Dƣới đây là hoạt động của một ô tô điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha.
Hình 3.64: Hoạt động cơ bản của ô tô điện [4]
Với nguyên lý biến đổi điện năng sang cơ năng trên hầu hết mọi ô tô điện hiện nay, khi xe hoạt động với nguồn điện một chiều đƣợc cấp từ pin thông qua một bộ chuyển đổi inverter biến đổi dòng điện một chiều này thành một nguồn điện xoay chiều ba pha cấp cho động cơ điện. Nguồn điện này cấp đến stator của động cơ, lúc này stator của động cơ sẽ tạo ra một từ trƣờng quay, từ trƣờng quay nay sẽ tạo nên dòng điện cảm ứng trên thanh dẫn của rotor làm cho rotor quay theo (tốc độ của rotor so với từ trƣờng quay có thể chậm hơn hoặc bằng tùy thuộc vào loại động cơ điện). Đầu ra của rotor đƣợc kết nối với một hộp số nhằm tăng tỉ số truyền và khếch đại lực kéo của motor đến bánh xe.
Khi xe tăng tốc cũng đồng nghĩa với việc yêu cầu nguồn năng lƣợng từ pin phải đƣợc cấp nhiều hơn để đáp ứng cho tốc độ động cơ làm tăng lực kéo, mô-men xoắn
78 truyền tới bánh xe. Việc xe hoạt động nhanh hay chậm phụ thuộc vào bộ chuyển đổi inverter, nó đƣợc ví nhƣ bộ não của xe điện. Bộ chuyển đổi inverter còn có chức năng điều khiển biên độ tần số dòng điện xoay chiều ba pha cấp cho động cơ làm thay đổi công suất, tốc độ động cơ từ đó điều chỉnh lực kéo, mô-men xoắn thông qua hộp số truyền ra bánh xe từ đó điều chỉnh vận tốc của xe.
Khi xe hoạt động, với tính chất của pin và động cơ sẽ luôn diễn ra quá trình tỏa nhiệt làm ảnh hƣởng đến công suất và có thể gây rủi ro cho xe. Lúc này hệ thống làm mát hoạt động, dung dịch nƣớc làm mát luôn di chuyển xung quanh bộ pin và động cơ để hấp thu nhiệt độ rồi thông qua két nƣớc làm mát sử dụng gió ngoài môi trƣờng tiến hành trao đổi nhiệt và tiếp tục quay trở lại hấp thu nhiệt từ pin và động cơ. Quá trình này sẽ đƣợc lập đi lập lại để luôn duy trì nhiệt độ ổn định cho động cơ điện và pin khi xe hoạt động.
79
Chƣơng 4. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRÊN XE ĐIỆN 4.1 Phanh tái sinh
4.1.1 Giới thiệu hệ thống phanh tái sinh
Ngày nay, sự tập trung vào vấn đề môi trƣờng đã mang lại sự đổi mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những lĩnh vực bị ảnh hƣởng nhiều nhất là ngành công nghiệp ô tô. Với sự thúc đẩy để làm cho công nghệ thân thiện với môi trƣờng hơn, xe điện đã đƣợc chú ý rất nhiều. Mức độ tiêu thụ cao của nhiên liệu hóa thạch trong các phƣơng tiện giao thông đã thúc đẩy các nghiên cứu tìm cách cải thiện tỷ lệ tiêu thụ. Một trong những công nghệ ra đời từ quá trình tìm kiếm cải tiến này là phanh tái sinh.
Hệ thống phanh trên xe động cơ đốt trong truyền thống dựa trên công nghệ phanh thủy lực. Tuy nhiên, công nghệ này có nhiều nhƣợc điểm - chủ yếu là lãng phí năng lƣợng lớn. Một ô tô đang chuyển động thì sinh ra rất nhiều động năng. Khi ngƣời lái đạp phanh, có rất nhiều sự chuyển hóa năng lƣợng diễn ra. Động năng của ô tô chuyển thành nhiệt năng khi ô tô chạy chậm dần đều. Vì ô tô rất nặng nên sinh ra một lƣợng lớn nhiệt năng. Vì nhiệt năng sinh ra không đƣợc thu giữ trong hệ thống phanh thủy lực, nên có một lƣợng lớn năng lƣợng bị hao phí. Hơn hết, sức nóng làm cho hệ thống phanh của xe bị mòn và ngày càng yếu đi.
Việc sử dụng hệ thống phanh tái sinh trong xe điện đã khắc phục đƣợc nhiều nhƣợc điểm của hệ thống phanh thủy lực truyền thống. Trong môi trƣờng đô thị, phanh tái sinh có thể thu hồi khoảng một nửa tổng năng lƣợng phanh. Vì phanh tái sinh rất nhiều lợi ích cho cả ngƣời sử dụng và môi trƣờng nên công nghệ này hầu nhƣ đƣợc trang bị trên tất cả ô tô điện.
4.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh tái sinh
Hệ thống này sử dụng động cơ để lái xe điện cũng nhƣ thực hiện chức năng phanh. Động cơ trong hệ thống này có chức năng kép là động cơ và máy phát điện. Theo một hƣớng, nó hoạt động nhƣ một động cơ; trong khi theo một hƣớng khác, nó hoạt động nhƣ một máy phát điện.
Khi có lực phanh, động cơ chạy theo hƣớng ngƣợc lại giống nhƣ chế độ máy phát điện, do đó, các bánh xe sẽ chậm lại. Vì vậy, các bánh xe tạo ra động năng và máy phát
80 điện biến đổi năng lƣợng từ động năng thành điện năng trong khi quay. Sau đó, nó truyền lại điện năng đƣợc tạo ra để sạc pin. Trong một số tình huống, các nhà thiết kế sử dụng tụ điện để lƣu trữ năng lƣợng để sử dụng sau này.
Hình 4.1: Hoạt động của phanh tái sinh [4]
81 Có hai chế độ giảm tốc:
Chân không đạp ga cũng không đạp phanh: ở chế độ này, xe sẽ giảm tốc dần dần và phanh tái sinh sẽ hoạt động một phần.
Đạp bàn đạp phanh: Ở chế độ này, lƣợng tái sinh sẽ cho phép nhiều hơn và xe sẽ giảm tốc độ nhanh hơn. Trong quá trình đạp phanh nhẹ, chỉ có động cơ là làm chậm xe. Khi đạp phanh mạnh hơn, hệ thống phanh ma sát thông thƣờng cũng phát huy tác dụng. Khi giảm tốc, quá trình tái sinh sẽ tiếp tục cho đến khi tốc độ động cơ giảm xuống khoảng 1000 vòng/phút.
Năng lƣợng phanh bị tiêu hao ở dải tốc độ thấp, chẳng hạn nhƣ dƣới 15 km/h là không đáng kể. Do đó, chúng ta không cần cố gắng đạt đƣợc hiệu suất vận hành cao ở tốc độ thấp trong thiết kế và điều khiển phanh tái sinh. Phanh tái sinh nên đƣợc áp dụng chủ yếu để thu lại nhiều năng lƣợng phanh nhất có thể. Ở tốc độ thấp hơn ngƣỡng này, chủ yếu nên sử dụng phanh cơ học để đảm bảo hiệu suất phanh của xe.
82 Tốc độ xe đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn phanh và chúng ta nên xem xét ảnh hƣởng của tốc độ xe đến lực phanh tái sinh. Khi tốc độ thấp, để đảm bảo phanh an toàn, lực phanh tái sinh phải chiếm tỷ trọng thấp; khi tốc độ trung bình, lực phanh tái sinh có thể tăng lên mức cao phù hợp; khi tốc độ cao ta có thể tăng tỷ số của lực hãm tái sinh lên giá trị lớn nhất.
Hình 4.4: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa phần trăm năng lượng phanh và công suất
phanh [1]
Trong hình 4.4 ta thấy khoảng 15% tổng năng lƣợng phanh bị tiêu tán trong dải công suất phanh lớn hơn 14,4 kW. Kết quả này ngụ ý rằng một động cơ điện 15 kW có thể phục hồi khoảng 85% tổng năng lƣợng phanh trong chu trình truyền động này.
Lƣu ý là khi lƣợng pin thấp hơn 10%, điện trở bên trong của pin có giá trị cao và không thích hợp để sạc. Vì vậy tại thời điểm này, lƣợng phanh tái sinh phải thấp. Khi lƣợng pin từ 10% đến 90%, pin có thể đƣợc sạc với dòng điện lớn và lƣợng phanh tái sinh phải đƣợc tăng lên tƣơng ứng. Khi lƣợng pin lớn hơn 90%, dòng sạc phải đƣợc giảm và giá trị của lực phanh tái sinh cũng phải thấp [1].
83
4.1.3 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của phanh tái sinh
Ƣu điểm:
- Khả năng phanh của hệ thống phanh tái sinh đủ để làm chậm xe trong hầu hết các trƣờng hợp nhƣ mong muốn.
- Một phần năng lƣợng đƣợc nạp lại cho bộ pin, do đó tăng phạm vi hoạt động của xe lên từ 10- 25 %, tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành.
- Độ mòn của hệ thống phanh cơ khí truyền thống và lốp bánh xe đƣợc giảm thiểu đến mức đáng kể, do đó tuổi thọ của những chi tiết này đƣợc tăng lên và giảm chi phí thay thế.
- Giảm phát thải bụi phanh. Nhƣợc điểm:
- Mặc khác phanh tái sinh chỉ là hệ thống hỗ trợ cho việc giảm tốc độ trong một số trƣờng hợp nhƣ: dừng đèn đỏ, đỗ đèo...Và không thể thay thế phanh cơ khí khi xảy ra các trƣờng hợp khẩn cấp.
- Hầu nhƣ không thể thu hồi toàn bộ năng lƣợng phanh. Khi đang lái ô tô trên đƣờng cao tốc trong trƣờng hợp cần phanh gấp, phải tiêu tốn nhiều năng lƣợng để ô tô dừng lại một cách an toàn. Đổi lại, một phần năng lƣợng phanh phải đƣợc truyền trực tiếp vào phanh chứ không phải vào hệ thống tái sinh.
- Một vấn đề nghiêm trọng hơn phát sinh khi phanh tái sinh đƣợc áp dụng cho hệ thống phanh trên xe dẫn động một cầu. Khi phanh tái sinh hoạt động, mô-men xoắn âm tác động lên các bánh dẫn động. Do đó, mô-men âm tác dụng lên các bánh có phanh trong khi các bánh không có phanh có thể quay tự do. Sự phân bố không đều này xảy ra trƣờng hợp ăn mòn lốp và phanh không đồng đều. Điều này có thể gây trƣợt bánh xe có phanh [1].
4.2 Xe tự hành
Hiện nay, đã có rất nhiều tập đoàn sản xuất xe hơi và công nghệ lớn trên thế giới đã tham gia vào cuộc chạy đua phát triển xe hơi công nghệ tự lái thông minh mà không cần
84 đến bất cứ can thiệp nào từ bàn tay của con ngƣời, trong đó có những tên tuổi nổi bật nhƣ Tesla, Daimler, Google…
4.2.1 Cấp độ lái tự động của xe tự hành
Khi nghe tới vấn đề cấp độ lái xe tự động, thì dƣờng nhƣ tâm lý của mọi ngƣời đều cảm thấy hơi lo lắng và dẫn tới nhiều sự thắc mắc. Các dòng xe điện mới nhất đều đƣợc các nhà sản xuất chăm chút đến các chức năng hiện đại và xe tự hành là chức năng cải tiến nhất. Cấp độ lái tự động theo Hiệp hội Kỹ sƣ ô tô phân ra sáu cấp độ nhƣ sau:
Cấp độ 0: Hoàn toàn không có khả năng tự xử lý tình huống
Ở cấp độ này, chiếc xe không có khả năng tự động với bất kỳ chức năng lái nào. Tài xế chịu trách nhiệm cho tất cả các thao tác vận hành.
Cấp độ 1: Hỗ trợ tài xế
Ở cấp độ này, xe có khả năng tự động trong một số chức năng nhƣ cảnh báo lệch làn, giữ duy trì làn đƣờng, kiểm soát hành trình thích ứng hoặc phanh tự động (nhƣng chỉ thực hiện một chức năng chứ không kết hợp hai hay nhiều). Tài xế cần điều khiển để kiểm soát xe. Hầu hết các loại ô tô cao cấp ra mắt trong vòng 1 năm trở lại đây đều hỗ trợ đầy đủ các chức năng của tự lái cấp độ 1.
Cấp độ 2: Tự động hóa một phần
Ở cấp độ này, bằng cách kết hợp hai hay nhiều chức năng tiên tiến nhƣ tự động cảnh báo lệch làn, duy trì làn đƣờng và phanh hoặc chuyển hƣớng và tăng tốc, xe có thể chủ động hơn. Nhƣng tài xế cũng cần “cảnh giác” những tình huống bất ngờ để kịp xử lý.
Cấp độ 3: Tự động hóa có điều kiện
Ở cấp độ này, thƣờng gọi là “không cần nhìn đƣờng”, cấp độ này cho phép ngƣời lái xe rãnh mắt làm những việc khác ở tốc độ dƣới 60km/h.
Cấp độ 4: Tự động hóa ở mức cao
Ở cấp độ này, xe có thể tự chuyển hƣớng, phanh hoặc tăng tốc, thậm chí tránh vật cản thông qua việc liên tục giám sát tình trạng đƣờng sá. Cấp này cho ngƣời lái xe có thể ngủ nghỉ nếu muốn. Và đƣợc kích hoạt trên các cung đƣờng ở tình trạng hoàn hảo.
85 Cấp độ 5: Tự động hóa toàn diện
Ở cấp độ cao nhất này, đúng nghĩa là “chiếc xe tự động lái”, có thể vận hành trong mọi tình huống và điều kiện mà không cần con ngƣời can thiệp vào. Tài xế có thể thoải mái ngủ nghỉ, thƣ giãn hoặc làm những việc mình thích khi chiếc xe lƣu thông trên đƣờng.
Hiện nay, hãng xe điện nổi tiếng thế giới Tesla cung cấp sự lựa chọn cao nhất ở mức tự động cấp độ 2 nhƣ trên là bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều tính năng hỗ trợ ngƣời lái tiên tiến nhƣ tự động cảnh báo chệch làn, duy trì làn đƣờng và phanh hoặc chuyển hƣớng và tăng tốc, xe có thể chủ động hơn trong xử lý một số tình huống. Mặc dù tài xế có thể vận hành mà không phải chú ý nhiều ở cấp độ này, nhƣng vẫn luôn phải “cảnh giác” để tham gia và sẵn sàng can thiệp kiểm soát trong tình huống bất ngờ.
Chiếc Lucid Air trong vài năm tới cũng có kế hoạch đƣợc nâng cấp lên hệ thống tự lái cấp 3. Audi hay Honda cũng đã ra mắt hệ thống cấp độ 3 này ở chiếc A8 và Legend. Tuy nhiên vẫn đƣợc ra mắt ở cấp độ thử nghiệm là chính. Và hiện nay hầu hết các hãng xe đều hƣớng tới cấp độ này và phổ biến ra thị trƣờng [17].
4.2.2 Tổng quan về hệ thống Autopilot trên xe Tesla
Tesla gọi tính năng này là chức năng tăng cƣờng về mặt an toàn và tiện nghi cho ngƣời lái. Những chiếc xe mới của Tesla sẽ có 8 camera, một radar, 12 cảm biến siêu âm, những chiếc xe cũ từ 2014 đến 2016 thì chỉ có 1 camera và các cảm biến, radar yếu hơn. Trung tâm của hệ thống là một máy tính rất mạnh mẽ, nó sẽ lấy dữ liệu từ camera theo thời gian thực kết hợp với các điểm dữ liệu của radar, cảm biến để xử lý.
Tesla cung cấp 2 gói tự lái cho xe của họ, và bạn sẽ phải mua: gói Autopilot và gói Full Self-Driving. Tuy nhiên cả hai đều yêu cầu có ngƣời ngồi trong cabin và bạn phải đặt tay lên vô lăng, hiện tại xe Tesla chƣa gọi là xe tự hành hoàn toàn.
Với gói Auto pilot: xe sẽ có chức năng nhƣ Adaptive Cruise Control (hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng), tự động đánh lái khi lệch làn…
Với gói Full Self-Driving: xe sẽ có thêm chức năng gợi ý và tự động chuyển làn, tự đỗ, gọi xe từ xa, nhận diện biển báo dừng và tín hiệu giao thông để tự động giảm tốc độ…
86 Tesla luôn hỗ trợ cập nhật phần mềm OTA, giống nhƣ cách update điện thoại, máy tính của mình, nên sau một đêm thức dậy thì xe đã có chức năng mới, không cần mang xe ra hãng để nâng cấp phần mềm nhƣ đa số các hãng xe khác. Những chức năng tự lái cũng đƣợc cập nhật cho chủ xe theo cách này [17].
4.2.3 Cách hệ thống autopilot vận hành
Chiếc xe cần tài xế vì tài xế là ngƣời thấy đƣợc những gì diễn ra xung quanh, có thể biết đƣợc tình huống này nên làm gì, tình huống kia thì nên hành xử ra sao. Bản thân 1 chiếc xe vô tri vô giác thì không làm đƣợc chuyện đó.
Tesla xử lý vấn đề bằng cách khiến cho chiếc xe cũng có thể thấy đƣợc môi trƣờng xung quanh nhƣ con ngƣời, và cũng có khả năng ra quyết định giống nhƣ một ngƣời tài xế thực tế.
Để thấy đƣợc môi trƣờng xung quanh:
Xe Tesla nhìn môi trƣờng bằng 8 camera đặt xung quanh xe. Ngày xƣa xe Tesla chỉ có 1 camera hƣớng về phía trƣớc mà thôi, sau này Tesla nâng cấp lên hệ thống mạnh mẽ hơn để xe có thể nhìn đƣợc mọi hƣớng xung quanh nó. Phía trƣớc, phía sau, bên hông xe đều có camera cả. Những camera này đều đƣợc kết nối vào hệ thống máy tính trung tâm. Camera sẽ nhìn đƣợc xe, làn đƣờng, ngƣời đi bộ, biển báo giao thông, các vật cản, lề đƣờng, các tòa nhà xung quanh…
Nhƣng nếu chỉ có camera không thôi thì chƣa đủ. Camera sẽ bị hạn chế về khả năng nhìn trong tối, thời gian phản hồi, cũng nhƣ cần nhiều sức mạnh để xử lý. Thế nên Tesla