Tại Sao Hộp Số Biến Mất Trên Xe Điện

Lý do hộp số biến mất trên ô tô điện là do đường đặc tính của động cơ điện hoạt động hoàn toàn ngược với động cơ đốt trong: Động cơ tạo ra mô-men xoắn tối đa ngay từ trạng thái đứng yên, tức là từ 0 vòng/phút, và quay trong một dải vòng tua rất rộng mà không mất hiệu suất. Hai đặc tính này khiến một hộp số nhiều cấp được thiết kế để phân cấp mô-men xoắn trở nên không cần thiết; phần lớn xe điện vì vậy được nối với bánh xe thông qua một bộ giảm tốc đơn cấp.

Chức năng thực sự của hộp số là gì và tại sao nó trở nên không cần thiết trên ô tô điện?

Để hiểu hộp số, trước hết cần xem nó làm gì. Động cơ đốt trong không có lực đủ để quay trực tiếp bánh xe; nó tạo ra mô-men xoắn trong một dải vòng tua nhất định và với công suất giới hạn. Hộp số truyền lực này tới bánh xe qua các tỷ số khác nhau, giữ động cơ trong dải hoạt động hữu dụng ở mọi tốc độ. Trong một hộp số 5 cấp cổ điển, các tỷ số diễn ra đại khái như sau: Cấp 1 3.35:1, cấp 2 1.93:1, cấp 3 1.29:1, cấp 4 tỷ số trực tiếp 1.00:1 và cấp 5 là overdrive với 0.68:1. Mỗi cấp là một công cụ được thiết kế để nhân mô-men xoắn lúc khởi hành và kéo dài nó ở tốc độ cao.

Động cơ điện không cần đến bất kỳ công cụ nào trong số đó. Bởi vì nó tạo ra lực quay - tức mô-men xoắn - ở giá trị tối đa ngay từ khoảnh khắc quay đầu tiên. Trên ô tô điện, động cơ không chạy không tải; khi xe dừng, động cơ cũng không quay; ngay khoảnh khắc bạn đạp ga, mô-men xoắn như nhau truyền đến bánh xe dù ở 1 vòng/phút hay 1.000 vòng/phút. Không cần đến một cỗ máy đòi hỏi hệ số mô-men xoắn ngắn khi khởi hành và tỷ số dài trên cao tốc; động cơ hoàn thành công việc của mình ở cả hai đầu.

Đường đặc tính của động cơ: Cơ sở kỹ thuật của việc chỉ dùng một cấp số

Đằng sau hành vi này là cùng một đường cong hiện diện trong mọi động cơ điện. Ở vòng tua thấp và trung bình, động cơ hoạt động trong vùng mô-men xoắn không đổi: dù vòng tua tăng, lực quay được tạo ra không thay đổi. Khi vượt qua một ngưỡng được gọi là tốc độ cơ bản, mô-men xoắn bắt đầu giảm, nhưng động cơ lúc này chuyển sang vùng công suất không đổi; trong ngành, dải này còn được gọi là vùng yếu từ (field weakening). Nói cách khác, đường cong có hình dạng mà hiệu suất trải rộng trên một dải rộng mà không bị đứt gãy.

Hãy so sánh với đường cong của động cơ đốt trong: khi lái bình thường, nó tăng từ khoảng 1.200 RPM lên 4.000–4.500 RPM, vùng đỏ nằm quanh mức 5.000–6.000 RPM và nó không thể duy trì mức tăng này trong thời gian dài. Dải mà mô-men xoắn hữu dụng là rất hẹp; vì vậy mỗi tốc độ lái xe cần một cấp số phù hợp. Động cơ điện có thể đạt 10.000 RPM chỉ trong vài giây và có thể quay tới mức 20.000 RPM. Hơn nữa, trong khoảng rộng này, hiệu suất hầu như không thay đổi đáng kể: ở phần lớn các động cơ, dải hiệu suất 85–95% trải rộng trên một khoảng vòng tua rất lớn, chỉ chênh lệch vài điểm phần trăm.

Chỉ một số là đủ khi nhìn bằng con số

Chỉ cần một phép tính là có thể hình dung sự đủ dụng của hộp số giảm tốc một cấp. Vòng tua động cơ có liên hệ với tỷ số truyền, tốc độ và đường kính lốp; nếu áp dụng công thức này cho một xe như Hyundai Ioniq 5 với tỷ số cuối 4.706, lốp cỡ 20 inch và tốc độ tối đa lý thuyết 186 mph, ta tính ra động cơ quay 14.000+ RPM. Với cùng tỷ số một cấp, một động cơ đốt trong có vùng đỏ 6.000 vòng/phút chỉ có thể chạy 76 mph (khoảng 122 km/h) - tức là khá thấp so với tốc độ cao tốc. Khả năng vòng tua của động cơ điện đã xóa bỏ khoảng tốc độ mà một tỷ số duy nhất không thể đáp ứng.

Cần làm rõ một điểm: xe điện không hoàn toàn không có bánh răng. Giữa vòng tua động cơ và vòng tua bánh xe có một chênh lệch tự nhiên, và mọi xe EV đều có một bộ giảm tốc (gear reduction) một cấp để bù chênh lệch này. Điều biến mất là hộp nhiều cấp và cùng với đó là hành động sang số.

Đơn giản hóa, bảo dưỡng và hiệu suất: Giá trị của những bộ phận được loại bỏ

Việc loại bỏ hộp nhiều cấp khỏi thiết kế không chỉ là sự tối giản về thẩm mỹ mà còn là một thành tựu kỹ thuật có thể đo lường được. Một hộp số tự động truyền thống gồm 7 bộ phận chính và khoảng 800 chi tiết; nếu hỏng hóc, chi phí thay thế có thể lên tới 1.800–3.400 $ tính cả công thợ. Ngược lại, toàn bộ hệ thống truyền lực của Tesla Model S chỉ có tổng cộng 20 bộ phận chuyển động, và Chevrolet Bolt nhấn mạnh rằng xe có ít hơn 80% bộ phận chuyển động so với mẫu xe đốt trong tương đương.

Ít bộ phận chuyển động hơn đồng nghĩa với ba điều: giảm tổn thất năng lượng do ma sát, xóa bỏ các hạng mục bảo dưỡng như thay dầu hộp số và giảm nguy cơ hỏng hóc cơ khí. Vì bản thân động cơ vốn đã hoạt động hiệu quả trong khoảng rộng nên một cấp bánh răng bổ sung thường tạo ra tổn thất thay vì lợi ích - mỗi cặp bánh răng thêm vào sẽ cộng thêm hiệu suất ma sát của chính nó vào chuỗi. Về phía người lái, kết quả rất rõ ràng: sự tăng tốc liên tục, mượt mà không cần sang số. Chỉ cần chạm chân ga, động cơ quay và khi tốc độ tăng, bánh xe tăng tốc trực tiếp mà không có bất kỳ bước chuyển cấp nào.

Ngoại lệ: Vì sao có những xe điện nhiều cấp số?

Việc một cấp số là đủ không phải là điều kiện bắt buộc của vật lý, mà là lựa chọn tối ưu trên các xe thương mại có động cơ lớn. Ngoại lệ nổi tiếng nhất là Porsche Taycan: xe dùng một hộp 2 cấp số trên trục sau. Theo giải thích của hãng, cấp 1 ngắn tạo gia tốc lớn hơn khi khởi hành, còn cấp 2 dài mang lại hiệu suất cao và dự trữ công suất ngay cả ở tốc độ rất cao. Hộp số được xây dựng trên một bộ ly hợp ướt (wet clutch pack) có khả năng chuyển số tự động.

Logic này là một phiên bản thu hẹp của lập luận trong thế giới động cơ đốt trong. Trên những chiếc xe hiệu năng cao như Taycan, tốc độ tối đa và hiệu suất đường cao tốc đẩy điểm hoạt động của tỷ số duy nhất đến giới hạn; hai cấp số đưa động cơ đến điểm tối ưu cả khi khởi hành lẫn ở tốc độ cao. Các phân tích cho thấy hộp số này có thể mang lại mức cải thiện hiệu suất khoảng 5% trên đường cao tốc và nâng tốc độ tối đa của xe; những đánh giá cũng cho thấy hộp số hai cấp giúp Taycan nhanh hơn các đối thủ chỉ dùng một cấp số. Việc cầu trước của xe có thể được tách rời hoàn toàn và vận hành độc lập cũng là một phần trong thiết kế động học của hệ thống truyền động này.

Giải pháp nhiều cấp số trên xe thương mại

Nhóm ngoại lệ thứ hai liên quan đến hồ sơ sử dụng chứ không phải hiệu năng. Một số xe thương mại buộc phải yêu cầu mô-men xoắn khởi hành khi chở tải nặng đồng thời với hiệu suất đường dài; trên những động cơ nhỏ được thiết kế tiết kiệm, một cấp số bổ sung có thể hữu ích. Tuy nhiên, bức tranh chung rất rõ ràng: ví dụ Taycan nổi bật trong giai đoạn 2019-2020 cho đến tận năm 2024 vẫn chưa lan rộng thành xu hướng phổ biến. Phần lớn xe điện vẫn dùng một cấp số, và điều này cho thấy đó không phải là sự bắt buộc kỹ thuật mà là một lựa chọn hợp lý.

Thêm Nhiều Cấp Số Có Thực Sự Đáng Giá Không? Cân Bằng Giữa Lợi Ích và Thua Lỗ

Nhìn từ góc độ thiết kế, ưu và nhược điểm của giải pháp nhiều cấp số gắn bó chặt chẽ với nhau:

• Phía lợi ích: Tăng hiệu suất bằng cách đưa động cơ đến điểm làm việc tối ưu ở tốc độ cao; khả năng tăng tốc cải thiện và tốc độ tối đa cao hơn; khả năng chọn pin và động cơ nhỏ hơn; tính linh hoạt khi sử dụng trên địa hình nặng.
• Phía thua lỗ: Trọng lượng và chi phí sản xuất bổ sung; tổn thất hiệu suất nội bộ của chính hộp số; lợi ích thu được còn hạn chế so với cái giá phải trả.

Đối với những động cơ lớn và mạnh trên các xe điện thương mại, phía lợi ích thường gây tranh cãi: nhiều cấp số có thể không mang lại bước nhảy hiệu suất lớn so với một cấp số, thậm chí tổn thất nội bộ của hộp số còn có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự cân bằng. Là một lập luận phản bác, một nhà cung cấp đã đưa ra hệ thống nhiều cấp số hứa hẹn giảm mức tiêu thụ năng lượng lên đến 15% so với hệ thống truyền động một cấp số; tuy nhiên, lợi ích thực tế của những tuyên bố như vậy gắn bó chặt chẽ với đặc tính của động cơ và hồ sơ sử dụng của xe. Tóm lại sự cân bằng như sau: một cấp số bổ sung làm giảm vòng tua động cơ ở tốc độ đường cao tốc có thể giảm mức tiêu thụ, nhưng ý kiến chung là lợi ích thu được còn quá hạn chế so với độ phức tạp thêm vào ở phần lớn xe.

Câu hỏi thường gặp

Xe điện có hộp số không?

Có, nhưng không theo nghĩa thông thường. Hầu hết xe điện sử dụng bộ giảm tốc một tỷ số hoặc dẫn động trực tiếp; không có hành động sang số nào diễn ra. Cần số trên vô lăng hoặc bảng điều khiển là một bộ chọn các vị trí P, R, N, D, chứ không phải bộ điều khiển của một hộp số nhiều cấp.

Xe điện có phải là xe số tự động không?

Có. Không có ly hợp và hộp nhiều cấp; xe sử dụng động cơ một số với mô-men xoắn tức thời. Đối với người lái, điều này có nghĩa là trải nghiệm vận hành hoàn toàn tự động và liền mạch.

Thêm số có làm tăng quãng đường di chuyển không?

Ở tốc độ cao tốc, việc giảm vòng tua động cơ có thể giảm tiêu thụ năng lượng, nhưng nhận định chung là mức lợi ích còn hạn chế. Vì động cơ đã hoạt động với hiệu suất 85–95% trên dải vòng tua rộng, tổn thất nội bộ và chi phí phát sinh từ cấp số bổ sung không thể cân đối tích cực phần tính toán quãng đường ở hầu hết các xe.

Kết luận: Bộ giảm tốc thay thế hộp số đã mất

Hộp số là giải pháp được tìm ra cho vấn đề của động cơ không thể phân bổ mô-men xoắn trên dải tốc độ rộng. Vì động cơ điện tự giải quyết vấn đề này với các vùng mô-men xoắn cố định và công suất cố định, giải pháp đó đã được lấy ra khỏi xe và thay thế bằng một bộ giảm tốc tỷ số cố định duy nhất. Những xe như Taycan cho thấy việc thêm cấp số vẫn có thể khả thi và có ý nghĩa khi tìm kiếm hiệu suất tối đa hoặc hồ sơ sử dụng đặc biệt - nhưng đó là một ngoại lệ. Trong một hệ dẫn động đang được viết lại luật chơi, hộp số tốt nhất thường là không có hộp số nào.

Nguồn tham khảo

• What Does it Mean that Electric Cars are Single Speed
• The powertrain: Pure performance
• Why the Porsche Taycan EV's Two-Speed Transmission Is ...
• Porsche Taycan electric car: 2-speed could be first of many ...
• Porsche Taycan Turbo S Two-Speed Transmission Explained
• EV vs. ICE: Transmission Technology Explained
• Electric Vehicle Motor Torque and Power Curves
• Technical guide No. 7: Dimensioning of a drive system
• What are the performance features of the 2020 Porsche Taycan
• Single-speed vs. multi-speed gearboxes in EVs
• Do Electric Cars Have Transmissions?
• Are All Electric Cars Automatic?