Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Để nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường, các hãng sản xuất ô tô không ngừng tìm kiếm các giải pháp, trong đó có giải pháp thu hồi năng lượng mất mát vô ích trên ô tô. Một số các nghiên cứu về việc thu hồi năng lượng đã được thương mại hóa trên như công nghệ thu hồi năng lượng phanh i-ELoop (Intelligent Energy Loop) của hãng ô tô Mazda [1]. Công nghệ này giúp giảm 10% tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Hay công nghệ Start/Stop Engine được áp dụng lần đầu trên các xe Hybird của Toyota [2].
Ngoài ra, hãng xe Audi đã và đang thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng từ hệ thống treo dựa trên nguyên lý biến dao động của hệ thống treo dưới dạng cơ năng thành năng lượng điện thu được vào bộ tích trữ [3]. Trên các thiết bị điện ô tô cấu tạo cuộn dây đều có năng lượng điện cảm sinh ra suất điện động tự cảm trong quá trình chuyển mạch. Thiết bị có năng lượng điện cảm do hiện tượng cảm ứng điện từ bao gồm: máy phát điện, cảm biến điện từ… do hiện tượng hỗ cảm như: biến áp, bobine đánh lửa… Nguồn năng lượng điện cảm nêu trên có khả năng thu hồi và sử dụng như một dạng năng lượng tái sinh. Năng lượng điện cảm này tồn tại phần lớn trên các bobin của hệ thống đánh lửa loại điện cảm.
Khi dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobine bị ngắt đột ngột để bắt đầu cho quá trình phóng điện trên điện cực bugi, trên cuộn sơ cấp sẽ xuất hiện một suất điện động tự cảm khoảng 200V đến 500V do sự thay đổi đột ngột của từ thông qua cuộn dây. Ngoài ra, trên xe còn nhiều cơ cấu chấp hành có kết cấu dạng cuộn cảm như: kim phun, van điện từ, rơle…cũng xuất hiện các suất điện động tương tự có biên độ từ 70V đến 120V trong quá trình hoạt động. Số lượng lớn các xung điện từ 70V đến 500V như thế lan truyền trên toàn hệ thống điện ô tô ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ thiết bị đóng ngắt, linh kiện điện tử, sinh nhiệt và gây lãng phí năng lượng. Các giải pháp kỹ thuật được áp dụng như: mắc diode zener, điện trở, tụ điện song song với transistor công suất nhằm bảo vệ các thiết bị đóng ngắt nhưng không tận dụng được phần năng lượng tự cảm sinh ra trên cuộn dây.
Mong muốn tìm ra các giải pháp thiết thực để có thể nạp vào siêu tụ tái sử dụng nguồn năng lượng điện cảm lãng phí nêu trên, ở khía cạnh nào đó cung cấp cho các tải điện hoạt động gián đoạn hoặc cải thiện tính năng hoạt động kim phun là cần thiết góp phần tiết kiệm nhiên liệu giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng tuổi thọ các chi tiết điện tử trên xe. Chính vì lẽ đó, người nghiên cứu quyết định chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng năng lượng điện cảm trên ô tô” với mong muốn đóng góp sản phẩm nghiên cứu cho ngành kỹ thuật ô tô, đồng thời đáp ứng xu hướng nghiên cứu năng lượng tái sinh trên ô tô hiện nay.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu thu hồi và sử dụng lại nguồn năng lượng dưới dạng điện năng từ quá trình chuyển mạch của các bộ chấp hành có cấu tạo từ cuộn cảm thay vì tìm cách hạn chế hoặc triệt tiêu sức điện động tự cảm trước đây. Các thực nghiệm ban đầu về thu hồi năng lượng từ bobine và kim phun được thực hiện trên mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa nhằm đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống. Sau đó, thử nghiệm trên mô hình và ô tô.3 Nội dung nghiên cứu Để hiện thực hóa mục tiêu đề ra, người nghiên cứu sẽ triển khai các nội dung: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về năng lượng điện cảm trên ô tô.
- Phân tích các đặc tính cuộn cảm, các cơ cấu chấp hành có tích trữ. - Xây dựng mô hình toán, mô phỏng số các quá trình hoạt động trên cuộn cảm. - Mô hình hóa, phân tích năng lượng trên hệ siêu tụ. - Tính toán năng lượng tự cảm có khả năng thu hồi trên bobine, kim phun.
- Phân tích hệ siêu tụ kết nối phụ tải điện. - Khảo sát thực tế các sức điện động tự cảm. - Xây dựng mô hình thực nghiệm. - Thiết kế mạch thu hồi năng lượng.
- Thi công hệ thống thu thập, đo lường và kiểm soát năng lượng tái sinh ứng dụng lập trình điều khiển. - Phân tích đặc tính phụ tải điện gián đoạn, kim phun và độ nhạy kim phun. - Thực nghiệm, phân tích, đánh giá sản phẩm nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm và ô tô.4 Đối tượng nghiên cứu. Hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota 1TR-FE, năng lượng điện cảm, phụ tải điện gián đoạn.5 Phạm vi nghiên cứu Đề tài thực hiện nghiên cứu điện cảm trên hệ thống phun xăng điện tử trên cơ sở động cơ 1TR-FE lắp trên xe Toyota Innova, cùng với việc tiến hành khảo sát trên mô hình thực nghiệm nhằm nghiên cứu làm rõ hoạt động của hệ thống.6 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu thực nghiệm 1.7 Tính mới, ý nghĩa khoa học của công trình nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu ứng dụng năng lượng điện cảm tái sinh trên ô tô, hiện chưa có nhiều công trình đã được công bố.
Dựa trên phân tích kết quả các nghiên cứu của các cán bộ khoa học trong nước, tác giả lựa chọn và đề xuất mô hình nghiên cứu theo hướng khắc phục các hạn chế của nghiên cứu trước từ đó tính toán, xây dựng mô hình toán và các thông số của bộ thu hồi năng lượng điện cảm, xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống dựa trên các yêu cầu về thu hồi tối đa năng lượng của xe mà vẫn đảm bảo được sự ổn định. Thực nghiệm thu thập số liệu tự động và so sánh với quá trình xây dựng phương trình năng 2 lượng thu hồi dựa trên các thông số đầu vào khi vận hành trên mô hình thí nghiệm và khi xe vận hành trong phòng thí nghiệm theo chu trình thử nghiệm WLTP CLASS 3. Thông qua các nội dung nghiên cứu, tính mới của luận án được tổng hợp và thể hiện trong từng chương của đề tài với các điểm nổi bật như sau: - Làm rõ bản chất của sự hình thành sức điện động tự cảm và năng lượng tự cảm một cách có hệ thống bằng phương pháp mô hình hóa trên cơ sở xây dựng mô hình vật lý, phát triển thành mô hình toán học để xây dựng phương trình cường độ dòng điện và phương trình sức điện động tự cảm, từ đó xây dựng phương trình năng lượng điện cảm trên ô tô. - Phân tích ứng dụng hệ siêu tụ.
- Phân tích cải tiến tính đáp ứng của kim phun xăng. - Nghiên cứu, tính toán, mô phỏng, thi công bo mạch thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm tái sinh. - Thiết kế, thi công hệ thống kiểm soát năng lượng tái sinh cùng thiết bị lưu trữ tối ưu với hệ siêu tụ - Thực nghiệm ứng dụng hệ siêu tụ 12V với tải gián đoạn, 24V để cải thiện đặc tính kim phun. - Thực nghiệm sản phẩm nghiên cứu trên ô tô 07 chỗ.8 Bố cục của luận án Luận án bao gồm 92 trang, 73 hình và 09 bảng biểu bao gồm 5 chương: - Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề nghiên cứu về hệ thống năng lượng điện cảm trên ô tô.
- Chương 2 tập trung phân tích cơ sở lý thuyết về cuộn cảm, năng lượng điện cảm, hệ siêu tụ, kết nối phụ tải điện và độ nhạy kim phun. - Chương 3 giới thiệu quá trình thiết kế hệ thống thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm, lắp đặt hệ thống thu thập dữ liệu, thu hồi, tích trự năng lượng, thi công bo mạch điều khiển. - Chương 4 thực nghiệm và đánh giá qua 02 giai đoạn. Giai đoạn 1 một được thử nghiệm thu thập dữ liệu và tính toán năng lượng thu hồi được ở các chế độ vận hành khác nhau trên mô hình thực nghiệm.
Giai đoạn 2 thử nghiệm sản phẩm trong trên ô tô thử nghiệm trong phòng thử nghiệm. - Chương 5 kết quả đạt được của luận án và kiến nghị hướng phát triển kế tiếp. 3 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM VÀ HỆ SIÊU TỤ ĐIỆN 2.1 Các cơ cấu chấp hành tích trữ năng lượng điện cảm Các cơ cấu chấp hành là một phần trong hệ thống điều khiển điện tử tự động trên ô tô. Trong đó, ECU đóng vai trò trung tâm trong quá trình điều khiển lập trình.
ECU nhận và phân tích các tín hiệu đầu từ các cảm biến, sau đó điều khiển hệ thống đầu ra như đánh lửa và phun xăng. Ô tô hiện đại ngày nay sử dụng loại bobine đơn, đánh lửa trực tiếp DIS (Direct Ignition System), giống như mô tả trên hình 2. Trong đó, khối điều khiển công suất và khối cuộn dây được gắn liền với nhau. Việc sử dụng nguyên mẫu hệ thống này để thiết kế phương án thu hồi năng lượng sẽ bị hạn chế.
Trong đề tài này, người nghiên cứu tiến hành tách khối điều khiển đánh lửa của bobine thành cụm rời để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu thập các xung điện động trên bobine.1: Nguyên lý điều khiển các bobine đánh lửa Hình 2.2 thể hiện sơ đồ mạch điện của các kim phun. Các kim phun này được mắc một chân lên dương 12V, một chân còn lại thông qua hộp ECU. Trong hộp ECU, chân còn lại của kim phun sẽ được mắc nối tiếp với một transistor công suất.2: Nguyên lý điều khiển các kim phun xăng 4 2.2 Các đặc tính của cuộn cảm tác động đến năng lượng điện cảm 2. Hệ số tự cảm (độ tự cảm) Hệ số tự cảm hay độ tự cảm là đại lượng đặc trưng cho suất điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên đi qua, thể hiện khả năng sản sinh từ trường của cuộn dây bởi một dòng điện.
Cảm kháng Cảm kháng là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòng điện của cuộn dây khi dòng điện xoay chiều đi qua: ZL = 2πfL (2.1) Trong đó: ZL: hệ số cảm kháng (Ω) f: tần số của dòng điện xoay chiều (Hz), f=0 nếu là điện một chiều. L: hệ số tự cảm (H) 2. Điện trở thuần Điện trở thuần còn gọi là điện trở tổn hao do chính cuộn dây sinh ra nhiệt khi dòng điện đi qua. Hiện tượng cảm ứng điện từ Hiện tượng trong mạch xuất hiện một dòng điện khi cho từ thông đi qua một mạch kín thay đổi được nhà bác học Faraday tìm ra vào năm 1831.