CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ NĂNG LƯỢNG LAI TRÊN XE ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung Ô tô điện không phải là 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, nhà khoa học 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 pin vào sử dụng cho ô tô điện. Tuy nhiên đến đầu thế kỷ 20 thì xe điện bị suy yếu và gần như biến mất do những phát triển của động cơ đốt trong. Trong khoảng hai thập kỷ trở lại đây, ô tô điện một lần nữa trở lại mạnh mẽ nhằm giải quyết hai vấn đề lớn của nhân loại, bao gồm: (i) tình trạng dần cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch, (ii) sự ô nhiễm môi trường của các phương tiện chạy động cơ bằng xăng, dầu. Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế trên khi việc triển khai các nghiên cứu về ô tô điện đã được chú trọng nhằm nắm bắt các công nghệ tiên tiến với mục tiêu đưa ngành công nghiệp ô tô của nước nhà bắt kịp với sự phát triển của thế giới.
Điển hình là thương hiệu ô tô VinFast thuộc tập đoàn VinGroup đã có thể trình làng một số dòng xe điện tại các triển lãm lớn trên thế giới. Vậy nên không thể phủ nhận rằng những hướng nghiên cứu về ô tô điện ở nước ta sẽ nhận được sự quan tâm rất lớn của cộng đồng, các doanh nghiệp và nhà nước. Đó là những nghiên cứu dành cho tương lai.2 Khái quát chung về xe ô tô điện Dựa theo những nghiên cứu chủ yếu hiện nay thì xe ô tô có sử dụng năng lượng điện được chia làm hai loại chính gồm: xe ô tô điện thuần túy (EV) và xe ô tô lai xăng-điện (HEV và P-HEV). Trong phạm vi luận văn này, tác giả chỉ tiến hành nghiên cứu trên ô tô điện thuần túy.
Ô tô điện là loại xe sử dụng động cơ điện làm cơ cấu chấp hành để tạo ra chuyển động cho xe. Tính đến tháng 12 năm 2018, có khoảng 5,3 triệu xe HEV và P-HEV đang được sử dụng trên toàn thế giới. Mặc dù có sự tăng trưởng nhanh chóng, tỷ lệ xe HEV cắm điện toàn cầu chỉ chiếm khoảng 1 trên 250 xe (0.4%) lưu thông trên đường trên thế giới vào cuối năm 2018. Thị trường xe P-HEV đang chuyển hướng dần sang xe chạy bằng Pin hoàn toàn, vì tỷ lệ toàn cầu giữa doanh số hàng năm của xe điện chạy pin và xe lai cắm điện đã tăng từ 56:44 năm 2012, lên 60:40 vào năm 2015 và tăng lên 69:31 vào năm 2018 [1].
Trong các nghiên cứu trên thế giới hiện nay đã có 6 cấu hình ô tô điện được đề xuất phổ biến và 3 trong số đó đã được đưa vào sản xuất (Hình 1. 1 Mechanical link Electrical link Power Power Differential ESS ESS Differential Converter Converter Gear Box EM Fixed Gearing EM Clutch a) b) Fixed Gearing Power EM Differential Converter Fixed Gearing ESS Power Power EM ESS EM Converter Converter Fixed Gearing c) d) Fix Gearing FG EM EM Power Power Converter Converter ESS ESS Power Power Converter Converter EM FG EM e) f) Hình 1.1 Các cấu hình xe ô tô điện Ở Hình 1.1a là mô hình được chuyển đổi từ mô hình xe động cơ đốt trong truyền thống.1b sử dụng bộ truyền động 1 cấp không hộp số để giảm kích thước và trọng lượng của phần cơ khí trên xe. Ngoài ra để hệ thống tinh gọn hơn, các hệ thống thường sử dụng bộ hộp số ổn định tích hợp bộ vi sai như Hình 1.1e thì trục truyền động đã được bỏ đi do bộ truyền động đã được tích hợp vào bên trong bánh. Cuối cùng là cấu hình đơn giản nhất khi động cơ điện đã được tích hợp luôn vào trong bánh xe (In-Wheel Electric Motor) được thể hiện trên Hình 1.
Cấu hình xe ở Hình 1.1b có hiệu suất thấp hơn hẳn so với những cấu hình còn lại. Ô tô điện ngoài việc giải quyết vấn đề về môi trường như đã đề cập đến ở trên, động cơ điện của xe cũng mang lại nhiều ưu điểm về hoạt động mà xe chạy bằng động cơ đốt trong không có được như: • Khả năng đáp ứng mô-men rất nhanh (cỡ vài ms), khiến xe điện an toàn hơn trong các tình huống bất lợi xảy ra trong quá trình di chuyển • Khả năng đo lường mô-men • Khả năng hãm tái sinh sạc năng lượng trở lại nguồn • Kích thước nhỏ gọn, bền vững hơn và gần như không phải bảo dưỡng 2 1.3 Hệ năng lượng lai trên ô tô điện Một số loại nguồn sử dụng cho ô tô điện 1. Pin, Ắc-quy (Battery) Pin/Ắc quy là thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hoá năng. Khi sử dụng, năng lượng này sẽ dần được chuyển đổi thành điện năng.
Có rất nhiều đặc tính cần phải cân nhắc để chọn được loại pin phù hợp nhất cho xe điện như: dung lượng pin, trạng thái sạc của pin, mật độ năng lượng trong pin,… Hình 1.2 là đồ thị so sánh mật độ năng lượng và mật độ công suất của các loại pin với một số loại nguồn năng lượng khác, còn được biết đến với tên gọi Ragone’s Plot.1 h Internal Fuel cells combustion + H2 tank engine + fuel tank Li-ion 36 s Ni C batteries atterie Lead acid batteries Flywheels 3.6 s Super- capacitors 360 ms Hình 1.2 Đồ thị Ragone của một số loại nguồn năng lượng Đặc tính cần được quan tâm nhất của pin đó là dung lượng pin, được đo bằng đơn vị Ampere giờ (Ah). Dung lượng này càng lớn thì pin càng chứa được nhiều điện năng. Bên cạnh đó, mật độ năng lượng lưu trữ trong pin cũng cần được cân nhắc rất kỹ lưỡng, năng lượng được tính bằng tích của dụng lượng và điện áp trung bình trong khi xả trên một đơn vị khối lượng, đơn vị là Wh/kg. Một yếu tố cơ bản cũng luôn cần được tính đến khi sử dụng pin trong thực tế là trạng thái của pin trong đó điển hình là trạng thái sạc của pin (State of Charge – SoC).
Đại lượng này thể hiện mức sạc của 1 cục pin điện so với dung lượng của nó và được đo bằng đơn vị phần trăm (0% = cạn; 100% = đầy). Một hình thức ước lượng tương tự khi nói đến trạng thái của 1 cục pin đó là độ xả của pin (Depth of Discharge – DoD). Trái ngược với SoC thì 100% của DoD là cạn còn 0% sẽ là đầy. SoC thường được sử dụng khi ta cần biết về trạng thái mức pin hiện đang sử dụng, 3 trong khi DoD sẽ được đề cập đến khi thảo luận về vòng đời của cục pin sau những lần được tái sử dụng.
Ngoài ra, một đại lượng nữa thể hiện cho năng lực của pin là dòng xả tối đa. Dòng xả tối đa của pin thường được biểu diễn thông qua đại lượng C. Ví dụ, mức xả 1C với quả pin 1000mAh cho biết rằng pin xả được dòng tối đa 1000mA, 2C biểu thị pin sẽ xả được tối đa dòng 2000mA. Nếu dòng điện nạp xả vượt quá giá trị cho phép này, pin có thể giảm mạnh tuổi thọ hoặc gây cháy nổ.
Dòng xả tối đa phụ thuộc vào phản ứng hóa học ở trong pin và nhiệt độ của phản ứng đó. Ngày nay, có 3 loại pin/ắc-quy phổ biến trên thị trường có thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng cho các dòng ô tô điện. Mật độ năng lượng và mật độ công suất của những loại pin này được thể hiện ở Hình 1. Trong những loại pin nói trên thì pin Lithium-ion (Li-on) là loại đang được sử dụng nhiều nhất cho hầu hết các loại thiết bị có sử dụng phần tử lưu trữ năng lượng như Laptop, Smartphone,.
Tuy nhiên, pin Li-ion có nhiều trở ngại hơn khi ứng dụng vào xe điện do mức độ tiêu thụ năng lượng lớn của phương tiện chạy điện so với các thiết bị di động. Đối với pin Li-ion ngày nay, việc sử dụng cần giảm điện áp để cải thiện được một số đặc tính khác như: dung lượng pin hoặc khả năng tái chế. Vật liệu để chế tạo pin cũng được lựa chọn rất kỹ lưỡng. Ví dụ, hầu hết các loại pin dòng Li-ion sử dụng cho xe điện được thiết kế sử dụng LiFePO4, mặc dù đây không phải là vật liệu làm Cathode tối ưu nhưng lại có được ưu thế về khả năng tái chế và cho dung lượng cao.
Siêu tụ điện (Ultra Capacitor) Siêu tụ điện (Super Capacitor hay Ultra Capacitor), là một loại tụ hóa có mật độ điện dung cực cao, trước đây còn được gọi là tụ điện lớp kép (Electric Double-Layer Capacitor). Siêu tụ điện có giá trị điện dung cao hơn nhiều so với các loại tụ điện khác (nhưng giới hạn điện áp thấp hơn) giúp thu hẹp khoảng cách giữa tụ điện và pin sạc. Thông thường siêu tụ điện lưu trữ năng lượng nhiều hơn gấp từ 10 đến 100 trên một đơn vị thể tích hoặc khối lượng so với các tụ điện khác, và có thể phóng nạp nhanh hơn pin. Về kích thước thì nó lớn hơn pin cùng mức trữ năng khoảng 10 lần.
Siêu tụ điện có điện môi không theo truyền thống, mà sử dụng điện dung tĩnh điện lớp kép (Electrostatic Double-Layer Capacitance), hoặc giả điện dung điện hoá (Electrochemical Pseudocapacitance), hoặc lai cả hai. So với pin và ắc-quy thông thường thì siêu tụ điện có những đặc tính sau: [3] • Cho phép nạp xả rất nhanh • Cho phép phóng nạp nhiều lần (hàng vạn lần) so với khoảng 1000 lần của pin Li-ion. • Phương pháp sạc đơn giản, không cần mạch cảnh báo sạc đầy, khi quá tải không gây ảnh hưởng tới tuổi thọ. • Tuổi thọ cao, có thể lên đến trên 10 năm.
• Tuy nhiên cũng có nhược điểm là điện áp mỗi tụ nguyên tố thấp hơn, hiện tượng tự phóng nhanh hơn so với pin điện hóa do có nội trở lớn hơn. 4 Trong phạm vi của luận văn tốt nghiệp này, mô hình siêu tụ được sử dụng lấy nguyên mẫu từ siêu tụ NESSCAP EMHSR-0062C0-125R0SR2 hiện có tại phòng TN nghiên cứu xe điện CTI. Pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trong hóa học, phản ứng điện phân sẽ có hiện tượng: dòng điện làm điện phân nước thành oxy và hydro, còn Fuel Cell được cấu tạo dựa nguyên lý ngược lại: oxy và hydro phản ứng tạo ra nước và giải phóng điện năng.