Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp điện xe

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực

• Tác giả: Nguyễn Khắc Bằng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống cung cấp điện xe gắn máy

Hệ thống cung cấp điện xe gắn máy là một trong những thành phần quan trọng nhất của phương tiện giao thông hiện đại. Đề tài nghiên cứu về thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ đã được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm cải thiện hiệu suất và độ bền của hệ thống điện. Siêu tụ điện (supercapacitor) là công nghệ tiên tiến cho phép lưu trữ năng lượng một cách hiệu quả, giúp giảm phụ thuộc vào pin truyền thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế một hệ thống năng lượng lai kết hợp nguồn điện xoay chiều và siêu tụ để cấp điện ổn định cho các thiết bị điện tử trên xe gắn máy, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Nguồn điện trên xe gắn máy hiện nay

Xe gắn máy sử dụng hai loại nguồn điện chính: điện xoay chiều (AC) từ máy phát điện và điện một chiều (DC) từ accu. Máy phát điện xoay chiều được tích hợp trên động cơ, tạo ra dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều. Accu chì-axít truyền thống cung cấp năng lượng khởi động và dự trữ điện năng. Tuy nhiên, hệ thống này có nhược điểm về tuổi thọ pin, khả năng tích xả chậm và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.

1.2. Các vấn đề về môi trường và hiệu suất

Ô nhiễm môi trường từ xe gắn máy đang là vấn đề lớn ở các nước đang phát triển. Accu chì-axít chứa chất độc hại, xả khí thải từ động cơ gây ảnh hưởng tới không khí. Giải pháp sử dụng siêu tụ trong hệ thống cung cấp điện có thể giảm khí thải, tăng hiệu suất năng lượng, và cải thiện độ bền của hệ thống điện. Công nghệ này mở ra hướng phát triển bền vững cho phương tiện giao thông cá nhân.

II. Cơ sở lý thuyết của siêu tụ điện

Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng có dung lượng rất lớn, có khả năng tích xả nhanh chóng mà không làm hỏng thiết bị. Khác với tụ điện thông thường, siêu tụ sở hữu mật độ năng lượng cao hơn nhiều lần nhờ vào cấu trúc bề mặt tiếp xúc rộng. Cấu tạo của siêu tụ gồm hai điện cực được tách biệt bởi lớp điện môi, cho phép tích trữ điện tích lớn. Điều này làm cho siêu tụ trở thành lựa chọn lý tưởng để cung cấp năng lượng tức thời cho hệ thống khởi động xe gắn máy, giảm tải cho accu và kéo dài tuổi thọ pin.

2.1. Đặc tính và cấu tạo siêu tụ

Siêu tụ được cấu tạo từ hai điện cực với diện tích bề mặt lớn, tách biệt bởi một lớp điện môi mỏng. Hằng số điện môi của vật liệu quyết định khả năng tích xả. Các đặc tính chính bao gồm: dung lượng cao (đo bằng Farad), điện áp hoạt động thấp, tuổi thọ dài (có thể tới 10 năm), và khả năng chịu được hàng triệu chu kỳ tích xả. So với pin hóa học truyền thống, siêu tụ có hiệu suất năng lượng cao hơn 95%.

2.2. Nguyên lý tích xả năng lượng

Khi siêu tụ được nạp điện, điện tích tích lũy trên hai điện cực tạo ra một trường điện mạnh trong lớp điện môi. Năng lượng tụ nạp được tính theo công thức E = 1/2 CV², cho phép tính toán chính xác dung lượng cần thiết. Quá trình xả diễn ra nhanh chóng, cung cấp dòng điện lớn trong thời gian ngắn, lý tưởng cho việc khởi động động cơ. Tính chất này giúp siêu tụ hoạt động hiệu quả trong hệ thống cung cấp điện lai.

III. Thiết kế hệ thống cung cấp điện lai

Hệ thống cung cấp điện lai kết hợp máy phát điện xoay chiều, accu một chiều và siêu tụ để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Sơ đồ thiết kế bao gồm chỉnh lưu để chuyển đổi điện xoay chiều sang điện một chiều, mạch điều khiển để phân chia beban năng lượng, và hệ thống quản lý để cân bằng dòng điện. Siêu tụ được sử dụng để cung cấp năng lượng tức thời cho hệ thống khởi động, giảm tải cho accu và giảm sụt áp. Thiết kế này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của pin truyền thống, đồng thời giảm khí thải và ô nhiễm môi trường.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Hệ thống cung cấp điện được thiết kế với ba thành phần chính: máy phát điện AC tạo ra dòng điện xoay chiều; chỉnh lưu chuyển đổi thành dòng điện một chiều; siêu tụ và accu hoạt động song song để cung cấp năng lượng. Mạch điều khiển thông minh phân chia beban dựa trên nhu cầu năng lượng tức thời. Khi xe khởi động, siêu tụ xả năng lượng nhanh, giảm tải cho accu. Khi xe chạy bình thường, máy phát sẽ nạp lại siêu tụ đồng thời cung cấp điện cho các thiết bị.

3.2. Những hư hỏng thường gặp và giải pháp

Hệ thống điện xe gắn máy truyền thống gặp phải các vấn đề: accu hỏng do tích xả không đều, sụt áp cao khi khởi động, và tuổi thọ ngắn. Sử dụng siêu tụ giải quyết được các vấn đề này bằng cách: cung cấp dòng khởi động mạnh mà không ảnh hưởng accu, giữ ổn định điện áp hệ thống, và giảm stress cho pin. Mạch bảo vệ tích hợp ngăn chặn quá tải và ngắn mạch, kéo dài tuổi thọ toàn bộ hệ thống.

IV. Kết quả và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ đã đạt được những kết quả đáng kể trong cải thiện hiệu suất năng lượng và độ bền hệ thống. Hệ thống lai kết hợp siêu tụ và accu đã chứng minh được tính khả thi cao trong ứng dụng thực tế. Các bài kiểm tra cho thấy tuổi thọ accu tăng 30-40%, độ ổn định điện áp cải thiện đáng kể, và khí thải giảm từ 15-20%. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu hóa mạch điều khiển, nghiên cứu vật liệu mới cho siêu tụ, và áp dụng công nghệ này cho các phương tiện giao thông khác như xe máy điện và ô tô hybrid.

4.1. Những thành tựu đạt được

Hệ thống cung cấp điện lai sử dụng siêu tụ đã được thiết kế, mô phỏng và kiểm thử thành công. Kết quả cho thấy: hiệu suất chuyên đổi năng lượng đạt 93%, điện áp hệ thống ổn định hơn 20%, khả năng khởi động đáng tin cậy 99%. Pin accu tích xả ít hơn, tuổi thọ kéo dài đáng kể. Hệ thống bảo vệ tích hợp hoạt động tốt, ngăn ngừa được 100% các sự cố quá dòng và ngắn mạch.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng rộng

Công nghệ siêu tụ trong hệ thống cung cấp điện có tiềm năng ứng dụng lớn cho xe máy điện, xe đạp điện, và ô tô hybrid. Những kết quả từ luận văn này cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển hệ thống xe gắn máy thân thiện với môi trường. Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào tối ưu hóa chi phí sản xuất, nâng cao mật độ năng lượng của siêu tụ, và phát triển các mạch điều khiển thông minh hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1.1 Tổng quan về hệ thống điện trên xe gắn máy Hệ thống khởi động (starting system): bao gồm accu, máy khởi động điện (starting motor), relay điều khiển khởi động. Hệ thống cung cấp điện (charging system): gồm accu, máy phát điện (bô bin đèn),bộ tiết chế (cục sạc). Hệ thống đánh lửa (ignition system): gồm bô bin lửa, công tắc máy, IC (igniter), cảm biến điện từ (cục kích), bô bin sườn (biến áp đánh lửa), bougie (spark plugs). Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu (lighting and signal system): gồm các đèn chiếu sáng, các đèn tín hiệu, còi, các công tắc và relay.

Hệ thống đo và kiểm tra (gauging system): đồng hồ báo tốc độ xe, đồng hồ báo nhiên liệu và các đèn báo số.2 Nguồn điện trên xe gắn máy Trên xe gắn máy ngoài hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến dòng điện hạ thế thành dòng điện cao thế để làm cho động cơ sinh công, còn hệ thống điện đèn còi cũng có chức năng vô cùng thiết yếu.1 Nguồn điện xoay chiều (AC): Bô bin đèn trong máy phát điện xoay chiều của xe luôn sinh ra dòng điện AC. Nguồn điện này có điện thế thấp từ 6 volts hặc 12 volts tùy theo xe. Nguồn điện này cung cấp cho mạch đèn đêm gồm:  Đèn sương mù.  Đèn đồng hồ tốc độ.ĐỖ VĂN DŨNG HVTH: NGUYỄN KHẮC BẰNG 1 Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ  Đèn pha, cốt và đèn báo pha.

Nguồn điện này có thể lên thẳng công tắc đèn chính hoặc lên công tắc máy rồi mới sang công tắc đèn chính và chia qua công tắc đèn pha, cốt (tùy theo kết cấu từng loại xe), nguồn điện này thắp sáng các đèn sương mù, đồng hồ tốc độ, lái, đèn pha, cốt tùy theo ý người đi xe.  Cấu tạo máy phát điện xoay chiều: Máy phát điện xoay chiều gồm các bộ phận sau đây: a. Phần chuyển động là một volant hay một rotor có gắn các miếng nam châm, có thiết kế cho quay đồng tốc với trục cơ (cốt máy). Phần cố định là một mâm nhôm bắt cố định vào catte máy, trên đó có các chi tiết sau: Cuộn nguồn (bô bin lửa), Cuộn đèn (bô bin đèn), Cuộn khiển (có thể nằm trong mâm hoặn ngoài mâm tùy theo xe).

 Nguyên lý sinh ra điện:  Đối với cuộn nguồn và cuộn khiển: khi volant hay rotor quay khiến từ trường của nam châm dao động và từ thông của nam châm bị biến thiên thì cuộn nguồn và cuộn khiển điều cảm ứng sự biến thiên của từ thông nam châm mà sinh ra những xung điện xoay chiều. Các xung điện này được dẫn đến CDI để đổi thành điện một chiều và nạp vào bô bin sườn tăng thành điện cao thế rồi đến bugi nẹt ra tia lửa điện.  Đối với cuộn đèn: vẫn cùng nguyên lý trên cuộn đèn sinh ra những xung điện xoay chiều. Một phần cung ứng cho mạch điện đèn đêm, một phần được đổi thành điện một chiều để nạp điện cho accu và cung ứng cho mạch đèn tín hiệu và còi.

 Nguồn điện xoay chiều được đổi thành điện một chiều: Các xung điện xoay chiều của cuộn đèn có thể là một phần hoặc tất cả các xung điện được dẫn đến diode thường hoặc diode ổn áp để nắn thành dòng điện một chiều để nạp cho accu hoặc cung ứng cho hệ thống đèn còi của xe.  Diode nắn dòng: là linh kiện điện tử được chế tạo bằng hai chất Germanium và Silicium có hai cực dương (+) và âm (-). Nhiệm vụ của diode nắn dòng là biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) khi đi qua nó.ĐỖ VĂN DŨNG HVTH: NGUYỄN KHẮC BẰNG 2 Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ Diode chỉ cho dòng điện đi theo một chiều nhất định từ dương (+) sang âm (-) gọi là chiều thuận và không cho dòng điện đi theo chiều ngược lại.  Diode ổn áp (Diode Zener): được cấu tạo như diode thường nhưng có đặc điểm sau đây: nếu cho tăng dần giá rị điện áp ngược vào diode đến một trị số giới hạn nào đó thì sẽ cho dòng điện đi theo chiều ngược lại, gọi là điện áp ổn định.

Nếu giảm điện áp ngược nhỏ hơn trị số ổn định thì diode sẽ khóa theo chiều ngược. Với đặc tính trên, diode Zener được dùng theo chiều ngược trong các bộ điều chỉnh bán dẫn khi điện áp tăng.  Điện trở (R): là một linh kiện tiếp nhận dòng điện chạy qua, có hai tác dụng: Tăng hoặc giảm một hiệu điện thế.2 Nguồn điện một chiều (DC): Một phần nguồn điện AC của bô bin đèn được chuyển đến diode (cục sạc) để nắn thành dòng điện DC và nạp vào bình accu. Nguồn điện DC cung ứng cho hệ thống khởi động, còi và hệ thống đèn tín hiệu gồm:  Đèn báo số.

 Đèn signal, báo signal.  Đồng hồ báo xăng.3 Accu Accu có hai tính năng: thu nạp dòng điện và phóng dòng điện ra. Dòng điện nạp vào accu phải là dòng điện một chiều (DC), như vậy dòng điện do bô bin đèn phát ra phải qua diode nắn dòng thành điện một chiều rồi nạp cho accu. Nguồn điện accu dùng để cung ứng cho hệ thống đèn tín hiệu trên xe, cho còi, bộ khởi động bằng động cơ điện, hay hệ thống đánh lửa accu.4 Vấn đề về môi trường Theo báo cáo từ Tổng Cục Môi trường (Bộ Tài nguyên và Môi trường), trong năm 2010 đã có khoảng 40.000 tấn accu chì đã được thải ra môi trường.

Đáng lo ngại, dự báo đến năm 2015, con số này sẽ là gần 70.ĐỖ VĂN DŨNG HVTH: NGUYỄN KHẮC BẰNG 3 Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ Khảo sát từ cơ quan chức năng cho biết, phần lớn lượng accu này đã và đang được tái chế gia công tại các làng nghề. Như tại làng Đông Mai, Hưng Yên, có hơn 60 hộ thu gom accu, với số lao động tham gia trên 500 người. Do không có các biện pháp quản lý sản xuất tốt và thiếu thiết bị xử lý ô nhiễm về môi trường theo quy định nên đất, nước và không khí của làng nghề này đang bị ô nhiễm khói bụi chì, nước thải a-xit trầm trọng. Đáng lo ngại, mức độ nhiễm chì của trẻ em trong làng đã ở mức báo động.1: Công nhân làm chì tại một xưởng gia công.

(Ảnh: CTV) Bày tỏ sự lo ngại trước nguy trẻ em ở làng nghề bị nhiễm chì, ông Perry Gottesfeld, Giám đốc, Tổ chức Occupational Knowledge International (Tổ chức Quốc tế về Kiến thức An toàn lao động) đưa ra cảnh báo: Chì nguy hại cho cả trẻ em và người lớn, nhưng đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ nhỏ. Theo ông này các hoạt động tái chế không đúng quy cách sẽ không kiểm soát được bụi chì bay vào trong không khí, dẫn đến hiện tượng ô nhiễm đất và không khí. Trong khi đó, các cháu có thể bị ngộ độc chì nặng dù chỉ nhiễm một lượng chì nhỏ, gây giảm sút trí thông minh và khả năng học hành của trẻ nhỏ, bệnh thiếu máu, suy thận, các bệnh về tim mạch… CBHD: PGS.ĐỖ VĂN DŨNG HVTH: NGUYỄN KHẮC BẰNG 4 Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ Trong báo cáo môi trường do Tổng Cục Môi trường ban hành cách đây 3 năm đã từng khuyến cáo: mỗi người dân sống trong làng nghề Đông Mai đều có khả năng mất 10 năm tuổi thọ do ô nhiễm môi trường. Ông Tô Văn Thành - Phó Giám đốc Công ty CP Pin accu Tia Sáng cho biết, cách đây khoảng 10 năm về trước, các doanh nghiệp sản xuất pin và accu lớn của Việt Nam đều thu hồi accu chì và xử lý để tái sử dụng, nhưng nay không thực hiện nữa, bởi giá thu mua của công ty không cạnh tranh nổi với giá thu mua của lực lượng đồng nát.

“Accu là thứ bán ra tiền, không ai vứt accu ra đường cả. Tuy nhiên việc thu gom không được quy định nên doanh nghiệp có muốn cũng chịu. Do đó, cần phải có chế tài quy định rõ trách nhiệm và quyền lợi doanh nghiệp khi thu hồi sản phẩm thải bỏ. Hiện nay, chúng tôi chỉ có thể chủ động đầu tư dây chuyền công nghệ như máy chạy pin thân thiện với môi trường, giảm phát thải” - ông Thành nói.2: Bụi chì bám kín từ đầu đến chân người công nhân.

(Ảnh: CTV) Theo tính toán của chuyên gia kinh tế, ước tính cả nước hiện có khoảng 28 triệu xe mô tô và 1,5 triệu xe ô tô và sẽ tăng khoảng 20-25% mỗi năm. Dự báo, đến năm 2021, Việt Nam có thể có 60 triệu xe mô tô và ô tô các loại. Như vậy, sẽ có hàng triệu bình accu bị thải bỏ mỗi năm. Nếu một nhà máy tái chế accu chì ra đời CBHD: PGS.ĐỖ VĂN DŨNG HVTH: NGUYỄN KHẮC BẰNG 5 Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ và đi vào hoạt động với công suất 40.000 tấn chì /năm và chỉ cần hoạt động một nước cũng đã giúp ngành sản xuất accu tiết kiệm được từ 10 triệu đến 20 triệu đô la Mỹ chi phí nhập khẩu chì tinh luyện (VN đang phải nhập khẩu một lượng lớn chì chất lượng cao làm nguyên liệu cho ngành sản xuất accu pin và accu).

Tuy nhiên accu có nhược điểm chung là có dung lượng hạn chế, các sản phẩm phế thải của chúng không thân thiện với môi trường. Thời gian nạp của các accu đòi hỏi nhiều giờ. Accu chì có nhược điểm căn bản là tuổi thọ thấp. Loại accu chì hoàn hảo nhất hiện nay cũng chỉ có thể làm việc không quá 5 năm.

Như vậy, một lượng rất lớn các loại accu hết thời hạn sử dụng bị thải loại và trở thành phế thải. Tuy không có số liệu thống kê về nguồn phế thải này nhưng có thể ước đoán là có hàng triệu bình accu bị thải bỏ mỗi năm. Lượng accu phế thải là nguồn gây ô nhiễm môi trường với hậu quả hết sức nặng nề vì chì (Pb) được coi là chất thải cực kỳ độc hại, với hàm lượng vài ppm/kg trọng lượng cơ thể đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Chì là một kim loại độc có thể gây tổn hại cho hệ thần kinh, đặc biệt là ở trẻ em và có thể gây ra các chứng rối loạn não và máu.