CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN (ELECTRIC VEHICLE – EV) 1. Lịch sử phát triển của ô tô điện (EV) Vào giai đoạn những năm 30 của thế kỉ 19, phiên bản thử nghiệm đầu tiên của chiếc xe ô tô điện được sản xuất và ngay sau đó được tung vào trong thị trường thương mại cho tới tận cuối thế kỷ này. Hiện tại xe ô tô điện đã bước vào thập kỷ thứ ba như là một sản phẩm thương mại đạt được những thành công nhất định và trụ vững được nhiều hơn các ý tưởng kỹ thuật khác xuất hiện cùng lúc. Tuy nhiên, xe ô tô điện không được ưa thích và chiếm ưu thế so với ô tô dùng động cơ đốt trong bởi ô tô dùng động cơ đốt trong chạy được quãng đường xa hơn đối với mỗi lần nạp nhiên liệu và việc nạp nhiên liệu đơn giản hơn nhiều so với ô tô điện.
Ngày nay vấn đề môi trường, đặc biệt là tiếng ồn và ô nhiễm môi trường đã đặt ra yêu cầu về việc phát triển pin và các nguồn nhiên liệu sạch. Chính điều này đã tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của ô tô điện (EV). Vì thế các nguyên lý thiết kế ô tô điện là điều kiện cần thiết và quan trọng bởi nó liên quan trực tiếp tới vấn đề công nghệ và môi trường. Giới thiệu chung Chiếc xe ô tô điện thử nghiệm đầu tiên vào những năm 1830 sử dụng pin không có khả năng nạp lại điện.
Hơn một nửa thập kỷ trôi qua trước khi pin được phát triển để có thể sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Vào cuối thế kỷ 19, với việc sản xuất hàng loạt pin có khả năng nạp lại thì ô tô điện đã được sử dụng một cách khá rộng rãi.1 giới thiệu chiếc xe taxi điện ở New York vào khoảng năm 1901. Quả thật, nếu xét về hiệu suất thì xe ô tô điện vẫn thích được sử dụng hơn so với đối thủ của nó là ô tô sử dụng động cơ đốt trong và động cơ hơi nước. Chiếc xe ô tô điện đầu tiên có tốc độ vượt quá 100 km/h là chiếc xe La Jamais 1 ` Contente do Camille Jenatzy - một lái xe người Bỉ lái.
Tốc độ được ghi nhận vào năm 1899 là 106 km/h. Mặc dù đã bán được hàng trăm ngàn chiếc xe ô tô điện vào những năm 1910s với các loại ô tô con, ô tô tải, taxi, xe chuyên chở và xe bus tuy nhiên tương lai hứa hẹn đấy bị dập tắt một cách nhanh chóng bởi các dòng xe ô tô chạy bằng động cơ đốt trong đã thay thế việc khởi động xe bằng tay cầm bằng thiết bị tự khởi động (được phát minh vào năm 1911) đồng thời xăng dầu phổ biến và rẻ. Chiếc xe taxi điện ở New York năm 1901[16]. Giai đoạn phát triển tiếp theo của ô tô điện là giai đoạn từ sau năm 1910 cho tới những năm đầu của thế kỷ 20.
Đây là giai đoạn suy sụp của ô tô điện và sự lên ngôi của ô tô sử dụng động cơ đốt trong. Lý do dẫn tới điều này rất đơn giản và dễ hiểu nếu ta so sánh năng lượng lưu giữ/ 1 kg thiết bị. 2 ` Ví dụ: Năng lượng lưu giữ/1 kg thiết bị của nhiên liệu (xăng, dầu) khoảng 9000 Wh/kg Năng lượng lưu giữ/1 kg thiết bị của pin chì axit khoảng 20 Wh/kg. Hiệu suất của động cơ đốt trong sử dụng xăng là 20%, như vậy năng lượng nhận được ở đầu trục động cơ khoảng 1800 Wh/kg.
Với xe sử dụng động cơ điện, hiệu suất của động cơ khoảng 90%, như vậy năng lượng nhận được ở đầu trục động cơ chuyển động là 27 Wh/kg Để dễ hình dung, ta xét 1 ô tô sử dụng động cơ xăng chạy 50km, khi đó nó cần thiết phải sử dụng 4.5 lit xăng tức tương đương với 4 kg xăng. Điều đấy có nghĩa là năng lượng ở đầu trục động cơ khoảng 1800 x 4 = 7200 Wh/kg. Xét tiếp với động cơ điện của ô tô điện, để có thể có năng lượng ở đầu trục động cơ như vậy thì khối lượng pin cần thiết phải có: 7200 / 27 = 270 (kg) Hinh 1. So sánh năng lượng của xăng (dầu) và pin chì-axit[16].
Như vậy, để chạy 50km thì xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong chỉ cần mang theo 4kg bình xăng trong khi xe ô tô điện cần phải mang theo pin nặng 270kg. Việc so sánh này được thực hiện khi chúng ta đang giả sử là 2 loại động cơ đều chạy cùng 1 quãng đường mà không cần nạp nhiên liệu. Đối với ô tô điện, để giảm khối 3 ` lượng pin thì sẽ cần phải nạp năng lượng rất nhiều lần, mỗi lần nạp lại tốn thời gian hơn so với nạp nhiên liệu xăng dầu. Mặc dù mang trong mình nhược điểm lớn nhất ở trên nhưng việc sử dụng EV vẫn thường xuyên được sử dụng từ đầu thế kỷ 20.
Ưu điểm lớn nhất của chúng so với động cơ đốt trong là đảm bảo vấn đề an toàn môi trường (không xả khí độc ra môi trường và giảm tiếng ồn trong khi hoạt động), khi đó, EV là động cơ lý tưởng trong nhà kho, sân golf,… 1. Các dạng ô tô điện được sử dụng ngày nay Trong giai đoạn nửa cuối thể kỷ 20, đã có một số thay đổi lớn ảnh hưởng tới sự phát triển của EV, làm cho EV có sức hấp dẫn nhiều hơn đối với người tiêu dùng. Thứ nhất, cuộc sống phát triển, con người ngày càng quan tâm nhiều hơn về việc bảo vệ môi trường sống của chính mình đặc biệt là ở các thành phố lớn nơi lượng khí thải CO2 và các khí độc hại khác trong thành phố. R R Thứ hai, đã có sự phát triển trong kỹ thuật chế tạo pin có khả năng nạp lại cũng như động cơ và các phương pháp điều khiển.
Ngoài ra, phát minh về pin nhiên liệu (fuel cells) của William Grove vào năm 1940 được ứng dụng vào EV đã đánh dấu bước phát triển mới trong việc chế tạo và sản xuất EV. Hiện tại, chúng ta có thể chia EV thành 6 dạng như sau: + Ô tô điện sử dụng pin truyền thống. + Ô tô điện hybrid (hybrid EV): kết hợp sử dụng pin và động cơ đốt trong, đây là dạng ô tô đang chiếm ưu thế chủ đạo hiện nay. + EV sử dụng nhiên liệu có thể thay thế như nguồn năng lượng sử dụng pin nhiên liệu,… + EV được cấp bởi đường dây điện trên không (power lines) + EV sử dụng năng lượng mặt trời + EV sử dụng siêu tụ 4 ` 1.
Xu hướng trong tương lai Hiện tại, ô tô điện lai đang chiếm ưu thế chủ đạo trong quá trình phát triển của ngành công nghiệp ô tô với việc kết hợp sử dụng hai nguồn năng lượng là pin (Li-ion chiếm ưu thế) và động cơ đốt trong. Tuy nhiên, với vấn đề khan hiếm nguồn tài nguyên, khủng hoảng kinh tế thế giới, khủng hoảng chính trị của các nước nắm giữ nguồn tài nguyên xăng dầu khiến giá xăng dầu ngày càng được đẩy lên cao. Nên người tiêu dùng lúc này sẽ có xu hướng chuyển sang dòng xe ít phụ thuộc vào nguồn tài nguyên thiên nhiên sẵn có. Đây là thời điểm thích hợp để xe điện có điều kiện phát triển một cách mạnh mẽ.
Một nguyên nhân cơ bản dẫn tới xe điện chưa được ưa chuộng là thời gian nạp pin lâu trong khi dung lượng lưu giữ của pin là hạn chế. Vì thế, nếu so sánh các dạng ô tô điện trong mục 1.2 thì ô tô điện dùng siêu tụ sẽ có khả năng phát triển cao hơn. Điều này càng rõ ràng hơn khi mới đây các nhà khoa học tại đại học Illinois (Mỹ) công bố một công nghệ làm cho thời gian sạc pin có thể được rút ngắn xuống hàng trăm lần so với hiện nay. Công nghệ này làm pin từ những tấm phim mỏng 3 chiều, nó là sự kết hợp của việc nạp và phóng nhanh của tụ điện và khả năng lưu trữ lớn của pin.
Một xu hướng khác hiện tại cũng đang được GS.Hoiri (phòng thí nghiệm NSK) phát triển tại Nhật là sử dụng việc nạp điện cho ô tô không cần dây dẫn. Theo đó, dưới mặt đường sẽ có các vòng dây dẫn, khi ô tô chạy qua vòng dây này thì pin của ô tô sẽ được nạp điện mà không cần phải dừng xe lại. Hướng phát triển này bước đầu đã đạt được những thành công nhất định tuy nhiên vẫn đang còn rất nhiều việc phải làm và đây là xu hướng của tương lai. Hệ thống lái của ô tô (Steering System) 1.
Giới thiệu về hệ thống lái Chức năng của hệ thống lái trong ô tô là điều khiển chuyển động của bánh xe đáp ứng thích hợp với lực lái truyền tới từ người lái để định hướng cho chiều chuyển động của toàn bộ ô tô. Tuy nhiên, góc lái thật sự đạt được phụ thuộc vào cấu trúc của giảm sóc, cấu trúc nội tại của hệ thống lái, dạng đường đi và tác động của nó tới cảm giác của người lái. 5 ` Trong quá trình phát triển của ô tô thì hệ thống lái là thành phần quan trọng trong việc nghiên cứu bởi nó là cơ cấu chính ảnh hưởng trực tiếp tới người lái. Mọi nghiên cứu đều nhằm mục đích tạo tính thoải mái, an toàn và dễ điều khiển cho người lái.
Nếu như trước đây, hệ thống lái thông thường là hệ thống cơ khí mà ở đó người lái cần phải tác dụng một lực lớn mới có thể chuyển hướng cho xe thì hiện nay tất cả các xe đều sử dụng hệ thống trợ lái giúp người lái điều khiển chuyển hướng dễ dàng hơn. Đối với cấu hình xe ô tô 4 bánh, hệ thống dẫn hướng (hệ thống dẫn lái) trong hệ thống lái có thể được đặt ở bánh trước và sau, tuy nhiên để tạo sự chủ động và cảm giác lái tốt hơn cho người lái thì hệ thống dẫn hướng đều được đặt để lái chuyển hướng bánh trước. Hiện nay, do yêu cầu của người tiêu dùng đối với tính năng điều khiển của một chiếc xe ngày càng cao nên công nghệ lái bốn bánh 4WS (four-wheel steering) hay lái tất cả các bánh AWS (all-wheel steering) được các nhà sản xuất dần coi trọng và phát triển. Ở các hệ thống lái chuyển hướng hai bánh thông dụng, bánh sau luôn tùy động nên không thể đóng vai trò chủ động trong quá trình lái.
Trong khi đó, đối với hệ thống 4WS, bốn bánh xe đều được chuyển hướng khi xe đánh lái (tuy nhiên góc chuyển của các bánh sau sẽ nhỏ hơn các bánh trước). Công nghệ này đã cải thiện khả năng chuyển hướng của xe và độ ổn định trong khi lái ở cả tốc độ thấp và cao.