Những công nghệ động cơ điện hiệu quả và đa năng tại triển lãm CES

Ngành công nghiệp xe còn nhiều điều để nghiên cứu và phát triển trong mảng động cơ sử dụng điện. Tương tự khoảng thời gian trước đây, khi các nhà phát minh liên tục nghiên cứu và thử nghiệm những loại nhiên liệu (chẳng hạn như napta), bố trí xy lanh (X4) hay hệ thống van (Knight sleeve valves).

Các nhà cung cấp hàng đầu mong muốn khẳng định quá trình chuyển đổi sang công nghệ điện hóa và đã đem tới một số bước tiến đáng kể tại triển lãm CES 2024.

1. Động cơ đồng bộ tự kích thích (Self-Excited Synchronous Machine)

Còn mang tên “kích thích ngoài” hoặc “kích thích điện”, công nghệ này về cơ bản sử dụng chung ý tưởng với những gì BMW trang bị trên mẫu iX mới của hãng: thay vì sử dụng nam châm vĩnh cửu, rotor giờ đây sở hữu nam châm điện cần được cấp năng lượng thông qua trục truyền động.

BMW lựa chọn sử dụng chổi than (brushes) và vòng trượt (slip rings) tương tự như những mẫu xe đồ chơi, tuy nhiên những thiết bị truyền công suất cần được tách biệt cẩn thận khỏi dầu động cơ hoặc dầu bánh răng truyền động, những chi tiết chịu ma sát, tổn thất dẫn nhiệt ở nhiệt độ thấp và sự mài mòn.

ZF và Schaeffler gần đây đã thiết kế một giải pháp cho vấn đề này. Các bộ phận cố định và quay truyền năng lượng qua khoảng cách 0,8mm theo cách tương tự như bộ sạc điện thoại cảm ứng nạp năng lượng cho điện thoại.

Vì toàn bộ năng lượng truyền động cho xe đều đi qua stator, việc cung cấp năng lượng cho cuộn dây đồng của rotor chỉ tốn khoảng 3kW (có thể là 5kW nếu mục tiêu của hãng là tạo ra một siêu xe với công suất 1.000 mã lực, có khả năng tăng tốc lên 100km/h trong 3 giây).

Hệ thống này có một số ưu điểm; so với hệ thống trang bị chổi than và vòng trượt, nó có kích thước nhỏ hơn nhiều. Theo Tiến sĩ Matthias Beringer, người đứng đầu hệ thống phát triển tiên tiến và động cơ điện của ZF, quá trình truyền năng lượng đạt hiệu suất khoảng 98% và hiệu quả hơn 15% so với hệ thống chổi than và vòng trượt, nhưng đó không phải là lý do để hãng lựa chọn công nghệ này.

Lợi ích lớn nhất của hệ thống này là sự hiệu quả khi di chuyển ở tốc độ cao. Nếu sử dụng nam châm lớn để nâng cao khả năng tăng tốc, dòng điện ngược sinh ra khi quay nhanh có thể gây vấn đề khi duy trì tốc độ ổn định trong điều kiện nhu cầu thấp về năng lượng.

Trong một số trường hợp, vấn đề này đòi hỏi một dòng điện ngược được sử dụng dưới danh nghĩa làm suy yếu trường. Vì nam châm điện được cung cấp năng lượng theo yêu cầu, chúng luôn có thể yếu hoặc mạnh theo mong muốn của người dùng. Khi giá đồng vẫn còn thấp hơn giá của các nguyên liệu đất hiếm, loại động cơ điện này sẽ có giá thấp hơn và rất có thể trọng lượng cũng nhẹ hơn.

2. Công nghệ làm mát bơm trực tiếp qua rãnh của Schaeffler (Schaeffler Direct-Injected Slot Cooling)

Người hâm mộ đã vô cùng ấn tượng với ý tưởng của Lucid về việc đưa dầu làm mát thông qua các khe rãnh được đặt bên trong các tấm thép ngay giữa các cuộn dây stator thanh đồng giúp cải thiện hiệu quả làm mát bộ phận làm việc nặng nhất trong động cơ điện (hầu hết các thiết kế khác chỉ làm mát phía bên ngoài stator). Schaeffler đặt mục tiêu cải tiến thêm bằng cách đưa dầu làm mát ở áp suất 1 bar vào trực tiếp các khe rãnh này.

Hãng đặt mục tiêu làm mát trực tiếp cho các cuộn dây đồng dọc theo chiều dài của chúng. Theo Phó Chủ tịch và Giám đốc Công nghệ của hãng, ông Jeff Hemphill, công nghệ này còn giúp nhanh chóng làm ấm pin và khoang cabin bằng cách vận hành động cơ “không hiệu quả” nhằm làm nóng cuộn dây (và cả dầu làm mát).

3. Động cơ điện Magna thế hệ 4 (Magna Fourth-Gen E-Motor)

Mật độ năng lượng của động cơ cũ của Magna là 3,3kW/kg và hiệu suất tối đa đạt mức 93%. Giới thiệu tại triển lãm CES năm nay, thế hệ thứ tư đã nâng những con số đó lên 8kW/kg và hiệu suất 96,3%.

Những nâng cấp trên bao gồm thiết kế mạch làm mát biến đổi thông minh hơn nhằm tối ưu hóa nhiệt độ hoạt động của các bộ phận khác nhau và nam châm giảm khối lượng nhờ được làm mát đủ tốt.

Ngoài ra, hãng không còn sử dụng Terbi ngoại lai và giảm 50% lượng Dysprosi, từ đó tiếp tục cắt giảm chi phí và giúp tạo điều kiện cho việc tăng vòng tua máy tối đa từ 16.000 lên 20.000 vòng/phút.

Những cải tiến đơn giản nhất là những thay đổi thực tế, nhằm giảm chi phí phát triển hoặc lắp ráp. Động cơ Magna này được thiết kế để hoạt động theo chiều dọc trên các mẫu xe dẫn động cầu trước hoặc theo chiều ngang cho hệ dẫn động cầu sau (hoặc ở cả hai phía đối với kết cấu ván trượt sàn thấp).

Điều này yêu cầu trong quá trình thiết kế, phải xác định chính xác điểm nhận dầu làm mát tại vị trí thấp nhất trong cả hai phương án bố trí.

Một điểm cộng nữa là “Mô hình xung tối ưu hóa” của Magna (một số điểm tương đồng với công nghệ Dynamic Motor Drive của Tula Technology). Việc biến đổi thời gian và độ dài xung của điện xoay chiều ba pha giúp hạn chế hiện tượng “nhiễu”, làm mịn cả dòng điện xoay chiều cũng như một chiều và giảm tổn thất ở cả biến tần và nam châm.

Thông thường, biến tần sử dụng chip hyper-efficient silicon-carbide, nhưng Magna khẳng định hãng đi đầu trong việc gắn chúng trực tiếp vào các mạch nối bằng đồng trên bảng mạch in thay vì gắn tách biệt trên vật liệu gốm, qua đó giảm tổn thất chuyển mạch.

Kết quả là vùng hiệu suất cao nhất đạt 95%, lớn hơn vùng hiệu suất cực đại 93% của thế hệ trước. Bài học được rút ra ở đây là gì? Nâng cao hiệu suất thông qua các biện pháp kỹ thuật là giải pháp mở rộng phạm vị hoạt động với chi phí rẻ nhất.