(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV

(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Ứng dụng Matlab Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe EREV

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG MATLAB - ARDUINO TRONG MÔ

PHỎNG, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN

TP Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm ……

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: 1 HỒ VŨ HÙNG MSSV: 17145303

(E-mail: 17145303@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0393713195

2 NGUYỄN VŨ QUANG HUY MSSV: 17145300

(E-mail: 17145300@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0942714542

Ngành: Công nghệ kĩ thuật ô tô

1 Tên đề tài: Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều

khiển sạc cho xe E-REV

2 Nhiệm vụ đề tài

- Nghiên cứu tài liệu về lập trình Arduino, Matlab, tín hiệu cảm biến trên động cơ và hệ

thống sạc Acquy

- Thiết kế hộp thu thập tín hiệu và điều khiển bộ sạc

- Thiết kế giao diện hiển thị thông qua giao tiếp giữa Matlab và Arduino

- Thực hiện mô phỏng Matlab Simulink

3 Sản phẩm của đề tài

- Hộp thu thập tín hiệu và điều khiển bộ sạc

- Bản báo cáo đồ án tốt nghiệp

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 30/03/2021

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:25/08/2021

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: HỒ VŨ HÙNG MSSV:17145303 Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VŨ QUANG HUY MSSV: 17145300 Hội đồng…………

Tên đề tài: Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe E-REV Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật ô tô Họ và tên GV hướng dẫn: GV.ThS HUỲNH QUỐC VIỆT Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy) 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn : ĐỘNG CƠ

2.2 Nội dung đồ án:

(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3.Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học xã hội…

5

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: HỒ VŨ HÙNG MSSV:17145303 Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VŨ QUANG HUY MSSV: 17145300 Hội đồng…………

Tên đề tài: Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe E-REV Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật ô tô Họ và tên GV hướng dẫn: GV.ThS HUỲNH QUỐC VIỆT Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn : ĐỘNG CƠ

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

5 Câu hỏi:

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học xã hội…

5

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài: Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe E-REV

Họ và tên sinh viên: HỒ VŨ HÙNG MSSV: 17145303

NGUYỄN VŨ QUANG HUY MSSV:17145300 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021

LỜI CẢM ƠN

Đề tài “Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều

khiển sạc cho xe E-REV” là một đề tài mới lạ Trong hoàn cảnh dịch covid đã kéo dài liên

tục trong 2 năm qua, thời gian làm việc của nhóm bị gián đoạn liên tục, hoàn thành xong

đề tài xem như là một thành công lớn của nhóm Để hoàn thành xong đề tài cả nhóm đã phải cố gắng rất nhiều và cùng với sự trợ giúp đắc lực đến từ giáo viên hướng dẫn, nhóm

thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Huỳnh Quốc Việt, người đã tận tình

hướng dẫn, chia sẻ tài liệu và đưa ra các góp ý để đề tài của nhóm có thể hoàn thiện tốt hơn Trong quá trình thực hiện đồ án nhóm đã gặp không ít khó khăn về cả phần cứng lẫn phần mềm nhưng nhờ sự hướng dẫn góp ý quý báu của thầy mà nhóm có thể giải quyết được vấn đề

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy phản biện đã nhận xét cụ thể và đóng góp những ý kiến quý báu để đồ án được hoàn thiện hơn

Để có thể thực hiện được đề tài thì kinh nghiệm tích lũy từ 4 năm đại học rất quan trọng, qua đó nhóm xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Cơ khí Động lực đã giúp nhóm có được kiến thức trong việc học và có thể áp dụng vào việc làm sau này

Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè trong lớp và tất cả bạn bè, tuy các bạn cũng bận làm đồ án nhưng cũng dành thời gian nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến khi nhóm gặp khó khăn

Xin chúc các thầy cô luôn dồi dào sức khỏe, tràn đầy năng lượng và có thật nhiều niềm vui, hạnh phúc trong cuộc sống Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày…tháng 08 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Hồ Vũ Hùng Nguyễn Vũ Quang Huy

TÓM TẮT

1 Vấn đề nghiên cứu

- Giao tiếp Matlab - Arduino và động cơ

- Điều khiển bướm ga xe máy bằng mô tơ DC servo Faulhaber

- Hệ thống điều khiển đông cơ xe gắn máy Honda Wave RSX FI_AT

- Thông qua sự phát triển của công nghệ điều khiển qua máy tính và ứng dụng công nghệ

đó trong học tập và nghiên cứu trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

- Dựa vào tài liệu tham khảo và khóa học trước cùng với sự hỗ trợ, hướng dẫn và cung cấp tài liệu của thầy Huỳnh Quốc Việt

3 Cách giải quyết vấn đề

- Nắm rõ nguyên lý hoạt động của cảm biến và cách đọc hiểu sơ đồ mạch điện động cơ

- Lập trình thu thập tính hiệu các cảm biến thông qua board Arduino Mega 2560, Arduino Uno, giao tiếp Arduino với Matlab để điều khiển động cơ trên máy tính

- Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp điều khiển PID vị trí động cơ DC servo

- Nghiên cứu phương pháp cân bằng bị động trên Acquy

- Tham khảo tài liệu có sẵn trên Internet, ý kiến bạn bè, cộng đồng mạng và đặc biệt là thầy hướng dẫn

4 Một số kết quả đạt được

- Thiết kế được mạch khởi động và tắt động cơ, mạch điều khiển bướm ga và mạch chuyển xung để đo tốc độ động cơ, mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy

- Thu thập dữ liệu trực tiếp bằng Arduino sau đó truyền dữ liệu lên máy tính

- Thiết kế được mạch cân bằng bị động Acquy

- Mô phỏng được bộ điều khiển sạc trên Matlab Simulink

- Bước đầu sạc tự động cho Acquy

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xiv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Mục tiêu đề tài 2

1.4 Đối tượng nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.6 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Mô hình Extended-range electric vehicle 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Nguồn năng lượng sử dụng trên xe điện 6

2.1.2.1 Acquy chì – axit 6

2.1.2.2 Acquy Lithium-ion 6

2.1.2.3 Pin nhiên liệu – Fuel Cell 7

2.1.2.4 Siêu tụ điện – Ultra Capacitor 8

2.1.2.5 Nguồn năng lượng hỗn hợp trên xe Hybrid 9

2.1.3 Phương pháp nạp Acquy 9

2.1.3.1 Phương pháp nạp bằng dòng không đổi 9

2.1.3.2 Phương pháp nạp bằng điện áp không đổi 10

2.1.3.3 Phương pháp nạp dòng - áp 3 giai đoạn 11

2.2 Hệ thống nạp điện trên ô tô 14

2.2.1 Khái quát 14

2.2.1.1 Chức năng của hệ thống cung cấp điện 14

2.2.1.2 Cấu trúc của hệ thống cung cấp điện 14

2.2.1.3 Chức năng của máy phát điện xoay chiều 15

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện 16

2.2.2.1 Dòng điện xoay chiều 3 pha 16

2.2.2.2 Bộ chỉnh lưu 17

2.2.2.3 Bộ tiết chế 19

2.3 Hệ thống quản lý Acquy 21

2.3.1 Khái quát về hệ thống quản lý Acquy 21

2.3.2 Một số chức năng cụ thể của hệ thống quản lý Acquy 22

2.3.2.1 Quản lý các thông số tính toán trên hệ thống Acquy 22

2.3.2.2 Quản lý trạng thái nạp của Acquy 23

2.3.2.3 Quản lý độ sâu xả của Acquy 23

2.3.2.4 Cân bằng dung lượng của hệ thống Acquy 25

2.4 Tổng quan về động cơ xăng Honda Wave FI_AT 27

2.4.1 Giới thiệu động cơ xăng Honda Wave FI_AT 27

2.4.2 Hệ thống phun nhiên liệu PGM_FI 28

2.4.3 Lý thuyết cảm biến 30

2.4.3.1 Cảm biến CKP 30

2.4.3.2 Cảm biến TP 31

2.4.3.3 Cảm biến EOT 32

2.4.3.4 Cảm biến mực xăng ( FLS ) 33

2.4.3.5 Cảm biến dòng điện ACS712 33

2.5 Ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển động cơ 34

2.5.1 Phương pháp điều xung PWM 34

2.5.2 Ứng dụng của PWM trong điều khiển 35

2.6 Tổng quan về PID 35

2.7 Tổng quan về động cơ DC 37

2.7.1 Động cơ DC 37

2.7.2 Động cơ Faulhaber 38

2.8 Mô hình hóa động cơ DC Faulhaber 39

2.8.1 Tính toán động học, xây dựng hàm truyền động cơ 39

2.8.2 Mô phỏng điều khiển vị trí DC motor bằng matlab Simulink 41

2.8.2.1 Sơ đồ khối của mô hình điều khiển vị trí động cơ DC 41

2.8.2.2 Kết quả của mô phỏng 42

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP ĐIỀU KHIỂN 43

3.1 Sơ đồ tổng quát thu thập tín hiệu và điều khiển 43

3.1.1 Sơ đồ khối chức năng 43

3.2 Thiết kế hộp điều khiển 44

3.2.1 Các linh kiện sử dụng 44

3.2.1.1 Điện trở 44

3.2.1.2 Tụ gốm 104 và tụ hóa 45

3.2.1.3 Mạch giảm áp DC LM2596 47

3.2.1.4 Mạch cầu H XY-160D L298N 48

3.2.1.5 Module relay 5V 49

3.2.1.6 Module Opto cách ly 2 kênh PC817 50

3.2.2 Thiết kế mạch chuyển xung 51

3.2.3 Thiết kế mạch thu thập tín hiệu báo xăng 53

3.2.4 Thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy 54

3.2.5 Thiết kế mạch cân bằng dung lượng Acquy 55

3.2.6 Thiết kế mạch sạc Acquy 58

3.2.6.1 Phương pháp phát điện sạc Acquy 58

3.2.6.2 Mô phỏng mạch phát điện 58

3.2.7 Thiết kế thiết bị thu thập tín hiệu và điều khiển 58

3.2.7.1 Các tín hiệu ngõ vào 58

3.2.7.2 Thiết kế mạch điều khiển 59

3.2.7.3 Thi công thiết bị thu thập tín hiệu và điều khiển 61

3.3 Thiết kế phần cơ khí 63

3.3.1 Thiết kế miếng gá mô tơ 63

3.3.2 Thiết kế bánh răng truyền động bướm ga 63

3.3.2.1 Tính toán thông số bộ bánh răng 63

3.3.2.2 Bộ bánh răng thực tế 64

3.3.3 Thiết kế bộ truyền đai kéo máy phát 64

3.4 Thuật toán điều khiển 66

3.4.1 Tiến trình thực hiện đọc tín hiệu 66

3.4.2 Các lưu đồ thuật toán 68

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG APP DESIGNER LẬP TRÌNH, THIẾT KẾ GIAO DIỆN HIỂN THỊ 72

4.1 Giới thiệu chung về App Designer 72

4.1.1 App Designer là gì? 72

4.1.2 Phương pháp để lập trình với App Designer 73

4.2 Thao tác với App Designer 73

4.2.1 Khởi động App Designer 73

4.2.2 Mô tả chức năng và giao diện App Designer 74

4.3 Thiết kế giao diện nhận và hiển thị dữ liệu trên App Designer 78

4.3.1 Chu trình nhận dữ liệu trên App Designer 78

4.3.2 Thiết kế giao diện hiển thị 80

4.3.2.1 Nội dung thiết kế 80

4.3.2.2 Kết quả thiết kế 80

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 84

5.1 Nội dung thực hiện 84

5.2 Tiến trình thực hiện 84

5.2.1 Bài toán thực tiễn và hướng giải quyết 84

5.2.1.1 Thời điểm khởi động sạc 84

5.2.1.2 Điện áp và dòng sạc 85

5.2.1.3 Giám sát và cân bằng Acquy 85

5.2.1.4 Thời điểm kết thúc 86

5.2.1.5 Giám sát quá trình sạc song song với sử dụng xe 87

5.2.2 Xây dựng chương trình mô phỏng Simulink 87

5.3 Kết quả mô phỏng 90

5.3.1 Mô phỏng quá trình khởi động sạc 90

5.3.2 Mô phỏng quá trình sạc 93

5.3.3 Mô phỏng quá trình giám sát và cân bằng Acquy 97

5.3.4 Mô phỏng quá trình kết thúc sạc 99

5.3.5 Mô phỏng quá trình sạc song song với sử dụng xe 102

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 106

6.1 Kết luận 106

6.2 Hướng phát triển 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC A: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO 108

1 Tổng quan về Arduino Mega 2560 108

1.1 Phần cứng của Arduino Mega 2560 108

1.2 Phần mềm Arduino IDE 110

2 Lập trình trên Arduino IDE 112

2.1 Ngôn ngữ lập trình trên Arduino 112

2.2 Chương trình code 115

PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MATLAB APP DESIGNER 130

2 Chương trình code Matlab App Designer 130

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

bướm ga)

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 2 1: Mô hình ô tô xe E - REV 4

Hình 2 2: Biểu đồ trạng thái sạc của xe E - REV 5

Hình 2 3: Acquy chì - axit 6

Hình 2 4: Acquy Lithium Ion 7

Hình 2 5: Pin nhiên liệu 8

Hình 2 6: Siêu tụ điện 9

Hình 2 7: Đường đặc tính nạp với dòng điện không đổi 10

Hình 2 8: Đường đặc tính nạp áp không đổi 11

Hình 2 9: Đường đặc tính nạp hỗn hợp 12

Hình 2 10: Hệ thống cung cấp điện trên ô tô 14

Hình 2 11: Sơ đồ hệ thống nạp trên ô tô 15

Hình 2 12: Cấu tạo máy phát 16

Hình 2 13: Nguyên lý dòng điện xoay chiều 17

Hình 2 14: Cấu tạo bộ chỉnh lưu máy phát 18

Hình 2 15: Dòng điện xoay chiều 3 pha 18

Hình 2 16: Đường đặc tính bộ điều áp IC 19

Hình 2 17: Hệ thống quản lý Acquy trên các dòng xe điện và Hybrid 22

Hình 2 18: Một số chức năng của hệ thống quản lý Acquy 23

Hình 2 19: Mối quan hệ giữa Trạng thái nạp và Độ sâu xả 24

Hình 2 20: Độ sâu xả cho phép của Acquy chì và Acquy Lithium 24

Hình 2 21: So sánh 2 phương pháp cân bằng dung lượng 26

Hình 2 22: Động cơ xăng Honda Wave FI_AT 27

Hình 2 23: Sơ đồ mạch điện hệ thống PGM-FI 29

Hình 2 24: Sơ đồ cảm biến CKP 30

Hình 2 25: Cảm biến TP 31

Hình 2 26: Đường đặc tính cảm biến TP 31

Hình 2 27: Cảm biến EOT 32

Hình 2 28: Đường đặc tính cảm biến EOT 32

Hình 2 29: Cảm biến báo xăng 33

Hình 2 30: Đường đặc tính cảm biến mực xăng 33

Hình 2 31: Cảm biến dòng điện ACS 712 34

Hình 2 32: Đường đặc tính cảm biến dòng ACS 712 34

Hình 2 33: Chu kỳ xung PWM 35

Hình 2 34: Sơ đồ khối bộ PID 36

Hình 2 35: Động cơ DC FAULHABER 38

Hình 2 36: Sơ đồ mô hình hóa động cơ DC 39

Hình 2 37: Mô phỏng điều khiển vị trí DC motor 41

Hình 2 38: Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí DC motor 42

Hình 3 1: Tổng quan giao tiếp Arduino Matlab 43

Hình 3 2: Sơ đồ khối bộ giao tiếp 44

Hình 3 3: Điện trở công suất 45

Hình 3 4: Tụ gốm 104 46

Hình 3 5: Tụ hóa 100uF-100V 46

Hình 3 6: Bộ giảm áp DC LM2596 47

Hình 3 7: Mạch cầu H XY-160D L298 48

Hình 3 8: Module Relay 5V 49

Hình 3 9: Linh kiện Opto PC817 50

Hình 3 10: Module Opto cách ly 2 kênh PC817 50

Hình 3 11: Đặc tính xung cảm biến CKP 51

Hình 3 12: Mạch mô phỏng trên Protues 52

Hình 3 13: Thiết kế mạch in 53

Hình 3 14: Đồ thị dạng xung sau khi chuyển 53

Hình 3 15: Mạch chuyển xung thực tế 53

Hình 3 16: Mạch cảm biến mực xăng 54

Hình 3 17: Mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy 55

Hình 3 18: Mạch nguyên lý hoạt động của phương pháp cân bằng bị động 56

Hình 3 19: Mạch cân bằng dung lượng hệ thống 5 Acquy 57

Hình 3 20: Mạch cân bằng dung lượng hệ thống 5 Acquy thực tế 57

Hình 3 21: Mạch phát điện cho hệ thống 5 Acquy 58

Hình 3 23: Mạch điều khiển relay khởi động 60

Hình 3 24: Mạch điều khiển relay tắt máy 60

Hình 3 25: Mạch điều khiển kích từ máy phát 61

Hình 3 26: Mạch điều khiển mô tơ bướm ga 61

Hình 3 27: Mạch thu thập tín hiệu và điều khiển 62

Hình 3 28: Miếng gá mô phỏng trên Auto CAD 63

Hình 3 29: Miếng gá mô tơ thực tế 63

Hình 3 30: Bộ bánh răng kéo bướm ga thực tế 64

Hình 3 31: Bộ truyền đai kéo máy phát 65

Hình 3 32: Chu trình đọc tín hiện dạng điện áp 66

Hình 3 33: Chu trình đọc tín hiệu dạng xung 66

Hình 3 34: Chu trình gửi dữ liệu 67

Hình 3 35: Lưu đồ thuật toán điều khiển mở máy 68

Hình 3 36: Lưu đồ thuật toán điều khiển tắt máy 69

Hình 3 37: Lưu đồ thuật toán điều khiển kích từ máy phát 70

Hình 3 38: Lưu đồ thuật toán điều khiển bướm ga 71

Hình 4 1: Sơ đồ khối App Designer 72

Hình 4 2: Giao diện mở đầu AppDesigner 74

Hình 4 3: Cửa sổ thiết kế đồ họa trong AppDesigner 76

Hình 4 4: Cửa sổ lập trình đối tượng trong AppDesigner 76

Hình 4 5: Hộp thoại Inspector 77

Hình 4 6: Chu trình nhận dữ liệu 79

Hình 4 7: Chu trình tách dữ liệu và hiển thị trong AppDesigner 79

Hình 4 8: Giao diện hiển thị dạng đồng hồ và điều khiển chương trình 80

Hình 4 9: Giao diện nút điều khiển 81

Hình 4 10: Giao diện hiển thị giá trị điện áp Acquy 81

Hình 4 11: Giao diện hiển thị tín hiệu theo đồ thị 82

Hình 4 12: Giao diện toàn bộ chương trình 83

Hình 5 1: Lưu đồ thuật toán khởi động 85

Hình 5 3: Lưu đồ thuật toán cân bằng 86

Hình 5 4: Lưu đồ thuật toán kết thúc sạc 86

Hình 5 6: Mô hình mô phỏng 87

Hình 5 7: Mô phỏng PID 87

Hình 5 8: Mô phỏng động cơ xăng 88

Hình 5 9: Mô phỏng máy phát điện 88

Hình 5 10: Mô phỏng Acquy 89

Hình 5 11: Mô phỏng mạch cân bằng Acquy 89

Hình 5 12: Mô phỏng hệ thống truyền lực 90

Hình 5 13: Mức SOC giảm xuống dưới 40% 91

Hình 5 14: Sự thay đổi của độ mở bướm ga 91

Hình 5 15: Sự thay đổi của tốc độ động cơ xăng 92

Hình 5 16: Điện áp phát ra của máy phát điện 92

Hình 5 17: Dòng sạc của từng Acquy 94

Hình 5 18: SOC của từng Acquy 94

Hình 5 19: Dòng sạc của từng Acquy 95

Hình 5 20: SOC của từng Acquy 95

Hình 5 21: Dòng sạc của từng Acquy 96

Hình 5 22: SOC của từng Acquy 96

Hình 5 23: Mức SOC của từng Acquy 97

Hình 5 24: Dòng sạc của từng Acquy 98

Hình 5 25: SOC của từng Acquy 98

Hình 5 26: Dòng sạc của từng Acquy 99

Hình 5 27: Mức SOC lớn hơn 75% 100

Hình 5 28: Sự thay đổi của độ mở bướm ga 101

Hình 5 29: Sự thay đổi của tốc độ động cơ xăng 101

Hình 5 30: Sự thay đổi của dòng sạc Acquy 102

Hình 5 31: Tốc độ mong muốn của xe 103

Hình 5 32: Dòng điện cần thiết cung cấp cho động cơ điện 103

Hình 5 33: Tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế của xe 104

Hình 5 34: Dòng điện của Acquy 104

Hình 5 35: Mức SOC của Acquy 105

Hình A 2: Giao diện phần mềm Arduino IDE 110 Hình A 3: Hộp thoại trong phần mềm Arduino IDE 111 Hình A 4: Công cụ trong Arduino IDE 112

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 2 1: Bảng thông số động cơ Wave RSX FI-AT 27 Bảng 2 2: Thông số hệ thống nhiên liệu 28 Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật tụ gốm 104 46 Bảng 3 2: Thông số kỹ thuật tụ hóa 100uF-100V 47 Bảng 3 3: Thông số kĩ thuật bộ hạ áp DC LM2596 48 Bảng 3 4: Thông số kỹ thuật mạch cầu L298N 48 Bảng 3 5: Thông số kĩ thuật module relay 5V 49 Bảng 3 6: Các thành phần của mạch chuyển xung 52 Bảng 3 7: Các thành phần của mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy 55 Bảng 3 8: Các thành phần mạch thu thập tín hiệu và điều khiển 61 Bảng 3 9: Bảng chuyển thang giá trị cảm biến 66 Bảng 4 1: Các công cụ trong AppDesigner 74

Bảng 4 2: Các thuộc tính trong hôp thoại Inspector 77

Bảng A 1: Cổng giao tiếp với phần cứng trên Arduino Mega2560 109 Bảng A 2: Cấu trúc hàm trong Arduino 112

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Có thể nói thị trường ô tô Việt Nam vẫn có sự tham gia của các dòng xe Hybrid, tuy nhiên số lượng vô cùng ít ỏi Xe Hybrid tại Việt Nam cũng không nằm trong diện ưu đãi

để có thể thu hút được khách hàng Một vài cái tên như Lexus RX 450h, Lexus LS600h, Mercedes-Benz S400 Hybrid, Toyota Prius hay Toyota Camry phiên bản Hybrid nhập Mỹ đã tham gia thị trường ô tô Việt từ nhiều năm trước nhưng đến giờ gần như đã lu mờ

Thêm nữa ở Việt Nam, với mô hình giao thông hỗn hợp, các mẫu xe Hybrid đều có thể đảm đương được nhiệm vụ và giúp chủ nhân di chuyển liên tục với quãng đường xa hơn Với tình trạng kẹt xe thường xuyên ở nước ta, xe phải liên tục dừng và chạy ở tốc độ thấp, động cơ điện với công suất không cao, nhưng với mô men xoắn lớn ở vòng quay thấp vẫn có thể thoải mái di chuyển, giảm một lượng lớn khí thải ra môi trường

Nên việc ứng dụng những ưu điểm của xe Hybrid để xây dựng một mô hình học tập vừa giúp các em khóa sau tìm hiểu kỹ hơn về dòng xe này vừa có thể di chuyển đi lai trong

trường là một dự án thiết thực Vì vậy nhóm chúng em xin chọn đề tài “Ứng dụng Matlab

- Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe E-REV” với động

cơ Wave RSX FI-AT như là một nguồn công suất để kéo máy phát nạp điện cho bộ Acquy của mô hình xe Hybrid Thêm vào đó, bộ Acquy cũng cần giám sát thông qua một bộ điều khiển Hi vọng đề tài này sẽ là đòn bẩy để giúp nhóm chúng em nghiên cứu sâu về điều khiển tự động các hệ thống trên xe, đặc biệt là trên các dòng xe Hybrid thông minh hiện

1.3 Mục tiêu đề tài

- Tự động khởi động (sau đó ngắt khởi động khi động cơ đã nổ) khi có tín hiệu điện áp gửi về thấp cần sạc (54V ≈ 40%SOC) và tắt máy khi tín hiệu điện áp ứng với 75% SOC là 68V

- Lập trình điều khiển góc mở bướm ga động cơ, qua đó ổn định góc mở bướm ga thích hợp để duy trì tốc độ động cơ, có thể kéo máy phát điện đủ để nạp cho bộ Acquy mô hình xe điện

- Thu thập được tín hiệu từ cảm biến, xử lý và điều khiển động cơ

- Trong quá trình sạc, tiến hành cân bằng dung lượng của hệ thống 5 Acquy

- Mô phỏng bộ điều khiển sạc trên Matlab Simulink và phân tích kết quả

- Hiển thị dữ liệu động cơ và hệ thống Acquy lên giao diện trên máy tính thông qua phần mềm Matlab AppDesigner

1.4 Đối tượng nghiên cứu

- Tìm hiểu sử dụng được các ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino và

Matlab

- Ôn lại kiến thức chuyên ngành về điều khiển động cơ và các cảm biến có trên động cơ

- Lập trình chương trình thu thập tín hiệu các cảm biến và chương trình giả lập tín hiệu

bằng Arduino

- Thiết kế giao diện Matlab để hiển thị những thông số của động cơ và Acquy

- Thiết kế phần cứng để đảm bảo an toàn việc kết nối board Arduino và các tín hiệu từ cảm biến và xung cần thu thập, điều khiển

- Thiết kế bộ sạc và cân bằng dung lượng phù hợp với Acquy mô hình xe điện

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Ứng dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để có cơ sở kiến thức cho đề tài:

- Nghiên cứu những ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino và Matlab rồi sau

đó dần đi vào mục đích nghiên cứu chính của đề tài là thiết kế bộ sạc Acquy

- Tham khảo nhiều nguồn tài liệu từ trên mạng và sách giáo trình liên quan đến đề tài về các phần mềm và các giao tiếp khác Đặt biệt được sự hướng dẫn chu đáo từ thầy hướng dẫn và việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm khác và các bạn khóa trước

1.6 Nội dung nghiên cứu

Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài

- Lập trình về Arduino làm các ứng dụng cơ bản có liên quan đến đề tài

- Lập trình về Matlab thực hiện hiển thị kết quả đơn giản

- Nắm cơ bản các hệ thống liên quan trên mạch điện xe Honda Wave RSX AT-FI

- Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ, các cảm biến và Acquy

Giai đoạn 2: Mô phỏng và thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài nghiên cứu và nghiên

cứu điều khiển bướm ga điện tử

- Mô phỏng toàn bộ hệ thống sạc trên phần mềm Matlab Simulink

- Thiết kế phần cứng là bộ điều khiển bướm ga, các mạch thu nhận tín hiệu và mạch điều

khiển sạc

- Thiết kế phần mềm và hoàn thành chương trình trên phần mềm Arduino và Matlab để thu thập dữ liệu ổn định, đồng thời điều khiển bộ điều khiển sạc theo chương trình cài

đặt cho trước

Giai đoạn 3: Tiến hành thu thập tín hiệu, điều khiển và viết thuyết minh

- Thu thập và đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm

- Viết thuyết minh bằng Word

- Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình

- Hoàn tất đề tài

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô hình Extended-range electric vehicle

2.1.1 Khái niệm

Extended-range electric vehicle (E-REV) là một phương tiện chạy bằng điện, với tất cả năng lượng được cung cấp bởi một động cơ điện, nhưng có một động cơ xăng (ICE) nhỏ để tạo ra năng lượng điện bổ sung Ngoài ra, nó có thể được xem như là Hybrid nối tiếp với pin lớn hơn nhiều, cụ thể là, 10-20 kWh

Hình 2 1: Mô hình ô tô xe E - REV

Khi pin được xả đến một mức nhất định, ICE sẽ được bật để chạy một máy phát, lần lượt cung cấp năng lượng cho động cơ điện hoặc sạc lại pin Với sự sắp xếp này, giới hạn phạm vi vốn có trong BEV có thể được khắc phục Đối với khoảng cách vừa phải, E-REV

có thể hoạt động ở chế độ chạy hoàn toàn bằng điện và sau đó sạch sẽ và tiết kiệm năng lượng như BEV (không giống như Hybrid song song và các dòng Hybrid khác với pin nhỏ hơn và lượng điện rất hạn chế)

Đối với khoảng cách xa hơn, E-REV sử dụng ICE để giữ cho pin được sạc, nhưng tiêu thụ nhiên liệu ít hơn đáng kể so với ICEV thông thường vì hai lý do sau:

 Động cơ của E-REV nhỏ hơn đáng kể so với ICEV thông thường - nó chỉ cần đáp ứng nhu cầu năng lượng trung bình vì công suất cao nhất được cung cấp bởi bộ pin Mặt khác, động cơ của một ICEV, cũng phải bao gồm các đợt tăng công suất cực đại, ví dụ: tăng tốc

 Động cơ của E-REV hoạt động ở tốc độ không đổi, hiệu quả cao; trong khi đó ICEV cho dù chạy ở tốc độ thấp hoặc cao, trong cả hai trường hợp, hiệu quả của nó thấp

Các chế độ khác nhau của hoạt động E-REV được hiển thị sơ đồ trong hình 2.62 Chiếc xe bắt đầu hành trình với pin SOC gần 100% Tất cả sức mạnh của xe được cung cấp bởi động cơ điện, chỉ lấy năng lượng từ pin, và không có khí thải cục bộ Pin được sạc lại một phần sau mỗi lần phanh tái sinh hoạt động Khi Acquy cạn kiệt so với SOC đã được định sẵn - được đánh dấu trong hình 2.62 ở ba mức độ nghiêm trọng tăng dần, viz., Xanh lục, cam và đỏ - xe chuyển sang chế độ extended-range Trong khi xe đang hoạt động ở chế độ này, ICE được bật và khi cần thiết để giữ pin trong vùng SOC được đánh dấu bằng các đường đứt nét màu xanh lá cây và đỏ Sau hành trình, pin SOC được sạc đầy 100% với nguồn điện lấy từ lưới điện.[1]

Hình 2 2: Biểu đồ trạng thái sạc của xe E - REV

 Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được

ô nhiễm môi trường Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù

hợp với các loại ô tô Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường quy định dùng cho ác quy Sơ đồ này có thể không cần hộp số

 Nhược điểm: Kích thước và dung tích Acquy lớn Động cơ đốt trong luôn làm việc trong ở chế độ nặng để cung cấp nguồn điện cho Acquy nên dễ bị quá tải, tuổi thọ giảm

2.1.2 Nguồn năng lượng sử dụng trên xe điện

2.1.2.1 Acquy chì – axit

Acquy chì – axit là một trong những kiểu Acquy đầu tiên trên thế giới, nó được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn Tuy nhiên, loại Acquy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém (khoảng 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn), nạp chậm và khó tái chế Hơn nữa, chì là một chất có hại đối với sức khỏe, nên sau khi hết thời hạn sử dụng không được thu gom và tái chế đúng cách thì Acquy chì có thể trở thành thảm họa môi trường Mặc dù Acquy chì – axit còn tồn tại rất nhiều nhược điểm nhưng nó vẫn chiếm đến 79% thị phần Acquy trong năm 2008

Hình 2 3: Acquy chì - axit

2.1.2.2 Acquy Lithium-ion

Acquy Lithium – Ion là dòng Acquy đang được sử dụng phổ biến trong các loại ô

tô điện đang và sắp được thương mại hóa vì nó có mật độ năng lượng cao nhất trong các loại Acquy, khả năng nạp nhanh tốt (30 phút có thể nạp được 80%), tuổi thọ cao (có thể lên tới 10 năm) Cho đến nay, đây là loại Acquy được sử dụng phổ biến nhất cho ô tô điện

công nghệ vật liệu đang khiến loại Acquy này ngày càng trở nên hấp dẫn với mật độ công suất ngày càng lớn Tuy nhiên, giá thành cao là một trong những vấn đề không nhỏ của Acquy Lithium Nguyên nhân của giá thành cao là do công nghệ chế tạo phức tạp và sự khan hiếm nguyên liệu Ta biết rằng, Lithium là một kim loại hiếm, và nó là nguồn tài nguyên có hạn Do vậy, về lâu dài, Acquy Lithium cũng không phải là nguồn năng lượng tối ưu cho ô tô điện Trước mắt nó vẫn là nguồn năng lượng chính, nhưng trong tương lai

xa sẽ bị thay thế

Hình 2 4: Acquy Lithium Ion

2.1.2.3 Pin nhiên liệu – Fuel Cell

Ở chương trình hóa học phổ thông, ta đã quen với phản ứng điện phân: dòng điện làm điện phân nước thành oxy và hydro Trên phương diện hóa học, Fuel Cell được cấu tạo dựa nguyên lý ngược lại: oxy và hydro phản ứng tạo ra nước và giải phóng điện năng Hình trái minh họa quá trình hóa học này

Theo đánh giá, Fuel Cell là loại nguồn có mật độ năng lượng cao nhất có thể sử dụng cho ô tô điện Hình phải minh họa một hệ thống Fuel Cell trên ô tô điện Với nhiều

ưu điểm về mật độ năng lượng và sử dụng nguyên liệu là nguồn khí tự nhiên vô tận (oxy

và hydro), Fuel Cell rất được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm nay Tuy vậy, công nghệ này đến giờ vẫn chưa thực sự chín muồi để đưa vào các sản phẩm thương mại Một trong những vấn đề quan trọng là tính an toàn Rõ ràng là cần phải đặt câu hỏi về tính an toàn cho việc chở trên xe một bình khí hydro lớn, phản ứng với oxy tạo ra điện Nếu xảy ra sự

cố, nó sẽ nổ không khác gì một quả bom thực sự

Hình 2 5: Pin nhiên liệu

2.1.2.4 Siêu tụ điện – Ultra Capacitor

Siêu tụ điện (Ultra capacitor) là một lại tụ hóa có mật độ điện dung cực cao Nó có thể có điện dung đến 10000 farad ở 1.2 volt Thông thường nó trữ năng từ 10 đến 100 lần nhiều hơn mật độ trữ năng lượng của tụ hóa thường, và phóng nạp nhanh hơn pin sạc Về kích thước thì nó lớn hơn pin sạc cùng mức trữ năng cỡ 10 lần

Tụ điện tích trữ điện năng không phải bằng phản ứng hóa học như Acquy mà bằng các tương tác vật lý giữa các điện cực và điện tích Bởi vậy, tụ điện có khả năng phóng và nạp điện rất nhanh so với Acquy Siêu tụ, bản chất là tụ điện, vẫn giữ được đặc tính này,

do đó siêu tụ có mật độ công suất rất lớn Bên cạnh đó, điện dung lớn tới hàng nghìn Fara cho phép siêu tụ tích trữ một lượng điện năng lớn, điều này cho phép siêu tụ có thể hoạt động như một nguồn chứa năng lượng trong khi các tụ điện thông thường chỉ có vai trò là phần tử phóng – nạp trong quá trình trao đổi năng lượng

Tuy nhiên, các siêu tụ có điện dung hàng nghìn Fara trên thị trường hiện nay chỉ có mức điện áp khoảng vài volt, lý do là các lớp cách điện trong siêu tụ không chịu được điện

áp cao Khi muốn sử dụng với điện áp cao, chẳng hạn như vài trăm volt như trong ô tô điện, thì siêu tụ phải được mắc nối tiếp thành các module Ta biết rằng khi mắc nối tiếp, điện dung của siêu tụ nhỏ đi Do đó, trên thị trường hiện nay, module có điện áp lớn nhất (125 V) chỉ có điện dung 63 F theo danh mục sản phẩm của công ty Maxwell Technology, một trong những nhà sản xuất siêu tụ hàng đầu thế giới hiện nay Với công nghệ tại thời điểm hiện tại, siêu tụ điện chưa đủ khả năng cung cấp nguồn cho ô tô điện chạy trên một quãng đường dài như Acquy hay fuel cell Nó chỉ được dùng như một nguồn phụ, đặc biệt hữu dụng trong quá trình hãm tái sinh năng lượng do có khả năng nạp rất nhanh

Mặc dù còn tồn tại những vấn đề về mật độ năng lượng và giá thành cao, siêu tụ điện vẫn là loại nguồn hứa hẹn nhất cho ô tô điện Theo đánh giá của GS Hori thì siêu tụ là một trong ba công nghệ làm nên ô tô điện của tương lai

Hình 2 6: Siêu tụ điện

2.1.2.5 Nguồn năng lượng hỗn hợp trên xe Hybrid

Ô tô Hybrid là loại xe sử dụng nguồn năng lượng hỗn hợp xăng và điện Loại ô tô này đã tương đối thông dụng trên thị trường và đã xuất hiện nhiều ở Việt Nam Toyota Prius, Ford Escape Hybrid hay Lexus GS Hybrid là những mẫu xe đã khá quen thuộc trên đường phố nước ta Xe Hybrid sử dụng hai hệ thống truyền động là động cơ đốt trong và động cơ điện với hai nguồn năng lượng riêng là xăng và Acquy Hai hệ truyền động được nối với nhau bằng cơ cấu cơ khí (coupling), động cơ đốt trong khi hoạt động còn đóng vai trò là động cơ sơ cấp kéo một máy phát điện nạp cho Acquy Xe Hybrid được coi là bước chuyển tiếp giữa xe xăng và xe điện Mặc dù hiện nay hệ thống nguồn hỗn hợp vẫn còn nhiều triển vọng phát triển, nhưng trong tương lai không xa, nó sẽ hoàn toàn bị thay thế bởi những nguồn điện thuần túy [2]

2.1.3 Phương pháp nạp Acquy

2.1.3.1 Phương pháp nạp bằng dòng không đổi

Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp thích hợp với mỗi loại Acquy, đảm bảo cho Acquy được nạp no Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho các Acquy mới hoặc nạp sửa chữa cho các Acquy bị sunfat hoá Với phương pháp này, các Acquy được mắc nối tiếp nhau và thỏa mãn điều kiện:

Un ≥ 2,7 Naq

Trong đó:

 Un: điện áp nạp

 Naq: số ngăn Acquy đơn mắc trong mạch nạp

Hình 2 7: Đường đặc tính nạp với dòng điện không đổi

Trong trường hợp nạp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3 ÷ 0,5)

C20 và kết thúc nạp ở nấc một khi Acquy bắt đầu sôi Dòng điện nạp ở nấc thứ hai bằng 0,05 C20 (C20=200Ah)

2.1.3.2 Phương pháp nạp bằng điện áp không đổi

Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các Acquy được mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3 ÷2,5) V cho một ngăn Acquy đơn Đây là phương pháp nạp điện cho Acquy lắp trên ô tô

 Ưu điểm: Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng

 Nhược điểm: Phương pháp này Acquy không được nạp no, vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ sung cho Acquy trong quá trình sử dụng

Để đánh giá khả năng cung cấp của Acquy người ta dùng vôn kế phụ tải hoặc đánh giá gián tiếp thông qua nồng độ dung dịch điện phân của Acquy Quan hệ giữa nồng độ dung dịch điện phân và trạng thái điện của Acquy được biểu diễn trên đồ thị sau:

Hình 2 8: Đường đặc tính nạp áp không đổi

2.1.3.3 Phương pháp nạp dòng - áp 3 giai đoạn

Đây là phương pháp tổng hợp hai quá trình nạp dòng và áp Với phương pháp này

nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương án

 Đối với Acquy axit: Để đảm bảo cho thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong

khoảng thời gian tn = 8 giờ tương ứng với (75 ÷ 80) % dung lượng Acquy ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1 C10 Vì theo đặc tính nạp của Acquy trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp Sau thời gian 8 giờ Acquy bắt đầu sôi lúc đó

ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp Khi thời gian nạp được 10 giờ thì Acquy bắt đầu

no, ta nạp bổ sung thêm 2-3 giờ

 Đối với Acquy kiềm: Trình tự nạp cũng giống như Acquy axit nhưng do khả năng quá

tải của Acquy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2 C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5C10

 Các quá trình nạp Acquy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của Acquy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không

Kết luận:

Vì Acquy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi Acquy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong Acquy sẽ tự động dâng lên không kiểm soát được sẽ làm sôi Acquy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp trong Acquy

Khi dung lượng của Acquy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì Acquy sẽ sôi và làm cạn nước Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế

độ nạp cho Acquy sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi Acquy đã thực

sự no Khi điện áp trên các bản cực của Acquy bằng điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp

Tuỳ theo loại Acquy mà ta nạp với dòng điện nạp khác nhau:

 Acquy axit: dòng nạp I n = 0,1 C 10; Nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In = 0,2 C10

 Acquy kiềm dòng nạp I n = 0,2 C 10; Nạp cưỡng bức In = 0,5 C10

Hình 2 9: Đường đặc tính nạp hỗn hợp

Tóm tại một bộ sạc Acquy muốn bền bình, sạc no lâu, tốc độ sạc nhanh cần làm được 3 giai đoạn sau (lấy ví dụ với bình 12V):

 Giai đoạn 1: Sạc với nguồn dòng nhỏ không đổi (Trickle charging mode) để sạc

Acquy đã được xả trước đó Giai đoạn này bảo vệ những Acquy hư hỏng hoặc ngắn mạch khỏi quá dòng điện

 Giai đoạn 2: Sạc với điện áp không đổi 14.6VC (Bulk and absortion charging mode)

để sạc một nguồn dòng lớn nhanh chóng sạc đầy Acquy Giai đoạn này sẽ sạc tới đầy 80% dung lượng Acquy

 Giai đoạn 3: Sạc thả nổi – nạp dòng áp (Floot charging mode) điều chỉnh ở điện áp cố

định ở mức 13.7V để duy trì mức đầy Acquy và bù đắp năng lượng tổn thất do phản ứng hóa học trong Acquy Trong giai đoạn này dòng sạc tiệm cận Zero Ampare [3]

2.2 Hệ thống nạp điện trên ô tô

2.2.1 Khái quát

2.2.1.1 Chức năng của hệ thống cung cấp điện

Xe được trang bị rất nhiều thiết bị điện để lái xe được an toàn và thuận tiện Xe cần

sử dụng điện không chỉ khi đang chạy mà cả khi dừng Vì vậy, xe có Acquy để cung cấp điện và hệ thống nạp để tạo ra nguồn cung cấp điện khi động cơ đang nổ máy Hệ thống nạp cung cấp điện cho tất cả các thiết bị điện và để nạp điện cho Acquy [4]

Hình 2 10: Hệ thống cung cấp điện trên ô tô

2.2.1.2 Cấu trúc của hệ thống cung cấp điện

Hình 2 11: Sơ đồ hệ thống nạp trên ô tô

Khi bật công tắc máy, dòng điện sẽ đi từ bình Acquy đến cuộn dây rotor trong máy phát điện Dòng điện này làm rotor trở thành nam châm điện Khi động cơ hoạt động, nam châm điện này quay làm biến thiên từ thông qua cuộn dây trên stator Từ thông biến thiên sinh ra sức điện động trên cuộn dây stator Dòng điện do máy phát sinh ra sẽ được nạp cho bình Acquy và cung cấp cho các phụ tải điện Đèn báo nạp nằm trên bảng đồng hồ của người lái để báo máy phát không phát điện hoặc có sự cố trong hệ thống nạp

2.2.1.3 Chức năng của máy phát điện xoay chiều

Máy phát điện thực hiện một số chức năng Trên các máy phát đời cũ, thành phần của máy phát gồm bộ phận phát điện và chỉnh lưu Chức năng ổn định điện áp được thực hiện bằng một tiết chế lắp rời thông thường là loại rung hoặc bán dẫn Ngày nay, các máy phát bao gồm 3 bộ phận: phát điện, chỉnh lưu và hiệu chỉnh điện áp Tiết chế vi mạch nhỏ gọn được lắp liền trên máy phát, ngoài chức năng điều áp nó còn báo một số hư hỏng bằng cách điều khiển đèn báo nạp

a) Phát điện:

Động cơ quay, truyền chuyển động quay đến máy phát điện thông qua dây đai hình chữ V Rotor của máy phát điện là một nam châm điện Từ trường tạo ra sẽ tương tác lên dây quấn trong stator làm phát sinh ra điện

b) Chỉnh lưu:

Dòng điện xoay chiều tạo ra trong máy phát điện không thể sử dụng trực tiếp cho các thiết bị điện mà được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều Bộ chỉnh lưu sẽ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

c) Hiệu chỉnh điện áp:

Tiết chế điều chỉnh điện áp sinh ra Nó đảm bảo hiệu điện thế của dòng điện đi đến các thiết bị là hằng số ngay cả khi tốc độ máy phát điện thay đổi

Hình 2 12: Cấu tạo máy phát

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện

2.2.2.1 Dòng điện xoay chiều 3 pha

Khi nam châm quay trong một cuộn dây, điện áp sẽ được tạo ra giữa hai đầu của cuộn dây Điều này sẽ làm xuất hiện dòng điện xoay chiều

Mối quan hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châm được chỉ

ra ở hình vẽ Cường độ dòng điện lớn nhất được tạo ra khi các cực nam (S) và cực bắc (N) của nam châm gần cuộn dây nhất Tuy nhiên chiều của dòng điện trong mạch thay đổi ngược chiều nhau sau mỗi nửa vòng quay của nam châm Dòng điện hình sin được tạo ra theo cách này gọi là “dòng điện xoay chiều một pha” Một chu kỳ ở đây là 3600 và số chu

kỳ trong một giây được gọi là tần số

Để phát điện được hiệu quả hơn, người ta bố trí 3 cuộn dây trong máy phát như hình

vẽ.Mỗi cuộn dây A, B và C được bố trí cách nhau 1200 và độc lập với nhau Khi nam châm quay trong các cuộn dây sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều trong mỗi cuộn dây Hình vẽ dưới đây cho thấy mối quan hệ giữa 3 dòng điện xoay chiều và nam châm dòng điện được tạo ở đây là dòng điện xoay chiều 3 pha Tất cả các xe hiện đại ngày nay đều sử dụng máy phát xoay chiều 3 pha

Hình 2 13: Nguyên lý dòng điện xoay chiều

2.2.2.2 Bộ chỉnh lưu

a) Cấu tạo:

Máy phát điện xoay chiều trong thực tế có trang bị mạch chỉnh lưu như hình 1 để nắn dòng điện xoay chiều 3 pha Mạch này có 6 điốt và được đặt trong giá đỡ của bộ chỉnh lưu như hình vẽ: