Bài báo trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu, thiết kế, phát triển một mẫu ô tô điện cỡ nhỏ kết hợp nguồn năng lượng mặt trời (NLMT) có thể chạy trong một khuôn viên khu dân cư. Ô tô điện có kết cấu nhỏ gọn, vận hành đơn giản, tiết kiệm năng lượng, không gây ô nhiễm môi trường với chi phí rẻ. Ô tô điện được dẫn động bằng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền xích.
Nguồn NLMT được lắp trên nóc xe cung cấp năng lượng cho hệ thống điện thân xe hoạt động. Hệ thống an toàn được thiết kế trên xe bao gồm hệ thống cảnh báo va chạm sớm, hệ thống đèn chiếu sáng thông minh. Xe được thiết kế có thể chạy với vận tốc 30 km/h và đầy đủ các tính năng của một ô tô hiện đại.
• Thiết kế bộ sạc dùng nguồn điện mặt trời cho đèn tín hiệu và đèn giao thông sử dụng hệ thống điều khiển không dây
• Nghiên cứu, đánh giá và thiết kế tiền khả thi hệ thống điện mặt trời áp mái tại trường học
1.1 Nguyên lý làm việc
Động cơ điện được cung cấp nguồn năng lượng từ ắc quy hoặc các dòng xe mới sử dụng pin llithium- ion, thông qua hệ thống truyền lực truyền mô men tới bánh xe chủ động. Động cơ điện được điều khiển bởi một bộ điều khiển động cơ riêng biệt, tín hiệu điều khiển được lấy từ bàn đạp ga (hoặc tay ga) để xác định tốc độ tương ứng, dùng mạch đảo chiều dòng điện để đảo chiều quay động cơ khi lùi xe. Ắc quy được nạp điện từ hai nguồn: Tấm pin NLMT và nguồn điện dân dụng 220V thông qua bộ sạc. Những hệ thống khác trên xe hoạt động tương tự như một chiếc ô tô bình thường.
+ Bộ điều khiển sạc
Thiết bị trung gian giữa các tấm pin mặt trời và các bình ắc quy hoặc pin llithium – ion lưu trữ. Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển sạc bao gồm nhiều chế độ bảo vệ cho pin hoặc ăc quy (bao gồm quá tải, sạc quá mức, ngược cực pin, ngăn dòng điện ngược từ ắc quy hoặc pin lên tấm pin NLMT vào ban đêm), bảo vệ và nâng cao tuổi thọ của ắc quy và tấm pin NLMT.
+ Động cơ điện
Cung cấp mô men cho bánh xe chủ động. Có hai loại động cơ điện thông dụng sử dụng trên xe điện có sử dụng NLMT: Động cơ điện xoay chiều (AC) và động cơ điện một chiều (DC).
+ Ắc quy hoặc Pin LiLithiu- ion
Trên xe điện ắc quy hoặc Pin LiLithiu- ion bộ phận lưu trữ năng lượng là nguồn năng lượng chính, dùng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện và cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khác ngay cả khi động cơ điện không làm việc.
+ Pin năng lượng mặt trời
Là loại pin phát sinh điện áp khi được chiếu sáng, nó chính là nguồn điện để nạp cho ắc quy khi xe hoạt động ở ngoài trời. Pin NLMT là thiết bị chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào. Tấm pin NLMT được làm bằng nhiều tế bào quang điện có nhiệm vụ tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời. Chất bán dẫn silicon được biết đến là một chất bán dẫn. Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, chất bán dẫn hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và là chất dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Với tính chất như vậy silicon là một phần quan trọng trong cấu tạo của pin NLMT. Silicon có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp tạo ra chất bán dẫn. Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài 1 nguyên tử silicon chỉ có một nữa electron cần thiết nên nó sẽ bám chặc các nguyên tử khác để tìm cách trung hòa điện tích.
+ Bộ điều khiển động cơ điện bằng điện tử: (hay còn gọi là bộ điều tốc)
Mạch này có chức năng cấp dòng điều khiển động cơ điện chuyển động theo tốc độ mong muốn, đổi chiều động cơ điện cho trường hợp lùi xe, tương quan vận tốc của hai bánh xe chủ động trong và ngoài khi xe quay vòng.
1.2 Nghiên cứu, tìm hiểu phân tích về động cơ điện một chiều DC
Nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện. Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu. Nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:
I = (Vnguon – Vphandiendong)/Rphanung
Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:
P = I * (Vphandiendong)
Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính. Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor. Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:
E = K . omega (1)
V = E + Rư . Iư (2)
M = K Φ Iư (3)
Trong đó:
– Φ: Từ thông trên mỗi cực(Wb)
– V: Điện áp phần ứng (V)
– Rư: Điện trở phần ứng (Ohm)
– omega: tốc độ động cơ(rad/s)
– M: moment động cơ (Nm)
– K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ
1.3. Yêu cầu về động cơ cho ô tô điện
Động cơ truyền động cho ô tô điện có những yêu cầu riêng, có những điểm khác so với động cơ dùng trong công nghiệp. Nhìn chung, loại động cơ này cần có những yêu cầu được phân tích dưới đây.
a. Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất lớn.
Động cơ truyền động cho ô tô điện thường có công suất từ khoảng 30 kW cho tới 100 kW và hơn thế nữa. Với công suất này, nếu sử dụng động cơ thông thường trong công nghiệp, khối lượng động cơ sẽ rất lớn, làm tăng tự trọng của xe (khối lượng net), dẫn đến tiêu tốn năng lượng, giảm quãng đường đi được mỗi lần nạp điện (một thông số rất quan trọng của ô tô điện).
b. Dải điều chỉnh tốc độ rộng
Xe ô tô thông thường có dải tốc độ từ 0 đến khoảng 150 km/h, điều này đòi hỏi động cơ phải hoạt động trong một dải tốc độ rất rộng.
c. Đặc tính làm việc phù hợp với đặc tính của ô tô
Ta biết rằng, khi ô tô khởi động và chạy ở tốc độ thấp, mômen sinh ra cần phải lớn, khi xe chạy ở tốc độ cao thì chỉ cần mômen nhỏ. Động cơ điện có hai vùng làm việc:
– Vùng I: dưới tốc độ cơ bản (vùng mômen không đổi)
– Vùng II: trên tốc độ cơ bản (vùng công suất không đổi)
Động cơ trong công nghiệp làm việc ở vùng I nhiều hơn vùng II.
Nhóm nghiên cứu tính toán chọn công suất động cơ cho xe điện sử dụng NLMT, áp dụng cải tiến trên một khung sườn xe sân golt 4 bánh có sẳn Model LT A627.2+2. Thực hiện tính toán chọn động cơ cho xe với những yêu cầu:
Xe ô tô điện di chuyển với tốc độ tối đa Vmax = 30km/h
Xe ô tô điện có thể chở 4 người với tải trọng cả xe 700kg
Xe ô tô điện di chuyển linh hoạt trên địa hình có độ dốc 10%
Xe ô tô điện có thể đi được tối đa quãng đường 80 -100km
Bố trí tổng thể xe điện NLMT:
Bảng 1: Các thông số yêu cầu kỹ thuật của xe ô tô điện mặt trời
3.1 Chọn Pin NLMT
Loại pin NLMT được lựa chọn để lắp trên xe là loại Poly 150W với những thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 2: Thông số kỹ thuật pin NLMT
Dựa vào diện tích mái trên xe có, ta chọn lắp đặt 2 tấm pin Poly 150W. Tổng khối lượng của các tấm pin và hệ thống tự động điều chỉnh: 12 x 2 = 24 (Kg).
3.2. Chọn bộ điều khiển sạc pin NLMT
Từ thông số của 2 tấm Pin NLMT Poly 150W qua quá trình tính toán tác giả chọn bộ điều khiển sạc NLMT, PWM 20A – 12v/24v Auto với những thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 3: Thông số kỹ thuật bộ điều khiển sạc pin NLMT PWM
3.3 Tính toán chọn hệ thống lưu trữ năng lượng cho xe ô tô điện
Hiện nay có các loại: ắc quy axít chì, ắc quy NiMH, ắc quy Li-ion, ắc quy Li- Polyme. Đối với một chiếc xe chạy năng lượng mặt trời thì yếu tố trọng lượng rất quan trọng. Do đó, mặc dù giá thành cao so với các loại khác nhưng trọng lượng của ắc quy Lithium Lifepo4 nhỏ hơn so với các loại khác nhưng có dung lượng cao.
Dung lượng của ắcquy (Pin Lithium – ion): AH
Trong đó:
AH: dung lượng của ắcquy (Ah)
W: công suất (W)
T: thời gian cần cấp điện (h)
V: điện áp (V)
Pf: Hiệu suất của bộ điều khiển
3.3.1 Kết quả tính toán chọn dãy công suất động cơ
3.3.2 Tính chọn dãy dung lượng ắc quy dùng cho xe điện
Từ quá trình tính toán xe ô tô điện yêu cầu có khả năng di chuyển quãng đường từ 80 – 100km, với công suất tính toán động cơ: 2200W vận hành chế độ điện áp 72V. Tác giả quyết định chọn 6 bộ Pin Lithium – Ion Lifepo4 12V – 120Ah. Với những thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 4: Thông số kỹ thuật của Pin Lithium Lifepo4 12V – 120Ah
Với 4 bộ Pin Lithium – Ion Lifepo4 12V – 120Ah với trọng lượng 8,4 x 6 = 50,4 (kg)
3.4 Tính toán chọn động cơ
Để chọn động cơ cho xe phải dựa trên phương trình cân bằng lực.
+ Công suất cần thiết của động cơ dùng để tạo ra lực kéo (kí hiệu Pk).
+ Lực cản lăn của mặt đường (Pf)
+ Lực cản lên dốc (Pi)
+ Lực cản gió (Pω)
+ Lực quán tính khi tăng tốc (Pj)
Phương trình cân bằng lực được viết như sau:
Pk = Pf + Pi + Pω + Pj
Trong đó:
Lực cản lăn Pf = f.G
Với f là hệ số cản lăn (trên đường nhựa f = 0,02), G là tải trọng của xe là 6860 (N), khi đó Pf =6860 x 0,02= 137,2 (N).
Lực cản lên dốc Pi = G.sinα
Với sinα là độ dốc của mặt đường, độ dốc 10% (sinα = 0,1), khi đó Pi = 6860 x 0,1 = 686 (N).
Động cơ được chọn là loại động cơ điện một chiều có chổi than DC-48 2.2 Series (kích từ độc lập) được thiết kế dành riêng cho xe điện với những thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 5: Thông số kỹ thuật động cơ điện 2200W
Bảng 6: Thông số kỹ thuật bộ điều khiển tốc độ động cơ Curtis 1209M
Nhóm nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu và phát triển ô tô điện kết hợp nguồn năng lượng mặt trời” tìm hiểu các loại xe điện, nghiên cứu các bộ phận quan trọng của xe điện như accu, động cơ điện, các bộ biến đổi xung áp cấp cho động cơ DC, pin NLMT, bộ sạc pin năng lượng. Với sức ép giảm thiểu khí thải của của dòng xe sử dụng năng lượng hóa thạch, xe điện là xe của thế kỷ 21, xe của tương lai. Với ưu điểm về công nghệ vượt trội về đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường, chỉ số SE, SP, vòng đời cao ắc quy Lithium là lựa chọn cho các dòng xe điện hiện nay.
[1]. Hori, Y.; “Future vehicle society based on electric motor, capacitor and wireless power supply”, Power Electronics Conference (IPEC), 2010 International, pp.2930-2934, 21-24 June 2010.
[2]. Xue, X.D.; Cheng, K.; Cheung, N.C.; “Selection of Electric Motor Drives for Electric Vehicles”, Power Engineering Conference, 2008. AUPEC ’08, Australasian Universities, pp.1-6, 14-17 Dec. 2008.
[3]. B.K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, 2001.
[4]. Bao-Huy Nguyen, Cao-Minh Ta, “Finite Element Analysis, Modeling and Torque Distribution Control for Switched Reluctance Motors with High Non-linear Inductance Characteristics”, IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC 2011), pp. 703-708, Niagara Falls, 15 –18 May 2011.
[5]. CaoMinh Ta, Shuji Endo, “Motor and Drive Control Device Therefor“, US7,339,346B2 (US Patent), Mar. 4, 2008.
[6]. Cao-Minh Ta, “Pseudo-vector Control – An Alternative Approach for Brushless DC Motor Drives”, IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC 2011), pp. 1543-1548, Niagara Falls, 15 –18 May 2011.
[7]. Jun Kang, “Sensorless Control of Permanent Magnet Motors”, Control Engineering, Vol. 57, No. 4, April 2010.
[8]. Shigeo Morimoto, Masayuki Sanada, Yoji Takeda, “Inverter-Driven Synchronous Motors for Constant Power”, IEEE Industry Applications Magazine, Vol. 2, No. 6, pp. 18-24, November/December 1996.
[9]. Shigeo Morimoto, Yoji Takeda, Takao Hirasa, Katsunori Taniguchi, “Expansion of Operating Limits for Permanent Magnet Motor by Current Vector Control Considering Inverter Capacity”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 26, No. 5, pp. 866-871, September/October 1990.
[10]. Nguyễn Hữu Trung, Thiết kế và thi công xe máy điện hiệu suất cao sử dụng luân phiên hai nguồn năng lượng “Future Energy”, Tạp chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh.
Nguyễn Thị Nguyệt Ánh (Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường TPHCM)
Nguyễn Đình Long (Trường ĐH Đồng Nai)
Nguyễn Hùng (Trường Đại học Công nghệ TPHCM)
Nguyễn Đức Thắng (Trường ĐH Khoa học tự nhiên TPHCM)
