Category Archives: Ôtô điện

Pin & hệ thống giám sát BMS

Pin acquy năng lượng lớn là bình xăng của ôtô điện. Nguyên lý hoạt động của pin điện dựa vào sự điện phân hóa học biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện 1 chiều. Pin sạc hay còn gọi là ác quy là loại pin có thể hoạt động thuận/nghịch, chuyển năng lượng điện thành năng lượng tích trữ trong pin.

Tùy thuộc vào chất hóa học khác nhau mà pin sạc có tên gọi khác nhau, sự phát triển của công nghệ pin sạc (mật độ năng lượng tích trữ/khối lượng) được trình bày trong hình dưới. Pin sạc chì axít là một trong những pin sạc được phát minh đầu tiên và vẫn được sử dụng đến bây giờ (ác quy cho xe máy, xe ôtô,…) bởi giá thành rất rẻ, có thể sạc được nhiều lần (từ 400 đến 1200 lần), không bị “chai” do hiệu ứng nhớ như các loại pin Nickel kẽm (NiCad) và Nickel metal hydride (NiMH). Tuy nhiên nhược điểm của ác quy chì là mật độ năng lượng/khối lượng quá ít 30Wh/kg.

So sánh các loại in ácquy và tác động của nhiệt độ của cell Lithium

Công nghệ pin lithium-ion (Li-ion) được phát triển từ những năm 1990, đến nay được sử dụng rộng rãi trong tất cả các thiết bị điện tử : máy tính xách tay, máy điện thoại, máy ảnh, máy mp3,… Nhược điểm có loại pin này là nhạy cảm với nhiệt độ cần có hệ thống điều tiết và kiểm soát nhiệt đô tối ưu và an toàn, giá thành còn đắt. Tuy nghiên pin sạc Lithium-ion có nhiều ưu điểm : không có hiệu ứng nhớ, sạc được nhiều lần (hơn 1200 lần) và đặc biệt mật độ năng lượng/khối lượng rất cao 200Wh/kg cho một cellule. Vì vậy có thể tích trự được nhiều năng lượng. Tuy nhiên nhược điểm của pin Lithium là phụ thuộc và nhiệt độ, vì vậy cần có hệ thống quản lý giám sát năng lượng.

Pack pin acquy Nissan Leaf 22kWh và cấu trúc hệ thống quản giám sát BMS

Pin Lithium dành cho ôtô điện, từ 1 cell với điện áp định mức 3.7V và mật độ năng lượng cao khoảng 30Ah (gấp hơn 15 lần 1 cell điện thoại di động) ghép nối tiếp và song song để tạo ra 1 module và từ các modules để tạo ra 1 pack pin. Hệ thống quản lý giám sát năng lượng pin BMS (Battery Management System) quản lý nhiệt độ, điện áp, dòng điện, hệ thống làm mát bởi các cảm biến cho mỗi module và thuật toán giám sát. Hệ thống này đảm bảo pin hoạt động trong điều kiện tối ưu năng lượng và an toàn trong các trường hợp va chạm mạnh do tai nạn hoặc ngập nước.

Phân bố giá thành của 1 pack pin acquy ôtô điện

Giá thành của cả khối pin ácquy tùy thuộc rất nhiều yếu tố : giá cell với mật độ năng lượng, số lượng, cấu tạo, khả năng tích trữ, BMS…. Hình trên cho một ví dụ về phân bố giá thành của 1 pack pin/kWh của ôtô điện 22kWh. Tổng chi phí bao gồm bảo hành, mất giá giữa các loại tiền là khoảng 800 $/kWh vào năm 2012. Giá này đã giảm nhiều bới giá cell/kWh đã giảm nhiều từ 2 năm trở lại đây.

Các công nghệ động cơ điện

Động cơ điện, là máy điện chuyển năng lượng điện (điện áp, dòng điện) thành năng lượng cơ (mômen xoắn, tốc độ vòng/phút). Nguyên lý hoạt động của động cơ điện dựa trên tương tác từ trường giữa phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor) để tạo ra mômen xoắn làm quay rotor. Từ trường được tạo ra trong stator/rotor bởi dòng điện hoặc nâm châm vĩnh cửu, và được dẫn bởi khối thép ghép bởi các tấm tôn silic mỏng từ 0.2mm đến 1mm. Máy điện còn có khả năng hoạt động 2 chiều thuận/nghịch : chế độ động cơ (chuyển năng lượng điện thành năng điện cơ) hoặc chế độ máy phát điện (chuyển năng lượng cơ thành năng lượng điện). Đặc tính này giúp sạc pin cho ôtô điện khi phanh hoặc xe xuống dốc.

Động cơ điện hiện hữu trong rất nhiều ứng dụng ngày nay : tầu điện, tầu cao tốc, thang máy, máy giặt, may khoan, quạt, tủ lạnh, đầu đọc CD, vi tính, máy điện công nghiệp, máy phát điện trong các nhà máy điện, máy phát điện trong ôtô cung cấp điện cho radio, đèn, và để sạc ắc quy axít chì 12V (dùng để khởi động xe và hệ thống điện khi dừng xe),…

Động cơ điện dùng trong ôtô điện có đặc tính nghiêm ngặt : cần vận hành ở tất cả các điểm hoạt động khác nhau trong dải vận tốc lớn từ 0vòng/phút đến 15000vg/ph và dải mômen xoắn từ 0N.m đến vài trăm N.m, hoạt động trong điều kiện thay đổi nhiệt độ từ thấp (-20°C) đến rất cao (+160°C) và chịu đựng được lắc rung theo chuyển động của xe ôtô. Có bốn loại động cơ chính dùng cho ôtô điện, mỗi loại đều có ưu nhược điểm :

  • động cơ một chiều,
  • động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ cảm ứng (lồng sóc)
  • động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu/dây quấn,
  • động cơ xoay chiều 3 pha bước.

                                                 DC            synchronousmotor         MOTORSRIMG

so_sanh_dong_co_2

Động cơ điện một chiều là một trong những động cơ đầu tiên trên thế giới, rẻ, dễ chế tạo và dễ thay đổi vận tốc bởi kiểm soát độc lập từ trường stator và rotor. Nó được sử dụng trong những thế hệ ôtô điện đầu tiên (xe điện đầu tiên trên thế giới Jamais Contente được trang bị động cơ này). Tuy nghiên động cơ điện 1 chiều có nhiều nhược điểm : hiệu suất thấp, tỉ số công suất / khối lượng lớn, tốc độ tối đa hạn chế và độ bền kém do ma sát của hệ thống cổ góp quay cung cấp điện cho rotor.

Từ đầu những năm 1990, với sự phát triển của các vật liệu bán dẫn dùng cho điện tử công suất, công suất tính toán của các chip điện tử và phương pháp toán ứng dụng máy điện, việc điều khiển chính xác động cơ xoay chiều 3 pha trong dải vận tốc 0vg/ph đến 15000vg/ph trở nên dễ dàng.

Động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ cảm ứng lồng sóc được sử dùng nhiều nhất trong công nghiệp (chiếm tới hơn 90%) bởi cấu tạo đơn giản, bền bỉ bởi rotor rất chắc chắn (gồm các thanh nhôm hoặc đồng được đúc trong khối thép silic và kết nối với nhau bằng 2 vòng ngắn mạch ở mỗi phía, tạo nên hình dáng lồng sóc), vì vậy có thể quay tới tốc độ và nhiệt độ rất cao. Tuy hiệu suất và tỉ lệ công suất / khối lượng thấp hơn so với 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ nhưng giá sản xuất của loại động cơ này lại rẻ hơn khá nhiều từ 15 đến 30%.

Động cơ 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu và đồng bộ dây quấn có ưu điểm về hiệu suất cao và tỉ số công suất / khối lượng thấp, rất thích hợp với ôtô điện thời điểm hiện tại khi muốn tối đa hóa quãng đường đi được cho mỗi lần sạc ác quy. Tuy nhiên 2 loại động cơ này phức tạp, khá nhạy cảm về tốc độ tối đa trong điều kiện hoạt động ở nhiệt độ cao (>12000 vg/ph & >130°C) và đặc biệt giá thành đắt, đặc biệt là động cơ sử dụng kích từ vĩnh cửu bởi sự bùng nổ giá đất hiếm (dùng sản xuất nâm châm) trong vài năm gần đây.

Động cơ bước xoay chiều 3 pha có rẻ và chắc chắn nhất, có khả năng vận hành ở vận tốc rất cao bởi cấu tạo rất đơn giản của stator/rotor. Rotor chỉ là khối thép, được quay bởi lực hút bởi các cực stator cho dòng điện xoay chiều. Tuy nhiên, điều khiển tối ưu loại động cơ này chưa đạt đến độ chín, vì vậy hiểu suất tổng thể [động cơ + điện tử công suất] còn thấp. Hơn nữa loại động cơ này còn những vấn đề về độ ồn và rung cần giải quyết.

Tùy thuộc vào thiết kế cho những ứng dụng ôtô Hybrid, ôtô 100% điện cỡ to, cỡ nhỏ, năng lượng tích trữ pin acquy và chiến lược của từng hãng mà công nghệ vào của động cơ được lựa chọn. Nissan, Toyota, Volkswagen, Kia, Ford, BMW, Mercedez, Mitsubishi, Bolloré (Autolib Paris) ưu tiên công nghệ động cơ 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu cho xe Leaf, Pirus, Golf-Bleu-e, Soul, Focus, i3, Class A-Cell, iMev (Peugeot-Ion), Blue-car. Renault phát triển 2 loại công nghệ : động cơ 3 pha đồng bộ rotor dây quấn (để tránh phụ thuộc vào giá đất hiếm) cho xe Fluence, Kangoo, Zoé và động cơ 3 pha không đồng bộ rotor lồng sóc cho Twizy. GM chọn lựa 2 loại công nghệ : động cơ 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu cho xe Chevrolet Volt và động cơ 3 pha không đồng bộ cảm ứng cho xe 100% điện Chevrolet Spark. Tesla hoặc các loại xe bus điện sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc cho phép hoạt động ở vận tốc cao hoặc rất bền bỉ.

So sánh xe ôtô Điện vs Xăng

Sự khác biệt giữa ba loại công nghệ : ôtô xăng/dầu / ôtô 100% điện / ôtô Hybrid và 1 ví dụ so sánh giữa 3 xe ôtô cùng nhóm Sedan từng được bầu là ôtô của năm Opel Insignia / Nissan Leaf / GM Chevrolet Volt được trình bày trong hình dưới.

EV_vs_ICE_2

So sánh ba loại công nghệ xe ôtô và giá bán tại Châu Âu. (*)Giá hiện tại ở Pháp : 0.12€/kWh giờ trung bình, 1.56€/lít xăng

Ôtô điện có rất nhiều ưu điểm :

  • cảm giác lái tuyệt vời bởi động cơ không gây tiếng ồn và tăng tốc rất nhanh bởi mômen xoắn cực đại lớn và có tức thì ngay tại 0 vòng/phút,
  • hiệu suất cao (từ 70-85%) gấp 2 đến 3 lần ôtô xăng/dầu (30-40%),
  • động cơ điện và hệ thống truyền lực đơn giản (hộp số 1 cấp) nên bền bỉ và chi phí bảo dưỡng ít hơn so với động cơ xăng/dầu,
  • không phụ thuộc vào dầu mỏ,
  • không thải trực tiếp khí ô nhiễm môi trường (kể cả khi tính khí thải môi trường do các nhà máy điện sản xuất ra điện để sạc pin, tỉ lệ tổng cộng khí thải CO2 của ôtô điện cũng rất thấp khoảng 10-14 g/km).

Tuy nhiên, vật cản lớn nhất của ôtô điện hiện tại vẫn là khả năng tích trữ năng lượng điện trong pin để có thể đi được 1 quãng đường dài, thời gian sạc pin theo khá lâu và giá thành sản xuất hiện tại đắt vì số lượng ít.

EV_vs_ICE_costSo sánh tổng chi phí/8 năm sử dụng của xe Nissan Leaf vs Open Insignia (giá mua không tính bonus/malus ở Pháp)

Hạn chế về quãng đường đi (175 / 950 km) và thời gian cho mỗi lần sạc pin/bơm xăng (6-8 tiếng / 5 phút), ngay cả khi được hỗ trợ từ chính phủ, giá thành hiện nay của xe Nissan Leaf vẫn đắt hơn 23% so với xe Opel Insignia. Tuy nhiên, ngoài cảm giác lái tuyệt vời, không thải khí thải ô nhiễm vào môi trường 0 g so với 1.74 tấn khí thải CO2 cho 15 nghìn km trung bình 1 năm của xe Insignia, chi phí bảo dưỡng ít hơn và chỉ phí nhiên liệu cho xe hàng năm của xe Leaf cũng rẻ hơn nhiều 300€ so với 2200€ chi phí sạc điện / đổ xăng. Vì vậy nếu tính tổng chi phí mua và sử dụng xe trong 8 năm ở Pháp (tuổi đời trung bình của xe và thời gian bảo hành của pin lithium), Nissan Leaf sẽ có lợi hơn. Tính đến nay, Nissan Leaf đã chạm ngưỡng 100 nghìn xe bán ra trên toàn thế giới kể từ khi xuất xưởng cuối năm 2010, chiếm 45% thị phần xe ôtô 100% điện.

Hệ thống truyền động xe Twizy

Mẫu xe 100% điện nhỏ, dành cho đi lại trong thành phố, xe Twizy Renault ra mắt vào tháng 3 năm 2012 ở Châu Âu. Twizy lấy ý tưởng bởi hai từ : Twin (2 người) và Easy (dễ dàng sử dụng). Mã của dự án xe Twizy là MOCA được ghép bởi : MOtocycle và CAr, với mục đích thiết kế một xe điện không ô nhiễm môi trường, lai giữa xe máy và xe ôtô, nhằm tận dụng những ưu điểm của xe máy thuận tiện đi lại, dễ dàng tìm chỗ đỗ xe ở các thành phố lớn, nhưng lại có 4 bánh dễ lái và an toàn như xe ôtô.

Powertrain_TwizyTwizy được thiết kế với hệ thống truyền động đẩy, cho phép xe có bán kính quay rất nhỏ 3.4 m, rất tiện khi quay đầu và đỗ xe. Động cơ điện không đồng bộ 3 pha bền bỉ đặt phía sau xe kết hợp với hộp số 1 cấp, cung cấp mômen xoắn cực đại bánh xe 500 N.m, cho phép xe tăng tốc khá ấn tượng bởi với khối lượng không tải của xe được giảm nhẹ tối đa là 475 kg (gồm cả pin 100 kg).

Xe Twizy mang theo bình pin sạc Lithium-ion với dung tích 6.6 kWh cho phép chạy một quãng đường trung bình 70 km cho một lần sạc. Như thế là đủ cho nhu cầu đi lại trong thành phố và chỉ phải sạc 2, 3 ngày/lần với thời gian sạc 3.5 giờ với ổ điện thường 1 pha : AC 230 V, 10 A.

Twizy được bán ở Châu Âu với giá từ 7000 € và một số nước khác trên thế giới Brazil, Nhật, Malaysia,… với hai phiên bản : Twizy80 (80 km/h) cần bằng lái và Twizy45 không bằng lái giới hạn vận tốc tối đa 45 km/h và công suất tối đa 7 kW.

Twizy80
Pin Công nghệ Lithium-ion
Làm mát Tự nhiên
Dung lượng tích trữ 6.6 kWh
Điện áp định mức 52 Vdc
ĐTCS DC-AC Công nghệ Mosfet
Làm mát Tự nhiên
Dòng điện tối đa 350 Arms
Điều khiển động cơ điều khiển vector
Động cơ Công nghệ Không đồng bộ 3 pha AC, lồng sóc nhôm
Làm mát Tự nhiên
Momen xoắn / công suất cực đại 57 N.m / 12 kW
Vận tốc tối đa 7500 vg/ph
Hộp số Công nghệ Một cấp
Làm mát Dầu
Tỉ số truyền 9.21
Sạc Nguồn AC 230 V, 10 Arms
Làm mát Quạt gió
Công suất 2 kW

Hệ thống truyền động xe Tesla S

Powertrain_Tesla_2_VI

 

Tesla Model S85
Pin Công nghệ Lithium-ion
Làm mát Nước
Dung lượng tích trữ 85 kWh
Điện áp định mức 375 Vdc
ĐTCS DC-AC Công nghệ IGBT
Làm mát Nước
Dòng điện tối đa 900 Arms
Điều khiển động cơ điều khiển vector
Động cơ Công nghệ Không đồng bộ 3 pha, lồng sóc đồng
Làm mát Nước
Momen xoắn / công suất cực đại 440 N.m / 285 kW
Vận tốc tối đa 15000 vg/ph
Hộp số Công nghệ Một cấp
Làm mát Nước / dầu
Tỉ số truyền 9.73
Sạc Điên áp AC 110 / 240 V ; DC supercharging
Làm mát Nước
Công suất 10 kW / 20 kW ; 100 kW