thể sánh bằng động cơ cảm ứng không đồng bộ cũng như động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ trong suốt một khoảng thời gian dài. Tuy nhiên, sự phát triển về công nghệ đã đem đến cơ hội mới. Đó là vào năm 2022, BMW gây bất ngờ khi giới thiệu động cơ điện eDrive thế hệ thứ 5 trang bị chổi than, được sử dụng trên các mẫu xe i4, iX, iX3 và i7.
Khác với động cơ chổi than nguyên bản, thế hệ động cơ mới này vận hành bằng dòng điện xoay chiều tương tự như động cơ đồng bộ AC, mặc dù roto nhận được nguồn điện DC, thế nên nó còn được gọi là động cơ kích từ bằng điện. Chổi than vẫn còn đó, nhưng thay thế cho cổ góp là vòng trượt. Phần chổi được bọc lại để bảo vệ khỏi bụi xâm nhập vào trong động cơ điện, cho phép chúng hoạt động lâu dài hơn trước khi cần phải bảo dưỡng.
Theo BMW, loại động cơ này mang lại hiệu suất lên tới 93%, rất gần với hiệu suất của động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ. Năng lực vận hành rất ấn tượng, chẳng hạn như với mẫu i4 M50 có thể đạt tới công suất 536 mã lực và 795 Nm mô-men xoắn. Bên cạnh đó, việc dùng chổi than cũng giúp cho BMW không bị phụ thuộc vào nguồn cung đất hiếm, qua đó giảm chi phí sản xuất và tối ưu công đoạn phát triển sản phẩm.
Tương lai của động cơ điện dùng cho xe hơi
Dạng công nghệ động cơ điện này còn rất mới nhưng nó cho thấy những ý tưởng từng bị cho là lỗi thời có thể được hồi sinh. Vẫn còn rất nhiều tiềm năng để ngành đổi mới và phần lớn tiềm năng thuộc về phân khúc cao cấp nhất. Lấy Koenigsegg làm ví dụ. Vào năm 2022, hãng đã trình làng động cơ Quark E-motor, chỉ nặng 30 kg và kích thước nhét vừa balo nhưng có thể sản sinh mức công suất đáng kinh ngạc lên đến 335 mã lực và mô-men xoắn cực đại 600 Nm.
Koenigsegg không tiết lộ quá nhiều thông tin kỹ thuật, chỉ hé lộ rằng hãng kết hợp các thiết kế động cơ hướng tâm và hướng trục để tạo ra công nghệ “Raxial Flux” độc quyền. Thiết kế này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và đang trong quá trình phát triển để tạo ra động cơ Dark Matter thậm chí còn mạnh mẽ hơn khi lên đến 800 mã lực.
Ngoài ra, các hãng Trung Quốc cũng đang cho thấy tham vọng dẫn đầu trong ngành xe điện khi liên tục tạo ra những thông số ấn tượng. Gần đây nhất, thương hiệu con Yangwang của BYD đã giới thiệu chiếc siêu xe U9 với 4 mô-tơ điện sản sinh tổng công suất 1.290 mã lực và mô-men xoắn cực đại 1.680 Nm, tăng tốc 0-100 km/h chỉ trong 2,36 giây. Có thể thấy, cuộc chơi vẫn đang tiếp diễn và nhiều bất ngờ nữa sẽ được công bố trong tương lai.
Tổng hợp
Le Hai.