Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Tổng quan các nghiên cứu về ô tô điện và các xu hướng phát triển

Tổng quan các nghiên cứu về ô tô điện và các xu hướng phát triển

1. Mở đầu
Ô tô điện có lịch sử lâu đời, nhưng từ khoảng 2 thập kỷ trở lại đây mới phát triển trở lại mạnh mẽ nhằm giải quyết 2 vấn đề lớn của nhân loại: sự cạn kiệt dần dần của nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự ô nhiễm môi trường gây ra bởi ô tô chạy xăng dầu. 

Trong bài viết này, tác giả sẽ tóm tắt một số kết quả mới về các các nghiên cứu về ô tô điện hiện nay trên thế giới và các xu hướng công nghệ hiện nay. Trong đó có một số hướng mà nhóm nghiên cứu của tác giả và các đối tác đang thực hiện (Hình 1).

Hình 1: Hệ thống thực nghiệm hệ truyền động và điều khiển cho ô tô điện được triển khai trên framework xe Mitsubishi i MiEV [1].

Việc triển khai các nghiên cứu về ô tô điện tại Việt Nam là một hướng đi đúng nhằm nắm bắt các công nghệ tiên tiến, với hy vọng đưa công nghiệp ô tô của nước nhà có thể bắt kịp với sự phát triển trên thế giới. Tuy nhiên, với thực trạng một nước có nền công nghiệp nói chung và công nghiệp ô tô chưa phát triển, việc phát triển ô tô điện tại Việt Nam cần có một chiến lược dài hạn và sách lược đúng đắn. Sau khi nêu các khó khăn và yêu cầu trong nghiên cứu về ô tô điện, bài viết sẽ đề xuất một số giải pháp và kiến nghị đối với nhà nước, các nhà khoa học và các nhà doanh nghiệp trong việc phát triển ô tô điện, hướng tới đóng góp giải quyết nhiều vấn đề kinh tế - xã hội, đặc biệt là giao thông tại Việt Nam.

2. Lược sử phát triển của ô - tô điện

Ô tô điện được ra đời lần đầu tiên vào năm 1834. Trong suốt những thập kỷ nửa sau thế kỷ 19, nhiều công ty đã sản xuất ô tô điện ở Hoa Kỳ, Anh, và Pháp. Những xe ô tô đầu tiên mà con người sử dụng là ô tô điện. Tuy nhiên, do những hạn chế về công nghệ ắc quy và đặc biệt là do sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ động cơ đốt trong, ô tô điện đã dần bị thay thế và hầu như không còn tồn tại từ sau những năm 1930.

Tới những năm đầu của thập kỷ 70 thế kỷ trước, hai vấn đề lớn của nhân loại là ô nhiễm môi trường do khí thải và an ninh năng lượng do sự hữu hạn của các nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, và khí đốt) đã dần trở nên bức thiết. Người ta bắt đầu quan tâm trở lại đến ô tô điện như một giải pháp hiệu quả cho các vấn đề này. Thời gian đầu, ô tô điện vẫn chỉ là một đối tượng nghiên cứu; các mẫu xe điện đều là sự chuyển đổi từ xe ô tô thông thường dùng động cơ đốt trong. Ngày nay, các nhà sản xuất ô tô lớn đều đã và đang cho ra đời các sản phẩm ô tô điện được thiết kế và chế tạo với những công nghệ đặc thù cho xe điện, chứ không phải là một sản phẩm hoán cải như trước.

3. Tổng quan các nghiên cứu về ô tô điện
3.1 Mô hình hóa ô tô điện

Trong kỹ thuật điều khiển nói chung và các vấn đề điều khiển cho ô tô điện nói riêng, mô hình hóa là bước tiên quyết và đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Có thể nói rằng, nếu không có một mô hình tốt thì hầu như không có khả năng xây dựng một hệ thống điều khiển tốt, ngay cả khi sử dụng các phương pháp điều khiển không dựa trên mô hình đối tượng (ví dụ các phương pháp thông minh như điều khiển mờ hay mạng nơ ron nhân tạo). Mặt khác, ta cũng cần chú ý rằng một mô hình “tốt” là một mô hình “phù hợp” chứ không phải là càng chính xác thì càng tốt. Lý do là vì sự chính xác thường phải đánh đổi bằng sự phức tạp. Tùy từng yêu cầu công nghệ và hiểu biết về đối tượng mà nhà nghiên cứu cần thực hiện công việc mô hình hóa một cách phù hợp với bài toán điều khiển cần giải quyết.

Tác giả giới thiệu hai cách tiếp cận mô hình hóa để phục vụ cho hai bài toán là điều khiển chuyển động và điều khiển các dòng năng lượng trong ô tô điện.

3.1.1 Mô hình động học và động lực học
Ngày nay, nghiên cứu về điều khiển chuyển động và lái tự động cho ô tô điện thu hút nhiều sự quan tâm để đảm bảo an toàn và sự tiện lợi cho người sử dụng. Các bài toán điều khiển này yêu cầu các mô hình động học và động lực học của xe. Đã có rất nhiều nghiên cứu về mô hình xe, gồm cả các công trình học thuật và các phần mềm thương mại:
• Một số mô hình rất chính xác nhưng lại quá phức tạp [2], [3]; điều này khiến cho việc tính toán và mô phỏng gặp nhiều khó khăn.
• Một số mô hình đơn giản, dễ hiểu, dễ tính toán [4], [5] nhưng không thể hiện được các mối quan hệ động học và động lực học cần thiết.
• Một số mô hình được xây dựng cho những mục đích riêng biệt đặc thù [2], [6], [7], ví dụ như để ước lượng các tham số của xe. Những mô hình này không thuận lợi cho những nghiên cứu khác các ứng dụng đặc thù đó.

Từ những phân tích như vậy, bản thân nhóm nghiên cứu của tác giả đã xây dựng một mô hình động học và động lực học tổng thể đa dụng [8] bằng cách kết hợp động học và động lực học vật thể rắn với mô hình tương tác lốp xe – mặt đường. Bên cạnh mô phỏng offline trên máy tính, mô hình đã bước đầu được kiểm chứng thực nghiệm bằng kỹ thuật mô phỏng thời gian thực hardware–in–the–loop [9]. Mô hình có thể được sử dụng như một công cụ hiệu quả cho nhiều nghiên cứu khác nhau.

3.1.2 Mô hình hóa bằng phương pháp EMR

Đối với một đối tượng chứa nhiều tương tác giữa các thành phần có tính chất vật lý khác nhau như ô tô điện thì việc xây dựng một mô hình tổng thể thống nhất là tương đối khó khăn nhưng cần thiết.

Mặt khác, thông thường, khi tiến hành mô hình hóa và sử dụng mô hình, có một bước ít được để ý đến nhưng vô cùng quan trọng đó là biểu diễn mô hình. Trong thực tế, ta luôn thực hiện các cách biểu diễn khác nhau nhưng không ý thức rằng đó là một bước làm. Với cùng một mô hình toán học là các phương trình vi phân, ta có nhiều cách biểu diễn khác nhau, và mỗi cách biểu diễn đó đem lại những thông tin khác nhau về đối tượng. Mô hình không gian trạng thái (state–space) chính là một dạng biểu diễn toán học; trong đó các đặc tính về điều khiển được, quan sát được, v.v. được thể hiện. Mô hình hàm truyền và sơ đồ khối các hàm truyền là một cách biểu diễn khác; trong đó các đặc tính động học của hệ được khảo sát qua các phương trình đại số với toán tử Laplace.

Phương pháp EMR (Energetic Macroscopic Representation) là một công cụ biểu diễn đồ họa (graphical) cho phép nghiên cứu hệ thống (system) với sự tương tác của các hệ thống con (subsystem) và cho ta cái nhìn rõ về đặc tính năng lượng và các quan hệ nhân quả (causal) của hệ thống. Nói một cách chặt chẽ thì EMR không phải là một phương pháp mô hình hóa. Mô hình hóa là việc nghiên cứu các quan hệ vật lý của đối tượng để viết thành các phương trình vi phân. EMR (và các phương pháp khác) là cách biểu diễn, hay còn gọi là cách tổ chức mô hình.

EMR ra đời từ đầu những năm 2000 [10], [11] và sau đó được ứng dụng cho nhiều đối tượng nghiên cứu khác nhau như điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất [12], [13], hệ năng lượng gió [14], hệ truyền động điện [15], mô hình hóa và điều khiển pin nhiên liệu [16], [17], và đặc biệt là ô tô điện [18]–[21].

Chi tiết về các nguyên lý, phần tử, và ứng dụng của EMR có thể được tìm thấy trong [22], [23]. Hình 4 là một ví dụ về việc sử dụng phương pháp này cho việc mô hình hóa và điều khiển ô tô điện sử dụng hệ nguồn năng lượng lai (xem Tiểu mục 3.3.2).

3.2 Động cơ điện cho ô tô điện và điều khiển hệ truyền động điện
3.2.1 Các loại động cơ cho ô tô điện[24]

Thay vì sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine), ô tô điện được truyền động bằng động cơ điện. Động cơ điện có những ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển, cho phép chúng ta sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến để điều khiển động cơ, qua đó nâng cao chất lượng động học của ô tô điện. Một số loại động cơ đã và đang được sử dụng cho ô tô điện được liệt kê và phân tích sơ lược dưới đây.

Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phù hợp với điều kiện nóng ẩm, bụi bặm. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác.

Động cơ không đồng bộ (IM) có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo. Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết. Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp, đặc biệt ở chế độ tải nhẹ. Một số hãng ô tô điện của Hoa Kỳ, điển hình như Tesla Motor, sử dụng loại động cơ này do nó phù hợp với hệ thống giao thông đường trường cao tốc. Với dòng xe chạy trong đô thị, động cơ IM ít được sử dụng.

Động cơ từ trở thay đổi và từ trở chuyển mạch (SynRM và SRM) có ưu điểm đặc biệt ở tính bền vững và tốc độ cao. Tuy nhiên, khả năng sinh mômen hạn chế và nhấp nhô mômen lớn khiến cho việc sử dụng động cơ từ trở vẫn đang trong nghiên cứu, chưa đi vào sản phẩm thương mại.

Động cơ một chiều không chổi than(BLDC) trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sóng sức phản điện động hình thang. Điều này khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô mômen lớn.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có thể coi là loại động cơ phù hợp nhất cho ứng dụng ô tô điện với hiệu suất cao, khả năng sinh mômen lớn và có thể được điều khiển với chất lượng tốt. Trong đó, loại nam châm vĩnh cửu chìm trong rotor (IPMSM) có nhiều ưu việt phù hợp cho ô tô điện. Hai mẫu xe thương mại Nissan Leaf và Mitsubishi i MiEV của Nhật Bản đều sử dụng loại động cơ này.

Hình 2: Cấu trúc điều khiển vector động cơ IPMSM truyền động cho ô tô điện i MiEV [25].

3.2.2 Các chiến lược điều khiển hệ truyền động điện
Đối với động cơ xoay chiều nói chung, có ba cấu trúc chính là điều khiển vô hướng, điều khiển trực tiếp mômen (DTC), và điều khiển vector (còn gọi là FOC) . Với những ưu việt của mình, phương pháp điều khiển vector hiện nay đã trở thành phương pháp chuẩn mực được sử dụng cho các hệ truyền động điện xoay chiều trong công nghiệp. Với việc cân nhắc những điều sau:
• Phương pháp điều khiển vô hướng không điều khiển trực tiếp dòng điện, và do đó là mômen, của động cơ, vì thế không thích hợp với một hệ truyền động điều khiển mômen như ô tô điện;
• Phương pháp DTC cho đáp ứng mômen nhanh, nhưng lại có nhược điểm là nhấp nhô mômen lớn làm giảm chất lượng hệ thống;
• Phương pháp điều khiển vector có đáp ứng mômen đủ nhanh và có chất lượng điều khiển tốt;
cấu hình điều khiển vectorlà cấu trúc điều khiển tốt nhất cho hệ truyền động ô tô điện.Hình 2 minh họa một cấu trúc điều khiển vector điển hình.

3.3 Quản lý và điều khiển hệ thống năng lượng cho ô tô điện
Trong ô tô điện, vấn đề dự trữ và quản lý dòng năng lượng luôn là vấn đề phức tạp, gây hạn chế các tính năng của xe. Các nghiên cứu trên thế giới đặt ra mục tiêu đối với hệ thống nguồn là tăng khả năng lưu trữ năng lượng, giảm kích thước và trọng lượng đồng thời phải có sự linh hoạt trong khả năng quản lý, phân phối và điều khiển dòng năng lượng trong các chế độ hoạt động của xe. Trên thực tế, nguồn năng lượng là vấn đề được quan tâm hàng đầu, cũng là lĩnh vực được đầu tư lớn nhất trong những nghiên cứu về ô tô điện hiện nay. Hai tiểu mục dưới đây trình bày lần lượt về một số loại nguồn năng lượng đang được sử dụng cho ô tô điện và vấn đề điều khiển hệ nguồn năng lượng lai.

3.3.1 Các nguồn năng lượng cho ô tô điện
a. Nguồn hỗn hợp cho xe hybrid
Ô tô hybrid là loại xe sử dụng nguồn năng lượng hỗn hợp xăng và điện. Xe hybrid sử dụng hai hệ thống truyền động là động cơ đốt trong và động cơ điện với hai nguồn năng lượng riêng là xăng và ắc quy. Xe hybrid được coi là bước chuyển tiếp giữa xe xăng và xe điện. Mặc dù hiện nay hệ thống nguồn hỗn hợp vẫn còn nhiều triển vọng phát triển, nhưng trong tương lai không xa, nó sẽ hoàn toàn bị thay thế bởi những nguồn điện thuần túy.

b. Ắc quy chì - axít
Ắc quy chì - axít là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn (do hầu như không có nguy cơ cháy nổ). Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém, nạp chậm và khó tái chế.

c. Ắc quy Lithium - ion
Ắc quy Lithium - Ion là dòng ắc quy đang được sử dụng phổ biến trong các loại ô tô điện. Những nghiên cứu về công nghệ vật liệu đang khiến loại ắc quy này ngày càng trở nên hấp dẫn với mật độ công suất ngày càng lớn.

d. Pin nhiên liệu - Fuel Cell
Pin nhiên liệu được cấu tạo dựa nguyên lý cho oxy và hydro phản ứng tạo ra nước và giải phóng điện năng. Theo đánh giá, pin nhiên nhiệu là loại nguồn có mật độ năng lượng cao nhất có thể sử dụng cho ô tô điện. Với nhiều ưu điểm về mật độ năng lượng và sử dụng nguyên liệu là nguồn khí tự nhiên vô tận (oxy và hydro), pin rất được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm nay[17], [16]. Tuy vậy, công nghệ này đến giờ vẫn chưa thực sự chín muồi để đưa vào các sản phẩm thương mại.

e. Siêu tụ điện - Supercapacitor
Siêu tụ điện tích trữ điện năng không phải theo nguyên lý điện-hóa như ắc quy mà bằng các tương tác điện giữa các điện cực và điện tích. Bởi vậy, siêu tụ điện có khả năng phóng và nạp điện rất nhanh so với ắc quy. Với cấu tạo điện cực đặc biệt, điện dung lớn tới hàng nghìn Fara cho phép siêu tụ tích trữ một lượng điện năng lớn. Một nhược điểm của công nghệ siêu tụ hiện nay là có điện áp thấp (2.7 V mỗi cell). Để có siêu tụ điện dùng được cho ứng dụng ô tô, người ta cần mắc nối tiếp nhiều tụ thành module; điều này làm giảm dung lượng của tụ. Hiện nay siêu tụ điện có thể được sử dụng một cách độc lập cho phương tiện giao thông công cộng [19], [26] hoặc phổ biến hơn là được kết hợp với một nguồn năng lượng khác để tạo ra hệ năng lượng lai linh hoạt như sẽ được trình bày ở tiểu mục tiếp theo.

3.3.2 Điều khiển hệ năng lượng lai (H ESS)
Hệ năng lượng lai (Hybrid Energy Storage System - H ESS) kết hợp ắc quy Li ion và siêu tụ điện được xem là cấu trúc hứa hẹn nhất cho ô tô điện. Hệ thống này kết hợp được mật độ công suất cao của siêu tụ điện và mật độ năng lượng cao của ắc quy. Vấn đề là ta phải có chiến lược điều khiển để đạt được sự phối hợp tối ưu giữa hai loại nguồn này. Hiện nay, có ba nhóm phương pháp điều khiển nguồn năng lượng gồm [27]:
• Các phương pháp rule–based [28]–[30] yêu cầu xác định trước chu trình lái xe. Do đó các phương pháp này chỉ phù hợp với chu trình lái cố định khi thử nghiệm. Đối với chu trình lái xe thực tế, phương pháp vẫn có hiệu quả nhưng ít hơn nhiều so với thiết kế ban đầu.
• Các phương pháp tối ưu toàn cục (global optimization) cho phép tìm được trạng thái vận hành tối ưu của hệ thống. Tuy nhiên, các phương pháp này đều đỏi hỏi nhiều tính toán nặng nề nên chỉ có thể sử dụng cho tính toán offline. Mặt khác, các phương pháp này cũng yêu cầu xác định trước chu trình lái xe.
• Các phương pháp tối ưu thời gian thực (real¬ time optimization) [31]–[33] cho phép tìm điểm làm việc tối ưu trong mỗi chu kỳ tính toán trong thời gian thực. Do vậy, đây là lớp phương pháp hứa hẹn nhất và đang được tập trung nghiên cứu.

Hệ thống năng lượng trong xe ô tô điện là một đối tượng đa vật lý (multi physics) với nhiều thành phần tương tác với nhau. Để việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển cấp chiến lược (strategy/supervisory level) được thuận lợi có hiệu quả thì việc sử dụng một phương pháp có tính hệ thống cho mô hình hóa và điều khiển cấp thiết bị (low–level) là việc làm cần thiết. Hình 3 và 4 lần lượt là mô tả cấu hình một ô tô điện sử dụng nguồn năng lượng lai và cấu trúc điều khiển toàn bộ hệ thống bằng phương pháp EMR đang được nghiên cứu tại L2EP [34] là cơ quan đối tác nghiên cứu với Trung tâm CTI của tác giả.

Hình 3: Cấu hình ô tô điện sử dụng nguồn năng lượng lai kết hợp ắc quy và siêu tụ điện.
Hình 4: Cấu trúc điều khiển ô tô điện sử dụng nguồn năng lượng lai bằng phương pháp biểu diễn EMR.
Hình 5: Vai trò của sự phối hợp giữa các thành tố cần thiết cho sự thành công của ô tô điện.

4. Kết luận và một số đề xuất cho phát triển ô-tô điện tại Việt Nam
Khái niệm ô tô điện, tưởng mới mà rất cũ, đã ra đời từ rất lâu. Nhưng đến nay, mặc dù đã có nhiều đột phá, ô tô điện vẫn chưa phổ biến đến mức so sánh được với thị trường xe chạy động cơ đốt trong. Vấn đề lớn khiến ô tô điện chưa chinh phục được thị trường là quãng đường đi được cho mỗi lần nạp và giá thành cao.

Để giải quyết vấn đề thứ nhất, rất nhiều nghiên cứu và phát triển về các thiết bị lưu trữ điện năng, nhiều nhất là công nghệ ắc quy, đã được thực hiện. Nhưng cho đến nay, nguồn năng lượng vẫn là một điểm yếu của ô tô điện (và thực tế là của tất cả các thiết bị chạy điện di động, ví dụ như điện thoại hay máy tính xách tay).

Đối mặt với vấn đề giá thành, nhiều nỗ lực đã được bỏ ra để cải tiến các thành phần của xe như động cơ, bộ biến đổi, bộ điều khiển, hệ thống quản lý năng lượng, ắc quy và bộ nạp ắc quy, cũng như các thiết bị phụ trợ khác. Tuy vậy, giá thành ô tô điện hiện nay vẫn cao hơn khá nhiều so với xe động cơ đốt trong và là một trở ngại để nó đến tay người tiêu dùng.

Với một đối tượng hấp dẫn nhưng phức tạp và có nhiều vấn đề nan giải như ô tô điện, chìa khóa để thành công phải là sự kết hợp giữa các thành tố như Hình 5. Thứ nhất cần có sự phối hợp của các nguồn lực xã hội bao gồm sự hỗ trợ về chính sách của Nhà nước, sự hỗ trợ tài chính và đầu tư mạo hiểm của công nghiệp, và sự hỗ trợ chuyên môn từ các đơn vị nghiên cứu (các trường đại học và viện nghiên cứu). Thứ hai là sự phối hợp về công nghệ giữa các ngành chuyên môn khác nhau gồm công nghệ ô tô, điện, điện tử, hóa học, và công nghệ vật liệu.
Mặc dù điểm nhìn và điểm nhấn của ba thành tố trong Hình 5 không giống nhau; nhưng nếu có chung một mục tiêu và cơ chế phối hợp hiệu quả, vùng giao thoa giữa ba miền sẽ lớn dần lên, và khả năng thành công của ô tô điện Việt Nam sẽ lớn hơn.

Tạ Cao Minh
Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ - CTI  |  Đại học Bách Khoa Hà Nội

Số 178 (12/2015)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 

logost new




 


 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết