CHƯƠNG 4 NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ
4.6. Xe Hybrid (HEV)
4.6.4. Các hãng xe Hybrid phát triển hiện nay
4.6.4.1. Dịng 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 khơng được hỗ trợ).
90
Hình 4. 31: Toyota Prius
4.6.4.2. Dòng 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 ơtơ 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, khơng 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 công nghiệp ô tô 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 ô tô điện bình qn khoảng 1800 USD trong khi đó một chiếc xe xăng giá bình quân 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 thơng. kể từ đó xe xăng và dầu cũng được ưa chuông 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 ngồi 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 khơng 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 công 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 thông 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 thơng số của ắc quy như điện áp, dịng, nhiệt độ và trạng thái sạc.
98
6. Bộ điều khiển điện tử công suất (Power electronics controller): Bộ phận này quản
lý dòng năng lượng điện được cung cấp bởi ắc quy, điều khiển tốc độ của motor điện và momen xoắn mà nó tạo.
7. Hệ thống làm mát (Thermat System): Hệ thống này duy trì một phạm vi nhiệt độ
hoạt động thích hợp của động cơ/motor điện & các bộ phận khác.
8. Bộ ắc quy kéo: Lưu trữ điện để cung cấp cho motor. 9. Truyền động (điện) – Transmission (electric).
❖ Phân loại các xe ô tô điện:
Xe điện đang ngày càng phát triển bùng nổ và những loại xe điện khác nhau dần xuất hiện để đáp ứng từng điều kiện cụ thể là điều dễ hiểu. Phân loại xe ô tô điện (Electric Vehicle-EV) hiện nay gồm: BEV (Battery Electric Vehicle), PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) và HEV (Hybrid Electric Vehicle).
Hình 4. 39: Phân loại các xe ơ tơ điện
• Battery Electric Vehicle (BEV):
Battery Electric Vehicle (BEV) thường được gọi với cái tên EV (Electric Vehicle) là loại xe sử dụng hồn tồn động cơ điện với bộ pin có thể nạp lại được và khơng dùng động cơ xăng. Xe BEV tích điện trong các bộ pin có dung lượng lớn và được dùng để chạy motor điện hay các bộ phận sử dụng điện khác. Xe BEV khơng thải ra khí gây ơ nhiễm mơi trường như
99 động cơ truyền thống. Xe BEV được nạp điện bằng các nguồn bên ngoài. Bộ nạp này được phân loại dựa trên tốc độ nạp đầy pin trên mỗi xe BEV. Có những mức phân loại bộ nạp sau đây: Level 1, Level 2, Level 3 (Nạp nhanh DC).
Hình 4. 40: Xe Tesla nạp bằng bộ nạp DC
• Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV):
Plug-in Hybrid Electric Vehicle hay PHEV có thể nạp lại pin bằng phanh tái sinh hoặc bằng cách cắm vào nguồn điện bên ngoài. Trong khi các xe hybrid bình thường có thể di chuyển 2-4 dặm trước khi động cơ xăng được sử dụng thì xe PHEV có thể đi qng đường 10-40 dặm trước khi có sự hỗ trợ của động cơ xăng.
100
Hình 4. 41: Audi E-tron GT concept
Một số mẫu xe PHEV: Ford C-Max Energi, Ford Fusion Energi, Mercedes C350e, Mini Cooper SE Countryman, Audi A3 E-tron,…
• Hybrid Electric Vehicle (HEV):
Xe HEV được vận hành bởi cả động cơ điện và động cơ xăng truyền thống. Nguồn năng lượng điện được sản sinh ra bởi chính hệ thống phanh của xe để nạp lại pin. Hệ thống phanh này được gọi là phanh tái sinh, một q trình mà trong đó motor điện giúp giảm tốc độ xe và chuyển một phần năng lượng thành nhiệt bằng hệ thống phanh.
Xe HEV sử dụng motor điện để khởi động sau đó động cơ xăng sẽ ngắt khi tải trọng hoặc tốc độ tăng. Cả hai motor được điều khiển bởi máy tính trên xe để đảm bảo xe sẽ tiết kiệm nhiên liệu nhất trong từng điều kiện.
101
Hình 4. 42: Toyota Prius
4.7.1.3. Ưu và nhược điểm của chiếc xe ôtô điện.
❖ Ưu điểm:
- Ơ tơ điện được xếp vào dạng ơ tô sạch (ZEV).
- Động cơ điện hoạt động rất êm, hiệu suất cao, ít bảo trì, bảo dưỡng, dễ sửa chữa . - Do đường đặc tính cơng suất và mơment xoắn của động cơ điện rộng.
- Kết hợp phương pháp hãm tái sinh thu lại động năng của xe.
❖ Nhược điểm:
- Giá đầu tư ban đầu cao, ơ tơ điện thì cao hơn khoảng 30 - 40% ô tô nhiệt. - Khả năng gia tốc ô tô bị hạn chế.
- Các vấn đề sưởi ấm và điều hịa khơng khí trong ơ tô bị hạn chế. - Cơ sở hạ tầng cho ơ tơ điện vẫn chưa có.
- Năng lượng dự trữ bình điện thấp (thấp hơn khoảng 100 lần ô tô dùng động cơ nhiệt). Sản xuất, chế tạo bình điện đơi khi nó dẫn đến ơ nhiễm mơi trường. Tuổi thọ và chi phí sử dụng của bình điện phụ thuộc rất nhiều vào cơng nghệ chế tạo và thao tác kỹ thuật. - Thời gian nạp điện dài.
102
4.7.2. Tính tốn mức tiêu thụ năng lượng trên ơ tơ điện.
4.7.2.1. Tính tốn tiêu thụ năng lượng kéo.
Mức tiêu thụ năng lượng của lực kéo được tính tốn từ lý thuyết cơ bản về động lực học của xe. Trong nghiên cứu này, công suất điện được giả định bằng công suất để tạo ra lực kéo và năng lượng liên quan đến thành phần chính và hệ thống phụ trợ, và phanh tái sinh được bỏ qua. Lực kéo được mơ tả theo phương trình sau:
𝐹 = Ra + Rr + Rcl
Trong đó F là lực kéo (N), Ra là lực cản khơng khí (N), Rr là lực cản lăn (N), Rg là lực cản cấp (N). Ra, Rr, Rg được tính khi một xe điện đi với vận tốc không đổi:
Ra = Cd𝜌
2A𝑣2
Rr = frmgcos𝜃 Rg = mgsin𝜃
→ 𝐹 = Cd𝜌
2A𝑣2 + frmgcos𝜃 + mgsin𝜃
Trong đó v là vận tốc (m/s2), Cd là hệ số cản khí động, là mật độ khơng khí (kg/m3), A là diện tích tiếp xúc của xe (m2), fr là hệ số cản lăn, gia tốc trọng trường g = 9.8 m/s2 , m là khối lượng của xe (kg), 𝜃 là góc nghiêng của đường. Để tính tốn mức tiêu thụ năng lượng,