Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống chiếu sáng trên xe ô tô toàn tập

Tìm hiểu chi tiết hệ thống chiếu sáng ô tô. Bài viết phân tích đầy đủ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và sơ đồ mạch điện các loại đèn phổ biến.

• Tác giả: Đỗ Quốc Huy
• Người hướng dẫn: Nguyễn Đỗ Minh Triết
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống chiếu sáng trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống chiếu sáng ô tô

Hệ thống chiếu sáng ô tô là một trong những bộ phận quan trọng nhất trên xe, đảm bảo an toàn cho người lái và những người tham gia giao thông. Hệ thống chiếu sáng bao gồm các đèn phía trước, phía sau và các thiết bị liên quan giúp xe hoạt động hiệu quả vào ban đêm và điều kiện thiếu sáng. Hiện nay, công nghệ chiếu sáng đã phát triển từ bóng đèn dây tóc thông thường sang đèn LED thông minh và đèn laser. Mỗi loại đèn có chức năng riêng biệt: đèn chiếu gần để chiếu sáng gần, đèn chiếu xa để chiếu xa, đèn sương mù cho điều kiện thời tiết xấu, và đèn xi nhan để báo hiệu. Việc hiểu rõ cấu tạo, sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống chiếu sáng giúp chủ xe bảo trì và sửa chữa kịp thời.

1.1. Vai trò và tầm quan trọng của hệ thống chiếu sáng

Hệ thống chiếu sáng ô tô đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông. Các đèn phía trước cung cấp ánh sáng để tài xế quan sát đường xá, trong khi đèn phía sau cho phép các xe khác phía sau nhận biết vị trí của xe. Đèn xi nhan báo hiệu ý định quay, đèn phanh cảnh báo khi xe đang giảm tốc độ. Công nghệ chiếu sáng thông minh hiện đại giúp giảm nguy hiểm gây ra bởi chóng chói từ xe đối diện.

1.2. Sự phát triển của công nghệ chiếu sáng

Từ những năm đầu tiên, hệ thống chiếu sáng sử dụng bóng đèn dây tóc đơn giản. Sau đó, đèn halogen được phát triển với độ sáng cao hơn. Hiện nay, công nghệ LED và đèn laser đã trở thành xu hướng, mang lại hiệu suất năng lượng tốt hơn và tuổi thọ dài hơn. Các xe cao cấp như Mercedes-Benz, BMW trang bị hệ thống đèn thông minh Multibeam LED với khả năng tự động chỉnh độ sáng theo điều kiện đường xá.

II. Cấu tạo chi tiết của hệ thống chiếu sáng

Cấu tạo hệ thống chiếu sáng ô tô bao gồm nhiều linh kiện điện tử và cơ khí phối hợp với nhau. Thành phần chính gồm: bóng đèn (bóng dây tóc, halogen, LED, hoặc laser), cầu chì bảo vệ mạch điện, rơ le điều khiển dòng điện, công tắc điều chỉnh chế độ chiếu sáng, dây dẫn truyền tải điện, và ắc quy cung cấp nguồn điện. Trong Toyota Vios 2013, cầu chì được thiết kế để bảo vệ hệ thống khi có quá tải. Bóng đèn halogen được sử dụng rộng rãi vì hiệu suất ánh sáng cao so với bóng dây tóc thông thường.

2.1. Thành phần chính của bóng đèn

Bóng đèn gồm các phần chính: dây tóc tungsten (phát sáng khi có dòng điện), bóng thủy tinh chứa khí (nitrogen hoặc halogen), đế kim loại kết nối với mạch điện. Bóng đèn halogen có bóng thủy tinh chứa khí halogen, giúp tăng nhiệt độ phát sáng và độ sáng so với bóng dây tóc thông thường. Bóng đèn LED không có dây tóc mà sử dụng diode phát sáng, tiết kiệm điện năng hơn.

2.2. Cấu tạo và chức năng cầu chì

Cầu chì là linh kiện bảo vệ quan trọng trong hệ thống chiếu sáng. Cầu chì được thiết kế để tự động đứt ngắn khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, ngăn chặn cháy nổ và hư hỏng thiết bị. Mỗi cầu chì được đặc tả với dòng điện định mức khác nhau (tính theo Ampere), tùy thuộc vào chức năng. Hộp cầu chì trên ô tô thường được lắp dưới vô-lăng hoặc trong khoang máy, chứa nhiều cầu chì dự phòng.

III. Sơ đồ mạch điện và nguyên lý hoạt động

Sơ đồ mạch điện của hệ thống chiếu sáng thể hiện cách kết nối giữa ắc quy, công tắc, rơ le, bóng đèn, và cầu chì. Nguyên lý hoạt động dựa trên định luật Ohm: khi công tắc được bật, dòng điện từ ắc quy (thường là 12V hoặc 24V) chảy qua cầu chì, rơ le, rồi đến bóng đèn, làm phát sáng. Rơ le là thiết bị điều khiển dòng điện, cho phép dòng điện mạnh chảy qua bóng đèn khi nhận tín hiệu từ công tắc. Đối với đèn chiếu gần và chiếu xa, rơ le giúp chuyển đổi giữa hai chế độ chiếu sáng khác nhau.

3.1. Nguyên lý hoạt động đèn chiếu gần và chiếu xa

Đèn chiếu gần và đèn chiếu xa sử dụng cùng một bóng đèn halogen hoặc hai bóng đèn riêng biệt. Khi công tắc ở chế độ chiếu gần, dòng điện chảy qua bóng đèn với công suất khác so với chế độ chiếu xa. Rơ le điều khiển việc chuyển đổi giữa hai chế độ. Chế độ chiếu xa được sử dụng khi đường xá không có phương tiện khác, chế độ chiếu gần để tránh chóng chói cho xe đối diện. Hệ thống đèn thông minh tự động chuyển đổi dựa trên cảm biến phát hiện xe đối diện.

3.2. Sơ đồ mạch và hoạt động của đèn tín hiệu khác

Đèn xi nhan (tín hiệu quay) hoạt động thông qua rơ le nhấp nháy, tạo ra tín hiệu nhấp nháy liên tục báo hiệu ý định quay. Đèn phanh được kích hoạt bởi công tắc phanh, sáng khi tài xế đạp phanh. Đèn sương mù được điều khiển riêng bởi công tắc riêng, được sử dụng trong điều kiện thời tiết xấu. Đèn lùi sáng khi xe được lùi, được điều khiển bởi cảm biến hoặc công tắc trên hộp số.

IV. Công nghệ chiếu sáng thông minh hiện đại

Công nghệ chiếu sáng thông minh trên xe hiện đại đã vượt xa hơn các hệ thống truyền thống. Hệ thống Multibeam LED của Mercedes-Benz sử dụng nhiều LED nhỏ được điều khiển độc lập bởi ECU (Electronic Control Unit), cho phép tự động tắt từng LED để tránh chóng chói xe đối diện. Công nghệ đèn laser mang lại độ sáng cao gấp 3 lần so với đèn LED, tiết kiệm năng lượng hơn. Hệ thống AHA (Adaptive Highbeam Assist) tự động chuyển từ chiếu xa sang chiếu gần khi phát hiện xe đối diện thông qua cảm biến camera. Đèn chiếu sáng theo đường cua giúp chiếu sáng góc quay, tăng an toàn khi lái xe đêm trên đường cong.

4.1. Công nghệ Multibeam LED và tính năng nâng cao

Công nghệ Multibeam LED sử dụng ma trận LED với hàng chục diode nhỏ, mỗi cái có thể được bật tắt độc lập. ECU xử lý thông tin từ camera và cảm biến để điều chỉnh ánh sáng theo thời gian thực. Tính năng chóng chói tự động tắt LED ở vị trí xe đối diện, tính năng nhận diện biển báo điều chỉnh độ sáng theo giới hạn tốc độ, tính năng chiếu sáng theo đường cua quay dầm ánh sáng theo hướng lái.

4.2. Công nghệ đèn laser và ứng dụng

Đèn laser sử dụng laser diode phát sáng, cho phép tập trung ánh sáng trong khoảng chiếu xa 600 mét, gấp đôi so với đèn LED. Nguyên lý phát sáng dựa trên bức xạ kích thích, tạo ra ánh sáng cực sáng với tiêu thụ năng lượng thấp. BMW M4 trang bị đèn laser LED kết hợp công nghệ LED để tăng an toàn, hiệu suất. Công nghệ laser ngày càng phổ biến trên các dòng xe cao cấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Tổng quan giải pháp công nghệ Chương 3: Tìm hiểu hệ thống chiếu sáng trên ô tô Chương 4: Tính toán hệ thống chiếu sáng Chương 5: Thi công mô hình thực nghiệm hoặc mô phỏng, đánh giá kết quả Chương 6: Kết luận và kiến nghị. 3 Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Các công trình nghiên cứu đã công bố Nghiên cứu hệ thống chiếu sáng đã không còn xa lạ với các sinh viên chuyên ngành ô tô. Các công trình nghiên cứu về nhiều mặt của hệ thống chiếu sáng được công bố ngày càng nhiều với nội dung ngày càng đa dạng. Một số đề tài nghiên cứu như: + Đề tài của nhóm tác giả “Nguyễn Thế Luân, Nguyễn Thị Kim Phụng” năm 2017 đề tài “Nghiên cứu lý thuyết, thực hiện mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô” trường ĐH SPKT TP.

Hồ Chí Minh. Trong đề tài này, tác giả đã phân tích tổng quan về lịch sử phát triển của các đèn trên ô tô, các hệ thống chiếu sáng mới nhất trên xe. Tác giả đã thực hiện mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh trên xe và các cơ chế tự điều chỉnh đèn sử dụng cảm biến ánh sáng. Tuy nhiên việc sử dụng cảm biến ánh sáng không còn phù hợp với tình hình hiện nay khi trong khu vực đô thị hệ thống đèn chiếu sáng đã phát triển có thể gây ra nhằm lẫn tín hiệu điều khiển làm cho hệ thống hoạt động không ổn định và chính xác trên thực tế nữa.

+ Đề tài của nhóm tác giả “Hồ Văn Quốc Long, Đinh Văn Sĩ” năm 2020 đề tài “Nghiên cứu lý thuyết, thực hiện mô hình hệ thống chiếu sáng trên ô tô đời mới” trường ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh. Trong đề tài này, tác giả đã phân tích nguyên lý hoạt động của các hệ thống đèn chiếu sáng thông minh hiện nay như hệ thống đèn đầu tự động bật. Hệ thống đèn liếc động khi xe vào cua hay trên các đoạn đường cong.

Và hiện tại hệ thống đèn liếc động sử dụng đông cơ servo đã không còn được sử dụng và đần được thay thế bằng các hệ thống thông minh hơn sử dụng công nghệ led 4 và được điều khiển bằng camera và các cảm biến để bật tắt các chíp led vì vậy hệ thống đèn sẽ hoạt động nhanh và chính xác hơn.2 Các thành công trong quá trình nghiên cứu Quá trình phát triển của hệ thống chiếu sáng, không thể không kể đến những nghiên cứu mang tính đột phá của các chuyên gia, kỹ sư trong lĩnh vực chiếu sáng và lĩnh vực điện ô tô. Những nghiên cứu ngày càng được cải tiến và phát triển. Bên cạnh đó, hằng năm có rất nhiều bài nghiên cứu về hệ thống chiếu sáng trên xe ô tô của các bạn sinh viên của rất nhiều các trường đại học, cao đẳng trên cả nước. Công nghệ được nghiên cứu nhiều nhất và đã thành công trên hệ thống chiếu sáng như là: + Công nghệ tăng cường dải sáng cho hệ thống chiếu sáng.

+ Công nghệ chiếu sáng tự động vào ban đêm. + Công nghệ tự động chuyển đèn cốt-pha. + Công nghệ phát hiện phương tiện đi ngược chiều và tự động điều chỉnh vùng sáng tránh gây chói mắt người đối diện. + Công nghệ tự động cân chỉnh chiều cao của chùm ánh sáng khi xe lên dốc và xuống dốc.

+ Công nghệ điều chỉnh vùng sáng tự động khi xe vào đường vòng cua. Đi cùng với hệ thống chiếu sáng là hệ thống tín hiệu cũng đã được nghiên cứu và áp dụng rất nhiều vào thực tế như: + Cảnh báo phát hiện và báo lỗi đứt dây đèn hậu. + Cảnh báo nhắc nhỡ tài xế mở đèn vào ban đêm. Tùy vào mỗi hãng sẽ có những cải tiến riêng cho phù hợp với từng điều kiện chiếu sáng và yêu cầu của hãng đề ra.

Tuy nhiên trên cơ sở các chức năng này vẫn hoạt động tương tự nhau. 5 Nhìn chung trên thị trường ô tô hiện nay, tất cả các công nghệ hiện đại nhất của hệ thống chiếu sáng đều đã được áp dụng vào thực tế trên các dòng xe hạng sang. Các dòng xe tầm trung giá thành thấp thường chỉ được áp dụng vài công nghệ nhất định.3 Một Số Hệ Thống Chiếu Sáng Thông Minh Hiện Nay 2.1 Công nghệ đèn LED thông minh Multibeam LED. 1: Cụm đèn đầu LED của Mercedes-benz E-class.

Multibeam LED là công nghệ chiếu sáng do Mercedes-benz độc quyền phát minh, ra mắt lần đầu trên những chiếc siêu sang S-Class 2014 tuy nhiên công nghệ này thực sự đỉnh cao khi áp dụng trên dòng xe E-Class th hệ thứ 5 (2017). Công nghệ này cũng mang về cho hãng giải thưởng Red Dot Award (Giải thưởng Quốc tế về Thiết kế sản phẩm). 2: Cấu tạo đèn Multibeam LED 6 Cấu tạo: - Phần trong cùng là 84 bóng đèn LED được chia làm 3 hàng và 4 bộ điều khiển giúp tính toán mô hình chiếu sáng. - Phần giữa là lăn kính sơ cấp bằng silicon với chức năng gom ánh sáng.

- Phần ngoài cùng được dùng để khuếch tán ánh sáng. Nguyên lý hoạt động: Multibeam LED là công nghệ chiếu sáng giúp mở rộng tầm quan sát của người lái trong đêm mà không gây chói hoặc lóa. Multibeam LED hoạt động bằng cách lấy dữ liệu từ các cảm biến ánh sáng và camera được gắn trên kính chắn gió, các dữ liệu sẽ được truyền đến bốn thiết bị tính toán (100 lần/giây) để cho ra mức sáng phù hợp với từng điều kiện đường, giao thông và thời tiết. a) Điều kiện đường và giao thông * Khi có xe di chuyển ngược chiều: tính năng chống chói tự động (Adaptive Highbeam Assist) được kích hoạt khi có phương tiện xuất hiện phía trước xe, những bóng đèn LED chiếu trưc tiếp vào xe đối diện sẽ bị tắt đi, trong khi các bóng còn lại vẫn sáng.

Điều này giúp cho người lái những chiếc xe phía trước không bị chói mắt, đồng thời khoảng chiếu sáng vẫn giữ nguyên không thay đổi. Ngoài ra đèn Multibeam LED còn có khả năng nhận biết các biển báo giao thông trên đường, hệ thống sẽ tắt một số bóng LED chiếu thẳng vào biển báo. 3: Tính năng chóng chói tự động. 4: Tính năng nhận diện biển báo * Khi di chuyển vào và ra đoạn đường có khúc cua: + Trong suốt chuyến hành trình, camera trên kính chắn gió sẽ liên tục theo dõi đoạn đường phía trước để xác định tiêu điểm tốt nhất cho khả năng chiếu sáng của đèn pha.

Chức năng dự đoán khả năng cung cấp khả năng chiếu sáng này rất nhạy, thậm chí còn nhanh hơn trước khi người lái xoay vô lăng để vào cua. + Nhờ chức năng này hoạt động hỗ trợ người lái quan sát mặt đường tốt hơn trong những góc cua, đèn sẽ tự động bật sáng những bóng cần thiết để đảm bảo hướng sáng nằm trên mặt đường giúp tăng khả năng quan sát mặt đường thêm 25m, giúp người lái chuẩn bị tốt trước khi vào cũng như khi ra khỏi khúc cua. 5: Tính năng chiếu sáng theo đường cua * Trước khi đến vòng xuyến: khi kết hợp với COMAND Online, Multibeam LED sẽ kích họat tính năng Juntion giúp người lái quan sát tốt hơn những khu vực có vòng xuyến. Lúc này, chức năng tự động điều chỉnh ánh sáng ở góc cua sẽ được kích 8 hoạt, ánh sáng từ đèn pha được phân bổ đều về cả bên trái lẫn bên phải.

Khả năng tự động điều chỉnh ánh sáng trước khi đến vòng xuyến này cho luồng sáng rộng hơn. * Khi di chuyển nội thành dưới tốc độ 60 km/h: City mode là tính năng tự động điều chỉnh luồn sáng thành hình rẽ quạt thành hình sáng rộng về phía hai bên để người lái quan sát xung quanh xe khi có người di chuyển trên đường phố hay xe đạp đi bên cạnh xe. * Khi vận hành trên đường cao tốc: tính năng motor way cho phép đèn tăng cường độ sáng thêm 10% khi vận hành với vân tốc trên 90 km/h. Khi vân hành 110 km/h đèn sẽ tiếp tục tăng thêm khoảng sáng, khi dưới 80 km/h tính năng này sẽ tự động tắt đi.

6: Các khoảng chiếu sáng của hệ thống đèn thông minh. b) Điều kiện thời tiết. * Khi trời mưa: các phương tiện di chuyển chiều ngược lại rất dễ bị chói mắt bởi ánh sáng phản chiếu vào mặt đường ướt của đèn pha. Lúc này, Multibeam LED sẽ điều chỉnh cường độ ánh sáng để không làm ảnh hưởng đến tầm nhìn của các phương tiện di chuyển chiều ngược lại.

7: Hệ thống đèn thông minh chiếu sáng theo diều kiện thời tiết 9 2.2 Hệ thống đèn pha LASERLIGHT 2.0 BMW Laserlight là một công nghệ chiếu sáng có hiệu suất cao với dải beam cao gấp đôi đèn pha có chứa công nghệ thông thường. BMW i8 cũng là chiếc xe sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới, trong đó công nghệ BMW Laserlight được cung cấp, một chức năng tiên phong mang tính biểu tượng cao, báo hiệu thời đại mới trong việc phát triển công nghệ sáng tạo BMW. Trong đèn pha laser, các chùm ánh sáng được gói lại với nhau để đạt được cường độ phát quang gấp 10 lần so với các nguồn ánh sáng thông thường như halogen, xenon hoặc LED. BMW Laserlight có tầm nhìn lên tới 600m, gấp đôi đèn pha với công nghệ ánh sáng thông thường.

BMW Laserlight vượt qua hiệu quả năng lượng so với công nghệ LED đã có hiệu quả cao thêm 30 %, do đó cung cấp cường độ ánh sáng đáng kể lớn hơn và giảm đáng kể điện năng tiêu thụ. Các điốt laser nhỏ hơn 10 lần so với các điốt ánh sáng thông thường, cho phép giảm chiều cao của phản xạ từ 9cm xuống dưới 3cm. Điều này lần lượt tạo ra nhiều không gian hơn trong đèn pha và cũng làm giảm trọng lượng, do đó tạo ra khả năng thiết kế mới cho xe. Cấu tạo chính của hệ thống này nằm ở bộ đèn, bao gồm: Nguồn sáng, 3 điôt laser hiệu suất cao, gương phản chiếu, ống kính phốt pho, gương.

8: Cấu tạo đèn Laser 10 * Nguyên lý hoạt động BMW Laserlight lấy những chùm laser xanh đơn sắc, mạch lạc và biến chúng thành ánh sáng trắng vô hại. Điều này được thực hiện bằng cách chiếu chùm sáng phát ra từ ba điốt laser hiệu suất cao vào một bộ gương, làm đảo chiều ánh sáng và sử dụng một ống kính đặc biệt có chứa chất phốt phát huỳnh quang bên trong nguồn ánh sáng laser. Chất huỳnh quang này chuyển đổi các chùm thành một ánh sáng trắng, vẫn còn với cường độ rất cao, mà mắt người thấy đặc biệt dễ chịu do gần tương tự với ánh sáng ban ngày.