TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Thị trường ô tô Việt Nam hiện có sự hiện diện của xe Hybrid, nhưng số lượng rất hạn chế Các mẫu xe Hybrid như Lexus RX 450h, Lexus LS600h, Mercedes-Benz S400 Hybrid, Toyota Prius và Toyota Camry Hybrid nhập Mỹ đã xuất hiện từ nhiều năm trước, nhưng giờ đây hầu như đã bị lãng quên do không nhận được ưu đãi hấp dẫn để thu hút khách hàng.
Tại Việt Nam, trong bối cảnh giao thông hỗn hợp, xe Hybrid có khả năng hoạt động hiệu quả, giúp người dùng di chuyển liên tục với quãng đường xa hơn Trong tình trạng kẹt xe thường xuyên, khi xe phải dừng và di chuyển ở tốc độ thấp, động cơ điện với công suất không cao nhưng có mô men xoắn lớn ở vòng quay thấp vẫn giúp di chuyển dễ dàng, đồng thời giảm thiểu đáng kể lượng khí thải ra môi trường.
Chúng em đề xuất xây dựng một mô hình học tập dựa trên những ưu điểm của xe Hybrid, nhằm giúp các thế hệ sau hiểu rõ hơn về dòng xe này và thuận tiện di chuyển trong trường Dự án này không chỉ thiết thực mà còn góp phần nâng cao kiến thức cho sinh viên, vì vậy nhóm chúng em xin chọn đề tài “Ứng dụng Matlab”.
Arduino được sử dụng trong việc mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe E-REV, với động cơ Wave RSX FI-AT làm nguồn công suất cho máy phát nạp điện cho bộ ắc quy của mô hình xe Hybrid Bộ ắc quy cần được giám sát qua một bộ điều khiển, nhằm đảm bảo hiệu suất và an toàn Đề tài này hy vọng sẽ là đòn bẩy cho nhóm nghiên cứu sâu hơn về điều khiển tự động các hệ thống trên xe, đặc biệt là trên các dòng xe Hybrid thông minh hiện nay.
Mục đích nghiên cứu
Hệ thống điều khiển tự động động cơ trong mô hình xe Hybrid kiểu nối tiếp giúp sử dụng công suất động cơ để kéo máy phát điện, từ đó nạp điện cho bộ Acquy Hệ thống cân bằng Acquy sẽ giám sát và bảo vệ Acquy, đảm bảo hiệu suất hoạt động Đồng thời, việc xây dựng chương trình mô phỏng cho phép kiểm tra và đánh giá các điều kiện thực tế Cuối cùng, thiết kế giao diện hiển thị sẽ cung cấp đầy đủ dữ liệu về động cơ và mô hình xe, hỗ trợ người dùng trong việc theo dõi và quản lý hiệu suất.
Mục tiêu đề tài
Hệ thống tự động khởi động khi nhận tín hiệu điện áp thấp cần sạc (54V tương đương với 40% SOC) và sẽ ngắt khởi động khi điện áp đạt 68V, tương ứng với 75% SOC.
Lập trình điều khiển góc mở bướm ga của động cơ giúp ổn định góc mở phù hợp, từ đó duy trì tốc độ động cơ Điều này cho phép máy phát điện hoạt động hiệu quả, đủ khả năng nạp cho bộ acquy của 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.
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.
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 các ứng dụng cơ bản của phần mềm Arduino và Matlab là bước khởi đầu quan trọng, giúp định hình mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài, đó là thiết kế bộ sạc Acquy hiệu quả.
Để hoàn thiện bài viết, tôi đã tham khảo nhiều tài liệu từ mạng và sách giáo trình liên quan đến các phần mềm và giao tiếp khác Đặc biệt, tôi nhận được sự hướng dẫn tận tình từ thầy giáo và có cơ hội trao đổi kiến thức với các nhóm bạn khác cũng như các khóa trước.
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 nền tảng Arduino và Matlab nhằm thu thập dữ liệu một cách ổn định, đồng thời điều khiển bộ điều khiển sạc theo các chương trình đã được cài đặt trước đó.
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
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô hình Extended-range electric vehicle
Xe điện mở rộng phạm vi (E-REV) là loại phương tiện sử dụng động cơ điện hoàn toàn, nhưng đi kèm với một động cơ xăng nhỏ để sản xuất năng lượng điện bổ sung E-REV có thể được coi là một dạng hybrid nối tiếp với pin lớn hơn, thường từ 10-20 kWh.
Hình 2 1: Mô hình ô tô xe E - REV
Khi pin đạt đến mức nhất định, ICE sẽ hoạt động để cung cấp năng lượng cho động cơ điện hoặc sạc lại pin, giúp khắc phục giới hạn phạm vi của BEV Trong khoảng cách vừa phải, E-REV có thể hoạt động hoàn toàn bằng điện, tiết kiệm năng lượng như BEV, khác với các loại Hybrid khác có pin nhỏ và lượng điện hạn chế Đối với khoảng cách xa hơn, E-REV sử dụng ICE để duy trì sạc pin, tiêu thụ nhiên liệu ít hơn đáng kể so với ICEV thông thường.
Động cơ của E-REV có kích thước nhỏ hơn nhiều so với động cơ của xe ICEV truyền thống, vì nó chỉ cần đáp ứng nhu cầu năng lượng trung bình, trong khi công suất tối đa được cung cấp bởi bộ pin Ngược lại, động cơ ICEV cần phải có khả năng tăng công suất đột ngột, chẳng hạn như khi tăng tốc.
Động cơ của E-REV hoạt động với tốc độ ổn định và hiệu suất cao, trong khi động cơ đốt trong ICEV có hiệu quả thấp dù ở tốc độ thấp hay cao.
Các chế độ hoạt động của E-REV được thể hiện trong hình 2.62 Xe khởi động với pin SOC gần 100%, sử dụng hoàn toàn năng lượng từ động cơ điện mà không phát thải khí Pin được sạc lại một phần qua phanh tái sinh Khi pin cạn kiệt đến mức SOC đã định sẵn (được đánh dấu bằng ba mức độ nghiêm trọng: xanh lục, cam và đỏ), xe chuyển sang chế độ extended-range, trong đó động cơ ICE hoạt động để duy trì SOC trong khoảng an toàn Sau hành trình, pin được sạc đầy 100% từ lưới điện.
Hình 2 2: Biểu đồ trạng thái sạc của xe E - REV
Động cơ đốt trong hoạt động hiệu quả hơn khi không ở chế độ không tải, giúp giảm ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó, người dùng có thể lựa chọn chế độ hoạt động tối ưu cho động cơ, tăng cường hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Động cơ nhiệt chỉ hoạt động hiệu quả khi xe di chuyển trên quãng đường dài, vượt quá khoảng cách quy định cho ắc quy Hơn nữa, sơ đồ này có thể không yêu cầu hộp số, phù hợp với nhiều loại ô tô.
Một nhược điểm của hệ thống này là kích thước và dung tích của acquy lớn, khiến động cơ đốt trong phải hoạt động liên tục ở chế độ nặng để cung cấp điện cho acquy Điều này dẫn đến nguy cơ quá tải và làm giảm tuổi thọ của động cơ.
2.1.2 Nguồn năng lượng sử dụng trên xe điện
Acquy chì – axit là một trong những loại acquy đầu tiên và phổ biến trên thế giới nhờ vào giá thành rẻ và tính an toàn trong vận hành Tuy nhiên, loại acquy này có mật độ năng lượng thấp, trọng lượng nặng, tuổi thọ ngắn (khoảng 3 năm nếu vận hành đúng tiêu chuẩn), thời gian nạp lâu và khó tái chế Hơn nữa, chì là chất độc hại đối với sức khỏe, và nếu không được thu gom và tái chế đúng cách sau khi hết hạn sử dụng, nó có thể gây ra thảm họa môi trường Dù còn nhiều nhược điểm, acquy chì – axit vẫn chiếm tới 79% thị phần acquy vào năm 2008.
Acquy Lithium-Ion là loại acquy được ưa chuộng nhất cho ô tô điện hiện nay nhờ vào mật độ năng lượng cao, khả năng nạp nhanh (80% chỉ trong 30 phút) và tuổi thọ lên tới 10 năm Đây là lựa chọn hàng đầu trong cả nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp cho các phương tiện điện.
Bảy công nghệ vật liệu mới đang làm cho acquy lithium ngày càng hấp dẫn nhờ mật độ công suất cao Tuy nhiên, giá thành cao do quy trình chế tạo phức tạp và sự khan hiếm nguyên liệu là một thách thức lớn Lithium, một kim loại hiếm và có nguồn tài nguyên hạn chế, khiến acquy lithium không phải là giải pháp năng lượng tối ưu cho ô tô điện trong dài hạn Mặc dù hiện tại nó vẫn là nguồn năng lượng chính, nhưng trong tương lai, khả năng cao sẽ bị thay thế.
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
Fuel Cell được đánh giá là nguồn năng lượng có mật độ cao nhất cho ô tô điện, sử dụng nguyên liệu từ khí tự nhiên vô tận như oxy và hydro Hệ thống Fuel Cell trên ô tô điện đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm qua Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa phát triển đủ để áp dụng vào sản phẩm thương mại do vấn đề an toàn Việc vận chuyển một bình khí hydro lớn trên xe, khi phản ứng với oxy để tạo ra điện, đặt ra câu hỏi nghiêm túc về tính an toàn, bởi nếu xảy ra sự cố, nó có thể gây nổ như một quả bom thực sự.
2.1.2.4 Siêu tụ điện – Ultra Capacitor
Siêu tụ điện (Ultra capacitor) là loại tụ hóa có điện dung cực cao, với khả năng đạt tới 10.000 farad ở 1.2 volt Nó có khả năng lưu trữ năng lượng gấp 10 đến 100 lần so với tụ hóa thông thường và có tốc độ phóng nạp nhanh hơn pin sạc Kích thước của siêu tụ điện lớn hơn gấp 10 lần so với pin sạc có cùng mức trữ năng.
Tụ điện tích trữ điện năng thông qua các tương tác vật lý giữa các điện cực và điện tích, khác với acquy sử dụng phản ứng hóa học, cho phép tụ điện phóng và nạp điện nhanh chóng Siêu tụ, với bản chất là tụ điện, duy trì đặc tính này và có mật độ công suất lớn Với điện dung lên tới hàng nghìn Fara, siêu tụ có khả năng tích trữ một lượng điện năng lớn, hoạt động như một nguồn chứa năng lượng, trong khi tụ điện thông thường chỉ đóng vai trò là phần tử phóng – nạp trong quá trình trao đổi năng lượng.
Hệ thống nạp điện trên ô tô
2.2.1.1 Chức năng của hệ thống cung cấp điện
Xe ô tô được trang bị nhiều thiết bị điện nhằm đảm bảo an toàn và thuận tiện khi lái Việc sử dụng điện không chỉ diễn ra khi xe đang di chuyển mà còn cả khi dừng lại Do đó, xe được trang bị Acquy để cung cấp điện và hệ thống nạp giúp tạo ra nguồn điện khi động cơ hoạt động Hệ thống nạp không chỉ cung cấp điện cho các thiết bị điện mà còn nạp lại cho Acquy.
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 từ bình Acquy đi vào cuộn dây rotor, biến rotor thành nam châm điện Khi động cơ hoạt động, nam châm điện quay, tạo ra từ thông biến thiên qua cuộn dây stator Sự biến thiên này sinh ra sức điện động trên cuộn dây stator, cung cấp dòng điện cho bình Acquy và các phụ tải điện Đèn báo nạp trên bảng đồng hồ của người lái cho biết tình trạng hoạt động của máy phát, cảnh báo nếu máy phát không hoạt động hoặc có sự cố trong hệ thống nạp.
2.2.1.3 Chức năng của máy phát điện xoay chiều
Máy phát điện hiện đại thực hiện nhiều chức năng quan trọng, bao gồm phát điện, chỉnh lưu và hiệu chỉnh điện áp Trên các máy phát cũ, thành phần chính gồm bộ phận phát điện và chỉnh lưu, với chức năng ổn định điện áp thường được thực hiện bằng tiết chế lắp rời Ngày nay, tiết chế vi mạch nhỏ gọn được tích hợp trực tiếp trên máy phát, không chỉ điều chỉnh điện áp mà còn thông báo các hư hỏng thông qua đèn báo nạp Cụ thể, khi động cơ quay, chuyển động được truyền đến máy phát điện qua dây đai hình chữ V, với rotor là nam châm điện tạo ra từ trường tương tác với dây quấn trong stator để phát sinh điện.
Dòng điện xoay chiều được tạo ra trong máy phát điện cần được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều để sử dụng cho các thiết bị điện Bộ chỉnh lưu có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Bên cạnh đó, việc hiệu chỉnh điện áp cũng là một yếu tố cần thiết trong quá trình này.
Tiết chế điều chỉnh điện áp là thiết bị quan trọng giúp duy trì hiệu điện thế ổn định cho các thiết bị, bất chấp sự thay đổi tốc độ của máy phát điện.
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 cuộn dây, nó sẽ tạo ra điện áp giữa hai đầu cuộn dây, dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện xoay chiều.
Mối quan hệ giữa dòng điện trong cuộn dây và vị trí của nam châm được thể hiện rõ ràng Cường độ dòng điện đạt cực đại khi các cực nam (S) và bắc (N) của nam châm ở gần cuộn dây nhất Chiều dòng điện trong mạch sẽ thay đổi sau mỗi nửa vòng quay của nam châm, tạo ra dòng điện hình sin, được gọi là “dòng điện xoay chiều một pha” Một chu kỳ của dòng điện này tương ứng với 360 độ, và số chu kỳ trong một giây được gọi là tần số.
Để cải thiện hiệu quả phát điện, máy phát được thiết kế với 3 cuộn dây A, B và C, cách nhau 120 độ và hoạt động độc lập Khi nam châm quay trong các cuộn dây, nó tạo ra dòng điện xoay chiều trong từng cuộn Sự tương tác giữa ba dòng điện xoay chiều và nam châm tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha, được ứng dụng rộng rãi trong các xe hiện đại ngày nay.
Hình 2 13: Nguyên lý dòng điện xoay chiều
2.2.2.2 Bộ chỉnh lưu a) Cấu tạo:
Máy phát điện xoay chiều thường được trang bị mạch chỉnh lưu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều 3 pha Mạch chỉnh lưu này bao gồm 6 điốt và được lắp đặt trong giá đỡ của bộ chỉnh lưu, giúp đảm bảo quá trình nắn dòng điện hiệu quả.
Hình 2 14: Cấu tạo bộ chỉnh lưu máy phát
Hình 2 15: Dòng điện xoay chiều 3 pha b) Chức năng:
Dòng điện chạy vào tải qua điốt 3 và trở về cuộn dây II qua điốt 5, trong khi cường độ dòng điện ở cuộn dây I bằng 0, dẫn đến không có dòng điện trong cuộn dây I Khi rôto quay, dòng điện được sinh ra trong các cuộn dây Stato, với các vị trí (a) đến (f) được minh họa trong hình 3 Tại vị trí (a), dòng điện dương xuất hiện ở cuộn dây III và dòng điện âm ở cuộn dây II, do đó dòng điện chảy từ cuộn dây II sang cuộn dây III.
Dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu qua hai điốt, giúp duy trì dòng điện tới các phụ tải ở mức giá trị không đổi.
2.2.2.3 Bộ tiết chế a) Cấu tạo của bộ điều áp IC: Gồm IC lai, cánh tản nhiệt và giắc nối b) Các loại bộ điều áp IC
Loại nhận biết Acquy: Nhận biết ắc-qui nhờ cực S và điều chỉnh điện áp ra theo giá trị qui định
Máy phát điện có chức năng xác định điện áp bên trong và điều chỉnh điện áp ra theo giá trị quy định Bộ điều áp IC đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định điện áp, đảm bảo hiệu suất hoạt động của máy phát.
Cảnh báo khi máy phát không phát điện và tình trạng nạp không bình thường
Một số cảnh báo để xác định sự cố:
- Đứt mạch hoặc ngắn mạch các cuộn dây roto
- Điện áp tăng vọt quá lớn (điện áp ắc-qui tang do ngắn mạch giữa cực F và cực E) d) Các đặc tính của bộ điều áp IC
Hình 2 16: Đường đặc tính bộ điều áp IC Đặc tính tải của Acquy:
Điện áp ra không đổi hoặc ít thay đổi (nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 tới 0,2 V) khi tốc độ máy phát thay đổi
Khi dòng điện phụ tải tăng, điện áp ra của máy phát sẽ giảm Sự thay đổi điện áp này có thể xảy ra ngay cả khi máy phát hoạt động ở tải định mức hoặc tại dòng điện cực đại, với mức giảm khoảng từ 0,5 đến 1 V Nếu tải vượt quá khả năng của máy phát, điện áp ra sẽ giảm đột ngột.
Đặc tính nhiệt độ: Nhìn chung điện áp ra sẽ giảm đi khi nhiệt độ tăng lên
Điện áp ra của acquy thường sụt giảm ở nhiệt độ cao vào mùa hè và tăng lên ở mùa đông Do đó, việc nạp đầy acquy một cách phù hợp và kịp thời là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Hệ thống quản lý Acquy
2.3.1 Khái quát về hệ thống quản lý Acquy
Ngày nay, xe điện và xe Hybrid không chỉ trang bị hệ thống acquy hiện đại với dung lượng lớn và độ an toàn cao, mà còn cần một hệ thống quản lý hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất cung cấp năng lượng.
Acquy cần được quản lý chặt chẽ vì nó là nguồn cung cấp điện năng cho hệ thống, đảm bảo toàn bộ tải được cung cấp liên tục Thường được kết hợp thành hệ thống lớn hơn, nhưng sự yếu kém hoặc hư hỏng của một phần tử có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống do gánh nặng điện Do đó, việc phát hiện sớm các phần tử yếu hoặc hư hỏng là rất quan trọng Hơn nữa, Acquy còn tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ và độc hại, nên việc giám sát và quản lý cũng nhằm giảm thiểu các rủi ro này.
Hệ thống quản lý Acquy là một giải pháp điện tử tiên tiến, được thiết kế để giám sát và quản lý các bình Acquy, bao gồm việc theo dõi từng cell và toàn bộ hệ thống Hệ thống này giúp đảm bảo Acquy hoạt động trong các điều kiện an toàn, đồng thời nâng cao tính kinh tế và độ tin cậy của thiết bị.
Một số lợi ích của hệ thống quản lý Acquy:
Quản lý và giám sát thường xuyên Acquy giúp tăng tuổi thọ và giảm thiểu các sự cố trong hệ thống Việc này cho phép đánh giá chính xác tình trạng của Acquy, từ đó ngăn ngừa hư hỏng và duy trì hiệu suất hoạt động tối ưu.
Tăng độ ổn định cho hệ thống: đảm bảo hệ thống nguồn luôn trong trạng thái sẵn sàng và hoạt động theo mong muốn
Việc giảm thiểu sự cố cháy nổ từ acquy không chỉ nâng cao tính an toàn cho người sử dụng mà còn bảo vệ các thiết bị xung quanh trên xe.
Hình 2 17: Hệ thống quản lý Acquy trên các dòng xe điện và Hybrid
2.3.2 Một số chức năng cụ thể của hệ thống quản lý Acquy
2.3.2.1 Quản lý các thông số tính toán trên hệ thống Acquy
Hệ thống quản lý Acquy sẽ bao gồm các mạch điện tử có chức năng đo và giám sát các thông số tính toán của Acquy như:
Giám sát điện áp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống acquy hoạt động hiệu quả, bao gồm việc theo dõi các mức điện áp tối đa và tối thiểu cho phép Điều này giúp tính toán chính xác trạng thái nạp và độ sâu xả của hệ thống, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của acquy.
Dòng điện: giám sát dòng điện nạp tối đa cho phép cũng như dòng điện xả tối đa cho phép của hệ thống Acquy
Năng lượng tiêu hao (kWh) ở lần xả gần nhất hoặc của một chu kỳ sạc Acquy
Trở kháng của Acquy: nhằm phục vụ việc tính toán điện áp mạch hở của Acquy
Giám sát nhiệt độ là một yếu tố quan trọng, bao gồm việc theo dõi mức nhiệt độ của từng Acquy và nhiệt độ trung bình của toàn bộ hệ thống Hệ thống cũng có khả năng tính toán nhiệt độ đầu vào và đầu ra của dung dịch làm mát Acquy, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Tính toán chu kỳ tuổi thọ, tình trạng sức khỏe của Acquy (State of Health – SOH)
Hệ thống quản lý Acquy sẽ liên tục đánh giá và đảm bảo Acquy hoạt động hiệu quả trong suốt chu kỳ tuổi thọ của nó dựa trên các thông số đã được thiết lập.
Hình 2 18: Một số chức năng của hệ thống quản lý Acquy
2.3.2.2 Quản lý trạng thái nạp của Acquy
Trạng thái nạp (State of Charge - SOC) của acquy là chỉ số thể hiện mức dung lượng đã được nạp, với đơn vị là % SOC đạt 0% khi acquy cạn kiệt năng lượng và 100% khi được nạp đầy Trên các dòng xe điện hoặc hybrid, SOC tương tự như thông số mức xăng, dầu của xe sử dụng động cơ đốt trong.
Bằng cách sử dụng các mạch điện tử để tính toán các thông số như điện áp và dòng điện của acquy, chúng ta có thể xác định trạng thái nạp hiện tại của acquy Từ đó, có thể thực hiện các điều chỉnh cần thiết để đảm bảo acquy hoạt động trong giới hạn cho phép, đặc biệt trong trường hợp của xe.
Thông số trạng thái nạp của hệ thống Acquy trong xe hybrid có thể được sử dụng để đánh giá mức năng lượng còn lại, từ đó giúp quyết định thời điểm thích hợp để nạp lại bằng động cơ đốt trong.
Thông số trạng thái nạp của acquy trên các dòng xe không phản ánh chính xác mức năng lượng thực tế do yêu cầu bảo vệ cho acquy Chẳng hạn, trên xe Plug-in Hybrid Mitsubishi Outlander, khi hiển thị trạng thái nạp 0%, thực tế acquy vẫn còn khoảng 20-22% năng lượng.
2.3.2.3 Quản lý độ sâu xả của Acquy
Độ sâu xả (Depth of discharge - DOD) là thông số quan trọng thể hiện mức dung lượng đã sử dụng của acquy, trái ngược với trạng thái nạp (SOC) DOD đạt 100% khi acquy cạn kiệt dung lượng và 0% khi acquy được nạp đầy Thông số này cũng có thể được tính bằng đơn vị Ah (ampere-hour); ví dụ, với acquy 50Ah, 0Ah DOD tương ứng với acquy đầy và 50Ah DOD tương ứng với acquy hết dung lượng.
Hình 2 19: Mối quan hệ giữa Trạng thái nạp và Độ sâu xả
Hệ thống quản lý acquy dựa vào độ sâu xả (DOD) để đánh giá dung lượng và đảm bảo hoạt động hiệu quả Đối với acquy chì axit, DOD thường khoảng 50%, trong khi acquy Lithium-ion có thể đạt DOD lên đến 80% hoặc 90% với acquy LiFePO4 Sử dụng dung lượng với DOD vượt quá mức cho phép nhiều lần sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến chu kỳ và tuổi thọ của acquy.
Hình 2 20: Độ sâu xả cho phép của Acquy chì và Acquy Lithium
2.3.2.4 Cân bằng dung lượng của hệ thống Acquy Đối với hệ thống nguồn sử dụng các Acquy mắc nối tiếp nhau để cung cấp năng lượng cho hệ thống, sự chênh lệch về trạng thái nạp các bình Acquy (hoặc của các phần tử cell bên trong bình Acquy), hoặc sự mất cân bằng về dung lượng mỗi Acquy, hay sự chênh lệch giữa trở kháng các phần tử cell (hoặc Acquy) sẽ gây ra sự mất cân bằng về điện áp của các cell Sự mất cân bằng này có thể do nhà sản xuất, do các Acquy được sản xuất hoặc sử dụng ở những thời điểm khác nhau, hoặc do tuổi thọ của mỗi Acquy và môi trường, nhiệt độ xung quanh mỗi Acquy là khác nhau
Tổng quan về động cơ xăng Honda Wave FI_AT
2.4.1 Giới thiệu động cơ xăng Honda Wave FI_AT
Hình 2 22: Động cơ xăng Honda Wave FI_AT
Bảng 2 1: Bảng thông số động cơ Wave RSX FI-AT
Mục Thông số kĩ thuật Đường kính xy lanh và hành trình Piston 50.0 x 55.6 mm
Dung tích xy lanh 109.1.cm 3
Truyền động xu páp Hai xu páp, truyền động xích đơn SOHC
Xu páp nạp Mở khi nâng lên 1 mm
28 Đóng khi nâng lên 1mm
Xu páp thải Mở khi nâng lên
34 0 trước điểm chết dưới Đóng khi nâng lên 1mm
Hệ thống bôi trơn Bơm ướt và áp suất cưỡng bức
Kiểu bơm dầu Bơm bánh rang
Hệ thống làm mát Làm mát bằng không khí
Lọc gió Lọc lấy nhờn
Trọng lương động cơ khô 27.3 kg
2.4.2 Hệ thống phun nhiên liệu PGM_FI
Bảng 2 2: Thông số hệ thống nhiên liệu
Mục Thông số kĩ thuật
Số nhận biết bộ chế hòa khí GQR9A
Tốc độ cầm chừng động cơ 1600 ± 100 (vòng/phút) Điện trở cảm biến
Tại 100 0 C 0.21 – 0.22 kΩa Điện trở kim phun xăng (20 0 C / 68 0 F) 9 – 12 Ω Áp suất nhiên liệu cầm chừng 294 kPa ( 3.0 kgf/cm 2 , 43 psi )
Lưu lượng bơm ( tại 12V) 100 cm 3 ( 3.4 US oz, 3.5 lmp oz)/ 10s
Hình 2 23: Sơ đồ mạch điện hệ thống PGM-FI
Hình 2 24: Sơ đồ cảm biến CKP Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến CKP bao gồm những từ trở trên bánh đà (9 mấu) và bộ cảm biến được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu và cuộn dây
Khi từ trở cắt ngang cản biến CKP trong quá trình trục khuỷu quay, nó sẽ thay đổi đường từ thông trong cuộn dây Cảm biến CKP nhận diện sự thay đổi này và chuyển đổi thành sự thay đổi điện áp, sau đó gửi 9 xung điện áp đến ECM trong mỗi vòng quay.
Phụ thuộc điện áp ngõ ra, ECM điều khiển như sau:
- Xác định thời điểm phun nhiên liệu
- Xác định khoảng thời gian phun cơ bản (với cảm biến TP)
- Cắt đường cung cấp nhiên liệu khi giảm tốc (cảm biến TP)
- Xác định thời điểm đánh lửa
Cảm biến TP xác định độ mở bướm ga
Cảm biến TP là một biến trở được lắp đặt trên cùng một trục với cánh bướm ga, với điểm dịch chuyển trên biến trở tương ứng với vị trí của cán bướm ga.
Cảm biến TP theo dõi sự thay đổi của tiếp điểm đồng bộ với chuyển động của cánh bướm ga bằng cách chuyển đổi thành sự thay đổi điện trở Sự thay đổi điện trở này ảnh hưởng đến điện áp ngõ vào từ ECM, sau đó được điều chỉnh và gửi trở lại ECM.
Hình 2 26: Đường đặc tính cảm biến TP
Điện áp ngõ ra gửi về ECM thấp khi độ mở bướm ga nhỏ Điện áp cao hơn khi bướm ga mở lớn hơn
Phụ thuộc vào điện áp ngõ ra, ECM điều khiển như sau:
- Xác định khoảng thời gian phun cơ bản và cắt cung cấp nhiên liệu khi giảm tốc (với cảm biến CKP)
- Tăng thêm nhiên liệu phun khi tăng tốc
EOT sensor ( Engine Oil Temperature Sensor) là loại cảm biến nhiệt điện trở Điện trở của cảm biến thay đổi dựa theo nhiệt độ động cơ
Hình 2 28: Đường đặc tính cảm biến EOT
ECM nhận giá trị điện áp để :
Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm
Hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu
Điều khiển tốc độ không tải
2.4.3.4 Cảm biến mực xăng ( FLS )
Cảm biến mực xăng là một biến trở Khi mực xăng trong bình thay đổi thông qua phao xăng tác động đến cảm biến mực xăng
Hình 2 29: Cảm biến báo xăng
Hình 2 30: Đường đặc tính cảm biến mực xăng
2.4.3.5 Cảm biến dòng điện ACS712
The ACS712 current sensor, utilizing Hall Effect technology, measures both AC and DC currents Its compact design ensures easy connectivity, and it provides output values in the form of voltage.
34 áp Analog tuyến tính theo cường độ dòng điện cần đo nên dễ kết nối và lập trình với vi điều khiển
Hình 2 31: Cảm biến dòng điện ACS 712 Đường dặc tính khi đo dòng điện DC:
Hình 2 32: Đường đặc tính cảm biến dòng ACS 712
Ứng dụng vi điều khiển trong điều khiển động cơ
2.5.1 Phương pháp điều xung PWM
Phương pháp điều xung PWM (Điều chế độ rộng xung) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra cho tải bằng cách thay đổi độ rộng của các xung vuông, từ đó ảnh hưởng đến điện áp đầu ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và sự khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm
Hình 2 33: Chu kỳ xung PWM
2.5.2 Ứng dụng của PWM trong điều khiển
PWM được sử dụng phổ biến trong điều khiển, đặc biệt là trong việc điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Công nghệ PWM không chỉ giúp điều chỉnh tốc độ động cơ mà còn đảm bảo sự ổn định trong quá trình hoạt động của nó.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha
PWM là một kỹ thuật quan trọng trong các mạch điện điều khiển, đặc biệt trong việc điều khiển các phần tử điện tử công suất với đường đặc tính tuyến tính khi có nguồn điện một chiều cố định Ứng dụng của PWM rất đa dạng trong các thiết bị điện - điện tử, và nó cũng là yếu tố chính mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ và ổn định tốc độ động cơ.
Tổng quan về PID
Điều khiển PID: là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứng với sự thay đổi của giá trị đo
Kỹ thuật điều khiển PID, dù không phải là mới, vẫn là phương pháp phổ biến nhất trong việc điều khiển các hệ thống công nghiệp Nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, và moment của động cơ AC và DC.
Bộ điều khiển PID trở nên phổ biến nhờ vào tính đơn giản và khả năng dễ dàng triển khai trên các vi xử lý nhỏ, ngay cả khi hiệu năng tính toán hạn chế.
Người ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, PI, hay PID
Công thức toán của bộ điều khiển PID trên miền Laplace:
T i =K p /K i : thời gian khâu vi phân
T d : thời gian khâu tích phân
Hình 2 34: Sơ đồ khối bộ PID
Thuật toán của bộ điều khiển PID số, hàm truyền khâu PID rời rạc: [6]
=>(2T)z 2 U(z)-(2T)zU(z)=[(2TK p +K i T 2 +2K d ) z 2 +(K i T 2 -2TK p -4K d )z+(2K d )]E(z) Đặt ∆=2T ta được:
Chia 2 về phương trình (1) cho z 2 ta được:
=> Tín hiệu điều khiển PID cho hệ rời rạc (2.12): u(k) =αe(k) + βe(k − 1) + γe(k − 2) + ∆u(k − 1)
Việc chọn thông số P, I, D thường dựa vào thực nghiệm từ đáp ứng xung của hệ thống Phương pháp Ziegler-Nichols đề xuất cách lựa chọn tham số cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ, tuy nhiên, phương pháp này xác định thông số P, I, D tại ranh giới giữa ổn định và bất ổn định, trong khi mô hình thực tế thường ổn định Do đó, việc áp dụng phương pháp này có thể dẫn đến lựa chọn không chính xác cho thông số P, I, D Vì vậy, cần thực hiện các thí nghiệm để xác định thông số P, I, D một cách chính xác hơn.
Tổng quan về động cơ DC
2.7.1 Động cơ DC Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng
Động cơ servo được tối ưu hóa cho các hệ thống hồi tiếp vòng kín, nơi tín hiệu đầu ra của động cơ kết nối với mạch điều khiển Khi động cơ hoạt động, nó cung cấp thông tin về vận tốc và vị trí của mình.
Mạch điều khiển sẽ nhận tín hiệu hồi tiếp từ động cơ servo, giúp điều chỉnh sai lệch để đạt được vị trí chính xác Nếu có trở ngại nào ngăn cản chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ phát hiện ra tín hiệu không đạt yêu cầu Động cơ servo đa dạng về kiểu dáng và kích thước, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại máy móc, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính đến mô hình máy bay và xe hơi Gần đây, động cơ servo còn được sử dụng trong các robot, tương tự như trong các mô hình máy bay và xe hơi.
2.7.2 Động cơ Faulhaber Động cơ servo FAULHABER khác với động cơ DC lõi sắt thông thường ở chỗ rotor bao gồm một cuộn dây đồng tự hỗ trợ, xiên Trong số các đặc tính vốn có của thiết kế tiên phong này là quán tính rotor cực thấp và vị trí rotor không hoặc cầu chì ưa thích Các yếu tố này giúp xác định tỷ lệ công suất / âm lượng cao của động cơ cũng như các đặc tính hiệu suất cực kỳ năng động của chúng Được phát minh đầu tiên bởi Tiến sĩ Fritz Faulhaber Sr và được cấp bằng sáng chế vào năm 1958 Hệ thống cuộn dây xiên không dây (hoặc không có sắt) là trung tâm của mọi mọi hệ thống DC Mô tơ FAULHABER Công nghệ mang tính cách mạng này đã thay đổi ngành công nghiệp và tạo ra những khả năng mới cho ứng dụng của khách hàng về động cơ, trong đó công suất cao nhất, hiệu suất động tốt nhất, với kích thước và trọng lương nhỏ nhất có thể được yêu cầu
Hình 2 35: Động cơ DC FAULHABER
Tốc độ mô tơ: 8100 RPM
Tốc độ sau hộp giảm tốc: 120 RPM
Dòng tải tối đa: 1400mA
Encoder 2 kênh với độ phân giải 12 xung/vòng
Chiều dài động cơ: 85mm
Mô hình hóa động cơ DC Faulhaber
2.8.1 Tính toán động học, xây dựng hàm truyền động cơ
Để mô hình hóa động cơ DC, cần xác định hàm truyền của hệ thống hoặc các phương trình liên quan, nhằm thay thế cho động cơ thực tế cần điều khiển.
Các thông số cần quan tâm:
- Điện cảm của cuộn dây: L [H]
- Điện áp được tạo bởi lực điện động phản hồi của mô tơ: e(t) [V]
- Mô men xoắn của mô tơ: T [Nm]
- Góc quay của mô tơ: θ(t) [rad]
- Tốc độ góc của mô tơ: ω(t) [rad/s]
- Mô men quán tính của mô tơ: J [kgm 2 ]
- Hệ số giảm chấn nhớt của mô tơ: b [Nms]
- Hằng số mô men: K t [Nm/A]
- Hằng số điện áp tạo bởi lực điện động phản hồi của mô tơ: K e [V/rad/s]
- Tỉ số truyền của hộp giảm tốc mô tơ: N
Khi cấp điện áp V ta có đầu ra là tốc độ góc ω của mô tơ, tốc độ góc tỉ lệ với điện áp: ω(t) = K v v(t) => v(t) = 1
Mô men T tỉ lệ với dòng điện i(t):
Phương trình phần cơ khí:
Mô tơ quay với vận tốc góc ω tạo ra suất điện động e(t):
Sự thay đổi của dòng điện theo thời gian của cuộn cảm: di dt
Mạch điện của hệ thống được xác định theo định luật Kirchhoff để tìm mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của mô tơ: v(t)-Ri(t)-L di dt-e(t)=0 (5) (2.7)
Thay (2.6) vào (2.7): v(t)-Ri(t)-L di dt-K e θ̇(t)=0 (**)
Ta có biến đổi Laplace: £(f(x))= F(s); £(ḟ(x))= sF(s); £(f̈(x))= s 2 F(s)
K ] s (2.8) Nghịch đảo hai vế phương trình (2.8): θ(s)
Vậy được hàm truyền đầu vào là điện áp V(s), đầu ra là góc quay θ(s)
2.8.2 Mô phỏng điều khiển vị trí DC motor bằng matlab Simulink
Một số thông số mô tơ dùng để mô phỏng: [8]
2.8.2.1 Sơ đồ khối của mô hình điều khiển vị trí động cơ DC
Hình 2 37: Mô phỏng điều khiển vị trí DC motor
Phương pháp điều khiển được chọn là kiểu hồi tiếp Close-loop, sử dụng chương trình PID Controller để điều khiển hàm truyền của mô tơ.
2.8.2.2 Kết quả của mô phỏng
Hình 2 38: Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí DC motor
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ tổng quát thu thập tín hiệu và điều khiển
3.1.1 Sơ đồ khối chức năng
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thu thập tín hiệu từ các cảm biến động cơ xăng nhằm điều khiển động cơ kéo máy phát điện sạc acquy xe Các tín hiệu này bao gồm dạng xung và điện áp, phù hợp để kết nối với Arduino Arduino sẽ truyền tín hiệu lên máy tính và hiển thị thông qua phần mềm Matlab App Designer qua giao tiếp RS232 Thí nghiệm được thực hiện trên động cơ xăng 1 xy-lanh của xe máy Honda Wave RSX Fi 110cc.
Hình 3 1: Tổng quan giao tiếp Arduino Matlab
Sau khi đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan, nhóm nghiên cứu tiến hành thực hiện thiết kế và thực nghiệm theo tiến trình:
Xác định các tín hiệu cần thu thập và hiển thị
Lập trình thu thập tín hiệu và điều khiển trên Arduino
Lập trình giao diện hiển thị trên Matlab App Designer
Lập trình truyền tín hiệu bằng giao tiếp RS232
Thực nghiệm đánh giá kết quả
3.1.2 Nội dung thiết kế bộ chấp hành Để đáp mục đích thiết kế, bộ chấp hành cần phải đảm bảo theo những yêu cầu sau: Động cơ được cấp nguồn 12V từ Acquy để hoạt động, bộ điều khiển hoạt động dưới nguồn 5V sau khi được giảm áp từ Acquy Điều khiển kích relay khởi động và relay tắt máy theo quy trình Điều khiển kích relay cấp nguồn kích từ cho máy phát đúng thời điểm Điều khiển mở góc bướm ga chính xác khi có lệnh đưa ra
Khi động cơ chưa hoạt động, tín hiệu điện áp Acquy được theo dõi liên tục Khi động cơ khởi động, các tín hiệu như vị trí bướm ga (TPS), cảm biến mực xăng (FLS), cảm biến nhiệt độ dầu động cơ (EOT), cảm biến dòng điện nạp (CS), cảm biến tốc độ động cơ (CKP) và điện áp Acquy cũng được cập nhật thường xuyên Tất cả các tín hiệu này được Arduino thu thập và hiển thị trên máy tính thông qua giao diện Matlab App Designer.
Hình 3 2: Sơ đồ khối bộ giao tiếp
Thiết kế hộp điều khiển
3.2.1 Các linh kiện sử dụng
Điện trở (Resistor) là linh kiện điện tử thụ động với hai tiếp điểm, chủ yếu dùng để hạn chế cường độ dòng điện, điều chỉnh tín hiệu, chia điện áp và kích hoạt linh kiện điện tử như transistor Điện trở công suất có khả năng tiêu tán điện năng thành nhiệt, thường được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ và hệ thống phân phối điện Các điện trở thường có trở kháng cố định, ít thay đổi bởi nhiệt độ và điện áp Biến trở cho phép điều chỉnh trở kháng, tương tự như núm vặn âm lượng Ngoài ra, có các cảm biến điện trở biến thiên như cảm biến nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm Đơn vị điện trở là Ohm (Ω), được đặt theo tên George Simon Ohm, với 1 ohm tương đương với vôn/ampere và có nhiều giá trị như milliohm, kilohm và megohm.
Hình 3 3: Điện trở công suất
3.2.1.2 Tụ gốm 104 và tụ hóa
Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật tụ gốm 104
Thông số Giá trị Điện dung 0.1uf Điện áp 50V
Loại Điện dung cố định
Tụ gốm 104 là loại tụ điện không phân cực, được sản xuất bằng công nghệ gốm, với hai chân cắm được mạ thiếc Loại tụ này có giá trị nhỏ và thường được sử dụng trong các mạch cao tần cũng như trong các mạch lọc nhiễu.
Tụ gốm 104 hình dẹt được ký hiệu bằng ba số trên thân, ví dụ như 103J, 223K, 471J, vv Ba số đầu thể hiện giá trị của tụ, trong khi chữ J hoặc K ở cuối chỉ định sai số.
Bảng 3 2: Thông số kỹ thuật tụ hóa 100uF-100V
Thông số Giá trị Điện dung 100uf Điện áp 100V
Loại Điện dung cố định
Tụ hóa 100uF 100V là loại tụ điện có điện dung cố định và phân cực, với dung môi là lớp hóa chất Tụ này có hình trụ, và trị số điện dung cùng điện áp tối đa được ghi trực tiếp trên thân tụ Điện áp ghi trên tụ là mức điện áp cực đại mà tụ có thể chịu, nếu vượt quá giá trị này, lớp cách điện sẽ bị đánh thủng Do đó, trong thực tế, cần lắp tụ có trị số điện áp cao gấp khoảng 1,5 lần điện áp của mạch điện.
3.2.1.3 Mạch giảm áp DC LM2596
Hình 3 6: Bộ giảm áp DC LM2596
Bảng 3 3: Thông số kĩ thuật bộ hạ áp DC LM2596
Kích thước mạch 53mm – 26mm
Mạch cầu H XY-160D L298 cho phép điều khiển đồng thời hai động cơ DC, với công suất tối đa lên đến 160W cho mỗi động cơ Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu suất và độ bền, nhà sản xuất khuyến nghị giới hạn công suất sử dụng ở mức 70% khi hoạt động liên tục.
Phần động lực của module sử dụng các IC MOSFET công suất cao, với sự cách ly quang giữa phần động lực và phần điều khiển logic nhờ vào Optocoupler Điều này giúp bảo vệ tối đa các linh kiện trong hệ thống và ngăn chặn các xung điện gây nhiễu cho các hệ thống logic như Arduino, MCU, và ESP.
Bảng 3 4: Thông số kỹ thuật mạch cầu L298N
Dòng tối đa mỗi cầu 7A
Mức điện áp logic Low: ~0V - 0.8V, High: 3V - 6.5V
Tốc độ điều khiển PWM 0 – 10 kHz
Bảng 3 5: Thông số kĩ thuật module relay 5V
Thông số Giá trị Điện áp tải tối đa AC250V – 10A / DC 30V – 10A Điện áp điều khiển 5V DC
Trạng thái kích Mức thấp(0V) / mức cao (5V) Đường kính lỗ ốc 3.1(mm)
Relay bình thường gồm có 6 chân Trong đó có 3 chân để kích, 3 chân còn lại nối với đồ dùng điện
S: chân tín hiệu, tùy vào loại module relay mà nó sẽ làm nhiệm vụ kích relay
3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:
Khi kết nối thiết bị điện, chân nối cần được gắn vào chân lửa (nóng) nếu sử dụng điện xoay chiều, hoặc vào cực dương nếu sử dụng điện một chiều.
NO: chân relay thường mở
NC: chân relay thường đóng
3.2.1.6 Module Opto cách ly 2 kênh PC817
Opto (optocoupler) là linh kiện quang điện tử sử dụng ánh sáng LED để truyền tín hiệu điều khiển giữa các mạch có điện áp khác nhau Một trong những ưu điểm nổi bật của opto là khả năng cách ly điện giữa mạch đầu vào và đầu ra, với điện trở cách ly lên tới hàng ngàn MΩ.
Hình 3 9: Linh kiện Opto PC817
Hình 3 10: Module Opto cách ly 2 kênh PC817
Thông số kỹ thuật của module Opto cách ly 2 kênh PC817:
Port điều khiển tín hiệu điện áp: 3.6-24V
Đầu jumper đầu ra có thể được kéo lên hoặc kéo xuống
Onboard 2-Channel 817 hoạt động độc lập: có thể điều khiển điện áp khác nhau tại thời điểm đó
Sử dụng hai Opto 817 cho phép tạo ra tín hiệu điều khiển và tín hiệu điều khiển cách ly Bạn có thể kết nối trực tiếp với vi điều khiển hoặc cổng IO của thiết bị khác để thực hiện điều khiển cách ly điện áp, đồng thời có khả năng điều khiển điện áp nhỏ một cách hiệu quả.
3.2.2 Thiết kế mạch chuyển xung
Xung do cảm biến CKP tạo ra có dạng gần giống xung sine, nên cần chuyển về dạng xung vuông để đọc tín hiệu
Hình 3 11: Đặc tính xung cảm biến CKP
Mạch chuyển xung có tác dụng cắt bỏ bán kì âm (của xung gần giống xung sine) và hiệu chỉnh bán kì dương thành xung vuông
Các thành phần được dùng để thiết kế mạch:
Bảng 3 6: Các thành phần của mạch chuyển xung
Thành phần Số lượng (cái) Bảng mạch đồng 1 Điện trở 220Ω 1 Điện trở 6,8 KΩ 1 Điện trở 10 KΩ 1 Điện trở 1 KΩ 1
Mô phỏng mạch trên proteus:
Hình 3 12: Mạch mô phỏng trên Protues
Hình 3 13: Thiết kế mạch in
Hình 3 14: Đồ thị dạng xung sau khi chuyển
Tiến hành làm mạch thực tế:
Hình 3 15: Mạch chuyển xung thực tế
3.2.3 Thiết kế mạch thu thập tín hiệu báo xăng
Cảm biến báo xăng 2 dây có một dây tín hiệu với giá trị điện trở từ 1Ω đến 90Ω, tương ứng với mực xăng từ 4l đến 0l, và dây còn lại được sử dụng để cấp mass Để thu thập tín hiệu này và đưa về Arduino, cần sử dụng mạch cầu phân áp để chuyển đổi giá trị điện trở thành tín hiệu từ 0V đến 5V.
Các thành phần của mạch:
Một biến trở có sẵn trong cảm biến đưa về giá trị từ 1Ω-90Ω
Một điện trở giá trị 100Ω
Mô phỏng mạch trên Proteus:
Hình 3 16: Mạch cảm biến mực xăng
3.2.4 Thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy
Acquy cung cấp điện cho mô hình xe với 5 bình mắc nối tiếp, tổng điện áp khoảng 64V Để theo dõi điện áp từng Acquy đơn và điện áp tổng, tín hiệu điện áp được Arduino thu thập và hiển thị trên giao diện Matlab App Designer Để đảm bảo các chân I/O trên board Arduino hoạt động hiệu quả, điện áp cần thiết được điều chỉnh gần 2.5V bằng cách lựa chọn các điện trở phù hợp cho cầu phân áp.
1 có điện áp khoảng 12.8v vậy cầu phân áp 𝑅1
5 Tương tự với các cầu phân áp sau vì cell mắc nối tiếp, nên tỉ lệ Cell sau là, 1
25 Dòng tối đa các chân I/O của Arduino là 20mA, xét mạch đọc điện áp lớn nhất sẽ có điện áp khoảng 72V khi sạc, vậy tổng điện trở phải lớn hơn 3.6kΩ
Khi sạc nguồn, suất điện động có thể gây ra nhiễu, vì vậy nhóm đã sử dụng tụ hóa để giảm thiểu nhiễu trên nguồn Đồng thời, tụ gốm 104 cũng được sử dụng để chống nhiễu tín hiệu điện áp trả về cho board Arduino.
Bảng 3 7: Các thành phần của mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy
Tụ gốm 104 5 Điện trở 15kΩ 1 Điện trở 20kΩ 4 Điện trở 82kΩ 1 Điện trở 200kΩ 1 Điện trở 330kΩ 2 Điện trở 470kΩ 1
Mô phỏng mạch trên Proteus:
Hình 3 17: Mạch thu thập tín hiệu điện áp Acquy
3.2.5 Thiết kế mạch cân bằng dung lượng Acquy
Nguyên lý hoạt động mạch cân bằng Acquy hoặc cell:
Khi điện áp giữa các acquy chênh lệch quá mức quy định trong quá trình sạc, mạch cân bằng sẽ hoạt động tại acquy có điện áp cao nhất, dẫn đến việc acquy này sạc chậm hơn so với các acquy khác Quá trình này giúp giảm sự chênh lệch điện áp giữa các acquy thông qua việc xả bớt dung lượng tại acquy đó bằng cách sử dụng hai điện trở công suất R2 và R3.
Hình 3 18: Mạch nguyên lý hoạt động của phương pháp cân bằng bị động
Tính toán chọn giá trị điện trở công suất phù hợp:
Với dòng xả mong muốn 6-8A, ta chọn điện trở công suất sao cho dòng xả tương đương 3 - 4A qua mỗi điện trở công suất
Để tối ưu quá trình sạc thì mạch cân bằng sẽ hoạt động khi SOC đạt khoảng 60% (12.8V khi sạc) – 90% (14.2V khi sạc)
Khi điện áp đạt 12.8V, điện áp rơi qua transistor là 1.1V, dẫn đến điện áp rơi qua điện trở R2 là 11.7V Để dòng điện xả qua R2 đạt 3A, ta tính được R2 = 11.7/3 = 3.9Ω, do đó, chúng ta chọn R2 và R3 là 4Ω.
Thiết kế phần cơ khí
3.3.1 Thiết kế miếng gá mô tơ
Mô phỏng miếng gá trên AutoCAD:
Hình 3 28: Miếng gá mô phỏng trên Auto CAD
Hình 3 29: Miếng gá mô tơ thực tế
3.3.2 Thiết kế bánh răng truyền động bướm ga
3.3.2.1 Tính toán thông số bộ bánh răng
=>𝑍 1 = 17,3 Chọn Z1 = 17 răng, Z2= 34 răng, Đường kính vòng đỉnh:
3.3.2.2 Bộ bánh răng thực tế
Hình 3 30: Bộ bánh răng kéo bướm ga thực tế
3.3.3 Thiết kế bộ truyền đai kéo máy phát
Thiết kế puli có then hoa gắn vào trục khuỷu động cơ để kéo máy phát quay theo tỉ lệ ~3:2, có thêm bánh căng đai
Hình 3 31: Bộ truyền đai kéo máy phát
Thuật toán điều khiển
3.4.1 Tiến trình thực hiện đọc tín hiệu Đọc tín hiệu điện áp:
Hình 3 32: Chu trình đọc tín hiện dạng điện áp Bảng 3 9: Bảng chuyển thang giá trị cảm biến
Tín hiệu Thang chuyển đổi
Nhiệt độ dầu động cơ 0 0 C - 120 0 C
Dòng điện nạp 0 (A) – 20 (A) Điện áp Acquy 0 (V) – 15 (V) Đọc và tính toán tốc động cơ:
Hình 3 33: Chu trình đọc tín hiệu dạng xung
Truyền dữ liệu qua App Designer:
Hình 3 34: Chu trình gửi dữ liệu
Chu trình gửi sẽ đưa vào bộ nhớ đệm một chuỗi các giá trị tín hiệu đầy đủ Từ đó, App Designer sẽ phân tách chuỗi này thành các giá trị riêng biệt tương ứng với từng tín hiệu đã thu thập Quá trình này sẽ lặp lại với chu kỳ gửi là 0.2 giây.
3.4.2 Các lưu đồ thuật toán
Thuật toán khởi động động cơ tự động:
Hình 3 35: Lưu đồ thuật toán điều khiển mở máy
Vt là giá trị điện áp tổng Acquy thu thập về
Vy là giá trị điện áp định mức yêu cầu phải nạp có giá trị là 54V
ST là chân điều khiển relay khởi động, trong khi toc là biến tốc độ động cơ Giá trị toct xác định tốc độ động cơ khi chưa hoạt động, được thiết lập ở mức 1000 vòng/phút Thời gian chờ khởi động được biểu thị bằng biến time, với mức thời gian chờ là 5 giây.
Thuật toán điều khiển tắt động cơ tự động:
Hình 3 36: Lưu đồ thuật toán điều khiển tắt máy
Vn là điện nạp được thu thập về Arduino
Vi là điện áp định mức khi Acquy có giá trị xấp xỉ 68V (75%SOC)
Time là biến đếm thời gian ngắt công tắc máy ty là thời gian ngắt công tắc máy có giá trị 3s
Thuật toán điều khiển kích từ máy phát:
Hình 3 37: Lưu đồ thuật toán điều khiển kích từ máy phát
Setpoint là giá trị góc mở bướm ga mong muốn
Setpointy là biến xác định cho phép đếm thời gian chuẩn bị kích từ có giá trị 102
In là dòng điện nạp được thu thập về Arduino
Iy là dòng điện định mức khi Acquy đầy có giá trị xấp xỉ 0A
Time là biến đếm thời gian bật kích từ timey là biến xác định thời gian bắt đầu bật kích từ có giá trị 2s
Thuật toán điều khiển bướm ga:
Hình 3 38: Lưu đồ thuật toán điều khiển bướm ga
Setpoint là giá trị góc mở bướm ga mong muốn
OUTPUT là giá trị tính toán sau bộ PID.
