Cuộc đua ra thị trường của ô tô điện

Kể từ khi ra đời hơn một thập kỷ trước, giải đua xe Formula E đã phát triển nhanh chóng như một môn thể thao đua xe với một sứ mệnh. Ngoài tính giải trí, sứ mệnh sáng lập của giải đua xe điện này là giới thiệu với thế giới công nghệ giao thông bền vững, và sứ mệnh này đã khá thành công.

Đây là môn đua xe thể thao duy nhất có chứng nhận ISO 20121 về không phát thải carbon kể từ cuộc đua đầu tiên được tổ chức tại Thượng Hải vào năm 2014.

Giám đốc giải pháp ngành Ô tô và Năng lượng, Keysight Technologies Hwee Yng Yeo - Chuyên gia về xe điện hàng đầu thế giới.

Để đưa chiếc xe Formula E vào vị trí tốt nhất trong cuộc đua đòi hỏi rất nhiều công nghệ phần cứng và phần mềm để khai thác hiệu quả tối đa các hệ thống của xe điện (EV), từ hệ thống truyền động cho tới hệ thống pin. Đối với các nhà sản xuất OEM ô tô lớn, mục tiêu quan trọng nhất không chỉ là đưa xe tới đích đầu tiên.

Với hàng tỉ USD đã được đổ vào nghiên cứu phát triển để cho ra những chiếc xe điện tốt hơn, mục tiêu của các nhà sản xuất ô tô tham gia giải đấu không chỉ đơn thuần là chiếc cúp vô địch.

Những bài học rút ra từ các cuộc đua cường độ cao này được áp dụng để cải thiện công nghệ cơ điện trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển.

Ba công nghệ tiến bộ nhanh chóng đang thúc đẩy cuộc đua tập thể này hướng tới giao thông vận tải không phát thải: Thiết bị Wwide-bandgap (WBG), pin có mật độ năng lượng cao hơn, và khả năng sạc nhanh hơn.

Chuyển đổi năng lượng hiệu quả với các thiết bị WBG

Trong một chiếc xe điện, năng lượng được biến đổi dưới nhiều hình thức. Ví dụ, bộ chuyển đổi DC-DC, chuyển nguồn từ pin EV điện áp cao xuống 12 V, với các chuyển đổi tiếp theo để cấp nguồn cho các hệ thống tích hợp như chiếu sáng, radio và điều hòa không khí (xem hình 1).

Các thiết bị WBG như chất bán dẫn cacbua silic (SiC) và gali nitride (GaN) được sử dụng trong các bóng bán dẫn để tạo thuận lợi cho việc biến đổi năng lượng trên xe này.

Nguồn hình ảnh: Máy đo xung kép của Keysight

Ứng dụng vật liệu GaN là một lĩnh vực công nghệ mới nổi và các nhà phát triển gặp khó khăn khi xác nhận hợp chuẩn các thiết kế bộ biến đổi điện năng hiệu suất cao này.

Tần số và công suất cao hơn ảnh hưởng đến độ tin cậy của các phép đo cần thực hiện để mô tả hiệu suất của thiết bị. Khó có thể phân biệt được tín hiệu đo được là đặc tính của thiết bị hay là kết quả của các thiết lập phép đo.

Nhiều kỹ sư đang bắt đầu sử dụng phương pháp đo xung kép mới để nhận được kết quả đo đáng tin cậy và có thể lặp lại, đồng thời đảm bảo thiết kế của họ phù hợp với tiêu chuẩn JEDEC cho WBG, nhờ đó có thể tạo ra các bộ biến đổi công suất tin cậy hơn cho ô tô điện.

Pin tốt với giá thành hợp lý hơn cho ô tô điện

Trong cuộc đua Formula E đầu tiên tại Đường đua Olympic Xanh, Bắc Kinh vào ngày 13/9/2014, các tay đua phải đổi xe giữa chặng vì pin 28 kWH hết điện.

Ngày nay, các tay đua không còn cần phải đổi xe vì dung lượng pin đã tăng gần gấp ba, trong khi kích thước và trọng lượng vẫn giữ nguyên. Các công nghệ pin tương tự như các công nghệ cho phép nâng cao hiệu suất xe đua cũng đang giúp các nhà sản xuất ô tô OEM xoa dịu nỗi lo của người tiêu dùng về tầm hoạt động.

Giá pin EV đã giảm hơn 80% trong thập kỷ qua, nhưng xu hướng đó khó có thể duy trì. Theo Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, một bộ pin Lithium-ion NMC532 dành cho xe điện có thể chứa khoảng 8 kg lithium, 35 kg niken, 20 kg mangan và 14 kg coban.

Với việc các mặt hàng kim loại này tăng giá, các nhà sản xuất pin cho ô tô điện tiếp tục phải đối mặt với thách thức giữ giá pin. Các chiến lược thiết kế và đo kiểm vòng đời pin tốt hơn, cũng như các giải pháp đo kiểm tra đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được các thông số kỹ thuật tốt hơn về hiệu năng và giảm giá thành pin.

Biểu đồ về sự phát triển của pin dành cho xe điện trong 5 năm qua. Nguồn ảnh: MINING.COM

Hầu hết các nhà sản xuất ô tô điện đều đảm bảo pin của họ có tuổi thọ từ 8 đến 10 năm. Nhiều người tiêu dùng có thể đổi xe trước khi hết thời hạn bảo hành, vì vậy các nhà phát triển pin nhận thức rõ họ có trách nhiệm lập kế hoạch cho cả vòng đời của pin.

Kế hoạch này bao gồm vòng đời thứ hai của pin, khi chúng có thể được tái sử dụng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng kết nối lưới có yêu cầu thấp hơn, và các phương pháp tái chế hiệu quả để phục hồi vật liệu chế tạo pin.

Công nghệ sạc ô tô điện

Bên cạnh kỳ vọng về các loại pin mạnh và bền hơn, người tiêu dùng cũng coi khả năng sạc nhanh chóng và dễ dàng là những tiêu chí chính khi họ cân nhắc những ưu và nhược điểm của việc chuyển đổi từ dùng nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng tái tạo cho ô tô của họ.

Trong khi các chính phủ đưa ra kế hoạch khuyến khích sở hữu xe điện, tiền cũng đang được đổ vào nhiều sáng kiến khác nhau để phát triển cơ sở hạ tầng sạc cho ô tô điện.

Yếu tố thứ hai đang giúp mở rộng thị trường thiết bị nguồn của ô tô điện (EVSE) - từ các thiết bị dạng hộp treo tường đến trạm sạc nhanh và sạc không dây.

Đối với các nhà sản xuất xe ô tô điện và EVSE, đảm bảo khả năng tương tác và tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp là yếu tố rất quan trọng đóng góp vào sự thành công của sản phẩm.

Các chỉ tiêu đo kiểm xe điện và thiết bị cấp nguồn cho xe điện EVSE có thể trở nên rất phức tạp nếu tính đến sự khác biệt và đa dạng trong quy định quản lý điện năng ở các khu vực và các thiết kế xe ô tô điện.

Để đẩy nhanh quá trình đổi mới sáng tạo, nhiều nhà sản xuất xe ô tô điện và EVSE đang đầu tư vào các giải pháp giả lập có thể giúp họ tiết kiệm thời gian và chi phí.

Các hình thức xác minh thiết kế này sử dụng các loại máy móc có thể giả lập cả xe điện hoặc trạm sạc, giải quyết các thách thức khi thử nghiệm duy nhất một sản phẩm mới theo các mẫu xe điện hoặc EVSE khác nhau.

Các sản phẩm xe điện và EVSE đang phát triển cần nhiều năng lượng điện, các loại phụ tải điện tử biến đổi điện năng thành nhiệt, khiến nhiệt độ trên các giá máy đặt thiết bị đo có thể tăng đáng kể.

Nhiệt độ cao có thể làm tăng sai số đo và chi phí làm mát. Để giải quyết thách thức này, các kỹ sư đang chuyển sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, có thể đưa năng lượng trở lại lưới điện một cách an toàn, giúp cắt giảm chi phí làm mát và đóng góp bảo vệ môi trường.

Cuộc đua phía trước

Cuộc đua xe điện sẽ ngày càng trở nên phấn khích hơn, bất kể trên các đường đua Formula E hoặc trên thị trường ô tô, khi các nhà sản xuất ô tô nỗ lực giành thị phần lớn hơn cho thương hiệu của họ. Mặc dù các mục tiêu cá nhân có thể khác biệt, nhưng mục tiêu chung vẫn là phấn đấu cho một tương lai bền vững hơn thông qua công nghệ.

Theo Tạp chí Điện tử