CHƯƠNG 4 NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ
4.7. Xe điện(EV)
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, 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 mơ 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 ơ tơ 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 khơng 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 ơ tơ 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 ô 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 tô 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 tô 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 ô 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 vuông 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 vơ 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 khơng dây, âm thanh Harman/Kardon, màn hình hiển thị trên kính lái,...
Động cơ của xe ơ tơ 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 ô tô 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 quá 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). Quá 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.
110 Và cũng tương tự như accu, pin nhiện liệu cũng là một thiết bị tạo ra dịng điện thơng qua cơ chế phản ứng điện hóă. Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở chổ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ nhiên liêu cho nó, trong khi đó, accu cần phải được nạp điện lại (sạc) từ một nguồn điện bên ngoài sau một thời gian sử dụng. Như vậy, muốn tái sử dụng lại accu thì cần phải có một thời gian dài để nạp điện lại, trong khi pin nhiền liều thì chỉ cần cung cấp nhiên liệu thì có thể có điện để sự dụng.
So với năng lượng gió và năng lượng mặt trời , pin nhiên liệu không phụ thuộc vào thời tiết và độ dài của ngày, nó có thể đảm bảo cung cấp năng lượng 24/24 giờ. Khi nào còn được cung cấp hóa chất, pin sẽ cung cấp điện.
Nguồn nhiên liệu cung cấp cho pin nhiên liệu rất dồi dào. Oxy thì đã có sẵn trong khơng khí cịn hydro có thể thu được từ nhiều nguồn khác nhau như: nhiên liệu hóa thạch, những nguồn nhiên liệu tái sinh, năng lượng hật nhân, nguồn tài nguyên có trong nước....Điều này làm giảm sự phụ thuộc dầu mỏ vào các nước khác.
Như vậy có thể thấy pin nhiên liệu là một trong những nguồn năng lượng tiên tiến nhất hiện nay, nó đóng vai trị như một máy sản xuất điện thực thụ với nhiên liệu đầu vào chỉ cần hydro và oxy.
4.8.2. Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu 4.8.2.1. Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản. 4.8.2.1. Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản.
Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực là anode( là điện cực mà trên đó xảy ra quá trình oxy hóa) và cathode( là điện cực mà trên đó xảy ra q trình khử). Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân ( electrolyte) dùng để vận chuyển các hạt ion từ điện cực này sang điện cực khác và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng.
111
Hình 4. 47: Cấu tạo của một pin nhiên liệu đơn giản
Hai cực được làm từ chất dẫn điện ( kim loại, carbon...). Nhiên liệu ( hydro hoặc các nhiên liệu giàu hydro) được cung cấp đến anode và oxy ( thường là oxy từ khơng khí) được cung cấp đến cathode. Các phản ứng tạo ra dòng điện xảy ra tại hai điện cực này.
Tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu mà chất điện phân có thể ở thể rắn có thể ở thể lỏng hoặc có cấu trúc màng. Nó chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode của pin nhiên liệu chứ không cho các electron di chuyển qua nó.
Ngồi ra, để thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra, người ta cịn bổ sung chất xúc tác vào giữa các điện cực và chất điện phân bằng nhiều cách khác nhau tùy theo từng loại pin nhiên liệu. Ở một số laoij pin nhiên liệu, chất xúc tác là vật liệu của điện cực, trong khi một số loại pin khác thì chất xúc tác là một chất khác được đặt tiếp xúc giữa các điện cực và lớp điện phân hoặc được phủ trực tiếp lên chất điện phân. Mặc dù chất xúc tác trong các loại pin nhiên liệu có thể khác nhau về vật liệu và cấu tạo, nhưng chúng đều có chung cơng dụng là thúc đẩy các phản ứng xảy ra ở các điện cực. Chất xúc tác có thể làm thay đổi trạng thái hóa học của các chất khác trong khi bản thân chúng không bị thay đổi. Chất xúc tác được dùng trong pin nhiên liệu là các kim loại quý như platin.
112
4.8.2.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu.
Hình 4. 48: Sơ đồ mơ tả ngun lý hoạt động của pin nhiên liệu
Về phương diện hóa học tế bào nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hiđrơ và khí ơxy nhờ vào năng lượng điện. Tế bào năng lượng lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thốt qua các q trình hóa học và vật lý năng lượng thu được ít hơn. Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane - tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton) như sau:
Ở bề mặt cực dương khí hiđrơ bị ơxy hóa bằng hóa điện: 2H2 → 4H+ + 4e-
Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với khí ơxy có sẵn trong khơng khí (nồng độ 21%) và các điện tử tạo thành nước:
113 O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + điện năng + nhiệt năng
4.8.3. Ưu, nhược điểm của pin nhiên liệu.
• Ưu điểm:
- Hiệu suất cao.
- Dường như khơng có ơ nhiễm mơi trường.
- Động cơ điện sử dụng FC có hiệu suất cao, khơng có tiếng ồn, có đường đặt tính. tốt hơn so với động cơ đốt trong, ít bảo trì, bảo dưỡng, dễ sửa chữa.
- Hydro có thể được điều chế từ nước.
- So với bình điện (ắcquy) thì pin nhiên có khối lượng và thể tích nhỏ hơn.
• Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu cho ơ tơ FC rất cao.
- Hydro không tồn tại ở trạng thái đơn chất, điều chế, sản xuất Hydro rất khó khăn và