Nghiên cứu và thiết kế mô hình bộ phân phối công suất trên ô tô điện

Đồ án thiết kế mô hình bộ phân phối công suất trên ô tô điện tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Lê Phạm Gia Nguyên
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu và thiết kế mô hình bộ phân phối công suất trên ô tô điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ phân phối công suất ô tô điện hiện đại

Bộ phân phối công suất ô tô điện giữ vị trí trung tâm trong hệ thống truyền động điện. Bộ phận này tiếp nhận nguồn điện cao áp trực tiếp từ cụm pin động lực. Mức điện áp phổ biến trên xe thương mại đạt ngưỡng 330V hoặc cao hơn. Dòng điện cao áp sau đó được dẫn truyền đến biến tần, máy nén khí và bộ đổi nguồn DC-DC. Thiết bị đảm nhận nhiệm vụ bảo vệ an toàn cho toàn bộ linh kiện phụ trợ. Mọi rủi ro chạm chập hay quá áp đều được cô lập kịp thời. Đề tài tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải mã kiến trúc này. Dự án tham chiếu trực tiếp sơ đồ vận hành của dòng xe VinFast VF e34. Sinh viên kỹ thuật đã xây dựng mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh. Mô hình tái lập chính xác chu trình cấp nguồn và ngắt mạch tự động. Cấu trúc phần cứng kết hợp linh hoạt giữa rơ-le công suất và bo mạch điều khiển số. Nền tảng này giúp sinh viên ngành ô tô làm chủ công nghệ điều khiển điện áp cao. Hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật khắt khe. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận trực quan cho công tác đào tạo thực hành.

1.1. Khái niệm và vai trò PDU trong ô tô điện

Bộ phân phối công suất PDU đóng vai trò cầu nối năng lượng trên xe điện. Thiết bị này quản lý điện năng từ cụm pin động lực đến các hệ thống phụ trợ. PDU chứa các cầu chì công nghiệp, rơ-le chuyển mạch và cảm biến dòng chuyên dụng. Khối PDU tách biệt mạch điện áp cao 330V với hệ thống điện 12V truyền thống. Sự phân lập này bảo vệ các bộ điều khiển điện tử nhạy cảm khỏi nguy cơ xung sét. Khi có lệnh khởi động, PDU kích hoạt tuần tự các nhánh tải theo thuật toán định sẵn. Dòng điện chạy qua các tiếp điểm được giám sát liên tục. Nhờ đó, phương tiện vận hành êm ái và loại trừ hoàn toàn nguy cơ cháy nổ do quá tải.

1.2. Xu hướng nghiên cứu hệ thống điện cao áp tại SPKT

Khoa Cơ khí Động lực tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chú trọng đào tạo thực nghiệm. Nghiên cứu công nghệ ô tô điện là hướng đi chiến lược của nhà trường. Việc tự chủ thiết kế các mô hình giảng dạy giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào thiết bị ngoại nhập đắt tiền. Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu PDU mang lại giá trị học thuật và ứng dụng cao. Sinh viên được trực tiếp khảo sát kiến trúc thực tế của xe VinFast e34. Quá trình mô phỏng trên phần mềm hỗ trợ kiểm chứng lý thuyết trước khi chế tạo. Việc tích hợp các vi điều khiển phổ biến như STM32 tạo bước đệm vững chắc cho kỹ sư tương lai. Mô hình phục vụ hiệu quả công tác giảng dạy chuyên ngành xe điện.

II. Phân tích thách thức bộ phân phối công suất ô tô điện

Hệ thống điện cao áp trên xe điện tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn. Điện áp một chiều 330V có khả năng phóng hồ quang mạnh khi đóng ngắt mạch. Hồ quang điện gây cháy tiếp điểm và phá hủy cấu trúc linh kiện bán dẫn. Quá trình ngắt tải đột ngột còn sinh ra hiện tượng tăng áp quá độ. Nếu không xử lý triệt để, xung điện áp này sẽ làm hỏng mạch vi xử lý. Thêm vào đó, việc thay thế bộ điều khiển xe VCU nguyên bản bằng mạch độc lập đặt ra bài toán khó. VCU thương mại dùng các giao thức bảo mật khép kín cùng thuật toán giám sát tinh vi. Các dòng tín hiệu điều khiển rơ-le cần độ chính xác tuyệt đối về thời gian. Sai lệch nhỏ trong thứ tự kích hoạt sẽ kích hoạt dòng điện ngược phá hủy cổng sạc. Mặt khác, tín hiệu tương tự ADC rất dễ bị nhiễu do xung điện từ trường của relay. Đề tài tại HCMUTE đã phân tích toàn diện các yếu tố bất lợi này. Nhóm tác giả xác định rõ ranh giới cách ly giữa nguồn cao áp và mạch logic 5V. Mọi đường dẫn mạch in đều phải tính toán độ rộng và khoảng cách phóng điện.

2.1. Nguy cơ phóng hồ quang và quá áp dòng DC 330V

Dòng điện một chiều 330V không có điểm giao cắt điện áp qua mức 0 tự nhiên. Hiện tượng này khiến hồ quang điện khó bị dập tắt khi tiếp điểm rơ-le mở ra. Hồ quang nhiệt độ cao dễ gây nóng chảy bề mặt tiếp xúc kim loại. Nhiệt lượng sinh ra làm tăng điện trở tiếp xúc và gây sụt áp nghiêm trọng. Hơn nữa, việc chuyển mạch đột ngột tạo ra các xung điện áp cảm ứng cực lớn. Xung cao áp này có thể đánh thủng lớp cách điện của các linh kiện bán dẫn lân cận. Diode bảo vệ phân cực ngược trở thành thành phần bắt buộc để triệt tiêu dòng phản kháng. Nếu thiết kế sơ sài, thiết bị phân phối công suất sẽ gặp sự cố quá nhiệt nguy hiểm.

2.2. Khó khăn khi mô phỏng thuật toán thay thế VCU

Hộp điều khiển xe VCU chịu trách nhiệm điều phối toàn bộ chu trình năng lượng xe điện. Thiết bị này quản lý logic liên động giữa chân phanh, bàn đạp ga và trạng thái sạc. Việc thay thế VCU bằng vi điều khiển vi mô đòi hỏi thuật toán điều khiển tinh gọn. Lập trình viên phải xử lý đồng thời nhiều kênh đo tín hiệu ADC thời gian thực. Nhiễu tín hiệu từ đường dây điện áp cao dễ làm sai lệch kết quả đo lường. Nếu vi điều khiển kích hoạt nhầm rơ-le sạc nhanh, xung áp sẽ phá hủy khối sạc thường. Mô phỏng trên Proteus đòi hỏi mô hình hóa chính xác các đặc tuyến tải phi tuyến. Việc tối ưu mã nguồn là điều kiện tiên quyết để đảm bảo tốc độ phản hồi.

III. Giải pháp thiết kế bộ phân phối công suất ô tô điện

Giải pháp đề xuất sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 làm khối xử lý trung tâm. Dòng chip ARM Cortex-M3 này sở hữu xung nhịp cao và giá thành hợp lý. STM32 đảm nhận việc thay thế hoàn toàn chức năng điều khiển cơ bản của VCU. Vi điều khiển xuất các mức logic điều khiển độc lập qua các cổng GPIO. Mạch đệm sử dụng transistor NPN kết hợp chân 5V để lái cuộn hút relay. Cực C transistor nối vào đầu âm cuộn dây relay, cực E nối trực tiếp xuống mass. Khi chân B nhận tín hiệu kích hoạt, dòng điện chạy qua cuộn dây và đóng tiếp điểm cao áp. Sơ đồ mạch được thiết kế và mô phỏng kiểm chứng chi tiết trên Proteus. Các diode chỉnh lưu và diode dập xung được mắc song song với cuộn cảm relay. Giải pháp này triệt tiêu hoàn toàn điện áp tự cảm bảo vệ transistor công suất. Chức năng bộ sạc On-Board Charger (OBC) cũng được mô phỏng hoàn chỉnh. Hệ thống tự động phân loại chế độ sạc xoay chiều AC và sạc nhanh DC. Mạch phần cứng sau đó được in, hàn linh kiện và lắp đặt lên khung mô hình thực nghiệm.

3.1. Ứng dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 điều khiển relay

Vi điều khiển STM32F103C8T6 giữ vị trí trung tâm trong việc chấp hành lệnh đóng cắt. Dòng vi xử lý này sở hữu bộ chuyển đổi ADC 12-bit đa kênh với tốc độ lấy mẫu cao. Chức năng ADC đọc điện áp hồi tiếp từ các nhánh tải để xác định trạng thái thực tế. Các chân xuất tín hiệu logic kích mở transistor điều khiển cuộn hút rơ-le cao áp. Cấu trúc mạch bảo vệ bằng diode ngăn chặn dòng điện xả ngược phá hỏng cổng điều khiển. Nhờ khả năng xử lý ngắt linh hoạt, STM32 có thể ngắt khẩn cấp rơ-le trong vài mili-giây khi xảy ra sự cố. Phương pháp này đảm bảo độ tin cậy tương đương hệ thống điều khiển công nghiệp.

3.2. Quy trình thiết kế mạch Proteus và thử nghiệm tải

Quy trình phát triển phần cứng khởi đầu bằng việc xây dựng sơ đồ nguyên lý trên phần mềm Proteus. Phần mềm cho phép kiểm tra chu trình đóng ngắt của từng nhánh rơ-le theo thời gian thực. Sau khi mô phỏng thành công, sơ đồ mạch in được xuất sang layout chế tạo bảng mạch PCB. Bo mạch hoàn chỉnh được gia công, phủ lớp chống ẩm và hàn gắn linh kiện cẩn thận. Giai đoạn thử nghiệm diễn ra theo hai bước tách biệt gồm thử nghiệm tải thấp và thử nghiệm điện áp 330V. Nguồn điện cao áp được cấp từng bước để đo đạc độ ổn định của tiếp điểm. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động chính xác theo đúng kịch bản lập trình ban đầu.

IV. Đánh giá ứng dụng bộ phân phối công suất ô tô điện

Mô hình bộ phân phối công suất hoàn thiện khẳng định tính khả thi của giải pháp kỹ thuật đề ra. Thiết bị chứng minh khả năng kiểm soát ổn định nguồn điện một chiều 330V qua các bài kiểm tra tải. Các rơ-le phản hồi dứt khoát, không xuất hiện hiện tượng dính tiếp điểm hay đánh lửa nguy hiểm. Vi điều khiển STM32 thực hiện chuẩn xác các chế độ sạc thường AC và sạc nhanh DC. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang lại giá trị thực tiễn to lớn. Mô hình trở thành giáo cụ trực quan đắc lực cho các bài thực hành chuyên ngành ô tô. Người học có cơ hội tiếp cận trực tiếp cấu trúc an toàn điện cao áp của dòng xe VinFast e34. Thiết kế mở cũng tạo tiền đề thuận lợi cho việc tích hợp chuẩn giao tiếp CAN Bus trong tương lai. Hướng phát triển tiếp theo là xây dựng vỏ bọc đạt tiêu chuẩn chống nước IP67 và bổ sung mạch giám sát cách điện chuyên sâu. Đây là bước tiến ý nghĩa trong việc nâng cao năng lực nghiên cứu công nghệ xe điện trong nước.

4.1. Hiệu quả vận hành và độ ổn định khi thử nghiệm tải

Các thông số kỹ thuật thu thập qua thử nghiệm thực tế chứng minh mô hình đạt độ tin cậy vượt trội. Khi kết nối nguồn điện một chiều 330V, điện áp phân phối đến các cổng đầu ra luôn nằm trong ngưỡng dung sai cho phép. Các tiếp điểm rơ-le duy trì khả năng dẫn dòng tốt mà không xuất hiện dấu hiệu quá nhiệt hay chập chờn. Thời gian chuyển trạng thái đóng ngắt diễn ra nhanh chóng và chính xác theo tín hiệu kích hoạt từ bo mạch STM32. Diode dập xung phát huy tối đa hiệu quả bảo vệ khi triệt tiêu hoàn toàn các gai điện áp ngược. Hệ thống hoạt động liên tục trong nhiều giờ mà không phát sinh hiện tượng sụt nguồn điều khiển.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong giảng dạy ô tô điện tại SPKT

Mô hình mở ra giải pháp trực quan hóa chương trình đào tạo ô tô điện tại HCMUTE. Sinh viên chuyên ngành có cơ hội đo kiểm sóng điện áp và phân tích quy trình sạc pin an toàn. Mô hình xóa bỏ khoảng cách giữa lý thuyết sách vở và cấu trúc phần cứng của dòng xe VinFast thực tế. Thiết kế mạch dạng module tách rời tạo điều kiện mở rộng các bài tập thực hành chẩn đoán lỗi tiếp điểm. Giảng viên có thể giả lập các tình huống mất nguồn hoặc chạm chập để sinh viên rèn luyện tư duy xử lý. Đây là nền tảng thực hành chất lượng cao, giúp nhà trường đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật sẵn sàng đáp ứng ngành công nghiệp ô tô điện hiện đại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng ô nhiễm môi trường cùng tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống như xăng và dầu diesel đã thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô toàn cầu chuyển dịch mạnh mẽ sang các phương tiện sử dụng năng lượng sạch. Trong bối cảnh đó, ô tô điện (Electric Vehicle - EV) nổi lên như một giải pháp giao thông bền vững, giúp tiết kiệm năng lượng và triệt tiêu khí thải trực tiếp ra môi trường. Trên xe ô tô điện, hệ thống điện đóng vai trò huyết mạch khi chịu trách nhiệm cung cấp và phân phối điện năng từ bộ lưu trữ năng lượng đến động cơ truyền động, hệ thống lái và các phụ tải trên xe. Hiệu suất vận hành, độ an toàn và độ tin cậy của toàn bộ phương tiện phụ thuộc trực tiếp vào khả năng điều phối của hệ thống phân phối điện.

Việc thiết kế bộ phân phối công suất (Power Distribution Module - PDM) đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp liên quan đến điện tử công suất, quản lý năng lượng và an toàn điện áp cao. Thiết bị phải đảm bảo phân phối chính xác nguồn điện một chiều điện áp cao đến các hệ thống tiêu thụ, đồng thời phải có khả năng ngắt mạch tự động nhằm ngăn ngừa sự cố cháy nổ khi xảy ra hiện tượng quá tải hoặc ngắn mạch. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn và tiềm năng phát triển của thị trường xe điện, đề tài "Nghiên cứu và thiết kế mô hình bộ phân phối công suất trên ô tô điện" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình phần cứng thực nghiệm có khả năng kiểm soát và phân phối nguồn điện một chiều cao áp an toàn.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

• Nghiên cứu và thiết kế bộ phân phối công suất ứng dụng cho xe điện.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định bao gồm 4 nhiệm vụ cụ thể:

1. Tìm hiểu lý thuyết về bộ phân phối công suất trên xe điện.
2. Tìm hiểu lý thuyết và cách thức hoạt động của các linh kiện điện tử cùng các phần mềm mô phỏng chuyên ngành.
3. Tìm kiếm giải pháp kỹ thuật và tiến hành thiết kế bộ phân phối công suất.
4. Chế tạo mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

• Lý thuyết linh kiện điện tử cơ bản và linh kiện bán dẫn.
• Bộ phân phối công suất trang bị trên hai mẫu ô tô điện thương mại: Tesla Model S và VinFast VF e34.
• Vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6.
• Bộ công cụ phần mềm phục vụ thiết kế và lập trình: STM32CubeMX, Keil uVision và Proteus.

Phạm vi nghiên cứu:

• Đề tài tập trung khảo sát cấu tạo, nguyên lý vận hành cơ bản của bộ phân phối công suất và ứng dụng các linh kiện điện tử để thiết kế, chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm. Đề tài giới hạn không nghiên cứu sâu vào các thuật toán điều khiển phức tạp hay các lý thuyết điện - điện tử chuyên sâu ngoài phạm vi mô hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án tiếp cận hệ thống phân phối điện trên ô tô điện thông qua việc phân loại và đối sánh ba công nghệ phân phối chính đang được áp dụng trong ngành công nghiệp ô tô:

Hệ thống phân phối	Nguyên lý vận hành	Ưu điểm	Nhược điểm	Mẫu xe áp dụng tiêu biểu
Phân phối trực tiếp (Direct Distribution System - DDS)	Nguồn điện phân phối thẳng từ ắc quy/bộ biến áp tới thiết bị tiêu thụ, không qua thiết bị trung gian.	Giảm thiểu tổn thất năng lượng do không có khâu trung gian chuyển tiếp.	Khả năng kiểm soát dòng điện thấp; không có cơ chế bảo vệ quá tải hoặc ngắn mạch.	Tesla Model S Plaid
Phân phối qua PDM (Power Distribution Module)	Nguồn điện đi qua bộ phân phối trung tâm tích hợp hệ thống cầu chì, relay và contactor bảo vệ.	Kiểm soát dòng điện hiệu quả; bảo vệ hệ thống trước sự cố quá tải và ngắn mạch.	Gia tăng trọng lượng và chi phí sản xuất do cần nhiều thiết bị đóng cắt cơ điện.	Audi e-tron
Mạch điều khiển thông minh (Smart Power Distribution System - SPDS)	Phân phối điện tự động thông qua vi điều khiển và mạng truyền thông (CAN bus, LIN bus).	Tích hợp sâu với các hộp điều khiển trên xe; tối ưu hóa phân phối điện năng linh hoạt.	Chi phí phần cứng và độ phức tạp phần mềm cao.	Tesla Model S, Audi e-tron, Porsche Taycan, Nissan Ariya, BMW iX, Lucid Air, Rivian R1T/R1S, Ford Mustang Mach-E

Khảo sát thực tế cấu tạo bộ phân phối công suất trên xe thương mại:

• Tesla Model S: Bộ phân phối công suất được bố trí dưới nắp capo, nằm phía dưới cụm ắc quy cao áp. Cấu trúc PDM gồm 1 cổng đầu vào nhận nguồn từ pin cao áp và 5 cổng đầu ra chuyên biệt: cổng màu cam (kết nối máy biến tần - motor inverter), cổng màu xanh (máy nén khí điều hòa - electric air-conditioning compressor), cổng màu đen (bộ chuyển đổi DC-DC), cổng màu xám (máy sưởi điện ắc quy - battery coolant heater) và cổng màu trắng (máy sưởi cabin - cabin air heater). Cơ cấu bảo vệ gồm contactor tổng đóng cắt dòng 400V, cùng 4 cầu chì: hai cầu chì 40A bảo vệ máy nén khí và sưởi cabin; hai cầu chì 30A bảo vệ bộ biến đổi DC-DC và máy sưởi điện.
• VinFast VF e34: Khi xe vận hành bình thường, điện áp pin cao áp 400V cấp trực tiếp cho motor, máy nén khí và bộ chuyển đổi DC-DC (hạ áp từ 400V xuống 12V nuôi tải phụ trợ như đèn chiếu sáng, gạt nước, âm thanh; dây mass của DC-DC tách biệt với motor và máy nén). Khi sạc nhanh DC, điện áp một chiều cấp tới hai relay; bộ sạc tích hợp (OBC) gửi tín hiệu về bộ điều khiển xe (VCU) để điều khiển đóng hai relay cho dòng điện sạc thẳng vào pin. Khi sạc chậm AC, dòng điện từ chân pha (L) và chân trung tính (N) qua bộ OBC để chỉnh lưu thành dòng một chiều, sau đó kích đóng relay sạc thường để nạp cho pin.

Cơ sở lý thuyết linh kiện phần cứng:

• Diode: Cấu tạo từ tiếp giáp P-N; phân loại gồm Diode chỉnh lưu (chuyển đổi AC sang DC), Diode Zener (ổn áp ở chế độ phân cực ngược), LED (phát quang) và Diode Schottky (sụt áp thấp, tốc độ chuyển mạch cao).
• Điện trở ($I = U/R$), Cuộn cảm ($\varepsilon = -d\Phi_B/dt$), Tụ điện ($C = Q/U$, gồm tụ phân cực và không phân cực), Cầu chì bảo vệ ngắt mạch khi quá dòng.
• Relay: Cấu tạo gồm cuộn dây (coil), bộ chuyển đổi cơ điện, hệ thống tiếp điểm (thường mở NO, thường đóng NC) và vỏ bảo vệ. Phân loại gồm relay điện từ (EMR), relay bán dẫn (SSR), relay trung gian, relay thời gian, relay bảo vệ và relay nhiệt.
• Transistor lưỡng cực (BJT): Cấu tạo 3 lớp bán dẫn với các cực Emitter (E), Base (B), Collector (C), phân loại thành NPN và PNP; hoạt động ở hai trạng thái cắt dòng hoặc dẫn bão hòa để làm khóa chuyển mạch điện tử.
• Vi điều khiển STM32F103C8T6: Nhân 32-bit ARM Cortex-M3, tần số xung nhịp tối đa 72 MHz, bộ nhớ Flash 64 KB hoặc 128 KB, RAM 20 KB, 37 chân GPIO, tích hợp bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) và các giao thức truyền thông SPI, I2C, USART, CAN, USB.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất xe điện và giáo trình chuyên ngành để xây dựng sơ đồ khối chức năng.
• Phương pháp mô phỏng mạch điện: Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển relay và mạch phân phối nguồn.
• Phương pháp lập trình nhúng: Sử dụng STM32CubeMX để khởi tạo cấu hình chân vi điều khiển và phần mềm Keil uVision để biên dịch mã nguồn điều khiển.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình mạch hàn dây thực tế; dùng nguồn biến áp chỉnh lưu tạo điện áp 330V DC và bộ chuyển đổi 12V DC để kiểm thử hoạt động đóng cắt với các phụ tải.

Thiết kế và triển khai

Thiết kế kiến trúc hệ thống mô hình: Hệ thống được thiết kế nhằm mô phỏng lại chức năng của bộ phân phối công suất PDM trên ô tô điện, trong đó vi điều khiển STM32F103C8T6 đóng vai trò xử lý trung tâm thay thế chức năng điều khiển của hộp điều khiển xe (VCU). Vi điều khiển nhận diện các trạng thái vận hành và kích đóng/ngắt các relay tương ứng với từng đường tải tiêu thụ hoặc đường sạc.

Thiết kế mạch điều khiển relay: Do các cổng GPIO của STM32F103C8T6 không đủ dòng để kích trực tiếp cuộn hút của các relay, tác giả thiết kế mạch đệm sử dụng transistor BJT loại NPN làm khóa chuyển mạch:

• Chân Base (B) của transistor nối với chân xuất tín hiệu điều khiển của vi điều khiển thông qua điện trở hạn dòng.
• Chân Collector (C) nối với một đầu cuộn dây relay; đầu còn lại của cuộn dây nối vào nguồn 5V xuất từ chân cấp nguồn của vi điều khiển.
• Chân Emitter (E) nối trực tiếp về mass (GND).
• Cơ chế vận hành: Khi vi điều khiển không xuất tín hiệu tại chân B, transistor ở trạng thái khóa, không có dòng qua cuộn hút relay. Khi chân B nhận tín hiệu mức cao, transistor dẫn bão hòa, dòng điện chạy từ chân C qua chân E về GND, kích hoạt cuộn hút đóng tiếp điểm của relay để cấp nguồn cao áp cho tải.

Thiết kế khối đo tín hiệu điện áp: Mô hình ứng dụng khối chuyển đổi tương tự - số (ADC) tích hợp trên STM32F103C8T6 để giám sát mức điện áp hoạt động. Tín hiệu điện áp được đưa qua mạch cầu phân áp điện trở nhằm hạ mức điện áp đo về thang đo phù hợp với dải điện áp đầu vào của ADC, ghi nhận điện áp rơi trên điện trở $R_2$.

Triển khai chế tạo phần cứng và kiểm thử:

• Nguồn cấp thử nghiệm: Sử dụng bộ biến áp chuyển đổi từ nguồn điện lưới xoay chiều 220V AC sang nguồn một chiều cao áp 330V DC để mô phỏng cụm pin cao áp của ô tô điện. Bên cạnh đó, tác giả sử dụng một bộ chuyển đổi nguồn từ 220V AC sang 12V DC đóng vai trò ắc quy phụ trợ 12V nuôi mạch vi điều khiển và tải phụ.
• Gia công phần cứng: Mô hình được triển khai dưới dạng mạch hàn dây (hard-wired board), bố trí các khối relay điều khiển độc lập cho các ngõ ra: ngõ cấp nguồn động cơ (motor), ngõ cấp máy nén điều hòa, ngõ sạc nhanh DC và ngõ sạc AC.
• Kiểm thử thực tế: Tiến hành kiểm tra mạch ở trạng thái không tải trước khi nạp chương trình điều khiển, sau đó tiến hành cấp nguồn cao áp 330V DC và kiểm thử tải với 2 bóng đèn 12V cùng bộ chuyển đổi AC-DC (mô phỏng bộ DC-DC trên xe).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày tổng quan về tính cấp thiết của việc phát triển ô tô điện nhằm giải quyết ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch. Tác giả nhấn mạnh tầm quan trọng của hệ thống điện và bộ phân phối công suất PDM trong việc tối ưu hóa hiệu suất, đảm bảo an toàn vận hành và quản lý năng lượng trên xe điện. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu là thiết kế bộ phân phối công suất; đề ra 4 nhiệm vụ nghiên cứu tuần tự; xác định đối tượng là linh kiện điện tử, PDM của Tesla Model S, VinFast VF e34 cùng vi điều khiển STM32F103C8T6; đồng thời giới hạn phạm vi nghiên cứu ở mức độ mô hình thực nghiệm và nguyên lý cơ bản.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện của đề tài. Tác giả phân tích và so sánh ba hệ thống phân phối điện trên ô tô điện gồm DDS, PDM và SPDS. Tiếp theo, chương đi sâu mổ xẻ cấu tạo PDM trên xe Tesla Model S (1 ngõ vào, 5 ngõ ra, 4 cầu chì bảo vệ, contactor tổng 400V) và nguyên lý làm việc của PDM trên xe VinFast VF e34 ở cả 3 chế độ: xe chạy bình thường (hạ áp 400V xuống 12V qua DC-DC), chế độ sạc nhanh DC (VCU điều khiển 2 relay qua tín hiệu OBC) và chế độ sạc AC (OBC chỉnh lưu dòng xoay chiều thành một chiều để nạp pin). Phần còn lại của chương hệ thống hóa cấu tạo, nguyên lý, công thức tính toán và phân loại của các linh kiện điện tử: diode, điện trở, cuộn cảm, tụ điện, cầu chì, relay và transistor BJT; cuối cùng là thông số kỹ thuật chi tiết của vi điều khiển STM32F103C8T6.

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 tập trung vào quá trình thiết kế chi tiết mô hình bộ phân phối công suất. Tác giả trình bày các luận cứ kỹ thuật để lựa chọn vi điều khiển STM32F103C8T6 dựa trên 6 yếu tố: hiệu suất xử lý (xung nhịp 72 MHz), khả năng tích hợp ngoại vi đa dạng, tính năng tiết kiệm năng lượng, độ tin cậy và bảo mật, chi phí hợp lý và tính sẵn có trên thị trường. Tiếp đó, tác giả đưa ra giải pháp kỹ thuật sử dụng vi điều khiển thay thế chức năng của VCU để điều khiển các relay thông qua tầng đệm transistor NPN. Chương này cũng trình bày thiết kế mạch đọc tín hiệu ADC của STM32, sơ đồ mạch nguyên lý thiết kế trên phần mềm Proteus, sơ đồ chân điều khiển cho từng cụm (motor, máy nén, sạc DC, sạc AC) và quy trình lắp ráp mô hình mạch hàn dây kết hợp các khối nguồn 330V DC và 12V DC.

Chương 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH

Chương 4 ghi lại toàn bộ quá trình thử nghiệm thực nghiệm và đánh giá hoạt động của mô hình phần cứng đã chế tạo. Quy trình thực nghiệm bao gồm: thử nghiệm không tải để kiểm tra tính thông suốt của đường mạch; cấu hình chân vi điều khiển qua STM32CubeMX và nạp code điều khiển bằng Keil uVision; tiến hành cấp nguồn thử nghiệm với nguồn 12V thay thế ắc quy cao áp; sau đó nâng lên thử nghiệm với nguồn 330V DC. Mạch được kiểm thử ở các chế độ: cấp nguồn cho 2 bóng đèn tải 12V, kích hoạt chế độ sạc nhanh DC, chế độ sạc AC và cấp nguồn cho bộ chuyển đổi AC-DC tượng trưng cho bộ chuyển đổi DC-DC. Đồng thời, tác giả thực hiện đo đạc và lập bảng ghi nhận giá trị điện áp giữa hai đầu điện trở phân áp $R_2$ kết nối với bộ đọc ADC của vi điều khiển.

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được sau quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình bộ phân phối công suất; xác nhận mô hình đã vận hành đúng theo nguyên lý đóng cắt được đặt ra ban đầu. Đồng thời, chương này chỉ ra các điểm còn hạn chế của mô hình thực nghiệm và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao mức độ hoàn thiện của hệ thống phân phối điện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính đạt được:

• Thiết kế và chế tạo thành công mô hình phần cứng bộ phân phối công suất PDM sử dụng nguồn điện cao áp một chiều 330V DC và nguồn điện áp thấp 12V DC.
• Ứng dụng thành công vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 để giả lập chức năng điều khiển của hộp VCU, thực hiện xuất tín hiệu kích mở transistor NPN để đóng ngắt các relay công suất một cách chính xác theo từng chế độ vận hành.
• Phân phối thành công nguồn điện một chiều cao áp 330V DC đến các đầu ra giả lập theo đúng thiết kế, bao gồm: đường cấp cho motor truyền động, đường cấp cho máy nén khí, đường cấp cho bộ chuyển đổi DC-DC, đường sạc nhanh DC và đường sạc AC.
• Kiểm tra thực nghiệm độ ổn định của mạch dưới các điều kiện tải khác nhau: thử nghiệm không tải, thử nghiệm cấp nguồn cho 2 bóng đèn tải 12V, và cấp nguồn cho bộ chuyển đổi AC-DC mô phỏng bộ DC-DC.
• Ghi nhận và kiểm chứng giá trị điện áp rơi trên điện trở phân áp $R_2$ thông qua tính năng đọc tín hiệu ADC của vi điều khiển STM32F103C8T6.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

• Sử dụng tầng đệm transistor NPN kết hợp chân cấp nguồn 5V của STM32 để cấp dòng điều khiển cuộn dây relay, giải quyết triệt để vấn đề giới hạn dòng xuất từ chân GPIO của vi điều khiển.
• Phân tách mass độc lập giữa các khối điện áp khác nhau để tránh xung điện và đảm bảo an toàn tín hiệu.

Đóng góp của đồ án:

• Tổng hợp và phân tích chi tiết sơ đồ mạch điện, cơ chế vận hành của bộ phân phối công suất trên hai mẫu xe điện thực tế là Tesla Model S và VinFast VF e34.
• Hiện thực hóa một mô hình phần cứng trực quan, có khả năng đóng cắt dòng điện áp cao 330V DC thực tế, tạo cơ sở thực nghiệm cho các nghiên cứu về hệ thống điện ô tô điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Mô hình phần cứng dừng lại ở dạng mạch hàn dây thủ công, chưa được thiết kế và chế tạo dưới dạng bo mạch in chuyên dụng (PCB), dẫn đến tính thẩm mỹ và độ bền cơ học chưa cao.
• Hệ thống chưa tích hợp các chuẩn truyền thông mạng trên ô tô như CAN bus hoặc LIN bus, do đó chưa đạt tới mức độ của một hệ thống phân phối điện thông minh (SPDS).
• Thử nghiệm cao áp mới chỉ sử dụng bộ biến áp chỉnh lưu từ điện lưới 220V AC sang 330V DC để cấp nguồn, chưa được thử nghiệm trực tiếp với khối pin cao áp thực tế của xe ô tô điện.
• Phạm vi đề tài tập trung vào phần cứng đóng cắt cơ bản, chưa xây dựng các thuật toán điều khiển chuyên sâu hay các giải thuật tự động chẩn đoán và xử lý lỗi ngắt mạch phức tạp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Thiết kế và gia công bo mạch in hoàn chỉnh (PCB) chuẩn công nghiệp nhằm nâng cao tính ổn định, giảm thiểu kích thước và tăng khả năng chống nhiễu điện từ.
• Tích hợp mạng giao tiếp CAN bus để kết nối bộ phân phối công suất với các bộ điều khiển khác trên ô tô điện, nâng cấp mô hình thành hệ thống SPDS.
• Bổ sung các cảm biến dòng điện và nhiệt độ để hoàn thiện các chức năng giám sát thông minh, bảo vệ quá dòng, ngắn mạch và cảnh báo nhiệt độ tự động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng sau:

• Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp khi thực hiện đồ án tốt nghiệp, khóa luận hoặc các đề tài nghiên cứu liên quan đến hệ thống điện - điện tử trên ô tô điện.
• Kỹ sư và người nghiên cứu hệ thống điện xe điện: Cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích về cấu trúc phân phối nguồn điện áp cao, nguyên lý phối hợp giữa bộ sạc OBC, VCU và pin cao áp.

Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:

• Sơ đồ mạch điện và phân tích dòng điện chi tiết của bộ phân phối công suất trên xe VinFast VF e34 ở chế độ xe chạy, chế độ sạc nhanh DC và chế độ sạc chậm AC (Chương 2).
• Phương pháp thiết kế mạch lái relay công suất cao áp sử dụng transistor BJT điều khiển bởi vi điều khiển STM32F103C8T6 và sơ đồ mạch nguyên lý trên Proteus (Chương 3).
• Dữ liệu thực nghiệm đo kiểm điện áp phân áp qua ADC và quy trình đóng cắt tải 330V DC thực tế (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ phân phối công suất trên xe Tesla Model S có bao nhiêu cổng ra và được bảo vệ bởi những cầu chì nào? Bộ phân phối công suất trên Tesla Model S gồm 1 cổng nhận nguồn từ ắc quy cao áp và 5 cổng ra: cổng màu cam (motor inverter), cổng màu xanh (máy nén khí điều hòa), cổng màu đen (bộ chuyển đổi DC-DC), cổng màu xám (máy sưởi điện ắc quy) và cổng màu trắng (máy sưởi cabin). Hệ thống được bảo vệ bởi 4 cầu chì gồm hai cầu chì 40A (bảo vệ máy nén khí và máy sưởi cabin) và hai cầu chì 30A (bảo vệ bộ chuyển đổi DC-DC và máy sưởi điện), cùng một contactor tổng đóng ngắt dòng điện 400V từ ắc quy.

2. Nguyên lý đóng relay trong chế độ sạc nhanh DC trên xe VinFast VF e34 diễn ra như thế nào? Khi chưa cắm sạc, 2 relay sạc nhanh luôn ở trạng thái mở. Khi cắm sạc DC, điện áp một chiều truyền theo hai đường về cực dương và cực âm của pin nhưng bị chặn lại ở phía trước 2 relay. Dòng điện đi qua bộ OBC (on board charging); OBC sẽ gửi tín hiệu về cho VCU để VCU kích hoạt đóng 2 relay này, từ đó cho phép dòng điện chạy qua nạp trực tiếp vào pin cao áp.

3. Tại sao tác giả lựa chọn vi điều khiển STM32F103C8T6 làm khối xử lý trung tâm cho mô hình? Tác giả lựa chọn STM32F103C8T6 dựa trên 6 yếu tố: hiệu suất xử lý cao (xung nhịp 72 MHz) với bộ nhớ RAM (20 KB) và Flash (64 KB/128 KB) đáp ứng tốt tác vụ; tích hợp đa chức năng ngoại vi (GPIO, ADC, SPI, I2C, USART, CAN); có các chế độ tiêu thụ năng lượng thấp và ngủ sâu giúp tiết kiệm điện; độ tin cậy và bảo mật cao từ STMicroelectronics; chi phí linh kiện thấp và nguồn linh kiện phổ biến, sẵn có trên thị trường.

4. Mô hình thực nghiệm sử dụng mức điện áp cao áp danh định là bao nhiêu và được tạo ra bằng cách nào? Mô hình thực nghiệm sử dụng mức điện áp một chiều cao áp 330V DC để mô phỏng nguồn pin cao áp của xe điện. Mức điện áp 330V DC này được tạo ra bằng cách sử dụng một bộ biến áp và chỉnh lưu chuyển đổi từ nguồn điện xoay chiều 220V AC của lưới điện sinh hoạt.

5. Mạch kích relay từ vi điều khiển STM32F103C8T6 được cấu tạo và đấu nối ra sao? Mạch sử dụng transistor NPN làm công tắc trung gian: chân Base (B) nối với chân xuất tín hiệu của STM32, chân Collector (C) nối với một đầu cuộn dây relay, đầu còn lại của cuộn dây nối vào chân 5V của STM32, và chân Emitter (E) nối về mass (GND). Khi STM32 xuất tín hiệu kích mở chân B, dòng điện chạy từ chân C qua chân E về GND, kích hoạt cuộn hút relay đóng tiếp điểm để cấp nguồn cho tải.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu và thiết kế mô hình bộ phân phối công suất trên ô tô điện" của tác giả Lê Phạm Gia Nguyên đã hoàn thành việc khảo sát cấu trúc hệ thống phân phối điện trên các dòng xe điện thương mại như Tesla Model S và VinFast VF e34. Trên cơ sở đó, tác giả đã ứng dụng thành công vi điều khiển STM32F103C8T6 kết hợp mạch lái transistor để chế tạo mô hình phần cứng PDM có khả năng đóng cắt và phân phối nguồn điện một chiều cao áp 330V DC đến các phụ tải mô phỏng. Kết quả thử nghiệm không tải và có tải cho thấy mạch vận hành ổn định, đáp ứng tốt yêu cầu phân phối điện năng an toàn theo các chế độ vận hành và sạc trên ô tô điện. Đây là công trình thực nghiệm có giá trị tham khảo kỹ thuật cao, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các hệ thống phân phối điện thông minh tích hợp CAN bus trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Tính cần thiết và phổ biến: Sự phát triển của ô nhiễm môi trường và tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng truyền thống như xăng, dầu diesel đã đẩy các nhà sản xuất ô tô tìm kiếm các phương tiện vận chuyển sạch sẽ và bền vững hơn. Xe ô tô điện ra đời như một phương tiện vận chuyển thân thiện với môi trường và hiệu quả về tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải. Tối ưu hóa hiệu suất: Hệ thống điện chịu trách nhiệm cung cấp điện năng cho động cơ và hệ thống lái điện của xe ô tô điện, là trái tim của phương tiện.

Sự hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống này phụ thuộc vào khả năng quản lý và phân phối điện năng từ hệ thống điện. Thiết kế một bộ phân phối công suất hiệu quả giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện trên xe điện. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình phân phối điện. An toàn và đáng tin cậy: An toàn là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế hệ thống điện trên xe điện.

Bộ phân phối công suất phải được thiết kế sao cho đảm bảo an toàn trong mọi điều kiện hoạt động, bao gồm cả các tình huống khẩn cấp như ngắt điện tự động khi phát hiện sự cố. Quản lý năng lượng: Quản lý năng lượng là một phần quan trọng của việc thiết kế bộ phân phối công suất trên xe điện. Bằng cách tối ưu hóa phân phối năng lượng, có thể tăng hiệu suất và tối ưu hóa thời gian hoạt động của xe điện. Thách thức kỹ thuật: Nghiên cứu và thiết kế bộ phân phối công suất trên xe điện đòi hỏi kiến thức sâu rộng về điện tử công suất, thiết kế hệ thống và kỹ thuật ô tô.

Đây là một thách thức kỹ thuật đáng giá cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực này. Tiềm năng thị trường: Với sự tăng trưởng của thị trường xe điện, việc phát triển các công nghệ mới và tiên tiến trong lĩnh vực phân phối năng lượng có thể mở ra cơ hội kinh doanh lớn cho các công ty và tổ chức nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế bộ phân phối công suất cho xe điện Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tìm hiểu lý thuyết về bộ phân phối công suất trên xe điện - Tìm hiểu lý thuyết và cách hoạt động của các linh kiện điện tử và phần mềm mô phỏng. - Tìm giải pháp và thiết kế bộ phân phối công suất - Thực nghiệm và đánh giá mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Đề tài sẽ nghiên cứu các đối tượng sau: - Điện tử cơ bản - Bộ phân phối công suất trên xe Tesla model S và Vinfast e34 - Vi điều khiển STM32F103C8T6 - Phần mềm STM32CUBEMX, Keli uVision, Proteus. Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lí hoạt động cơ bản, cách ứng dụng các linh kiện điện tử vào thiết kế mô hình và sẽ không nghiên cứu sâu vào thuật toán hay các kiến thức chuyên sâu trong lĩnh vực điện- điện tử. Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu lý thuyết: tham khảo tài liệu, đọc tài liệu trên Internet, chọn lọc và kết hợp với kiến thức đã học để áp dụng vào mạch nạp.

Mô phỏng và điều khiển: sử dụng phần mềm Proteus vẽ mạch nguyên lí, dùng phần mềm STMCUBEMX để cấu hình các chân cho vi điều khiển và Keil uVision để lập trình cho vi điều khiển.