Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát đa điện áp

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát đa điện áp

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT ĐA ĐIỆN ÁP Hồ Trường Thạnh - Học viên Cao học Ngành Khai thác và Bảo trì Ô tô - Máy kéo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Khóa 2009 - 2011. (Email: truongthanhau04@gmail.com) Tóm tắt/Abstract 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 một hệ thống cung cấp điện trên xe hiện đại. So với hệ thống sạc truyền thống thì điện áp máy phát không cố định mà thay đổi khác nhau phụ thuộc vào tình trạng accu, có thể 13V hay thấp hơn khi accu đầy, hay 14,8V đến 15,5V khi accu phóng điện nhiều cần nạp nhanh. Đảm bảo cho accu được nạp điện một cách tốt hơn nhằm tăng tuổi thọ, hạn chế hiện tưởng sôi nước accu khi đã no làm cạn dung dịch điện phân mà ở hệ thống sạc truyền thống trước đó còn tồn tại. Trong bài viết này xin trình bày phương pháp chuẩn đoán tình trạng accu và nguyên lý, chế độ hoạt động của máy phát đa điện áp. Bộ tiết chế thông minh: đây là thành phần 1. Giới thiệu chủ chốt của máy phát đa điện áp, nó ổn Khi hệ thống điện trên xe ngày càng trở nên định cũng như quyết định điện áp phát ra phức tạp hơn, một máy phát điện với bộ tiết của máy phát. Để thực hiện điều này bộ tiết chế thông thường là không đủ cung cấp chế phải đo điện áp U, dòng điện phóng nạp năng lượng cho nhu cầu sử dụng tải điện I của accu. Từ đó tính toán xác định trạng trên xe. Trên một chiếc ô tô hiện đại, phần thái sạc SoC (State-of-Charge) và tình trạng điện chiếm một phần đáng kể trong giá trị chất lượng accu SoH (State-of-Health). tổng thành của nó. Hệ thống điên và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hệ thống trên một chiếc xe. Đặc biệt gần đây là sự phát triển của xe hydrid, hệ thống start- stop.Vì lý do này, một bộ kiểm soát máy phát thông minh là giải pháp tốt nhất cho hệ thống cung cấp điện. Với hệ thống thông minh này điện áp máy phát 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 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện lượng accu. Dựa vào thông số này nó sẽ Căn cứ vào SoC bộ tiết chế điều kiển máy tính toán điện áp nạp accu thay đổi khác phát đưa ra những mức điện áp khác nhau nhau để tối ưu hiệu quả nạp. để tối ưu hiệu quả nạp accu. Bộ tiết chế luôn theo dõi tình trạng accu cũng như hoạt 2. Nguyên lý kết cấu máy phát đa điện áp động của máy phát để cảnh báo khi accu 2.1. Cấu tạo máy phát đa điện áp phóng điện dưới ngưỡng cho phép lúc động Một máy phát đa điện áp gồm 2 thành phần: cơ ngừng tải điện đang hoạt động hay khi máy phát quá tải do có quá nhiều thiết bị Máy phát điện: tạo ra dòng điện xoay chiều điện đang hoạt động. Bộ điều chỉnh điện áp 3 pha và qua bộ chỉnh lưu diode thành điện ở đây được tách riêng ra khỏi máy phát 1 chiều. Máy phát điện sử dụng theo kiểu thành một module độc lập, lắp đặt bên máy phát điện xoay chiều 3 pha kích từ ngoài và kết nối với máy phát điện bằng kiểu điện từ có vòng tiếp điện xem hình 2.1 những dây dẫn tín hiệu.
2. 2.2. Sơ đồ cấu trúc bộ tiết chế Chọn 푅푠 có thông số 60mV – 150A Bộ tiết chế được thiết kế dựa trên vi điều 60 푅 = = 0,4 Ω = 400μ khiển tạo thành một board mạch chính với 푠 150 các khối chức năng và tín hiệu vào ra được Từ đó ta tính được dòng điện I theo công thể hiện trong sơ đồ khối hình 2.2 thức: 표 푡 = = 25 표 푡 푅푠 × 푖푛 3.2 . Tính toán điện áp U Hiệu điện thế U là hiệu điện thế giữa 2 cực accu khi máy phát chưa hoạt động và là 푈 khi động cơ làm việc và máy phát hoạt động cung cấp điện. Hình 2.2: Sơ đồ khối bộ tiết chế 3. Tính toán các thông số 3.1. Tính toán dòng điện phóng nạp I Dòng điện I được thiết kế tính toán trực tiếp trên vi điều khiển thông qua điện trở Shunt và mạch khuếch đại thuật toán bằng op- amp. Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý đo điện áp U Chọn R1 = 4,7k , R2 = 1k khi đó điện thế U được tính theo công thức: 푈 = × 푅1 + 푅2 = 표 푡 × 푅1 + 푅2 푅2 = 5,7 표 푡 ( ) Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý đo dòng điện I Gọi I là dòng điện cần đo 3.3. Tính toán trạng thái sạc SoC 푖푛+ − 푖푛− SoC được định nghĩa khá trực quan và thể = hiện theo phần trăm. Một accu được nạp 푅푠 đầy có 100%SoC, một accu phóng kiệt có 푅푠 : điện trở Shunt 0%SoC. SoC thay đổi theo tình trạng nạp 푖푛+ − 푖푛− : chênh lệch điện áp giữa và phóng của accu. 2 đầu điện trở Shunt 푆표 % = × 100 Bằng mạch khuếch đại op-amp AMP04, 푛 ta có điện áp ngõ ra : là dung lượng còn lại sau quá trình nạp hay phóng điện của accu hay 표 푡 = 푖푛+ − 푖푛− × 푖푛 dung lượng thực tế còn lại trong Trong đó Gain gọi là hệ số khuếch đại accu. của op-amp 100 Ω 푛 : là dung lượng danh định của accu 푖푛 = được cung cấp và thử nghiệm bởi nhà 푅 푖푛 sản xuất. Chọn 푅 푖푛 = 1 Ω ta có hệ số khuếch SoC được xác định theo 2 phương pháp: đại : Gain = 100 Phương pháp đo điện áp hở mạch OCV
3. OCV là điện áp giữa 2 cực của accu khi đến cả giờ. Vì thế để xác định được giá trị không có tải tiêu thụ, accu ở trạng thái tĩnh SoC của accu một cách chính xác ta kết hợp không làm việc. Mối quan hệ giữa OCV và cả 2 phương pháp. SoC của accu nước axit chì được nhà sản 3.4. Tính toán tình trạng chất lượng SoH xuất đo đạt thí nghiệm cung cấp theo bảng số liệu 3.1 SoH là thông số quan trọng để đánh giá tình trạng chất lượng accu, thường không được Điện áp một Dung lượng Điện áp accu 12V đánh giá trực tiếp mà được xác định theo sự ngăn giảm dần dung lượng theo thời gian. 100% 12,70 2,12 푒 90% 12,50 2,08 푆표 % = × 100 푛 80% 12,42 2,07 Trong đó 푛 là dung lượng danh định accu 70% 12,32 2,05 đã biết, nhiệm vụ quan trọng là xác định 60% 12,20 2,03 푒 . 푒 được xác định bằng cách theo 50% 12,06 2,01 dõi SoC theo thời gian nạp đầy. Nếu mức 40% 11,90 1,98 dung lượng lớn nhất nạp no cho accu nhỏ hơn dung lượng danh định sau một vài chu 30% 11,75 1,96 kỳ nạp no thì 푒 đã giảm. Căn cứ đều này 20% 11,58 1,93 푒 được xác định theo SoC. Trạng thái 10% 11,31 1,89 accu no biết được bằng cách theo dõi sự 0% 10,50 1,75 giảm của dòng điện nạp, với điện áp cố định khi đó dòng nạp gần như gần bằng Bảng 3.1: Mối quan hệ giữa điện áp OCV không. Dựa vào đặc điểm này ta xác định và dung lượng accu được SoH Từ việc đo được điện áp U của accu tại thời 4. Thuật toán điều khiển điểm ban đầu và việc lưu bảng giá trị dung 4.1. Lưu đồ thuật toán lượng accu theo điện áp trên bộ nhớ ROM của vi điều khiển, sử dụng phương pháp tra Thuật toán điều khiển máy phát đa điện áp bảng và nội suy hàm trên từng đoạn ta xác cũng như các chế độ hoạt động được thể định được giá trị SoC của accu. hiện trong lưu đồ thuật toán hình 4.1 Phương pháp đếm Coulomb: là phương Ở trạng thái tĩnh khi động cơ chưa hoạt pháp tốt nhất để theo dõi nhanh những thay động: đổi trạng thái accu. Nó được tính toán dựa - Không có tiến hiệu IG từ công tắc máy vào sự tổ hợp dòng điện phóng và nạp của mạch tiết chế hoạt động thực hiện đo U, accu I tính toán các thông số SoC, SoH của ∞ 푄 푡0 + 푡=0 푖 (푡) accu hiển thị trên LCD. 푆표 푡 % = × 100 푛 - Khi công tắt máy ON có tín hiệu IG Trong đó: mạch tiết chế kiểm tra điện áp và tín hiệu chân P để hiển thị chức năng báo sạc k: là hằng số Peukert ( k = 1.4 đối với trên LCD thay thế cho đèn báo sạc ở hệ accu axit chì) thống sạc truyền thống. - Giám sát dòng điện phóng từ accu, đảm 푄 푡0 : là dung lượng accu lúc bắt đầu bảo cho accu đủ khả năng khởi động tức tính tổ hợp, được xác định bằng là SoC 60% đối với accu tốt. Cảnh báo phương pháp đo điện áp hở mạch cho tài xế biết accu đang phóng điện Nhược điểm duy nhất của phương pháp đo dưới ngưỡng nhất định trong trường hợp điện áp hơ mạch tất cả các tải điện phải tắt dừng xe mà các thiết bị điện trên xe vẫn và accu quy phải được nghỉ vài chục phút còn hoạt động để có phương pháp cắt
4. bớt tải hay khởi động động cơ, hạn chế được hiện tượng ắc quy phóng kiệt hết điện. - Cho dòng điện khoảng 25% 푡 chạy qua cuộn kích từ của máy phát lúc động cơ chưa hoạt động để tạo dòng kích từ cho máy phát. Khi động cơ hoạt động: có tín hiệu chân P máy phát - Khi SoC < 80% thì accu được nạp với dòng điện không đổi để đảm bảo thời gian nạp nhanh cũng như hiệu suất nạp. Tùy theo mức độ kiệt của accu mà dòng điện nạp thay đổi khác nhau theo 2 nấc. Nếu SoC < 60% thì 푛 = (0,2 − 0,3)푄10 tức là chế độ nạp cưỡng bức để đảm bảo cho accu được nạp nhanh. Khi SoC trong khoảng 60% - 80% thì 푛 = 0,1푄10 để tránh cho accu bị sôi làm giảm tuổi thọ accu. Điện áp trong giai đoạn này thay đổi khác nhau nhưng được khống chế13,0 ≤ 푈 ≤ 14,5 để bảo đảm an toàn cho các tải điện đang hoạt động trên xe không bị quá áp. - Khi 80% SoC 95% trở lên nếu ta cứ Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán điều khiển tiếp tục giữ ổn định dòng điện nạp thì accu bắt đầu sôi và làm cạn nước. Do đó 4.2. Nguyên lý ổn định điện áp đến giai đoạn này ta phải chuyển nạp Điện áp máy phát được giữ ổn định bằng accu sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp cách thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây giúp cho accu được nạp no thực sự. Hiệu kích từ của máy phát bằng kỹ thuật điều điện thế 푈 = 14,2 được giữ cố định. khiển xung thông qua bộ PWM trên vi điều Khi điện áp trên các bản cực của accu khiển. Giao tiếp giữa bộ tiết chế và máy bằng với điện áp nạp thì dòng điện sẽ phát qua chân F là tín hiệu dạng xung giảm dần về không đến một giá trị vuông với tần số không đổi. Muốn thay đổi ngưỡng nhất định tức accu đã được nạp dòng điện chạy qua cuộn dây kích từ ta chỉ no. việc thay đổi tỉ lệ ON/OFF của xung này. - Khi SoC 95% thì xem như accu đã Hệ thống hoạt động theo nguyên lý liên hệ no,điện áp nạp trong giai đoạn này được ngược (feedback control). Sơ đồ nguyên lý giảm xuống 푈푛 = 13,2 gần bằng với hệ thống được trình bày trên hình 4.2 điện áp trên các bản cực accu để giảm sư sinh khí làm cạn nước và tăng tuổi thọ accu. Đồng thời với điện áp này cũng đảm bảo cho các tải điện trên xe hoạt động tốt. Khi SoC = 100% tức là đã hoàn thành một chu kỳ sạc đầy thực hiện Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý ổn định điện tính SoH để xác định tình trạng chất áp lượng của accu lưu vào EEPROM và cập Gọi 푈 là thông số điều khiển xuất hiện ở nhật giá trị hiển thị lại đầu ra máy phát điện (điện thế 푈 hay dòng điện 푛 của máy phát điện) đo được từ
5. thực tế từ mạch điện bộ tiết chế. Thông số Máy phát điện sau khi được cải tiến tách ra đầu vào 푈푠푒푡 là giá trị định sẵn (điện thế 푈 bộ phận tiết chế, được đặt trên băng thử hay dòng điện 푛 của máy phát điện) được máy phát và kết nối với mạch tiết chế, accu, tính toán trước đó. Khi đó sẽ xuất hiện sự điện trở shunt bên ngoài theo sơ đồ hình 5.2 chênh lệch giữa tín hiệu thực và tín hiệu so để thử nghiệm e(t): e(t) = 푈푠푒푡 − 푈 Khi bộ tiết chế hoạt động vi điều khiển vi điều khiển sẽ kiểm tra tính toán đưa ra giá trị 푈 điều khiển cho bộ PWM để sao cho chênh lệch e(t) gần như bằng 0 trong một thời gian nhất định lúc đo điện áp máy phát 푈 gần như ổn định không đổi tại giá trị 푈푠푒푡 . Giá trị 푈 được tính toán theo phương trình: Hình 5.2: Sơ đồ thử nghiệm máy phát 푈 = 푈 −1 + 퐾 . 푒(푡) 5.3. Kết quả thử nghiệm Trong đó: Để đánh giá hiệu quả của bộ tiết chế tác giả tiến hành thử nghiệm các trường hợp: 푈 −1 là giá trị của 푈 ở vòng lập Trường hợp 1: kiểm tra chức năng ổn định trước đó điện áp máy phát bộ tiết chế. Thông số thử 퐾 là hệ số thể hiện khả năng đáp nghiệm và kết quả được thể hiện ở bảng 5.1 ứng của bộ tiết chế 5. Chế tạo bộ tiết chế và thử nghiệm máy phát đa điện áp 5.1. Chế tạo bộ tiết chế Từ cơ sở phân tích về nguyên lý cấu trúc hoạt động, phương pháp điều khiển ổn định điện áp và những số liệu tính toán trên. Bằng cách sử dụng vi điều khiển kết hợp với lặp trình nhúng bằng ngôn ngữ C mạch Bảng 5.1: Thông số thử nghiệm chế độ ổn tiết chế phục vụ cho việc thử nghiệm máy áp máy phát phát đa điện áp được chế tạo như hình 5.1 Kết quả thử nghiệm qua quan sát bằng mắt thường cho thấy bộ tiết chế được chế tạo hoạt động tự điều chỉnh điện áp tốt, tuy điện áp có dao động trong khoảng 1V nhưng vẫn ổn định nằm trong giới hạn cho phép tương đương như hoạt động bộ tiết chế truyền thống trên xe. Trường hợp 2: Kiểm tra phương pháp tính SoC.Thông số thử nghiệm và kết quả được thể hiện ở bảng 5.2 Hình 5.1: Mạch tiết chế thử nghiệm Kết quả cho thấy việc xác định SoC Cần 5.2. Sơ đồ thử nghiệm mô hình máy phát thực nghiệm nhiều lần hơn nữa với cùng một giá trị SoC và những accu khác nhau
6. để có phương pháp hiệu chỉnh công thức đưa ra những mức điện áp khác nhau nhằm xác định SoC một cách chính xác hơn. tối ưu hiệu quả sạc giảm thời gian sạc, tăng tuổi thọ accu, đặc biệt khắc phục được hiện tượng cạn dung dịch điện phân khi accu no do điện áp cao mà tồn tại ở hệ thống sạc truyền thống. Do trong điều kiện nghiên cứu có hạn nên chưa có điều kiện thử nghiệm trên xe thực tế, thời gian kiểm nghiệm chưa nhiều. Hệ thống này cần có thời gian kiểm nghiệm nhiều hơn để tối ưu hoá việc chuẩn đoán accu, cũng như đánh giá độ khả năng chịu Bảng 5.2: Thông số kiểm tra đánh giá nhiệt của bộ tiết chế khi lắp đặt lên xe. SoC Hướng phát triển sẽ ứng dụng công nghệ đa Đối với người nghiên cứu mục đích là đưa điện áp và chuẩn đoán accu vào hệ thống ra phương pháp xác định SoC để điều khiển cung cấp điện trên xe thực thế ở Việt Nam. hoạt động của máy phát nên với sai số tính toán này theo quan điểm của người nghiên Tài liệu tham khảo cứu vẫn chấp nhận được do thời gian 1. PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG, Hệ thống nghiên cứu ngắn và việc thí nghiệm có hạn. điện thân xe và điều khiển tự động Trường hợp 3: Kiểm tra các chế độ hoạt trên ôtô, NXB Đại học Sư Phạm Kỹ động thay đổi điện áp của máy phát. Thông Thuật TP.HCM, 2007. số thử nghiệm và kết quả được thể hiện ở 2. Ngô Diên Tập, Kỹ Thuật Vi Điều bảng 5.3 Khiển Với AVR, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội – 2003. 3. Toyota, Tài liệu kỹ thuật, Kỹ thuật viên chuẩn đoán – Hệ thống nạp, 2003. 4. Tom Denton, Automobile Electrical and Electronic Systems, Third Edition, Great Britain, 2004 5. Ryan J.Grube, Automotive Battery Bảng 5.3: Thông số thử nghiệm các chế State-of-Health Monitoring độ hoạt động máy phát Methods, Master Thesis, Wright State University, 2008. Từ kết quả thử nghiệm cho thấy bộ tiết chế hoạt động tốt điện áp phát ra ở máy phát 6. Dave Hobbs, ‘Smart’ Charging đúng như thiết kế ứng với những trạng thái systems, www.motormagazine.com, SoC khác nhau. April 2010. 6. Kết luận 7. Michael Hutterer, Antonio Leone, Efficient management of lead-acid Đây là lần đầu tiên ở Việt Nam ứng dụng batteries for Micro Hybrid Vehicles, công nghệ “Sạc thông minh” và vào hệ www.automotive-eetimes.com, thống cung cung điện trên ô tô với hoạt September 2011. động của máy phát đa điện áp. Với ứng dụng này tình trạng accu được kiểm soát và 8. Datasheet, ATmega32. giám sát bởi bộ tiết chế, dựa vào thông tin này bộ tiết chế kiểm soát điện áp máy phát
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.