Nghiên cứu, ứng dụng hệ siêu tụ điện trên hệ thống khởi động ô tô

Vũ Đình Huấn, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng hệ siêu tụ điện trên hệ thống khởi động ô tô”.. Từ những cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu, ứng d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2022

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

GVHD: PHAN NGUYỄN QUÍ TÂM SVTH: DU TẤN HÀO

ĐỖ CHÍ HIẾU

S K L 0 0 9 0 8 7

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ THỐNG SIÊU TỤ ĐIỆN

TRÊN HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG Ô TÔ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN

HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG Ô TÔ

SVTH: DU TẤN HÀO MSSV: 18145113 SVTH: ĐỖ CHÍ HIẾU MSSV: 18145115

Khóa: 2018-2022 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD: TS PHAN NGUYỄN QUÍ TÂM

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN

HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG Ô TÔ

SVTH: DU TẤN HÀO MSSV: 18145113 SVTH: ĐỖ CHÍ HIẾU MSSV: 18145115

Khóa: 2018-2022 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD: TS PHAN NGUYỄN QUÍ TÂM

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022

- Nghiên cứu tổng quan, cơ sở lý thuyết về hệ thống khởi động, hệ siêu tụ điện

- Mô phỏng quá trình hoạt động máy khởi động dùng hệ siêu tụ điện

- Thiết kế, thi công mô hình hệ thống khởi động dùng hệ siêu tụ

- Thực nghiệm, đánh giá sản phẩm nghiên cứu, ứng dụng

- Phân tích kết quả

- Viết thuyết minh

II TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Tài liệu online, các bài báo trong nước và ngoài nước về máy khởi động, siêu tụ điện

Tài liệu chuyên ngành hệ thống điện điện tử ô tô

Tài liệu về xử lý số liệu thực nghiệm

Tài liệu mô phỏng, đánh giá hệ thống ứng dụng matlab simulink

Các file đồ án đã hoàn thành, file hướng dẫn của Trưởng Ngành CNKT ô tô – khoa ĐTCLC

III TRÌNH BÀY:

• Quyển thuyết minh đồ án

• Mô hình hệ thống khởi động bằng hệ siêu tụ điện

IV THỜI GIAN THỰC HIỆN:

a Ngày bắt đầu: 16/03/2022

b Ngày hoàn thành: Theo kế hoạch của Khoa ĐTCLC

Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 03 năm 2022

Giảng viên hướng dẫn

ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên 1: MSSV:

Họ và tên sinh viên 2: MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn:

NHẬN XÉT

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo về hay không ?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm: (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2022 Giảng viên hướng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-*** -

iii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên 1: MSSV:

Họ và tên sinh viên 2: MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn:

NHẬN XÉT

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không ?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2022 Giáo viên phản biện (ký và ghi rõ họ tên) CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-*** -

iv

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố

Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu đã tích lũy được rất nhiều kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tiễn từ các Thầy, Cô giáo tại trường, giúp bản thân ngày càng hoàn thiện để khi hoàn thành chương trình Đại học tại trường có đủ khả năng trở thành một kỹ sư Được sự phân công của Khoa Đào Tạo Chất lượng cao – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, cùng với sự đồng ý của TS Phan Nguyễn Quí Tâm và phó trưởng bộ môn ThS Vũ Đình Huấn, nhóm nghiên cứu đã thực hiện

đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng hệ siêu tụ điện trên hệ thống khởi động ô tô”

Để có thể hoàn thành tốt đề đồ án tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng nhóm nghiên cứu còn nhận được rất nhiều sự hỗ trợ, giúp đỡ từ nhiều cơ quan, tổ chức, cá nhân Với sự biết ơn và chân thành, nhóm nghiên cứu gửi lời cảm ơn đến với:

- Quý Thầy, Cô giáo Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

- Phó trưởng bộ môn ThS Vũ Đình Huấn và GVHD TS Phan Nguyễn Quí Tâm

đã luôn theo sát và dành thời gian quan tâm, tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài

- Hội đồng chuyên môn, GV phản biện đã góp ý để giúp cho nhóm nghiên cứu hoàn thiện đề tài

- Các Anh, Chị khóa trước và các bạn sinh viên cùng khóa đã đóng góp ý kiến cũng như đưa ra lời khuyên cho đề tài của của nhóm

Trân trọng cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 08 năm 2022

Nhóm sinh viên thực hiện

(ký và ghi rõ họ tên)

v

TÓM TẮT

Ngành công nghiệp ô tô là một trong những ngành nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nước phát triển trên thế giới bởi vì nhu cầu trong việc vận chuyển hàng hóa, nhu cầu đi lại của con người là rất lớn và đang có xu hướng gia tăng từng ngày

Đi đôi với sự quan tâm về giá trị thực tiễn, ngành ô tô thì cũng mang lại những mặt tiêu cực cho xã hội và môi trường đặc biệt là việc ô nhiễm môi trường

Xu hướng phát triển của thế giới hiện nay là năng lượng xanh Vấn đề tìm kiếm nguồn năng lượng tích trữ thay thế ắc quy khởi động là vấn đề được các kỹ sư, nhà nghiên cứu, sinh viên quan tâm Do ắc quy có một số nhược điểm như: tuổi thọ ngắn thường không quá năm năm, thời gian nạp lâu (đến vài giờ) Đặc biệt, ắc quy

sử dụng chì và axit sunfuric, hai nguyên liệu này nguy hại đến môi trường bởi mức

độ độc hại khi không được xử lý đúng cách Ngoài ra, việc khử chất độc hại của ắc quy cần chi phí lớn

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học

đã chế tạo ra được các siêu tụ điện có độ bền cao, tuổi thọ lâu dài, điện dung lớn hàng nghìn Fara, chu kỳ sạc - xả lên đến hàng triệu lần, gọn nhẹ và nguyên liệu chế tạo thân thiện với môi trường Siêu tụ điện được các công ty, nhà khoa học đánh giá

sẽ là thiết bị lưu trữ có thể thay thế ắc quy và pin trong tương lai

Từ những cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng hệ siêu tụ trên hệ thống

khởi động ô tô” nhằm mục đích nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng của hệ

siêu tụ điện trên hệ thống khởi động, để tăng hiệu suất làm việc của hệ thống cũng như góp phần giảm thiểu khả năng ô nhiễm không khí và thân thiện với môi trường Nội dung của đề tài sẽ được trình bài cụ thể thông qua 6 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Tính toán và mô phỏng hệ thống khởi động dùng hệ siêu tụ điện

Chương 4: Thiết kế,thi công mô hình hệ thống khởi động dùng hệ siêu tụ điện Chương 5: Thực nghiệm, đánh giá sản phẩm nghiên cứu

Chương 6: Kết luận, kiến nghị và hướng phát triển

Từ những thống số trong quá trình thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã có những

so sánh giữa quá trình khởi động dùng ắc quy và dùng hệ siêu tụ Kết quả cho thấy rằng siêu tụ điện có thể ứng dụng được trên hệ thống khởi động trên ô tô

vi

MỤC LỤC

Trang tựa Trang

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN II PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN III LỜI CẢM ƠN IV TÓM TẮT IV MỤC LỤC VI DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT X DANH SÁCH CÁC BẢNG XI DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ XI

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 2

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.5 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐỀ TÀI ĐÃ CÔNG BỐ Ở TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC 2 CHƯƠNG 2 6

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG 6

2.2 ẮC QUY/PIN 7

2.2.1 Nhiệm vụ 7

2.2.2 Cấu tạo 8

2.2.3 Phân loại 9

2.2.4 Yêu cầu 9

2.2.5 Thông số và các đặt tính của ắc quy chì – axit 10

2.3 MÁY KHỞI ĐỘNG 12

2.3.1 Vai trò 12

2.3.2 Cấu tạo của máy khởi động 12

2.3.3 Các loại máy khởi động 18

2.3.4 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống khởi động 20

2.3.5 Đặc tính của motor khởi động một chiều 21

2.3.6 Những cải tiến của máy khởi động hiện nay 22

2.4 TÍNH TOÁN CHỌN DÂY DẪN 23

2.5 SIÊU TỤ ĐIỆN 24

2.5.1 Khái niệm siêu tụ điện 24

vii

2.5.2 Phân loại siêu tụ điện 24

2.6 TỤ TĨNH ĐIỆN HAI LỚP EDLC 26

2.6.1 Cấu tạo 26

2.6.2 Nguyên lý hoạt động 27

2.7 ĐIỆN ÁP ĐỊNH MỨC CỦA SIÊU TỤ: 28

2.8 NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN 28

2.9 NỘI TRỞ CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN 29

2.10 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH PHÓNG - NẠP 31

2.10.1 Mô hình hóa hệ siêu tụ điện 31

2.10.2 Tính toán quá trình nạp điện của hệ siêu tụ điện 32

2.10.3 Tính toán quá trình phóng điện của hệ siêu tụ điện 33

2.11 PHƯƠNG PHÁP NẠP SIÊU TỤ ĐIỆN 35

2.12 DÒNG ĐIỆN PHÓNG VÀ CHU KỲ NẠP – XẢ 37

2.13 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ SIÊU TỤ ĐIỆN 37

2.13.1 Ưu và nhược điểm của hệ siêu tụ điện 37

2.13.2 So sánh giữa hệ siêu tụ điện và các thiết bị lưu trữ điện khác 38

2.13.3 Các biện pháp an toàn khi sử dụng hệ siêu tụ 39

2.14 ỨNG DỤNG CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN 39

2.15 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN SIÊU TỤ ĐIỆN 39

2.16 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG BẰNG HỆ SIÊU TỤ ĐIỆN 41

2.16.1 Nghiên cứu tổng quan 41

2.16.2 Sơ đồ mạch điện 42

2.16.3 Nguyên lý hoạt động 42

2.16.4 Các sản phẩm siêu tụ điện đã được dùng trên hệ thống khởi động 42

2.17 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 43

2.18 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SOLIDWORKS 45

CHƯƠNG 3 48

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG DÙNG HỆ SIÊU TỤ ĐIỆN 48

3.1 MỤC ĐÍCH 48

3.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN 48

3.2.1 Thông số cơ bản của máy khởi động 48

3.2.2 Lựa chọn hệ siêu tụ điện 48

3.2.3 Tính toán hệ siêu tụ điện 51

3.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG DÙNG SIÊU TỤ ĐIỆN TRÊN MATLAB SIMULINK 54

3.3.1 Mục đích 54

3.3.2 Sơ đồ khối ý tưởng mô phỏng 55

3.3.3 Mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink 55

3.3.4 Nhận xét kết quả mô phỏng thu được 60

viii

CHƯƠNG 4 62

THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG DÙNG HỆ SIÊU TỤ ĐIỆN 62

4.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ TỔNG QUÁT 62

4.2 MỤC TIÊU THIẾT KẾ MÔ HÌNH 62

4.3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 62

4.3.1 Thiết kế sơ đồ mạch điện 62

4.3.2 Chọn máy khởi động 63

4.3.3 Chọn hệ siêu tụ điện 66

4.3.4 Chọn nguồn sạc 67

4.3.5 Bộ mạch hạ áp 67

4.3.6 Ampe kìm đo dòng và thiết bị đo điện áp 68

4.3.7 Mạch đếm thời gian 68

4.3.8 Các thiết bị an toàn 69

4.4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BẰNG SOLIDWORKS 71

4.5 THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 72

4.5.1 Phần khung 72

4.5.2 Phần bề mặt 74

CHƯƠNG 5 75

THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM NGHIÊN CỨU 75

5.1 MỤC ĐÍCH THỰC NGHIỆM 75

5.2 ĐỐI TƯỢNG THỰC NGHIỆM 75

5.3 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM NGHIÊN CỨU 75

5.3.1 Đánh giá quá trình hoạt nạp của hệ siêu tụ 75

5.3.2 Đánh giá quá trình tự phóng của hệ siêu tụ điện 76

5.3.3 Đánh giá sự sụt áp và dòng điện phóng ra của hệ siêu tụ khi khởi động không tải trên mô hình 76

5.4 THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ 82

5.4.1 Thực nghiệm trên mô hình động cơ xăng Toyota 1NZ – FE 82

5.4.2 Thực nghiệm trên mô hình động cơ xăng Toyota 2AR – FE 87

5.4.3 Thực nghiệm trên mô hình động cơ diesel Toyota 2KD – FTV 92

5.4.4 Thực nghiệm trên mô hình động cơ xe Honda Super Dream 98

CHƯƠNG 6 103

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 103

6.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 103

6.2 NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ KHẮC PHỤC KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 103

6.2.1 Khó khăn 103

6.2.2 Cách khắc phục 103

6.3 HẠN CHẾ 104

6.4 KINH NGHIỆM ĐẠT ĐƯỢC 104

ix

6.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

PHỤ LỤC 1 107

PHỤ LỤC 2 112

x

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa Chú thích

ABS Anti-lock Brake System Hệ thống chống bó cứng phanh

AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

ACIS Acoustic Control Induction

System

Hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp

CNC Computer Numerical Control Máy tiện cơ khí điều khiển bằng

máy tính

DOHC Double Overhead Cam Cơ cấu trục cam đôi

ECU Electronic Control Unit Điều khiển điện tử trung tâm

ECM Engine Control Module Mô- đun điều khiển động cơ

EDLC Electric Double-layer

Capacitor

Tụ điện hai lớp kép

EFI Electronic Fuel Injection Phun xăng điện tử

EMF Electromotive Force Suất điện động tự cảm

ESR Equivalent Series Resistance Điện trở nội của tụ

ESP Electronic Stability Program Hệ thống cân bẳng điện tử

WLTP Worldwide Harmonised Light

Vehicle Test Procedure

Quy trình kiểm tra đồng bộ cho

xe hạng nhẹ toàn cầu

xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng Trang

Bảng 2.1: Độ sụt áp tối đa trên dây dẫn kể cả các mối nối 23

Bảng 2.2: Các cỡ dây điện và nơi sử dụng 23

Bảng 2.3: Ưu nhược điểm của siêu tụ điện 37

Bảng 2.4: So sánh giữa hệ siêu tụ điện, ắc quy và pin lithium 38

-Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của siêu tụ KAMCAP 1000F-2,7V 49

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của siêu tụ Nippon Chemi-Com 1400F-2,5V 49

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của siêu tụ Maxwell 3000F-2,7V 50

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của siêu tụ LS Mtron Ltd 3000F-2,7V 51

Bảng 3.5: Điện áp nạp vào hệ siêu tụ điện theo thời gian (t) 53

Bảng 3.6: Dòng nạp tức thời 53

Bảng 3.7: Điện áp tức thời của hệ siêu tụ điện khi xả theo thời gian (t) 54

Bảng 3.8: Dòng nạp tức thời 54

Bảng 3.9: Quá trình hoạt động của mô phỏng 61

-Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật máy khởi động của động cơ Toyota 1NZ – FE 64

Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật máy khởi động của động cơ Toyota 2AR – FE 64

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật máy khởi động của động cơ Toyota 2KD– FTV 65

Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật máy khởi động của động cơ Honda Super Dream 66

Bảng 4.5: Thông số hệ siêu tụ điện 66

Bảng 4.6: Các thiết bị an toàn 69

-Bảng 5.1: Điện áp của hệ siêu tụ điện trong 10 ngày khảo sát 76

Bảng 5.2: Kết quả thử nghiệm khởi động động cơ Toyota 2AR – FE không tải 78

Bảng 5.3: Kết quả thử nghiện khởi động động cơ Toyota 1NZ - FE không tải 78

Bảng 5.4: Kết quả thử nghiệm khởi động động cơ Toyota 2KD - FTV 79

Bảng 5.5: Kết quả thử nghiệm khởi động động cơ Honda Super Dream không tải 80

Bảng 5.6: Bảng giá trị thực nghiệm ở chế động không tải 81

Bảng 5.7: Kết quả thực nghiệm trên mô hình động cơ 1NZ-FE sử dụng ắc quy 84

Bảng 5.8: Kết quả thực nghiệm trên mô hình động cơ 1NZ-FE sử dụng hệ siêu tụ điện 86

Bảng 5.9: Kết quả thực nghiệm trên mô hình động cơ 2AR - FE sử dụng ắc quy 89 Bảng 5.10: Kết quả thực nghiệm trên mô hình động cơ 2AR-FE sử dụng hệ siêu tụ điện 91

xiii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ

Hình Trang

Hình 1.1:Xe buýt hybrid đầu tiên tại Nuremberg, Đức 4

Hình 1.2: Xe đường sắt hạng nhẹ (LRV) tại Mannheim, Đức 4

Hình 1.3: Phân bố động cơ của Toyota hybrid TS030 5

Hình 1.4: Lamborghini Sian Roadster hybrid mui trần 5

-

Hình 2.1: Vị trí của máy khởi động trên động cơ 6

Hình 2.2: Sơ đồ tổng quan hệ thống khởi động 7

Hình 2.3: Cấu tạo cơ bản của bình ắc quy 8

Hình 2.4: Cấu tạo của khối bản cực 8

Hình 2.5: Các bộ phận của máy khởi động 12

Hình 2.6: Phần ứng 13

Hình 2.7: Phần cảm 13

Hình 2.8: Chổi than và giá đỡ chổi than 14

Hình 2.9: Bộ truyền giảm tốc 14

Hình 2.10: Ly hợp máy khởi động 15

Hình 2.11: Bánh răng khởi động chủ động (bendix) 15

Hình 2.12: Công tắc từ 16

Hình 2.13: Chế độ kéo của máy khởi động 16

Hình 2.14: Chế độ giữ của máy khởi động 17

Hình 2.15: Chế độ nhả (hồi về) của máy khởi động 17

Hình 2.16: Các loại máy khởi động 18

Hình 2.17: Cấu tạo máy khởi động loại giảm tốc 19

Hình 2.18: Máy khởi động loại đồng trục 19

Hình 2.19: Máy khởi động loại bánh răng hành tinh 20

Hình 2.20: Máy khởi động loại PS 20

Hình 2.21: Đặc tính của máy khởi động 22

Hình 2.22: Sơ đồ phân loại siêu tụ điện 25

Hình 2.23: Tụ điện tĩnh lớp kép EDLC 25

Hình 2.24: Giả tụ điện hóa (Pseudocapasitor) 26

Hình 2.25: Tụ lai (hybrid) 26

Hình 2.26: Cấu tạo của tụ tĩnh điện kép EDLC 27

Hình 2.27: Nguyên lý hoạt động của siêu tụ EDLC 27

Hình 2.28: Đồ thị thể hiện quá trình sụt áp do nội trở của dòng DC của siêu tụ 30

Hình 2.29: Đồ thị nạp xả theo hằng số thời gian của mạch điện tương đương RC31

xiv

Hình 2.30: Sơ đồ mạch tương đương của siêu tụ điện hai lớp 31

Hình 2.31: Sơ đồ tương đương quá trình nạp của hệ siêu tụ điện 32

Hình 2.32: Sơ đồ tương đương quá trình phóng của hệ siêu tụ điện 34

Hình 2.33: Sơ đồ mạch nạp tương đương 35

Hình 2.34: Đồ thị điện áp và dòng nạp bằng phương pháp nạp đẳng áp 36

Hình 2.35: Đồ thị điện áp thay đổi bằng phương pháp nạp dòng điện không đổi 37 Hình 2.36: Sơ đồ khối hệ thống khởi động dùng hệ siêu tụ điện với công nghệ DLCAP 41

Hình 2.37: Sơ đồ mạch điện của hệ thống máy khởi động có hệ siêu tụ trên ô tô 42 Hình 2.38: Supercapacitor P/N: 20-16-0001 43

Hình 2.39: Bộ siêu tụ 16V – 32F của hãng CSDWELL 43

Hình 2.40: Phần mềm Matlab Simulink 44

Hình 2.41: Giao diện phần mềm Matlab Simulink 45

Hình 2.42: Phần mềm Solidworks 46

Hình 2.43: Giao diện phần mềm Solidworks 47

-

Hình 3.1: Siêu tụ KAMCAP 1000F – 2,7V 49

Hình 3.2: Siêu tụ điện Nippon Chemi-Com 1400F – 2,5V 49

Hình 3.3: Siêu tụ Maxwell 3000F – 2,7V 50

Hình 3.4: Siêu tụ điện LS Mtron Ltd 3000F -2,7V 51

Hình 3.5: Sơ đồ khởi ý tưởng mô phỏng 55

Hình 3.6: Mô hình khối mô phỏng hệ thống khởi động bằng hệ siêu tụ điện trên Matlab Simulink 56

Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện tương đương của hệ siêu tụ điện hai lớp kép (EDLC) 56

Hình 3.8: Các thông số cơ bản của một hệ siêu tụ điện trong mô phỏng 56

Hình 3.9: Cấu hình của hệ siêu tụ điện trong mô phỏng 57

Hình 3.10: Giá trị điện áp ban đầu của hệ siêu tụ điện trong mô phỏng 58

Hình 3.11: Mô hình khởi bơm nhiên liệu 58

Hình 3.12: Các thông số cơ bản của máy khởi động 58

Hình 3.13: Dòng điện phóng ra của hệ siêu tụ điện trong quá trình xả (20s) 60

Hình 3.14: Điện áp của hệ siêu tụ điện trong quá trình xả (20s) 60

-

Hình 4.1: Sơ đồ khối ý tưởng mạch vận hành 62

Hình 4.2: Sơ đồ mạch điện tổng quát của mô hình 63

Hình 4.3: Sơ đồ khối ý tưởng mạch sạc 63

Hình 4.4: Máy khởi động của động cơ Toyota 1NZ - FE 64

Hình 4.5: Máy khởi động của động cơ Toyota 2AR - FE 64

xv

Hình 4.6: Máy khởi động của động cơ Toyota 2KD - FTV 65

Hình 4.7: Máy khởi động của động cơ Honda Super Dream 65

Hình 4.8: Hệ siêu tụ điện ngoài thực tế 66

Hình 4.9: Nguồn sạc 24V – 5A 67

Hình 4.10: Bộ mạch hạ áp 67

Hình 4.11: Ampe kìm (model: 328D) và đồng hồ đo điện áp 68

Hình 4.12: Bộ hiển thị LCD tích hợp I2C và Arduino Uno R3 69

Hình 4.13: Mô phỏng quá trình hoạt động trên phần mềm Proteus 69

Hình 4.14: Mô hình 3D thiết kế trên phần mềm Solidworks 71

Hình 4.15: Bản vẽ 2D thiết kế trên phần mềm Solidworks 71

Hình 4.16: Bản vẽ 3D khung mô hình trên phần mềm Solidworks 72

Hình 4.17: Bản vẽ đồ gá máy khởi động 73

Hình 4.18: Khung mô hình khi hoàn thiện 73

Hình 4.19: Bản vẽ 2D phần bề mặt mô hình 74

-

Hình 5.1: Mô hình thực nghiệm 77

Hình 5.2: Biểu đồ thực nghiệm động cơ khởi động 2AR - FE không tải sử dụng hệ siêu tụ điện 78

Hình 5.3: Biểu đồ thực nghiệm khởi động động cơ 1NZ - FE không tải sử dụng hệ siêu tụ điện 79

Hình 5.4: Biểu đồ thực nghiệm khởi động động cơ 2KD-FTV không tải sử dụng hệ siêu tụ điện 80

Hình 5.5: Biểu đồ thực nghiệm động cơ khởi động Honda Super Dream không tải sử dụng hệ siêu tụ điện 81

Hình 5.6: Mạch điện hệ thống khởi động của động cơ Toyota 1NZ - FE 83

Hình 5.7: Thực nghiệm trên mô hình động cơ 1NZ-FE dùng ắc quy 84

Hình 5.8: Biểu đồ thực nghiệm trên động cơ 1NZ-FE sử dụng ắc quy 85

Hình 5.9: Thực nghiệm trên mô hình động cơ 1NZ-FE dùng hệ siêu tụ điện 85

Hình 5.10: Biểu đồ thực nghiệm trên động cơ 1NZ-FE sử dụng hệ siêu tụ điện 86

Hình 5.11: Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động của động cơ Toyota 2AR - FE 88 Hình 5.12: Thực nghiệm trên mô hình động cơ 2AR-FE dùng ắc quy 89

Hình 5.13: Biểu đồ thực nghiệm trên động cơ 2AR - FE sử dụng nguồn ắc quy 90 Hình 5.14: Thực nghiệm trên mô hình động cơ 2AR-FE dùng hệ siêu tụ điện 90

Hình 5.15: Biểu đồ thực nghiệm trên động cơ 2AR-FE sử dụng hệ siêu tụ 91

Hình 5.16: Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động động cơ Toyota 2KD - FTV 93

Hình 5.17: Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động động cơ Toyota 2KD - FTV 94

Hình 5.18: Thực nghiệm trên mô hình động cơ 2KD-FTV dùng ắc quy 95

Hình 5.19: Biểu đồ thực nghiệm trên động cơ 2AR - FE sử dụng ắc quy 96

xvi

Hình 5.20: Thực nghiệm trên mô hình động cơ 2KD-FTV dùng hệ siêu tụ điện 97 Hình 5.21: Biểu đồ thực nghiệm trên động cơ 2AR - FE sử dụng ắc quy 97 Hình 5.22: Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động động cơ Honda C100EX 99 Hình 5.23: Biểu đồ thực nghiệm trên động cơ Honda Super Dream sử dụng ắc quy

101

Hình 5.24:Biểu đồ thực nghiệm trên động cơ Honda Super Dream sử dụng ắc quy

101

1

Chương 1 TỔNG QUAN

đó là ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông gây ra Ắc quy là thiết bị quan trọng trên ô tô nhưng thành phần chế tạo và phế thải lại gây ảnh hưởng xấu đến môi trường

Ắc quy thường được sử dụng trên ô tô là loại ắc quy chì - axit, loại ắc quy này

có tuổi thọ thấp (không quá 5 năm), vì thế hằng năm có hàng triệu bình ắc quy hết hạn sử dụng và trở thành phế phẩm Với số lượng ắc quy chì phế phẩm hàng năm như vậy thì đây chính là một nguồn gây ô nhiễm môi trường to lớn vì chì (Pb) là một chất rất độc hại, với một hàm lượng nhỏ tầm khoảng vài ppm/kg trọng lượng cơ thể là đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người

Nhận thức được mối nguy hại đó, nên nhóm nghiên cứu cần tìm ra giải pháp để khắc phục Siêu tụ điện có thể là một lựa chọn phù hợp để thay thế vì thiết bị này có thể khắc phục hầu hết các nhược điểm mà ắc quy như: khối lượng nhẹ hơn, tổi thọ cao (lên đến 10 năm), tốc độ sạc xả nhanh, điện dung lớn, dòng điện phóng ra lớn (đến vài nghìn Ampe) và thân thiện với môi trường

Đối với hệ thống khởi động trên ô tô, khi khởi động với ắc quy, dòng điện phóng

ra lớn lên đến vài trăm Ampe và độ sụt áp của ắc quy lớn gây ảnh hưởng đến các hệ thống điện tử trên xe

Từ những nguyên lý do trên, nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài “Nghiên

cứu, ứng dụng hệ siêu tụ điện trên hệ thống khởi động trên ô tô” để thực hiện đồ án tốt nghiệp này

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tìm hiểu đặc điểm kết cấu, nguyên lý làm việc của hệ thống khởi động và siêu

tụ điện

- Mô phỏng hệ thống khởi động sử dụng siêu tụ điện trên phần mềm Matlab

Simulink

- Tính toán, thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống khởi động dùng siêu tụ điện

- Thực nghiệm mô hình với các máy khởi động không tải

- Thực nghiệm trên các mô hình động cơ thực tế

2

- Từ thực nghiệm tiến hành xem xét, đưa ra kết luận về tính ứng dụng của hệ siêu

tụ điện trên hệ thống khởi động ô tô

1.3 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài

Để chế tạo được một hệ thống khởi động bằng siêu tụ điện mà có thể ứng dụng, phù hợp với điều kiện thực tế và phù hợp với từng loại xe cần có nhiều thời gian, chi phí, cũng như trình độ nhất định nên ở đề tài lần này nhóm sẽ nghiên cứu các vấn đề như sau:

- Tập trung nghiên cứu, chế tạo, lắp đặt hệ thống khởi động chạy bằng siêu tụ điện trên loại 4 máy khởi động với điều kiện chạy không tải

- Thử nghiệm hệ thống này trên mô hình động cơ có sẵn tại xưởng Động cơ – Khoa Cơ khí Động lực – Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu:

- Nghiên cứu tài liệu về máy khởi động và siêu tụ điện

- Nghiên cứu về phần mềm Matlab

1.4.2 Phương pháp phân tích và tổng hợp thuyết

1.4.3 Phương pháp thực nghiệm khoa học:

- Mô phỏng mô hình trên phần mềm Matlab Simulink

- Xây dựng và thiết kế mô hình ngoài thực tế

1.4.4 Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm:

- Dựa vào kết quả thu được trên mô phỏng và thực nghiệm so sánh với lý thuyết và thực tế

- Đưa ra giải pháp, kiến nghị và kết luận

1.5 Các nghiên cứu về đề tài đã công bố ở trong nước và ngoài nước

1.5.1 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam đề tài về siêu tụ điện cũng là một đề tài được rất nhiều nhóm nghiên cứu đầu tư thực hiện và thu được kết quả tốt tiêu biểu là các nghiên cứu của các trường đại học và các viện nghiên cứu, có thể kể qua một vài nghiên cứu tiêu biểu là:

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng của siêu tụ điện” đăng trên tạp chí Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ vào năm 2017 do nhóm tác giả Võ Trần Tấn Quốc và Nguyễn Chí Ngôn thực hiện [1] Mục tiêu của đề tài này là tìm kiếm một giải pháp ứng dụng siêu tụ điện để tích trữ năng lượng mặt trời thay thế cho ắc quy, nhằm mục đích phục vụ các ứng dụng công suất thấp như đèn chiếu sáng, đèn cảnh báo, cấp nguồn cho các thiết bị điện tử quan trắc môi trường, các cảm biến công nghiệp trong môi trường độc hại, hay thay thế bình ắc-quy của xe gắn máy,… Nghiên cứu này thiết lập thí nghiệm việc nạp điện bằng phương pháp cân bằng tích cực cho 6 siêu tụ 350F/2.7VDC Kết quả thí nghiệm chứng tỏ được việc dùng siêu tụ thay thế cho bình

ắc quy trong sử dụng điện mặt trời là hoàn toàn khả thi

3

Tác giả Nguyễn Khắc Bằng với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ điện” (2014) [2] Tác giả đã nghiên cứu, thiết kế và tính toán chọn siêu tụ 350F – 2.7V để hoàn thành liên kết mạch điện, cải tạo lại hộp chứa

ắc quy để thay thế bằng siêu tụ điện và thực nghiệm đánh giá quá trình phóng, nạp và

số lần khởi động động cơ của siêu tụ điện.Sau khi chuyển đổi dùng hệ siêu tụ điện tác giả đã đạt được kết quả là thời gian nạp nhanh hơn 50 lần so với ắc-quy, số lần khởi động động cơ nổ rồi tắt máy khởi động lại là 10 lần, khởi động không cho động

cơ nổ là 5 lần, trọng lượng nhẹ hơn 5 đến 6 lần so với ắc-quy

1.5.2 Một số nghiên cứu và ứng dụng ngoài nước

Vào tháng 12/2013, Manoj Embrandiri đã phân tích về vấn đề quản lí nguồn năng lượng kết hợp giữa ắc quy và siêu tụ điện trên xe thuần điện E-KANCIL [7] Đây là xe động cơ đốt trong 660cc phổ biến tại Malaysia Trong đề tài này, động cơ đốt trong được thay bằng động cơ điện không chổi than có công suất 8 – 20kW Ắc quy được sử dụng là loại 48V – 225Ah được nối song song với hệ siêu tụ 165F – 48V Nguồn năng lượng kết hợp này được quản lí bởi mạch điều khiển công suất để gia tăng hiệu suất như: gia tốc của xe, tuổi thọ ắc quy Phần mềm Matlab được sử dụng để thu thập thông tin và so sánh hiệu suất của xe khi có và không có hệ siêu tụ điện Kết quả phân tích cho thấy rằng dòng điện cực đại của ắc quy phóng ra giảm 49% nên tuổi thọ sẽ được tăng lên Bộ nguồn kết hợp có công suất tăng từ 9,5kW lên 12,5kW Tác giả đã chứng minh rằng sẽ tiết kiệm 23,6% nguồn năng lượng của hệ thống nếu sử dụng nguồn ắc quy – hệ siêu tụ điện cùng với hệ thống quản lí năng lượng một cách hiệu quả

Năm 2001, chiếc xe buýt hybrid đầu tiên ở Nuremberg, Đức được đưa vào hoạt động [3] Xe được trang bị hệ dẫn động diesel – điện kết hợp với siêu tụ điện Hệ thống điện được cung cấp bởi 8 mô-đun siêu tụ 80V, mỗi mô-đun chứa 36 siêu tụ nhỏ Điện áp làm việc là 640V và được sạc/xả với dòng điện lên đến 400A, năng lượng của hệ thống là 0,4kWh với khối lượng 400kg Các siêu tụ thu lại năng lượng khi phanh và cung cấp năng lượng khi động cơ diesel khởi động, việc này giảm từ 10 – 15% mức tiêu thụ nhiên liệu so với động cơ diesel thông thường Các ưu điểm khác

mà hệ thống siêu tụ mang lại là giảm lượng khí thải CO2, động cơ khởi động êm ái, giảm độ rung và giảm chi phí bảo trì

4

Hình 1.1:Xe buýt hybrid đầu tiên tại Nuremberg, Đức [3]

Năm 2003, tại thành phố Mannheim của Đức đã sử dụng một mẫu xe đường sắt hạng nhẹ (LRV) sử dụng hệ thống tiết kiệm năng lượng Mitrac được phát triển bởi Bombardier Transportation [3] Hệ thống này lưu trữ năng lượng do phanh cơ học và nạp vào khối siêu tụ được gắn trên phần mái của xe Mỗi khối được ghép bằng 192

tụ với mỗi tụ có thông số 2700F – 2,7V được nối song song thành 3 dãy, với mỗi dãy

có 64 tụ mắc nối tiếp tạo ra hệ thống có điện áp 518V và có năng lượng là 1,5kWh

Để tăng tốc cho hệ thống trên LRV cần 600kW và có thể chạy được 1km mà không cần hệ thống dây trên cao do đó LRV được dùng trong khu vực đô thị, tiết kiệm được 30% điện năng và giảm 50% hệ thống lưới điện

Hình 1.2: Xe đường sắt hạng nhẹ (LRV) tại Mannheim, Đức [3]

Trong giải vô địch sức bền thế giới FIA thì Toyota đã đưa ra một mẫu xe Toyota hybrid với số hiệu TS030 [4] Xe mang trên mình động cơ hút khí tự nhiên V8, 3,4 lít có khả năng tạo ra 530 mã lực và hệ thống hybrid 300 mã lực với siêu tụ điện được phát triển bởi Nisshino Với sự tăng cường bổ sung này, kết hợp với thiết kế khí động học hiệu quả, mang lại sự tăng hiệu suất đáng kể trong khi hệ thống hybrid cũng có thể được sử dụng để tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu đáng kể Đi đôi với đó xe còn được trang bị hệ thống phục hồi năng lượng từ hệ thống phanh của xe, hệ thống thu

5

hồi năng lượng được đặt dưới phanh từ trục truyền động phía sau và được lưu trữ trong các siêu tụ điện nằm trong buồng lái

Hình 1.3: Phân bố động cơ của Toyota hybrid TS030 [4]

Tại Zell am See, Áo, đã phát triển và sử dụng hệ thống cáp treo sử dụng siêu tụ điện để vận hành, đóng mở cửa, thấp sáng trên mỗi cabin với thời gian hoạt động có thể lên đến 24 giờ/ngày [3] Ứng dụng khả năng sạc nhanh của siêu tụ điện nên chỉ cần khoảng thời gian ngắn trong lúc đợi hành khách lên cabin thì đã có thể sạc đầy trở lại Ngoài ra chu kỳ nạp-xả của siêu tụ cũng tốt hơn các thiết bị lưu trữ khác nên tuổi thọ cũng rất cao

Tháng 7/2020, Sian Roadster siêu xe thể thao hybrid mui trần đầu tiên của Lamborghini sử dụng siêu tụ điện thay vì dùng pin lithium-ion [5] Siêu tụ được hãng dùng có điện áp 48V và năng lượng riêng là 2400W/kg cung cấp cho động cơ điện 25kW kết hợp cùng với khối động cơ V12 6,5L sản sinh công suất 785 mã lực Vì tốc

độ sạc nhanh của siêu tụ nên mẫu xe này không cần ổ cắm sạc điện Các siêu tụ được sạc từ năng lượng sinh ra khi phanh Trọng lượng nhẹ là một lợi thế lớn của siêu tụ, toàn bộ khối động cơ điện và các siêu tụ chỉ nặng 34kg nhưng giúp xe tăng đến thêm 33,5 mã lực Nhiên liệu tiêu thụ kết hợp của Sian là 18,5L/100km (WLTP), lượng CO2 thải ra trung bình là 447g/km (WLTP)

Hình 1.4: Lamborghini Sian Roadster hybrid mui trần [5]

Tùy theo cấu trúc và môi trường hoạt động thì mỗi động cơ sẽ có tốc độ quay tối thiểu để khởi động khác nhau, thường 40 – 60 v/p đối với động cơ xăng và 80 –

100 v/p đối với động cơ diesel.

Hình 2.1: Vị trí của máy khởi động trên động cơ

Hệ thống khởi động trên ô tô bao gồm: pin/ắc quy, máy khởi động, các cơ cấu điều khiển như công tắc đánh lửa, công tắc khởi động và các thiết bị hỗ trợ như relay

và cáp pin

Ắc quy còn có vai trò như một bộ lọc và ổn định điện thế trong hệ thống điện ô

tô khi điện áp máy phát không ổn định hay động cơ đang làm việc ở chế động vòng tua thấp

8

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và loại xe mà điện áp của ắc quy có thể là 6V, 12V hoặc là 24V còn với xe điện hay xe lai thì điện áp có thể cao hơn gấp nhiều lần Điện áp 12V thì thường được dùng trên xe du lịch, điện áp 24V thì thường được sử dụng trên các dòng xe tải

2.2.2 Cấu tạo

Ắc quy được bao quanh bằng một lớp vỏ được chế tạo từ các loại nhựa có khả năng chịu được axit cao, phía trên có 2 cọc tượng trưng cho cực âm, cực dương của bình dùng để nối tải ngoài hoặc nối các ắc quy với nhau để tăng điện áp của ắc quy

Hình 2.3: Cấu tạo cơ bản của bình ắc quy

Về bên trong ắc quy thường được chia thành các ngăn riêng, số lượng ngăn thì tùy thuộc vào loại ắc quy, có thể là 3 ngăn hay 6 ngăn tùy thuộc vào loại ắc quy.mỗi ngăn gồm các bản cực âm và bản cực dương Bản cực âm và bản cực dược có tấm chắn ngăn cách, giữa hai bản cực được điền đầy bằng chất điện phân và được nối với nhau bằng thanh nối

Hình 2.4: Cấu tạo của khối bản cực

9

2.2.3 Phân loại

Ắc quy khởi động thường được sử dụng là ắc quy chì - axít và ắc quy kiềm Nhưng đa số ắc quy khởi động thường dùng là ắc quy chì – axít, vì so với ắc quy kiềm thì có suất điện động của mỗi cặp bản cực cao hơn khoảng 2V, có điện trở trong nhỏ do đó có thể sinh ra dòng điện lớp (200A – 800A) trong khoảng thời gian ngắn (5s -10s) và đảm bảo chế độ khởi động tốt, mặc dù ắc quy kiềm cũng có những ưu điểm riêng như độ bền cơ học và tuổi thọ cao hơn, làm việc tin cậy hơn

Với sự phát triển mạnh của xe lai (Hybrid) và xe chạy thuần điện hiện nay xuất hiện thêm pin Lithium Pin Lithium có những ưu điểm như là:

để có thể hoạt động tốt ngoài thực tế như là:

- Khối lượng nhẹ và kích thước nhỏ gọn

- Điện dung lớn và phục hồi nhanh chóng khi được nạp trong điều kiện sử dụng khác nhau

- Điện thế ổn định, hiện tượng tự phóng điện không đáng kể

- Độ tin cậy cao, làm ổn định với điều kiện môi trường trong khoảng giới hạn rộng

- Dễ bảo dưỡng sửa chữa

- Có độ bền cơ học cao, thời gian sử dụng dài và giá thành hợp lý

- Đối với ắc quy dùng để khởi động:

- Phải có khả năng cung cấp một dòng phóng lớn trong một khoảng thời gian ngắn từ 5 – 10s và sau khoảng thời gian đó không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của các thiết bị điện khác trên xe

- Có điện trở trong nhỏ, để khi phóng điện với dòng lớn thì độ sụt thế sẽ nhỏ, giúp đảm bảo có thể khởi động động cơ dễ dàng ở mọi điều kiện

10

2.2.5 Thông số và các đặt tính của ắc quy chì – axit [6]

- Suất điện động của ắc quy:

Suất điện động của ắc quy phụ thuộc chủ yếu vào sự chênh lệch điện thế giữa hai tấm bản cực khi không có dòng điện ngoài

Sức điện động trong một ngăn:

E0: sức điện động tĩnh của ắc quy đơn (tính bằng volt)

ρ: nồng độ của dung dịch điện phân được tính bằng (g/cm3) quy về +250C

Ra – Điện trở trong của ắc quy

Ra = Rđiện cực + Rbản cực + Rtấm ngăn + Rdung dịch

- Năng lượng của ắc quy:

Năng lượng của ắc quy lúc phóng điện:

Trong đó: Qp – Dung lượng của ắc quy

Up – Điện thế phóng của ắc quy

tn - Thời gian nạp ắc quy

- Công suất của ắc quy

Như vậy, khi R = Ra, ắc quy sẽ cho công suất lớn nhất

- Dung lượng của ắc quy

Lượng điện năng mà ắc quy cung cấp cho phụ tải trong giới hạn phóng điện

cho phép được gọi là dung lượng ắc quy

Các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng của ắc quy:

- Khối lượng và điện tích chất tác dụng trên bản cực

- Dung dịch điện phân

- Dòng điện phóng

- Nhiệt độ môi trường

- Thời gian sử dụng

Để khởi động được động cơ, trục khuỷu của động cơ phải quay ở một tốc độ nhất định, tốc độ này tùy thuộc vào cấu trúc và tình trạng làm việc của động cơ tại thời điểm khởi động

2.3.2 Cấu tạo của máy khởi động

Máy khởi động được cấu tạo từ hai phần chính là phần động cơ điện và phần cơ cấu gài khớp

Hình 2.5: Các bộ phận của máy khởi động

Động cơ điện:

- Phần cảm: ngoài việc bảo vệ phần bên trong của máy khởi động thì bên trong

vỏ được gắn các nam châm điện (phần cảm)

14

1 Giá đỡ chổi than

2 Lò xo chổi than

3 Chổi than

4 Khung nối mass

Hình 2.8: Chổi than và giá đỡ chổi than

- Bộ truyền giảm tốc: là một hệ thống bánh răng truyền lực từ motor đến bánh răng Bendix, làm thay đổi tỉ số truyền giúp tăng

mô-men xoắn làm quay bánh đà động cơ Tỷ số

truyền của hộp số giảm tốc từ 1/3 ÷ 1/4 và có ly

hợp một chiều được lắp bên trong

- Ly hợp khởi động: được đặt bên trong bộ truyền giảm tốc với chức năng bảo

vệ motor khởi động không bị hỏng bởi số vòng quay quá cao khi động cơ đã được khởi động

1 Bánh răng bendix

2 Trục bendix

3 Chốt trục

4 Khớp xoắn ốc

Hình 2.11: Bánh răng khởi động chủ động (bendix)

Cơ cấu gài khớp

- Công tắc từ (relay gài khớp): hoạt động như một công tắc chính cho phép dòng điện chạy đến motor và đẩy bánh răng bendix ăn khớp với bánh đà khi khởi động, kéo ra sau khi khởi động xong

❖ Giai đoạn 1: Kéo

Hình 2.13: Chế độ kéo của máy khởi động

Khi bật khóa điện lên vị trí START, dòng điện từ ắc quy sẽ đi vào cuộn giữ và cuộn hút Sau đó dòng điện sẽ đi từ cuộn hút tới phần ứng qua cuộn cảm xuống mass Việc tạo ra lực điện từ trong các cuộn giữ cuộn hút sẽ làm từ hóa các lõi cực và piston của công tắc từ bị hút vào lõi cực của nam châm điện Nhờ sự hút này mà bánh

❖ Giai đoạn 2: Giữ

Hình 2.14: Chế độ giữ của máy khởi động

Khi công tắc chính được bật lên, không có dòng điện chạy qua cuộn hút vì hai đầu cuộn hút bị đẳng áp, cuộn cảm và cuộn ứng nhận trực tiếp dòng điện từ ắc quy Cuộn dây phần ứng sao đó bắt đầu quay với vận tốc cao và động cơ được khởi động

Ở thời điểm này piston được giữ nguyên tại vị trí chỉ nhờ lực điện từ của cuộn giữ vì không có dòng điện chạy qua cuộn hút

❖ Giai đoạn 3: Nhả (hồi vị)

Hình 2.15: Chế độ nhả (hồi về) của máy khởi động

18

Khi khoá điện được từ vị trí START sang vị trí ON, tại thời điểm này, tiếp điểm chính vẫn còn đóng, dòng điện đi từ phía công tắc chính tới cuộn hút rồi qua cuộn giữ Đặc điểm cấu tạo của cuộn hút và cuộn giữ là có cùng số vòng dây quấn và quấn cùng chiều Ở thời điểm này, dòng điện qua cuộn hút bị đảo chiều, lực điện từ được tạo ra bởi cuộn hút và cuộn giữ triệt tiêu lẫn nhau nên không giữ được piston Do đó piston bị đẩy trở lại nhờ lò xo hồi về và công tắc chính bị ngắt làm cho máy khởi động dừng lại

2.3.3 Các loại máy khởi động

Hệ thống tự khởi động cho ô tô được phát minh ra đời để nhằm hạn chế và loại

bỏ cách khởi động động cơ đốt trong thủ công phổ biến trong các loại xe ở thế kỷ XIX Kể từ khi được phát minh vào đầu những năm 1900, thì hệ thống khởi động đã được cải tiến và phát triển rất nhiều Hiện nay có ba loại máy khởi động được sử dụng phổ biến trên ô tô: loại giảm tốc, loại đồng trục và loại bánh răng hành tinh

Hình 2.16: Các loại máy khởi động Máy khởi động loại giảm tốc

19

Hình 2.17: Cấu tạo máy khởi động loại giảm tốc

- Máy khởi động loại giảm tốc là kiểu cơ cấu dùng kết hợp giữa motor tốc độ cao

Máy khởi động loại đồng trụ

Hình 2.18: Máy khởi động loại đồng trục

- Bánh răng chủ động được thiết kế nằm trên cùng một trục với phần ứng của motor và quay cùng tốc độ với motor

- Một lõi hút trong công tắc từ được nối với nạng gài, khi khởi động nam châm điện được kích hoạt sẽ đẩy bánh răng chủ động ăn khớp với vành răng bánh đà

- Cần dẫn động được nối với thanh đẩy của công tắc từ đẩy bánh răng chủ động

và làm cho nó ăn khớp với vành răng

Máy khởi động loại bánh răng hành tinh

- Máy khởi động loại bánh răng hành tinh dùng bộ truyền hành tinh để giảm tốc

độ quay của lõi (phần ứng) của motor

- Máy khởi động này sử dụng các nam châm vĩnh cửu đặt trong cuộn cảm

- Cơ cấu đóng ngắt hoạt động giống như máy khởi động loại bánh răng hành tinh

Hình 2.20: Máy khởi động loại PS 2.3.4 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống khởi động

Bộ khởi động là một hệ thống tiêu thụ dòng điện lớn và có tốc độ cao, nếu không tắt mở đúng thời điểm có thể làm phóng điện ắc quy hay làm hư hại đến động cơ vì vậy cần có sự chính xác và độ tin cậy cao nên để hoạt động tốt cần phải đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật như sau:

- Moment truyền động phải đủ lớn để làm quay trục khuỷu động cơ

- Tỷ số truyền phải đảm bảo để động cơ có thể khởi động

21

- Nhiệt độ làm việc không được quá giới hạn cho phép

- Đảm bảo có thể khởi động được nhiều lần và có độ tin cậy cao

- Tỷ số truyền từ bánh răng của máy khởi động và bánh răng của bánh đà nằm trong giới hạn (từ 9 đến 18)

- Chiều dài, điện trở của dây dẫn nối từ ắc quy đến máy khởi động phải nằm trong giới hạn quy định (< 1m)

- Khi động cơ đã làm việc, phải ngắt được khớp truyền động của hệ thống khởi động ra khỏi trục khuỷu của động cơ

Công suất tối thiểu của máy khởi động được tính theo công thức sau:

Trong đó:

• nmin - Tốc độ quay nhỏ nhất tương ứng với trạng thái nhiệt độ của động cơ ôtô khi khởi động, vòng/phút (với trị số tốc độ này, động cơ ô tô phải tự động làm việc được sau ít nhất hai lần khởỉ động, thời gian khởi động kéo dài không quá 10 giây đối với động cơ xăng và không quá 15 giây đối với động

cơ diesel, khoảng thời gian cách giữa hai lần khởi động liên tiếp không quá

60 giây) Trị số nmin phụ thuộc vào loại độngcơ, số lượng xilanh và nhiệt độ của động cơ ô tô lúc bắt đầu khởi động, trị số tốc độ đó bằng:

• nmin = (40 - 50) vòng/phút đối với động cơ xăng

• nmin = (80 - 120) vòng/phút đối với động cơ diesel

• Mc: Mômen cản trung bình của động cơ ô tô trong quá trình khởi động (N.m)

2.3.5 Đặc tính của motor khởi động một chiều

Khi máy khởi động bắt đầu làm việc, cường độ dòng điện trong mạch tăng lên thì điện áp ở cực ắc quy sẽ giảm xuống Thông qua định luật Ohm, chúng ta có thể lý giải điều này do mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và điện trở

Khi cường độ dòng điện trong mạch tăng lên thì sự sụt giảm điện áp trên ắc quy cũng tăng lên Sự sụt áp giảm xuống khi giá trị dòng điện giảm xuống và điện áp ắc quy lại trở về giá trị ban đầu