Vì sao có hiện tượng thất thoát điện khi sạc pin cho ô tô điện?

Những người chưa sở hữu hoặc mới mua ô tô điện có thể nghĩ việc sạc pin cho loại xe này không khác gì đổ nhiên liệu cho xe xăng, dầu thông thường. Với xe dùng động cơ đốt trong, bình nhiên liệu rỗng có dung tích bao nhiêu thì bạn chỉ cần đổ bấy nhiêu. Tuy nhiên, với ô tô điện, pin có dung lượng 60 kWh thì không có nghĩa là bạn chỉ cần ngần ấy điện để sạc đầy pin. Nguyên nhân là bởi pin ô tô điện phức tạp hơn so với bình nhiên liệu thông thường. Đồng thời, trong quá trình sạc pin cho ô tô điện, hiện tượng thất thoát điện sẽ xảy ra.

Thất thoát điện khi sạc pin ô tô điện

Theo thử nghiệm của Câu lạc bộ ô tô Đức ADAC, để sạc đầy pin cho ô tô điện, bạn sẽ phải dùng lượng điện lớn hơn từ 10 - 25% so với dung lượng pin. Có thể lấy ví dụ là một chiếc Tesla Model Y đời 2021. Theo dữ liệu của hãng Tesla, cần 87,868 kWh để nạp 77,702 kWh cho pin của Model 3 phiên bản Long Range, tương đương mức chênh lệch 13%. Trong khi đó, với Tesla Model Y phiên bản Performance, cần 92,213 kWh để nạp 81,052 kWh cho pin của xe, tương đương mức chênh lệch 14%. Cũng cần phải nói thêm rằng, đây là dữ liệu khi dùng bộ sạc Level 2 với điện áp 240V.

Vậy phần năng lượng bị thất thoát đi đâu? Một phần năng lượng sẽ bị thất thoát trong quá trình truyền dẫn. Một phần điện năng lại bị biến thành nhiệt trong quá trình sạc pin. Một phần khác sẽ được dùng để duy trì nhiệt độ tối ưu cho pin.

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng thất thoát điện khi sạc pin cho ô tô điện

Cụ thể hơn, với bộ sạc 120V hoặc 240V, ô tô điện sẽ phải chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) lấy từ ổ điện thành điện một chiều (DC) để có thể sạc pin. Quá trình chuyển đổi này sẽ sinh ra nhiệt, đó là lý do vì sao các bộ biến đổi điện tử công suất trong ô tô điện thường được làm mát bằng dung dịch. Theo thử nghiệm của tạp chí Caranddriver, dòng điện dân dụng 120V thường gây thất thoát nhiều hơn khi được dùng để sạc ô tô điện.

Trong khi đó, bộ sạc nhanh DC sẽ triệt tiêu tình trạng thất thoát trong quá trình chuyển đổi điện xoay chiều sang một chiều nên hiệu suất sạc tốt hơn. Dữ liệu của tạp chí Caranddriver cho thấy khi sạc pin ở trạm sạc Supercharger với bộ sạc nhanh 400V, xe Tesla Model 3 sẽ có hiệu suất sạc trung bình là 99%. Những bộ sạc nhanh khác cũng có hiệu suất sạc trên 90%.

Một phần năng lượng lại bị thất thoát khi chạy qua dây sạc. Nguyên nhân dẫn đến tình trạng này chính là điện trở. Dây điện càng ngắn thì điện trở càng thấp và năng lượng thất thoát càng ít.

Nhiệt độ ngoài trời cũng ảnh hưởng đến hiệu suất sạc pin ô tô điện. Phần lớn ô tô điện sản xuất đại trà đang bán trên thị trường, ví dụ Nissan Leaf, đều kiểm soát nhiệt cho cụm pin. Điều này đồng nghĩa với việc xe sẽ chủ động cố gắng giữ nhiệt độ pin ở mức tối ưu. Khi trời lạnh, một số mẫu ô tô điện sẽ dùng điện từ bộ sạc hoặc pin để sưởi ấm pin. Mục đích của việc làm này là giúp pin nhận sạc nhanh hơn. Điều này cũng là một phần nguyên nhân dẫn đến thất thoát năng lượng khi sạc pin cho ô tô điện.

Ngoài ra, còn có một phần năng lượng bị thất thoát vì được dùng để giữ ô tô điện trong tình trạng "tỉnh giấc" và tự theo dõi quá trình sạc.

Cách giảm thiểu thất thoát điện khi sạc pin cho ô tô

Có một cách đơn giản để giảm thiểu tình trạng thất thoát năng lượng khi sạc pin cho ô tô điện, đó là sử dụng bộ sạc điện áp cao hơn. Ví dụ, với một chiếc Tesla Model 3 2019 phiên bản Long Range Dual Motor, hiệu suất sạc trung bình sẽ là 95% khi dùng bộ sạc treo tường Level 2. Trong khi đó, nếu dùng bộ sạc tiêu chuẩn 120V tại nhà, hiệu suất sạc tốt nhất chỉ đạt mức 85%. Vào mùa đông, hiệu suất sạc pin cho Tesla Model 3 với bộ sạc 120V thậm chí còn giảm xuống còn 60%. Lý do là bởi vào mùa đông, ô tô điện cần nhiều năng lượng hơn để giữ ấm cho pin.

Tất nhiên, người dùng ô tô điện cũng chẳng cần quá lo lắng vì năng lượng thất thoát khi sạc pin không gây thiệt hại nhiều. Nếu điện năng dùng để sạc đầy cụm pin 60 kWh cao hơn 15% thì bạn chỉ phải trả thêm tiền cho 9 kWh.

Phân biệt giữa điện năng tiêu thụ và hiệu suất của ô tô điện

Không có gì ngạc nhiên khi người dùng ô tô điện thường chỉ quan tâm đến mức tiêu thụ điện năng của xe khi di chuyển trên đường. Mức tiêu thụ này thường được hiển thị bằng đơn vị watt giờ/dặm (Wh/dặm) hoặc kilowatt giờ (kWh). Những con số này sẽ cho người lái biết xe đang tiêu thụ bao nhiêu điện trên quãng đường đi.

Tuy nhiên, chỉ số tiêu thụ điện năng của hệ truyền động, điều hòa hay những hệ thống phụ khác trong quá trình ô tô điện vận hành chỉ là một phần trong hiệu suất tổng của xe. Xe dùng động cơ đốt trong có 2 khái niệm là hiệu suất và mức tiêu thụ. Ô tô điện cũng không phải ngoại lệ nhưng phức tạp hơn. Không chỉ trong quá trình sạc như đã nhắc ở trên, điện năng còn bị thất thoát khi ô tô điện nằm im một chỗ.

Chỉ số tiêu thụ điện năng của hệ truyền động, điều hòa hay những hệ thống phụ khác trong quá trình ô tô điện vận hành chỉ là một phần trong hiệu suất tổng của xe

Trong sách hướng dẫn của Model 3, hãng Tesla cho biết ngay cả khi xe không được sử dụng thì trạng thái sạc (State of Charge – SoC) của pin vẫn giảm 1% mỗi ngày. Tuy nhiên, khi nhiệt độ xuống chỉ còn 10 độ C thì trạng thái sạc của pin sẽ giảm đến 12% dù xe nằm yên trong gara. Việc sưởi ấm hoặc làm mát nội thất trước khi khởi hành sẽ dùng điện từ pin (không cắm sạc) hoặc nguồn điện (cắm sạc). Những nguồn sử dụng năng lượng này vốn không được tính vào điện năng tiêu thụ của xe.

Trong khi đó, hiệu suất của ô tô điện, thường được thể hiện bằng đơn vị MPGe (tạm dịch là "tương đương dặm/gallon"), mới là toàn bộ năng lượng mà xe tiêu thụ. Đây là một đơn vị đo lường được tạo ra để so sánh mức tiêu thụ điện của ô tô điện với mức tiêu thụ nhiên liệu của xe dùng động cơ đốt trong.

Để tính toán được MPGe, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) sẽ sử dụng công thức so sánh điện năng tiêu thụ tương đương với 1 MPG. Theo tính toán, ô tô điện sẽ cần khoảng 33,7 kWh để tạo ra lượng nhiệt năng tương đương với 1 gallon nhiên liệu. Do đó, MPGe về cơ bản là đo xem một chiếc ô tô điện có thể đi được bao xa với điện năng tiêu thụ 33,7 kWh.

Dữ liệu thử nghiệm Tesla Model 3 2019 phiên bản Long Range Dual Motor của tạp chí Caranddriver cho thấy sự khác biệt giữa điện năng tiêu thụ và hiệu suất của ô tô điện. Vào tháng 1/2021 khi nhiệt độ trung bình chỉ -1,1 độ C, chiếc Tesla Model 3 tiêu thụ 224 Wh cho 1 km, tương đương 1 kWh cho quãng đường 4,5 km. Tuy nhiên, vào tháng 8/2020, khi nhiệt độ ở mức 24 độ C, xe tiêu thụ ít điện năng hơn, với 1 kWh có thể đi được quãng đường 6,2 km.

Bạn có thể đổi Wh/dặm hoặc dặm/kWh thành MPGe để thấy sự chênh lệch. Ví dụ, điện năng tiêu thụ của Tesla Model 3 vào mùa đông sẽ tương đương với 94 MPGe trong khi con số này vào mùa hè là 132 MPGe. Tuy nhiên, đây không phải là hiệu suất tổng của Tesla Model 3. Thay vào đó, tạp chí Caranddriver đo được hiệu suất tổng của xe vào tháng 1 là 74 MPGe, thấp hơn 21% so với mức quy đổi 94 MPGe kể trên. Hiệu suất tổng của xe đo vào tháng 6 là 107 MPGe, thấp hơn 19% so với mức quy đổi 132 MPGe. Nói cách khác, 1/5 tổng năng lượng sử dụng của ô tô điện sẽ dành cho những lúc xe đứng yên một chỗ.