Ghế ngồi
Do mục đích của đề tài nên ghế ngồi là bộ phận không thể thiếu của đề tài và nó phải thõa các yêu cầu:
Đủ diện tích chỗ ngồi cho hành khách.
Kích thước và hình dạng đảm bảo sự thoải mái cho hành khách.
Chiều cao ghế vừa phải, không quá cao ảnh hưởng đến chiều cao tổng thể, nếu quá thấp sẽ chạm bánh xe.
Đệm ghế ngồi có độ mềm thích hợp.
Đảm bảo tính thẩm mĩ chung của khung.
45 Hình 3.16 Thơng số kích thước của ghế ngồi
Thơng số về ghế ngồi:
Vật liệu: Thép vuông C45.
Chiều dài : 2 thanh dài 600mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là cắt xéo (25x25mm).
Chiều rộng: 2 thanh dài 440mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là cắt xéo (25x25mm).
Chiều cao: 4 thanh dài 350 mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là cắt xéo (25x25mm).
Vật liệu: Sắt ống.
Số lượng: 2 thanh sắt uốn chiều dài 390mm + R50 mm + 50mm.
Đệm ngồi và tựa lưng.
Đệm ngồi: 580mm x 420mm x 30mm, tấm mica + mút xốp + simili.
Đệm tựa lưng: 580mm x 250mm x 15mm, tấm mica + mút xốp + simili.
Các thanh sắt được nối với nhau bằng các mối hàn, đệm ngồi và tựa lưng được cố định bằng ghim bấm.
46 Hình 3.17 Ghế ngồi trên bản vẻ và thực tế
Khung trên
Khung trên là bộ phận khơng thể thiếu của đề tài, nó giúp định hình mơ hình và để đặt tấm pin năng lượng, vì vậy khung trên cần có một vài yêu cầu như sau:
Có độ chắc chắn để chịu lực phân bồ đều từ tấm pin, lực tác động dọc và ngang.
Chiều cao phải cân đối, không quá thấp làm hành khách ngồi không vừa, không quá cao ảnh hưởng đến lực động học.
Thiết kế có các đường bo cung, đường nghiêng thích hợp để đảm bảo tính thẩm mĩ và khí động học.
Mặt để tấm pin mặt trời có thiết kế hơi nghiêng xuống giúp tấm pin mặt trời thu được hiệu suất cao hơn.
Thông số của khung trên:
Vật liệu: Sắt ống.
Số lượng: 2 thanh sắt ống uốn chiều dài 800mm + R100mm + 420mm + R60mm + 1100mm + 310mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là hình trịn (∅16mm).
Số lượng: 6 thanh sắt ống chiều dài 600mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là vát tù (∅16mm).
47 Hình 3.18 Kích thước của khung trên
Phân tích khí động học
Theo lý thuyết, khi chuyển động ô tô phải chịu nhiều loại lực cản:
Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp.
Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe.
Lực ma sát liên quan đến vật liệu, cơng nghệ chế tạo.
Lực cản của gió liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe.
Với đề tài thiết kế này nhóm khơng thể tác động thay đổi gì nhiều với ba loại lực trên ngoại trừ giảm tối thiểu khối lượng của khung, bơm chuẩn áp suất lốp. Vì thế nhóm chỉ phân tích về lực cản gió, vì tốc độ của xe có hạn 30 – 40 km/h nên nhóm khơng đặt nặng các u cầu về thiết kế cho khí động học.
Lực cản của gió được tạo ra bởi hai thành phần: hình dạng cản và sự ma sát với bề mặt xe:
Hình dạng cản: Sự chuyển động của xe đẩy khơng khí phía trước nó, tuy nhiên khơng khí khơng thể dịch chuyển ra khỏi phía đó ngay lập tức do đó tăng lên trở thành khí có áp suất cao. Đồng thời, khơng khí phía sau xe khơng thể điền đầy khoảng trống ngay được bởi sự dịch chuyển về phía trước của xe, nó tạo ra vùng có khí áp suất thấp.
Sự ma sát bề mặt: Khơng khí gần bề mặt của xe hầu như di chuyển với tốc độ của xe trong khi khơng khí ở ngồi xe gần như được giữ nguyên tốc độ. Các phần tử khí di chuyển
48 với khoảng tốc độ rộng. Sự khác biệt giữa hai dịng khí tạo ra sự ma sát là kết quả của thành phần gây ra lực cản khí động.
Như trên hình 3.22 ta thấy, mặt cắt xác định sự thay đổi vận tốc của luồng khơng khí ở phía bên ngồi khi chưa tiếp xúc đến xe, luồng khơng khí có vận tốc khơng đổi. Khi tiếp xúc đến các mặt phẳng của xe vận tốc khơng khí giảm xuống, khi xe di chuyển luồng khơng khí đó sẽ di chuyển cùng tốc độ tạo ra sự ma sát bề mặt cùng với một vùng áp suất cao, còn vận tốc luồng khơng khí phía sau xe bị giảm là do chưa được điền đầy tạo ra một vùng khí áp suất thấp.
Hình 3.19 Đường khơng khí di chuyển khi vào thùng xe
Hình 3.20 Mặt phẳng tốc độ gió khi đi vào thùng xe
Vận tốc khi tiếp xúc đến bề mặt xe giảm không nhiều và chỉ thay đổi ở một vùng chắn phía trước khung, vùng tựa lưng và mặt cản của khung tấm pin.
49 Hình 3.21 Áp lực của khơng khí tác dụng vào khung
Đồng thời áp lực tác dụng vào ba vị trí này cũng khơng cao, chỉ có vùng nhỏ giữa tấm chắn phía trước khung và giữa vùng tựa lưng chịu áp lực cao nhất những vẫn nằm trong giới hạn. Ngồi ra, trên hình ta cịn thấy được đường thẳng luồng khơng khí di chuyển sang bốn hướng khi tiếp xúc vào bề mặt cản.
Các bước còn lại
Thùng xe được sơn bằng màu đen. Trước khi sơn phải che bộ phận khác bằng giấy. Sau đó chà nhám bề mặt bị rỉ và tiến hành sơn. Khi sơn cần sơn đều và sơn lại vài lần, tránh để sơn bị chảy.
Hình 3.22 Thùng xe đang phơi sau khi sơn
Lắp tấm chắn bằng mica. Khi lắp cần dán keo silicon trước vào để khi di chuyển khơng tạo tiếng ồn do lắp khơng kín.
50 Hình 3.23 Lắp tấm chắn
Lắp đặt công tắt số lùi dễ dàng điều khiển trên xe.
Hình 3.24 Vị trí đặt cơng tắt số lùi
51
Sử dụng pin năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy
Hình 3.25 Hệ thống nạp điện bổ sung cho ắc quy bằng năng lượng mặt trời và hệ thống điện trên xe nguyên thủy
3.2.1 Giới thiệu hệ thống điện trên xe và hệ thống nạp điện bổ sung cho ắc quy
Xe sử dụng nguồn điện từ 5 bình ắc quy với thơng số mỗi bình ắc quy là 12V 20A, các bình ắc quy được mắc nối tiếp để cho ra nguồn điện 60V và 20A.
Đối với hệ thống điện động cơ: Nguồn điện được cung cấp trực tiếp tới bộ điều khiển động cơ và một cơng tắc dùng để kích nguồn cho bộ điều khiển động cơ. Sau đó bộ điều khiển động cơ cấp nguồn cho động cơ điện, đồng thời điều khiển tốc độ động cơ sau khi nhận tín hiệu từ tay ga. Để đảm bảo an tồn trong q trình hoạt động bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cơng tắc phanh để đảm bảo nếu khi phanh động cơ điện sẽ khơng hoạt động. Ngồi ra bộ điều khiển sẽ truyền tín hiệu tới đồng hồ để hiện thị tốc độ của đồng hồ.
Đối với các thiết bị phụ tải: Xe sử dụng nguồn điện 60V do đó để có thể sử dụng các thiết bị điện (đèn chiếu sáng, xi nhan, cịi,…) cần có bộ đổi nguồn giúp thay đổi từ 60V về 12V.
Bên cạnh các bộ phần điện ban đầu của xe nhóm đã thêm vào các thiết bị như hình 3.25 giúp xe được nạp bổ sung nhờ hệ thống pin năng lượng mặt trời (tấm pin mặt trời, bộ điều
52 khiển sạc pin mặt trời, mạch tăng áp) được lắp trên thùng xe đặt bên phải của xe. Nguồn điện này sẽ trực tiếp nạp vào ắc quy và từ ắc quy sẽ đi đến bộ điều khiển động cơ.
3.2.2 Quá trình nạp điện bổ sung
Quá trình nạp điện cho ắc quy được thực hiện khi có ánh nắng chiếu vào tấm pin, năng lượng được chuyển đổi thành điện năng. Phần điện năng sinh ra được đưa vào bộ điều khiển sạc, bộ điều khiển sạc có nhiệm vụ ngắt dịng điện đi từ pin mặt trời xuống khi ắc quy đã đầy. Thực tế, nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời khi đủ nắng là 12V nhưng xe điện sử dụng 5 bình ắc quy với tổng điện áp là 60V do đó cần sử dụng mạch tăng áp nhằm mục đích khuếch đại điện áp từ 12V lên 60V để có thể sạc được cho bình ắc quy.
Trong trường hợp ắc quy đầy thì bộ điều khiển sạc ngắt nguồn điện sinh ra từ pin năng lượng mặt trời đến ắc quy. Nhưng khi xe hoạt động có tiêu thụ điện từ ắc quy thì ngay lập tức bộ điều khiển sẽ cho phép pin năng lượng mặt trời cung cấp nguồn điện đến ắc quy. Lúc này, nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời sẽ cung cấp trực tiếp cho động cơ điện hoạt động và lúc này ắc quy sẽ đóng vai trị cung cấp thêm dịng điện để động cơ có thể hoạt động bình thường .
Hình 3.26 Sơ đồ nối dây của hệ thống sạc bằng năng lượng mặt trời
3.2.3 Tính tốn chọn tấm pin năng lượng mặt trời
Quãng đường xe chạy tối đa bằng ắc quy khi được nạp đầy là khoảng S = 30km với tốc độ chạy trung bình là Vtb = 20km/h.
53 𝑇 = 𝑆𝑡𝑏
𝑉𝑡𝑏 = 30
20 = 1.5 𝑔𝑖ờ
Công suất ắc quy = điện áp ắc quy x dòng điện = 60 x 20 = 1200W Công suất ắc quy theo W/h:[5]
𝑊𝑊
ℎ
= 𝑊𝑎𝑞 𝑇
Dựa vào mục tiêu của đề tài sau khi cải tạo là giúp tăng quãng đường tối đa của xe chạy lên Sct = 3km. Do đó, thời gian hoạt động của xe khi có thêm bộ sạc năng lượng mặt trời là:
𝑡 = 𝑆 + 𝑆𝑐𝑡 𝑉𝑡𝑏 = 30 + 3 20 = 1.65 𝑔𝑖ờ Ta có: 𝑡 = 𝑊𝑎𝑞 𝑊𝑊 ℎ − 𝑊𝑝 Công suất của tấm pin ứng với thời gian trên:
𝑊𝑝 = 𝑊𝑊 ℎ − 𝑊𝑎𝑞 𝑡 = 𝑊𝑎𝑞 𝑇 − 𝑊𝑎𝑞 𝑡 = 1200 1.5 − 1200 1.65 = 72.7 𝑊
Dựa theo mục tiêu tăng thêm 3km với tấm pin có cơng suất 72W và u cầu nhỏ gọn phù hợp với kích thước của xe máy điện khơng q lớn tránh va quẹt người và vật cản xung quanh trong khi di chuyển. Do đó, nhóm đã chọn 2 tấm pin năng lượng mặt trời 35W Mono mắc song song với các thơng số.
54 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời Mono 35W
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Mono 35 W
Công suất tấm pin NL mặt trời Pmax 35 W
Điện áp hở mạch Voc 21.6 V
Dòng ngắn mạch Isc 2.67 A
Điện áp danh định Vmp 18 V
Dòng danh định Imp 1.93 A
Hiệu suất quang năng Module % 18%
Chuẩn loại Pin (cell) - Pin Silic đơn tinh thể
(monocrystalline)
Cấu tạo tấm pin mặt trời - Kính-EVA-Cell-EVA-TPT
& Khung nhơm
Chất lượng sản phẩm - IEC 61215, IEC 61730,
TUV
Nhiệt độ hoạt động Tpv - 40oC ~ 80oC
Kích thước mm 675 * 395 * 35 mm
Trọng lượng Kg 3 Kg
Tuổi thọ sản phẩm - Từ 30 năm đến 50 năm
3.2.4 Tính thời gian sạc
Xe có cơng suất động cơ 800W tuy nhiên trên điều kiện thực tế xe ít khi sử dụng tối đa cơng suất. Xét cơng suất trung bình xe chạy được.
Xe chỉ chở một người 60kg.
Khối lượng toàn bộ của xe là 70kg. Do đó khối lượng là 130kg.
55
Xe chạy trong điều kiện đường bằng phẳng không lên dốc. Ta có phương trình cân bằng lực kéo:
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 (Fi =0). F𝜔: lực cản khơng khí. Fj : lực cản quán tính ( Fj =0, a=0 m/s2). Lực cản lăn: Ff = f.Gtb.cosα = 0,015 . 130. 9,81 . cos (0) = 19,1295 N Lực cản khơng khí: F𝜔 = 0,625.Cx.S.v2 = 0,625. 0,4 . 2 . 5,562 = 15,4568 N Thay vào phương trình cân băng lực kéo ta được:
Fk = 34,5863 N
Vì vậy công suất cản của xe lúc này là:
N = Fk. v = 34,5863.5,56 = 192,3 W Công suất cực đại yêu cầu của động cơ:
𝑁𝑚𝑎𝑥 = 𝑁 0,8=
192,3
0,8 = 240,37 𝑁 Trong đó n là hiệu suất của động cơ điện là ≥ 80%.
Xe chạy trung bình một ngày với quãng đường 30km với vận tốc 20km/h ta có thời gian chạy của xe là 1,5h.
Lượng điện năng tiêu thụ của động cơ điện trong 1,5h là: A = Nmax . t = 240,37.1,5 = 360,56 Wh
Lượng điện năng mà tấm pin năng lượng mặt trời có thể sạc trong một ngày nắng.
Xét trong 1 ngày nắng tốt sẽ có 5 giờ với tấm pin năng lượng mặt trời có cơng suất 70W thu được 350W.
56
Trong thực tế hiệu suất nạp điện của pin năng lượng mặt trời chỉ đạt 85% (là hệ số thực nghiệm) do đó điện năng được nạp cho tấm pin năng lượng mặt trời là 297,5W.
Nếu chỉ dùng pin năng lượng mặt trời sạc cho xe với nhu cầu tiêu thụ trung bình có lượng điện năng tiêu thụ như trên ta có thời gian đề sạc là:
𝑡𝑛𝑙𝑚𝑡 = 𝐴
70 . 0,85 =
360,56
70 . 0.85 = 6,1ℎ
Nếu dùng pin năng lượng mặt trời sạc đầy ắc quy có 60V, 20A thì thời gian để sạc là: 𝑡𝑛𝑙𝑚𝑡 = 60 . 20
70 . 0.85= 20,2ℎ
Trên thực tế ắc quy chỉ xả được 70% công suất nên thời gian sạc thực tế là: 𝑡𝑡𝑡 = 𝑡𝑛𝑙𝑚𝑡. 0.7 = 20,2 . 0,7 = 14,1ℎ
Nếu sạc bằng điện lưới nhà, thời gian sạc cho ắc quy là: 𝑡𝑠 =20
𝐼𝑠 Trong đó:
20 là Dung lượng bình ắc quy (A).
Is: Dịng sạc. Thường thì dịng Is = 10 ÷ 15% A => ta chọn Is = 12%A = 12%x20 = 2.4 (A) Suy ra : 𝑡𝑠 = 20 2.4= 8.33 (ℎ)
Mạch đảo chiều động cơ giúp xe lùi
Bên cạnh hệ thống điện ban đầu và hệ thống sạc điện trực tiếp từ tấm pin năng lượng mặt trời, nhóm đã cải tạo thêm mạch điện đảo chiều động cơ giúp lùi xe.
57 Hình 3.28 Mạch đảo chiều động cơ và hệ thống điện trên xe nguyên thủy
Để thuận tiện cho việc di chuyển của người sử dụng khi lái xe, xe được trang bị mạch điện để đảm bảo xe có thể di chuyển lùi. Dựa vào nguyên lý hoạt động của động cơ điện 3 pha, chúng ta có thể thấy nếu muốn thay đổi chiều quay của động cơ cần phải thay đổi thứ tự cấp nguồn cho các pha của động cơ. Như vậy, chúng ta chỉ cần thay đổi thứ tự cấp nguồn của hai pha trong động cơ để thay đổi chiều quay của động cơ. Sử dụng hai relay 5 chân để thay đổi tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và hai relay công suất 5 chân để thay đổi thứ tự cấp nguồn cho các pha của động cơ. Bằng cách giữ nguyên một dây đi vào bộ điều khiển động cơ, hai dây còn lại đi vào chân chung của hai relay công suất. Trong relay công suất chân thường mở được nối với chân thường đóng của relay kia. Sau đó mới đi qua bộ điều khiển động cơ. Khi có dịng điện đi qua cuộn dây của relay động cơ sẽ được đảo chiều giúp xe có thể lùi được. Tương tự như vậy cho các dây tín hiệu điều khiển.
58 Hình 3.29 Sơ đồ mạch điện điều khiển số lùi
Sau khi thiết kế và lắp đặt hệ thống nạp điện bổ sung cho ắc quy bằng năng lượng mặt trời, mạch điện đảo chiều động cơ và hệ thống điện trên xe nguyên thủy ta có được sơ đồ mạch điện tổng thể trên xe.
Hình 3.30 Sơ đồ mạch điện trên xe
Sau khi đã thiết kế và cải tạo xong xe điện ta cần kiểm nghiệm xe tính các thơng số liên quan để biết được độ hiệu quả của đề tài mang lại.
59
Chương 4 THỰC NGHIỆM
Để kiểm nghiệm q trình tính tốn lý thuyết, nhóm tiến hành thử nghiệm thơng qua q trình xe chạy thực tế trên đường. Điều kiện trong quá trình thử nghiệm: