ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRÊN Ô TÔ SỬ DỤNG BỘ LƯU TRỮ SIÊU TỤ MAXWELL, ĐIỀU KHIỂN BẰNG PIC 16F877A, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HOẠT ĐỘNG TRÊN PHẦN MỀM LABVIEW VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS. Đề tài này được hoàn thành vào năm 2014, đề tài đạt kết quả cao.
Trang 1TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU HỒI ĐIỆN CẢM
TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN ÔTÔ
Sinh viên thực hiện:
I NỘI DUNG:
Thực hiện đề tài gồm các nội dung sau:
1 Khái quát về điện cảm hệ thống điện ô tô
2 Các phương án thu hồi điện năng
3 Các linh kiện điện, điện tử, vi điều khiển, giao tiếp máy tính
4 Chế tạo thiết bị thu hồi điện cảm
5 Khảo sát, thực nghiệm thiết bị chế tạo trên mô hình động cơ Daihatsu
6 Viết thuyết minh đề tài
II TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1 Giáo trình về hệ thống điện - điện tử, điện ô tô
2 Giáo trình vi điều khiển, giáo trình LabVIEW
3 Các chương trình mô phỏng trên máy tính
III TRÌNH BÀY:
02 quyển thuyết minh đề tài
02 đĩa CD thuyết minh đề tài
IV THỜI GIAN THỰC HIỆN:
a Ngày bắt đầu: 01/03/2014
b Ngày hoàn thành: 20/07/2014
BỘ MÔN ĐỘNG CƠ Tp.HCM, ngày 01 tháng 03 năm 2014
Giáo viên hướng dẫn
Phan Nguyễn Quí Tâm
Trang 2NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
TP.HCM, ngày….tháng… năm 2014 Giáo viên hướng dẫn Th.S Phan Nguyễn Quí Tâm
Trang 3NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT
TP.HCM, ngày… tháng… năm 2014
Giáo viên đọc duyệt
Trang 4Đặc biệt với sự giúp đỡ của các quý thầy cô Khoa Cơ Khí Động Lực và sự chỉ bảo tận tình của Thầy Th.S Phan Nguyễn Quí Tâm đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành
đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe, niềm vui và nhiệt huyết với nghề giáo để góp phần vào sự nghiệp trăm năm trồng người và đặc biệt là quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực lời chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công!
Cuối cùng, để có được ngày hôm nay, không thể quên được công lao to lớn của gia đình và bạn bè đã động viên, khuyến khích chúng em tự tin trong cuộc sống cũng như cố gắng vươn lên trong học tập
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Tp HCM, ngày….tháng….năm 2014
Nhóm thực hiện đề tài
Trang 5MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 13
1.1 Lý do chọn đề tài 13
1.2 Mục đích đồ án 13
1.3 Nhiệm vụ đồ án 13
1.4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 14
1.5 Sự cần thiết của đề tài 14
1.6 Ý nghĩa khoa học 15
1.7 Một số công trình liên quan 15
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 17
2.1 Tổng quan hệ thống điện ô tô 17
2.1.1 Hệ thống cung cấp điện 17
2.1.2 Hệ thống tiêu thụ điện 19
2.1.3 Công suất tiêu thụ của tải điện 20
2.1.4 Thiết bị điện có cuộn cảm 22
2.2 Các giải pháp đã và đang sử dụng để xử lý suất điện động tự cảm 43
2.2.1 Phương pháp dùng diode 43
2.2.2 Phương pháp dùng điện trở 44
2.2.3 Phương pháp dùng tụ điện 45
2.3 Nhận định khoa học 46
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG THU HỒI VÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM 47
3.1 Thiết kế hệ thống thu hồi 47
Trang 63.1.1 Ý tưởng thiết kế 47
3.1.2 Các giải pháp thực thi 47
3.2 Thiết kế thiết bị lưu trữ 56
3.2.1 Tính toán, lựa chọn thiết bị lưu trữ 56
3.2.2 Tính toán, lựa chọn các linh kiện kết nối 62
3.2.3 Phương án thi công 62
3.2.4 Đánh giá bộ lưu trữ 65
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 69
4.1 Thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng 69
4.1.1 Ý tưởng thiết kế 69
4.1.2 Thi công mạch điều khiển 69
4.1.3 Thi công mô hình 84
4.1.4 Xây dựng chương trình điều khiển qua sơ đồ thuật toán 91
4.2 Thiết kế giao diện người dùng trên LabVIEW phiên bản 2011 95
4.2.1 Lựa chọn phần mềm 95
4.2.2 Giới thiệu về phần mềm Labview 96
4.2.3 Giao tiếp giữa phần mềm với mạch điều khiển trung tâm qua cổng USB 97
4.2.4 Xây dựng giao diện trên Labview 105
4.3 Kết nôi và hoàn thiện 112
4.3.1 Nguyên tắc vận hành 113
4.3.2 Quy trình vận hành 114
4.4 Thu thập và xử lý số liệu 114
4.4.1 Dữ liệu cần thu thập 114
4.4.2 Dữ liệu cần hiển thị 115
Trang 74.4.3 Dữ liệu cần quan tâm 115
4.4.4 Thử nghiệm sản phẩm chế tạo 116
4.4.5 Đánh giá kêt quả thí nghiệm 117
4.4.6 Lời đề nghị, đề xuất 119
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 120
5.1 Những nội dung chính của đồ án 120
5.2 Đóng góp khoa học của đồ án 120
5.3 Hướng phát triển của đồ án 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO 121
PHỤ LỤC 122
Trang 8DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp điện 17
Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống nạp 18
Hình 2.3 Bobine 23
Hình 2.4 Mạch điều khiển bobine 24
Hình 2.5 Xung điện áp của cuộn dây sơ cấp bobine 25
Hình 2.6 Đồ thị quá trình tăng trưởng dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobine 28
Hình 2.7 Quá trình tích lũy năng lượng trong cuộn dây trong bobine 29
Hình 2.8 Cấu tạo kim phun 31
Hình 2.9 Mạch điều khiển kim phun 32
Hình 2.10 Xung kim phun 32
Hình 2.10 Quá trình tăng trưởng cường độ dòng điện kim phun 33
Hình 2.11 Quá trình tích lũy năng lượng trong cuộn dây kim phun 34
Hình 2.12 Relay 37
Hình 2.13 Quá trình tăng trưởng dòng điện cuộn dây trong relay 38
Hình 2.14 Quá trình tích lũy năng lượng trong cuộn dây của relay 38
Hình 2.15 Quá trình tăng trưởng dòng điện qua cuộn dây của van điện từ 41
Hình 2.16 Quá trình tích lũy năng lượng qua cuộn dây của van điện từ 41
Hình 2.15 Mạch điều khiển van điện từ 42
Hình 2.16 Sơ đồ mạch điện triệt tiêu sức điện động tự cảm bằng diode 44
Hình 2.17 Sơ đồ mạch điện triệt tiêu suất điện động tự cảm bằng điện trở 45
Hình 2.18 Sơ đồ mạch điện triệt tiêu sức điện động tự cảm bằng tụ điện 45
Hình 3.1 Bộ thu hồi tụ điện xoay chiều dung lượng 1Mf điện áp 63V 48
Trang 9Hình 3.2 Bộ thu hồi điện cảm sóng sin có tụ kẹo 49
Hình 3.3 Mạch nguyên lý bộ thu hồi năng lượng điện cảm cho một cuộn sơ cấp bobine 50
Hình 3.4 Mạch nguyên lý mở rộng cho bộ thu hồi năng lượng điện cảm trên các thiết bị sử dụng cuộn dây 51
Hình 3.5 Bộ thu hồi năng lượng sử dụng cuộn cảm lõi xuyến 51
Hình 3.6 Máy Oscilloscope, Textronic 54
Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn xung tự cảm của cuộn sơ cấp bobine trước khi gắn bộ thu hồi ở tần số 100Hz (3000 vòng/phút) 55
Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn xung tự cảm của cuộn sơ cấp bobine sau khi gắn bộ thu hồi ở tần số 100Hz (3000 vòng/phút) 55
Hình 3.9 Siêu tụ Maxwell BCAP0350 58
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch lưu trữ 63
Hình 3.11 Mạch in bộ lưu trữ 64
Hình 3.12 Khối lưu trữ siêu tụ Maxwell đã thi công 64
Hình 3.13 Biểu đồ điện áp và dòng xả 67
Hình 3.14 Biểu đồ điện áp nạp khi lắp bộ tích trữ và bộ thu hồi 67
Hình 4.1 Đầu vào và đẩu ra của thiết bị kiểm soát tích lũy năng lượng 69
Hình 4.2 PIC 16F877A 70
Hình 4.3 Sơ đồ chân PIC 16F877A 70
Hình 4.4 Sơ đồ cấu tạo các chân PIC 16F877A 71
Hình 4.5 Mạch mô phỏng trên Protuse 7.9 74
Hình 4.6 Sơ đồ chân PIC 16F877A và RS232 75
Hình 4.7 Sơ đồ khối của một lớp ADC đơn giản 76
Hình 4.8 Khối đo điện áp chân RA0 của vi điều khiển 77
Trang 10Hình 4.9 Sơ đồ thuật toán ADC 78
Hình 4.10 Khối giao tiếp vi điều khiển và LCD 79
Hình 4.11 Sơ đồ thuật toán hiển thị trên LCD 80
Hình 4.12 Khối điều khiển Relay qua chân C3 của vi điều khiển 81
Hình 4.13 Khối thu thập dư liệu qua opto 82
Hình 4.14 Khối tạo dao động 82
Hình 4.15 Bộ nguồn 83
Hình 4.16 khối hiển thị 83
Hình 4.17 Mạch tổng quát được thiết kế trên Orcad 84
Hình 4.18 Mạch in lớp trên 88
Hình 4.19 Mạch in lớp dưới 88
Hình 4.20 Sơ đồ bố trí linh kiện 89
Hình 4.21 Sản phẩm hoàn thành mạch điều khiển, thu thập và xử lý số liệu 89
Hình 4.22 Sơ đồ thuật toán RS232 trên PIC 16F877A 95
Hình 4.23 Giao tiếp RS232 qua cổng USB với máy tính 97
Hình 4.24 RS232 97
Hình 4.25 Sự phân cấp VISA API 97
Hình 4.26 Cấu trúc Visa API 98
Hình 4.27 Visa functions 99
Hình 4.28 Các hàm Serial 100
Hình 4.29 Cổng Serial 100
Hình 4.30 Cổng Port number 100
Hình 4.31 Serial port read 100
Hình 4.32 Sơ đồ thuật toán RS232 101
Trang 11Hình 4.33 Thu thập và xử lý dữ liệu 102
Hình 4.34 Giao tiếp RS232 giữa vi điều khiển và máy tính 103
Hình 4.35 Sơ đồ kết nối vi điều khiển với bộ thu hồi và giao tiếp máy tính 105
Hình 4.36 Front panel 107
Hình 4.37 Block Diagram 107
Hình 4.38 Icon mặc định 108
Hình 4.39 Giao diện người dùng trên Labview 2011, trước khi khởi động 109
Hình 4.40 Giao diện trong quá trình hệ thống hoạt động 110
Hình 4.41 Sơ đồ thuật toán Labview 111
Hình 4.42 Sơ đồ kết nối bộ thu hồi 112
Hình 4.43 Mô hình đã được kết nối thu thập số liệu 113
Hình 4.44 Biểu đồ đường nạp siêu tụ điện 114
Hình 4.45 Biểu đồ điện áp nạp tụ ở mức 8 vôn 115
Hình 4.46 Biểu đồ miển thời gian nạp siêu tụ từ 9,5 vôn đến 12,5 vôn 116
Trang 12DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động liên tục 21
Bảng 2.2: Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động gián đoạn 21
Bảng 2.3: điện trở thuần và độ tự cảm của một số cuộn cảm được sử dụng trên ô tô 22
Bảng 2.5 Thống kê số lượng cuộn cảm ứng dụng trên kim phun 34
Bảng 2.6 Thống kê số lượng cuộn cảm ứng dụng trên rơle 39
Bảng 2.7 Thống kê số lượng cuộn cảm ứng dụng trên van điện từ (solenoid) 42
Bảng 3.1 Thông số lưu trữ trên ắc quy, tụ điện thường, siêu tụ và pin năng lượng 56
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của một siêu tụ Maxwell BCAP0350 59
Bảng 3.3 Thông số bộ tích trữ Maxwell 16V SMALL CELL MODULE 65
1
Trang 13CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài
Việc chế tạo ra những chiếc ô tô tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường là một trong những tiêu chí hàng đầu của các nhà sản xuất ô tô Bên cạnh việc sử dụng nguồn năng lượng mới thay thế cho năng lượng truyền thống như xăng và diesel thì các nhà sản xuất ô tô hiện nay đang có xu hướng trang bị hệ thống mới có khả năng thu hồi và tái sử dụng năng lượng đã qua sử dụng từ hệ thống phanh, treo, lái như hệ thống i-Loop của Mazda,…
Trong quá trình tìm hiểu và khảo nghiệm chúng tôi nhận thấy trên các động cơ xăng truyền thống có trang bị hệ thống đánh lửa điện cảm Khi dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobine bị ngắt đột ngột để bắt đầu cho quá trình phóng điện trên điện cực bugi, lúc này trên cuộn sơ cấp sẽ phát ra một sức điện động tự cảm khoảng 300V đến 400V do sự thay đổi đột ngột của từ thông qua cuộn dây
Ngoài ra chúng tôi cũng nhận thấy khi các thiết bị điện dạng cuộn cảm như kim phun, relay, van điện từ hoạt động chúng cũng tự sinh ra một sức điện động khoảng 80V đến 100V Các sức điện động từ 80V đến 400V này ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ chi tiết điện, sinh nhiệt và gây lãng phí năng lượng một cách vô ích
Sau quá trình tìm hiểu chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị
thu hồi điện cảm trên hệ thống điện ô tô” với ý tưởng thu hồi và tái tạo năng lượng điện
cảm để sử dụng cho một số thiết bị tải điện gián đoạn trên ô tô
1.2 Mục đích đồ án
Chúng tôi thực hiện đồ án với các mục đích sau:
Đánh giá sơ bộ tổng giá trị năng lượng do các sức điện động tự cảm gây ra
Đánh giá sơ bộ khả năng thu hồi và tái sử dụng nguồn năng lượng này
Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thu hồi điện cảm
Đánh giá hiệu quả thiết bị chế tạo
1.3 Nhiệm vụ đồ án
Để thực hiện tốt mục tiêu của đề tài nghiên cứu, chúng tôi đã tự đặt ra các nhiệm vụ như sau:
Trang 14Tìm hiểu các công trình liên quan đến đề tài
Đánh giá sơ bộ tổng năng lượng điện tiêu hao trên các thiết bị điện
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thu hồi và tích trữ được nguồn năng lượng điện cảm bị lãng phí
Nghiên cứu, thử nghiệm các chế độ hoạt động song hành giữa hệ thống cung cấp điện trên xe và thiết bị chế tạo
Đánh giá sơ bộ hiệu quả thiết bị chế tạo
Hình thành và phát triển ý tưởng mới về tiết kiệm nhiên liệu trên ô tô
Góp phần tạo ra các sản phẩm thân thiện với môi trường
Xây dựng cơ sở lý thuyết điện cảm làm nền tảng tính toán năng lượng tự cảm của các cuộn dây
Tìm hiểu hệ thống điện và tính toán năng lượng hao phí
Tìm hiểu tính toán và lựa chọn thiết bị lưu trữ
Tìm hiểu tín hiệu đầu vào và đầu ra cho thiết bị sẽ chế tạo
Tìm hiểu phần cứng và phần mềm để thiết kế, chế tạo sản phẩm
Thực nghiệm thu thập số liệu và xử lý kết quả
1.4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Các mạch điện có cuộn cảm, các tải điện, nguồn điện trên ô tô
Phạm vi nghiên cứu: hệ thống điện trên ô tô
Phương pháp nghiên cứu:
o Quan sát và khảo nghiệm
o Nghiên cứu, phân tích tổng hợp, hệ thống hóa lý thuyết
o Đặt giả thuyết
o Mô hình hóa
o Nghiên cứu chế tạo vi mạch điện tử
o Nghiên cứu lập trình vi điều khiển, lập trình C, lập trình đồ họa, lập trình giao tiếp
o Thực nghiệm và xử lý số liệu
o Cải tiến sản phẩm và triển khai ứng dụng
1.5 Sự cần thiết của đề tài
Đề tài là sản phẩm khoa học đầu tay giúp chúng em tổng hợp và ứng dụng kiến thức đã học vận dụng vào thực tế để cải tiến một số tính năng trên ô tô
Trang 15 Đề tài góp phần nâng cao ý thức của người sử dụng ô tô về sử dụng hiệu quả nhiên liệu và tìm kiếm các giải pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu tiêu thụ
Tạo ra một sản phẩm có ý nghĩa thực tiễn góp phần chung tay bảo vệ môi trường
1.7 Một số công trình liên quan
Hãng ô tô Toyota áp dụng công nghệ Start-Stop trên các xe hybrid góp phần tiết kiệm đáng kể mức tiêu hao nhiên liệu Hệ thống này bao gồm: một động cơ xăng, một động cơ điện (cũng đồng thời là máy phát), một ắc quy lớn giúp tiết kiệm nhiên liệu dựa trên cơ chế: thu hồi năng lượng sinh ra từ quá trình hãm phanh và tích trữ trong ắc quy Khi chiếc xe dừng lại, động cơ xăng sẽ được tắt
đi Lúc này phần năng lượng tích trữ trong ắc quy sẽ giúp khởi động lại chiếc
xe, giảm nhiên liệu xăng tiêu hao khi khởi động Thêm vào đó, khi động cơ xăng tắt thì các thiết bị phụ tải trên ô tô vẫn hoạt động, chính là nhờ phần năng lượng đã được nạp và trữ tại ắc quy
Công nghệ thu hồi năng lượng phanh i-ELoop (Intelligent Energy Loop) của hảng ô tô Mazda – Nhật Bản được ứng dụng trong điều kiện lái xe phải thường xuyên tăng tốc và phanh, công nghệ này giúp cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu 10%, tương đương với hệ thống Start/Stop tự động Đây là hệ thống phanh đặc biệt vì nó sử dụng một tụ điện, thiết bị lưu trữ điện tạm thời So với pin, các tụ điện có thể sạc và ngắt kết nối sạc rất nhanh và tuổi thọ kéo dài Theo kết quả nghiên cứu đã công bố, hệ thống i-Eloop chuyển đổi rất hiệu quả nguồn năng lượng động học của xe thành điện năng khi hãm phanh Nguồn điện đó đủ để phục vụ cho hệ thống điều hòa không khí, hệ thống âm thanh và nhiều chi tiết điện nhỏ khác của xe
Hãng Audi cũng đã và đang thiết kế, ứng dụng bộ thu hồi năng lượng lãng phí
từ hệ thống treo Hệ thống được thiết kế dựa trên nguyên lý biến dao động của
hệ thống treo thành dạng năng lượng điện được thu vào bộ tích trữ
Trang 16Ngoài ra, để tiết kiệm nhiên liệu khi vận hành ô tô, người ta đã áp dụng rất nhiều phương phương pháp tiết kiệm như:
Bánh đà tích điện giúp tích trữ năng lượng thất thoát khi phanh để sử dụng lại khi tăng tốc Chế tạo bánh đà tích điện đơn giản và sạch hơn nhiều so với chế tạo ắc qui Những tiến bộ trong công nghệ vật liệu giúp cho bánh đà ngày nay
có thể đủ nhỏ và nhẹ để được xem xét sử dụng Bất lợi chính của các bánh đà là chúng không thể lưu điện trong thời gian dài Chúng cũng bị phụ thuộc vào điều kiện vận hành của xe, nó tích được ít điện năng hơn khi xe chạy trên xa lộ
Trang 172 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC
2.1 Tổng quan hệ thống điện ô tô
2.1.1 Hệ thống cung cấp điện
Hệ thống cung cấp điện trên ô tô gồm có: ắcquy-máy phát
Đảm nhiệm chức năng cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị tải điện hoạt động với một điện áp ổn định trong mọi điều kiện làm việc của động cơ
Sơ đồ hệ thống điện:
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp điện
Ô tô được trang bị một số hệ thống và thiết bị điện để đảm bảo an toàn và tiện nghi khi sử dụng Chúng cần điện năng trong suốt thời gian họat động và cả khi động cơ đã dừng Vì thế, chúng cần cả ắcquy và nguồn điện một chiều như nguồn năng lượng Một
hệ thống cung cấp điện trang bị trên xe cung cấp nguồn một chiều cho những hệ thống và thiết bị vừa nêu Tuy nhiên ắcquy sẽ phóng điện khi động cơ dừng và dần hết điện
Trang 18Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống nạp
Hệ thống cung cấp điện được dẫn động bởi bánh đà của động cơ để phát sinh ra điện Hệ thống này không những cung cấp điện cho các hệ thống và thiết bị điện khác mà còn đảm nhiệm chức năng nạp điện cho ắc quy trong lúc động cơ hoạt động
- Máy phát điện: Phát sinh ra điện
- Tiết chế: Điều chỉnh điện áp do máy phát điện tạo ra
- Ắc quy: Dự trữ và cung cấp điện
Trang 19- Đèn báo sạc: Cảnh báo cho lái xe khi hệ thống sạc gặp sự cố
- Công tắc máy: Đóng và ngắt dòng điện
Chức năng của máy phát điện: Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện Nó thực hiện ba chức năng: phát điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp
Bộ phát điện: Động cơ quay, truyền chuyển động quay đến máy phát điện thông qua dây đai Rotor của máy phát điện là một nam châm điện Từ trường tạo ra sẽ tương tác lên dây quấn trong stator làm phát sinh ra điện
Chỉnh lưu: Dòng điện xoay chiều tạo ra trong máy phát điện không thể sử dụng trực tiếp cho các thiết bị điện mà được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều Bộ chỉnh lưu sẽ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều
Hiệu chỉnh điện áp: Tiết chế điều chỉnh điện áp sinh ra để đảm bảo hiệu điện thế của dòng điện đi đến các thiết bị là hằng số ngay cả khi tốc độ máy phát điện thay đổi
2.1.2 Hệ thống tiêu thụ điện
Phụ tải điện trên ô tô có thể chia ra làm 3 loại: tải thường trực là những phụ tải điện liên tục hoạt động khi xe chạy, tải gián đoạn trong thời gian dài và tải gián đoạn trong thời gian ngắn
Tải thường trực gồm có:
Hệ thống đánh lửa 20W
Bơm nhiên liệu 50 – 70W
Tải hoạt động gián đoạn trong thời gian dài:
Trang 20 Motor phun nước rửa kính 30 – 60W
Hệ thống xông máy (động cơ diesel) 100W
Còi 25 – 40W
Motor điều khiển angten 60W
2.1.3 Công suất tiêu thụ của tải điện
2.1.3.1 Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động liên tục và các tải điện hoạt động gián
đoạn
Trang 21Bảng 2.1: Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động liên tục
Bảng 2.2: Tiêu thụ điện của các tải điện hoạt động gián đoạn
Tải điện hoạt động gián
Trang 22Đèn báo sương mù 35 0.1 3.5
Như vậy, tổng công suất của tải hoạt động liên tục lớn hơn rất nhiều so với tải hoạt động gián đoạn
2.1.4 Thiết bị điện có cuộn cảm
Trên các hệ thống nêu trên thì cuộn cảm được sử dụng rất nhiều với những công dụng khác nhau Điều đó cho thấy cuộn cảm đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện và điện tử trên ôtô
Giá trị điện trở thuần và độ tự cảm của một số cuộn cảm được sử dụng trên ô tô là:
Bảng 2.3: điện trở thuần và độ tự cảm của một số cuộn cảm được sử dụng trên ô tô
Trang 24Hình 2.4 Mạch điều khiển bobine
Nguyên lý hoạt động:
Khi Transistor T dẫn, trong mạch sơ cấp sẽ có dòng điện i từ accu đến điện trở phụ
Rf, rồi qua L1, đến T rồi về mass Dòng điện i1 tăng từ từ do sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp L1 chống lại sự tăng trưởng của dòng điện Mạch thứ cấp của hệ thống đánh lửa ở giai đoạn T dẫn này hầu như không bị ảnh hưởng đến quá trình tăng dòng ở mạch sơ cấp
Khi Transistor T ngắt, dòng điện i1 của cuộn sơ cấp và từ thông đi qua đó bị giảm một cách đột ngột, điều này dẫn đến cuộn thứ cấp sẽ sinh ra một hiệu điện thế khoảng 15kV- 40Kv
Khi động cơ xăng của ô tô hoạt động thì bobine cũng hoạt động, có nghĩa là dòng điện từ accu tới cuộn sơ cấp của bobine được đóng ngắt một cách liên tục, điều đó dẫn đến sức điện động tự cảm xuất hiện trên cuộn sơ cấp cũng được sinh ra một cách liên tục Sức điện động này có giá trị khá lớn (khoảng 300V- 400V), đây là một nguồn năng lượng lãng phí đáng kể xuất hiện trên ô tô, cần được thu hồi lại để tránh gây lãng phí
Trang 25Khảo sát dạng sóng tự cảm của cuộn sơ cấp bobine
Hình 2.5 Xung điện áp của cuộn dây sơ cấp bobine
Phân tích xung sơ cấp bobine:
- Đoạn A: mức điện áp được cấp, điện áp này hoạt động bình thường là điện áp
Năng lượng cuộn dây không còn khả năng tạo ra tia lửa điện
Có nhiều sự dao động của điện áp do khi năng lượng ở cuộn thứ cấp không còn tạo ra tia lửa điện nữa nhưng vẫn tồn tại điện thế hàng trăm vôn Phần dao động này do tác dụng qua lại giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp
- Đoạn F: Năng lượng của cuộn sơ bị tiêu hao
- Đoạn G: Trở lại chu kỳ hoạt động như ban đầu
Trang 26Tính toán dòng và năng lượng xung sơ cấp:
Chúng tôi mô hình hóa mạch điện điều khiển cuộn dây sơ cấp bobine như sau:
Trong sơ đồ trên:
R : là tổng điện trở của cuộn dây
L : là độ tự cảm của cuộn dây
Tại thời điểm t = 0, khóa K đóng lại, sẽ có 1 dòng điện 1 chiều chạy từ cực (+) của accu
R L1 cực (-) của accu Lúc này trên L sẽ xuất hiện 1 suất điện động tự cảm:
di L dt
mang dấu dương vì di 0
dt , cường độ dòng điện trong mạch lúc này đang tăng
Áp dụng định luật Kirchoff vào sơ đồ mạch trên ta có :
Trang 27( ) S
U
R LS I S
R
S S L L
Dạng của I s không phải là dạng cơ bản, nên ta tiếp tục biến đổi phương trình trên:
1( )
Tiến hành biến đổi ngược Laplace cho phương trình trên ta có được:
Cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp tại thời điểm transistor ngắt
Trang 28 1
R t L t
- N : là số vòng quay trục khuỷu động cơ (v/p)
- Z : là số xy lanh của động cơ
- : là thời gian tích lũy năng lượng tương đối Phương trình thể hiện quá trình tăng trưởng của dòng điện I trong cuộn dây
Sử dụng phần mềm Labview để vẽ đồ thị quá trình tăng trưởng của dòng trong cuộn dây dựa vào các giá trị đo được như sau: U = 14 (V) ; R = 3 (Ω) ; L = 6.10-3 (H)
Hình 2.6 Đồ thị quá trình tăng trưởng dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobine
Trang 29Khi dòng điện I tđạt giá trị cực đại I ng thì quá trình tích lũy năng lượng kết thúc Cuối quá trình này, năng lượng tích lũy trên cuộn dây sơ cấp, đạt một giá trị tỷ lệ với dòng I ng với công thức sau :
2 2
1
2 2
t ng
Hình 2.7 Quá trình tích lũy năng lượng trong cuộn dây trong bobine
Qua biểu đồ và công thức trên, ta nhận thấy cường độ dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp bobine có khả năng sinh ra một năng lượng khoảng 0,07W cho mỗi xung Năng lượng tích lũy trong cuộn dây bobine (W1) là khá lớn, nếu thu hồi được với hiệu suất cao sẽ giảm đáng kể mức tiêu hao nhiên liệu và tăng công suất động cơ
Thống kê số lượng các cuộn cảm ứng dụng trong hệ thống đánh lửa
Bảng 2.4 Thống kê số lượng cuộn cảm ứng dụng trên cuộn sơ cấp bobine
Trang 302 Ignition Coil (No.2) 1
Tổng:
1- 6 (tùy loại động cơ) Công thức tính số xung (lần) đánh lửa theo số vòng quay cho động cơ xăng 4
Trang 32Hình 2.9 Mạch điều khiển kim phun
Phân tích xung điện áp của cuộn dây trong kim phun
Hình 2.10 Xung kim phun
- Đoạn A: mức điện áp được cấp đến kim phun, điện áp này hoạt động bình thường là điện áp ắcquy
- Đoạn B: thời điểm Tr công suất trong bộ điều khiển nối mass làm kín mạch,
có dòng điện chạy qua kim phun
C
D
F
Trang 33- Đoạn C: Thời gian Tr công suất dẫn dòng điện qua kim phun và đạt đến giá trị cực đại, van kim rời khỏi bệ và được giữ ở điểm mở lớn nhất
- Điểm D: Thời điểm ngưng cấp dòng cho kim phun Sức điện động tự cảm được tạo ra do từ trường bị ngắt đột ngột
- Điểm F: Năng lượng của kim phun bị tiêu hao Kết thúc một chu kì
Tính toán dòng và năng lượng tích lũy trong cuộn dây kim phun
Tương tự ta tiến hành mô hình hóa mạch điện điều khiển kim phun, cường độ dòng điện tại thời điểm Tr điều khiển kim phun ngắt:
1
R t L t
Trang 34Khi dòng điện I t đạt giá trị cực đại I ng thì quá trình tích lũy năng lượng kết thúc Cuối quá trình này, năng lượng tích lũy trên cuộn dây, đạt một giá trị tỷ lệ với dòng I ngvới công thức sau :
2 2
1
2 2
t ng
Hình 2.11 Quá trình tích lũy năng lượng trong cuộn dây kim phun
Qua biểu đồ trên, ta nhận thấy năng lượng tích lũy trong cuộn dây kim phun (W2) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng tích lũy trong cuộn dây sơ cấp bobine (khoảng 0.00114W) Tuy nhiên, với số lượng xung lớn mức năng lượng do kim phun tạo ra cũng không hề nhỏ Do
đó, việc nghiên cứu bộ thu hồi năng lượng dư thừa trong các cuộn dây là ý tưởng mới, có khả năng ứng dụng thực tiễn và phát triển ngành ô tô
Bảng thống kê số lượng cuộn dây sử dụng trong hệ thống nhiên liệu
Bảng 2.5 Thống kê số lượng cuộn cảm ứng dụng trên kim phun
Trang 352 Fuel Injector (No.2) 1
Trang 36Tương tự, ta cũng lập được bảng số lượng xung kim phun và năng lượng tích lũy theo số vòng quay đông cơ tính theo phương thức phun theo thứ tự:
Năng lượng tích trữ:
W k p W X 6 (W) (động cơ 6 xy lanh phun theo thứ tự công tác)
Trang 38Hình 2.13 Quá trình tăng trưởng dòng điện cuộn dây trong relay
Hình 2.14 Quá trình tích lũy năng lượng trong cuộn dây của relay
1.51011 10 W ) này khá nhỏ so với năng lượng của kim phun (khoảng 0.00114W) hay bobine (khoảng 0.07W)
Trang 39Bảng thống kê số lượng các relay sử dụng trên hệ thống điện ô tô
Bảng 2.6 Thống kê số lượng cuộn cảm ứng dụng trên rơle
Trang 40Tương tự ta tiến hành mô hình hóa mạch điện điều khiển van điện từ, cường độ dòng điện tại thời điểm Transistor điều khiển van điện từ ngắt:
1
R t L t