Full hệ thống lái trang bị trên ô tô hiện nay

Từ khi ô tô ra đời cho đến nay, hệ thống lái được cải tiến không ngừng để đáp ứng các tiêu chí về an toàn và tiện nghi, tính an toàn chủ động trong điều kiện chuyển động với vận tốc cao và mật độ các phương tiện tham gia giao thông lớn. Quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ thống lái sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái Steer by wire, hệ thống lái tự động.

 image001 1.                 Hệ thống lái thuần cơ khí

2.                 Hệ thống lái trợ lực thủy lực

3.                 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện.

4.                 Hệ thống lái trợ lực điện

5.                 Hệ thống lái chủ động AFS

6.                 Hệ thống lái Steer by wire

7.                 Hệ thống lái tự động

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái

1. Hệ thống lái thuần cơ khí

Hệ thống lái thuần cơ khí được bố trí trên các xe thế hệ đầu tiên từ thập kỷ 50.  Cho đến này bản thân bộ phận cơ khí hệ thống lái cũng có nhiều cải tiến. Các nghiên cứu về hệ thống lái cơ khí chủ yếu tập trung vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn nhất trên một diện tích bé, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay lái nhỏ, đảm bảo động lực quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt, sự tương ứng động học giữa dẫn động lái và bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo, khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái, quan hệ chuyển động giữa bánh xe bên phải và bên trái.

Hệ thống lái thuần cơ khí bao gồm hai thành phần chính: dẫn động lái và cơ cấu lái. Cơ cấu lái là bộ chuyển đổi mô men giữa góc quay vòng các bánh xe dẫn hướng và góc quay vành lái lớn. Dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng đồng thời đảm bảo cho các bánh xe dẫn hướng quay quanh trụ đứng với vận tốc và góc quay khác nhau nhằm tránh hiện tượng trượt khi quay vòng.

image008

Hình 1. 1 Hệ thống lái thuần cơ khí

             Nhìn chung hệ thống thuần lái cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để xe chuyển động trên đường đảm bảo các bánh xe ít bị trượt khi quay vòng. Tuy nhiên có nhiều vấn đề cần cải tiến trên hệ thống lái này:

  1. Người lái phải sử dụng 100% năng lượng để thực hiện việc quay vòng bánh xe trong quá trình chuyển động, đồng thời cũng tiếp nhận những phản hồi không mong muốn từ mặt đường điều này làm cho người lái cảm thấy mệt mỏi khi sử dụng.
  2. Quỹ đạo chuyển động quay vòng chịu ảnh hưởng của góc quay thân xe và tình trạng đánh lái. Trong khi hệ thống lái này chỉ tập trung vào bài toán góc quay dẫn hướng bánh chuyển động theo vô lăng do đó ảnh hưởng của dịch chuyển thân xe đặc biệt khi đánh lái ở tốc độ cao là rõ nét và chưa kiểm soát được.
  3. Chưa tối ưu khối lượng, kích thước các chi tiết cơ khí nên cơ cấu công kềnh, nặng chiếm nhiều không gian bố trí. Khả năng va đập khi sảy ra sự cố ảnh hưởng nhiều đến người sử dụng là rõ nét.

Hệ thống lái thuần cơ khí chủ yếu trang bị cho các dòng xe từ thập kỷ 70-80. Trên thị trường Việt Nam một số ít các xe cũ vẫn lưu thông sử dụng loại hệ thống lái này.

2. Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS-Hydraulic Power Steering)

Hệ thống lái có trợ lực thủy lực là sự cải tiến của hệ thống lái thuần cơ khí nhắm giải quyết vấn đề chính là hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển xe tạo cảm giác thoải mái khi lái xe. Tùy theo thiết kế và chế độ chuyển động của xe, năng lượng hỗ trợ của bộ trợ lực do động cơ tạo ra có thể lên đến 80% năng lượng tổn hao cho việc đánh lái. Việc trang bị hệ thống lái trợ lực sẽ giúp cho người lái ít tổn hao năng lượng khi quay vòng xe và giảm được những va đập từ bánh xe lên vô lăng. Không những thế, nó còn nâng cao được tính năng an toàn trong trường hợp bánh xe gặp sự cố. Đây là một trong những ưu điểm nổi bật hệ thống lái trợ lực thủy lực.

image010

Hình 1. 2 Bố trí hệ thống lái với trợ lực lái

(1; Bộ tản nhiệt, 2; Bình chứa dầu trợ lực, 3; Bơm dầu trợ lực, 4; Bộ phận cảm biến mô men cản quay điều khiển van trợ lực thủy lực, 5; Thước lái và xylanh thủy lực)

Vấn đề chính cần giải quyết là tỷ lệ trợ lực phù hợp với điều kiện chạy xe và sự thay đổi góc đánh lái. Có thể thấy rõ: Khi di chuyển ở vận tốc thấp ta cần trợ lực nhiều, ngược lại tốc độ cao cần hạn chế trợ lực, Vị trí vô lăng vị trí trung hòa (chạy thẳng) cần ít trợ lực, đánh lái nhiều càng xa vị trí trung hòa tỷ lệ trợ lực càng tăng. Hay nói các khác hệ thống trợ lực thủy lực cần bố trí thay đổi tỷ lệ trợ lực theo điều kiện chuyển động theo hai thông số chính: góc đánh lái và vận tốc xe.

image012

Hình 1. 3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực thủy lực

               Điểm quan trọng nhất của hệ thống lái trợ lực thủy lực chính là thanh xoắn (torsion bar) bố trí trên trục lái. Thanh xoắn này đóng vai trò bộ phận cảm biến mô men. Góc đánh lái càng lớn mô men xoắn càng lớn làm cho thanh xoắn biến dạng nhiều khi đó cửa van dầu trợ lực được mở rộng áp lực dầu trợ lực tăng theo. Vận tốc chạy xe tăng làm cho mô men cản tại bánh xe dẫn hướng giảm làm cho biến dạng thanh xoắn cũng giảm độ mở van trợ lực, lực trợ lực giảm theo điều này làm hạn chế khả năng trợ lực khi tăng vận tốc mốt cách tự nhiên.

Hệ thống trợ lực lái này ngoài ưu điểm tạo cảm giác nhẹ khí lái xe vẫn còn một số nhược điểm cần cải tiến: Việc điều khiển các van dầu trợ lực bằng thanh xoắn hoàn toàn bằng cơ khí nên dải tốc độ hạn chế (góc biến dạng thanh xoắn được giới hạn), đặc biệt khi chạy ở tốc độ cao công suất bơm dầu tăng dẫn đến áp lực dầu tăng theo, việc hạn chế trợ lực trở lên khó khăn (mất cảm giác lái), bơm dầu làm việc liên tục (do nối trực tiếp với động cơ) làm tổn hao năng lượng trong tình trạng không cần trợ lực.

Trên thị trường Việt Nam hiện nay rất nhiều dòng xe trang bị hệ thống lái này do giá thành rẻ và phù hợp tốc độ chạy xe hạn chế (<120km/h)

3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử (EHPA)

Trên hệ thống lái trợ lực thủy lực là phiên bản cải tiến của hệ thống lái trợ lực thủy lực (được phát triển từ thập kỷ 90). Ngoài hai bộ phận là cơ cấu lái và dẫn động lái như hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực lái thủy lực được cải tiến. Đặc điểm quan trọng của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực. Độ biến dạng của thanh xoắn được chuyển thành tín hiệu điện gửi đến hộp MCU điều khiển  trợ lực. Hộp MCU điều khiển trợ tổng hợp các tín hiệu chạy xe, tính toán và xác định phần tỷ lệ trợ lực từ đó quyết định áp lực trợ lực lái.

So sánh với hệ thống lái trợ lực thủy lực hệ thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử có nhiều ưu điểm hơn như: Dải làm việc làm việc của trợ lực đa dạng đáp ứng các dải tốc độ khác nhau đặc biệt là dải tốc độ cao (tạo cảm giác lái), tạo sự thoải mái khi lái xe.

image014Hình 1. 4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử

image016

Hình 1. 5 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử (hãng BMW)

           Trên thị trường Việt Nam hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện thường được trang bị cho các dòng xe hạng trung và một số xe hạng sang

4. Hệ thống lái trợ lực điện tử (ESP)

Hệ thống lái trợ lực điện phát triển cùng thời điểm với hệ thống trợ lực lái thủy lực điều khiển điện tử. So với hệ thống lái trợ lực thủy lực hệ thống lái trợ lực điện tử có nhiều ưu điểm hơn. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử sử dụng bộ trợ lực thủy lực thì với bơm thủy lực gắn với động cơ nên hoạt động liên tục trong quá trình chạy xe gây lãng phí công suất khi không sử dụng trợ lực lái, thêm vào đó dầu trợ lực lái là một nhân tố gây ô nhiễm môi trường. Kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện tử cũng gọn hơn.

Cải tiến quan trong của hệ thống này là thay thế lực tác dụng từ bơm dầu trợ lực bằng động cơ điện. Mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển nên các chế độ trợ lực được thay đổi một cách linh hoạt. Hộp điều khiển ECU được lập trình dựa trên thuật toán điều khiển và mô hình toán điều khiển trợ lực hệ thống lái. Tùy theo từng hãng xe, mô hình điều khiển được sử dụng có sự khác nhau. Tuy nhiên, có một đặc điểm chung nhất đó là các đặc tính trợ lực được xây dựng dựa trên đặc tính cản từ mặt đường. Trong hệ thống này, cảm biến mô men cản (bố trí trên thanh xoắn) sẽ xác định mô men cản từ mặt đường tác dụng lên hệ thống, kết hợp với cảm biến vận tốc và các thông số chạy xe phần mềm sẽ quyết định trợ lực tỷ lệ trợ lực thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện.

a)image018 b)image019

Hình 1. 6 Mô hình khảo sát hệ thống lái trợ lực điện

a)Đặc tính trợ lực hệ thống lái trợ lực điện; b)Mô hình hệ thống lái trợ lực điện

Trên thị trường xe Việt Nam hệ thống lái trợ lực điện được trang bị cho các dòng xe hạng trung và một số xe hạng sang.

5. Hệ thống lái chủ động (AFS – Active Front Steering)

Hệ thống lái chủ động AFS được thiết kế dựa trên phân tích về hướng chuyển động thực tế của xe khi lưu thông ở các tốc độ khác nhau tại các điều kiện khác nhau. Khi ô tô chuyển động ở dải tốc độ thấp hướng chuyển động của ô tô được quyết định bởi góc đánh lái. Tuy nhiên khi vận tốc chuyển động lớn hơn 60 Km/h ảnh hưởng của lực quán tính tác động lên thân xe làm xoay thân xe (do lốp biến dạng và ảnh hưởng hệ thống treo) là rõ nét. Nói các khác hướng chuyển động của ô tô phụ thuộc vào hai tín hiệu góc đánh lái và góc xoay thân xe.

Điểm quan trong hệ thống lái này là trên trục lái nối giữa Vô lăng và cơ cấu lái được bố trí thêm bộ chấp hành AFS  (AFS actuator) – cơ cấu thay đổi tỷ số truyền được thay đổi theo tình trạng chạy xe. Trên hệ thống này xuất hiện thêm cảm biến xoay thân xe, tín hiệu từ cảm biến này kết hợp với tín hiệu vận tốc, góc đánh lái, vận tốc đánh lái được gửi đến hộp điều khiển. Tín hiệu từ bộ điều khiển quyết định tỉ số truyển tại bộ chấp hành.

picture11

Hệ thống lái AFS

image021

Hình 1. 7 Mô hình phân tích góc xoay thân xe do biến dạng lốp

(Mô men cản bánh xe bên phải, trái Ml,Mr , Mô men đánh lái Md)

               Hệ thống lái AFS kết hợp với bộ trợ lực tạo thành hệ thống lái trang bị cho các xe hạng sang. Bộ trợ lực điện này có thể được bố trí trên trục lái (EPAS-column), bố trí trên thước lái (EPAS-rack) hay được gắn thêm bộ phận giảm tốc và bố trí trên thước lái (EPAS-pinion), đặt song hành cùng với thước lái (EPAS-dual-pinion). Hệ thống trợ lực điện có nhiều ưu điểm hơn hệ thống lái trợ lực thủy lực như điều khiển nhẹ hơn và không chiếm không gian nhiều và không làm tiêu tốn nhiều công suất của động cơ.

  image023  image024  image025  image026
EPAS-column EPAS-rack EPAS-pinion EPAS-dual-pinion

Các loại hệ thống lái trợ lực điện kết hợp với AFS

6. Hệ thống lái Steer by wire

Với các hệ thống lái đã trình bày ở trên, khi quay vòng ở các tốc độ khác nhau người lái chỉ kiểm soát được một số trạng thái động lực học của xe. Ô tô chỉ có thể được kiểm soát hoàn toàn khi quay vòng với hệ thống lái điện (Steer by wire). Trong các năm gần đầy, hệ thống lái này đang được tập trung nghiên cứu. Đây là hệ thống lái có khả năng tạo ra lực hỗ trợ lái xe quay vành lái với 100% năng lượng. Khái niệm Steer by wire(SBW) được hình thành dựa trên mong muốn xây dựng hệ thống lái đáp ứng được các tình trạng chuyển động theo mong muốn của người điều khiển xe khi quay vòng. Hệ thống Steer by wire có thể được chia thành hai hệ thống: hệ thống Steer by wire độc lập và hệ thống Steer by wire tích hợp. Hệ thống Steer by wire tích hợp với đặc điềm hai bánh dẫn hướng liên kết với nhau qua hình thang lái.

a)image028   b)image029

Hình 1. 8 Kiểu hệ thống lái SBW

a)Hệ thống tích hợp; b)Hệ thống độc lập

               Đặc điểm hệ thống Steer by wire độc lập với đặc điểm mỗi bánh xe dẫn hướng bố trí một động cơ điều khiển. Việc điều khiển một cách độc lập tại các bánh xe có ưu điểm giúp tỉ lệ thay đổi góc dẫn hướng bánh xe một cách độc lập theo lý thuyết quay vòng. Tuy nhiên với công nghệ hiện nay, các nghiên cứu mới tập trung vào hệ thống Steer by wire tích hợp. Sơ đồ tổng thể về hệ thống điện như sau:

image030

Hình 1. 9Hệ thống lái Steer By Wire

  1. Vành lái; 2. Mô tơ tạo cảm giác; 3. Hộp điều khiển; 4. Cảm biến tốc độ, mô men trục lái; 5. Mô tơ điều khiển trục lái; 8. Cơ cấu lái; 9. Thanh lái

Trong hệ thống lái điện hình 1.9 phía dưới vành lái được bố trí một cảm biến vị trí góc quay, khi người lái tác động vào vành lái, tín hiệu được cảm biến thu nhận và truyền qua hộp điều khiển, hộp điều khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động cơ gắn trên cơ cấu lái để điều khiển cơ cấu lái đúng như tín hiệu mà người điều khiển mong muốn. Ở chiều ngược lại, trên cơ cấu lái cũng gắn một cảm biến thu thập tín hiệu phản hồi từ mặt đường, tín hiêu này được truyền ngược lên hộp điều khiển, hộp điều khiển phân tích và xuất tín hiệu điều khiển động cơ gắn dưới vành lái để tạo cảm giác tác động phản hồi từ mặt đường đến người lái. Trên các hệ thống lái thông thường, mô men từ vành tay lái được truyền trực tiếp xuống cơ cấu lái thống qua trục lái. Tuy nhiên ở hệ thống lái điện cơ cấu liên kết trung gian này đã được loại bỏ, chính vì vậy việc việc đồng bộ góc quay giữa vành tay lái và cơ cấu lái cũng như những tác động phản hồi từ mặt đường lên vành  lái được xem là một nhiệm vụ quan trọng.

Bộ điều khiển hệ thống lái đóng vai trò then chốt trong quá trình điều khiển xe. Mọi thông tin sẽ được xử lí bằng điện tử nên khả năng phản ứng với những thông tin trong quá trình lái xe sẽ nhanh hơn, không những thế nó còn có khả năng hạn chế phản hồi từ mặt đường, theo đó khi xe đi vào mặt đường xấu, gồ ghề những rung động từ mặt đường tác động lên vành lái sẽ được loại bỏ, nhờ vậy người lái không bị mỏi tay mà thoải mái hơn đồng thời không gian bố trí cho hệ thống lái giảm, trọng lượng giảm. Hệ thống lái này đã và đang nghiên cứu và ứng dụng trong các năm gần đây.

 

Tài liệu tham khảo:

  •  Thomas D. Gillespie “Fundamental of Vehicle Dynamics”
  • Automotive Engineering, Powertrain, Chassis system and Vehicle Body. Trong D. Corolla, Automotive Engineering, Powertrain, Chassis system and Vehicle Body. Oxford: Elsevier.
  • Intelligent Vehicle Motion Control, Subsystem Co-ordination,. Brown and Corolla, Fisita World Youth Congress. Seoul: 2000.
  • Control systems and optimization , Optimization. Trong B. H. By A. Galip Ulsoy, Automotive Control Systems. Cambridge University Press: June 2012.
  • Mark Albert Selby, Intelligent Vehicle Motion Control. Febuary 2003: University of Leeds School of Mechanical Engineering.
  • Process- Industrial Intrusments and Control Handbook . Trong G. K.McMillan, Process- Industrial Intrusments and Control Handbook. Fifth Edition: McGRAW-HILL.
  • IVMC: Intelligent Vehicle Motion Control. SAE Technical Paper 2002-01-0821, 2002 .

Những vấn đề phát triển ô tô điện

  1. Những tiến bộ của ắc quy Hybrid

Điểm yếu của ắc quy điện là khả năng tích lũy thấp, thời gian sạc lâu và giá sản xuất còn quá cao, nhưng ưu điểm là điện có mặt ở khắp nơi và dễ tạo một mạng lưới phân phối cho nhu cầu ôtô.  Các chương trình nghiên cứu tập trung giải quyết ba điểm yếu chính của ắc quy.

Tăng mật độ năng lượng

Hiện tại, các bình Lithium-ion sản xuất trên thị trường chỉ có mật độ cao nhất khoảng 150 Wh/kg. Với dung tích và khối lượng thích ứng với một chiếc ôtô con, bình điện có mật độ này chỉ đủ cung cấp năng lượng cho một quãng đường 100 – 150 cây số, tùy theo điều kiện giao thông.  Những phòng thí nghiệm đang làm việc trên các cực điện mới có khả năng tích lũy nhiều ions lithium hơn như ôxít mangan (LiMnO2) hay lithium sulfide (Li2S),…. Những công nghệ này đang được nghiên cứu để đưa mật độ các bình Li-ion lên đến 200 trong ngắn hạn rồi 300 và có thể tới 500Wh/kg hay cao hơn nữa, như vậy tự trị ôtô có thể đạt 400/500 cây số.

image001

 Giảm thời gian sạc

Với các phích bình thường, sạc đầy một bình điện phải đợi tới 6-7 giờ, hai phương pháp đã được nghiên cứu để giảm thời gian sạc: Phát triển các trạm sạc nhanh và rất nhanh

       Nhanh: khoảng 1 giờ: điện 3 pha với công suất 24kW,  điện áp  400V và cường độ 32A  

       Rất nhanh: điện 3 pha – 43kW – 400V – 64A

Nhưng dùng điện mạnh có hậu quả làm pin quá nóng và giảm tuổi thọ. Đổi bình thay vì sạc: Renault đang thực hiện cuộc thử nghiệm đại trà tại Đan Mạch và Do Thái phương pháp thay bình điện Quick Drop. Chỉ cần 3 phút để thay, nhưng hiện tại chỉ có một mẫu xe Fluence Renault được thiết kế cách này    

image005

–   Giảm giá bình điện

Giống như pin nhiên liệu, giá sản xuất các ắc quy sẽ giảm nhanh khi đi vào sản xuất dây chuyền. Theo dự đoán, giá một kWh ở thập niên 2020/2030 sẽ giảm hơn 10 lần so với 2010, khoảng 100 USD (xem hình 5). Lúc đó thị trường ôtô điện sẽ cạnh tranh được với thị trường xăng dầu.

 image003

Dự kiến về giá bình điện Li-ion

2. Các loại xe Hybrid

Để bước vào giai đoạn chuyển tiếp từ xăng dầu sang điện năng, các tập đoàn ôtô đã phát minh nhiều loại xe lai. Bắt đầu bằng Stop&Start và Mild hybrid, những loại hybrid với máy điện chỉ có chức năng phát điện điều hành các thiết bi để giảm từ 5 đến 10% lượng xăng tiêu thụ. Các loại xe lai đang bán trên thị trường được tóm tắt trong hình 6 dưới đây

image006

–  Full hybrid (HEV) dùng hai động cơ điện, động cơ thứ nhất cung cấp lực kéo phụ trợ khi cần và động cơ thứ hai giữ chức năng máy phát điện nhưng không dùng nguồn điện cung cấp từ bên ngoài mà chỉ sử dụng điện chuyển từ năng lượng cơ khí thu hồi khi xe giảm tốc độ và cung cấp bởi động cơ xăng. Toyota Prius I là xe đầu tiên bán trên thị trường. Loại xe này tiết kiệm khoảng 30-35% nhiên liệu xăng.

     –  Plug-in hybrid, (PHEV-xe lai sạc) có cùng nguyên tắc điều hành với full hybrid nhưng có thể cung cấp điện từ bên ngoài. Prius 3 là Plug-in hybrid đầu tiền bán trên thị trường, theo sau là   Honda (Accord), Huyndai (i30), Mercedes S500, Volvo, Ford (Fusion), Nissan 2015,…Theo Toyota, Prius 3 có thể tiết kiệm xăng từ 31 đến 67% tùy theo số lần sạc điện mỗi ngày (xem hình 7).

–   Plug-in hybrid Range Extender (PHREV) là xe lai với nguyên tắc máy điện là lực đẩy xe và sử dụng một động cơ đốt trong nhỏ để phát điện. Mẫu xe điện BMW i3 Range Extender có quãng đường vận hành khoảng 300 km mỗi lần mỗi lần sạc đầy pin và tiêu thụ 1,2 lít xăng/100km (động cơ xăng có 2 xy lanh 650 cm³) thay vì 7 lít của cùng mẫu xe thiết bị động cơ đốt trong, tiết kiệm được 85% xăng tiêu thụ.

Hiện tại trên thị trường có Opel Ampera, Chevrolet Volt, BMWi3 và thêm 14 mẫu xe từ đây tới 2018 (theo Frost & Sullivan)

  Ôtô điện 100% hay Zero emission vehicle(ZEV): Với phát minh “thay bình thay vì sạc”, Renault đã tăng tiềm năng phát triển của ôtô điện. Liên minh Renault-Nissan vừa đưa ra thị trường 5 mẫu xe điện, Renault Kangoo, Twizy, Zoé, Fluence và Nissan Leaf.

 

3. Vai trò chiến lược của các quốc gia

 Nhận định rằng ôtô điện là giải pháp lâu dài duy nhất để giải quyết hàng loạt các vấn đề cố hữu của ngành giao thông: từ việc nhiên liệu dần cạn kiệt cho đến bảo vệ môi trường đến giảm thiểu khí thải,…., các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật và các nước châu Âu đã đặt phát triển ôtô điện trong kế hoạch chiến lược, một mặt hỗ trợ các chương trình nghiên cứu và mặt khác trực tiếp tham gia vào các chương trình xây dựng những mạng lưới phân phối điện và hydrogen.

 Xây dựng các trạm nạp điện và “Lưới điện thông minh”.

Thị trường ôtô điện bắt đầu khích động bởi sự ra mắt của nhiều mẫu xe của tất cả các tập đoàn quốc tế và sự phát triển nhanh chóng của mạng lưới sạc điện. Châu Âu đã chính thức giới thiệu kế hoạch xây dựng 500.000 trạm sạc điện, tới năm 2015, tất cả các bãi đỗ xe của các tòa nhà mới xây và ở những khu vực hành chính sẽ được trang bị trạm sạc. Thành phố Newyork sẽ được trang bị 10.000 điểm sạc và Nhật sẽ có 12.000 trong dó có 8000 sạc nhanh.

Sự phát triển thị trường ôtô điện sẽ đặt vấn đề cân bằng cung-cầu năng lượng, quản lý những thời gian cao điểm và tối ưu một hệ thống phân phối đại trà. Ngoài việc tăng cường sản xuất, vấn đề sử dụng các nguồn lực một cách “thông minh” hơn là căn bản. Các quốc gia đang xây dựng “mạng lưới thông minh” (smart grid) hàm ý chỉ một giải pháp quản lý tối ưu việc sử dụng điện, từ khâu sản xuất, truyền dẫn, phân bố đến người tiêu thụ điện dựa trên cơ sở của các tiến bộ công nghệ thông tin, dùng kỹ thuật số để kết nối và thông tin cho tất cả các thiết bị năng lượng qua mạng máy tính với nhiều mục đích: quản lý sản lượng điện trong thời gian cao điểm một cách có hiệu quả, điều chỉnh giá bán điện một cách linh hoạt; nâng cao hiệu suất của lưới phân phối và tích hợp nguồn phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Để đáp ứng nhu cầu trong tương lai, châu Âu đã xây dựng một chương trình khai thác các nguồn năng lặng tái tạo ở châu Phi, đặc biệt là mặt trời và gió, để sản xuất điện và chuyển về châu Âu.

  1. Kết luận

Để kết thúc một Hội nghị về Công nghệ Xe sạch ở Paris, ban tổ chức đã chiếu slide dưới đây để xác định mục đích (hay giấc mơ) của những người nghiên cứu trong ngành ôtô: thay thế dầu khí bằng năng lượng tái tạo để – giảm ô nhiễm môi trường, giảm sa thải khí nhà kính CO2,  – ngừng hoang phí nguồn năng lượng mà thiên nhiên đã cần hàng triệu năm để chế biến từ các chất hữu cơ thành dầu khí mà chỉ hơn nửa thế kỷ qua, chúng ta đã tháo cạn hơn một nửa tài nguyên này của thế giới!

TS Khương Quang Đồng

oto-thongtintraodoi.com

Xe Hybrid của bạn sử dụng loại bình điện nào?

Công nghệ chế tạo nguồn điện rời (bình ắc quy và pin) đang là một trong những công nghệ quyết định đến thành công của nhiều sản phẩm công nghệ khác. Công nghệ này được áp dụng cho nhiều sản phẩm điện thoại, máy tính, xe điện,  xe hybrid và nhiều sản phẩm khác. Đối với bình điện sử dụng trên các dòng xe Hybrid yêu cầu tương đối khắt khe bao gồm: tuổi bền sử dụng cao, dung lượng lớn, cung cấp điện áp cao, an toàn. Dùng phổ biến trên các xe hybrid hiện này gồm hai nhóm chính: Ắc quy hybrid Nickel – kim loại hydrua (Nickel Metal Hydride – NiMH, Nickel – Hydrogen, Nickel – Iron), và ác quy Lithium (Lithium – Iron, Lithium-ion…). Trong hai loại trên loại ác quy Nikel – kim loại hydrua  được sử dụng rộng rãi do giá cả tương đối và tuổi bền cao.  Ác quy NiMH còn gọi là một ắc quy kiềm do việc sử dụng kali hydroxit (KOH) là chất điện phân. Bình được sử dụng cho xe hybrid rộng rãi trên thị trường vì nhiều lý do kỹ thuật quan trọng:

  • Tạo ra điện áp cao đáp ứng dải tốc độ chạy xe khác nhau.
  • Bình điện ở dạng kín giảm thiểu các vấn đề bảo trì và rò rỉ
  • Dải làm việc trên một phạm vi tương đối rộng
  • Tuổi thọ cao
  • Khả năng phóng điện trong thời gian dài tương đối tốt (tùy vào thiết kế)

image002

Cụm acquy Hybrid (các mô dul ác quy,  rơ le chuyển mạch chính chính SMR, Bộ làm mát của ac quy Hybrid, bộ điề khiển ác quy, đầu nối ác quy)

image003

Hệ thống tản nhiệt cho acquy Hybrid

Ác quy cho xe Hybrid bao gồm nhiều modul nhỏ khác nhau mắc nối tiếp nhau. Mỗi một mô dul bao gồm nhiều ngăn nhỏ (cell) điện áp chuẩn mỗi ngăn là 1,2V. Một mô dul tùy theo chuẩn điện áp có thể chứa 6 ngăn (7,2 V), 8 ngăn (9,6 V) hoặc 12 ngăn (14,4 V).  Trong một Ác quy Hybrid chứa nhiều mô dul nhỏ (tùy loại có thể nhiều hoặc ít hơn) mắc nối tiếp nhau. Điện áp của ác quy Hybrid nếu chứa 28 mô dul, mỗi mô dul có điện áp chuẩn 7,2 V điện áp của nó sẽ là 28*7,2 = 201,6 (V). Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng mỗi bình ác quy bố trí tay nắm sửa chữa có nhiệm vụ chính ngắt mạch nối tiếp giúp ngắt điện áp đầu ra mỗi khi cần bảo dưỡng, sửa chữa.

image005image002

Ácquy Hybrid bao gồm nhiều Môdul rời Bên trong mỗi ngăn ắc quy Hybrid bao gồm bản điện cực âm và bản điện cực dương  ngăn cách nhau bởi màng ngăn được ngâm trong dung dịch kiềm KOH.

Các dòng xe do Nhật sản xuất bình ác quy thường do hai tập đoàn lớn Panasonic và Toshiba sản xuất. Hiện nay acquy Hybrid (HV) được sản suất theo các tiêu chuẩn khác, Acquy HV hãng Toyota sử dụng cho các dòng xe  cũng khác nhau về kích thước, khối lượng, điện áp.

Ví dụ:

  • Cụm bình acquy Camry hybrid có điện áp 245(V), Số lượng mô dul trong bình 34 mô dul, Điện áp môdul 7,2(V), Kích thước môdul 118*20*276 (mm), Khối lượng môdul 1 (kg), Kích thước tổng thể bình ác quy 8×34*495 (mm), Khối lượng  ác quy HV 51 (kg)
  • Cụm bình acquy LS 600H có điện áp 288(V), Số lượng mô dul trong bình 20 mô dul, Điện áp môdul 14,4(V), Kích thước môdul (18*542*86 mm), Khối lượng môdul 2,2(kg), Kích thước tổng thể bình ác quy 515×842*257 (mm), Khối lượng  ác quy HV 67 (kg)

Vì sao xe Hybrid tiết kiệm nhiên liệu?

Vì sao xe Hybrid tiết kiệm nhiên liệu?

Trên ô tô truyền thống công suất từ động cơ xăng (hoặc diesel) cung cấp trực tiếp đến bánh xe thông qua hệ thống truyền lực. Trên xe Hybrid động cơ xăng (hoặc diesel) phối hợp với động cơ điện cung cấp năng lượng đến bánh xe chủ động. Vậy việc phối hợp giữa hai động cơ này như thế nào để đem lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu cho người sử dụng?

image001

Xe Hybrid trên được trang bị động cơ xăng (engine), động cơ xoay chiều (motor), máy phát điện (Gennerrator) và ác quy Hybrid  (HV), bộ điều khiển và chuyển đổi điện áp PCU.

Công suất được cung cấp cho bánh xe chuyển động được phân phối theo tình trang chạy xe trên đường. Thông thường vận hành xe có thể được chia thành bốn trạng thái chính: Bắt đầu khởi hành (staring off), tăng tốc, di chuyển trên đường thông thường, giảm tốc. Ứng với mỗi chế độ các hệ thống trên xe Hybrid làm việc như sau:

  1. Chế độ bắt đầu khởi hành

Chế độ bắt đầu khởi hành trên các xe sử dụng năng lượng truyền thống tốn rất nhiều nhiên liệu do nhiều yếu có khác nhau: ma sát hệ thống lớn, chế độ phun đậm, tốc độ động cơ chậm, nhiệt độ thấp… Khắc phục bất lợi trên, xe Hybrid sử dụng năng lượng từ bình acquy HV cung cấp cho động cơ xoay chiều làm nguồn năng lượng chính giúp cho xe chuyển động.

image003

image005

  1. Chế độ tăng tốc

Ở chế độ tăng  tốc  mô men cung cấp cho bánh xe tương đối lớn, động cơ thông thường thường làm việc ở chế độ mô men cực đại đòi hỏi phải tiêu tốn một lượng nhiên liệu tương đối lớn. Xe hybrid có giải pháp khác,  năng lượng truyền đến bánh xe được tổng hợp từ ba nguồn khác nhau: trực tiếp từ động cơ xăng, động cơ xăng chuyển đổi qua máy phát điện tới động cơ điện xoay chiều, từ bình điện HV tới động cơ điện xoay chiều. Điều này giúp động cơ chỉ làm việc biến thiên ở dải tốc độ nhất định.

image006

image007

  1. Chế độ di chuyển trên đường thông thường

 Chế độ di chuyển trên đường thông thường động cơ xăng có có hai chức năng song song: trực tiếp cấp năng lượng tới các bánh xe dẫn hướng, dẫn động cho máy phát điện cấp cho động cơ xoay chiều.

image008

image009

  1. Chế độ giảm tốc

 Đối với các xe sử dụng năng lượng truyền thống khi phanh động năng của xe bị triệt tiêu bởi ma sát hệ thống phanh. Trong suốt quá trình chạy xe nguồn năng tương đối lớn và lãng phí. Xe Hybrid tận dụng nguồn năng lượng này tích trữ vào bình ác quy HV. Quán tính xe trong quá trình giảm tốc làm máy phát điện sinh ra điện áp nạp cho acquy HV. Đối với những thành phố mật độ phương tiện dày đặc  như nước ta hiện này việc chạy xe liên tục phải thay đổi tốc độ thì sử dụng xe Hybrid là một trong những giải pháp tương đối hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu.

 image010

image011

image012

Mặc dù xe Hybrid là dòng xe mới phổ biến trên thì trường Việt Nam gần đây  tuy nhiên dòng xe này tập hợp rất nhiều công nghệ tiên tiến, đặc biệt về khả năng tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường.

Mercedes triển lãm công nghệ xe hơi tại Nhật Bản?

 

Thường thì người tiêu dùng Việt Nam quen với các buổi giới thiệu sản phẩm đến từ hai đại gia công nghệ ô tô Đức và Nhật. Giữa các đại gia cũng “khoe” công nghệ với nhau qua các hội trợ công nghệ, đây không chỉ là những buổi giới thiệu sản phẩm mà còn là nơi trao đổi ý tưởng công nghệ và hợp tác phát triển.  Năm 1015, hãng Mercedes giới thiệu chiếc xe được mệnh danh là Vision Tokyo tại tuần lễ triển lãm ô tô xe máy tại Tokyo. Với thiết kế vô cùng độc đáo, hài hòa từ kiểu dáng bên ngoài , nội thất bên trong, lẫn công nghệ sử dụng trên xe chiếc xe mong đợi sẽ là “phòng thư giãn” cho người sử dụng.

image012

Vision Tokyo là phiên bản sau của Concept F015 được thiết kế với chủ đề biến ô tô thành “không gian sống”; một nơi mát dịu chen giữa tình trạng giao thông tại các siêu đô thị. Vision Tokyo sở hữu tất cả những công nghệ bạn mong đợi. Nội thất được thiết kế với sức chứa lên đến năm người. Ngoài ra còn có màn hình LED thông minh bao quanh cho hình ành hình ảnh ba chiều 3D cho các ứng dụng, giải trí và bản đồ, và một đông cơ được điều khiển bộ xử lý thông minh có khả năng cảm nhận được mong muốn của người sử dụng. Xe sử dụng bình điện với công nghệ tạo điện từ Hydro (pin Fuel cell) và bộ truyền động điện. Bình chứa hydro được trang bị trên xe giúp xe lái xe khoảng 609 dặm (980km) không cần nạp nhiên liệu;

 

Người Đức thiết kế xe cho chủ nhân thế giới tương lai như thế nào?

Mẫu xe tự lái F015 của Mercedes-Benz được cho là mẫu xe của tương lai được hãng Mercedes triển khai từ năm 2011. Tầm nhìn của công ty này là làm ra sản phẩm cung ứng cho thị trường tương lai với phương châm “the day after tomorrow”, tức là tạo ra các sản phẩm đón đầu trong tương lai. Vì vậy, mẫu xe thiết kế  không phải là phiên bản bạn có thể mua ở một đại lý trong một vài năm tới. Đây là mẫu xe trong phòng thí nghiệm ô tô nơi thử nghiệm các công nghệ. Không chỉ là nơi tạo ra các thiết kế đơn thuần, phòng thiết kế họ cũng muốn thu thập phản ứng của mọi người đối với mẫu thiết kế thông qua các buổi giới thiệu công nghệ và từ đó có thể xác định những gì định hình trên một chiếc xe sang trọng được sử dụng cho vào 2030. Chủ nhân của những chiếc xe trong tương lai là các sẽ là những người sinh sau năm 1995, những người có những sở thích, thói quen hoàn toàn mới.

image002image005

 

Có vẻ trùng hợp ngẫu nhiên mà Merc chọn năm 2030 là ngày ra mắt mẫu xe tương lai F015. Năm 2029 là năm Boffin Alan Turing dự đoán tốc độ tính toán và phản ứng của máy tính, máy móc có thể suy nghĩ như một con người.

Các kỹ sư nghiên cứu của Mercedes cho rằng, khi dân số thế giới tiếp tục bùng nổ, thời gian và không gian sẽ trở nên hạn chế hơn và có giá trị. Thời gian sử dụng xe không lãng phí khi xe hơi chính là nơi làm việc khi di chuyển. Để tiết kiệm thời gian bạn có thể sử dụng Lamborghini chạy nhanh đến nơi làm việc, bạn cũng có thể làm việc làm việc ngay trên xe F015 mà không phải chay nhanh.

Trong khoang xe được thiết kế như phòng làm việc được bố trí bốn ghế bành kiểu Arne Jacobsen giúp cho người sử dụng có thể ngồi đối diện khác hẳn với các thiết kế truyền thống. Ghế ngồi được lập trình có thể xoay 180 tùy theo điều kiện vận hành. Trên các táp pi cửa bố trí màn hình thông minh có khả năng tương tác hai chiều. Bạn có thể sử dụng thư giản, nghe nhạc, radio hay làm việc, nhóm họp.

image007

image009

 

Chiếc xe được trang bị hai chế độ lái, lái tự động và lái thường. Bạn có thể ngồi nghỉ ngơi làm việc trên xe như đi tàu điện, cũng có thể tự lái xe như một chiếc xe truyền thống. Một loạt các cảm biến giám sát môi trường xung quanh và điều chỉnh hướng đi của xe với tốc độ phù hợp. Trong đó cảm biến laser cũng có thể định hình  toàn bộ hình ảnh môi trường xung quanh, người đi bộ lẫn các phương tiện khác.

image011

Liệu đây có phải là sản phẩm trong tương lai được sử dụng rộng rãi chắc phải 20 năm nữa mới biết, tuy nhiên ta có thể thấy người Đức sáng tạo và chu đáo như thế nào trong kinh doanh!