Giải mã công nghệ Chevrolet Volt

Tại Detroit Auto Show năm 2007, General Motors (GM) đã trình làng một mẫu concept rất bắt mắt, đó chính là tiền thân của chiếc Chevrolet Volt ra đời sau đó 3 năm. Tuy nhiên, điều gây hứng thú hơn chính là công nghệ điện hàm chứa bên trong xe.

Hiện nay, công nghệ này đã gây ra nhiều tranh cãi khi có nhiều người chỉ trích rằng Volt không phải là một chiếc xe điện (EV) đích thực như GM công bố, mà đơn thuần chỉ là một dòng plug-in hybrid (hybrid có thể nạp điện lưới) tương tự như chiếc Toyota Prius plug-in đời mới. Bài viết này sẽ giúp bạn có cái nhìn sâu hơn về giải pháp công nghệ trong chiếc Volt.

Cơ cấu hoạt động

Chevrolet Volt được lắp một khối ắc qui lithium-ion cung cấp điện năng giúp xe có thể hoạt động ở khoảng cách 40 dặm (64km) sau mỗi lần nạp điện. Tuy nhiên, nó còn có một động cơ đốt trong tăng áp chạy xăng dung tích 1 lít, đóng vai trò “máy phát điện” trong trường hợp ắc qui cạn kiệt năng lượng. Trong 64km đầu tiên, cụm ắc qui được nạp đầy điện sẽ cung cấp năng lượng cho mô-tơ điện để xe vận hành. Hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh sẽ giúp bổ sung điện năng cho ắc qui ở chừng mực nào đó.

Tuy nhiên khi xe đi hết 64km, dung lượng ắc qui sẽ giảm xuống mức 30%, ngưỡng được gọi là “customer depletion point” (giới hạn cạn kiệt) nhằm ngăn dung lượng không giảm xuống thấp hơn nữa để duy trì độ bền của ắc qui. Khi đó, động cơ đốt trong sẽ được kích hoạt để tạo ra điện năng cung cấp cho xe tiếp tục hoạt động. Nguồn điện năng này có công suất vào khoảng 50 kW, chủ yếu sẽ được sự dụng để tạo ra động lực cho xe. Và khi lượng điện năng tạo ra cao hơn mức mô-tơ điện cần đến, nặng lượng dư thừa sẽ được nạp vào ắc qui, máy phát sẽ không nạp điện hoàn toàn cho ắc qui. Vì thế, khi xe chưa tới được điểm có thể sạc điện, dung lượng của ắc qui sẽ chỉ ở mức 30% cho tới khi nó được nạp điện đầy đủ.

Nếu không được sạc điện tại điểm nạp, xe sẽ chỉ hoạt động nhờ động cơ đốt trong. Cũng có thể có thời điểm khi điện năng tạo ra vượt mức cần thiết để hoạt động (như trường hợp xe đổ dốc trong khoảng thời gian dài), khi đó ắc qui có thể được nạp tới mức đủ để khiến bộ điều khiển ICE ngừng hoạt động động cơ, tuy nhiên trường hợp đó không xảy ra thường xuyên.

GM cho biết Volt có 2 mô-tơ điện, còn đóng vai trò như các máy phát điện, chứ không phải một. Chúng được kết nối với nhau thông qua một bộ bánh răng hành tinh để xe có thể hoạt động theo 4 chế độ. Chính do cấu tạo này, Volt được giới kỹ sư đánh giá như một dòng plug-in hybid có nhiều chế độ hoạt động song song, tương tư như dòng xe plug-in Toyota  Prius mới.

Tuy vậy, so với Prius, các mô-tơ điện của Volt và động cơ đốt trong được kết nối với bộ bánh răng hành tinh ở các vị trí hoàn toàn khác. Mô-tơ điện chính (còn đóng vai trò máy phát điện để thu hồi năng lượng trong quá trình phanh khi xe giảm tốc) được kết nối với bánh răng mặt trời nằm ở trung tâm bộ bánh răng hành tinh. Còn mô-tơ kiêm máy phát điện thứ hai có thể kết nối với bánh răng vòng ngoài, hoặc động cơ đốt trong, hay cả hai.

Ở chế độ thứ nhất (tốc độ không quá 70 dặm/giờ hay 113km/giờ), mô-tơ chính sẽ đóng vai trò tạo động lực và hoạt đông nhờ nguồn điện lấy từ ắc qui. Mô-tơ thứ hai và động cơ đốt khi đó được tách khỏi hệ thống động lực.

Chuyển sang chế độ thứ hai (có thể đạt tốc độ tối đa 100 dặm/giờ hay 161km/giờ), động cơ đốt trong vẫn chưa kích hoạt. Ở chế độ này bánh răng vòng ngoài sẽ không còn bị khóa và kết nối với mô-tơ điện thứ hai, đóng vai trò giúp bánh răng này hoạt động. Do bánh răng mặt trời đã quay, bất cứ sự vận hành cùng chiều nào của bánh răng vòng ngoài sẽ làm tăng vận tốc chung của hệ bánh răng hành tinh, và như thế làm tăng tốc độ của xe lên hơn mức 113km/giờ.

Với chế độ thứ ba (tốc độ không quá 113 km/giờ), động cơ đốt trong sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính. Khi đó dung lượng của ắc qui đã không còn dồi dào. Bánh răng vòng ngoài sẽ cắt kết nối với mô-tơ điện thứ hai và được cố định như ở chế độ thứ nhất. Mô-tơ chính lại đóng vai trò sản sinh ra động lực giúp xe vận hành. Tuy nhiên, lần này nó lấy điện năng từ động cơ đốt trong, được kết nối với mô-tơ thứ hai đóng vai trò như một máy phát điện.

Ở chế độ thứ 4 (tốc độ có thể đạt 161 km/giờ), động cơ đốt trong sẽ vận hành trực tiếp bánh răng vòng ngoài và còn kết nối với mô-tơ thứ hai để tạo ra điện năng. So với chế độ 3, trong trường hợp này động cơ sẽ phải hoạt động ở tải trọng lớn hơn do vừa phải giúp xoay bánh răng vòng ngoài để xe hoạt động vừa phải làm xoay trục của máy phát điện.

Ắc qui lithium-ion

Khi mẫu concept Volt được giới thiệu năm 2007, công nghệ ắc qui lithium-ion vẫn chưa được ứng dụng trong ngành ôtô, song đó là công nghệ đầy tiềm năng cho tương lai so với các loại ắc qui chì hay ắc qui nikel trước đó. Và GM đã sử dụng một phòng thí nghiệm ắc qui đặt tại cơ sở nghiên cứu động cơ đốt trong truyền thống xây dựng năm 1950 ở Warren Tech Center để thử nghiệm loại ắc qui này liên tục 24/24 giờ và suốt 7 ngày trong tuần. Một hệ thống tự động trong cơ sở sẽ giám sát từng phòng thử nghiệm và thông báo ngay lập tức cho nhân viên khi xảy ra trục trặc. Nếu cần, hệ thống có thể thông báo cho nhân viên thử nghiệm từ xa, bất luận họ ở nơi nào trên thế giới và dừng thử nghiệm. Chính vì thế nhân viên phòng thí nghiệm thông thường vẫn chỉ phải làm từ 5-9 giờ/ngày.

Hệ thống ắc qui dung tích 16 kWh này của Volt được thử nghiệm tại các phòng thử có thể điểu chỉnh về nhiệt độ và độ ẩm, nhằm tạo ra điều kiện hệt như ở một khu vực trên thế giới, nơi chiếc xe được tiêu thụ. Khoảng chênh lệch nhiệt độ trong các phòng thử này có thể thay đổi từ -68 độ F đến 168 độ F (từ -55,6°C đến 75,6°C).

Các kỹ sư GM còn tạo ra điều kiện vận hành thực tế để thử nghiệm ắc qui lithium-ion. Những ắc qui này ban đầu được nạp điện đầy đủ, sau đó rút hết điện, dùng để vận hành xe ở chế độ nạp điện cho tới khi hết điện và sau đó sạc lại. Trong chu trình thử nghiệm này, ắc qui hoạt động như thể có ai đó thực sự đang điều khiển xe – nghĩa là trong sự thay đổi các mức cung cấp điện (chân ga), phanh… Một chu trình thử sẽ kéo dài khoảng 8 tiếng và các chu trình sẽ diễn ra liên tục. Điều này có nghĩa là trong vòng 24 giờ mỗi cụm ắc qui có thể thử nghiệm tương đương với ôtô vận hành trên quãng đường từ 1.200-1.600 dặm (1.930-2.574 km). GM muốn hoàn tất quá trình thử ắc qui này tương đương với khoảng 10 năm sử dụng vào năm 2012 để phục vụ cho mục đích bảo hành tới 8 năm chiếc Volt.

Đối diện với cơ sở thử cụm ắc qui là cơ sở thử từng chiếc pin lithium-ion của GM. Cơ sở này cho phép GM thử từng chiếc pin để xem chúng phản ứng như thế nào với các điều kiện khác nhau cụ thể. Một nguyên nhân nữa là việc thử từng viên pin của các nhà sản xuất khác nhau sẽ giúp đưa ra quyết định về nhà cung cấp. Các phòng thử từng viên pin đơn lẻ cũng có cơ cấu hoạt động hệt như các phòng thử cả khối pin, song, nhỏ hơn và có phạm vi thay đổi nhiệt độ lớn hơn.

Chính nhờ những giải pháp công nghệ trên mà chiếc Chevrolet Volt chỉ tiêu tốn có 1,85 lít xăng/100km trong một cuộc thử nghiệm do các phóng viên tạp chí MotorTrend tiến hành. Cũng trong cuộc thử nghiệm này, trên đường cao tốc chạy qua sa mạc và núi với thay đổi về độ cao, Chervolet Volt cùng chỉ tiêu thụ 3,1 lít xăng /100km.

•Lan Khanh