chuyên đề ô tô điện đề tài tìm hiểu xe điện pin nhiên liệu trên xe toyota mirai

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

TRƯỜNG CAO ĐẲNG BÁCH KHOA BÁCH VIỆT

CHUYÊN ĐỀ Ô TÔ ĐIỆN

Đề tài: TÌM HIỂU XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTAMIRAI

Ngành: Công nghệ ô tôLớp học phần: 210829802GVHD: Nguyễn Tấn LựcSVTH:

1 Nguyễn Thanh Long – MSSV: 21220357 – Lớp: C122OT032 Đỗ Thành Lộc – MSSV: 21220363 – Lớp: C122OT03

Tp.HCM, ngày 08 tháng 07 năm 2024

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI

TÊN MÔN HỌC : CHUYÊN ĐỀ Ô TÔ ĐIỆNNGÀNH: CÔNG NGHỆ Ô TÔ

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm…2…):

(1) Nguyễn Thanh Long MSSV: 21220357 Lớp: C122OT 03

2 Tên đề tài: TÌM HIỂU XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTA MIRAI

3 Các dữ liệu ban đầu:

- …… - … - …

4 Nội dung nhiệm vụ :

- … - ….- …

5 Kết quả tối thiểu phải có:

1) … 2) …

Ngày giao đề tài: ……./…… /……… Ngày nộp báo cáo: ……./…… /………

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên các thành viên)

TP HCM, ngày … tháng … năm ……….

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ

THỰC HIỆN MÔN HỌC & ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆNTÊN MÔN HỌC: CHUYÊN ĐỀ Ô TÔ ĐIỆN

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTO

(Do giảng viên hướng dẫn ghi và giao lại cho sinh viên đóng vào cuốn báo cáo)

6 Tên đề tài: TÌM HIỂU XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTA MIRAI7 Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Tấn Lực

8 Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài (sĩ số trong nhóm…2…):

(1) Nguyễn Thanh Long MSSV: 21220357 Lớp: C122OT 03

TuầnNgàyNội dung thực hiện

Kết quả thực hiện của sinhviên (Giảng viên hướng dẫn

2 Tuần 2 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

3 Tuần 3 (Ghi rõ nội dung thực

4 Tuần 4 (Ghi rõ nội dung thựchiện)5 Tuần 5 (Ghi rõ nội dung thựchiện)6 Tuần 6 (Ghi rõ nội dung thựchiện)7 Tuần 7 (Ghi rõ nội dung thựchiện)8 Tuần 8 (Ghi rõ nội dung thựchiện)9

Đánh giá kết quả báo cáo: (Hìnhthức, Nội dung báo cáo ; Sản

Cách tính điểm:

Điểm đánh giá quá trình thực hiện đồ án = 50% x Tính chủ động, tích cực, sáng tạo

+ %50 x Đáp ứng nội dung nhiệm vụ

Tổng điểm kết thúc học phần = Điểm đánh giá quá trình thực hiện đồ án x 40% +

Điểm chấm báo cáo GVHD x 30% + Điểm chấm báo cáo GVPB x 30%

Lưu ý: Tổng điểm tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ án; Điểm báo cáo bảovệ đồ án môn học; Điểm quá trình (Ghi theo thang điểm 10), giảng viên chuyển điểm vào bảng điểm Viện đã giao.

Họ tên sinh viênMã số SVTiêu chí đánh giá về quá

trình thực hiện đồ ánTổng điểm tiêuchí đánh giá vềquá trình thực

hiện đồ án (tổng 2 cột điểm1*50%+2*50%)Tính chủ

động, tíchcực, sáng

Đáp ứng nộidung nhiệm

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên các thành viên)

TP HCM, ngày … tháng … năm ……….

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU CHẤM ĐIỂM BÁO CÁO MÔN HỌC

(Nguyễn Tấn Lực)

HỌC KỲ 3: - NĂM HỌC 2023-2024

Môn: CHUYÊN ĐỀ Ô TÔ ĐIỆNMã MH:Tên đề tài: TÌM HIỂU XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTA MIRAIHọ và tên GV Hướng dẫn: Nguyễn Tấn Lực

Nhận xét:

STT MSSVHọ và tên

Định dạngbáo cáo (khổgiấy, fontchữ, bố cục,tài liệu thamkhảo và tríchdẫn, )(20%)

"Nội dungbáo cáo(sáng tạo,khoa học,ứng

Khả năngtrình bàyvà biệnluận

Tổngđiểm

PHIẾU CHẤM ĐIỂM BÁO CÁO MÔN HỌC

(GV Phản biện)

HỌC KỲ 3: - NĂM HỌC 2023-2024

Môn: CHUYÊN ĐỀ Ô TÔ ĐIỆNMã MH:

Tên đề tài: TÌM HIỂU XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTA MIRAIHọ và tên GV Phản biện:

Nhận xét:

STT MSSVHọ và tên

Định dạngbáo cáo(khổ giấy,font chữ,bố cục,tài liệutham khảovà tríchdẫn, )(20%)

"Nội dungbáo cáo(sáng tạo,khoa học,ứng

Khảnăngtrìnhbày vàbiệnluận(30%)

Tổngđiểm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 07 năm 2024(Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành môn học Chuyên đề ô tô điện với tên đề tài “TÌM HIỂU XE ĐIỆNPIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTA MIRAI” nhóm chúng em đã nhận được rấtnhiều sự hướng dẫn tận tình, quý báu của thầy và các anh cùng ngành 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 nhóm.

* Đặc biệt nhóm chúng em, gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy hướng dẫnNguyễn Tấn Lực đã hết lòng giúp đỡ, bảo ban, động viên và tạo mọi điều kiện để nhómchúng em hoàn thành tốt được môn học này.

* Cảm ơn các anh khóa trên cùng các bạn đã giúp đỡ nhóm chúng em rất nhiềutrong quá trình tìm tài liệu để có thể hoàn thành môn học….

Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án do kiến thưc chuyên ngành của nhóm chúngem còn hạn chế nên không thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày và đánh giá vấnđề Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của thầy bộ môn để đề tài của nhóm chúngem thêm hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TPHCM, ngày 05 tháng 07 năm 2024.

Sinh viên thực hiện

TÓM TẮT

Đề tài " TÌM HIỂU XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTA MIRAI "hiện đang là trọng tâm của đồ án tốt nghiệp của các sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuậtÔ tô tại Cao đẳng Bách khoa Bách Việt Sau 3 năm học tập chăm chỉ và những trảinghiệm rèn luyện, nhóm đã nghiên cứu và lựa chọn đề tài này nhằm phát triển một hệthống hoàn chỉnh cho xe tự hành, khai thác tối đa các khả năng và kiến thức đã học tronglĩnh vực này.

Xe hybrid (xe lai) hiện nay đang được coi là một giải pháp kết hợp hoàn hảo

những ưu điểm nổi bật nhất của cả 2 loại xe “thuần túy”, gồm xe chỉ dùng động cơ đốttrong và xe chỉ dùng năng lượng điện Bằng cách thiết lập sao cho một động cơ đốt trongcùng hoạt động với 1 hoặc nhiều mô-tơ điện trong hệ thống truyền động của một chiếcxe, năng lượng cung cấp cho các bánh xe có thể đến từ 2 nguồn khác nhau, tạo nên sựlinh hoạt trong quá trình vận hành.

Các hệ thống quản lý năng lượng trên xe hybrid có thể quyết định dùng nguồnnăng lượng nào là tốt nhất cho điều kiện hiện tại, chạy bằng xăng/dầu hoặc chạy bằngđiện hoặc luân phiên chuyển đổi giữa 2 loại Do đó bạn có thể cảm nhận được rõ rệt sựchuyển đổi từ động cơ này sang động cơ khác Năng lượng điện cũng có thể được thu hồithông qua cơ chế phanh tái sinh, từ đó cho phép xe hybrid chỉ chạy bằng điện và khôngtốn giọt xăng/dầu nào nếu người lái biết cách điều khiển thật khéo léo.

Tuy nhiên, sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và ít nhất một mô-tơ điện luôn luôntạo nên một hệ truyền động phức tạp Hầu hết các xe hybrid đều dựa vào động cơ chạybằng xăng/dầu để cung cấp năng lượng cho các bánh xe trong hầu hết các trường hợp vậnhành, còn mô-tơ điện chỉ đóng vai trò hỗ trợ Ở mức độ tối thiểu, thành phần điện hóa chỉgóp phần tăng thêm sức mạnh cho toàn bộ hệ thống trong một khoảng thời gian ngắn,hoặc can thiệp sao đó để xe tiêu tốn ít nhiên liệu hơn.

1.1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI 1

1.1.3 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.5 KẾT CẤU CỦA ĐỀ TÀI 2

Chương 2 CÁC LOẠI XE SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SẠCH 3

2.1 XE HYBRID (HEV-Hybrid Electric Vehicle) 3

2.2 XE HYBRID CẮM SẠC (PHEV-Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 4

2.3 XE THUẦN ĐIỆN (BEV-Battery Electric Vehicle) 5

2.4 XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU HYDRO (FCEV- Fuel Cell Electric Vehicle) .6Chương 3: XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU TOYOTA MIRAI 7

3.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU 7

3.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU CỦA TOYOTA.93.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TOYOTA MIRAI 11

3.4 CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN TRÊN XE TOYOTA MIRAI 15

3.4.1 BÌNH CHỨA HYDRO (HYDRO TANK) 16

3.4.2 PIN ĐIỆN CAO ÁP (BATTERY) 18

3.4.3 ĐỘNG CƠ ĐIỆN ( ELECTRIC MOTOR) 21

3.4.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT (POWER CONTROLLER) 21

3.4.5 PIN NHIÊN LIỆU (FUEL CELL STACK) 22

3.4.6 BỘ BIẾN ĐIỆN DC/DC 24

3.5 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TOYOTA MIRAI 25

3.5.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 25

3.5.2 NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH CỦA TOYOTA MIRAI 28

3.6 BỐ TRÍ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG VÀ NỀN TẢNG TNGA-L (GA-L) TRÊN XE TOYOTA MIRAI 29

4.1 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM 36

4.1.1 ƯU ĐIỂM CỦA TOYOTA MIRAI 36

4.1.2 NHƯỢC ĐIỂM CỦA TOYOTA MIRAI 38

4.2 NHỮNG THÁCH THỨC CỦA FCEV VÀ TOYOTA MIRAI 38

4.3 TƯƠNG LAI CỦA CÁC DÒNG XE ĐIỆN LÀ XE PIN NHIÊN LIỆU 39

4.4 MỘT SỐ XE TIÊN TIẾN VỀ CÔNG NGHỆ HYDRO 40

4.4.1 SIÊU XE HYDRO APRICALE 40

4.4.2 MATADOR MH2 SIÊU XE CHẠY BẰNG KHÍ HYDRO 42

Chương 5: KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

DANH MỤC CÁC BẢN

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ thứ nhất 13

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ thứ hai 15

Bảng 3.3 So sánh hai loại pin cao áp trên hai thế hệ của Toyota Mirai 20

Bảng 3.4 Cấu hình cơ bản của FCEV 30

Bảng 4.1 So sánh năng lượng tích lũy của các pin mang năng lượng 37

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Cấu trúc xe Hybrid Electric Vehicle 4

Hình 2.2 Cấu trúc xe Plug-in Hybrid Electric Vehicle 5

Hình 2.3 Cấu trúc xe Battery Electric Vehicle 6

Hình 2.4 Cấu trúc xe Fuel Cell Electric Vehicle 6

Hình 3.1 Sir William Robert Grove cha đẻ pin nhiên liệu 9

Hình 3.2 Toyota Mirai thế hệ thứ hai 15

Hình 3.3 Cấu tạo xe Toyota Mirai 16

Hình 3.4 Bình hydro trên Toyota Mirai thế hệ thứ nhất 17

Hình 3.5 Bình hydro trên Toyota Mirai thế hệ thứ hai 17

Hình 3.6 Pin Niken-hydrua kim loại ở thế hệ đầu 19

Hình 3.7 Pin Lithium-ion trên Toyota Mirai thế hệ thứ hai 20

Hình 3.8 Động cơ điện 4JM 21

Hình 3.9 Bộ điều khiển công suất 22

Hình 3.10 Pin nhiên liệu trên Toyota Mirai 23

Hình 3.11 Bộ biến điện DC/DC 24

Hình 3.12 Trao đổi màng điện phân PEMFC trên xe Toyota Mirai 27

Hình 3.13 Nền tảng TNGA trên Toyota Mirai 32

Hình 3.14 Nền tảng khung gầm EVRh 35

Hình 4.1 Siêu xe hydro Apricale 41

Hình 4.2 Siêu xe Matador MH2 42

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 3.1 Cấu hình hệ thống truyền lực lai pin trên Toyota Mirai 29

1.1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài tìm hiểu về xe điện dùng pin nhiên liệu trên xe Toyota Mirai cho tathấy được sự chuyển hóa năng lượng sạch để hoạt động một chiếc xe Ngoài raxe điện dùng pin nhiên liệu còn đóng góp rất lớn cho sự giảm thiểu ô nhiễmmôi trường.

1.1.3 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Ngành công nghiệp ô tô điện dùng pin nhiên liệu đóng góp rất lớn cho sựphát triển của một đất nước về phát triển kinh tế và xã hội là tiêu biểu trong quátrình hội nhập quốc tế, đồng thời còn là công nghệ tiêu biểu để giảm thiểu ônhiễm môi trường.

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Thông qua việc tìm hiểu về công nghệ sản xuất pin nhiên liệu và các côngnghệ được áp dụng trên xe giúp nắm được những kiến thức cơ bản và nâng caotrong lĩnh vực sản xuất pin nhiên liệu và xe dùng pin nhiên liệu để vận dụngtrong sản xuất ô tô.

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Đề tài giúp hiểu rõ được quá trình lịch sử hình thành và phát triển, biếtđược công nghệ sản xuất pin nhiên liệu, quá trình phản ứng của hydro, côngnghệ pin nhiên liệu được áp dụng trên xe , và các công nghệ tiên tiến về xehydro khác.

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thư mục: Tìm hiểu và phân tích các tàiliệu, sách, báo cáo đã được xuất bản về công nghệ sản xuất pin nhiên liệu và tàiliệu về xe Toyota Mirai, các trang mạng, diễn đàn có uy tín về ngành ô tô Đặcbiệt là các kiến thức thầy ThS Đào Hữu Huy đã truyền đạt trong quá trình họctập làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề tài.

1.5 KẾT CẤU CỦA ĐỀ TÀI

Chương 2 CÁC LOẠI XE SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SẠCH

2.1 XE HYBRID (HEV-Hybrid Electric Vehicle)

Hybrid là cấp độ cơ bản nhất của xe xanh, sử dụng đồng thời động cơ đốttrong 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 tạonăng lượng thừa khi phanh hoặc xe chạy không tải, nạp vào pin một cách tuầnhoàn HEV sử dụng động cơ xăng là chính, động cơ điện sẽ chỉ can thiệp vàomột số tình huống đề bổ trợ Có nhiều cấu hình khác nhau để động cơ điện kíchhoạt 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 cóhybrid sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn 40% so với xe chạy xăng thông thường Khinhiên liệu tiêu thụ giảm, mức phát thải CO2 cũng giảm theo.Tuy có ưu điểm làgiảm phát thải CO2, tiêt kiệm nhiên liệu, không phải sạc pin nhưng nhược điểmlà sự can thiệp của động cơ điện khá ít, chỉ mang tính thêm thắt Xe hybridthường là các mẫu xe đô thị, dung tích xi lanh nhỏ và không di chuyển ở các

địa hình quá phức tạp.

Hình 2.1 Cấu trúc xe Hybrid Electric Vehicle

2.2 XE HYBRID CẮM SẠC (PHEV-Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

Có cấu tạo giống xe hybrid nhưng pin trên xe PHEV sẽ lớn hơn và đượcnạp điện từ bên ngoài thông qua một cổng sạc Với khối pin lớn hơn, cung cấpnhiều năng lượng hơn cho động cơ điện nên khả năng làm việc của động cơđiện cũng mạnh mẽ, lâu dài hơn PHEV cho phép xe chỉ cần sử dụng một độngcơ đốt trong vừa phải, giúp tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường mà khônglo thiếu hụt sức mạnh Ví dụ Range Rover Autobiography thuần xăng có thểdùng máy 5.0L, nhưng với bản PHEV thì chỉ còn dùng động cơ xăng 2.0L,cùng sự bổ trợ của động cơ điện nên công suất, mô-men xoắn vẫn tương tự bản5.0L Chính vì pin lớn nên các xe PHEV có thể chạy điện độc lập mà khôngcần đến động cơ xăng Quãng đường di chuyển xa nhất khi xe chỉ dùng độngcơ điện có thể lên tới 130km Thời gian sạc cho pin thường sẽ 3-6 tiếng tùy vàodung lượng Tại Việt Nam một số mẫu xe đang sử dụng động cơ này nhưRangeRover P400e hay Volvo XC90 T8 Các xe PHEV thường là các SUV cókích thước lớn vì để giảm dung tích xi lanh của động cơ xăng, giảm mức phátthải CO, và tăng hiệu suất động cơ Xe PHEV có thể chạy ở các địa hình phứctạp vì kết hợp linh hoạt cả xăng và điện Tài xế không bị lo hết điện vì vẫn còn

một bình xăng Theo nhiều chuyên gia, với những nước chưa đủ điều kiện cơsở hạ tầng để phát triển xe điện như Việt Nam thì PHEV có thể sẽ là khá phùhợp.

Hình 2.2 Cấu trúc xe Plug-in Hybrid Electric Vehicle

2.3 XE THUẦN ĐIỆN (BEV-Battery Electric Vehicle)

Đây đang là xu hướng chính của các hãng ô tô trên thể giới Xe chỉ sửdụng một khối pin dưới sàn cung cấp năng lượng cho động cơ điện Với đặctrưng gia tốc lớn, tức thời của điện, xe cũng không cần sử dụng hộp số nhiềucấp đề chuyển đổi mô-men Phần lớn xe điện chỉ dụng hộp số 1 cấp, hoặc cábiệt 2 cấp trên xe thể thao như Porsche Taycan.

Ưu điểm của xe điện là hoàn toàn không phát thải CO2, các chi tiết máycủa xe cũng khá đơn giản và dễ sửa chữa hơn xe dùng động cơ đốt trong nênloại xe này đang được coi là tương lai của ngành công nghiệp ô tô Nhược điểmlà tuổi thọ của pin cần thêm thời gian để kiểm chứng và quãng đường dichuyển cho một lần sạc ngắn hơn xe chạy bằng xăng hoặc dầu Hạ tầng trạmsạc, thời gian sạc cũng là vấn đề lớn của xe chạy điện so với xe dùng nhiên liệuđốt 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 độngđiện với hệ thống pin thay vì dùng xăng hay dầu Còn các cụm và hệ thốngkhác giống như một chiếc ô tô thông thường Có nhiều phương án bố trí hệthống động lực và động cơ điện khác nhau Các cụm và hệ thống còn lại, nội vàngoại thất tương tự ô tô thông thường Ngoài ra, đối với các bộ pin là các ionlithium, vốn rất dễ tăng nhiệt trong quá trình sử dụng, bởi vậy xe điện cũng cầnđược kiểm soát nhiệt độ để đảm bảo vận hành an toàn Một bộ quản lý nănglượng trang bị giúp đảm bảo năng lượng được tạo ra và tiêu thụ ở trạng thái ổnđịnh, tránh hiện tượng bộ pin quá tải.

Hình 2.3 Cấu trúc xe Battery Electric Vehicle

2.4 XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU HYDRO (FCEV- Fuel Cell ElectricVehicle)

Xe dùng pin nhiên liệu FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) được coi làđỉnh 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 lànguồn điện từ một phản ứng hóa học của khí hydro ngay trên xe Pin nhiên liệutổng hợp hydro với oxy trong không khí tạo ra điện năng cung cấp cho động cơđiện Tế bào nhiên liệu không thải ra khí CO2, nhưng nó cũng tạo ra ít nhiềukhí này trong quá trình chiết hydro từ khí tự nhiên, tuy nhiên lượng khí thải kháít so với những dạng phương pháp tạo năng lượng truyền thống Xe có mộtbình chứa khí hydro được nén, khí hydro này được cho tác dụng với oxy trongđiều kiện nhất định với bộ xúc tác Phản ứng hóa học này sẽ tạo ra H2O đượcthải ra ngoài qua ống xả, đồng thời cũng tạo ra dòng điện, và điện năng nàyđược 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 nạphydro chỉ mất vài phút giống như đổ xăng Xe không phát thải, chất thải gầnnhư 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 nữachưa có một quy chuẩn chung nào cho việc sản xuất pin nhiên liệu này Tuyvậy, 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

3.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU

Năm 1839, pin nhiên liệu đầu tiên được hình thành bởi Sir WilliamRobert 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 đặttên nó như pin nhiên liệu Grove sinh ra ở Swansea Ông đang làm giáo sưkhoa Vật lý tại viện London, Vương quốc Anh Tế bào do ông phát triển đượclàm bằng công nghệ pin có điện cực kẽm và bạch kim bên trong Hai điện cựcđược tiếp xúc với axit sulfuric và nitric Các axit được tách ra khỏi nhau bằngbình sứ Nồi gốm là loại xốp sẽ tạo điều kiện thuận lợi hoặc tăng cường sự traođổi của hai chất điện phân Cơ cấu này đã đạt được thành công và danh tiếnglớn và được tiếp tục sử dụng trong các trạm điện báo.

Năm 1889, thuật ngữ “pin nhiên liệu” (“fuel cell”) lần đầu tiên được đặtra bởi Ludwig Mond và Charles Langer, những người đã cố gắng xây dựng mộtpin nhiên liệu hoạt động bằng cách sử dụng không khí và khí than công nghiệp.Một nguồn tin khác nói rằng chính William White Jaques là người đầu tiên đặtra thuật ngữ “fuel cell” Jaquescũng là nhà nghiên cứu đầu tiên sử dụng axitphotphoric trong bể điện phân.

Vào những năm 1920, nghiên cứu về pin nhiên liệu ở Đức đã mở đườngcho sự phát triển của chu trình cacbonat và pin nhiên liệu oxit rắn ngày nay.

Năm 1932, kỹ sư Francis T Bacon bắt đầu nghiên cứu quan trọng củamình về các tế bào nhiên liệu Các nhà thiết kế tế bào ban đầu đã sử dụng điệncực platin xốp và axit sulfuric làm bể điện phân Việc sử dụng bạch kim rất tốnkém và sử dụng axit sulfuric có tính ăn mòn Bacon đã cải tiến trên các chấtxúc tác bạch kim đắt tiền với một tế bào hydro và oxy bằng cách sử dụng chấtđiện 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 ôngtrình diễn một pin nhiên liệu 5 kilowatt có thể cung cấp năng lượng cho mộtmáy 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 Sảnxuất Allis – Chalmers, đã trình diễn một chiếc máy kéo 20 mã lực là phươngtiện đầu tiên chạy bằng pin nhiên liệu.

Vào đầu những năm 1960, General Electric đã sản xuất hệ thống điện dựatrên pin nhiên liệu cho các tàu vũ trụ Gemini và Apollo của NASA GeneralElectric đã sử dụng các nguyên tắc được tìm thấy trong “Bacon Cell” làm cơ sởcho thiết kế của mình Ngày nay, điện của Tàu con thoi được cung cấp bởi cáctế bào nhiên liệu, và các tế bào nhiên liệu tương tự cung cấp nước uống cho phihành đoàn.

NASA quyết định rằng việc sử dụng các lò phản ứng hạt nhân có rủi roquá cao và việc sử dụng pin hoặc năng lượng mặt trời là quá cồng kềnh để sửdụng trong các phương tiện vũ trụ NASA đã tài trợ cho hơn 200 hợp đồngnghiên cứu khám phá công nghệ pin nhiên liệu, đưa công nghệ này lên cấp độkhả thi cho khu vực tư nhân.

Chiếc xe buýt đầu tiên chạy bằng pin nhiên liệu được hoàn thành vào năm1993, và một số chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu hiện đang được chế tạo ởChâu Âu và Hoa Kỳ Daimler-Benz và Toyota ra mắt nguyên mẫu ô tô chạybằng pin nhiên liệu vào năm 1997.

Vào tháng 8 năm 1999, các nhà vật lý Singapore đã công bố một phươngpháp lưu trữ hydro mới của các ống nano carbon pha tạp chất kiềm nhằm tăngkhả năng lưu trữ và an toàn hydro.

Và xe dùng pin nhiên liệu đang được nghiên cứu phát triển và áp dụngđến tận ngày nay và tương lai.

Hình 3.1 Sir William Robert Grove cha đẻ pin nhiên liệu

3.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN XE ĐIỆN PIN NHIÊN LIỆU CỦATOYOTA

Mất 21 năm nghiên cứu và phát triển bắt đầu từ năm 1992: Toyota bắt đầuphát triển công nghệ FCV.

Năm 1996: EVS13, FCV với bình hydro hydroxit kim loại, tham gia cuộcdiễu 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 ởMỹ và Nhật Bản Ngăn xếp pin nhiên liệu tạo ra công suất 90 kW Phạm vi baylà 300 km (185 dặm) Hai chiếc FCHV được chuyển đến cơ sở Irvine và Daviscủa Đại học California, bốn chiếc được chuyển đến các cơ quan chính phủ ởNhật Bản

Năm 2003: Toyota và Daihatsu bắt đầu thử nghiệm trên đường MOVEFCV-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 liệuhydro

Năm 2010: Xe buýt Toyota/Hino FCHV phục vụ các tuyến thương mạihàng ngày giữa Sân bay Haneda của Tokyo và trung tâm thành phố

Năm 2011: Satoshi Ogiso, phó giám đốc Nhóm Kế hoạch Sản phẩm,tuyên bố tất cả các vấn đề kỹ thuật đã được giải quyết, cho biết “vấn đề thực sựduy nhất còn lại cản trở xe điện chạy pin nhiên liệu là chi phí sản xuất hàngloạt”

Năm 2011: Toyota trình diễn mẫu xe ý tưởng FCV, được đặt tên là R," tại Triển lãm ô tô Tokyo

"FCV-Năm 2012: Chủ tịch Toyota Takeshi Uchiyamada nói: “Khả năng hiện tạicủa xe điện không đáp ứng được nhu cầu của xã hội, cho dù đó có thể là quãngđường xe có thể chạy, chi phí hay thời gian sạc lâu”.

Năm 2013: Phóng viên lái thử xe chạy pin nhiên liệu Toyota chứng minhrằng 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 báogiới Thông báo sẽ có mặt vào đầu năm 2015 tại Nhật Bản với mức giákhoảng ¥ 7.000.000

Tháng 11 năm 2014: Toyota ra mắt thông cáo báo chí và những bức ảnhmô tả chi tiết phiên bản sản xuất của xe chạy pin nhiên liệu Tên mẫu chínhthức 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 đầutiên tham gia cuộc đua NASCAR tại Toyota Owners 400 ở Richmond , HoaKỳ.

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 Backto the Future Part II du hành xuyên thời gian

Tháng 8 năm 2018: Một chiếc Mirai được nạp lại ở Úc bằng hydro táchkhỏi 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 hơnđáng kể so với mẫu thế hệ đầu tiên.

3.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TOYOTA MIRAI

Toyota Mirai được phát triển dựa trên mẫu xe ý tưởng Toyota FCV-R (Xechạy pin nhiên liệu) , được ra mắt tại Triển lãm Ô tô Tokyo 2011 Triển lãm ôtô Tokyo 2013 Mẫu concept FCV được ra mắt là một chiếc sedan màu xanhsáng có hình dạng giống như một giọt nước "để nhấn mạnh rằng nước là chấtduy nhất mà ô tô chạy bằng hydro thải ra từ ống xả của chúng." FCV có mộtlưới tản nhiệt lớn và các khe hở khác để cho phép làm mát không khí và nạpoxy để sử dụng cho pin nhiên liệu Theo Toyota, mẫu concept FCV có hìnhdáng gần giống với phiên bản sản xuất dự kiến của mẫu xe này Kích thướcFCV tương tự như Camry Phạm vi FCV dự kiến sẽ là khoảng 700 km (430mi) theo chu kỳ thử nghiệm JC08 của Nhật Bản.

Theo Toyota, FCV có hệ thống pin nhiên liệu với mật độ công suất đầu ralà 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 đãgiảm kích thước đơn vị đáng kể FCV sử dụng cụm pin nhiên liệu nhỏ, nhẹ, độcquyền của Toyota và hai bình hydro áp suất cao 70 MPa được đặt bên dướithân xe được thiết kế đặc biệt Toyota FCV concept có thể chứa tối đa 4 ngườingồi Đối với việc ra mắt thị trường toàn diện vào năm 2015, chi phí của hệthống 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 SynergyDrive của Toyota bao gồm động cơ điện , bộ điều khiển công suất và các bộphận, 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 tôchạy 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 liệuhydro sẽ cung cấp năng lượng cho động cơ điện Khi cần nhiều năng lượnghơn, chẳng hạn như khi tăng tốc đột ngột, pin sẽ hỗ trợ hệ thống pin nhiên liệuvì 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 kếbên ngoài gần giống với sản xuất, công bố chi tiết về giá cả tại Nhật Bản và ấnđịnh ra mắt thị trường nội địa trước tháng 4 năm 2015, với doanh số bán hàngban đầu chỉ giới hạn ở những khu vực đang phát triển cơ sở hạ tầng tiếp nhiênliệu hydro

* Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ đầu tiên

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)

Kích thước

Chiều dài cơ sở 2.780 mm (109,4 inch)

Chiều dài 4.890 mm (192,5 inch)

Chiều rộng 1.815 mm (71,5 inch)

Chiều cao 1.535 mm (60,4 inch)

Trọng lượng 1.850 kg (4.078,6 lb)

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ thứ nhất

* Thông số kỹ thuật Toyota Mirai thế hệ thứ hai

Thế hệ thứ hai

Toyota Mirai Limited 2021 (Thụy Sĩ)