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 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
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 khơng 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, cần phải có cơng suất cho xe di chuyển với vận tốc ( v ). Công suất yêu cầu có thể được xác định từ mối quan hệ giữa F và v trong công thức:
P = F.v
Trong nghiên cứu này, mức tiêu thụ năng lượng của lực kéo được tính tốn bằng cách sử dụng các thơng số hình học của ngun mẫu xe buýt EV dài 9 mét và các hằng số khác như trong bảng sau:
103
Bảng 4. 10: Các thơng số tính tốn tiêu thụ năng lượng
Các giá trị từ được Bảng 4.9 ử dụng để tính cơng suất trong Công thức (9). Hiệu suất
truyền động của hệ thống truyền động điện được giả định là 100% trong nghiên cứu này. Các biến kiểm soát là vận tốc. Các tuyến đường trong khu vực khép kín, giữa các thành phố và trung chuyển địa phương có chu kỳ lái xe được tạo ra như mô tả trong phần trước được sử dụng làm đầu vào tính tốn cho mỗi tuyến dịch vụ. Trọng lượng xe là tổng trọng lượng lề đường và trọng lượng hành khách tối đa được ghi nhận trong mỗi tuyến đường phục vụ của trường đại học. MATLAB Simulink được sử dụng để tính tốn cơng suất tối đa và mức tiêu thụ năng lượng kéo bằng cách sử dụng quy trình làm việc như được mơ tả trong hình:
104
Hình 4. 43: MATLAB Simulink để tính tốn mức tiêu thụ năng lượng
4.7.2.2. Tính tốn mực tiêu thụ năng lượng của các thành phần chính và hệ thống phụ trợ của ô tô điện.
Các thành phần chính và hệ thống phụ trợ có thể có ảnh hưởng đáng kể đến mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của xe điện Bảng 4.10 trình bày các thơng số của các bộ phận và hệ thống phụ trợ để tính tốn tiêu thụ năng lượng.
105 Giá trị không đổi của tổng phụ tải cho các bộ phận chính và hệ thống phụ trợ được sử dụng trong nghiên cứu này là 14,26 kW. Mức tiêu thụ năng lượng của các thành phần chính và của hệ thống phụ trợ của ô tô điện (Ec) được tính như cơng thức:
Ec = Pc × 𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
3600
Trong đó, Ec là Mức tiêu thụ năng lượng của các thành phần chính và của hệ thống phụ trợ của ơ tô điện (kWh), Pc là cơng suất của các thành phần chính và của hệ thống phụ trợ,
𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 là thời gian của một chu kì lái xe (s).
4.7.2.3. Tổng tiêu thụ năng lượng.
Tổng tỷ lệ tiêu thụ năng lượng (Etotal) là tổng tiêu thụ năng lượng lực kéo (Ed) và các thành phần EV chính và hệ thống phụ trợ (Ec) chia cho khoảng cách trên mỗi chu kỳ của từng tuyến đường. Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng (kWh / km) được hiển thị trong công thức:
𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐸𝑑+ 𝐸𝑐
𝐷
Trong đó Etotal là tổng tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của lực kéo và các thành phần chính của ơ tơ điện và hệ thống phụ trợ (kWh/km), Ed là mức tiêu thụ năng lượng dựa trên chu kỳ lái xe (kWh), Ec là mức tiêu thụ năng lượng của các thành phần chính của ơ tơ điện và hệ thống phụ trợ (kWh), và D là khoảng cách chu kỳ lái xe đại diện (km).
4.7.2.4. Dung lượng pin.
Một thông số quan trọng của xe điện là năng lượng pin được lắp đặt tính bằng ốt-giờ (Wh) vì chi phí lắp đặt cao và mật độ năng lượng thấp hơn so với xăng. Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng kéo và công suất yêu cầu tối thiểu thu được trong phần trước được sử dụng làm thơng số chính để thiết kế pin. Kích thước yêu cầu tối thiểu của pin dựa trên mức sử dụng năng lượng hàng ngày, chiến lược sạc và thiết kế bộ nạp. Khoảng cách hoạt động mỗi ngày (𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) của phương pháp dành thời gian được tính như cơng thức:
106 Trong đó 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 là khoảng cách hoạt động mỗi ngày (km), 𝑁𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 là số chu kỳ lái xe mỗi ngày (chu kỳ), và 𝐷𝑎𝑣𝑔 là khoảng cách trung bình trên một chu kỳ (km).
Để xác định kích thước pin, giả sử sạc hàng ngày, tổng tỷ lệ tiêu thụ năng lượng (Etotal) và khoảng cách hoạt động mỗi ngày (𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) được sử dụng để tính tốn năng lượng cần thiết tối thiểu, qua đó để xác định dung lượng của pin được chọn cho phù hợp.
𝐸𝑟𝑒𝑞𝑢ỉ𝑒𝑑 = 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 × 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Trong đó. 𝐸𝑟𝑒𝑞𝑢ỉ𝑒𝑑 là mức tiêu thụ năng lượng để định cỡ pin (kWh), Etotal là tổng tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của lực kéo và các thành phần chính của ơ tơ điện và hệ thống phụ trợ (kWh/km), và 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 là khoảng cách hoạt động trong ngày (km).
4.7.3. Các dòng xe điện phát triển và tốt nhất hiện nay. Tesla Model S Tesla Model S
Hình 4. 44: Tesla Model S mẫu xe ơ tô điện tốt nhất hiện nay
Xe ô tô điện Tesla Model S sở hữu kích thước dài x rộng x cao lần lượt là 4978 x 2189
107 Tổng quan ngoại thất Tesla Model S sở hữu diện mạo thanh lịch và mượt mà đúng chuẩn các dịng xe Sedan. Do xe ơ tơ điện không cần phải thiết kế tản nhiệt nên đầu xe thường được sử dụng để đặt logo khẳng định thương hiệu và Tesla Model S cũng vậy. Nắp capo của xe được trang trí 2 đường dập nổi hai bên tăng tính khí động cho xe. Thân xe Model S khá hiện đại với tay nắm cửa ẩn vào bên trong, nổi bật nhất là bộ lazang cỡ lớn với 10 chấu đơn rất thể thao.
Động cơ sử dụng trên xe ơ tơ điện Tesla Model S có thể di chuyển tối đa 315 mã lực, momen xoắn cực đại 441 Nm. Xe có thể di chuyển được tối đa 473 km cho 1 lần sạc.
Kia Soul EV
Hình 4. 45: Kia Soul EV - Xe ô tô điện của Hàn Quốc
Xe ô tô điện Kia Soul EV sở hữu thiết kế vng vắn gần giống “hình hộp” với phần trần xe được vuốt gọn gàng, đầu xe hơi bo tròn nhưng vẫn hòa nhập tốt với phần còn lại của xe. Thân xe vng vắn với viền cửa sổ góc cạnh, phía dưới là bộ lazang đậm chất tương lai với 5 chấu được sơn trắng bắt mắt. Đuôi xe là chi tiết gây ấn tượng mạnh nhất với cụm đèn hậu siêu dài ôm trọn cả nửa trên đuôi xe.
108 Khoang nội thất của Kia Soul EV được thiết kế khá thể thao, bảng taplo tương tự như những chiếc xe chạy bằng xăng bình thường với 2 cổng điều hịa hình quạt 2 bên, màn hình cảm ứng ở giữa cùng vô lăng 3 chấu bọc da tích hợp nút bấm.
Trang bị tiện nghi trên Kia Soul EV bao gồm: màn hình cảm ứng 10,25 inch, đèn nội thất, sạc không dây, âm thanh Harman/Kardon, màn hình hiển thị trên kính lái,...
Động cơ của xe ô tô điện Kia Soul EV cho công suất vận hành tối đa 204 mã lực, momen xoắn 395 Nm. Xe điện Kia Soul EV có 2 tùy chọn pin lớn và pin nhỏ. Pin lớn có thể di chuyển được khoảng 450km mỗi lần sạc và pin nhỏ là 277 km.
VinFast VF e34
Hình 4. 46: Xe ơ tơ điện đầu tiên của Vinfast - VF e34
Tổng thể xe ô tô điện Vinfast VF e34 khá cân đối với chiều dài x rộng x cao lần lượt là 4300 x 1793 x 1613mm / Chiều dài cơ sở đạt 2.610mm và khoảng sáng gầm xe đạt 180mm. Ngoại thất Vinfast VF e34 không quá cầu kỳ nhưng vẫn khá ấn tượng với dải LED mang tính thương hiệu ở phía trước đầu xe. Thân xe gọn gàng với một vài đường gân dập nổi chạy dọc theo thân xe và một mảng ốp nhựa phía dưới bệ bước của xe.
109 Khoang cabin của Vinfast VF e34 khá rộng rãi và hiện đại với cách bố trí bảng taplo đơn giản, ít nút bấm cùng các dải crom chạy xung quanh khoang cabin cho cảm giác sang trọng và hiện đại. Trang bị tiện nghi của mẫu xe ơ tơ điện Việt Nam có thể kể đến như: Vơ lăng 3 chấu bọc da tích hợp nút bấm, màn hình cảm ứng cảm ứng 10 inch, điều khiển bằng giọng nói và một số tính năng hiện đại khác,...
Động cơ của xe ơ tơ điện Vinfast có thể di chuyển với tốc độ tối đa 147 mã lực, momen xoắn 242 Nm. Pin của xe ơ tơ điện Vinfast có thể di chuyển tối đa 300km khi sạc đầy.
Ngoài các hãng xe trên, cịn có các loại xe điện khơng kém phần hiện đại và phát triển tốt nhất hiện nay như MG ZS EV trên thị trường Thái Lan, Volkswagen ID.3, Hyundai Kona Electric, Honda E, Nissan Leaf, …
4.8. Fuel cell (Pin nhiên liệu).
4.8.1. Khái quát về pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu là một thiết bị co thể chuyện đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các q trình điện hóa.
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liêu vận hành là hydro (hoặc nhiên liệu giàu hydro) va ơxy (thường la ơxy từ khơng khí). Q trình biến đổi năng lượng từ trong pin nhiên liệu pin nhiên liêu được thực hiện theo phản ứng hóa học sau:
H2 + 1
2O2 → H2O + điện năng + nhiệt năng
Động cơ fuel cell cũng dùng khí hydro, nhưng khác vời động cơ hydro ở chổ, pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để tách các electron từ các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu để tạo thành các ion, sau đó hướng các ion va các êlêctron này theo một chiêu nhất định để tạo ra dòng điện.
Như vậy, trong pin nhiện liệu hồn tồn khơng có sự cháy như trong đóng cơ đốt trong, do đó, nó sinh ra lượng khí gây hiệu ứng nhà kính ít hơn nhiều và khơng sinh ra các khí thải gây ơ nhiễm mơi trường. Nếu nhiên liệu sử dụng la hydro nguyên chất và oxy thì pin nhiên liêu chỉ sinh ra nhiệt và sản phẩm phụ là nước (một số loại cịn có thêm CO2). Mặt khác, nó
khơng có sự chuyện hóa nhiệt thành cơ năng nên hiệu suất của nó khơng bị giới hạn bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot, ngay cả khi vận hành ờ nhiêt độ tương đối thấp.