Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trường. Nhưng ô tô chạy bằng năng lượng điện gặp phải khó khăn vấn đề cung cấp điện năng, nếu như tất cả các loại ô tô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều còn phụ thuộc vào
các nguồn năng lượng khác. “Lượng C02 thải ra khi ô tô chạy quãng đường 1Km” giảm
90%, đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng nhiên liệu và gần như không không giảm khi sản xuất điện bằng than.
2.3.1.1. Pin
Pin li-on được phát hiện ra đã trên 40 năm, nhưng sản xuất qui mô thương mại mới được 20 năm. Hiện nay, các ô tô EV chạy bằng pin li-ion (200 Wh/kg) và chỉ có thể chạy được 150 km cho mỗi lần sạc điện.
Để EV có thể chạy được xa hơn (500 ÷ 650) km, thì phải phát triển một loại pin lithium mới cho EV có mật độ năng lượng (700 ÷ 1000) Wh/kg. Như vậy phải có công nghệ mới để sản xuất ra pin có công suất tích điện cao hơn (6 ÷ 7) lần công suất của pin li-ion hiện nay thì mới cạnh tranh được với động cơ xăng đốt trong.
Dựa trên những tiến bộ lớn của ngành luyện kim trong những năm qua, IBM, MIT và các công ty khác phát triển ra một công nghệ đầy hứa hẹn, gọi là công nghệ pin kim loại - không khí, trong đó có pin lithium - không khí và pin kẽm - không khí, có thể đạt được mật độ năng lượng tương đương xăng. Pin này có dung lượng tích điện lớn gấp (5 ÷ 10) lần so với pin li-ion.
Pin lithium - không khí có mật độ năng lượng gần tương đương với động cơ đốt trong truyền thống, với tính ưu việt là vì sử dụng quá trình ô xy hoá từ không khí chứ không phải chứa một chất ô xy hoá bên trong pin, do đó, nó có những tính chất thân thiện với môi trường. Pin lithium - không khí có thể đạt mật độ năng lượng tới 1.140 Wh/kg, gần bằng với xăng nhiên liệu (1.300 Wh/kg), và đây là mức cao nhất mà pin kim loại - không khí có thể đạt được.
Các nhà nghiên cứu tập trung vào pin lithium - không khí hơn là pin kẽm - không khí từ giữa năm 2000.
Pin lithium - không khí được coi là mục tiêu tiếp theo trong thiết kế pin lithium bởi mật độ năng lượng của lithium đối với không khí đạt tới 3840 mAh/g.
Hiện tại, nhiều hãng sản xuất ô tô như IBM, Toyota, và Samsung đang tiếp tục đầu tư vào cuộc chạy đua R&D này, các hoạt động R&D sôi động dựa trên cơ sở những thành tựu công nghệ đã đạt được trong lĩnh vực pin li-ion và pin nhiên liệu
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin lithium-không khí
được kỳ vọng góp phần giải quyết những thách thức công nghệ sớm hơn, và thúc đẩy thương mại hoá.
2.3.1.2. Động cơ điện
Động cơ điện cho hệ truyền động kéo ô tô điện phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Có công suất lớn
- Mômen lớn ở vùng tốc độ thấp để đảm bảo khả năng khởi động và tăng tốc. - Dải tốc độ rộng và công suất đủ lớn ở vùng tốc độ cao.
- Đáp ứng nhanh với sự thay đổi của mômen tải. - Hiệu suất cao.
- Kích thước trọng lượng nhỏ. - Làm việc tin cậy và bền vững. - Giảm nhiễu điện từ khi làm việc.
Một số loại động cơ điện đã và đang được sử dụng trên ô tô điện: Động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng), động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ một chiều, động cơ từ trở chuyển mạch.
1) Động cơ một chiều truyền thống
Động cơ một chiều được sử dụng do khả năng tạo ra mômen lớn ở vùng tốc độ thấp và đặc tính mômen - tốc độ phù hợp cho truyền động kéo, đặc biệt là động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Việc điều chỉnh tốc độ và mở rộng dải tốc độ động cơ cũng dễ thực hiện bằng các bộ điều chỉnh điện áp. Các động cơ kích từ hỗn hợp vừa có mômen khởi động lớn lại có khả năng mở rộng dải tốc độ bằng cách điều chỉnh giảm từ thông kích từ.
2) Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, tin cậy, hoạt động êm, ít phải bảo dưỡng, có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Do không có cơ cấu chuyển mạch cơ khí nên dải tốc độ động cơ rộng. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn được thực hiện dễ dàng nhờ có các bộ biến tần bán dẫn công suất lớn và các thuật toán điều khiển tối ưu theo các chỉ tiêu khác nhau. Tuy nhiên, động cơ này có hiệu suất không cao do có tổn hao đồng và thép trên rôto.
3) Động cơ một chiều không cổ góp
Động cơ một chiều không cổ góp (BLDC) có ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao và mật độ công suất lớn do không có cuộn dây kích từ trên rôto. Dải tốc độ làm việc có
thể mở rộng bằng kỹ thuật điều khiển sớm pha. Động cơ này có quán tính nhỏ do đó có tính tác động nhanh. Những ưu điểm này rất phù hợp cho việc ứng dụng trên ô tô, khi mà vấn đề giảm trọng lượng toàn ô tô và tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu đang đặt ra rất cấp thiết.
Tuy nhiên, động cơ một chiều không cổ góp công suất lớn có giá thành cao do rôto được chế tạo từ các hợp kim đất hiếm.
4) Động cơ từ trở chuyển mạch
Động cơ từ trở chuyển mạch (SRM) có ưu điểm là có cấu trúc đơn giản và bền vững, độ tin cậy cao, điều khiển đơn giản, dải tốc độ rộng. Động cơ này cũng có mômen khởi động lớn và mômen quán tính nhỏ. Cấu trúc của rôto đơn giản do không có nam châm, cuộn dây cũng như cơ cấu chuyển mạch cơ khí. Do dải tốc độ rộng nên nó phù hợp cho trường hợp hệ truyền động không sử dụng hộp số. Do không có tổn hao trên rôto nên động cơ SRM phù hợp cho môi trường nhiệt độ cao.
Nhược điểm của động cơ từ trở chuyển mạch là đập mạch mômen lớn.
5) Xu hướng sử dụng động cơ cho ô tô điện
Trong cả hiện tại và tương lai, vấn đề tiết kiệm năng lượng cũng như giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hoá thạch vẫn là những vấn đề cấp bách. Để đạt được điều đó thì tiêu chí về hiệu suất của động cơ là một tiêu chí được ưu tiên hàng đầu. Vì vậy, các loại động cơ một chiều không cổ góp và động cơ từ trở chuyển mạch đang và sẽ là xu hướng của ô tô điện trong tương lai.
2.3.1.3. Bộ điều khiển
Hiện nay, phương pháp thay đổi độ rộng xung bằng vi điều khiển được sử dụng phổ biến trong điều chỉnh tốc độ động cơ điện. Vi điều khiển Atmega32 có đầy đủ tính năng của họ AVR, có giá thành vừa phải, rất phù hợp dùng để thiết kế những hệ thống vừa và nhỏ như điều khiển tốc độ động cơ ô tô điện (với ô tô thiết kế).
- Vi điều khiển Atmega32 với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC (Reduced Instructions Set Computer - Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa
Một số đặc tính của ATmega32:
- Bộ nhớ 32K (flash).
- Bộ nhớ 1024 Byte (EEPROM). - Bộ nhớ 2K (SRAM).
- Đóng vỏ 40 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A,B,C,D. Các chân này đều có chế độ điện trở treo (pull_up resistors).
- Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được. - Giao tiếp SPI.
- Giao tiếp I2C.
- Có 8 kênh ADC 10 bit. - Một bộ so sánh analog. - Ba kênh băm xung PWM.
- Hai bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ timer/counter1 16 bit. - Một bộ định thời Watchdog.
- Một bộ truyền nhận UART lập trình được. - Giao thức SPI đồng bộ.
- Một bộ so sánh analog.
- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by... - Điện áp hoạt động từ (2,7 ÷ 5,5) V.
2.3.2. Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT)
Ô tô năng lượng mặt trời về cơ bản giống ô tô điện chỉ khác là nguồn điện được cung cấp từ pin quang điện qua hấp thu ánh sáng mặt trời và tạo ra dòng điện. Sơ đồ nguyên lý ô tô điện mặt trời gồm: động cơ điện, bộ điều khiển motor bằng điện tử (Electronic Control Module - ECM), pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, bộ nguồn (bình điện), hệ thống cáp điện, vỏ ô tô, khung ô tô, nước mát ô tô, dầu bôi trơn, hệ phanh tái sinh, phanh cơ khí, hệ thống treo, lái và bộ chuyển đổi điện quang.
2.3.2.1. Cấu tạo Pin mặt trời [16]
Pin mặt trời là bộ phận chính yếu của hệ thống năng lượng mặt trời. Pin mặt trời có nhiệm vụ thu nhận năng lượng mặt trời, chuyển hóa thành điện năng và tạo ra dòng điện một chiều để cung cấp cho bình ắc quy. Pin mặt trời được cấu tạo bởi những phân tử làm bằng vật liệu bán dẫn Silic (Si) có hóa trị 4
được gắn nối tiếp hay song song với nhau. Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hóa trị 5. Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Accetor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì
hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ mặt Trời 1000W/m2vào khoảng (25÷30) mA/cm2.
Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các loại pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si). Loại pin này có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất nên có giá thành rẻ hơn. Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể Si thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc.
Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất bán dẫn nhóm III - V, Sunfit cadmi-đồng (CuCdS), Galium-Arsenit (GaAs),…
2.3.2.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động cơ bản của Pin mặt trời chính là quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng. Khi ánh sáng mặt trời bức xạ vào Pin, bán dẫn loại p và loại n chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích gọi là quá trình hấp thụ photon. Khi đó các electron
và lỗ trống sinh ra tách về hai vùng của chuyển tiếp p-n và được chuyển ra ngoài gọi là qúa trình tách hạt tạo dòng điện.
Hình 2.9: Cấu tạo pin mặt trời
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra
- Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic: Thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
- Hoặc năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic: Khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống". Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống", và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic.
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của 1 tế bào pin mặt trời
Càng ngày nhu cầu về năng lượng càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển.
NLMT là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất, đang được loài người đặc biệt quan tâm. Do đó, việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề vô cùng cấp bách.
2.4. Vật liệu composite sử dụng chế tạo khung vỏ ô tô [10] 2.4.1. Định nghĩa và phân loại 2.4.1. Định nghĩa và phân loại
Composite là một hỗn hợp gồm ít nhất hai pha hay hai thành phần vật liệu. Sự kết hợp này nhằm hạn chế nhược điểm của vật liệu này bằng ưu điểm của vật liệu kia, tạo nên sản phẩm có cơ tính khác hẳn các vật liệu ban đầu.
Về phương diện hóa học, Composite có ít nhất hai pha được giới hạn bởi các mặt phân cách riêng biệt. Thành phần liên tục tồn tại với khối lượng lớn hơn trong Composite được gọi là nền. Theo quan điểm thông thường, các đặc tính của nền được cải thiện nhờ sự phối hợp với thành phần khác để tạo nên vật liệu Composite. Composite có thể có nền là gốm, kim loại hoặc Polymer. Cơ tính của ba loại nền đó khác nhau đáng kể. Các Polymer có sức bền và môđun đàn hồi thấp, gốm cứng vững và dòn, kim loại có sức bền và môđun đàn hồi trung tính, có tính dễ kéo sợi.
Thành phần thứ hai được gọi là cốt, có tác dụng làm tăng cơ tính cho vật liệu nền. Thông thường, cốt cứng hơn, khỏe hơn và có độ cứng vững cao hơn vật liệu nền. Đặc trưng hình học của pha gia cường (cốt) là một trong những thông số chính để xác định tính có hiệu quả của vật liệu gia cường. Nói cách khác, cơ tính của vật liệu Composite là một hàm của hình dáng và kích thước sợi vật liệu gia cường. Vật liệu gia cường thường ở dạng sợi hay hạt.
Vật liệu Composite được phân loại theo hai tiêu chí: - Theo bản chất vật liệu nền: gồm một số dạng sau:
+ Composite nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim Titan). + Composite nền khoáng (gốm).
- Theo hình dáng vật liệu cốt: có thể phân loại theo sơ đồ hình 2.21.
Hình 2.12: Sơ đồ phân loại vật liệu Composite
Chất gia cường dạng hạt có kích thước xấp xỉ nhau theo mọi hướng. Dạng của hạt gia cường có thể là cầu, khối hay bất cứ dạng nào khác. Sự sắp xếp các hạt gia cường có thể là ngẫu nhiên hay theo một hướng định trước. Đa số vật liệu Composite cốt hạt, hướng của hạt là ngẫu nhiên.
Vật liệu gia cường dạng sợi được đặc trưng bởi tỷ lệ giữa chiều dài sợi và diện tích mặt cắt ngang. Tuy nhiên, tỷ số này (được gọi là tỷ số bề mặt) có thể biến đổi đáng kể. Vật liệu Composite là lớp sợi dài với tỷ số bề mặt cao cho ta vật liệu được gọi là Composite có sợi gia cường liên tục, ngược lại Composite sợi không liên tục được chế tạo từ các sợi ngắn với tỷ số
bề mặt thấp. Hướng thường gặp trong Composite sợi liên tục là dạng đồng phương và hai hướng vuông góc. Dạng hạt, sợi và hướng sắp xếp được thể hiện trên hình 2.13.
Composite nhiều lớp là thuật ngữ khác của Composite
cốt sợi. Loại này thường ở dạng tấm là những kết cấu phẳng được tạo nên bằng cách sắp xếp các lớp theo một sự nói tiếp đặc biệt. Một tấm điển hình có thể có từ (4 40) lớp và hướng sợi thay đổi trong từng lớp theo một quy luật xuyên suốt chiều dày tấm.