Phương pháp triệt tiêu suất điện động tự cảm xuất hiện trong các linh kiện điện tử khi đóng hoặc ngắt mạch : Để bảo vệ các linh kiện điện tử không bị hư hỏng do điện áp tự cảm thì ta có thể sử dụng 3 phương pháp là : • Dùng diode. • Dùng điện trở có giá trị lớn. • Dùng tụđiện. 2.5.1. Phương pháp dùng diode.
Hình 2.14. Sơđồ mạch điện triệt tiêu suất điện động tự cảm bằng diode.
Một diode ngăn dòng tự cảm được nối song song với cuộn dây, được mắc theo chiều nghịch nên khi tiếp điểm đóng thì không có dòng chạy qua diode. Khi mạch điều khiển ngắt dòng sẽ
ngừng chạy qua cuộn dây, gây ra sự giảm của từ trường. Các đường sức từ xuyên qua cuộn dây và sinh ra điện áp ngược trong cuộn dây. Điện áp ngược này bắt đầu tăng lên. Khi điện áp ngược phía dưới diode tăng cao hơn điện áp dương nguồn phía trên diode 0.7V thì diode sẽ
dẫn cho dòng phía điện áp cao đi qua. Kết quả là triệt tiêu điện áp tự cảm bằng cách điện áp ngược này sẽđi qua diode và được xả bởi điện trở R.
Đối với những hệ thống nào có cuộn dây mà được triệt tiêu suất điện động bằng diode thì cần phải mắc thêm một điện trở có giá trịđủ lớn để hấp thụ suất điện động tự cảm ngược này, nếu không sẽ gây hư hỏng các thiết bị điện tử.
2.5.2. Phương pháp dùng điện trở.
Hình 2.15. Sơđồ mạch điện triệt tiêu sức điện động tự cảm bằng điện trở.
Điện trở có giá trị điện trở cao cũng thỉnh thoảng được dùng thay cho diode. Điện trở có độ
bền cao hơn và có thể triệt tiêu điện áp tự cảm tương tự như diode, nhưng điện trở sẽ cho phép dòng chạy qua mỗi khi transistor mở. Vì vậy, điện trở của thiết bị khá cao để ngăn không cho dòng chạy qua nó nhiều.
Hình 2.16. Sơ đồ mạch điện triệt tiêu sức điện động tự cảm bằng tụđiện.
Khi cam 1 đội làm tiếp điểm KK’ chớm mở, trên cuộn sơ cấp sẽ sinh ra một suất điện động tự
cảm. Suất điện động này sẽ được nạp vào tụ C1 nên sẽ giúp dập tắt được tia lửa trên vít do suất điện động tự cảm gây ra.
Như vậy ngoài việc bảo vệ các linh kiện, thiết bị điện tử trong mạch, tụ điện trong hệ thống
đánh lửa này còn có nhiệm vụ là nâng cao được hiệu điện thế trên cuộn thứ cấp, làm tăng hiệu quảđánh lửa, kim phun.
2.6. Nhận định khoa học.
Trên cơ sở quan sát sự biến thiên của suất điện động tự cảm trên các cuộn dây, tôi đưa ra một số giả thuyết như sau:
• Tôi nhận định rằng nguồn năng lượng từ các cuộn dây là rất lớn.
• Tôi nhận định rằng các giải pháp triệt tiêu sức điện động trong cuộn dây là vô cùng lãng phí.
• Tôi khẳng định rằng có thể thu hồi các xung tự cảm nêu trên và hiệu suất thu hồi là tương đối.
CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM
Bộđiều khiển thu hồi năng lượng điện cảm gồm có:
• Bộ thu hồi.
• Bộđiều khiển.
• Bộ lưu trữ.
3.1. Thiết kế hệ thống thu hồi. 3.1.1. Ý tưởng thiết kế.
Dựa vào các đồ án trước đây đã thiết kế bộ thu hồi nhưng còn nhiều nhược điểm. Tôi quyết
định nghiên cứu và tạo ra một bộ thu mới tối ưu hơn. Cơ sở lý thuyết:
• Việc thiết kế, chế tạo ra một sản phẩm thu hồi các suất điện động tự cảm trên các cuộn dây với khả năng thu hồi nhanh, chịu được xung điện áp cao tần thì cần phải đảm bảo các yêu cầu: an toàn cho hệ thống trang thiết bị, các linh kiện liên quan, an toàn cho người sử dụng, đảm bảo công suất động cơ hoạt động ổn định ở mọi tốc độ, đảm bảo
được độ bền lâu cho sản phẩm và hiệu suất thu hồi cao.
• Đểđạt được các yếu tố trên tôi đã tiến hình tìm hiểu, khảo sát, thí nghiệm các mạch thu hồi tự sáng chế cũng như việc tham khảo từ các chuyên đề trước đây để cho ra một sản phẩm tối ưu nhất.
3.1.2. Các bộ thu hồi của các đồ án trước. Mạch thu hồi sử dụng cuộn cảm lõi xuyến.
Đây là bộ thu hồi của đồ án “Nghiên cứu chế tạo thiết bị thu hồi điện cảm trên hệ thống điện ô tô”.
Hình 3.1. Mạch nguyên lý bộ thu hồi năng lượng điện cảm cho một cuộn sơ cấp bobine.
Hình 3.2. Mạch nguyên lý mở rộng cho bộ thu hồi năng lượng điện cảm trên các thiết bị sử
Hình 3.3. Bộ thu hồi năng lượng sử dụng cuộn cảm lõi xuyến. Trong đó:
• Chân 1,2,3,4,5: Chân dự phòng (mở rộng) thu hồi điện cảm. • Chân 6,7: Thu hồi xung điện cảm tại âm bobine.
• Chân 8,9: Thu hồi xung điện cảm tại kim phun. • Chân 10: Chân đưa đến bộ tích trữ siêu tụđiện.
Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiện tượng tự cảm, khi có một xung điện cảm dư thừa ở chân âm bobine đi qua cuộn cảm thứ nhất L1, cuộn cảm này có tác dụng biến đổi từ thành điện khi
đã tích lũy đủ điện áp. Khi Transistor ngắt, trong cuộn cảm này sẽđược biến đổi thành điện năng, phóng qua cuộn cảm kế tiếp cũng đảm bảo chức năng như cuộn cảm đầu tiên này, cản trở dòng điện lớn khi đi vào, khi cuộn cảm L1 tích lũy đủ và ổn định mức điện áp thì nó thực hiện chức năng giải phóng nguồn năng lượng bên trong sang cuộn cảm L9. Cuộn cảm L9 tạo xung điện áp dao động ổn định và mức điện áp xung cao hơn so với xung điện áp phóng ra tại
đầu âm bobine, do đây là xung điện áp nên nó đảm bảo cho việc bảo vệ các thiết bị tích trữ
ngược đến bobine thì diode D1 có chức năng chặn xung ngược phóng lại. Các cuộn còn lại L2, L3, L3, L4, L5, L6, L7, L8, L10, L11 hoạt động tương tự như L1.
Ưu điểm của bộ thu hồi cuộn cảm lõi xuyến: • Các linh kiện hoạt động ổn định.
• Không làm mất công suất hoạt động đánh lửa ở mọi tốc độ. • Năng lượng điện áp thu được nhiều và ổn định.
Nhước điểm của bộ thu hồi cuộn cảm lõi xuyến: • Giá thành các cuộn cảm lõi xuyến đắt.
• Công việc quấn dây và tính toán đúng điện trở trong rất khó khăn.
Thu hồi bằng phương pháp dùng diode.
Đây là bộ thu hồi của nhóm đồ án “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển phun nhiên liệu dùng siêu tụđiện”.
Đây là một mạch nạp trực tiếp vào khối siêu tụ điện, 2 diode là để dẫn dòng và tránh hiện tượng xả ngược từ siêu tụđiện về bobine.
Ưu điểm:
• Quá trình thu hồi điện cảm bằng diode dễ thực hiện, kết nối đơn giản, nhỏ gọn. Nhược điểm:
• Thời gian nạp diễn ra chậm, khổng ổn định ở các mức điện áp khác nhau.
Để thời gian nạp diễn ra nhanh hơn, ổn định hơn nhóm sinh viên thực hiện đồ án đã sử dụng
ổn áp xung để tăng hiệu suất nạp cho siêu tụ.
Mạch ổn áp xung được sử dụng ởđây là mạch ổn áp Boost. Ổn áp Boost là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào.
Hình 3.5. Sơđồ ổn áp xung Boost. Nguyên lý hoạt động:
Phần tử chuyển mạch làm việc như một khóa điện tử đóng và mở với tần số không đổi. Xung điều khiển với tần số f được tạo ra bởi khối tạo dao động. Thời gian đóng và ngắt của phần tử chuyển mạch phụ thuộc vào độ rộng của xung điều khiển, độ rộng của xung được tạo ra bởi khối điều chế độ rung xung, khối này nhận tín hiệu xung kích hướng âm được tạo ra hởi mạch xén và tín hiệu sai lệch để xác định độ rộng của xung kích sao cho tín hiệu ra V0 ổn
định. Dòng ra được bảo đảm nhờ tụ C và cuộn cảm L. Tín hiệu ra được lấy một phần đem so sánh với điện áp chuẩn tạo ra tín hiệu sai lệch đểđiều chếđộ rộng xung.
Ưu điểm của ổn áp xung:
• Tổn hao ít nên hiệu suất cao (thường trên 80%).
• Độổn định cao do phần tửđiều khiển làm việc ở chếđộ xung. • Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ.
Nhược điển của ổn áp xung: • Phân tích, thiết kế phức tạp.
• Bức xạ sóng, nhiễu trong dải tần số rộng do đó cần lọc xung ở ngõ vào nguồn và bộ
nguồn phải được bọc kim.
• Tần sốđóng ngắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
3.1.3. Bộ thu hồi sử dụng diode và tụ.
Sau khi suy nghĩ, nghiên cứu và dựa vào các bộ thu hổi trên, tôi đã tạo ra bộ thu hồi mới là “Bộ thu hồi sử dụng diode và tụ” và tôi nhận định đây là bộ thu hồi tối ưu nhất.
Hình 3.6. Bộ thu hồi sử dụng diode và tụ.
Dựa vào nguyên lý của mạch thu hồi sử dụng diode, nhưng để cho điện áp ra ổn định hơn để
tăng hiệu suất nạp cho siêu tụ mà không sử dụng mạch ổn áp xung, thay vào đó tôi sử dụng một tụ có mức điện áp cao phù hợp với suất điện động tự cảm của cuộn dây bobine để đảm bảo dòng điện nạp siêu tụ ổn định hơn và nhanh hơn. Bằng cách này tôi đã giải quyết được nhược điểm của bộ thu hồi bằng diode.
Ưu điểm:
• Quá trình thu hồi điện cảm bằng diode dễ thực hiện, kết nối đơn giản, nhỏ gọn, không cần sử dụng ổn áp xung.
• Thời gian nạp trung bình, điện áp ổn định hơn bộ thu hồi bằng diode khi không có ổn áp xung.
3.2. Thiết kế bộ lưu trữ năng lượng.
3.2.1. Khảo sát một số thiết bị lưu trữđiện năng.
Qua phân tích các nghiên cứu về các loại hệ thống tích trữ năng lượng điện cảm tái sinh cho thấy rằng: Tất cả các phương án tích trữ năng lượng điện cảm đều giúp cho xe tích trữđược một nguồn năng lượng tái sinh được lấy từ một hệ thống khác đang hoạt động. Tuy nhiên, mỗi kiểu hệ thống đều có ưu nhược điểm của nó.
Thời gian nạp trung bình của các thiết bị lưu trữđiện năng.
Hình 3.7. Thời gian nạp trung bình của các thiết bị lưu trữđiện năng.
Xét về thời gian nạp trung bình thì siêu tụ là phương án nạp đầy nhanh nhất không phụ thuộc vào tải, nhiệt độ với thời gian nạp của siêu tụ là 10 giây. Tiếp theo là Pin Lithium và cuối cùng là Accu với thời gian nạp trung bình lâu nhất với hơn 8 giờ.
Hình 3.8. Số lần phóng nạp của các hệ thống tích trữ năng lượng.
Thiết bị tích trữ năng lượng phóng nạp khác nhau sẽ cho lượng phóng nạp khác nhau. Do đó xét về khả năng phóng nạp thì siêu tụ vẫn cao nhất với hơn 50.000 lần, kế tiếp là Pin Lithium và Accu lần lượt là 900 và 800 lần.
Khả năng tích trữ năng lượng.
Hình 3.9. Công suất riêng (W/kg) và Mật độ năng lượng (Wh/kg).
Xét về khả năng tích trữ năng lượng thì một lần nữa, siêu tụ cho thấy được điểm mạnh của mình, khi mà mật độ năng lượng được tạo ra ứng với một đơn vị khối lượng là hơn 6000Wh/kg,
khả năng tích trữ gấp rất nhiều lần so với các thiết bị tích trữ còn lại là Pin Lithium với 20Wh/kg và với Accu là 35Wh/kg.
Biểu đồ cho thấy được rằng, công suất có mối liên kết chặt chẽ với mật độ năng lượng của thiết bị, mật độ cao đồng nghĩa với việc tạo ra công suất lớn. Siêu tụ cho công suất riêng lên tới 3000W/kg gấp 10 lần cho với Pin Lithium, thấp nhất đó là Accu với công suất riêng là 32W/kg.
Tuổi thọ trung bình.
Hình 3.10. Tuổi thọ trung bình của các thiết bị.
Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cùng một hệ thống nhưng sử dụng các loại tích trữ năng lượng khác nhau thì cho thấy rằng, tuổi thọ là 1 trong những điểm mạnh của siêu tụ khi mà vòng đời có thể lên đến hơn 10 năm. Trong khi đó, Pin Lithium và Accu có tuổi thọ ngắn hơn lần lượt là 2 năm và 1 năm.
Bảng 3-1. Bảng khảo sát một số thiết bị lưu trữđiện năng. Các thông số Ắc quy Tụđiện thường Các loại pin Lithium-ion Các siêu tụ (ứng dụng sao lưu dữ liệu) Các siêu tụ (ứng dụng công suất lớn) Nhiệt độ làm việc (oC) – 20 đến + 100 –40 đến + 125 –20 đến + 60 – 20 đến + 70 –20 đến + 70 Điện áp (V) 12 đến 48 4 đến 550 2.5 đến 4.2 1.2 đến 3.3 2.2 đến 3.3 Thời gian nạp 8 đến 10 giờ 103đến 106 giây 10 đến 60 phút 0.3 đến 30 giây 0.3 đến 30 giây Số lần phóng/nạp 1000 Bị giới hạn (>500,000) 500 đến 105 105 đến 106 105 đến 106 Điện dung (F) ≤ 1 0.1 đến 470 100 đến 12000 Năng lượng riêng (Wh/kg) 10 đến 100 0.01 đến 0.3 100 đến 265 1.5 đến 3.9 4 đến 9
Công suất riêng (kW/kg) < 1 >100 0.3 đến 1.5 2 đến 10 3 đến 10 Thời gian tự phóng ở nhiệt độ phòng (oC) Ngắn (khoảng vài ngày) Dài (khoảng 1 tháng) Trung bình (khoảng vài tuần) Trung bình (khoảng vài tuần) Hiệu suất (%) 0.7 đến 0.85 99 90 95 95 Tuổi thọ (năm) ở nhiệt độ phòng (25oC) 2 đến 4 >20 3 đến 5 5 đến 10 5 đến 10
Qua bảng khảo sát trên thì có thể thấy siêu tụđiện là thiết bị có khả năng đáp ứng các yêu cầu vềđiện áp, thời gian nạp, tuổi thọ, năng lượng cũng như công suất. Ngoài ra siêu tụđiện còn
đảm bảo về mặt hiệu suất thu hồi cao đối với bộ thu hồi. Vì thế tôi chọn siêu tụđiện làm thiết bị lưu trữ.
3.2.2. Không gian sử dụng accu và siêu tụđiện.
Trên xe ô tô đa sốđều có một bình accu. Accu ô tô là một bộ phận quan trọng trong việc vận hành xe. Với vai trò là tích trữđiện năng giúp cho việc chạy các thiết bị phụ nhưđiều hòa,
accu. Chức năng chính đó là cung cấp năng lượng cho hệ thống thiết bị khởi động, đánh lửa
để xe có thể khởi động động cơ.
Với các trường hợp phụ tải được sử dụng vượt mức dòng định mức của máy phát, accu cũng có vai trò cung cấp thêm điện năng cho chúng.
Nhưng công nghệ ngày càng phát triển, như phân tích ở trên siêu tụ có các đặc tính nổi bật và bền hơn rất nhiều so với accu. Ngày nay các nhà sản xuất đang hướng tới sử dụng siêu tụ thay cho accu vì các đặc tính nổi bật của siêu tụđiện. Ngoài các đặc tính nêu trên thì kích thước và khối lượng cũng là một điểm mạnh của siêu tụ so với accu.
Thông số kỹ thuật của một số accu.
• Accu GS NS40Z: Các dòng xe du lịch như Toyota Innova,... Kích thước (Dài x Rộng x Cao): 197 x 129 x 202 (mm). Tổng cao: 227 (mm).
Điện áp- Dung lượng: 12V- 35Ah.
• Accu GS NS60: Các dòng xe như Suzuki APV cọc thuận, HonDa CR-V,... Kích thước (Dài x Rộng x Cao): 238 x 129 x 227 (mm).
Điện áp- Dung lượng: 12V- 45Ah.
• Accu GS N50: Các dòng xe như Canter truck, Pajero, Flat Tempra,... Kích thước (Dài x Rộng x Cao): 260 x 173 x 202 (mm).
Điện áp- Dung lượng: 12V- 50Ah.
• Accu GS MF55D23L: Các dòng xe như CAMRY 2.4G/3.0, FORTUNER, KIA GTX,... Kích thước (Dài x Rộng x Cao): 260 x 173 x 225 (mm).
Tổng cao: 225 (mm).
Bảng 3-2. Thông số kỹ thuật của một số accu. Loại Accu Điện áp (V) Dung lượng (Ah) Kích thước (mm) Trọng lượng bình khô (kg) Dài (L) Rộng (W) Cao (H) Thật cao (T.H) N20 12 20 260 93 160 180 5.50 NS40 12 35 195 127 199 222 8.30 N50 12 50 258 170 198 222 12.40