Khung cảnh mở màn: Một đoạn cao tốc ngắn, một bước nhảy rất dài

Tại West Lafayette, bang Indiana, một đoạn cao tốc chỉ dài khoảng 0,25 dặm (xấp xỉ 0,4 km) vừa làm được điều mà cách đây vài năm vẫn còn là ý tưởng khoa học viễn tưởng: sạc không dây cho một chiếc xe tải điện hạng nặng khi xe đang chạy ở tốc độ cao trên xa lộ.

Đây không phải là một video concept hay mô phỏng 3D. Đoạn đường thử nghiệm được Sở Giao thông Indiana (INDOT) xây dựng trên tuyến U.S. Highway 52/U.S. Highway 231, còn công nghệ truyền điện không dây động là do đội ngũ kỹ sư của Purdue University thiết kế. Chiếc xe được lựa chọn để “mở hàng” là một đầu kéo điện của Cummins – một trong những cái tên lớn nhất trong ngành động lực và vận tải hạng nặng.

Thử nghiệm này đánh dấu lần đầu tiên tại Mỹ, một tuyến đường thực tế có thể truyền năng lượng không dây cho xe tải hạng nặng đang chạy ở tốc độ cao trên đường cao tốc. Nếu nhìn ở quy mô một phần tư dặm, có thể nó khá nhỏ; nhưng xét về tác động, đây là viên gạch đặt nền cho một viễn cảnh nơi hạ tầng giao thông và hạ tầng năng lượng hòa làm một.

Công nghệ cốt lõi: Dynamic wireless power transfer trên cao tốc

Hệ thống mà Purdue phát triển thuộc loại “dynamic wireless power transfer” – sạc không dây động, khác hoàn toàn với các pad sạc đứng yên hay bãi đỗ sạc không dây tĩnh.

• “Dynamic”: xe đang di chuyển ở tốc độ cao, không dừng lại để nhận năng lượng.
• “Wireless power transfer”: năng lượng được truyền qua trường điện từ, tương tự cơ chế sạc không dây của smartphone, nhưng ở quy mô công suất lớn hơn hàng nghìn lần.

Trong thử nghiệm ở West Lafayette:

• Xe chạy ở vận tốc khoảng 65 mph (khoảng 105 km/h).
• Hệ thống truyền tới 190 kW cho chiếc đầu kéo điện.

Giáo sư Steve Pekarek (Edmund O. Schweitzer, III Professor of Electrical and Computer Engineering) ví von: 200 kW tương đương mức tiêu thụ điện của khoảng một trăm ngôi nhà. Tức là, trên đoạn đường cực ngắn này, có một hệ thống đang “rót” điện cho xe tải ở quy mô vốn trước đây chỉ xuất hiện trong trạm sạc siêu nhanh dạng cắm dây.

Ở góc nhìn kỹ thuật, đây là mức công suất cao hơn đáng kể so với những thử nghiệm sạc không dây động cho xe điện từng được thực hiện tại Mỹ trước đó.

Vì sao lại bắt đầu từ xe tải điện hạng nặng?

Thay vì “chơi an toàn” với xe con, nhóm Purdue và INDOT chọn thẳng mục tiêu khó nhất: xe tải hạng nặng, nhóm Class 8.

Có ba lý do rất rõ ràng:

1. Nhu cầu công suất cực lớn
   Xe tải đường dài tiêu thụ điện rất nhiều, đặc biệt khi chạy trên cao tốc. Nếu hệ thống sạc không dây động này có thể đáp ứng được nhu cầu của nhóm xe nặng nhất, thì việc hỗ trợ cho các nhóm nhẹ hơn (xe con, SUV, xe tải nhẹ) trở nên đơn giản hơn rất nhiều.
2. Tốc độ cao, thời gian tiếp xúc ngắn
   Trên đường nội đô, xe chạy chậm, có thể bù bằng mật độ cuộn dây dày hơn hoặc thời gian di chuyển lâu hơn trên vùng có sạc. Nhưng trên cao tốc, xe chạy 100 km/h trở lên, thời gian một cuộn dây “nhìn thấy” cuộn thu trên gầm xe là rất ngắn. Điều đó đòi hỏi công suất cực cao và điều khiển rất chính xác.
3. Động lực kinh tế đến từ logistics
   Vận tải đường bộ (trucking) là phương thức vận chuyển hàng hóa đóng góp lớn nhất vào GDP Mỹ so với các loại hình khác.
4. • Nếu xe tải điện có thể vừa chạy vừa sạc, kích thước gói pin có thể nhỏ lại,
   • Xe chở được nhiều hàng hơn,
   • Chi phí vận hành giảm,
   • Từ đó tạo động lực rõ ràng để các doanh nghiệp và cơ quan quản lý đầu tư vào hạ tầng đường cao tốc điện hóa.

Khi “bài toán xe tải nặng” được giải, mọi loại xe còn lại đều là “ăn theo” trên cùng một hạ tầng.

Đập tan hai nỗi lo lớn nhất của người dùng EV: Hết pin và giá pin

Giáo sư John Haddock (Lyles School of Civil and Construction Engineering) chỉ ra hai rào cản tâm lý và kinh tế lớn nhất với xe điện hiện nay:

1. Sợ hết pin giữa đường:
   Người dùng luôn lo “Không biết chỗ này có trạm sạc không?”, “Nếu pin tụt nhanh giữa cao tốc thì sao?”.
2. Giá thành cao do pin quá lớn:
   Để đạt được quãng đường 400–480 km mỗi lần sạc, xe phải mang theo một pack pin rất lớn, đẩy chi phí đội lên đáng kể.

Một hệ thống cao tốc có thể sạc liên tục trong khi lưu thông mở khóa một mô hình thiết kế hoàn toàn khác:

• Xe không nhất thiết phải mang theo pin khổng lồ, chỉ cần đủ cho quãng ngắn hơn giữa các đoạn đường có sạc.
• Pin nhỏ hơn ⇒ xe nhẹ hơn ⇒
• • Xe tải chở được nhiều hàng hơn với cùng tổng trọng lượng cho phép.
  • Xe con có thể rẻ hơn, dễ tiếp cận hơn.
• Tần suất dừng lại để sạc giảm mạnh, đặc biệt với những hành trình dài liên bang.

Theo cách đó, hệ thống cao tốc điện hóa sẽ giải đồng thời cả bài toán tâm lý người mua lẫn bài toán chi phí cấu thành của EV.

Đường cao tốc “sạc như đế sạc điện thoại” – nhưng cho… đầu kéo điện

Về nguyên lý, hệ thống Purdue triển khai khá gần với những gì người dùng đã quen thuộc ở quy mô rất nhỏ – sạc không dây điện thoại:

• Dưới mặt đường:
  Trong lớp bê tông của làn chuyên dụng, các kỹ sư Purdue lắp đặt các cuộn dây phát (transmitter coils). Những cuộn này kết nối với hệ thống cung cấp năng lượng bên dưới, tạo ra trường điện từ khi kích hoạt.
• Trên xe tải:
  Nhóm nghiên cứu gắn cuộn dây thu (receiver coils) ở phần gầm xe. Khi xe chạy vào vùng có cuộn phát, trường điện từ được “bắt” bởi cuộn thu, chuyển thành dòng điện DC nạp vào hệ thống pin của xe.

Giáo sư Dionysios Aliprantis (Electrical and Computer Engineering) nhấn mạnh khó khăn:

• Khoảng cách truyền: Lớp bê tông, khoảng hở đến gầm xe tải – đây không phải là khoảng cách nhỏ vài milimét như giữa điện thoại và pad sạc.
• Công suất: thay vì vài watt, hệ thống xử lý công suất cao hơn hàng nghìn lần.
• Trạng thái động: mọi thứ diễn ra trong khi xe nặng hàng chục tấn đang chạy 100+ km/h.

Điểm đáng chú ý trong thiết kế Purdue:

• Một số đề xuất khác trên thế giới tính chuyện gắn nhiều cuộn thu nhỏ, rải theo chiều dài rơ-moóc để gom đủ công suất.
• Purdue chọn giải pháp một cụm cuộn thu đặt dưới đầu kéo, nhưng thiết kế để chịu được dải công suất rộng và ở mức rất cao. Điều này giúp:
• • Hệ thống đơn giản hơn về cấu trúc cơ khí và điện,
  • Dễ chuẩn hóa giữa các hãng xe tải,
  • Giảm chi phí lắp đặt trên từng phương tiện.

Chọn bê tông, không chỉ nhựa đường: Cách tiếp cận sát thực tế hạ tầng

Purdue không chỉ thử trên mặt nhựa đường phổ biến, mà thiết kế luôn cuộn phát để nhúng vào lớp bê tông của mặt đường.

Vì sao điều này quan trọng?

• Dù bê tông chỉ chiếm khoảng 20% mạng lưới cao tốc liên bang Mỹ, nhưng nó thường được dùng ở những tuyến chịu tải nặng nhất, nơi mật độ xe tải cao, thời gian phục vụ dài hạn và yêu cầu bền vững kết cấu lớn hơn.
• Chứng minh được rằng hệ thống sạc không dây động vẫn vận hành tốt trong môi trường bê tông giúp:
• • Nâng tính thực tế khi triển khai trên các đoạn cao tốc chiến lược dành cho logistics.
  • Giảm lo ngại về ảnh hưởng kết cấu đường, vết nứt, bảo trì khi các cuộn dây nằm ngay bên dưới bề mặt lưu thông.

Hình ảnh hiện trường cho thấy các cuộn dây đen được đặt thẳng hàng trong hố bê tông, sau đó được đổ bê tông phủ kín bề mặt.

Hệ sinh thái ASPIRE: Không phải một dự án đơn lẻ

Thử nghiệm này là một phần của dự án nghiên cứu nhiều giai đoạn mà Purdue và INDOT đã bắt tay triển khai từ năm 2018. Song song đó, nó còn nằm trong khung chương trình của ASPIRE – một trung tâm nghiên cứu thuộc thế hệ thứ tư do Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) tài trợ, mang tên đầy đủ là: Advancing Self-sufficiency through Powered Infrastructure for Roadway Electrification

ASPIRE là một hệ sinh thái rộng, kết nối:

• Nhiều trường đại học lớn (trong đó có Purdue, Utah State University – nơi đặt trụ sở ASPIRE, và các trường đối tác khác).
• Hơn 70 tổ chức thuộc:
• • Ngành công nghiệp,
  • Cơ quan chính phủ,
  • Các tổ chức phi lợi nhuận,
  • Cộng đồng địa phương và nhóm tư vấn.

Mục tiêu của ASPIRE là đưa điện hóa giao thông từ phòng lab ra hạ tầng thật, thông qua:

• Các dự án thử nghiệm như đoạn cao tốc sạc không dây này,
• Chuẩn hóa công nghệ,
• Xây dựng mô hình kinh tế và chính sách,
• Thuyết phục và hỗ trợ các bang, các đơn vị vận hành đường bộ triển khai.

Đại diện ASPIRE, Don Linford, gọi đây là minh chứng cho sức mạnh của việc kết nối cơ quan công, tư nhân và giới học thuật để biến các mục tiêu điện hóa thành kết quả cụ thể trên mặt đường.

Không chỉ “demo cho vui”: Hướng tới chuẩn công nghiệp và thương mại hóa

Hệ thống của Purdue không dừng ở mức trình diễn show-case. Nó đang được dùng làm nền tảng thử nghiệm cho việc xây dựng tiêu chuẩn công nghiệp về:

• Dynamic wireless power transfer (DWPT) cho đường bộ,
• Cách thức phương tiện nhiều loại khác nhau (từ xe con đến xe tải hạng nặng) tương tác với cùng một hạ tầng,
• Mức công suất, an toàn điện, tương thích điện từ, và mô hình vận hành.

Một khi có bộ tiêu chuẩn được ngành chấp nhận, các:

• Sở giao thông từng bang,
• Đơn vị quản lý hạ tầng cao tốc,
• Nhà sản xuất xe, sẽ có ngôn ngữ chung để đánh giá tính khả thi, chi phí – lợi ích và đưa ra quyết định đầu tư hay tích hợp công nghệ vào thế hệ xe tiếp theo.

Dự án cũng đã nhận được Giải thưởng Đổi mới Công nghệ (Technology Innovation Award) tại IEEE PES Energy and Policy Forum Innovation Showcase, minh chứng cho sức nặng của công trình trong cộng đồng chuyên môn về năng lượng và chính sách công. Ở bước tiếp theo:

• Nhóm Purdue đã công bố sáng chế cho Purdue Innovates Office of Technology Commercialization.
• Văn phòng này đã nộp hồ sơ xin bằng sáng chế cho các cấu phần công nghệ liên quan.
• Các đối tác công nghiệp quan tâm có thể chủ động làm việc với Purdue để phát triển, chuẩn hóa và thương mại hóa trên quy mô rộng.

Cummins, AECOM, White Construction…: Bức tranh đa bên cùng vẽ tương lai

Để đưa một ý tưởng hạ tầng quy mô như thế này từ mô hình mô phỏng ra mặt đường thật, cần nhiều hơn là một nhóm nghiên cứu trong trường đại học.

Trong dự án này:

• Cummins đã điều chỉnh một đầu kéo điện Class 8 để tích hợp cuộn thu theo thiết kế Purdue. Đại diện Cummins, John Kresse, gọi kết quả chạy thử trên đường là “rất thành công”, và đánh giá đây là một giải pháp “thực tế và có tiềm năng làm thay đổi cuộc chơi” cho vận tải đường dài thương mại.
• AECOM, White Construction, PC Krause and Associates tham gia từ khâu thiết kế, thi công hạ tầng đến mô phỏng, tích hợp hệ thống điện.

Đây là mô hình chuẩn cho những đổi mới hạ tầng có tầm quốc gia:

• Trường đại học mang đến nền tảng khoa học và sáng chế,
• Doanh nghiệp mang đến kinh nghiệm sản phẩm và thương mại,
• Cơ quan nhà nước điều phối và tích hợp vào hệ thống công cộng.

Purdue và “lab-to-life”: Khi sinh viên thấy nghiên cứu nằm ngay dưới chân mình

Giáo sư Nadia Gkritza (Civil and Construction Engineering & Agricultural and Biological Engineering) nhấn mạnh rằng, với hệ thống này, Purdue đã chứng minh: “truyền năng lượng không dây cho xe tải thương mại cỡ lớn không chỉ khả thi về mặt kỹ thuật mà còn có thể trở thành giải pháp thực tế, có khả năng mở rộng cho giao thông đường bộ”.

Dự án cũng là một ví dụ điển hình cho triết lý “lab-to-life” của Purdue:

• Sinh viên không chỉ làm bài tập trên giấy, mà được thấy nghiên cứu của mình nằm ngay dưới mặt đường thật.
• Những kiến thức về điện, kết cấu, vật liệu, hạ tầng, chính sách… gặp nhau trong một bài toán tổng thể, gắn chặt với mục tiêu điện hóa giao thông và giảm phát thải.

Trong bức tranh chiến lược rộng hơn, dự án này phù hợp với các sáng kiến mà Purdue đang triển khai để “không ngừng tạo ra những bước nhảy vọt mới”.

Từ một phần tư dặm ở Indiana đến tương lai của xa lộ điện hóa

Đoạn cao tốc thử nghiệm tại West Lafayette mới chỉ dài 0,4 km. Nhưng về mặt biểu tượng, nó mở ra cả một chiều dài mới cho câu chuyện hạ tầng giao thông:

• Chứng minh tính khả thi của sạc không dây động ở công suất rất cao cho xe tải hạng nặng.
• Cho thấy một mô hình trong đó đường cao tốc và trạm sạc hòa làm một.
• Gợi ý tương lai nơi:
• • Xe tải đường dài mang pin nhỏ hơn, vận chuyển hiệu quả hơn.
  • Xe điện cá nhân bớt phụ thuộc vào trạm sạc dày đặc,
  • Nỗi lo “hết pin giữa đường” dần trở nên lỗi thời.

Vẫn còn rất nhiều câu hỏi mở: chi phí triển khai hàng trăm kilômét như vậy là bao nhiêu, ai chi trả, mô hình kinh doanh ra sao, tiêu chuẩn ngành sẽ trông như thế nào. Nhưng mảnh ghép khó nhất – chứng minh công nghệ trong điều kiện thực – đã được đặt xuống mặt đường.

Nếu một ngày bạn lái xe điện trên xa lộ mà màn hình chỉ báo “đang sạc từ mặt đường”, rất có thể hành trình đó đã được khơi nguồn từ những cuộn dây nằm sâu dưới lớp bê tông trên một đoạn cao tốc nhỏ ở West Lafayette, Indiana – nơi Purdue, INDOT và các đối tác lần đầu cho thế giới thấy: cao tốc cũng có thể là… bộ sạc không dây khổng lồ.