TỔNG QUAN VỀ XE Ô TÔ ĐIỆN
Giới thiệu về xe điện
Xe điện (EV) đã tồn tại từ cách đây 178 năm nhưng đã không thể cạnh tranh với các loại xe động cơ đốt trong (ICEV) Chiếc EV đầu tiên được chế tạo bởi Thomas Davenport vào năm 1834 Vào năm 1900, 38% trong số 4200 ô tô bán ra hàng năm ở Mỹ là xe điện, cho thấy sự ưa chuộng của giới thượng lưu lúc bấy giờ Tuy nhiên, sự xuất hiện của Ford Model T với chi phí thấp và phạm vi hoạt động lớn đã khiến xe điện gần như biến mất vào những năm 1930 Sự quan tâm đến xe điện đã trở lại vào những năm 1970 do cuộc khủng hoảng năng lượng, và được thúc đẩy mạnh mẽ hơn trong những năm 1980 khi lo ngại về chất lượng không khí và hiệu ứng nhà kính gia tăng.
Hình 1 1 Chiếc xe điện đầu tiên 1835
Xe điện được phân loại thành các loại PEV, HEV và FEV dựa trên nguồn năng lượng và thiết bị đẩy của chúng (Chan và Chau, 2001; Chau, 2010, 2014)
PEV hoàn toàn hoạt động bằng điện, với động cơ điện là nguồn duy nhất; HEV sử dụng cả điện và xăng/diesel, với sự kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong; trong khi FEV sử dụng hydro và chỉ điều khiển bởi động cơ điện HEV có thể được phân loại thành HEV thông thường, chỉ tiếp nhiên liệu bằng xăng/diesel tại trạm nạp, và HEV hòa lưới, có khả năng sạc điện qua cổng sạc HEV thông thường được chia thành HEV siêu nhỏ, HEV nhẹ và HEV đầy đủ dựa trên mức độ lai ghép giữa động cơ điện và động cơ HEV hòa lưới được phân thành xe điện hybrid plug-in (PHEV) và xe điện mở rộng phạm vi (REV) dựa trên sự phối hợp giữa động cơ điện và động cơ.
Hình 1 3 Đa dạng hóa năng lượng của EVs
Xăng và dầu diesel, được sản xuất từ dầu thô, là nhiên liệu chính cho xe động cơ đốt trong (ICEV), trong khi xe điện (EV) cung cấp giải pháp hiệu quả để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhờ khả năng sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau Việc sử dụng EV giúp đa dạng hóa nguồn năng lượng, bao gồm nhiệt điện, điện hạt nhân, thủy điện, điện gió, điện mặt trời, điện đại dương, điện địa nhiệt và điện sinh khối Nghiên cứu cho thấy EV tiết kiệm năng lượng hơn ICEV, nhờ vào khả năng phục hồi động năng trong quá trình phanh, tăng hiệu suất năng lượng lên tới 10% ICEV là nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí đô thị, trong khi EV hầu như không phát thải khí thải độc hại Ngay cả khi tính đến khí thải từ nhà máy điện, tổng lượng phát thải của EV vẫn thấp hơn ICEV, với sự giảm khoảng 5% lượng carbon dioxide (CO2) khi sử dụng xe điện và nhà máy điện tiết kiệm năng lượng Mặc dù HEV và PEV đã được thị trường chấp nhận, vẫn còn nhiều thách thức và cơ hội trong nghiên cứu và phát triển xe điện.
Hình 1 4 Hiệu quả năng lượng của xe EVs
Hình 1 5 Tổng lượng phát thải của xe EVs
Có nhiều loại xe điện (EV) như PEV, HEV thông thường, PHEV, REV và FEV Những loại xe này có thể được phân loại thành PEV, HEV, HEV có thể nối lưới và FEV, giúp thảo luận và nhấn mạnh các thách thức mà chúng phải đối mặt (Chau, 2012).
Các dòng xe điện
PEV, hay còn gọi là EV, mang lại lợi ích về khí thải gần như bằng không, nhưng vẫn đối mặt với thách thức như phạm vi lái xe hạn chế, chi phí đầu tư ban đầu cao và thiếu cơ sở hạ tầng sạc Hiện nay, PEV chủ yếu sử dụng pin để lưu trữ năng lượng, mặc dù có thể dùng siêu tụ điện Do công nghệ pin hiện tại, khả năng lưu trữ năng lượng của PEV kém hơn so với ICEV, với PEV chỉ đi được khoảng 120 km mỗi lần sạc, trong khi ICEV có thể đạt tới 500 km Điều này dẫn đến lo ngại về phạm vi lái xe, khiến người dùng không dám sử dụng hết công suất còn lại Một số mẫu PEV đã được thiết kế với dung lượng pin lớn hơn gấp ba đến bốn lần để cải thiện phạm vi hoạt động, nhằm giảm bớt nỗi lo về khả năng di chuyển.
Các mô hình PEV có chi phí cao gấp hai đến ba lần so với PEV thông thường và từ hai đến bốn lần so với ICEV, chủ yếu do chi phí pin chiếm 30-40% tổng chi phí Tuổi thọ ắc quy thường kéo dài khoảng 1500 chu kỳ, tương đương 4-5 năm sử dụng, dẫn đến việc cần thay mới ắc quy trong vòng đời xe Điều này làm cho chi phí hiệu quả của PEV cao hơn chi phí ban đầu Ngoài ra, thời gian sạc pin của PEV, dao động từ 5 đến 8 giờ, là một hạn chế lớn, khiến cho việc hoạt động liên tục trở nên khó khăn.
Kỹ thuật sạc nhanh cho phép sạc pin lên đến 80% chỉ trong 20-30 phút với bộ sạc có thông số 200–400 V, 100–200 A và 50 kW Tuy nhiên, chi phí lắp đặt và xây dựng các trạm sạc nhanh rất cao, đồng thời nhu cầu điện năng lớn gây áp lực lên hệ thống điện hiện tại, làm giảm lợi ích của xe điện (PEV) trong việc cân bằng tải và quản lý nhu cầu Trong khi đó, việc hoán đổi pin cho phép thay pin đã xả bằng pin đã sạc đầy chỉ trong vài phút, tương đương với thời gian nạp gas Tuy nhiên, không gian cần thiết cho mỗi trạm hoán đổi lại lớn hơn nhiều, đặt ra hai thách thức chính: tiêu chuẩn hóa kích thước và vị trí của pin trong PEV, cùng với việc cần một mô hình kinh doanh mới cho quyền sở hữu pin.
HEV, hay xe hybrid, là phiên bản xe không chạy được thông thường Đối với HEV vi mô, động cơ khởi động thông thường được thay thế bằng máy phát điện khởi động tích hợp (ISG) ISG cung cấp hai tính năng quan trọng: tắt động cơ khi xe dừng, giúp tiết kiệm nhiên liệu trong đô thị, và sạc pin trong quá trình giảm tốc hoặc phanh, tạo ra hãm tái sinh Ở HEV nhẹ, ISG thường được đặt giữa động cơ và hộp số, không chỉ cung cấp tính năng dừng khởi động không tải và phanh tái sinh mà còn hỗ trợ động cơ, cho phép giảm kích thước động cơ.
Động cơ và ISG trong HEV không thể khởi động bằng điện mà chỉ tăng tốc ban đầu nhờ năng lượng điện Công nghệ quan trọng của HEV là hệ thống truyền động điện biến thiên (EVT), giúp phân chia công suất và cung cấp các tính năng hybrid như khởi động điện, dừng khởi động không tải, phanh phục hồi và giảm kích thước động cơ So với PEV, HEV mang lại phạm vi lái xe tương đương với ICEV và tận dụng cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hiện có, nhưng lại hy sinh giá trị của không khí thải bên đường và sự đa dạng hóa năng lượng.
Một trong những thách thức lớn nhất trong việc phát triển xe hybrid điện (HEV) là giảm độ phức tạp của hệ thống liên quan đến động cơ điện và động cơ đẩy, cũng như phối hợp hiệu quả giữa hai thiết bị này để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động (Chau và Wong, 2002) Sự ra đời của Toyota Prius vào năm 1997 đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của HEV (Hermance và Sasaki, 1998), với việc áp dụng hệ thống EVT Hệ thống này sử dụng một bánh răng hành tinh để phân chia công suất đầu ra của động cơ, trong đó bánh răng vòng truyền động cho trục bánh lái, trong khi bánh răng mặt trời kết nối với máy phát điện, sau đó chuyển đổi qua bộ chuyển đổi, động cơ và cuối cùng là bộ truyền động trục.
Hệ thống EVT cho phép động cơ hoạt động ở dòng tối ưu, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu dưới các tải trọng khác nhau Tuy nhiên, hệ thống này phụ thuộc vào bánh răng hành tinh, dẫn đến mất truyền động, tiếng ồn và yêu cầu bôi trơn thường xuyên Thêm vào đó, tổng thể hệ thống tương đối nặng nề và cồng kềnh.
1.1.3 Xe hybrid sử dụng điện lưới
Thuật ngữ "gridable" chỉ các phương tiện có khả năng kết nối trực tiếp với lưới điện, bao gồm HEV, PHEV và REV PHEV, được phát triển từ HEV, tích hợp tính năng sạc qua phích cắm, cho phép sử dụng ngân hàng pin lớn hơn, mang lại phạm vi di chuyển điện dài hơn và giảm nhu cầu tiếp nhiên liệu từ trạm xăng Ngược lại, REV mở rộng từ PEV bằng cách kết hợp động cơ nhỏ và máy phát điện để sạc pin, giúp khắc phục nỗi lo về phạm vi hoạt động của PEV Nhờ đó, REV cung cấp khả năng tiết kiệm năng lượng trên toàn bộ dải ổ điện, giảm đáng kể việc tiếp nhiên liệu từ các trạm xăng.
Mặc dù PHEV và REV đều thuộc loại HEV với động cơ điện và pin tương tự, chúng có các chế độ hoạt động khác nhau PHEV hoạt động chủ yếu ở chế độ kết hợp, cho phép động cơ điện và động cơ đốt trong phối hợp hiệu quả để tiết kiệm nhiên liệu cao, và có khả năng chuyển sang chế độ thuần điện khi cần Trong khi đó, REV chủ yếu hoạt động hoàn toàn bằng điện, và khi pin gần cạn kiệt, động cơ sẽ tự động kích hoạt để cung cấp điện năng qua máy phát điện Tuy nhiên, các hệ thống HEV hòa lưới gặp phải thách thức về độ phức tạp và chi phí đầu tư ban đầu cao.
Hệ thống của PHEV tương tự như HEV thông thường, nhưng yêu cầu lắp bộ sạc để kết nối với lưới điện nhằm sạc pin Chi phí ban đầu của PHEV cao hơn đáng kể so với HEV truyền thống do số lượng pin lớn cần thiết cho chế độ thuần điện Khi hoạt động ở chế độ pha trộn hoặc REV ở chế độ mở rộng, PHEV sẽ không còn đạt được mức khí thải bằng không.
1.1.4 Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu
FEV, hay phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu, cung cấp những lợi ích tương tự như PEV, bao gồm việc không phát thải khí thải tại chỗ và giảm thiểu lượng khí thải tổng thể, khi xem xét lượng khí thải từ quá trình sản xuất hydro tại các nhà máy hóa chất hoặc thiết bị cải cách trên tàu.
Xe chạy bằng hydro (ICEV) đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm chi phí ban đầu cao và thiếu hụt cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu Chi phí này chủ yếu do việc sử dụng pin nhiên liệu đắt tiền Hơn nữa, cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro hiện chưa phát triển, và việc xây dựng nó đòi hỏi đầu tư lớn Có ba phương pháp lưu trữ hydro trong xe điện chạy bằng nhiên liệu (FEV): khí hydro nén (CHG), hydro lỏng (LH) và hydrua kim loại (MH) Việc áp dụng CHG yêu cầu cơ sở hạ tầng tương tự như khí nén tự nhiên, trong khi LH cần hệ thống làm mát phức tạp ở nhiệt độ -253 °C, đòi hỏi công nghệ lưu trữ đông lạnh tiên tiến.
Khi sử dụng MH, cần có hạ tầng tương tự như hoán đổi pin, với yêu cầu năng lượng cao để đạt nhiệt độ 120–200 ∘C và áp suất trên 700 bar cho quá trình nạp hydro Mặc dù cả CHG và LH đều có mật độ năng lượng tốt cho FEV, chúng cũng đối mặt với rủi ro an toàn, như nguy cơ cháy nổ MH được đánh giá cao về độ an toàn, nhưng lại gặp vấn đề với năng lượng riêng thấp, ảnh hưởng đến phạm vi lái xe Tương lai của FEV phụ thuộc vào đột phá công nghệ pin nhiên liệu về chi phí và chính sách thiết lập hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro.
Các công nghệ sử dụng trong xe điện
1.2.1 Công nghệ động cơ điện
Truyền động động cơ là công nghệ cốt lõi của xe điện (EVs), chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học Máy điện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động này, với các yêu cầu khắt khe hơn so với các ứng dụng công nghiệp Những yêu cầu này được nêu rõ trong nghiên cứu của Zhu và Howe (2007) cùng với Chau (2009).
• Mật độ mô-men xoắn cao và mật độ công suất cao
• Phạm vi tốc độ rộng, bao gồm leo dốc tốc độ thấp và bay tốc độ cao
• Hiệu quả cao trên phạm vi mô-men xoắn và tốc độ rộng
• Khả năng vận hành công suất liên tục rộng
• Khả năng mô-men xoắn cao để khởi động bằng điện và leo dốc
• Khả năng quá tải ngắt quãng cao để vượt
• Độ tin cậy cao và mạnh mẽ cho môi trường xe cộ
• Tiếng ồn âm thanh thấp
Khi máy điện cần làm việc với động cơ cho các HEV khác nhau, có một số bổ sung yêu cầu:
• Sản xuất điện hiệu quả cao trên một phạm vi tốc độ rộng
• Điều chỉnh điện áp tốt trong quá trình tạo tốc độ rộng
• Có khả năng được tích hợp với động cơ
Máy điện cho xe điện (EV) được phân loại thành nhiều loại, trong đó các loại như DC nối tiếp, DC shunt, DC kích thích riêng biệt, lưới điện từ vĩnh cửu (PM) DC, cảm ứng rôto lồng, máy điện xoay chiều không chổi than PM (BLAC), máy điện một chiều không chổi than PM (BLDC) và máy điện trở chuyển mạch (SR) đã được áp dụng cho EV Máy EV chủ yếu được chia thành hai nhóm: có cổ góp và không cổ góp Các máy không cổ góp, đặc biệt là máy nổi bật gấp đôi và máy vernier, đang được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Máy điện đôi có các cực nổi ở cả stato và rôto, trong khi máy SR là một loại máy nổi bật gấp đôi với cấu trúc đơn giản Khi tích hợp PM vào stato, máy thestator-PM ra đời, mang lại tính năng cơ học đơn giản và mạnh mẽ, phù hợp cho xe cộ Về mặt PM, có thể phân chia thành nam châm vĩnh cửu nổi bật kép (DSPM), nam châm vĩnh cửu đảo chiều từ thông (FRPM) và máy nam châm vĩnh cửu chuyển đổi từ thông (FSPM).
Sự kết hợp của các cuộn dây trường độc lập trong stato cho phép điều khiển từ thông, dẫn đến việc phân loại lớp thành các loại có thể điều khiển từ thông (FC), bao gồm FC-DSPM, FC-FRPM và FC-FSPM Bên cạnh đó, việc thay thế các cực nam châm vĩnh cửu (PM) bằng cuộn dây trường DC giúp loại bỏ các vật liệu không mong muốn.
PM đắt tiền đó và cung cấp khả năng kiểm soát dòng chảy linh hoạt, kết quả là
Máy DC nổi bật gấp đôi (DSDC), DC đảo ngược từ thông (FRDC) và chuyển mạch từ thông Máy DC (FSDC) là những loại máy không nam châm tiên tiến Tính năng chính của máy vernier là sử dụng hiệu ứng vernier để khuếch đại mô-men xoắn đầu ra trong khi giảm tốc độ, trở thành giải pháp lý tưởng cho ứng dụng truyền động trực tiếp mô-men xoắn cao tốc độ thấp Có hai loại chính của máy vernier: nam châm vĩnh cửu vernier (VPM) và vernier miễn cưỡng (VR) Máy VPM được phân loại thành ba loại khác nhau dựa trên vị trí.
Hình 1 9 Classification of EV machines
Hệ thống MG EVT sử dụng bánh răng từ tính thay vì bánh răng hành tinh, mang lại nhiều ưu điểm như hiệu suất truyền động cao, hoạt động êm ái và không cần bảo trì Điều này cũng giúp loại bỏ vòng trượt và chổi than Tuy nhiên, cấu trúc phức tạp của hệ thống EVT giả không hộp số và không chổi than đòi hỏi độ chính xác cao trong quá trình sản xuất.
1.2.2 Công nghệ Pin, Ắc quy
Nguồn năng lượng là công nghệ cốt lõi cung cấp điện cho xe điện, với bốn nguồn khả thi trong hai thập kỷ qua: pin điện hóa, siêu tụ điện, bánh đà tốc độ cực cao và pin nhiên liệu Pin lưu trữ năng lượng điện trong quá trình sạc và tạo ra điện khi phóng điện Siêu tụ điện là tụ điện với điện dung cao, lưu trữ và tạo ra năng lượng bằng phương pháp tĩnh điện Bánh đà siêu tốc lưu trữ và sản xuất năng lượng bằng cơ điện, hoạt động như động cơ trong quá trình sạc Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp nhiên liệu hóa học thành điện năng Tuy nhiên, không nguồn nào có thể đồng thời cung cấp năng lượng và công suất cao, do đó, cần có sự kết hợp giữa hai nguồn năng lượng với đặc tính khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất cho xe điện.
Trong tương lai gần, pin sẽ tiếp tục là nguồn năng lượng chủ yếu cho xe điện Các loại pin chính đã được phát triển trong hai thập kỷ qua bao gồm axit chì điều chỉnh van (VRLA), niken-cadmium (Ni-Cd), niken-kim loại hyđrua (Ni-MH), kẽm/air (Zn/air), natri/lưu huỳnh (Na/S) và lithium-ion (Li-ion) Trong đó, VRLA được sử dụng cho các xe điện giá rẻ, Ni-MH cho các xe hoạt động hiệu quả, và Li-ion cho các xe hiệu suất cao Để xe điện cung cấp phạm vi lái xe và giá cả tương đương với xe động cơ đốt trong (ICEV), cần cải thiện đáng kể năng lượng cụ thể và tuổi thọ chu kỳ của pin, đồng thời giảm chi phí ban đầu Hiện nay, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phát triển các loại pin Li-ion, như lithium niken mangan coban (NMC) cho điện cực dương nhằm nâng cao năng lượng và độ an toàn, và lithium titanate (Li4Ti5O12) cho điện cực âm để cải thiện vòng đời và thời gian sạc Ngoài ra, phát triển pin lithium/không khí (Li/air) và pin lithium/lưu huỳnh (Li/S) cũng là hướng nghiên cứu quan trọng nhằm nâng cao năng lượng cụ thể.
Hình 1 10 Các loại pin chính được phát triển cho xe điện
Công nghệ siêu tụ điện hứa hẹn mang lại nguồn năng lượng mạnh mẽ cho xe điện (EV) với vòng đời dài hạn, nhưng cần cải thiện đáng kể trước khi trở thành nguồn năng lượng chính Năng lượng cụ thể hiện tại chỉ đạt 5-6 Wh/kg, trong khi chi phí ban đầu từ 2400-6000 USD/kWh vẫn quá cao Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc nâng cao năng lượng cụ thể thông qua việc ứng dụng graphene và ống nano carbon, nhằm tăng diện tích bề mặt sử dụng và khả năng lưu trữ năng lượng.
Công nghệ bánh đà tốc độ cực cao đang mở ra tiềm năng lớn cho xe điện bằng cách cung cấp môi trường chân không để giảm ma sát và tổn thất từ ổ trục, cho phép bánh đà quay tới 60.000 vòng/phút với hiệu suất cao Tuy nhiên, vấn đề an toàn là một mối quan tâm lớn, vì khi bánh đà bị hư hỏng, nó có thể vỡ và giải phóng toàn bộ năng lượng tích trữ, gây ra nguy hiểm Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc cải thiện biện pháp an toàn, như sử dụng vật liệu composite có khả năng phân hủy thành bột nhỏ hoặc ứng dụng bánh đà trong lưu trữ năng lượng cho các trạm sạc EV Trong khi đó, công nghệ pin nhiên liệu cũng đang được nghiên cứu tích cực, với các loại pin như DMFC, AFC, PEMFC, PAFC, MCFC, và SOFC Đặc biệt, PEMFC là lựa chọn lý tưởng cho xe điện do tính năng điện phân rắn, hoạt động ở nhiệt độ thấp, khởi động nhanh, và hiệu suất cao Để xe điện trở nên phổ biến, chi phí ban đầu của pin nhiên liệu cần phải giảm đáng kể.
Nghiên cứu hiện tại về công nghệ pin nhiên liệu tập trung vào việc giảm sử dụng bạch kim cho PEMFC, cần kim loại quý làm chất xúc tác, và giảm nhiệt độ vận hành cho SOFC, không sử dụng kim loại quý Gần đây, nguồn năng lượng tái tạo trên tàu đã trở nên hấp dẫn cho xe điện, khi hiệu suất nhiên liệu của động cơ HEV chỉ khoảng 25% và 40% năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt thải Một máy phát nhiệt điện (TEG) có thể được lắp ở ống xả để thu hồi nhiệt năng và sạc pin Đồng thời, việc lắp đặt bảng điều khiển năng lượng mặt trời trên mái EVs cho phép thu thập năng lượng mặt trời tái tạo để sạc pin.
Hệ thống năng lượng hỗn hợp nhiệt điện-quang điện (TE-PV) có tiềm năng ứng dụng cao cho các phương tiện điện hybrid (HEV), mặc dù TEG và PVG được vận hành riêng biệt trong cùng một HEV, dẫn đến chi phí, trọng lượng và khối lượng lớn hơn Hệ thống TE-PV bao gồm các thành phần như bộ điều khiển TEG, PVG, bộ điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT), bộ chuyển đổi đa đầu vào (MIC) và pin, như được thể hiện trong hình 1.7.
Hình 1 11 Pin nhiên liệu khả thi
Hình 1 12 Hệ thống năng lượng lai nhiệt điện-quang điện
Hình 1 13 Bộ chuyển đổi đa đầu vào SEPIC-SEPIC
MIC có thể hoạt động như bộ chuyển đổi SEPIC hoặc bộ chuyển đổi Cuk, với chế độ điện áp tụ điện không liên tục Bộ điều khiển MPPT đo điện áp đầu ra và dòng điện của TEG và PVG, phản ánh các đặc tính phi tuyến ở những điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau Sau đó, bộ điều khiển này tạo ra tín hiệu chuyển mạch thích hợp cho MIC nhằm tối đa hóa tổng công suất đầu ra.
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương pháp để giảm bớt phạm vi lái xe ngắn của PEV, tập trung vào việc phát triển bộ sạc tiện lợi hơn Thay vì chỉ xây dựng thêm trạm sạc và sử dụng bộ sạc pin nhanh, việc áp dụng công nghệ sạc không tiếp xúc (WPT) có thể cải thiện quá trình sạc Công nghệ này không có tiếp điểm kim loại, giúp loại bỏ nguy cơ điện giật, từ đó nâng cao mức độ an toàn cho người dùng khi sạc lại hoặc tiếp nhiên liệu tự phục vụ so với xe chạy bằng động cơ đốt trong (ICEV).
Có hai loại chính của WPT: từ trường xa và từ trường gần WPT trường xa sử dụng bức xạ vi sóng hoặc tia laser để truyền tải công suất cao qua khoảng cách lớn.
Hình 1 14 Sạc EV dựa trên truyền điện cảm ứng
Công nghệ truyền điện không dây (WPT) trường gần sử dụng điện trường hoặc từ trường để truyền điện trong khoảng cách ngắn đến trung bình, nhưng đòi hỏi các chiến lược theo dõi phức tạp và ăng-ten lớn, điều này không thực tế cho ứng dụng xe điện (EV) Công nghệ truyền điện dung (CPT) có ưu điểm là không bị ảnh hưởng bởi các rào cản kim loại và tạo ra nhiễu điện từ (EMI) thấp hơn so với công nghệ từ trường Tuy nhiên, khả năng cho phép của không khí là nhỏ, dẫn đến điện dung ghép nối không đủ, làm cho việc truyền công suất nhạy cảm với độ dài khe hở không khí và sự dịch chuyển của các tấm ghép nối Hơn nữa, công nghệ CPT này chỉ phù hợp cho ứng dụng năng lượng thấp và chi phí thấp, không thích hợp cho ứng dụng EV.
Giới thiệu các loại truyền động động cơ trên xe ô tô điện
Động cơ điện trong xe điện chạy bằng pin (BEV) chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, cung cấp lực kéo cần thiết cho chuyển động Động cơ này cần đáp ứng nhiều yêu cầu lái xe, bao gồm khởi động và dừng thường xuyên, tốc độ tăng/giảm cao, khả năng leo dốc với mô-men xoắn cao và di chuyển từ trạng thái bế tắc Loại, kích thước, trọng lượng và hiệu suất của động cơ phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của hệ thống truyền lực, như cấu hình động cơ đơn hoặc đa, truyền động cố định hay biến thiên, và sự hiện diện của hộp số Các yêu cầu và thông số kỹ thuật chính là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn động cơ điện phù hợp cho BEV.
• Để cung cấp đủ mô-men xoắn cực đại, thường gấp bốn hoặc năm lần mô- men xoắn danh định để tăng tốc tạm thời và leo dốc
• Cung cấp hiệu quả cao trên phạm vi tốc độ và mô-men xoắn rộng để giảm tổng trọng lượng xe và mở rộng phạm vi lái xe;
• Để cung cấp khả năng kiểm soát cao, độ chính xác ở trạng thái ổn định cao và hiệu suất động tốt;
• Để cung cấp đủ độ bền chống lại nhiệt độ cao, thời tiết xấu và rung động thường xuyên;
• Để mang lại hiệu quả cao cho quá trình phanh tái sinh
Hình 1 17 Đặc điểm động cơ điện điển hình
Các thông số kỹ thuật của động cơ kéo đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền lực điện cho BEV Động cơ điện phổ biến thường cung cấp mô-men xoắn không đổi ở tốc độ thấp, trong khi ở tốc độ cao, công suất giữ ổn định nhưng mô-men xoắn giảm dần Tỷ số giữa tốc độ tối đa và tốc độ cơ bản phản ánh hiệu suất của động cơ trong hệ thống truyền lực điện Động cơ có tỷ số tốc độ cao hơn cho phép đạt mô-men xoắn cực đại cao hơn, từ đó cải thiện khả năng tăng tốc ban đầu và hiệu suất di chuyển Tuy nhiên, mỗi loại động cơ kéo đều có giới hạn về tỷ số tốc độ.
Động cơ điện trong xe điện chạy bằng pin (BEV) có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, nhưng phổ biến nhất là chia thành hai loại chính: động cơ điện một chiều (DC) và động cơ điện xoay chiều (AC).
Máy điện một chiều bao gồm ba thành phần chính: stato, rôto và cổ góp Stato tạo ra từ trường thông qua cuộn dây hoặc nam châm vĩnh cửu, trong khi rôto chứa cuộn dây phần ứng với dòng điện hai chiều được chuyển mạch qua cổ góp và chổi than Sự kết hợp khác nhau giữa trường và mạch phần ứng dẫn đến nhiều loại máy điện một chiều với các đặc tính tốc độ và mô-men xoắn khác nhau Các loại máy điện một chiều bao gồm kích thích riêng biệt, nối tiếp, ngẫu nhiên, hợp chất tích lũy, hợp chất vi phân và loại nam châm vĩnh cửu Đặc biệt, trong máy điện một chiều được kích thích riêng, trường và mạch phần ứng được cấp nguồn độc lập từ các nguồn điện áp khác nhau.
Hình 1 18 Sơ đồ cấu tạo động cơ điện DC
Động cơ điện một chiều bao gồm cuộn dây stator, rôto, cổ góp và chổi than Các cuộn dây này tạo ra lực từ, cung cấp mô-men xoắn cho rôto, giúp nó quay trong từ trường Cổ góp hoạt động như công tắc, cung cấp điện áp cho phần ứng quay từ chổi than, tạo ra cơ năng Động cơ điện một chiều nổi bật với đặc tính tốc độ mô-men xoắn và hệ thống điều khiển tốc độ đơn giản, giúp giảm chi phí cho sự kết hợp động cơ và bộ điều khiển.
DC Cách sử dụng tốt nhất của những động cơ này là để tăng tốc trong thời gian ngắn
Mặc dù hệ thống điều khiển và động cơ DC vẫn phổ biến trong một số loại xe điện do giúp giảm chi phí, nhưng chúng có nhược điểm như nặng nề, hiệu quả thấp, độ tin cậy kém và thời gian bảo trì cao Nguyên nhân chính là do phần tiếp xúc của bàn chải gây hao mòn, yêu cầu phải thay thế bàn chải định kỳ.
Các động cơ DC phổ biến nhất được sử dụng trong BEV là:
• Động cơ DC quấn loạt
• Động cơ DC quấn dây shunt
• Động cơ DC được kích thích riêng biệt
Hình 1 19 Cấu trúc DC motor
Trong máy điện một chiều, có ba loại cấu trúc mạch chính: máy DC shunt, máy nối tiếp và máy phức hợp Máy DC shunt có mạch trường và mạch phần ứng được nối song song, cho phép dòng điện được điều khiển đồng thời từ cùng một nguồn Ngược lại, máy điện một chiều nối tiếp kết nối mạch trường với mạch phần ứng, đảm bảo dòng điện trong cả hai mạch giống nhau và cũng được điều khiển đồng thời Trong khi đó, máy điện một chiều phức hợp tích lũy có hai mạch trường, một mạch nối tiếp và một mạch song song với mạch phần ứng, với từ thông của trường nối tiếp cùng hướng với từ trường Cuối cùng, máy điện một chiều hợp chất vi phân có từ thông của trường nối tiếp đối nghịch với từ thông của trường shunt, tạo nên sự khác biệt trong cách thức hoạt động.
Máy PM DC có mật độ công suất và hiệu suất cao hơn nhờ thay thế cấu trúc cuộn và cực trường bằng nam châm vĩnh cửu (PM), mang lại lợi ích tiết kiệm không gian và loại bỏ trường lỗ vốn Tuy nhiên, do kích từ trường trong máy PM DC không thể kiểm soát, nên nó không thể đạt được các đặc tính hoạt động tối ưu với điều khiển từ thông.
Cả máy điện trường vết thương và máy PM DC đều gặp vấn đề chung do sử dụng cổ góp và chổi than Cổ góp tạo ra gợn sóng mô-men xoắn, làm hạn chế tốc độ hoạt động, trong khi chổi than gây ra ma sát và nhiễu tần số vô tuyến.
Hình 1 20 Nguyên lý quay máy điện một chiều
Cần bảo trì thường xuyên cổ góp và chổi than do hao mòn, điều này khiến máy DC kém tin cậy và không phù hợp cho vận hành không cần bảo trì, từ đó hạn chế ứng dụng của chúng trong các máy EV hiện đại.
Động cơ điện xoay chiều, giống như động cơ điện một chiều, bao gồm một tập hợp cuộn dây (trường) và một rôto (phần ứng) Đặc điểm nổi bật của động cơ này là không cần sử dụng cổ góp và chổi than nhờ vào tính chất tuần hoàn của dòng điện xoay chiều.
Động cơ AC có nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ DC, bao gồm hiệu suất cao hơn, mật độ công suất lớn hơn, chi phí vận hành thấp hơn, trọng lượng nhẹ hơn và không cần bảo trì Tuy nhiên, nhược điểm chính của động cơ AC là chi phí cho hệ thống điện tử công suất cần thiết để chuyển đổi DC từ pin thành AC.
Hình 1 21 Đặc điểm của động cơ EV
Các loại động cơ xoay chiều có tiềm năng lớn nhất cho hệ thống truyền lực điện bao gồm:
• Động cơ cảm ứng (IM)
• Động cơ đồng bộ (động cơ không chổi than PM)
• Động cơ điện trở chuyển mạch (SRM)
Trong số các động cơ AC, động cơ cảm ứng thường được sử dụng cho xe lớn như SUV và xe buýt chuyển tuyến, trong khi động cơ đồng bộ phù hợp cho xe vừa và nhỏ như ô tô chở khách Ví dụ, Honda Insight và Toyota Prius sử dụng động cơ đồng bộ với công suất lần lượt là 10 kW và 50 kW Các mẫu xe như Chevrolet Silverado, Chrysler Durango và BMW X5 cũng trang bị động cơ cảm ứng Động cơ SRM có tiềm năng lớn cho các ứng dụng BEV nhờ vào đặc tính tốc độ mô-men xoắn vượt trội, nhưng nhược điểm của chúng hiện vẫn vượt trội hơn so với ưu điểm, khiến cho việc ứng dụng BEV trở nên không khả thi tại thời điểm này.
Hình 1 22 Cấu tạo cơ bản của AC motor
Hình 1 24 Từ trường quay do phát minh của Tesla cho các số cực từ khác nhau
Thiên tài của Nikola Tesla đã hình dung ra một hệ thống với ba cuộn dây quấn a, b và c, cách nhau 120 độ trong stato của máy, tạo ra một từ trường quay khi được cung cấp ba dòng điện dịch chuyển theo thời gian Các cuộn dây này bao gồm các cặp dây dẫn mang dòng điện trong một đường dẫn kín, với cuộn dây a có các dây dẫn a+ và a− Từ trường quay này có thể được mô hình hóa bằng một nam châm quay và tương tác với từ trường rôto để phát triển mô-men xoắn điện cơ Phát minh của Tesla đã cho phép các máy phát điện tại Niagara Falls tạo ra điện áp xoay chiều ba pha, phục vụ cho việc truyền tải điện đến Thành phố New York Điện áp xoay chiều này có thể được sử dụng cho động cơ xoay chiều, chuyển đổi thành công suất cơ học Các máy thường được thiết kế với nhiều cặp cực từ, cho phép sắp xếp dây dẫn trong các rãnh stato để tạo ra máy nhiều cực Tần số của từ trường quay, gọi là tần số đồng bộ fsyn, được xác định bằng cách chia tần số tự do điện đầu vào cho số cặp cực.
𝑝/2 Trong đó p là số cực và p / 2 là số cặp cực
Một trong những lợi ích nổi bật của việc tăng cặp cực trong máy là khả năng hoạt động ở tần số điện cao hơn, giúp giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị Động cơ cảm ứng này được ứng dụng trong mẫu xe GM EV1.
Kết luận chương 1
Chương 1 tổng quan về xe ô tô điện Ở chương này ta tìm hiểu về lịch sử phát triển của xe ô tô điện từ thời kì đầu tiên cho đến sự phát triển mạnh mẽ ngày nay Qua chương này ta có thể so sánh cũng như nắm được sự khác nhau và hiệu quả khi sử dụng xe điện và xe chạy bằng xăng Công nghệ xe điện sẽ là mục tiêu hướng tới tương lai trong việc tìm ra nguồn năng lượng xanh để góp phần bảo vệ môi trường, bảo vệ cuộc sống
Hiện nay có các dòng xe ô tô sử dụng điện như:
+ Xe hybrid sử dụng điện lưới
+ Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu
Các công nghệ sử dụng trong xe điện hiện nay
+ Công nghệ động cơ điện
Trong chương 1, chúng ta sẽ khám phá chi tiết về công nghệ truyền động động cơ trên xe điện, tập trung chủ yếu vào hai loại động cơ là DC motor và AC motor.
