CHƯƠNG 9HỆ THỐNG ĐIỆN TRÊN XE Ô TÔ HYBRID HAI CHỖ NGỒI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI- ĐỘNG CƠ NHIỆT 9.1 Giới thiệu về các bộ phận chính về hệ thống điện trên xe Các bộ phận chính của hệ th
Trang 1CHƯƠNG 9
HỆ THỐNG ĐIỆN TRÊN XE Ô TÔ HYBRID HAI CHỖ NGỒI SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI- ĐỘNG CƠ NHIỆT 9.1 Giới thiệu về các bộ phận chính về hệ thống điện trên xe
Các bộ phận chính của hệ thống điện trên xe gồm: tấm panel pin Mặt trời,bộ điềukhiển xạc, ắc quy, động cơ điện, chân ga, bộ đổi điện 48V-12V, bộ điều khiển động cơbằng điện tử (Electronic Control Module - ECM), bộ nạp điện Quan hệ của các bộphận điện trên xe SC4 theo như sơ đồ khối sau:
Hình 9.1 - Sơ đồ khối hệ thống điện trên xe SC4
Hình 9.2 - Sơ đồ mạch điện tổng thể trên xe SC4 1-bộ điều kế; 2- pin Mặt trời; 3-thùng xăng; 4-thùng nhiên liệu LPG; 5-cầu chủ động; 6-hộp số; 7-động cơ LPG; 8- bàn đạp phanh; 9-bàn đạp ga; 10-bảng điều khiển; 11-bộ đổi điện
48V-12V; 12-bộ điều khiển động cơ; 13-động cơ điện; 14-ắc quy.
Trang 29.1.1 Pin năng lượng mặt trời
9.1.1.1 Cấu tạo pin mặt trời
Pin mặt trời là bộ phận chính yếu của hệ thống năng lượng mặt trời Tấm pinmặt trời có nhiệm vụ thu nhận năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành năng lượngđiện và tạo ra dòng điện một chiều để cung cấp cho bình ắc quy Pin mặt trời được cấutạo bởi những phân tử làm bằng vật liệu bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4 được gắnnối tiếp hay song song với nhau Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bándẩn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hóa trị 5 Còn để cóvật liệu bán dẩn tinh thể loại p thì tạp chất Accetor được dùng để pha vào Si là Bo cóhóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điệnthế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng đoản mạch của nó dưới bức
xạ mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng (25 ÷ 30) mA/cm2
Hình 9.3: Tấm pin Mặt trời
Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các loại pin mặt Trời bằng vậtliệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt Trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vậtliệu trong sản xuất do đó có thể có gía thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt Trờitinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc
Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác cónhiều hứa hẹn như hệ bán dẩn hợp chất bán dẩn nhóm III – V, Sunfit cadmi-đồng(CuCdS), Galium-Arsenit (GaAs),…
Trang 3Hình 9.4- Cấu tạo một modun pin mặt Trời (EVA là: Ethylene Vinyl Acetate)
9.1.1.2 Nguyên lý làm việc của pin mặt trời
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
- Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic: thường xảy ra khi năng lượng củaphoton thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn
- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic: khi năng lượng của photon lớnhơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn
Hình 9.5 - Sơ đồ nguyên lý của pin Mặt trời
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electrontrong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường đượckết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron đượckích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống" Lỗ trống này tạo điều kiệncho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống", và điềunày tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống"
di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn Tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K,
vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic
Hình 9.6 - Nguyên lý hoạt động của 1 tế bào pin mặt Trời
Trang 4Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẩn p và n của một tiếp xúc pnbằng một dây dẩn, thì pin mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trướchết pin mặt Trời có thể xem tương đương như một “nguồn dòng”.
Lớp tiếp xúc bán dẩn pn có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diot.
Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẩn có mộtdòng điện được gọi là dòng dò - qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn
người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh (shun).
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẩn p và n,các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một
điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể là điện trở trong của pin mặt Trời).
9.1.1.3 Diện tích lắp đặt pin
Hình 9.7 - Diện tích lắp đặt pin lên xe
Diện tích lắp pin năng lượng Mặt Trời gồm hai phần Phần 1 pin Mặt Trời đượcđặt trên mui xe, phần 2 pin Mặt Trời được đặt trên trần xe Ta xem diện tích của phầnđặt pin trên xe là tổng diện tích các tấm pin nhỏ hình chữ nhật và kết quả tính toándiện tích của hai phần đặt pin như sau:
Phần 1: 0,31 m2
Phần 2: 0,776 m2
Vậy tổng diện tích đặt pin Mặt Trời trên xe là 1,086 m2
Bảng 9.1 - Thông số kỹ thuật một số pin năng lượng Mặt Trời trên thị trường hiện nay
Thông số kỹ thuật RS-P549-85 RS-P569-130 RS-P589-175
Pin mặt trời
Pin mặt trời
Trang 59.1.2 Bộ điều kế (Charge Controlier):
Hình 9.8 - Bộ điều kế
Bộ Điều kế dùng trong hệ thống năng lượng mặt trời được dùng để điều hành
và kiểm soát dòng điện một chiều từ pin mặt trời, cung cấp cho bình ắcquy Bộ điều kếđảm bảo cho dòng điện một chiều không quá tải cho bình ắcquy Nếu cho dòng điệnmột chiều xuống quá thấp hay lên quá cao bộ Điều kế sẽ ngưng hoạt động ngay tứckhắc để bảo vệ bình ắcquy không bị hư hỏng
9.1.3 Ắcquy
Hình 9.9: Bộ nguồn Li-ion Battery12V 100Ah
Trên xe điện ắcquy là nguồn năng lượng chính, dùng để cung cấp năng lượng chođộng cơ điện, và cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khác ngay cả khi động cơđiện không làm việc
Trang 69.1.3.2 Phân loại bình ắc quy
- Ắc quy chì a-xít: Gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung
dịch axít sulfuaric Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làmbằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực Các hóa chất này khiđược nạp đầy là điôxít chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm Các bản cựcđược nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cựcdương, bản cực âm nối với bản cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy và số lượngcác bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc - Quy Thông thường, các bản cực âmđược đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương Cácbản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn
Bảng 9.2: Trị số tỷ trọng của bình ắc quy khi được nạp đầy được quy ra ở 25 o C (77 o F)
điện phân
Bình ắc quy làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện công
Bình ắc quy dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu sáng tàu
Bình ắc quy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng 1,215
Dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng ampe giờ (AH) AH đơngiản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng nàythay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷtrọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng
Các biến đổi của thông số của bình ắc - Quy được cho trên các biểu đồ sau:
Hình 9.10 - Đặc tính điện thế, tỷ trọng khi phóng và nạp với dòng không đổi
Trang 7Hình 9.11 - Đặc tính phóng điện và dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ
- Ắc quy sắt kền
Còn gọi là bình ắc quy ankalin, gồm các bản cực làm bằng oxy hydrat - kền, vàcác bản cực âm bằng sắt thuần ngâm trong dung dịch hyđrôxít kali Các bản cựcthường có cấu trúc phẳng, và dẹp, làm bằng hợp kim thép có mạ kền Các bản cựcđược chế tạo có các quai ở trên để có thể dùng bu lông xiết dính lại với nhau, bản cựcdương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm điện thế danh định củabình là 1,2 vôn Điện thế thực sự của bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như đang hởmạch, hay đang phóng, hay được nạp bao nhiêu Thông thường, điện thế hở mạch biếnthiên từ 1,25 đến 1,35 vôn, tuỳ thuộc vào tình trạng nạp Chất lỏng trong bình này làdung dịch hydrôxít kali, có pha thêm chất xúc tác tuỳ thuộc vào nhà chế tạo, thường làđiôxít liti
Nồng độ của dung dịch, biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, không tuỳ thuộc vàoloại bình ắc quy, và cũng không tuỳ thuộc vào tình trạng phóng nạp của bình, do nókhông tham gia vào phản ứng hóa học Tỷ trọng suy ra ở 25oC (77oF) từ 1,210 đến1,215 g/cm³ Trị số này thực tế giảm nhẹ theo thời gian, do dung dịch có khuynhhướng bị cacbônát hoá, do tiếp xúc với không khí Khi trị số này giảm xuống tới 1,160g/cm³, nó có thể làm thay đổi dung lưọng của bình, và cần phải thay thế
Ngoài ra, chỉ có một lý do duy nhất có thể làm thay đổi tỷ trọng của bình, đó làkhi bình ắc quy đã phóng quá giới hạn bình thường, nghĩa là tới điện thế gần bằngkhông Khi đó, các phần tử liti chuyển ra dung dịch làm tăng tỷ trọng lên, có thể tăngthêm từ 0,025 đến 0,030 g/cm³ Tác động này có thể loại bỏ khi nạp bình ắc quy trởlại
Dung lượng của bình, cách tính cũng như bình ắc quy chì - axít, nhưng cácthông số và các hệ số hiệu chỉnh cũng khác Đặc tuyến của bình ắc quy sắt - kền được
vẽ ở các hình dưới đây
Trang 8Hình 9.12 - Đặc tính điện thế - thời gian khi phóng đến điện thế cuối cùng 1 V
Hình 9.14 - Mức dung lượng và dòng điện khi phóng điện đến điện thế cuối cùng 1 V
9.1.3.3 Yêu cầu của bình ắc quy
Bình accu phải có mật độ năng lượng cao, năng lượng cung cấp ổn định chođộng cơ điện với đặc tính phóng điện lớn, đảm bảo tốt việc tăng tốc và khả năng leodốc của xe Accu phải có tuổi thọ cao, ít bảo trì, bảo dưỡng và có độ an toàn cơ họccao Ngoài ra, loại accu này phải có khả năng tái chế theo các tiêu chuẩn về môitrường Hiện nay có các loại: accu axít chì, accu NiMH, accu Li-ion, accu Li- Polyme.Khi chọn bình điện cần xét đến các đặc tính quan hệ giữa năng lượng và công suất, sựthay đổi điện trở nội theo nhiệt độ, khả năng xả dòng xung và đặc tính nạp, xả
Bình ắcquy phải có đủ cường độ để cung cấp hiệu quả điện thế trong thời giankhông có ánh nắng mặt trời hay trong những ngày nhiều mây cho toàn bộ hệ thốngđiện trên xe Bình ắcquy được chế tạo sử dụng lâu dài cho hệ thống điện mặt trời vàkhông cần bảo trì
9.1.3.4 Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy
Dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào số giờ mà xe chạy hết bình và tỷ lệ vớikhối lượng của hệ thống truyền động điện so với tổng khối lượng xe theo tỷ lệ tối ưu làkhông quá 30%
Trang 9Dung lượng, hay điện dung của ắc quy là đại lượng đặc trưng cho quá trìnhphóng nạp điện của nó Giá trị của điện dung phụ thuộc vào giá trị của dòng điện vàthời gian, tức là phụ thuộc vào chế độ phóng và nạp Tuy nhiên để tính chọn được bộ
ắc quy phù hợp với xe thiết kế thì ta tính điện dung phóng (dung lượng) của ắc quy.Dung lượng của ắc quy được xác định như sau:
Qp = Ip tp = ( PM/ U ) tp [9.1] Trong đó: - Qp : Dung lượng phóng của ắc quy (AH)
- Ip : Dòng điện phóng (A)
- tp : Thời gian phóng (h)
- PM : Công suất của động cơ điện (W)
Cường độ bức xạ trung bình ở khu vực Thừa Thiên - Huế, ven biển từ Đà Nẵngđến Phú Yên, Kom Tum, Gia Lai, các tỉnh miền Đông Nam Bộ, TP Hồ Chí Minh,Đồng Bằng Sông Cửu Long là 4,80 (kWh/m2/ngày) và giờ nắng trung bình trong năm
ở khu vực từ Vùng ven biển từ Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế đến Ninh Thuận là 2294giờ Ta tính được số giờ nắng trung bình ngày khu vực này là: 2294/365 = 6,285 (h)
Dung lượng mà pin Mặt Trời có thể cung cấp cho bình ắc quy trong 6,285 giờ,với điện áp nạp là 48 (V): Qn = In tn =(Ppin/U).tn.0,8=(960/48).6,285.0,8=100,56(AH)
Hình 9.15 Sơ đồ đấu nối tiếp 4 ắc quy.
Vì dung lượng ắc quy được sản xuất theo tiêu chuẩn, chọn loại bình Li-ion cóhiệu điện thế 12 (V) và dung lượng 100 (AH) Để đảm bảo nguồn điện cung cấp chođộng cơ 48 (V) thì ta mắc 4 bình ắc quy nối tiếp nhau
- Số giờ xe chạy hết bình: Trong quá trình xe chạy trên đường thì ắc quy sẽ tiếp
tục được nạp điện Qp = Ip tp = ( PM/ U ) tp [9.3]
=>tp = Qn.U.0,8/PM= 100.48.0,8/1600= 2,4 (h)
- Tính thời gian nạp đầy binh ắc quy:
Thời gian nạp điện=Dung lượng ắc quy/Dòng điện nạp [9.4]Loại ắc quy 12v, 100 Ah
Dòng điện nạp In = 1/10.Qn = 1/10.100 = 10 A [9.5]Thời gian nạp điện là: tn = 100/10 = 10 (h)
Sau khi chọn được loại ắc quy, ta cần kiểm tra lại tỷ lệ khối lượng của hệ thốngtruyền động so với tổng khối lượng của xe Nếu vượt quá tiêu chuẩn thì hoặc là giảm
Trang 10bớt dung lượng của ắc quy (giảm số giờ chạy hết bình) hoặc là chọn loại ắc quy khác
có tỷ trọng khối lượng trên dung lượng nhỏ hơn
Dựa vào thông số kỹ thuật của bình ắc quy do nhà sản xuất cung cấp, loại bình ắcquy 12 (V) – 100 (AH) có khối lượng m1 = 15,5(kg) Động cơ điện 48 (V) – 1,6 (KW)
có khối lượng m2 =11,4 (kg) Như vậy, tổng khối lượng của hệ thống truyền động điện
sẽ là: m = 4 m1 + m2 = 4 15,5 + 11,4 = 73,4 (kg)
Hệ số tỷ lệ khối lượng: λ = m/M = 73,4/450 = 16,31<30 % [9.6]
9.1.3.5 Các chức năng bảo vệ bình ắc quy:
- Báo động và bảo vệ ắc quy khi điện áp xuống thấp: Khi sử dụng điện
chuyển đổi từ bình ắc quy, nếu điện áp bình ắc quy giảm xuống, đồng hồ hiển thị báo
ắc quy còn khoảng 25%, máy sẽ báo động bằng cách phát ra tiếng píp píp liên tục, cầnphải giảm phụ tải hoặc khởi động động cơ nhiệt
- Bảo vệ nạp điện quá áp: Mạch điện nạp ắc quy áp dụng phương pháp nạp
điện 3 giai đoạn tiên tiến, gồm giai đoạn “ dòng điện không đổi”, “hạn chế điện áp”,
“dòng điện nạp nhỏ” Khi điện áp ắc quy thấp, nạp điện cho ắc quy bằng phương thứcdòng điện không đổi, sau khi điện áp ắc quy nâng lên nạp điện theo phương thức hạnchế điện áp, tiếp theo sẽ giảm đi dòng nạp và tiếp tục nạp điện cho ắc quy băngphương thức dòng điện nhỏ Cho nên, mạch điện nạp thường xuyên nhưng không gây
ra hiện tượng nạp điện quá
- Bảo vệ quá tải: Khi cấp điện chuyển đổi từ bình ắc quy, nếu phụ tải vượt quá
công suất tối đa của máy, máy sẽ báo động bằng âm thanh và tự động ngắt đầu ra.Giảm phụ tải, khởi động lại, máy sẽ hoạt động trở lại
9.1.4 Động cơ
Với cùng một công suất, nếu tăng hiệu điện thế của động cơ điện thì dòng điệnchạy trong mạch và khối lượng của động cơ điện sẽ giảm, tuy nhiên số lượng bình ắcquy 12 (V) sẽ tăng và đòi hỏi tốt hơn vấn đề an toàn điện Theo thống kê thực tế, khốilượng bình ắc quy tỷ lệ thuận với dung lượng của nó Do đó, khối lượng tổng cộng của
bộ nguồn ắc quy không phụ thuộc vào điện áp của hệ thống mà chỉ phụ thuộc vào côngsuất cần cung cấp
Từ những phân tích ở trên, đồng thời dựa vào thống kê mức điện áp của các loạiđộng cơ điện có trên thị trường, chọn loại động cơ điện có hiệu điện thế U =48 (V) vàkhối lượng động cơ điện tương đối nhỏ, số lượng bình ắc quy cũng vừa phải
9.1.4.1 Tính chọn động cơ điện
Xe ôtô hybrid 2 chỗ ngồi sử dụng năng lượng Mặt Trời- Động cơ nhiệt đượctính toán thiết kế có khối lượng toàn bộ 450 [ KG] (chở 2 người) chạy với vận tốc tối
đa 30km/h (8,33[m/s])
Trang 11Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động (hai bánh xe trước) của ô tô thiết kếđược sử dụng để khắc phục các lực cản chuyển động sau: lực cản lăn, lực cản dốc, lựccản không khí, lực quán tính Phương trình cân bằng lực kéo như sau:
Trường hợp tổng quát, ta có biểu thức như sau:
Trang 12ở hai trường hợp này được tính lại là:
Pfi = Pf + Pi = 65,85 + 441,45 = 507,3(N)
Pfω = Pf + Pω = 65,85 + 41,63 = 107,48(N)
Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát vàphù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe Trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa đượcxem là sử dụng hết công suất của động cơ điện Trường hợp xe leo dốc tuy lực cản cólớn hơn nhưng nếu xe chạy với vận tốc rất bé thì công suất phụ tải cũng sẽ bé hơntrường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa Vì vậy ta có thể chọn trường hợp xe chạy ở tốc độtối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ, khi đó Pfω=107,48(N) và vận tốccủa xe v = 8,33(m/s) Ta có công suất cản của xe lúc này là:
Neω = Pfω v = 107,48 8,33 = 895,3 (W)Đây là công cản của xe, công suất cần thiết của động cơ để cân bằng với côngcản của xe trong trường hợp này, công suất cực đại yêu cầu của động cơ: Nect = Neω / η Hiệu suất trung bình của động cơ điện là 80%:
9.1.4.2 Đặc điểm động cơ điện
Động cơ điện cung cấp mô men cho bánh xe chủ động Có hai loại động cơ điện(motor) thông dụng sử dụng trên xe NMLT: động cơ xoay chiều (AC) và động cơ mộtchiều (DC) Động cơ DC dễ điều khiển và rẻ hơn, nhưng kích thước và trọng lượnglớn hơn động cơ AC Động cơ AC thường đạt được hiệu suất cao và phạm vi hoạtđộng rộng, nhưng các mạch điện tử phức tạp và giá thành cao hơn
Hiện nay, động cơ điện trang bị trên ôtô có rất nhiều loại khác nhau như: Động
cơ một chiều có chổi than, động cơ xoay chiều không đồng bộ, động cơ xoay chiềuđồng bộ, động cơ xoay chiều từ trở và động cơ một chiều không chổi than Xét về đặc
