Khi xe hơi điện giã từ ổ cắm – Phần 2: Lăn bánh

(Xem Phần 1: Khởi động)

…

Vào một ngày tháng ba mát mẻ năm 2010, một nhóm các nhà khoa học nổi tiếng và các chính trị gia gặp nhau ở Grand Park (Seoul) để chứng kiến chuyến chạy đầu tiên của một chiếc xe “tram” (xe tram: một loại xe bánh sắt chạy trên đường ray đặt chung với đường ô tô) sơn màu xanh lá và xanh dương với dòng chữ “Sở thú Seoul” sơn phía trước. Se-hoon Oh, thị trưởng Seoul vào thời điểm đó, tuyên bố rằng ông mong muốn xe buýt và xe tram nạp điện không dây sẽ là “phương tiện giao thông thân thiện với môi trường trong tương lai.”

Ngày nay chiếc xe tram của dự án OLEV vẫn còn tiếp tục chạy vòng quanh Grand Park trên một quãng đường dài 2.2 km trong đó có 370m có các cuộn dây phát được chôn bên dưới lớp nhựa đường. Khi chiếc xe tram chạy, các bộ cảm biến từ trường bên dưới nền đường sẽ phát hiện khi nào xe tram đến để kích hoạt các bộ phát và truyền 62kW đến các cuộn thu treo bên dưới xe tram. Trong khi đó, người điều khiển xe tram theo dõi, thông qua một màn hình, xem xe tram có nằm ngay với các cuộn phát khi nó chạy qua không để đảm bảo năng lượng được truyền qua hiệu quả. (Chúng tôi đang phát triển một hệ thống có khả năng tự động căn chỉnh vị trí của xe tram so với các cuộn dây phát bằng cách đo cường độ trường từ.)

Chiếc xe vẫn có một bộ pin nhưng nó chỉ cần mang một lượng điện năng ít hơn 40% so với trước kia. Nó cũng nhẹ hơn và rẻ hơn nhiều: nặng 1100 kg (giảm 6%), giá 88 500 USD.

Một chiếc xe tram chạy điện ở công viên thành phố Seoul nạp điện cho bô pin lithium của nó từ các cuộn dây được chôn bên dưới mặt đường. Công nghệ này cho phép chế tạo các xe tram với các bộ pin nhẹ hơn và rẻ hơn. (Hình: KAIST. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine.)

Những cuộn dây phát này sẽ được chôn trong nền đường và sẽ tạo ra một trường điện từ có tần số cộng hưởng với các cuộn dây thu nằm bên dưới xe tram. Việc ghép cộng hưởng này cải thiện đáng kể khả năng truyền năng lượng. (Hình: KAIST. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine.)

Máy đo tần số dòng điện chạy trong cuộn phát. (Hình: KAIST. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine.)

Trạm điều chỉnh để đảm bảo tần số của cuộn phát phù hợp với tần số của cuộn thu nằm trên xe tram. (Hình: KAIST. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine.)

Bộ biến tần để cung cấp dòng điện xoay chiều cho cuộn phát chỉ khi có xe tram chạy qua bên trên. (Hình: KAIST. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine.)

Những tiến bộ then chốt mà chúng tôi đạt được là trong phần thiết kế lại trường điện từ. Đầu tiên là phải chọn tỷ lệ cường độ của hai trường thành phần – trường điện và trường từ. Các kỹ sư thiết kế có thể chọn một trường nào để phát mạnh hơn. Chẳng hạn như ăng-ten dipole phát ra trường điện mạnh hơn còn ăng-ten vòng phát ra trường từ mạnh hơn. Chúng tôi chọn thiết kế kiểu vòng kép (dual loop) cho các cuộn phát chôn dưới mặt đường bởi vì trường từ có khả năng truyền năng lượng tốt hơn khi phải truyền xuyên qua lớp nhựa đường, đất cát, hay các vật liệu khác nằm giữa cuộn phát và cuộn thu.

Quyết định thứ hai là làm tăng hiệu suất truyền năng lượng bằng cách định hướng các đường sức từ giữa cuộn phát và cuộn thu bằng các lõi sắt từ đặt ở cả cuộn phát và cuộn thu. Cấu trúc này giảm thiểu sự rò rỉ của trường từ và do đó giảm suy hao. Trong những thí nghiệm với xe buýt OLVE mới đây, khi thân xe buýt nằm cách mặt đường 20 cm, hiệu suất truyền tải trung bình đạt được là 75%.

Một chiếc xe hơi điện có thể nạp điện bằng cách thiết lập một trạng thái cộng hưởng giữa trường điện từ của các cuộn dây phát chôn dưới mặt đường với trường điện từ của các cuộn dây thu treo bên dưới xe. Trạng thái cộng hưởng xảy ra khi tần số của bộ phát trùng với tần số của bộ thu. Hiệu suất truyền tải được tăng lên thêm nhờ các lõi sắt từ có chức năng định hướng trường điện từ. (Minh hoạ: James Provost. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine.)

Trong khi các trạm sạc không dây thử nghiệm dùng tại nhà hiện tại chỉ có thể truyền một công suất 3.3 hay 6.6 kW, xe buýt OLEV có thể nhận được 100 kW khi đang chạy. Một công suất lớn cỡ đó là cần thiết để có thể vận hành một chiếc xe buýt chở đầy người và giảm thời gian nạp điện. Bằng cách đặt cuộn dây phát ở những nơi xe buýt dừng và chờ, như bãi đậu xe, trạm xe buýt, trạm taxi và đèn giao thông, ta có thể nạp điện cho xe hiệu quả hơn và giảm được chi phí xây dựng. Nghĩ một cách đơn giản là nếu xe hay dừng ở chỗ nào thì tại sao lại không đặt các thiết bị nạp điện ở ngay nơi đó.

Tần số cộng hưởng của hệ thống OLEV được chọn rất cẩn thận. Khi ta tăng tần số trong khoảng kHz thì điện áp trong cuộn thu cũng tăng tỷ lệ thuận và việc truyền tải cũng có hiệu suất cao hơn. Khi tần số tăng lên mức MHz và cao hơn thì các cuộn dây phát và thu sẽ chịu tác động của hiệu ứng bề mặt (skin effect): dòng điện chỉ chạy trong một lớp kim loại mỏng nằm sát bên dưới bề mặt của sợi dây và độ dày của lớp dẫn điện này tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của tần số.

Với dây dẫn bằng nhôm, độ dày của lớp dẫn điện (skin depth) ở tần số 100kHz là 0.25 mm nên các dây dẫn nhỏ vẫn thích hợp. Nhưng ở tần số 10MHz, độ dày này chỉ là 0.024 mm nên sẽ gây ra nhiều khó khăn hơn. Hơn nữa, khi tăng tần số từ mức kHz lên MHz thì hiệu suất chuyển đổi điện một chiều (DC) sang xoay chiều (AC) của con transistor (insulated-gate bipolar transistor – IGBT) trong bộ biến tần trở nên cực kỳ kém.

Chiếc xe buýt OLEV tham gia cuộc trình diễn ở Expo 2012 ở Yeosu, Hàn Quốc, sử dụng tần số 20 kHz làm tần số cộng hưởng. Chiếc xe buýt thương mại đầu tiên sử dụng công nghệ này được hy vọng là sẽ bắt đầu chạy thử vào tháng 7 tới ở Gumi, Hàn Quốc.

Trong giai đoạn tiếp theo của dự án, công nghệ OLEV sẽ được áp dụng vào hệ thống tàu điện cao tốc và sẽ làm cho tàu chạy còn nhanh hơn. Công nghệ hiện tại chỉ cho phép tàu chạy ở tốc độ dưới 300 km/giờ do năng lượng phải được truyền từ dây điện qua tàu thông qua một cần nối bằng kim lại có khả năng co giãn như lò xo. Khi năng lượng được truyền không dây con tàu sẽ không còn bị vướng víu nữa. Nó sẽ có thể chạy nhanh hơn. Các đường hầm cũng có thể được làm hẹp hơn. Vào tháng 2 vừa qua, hệ thống truyền năng lượng không dây hoạt động ở tần số 60 kHz (nhờ bộ biến tần được thiết kế lại) với công suất 180kW đã được thí nghiệm thành công. Các nhà nghiên cứu dự dịnh sẽ lắp đặt hệ thống này trên tàu điện trước cuối năm nay.

Một ứng dụng thú vị khác của công nghệ OLEV mà các nhà nghiên cứu đang xem xét là trên các xe dùng để di chuyển các công-ten-nơ ở các bến cảng. Bởi vì các xe này chỉ cần di chuyển trong một phạm vi nhất định việc thiết lập các trạm phát điện bên dưới mặt đất sẽ rất đơn giản.

…

(xem tiếp 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: Đinh Thành Việt