Nghiên cứu thiết kế xe y tế chạy điện ứng dụng pin nhiên liệu

Bước đầu ứng dụng Pin nhiên liệu trong xe y tế chạy điện cho đối tượng là các người cao tuổi, và đây là một nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường, một giải pháp đã và đang k

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

MAI VĨNH PHÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ XE Y TẾ CHẠY ĐIỆN ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU

TP HỒ CHÍ MINH Tháng 12 năm 2010

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ XE Y TẾ CHẠY ĐIỆN

ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU

Thành Phố Hồ Chí Minh Tháng 12 năm 2010

GVHD: TS TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG

HVTH : MAI VĨNH PHÚC

MSHV : 00407225

KHÓA : 2007

Trang 3

Bộ Giáo dục và Đào tạo CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Trường Đại học Bách Khoa

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CAO HỌC

Họ và tên: MAI VĨNH PHÚC Giới tính: Nam

Ngày tháng năm sinh: 10 – 08 – 1983 Nơi sinh: Trà Vinh

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ XE Y TẾ CHẠY ĐIỆN ỨNG DỤNG PIN

NHIÊN LIỆU

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Giới thiệu về xe y tế chạy điện, Pin nhiên liệu

2 Nghiên cứu, phân tích lựa chọn, tính toán kết cấu xe và Pin nhiên liệu cho xe y

tế chạy điện

3 Mô hình hóa kết cấu xe và ngăn hoạt hóa ( cụm Stack) Pin nhiên liệu

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận vă thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày……….tháng……….năm 2010 PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

Trang 4

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:………

Cán bộ chấm nhận xét 2:………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngày …….tháng …….năm 20…

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

ACKNOWLEDGMENTS

Đầu tiên, em chân thành cảm ơn về sự quan tâm, tận tình hướng dẫn của thầy TS Trần Nguyên Duy Phương và cố vấn của thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Em chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Trong đó nhất là Quý Thầy, Cô trong Khoa Cơ khí đã truyền đạt những kiến thức quí báo và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn

Ngoài ra, tôi cũng gởi lời cảm ơn đến những người bạn lớp Cơ khí 1 và 2 Khóa 28, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Những người bạn cho tôi sự ủng hộ chân thành và cùng tôi đi qua đoạn đường những lúc khó khăn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô trong hội đồng bảo

vệ luận văn đã dành thời quí báo để đọc và góp ý cho luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!!!

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010

Trang 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN

o0o

Trong những năm gần đây, khi mà vấn đề ô nhiễm môi trường đang diễn

ra một cách nghiêm trọng, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và cần được thay thế.Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại: xe hơi, xe lửa, máy bay…etc Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Giải pháp mới cho chúng ta là tạo ra các loại phương tiện sử dụng nguồn năng lượng mới để hạn chế tình trạng này Xe điện được biết đến như là một xe không gây ô nhiễm (Zero Emission Vehicle)

Bước đầu ứng dụng Pin nhiên liệu trong xe y tế chạy điện cho đối tượng

là các người cao tuổi, và đây là một nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường, một giải pháp đã và đang khẳng định mang lại nhiều mặt tích cực Vì vậy, nhu cầu về các nguồn năng lượng hiệu suất cao và ít gây ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng Xe điện ứng dụng Pin nhiên liệu, với những đặc tính tối ưu, là một giải pháp tiềm năng để giải quyết vấn đề này

Trình tự bài toán thiết kế được tiến hành theo các bước sau:

Bước đầu tiên của bài toán thiết kế là đánh giá và chọn phương án thiết

Trang 7

ABSTRACT o0o

In recent years, polluted environmental problem has being taken place seriously, the fossil oil has being run out of and it needs to be replaced Our planet is depending on a fossil oil economy considerably The fuel of the majority of means of transportation such as cars, trains, airplanes etc is petroleum Almost entire economy, exactly whole modern society depends on fuel oil Our new solution is inventing means of transportation which use regenerative power sources to limit this situation Electric vehicle is considered as means of unpolluted transportation (Zero Emission Vehicle)

Applying fuel cell, a pure power source which doesn’t cause environmental pollution brings a lot of positive sides Therefore, the high

sharply Proton Exchange Membrane fuel cell aplliance in medical scooter with superior special features is a potential method to handle this problem

The order of a mathematical designing problem is carried out following steps:

- The first step is justifying and choosing designing method

- The next step is designing the structure

- The final step is making the pattern and justifying fuel cell

- A formed structure CAD-3D pattern is a result of this thesis

Trang 8

i

MỤC LỤC TABLE OF CONTENTS

Chương 1: Giới thiệu về đề tài: 1

1.1.Giới thiệu về nhu cầu xe y tế chạy điện: 1

1.2.Khái niệm và phân loại xe y tế chạy điện: 3

1.3.Tổng quan về tình hình nghiên cứu xe y tế điện: 6

Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế xe y tế chạy điện: 21

2.1.Đánh giá các phương án theo các chỉ tiêu và lựa chọn phương án: 21

2.2.Phân tích lựa chọn các thành phần của kết cấu xe: 23

Chương 3: Tính toán và thiết kế kết cấu xe y tế chạy điện: 37

3.1.Tính toán động cơ: 37

3.2.Tính toán bộ vi sai: 38

3.3.Lựa chọn các thông số cơ bản cho các bộ phận của xe y tế chạy điện: 69

Chương 4: Phân tích và lựa chọn Pin nhiên liệu: 70

4.1.Khái niệm phân loại và cấu tạo hệ thống Pin nhiên liệu: 70

4.2.Cấu tạo ngăn hoạt hóa Pin nhiên liệu: 81

4.3.Phân tích và tính toán các thông số cơ bản của Pin nhiên liệu: 82

4.4.Các đặc tính vật liệu và quá trình làm việc các thành phần chính trong ngăn hoạt hóa Pin nhiên liệu: 93

4.5.Phân tích các điều kiện hoạt động của hệ thống Pin nhiên liệu: 103

4.6.Phân tích và lựa chọn các thông số cần thiết cho ngăn hoạt hóa Pin nhiên liệu: 111

Chương 5: Mô hình hóa hệ thống xe y tế chạy điện: 130

5.1.Cụm ghế: 130

5.2.Cụm trước: 130

Trang 9

ii

5.3.Cụm khung: 131

5.4.Cụm Pin nhiên liệu: 135

5.5.Mô hình xe y tế chạy điện: 138

5.6.Giới thiệu hệ thống điện: 139

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài: 148

6.1.Kết luận: 148

6.2.Hướng phát triển của đề tài: 149

TÀI LIỆU THAM KHẢO – REFERENCES

PHỤ LỤC-APPENDIX

Trang 10

Chương 1 Tổng quan về xe y tế chạy điện

-1-

Chương 1:

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

Đề tài “ Nghiên cứu thiết kế xe y tế chạy điện ứng dụng Pin nhiên liệu”

1.1 Giới thiệu về nhu cầu cầu xe y tế chạy điện:

Vấn đề bảo vệ môi trường toàn cầu ngày càng trở nên quan trọng, nhu cầu về các nguồn năng lượng hiệu suất cao và ít gây ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng

Xe điện ứng dụng Pin nhiên liệu, với những đặc tính tối ưu, là một giải pháp tiềm năng để giải quyết vấn đề này

Trong khi thế kỉ 19 được mệnh danh là thế kỉ của động cơ hơi nước và thế kỉ

20 là thế kỉ của động cơ đốt trong thì ta có thể nói, thế kỉ 21 sẽ là kỉ nguyên của Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu hiện nay đang dần được phổ biến trên thị trường, dự đoán sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lượng trên thế giới trong tương lai Pin nhiên liệu có thể

sử dụng hydrogen làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho thế giới một nguồn điện năng sạch và bền vững

Tương tự như ắc quy, Pin nhiên liệu là một thiết bị tạo ra điện năng thông qua

cơ chế phản ứng điện hóa Điểm khác biệt nằm ở chỗ, Pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi có một nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó, ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) sau một thời gian sử dụng Vì thế mà Pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên trong, nó chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, trong khi ắc quy cần phải được nạp điện lại từ một nguồn bên ngoài

Vừa qua, nhà sản xuất Honda đã chọn Việt Nam là điểm trình diễn chiếc xe máy scooter chạy Pin nhiên liệu đầu tiên trên thế giới Dự kiến rằng trong một tương lai không xa, những chiếc xe máy chạy Pin nhiên liệu như vậy sẽ được thương mại hoá

Việt Nam Chưa có công nghệ và nền công nghiệp sản xuất xe y tế điện cũng như xe chạy điện trong y tế, Hiện nay giá thành thì khá còn cao ( Trị giá mỗi xe là khoảng 7.000 USD, nhập khẩu từ Đức) so với nhu cầu này Với các hạn chế như vậy chỉ có thành phần thu nhập tương đối cao mới có thể sở hữu được Xe y tế điện chủ yếu nhập từ nước ngoài, nó được tiếp cận ở Việt Nam là từ chương trình tặng xe lăn điện cho các tướng lĩnh trong quân đội (Đại tướng Võ Nguyên Giáp, Đại tướng Trần Sâm cũng đã được trao tặng xe lăn điện từ chương trình này)

Trang 11

-2-

Nhu cầu xe y tế điện ngày càng cao trong bộ phận người lớn tuổi ở Việt Nam như:

Hình 1.1: Giáo sư Trần Văn Khê được tặng chiếc xe y tế điện

Ngoài ra nhạc sĩ Nguyễn Văn Tý và nhạc sĩ Hoàng Hiệp ( Hình 1.2) đã nhận

được hai chiếc xe lăn điện từ công ty Nam Trân Hân – Phòng khám đa khoa Sài Gòn

Hình 1.2: Nhạc sĩ Hoàng Hiệp và Nguyễn Văn Tý trên chiếc xe y tế điện

Hiện nay, giá thành đang là một trở ngại lớn đối với sự phát triển của Pin nhiên liệu Chi phí lắp đặt của Pin nhiên liệu hiện đang ở khoảng 4000 USD/kW Theo ước tính của Trung tâm nghiên cứu quốc gia về Pin nhiên liệu của Hoa Kỳ, để có thể cạnh tranh với các loại công nghệ phát điện khác thì chi phí đầu tư của Pin nhiên liệu phải ở mức 1500 USD/kW hoặc thấp hơn Đối với các ứng dụng cho giao thông,

để Pin nhiên liệu có thể được ứng dụng rộng rãi, mức giá trên phải ở khoảng 60 – 100 USD/kW Hiện nay, các khía cạnh đang được đầu tư để giảm giá thành của Pin nhiên liệu các nhà khoa học trên thế giới đang tiến tới bằng các công trình nghiên cứu khoa học bao gồm:

+ Giảm vật liệu hoặc tìm các vật liệu thay thế với giá thành thấp

+ Giảm độ phức tạp của hệ thống Pin nhiên liệu

+ Giảm thiểu các cản trở về nhiệt độ (đây chính là nguyên nhân làm tăng sự phức tạp và giá thành của hệ thống)

+ Sử dụng các quy trình sản xuất hàng loạt

Trang 12

-3-

+ Nâng cao mật độ năng lượng (giảm thể tích của hệ thống)

Từ phân tích những nhu cầu hiện nay của nước ta, xu hướng trên thế giới và các giải pháp đang được thực hiện giảm giá thành Pin nhiên liệu cũng đạt nhiều kết quả rất tốt Nghiên cứu thiết kế xe điện ứng dụng Pin nhiên liệu là vấn đề cấp bách và rất cần thiết cho nước ta Khi công nghệ chế tạo xe điện chưa có Đặc biệt là ứng dụng nguồn năng lượng sạch từ Pin nhiên liệu còn là lĩnh vực rất mới

1.2 Khái niệm và phân loại xe điện dùng trong y tế:

trường

1.2.2 Phân loại:

Chúng ta phân loại để có cái nhìn khái quát các loại xe y tế chạy điện đang được

sử dụng Từ đó có phương án lựa chọn phù hợp cho từng đối tượng sử dụng, tương ứng tốc độ cho phép và địa hình hoạt động Sau đây là các loại của xe y tế chạy điện được phân loại theo kích thước và phạm vi sử dụng gồm ba loại cơ bản: cở nhẹ, cở trung, cở nặng [25]

đa khoảng 6.4 km/h và tải trọng lớn nhất khoảng 120 kg

Trang 13

-4-

Hình 1.3: Xe chạy điện cỡ nhẹ

- Cỡ trung

Hình 1.4: Xe chạy điện cỡ trung

 Loại này có kích thước lớn hơn loại cỡ nhẹ một chút, do đó khó vận chuyển bằng các phương tiện khác hơn

cũng dài hơn

đa khoảng 6.4 km/h và tải trọng lớn nhất khoảng 120 – 150 kg

Trang 14

cho người sử dụng Quãng đường tối đa đi được là dài nhất trong 3 loại

khoảng 12.8 km/h và tải trọng lớn nhất khoảng 160 kg

1.2.3 Cấu tạo:

Hình 1.6: Cấu tạo xe y tế chạy điện

Trang 15

-6-

Cấu tạo xe y tế chạy điện như trong khung sau:

- Tay lái

- Hệ thống càng lái

- Cần điều khiển

- Cụm bánh trước

C.Cụm sau

- Nguồn năng lượng (pin,

hệ thống chứa nhiên liệu, bộ phận chuyển nguồn DC/AC quạt…)

- Động cơ (motor điện)

Sinh viên Trần Đình Lê Vũ trong luận văn tốt nghiệp đã nghiên cứu thiết kế chế tạo xe y tế chạy điện [21] ở mức độ thiết kế và chế tạo phần kết cấu khung

Sinh viên Trần Văn Dinh trong luận văn tốt nghiệp đã trình bày những ưu và nhược điểm của hệ thống Pin nhiên liệu Đồng thời đã xây dựng giải thuật và điều khiển cho bộ biến đổi công suất nạp điện cho bộ điện phân

Hiện nhu cầu trong nước rất cao, nhưng việc chế tạo loại xe y tế chạy điện thì không có Gần đây chiếc xe điện cá nhân PET (Personal Electric Transporter) của hai sinh viên Nguyễn Duy Đỉnh và Phạm Tuấn Anh, (lớp Tự động hóa 3 - K49, ĐH Bách

tốc độ 15km mỗi giờ như trong hình 3.1

Trang 16

-7-

Hình 1.7: Chiếc xe điện cá nhân PET

1.3.1.2 Ngoài nước:

- Các đề tài nghiên cứu:

Trong bài báo “Thực hiện mô hình hóa và mô phỏng một xe điện hybrid” của Wai Kean Yap and Vishy Karri Bài báo đã trình bày mô hình phát triển trên Matlab / Simulink nền tảng cho hoạt động và tối ưu hóa bộ phận truyền động của xe điện lai

Mô hình là một cấu trúc song song, được cung cấp bởi Động cơ đốt trong (ICE) cùng với động cơ điện để tạo truyền động cho xe điện Mô hình này được xây dựng và kết quả mô phỏng được hiển thị bởi Matlab / Simulink Bài báo cũng đã đưa ra kết quả so sánh khảo sát với quãng đường 100 km thì thấy chi phí dùng xe điện thấp hơn nhiều

so với năng lượng truyền thống

Bruce Lin trong luận văn cao học với “Thiết kế tổng quát và đưa ra mô hình xe chạy điện hai bánh cho đô thị châu Á bằng cách ứng dụng Pin nhiêu liệu” [13] Nêu khái quát các loại nguồn năng lượng cung cấp cho xe điện và từ những hạn chế và chi phí chế tạo, tuổi thọ của các loại cung cấp truyền thống như Pin, ắc quy Mô hình đạt được là xe điện hai bánh với các mức so sánh giá cả tiêu hao từ các nguồn năng lượng cung cấp Dùng máy tính đo đạt các kết quả chạy thử thực nghiệm từ các nguồn khác nhau.Tác giả đã đưa ra so sánh chi phí và những ưu điểm của loại cung cấp đầy triển vọng đó là Pin nhiên liệu Đưa ra số liệu tổng kết về tương lai thì xe điện dùng Pin nhiên liệu sẽ giãm còn một nữa trên mỗi km nhiên liệu trong thời gian dài so với các động cơ truyền thống dùng năng lượng hóa thạch

Trang 17

-8-

Patent số hiệu đăng ký US 6834734B2 đăng ký ngày 28/11/2004 bởi nhóm tác

giả Donald P.H.Wu, Ken Tzu Ku, Shang Ken Tsun

Patent số hiệu đăng ký US 6699616B2 đăng ký ngày 02/05/2004 bởi nhóm tác giả Donald P.H.Wu, Ken Tzu Ku, Shang Ken Tsun

Hình 1.8: USD444422 Hình 1.9: USD458222

+ Loại 4 bánh:

Với loại xe 4 bánh có các patent đã đăng ký như sau:

Patent số hiệu đăng ký US D510893S đăng ký ngày 25/10/2005 bởi

nhóm tác giả Yung Cheng Chen, Hung chang, Chung Shan

Patent số hiệu đăng ký US D444421S đăng ký ngày 03/07/2001 bởi nhóm tác giả Min – Hsiung Cheng

Patent số hiệu đăng ký US D517456S đăng ký ngày 21/03/2006 bởi công ty Kwang Yang Motor Co, LTD

Và một số patent đăng ký với các số hiệu:

Hình 1.16: USD511720 Hình 1.17:USD517456

- Các sản phẩm đang được nghiên cứu và thương mại hóa trên thị trường:

Trang 18

-9-

Dòng xe JuMOVe ( Hình 1.20) có nguồn năng lượng được sử dụng là Pin nhiên liệu Methanol trực tiếp (DMFC) với công suất 1.3 kW

Hình 1.20: Dòng xe JuMOVe của Forschungszentrum Jülich ( Đức)

Dòng xe chạy điện với Pin nhiên liệu có mật độ năng lượng 20 Wh/Km Nhiên liệu là methanol tiêu hao khoảng 2 lít cho cho quãng đường chạy là 100 Km, thể hiện trong hình 2.21

Hình 1.21: Xe điện nghiên cứu của Viện nghiên cứu công nghệ công nghiệp Đài

Loan Dòng xe điện của Tropical S.A có nguồn năng lượng được sử dụng là Pin nhiên liệu với công suất 500W chạy tối đa quãng đường là 240 Km cho một lần nạp

Dòng VeTrix với nguồn năng lượng sử dụng là Pin nhiên liệu methanol trực tiếp với công suất là 500W Nó được thiết kế với tốc độ tốc độ cho phép tối đa là 100km/h, đoạn đường tối đa có thể đi cho một lần nạp đầy là 240 km

Trang 19

-10-

Dòng xe Yamaha-FC được thể hiện ở hình 1.22 nguồn cung cấp năng lượng được

sử dụng là Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp với công suất tối đa đạt được là 0.95

kW tại 1.830 vòng/ phút với trọng lượng xe là 95 kg Ngoài ra hang Yamaha còn nhiều dòng xe như Yamaha Passol electric moped, Yamaha Motorcycle ….cũng đang từng bước ứng dụng Pin nhiên liệu Ngoài ra dòng Motorcycle của Yamaha Mortor sản xuất tháng 09/2003 và được đăng ký bởi công ty Yuasa Nguồn cung cấp năng lượng được sử dụng là Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp với công suất là 500W

Nó được thiết kế với tốc độ tối đa cho phép là 40 km/h, nhiên liệu tiêu hao là khoảng

1 lít methanol cho quãng đường là 200km

Hình 1.22: Dòng xe Yamaha-FC ( Nhật Bản)

Dòng xe Adopting APFCT với công suất đạt được là 1,3 kW, chạy tốc độ tối đa la

50 km/giờ chạy trực tiếp methanol không cần tích trữ qua bình ắc quy, hoạt động ở nhiệt độ thấp được thể hiện hình 1.23

Hình 1.23: Xe APFCT hãng Công nghệ Pin nhiên liệu châu Á Thái Bình Dương

Trang 20

-11-

Dòng xe MIO sử dụng pin nhiên liệu methanol trực tiếp, đoạn đường tối đa có thể

đi cho một lần nạp đầy khoảng 4 lít nhiên liệu là 40 km được thể hiện hình 1.24 Hiện

xe cũng đang thử nghiệm và chưa đưa vào sản xuất đại trà Đây là một hứa hẹn mới

trong lĩnh vực xe y tế chạy điện dùng Pin nhiên liệu

Hình 1.24: Dòng xe điện MiO của SUZUKI (Nhật Bản)

Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos ( Mỹ) đã bắt đầu nghiên cứu xe điện Trên hình 1.25 là xe mà phòng thí nghiệm đã đưa vào hoạt động thử nghiệm, nguồn năng lượng cung cấp cho xe là Pin nhiên liệu sử dụng Hydrogen với công suất 200W

Hình 1.25: Dòng xe của Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos ( Mỹ)

1.3.2 Nguồn năng lượng:

Nguồn năng lượng ở đây chính là bộ phận cung cấp điện hoạt động cho motor điện dẫn động cho xe hoạt động Có rất nhiều loại nguồn cung cấp như động cơ đốt trong, bình Ắc quy, và gần đây là các loại Pin có thời gian sạc lại điện khi sử dụng như Pin Li-ion… Bình Ắc quy Hoặc Pin hóa học hiện nay thì đang được sử dụng khá

Trang 21

-12-

phổ biến trên các xe điện Nên ta sẽ tìm hiểu cơ bản cũng như hạn chế của nó để hiểu

vì sao mà các nhà nghiên cứu, sản xuất đang tìm một nguồn năng lượng cung cấp điện hiểu quả hơn và thân thiện hơn với môi trường Ở Phần này sẽ tìm hiểu khái quát về Pin ắc quy và Pin nhiên liệu

1.3.2.1 Pin ắc quy:

Khái niệm:

Pin là một thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hoá học Pin hóa học được sạc lại là một loại năng lượng hoạt động truyền thống của xe điện Nó có khối lượng khá nặng và đắc so với tuổi thọ sử dụng của nó

Phân loại: Dựa vào các thành phần hóa học của chất điện phân và các loại Pin

chủ yếu sử dụng cho xe điện hiện nay[13] ta phân loại như sau:

- Pin Axít chì

- Pin Niken hiđrua kim loại hiện (NiMH) và Pin

Ni ken cadmium (NiCd)

Hình 1.26: Pin Ắc quy – chì KTZ5S 12V 4.5AH của hãng KOYO Đài Loan

Pin Axít-Chì thường được biêt là một dạng Pin ướt, đo lường mức của chất

Trang 22

-13-

chất điện phân giảm Quá trình điện phân nước là quá trình phụ trong Pin Axit – Chì

Vì vậy Hidro và Oxy phải được thông hơi Do đó nước củng bốc hơi, thỉnh thoảng ta phải thay nước Hiện chi phí để lưu trữ là 60 – 80 đô cho mỗi Wh

+ Pin Niken hiđrua kim loại hiện (NiMH) và Ni ken cadmium (NiCd)

Niken hiđrua kim loại hiện là công nghệ tiên tiến của sự lựa chọn cho xe điện, bao gồm cả cả hai xe ô tô và xe tay ga Pin Ovonic NiMH hiện tại năng lượng và mật

độ năng lượng cho xe điện tốt hơn khoảng 70 kg / Wh, 170 Wh / L, 200 W / kg, và

485 W / L

Tuy nhiên giới hạn tương mại hóa chi phí là 200 – 250 đôla/kWh Đối với 4,1 kWh lưu trữ (số lượng năng lượng cần thiết để lái xe 130 kg khoảng 200 km ở 30 km / h,giá một Pin để sử dụng cho xe điện là khoảng 820 - 1.025 đôla Điều này phù hợp với kết quả của một bài báo năm 1998, trong đó ước tính rằng chi phí của một pin NiMH cho xe tay ga điện "chi phí cạnh tranh của toàn bộ IC xe gắn máy"

Hình 1.27: Pin NIMH 28V dùng cho xe điện

Pin NiCd cung cấp mật độ năng lượng khá cao cho các ứng dụng điện đạt đỉnh lên đến 300-660 W / kg có thể, nhưng bị hạn chế ở Hoa Kỳ do chất độc hại của các cadmium chúng chứa Về mức năng lượng đạt cũng cao như Pin là axit- chì

+ Pin Lithium-ion

Hình 1.28: Pin Li-ion của hãng Varta

Trang 23

-14-

Ưu điểm chính của Pin lithium-ion, so với loại Pin nickel-kim loại truyền thống

là kích thước nhỏ gọn và khả năng cung cấp năng lượng tốt hơn Mặt độ năng lượng đạt được là 100 – 160 Wh/kg, năng lượng đạt 250-360 Wh/L, Công suất đạt 250 – 340W/kg Hiệu suất đạt 80 – 90 % Tuy nhiên giá thành của loại Pin này rất là cao Chỉ

có công ty Nisan Altra là ứng dụng trong xe điện ( electric scooter) Theo các kỹ sư của Daimler, nếu được tích hợp vào hệ thống điều khiển nhiệt độ, tức là hoạt động trong nhiệt độ lý tưởng, hệ thống Pin này sẽ an toàn, bền và có thể hoạt động hết công suất Pin lithium-ion hoạt động tốt nhất trong điều kiện nhiệt độ từ 15 đến 35 độ C Ngoài giới hạn nhiệt độ này, khả năng dự trữ năng lượng của Pin sẽ bị ảnh hưởng

Có mặt trên mẫu xe Mercedes-Benz S 400 BlueHYBRID vào năm 2009, hệ thống pin này giúp xe chỉ tiêu thụ trung bình 7,9lít xăng cho 100km, sản sinh nồng độ khí thải là 190g/km Đây hứa hẹn sẽ là mẫu sedan hạng sang có hiệu quả kinh tế cao nhất thế giới

+ Pin Oxy hóa kẽm không khí tái sinh

Hình 1.29: Hệ thống Pin Oxy hóa kẽm

Pin kẽm - không khí về cơ bản hoạt động giống như một nguyên tố galvanic, nhưng khác ở chỗ chất phản ứng (là oxy) được cung cấp từ ngoài vào trong suốt quá trình phản ứng, và ngay từ đầu nó không có trong pin Oxy đi vào bên trong pin xuyên qua một màng bán thấm (membrane) đặc biệt Oxy phản ứng với kẽm của catôt và tạo thành kẽm oxit Quá trình oxy hóa kẽm đã sinh ra một dòng điện

Trang 24

Hình 1.31: Loại 12 V, 35A cho xe điện của Universal Power Group® kích thướt 151mm

Thực tế, những nghiên cứu cơ bản cho thấy rằng xe điện sẽ không bao giờ có thể thách thức được xe chạy bằng nhiên liệu lỏng thậm chí với nguồn năng lượng ắc quy khả quan Vì thế, những năm gần đây, nghiên cứu về công nghệ ô tô tiên tiến đã quay sang xe lai điện cũng như là xe dùng pin nhiên liệu

Trang 25

-16-

1.3.2.2 Pin nhiên liệu:

Mặc dù khái niệm Pin nhiên liệu được đề cập tới từ năm 1839 bởi Giáo sư Wales Sir William Robert Grove, nhưng do những hạn chế của công nghệ cũng như giá thành quá đắt mãi bắt đầu thập niên 1960 ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân

sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có năng suất cao Các tàu du hành

vũ trụ và tàu ngầm cần dùng năng lượng điện không thông qua động cơ đốt trong Pin nhiên liệu mới bắt đầu tập trung nghiên cứu mạnh mẽ Việt Nam chưa có nghiên cứu

về Pin nhiên liệu chủ yếu lĩnh vực mới này được các Viện, trường đại học trên thế giới đang từng bước nghiên cứu và đạt được một số kết quả khả quan Hiên cũng đang từng bước thương mại hóa nguồn năng lượng sạch này

- Các Nghiên cứu khoa học:

“Thiết kế phát triển loại Pin nhiên liệu methanol trực tiếp với công suất nguồn nền 300W” [1] được thực hiện bởi T I Valdez and S.R Narayanan, tại viện công nghệ Califomia Đề tài có những kết quả đạt được là hoàn thành cơ bản mô hình về pin nhiên nhiên liệu dùng methanol trực tiếp với công suất thiêt kế là 300W và tiến hành chế tạo thử nghiệm ở phòng thí nghiệm Jet Propulsion nhằm phục vụ cho Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ Pin bao gồm các bộ phận chính như bơm nhiên liệu, quạt cung cấp không khí, bộ chuyển đổi điện DC/AC Hoạt động được ở nhiệt độ thấp khoảng

45oC cung cấp khoảng 100 giờ, tổng hệ thống trọng lượng 55.6 kg, mật độ năng lượng khoảng 540Wr/kg…

Tiến sĩ Jay Tawee Pukrushpan đã mô hình hóa, điều khiển hệ thống nhiên liệu

và mô tả quá trình chuyển hóa dòng nhiên liệu DMFC trong hệ thống Pin nhiên liệu [22], tác giả trình bày đầy đủ quá trình vận chuyển dòng nhiên liệu, dòng không khí cung cấp từ các thiết bị cung cấp dưới dạng mạch và dùng chương trình Simulink mô phỏng quá trình vận chuyển giữa các bộ phận của Pin và thu thập các kết quả đạt được bằng các biểu đồ bằng cách cho xử lý các thông số trên phần mô phỏng Simulink của Mablat

[2] A.Jacob đã trình bày khái quát hệ thống Pin nhiên liệu nêu lên tính ưu việt của loại Pin này đồng thời nêu hướng phát triển của Pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp trở thành một loại nguồn cung cấp năng lượng dưới dạng một thiết bị xách tay linh động Tác giả cũng đã đưa ra phương án chọn lựa, thiết kế và chế tạo cụm stack DMFC (direct methanol fuel cell) đễ sử dụng trong phòng thí nghiệm và đưa ra

Trang 26

-17-

một vài cải tiến phù hợp hơn cho sản phẩm gần điều kiện sử dụng bên ngoài hơn Nó cũng đang trong quá trình thử nghiệm và kiểm tra

Trong báo cáo khoa học “ Phát triển Pin nhiên liệu tại FZJ” năm 2007 của Steinberger-Wilekens[23] Tác giả đã trình bày cơ bản nguyên lý và cấu tạo của Pin nhiên liệu ở hai loại: loại hoạt động ở nhiệt độ cao như SOFC và loại hoạt động ở nhiệt độ thấp như DMFC Kết quả đạt được là mô hình hóa và chế tạo tế bào SOFC hoạt động tới 4000 giờ hoạt động và mật độ năng lượng giảm từ 1% V/1000 giờ tại

cứu môi trường hoạt động của DMFC ở mức độ vài kW với mô hình thiết kế là 100 tế bào (cell) hoạt động khoảng 500 giờ và đã từng bước thương mại hóa bởi các doanh nghiệp như Jungheinrich, ebmPabst, Ritter Elektronik and AKG và đưa ra sản phẩm trình bày ở hội chợ Hanover ứng dụng trên xe nâng

“Bộ cung cấp năng lượng xách tay với công suất là 20W” của Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Los Alamos Trong bài nhóm các nhà khoa học của phòng đã đưa ra mô hình của Pin nhiên liệu DMFC công suất 20W ứng dụng cho lap top, điện thoại Trình bày khá hoàn chỉnh cấu tạo bộ Pin cho vật liệu mới này cùng các thiết bị hổ trợ

Bài báo “ Thiết kế micro pin nhiên liệu sử Methanol trực tiếp” [25] của nhóm tác giả M M Mench, Z H Wang, K Bhatia, and C Y Wang, trình bày tại hội nghị

Kỹ sư Cơ khí quốc tế tại New York tháng 11/2001 Bài báo nói lên tầm quan trọng của Pin nhiên liệu và tính cấp thiết của nó trong các ứng dụng với công suất nhỏ Các tác giả đạt được kết quả rất tốt là thiết kế mô hình được bộ Pin ở cấp độ micro mật độ

, hiệu điện thế 10 - 1V tương ứng dòng điện 0.1 -1A

Bài toán hiện đặt ra cho Pin nhiên liệu là nguồn cung cấp Hydro có thể bằng hai cách: Đó là dự trữ trong các bình chưa nhiên liệu hay tạo ra những vật liệu có khả năng hấp thụ hydro và tích trữ ở các dạng phân tử Để đi theo hướng thứ hai nhiều nhà khoa học trong đề tài khoa hoc và các bài báo liên quan đã cố gắng khai thác theo hướng này Ville Saarinen đã nghiên cứu về đặc tính của proton màng polymer và kiểm tra dòng điện phân phối tại Cathode[3] Jassim Sultan giới thiệu một cách tổng quan về công nghệ Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp không phải chiết xuất hydrogen chứa sẳn như truyền thống[4] Jeong Kyulee đã tiến hành Nghiên cứu Màng Pin nhiên liệu dùng Methanol trực tiếp từ hổn hợp trộn các vật liệu polymer[5] Nicholas William Deluca đã tiến hành nghiên cứu Nafation pha trộn cho các pin nhiên liệu Methanol trực tiếp[7] Aamir M.Sadiq tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và

Trang 27

-18-

thử nghiệm màng chuyển hóa hạt nhân của nhiên liệu Methanol trực tiếp[11] Mustafa Hakan Yildirim Phát triển loại vật liệu mới dành cho Pin nhiên liệu methanol trực tiếp[12]

- Sản phẩm Pin nhiên liệu trên thị trường:

Hiện nay Pin nhiên liệu còn là lĩnh vực khá mới mẽ, giá thành còn cao, còn những hạn chế như độ phức tạp của hệ thống Pin nhiên liệu, các cản trở về nhiệt độ và đang từng bước nghiên cứu để nâng cao mật độ năng lượng Ta tìm hiểu các đặc tính của Pin IRD DMFC31M021và Pin IRD DMFC51M0210 trong hình 3.24; 3.25

Hình 1.32: Pin IRD DMFC31M021 Các đặc tính của Pin IRD DMFC31M021:

Công suất sử dụng

Tổn thất nhiệt

Đặc tính thông số

Trang 28

Trang 29

-20-

Các đặc tính Pin IRD DMFC51M0210:

Công suất sử dụng

Trang 30

-21-

Trang 31

Chương 2 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

Như đã phân tích ở chương 1, phần tổng quan về xe y tế chạy điện ta

phân loại xe y tế chạy điện làm ba loại là: loại nhẹ, loại trung, loại nặng Như

vậy ta sẽ lập 3 phương án lựa chọn thiết kế kết cấu cho xe y tế chạy điện như

sau:

Phương án 2 (PA2): Loại trung

Phương án 3 (PA3): Loại nặng

Hình 2.1 Xe y tế chạy điện 2.1 Đánh giá các phương án theo các chỉ tiêu và lựa chọn phương

án:

Chúng ta sẽ đánh giá các chỉ tiêu để lựa chọn các phương án thích hợp

dựa trên các yêu cầu như:

- Đảm bảo an toàn về sức khỏe và sự thoải mái cho người sử dụng

- Hoạt động dễ dàng và linh hoạt

- Đoạn đường tối đa cho một lần sạt điện là khoảng 30 – 40 km

- Tốc độ cho phép tối đa là khoảng 6 – 7 km/h

- Tải trọng cho phép tối đa là khoảng 100 – 150 kg

- Độ dốc cho phép an toàn là khoảng 10 – 20 độ

- Giá thành đảm bảo về mặt kinh tế phù hợp đối với các đối tượng là

người lớn tuổi ở Việt Nam

Trang 32

-22-

Bảng 2.1 Hệ số mức độ quan trọng của các chỉ tiêu:

Trang 33

- Cụm trước: gồm tay lái, hệ thống càng lái…

- Cụm sau: gồm động cơ truyền động, bộ vi sai

- Cụm ghế

- Cụm khung

2.2.1 Cụm trước:

2.2.1.1 Tay lái:

Có hai loại tay lái:

- Dạng tay lái kiểu cung ( Hình 2.3)

- Dạng tay lái thẳng ( Hình 2.2)

Hình 2.2: Dạng tay lái thẳng

Trang 34

-24-

Hình 2.3: Dạng tay lái kiểu cung

- Cả hai loại tay lái về mặt kỹ thuật thì có lực lái như nhau

Những ưu và nhược điểm các loại tay lái:

- Dễ tuột tay người sử dụng khi lái

- Ít phù hợp với các đối tượng

- Mức độ thoải mái cao

- Khó tuột tay người sử dụng khi lái

Hệ thống càng lái ( hình 2.4) nhận moment quay từ tay lái và chuyển

đến bánh xe trước, làm thay đổi hướng đi của xe Trong hệ thống càng lái có

nhiều khớp điều chỉnh góc nghiêng và dài ngắn của càng lái Để tăng tính linh

động điều khiển của xe, ta chọn phương án thiết kế với càng lái có khớp quay

Nếu phân loại bánh xe theo số bánh trước gồm hai loại: một bánh ( đối

với xe y tế điện 3 bánh) và hai bánh (đối với xe y tế điện 4 bánh) Ở đây hướng

Trang 35

-25-

tới kết cấu gọn nhẹ, góc cua linh hoạt, dễ dàng điều khiển, dễ chế tạo, giá thành

thấp hơn loại xe 4 bánh Nên ta chọn phương án thiết kế với xe 3 bánh

Hình 2.4: Hệ thống càng lái và bánh xe trước 2.2.2 Cụm ghế:

Ghế ( hình 2.5 và 2.6) là bộ phận rất quan trọng, ảnh hưởng rất lớn về

mức độ thoải mái, an toàn sức khỏe đối với người sử dụng Tư thế ngồi không

thoải mái gây khó khăn cho việc hô hấp do đó hạn chế khả năng phồng to tối đa

của phổi và không thể duy trì sự uốn cong của xương sống bình thường

Vì vậy với những yêu cầu trên ta chọn phương án thiết kế ghế có khớp

quay để gác tay, đệm mút tựa lưng và đệm ngồi

Hình 2.5: Ghế đệm tay quay có thể xoay và điều chỉnh chiều cao

Trang 36

-26-

Hình 2.6: Ghế đệm tay quay 2.2.3 Cụm sau:

2.2.3.1 Động cơ truyền động:

Số động cơ quyết định hệ thống truyền động vì thế dựa và số lượng động cơ

truyền động ta phân làm hai loại:

- Hiệu suất cao

- Kết cấu đơn giản

- Chỉ truyền động cho các loại xe không chuyên dụng

- Chỉ truyền động đối những xe có ít cơ cấu truyền động

Trang 37

-27-

Hình 2.7: Hệ thống dẫn động với 1 động cơ Dùng hai động cơ:

Hình 2.8: Hệ thống truyền động với 2 động cơ

Các phương án dùng nhiều động cơ chỉ dùng cho những loại xe chuyên

dụng như xe leo cầu thang, ghế chạy điện, xe vượt chướng ngại vật…vì cần

vận hành cho những chuyển động với những cơ cấu khác nhau

Bảng 2.3 So sánh phương án 1 động cơ và 2 động cơ:

Số động cơ

Chỉ tiêu

Trang 38

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành hạ

- An toàn khi động cơ quá tải

- Làm việc êm, không gây tiếng ồn

Nhược điểm:

- Kích thước lớn

- Lực tác dụng lên trục lớn hơn bộ truyền bánh răng

- Tuổi thọ thấp

Trang 39

-29-

- Hiệu suất thấp

Hình 2.9: Bộ truyền bằng đai Truyền động bánh răng

Ưu điểm:

- Kích thướt nhỏ gọn, khi làm việc với công suất, số vòng quay và tỉ số

truyền ngang nhau

- Khả năng tải cao

Trang 40

-30-

Hình 2.10: Bộ truyền bánh răng Truyền động Trục vít-bánh vít

- Nhiệt đô làm việc cao, làm nóng các chi tiêt lân cận

- Hiệu suất truyền động thấp, làm việc trượt nhiều

Định dạng
Số trang	173
Dung lượng	9,98 MB