Pin xe điện là một kho năng lượng hoá học: khi xe chạy, các ion lithium di chuyển trong pin còn electron chạy qua động cơ; khi sạc, dòng điện ngoài đẩy chúng quay về. Hiểu được chuyển động đó, bạn sẽ hiểu vì sao dung lượng pin tính bằng Wh, vì sao sạc nhanh lúc đầu mà chậm dần khi gần đầy, và vì sao nhiệt độ là thứ cần để ý nhất khi sạc.
Bài viết dùng kiến thức điện học phổ thông, công suất và điện năng, nhiệt lượng toả ra trên điện trở, để giải thích chiếc xe máy điện hay xe đạp điện quen thuộc. Phần an toàn được viết kỹ vì xe điện thường sạc trong nhà. Các con số đều là ví dụ giả định; thông số của xe cụ thể bạn xem trong sách hướng dẫn.
Bên trong một viên pin lithium: ion đi trong, electron đi ngoài
Một viên pin lithium ion có hai điện cực ngăn cách bởi một màng mỏng, ngâm trong chất điện phân. Khi pin đã sạc đầy, phần lớn ion lithium nằm trong điện cực âm, thường làm từ than chì. Khi bạn vặn ga, động cơ tạo thành mạch ngoài nối hai cực. Ion lithium đi xuyên qua chất điện phân sang điện cực dương, còn electron không đi qua chất điện phân được nên chạy vòng qua dây dẫn và động cơ. Dòng electron đó là dòng điện làm xe chạy.
Khi sạc, bộ sạc dùng một hiệu điện thế lớn hơn hiệu điện thế của pin để đẩy quá trình đi ngược lại: ion trở về điện cực âm, electron được bơm về theo mạch ngoài. Điện năng từ ổ cắm được tích lại thành năng lượng hoá học.
Một bộ pin xe gồm hàng chục đến hàng trăm viên như vậy, nối nối tiếp để tăng hiệu điện thế và nối song song để tăng dung lượng. Đi kèm luôn có một mạch quản lý pin theo dõi hiệu điện thế từng nhóm, nhiệt độ và dòng điện, ngắt khi có bất thường. Mạch quản lý là lý do bạn không nên dùng bộ sạc trôi nổi không rõ thông số, hay tự ghép thêm pin vào xe.
Một số xe đạp điện giá rẻ dùng ắc quy chì axit thay vì pin lithium. Nguyên lý hoá học khác, nặng hơn nhiều với cùng năng lượng, nhưng các bài học về điện năng và an toàn khi sạc vẫn dùng được.
Đọc thông số pin: V, Ah và Wh
Trên vỏ pin thường ghi hiệu điện thế danh định tính bằng vôn và dung lượng tính bằng ampe giờ. Năng lượng pin chứa được tính bằng tích hai số đó, đơn vị oát giờ. Ví dụ giả định với một xe máy điện cỡ nhỏ:
| Đại lượng | Cách tính bằng chữ | Kết quả giả định |
|---|---|---|
| Năng lượng pin | 48 V × 20 Ah | 960 Wh, khoảng 0,96 kWh |
| Quãng đường ước lượng | 960 Wh chia mức tiêu thụ giả định 25 Wh/km | khoảng 38 km |
| Thời gian sạc lý tưởng | 960 Wh chia công suất sạc giả định 240 W | 4 giờ, chưa tính đoạn sạc chậm cuối |
| Điện năng lấy từ lưới | 960 Wh chia hiệu suất sạc giả định 0,85 | khoảng 1,13 kWh |
Ampe giờ cho biết pin có thể cho dòng 1 A trong bao nhiêu giờ, nhưng hai pin cùng 20 Ah mà một cái 48 V, một cái 60 V thì cái sau chứa nhiều năng lượng hơn. Vì vậy so sánh hai xe nên dùng Wh, không chỉ Ah.
Quãng đường thực tế phụ thuộc tải, tốc độ, dốc, gió, áp suất lốp và nhiệt độ. Chở hai người lên cầu dốc tốn điện hơn hẳn đi một mình trên đường bằng; đó là công của trọng lực và lực cản, đúng phần cơ học bạn đã học.
Vì sao sạc nhanh lúc đầu, chậm dần khi gần đầy
Giai đoạn dòng không đổi. Khi pin còn thấp, bộ sạc đẩy một dòng điện gần như không đổi vào pin. Hiệu điện thế của pin tăng dần. Phần trăm pin lên khá đều trong giai đoạn này.
Giai đoạn hiệu điện thế không đổi. Khi hiệu điện thế pin chạm ngưỡng tối đa cho phép, bộ sạc giữ nguyên hiệu điện thế và để dòng điện giảm dần. Dòng nhỏ thì năng lượng nạp vào mỗi phút ít đi, nên mấy phần trăm cuối lâu hơn hẳn.
Vì sao phải làm vậy. Đẩy dòng lớn khi pin gần đầy sẽ làm hiệu điện thế vượt ngưỡng an toàn của hoá chất bên trong, gây hư hại điện cực và sinh nhiệt. Chậm lại ở cuối là cách bảo vệ pin chứ không phải bộ sạc kém.
Thói quen sạc. Nhiều nhà sản xuất khuyên không để pin cạn kiệt thường xuyên và không nhất thiết lúc nào cũng sạc tới 100% nếu không cần đi xa. Mức cụ thể khác nhau giữa các loại pin; hãy theo sách hướng dẫn của xe bạn.
Nhiệt độ: điện trở trong và chuyện pin nóng
Pin không phải một nguồn điện lý tưởng; nó có điện trở trong. Khi dòng điện chạy qua, nhiệt lượng toả ra bên trong pin tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện nhân điện trở trong. Dòng gấp đôi thì nhiệt toả ra gấp bốn. Đó là lý do tăng tốc mạnh liên tục, chở nặng leo dốc hay sạc dòng lớn đều làm pin nóng lên rõ rệt.
Nhiệt độ cao làm các phản ứng phụ bên trong pin diễn ra nhanh hơn, lâu dần làm pin giảm dung lượng. Ngược lại, trời lạnh làm ion di chuyển chậm, pin tạm thời cho ít năng lượng hơn; ấm lên lại thì phần lớn hồi phục. Ở Việt Nam, nắng gắt mùa hè đáng lo hơn trời lạnh. Dựng xe dưới nắng trưa nhiều giờ rồi cắm sạc ngay là kết hợp không tốt.
Trường hợp nguy hiểm nhất là thoát nhiệt mất kiểm soát. Khi một viên pin bị hỏng bên trong, ví dụ do va đập, ngập nước, sạc sai hay lỗi sản xuất, có thể xảy ra đoản mạch trong. Nhiệt sinh ra kích hoạt các phản ứng toả nhiệt khác, các phản ứng này lại sinh thêm nhiệt, thành chuỗi tự khuếch đại và lan sang các viên bên cạnh. Pin lithium cháy toả khí độc, nhiệt độ rất cao và khó dập bằng cách thông thường.
Phanh tái sinh: khi động cơ điện quay ngược vai thành máy phát
Động cơ điện và máy phát điện thực chất là cùng một cỗ máy nhìn từ hai phía. Cho dòng điện vào cuộn dây đặt trong từ trường thì có lực làm rôto quay: đó là động cơ. Làm rôto quay bằng sức ngoài thì từ thông qua cuộn dây biến thiên, sinh ra suất điện động cảm ứng: đó là máy phát. Nhiều xe điện tận dụng điều này khi xe đổ dốc hay khi người lái nhả ga, cho động cơ hoạt động như máy phát để nạp ngược một phần điện vào pin, đồng thời tạo lực hãm. Cơ chế này gọi là phanh tái sinh.
Thử tính một ví dụ giả định để thấy độ lớn. Xe và người tổng 150 kg chạy 10 m/s có động năng bằng một nửa của 150 nhân 100, tức 7.500 J. Đổi sang oát giờ bằng cách chia cho 3.600, được khoảng 2,1 Wh. So với pin 960 Wh ở ví dụ trên, đó là một phần rất nhỏ, và thực tế chỉ thu lại được một phần của con số ấy vì có ma sát và tổn hao điện.
Vì vậy với xe máy điện đi phố, phanh tái sinh không làm quãng đường tăng nhiều như quảng cáo đôi khi gợi ý; lợi ích rõ hơn là đỡ mòn má phanh và có lực hãm êm khi xuống dốc dài. Không phải xe nào cũng có tính năng này; hãy đọc sách hướng dẫn. Đây cũng là một câu hỏi thú vị để hỏi AI rồi tự kiểm bằng phép tính động năng như trên.
Sạc xe điện trong nhà sao cho an toàn
Phần lớn xe điện sạc hằng ngày không có chuyện gì. Những thói quen dưới đây nhằm giảm khả năng xảy ra sự cố và, nếu có, để mọi người kịp thoát ra.
- Không sạc ở lối thoát nạn. Hành lang chung, chân cầu thang, lối ra cửa chính là chỗ tệ nhất, vì nếu pin cháy thì khói chặn đúng đường thoát. Sạc ở khu vực được quy định của toà nhà hoặc chỗ thoáng, xa vật dễ cháy.
- Không để sạc qua đêm khi cả nhà ngủ. Nếu có thể, sạc khi có người thức và ở gần; rút sạc khi đã đầy.
- Dùng đúng bộ sạc của xe. Bộ sạc sai hiệu điện thế hoặc không giao tiếp được với mạch quản lý pin có thể sạc quá mức.
- Để pin nguội rồi mới sạc. Sau quãng đường dài hay dựng dưới nắng gắt, chờ pin bớt nóng.
- Không sạc pin phồng, móp, có mùi lạ hay vừa bị ngập nước. Mang xe tới nơi sửa chữa có chuyên môn kiểm tra.
- Không tự độ pin, ghép pin, cắt mạch bảo vệ. Đây là những thay đổi làm mất các lớp bảo vệ quan trọng nhất.
- Cắm vào ổ điện chắc chắn. Tránh ổ cắm nối dài lỏng, phích cắm nóng lên là dấu hiệu tiếp xúc kém.
Nếu thấy pin bốc khói, có tiếng xì hay nổ lách tách, ưu tiên là đưa mọi người ra ngoài và gọi cứu hoả 114, không cố bê xe hay dập lửa bằng tay không. Học sinh không tự xử lý pin hỏng.
Dùng AI để hiểu pin, không để thay sách hướng dẫn
Chatbot giải thích điện hoá và điện năng khá rõ, nhưng nó không biết chiếc xe trong nhà bạn. Một cách dùng hợp lý cho học sinh và phụ huynh:
- Hỏi nguyên lý: "Em học lớp 11. Giải thích pin lithium ion hoạt động thế nào bằng hình ảnh ion đi trong, electron đi ngoài, rồi hỏi lại em hai câu."
- Tự tính năng lượng và quãng đường theo thông số trên vỏ pin xe nhà mình, nhờ AI kiểm từng bước và đơn vị.
- Hỏi AI giải thích vì sao nhiệt toả ra tỉ lệ với bình phương dòng điện, nối với định luật Jun – Len-xơ trong sách.
- Khi chụp ảnh nhãn pin hay giấy tờ xe để hỏi, che biển số, số khung, số máy và tên chủ xe; câu hỏi vật lý không cần chúng.
- Mọi khuyến nghị về cách sạc của AI, đối chiếu với sách hướng dẫn của hãng xe. Chỗ nào hai bên khác nhau, theo sách hướng dẫn.
Câu trả lời cần nghi ngờ: "pin lithium không bao giờ cháy nếu sạc đúng cách", "sạc qua đêm hoàn toàn an toàn với mọi xe", hay các con số tuổi thọ pin theo số lần sạc mà không nêu điều kiện. Những câu nói chắc chắn quá mức về an toàn là tín hiệu nên hỏi lại.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao dung lượng pin nên so bằng Wh thay vì Ah?
Ah chỉ cho biết lượng điện tích, còn năng lượng phụ thuộc thêm vào hiệu điện thế. Hai pin cùng 20 Ah nhưng khác hiệu điện thế sẽ chứa năng lượng khác nhau. Wh bằng hiệu điện thế nhân Ah nên phản ánh đúng năng lượng pin chứa được.
Vì sao những phần trăm cuối sạc rất lâu?
Khi pin gần đầy, bộ sạc chuyển sang giữ hiệu điện thế không đổi và giảm dần dòng điện để không vượt ngưỡng an toàn của pin. Dòng nhỏ nên năng lượng nạp mỗi phút ít, thời gian kéo dài.
Pin xe điện có nên sạc đầy 100% mỗi ngày không?
Tuỳ loại pin và khuyến nghị của nhà sản xuất. Nhiều hãng khuyên không cần sạc đầy nếu không đi xa và không để pin cạn kiệt thường xuyên. Hãy theo sách hướng dẫn của xe bạn thay vì một quy tắc chung trên mạng.
Vì sao không nên sạc xe ở hành lang hay chân cầu thang?
Nếu pin gặp sự cố và cháy, khói và nhiệt sẽ chặn đúng đường thoát của mọi người. Pin lithium cháy rất nóng và toả khí độc. Sạc ở khu vực được quy định, thoáng, xa vật dễ cháy và xa lối thoát nạn.
Trời lạnh làm xe điện đi được ít hơn phải không?
Đúng, trời lạnh làm phản ứng và chuyển động của ion trong pin chậm lại, pin tạm thời cho ít năng lượng hơn. Khi pin ấm lên, phần lớn dung lượng trở lại. Nhiệt độ cao kéo dài mới là thứ làm pin xuống cấp lâu dài.
AI có thể cho biết pin xe nhà mình còn tốt không?
Không. AI không đo được pin. Nó có thể giải thích các dấu hiệu nên chú ý như quãng đường giảm rõ, pin phồng, nóng bất thường, nhưng kiểm tra thật phải do nơi sửa chữa có thiết bị và chuyên môn thực hiện.