Chuyển đổi từ động cơ đốt trong sang động cơ điện, động cơHybrid, động cơ sử dụng pin nhiên liệu không chỉ đánh dấu mộtbước tiến công nghệ mà còn phản ánh sự thay đổi trong quanđiểm của
XU THẾ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC Ô TÔ
Giới thiệu và bối cảnh lịch sử
Lịch sử của hệ thống động lực ô tô bắt đầu từ những năm 1880, với sự ra đời của những chiếc xe hơi đầu tiên Ban đầu, động cơ đốt trong là công nghệ chủ đạo, sử dụng nhiên liệu dầu mỏ để tạo ra sức mạnh di chuyển Từ đó, ngành công nghiệp ô tô đã trải qua nhiều thay đổi và phát triển, từ việc cải tiến động cơ đốt trong cho đến việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống động lực thay thế như động cơ điện và hybrid
Hình 1.1: Lịch sử phát triển của ô tô
Trong những thập kỷ gần đây, nhu cầu về một hệ thống động lực ô tô bền vững và thân thiện với môi trường đã trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết do những lo ngại về biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường Điều này đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của xe điện (EV), cùng với sự xuất hiện của xe tự hành (AV) như là những giải pháp cho tương lai của giao thông vận tải.
Chuyển đổi từ động cơ đốt trong sang động cơ điện, động cơHybrid, động cơ sử dụng pin nhiên liệu không chỉ đánh dấu một bước tiến công nghệ mà còn phản ánh sự thay đổi trong quan điểm của xã hội về việc sử dụng năng lượng và bảo vệ môi trường Đây là một quá trình lâu dài với nhiều thách thức và cơ hội, đòi hỏi sự hợp tác và đổi mới liên tục giữa các nhà sản xuất ô tô, chính phủ, và người tiêu dùng.
Xu thế phát triển của động lưc ô tô
2.1 Sử dụng năng lượng điện:
Carbon dioxide có mặt tự nhiên trong khí quyển và đóng vai trò thiết yếu trong quang hợp Tuy nhiên, mức độ carbon dioxide đã tăng kể từ cuộc cách mạng công nghiệp do nạn phá rừng và đốt nhiên liệu hóa thạch Sự gia tăng này làm ảnh hưởng đến ô nhiễm không khí Dù chỉ chiếm chưa đến 1% khí quyển, nhưng carbon dioxide cân bằng với các loại khí khác Sự thay đổi nồng độ carbon dioxide trong thời gian ngắn cũng có thể ảnh hưởng đáng kể.
Một tác động môi trường khác của carbon dioxide đối với ô nhiễm không khí là biến đổi khí hậu Nhiệt độ bề mặt trái đất đã tăng lên trong 100 năm qua, theo các nghiên cứu được thực hiện bởi Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA).
Các nhà khoa học tin rằng ô nhiễm carbon dioxide là thủ phạm chính.
Hình 1.2: Sự tăng CO 2 mạnh trong bầu khí quyển
Nhu cầu cấp thiết để cắt giảm lượng khí thải carbon đang thúc đẩy một động thái nhanh chóng hướng tới phương tiện di chuyển bằng điện và mở rộng triển khai năng lượng mặt trời và gió trên lưới điện.
Khí thải NOx (oxit nitơ) gồm oxit nitric (NO) và nitơ điôxít (NO2), là thành phần chủ yếu gây ô nhiễm môi trường Chúng được xếp vào nhóm khí cực độc, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Ngoài ra, khí thải NOx còn góp phần gây hiệu ứng nhà kính và mưa axit Xe điện có thể giúp giảm mức phát thải NOx về 0.
Hình 1.3: Phát thải NOx của ô tô sử dụng các loại nhiên liệu
Từ năm 2050, Việt Nam loại bỏ xe sử dụng động cơ đốt trong, sử dụng xe điện
Giai đoạn từ năm 2022 - 2030, Việt Nam ưu tiên thúc đẩy sản xuất, lắp ráp, nhập khẩu và chuyển đổi sử dụng các loại phương tiện giao thông cơ giới đường bộ sử dụng điện, phát triển hạ tầng sạc điện, khuyến khích các bến xe, trạm dừng chuyển đổi theo tiêu chí xanh.
Giai đoạn 2031-2050, năm 2040, Việt Nam sẽ từng bước hạn chế, tiến tới dừng sản xuất, lắp ráp, nhập khẩu ô tô, mô tô sử dụng nhiên liệu hoá thạch để sử dụng trong nước. Đến năm 2050, 100% phương tiện giao thông cơ giới đường bộ như ô tô, xe máy tham gia giao thông phải chuyển đổi sang sử dụng điện, năng lượng xanh
Quá trình chuyển tiếp từ ô tô xăng dầu sang ô tô điện gặp rất nhiều thách thức về công nghệ, độ tin cậy, thói quen người dùng Để chuyển tiếp cần tiếp cận đến xe lai (xe Hyrid) XeHybrid kết hợp giữa động cơ đốt trong và công nghệ pin xe điện có thể giúp ngành công nghiệp ô tô giảm mức tiêu tụ nhiên liệu, khí thải, đồng thời giúp người tiêu dùng dễ dàng điện khí hoá phương tiện hơn.
Hình 1.4: Sự chuyển tiếp từ ô tô xăng dầu sang ô tô điện Ô tô điện không phải là mới nó đã được sử dụng vào cuối thế kỉ 19, ô tô chạy bằng điện đã được phát minh trước khi ô tô chạy bằng động cơ đốt trong ra đời Tuy nhiên, lịch sử phát triền của ô tô cũng theo hình xoáy trôn ốc, thời kì sau tiến bộ hơn thời kì trước nên vào giai đoạn nữa đầu thế kỉ 20 là sự hoàng kim của ô tô sử dụng động cơ đốt trong.
Hình 1.5: Lịch sử phát triển của ô tô điện
Hình 1.6: Đường đặc tính công suất, momen xoắn theo tốc độ của động cơ đốt trong và động cơ điện
Đường đặc tinh: Đường dặc tính momen-tốc độ của động cơ đốt trong thường không tuyến tính Momen cực đại xuất hiện ở tốc độ vòng quay trung bình, và giảm dần khi tốc độ tăng lên Điều này là do hiệu suất của quá trình đốt cháy và khả năng làm mát giảm khi tốc độ tăng.
Hiệu Suất: Hiệu suất của động cơ đốt trong bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tỉ lệ nén, loại nhiên liệu, và công nghệ đốt cháy Hiệu suất thường không cao do tổn thất nhiệt lớn.
Khả Năng Tăng Tốc: Khả năng tăng tốc của động cơ đốt trong phụ thuộc vào momen xoắn và tốc độ vòng quay.
Có thể cần hộp số để điều chỉnh tốc độ và momen cho phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Đường đặc tính: Đường dặc tính của động cơ điện gần như tuyến tính hoặc hình bậc thang, với momen cực đại có sẵn từ tốc độ 0 và duy trì ở mức ổn định đến một tốc độ nhất định, sau đó giảm dần Điều này cho phép khả năng tăng tốc tốt hơn từ tình trạng đứng yên.
Hiệu suất cao của động cơ điện là do động cơ điện có ít tổn thất nhiệt hơn và có khả năng tái sử dụng năng lượng thông qua phanh tái sinh Nhờ vậy, động cơ điện đạt hiệu suất cao hơn đáng kể so với động cơ đốt trong.
Khả Năng Tăng Tốc: Động cơ điện có khả năng tăng tốc xuất sắc do momen cực đại có sẵn ngay cả ở tốc độ thấp. Điều này làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng cần tăng tốc nhanh chóng, như xe điện.
Qua đó cho thấy ưu điểm rõ rệt của đông cơ điện so với động cơ xăng
Chúng ta có thể xem xét chi tiết hơn từng ưu điểm của động cơ điện so với động cơ đốt trong để hiểu rõ hơn về lý do đằng sau sự chuyển dịch ngày càng tăng về việc sử dụng động cơ điện trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong ngành xe hơi.
Hình 1.7: So sánh xe sử dụng động cơ đốt trong và điện cơ điện
Hiệu Suất Cao: Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng với hiệu suất cao, thường xuyên đạt trên 90% Sự chênh lệch đáng kể so với động cơ đốt trong, mà hiệu suất chỉ dao động từ 30% đến 40%, chủ yếu do tổn thất nhiệt lớn và hao phí năng lượng trong quá trình chuyển hóa năng lượng.
PHÂN TÍCH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA FCEV
Pin nhiên liệu là một loại thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện thông qua một quá trình oxy hóa khử mà không cần đến sự đốt cháy Nguyên tắc hoạt động của pin nhiên liệu dựa trên sự kết hợp giữa hydro và oxy để tạo ra điện, nước, và nhiệt Có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau, được phân loại theo loại chất điện phân sử dụng, bao gồm pin nhiên liệu hydro, pin nhiên liệu methanol
Khái niệm về pin nhiên liệu được Sir William Grove, một nhà khoa học người Wales, phát minh vào năm 1839 Ông đã tạo ra một thiết bị đơn giản, được gọi là "pin Grove", dựa trên nguyên lý phản ứng giữa hydro và oxy để tạo ra nước và điện Tuy nhiên, do hiệu quả thấp và chi phí sản xuất cao, công nghệ này không được thương mại hóa rộng rãi vào thời điểm đó.
Vào những năm 1950 và 1960, pin nhiên liệu đã thu hút sự chú ý của quân đội và cơ quan vũ trụ Hoa Kỳ, trở thành nguồn điện tiềm năng cho tàu vũ trụ và ứng dụng quân sự Trong chương trình không gian Apollo nổi tiếng, NASA đã sử dụng pin nhiên liệu để cung cấp năng lượng và nước uống cho các phi hành gia.
Trong những năm gần đây, với sự quan tâm ngày càng tăng đối với các vấn đề môi trường và nhu cầu giảm phát thải carbon, pin nhiên liệu đã trở thành một phần quan trọng của chiến lược năng lượng tái tạo Các công ty và cơ quan nghiên cứu trên toàn thế giới đang tập trung vào việc cải thiện hiệu quả, giảm chi phí sản xuất và tìm kiếm các ứng dụng mới cho pin nhiên liệu, bao gồm phương tiện giao thông (xe hơi, xe buýt, tàu hỏa) và cung cấp điện cho các tòa nhà thương mại và dân cư.
Pin nhiên liệu cung cấp một giải pháp hấp dẫn cho việc sản xuất năng lượng sạch, nhưng vẫn đối mặt với một số thách thức như chi phí cao, hạ tầng tiếp nhiên liệu hạn chế, và vấn đề lưu trữ và vận chuyển nhiên liệu an toàn Nghiên cứu và phát triển liên tục là chìa khóa để vượt qua những thách thức này và tận dụng tối đa tiềm năng của pin nhiên liệu trong tương lai.
Hình 2.1: Cấu tạo xe FCEV
2 Ưu nhược điểm của FCEV 2.1 Ưu điểm của FCEV
Có thể tái tạo và tiếp cận dễ dàng
Hydro cho đến nay vẫn là nguyên tố phổ biến nhất trên Tráu Đất Bất chấp những khó khăn trong việc chiết xuất nó từ nước,đây là một dạng năng lượng đặc biệt bền vững và vô hạn, khiến nó trở nên hoàn hảo cho nhu cầu năng lượng và nhiệt tích hợp không carbon trong tương lai.
Xe điện có thể là sự thay thế lý tưởng để bảo tồn và sử dụng năng lượng tái tạo cho giao thông vận tải Các phương pháp sản xuất hydro mới mở rộng đáng kể phạm vi thị trường cho xe điện tử FCEV sẽ tồn tại và bổ sung trong tương lai, mở đường cho một nguồn năng lượng tái tạo tiết kiệm
Hình 2.2: Sản xuất hydro bằng năng lượng tái tạo
Có năng lực tốt so với các nguồn năng lượng khác
Pin nhiên liệu hydro sản xuất điện hiệu quả hơn các nguồn năng lượng thông thường khác, bao gồm nhiều lựa chọn năng lượng xanh Hiểu quả sử dụng nhiên liệu cho phép đạt được công suất sản xuất lớn trên mỗi kg nhiên liệu.
Sạch và không gây ô nhiễm: Ô tô hydro được cung cấp năng lượng hoàn toàn bằng điện và lái xe không có khí thải cục bộ Do đó, trải nghiệm lái xe tương tự như xe điện Cụ thể là: khả năng tăng tốc động, hầu như không gây tiếng ồn, vì động cơ điện cung cấp toàn bộ mô- men xoắn ngay cả ở tốc độ thấp.
Thời gian sạc nhanh: Ưu điểm chính - và lợi thế cạnh tranh lớn nhất - là thời gian tiếp nhiên liệu ngắn Không giống như thời gian sạc của ô tô điện BEV, phụ thuộc vào cả kiểu dáng và cơ sở hạ tầng, xe điện FCEV chỉ mất từ ba đến bốn phút để nạp đầy bình hydro của BMW iX5 Hydrogen Điều này mang lại sự sẵn có và tính linh hoạt của phương tiện phù hợp với những chiếc ô tô thông thường
Bền hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với nhiên liệu hoá thạch
Kỹ thuật pin nhiên liệu hydro mang lại nguồn năng lượng mạnh mẽ, hiệu quả cao Tính theo trong lượng, hydro có sản lượng năng lượng sơ cấp cao nhất so với bất kỳ loại nhiên liệu thông thường nào Mật độ năng lượng trọng lượng của chất lỏng áp suất thấp cao và hydro gần gấp ba lần khí tự nhiên hoá lỏng và dầu diesel Mật độ năng lượng thể tích tương đương với khí tự nhiên.
Giảm thiểu dư lượng carbon
Pin nhiên liệu hydro hâu như không phát thải ra nhà kính,nghĩa là lượng phát thải không đáng kể khi hoạt động Không giống như khí tự nhiên và than đá, pin nhiên liệu không thải ra carbon dioxide và các loại khí nhà kính khác góp phần làm trái đất nóng lên, giảm ô nhiễm và cải thiện chất lượng không khí
Hình 2.3: Tác động các loại nhiên liệu đến môi trường
Sạc mất ít thời gian
Tốc độ sạc cho bộ pin của nhiên liệu hydro rất nhanh, tương đương với tốc độ của động cơ đốt trong và nhanh hơn nhiều so với tốc độ sạc của ô tô điện Thời gian sạc cho xe điện dao động từ 30 phút đến vài giờ đồng hồ, trong khi pin nhiên liệu hydro có thể được nạp đầy trong vòng chưa đầy 5 phút Do thời gian sạc nhanh, ô tô chạy bằng hydro dường như mang lại khả năng di chuyển như ô tô thông thường
Hình 2.4: Thời gian sạc của các loại đông cơ khác nhau
Thời gian sử dụng rộng rãi
Hiệu suất cao hơn về thời gian sử dụng có thể đạt được với pin nhiên liệu hydro Một chiếc ô tô chạy bằng hydro có khả năng di chuyển tương tự như một chiếc ô tô chạy bằng năng lượng hoá thạch khoảng 500km Điều này tốt hơn những gì xe điện đang đề xuất, thường được tăng cường bằng pin năng lượng pin nhiên liệu làm bộ tăng cường tín hiệu Không giống như xe điện, pin nhiên liệu hydro không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ xung quanh và không bị hư hỏng ở nhiệt độ lạnh hơn Khi kết hợp với thời lượng sạc nhanh, lợi thế này ngày càng được nâng cao
Giá thành dự kiến trong tương lai
Giá thành của hydro là thách đối với phương tiện sử dụng loại nhiên liệu này Tuy vậy, giá thành dự kiến sẽ giảm trong tương lai do công nghệ kỹ thuật ngày càng phát triển
Hình 2.5: Chi phí trên mỗi KW phương tiện sử dụng pin nhiên liệu
