Trong tương lai không xa, khái niệm ô-tô sẽ hoàn toàn thay đổi. Không còn bình xăng và động cơ đốt trong nữa, ô-tô sẽ được truyền động bằng động cơ điện với nguồn điện năng lưu trữ trên siêu tụ có tuổi thọ rất dài khi so sánh với các loại ắc-quy Lithium-ion truyền thống. Bên cạnh đó, công nghệ truyền năng lượng không dây cho phép quá trình nạp năng lượng diễn ra một cách thường xuyên và an toàn. Ô-tô sẽ không còn là một phương tiện giao thông cá nhân, mà thực sự trở thành một tài sản chung của xã hội, và là một bộ phận cấu thành hệ thống năng lượng của loài người. Trong bài viết này, dựa trên những kinh nghiệm đến từ thực tiễn học tập, nghiên cứu, và giảng dạy tại Đại học Tokyo và Đại học Bách Khoa Hà Nội, hai tác giả Nguyễn Bình Minh và Tạ Cao Minh sẽ điểm lại vài nét về lịch sử, và những kỹ thuật điều khiển giúp kiến tạo tương lai của ô-tô điện. Từ đó, các tác giả đề xuất một số khuyến nghị cho Việt Nam trong việc hiện thực hóa xã hội sử dụng ô-tô điện.

Ô-TÔ ĐIỆN VÀ NHỮNG THĂNG TRẦM LỊCH SỬ

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, Jedlik (nhà nghiên cứu vật lý người Hungary) đã chế tạođộng cơ điện đầu tiên vào năm 1828. Kể từ đó, các loại máy móc sử dụng điện năng lần lượt ra đời, trong đó có những thủy tổ của ô-tô điện - lúc đầu chỉ là những “cỗ máy có bánh xe và biết chạy”. Gần bảy mươi năm sau phát minh của Jedlik, chiếc ô-tô điện đầu tiên mang dáng vẻ hiện đại mới được chế tạo bởi Thomas Parker vào năm 1895 (H. 1-a). Ô-tô điện nhanh chóng bước vào thời đại hoàng kim trong những năm đầu thế kỷ 20. Mặc dù tốc độ chưa cao (khoảng 30~40 km/h) nhưng ô-tô điện nhanh chóng  được con người đương thời ưa thích. Ô-tô điện chạy êm, dễ dàng điều khiển ngay cả với phụ nữ, sạch sẽ, lại không gây tiếng ồn. Nếu bước lên cỗ máy thời gian quay lại năm 1905, chúng ta sẽ thấy ô-tô điện cá nhân và taxi điện trên các con đường tại các thành phố lớn ở Mỹ và châu Âu. Nhưng thời đại hoàng kim ấy không kéo dài lâu. Ô-tô dùng động cơ đốt trong tuy rất ồn và thải ra khí quyển nhiều chất độc hại, nhưng lại có ưu thế vượt trội về tốc độ và độ dài của hành trình. Ô-tô điện rơi vào đêm trường trung cổ trong những năm 1920 đến 1990.

Đêm trường trung cổ rồi cũng phải kết thúc. Khi loài người bước sang thế kỷ 21, thời đại phục hưng của ô-tô điện bắt đầuvới hai lý do chủ yếu như sau. Thứ nhất, nhiên liệu hóa thạch không phải là nguồn năng lượng vĩnh cửu. Thứ hai, theo các bản báo cáo của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), loài người chịu trách nhiệm chính cho sự nóng lên toàn cầu. So với thời kỳ tiền cách mạng công nghiệp, nhiệt độ Trái đất đã tăng 0.8 độ C vào năm 1980. Để không vượt ngưỡng nguy hiểm 2 độ C, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng đến năm 2050, loài người phải giảm lượng khí thải carbon xuống 50% mức hiện tại, và tiếp tục giảm lượng khí thải carbon về con số 0. Theo tính toán của IPCC, chúng ta không được đốt quá 800 gigaton carbon. Đến năm 2014, chúng ta đã đốt 530 gigaton, tức là chỉ còn 270 gigaton mà thôi. Với tốc độ tiêu thụ carbon 10 gigaton/năm hiện nay, chúng ta chẳng còn bao nhiêu thời gian nữa.Theo báo cáo năm 2018 của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), giao thông vận tải chịu trách nhiệm cho 24.34% lượng khí thải carbon mỗi năm. Xét riêng lĩnh vực giao thông vận tải, các loại ô-tô hạng nhẹ, ô-tô tải và ô-tô bus lần lượt chiếm 44%, 27%, và 6% lượng khí thải carbon mỗi năm.

Các con số nói trên đủ tính thuyết phục để ô-tô điện trở thành mối quan tâm của các tổ chức quốc tế, các chính phủ, các công ty ô-tô, các nhà nghiên cứu và người tiêu dùng. Những mẫu ô-tô điện tiêu biểu như Nissan Leaf được giới thiệu ở Nhật và Mỹ năm 2010, Tesla Model S được tung ra thị trường vào năm 2012 (H. 1-b). Cho đến nay, mỗi tập đoàn ô-tô lớn trên thế giới đều đã phát triển một mẫu ô-tô điện gắn với thương hiệu của riêng mình, như BMW i3, Mercedes B-Class Electric Drive, Volkswagen E-Golf, Mitsubishi i-MiEV… Cho đến tháng 12 năm 2018, ô-tô điện đã đạt tới con số 5.1 triệu đơn vị trên thị trường ô-tô con thế giới. Từ cuối những năm 1990, các trung tâm nghiên cứu ô-tô điện đã được hình thành và phát triển tại nhiều trường đại học ở Mỹ, châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc. Các hội nghị quốc tế lớn như EVS và IEEE-VPPC đã trở thành diễn đàn để các nhà nghiên cứu trao đổi và giới thiệu những công nghệ mới trong lĩnh vực ô-tô điện. Tại Việt Nam, trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và Sáng tạo công nghệ (CTI, Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã đi đầu trong việc triển khai nghiên cứu ô-tô điện với đề tài cấp nhà nước KC.03.08/11-15. Tập đoàn như FPT đã tập trung phát triển phần mềm điều khiển ô-tô điện], và trong những năm gần đây tập đoàn Vingroup cũng bắt đầu triển khai nghiên cứu và sản xuất ô-tô, trong đó có ô-tô buýt điện.

Đứng ở góc nhìn kỹ thuật, có hai vấn đề quan trọng cần phải được giải quyết để đưa ô-tô điện trở lại thời đại hoàng kim. Thứ nhất, quãng đường di chuyển của ô-tô điện sau mỗi lần sạc đầy còn rất hạn chế khi so sánh với ô-tô xăng. Các loại ắc-quy cho ô-tô điện hiện nay vẫn có giá thành cao, khối lượng lớn, và tuổi thọ chưa đủ dài. Thứ hai, làm thế nào để tận dụng các ưu điểm của động cơ điện và biến ô-tô điện trở thành một phương tiện giao thông có tính năng vượt trội so với ô-tô xăng truyền thống? Chúng tôi tin rằng câu trả lời cho hai vấn đề trên rất giản dị: Ô-tô điện tương lai sẽ được kiến tạo dựa trên việc sử dụng kỹ thuật điều khiển để tích hợp ba công nghệ lõi (i) động cơ trong bánh xe (in-wheel-motor), (ii) siêu tụ (super-capacitor), và (iii) truyền điện không dây. Động cơ trong bánh xe mang tới những tính năng điều khiển chuyển động ưu việt cho ô-tô điện. Siêu tụ với dòng nạp lớn và tuổi thọ cao giúp cho việc nạp năng lượng trở nên vô cùng thuận tiện. Cuối cùng, công nghệ truyền điện không dây với hiệu suất trên 95% giúp xe điện được nạp năng lượng mọi nơi, mọi lúc, kể cả khi xe đang vận hành trên đường. Ô-tô điện tương lai không còn là một phương tiện giao thông cá nhân nữa, mà thực sự là một tài sản chung của xã hội, được kết nối thường xuyên và chặt chẽ với hệ thống năng lượng của loài người.

Ô-TÔ ĐIỆN VỚI ĐỘNG CƠ TRONG BÁNH XE, SIÊU TỤ, VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

* Một hệ thống điều khiển chuyển động tân tiến với động cơ trong bánh xe

Động cơ trong bánh xe (ĐCTBX) hay in-wheel-motor (H. 2) có thể truyền động bánh xe một cách trực tiếp. Ô-tô điện sử dụng ĐCTBX có những ưu điểm vượt trội  mà ô-tô xăng không thể có được:

(i) Khả năng đáp ứng mô-men nhanh và chínhxác

Đáp ứng mô-men của động cơ điện nhanh gấp hơn 100 lần so với động cơ đốt trong. Nếu như mô-men của động cơ điện có thể được thay đổi sau từng chu kỳ 1 ms, thì mô-men của động cơ đốt trong chỉ có thể thay đổi sau từng chu kỳ 100~500 ms. Thông qua việc tận dụng đặc tính này, hệ thống ABS không còn cần thiết phải trang bị cho ô-tô điện nữa. Khi ô-tô điện chuyển động trên mặt đường trơn trượt, bộ điều khiển trên xe có thể phát tín hiệu điều khiển giảm mô-men một cách nhanh chóng. Có thể nói, với ĐCTBX, ô-tô điện trở thành một phương tiện có khả năng tự chống trượt.

(ii) Có thể biết chính xác mô-men truyền động

Hệ truyền động động cơ đốt trong có nhiều cơ cấu cơ khí phức tạp và có tính phi tuyến cao. Vì vậy, chúng ta không thể biết chính xác mô-men quay bánh xe. Khác với động cơ đốt trong, chúng ta có thể tính chính xác mô-men của động cơ điện thông qua dòng điện, điện áp, và các quan hệ điện từ của động cơ. Kết hợp tín hiệu đo mô-men và tín hiệu đo tốc độ quay bánh xe, chúng ta có thể ước lượng lực ma sát và hệ số ma sát giữa mặt đường và bánh xe. Nói cách khác, ĐCTBX không chỉ là một cơ cấu chấp hành mà còn là một “cảm biến ảo” giúp ô-tô điện nhận biết điều kiện mặt đường. Tương ứng với mỗi loại điều kiện mặt đường khác nhau, hệ thống điều khiển trên ô-tô điện có thể điều khiển mô-men động cơ để tối ưu tỷ số trượt của bánh xe, đồng thời giảm tổn hao năng lượng điện.

(iii) Có khả năng điều khiển phân tán mô-men ở các bánh xe

Mỗi bánh xe trên ô-tô điện có thể được trang bị một ĐCTBX. Mô-men truyền động và tốc độ quay của mỗi bánh xe có thể được điều khiển độc lập với mô-men và tốc độ quay của bánh xe khác. Nhờ đó, mô-men Nzxoay thân xe theo trục thẳng đứng đi qua trọng tâm xe có thể được điều khiển một cách chính xác. Tác động của Nz giúp ô-tô điện giữ cân bằng, chuyển động ổn định theo quỹ đạo mong muốn khi chuyển làn ở tốc độ cao, hay rẽ lái vào cung đường có hệ số ma sát thấp. Nói cách khác, ô-tô điện không cần phải trang bị hệ thống cân bằng điện tử sử dụng phanh thủy lực hay hệ thống bánh lái sau chủ động (active-rear-steering). Ngoài ra, tùy theo chế độ vận hành của ô-tô, tải đặt lên mỗi bánh xe là một đại lượng thường biến. Bằng cách phân phối mô-men truyền động một cách thích hợp đến mỗi bánh xe, chúng ta có thể cực tiểu hóa lượng điện năng tiêu thụ bởi ô-tô, và kéo dài hành trình của xe sau mỗi lần sạc.

Thông qua những phân tích kể trên, ô-tô điện với ĐCTBX đã trở thành một hệ thống điều khiển chuyển động tân tiến (novel motion control system). Ô-tô điện là một thiết bị chuyển động ở trình độ khác biệt so với ô-tô xăng và ô-tô điện nguyên thủy. Ô-tô điện có thể dùng để nghiên cứu nhiều kỹ thuật điều khiển hiện đại như điều khiển bền vững, điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghĩ, tích hợp cảm biến… Các tri thức thu nhận được từ việc điều khiển ô-tô điện có thể được áp dụng cho nhiều hệ thống điều khiển chuyển động khác như thiết bị máy bay điện và các thiết bị bay không người lái.

* Khả năng sạc thường xuyên với siêu tụ

Có lẽ sau hơn một thế kỷ sử dụng ô-tô xăng, chúng ta đã mặc định ô-tô là một phương tiện có thể di chuyển 500 km sau mỗi lần nạp đầy nhiên liệu. Nhưng ô-tô điện chỉ giống ô-tô xăng ở vẻ bề ngoài với bốn bánh xe và khung vỏ bằng kim loại. Với ĐCTBX, chúng ta đã thấy ô-tô điện hoàn toàn khác biệt với ô-tô xăng về cách thức điều khiển chuyển động. Với cách tư duy tương tự, chúng ta thấy ô-tô điện cũng không nhất thiết phải có cùng khái niệm với ô-tô xăng về cách thức lưu trữ năng lượng. Ô-tô điện không nhất thiết phải lưu trữ một lượng lớn năng lượng để dùng sau. Các loại ắc-quy hiện tại có tuổi thọ không cao. Dòng điện nạp không lớn khiến cho việc sạc đầy một chiếc ô-tô điện đòi hỏi khoảng thời gian tương đối dài. Tuy công nghệ sạc-siêu-nhanh đã ra đời, khoảng thời gian để ắc-quy đạt 80% dung lượng vẫn quá dài so với khoảng thời gian dừng xe đổ xăng. Để đáp ứng yêu cầu về quãng đường di chuyển, người ta phải bố trí nhiều ắc-quy và chúng chiếm một tỷ lệ lớn trong khối lượng ô-tô điện.

Giải pháp mà chúng ta có thể đặt nhiều niềm tin là siêu tụ (super-capacitor). Siêu tụ không thể tích lũy nhiều năng lượng như ắc-quy Lithium-ion. Tuy nhiên siêu tụ có tuổi thọ đặc biệt dài, nó có thể chịu hàng triệu lần sạc-phóng với dòng điện sạc lớn. Điều đó có nghĩa là tốc độ sạc đầy siêu tụ rất nhanh so với ắc-quy thông thường. Một ví dụ cụ thể của siêu tụ là ô-tô điện cỡ nhỏ C-COMS ở phòng thí nghiệm Hori-Fujimoto (H. 3). Được trang bị siêu tụ chế tạo bởi Công ty vô tuyến điện Nhật Bản (JRC), chúng ta chỉ mất khoảng 30 giây để sạc đầy C-COMS. Sau đó, chúng ta có thể sử dụng C-COMS trong khoảng thời gian hơn 20 phút, với tốc độ tối đa 50 km/h. Tại Trung Quốc, hệ thống ô-tô buýt dùng siêu tụ của Thượng Hải đã đi vào vận hành từ năm 2010, và ngày càng chứng minh được tính hiệu quả tại một trong những thành phố lớn nhất trên thế giới.

Trong giai đoạn hiện nay, cơ sở hạ tầng hệ thống điện vẫn chưa thể đáp ứng cho mô hình ô-tô điện hoàn sử dụng siêu tụ. Do đó, chúng ta có thể nghĩ tới một giải pháp dung hòa: hệ thống lưu trữ năng lượng bao gồm cả ắc-quy và siêu tụ. Để kết nối hệ thống ắc-quy-siêu tụ với ĐCTBX, chúng ta cần các bộ biến đổi công suất một chiều/một chiều (DC/DC) và một chiều/xoay chiều (DC/AC). Việc đóng mở các van công suất và điều tiết dòng năng lượng giữa phía nguồn cấp-động cơ, một lần nữa đặt ra những bài toán mới cho ngành kỹ thuật điều khiển.

* Truyền năng lượng không dây - phiên bản năng lượng của ETC

Với ô-tô xăng, chỉ có một phương thức truyền nhiên liệu duy nhất là dùng vòi bơm xăng vào bình chứa trên ô-tô. Với ô-tô điện, phương thức sạc dùng dây dẫn lại tồn tại nhiều nhược điểm. Nhược điểm đáng kể nhất là thiếu an toàn cho người dùng nói chung, những người vốn chỉ có kiến thức phổ thông về điện. Vấn đề an toàn điện trở nên đặc biệt nghiêm trọng trong môi trường ẩm ướt như ở Việt Nam hay các quốc gia nhiệt đới khác. Do đó, ý tưởng truyền năng lượng không dây (TNLKD) đã sớm được áp dụng cho ô-tô điện.

TNLKD không phải là một ý tưởng mới. Từ đầu những năm 1900s, Nikola Tesla đã thực hiện thí nghiệm truyền điện năng không dùng dây dẫn tại New York. Máy biến áp chính là một dạng đơn giản của TNLKD dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Công nghệ TNLKD cho ô-tô điện là một bước phát triển cao hơn của máy biến áp, trong đó hiện tượng cảm ứng điện từ được kết hợp với hiện tượng cộng hưởng từ nhằm nâng cao khoảng cách giữa cuộn phát năng lượng và cuộn thu năng lượng mà vẫn đảm bảo hiệu suất truyền cao. Ở thời điểm hiện tại, công nghệ này đã được chuẩn hóa với các ứng dụng cần truyền không dây với công suất thấp dưới 10kW. Cụ thể là, TNLKD có thể được thực hiện ở cự ly từ 50 cm  đến 1 m với hiệu suất 95%. Tần số làm việc của hệ thống TNLKD thường được chọn ở cấp 1 Mhz, 6.67 MHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz.

Công nghệ TNLKD đã được thương mại hóa với các bộ sạc không dây cho ô-tô điện của Witricity, Nissan, Toshiba… Tuy nhiên công nghệ hiện nay vẫn dừng lại ở chế độ sạc tĩnh, tức là ô-tô điện phải dừng lại để cuộn thu năng lượng trên xe cách cuộn phát năng lượng một cự ly nhất định. Để hiện thực hóa xã hội sử dụng ô-tô điện trong tương lai, chúng ta cần những hệ thống TNLKD ở chế độ sạc động, có khả năng đáp ứng công suất truyền lớn hơn 10 kW với cự ly truyền 10 m. Khi đó, hệ thống TNLKD có thể được lắp đặt dưới mặt đường. Ô-tô điện tương lai có thể đi đến bất cứ nơi đâu với bộ lưu trữ siêu-tụ nhỏ gọn, thay vì một lượng lớn ắc-quy như hiện nay. TNLKD ngay khi ô-tô đang chuyển động hay sạc động sẽ khiến khái niệm của ô-tô điện tương lai rất gần gũi với thẻ nạp tiền Suica cho người đi tàu điện, hay thẻ ETC cho người lái xe trên đường cao tốc của Nhật Bản (H. 4).

Nghiên cứu TNLKD cho ô-tô điện là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiển trong việc phối hợp các mạch điện tử công suất với sự cộng hưởng từ trường giữa các cuộn dây nhằm đạt hiệu suất truyền cao và ổn định. TNLKD không chỉ dùng để truyền năng lượng. Bằng cách quan sát sự biến đổi của điện áp cuộn thu trên xe ô-tô, chúng ta có thể ước lượng sự thay đổi vị trí tương đối giữa ô-tô và các cuộn phát năng lượng trên mặt đường. Như vậy, hệ thống TNLKD có thể xem như một cảm biến vị trí cho ô-tô điện. Kết hợp thông tin từ hệ thống TNLKD với các cảm biến khác như cảm biến gia tốc, gyroscope, GPS, camera… chúng ta có thể xây dựng được một hệ thống điều khiển ô-tô điện tự hành. Hình H. 5 mô tả một thí nghiệm điều khiển vị trí ô-tô điện dựa trên TNLKD và tích hợp cảm biến. Trong những năm gần đây, phòng thí nghiệm Hori-Fujimoto đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo mô-đun ĐCTBX không dây. Mỗi mô-đun có khả năng nhận điện năng không dây từ nguồn điện trên xe hay trực tiếp từ cuộn phát năng lượng trên mặt đường. Hơn nữa, mỗi mô-đun cũng có khả năng giao tiếp và trao đổi tín hiệu không cần dây dẫn với bộ điều khiển trung tâm trên ô-tô (H. 6). Cùng với ĐCTBX và siêu tụ, TNLKD là một mảnh ghép hoàn hảo về mặt công nghệ để định nghĩa khái niệm ô-tô điện trong tương lai.

Ô-TÔ ĐIỆN TỪ GÓC NHÌN CỦA LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐA TÁC TỬ

Chúng ta đang bước những bước đầu tiên tiến tới cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 trên nền tảng của Internent vạn vật (IOT). Đây là giai đoạn mà các hệ thống không gian số-thực tại (Cyber Physical System, CPS) đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc tạo ra những lợi ích mới và giá trị mới cho con người. Vì vậy, khác với những cư dân đầu thế kỷ 20, chúng ta không chỉ nhìn nhận ô-tô điện như là một phương tiện giao thông cá nhân thuần túy nữa. Ô-tô điện là một “tác tử”, một bộ phận của những hệ thống lớn khác nhau, với quy mô và mục đích khác nhau. Chúng ta hãy xem xét một vài hệ thống như vậy dưới góc nhìn “đa tác tử” (multi-agent system).

* Hệ thống Trái đất

Như đã trình bày ở phần I, tập hợp ô-tô điện chính là một cơ cấu chấp hành trong hệ thống Trái đất. Ô-tô điện phối hợp cùng với các cơ cấu chấp hành khác như các trang trại điện gió, trang trại điện mặt trời… để kiểm soát quá trình nóng lên toàn cầu (H .7). Bộ điều khiển của hệ thống này chính là các chính sách vĩ mô được xây dựng bởi sự phối hợp của tất cả các quốc gia trên thế giới.

* Hệ thống điện

Hệ thống điện có thể được hình dung như một chiếc cân. Một bên cân là tải, bao gồm các khu dân cư, các trung tâm thương mại, các nhà máy sản xuất… Bên kia là nguồn cung cấp điện, bao gồm các nguồn truyền thống như thủy điện, nhiệt điện và các nguồn năng lượng tái tạo. Trong hệ thống đó, ô-tô điện là một đối tượng đặc biệt. Ô-tô điện có thể xuất hiện ở cả hai bên cán cân. Khi nhận điện từ lưới, ô-tô điện là tải. Khi lưới thiếu điện và mất cân bằng, ô-tô điện có thể gửi trả một phần năng lượng trở về lưới. Nhờ đó, một số chỉ tiêu kinh tế xã hội của hệ thống điện được nâng cao, tần số của hệ thống có thể được giữ ổn định ở mức tiêu chuẩn 50 Hz hay 60 Hz. Kết nối ô-tô điện với lưới (EV to Grid) đã trở thành một hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng trong những năm gần đây.

* Hệ thống giao thông

Với sự phát triển của ĐCTBX, tích hợp cảm biến, công nghệ xử lý ảnh, trí tuệ nhân tạo, ô-tô điện tự hành đang dần trở thành hiện thực. Trong tương lai, các ô-tô điện tự hành có thể giao tiếp trao đổi thông tin với nhau cũng như với trung tâm điều khiển hệ thống giao thông vận tải. Từ góc nhìn này, ô-tô điện trở thành một cơ cấu chấp hành giúp hệ thống giao thông vận tải trở nên an toàn hơn, tiện lợi hơn, giảm lãng phí về thời gian và tiền bạc do ùn tắc giao thông gây ra.

* Ô-tô điện cũng là một hệ thống đa tác tử

Với mỗi bánh xe được truyền động riêng rẽ bởi một động cơ, ô-tô điện có thể coi là một hệ thống đa tác tử đặc biệt (H. 8). Trong hệ thống này, các tác tử (bánh xe) tương tác với nhau và phối hợp với nhau để tạo nên chuyển động của ô-tô. Mỗi tác tử lại có chuyển động riêng biểu hiện qua tốc độ quay và lực ma sát ở mỗi bánh. Khi điều khiển chuyển động ô-tô điện, chúng ta phải chú ý đến việc phối hợp hài hòa giữa mục tiêu riêng của mỗi tác tử và mục tiêu chung của cả hệ thống. Đó cũng là vấn đề cần giải quyết trong các hệ thống Trái đất, hệ thống năng lượng, và hệ thống giao thông. Như vậy, ô-tô điện đã thực sự trở thành một đối tượng của lý thuyết điều khiển hệ thống đa tác tử.

LỘ TRÌNH NÀO CHO Ô-TÔ ĐIỆN CỦA VIỆT NAM?

Chúng ta có thể khẳng định ô-tô điện là đích đến của mọi xã hội, mọi quốc gia trên thế giới trong thế kỷ 21 này. Ô-tô điện không chỉ là một phương tiện an toàn, tiện lợi, thân thiện với mọi người, mà còn là một giải pháp bắt buộc phải thực hiện để bảo vệ môi trường và giải quyết vấn đề an ninh năng lượng. Việt Nam không thể và không nên là người ngoài cuộc trong hành trình xây dựng xã hội xe điện tương lai. Bằng việc phát triển ô-tô điện, Việt Nam sẽ có cơ hội tham gia vào chuỗi cung ô-tô điện toàn cầu, góp phần phát triển kinh tế đất nước. Mặt khác, ô-tô điện là một sản phẩm tích hợp nhiều công nghệ khác nhau. Nghiên cứu ô-tô điện, do đó sẽ mang lại nhiều tri thức khoa học mới, vừa kích thích sự phát triển của các nghiên cứu liên ngành, vừa góp phần vào sự phát triển của mỗi ngành khoa học như Điện, Điện tử, Hóa học, Công nghệ thông tin, Vật liệu, Cơ khí.

Như đã đề cập ở phần I, trong những năm gần đây ô-tô điện Việt Nam đã có những bước khởi đầu với những hoạt động nghiên cứu-giảng dạy của trung tâm CTI-Đại học Bách Khoa Hà Nội, các hoạt động sản xuất của tập đoàn FPT và tập đoàn Vingroup. Tuy nhiên, ở tầm cỡ quốc gia, chúng ta chưa có một lộ trình cụ thể để phát triển ô-tô điện cho Việt Nam một cách bền vững. Lộ trình phát triển (LTPT) trả lời cho những câu hỏi hết sức cơ bản: Định hướng của Nhà nước như thế nào? Khả năng tiếp nhận cuả thị trường Việt Nam như thế nào? Chúng ta cần những công nghệ gì? Đến năm 20xx bao nhiêu % số xe bán ra phải là ô-tô điện… LTPT cũng đưa ra những “luật chơi” mà các nhà đầu tư phải tuân thủ khi muốn tham gia vào sân chơi ô-tô điện. LTPT là việc mà các quốc gia như Canada, Mỹ, Pháp, Nhật đã tiến hành từ nhiều năm trước khi có sản phẩm ô-tô điện bán ra thị trường. Để đưa ra LTPT, cần có sự hợp tác của một nhóm các chuyên gia đầu đàn từ nhiều lĩnh vực khác nhau với các nhà hoạch định chính sách. Chúng tôi đề xuất các bước xây dựng LTPT cho ô-tô điện Việt Nam như sau (H .9):

Bước 1 (Khảo sát):

Chúng ta cần khảo sát về nhu cầu của người dân, kỳ vọng của Nhà nước về các cột mốc phát triển của ô-tô điện. Bên cạnh đó, chúng ta phải khảo sát về cơ sở hạ tầng của Việt Nam và tiềm năng phát triển của cơ sở hạ tầng nhằm phục vụ xã hội ô-tô điện, trong đó có hệ thống năng lượng và hệ thống giao thông.

Bước 2 (Lựa chọn):

Lựa chọn tức là trả lời cho câu hỏi “phải làm gì?” để đưa ra khái niệm về ô-tô điện Việt Nam. Chúng ta sẽ tập trung vào ô-tô cỡ điện cỡ nhỏ hay ô-tô bus điện? Chúng ta có sản xuất xe lai (HEV) hay không, hay chỉ làm xe điện thuần túy (EV)? Chúng ta đặt niềm tin vào ắc-quy hay siêu tụ? Chúng ta có phát triển công nghệ TNLKD hay không, nếu có thì chọn sạc tĩnh hay sạc động? Chúng ta lựa chọn loại động cơ nào cho ô-tô điện? Động cơ cảm ứng như mẫu xe Tesla, hay động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như xe điện Mitsubishi? Lựa chọn động cơ nam châm vĩnh cửu có an toàn hay không nếu như chúng ta biết rằng việc sản xuất loại động cơ này cần sử dụng đất hiếm. Mà nguồn cung đất hiếm chủ yếu lại từ Trung Quốc. Nếu Trung Quốc thắt chặt nguồn cung đất hiếm, chúng ta có chiến lược gì để đối phó? Chúng ta cần quan tâm đếnviệcnghiên cứu sản xuất các loại động cơ không dùng đất hiếm như động cơ từ trở biến đổi(SRM) hay không?

Bước 3 (Đánh giá tổng hợp về kinh tế, môi trường, và kỹ thuật)

Các lựa chọn khác nhau lại dẫn đến các bài toán và các vấn đề khác nhau về cả kinh tế, môi trường, và kỹ thuật. Ví dụ như nếu chúng ta chọn ắc-quy làm thiết bị lưu trữ năng lượng thì ảnh hưởng đối với môi trường như thế nào? Hệ thống điện Việt Nam có thể chịu được tải gồm hàng triệu chiếc ô-tô điện cùng sạc một lúc được không? Cần bao nhiêu năm và bao nhiêu kinh phí tích hợp công nghệ TNLKD vào hệ thống giao thông?

Bước 4 (Khuyến nghị tới Nhà nước):

Sau Bước 3, các chuyên gia đã có một cái nhìn đa chiều và cẩn trọng về ô-tô điện cho Việt Nam. Các ý kiến chuyên gia sẽ được tổng hợp thành một Bản khuyến nghị cho Nhà nước. Bản khuyến nghị bao gồm các nội dung về chính sách, quy chuẩn, luật, cơ sở hạ tầng, kỹ thuật công nghệ để Nhà nước có thể đưa ra chiến lược phát triển ô-tô điện cho Việt Nam.

Bước 5 (Triển khai)

Việc triển khai thực hiện các chiến lược đề ra ở Bước 4 sẽ được thực hiện một cách đồng bộ với sự phối hợp của Nhà nước, Nhà nghiên cứu, và Nhà sản xuất. Nhà nước có vai trò điều phối, giám sát, bảo đảm sản xuất đúng quy chuẩn, kết nối nhà đầu tư và nhà nghiên cứu trong trường đại học, thành lập các quỹ tài trợ nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực ô-tô điện… Nhà khoa học có vai trò nghiên cứu, đề xuất những giải pháp mới cho công nghiệp ô-tô điện, tư vấn cho Nhà nước và Nhà sản xuất, đào tạo những kỹ sư và chuyên gia về ô-tô điện… Nhà sản xuất không chỉ làm ra sản phẩm, mà còn có trách nhiệm xã hội trong việc góp phần nâng cao nhận thức của người dân về ô-tô điện, trao học bổng cho sinh viên trong các lĩnh vực liên quan, thực hiện hợp tác nghiên cứu với trường đại học.

Bước 6 (Phản hồi và Điều chỉnh)

Không có một kế hoạch hay một LTPT nào hoàn hảo ngay từ đầu. Giống như một hệ thống điều khiển muốn bền vững phải có hồi tiếp tín hiệu, LTPT phải được thường xuyên đánh giá. Căn cứ vào những gì đã làm được, so sánh với mục tiêu, dựa trên tình hình cụ thể, Nhà nước và các chuyên gia sẽ đưa ra những điều chỉnh thích hợp để đảm bảo sự bền vững của ngành công nghiệp ô-tô điện.

KẾT LUẬN

Bài viết này tổng kết lại những kết quả nghiên cứu ô-tô điện trên thế giới trong hơn hai mươi năm qua, và nêu lên một số hướng nghiên cứu mới có nhiều triển vọng. Các kết quả nghiên cứu hiện nay cho phép chúng tôi tin tưởng rằng ô-tô điện trong tương lai không xa sẽ thay thế vai trò của ô-tô xăng. Khái niệm ô-tô điện sẽ được định nghĩa dựa trên ba công nghệ chủ đạo: động cơ trong bánh xe, siêu tụ, và truyền năng lượng không dây. Kỹ thuật điều khiển gồm có điều khiển động cơ, điều khiển điện tử công suất, điều khiển chuyển động sẽ nắm vai trò trọng yếu trong việc tích hợp các công nghệ nói trên lên hệ thống ô-tô điện. Để tiếp cận cuộc cách mạng công nghệ lần thứ 4, chúng ta cũng cần nhìn nhận các vai trò khác nhau của ô-tô điện trong các hệ thống không gian số-thực tại với quy mô lớn. Cách tiếp cận này cho thấy có thể sử dụng lý thuyết điều khiển hệ thống đa tác tử để nghiên cứu và giải quyết các bài toán kỹ thuật đặt ra cho ô-tô điện. Học hỏi từ cách nghiên cứu và phát triển ô-tô điện ở các quốc gia tiên tiến như Nhật, Mỹ, Canada, Pháp, trong bài báo này chúng tôi cũng đưa ra một số khuyến nghị cho việc xây dựng lộ trình phát triển ô-tô điện ở Việt Nam.

Để kết thúc bài báo này, chúng tôi xin nhắc lại câu nói nổi tiếng của Nikola Tesla “If you want to find the secret of the Universe, think in terms of energy, frequency, and vibration”. Vậy ô-tô điện quả là một tiểu vũ trụ với các bài toán về năng lượng, tần số và dao động đặt ra cho các kỹ sư.

Nguyễn Bình Minh (Đại học Tokyo, Nhật Bản); và Tạ Cao Minh (Đại học Bách Khoa Hà Nội, Việt Nam)