Luận văn thạc sĩ ô tô tập lái dùng động cơ điện và pin mặt trời

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng động cơ điện dùng ắc quy kết hợp năng lượng mặt trời cho ô tô tập lái, nâng cao hiệu quả tiết kiệm và an toàn.

• Tác giả: Nguyễn Lâm Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phước Sơn
• 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 ứng dụng động cơ điện sử dụng nguồn ắc quy và năng lượng mặt trời cho ôtô hỗ trợ thực tập lái
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ điện và nguồn năng lượng cho ô tô hỗ trợ thực tập

Động cơ điện sử dụng nguồn ắc quy và năng lượng mặt trời cho ô tô hỗ trợ thực tập là giải pháp kết hợp hiệu quả giữa công nghệ xanh và đào tạo lái xe. Hệ thống này giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và cung cấp năng lượng bền vững. Động cơ điện hoạt động bằng pin ắc quy tích điện từ năng lượng mặt trời, giảm chi phí vận hành và ô nhiễm. Ứng dụng này phù hợp với ô tô hỗ trợ thực tập vì tốc độ và công suất có thể điều chỉnh linh hoạt. Năng lượng mặt trời cung cấp nguồn điện tái tạo, giảm thiểu tác động môi trường. Hệ thống này đáp ứng nhu cầu thực tế của việc đào tạo lái xe trong môi trường an toàn và thân thiện với môi trường.

1.1. Ưu điểm của hệ thống động cơ điện và năng lượng mặt trời

Hệ thống này mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, giảm chi phí nhiên liệu và bảo trì so với động cơ đốt trong. Thứ hai, giảm phát thải CO2 và ô nhiễm không khí. Thứ ba, cung cấp nguồn điện bền vững từ năng lượng mặt trời. Cuối cùng, hệ thống này an toàn và dễ kiểm soát, phù hợp với việc đào tạo lái xe. Các động cơ điện có độ tin cậy cao và thời gian sử dụng dài hơn so với động cơ truyền thống.

1.2. Ứng dụng trong đào tạo lái xe và thực tập

Hệ thống động cơ điện hỗ trợ thực tập lái xe bằng cách cung cấp môi trường an toàn và hiệu quả. Nó cho phép học viên thực hành điều khiển ô tô trong điều kiện thực tế nhưng với ít rủi ro hơn. Năng lượng mặt trời cung cấp điện cho hệ thống, giảm phụ thuộc vào nguồn điện lưới. Điều này giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì. Ngoài ra, hệ thống có thể tích hợp với các công nghệ thông minh để tối ưu hóa quá trình học tập và an toàn.

II. Phân tích vấn đề về hiệu suất và khả năng tích hợp hệ thống

Hiệu suất của động cơ điện phụ thuộc vào nguồn điện từ ắc quy và năng lượng mặt trời. Pin ắc quy có hiệu suất thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch, yêu cầu dung lượng lớn để đáp ứng nhu cầu năng lượng. Năng lượng mặt trời không ổn định do điều kiện thời tiết, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp điện liên tục. Khả năng tích hợp hệ thống với ô tô cũng gặp khó khăn. Cần thiết kế lại hệ thống điện và cơ khí để phù hợp với động cơ điện. Ngoài ra, chi phí ban đầu cao hơn so với động cơ truyền thống.

2.1. Thách thức về hiệu suất và dung lượng pin

Pin ắc quy hiện nay có hiệu suất xả thấp, chỉ khoảng 85%. Điều này yêu cầu dung lượng pin lớn để cung cấp năng lượng cho động cơ. Năng lượng mặt trời cũng không ổn định, phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời. Khi thời tiết xấu, hệ thống có thể không cung cấp đủ điện. Để khắc phục, cần sử dụng pin dự phòng hoặc hệ thống tích trữ năng lượng hiệu quả hơn. Ngoài ra, việc tối ưu hóa quá trình sạc và xả pin cũng cần được nghiên cứu để tăng hiệu suất.

2.2. Khó khăn trong tích hợp hệ thống với ô tô

Tích hợp động cơ điện với ô tô truyền thống gặp nhiều khó khăn. Cần thiết kế lại hệ thống truyền động và điện để phù hợp với động cơ mới. Ngoài ra, hệ thống điện phải được tối ưu hóa để tránh mất mát năng lượng. Chi phí đầu tư cao là một vấn đề lớn, đặc biệt là trong việc lắp đặt tấm pin mặt trời và hệ thống quản lý năng lượng. Ngoài ra, việc bảo trì và sửa chữa hệ thống cũng phức tạp hơn so với động cơ truyền thống. Do đó, cần nghiên cứu và phát triển các giải pháp tích hợp hiệu quả.

III. Giải pháp và phương pháp ứng dụng động cơ điện với nguồn năng lượng mặt trời

Giải pháp chính là sử dụng pin ắc quy có dung lượng lớn và hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả. Tấm pin mặt trời được lắp đặt trên mái xe hoặc bên ngoài ô tô để tối đa hóa năng lượng thu được. Hệ thống quản lý năng lượng cần được tối ưu hóa để phân phối điện một cách hiệu quả. Ngoài ra, sử dụng động cơ điện có công suất phù hợp với nhu cầu thực tập lái xe. Các cảm biến và hệ thống điều khiển thông minh giúp tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng. Phương pháp này giảm chi phí và tăng hiệu suất của hệ thống.

3.1. Tối ưu hóa hệ thống pin và năng lượng mặt trời

Dung lượng pin ắc quy được tính toán dựa trên tiêu thụ năng lượng hàng ngày và số ngày dự phòng. Hiệu suất pin khoảng 85%, nên dung lượng thực tế phải lớn hơn. Tấm pin mặt trời được lắp đặt với góc nghiêng tối ưu để thu được năng lượng tối đa. Hệ thống quản lý năng lượng cần tích hợp cảm biến để theo dõi và điều chỉnh tiêu thụ điện. Ngoài ra, sử dụng pin dự phòng để đảm bảo nguồn điện liên tục trong điều kiện thời tiết xấu.

3.2. Thiết kế động cơ điện và hệ thống truyền động

Động cơ điện được chọn với công suất phù hợp với nhu cầu thực tập lái xe. Hệ thống truyền động được tối ưu hóa để giảm mất mát năng lượng. Các bộ giảm tốc và hệ thống điều khiển điện tử giúp tăng hiệu suất. Ngoài ra, hệ thống này cần được tích hợp với các cảm biến an toàn để đảm bảo tính ổn định. Thiết kế cơ khí cũng cần được cải tiến để phù hợp với động cơ điện, giảm trọng lượng và tăng độ bền.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống

Hệ thống động cơ điện sử dụng nguồn ắc quy và năng lượng mặt trời cho ô tô hỗ trợ thực tập là giải pháp hiệu quả trong đào tạo lái xe. Nó giảm chi phí và ô nhiễm môi trường. Hệ thống này cũng cung cấp môi trường an toàn và hiệu quả cho học viên. Tuy nhiên, vẫn cần nghiên cứu thêm để tăng hiệu suất và giảm chi phí. Ứng dụng thực tế có thể mở rộng đến các trường đào tạo lái xe và trung tâm thực hành. Ngoài ra, hệ thống này có thể được áp dụng cho các phương tiện khác như xe máy hoặc xe tải nhỏ.

4.1. Tiềm năng phát triển và ứng dụng trong đào tạo

Hệ thống có tiềm năng lớn trong đào tạo lái xe và các hoạt động thực hành. Nó giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả đào tạo. Ngoài ra, hệ thống này cũng có thể được áp dụng cho các phương tiện khác như xe máy hoặc xe tải nhỏ. Các trường đào tạo lái xe có thể sử dụng hệ thống này để giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được tích hợp với các công nghệ thông minh để tối ưu hóa quá trình học tập.

4.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu và phát triển tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tăng hiệu suất của pin ắc quy và hệ thống quản lý năng lượng. Ngoài ra, cần phát triển các giải pháp tích hợp hiệu quả giữa động cơ điện và hệ thống truyền động. Khuyến nghị cũng bao gồm việc nghiên cứu các công nghệ mới như pin lithium-ion và hệ thống sạc không dây. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm về chi phí và khả thi kinh tế của hệ thống để mở rộng ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, chương 2, chương 3, chương 4 của PGS. TS Nguyễn Bốn và TS. Hoàng Dương Hùng đã có những nghiên cứu về mặt trời, năng lượng bức xạ của mặt trời và tính toán ứng dụng cho các thiết bị điện. Từ tất cả các công trình nghiên cứu ứng dụng về xe điện trên thì vẫn chưa có nghiên cứu nào với xe ôtô hổ trợ thực tập lái tại Việt Nam.

Đây là lý do để tôi thực hiện nghiên cứu này. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước: Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước thế giới phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu: + Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được. Các phương tiện giao thông sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng này (xăng, dầu) chắc chắn sẽ không tồn tại trong tương lai. Trong khi đó điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển,.Do vậy, các phương tiện sử dụng điện là phương tiện của tương lai.

+ Vấn đề môi trường: không khó để nhận ra rằng môi trường hiện nay đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, mà một trong những nguyên nhân chính là khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ôtô. Ôtô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này do nó hoàn toàn không có khí thải. Như vậy ta thấy rằng ôtô điện là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn, đó là lý do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây, và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ôtô và các nhà khoa học trên toàn thế giới. Đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này như: “Optimization of Solar Energy System for the Electric Vehicle at University Campus in Dhaka, Bangladesh” của Nusrat Chowdhury, Chowdhury Akram Hossain cùng các đồng sự 5 [3] do sự suy giảm nhanh chóng của trữ lượng khí đốt, giá khí tăng vọt và sự nóng lên toàn cầu, bên cạnh ô nhiễm môi trường gây ra bởi việc đốt nhiên liệu, điều này làm tăng mối lo ngại về các nguồn năng lượng này, chính vì thế năng lượng tái tạo cung cấp một giải pháp hợp lý cho những vấn đề này.

Mục tiêu của nghiên cứu này là tập trung vào công dụng tối đa của một hệ thống quang điện mặt trời (PV) trong xe điện và để giảm thiểu tác động môi trường trong điều khoản phát thải CO2. Trong nghiên cứu “Design Of Solar Powered Vehicle” của G.Selvakumarot [4] sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng cho xe điện với một cơ sở sạc và đóng góp năng lượng thừa cho lưới điện quốc gia. Đã có nhiều thảo luận về việc sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng cho chiếc xe để đạt được điện áp cần thiết trong bài báo “Solar Powered Vehicle” của Yogesh Sunil Wamborikar, Abhay Sinha [5]. Bên cạnh đó việc đánh giá hiệu quả năng lượng xe điện cũng được nghiên cứu trong đề tài “Microsimulation of Electric Vehicle Energy Consumption” của Blaz Luin, Stojan Petelin, Fouad Al-Mansour [6].

Ngoài ra có thể kể đến là những nghiên cứu thu được thông qua các bài kiểm tra và các thí nghiệm để suy ra tính thực tiễn của xe điện chạy bằng năng lượng mặt trời trong nghiên cứu “Development and Performance Analysis of Solar Electric Vehicle” của Dr. Mosaddequr Rahman cùng với Khoa Kỷ Thuật Điện Và Điện Tử BRAC Đại Học Dhaka [7]. Có thể kể đến là trong nghiên cứu “Feasibility Study of a Solar-Powered Electric Vehicle Charging Station Model” Bin Ye, Jingjing Jiang và các đồng sự November 2015 Energies 8(11):13265-13283 [8] bài viết này đã đề xuất một mô hình năng lượng mặt trời trạm sạc cho xe điện để giảm thiểu các vấn đề gặp phải trong năng lượng tái tạo của Trung Quốc quá trình sử dụng và để đối phó với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của xe điện cho tương lai gần. Nghiên cứu này áp dụng mô hình đề xuất cho thành phố Thẩm Quyến để xác minh kỹ thuật của nó và tính kinh tế khả thi.

Hay trong bài báo “Some Issues on the Design of a Solar Vehicle Based on Hybrid Energy System” của A.Jde laVega và các cộng sự [9] đã nghiên cứu vấn đề mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất có thể cho chuyển động của xe, với các mô-đun quang điện là nguồn điện chính. So với các phương 6 tiện vận chuyển hàng hóa thông thường, phương tiện vận chuyển hàng hóa điện tạo ra ô nhiễm cục bộ ít hơn và do đó thường được coi là một phương tiện phân phối hàng hóa bền vững hơn trong bài báo “The electric vehicle routing problem with energy consumption uncertainty” của Samuel Pelletiera, Ola Jabalib Gilbert, Laportea [10]. Ngoài ra các nghiên cứu của các xe điện có nhiều động cơ điều khiển mô-men xoắn bánh xe riêng lẻ, tức là cái gọi là vectơ mô-men xoắn, tăng cường đáng kể sự an toàn khi quay vòng. Mô-men xoắn cũng có thể tăng hiệu suất năng lượng, thông qua thiết kế phù hợp của đặc tính cơ sở tham chiếu và tính toán phân bố mô-men xoắn bánh xe cung cấp tổng mô-men xoắn bánh xe mong muốn và mô men trực tiếp trong nghiên cứu “An energy-efficient torque-vectoring algorithm for electric vehicles with multiple motors” của C.Gruberb và các cộng sự [11].

Hay cấu tạo của xe điện được trình bày cụ thể hơn với bài báo “Electric Vehicle Battery Systems” của Sandeep Dhameja [12] đã giới thiệu này liên quan đến xe điện (EV) và các thành phần của nó. Nó chủ yếu tập trung vào pin xe điện. Hoạt động của EV tương tự như phương tiện đốt trong. Các thành phần chính của EV như sau, cụ thể là một động cơ điện; một mô-đun điều khiển điện tử (ECM); một pin kéo; hệ thống quản lý pin; bộ sạc pin thông minh; hệ thống cáp; một hệ thống phanh tái tạo; một thân xe; khung hình; chất lỏng EV để làm mát, phanh,.Ngoài ra trong nghiên cứu của Author links open overlay, Panel James Dixon KeithBell “Electric vehicles: Battery capacity, charger power, access to charging and the impacts on distribution networks” [13] với thị trường xe điện chạy bằng pin (EV) đang trong tình trạng tiếp tục phát triển nhanh chóng, cả về dung lượng pin và xếp hạng năng lượng bộ sạc mà các nhà sản xuất xe đang đưa ra thị trường và sự thâm nhập ngày càng rộng rãi của cơ sở hạ tầng sạc.

Thêm vào đó trong nghiên cứu “The future of electric vehicles to grid integration in Indonesia” của Muhammad Huda, Muhammad Aziz, Koji Tokimatsu [14] tác giả đã có các nghiên cứu về một số chính sách đã được chính phủ đưa ra để thúc đẩy phát triển và triển khai EVs, chẳng hạn như hạn chế mua xe thông thường ở các thành phố lớn và trợ cấp cho EV sản xuất trong nước và cắm xe điện hybrid (PHEV). Đáng chú ý đến 7 là nghiên cứu “Intelligent energy-saving control strategy for electric vehicle based on preceding vehicle movement” của LaiquinXie, Yugong Luo, Dong hao Zang và các cộng sự [15], để cải thiện hiệu quả năng lượng của xe điện. Bài báo này đề xuất một chiến lược điều khiển tiết kiệm năng lượng mới cho xe điện dựa trên chuyển động của xe đi trước được phát hiện bởi radar phía trước. Kiến trúc điều khiển phân cấp, bao gồm ba lớp, được áp dụng trong chiến lược đề xuất và được áp dụng cho xe buýt điện.

Bên cạnh đó trong bài báo “Electric vehicles in Spain: An overview of charging systems” của Juan Martínez-Lao, Francisco G.Montoyac và các đồng sự [16], ngành giao thông vận tải được đặc trưng bởi mức tiêu thụ cao nhiên liệu hóa thạch và tác động môi trường mạnh mẽ. Thúc đẩy xe điện là một giải pháp thay thế để giảm và hạn chế chúng di chuyển theo hướng bền vững của ngành ôtô. Một trong những nghiên cứu có thể kể đến được công bố trong bài báo “Power Battery Performance Detection System for Electric Vehicles” của Yan NingWang [17] đã đề cập đến tầm quan trọng của pin đối với xe điện tương đương với tầm quan trọng của trái tim đối với con người. Pin có thể cung cấp năng lượng cho xe điện và tăng năng lượng cho xe điện.

Chính vì lý do này mà các nhà sản xuất xe điện, lái xe và nhà máy bảo dưỡng cần phải hiểu sâu hơn về hiệu suất của xe điện. Điều này không chỉ để kéo dài tuổi thọ pin của xe điện mà còn tăng tốc công việc và nâng cao hiệu quả công việc của người lái xe hoặc cửa hàng sửa chữa ngay khi xảy ra tai nạn. Trọng tâm của bài viết này là giải thích các phương pháp và biện pháp phòng ngừa để kiểm tra hệ thống xe điện với hiệu suất của pin điện, và cố gắng đóng một vai trò tích cực trong việc phát triển pin điện của xe điện. Ngoài ra trong nghiên cứu “Microsimulation of electric vehicle energy consumption” của Blaz Luin, Stojan Petelin, Fouad AL-Mansourb [18] thì hiệu quả năng lượng là một trong những lý do chính cho sự phổ biến ngày càng tăng của xe điện.

Mặc dù chúng có hiệu quả đáng kể so với các phương tiện chạy bằng động cơ đốt trong, hiệu quả của chúng khác nhau. Ngoài ra có còn có thể kể đến trong bài báo “Synergies of four emerging technologies for accelerated adoption of electric vehicles: Shared mobility, wireless charging, vehicle-to-grid, and vehicle automation” của 8 MortezaTaiebat, MingXu [19] đã có các nghiên cứu, đánh giá và đo lường tiêu thụ năng lượng trong thế giới thực và xác định các biến số ảnh hưởng đến nó, chẳng hạn như cấu hình hệ thống truyền động xe, hệ thống quản lý pin, điều kiện giao thông và môi trường. Sự phối hợp của bốn công nghệ mới nổi để tăng tốc áp dụng xe điện di động chung, sạc không dây, nối lưới và tự động hóa xe ghi chú kỹ thuật này thảo luận về các thuộc tính tổng hợp của bốn công nghệ mới nổi có tiềm năng đáng kể để tăng cường tính di động đô thị thông minh và bền vững như hình 1. Bên cạnh đó trong nghiên cứu “Dynamic programming for New Energy Vehicles based on their work modes part I: Electric Vehicles and Hybrid Electric Vehicles” của Panel WeiZhou, LinYang, Yishan Cai [20] đã giới thiệu về cách giải quyết bốn vấn đề chính của lập trình động lực học trong các ứng dụng trên các phương tiện năng lượng mới.

Bài báo chủ yếu trình bày nghiên cứu về xe điện và xe điện hybrid. Thứ nhất, cấu trúc liên kết và chế độ làm việc của xe điện và xe điện hybrid được tóm tắt.3: Mô hình xe năng lượng mặt trời ứng dụng trong thực tế.