22 Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mảng tinh thể. Thơng thường các electron này lớp ngồi cùng và thường được kết dính với các ngun tử lân cận vì thế khơng thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu một electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận. Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Tần số của mặt trời thường tương đương 60000K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic.
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc pn bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dịng quang điện Iph. Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương đường như một nguồn dịng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn pn có tính chất chỉnh lưu tương đương như một điôt. Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dịng điện được gọi là dịng dị qua nó. Đặc trưng cho dịng dị qua lớp tiếp xúc pn người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh.
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc, … Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể là điện trời trong của pin mặt trời).
23
2.1.4 Hiệu suất pin năng lượng mặt trời
Hiệu suất pin mặt trời là phần năng lượng dưới dạng ánh sáng mặt trời có thể được chuyển đổi thông qua quang điện thành điện năng bởi pin mặt trời. Hiệu suất pin mặt trời được xác định là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng mặt trời. Dùng phương pháp đo lượng ánh sáng mặt trời mà hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể chuyển đổi thành điện thực tế. Kết quả xác định chính là hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời và luôn được đo bằng tỷ lệ phần trăm. 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑂𝐶. 𝐼𝑆𝐶𝐹𝐹 𝑛 = 𝑉𝑂𝐶. 𝐼𝑆𝐶𝐹𝐹 𝑃𝑖𝑛 Trong đó VOC là điện áp mạch hở mạch. ISC là dòng ngắn mạch. FF là hệ số lấp đầy.
n là hiệu suất pin năng lượng mặt trời.
Hiệu suất của pin mặt trời được sử dụng trong hệ thống quang điện, kết hợp với vĩ độ và khí hậu, quyết định sản lượng năng lượng hàng năm của hệ thống. Ví dụ, một tấm pin mặt trời với hiệu suất 20% và diện tích 1 m2 sẽ tạo ra 200 kWh /năm ở Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn, nhưng nó có thể tạo ra lượng điện khác nhau tùy vào thành phần vật liệu cấu tạo, vĩ độ, vùng miền, hướng lắp đặt, điều kiện khí hậu như có thể tạo ra nhiều hơn khi mặt trời ở trên trời cao và sẽ tạo ra ít hơn trong điều kiện trời nhiều mây hoặc khi mặt trời thấp trên bầu trời.
2.2 Động cơ điện
Giới thiệu động cơ điện tích hợp trên bánh xe
Hiện nay, để tiện lợi hơn trong việc bố trí động cơ điện lên xe với tiêu chí nhỏ gọn kết cấu đơn giản, người ta đã tích hợp động cơ điện vào bên trong bánh xe. Cùng với đó hệ thống này sẽ được vận hành dưới dạng điện tử ( Drive-by-wire), tức là không thông qua các kết cấu cơ học như hiện nay. Với hệ thống này, bánh xe sẽ là một cụm vận hành độc lập, motor dẫn
24 động trực tiếp lên bánh xe để giúp xe chuyện động từ đó loại bỏ được tồn bộ hệ thống truyền lực của xe, góp phần làm giảm khối lượng của xe và tăng không gian trống cho xe. Động cơ điện được sử dụng để tích hợp có thể là động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều. Loại động cơ này có ưu điểm là nhỏ gọn, dễ dàng bố trí vào xe, cơng suất và dãy tốc độ được thiết kế tương ứng các chế độ vận hành của xe trên đường. Mặt khác động cơ tích hợp trong bánh xe hiện đang được sử dụng rộng rãi và trở thành xu thế trong phát triển xe điện, xe lai.
Động cơ điện BLDC 2.2.2.1 Cấu tạo
Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dịng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm được điều đó, phần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hốn đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên roto và phần ứng trên stato. Vì vậy, động cơ BLDC có các cuộn dây phần ứng đặt trên stato (gọi là các cuộn dây stato) còn các nam châm vĩnh cửu được đặt trên roto theo nhiều cách kết cấu khác nhau. Tuỳ thuộc vào số cuộn dây stato ta có các loại động cơ BLDC một pha, hai pha, ba pha tương ứng có một cuộn dây, hai cuộn dây, ba cuộn dây trên stato. Trong đó loại động cơ ba pha được sử dụng phổ biến hơn cả. Trong động cơ một chiều truyền thống, thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây phần ứng được xác định một cách tự nhiên do kết cấu và sự bố trí phù hợp giữa các cặp cực trên stato và cơ cấu chổi than – cổ góp. Động cơ BLDC khơng có cơ cấu chổi than – cổ góp nên cần phải có các phần tử và phương pháp để xác định vị trí của roto nhằm đưa ra các tín hiệu điều khiển trình tự cấp điện cho các cuộn dây pha phù hợp.
25 Một động cơ gồm có 3 phần chính:
Stato: Stato của động cơ BLDC gồm các lá thép mỏng được xếp chặt cùng với các cuộn dây được đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong của stato. Kết cấu như vậy trông giống như trong động cơ không đồng bộ.Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên stato của động cơ BLDC được phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của stato.
Roto: Về cơ bản khơng có gì khác so với động cơ nam châm vĩnh cửu khác. Roto của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau. Về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi roto.
- Roto có nam châm gắn trên bề mặt lõi.
Hình 2.7 Roto có nam châm gắn trên bề mặt lõi - Roto có nam châm ẩn bên trong lõi. - Roto có nam châm ẩn bên trong lõi.
Hình 2.8 Roto có nam châm ẩn bên trong lõi
Hall sensor ( cảm biến vị trí của roto): do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thơng thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall.
26
2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định.
Momen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do nam châm roto tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra. Xu hướng của roto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng nhau. Momen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vng góc với nhau.
Trong q trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho roto quay theo. Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chiều quay của roto.
Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha khác được xác định sao cho momen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch momen do quá trình chuyển mạch dịng điện là nhỏ nhất.
Ta có momen được xác định bằng biểu thức:
Te =ea. ia + eb. ib + ec. ic ωm
Trong đó:
ea,eb,ec: sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V).
ia, ib,ic: dòng điện các pha A, B, C (A).
ωm: vận tốc góc của trục Rotor (rad/s) .
Để đạt được momen lớn nhất, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng được điều chỉnh để đạt biên độ khơng đổi trong khoảng có độ rộng 1200 điện. Nếu không trùng pha với sức điện động thì dịng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm tổn hao trên stato.
27 Hình 2.9 Thời điểm cấp điện cho các cuộn dây
2.2.2.3 Đặc điểm của động cơ điện
Động cơ điện một chiều khơng chổi than có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Tỷ lệ momen/qn tính lớn.
Tỷ lệ cơng 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 khơng 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 tơ ắc quy cịn 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 cịn đóng vai trị 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 ơ tơ 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 ơ tơ 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 thơng dụng nhất trên ơ tơ. 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 q 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 q 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, cịn nước được tạo ra, do đó, nồng độ dung dịch H2SO4 giảm.
Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân trong q 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 khơng có sự tác động của một mạch điện bên ngồi.
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 dịng điện khơng đổi: Phương pháp nạp điện với dịng nạp khơng đổi cho phép chọn dịng 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 dịng điện nạp khơng 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 khơng 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 khơng 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