Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ

Nội dung text: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ

1. Bài báo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN XE GẮN MÁY BẰNG SIÊU TỤ RESEARCH DESIGN POWER SUPPLY SYSTEM FOR MOTORCYCLES BY SUPERCAPACITORS (1)PGS.TS. ĐỖ VĂN DŨNG, (2)KS. NGUYỄN KHẮC BẰNG (1) Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, (2) Trường ĐH Trà Vinh TÓM TẮT Nhằm mục đích tìm nguồn dự trữ năng lượng mới để thay thế cho accu có các chất không thân thiện với môi trường, đồng thời, đảm bảo đủ năng lượng để khởi động động cơ xe gắn máy. Siêu tụ điện là một giải pháp thay thế được cho accu. Hiện nay, trong nước chưa có những nghiên cứu về sử dụng siêu tụ điện để thay thế cho accu vì thế tác giả đã chọn và thực hiện “nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp điện cho xe gắn máy bằng siêu tụ”. Khi nghiên cứu, thiết kế tác giả đã tính toán chọn siêu tụ 350 F – 2,7 V để hoàn thành liên kết mạch điện, cải tạo lại hộp bình accu để lắp bộ siêu tụ. Đồng thời, thực nghiệm, đánh giá quá trình phóng, nạp và số lần khởi động động cơ của siêu tụ trên mạch điện của xe gắn máy Honda Dream II. Kết quả đạt được là thời gian nạp nhanh hơn 50 lần, đạt từ 5 đến 10 lần khởi động động cơ, trọng lượng nhẹ hơn 5,6 lần. Từ khóa: Siêu tụ điện, Năng lượng mới, Accu, Khởi động ABSTRACT Aims to find new reserves of energy to replace the battery with the substance is not environmentally friendly at the same time ensure enough power to start the engine motorcycles. Supercapacitors are an alternative solution to the battery. Currently, domestic, no studies on the use of super capacitors to replace the battery, Therefore, the author has chosen and implemented "Research, design electrical supply system motorcycle with supercapacitors". When researching, designing and calculations of supercapacitors 350 F - 2.7 V to complete the circuit link, improving the battery box for installation of the supercapacitors. At the same time, empirical evaluation process launcher, load and the number of engine starts of supercapacitors electrical circuit on the Honda Dream II motorcycle. The result is faster load times 50 times, reaching 5 to 10 times to start the engine, lighter weight battery 5.6 times. Keywords: Supercapacitors, New Energy, Battery, Boot I. GIỚI THIỆU Nhằm mục đích tìm nguồn dự trữ năng lượng mới để thay thế cho accu có nhược điểm căn bản là tuổi thọ thấp, dung lượng hạn chế, thời gian nạp nhiều giờ, loại accu tốt nhất hiện nay cũng chỉ làm việc không quá 5 năm, các sản phẩm của chúng không thân thiện với môi trường. Đồng thời chì là kim loại độc có thể gây tổn hại cho hệ thần kinh, rối loạn não và máu, gây sẩy thai ở phụ nữ và giảm khả năng sinh sản ở nam giới khi tiếp xúc lâu ngày với chì. 1
2. Bài báo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ Công nghệ vật liệu tiên tiến nano cho phép khắc phục được những nhược điểm này. Ngày nay người ta đã chế tạo được các siêu tụ điện có điện dung tới 5000 Fara, cao hơn điện dung của các tụ điện thông thường hàng tỷ lần, thời gian nạp chỉ khoảng 10 giây. Siêu tụ điện mở ra triển vọng ứng dụng vô cùng to lớn. Các đặc điểm của siêu tụ điện: Cho phép nạp rất nhanh (nạp đầy trong 10 giây), phóng nạp nhiều lần, phương pháp nạp đơn giản, tuổi thọ cao. 1. Trong nước Hiện nay trong nước chưa có những nghiên cứu về sử dụng siêu tụ điện để thay thế cho accu mà chỉ có nghiên cứu và ứng dụng tụ điện để làm nguồn điện cung cấp cho một số máy có công suất nhỏ, nạp điện bằng cách quay tay máy phát điện để nạp cho mạch điện. Điển hình là cách “Lưu giữ và điều hòa năng lượng trên mạch điện” của tác giả Đặng Hồng Quang. 2. Ngoài nước Ở một số nước phát triển đã thử nghiệm dung siêu tụ điện làm nguồn điện trong các phương tiện giao thông. Trung Quốc đã thử nghiệm xe bus chạy điện sử dụng siêu tụ điện (capabus) thay cho accu có khả năng nạp đầy trong khi đỗ tại bến lấy khách; Năm 2001 và 2002 nước Đức đã thử nghiệm tuyến xe bus công cộng sử dụng kết hợp diesel và siêu tụ điện. Từ năm 2003 tại Manheim Sadbahn, nước Đức đã vận hành tuyến đường đường sắt nhẹ sử dụng siêu tụ điện để tích năng lượng phanh ; CAP-XX Ltd của Úc đang phát triển siêu tụ điện để cung cấp hỗ trợ năng lượng cao để ô tô hệ thống dừng-khởi động, bảo vệ và kéo dài tuổi thọ hoạt động của pin của xe hơi trong quá trình này; Phát minh của một nữ sinh trung học tại Mỹ tạo ra một thiết bị có tên gọi là “siêu tụ điện” (supercapacitor), cho phép người dùng sạc pin cho điện thoại chỉ trong vòng 20 giây, và thiết bị này có thể sử dụng nhiều lần trong một thời gian dài Từ những nhược điểm của accu chì và đặc điểm nổi bật của siêu tụ điện cùng với những nghiên cứu trước đó trong và ngoài nước nên cần thiết có sự nghiên cứu dùng siêu tụ điện để thay thế cho accu. Vì thế tôi chọn và thực hiện công việc “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ”. II. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu về hệ thống điện, đèn còi xe Honda Dream II, kết cấu, vị trí lắp siêu tụ. - Nghiên cứu, tính toán dùng siêu tụ điện thay thế cho accu trên xe gắn máy. - Thực nghiệm, đánh giá hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ. III. Nghiên cứu, tính toán dùng siêu tụ điện thay thế cho accu trên xe gắn máy 1. Thông số kỹ thuật đặc trưng của siêu tụ điện Khi sử dụng tụ điện phải biết 2 thông số chính của tụ điện là: - Điện dung C (đơn vị là F, µF). - Điện thế làm việc - WV (đơn vị là V). 2. Các đặc điểm của siêu tụ điện So với pin và accu thông thường siêu tụ điện có những đặc điểm sau: - Cho phép nạp rất nhanh (nạp đầy trong khoảng 10 giây). - Cho phép phóng nạp nhiều lần (hàng vạn lần) so với từ 200 đến 1000 lần của accu. 2
3. Bài báo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ - Phương pháp nạp đơn giản, không cần mạch cảnh báo nạp đầy, khi quá tải không gây ảnh hưởng tới tuổi thọ. - Tuổi thọ cao, trên 10 năm. 3. Sơ đồ khối khi thay thế siêu tụ cho accu Hình 1: Sơ đồ thuật toán 4. Tính toán chọn siêu tụ Giữ nguyên máy khởi động, điện trở cuộn dây khoảng 1 đồng thời đảm bảo cho mỗi lần khởi động là 3 giây và khởi động được 5 lần (15 giây).  15 Ta có:  = R . C C 15 F R 1 Để đảm bảo đủ điện dung cho 5 lần khởi động động cơ và dự trữ thì ta thực nghiệm chuyển đổi bằng cách ghép 6 siêu tụ điện có điện dung 350 F với điện áp 2,7 V nối tiếp với nhau để có điện áp phù hợp với điện áp của máy khởi động của xe gắn máy là 12 V. Siêu tụ điện dùng để thực nghiệm 350 F – 2,7 V. Dung lượng của siêu tụ khi mắc nối tiếp: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 C C1 C2 C3 C4 C5 C6 350 350 350 350 350 350 C = 350/6 = 58,3 F Điện áp làm việc là: WV = 2,7 + 2,7 + 2,7 + 2,7 + 2,7 + 2,7 = 16,2 V. Hệ thống điều khiển khởi động và máy khởi động động cơ không thay đổi. 5. Sơ đồ mạch liên kết siêu tụ Hình 2: Mạch in khi liên kết siêu tụ 3
4. Bài báo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ IV. Thực nghiệm hệ thống cung cấp điện cho xe gắn máy bằng siêu tụ 1. Lắp siêu tụ Dùng hộp bình đã được sửa chữa lại cho phù hợp với kích thước của mạch liên kết các siêu tụ điện. Lắp hộp bình vào đúng vị trí cũ trên xe gắn máy Honda Dream II. Lắp thanh kê có kích thước như sau (Cao 25mm, rộng 50mm, dài 110mm) vào hộp bình và dán dính lại với hộp bình. Nhằm nâng cao cho vỉ mạch liên kết các siêu tụ điện không bị vướng bởi nắp ốp ngoài của hộp bình accu cũ. Đưa các siêu tụ đã liên kết lại vào trong hộp đựng mới. Lắp đúng dây điện vào các cọc dương (+) và âm (-) của siêu tụ. Đậy nắp ốp ngoài và vặn các bulông liên kết lại. Lắp cốp xe lại. Hình 3: Vị trí siêu tụ trong hộp sau khi lắp 2. Kết quả thực nghiệm a) Thời gian nạp điện ở chế độ không tải là 10 phút, có bật đèn chiếu sang ban đêm là 15 phút thì đạt điện áp là 14 V. b) Thời gian tự phóng điện Chế độ thử nghiệm: Đo kiểm và ghi giá trị điện áp hằng ngày. Kết quả - Ngày thứ 1: 14,0 V - Ngày thứ 6: 11,85 V - Ngày thứ 2: 12,76 V - Ngày thứ 7: 11,70 V - Ngày thứ 3: 12,47 V - Ngày thứ 8: 11,56 V - Ngày thứ 4: 12,22 V - Ngày thứ 9: 11, 42 V - Ngày thứ 5: 12,0 V - Ngày thứ 10: 11,30 V 4
5. Bài báo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ c) Số lần khởi động 5 đến 10 lần Thử nghiệm khởi động động cơ nổ rồi tắt máy, khởi động lại cho động cơ nổ tiếp tục thì ta khởi động 10 lần. Thử nghiệm khởi động động cơ không nổ thì khởi động được 5 lần mỗi lần khởi động 3 giây. V. Kết luận và kiến nghị Sau khi thực nghiệm chuyển đổi dùng siêu tụ điện thay thế cho accu đã đạt được kết quả là thời gian nạp nhanh hơn 50 lần so với accu, số lần khởi động động cơ đạt 5 đến 10 lần (mỗi lần từ 3 đến 5 giây), trọng lượng nhẹ hơn 5,6 lần so với accu. Các ngành chức năng, nhà khoa học cải thiện hơn nữa tính năng của siêu tụ để giảm giá thành sản phẩm nhằm thương mại hóa đến người sử dụng nên chọn siêu tụ thay cho accu nhằm giảm tác hại đến môi trường. Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ kết hợp hệ thống kiểm soát và tự ngắt nguồn điện nạp cho siêu tụ khi điện áp trên siêu tụ đạt đến giá trị định mức nhằm kéo dài tuổi thọ cho siêu tụ. Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện bằng siêu tụ cho các loại động cơ ô tô, động cơ chạy bằng điện hiện nay Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện bằng siêu tụ cho xe gắn máy và đánh giá lại toàn bộ hệ thống điện trên xe. TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1]. Việt Trường – Vân Sơn, Kỹ thuật chuyên điện xe gắn máy, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, 2002. [2]. PGS.TS. Đỗ Văn Dũng, Điện động cơ & Điều khiển động cơ, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2013. [3]. Ths.Phạm Thanh Huyền – Ths.Đỗ Việt Hà, Giáo trình Linh kiện điện tử,. NXB Thông tin Bưu điện – 2008. [4]. Đặng Hồng Quang, Lưu trữ và điều hòa năng lượng trên mạch điện, Nhà xuất bản trẽ, 2001. [5]. Nguyễn Tấn Phước, Linh kiện điện tử, Nhà xuất bản tổng hợp Tp. Hồ Chí Minh, 2003. [6]. Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh, Nguồn năng lượng cho ô tô điện, Tạp chí Tự động hóa Ngày nay, số 129, tháng 8/2011, trang 34 - 37. [7]. Các thông tin trên mạng Internet. TIẾNG NƯỚC NGOÀI [8]. Maxwell Technology Co., BCAP0350 E270 T11 10 Ultracapacitor Module Datasheet, [9]. Website: 5
6. Bài báo khoa học: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ Thông tin liên hệ: Họ tên: Nguyễn Khắc Bằng Đơn vị: Trường Đại học Trà Vinh Điện thoại: 0945.897.141 Email: nkbang20@yahoo.com.vn 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.