Tóm tắt: Theo thỏa thuận của Hội nghị COP28- lần thứ 28 các bên tham gia Công khung của Liên hợp quốc về Biến đổi khí hậu, bảo vệ môi trường, các lình vực hoạt động kinh tế xã hội nói chung và giao thông vận tải nói riêng COP 28, từ nay đến 2050 sẽ thực hiện chuyển đổi từ sử dụng năng lượng hóa thạch sang sử dụng các dạng năng lượng xanh. Bài này sẽ trình bầy một số giải pháp chuyển đổi sử dụng năng lượng trong các phương tiện giao thông.
Ô TÔ – PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG PHỔ BIẾN VÀ GÂY Ô NHIỄM CO2 NHIỀU NHẤT
Theo ước tính sơ bộ dân số thế giới hiện nay khoảng 8 tỉ người, số lượng ô tô ước tính là 1,6 tỉ xe, trung bình là 200 xe trên 1000 dân. Lượng khí CO2 do các hoạt động kinh tế xã hội tạo ra sẽ tan vào bầu khí quyển và gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên. Hậu quả là thời tiết thay đổi bất thường theo chiều hướng tiêu cực, mực nước biển dâng lên. Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035 được phê duyệt tại Quyết định số 1168/QĐ-TTg ngày 16/7/2014 xác định cần khuyến khích sản xuất dòng xe thân thiện môi trường (xe tiết kiệm nhiên liệu, xe lai sử dụng đồng thời nhiên liệu dầu khí và điện hybrid, xe sử dụng nhiên liệu sinh học, xe chạy điện…), đáp ứng các yêu cầu về tiêu chuẩn khí thải theo lộ trình.
- VÀI NÉT LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA Ô TÔ ĐIỆN
Năm 1859 nhà vật lý người Pháp Gaston Planté chế tạo loại pin có thể lưu trữ điện và nạp lại được. Đến năm 1880 Gustave Trouvé đã cải tiến một động cơ điện nhỏ và được Siemens sử dụng cùng với pin sạc để gắn vào chiếc xe 3 bánh của James Starley nhà sáng chế người Anh. Đây là chiếc xe chạy điện đầu tiên trên thế giới (hình 1). Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, xe điện đã tạo nên một trào lưu mới trong giao thông bởi những lợi thế so với các loại phương tiện chạy bằng hơi nước và xăng vì thường chạy ồn, hiệu suất năng lượng thấp. Trong khi đó, xe điện lại êm hơn, không rung lắc, không thải khói và mùi xăng. Trong giai đoạn này, tính riêng tại Mỹ có khoảng 40% ô tô chạy bằng hơi nước, 22% xe chạy xăng và có đến 38% là xe chạy điện. Dù đi sau châu Âu nhưng Mỹ đã trở thành quốc gia phổ biến nhiều xe điện nhất thế giới khi có đến gần 34.000 chiếc xe điện được đăng ký lưu hành. Tuy nhiên, xe điện cũng đã sớm đi vào thoái trào bởi sức ép từ các loại xe chạy xăng và dầu. Bước ngoặt diễn ra vào năm 1908 khi hãng ô tô Ford đưa ra hàng loạt mẫu xe Model T và đồng thời, nhà phát minh Charles Kettering giới thiệu bộ khởi động mới trên xe ô tô giúp loại bỏ động tác “quay tay” khi khởi động máy nổ. Từ năm 1920, khi hạ tầng giao thông được cải thiện, ngành công nghiệp khai thác dầu phát triển làm giá nhiên liệu rẻ đi rất nhiều. Đến năm 1930, xe điện đã gần như hoàn toàn biến mất, xe sử dụng động cơ đốt trong lại bắt đầu bùng nổ. Năm 1970, giá xăng tăng cao kỷ lục đã khiến Mỹ phải quay trở lại với nhu cầu phát triển xe điện. Các tập đoàn ô tô được giao nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển để đưa xe điện trở lại với giá thành thấp hơn, góp phần giải quyết bài toán năng lượng. Đến năm 1982, tập đoàn General Motors (GM) đã chế tạo chiếc tạo chiếc xe hybrid đầu tiên sử dụng cùng lúc cả xăng và điện. Năm 1996, GM chính thức đưa vào sản xuất hàng loạt mẫu xe điện EV1, có thể di chuyển quãng đường lên đến 129 km cho một lần sạc pin. Toyota đã tạo nên một bước ngoặt khi lần đầu tiên giới thiệu mẫu xe hybrid Prius. Cho đến nay, Toyota Prius vẫn là một cái tên nổi tiếng trong loại hình xe lai. Ra mắt từ năm 1997 đến nay trên 37 triệu chiếc Toyota Prius (hình 3) được bán ra thị trường, nhiều hãng xe khác cũng bắt đầu sản xuất những mẫu xe điện đầu tiên. Có thể kể đến như Honda với mẫu xe EV Plus, Nissan với Altra EV hay Chevrolet (GM) với S-10 EV…Sự ra đời của Model 3 đã giúp Elon Musk, nhà sáng lập hãng xe điện Tesla trở thành tỷ phú giàu nhất thế giới với tổng giá trị tài sản đạt tới 188,5 tỉ USD. Xe điện chính là xu thế tất yếu của công nghệ di chuyển toàn cầu. Dự báo đến khoảng năm 2040, xe điện sẽ chiếm khoảng 35% tổng lượng ô tô bán ra trên toàn thế giới.
Để thúc đẫy nghiên cứu và chế tạo ô tô điện, Bộ Năng lượng Mỹ đã trợ giúp 8 tỷ USD cho một số hãng xe như Ford, Nissan và cả Tesla. Đến năm 2010, hai hãng xe Nhật Bản là Nissan và Mitsubishi tung ra mẫu xe điện đầu tiên của mình. Với Nissan là mẫu xe Leaf còn với Mitsubishi là i-MiEV.
Tại Việt Nam, hãng xe VinFast đã nghiên cứu và sản xuất 3 mẫu xe điện. Hình 5 là mẫu SUV điện cỡ D VFe-34 mang tên Roadster.
Nhà máy Vinfast ở Mỹ được xây dựng tại Khu công nghiệp Triangle Innovation Point, Hạt Chatham, Bắc Carolina, Mỹ với tổng mức đầu tư giai đoạn 1 là 2 tỷ USD, quy mô 733 ha, gồm 5 phân khu, xưởng sản xuất chính: hàn thân vỏ, lắp ráp, xưởng dập, xưởng sơn và trung tâm năng lượng. Trong giai đoạn đầu, nhà máy sẽ sản xuất ba dòng xe điện gồm VF 7, VF 8 và VF 9, cung ứng cho thị trường Bắc Mỹ, dự kiến 150.000 xe mỗi năm. Vinfast cũng sẽ có nhà máy lắp ráp xe tại Ấn Độ, Indonesia.
CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA Ô TÔ ĐIỆN
Hình 7 là hình ảnh cấu tạo của một chiếc ô tô điện, trong đó các bộ phận chính là:
- Bộ nguồn một chiều là nguồn điện hóa. Các loại ăcquy chì (axit), ăcqui Fe-Ni (kiềm) rất thông dụng trong thực tế, được dùng làm nguồn cho các xe điện thế hệ cũ. Các nguồn lưu trữ này có dung lượng hàng trăm Ampe giờ, tuy nhiên chúng có thời gian nạp nhiều giờ, khó tái chế và ảnh hưởng xấu tới môi trường. Trong các loại pin điện hóa mới xuất hiện hiện nay pin Lithium-ion có nhiều ưu điểm, thích hợp với xe ô tô.
Hình 8 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin Li-ion. Cực dương của pin thường được chế tạo từ LiCoO2 và LiMnO4. Vật liệu cơ sở là coban là những vật liệu lí tưởng có khả năng cung cấp công suất riêng lớn, hạn chế hiện tượng tự phóng, có điện thế cao và tuổi thọ cao. Nhược điểm của nó là giá cao do coban là kim loại hiếm, kém bền nhiệt. Vật liệu cơ sở là mangan có tinh thể lập phương, cho phép ion Liti khuếch tán theo cả ba chiều. Vật liệu này được quan tâm vì mangan rẻ và phổ biến hơn coban, có hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn. Tuy nhiên khả năng hòa tan vật liệu mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất. Vật liệu cực dương chứa coban là loại phổ biến nhất, tuy nhiên những vật liệu khác hiện đang được đầu tư nghiên cứu nhằm hạ giá thành, và tăng công suất pin. Đến năm 2017, LiFePO4 được kì vọng đem lại ứng dụng cao cho pin dung lượng lớn như các pin dùng cho xe điện nhờ giá rẻ, công suất cao, dù vật liệu này kém dẫn điện và việc dùng chất phụ gia dẫn điện cacbon là bắt buộc.
Cực âm thường dùng là graphit và các vật liệu cacbon khác. Chúng khá rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion Liti xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon,
Chất điện ly là môi trường truyền ion Liti giữa các điện cực trong quá trình nạp và phóng. Yêu cầu cơ bản của chất điện ly là phải có độ dẫn ion tốt, cụ thể là độ dẫn ion Liti ở mức 10−2 S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng khoảng 30-40% khi lên 40oC và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0oC. Dung dịch điện ly phải là chất cách điện tốt, nghĩa là độ dẫn electron của dung dịch này phải bằng hoặc dưới mức 10−8 S/cm. Dung dịch điện ly lỏng dùng trong pin Li-ion chứa muối Liti, như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ.
Dung dịch điện ly composit dựa trên nền polyme có thể dùng để phủ lên bề mặt điện cực để bảo vệ và tăng tính an toàn chống cháy. Dung môi gel, polyme, hay các chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được chú trọng phát triển.
Li-ion hoàn chỉnh gồm nhiều pin nguyên tố, trong đó bộ nạp giảm dần dòng điện nạp lên pin, hoặc điều chỉnh bật tắt dòng điện nạp để trạng thái nạp cho từng tế bào pin đạt tới cân bằng. Một số thiết bị nạp điều chỉnh bằng cách nạp lần lượt từng tế bào pin, tuy nhiên điều này kéo dài thời gian nạp. Việc tạo thuật toán tối ưu hóa quá trình cân bằng này có thể tăng hiệu năng và tối ưu hóa thời gian nạp pin.
So với các nguồn điện hóa khác ưu điểm cơ bản của pin Li-ion là không dựa trên các phản ứng hóa học làm phá vỡ các điện cực, mà dựa trên chuyển động của các ion Li qua lại giữa cực dương và cực âm vì thế các bản cực có tuổi thọ rất cao. Ngày 9/10/2019 Hội đồng giải thưởng Nobel đã quyết định trao giải Nobel hóa học cho ba nhà khoa học John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino vì sự phát triển của pin Lithium-ion.
Hiện nay các pin Li-ion có thể cung cấp điện cho hầu hết các thiết bị điện từ điện thoại di động đến các thiết bị gia dụng nhờ khả năng tích trữ năng lượng cao và tự phóng thấp. Nhiều công ty đang nghiên cứu phát triển công nghệ tăng dung lượng lưu trữ và thời gian sử dụng pin Lithium-ion. Nhờ đó ứng dụng pin Lithium-ion sẽ ngày càng mở rộng, nhất là trong lĩnh vực xe chạy điện, cũng như cung cấp nguồn năng lượng cho mạng lưới điện khu vực và quốc gia sử dụng rộng rãi năng lượng tái tạo.
- Động cơ điện
Ưu điểm chính của động cơ điện là không phải thải khí CO2, cho phép ta sử dụng các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển động cơ, nâng cao chất lượng động học của ô tô.
Động cơ xe điện có cấu tạo đơn giản, dễ lắp ráp, ít gây tiếng ồn. Điều đáng nói là hiệu suất chuyển đổi nguyên liệu của xe điện thành năng lượng cơ tương đối cao.
Ngoài ra, động cơ điện phản ứng chính xác với mô-men xoắn nhanh hơn khoảng 100 lần so với động cơ đốt trong. Mỗi bánh xe có thể sử dụng hai hoặc bốn động cơ đặt trong bánh xe (in-wheel), không giống như ô tô thông thường chỉ có một động cơ đốt trong.
Việc tích hợp động cơ vào bánh xe đã dẫn đến một sự thay đổi đáng kể trong cơ chế của xe điện. Sự tích hợp này còn cho phép điều khiển độc lập các bánh xe, giúp khả năng điều khiển chuyển động của xe điện linh hoạt hơn. Đồng thời, động cơ xe điện còn có thể tính toán chính xác mô-men xoắn điện từ của động cơ bằng cách đo các thông số dòng điện và điện áp của động cơ, giúp tính toán và kiểm soát chính xác lực chuyển động giữa mặt đường và bánh xe. Hầu hết các loại xe điện ngày nay đều được trang bị một hoặc nhiều động cơ điện.
- Các loại động cơ phổ biến trên xe ô tô điện
Đánh giá trên các tiêu chí như nhiên liệu sử dụng, tốc độ hoặc chu trình công tác động cơ ô tô sẽ được phân chia thành các loại. Sau đây là 6 loại động cơ ô tô được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay.
3.1. Động cơ điện một chiều là loại động cơ hoạt động với dòng điện một chiều. Loại động cơ này là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng điều khiển tốc độ, momen khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa hoàn thiện. Tuy nhiên, động cơ một chiều có tuổi thọ thấp do cần chổi than và bộ vành góp và không thích hợp với khí hậu nóng ẩm nhiều khói bụi nên ít được sử dụng.
3.2. Động cơ không đồng bộ IM (Induction Motor): Động cơ IM vận hành với tốc độ quay của rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường stator. Với ưu điểm chi phí thấp, tính linh hoạt cao và dễ sản xuất, IM Motor hoàn toàn có thể thực hiện thuật toán điều khiển véc tơ tiên tiến của động cơ xe điện. Động cơ IM đạt hiệu quả cao khi được sử dụng trên dòng xe thường xuyên di chuyển trên địa hình cho phép di chuyển với tốc độ cao. Khả năng vận hành cũng như phạm vi hoạt động sẽ không tối ưu nếu động cơ IM được sử dụng trong quãng đường ngắn, hay dừng, đỗ.
3.2. Động cơ SynRM từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor): Động cơ từ trở đồng bộ Synrm có cuộn dây và lõi sắt từ với cấu trúc stator tương tự như động cơ xoay chiều thông thường. Từ trở dọc trục và từ trở ngang trục trên động cơ hoạt động khác nhau để sản sinh ra mô men xoắn từ trở làm cho động cơ quay.
3.3. Động cơ SRM từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor): Động cơ SRM có cấu tạo rất đặc biệt. Trong khi rotor là một khối sắt duy nhất không có cuộn dây hoặc nam châm, thì stator có cuộn dây tương tự như dây kích từ của động cơ DC. Điều này làm cho động cơ SRM rất bền vững về mặt cơ khí và được thiết kế cho dải tốc độ lên đến hàng chục nghìn vòng/phút. Tuy nguyên lý làm việc đơn giản nhưng nhược điểm của loại động cơ này là động cơ có tính phi tuyến tính cao, khó điều khiển. Ngoài ra, thiết kế động cơ SRM sẽ khó kiểm soát với dòng xe điện chất lượng cao.
3.4. Động cơ BLDC motor – động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor): Loại động cơ này là loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, có hiệu suất và khả năng sản sinh mômen cao. Động cơ BLDC có nhược điểm là có nhấp nhô mômen lớn, trong 1 chu kỳ xuất hiện 6 xung mômen.
3.5. Động cơ IPM – động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet Motor): Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu IPM được coi là loại động cơ hoàn hảo nhất cho xe điện, được trang bị chiếc xe điện VF E34 của Vinfast. Động cơ IPM có nam châm trên bề mặt rotor vốn có đặc tính điều khiển tối ưu. Từ đó, tạo ra khả năng sản sinh momen trừ trở, tích hợp thêm vào momen vốn có do nam châm tạo ra. Đồng thời, động cơ IPM có khả năng giảm từ thông mạnh, hỗ trợ nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ và khả năng vận hành hiệu quả.
4. Bộ điều khiển quản lý tất cả các thông số và kiểm soát tốc độ sạc thông qua cách xử lý thông tin từ pin.Thêm vào đó, bộ điều khiển cũng có thể chuyển áp lực lên bàn đạp ga để điều chỉnh tốc độ trong biến tần của động cơ xe.
- Bộ biến tần Inverter chuyển đổi dòng một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều cung cấp điện cho động cơ. Bộ phận này có thể làm thay đổi tốc độ quay của động cơ thông qua cách điều chỉnhtần sốcủa dòng điện xoay chiều, ngoài ra có thể thông qua cách điều chỉnh biên độ của tín hiệu biến tần để tùy chỉnh công suất hoặc mô men xoắn của động cơ.
III. KẾT LUẬN
Mặc dù các nhà sản xuất xe đã tạo ra những công nghệ mới nhằm giảm thiểu lượng CO2 phát thải, nhưng những chiếc xe được coi là sạch nhất cũng gây phát thải gần 100g khí CO2 trên 1 km. Với số lượng 1,8 tỉ xe đang hoạt động một năm sẽ phát thải ra môi trường một lượng khí thải CO2 khổng lồ. Để giải quyết vấn đề này có thể sử dụng nhiều biện pháp như thay thế nhiên liệu xăng dầu bằng sử dụng khí hidro (hình 1), giải pháp này thích hợp cho các loại xe công suất lớn như xe bus, xe tải,… Đối với các loại xe con việc thay thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện là giải pháp tối ưu, vấn đề là phải tạo ra nguồn điện có tỷ số công suất trên một đơn vị khối lượng cao, có thể lưu trữ và nạp lại được một cách nhanh chóng. Với việc đầu tư, nghiên cứu và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, cùng với công nghệ trí tuệ nhân tạo, xe ô tô điện và các phuơng tiện sử dụng năng lượng sạch, tái tạo, thân thiện môi trường đã, đang và sẽ là xu hướng tất yếu của nhân loại trong tương lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thị trường ô tô điện Việt Nam: Thời cơ và thách thức –Kinh tế Việt Nam 09/08/2023
[2] Nghiên cứu về phát triển ô tô điện tại thị trường Việt –VN Media 17/8/2023
[3] Lich sử xe điện Sự ra đời và hành trình phát triển VinFastauto.com/vn.vi
[4] Kết cấu của ô tô điện Khoa ô tô Trường đại học Sao đỏ 13/12/2021
Lê Văn Doanh1,*, Đỗ Đức Anh2,**
1 PGS. TS Lê Văn Doanh, Ban KHCN, Hội CSVN,
2 KS Đỗ Đức Anh, Trumg tâm R&D, Cty CPBĐPN Rạng Đông,
*Email: ledoanhbk@yahoo.com
Theo TC AS&CS số in Tết 2024
