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

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN KHẮC BẰNG XE GẮN MÁY BẰNG SIÊU TỤ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116... THÀNH PHỐ HỒ C

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN KHẮC BẰNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

CUNG CẤP ĐIỆN XE GẮN MÁY BẰNG SIÊU TỤ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

S K C0 0 4 3 8 7

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN KHẮC BẰNG

XE GẮN MÁY BẰNG SIÊU TỤ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN KHẮC BẰNG

“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

XE GẮN MÁY BẰNG SIÊU TỤ”

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Nguyễn Khắc Bằng Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/4/1975 Nơi sinh: Cửu Long

Quê quán: Đông Bình – Bình Minh – Vĩnh Long Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trung tâm nghiên cứu thích ứng biến đổi

khí hậu & Hỗ trợ phát triển cộng đồng - Trường Đại học Trà Vinh

Điện thoại cơ quan: 0743.862.357 (DĐ: 0945.897.141) Điện thoại nhà riêng:

E-mail: nkbang20@yahoo.com.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ ……

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ …/2005 đến …/ 2007

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học SPKT TP Hồ Chí Minh

Ngành học: Cơ khí động lực

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Chuyên đề Động cơ; Chuyên đề

điện-điện tử ô tô; Chuyên đề ô tô

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:

Người hướng dẫn:

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ …/2012 đến …/ 2014

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học SPKT TP Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống

cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ”

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 26/10/2014 tại Trường

Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

11/2007 đến

12/2010

Chi nhánh huyện Tiểu Cần – Trường Đại học Trà Vinh

Chuyên viên phụ trách đào tạo, thiết bị

01/2011 đến

9/2013

Chi nhánh huyện Tiểu Cần – Trường Đại học Trà Vinh Phó Trưởng Chi nhánh 10/2013 đến

12/2013

Chi nhánh huyện Tiểu Cần – Trường Đại học Trà Vinh Quyền Trưởng Chi nhánh

01/2014 đến

nay

Trung tâm nghiên cứu thích ứng biến đổi khí hậu & Hỗ trợ phát triển cộng đồng – Trường Đại học Trà Vinh

Phó Giám đốc

IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

………

………

………

………

………

Trà Vinh, ngày tháng năm 2014

Người khai

Nguyễn Khắc Bằng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

CẢM TẠ

Thông thường, khi muốn tích điện chúng ta đều nghĩ đến pin hoặc accu là

những nguồn điện hóa quen thuộc Các nguồn điện hóa mặc dù rất phổ biến nhưng

có nhược điểm chung là có dung lượng hạn chế, các sản phẩm phế thải của chúng

không thân thiện với môi trường Thời gian nạp của các accu đòi hỏi nhiều giờ

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

Được sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG, người thực hiện

đề tài đã chọn đề tài luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp

điện xe gắn máy bằng siêu tụ" Đây là một đề tài có tính hiện thực và nếu nghiên

cứu thành công nó sẽ góp phần giúp giảm chi phí cho người sử dụng xe gắn máy,

giảm mức độ ô nhiễm môi trường

Người thực hiện đề tài xin bày tỏ lòng biết ơn về sự hướng dẫn tận tình của

Thầy PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG đã định hướng và giúp đỡ trong quá trình nghiên

cứu thực hiện đề tài Xin chân thành cảm ơn Quý thầy phản biện đề tài đã giành

thời gian cho các ý kiến đáng quý giúp đề tài hoàn thiện Người thực hiện đề tài

cảm ơn Quý Thầy Cô trong Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí Động

lực Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; quý thầy cô

tham gia hướng dẫn các môn học đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho người

thực hiện đề tài hoàn thành nhiệm vụ học tập và thực hiện hoàn thành đề tài này

Người thực hiện đề tài rất mong nhận được các ý kiến quý báu của quý Thầy,

Cô và các bạn đồng sự giúp cho đề tài được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Nguyễn Khắc Bằng

TÓM TẮT

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 hoàn hảo 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

Công nghệ vật liệu tiên tiến nano cho phép khắc phục được những nhược

điểm của accu Ngày nay, người ta đã chế tạo được các siêu tụ điện có điện dung tới

5000 Fara với các đặc điểm là thời gian nạp rất nhanh, cho phép phóng nạp nhiều

lần và có tuổi thọ cao

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 đã chọn thực hiện đề

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

Khi nghiên cứu, thiết kế và tính toán chọn siêu tụ 350 F – 2,7 V để hoàn

thành liên kết mạch điện, cải tạo lại hộp chứa 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

Sau khi thực nghiệm chuyển đổi dùng siêu tụ điện đã đạt được kết quả là thời

gian nạp nhanh hơn 50 lần so với accu, 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 5,6 lần so với accu

Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện chỉ nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung

cấp điện dùng để khởi động cơ trên xe Honda Dream II nên chưa phù hợp với các

loại xe gắn máy khác, phần thiết kế hộp đựng siêu tụ điện chưa được thẩm mỹ mà

chỉ dùng để thực nghiệm

ABSTRACT

Aims to find new reserves of energy to replace the battery has fundamental

drawbacks: low life expectancy, limited battery capacity, long charge times, the

most perfect type of battery currently only work no more than 5 years, our products

are not environmentally friendly At the same time, lead is a toxic metal that can

cause damage to the nervous system, brain and blood disorders, abortifacient in

women and decreased potentia generandi in male chronic exposure to lead

Technology of advanced nano materials allows to overcome the drawbacks

of battery Today, we have built a super capacitor to 5000 Fara capacitance the

characteristics with the load time is very fast, allowing the discharge and charging

many times, long service life

From the disadvantages of lead battery and features of supercapacitors,

together with previously studies domestic and foreign, Should have research

necessary to use supercapacitors to replace the battery Therefore, I chose to

implement the project "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

After the conversion test using supercapacitors have achieved results faster

load time compared to batteries 50 times, the number of times that they can start the

engine shutdown restart 10 times, start the engine not explosion is 5 times, lighter

weight than battery 5.6 times

However, in the implementation process only study designed power supply

system to start the engine on the Honda Dream II should be not suitable for other

types of motorcycles, box design supercapacitor is not aesthetically, just for testing

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG

Quyết định giao đề tài

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và

1.1.1 Tổng quan về hệ thống điện trên xe gắn máy 1

1.1.2 Nguồn điện trên xe gắn máy 1

1.2.1.1 Nguồn điện xoay chiều (AC) 1

1.1.2.2 Nguồn điện một chiều (DC) 3

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 10

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 10

1.3.2 Giới hạn của đề tài 10

1.4 Phương pháp nghiên cứu 10

2.1 Nguồn điện trên xe gắn máy 11

2.1.1 Nguồn điện xoay chiều 11

2.1.1.1 Cấu tạo máy phát điện xoay chiều 11

2.1.1.2 Nguyên lý sinh ra điện 11

2.1.1.3 Nguồn điện xoay chiều được đổi thành điện một chiều 11

2.1.2 Accu (nguồn điện một chiều) 12

2.1.2.2 Accu Lithium – ion 13

2.2 Hệ thống khởi động bằng điện 15

2.2.1 Cấu tạo chung của hệ thống 15

2.2.1.1 Sơ đồ khởi động của một số loại xe gắn máy hiện nay 15

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 19

2.2.3 Những hư hỏng thường xảy ra của hệ thống khởi động điện 20

2.3.1 Cấu tạo của tụ điện 20

2.3.2 Đặc tính của tụ đối với dòng điện một chiều 21

2.3.2.6 Thông số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện 23

2.3.3.1 Tụ oxit hóa (thường gọi là tụ hóa) 24

2.3.3.3 Tụ giấy 25

2.3.3.7 Các trị số điện dung tiêu chuẩn 26

2.3.4 Đặc tính nạp điện, xả điện của tụ 26

2.3.5 Đặc tính của tụ điện đối với dòng điện xoay chiều 28

2.3.5.2 Sức cản của tụ điện đối với AC 29

2.3.5.3 Góc pha giữa điện áp và dòng điện 30

2.3.5.4 Áp dụng định luật Ohm cho mạch điện thuần dung 31

2.3.6 Các kiểu ghép tụ điện 31

2.3.6.1 Tụ điện ghép nối tiếp 31

2.3.6.2 Tụ điện ghép song song 33

2.3.7 Các ứng dụng của tụ điện 33

2.3.7.1 Tụ dẫn điện ở tấn số cao 33

2.3.7.2 Tụ nạp xả điện trong mạch lọc 34

2.4.1 Siêu tụ điện graphene 40

2.4.3 Siêu tụ điện thể rắn 45

2.4.4 Các loại siêu tụ điện khác 46

Chương 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

3.1 Xe gắn máy thực nghiệm: xe Honda Dream II 53

3.1.1 Các thông số cơ bản của hệ thống điện xe gắn máy Honda Dream II 53

3.1.2 Trị số các thiết bị và bóng đèn 54

3.2 Vị trí các bộ phận và màu dây chuẩn trên xe Honda Dream II 55

3.2.1 Moteur đề bắt liền với catte trái và ở phía trên ra hai dây 55

3.2.2 Mâm điện bắt ở catte đề gồm 3 cuộn dây 55

3.2.3 Khóa công tắc máy bố trí nách tay lái bên phải ra bốn dây 55

3.2.4 Nút đề, công tắc đèn chính và công tắc thắng tay bố trí trên tay

3.2.4.1 Nút đề ra hai dây 55

3.2.4.2 Công tắc đèn chính ra ba dây 55

3.2.4.3 Công tắc thắng tay ra hai dây 56

3.2.5 Công tắc đèn pha, cốt, nút ấn còi và công tắc signal bố trí tay cầm

3.2.5.1 Công tắc pha, cốt ra 3 dây 56

3.2.5.2 Nút ấn còi ra hai dây 56

3.2.5.3 Công tắc signal ra 3 dây 56

3.2.7 Diode tiết chế (regulator) ra bốn dây 57

3.3 Qui luật đi dây từng mạch xe Honda Dream II 57

3.4 Nghiên cứu, tính toán dùng siêu tụ điện thay thế accu trên xe gắn máy 63

3.4.1 Sơ đồ khối khi thay thế siêu tụ cho accu 63

3.4.2 Thông số kỹ thuật đặc trưng của siêu tụ điện 64

3.5.1 Sơ đồ mạch liên kết siêu tụ 69

3.5.1.1 Sơ đồ liên kết siêu tụ 69

3.5.1.2 Sơ đồ mạch in liên kết siêu tụ 70

3.5.2 Thiết kế lại vị trí lắp siêu tụ điện 70

3.5.2.1 Kích thước của hộp chứa bình accu cũ 70

3.5.2.2 Thiết kế lại hộp bình để lắp siêu tụ điện 71

Chương 4 THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

4.1 Mục đích của thực nghiệm 72

4.2 Thực nghiệm chuyển đổi hệ thống điện trên xe gắn máy bằng siêu tụ 72

4.2.1 Thực hiện lắp siêu tụ 72

4.2.2 Sơ đồ toàn mạch điện cho xe gắn máy bằng siêu tụ 73

4.3 Đánh giá sự phóng, nạp của siêu tụ trên mạch điện của xe gắn máy khi

4.3.1 Thử nghiệm thời gian nạp điện 75

4.3.3 Thử nghiệm số lần khởi động động cơ 76

4.3.3.1 Số lần khởi động cho động cơ nổ 76

4.3.3.2 Số lần khởi động không cho động cơ nổ 76

4.4 So sánh thời gian phóng, nạp của siêu tụ điện so với accu 77

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC (Alternating Current)

DC (Direct Current)

ISEF (International Science and Engineering Fair)

CNN (Cable New Network)

LED (Light Emitting Diode)

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

NEC (Nippon Electric Company)

PTFE (Polytetrafluoroethylene)

UCR (University of California, Riverside)

CNCS (Centre National de la Recherche Scientifique)

MIT (Massachusetts Institute of Technology)

EDLC (Electrical double-layer capacitors)

CDI (Capacitor Discharged Ignition System)

AH (ampere-hour)

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1: Công nhân làm chì tại một xưởng gia công (Ảnh: CTV) 4

Hình 1.2: Bụi chì bám kín từ đầu đến chân người công nhân (Ảnh: CTV) 5

Hình 2.1: Quá trình phóng điện của accu 14

Hình 2.2: Quá trình nạp điện của accu 15

Hình 2.3: Sơ đồ khởi động điện xe Super Dream 16

Hình 2.4: Sơ đồ khởi động điện xe Future FI 16

Hình 2.5: Sơ đồ khởi động điện xe AirBlade FI 17

Hình 2.6: Sơ đồ các chi tiết 17

Hình 2.7: Cấu tạo của tụ điện 20

Hình 2.23: Hai tụ điện ghép nối 32

Hình 2.24: Hai tụ điện ghép song 33

Hình 2.30: Cấu tạo tụ điện thông thường 36

Hình 2.31: Cấu tạo siêu tụ điện 37

Hình 2.35: Mật độ năng lượng trong các pin, accu, siêu tụ điện 39

Hình 2.36: Ảnh chụp của kính hiển vi điện tử của các lớp graphene cong 40

Hình 2.37: Ảnh chụp TEM của các lớp graphene phẳng có những chổ chồng

Hình 2.38: Các sợi giấy nhìn qua kính hiển vi điện tử (hình nhỏ) và mực

phủ ống nano cácbon (Ảnh: Tạp chí Science) 44

Hình 3.6: Sơ đồ mạch đèn số và báo xăng 62

Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán 63

Hình 3.8: Hình dáng của siêu tụ 350 F – 2,7 V 66

Hình 3.9: Kích thước các chi tiết của siêu tụ 350 F – 2,7 V 66

Hình 3.10: Sơ đồ liên kết siêu tụ 69

Hình 3.11: Mạch in khi liên kết siêu tụ 70

Hình 3.12: Kích thước bên trong hộp bình accu 70

Hình 3.13: Kích thước bên trong hộp đựng vỉ mạch siêu tụ 71

Hình 4.1: Vị trí siêu tụ trong hộp sau khi lắp 72

Hình 4.2: Sơ đồ mạch cung cấp điện xe gắn máy bằng siêu tụ 74

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

1.1.1 Tổng quan về hệ thống điện trên xe gắn máy

Hệ thống khởi động (starting system): bao gồm accu, máy khởi động điện (starting motor), relay điều khiển khởi động

Hệ thống cung cấp điện (charging system): gồm accu, máy phát điện (bô bin đèn),bộ tiết chế (cục sạc)

Hệ thống đánh lửa (ignition system): gồm bô bin lửa, công tắc máy, IC (igniter), cảm biến điện từ (cục kích), bô bin sườn (biến áp đánh lửa), bougie (spark plugs)

Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu (lighting and signal system): gồm các đèn chiếu sáng, các đèn tín hiệu, còi, các công tắc và relay

Hệ thống đo và kiểm tra (gauging system): đồng hồ báo tốc độ xe, đồng hồ báo nhiên liệu và các đèn báo số

1.1.2 Nguồn điện trên xe gắn máy

Trên xe gắn máy ngoài hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến dòng điện hạ thế thành dòng điện cao thế để làm cho động cơ sinh công, còn hệ thống điện đèn còi cũng có chức năng vô cùng thiết yếu

1.1.2.1 Nguồn điện xoay chiều (AC):

Bô bin đèn trong máy phát điện xoay chiều của xe luôn sinh ra dòng điện AC Nguồn điện này có điện thế thấp từ 6 volts hặc 12 volts tùy theo xe Nguồn điện này cung cấp cho mạch đèn đêm gồm:

 Đèn sương mù

 Đèn đồng hồ tốc độ

 Đèn lái