I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng năng lượng điện cảm ô tô
Để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, ngành công nghiệp ô tô đang không ngừng tìm kiếm những giải pháp đột phá. Trong số đó, việc thu hồi năng lượng điện cảm thất thoát trên xe mở ra một hướng đi đầy tiềm năng. Các nghiên cứu gần đây về thu hồi năng lượng, ví dụ như công nghệ i-ELoop của Mazda, đã chứng minh được khả năng tiết kiệm nhiên liệu đáng kể (khoảng 10%). Hay công nghệ Start/Stop Engine được áp dụng đầu tiên trên xe Hybrid của Toyota. Ngoài ra hãng xe Audi cũng phát triển hệ thống thu hồi năng lượng từ hệ thống treo. Luận án này tập trung vào việc thu hồi và tái sử dụng năng lượng điện cảm, một nguồn năng lượng thường bị bỏ qua trên các phương tiện.
1.1. Tiềm năng thu hồi năng lượng điện cảm ô tô từ cuộn dây
Các thiết bị điện trên ô tô sử dụng cuộn dây đều tạo ra năng lượng điện cảm trong quá trình chuyển mạch. Hiện tượng này xảy ra ở nhiều bộ phận như máy phát điện, cảm biến điện từ và đặc biệt là bobine đánh lửa. Năng lượng điện cảm này có thể được thu hồi và sử dụng như một nguồn năng lượng tái sinh, góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu và bảo vệ môi trường. Đáng chú ý, một lượng lớn năng lượng điện cảm tồn tại trên các bobine của hệ thống đánh lửa, mở ra cơ hội khai thác tiềm năng lớn.
1.2. Tác động của suất điện động tự cảm và giải pháp hiện tại
Khi dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobine bị ngắt đột ngột, một suất điện động tự cảm lớn (200V - 500V) xuất hiện. Tương tự, các cơ cấu chấp hành khác như kim phun, van điện từ cũng tạo ra suất điện động với biên độ 70V - 120V. Các xung điện từ này gây ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ thiết bị, linh kiện điện tử và gây lãng phí năng lượng. Các giải pháp hiện tại như diode zener, điện trở, tụ điện chỉ bảo vệ thiết bị đóng ngắt mà không tận dụng được năng lượng tự cảm.
II. Thách thức và mục tiêu của nghiên cứu ứng dụng điện cảm
Mặc dù tiềm năng của việc thu hồi năng lượng điện cảm là rất lớn, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Việc thiết kế một hệ thống hiệu quả để thu hồi, lưu trữ và tái sử dụng năng lượng điện cảm đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các đặc tính của cuộn dây điện cảm, các phương pháp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, và các vấn đề an toàn liên quan đến sạc không dây ô tô. Nghiên cứu này hướng đến việc giải quyết những thách thức này, bằng cách phát triển một hệ thống có khả năng thu hồi năng lượng điện cảm một cách hiệu quả và đáng tin cậy.
2.1. Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm
Một trong những mục tiêu quan trọng của nghiên cứu này là xây dựng một mô hình toán học chính xác cho hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm. Mô hình này sẽ giúp phân tích và dự đoán hiệu suất của hệ thống, cũng như xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi năng lượng. Theo nghiên cứu của Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Nguyễn Bá Hải, Nguyễn Thành Tuyên (2021) việc mô phỏng và kiểm soát năng lượng điện cảm có thể thực hiện thông qua LabVIEW.
2.2. Phân tích và ứng dụng siêu tụ trong hệ thống thu hồi
Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc phân tích và ứng dụng siêu tụ (supercapacitor) trong hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm. Siêu tụ có khả năng lưu trữ năng lượng nhanh chóng và hiệu quả, làm cho chúng trở thành một lựa chọn lý tưởng cho việc tích trữ năng lượng điện cảm thu được từ các cuộn dây. Luận án cũng phân tích việc sử dụng siêu tụ trong ứng dụng năng lượng tái tạo, theo Phan Nguyễn Quí Tâm (2020).
2.3. Cải thiện tính đáp ứng của kim phun bằng năng lượng thu hồi
Một mục tiêu khác của nghiên cứu là cải thiện tính đáp ứng của kim phun xăng bằng cách sử dụng năng lượng điện cảm thu được. Bằng cách cung cấp năng lượng cho kim phun một cách nhanh chóng và chính xác, hệ thống có thể cải thiện hiệu suất động cơ và giảm lượng khí thải. Theo nghiên cứu của Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Đinh Cao Trí (2021), việc thiết kế mạch quản lý nguồn năng lượng tự cảm kim phun trên ô tô là một hướng đi đầy hứa hẹn.
III. Thiết kế hệ thống sạc không dây ô tô sử dụng năng lượng điện cảm
Để đạt được các mục tiêu đã đề ra, nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế một hệ thống sạc không dây ô tô sử dụng năng lượng điện cảm. Hệ thống này bao gồm các thành phần chính như cuộn dây điện cảm, mạch điều khiển, và hệ thống lưu trữ năng lượng. Quá trình thiết kế bao gồm việc lựa chọn các thành phần phù hợp, tối ưu hóa cấu trúc cuộn dây, và phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả. Theo nghiên cứu, hệ thống sạc không dây có thể thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm, có ứng dụng lập trình điều khiển, Theo Phan Nguyễn Quí Tâm (2020).
3.1. Tối ưu hóa cuộn dây điện cảm cho hiệu suất cao
Thiết kế cuộn dây điện cảm đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của cuộn dây như số vòng, hình dạng, và vật liệu để đạt được hiệu suất truyền năng lượng cao nhất. Việc sử dụng các vật liệu từ tính tiên tiến cũng được xem xét để tăng cường hiệu quả điện cảm.
3.2. Xây dựng mạch điều khiển và hệ thống quản lý năng lượng
Mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình truyền năng lượng và quản lý năng lượng lưu trữ. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một mạch điều khiển hiệu quả, có khả năng điều chỉnh tần số điện cảm, kiểm soát dòng điện, và bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố quá tải. Theo nghiên cứu hệ thống cần phải Thiết kế, thi công hệ thống kiểm soát năng lượng tái sinh
IV. Kết quả thực nghiệm hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm trên ô tô
Hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm đã được thử nghiệm trên cả mô hình thực nghiệm và ô tô thực tế. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng thu hồi năng lượng điện cảm một cách hiệu quả, cải thiện tính đáp ứng của kim phun xăng, và giảm lượng khí thải. Những kết quả này chứng minh tính khả thi và tiềm năng của việc ứng dụng năng lượng điện cảm trong ngành công nghiệp ô tô. Qua đó giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng tuổi thọ các chi tiết điện tử của hệ thống điện.
4.1. Thực nghiệm trên hệ thống phun xăng đánh lửa
Hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm đã được thử nghiệm trên một hệ thống phun xăng đánh lửa để đánh giá khả năng thu hồi năng lượng và cải thiện hiệu suất. Kết quả cho thấy hệ thống có thể thu hồi một lượng đáng kể năng lượng điện cảm, giúp cải thiện tính đáp ứng của kim phun và giảm thời gian phun xăng.
4.2. Ứng dụng năng lượng tích lũy trên phụ tải gián đoạn
Năng lượng tích lũy từ hệ thống thu hồi điện cảm được ứng dụng để cung cấp năng lượng cho các phụ tải gián đoạn trên xe, chẳng hạn như hệ thống đèn chiếu sáng hoặc hệ thống giải trí. Điều này giúp giảm tải cho ắc quy và kéo dài tuổi thọ của ắc quy. Cần lưu ý đến thời gian thử nghiệm trên tải điện gián đoạn của thiết bị lưu trữ.
4.3. Cải thiện khả năng đáp ứng của kim phun
Nhờ việc thu hồi và tái sử dụng năng lượng điện cảm, hệ thống đã chứng minh khả năng cải thiện đáng kể khả năng đáp ứng của kim phun. Điều này giúp động cơ hoạt động mượt mà hơn, tăng tốc nhanh hơn và giảm thiểu lượng khí thải độc hại.
V. Kết luận tiềm năng của năng lượng điện cảm ô tô và hướng phát triển
Nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc thu hồi và ứng dụng năng lượng điện cảm trên ô tô là một hướng đi đầy hứa hẹn. Hệ thống được phát triển trong nghiên cứu có khả năng thu hồi năng lượng điện cảm một cách hiệu quả, cải thiện tính đáp ứng của kim phun xăng, và giảm lượng khí thải. Những kết quả này mở ra cơ hội cho việc phát triển các hệ thống sạc không dây ô tô hiệu quả hơn, cũng như các ứng dụng khác của năng lượng điện cảm trong ngành công nghiệp ô tô. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng có thể được triển khai trên mô hình thực nghiệm và ô tô, theo Phan Nguyễn Quí Tâm (2020).
5.1. Ưu điểm của hệ thống thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm
Hệ thống thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng khí thải, bảo vệ các thiết bị điện tử trên xe và kéo dài tuổi thọ của ắc quy. Hệ thống này cũng có thể được tích hợp vào các hệ thống sạc không dây ô tô, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
5.2. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo
Để khai thác tối đa tiềm năng của năng lượng điện cảm trên ô tô, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các hệ thống thu hồi năng lượng hiệu quả hơn, cũng như các ứng dụng mới của năng lượng điện cảm. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm việc sử dụng các vật liệu mới để tăng cường hiệu quả điện cảm, phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, và tích hợp hệ thống thu hồi năng lượng vào các hệ thống điện tử khác trên xe.
