Khi xe hơi điện giã từ ổ cắm – Phần 1: Khởi động

Với hệ thống truyền điện không dây các xe hơi chạy điện sẽ tự sạc pin trong khi đang chạy trên đường.

Bài viết được chia làm 3 phần:


Khi nói đến xe hơi động cơ điện ta lại hình dung đến một chiếc xe hơi chạy bon bon trên đường cao tốc mà tạo ra rất ít tiếng ồn và không một chút khí độc hại nào. Quả là một bước tiến đáng kể, đủ để khiến chúng ta tự hỏi tại sao hiện chỉ có một số lượng nhỏ xe chạy điện có mặt trên thị trường.

Lý do nặng ký là đây: giả sử người đang lái chiếc xe điện đó nhận được cuộc gọi nhờ trợ giúp gấp từ một người thân ở khá xa. Ngay lập tức, người lái sẽ dán chặt mắt vào cái đồng hồ hiển thị thông tin quan trọng nhất trên bảng điều khiển: quãng đường xe có thể đi được với lượng pin còn lại. Liệu cô ta có đến được nhà của người thân mình không? Và ngay cả nếu cô ta đến được thì liệu cô ta có tìm được trạm sạc điện để quay về nhà mình không?

Người ta đã nghĩ ra một cái tên cho mối bận tâm mới này: bất an về khoảng cách (range anxiety), một nỗi lo mới mà tài xế của các xe hơi chạy điện gặp phải. Chẳng hạn chiếc Nissan Leaf chỉ có thể chạy khoảng 120km trên đường cao tốc sau khi sạc và cần ít nhất 8 tiếng để sạc đầy bộ pin của nó.

Nhưng có một cách có thể làm cho nỗi lo này biến mất và đồng thời khiến việc lái xe trở nên dễ dàng hơn nhiều. Nếu chúng ta đặt các cuộn dây phát bên dưới mặt đường và đặt những cuộn dây thu trên xe hơi điện thì ta có thể sạc điện cho xe trong khi xe chạy trên đường. Chủ nhân của chiếc xe hơi chạy điện sẽ chẳng bao giờ cần phải tìm đến một trạm sạc hay cắm điện vào xe. Đó là mục tiêu của nhóm nghiên cứu của chúng tôi ở Viện Khoa Học và Công Nghệ Tiên Tiến Hàn Quốc (Korea Advanced Institute of Science and Technology – KAIST) ở Daejeon. Chúng tôi đã phát triển một hệ thống được gọi là on-line electric vehicle (OLEV – tạm hiểu là: phương tiện giao thông sử dụng điện với khả năng sạc khi đang chạy).

Truyền tải năng lượng không dây chẳng phải là ý tưởng mới: Nikola Tesla đã từng dựng một cái tháp cao 57 mét phía sau phòng thí nghiệm của mình ở Shoreham, New York, trong những năm đầu của thế kỷ 20, một phần là để truyền năng lượng đến các thiết bị ở xa. Nhưng mãi đến thập kỷ vừa qua, các nhà nghiên cứu mới đạt được những đột phá cho phép thương mại hoá một cách hiệu quả việc sạc điện không dây, không chỉ cho các sản phẩm điện tử di động như điện thoại thông minh mà còn cho cả các rô-bốt công nghiệp và xe hơi chạy điện.

transformer

Nguyên lý hoạt động của biến áp xoay chiều với lõi sắt từ …

wireless_charging

… được sử dụng trong hệ thống sạc không dây. Các cuộn phát được chôn dưới nền đường. Cuộn thu đặt trên xe sẽ thu điện năng và sạc pin cho xe. (Nguồn: Stanford University.)

Công nghệ này hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ tương tự như trong biến áp xoay chiều. Dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây thứ nhất (cuộn sơ cấp) sẽ tạo ra một từ trường có phân cực bị đảo chiều trong mỗi chu kỳ của dòng điện và từ trường thay đổi này sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều trên cuộn dây thứ hai (cuộn thứ cấp.) Tỷ số vòng (dây) của hai cuộn dây sẽ quyết định điện áp được tăng lên hay giảm xuống. Các biến áp thường sử dụng lõi sắt từ để liên kết các cuộn dây và tăng cường từ trường giữa chúng. Nhưng không nhất thiết phải có lõi sắt từ. Nếu giữa hai cuộn dây là chỉ là không khí, dòng điện chạy qua cuộn thứ nhất vẫn tạo ra một từ trường và từ trường này vẫn được cảm ứng bởi cuộn dây thứ hai – mặc dù không mạnh bằng khi dùng lõi sắt từ. Khoảng cách giữa hai cuộn dây càng lớn thì việc truyền năng lượng càng kém hiệu quả.

Hơn 90 năm kể từ khi Tesla bắt đầu xây dựng tháp phát điện của mình, một dự án đầy tham vọng ở California đã cố gắng áp dụng ý tưởng truyền năng lượng không dây của Tesla vào lĩnh vực xe hơi. Năm 1994, dự án Partners for Advanced Transit and Highways [người dịch: một dự án về áp dụng các công nghệ tiên tiến vào hệ thống giao thông], thực hiện bởi các nhà nghiên cứu ở Đại Học California tại Berkeley (University of California, Berkeley), đã chứng minh khả năng truyền năng lượng từ các cuộn dây chôn trong nền đường vào các xe hơi bên trên. Việc truyền năng lượng được thực hiện ngay cả khi xe đứng yên hay chạy. Cuộn thu được đặt bên dưới gầm xe và cách cuộn phát 7,5 cm. Cuộn thu nhận được 65% năng lượng được phát đi, một con số ấn tượng vào thời điểm đó. Nhưng dù thế nào đi nữa, một giải pháp có tổn hao năng lượng lên đến 35% thì không thể nào đưa ra thị trường được. Hơn nữa, khoảng cách 7,5 cm là quá ít và nếu các cuộn thu được treo thấp như vậy thì một chỗ gồ ghề hay một cái ổ gà trên đường cũng có thể làm hỏng cuộn thu.

Vậy thì bằng cách nào mà ta có thể tăng hiệu suất truyền năng lượng mà không làm cho bộ thu, vốn đã được treo thấp, không trở nên dễ hư hỏng hơn nữa? Giải pháp mà các nhà nghiên cứu lựa chọn gần đây là sử dụng nguyên lý phối hợp cộng hưởng từ (magnetic resonance coupling.)

Một hình ảnh quen thuộc để minh hoạ về sức mạnh của cộng hưởng là hiện tượng xảy ra với một cái ly (cốc) rượu dưới giọng hát của một nghệ sĩ opera. Khi người nghệ sĩ hát, sóng âm tác động vào cái ly và làm cho nó rung động; nếu nốt nhạc được hát có cùng tần số với tần số tự nhiên của cái ly thì cứ qua mỗi chu kỳ sóng âm lại khuếch đại những rung động lên cho đến khi chúng đủ mạnh để làm vỡ cái ly. Giọng hát của người nghệ sĩ có một tương tác đặc biệt với cái ly và đã truyền nhiều năng lượng vào cái ly hơn là vào những đồ vật không cộng hưởng khác trong phòng. Tương tự như vậy, khi cuộn phát gửi đi các sóng điện từ có tần số trùng với tần số cộng hưởng của mạch điện chứa cuộn thu thì năng lượng sẽ được truyền qua cuộn thu với hiệu suất rất cao.

Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã áp dụng nguyên lý này trong thập kỷ qua. Năm 2007, các giáo sư ở MIT đã thu hút sự chú ý của cả thế giới bằng cách thắp sáng một bóng đèn lơ lửng trong không khí cách cuộn phát 2 mét. Sau đó, họ lập ra công ty WiTricity Corp. ở Massachusetts và hợp tác với nhiều công ty ô-tô để chế tạo các trạm sạc điện sử dụng tại nhà. Công ty Bombardier ở Quebec thì đang phát triển một hệ thống tên là Primove ở Châu Âu để truyền năng lượng đến các xe buýt và xe điện công cộng.

Nghiên cứu ở KAIST bắt đầu vào năm 2009 khi Nam Pyo Suh nhận ra rằng các xe hơi chạy điện sẽ hoạt động tốt hơn nhiều nếu chúng không phải mang theo những bộ pin cồng kềnh và đắt tiền. Suh đã gặp Myung-bak Lee, tổng thống của Hàn Quốc vào thời điểm đó, và đề xuất rằng KAIST sẽ phát triển các phương tiện giao thông được nạp điện không dây. Hội Đồng Công Nghệ và Khoa Học Quốc Gia (National Science and Technology Council) đã cấp cho KAIST 25 triệu đô la Mỹ và dự án OLEV sẵn sàng “lăn bánh”.

(xem tiếp Phần 2: Lăn bánh, Phần 3: Vượt ổ gà)


  • Nguyên bản tiếng Anh: “The All-Electric Car You Never Plug In,” Seungyoung Ahn, Nam Pyo Suh, và Dong-Ho Cho, IEEE Spectrum Magazine, April 2013.
  • Người dịch: Tạ Minh Chiến
  • Hiệu chỉnh: Nguyễn Ngọc Hoa Phượng
  • Bài viết có sử dụng hình ảnh và tư liệu bên ngoài để minh hoạ thêm cho nguyên bản tiếng Anh
Advertisements

2 comments

  1. Không biết chi phí nâng cấp đường để tương thích với loại xe này có đắt không? Hi vọng các phần sau của bài có đề cập tới khía cạnh này.

  2. Rất chi tiết, thank vì chia sẻ thú vị 🙂

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: