Yêu cầu dịng điện của hệ thống sạc trên những xe hiện đại là rất lớn và càng tăng. Hệ thống sạc phải cĩ khả năng đáp ứng các nhu cầu trong mọi điều kiện làm việc và vẫn sạc nhanh cho accu. Một máy phát đa điện áp cho hệ thống sạc trên xe là nhu cầu cần thiết. Điện áp đầu ra máy phát sẻ thay đổi khác nhau phụ thuộc vào tình trạng của accu, chế độ sạc và tải tiêu thụ. Điều này cho accu được nạp tốt hơn so với phương pháp nạp truyền thống với điện áp khơng đổi tránh được hiện tượng cạn nước do accu sơi bốc hơi khi đã nạp no.
Hình 3.1 (Nguồn: Theo Andreas Heim, SAE Technical paper, 2006) thể hiện sơ đồ của hệ thống cung cấp điện trên xe BMW. Đặc điểm của hệ thống ở đây là sử dụng một cảm biến bình thơng minh IBS đo chính xác dịng điện I, điện áp U và nhiệt độ accu từ đĩ tính tốn được các thơng số của accu như SoC, SoH, SoF. Thơng tin này được gửi về cho một module kiểm sốt năng lương cĩ thể tích hợp trong ECU điều khiển động cơ hoặc một bộ điều khiển đơc lập theo chuẩn truyền dữ liệu mạng LIN, dựa vào thơng tin này module kiểm sốt năng lượng sẽ tính tốn điện áp sạc tối ưu điều chỉnh dịng điện kiểm sốt máy phát theo từng chế độ hoạt động. Chức năng bộ tiết chế máy phát bây giờ được tích hợp trong module kiểm sốt năng lượng, Module cĩ khả năng giao tiếp với các module điều khiển điện khác qua mạng CAN để tối ưu việc sử dụng năng lượng, yêu cầu cắt bớt các tải điện hay tăng tốc độ cầm chừng động cơ, cũng như cảnh báo lúc accu phĩng điện đảm bảo cho accu được nạp no và đủ năng lượng dự trữ cho lần khởi động tiếp theo khắc phục lỗi pan cho accu phĩng kiệt hết điện. Hệ thống này giúp giảm đi thời gian sạc, tăng tuổi thọ accu, giảm tải đỉnh cho động cơ lúc khởi động bằng cách ngắt dịng kích từ máy phát và hoạt động dự phịng khi xảy ra lỗi.
75
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện xe BMW
Hình 3.2 (Nguồn: Theo Matthias Schưllmann, Marc Rosenmayr and Joachim Olk, Battery Monitoring with the Intelligent Battery Sensor, SAE Technical paper, 2005) cũng khái quát một hệ thống cung cấp điện mới được phát triển bởi Hella, Autokabel và BMW. Thành phần then chốt trong hệ thống vẫn là một cảm biến accu thơng minh IBS đặt tại cực âm accu đo chính xác dịng điện, điện áp, nhiệt độ trên dải rộng để xác định tình trạng accu. Máy phát điện được kiểm sốt bởi ECU điều khiển động cơ. Tồn bộ hệ thống truyền dữ giao tiếp với nhau qua mạng LIN và CAN bởi một hộp chủ Gateway.
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điện
Trở lại vai trị của một hệ thống cung cấp điện trên xe hiện nay. Ơ tơ được trang bị một số hệ thống và thiết bị điện để đảm bảo an tồn và tiện nghi khi sử dụng. Chúng cần điện năng trong suốt thời gian họat động và cả khi động cơ đã
76
dừng. Vì thế, chúng cần cả accu và nguồn điện một chiều như nguồn năng lượng. Một hệ thống cung cấp điện trang bị trên xe sẽ cung cấp nguồn một chiều cho những hệ thống và thiết bị trên. Tuy nhiên accu sẽ phĩng điện khi động cơ dừng và dần hết điện. Hệ thống cung cấp điện sử dụng sự quay của động cơ để phát sinh ra điện. Nĩ khơng những cung cấp điện năng cho những hệ thống và thiết bị điện khác mà cịn nạp điện cho accu trong lúc động cơ đang hoạt động.
Thành phần chính của hệ thống cung cấp điện là máy phát điện và accu. Máy phát điện thực hiện chức năng phát điện, chỉnh lưu thành dịng điện một chiều và điều chỉnh điện áp sinh ra, đảm bảo hiệu điện thế của dịng điện đi đến các thiết bị là hằng số ngay cả khi tốc độ máy phát điện thay đổi.
Từ phân tích trên máy phát đa điện áp về nguyên lý cấu tạo vẫn dựa trên máy phát điện hiện tại chỉ thay đổi ở bộ phận tiết chế. Tức là gồm 2 thành phần chính: máy phát điện và bộ điều chỉnh điện áp (bộ tiết chế).
Máy phát điện thể hiện ở hình 3.3 gồm cĩ bộ phận phát điện và bộ chỉnh lưu điện áp. Máy phát điện vẫn sử dụng theo kiểu máy phát điện xoay chiều 3 pha kích từ kiểu điện từ cĩ vịng tiếp điện và bộ chỉnh lưu điện áp 8 diode đang sử dụng phổ biến trên các dịng xe Toyota hiện nay. Nhiệm vụ của bộ phận phát điện là tạo ra dịng điện xoay chiều 3 pha và bộ chỉnh lưu điện áp để chỉnh lưu thành dịng điện 1 chiều DC.
77
Đề tài được thử nghiệm bằng cách sử dụng máy phát điện sẵn cĩ trên xe, thực hiện một số thay đổi bằng cách lấy bộ tiết chế ra và đưa ra các chân là các điểm nối dây bên ngồi. Máy phát điện bây giờ cĩ 4 chân chức năng như sau:
Chân B là chân điện áp đầu ra máy phát được kết nĩi với cực dương accu.
Chân E là mas máy phát sẽ được kết nối với cực âm accu.
Chân P là chân tín hiệu từ một cuộn dây pha để nhận biết máy phát hoạt động, được kết nối với mạch tiết chế qua chân tín hiệu P, phục vụ cho việc điều khiện tối ưu hoạt động của máy phát và bộ tiết chế.
Chân F là chân âm cuộn dây kích từ (cuộn rotor) kết nối với chân F bên mạch tiết chế. Cuộn dây hoạt động khi cĩ tín hiệu xung âm và ngưng hoạt động khi cĩ tín hiệu xung dương từ chân F trên bộ tiết chế do vi điều khiển tính tốn để đảm bảo giữ ổn định điện áp tại một giá trị nhất định.
Bộ điều chỉnh điện áp cĩ nhiệm vụ chính giữ cho điện áp máy phát được ổn định ở một giá trị điện áp nhất định được tính tốn trước cho dù tốc độ động cơ thay đổi khác nhau bằng cách thay đổi dịng điện chạy qua cuộn dây kích từ rotor để thay đổi từ trường.
Bộ điều chỉnh điện áp ở đây được tách riêng ra khỏi máy phát thành một module độc lập, được lắp đặt bên ngồi và kết nối với máy phát điện bằng những dây dẫn tín hiệu. Đặc điểm của bộ điều chỉnh điện áp này là được thiết kế bằng cách sử dụng chip vi điều khiển kết hợp với các mạch phần cứng thành một board mạch chính. Bộ tiết chế sẽ đo dịng điện và điện áp để xác định tình trạng của accu. Điện áp máy phát sẽ cĩ giá tri thay đổi khác nhau trong một giới hạn nhất định được vi điều khiển tính tốn xác định theo một chương trình được viết và cài đặt sẵn trong bộ nhớ ROM.
Bộ tiết chế ổn định điện áp máy phát bằng cách theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện và so sánh nĩ với một giá trị điện áp tham chiếu được tính tốn xác định trước đĩ. Nĩ sẽ tự động điều chỉnh phải đưa ra những mệnh lệnh để tăng giảm dịng điện kích từ sao cho sai số giữa điện áp đo được ở đầu ra máy phát và điện áp
78
tham chiếu là nhỏ nhất. Khi đĩ muốn thay đổi điện áp của máy phát điện ta chỉ cần thay đổi giá trị điện áp tham chiếu này.
Đối với nguyên lý của máy phát đa điện áp thì điện áp tham chiếu này sẽ thay đổi khác nhau được tính tốn xác định dựa vào tình trạng của accu, đặc tuyến phĩng nạp và chế độ sạc. Tình trạng của accu thể hiện qua 2 thơng số là trạng thái sạc SoC (State – of – Charge) và tình trạng chất lượng SoH (State – of – Health) được vi điều khiển tính tốn dựa vào điện áp và dịng điện phĩng nạp của accu đo được từ mạch tiết chế
Cũng giống như những hệ thống thơng minh khác bộ tiết chế cho máy phát đa điện áp ngồi chức năng chính thay đổi và ổn định điện áp máy phát. Nĩ cịn cĩ chức năng hoạt động dự phịng luơn luơn theo dõi giám sát tình trạng accu cảnh báo khi accu phĩng điện dưới ngưỡng nhất định khi dừng xe, động cơ tắt và đang sử dụng tải điện trên xe nhằm đảm bảo cho accu cịn đủ năng lượng cho lần khởi động tiếp theo tránh hiện tượng pan do accu phĩng kiệt.