CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN VÀ TRẠM SẠC ĐIỆN 1.1 Tổng quan về xe điện Xe điện, tiếng Anh là Electric Vehicles (EV), là bất kỳ loại xe nào chạy bằng động cơ điện hay động cơ kéo thay vì động cơ đốt trong (ICE). Khác với các dòng xe thông thường, hoạt động dựa trên nguyên lý đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và tạo ra khí thải, xe điện không gây ra bất cứ vấn đề về ô nhiễm môi trường nào. Cách thức vận hành của một chiếc xe điện phụ thuộc vào loại pin có thể sạc mà xe sử dụng Hình 1.1: Xe điện cơ bản sẽ có bộ pin đặt dưới sàn, cung cấp năng lượng cho động cơ đặt phía trước hoặc sau. Hiện nay có bốn loại xe điện chính (EV – Electric Vehicles): - Xe điện lai (HEV – Hybrid Electric Vehicles) - Xe Hybrid lai (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicles) - Xe điện chạy bằng pin (BEV – Battery Electric Vehicles) - Xe chạy pin nhiên liệu (FCEV – Fuel cell Electric Vehicles) Để phân biệt các loại xe điện này, dựa vào công nghệ chế tạo và động cơ mà chúng sử dụng chủ yếu trong quá trình vận hành xe.1 Xe điện lai (HEV – Hybrid Electric Vehicles) Xe điện lai là loại xe điện sử dụng song song hai nguồn động cơ: Động cơ đốt trong và động cơ điện, tức là xe vừa chạy xăng vừa chạy điện.
Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 1 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội - Cấu tạo xe HEV: Cấu tạo xe hybrid tương tự như xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường. Khi chạy chậm (trung bình dưới 30km/h) động cơ điện sẽ hoạt động, còn khi tăng tốc thì động cơ điện chỉ đóng vai trò hỗ trợ cho động cơ truyền thống. Tuy xăng và dầu diesel vẫn là nguồn nguyên liệu chính để vận hành xe điện HEV, nhưng động cơ điện có khả năng tự tái tạo đi kèm cũng đóng một vai trò nhất định trong việc giảm thiểu tác động của nhiên liệu xăng cho môi trường. Động cơ kết nối với hệ thống truyền động để dẫn động các bánh xe.
Tuy nhiên xe hybrid có thêm một động cơ điện chia sẻ nhiệm vụ dẫn động hoặc hỗ trợ động cơ đốt trong. Để cơ cấu này phối hợp nhuần nhuyễn và vận hành trơn tru cần có thêm một số bộ phận hỗ trợ khác như pin và bộ chuyển đổi công suất. Pin (hay ắc quy điện áp cao) là thiết bị giúp tích trữ và cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Bộ chuyển đổi công suất giúp chuyển đổi nguồn động lực của động cơ thành nhiều phần phục vụ các mục đích sử dụng khác nhau như dẫn động xe và nạp điện cho pin.
- Ưu và nhược điểm của các dòng xe HEV: Ưu điểm: Giảm phát thải khí CO2; Tiết kiệm chi phí cho nhiên liệu xăng/dầu; Di chuyển được chặng đường dài vì dễ bổ sung nhiên liệu. Nhược điểm: Chi phí cao hơn các dòng xe khác; Xe không mạnh như các dòng xe chạy hoàn toàn bằng xăng; Khó bảo trì vì dòng xe vẫn còn chưa phổ biến tại Việt Nam. Có 3 loại truyền động cơ bản: + Nối tiếp Động cơ điện trực tiếp truyền lực đến hệ thống dẫn động bánh xe. Động cơ đốt trong chỉ đảm nhận nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho động cơ điện và nạp cho ắc quy.
Ưu điểm: Động cơ xăng chủ yếu chỉ hoạt động khi chạy xe đường dài nên giúp tiết kiệm xăng và giảm ô nhiễm môi trường. Nhược điểm: Với loại hệ thống này, dung tích và kích thước ắc quy lớn do động cơ điện đảm nhận vai trò truyền lực chính. Động cơ xăng dễ rơi vào tình trạng làm việc quá tải vì phải luôn cung cấp năng lượng cho động cơ điện và ắc quy. Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 2 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội + Song song Cả động cơ điện và động cơ đốt trong đều cùng đảm nhận vai trò truyền lực.
Khi nào động cơ điện làm việc, khi nào động cơ đốt trong làm việc hay khi nào cả hai cùng làm việc sẽ do bộ điều khiển trung tâm quyết định tuỳ vào từng điều kiện vận hành. Ưu điểm: Xe đạt công suất cao hơn do có hai nguồn truyền lực. Dung tích và kích thước ắc quy không quá lớn. Nhược điểm: Hệ thống có cấu tạo phức tạp, chi phí sản xuất cao.
+ Hỗn hợp Hệ thống hỗn hợp kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song. Hệ thống này giúp tận dụng tối đa thế mạnh, đồng thời khắc phục nhược điểm của hai hệ thống trên. Đây hiện là loại hệ thống đang được ưu tiên áp dụng trong chế tạo xe hybrid ngày nay.2: Toyota Prius – Cấu tạo của xe HEV Một số mẫu xe HEV: Toyota Prius Hybrid, Honda Civic Hybrid, Honda CR-Z, Toyota Camry Hybrid, ….2 Xe Hybrid lai (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicles) Xe Hybrid plug-in (PHEV) là phương tiện sử dụng song song điện chạy bằng pin và xăng/dầu để cung cấp năng lượng cho xe vận hành. Tùy thuộc vào động cơ của xe, sức mạnh truyền động xe có thể đến từ pin, nhiên liệu đốt trong là xăng hoặc cả hai cùng một lúc.
- Cấu tạo của xe PHEV: + Cổng sạc: Đây là bộ phận quan trọng để xe được cắm sạc, có thể tiếp nhận nguồn điện từ bên ngoài và chuyển hoá thành năng lượng cho động cơ. Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 3 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội + Ắc quy (phụ) Trong cấu tạo xe Plug-in Hybrid luôn có một bình ắc quy với điện áp thấp cho phép sử dụng năng lượng để khởi động xe cũng như vận hành một số các bộ phận khác của xe. + Bộ chuyển đổi DC/DC Công cụ này hỗ trợ xe chuyển đổi nguồn DC mang điện áp cao từ bộ động cơ điện xuống DC có điện áp nhỏ hơn để phù hợp với mức năng lượng cần cho việc hoạt động các phụ kiện khác của xe. + Bộ nạp nhiên liệu Bộ phận này có cấu tạo như một vòi phun gắn liền với bộ nhiên liệu của xe với nhiệm vụ phân phối xăng/dầu để làm đầy bình chứa.
Từ đó vận chuyển đến động cơ đốt trong để tạo ra năng lượng cho xe vận hành. + Động cơ điện kéo Tiếp nhận nguồn năng lượng từ năng lượng từ viên pin, động cơ điện kéo có tác dụng giúp cho các bánh xe chuyển động và đôi khi thực hiện cả chức năng tái tạo truyền động cho xe. + Bộ điều khiển điện tử công suất Bộ phận này đảm nhận chức năng quản lý nguồn năng lượng được truyền từ bộ động cơ điện đến động cơ điện kéo và mô-men xoắn để điều khiển tốc độ mà nó tạo ra. + Một số bộ phận khác Ngoài những thành phần kể trên thì xe Plug-in Hybrid còn có các bộ phận khác như máy phát điện, thùng nhiên liệu (xăng), bộ sạc trên bo mạch, bộ truyền động, hệ thống xả, động cơ đốt trong,.
giúp cho việc vận hành xe được tối ưu hoá. - Ưu và nhược điểm của các dòng xe PHEV: + Ưu điểm: Sử dụng phần lớn là năng lượng điện, vì vậy xe khi vận hành thải ra môi trường lượng khí CO2 rất nhỏ, góp phần bảo vệ môi trường; Có thể được hưởng những chính sách thuế ưu đãi từ chính phủ nhằm khuyến khích người dân sử dụng phương tiện giảm thiểu khí thải ra môi trường; Tiết kiệm được một lượng lớn chi phí xăng dầu. + Nhược điểm: Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 4 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội Xe vẫn chưa được tối ưu hoá khả năng tiết kiệm năng lượng điện, vì vậy yêu cầu người dùng phải chú ý nạp điện thường xuyên để đảm bảo quãng đường di chuyển; Giá thành cho một chiếc xe Plug-in Hybrid vẫn còn khá cao so với thị trường xe hơi thông thường; Ở Việt Nam vẫn chưa phổ biến loại xe này nên chưa có những trạm nạp điện lưu động cho xe.3: Audi E-tron GT concept - Cấu tạo của xe PHEV Một số mẫu xe PHEV: Ford C-Max Energi, Ford Fusion Energi, Mercedes C350e, Mini Cooper SE Countryman, Audi A3 E-tron, … 1.3 Xe điện chạy bằng pin (BEV – Battery Electric Vehicles) Battery Electric Vehicle (BEV) thường được gọi với cái tên EV (Electric Vehicle) là loại xe sử dụng hoàn toàn động cơ điện với bộ pin có thể nạp lại được và cấu trúc của xe không bao gồm động cơ xăng hay ống phun xăng; hoạt động ở một chế độ duy nhất bằng điện được lưu trữ năng lượng trong một hệ thống pin dung lượng cao, có thể được tái nạp lại từ lưới điện. Xe BEV tích điện trong các bộ pin có dung lượng lớn và được dùng để chạy động cơ điện hay các bộ phận sử dụng điện khác.
Xe BEV không thải ra khí gây ô nhiễm môi trường như động cơ truyền thống. Xe được nạp điện bằng các nguồn bên ngoài. Bộ nạp này được phân loại dựa trên tốc độ nạp đầy pin trên mỗi xe. Thời gian sạc pin phụ thuộc vào dung lượng pin và khả năng của trạm sạc nhanh mà xe điện sử dụng.
Nó cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh và lượng pin còn lại khi bắt đầu sạc. Học viên: Ngô Anh Tuấn – 20202574M; Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh 5 Luận văn: Tính toán, mô phỏng, thiết kế trạm sạc xe điện tại khu vực thành phố Hà Nội - Ưu và nhược điểm của các dòng xe BEV: Ưu điểm: Không phát thải ra khí CO2; Động cơ êm; Giá thành rẻ hơn các dòng xe điện khác. Nhược điểm: Nguồn năng lượng vận hành phụ thuộc vào pin sạc; Cần tái sạc điện nhiều lần nếu muốn di chuyển khoảng cách xa. Có những mức phân loại bộ nạp sau đây: cấp 1, cấp 2, cấp 3 (Nạp nhanh DC).
Bộ nạp cấp 1 sử dụng nguồn điện có đầu ra tiêu chuẩn của hộ gia đình là 120V và mất hơn 8 giờ để nạp cho quãng đường xấp xỉ 120-128km. Bộ nạp cấp 1 có thể nạp được ở nhà hoặc chỗ làm và gần như tất cả xe EV trên thị trường hiện nay đều có thể sử dụng bộ nạp này. Bộ nạp cấp 2 yêu cầu những trạm đặc biệt có thể cung cấp nguồn điện 240V. Bộ nạp 240V được lắp đặt ở các công sở hoặc các trạm nạp công cộng và mất hơn 4 giờ để nạp cho quãng đường khoảng 120-128km.