CHƯƠNG 4 NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ
4.6. Xe Hybrid (HEV)
4.6.3.1. Các loại ắc-quy Hybrid
Các dịng xe ơ tơ sử dụng bình điện hybrid được thiết kế khá cơng phu, do đặc tính sản phẩm đòi hỏi yêu cầu về kĩ thuật tương đối khắt khe. Một trong những yêu cầu tiên quyết là độ an toàn, tiếp đến là tuổi thọ, sau cùng là cung cấp điện áp cao với dung lượng lớn. Trong giới ô tô hiện nay, đang sử dụng hai loại bình điện Hybrid chính: Ắc quy Lithium (Lithium – Iron, Lithium-ion…) và ắc quy hybrid Nickel – kim loại hydrua (Nickel Metal Hydride – NiMH, Nickel – Hydrogen, Nickel – Iron). Trong đó, ắc quy hybrid Nickel – kim loại hydrua được ưa chuộng hơn do giá thành hợp lý mà vẫn đảm bảo tuổi thọ cao. Bình điện NiMH sử dụng kali hydroxit (KOH) làm chất điện phân nên việc dẫn điện của bình rất dễ dàng.
Hiện nay, đa số các xe hybrid đều sử dụng bộ ắc quy Nikel Metal Hydride (Ni-MH), ưu điểm của chúng là:
- Tạo điện áp cao giúp xe dễ dàng tùy chỉnh tốc độ.
- Bình điện kín giảm thiểu các vấn đề về rị rỉ nhiên liệu, an tồn cho động cơ. - Điện áp liên tục sản sinh cho động cơ hoạt động trơn tru.
- Độ bền cao.
- Khả năng phóng điện tốt do việc sử dụng chất điện phân KOH.
- Có mật độ năng lượng cao, do đó làm giảm khối lượng và kích thước của bộ ắc quy. Thiết kế ắc quy Hybrid là một dải modul với nhiều modul nhỏ được mắc nối tiếp với nhau. Mỗi modul lại bao gồm nhiều ngăn nhỏ, gọi là cell. Điện áp của một cell tương ứng với 1,2V. Tùy vào thiết kế, mỗi modul có thể chứa 6 ngăn (7,2 V), 8 ngăn (9,6 V) hoặc 12 ngăn (14,4 V). Theo tiêu chuẩn, ắc quy Hybrid chứa 28 modul, mỗi modul sẽ chứa 6 ngăn tương ứng với 7,2V và tổng điện áp lúc này của ắc quy sẽ là 201,6 V. Vậy nên, để đảm bảo an toàn khi sử dụng cũng như cần sửa chữa, nhà sản xuất thiết kế một tay nắm có nhiệm vụ ngắt mạch điện mỗi khi cần bảo dưỡng hay sửa chữa.
87
Hình 4. 30: Lắp đặt hệ thống pin Hybrid
Ắc-quy Hybrid bao gồm nhiều môdul rời, bên trong mỗi ngăn ắc quy Hybrid bao gồm bản điện cực âm và bản điện cực dương ngăn cách nhau bởi màng ngăn được ngâm trong dung dịch kiềm KOH.
Các dòng xe do Nhật sản xuất bình ác quy thường do hai tập đoàn lớn Panasonic và Toshiba sản xuất. Hiện nay acquy Hybrid (HV) được sản suất theo các tiêu chuẩn khác, acquy HV hãng Toyota sử dụng cho các dịng xe cũng khác nhau về kích thước, khối lượng, điện áp.
4.6.3.2. Tính tốn chọn hệ thống cung cấp điện trên một xe Hybrid cụ thể.
Ví dụ chọn một ơ tơ hybrid có hệ dẫn động hybrid nối tiếp. Vì vậy, ta sử dụng các cơng thức tính tốn của phần hybrid nối tiếp để tính chọn các thơng số của từng thành phần trong hệ dẫn động để chọn ra hệ thống pin hybrid cho phù hợp.
Các thơng số đầu vào để tính tốn:
Bảng 4. 9: Các thơng số đầu vào khi tính tốn cho xe
88 Thời gian gia tốc bới motor từ 0 – 100 km/h, ta (s) 10.4
Gia tốc trọng trường, g (m/s2) 9.8
Hệ số cản lăn, fr 0.02
Mật độ khơng khí, a (kg/m3) 0.114
Hệ số cản khí động, Cd 0.4
Diện tích cản mặt trước, Af (m2) 1.8
Hệ số khối lượng của xe, 𝛿 1.02
❖ Motor điện
Công suất của motor điện để kéo xe từ 0 → 100 (km/h) được tính theo cơng suất:
𝑃𝑚 =𝛿𝑀𝑣
2𝑡𝑎 (𝑉𝑓2+ 𝑉𝑏2) + 2
3𝑀𝑣𝑔𝑓𝑟𝑉𝑓+ 1
5𝜌𝑎𝐶𝑑𝐴𝑓𝑉𝑓3
Với vận tốc cơ bản của motor là 𝑉𝑏 40 km/h = 11.1 m/s, Vận tốc Vf = 100(km/h) = 27.8 (m/s). 𝑃𝑚 =1.02.1500 2.10,4 (27.82+ 11.12) + 2 3. 1500.9,8.0,02.27,8 + 1 5. 0,114.0,4.1,8. 27.83 = 71712 (W) = 71.712 (kW)
Vì mơ-tơ được sản xuất với các cơng suất quy định, vì thế ta chọn mơ-tơ điện xoay chiều có cơng suất 75 kW, hiệu điện thế định mức 245 V.
❖ Tính chọn bộ ắc-quy
Sử dụng bộ ắc quy Nikel Metal Hydride (Ni-MH), ưu điểm của loại ắc quy này là có mật độ năng lượng cao, do đó làm giảm khối lượng và kích thước của bộ ắc quy.
Để có một bộ ắc quy với điện áp 245V cung cấp cho mô-tơ kéo, ta dùng 34 mô-đun ghép nối tiếp với nhau. Mỗi mỗi mô-đun gồm 6 cell, với điện áp một cell là 1,2 và dung lượng là 3Ah.
89 Dịng điện phóng cung cấp cho mơ-tơ là Im = 𝑃𝑚
𝑈 = 75000
245 = 306(A) Số giờ phóng của ắc quy theo tính tốn bằng: (34.6.3)/306 ≈ 2(h)
Tuy nhiên trong thực tế, dung lượng phóng thực tế của ắc quy chỉ bằng 70% dung lượng tính tốn theo lí thuyết.
4.6.4. Các hãng xe Hybrid phát triển hiện nay. 4.6.4.1. Dòng xe Toyota Prius. 4.6.4.1. Dòng xe Toyota Prius.
Trước khi chúng ta nói về các phiên bản khác trong dòng sản phẩm Prius, trước tiên chúng ta nên thảo luận về cái tên của xe. Chiếc Prius được thiết kế lại hoàn toàn trong năm 2016 và nâng cấp tính năng Toyota Hybrid Hybrid Synergy Drive, cũng như giảm lực cản khơng khí nhờ cải tiến khí động học. Những cải tiến này giúp tiết kiệm xăng hơn so với thế hệ trước. Thế hệ mới nhất của Prius cũng có khả năng vận hành tốt hơn, xử lý hấp dẫn hơn, cũng như tăng tốc nhanh chóng hơn. Cabin của Prius có thiết kế khá khác thường, với đồng hồ lái được gắn khơng ở phía trước người lái mà ở trung tâm của táp lô. Chất liệu nội thất khá cao cấp và mềm mại. Ghế ngồi phía trước rộng rãi và thoải mái, mặc dù ghế sau khá chật do mái dốc. Chỗ để chân ở phía sau cũng rất hạn chế.
Prius trang bị hệ thống thơng tin giải trí màn hình cảm ứng, cổng USB và Bluetooth. phiên bản khởi điểm có màn hình 6,1 inch, trong khi các biến thể cao hơn có màn hình 7 inch hoặc 11,6 inch, định vị dẫn đường, đài vệ tinh và Radio HD. Đáng chú ý là Android Auto và Apple CarPlay không xuất hiện trên Prius, cũng như trong hầu hết các loại xe khác của Toyota (Toyota bắt đầu giới thiệu Apple CarPlay trên các mẫu xe năm 2019, mặc dù Android Auto vẫn không được hỗ trợ).
90
Hình 4. 31: Toyota Prius
4.6.4.2. Dịng xe Lexus ES 300h.
Lexus ES300h là một mẫu xe Hybird công nghệ hạng sang được giới thiệu trong triển lãm xe VMS tại Hồ Chí Minh đã và đang được kỳ vọng sẽ là một mẫu xe sang cạnh tranh với những đối thủ đến từ Đức.
91
Hình 4. 32: Chiếc Hybird - Lexus ES300H
So với thế hệ cũ thì chiếc Hybirb Lexus ES300H đã được thiết kế lột xác trên mọi phương diện từ thiết kế nội thất - ngoại thất, tiện ích sử dụng, khả năng vận hành, hệ thống khung gầm và động cơ xe. Do được phát triển trên nền tảng thiết kế GA-K tiên tiến mà kích thước tổng thể của Lexus ES300H đã thay đổi cụ thể: Xe đã dài hơn 66mm, rộng thêm 46mm và cao cũng thấp hơn 51mm. Tổng chiều dài cơ sở của xe giờ là 2.870mm.
Thiết kế đầu xe của Lexus ES300H với ngôn ngữ L-finesse của bộ lưới tản nhiệt vẫn mang đậm những nét đặc trưng của dịng Lexus. Nói chung phần đầu xe bao gồm cụm đèn pha, và bộ lưới tản nhiệt giảm xung của ES300H khá giống với mẫu xe Lexus LS
Về phần đuôi xe, vẫn được thiết kế đầy thẩm mỹ, khỏe khoắn nhưng sắc sảo với cụm đèn hậu Full LED cùng đường viền được mạ Crom tạo nên vẻ đẹp quyến rũ và hiện đại.
4.7. Xe điện(EV).
92
4.7.1.1. Sự hình thành và phát triển của xe ôtô điện.
Thực tế ô tô điện đã xuất hiện rất nhiêu năm trước đây hơn 100 năm trước trên thế giới. chiếc xe chạy điện đầu tiên xuất hiện năm 1880 được Jame starley người Anh đã thiết kế chiếc xe chạy điện ba bánh đầu tiên. Tuy nhiên đến năm 1884 chiếc ô tô điện đầu tiên được ra đời và có tiềm năng được sản xuất hàng loạt, do nhà phát minh Thomas Parker ở Anh Quốc. Anh và Pháp là hai quốc gia đầu tiên ủng hộ việc sử dụng xe điện cho giao thông.
Chiếc xe điện đầu tiên tại Mỹ được chế tạo vào khoảng những năm 1890 do nhà chế tạo William Morrision, đã tạo ra chiếc xe đầu tiên tại Mỹ có thể di chuyển được với vận tốc 23km/h.
Hình 4. 33: Chiếc xe điện 6 chỗ ngồi của nhà phát minh William Morrision
Trong giai đoạn này các thiết kế, nhà chế tạo đã cho ra đời nhiều mẫu xe điện khách nhau tại các nước Châu Âu, loại hình phương tiện nở rộ tại các nước Châu Âu. Đáng quan tâm và vượt trội nhất là mẫu xe hình tên lửa của Jamais contente đã được tay đua Camille Jenatzy điều khiển vào ngày 29/04/1899 đạt tốc độ tối đa 105,88 km/h.
93
Hình 4. 34: Mẫu xe điện có thiết kế hình tên lửa Jamais Contente
Vào thập niên 1900 xe điện thời kỳ đó là trào lưu, xu thế nhờ những đặc điểm lợi thế của nó như: khơng gây tiếng ồn, khơng tạo ra khói bụi, khơng cần quay tay để khởi động, không rung lắc, thời kỳ đó tốc độ của xe xăng cũng chưa có tốc độ cao,…Tại thời điểm đó ở Mỹ thống kê được số lượng phương tiện chạy các nguyên liệu năng lượng khác nhau như: xe sử dụng xăng chiếm 22%, xe sử dụng hơi nước chiếm 40%, xe sử dụng điện chiếm 38%. dù đi sau Châu âu nhưng giai đoạn này Mỹ đã có đến 34.000 xe chạy điện.
Xe ơ tơ điện cũng sớm có bước ngoặt thối trào theo tất yếu nhu cầu dịch chuyển thời kỳ đó cùng sự phát triển của ngành cơng nghiệp ơ tơ sử dụng xăng khi đó. vào năm 1908 khi Ford đã sản xuất hàng loạt model T, đồng thời nhà phát minh Charles Kettering giới thiệu bộ khởi động mới giúp loại bỏ việc người sử dụng ô tô phải quay tay để khởi động.
Ngoài ra giá thành ơ tơ điện lúc đó cũng là một điều đáng nói, khi vào khoảng những năm 1910 giá thành của một chiếc ơ tơ điện bình qn khoảng 1800 USD trong khi đó một chiếc xe xăng giá bình qn vào khoảng hơn 600 USD. Với phân khúc giá như vậy nên kể cả ở thời kỳ bùng nổ, những chiếc ô tô điện cũng chủ yếu được sử dụng, tiêu thụ bởi những nhà quý tộc giàu có.
94 Từ năm 1920, ngành cơng nghiệp khai thác hóa dầu phát triển giúp cho giá nhiên liệu xăng, dầu rẻ đi rất nhiều. Đồng thời cùng với đó là sự phát triển của cơ sở hạ tầng giao thông. kể từ đó xe xăng và dầu cũng được ưa chng nhiều hơn. Đến những năm 1930 xe chạy nhiên liệu hóa thạch bùng nổ cịn xe ơ tơ điện gần như mất hồn tồn thị phần.
Giữa thế kỷ 19, sau chiến tranh thế chiến thứ 2 nhiều Quốc Gia bị cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch. Năm 1970 tại Mỹ giá xăng tăng cao kỷ lục. Điều này khiến chính phủ Mỹ đã phải quay lại với đầu bài đặt ra cho các hàng ô tô tại Mỹ phải nghiên cứu và phát triển các mẫu xe điện để giải quyết vấn đề chi phí đi lại và giá thành xăng đang tăng cao. Đến năm 1982, tập đoàn GM đã chế tạo thành công chiếc xe Hybrid đầu tiên sử dụng cả xăng và điện cùng lúc. năm 1996, GM đưa vào sản xuất hàng loạt mẫu xe điện EV1, Mẫu xe này có thể di chuyển được gần 130km cho 1 lần sạc.
Một năm sau đó là năm 1997 một mẫu xe với cái tên được tồn tại định đám đến tận ngày nay do Toyota sản xuất: Toyota Prius Hybrid. hiện nay đã có đến hơn 37 triệu chiếc Prius được bán ra ngoài thị trường.
Hình 4. 35: Mẫu xe hybrid đình đám Toyota Prius ra đời lần đầu tiên vào năm 1997
Thực sự khơi mào cho sự trở lại của xe điện được đánh dầu bằng mốc hình thành của hãng Tesla năm 2003, Tesla được thành lập tại năm này ở Bang california Mỹ với chiến lược và
95 nghiên cứu sản phẩm xe điện. Tại thời điểm đó rất nhiều người nghi ngại về sự thành công của Tesla trong lĩnh vực xe điện do ở thời điểm này giá thành một chiếc ơ tơ điện cịn khá cao so với xe chạy nhiên liệu xăng và dầu.
Trên thực tế ngay tại thời điểm hãng xe điện Tesla ra đời, tập đoàn GM của Mỹ cũng đã dừng toàn bộ kế hoạch sản xuất những chiếc xe điện mẫu EV1 của mình. Ngay sau khi thành lập, Tesla gần như bị rơi vào quên lạng.
Đến năm 2006 Tesla ra mắt mẫu xe điện đầu tiên của mình với cái tên Roadster, đây mà mẫu xe ô tô điện đầu tiên trên thế giới có thể vận hành trên đường cao tốc. tuy nhiên ở giai đoạn này ô tô điện vẫn chưa được người tiêu dùng lựa chọn và chú ý đến.
Hình 4. 36: Mẫu Tesla Roadster đầu tiên
Trong giai đoạn nhưng năm 2010 không chỉ riêng mình Tesla phát triển xe điện mà các hãng ô tô lớn hàng đầu trên thế giới cũng thủ nghiệm với hàng loạt mẫu xe thuần điện, xe ô tô lai Hybrid và đến hiện nay như là một xu thế tất yêu của loại hình phương tiện thuần điện trên thế giới đang được quan tâm vì nhiều lý do: Bảo vệ mơi trường, khơng gây tiếng ồn, tích hợp được nhiều cơng nghệ hiện đại, giá thành rẻ hơn rất nhiều so với giá trị của nó trong q trình hình thanh, di chuyển được xa hơn, dung lượng pin tích lũy được nhiều hơn, chạy được tốc độ, hiệu suất cao hơn.
96 Mặc dù có hơn trăm năm phát triển ô tô thuần điện, tuy nhiên những hãng xe, nhà thiết kế hiện mới đang chỉ đang dừng ở những bước đầu tiên để tạo nên một chiếc xe ô tô thuần điện của tương lai. rất nhiều ý tưởng sáng tạo và công nghệ đang được thử nghiệm và tích hợp trên những chiếc xe điện.
Xu thế ô tô Điện là tất yếu khi mà năng lượng hóa dầu, nhiên liệu xăng và dầu ngày càng cạn kiệt. Cùng trong xu thế đó, VinFast một hãng ơ tơ non trẻ của Việt Nam, hãng ô tô đầu tiên của Việt Nam mới chỉ thành lập vào năm 2017, cho ra mắt sản phẩm đầu tiên vào năm 2019 đã lập cho mình kế hoạch ra mắt sản phẩm ô tô điện tiêu chuẩn quốc tế. Vào ngày 24/03/2021 VinFast đã thực hiện bước đầu tiên đưa xe thuần điện của mình qua ngồi thị trường bằng việc cho khách hàng đặt trước “Pre-order” mẫu xe thương mai VFe34.
Hình 4. 37: Ơ tơ điện VFE34 của VinFast
4.7.1.2. Cấu tạo và phân loại các xe ôtô điện.
❖ Cấu tạo:
Các xe ơ tơ chạy hồn tồn bằng điện (EV) đều được trang bị một hoặc nhiều motor điện thay thế cho động cơ đốt trong. Những chiếc xe này sử dụng một bộ nguồn ắc quy kéo để truyền năng lượng cho motor điện và phải được cắm ở các trạm sạc hoặc điện lưới. Bởi vì chạy bằng điện cho nên phương tiện khơng có khí thải và lược bỏ đi những bộ phận của hệ
97 thống nhiên liệu lỏng thơng thường như bình nhiên liệu, bơm nhiên liệu, đường ống nhiên liệu.
Hình 4. 38: Cấu tạo của một chiếc ơ tơ điện
1. Ắc quy phụ: Trong một chiếc xe truyền động điện, nguồn pin phụ cung cấp năng
lượng cho các thiết bị trên xe hoạt động.
2. Cổng sạc: Cổng sạc cho phép phương tiện kết nối với nguồn điện bên ngoài để sạc
ắc-quy
3. Bộ chuyển đổi DC/DC: Thiết bị này chuyển đổi nguồn DC áp cao từ ắc quy thành
nguồn DC áp thấp cần thiết để các thiết bị trên xe hoạt động & sạc lại cho ắc quy phụ.
4. Động cơ điện/Motor điện: Sử dụng năng lượng từ bộ nguồn ắc qui, motor này dẫn
động các bánh xe. Vài phương tiện còn sử dụng tổ hợp động cơ – máy phát (motor generators) thực hiện cả 2 chức năng truyền động và tái sinh/hồi phục năng lượng.
5. Onboard charger: Lấy nguồn điện AC được cung cấp qua cổng sạc và biến đổi
chúng thành nguồn DC để sạc cho ắc quy. Bộ phận này theo dõi các thông số của ắc quy như điện áp, dòng, nhiệt độ và trạng thái sạc.
98
6. Bộ điều khiển điện tử công suất (Power electronics controller): Bộ phận này quản