Ưu điểm của xe điện BEV và xe sử dụng động cơ đốt trong

1. Hiệu suất của động cơ điện

Động cơ điện xoay chiều (AC), sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu hoặc rotor cảm ứng, có hiệu suất tổng thể rất cao. Một động cơ điện nam châm vĩnh cửu điển hình dùng cho truyền động có hiệu suất tối thiểu vào khoảng 70–75% và hiệu suất tối đa đạt 95–97%.

Hình 1: Đồ thị hiệu suất của động cơ điện.

Ngược lại, hiệu suất của động cơ đốt trong thấp hơn nhiều. Tùy thuộc vào loại động cơ (đánh lửa cưỡng bức hay đánh lửa do nén), hệ thống phun nhiên liệu (trực tiếp hoặc gián tiếp), kiểu nạp khí (tự nhiên hoặc tăng áp) và điểm làm việc (tốc độ và mô-men xoắn), hiệu suất của một động cơ đốt trong có thể nằm trong khoảng từ 10% đến 45%.

Hình 2: Biểu đồ hiệu suất của động cơ máy xăng.

Một động cơ điện có thể vận hành với hiệu suất trung bình khoảng 85–90% (trên một chu kỳ lái). Trong khi đó, hiệu suất trung bình của động cơ đốt trong chỉ vào khoảng 25–30%. Kết luận là hiệu suất của động cơ điện, trong các ứng dụng ô tô, trung bình cao gấp ba lần so với động cơ đốt trong.

2. Mô-men xoắn của động cơ điện

Một động cơ điện nam châm vĩnh cửu có đặc tính truyền động lý tưởng. Ngoài ra, ngay tại tốc độ bằng 0, động cơ điện có thể tạo ra mô-men xoắn cực đại, điều này mang lại khả năng đề-pa (tăng tốc từ trạng thái đứng yên) rất tốt cho xe.

Hình 3: Đồ thị mô-men và công suất của motor điện.

Một động cơ điện có khả năng cung cấp mô-men xoắn cực đại trong một khoảng thời gian giới hạn (vài giây) và mô-men xoắn liên tục (miễn là còn năng lượng cung cấp). Mô-men xoắn cực đại yêu cầu dòng điện rất lớn được cấp từ bộ pin, điều này tạo ra nhiệt độ cao trong bộ điện tử công suất và bản thân động cơ.

Để bảo vệ các linh kiện, mô-men xoắn cực đại được giới hạn theo thời gian, nhưng vẫn đủ để cải thiện mạnh mẽ khả năng tăng tốc của xe.

Hình 4: Đồ thị mô-men và công suất của động cơ đốt trong sử dụng tăng áp.

Ngược lại, động cơ đốt trong không thể tạo ra mô-men xoắn cực đại ngay từ tốc độ thấp nhất (chế độ idle). Chúng cũng cần nhiều thời gian hơn để đạt mô-men xoắn cực đại do ảnh hưởng của các chi tiết cơ khí và động học dòng khí nạp (quán tính, độ trễ turbo, v.v.).

Ngay cả những động cơ đốt trong hiện đại và tiên tiến nhất cũng không thể vượt qua động cơ điện về đặc tính truyền động (mô-men xoắn và công suất). Ở góc độ này, động cơ điện rõ ràng là giải pháp tối ưu hơn cho các ứng dụng ô tô.

Một yếu tố quan trọng khác là mật độ mô-men xoắn / công suất. So với động cơ đốt trong, động cơ điện có mật độ mô-men xoắn và mật độ công suất — tính theo khối lượng [Nm/kg, kW/kg] hoặc thể tích [Nm/l, kW/l] — cao hơn ít nhất gấp đôi. Với cùng mức mô-men xoắn hoặc công suất đầu ra, động cơ điện nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn rất nhiều.

3. Độ tin cậy

Hình 5: Renault Zoe powertrain.

Chú thích:

• 1- bộ điều khiển công suất (power electronic controller)
• 2- stato (stator)
• 3- roto (rotor)
• 4- hộp số 1 cấp và vi sai (single speed gearbox and differential)

Vì có ít bộ phận chuyển động hơn so với động cơ đốt trong, động cơ điện có ít nguồn gây hỏng hóc hơn. Đồng thời, nhờ đặc tính mô-men xoắn cao và tốc độ quay lớn của động cơ điện, không cần sử dụng hộp số nhiều cấp; một hộp số cơ khí một cấp là đủ để đáp ứng yêu cầu truyền động.

Ngược lại, động cơ đốt trong có rất nhiều bộ phận chuyển động và các hệ thống phụ trợ khác (hệ thống nhiên liệu, hệ thống xử lý khí thải, v.v.), tất cả đều có thể trở thành nguồn gây hỏng hóc. Hơn nữa, do đặc tính mô-men xoắn của động cơ đốt trong, xe sử dụng ICE bắt buộc phải có hộp số nhiều cấp, đây cũng là một nguồn gây hỏng hóc tiềm tàng.

4. Phân bổ mô-men xoắn

Hình 6: Phân bổ mô-men Rimac Concept One.

Đối với xe điện dẫn động bốn bánh (AWD), độ ổn định khi vào cua có thể được cải thiện bằng cách điều khiển mô-men xoắn đến từng bánh xe. Ngoài ra, so với động cơ đốt trong, động cơ điện có phản hồi mô-men xoắn nhanh hơn và có thể tạo ra mô-men xoắn âm (negative torque).

Động cơ đốt trong chỉ đóng góp rất hạn chế vào sự ổn định của xe; hầu hết thời gian nó chỉ có thể giảm lượng mô-men xoắn được cung cấp.

5. Thu hồi năng lượng & phanh tái tạo

Một lợi thế quan trọng khác của máy điện là khả năng làm việc hai chiều. Điều này có nghĩa là nó có thể tạo ra mô-men xoắn khi được cấp điện, hoặc tạo ra điện năng khi nhận mô-men xoắn từ bên ngoài (do quán tính của xe). Khi máy điện tạo ra mô-men xoắn, nó hoạt động ở chế độ motor; khi nó tạo ra điện năng, nó hoạt động ở chế độ máy phát.

Hình 7: Phân bổ mô-men Rimac Concept One.

Như có thể thấy trong hình trên, mô-men xoắn âm có thể lớn ngang với mô-men xoắn dương.

Điều này có nghĩa là máy điện có thể tạo ra một lượng mô-men phanh rất lớn. Nhờ khả năng điều khiển mô-men phanh ở bất kỳ mức nào trong toàn bộ bản đồ đặc tính, xe điện chạy pin có thể thực hiện các chức năng sau khi người lái nhả bàn đạp ga:

Tất cả các chế độ này có thể được thực hiện khá dễ dàng chỉ bằng việc điều khiển mô-men xoắn của máy điện. Việc kích hoạt từng chế độ tùy thuộc vào từng nhà sản xuất, nhưng đặc tính hoạt động thì giống nhau ở tất cả các xe.

6. Bảo dưỡng – bảo trì (Service maintenance)

Do có ít bộ phận chuyển động và linh kiện hơn, xe điện chạy pin (BEV) dễ bảo dưỡng và chi phí thấp hơn. Ngược lại, để duy trì tình trạng hoạt động tốt, động cơ đốt trong cần được bảo dưỡng định kỳ (thay lọc gió, lọc nhiên liệu, thay dầu, v.v.).

7. Phát thải ô nhiễm (Pollutant emissions)

Vì sử dụng hoàn toàn năng lượng điện cho truyền động, xe điện không bị áp dụng các quy định về khí thải.

8. Xe tự hành (Autonomous vehicles)

Vì ngành công nghiệp ô tô đang chuyển dần sang xe tự hành, việc sử dụng BEV mang lại nhiều lợi thế rõ ràng. Lợi thế lớn nhất là BEV có thể sạc không dây, loại bỏ nhiều nguy cơ tiềm ẩn từ tiếp xúc điện.

Ngoài ra, loại bỏ nhiên liệu lỏng khỏi quá trình nạp năng lượng giúp cải thiện đáng kể mức độ an toàn khi “tiếp nhiên liệu” cho xe.