Với lòng biết ơnsâu sắc chúng em xin được bày tỏ lời cảm ơn đến:* Ban giám hiệu nhà trường Cao đẳng Bách Khoa Bách Việt đã tạo mọi điều kiệnđể nhóm chúng em hoàn thành được tốt đồ án của
TỔNG QUAN
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Thông qua việc tìm hiểu về công nghệ sản xuất pin nhiên liệu và các công nghệ được áp dụng trên xe giúp nắm được những kiến thức cơ bản và nâng cao trong lĩnh vực sản xuất pin nhiên liệu và xe dùng pin nhiên liệu để vận dụng trong sản xuất ô tô.
NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Đề tài giúp hiểu rõ được quá trình lịch sử hình thành và phát triển, biết được công nghệ sản xuất pin nhiên liệu, quá trình phản ứng của hydro, công nghệ pin nhiên liệu được áp dụng trên xe , và các công nghệ tiên tiến về xe hydro khác.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Sử dụng phương pháp nghiên cứu thư mục: Tìm hiểu và phân tích các tài liệu, sách, báo cáo đã được xuất bản về công nghệ sản xuất pin nhiên liệu và tài liệu về xe Toyota Mirai, các trang mạng, diễn đàn có uy tín về ngành ô tô Đặc biệt là các kiến thức thầy ThS Đào Hữu Huy đã truyền đạt trong quá trình học tập làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề tài.
KẾT CẤU CỦA ĐỀ TÀI
Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CÁC LOẠI XE SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SẠCH Chương 3: XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TOYOTA MIRAI Chương 4: ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM TOYOTA MIRAI VÀ MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN VỀ HYDRO
CÁC LOẠI XE SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SẠCH
XE HYBRID (HEV-Hybrid Electric Vehicle)
Hybrid là cấp độ cơ bản nhất của xe xanh, sử dụng đồng thời động cơ đốt trong kết hợp với động cơ điện Cung cấp năng lượng cho động cơ điện là pin.
Nguồn điện trong pin không được nạp từ bên ngoài, sinh ra bởi quá trình tái tạo năng lượng thừa khi phanh hoặc xe chạy không tải, nạp vào pin một cách tuần hoàn HEV sử dụng động cơ xăng là chính, động cơ điện sẽ chỉ can thiệp vào một số tình huống đề bổ trợ Có nhiều cấu hình khác nhau để động cơ điện kích hoạt Ví dụ, Toyota Corolla Cross HV dùng động cơ điện bổ trợ khi khởi động, nhấn ga cho xe di chuyển ở tốc độ thấp, đạp thốc ga và khi đã ổn định tốc độ.
Theo Toyota, với hai xe sử dụng động cơ có dung tích giống nhau, xe có hybrid sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn 40% so với xe chạy xăng thông thường Khi nhiên liệu tiêu thụ giảm, mức phát thải CO2 cũng giảm theo.Tuy có ưu điểm là giảm phát thải CO2, tiêt kiệm nhiên liệu, không phải sạc pin nhưng nhược điểm là sự can thiệp của động cơ điện khá ít, chỉ mang tính thêm thắt Xe hybrid thường là các mẫu xe đô thị, dung tích xi lanh nhỏ và không di chuyển ở các địa hình quá phức tạp.
XE HYBRID CẮM SẠC (PHEV-Plug-in Hybrid Electric Vehicle)
Tương tự như xe hybrid, nhưng xe PHEV có pin lớn hơn và được sạc điện từ bên ngoài qua cổng sạc Kích thước pin lớn cung cấp nhiều năng lượng hơn cho động cơ điện, giúp động cơ điện hoạt động mạnh mẽ và bền bỉ hơn Xe PHEV có thể hoạt động chỉ với động cơ đốt trong cỡ nhỏ, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường mà không lo thiếu công suất Ví dụ, Range Rover Autobiography sử dụng động cơ 5.0L, trong khi bản PHEV chỉ sử dụng động cơ xăng 2.0L, kết hợp cùng động cơ điện vẫn cho công suất và mô-men xoắn tương đương Nhờ pin lớn, xe PHEV có thể chạy bằng điện độc lập mà không cần dùng động cơ xăng Quãng đường chạy điện độc lập có thể lên tới 130km Thời gian sạc pin thường từ 3-6 tiếng tùy theo dung lượng Tại Việt Nam, một số mẫu xe sử dụng động cơ PHEV như Range Rover P400e hay Volvo XC90 T8 Xe PHEV thường là các SUV lớn vì mục đích giảm dung tích động cơ xăng, giảm phát thải CO2 và tăng hiệu suất động cơ Xe PHEV có thể chạy trên các địa hình phức tạp do kết hợp linh hoạt giữa xăng và điện Tài xế không phải lo hết điện vì vẫn còn bình xăng dự phòng Theo nhiều chuyên gia, ở những quốc gia chưa đủ cơ sở hạ tầng phát triển xe điện như Việt Nam thì xe PHEV sẽ là lựa chọn phù hợp.
Hình 2.2 Cấu trúc xe Plug-in Hybrid Electric Vehicle
XE THUẦN ĐIỆN (BEV-Battery Electric Vehicle)
Đây đang là xu hướng chính của các hãng ô tô trên thể giới Xe chỉ sử dụng một khối pin dưới sàn cung cấp năng lượng cho động cơ điện Với đặc trưng gia tốc lớn, tức thời của điện, xe cũng không cần sử dụng hộp số nhiều cấp đề chuyển đổi mô-men Phần lớn xe điện chỉ dụng hộp số 1 cấp, hoặc cá biệt 2 cấp trên xe thể thao như Porsche Taycan. Ưu điểm của xe điện là hoàn toàn không phát thải CO2, các chi tiết máy của xe cũng khá đơn giản và dễ sửa chữa hơn xe dùng động cơ đốt trong nên loại xe này đang được coi là tương lai của ngành công nghiệp ô tô Nhược điểm là tuổi thọ của pin cần thêm thời gian để kiểm chứng và quãng đường di chuyển cho một lần sạc ngắn hơn xe chạy bằng xăng hoặc dầu Hạ tầng trạm sạc, thời gian sạc cũng là vấn đề lớn của xe chạy điện so với xe dùng nhiên liệu đốt trong Xe điện BEV về cơ bản có bố trí chung và thiết kế tương tự ô tô ICE,chỉ khác nhau ở hệ thống động lực (powertrain) dùng động cơ và truyền động điện với hệ thống pin thay vì dùng xăng hay dầu Còn các cụm và hệ thống khác giống như một chiếc ô tô thông thường Có nhiều phương án bố trí hệ thống động lực và động cơ điện khác nhau Các cụm và hệ thống còn lại, nội và ngoại thất tương tự ô tô thông thường Ngoài ra, đối với các bộ pin là các ion lithium, vốn rất dễ tăng nhiệt trong quá trình sử dụng, bởi vậy xe điện cũng cần được kiểm soát nhiệt độ để đảm bảo vận hành an toàn Một bộ quản lý năng lượng trang bị giúp đảm bảo năng lượng được tạo ra và tiêu thụ ở trạng thái ổn định, tránh hiện tượng bộ pin quá tải.
XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU HYDRO (FCEV- Fuel Cell Electric Vehicle) .6 Chương 3: XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TOYOTA MIRAI
Xe dùng pin nhiên liệu FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) được coi là đỉnh cao của dòng xe xanh Đây là một chiếc xe điện chạy pin, nhưng điện
“bơm” vào pin không thông qua cổng sạc như xe BEV, mà thay vào đó là nguồn điện từ một phản ứng hóa học của khí hydro ngay trên xe Pin nhiên liệu tổng hợp hydro với oxy trong không khí tạo ra điện năng cung cấp cho động cơ điện Tế bào nhiên liệu không thải ra khí CO2, nhưng nó cũng tạo ra ít nhiều khí này trong quá trình chiết hydro từ khí tự nhiên, tuy nhiên lượng khí thải khá ít so với những dạng phương pháp tạo năng lượng truyền thống Xe có một bình chứa khí hydro được nén, khí hydro này được cho tác dụng với oxy trong điều kiện nhất định với bộ xúc tác Phản ứng hóa học này sẽ tạo ra H2O được thải ra ngoài qua ống xả, đồng thời cũng tạo ra dòng điện, và điện năng này được dẫn vào dự trữ ở pin, chờ cung cấp cho động cơ điện hoạt động. Ưu điểm của FCEV là không phải sạc điện như xe BEV Thời gian nạp hydro chỉ mất vài phút giống như đổ xăng Xe không phát thải, chất thải gần như tinh khiết là H2O và có thể di chuyển quãng đường dài như xe chạy xăng.
Nhược điểm của FCEV là cấu tạo phức tạp và chỉ phí sản xuất cao Hơn nữa chưa có một quy chuẩn chung nào cho việc sản xuất pin nhiên liệu này Tuy vậy, dòng xe này hiện vẫn được sử dụng ở Nhật Bản như Toyota Mirai, HondaClarity bản Fuel Cell và FCEV sẽ là dòng xe điện trong tương lai.
Hình 2.4 Cấu trúc xe Fuel Cell Electric Vehicle
Chương 3: XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TOYOTA MIRAI
LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU
Năm 1839, pin nhiên liệu đầu tiên được hình thành bởi Sir William Robert Grove, một thẩm phán, nhà phát minh và nhà vật lý người xứ Wales. Ông trộn hydro và oxy với sự có mặt của chất điện phân và tạo ra điện và nước.
Năm 1842, Grove chế tạo pin điện khí, là pin nhiên liệu Ông không đặt tên nó như pin nhiên liệu Grove sinh ra ở Swansea Ông đang làm giáo sư khoa Vật lý tại viện London, Vương quốc Anh Tế bào do ông phát triển được làm bằng công nghệ pin có điện cực kẽm và bạch kim bên trong Hai điện cực được tiếp xúc với axit sulfuric và nitric Các axit được tách ra khỏi nhau bằng bình sứ Nồi gốm là loại xốp sẽ tạo điều kiện thuận lợi hoặc tăng cường sự trao đổi của hai chất điện phân Cơ cấu này đã đạt được thành công và danh tiếng lớn và được tiếp tục sử dụng trong các trạm điện báo.
Năm 1889, thuật ngữ "pin nhiên liệu" ra đời khi Ludwig Mond và Charles Langer lần đầu tiên chế tạo một thiết bị sử dụng không khí và khí than công nghiệp để tạo ra điện năng.
Nhà nghiên cứu William White Jaques được cho là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ "fuel cell" Ông cũng là người tiên phong trong việc sử dụng axit photphoric làm chất điện phân trong pin nhiên liệu.
Thập niên 1920 đánh dấu bước tiến quan trọng trong nghiên cứu pin nhiên liệu tại Đức Các công trình tiên phong này đã đặt nền tảng cho sự phát triển của pin nhiên liệu oxit rắn và pin nhiên liệu cacbonat hiện đại, góp phần vào sự tiến bộ đáng kể của ngành năng lượng sạch.
Năm 1932, kỹ sư Francis T Bacon bắt đầu nghiên cứu quan trọng của mình về các tế bào nhiên liệu Các nhà thiết kế tế bào ban đầu đã sử dụng điện cực platin xốp và axit sulfuric làm bể điện phân Việc sử dụng bạch kim rất tốn kém và sử dụng axit sulfuric có tính ăn mòn Bacon đã cải tiến trên các chất xúc tác bạch kim đắt tiền với một tế bào hydro và oxy bằng cách sử dụng chất điện phân kiềm ít ăn mòn hơn và các điện cực niken rẻ tiền.
Bacon phải cần đến năm 1959 để hoàn thiện thiết kế của mình khi ông trình diễn một pin nhiên liệu 5 kilowatt có thể cung cấp năng lượng cho một máy hàn Francis T Bacon, hậu duệ trực tiếp của Francis Bacon nổi tiếng khác,đã đặt tên cho thiết kế pin nhiên liệu nổi tiếng của mình là “Bacon Cell”.
Vào tháng 10 năm 1959, Harry Karl Ihrig, một kỹ sư của Công ty Sản xuất Allis – Chalmers, đã trình diễn một chiếc máy kéo 20 mã lực là phương tiện đầu tiên chạy bằng pin nhiên liệu.
Từ đầu những năm 1960, General Electric đã ứng dụng nguyên lý "Bacon Cell" để phát triển hệ thống điện dựa trên pin nhiên liệu cho tàu vũ trụ Gemini và Apollo của NASA Hiện nay, Tàu con thoi sử dụng các tế bào nhiên liệu để cung cấp điện và nước uống cho phi hành đoàn.
NASA quyết định rằng việc sử dụng các lò phản ứng hạt nhân có rủi ro quá cao và việc sử dụng pin hoặc năng lượng mặt trời là quá cồng kềnh để sử dụng trong các phương tiện vũ trụ NASA đã tài trợ cho hơn 200 hợp đồng nghiên cứu khám phá công nghệ pin nhiên liệu, đưa công nghệ này lên cấp độ khả thi cho khu vực tư nhân.
Chiếc xe buýt đầu tiên chạy bằng pin nhiên liệu được hoàn thành vào năm 1993, và một số chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu hiện đang được chế tạo ở Châu Âu và Hoa Kỳ Daimler-Benz và Toyota ra mắt nguyên mẫu ô tô chạy bằng pin nhiên liệu vào năm 1997.
Vào tháng 8 năm 1999, các nhà vật lý Singapore đã công bố một phương pháp lưu trữ hydro mới của các ống nano carbon pha tạp chất kiềm nhằm tăng khả năng lưu trữ và an toàn hydro.
Và xe dùng pin nhiên liệu đang được nghiên cứu phát triển và áp dụng đến tận ngày nay và tương lai.
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU CỦA TOYOTA.9
Mất 21 năm nghiên cứu và phát triển bắt đầu từ năm 1992: Toyota bắt đầu phát triển công nghệ FCV.
Năm 1996: EVS13, FCV với bình hydro hydroxit kim loại, tham gia cuộc diễu hành ở Osaka.
Năm 2001: Toyota trưng bày các mẫu xe chạy pin nhiên liệu FCHV -4, FCHV-5 và Daihatsu MOVE FCV-K-II tại Triển lãm ô tô Tokyo
Năm 2002: FCHV dựa trên Highlander được bán với số lượng hạn chế ở Mỹ và Nhật Bản Ngăn xếp pin nhiên liệu tạo ra công suất 90 kW Phạm vi bay là 300 km (185 dặm) Hai chiếc FCHV được chuyển đến cơ sở Irvine và Davis của Đại học California, bốn chiếc được chuyển đến các cơ quan chính phủ ở Nhật Bản
Năm 2003: Toyota và Daihatsu bắt đầu thử nghiệm trên đường MOVE FCV-K-II, một chiếc xe Kei chạy pin nhiên liệu
Năm 2005: FCHV nhận được chứng nhận kiểu dáng tại Nhật Bản.
Năm 2008: FCHV-adv đã tăng phạm vi hoạt động lên 830 km (515 dặm) trong chu kỳ thử nghiệm 10-15 và khả năng khởi động nguội tốt hơn
Năm 2009: Chính phủ Mỹ ngừng tài trợ cho ô tô chạy pin nhiên liệu hydro
Năm 2010: Xe buýt Toyota/Hino FCHV phục vụ các tuyến thương mại hàng ngày giữa Sân bay Haneda của Tokyo và trung tâm thành phố
Vào năm 2011, Satoshi Ogiso, Phó Giám đốc Nhóm Kế hoạch Sản phẩm, cho biết tất cả các vấn đề kỹ thuật đã được giải quyết và chỉ còn lại "vấn đề thực sự duy nhất cản trở xe điện chạy pin nhiên liệu là chi phí sản xuất hàng loạt".
Năm 2011: Toyota trình diễn mẫu xe ý tưởng FCV, được đặt tên là "FCV- R," tại Triển lãm ô tô Tokyo
Năm 2012: Chủ tịch Toyota Takeshi Uchiyamada nói: “Khả năng hiện tại của xe điện không đáp ứng được nhu cầu của xã hội, cho dù đó có thể là quãng đường xe có thể chạy, chi phí hay thời gian sạc lâu”.
Năm 2013: Phóng viên lái thử xe chạy pin nhiên liệu Toyota chứng minh rằng việc đổ xăng chỉ mất chưa đầy ba phút
Năm 2013: Toyota trưng bày mẫu sedan FCV tại Tokyo Motor Show
Tháng 6 năm 2014: Toyota giới thiệu FCV sắp sản xuất với báo giới Thông báo sẽ có mặt vào đầu năm 2015 tại Nhật Bản với mức giá khoảng ¥ 7.000.000
Tháng 11 năm 2014: Toyota ra mắt thông cáo báo chí và những bức ảnh mô tả chi tiết phiên bản sản xuất của xe chạy pin nhiên liệu Tên mẫu chính thức của Mirai cũng được công bố, có nghĩa là "tương lai".
Tháng 4 năm 2015: Mirai là chiếc xe sử dụng pin nhiên liệu hydro đầu tiên tham gia cuộc đua NASCAR tại Toyota Owners 400 ở Richmond , Hoa Kỳ.
Tháng 6 năm 2015: Mirai là chiếc xe tốc độ tại Toyota/Save Mart350 tại Sonoma , Hoa Kỳ.
Ngày 21 tháng 10 năm 2015: Bắt đầu bán và giao hàng tại California , cùng ngày mà chiếc ô tô bay chạy bằng động cơ nhiệt hạch trong bộ phim Back to the Future Part II du hành xuyên thời gian
Tháng 8 năm 2018: Một chiếc Mirai được nạp lại ở Úc bằng hydro tách khỏi amoniac bằng công nghệ màng
Tháng 10 năm 2019: Mirai thế hệ thứ hai cho mẫu xe 2021 được công bố,dựa trên nền tảng TNGA dẫn động cầu sau Nó dài hơn, rộng hơn và thấp hơn đáng kể so với mẫu thế hệ đầu tiên.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TOYOTA MIRAI
Toyota Mirai được phát triển dựa trên mẫu xe ý tưởng Toyota FCV-R (Xe chạy pin nhiên liệu) , được ra mắt tại Triển lãm Ô tô Tokyo 2011 Triển lãm ô tô Tokyo 2013 Mẫu concept FCV được ra mắt là một chiếc sedan màu xanh sáng có hình dạng giống như một giọt nước "để nhấn mạnh rằng nước là chất duy nhất mà ô tô chạy bằng hydro thải ra từ ống xả của chúng." FCV có một lưới tản nhiệt lớn và các khe hở khác để cho phép làm mát không khí và nạp oxy để sử dụng cho pin nhiên liệu Theo Toyota, mẫu concept FCV có hình dáng gần giống với phiên bản sản xuất dự kiến của mẫu xe này Kích thước FCV tương tự như Camry Phạm vi FCV dự kiến sẽ là khoảng 700 km (430 mi) theo chu kỳ thử nghiệm JC08 của Nhật Bản.
Theo Toyota, FCV có hệ thống pin nhiên liệu với mật độ công suất đầu ra là 3,0 kW/L, cao gấp đôi so với mẫu concept pin nhiên liệu trước đó, Toyota FCHV-adv , mang lại công suất đầu ra hơn 100 mã lực kW , mặc dù đã giảm kích thước đơn vị đáng kể FCV sử dụng cụm pin nhiên liệu nhỏ, nhẹ, độc quyền của Toyota và hai bình hydro áp suất cao 70 MPa được đặt bên dưới thân xe được thiết kế đặc biệt Toyota FCV concept có thể chứa tối đa 4 người ngồi Đối với việc ra mắt thị trường toàn diện vào năm 2015, chi phí của hệ thống pin nhiên liệu dự kiến sẽ thấp hơn 95% so với Toyota FCHV-adv 2008
Mẫu concept FCV cũng sử dụng một phần công nghệ Hybrid Synergy Drive của Toyota bao gồm động cơ điện , bộ điều khiển công suất và các bộ phận, linh kiện khác từ xe hybrid để cải thiện độ tin cậy và giảm thiểu chi phí.
Công nghệ hybrid cũng được sử dụng để hoạt động cùng với pin nhiên liệu Ở tốc độ thấp như lái xe trong thành phố, FCV chạy giống như bất kỳ chiếc ô tô chạy hoàn toàn bằng điện nào bằng cách sử dụng năng lượng tích trữ trong pin, được sạc thông qua phanh tái tạo Ở tốc độ cao hơn, chỉ riêng pin nhiên liệu hydro sẽ cung cấp năng lượng cho động cơ điện Khi cần nhiều năng lượng hơn, chẳng hạn như khi tăng tốc đột ngột, pin sẽ hỗ trợ hệ thống pin nhiên liệu vì cả hai hoạt động cùng nhau để cung cấp lực đẩy
Vào tháng 6 năm 2014, Toyota đã giới thiệu một chiếc FCV với thiết kế bên ngoài gần giống với sản xuất, công bố chi tiết về giá cả tại Nhật Bản và ấn định ra mắt thị trường nội địa trước tháng 4 năm 2015, với doanh số bán hàng ban đầu chỉ giới hạn ở những khu vực đang phát triển cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro
* Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ đầu tiên
Sản xuất Tháng 12 năm 2014 – 2020 Năm mô hình 2015–2020
Thân và khung gầm Cách bố trí Động cơ dẫn động cầu trước, dẫn động cầu trước
Hệ truyền động Động cơ điện 4JM Pin nhiên liệu được cấp nguồn 113 kW (152 mã lực) 335
N m (247 lbf ft) ⋅m (247 lbf⋅ft) ⋅m (247 lbf⋅ft)
Hộp giảm tốc 1 tốc độ Ắc quy 1,6 kWh Niken-kim loại hydrua
Phạm vi 502 km (312 mi) 122 lít (2 x bình hydro)
Chiều dài cơ sở 2.780 mm (109,4 inch)
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ thứ nhất
* Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ thứ hai
Toyota Mirai Limited 2021 (Thụy Sĩ)
Sản xuất Tháng 12 năm 2020 – nay Năm mô hình 2021–nay
Cách trình bày Động cơ phía sau, dẫn động cầu sau
Có liên quan Toyota Crown (S230)
Hệ truyền động Động cơ điện Pin nhiên liệu 4JM công suất 182 mã lực (136 kW; 185 PS),
300 N m (220 lbf ft)⋅m (247 lbf⋅ft) ⋅m (247 lbf⋅ft)
Hộp giảm tốc 1 tốc độ Ắc quy 1,2 kWh lithium-ion
Phạm vi 647 km (402 mi) ( EPA ) 141 lít (3 x bình hydro)
Chiều dài cơ sở 2.920 mm (115,0 in)
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ thứ hai
Hình 3.2 Toyota Mirai thế hệ thứ hai
CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN TRÊN XE TOYOTA MIRAI
Hình 3.3 Cấu tạo xe Toyota Mirai
Cấu tạo trên xe Toyota Mirai gồm các bộ phận sau:
1 Hệ thống làm mát 2 Bộ biến điện DC/DC 3 Động cơ điện
4 Pin nhiên liệu5 Pin điện cao áp
7 Bình chứa hydro 8 Hộp giảm tốc 9 Bộ điều khiển công suất 10 Ắc quy 12V
3.4.1 BÌNH CHỨA HYDRO (HYDRO TANK) Đối với phiên bản thứ nhất Toyota Mirai có hai bình chứa hydro với cấu trúc ba lớp làm bằng nhựa gia cố bằng sợi carbon bao gồm nylon 6 của Ube Industries và các vật liệu khác Các thùng chứa này có thể tích gộp là 122 lít
(27 imp gal; 32 US gal), và lưu trữ hydro ở áp suất 70 MPa (10.000 psi) Các thùng chứa có tổng trọng lượng là 87,5 kg (193 lb), và sức chứa 5 kg (11 lb)
Hình 3.4 Bình hydro trên Toyota Mirai thế hệ thứ nhất Đối với phiên bản thứ hai Toyota Mirai trang bị thêm có 3 bình chứa hydro Các thùng chứa này có thể tích gộp là 142 lít, và lưu trữ hydro ở áp suất
Hình 3.5 Bình hydro trên Toyota Mirai thế hệ thứ hai 3.4.2 PIN ĐIỆN CAO ÁP (BATTERY)
Trên Toyota Mirai thế hệ đầu tiên nguồn điện được cung cấp thêm nhờ bộ pin cao áp 1,6 kWh Niken-hydrua kim loại với điện áp định mức ở 245V.
NiMH là viết tắt của Nickel Metal Hydride (kềm kim loại hy-đrua).
Phản ứngAnode xảy ra trong một pin NiMH như sau:
H 2 O + Mm + 2e - ↔ OH - + 0.5H 2 (được tích trữ thành Mm-Hx) Pin được sạc theo vế phải của phương trình này và xả theo vế trái Mm biểu thị mischmetal Cần nhớ rằng hydro sinh ra trong quá trình sạc được trữ ở dạng Mm-Hx, hydride kim loại của pin Nó không sinh ra ở dạng khí Nickel(II) hydroxide tạo thành cathode.
"Kim loại" trong một pin NiMH trên thực tế là hỗn hợp liên kim loại (intermetalic) Nhiều hợp chất khác nhau đã được nghiên cứu cho ứng dụng này, nhưng những hợp chất thường sử dụng hiện nay được chia thành hai loại Hợp chất thường thấy nhất là AB5, với A là một hỗn hợp đất hiếm và/hay titan và B là nickel, côban, măngan, và/hay nhôm Các điện cực điện dung cao "đa thành phần" dựa trên các hỗn hợp AB2, với A là titan hay vanadi và B là zirconi hay nickel, được bổ sung crôm, cobalt, sắt hay mangan.
Tất cả các hỗn hợp đó đều có cùng vai trò, có thể tạo thành một hỗn hợp các hợp chất hydrid kim loại Khi các ion hydro bị tách khỏi dung dịch điện phân kali hydroxide do điện áp tạo ra trong quá trình sạc, quá trình này ngăn chặn chúng tạo ra khí, cho phép giữ khối lượng và áp suất thấp Khi pin xả điện, các ion tương tự được giải phóng để tham gia vào quá trình nghịch đảo.
Các pin NiMH ít bị ăn mòn, vì thế nếu để chúng trong đèn chớp trong thời gian hơn một năm, chúng ít bị ăn mòn hơn so với các loại pin kiềm.
Hình 3.6 Pin Niken-hydrua kim loại ở thế hệ đầu Đối với Toyota Mirai thế hệ thứ hai được cải tiến và trang bị bộ pin 1,2 kWh Lithium-ion để phụ trợ và điện áp cũng nằm trong khoảng 245V.
Pin Li-ion hay pin lithi-ion / pin lithium-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc Trong quá trình sạc, các ion Lithi chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng) LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion lithi sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực âm là các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp như LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực dương là graphite Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion lithi chuyển dịch từ cực này sang cực khác, nghĩa là có khả năng dẫn ion lithi Tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện.
Hình 3.7 Pin Lithium-ion trên Toyota Mirai thế hệ thứ hai
Loại pin Ưu điểm Nhược điểm
• Điện áp cao hơn pin kiềm
• Tỷ lệ tự xả cao
• Dung lượng giảm qua nhiều lần sạc
• Dễ dàng tái sử dụng
• Nhạy cảm với nhiệt độ cao
Bảng 3.3 So sánh hai loại pin cao áp trên hai thế hệ của Toyota Mirai 3.4.3 ĐỘNG CƠ ĐIỆN ( ELECTRIC MOTOR) Động cơ điện Toyota Mirai có tên là 4JM với 113 kW (152 mã lực) 335 Nm đối với phiên bản thứ nhất và 136 kW(182 mã lực,) 300 Nm, đối với động cơ điện với phiên bản thứ hai.
Hình 3.8 Động cơ điện 4JM 3.4.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT (POWER CONTROLLER)
Bộ điều khiển công suất trên xe có chức năng giúp chuyển đổi nguồn năng lượng điện từ nguồn DC (Dòng điện một chiều) sang AC (Dòng điện xoay chiều) hoặc ngược lại Bộ chuyển đổi DC/AC bao gồm 2 thành phần là bộ biến tần và bộ chỉnh lưu.
Bộ biến tần là một thiết bị điện chuyển đổi điện từ nguồn DC (Dòng điện một chiều) sang AC (Dòng điện xoay chiều) Nguồn điện một chiều từ Pin, được cấp cho cuộn dây sơ cấp trong một máy biến áp bên trong vỏ biến tần
Bộ chỉnh lưu là một thiết bị tương tự như biến tần ngoại trừ nó hoạt động ngược lại – chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC bằng cách sử dụng hàng loạt các Diode hoặc tụ điện giúp điều chỉnh và dập tắt dao động của dòng điện AC
Hình 3.9 Bộ điều khiển công suất 3.4.5 PIN NHIÊN LIỆU (FUEL CELL STACK)
Màng trao đổi proton (PEM) là một loại màng bán thấm, thường được làm từ các polyme trao đổi ion Chúng được thiết kế đặc biệt để dẫn proton trong khi vẫn hoạt động như một chất cách điện điện tử và một hàng rào ngăn chặn các phản ứng hóa học không mong muốn, chẳng hạn như giữa oxy và hydro Đây là chức năng thiết yếu của PEM khi được tích hợp vào các cụm điện cực màng (MEA) của pin nhiên liệu màng trao đổi proton hoặc máy điện phân màng trao đổi proton, giúp ngăn cách các chất phản ứng và vận chuyển proton đồng thời ngăn chặn dòng điện tử trực tiếp qua màng.
PEM có thể được chế tạo từ màng polyme nguyên chất hoặc từ màng tổng hợp , trong đó các vật liệu khác được nhúng vào nền polyme Một trong những vật liệu PEM phổ biến và có sẵn trên thị trường là fluoropolymer (PFSA)Nafion , một sản phẩm của DuPont Trong khi Nafion là một chất ionomer có khung được perfluor hóa giống như Teflon , thì có nhiều mô típ cấu trúc khác được sử dụng để tạo ra các chất ionomer cho màng trao đổi proton Nhiều người sử dụng polyme đa hương, trong khi những người khác sử dụng polyme được flo hóa một phần.
Màng trao đổi proton được đặc trưng chủ yếu bởi độ dẫn proton (σ), độ), độ thấm metanol ( P ) và độ ổn định nhiệt
Pin nhiên liệu PEM sử dụng màng polyme rắn (màng nhựa mỏng) có khả năng thấm proton khi bão hòa nước nhưng không dẫn điện.
Cấu tạo pin nhiên liệu trao đổi proton (PEM) gồm 3 lớp chính:
+ Chất điện phân dẫn ion hay còn gọi là màng dẫn ion có độ dày 50 micromet + Lớp điện cực nhiên liệu (điện cực dương) có độ dày 200 micromet
+ Lớp điện cực oxi (điện cực âm) có độ dày từ 2-5mm.
Trên Toyota Mirai khối pin nhiên liệu được ghép từ 330 cells pin nhiên liệu với dung tích hydro chứa được là 24 lít và có khối lượng 24kg.
Hình 3.10 Pin nhiên liệu trên Toyota Mirai
3.4.6 BỘ BIẾN ĐIỆN DC/DC
Bộ chuyển đổi DC sang DC là thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều từ mức này sang mức khác bằng cách lưu trữ tạm thời và giải phóng năng lượng đầu vào Thông qua cơ chế này, nó có thể tạo ra điện áp đầu ra cao hơn hoặc thấp hơn so với điện áp đầu vào.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TOYOTA MIRAI
Hydro được cung cấp phía cực dương của màng (với áp suất cao hơn áp và trở thành ion H+ (proton) với phản ứng điện hóa Màng trao đổi proton (PEM) chỉ cho phép ion H+ đi qua trong khi đó các electron được dịch chuyển trên mạch ngoài tạo ra dòng điện trước khi chúng đến cực âm Tại đó các electron và ion hydro khuếch tán xuyên qua màng kết hợp với oxy được cung cấp (từ không khí) tạo ra nước, phản ứng này tỏa nhiệt Sản phẩm nước phải được lấy đi để tránh tình trạng pin bị đầy nước và không hoạt động được Mặt khác, hydro và oxy còn thừa lần lượt thoát ra ở cực dương và cực âm Đều cho phản ứng này diễn ra liên tục, các electron sinh ra ở cực dương phải dịch chuyển trong mạch ngoài còn các proton sẽ dịch chuyển qua PEM Màng điện phân polyme được phủ một lớp xúc tác hỗ trợ cacbon Chất xúc tác tạo thành điện cực tiếp xúc trực tiếp với cả lớp khuếch tán và chất điện phân để đạt được giao diện cực đại Trực tiếp trên lớp xúc tác là lớp khuếch tán Sự ráp nối các lớp điện phân, lớp xúc tác và lớp khuếch tán khí tạo ra cụm màng - điện cực.
Chất xúc tác là một yếu tố quan trọng trong PEMFCs Ở những mẫu pin đầu tiên, lượng platinum này thường rất cao để pin nhiên liệu hoạt động bình thường Tuy nhiên đã có các cải tiến đáng kể trong công nghệ chất xúc tác nên đã giảm từ 28mg xuống 0,2mg/cm² Do nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu thấp và tính chất axit của chất điện phân, nên kim loại quý là cần thiết cho lớp xúc tác Cực âm là điện cực quan trọng nhất vì xúc tác oxi hóa khử khó hơn oxi hóa xúc tác của hydro.
Một vấn đề quan trọng khác trong PEMFC là quản lý nước Để vận hành đúng cách, màng polyme cần được giữ ẩm cần thiết cho sự dẫn truyền của các ion trong màng Nếu màng quá khô, sẽ không có đủ các ion axit để mang proton Nếu nó quá ướt (ngập nước), các lỗ rỗng của lớp khuếch tán sẽ bị chặn và chấtphản ứng của các chất khí sẽ không thể đến được chất xúc tác Trong PEMFCs, nước được hình thành trên cực âm, có thể loại bỏ nước bằng cách giữ pin nhiên liệu ở nhiệt độ nhất định và tốc độ phun đủ để làm bay hơi nước và thoát ra khỏi tế bảo nhiên liệu dưới dạng hơi Tuy nhiên, cách làm này rất khó vì biên độ sai số hẹp Một số bộ pin nhiên liệu thường cho chạy bằng dư lượng không khí lớn thường sẽ làm khô pin nhiên liệu và sử dụng máy làm ẩm bên ngoài để cấp nước bằng cực dương Vấn đề quan trọng cuối cùng trong
PEMFC là sự nhiễm độc pin (poisoning) Để cung cấp hiệu suất tốt cần chất xúc tác bạch kim vì nó có hoạt tính cao Các chất độc như CO hay lưu huỳnh liên kết mạnh đến chất xúc tác và ngăn không cho hydro hoặc oxy tiếp cận và vì thế các phản ứng ở các điện cực không thể diễn ra do bị nhiễm độc, hiệu suất của pin nhiên liệu bị giảm sút Nếu hydro được cung cấp từ các thiết bị, dòng khí sẽ chứa một số CO và chúng cũng có thể đi vào pin nhiên liệu nếu không khí lấy từ nguồn ô nnhiễm bên ngoài Nhiễm độc bởi CO có thể xử lý nhưng chi phí cao và phứct ạp tùy theo từng loại tế bào PEMFC.
Phản ứng ở anode (cực dương):
Phản ứng catôt (cực âm):
Phản ứng tổng thể của tế bào:
Tiềm năng tỏa nhiệt theo lý thuyết là +1,23 V, tuy nhiên con số này ít hơn trong thực tế Một đơn vị pin sơ cấp cell pin nhiên liệu tạo ra khoảng 0,6-0,7V ở dòng điện danh định Do một số yếu tố như mất kích hoạt, mất ohmic (tổn thất năng lượng trong hệ thống do điện trở) và tổn thất truyền khối, điện áp giảm và dòng điện tăng Pin nhiên liệu có nhiều ưu điểm vì sản phẩm của nó là hơi nước (nếu sử dụng hydro làm nhiên liệu), hầu như không gây ô nhiễm, chỉ có một lượng vô cùng thấp (nếu có) oxit nitơ và lưu huỳnh Khi hoạt động nó cũng không gây ồn, không có bất cứ bộ phận chuyển động nào Hơn nữa, nó có mật độ công suất và hiệu suất cao, thường hiệu suất lớn hơn 40% khi sản xuất điện năng, tốt hơn hệ thống phát điện sử dụng động cơ đốt trong truyền thống và nhiệt lượng nó tỏa ra có thể được sử dụng để sưởi, làm tăng hiệu suất tổng quát của hệ thống Cuối cùng, pin nhiên liệu góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, pin nhiên liệu có thể hoạt động với nhiều loại nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu tái tạo như là hydro, ethanol, methanol và khí thiên nhiên.
Hydro có thể được tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo, giúp giảm phụ thuộc vào dầu mỏ Để hoạt động hiệu quả, pin nhiên liệu cần hỗ trợ của các thiết bị phụ trợ, bao gồm máy bơm tuần hoàn không khí, máy bơm tuần hoàn nước làm mát, quạt thông gió, bơm cung cấp nhiên liệu và thiết bị điều khiển điện.
Trong hệ thống pin nhiên liệu, bơm tuần hoàn không khí là thiết bị tiêu thụ năng lượng lớn nhất, với công suất có thể chiếm tới 10% tổng sản lượng điện của bộ pin nhiên liệu Các thiết bị phụ trợ khác, chẳng hạn như máy nén, hệ thống làm mát và máy sưởi, tiêu thụ năng lượng ít hơn đáng kể so với bơm tuần hoàn không khí.
Pin nhiên liệu có hiệu suất cao hơn động cơ đốt trong Cần lưu ý rằng hiệu suất của ô tô sử dụng pin nhiên liệu được cung cấp hydro trực tiếp từ khí thiên nhiên gấp đôi hiệu suất ô tô sử dụng động cơ đốt trong.
Hình 3.12 Trao đổi màng điện phân PEMFC trên xe Toyota Mirai 3.5.2 NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH CỦA TOYOTA MIRAI
Theo lệnh công suất động cơ và các thông tin xe khác, chẳng hạn như mức năng lượng trong PPS và công suất vận hành tối thiểu của hệ thống pin nhiên liệu, khi hiệu suất của pin nhiên liệu giảm đáng kể, hệ thống pin nhiên liệu và PPS được điều khiển để tạo ra công suất tương ứng Các chế độ hoạt động khác nhau của hệ thống truyền lực và chiến lược kiểm soát công suất tương ứng được mô tả chi tiết như sau:
Chế độ xe dừng: Cả hệ thống nhiên liệu và PPS đều không cung cấp năng lượng cho hệ thống truyền lực Hệ thống pin nhiên liệu có thể hoạt động ở chế độ không tải.
Chế độ phanh: Hệ thống pin nhiên liệu ở chế độ không tải và PPS hấp thụ năng lượng phanh tái sinh, theo đặc tính vận hành của hệ thống phanh.
• Nếu công suất đầu vào của động cơ được điều khiển lớn hơn công suất định mức của hệ thống pin nhiên liệu, chế độ lực kéo lai hybrid được sử dụng, trong đó hệ thống pin nhiên liệu hoạt động ở công suất định mức của nó, và công suất còn lại theo yêu cầu được cung cấp bởi PPS Công suất định mức của hệ thống pin nhiên liệu có thể được cài đặt trên cùng (top line) của vùng hoạt động tối ưu của pin nhiên liệu.
• Nếu công suất đặt lệnh đầu vào động cơ nhỏ hơn công suất tối thiểu cài trước của hệ thống pin nhiên liệu và PPS cần sạc (mức năng lượng thấp hơn giá trị tối thiểu), hệ thống pin nhiên liệu hoạt động ở công suất định mức; một phần đi đến hệ thống truyền lực, phần còn lại đi đến PPS Còn nếu PPS không cần sạc (mức năng lượng gần giá trị tối đa), hệ thống pin nhiên liệu hoạt động ở chế độ không tải và một mình PPS điều khiển phương tiện Trong trường hợp sau,công suất cực đại mà PPS có thể tạo ra lớn hơn công suất được công suất đặt lệnh đầu vào động cơ Nếu công suất tải lớn công suất tối thiểu cài trước và nhỏ hơn công suất định mức của pin nhiên liệu và PPS không cần sạc, chỉ một mình hệ thống pin nhiên liệu điều khiển phương tiện Mặt khác, nếu PPS cần sạc, hệ thống pin nhiên liệu hoạt động ở công suất định mức của nó một phần trong số đó đi đến hệ thống truyền lực để điều khiển phương tiện, trong khi phần còn lại được sử dụng để sạc PPS.
BỐ TRÍ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG VÀ NỀN TẢNG TNGA-L (GA-L) TRÊN XE TOYOTA MIRAI
3.6.1 BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC
Cấu hình được áp dụng trên Toyota Mirai là hệ thống truyền lực lai pin(Battery-Hybrasystem), năng lượng từ pin nhiên liệu được gửi đến (các) động cơ điện và bộ pin hoặc cả hai Cấu hình này có thể sinh ra hiệu suất bị hưởng bởi tổn thất nhiệt nhưng có thể sử dụng cho phanh tái tạo Hệ thống pin của xe cũng có thể bổ sung năng lượng cho pin nhiên liệu để cải thiện hiệu suất Hệ thống này yêu cầu điều khiển điện tử phức tạp hơn hệ thống cung cấp trực tiếp.
Sơ đồ 3.1 Cấu hình hệ thống truyền lực lai pin trên Toyota Mirai
Ngoài ra còn có 2 phương án bố trí hệ thống năng lượng trên xe FCEV:
Hệ thống cung cấp trực tiếp pin năng lượng xe chạy pin nhiên liệu hydro trực tiếp (FCEV - Fuel Cell direct supply-system) không có lưu trữ năng lượng.
Năng lượng từ pin nhiên liệu được truyền trực tiếp đến (các) động cơ điện Đặc điểm của cấu hình này khá đơn giản, hiệu suất hệ thống cao nhưng với cấu hình này, FCEV không thể có phanh tái sinh và lực kéo hoàn toàn phụ thuộc vào đầu ra của pin nhiên liệu.
Hệ thống tụ điện hỗ trợ cấu hình này sử dụng siêu tụ điện thay vì pin (Capacitor-assistedsystem) Các siêu tụ điện được sạc bằng pin nhiên liệu và phanh tái sinh, sạc và xả nhanh chóng, cho phép hệ thống truyền lực phản ứng nhanh hơn với các điều kiện thay đổi khi xe hoạt động Cấu hình này cũng yêu cầu hệ thống điện tử phức tạp hơn.
Cấu hình cơ bản Tính năng hệ thống Hiệu suất Hiệu suất năng lượng
Hệ thống cung cấp trực tiếp pin năng lượng
Yêu cầu thiết bị khởi động hệ thống điện áp cao đơn giản
Khả năng đáp ứng phụ thuộc vào đầu ra của ngăn xếp pin nhiên liệu
Yêu cầu hệ thốngphân phối điện ápcao
Tổn thất nhiệt ảnh hưởng đến hiệu suất Phanh tái sinh
Có thể hỗ trợ đầu ra
Hệ thống tụ điện hỗ trợ
Không cần thiết hệ thống phân phối điện áp cao
Có thể hỗ trợ công suất cao ở đầu ra ngay lập tức
Bảng 3.4 Cấu hình cơ bản của FCEV 3.6.2 NỀN TẢNG TNGA-L (GA-L)
TNGA (viết tắt của Toyota New Global Architecture) là nền tảng ô tô do tập đoàn Toyota Nhật Bản phát triển, được dùng trên nhiều mẫu xe Toyota và Lexus từ năm 2015 Nền tảng TNGA phù hợp với các kích cỡ xe khác nhau cũng như cấu hình dẫn động cầu trước, cầu sau và tất cả các bánh.
Với Toyota/Lexus, nền tảng TNGA (Toyota New Global Architecture) chính là định hướng thiết kế toàn cầu, là nền tảng giúp hãng xe Nhật Bản chinh phục khách hàng trong thập kỷ tới TNGA đã làm nền tảng cho những chiếc xe Toyota hiện tại có vẻ ngoài hấp dẫn hơn, chẳng hạn như C-HR, Camry, Prius
TNGA được kỳ vọng sẽ cải thiện mạnh tính năng cũng như độ hấp dẫn của các sản phẩm Toyota, nhờ thiết kế trọng tâm thấp, cứng chắc hơn, nhẹ nhàng hơn cũng như thích hợp với một loạt động cơ và hộp số mới Nhờ TNGA, các dòng xe Toyota sẽ giảm mức tiêu hao nhiên liệu khoảng 25%, nhưng công suất trung bình tăng lên 15% Với bộ khung này, hãng xe Nhật cũng kỳ vọng là các phiên bản hybrid cũng sẽ cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu thêm 15%.
TNGA-L (GA-L) dùng cho Toyota Mirai thế hệ thứ hai và các dòng xe liền khối trong phân khúc E hoặc xe cao cấp, phân khúc F hoặc xe hạng sang cỡ lớn cũng như phân khúc S hoặc xe du lịch lớn Nền tảng này được cung cấp ở cả hai biến thể dẫn động cầu sau và tất cả các bánh và được kết hợp với động cơ dọc Chiều dài trục cơ sở khoảng 2.870–3.125 mm.
Theo hãng xe Nhật, TNGA tái định nghĩa cảm giác lái và sự thoải mái cho hành khách với 3 mục tiêu phát triển cốt lõi gồm có tính linh hoạt, tính ổn định và tầm nhìn.
- Linh hoạt: Cụ thể, phần trọng tâm của xe sẽ được hạ thấp giúp xe sẽ có khả năng bám đường tốt hơn, hạn chế vặn xoắn thân xe khi vào cua.
- Ổn định: Thân xe được tăng cường độ cứng vững Toyota còn cho biết, nhờ TNGA, tính an toàn cũng như sự ổn định của các sản phẩm mới trong tương lai cũng tăng mạnh nhờ độ cứng khung được cải thiện từ 30 đến 65%.
- Cải thiện tầm nhìn: Bảng điều khiển thấp hơn, cột chữ A nhỏ hơn và cửa sổ cao hơn giúp cải thiện tầm nhìn người lái.
Song song với đó là việc Toyota phát triển hệ thống treo hoàn toàn mới có mục tiêu cải thiện độ êm ái cho người ngồi Xe Toyota giờ đây sẽ bớt rung lắc, bồng bềnh khi đi trên đường xấu, khi tăng tốc hoặc kho ôm cua. Để đảm bảo được tính ổn định, khu vực cửa trước và cửa sau của thân xe được gia cố đặc biệt chắc chắn, phía sau bổ sung vách ngăn khoang hành lý để giúp khu vực nội thất bên trong được bao bọc trong các khung kim loại dày dặn, từ đó đạt được tính linh hoạt và ổn định theo như hãng xe Nhật Bản hướng đến. Để cải thiện được tầm nhìn, khu vực hàng ghế trước của xe sẽ có bảng điều khiển đặt thấp hơn, khu vực cửa sổ cao hơn và đặc biệt là cột chữ A được thiết kế nhỏ hơn, giúp người lái có một tầm nhìn bao quát hơn trước đây.
Hình 3.13 Nền tảng TNGA trên Toyota Mirai 3.6.3 EVRh - NỀN TẢNG KHUNG GẦM TƯƠNG LAI DÀNH RIÊNG CHO HYDROGEN-ELECTRIC VEHICLE.
Tiến tới Kỹ thuật nâng cao Williams (WAE) Được thành lập vào năm 2010 với tư cách là một nhánh của đội Công thức 1 giàu kinh nghiệm, công ty đã sử dụng chuyên môn của mình về công nghệ xe điện và cấu trúc hỗn hợp để tạo ra nền tảng xe hiệu suất cực cao, được gọi là EVR Điều này có thể được mở rộng để cung cấp mọi thứ, từ hệ thống truyền động độc lập đến khung gầm lăn hoàn chỉnh, sẵn sàng được lắp vào thân xe riêng của khách hàng.
EVRh sở hữu sức mạnh ấn tượng với hệ thống pin lithium-ion cung cấp công suất 1.650kW và trọng lượng xe chỉ dưới 1.800kg, tương đương với tỷ lệ công suất trên trọng lượng của xe Công thức 1 Với hệ dẫn động bốn bánh, EVRh tăng tốc từ 0-60 dặm/giờ trong dưới 2 giây và đạt tốc độ tối đa trên 248 mph Hệ thống sạc nhanh giúp sạc pin trong vòng chưa đầy 20 phút với phạm vi hoạt động hơn 450 km Thiết kế linh hoạt của EVRh cho phép nhiều cấu hình, từ xe đua đến xe mui trần Hệ dẫn động bốn bánh và cầu sau cũng được hỗ trợ qua nhiều cấu hình động cơ điện Lõi pin FCEV làm mát bằng chất lỏng cung cấp khả năng xả điện 430kW Kết hợp với pin nhiên liệu hydro 120kW, EVRh có tổng công suất 550kW và tăng tốc từ 0-100km/h trong 2,5 giây Hai bình chứa hydro 100 lít giúp xe di chuyển được 600 km.
Những con số khủng khiếp như vậy đều là một phần của trò chơi siêu xe điện Lotus Evija, Tesla Roadster và Pininfarina Battista đều hứa hẹn công suất đầu ra bốn con số và thời gian chạy nước rút tương tự Điểm khác biệt của EVR là nó không thực sự là một chiếc ô tô mà là một bộ linh kiện có thể được điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu cụ thể của các OEM muốn tạo ra những sản phẩm sáng tạo của riêng họ “Trong những ngày đầu của ngành công nghiệp ô tô, bạn sẽ bắt đầu với khung gầm, thêm hệ thống truyền động, sau đó thân xe và nội thất có thể được lắp đặt bởi một nhà chế tạo xe bên ngoài Chris McCaw, kỹ sư trưởng về tích hợp phương tiện tại WAE và trưởng nhóm kỹ thuật của dự án EVR nhận xét.
Các kỹ sư WAE bắt đầu với cái mà họ gọi là khung điện áp cao (HV). Điều này bao gồm pin, động cơ và các thiết bị điện tử điện áp cao liên quan.
ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA TOYOTA MIRAI VÀ MỘT SỐ XE TIÊN TIẾN VỀ HYDRO
ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM
Toyota Mirai tiết kiệm năng lượng hơn ICEV, HEV, BEV tạo ra lợi ích môi trường như mức độ ô nhiễm thấp, độ ổn thấp, hệ thống nhiệt độ thấp, sản xuất nước, tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch do hiệu suất cao và tải trọng tốt,v.v.
FCEV hydro tinh khiết hầu như không có tác động đến phát thải khínhà kính, giảm sự phụ thuộc vào dầu và ít khí thải gây ô nhiễm không khí Tuy nhiên, sản xuất hydro để cung cấp năng lượng cho FCV có thể tạo ra GHG, tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, tuy nhiên sẽ ít hơn nhiều so với thải ra từ các phương tiện chạy bằng xăng và dấu Diesel thông thường Vì Toyota Mirai chạy bằng hydro nên làm giảm phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài năng lượng của một quốc gia Hydro có thể được lấy từ các nguồn trong nước như khí đốt tự nhiên và than đá, tài nguyên tái tạo như nước, khí sinh học và chất thải nông nghiệp Do đó ít phụ thuộc vào các nước khác và ít bị tổn thương hơn trước các cú sốc giá dầu từ một thị trường dầu mỏ ngày càng biến động và không ổn định.
Những ưu điểm nổi trội của Toyota Mirai
Tiết kiệm nhiên liệu: Xe hoạt động bằng khí hữu cơ, nên không cần phải dùng xăng hay dầu, giúp giảm thiểu chi phí vận hành cũng như giúp giảm ô nhiễm môi trường. Độ bền cao: Pin điện của xe có thời gian sử dụng lâu hơn so với các loại xăng, nên khả năng hoạt động của xe cũng sẽ bền hơn.
Tiết kiệm thời gian: Bạn không cần phải dừng lại tại các trạm xăng để cấp nhiên liệu, giúp tiết kiệm thời gian hơn.
An toàn: Toyota Mirai đã được kiểm nghiệm và đạt điểm cao trong các chuẩn an toàn của Nhật Bản và Bắc Mỹ, đảm bảo cho người ngồi trong xe an toàn hơn.
Thân hình đẹp: Thiết kế của Toyota Mirai đẹp, hiện đại và khác biệt so với các loại xe khác trên đường.
Thân xe có khả năng chống nổ: Khí hữu cơ không gây ra nổ, giúp tăng tính an toàn cho người ngồi trong xe
Giảm ô nhiễm môi trường: Xe hoạt động bằng khí hữu cơ, không còn các khói bụi và không khí ô nhiễm do xăng hay dầu gây ra, giúp giảm ô nhiễm môi trường. Động cơ êm ái: Động cơ điện của xe không có tiếng ồn nên rất êm ái khi lái xe
Trang bị tiện nghi cao: Toyota Mirai được trang bị với các tiện nghi cao cấp, như hệ thống điều hòa tự động, hệ thống âm thanh và hệ thống an toàn tối ưu.
Dễ dàng vận hành: Toyota Mirai có động cơ điện, không có hộp số và không có bản lề, giúp cho việc vận hành trở nên dễ dàng hơn.
Bảo trì định kỳ dễ dàng: các xe chạy pin nhiên liệu cấu thành từ ít các bộ phận chuyển động hơn những mẫu xe truyền thống Vì vậy, xe sẽ hao mòn ít hơn khi sử dụng và có thể bảo dưỡng dễ dàng hơn.
STT Công nghệ pin Năng lượng tích lũy (Wh/ kg)
3 Pin Niken-Hydrua kim loại 60 – 120
5 Pin nhiên liệu với hydro hóa lỏng ở nhiệt độ thường, áp suất cao (35-70 Mpa)
Bảng 4.1 So sánh năng lượng tích lũy của các pin mang năng lượng 4.1.2 NHƯỢC ĐIỂM CỦA TOYOTA MIRAI
Giá thành cao: Công nghệ tạo ra pin nhiên liệu hydro và xe sử dụng nhiên liệu hydro đã phát triển mạnh trong thời gian qua Song, giá thành xe và nhiên liệu vẫn còn đang ở mức cao, phải cần thêm thời gian nữa để chi phí dòng xe trở nên thân thiện hơn với túi tiền người lái.
Số lượng trạm sạc còn hạn chế: Hiện nay, các trạm sạc hydro vẫn chưa có mặt trên diện rộng để phục vụ nhu cầu người tiêu dùng trên mọi vùng Tuy nhiên, mạng lưới cung cấp hiện đang được đầu tư mở rộng và các trạm sạc sẽ trở nên dễ tiếp cận hơn trong tương lai sắp tới. Độ bền chưa thỏa mãn: Khi so sánh với động cơ đốt trong, hệ thống pin nhiên liệu hydro còn yếu về mặt sức bền Đặc biệt, xe dễ gặp vấn đề khi vận hành trong môi trường, khí hậu ẩm ướt. Độ đáng tin cậy của xe còn thấp: Khả năng vận hành xe còn hạn chế, nhiều điểm khó thể sánh bằng với động cơ đốt trong.
Công nghệ xe chưa phổ biến: Các thông tin về nhiên liệu hydro vẫn chưa phổ biến với công chúng Dòng xe vẫn chưa tạo được sự nổi bật để thực sự thu hút thị hiếu người tiêu dùng.
Ngoài xe chạy nhiên liệu hydro, phương án sử dụng xe điện nhằm bảo vệ môi trường cũng là một lựa chọn lý tưởng Song, người dùng nên nắm một số đặc điểm của xe điện trước khi đưa ra quyết định tậu một chiếc xe sạch.
NHỮNG THÁCH THỨC CỦA FCEV VÀ TOYOTA MIRAI
Một số thách thức về kỹ thuật, kinh tế và những thách thức khác cân nhắc được khắc phục để FCHEV trở thành phương tiện phù hợp trong tương lai cho người tiêu dùng Theo đó, tế bào nhiên liệu với màng trao đổi proton (Proton ExchangeMembrane Fuel Cell – PEMFC) là phủ hợp để giảm thiểu các yêu cầu kinh tế cơ bản, theo đó mật độ công suất và các mục tiêu công suất cụ thể của PEMFC cần phải cải tiến thêm Những thách thức trong tương lai đối với hệ thống FC là chỉ phí, hiệu suất, độ bền và độ tin cậy Dự kiến công suất riêng cho ứng dụng ô tô là 1 kW/kg nhưng đến những năm gần đây chỉ đạt 0,65 kW/ kg Các chất xúc tác được sử dụng trong PEMFC là bạch kim, đây là một chất đắt tiền và nguyên liệu hiếm làm cho giá pin nhiên liệu cao Ngoài ra, hiệu suất và độ bền của FC là những yếu tố cần được đảm bảo cũng như khối lượng và chỉ phí của bộ pin FC cần giảm nhiều hơn Một phần lớn nguồn năng lượng của FCEV bị chiếm bởi hệ thống lưu trữ năng lượng (energy storage system-ESS).
Hiệu suất của một FCEV phụ thuộc vào hiệu suất của hệ thống lưu trữ, dựa trên hệ thống thiết kế cũng như loại lưu trữ được sử dụng Thông thường, công suất của hệ thống lưutrữ là khác nhau giữa EV, HEV hoặc FCEV BEV yêu cầu hệ thống lưu trữ lớn hơn (khoảng 34,5–140Wh/kg) trong khi HEV cần hệ thống lưu trữ tương đối nhỏ hơn (26,3–77Wh/kg) Tuy nhiên, công suất điện cho pin EV thấp hơn (40–255W/kg) so với pin HEV (77–745W/kg) Yêu cầu đổi với FCEV ESS là một sự kết hợp giữa công suất cao và mật độ năng lượng cao để xử lý khởi động lạnh và nhu cầu năng lượng nhất thời Vì vậy, thiết kế một cách hợp lý ESS là một thách thức đối với các nhà sản xuất FCEV Hiện nay, pin Li-ion và siêu tụ điện được sử dụng riêng hoặc kết hợp cho FCEV ESS.
Các thiết bị lưu trữ này rất tốn kém và phương pháp tái chế của các thiết bị này vẫn chưa được áp dụng Trong tương lai, tiểm năng của các thiết bị lưu trữ như lưu trữ năng lượng bằng bánh đà cao tốc cần được nghiên cứu Trong số các thách thức kỹ thuật khác của FCEV ESS có chi phí ban đầu cao hơn, chi phí thay thế cao hơn, kích thước và trọng lượng lớn, đòi hỏi cao về hiệu suất và công suất lớn Hơn nữa, còn có những thách thức trong tương lai như thử nghiệm tuổi thọ ESS và phát triển các tiện ích cho sản xuất thương mại.
TƯƠNG LAI CỦA CÁC DÒNG XE ĐIỆN LÀ XE PIN NHIÊN LIỆU
FCEV lại có thể đóng một vai trò quan trọng trong thị trường xe tương lai khi dự trữ nhiên liệu hóa thạch đang giảm dần, việc áp dụng giải pháp thay.thế là rất cần thiết Khi hiệu suất của FCEV cạnh tranh với ICEV, chắc chắn là thị trường sẽ chọn FCEV.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện phân tích chỉ phí của FCEV cho thấy trung bình chỉ phí vốn của hệ thống truyền động FCEV là 19.700 đô la vào năm 2015 và sẽ chỉ là 5.665 đô la vào năm 2030 Trong tương lai, chi phí vốn của ICEV, BEV và FCEV vào năm 2030 sẽ lần lượt là $2465, $7865 và
Chi phí vốn của phương tiện chạy bằng nhiên liệu hydro (FCEV) đang hướng đến khả năng cạnh tranh với phương tiện chạy bằng động cơ đốt trong (ICEV) trong tương lai gần Chi phí vận hành cũng là một yếu tố đáng chú ý khi chi phí nhiên liệu ước tính vào năm 2030 theo thứ tự xăng, hydro và điện là 28,5 USD/Gj, 35 USD/Gj và 36 USD/Gj (1 Gigajun = 1.000.000.000 J).
Quãng đường đi được của cùng một loại nhiên liệu là 40 mpg, 72 dặm/kg và3,6 dặm/kWh, tương ứng, có nghĩa là giá hydro cạnh tranh với xăng và chỉ phí vận hành xe hydro sẽ thấp hơn hơn xăng Những dự đoán này mở rộng triển vọng cho FCEV trong tương lai.
Hai trong số các ứng dụng tiềm năng của FCEV sẽ là trong lĩnh vực ô tô và chia sẻ xe hơi Do áp lực của giảm sự tắc nghẽn giao thông và ô nhiễm không khí trong các đô thị, hiệu quả và chất lượng của hệ thống giao thông công cộng sẽ phải được tăng lên Ở các nước nhỏ như Singapore và HongKong, nơi đường sá khan hiếm, quyền sở hữu phương tiện đắt đỏ vì thuế cao và hạn ngạch phương tiện do đó, khái niệm chia sẻ phương tiện ra đời nhằm đáp ứng nguyện vọng sử dụng ô tô của người dân Khái niệm này rất phổ biến ởChâu Âu và Bắc Mỹ Hơn 400 thành phố thực hành hệ thống chia sẻ xe được xác định, chủ yếu ở châu Âu (khoảng 80%), tiếp theo là Bắc Mỹ 18% và Châu Đại Dương 2% Với sự hỗ trợ rộng rãi, FCEV có thể được áp dụng thành công ở những nơi này FCEV có một số khía cạnh tích cực có thể thu hút người tiêu dùng trong tương lai, chẳng hạn như phạm vi lái xe của FCEV cao và có khả năng cung cấp điện khẩn cấp cho nguồn điện gia đình Khảo sát thị trường cho thấy, khi FCEV có những tính năng này, người tiêu dùng sẵn sàng chỉ tiêu thêm $500 đến $1000 ngoài giá xe.
MỘT SỐ XE TIÊN TIẾN VỀ CÔNG NGHỆ HYDRO
Apricale có thông số kỹ thuật 1.000 mã lực và tỷ lệ 1 mã lực/kg Với trọng lượng dưới 1.000kg Apricale là một trong những chiếc xe nhẹ nhất đạt mức công suất 1.000 mã lực Có được điều này là nhờ các bình chứa hydro
"Graph-Pro" siêu nhẹ được tích hợp vào cấu trúc của khung gầm bằng sợi carbon Công nghệ này giúp giảm đến 20 lần trọng lượng so với bình chứa hydro thông thường Apricale chỉ mang theo 5.4kg hydro ở áp suất 700 bar để tạo ra điện thông qua một pin nhiên liệu Điện năng sẽ được truyền đến đến 2 động cơ điện 400kW ở trục trước và trục sau, hoặc dùng để sạc lại bộ pin 6kWh hiệu suất cao với hệ thống quản lý năng lượng thông minh "Tri-Volt".
Chiếc siêu xe không khí thải này có thể đạt được tốc độ tối đa lên đến hơn 322 km/h, phạm vi hoạt động khoảng 560km với một bình hydro đầy Để đảm bảo an toàn, chiếc xe sẽ bị giới hạn tốc độ lại khi pin sắp cạn Siêu xe chạy bằng hydro này không chỉ mạnh mẽ mà còn có thiết kế tuyệt đẹp đến từ Pininfarina - một công ty thiết kế xe hơi của Ý Xe được thiết kế với cửa cánh bướm, camera bên hông xe thay thế gương chiếu hậu truyền thống và những dài đèn LED phần đuôi xe Xe có một bình chứa hydro chứa khí lông ở áp suất 700bar và có thể lưu trữ 121bs chất này làm nhiên liệu, một pin 6kWh được sạc bằng bộ sạc 800V và chạy trong 2,5 giây với tốc độ 0-60 dặm/giờ.Việc sản xuất chiếc hypercar là để chứng minh sự hiệu quả của các công nghệ mà Viritech đang sở hữu về công nghệ hydro cho ngành công nghiệp ô tô, vận tải hạng nặng và thậm chí là ngành hàng không, những lĩnh vực có thể tạo ra nhiều đóng góp cho nhân loại.
Hình 4.1 Siêu xe hydro Apricale
4.4.2 MATADOR MH2 SIÊU XE CHẠY BẰNG KHÍ HYDRO
Siêu xe của Slovakia được trưng bày ở Dubai, trình diễn hệ thống độc đáo sử dụng hydro với công suất 600 mã lực Matador Hybrid 2 (MH2: võ sĩ đấu bò) là mẫu xe đầu tiên của hãng Matador đến từ Slovakia có truyền thống hơn 100 năm trong ngành cung ứng linh kiện cho rất nhiều hãng xe trên thế giới MH2 có công suất 600 mã lực, thời gian tăng tốc 0-100km/h trong 4 giây, tốc độ tối đa 250km/h Đặc biệt, thời gian nạp nhiên liệu tương đương việc đổ xăng cho một ô tô dùng động cơ đốt trong, tức nhanh hơn nhiều so với việc sạc điện Xe chạy bằng khí hydro hoàn toàn không phát thải Thân xe làm bằng sợi carbon rất bền và nhẹ, hệ thống đèn chiếu sáng và tín hiệu làm bằng thủy tinh pha lê bền, trong suốt và rất đẹp.
Hình 4.2 Siêu xe Matador MH2
