Tại sao các nhà sản xuất thường không trung thực về phạm vi di chuyển của xe điện?

Có muôn vàn cách mà các công ty xe điện đã và đang làm để tăng phạm vi di chuyển, nhưng nó vẫn là thứ gần như chưa bao giờ có thể kiểm soát một cách chính xác.

Phạm vi di chuyển là vấn đề phức tạp và sâu sắc nhất trong toàn bộ ngành công nghiệp xe điện hiện nay. Đối với người dùng, nó thể hiện một cách trực quan qua thời lượng pin, tức khoảng thời gian (kèm thông số khoảng cách) mà phương tiện còn có thể chạy trước khi cần sạc lại.

Đó là một con số cụ thể, nhưng không cố định mà thay đổi liên tục theo từng điều kiện hoạt động của xe. Trong một số trường hợp, phạm vi di chuyển thậm chí không đạt được một nửa quãng đường chính thức được nhà sản xuất đưa ra.

Hãy cùng tìm hiểu lý do tại sao.

Pin là nguồn năng lượng và nguyên nhân cốt lõi

Cùng một loại nhiên liệu, bình xăng 60 lít giúp xe di chuyển xa hơn bình xăng 45 lít. Nhưng vấn đề của xe điện là kích thước của bộ pin không thể mở rộng vô hạn, một mặt là vấn đề chi phí, mặt khác là vấn đề trọng lượng. Vì vậy, đối với hệ thống pin, chỉ tiêu cốt lõi để đánh giá hơn kém là “mật độ năng lượng”.

Có hai yếu tố chính ảnh hưởng đến mật độ năng lượng, đó là vật liệu pin và cấu trúc pin.

Về mặt vật liệu, hiện có 2 dòng pin chính được sử dụng là pin Lithium Ternary và pin Lithium Iron Phosphate. Mật độ năng lượng của pin Lithium Ternary cao hơn, nhưng thực tế thị trường cho thấy thị phần của pin lithium iron phosphate đang dần vượt trội. Lý do là bởi chi phí.

Chi phí cho mỗi đơn vị của Lithium Iron Phosphate thấp hơn 20% so với dòng pin Lithium Ternary. Đồng thời, tuổi thọ của pin Lithium Iron Phosphate cũng dài hơn. Mặt khác, dòng pin này cũng tỏ ra vượt trội về độ an toàn. Các lợi thế này cho phép nó có nhiều điểm trừ hơn trong cấu trúc pin, hay nói cách khác dù cấu trúc pin không tối ưu nhưng về tổng thể vẫn ngang bằng hoặc vượt trội.

Nhưng đó là trong con mắt nhà sản xuất, còn thực tế trong nhận thức của người tiêu dùng, sự khác biệt giữa các loại pin nằm ở chỗ pin Lithium Iron Phosphate mất điện nhanh hơn vào mùa đông, đồng thời pin cũng yếu hơn do phải sạc và hao hụt thường xuyên.

Tạm bỏ qua sự khác biệt này, thì pin chỉ đơn thuần cung cấp nguồn năng lượng cho xe điện. Còn phạm vi di chuyển thực tế của xe điện sẽ phụ thuộc vào khả năng tinh chỉnh của chính hãng sản xuất ô tô. Trong lĩnh vực xe hơi truyền thông, nó được gọi là mức "tiêu thụ nhiên liệu" và trên một chiếc xe điện nó được gọi là mức "tiêu thụ năng lượng".

Và mỗi nhà sản xuất có những “chiêu trò”riêng để tối ưu chỉ số này, nhằm tối ưu hóa con số về phạm vi di chuyển của mỗi chiếc xe. Đây cũng là sân chơi mà các hãng xe lớn thể hiện tài năng của mình.

Thiết kế khí động học

Trong sách giáo khoa vật lý, những khối gỗ nhỏ hay viên bi sắt có thể trượt trên một bề mặt nhẵn và không ma sát. Nhưng xe ô tô thì không thể.

Theo các tính toán, trên đường bằng phẳng, khi tốc độ của xe đạt 110km/h, lực cản của gió tăng liên tục và có thể chiếm tới 80% tổng lực cản của xe. Do đó, mục tiêu hàng đầu của các hãng xe là giảm sức cản của gió.

Một tiêu chí quan trọng để đo lường tác động từ lực cản gió lên ô tô là một tham số toán học được xác định thông qua các thí nghiệm trong hầm gió và thí nghiệm trượt, cụ thể gọi là hệ số cản. Người ta ước tính rằng cứ giảm 0,01 Cd (đơn vị hệ số cản) của một chiếc xe thuần điện thì phạm vi lái xe có thể tăng thêm từ 5 đến 8 km.

Nói chung, hệ số cản là một hằng số, chỉ liên quan đến hình dạng của vật thể. Do đó, đây là một trong những lý do quan trọng nhất khiến các công ty ô tô vắt óc tìm ra hình dạng tối ưu nhất cho thiết kế xe của mình.

Ví dụ, một trong những mục đích chính của các bản nâng cấp xe năm 2021 của Tesla là giảm sức cản của gió. Hệ số lực cản của Model S 2020 là 0,24Cd, đã giảm xuống 0,208Cd ở phiên bản 2021. Tính theo các giá trị trên, sự thay đổi này có thể tăng thời lượng pin thêm 20-30km, hoặc cho phép người dùng “xài điện” thoải mái hơn trên xe.

Ở thời điểm ra mắt năm ngoái, Mercedes-Benz EQS là mẫu xe điện có khả năng khí động học tốt nhất thế giới với hệ số cản không khí chỉ 0,20 Cd.

Và nếu quan sát kỹ các mẫu xe điện hàng đầu về phạm vi di chuyển hiện nay, bạn có thể dễ dàng nhận thấy toàn bộ kết cấu thân xe đều có hình "giọt nước". Bởi xét cho cùng, giọt nước chính là hình dạng có hệ số cản nhỏ nhất mà không vi phạm các định luật vật lý.

Tesla Model 3, Mercedes-Benz EQS, Xiaopeng P7… đều có tổng thể thân xe hình giọt nước hoặc "tròn trịa" hơn khi nhìn từ phía trước. Bên cạnh đó, ngoài hình dạng lõm xuống, các tay nắm cửa ẩn cũng là một chi tiết trong thiết kế để giảm lực cản của gió và cải thiện thời lượng pin.

Theo tính toán, mỗi tay nắm cửa ẩn có thể giảm hệ số cản khoảng 0,003 và 4 tay nắm cửa là 0,012, có thể tăng quãng đường di chuyển khoảng 6 tới 9 km. Nghe có vẻ ít nhưng đối với các nhà sản xuất thì “thịt muỗi cũng là thịt”.

Hiện nay, trên thị trường xe điện chủ yếu có ba loại tay nắm cửa ẩn là xoay để ẩn, ấn để ẩn và cảm ứng điện tử. Dù sử dụng công nghệ gì, chúng cũng mang tới nhiều bất tiện và không ít lần khiến người dùng bối rối trong quá trình sử dụng, so với tay nắm cửa truyền thống.

Đặc biệt ở một số khu vực thời tiết lạnh vào mùa đông, các tay nắm cửa ẩn có thể gặp trục trặc, bị vô hiệu hóa không thể mở ra, khiến tài xế rơi vào tình trạng “dở khóc dở cười”. Có trường hợp khi có trẻ em bị kẹt bên trong, chủ xe đành phải ngậm ngùi tự tay phá cửa xe mình để giải cứu.

Vì vậy, khi bạn nhận ra có điều gì đó khó hiểu trong thiết kế của ô tô điện, thì có khả năng là nó được tạo ra nhằm mục đích tăng phạm vi hoạt động của xe chứ không hề mang “ẩn ý” sâu xa nào khác.

Mẫu xe tải điện Semi được Tesla giới thiệu mới đây cũng bị một tài xế chuyên nghiệp chê vì thiết kế phần đầu kiểu khí động học sẽ gây khó khăn cho việc vệ sinh, cũng như dễ làm đóng tuyết trong quá trình sử dụng. So với kiểu đầu xe tải vuông vắn, rõ ràng nó mang lại nhiều bất tiện cho người sử dụng. Nhưng đây là thiết kế giúp Tesla hưởng lời về phạm vi di chuyển của xe, một trong những tiêu chí bán hàng quan trọng của công ty.

Làm xe nhẹ hơn, cách loại bỏ lực cản từ nội tại

Hãng hàng không giá rẻ Go First (trước đây là GoAir) của Ấn Độ có một tiêu chuẩn tuyển chọn tiếp viên đặc biệt, đó là ưu tiên người có thân hình mảnh mai.

Không phải là họ xem thường phụ nữ “đầy đặn”, mà đây là chiến lược nhằm tiết kiệm nhiên liệu cho máy bay. Vì mỗi kg trọng lượng tăng thêm trong chuyến bay sẽ khiến họ tốn thêm một chi phí nho nhỏ, nhưng con số này nếu nhân lên cho toàn đội bay trong cả năm hoạt động sẽ trở nên khổng lồ.

Đừng bất ngờ, các hãng hàng không khác cũng có cách riêng để tiết kiệm nhiên liệu. All Nippon Airways của Nhật Bản luôn khuyên hành khách nên đi vệ sinh trước khi lên máy bay để giảm trọng lượng tổng thể, họ cũng thay đổi bộ đồ ăn trên khoang hạng nhất từ kim loại sang nhựa. Và nếu bạn nhìn thấy một chiếc máy bay bị cạo sạch sơn tại sân bay, đó có thể cũng là một cách tiết kiệm nhiên liệu. Lớp sơn trên thân máy bay có thể nặng hàng trăm kg.

Còn trong lĩnh vực xe điện, các công ty cũng tìm mọi cách để giảm trọng lượng của xe. Theo khảo sát của Hiệp hội nhôm châu Âu, nếu trọng lượng của các phương tiện thuần điện giảm 10%, mức tiêu thụ năng lượng sẽ giảm 5,5% và phạm vi di chuyển có thể tăng 5,5%.

Do đó, để đối phó với vấn đề trọng lượng nhẹ của thân xe, các công ty ô tô đã đề xuất rằng sử dụng vật liệu dựa trên hợp kim nhôm và quy trình đúc khuôn tích hợp các bộ phận là hai hướng đi hợp lý nhất, vừa có thể bổ sung cho nhau để giảm trọng lượng thân xe.

Về mặt vật liệu, hiện có ba lựa chọn chủ yếu bao gồm thép cường độ cao, hợp kim nhôm và vật liệu composite sợi carbon. Chúng đều có thể thay thế thép có hàm lượng carbon thấp trong lĩnh vực sản xuất xe hơi truyền thống, và có thể giảm trọng lượng tương ứng là 25%/40%/60%. Và thép hợp kim nhôm là lựa chọn thích hợp nhất, bởi hiệu suất trên chi phí của nó là tốt nhất.

Theo tính toán của Hiệp hội nhôm quốc tế, mức tiêu thụ nhôm của xe thuần điện vào năm 2019 là 143kg và ước tính mức tiêu thụ nhôm của xe điện sẽ đạt 227kg vào năm 2025, tăng hơn 55%.

Nhưng sự thay đổi về vật liệu đã mang đến những vấn đề mới. Nhôm không dễ để hàn. Do đó, công nghệ đúc khuôn tích hợp đã trở thành một lựa chọn phổ biến đi kèm để giải quyết khó khăn.

Vào tháng 9/2020, Tesla đã thông báo rằng phần khung phía sau của mẫu xe Model Y sẽ áp dụng công nghệ đúc tích hợp, giúp giảm tới 79 bộ phận so với nguyên bản do giảm các điểm hàn và hao hụt vật liệu. Từ đó giảm gần 40% chi phí sản xuất.

Sau khi Tesla trở thành người dẫn đường, các công ty ô tô sau đó cũng bắt đầu áp dụng công nghệ này trong quá trình sản xuất của mình. Và họ làm vậy bất chấp việc sẽ đẩy người tiêu dùng vào vị trí bất lợi, khi chi phí sửa chữa sẽ tăng đáng kể trong trường hợp có va chạm xảy ra. Bởi khi đó, toàn bộ phần khung được đúc nguyên khối sẽ phải thay thế, thay vì chỉ hỏng đâu sửa đó như trước.

Phục hồi động năng: Khi ma thuật bị đánh bại bằng ma thuật

Năm 2020, một chủ xe Model S ở Trung Quốc khi đi qua một vùng đất hoang vắng đã rơi vào tình trạng hết điện. Nhưng nhờ sự nhanh trí, anh đã sử dụng hệ thống thu hồi động năng để sạc điện cho xe. Theo đó, anh đã nhờ một chiếc xe tải lớn giúp kéo xe mình đi quãng đường gần 70 km để hệ thống pin được sạc đầy.

Cái gọi là phục hồi động năng ở đây đề cập đến công nghệ chuyển đổi năng lượng lãng phí thành năng lượng điện và lưu trữ nó trong pin. Về cơ bản nó cũng tương tự như hệ thống phanh tái tạo.

Không chỉ Tesla mà bất kỳ loại xe điện nào cũng có thể làm được, với điều kiện hệ thống biến tần trên xe phải hoạt động bình thường và xe đang ở số tiến. Lúc này, động năng do phương tiện kéo bên ngoài tạo ra sẽ được chuyển thành năng lượng điện tích trữ.

Về kỹ thuật phần cứng, có hai yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng thu hồi động năng, một là công suất tối đa của biến tần; hai là dung lượng pin. Cái trước tương đương với kích thước của miệng chai, và cái sau tương đương với dung tích của thân chai.

Chức năng của biến tần là chuyển đổi nguồn điện xoay chiều được tạo ra bằng cách thu hồi động năng thành nguồn điện một chiều mà pin có thể lưu trữ. Công suất chuyển đổi của biến tần càng lớn, nó có thể sạc cho bộ pin càng nhanh. Công suất thu hồi động năng tối đa của dòng Porsche Taycan là 265kw, tương đương với việc nó được sạc bằng hai cọc sạc nhanh cùng một lúc.

Vai trò của pin là lưu trữ nguồn điện một chiều được chuyển đổi bởi biến tần, dung lượng pin càng lớn thì khả năng lưu trữ càng nhiều. Đây cũng là lý do khiến hệ thống thu hồi động năng của các mẫu xe hybrid không thể đánh bại được các mẫu xe thuần điện.

Về mặt phần mềm, tác động đến hiệu quả của hệ thống thu hồi động năng chủ yếu liên quan đến chiến lược hiệu chỉnh của mỗi hãng xe. Nói một cách đơn giản, đó là cách áp dụng nó lên hệ thống chân ga hoặc chân phanh. Đó cũng là thứ mang lại tác động trực quan nhất mà chủ xe có thể cảm nhận được.

Hiện tại có hai giải pháp chính, một là sử dụng bàn đạp phanh ga kiểu “công tắc”, hai là kết hợp với chân phanh.

Kiểu thứ nhất chính là chế độ khác biệt của dòng xe điện Tesla. Nhả chân ga và tài xế sẽ cảm nhận được xe đang phanh lại nhanh hơn so với các mẫu xe số tự động thông thường. Vì vậy, nhiều trường hợp, người lái không cần sử dụng tới chân phanh khi ôm cua. Ưu điểm của chế độ này là thu hồi nhiều năng lượng hơn nhưng nhược điểm là dễ xảy ra tai nạn do thay đổi thói quen lái xe.

Bởi sau khi đã quen với việc dùng một bàn đạp, người lái sẽ quen với việc chỉ đặt một chân thường xuyên lên bàn đạp ga, nếu trường hợp khẩn cấp xảy ra có thể quên không đạp phanh. Ngoài ra, do không kết nối với phanh nên khi giảm tốc bằng cách nhả chân ga có sự tham gia của hệ thống thu hồi động năng, đèn hậu báo phanh xe sẽ không sáng, dễ gây va chạm từ phía sau.

Còn tích hợp hệ thống thu hồi động năng trên bàn đạp phanh, ưu điểm của giải pháp này là ít thay đổi thói quen lái xe của tài xế hơn, giúp giảm khả năng xảy ra tai nạn. Nhưng nhược điểm là hiệu suất thu hồi tương đối thấp, kỹ thuật cũng đòi hỏi cao hơn, mất nhiều thời gian điều chỉnh má phanh để cân bằng giữa hệ thống thu hồi động năng và phanh cơ khí.

Công thức chung cuối cùng

Vậy sau khi đã biết được quãng đường di chuyển tối đa của xe điện là một con số không thể nắm bắt, dễ bị tác động bởi nhiều yếu tố, thì chúng ta có thể giải quyết nỗi lo của mình khi mua xe bằng cách nào?

May thay, có một công thức được cho là có thể tạm dùng để đo lường. Ví dụ, một nhân viên văn phòng mong muốn có thể sạc điện mỗi tuần (7 ngày) một lần, giả sử mỗi ngày di chuyển quãng đường trung bình 40km thì có thể mua xe có phạm vi di chuyển là: 40 x 7 : 80% : 85% : 0,816 = 505km.

Con số 80% ở đây tức là xe cần được sạc khi còn 20% dung lượng pin; 85% là tỷ lệ sai số trong các thử nghiệm; 0,816 có nghĩa là hiệu suất pin sẽ giảm dần xuống còn 81,6% sau 8 năm. Nếu di chuyển bình quân 50km mỗi ngày thì nên mua xe có phạm vi di chuyển 630km trong một lần sạc.

Sự lo lắng về quãng đường di chuyển từ lâu đã là một vấn đề then chốt, cản trở việc phổ biến các phương tiện sử dụng năng lượng mới ra thị trường. Hồi đầu năm, Elon Musk cho biết Tesla có thể chế tạo một chiếc ô tô điện với phạm vi hoạt động hơn 1.000 km, nhưng "điều đó chẳng có nghĩa lý gì". Bởi ông tin rằng phạm vi di chuyển hơn 400 dặm (khoảng 643 km) đã là giới hạn không được người dùng chạm tới trong 99,9% các tình huống đi lại hàng ngày. Ngược lại, nếu quá cố gắng tăng phạm vi di chuyển, nó sẽ dẫn đến việc hệ thống pin lớn hơn, ảnh hưởng đến khả năng xử lý của xe.

Hiện tại, hạn chế lớn nhất đối với phạm vi di chuyển của xe điện thực ra chính là việc khó sạc, do không đủ các trạm sạc cần thiết.

Quay lại câu chuyện so sánh, thì xe hơi thông thường không bao giờ lo lắng việc nó có thể đi được bao nhiêu km. Đây thực ra không phải là ưu điểm của xe sử dụng động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu, mà đó là ưu điểm tới từ các công ty phân phối xăng dầu.

Tham khảo Sina