Tổng quan về Điện tử công suất trong ô tô hybrid và xe điện

Mạch điện tử công suất (PE) đóng vai trò trung tâm trong hệ thống truyền động của xe hybrid (HEV/PHEV) và xe điện thuần túy (BEV). Chúng chịu trách nhiệm chuyển đổi và kiểm soát dòng năng lượng một cách hiệu quả từ pin cao áp (300-1000 V) đến động cơ điện xoay chiều (AC), sạc pin từ lưới điện, cung cấp điện áp thấp cho các phụ tải phụ trợ (12 V/48 V), và thu hồi năng lượng từ phanh tái sinh (Regenerative Braking), với hiệu suất thu hồi từ 20-40% năng lượng động học.

Ví dụ, trong Tesla Model Y (BEV), PE cho phép đạt hành trình lên đến 500 km với pin 75-82 kWh. Trong Toyota Prius (HEV), PE giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu xuống còn 4-5 L/100 km nhờ phân bổ năng lượng tối ưu giữa động cơ đốt trong (ICE) và động cơ điện.

Hiệu suất của PE thường đạt 95-99%, được tính bằng công thức:

eta_PE=P_out/P_in= 1-P_loss/P_in

Với inverter công suất 200 kW, P_loss khoảng 4 kW có thể tiết kiệm 20 kWh/100 km, tăng hành trình thêm khoảng 200 km.

2.1 Xe điện thuần túy (Battery Electric Vehicle - BEV)

Xe điện thuần túy (BEV) là loại phương tiện hoàn toàn chạy bằng năng lượng điện, không sử dụng bất kỳ loại động cơ đốt trong nào và chúng phụ thuộc vào pin lớn để lưu trữ năng lượng. Dung lượng pin thường vượt quá 60 kWh, chẳng hạn như trong mẫu Tesla Model Y, pin có dung lượng khoảng 75 kWh đến 78.4 kWh tùy phiên bản, cho phép hành trình thực tế từ 214 dặm đến 327 dặm theo tiêu chuẩn EPA, hoặc lên đến 387 dặm trong điều kiện lý tưởng. Các thành phần điện tử công suất chính trong BEV bao gồm inverter, chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ pin thành dòng điện xoay chiều (AC) để cấp cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) hoặc động cơ cảm ứng (IM), cùng với bộ sạc trên xe (On-Board Charger - OBC) có công suất từ 11 kW đến 22 kW để sạc pin từ lưới điện gia đình.

Ưu điểm nổi bật của BEV là chúng không phát thải khí thải trực tiếp trong quá trình vận hành, góp phần bảo vệ môi trường và chúng cung cấp hành trình dài từ 400 km đến 600 km tùy mẫu xe, mang lại trải nghiệm lái êm ái với mô-men xoắn tức thì. Tuy nhiên, nhược điểm chính là thời gian sạc có thể kéo dài nếu không có trạm sạc nhanh sử dụng dòng điện một chiều với công suất vượt quá 350 kW vì sạc chậm có thể mất hàng giờ để đầy pin, đặc biệt ở các khu vực thiếu cơ sở hạ tầng sạc.

2.2 Xe hybrid điện (Hybrid Electric Vehicle - HEV)

Xe hybrid điện (HEV) là loại phương tiện kết hợp động cơ đốt trong (ICE) với hệ thống điện, sử dụng pin nhỏ để hỗ trợ, dung lượng pin thường chỉ từ 1 kWh đến 2 kWh và không hỗ trợ sạc từ nguồn ngoài, mà pin được sạc chủ yếu từ năng lượng dư thừa của động cơ xăng hoặc phanh tái tạo. Các thành phần điện tử công suất trong HEV bao gồm hai inverter riêng biệt, inverter đầu tiên điều khiển động cơ điện MG1 với công suất khoảng 50 kW để hoạt động như máy phát điện, trong khi inverter thứ hai điều khiển động cơ điện MG2 với công suất từ 60 kW đến 80 kW để kéo xe và hỗ trợ động cơ ddoots trong ICE. Ví dụ điển hình là mẫu Toyota Prius, sử dụng Power-Split Device (PSD) - một loại hộp số hành tinh (planetary gear) đặc biệt để phân chia mô-men xoắn từ động cơ đốt trong giữa MG1 (hoạt động như máy phát điện) và MG2 (động cơ kéo chính), đồng thời loại bỏ hoàn toàn hộp số truyền thống, cho phép động cơ ICE hoạt động ở chế độ hiệu quả nhất bằng cách điều chỉnh tốc độ qua MG1, dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu lên đến 50% so với xe thông thường.

“Sơ đồ Power-Split Device trên Toyota Prius: MG1 (generator), MG2 (traction motor), planetary gear.”

Xe hybrid sạc ngoài (PHEV) là loại phương tiện giống như HEV về cấu trúc cơ bản, nhưng chúng được trang bị pin lớn hơn với dung lượng từ 10 kWh đến 20 kWh, cho phép hành trình chạy bằng điện thuần túy từ 50 km đến 80 km trước khi chuyển sang chế độ hybrid sử dụng ICE. Các thành phần điện tử công suất trong PHEV tương tự như HEV, bao gồm hai inverter để điều khiển MG1 và MG2, nhưng chúng còn bổ sung thêm bộ sạc trên xe (OBC) để sạc pin từ nguồn điện ngoài, giúp người dùng có thể sạc tại nhà hoặc trạm công cộng. Ví dụ, mẫu Toyota Prius PHEV 2025 kết hợp động cơ xăng 2.0 lít với hai động cơ điện, sản sinh tổng công suất 220 mã lực và cung cấp hành trình điện khoảng 45 dặm, trong khi các mẫu khác như Mercedes C 300e hoặc BMW 330e cung cấp hành trình điện từ 37 dặm đến 40 dặm, mang lại sự linh hoạt giữa chạy điện hàng ngày và hybrid cho các chuyến đi dài.

Điện tử công suất thế hệ mới sử dụng MOSFET dựa trên vật liệu SiC (Silicon Carbide) hoặc GaN (Gallium Nitride) để thay thế cho IGBT dựa trên Si (Silicon), giúp nâng cao hiệu suất tổng thể nhờ khả năng chuyển mạch ở tần số cao hơn, cụ thể là từ 50 kHz đến 100 kHz so với chỉ 10 kHz đến 20 kHz ở IGBT Si, từ đó giảm tổn hao năng lượng và cải thiện khả năng xử lý công suất cao trong các hệ thống EV.

Dưới đây là bảng so sánh giữa Si IGBT và SiC MOSFET:

Tham số Si IGBT SiC MOSFET

Điện áp 650 V 1200 V

Tần số 10-20 kHz 50-100 kHz

Kích thước Tham chiếu Giảm 50%

Nhiệt độ Nóng hơn Mát hơn 30%

Hiệu suất 95-97% >98%

Các lợi ích chính của công nghệ PE hiện đại bao gồm: Hiệu suất cao hơn nhờ giảm tổn hao công suất P_loss từ 2 đến 3 lần so với IGBT Si, dẫn đến tăng hành trình xe thêm khoảng 10% như trong mẫu Tesla Model 3, vì SiC MOSFET có khả năng chuyển mạch nhanh hơn và giảm tổn hao nhiệt, cho phép xe điện sử dụng năng lượng hiệu quả hơn. Ngoài ra, thiết kế nhỏ gọn hơn cho phép inverter công suất 200 kW chỉ nặng dưới 40 kg, giúp giảm trọng lượng xe và tăng không gian nội thất. Công nghệ còn tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) thông qua thuật toán Model Predictive Control (MPC) để tối ưu hóa phanh tái sinh, thu hồi từ 35% đến 40% năng lượng động học, từ đó kéo dài hành trình và giảm chi phí vận hành. Cuối cùng, tính an toàn được nâng cao nhờ tuân thủ tiêu chuẩn ISO 26262 ở mức ASIL-D, với khả năng ngắt ngắn mạch trong thời gian dưới 1 μs, bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố điện đột ngột và đảm bảo độ tin cậy cao trong môi trường ô tô.