Cấu tạo của xe lăn điện

Có hàng triệu người mất khả năng tự đi lại do bệnh tật, tai nạn giao thông, chiến tranh và thiên tai, v.v. Trong khi đó, với sự phát triển của dân số và tiến bộ trong công nghệ y tế, xã hội già hóa trở thành một vấn đề đáng được quan tâm. Đối với những trường hợp trên, xe lăn sẽ là cơ hội DUY NHẤT giúp cho họ tạo sự tương tác với mọi người và môi trường bên ngoài. Hiện tại, hơn 3,3 triệu người ở Mỹ trên 15 sử dụng xe lăn và con số này dự kiến sẽ tăng lên khi dân số già đi trong vài thập kỷ tới.

Để cải thiện chất lượng cuộc sống xã hội và tạo cảm giác tự do, người khuyết tật ngày càng mong muốn được thích nghi với các công nghệ hiện đại trên xe lăn của họ. Thật không may, sự ra đời của xe lăn có động cơ chạy bằng pin được phát triển vào những năm 1950 chỉ đại diện cho sự đổi mới lớn duy nhất cho công nghệ xe lăn trong thế kỷ qua. Những cải tiến gia tăng sau đó về hiệu suất và chức năng đã không theo kịp với những thay đổi của xã hội. Tuy nhiên, hầu hết các xe lăn điện có sẵn vẫn còn nặng và cồng kềnh trong thiết kế với hiệu suất năng lượng thấp, bán kính di chuyển và chức năng liên lạc / điều hướng hạn chế.

Mục tiêu của Việt Machine là thiết kế và sản xuất xe lăn điện nhẹ hơn, linh hoạt hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Nó sẽ sử dụng pin mật độ năng lượng cao và trọng lượng nhẹ để dễ dàng thay thế và sạc nhanh hơn. Nó sẽ được điều khiển bởi các động cơ nhẹ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Nó cũng sẽ được thiết kế để dễ dàng tích hợp với các phụ kiện công nghệ cao để tăng tính độc lập, kết nối và khả năng di động cho người khuyết tật.

1. Cấu tạo cơ bản của xe lăn điện

Một chiếc xe lăn chạy bằng điện là một chiếc xe lăn vận hành có sự hỗ trợ của động cơ điện và hê thống điều hướng. Hệ thống truyền động điện cho xe lăn thường bao gồm bộ chuyển đổi năng lượng, động cơ / giảm tốc, bộ điều khiển và bộ lưu trữ năng lượng (pin). Bên cạnh ba thành phần chính, ghế ngồi và các phụ kiện kèm theo cũng rất quan trọng trong Thiết kế xe lăn điện.

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống truyền động điện điển hình trên xe lăn điện

Hình 1.1 cho thấy một sơ đồ khối tiêu chuẩn của một hệ thống truyền động điện trong xe lăn điện. Pin cung cấp năng lượng điện cho xe lăn. Động cơ là để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học để lái bánh xe chuyển động. Chức năng của bộ chuyển năng lượng là đảm bảo điện áp và dòng điện phù hợp cho hệ thống. Bộ điều khiển ra lệnh cho bộ chuyển đổi năng lượng sử dụng tín hiệu điều khiển và điều chỉnh hoạt động của động cơ để tạo ra tốc độ và mô-men xoắn thích hợp.

1.1 Động cơ

Thành phần chính trong hệ thống truyền động là động cơ. Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trên xe lăn vì tính đơn giản về công nghệ và khả năng xử lý nhiều tốc độ khác nhau, khởi động / dừng, lùi và phanh. Một động cơ DC không chổi than (BLDC) được tạo ra bằng cách đảo ngược stato và rôto của động cơ DC thông thường bằng cách từ bỏ cổ góp cơ học và vòng trượt (vành góp điện), có những lợi thế bao gồm sử dụng công tắc điện tử, khả năng tạo ra mô-men xoắn lớn và nhiều tiết diện cho cuộn dây phần ứng điện. Động cơ BLDC có thể được chia thành động cơ BLDC cảm biến và động cơ BLDC không cảm biến. Động cơ BLDC không cảm biến sử dụng điện áp EMF, thay vì sử dụng cảm biến vị trí, để phát hiện vị trí nam châm rôto. Việc loại bỏ các cảm biến vị trí không chỉ làm giảm kích thước và chi phí của động cơ mà còn làm tăng độ tin cậy của toàn hệ thống.

Hiệu suất hệ thống của động cơ DC rất thấp ở các dải tốc độ thấp. Với sự hỗ trợ của bộ giảm tốc, tốc độ của động cơ có thể hoạt động với hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, bộ giảm tốc làm tăng trọng lượng và giảm hiệu suất. Các mẫu động cơ thay thế, như động cơ BLDC không cảm biến 3 pha và truyền động trực tiếp ( Direct Drive) (DD) Động cơ DC, đang được phát triển và tích hợp vào xe lăn điện cho hiệu suất cao. Hình 1.2 trình bày động cơ DC thông thường điển hình với bộ giảm tốc, động cơ BLDC không cảm biến 3 pha và động cơ DD DC. Bảng 1.1 so sánh trọng lượng và hiệu suất của ba loại động cơ, ưu điểm của động cơ Direct Drive là hiệu suất năng lượng cao hơn 20% và để sản sinh 1HP, chỉ cần 5.0lb. Vì tính đơn giản, nhẹ và hiệu quả cao, động cơ DD DC là ứng cử viên đầy triển vọng cho xe lăn điện thế hệ tiếp theo.

Hình 1.2 Ba loại động cơ khác nhau cho xe lăn điện

Bảng 1.1 So sánh trọng lượng và hiệu quả của ba loại động cơ

1.2 Pin

Các động cơ của xe lăn điện thường được cung cấp bởi điện áp từ các ắc quy loại 12V hoặc 24V, dòng 4-8A có thể sạc lại và có 2 loại là ắc quy ướt hoặc khô. Nhiều loại xe lăn điện được trang bị bộ sạc tích hợp sẵn có thể cắm vào ổ cắm điện tiêu chuẩn. Các mẫu cũ hơn hoặc di động hơn thường sẽ có bộ sạc riêng.

Bảng 1.2 so sánh giữa pin axit-chì với pin lithium-ion trên thị trường. Ưu điểm của pin axit chì là rõ ràng về độ trưởng thành công nghệ và chi phí thấp, hiệu suất của chúng về các khía cạnh như hiệu quả năng lượng, vòng đời, thời gian sạc cũng như tự phóng điện thấp hơn so với pin Li-ion. Có thể thấy trong bảng 1.2, pin Li-ion có điện áp hoạt động cao (3,3-3,7V), hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất (trên 90%), thời gian sạc ngắn nhất, tuổi thọ dài nhất (lên đến 2000 chu kỳ nạp-xả) và tỉ lệ phóng điện thấp, vv Tuy nhiên, pin chì-axit vẫn chiếm ưu thế trên thị trường.

Công nghệ pin Ni-MH đã được sử dụng trong một số mẫu xe lăn. Pin Ni-MH giảm khoảng một nửa trọng lượng và tăng mật độ năng lượng lên 80% so với công nghệ pin axit chì. Tuy nhiên, mức tăng này tương đối nhỏ so với chi phí, gần gấp sáu lần axit chì cho mỗi (Wh). Việc giảm trọng lượng mà không tăng hiệu suất ở các khu vực khác là không đủ để khắc phục chênh lệch giá giữa các hệ thống Ni-MH và axit chì. Do đó, pin Ni-MH đã không được sử dụng rộng rãi trên xe lăn.

Bảng 1.2 So sánh pin axít chì và các loại pin Li-ion khác nhau [4, 5]

Hiện tại, chi phí và an toàn là những rào cản chính khi sử dụng pin Li-ion trên xe lăn. Gần đây sự phát triển của LiFePO4 catốt để sử dụng trong công nghệ pin Li-ion đã cải thiện cả chi phí và an toàn cho các hệ thống Li-ion. Các hệ thống pin Li-ion hiện tại có lợi thế về năng lượng cao trên mỗi đơn vị thể tích (0,23 Wh/cm3 so với 0,11 Wh/cm3 đối với axit chì và 0,15 Wh/cm3đối với Ni-MH), năng lượng cao trên mỗi đơn vị trọng lượng (170 Wh/kg so với 36 Wh/kg đối với axit chì và 65 Wh/kg đối với Ni-MH) và chỉ có chi phí cao hơn một chút (0,47 đô la / Wh so với 0,17 đô la / Wh cho axit chì và 0,99 đô la / Wh cho Ni-MH). Theo Deutsche Bank, ước tính chi phí cho công nghệ pin Li-ion sẽ thấp hơn 0,30 đô la / Wh vào cuối thập kỷ này với rất ít thay đổi về chi phí của công nghệ axit-chì và Ni-MH.

Pin Li-ion hiện tại có ít nhất gấp đôi thời gian hoạt động cho mỗi lần sạc và có thể được sử dụng trong khoảng 5 năm mà không cần bảo trì lớn. Dự đoán rằng nhiều thiết kế xe lăn sẽ kết hợp công nghệ Li-ion trong vài năm tới khi các nhà thiết kế và nhà sản xuất chuyển đổi và người tiêu dùng đồng ý trả một khoản phí bảo hiểm nhỏ để giảm trọng lượng, thời gian sạc ngắn hơn, thời gian chạy lâu hơn và thời lượng pin dài hơn .

Một số công nghệ khác như động cơ tái sinh, pin nhiên liệu, trời năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu trong một số thiết kế xe lăn điện.  Hình 1.3 cho thấy một nguyên mẫu được lắp đặt một tấm pin mặt trời ở phía trên, một ngăn chứa pin nhiên liệu và pin ở phía sau và dưới xe lăn, tương ứng 2 hình. Tuy nhiên, công nghệ này chỉ mới là bước thương mại hóa ban đầu khi xem xét sự an toàn, chi phí và thuận tiện.

Hình 1.3 Một chiếc xe lăn điện nguyên mẫu được cung cấp bởi ba nguồn năng lượng khác nhau, đó là pin, pin nhiên liệu và pin mặt trời để kéo dài thời gian hoạt động