Đến đây ta có thể hiểu tại sao siêu tụ điện có điện dung C rất “siêu”. Một là than hoạt tính có rất nhiều lỗ nên diện tích mặt ngồi S rất lớn, thí dụ 250 gam than hoạt tính có diện tích mặt ngồi tổng cộng là 375.000 mét vng. Hai là khoảng cách d giữa các lớp mang điện tích trái dấu rất nhỏ, chỉ vào cỡ nanomet (10−9m). Hai lý do chính là S lớn và d nhỏ làm cho siêu tụ điện có điện dung C nhiều bậc lớn hơn điện dung của tụ điện thơng thường. Dễ dàng có được siêu tụ điện với điện dung hàng trăm Farad.
2.2.8. Ưu và nhược điểm của siêu tụ điện2.2.8.1. Ưu điểm của siêu tụ điện 2.2.8.1. Ưu điểm của siêu tụ điện
Siêu tụ điện có nhiều lợi thế như: Hiệu quả rất cao.
Khả năng sạc nhanh, mặc dù siêu tụ điện khơng thể lưu trữ nhiều năng lượng như pin lithium-ion có cùng kích thước, nhưng siêu tụ điện có thể bù đắp điều đó bằng tốc độ sạc. Trong một số trường hợp, chúng sạc nhanh hơn gần 1.000 lần so với thời gian sạc của pin có dung lượng tương tự. Với tốc độ sạc này, gần như có thể sạc ngay lập tức cho một chiếc xe điện [4].
24
Siêu tụ điện có tuổi thọ cao hơn pin, để so sánh tuổi thọ, thì pin lithium-ion trung bình từ 500 đến 10.000 chu kỳ. Cịn siêu tụ điện có tuổi thọ dao động từ 100.000 đến một triệu chu kỳ.
Siêu tụ điện có thể chịu được mọi nhiệt độ trong khoảng từ -30 đến 65 độ trong khi pin có thể chịu được từ 10 đến 40 độ C.
Các siêu tụ có trọng lượng rất nhẹ.
Các siêu tụ điện có thể được cài đặt trong một khu vực hẹp vì nó có kích thước rất nhỏ.
Các siêu tụ điện có phản ứng thống qua rất nhanh.
2.2.8.2. Nhược điểm của siêu tụ điện
Bên cạnh đó siêu tụ điện cũng có một số nhược điểm sau: Các siêu tụ điện có năng lượng riêng rất thấp.
Rất khó để tạo ra siêu tụ điện có cơng suất điện áp cao ở thời điểm hiện tại, đó là lý do tại sao hầu hết các siêu tụ điện 2.7V đều có sẵn trên thị trường.
Thuộc tính điện áp phóng tuyến tính của chúng là một bất lợi. Đặc tính điện áp phóng tuyến tính có nghĩa là khi siêu tụ phóng 50% tổng năng lượng dự trữ, điện áp cũng giảm một nửa. Có nghĩa là nếu điện áp đầy của chúng là 2,7V thì điện áp sẽ giảm xuống còn 1,3V. Nhưng trong trường hợp pin, điện áp sẽ gần với điện áp đầy thậm chí khi pin xả 50% năng lượng.
Giá của siêu tụ điện cao hơn pin Li-ion cùng dung lượng.
Siêu tụ điện xả nhanh hơn pin khi không được kết nối với tải hoặc nói cách khác, đặc tính tự xả của siêu tụ là một bất lợi nữa.
2.2.9. Ứng dụng của siêu tụ trên ô tô hiện nay
Trung Quốc đã thử nghiệm từ 2005 ở Thượng Hải loại xe buýt điện mới gọi là Capabus (Capacitor Bus). Loại xe này được trang bị động cơ điện chạy bằng điện chứa ở siêu tụ điện. Dọc đường xe chạy khơng có đường dây căng ở trên để xe có cần lấy điện từ đường dây như xe buýt chạy điện thông thường. Ở các trạm đỗ xe dọc đường có chỗ lấy điện để nạp nhanh điện cho siêu tụ điện, thời gian nạp điện ngắn hơn thời gian hành khách lên xuống, ở các trạm dừng xe đầu và cuối có chỗ nạp điện thật no cho siêu tụ điện [5].
25 Năm 2001 và 2002 nước Đức đã thử nghiệm tuyến xe buýt công cộng sử dụng kết hợp diesel và siêu tụ điện. Từ năm 2003 tại Manheim Sadbahn, nước Đức đã vận hành tuyến đường sắt nhẹ sử dụng siêu tụ điện để tích năng lượng phanh. Siemens AG đã phát triển Sibac Energy Storage dựa trên siêu tụ điện dùng cho phương tiện di động. Công ty Senelec cũng đã phát triển hệ thống giao thông dựa trên siêu tụ điện. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, các siêu tụ điện có tương lai đầy hứa hẹn [5].
Bên cạnh đó, cơng nghệ siêu tụ điện hiện đang được ứng dụng cho các xe điện ở Tây Ban Nha và Pháp cũng như cho các xe điện và xe buýt “lai” trên toàn thế giới. Đối với xe bt, cơng nghệ này có thể giảm khoảng 30% lượng khí thải cacbon. MAN, một cơng ty sản xuất phương tiện trọng tải lớn tại Munich đã ước tính những toa xe có lắp thiết bị siêu tụ điện có thể tiết kiệm khoảng 4500 USD một năm chi phí nhiên liệu.
Hệ thống năng lượng tổng hợp pin - siêu tụ điện kết hợp các ưu điểm của siêu tụ điện và pin, không chỉ cải thiện các đặc tính cơng suất tức thời của xe điện mà cịn tránh xả pin, kéo dài tuổi thọ của pin và tăng tốc độ xe điện. Đây là một hướng phát triển quan trọng cho các siêu tụ điện trong lĩnh vực giao thơng và có triển vọng với thị trường rộng lớn. Do áp lực kép của ô nhiễm môi trường và cuộc khủng hoảng dầu mỏ, xe điện đã từng bước trở thành một chiếc xe xanh quan trọng trong cuộc sống của người dân. Nguồn điện là nguồn năng lượng chính cho xe, nhưng cơng nghệ pin hiện tại không thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của xe điện.
Một siêu tụ điện là một thành phần lưu trữ năng lượng giữa pin và một tụ điện tĩnh điện. Nó có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với tụ tĩnh điện và mật độ công suất cao hơn nhiều so với pin, và không chỉ phù hợp với nguồn đầu ra cơng suất ngắn, mà cịn có thể được sử dụng để cải thiện đặc tính chuyển động khi xe điện khởi động, tăng tốc và lên dốc,bởi vì nó có cơng suất cao hơn, năng lượng riêng cao hơn và nhiều năng lượng hơn. Ngồi ra, siêu tụ có những ưu điểm độc đáo như điện trở thấp, điện tích cao và hiệu suất xả cao (hơn 90%), tuổi thọ dài (hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn lần), khơng gây ô nhiễm như các nguồn năng lượng khác. Phối hợp sử dụng giữa pin và siêu tụ là một cách hiệu quả để tái chế năng lượng và giảm ô nhiễm, có thể cải thiện đáng kể khoảng cách chạy của xe điện với một lần sạc. Do đó, siêu tụ điện có triển vọng ứng dụng rộng rãi
26 trong lĩnh vực xe điện và sẽ là một trong những hướng đi quan trọng cho sự phát triển của xe điện trong tương lai.
Hiện nay, Nhật Bản, Mỹ, Thụy Sĩ, Nga và các nước khác đang đẩy mạnh phát triển siêu tụ điện và nghiên cứu ứng dụng siêu tụ điện trong hệ thống xe điện.
Một trong những ứng dụng lớn nhất của hệ thống pin – siêu tụ điện chính là hệ thống
phanh tái tạo năng lượng trên các dịng xe ơ tơ điện hiện đại. Cụ thể, phần năng lượng
sinh ra khi phanh sẽ được sạc ngược lại vào siêu tụ điện. Với ưu điểm sạc nhanh, tụ hóa sẽ nhanh chóng thu phần động năng này, và khi khối pin chính cần, nó sẽ xả ra, cung cấp dịng năng lượng tức thời cho khối pin chính.
Trang bị trên các mẫu xe hơi hybrib. Các loại xe này sẽ được trang bị siêu tụ. Siêu tụ sẽ được sạc đầy trong quá trình xe hoạt động. Chiếc xe sẽ được trang bị 1 động cơ điện bên cạnh động cơ nhiên liệu truyền thống và khi cần tăng tốc thì động sẽ sử dụng chính động cơ điện này và lượng điện tích được trong siêu tụ. Q trình này cứ diễn ra liên tục giúp tiết kiệm đáng kể nhiên liệu cho xe mà lại tăng được hiệu suất.
Ngồi ra siêu tụ điện có thể giúp khởi động xe ơ tơ khơng cần acquy, gánh tải xả dịng lớn khi khởi động giúp acquy khơng bị q tải, bền bỉ duy trì thêm tuổi thọ, xe khởi động dễ dàng hơn.
27
Chương 3 THIẾT KẾ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHUN XĂNG DÙNG SIÊU TỤ ĐIỆN
3.1. Mơ hình thực nghiệm
Mơ hình thực nghiệm hệ thống điện điều khiển động cơ được thực hiện với các cụm chi tiết của hệ thống điện điều khiển động cơ 1TR-FE.
Một động cơ điện 12VDC dẫn động rotor của cảm biến vị trí trục cam và cảm biến tốc độ động cơ trong dải tốc độ 750 – 6000 vịng/phút, cùng với các tín hiệu đầu vào gửi đến ECU để điêu khiển hoạt động phun xăng của các kim phun.
Bảng: danh mục các bộ phận trên mơ hình
STT Danh mục Chức năng Thơng số Hình ảnh
1 Khung mơ hình Gá lắp chi tiết, thiết bị 1320×700×1690 (mm). Khối lượng 90kg 2 Các tín hiệu đầu vào: lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, vị trí bướm ga, vị trí trục cam, trục khuỷu… Cung cấp tín hiệu cho ECU điều khiển phun nhiên liệu Cảm biến tương ứng động cơ 1TR-FE 3 Hệ thống điện điều khiển, bộ điều khiển trung tâm (ECU)
Kết nối, hoàn thiện hệ thống
Cụm chi tiết điện của động cơ 1TR- FE 4 Các tín hiệu đầu ra: hệ Xác nhận quá trình Các bộ chấp hành tương ứng động
28 thống nhiên
liệu
điều khiển cơ 1TR-FE
5 Mạch Chuyển đổi nguồn điện cấp cho kim phun
Chuyển đổi nguồn điện cấp cho kim phun khi điện áp hệ siêu tụ giảm Mạch XH-M609, relay. 6 Hệ thống điện nguồn, mạch bảo vệ Cấp nguồn, đảm bảo an toàn điện
Cụm cơng tắc relay, cầu chì tương ứng động cơ 1TR-FE 7 Bộ điều khiển tốc độ động cơ Giả lập dải tốc độ động cơ từ 750 đến 6000 v/ph theo yêu cầu thực nghiệm
Điện áp dầu vào 12VDC Dòng điện tĩnh: 0.025A Dịng điện định mức: lớn nhất 40A
Cơng suất điều khiển 480W Tần số PWM: 12khz 8 Thiết bị hiển thị thông tin Trực quan thông tin cần giám sát Bảng táp lô tương ứng với động cơ 1TR-FE 9 Thiết bị đo kiểm thông tin
Kết nối thiết bị đo dạng sóng, điện áp, dịng điện…
Theo u cầu thực tế kết nối
29
3.2. Thiết kế mạch điều khiển chọn nguồn cho kim phun
Từ mơ hình hệ thống điều khiển phun xăng sử dụng điện áp acquy ban đầu, để tăng độ nhạy kim phun nhóm sử dụng hệ siêu tụ có giá trị điện áp 24V cao hơn acquy như một nguồn điện thứ 2 cấp cho kim phun. Siêu tụ có đặc tính nạp và xả nhanh nên cần có một thiết bị chuyển đổi luân phiên giữa 2 nguồn điện acquy và hệ siêu tụ khi điện áp của hệ siêu tụ giảm xuống dưới 21V thì ngắt hệ siêu tụ cấp nguồn cho kim phun, khi điện áp hệ siêu tụ bắt đầu lớn hơn 24V trở lại thì sẽ sử dụng siêu tụ cấp nguồn cho kim phun. Sơ đồ mạch chuyển đổi nguồn điện như hình dưới.