BEV là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của xe điện chạy pin

BEV là viết tắt của Battery Electric Vehicle, tức xe điện chạy hoàn toàn bằng năng lượng lưu trữ trong pin. Khác với xe hybrid, BEV không sử dụng động cơ đốt trong để tạo lực kéo. Năng lượng từ bộ pin cao áp được chuyển đổi và điều khiển để cung cấp cho mô-tơ điện, sau đó truyền mô-men xoắn tới bánh xe.

Để hiểu một chiếc BEV hoạt động như thế nào, có thể bắt đầu từ một chuỗi đơn giản: nguồn điện → hệ thống sạc → pin → điện công suất → mô-tơ điện → truyền lực → bánh xe. Trong quá trình giảm tốc, mô-tơ điện còn có thể hoạt động như máy phát để thu hồi một phần năng lượng thông qua phanh tái sinh.

Tóm tắt: BEV là xe sử dụng pin làm nguồn năng lượng chính và mô-tơ điện làm nguồn tạo lực kéo. Pin được nạp từ nguồn điện bên ngoài và có thể nhận thêm năng lượng thu hồi khi phanh tái sinh. Các hệ thống như BMS, bộ biến đổi công suất, mô-tơ điện, DC-DC, quản lý nhiệt và truyền lực phối hợp để biến năng lượng điện thành chuyển động của xe.

BEV là gì?

BEV (Battery Electric Vehicle) là loại xe sử dụng năng lượng điện được lưu trữ trong bộ pin để cung cấp cho hệ thống truyền động điện.

Điểm cốt lõi của BEV nằm ở kiến trúc truyền động: xe không cần động cơ đốt trong để tạo lực kéo. Thay vào đó, điện năng từ pin được đưa qua các thiết bị điện công suất để điều khiển mô-tơ điện.

Trong cách sử dụng phổ biến, BEV cũng thường được gọi đơn giản là “xe điện” hoặc “EV”. Tuy nhiên, thuật ngữ EV có thể được sử dụng rộng hơn trong giao tiếp để chỉ nhiều loại xe có hệ thống truyền động điện, trong khi BEV xác định rõ hơn loại xe chạy hoàn toàn bằng pin.

BEV vận hành theo dòng năng lượng nào?

Nhìn theo chuỗi này, BEV không đơn giản chỉ là “pin + mô-tơ”. Khả năng vận hành của xe phụ thuộc vào sự phối hợp giữa nhiều hệ thống điện, điện tử, nhiệt và cơ khí.

Cấu tạo chính của một chiếc BEV

Pin kéo cao áp

Pin kéo cao áp là nơi lưu trữ phần lớn năng lượng dùng cho hệ thống truyền động. Đây là bộ pin lớn hơn nhiều so với ắc quy phụ 12V và được thiết kế để cung cấp công suất cần thiết cho mô-tơ điện cũng như các hệ thống điện cao áp.

Phần lớn BEV hiện nay sử dụng pin lithium-ion với nhiều cấu hình hóa học khác nhau. LFP là một lựa chọn trong nhóm pin lithium-ion, nhưng không phải mọi BEV đều sử dụng cùng một hóa học pin.

Hệ thống quản lý pin BMS

BMS (Battery Management System) là hệ thống điện tử có nhiệm vụ giám sát và quản lý trạng thái của bộ pin.

Tùy thiết kế của từng xe, BMS có thể theo dõi các thông số như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sạc của các phần tử trong bộ pin, đồng thời phối hợp với các hệ thống khác để duy trì điều kiện vận hành phù hợp.

VinFast cũng mô tả BMS là hệ thống theo dõi trạng thái pin, quản lý quá trình sạc/xả và thực hiện các chức năng bảo vệ. Trong tài liệu hướng dẫn sử dụng, VinFast lưu ý rằng khi hệ thống bảo vệ được kích hoạt, pin có thể hạn chế hoặc cắt đầu ra điện để bảo vệ hệ thống.

Vì vậy, BMS không nên được hiểu đơn giản là một “bộ điều khiển pin” độc lập. Nó là một thành phần quan trọng trong mạng lưới quản lý năng lượng và an toàn của toàn bộ hệ thống điện cao áp.

Nếu muốn tìm hiểu sâu hơn, có thể xem bài BMS và cân bằng cell pin trên xe điện.

Cổng sạc

Cổng sạc là điểm kết nối giữa xe và thiết bị cấp điện bên ngoài.

Thông qua cổng sạc, xe nhận năng lượng từ nguồn điện AC hoặc DC tùy loại hệ thống sạc. Sau đó, hệ thống điều khiển và điện công suất của xe phối hợp với thiết bị sạc để kiểm soát quá trình nạp năng lượng vào bộ pin.

Bộ sạc trên xe OBC

OBC (On-Board Charger) là bộ sạc được tích hợp trên xe, chủ yếu dùng trong quá trình sạc AC.

Khi sạc AC, nguồn điện xoay chiều từ bên ngoài được đưa vào xe và OBC thực hiện quá trình chuyển đổi cần thiết để cung cấp điện DC phù hợp cho hệ thống pin.

Điểm này cần phân biệt rõ với sạc DC. Trong kiến trúc sạc DC, quá trình chuyển đổi công suất chính được thực hiện ở thiết bị sạc bên ngoài, sau đó điện DC được đưa vào hệ thống điện cao áp của xe dưới sự kiểm soát của các hệ thống quản lý và bảo vệ. Vì vậy, không nên mô tả sạc DC đơn giản là “điện đi thẳng vào pin” mà bỏ qua các tầng kiểm soát an toàn và quản lý công suất.

Bộ biến đổi công suất và inverter

Inverter là một thành phần quan trọng trong hệ thống truyền động điện. Nó điều khiển dòng điện cung cấp cho mô-tơ điện, giúp mô-tơ tạo ra mô-men xoắn phù hợp với yêu cầu vận hành.

Trong nhiều kiến trúc BEV, pin cung cấp điện một chiều DC trong khi mô-tơ kéo có thể sử dụng điện xoay chiều AC. Bộ điện công suất thực hiện việc chuyển đổi và điều khiển điện năng giữa các thành phần này.

Đây là lý do inverter không nên được hiểu đơn giản là một “bộ đổi điện”. Nó là một phần của hệ thống điều khiển công suất có vai trò trực tiếp trong việc điều khiển mô-tơ.

Có thể tìm hiểu sâu hơn tại bài Inverter trên ô tô điện VinFast.

Mô-tơ điện

Mô-tơ điện biến năng lượng điện thành mô-men xoắn để tạo lực kéo.

BEV có thể sử dụng một hoặc nhiều mô-tơ điện tùy kiến trúc. Một số xe dùng một mô-tơ cho một cầu, trong khi những xe khác có thể sử dụng nhiều mô-tơ để điều khiển các cầu khác nhau.

Khi xe tăng tốc, hệ thống điều khiển thay đổi lượng công suất cung cấp cho mô-tơ theo yêu cầu của người lái và điều kiện vận hành.

Khi giảm tốc, mô-tơ điện có thể chuyển sang chế độ phát điện để thu hồi một phần động năng của xe. Đây là cơ sở của phanh tái sinh.

Xem thêm: Mô-tơ điện trên ô tô điện VinFast.

Bộ chuyển đổi DC-DC và hệ thống điện phụ

BEV không chỉ có một hệ thống điện áp cao.

Xe còn có các tải điện áp thấp phục vụ những hệ thống như điều khiển, chiếu sáng, thiết bị điện tử và các chức năng phụ trợ. Bộ chuyển đổi DC-DC thực hiện việc chuyển đổi điện áp DC cao từ hệ thống pin kéo sang mức điện áp thấp phù hợp với các hệ thống này và hỗ trợ sạc ắc quy phụ.

Xem thêm: Bộ chuyển đổi DC-DC trên ô tô điện VinFast.

Hệ thống quản lý nhiệt

Pin, mô-tơ, điện công suất và các hệ thống liên quan đều có giới hạn nhiệt độ vận hành. Vì vậy, BEV cần các giải pháp quản lý nhiệt để duy trì điều kiện làm việc phù hợp.

Hệ thống quản lý nhiệt có thể liên quan đến pin, mô-tơ, điện công suất và khoang hành khách tùy kiến trúc từng xe.

Đây cũng là một trong những lý do nhiệt độ môi trường có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và quãng đường sử dụng của BEV.

Xem thêm: Hệ thống làm mát pin ô tô điện VinFast.

Truyền lực và bộ giảm tốc

BEV không cần hộp số nhiều cấp theo kiểu phổ biến trên nhiều xe động cơ đốt trong để tạo ra các cấp truyền khác nhau. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa xe điện không có hệ thống truyền lực.

Giữa mô-tơ và bánh xe vẫn có thể có bộ giảm tốc, bộ vi sai và bán trục. Các bộ phận này giúp điều chỉnh tốc độ quay và truyền mô-men xoắn tới bánh xe theo kiến trúc của xe.

Vì vậy, cách nói chính xác hơn là BEV thường sử dụng hệ thống truyền lực với bộ giảm tốc, thay vì khẳng định tuyệt đối rằng “xe điện không có hộp số”.

Xem thêm: Hệ thống truyền lực và bộ giảm tốc trên ô tô điện VinFast.

BEV hoạt động như thế nào khi xe chạy?

Khi người lái tăng tốc

Khi người lái yêu cầu tăng tốc, hệ thống điều khiển xác định nhu cầu mô-men và công suất. Điện năng từ pin cao áp được đưa qua hệ thống điện công suất để điều khiển mô-tơ điện.

Mô-tơ tạo mô-men xoắn, sau đó mô-men được truyền qua bộ giảm tốc và các bộ phận truyền lực tới bánh xe.

Pin → điện công suất → mô-tơ → giảm tốc/truyền lực → bánh xe

Khi xe chạy ổn định

Khi xe đã đạt tốc độ mong muốn, hệ thống điều khiển liên tục điều chỉnh công suất theo tải thực tế. Mức tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào tốc độ, tải trọng, địa hình, nhiệt độ, điều hòa và nhiều yếu tố khác.

Do đó, công suất cực đại của mô-tơ không đồng nghĩa với việc xe luôn sử dụng công suất đó trong suốt hành trình.

Khi xe giảm tốc

Khi người lái giảm tốc, mô-tơ điện có thể chuyển sang chế độ phát điện. Động năng của xe được chuyển một phần thành điện năng và đưa trở lại hệ thống pin thông qua quá trình phanh tái sinh.

Năng lượng thu hồi không phải là toàn bộ năng lượng đã sử dụng để tăng tốc. Quá trình chuyển đổi luôn có tổn hao và mức năng lượng thu hồi phụ thuộc vào điều kiện vận hành cũng như chiến lược điều khiển của xe.

Khi xe dừng

Khi xe dừng, hệ thống điều khiển giảm hoặc ngắt công suất kéo tới mô-tơ theo trạng thái vận hành. Các hệ thống điện phụ vẫn có thể tiếp tục hoạt động bằng nguồn điện phù hợp.

BEV sạc như thế nào?

Về nguyên tắc, BEV có thể nhận năng lượng từ nguồn điện bên ngoài thông qua hệ thống sạc. Cách sạc phổ biến có thể chia thành AC và DC.

Sạc AC

Khi sạc AC, điện xoay chiều từ nguồn điện được đưa vào xe. OBC thực hiện quá trình chuyển đổi điện năng cần thiết để hệ thống pin có thể nhận năng lượng.

Tốc độ sạc AC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công suất nguồn, thiết bị sạc, khả năng tiếp nhận của OBC và trạng thái của pin.

Sạc DC

Với sạc DC, thiết bị sạc bên ngoài thực hiện phần chuyển đổi AC/DC chính trước khi cung cấp điện DC cho hệ thống điện cao áp của xe.

Do đó, công suất sạc DC có thể cao hơn đáng kể so với nhiều hệ thống sạc AC tích hợp trên xe. Tuy nhiên, công suất thực tế không cố định ở mức tối đa của trụ sạc.

Vì sao công suất sạc thực tế có thể thấp hơn công suất trụ?

Công suất sạc thực tế phụ thuộc vào khả năng tiếp nhận của xe, trạng thái pin, nhiệt độ, mức SoC, chiến lược bảo vệ pin và giới hạn của hệ thống sạc.

Vì vậy, không nên hiểu rằng một trụ sạc công suất cao sẽ luôn nạp điện cho mọi xe ở đúng mức công suất ghi trên trụ.

Để tìm hiểu sâu hơn về hệ thống sạc, có thể tham khảo giải pháp pin và trạm sạc xe điện.

Phanh tái sinh trên BEV hoạt động ra sao?

Phanh tái sinh là quá trình tận dụng một phần động năng của xe khi giảm tốc để tạo ra điện năng.

Trong quá trình này, mô-tơ điện hoạt động theo chiều ngược lại: thay vì nhận điện để tạo mô-men kéo, nó hoạt động như một máy phát và chuyển đổi một phần cơ năng thành điện năng.

Điện năng thu hồi được đưa trở lại hệ thống pin thông qua hệ thống điện công suất và điều khiển phù hợp.

Phanh tái sinh không thay thế hoàn toàn phanh ma sát trong mọi tình huống. Hệ thống phanh của xe vẫn phải đáp ứng yêu cầu giảm tốc và dừng xe trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau.

Quãng đường BEV phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Quãng đường xe có thể đi sau mỗi lần sạc không chỉ phụ thuộc vào dung lượng pin.

Các yếu tố quan trọng gồm:

• Dung lượng và hiệu suất sử dụng năng lượng của pin.
• Tốc độ di chuyển.
• Điều kiện giao thông và địa hình.
• Nhiệt độ môi trường.
• Mức sử dụng điều hòa và các thiết bị điện.
• Khối lượng người và hàng hóa.
• Phong cách tăng tốc và giảm tốc.
• Tình trạng lốp và điều kiện mặt đường.

Vì vậy, không nên dùng một con số quãng đường công bố trong điều kiện thử nghiệm để suy ra chính xác quãng đường của mọi hành trình thực tế.

BEV có những ưu điểm và giới hạn kỹ thuật nào?

BEV có ít bộ phận chuyển động trong hệ thống truyền động hơn xe sử dụng động cơ đốt trong. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa BEV không cần bảo dưỡng.

BEV khác EV như thế nào?

Đây là điểm dễ gây nhầm lẫn khi tìm kiếm thông tin về xe điện.

BEV xác định một kiến trúc cụ thể: xe chạy bằng điện từ pin và không sử dụng động cơ đốt trong để tạo lực kéo.

EV có thể được dùng như cách gọi chung trong giao tiếp cho xe sử dụng hệ thống truyền động điện. Trong một số tài liệu, thuật ngữ này được dùng rộng hơn và có thể bao gồm nhiều loại xe điện hóa khác nhau.

Vì vậy, khi nói chính xác về kiến trúc xe, BEV là thuật ngữ phù hợp hơn nếu muốn chỉ xe điện chạy hoàn toàn bằng pin.

BEV có phải là xe “không phát thải” không?

Cần phân biệt phát thải tại xe và phát thải trong toàn bộ vòng đời năng lượng.

BEV không có khí xả từ ống xả vì không sử dụng động cơ đốt trong để tạo lực kéo.

Do đó, cách diễn đạt chính xác hơn là: BEV không có phát thải khí xả trực tiếp trong quá trình vận hành.

Từ BEV đến các hệ thống kỹ thuật liên quan

BEV là một kiến trúc tổng thể. Để hiểu sâu hơn, có thể tiếp tục theo chuỗi năng lượng và lực kéo:

• Pin và BMS → hiểu cách hệ thống giám sát và quản lý pin.
• Hệ thống điện cao áp → hiểu mạng điện cung cấp năng lượng cho xe.
• Inverter → hiểu cách điện công suất điều khiển mô-tơ.
• Mô-tơ điện → hiểu cách điện năng biến thành mô-men xoắn.
• DC-DC → hiểu cách cung cấp điện áp thấp cho các hệ thống phụ.
• Hệ thống làm mát pin → hiểu vai trò của quản lý nhiệt.
• Truyền lực và bộ giảm tốc → hiểu cách mô-men từ mô-tơ tới bánh xe.

Toàn bộ chuỗi này có thể được hình dung bằng một nguyên tắc: lưu trữ năng lượng → điều khiển năng lượng → tạo mô-men → truyền mô-men → tạo chuyển động.

Nếu muốn nhìn BEV trong bức tranh rộng hơn của các kiến trúc xe điện hóa, có thể xem bài BEV, HEV, PHEV và REEV khác nhau thế nào? để so sánh cách các loại xe sử dụng nguồn năng lượng, lưu trữ năng lượng và truyền lực tới bánh xe.

BEV trong thực tế: xe điện VinFast

Các dòng ô tô điện VinFast là những ví dụ thực tế của kiến trúc BEV, trong đó pin cao áp, BMS, điện công suất, mô-tơ điện, hệ thống quản lý nhiệt và truyền lực phối hợp để tạo ra chuyển động.

Tuy nhiên, cấu hình kỹ thuật cụ thể không giống nhau trên mọi mẫu xe. Loại pin, dung lượng, số lượng mô-tơ, công suất sạc, hệ thống nhiệt và các thiết bị điện công suất có thể thay đổi theo từng mẫu xe và từng phiên bản.

Vì vậy, khi tìm hiểu một mẫu VinFast cụ thể, nên sử dụng thông số kỹ thuật và tài liệu chính thức của đúng mẫu xe thay vì suy luận từ kiến trúc BEV chung.

Trong hệ thống nội dung của Hưng Thịnh Phát, phần kiến thức BEV này đóng vai trò nền tảng để người đọc tiếp tục tìm hiểu sâu hơn về pin, BMS, cao áp, inverter, mô-tơ, sạc và truyền động trên xe điện VinFast.

Kết luận

BEV là xe điện chạy bằng năng lượng lưu trữ trong pin và sử dụng mô-tơ điện để tạo lực kéo. Đằng sau cách vận hành tưởng như đơn giản đó là một hệ thống gồm pin cao áp, BMS, cổng sạc, điện công suất, inverter, mô-tơ, DC-DC, quản lý nhiệt và truyền lực.

Điểm quan trọng nhất khi tìm hiểu BEV không phải chỉ là dung lượng pin hay công suất mô-tơ, mà là hiểu dòng năng lượng đi qua toàn bộ hệ thống: từ nguồn điện, vào pin, được quản lý và chuyển đổi, tạo thành mô-men xoắn rồi truyền tới bánh xe.

Từ nền tảng này, người dùng có thể tiếp tục tìm hiểu sâu hơn về từng hệ thống như BMS, pin LFP, điện cao áp, inverter, mô-tơ điện, sạc và bộ giảm tốc.

Nguồn tham khảo

• U.S. Department of Energy – Alternative Fuels Data Center: All-Electric Vehicles
• U.S. Department of Energy – How Do All-Electric Cars Work?
• U.S. Department of Energy – Electric Vehicles
• U.S. Department of Energy – Batteries for Electric Vehicles
• SAE International – J1715_202209: Hybrid Electric Vehicle (HEV) and Electric Vehicle (EV) Terminology
• VinFast – Các khái niệm cần quan tâm khi sử dụng xe ô tô điện