Đảm bảo hiệu năng hoàn hảo cho xe ôtô điện

Thị trường xe ô tô điện (EV) đang phát triển nhanh chóng và điều này dẫn tới sự thay đổi lớn trong phương pháp xác nhận thiết kế và kiểm thử hiệu suất. Các kỹ sư đang sử dụng các phương pháp kiểm thử mới để đáp ứng xu hướng sử dụng công nghệ trong ô tô ngày càng tăng, gồm các phương pháp mô phỏng để giảm chu kỳ sản xuất và tăng năng suất.

Nhưng một cuộc khảo sát gần đây của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo quốc gia Mỹ cho thấy lý do hàng đầu mà mọi người viện dẫn khi không sử dụng xe ô tô điện (EV) là do chi phí (51%), tiếp theo là không thể sạc EV khi xa nhà (48%).

Lý do không mua xe EV sạc điện (Nguồn: Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ)

Điều này đã thúc đẩy cộng đồng xe điện (e-mobility) nỗ lực tìm cách giảm chi phí của xe ô tô điện xuống tương đương với các loại xe sử dụng động cơ đốt trong (ICE).

Sử dụng công nghệ mô phỏng để kiểm thử và xác nhận các thiết kế này có thể rất có ích trong việc duy trì, thậm chí là giảm chi phí kiểm thử. Đó là một bước đi tích cực để giảm giá EV.

Các nhà sản xuất xe hơi thay đổi để phục vụ khách hàng

Các nhà sản xuất xe hơi truyền thống đã có các chu kỳ phát triển dài hơn so với các ngành công nghiệp khác. Một trong những lý do là yêu cầu tuân thủ các quy định an toàn cùng các tiêu chuẩn kiểm thử va chạm nghiêm ngặt áp dụng cho tất cả các thương hiệu, bất kể là EV hoặc ICE.  Tuy nhiên, các thương hiệu EV mới như Tesla, không bị cản trở bởi những giới hạn của các nhà sản xuất ô tô truyền thống, đã đẩy nhanh tốc độ phát triển và đóng vai trò quan trọng trong phổ biến xe ô tô điện.

Năm ngoái, Tesla đã công bố mua lại Maxell Technologies, một công ty sản xuất tụ điện tiên phong trong việc thiết kế các siêu tụ điện mật độ năng lượng cao cùng công nghệ ắc quy mới. Các nhà phân tích cho rằng Tesla đặt mục tiêu sử dụng công nghệ điện cực ắc quy khô mới của Maxwell để cải thiện phạm vi hoạt động của xe ô tô điện của hãng lên tới hơn 400 dặm (khoảng 643 km), đồng thời hứa hẹn ắc quy sẽ hoạt động lâu hơn nhưng rẻ hơn.

Một điều chắc chắn là động cơ đốt trong đã góp phần gây ô nhiễm môi trường, và cùng với sự biến đổi khí hậu, đã thôi thúc phải có các giải pháp thay thế nhằm giảm xả thải từ thấp tới bằng không, như xe ô tô điện. Hiện tại, EV chiếm một tỷ lệ rất nhỏ, nhưng con số đó đang thay đổi và các chỉ số ngành khác nhau cho thấy sắp đến thời điểm bùng phát. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng đến năm 2040, EV có thể chiếm 30% doanh số bán xe mới ở Trung Quốc, Châu Âu, Ấn Độ và Mỹ. Hình 2 minh họa dự báo doanh số cho EV, ICE và các phương tiện khác.

 Doanh số bán xe EV ngày càng tăng (Nguồn: IHS Markit)

Các nhà sản xuất ô tô ICE cũng đặt mục tiêu chiếm thị phần trên thị trường EV, và để làm được điều đó, họ phải giải quyết các thách thức về thiết kế và sản xuất mới cho EV, xử lý vấn đề phức tạp khi sử dụng ắc quy 300 V công suất cao, điện áp cao làm nguồn truyền động thay vì chỉ đơn giản nâng công suất cho các xe động cơ đốt trong truyền thống.

So với những xe ô tô dùng xăng hoặc dầu diesel, xe điện EV có nhiều yêu cầu cụ thể hơn. Hệ sinh thái xe điện công suất cao đòi hỏi các nhà sản xuất EV cũng như các nhà sản xuất linh kiện cho xe điện (EVSE) phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và hiệu năng, trong khi vẫn đảm bảo khả năng tương thích với các mô hình vận hành khác nhau trên thế giới. 

Hình 3 minh họa sự phức tạp của môi trường xe điện. Tất cả các hệ thống con phải đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu năng và an toàn cho các nhiệm vụ quan trọng.

 EV đang thúc đẩy đầu tư công nghệ trên toàn hệ sinh thái xe điện

Điện áp, chi phí và rủi ro cao hơn

Việc bổ sung ắc quy điện áp cao, công suất cao, có thể là một trong những cân nhắc thiết kế quan trọng nhất. Việc tích hợp ắc quy này vào các hệ thống trên xe thông thường được cấp nguồn 12V là một thách thức khác. Điện áp cao như vậy cũng làm phát sinh rủi ro.

Thiết bị được sử dụng trong kiểm thử các hệ thống như vậy cũng có thể đắt hơn khi mua và vận hành Một nguồn điện 10 KW tiêu thụ năng lượng gấp 10 lần so với nguồn 1 KW, do vậy khi cân nhắc nhiều bài kiểm thử được một nhà sản xuất ô tô áp dụng thì các khoản chi phí phải trả là khá lớn. Các nhà sản xuất cần tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và đảm bảo có các thiết bị bổ sung như bộ ngắt kết nối nguồn. Nhiệt phát ra trong quá trình kiểm thử cũng là một điều cần quan tâm. Có thể có yêu cầu bổ sung về thiết bị làm mát nơi thử nghiệm.

Mô phỏng ắc quy công suất cao trên xe

Hệ thống ắc quy chính là trái tim của EV. Điện được nạp vào ắc quy từ lưới điện thành phố hoặc hệ thống phanh tái sinh (regenerative breaking), và từ đó cấp điện cho xe hoặc các linh kiện. Khả năng hệ thống sạc và cung cấp điện cho xe một cách hiệu quả và an toàn là chức năng quan trọng cho hoạt động của EV. Do đó, điều quan trọng là ắc quy phải được kiểm thử nghiêm ngặt để xác định tuổi thọ chức năng và công suất điện. Các nhà thiết kế đang dần chuyển sang mô phỏng ắc quy để tiến hành xác nhận hiệu năng và phát hiện lỗi sớm.

Do EV cần phải chịu được những thay đổi khắc nghiệt về nhiệt độ, độ rung và độ ẩm, nên các hệ thống nguồn trên xe cũng phải có khả năng chịu được các điều kiện môi trường như vậy. Do đó, các kỹ sư đang sử dụng giải pháp mô phỏng để bắt chước ắc quy công suất cao và nghiên cứu các tác động hiệu năng của ắc quy tới các thiết bị được kiểm thử (DUT) trong những điều kiện khác nhau.

Các kỹ sư cũng có thể sử dụng trình giả lập làm bộ chuyển đổi dòng điện DC-DC để tăng dòng 12 V thành 48 V nhằm kiểm thử hoạt động của mạch quản lý ắc quy, hoặc hạ dòng 48 V xuống 12 V để kiểm thử chức năng của điều hòa không khí. Họ cũng đang nghiên cứu chế tạo các hệ thống mà điện dư thừa được lưu trữ trong ắc quy của EV sẽ bổ sung cho lưới điện thành phố trong giờ cao điểm. Điều này có liên quan đến công nghệ chuyển đổi dòng DC-AC, vì lưới điện hoạt động trên nền tảng AC. Mô phỏng được sử dụng để tạo ra môi trường như vậy cho phép các kỹ sư xác nhận và kiểm thử các hệ thống phụ này.

Keysight RP7900 là một thiết bị giả lập có thể tái tạo hơn 85% năng lượng từ thiết bị DUT của EV vào lưới điện, giúp giảm nhiệt sinh ra trong DUT.

Cơ sở hạ tầng sạc ắc quy là một quan ngại khác của khách hàng. Ngành công nghiệp ô tô đang tăng cường đầu tư vào thiết bị nguồn cho xe điện (EVSE) và nhu cầu trạm sạc có thể lên tới 30 triệu trạm vào năm 2030. Tiềm năng phát triển của các nhà sản xuất EVSE là rất lớn; tuy nhiên, cả nhà sản xuất EV lẫn EVSE đều phải tuân thủ các quy định về khả năng tương thích và tuân thủ quy trịnh trên toàn cầu.

Hiện tại việc sạc ắc quy được chia thành 3 cấp độ; Sạc AC chậm - sạc qua đêm từ ổ cắm 220-240 V trong nhà (các nước Đông Nam Á). Tốc độ sạc AC trung bình - sạc ắc quy EV cỡ trung bình (24 KWh) đầy trong 6 giờ. Sạc DC nhanh - có thể sạc 80% ắc quy EV (24 KWh) cỡ trung bình chỉ trong 30 phút. Nhưng tốc độ sạc cao này có thể ảnh hưởng đến công suất của ắc quy vì làm tăng nhiệt độ.

Do các tiêu chuẩn điện áp trên thế giới có sự khác biệt, các nhà sản xuất ô tô và EVSE phải đảm bảo các sản phẩm của họ có thể tương thích và đáp ứng các quy định phù hợp. 

Những nỗ lực hợp tác giữa các nhà sản xuất EV và EVSE hiện đang mang đến những biện pháp mới, hiệu quả hơn để kiểm thử và xác nhận công suất của các hệ thống đó; và công nghệ mô phỏng là một phương pháp kiểm thử quan trọng cho mục đích này.

Ví dụ, thử nghiệm trung gian, như đã biết, sử dụng mô phỏng để đo lường và giải mã tín hiệu liên lạc và công suất giữa EVSE và EV; các bài kiểm thử giúp xác định các vấn đề tương thích tiềm tàng. Thiết bị có thể được điều chỉnh để chạy các thông số kiểm thử khác nhau, tùy thuộc vào điểm sạc và kiểu xe hoặc các tiêu chuẩn sạc của quốc gia.

Bà Hwee-Yng Yeo, Giám đốc Marketing Giải pháp Ngành Ô tô và Năng lượng, Keysight Technologies, tác giả bài viết

Mô phỏng cell, module và bộ nguồn ắc quy

Giá thành của các cell sử dụng trong EVs là một vấn đề khác mà các nhà sản xuất phải đối mặt. Hiện tại, chi phí năng lượng trung bình cho EV gần gấp đôi so với xe ICE cùng mã lực. Ngành sản xuất xe điện đặt mục tiêu giảm các chi phí này, do đó có các nhóm chuyên gia nỗ lực nghiên cứu nhằm giảm chi phí năng lượng ngang với mức của xe hơi chạy xăng hoặc diesel truyền thống.

Các hệ thống lưu điện công suất cao mới và việc kết nối nhiều cell lưu điện để tạo thành các mô-đun và bộ nguồn (pack) đòi hỏi phải có các hệ thống quản lý ắc quy thông minh (BMS). Các hệ thống này chịu trách nhiệm về độ an toàn, quản lý nhiệt, cân bằng điện và trạng thái sạc.

Giải pháp mô phỏng, được sử dụng để kiểm thử và tối ưu hóa BMS, có thể mô phỏng nhiều loại cell cùng một loạt các mô hình cell, module và bộ nguồn ắc quy khác nhau.

Khi thế giới hướng tới một tương lai giao thông vận tải không xả thải, thì công nghệ mô phỏng sẽ phát triển để giúp các kỹ sư hiện thực hóa nhiều sáng tạo trong ngành công nghiệp xe điện.

Chia sẻ của Bà Hwee-Yng Yeo, Giám đốc Marketing Giải pháp Ngành Ô tô và Năng lượng, Keysight Technologies"

Nguồn: [Link nguồn]Nguồn: [Link nguồn]