Nghiên cứu chuyển đổi ô tô tải nhẹ towner 800 sang sử dụng năng lượng điện

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển động cơ điện để điều khiển bộ biến tần nhằm thay đổi tốc độ, momen của động cơ điện.. Để đạt được điều đó, nhiều giải pháp đã được đưa ra như hoàn thiện qu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỒ TRẦN NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI Ô TÔ TẢI NHẸ TOWNER 800

SANG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – Năm 2020

DUT.LRCC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

HỒ TRẦN NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI Ô TÔ TẢI NHẸ TOWNER 800

SANG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số : 85.20.11.6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM QUỐC THÁI

Đà Nẵng – Năm 2020

DUT.LRCC

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo

vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như ở nước ngoài và cho đến nay vẫn chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Hồ Trần Ngọc Anh

DUT.LRCC

Học viên: Hồ Trần Ngọc Anh Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 85.20.11.6 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Nghiên cứu chuyển đổi ô tô tải nhẹ Towner 800 sang sử dụng năng lượng

điện Ô tô nguyên bản sử dụng động cơ xăng, sau khi chuyển đổi sử dụng động cơ điện không đồng bộ ba pha với nguồn điện một chiều từ pin LiFePO4 Hệ thống sử dụng bộ điều khiển động cơ điện để điều khiển bộ biến tần nhằm thay đổi tốc độ, momen của động cơ điện Mô phỏng bộ điều khiển xe điện bằng phần mềm Matlab-Simulink Ô tô sau khi chuyển đổi được

sử dụng để thu gom rác trong phạm vi khu vực nhỏ nhằm phục vụ dự án tái tạo rác thải khép kín Nghiên cứu này góp phần làm cơ sở để thiết kế, chuyển đổi ô tô truyền thống thành ô tô điện ở Việt Nam

Từ khóa: xe điện, chuyển đổi thành ô tô điện, mô phỏng ô tô điện, động cơ không đồng

bộ, bộ biến tần

ABSTRACT RESEARCH ON CONVERTING TOWNER 800 LIGHT TRUCK TO USE

ELECTRIC POWER

Abstract: Research on converting Towner 800 light truck to use electric power

Original car use gasoline engine, after conversion using asynchronous three-phase electric motor with DC power from LiFePO4 battery The system uses an electric motor controller to control the inverter to change the speed and torque of the electric motor Simulating control unit by Matlab-Simulink software The converted car is used to collect garbage in a small area

to serve the closed waste recycling project This research contributes to the basics for designing and converting traditional cars into electric cars in Vietnam

Key words: electric vehicle, converted into electric car, electric vehicle simulation,

asynchronous motor, inverter

DUT.LRCC

TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

Chương 1- TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về đề tài 4

1.2 Tình hình ô nhiễm không khí 4

1.2.1 Ô nhiễm không khí 4

1.2.2 Các nguồn gây ô nhiễm không khí 5

1.2.2.1 Nguồn tự nhiên 5

1.2.2.2 Nguồn nhân tạo 6

1.2.3 Thành phần khí thải động cơ và tác hại do ô nhiễm khí thải gây ra 6

1.2.3.1 Thành phần khí thải động cơ 6

1.2.3.2 Những tác hại do ô nhiễm khí thải gây ra 8

1.3 Tình hình phát triển xe sạch trong và ngoài nước 11

1.3.1 Hoàn thiện động cơ Diesel 11

1.3.2 Hoàn thiện động cơ xăng 13

1.3.3 Ô tô sử dụng năng lượng thay thế 14

1.3.3.1 Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG 14

1.3.3.2 Khí thiên nhiên nén (compressed natural gas - CNG) 15

1.3.3.3 Ô tô sử dụng năng lượng hoàn toàn bằng điện 16

1.3.3.4 Ô tô hybrid 17

1.3.3.5 Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời 17

1.4 Tổng quan về xe điện 18

1.4.1 Giới thiệu chung 18

1.4.2 Nhu cầu sử dụng xe điện trong đời sống 18

1.4.2.1 Phương tiện cá nhân 19

1.4.2.2 Các phương tiện công cộng 20

1.4.2.3 Các phương tiện dùng chuyên biệt 21

DUT.LRCC

1.4.3 Hệ thống điện và điều khiển trên xe điện 22

1.4.3.1 Nguyên lý điều khiển 22

1.4.3.2 Các bộ phận chính của hệ thống điện và điều khiển 23

1.5 Một số dự án chuyển đổi ô tô truyền thống sang sử dụng năng lượng điện 24

CHƯƠNG 2- PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN XE CHUYỂN ĐỔI VÀ TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 28

2.1 Phân tích, lựa chọn xe chuyển đổi 28

2.2 Phân tích, chọn cấu hình xe điện 30

2.3 Tính chọn động cơ điện 31

2.3.1 Lựa chọn loại động cơ điện 32

2.3.1.1 Động cơ một chiều có chổi than 32

2.3.1.2 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 33

2.3.1.3 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửa (PMSM) 33

2.3.1.4 Động cơ không đồng bộ ba pha 33

2.3.1.5 Giới thiệu động cơ không đồng bộ ba pha 34

2.4 Tính chọn động cơ điện 36

3.1 Cấu hình hệ thống điều khiển 41

3.2 Bộ điều khiển xe điện 42

3.2.1 Công dụng 42

3.2.2 Phân tích, lựa chọn mạch động lực điều khiển động cơ 42

3.2.3 Bộ biến tần 42

3.2.3.1 Công dụng 42

3.2.3.2 Cấu tạo 43

3.2.3.3 Phân loại 44

3.2.3.4 Mạch nghịch lưu áp 3 pha 44

3.2.3.5 Bộ điều khiển biến tần 48

3.3 Chọn bộ điều khiển xe điện 52

Chương 4- THIẾT KẾ NGUỒN CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG 53

4.1 Các nguồn cung cấp năng lượng trên xe điện 53

4.1.1 Pin điện hóa 53

4.1.1.1 Ắc quy chì – axit 53

DUT.LRCC

4.1.1.3 Pin Nickel Metal Hydride (Ni – MH) 54

4.1.1.4 Pin Lithium Ion (Li – Ion) 55

4.1.1.5 Pin Lithium Polymer (Li – Po) 55

4.1.2 Pin nhiên liệu (Fuel cell) 56

4.1.3 Siêu tụ điện 57

4.2 Lựa chọn nguồn cung cấp năng lượng cho xe điện 57

4.2.1 Yêu cầu 57

4.2.2 Phân tích lựa chọn 58

4.2.3 Cấu tạo pin Li - Ion 59

4.3 Tính chọn nguồn pin 61

Chương 5- MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 64

5.1 Công cụ mô phỏng Matlab Simulink 64

5.2 Xây dựng mô hình bộ điều khiển trong Matlab Simulink 65

5.3 Kết quả mô phỏng 67 KẾT LUẬN 69 DUT.LRCC

Hình 1.1 Nguồn khí thải do cháy rừng 5

Hình 1.2 Nguồn khí thải từ ô tô 6

Hình 1.3 Ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người 8

Hình 1.4 Dị thường nhiệt độ mặt đất trung bình thời gian 199 –2008 so với 1940-1980 10

Hình 1.5 Xu hướng phát triển ô tô sạch 11

Hình 1.6 Mẫu xe Mercedes-Benz E320 CDI Bluetec 12

Hình 1.7 Động cơ Skyactiv của Mazda 13

Hình 1.8 Xe buýt sử dụng nhiên liệu LPG 14

Hình 1.9 Xe taxi chạy bằng LPG của hãng taxi Cửu Long 15

Hình 1.10 Xe buýt chạy bằng CNG tại Thành phố Hồ Chí Minh 15

Hình 1.11 Mẫu xe điện Tesla model S 16

Hình 1.12 Toyota Prius, mẫu xe hybrid bán chạy nhất trên thế giới 17

Hình 1.13 Mẫu xe Immortus đang được nghiên cứu phát triển 18

Hình 1.14 Ô tô điện của hãng Nissan 19

Hình 1.15 Ô tô điện sử dụng ở Chicago 19

Hình 1.16 Xe đạp điện của Vinfast sản xuất 19

Hình 1.17 Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris – Lyon 20

Hình 1.18 Tàu điện ngầm tiện dụng nhất ở Pháp 20

Hình 1.19 Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt 21

Hình 1.20 Xe điện sử dụng trong sân golf 21

Hình 1.21 Hệ thống điện và điều khiển trên ô tô điện hiện đại 22

Hình 1.22 Xe 1996 Ford Escort LX Wagon dùng chuyển đổi sang xe điện 24

Hình 1.23 Khoang máy sau khi chuyển đổi nhìn từ phía trước 25

Hình 1.24 Xe Mazda RX-7 đời 1986 sử dụng để chuyển đổi 26

Hình 1.25 Động cơ điện sử dụng cho xe điện chuyển đổi 26

Hình 1.26 Khối pin đặt ở khoang hành lý phía sau 26

Hình 1.27 Bố trí các bộ phận trong khoang máy phía trước 27

Hình 2.1 Xe tải Thaco Towner 800 28

Hình 2-2 Cấu hình các loại ô tô điện 30

Hình 2.3 Cấu hình xe điện sau khi chuyển đổi 31

Hình 2.4 Stato động cơ không đồng bộ 34

Hình 2.5 Roto kiểu dây quấn 35

Hình 2.6 Roto lồng sóc 36

DUT.LRCC

Hình 2.8 Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc 37

Hình 2.9 Động cơ AMV 712 39

Hình 2.10 Đồ thị đặc tính của động cơ AMV 712 39

Hình 2.11 Bố trí của động cơ điện trên xe chuyển đổi 40

Hình 2.12 Thông số kỹ thuật mặt lắp ghép 40

Hình 3.1 Cấu hình hệ thống điều khiển xe điện 41

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc của biến tần 44

Hình 3.3 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha 45

Hình 3.4 Các trạng thái đóng mở của các van công tắc 46

Hình 3.5 Đồ thị hiệu điện thế theo thời gian 47

Hình 3.6 Mạch động lực điều khiển động cơ của xe điện thiết kế 48

Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển biến tần bằng phương pháp điều biến độ rộng xung PWM 48

Hình 3.8 Nguyên lý so sánh tín hiệu đầu vào và tín hiệu PWM đầu ra 49

Hình 3.9 Dạng sóng điện áp ngõ ra 50

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển biến tần 51

Hình 3.11 Bộ điều khiển xe điện Letrika AEK1350 H48V 400A TS 52

Hình 3.12 Bố trí bộ điều khiển trên xe chuyển đổi 52

Hình 4.1 Các nguồn lưu trữ năng lượng sử dụng trên xe điện 53

Hình 4.2 Pin Nickel – Cadmium 54

Hình 4.3 Pin Ni – MH 54

Hình 4.4 Pin Li – Ion 56

Hình 4.5 Pin Li – Po 56

Hình 4.6 Siêu tụ 57

Hình 4.7 Mật độ năng lượng của các loại nguồn năng lượng dùng trên xe điện 58

Hình 4.8 Đặc điểm của các loại pin Lithium ion 59

Hình 4.9 Cấu tạo pin Li- Ion 60

Hình 4.10 Diễn biến quá trình nạp và xả của pin Li- Ion 61

Hình 4.11 Pin LiFePO4 48V 400Ah.của hãng HW 62

Hình 4.12 Bộ sạc pin ECPC-HW-6600-Watts 63

Hình 4.13 Bố trí pin và bộ sạc trên xe chuyển đổi 63

Hình 5.1 Mô hình bộ điều khiển xe điện 65

Hình 5.2 Mô hình mạch nghịch lưu 66

Hình 5.3 Mô hình mạch điều khiển biến tần 67

Hình 5.4 Kết quả mô phỏng cường độ dòng điện 3 pha trên Stato 68

Điều khiển nguồn cung cấp

DUT.LRCC

Hình 5.6 Kết quả mô phỏng hiệu điện thế dây UBC 68 Hình 5.7 Kết quả mô phỏng hiệu điện thế dây UCA 68 Hình 5.8 Kết quả mô phỏng xung PWM 1, PWM 3, PWM 5 68

DUT.LRCC

Bảng 1.1 Thành phần cơ bản của khí thải động cơ Diesel 7

Bảng 1.2 Thông tin về dự án 25

Bảng 1.3 Thông tin về dự án 25

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của xe 28

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của động cơ AMV712 39

Bảng 3.1 Bảng giá trị các điện áp và trạng thái các IGBT 46

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật bộ điều khiển 52

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của Pin 62

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của Bộ sạc pin 63

DUT.LRCC

KÝ HIỆU

mo : Khối lƣợng không tải của xe

mt : Tải trọng của xe

vo : Vận tốc ban đầu

t : Thời gian chuyển động của xe

ω : Tốc độ góc của rôto động cơ

f1 : Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato

p : Số đôi cực của động cơ

Ne : Công suất phát ra từ động cơ

Nt : Công suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực

Nf : Công suất tiêu hao để thắng lực cản lăn

Nw: Công suất tiêu hao để thắng lực cản không khí

Ni : Công suất tiêu hao để thắng lực cản dốc

Nj : Công suất tiêu hao để thắng lực cản quán tính

W : Nhân tố cản của không khí

K : Hệ số cản không khí

F : Diện tích cản chính diện

B: Chiều rộng cơ sở của ô tô

H: Chiều cao của ô tô

Ip : Trị số dòng điện phóng

Tp : Thời gian phóng

U : Điện áp của động cơ điện

P : Công suất của toàn tải

CHỮ VIẾT TẮT

COV : Composses Organiques Volatils

LPG : Liquefied Petroleum Gas

CNG : Compressed Natural Gas

PHEV : Plug in Hybrid Electrical Vehicle

PHV : Plug in Hybrid Vehicle

BLDC: Brushless Direct Current

PMSM: Permanent magnet synchronous motor

EVCU: Electric Vehicle Center Unit

BMS : Battery Management System

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

I L do chọn đề tài

Hiện nay xu hướng của ngành công nghiệp ô tô là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu tiêu hao nhiên liệu Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt và yêu cầu

về giảm mức độ phát thải càng ngày càng cao

Các xe chạy bằng nhiên liệu Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác trên thị trường đều đang gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi và thay đổi

hệ sinh thái Vì thế việc tìm ra phương án để giảm thiểu lượng khí gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và mọi người nói chung

Ô tô sạch không gây ô nhiễm (mức phát thải bằng không) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay Để đạt được điều đó, nhiều giải pháp

đã được đưa ra như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ đốt trong, ô tô lai (hybrid),

sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô (LPG, khí thiên nhiên, methanol, bioDiesel, ô tô điện, ô tô dùng pin nhiên liệu, ô tô dùng năng lượng mặt trời)

Phương án chế tạo xe điện sử dụng trong vận tải hàng hóa là một vấn đề thiết thực rất được quan tâm trong những năm gần đây nhằm đáp ứng nhu cầu cao của thị trường mà vẫn đảm bảo yêu cầu bảo vệ môi trường

Xuất phát từ những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu chuyển đổi ô

tô tải nhẹ Towner 800 sang sử dụng năng lượng điện” làm đề tài nghiên cứu của

mình với mong muốn được phát triển các dòng xe điện phục vụ vận tải hàng hóa

II Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về xe điện và nội dung chính là nghiên cứu chuyển đổi ô tô tải nhẹ Towner 800 sang sử dụng năng lượng

điện

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ô tô tải nhẹ Towner 800

- Phạm vi nghiên cứu của luận văn giới hạn ở các nội dung sau:

+ Nghiên cứu tổng quan về xe điện;

+ Tính toán lựa chọn động cơ điện, ắc quy cho xe điện;

+ Thiết kế hệ thống điều khiển trên xe điện;

+ Mô phỏng hệ thống bằng công cụ Matlab Simulink

IV Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp thu thập thông tin

DUT.LRCC

Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin, dựa trên các công trình báo cáo khoa học

đã công bố, tạp chí khoa học có uy tín Lấy các thông tin từ sách giáo khoa, từ các hội thảo, hội nghị quốc gia, quốc tế và trên Internet có liên quan đến đề tài

+ Nghiên cứu lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu trong luận văn là nghiên cứu lý thuyết Trên cơ sở các tài liệu, các ứng dụng cụ thể hệ thống điều khiển xe điện của một số hãng sản xuất,

luận văn tập hợp, phân tích đánh giá để làm rõ các vấn đề như:

- Cấu trúc của hệ thống điều khiển cho xe điện tải nhẹ;

- Các giải pháp kỹ thuật và lựa chọn thông số trong thiết kế;

- Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng

+ Phương pháp phân tích đánh giá

- Đánh giá các kết quả nghiên cứu

+ Tham khảo ý kiến của giảng viên hướng dẫn

V Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài “Nghiên cứu chuyển đổi ô tô tải nhẹ Towner 800 sang sử dụng năng lượng điện” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:

- Xe ô tô điện tải nhẹ vận hành đơn giản, tiết kiệm năng lượng, không gây ô nhiễm môi trường

VI Dự kiến kết quả đạt được

Sản phẩm là một xe ô tô điện tải nhẹ

VII Bố cục luận văn

Mở đầu

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về đề tài

1.2 Tình hình ô nhiễm không khí

1.3 Tình hình phát triển xe sạch trong và ngoài nước

1.4 Tổng quan về ô tô điện

Chương 2 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN XE CHUYỂN ĐỔI VÀ TÍNH CHỌN ĐỘNG

CƠ ĐIỆN

2.1 Phân tích, lựa chọn xe chuyển đổi

2.2 Phân tích, chọn cấu hình xe điện

2.3 Tính chọn động cơ điện

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Cấu hình hệ thống điều khiển

3.2 Bộ điều khiển xe điện

3.3 Chọn bộ điều khiển xe điện

Chương 4 THIẾT KẾ NGUỒN CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG

4.1 Các nguồn cung cấp năng lượng trên xe điện

DUT.LRCC

4.2 Lựa chọn nguồn cung cấp năng lượng cho xe điện

4.3 Tính chọn nguồn pin

Chương 5 MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB

SIMULINK

5.1 Công cụ mô phỏng Matlab Simulink

5.2 Xây dựng mô hình bộ điều khiển trong Matlab Simulink

5.3 Kết quả mô phỏng

Kết luận và hướng phát triển

DUT.LRCC

Chương 1- TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về đề tài

Sự phát triển của ngành ô tô hiện đại luôn đối mặt với hai vấn đề lớn là sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu truyền thống và ô nhiễm môi trường Để giải quyết được những vấn đề trên, ngành ô tô hiện nay có hai phương pháp chính:

- Chế tạo những mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu với những tiêu chuẩn khí thải cao

- Chế tạo những mẫu xe sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường

Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm khác nhau và để thấy rõ được lợi thế của từng phương pháp, chúng ta đi vào phân tích sự khác biệt giữa xe tiết kiệm nhiên liệu và xe sử dụng nhiên liệu tái tạo, cụ thể ở đây là xe sử dụng năng lượng điện

+ Sự khác biệt về hệ thống năng lượng

- Xe tiết kiệm nhiên liệu vẫn sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống: xăng, dầu Diesel …

- Xe điện sử dụng năng lượng được tích trữ trong bình ắc quy

+ Sự khác biệt về nguồn động lực

- Xe tiết kiệm nhiên liệu vẫn sử dụng động cơ đốt trong với những hệ thống được cải tiến để đảm bảo xe tiêu thụ ít nhiên liệu hơn

- Xe điện sử dụng động cơ điện Động cơ được điều khiển bằng cách thay đổi điện

áp cấp cho động cơ thông qua bộ băm điện áp

Với những sự khác biệt trên, xe điện sẽ giải quyết được triệt để hai bài toán: cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường Trong tương lai, khi khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại, xe điện hoàn toàn có thể trở thành sản phẩm chủ đạo của ngành công nghiệp ô tô hiện đại

1.2 Tình hình ô nhiễm không khí

1.2.1 Ô nhiễm không khí

Ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia nào Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật Hàng năm, con người khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng

Theo định nghĩa của các nhà khoa học “Ô nhiễm không khí là sự có mặt một chất

lạ hoặc một sự biến đổi quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí không sạch hoặc gây sự toả mùi, có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn xa (do bụi)”

Dưới đây là số liệu thống kê hàng năm khối lượng các chất thải có:

- 20 tỉ tấn CO2

- 1,53 triệu tấn SiO2

DUT.LRCC

- Hơn 1 triệu tấn Niken

- 700 triệu tấn bụi

- 1,5 triệu tấn Asen

- 900 tấn Coban

- 600.000 tấn kẽm (Zn), thuỷ ngân (Hg), hơi chì (Pb) và các chất độc hại khác

Ô nhiễm môi trường khí quyển tạo nên sự ngột ngạt và "sương mù", gây nhiều bệnh tật ở người Nó còn tạo ra mưa axít làm huỷ diệt rừng và các cánh đồng

Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào không khí các loại khí độc như: CO2,

NOX, CH4, CFC gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu, chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2, nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Ozon tầng đối lưu là 7%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là 3% Nếu như chúng ta không ngăn chặn được hiện tượng hiệu ứng nhà kính thì trong vòng 30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5 – 3,5 m Nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng khoảng 3,6°C, và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,3°C Theo các tài liệu khí hậu quốc

tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ trái đất tăng 0,4°C Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của trái đất sẽ tăng thêm 1,5 – 4,5°C nếu con người không

có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng nhà kính Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn gây hậu quả xấu cho sức khoẻ của con người và các sinh vật sống trên mặt đất

1.2.2 Các nguồn gây ô nhiễm không khí

1.2.2.1 Nguồn tự nhiên

Hình 1.1 Nguồn khí thải do cháy rừng

DUT.LRCC

- Núi lửa: Núi lửa phun ra những nham thạch nóng và nhiều khói bụi giàu sunfua,

mêtan và những loại khí khác

- Cháy rừng: Các đám cháy rừng và đồng cỏ thường lan truyền rộng, phát thải

nhiều bụi và khí

- Bão bụi: gây nên do gió mạnh và bão, mưa bào mòn đất sa mạc, đất trồng và gió

thổi tung lên thành bụi Nước biển bốc hơi và cùng với sóng biển tung bọt mang theo bụi muối lan truyền vào không khí

- Các quá trình phân huỷ, thối rữa xác động, thực vật tự nhiên: phát thải nhiều chất

khí, các phản ứng hoá học giữa những khí tự nhiên hình thành các khí sunfua, nitrit, các loại muối v.v Các loại bụi, khí này đều gây ô nhiễm không khí

1.2.2.2 Nguồn nhân tạo

Nguồn gây ô nhiễm nhân tạo rất đa dạng, nhưng chủ yếu là do hoạt động công nghiệp, đốt cháy nhiên liệu hoá thạch và hoạt động của các phương tiện giao thông

Hình 1.2 Nguồn khí thải từ ô tô

Nguồn ô nhiễm công nghiệp do hai quá trình sản xuất gây ra:

- Quá trình đốt nhiên liệu: thải ra rất nhiều khí độc đi qua các ống khói của các nhà

máy vào không khí

- Do bốc hơi, rò rỉ, thất thoát: trên dây chuyền sản xuất sản phẩm và trên các

đường ống dẫn tải Nguồn thải của quá trình sản xuất này cũng có thể được hút và thổi

ra ngoài bằng hệ thống thông gió

- Các ngành công nghiệp chủ yếu gây ô nhiễm không khí bao gồm: nhiệt điện, vật

liệu xây dựng, hoá chất và phân bón, dệt và giấy, luyện kim, thực phẩm …

1.2.3 Thành phần khí thải động cơ và tác hại do ô nhiễm khí thải gây ra

1.2.3.1 Thành phần khí thải động cơ

DUT.LRCC

Các hợp chất ô nhiễm chính trong khí thải có thể chia làm hai nhóm: khí và hạt rắn Người ta phân biệt các chất ô nhiễm sơ cấp được thải ra từ các nguồn xác định (CO,

HC, …) với các chất ô nhiễm thứ cấp (O3, …) được sản sinh ra từ các phản ứng giữa các chất ô nhiễm sơ cấp với nhau dưới tác động của điều kiện môi trường như bức xạ

mặt trời

Nhìn chung chất gây ô nhiễm môi trường thải ra từ động cơ gồm các chất sau:

- Dioxyde de carbone (CO2), sản phẩm của quá trình oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu

- Monoxyde de carbone (CO), đến từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu

- Oxyde d’azote (NOx), gồm: monoxyde d’azote (NO) và dioxyde d'azote (NO2)

- Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp

- Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV-composés organiques volatils), là các hợp

chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều kiện bình thường có thể bay hơi một lượng đáng kể vào không khí Về thành phần COV là sự kết hợp giữa các hydrocarbure (như alcane, alcène, aromatique, )

- Các hợp chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – HAP),

như benzoapyrene

- Dioxyde de sulfure (SO2), hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu

- Các kim loại, có trong dầu và nhiên liệu

* Thành phần khí thải của động cơ Diesel

Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học (carburant, gazole) thành năng lượng cơ học Gazole là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ sinh ra CO2 và H2O Trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn khác Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong các HC (như các hợp chất chứa lưu huỳnh) và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy Bảng 1.1 sau giới thiệu thành phần điển hình của khí thải động cơ Diesel:

Bảng 1.1: Thành phần cơ bản của khí thải động cơ Diesel

* Các thành phần khí thải từ động cơ xăng

- HC (unburned hydro cacbon)

- CO (carbon monoxide)

DUT.LRCC

- NOx (nitơ oxit)

- CO2 (carbon dioxide) và H2O

- SOx (oxit lưu huỳnh) sẽ được tạo ra khi lưu huỳnh (S) trong nhiên liệu được ràng buộc với oxy (O) trong không khí do cháy, nếu nhiên liệu có chứa lưu huỳnh Tuy nhiên, kể từ khi xăng hiện nay là desulfurized gần như hoàn toàn, SOx không được đánh giá là thành phần của lượng phát thải tự động ngay bây giờ

- Đối với bồ hóng, bồ hóng là vi hạt gây nguy hiểm, độc hại cho sức khỏe con

người nhưng chỉ được quy định cho động cơ Diesel mà không được quy định cho động

cơ xăng Bồ hóng có thể là những vi hạt thải ra từ động cơ xăng, nó là một trong những thành phần mà không được kiểm soát Ngoài ra, còn có các thành phần khác tương tự bồ hóng cũng thải từ động cơ xăng

- Ngoài các thành phần quy định trong phát thải tự động như HC, CO, NOx và PM

(cho động cơ Diesel), vẫn còn các thành phần nhỏ khác tuy không được quy định nhưng có thể có hại cho cơ thể con người Ví dụ: toluen, benzen, formaldehyde, acetaldehyde, 1,3-butadien, SO2, formic acid, N2O, vv Đây sẽ là một tiêu chuẩn tương ứng với PRTR (Nhật Bản), trong đó có thể điều chỉnh các thành phần phụ trong phát

thải tự động trong tương lai

1.2.3.2 Những tác hại do ô nhiễm khí thải gây ra

a Đối với sức khỏe con người

Hình 1.3 Ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người Không khí ô nhiễm có thể giết chết nhiều cơ thể sống trong đó có con người Ô nhiễm không khí trong nhà và ngoài môi trường tại Việt Nam là rất cao, điều này được

lý giải bằng việc bệnh lý có liên quan đến ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng Ô nhiễm không khí gây bệnh đường hô hấp, bệnh tim mạch, viêm vùng họng, đau ngực, tức thở Ô nhiễm không khí không những gây nên các bệnh lý ở đường hô hấp, mà còn ảnh hưởng lên sự phát triển của thai nhi, là nguyên nhân làm chậm phát triển hệ thần kinh, trí não và tâm thần vận động ở trẻ em Đặc biệt, trẻ dưới 5 tuổi là đối tượng bị

DUT.LRCC

ảnh hưởng nặng nề nhất, bởi cơ thể trẻ đang trong giai đoạn tăng trưởng và phát triển, đồng thời ở lứa tuổi này trẻ hoàn toàn bị thụ động trước các ảnh hưởng có hại của môi

trường do người lớn gây ra

- CO: Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra

do ô xy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxy Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000 ppm) Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh

- NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 11000C) Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x=2) NO2

là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12 ppm NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường

hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển

- Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không

hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm Từ lâu người ta

đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó

là nguyên nhân gây các bệnh về gan

- SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân

- Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ

Diesel Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3 mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí,

nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong qua trình hình thành

- Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thétraétyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay vẫn còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng

DUT.LRCC

những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường hô hấp Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30% đến 40% lượng chì này đi vào máu Sự hiện hiện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu Đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Chì gây nguy hiểm đối với con người khi nồng

độ của nó trong máu vượt quá 200 đến 250mg/lít

b Đối với môi trường

- Thay đổi nhiệt độ khí quyển: Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon

Hình 1.4 Dị thường nhiệt độ mặt đất trung bình thời gian 1999-2008 so với

DUT.LRCC

1.3 Tình hình phát triển xe sạch trong và ngoài nước

Ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho ô tô nói chung đã từ lâu Sự phát triển ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu, nhằm giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng và sự cạn kiệt nhiên liệu dầu mỏ như hiện nay Yêu cầu đặt ra của ngành ô

tô hiện nay là:

- Tối ưu hóa hệ thống điều khiển vận hành và nâng cao tiện nghi trong xe

- Nâng cao hiệu suất và giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường

- Từng bước thay thế các nguồn nhiên liệu sạch thay thế cho năng lượng dầu mỏ

sắp cạn kiệt

Vì thế, ô tô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) đang là xu thế của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được đưa ra, có 4 nhóm chính là hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, động cơ xăng, sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như LPG, khí thiên nhiên, methanol, bioDiesel và động cơ sử dụng năng lượng điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid)

Hình 1.5 Xu hướng phát triển ô tô sạch

1.3.1 Hoàn thiện động cơ Diesel

Ngày nay, động cơ Diesel ngày càng được sử dụng rộng rãi và hoàn thiện về mặt kết cấu do có nhiều ưu điểm nổi trội hơn động cơ xăng Nếu có cùng kích thước xy-lanh thì động cơ Diesel có mô-men lớn hơn, tiêu hao nhiên liệu ít hơn nhiều so với

DUT.LRCC

động cơ xăng Tuy nhiên động cơ Diesel sinh nhiều bụi than hơn, ồn hơn, khả năng tăng tốc kém hơn và đồng thời giá thành cũng cao hơn động cơ xăng

Những năm gần đây, trừ việc giá thành vẫn còn cao, còn lại cơ bản đã khắc phục được các nhược điểm trên như: nồng độ phát thải đã được xử lý, động cơ hoạt động

êm hơn Bằng chứng là nhiều mẫu xe sang như Mercedes-Benz E320 Bluetec, Jaguar S-Type 2.7, BMW 318d, 325d,… được trang bị động cơ Diesel

Để có thể khắc phục các nhược điểm của động cơ Diesel truyền thống, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các giải pháp nhằm hoàn thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ, mang lại khả năng cung cấp nhiên liệu tối ưu như: sử dụng các loại bơm cao áp PF, PE, VE… hoặc hệ thống phun Diesel điện tử Common Rail, lọc bồ hóng và

xử lí khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng (bộ xử lý đồng thời ba thành phần chất gây ô nhiễm CO, HC và Nox), hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp (Diesel 0,001S-V đạt chuẩn EURO

V của tập đoàn xăng dầu Việt Nam Petrolimex)

Hình 1.6 Mẫu xe Mercedes-Benz E320 CDI Bluetec

Một trong những cải tiến đáng chú ý nhất và làm thay đổi động cơ Diesel chính là

hệ thống phun nhiên liệu điện tử Common Rail Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng lẻ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong đường ống chung (Common Rail) và được điều khiển phân phối đến từng vòi phun theo yêu cầu Lợi ích của vòi phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng

ồn, nhiên liệu được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lượng phun, thời điểm phun Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn

So với hệ thống cũ, hệ thống Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ Diesel như:

- Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách, tải nhẹ, tải nặng, xe lửa và tàu

thủy)

- Áp suất phun đạt đến 1500 bar

DUT.LRCC

- Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ

- Có thể thay đổi thời điểm phun

- Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc

1.3.2 Hoàn thiện động cơ xăng

Hiện nay, động cơ đánh lửa cưỡng bức vẫn phụ thuộc vào phương pháp đánh lửa dạng tia với bugi truyền thống (SI) Nhược điểm là tất cả buồng nhiên liệu chỉ được đốt cháy một lúc và không được đốt cháy triệt để, hậu quả là lãng phí nhiên liệu, xả thải nhiều, công suất không đạt tối đa Theo tính toán thì thiệt hại tới khoảng 30% so với mức hoàn hảo của kiểu động cơ Diesel bằng phương pháp hỗn hợp hòa khí-nhiên liệu nén tối ưu kích nổ mà không cần bugi châm lửa

Hình 1.7 Động cơ Skyactiv của Mazda

Nhưng công nghệ mới nhất Skyactiv-X đã coi như tìm ra giải pháp Mazda mô tả thế hệ động cơ “X” mới của họ là nổ máy “không cần bu-gi” cho động cơ xăng, với tên gọi “Đánh lửa nén hỗn hợp đồng nhất HCCI” (Homogenous Charge Compression Ignition) Về kỹ thuật đây là công nghệ mà xi-lanh sẽ tăng tỷ số nén, tính toán lại thời điểm phun xăng, thời điểm đánh lửa khớp với hỗn hợp hòa khí-nhiên liệu tối ưu, kích

nổ toàn bộ nhiên liệu ở mọi điểm trong buồng đốt, sử dụng áp suất để đốt cháy mà không cần lệ thuộc hết vào bugi châm lửa

Điểm khác biệt của động cơ Mazda là kỹ thuật đánh lửa nén - Compression Ignition Trong quá trình này, xăng sẽ được nén lại với áp suất rất cao, tới mức nó tự bắt lửa mà không cần tới bugi Công nghệ này tương tự như cách động cơ Diesel đang vận hành hiện tại Tuy nhiên do khác biệt về thành phần nhiên liệu, nên chưa thể lý tưởng hóa động cơ xăng như Diesel vì vẫn cần tới sự xuất hiện của bugi với vai trò đánh lửa “mồi” Vì vậy, mỗi xi-lanh vẫn được gắn một bugi và đánh lửa khi cần, khi tỉ

số nén lên cao nhất theo tính toán của bộ điều khiển Nên kỹ thuật đánh lửa này được gọi là “Kiểm soát đánh lửa nén SCCI” (Spark Controlled Compression Ignition)

DUT.LRCC

Những mẫu Mazda sử dụng công nghệ Skyactiv đã và đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam với các mẫu xe chạy xăng thế hệ mới như CX-5, Mazda 3…

1.3.3 Ô tô sử dụng năng lượng thay thế

1.3.3.1 Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG

LPG được gọi là khí dầu mỏ hóa lỏng vì các chất khí này có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải hoặc ở áp suất bình thường bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ Trong thành phần của LPG, thông thường Propan chiếm 50%, Butan chiếm 50% LPG là nhiên liệu có nhiệt trị cao, sạch, ít gây ô nhiễm môi trường, dễ thực hiện các biện pháp công nghệ, trị số Octan cao nên LPG được sử dụng làm nhiên liệu thay thế xăng, dầu Khi cháy, LPG toả ra ít khói, hàm lượng CO thải ra thấp hơn 3 ÷ 4 lần, lượng NOx giảm 15%÷20% so với xăng, dầu không chứa chì nên không gây độc hại LPG được đốt cháy hoàn toàn trong động cơ, độ ồn của động cơ thấp Việc chuyển đổi ô tô chạy bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể được thực hiện theo ba phương pháp: sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời Diesel và LPG (dual fuel) Cũng như các loại nhiên liệu khác, việc lưu trữ LPG là vấn đề gây khó khăn nhất, mặc

dù áp suất hóa lỏng thấp hơn nhiều so với khí thiên nhiên hay các loại khí khác, các loại bình chứa cũng được cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới

Hình 1.8 Xe buýt sử dụng nhiên liệu LPG

Hiện nay nhiều nước, nhiều khu vực trên thế giới xem việc sử dụng LPG trên ô tô chạy trong thành phố là giải pháp bảo vệ môi trường không khí hữu hiệu Trong cộng đồng châu Âu thì Áo là nước sử dụng xe buýt LPG sớm nhất Thành phố Vienne đã sử dụng xe buýt chạy bằng LPG từ năm 1963 và cho đến nay, rất nhiều thành phố xe đây

là loại nhiên liệu phổ biến được áp dụng trên các phương tiện công cộng trong thành phố Theo số liệu thống kê của Hiệp hội Gas thế giới, tính đến 2007 mạng phân phối

DUT.LRCC

LPG cho auto gas trên phạm vi 70 quốc gia và vùng lãnh thổ là 51.730 điểm, đang cung cấp LPG cho 13 triệu xe ô tô các loại

Tại Việt Nam, một số đề án thí điểm xe sử dụng nhiên liệu LPG đã được triển khai, trong đó năm 2010 đã có 1500 xe taxi chạy bằng LPG tại 3 tỉnh thành là Hà Nội,

Tp Hồ Chí Minh và Đà Nẵng

Hình 1.9 Xe taxi chạy bằng LPG của hãng taxi Cửu Long

1.3.3.2 Khí thiên nhiên nén (compressed natural gas - CNG)

CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn không khí Thành phần chủ yếu của CNG gồm các Hydrocarbon, trong đó Metan

có thể chiếm đến 95%, Etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ Propan, Butan và các khí khác Vì thành phần chủ yếu của khí tự nhiên là metan nên phương tiện chạy bằng khí nén tự nhiên (CNG) tạo ra khí thải HC không Metan ít hơn so với xe chạy xăng và vì hệ thống nhiên liệu kín nên ít khí thải bay hơi Với hiệu suất năng lượng tương đương, khí nhà kính thải ra từ động cơ chạy bằng CNG thấp hơn khoảng 15-20%, NOx thấp hơn 35% so với xe chạy bằng xăng

Tại Việt Nam, với ưu điểm sử dụng khí nén thiên nhiên và giảm được 30% chi phí vận hành so với xe sử dụng nhiên liệu xăng, dầu (dầu Diesel), tại một số thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh đang triển khai thí điểm trên một số tuyến xe buýt và mang đến một số tín hiệu tích cực

Hình 1.10 Xe buýt chạy bằng CNG tại Thành phố Hồ Chí Minh

DUT.LRCC

1.3.3.3 Ô tô sử dụng năng lượng hoàn toàn bằng điện

Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trường không khí trong thành phố Nhưng ô tô chạy bằng năng lượng điện gặp phải khó khăn vấn đề cung cấp điện năng, nếu như tất cả các loại ô tô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều còn phụ thuộc loại nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng So với nhiên liệu truyền thống, mức độ có lợi tính theo CO2 tương đương trên 1 km lên 90% đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng nhiên liệu và gần như không có lợi gì khi sản xuất bằng than Ngoài ra, việc đầu tư cơ

sở hạ tầng để phục vụ việc vận hành và sạc điện cũng rất lớn, đòi hỏi tính đồng bộ cao nên chỉ phổ biến ở những nước phát triển

Về mặt kỹ thuật thì ô tô chạy bằng điện có hai nhược điểm quan trọng đó là năng lượng dữ trữ thấp (khoảng 100 lần so với ô tô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (30-40% cao hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt) Những chướng ngại khác cần được giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng thực tế một cách đại trà là khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vấn đề sưởi và điều hòa không khí trong ô tô

Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề tâm lý xã hội Thật vậy, sự hạn chế tính năng kỹ thuật cũng như bán kính hoạt động của ô tô, trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ

sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của người dùng và dần dần làm thay đổi cách sống Mặt khác khi chuyển ô tô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ô tô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ gây ra trở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ắc quy Tuy nhiên những lợi ích mà xe chạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vẫn là sự lựa chọn hàng đầu của nhân loại vào những năm tới của thế kỷ 21 Tuy nhiên sự phát triển của nó đi theo những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ nhưng hiện tại sự phát triển của ô tô này cũng không cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trường đô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn Hiện nay trên thế giới đã phát triển công nghệ xe điện khắc phục những nhược điểm trên như khả năng dự trữ năng lượng, khả năng tăng tốc, quảng đường di chuyển của xe Tiêu biểu trong số đó là mẫu Tesla model S Mẫu xe này xe sử dụng pin công suất 85 kWh, tích hợp tính năng tăng áp, có khả năng tăng tốc từ 0 - 100 km/h trong 3,5 giây và đi được 320km cho một lần sạc

Hình 1.11 Mẫu xe điện Tesla model S

DUT.LRCC

1.3.3.4 Ô tô hybrid

Xe hybrid thường được gọi là xe lai hay xe lai điện, là loại xe sử dụng hai nguồn động lực: động cơ đốt trong và động cơ điện Sự hoạt động của xe này là sự kết hợp hoạt động giữa động cơ đốt trong và động cơ điện sao cho tối ưu Một bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động, khi nào động cơ điện hoạt động và khi nào cả hai cùng hoạt động Hiện nay có các dòng xe hybrid như sau:

- Plug in Hybrid Vehicle (PHV) là dòng xe sử dụng phần lớn năng lượng từ động

cơ đốt trong Khi cần thiết, công suất được đẩy lên mạnh mẽ hơn khi có sự tham gia thêm của động cơ điện Năng lượng điện được sinh ra và dự trữ trong ắc qui mỗi khi

xe hoạt động, vì thế nó không phải được sạc từ bất kì nguồn điện nào

- Dòng xe Plug in Hybrid Electrical Vehicle (PHEV): PHEV tương tự như PHV, các xe plug-in hybrid cũng chạy kết hợp động cơ đốt trong với một hoặc hơn một động

cơ điện Nhưng khác PHV ở chỗ, loại xe hybrid này chạy nhờ sử dụng phần lớn năng lượng từ động cơ điện Nói cách khác động cơ điện là chính, trong khi động cơ đốt trong lại là phụ Động cơ xăng được tối ưu hóa nó cho nhiệm vụ sạc pin, nó chỉ hỗ trợ

2 động cơ điện khi cần thiết chứ không làm nhiệm vụ dẫn động chính như các loại xe hybrid xăng-điện khác

Hình 1.12 Toyota Prius, mẫu xe hybrid bán chạy nhất trên thế giới

1.3.3.5 Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời

Là ô tô điện sử dụng điện năng do các tấm pin năng lượng mặt trời cung cấp, các tấm pin này thường được bố trí trên trần hoặc thân xe để có thể hấp thụ bức xạ mặt trời tốt nhất Các tấm pin chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng để cung cấp cho động cơ điện và các hệ thống trên xe Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có mẫu xe nào được thương mại hóa, vẫn đang trong quá trình nghiên cứu phát triển để hoàn thiện vì những nhược điểm lớn như chỉ có thể cung cấp không quá nhiều năng lượng điện cho xe, chi phí cao, quãng đường cho mỗi lần sạc tương đối ngắn trong khi thời gian sạc lại khá lâu Nhưng tiềm năng phát triển rất lớn, nhất là những nước nhiệt đới có số giờ nắng

và bức xạ lớn vì xe có thể vừa sạc vừa di chuyển, qua đó có thể hướng tới môt chiếc xe tương lai có khả năng chạy quãng đường vô hạn mà không cần phải dừng lại để nạp nhiên liệu hoặc sạc điện như những mẫu xe như hiện nay

DUT.LRCC

Tại Việt Nam, các nghiên cứu và sáng chế về ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đang ngày càng được chú ý Những mẫu xe này thường nhỏ gọn, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm cũng như ồn ào khi vận hành Trong số đó, có một kĩ sư người Việt đang nghiên cứu phát minh ra mẫu xe điện chạy bằng năng lượng mặt trời

có tên EVX Ventures Immortus có khả năng vận hành ấn tượng, di chuyển được quãng đường 550km với tốc độ 85km/h nhờ khối lượng chỉ 550kg cùng với pin có dung lượng lên đến 10kW

Hình 1.13 Mẫu xe Immortus đang được nghiên cứu phát triển

1.4 Tổng quan về xe điện

1.4.1 Giới thiệu chung

Ô tô điện sử dụng một động cơ điện cung cấp lực kéo, acquy hoặc pin cung cấp nguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện

Ô tô điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh và hoạt động êm dịu Các nguyên tắc hoạt động cơ bản giữa

ô tô điện và phương tiện sử dụng động cơ đốt trong tương tự nhau Tuy nhiên, một số khác biệt giữa phương tiện sử dụng động cơ đốt trong và ô tô điện, chẳng hạn như sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động cơ đốt trong so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn

1.4.2 Nhu cầu sử dụng xe điện trong đời sống

Xe điện là loại phương tiện giao thông đã có từ rất lâu của thế kỷ trước và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong nhiều loại phương tiện Đặt biệt ngày nay, xe điện không còn đơn thuần là xe điện công cộng và tàu điện như thế kỷ trước nữa Ngày nay xe điện được ứng dụng trên nhiều loại phương tiện, các phương tiện này dùng động cơ điện để làm xe chuyển động Có thể liệt kê một số loại xe điện theo lĩnh vực

và theo cách sử dụng của chúng như sau:

DUT.LRCC

1.4.2.1 Phương tiện cá nhân

- Xe ô tô điện: xe điện sử dụng nguồn điện acqui, dùng năng lượng mặt trời Các loại xe này được ứng dụng trên cả ô tô cá nhân, ô tô tải, ô tô tải phục vụ công cộng

Hình 1.14 Ô tô điện của hãng Nissan

Hình 1.15 Ô tô điện sử dụng ở Chicago

- Xe máy điện và xe đạp điện: là loại phương tiện đang có xu hướng phát triển mạnh

Hình 1.16 Xe đạp điện của Vinfast sản xuất

DUT.LRCC

1.4.2.2 Các phương tiện công cộng

- Tàu điện: tàu điện được ứng dụng từ rất lâu là loại phương tiện dùng chở khách trong thành phố và khá phổ biến ở các nước phát triển trên thế giới

Hình 1.17 Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris - Lyon

- Metro: là loại phương tiện vận chuyển hành khách trong thành phố cũng như đường dài, như các tuyến metro trong các thành phố lớn ở châu Âu, và tuyến metro đường dài từ Paris đến London

Hình 1.18 Tàu điện ngầm tiện dụng nhất ở Pháp

DUT.LRCC

1.4.2.3 Các phương tiện dùng chuyên biệt

- Xe điện dùng trong khu giải trí, nghỉ ngơi, du lịch: là loại xe điện dùng chuyên chở hành khách trong khu nghỉ ngơi, du lịch và các loại tàu điện cao tốc, cảm giác mạnh trong công viên

Hình 1.19 Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt

- Loại xe điện dùng trong thể thao: phục vụ các mục đích khác nhau, nhƣ trong lĩnh vực golf …

Hình 1-20 Xe điện sử dụng trong sân golf

DUT.LRCC

1.4.2.4 Các loại phương tiện dùng trong các lĩnh vực chuyên dùng

Xe điện sẽ được sử dụng trong các bệnh viện vận chuyển nhanh chóng bệnh nhân cũng như các y bác sĩ để kịp thời cứu chữa bệnh nhân, đây là một hướng mới trong thiết kế xe điện Tuy nhiên để có thể áp dụng hợp lí có hiệu quả cần nghiên cứu thay đổi kết cấu, bố trí lại các trang thiết bị để phù hợp với điều kiện sử dụng trong y tế

1.4.3 Hệ thống điện và điều khiển trên xe điện

1.4.3.1 Nguyên lý điều khiển

Hệ thống điện và điều khiển của ô tô điện bao gồm các phần chính: Hệ thống cung cấp và quản lý năng lượng, hệ thống biến đổi năng lượng, hệ thống điều khiển, động

cơ điện và các tải tiêu thụ năng lượng khác

Năng lượng từ hệ thống cung cấp được đưa đến tất cả các tải trên ô tô thông qua

bộ phân phối công suất Động cơ điện là tải chiếm phần lớn công suất điện và cũng là

bộ phận quan trọng nhất của ô tô điện Quá trình hoạt động của các thiết bị trên xe điện được điều khiển bằng hệ thống điều khiển

Tùy thuộc vào loại động cơ và tải tiêu thụ (xoay chiều hay một chiều) và các thông

số điện yêu cầu mà hệ thống điện sẽ bao gồm các bộ chuyển đổi khác nhau để phù hợp với quá trình hoạt động của nó Các tải tiêu thụ trên xe điện bao gồm: điều hòa, bơm trợ lực lái, máy nén, hệ thống đèn tín hiệu…

Hình 1.21 Hệ thống điện và điều khiển trên ô tô điện hiện đại

DUT.LRCC

Bộ điều khiển trung tâm nhận các tín hiệu đầu vào (bàn đạp ga, phanh, các công tắc điện…) sau đó tiến hành xử lý, phân tích và truyền tín hiệu đến các bộ điều khiển

bộ phận chấp hành để thay đổi trạng thái của xe cho phù hợp với yêu cầu Ngoài ra, bộ điều khiển trung tâm còn nhận tín hiệu phản hồi từ các bộ điều khiển của các hệ thống

để kiểm soát trạng thái làm việc của các bộ phận trên xe

1.4.3.2 Các bộ phận chính của hệ thống điện và điều khiển

a Hệ thống cung cấp và quản lý năng lượng

Nguồn điện một chiều chính là hệ thống cung cấp năng lượng cho xe điện, nó đóng vai trò rất quan trọng trong xe điện, quyết định khả năng và thời gian hoạt động của xe Vấn đề về lưu trữ năng lượng của hệ thống cung cấp cũng chính là vấn đề chính làm cho ô tô điện không được phát triển mạnh mẽ và phổ biến Trên ô tô điện hiện nay, người ta sử dụng pin Lithium hoặc ắc quy chì - axit để làm nguồn lưu trữ tùy

thuộc vào điều kiện và mục đích sử dụng

Hệ thống quản lý năng lượng BMS (Battery Management System) là hệ thống quan trọng đối với ô tô điện, nó có các chức năng sau:

- Giúp cân bằng năng lượng giữa các nguồn lưu trữ trong hệ thống cung cấp, kiểm soát năng lượng trong quá trình sạc và xả

- Kiểm soát dòng điện, hiệu điện thế và nhiệt độ của pin trong quá trình hoạt động

- Kiểm soát tình trạng sạc và tình trạng sức khỏe của pin làm tăng tuổi thọ của nguồn cung cấp năng lượng

b Hệ thống chuyển đổi năng lượng

Hệ thống chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ thay đổi các đặc tính của dòng điện một chiều từ hệ thống cung cấp để phù hợp tính năng làm việc của động cơ điện và các tải Trên ô tô điện, hệ thống chuyển đổi năng lượng thường là bộ biến tần (DC/AC) Các bộ chuyển đổi năng lượng thường được cấu tạo từ các thiết bị bán dẫn được điều khiển với độ chính xác cao

b Động cơ điện

Động cơ điện là bộ phận chấp hành, nhận năng lượng từ hệ thống cung cấp, tạo ra nguồn động lực giúp cho xe có thể di chuyển được Động cơ điện trên ô tô có thể dùng loại một chiều hoặc xoay chiều tùy thuộc vào các yêu cầu về thông số kỹ thuật

So với động cơ đốt trong, động cơ điện có nhiều ưu điểm hơn như: momen khởi động lớn, dải tốc độ hoạt động lớn, hiệu suất cao, không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, ở Việt Nam, do các vấn đề về lưu trữ năng lượng và bố trí trạm sạc nên ô tô điện vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn động cơ nhiệt

DUT.LRCC

d Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển có chức năng giống như ECU của xe sử dụng động cơ nhiệt, điều khiển mọi hoạt động của ô tô thông qua các bộ điều khiển bộ phận chấp hành Chẩn đoán và khắc phục lỗi của các hệ thống

Khắc phục các sự cố về quá dòng, quá áp, quá nhiệt, ngắn mạch… cho các bộ phận của ô tô

Điều khiển tốc độ và quá trình phanh tái sinh của động cơ phù hợp với yêu cầu thông qua bộ điều khiển động cơ Ngoài ra, nó còn có chức năng bảo vệ động cơ tránh hiện tượng quá dòng, áp, nhiệt …

e Các hệ thống tiêu thụ năng lượng khác

Các hệ thống khác bao gồm: điều hòa, trợ lực lái, ắc quy phụ, hệ thống đèn, tín hiệu … Các hệ thống này có đặc điểm và vai trò như ở ô tô truyền thống Các hệ thống này trên xe chuyển đổi được giữ nguyên bản, sử dụng lại nguồn Ắc quy 12V riêng để giảm giá thành và thời gian thiết kế

1.5 Một số dự án chuyển đổi ô tô truyền thống sang sử dụng năng lượng điện

Trên thế giới hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu đã tìm nhiều phương án chuyển đổi ô

tô truyền thống sang sử dụng năng lượng điện nhằm phục vụ nghiên cứu về xe điện Việc chuyển đổi có nhiều ưu điểm như:

- Chi phí nghiên cứu, chế tạo thấp do không cần phải thiết kế lại từ đầu mà dựa vào xe truyền thống đã có sẵn

- Thời gian chế tạo ngắn, phục vụ nhanh cho nghiên cứu

- Lắp đặt đơn giản do các thiết bị đều có sẵn trên thị trường

Dưới đây là một số hình ảnh và thông tin về các dự án chuyển đổi ô tô truyền thống sang sử dụng năng lượng điện

Dự án chuyển đổi xe 1996 Ford Escort LX Wagon sang sử dụng năng lượng điện

Hình 1.22 Xe 1996 Ford Escort LX Wagon dùng chuyển đổi sang xe điện

DUT.LRCC

Hình 1.23 Khoang máy sau khi chuyển đổi nhìn từ phía trước

Bảng 1.2 Thông tin về dự án

Sandwich, Illinois United State jjddown@yahoo.com

Xe chuyển đổi 1996 Ford Escort LX Wagon

Động cơ điện Advanced DC FB-4001 Series Wound DC

Hệ thống truyền động Hộp số 5 cấp nguyên bản, không sử dụng ly hợp

Bộ điều khiển xe điện Curtis 1231C

Ắc quy Trojan T-125, 6.00 Volt, Nối tiếp 20 bình

Thời gian chuyển đổi 4 tháng

Chi phí chuyển đổi 10.000 USD

Link tham khảo dự án http://www.evalbum.com/1923

DUT.LRCC

Dự án chuyển đổi xe Mazda RX-7 đời 1986 sang sử dụng năng lƣợng điện

Hình 1.24 Xe Mazda RX-7 đời 1986 sử dụng để chuyển đổi

Hình 1.25 Động cơ điện sử dụng cho xe điện chuyển đổi

Hình 1.26 Khối pin đặt ở khoang hành lý phía sau

DUT.LRCC

Hình 1.27 Bố trí các bộ phận trong khoang máy phía trước

Bảng 1.3 Thông tin về dự án

Indianapolis, Indiana United States elevatorguy925@yahoo.com

Xe chuyển đổi 1986 Mazda RX-7

Động cơ điện Netgain warp9 Series Wound DC

Hệ thống truyền lực Hộp số 5 cấp nguyên bản, có ly hợp

Bộ điều khiển Evnetics solitron 1

Ắc quy CALB/Skyenergy CE 100, 3.30 Volt, Lithium-Ion,

50 bình nối tiếp Điện áp hệ thống 165 V

Bộ chuyển đổi DC/DC Iota dls-55

Tốc độ tối đa 160 Km/h

Quãng đường di chuyển tối đa 80 Km

Trọng lượng không tải 1,290 Kilograms

Thời gian chuyển đổi 190 giờ

Chi phí chuyển đổi 15.500 USD

Link dự án tham khảo http://www.evalbum.com/4677

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2- PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN XE CHUYỂN ĐỔI VÀ TÍNH CHỌN

ĐỘNG CƠ ĐIỆN 2.1 Phân tích, lựa chọn xe chuyển đổi

Với tiêu chí chọn xe có trọng lượng thấp, tải nhỏ để giảm chi phí chuyển đổi Xe

có hình dạng khí động học tốt để giảm thiểu sức cản của gió và có thiết kế thùng sẵn

để phục vụ cho mục đích chở rác trong các con hẻm nhỏ ở thành phố Qua quá trình tìm hiểu tác giả đã chọn xe Thaco Towner 800

Hình 2.1 Xe tải Thaco Towner 800 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của xe