Xe điện chạy thế nào: pin, động cơ từ trường và phanh tái sinh

Xe điện chạy bằng cách lấy điện cất trong bộ pin lớn, đưa qua một bộ điều khiển, rồi cấp cho động cơ điện để quay bánh xe. Động cơ điện quay được là nhờ lực từ: dòng điện chạy trong cuộn dây tạo ra nam châm điện, đẩy và hút nam châm bên trong động cơ. Khi xe giảm tốc, động cơ có thể đảo vai trò thành máy phát điện, nạp ngược một phần năng lượng vào pin. Không có xăng, không có nổ, không có ống xả.

Xe điện không phải phát minh mới

Nhiều người nghĩ xe điện là thứ của vài chục năm gần đây. Thật ra, ở cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, xe điện từng khá phổ biến ở các thành phố châu Âu và Mỹ, chạy song song với xe hơi nước và xe chạy xăng. Theo các tài liệu lịch sử của Bộ Năng lượng Mỹ, khoảng năm 1900, xe điện chiếm khoảng một phần ba số ô tô trên đường phố nước này. Chúng êm, sạch, không phải quay tay để khởi động.

Rồi xe xăng thắng thế: xăng rẻ, đổ đầy bình rất nhanh, chạy được xa, trong khi pin thời đó nặng, chạy ngắn và sạc lâu. Xe điện gần như biến mất khỏi đường phố trong nhiều thập kỷ. Chúng chỉ quay lại mạnh mẽ khi pin lithium-ion — loại pin trong điện thoại của bố mẹ em — trở nên đủ tốt và đủ rẻ, từ khoảng những năm 2010.

Bộ pin: bình xăng của xe điện

Bộ pin xe điện thực chất là hàng trăm đến hàng nghìn viên pin nhỏ ghép lại, xếp thành các khối, đặt trong một hộp kim loại lớn dưới sàn xe. Mỗi viên pin lithium-ion có hai cực; khi pin xả, các ion lithium di chuyển từ cực này sang cực kia bên trong pin, còn electron chạy qua mạch ngoài — đó là dòng điện cấp cho xe. Khi sạc, quá trình đi ngược lại.

Bộ pin ô tô điện làm việc ở điện áp vài trăm vôn, cao hơn rất nhiều so với pin tiểu 1,5 vôn hay ổ điện trong nhà. Vì vậy các dây cáp điện áp cao trên xe điện thường có màu cam để báo hiệu, và chỉ thợ được đào tạo riêng mới được sửa. Không bao giờ tự mở, chạm vào hay đứng gần bộ pin xe điện bị hỏng, bị ngập nước hay đang bốc khói — hãy tránh xa và báo người lớn.

Pin cũng sinh nhiệt khi làm việc. Bộ pin xe điện có hệ thống làm mát hoặc sưởi để giữ pin trong khoảng nhiệt độ thích hợp, vì pin quá nóng thì nhanh hỏng, quá lạnh thì yếu đi.

Động cơ điện quay thế nào

Hãy nhớ một điều em có thể đã thấy: hai thanh nam châm, cực cùng tên thì đẩy nhau, cực khác tên thì hút nhau. Động cơ điện tận dụng đúng điều đó.

1. Phần đứng yên bên ngoài (gọi là stato) có nhiều cuộn dây đồng. Khi dòng điện chạy qua, mỗi cuộn dây thành một nam châm điện.
2. Phần quay bên trong (gọi là rôto) có nam châm, hoặc có các thanh kim loại mà từ trường làm nó nhiễm từ.
3. Bộ điều khiển bật tắt dòng điện qua các cuộn dây theo thứ tự rất nhanh, khiến từ trường "chạy vòng" quanh stato.
4. Rôto bị từ trường đang chạy vòng đó kéo theo, và quay. Trục rôto nối với bánh xe qua bộ bánh răng.

Muốn xe chạy nhanh hơn, bộ điều khiển cho từ trường chạy vòng nhanh hơn và cấp nhiều dòng điện hơn. Muốn lùi, chỉ cần đảo thứ tự bật cuộn dây — động cơ quay ngược. Vì vậy nhiều xe điện không cần hộp số nhiều cấp như xe xăng.

Vì sao xe điện tiết kiệm năng lượng hơn

Động cơ xăng đốt nhiên liệu để tạo khí nóng giãn nở đẩy pít-tông. Phần lớn năng lượng của xăng biến thành nhiệt thoát ra qua ống xả và két làm mát, chỉ một phần nhỏ, thường dưới một phần ba, thành chuyển động quay bánh xe. Động cơ điện thì biến phần lớn điện năng thành chuyển động, thường khoảng 85–95% tùy loại và tùy lúc vận hành.

	Xe chạy xăng	Xe điện
Nguồn năng lượng mang theo	Xăng trong bình	Điện trong bộ pin
Cách tạo chuyển động	Đốt nhiên liệu, khí nóng đẩy pít-tông	Lực từ trong động cơ điện
Phần năng lượng thành chuyển động	Nhỏ, phần lớn thành nhiệt	Phần lớn
Khi đứng yên chờ đèn đỏ	Động cơ thường vẫn nổ (trừ xe có tính năng tự tắt)	Động cơ không quay, gần như không tốn điện cho chuyển động
Khi phanh	Năng lượng thành nhiệt ở má phanh	Một phần nạp lại vào pin
Tiếp năng lượng	Đổ xăng vài phút	Sạc từ vài chục phút đến nhiều giờ, tùy loại sạc

Một lưu ý công bằng: xe điện sạch ở chỗ nó chạy, nhưng điện để sạc pin có thể đến từ nhà máy nhiệt điện than, thủy điện, điện mặt trời hay điện gió. Việc làm pin cũng tốn nhiều năng lượng và khoáng sản. Vì vậy, xe điện có lợi cho môi trường đến đâu còn phụ thuộc vào nguồn điện của từng nước và cách tái chế pin — đây là chủ đề các nhà khoa học vẫn đang tính toán và thảo luận.

Phanh tái sinh: lấy lại năng lượng khi giảm tốc

Có một điều kỳ lạ về động cơ điện: nếu em cấp điện, nó quay; nếu em dùng sức quay nó, nó sinh ra điện. Động cơ điện và máy phát điện về cơ bản là cùng một cỗ máy.

Xe điện tận dụng điều này. Khi người lái nhả chân ga hoặc đạp phanh nhẹ, bộ điều khiển chuyển động cơ sang chế độ máy phát. Bánh xe đang quay, kéo rôto quay, động cơ sinh điện nạp vào pin — và việc sinh điện này tạo ra lực cản làm xe chậm lại. Đó là phanh tái sinh. Nó không lấy lại được hết năng lượng, và khi cần dừng gấp, xe vẫn dùng phanh thường có má phanh. Nhưng trong thành phố, nơi xe phải giảm tốc liên tục, phanh tái sinh giúp xe đi được xa hơn với cùng một lần sạc.

Khí động học quan trọng với xe điện thế nào

Vì động cơ điện ít lãng phí, những khoản hao phí khác trở nên đáng kể hơn — trong đó lớn nhất khi chạy nhanh là sức cản không khí. Đó là lý do nhiều mẫu xe điện có mặt trước kín (không cần lưới tản nhiệt to như xe xăng), mâm xe phẳng, gầm xe được che kín, đuôi xe vuốt gọn. Mỗi phần trăm sức cản giảm được là thêm một đoạn đường đi được với cùng một lần sạc.

Xe điện cũng thường có trọng tâm thấp, vì bộ pin nặng nằm dưới sàn — một lợi thế về độ vững khi vào cua.

Thử làm: động cơ đồ chơi thành máy phát điện

Thí nghiệm này dùng điện áp rất thấp nên an toàn, nhưng vẫn nên có người lớn bên cạnh. Chỉ dùng động cơ đồ chơi nhỏ và pin tiểu, tuyệt đối không dùng ổ điện trong nhà.

1. Lấy một động cơ điện một chiều nhỏ (loại trong xe đồ chơi cũ hoặc bộ đồ dùng khoa học) và một đèn LED nhỏ.
2. Nối động cơ với một hộp pin hai viên pin tiểu: động cơ quay. Đây là chiều "điện thành chuyển động".
3. Tháo pin ra. Nối hai dây của động cơ vào hai chân đèn LED.
4. Gắn một bánh xe hoặc nắp chai vào trục động cơ, rồi xoay thật nhanh bằng ngón tay, hoặc quấn sợi chỉ quanh trục rồi giật mạnh.
5. Nếu LED không sáng, đảo hai dây nối với LED (LED chỉ cho điện đi một chiều) hoặc xoay ngược chiều.

Khi LED nháy sáng, em vừa thấy tận mắt chiều "chuyển động thành điện" — chính là điều phanh tái sinh của xe điện làm mỗi khi xe giảm tốc. Em cũng sẽ cảm thấy trục khó xoay hơn một chút khi LED đang được nối: đó là lực cản sinh ra khi máy phát làm việc.

Câu hỏi thường gặp

Xe điện chạy bằng gì?

Xe điện chạy bằng điện cất trong bộ pin lớn đặt dưới sàn xe. Điện được bộ điều khiển đưa vào động cơ điện, động cơ dùng lực từ để quay, rồi quay bánh xe qua bộ bánh răng. Xe không đốt nhiên liệu nên không có khí thải từ ống xả.

Phanh tái sinh là gì?

Phanh tái sinh là khi xe giảm tốc, động cơ điện chuyển sang làm máy phát, biến chuyển động của bánh xe thành điện nạp lại vào pin. Việc sinh điện đó cũng làm xe chậm lại. Xe vẫn có phanh thường để dừng gấp.

Vì sao xe điện tiết kiệm năng lượng hơn xe xăng?

Động cơ xăng biến phần lớn năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt, chỉ một phần nhỏ thành chuyển động. Động cơ điện biến phần lớn điện năng thành chuyển động, lại không tốn năng lượng khi đứng chờ và lấy lại được một phần năng lượng khi phanh.

Xe điện có từng xuất hiện trước xe xăng không?

Có. Xe điện đã chạy trên đường phố từ cuối thế kỷ 19, và khoảng năm 1900 chúng chiếm khoảng một phần ba số ô tô ở Mỹ. Sau đó xe xăng thắng thế nhờ xăng rẻ và chạy xa, đến khi pin lithium-ion tốt và rẻ hơn thì xe điện mới quay lại.

Pin xe điện có nguy hiểm không?

Bộ pin xe điện làm việc ở điện áp vài trăm vôn, nên chỉ thợ được đào tạo mới được sửa. Khi sử dụng bình thường, xe được thiết kế an toàn. Nếu thấy xe điện bị ngập nước, hư hỏng sau va chạm hay bốc khói, hãy tránh xa và báo người lớn ngay.