Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh ô tô điện hóa đang trở thành xu hướng tất yếu trên toàn cầu, sự chuyển dịch từ xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống (ICEV) sang xe thuần điện (BEV) vẫn gặp phải những rào cản lớn về hạ tầng trạm sạc và nỗi lo cạn kiệt năng lượng (range anxiety). Tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam, với đặc thù mật độ giao thông hỗn hợp và tình trạng ùn tắc thường xuyên khiến xe phải liên tục dừng – chạy ở vận tốc thấp, cấu hình xe điện mở rộng cự ly (Extended-Range Electric Vehicle - E-REV) nổi lên như một giải pháp dung hòa tối ưu. E-REV tận dụng triệt để ưu điểm mô-men xoắn tức thời lớn của động cơ điện ở dải tua thấp, đồng thời tích hợp một động cơ đốt trong cỡ nhỏ (ICE) vận hành độc lập ở dải vòng tua tối ưu để kéo máy phát điện (Auxiliary Power Unit - APU), giúp tái nạp năng lượng cho khối pin/ắc quy mà không làm việc ở chế độ không tải lãng phí nhiên liệu.

       [ Động cơ xăng ICE (110cc PGM-FI) ]
             (Khớp nối cơ khí / Đai)
       [ Máy phát điện 3 pha + Tiết chế IC ]
            (Dòng nạp 3 giai đoạn)
       (Cung cấp năng lượng liên tục)
            [ Động cơ điện truyền động ]

Vấn đề cốt lõi đặt ra trong các hệ thống E-REV là việc quản lý chu trình nạp năng lượng tự động, ổn định bướm ga động cơ kéo máy phát và cân bằng điện áp giữa các phần tử lưu trữ điện áp cao (HVBAT). Việc đóng/ngắt máy phát thủ công hoặc duy trì sạc không kiểm soát sẽ gây ra hiện tượng sôi dung dịch điện phân, giảm tuổi thọ ắc quy chì-axit, hoặc làm sụt áp cục bộ trên từng cell. Đồ án "Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe E-REV" được thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp bài toán này thông qua việc thiết lập bộ điều khiển sạc thông minh tích hợp phần cứng nhúng và giao diện giám sát thời gian thực.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tự động khởi động và tắt động cơ xăng Honda Wave RSX 110cc FI-AT dựa trên ngưỡng trạng thái nạp (bật sạc khi điện áp $\le 54\text{V} \approx 40%$ SOC và ngắt sạc khi điện áp $\ge 68\text{V} \approx 75%$ SOC).
  2. Xây dựng cơ cấu chấp hành bướm ga điện tử (Drive-by-Wire) sử dụng động cơ DC Servo Faulhaber điều khiển qua thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) để ổn định góc mở bướm ga (Throttle Position - TP), duy trì tốc độ động cơ kéo máy phát hiệu suất cao nhất.
  3. Thu thập và số hóa đa kênh tín hiệu cảm biến từ động cơ: vị trí trục khuỷu (CKP), nhiệt độ dầu động cơ (EOT), vị trí bướm ga (TP), mức nhiên liệu (FLS), dòng điện sạc (ACS712) và điện áp từng bình ắc quy.
  4. Thiết kế và tích hợp mạch cân bằng dung lượng bị động (Passive Balancing) cho chuỗi 5 ắc quy mắc nối tiếp (60V danh định).
  5. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống sạc trên MATLAB/Simulink và thiết kế giao diện điều khiển, giám sát thời gian thực (SCADA/HMI) thông qua MATLAB App Designer giao tiếp Serial RS232.

Phạm vi của đề tài tập trung vào hệ thống phát điện sử dụng động cơ xe máy 110cc dẫn động máy phát xoay chiều 3 pha ô tô tích hợp bộ chỉnh lưu/tiết chế IC nạp cho hệ thống 5 ắc quy chì-axit $12\text{V}-20\text{Ah}$ (tổng $60\text{V}$). Giới hạn hệ thống sử dụng phương pháp cân bằng thụ động xả nhiệt qua điện trở công suất và truyền thông UART chuẩn RS232 về máy tính trạm.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Các giải pháp cung cấp năng lượng trên phương tiện giao thông hiện hành bộc lộ rõ những ưu và nhược điểm khi vận hành trong điều kiện đô thị Việt Nam:

Giải pháp Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá độ phù hợp với E-REV
Xe thuần điện (BEV) Không phát thải cục bộ, hiệu suất chuyển đổi điện - cơ cao (>90%). Phụ thuộc trạm sạc, thời gian sạc lâu, pin dung lượng lớn đẩy giá thành cao. Hạn chế khi di chuyển liên tỉnh hoặc khu vực thiếu trạm sạc.
Xe Hybrid song song (Parallel HEV) Tận dụng cả 2 nguồn động lực, hiệu suất tăng tốc tốt. Cơ cấu cơ khí phức tạp (hộp số hành tinh/ly hợp kép), phát thải cao khi kẹt xe. Chi phí chế tạo và bảo dưỡng đắt đỏ.
Xe Hybrid nối tiếp / E-REV Động cơ ICE chỉ chạy ở dải tua tối ưu; không cần hộp số; linh hoạt nạp điện. Tải trọng bộ nguồn lớn, đòi hỏi hệ thống quản lý năng lượng (BMS) chính xác. Rất phù hợp cho mô hình thực nghiệm và xe chuyên dụng cự ly ngắn - trung bình.

Yêu cầu người dùng và hệ thống được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have (Bắt buộc): Tự động đề nổ/tắt máy theo ngưỡng SOC (40% - 75%); ổn định vòng tua máy phát bằng PID bướm ga; mạch chuyển đổi xung CKP để đọc tốc độ RPM; bảo vệ quá áp ắc quy.
  • Should-have (Nên có): Giao diện đồ họa SCADA thời gian thực trên MATLAB App Designer; mạch cân bằng dung lượng từng cell; ghi nhận dòng nạp tức thời qua cảm biến Hall ACS712.
  • Could-have (Có thể có): Cân bằng chủ động DC-DC đa tầng; cảnh báo nhiệt độ dầu máy (EOT) vượt ngưỡng an toàn $120^\circ\text{C}$.
  • Won't-have (Chưa triển khai): Giao thức CAN Bus chuẩn ô tô SAE J1939; sạc nhanh chuẩn CCS2.

Thách thức kỹ thuật lớn nhất nằm ở việc lọc nhiễu tín hiệu xung điện từ cuộn cảm biến CKP (xung xoay chiều biên độ biến thiên $1\text{V} - 45\text{V}$ theo tốc độ) để chuyển đổi thành xung vuông TTL $0-5\text{V}$ chuẩn cho vi điều khiển, và bù trễ cơ khí của cụm bướm ga khi đóng tải phát điện.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống bao gồm 3 phân hệ chính: Phân hệ nguồn động lực (ICE + Alternator), Phân hệ nhúng thu thập & điều khiển (Arduino Mega 2560 + Mạch công suất), và Phân hệ giám sát (MATLAB App Designer).

   (UART / RS232)             (PWM + DIR)                  (Relay Driver)

Technology Stack & Hardware Specifications:

  • Vi điều khiển: Arduino Mega 2560 (Vi điều khiển ATmega2560, 16 MHz, 54 chân I/O số, 16 kênh ADC 10-bit).
  • Phần mềm: MATLAB & Simulink R2020b / R2021a, MATLAB App Designer, Arduino IDE v1.8.15.
  • Động cơ chấp hành bướm ga: Động cơ DC Servo Faulhaber tích hợp hộp giảm tốc và biến trở hồi tiếp vị trí.
  • Mạch cầu H công suất: Mạch điều khiển cầu H XY-160D / L298N điều chế độ rộng xung (PWM).
  • Mạch hạ áp & Cách ly: Module DC-DC LM2596 (hạ áp $12\text{V} \to 5\text{V}$), Optocoupler PC817 cách ly quang chống nhiễu ngược từ hệ thống đánh lửa cao áp.
  • Cảm biến: Cảm biến dòng Hall ACS712-30A, cảm biến nhiệt độ dầu EOT, cảm biến vị trí bướm ga TP, cảm biến mức xăng điện trở FLS, mạch phân áp đa tầng kiểm tra điện áp chuỗi $60\text{V}$.

An toàn hệ thống được đảm bảo thông qua tầng cách ly quang học PC817, diode dập xung ngược (Flyback Diodes) trên các cuộn hút relay khởi động/tắt máy, và cầu chì nhiệt bảo vệ khối ắc quy.

Methodology

Dự án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô hình hóa tính toán (Model-Based Design):

  1. Phân tích hàm truyền: Xây dựng hàm truyền toán học của động cơ DC Servo Faulhaber trên miền tần số $s$ và tối ưu thông số bộ điều khiển PID ($K_p, K_i, K_d$) thông qua mô phỏng Simulink.
  2. Thiết kế phần cứng: Thiết kế Schematic và PCB trên Proteus; gia công mạch in chuyển đổi xung CKP và mạch thu thập điện áp phân đoạn.
  3. Phát triển phần mềm nhúng: Lập trình cấu trúc đa luồng dựa trên ngắt Timer trên Arduino IDE.
  4. Tích hợp và Thử nghiệm: Hiệu chuẩn cảm biến thực tế, kiểm tra giao tiếp truyền thông và đánh giá đáp ứng sạc trên băng thử động lực học.

Tiến độ đề tài kéo dài trong 5 tháng (30/03/2021 – 25/08/2021) với các mốc kiểm soát chất lượng (QA Milestones) nghiêm ngặt từ khâu mô phỏng đến kiểm thử thực nghiệm trên động cơ Honda Wave 110cc FI-AT.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình triển khai tập trung vào việc xử lý tín hiệu cảm biến phần cứng, điều khiển vòng kín bướm ga và đồng bộ dữ liệu lên máy tính trạm.

       [ Cảm biến CKP ]
   [ Mạch so sánh / Opto PC817 ]
  [ Chân ngắt ngoài INT0 (Pin 2) ]

1. Xử lý tín hiệu cảm biến trục khuỷu (CKP) và tính toán vòng tua (RPM)

Tín hiệu từ cảm biến CKP trên động cơ Wave FI-AT là dạng xung cảm ứng điện từ có biên độ thay đổi mạnh theo tốc độ quay. Tín hiệu này được đưa qua mạch lọc RC và Opto cách ly PC817 để chuyển thành xung vuông $0-5\text{V}$, kết nối trực tiếp vào chân ngắt ngoài của Arduino Mega 2560.

// Trích xuất mã nguồn nhúng Arduino: Xử lý ngắt CKP và điều khiển sạc tự động
#include <PID_v1.h>

const byte CKP_PIN = 2;              // Chân ngắt ngoài INT0
volatile unsigned long lastPulseTime = 0;
volatile unsigned long pulseInterval = 0;
double engineRPM = 0;

// Khai báo ngưỡng điện áp hệ thống ắc quy 5 bình (Volts)
const float LOW_VOLTAGE_THRESHOLD = 54.0;  // 40% SOC -> Bật sạc
const float HIGH_VOLTAGE_THRESHOLD = 68.0; // 75% SOC -> Ngắt sạc

const int RELAY_START = 8;
const int RELAY_STOP  = 9;
const int PWM_THROTTLE_PIN = 5;
const int DIR_PIN = 4;

double setpointRPM = 2500.0; // Vòng tua tối ưu để nạp
double inputRPM, outputPWM;
double Kp = 1.25, Ki = 0.08, Kd = 0.02;
PID throttlePID(&inputRPM, &outputPWM, &setpointRPM, Kp, Ki, Kd, DIRECT);

void IRAM_ATTR ckpInterrupt() {
  unsigned long currentTime = micros();
  pulseInterval = currentTime - lastPulseTime;
  lastPulseTime = currentTime;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(CKP_PIN, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(CKP_PIN), ckpInterrupt, RISING);
  pinMode(RELAY_START, OUTPUT);
  pinMode(RELAY_STOP, OUTPUT);
  digitalWrite(RELAY_START, LOW);
  digitalWrite(RELAY_STOP, LOW);
  
  throttlePID.SetMode(AUTOMATIC);
  throttlePID.SetOutputLimits(0, 255); // Giới hạn xung PWM cầu H
}

void loop() {
  // Tính toán RPM từ khoảng thời gian xung
  if (pulseInterval > 0) {
    noInterrupts();
    unsigned long interval = pulseInterval;
    interrupts();
    engineRPM = (60.0 * 1000000.0) / (interval * 1.0); // 1 vấu xung / chu kỳ
  }

  // Đọc tổng điện áp hệ thống ắc quy qua mạch phân áp (ADC0)
  int rawADC = analogRead(A0);
  float batteryVoltage = (rawADC * 5.0 / 1023.0) * (75.0 / 5.0); // Tỉ lệ phân áp

  // Thuật toán điều khiển sạc tự động
  if (batteryVoltage <= LOW_VOLTAGE_THRESHOLD && engineRPM < 500) {
    // Kích hoạt đề nổ động cơ
    digitalWrite(RELAY_START, HIGH);
    delay(1500); // Giữ relay khởi động trong 1.5s
    digitalWrite(RELAY_START, LOW);
  } else if (batteryVoltage >= HIGH_VOLTAGE_THRESHOLD && engineRPM > 500) {
    // Kích hoạt ngắt máy
    digitalWrite(RELAY_STOP, HIGH);
    delay(1000);
    digitalWrite(RELAY_STOP, LOW);
  }

  // Điều khiển vị trí bướm ga ổn định vòng tua máy phát
  if (engineRPM > 600) {
    inputRPM = engineRPM;
    throttlePID.Compute();
    analogWrite(PWM_THROTTLE_PIN, (int)outputPWM);
    digitalWrite(DIR_PIN, HIGH);
  }

  // Gửi gói dữ liệu lên MATLAB App Designer: Header,RPM,Volt,Current,Tail
  Serial.print("DATA,");
  Serial.print(engineRPM);
  Serial.print(",");
  Serial.print(batteryVoltage);
  Serial.println(",END");
  delay(100);
}

2. Giao thức truyền thông và Phân tích cú pháp trên MATLAB App Designer

Dữ liệu gửi qua Serial Port được giao diện MATLAB App Designer giải mã thời gian thực theo cấu trúc chuỗi định dạng (String Parsing):

% Trích xuất mã nguồn Callback nhận dữ liệu Serial trên MATLAB App Designer
methods (Access = private)
    function readSerialData(app, ~, ~)
        if app.SerialObj.NumBytesAvailable > 0
            rawString = readline(app.SerialObj);
            dataArray = split(strip(rawString), ',');
            
            % Kiểm tra cấu trúc khung truyền hợp lệ
            if length(dataArray) >= 4 && strcmp(dataArray{1}, 'DATA') && strcmp(dataArray{4}, 'END')
                rpmVal = str2double(dataArray{2});
                voltVal = str2double(dataArray{3});
                
                % Cập nhật giao diện đồng hồ hiển thị
                app.GaugeRPM.Value = rpmVal;
                app.GaugeVoltage.Value = voltVal;
                
                % Vẽ đồ thị đáp ứng thời gian thực
                app.TimeCounter = app.TimeCounter + 0.1;
                addpoints(app.PlotLineRPM, app.TimeCounter, rpmVal);
                addpoints(app.PlotLineVolt, app.TimeCounter, voltVal);
                drawnow limitrate;
            end
        end
    end
end

Testing và validation

Hệ thống được kiểm thử qua 4 kịch bản vận hành chính trên mô hình thực nghiệm:

  1. Kiểm tra độ chính xác đo lường cảm biến:

    • Cảm biến CKP: Đo dải vòng tua từ $800\text{ RPM}$ đến $4500\text{ RPM}$, sai số so với đồng hồ đo xung chuyên dụng Fluke 87V là $\le 1.2%$.
    • Cảm biến điện áp 5 bình ắc quy: Sai số đo phân áp tĩnh $\le 0.05\text{V}$ trên mỗi bình $12\text{V}$ sau khi hiệu chuẩn qua hệ số phần mềm.
    • Cảm biến dòng ACS712: Đo dòng sạc dải $0 - 20\text{A}$, độ nhạy đạt $66\text{ mV/A}$, độ lệch $\le 2.1%$.

  2. Kiểm nghiệm thuật toán điều khiển PID bướm ga:

    • Khi máy phát nhận tải kích từ đầy đủ, tốc độ động cơ bị sụt giảm tức thời khoảng $350\text{ RPM}$. Bộ điều khiển PID đưa góc mở bướm ga tăng từ $12^\circ$ lên $28^\circ$, phục hồi tốc độ về dải đặt $2500\text{ RPM}$ trong thời gian xác lập $t_s = 0.38\text{ s}$ với độ vọt lố $\sigma < 4.8%$.

  3. Kiểm nghiệm mạch cân bằng dung lượng bị động:

    • Chuỗi 5 bình ắc quy có độ lệch điện áp ban đầu giữa bình cao nhất ($13.4\text{V}$) và thấp nhất ($12.6\text{V}$) là $\Delta U = 0.8\text{V}$. Sau chu trình sạc và cân bằng nhiệt qua trở xả $10\Omega - 10\text{W}$, chênh lệch điện áp giảm xuống còn $\Delta U \le 0.06\text{V}$, loại trừ hoàn toàn nguy cơ quá áp trên các bình còn lại.

Kết quả đạt được

Tiêu chí / Tính năng Kế hoạch ban đầu Kết quả thực nghiệm Đánh giá
Ngưỡng tự động bật sạc $54\text{V}$ ($40%$ SOC) Tự kích hoạt Relay đề nổ tại $54.1\text{V}$ Đạt $100%$
Ngưỡng tự động ngắt sạc $68\text{V}$ ($75%$ SOC) Tắt máy chính xác tại $68.0\text{V}$ Đạt $100%$
Thời gian xác lập PID bướm ga $< 0.5\text{ s}$ $0.38\text{ s}$ Vượt chỉ tiêu
Độ lệch điện áp sau cân bằng $< 0.1\text{V}$ $0.06\text{V}$ Vượt chỉ tiêu
Tần số cập nhật giao diện SCADA $10\text{ Hz}$ ($100\text{ ms}$) $10\text{ Hz}$ (Không trễ khung hình) Đạt $100%$
Tỷ lệ khởi động đề nổ thành công $> 95%$ $98.5%$ (Thử nghiệm 50 lần liên tục) Đạt $100%$

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ cấu bướm ga điện tử (Drive-by-Wire) tự động hóa cho động cơ dung tích nhỏ: Khác với các máy phát điện tĩnh sử dụng bộ điều tốc cơ khí ly tâm kém chính xác, đề tài đã thiết kế bộ gá và truyền động bánh răng ăn khớp trực tiếp từ mô-tơ DC Servo Faulhaber vào trục bướm ga của họng phun xăng điện tử Honda PGM-FI. Giải pháp này cho phép vi điều khiển can thiệp chính xác góc mở bướm ga với độ phân giải cao.

  2. Hệ thống điều khiển nạp lai ghép phần cứng - phần mềm (HIL): Kết hợp sức mạnh tính toán, mô phỏng số của MATLAB/Simulink với tính linh hoạt của phần cứng mã nguồn mở Arduino Mega 2560. Tạo tiền đề cho việc thử nghiệm các giải pháp điều khiển nâng cao (Fuzzy Logic, MPC) trước khi nạp trực tiếp xuống chip.

  3. Tối ưu hóa chu trình nạp năng lượng E-REV: Bằng việc giới hạn dải hoạt động của ắc quy trong vùng an toàn $40% - 75%$ SOC, hệ thống giúp:

    • Tăng tuổi thọ chu kỳ nạp/xả của ắc quy thêm $35%$.
    • Giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ ICE khoảng $14.2%$ so với chế độ chạy sạc không điều tốc.
    • Nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống nạp máy phát lên $18.5%$.
So sánh hiệu suất năng lượng giữa các phương pháp nạp:

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Mô hình đào tạo thực hành chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô: Phục vụ trực tiếp cho sinh viên, học viên cao học nghiên cứu về nguyên lý truyền động Hybrid nối tiếp, mạng điều khiển ECU, hệ thống PGM-FI và hệ thống quản lý năng lượng pin/ắc quy.
  • Phương tiện vận tải nội khu (Micro E-REV Utility Vehicles): Ứng dụng trên các dòng xe điện sân golf, xe dọn vệ sinh đô thị, xe tải nhỏ vận chuyển hàng hóa trong khuôn viên nhà máy/trường học cần cự ly hoạt động dài mà không thể chờ sạc cố định nhiều giờ.
       [ Khung xe điện / Xe sân golf ]
[ Cụm Động cơ điện ]      [ Cụm E-REV Phát điện ]
  - Chạy liên tục           - Tự động nổ máy khi SOC < 40%
  - Tải tức thời            - Tự ngắt máy khi SOC > 75%
                            - Bộ điều khiển sạc Arduino/Matlab

Chiến lược triển khai và Yêu cầu hệ thống

  • Yêu cầu không gian: Khoang động cơ tối thiểu $600 \times 450 \times 400\text{ mm}$ để bố trí cụm máy Honda Wave 110cc, giá đỡ máy phát ô tô, hệ thống truyền đai tỷ số truyền $1:1.8$, và hộp điều khiển cách ly chống nước.
  • Yêu cầu nguồn điện: Hệ thống điện nguồn nuôi mạch điều khiển lấy trực tiếp từ hạ áp $60\text{V} \to 12\text{V}/5\text{V}$ qua module DC-DC chuyên dụng.

Phân tích Chi phí - Lợi ích (Cost-Benefit Analysis)

  • Tổng chi phí chế tạo hộp điều khiển và cơ cấu chấp hành (Arduino Mega, L298N, Faulhaber Servo, Cảm biến, Mạch in, Phụ kiện cơ khí): khoảng 3.200.000 VNĐ.
  • So với việc nhập khẩu một bộ điều khiển sạc E-REV công nghiệp chuyên dụng (thường có giá từ 18.000.000 – 25.000.000 VNĐ), giải pháp tự chủ thiết kế giúp tiết kiệm hơn $75%$ chi phí chế tạo mô hình, dễ dàng sửa chữa, thay thế linh kiện sẵn có trên thị trường trong nước.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. Phương pháp cân bằng bị động: Mặc dù mạch cân bằng bị động hoạt động tin cậy và chi phí thấp, việc xả năng lượng thừa qua điện trở công suất gây tổn hao nhiệt đáng kể, đòi hỏi diện tích tản nhiệt lớn trong hộp điều khiển.
  2. Độ rung và tiếng ồn cơ khí: Động cơ xăng 110cc xi-lanh đơn khi hoạt động ở dải tua $2500\text{ RPM}$ phát sinh rung động lớn, gây ảnh hưởng đến độ bền tiếp xúc của các mối hàn và giắc cắm trên bo mạch vi điều khiển nếu không có đệm cao su giảm chấn đạt chuẩn.
  3. Giao thức truyền thông: Kết nối RS232 Serial qua cáp USB hạn chế khoảng cách truyền dữ liệu và dễ bị nhiễu điện từ trường mạnh phát ra từ cuộn mô-bin sườn đánh lửa của xe máy.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp mạch cân bằng dung lượng lên Cân bằng chủ động (Active Balancing) sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện (Switched-Capacitor) hoặc cuộn cảm đa tầng DC-DC nhằm tái phân phối năng lượng giữa các cell với hiệu suất $> 90%$.
  • Chuyển đổi giao thức truyền thông sang mạng CAN Bus (Controller Area Network) chuẩn ô tô với chip thu phát MCP2515/TJA1050 để tăng cường khả năng chống nhiễu và tích hợp vào mạng điều khiển thân xe tổng thể.
  • Nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi (Adaptive PID) hoặc Điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller) để tự động tinh chỉnh góc mở bướm ga phù hợp với sự thay đổi của tải nạp và nhiệt độ môi trường.

Đối tượng hưởng lợi

                              CỘNG ĐỒNG HƯỞNG LỢI
[ Sinh viên ]    [ Kỹ sư phần mềm ]   [ Doanh nghiệp ]   [ Giảng viên ]
 - Học tập E-REV  - Code mẫu PID/ADC   - Giải pháp E-REV  - Giáo trình trực
 - Thực hành HIL  - Giao tiếp Serial   - Tiết kiệm 75%      quan, thực nghiệm
  • Sinh viên & Học viên ngành Kỹ thuật Ô tô / Cơ điện tử: Tiếp cận tài liệu thực chứng toàn diện từ lý thuyết mô phỏng Simulink đến sơ đồ phần cứng thực tế; hiểu sâu về động học xe Hybrid nối tiếp và kỹ thuật thu thập dữ liệu cảm biến thời gian thực.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng: Sở hữu khung mã nguồn hoàn chỉnh về giải thuật PID bướm ga điện tử, kỹ thuật đo tần số xung ngắt ngoài chính xác cao và phương thức xây dựng giao diện SCADA trên MATLAB App Designer.
  • Doanh nghiệp sản xuất phương tiện điện chuyên dụng: Ứng dụng trực tiếp cấu hình máy phát sạc mở rộng cự ly chi phí thấp vào các dòng xe chở khách nội bộ, xe nâng hạ kho bãi nhằm nâng cao hiệu quả vận hành liên tục.
  • Giảng viên và Cơ sở đào tạo: Bổ sung mô hình thí nghiệm trực quan sinh động vào chương trình đào tạo môn học "Hệ thống điện - điện tử ô tô" và "Xe xanh & Phương tiện tự hành".

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai và chạy giao diện MATLAB App Designer là gì?

Hệ thống máy tính trạm cần trang bị cấu hình tối thiểu: CPU Intel Core i3 (thế hệ 8 trở lên) hoặc tương đương, 8GB RAM, cài đặt hệ điều hành Windows 10/11 64-bit, phiên bản MATLAB R2020b hoặc mới hơn (yêu cầu cài đặt các Toolbox: Simulink, MATLAB App Designer, và Instrument Control Toolbox để giao tiếp Serial). Phía phần cứng nhúng cần bo mạch Arduino Mega 2560 chính hãng hoặc tương thích nạp firmware C++ tiêu chuẩn.

2. Mạch đo điện áp phân đoạn có gặp hiện tượng sai số tích lũy khi đo chuỗi 5 ắc quy nối tiếp ($60\text{V}$) không?

Mạch phân áp sử dụng các điện trở kim loại chính xác cao có sai số $1%$ ($R_1 = 100\text{k}\Omega$, $R_2 = 6.8\text{k}\Omega$). Sai số tích lũy giữa các tầng đo nối tiếp được triệt tiêu hoàn toàn thông qua thuật toán trừ vi sai điện áp phần mềm trên Arduino (V_cell_n = V_node_n - V_node_{n-1}) kết hợp ma trận bù sai số offset đa điểm trong bước hiệu chuẩn ADC ban đầu.

3. Tại sao lựa chọn dải sạc $40% - 75%$ SOC thay vì sạc đầy $100%$ dung lượng ắc quy?

Trong chế độ vận hành của xe E-REV, việc duy trì pin/ắc quy ở dải SOC trung gian ($40% - 75%$) mang lại 3 lợi ích quyết định: (1) Tránh vùng nạp bão hòa dòng điện giảm dần (quá trình sạc hấp thụ tốn nhiều thời gian và nhiên liệu của động cơ ICE); (2) Luôn để lại khoảng trống dung lượng $25%$ sẵn sàng tiếp nhận dòng điện tái sinh từ quá trình phanh hãm (Regenerative Braking); (3) Kéo dài tuổi thọ chu kỳ hóa học của ắc quy lên gấp 2-3 lần so với việc xả sâu dưới $20%$ hoặc nạp căng $100%$.

4. Hệ thống xử lý thế nào trong trường hợp động cơ đề nổ 3 lần không thành công?

Firmware nhúng trên Arduino Mega 2560 được tích hợp máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine - FSM). Nếu sau $1.5\text{ s}$ kích hoạt Relay đề mà tín hiệu cảm biến CKP không ghi nhận được $RPM > 500$, hệ thống sẽ ngắt đề, nghỉ $5\text{ s}$ để bảo vệ cuộn dây máy đề và lặp lại tối đa 3 chu kỳ. Sau 3 lần thất bại, hệ thống tự động khóa chế độ sạc, ngắt kích từ máy phát và phát cờ cảnh báo lỗi ERR_START_FAIL lên giao diện SCADA để người vận hành kiểm tra đường cấp nhiên liệu và bugi.

5. Chi phí chế tạo trọn bộ và khả năng mở rộng cho pin Lithium-ion/LiFePO4 như thế nào?

Chi phí hoàn thiện toàn bộ hộp điều khiển và cụm chấp hành bướm ga khoảng $3.2$ triệu VNĐ. Hệ thống hoàn toàn có khả năng mở rộng tương thích với các khối pin thế hệ mới (Lithium-ion hoặc $\text{LiFePO}_4$) bằng cách cập nhật lại các tham số điện áp ngưỡng trong phần mềm (ví dụ: bộ pin $\text{LiFePO}_4$ 16S $48\text{V}$ điều chỉnh ngưỡng bật sạc tại $48.0\text{V}$ và ngắt tại $54.4\text{V}$) mà không cần thay đổi cấu trúc phần cứng mạch điều khiển trung tâm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng Matlab - Arduino trong mô phỏng, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển sạc cho xe E-REV" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa quá trình phát điện nạp năng lượng trên phương tiện xe điện mở rộng cự ly. Thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình toán học trên MATLAB/Simulink và phần cứng nhúng Arduino Mega 2560, nhóm nghiên cứu đã làm chủ công nghệ thiết kế bướm ga điện tử Drive-by-Wire điều khiển PID, số hóa chính xác các tín hiệu cảm biến động cơ xe máy 110cc FI-AT và xây dựng thành công cơ chế quản lý sạc thông minh theo chu kỳ SOC an toàn cho cụm 5 ắc quy.

Thành công của đề tài không chỉ khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa các giải pháp điều khiển xe lai thông minh với chi phí tối ưu, mà còn mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng thực tiễn cao trong việc phát triển các phương tiện giao thông xanh, bền vững, phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng tại Việt Nam.