Đặc điểm của động cơ điện

Động cơ điện một chiều không chổi than có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

 Tỷ lệ momen/quán tính lớn.

 Tỷ lệ công suất/khối lượng cao.

 Vận hành nhẹ nhàng thậm chí ở tốc độ thấp.

 Có thể tăng tốc trong thời gian ngắn.

 Hiệu suất cao, kết cấu nhỏ gọn, vận hành êm ái ở tốc độ cao.

Tuy nhiên, do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao. Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì khả năng kích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm giảm khi nhiệt độ tăng.

2.3 Ắc quy

Ắc quy trong hệ thống điện thực hiện chức năng của một thiết bị chuyển đổi hóa năng thành điện năng và ngược lại.

2.3.1 Công dụng

Đối với xe điện ắc quy sẽ là nơi lưu trữ và cung cấp toàn bộ năng lượng điện cho động cơ và các thiết bị điện trên xe hoạt động.

Đối với ô tô ắc quy còn cung cấp điện cho các tải điện quan trọng khác trong hệ thống điện, cung cấp từng phần hoặc toàn bộ trong trường hợp động cơ chưa làm việc hoặc đã làm việc mà máy phát điện chưa phát đủ công suất (động cơ đang làm việc ở chế độ số vòng quay thấp): cung cấp điện cho đèn đậu (parking lights), radio cassette, CD, các bộ nhớ (đồng hồ,

28 hộp điều khiển…), hệ thống báo động… Ngoài ra, ắc quy còn đóng vai trò bộ lọc và ổn định điện thế trong hệ thống điện ô tô khi điện áp máy phát dao động.

2.3.2 Cấu tạo

Một bình ắc quy trên ô tô bao gồm một dung dịch acid sunfuric loãng và các bản cực âm, dương. Khi các bản cực được làm từ chì hoặc vật liệu có nguồn gốc từ chì thì nó được gọi là ắc quy chì-acid. Một bình ắc quy được chia thành nhiều ngăn (ắc quy trên ô tô thường có 6 ngăn), mỗi một ngăn có nhiều bản cực, tất cả được nhúng trong dung dịch điện phân.

Hình 2.10 Cấu tạo của ắc quy

“Cơ sở cho hoạt động của ắc quy là các ngăn của ắc quy. Các bản cực âm và bản cực dương được nối riêng rẽ với nhau. Các nhóm bản cực âm và bản cực dương này được đặt xen kẽ với nhau và ngăn cách bằng các tấm ngăn có lỗ thông nhỏ. Kết hợp với nhau, các bản cực và tấm ngăn tạo nên một ngăn của ắc quy. Việc kết nối bản cực theo cách này tăng bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và chất điện phân. Điều đó cho phép cung cấp một lượng điện nhiều hơn. Mặt khác dung lượng của bình ắc quy tăng lên vì diện tích bề mặt tăng lên. Càng nhiều diện tích bề mặt đồng nghĩa với việc ắc quy cung cấp điện nhiều hơn.”[3]

29

 Bản cực ắc quy: được cấu trúc từ một khung sườn làm bằng hợp kim chì có chứa Antimony hay Canxi. Khung sườn này là một lưới phẳng, mỏng. Lưới tạo nên khung cần thiết để dán vật liệu hoạt tính lên nó, cả ở bản cực âm và bản cực dương. Vật liệu hoạt tính được dán lên ở bản cực dương là chì oxide (PbO2) và ở bản cực âm là chì xốp (Pb).

 Chất điện phân: là hỗn hợp 36% acid sulfuric (H2SO4) và 64% nước cất (H2O). Dung dịch điện phân trên ắc quy ngày nay có tỷ trọng là 1.270 (ở 200 C) khi nạp đầy. Tỷ trọng là trọng lượng của một thể tích chất lỏng so sánh với trọng lượng của nước với cùng một thể tích. Tỷ trọng càng cao thì chất lỏng càng đặc.

 Có 3 loại cọc bình ắc quy được sử dụng, loại đỉnh, loại cạnh và loại L. Loại trên đỉnh thông dụng nhất trên ô tô. Loại này có cọc được vát xiêng. Loại cạnh là loại đặc trưng của hãng General Motors, loại L được dùng trên tàu thuỷ.

2.3.3 Quá trình điện hóa trong ắc quy

Trong ắc quy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá trình nạp và phóng điện, và được thể hiện dưới dạng phương trình sau:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ⇔ 2PbSO4 + 2H2O

Trong quá trình phóng điện, hai bản cực từ PbO2 và Pb biến thành PbSO4. Như vậy khi phóng điện, axit sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat chì, còn nước được tạo ra, do đó, nồng độ dung dịch H2SO4 giảm.

Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân trong quá trình phóng và nạp là một trong những dấu hiệu để xác định mức phóng điện của ắc quy trong sử dụng.

2.3.4 Hiện tượng tự phóng điện

Tự phóng điện là hiện tượng giảm điện áp tự nhiên, trọng lượng riêng và năng lượng điện sau một khoảng thời gian nhất định mà không có sự tác động của một mạch điện bên ngoài.

Tự phóng điện là một phản ứng hóa học, giống như phóng điện kín, và có xu hướng xảy ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao. Lưu trữ pin ở nhiệt độ thấp hơn do đó làm giảm tốc độ tự xả và bảo toàn năng lượng ban đầu được lưu trữ trong pin. Tự phóng điện cũng được cho là giảm khi lớp thụ động phát triển trên các điện cực theo thời gian.

30 Có 3 phương pháp nạp ắc quy:

 Nạp với dòng điện không đổi: Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp thích hợp với mỗi loại ắc quy, đảm bảo cho ắc quy được nạp no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho các ắc quy mới hoặc nạp sửa chữa cho các ắc quy bị sunfat hoá. Với phương pháp này, các ắc quy được mắc nối tiếp nhau và thỏa mãn điều kiện:

Un ≥ 2,7 Naq Trong đó :

 Un : điện áp nạp

 Naq : số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch nạp

Tuy nhiên, trong quá trình nạp, sức điện động của ắc quy tăng dần, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R để thay đổi dòng nạp.

 Nạp với điện áp không đổi: Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng ( 2,3 ÷2,5 )V cho một ngăn ắc quy đơn. Đây là phương pháp nạp điện cho ắc quy lắp trên ôtô. Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên, phương pháp này ắc quy không được nạp no, vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc quy trong quá trình sử dụng.

 Phương pháp nạp dòng áp: Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Với phương pháp này nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp. (ắc quy nạp bằng bao nhiêu phương pháp).

2.4 Bộ điều khiển sạc pin mặt trời

Bộ điều khiển sạc pin mặt trời điều chỉnh năng lượng điện chạy từ các tấm pin mặt trời và truyền trực tiếp vào pin lưu trữ.

Bộ điều khiểu sạc ắc quy từ pin mặt trời phải thỏa các yêu cầu:

 Điện thế vào phú hợp điện thế của pin, điện thế ra tương ứng điện thế của ắc quy.

 Nạp theo quy định của nhà sản xuất ắc quy.

31

 Khi dòng từ pin thấp, bộ điều khiển sạc làm nhiệm vụ nâng dòng để nạp vào ắc quy.

 Khi dòng từ pin cao, bộ điểu khiển sạc làm nhiệm vụ hạ dòng để bảo vệ ắc quy.

 Ngăn dòng điện chạy ngược từ ắc quy về pin khi dòng từ pin mặt trời thấp.

 Không cho nạp quá ( có thể phá hỏng ắc quy).

 Không nạp thiếu ( làm giảm tuổi thọ ắc quy).

Hình 2.12 Bộ điều khiển sạc và hệ thống nối dây

 Vị trí 1 nối với đầu dương tấm pin mặt trời.

 Vị trí 2 nối với đầu âm tấm pin mặt trời.

 Vị trí 3 nối với nguồn dương của ắc quy.

 Vị trí 4 nối với nguồn âm của ắc quy.

 Vị trí 5 nối với đầu dương của tải.

 Vị trí 6 nối với đầu âm của tải.

2.5Mạch tăng áp 10A 600W

Vì xe sử dụng nguồn điện 60V mà bộ điều khiển sạc pin mặt trời chỉ ra tối đa 50V. Nên cần qua mạch tăng áp để sạc cho ắc quy trên xe.

32 Đỏ Đen Vàng Nguồn vào 36 – 75V Âm chung Nguồn ra 12V Bảng 2.1 Thông số của mạch tăng áp

Điện áp đầu vào DC 11 – 60V

Dòng vào 15A (Max)

Điện áp đầu ra DC 12 – 80V (có thể chỉnh được ở núm vặn Output voltage regulation)

Dòng ra 10A (Max, , có thể chỉnh được ở núm vặn Output current adjustment)

Hiệu suất 95%

Kích thước 85x62x60 mm

2.6Bộ đổi điện

Hệ thống điện của xe sử dụng loại 12V, trong khi nguồn cung cấp từ ắc quy là 60V nên phải sử dụng bộ chuyển đổi điện áp từ 60V thành 12V. Yêu cầu của bộ đổi điện là cung cấp đủ dòng điện ra cho toàn bộ hệ thống bóng đèn và bảo vệ khi có sự cố ngắn mạch.

Hình 2.14 Sơ đồ các dây bộ chuyển đổi nguồn Dòng tải cung cấp cho bộ đổi điện là 20A. Bộ đổi điện có 3 dây:

 Dây nguồn vào từ 36 đến 75V.

 Dây nguồn âm chung.

 Dây ra là 12V.

BỘ CHUYỂN ĐỔI NGUỒN

33 Hình 2.15 Bộ đổi nguồn

2.7 Bộ điều khiển động cơ

Là trung tâm điều khiển động cơ của xe bao gồm các chức năng cung cấp nguồn cho động cơ hoạt động, nhận tín hiệu từ tay ga để điều khiển tốc độ động cơ, nhận tín hiệu cảm biến vị trí pha từ bộ cảm biến của động cơ, nhận cảm biến từ phanh để dừng động cơ, báo tốc độ xe. Yêu cầu của bộ điều khiển là điều khiển tốc độ quay của động cơ, bảo vệ khi thiếu áp, hạn chế dòng hoặc chức năng bảo vệ quá dòng. Công suất của bộ điều khiển được thiết kế phải phù hợp với công suất của động cơ.

Hình 2.16 Sơ đồ các dây của bộ điều khiển động cơ

Sau khi nghiên cứu các cơ sở lý thuyết trên để nắm được cấu tạo, chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của các bộ phần cấu thành trên xe ta sang chương 3 thiết kế và cải tạo xe dựa trên các cơ sở lý thuyết này và kiến thức đã tiếp thu được trong quá trình học tập.

34

Chương 3 CẢI TẠO XE MÁY ĐIỆN THÀNH XE SINH THÁI 3 BÁNH CHẠY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI PHỤC VỤ CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT

Để thực hiện đề tài này cần giải quyết ba vấn đề:

 Phần cơ khí cải tạo từ 2 bánh sang 3 bánh.

 Sử dụng pin năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy.

 Lắp thêm mạch để đảo chiều quay động cơ giúp lùi xe.

Thiết kế, cải tạo từ 2 bánh sang 3 bánh

Hình 3.1 Xe máy điện Vespas Dibao trước và sau khi cải tạo

3.1.1 Tính chọn động cơ

3.1.1.1 Các thông số đề ra để chọn động cơ

 Tải trọng: Tải trọng của xe được tính dựa vào số hành khách mà xe có thể chở được và trọng lượng của xe.

- Xe máy điện nên số hành khách tối đa là hai với cân nặng mỗi người là 60kg. - Tấm pin mặt trời, khung để tấm pin và tải trọng hành lí là 30kg.

- Xe máy điện có trọng lượng trung bình 50 – 80 kg.

 Khối lượng toàn bộ của xe: 200 kg.

 Vận tốc cực đại của xe: Vmax = 30km/h = 8,33m/s.

 Điều kiện đường: xe chạy trong các khu vực nhỏ như công viên, khu vui chơi, khu cho người khuyết tật … và xa hơn là chạy trong thành phố.

 Hệ số cản lăn f0 với f0 = [0,015 – 0,018] , chọn f0 = 0,015.

35

 Hệ số cản không khí Cx: Cx = [0,35 – 0,5], chọn Cx = 0,4 N.s2/m4.

 Diện tích cản chính diện S : S = [1,6 – 2,5], chọn F = 2 m2.

3.1.1.2 Tính chọn động cơ điện

Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động của xe thiết kế được sử dụng để khắc phục các lực cản chuyển động sau: lực cản lăn, lựa cản dốc, lực cản không khí, lực cản quán tính.

Phương trình cân bằng lực kéo: [4] Fk = Ff ± Fi + F𝜔 ± Fj Trong đó:

 Fk : lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động

 Ff : lực cản lăn

 Fi : lực cản dốc

 F𝜔: lực cản không khí

 Fj : lực cản quán tính

Trong trường hợp xe lên dốc độ dốc 10%. Lực cản lăn Ff = f.Gtb.cosα = 0,015 . 200 . 9,81 . cos (60) = 29,3 N Lực cản lên dốc Fi = Gtb.sinα = 200 . 9,81 . sin 60 = 205,1 N Lực cản không khí F𝜔 = 0,625.Cx.S.v2 = 0,625. 0,4 . 2 . 8,332 = 34,7 N Lực cản quán tính Fj = Gtb.a = 200 . 1 = 200 N Với a là gia tốc của xe, chọn a = 1m/s2

Thay vào phương trình cân băng lực kéo ta được

Fk = 29,3 + 205,1 + 34,7 + 200 = 469,1 N

Đó là trường hợp cực đoan của công suất. Trong thực tế 4 lực cản này thường không xảy ra cùng lúc. Chẳng hạn:

36

 Khi xe lên dốc chạy đều và vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực cản quán tính và lực cản không khí.

 Khi xe đang chạy ở tốc độ tối đa thì xem như không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính.

Như vậy, lực cần thiết của động cơ ở hai trường hợp này được tính là: Ffi = Ff + Fi = 29,3 + 200 = 229,3 N

F𝑓𝜔 = Ff + F𝜔 = 29,3 + 34,7 = 64 N

Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Xét hai trường hợp.

 Xe chạy ở tốc độ tối đa được xem là sử dụng tối đa công suất động cơ.

 Xe leo dốc mặc dù có lực cản lớn hơn nhưng xe chạy với tốc độ nhỏ thì công suất phụ tải cũng sẽ bé hơn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa.

Vì vậy ta chọn trường hợp ở tốc độ tối đa và công suất cản của xe lúc này là: N𝑒𝜔 = F𝑓𝜔 . v = 64 . 8,33 = 533,1 W

Công suất cực đại yêu cầu của động cơ: 𝑁𝑒𝑐𝑡 = 𝑁𝑒𝜔

0,8 = 533,1

0,8 = 666,4 𝑁 Trong đó n là hiệu suất của động cơ điện là ≥ 80%. Chọn động cơ ứng với công suất cực đại:

Ne max = (1,1 – 1,25). Nect = 733 – 833 W Chọn Ne max = 800W.

3.1.2 Xe máy điện trước khi cải tạo

Chọn xe máy điện Vespas Dibao vì xe sở hữu động cơ đảm bảo yêu cầu và có thiết kế dễ cải tạo.

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của xe máy điện Vespas Dibao

Loại xe Xe máy điện hai bánh

Hãng sản xuất Dibao, xuất xứ Đài Loan

37

Động cơ 800W, 3 pha, không chổi than

Kích thước xe 1640mm x 640mm x 1200mm

Trọng lượng xe 70kg

Vận tốc tối đa 40 – 50 Km/h

Thời gian sạc 5 giờ

Loại phanh Bánh trước phanh đĩa, bánh sau phanh trống

Tình trạng ban đầu của xe:

 Động cơ hoạt động ổn định.

 Nguồn: một vài ắc quy bị phù do sử dụng lâu.

 Ngoại hình xe: Bị trầy xướt và cũ.

 Hệ thống điện bị sửa và độ chế.

 Vận tốc tối đa: 39km/h.

 Trọng lượng xe: 50kg.

 Bạc đạn cổ xe bị vỡ dẫn đến cổ xe yếu.

3.1.3 Thiết kế khung đặt tấm pin năng lượng mặt trời

Dựa trên ý tưởng của dòng xe Sidecar có nguồn gốc từ thế chiến thứ 2 còn được sử dụng cho đến ngày nay, được Philippines phát triển thành dòng xe Tricycle được sử dụng phổ biến của người dân và các nước trong khu vực Đông Nam Á hay trên thế giới sử dụng với các tên gọi khác nhau.

38 Hình 3.3 Xe Tricycle Philippines

Nhóm chọn phần mềm thiết kế là Solidworks, vì được sử dụng khá phổ biến trên thế