Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát đa điện áp (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát đa điện áp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ TRƯỜNG THẠNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ – MÁY KÉO – 605246 S KC 0 0 4 0 3 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ TRƯỜNG THẠNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ – MÁY KÉO – 605246 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ TRƯỜNG THẠNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ – MÁY KÉO – 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2013
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: HỒ TRƯỜNG THẠNH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/031985 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: Xã Phong Mỹ, Giồng Trôm, Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Xã Phong Mỹ, Giồng Trôm, Bến Tre Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0932 422 699 Fax: E-mail: truongthanhauto04@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 03/2009 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ứng Dụng Labview Trong Giao Tiếp PC Và Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 06/03/2009, Khoa Cơ Khí Động Lực (Xưởng Đồng Sơn) Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng & KS. Nguyễn Trọng Thức 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 09/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Khai Thác Và Bảo Trì Ô Tô – Máy Kéo Tên luận văn: Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Máy Phát Đa Điện Áp Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 09/2013, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh, tương đương B1 Châu Âu i
5. 4. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Kỹ Sư Cơ Khí Động Lực; Số hiệu bằng: A.246031, Số vào sổ: 16.405, cấp ngày 20/05/2009 bởi Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Cố vấn dịch vụ 04/2011 đến 12/2012 Công Ty TNHH Ô Tô Lee Trưởng Phòng Phụ tùng IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: (chưa có) XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN Ngày tháng năm 2013 (Ký tên, đóng dấu) Người khai ký tên ii
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 (Ký và ghi rõ họ tên) iii
7. LỜI CẢM TẠ Để thực hiện hoàn thành đề tài này, người thực hiện đề tài, Hồ Trường Thạnh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: PGS.TS Đỗ Văn Dũng – Hướng dẫn khoa học đề tài. Ban giám hiệu, phòng Sau Đại học và Khoa Cơ khí động lực Trường Đại Học Sư Phạm kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian học tập tại trường. ThS. Nguyễn Trọng Thức – Giảng viên khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM – Tư vấn hỗ trợ phần điện tử. Quý thầy cô tham gia giảng dạy cao học. ThS. Vũ Đình Huấn – Giảng viên khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM – Hỗ trợ thực nghiệm mô hình. Tập thể lớp CKO – Khóa 2009 và tất cả bạn bè – Tư vấn đóng góp ý kiến về chuyên môn, động viên tinh thần. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 Học viên: Hồ Trường Thạnh iv
8. TÓM TẮT Khi hệ thống điện trên xe ngày càng trở nên phức tạp hơn, một máy phát điện với bộ tiết chế thông thường là không đủ cung cấp năng lượng cho nhu cầu sử dụng tải điện trên xe. Vì lý do này, các nhà sản xuất ô tô đã tích hợp một bộ điều khiển máy phát thông minh vào hệ thống cung cấp điện. Với hệ thống thông minh này điện áp máy phát được điều khiển bởi hộp điều khiển động cơ và có giá trị thay đổi khác nhau tương ứng với tình trạng accu và hoạt động của tải điện trên xe. Theo xu hướng phát triển đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát đa điện áp” cũng nhằm vào giải quyết vấn đề nguồn năng lượng trên xe. Đề tài khái quát một hệ thống cung cấp điện mới với máy phát điện được điều khiển bởi một bộ tiết chế thông minh bên ngoài. Bộ tiết chế sẽ đo dòng điện, điện áp để chuẩn đoán tình trạng dung lượng và chất lượng accu. Dựa vào thông số này nó sẽ tính toán điện áp nạp accu theo những giá trị thay đổi khác nhau để tối ưu hiệu quả nạp, tránh được hiện tượng cạn dung dịch axit do bay hơi khi accu no so với phương pháp nạp truyền thống hiện nay với điện áp không đổi. Đề tài nghiên cứu cũng đưa ra phương pháp chuẩn đoán đánh giá tình trạng accu. Theo dỗi accu trong lúc nạp và phóng điện, cũng như có bộ phận hiển thị và cảnh báo giúp tài xe chủ động hơn trong việc sử dụng năng lượng điện accu khi dừng xe tắt động cơ nhằm đảm bảo đủ năng lượng điện cho lần khởi động tiếp theo. Kết quả thử nghiệm cho thấy máy phát đa điện áp hoạt động tốt, điện áp thay đổi đúng như nguyên lý thiết kế ứng với trạng thái dung lượng accu khác nhau và điện áp vẫn ổn định như bộ tiết chế truyền thống khi tốc độ thay đổi. v
9. ABSTRACT While automotive electrical system become more and more complicated day after day, a generator with a traditional regulator can not supply enough energy to all the vehicle loads. Thus, Automotive manufacturers have been combined an intelligent generator controller on the charging system. With this system, Output voltage from the generator is controlled by the ECM with the value that variable follow the battery condition and vehicle electrical loads. The trend of this topic “Research and create a variable voltage generator” is focus on handling the problem of vehicle energy supplying. This topic make a general example of new charging system with a generator controlled by an outside intelligent regulator. This regulator will measure the current, voltage to inspect the durability of the battery. Using this potential, it will calculate the charging voltage for the battery with different optimized values that give the good charge efficiency and avoid the spraying of battery liquid make it exhausted when the battery is fully charged. This topic determine a method of inspecting the battery status. Follow the battery when it’s charging and discharging, this system has an indicator to show the status and warm the driver about using the battery energy. That helps the battery has enough energy for the next start. The result of tests show that variable voltage generator operate well, the voltage change follow the designed fundamental exactly and suitable with different battery capacity status and the output voltage stills stable as the traditional regulator when engine speed changes. vi
10. MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM TẠ iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Lý do chọn đề tài 2 1.3 Mục đích của đề tài 5 1.4 Đối tượng và giới hạn của đề tài 5 1.5 Phương pháp nghiên cứu 6 1.6 Nội dung nghiên cứu 6 Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 7 2.1 Khái quát hệ thống cung cấp điện trên ô tô 7 2.1.1 Nhiệm vụ 7 2.1.2 Yêu cầu 7 2.1.3 Những thông số cơ bản của hệ thống cung cấp điện 8 2.1.4 Sơ đồ tồng quát, sơ đồ cung cấp điện và phân bố tải 9 2.1.5 Chế độ làm việc giữa Accu – máy phát và sự phân bố tải 11 vii
11. 2.2 Accu 13 2.2.1 Nhiệm vụ và phân loại accu trên ô tô 13 2.2.2 Cấu tạo và quá trình điện hóa của accu axit – chì 14 2.2.3 Các thông số và đặc tính của accu axit – chì 18 2.2.4 Các phương pháp nạp điện cho accu 26 2.2.5 Bố trí và chọn accu 29 2.3 Máy phát điện 29 2.3.1 Phân loại 29 2.3.2 Đặc điểm cấu tạo 29 2.3.3 Hoạt động của bộ chinh lưu 38 2.3.4 Đặc tính của máy phát điện 44 2.4 Bộ điều chỉnh điện áp (bộ tiết chế) 47 2.4.1 Cơ sở lý thuyết điều chỉnh điện áp trên ôtô và phương pháp điều chỉnh 47 2.4.2 Lý thuyết điều chỉnh gián đoạn 51 2.4.3 Các bộ tiết chế tiêu biểu 56 Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP 74 3.1 Nghiên cứu đề xuất nguyên lí, kết cấu của máy phát đa điện áp 74 3.1.1 Nguyên lý cấu tạo máy phát đa điện áp 74 3.1.2 Sơ đồ cấu trúc bộ tiết chế cho máy phát đa điện áp 78 3.2 Tính toán các thông số 81 3.2.1 Tính toán xác định dòng điện I 81 3.2.2 Tính toán xác định hiệu điện thế U 82 3.2.3 Tính toán trạng thái sạc accu SoC 83 3.2.4 Tính toán tuổi thọ của accu SoH 84 3.3 Thiết kế chế tạo bộ tiết chế cho máy phát đa điện áp 85 3.3.1 Chọn vi điều khiển 85 3.3.2 Thiết kế mạch cấp nguồn 88 3.3.3 Mạch khuếch đại điện áp điện trở shunt 89 viii
12. 3.3.4 Mạch nhận tín hiệu chân P máy phát 89 3.3.5 Mạch điều khiển trung tâm 90 3.3.6 Mạch giao tiếp máy tính 91 3.3.7 Bộ tiết chế 91 3.4 Thuật toán điều khiển máy phát đa điện áp 92 3.4.1 Nguyên lý thay đổi điện áp, hoạt động mạch tiết chế 92 3.4.2 Lưu đồ thuật toán 94 3.4.3 Nguyên lý ổn định điện áp mạch tiết chế 96 3.5 Sơ đồ mạch điện cho hệ thống sạc accu 97 Chương 4: THỬ NGHIỆM MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP 99 4.1 Phương pháp thử nghiệm 99 4.2 Thực nghiệm mô hình và đánh giá kết quả 103 4.2.1 Kiểm tra hoạt động ổn áp của bộ tiết chế máy phát 103 4.2.2 Kiểm tra phương pháp tính SoC, SoH 104 4.2.3 Kiểm tra chế độ hoạt động thay đổi điện áp của máy phát 106 Chương 5: KẾT LUẬN 107 5.1 Kết quả đạt được của đề tài 107 5.2 Hạn chế của đề tài 107 5.3 Hướng phát triển của đề tài 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 ix
13. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADAC: Allgemeiner Deutscher Automobil-Club ADC: Analog-to-Digital Converter CAN: Controller Area Network CISC: Complex Instruction Set Computer DC: Direct Current ECU: Electronic Control Unit IBS: Intelligent Battery Sensor IG: Ignition Switch LCD: Liquid Crystal Display LIN: Local Interconnect Network PCM: Powertrain Control Module PWM: Pulse-Width Modulation SAE: Society of Automotive Engineers SoC: State - of - Charge SoF: State - of - Function SoH: State - of - Health OCV: Open - Circuit Voltage x
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Biểu đồ thống kê sự cố xe do hệ thống điện của ADAC 2002 3 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sạc mới 4 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện tổng quát 9 Hình 2.2: Sơ đồ phụ tải điện trên ôtô 10 Hình 2.3: Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp điện 11 Hình 2.4: Cấu tạo bình accu axit 14 Hình 2.5a: Cấu tạo khối bản cực 15 Hình 2.5b: Cấu tạo tấm bản cực 15 Hình 2.6: Cấu tạo chi tiết bản cực 16 Hình 2.7: Hoạt động phóng nạp của accu 18 Hình2.8 : Đặc tuyến phóng - nạp của accu axit 21 Hình 2.9: Sự phụ thuộc của dung lượng accu vào dòng phóng 23 Hình 2.10: Đặc tuyến phóng của accu axit ở những nhiệt độ khác nhau 24 Hình 2.11: Đặc tuyến Volt – Ampere của accu 24 Hình 2.12: Chế độ phóng nạp của accu trên xe 25 Hình 2.13: Nạp bằng hiệu điện thế không đổi 27 Hình 2.14: Sơ đồ nạp accu với dòng không đổi 27 Hình 2.15: Nạp 2 nấc 28 Hình 2.16: Cấu tạo máy phát điện xoay chiều kích thích kiểu điện từ 30 Hình 2.17: Các kiểu đấu dây 30 Hình 2.18: Stator của máy phát điện xoay chiều 31 xi
15. Hình 2.19: Rotor máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điểm 31 Hình 2.20: Hình dạng bên ngoài máy phát xoay chiều 32 Hình 2.21: Máy phát loại có bơm chân không 33 Hình 2.22: Sơ đồ máy phát xoay chiều không chổi than và sự thay đổi từ thông 34 Hình 2.23: Kết cấu máy phát kích thích một phía 36 Hình 2.24: Kết cấu máy phát kích thích hai phía 36 Hình 2.25: Cấu tạo máy phát xoay chiều không chổi than 37 Hình 2.26: Hình dạng của bên ngoài của bộ chỉnh lưu 38 Hình 2.27a: Bộ chỉnh lưu 6 diode 39 Hình 2.27b: Bộ chỉnh lưu 8 diode 39 Hình 2.27c: Bộ chỉnh lưu 14 diode 40 Hình 2.28: Sơ đồ chỉnh lưu máy phát 3 pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu 41 Hình 2.29a: Đặc tuyến không tải ứng với số vòng quay khác nhau 45 Hình 2.29b: Đặc tuyến ngoài ứng với số vòng quay khác nhau 45 Hình 2.30: Đặc tuyến tải theo số vòng quay 46 Hình 2.31: Đặc tuyến từ và hiệu điện thế máy phát phụ thuộc vào dòng kích 48 Hình 2.32: Đặc tính hiệu chỉnh điện thế của máy phát 50 Hình 2.33: Hình dạng bên ngoài và Sơ đồ nguyên lý tiết chế loại rung 56 Hình 2.34: Hoạt động của tiếp điểm trong tiết chế 58 Hình 2.35: Sơ đồ tiết chế với cuộn gia tốc 59 Hình 2.36: Sơ đồ tiết chế với cuộn cân bằng và điện trở cân bằng 61 Hình 2.37: Sơ đồ và đặc tuyến làm việc của tiết chế 2 nấc 64 Hình 2.38: Hình dạng bên ngoài của tiết chế loại bán dẫn 65 Hình 2.39: Sơ đồ tiết chế bán dẫn loại dùng transistor PNP 66 Hình 2.40: Sơ đồ tiết chế dùng transistor NPN 69 Hình 2.41a: Sơ đồ tiết chế vi mạch xe Nhật kiểu A 70 Hình 2.41b: Sơ đồ tiết chế vi mạch kiểu M 71 Hình 2.42: Sơ đồ tiết chế PP350 72 xii
16. Hình 2.43: Sơ đồ tiết chế vi mạch xe KAMAZ 72 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp điện xe BMW 75 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điện 75 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý máy phát 76 Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc mạch tiết chế 79 Hình 3.5: Sơ đồ chân tổng quát bộ tiết chế 80 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý đo dòng điện I 81 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý đo hiệu điện thế U 82 Hình 3.8: Sơ đồ khối ATmega32 87 Hình 3.9: Sơ đồ chân Atmega32 88 Hình 3.10: Sơ đồ mạch cấp nguồn 89 Hình 3.11: Mạch khuếch đại điện áp điện trở shunt 89 Hình 3.12: Mạch nhận tín hiệu chân P máy phát 90 Hình 3.13: Mạch điều khiển trung tâm 90 Hình 3.14: Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính 91 Hình 3.15: Sơ đồ mạch in bộ tiết chế 92 Hình 3.16: Bộ tiết chế máy phát đa điện áp sau khi chế tạo 92 Hình 3.17: Hai tín hiệu xung khác nhau với 80% PWM và 50% PWM 96 Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý ổn định điện áp bộ tiết chế 96 Hình 3.19: Sơ đồ mạch điện cho hệ thống sạc 97 Hình 4.1: Máy phát điện thử nghiệm 100 Hình 4.2: Sơ đồ thử nghiệm máy phát đa điện áp 100 Hình 4.3: Hoạt động bộ hiển thị LCD 101 Hình 4.4: Mô hình thử nghiệm máy phát điện 103 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý kiểm tra SoC, SoH 104 xiii
17. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Mối quan hệ giữa điện áp OCV và dung lượng accu 83 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật máy phát điện 99 Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật accu 102 Bảng 4.3: Thông số thử nghiệm chế độ ổn áp máy phát 103 Bảng 4.4: Thông số kiểm tra đánh giá SoC 105 Bảng 4.5: Thông số thử nghiệm chế độ hoạt động máy phát 106 xiv
18. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Với xu hướng phát triển rất mạnh hiện nay và trong tương lai của ngành công nghiệp ôtô. Chiếc xe ngày nay ngày một tiện nghi và hiện đại hơn. Đặc biệt, hệ thống điện và điện tử trên ô tô đã có sự phát triển vượt bậc, nhằm để đáp ứng các yêu cầu như: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường, tăng tính năng an toàn, tính tiên nghi thoải mái của ô tô. Chính vì vậy hệ thống điện trên ô tô ngày nay đóng vai trò rất quan trọng vì các trang thiết bị kèm theo ngày càng nhiều hơn và đều vận hành bằng điện. Những phát triển gần đây trên ô tô chủ yếu liên quan đến phần điện. Trên một chiếc ô tô hiện đại, phần điện chiếm một phần đáng kể trong giá trị tổng thành của nó. Hệ thống điên và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hệ thống trên một chiếc xe, từ hệ thống đơn giản có từ lâu đời như khởi động, đánh lửa đến những hệ thống mới được nghiên cứu ứng dụng như hệ thống bảo đảm an toàn cho người sử dụng túi khí, phanh điện, hỗ trợ lái xe, treo điện, thiết bị chỉ dẫn vệ tinh và các hệ thống tiện nghi như điều hòa, âm thanh, hệ thống giải trí đa phương tiện Sẽ dần trở thành những trang bị tiêu chuẩn cho bất kỳ một chiếc ôtô nào. Đặc biệt gần đây là sự phát triển của xe hydrid, hệ thống start-stop hay hệ thống kiểm soát máy phát thông minh yêu cầu biết được tình trạng accu. Sự gia tăng số lượng tải điện trên xe ngày nay là một thách thức đối với hệ thống cung cấp điện đặc biệt là accu. Một hệ thống sạc thông minh hay máy phát đa điện áp là yêu cầu cần thiết cho chiếc xe, tùy thuộc vào tình trạng của accu và tải điện đang hoạt động trên xe mà điện áp phát ra từ máy phát có thể thay đổi cao hay thấp khác nhau trong một giới hạn nhất định để đảm bảo cho accu được nạp điện một cách tốt hơn nhằm tăng tuổi thọ, hạn chế hiện tưởng sôi nước accu khi nạp no làm cạn dung dịch điện phân mà ở hệ thống sạc truyền thống trước đó còn tồn tại. 1
19. Ngoài ra hệ thống sạc thông minh cũng phải đảm bảo được chức năng cơ bản của nó là đảm bảo cung cấp một nguồn điện đầy đủ ổn định cho tải điện trên xe trong suốt thời gian hoạt động và cả khi động cơ đã dừng. Khả năng tự chuẩn đoán hư hỏng, kiểm soát tình trạng của accu, cung cấp thông tin cần thiết một cách nhanh chóng và chính xác cho các hệ thống khác như hệ thống start-stop trên xe hiện đại, hạn chế sự cố xe do accu hết điện, cũng như chức năng cảnh báo, hoạt động ở chế độ dự phòng khi có bất kỳ lỗi nào xảy ra ở hệ thống cung cấp điện. 1.2 Lý do chọn đề tài Khoa học kỹ thuật trên thế giới nói chung ngày nay phát triển rất nhanh. Nhiều đề tài nghiên cứu giữa các nhà khoa học, các kỹ sư ô tô và các công ty cung cấp linh kiện phụ tùng kết hợp với các nhà sản ô tô để tạo ra một hệ thống sạc thông minh nhằm tối ưu hiệu quả sạc accu tăng tuổi thọ, dự báo được tình trạng accu hạn chế hư hỏng do accu phóng hết điện hay hệ thống sạc gặp sự cố. Cũng như tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện trên xe giữa năng lượng cung cấp từ máy phát và accu với năng lượng tiệu thụ từ các trang thiết bị tải điện trên xe. Theo Dave Hobbs đăng trên tập chí motormagazine online tháng 4 năm 2010 về một hệ thống sạc thống minh “Smart charging system” của GM bao gồm một accu, một máy phát điện xoay chiều 3 pha được động cơ dẫn động và một vài module giám sát điều kiển điều chỉnh điện áp. Bộ điều chỉnh điện áp sử dụng thông tin từ cảm biến accu để xác định trạng thái accu tính toán điện áp hệ thống cần thiết cung cấp cho tối ưu hiệu quả sạc accu có thể 13V hay thấp hơn khi accu đầy, hay 14,8V đến 15,5V khi accu phóng điện nhiều cần nạp nhanh. Phụ thuộc vào model xe và năm sản xuất mà điện đầu ra máy phát thay đổi khác nhau theo những chế độ sạc. Và khi có bất kỳ sự cố lỗi nào xảy ra như hở mạch hay mất thông tin từ cảm biến accu thì mật định điện áp đầu ra máy phát là 13,8V đồng thời lỗi được set trong module điều khiển. Theo Andreas Heim của BMW đăng trên tạp chí SAE tháng 10 năm 2006 về hệ thống quản lý năng lượng trên xe với cảm biến accu thông minh “Intelligent battery 2
20. sensor” có trên những dòng xe BMW mới series 5 và 7. Trong một xe hiện đại 90% sự đổi mới là xoay quanh hệ thống điện, năm 2002 với hơn 70 bộ điều khiển khác nhau thực hiện trên 2000 chức năng. Ngoài ra để giảm ô nhiễm và tiêu hao nhiên liệu tốc độ cầm chừng động cơ đốt trong đã giảm xuống, kết quả giảm công suất đầu ra máy phát điện ở tốc độ cầm chừng làm cho accu phóng điện dẫn đến sự cố accu hết điện. Hình 1.1 (Nguồn: Theo Andreas Heim, The intelligent battery sensor, ADAC 2002) thể hiện thống kê của câu lạc bộ ô tô Đức ADAC năm 2002 về sự cố xe do hệ thống điện chủ yếu là do accu. Vì vậy quản lý năng lượng và trạng thái accu là quan trọng tại mọi thời điểm. Hình 1.1: Biểu đồ thống kê sự cố xe do hệ thống điện của ADAC 2002 Accu như là một nguồn năng lượng dự trữ trên xe và nó được giám sát bởi hệ thống quản lý năng lượng, hệ thống đảm bảo cân bằng giữa năng lượng được tạo ra ở máy phát điện, accu và tải điện yêu cầu, đảm bảo xe khởi động được trong mọi thời điểm. Thông qua IBS tình trạng accu được xác định một cách chính xác và liên tục sau đó ECU dựa vào thông tin này tính toán điện áp tối ưu điều khiển máy phát điện thông qua đòng kích từ, tăng tốc độ cầm chừng hay ngắt bớt các phụ tải điện đảm bảo accu được nạp no và không phóng hết điện. Gần đây hơn, tháng 4 năm 2011 Ford cũng nghiên cứu phát triển điều khiển máy phát điện trên xe với bộ sạc thông minh “Smart charger”. Theo Pete khi hệ thống điện trở nên phức tạp, một bộ tiết chế đơn giản là không đáp ứng đủ nhu cầu điện. Vì lý do đó một vài nhà sản xuất ô tô như Ford, Mazda, Peugeot phải tích hợp 3
21. một bồ điều khiển máy phát thông minh vào hệ thống sạc. Trong khi ở máy phát truyền thống, điện áp phát ra cố định và được tiết chế điều khiển. Nhiệm vụ này trong hệ thống sạc mới được giao cho module điều khiển động cơ. Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sạc mới Với hệ thống sạc thông minh này dòng điện sạc accu được tối ưu tính toán từ module điều khiển động cơ và thay đổi điện áp phát ra theo tình trạng điện áp của accu. Đúng với tên gọi thông minh hệ thống nhận biết được lúc động cơ khởi động và ngắt dòng kích từ không cho máy phát hoạt động để giảm momen xoắn kéo động cơ. Ở tốc độ cầm chừng thấp mà tải điện lớn PCM sẽ tăng tốc độ cầm chừng lên một ít để tăng công suất đầu ra ở máy phát điện hoặc ngắt bớt các tải điện như hệ thống sưởi, điều hòa đảm bảo cho bình được nạp mà không phải phóng điện. Cũng như ở các model xe khác hệ thống cũng có khả năng tự chuẩn đoán và hoạt động dư phòng. Khi phát hiện có lỗi xảy ra thì điện áp sạc 13,5V được cố định đảm bảo dòng điện cung cấp cho các hệ thống trên xe. Để tối ưu quá trình sạc, giám sát tình trạng accu, quản lý hệ thống cung cấp năng lượng thông qua ECU thì các nhà sản xuất ô tô nỗi tiếng ở châu âu như Mercedes, Audi, Posche và các hãng mới phát triển gần đây như Hyundai cũng đã nghiên cứu, áp dụng hệ thống sạc thông minh hay máy phát đa điện áp trên các mẫu xe cao cấp của họ. 4