Khảo sát ảnh hưởng của bức xạ mặt trời tới nền nhiệt trong không gian cabin ô tô du lịch

Đồ án khảo sát ảnh hưởng của bức xạ mặt trời tới nền nhiệt trong cabin ô tô tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Hà Lê Minh
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Vũ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Khảo sát ảnh hưởng của bức xạ mặt trời tới nền nhiệt trong không gian cabin ô tô du lịch
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng bức xạ mặt trời tới nền nhiệt cabin ô tô

Bức xạ mặt trời là nguồn nhiệt tự nhiên tác động liên tục lên thân xe cơ giới. Khi xe đỗ ngoài trời, năng lượng mặt trời truyền qua bề mặt kính và vỏ kim loại. Năng lượng này chuyển hóa thành nhiệt năng và giữ lại trong không gian kín. Hiện tượng hiệu ứng nhà kính vi mô xảy ra nhanh chóng. Nhiệt độ không khí và bề mặt chi tiết bên trong cabin tăng cao vượt trội so với môi trường bên ngoài. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung khảo sát hiện tượng này trên xe du lịch. Các kết quả đo đạc thực nghiệm ghi nhận nhiệt độ bề mặt táp-lô có thể vượt ngưỡng 70 độ C vào giữa trưa. Hiện tượng tích nhiệt kéo dài gây suy giảm tuổi thọ vật liệu nội thất. Hơi nóng tích tụ cũng làm tăng tải nhiệt cho hệ thống điều hòa không khí. Việc nghiên cứu cơ chế truyền nhiệt bức xạ đặt nền móng cho các giải pháp kiểm soát vi khí hậu trong xe hơi hiện đại.

1.1. Cơ chế truyền nhiệt bức xạ mặt trời vào cabin xe

Bức xạ nhiệt mặt trời truyền vào cabin chủ yếu qua cửa kính dưới dạng sóng ngắn. Kính chắn gió cho phép quang phổ khả kiến và tia cận hồng ngoại xuyên qua dễ dàng. Khi chạm vào các chi tiết tối màu như ghế da và táp-lô, năng lượng bức xạ bị hấp thụ mạnh. Các bề mặt này nóng lên và phát xạ ngược trở lại dưới dạng bức xạ hồng ngoại sóng dài. Thủy tinh ngăn cản phần lớn bức xạ sóng dài thoát ra ngoài. Hiện tượng bẫy nhiệt xuất hiện tương tự nguyên lý nhà kính. Lớp không khí sát trần xe và bảng điều khiển bị đối lưu nhiệt cưỡng bức, lan tỏa hơi nóng khắp khoang hành khách. Cơ chế này duy trì mức nhiệt rất cao.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại Đại học SPKT TP.HCM

Đề tài tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM hướng đến việc số hóa quá trình tích nhiệt cabin. Nghiên cứu tập trung thu thập dữ liệu thực tế về cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường. Nhóm tác giả xây dựng hệ thống đo lường tự động sử dụng cảm biến chuyên dụng. Dữ liệu thực nghiệm giúp xây dựng mô hình toán học dự báo nền nhiệt trong khoang xe đỗ ngoài trời. Đề tài cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá chính xác tác động nhiệt lên sức khỏe hành khách và độ bền nội thất xe. Đây là nền tảng phục vụ cải tiến hệ thống thông gió và vật liệu cách nhiệt công nghệ cao.

II. Phân tích tác động bức xạ mặt trời lên nền nhiệt cabin ô tô

Sự gia tăng nền nhiệt trong cabin ô tô gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng về an toàn và kỹ thuật. Khi xe chịu bức xạ nhiệt kéo dài, nhiệt độ không khí bên trong có thể vượt ngưỡng 60 độ C. Vùng bảng điều khiển và vô lăng tiếp nhận lượng nhiệt lớn nhất do góc nghiêng kính chắn gió. Mức nhiệt này tạo nên nguy cơ sốc nhiệt và đột quỵ đối với hành khách khi bước vào xe. Đáng lo ngại hơn, trẻ nhỏ hoặc vật nuôi bị bỏ quên trong xe đối mặt với nguy cơ tử vong chỉ sau vài chục phút. Về phương diện kỹ thuật, nền nhiệt cao làm tăng tốc độ lão hóa của các chi tiết nhựa và da tổng hợp. Các liên kết polyme bị phá vỡ, dẫn tới tình trạng giòn gãy và bạc màu. Ngoài ra, nhiệt độ cao kích thích quá trình bay hơi của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Khí độc giải phóng từ keo dán và nhựa ảnh hưởng xấu đến đường hô hấp người ngồi trong xe.

2.1. Nguy cơ say nắng sốc nhiệt đối với con người và vật nuôi

Nhiệt tích lũy trong cabin kín có thể tăng vọt lên mức cực đại chỉ trong vòng hai mươi phút phơi nắng. Thân nhiệt trẻ em tăng nhanh gấp ba đến năm lần so với người lớn khi ở trong không gian ngột ngạt. Hệ thống điều nhiệt sinh học bị tê liệt hoàn toàn khi nhiệt độ vượt quá 40 độ C. Hiện tượng mất nước cấp tính, tổn thương tế bào não và co giật diễn ra nhanh chóng. Đối với vật nuôi, việc thiếu tuyến mồ hôi khiến khả năng tự làm mát suy giảm trầm trọng. Thống kê quốc tế chỉ ra hàng chục trường hợp tử vong thương tâm mỗi năm do bị kẹt trong xe nóng. Việc hiểu rõ rủi ro nhiệt độ giúp nâng cao ý thức bảo vệ tính mạng.

2.2. Sự xuống cấp vật liệu nội thất và tiêu hao nhiên liệu xe

Nhiệt độ bề mặt táp-lô và ghế da khi hấp thụ bức xạ có thể đạt ngưỡng 75 độ C. Nền nhiệt cao làm bốc hơi các chất phụ gia dẻo trong vật liệu nhựa. Bề mặt da bị khô ráp, bong tróc và xuất hiện các vết nứt chân chim mất thẩm mỹ. Các linh kiện điện tử gắn trên kính lái như camera hành trình hay cảm biến mưa cũng dễ chập cháy. Khi bắt đầu khởi hành, điều hòa nhiệt độ phải vận hành hết công suất để giải nhiệt khẩn cấp. Máy nén lạnh hoạt động quá tải làm tiêu hao thêm 15% đến 20% lượng nhiên liệu. Quá trình này đồng thời gia tăng lượng khí thải độc hại ra môi trường tự nhiên.

III. Phương pháp khảo sát bức xạ mặt trời tác động nhiệt cabin ô tô

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm khoa học kết hợp công nghệ đo lường tự động. Nhóm kỹ sư thiết lập hệ thống cảm biến nhiệt độ đa điểm bố trí đồng đều trong khoang lái. Các vị trí đo chiến lược bao gồm bề mặt táp-lô, không gian trần xe, ghế trước và hàng ghế sau. Thiết bị đo bức xạ mặt trời chuyên dụng ghi nhận cường độ bức xạ trực tiếp và khuếch tán. Dữ liệu nhiệt độ và bức xạ được chuyển đổi tín hiệu qua vi điều khiển trung tâm. Phần mềm LabVIEW quản lý giao diện Front Panel hiển thị trực quan thông số theo thời gian thực. Sơ đồ khối Block Diagram thực hiện các thuật toán lọc nhiễu và lưu trữ dữ liệu vào máy tính. Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo nghiệm liên tục vào các khung giờ nắng gắt nhất trong ngày. Dữ liệu thực nghiệm phong phú cho phép thiết lập mô hình hồi quy phi tuyến tính chính xác. Mô hình này mô tả tương quan chặt chẽ giữa cường độ bức xạ và nhiệt độ khoang xe.

3.1. Thiết lập phần cứng và cảm biến đo đạc tự động IoT

Phần cứng của hệ thống bao gồm vi điều khiển chuyên dụng kết hợp module chuyển đổi tín hiệu chính xác cao. Cảm biến bức xạ năng lượng mặt trời Pyranometer được gắn cố định tại vị trí cao nhất ngoài nóc xe. Thiết bị ghi nhận dải quang phổ rộng với sai số cực thấp. Trong cabin, mạng lưới đầu dò nhiệt độ bán dẫn được phân bổ tại sáu điểm đặc trưng. Hệ thống truyền thông dây nối chống nhiễu liên kết trực tiếp các cảm biến về bo mạch chủ. Thiết bị thu thập liên tục tham số môi trường theo chu kỳ mỗi mười giây một lần. Toàn bộ thông tin được đóng gói dữ liệu và truyền trực tiếp về máy tính trung tâm để xử lý số liệu tức thời.

3.2. Thu thập và xử lý dữ liệu thực nghiệm qua LabVIEW

Phần mềm kỹ thuật đồ họa LabVIEW đóng vai trò điều khiển và số hóa dữ liệu thực nghiệm. Giao diện Front Panel tích hợp đồ thị sóng Waveform Graph biểu diễn biến thiên nhiệt độ cabin theo bức xạ. Người vận hành dễ dàng theo dõi trực tiếp các thông số nhiệt của từng vùng đo. Giao diện Block Diagram chứa các khối hàm toán học phân tích luồng dữ liệu liên tục. Thuật toán tự động xuất báo cáo dưới định dạng bảng số liệu chuẩn hóa. Dữ liệu thu thập trải qua bước tiền xử lý loại bỏ các giá trị dị biệt do nhiễu môi trường. Nhờ đó, tập số liệu thực nghiệm đạt độ tin cậy khoa học cao phục vụ kiểm định mô hình.

IV. Đánh giá ứng dụng giảm bức xạ mặt trời hạ nền nhiệt cabin ô tô

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra nhiều hướng ứng dụng thiết thực trong ngành công nghiệp ô tô. Dữ liệu chứng minh nhiệt độ cabin tăng tuyến tính cùng cường độ bức xạ trong ba mươi phút đầu. Sau đó, không gian xe đạt trạng thái cân bằng nhiệt ở mức rất cao nếu không có biện pháp che chắn. Các giải pháp kiểm soát nhiệt động học là yêu cầu bắt buộc đối với phương tiện tại khu vực khí hậu nhiệt đới. Việc sử dụng phim cách nhiệt gốm nano cao cấp giúp ngăn cản trên 80% tia hồng ngoại. Bạt phủ phản xạ quang học cũng giảm đáng kể lượng nhiệt truyền dẫn qua kính chắn gió. Ngoài ra, giải pháp thông gió cưỡng bức sử dụng năng lượng mặt trời khi xe đỗ giúp lưu thông khí nóng hiệu quả. Nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các nhà sản xuất xe hơi trong việc thiết kế hệ thống điều hòa thông minh.

4.1. Giải pháp dán phim cách nhiệt và vật liệu che chắn quang học

Phim cách nhiệt quang phổ chọn lọc là giải pháp kỹ thuật thụ động mang lại hiệu quả cao nhất. Lớp phủ gốm đa lớp có khả năng phản xạ và hấp thụ chọn lọc dải sóng hồng ngoại mang nhiệt. Kính xe vẫn duy trì độ xuyên sáng cần thiết đảm bảo tầm quan sát an toàn cho tài xế. Nhiệt độ bảng điều khiển giảm từ 10 đến 15 độ C sau khi trang bị phim cách nhiệt chuyên dụng. Tấm che nắng tráng bạc đặt tại kính chắn gió ngăn chặn bức xạ phản xạ trực tiếp vào táp-lô. Những giải pháp này giảm tải nhiệt ban đầu, bảo vệ bề mặt nội thất không bị giòn gãy và bạc màu.

4.2. Hệ thống thông gió chủ động và điều hòa thông minh trên xe

Bên cạnh giải pháp thụ động, hệ thống thông gió chủ động mang lại khả năng tản nhiệt vượt trội khi đỗ xe. Cửa sổ trời tích hợp pin quang điện cung cấp năng lượng độc lập cho quạt hút cưỡng bức. Quạt tản nhiệt tự động kích hoạt khi cảm biến nhận diện nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn. Dòng khí nóng tích tụ sát trần xe bị đẩy ra môi trường liên tục. Ngoài ra, các dòng xe hiện đại tích hợp tính năng khởi động điều hòa từ xa qua ứng dụng di động. Người lái chủ động kích hoạt làm mát cabin mười phút trước khi sử dụng xe. Sự kết hợp công nghệ giúp ổn định nền nhiệt và tối ưu hóa năng lượng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Phần lớn các quốc gia tại khu vực Đông Nam Á mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm quanh năm. Cùng với xu hướng gia tăng nhiệt độ toàn cầu do hiệu ứng nhà kính và suy giảm tầng ôzôn, bức xạ mặt trời tác động mạnh mẽ đến các không gian kín, đặc biệt là khoang cabin ô tô khi đỗ hoặc vận hành ngoài trời. Cabin ô tô khi chịu bức xạ nhiệt trực tiếp dễ trở thành không gian tích nhiệt cao, gây suy giảm mức độ thoải mái, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe người ngồi trong xe và làm gia tăng nguy cơ phát tán các hợp chất độc hại từ vật liệu nội thất như benzen. Bên cạnh đó, nền nhiệt cao còn làm suy giảm tuổi thọ của các thiết bị điện tử, chi tiết nhựa táp-lô và đòi hỏi hệ thống điều hòa không khí phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để làm mát.

Kế thừa và phát triển từ các nghiên cứu tiền đề, đề tài đồ án tốt nghiệp "Khảo sát ảnh hưởng của bức xạ mặt trời tới nền nhiệt trong không gian cabin ô tô du lịch" do sinh viên Hà Lê Minh và Trần Hưng Thịnh thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Quang Vũ) tập trung vào việc thiết kế bộ đo thực nghiệm và đánh giá định lượng hiện tượng truyền nhiệt trong khoang xe.

Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

1. Đánh giá tác động của bức xạ mặt trời đến phân bố nhiệt độ trong không gian cabin ô tô.
2. Đánh giá chất lượng và hiệu quả của phim cách nhiệt dán trên kính ô tô.
3. Xây dựng hàm hồi quy tuyến tính hoặc phi tuyến tính biểu diễn mối quan hệ giữa hai đại lượng bức xạ mặt trời và nhiệt độ cabin.
4. Xây dựng hàm hồi quy tuyến tính hoặc phi tuyến tính giữa mức độ cản bức xạ của kính chắn gió và nhiệt lượng trao đổi qua dàn lạnh.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm: cơ sở lý thuyết về sự truyền nhiệt và các giải pháp cách nhiệt cabin; kỹ thuật lập trình vi điều khiển ứng dụng IoT trong điện tử ô tô; các mô hình hồi quy phân tích dữ liệu nhiệt độ, bức xạ và nhiệt lượng trao đổi qua dàn lạnh.

Phạm vi nghiên cứu được xác định là việc nâng cấp, hoàn thiện phần cứng bộ đo và tiến hành khảo sát thực nghiệm trên 3 mẫu xe ô tô du lịch đại diện cho ba phân khúc A, B và C phổ biến trên thị trường (Toyota Wigo, Toyota Vios và Mazda CX-5) tại TP. Hồ Chí Minh vào tháng 05/2025. Giới hạn nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh và xử lý số liệu đo đạc thực tế, không đi sâu vào việc tính toán chi tiết cơ học kết cấu hay độ bền cơ học của từng linh kiện trên thiết bị đo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng lý thuyết hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) làm nền tảng cho việc thiết kế kiến trúc phần cứng. Một hệ thống DAQ tiêu chuẩn bao gồm bốn thành phần chính: cảm biến chuyển đổi hiện tượng vật lý thành tín hiệu điện; bộ điều hòa tín hiệu (lọc nhiễu, khuếch đại); phần cứng thu thập dữ liệu (chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC); máy tính cùng phần mềm phân tích, lưu trữ và hiển thị dữ liệu thời gian thực.

Về mặt nhiệt động lực học, nhiệt lượng xâm nhập vào cabin chủ yếu qua bức xạ mặt trời (chiếm tỷ trọng áp đảo so với nhiệt truyền dẫn qua vỏ kim loại hay nhiệt sinh ra từ thiết bị khi xe đỗ). Bức xạ mặt trời chiếu qua cửa kính bao gồm khoảng 40% ánh sáng nhìn thấy, 50% bức xạ hồng ngoại (IR - nguyên nhân chính gây nóng) và 10% tia tử ngoại (UV). Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát trong không gian cabin được xác định theo mô hình lý thuyết:

$$Q_{\text{vào}} = Q_{\text{thoát}} + Q_{\text{tích lũy}}$$

Khi xe đóng kín cửa và đỗ dưới nắng, nguồn nhiệt từ con người và thiết bị được loại trừ, truyền nhiệt dẫn qua vỏ xe được xem là thứ yếu, phương trình cân bằng nhiệt được rút gọn:

$$Q_{\text{bức xạ}} = Q_{\text{thoát}} + Q_{\text{tích lũy}}$$

Trong đó:

• Nhiệt lượng bức xạ mặt trời truyền vào: $Q_{\text{bức xạ}} = A \cdot S \cdot \alpha \cdot t$ (với $A$ là diện tích bề mặt kính, $S$ là cường độ bức xạ mặt trời theo $\text{W/m}^2$, $\alpha$ là hệ số hấp thụ vật liệu, $t$ là thời gian chiếu xạ).
• Nhiệt lượng thất thoát qua bề mặt cabin: $Q_{\text{thoát}} = U \cdot A \cdot \Delta T \cdot t$ (với $U$ là hệ số truyền nhiệt, $\Delta T$ là chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài cabin).
• Nhiệt lượng tích lũy trong không khí và vật liệu cabin: $Q_{\text{tích lũy}} = m \cdot C_p \cdot \Delta T$ (với $m$ là khối lượng không khí và vật liệu, $C_p$ là nhiệt dung riêng).

Rút gọn theo biến thời gian, quan hệ cân bằng biến thiên nhiệt độ được biểu diễn:

$$A \cdot S \cdot \alpha = U \cdot A \cdot \Delta T + m \cdot C_p \cdot \frac{\Delta T}{t}$$

Đối với việc đánh giá năng lượng làm mát khi vận hành điều hòa không khí, lưu lượng nhiệt trao đổi qua dàn lạnh ($Q$) được tính bằng:

$$Q = m \cdot C_p \cdot \Delta T$$

Trong đó lưu lượng khối lượng không khí $m$ được xác định dựa trên phương trình trạng thái khí lý tưởng $m = \frac{P \cdot V}{R \cdot T}$, với thể tích không khí lưu thông qua ống tiết diện $A$ có vận tốc gió $v$ (đo bằng máy đo gió) được tính qua công thức $V = A \cdot v = \frac{\pi D^2}{4} \cdot v$ (với $P$ là áp suất khí quyển $101325 \text{ Pa}$, $R = 287 \text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$, $D$ là đường kính ống dẫn).

Về phương pháp xử lý dữ liệu, tác giả ứng dụng các mô hình hồi quy đường cong trong phần mềm LabVIEW gồm: hồi quy tuyến tính (Linear Fit), hồi quy hàm mũ (Exponential Fit), hồi quy đỉnh Gauss (Gaussian Peak Fit) và hồi quy đa thức tổng quát (General Polynomial Fit). Các thuật toán khớp dữ liệu được đối sánh bằng phương pháp bình phương tối thiểu (Least Squares Method - LSM) và phương pháp sai số tuyệt đối tối thiểu (Least Absolute Residual - LAR). Mức độ tương thích và độ chính xác của hàm hồi quy được định lượng thông qua chỉ số sai số tuyệt đối (Residue), sai số tương đối ($S%$) và hệ số xác định phương sai ($R^2$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm nghiên cứu lý thuyết (tổng hợp tài liệu chuẩn ngành HVAC và nhiệt động lực ô tô) kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm trực tiếp (vận hành hệ thống đo đa kênh trên các mẫu xe thực tế ngoài trời, ghi nhận dữ liệu theo chuỗi thời gian).

Thiết kế và triển khai hệ thống thu thập dữ liệu

Hệ thống đo lường thực nghiệm được nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh dưới dạng một thiết bị phần cứng DAQ chuyên dụng kết nối không dây với máy tính giám sát.

Thiết bị / Linh kiện	Mã hiệu / Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm	AM2320: Dải đo nhiệt độ -40°C đến +80°C (sai số ±0.5°C); dải đo độ ẩm 0% đến 99% RH (sai số ±3% RH); giao tiếp I2C/1-Wire; thời gian đáp ứng ≤ 2 giây.	Bố trí tại các vị trí không gian đa điểm trong và ngoài cabin xe.
Cảm biến bức xạ mặt trời	ES-PR-300AL-RA: Phạm vi đo 0 đến 1800 $\text{W/m}^2$; độ phân giải 1 $\text{W/m}^2$; sai số phi tuyến < ±2%; phản ứng Cosine ≤ ±10%; thời gian đáp ứng ≤ 10 giây; giao tiếp RS485 (Modbus RTU).	Đo cường độ bức xạ mặt trời tổng cộng tại bề mặt ngoài và truyền qua kính chắn gió.
Mạch mở rộng giao tiếp	PCA9548A: Hỗ trợ 8 kênh I2C độc lập (I2C0 đến I2C7); địa chỉ 0x70 đến 0x77; tốc độ truyền dữ liệu tối đa 400 kHz (Fast Mode).	Phân nhánh giao tiếp với nhiều cảm biến AM2320 trên cùng một đường bus I2C.
Mạch chuyển đổi tín hiệu	RS485 to TTL (sử dụng IC MAX485/SP485): Tốc độ baud 1200 đến 115200 bps; hỗ trợ tối đa 32 thiết bị trên bus; cự ly tối đa 1200 m.	Chuyển đổi mức tín hiệu từ cảm biến bức xạ RS485 sang mức điện áp TTL của vi điều khiển.
Module vi điều khiển	ESP8266 NodeMCU Lua: Vi xử lý Tensilica L106 32-bit RISC (80-160 MHz); Flash 4MB; tích hợp Wi-Fi 802.11 b/g/n (chế độ AP, STA); hỗ trợ UART, I2C, SPI.	Đọc dữ liệu từ các cảm biến qua PCA9548A và cổng nối tiếp, đóng gói và truyền về máy tính qua giao thức TCP/IP.
Thiết bị đo gió	Testo 410 (Vane Anemometer): Dải đo vận tốc 0.4 đến 20 m/s; độ chính xác ±(0.2 m/s + 2% giá trị đo); độ phân giải 0.1 m/s.	Đo vận tốc dòng khí tại cửa gió dàn lạnh để phục vụ tính toán lưu lượng nhiệt trao đổi.

Quy trình triển khai phần cứng trải qua các bước: thiết kế sơ đồ nguyên lý tổng thể; vẽ và gia công mạch in PCB; thiết kế bản vẽ 2D vỏ bảo vệ thiết bị bằng phần mềm AutoCAD; lắp đặt bố trí linh kiện, đấu nối dây dẫn và tích hợp toàn bộ bo mạch vào bên trong hộp bảo vệ.

Về phần mềm, chương trình được xây dựng trên hai nền tảng:

• Arduino IDE: Dùng để viết mã nguồn điều khiển cho vi điều khiển ESP8266. Chương trình thực hiện khởi tạo bus I2C đa kênh, gửi lệnh truy vấn Modbus RTU qua giao tiếp nối tiếp đến cảm biến bức xạ, đọc dữ liệu nhiệt độ - độ ẩm từ các cảm biến AM2320 theo chu kỳ lấy mẫu, sau đó truyền toàn bộ chuỗi dữ liệu định dạng về máy tính thông qua kết nối mạng không dây TCP/IP.
• LabVIEW: Đóng vai trò là trạm thu thập và xử lý trung tâm. Giao diện Front Panel được thiết kế trực quan với các đồng hồ chỉ thị số, đồ thị thời gian thực, bảng ghi dữ liệu và ma trận hiển thị trường nhiệt độ đa điểm (Heatmap) giúp theo dõi sự phân bố nhiệt độ tức thời trong cabin. Giao diện Block Diagram chứa các khối xử lý logic tiếp nhận gói tin TCP/IP, giải mã chuỗi dữ liệu, chuyển đổi ma trận và tích hợp các công cụ toán học để khớp đường cong hồi quy dữ liệu theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương mở đầu phân tích bối cảnh biến đổi khí hậu, đặc điểm bức xạ nhiệt tại Việt Nam và tính cấp thiết của việc kiểm soát nhiệt độ trong cabin xe ô tô. Tác giả thực hiện tổng quan tình hình nghiên cứu với các công trình tiêu biểu:

• Nghiên cứu của Nguyễn Thế Lương về hiệu quả bạt cao su xốp trên xe Ford Laser 1.8 (nhiệt độ cực đại trong xe đạt 50.2°C, thấp hơn khi không dùng bạt 22.3°C, giảm 66.34% năng lượng mặt trời vào xe).
• Nghiên cứu của Nguyễn Thế Lương về hệ thống làm mát sử dụng bạt gắn pin mặt trời điều khiển MPPT (đỗ ngoài trời không bạt nhiệt độ lên tới 72.5°C, bạt thương mại đạt 65.7°C, bạt pin kích hoạt làm mát đưa nhiệt độ hạ xuống còn 32.1°C, giảm 25.2°C).
• Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Lữ Phương áp dụng mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) trên mô hình lưới poly-hexcore (với 323.926 ô hexahedra, 10 lớp prism dày 0.1 mm) để khảo sát trường nhiệt độ và dòng khí trong khoang xe hatchback ở các vận tốc quạt gió 1, 2 và 3 m/s.
• Nghiên cứu ngoài nước của Hussain H. Sidik và cộng sự đo đạc 12 vị trí trong cabin kết hợp mô phỏng CFD, chứng minh việc hạ kính 20 mm và dùng tấm che nắng giúp giảm 26% nhiệt độ bề mặt táp-lô và 27% nhiệt độ không khí tối đa.
• Công trình của Johannes Horak và cộng sự xây dựng mô hình động học dự đoán nguy cơ sốc nhiệt gây tử vong cho trẻ em và vật nuôi trong xe đóng kín dựa trên ba thông số trạm khí tượng.

Từ các nghiên cứu trước, tác giả chỉ ra khoảng trống về sự thiếu vắng của một hệ thống thiết bị đo đạc thực nghiệm đa kênh có khả năng quan trắc trực quan và phân tích dữ liệu phân bố nhiệt độ thực tế theo thời gian thực tại Việt Nam, từ đó xác lập mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi của đề tài.

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết của hệ thống đo lường DAQ; phân tích các cơ chế truyền nhiệt dẫn, đối lưu và bức xạ mặt trời (quang phổ nhìn thấy, IR, UV); cơ chế hoạt động của phim cách nhiệt thông qua các chỉ số truyền sáng (VLT), cản tia hồng ngoại (IRR) và chặn tia tử ngoại (UVR). Tác giả thiết lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng tổng thể và phương trình tính lưu lượng nhiệt trao đổi dàn lạnh. Chương này cũng phân tích thông số kỹ thuật, sơ đồ chân và nguyên lý giao tiếp của các linh kiện phần cứng (AM2320, ES-PR-300AL-RA, PCA9548A, MAX485, ESP8266, Testo 410) cùng lý thuyết các thuật toán hồi quy dữ liệu trong môi trường LabVIEW.

Chương 3: Triển khai và phát triển hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị:

• Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch tích hợp bộ vi điều khiển ESP8266 với IC chia kênh PCA9548A và cổng RS485.
• Xuất file chế tạo bản mạch in PCB, hàn linh kiện và hoàn thiện khối phần cứng.
• Sử dụng AutoCAD dựng hình vỏ hộp bảo vệ tích hợp các cổng kết nối ngoại vi.
• Xây dựng lưu đồ thuật toán và mã nguồn trên Arduino IDE nhằm thu thập dữ liệu cảm biến đa điểm và thiết lập truyền thông TCP/IP.
• Lập trình giao diện LabVIEW (Front Panel và Block Diagram) để trực quan hóa dữ liệu bằng ma trận nhiệt độ (Heatmap), vẽ biểu đồ xu hướng và thực hiện các hàm phân tích số liệu nâng cao.

Chương 4: Tiến hành thí nghiệm trên xe thực tế

Chương thực nghiệm tập trung vào quy trình bố trí thiết bị trên các xe thực tế:

• Hướng đỗ xe và định vị tọa độ lắp đặt hệ thống cảm biến nhiệt độ bên trong cabin (táp-lô, các hàng ghế trước/sau, trần xe) và bên ngoài xe; bố trí cảm biến bức xạ mặt trời ngoài trời và dưới kính chắn gió; lắp bộ đo Testo 410 tại họng gió điều hòa.
• Tiến hành đo đạc theo 3 kịch bản vận hành trên 3 mẫu xe (Toyota Wigo, Toyota Vios, Mazda CX-5) và xe Chevrolet Spark có dán phim cách nhiệt:
  1. Xe không lắp phim cách nhiệt, không bật điều hòa.
  2. Xe có dán phim cách nhiệt, không bật điều hòa.
  3. Xe có dán phim cách nhiệt, bật hệ thống điều hòa không khí.
• Thu thập dữ liệu bức xạ và nhiệt độ theo chu kỳ trong ngày (khung giờ buổi sáng từ 10h đến đỉnh nhiệt cực đại và khung giờ chiều từ 12h đến 15h).
• Chuẩn hóa số liệu thô và áp dụng mô hình hồi quy đa thức tổng quát (General Polynomial Fit) để thiết lập hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa bức xạ mặt trời và nhiệt độ cabin, cũng như mức độ cản bức xạ và nhiệt lượng trao đổi qua dàn lạnh.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được về mặt chế tạo thiết bị đo DAQ và các quy luật nhiệt độ thu thập được từ thực nghiệm; đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời vào cabin (sử dụng phim cách nhiệt chất lượng cao, tấm che nắng, điều chỉnh cửa gió điều hòa phù hợp).

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công bộ thiết bị thu thập dữ liệu nhiệt độ và bức xạ mặt trời đa kênh, truyền thông không dây thời gian thực qua giao thức TCP/IP, tích hợp giao diện hiển thị ma trận nhiệt (Heatmap) trên LabVIEW. Dữ liệu thực nghiệm thu được phản ánh rõ rệt quy luật tác động của bức xạ đến nền nhiệt cabin:

Dòng xe khảo sát	Phân khúc	Kịch bản thử nghiệm	Hiện tượng nhiệt độ và bức xạ ghi nhận
Toyota Vios	B	Không dán phim, không bật điều hòa (Đo ngày 19/05/2025).	Bức xạ đạt đỉnh làm nhiệt độ vùng táp-lô và không khí phía trước tăng nhanh nhất; phân bố nhiệt không đều giữa các vị trí.
Mazda CX-5	C	Không dán phim, không bật điều hòa & Bật điều hòa.	Khi đỗ dưới nắng, nhiệt độ cabin tích lũy lớn; khi bật điều hòa, nhiệt lượng trao đổi qua dàn lạnh tăng nhanh để bù nhiệt lượng bức xạ xuyên qua kính.
Toyota Wigo	A	Đối chứng giữa hai trường hợp: không có phim và có dán phim cách nhiệt (USFILMS).	Phim cách nhiệt làm giảm đáng kể cường độ bức xạ xuyên vào xe, kéo giảm mức tăng nhiệt độ cực đại của cabin so với trường hợp không dán phim.
Chevrolet Spark	A	Có dán phim cách nhiệt, kết hợp đo nhiệt lượng dàn lạnh.	Biểu đồ trao đổi nhiệt lượng ghi nhận sự ổn định nhiệt độ nhanh hơn khi hệ thống điều hòa kết hợp cùng bề mặt kính có phim cản bức xạ.

Về mô hình toán học, nhóm tác giả đã xây dựng thành công phương trình hồi quy theo mô hình General Polynomial Fit để biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ bức xạ ($S$) và sự biến thiên nhiệt độ cabin ($\Delta T$). Kết quả xử lý số liệu chuẩn hóa trên các dòng xe (Mazda CX-5, Toyota Vios, Toyota Wigo) cho thấy mô hình hồi quy đa thức tổng quát đạt độ tương thích cao với dữ liệu thực nghiệm, thể hiện qua hệ số xác định phương sai $R^2$ đạt giá trị tiệm cận 1 và mức sai số tuyệt đối (Residue) thấp.

Về mặt đóng góp, đề tài chuyển hóa các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng CFD thuần túy thành một hệ thống thực nghiệm thực tế có khả năng định lượng trực tiếp trường nhiệt độ và cường độ bức xạ tại Việt Nam; cung cấp công cụ trực quan hóa phân bố nhiệt độ đa điểm bằng ma trận nhiệt độ trực tiếp và thiết lập dữ liệu thực nghiệm cho các dòng xe phổ biến.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của công trình:

• Phạm vi nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc thi công hoàn thiện thiết bị đo và phân tích thống kê dữ liệu thực nghiệm trên 3 mẫu xe; chưa kết hợp tính toán giải tích chi tiết trường dòng nhiệt đối lưu phức tạp bên trong cabin.
• Đề tài chưa tiến hành tính toán kết cấu cơ học và đánh giá độ bền rung xóc, độ bền nhiệt dài hạn của vỏ hộp bảo vệ và các linh kiện điện tử khi làm việc liên tục trong điều kiện nhiệt độ cao ngoài trời.
• Dữ liệu thực nghiệm chịu sự phụ thuộc lớn vào điều kiện bức xạ và mây trời tự nhiên tại thời điểm đo đạc thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất:

• Mở rộng số lượng điểm đo nhiệt độ bằng cách tận dụng tối đa khả năng mở rộng của IC PCA9548A và chuẩn truyền thông RS485.
• Tiến hành khảo sát định lượng trên nhiều chủng loại phim cách nhiệt với các thông số VLT, IRR khác nhau để đánh giá toàn diện khả năng tiết kiệm năng lượng cho hệ thống điều hòa ô tô.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Đo lường - Điều khiển tự động.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Sơ đồ thiết kế hệ thống phần cứng DAQ mở rộng đa kênh giao tiếp phối hợp I2C và RS485 Modbus RTU sử dụng vi điều khiển ESP8266.
• Phương pháp lập trình giao tiếp truyền thông TCP/IP giữa vi điều khiển và môi trường LabVIEW để hiển thị biểu đồ nhiệt ma trận (Heatmap).
• Phương pháp luận kết hợp phương trình cân bằng nhiệt lý thuyết với kỹ thuật hồi quy đường cong thực nghiệm (General Polynomial Fit) phục vụ đánh giá hiệu quả cách nhiệt của vật liệu trên xe ô tô.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống thu thập dữ liệu trong đề tài sử dụng vi điều khiển và phương thức truyền thông nào để gửi dữ liệu về máy tính?
Hệ thống sử dụng module vi điều khiển ESP8266 NodeMCU Lua tích hợp chip xử lý Tensilica L106 32-bit. Dữ liệu thu thập từ các cảm biến được đóng gói và truyền không dây về máy tính qua kết nối Wi-Fi sử dụng giao thức TCP/IP.

2. Cảm biến đo bức xạ mặt trời được sử dụng trong đề tài có thông số kỹ thuật và chuẩn giao tiếp như thế nào?
Đề tài sử dụng cảm biến quang điện ES-PR-300AL-RA, có phạm vi đo từ 0 đến 1800 $\text{W/m}^2$, độ phân giải 1 $\text{W/m}^2$, thời gian đáp ứng ≤ 10 giây, sai số phi tuyến < ±2% và xuất tín hiệu qua giao tiếp RS485 chuẩn Modbus RTU.

3. Công thức nào được nhóm tác giả sử dụng để tính toán lưu lượng nhiệt trao đổi qua dàn lạnh xe ô tô?
Lưu lượng nhiệt trao đổi qua dàn lạnh được tính theo công thức $Q = m \cdot C_p \cdot \Delta T$. Trong đó lưu lượng khối lượng không khí $m = \frac{P \cdot V}{R \cdot T}$ với thể tích không khí $V$ được xác định từ vận tốc gió $v$ (đo bằng máy Testo 410) và diện tích tiết diện ống dẫn $A$ qua biểu thức $V = A \cdot v = \frac{\pi D^2}{4} \cdot v$.

4. Nhóm tác giả đã tiến hành thử nghiệm trên những dòng xe nào và theo các kịch bản nào?
Thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu xe đại diện cho ba phân khúc: Toyota Wigo (phân khúc A), Toyota Vios (phân khúc B), Mazda CX-5 (phân khúc C) cùng dữ liệu kiểm chứng trên xe Chevrolet Spark. Các kịch bản thử nghiệm bao gồm: không lắp phim cách nhiệt và không bật điều hòa; có phim cách nhiệt và không bật điều hòa; có phim cách nhiệt và có bật điều hòa.

5. Mô hình hồi quy nào trong phần mềm LabVIEW được lựa chọn để mô tả quan hệ giữa bức xạ mặt trời và nhiệt độ cabin?
Nhóm tác giả đã sử dụng mô hình hồi quy đa thức tổng quát (General Polynomial Fit) kết hợp phương pháp khớp dữ liệu bình phương tối thiểu (LSM) và sai số tuyệt đối tối thiểu (LAR) để biểu diễn tương quan giữa cường độ bức xạ và mức độ tăng nhiệt độ trong khoang xe.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống phần cứng và phần mềm DAQ quan trắc nhiệt độ đa điểm kết hợp cảm biến bức xạ mặt trời thời gian thực qua giao thức TCP/IP trên nền tảng LabVIEW. Thông qua các kịch bản thực nghiệm trên ba phân khúc xe ô tô du lịch phổ biến, nghiên cứu đã định lượng rõ rệt vai trò của phim cách nhiệt trong việc ngăn chặn bức xạ hồng ngoại và giảm tải nhiệt lượng tích lũy trong khoang xe. Mô hình hồi quy đa thức tổng quát được xác lập thành công với độ tương thích dữ liệu cao, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và giải pháp đo lường hữu ích cho việc đánh giá vật liệu cách nhiệt cũng như hiệu quả vận hành của hệ thống điều hòa ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Phần lớn các nước tại Đông Nam Á đều mang khí hậu nhiệt đới nóng ẩm quanh năm, đồng thời hiện nay nhiệt độ trái đất có xu hướng tăng cao do hiệu ứng nhà kính, lủng tầng ozon và chịu tác động dưới mạnh mẽ từ bức xạ mặt trời. Yếu tố này gây ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống con người hằng ngày và cũng như trong các hoạt động khi làm việc và di chuyển….Vì vậy, việc nghiên cứu, thu thập dữ liệu về nhiệt độ và bức xạ trong không gian kín, đặc biệt là cabin ô tô, mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng.

Trong điều kiện thời tiết nắng nóng, nhất là khi xe phải đỗ dưới ánh nắng trực tiếp, cabin ô tô dễ trở thành một "không gian nóng" do hiện tượng tích nhiệt và bức xạ cao, gây cảm giác khó chịu cho người sử dụng. Không chỉ ảnh hưởng đến sự tiện nghi và sức khỏe, nhiệt độ cao trong cabin còn tác động đến tính an toàn và hiệu suất làm việc của các hệ thống trên xe. Ngoài ra, các yêu cầu ngày càng cao về tiết kiệm năng lượng, tối ưu hiệu suất và nâng cao trải nghiệm người dùng đã khiến các hãng xe quan tâm nhiều hơn đến việc cải tiến thiết kế nội thất, hệ thống điều hòa cũng như vật liệu cách nhiệt. Nhận thấy tính cấp thiết và giá trị thực tiễn của vấn đề, dựa vào nền tảng, kiến thức từ đề tài đã có trước đây về chủ đề này nhóm đã quyết định thực hiện và phát triển đề tài “Khảo sát ảnh hưởng của bức xạ mặt trời tới nền nhiệt trong không gian cabin ô tô du lịch”.

Đề tài không chỉ hướng đến giải quyết các thách thức kỹ thuật mà còn tích hợp các giải pháp công nghệ thông tin và thiết bị điện tử, mang tính đổi mới và hiện đại. Nghiên cứu này hứa hẹn mở ra những hướng đi mới, đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô thông qua các ứng dụng công nghệ tiên tiến. Tình hình nghiên cứu 1.1 Trong nước Bài báo khoa học của tác giả Nguyễn Thế Lương mang tên “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả che nắng của bạt cao su xốp trên ô tô” [1], nghiên cứu hiệu quả của bạt cao su xốp trên ô tô Ford laser khi bị ảnh hưởng trực tiếp từ bức xạ mặt trời. Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa thực nghiệm với tính toán lý thuyết.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi sử dụng bạt cao su xốp có chiều dày 3mm, nhiệt độ cao nhất trong xe ô tô Ford Laser 1.8 là 50,2℃, thấp hơn so với khi không sử dụng bạt và khi sử dụng bạt thương mại lần lượt là 22,3℃ và 15,5℃. Kết quả tính toán hiệu quả năng lượng cũng cho thấy, khi sử 1 dụng bạt cao su xốp giúp giảm đáng kể năng lượng mặt trời vào xe, tổng năng lượng mặt trời vào xe khi sử dụng bạt cao su xốp giảm 66,34% so với trường hợp không sử dụng bạt che nắng.1 Cấu tạo của bạt che nắng khi lắp trên ôtô Ford Laser 1.2 So sánh nhiệt độ trong xe của bạt cao su xốp so với bạt thương mại [1] Đồng tác giả Nguyễn Thế Lương với bài nghiên cứu về vấn đề sự ảnh hưởng của nhiệt độ khi xe đỗ trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời qua vấn đề đó tác giả đã thực hiện nghiên cứu giải pháp qua đề tài “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả hệ thống làm mát ô tô đỗ ngoài trời sử dụng bạt gắn pin năng lượng mặt trời” [2], nghiên cứu này xây dựng và đánh giá hiệu quả hệ thống làm mát ô tô đỗ ngoài trời sử dụng bạt gắn pin năng lượn mặt trời.