T Ổ NG QUAN
Gi ớ i thi ệ u v ề ô tô điệ n
1.1.1 Sơ lược về lịch sửô tô điện a Thời kỳđầu Ô tô điện không phải một khái niệm mới mà trên thực tếđã có lịch sử lâu đời Từđầu thế kỷ 19, xe chạy bằng nguồn năng lượng điện đã có vị thế cạnh tranh tương đương với xe chạy bằng động cơ hơi nước
Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson người Scotland đã phát minh ra loại xe điện chuyên chởđầu tiên Năm 1842, hai nhà phát minh người
Thomas Davenport và Robert Davidson là những người đầu tiên sử dụng ắc quy cho ô tô điện Đến năm 1865, Camille Faure đã cải tiến khả năng lưu trữ điện trong ắc quy, cho phép xe điện di chuyển xa hơn Pháp và Anh là hai quốc gia tiên phong trong việc phát triển ô tô điện trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 19.
Chiếc xe đua sử dụng động cơ điện
Edison và chiếc xe Detroit (1914)
Đến đầu thế kỷ 20, ô tô điện đã suy yếu và dần biến mất trước sự phát triển mạnh mẽ của ô tô sử dụng động cơ đốt trong, chủ yếu do những yếu tố như hiệu suất kém hơn, hạn chế về phạm vi hoạt động và sự phát triển của công nghệ động cơ đốt trong.
Hiện nay, sự phát hiện các mỏ dầu lớn trên toàn cầu đã làm giảm giá dầu và các sản phẩm liên quan, dẫn đến việc cung cấp nhiên liệu cho xe động cơ đốt trong trở nên dễ dàng hơn.
- Vềgiá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750USD, trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650USD [1]
Công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và ngành công nghiệp ô tô đã có những bước tiến vượt bậc, với những phát minh quan trọng như bộ khởi động cho xe chạy xăng của Charlé Kettering và động cơ đốt trong giá thành thấp của Henry Ford.
Đến năm 1935, ô tô điện gần như biến mất do không thể cạnh tranh với xe chạy động cơ đốt trong Tuy nhiên, sự trở lại và phát triển của ô tô điện đã bắt đầu, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô.
Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, thế giới phải đối mặt với vấn đề lớn mang tính toàn cầu:
Năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và than đá không phải là nguồn tài nguyên vô tận và có khả năng cạn kiệt Các phương tiện giao thông sử dụng xăng và dầu sẽ không còn tồn tại trong tương lai Ngược lại, điện năng là loại năng lượng linh hoạt, có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời và sóng biển.
… Do vậy, các phương tiện sử dụng điện là phương tiện của tương lai
Môi trường hiện nay đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, trong đó khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô, là một trong những nguyên nhân chính Ô tô điện được xem là giải pháp hiệu quả để khắc phục vấn đề này, vì chúng hoàn toàn không phát thải khí độc hại.
Ô tô điện đã trở thành giải pháp tối ưu cho hai vấn đề lớn, điều này giải thích tại sao nó thu hút sự chú ý đặc biệt từ nửa sau thế kỷ 20 và ngày càng được quan tâm trong ngành công nghiệp ô tô cũng như giới khoa học toàn cầu.
1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện a Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện trên thế giới
Từ những năm 1960, Hoa Kỳ đã chú trọng đến ô nhiễm môi trường do ô tô gây ra, đặc biệt là bang California, nơi khuyến khích các nhà sản xuất xe máy và ô tô phát triển xe điện thông qua chương trình Xe ít ô nhiễm.
Bang California đã ban hành nhiều quy định pháp lý về tiêu chuẩn khí thải và cung cấp hàng loạt ưu đãi cho người sử dụng xe ít ô nhiễm, như ưu đãi thuế, vay vốn và đường ưu tiên để tránh tắc đường Những điều này đã thúc đẩy các nhà sản xuất xe tập trung phát triển ô tô điện.
Xe ô tô điện chủ yếu được nạp điện từ lưới điện quốc gia, mà phần lớn điện năng này được sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch như khí, than đá và dầu mỏ Do đó, năng lượng điện để sạc xe điện không hoàn toàn sạch Nhiều nghiên cứu đã so sánh mức độ phát thải và hiệu suất sử dụng năng lượng giữa các loại động cơ, trong đó có nghiên cứu của Bauen và Hart tại Hoogers, sử dụng khái niệm hiệu suất "từ giếng dầu tới bánh xe".
(well to wheel) đểso sánh năng lượng giữa các xe được trang bịđộng cơ với nhau
Một số kết quả và phân tích của tác giảđược trình bày trong hình 1.2, 1.3 và 1.4
Hình 1.2 Mức độ phát thải khí CO2 tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện
Hình 1.3 Hiệu suất năng lượng tương đương của các loaị động cơ đốt trong và điện
Hình 1.4 Mức độ phát thải tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện
Dựa trên các kết quả từ đồ thị 1.2, 1.3 và 1.4, có thể thấy rằng tất cả các loại xe điện đều có hiệu suất nhiên liệu và mức phát thải tốt hơn rõ rệt so với các dòng xe sử dụng động cơ đốt trong.
Vào năm 2009, trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Ô tô điện Edison tại California, Tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama đã công bố khoản đầu tư 2,4 tỷ đô-la Mỹ nhằm thúc đẩy nghiên cứu ô tô điện Khoản đầu tư này được phân bổ theo hình 1.5.
Hình 1.5 Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từnăm
Cấu hình cơ bản hệ truyền động bộ biến đổi - động cơ và hệ thống năng lượng phân phối cho xe điện được diễn tả trong các hình 1.6 và 1.7
Hình 1.6 Cấu hình cơ bản hệ truyền động cho xe điện
1,5 tỷ đô -la cho việc nghiên cứu hệ thống nguồn năng lượng hiệu suất cao
2,4 tỷ đô -la cho ô tô điện
500 triệu đôa cho việc nghiên cứu các hệ truyền động động cơ điện , v.v.
400 triệu đô -la cho việc nghiên cứu các vấn đề về cơ sở hạ tầng như các trạm nạp ắc quy, v.v.
Hinh 1.7 Minh họa hệ thống năng lượng phân phối trong xe điện Đây là những chìa khóa công nghệ chính của xe điện trong tương lai Tuy nhiên, một vấn đề vô cùng quan trọng khác là mô phỏng hoạt động của xe Từđó đưa ra hệ thống chuẩn đoán và báo lỗi trên ô tô điện, giúp xe hoạt động an toàn và ổn định như xe động cơ đốt trong Ngoài ra, xe sẽđược tiết kiệm tối đa năng lượng trong các quá trình tăng tốc, giảm tốc,…
M ộ t s ố hướ ng nghiên c ứ u và thành t ựu điể n hình trên th ế gi ớ i
Nghiên cứu về hệ thống nguồn năng lượng trên thế giới rất đa dạng và phong phú Bài viết này sẽ điểm qua một số hướng nghiên cứu và thành tựu nổi bật, giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về các xu hướng nghiên cứu khác nhau trong lĩnh vực năng lượng.
2.1.1 Ứng dụng công nghệ nano giảm thời gian nạp ắc quy
Thời gian nạp ắc quy là mối quan tâm lớn của các nhà khoa học, nhà sản xuất và người sử dụng ô tô điện Ắc quy Lithium, loại phổ biến nhất cho ô tô điện, tương tự như ắc quy dùng cho laptop và điện thoại di động Trong khi thời gian nạp đầy ắc quy cho điện thoại hay laptop chỉ từ 30 phút đến hơn một giờ, ô tô điện cần trung bình 8 giờ để nạp đầy, điều này quá lâu so với chỉ 3 phút để đổ đầy bình xăng Rõ ràng, đây là một điểm yếu lớn của ô tô điện cần được cải thiện.
Nghiên cứu gần đây tại Viện Công nghệ Massachusetts đã sử dụng công nghệ nano để cải tiến vật liệu chế tạo ắc quy Lithium, nhằm giảm thời gian nạp Công trình này đã nâng mật độ công suất của ắc quy Lithium, giúp tăng khả năng phóng và nạp, đạt được hiệu suất tương đương với siêu tụ điện.
Hình 1.18 Công nghệ vật liệu nano làm giảm thời gian nạp ắc quy Lithium-ion
2.1.2 Công nghệ nạp điện không dây
Nạp điện không dây, hay còn gọi là nạp điện cảm ứng, là một công nghệ đã có từ lâu và được sử dụng phổ biến cho các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động Mặc dù vậy, việc áp dụng công nghệ này để sạc ô tô vẫn còn nhiều thách thức cần được nghiên cứu thêm.
Nạp điện không dây hoạt động tương tự như bếp từ, với nguyên lý truyền tải năng lượng thông qua cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp được kết nối với nguồn điện xoay chiều tần số cao, và tần số càng lớn thì hiệu suất truyền tải càng cao Dòng điện xoay chiều tạo ra từ trường biến thiên sẽ cảm ứng qua cuộn thứ cấp, từ đó sinh ra dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp.
Khi sử dụng công nghệ sạc không dây cho ô tô điện ở công suất lớn, vấn đề an toàn, nhiễu điện từ và hiệu suất nạp là rất quan trọng Các thí nghiệm ban đầu tại Trung tâm nghiên cứu của giáo sư Hori tại Đại học Tokyo cho thấy rằng sạc không dây vẫn duy trì hiệu suất tốt ở khoảng cách lớn và tần số cao Tuy nhiên, các vấn đề liên quan đến an toàn và nhiễu điện từ vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu.
Thí nghiệm truyền điện không dây tại Hori-lab đã mở ra hướng đi mới cho công nghệ nạp không dây, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô điện Dự án Online Electric Vehicle - OLEV tại Viện Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) là một trong những ứng dụng nổi bật nhất của công nghệ này.
Cấu tạo của hệ thống được minh họa trên hình 1.19
Hình 1.20 Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST
2.1.3 Phát triển cơ sở hạ tầng cho các trạm nạp ắc quy Ô tô điện là phương tiện giao thông, bởi vậy ta phải nghiên cứu không chỉ bản thân chiếc xe mà còn phải nghiên cứu phát triển đồng bộcơ sở hạ tầng, cụ thể là hệ thống các trạm nạp Một dựán điển hình là The EV Project ở Hoa Kỳ bắt đầu từ năm 2009 với tổng vốn đầu tư là 230 triệu Đô-la Mục tiêu của dự án là xây dựng 15.000 trạm nạp ở 16 thành phố lớn tại sáu bang của Hoa Kỳ Công ty ô tô Nissan Bắc Mỹ và General Motors/Chevrolet là những đối tác chính của dự án này
Hình 1.21 The EV Project-dự án phát triển cơ sở hạ tầng hệ thống trạm nạp tại
M ộ t s ố lo ạ i ngu ồn năng lượ ng s ử d ụng cho ô tô điệ n
2.2.1 Nguồn hỗn hợp cho xe Hybrid Ô tô hybrid là loại xe sử dụng nguồn năng lượng hỗn hợp xăng và điện
Loại ô tô này đã tương đối thông dụng trên thịtrường và đã xuất hiện nhiều ở Việt
Toyota Prius, Ford Escape Hybrid và Lexus GS Hybrid là những mẫu xe hybrid phổ biến tại Việt Nam Xe hybrid kết hợp hai hệ thống truyền động: động cơ đốt trong và động cơ điện, sử dụng hai nguồn năng lượng riêng biệt là xăng và ắc quy Hai hệ truyền động này được liên kết thông qua cơ cấu cơ khí, trong đó động cơ đốt trong không chỉ hoạt động như một động cơ chính mà còn đóng vai trò là máy phát điện, giúp nạp năng lượng cho ắc quy.
Xe hybrid là cầu nối giữa xe xăng và xe điện, với tiềm năng phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên, trong tương lai gần, xe hybrid có thể sẽ bị thay thế hoàn toàn bởi các phương tiện sử dụng nguồn điện thuần túy.
Hình 1.22 Minh họa cấu trúc hệ truyền động và nguồn năng lượng xe ô tô hybrid
2.2.2 Ắc quy chì - axít Ắc quy chì - axít là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn (do hầu như không có nguy cơ cháy nổ) Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọkém (thường là 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn), nạp chậm và khó tái chế Hơn nữa, chì là một chất có hại đối với sức khỏe nên sau khi hết thời hạn sử dụng, nếu không được thu gom đúng cách và tái chế thì ắc quy chì có thể trở thành một thảm họa môi trường Mặc dù ắc quy chì - axít còn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nó vẫn chiếm đến 79% thị phần ắc quy trong năm 2008 vì giá thành rẻ, sử dụng đơn giản và quen thuộc
Bảng 1-1: Các chi phí liên quan đến bảo trì ắc quy Đặc tính Ắc quy có bảo dưỡng($) AGM($) Gel($) Khối
20 năm 14400-45000 7200-38500 7200-35000 7200-30000 Chi phí lắp đặt ban đầu 30000 31000 27000 22000
Ắc quy NiMH đã trở thành một sự thay thế nổi bật cho ắc quy Nickel Cadmium (Ni-Cd) trên thị trường trong nhiều năm Xuất hiện từ giai đoạn chuyển giao thế kỷ, ắc quy Ni-Cd đã có một khởi đầu khiêm tốn nhưng đã chứng kiến những tiến bộ đáng kể trong bốn thập kỷ qua, với công suất được cải thiện gấp bốn lần kể từ những năm 1950.
Vấn đề môi trường, đẩy nhanh sự phát triển của hệ thống ắc quy thay thế
Từ khi ra mắt vào những năm 1980, thị phần của ắc quy NiMH có thể sạc lại đã tăng 35%, với sự cải thiện đáng kể về công suất và khả năng tải cao.
Các ấn phẩm khoa học và bài viết được cấp bằng sáng chế cung cấp nhiều báo cáo về ắc quy NiMH, bao gồm các đặc tính hóa học và lưu trữ hidro của vật liệu catot Hiểu rõ các tiêu chuẩn thiết kế là điều quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài vòng đời của ắc quy NiMH.
Các hợp kim AB5 (LaNi5) và AB2 (TiN2) được nghiên cứu trong ắc quy NiMH với khả năng lưu trữ hydro tương đương khoảng 1,5% trọng lượng Hợp kim AB2 có khả năng lưu trữ hydro tối đa lý thuyết cao hơn một chút (2% trọng lượng) so với AB5 (1,6% trọng lượng) Khả năng lưu trữ hydro của AB5 chỉ có thể đạt cao hơn khi kích thước ắc quy lớn hơn, điều này có thể không phù hợp cho thiết kế ắc quy xe điện nhỏ gọn Cực âm của ắc quy NiMH được phát triển từ các hợp kim kim loại, có khả năng giữ và giải phóng hydro với thể tích gấp một nghìn lần thể tích của chúng Bản catot chủ yếu gồm các hạt kim loại mịn nén lại, trong khi nguyên tử hydro nhỏ hơn dễ dàng hấp thụ vào các khe nứt của cực âm lưỡng kim, có thể mở rộng lên đến 24% thể tích Điện cực hidrit có mật độ công suất lên đến 1.800mAh/cm³.
Ắc quy NiMH có kích thước nhỏ hơn sẽ có mật độ năng lượng cao hơn, với hợp kim AB5 đạt khoảng 8-8,5g/cm³, trong khi hợp kim AB2 có mật độ năng lượng thấp hơn, khoảng 5-7g/cm³ Phương pháp sản xuất các vật liệu ắc quy AB5 thường bao gồm nhiều bước khác nhau.
Quá trình sản xuất kim loại bắt đầu với việc nóng chảy và làm mát nhanh chóng các thỏi kim loại lớn, giúp tạo ra cấu trúc đồng nhất Tiếp theo, mở rộng xử lý nhiệt là cần thiết để loại bỏ tính không đồng nhất về thành phần vi mô, đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm.
Bước 3: Phá vỡ thỏi kim loại lớn thành từng miếng nhỏ bằng quá trình hydrua và dehydrua
Bước 4: Nghiền các mảnh phôi đã được ủ thành bột mịn
Quá trình sản xuất bốn bước là yếu tố then chốt trong việc thương mại hóa ắc quy NiMH Tuy nhiên, quá trình này có thể được đơn giản hóa thành một bước duy nhất thông qua việc xử lý hóa rắn nhanh bột AB5 bằng phương pháp phun khí áp suất cao Đặc biệt, tính năng hấp thụ và giải hấp thụ khí H2 của hợp kim được xử lý bằng phun khí áp suất cao đã được cải thiện đáng kể khi trải qua quá trình ủ bột.
2.2.4 Ắc quy Ion Li Ắc quy Ion Li là loại thứ ba có thểđược thương mại hóa cho các ứng dụng xe điện Bởi vì Li là kim loại có thế âm cao nhất và khối lượng nguyên tử thấp nhất, các ắc quy dùng Li có thếnăng lớn nhất cho bước đột phá công nghệ, điều này sẽ làm cho xe điện có những đặc tính sử dụng lớn nhất về tốc độ và phạm vi sử dụng Thật không may, bản thân kim loại Li dễ phản ứng với không khí và với hầu hết các chất điện phân lỏng Để tránh các vấn đề liên quan tới kim loại Li này,
Lithium được kết hợp với các nguyên tử carbon graphit (C xám) để tạo ra LixC, loại vật liệu này được sử dụng trong ắc quy với hiệu suất cao và khả năng truyền năng lượng tốt, đồng thời đảm bảo an toàn cho ắc quy.
Trong quá trình xả của ắc quy ion lithium (Li), các ion Li được giải phóng từ cực dương và di chuyển qua một chất điện phân hữu cơ để đến cực âm Chất điện phân hữu cơ đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ sự di chuyển của các ion này.
Các ắc quy ion lithium (Li-ion) có khả năng bền vững và chống lại sự khử do lithium gây ra Quá trình oxi hóa tại cực âm là thiết yếu, vì lithium phản ứng với nước trong dung dịch chất điện phân Khi ion lithium di chuyển đến cực âm, chúng nhanh chóng kết hợp với vật liệu cực âm, và quá trình này có thể dễ dàng đảo ngược Nhờ vào khả năng hồi phục nhanh chóng của ion lithium, các ắc quy ion lithium có thể nạp và xả nhanh hơn so với ắc quy chì - axit.
Ắc quy ion Li sản sinh năng lượng tương đương ắc quy NiMH nhưng có kích thước nhỏ hơn 40% và trọng lượng chỉ bằng một nửa Điều này cho phép lắp đặt hai ắc quy ion Li trong một xe điện, từ đó gấp đôi năng lượng lưu trữ và mở rộng phạm vi sử dụng xe.
