CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN 1.1 Giới thiệu về ô tô điện 1.1 Sơ lược về lịch sử ô tô điện a. Thời kỳ đầu Ô tô điện không phải một khái niệm mới mà trên thực tế đã có lịch sử lâu đời. Từ đầu thế kỷ 19, xe chạy bằng nguồn năng lượng điện đã có vị thế cạnh tranh tương đương với xe chạy bằng động cơ hơi nước.
Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson người Scotland đã phát minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên. Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ là Thomas Davenport và Scotsmen Robert Davidson trở thành những người đầu tiên đưa ắc quy vào sử dụng cho ô tô điện. Đến những năm 1865, Camille Faure đã thành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong ắc quy, giúp cho xe điện có thể di chuyển một quãng đường dài hơn. Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 18.
Khoảng năm 1890, một chuyên gia hóa học sống tại Des Moines, Iowa (Mỹ) tên là William Morrison đã thành công chế tạo chiếc ô tô điện đầu tiên tại Mỹ. Chiếc xe có thể chở 6 hành khách với tốc độ 14 dặm/giờ, mặc dù tốc độ không nhanh hơn xe ngựa nhưng phát minh này đã khiến con người hứng thú hơn với xe điện [1]. Chiếc xe đua sử dụng động cơ điện Edison và chiếc xe Detroit (1914) La Jamais Contente (1899) Hình 1.1 Ô tô điện thời kỳ đầu b. Suy yếu và biến mất Đến đầu thế kỷ 20, ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong do những nguyên nhân chính sau: 1 - Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới dẫn đến việc hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên toàn cầu.
Vấn đề nhiên liệu cho xe chạy động cơ đốt trong trở nên đơn giản. - Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750USD, trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650USD. - Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô có những tiến bộ vượt bậc: Charlé Kettering đã phát minh ra bộ khởi động cho xe chạy xăng, Henry Ford đã phát minh ra các động cơ đốt trong có giá thành hạ,… Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh tranh được với xe chạy động cơ đốt trong [1]. Sự trở lại và phát triển Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, thế giới phải đối mặt với vấn đề lớn mang tính toàn cầu: - Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được.
Các phương tiện giao thông sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng này (xăng, dầu) chắc chắn sẽ không tồn tại trong tương lai. Trong khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển, …Do vậy, các phương tiện sử dụng điện là phương tiện của tương lai. - Vấn đề môi trường: không khó để nhận ra rằng môi trường hiện nay đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, mà một trong những nguyên nhân chính là khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô. Ô tô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này do nó hoàn toàn không có khí thải, thân thiện với môi trường hơn xe sử dụng động cơ đốt trong.
Như vậy, có thể thấy rằng ô tô điện là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn, đó là lý do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỷ 20 trở lại đây và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thế giới [1].2 Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện a. Tình hình sản xuất và sử dụng ô tô điện trên thế giới * Hoa Kỳ Ngay từ những năm 60 của thế kỷ trước, Hoa Kỳ đã quan tâm đến vấn đề ô nhiễm môi trường do ô tô gây ra, Bang California đã khuyến khích các nhà sản xuất xe máy và ô tô sản xuất các xe ô tô điện bằng chương trình xe ít ô nhiễm (Low Emission Vehicle Program). Những quy định pháp lý (tiêu chuẩn khí thải…) cùng hàng loạt ưu đãi với người sử dụng các loại xe ít ô nhiễm tại Bang California (ưu đãi thuế, vay vốn, đường ưu tiên tránh tắc đường…) đã khiến cho các nhà sản xuất xe tập trung phát triển các xe ô tô điện. 2 Tất nhiên các xe ô tô điện sẽ được nạp điện từ hệ thống mạng lưới điện quốc gia được sản xuất phần lớn là từ các nhà máy nhiệt điện.
Các nhà máy nhiệt điện này cũng sử dụng nhiên liệu hóa thạch (khí, than đá, dầu mỏ) để sản xuất điện. Như vậy là về bản chất năng lượng điện để nạp cho xe điện cũng không phải là sạch, vẫn ảnh hưởng đến môi trường. Đã có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành để so sánh tương đương độ phát thải và hiệu suất sử dụng năng lượng giữa các động cơ với nhau. Điển hình là nghiên cứu của Bauen and Hart in Hoogers đã sử dụng khái niệm hiệu suất “từ giếng dầu tới bánh xe” (well to wheel) để so sánh năng lượng giữa các xe được trang bị động cơ với nhau.
Một số kết quả và phân tích của tác giả được trình bày trong Hình 1.2 Mức độ phát thải khí CO2 tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện Hình 1.3 Hiệu suất năng lượng tương đương của các loaị động cơ đốt trong và điện 3 Hình 1.4 Mức độ phát thải tương đương của các loại động cơ đốt trong và điện Từ các kết quả thể hiện trên các Hình 1.4, dễ dàng nhận thấy: tất cả các dạng xe điện đều cho hiệu quả nhiên liệu cũng như sự phát thải tốt hơn nhiều sơ với tất cả các dòng xe được trang bị động cơ đốt trong. Trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Ô tô điện Edison tại California năm 2009, tổng thống Hoa Kỳ Barack Obama đã công bố một khoản đầu tư 2,4 tỷ Đô-la Mỹ cho việc thúc đẩy nghiên cứu ô tô điện. Khoản đầu tư này được phân bố như Hình 1. 2,4 tỷ đô-la cho ô tô điện 1,5 tỷ đô-la 500 triệu đôa 400 triệu đô-la cho việc cho việc nghiên cứu cho việc nghiên cứu các nghiên cứu các vấn đề về hệ thống nguồn hệ truyền động động cơ sở hạ tầng như các năng lượng hiệu cơ điện,.
trạm nạp ắc quy,. suất cao Hình 1.5 Phân bổ khoản đầu tư cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009 Cấu hình cơ bản hệ truyền động bộ biến đổi - động cơ và hệ thống năng lượng phân phối cho xe điện được diễn tả trong các Hình 1.6 Cấu hình cơ bản hệ truyền động cho xe điện Hình 1.7 Minh họa hệ thống năng lượng phân phối trong xe điện Đây là những chìa khóa công nghệ chính của xe điện trong tương lai. Tuy nhiên, một vấn đề vô cùng quan trọng khác là mô phỏng hoạt động của xe. Từ đó đưa ra hệ thống chuẩn đoán và báo lỗi trên ô tô điện, giúp xe hoạt động an toàn và ổn định như xe động cơ đốt trong.
Ngoài ra, xe sẽ được tiết kiệm tối đa năng lượng trong các quá trình tăng tốc, giảm tốc,… * Châu Âu Tại Châu Âu, xe plug-in hybrid và các bộ biến đổi điện tử công suất là những vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu. Ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) là loại xe sử dụng hỗn hợp cả năng lượng xăng và điện như tên gọi “hybrid”. Thuật ngữ “plug-in” cho biết rằng xe có bộ nạp tích hợp sẵn, người dùng chỉ cần cắm điện vào nguồn lưới dân dụng mà không cần một bộ nạp bên 5 ngoài. Một số dòng xe hybrid đã được lưu hành tại Việt Nam như Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Honda Civic Hybrid, … [2] Hình 1.8 Cấu hình xe plug-in hybrid * Nhật Bản Tại Nhật Bản, các hãng ô tô lớn đang lần lượt đưa các mẫu xe thuần điện (pure Evs) ra thị trường.
Nissan “trống dong cờ mở” với Nissan Leaf, tuy vậy 6 Mitsubishi mới là hãng đầu tiên tung ra xe điện thương phẩm với i-MiEV. Xe i- MiEV đã được giới thiệu ở Việt Nam tại triển lãm Ô tô Vietnam Motor Show 2010. Để có thể đưa ra thị trường mẫu xe ô tô điện i-MiEV, hãng Mitsubishi Motors đã mất hơn 40 năm nghiên cứu. Từ khi ấp ủ những ý tưởng đầu tiên về xe ô tô điện, chính thức bắt đầu nghiên cứu từ năm 1966, cho đến nay, hãng Mitsubishi Motors đã chế tạo ra 10 mẫu xe concept với hơn 500.000km chạy thử nghiệm trên toàn cầu.
Lộ trình nghiên cứu được cho trong hình sau [2]: Hình 1.9 Lộ trình hơn 40 năm nghiên cứu ô tô điện của Mitsubishi Motors Hình 1.10 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trường Trong giới nghiên cứu, các trường đại học lớn ở Nhật Bản đều có những phòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu về ô tô điện. * Hàn Quốc và Trung Quốc Công nghệ truyền tải điện không dây ứng dụng trong xe điện được khai thác mạnh mẽ bởi các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghẹ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) với dự án chế tạo xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quá trình hoạt động (OnLine Electric Vehicle-OLEV). Các sản phẩm xe bus điện thuộc dự án này đang chạy thử nghiệm rất tốt trong khuôn viên của KAIST và Công viên Grand Seoul.11 Xe điện OLEV nạp điện không dây online tại KAIST Trung Quốc không chỉ đầu tư sản xuất ô tô mà cả xe điện và họ đã thành công. Rất nhiều tỉnh thành của quốc gia này đã sử dụng xe điện làm phương tiện vận tải công cộng mang lại hiệu quả kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường.
Đồng thời xe điện cũng được sử dụng làm phương tiện vận tải trong các công viên, khu du lịch, khu thể thao. Ngoài ra xe điện còn được xuất khẩu sang các nước trong khu vực. Tại thành phố Thượng Hải, xe bus điện sử dụng siêu tụ của hãng SINAUTEC đang gây tiếng vang mạnh mẽ. Siêu tụ được nạp nhanh chóng tại mỗi điểm dừng của xe bus [2].12 Xe bus điện sử dụng siêu tụ tại Thượng Hải b.